NAND flash란 무엇인가

NAND Flash Memory

반도체의 셀이 직렬로 배열되어 있는 플래시 메모리의 한 종류

 

플래시 메모리(Flash Memory)는 반도체 칩 내부의 전자회로의 형태에 따라 직렬로 연결된 낸드 플래시와 병렬로 연결된 노어플래시로 구분된다. 낸드플래시는 용량을 늘리기 쉽고 쓰기 속도가 빠른 반면 노어플래시는 읽기 속도가 빠른 장점을 갖고 있다. (노어플래시가 쓰기가 수천 배 느리며 이것은 치명적인 단점으로 작용한다.) 낸드 플래시는 저장 단위인 셀을 수직으로 배열하는 구조이기 때문에 좁은 면적에 많은 셀을 만들 수 있어 대용량화가 가능하다. 또한 데이터를 순차적으로 찾아가 읽기 때문에 노어플래시보다 읽기 속도는 느리지만 별도로 셀의 주소를 기억할 필요가 없어 쓰기 속도는 훨씬 빠르다. 제조 단가가 노어 플래시보다 싸다. 이론적으로 한 셀당 면적이 NOR형의 40% 수준이다. 수많은 셀을 집적해서 대용량을 구현하는 플래시 메모리에 있어서 작은 면적은 엄청난 장점이다. (면적=단가)

이처럼 낸드플래시는 소형화, 대용량화가 가능하기 때문에 다양한 모바일 기기 및 전자제품의 저장장치로 사용되고 있다.

 

낸드플래시 메모리 구조

기본적인 MOSFET 구조에 플로팅 게이트가 추가된 형태이다.

비휘발성 저장기능을 하는 낸드 플래시 메모리 구조

휘발성 메모리는 반도체에 저장된 메모리가 휘발유처럼 쉽게 날아간다는 의미이고, 비휘발성 메모리는 한번 저장된 메모리는 없어지지 않는다는 의미를 가집니다. 휘발성 메모리는 저장할 데이터가 잠시 머물다가 이동하는 캐시 기능으로 주로 사용됩니다.  반면, 비휘발성 메모리는 캐시메모리에서 받은 데이터를 반영구적으로 저장할 수 디바이스로 사용된다. 반영구적인 데이터는 플로팅 게이트(Floating Gate, FG)라는 폐쇄적인 공간을 만들어 전자를 포획해 저장합니다. 한마디로, NAND Flash=MOSFET+FG로 보면 되겠습니다. 휘발성 메모리의 대표적인 반도체가 디램이라면, 비휘발성 메모리의 대표는 낸드플래시입니다.

 

문턱전압의 기본 기능은 낸드플래시에서도 일반 MOSFET의 기능과 동일합니다. 단, 낸드플래시에서는 플로팅게이트 내 포획된 전자량에 따라 문턱전압 값을 조절하는데요. 즉, 플로팅게이트 내에 머물고 있는 마이너스 전자가 많을수록 Sub의 마이너스 채널 형성을 어렵게 하므로, 동일한 채널 두께를 만들려면 플러스 게이트 전압을 올려야 합니다. 그렇기 때문에 결국 Cell_Vth가 전자량에 비례적으로 상승하는 결과를 초래합니다. 반대로 플로팅 게이트 내에 전자를 없앨수록 Vth는 낮아집니다. (ON 상태일 때에는, 채널 두께와 드레인 전류(Id)는 항상 일정하다는 조건)

 

NAND 저장 원리

CONTROL gate에 강한 전압을 가하게 되면, Source와 Drain 사이에 흐르는 전자가 tox(터널링 옥사이드)라고 부르는 절연층을 전자가 터널링해서 Floating gate에 쌓이게 됩니다. 그리고 이 전자는 정보를 저장하게 됩니다. 

 

tox=터널링 옥사이드라고 부르는 물질로 전자가 터널링할 수 있게끔 만들어진 layer입니다. 

 

Floating gate: 전자가 저장되는 공간으로써 주로 Poly silicon을 사용하게 됩니다. why?: 폴리실리콘은 중간중간 Defect을 이용하여 전자를 trap 시킨다. (단결정으로 이루어진 Grain boundary에 전자가 저장되기 때문입니다.)

 

ONO(Oxide-Nitride-Oxider): Floating gate에 전자가 저장되고, 전압에 의해 그 밖으로 전자가 튕겨져 나오지 않도록 막기 위한 layer로써 blocking layer라고 합니다.

 

 

낸드플래시의 마술, bit 수 확장 

▲셀 내에 멀티(multi) 경우의 수를 가능하게 하여 bit 수를 확장한 개념

비휘발성 메모리는 휘발성 메모리의 단일 셀 대비 단일 bit 개념에서 탈피하여, 단일 셀 대비 bit 수를 2~3배로 확장할 수 있습니다. 그렇다면 낸드플래시는 문턱전압 Vth를 이용하여 어떻게 bit 수를 늘릴 수 있을까요?

 

그 비밀은 셀 내 경우의 수를 여러 개 만들어 bit 수를 늘린다는 것입니다. bit 수 (n)를 늘리려면 경우의 수를 2^n가지로 만들어내야 하는데요. 2개 bit 4가지 경우의 수를, 3개 bit는 8가지 경우의 수가 가능해야 합니다. 플로팅 게이트에 채워지는 전자량을 조절하면 경우의 수를 계산상으로는 무한정 구분해낼 수 있습니다만, 현재 제품 기술적으로는 1개 플로팅 게이트 당 경우의 수가 최대 8가지 옵션으로만 가능합니다. 플로팅 게이트 내에서는 전자를 몇 개 저장하느냐에 따라 Vth값이 구분됩니다. 그러므로 플로팅 게이트 내에 일정량의 전자량을 원하는 기간 동안 가두어 둘 수 있으면 Vth값을 항상 일정하게 유지되고, 그것을 이용하여 4가지 혹은 8가지 옵션을 구분해냅니다. 

 

낸드플래시 제품 구분

▲ 셀 당 bit 수 증가에 따른 낸드 플래시의 제품 종류

용량 측면에서는 디램은 1개 셀이 곧 1개 bit 만을 의미합니다. 하지만 낸드 플래시에서는 1개 셀이 1개 bit를 의미하는 SLC제품이 있는 반면, 1개 셀에 멀티 bit(MLC 혹은 TLC)를 담아내는 비휘발성 메모리 만의 고유한 방법이다. 이는 낸드플래시가 하드웨어의 셀 수는 고정시키고, 셀 당 bit 수를 늘릴 수 있는 소프트웨어적 제품 다양화를 구사하는 방법입니다.

 

NAND는 저장되는 Cell의 양에 따라서 SLC, MLC, TLC로 나누어지게 된다. 1개의 셀에 1bit만 저장하는 SLC는 매우 빠른 속도, 높은 정확성, 높은 수명을가지고 있다. MLC, TLC는 여러 정보를 1개의 Cell에 저장하는 방법이다. 이러한 기술을 통해 1개의 Cell에 여러 개의 정보를 저장하게 되면서 공정 기술 난이도가 상승하지만, 높은 속도가 구현 가능하고 한 장의 웨이퍼에 Net did(생산가능 칩의 숫자)가 증가하여 원가 경쟁력을 높일 수 있는 방법이다. 1개의 셀에 여러 정보를 이용하기 때문에 신뢰성 문제, 비정 확성 문제 등 다양한 문제가 발생할 수 있다. 그렇기 때문에 SLC는 일반적으로 오류가 적고 속도가 빨라, 장기간 높은 신뢰성을 요구하는 자동차, 항공기 스토리지 등에 주로 사용된다.