NAND Flash 알아보기

1. NAND Flash란?

• 전원이 없어도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리
• DRAM과 달리 Refresh가 필요하지 않음
• SSD, USB 메모리, 메모리카드 등에 사용

DRAM vs NAND Flash

구분	DRAM	NAND Flash
전원 제거 시 데이터	사라짐	유지됨
주요 역할	작업용 메모리	저장장치
데이터 저장	Capacitor에 저장된 전	Floating Gate 또는 Charge Trap Layer에 저장된 전자
덮어쓰기	가능	기존 데이터 Erase 필요

2. NAND Cell의 기본 구조

NAND Flash structure (https://news.skhynix.co.kr/dram-and-nand-flash/)

• Control Gate(Top Gate) : 외부에서 전압 인가해주는 게이트
• Floating Gate(Bottom Gate) : 도전성 물질 내부에 전자를 저장하는 게이트. 절연성이 매우 높은 부도체로 둘러싸여 전자가 쉽게 탈출할 수 없는 Chamber 역할을 한다.
• Tunnel Oxide : Floating Gate와 Channel 사이의 얇은 절연막
• Channel : Source와 Drain 사이에서 전류가 흐르는 영역
• Source와 Drain

MOSFET에 Floating Gate가 추가된 구조라고 보면 된다. 

3. 전자는 어떻게 저장되는가?

NAND Cell을 Program할 때 Control Gate에 높은 전압, 즉 Program 전압을 인가하면 강한 전기장이 형성된다. 이 전기장에 의해 전자는 Fowler–Nordheim Tunneling으로 Tunnel Oxide를 통과하여 Floating Gate에 저장된다. 저장된 전하는 Cell의 Threshold Voltage V_{TH}를 변화시킨다.

4. Threshold Voltage로 논리 상태를 구별하는 원리

Floating Gate에 전자가 저장되면 전자의 음전하가 Control Gate의 전기장을 방해하므로, Channel을 형성하려면 더 높은 Gate 전압이 필요하다. 따라서 전자가 저장된 Cell은 V_{TH}가 높고, 전자가 저장되지 않은 Cell은 V_{TH}가 낮다. NAND Flash는 일정한 Read 전압을 인가한 후 Cell이 켜지는지를 감지하여 논리 상태를 판별한다.

• V_{TH}가 낮으면 Read 전압에서 Cell이 켜짐
• V_{TH}가 높으면 Cell이 켜지지 않음
• Controller는 이 차이를 논리 데이터로 해석

5. 전원이 없어도 데이터가 유지되는 이유

저장된 전자는 절연층에 둘러싸여 있으므로 외부 전원이 제거되어도 바로 빠져나가지 않는다. 그러나 완전히 영구적으로 보존되는 것은 아니며, 시간이 지나면 전하가 누설될 수 있다. -> retention 문제

6. Floating Gate와 Charge Trap Flash

Floating Gate의 한계

• 집적도가 높아짐에 따라 cell 간의 간섭이 커지는 cross talk 현상 심화
• Cell이 미세화되면 Control Gate와 Floating Gate 사이의 결합 면적이 감소하고 주변 Cell과의 간섭이 증가하므로, 충분한 Gate Coupling Ratio를 확보하면서 Cell 크기를 줄이기가 어려워짐

Gate coupling ratio
\[ \mathrm{GCR} = \frac{C_{CG}} {C_{CG}+C_{FS}+C_{FD}+C_{FCh}} \]

\(C_{CG}\): Control Gate와 Floating Gate 사이의 정전용량, \(C_{FS}\): Floating Gate와 Source 사이의 정전용량, \(C_{FD}\): Floating Gate와 Drain 사이의 정전용량, \(C_{FCh}\): Floating Gate와 Channel 사이의 정전용량

Control Gate에 인가한 전압이 Floating Gate의 전위에 얼마나 반영되는지를 나타내는 비율이다. Control Gate와 Floating Gate는 그 사이의 절연막을 통해 정전용량으로 결합된다. 그러나 Floating Gate는 Source, Drain 및 Channel과도 정전용량으로 결합되므로, Control Gate 전압이 Floating Gate에 그대로 전달되지는 않는다.

Gate Coupling Ratio가 높을수록 같은 Floating Gate 전위를 형성하는 데 필요한 Control Gate 전압이 낮아진다.

Charge Trap Flash

Charge Trap Flash는 도전성 Floating Gate 대신 절연성 물질 내부의 국부적인 Trap에 전자를 저장하는 Flash Memory이다. 전하 저장층으로는 SiN(Silicon Nitride)이 대표적으로 사용된다. 전하가 여러 Trap에 분산되어 저장되므로 저장층의 일부에 결함이 발생해도 전체 전하가 한꺼번에 빠져나갈 가능성이 작다. 또한 Cell 간 전기적 간섭을 줄이고 3D NAND 구조를 구현하는 데 유리하다. 다만 Charge Trap Flash에서도 시간이 지나면 전하가 누설되는 Retention 문제가 발생할 수 있다.

 

출처

https://news.skhynix.co.kr/principle-of-nand-flash-memory/

https://sshmyb.tistory.com/166