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기본적인 MOSFET 구조에 플로팅 게이트가 추가된 형태이다. 휘발성 메모리는 반도체에 저장된 메모리가 휘발유처럼 쉽게 날아간다는 의미이고, 비휘발성 메모리는 한번 저장된 메모리는 없어지지 않는다는 의미를 가집니다.
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[반도체 특강] 낸드플래시 메모리의 원리 – SK하이닉스 뉴스룸
또한, 비휘발성 메모리에서는 Vth로 셀(Cell)이 정상상태인지를 판단할 뿐 아니라, 낸드플래시(NAND Flash) 메모리의 여러 동작 기능을 측정 및 …
Source: news.skhynix.co.kr
Date Published: 10/30/2021
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[ Nandflash ] 05. 낸드플래시의 작동원리와 수명
낸드플래시 작동 원리. image-20200814135952749. 기본적인 모스펫 구조에 플로팅 게이트(부유 게이트)가 추가된 형테이다.
Source: coder-in-war.tistory.com
Date Published: 12/29/2021
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NAND Flash(낸드플래시)의 동작원리에 대해 알아보자(1)
NAND Flash(낸드플래시)의 동작원리에 대해 알아보자(1) · “NAND Flash” · Flash Memory 구조 · → MOSFET의 Gate와 채널상의 Tunnel Oxe와 Floating Gate( …
Source: amanan1004.tistory.com
Date Published: 12/7/2021
View: 1919
[NAND Flash (낸드플래시) #1] “낸드플래시, 플로팅게이트 …
NAND Flash memory 셀의 ‘Write’ 동작원리에 대해서 설명해주세요. 낸드플래시에서 정보를 저장하는 최소단위 셀은 1 transistor + 1 capacitor, 1T1C …
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Date Published: 8/29/2021
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낸드플래시(NAND Flash) 개념정리 – 공대놀이터
다음으로 NAND Flash 작동원리에 대해 알아보겠습니다. Control Gate에 전압을 인가하면. Source에서 Drain으로 이동하던 전자가.
Source: yeonidoggi.tistory.com
Date Published: 5/24/2022
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메모리-NandFlash란? 구조 및 원리 – 공대누나의 일상과 전자공학
오늘은 메모리 중에서도 낸드플래쉬 메모리에 대해서 알아보도록 … 이런 DRAM, SRAM과 Nand Flash 메모리의 가.. … NandFlash의 동작 원리.
Source: gdnn.tistory.com
Date Published: 7/21/2022
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낸드플래시(Nand Flash)에 대해 알아봅시다.
기록전압에 따라 전자저장량이 달라지는걸 감지해서 각 신호별 기록전압을 셀 상태에 맞춰 변화시켜주는겁니다. 산화막 손상으로 이전보다 전자가 더 많이 …
Source: gamma0burst.tistory.com
Date Published: 3/5/2022
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주제에 대한 기사 평가 낸드 플래시 원리
- Author: 빠른합격! SD에듀 (시대에듀)
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- Date Published: 2021. 1. 28.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=wSqgHnc84XA
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.
[반도체 특강] 낸드플래시 메모리의 원리
비휘발성 메모리에서의 문턱전압 ‘Cell_Vth’는 전류가 흐르기 시작하는 게이트 전압 값이라는 의미를 넘어, 제품의 집적도(Density)를 확장하는 마법의 요소입니다. 또한, 비휘발성 메모리에서는 Vth로 셀(Cell)이 정상상태인지를 판단할 뿐 아니라, 낸드플래시(NAND Flash) 메모리의 여러 동작 기능을 측정 및 표현할 수 있는 해결사 역할을 합니다. 이번 장에서는 문턱전압을 비휘발성 메모리의 용량 확장 영역에서 다뤄보도록 하겠습니다.
기억력이 좋은 비휘발성 메모리
▲ 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 있는 디바이스로 사용됩니다. 반영구적인 데이터는 플로팅게이트(Floating Gate, FG)라는 폐쇄적인 공간을 만들어 전자를 포획해 저장하는데요. 한마디로, NAND Flash=MOSFET+FG로 보면 되겠습니다. 휘발성 메모리의 대표적인 반도체가 디램이라면, 비휘발성 메모리의 대표는 낸드플래시입니다.
채널형성을 방해하는 플로팅게이트
▲ 플로팅 게이트 내의 전자 개체 수와 비례관계를 나타내는 문턱전압(Cell_Vth)
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 플로팅게이트 내에 전자를 없앨수록 Vth는 낮아집니다. (ON 상태일 때에는, 채널 두께와 드레인 전류(Id)는 항상 일정하다는 조건)
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 bit는 4가지 경우의 수를, 3개 bit는 8가지 경우의 수가 가능해야 합니다. 플로팅게이트에 채워지는 전자량을 조절하면 경우의 수를 계산상으로는 무한정 구분해낼 수 있습니다만, 현재 제품기술적으로는 1개 플로팅게이트 당 경우의 수가 최대 8가지 옵션까지만 가능합니다. 플로팅게이트 내에서는 전자를 몇 개 저장하느냐에 따라 Vth값이 구분됩니다. 그러므로 플로팅게이트 내에 일정량의 전자량을 원하는 기간 동안 가두어 둘 수 있으면 Vth값은 항상 일정하게 유지되고, 그것을 이용하여 4가지 혹은 8가지 옵션을 구분해냅니다.
낸드플래시 제품 구분
▲ 셀 당 bit 수 증가에 따른 낸드 플래시의 제품 종류
용량 측면에서 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 방법이 있습니다. 이는 낸드플래시가 하드웨어의 셀 수는 고정시키고, 셀 당 bit 수를 늘릴 수 있는 소프트웨어적 제품다양화를 구사하는 방법입니다.
낸드 플래시의 첫 제품, SLC
▲ SLC 제품의 원리: 1개 플로팅게이트 대비 1개 bit 수(= 2가지 경우의 수)
SLC는 2가지 경우의 수, 켜짐(ON)과 꺼짐(OFF)을 이용하여 데이터(Data)를 입출력 시킵니다. 게이트 단자에 Vth0 < Vg < Vth1를 인가할 때, 플로팅게이트에 전자가 없는 경우 Vth0 < Vg로 인해 채널이 잘 형성되어 ON-Cell로 동작합니다. 반면, 플로팅게이트에 전자가 가득 차있는 경우에는 Vg < Vth1로 인해 채널이 형성되지 않아 OFF-셀로 유지합니다. 즉, 전자가 없는 셀의 문턱전압 값인 Vth0는 낮고, 전자가 들어차있는 셀의 문턱전압 값 Vth1은 높습니다. 이렇게 낸드플래시는 MOSFET이 ON이 되는 시점의 게이트 전압을 찾아내 문턱전압의 크기를 정하고, 그때의 문턱전압 차이(Vth0, Vth1, Vth2, Vth3, 등등)로 경우의 수를 늘리는 방식을 사용합니다. SLC는 디램의 셀-bit 관계와 유사하기 때문에 이해하기가 쉽습니다. 그러나 비휘발성 메모리 기능은 MLC부터 휘발성 메모리 기능과는 확연히 달라집니다. 용량이 2배로 되는 MLC ▲ MLC 제품의 원리: 1개 플로팅게이트 대비 2개 bit 수(= 4가지 경우의 수) MLC부터는 기능이 약간 복잡해지는데요. 일단 하드웨어적으로는 플로팅게이트의 전자 수를 3개 그룹으로 나누어 저장합니다. 그러면 플로팅게이트에 저장되는 전자그룹 수는 세분화되겠지요. 그에 따라 Vth0/1/2/3의 크기가 정해집니다. 이 4가지 Vth값으로 경우의 수를 구분하면 2개 bit가 가 작동하는 디바이스로 활용이 가능합니다. MLC가 ‘데이터 입력→Code화(2개 Digit 조합)→FG에 해당되는 전자 4개그룹 저장→읽기(4개 그룹 Vth값 확인)→Decoding(SW)→데이터 출력’ 등의 여러 단계를 거쳐 문서(그림)를 저장하고 읽어냅니다. 그런데 문제는 철저하게 절연물질로 봉쇄된 플로팅게이트에, 목표로 하는 전자들을 얼마나 포획해 넣어둘 수 있느냐입니다. 또한, 그 레벨들을 제대로 측정해 읽어낼 수 있는 지에 대한 문제도 있죠. TLC 제품의 기본동작 ▲ TLC 제품의 기본 동작 원리: 1개 플로팅게이트 대비 3개 bit 수(= 8가지 경우의 수) SLC건, MLC건, TLC건 사용하는 셀의 개수는 1개입니다. TLC라고 해서 셀의 수를 증가시켜 용량을 확장하는 것은 아닙니다. TLC도 ‘데이터-코드(Code)-플로팅게이트 Charge’의 3단계 사이를 서로 변환시키며, 이 같은 기본적인 원리는 MLC 방식과 동일하지요. 단, 플로팅게이트에 저장되는 전자 그룹개수는 MLC 보다 더욱 세분화 되어 있어서 하드웨어/소프트웨어적으로 TLC는 MLC에 비해 많이 복잡해집니다. TLC는 플로팅게이트에 저장되는 전자 그룹개수를 7개 단위 레벨로 나누어 총 8가지 Vth의 옵션으로 구분해 3개 bit를 동작시킵니다. 현재 전 세계적으로 널리 사용되고 있는 TLC는 Triple Level Cell(트리플 레벨 셀)로 알려져 있는데요. 이는 잘못 해석된 것입니다. 레벨이 3개가 아니고 8개 레벨인 TLC는 초창기 낸드 제품의 작명의도에 맞게 Triple bit MLC, 혹은 Triple bit (per cell) MLC로 해석되어야 정확합니다. 데이터 압축 저장방식의 예 ▲ NAND에 입력되는 데이터를 TLC를 이용하여 압축저장 시키는 방식. (출처 : ‘NAND Flash 메모리 동작특성’ 참조) TLC를 예시로 문턱전압Vth 레벨 단위를 셀에 저장하는 방식을 알아봅시다. 데이터를 규칙성 있게 수평 축으로 여러 개 늘어놓고, 수직 축으로는 3개씩(TLC이므로) 데이터를 묶어 1개 셀에 저장시킵니다. 이때 저장 매체는 전자이고, 사전에 설정된 레벨(8가지 경우의 수) 중에서 1가지를 선택합니다. 데이터를 2개씩 묶으면 MLC가 되고, 1개씩 대응시키면 SLC가 되지요. 결국 몇 개의 데이터를 한꺼번에 묶어 1개의 셀로 표현할 수 있는지가 저장 용량을 몇 배로 확장할 수 있느냐의 관건이 됩니다. 예시를 보면 SLC로는 24개의 셀이 필요한데, TLC로 처리 함으로써 8개 셀로 동일한 데이터를 무난히 소화한 것을 확인할 수 있습니다. 낸드플래시의 제품 다변화 방식 ▲ NAND의 SLC/MLC/TLC로의 제품다변화 방식 지금까지의 설명을 요약해 SLC/MLC/TLC를 종합하면, 플로팅게이트에 전자를 저장하여 문턱전압Vth를 여러 개의 레벨로 구분합니다. 이를 경우의 수로 활용함으로써 셀 당 bit 수를 늘리는 방식이 낸드플래시에서 ‘제품 다변화’라고 하는, 용량을 확장하는 방법입니다. 통계분석 방식을 이용한 문턱전압 칩의 셀 개수 단위가 Gb이므로 문턱전압을 물리적 셀 별로 일일이 나타낼 수는 없습니다. 그렇기 때문에 셀을 몇 만개~몇 십 만개씩 일정 크기의 그룹으로 묶어 통계로 계산합니다. 물리적 셀이 수 만개로 묶여지면 셀 내에 적용되는 각 레벨 단위도 수 만개의 Vth 대표값을 도출해냅니다. 일정구간의 Vth 값을 모은 것을 Vth 분포라고 하며, 실질적으로 Vth 분포를 1개 레벨로 처리합니다. 레벨을 나타내는 Vth분포 이야기는 복잡하므로 나중에 낸드플래시 제품을 설명할 때 단계별로 소개하겠습니다. 지금까지 두 챕터에 걸쳐 문턱전압이란 무엇이고, 문턱전압을 활용해 메모리 용량을 확장하는 방식을 개념적으로 알아보았습니다. 비휘발성 메모리에서는 데이터를 셀로 연결하는 연관관계를 살펴봄으로써, MLC와 TLC에 대한 이해의 폭을 좀 더 넓힐 수 있도록 했습니다. 셀의 분포형성, 코드화, 데이터화는 낸드플래시 메모리의 제품분화에 대한 다양성을 나타내는 3대 요소라고 할 수 있습니다. 다음 장에서는 반도체 동작의 가장 기초 단위인 CMOSFET을 살펴보도록 하겠습니다. ※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.
[ Nandflash ] 05. 낸드플래시의 작동원리와 수명
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낸드플래시 작동 원리
기본적인 모스펫 구조에 플로팅 게이트(부유 게이트)가 추가된 형테이다. 저 플로팅 게이트에 전자를 저장함으로써 데이터를 저장하는 것이다. 플로팅 게이트에 전자가 있으면(많으면) 0 으로 인식 ( programmed )
으로 인식 ( programmed ) 플로팅 게이트에 전자가 없으면(적으면) 1로 인식( erased, unprogrammed ) 기본 구조는 이렇지만 현재는 플로팅게이트가 아닌 산화막에 전자를 저장하고 플로팅게이트를 생략해버리는 식(삼성, CTF) 등의 발전된 방식이 많이 존재한다.
Control Gate 에 전압을 인가하면 Source 에서 Drain 으로 이동하던 전자가 tunneling 으로 Floating Gate 로 들어가게 된다.
# Note Tunneling이란 낮은 에너지를 갖는 입자가 에너지가 높으나 공간폭이 작은 포텐셜 장벽을 횡단하는것을 의미.
Floating Gate 는 산화막에 의해 Isolation 이 되어 전원이 끊겨도 데이터가 Floating Gate 에 그대로 남아있게 되는 방식이다.
– Write
Control Gate 와 Drain 에 Positive Voltage 를 인가하여 Channel 에서 이동하는 전자들을 Floating Gate 로 끌어당김으로써 낸드플래시 상에 Write할 수 있다.
# Note 1. 중간에 절연층(산화막)이 버티고 있는데 산화막은 기본적으로 전자가 통과할 수 없다. 2. 그래서 12~24V의 고전압을 걸어주고 드레인 측에서도 그정도로 높은 전압을 걸어준다. 3. 이정도의 강력한 전계가 형성되면 전자가 충분한 에너지를 얻어서 산화막을 통과한다. 4. 통과한 전자는 플로팅게이트에 저장되어 전계가 사라져도 산화막에 의해 외부로 유출되지 않는다.
– Read
하나의 Bit Line에 다수의 셀이 직렬로 연결되어 있다. 따라서 Bit Line에 전압을 인가하면 직렬로 연결된 모든 셀에 전압이 인가가 되고 Control Gate 에 전압을 인가한 셀에서만 Channel 이 형성된다.
이 때, Floating Gate 상에 전자가 있는 셀은 Control Gate 와 Floating Gate 간 Electric Field 간섭으로 인해 Channel 에 전자가 잘 흐르지 못해 Threshold Voltage가 상대적으로 높아지게 된다.( Vth > 0 )
반면에 Floating Gate 에 전자가 없는 셀은 Electric Field 간섭이 일어나지 않으므로 Threshold Voltage가 낮다.( Vth < 0) 따라서 읽고자 하는 셀에는 0V의 전압을 인가하고 나머지 셀에는 6 ~ 6.5V 전압을 인가한다. 만약 Floating Gate 상에 전자가 있다면 0V 전압을 인가하였으므로 나머지 셀은 Channel 이 형성되는 반면, 읽고자 하는 셀에서는 Open 상태가 된다. 그러므로 전류가 잘 흐르지 않게 되고 이를 '0' 이라는 데이터로 인식하게 된다. 반대로 Floating Gate 상에 전자가 없다면 0V의 전압을 인가하더라도 Channel 이 형성되어 전류가 잘 흐르게 되어 이를 '1' 이라는 데이터로 인식하게 된다. - Erase Floating Gate 에 있는 전자.를 밖으로 방출하기 위해 Body 와 Source 에 Positive Voltage 를 역으로 인가하는 방식이다. 플래시메모리에 데이터를 저장하기 위해서는 플로팅게이트를 비울 필요가 있다. 저장될 데이터가 0 (전자저장필요)인지 1 (전자저장불필요)인지 알 수 없는 상황에서 Floating Gate 에 전자가 남아있다면 제대로 데이터를 기록할 수 없다. => 따라서 Floating Gate 를 완전히 비워야한다.
방법은 쓰기의 반대이다.
바디쪽에 12~24V의 강력한 전압을 걸어 쓰기때와 반대방향의 전계를 형성해서 Floating Gate 내의 전자를 바디쪽으로 끌어낸다.
소스측에도 Positive Voltage 를 걸어 쓰기 때와 반대 현상이 일어나도록 유도한다.
SSD의 경우 이렇게 각 셀의 데이터를 지우는 작업을 쓰기작업이 발생하기 전에 미리 진행해 놓는데 이를 Trim 이라고 한다. 이는 쓰기 속도향상에 필수적인 과정이다.
낸드플래시의 수명
낸드플래시의 읽기, 쓰기, 지우기 과정을 보면 왜 낸드플래시에 수명이 존재하는지 알 수 있다.
Floating Gate 내의 전자가 외부로 유출되지 않고 외부전자가 Floating Gate 로 유입되지 않도록 막는 것이 산화막의 역할임을 생각했을 때, 산화막의 수명이 곧 플래시메모리셀의 수명이다.
읽기, 쓰기 과정에서 전자는 산화막을 통과하는 데 앞서 말했듯이 산화막은 본래 전자가 통과할 수 없는 장벽이다. 이를 억지로 통과했으니 통과할 때마다 산화막에 손상이 발생하는 것이다.
그리고 읽기/쓰기 횟수가 늘어날 수록 전자의 통과횟수는 증가할 것이고 산화막의 손상도 누적될 것이다.
그러다가 손상이 어느 수준을 넘어서면 더이상 산화막은 제역할을 못하고 읽기/쓰기 횟수가 제한 되는 것이다. => 수명이 있는것이다..
# Note – 읽기 과정을 보면 전자가 산화막을 통과하지 않는다. – 읽기 과정에서 전자가 유출될 수 있고, 셀의 열화가 진행된 상태에서 읽기만으로 데이터가 유실되면 그걸 복구하기위한 재기록 과정에서 열화가 가중되고, 그 과정에서 전압의 영향을 일부지만 다른 셀도 받기 때문에 읽기와 수명이 완전히 연관이 없다고 볼 수는 없지만, 과정이 수명 감소에 끼치는 영향이 쓰기/지우기에 비해 적은건 사실이다.
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NAND Flash(낸드플래시)의 동작원리에 대해 알아보자(1)
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“NAND Flash”
Flash Memory 구조
→ MOSFET의 Gate와 채널상의 Tunnel Oxide와 Floating Gate(FG)를 형성함
→ Floating Gate : 전하를 저장하는 저장소 역할
동작원리(Write)
→ Program : Gate에 고전압 인가 → 채널의 전하가 Tunneling으로 FG로 이동해서 축전됨.
→ Program : FG에 전자가 있으면 0으로 인식함.
→ 통과한 전자는 FG에 저장되어 전계가 사라져도 산화막에 의해 외부로 유출되지 않게됨.
→ Erase : Body에 고전압 인가 → 축전된 전하가 Tunneling로 채널로 이동해서 방전됨.
→ Erase : FG에 전자가 없으면 1로 인식함.
동작원리(Read)
→ State에 따라 Threshold Voltage가 변화함
→ 하나의 Bit Line에 다수의 셀이 직렬로 연결되어 있다.
→ 직렬로 연결되어 있기 때문에 Bit Line에 전압을 걸면 모든 셀에 전압이 걸리고 컨트롤 게이트에 전압을 걸린 셀에만 채널이 형성된다.
읽는 방법
→ 읽을 소자를 제외한 나머지 소자 모두 Vth(Vth>0)이상의 전압을 인가한다.
→ Bit Line으로 들어온 전류가 흐르는지 여부에 따라 데이터를 On/Off로 읽는다.
○ FG에 전자가 존재하는 경우
→ 소자에 전자가 있는 경우 0V를 인가해도 채널이 형성되지 않는다.
→ 나머지 소자에는 채널이 형성되고 선택된 소자에서 Open됨.
→ 즉, Bit Line에 전압이 걸려도 전류가 잘 흐르지 않는다.
→ Open 상태이기때문에 Bit Line을 통해 유입되는 전류는 빠져나가지 못 하고 charge가 됨.
→ Bit Line의 전압강하가 적게 되고 이를 ‘0’으로 인식한다. ○ FG에 전자가 없는 경우
→ 읽을 소자에 전자가 없으면 0V(Vth<0)를 인가해도 채널이 잘 형성되고 전류가 잘 흐른다. → Short 상태라서 Bit Line을 통해 유입되는 전류가 charge되지 못 하고 Bit Line의 전압강하는 커지고 이를 '1'로 인식한다. 반응형
[NAND Flash (낸드플래시) #1] “낸드플래시, 플로팅게이트, NAND / NOR Flash”
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오늘 교육에서는 NAND flash, 낸드플래시에 대해서 알아보겠습니다. 최근 176단 낸드플래시의 경쟁이 상당히 치열합니다. 관련 내용은 하단 기사를 참조해주세요.
[질문 1]. Flash memory, 플래시메모리에 대해서 설명해주세요.Flash memory는 전기적으로 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 저장장치 EPROM에서 파생된 저장장치 입니다. 블록이라는 단위로 데이터를 지우고 바이트 수준에서 데이터를 다시 쓰는 비휘발성 메모리의 일종입니다. Flash memory는 장치의 전원의 on/off 여부와 관계없이 데이터를 장기간 보존할 수 있는 특징을 가집니다. USB, SD카드, 스마트폰, 태브릿, 노트북 등 소비자용 저장장치 그리고 엔터프라이즈 데이터 센터나 임베디드 컨트롤러 같이 응용처의 범위가 상당히 넓습니다. 대표적인 Flash memory로 NAND Flash 기반 SSD는 종종 I/O 애플리케이션의 성능을 가속화하기 위해 사용됩니다. NOR flash는 기본 입출력 시스템 (BIOS)과 같은 제어코드를 PC에 저장할 때 종종 사용됩니다.
[꼬리 1-1]. Read Only Memory, ROM과 Fresh memory의 차이점에 대해서 설명하세요.Flash memory와 ROM은 전원이 off되도 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리입니다. 하지만, Programmable ROM, PROM은 한 번 데이터를 기록하면 다시 기록할 수 없습니다. 그래서 PROM은 기억할 정보를 소자의 제조와 동시에 설정하고, 정보를 소자의 구조로서 기억하기 때문에 바꾸어 쓸 수 없습니다. Erasable PROM, EPROM은 자외선을 조사하면 데이터를 지울 수 있는 UV-EPROM과 전기적으로 데이터를 지우는 Electrically EPROM, EEPROM이 있습니다. UV-EPROM의 경우 Erase 방식이 번거롭기 때문에 현재는 잘 사용하지 않습니다. 그래서 후자인 EEPROM은 현재의 Flash memory로 발전하게 되었습니다. 플래시메모리가 ROM에서 파생됐고, 데이터를 유지한다는 측면에서 ROM과 유사하지만 memory addressing이 아닌 sector addressing을 한다는 특성으로 주기억장치로 분류되는 ROM이 아닌 하드디스크 HDD와 유사한 보조기억장치로 분류됩니다.
[꼬리 1-2]. 플래시 메모리의 장점에 대해서 설명하세요.플래시메모리은 DRAM, SRAM과 달리 전원이 off 되더라도 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성 메모리입니다. 작고 가벼우면서, 자기매체나 광학 매체와 달리 기계적인 충격에 강하고, 고온이나 습기에도 내구성이 강합니다. 플래시메모리는 전력소모가 낮으며 큰 블록에서 데이터를 소거할 수 있는 특징이 있습니다.
[꼬리 1-3]. 플래시 메모리의 종류에 대해서 설명하세요.플래시메모리는 대표적으로 NAND Flash와 NOR Flash로 구분됩니다. NAND Flash는 각 셀이 직렬로 연결되어 있기 때문에 Random access가 불가능하고 각 셀에서 순차적으로 데이터를 읽어내는 방식입니다. 그래서 NOR flash 대비 데이터 Read 속도가 느리지만, 메모리 블록이 여러 페이지로 나누어져 있기 때문에 Write/Erase 속도가 더 빠릅니다. Read 속도가 느리기 때문에 컴퓨터 메모리로는 알맞지 않지만, 다양한 이동식 저장매체와는 적합합니다.
NOR Flash는 각 셀이 병렬형태로 이루어져 있습니다. 그래서 Read 시 Random access가 가능합니다. 즉, Read 속도가 NAND보다 빠릅니다. 하지만 데이터를 덮어 쓰거나 지우는 것은 Random access가 불가능하기 때문에 Write/Erase 속도가 느립니다. 그 이유는 Read 시에는 페이지 단위로 데이터를 읽을 수 있어 속도가 빠르지만, 해당 페이지를 덮어쓰거나 지우는 것은 모든 블록을 지워야 하기 때문에 속도가 느린 것입니다. 또한 각 셀이 병렬 형태이기 때문에 각 셀을 개별적으로 접근하기 위한 전극이 필요하게 되고, 그래서 NAND Flash보다 더 넓은 면적이 요구되어 집적도 측면에서 다소 불리합니다 .
NAND vs. NOR – Cell structure
[질문 2]. NAND Flash memory 셀의 ‘Write’ 동작원리에 대해서 설명해주세요.낸드플래시에서 정보를 저장하는 최소단위 셀은 1 transistor + 1 capacitor, 1T1C 구조의 DRAM과 달리 Transistor로만 구성되어 있습니다. 초기의 NAND Flash의 셀은 전압을 인가하는 Control gate와 전하를 저장하는 Floating gate로 구분됩니다. Floating gate는 절연막으로 둘러쌓여 전하를 붙잡아 놓기 때문에 전원이 꺼지더라도 전하들이 빠져나가지 못해 데이터가 보존되는 것입니다.
Control gate와 Body에 고전압을 인가함에 따라 Tunneling에 의해 전하가 floating gate에 charge 되거나 discharge 되는지에 따라 ‘0’과 ‘1’을 판단합니다. Write 동작원리는 Control Gate에 고전압을 인가하여 채널의 전하가 tunneling 돼서 Floating gate로 이동하여 전하가 저장되면 ‘0’으로 인식하는 Program 과정과, Body에 고전압을 인가함으로써 Floating gate 내의 전자가 tunneling으로 channel로 discharge되면 Floating gate에 전자가 없으므로 ‘1’로 인식하는 Erase 과정이 있습니다.
[꼬리 2.1]. NAND Flesh memory 셀의 ‘Read’ 동작원리에 대해서 설명하세요.낸드플래시는 Floating gate에 전하의 저장 여부에 따라 ‘0’과 ‘1’을 구분하고 Erased & Programmed state에 따라 threshold voltage가 변화합니다. 이 Threshold voltage의 변화를 이용하여 저장된 Data를 read할 수 있습니다. 읽고자 하는 Cell에는 threshold voltage 이하의 전압을 나머지 Cell은 threshold voltage 이상의 전압을 인가합니다. 만일, Floating gate에 전하가 차있는 Programmed state라 하면, 해당 Cell에는 Vth 이하의 전압이 인가됐기 때문에 channel이 형성되지 않아 Open 상태입니다. 이 때를 ‘0’의 정보로 읽습니다. 만일 읽고자 하는 Cell이 Floating gate에 전자가 없는 Erased state 상태라면 0V에도 Channel이 형성되어 Bit line으로부터 흘러온 전류가 charging되지 않아 전압강하가 발생합니다. 이때 ‘1’이라 인지하고 정보를 read합니다.
[세부설명] NAND Flash, 낸드플래시의 동작원리낸드플래시는 위와 같은 구조를 가집니다. 기존 MOSFET 구조에서 Gate와 channel 상에는 Tunnel Oxide가 존재합니다. 그리고 Control gate에 바이어스 인가 시 tunnel oxide를 뚫고, 전하가 저장되는 Floating gate가 존재합니다.
■ NAND Flash, Write → Program & Erase
① Program : Control gate에 고전압 인가 → Channel 내의 전하가 Tunneling 되면서 Floating gate로 이동하고 축적됨. “Floating gate 내에 전자가 있으면 ‘0’
② Tunneling을 통해 Floating gate로 저장된 전하는 전계가 사라져도, Tunnel oxide에 의해 외부로 누설될 수 없음.
③ Erase : Body에 고전압을 인가 → Floating gate에 축적된 전하가 Body의 고전압에 의해 Tunneling 되어 channel로 discharge됨. “Floating gate에 전자가 없으면 ‘1’”
■ NAND Flash, Read
NAND Flash는 Floating gate에 전하의 유무에 따라 ‘0’과 ‘1’의 상태를 구분합니다. 그리고 이 상태에 따라 Transistor의 threshold voltage의 변화가 생기고 이 변화를 이용하여 ‘0’과 ‘1’의 데이터를 읽어옵니다.
NAND Flash는 위 그림과 같이 Bit Line에 다수의 cell이 직렬로 연결되어 있는 구조를 가집니다. 직렬로 연결된 Bit line에 바이어스를 인가하면, Transistor는 모두 전압이 인가되고 Word line으로 특정 Control gate에 전압을 인가한 셀에만 Channel이 형성됩니다.
이때 Data를 읽는 방법은 다음과 같습니다.
① Bit line에 전압을 인가하여 모든 transistor에 전위차를 형성해줍니다.
② 읽고자 하는 셀의 소자를 제외한 나머지 셀 소자에 모두 threshold voltage, Vt 이상의 전압을 인가합니다.
③ Bit line으로 흘러들어온 전류가 흐르는지 안흐르는지에 따라 데이터의 High/Low를 판단합니다.
조금 더 직관적으로 다루어보도록 하겠습니다. ■ Floating gate에 전하가 존재하는 경우. ‘Programmed state’
① 소자에 전자가 있는 경우, 0V를 인가하면 Channel이 형성되지 않습니다.
② 나머지 소자에는 Vth2 이상의 전압을 인가했기 때문에 channel이 형성됩니다.
③ Floating gate에 전하가 축전되어 있는 소자는 open 상태입니다.
④ 따라서, Bit Line에 전압이 인가된다 하더라도 전류가 흐르지 않습니다.
⑤ Open 상태이기에 Bit Line을 통해 유입된 전류는 빠져나가지 못하고 charging 됩니다.
⑥ 그 결과 Bit Line의 전압강하의 변화폭은 작으며, 이 상태를 ‘0’으로 인식합니다.
■ Floating gate에 전하가 존재하지 않는 경우. ‘Erased state’
① 읽고자 하는 셀의 Floating gate에 전하가 없는 경우, 0V를 인가해도 Channel이 형성됩니다. ‘short 상태’
② Channel로 전자가 흐르게 되면서 Bit line에서 유입된 전류가 charging 되지 못 하게 됩니다.
③ 그 결과 Bit Line의 전압강하는 커지게 되며, 이 상태를 ‘1’로 인식합니다.
■ 아래와 같은 상황을 통해 적용시켜보겠습니다.
Bit Line에는 바이어스가 인가된 상태이며, Red box 된 부분은 Programmed state로 이미 floating gate에 전하가 축적된 상태입니다. 그리고, 위에서 Programmed state와 Erased state를 구분하는 Threshold voltage는 그림과 같이 Vth1=0V, Vth2 > Vth1로 가정하겠습니다.
NAND Flash의 특징은 DRAM과 달리 read 시 random access가 불가능하여, 순차적으로 Cell을 읽어야 합니다. 그래서 Read 속도가 느린 것입니다. 우선 읽고자 하는 Cell#0의 state를 확인하기 위해 Cell#0에 0V, 나머지는 Vth2 이상의 전압을 인가합니다. Vth2 이상의 전압을 인가한 다른 셀들은 모두 channel이 형성됩니다. Cell#0은 floating gate에 charge가 저장되어 있기 때문에 Threshold voltage가 증가했고, channel이 형성되지 않습니다.
그 결과, Open된 상태이기 때문에 Bit line에서 흘러들어온 전류는 흐르지 못하고 charging 됩니다. 이 때, ‘0’의 정보를 Read합니다. Cell#1을 보도록 하겠습니다. Cell#2를 제외한 나머지 셀에는 Vth2 이상의 전압을 인가합니다. Cell#2의 Threshold voltage는 Vth1=0V이기에 0V를 인가하더라도 Channel이 형성됩니다. 나머지 Vth2 이상의 전압을 인가한 다른 셀들 모두 Channel이 형성됐기 때문에 전류가 흐르게 됩니다.
이때 Bit Line에서 유입된 전류가 charging 되지 못하면서, 전압강하가 일어납니다. 이때를 ‘1’로 인식하고 정보를 읽어옵니다.
구분 NAND type NOR type 용도 USB 메모리, SSD 등 보조저장매체 RAM 처럼 실행 가능한 코드 저장 읽기 속도 Random access이나 한 블록이 모두 동작하기에 비교적 느림 셀 단위 Random access.
빠름. 쓰기 속도 한 번에 한 블록을 통쨰로 기록함.
빠름 한 셀씩 기록하기 때문에 느림. 밀도 (집적도) 고밀도 저밀도 용량 대비 가격 저가 고가 비유 서류더미를 수직으로 높히 쌓은 구조 서류에 색인을 붙여 제대로 분류해놓은 구조 대표 기업 삼성전자, SK하이닉스, 키오시아, 마이크론 테크놀로지 인텔 (NOR 플래시 메모리 최고) 상황 NOR type 플래시 메모리는 잘 사용되지 않습니다. 내장 부트로더가 NAND type 플래시메모리에서 부트 블록을 읽어서 RAM에 복사해놓고 실행하기 때문에 NOR 타입 플래시를 많이 쓰지 않아 NOR type의 입지가 많이 줄어든 상태입니다.
[세부설명] 비트 크기여러분들 오늘은 NAND Flash memory에 대해서 알아보았습니다. 이러한 NAND Flash에도 기술로드맵이 존재하는데요. 오늘은 Floating gate Flash memory에 대해서 자세히 다루어보았고, 다음 교육에서는 CTF, VNAND에 대해서 심도있게 다루어보도록 하겠습니다.
오늘 하루도 고생 많으셨습니다.
From 교관 홍딴딴
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낸드플래시(NAND Flash) 개념정리
낸드플래시를 설명하기 이전에
DRAM과 플래시메모리(Flash Memory)의 차이에 관해 설명하겠습니다.
저장방식에 있어서 DRAM은 캐패시터에 데이터를 저장하는 반면,
플래시메모리는 플로팅게이트(Floating Gate:FG)라는 곳에
데이터를 저장하는 차이가 있습니다.
따라서 DRAM은 휘발성, 플래시메모리는 비휘발성의 특징을 가지게 됩니다.
이제 본격적으로 낸드플래시에 대해 설명하도록 하겠습니다.
낸드플래시(NAND Flash)는 반도체 셀이 직렬로 배열되어 있는 플래시 종류로
쓰기속도가 빠릅니다.
그리고 셀을 수직으로 배열하기 때문에
좁은 면적에 많은 셀을 만들 수 있어서
대용량화할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
단점으로는 메모리 중에서 가장 읽기속도가 느리다는 단점이 있습니다.
다음으로 NAND Flash 작동원리에 대해 알아보겠습니다.
Control Gate에 전압을 인가하면
Source에서 Drain으로 이동하던 전자가
tunneling으로 Floating Gate 로 들어가게 됩니다.
Floating Gate는 산화막에 의해 Isolation이 되어
전원이 끊겨도 데이터가 Floating Gate에 그대로 남아있게 되는 방식입니다.
– NAND Flash Write방식
Control Gate와 Drain에 Positive Voltage를 인가하여
Channel에서 이동하는 전자들을 Floating Gate로 끌어당김으로써
낸드플래시 상에 Write 할 수 있습니다.
– NAND Flash Read방식
하나의 Bit Line에 다수의 셀이 직렬로 연결되어 있습니다.
따라서 Bit Line에 전압을 인가하면
직렬로 연결된 모든 셀에 전압이 인가가 되고
Control Gate에 전압을 인가한 셀에서만 Channel이 형성됩니다.
이 때, Floating Gate상에 전자가 있는 셀은
Control Gate와 Floating Gate간 Electric Field 간섭으로 인해
Channel에 전자가 잘 흐르지 못해 Threshold Voltage가 상대적으로 높아지게 됩니다(Vth>0).
반면에 Floating Gate상에 전자가 없는 셀은
Electric Field 간섭이 일어나지 않으므로 Threshold Voltage가 낮습니다(Vth<0). 따라서 읽고자 하는 셀에는 0V의 전압을 인가하고 나머지 셀에는 6~6.5V 전압을 인가합니다. 만약 Floating Gate 상에 전자가 있다면 0V 전압을 인가하였으므로 나머지 셀은 Channel이 형성되는 반면, 읽고자 하는 셀에서는 Open 상태가 됩니다. 그러므로 전류가 잘 흐르지 않게 되고 이를 ‘0’이라는 데이터로 인식합니다. 반대로 Floating Gate 상에 전자가 없다면 0V의 전압을 인가하더라도 Channel 이 형성되어 전류가 잘 흐르게 되어 이를 ‘1’이라는 데이터로 인식하게 됩니다. - NAND Flash Erase방식 Floating Gate에 있는 전자를 밖으로 방출하기 위해 Body와 Source에 Positive Voltage를 역으로 인가하는 방식입니다.
메모리-NandFlash란? 구조 및 원리
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안녕하세요. 취업한 공대누나입니다.
오늘은 메모리 중에서도 낸드플래쉬 메모리에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
DRAM과 SRAM에 대한 글은 이전에 포스팅했었는데요.
이런 DRAM, SRAM과 Nand Flash 메모리의 가장 큰 차이점을 말씀드리면
RAM들은 휘발성 메모리, 플래시 메모리는 비휘발성 메모리라는 점입니다.
즉, Flash memory는 전원이 꺼져도 정보를 계속 저장할 수 있습니다.
낸드 플래시 메모리는 이러한 플래시 메모리 중 하나입니다.
1. NandFlash란?
낸드플래시는 반도체 셀이 직렬로 배열되어 있는 플래시 종류로 쓰기 속도가 매우 빠릅니다.
그리고 셀을 수직으로 배열하기 때문에 좁은 면적에 많은 셀을 만들 수 있어서
대용량화 할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
하지만 데이터를 순차적으로 찾아 읽기 때문에 읽기 속도가 느리다는 단점이 있습니다.
2. NandFlash의 구조
구조 그림을 보시면 기본적인 모스펫 구조라는 것을 아실 수 있습니다.
여기에 플로팅 게이트가 추가된 형태입니다.
플로팅 게이트에 바로 전자를 저장함으로써 데이터를 저장하는 것입니다.
플로팅 게이트에 전자가 있으면 0 전자가 없으면 1로 인식합니다.
3. NandFlash의 동작 원리
1) Write
위에서 플로팅 게이트에 전자가 있으면 0이라고 했는데 어떻게 넣으면 될까요?
컨트롤 케이트에 강력한 +전압을 걸어주면 됩니다.
그러면 P-substrate부분에 인력으로 인해 전자가 위쪽으로 모이게 됩니다.
원래 산화막은 기본적으로 절연층으로 되어 있어서 전자가 통과할 수 없습니다.
하지만 고전압을 걸어주게 되면 Source에서 Drain으로 흐르러가던 전자가 산화막을 통과할 수 있습니다.
통과한 전자는 플로팅 게이트에 저장되어 전계가 사라져도 산화막에 의해서 외부로 유출되지 않습니다.
그래서 전원이 꺼져도 데이터를 계속 유지할 수 있는 것입니다.
2) Read
Read를 하는 것은 0과 1을 어떻게 구분하는 것을 말합니다.
강한 전압을 인가하게 되면 전자가 Floating gate에 저장되는 반면
약한 전압을 인가하게 되면 넘어올 수 없습니다.
전자가 왼쪽 그림처럼 저장이 되어 있으면 전기장에 간섭을 일으켜 채널이 형성되지 않습니다.
(즉 Threshold Voltage가 높아진다고 할 수 있지요)
반대로 저장이 되어 있으면 Threshold Voltage가 낮기 때문에 채널이 형성됩니다.
즉 채널이 있는지 없는지에 따라서 0과 1을 구분하는 것입니다.
3) Erase
Erase의 과정은 Write와 반대입니다.
P-substrate에 고전압을 걸어서 쓸 때와 반대 방향의 전계를 형성합니다.
그렇게 플로팅 게이트에 있는 전자를 바디쪽으로 끌어내립니다.
아까와는 다르게 빼내는 과정이라서 우리는 이 과정을 Tunnel Release라고 합니다.
낸드 플래쉬는 USB메모리나, SSD등 저장 매체에 많이 사용합니다.
거의 매일 사용하고 있는데 원리는 참 어려운 것 같습니다.
좀 더 쉬우면 좋을텐데요 ㅎㅎ
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낸드플래시(Nand Flash)에 대해 알아봅시다.
– 낸드플래시(Nand Flash)
메모리는 흔히 휘발성 저장매체로 알려져있습니다.
전원이 끊기면 저장된 내용이 없어지지요.
전자로 데이터를 저장하려는 시도는 필연적으로 있었고, 그 결과가 크게 두 가지 였습니다.
NOR 플래시, NAND 플래시.
(논리회로에서 볼 수 있는 NOR, NAND 입니다.)
NOR형은 읽기가 빠릅니다.
자료에 따라 다르지만 대략 NAND형의 6~7배.
하지만 NAND형에 비해 쓰기는 수십배, 쓰기는 수백~수천배 느렸습니다.
이는 대용량 데이터를 저장하는데 치명적인 단점으로 작용합니다.
이에 비해 NAND형은 읽기는 느렸으나 상대적 쓰기/지우기가 엄청나게 빨랐습니다.
게다가 제조단가가 NOR형보다 쌉니다.
이론적으로 한 셀당 면적이 NOR형의 40% 수준입니다.
수많은 셀을 집적해서 대용량을 구현하는 플래시 메모리에 있어서 작은 면적은 엄청난 장점이 됩니다.
면적 = 단가 인 반도체 세계에서 이 정도면 엄청난 가격 차이이기도 하고요.
세상이 낸드플래시 천지가 된 이유를 알 수 있습니다.
– 원리.
기본 형태는 아래 그림과 같습니다.
기본적인 모스펫 구조에 플로팅 게이트(부유 게이트)가 추가된 형태입니다.
저 플로팅 게이트에 전자를 저장함으로써 데이터를 저장하는겁니다.
플로팅 게이트에 전자가 있으면(많으면) 0 으로 인식합니다.(programmed)
플로팅 게이트에 전자가 없으면(적으면) 1 로 인식합니다.(erased, unprogrammed)
기본 구조은 이렇습니다만, 현재는 플로팅게이트가 아닌 산화막에 전자를 저장해버리고 플로팅게이트를
생략해버리는 식(삼성, CTF) 등의 발전된 방식이 많이 존재합니다 .
(1) 쓰기과정
그럼 저 플로팅 게이트에 어떻게 전자를 넣을까요.
간단합니다.
컨트롤 게이트에 강력한 (+)전압을 걸어주면 됩니다.
그러면 바디(P-well 이라고 쓰여진 영역)의 전자가 위쪽으로 모입니다.
음극인 전자가 양극인 게이트쪽으로 인력을 받는건 당연하겠지요.
그런데 중간에 절연층(산화막)이 버티고 있습니다.
산화막은 기본적으로 전자가 통과할 수 없습니다.
하지만 플래시메모리에서는 전자가 통과해야 데이터를 저장하든말든 하겠지요.
그래서 12~24V의 고전압을 걸어버립니다.
드레인 측에도 그 정도는 아니지만 높은 전압을 걸어줍니다.
이 정도의 강력한 전계가 형성되면 전자가 충분한 에너지를 얻어서 산화막을 통과해버립니다.
(Hot electron effect)
– 2015.11.19
NOR – Program : Hot Electron Effect (Impadt Ionization at Drain side) / Erase : Fowler-Nordheim Tunneling
NAND – Program, Erase : Fowler-Nordheim Tunneling
통과한 전자는 플로팅게이트에 저장되어 전계가 사라져도 산화막에 의해 외부로 유출되지 않습니다.
전원이 끊어져도 데이터가 사라지지 않는거지요.
(2) 읽기과정
아래는 낸드플래시 셀의 구조입니다.
하나의 비트라인(Bit Line)에 다수의 셀이 직렬로 연결되어 있습니다.
비트라인에 전압을 걸면 직렬로 연결된 모든 셀에 전압이 걸리고, 워드라인(Word Line), 즉 컨트롤 게이트에 전압을 걸린 셀에만 채널이 형성됩니다.
읽기 과정은 이 채널의 존재유무에 달려있습니다.
전자가 있는(Program) 된 셀의 문턱전압은 0V보다 크고, 전자가 없는(Erase) 된 셀의 문턱전압은 0V보다 작습니다.
비트라인에 전압을 걸고, 읽으려는 셀의 워드라인에는 0V, 그 외 셀의 워드라인에는 6~6.5V 정도를 인가합니다.
6~6.5V는 셀의 상태와 관계없이 채널을 형성할 수 있는 문턱전압입니다.
> 플로팅게이트에 전자가 저장된 경우.
읽으려는 셀에 전자가 있는 경우 워드라인에 0V를 인가해도 채널이 형성되지 않습니다.
나머지 셀에는 채널이 형성되었으니 선택된 셀에서 open되어 버린 것으로 볼 수 있습니다.
이러니 비트라인에 전압이 걸려도 전류가 잘 흐르지 않습니다.
open 상태이기때문에 비트라인을 통해 유입되는 전류는 빠져나가지 못 하고 charge가 됩니다.
비트라인의 전압강하가 적게 되고 이를 ‘0’으로 인식합니다.
> 플로팅게이트에 전자가 없는 경우
읽으려는 셀에 전자가 없으면 0V를 인가해도 채널이 잘 형성되고 전류가 잘 흐릅니다.
short 상태이니 비트라인을 통해 유입되는 전류가 charge되지 못 하고 비트라인의 전압강하는 커집니다.
이를 ‘1’로 인식합니다.
(3) 지우기 과정.
플래시메모리에 데이터를 저장하기위해서는 플로팅게이트를 비울 필요가 있습니다.
저장될 데이터가 0(전자저장필요)인지 1(전자저장불필요)인지 알 수 없는 상황에서 플로팅게이트에 전자가
남아있으면 제대로 데이터를 기록할 수 없습니다.
플로팅게이트를 완전히 비워야합니다.
방법은 쓰기의 반대입니다.
바디쪽에 12~24V의 강력한 전압을 걸어 쓰기때와 반대반향의 전계를 형성, 플로팅게이트 내의 전자를
바디쪽으로 끌어냅니다.
소스 측에도 (+)전압을 걸어 쓰기 때와 반대 현상이 일어나도록 유도합니다.
SSD의 경우 이렇게 각 셀의 데이터를 지우는 작업을 쓰기작업이 발생하기 전에 미리 진행해놓는데
이를 Trim이라고 합니다.
쓰기 속도 향상에 필수적인 과정입니다.
– MLC와 TLC
앞서 설명한 플래시메모리는 한 셀에 1비트만 저장이 가능했습니다.
0 아니면 1 이었으니까요.
이런 셀을 무수히 많이 집적해서 플래시 메모리를 만듭니다.
셀이 10억개 집적되어있으면 1Gb(=128MB)의 용량을 갖는 식으로요.
플래시메모리는 저장매체이니 더 많은 저장용량을 원하는건 당연한 요구입니다.
그래서 머리를 굴립니다.
한 셀이 2비트를 저장해보자. 라고요.
한 셀에 저장되는 용량이 2배면 셀의 개수(메모리 다이의 크기)를 늘리지 않아도 저장용량이 단숨에 2배로
늘어납니다.
그럼 이것을 어떻게 구현할 것인가.
전자있다.(0), 전자없다.(1) 의 단순한 구분을 뛰어넘어서,
전자없다(11) 전자적다(10) 전자많다(01) 전자아주많다(00) 로 구분을 세분화한 것입니다.
이를 기록하기위해서 쓰기 과정에서 각 신호별 컨트롤게이트 전압이 세분화됩니다.
컨트롤게이트의 전압에 따라 저장되는 전자의 양이 결정되고, 전자의 양으로 신호를 구분합니다.
(아래 그림처럼요.)
이렇게 한셀에 2비트를 저장하게된 제품을 MLC(Multi Level Cell)라고 합니다.
앞으로 한 셀에 3비트 4비트씩 저장하게 될줄 모르고 멀티라고 이름붙인듯 합니다.
여기서 더 나아간 것이 TLC(Triple Level Cell) 입니다.
한 셀에 3비트를 저장하는거지요.
구분해야한 신호가 8개로 늘었습니다.
그만큼 신호별 컨트롤게이트 전압은 더 촘촘해졌습니다.
– 왜 MLC, TLC로 갈수록 쓰기 속도가 느린가.
쓰기를 위한 컨트롤 게이트 전압이 한방에 구현되지 않기때문입니다.
아래 그림을 보면 이해가 쉽겠네요.
(도시바 자료.)
TLC에서 요구하는 8가지 상태를 기록하기위해서는 7개의 전압이 필요합니다.
(전자가 없는 상태는 컨트롤게이트 전압이 필요없으니까 하나가 빠지는겁니다.)
그런데 이 7가지 단계가 한번에 기록되는 것이 아닙니다.
위 자료를 보면 3단계에 걸쳐서 이루어집니다.
1단계에서 erased 상태를 벗어나고,
2단계에서 7개의 상태로 대략적으로 조정하고,
3단계에서 다른 신호와 겹치지 않게 더 정밀하게 조정합니다.
SLC에 비해 기록단계를 더 거치기때문에 쓰기에 더 긴 시간이 걸리고 쓰기 속도가 느려지는겁니다.
읽기 속도에서 SLC, MLC, TLC 모두 큰 차이가 없는건 읽기원리를 보면 답이 나옵니다.
3가지 모두 읽기 과정은 비슷하지요.
– 낸드플래시의 수명.
낸드플래시의 읽기, 쓰기, 지우기 과정을 보면 왜 낸드플래시에 수명이 존재하는지 알 수 있습니다.
플로팅게이트 내의 전자가 외부로 유출되지 않고, 외부 전자가 플로팅게이트로 유입되지 않도록 막는 것이
산화막의 역할임을 생각했을 때, 산화막의 수명이 곧 플래시메모리셀의 수명입니다.
읽기, 쓰기 과정에서 전자는 산화막을 통과하는데 앞서 말했듯이 산화막은 본래 전자가 통과할 수 없는 장벽입니다.
이를 억지로 통과했으니 통과할 때마다 산화막에 손상이 발생합니다.
그리고 읽기,쓰기 횟수가 늘어날수록 전자의 통과 횟수는 증가할 것이고 산화막의 손상도 누적됩니다.
그러다가 손상이 어느 수준을 넘어서면 더 이상 산화막이 제 역할을 못 하겠지요.
즉, 읽기/쓰기 횟수가 제한되는겁니다.
수명이 있는거지요.
읽기 과정을 보면 전자가 산화막을 통과하지 않습니다.
읽기는 플래시메모리의 수명과 무관한겁니다.
읽기 과정에서 전자가 유출될 수 있고, 셀의 열화가 진행된 상태에서 읽기만으로 데이터가 유실되면 그걸 복구학위한 재기록 과정에서 열화가 가중되고, 그 과정에서 전압의 영향을 일부지만 다른 셀도 받기때문에 읽기와 수명이 완전히 연관이 없다고 볼 수는 없지만, 읽기 과정이 수명 감소에 끼치는 영향이 쓰기/지우기에 비해 적은건 사실.
– 왜 MLC, TLC로 갈수록 수명이 급격히 줄어드는가.
상황을 가정해보겠습니다.
산화막의 손상이 발생했습니다.
SLC에서 0 을 기록하기위해 전압을 안 걸었습니다.
산화막 손상때문에 약간 전자가 들어왔지만 어차피 신호는 전자가 많다. 전자가 없다(적다) 상태만 구분하면
되기때문에 읽기 과정에서 문제없이 0으로 인식되었습니다.
MLC에서 01 을 기록하기위한 전압을 걸었습니다.
산화막 손상때문에 예상보다 많은 전자가 들어오긴했지만 10 상태의 전자량보다 적습니다.
읽기과정에서 정상적으로 01 이라고 인식되었습니다.
TLC 에서 001 이라는 내용을 기록하기위한 전압을 걸었습니다.
그런데 산화막이 손상되어서 예상보다 많은 전자가 플로팅게이트에 저장되었습니다.
늘어난 전자량때문에 읽기 과정에서 001 이 아닌 010 으로 인식되었습니다.
오류가 생기게되는거지요.
특별한 조치가 없는 한 이 셀은 수명을 다 했습니다.
SLC, MLC, TLC로 갈수록 각 신호의 구분은 더 촘촘해지고, 더 정밀하게 전자의 수가 조절되어야합니다.
산화막의 손상으로 인해 전자의 수가 컨트롤되지 않았을 때
가장 민감하게 반응하는 것이 TLC일 수 밖에 없는 이유입니다.
이 때문에 MLC, TLC로 갈수록 수명이 기하급수 이상으로 빠르게 감소하는 것입니다.
– 공정미세화가 진행될수록 수명이 줄어드는 이유.
다이 크기를 줄이기위해 공정미세화는 필수불가결한 요소입니다만,
문제는 그에 따라 수명이 감소한다는겁니다.
제조공정이 발전할수록 셀의 크기는 줄어들고 한 셀에 저장할 수 있는 전자의 수도 줄어듭니다.
더욱더 미세하게 각 신호별 전자 수를 조절해야하는 겁니다.
누설로 인한 전자 수의 변화에 더욱 민감해질 수 밖에 없고요.
TLC처럼 산화막 손상의 영향을 더 많이 받게 됩니다.
– 생명연장의 꿈.
물론 그렇다고 손놓고 있을 엔지니어들이 아닙니다.
대용량이라는 절대 무적의 메리트를 쉽게 포기할 수는 없지요.
갖가지 수명연장 대책이 나옵니다.
여기서는 그 일부만 소개하겠습니다.
(1) 웨어레벨링(Wear-Leveling)
각 셀의 산화막의 수명은 대부분 비슷합니다.
이런 상황에서 특정 셀만 집중적으로 사용하면 그 셀의 산화막만 집중적으로 손상받게되고,
그 셀만 먼저 수명을 다하겠지요.
이러면 전체 용량이 감소되는 것이기때문에 달갑지 않습니다.
이런 사태를 예방하는 것이 웨어레벨링입니다.
쉽게 말하면 각 셀을 골고루 사용해서 전체 셀의 수명을 일정하게 관리해주는겁니다.
전체적인 수명을 최대로 사용할 수 있는거지요.
(2) ECC (Error Check and Correct : 에러 수정 기능.)
컨트롤러의 에러 수정 기능을 강화합니다.
공정이 작거나, TLC인 경우같이 수명이 짧을수록 더 높은 정밀도의 ECC가 필요해집니다.
현재는 16~24bit ECC를 사용하는 것으로 알려져있습니다.
(3) 디지털신호처리(DSP)
기록전압에 따라 전자저장량이 달라지는걸 감지해서 각 신호별 기록전압을 셀 상태에 맞춰 변화시켜주는겁니다.
산화막 손상으로 이전보다 전자가 더 많이 저장되면 기록전압을 낮춰서 저장되는 전자수를 줄여서 원래 수준으로 맞추는 식으로 쓰기/지우기 전압을 변화시킵니다.
(4) 오버 프로비저닝(Over provisioning)
이 방법은 셀의 수명연장이라기보다는 제품의 수명연장이라고 할 수 있습니다.
위의 방식을 사용한다해도 결국 메모리셀의 사망은 피할 수 없습니다.
오버 프로비저닝은 여분의 메모리셀을 확보해놓고 사망하는 셀을 대체하는 기술입니다.
예비용량을 확보해뒀다가 수명이 다해서 배드블록이 발생한 셀이 나타나면 예비 셀로 대체해서 전체 용량을 일정하게 유지하는겁니다.
– 2013.04.13. 일부 내용 수정.
– 2013.04.30. 일부 내용 수정.
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