NAND Flash의 동작 - Program, Erase, 읽기 동작

하나의 트랜지스터로 구성된 NAND Flash는 웨이퍼당 더 많은 칩을 생산할 수 있어 집적도가 높다. 기존의 MOSFET과 다른 점은 control gate와 oxide 층 사이에 floating gate가 있다는 점이다. 이 floating gate에 전자를 넣고 빼내어 데이터를 쓰고 읽게된다.

 

NAND Flash의 구조

 

이에 따라 SRAM, DRAM과 달리 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리이지만, 속도가 느리고 내구성이 좋지 않다. 따라서 고용량, 저비용의 특성에 따라 대용량 스토리지용 메모리로 사용된다.

 

비휘발성 메모리의 한 종류인 NAND Flash의 동작(Program, Erase, 읽기)에 대해 알아보자.

 

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1. Program - 쓰기 동작

" Floating Gate에 전자를 charge시켜 Vth를 증가시키는 동작 "

1. Floating gate와 control gate에 강한 양전압 인가 & Source, Drain, p-substrate 접지
2. 강한 전계에 의해 에너지 밴드가 휘어짐에 따라 p형 기판의 전자가 충분한 에너지를 얻어 FN Tunneling에 의해 tunneling oxide 층을 통과해 floating gate에 저장됨
3. Floating gate 내 전자들이 수직방향 전계를 방해하여 Vth가 증가함

※ FN Tunneling : 산화막의 에너지 밴드 banding에 의해 전자가 얇아진 장벽을 통과하는 현상

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2. Erase - 지우기 동작

" Floating Gate에 있는 전자를 빼내어 Vth를 감소시키는 동작 "

데이터를 저장하기 위해서는 floating gate 내에 전자가 채워져 있으면 제대로 데이터를 기록할 수 없기 때문에 erase 동작을 통해 전자를 제거해야 한다.

 

1. p형 기판에 강한 양전압 인가 & Control gate 접지 & Source, Drain Floating
2. 강한 전계에 의해 floating gate 내 전자들이 tunneling oxide를 통과해 p형 기판으로 빠져나옴
3. Floating gate에 전자가 없어 수직방향 전계가 효과적으로 전달되므로 Vth가 감소함

※ NAND Flash는 블록을 지우기 전에 새로운 데이터를 쓸 수 없기 때문에 쓰기시간지연이 있다. (쓸 데이터가 0인지 1인지 모르는 상태에서 전자가 FG 내에 남아 있으면 데이터를 제대로 기록할 수 없음)

 

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3. Read - 읽기 동작

" Floating Gate 내 전자 유무에 따른 Vth 값의 차이로 데이터를 읽음 "

1. 읽을 소자에 PROGRAM/ERASE 중간 수준에 해당하는 읽기 전압을 인가 & 나머지 소자는 Vth 이상의 전압을 인가
2. BL에 전류가 흐르는지의 여부에 따라 데이터를 읽음

• FG 내 전자 존재 o (Program 상태) → Vth 증가 → 전류 흐르지 않음 (OFF) → "0" 인식
• FG 내 전자 존재 x (Erase 상태) → Vth 감소 → 전류 흐름 (ON) → "1" 인식

 

전달특성곡선

 

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4. MLC, TLC

" 한 개의 셀에 2개, 3개의 bit를 저장 "

하나의 셀에서 문턱 전압의 분포를 여러개로 나누어 2^n 가지 경우의 수를 구분한다. 

 

• MLC (Multi Level Cell) : 2^2 = 4개의 state (00, 01, 10, 11)
• TLC (Triple Bit MLC) : 2^3 = 8개의 state (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111)

MLC, TLC는 문턱 전압 분포가 좁아짐에 따라 여러번의 쓰기 동작으로 문턱 전압을 확인해야 하기 때문에 동작 속도가 저하되고 수명이 짧아진다. 따라서 사용 용도나 상황에 따라 사용함이 적절하다.