[ Nandflash ] 05. 낸드플래시의 작동원리와 수명

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) 0으로 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 Gate에 전압을 인가하면 Source에서 Drain으로 이동하던 전자가 tunneling으로 Floating Gate로 들어가게 된다.

# Note
Tunneling이란 낮은 에너지를 갖는 입자가 에너지가 높으나 공간폭이 작은 포텐셜 장벽을 횡단하는것을 의미.

Floating Gate는 산화막에 의해 Isolation이 되어 전원이 끊겨도 데이터가 Floating Gate에 그대로 남아있게 되는 방식이다.

- Write

Control Gate와 Drain에 Positive Voltage를 인가하여 Channel에서 이동하는 전자들을 Floating Gate로 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 Gate에 전압을 인가한 셀에서만 Channel이 형성된다.

이 때, Floating Gate상에 전자가 있는 셀은 Control Gate와 Floating Gate간 Electric Field 간섭으로 인해 Channel에 전자가 잘 흐르지 못해 Threshold Voltage가 상대적으로 높아지게 된다.( Vth > 0 )

반면에 Floating Gate에 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 Gate상에 전자가 있다면 0V 전압을 인가하였으므로 나머지 셀은 Channel이 형성되는 반면, 읽고자 하는 셀에서는 Open 상태가 된다. 그러므로 전류가 잘 흐르지 않게 되고 이를 '0'이라는 데이터로 인식하게 된다.

반대로 Floating Gate상에 전자가 없다면 0V의 전압을 인가하더라도 Channel이 형성되어 전류가 잘 흐르게 되어 이를 '1'이라는 데이터로 인식하게 된다.

- Erase

Floating Gate에 있는 전자.를 밖으로 방출하기 위해 Body와 Source에 Positive Voltage를 역으로 인가하는 방식이다.

• 플래시메모리에 데이터를 저장하기 위해서는 플로팅게이트를 비울 필요가 있다.

• 저장될 데이터가 0(전자저장필요)인지 1(전자저장불필요)인지 알 수 없는 상황에서 Floating Gate에 전자가 남아있다면 제대로 데이터를 기록할 수 없다.

  => 따라서 Floating Gate를 완전히 비워야한다.

• 방법은 쓰기의 반대이다.

• 바디쪽에 12~24V의 강력한 전압을 걸어 쓰기때와 반대방향의 전계를 형성해서 Floating Gate내의 전자를 바디쪽으로 끌어낸다.

• 소스측에도 Positive Voltage를 걸어 쓰기 때와 반대 현상이 일어나도록 유도한다.

SSD의 경우 이렇게 각 셀의 데이터를 지우는 작업을 쓰기작업이 발생하기 전에 미리 진행해 놓는데 이를 Trim이라고 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 Gate로 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.