[반도체 #02] NAND FLASH 의 동작 원리

FLASH MEMORY 는 비휘발성 메모리의 일종으로, 우리가 흔히 사용하는 USB, SD 카드, PC 의 저장장치와 같은 메모리 소자를 예로 들 수 있습니다.

'비휘발성' 이라는 점은 전원이 Off 되어도 데이터가 보존된다는 점에서 DRAM, SRAM 과 같은 휘발성 메모리인 RAM 과 차이가 있습니다.

NAND FLASH는 각각의 셀이 직렬로 연결되어 있어 각 셀에서 순차적으로 데이터를 읽어내는 방식을 취합니다. 이에 따라 데이터 Write 속도가 빠르고 셀들을 수직으로 배열하기 때문에 좁은 면적에 다수의 셀을 배열할 수 있어 대용량으로 만들 수 있다는 장점을 가집니다.

반면에, 데이터 Read 속도는 직렬로 연결된 셀에서 데이터를 순차적으로 찾아서 읽기 때문에 느립니다.

 

FLASH MEMORY 의 구조

 

기본적인 구조는 MOSFET 의 구조와 동일하지만, MOSFET 에 Floating Gate 가 추가된 구조입니다.

NAND FLASH 는 이 Floating Gate 에 전자를 저장하여 데이터를 저장하게 됩니다.

Floating Gate 는 절연막으로 둘러쌓여 있기 때문에

전원이 꺼지더라도 전하들이 빠져나가지 못해 비휘발성의 특성을 갖게 되는 것입니다.

Floating Gate 에 전자가 있으면 '0' Floating Gate 에 전자가 없으면 '1'

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NAND FLASH 의 동작 원리

1. Write 동작 원리 - FG 에 전자를 채우는 Program & FG 에서 전자를 없애는 Erase

Control Gate 에 전압을 가해줬을 때 채널의 전하가 Tunneling 으로 인해 Floating Gate 로 이동하게 됩니다.

이렇게 Floating Gate 로 이동하여 전자가 있으면 '0' 으로 인식하게 됩니다. 이 과정을 Program 이라 합니다.

Program

 

반대로 Erase 는 Substrate 에 전압을 인가해주어 Floating Gate 에 쌓여 있는 전자를 없애는 과정입니다.

이렇게 Floating Gate 에서 전자가 빠져나가 없으면 '1' 로 인식하게 됩니다.

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Erase

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2. Read 동작 원리

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FLASH 메모리는 하나의 Bit Line (BL) 에 다수의 셀이 직렬로 연결되어 있는 구조입니다.

따라서 Bit Line 에 전압을 걸면 모든 셀에 전압이 인가되고 Word Line 을 통해 Control Gate 에 전압이 인가된 셀에만 채널이 형성됩니다.

출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory

 

BL 에 전압을 인가하고, Read 할 셀을 제외한 나머지 셀에 모두 문턱 전압 Vth 이상의 전압을 인가합니다.

BL 로 흘러들어온 전류가 각 셀로 흐르는지 여부에 따라 각 셀에서 데이터의 High 와 Low 를 판단하게 됩니다.

예를 들어, Programmed state 에 있는 셀 (FG 에 전자가 있는 경우) 외의 셀들에 Vth 이상의 전압을 인가하면 해당 셀들에는 채널이 형성됩니다.

Programmed state 에 있는 셀은 open 상태이기 때문에 BL 에 전압을 인가하여도 전류가 흐르지 않습니다.

이 상태를 '0'으로 인식하게 됩니다.