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[SSD기획②/구조] 낸드플래시의 플로팅게이트, 데이터를 저장하는 원리

디지털데일리 발행일 2014-12-26 07:28:07
한주엽

[디지털데일리 한주엽기자] 솔리드스테이트드라이브(SSD)의 주요 부품인 낸드플래시 메모리는 어떻게 데이터를 저장할까. 이를 이해하려면 플로팅게이트(FloatingGate, FG)를 알아야 한다. 낸드플래시는 플로팅게이트에 전자(electron)를 저장하고 빼내는 방법으로 0과 1을 구분하고 이를 통해 데이터를 쓰고 지우고 읽는다. 이러한 방법론은 1984년 당시 일본 도시바에서 근무했던 마스오카 후지오 박사가 발명했다. 도시바는 5년 뒤인 1989년 최초의 낸드플래시 메모리를 선보인다. 플로팅게이트는 지난 수십년간 낸드플래시의 핵심 기술이었다. 현재 삼성전자와 SK하이닉스 같은 선도 업체들은 전통적인 평면 플로팅게이트 방식에서 벗어나 적층을 통한 3D 낸드플래시 메모리를 상용화했거나 혹은 개발하고 있다. 보다 진보한 낸드플래시 기술을 이해하려면 플로팅게이트를 포함한 내부 구조를 반드시 짚고 넘어가야 한다.

실제 낸드플래시 칩(Die) 사진이다. 칩은 여러 개의 블록(Block)으로 이루어져 있다(그림은 이해를 돕기 위해 간단하게 그린 것임).
실제 낸드플래시 칩(Die) 사진이다. 칩은 여러 개의 블록(Block)으로 이루어져 있다(그림은 이해를 돕기 위해 간단하게 그린 것임).
각 블록은 위 그림처럼 이뤄진다. 비트라인(BitLine, BL)에선 소스(Source)→드레인(Drain) 방향으로 전자(전류)가 흐른다. 게이트(Gate)로 이뤄진 워드라인(WordLine, WL)은 실제 데이터를 읽고 쓰는 작업에 사용된다.
각 블록은 위 그림처럼 이뤄진다. 비트라인(BitLine, BL)에선 소스(Source)→드레인(Drain) 방향으로 전자(전류)가 흐른다. 게이트(Gate)로 이뤄진 워드라인(WordLine, WL)은 실제 데이터를 읽고 쓰는 작업에 사용된다.
두 라인이 교차되는 곳이 낸드플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 최소 단위인 셀(Cell), 즉 트랜지스터가 위치한다.
두 라인이 교차되는 곳이 낸드플래시 메모리에서 데이터를 저장하는 최소 단위인 셀(Cell), 즉 트랜지스터가 위치한다.
셀의 단면은 이렇게 생겼다. 낸드플래시의 셀은 플로팅게이트에 전자를 채우고 비우는 방식으로 0과 1을 인식한다. 예컨대 셀 하나에 1비트(bit)를 저장할 수 있는 싱글레벨셀(Single Level Cell, SLC) 낸드플래시의 경우 전자가 있으면 0, 없으면 1로 인식하는 식이다.
셀의 단면은 이렇게 생겼다. 낸드플래시의 셀은 플로팅게이트에 전자를 채우고 비우는 방식으로 0과 1을 인식한다. 예컨대 셀 하나에 1비트(bit)를 저장할 수 있는 싱글레벨셀(Single Level Cell, SLC) 낸드플래시의 경우 전자가 있으면 0, 없으면 1로 인식하는 식이다.
플로팅게이트는 절연체인 산화막으로 둘러쌓여 있다. 기본적으로 닫힌 상태다. 그러나 컨트롤게이트(ControlGate, CG)에서 높은 (+)전압(Voltage)을 걸어주면 (-)전자가 산화막을 통과해 플로팅게이트로 들어간다. 이것이 바로 낸드플래시 메모리의 ‘쓰기’ 작업이다. 업계에선 이를 터널 주입(Tunnel Injection)이라고 한다. 이렇게 산화막을 통과해 플로팅게이트에 저장된 전자는 갇힌 상태가 되며, 전원이 공급되지 않더라도 그대로 유지된다. 전원을 끊어도 데이터가 삭제되지 않는 ‘비휘발성’ 특성은 바로 이러한 원리로 만들어진다.
플로팅게이트는 절연체인 산화막으로 둘러쌓여 있다. 기본적으로 닫힌 상태다. 그러나 컨트롤게이트(ControlGate, CG)에서 높은 (+)전압(Voltage)을 걸어주면 (-)전자가 산화막을 통과해 플로팅게이트로 들어간다. 이것이 바로 낸드플래시 메모리의 ‘쓰기’ 작업이다. 업계에선 이를 터널 주입(Tunnel Injection)이라고 한다. 이렇게 산화막을 통과해 플로팅게이트에 저장된 전자는 갇힌 상태가 되며, 전원이 공급되지 않더라도 그대로 유지된다. 전원을 끊어도 데이터가 삭제되지 않는 ‘비휘발성’ 특성은 바로 이러한 원리로 만들어진다.
‘지우기’ 과정은 반대다. 산화막에 갇힌 전자를 빼내기 위해 기판 쪽에서 높은 (+)전압을 걸어주면 전자가 빠져나온다. 플로팅게이트는 비워진다. 이를 터널 릴리즈(Tunnel Release)라고 한다. 낸드플래시는 덮어쓰기가 안되므로 해당 영역에 데이터를 새로 쓰려면 지우기 과정을 반드시 거쳐야 한다.
‘지우기’ 과정은 반대다. 산화막에 갇힌 전자를 빼내기 위해 기판 쪽에서 높은 (+)전압을 걸어주면 전자가 빠져나온다. 플로팅게이트는 비워진다. 이를 터널 릴리즈(Tunnel Release)라고 한다. 낸드플래시는 덮어쓰기가 안되므로 해당 영역에 데이터를 새로 쓰려면 지우기 과정을 반드시 거쳐야 한다.
‘읽기’는 각각의 플로팅게이트에 전자가 있는지 없는지를 확인하는 식으로 이뤄진다. 전자가 플로팅게이트로 들어오거나 플로팅게이트에서 빠져나가지 않을 만큼의 낮은 (+)전압을 컨트롤게이트에 걸고, 비트라인에도 전압을 걸어 소스→드레인 방향으로 전자를 이동시킨다. 플로팅게이트에 전자가 갇혀 있다면 컨트롤게이트에서 나오는 전기장에 영향을 줘 셀의 문턱 전압(동작은 시작하는 전압, Vt)은 높아진다. 전자가 제대로 이동하지 못하면 플로팅게이트에 전자가 갇혀있다는 것이고, 제대로 이동한다면 그 반대의 경우다. 셀 하나에 1bit를 저장하는 SLC의 경우 단순하게 전자가 있거나 없는 것으로 0과 1을 인식하지만, 2bit, 3bit를 저장하는 멀티레벨셀(Multi Level Cell, MLC) 혹은 트리플레벨셀(Triple Level Cell, TLC)의 경우는 전자가 얼마나 저장되었는가를 판단해야 되기 때무에 복잡성은 더 높아진다.
‘읽기’는 각각의 플로팅게이트에 전자가 있는지 없는지를 확인하는 식으로 이뤄진다. 전자가 플로팅게이트로 들어오거나 플로팅게이트에서 빠져나가지 않을 만큼의 낮은 (+)전압을 컨트롤게이트에 걸고, 비트라인에도 전압을 걸어 소스→드레인 방향으로 전자를 이동시킨다. 플로팅게이트에 전자가 갇혀 있다면 컨트롤게이트에서 나오는 전기장에 영향을 줘 셀의 문턱 전압(동작은 시작하는 전압, Vt)은 높아진다. 전자가 제대로 이동하지 못하면 플로팅게이트에 전자가 갇혀있다는 것이고, 제대로 이동한다면 그 반대의 경우다. 셀 하나에 1bit를 저장하는 SLC의 경우 단순하게 전자가 있거나 없는 것으로 0과 1을 인식하지만, 2bit, 3bit를 저장하는 멀티레벨셀(Multi Level Cell, MLC) 혹은 트리플레벨셀(Triple Level Cell, TLC)의 경우는 전자가 얼마나 저장되었는가를 판단해야 되기 때무에 복잡성은 더 높아진다.

<한주엽 기자>powerusr@ddaily.co.kr

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