낸드플레시, 동작의 임계전압인 문턱전압(2)

문턱 전압에 의한 Channel 변화

 

  전자가 Floating Gate에 충전되어 있고, 기판의 channel에는 전자 channel이 적절히 형성되어 있다고 가정하면, 게이트와 소스의 전압 차이가 감소할수록 Floating Gate 내의 전자들은 전체 양에서는 변함이 없지만, 게이트와 소스 전압의 감소에 반발하여 전자들이 Floating Gate 하단 쪽으로 이동하게 되고, Floating Gate 내의 정공들은 Control Gate 단자 쪽으로 접근한다. Floating Gate 하단의 전자들은 소스와 드레인 사이에 Channel로 형성되어 있는 전자들을 밀어내고 양전하를 끌어당겨, 전자 Channel 두께가 게이트와 소스의 전압 차이에 비례하여 얇아지고, 길이도 짧아진다. Control Gate에 가해지는 전압이 정상 동작 시에 인가하는 normal 전압일 때는 기판의 캐리어들도 Oxide의 두께를 뛰어넘어 Floating Gate로 충전될 정도의 에너지를 얻지는 못하고, 다만 Channel의 길이와 두께에만 영향을 끼친다. 반대로, 게이트와 소스의 전압 차이를 증가시키면, Floating Gate 내의 정공들은 반발하여 기판 쪽으로 이동하게 되고, Floating Gate의 하단에 위치한 정공들은 기판의 전자들을 끌어당겨 소스와 드레인 사이의 전자 Channel 두께가 게이트와 소스의 전압 차이에 비례하여 점점 두꺼워지고, 길이도 길어진다. 게이트와 소스의 전압차를 높이고 줄임에 따라 Channel과 비례관계인 드레인의 전류가 변동되지만, Normal 한 게이트와 소스의 전압 차이에 의해서는 문턱 전압 값 자체는 변동되지 않는다. 이런 Channel의 변화는 Floating Gate 내에 충전된 다수/소수 캐리어의 양은 변함이 없다는 가정하에서, 게이트와 소스의 전압 차이만을 변화시킨 후 Channel을 확인한 것이다.

 

 

문턱 전압 변화에 따른 Channel 상태변화

 

  Floating Gate가 방전된 경우를 Intrinsic 상태라고 부르고, transfer 특성 trend에 따라서 Channel이 게이트와 소스의 전압 차이에 연관되어 변화한다. 게이트와 소스의 전압 차이가 문턱 전압보다 작을 경우에는 Channel이 pinch off이므로 드레인의 전류가 흐르지 않고, 게이트와 소스의 전압차가 문턱 전압과 같을 때, Channel이 pinch on 되어 있으므로, 드레인의 전압에 비례하여, 드레인의 전류가 흐른다. 문턱 전압에 비해 게이트와 소스의 전압차가 커질수록 기판의 Channel이 두꺼워지고, 게이트와 소스의 전압 차이가 문턱 전압보다 낮아질수록 Channel이 얇아진다.

  Floating Gate가 전자로 충전된 경우, 충전된 전자가 많아질수록 전자는 음이온을 띄어 Channel 형성에 부정적 영향을 끼치므로 같은 양의 드레인 전류를 흐르게 하려면, Control Gate에 방전된 Floating Gate 상태보다 더 높은 양의 전압을 인가하여, 소스와 드레인 사이에 음전하의 Channel을 형성시켜야 Channel이 드레인 끝단에서 pinch on 된다. 충전된 Floating Gate에 의한 Channel 상태를 방전된 상태와 같은 Channel 상태가 되도록 게이트와 소스의 전압 차이로 보상하려면, 프로그램에 의하여 줄어들고 얇아진 Channel의 길이/폭만큼 게이트와 소스의 전압 차이를 상승시켜야 한다. 게이트와 소스의 전압 차이가 충전된 Floating Gate에 의해 높아진 문턱 전압보다 작다면, Channel이 pinch off 되어, 아무리 높은 드레인 전압이 인가되어도 소스와 드레인 사이의 전류는 흐르지 않는다.

  Floating Gate가 정공으로 충전된 경우, Floating Gate에서 전자가 빠져나가 Floating Gate는 정공이 충전된 상태가 되므로, 게이트와 소스의 전압 차이가 작더라도 충전된 정공만으로도 소스와 드레인 사이에 전자 Channel이 유기된다. 이때, Floating Gate 내의 정공에 의한 영향으로 기판 내에 있던 전자들이 기판 위쪽 계면으로 모여들어 정공 충전량에 비례하여 전자 Channel이 형성된다. Floating Gate가 Channel 형성에 기여하는 정도는 프로그램 시에는 Floating Gate에 충전된 전자의 양에 반비례하여 Channel이 형성되므로 문턱 전압이 높아져서 리드 시의 Control Gate 전압을 높여 인가하여야 On Cell이 되지만, Floating Gate가 정공으로 충전된 상태에는 반대로 Floating Gate에 충전된 정공량에 비례하여 Channel이 형성되므로, Floating Gate의 정공에 의한 영향 자체만으로도 그만큼 쉽게 Channel이 유기되어 pinch off를 찾으려면 반대로 Control Gate에 인가하는 게이트와 소스의 전압 차이를 줄여주는 방향으로 낮춰주어야 한다. Data의 On/Off를 판정하는 기준은 문턱 전압의 값으로서, Floating Gate 충전된 정공의 양에 따라서 Control Gate에 얼마의 게이트와 소스 전압 차이가 걸릴 때, pinch off 되느냐가 초점이므로, 지우기가 많이 될수록 문턱 전압이 낮다.

 

 

<문턱전압은 스위치이다>