낸드플레시, 동작의 임계전압인 문턱전압(1)

낸드 플래시 동작의 임계 전압, 문턱 전압

 

  낸드 플래시는 문턱 전압값을 설정하는 것으로부터 시작한다. 말 그대로 문턱은 다른 공간으로 들어가기 위하여 방문의 문턱을 넘어서는 임계점이라는 의미이다. 트랜지스터 상에서 전류가 흐르지 않던 상황이 전류가 흐르는 상황으로 변경되는 시점의 전압이 문턱 전압으로서, 전류가 흐르기 시작하면서 저항치가 급격히 감소한다. 트랜지스터가 문턱 전압을 넘어서기 전에는 입력단 저항과 출력단 저항의 크기가 거의 동등하게 높았지만, 문턱 전압을 넘어서면서는 입력단의 저항은 변함이 없는데, 출력단의 저항이 급격히 줄어드는 현상을 보인다. 즉, 낸드플래시는 능동소자이므로 출력단의 저항을 의도적으로 줄여 전류가 더 쉽게 흐르도록 한 것이다. 낸드 플래시는 Control Gate와 채널 사이에 삽입되어 있는 Floating Gate에 전자가 충전 혹은 방전되면서, Floating Gate 내에 충전된 캐리어들의 영향으로 인하여 문턱 전압이 낮아지거나 높아진다. 머리카락 직경을 몇만 분의 1로 세분화한 정도의 선 폭이 되는 미세회로 내에서, 전자들이 움직이는 변수에 따라 On/OFF data를 구분하고, 많은 셀의 프로그램/지우기 상태를 해석하여, 실측치가 target limit 내로 충족하도록 조절하는 데 있어서, 낸드플래시에서 문턱 전압 이외에 문턱 전압을 대신할 다른 어떤 요소가 마땅히 없다. 즉, 문턱 전압은 낸드플래시 메모리의 동작을 운영하는 기준점이 된다. 문턱 전압을 통계적 방법과 접목시킨 문턱 전압 분포로 그룹화하여 구분하였고, 더 나아가서 이를 응용하여 물리적인 셀 상에 logical density를 기능적으로 확장할 수 있는 길을 열게 되었다. 최대 저장 기간 측면에서도 DRAM/SRAM의 저장 가능 시간 Milli second 단위에 비하여 낸드플래시는 저장 기간이 1년에서 10년 가까이 저장할 수 있는 탁월한 우월성을 갖게 되었지만, 단점으로는 저장된 정보를 제거하려면, 소거 과정을 추가로 동작시켜야 한다.

 

 

문턱 전압의 특성과 추가 설명

 

  Floating Gate가 없는 경우, 전류가 소스에서 드레인으로 본격적으로 흐리기 시작하는 임계전압을 문턱 전압이라고 표현한다. 문턱 전압에 가장 직접적으로 영향을 끼치는 변수는 기판에 형성되는 channel이다. 이는 전류가 흐르려면, 전류가 흐르는 길인 channel이 형성되어야 하기 때문으로 channel의 속성은 경계면에 전자들이 집중적으로 모여있는 상태를 말한다. 낸드 플래시에서는 channel에 끼치는 2가지 변수로는 게이트와 소스의 전압차 외에도 Floating Gate 내에 충전된 캐리어로서, 충전된 캐리어의 종류와 양에 따라 channel 폭이 변동된다. Floating Gate가 완전히 방전된 상태에서는 Floating Gate가 없는 것과 동일한 Intrinsic 상태이며, Gate를 1개만 보유하고 있는 트랜지스터의 특성과 유사하지만, Floating Gate가 충전된 상태에서는 Floating Gate에 전자/정공이 충전된 상태에 따라 서로 낸드 고유의 특성이 다르게 나타난다. Enhancement mode일 경우, gate 전압이 증가할수록 비례하여 channel의 길이가 길어지고 폭도 두꺼워지며, 그에 따라 드레인의 전류도 saturation 상태가 될 때까지 증가한다. 게이트와 소스의 전압차가 증가한다고 채널 폭이 계속 증가하는 것은 아니고, linear 영역 후의 터닝 포인트 이후부터는 게이트와 소스의 전압 차이가 증가해도 더 이상 channel 폭이 증가하지 않는 saturation 영역이 된다. Depletion mode일 경우는 gate 전압이 증가할수록 이미 형성되어있던 channel의 폭이 줄어들어 드레인의 전류가 감소한다.

  문턱 전압 변동 값에 가장 큰 영향을 주는 요소는 Floating Gate의 캐리어 type과 충전량이다. Floating Gate 속에 충전되어 있는 캐리어의 양에 따라 문턱 전압값이 낮아지거나 혹은 높아지는 특성을 나타내는데, 방전된 상태, 프로그램 상태, 지우기 상태에 따라 문턱 전압값이 다르게 영향을 받는다. Floating Gate에 전자가 충전되어 있는 프로그램 상태에서는 문턱 전압의 값이 상승하고, 정공이 충전된 상태에서는 문턱 전압값이 하강한다. 즉, Floating Gate 내의 전자가 많아지면, 문턱 전압이 높아지고, 전자량이 적어지면 문턱 전압이 낮아진다. 방전된 상태란 Floating Gate가 양전하 혹은 음전하로 충전된 상태가 아닌 전하가 없는 Intrinsic 상태로 프로그램 혹은 지우기가 발생하기 전, 셀의 original 상태로서, 이때의 문턱 전압값은 중간값을 가진다.

  문턱 전압값이 Floating Gate에 충전된 캐리어 양에 의하여 영향을 받는다는 것은 복잡한 동작이지만, 이 복잡한 특성으로 인하여 오히려 비휘발성 메모리의 장점이 휘발성 메모리와 비교하면 두드러진다. 휘발성 메모리는 Floating Gate가 없어서 Floating Gate 내로 전자의 프로그램 동작이 필요 없고, storage node 내에 write 동작만 가능하다. 이는 별도로 position 되어 있는 스위칭 트랜지스터의 문턱 전압값이 셀을 기판에 형성시킬 때부터 고정되어 있어서, 문턱 전압을 의도대로 조정할 수 없으므로, 게이트와 소스의 전압차가 문턱 전압보다 큰 값이냐 작은 값이냐에 따라서만 연동된 전류 흐름의 유무로 data의 On/Off를 판별한다.

 

 

<메모리 관련 사진>