Program Operation의 특징과 설명

<Floating Gate로 가는 전자>

 

Floating Gate와 프로그램

 

  프로그램은 셀이 평형상태 혹은 지워진 상태에서 입력된 pattern에 맞게 의도한 상태로 변화시켜 cell을 구분함으로써, "0"과 "1"의 조합된 pattern이 정보의 의미를 갖도록 하는 데 목적이 있다. 전기적으로는 전자가 충전되지 않은 평형상태 혹은 전자가 소거된 상태의 Floating Gate에 전자를 충전시켜, Floating Gate를 마이너스 potential 레벨로 만든 현상이다. 프로그램 상태를 표시하는 방식에 있어서는, Floating Gate에 전자가 충전되면, 기판의 전자 Channel 형성을 방해하여 전류가 흐르지 못하므로 프로그램 셀을 Off 셀 혹은 "0" 셀로 표시하고, 반대로 지워진 셀은 N-Channel의 형성을 도와주어 전류가 쉽게 흐르므로 On 셀 혹은 "1" 셀로 표시한다. 즉, 프로그램을 진행하기 전의 상태는 지워진 상태로서 모든 셀이 "1"로 프로그램되어 있는데, 이 중 input 되는 data에 따른 Cell의 조합에 의해서 targeting 된 셀만 "1"의 상태에서 "0"의 상태로 변환시켜, 필요에 따른 data를 셀 array 내에 만들어내는 동작이 프로그램이다.

  Control Gate의 도움을 받아서 전자를 충전한 Floating Gate가 모순되게, Control Gate가 기판에 형성하고자 하는 Channel을 방해하는데, 이 모순의 개념이 낸드 플래시의 핵심 조절기능으로서, 낸드 플래시 동작상 중추적인 역할을 한다. 따라서 Gate 1개를 갖는 일반적인 NMOS 트랜지스터가 형성하는 정도의 두께를 갖는 Channel을 기판 상단에 형성하기 위해서는, gate 2개를 갖는 낸드의 Control Gate에는, Floating Gate 내의 충전된 캐리어들이 형성한 voltage potential을 보상한 전압보다 더 높은 혹은 더 낮은 전압을 인가해주어야 한다.

  Floating Gate로 전자를 이동시키는 방법으로는 FN 터널링과 HCI 2가지 방식이 있는데, 프로그램 방식은 셀의 구조적인 형태 및 기술의 발전에 따라 hot electron을 이용하던 HCI 방식에서 FN 터널링 방식으로 진화하였다. HCI의 전자는 높은 운동에너지와 열에너지를 발생시키므로 hot 캐리어라 하였고, FN 터널링 방식의 전자는 전위차를 이용한 충전 방식으로서 HCI에 비하여, 열에너지를 발생시키지 않으므로 cold 캐리어 방식이라고 부르기도 한다.

  HCI는 P-Type 기판 N-Channel에 존재하는 소수 캐리어인 전자와 소스의 termination에서 넘어온 다수 캐리어였던 전자를 소스와 드레인 사이에 형성되는 전계에너지로 가속시켜 운동에너지의 potential을 높인 다음, 이를 이용하여 기판과 Floating Gate 사이에 형성된 tunnel oxide의 장벽을 뛰어 넘겨서 Floating Gate로 충전하는 방식으로, HCI는 열에너지로 많은 에너지가 빠져나가는 에너지 효율이 낮은 방식이다.

  FN 터널링 방식은, 셀 입장에서 보면 강물 위의 Floating island처럼, 주위의 모든 연결고리를 초기화 혹은 무한대 base level로 만든 다음에, 공중부양처럼 Control Gate에서 전압을 가하여 기판에 있는 전자들을 Floating Gate로 직접 끌어올리는 동작이다.

 

 

프로그램 셀의 전압, 전류특성

 

  Gate가 2개 이상인 낸드플래시에서는 Floating Gate 내의 변수인 전자의 충전량에 따라 문턱 전압이 가변 된다. Gate가 1개인 일반적인 트랜지스터일 때는 fix 되어 변동시킬 수 없었던 문턱 전압이, Floating Gate 1개를 더 추가하면, 임의로 문턱 전압을 변경시킬 수 있는 변수로 설정된다. 셀을 읽을 때, Control Gate의 전압을 0V에서부터 서서히 상승시키면 기판에 Channel이 형성되기 시작하여, 소스와 드레인 사이의 Channel이 pinch on 되면서 전류가 흐르기 시작하고, 이 시점의 Control Gate에 인가된 임계전압을 문턱 전압이라고 하는데, 프로그램된 셀의 transfer 특성은 문턱 전압 기준으로 살펴보면 이해하기 쉽다. 프로그램된 후의 Floating Gate에 충전된 양에 따라, 문턱 전압은 비례적으로 높아지는 것을 알 수 있다. Floating Gate가 지워졌다가 점점 프로그램이 진행됨에 따라, 문턱 전압 값은 Floating Gate 내의 전자의 영향을 받아서 음의 값에서 점차 양의 값으로 상승한다. 이는 문턱 전압이 높아지는 만큼 Channel에 부정적 영향을 끼쳐서 드레인의 전류 흐름을 방해한다. Floating Gate 주변에 형성된 capacitance와 문턱 전압은 서로 반비례하므로, 적정한 문턱 전압을 설정하기 위하여는 Floating Gate 내의 전압 충전량과 capacitance의 균형 있는 배합이 필요하다.

  요약하자면, Floating Gate가 마이너스/플러스 potential로 전자/정공이 충전되는 양만큼 비례하여, Control Gate에 인가되는 전압이 기판에 전달 시에, 전압의 변화량만큼 Channel 형성에 어려움이 발생하므로, 프로그램된 셀을 동작시키려면 Control Gate에는 그만큼 높은 혹은 낮은 전압을 추가로 보상해 주어야, Control Gate에서 Floating Gate를 거쳐 기판에 전달되는 전압이 Channel을 형성할 수 있는 전압이 된다.