이해하기 쉽게 알려주는 "NAND Flash" 이야기 1편

NAND Flash의 변화

NAND Flash는 오랜 기간에 걸쳐 많은 변화를 해왔습니다. 고효율 소자를 만들기 위한 목표로 회로 선폭은 좁아졌고, 고밀도 집적 회로를 만들기 위해서 2D 형태의 소자는 3D 형태로 발전했습니다. 이번 피드에서는 NAND Flash가 어떻게 변화했고, 어떤 방식으로 동작하는지, 저장 형태는 어떻게 되는지 알아보겠습니다.

2D NAND Flash 구조와 저장 방식

Planar 구조 

최초 NAND Flash 소자는 2D 구조로 제작되었습니다. 2D Nand Flash는 플래시 메모리 셀이 웨이퍼 표면과 나란히 배치된 메모리입니다. 따라서, Planar 또는 평면 구조라고도 부릅니다. 일반적으로, 2D NAND Flash는 전자들을 저장하는 공간인 Floating Gate(FG)가 존재하고, 이 FG는 전자를 저장하거나 방출하는 역할을 합니다. NAND Flash는 전자를 저장하거나 방출하면서 데이터를 쓰고 지울 수 있습니다.

NAND Flash에서 Data를 쓰는 과정을 우리는 Program이라고 부릅니다. Program 과정은 Control Gate(CG)에 +전압이 인가되고, Source에서 Drain으로 전류가 흐르는 조건에서 얇은 산화막을 뚫고 전자가 저장되며 진행됩니다. 반대로 Data를 지우는 과정을 우리는 Erase라고 부릅니다. Erase 과정은 CG에 -전압을 인가하면, FG에 있던 전자들이 얇은 산화막을 뚫고 방출되며 진행됩니다.

 

위와 같은 전자의 저장 및 방출 과정을 통해 NAND Flash가 동작합니다. 그리고 앞서 말한 것과 같이 FG는 얇은 산화막과 연결되어 있습니다. 얇은 산화막은 FG를 전기적으로 절연하는 역할을 하며, 전기적인 절연으로 인해 전원이 OFF가 되더라도 데이터를 FG에 저장한 상태로 둘 수 있습니다. 이러한 이유로 현재 NAND Flash는 비휘발성 메모리로 사용되고 있습니다.

SLC, MLC, TLC, QLC

일반적으로 NAND Flash는 Cell 당 하나의 bit를 저장할 수 있다고 알려져 있습니다. 하지만, 여러 저장 방식이 있으며, 저장 방식에 따라 Single Level Cell(SLC), Multi Level Cell(MLC), Triple Level Cell(TLC), Quadruple Level Cell(QLC)로 나눌 수 있습니다.

SLC는 각 셀이 하나의 bit를 저장합니다. SLC는 각 셀이 하나의 Bit만 저장하기 때문에, 데이터 저장 방식이 단순합니다. 이에 따라 데이터를 읽고 쓰는 작업이 빠른 속도로 동작하며, 오류가 발생할 가능성이 적습니다. 또한, SLC는 MLC, TLC, QLC보다 상대적으로 데이터를 읽고 쓰는데 드는 에너지가 낮아 수명을 길게 가져갈 수 있는 장점이 있습니다. 높은 신뢰성과 안정성을 가지고 있는 만큼 상대적으로 고가인 단점도 있습니다. 따라서, Data Center의 Server SSD 등의 높은 신뢰도와 안정성이 필요한 분야에서 사용됩니다.

MLC는 각 셀이 두 개의 bit를 저장합니다. MLC는 SLC에 비해 더 많은 용량의 데이터를 저장할 수 있습니다. 더 많은 용량의 데이터를 저장할 수 있다 보니 좀 더 많은 에너지가 소비됩니다. 또한, 많은 용량의 데이터를 저장할 수 있다는 것은 장점이지만, 그에 따른 기대 수명이 짧아지는 것은 단점으로 평가되고 있습니다. 추가로 MLC는 SLC보다는 금액이 저렴합니다. 그래서 주로 소비자용 SSD나 USB 등에 많이 사용됩니다.

TLC는 각 셀이 세 개의 bit를 저장, QLC 각 셀이 네 개의 bit를 저장합니다.

위 설명과 같이 SLC → MLC → TLC → QLC 순으로 저장 방식이 변경됨에 따라서 각 셀이 저장할 수 있는 용량은 증가합니다. 이에 따라 밀도 높은 데이터 저장할 수 있었고, 구매 비용도 저렴해졌습니다. 하지만, 각 셀에 더 많은 bit를 저장해야 하므로 느린 속도로 동작하며, 오류가 발생할 가능성이 있습니다. 그리고 상대적으로 내구성이 낮아 기대 수명이 낮아진다는 단점이 있습니다. 이러한 내용을 종합적으로 사용자는 용도에 따라 SLC, MLC, TLC, QLC 중 선택하여 사용합니다.

CTF 구조

이후 NAND Flash는 FG를 사용하는 구조에서 한계를 느끼고, Charge Trap Flash(CTF) 구조로 변화하였습니다. 반도체 소자가 미세화됨에 따라 도체인 FG가 주변 다른 셀에 영향을 미치기 시작했습니다. 이에 따라 품질 문제가 계속되면서, FG를 대체할 대체품을 찾아야 했습니다. 따라서, 도체(FG)를 부도체(CTF)로 대체하여 전자를 저장하는 방식을 채택했습니다.

 

도체가 부도체로 전환됨에 따라 전자가 방전될 확률을 줄였으며, 도체로써 전기적으로 주변 셀에 영향을 줄 수 있었던 부분을 차단하여 기능과 신뢰성을 향상했습니다. 신뢰성과 안정성을 바탕으로 현대 반도체 산업에서 제작되는 3D 구조에서도 동일한 CTF 방식을 채택하여 사용하고 있습니다.

[반도체] 누구나 쉽게 이해하는 NAND Flash(낸드플래시)에 관해 알아보기(2)

[반도체] 비 전공자도 쉽게 이해하는 NAND Flash(낸드플래시) & DRAM(디램)