낸드 플래시 동작 원리 Program, Erase

지난 글에서 다룬 낸드 플래시 구조와 원리에 이어 이번 글은 이 플래시 메모리 셀에 데이터를 저장하고 읽는 동작에 대해 설명한다. erase 동작은 Floating Gate에서 전자를 빼내어(Vth를 낮춰) 데이터를 1로 저장하는 과정으로, body 쪽에 고전압을 주고 gate 쪽에 0V를 주어 FN tunneling에 의해 전자가 빠져나가도록 한다. 이때 erase는 블록 단위로 진행되며 선택 블록은 CSL에 20V, GSL과 SSL, BL은 Floating 상태로 두어 비선택 흐름이 발생하지 않도록 한다.

프로그램 동작은 erase와 반대 흐름으로, 먼저 프로그램될 셀에는 gate 쪽에 높은 전압(20V), body 쪽에는 낮은 전압(0V)을 인가해 전자를 주입한다. 이를 위해 BL을 전달하는 SSL을 On 시키려면 GSL에 약 10V를 주고, DSL은 Floating으로 두며, 프로그램 할 셀(A)이 포함된 WL에는 20V를 인가한다. 반면 프로그램하지 않을 셀(B)은 WL에 약 9V를 주어 Gate-Body 전압차를 작게 만든다. 같은 WL 내의 셀(C) 역시 프로그램되면 안 되므로 BL을 올려 Gate-Body 전압차를 줄인다. 핵심은 프로그램 할 셀은 Gate-Body 차이가 커서(약 20V) FN tunneling이 지속되도록 하고, 나머지 셀들은 차이를 최소화해 프로그램을 억제하는 데 있다. 또한 Vpass(9V)가 비선택 BL의 전압(8V)보다 커야 비선택 셀들의 Pass 트랜지스터가 모두 On되어 직렬로 연결된 NAND 구조에서 전압 전달이 가능하다.

이후 부담을 완화하기 위한 두 가지 수정이 등장한다. 첫째, 비선택 BL과 SSL을 동일 Vcc(약 3V)로 인가해 Floating시키고, 둘째, 선택 WL의 전압을 Vpass와 Vpgm으로 순차적으로 증가시켜 셀프 부스팅을 유도하는 것이다. 그림을 보면 비선택 BL이 Floating 되므로 선택 WL과 Pass Voltage의 조합에 따라 자연스럽게 전압이 올라간다. 채널 전압식은 복수의 WL 개수로 인해 Vpass의 영향이 더 크고, 실제로도 Self-Boost로 상승하는 전압은 약 7.xV까지 도달한다. Self-Boosting은 비유적으로 물속에 묶인 부표를 잡고 있는 SSL이 해방되며 상승과 하강으로 수면 높이가 변하는 현상과 비슷하다고 느껴진다.

더 나아가 보다 효율적인 Self-Boosting을 위한 방법으로 Local Self Boost와 Asymmetric Self Boost가 제시된다. Local Self Boost는 선택 WL 주변을 모두 Floating시켜 채널이 작은 구간으로 분리해 프로그램 Disturb를 감소시키지만 선택셀 주변 셀의 차단으로 인해 전체 프로그램 효율이 감소할 수 있다. Asymmetric Self Boost는 한쪽만 0V로 Floating시키는 방법으로 효율을 높인다.

마지막으로 낸드 플래시의 Read 동작은 비선택 Word Line에 VpassR(약 4V)을 인가하고 선택된 Word Line에는 0V를, bit line은 약 0.3V로 precharge한 뒤 선택 셀의 Vth에 따라 전류 유무를 판단한다. 그 변화량을 Sense Amplifier가 감지해 데이터를 판독하는 구조다. 이 글은 낸드 플래시 메모리의 동작 원리와 매커니즘을 정리하며, Erase는 전자 빼내기, Vth 감소로 데이터 1 저장, Program은 전자 주입으로 Vth 상승으로 데이터 0 저장, Read는 비선택과 선택 전압 분배를 통해 데이터 판독의 흐름을 설명한다.