플래시 메모리 원리

정보를 손쉽게 옮기는 플래시 메모리

 

플래시 메모리는 1980년대 발명된 일본발 기술이다. 당초에는 데이터를 바꾸어 쓸 때 보존했던 데이터를 일단 모두 삭제하던 것으로부터 ‘flash’라고 명명했다. 현재는 모든 데이터를 삭제하는 것은 아니지만 이름은 그대로 사용이 된다.

0과 1만을 사용하여 나타내는 정보를 디지털 정보라고 한다. 플래시 메모리에서는 0과 1을 ‘메모리셀‘이라 불리는 반도체를 사용하여 표현한다. 메모리셀의 일부분인 ’플로팅 게이트’에 전자가 들어있는 상태를 0, 들어있지 않은 상태를 1이라고 한다. 한 번에 수백개의 전자들이 플로팅 게이트를 출입한다. 다만 수만~수백만회 전자가 출입하게 되면 플로팅게이트와 MOSFET 사이를 조건적으로 격리하는 실리콘 산화막이 열화되어 비휘발성 메모리의 성질이 사라지게된다.

 

반도체의 기반이 되는 MOSFET

 

MOSFET은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 영어 약자이다. 

금속 산화막이란 이름이 붙은 것은 초기에 게이트로 금속을 이용하였기 때문이나, 현재는 폴리실리콘 게이트를 사용하여 금속이란 이름은 그저 관습적인 표현이 되었다.

 

<구조>

금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET)는 모스 축전기에 의한 전하농도의 변화에 기초를 두고 있다. 두개의 단자(소스와 드레인)는 각각 분리되어 고농도로 도핑된 영역에 연결되어 있다. 이런 영역은 P형이나 N형이 될 수 있지만 두개는 반드시 동일한 형태이어야 한다. 고농도 도핑 영역은 일반적으로 도핑 형태에 따라서 '+'로 표시된다. 이 두 영역은 이와 반대 형으로 도핑된, body라는 영역에 의하여 분리되어있다. 이 영역은 고농도 도핑이 아니며 '+' 기호가 없다. 활성 영역은 모스 축전기를 구성하며 세 번째 전극, 즉 게이트가 되어 몸체 위에 있으며 산화층에 의해 다른 모든영역과 절연되어 있다.

 

<원리>

p형 반도체와 n형 반도체가 접합한 결과 위 그림과 같이 pn junction (공핍층)이 p형 반도체와 n형 반도체 사이에 생기게 된다. 이는 소스와 드레인 사이를 p형 반도체와 공핍층이 격리 시킨다. 그리고 이때의 상태를 0이라고 한다.

 

이제 이 MOSFET의 정보를 바꾸어 주어야 한다. 이를 위해서는 n형 반도체 사이 전극을 대주고 + 전압을 걸어준다.   

 

+ 전압을 걸어주게 되면 양공이 전극으로부터 멀어지고 전자들은 전극 쪽으로 모여 든다. 이를 위해 저농도 도핑이 필요하며 이 떄문에 위 그림 같이 전류가 흐를 수 있는 통로가 생기게 되는 것이다. 

 

 

NAND Flash Cell (MOSFET + Floatig Gate)

 

<구조>

 

NAND Flash Cell은 MOSFET 위에 플로팅 게이트를 얹어 전압이 걸려있지 않아도 채널이 열린 상태 혹은 닫힌 상태를 유지할 있도록 한다. 

추가적으로 반도체 제조 공정은 위 그림과 같이 겹겹이 쌓기 떄문에 하나의 반도체를 반들기 위해 적게는 1달 길게는 2달이 걸린다고 한다. 실리콘 웨이퍼를 고온의 산소에서 산화 시켜 산화막을 덮고 PR(포토 레지스트)를 뿌리고 선택적으로 빛을 비추어 PR을 날리고 선택적으로 산화막, 실리콘막 등을 벗기고 다시 빈 부분을 채워 산화막을 깍고 깍아 만드는 것이다. 

 

 

<원리>

 

MOSFET 위의 플로팅게이트는 전자를 저장하는 역할을 한다. 이 때문에 + 전압이 걸리면 플로팅 게이트에 p형 반도체로부터 전자가 이동하여 채널은 닫히고 0의 상태가 된다. 반대로 바디(p형 반도체)에 + 전압을 걸어주게 되면 플로팅 게이트에 저장되었던 전자가 다시 p형 반도체로 이동하면서 채널은 열리고 1의 상태가 된다. 

 

오늘날 플래시 메모리가 들어가지 않는 전자제품이 없다. 메모리카드, USB, 휴대전화 심지어는 TV, 세탁기, 냉장고 등 가전제품에도 들어간다. 아직도 전자제품의 대용량 기억장치로 하드디스크를 가성비 측면에서 사용하기는 하지만 기술의 발전 및 빠른 읽기, 쓰기 속도 때문에 플래시 메모리의 입지가 더욱더 넓어질 것이다.