낸드 플래시 Nand Flash 기초 원리 (FN Tunneling)
눈 앞에 장벽이 있다고 생각해보아요.
제가 반대편으로 공을 넘기고 싶어서 공을 계속 벽에 던집니다.
공을 벽에 던진다고 공이 반대편으로 넘어가진 않죠.
공을 반대로 넘기는 방법은 벽을 넘기는 방법밖에 없습니다.
하지만 전자의 세계에서는 조금 다릅니다.
고전역학에서는 아무리 벽에 공을 던진다고 공이 벽을 뚫고 들어가서 반대편으로 튀어나오지 않습니다.
하지만 양자역학에서는 Oxide라는 절연막을 전자가 통과할수 있고 확률이 존재합니다.
Nand Flash 낸드 플래시는 바로 전자가 절연막을 통과할수 있고 그 확률이 있다는것에서 시작하면 그것을 FN Tunneling이라고 합니다.
(FN Tunneling : Fowler-Nordheim tunneling - Ralph H. Fowler와 Lothar Wolfgang Nordheim 두분의 이름을 붙임)
출처 : Wikipedia
제 생각으로는 Tunneling 현상은 초기 반도체에서 예상치 못한 현상을 설명할때 주로 사용했던게 아닌가 싶습니다.
Tunneling으로 설명하는 있는 현상에는 Zener Breakdown (제너 붕괴), GIDL (Gate Induced Drain Leakage current)등이 있습니다.
하지만 Nand flash 낸드 플래시는 FN-Tunneling을 통해 Oxide 절연막을 통과한 전자의 양을 가지고 정보를 저장하는 원리로 사용하게 됩니다.
※ Nand Flash는 FN-Tunneling만을 이용하고, Nor Flash는 FN-Tunneling과 Hot Carrier Injection을 이용함.
(공이 벽을 뚫고 가는건 FN-Tunneling이고, 공을 벽 위로 넘기면 Hot Carrier Injection이라고 생각하시면 됨)
출처 : 하이닉스 블로그, 구글링
위 그림은 2D Nand Flash 구조입니다.
Si기판 - Oxide 절연막 - Floating Gate - ONO - Control Gate로 적층되어 있고
Control Gate에 전압을 가해서 Electron(전자)를 Floating Gate에 가두는걸 Program
Floating Gate에 가둬놨던 Electron(전자)를 빼는걸 Erase라고 합니다.
Electron(전자는)는 FN-Tunneling을 통해서 이동이 가능하나, ONO는 전자를 뚫고 갈수가 없도록 Oxide-Nitride-Oxide 막질로 구성되어 있습니다.
출처 : 구글링 (삼성전자)
그렇다면 Nand Flash를 Program할때 어떤 현상이 발생하여 FN-Tunneling이 되는지 간단하게 말씀드리겠습니다.
Gate에 전압이 가해지게 되면 Coupling Ratio (비율)에 따라서 ONO와 Tunnel Oxide에 가해지는 전압이 결정됩니다.
Tunnel Oxide에 전압이 가해지면 Band가 휘면서 Si과 Floating Gate를 막고 있는 Oxide의 Band도 휘게 됩니다.
FN Tunneling은 Band가 휘어서 Si과 Floating Gate간에 수평 거리가 짧아질수록(폭이 얇을수록) 더 높은 확률로 터널링이 됩니다.
즉, Tunnel Oxide의 두께가 얇을수록 / Gate에 가해지는 전압이 클수록 / Tunnel Oxide에 Coupling Ratio 비율에 위해 가해지는 전압이 클수록 / Tunneling 할수 있는 자유전자가 많을수록 Program이 잘됩니다. (FN Tunneling이 많이 일어납니다.)
