NAND 플래시 메모리 구조 Floating Gate vs Charge Trap Flash(CTF) 원리와 장단점

스마트폰과 SSD의 핵심 저장장치인 NAND 플래시의 기본 단위 구조를 알려드리겠습니다. 도체에 전하를 통째로 가두는 플로팅 게이트 방식과 부도체 질화막에 전하를 묶어두는 차지 트랩(CTF) 방식의 원리 및 기술 혁신을 확인해 보세요.

전도성 도체에 전하를 통째로 가두는 플로팅 게이트(Floating Gate)의 저장 미세화

우리가 일상에서 사용하는 스마트폰의 내부 저장 공간이나 컴퓨터의 빠른 속도를 책임지는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)의 핵심 부품은 바로 전원이 꺼져도 사진과 영상, 문서 파일이 지워지지 않는 비휘발성 낸드 플래시 메모리입니다. 컴퓨터의 임시 작업대 역할을 하는 램(RAM)이 전기가 끊기는 즉시 기억을 모두 잃어버리는 것과 달리, 낸드 플래시는 전원 플러그를 뽑아도 수년 동안 안전하게 데이터를 보존합니다. 이러한 영구적인 기억 능력을 구현하기 위해 반도체 엔지니어들은 전자라는 아주 작은 전하 알갱이를 물리적으로 붙잡아두는 특수한 감옥 구조를 트랜지스터 내부에 설계해 넣었습니다. 낸드 플래시의 역사에서 가장 오랫동안 표준으로 자리 잡으며 눈부신 발전을 이끌었던 전통적인 저장 방식이 바로 플로팅 게이트(Floating Gate) 기술입니다.

전도성 도체에 전하를 통째로 가두는 플로팅 게이트(Floating Gate)의 저장 미세화

플로팅 게이트의 내부 구조를 살펴보면 가장 아래쪽에 전기가 흐르는 통로인 실리콘 채널이 있고, 그 위에 전자가 함부로 넘어가지 못하도록 막아주는 매우 얇은 터널 산화막 절연층이 깔려 있습니다. 그리고 그 절연막 위에 전기를 아주 잘 통하는 전도성 다결정 실리콘으로 만든 플로팅 게이트라는 작은 방이 얹혀 있으며, 그 위를 다시 두꺼운 절연막으로 덮은 뒤 전압을 걸어주는 제어 게이트를 최상단에 올려놓습니다. 플로팅 게이트라는 이름이 붙은 이유는 이 방의 사방이 산화막 절연체로 완벽하게 둘러싸여 있어 외부 회로와 전기적으로 완전히 단절된 채 허공에 둥둥 떠 있는 고립된 섬과 같기 때문입니다. 데이터를 기록하고자 할 때 제어 게이트에 약 20볼트에 달하는 높은 전압을 강하게 걸어주면, 바닥의 채널에 있던 전자들이 강한 정전기적 끌림을 받아 높은 에너지 절연막 장벽을 뛰어넘는 양자역학적 파울러 노드하임 터널링 현상을 일으킵니다. 이 전자들은 얇은 산화막을 뚫고 지나가 플로팅 게이트 방 안으로 한꺼번에 쏟아져 들어갑니다. 일단 전자가 이 방 안으로 갇히고 나면 외부 전압을 완전히 꺼버리더라도 사방이 절연막 벽으로 꽁꽁 막혀 있기 때문에 전자가 밖으로 빠져나갈 길이 없습니다. 플로팅 게이트 안에 전자가 가득 차 있으면 전자의 음전하 힘으로 인해 바닥 채널의 전류 흐름이 방해를 받아 문턱 전압이 높아지며, 컴퓨터는 이 상태를 데이터 0으로 인식합니다. 반대로 방 안에 전자가 비어 있으면 전압이 낮아도 전류가 시원하게 흘러 데이터 1로 인식하는 매우 직관적인 원리로 동작합니다. 하지만 반도체의 회로 선폭이 20나노미터와 10나노미터 수준으로 극단적으로 좁아지면서 플로팅 게이트 방식은 거대한 물리적 장벽에 부딪히게 되었습니다. 가장 치명적인 문제는 플로팅 게이트가 전기가 통하는 도체 덩어리라는 점에서 비롯됩니다. 도체 내부에서는 모든 전자가 자유롭게 움직이기 때문에, 잦은 쓰기와 지우기 반복으로 인해 바닥의 얇은 산화막 절연체에 단 1개의 미세한 균열이나 결함 구멍이 생기는 순간, 감옥 안에 갇혀 있던 수많은 전자들이 그 구멍을 통해 썰물처럼 한꺼번에 전부 밖으로 빠져나가 방전되어 버립니다. 즉 물통 바닥에 바늘구멍 하나만 뚫려도 물이 몽땅 새어나가 데이터가 흔적도 없이 증발해 버리는 스트레스 유도 누설 전류(SILC) 결함이 발생합니다. 더욱이 셀과 셀 사이의 거리가 몇 나노미터 수준으로 바짝 좁아지자, 옆집 플로팅 게이트에 저장된 전하의 전기적 힘이 바로 옆 셀의 전압을 제멋대로 흔들어버리는 기생 정전용량 간섭 현상이 심각해졌습니다. 옆 셀에 데이터를 쓰는 순간 내 셀의 데이터가 왜곡되어 읽기 오류가 폭증하게 된 것입니다. 결국 평면 위에서 도체 방을 더 이상 얇고 좁게 만들 수 없다는 물리적 한계에 직면하면서, 플로팅 게이트는 2차원 평면 낸드 플래시의 종말과 함께 새로운 혁신 기술에게 자리를 내어주게 되었습니다.

부도체 질화막의 미세 트랩을 이용하는 차지 트랩 플래시(CTF)의 원리

플로팅 게이트가 지닌 전하 누설 참사와 셀 간의 치명적인 전자기적 간섭 문제를 완벽하게 해결하기 위해 등장한 구원투수가 바로 차지 트랩 플래시(CTF, Charge Trap Flash) 기술입니다. 차지 트랩 기술의 가장 근본적인 발상의 전환은 전하를 가두는 방의 재질을 전기가 잘 통하는 도체에서 전기가 전혀 통하지 않는 부도체 절연 물질로 완전히 바꾸어 버린 데에 있습니다.

부도체 질화막의 미세 트랩을 이용하는 차지 트랩 플래시(CTF)의 원리

차지 트랩 셀 구조에서는 금속성 플로팅 게이트를 완전히 뜯어내고, 그 자리에 아주 얇은 실리콘 질화막 층을 집어넣습니다. 이 구조는 바닥의 산화막, 가운데 질화막, 그리고 위의 산화막이 차례로 쌓여 있어 산화막-질화막-산화막의 머리글자를 따서 오엔오(ONO) 구조라고 부릅니다. 질화막은 전기가 통하지 않는 완벽한 부도체 절연체이지만, 내부를 현미경으로 아주 깊숙이 들여다보면 원자 결합이 살짝 어긋나 있는 수많은 미세한 결함 구덩이인 트랩(Trap)들이 그물망처럼 촘촘하게 박혀 있습니다. 제어 게이트에 고전압을 걸어 터널링으로 전자를 밀어 넣으면, 전자들은 부도체 질화막 안으로 들어가는 순간 서로 뭉쳐서 돌아다니지 못하고 수많은 독립된 미세 트랩 구덩이 속에 모래알처럼 하나씩 깊숙이 박혀 옴짝달싹 못 하게 갇혀 버립니다. 마치 넓은 호수 안에 물을 한꺼번에 채워 넣는 것이 플로팅 게이트였다면, 물을 머금는 스펀지 구멍 하나하나에 물방울을 가두는 것이 차지 트랩 방식인 셈입니다. 이러한 부도체 트랩 메커니즘은 신뢰성 측면에서 기적과도 같은 공학적 장점을 가져다줍니다. 만약 수없이 데이터를 쓰고 지우는 과정에서 하부 산화막에 미세한 크랙이나 바늘구멍 같은 결함이 생기더라도, 구멍 바로 위에 맞닿은 몇 개의 전자만 빠져나갈 뿐 나머지 다른 트랩에 박혀 있는 수많은 전자들은 부도체 특성상 옆으로 이동하지 못하고 그 자리에 온전히 살아남아 있습니다. 구멍 하나 때문에 방 전체의 전하가 모조리 빠져나가던 플로팅 게이트의 치명적인 누설 위험이 원천적으로 박멸된 것입니다. 따라서 절연막의 두께를 훨씬 더 얇게 만들 수 있어 더 낮은 전압으로도 빠르고 부드럽게 데이터를 쓸 수 있게 되었으며, 소자의 내구성이 비약적으로 향상되었습니다. 또한 전하를 가두는 질화막 층의 두께가 수 나노미터 수준으로 종이 한 장처럼 극단적으로 얇기 때문에, 높이가 두껍고 뚱뚱했던 플로팅 게이트와 비교했을 때 이웃한 셀 사이의 물리적 거리와 면적이 대폭 줄어들어 셀 간의 정전용량 간섭 노이즈가 10분의 1 이하로 뚝 떨어졌습니다. 무엇보다 차지 트랩 플래시(CTF)의 진정한 위력은 평면 낸드의 한계를 넘어 셀을 아파트처럼 위로 쌓아 올리는 3차원 수직 적층 낸드(3D V-NAND) 시대를 열어젖히는 핵심 열쇠가 되었다는 점입니다. 높이가 높은 플로팅 게이트는 위로 수십 층, 수백 층 쌓아 올릴 때 물리적으로 깎아내고 분리하기가 거의 불가능에 가까웠습니다. 반면에 차지 트랩 구조는 전하를 가두는 질화막 층이 절연체이기 때문에 인접한 셀끼리 굳이 칼로 자르듯 물리적으로 뚝뚝 끊어놓을 필요가 없습니다. 긴 파이프 기둥 모양의 원통형 구멍을 위아래로 한 번에 뻥 뚫어놓고, 그 구멍 내벽에 질화막을 끊김 없이 원통형 페인트칠하듯 매끄럽게 발라놓는 것만으로도 수직으로 연결된 수십 개의 셀을 단번에 만들어낼 수 있습니다. 전하들이 부도체 질화막 안에서 수직 방향으로 번져나가지 않고 각자의 게이트 전압 위치에만 얌전하게 갇혀 있기 때문에 가능한 혁신입니다. 이를 통해 반도체 산업은 셀을 64층, 128층, 200층, 나아가 300층 이상까지 아파트처럼 수직으로 차곡차곡 쌓아 올리며 손톱만 한 칩 하나에 수 테라바이트(TB)의 거대한 용량을 담아내는 눈부신 3D V-NAND 양산 기술을 완성할 수 있었습니다. 플로팅 게이트와 차지 트랩 플래시는 전하를 도체 방에 통째로 담아두느냐, 아니면 부도체 질화막의 미세 트랩에 개별적으로 묶어두느냐의 결정적인 메커니즘 차이를 지니고 있으며, 누설 전류와 셀 간 간섭을 물리적으로 극복한 차지 트랩 기술의 등장은 오늘날 초고용량 초고속 SSD와 모바일 메모리 혁명을 가능하게 만든 낸드 플래시 공학사 최고의 혁신적인 이정표입니다.