낸드 플래시 원리, 삼성 CTO 구조까지? 초보도 반도체 쉽게 이해하는 꿀팁!
랜드 플래시, 삼성전자의 기술력 이야기
반도체는 크게 두 가지로 나눌 수 있어. 메모리 반도체랑 비메모리 반도체 말이야.
삼성전자는 이 중에서 메모리 반도체 분야에서 아주 오랫동안 1등을 하고 있는 대단한 회사야. 1974년에 한국 반도체를 인수하면서 메모리 반도체 사업에 뛰어들었고, 1993년에는 드디어 1위를 차지했지. 그 후로 지금까지 계속 1등 자리를 지키고 있어. 특히 삼성전자의 DRAM이랑 낸드플래시 기술은 세계 최고라고 할 수 있지.
오늘은 이 낸드플래시랑 삼성전자가 처음으로 개발해서 전 세계를 놀라게 한 CTF 구조, 그리고 3D 낸드플래시에 대해 쉽게 이야기해 볼게.
낸드플래시, 대체 뭘까?
메모리 반도체는 DRAM이랑 플래시 메모리로 나눌 수 있어.
- DRAM (램): 이건 휘발성 메모리라고 해서, 전기가 나가면 저장했던 내용이 다 사라져 버려. 마치 잠깐 기억하는 것처럼 말이지.
- 플래시 메모리: 이건 비휘발성 메모리라서, 전기가 나가도 저장했던 내용이 그대로 남아있어. USB나 스마트폰에 쓰는 메모리가 바로 이거야.
플래시 메모리 안에서도 또 두 가지로 나뉘는데,
- 낸드플래시: 셀들이 직렬로 연결되어 있어.
- 노어플래시: 셀들이 병렬로 연결되어 있지.
노어플래시는 속도가 빠르고, 낸드플래시는 작게 만드는 데 유리하다는 장점이 있어. 우리는 여기서 낸드플래시에 대해 자세히 알아볼 거야.
낸드플래시, 어떻게 기억하는 걸까?
낸드플래시의 기본적인 구조는 마치 MOSFET이라는 것에 플로팅 게이트라는 걸 추가한 모양이야. (MOSFET 구조가 궁금하면 이전 영상을 참고해!)
이 플로팅 게이트라는 곳에 전자를 넣어서 데이터를 저장하는 거야. 마치 스위치처럼,
- 플로팅 게이트에 전자가 있으면 0
- 전자가 없으면 1
이렇게 인식해서 메모리를 저장하는 거지.
낸드플래시의 작동 원리
자, 그럼 낸드플래시가 어떻게 작동하는지 간단히 볼까?
- 컨트롤 게이트라는 부분에 강한 플러스 전압을 걸어주면, 아래쪽에 있는 전자들이 플러스에 끌려서 위쪽으로 몰려와.
- 전자들이 몰려오는 위쪽에는 플로팅 게이트가 있는데, 그 사이에는 산화막(옥사이드)이라는 전류가 거의 흐르지 않는 물질이 있어.
- 원래는 전자가 이 산화막을 통과할 수 없는데, 전자들이 계속 몰려오면 양자 역학의 터널링 효과라는 신기한 현상 때문에 산화막을 뚫고 플로팅 게이트까지 갈 수 있게 돼. (터널링 효과는 나중에 더 자세히 다룰게!)
- 이렇게 플로팅 게이트에 전자가 들어가면 컴퓨터는 그걸 0으로 인식해.
- 전원을 꺼도, 플로팅 게이트에 들어간 전자들은 터널링 효과로 빠져나갈 수 없기 때문에 계속 그 안에 갇혀있어. 그래서 전원이 없어도 0이라는 정보를 계속 기억할 수 있는 거야.
결론적으로 낸드플래시는 플로팅 게이트에 전자를 가두는 방식으로 데이터를 저장하고, 전원이 없어도 그 정보를 유지하는 거지.
낸드플래시, 더 작게 만들면 성능이 좋아질까?
낸드플래시는 이런 셀(데이터를 저장하는 작은 단위)이 많을수록 성능이 좋아져. 그래서 셀을 더 작게 만들면 같은 면적에 더 많은 셀을 넣을 수 있으니까 성능이 향상되는 거야.
예전에는 낸드플래시 회사들이 셀을 계속 작게 만들면서 성능을 높여왔어. 그런데 셀들이 너무 작아지고 가까워지면, 옆에 있는 셀의 플로팅 게이트에 있는 전자들이 서로 간섭을 일으키게 돼. 그러면 전자를 제대로 제어할 수 없어서 메모리가 제대로 작동하지 않게 되는 거지.
결국 낸드플래시를 작게 만들어서 성능을 높이는 데 한계가 온 거야.
삼성전자의 혁신: CTF 구조와 3D 낸드플래시
이런 셀 간의 간섭 문제를 해결하기 위해 삼성전자는 2006년에 CTF (Charge Trap Flash) 구조를 세계 최초로 개발했어.
기존 낸드플래시는 전자를 가두는 플로팅 게이트가 폴리실리콘이라는 도체로 되어 있었는데, CTF 구조는 이걸 실리콘 질화물이라는 절연체로 바꾼 거야. 이 물질은 폴리실리콘보다 전자를 훨씬 강하게 가둘 수 있어서, 셀을 작게 만들어도 전자가 잘 빠져나가지 않아. 그래서 옆 셀의 간섭을 덜 받게 되는 거지.
하지만 낸드플래시가 계속 작아지면서 CTF 구조도 한계에 부딪혔어. 그래서 삼성전자는 또 다른 기발한 아이디어를 냈는데, 바로 평면으로 펼쳐진 셀들을 아파트처럼 수직으로 쌓아 올리는 것이었어.
이게 바로 3D 낸드플래시 구조야. 이렇게 하면 같은 면적에 훨씬 더 많은 낸드플래시 셀을 쌓을 수 있게 되지. 삼성전자는 뛰어난 공정 기술로 이 3D 낸드플래시 구조를 세계 최초로 구현했어.
이 3D 낸드플래시 덕분에 낸드플래시 성능은 이전과는 비교할 수 없을 정도로 비약적으로 발전했어. 지금은 여러 낸드플래시 회사들이 이 셀을 얼마나 높이 쌓을 수 있는지 경쟁하면서 성능을 계속 발전시키고 있단다.
지금까지 낸드플래시의 기본 구조부터 삼성전자가 개발한 CTF 구조, 그리고 3D 낸드플래시까지 간략하게 알아봤어. 이 내용이 낸드플래시에 대해 이해하는 데 도움이 되었으면 좋겠네!