3D 낸드, 수직형 낸드(V-NAND)의 작동

1. 3D 낸드란

 3D 낸드는 수직형 낸드(V-NAND)라고도 한다. 트랜지스터 다이의 플래시 메모리 셀을 수직으로 쌓아 저장 집적률을 높인 비휘발성 플래시 메모리의 일종이다. 데이터 무결성을 크게 손상시키지 않고 단일 트랜지스터 다이에 더 많은 셀 레이어를 쌓을수록 스토리지 집적도가 높아진다.

 

 일반적인 3D 낸드 플래시 칩은 개별 레이어 32 ~ 48개를 쉽게 포함할 수 있으며 64단, 96단, 심지어 128단 장치가 출시된다. 레이어를 추가하면 2D 플래시보다 3D 플래시를 제작하는 데 더 어렵고 시간이 많이 소요된다. 그러나 계층은 훨씬 더 짧은 연결 경로로 메모리 장치 내에서 훨씬 더 큰 비트 밀도를 가능하게 하여 더 나은 성능을 가져온다. 오늘날 3D 낸드 플래시 장치는 USB(Universal Serial Bus) 썸 드라이브, 플래시 어레이, 엔터프라이즈급 SSD와 같은 저장 장치뿐만 아니라 태블릿과 같은 컴퓨터에서도 흔히 볼 수 있다.

 

 2. 3D 낸드의 작동

 일반적인 플래시 메모리 칩은 전기 회로 내에 전압 상태로 데이터를 저장하는 방식으로 작동한다. 3D 낸드의 작동 원리를 이해하려면 먼저 낸드 셀의 내부 작동 원리를 이해하는 것이 중요하다.

 

 낸드(NAND)는 'NOT AND'의 약자로, 낸드 셀의 내부 회로를 제어하는 부울(Boolean) 연산자 또는 논리 게이트를 의미한다. 낸드 연산자는 두 입력이 모두 TRUE일 경우에만 FALSE 값을 생성한다.

 

 가장 기본적인 낸드 셀은 두 개의 게이트로 구성된 트랜지스터이다. 제어 게이트는 나머지 회로에 전기적으로 연결되어 셀을 프로그래밍할 수 있고, 플로팅 게이트는 회로와 전기적으로 절연돼 있어 전원 없이도 충전할 수 있다.

 

 플로팅 게이트는 두 개의 절연 레이어 사이에 끼워져 있으며, 제어 게이트는 상단에, 채널은 하단에 소스 및 드레인을 연결한다.

 

 낸드 셀을 프로그래밍하려면 제어 게이트에 전압을 인가하여 채널의 전자가 첫 번째 절연 층의 임계 전압을 극복하고 플로팅 게이트로 터널링 할 수 있게 해야 한다. 플로팅 게이트가 충전되면 데이터가 저장되고 셀의 이진 값이 0으로 설정된다.

 

 셀을 지우려면 소스 및 드레인에 고전압을 인가하여 제어 게이트에서 음의 전압을 유도해야 한다. 이렇게 하면 플로팅 게이트에 갇힌 전자가 하단 절연 층을 가로질러 채널로 다시 터널링 되어 셀을 효과적으로 지우고 이진 값을 1로 설정할 수 있다.

 

 셀 크기가 작아지면 단일 트랜지스터 평면에서 셀 사이의 거리도 줄어든다. 플래시 메모리가 단일 트랜지스터 셀 내에 전압 상태를 저장해 작동한다는 점을 고려할 때 이것은 특히 문제가 될 수 있다. 전자가 셀 밖으로 새어 나가는 것은 영구적인 메모리 저장에 좋지 않다. 낸드 셀을 수직으로 쌓아 층을 이루면 여러 가지 이점이 있는데, 특히 인접 셀과의 간섭을 피하기 위해 트랜지스터 셀 간격을 띄울 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다. 이는 셀의 안정성과 수명을 개선한다.

 

 

3. 3D 낸드의 이점/단점

 3D 낸드를 사용하면 단일 칩에 더 많은 플래시 메모리 셀을 장착해 용량을 늘릴 수 있다. 치수를 자유롭게 활용해 셀을 최적으로 배치하여 간섭과 전자 누출을 방지하고 셀의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 개별 셀당 더 많은 전압 상태, 즉 비트를 저장하여 더 큰 용량을 확보할 수 있다.

 

 하지만 모든 전압 상태를 관리하는 것은 쉽지 않다. 셀당 더 많은 비트를 담을수록, 읽기/쓰기 작업을 안정적으로 수행하는데 필요한 전기적 정밀도가 높아진다. 이에 따라 제조 비용이 증가하게 된다. 3D 낸드 플래시 장치는 가공하기가 매우 어려우며, 수천 개의 개별 공정을 거쳐 완성된 다이 또는 칩까지 웨이퍼를 가공해야 한다. 제작 과정의 어느 부분에서든 오류나 오염은 나쁜 셀을 도입할 수 있고 전체 다이들을 사용할 수 없게 만들 수 있다. 

 

4. 3D NAND 사용 사례

 플래시 메모리는 이동성, 비기능성 및 물리적 복원력(충격, 압력 및 온도 등)이 유용한 속성이 되는 광범위한 사용 사례에서 매력적이다.

 

- USB 썸 드라이브

 2002년경에 처음 도입된 USB 드라이브는 모든 유형의 컴퓨터 사용자에게 소형 휴대용 비휘발성 저장 옵션을 제공한다.

- 플래시 메모리 카드

 1990년대 중반에 처음 등장한 플래시 메모리 카드는 카메라, 태블릿, 고프로스 같은 비디오 레코더와 같이 많은 종류의 전자 기기에 플러그 인 편의성을 제공하도록 진화했다.

- SSD

 최종 사용자 노트북에서 엔터프라이즈급 스토리지 어레이에 이르는 다양한 장치에 SSD가 등장하고 있다.