Flash Memory 소자의 동작 원리

Flash memory cell structure

MOSFET의 단면도를 자주 봤던 사람이라면, 위 단면도가 MOSFET과 매우 흡사하다고 느낄 것이다.

 

하지만 위 사진의 Flash memory는 memory node와 tunnel oxide가 추가된 형태를 띈다.

 

이 Cell은 어떻게 정보를 저장할까?

 

1. Write (Program) : 정보를 쓰는 방법

(1) Tunneling write

 

원리는 매우 간단하다. Gate에 매우 높은 전압을 인가하고, Body에는 낮은 전압을 인가($V_{GB} >> 1$)하면, 터널링 효과에 의해서 Body의 전자가 Memory node에 Capture된다. (전기적으로 얇아진 SiO$_2$를 뚫음)

 

(2) Hot electron injection

 

Tunneling 방법과 다르게, Gate에 매우 큰 전압을 걸지 않고 적당한 양의 전압을 걸고, Drain에도 일정한 전압을 가한다. 이렇게 되면 전자의 운동 에너지가 매우 높아져 SiO$_2$의 Energy gap을 넘게된다. 이런 과정을 통해 전자를 Memory node에 저장할 수 있지만, 더 큰 파워를 소모한다.

 

좌 : FN tunneling                                                                   우 : Hot carrier injection

2. Erase : 저장했던 정보를 지우는 방법

 

Tunneling Write와 원리는 같다. 하지만 그 방향을 반대로 하여 Memory node의 전자를 다시 Body로 빼낸다.

(Gate에 큰 음전압을 가하거나, 혹은 Body에 큰 전압을 걸면 된다.) ($V_{GB}$ << 1)

 

Write와 Erase의 간단한 예시

3. Read : 저장했던 정보를 읽는 방법

정보를 읽는 방법또한 원리는 간단하다.

Flash cell을 일반적인 MOSFET처럼 사용해보자.

$V_{ds}$에 양전압을 인가하고, $V_{gs}$에 입력 전압을 가하면 우리가 아는 I-V Curve 특성이 나올 것이다.

 

하지만 여기서 MOSFET과 다른 점이 있는데,

바로 전자를 Memory node에 저장했을 때와 저장하지 않았을 때 서로 차이가 있다는 점이다.

 

전자의 저장유무에 따른 i-v curve의 차이

위 그림을 참고하여 우리는 Low threshold voltage와 High threshold voltage의 중간 지점에 $V_{gs}$를 인가한다.

 

이때 출력되는 전류가 On current의 크기정도 흐른다면 전자가 저장되어 있지 않은 경우(청색)이고,

 

출력되는 전류가 Off current의 크기정도라면 전자가 저장되어 있는 경우(적색)이다.

 

따라서, 위와 같은 전류의 차이를 가지고 0과 1을 구분할 수 있다.

 

 

 

+ $V_t$의 차이가 생기는 이유가 무엇인가?

 

기본적인 MOSFET 소자 Gate에 $V_t$만큼의 양전압을 인가하면 Inversion Layer가 형성된다. 하지만 Flash cell에 전자가 저장되어 있는 경우에는 Gate와 Channel 사이에 음전하가 저장되어 있는 것과 같으므로, Gate 전압이 이에 상쇄되어 Channel을 반전 시키려면 더 큰 전압이 필요한 것이다.