[반도체 용어] 디램(DRAM)과 낸드플래시(NAND Flash)의 차이 / DRAM / NAND Flash / SLC MLC TLC / 플로팅 게이트(Floating Gate)

디램(DRAM)과 낸드플래시(NAND Flash)의 차이

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DRAM (Dynamic Random Access Memory) : 캐패시터가 MOS 트랜지스터(Tr)와 분리되어 있어

집적도가 떨어지는 대신 스위칭 속도가 빠른 메모리

 

NAND Flash (Nand Flash Memory) :  기본적인 MOSFET 구조에 플로팅 게이트가 추가된 형태로 집적도가 크게 상승한 메모리,

하지만 플로팅 게이트로 인해 동작 속도가 떨어짐

 

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메모리의 스위칭 기능과 저장 기능

출처: SK hynix 뉴스룸

 

메모리 반도체는 스위칭 및 데이터 저장 기능을 가진다. 스위칭은 데이터 집단을 받을지 말지를 결정하는 문 역할이고,

데이터 저장 기능은 데이터를 쌓아두는 창고 역할이다.

 

스위칭 동작은 디램이 빠르지만, 데이터 저장 기능은 낸드플래시가 우수하다.

 

디램은 1000분의 1초인 64ms정도 저장할 수 있지만,

낸드플래시의 경우 저장하는 Cell의 물리적인 입장에서 본다면

SLC는 약 5~10년, MLC,TLC는 약 1~2년 동안 저장할 수 있다.

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* SLC(Single level cell) : 하나의 셀에 1bit의 데이터인 0과 1만 쓸 수 있음

* MLC(Multi level cell) : 하나의 셀에 2bit의 데이터인 00, 01, 10, 11 4개를 쓸 수 있음

* TLC(Triple level cell) : 하나의 셀에 3bit의 데이터인 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 총 8개를 쓸 수 있음

** SLC메모리의 경우 셀을 가득 쓰면 1, 전부 지우면 0

** MLC메모리는 가득 채우면 3, 하나를 지우면 2, 또 하나를 지우면 1, 모두 지우면 0

** TLC메모리는 가득 채우면 7, 하나씩 지워가면 6,5,4,3,2,1 그리고 모두 지우면 0

출처: SK hynix 뉴스룸

SLC메모리는 MLC, TLC보다 빠르게 데이터를 쓰고 지울 수 있고 1bit만을 저장해 오류가 적다.

하지만 용량 대비 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 시중의 SSD나 USB, SD카드 같은 경우

가격 대비 용량과 성능이 적당한 MLC 메모리를 주로 쓴다.

 

TLC 메모리는 느리지만 고용량 설계가 쉽고 단가가 저렴하다. 하지만 오류 발생 확률이 높고 수명이 짧다.

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다시 돌아와서, 낸드플래시는 전원이 꺼져도 저장된 데이터가 존재하므로 비휘발성 메모리이다. 

반면 디램은 전원이 켜져있을때 일정한 주기로 새로운 전원을 계속 인가해주면 데이터가 저장되지만

전원이 꺼지면 데이터는 소멸하므로 휘발성 메모리이다.

 

디바이스 구조를 비교해보면 다음과 같다.

 

출처: SK hynix 뉴스룸

 

낸드플래시는 게이트(Gate)가 2개이다.

MOS형 트랜지스터(Tr)은 소스, 드레인, 게이트 총 3개의 단자로 구성되는데

게이트 단자가 1개이면 디램, 2개이면 낸드플래시이다.

낸드플래시의 추가된 게이트 단자는 플로팅 게이트(Floating Gate)이다.

절연층으로부터 입체 영역이 분리된 상태로 섬처럼 부유하고 있다고 해서 붙여진 이름이다.

이로 인해 낸드플래시는 읽고 쓰고 저장하는 모든 동작에서 핵심적인 특징을 가지게 되었는데, 

데이터를 원하는 일정기간 저장할 수  있는 비휘발성 데이터의 저장 능력이다. 물론 동작 속도면에서 단점이 있다.

 

디램은 스위칭 역할을 하는 Tr 1개와 Tr 밖에 별도로 데이터를 저장하는 캐패시터를 1개 둔다.(MOS Tr 1개 + Capacitor 1개)

반면 낸드플래시는 트랜지스터 속에 데이터 저장 기능을 갖는 플로팅 게이트를 포함하고 있어 MOS Tr 1개 만으로 역할을 수행한다.

따라서 낸드플래시는 Top gate와 Bottom gate가 있으므로 총 2개의 게이트를 갖게 된다.

 

 

출처: SK hynix 뉴스룸

 

디램은 저장기능을 하는 캐패시터를 Tr 밖에 별도로 두어야 하기 때문에 2D 표면적을 많이 점유하기 때문에

집적도 면에서는 낸드플래시가 유리하다.

 

하지만 낸드플래시의 가장 큰 단점은 메모리 디바이스 중 집적도가 가장 유리하지만, 속도는 가장 느리다는 점이다.

 

출처: SK hynix 뉴스룸

 

낸드플래스의 핵심 구조물인 플로팅 게이트는 낸드플래시에 전자들을 저장하는 역할을 한다.

플로팅 게이트를 둘러싼 6개의 절연막은 그 안의 전자들이 탈출하지 못하게 한다.

 

플로팅 게이트의 위로는 Blocking Layer(ONO : 3개 절연층)가 있고,

아래로는 Tunneling Oxide(전자들이 건너가는 절연막, SiO2),

옆으로는 Sidewall Oxide(측벽절연막, SiO2)가 막아서고 있다.

따라서 이런 구조에서 전압이 인가되면 플로팅 게이트와 절연막들이 캐패시턴스 성분을 만들어

동작속도를 느리게 하는 요인으로 작용하게 된다.

 

출처: SK hynix 뉴스룸

 

디램과 낸드플래시에 동일한 크기의 전압이 인가된다면,

채널 형성에 기여하는 실질 전압은 낸드플래시에더 작게 인가된다. 

2개의 캐패시터의 영향 때문이다. 낸드(NAND : 직렬)로 늘어져 있는 캐패시터 2개를 통과하면

최종적으로 인가되는 전압이 초창기 게이트 전압에 비해 작아진다.

 

출처: SK hynix 뉴스룸

 

 

 

게이트에 전압이 동일하게 인가된다면, 디램보다 낸드플래시의 드레인 전류가 적게 흐르고

전류 Drive 능력이 떨어지므로 동작 속도 또한 느려진다. (V=IR)

실질적으로 기판의 채널에 영향을 주는 게이트 전압인 Vsub의 증가률이 낸드플래시가 더 낮기 때문에

드레인 전류량을 디램과 동일하게 하려면 디램에 비해 낸드플래시는 더 높은 게이트 전압을 인가받아야 한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

출처:

1. https://news.skhynix.co.kr/post/dram-and-nand-flash

[반도체 특강] 디램(DRAM)과 낸드플래시(NAND Flash)의 차이

 

2. https://news.skhynix.co.kr/post/my-memory-is-slc

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