플래시 메모리(Flash memory)에 대해 설명해보세요.

이상적인 메모리는 저장용량이 크고, 비휘발성이며, 회로/시스템 내에서 읽기/쓰기가 가능하며, 구동속도가 빠르고, 가격이 저렴한 메모리이다. 종래의 메모리들은 각각 위의 조건 중 하나 또는 그 이상의 특징을 갖고 있으나 단일 기술로는 모든 장점을 가질 수 없는데 플래시 메모리(flash memory)는 모든 장점을 갖고 있는 메모리라 할 수 있다. 요약하면, 플래시 메모리는 비휘발성, 고밀도의 read/write가 가능한 메모리로서 이상적인 메모리의 기준에 부합한다고 할 수 있다.

플래시 메모리는 단일 플로팅 게이트 MOS 트랜지스터 저장 셀을 이용하여 고밀도의 메모리를 구현한다. 구체적으로는 트랜지스터의 플로팅 게이트(Floating-gate)에 담겨지는 전자의 유무에 따라 데이터 ‘0’과 ‘1’을 구분한다. 플로팅 게이트에 데이터 쓰기 동작을 통해 일단 들어간 전자는 전원이 제거되어도 장기간 저장이 가능하며, 이와 같은 특성이 비휘발성 메모리의 원리가 된다.

한편, 플로팅 게이트 내부의 전자의 양에 따라 한 셀어 중첩된 디지털 데이터를 저장할 수 있는 MLC(Multi-level cell) 및 TLC(Triple-level cell) 기술도 최근 데이터 집적도 향상을 위해 적용되고 있다. 하지만 이와 같은 방식들은 단순히 0과 1만을 구분하는 SLC(Single Level Cell) 방식에 비해서 전압의 세기를 다양하게 구분해야 하기 때문에 복잡성이 증가하여 오류 발생률이 높다는 단점이 있다.

플래시 메모리는 소거와 쓰기 시간이 빠르기 때문에 붙여진 이름이며 대부분의 플래시 칩은 칩 상의 모든 셀들이 동시에 소거되는 벌크 삭제동작을 사용한다. 한편, 플로팅 게이트 내부의 전자의 양에 따라 한 셀에 중첩된 디지털 데이터를 저장할 수 있는 MLC(Multi-level cell, 2비트/셀) 및 TLC(Triple-level cell, 3비트/셀) 기술도 데이터 집적도 향상을 위해 적용되고 있다. 최근에는 여기에서 한 단계 더 나아가 QLC(Quad-level cell, 4비트/셀) 방식도 소비자용 고용량 SSD에 적용되고 있다. 하지만 이와 같은 방식들은 단순히 0과 1만을 구분하는 SLC(Single Level Cell) 방식에 비해서 전압의 세기를 더욱 다양하게 구분해야 하기 때문에 복잡성이 증가하여 오류 발생률이 높고 내구성이 낮다는 단점이 있다.

플래시 메모리는 소거와 쓰기 시간이 빠르기 때문에 붙여진 이름이며 대부분의 플래시 칩은 칩 상의 모든 셀들이 동시에 소거되는 벌크 삭제동작을 사용한다.

플래시 메모리에는 NAND 방식과 NOR 방식이 존재하지만, 최근에는 소자 집적에 유리한 구조인 NAND 방식이 대부분이다. NOR 방식이 데이터 처리속도에서 우세하지만, 최근에는 상대적으로 회로 구조가 간단하여 고집적에서 유리한 NAND 방식의 플래시 메모리가 시장을 장악하고 있다. 특히 최근에는 평면(2차원) 위에 많은 회로를 넣는 대신 3차원 수직구조로 회로를 쌓아올려 집적도를 높인 플래시 메모리 기술인 3차원 수직구조 NAND(3D Vertical NAND)기술이 활용되고 있다. 이 기술은 기존의 2차원 평면구조의 메모리 공정이 10나노급에 달해 셀 간 간격이 지나치게 좁아져 전자가 누설되는 현상이 심화되는 등 한계를 보이기 시작하여 이와 같은 상황을 보다 개선하기 위해 개발된 것이다.

[3D NAND 최신 기술 현황]

3D NAND 공정의 적층 단수는 해마다 빠르게 증가하고 있다. 2024년 기준으로 삼성전자는 300단 이상의 V-NAND 양산을 추진하고 있으며, SK하이닉스는 321단 4D NAND를 발표하였고, Micron은 232단 NAND를 양산 중이다. 적층 단수가 높아질수록 동일 면적에 더 많은 용량을 집적할 수 있으나, HAR(High Aspect Ratio) 식각 정밀도 확보와 층간 정렬(Overlay) 제어가 공정의 핵심 과제가 되고 있다.