낸드 플래시 메모리란 무엇인가

[성모세]

•  메모리의 개요
•  플래시 메모리의 기능과 종류
•  낸드 플래시 메모리의 용도

우리나라가 반도체 강국으로 세계 메모리 반도체 시장을 이끌고 있다는 소식을 여러 곳에서 접하고 있는 요즘이다. 2005년 9월에는 삼성전자가 최초로 16기가(Giga)비트 낸드(NAND) 플래시 메모리 개발에 성공했다는 소식에 대한민국 국민으로서 자긍심도 느끼게 된다. 하지만 대부분의 사람들은 낸드 플래시 메모리가 무엇이고, 어디에 사용되는지 잘 알지못한다. 그럼, 지금부터 플래시 메모리 속으로 여행해 보자.

‘플래시 메모리’라는 이름은 어디에서 유래하였을까? 플래시 메모리는 메모리 셀(1비트의 정보를 저장하기 위한 메모리 반도체의 최소 기본 소자)들의 배열로 이루어진 한 부분이 섬광(flash)처럼 단 한 번의 동작으로 지워질 수 있도록 마이크로 칩이 조직화되어 있다는 것에서 명칭이 유래되었다. 그 명칭은 1984년 일본의 도시바 회사가‘Flash EEPROM’이라는 이름으로 논문을 발표하면서 세상에 알려졌다.

플래시 메모리를 알아보기 전에 먼저 메모리에 대해 간단하게 알아보자. 메모리는 디지털의 이진(1 또는 0) 데이터를 저장해 두고 필요할 때에 꺼내어 읽어볼 수 있는 장치를 말한다. 주로 개인용 컴퓨터(PC)의 주기억장치로 사용되는 SD램(RAM)이나 DDR SD램(RAM)을 떠올리지만, 메모리에는 이보다 많은 종류가 있다. 메모리를 분류하는 방법에도 여러 가지가 있지만 전원 차단시에 데이터의 보존 유무에 따라 분리하면, 휘발성 메모리(Volatile Memory)와 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory)로 나눌 수 있다.

휘발성 메모리는 전원이 나가면 작업하던 데이터를 잃어버리며, 비휘발성 메모리는 전원이 차단되어도 저장되었던 정보를 기억한다. 전자시스템의 주기억 장치로 사용되는 D램과, 빠른 속도의 연산장치와 직접 데이터를 주고받는 데 사용되는 S램은 휘발성 메모리이다. 그리고 그래픽 카드에 사용되는 GD램 같은 그래픽 메모리도 휘발성 메모리이다.

반면에 비휘발성 메모리에는 마스크롬(Mask ROM), EP롬, EEP롬, 플래시 메모리 등이 있다. 마스크롬은 칩 제작 때에 공장에서 저장할 내용을 미리 기록시켜 생산하는 것으로 사용자가 임의로 데이터를 바꿀 수 없다. 이에 비해 P롬(Programmable ROM)은 내부에 데이터를 써 넣을 수 있도록 만든 칩을 말한다. EP롬(Erasable Programmable ROM)은 롬처럼 전원이 끊어져도 데이터가 지워지지 않으며, 새로 데이터를 저장하기 위해서는 자외선을 칩에 쬐어 모든 데이터를 삭제하고 전기적인 방식으로 저장할 수 있다. EEP롬(Electrically Erasable Programmable ROM)은 데이터를 기록하는 방식이 EP롬과 동일하지만, 기억된 데이터를 지울 때도 전기적인 방식으로 한다는 것이 EP롬과 다른 점이다. EEP롬은 1비트의 정보를 기록하는 데 두 개의 트랜지스터를 사용해야 하므로 집적도가 떨어지고 가격이 비싸다는 단점이 있다.

플래시 메모리는 EP롬과 EEP롬의 장점을 취한 소자라고 할 수 있다. 전원이 차단되어도 데이터를 보전할 수 있고, 1비트를 저장하는 데 트랜지스터를 한 개 사용하기 때문에 집적도가 높으며, 저장된 데이터를 지울때는 전기적인 방법을 이용하기 때문에 사용이 간편하다.

우리는 메모리에서 1비트의 정보를 기억하는 소자를 셀(Cell)이라고 부르는데, 셀의 구조와 특성에 따라서 메모리의 종류가 달라진다. 그림에서처럼 플래시 메모리 셀은 플로팅 게이트(floating gate)라는 구조가 독특한 트랜지스터를 한 개 사용한다. 플로팅 게이트는 전자를 실리콘으로부터 빼앗아 저장할 수 있고, 또 빼앗은 전자를 쫓아버릴 수도 있다. 플로팅 게이트에 전자를 가지고 있을 때와 가지고 있지 않을 때 트랜지스터의 문턱전압(threshold voltage)이 다르다. 문턱전압은 트랜지스터에서 드레인과 소스 사이에 전류를 흐르게 하기 위해 게이트에 공급해야 할 최소한의 전압을 말한다. 플로팅 게이트에 전자를 가지고 있을 때는 트랜지스터의 문턱전압이 높고, 전자를 가지고 있지 않을 때는 문턱전압이 낮다. 그리고 정보를 읽을 때는 위의 그림처럼 두 문턱전압 중간의 전압을 트랜지스터의 게이트 단자에 공급한다. 플로팅 게이트가 전자를 가지고 있을 때는 전류가 흐르지 않고, 반대의 경우에는 전류가 흐른다. 이것으로 셀의 정보가 ‘1’인지‘0’인지를 결정한다.

한편, 데이터를 저장할 때는 지우기(erase)와 쓰기(program) 동작에 의해 원하는 셀에 원하는 데이터를 저장한다. 먼저, 메모리 셀들의 배열로 이루어진 한 부분(block)을 단 한 번의 동작으로 플로팅 게이트에 들어 있는 전자를 모두 빼낸 다음, ‘1’을 저장할 셀에만 게이트 단자와 드레인 단자에 높은 전압을 공급하여 플로팅 게이트에 전자를 축적한다. 이렇게 축적된 전자는 전원이 꺼져도 거의 영구히 보존되므로 플래시 메모리가 비휘발성 특성을 지니게 되는 것이다.

그럼 이번에는 위의 그림을 참고해 플래시 메모리의 개괄적인 동작을 알아보자. 외부에서 데이터를 읽기 위해 주소(address)를 메모리에 입력하면, 메모리에서는 주소를 행 주소(row address)와 열 주소(column address)로 분리하여 바둑판 모양의 셀 배열(cell array) 속에서 하나의 셀을 선택한다. 그때 선택된 셀의 정보는 플래시 메모리의 출력단자를 통해 외부에 전달된다. 메모리에 데이터를 기록할 때는 주소와 저장될 데이터를 함께 입력하여 셀 배열 중에서 입력된 주소에 의해 지정된 셀을 선택하고 그곳에 데이터를 기록한다. 모든 반도체 메모리는 이와 같은 기본적인 구조를 가지고 있다. 이렇게 간단하게 메모리의 동작을 설명하였지만, 실제로는 매우 복잡하고 어려운 기술이다. 2005년에 삼성전자가 개발한 16기가 비트 낸드 플래시는 50 nm 공정을 사용한 160억 개 이상의 트랜지스터가 셀 배열을 이루고 있다. 50 nm 기술은 머리카락 2천분의 1 두께의 극미세 회로선폭을 이용하여 반도체를 설계하는 최첨단 기술이라 할 수 있다.

플래시 메모리는 메모리 셀을 배열하는 방법에 따라 여러 가지(NOR, DiNOR, T-Poly, AND, NAND)로 분류할 수 있는데, 대표적으로는 노어(NOR) 형태와 낸드(NAND) 형태로 분류된다. 위의 그림에서 보는 바와 같이 기본적으로 낸드 플래시와 노어 플래시는 셀을 구성하는 형태에 차이가 있다.

노어 플래시는 셀 배열이 병렬 구조이기 때문에 순서에 관계없이 임의의 셀을 선택하여 데이터를 읽을 수 있다. 다만 병렬로 연결된 각 셀을 개별적으로 연결하는 전극이 필요하고, 따라서 면적이 낸드형에 비해 크다는 단점이 있다. 이에 비해 낸드 플래시는 셀 배열이 직렬 구조이기 때문에, 먼저 해당 블록으로 이동한 후 직렬로 연결된 각 셀에서 순차적으로 데이터를 읽어내는 방식을 사용한다. 따라서 노어 플래시에 비해 읽기 속도는 느리지만 직렬로 회로를 구성하기 때문에 셀 면적의 크기가 작아 집적도가 높다. 결론적으로 낸드 플래시는 노어 플래시에 비해 속도는 느리지만, 제조 단가가 싸고 대용량을 담을 수 있는 장점이 있다.

참고로 반도체 메모리는 전체 칩 면적에서 셀 배열이 차지하는 부분이 50∼80%이며, 칩 면적은 곧 제조 단가의 결정적 요소이다. 현존하는 반도체 메모리 중에서 낸드 플래시의 셀 면적 크기가 가장 작아서 메모리의 대용량화에 최적인 반도체 메모리라고 할 수 있다. 아울러 플래시 메모리 자체의 비휘발 특성 때문에 최근 발전하는 휴대형 전자기기를 중심으로 낸드 플래시 메모리의 활용 영역이 넓어지고 있다.

초기의 플래시 메모리는 핸드폰, 셋톱박스, 전자식 제어기기 용도의 소용량 노어 플래시 중심으로 성장하였다. 하지만 최근에는 모바일 장치들이 대용량화하면서 낸드 플래시 시장이 급격하게 성장하고 있다. MP3, 디지털 카메라, 캠코더, 메모리카드는 대표적인 낸드 플래시의 사용처이다. 또한 최근 급속히 성장하고 있는 DMB 휴대폰, PDA, 모바일 컴퓨터에는 낸드 플래시 메모리 기반의 다중칩 패키지(Multi-Chip Package : MCP. 여러 종류의 메모리 칩을 1개의 패키지에 적층시킨 것) 형태로 낸드 플래시가 사용되고 있다.

미국 시장조사 기관인 아이서플라이(iSuppli)의 보고서에 따르면, 2005년에 낸드 플래시가 노어 플래시의 시장 규모를 앞질렀다. 이는 MP3 시장이 확대되고 대용량 셀룰러폰의 수요가 급격히 증가하고 있기 때문인 것으로 풀이된다. 또한 세계의 낸드 플래시 시장은 갈수록 커지고 있다. 2005년에 낸드 플래시 시장의 규모가 108억 달러를 돌파한 데 이어 2006년에도 168억 달러에 이를 것으로 전망된다. 2년 후인 2007년에는 두 배정도 늘어난 229억 달러로 가파른 신장세를 예상하고 있다.

아울러 2005년의 통계에 따르면, 삼성전자가 낸드 플래시 매출에서 세계 시장 점유율 57%로 1위를 차지하였고, 일본의 도시바가 21%로 2위, 하이닉스 반도체가 16% 점유율로 3위, 미국의 마이크론 테크놀로지(Micron Technology)가 2%로 4위를 차지한 것으로 집계되었다.