양자 터널링은 플래시 메모리와 같은 기술에서 유용하게 활용되지만, 의도치 않은 부작용이 발생할 수 있습니다. 특히, 전자 소자의 크기가 작아지고 절연층이 얇아지면서 전압이 가해지지 않아도 전자가 터널링 산화막을 탈출하는 현상이 문제가 되고 있습니다.
문제 1: 누설 전류 (Leakage Current)
MOSFET이나 플래시 메모리와 같은 소자에서는 양자 터널링 누설 전류가 발생할 수 있습니다. 이 현상은 다음과 같은 이유로 발생합니다:
- 나노미터 크기의 소자에서 **절연층(산화막)**이 매우 얇아짐.
- 소형화로 인해 전기장이 강해지고, 터널링 확률이 증가.
누설 전류의 영향:
- 전력 손실: 불필요한 전류가 흐르며 전력 효율이 감소.
- 발열 문제: 과도한 열 발생으로 소자의 성능 저하 또는 고장 위험 증가.
문제 2: 자발적 전자 탈출 현상
전압이 가해지지 않아도 전자가 터널링 산화막을 통해 탈출하는 자발적 전자 탈출 현상이 발생할 수 있습니다.
이 현상은 Fowler-Nordheim 터널링 또는 트랩-보조 터널링(Trap-Assisted Tunneling)으로 설명됩니다:
- 산화막 내부의 결함(Trap):
- 산화막 내 결함이나 불완전한 구조가 전자가 터널링할 수 있는 경로를 제공합니다.
- 전자 파동성:
- 전자의 파동적 성질로 인해, 에너지가 부족해도 장벽을 넘을 확률이 존재.
자발적 전자 탈출의 영향:
- 플래시 메모리의 데이터 손실:
- 플로팅 게이트에서 전자가 누설되면 저장된 데이터가 손상됩니다.
- 시간이 지남에 따라 **데이터 보존 시간(Data Retention Time)**이 제한됩니다.
- 신뢰성 문제:
- 전자의 제어되지 않은 움직임으로 성능에 불안정성이 발생.
- 절연층의 열화(Oxide Degradation)로 소자가 손상될 가능성 증가.
3. 전자 탈출 문제를 해결하기 위한 NAND 플래시 메모리 개발
NAND 플래시 메모리는 현대의 스마트폰, 컴퓨터, 서버 등 다양한 디지털 기기에 필수적인 저장 장치로 자리 잡았습니다.
특히 2D NAND(Planar NAND)는 오랫동안 데이터 저장 기술의 핵심이었지만, 기술적 한계와 양자 터널링 문제로 인해 새로운 접근 방식이 필요하게 되었습니다.
2D NAND 플래시의 소형화 한계
2D NAND는 데이터를 저장하기 위해 수평적으로 배열된 셀 구조를 사용합니다. 성능 향상을 위해 셀의 크기를 줄이고 더 많은 셀을 단위 면적에 집적하는 소형화가 진행되어 왔지만, 이는 곧 다음과 같은 문제를 야기했습니다:
- 셀 간섭(Cell-to-Cell Interference)
셀이 가까워질수록 인접한 셀 간의 전기장이 간섭을 일으켜 데이터 정확도가 떨어집니다. - 터널링 산화막의 두께 감소
소형화를 위해 절연층(터널링 산화막)을 얇게 만들면서 양자 터널링 현상이 더 빈번하게 발생하게 되었습니다.- 얇은 산화막으로 인해 전자가 자발적으로 플로팅 게이트를 탈출하거나, 전압이 낮아도 터널링이 일어납니다.
- 이로 인해 데이터 누설, 전력 손실, 데이터 보존 시간 감소 등의 문제가 심각해졌습니다.
- 신뢰성 및 수명 문제
소자의 크기가 작아질수록 전자의 저장/삭제 과정에서 산화막 열화가 빨라지며, 메모리 수명이 단축됩니다.
2. 양자 터널링 문제와 3D NAND 플래시의 탄생
양자 터널링 문제의 핵심
양자 터널링은 전자가 터널링 산화막을 통과하는 현상으로, 특히 플래시 메모리에서 다음과 같은 치명적인 영향을 미칩니다:
- 데이터 신뢰성 저하: 플로팅 게이트에 저장된 전자가 탈출하면서 데이터 손실이 발생합니다.
- 저전력 동작 불가: 전압을 낮춰도 터널링이 발생해 에너지 효율이 떨어집니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 3D NAND 플래시가 등장했습니다.
3D NAND의 구조적 혁신
3D NAND는 데이터를 저장하는 셀을 수직적으로 적층하는 방식으로, 2D NAND의 물리적 한계를 극복했습니다.
- 셀 간 간섭을 줄이고, 단위 면적당 더 많은 데이터를 저장할 수 있게 되었습니다.
- 터널링 산화막의 두께를 확보할 수 있어 양자 터널링 문제를 크게 완화했습니다.
3D NAND의 주요 특징:
- 적층 구조:
데이터를 수직으로 쌓아 셀 크기를 줄이지 않고도 높은 집적도를 구현. - 플로팅 게이트 대체 기술:
**Charge Trap Flash(CTF)**와 같은 기술을 도입해 플로팅 게이트를 대체하며, 산화막 열화와 전자 누설 문제를 개선. - 신뢰성 향상:
더 두꺼운 터널링 산화막을 유지할 수 있어 전자의 자발적 탈출 가능성을 낮춤.
3. 3D NAND가 해결한 문제들
1) 데이터 신뢰성 향상
3D 구조를 통해 셀 간 간섭을 줄이고, 전자 저장의 안정성을 크게 높였습니다.
2) 양자 터널링의 완화
적층 구조와 새로운 소재의 도입으로, 얇은 산화막이 초래했던 터널링 문제를 줄였습니다.
3) 고용량 구현
수직 적층 구조 덕분에 소자의 크기를 늘리지 않고도 고용량을 구현할 수 있었습니다. 현재 3D NAND는 100단 이상의 적층이 가능하며, 데이터 저장 밀도를 획기적으로 높였습니다.
4. 3D NAND의 현재와 미래
3D NAND는 양자 터널링 문제를 해결하면서 고성능, 고용량, 저전력 소자를 가능하게 했습니다.
미래에는 200단 이상 적층과 더 진보된 소재를 통해 저장 용량과 성능이 더욱 개선될 전망입니다.
주요 기술 동향:
- QLC(Quad-Level Cell) 기술: 한 셀에 4비트를 저장해 고밀도 저장을 실현.
- 3D XPoint 메모리: 더 빠르고 신뢰성 높은 메모리 기술로 발전 중.
결론
3D NAND 플래시의 탄생은 양자 터널링 문제와 2D NAND의 물리적 한계를 극복하기 위한 혁신적인 해법이었습니다. 이 기술은 데이터 저장 장치의 신뢰성, 용량, 에너지 효율성을 크게 향상시키며 디지털 시대를 이끄는 핵심 기술로 자리 잡았습니다.