반도체에서가장중요한기능은정확한위치에데이터를저장하고불러오며,필요없는데이터는깨끗이삭제해제때에저장공간을확보하는것입니다.이렇게반도체제품이가진최소한의성능을일정기간동안온전히발휘할확률을 ‘신뢰성’이라고 합니다. 기술이 발전함에 따라 반도체의 용량과 제품 종류는 다양해졌지만, 이러한 신뢰성은 계속해서 취약해졌다는 문제가 있습니다. 이번 장에서는 평면 타입(Planar type)의 비휘발성 메모리 2D NAND를 중심으로 우리 카지노, 내구성, 교란성, 간섭성이라는 반도체의 네 가지 신뢰성을 알아보겠습니다. 그중 오늘 자세히 살펴볼 내용은우리 카지노(Retention)과우리 카지노(Endurance)입니다.
<그림 1 Cell의 물리적 크기가 작아지고 Cell 간 간격이 좁아지는 경우 결함 증가
그동안반도체의설계규칙은Cell의물리적인크기와간격을끊임없이줄이는쪽으로발전해왔습니다.이렇게반도체용량을높이면Cell당가격을매년30%정도씩낮출수있지만여러가지결함(Defect)이생긴다는문제점이있습니다.일단Cell자체의크기가작으면외부충격에약해지고(우리 카지노,내구성),Cell과Cell의간격이좁아지면외부전자로부터받는영향(교란성,간섭성)이 증가하기 때문이지요. 따라서 이러한 고용량 반도체 Cell의 결함 증가율을 낮추기 위해 Cell의 위치를 바꾸거나(2D Planar→3D Vertical @낸드) 재질(High-K @절연층)을 바꾸기도 하고, 혹은 Cell 내 모양을 변경(FET→FinFET @Tr) 하는 등 다양한 기술적 변화가 시도되고 있습니다.
NAND에서는Cell의회로선폭(Pitch)이좁아짐에따라크게4개의우리 카지노결함이생깁니다.먼저내부적결함으로데이터우리 카지노(DataRetention)약화와데이터를저장하고지우는능력인우리 카지노(Endurance:Program/ErasureCycling)문제가있습니다.외부적결함으로는VictimCell이자신과이웃한Cell에저장된전자집단의정전력에영향을받아발생하는데이터에러,즉교란(Disturbance),데이터를저장하고지우는과정에서Cell주변에임시로갇힌전자들이영향을주는간섭(Interference)이있지요.
<그림 2 낸드의 핵심 우리 카지노 항목
위의 네 가지 결함을 전자의 움직임이라는 관점에서 본다면, 우리 카지노(Retention)과 교란성(Disturbance)은 움직이지 않는 ‘정전자’에 영향을 받는 현상이라고 할 수 있습니다. 반면 내구성(Endurance)과 간섭성(Interference)은 움직이는 전자들에 의해 영향을 받아 발생하는 신뢰성 결함이라고 할 수 있습니다.
<그림 3 데이터(전자 집단)의 저장 위치 @ 낸드와 D램
IT기기에보관된모든데이터도언젠가는사라지기마련입니다.비휘발성FGNAND메모리의가장핵심적인우리 카지노요소는우리 카지노(Retention, ‘유지성’이라고도 함)을꼽을수있습니다.즉플로팅게이트(FloatingGate)에데이터를얼마나오랫동안저장할수있느냐하는것이지요.
한편휘발성메모리인D램의경우전원이꺼지는순간데이터가저절로삭제되므로오랜시간저장할필요는없습니다.다만전원이꺼지기전까지의RefreshTime(64ms)동안은Tr를거쳐들어간전자가반드시커패시터안에제대로머물러야데이터손실을막을수있습니다.
<그림 3-1 Technology 고도화에 따른 데이터 우리 카지노 기간 약화 @ NAND
우리 카지노은용량이나속도등제품기능이향상될수록,혹은반도체Cell의면적이줄어들수록떨어지는특성이있습니다.가령비휘발성메모리인NAND는제품에따라Cell당최대1년(TLC)~10년(SLC)까지전자를저장할수있어야합니다.하지만Cell의크기가작아져플로팅게이트의입체면적이줄어들면절연막이얇아지고전자의터널링작용으로금이가기쉽고,그틈으로전자누수가발생할가능성이커집니다.그뿐만아니라한번에저장할수있는전자개체수역시적어져데이터보존기간도짧아지게되지요.
D램 역시 회로 선폭(Pitch)이 좁아지면 커패시터(Capacitor) 밑변도 함께 작아져 전자들을 저장(Charge)하기 어려워집니다. 특히 밑변의 길이가 20nm까지 좁아지면 종횡비(Aspect Ratio, 밑변 길이 대비 높이의 비율)가 100 이상이 되는데, 이는 커패시터의 형태가 비정상적으로 위로만 긴 ‘홀쭉이’ 상태임을 뜻합니다. 이렇게 되면 커패시터가 도미노처럼 옆으로 넘어질 확률이 높아집니다.
<그림 3-2 Technology 전개에 따른 D램 커패시터 형성에 대한 난이도 증가
이처럼Cell의크기는줄이면서커패시터의종횡비(AR)값을높이지않기위해서는반도체공정과정역시복잡해질수밖에없습니다.따라서노광공정이제일중요했던과거와달리,최근에는식각과세정공정,증착공정등다른공정에서요구되는기술이더욱더까다로워지고있습니다.커패시터나절연층의재질을High-K물질로바꾸거나,Cell의모양과배치까지바꾸는식이지요.
우리가핸드폰이나컴퓨터로사진이나문서작업을통해데이터를저장하고지우기를반복하는과정은그자체로Cell에스트레스를주는것과같습니다.이렇게저장과소거를반복하는동작을Cell이최대몇회까지견딜수있는가를측정하는것이우리 카지노(Endurance)입니다.
<그림 4 데이터를 저장(Program )하고 소거(Erasure) 하는 PE Cycling 동작 @낸드
데이터를 ‘저장’(Program=NAND) 하고 ‘소거’(Erasure) 하는 동작을 한 번 반복하면 1회 Cycling이라고 표현합니다. 따라서 내구성은 ‘PECycling(Program/ErasureCycling)’이라고도 부릅니다. PE Cycling 1k는 Cell 당 최대 1,000회까지 데이터를 저장하고 지울 수 있는 것을 의미합니다. 신뢰성이 높은 반도체가 되려면 우리 카지노뿐만 아니라 내구성도 함께 높아야 합니다.
결국우리 카지노(Retention)과내구성(Endurance)은NAND동작상의신뢰성(OperationalReliability)을의미합니다.우리 카지노은플로팅게이트에전자들을가두어빠져나가지못하도록하는능력이고,내구성은반복적인PECycling수행에대한한계조절능력이라고할수있지요.이둘사이는상충관계혹은교환가능한거래관계(Tradeoff)이기때문에한쪽을강화하면다른한쪽이약화합니다.
가령CTF-type은내구성을강화하면우리 카지노이약해지고,FG-type은우리 카지노이강한대신내구성이약합니다.특히FG-type은PECycling을하면할수록Cell내부의분자간인력이낮아지므로궁극적으로는절연막에금이생겨우리 카지노도떨어지게됩니다.
<그림5 우리 카지노과 내구성의 제품별 및 시기별 비교
NAND는FG기반의SLC(SingleLevelCell)출현이후5년단위로MLC(MultiLevelCell)를거쳐,TLC(TriplebitMLC)까지진화했습니다.그러나신뢰성의차원에서볼때TLC는10년전에출시된SLC보다10분의1에불과한신뢰성능력을갖추고있습니다.다양한설계도식과알고리즘의개발에도불구하고FG와FG사이의간격이좁아지면서,우리 카지노과내구성을일정수준(Cell당3년-10kCycle수준)으로유지하기에는역부족이었습니다.즉NAND제품이SLCMLCTLC로진화하면서Cell당용량은높아졌지만,신뢰성측면에서는2D-Planartype에서오히려점점더불리해지는상황이되었다고할수있겠습니다.
반도체 제품의 기능(속도, 정확도 등)과 신뢰성 사이에서도 상충관계가 있고, 신뢰성 내의 항목들끼리도 서로 거래 가능한 관계(Trade off)가 있어서, 제품 스펙을 정할 때 전반적인 능력을 조율하여 적정한 수준의 제품 레벨을 설정합니다. NAND 제품이 SLC MLC TLC로 진화함에 따라 전반적인 신뢰성이 약화하였고, 특히 최근 양산되고 있는 QLC의 경우 PE-Cycling이 거의 불가능하고 데이터 읽기 기능만 가능한 수준으로 신뢰성이 가장 낮습니다. 한편 3D의 등장으로 FG-2D-MLC에서 CTF-3D-TLC로 바뀌면서 우리 카지노은 약화하고 내구성은 강화되는 부침이 있었고, 이를 보완하고자 개별 Cell의 구조, 재질 등에도 변화가 생겼습니다. 또한 칩 내에서도 Cell의 성격이 상이한 Area(Storage Area 혹은 Coding Area)별로 신뢰성 항목을 각기 다르게 설정하여 맞춤형으로 Fab 공정을 진행하기도 합니다.
※본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.