Gate coupling ratio
Gate coupling ratio는 간단하게 말해 Control Gate의 전압이 Floating Gate에 얼마나 잘 전달 되는지, 그 비율을 나타내는 값입니다. 이 말이 무엇을 의미할까요?
NAND Flash 낸드플래시의 구조를 살펴보시면 CG(control gate)와 FG(Floating gate)사이에는 절연물질이 있습니다. 여기서 CG는 도체, FG도 도체입니다. 그리고 그 사이에는 절연체가 있고요. 뭔가 떠오르지 않으신가요? 맞습니다. 도체와 도체 사이에 유전물질… 이것은 커패시터(Capacitor)와 같습니다. 또한, CG와 FG 뿐만 아니라 Source와 FG, 기판(Substrate)과 FG, Drain과 FG에서도 커패시턴스가 존재합니다. 이러한 4가지 정도의 커패시턴스는 CG의 전압이 FG에 전달되는데 영향을 미치게 됩니다. 이게 도대체 무슨 말인지 모르시겠다면 끝까지 제 글을 읽어주세요.
먼저 커패시터의 원리를 CG와 FG를 예로 들어서 간단하게 설명 드리겠습니다. 원초적으로 생각해서, CG에 전압을 가해주면 그 전압은 FG에 어떻게 전해지는 것 일까요? 바로 CG와 FG사이에 있는 유전물질의 내부 상황을 들여다 보면 알 수 있습니다. CG에 +전압을 가해주었다고 생각해보겠습니다. 그렇다면 유전물질은 자유 전자가 없으니 아무런 변화가 없을까요? 아니요 그렇지 않습니다. 유전물질을 유지하고 있는 원자들, 그 원자들 안에 있는 전자와 원자핵의 위치가 살짝 이동하게 됩니다. 어떻게 바뀌게 될까요?
위 그림처럼 전압를 걸어주면 전자와 원자핵이 움직여 세번째 사진처럼 내부에서 쌍극이 만들어 집니다. 이러한 현상이 유전체 내부의 원자들에 일어납니다. 따라서 CG로부터 전압을 받아 유전체 아래 부분에는 +극을 띄게 되며 FG의 전자들을 위로 끌어오게 되는 것이며, 이로 인해 FG의 전압이 생성되는 것이죠.
이제 커패시터의 원리에 대한 것은 이쯤하고 본론으로 돌아가겠습니다.
이러한 CG의 전압이 FG에 온전히 전달되면 좋겠지만 아쉽게도 그렇진 않습니다(그 이유는 아래에서 자세히 설명하도록 하겠습니다). 설상가상으로 CG와 FG사이의 커패시턴스 뿐만 아니라 Source와 FG, 기판(Substrate)과 FG, Drain과 FG사이에서도 커패시턴스가 존재합니다. 서로 서로 영향을 주고 있다는 의미죠.
이렇게 서로 영향을 주는 것을 Gate coupling ratio로 나타낼 수 있습니다. 이는 Q= CV의 공식으로 접근을 하면 이해하기 쉽습니다.
QFG = (VFG-VG)CC + (VFG-VS)CS + (VFG-VSUB)CSUB + (VFG-VD)CD
QFG = (CC+CS+CSUB+CD)VFG-VGCC-VSCS-VSUBCSUB-VDCD
VFG = ①VGCC/(CC+CS+CSUB+CD) + ②QFG/(CC+CS+CSUB+CD) + ③VDCD/(CC+CS+CSUB+CD) + ④VSCD/(CC+CS+CSUB+CD) + ⑤VSUBCD/(CC+CS+CSUB+CD)
세번째 수식에서 VSUB, VS, VD는 편의상 0으로(외부에서 아무런 전압을 인가하지 않았다고 생각) 생각하겠습니다. 그리고 초기의 FG의 전하량(QFG)도 0이라고 생각하면,
VFG = ①VGCC/(CC+CS+CSUB+CD) 만 남게 됩니다.
즉, CC/(CC+CS+CSUB+CD)의 비율만큼 VG의 전압이 VFG라는 말이죠. 이때, CC/(CC+CS+CSUB+CD)가 GCR(Gate Coupling ratio)입니다. 이 GCR의 적정한 값은 0.6이라고 하는데요. 만약 VG의 전압이 10V가 걸리면, VFG에 6V가 걸리는게 어느정도 적당하다고 합니다. 하지만 반도체의 Scale이 점점 작아지면서 이 GCR의 값이 0.5, 0.4 … 점점 내려가는 문제점이 생긴 것이죠. 그렇다면 6V를 만들기 위해 10V보다 더 큰 전압을 걸어주어야 하는 문제점이 발생하는 것이죠. 이러한 문제점을 해결하기 위해 CTF(Charge Trap Flash)가 개발된 것 입니다!
CTF에 대한 설명은 아래 링크를 통해 확인해 주세요!
댓글