フラッシュメモリとは：構造と動作原理

本記事は、半導体メモリに詳しいエンジニア・東急三崎口さんにご協力いただきました。普段はこちらのブログで、メモリに関する記事を発信されています。

フラッシュメモリとは

不揮発性で大容量な特徴を生かし、様々なデジタル機器に使われています。例えば、

• スマートフォンのストレージ
• USBメモリ
• SDカード
• SSD(Solid State Drice)

これらはすべてフラッシュメモリです。

半導体メモリには電源を切るとデータが消えてしまうもの(揮発性)が多いですが、フラッシュメモリは電源を切ってもデータを保持することができます(不揮発性)。

CDや磁気ディスク(VHS・フロッピーなど)は、読み書きに光や磁気を使っていたのに対し、フラッシュメモリは電子回路だけで読み書きが可能です。可動部がなく小型・高速で、安定した記録媒体として広く普及しました。

フラッシュメモリの基本構造

フラッシュメモリはなぜデータを保持できるのかを学ぶため、デバイスの基本構造を見ていきましょう。

• 浮遊ゲート(フローティングゲート)

電荷を蓄積するゲート。電荷の有り・無しがメモリの0・1に対応します。フラッシュメモリでは、浮遊ゲートに電荷がない状態を1と認識します。

• 制御ゲート

電圧を印加することで浮遊電荷を集める電極。

• トンネル酸化膜

数nmの薄い酸化膜(絶縁膜)。薄いため、高電圧印加時に電流を通す(トンネル電流)。書き込み時に浮遊ゲートに電荷を蓄積する役割があります。

• 絶縁膜

ゲート電極と浮遊ゲートを絶縁する酸化膜。

フラッシュメモリでは制御ゲートに電圧を印加し、浮遊ゲートに電荷を集め・保持します。浮遊ゲートは絶縁膜に挟まれているため、漏れ電流が小さいことから電源を切っても記憶が保持されます。

ゲート電圧印加による電荷の保持はMOSFETの動作原理が参考になります。

MOSFETの動作原理

フラッシュメモリの動作原理

フラッシュメモリには、以下の3つの動作があります。

• 書き込み(0)
• 消去(1)
• 読み出し

それぞれの動作原理を解説します。

書き込み・消去

フラッシュメモリの「0」の書き込みは、浮遊ゲートに電荷を蓄積することに相当します。「1」の書き込みは浮遊ゲートの電荷を抜く動作であり「消去」に相当します。

• 0の書き込み=蓄積

制御ゲート・ドレインに正電圧を印加。ソース-ドレイン間に電子が流れ、加速された電子の一部が浮遊ゲートに蓄積

• 1の書き込み=消去

ソースに正電圧、制御ゲートに負電圧を印加。ソースに電子が引き抜かれ、浮遊ゲートの電荷が消去

読み出し

フラッシュメモリに保存されたデータを利用するには、0と1の情報を読み出す必要があります。

• 0の読み出し

制御ゲート・ドレインに正電圧を印加。フローティングゲートに蓄積された電子(負電荷)がチャネル形成を妨げるため、ソース-ドレイン間に流れる電流は小さい

• 1の読み出し

制御ゲート・ドレインに正電圧を印加。ソース-ドレイン間に大きな電流が流れる

電荷の有無に応じたソースードレイン間電流の大きさから、電荷があるかどうかを判断し、データを読み取っています。

フラッシュメモリの種類：NAND型・NOR型

配線名	対応端子	役割
ワード線	ゲート(制御ゲート)	ゲート電圧を印加して、セルの選択や制御を行う
ビット線	ドレイン	読み出し時の電流を取り出す線。データの「出入口」
ソース線	ソース	書き込み・消去動作時に電位を制御する基準線

ワード線とビット線によって対象セルを選択し、読み書き動作に必要な電圧を印加することでデータをやり取りします。

• NAND型フラッシュメモリ

複数のセルを直列に接続し、ワード線・ビット線・ソース線を共有する構造。配線が簡素なため高集積・低コスト・大容量化に適しますが、アクセスはブロック単位となりランダムアクセスはできません。

• NOR型フラッシュメモリ

各メモリセルが独立してビット線に接続され、必要なセルだけを直接選択できる構造。ランダムアクセスが可能なためコード実行に適しますが、配線が増えて集積度が低く、大容量化には不利です。

NAND型は、デジタルカメラ、スマートフォン、USBメモリ、SSDなど、安価・大容量が求められるストレージに広く利用されています。

一方、NOR型は、ルーター・プリンター・車載機器など、頻繁にコードを読み出すが書き換え頻度が低い、ファームウェア保存用途に適しています。