フラッシュメモリとは？構造と動作原理をわかりやすく解説

フラッシュメモリとは？

小型で軽量・衝撃に強く、電源を切ってもデータが失われないという特徴から、さまざまな機器に使用されています。

例えば

• USBメモリ
• SDカード
• SSD

などはフラッシュメモリを使用した製品です。

フラッシュメモリの種類：NAND型・NOR型

それぞれの配線の役割は以下の通りです。

1. ワード線：メモリセルを選択するための信号を送る線
2. ビット線：セルにデータを読み書きするためのデータを送る線
3. ソース線：ビット線の電圧を放電するための線

フラッシュメモリはメモリセルと配線の接続方式により「NAND型」「NOR型」に分けられます。

• NAND型

メモリセルを直列接続する方式。

ビット線に対するセルの接続数が少なくて済み、ソース線もセルで共有可能。

⇒配線が少なく集積度が高いですが、セルのランダム読み出しが不可です。

• NOR型

ビット線を各セルに接続する方式。

セル1つ1つに配線を行うため、NAND型よりも配線数は多い。

⇒配線が多く低集積度ですが、セルのランダム読み出しが可能です。

NAND型は大容量で安価のため、デジタルカメラのメモリーカード、パソコンのUSBメモリやSSDとして利用されています。

一方、NOR型はルーターやプリンター、車載機器など、ハードディスクが使用できない環境でのファームウェアの保存などに使用されています。

フラッシュメモリの基本構造

フラッシュメモリセルのデバイス基本構造を見ていきましょう。

• 浮遊ゲート

電荷を蓄積するゲート。電荷の無・有がメモリの1・0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。MOSFETのゲートと同じ機能。

• 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。

フラッシュメモリの動作原理

フラッシュメモリには

• 書き込み(0)
• 消去(1)
• 読み出し

の3つの動作があります。

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

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

フラッシュメモリの読み出しは、制御ゲートに正電圧を印加し、ソース・ドレイン間電流の大きさを検出し0・1を判断します。浮遊ゲートに電荷が蓄積(0)されている場合は電流が流れにくく、電荷がない(1)場合は大きな電流が流れます。

• 0の読み出し

制御ゲート・ドレインに正電圧を印加

⇒蓄積された電子に反発されるため、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