第2回 「フラッシュメモリーの仕組み

フラッシュメモリーの仕組み
SDカードシリーズ - Part 2

SDカードの心臓部は、フラッシュメモリーチップです。SDカードの品質が常に同じでない理由を理解するためには、フラッシュメモリがどのように製造され、どのように機能するかを知る必要があります。

この記事は、SDカードについて3回に渡るミニシリーズの一部で、より深い情報をお届けしています。

コンテンツ

このトピックの概要や簡単な注意事項が必要な場合は、この情報グラフィックが役に立ちます。

5 フラッシュメモリー
5 フラッシュメモリー

フラッシュメモリーにシリコンが使われる理由

フラッシュメモリをはじめとするマイクロチップは、半導体であるためシリコンでできています。つまり、特定の条件下でのみ電気を通すということです。その上、シリコンは地殻の中に2番目に多く存在する元素です。

シリコン
シリコン

シリコンは半導体のため、微量の不純物を加えることで電気的特性を自在にコントロールすることができる。不純物は、ホウ素、リン、ヒ素、アンチモンなどが多い。

シリコンウェーハの生産

フラッシュメモリーの製造は、まずシリコンインゴットを作ることから始まる。円柱状のインゴットを得るには、いくつかの方法がある。ここでは、一般的に使われているCzochralski法について見てみよう。

Czochralski法

ポーランドの化学者ヤン・チョクラルスキーが、高純度の単結晶シリコンインゴットを製造する方法を発明したのだ。

Czochralski法
Czochralski法

るつぼの中でシリコンを溶かします。その中に種結晶を入れる。るつぼと結晶を反対方向に回転させながら、ゆっくりと上に引き上げます。こうして、非常に均質な円柱状のシリコンインゴットができあがりますが、これをブールと呼びます。

スライシング

このブールをウェハーソーでスライスし、非常に薄い円盤状のウェハー(厚さ約100~500μm)にします。このウェーハを物理的・化学的に研磨し、原子レベルの欠陥や不純物を除去する。

金型製作

もちろん、ウェハーはまだスーパーパワーを持っていない。まず、ダイにする必要がある。ダイとは、集積回路を含んだシリコンの塊のことである。

集積回路をウェハーに印刷する工程で最もよく使われるのが しゃしんしゃしんじゅつ.

この工程は理解するのは簡単だが、集積回路が非常に小さいため、安定した品質で行うのは非常に難しい。

フォトリトグラフィー

下の図は、フォトリトグラフィーのセットアップを示したものです。

フォトリトグラフィー
写真撮影のセットアップ

出荷後のウェハは、包装に由来する汚れを除去するために再度洗浄されます。その後、シリコンとフォトレジストをミクロの単位で薄く均一に塗布し、下地処理を行います。光源とレンズで構成されたアパーチャーから、フォトマスクがウエハー上に投影される。多くの企業は、高エネルギーのUV光を使用している。さらにいくつかの工程を経て、フォトマスクのパターンがウェーハ上のシリコン層に転写される。

その後、最初の層をクリーニングして、次の層に取り掛かることができます。これを1層ごとに繰り返して、フラッシュメモリーの立体構造が完成する。

この段階では、ウェーハは円盤の上にたくさんのセルが乗っているように見えます。この2次セルを中心にしたものが個々のダイであり、この場合はフラッシュメモリの1単位となる。

ウェーハをさらに加工する前に、各ダイの品質を判定する必要がある。その結果、ウェーハ上の各ダイのグレードを示す、いわゆるウェーハマップが作成される。製造プロセスの性質上、端に近いダイよりも中央にあるダイの方が性能が良いという傾向があります。

要求された品質基準に達したダイは、ウェハーから切り出され、フラッシュメモリデバイスに組み込まれる。

フラッシュメモリがどのように製造されるのか、お分かりいただけたでしょうか。もちろん、製造には膨大な数のパラメータが存在するため、毎回完璧に同じ結果を出すことは不可能に近い。

ウェハー上で機能するダイの量を最大化するためには、材料から機械まで、すべてが完璧な品質でなければならないのです。

フラッシュメモリの構造

フラッシュメモリセルは1個で1Bitを記憶することができます。セルは、シリコン基板の上に、ソース、ドレイン、フローティングゲート、コントロールゲートが形成されています。

フラッシュメモリセル
フラッシュメモリセル

コントロールゲート、フローティングゲートとシリコン基板との間には酸化膜がある。この酸化膜は電子の自由な移動を妨げるが、ある条件下では電子がこの酸化膜をトンネル状に通過することができる。

データの読み出しと書き込み

フラッシュメモリセルに電圧をかけることで、書き込み、読み出しの動作を制御します。

読書

蓄積されたBitを読み出すには、ソースを接地または0Vに引き、ドレインとコントロールゲートに3V程度を印加します。これにより、フローティングゲートが空であれば、電子はソースからドレインへ水平方向に移動することになります。このときの電流の流れは、ロジック1と解釈されます。

しかし、電子がフローティングゲートに捕獲されると、ソースからドレインへの電流の流れが妨げられ、ロジック0と解釈される。

ライティング

フラッシュメモリセルにロジック0を書き込むには、電子をフローティングゲートに捕獲する必要があります。そのためには、ソースに0V、ドレインに7V程度、コントロールゲートに10V程度の高電圧を印加することで実現する。

電子は再びソースからドレインへと水平方向に移動せざるを得ないが、電圧が高いため、一部はフローティングゲートにトンネルしてしまう。いったん電圧を取り除くと、これらの電子は2つの酸化膜の間に最大10年間も閉じ込められているのですしかし、いずれはフローティングゲートからトンネルしてしまい、データは失われてしまう。したがって、フラッシュドライブに保存されている重要なファイルは、定期的にバックアップを取る必要があります。

フローティングゲートから電子を取り除き、ロジック1を書き込むために、コントロールゲートをグランドまたは0Vに引き、ソース、シリコン基板、ドレインを10V程度にする。そうすることで、フローティングゲートから電子が強制的に取り除かれる。

もちろん、各フラッシュメモリセルは、消耗するまで限られた回数しか読み書きができない。そのため、最近のシステムでは、フラッシュメモリの寿命を最大限に延ばすために、どのセルも他のセルよりも頻繁に使用されないようにデータを分散させるようにしているものがほとんどです。

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