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EEPROM（またはE2PROM 、電気的に消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリ）は、不揮発性メモリの一種です。コンピュータで使用され、通常はスマートカードやリモートキーレスシステムなどのマイクロコントローラに組み込まれるか、独立したチップデバイスとして、個々のバイトを消去および再プログラムすることで、比較的小量のデータを保存できます。
EEPROMは、フローティングゲートトランジスタのアレイとして構成されています。EEPROMは、専用のプログラミング信号を印加することで、回路内でプログラムおよび消去できます。当初、EEPROMはシングルバイト操作に限定されていたため、処理速度が遅かったのですが、最新のEEPROMはマルチバイトページ操作に対応しています。EEPROMには消去および再プログラム可能な回数に制限があり、最新のEEPROMでは100万回程度です。頻繁に再プログラムされるEEPROMでは、EEPROMの寿命は重要な設計上の考慮事項となります。
フラッシュメモリは、高速かつ高密度を実現するために設計されたEEPROMの一種ですが、消去ブロックサイズが大きく（通常512 バイト以上）、書き込みサイクル数が限られています（多くの場合10,000回）。両者を明確に区別する境界線はありませんが、「EEPROM」という用語は一般的に、消去ブロックサイズが小さく（最小1バイト）、寿命が長い（通常1,000,000サイクル）不揮発性メモリを指すのに使われます。過去のマイクロコントローラの多くは、ファームウェア用のフラッシュメモリとパラメータ用の小型EEPROMの両方を搭載していましたが、最近のマイクロコントローラでは、フラッシュメモリを使用してEEPROMをエミュレートする傾向にあります。
2020年現在、フラッシュメモリはバイトプログラマブルEEPROMよりもはるかに安価であり、システムが大量の不揮発性ソリッドステートストレージを必要とするあらゆる場面で主流のメモリタイプとなっています。ただし、EEPROMはシリアルプレゼンス検出のように少量のストレージしか必要としないアプリケーションでは依然として使用されています。[ 1 ] [ 2 ]
1970年代初頭、様々な企業や組織によって、電気的に再プログラム可能な不揮発性メモリに関する研究、発明、開発が行われた。
1971年、日本の国立研究所である電気技術研究所の樽井康夫、林豊、永井清子によって、第3回固体素子会議（東京）で初期の研究が発表されました。 [ 3 ] 彼らは1972年に電気的に再プログラム可能な不揮発性メモリを製造し、 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 10年以上この研究を続けました。[ 7 ]しかし、この初期のメモリは動作するためにコンデンサに依存しており、[ 4 ]現代のEEPROMにはそれがありません。
1972年、IBMは電気的に再プログラム可能な不揮発性メモリの発明の特許を取得しました。[ 8 ]同年後半、フラッシュメモリの発明者である東芝の増岡不二雄がアバランシェ注入型MOSの特許を取得し[ 9 ]、IBMも同年後半に別の特許を取得しました。[ 10 ]
1974年、NECは電気的に消去可能なキャリア注入デバイスの特許を取得しました。[ 11 ]翌年、NECは特許庁に「EEPROM®」の商標を申請しました。この商標は1978年に認められました。[ 12 ] [ 13 ]
これらのデバイスの理論的基礎はアバランシェホットキャリア注入です。一般的に、1970年代初頭のEPROMを含むプログラマブルメモリは、データ保持期間や消去/書き込みサイクル数などの信頼性と耐久性の問題がありました。[ 14 ]
東芝[ 9 ] [ 5 ] 、 三洋電機（後にON Semiconductor）[ 15 ] 、 IBM [ 16 ] 、インテル[ 17 ] [ 18] 、NEC（後にルネサスエレクトロニクス） [ 19 ] 、フィリップス（後にNXP Semiconductors）[ 20 ] 、シーメンス（後にインフィニオンテクノロジーズ）[ 21 ] 、ハネウェル（後にアトメル）[ 22 ]、テキサス・インスツルメンツ[ 23 ]などの主要半導体メーカー のほとんどは、1977年まで電気的に再プログラム可能な不揮発性デバイスを研究、発明、製造していた。
ファウラー・ノルドハイムトンネル効果を用いてデータを消去する最初のEEPROMは、ベルンワードによって発明され、1974年にシーメンスによって特許が取得されました。 [ 24 ] 1977年2月、ヒューズ・エアクラフト社のイスラエル系アメリカ人エリヤホウ・ハラリは、フローティングゲートとウェーハの間の薄い二酸化ケイ素層を介したファウラー・ノルドハイムトンネル効果に基づく最新のEEPROM技術を米国で特許取得しました。ヒューズはこの新しいEEPROMデバイスの製造に着手しました。[ 25 ]
1977 年 5 月、フェアチャイルドとシーメンスによって重要な研究結果が発表されました。彼らは、厚さ 30 Å未満の二酸化ケイ素を用いたSONOS (ポリシリコン-オキシナイトライド-窒化物-酸化物-シリコン) 構造と、ファウラー・ノルドハイムトンネルホットキャリア注入用のSIMOS (スタックゲート注入MOS ) 構造をそれぞれ使用しました。[ 26 ] [ 27 ]
1976年から1978年頃、George Perlegosを含むIntelのチームは、このトンネルE2PROM技術を改良するためのいくつかの発明を行った。 [ 28 ] [ 29 ] 1978年には、 200Å未満の薄い二酸化ケイ素層を持つ16K（2Kワード×8）ビットのIntel 2816チップ を開発した。[ 30 ] 1980年には、この構造はFLOTOX（フローティングゲートトンネル酸化物） として公表された。[ 31 ] FLOTOX 構造は、 1バイトあたりの消去/書き込みサイクルの信頼性を最大10,000回まで向上させた。[ 32 ] しかし、このデバイスは、5V読み出し動作を除いて、バイト消去のために20 ～ 22VのVPPバイアス電圧を追加で供給する必要があった。[ 33 ] : 5–86 1981年、ペルレゴスと他の2人のメンバーはインテルを離れ、Seeq Technologyを設立した[ 34 ]。Seeq Technologyは、 E 2 PROMのプログラミングに必要な高電圧を供給するために、 デバイス上のチャージポンプを使用した。1984年、ペルレゴスはSeeq Technologyを離れ、Atmelを設立し、その後Seeq TechnologyはAtmelに買収された。[ 35 ] [ 36 ]
電気的に変更可能な読み出し専用メモリ（EAROM）は、一度に1ビットまたは数ビットを変更できるEEPROMの一種です。 [ 37 ]書き込みは非常に遅いプロセスであり、読み出しアクセスに使用される電圧よりも高い電圧（通常は約12V）が必要です。EAROMは、まれに部分的な書き換えのみを必要とするアプリケーション向けです。
前述のセクションで説明したように、従来のEEPROMは、高い逆降伏電圧を持つアバランシェ降伏に基づくホットキャリア注入に基づいています。しかし、FLOTOXの理論的基礎は、フローティングゲートとウェーハの間の薄い二酸化ケイ素層を介したファウラー・ノルドハイムトンネルホットキャリア注入です。言い換えれば、トンネル接合を使用しています。[ 38 ]
物理現象自体の理論的基礎は今日のフラッシュメモリと同じですが、フローティングゲート自体は1つのデータビットのプログラミングと消去を行うだけなので、各FLOTOX構造は別の読み出し制御トランジスタと連携しています。[ 39 ]
IntelのFLOTOXデバイス構造はEEPROMの信頼性、つまり書き込みと消去のサイクルの耐久性とデータ保持期間を向上させた。FLOTOXのシングルイベント効果に関する研究資料が入手可能である。[ 40 ]
今日では、FLOTOXデバイス構造の学術的な説明はいくつかの情報源で見つけることができます。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
現在、EEPROMは組み込みマイクロコントローラや標準EEPROM製品に使用されています。EEPROMはメモリ内の特定のバイトを消去するためにビットあたり2つのトランジスタ構造を必要としますが、フラッシュメモリはメモリ領域を消去するためにビットあたり1つのトランジスタで済みます。[ 44 ]
EEPROM技術はクレジットカード、SIMカード、キーレスエントリーなどのセキュリティ機器に使用されているため、一部の機器にはコピー防止などのセキュリティ保護メカニズムが備わっています。[ 44 ] [ 45 ]
EEPROMデバイスは、データの入出力にシリアルまたはパラレルインターフェースを使用します。
一般的なシリアルインターフェースには、SPI、I²C、Microwire、UNI/O、および1-Wireがあります。これらは1～4本のデバイスピンを使用し、8ピン以下のパッケージのデバイスを使用できます。
一般的なEEPROMシリアルプロトコルは、オペコードフェーズ、アドレスフェーズ、データフェーズの3つのフェーズで構成されます。オペコードは通常、EEPROMデバイスのシリアル入力ピンに入力される最初の8ビットです（ほとんどのI²Cデバイスでは暗黙的に指定されます）。続いて、デバイスの深度に応じて8～24ビットのアドレス指定が行われ、その後、読み出しまたは書き込みデータが送信されます。
各EEPROMデバイスは通常、異なる機能にマッピングされた独自のオペコード命令セットを持っています。SPI EEPROMデバイスにおける一般的な操作は次のとおりです。
一部のEEPROMデバイスでサポートされているその他の操作は次のとおりです。
パラレルEEPROMデバイスは通常、8ビットのデータバスと、メモリ全体をカバーできる十分な幅のアドレスバスを備えています。ほとんどのデバイスには、チップセレクトピンと書き込み保護ピンがあります。一部のマイクロコントローラには、パラレルEEPROMが内蔵されています。
パラレルEEPROMは、シリアルEEPROMに比べて動作が簡単で高速ですが、ピン数が多い（28ピン以上）ためサイズが大きくなり、シリアルEEPROMやフラッシュメモリの普及に伴い人気が低下しています。
EEPROMメモリは、厳密にはメモリ製品ではない他の種類の製品の機能を有効にするために使用されます。リアルタイムクロック、デジタルポテンショメータ、デジタル温度センサーなどの製品には、電源喪失時に利用可能にしておく必要のある校正情報やその他のデータを保存するために、少量のEEPROMが搭載されている場合があります。また、外部および内部フラッシュメモリが使用される以前は、ビデオゲームカートリッジでゲームの進行状況や設定を保存するためにも使用されていました。
保存された情報には、耐久性とデータ保持期間という2つの限界がある。
書き換え中、フローティングゲートトランジスタのゲート酸化膜には徐々にトラップされた電子が蓄積されます。トラップされた電子の電界がフローティングゲート内の電子に加わり、ゼロとイチのしきい値電圧間のウィンドウが狭まります。十分な数の書き換えサイクルの後、その差は認識できないほど小さくなり、セルはプログラムされた状態に固定され、耐久性の故障が発生します。メーカーは通常、最大書き換え回数を100万回以上と規定しています。[ 46 ]
保管中、フローティングゲートに注入された電子は、特に温度が上昇すると絶縁体を通してドリフトし、電荷損失を引き起こし、セルを消去状態に戻す可能性があります。メーカーは通常、10年以上のデータ保持を保証しています。[ 47 ]
フラッシュメモリはEEPROMの後継規格です。業界では、EEPROMという用語はブロック単位で消去可能なフラッシュメモリではなく、バイト単位で消去可能なメモリを指すという慣習があります。EEPROMは、同じ容量のフラッシュメモリよりもダイ面積が大きくなります。これは、通常、各セルに読み出し、書き込み、消去用のトランジスタが必要となるのに対し、フラッシュメモリの消去回路は大きなセルブロック（多くの場合512×8）で共有されるためです。
FeRAMやMRAMといった新しい不揮発性メモリ技術は、一部の用途においてEEPROMに徐々に取って代わりつつあるが、当面の間はEEPROM市場のごく一部にとどまると予想される。
EPROMとEEPROMの違いは、メモリのプログラムと消去の方法にある。EEPROMは、電界放出（業界では「ファウラー・ノルドハイムトンネル効果」としてよく知られている）を用いて電気的にプログラムおよび消去することができる。
EPROMは電気的に消去することはできず、フローティングゲートへのホットキャリア注入によってプログラムされます。消去は紫外線光源によって行われますが、実際には多くのEPROMは紫外線を通さないプラスチックで封止されているため、「一度しかプログラムできない」ものとなっています。
ほとんどのNORフラッシュメモリはハイブリッド方式であり、プログラミングはホットキャリア注入によって行われ、消去はファウラー・ノルドハイムトンネル効果によって行われる。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）Intel 2816 は FLOTOX 構造を使用しており、これは文献で詳細に議論されています。基本的には、図 1 に示すように、フローティング ポリシリコン ゲートと N+ 領域の間に 200Å 未満の厚さの酸化膜を使用しています。