マスクROMとは
マスクROMとは、半導体工場でメモリーを製造するときにメモリーの内容が決まるROMです。
半導体メモリーには読み出し専用のROM (英: Read Only Memory) と読み書きが可能なRAM (英: Random Access Memory) があり、ROMはマスクROMとプログラマブルROMに分かれています。マスクROMは製造後にメモリーの内容の消去や書き換えができません。
大量生産したときのコストが最も安く、出荷後のプログラムの不正な書き換えを防げますが、開発や製造の期間が長いため製造後の変更は難しいです。
マスクROMの使用用途
マスクROMは工場から出荷された後はデータの消去、書き込み、書き換えが一切できません。この特徴を利用して組み込み機器の制御プログラム、CPUのマイクロコード、販売用ゲームソフト、漢字フォント、辞書データなどの固定データメモリーとして使われます。
また、格納されているプログラムにバグが見つかっても簡単に修正できないため、修正が必要になった場合はシステム開発段階ではプログラマブルROMを使い、システム完成後にそのデータをメモリー製造工場に送ってマスクROMを製造する方法が一般的です。
マスクROMの原理
マスクROMの構造にはトランジスタを直列接続したNAND型と並列接続したNOR型があります。NAND型は高集積化に優れていて、NOR型は動作速度が速いです。どちらのタイプもトランジスタのゲートに接続された信号線をワードラインといい、ソースに接続された信号線をビットラインといいます。マスクROMは格子状のワードラインとビットラインに接続されたトランジスタ (メモリーセル) の集合体です。
マスクROMへのデータの書き込みは半導体製造工場のウェハ工程で行われます。各トランジスタの内容を1または0に書き込み、一度書き込んだデータは変更されません。
データ読み出しは読み出したいセルが接続されているワードラインの電位をオン状態に、それ以外のワードラインをオフ状態にします。読み出したいセルが接続されているビットラインの電流を検出し、電流が流れたら1、流れなかったら0を読み出します。
マスクROMの種類
マスクROMのデータの書き込み方法には、拡散方式、コンタクト方式、イオン注入方式があります。
1. 拡散方式
拡散方式はNOR型に適用できる方式で、ウェハ上にデータが1のトランジスタだけを形成し、データが0のトランジスタを作らない方式です。製造工程にかかる時間が長いため、あまり使われません。
2. コンタクト方式
コンタクト方式はNOR型に適用できる方式で、データが0のトランジスタのソースとビットラインを接続させない方式です。ウエハ工程の後半でトランジスタと配線をつなぐコンタクト孔を作るかどうかで決まるため、製造にかかる時間が短いです。
3. イオン注入方式
イオン注入方式はNAND型とNOR型の両方に使える方式です。トランジスタにイオンを注入して動作する閾電圧を変更し、閾電圧が相対的に高いトランジスタには0、低いトランジスタには1が書き込まれます。
マスクROMの選び方
ROMの種別にはマスクROM以外にもEEPROMやフラッシュメモリーがあり、メリットとデメリットを考慮して選択する必要があります。
1. EEPROM
ユーザーが内容を書き換え可能なROMです。読み込みや書き込みに同じ回路や装置を使用でき、特別な操作をせずに何回でも内容を変更可能です。コンピュータの設定情報を記録する場合に補助メモリーとして使用されます。
2. フラッシュメモリー
ユーザーは容易にデータの書き込みと消去ができ、電源を落としても内容を保持可能です。メモリーカードはカード型のフラッシュメモリーです。携帯電話やデジカメなどの記憶媒体として広く使用されています。USBコネクタとフラッシュメモリーを持つUSBメモリーは持ち運びやすく、簡単にデータを保存できます。
3. マスクROMのメリット
フラッシュメモリーやEPROMよりも量産時のコストが低いです。周辺回路やセルの構造が半導体メモリーの中で最もシンプルで、集積度が高いです。
4. マスクROMのデメリット
マスク開発のための初期費用が必要です。マスクの製造に数日～1ヶ月ほど必要で、量産開始までに時間がかかります。記録内容を変える場合にはマスクを作り直すしかなく、バグの修正のようなプログラムのアップデートができません。
参考文献
https://www.cqpub.co.jp/interface/sample/200703/I0703042.pdf
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/memory/memory_what4
http://www2.kobe-u.ac.jp/~tnishida/course/2010/IS/4.memory.pdf
http://www.ritsumei.ac.jp/se/re/fujinolab/FujinolabHP_old/IntroLSI/IntroLSI-11.pdf
https://www.hitachihyoron.com/jp/pdf/1984/07/1984_07_09.pdf