Grundlagen der Flash-Technik Teil 2 Die Zukunft der schnellen Speicherzellen

Autor / Redakteur: Hermann Strass / Nico Litzel

Im iPod, im USB-Stick oder in SSD-Festplatten stecken sie drin – Flash-Speicher oder technischer ausgedrückt: programmierbare Halbleiterspeicher. Auch wenn jeder erwartet, dass die kleinen integrierten Schaltkreise immer kleiner, leistungsfähiger und billiger werden, so zeigt ein Blick auf die Fertigungstechnik, dass um dieses zu erreichen, viele physikalische Grenzen zu überwinden sind.

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Flash-Speicher werden ähnlich wie auch andere Halbleiter-Bauteile hergestellt. Der Unterschied ist, dass Logik- und RAM-Bausteine ihren Inhalt oder logischen Zustand beim Ausschalten verlieren. Flash-Speicher dagegen merken sich ihren Inhalt auch ohne Strom über zehn Jahre und länger. Die Produktion der begehrten Langzeit-Speicherzellen ist dementsprechend schwierig. Noch schwieriger ist es, die Flächendichte zu erhöhen und den Stromverbrauch weiter zu senken.

Für theoretisierende Fachleute ist das eigentlich kein größeres Problem: Man muss ja nur die Schaltungsstrukturen verkleinern. Schmalere Verbindungslinien und kleinere Transistorstrukturen bedeuten mehr Funktionszellen auf gleicher Grundfläche, ohne dass sich die Anzahl der Prozessschritte erhöhen müsste. Mehr Transistorzellen bedeutet mehr Speicherkapazität bei gleicher Menge Silizium. So verbilligt man den Herstellungspreis.

Eine kleinere Struktur bedeutet auch kürzere Wege zwischen den Zellen. Die Signale sind also schneller am Ziel. Das hat höhere Durchsatzraten zur Folge. Da man auch die Spannung an der Zelle reduzieren kann, sinkt, relativ pro Zelle betrachtet, die Stromaufnahme, was wiederum eine geringere Abwärme, eine längere Lebensdauer und eine höhere Zuverlässigkeit nach sich zieht.

Also alles im grünen Bereich? Nicht ganz! Bei kleineren Strukturen erhöht sich der Anteil der Leckströme. Die Elektronen gehen häufiger ihre eigenen Wege, nicht mehr unbedingt entlang der vorgegebenen metallischen Verbindungen. Die Leckströme sorgen für höhere Verbrauchswerte, mehr Abwärme und im schlimmsten Fall für sporadische Kurzschlüsse. Dieses Risiko steigt mit jeder Verkleinerungswelle.

Anders als vor einigen Jahren wird es zunehmend schwerer, die Verkleinerung voranzutreiben. Das liegt an vielen Faktoren, nicht zuletzt am Wärmedurchgangskoeffizienten (K-Wert). Hier tut sich ein weit reichendes Experimentierfeld für die angewandte Wissenschaft auf. Und da es um Märkte mit Milliardenumsätzen geht, steht die Kooperation zwischen den Herstellern nicht besonders hoch im Kurs.

Reichte bislang für die Maskenbelichtung sichtbares Licht mit Wellenlängen zwischen etwa 400 und 850 Nanometer aus, so sind inzwischen Strukturgrößen erreicht, die nur noch über Interferenzen belichtet werden können, da man so kleinere Wellenlängen bis 192 Nanometer erzielen kann. Mit verschiedenen Maßnahmen wie der Erhöhung der numerischen Apertur oder Nearfield-Immersion lassen sich eventuell weitere Fortschritte erzielen. Bei der Nearfield-Immersion fokussiert ein Tropfen Öl oder Wasser den Lichtstrahl im nahen Bereich. Auch der Brechungsindex wird erhöht.

Aus heutiger Sicht glaubt man, in einigen Generationsschritten zumindest mit Strukturbreiten von 20 Nanometern umgehen zu können. Das wird voraussichtlich jedoch nur mit »lithografiefreundlichen« Schaltkreisverbindungen funktionieren. Auch mit neuen Materialien für Maskierungs- und Halbleiterschichten hofft man, kleinere Strukturen mit glatteren Kanten zu erzielen. Und aus Kostengründen sollen Halbleiterchips aus möglichst wenig Maskenschritten und Metallisierungslagen aufgebaut werden. Übliche Flash-Chips von Samsung und Toshiba haben drei Metallisierungslagen.

Halbduchlässige Isolierschicht

Bei Flash-Halbleitern ist die halbdurchlässige Isolierschicht um das Floating Gate besonders kritisch. Natürlich soll die Schicht besonders dünn sein. Etwa sieben bis zwölf Nanometer gelten als untere Grenze. Dadurch wird es sehr schwierig, Strukturen unterhalb von 45 Nanometern herzustellen. Diese Isolierschicht soll die Elektronen mit wenig Aufwand (niedrige Schreibspannung) hineinlassen und unter Umständen für über zehn Jahre ohne Verluste festhalten. Beim Löschen vor dem Wiederbeschreiben sollen die Elektronen mit wenig Aufwand (niedrige Löschspannung) wieder vollständig entfernt werden. Daher wird auch hier nach neuen, besseren Materialien gesucht.

Eine besonders einfache Methode der Raumausnutzung ist, eine Anzahl von ungehäusten Chips aufeinanderzustapeln. Das können auch Mischungen aus NAND-, NOR- oder anderen Bauteilen sein.

Extrem Ultra-Violet

Eine weitere, noch relativ unerprobte Entwicklung geht in Richtung EUV (Extrem Ultra-Violet). Dieses nicht mehr sichtbare, extrem kurzwellige Licht soll ab etwa 22 Nanometern Strukturgröße eingesetzt werden. Auch der Einsatz von weichen Röntgenstrahlen wird untersucht. Die kleinen Strukturen der Fotomasken haben jedoch das Problem des »Proximity Effect«, bei dem eine gewisse Strahlungsdosis in die danebenliegende Struktur hineinwirkt. Das kann man als eine Art optisches Übersprechen verstehen.

Durch doppelte Belichtung mit zwei komplementären Masken wird versucht, das Problem zu vermeiden. Dabei sind die jeweils direkten Nachbarstrukturen in der komplementären Maske. Die beiden Masken dürfen sich aber nur etwa drei bis sechs Nanometer überlappen. Bei einer Wellenlänge von 193 Nanometern und Immersionslithografie lassen sich nach heutigem Stand der Technik Strukturen bis hinunter von 22 Nanometern erzeugen.

Andere Möglichkeiten sind Nano-Imprint (Stempeldruck) oder e-Beam (Elektronenlithografie). Nano-Imprint hat bis auf Weiteres mit Problemen bei der Deckungsgenauigkeit von übereinander liegenden Schichten zu kämpfen. Und e-Beam ist für die Serienfertigung großer Stückzahlen zu langsam. Da die Fortschritte in der Fertigungstechnik nur sehr gering sind, ist die größte Hürde für jede Innovation fast immer der Preis für die Geräte und für die Umstellung der Produktion.

Generell wird viel von selbstorganisierenden Strukturen im Nanometerbereich erwartet. Ein Beispiel ist die an der Uni Bayreuth entwickelt Polystyrolmatrix mit Nanozylindern von 15 Nanometer Durchmesser im Abstand von 48 Nanometer. So ein Zylinder ist etwa 10.000-mal dünner als ein menschliches Haar.

An Phasenwechsel-Speichern wird schon seit Jahrzehnten geforscht. Ein entsprechendes Material (meist Chalkogenide) wechselt unter Einfluss von Wärme/Laserlicht den Zustand zwischen kristallin und amorph. Relativ neu ist, dass dieser Effekt auch in selbstorganisierten Nanodrähten aus Germanium, Antimon und Tellur (Ge2Sb2Te5) nutzbar ist. IBM verwendet Germanium und Antimon (GeSb) und erzielt damit gute Ergebnisse bis zu einer Strukturgröße von 22 Nanometern. Bei halbierter Stromaufnahme soll diese Speichertechnik 500-mal schneller als herkömmlicher Flash sein.

Alternative Flash-Techniken

Nicht alle Flash-Bausteine sind gleich aufgebaut. Es gibt Techniken, die einzelne, besondere Vorteile aufweisen.

  • MONOS

MONOS-Flash (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) von Renesas ist eine hochzuverlässige Technik, die auch noch bei über 150 Grad Celsius zuverlässig arbeitet, also beispielsweise in der Motorsteuerung eines Autos. Die Einsatzbedingungen in der Industrie und in Fahrzeugen sind wesentlich härter als im Büro oder im Rechenzentrum. Auch die Zuverlässigkeit muss trotz dieser erschwerten Bedingungen deutlich höher sein.

Das physikalische Prinzip von MONOS-Flash ist schon seit 20 Jahren bekannt. Der große Vorteil der MONOS-Technik besteht darin, dass die Ladungsträger auf dem Floating Gate im Falle einer Störung nicht alle abfließen. Das erhöht die Zuverlässigkeit. Bei herkömmlichem Flash ist das Floating Gate leitend, somit können bei Defekten in der Oxidschicht alle Ladungsträger abfließen.

Bei MONOS-Flash besteht das Floating Gate aus einer nichtleitenden Nitridschicht (Si3N4). So kommt es also nicht zu einem Verlust der Ladungsträger. Bei herkömmlichem Flash müssen die Abmessungen für höhere Zuverlässigkeit vergrößert werden. Bei MONOS können die Abmessungen sogar verkleinert werden. Kleinere Flash-Zellen sind schnellere Zellen. Das ergibt eine Lesezugriffszeit von nur 10 Nanosekunden bei gleichzeitig extrem hoher Zuverlässigkeit über den gesamten Temperaturbereich von -40 bis +125 Grad Celsius und bis +150 Grad Celsius im Auto. Dieser große Temperaturbereich gilt für Lesen, Schreiben und Löschen. Mit breiteren Strukturen können dann sogar effektive Zugriffszeiten von fünf Nanosekunden erreicht werden. Derzeit wird MONOS-Flash für eine 65-Nanometer-Struktur entwickelt. An dem Einsatz für die 45-Nanometer-Strukturbreite wird geforscht.

  • Nanochip

Die amerikanische Firma Nanochip hat die Phasenwechseltechnik aufgegeben. Jetzt wird ein Kontaktgitter, ähnlich wie bei Millipede von IBM, zur Speicherung eingesetzt. Die Speicherpunkte, bestehend aus einer MEMS-Struktur (Micro Electro-Mechanical System), sind in einem Raster von 15 x 15 Nanometern angelegt. Etwa fünfmal kleinere Zellen sollen in Zukunft möglich sein.

Herkömmliche Flash-Zellen werden derzeit mit Strukturen zwischen 45 und 79 Nanometern hergestellt. Bei Nanochip werden die Speicherpunkte »nur« elektrisch polarisiert. Deshalb glaubt Nanochip an einen Erfolg der Technik. IBM dagegen muss bei Millipede die Speicherpunkte erhitzen und abkühlen.

  • SONOS

Die SONOS-Technik (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) erzielt eine hohe Leistung bei niedriger Stromaufnahme und eine etwas längere Lebenszeit. Die SONOS-Zellen bestehen aus einem NMOS-Transistor mit zusätzlichen Isolationsschichten auf dem »normalen« Control Gate. Die Schichtdicken und -reihenfolgen sind: erste Oxidschicht zwei Nanometer, Siliziumnitridschicht fünf Nanometer, zweite Oxidschicht zwischen fünf und zehn Nanometer.

Bei positiver Vorspannung am Control Gate tunneln Elektronen von der Emitter-Kollektor-Strecke durch die Oxidschicht und werden im Siliziumnitrid gefangen. Dadurch verändert sich die Schaltschwelle des Transistors. Bei negativer Vorspannung werden die Elektronen aus dem Control Gate entfernt.

Theoretisch sind SONOS-Zellen leichter und in weniger Prozessschritten herzustellen als herkömmliche Flash-Zellen. SONOS benötigt dünnere Isolationsschichten und skaliert daher leichter und weiter nach unten zu kleineren Zellgrößen – möglicherweise bis etwa 20 Nanometern. Die Schreibspannung bei SONOS-Zellen ist etwa nur halb so groß wie bei herkömmlichen Flash-Zellen. Dadurch wird das Schreiben schneller und die Abnutzung geringer. Allerdings kann es vorkommen, dass die Elektronen aus der ONO-Schicht nicht mehr herausgelöscht werden können. Das kommt aber selten vor (etwa 1.000- bis 10.000-mal seltener als bei »normalen« Flash-Zellen).

Die SONOS-Technik wurde schon in den 1960er-Jahren entwickelt, konnte aber bisher nicht zuverlässig hergestellt werden. Eine kommerzielle Anwendung ist die PSoC-Familie von Cypress Semiconductors. Philips und Spansion experimentieren ebenfalls mit dieser Technik.

Performance-Steigerung durch Standardisierung

In kurzer Reihenfolge werden immer neue Zell-Architekturen auf den Markt gebracht. Das bedeutet für die Schaltungsentwickler ständig neue Schnittstellen. NAND-Flash ist die einzige weitverbreitete Speichertechnik ohne Standard. Die ONFI-Organisation (Open NAND Flash Interface) versucht, einen Standard zu schaffen. Mitglieder dieses Konsortiums sind Hynix, Intel, Micron, STM und etwa 70 weitere Firmen. Samsung und Toshiba sind allerdings nicht mit dabei.

Es ist derzeit unklar, ob sich dieser oder ein firmenspezifischer Standard durchsetzen wird. Ziel ist auch die Standardisierung eines Steckverbinders (ähnlich DRAM). Verbesserte Protokolle, wie SST (Source-Synchronous Transfer), der schon beim VMEbus eingesetzt wird, sollen in mehreren Schritten eine Beschleunigung von bisher etwa 50 Megabyte pro Sekunde auf 400 Megabyte pro Sekunde bis 2009 bringen. Die vor kurzem verabschiedete Version ONFI 2.0 ist für 133 Megabyte pro Sekunde definiert.

Weitere Möglichkeiten zur Leistungssteigerung

Größere Seitenbereiche verkürzen die Programmierzeit. Bei einer Seite mit 528 Byte benötigt eine komplette Programmierung etwa 226,4 Mikrosekunden (2,3 Megabyte pro Sekunde). Bei einer viermal so großen Seite (2.112 Byte) werden 305,6 Mikrosekunden benötigt (6,9 Megabyte pro Sekunde). Das ist dreimal so schnell wie bei der kleineren Seite, weil das »Hineinschieben« der Bits schneller geht als die Programmierung. Diese Werte beziehen sich auf eine fiktive 90-Nanometer-Zelle.

Ein weiterer Trick ist, zwei Seiten auf einmal zu programmieren. Zuerst wird eine Seite vorbereitet (geladen) und ein Leerzyklus (Pseudo-Schreibzyklus) ausgeführt. Danach wird eine zweite Seite geladen und schließlich werden beide zusammen programmiert. Somit wird die doppelte Anzahl von Bits in einer geringfügig längeren Zeit programmiert. Auch hier wird ausgenutzt, dass der Bittransport schnell und die Programmierung langsam vor sich gehen. Beim Lesen ist eine größere Seite ebenfalls von Vorteil, allerdings nicht ganz so stark wie beim Schreiben.

Kleiner Strukturgrößen bringen einen nennenswerten Geschwindigkeitsgewinn. Dauert eine Schieboperation in einer 90-Nanometer-Struktur etwa 50 Nanosekunden pro Byte, dann sind es in einer 70-Nanometer-Struktur nur noch 30 Nanosekunden pro Byte, also eine Verbesserung von 40 Prozent.

Weiterentwicklung

Üblicherweise geht man von einer Zeitspanne von fünf Quartalen zwischen zwei Flash-Generationen aus. Manchmal wird die Kapazität zwischen den Generationen verdoppelt, manchmal reicht es aber nur für eine Steigerung um 50 Prozent. Die Experten erwarten zunächst noch einige Generationen lang »weiter so«. Für die Zeit danach wird an den oben beschriebenen und weiteren neuen Techniken geforscht.

In den USA wird die Zukunft vermeintlich immer sehr genau eingeschätzt. Laut den Analysten von iSuppli wurden im Jahr 2007 Flash-Produkte im Wert von 14 Milliarden US-Dollar produziert. Der darin enthaltene Anteil für Massenspeicher (Festplattenersatz) auf Halbleiterbasis soll von derzeit »sehr gering« auf zehn Milliarden US-Dollar im Jahr 2012 steigen (Steve Jeon, CEO of Mtron). Und Marktforscher IDC erwartet, dass der Einsatz von Halbleiterspeichern in mobilen PCs von heute fast null auf 20 Prozent im Jahr 2011 steigen wird.

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