Flash-Produktion der Zukunft strebt nach Höherem, Teil 1

Die Flash-Produzenten wehren sich mit aller Macht gegen Konkurrenztechniken

| Autor / Redakteur: Hermann Strass* / Rainer Graefen

Darstellung einer TSV-Technik für 3D-Flash
Darstellung einer TSV-Technik für 3D-Flash (Applied Materials/IEDM/VLSI)

Manche sehen schon, dass Flash-Speicher und damit SSD schon in naher Zukunft die Festplatte ablösen werden. Die Festplattenhersteller dagegen halten sich für unverzichtbar. Unser Blick auf die Produktionstechnik von Flash-Zellen soll Licht ins Dunkel bringen.

Klassische Flash-Speicherzellen sind MOS-Transistoren (Metal Oxid Semiconductor) mit einem zusätzlichen (Floating) Gate. Daher gelten prinzipiell alle technischen Grundlagen und Produktionsverfahren herkömmlicher MOS-Transistoren auch für Flash-Speicher. Logik- und RAM-Bausteine verlieren ihren Inhalt oder logischen Zustand beim Ausschalten.

Flash-Speicher dagegen halten den Inhalt auch im stromlosen Zustand halten, unter Umständen zehn Jahre und länger. Wie das bei ständig verkleinerten Strukturgrößen geht darüber wird nachfolgend berichtet und ein Stück weit spekuliert.

Überblick

Die Flash-Technik muss, wie andere Halbleitertechniken, bei zunehmender Weiterentwicklung mit näher rückenden physikalischen Grenzen und höherem finanziellem Aufwand für immer komplexere Produktionsanlagen rechnen.

Derzeit wird diese Grenze unterhalb von 20 Nanometer (nm) beginnen und vermutlich ist bei 10 nm Schluss. Es gibt auch hier theoretisch eine große Zahl von Alternativmöglichkeiten. Diese müssen aber erst ihre Serientauglichkeit beweisen.

Dazu gehören viel Mut und noch mehr finanzielle Mittel für einen Produzenten. Man rechnet mit einem Zeitaufwand von etwa fünf Jahren und Kosten von etwa 5 Milliarden US-Dollar für den Bau einer Halbleiterfabrik (Fab).

Deshalb werden bereits etablierte Techniken bis zum "bitteren Ende" weiterentwickelt. Wer dann genau zu diesem Zeitpunkt die passende neue Technik serienreif hat, wird entsprechende Gewinne erwirtschaften.

Besonders wichtig ist dabei nicht die technische Reife oder Qualität sondern ein Verkaufspreis, der bei gleicher Leistung (in diesem Fall Speicherkapazität und Transferrate) niedriger ist oder bei höherer Leistung gleich bleibt.

Begriffsbestimmungen

In der vorwiegend US-dominierten Halbleiter-Industrie, werden die Fachbegriffe nicht fachlich zutreffend, sondern werbetechnisch aufgebauscht und mit Superlativen durchsetzt. Deshalb ist es oft sehr schwierig die Fakten aus den Werbebotschaften herauszufiltern.

Die Fakten werden meist als Betriebsgeheimnis deklariert und sind daher für Außenstehende nicht oder nur schwer zugänglich. So gibt es bereits Werbung für 4D-Speicher (räumlich), obwohl wir seit Albert Einstein wissen, dass es wohl vier Dimensionen gibt, von denen aber nur drei den Raum definieren.

Die Strukturgröße (feature size) wurde anfangs als das kleinste herstellbare Element in der Planartechnik definiert. Häufig wird sie auch "node" genannt. Seitdem es aber dreidimensionale Chips (in der Struktur oder durch übereinander Bonden) gibt wird die "feature size" virtuell definiert.

Es wird also die Anzahl der Elemente auf die (planare) Fläche umgerechnet, wodurch sehr schnell, sehr kleine Strukturgrößen (beispielsweise 14 nm oder weniger) erreicht und als großer Erfolg gefeiert werden.

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