Grundlagen der Flash-Technik, Teil 2

Die Grenzen der Fertigungstechnik von SSD- und Flash-Speicherzellen

03.02.2009 | Autor / Redakteur: Hermann Strass / Nico Litzel

Vergleich herkömmlicher Flash-Speicher (links) und MONOS-Flash (Quelle: Renesas)
Vergleich herkömmlicher Flash-Speicher (links) und MONOS-Flash (Quelle: Renesas)

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.

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.

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