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)

  • 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.

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