IEDM 2011 Hynix zeigt komplette Phasenwechselspeicher-Plattform

Dass sich Phasenwechselspeicher (PCM) als für Ersatz für DRAM und SRAM, und im besonderen als nichtvolatiler Speicher auch als Flash-Alternative eignet, ist nicht neu. Der koreanische Speicherhersteller Hynix hat nun auch eine preislich attraktive Lösung vorgestellt.

Da das Speicherelement beim vertikalen Aufbau im Bereich der Metallisierungsebenen platziert wird und die Materialien und Prozesse weitgehend in eine CMOS-Fertigung integrierbar sind, eignet sich der PCM nicht nur für die Fertigung von Speicherbausteinen. Möglich ist auch ein Embedded-Speicher, der auf dem selben Siliziumstück realisiert wird, wie die logische Schaltung, die den Baustein hauptsächlich ausmacht.

Der von Hynix auf dem IEDM vorgestellte 1-Gbit-PCRAM-Chip hat eine 0,007 µm² große Zelle (4F2, 84-nm-Abstand) und wird in einem 42-nm-Prozess gefertigt. Die Chipgröße beträgt nur 33,2 mm² und die Versorgungsspannung 1,8 V. Der Speicher von 1 Gbit ist in 16 Partitionen mit jeweils 64 Mbit aufgeteilt.

Die laut Hynix gegenüber heute erhältlichen PCM-Chips „sehr vereinfachte“ Architektur, die zu einer kostengünstigen Lösung geführt hat, ist in Bild 1 ersichtlich. Messungen von Hynix ergaben, dass der Datenerhalt für 10 Jahre bei Temperaturen von 203,5 °C gesichert ist. Thermische Stabilität ist sehr wichtig für zukünftige Multichip-3D-Architekturen, wie man sie zukünftig für Speichermodule erwarten kann. Laut Hynix lässt sich die dargestellte Prozesstechnik auch auf die zukünftige 22-nm-Fertigung übertragen.

TSVs in Hohlzylindern

Nicht nur bei Speichern sind ja sogenannte 3D-Chips ein heißes Thema, sie werden z.B. auch in zukünftigen FPGAs des Herstellers Xilinx eingesetzt. Die Idee besteht darin, statt immer größerer und komplexerer Einzelchips Wafer und Chips mit herkömmlichen Technologien zu fertigen und diese dann übereinander zu stapeln.

Um die einzelnen Siliziumplättchen zu verbinden und dabei die notwendige Geschwindigkeit bei der Signalübertragung von einem Plättchen zum anderen sicherzustellen, werden sogenannte TSVs (Through-Silicon-Vias) eingesetzt, dabei handelt es sich quasi um Löcher, die vertikal durch den Stapel laufen und mit Kupfer gefüllt werden. Bild 2 zeigt die TSVs zusammen mit den BEOL-Strukturen (Back-End-of-Line, dieser Schritt umfasst im Wesentlichen die so genannte Metallisierung, bei der die zuvor gefertigten Bauelemente miteinander verbunden werden, und die abschließende Passivierung der Oberfläche).

Das Problem besteht darin, dass sich Kupfer und Silizium bei Temperaturerhöhungen unterschiedlich ausdehnen, was zu physikalischem Stress und Fehlern während der Fabrikation führen kann.

IBM-Forscher haben nun erstmals TSVs in Form von Hohlzylindern eingesetzt, welche diese Effekte minimieren. Untersuchungsgegenstand war ein 32-nm-SOI-Speichermodul, das aus einem 128-Mbit-DRAM, das auf ein 96-Mb-DRAM aufgesetzt wurde, besteht (beide wurden wurden in einer Zellgröße von 0,039 µm2 und mit High-K/Metal-Gate-Technologie gefertigt) und bei dem beide Silizium-Plättchen mit mehr als 1000 TSVs verbunden waren. Bei mehr als 500 Temperaturzyklen (jeweils 0 auf 100 °C) und thermischem Stress (mehr als 275 °C für 1.500 Stunden) wurden keinerlei negative Veränderungen hinsichtlich des elektrischen Verhaltens festgestellt.

Samsung setzt weiter auf planare Transistoren

Forscher des koreanischen Halbleiterherstellers Samsung setzen anders als Intel auch weitere auf Planartransistoren. Sie zeigten eine 20-nm-Plattform in einem Bulk-CMOS-Prozess, welche die höchsten Ströme ermöglicht, die jemals bei Planartransitoren und 0,9 V Versorgungsspannung gemessen wurden: 770 µA/µm nFET und 756 µA/µm pFET bei 1 nA/µm Ioff.

Samsung arbeitet mit einem High-K/Metal-Gate und erzielte weitere Fortschritte beim Einsatz von gestrecktem Silizium. Ein nur 80-nm großer Abstand von einem Gate zum nächsten stellt ebenfalls einen Rekord dar und ermöglicht eine höhere Packungsdichte der Transistoren auf einem Chip. Samsung zeigte den praktischen Einsatz des 20-nm-Prozesses an Hand einer 6T-SRAM-Zelle, die bei 0,9 V Versorgungsspannung ein statisches Rauschen von nur 250 mV aufweist.