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IEDM 2015

Speicher gehen in die dritte Dimension

9. Dezember 2015, 9:08 Uhr | Gerhard Stelzer

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Fortschritte bei DRAM, PCM, MRAM und FRAM

Neben DRAMs und NAND-Flash-Speichern, die den Großteil des Marktes repräsentieren, sind bei den exotischen Speichern, wie Phasenwechselspeichern, Magnetischen RAMs und bei Ferroelektrischen Speichern, weiterhin massive Forschungsanstrengungen im Gange. IBM und Macronix beschäftigen sich im gemeinsamen PCRAM Projekt mit Phasenwechselspeichern, die auf einem pseudobinären GaSb-Ge-System basieren. Das neue PCM-Material zeigt Schaltzeiten von 80 ns, eine Lebensdauer von 1 Mrd. Zyklen und einen außerordentlichen Datenerhalt, der sogar Temperaturen von 250 bis 300°C verkraftet. Bei 220°C wurde ein Datenerhalt von mehr als zehn Jahren ermittelt. Außerdem handelt es sich um das schnellste Material, das die Löt-Bonding-Kriterien von Embedded Automotive Anwendungen bestanden hat.

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Qualcomm und Applied Materials zeigten auf der IEDM die systematische Optimierung eines 1 Gbit großen senkrechten Magnetic Tunnel Junction (pMTJ) Arrays für 28-nm-Embedded-STT-MRAM (Spin Transfer Torque). Die Zellengröße beträgt 22 F2 bezogen auf F=28 nm, also 0,017 µm2. Ebenfalls mit MRAM beschäftigen sich Micron und IBM im Rahmen ihrer MRAM Allianz. Sie berichten von einer Verdopplung der Schalteffizienz in STT-MRAM mit zwei senkrechten Magnetic Tunnel Junctions.
Die Entdeckung von Ferroelektrizität in HfO2-Dünnschichten erlaubt die Realisierung eines auf 28 nm skalierten Ferroelektrischen FET (Bild 7) als nichtflüchtiger Speicher. Allerdings sind die Dresdner Forscher der FhG, TU und von Globalfoundries sowie der HAW München und dem Politechnikum in Mailand auch darauf gestoßen, dass diese kleinsten Strukturen sehr empfindlich auf die Granularität der polykristallinen Gateoxidschicht reagieren. Stabile diskrete Spannungspegel erlauben auch das Speichern von mehreren bit pro Zelle.

Bei DRAMs ist noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht, wie ein 20-nm-DRAM von Samsung zeigt. Den Koreanern ist erstmals gelungen, ein 20-nm-DRAM ohne EUV-Lithographie herzustellen. Sie nutzen dabei eine Wabenstruktur (Honeycomb Structure – HCS) sowie eine Air-spacer-Technik. Bezogen auf die gleiche Zellengröße lässt sich die Kapazität um 21 % erhöhen, indem sie auf eine neue preisgünstige Technik mit einer Argon-Fluorid-Lithographie-Schicht setzen. Die parasitäre Bitleitungskapazität konnte mit der Air-spacer-Technik, deren Durchbruchspannung konventionelle Verfahren um 30 Prozent übertrifft, um 34 % reduziert werden.