Der lange Weg des Phasenübergangsspeichers

Auf der Halbleiterkonferenz International Electron Devices Meeting (IEDM) wird es auch in diesem Jahr wieder eine Reihe von Vorträgen zum Thema Phasenübergangsspeicher geben, wobei die zahlreichen daran arbeitenden Firmen ganz unterschiedlich von Phase-Change Memory (PCM), PCRAM oder PRAM sprechen. Allen Konkurrenten gemein ist, dass sie Phasenübergänge (amorph/kristallin) in sogenannten Chalcogenid-Legierungen nutzen – und deshalb auf Arbeiten von Stanford Ovshinsky zurückgreifen, der bereits vor 40 Jahren solche Effekte untersuchte. Heute vergibt die Firma Ovonyx – an der Intel Capital Anteile hält – die Lizenzen für spezielle Germanium-Antimon-Tellur-Legierungen. An PCM forscht NAND-Flash-Markführer Samsung ebenso wie NOR-Flash-Marktführer Numonyx, die Kooperationspartner IBM und Macronix oder Elpida.

Gegen monolithische NAND-Flash-Speicherchips mit 4-Level-Zellen, die mittlerweile bis zu 64 Gigabit an Daten speichern, wirken die bisher angekündigten PCM-Bausteine kümmerlich: Seit September fertigt Samsung ein erstes 512-MBit-PRAM im 60-nm-Prozess in Serie; der Chip soll sich immerhin deutlich schneller löschen und beschreiben lassen als NOR-Flash. Das Intel-STMicroelectronics-Team Numonyx scheint über die seit Anfang 2008 gefertigten Muster des Multi-Level-Cell-(MLC-)Chips Alverstone mit 128 MBit Kapazität nicht hinausgekommen zu sein.

Vor vier Jahren hatte Samsung noch eine Roadmap skizziert (PDF-Datei), nach der man bereits 2008 2-Gigabit-PRAMs mit einer 4x-nm-Technik produzieren wollte. Offenbar gibt es aber auch nach rund 40 Jahren PCM-Technik noch unvorhersehbare Schwierigkeiten, obwohl Numonyx-Fellow Roberto Bez auf dem IEDM erklären will, dass PCM "als einzige der alternativen nichtflüchtigen Speichertechniken" das Potenzial zeigt, einen "breiteren Markt zu erreichen und in der kommenden Dekade zur Mainstream-Technik" zu werden. Auf dem IEDM tragen Numonyx-Konkurrenten aber trotzdem unbeirrt ihre Fortschritte bei MRAM oder ReRAM vor; Hynix wiederum erforscht den "Einfluss der Sauerstoffmigration und der Übergangsgestaltung auf das Widerstands-Schaltverhalten reaktiver Metall-Polykristall-Perowskite".

Numonyx will auf dem IEDM ein Verfahren vorstellen, um mehrlagige PCM-Stapel auf einem einzigen Die zu erzeugen; auf dem 64-MBit-Testchip wurden dazu vertikal orientierte Speicherzellen namens PCMS erzeugt, die aus einer PCM-Element und einem Schalter bestehen, einem sogenannten Ovonic Threshold Switch (OTS). Auf dem IEDM will Numonyx aber auch die integrierte Fertigung von PCMs in 90-nm-CMOS-Verfahren vorstellen sowie eine 45-nm-Fertigungstechnik für PCMs; die effektive Zellenfläche bei einem 1-GBit-Muster soll 0,015 Quadratmikrometer betragen. Das ist immerhin um den Faktor 16 kleiner als beim ebenfalls seit Jahren diskutierten MRAM: Hier hatte Freescale im Jahre 2006 für eine 2008 erwartete (aber bisher für MRAM nicht verwendete) 45-nm-Fertigung Zellgrößen von 0,24 Quadratmikrometern prognostiziert.

Wann aber nun endlich PCM-Bauelemente mit konkurrenzfähiger Kapazität und hoher Geschwindigkeit marktreif sein werden, darauf scheint sich keine der entwickelnden Firmen festlegen zu wollen. Vor drei Jahren hatten IBM-Forscher aber immerhin mal das Jahr 2015 in die Runde geworfen. (ciw)