Technologiefrüherkennung

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1 VDI-Technologiezentrum Technologiefrüherkennung Ergebnisse des Fachgesprächs Nichtflüchtige Datenspeicher Kosten/bit Flash Organic Memory Probe Storage DRAM FeRAM MRAM PCRAM SRAM HDD Performance Gefördert vom

2 Ergebnisse des Fachgesprächs Nichtflüchtige Datenspeicher Herausgeber: Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrums Graf-Recke-Str Düsseldorf im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

3 Dieser Ergebnisband entstand im Rahmen des Vorhabens Identifikation und Bewertung von Ansätzen Zukünftiger Technologien (Förderkennzeichen NT 2113) der Abteilung Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrums im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Referat 513. Projektleitung: Durchführung: Dr. Dr. Axel Zweck Dr. Jochen Dreßen Abteilung: Physikalische Technologien Dr. Andreas Hoffknecht Abteilung: Zukünftige Technologien Consulting Dank gilt einer Vielzahl von Experten, die wertvolle Beiträge und Anregungen geliefert haben. Zukünftige Technologien Nr. 44 Düsseldorf, im Januar 2003 ISSN Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministerium für Bildung und Forschung überein. Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdrucks, der auszugsweisen oder vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der Übersetzung. Titelbild: Illustration, die die verschiedenen Speichertypen nach ihrer Leistungsfähigkeit und den Kosten/bit einordnet. Konventionelle Speichertypen sind dunkelblau, neue Ansätze zu nichtflüchtigen Datenspeichern hellblau hinterlegt.

4 Zukünftige Technologien Consulting (ZTC) des VDI-Technologiezentrums Graf-Recke-Straße Düsseldorf Das VDI-Technologiezentrum ist als Einrichtung des Verein Deutscher Ingenieure (VDI) im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)tätig.

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6 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Tagesordnung 5 3 Teilnehmerliste 7 4 Zusammenfassung NVM allgemein Spintronik Organische Speicher PC-RAM FRAM MRAM Flash Fazit 24 5 Vorträge Future Nonvolatile Memory Technologies; Dr. Mikolajick (Infineon) Spinelektronik; Dr. Beschoten (RWTH Aachen) Organic Memory; Dr. Engl (Infineon) Phase-Change RAM; Prof. Wuttig (RWTH Aachen) Phase Change / Nanodot Speicher; Dr. Haring (RWTH Aachen) FRAMs: Materialphysikalische Aspekte; Dr. Hesse (MPI Halle) FRAM: Bauelemente, Integration, Roadmap; Prof. Waser (FZ Jülich) Materials and magnetic issues in MRAM development: some examples; 93 Dr. Wecker (Siemens) 5.9 Technology and applications of recent flash Memories - NROM; 101 Dr. Ludwig (Infineon) 5.10 Enabling the nanoage world; Dr. Mitze (Carl Zeiss) 116

7 6 Fragebögen Flash NAND-Flash NOR-Flash Floating nano-dot-memory Nanocluster-Memory NV-SRAM MRAM FRAM PC-RAM Organische Speicher Spintronik Molekulare Speicher Probe Storage Vergleichstabellen Anhang Überblick über Industrieaktivitäten Überblick über Förderaktivitäten 149

8 1 1 Einleitung Nichtflüchtige Datenspeicher versprechen zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen, flüchtigen Speichern (SRAM, DRAM). Die Nichtflüchtigkeit garantiert, dass gespeicherte Informationen auch ohne Stromversorgung erhalten bleiben. Der Markt der nichtflüchtigen Datenspeicher wird derzeit fast ausschließlich vom Flash abgedeckt. Am diskutierten im Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF, in Bonn Experten den Entwicklungsstand und die Potenziale des Flash und verschiedener neuer Ansätze nichtflüchtiger Datenspeicher (Non Volatile Memory, NVM). Der vorliegende Band der Reihe Zukünftige Technologien 1 ) fasst die Ergebnisse des Fachgesprächs, das vom VDI- Technologiezentrum im Auftrag des BMBF organisiert wurde, zusammen. Die Abteilung Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrum identifiziert im Rahmen seiner Technologiefrüherkennungsaktivitäten im Auftrag des BMBF neue Entwicklungen und Lösungsansätze in der Elektronik und bewertet deren Potenziale. Als ein geeignetes Instrument dieses Bewertungsprozesses haben sich Fachgespräche etabliert, die in enger Zusammenarbeit mit dem Projektträger des BMBF Physikalische Technologien des VDI-Technologiezentrum durchgeführt werden. Bei diesen Gesprächen diskutieren Experten aus Industrie und Wissenschaft die Aspekte eines bestimmten Themenkomplexes und versuchen herauszuarbeiten, ob und in welcher Form Handlungsbedarf für das BMBF besteht. In diesem Sinne unterstützen die Fachgespräche ein Nachjustieren und Aktualisieren des Förderprogramms Informations- und Kommunikationstechnologie IT-Forschnug ), das als lernendes Programm angelegt ist. Zudem helfen sie auch, einen möglichen Bedarf bei der Grundlagen- und Vorfeldforschung zu erkennen und Chancen zu identifizieren, die über den Zeitrahmen des Programms IT-Forschung 2006 hinausgehen. Eine Vielzahl der Visionen zur Zukunft der Informations- und Kommunikationstechnologie wird sich nur durch den breiten Einsatz hochdichter und schneller nichtflüchtiger Speicher verwirklichen lassen. Hier sind z.b. die Visionen der vernetzten Welt, die der vom BMBF 1 ) Eine Übersicht über bisher erschienene Publikationen dieser Reihe finden Sie auf unserer Hompage 2 )

9 2 Fachgespräch: Nichtflüchtige Datenspeicher initiierte Futurprozess 3 ) formuliert hat oder der Ambient Intelligence 4 ) zu nennen. Diesen Konzepten liegt die Vorstellung zu Grunde, dass der Zugriff auf die ganze Fülle vorhandener Informationen überall und zu jeder Zeit möglich sein wird. Die Kommunikation einzelner mobiler und stationärer Geräte, die auch alltägliche Gegenstände wie Autos, Möbel, Kleidung etc. umfassen, wird sich dabei -teilweise vom Benutzer unbemerkt- im Hintergrund abspielen und den Benutzer intuitiv unterstützen. So könnten beispielsweise in Kleidung eingearbeitete Sensoren die Körperfunktionen chronisch Kranker überwachen und im Notfall unter Angabe seiner lokalen Position Hilfe anfordern. Touristen könnten an jedem Ort Hintergrundinformationen zu Sehenswürdigkeiten erhalten. In der Logistik ließe sich der Warenfluss effizienter verfolgen, kontrollieren und optimieren. Realisierbar erscheinen solche Visionen nur, wenn neben Fortschritten bei der Mensch- Maschine-Schnittstelle, der Datenübertragung im Nah- und Fernbereich, Informationen kostengünstig und energiesparend gespeichert werden können und wenn auf diese Daten schnell zugegriffen werden kann. Zukünftige nichtflüchtige Datenspeicher (Non Volatile Memory, NVM) versprechen zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Speichern. Sie werden wesentlich schneller sein, als derzeitige Flash Generationen. Dies wird ein wesentlich breiteres Einsatzspektrum, bis in Bereiche, die derzeit von DRAM (Dynamic Random Access Memory) bzw. SRAM (Static Random Access Memory) abgedeckt werden, ermöglichen. Die Bedeutung nichtflüchtiger Datenspeicher wächst mit der weiteren Miniaturisierung und Integration von Bauelementen. Die dadurch wachsende thermische Belastung wird mittlerweile nicht nur für Logikelemente zum Problem, sondern wegen der notwendigen Refreshzyklen auch für DRAM-Speicherbausteine. Diese Refreshzyklen entfallen beim Einsatz nichtflüchtiger Speicher, wodurch, als weiterer positiver Effekt, weniger Wärme vom Chip abgeführt werden muss. Die Nichtflüchtigkeit garantiert, dass gespeicherte Informationen auch ohne Stromversorgung erhalten bleiben. Dies macht sie besonders für mobile Anwendungen (Kamera, Mobiltelefon, Handheld,...) interessant. Die Aussicht, dass ein mit nichtflüchtigem Arbeitsspeicher ausgerüsteter Computer nach dem Einschalten ohne ein langwieriges booten des Betriebsystems sofort verfügbar ist (instant on) 3 ) 4 ) Unter Ambient Intelligence versteht die Europäische Kommission die Verschmelzung der 3 Schlüsseltechnologien Ubiquitous Computing, Ubiquitous Communication und Intelligent User Friendly Interfaces.

10 1 Einleitung 3 und ohne zeitraubendes Herunterfahren ausgeschaltet werden kann (instant off), macht NVM sowohl für mobile als auch stationäre Geräte attraktiv. Experten rechnen daher mit stark wachsenden Marktanteilen, falls es Forschung und Entwicklung gelingt, die heutigen Hauptnachteile der nichtflüchtigen Speicher zu überwinden. Abb. 1 zeigt eine Prognose der Marktentwicklung für EEPROM, Flash, SRAM und DRAM des McClean Report Bei dieser Prognose wurde die Einführung neuer Technologien noch nicht berücksichtigt. 100 Marktprognose (Quelle:McClean Report 2001) DRAM Flash Mrd. Euro 10 SRAM EEPROM Jahr Abb. 1: Marktprognose für EEPROM, Flash, SRAM und DRAM (McClean Report 2001) Die Vielzahl der NVM-Konzepte erlaubt, vor dem Hintergrund beschränkter Ressourcen, keine parallele Förderung aller Ansätze mit gleicher Intensität. Es müssen speziell aus deutscher Sicht Prioritäten gesetzt werden. Die Priorisierung sollte dabei über den Reifegrad der

11 4 Fachgespräch: Nichtflüchtige Datenspeicher Technologie gewichtet werden, aber auch die erreichbare Performance der Technologie und das technisch wissenschaftliche Risiko berücksichtigen. Ziel des Fachgesprächs war es daher, den Entwicklungsstand und die Entwicklungspotenziale der verschiedenen technologischen Ansätze zu nichtflüchtigen Speichern vergleichend gegenüberstellen. Es wurden folgende Fragestellungen diskutiert: Welche Anforderungen werden für welches Anwendungsgebiet gestellt? Wo liegen die technologischen Probleme der verschiedenen NVM-Ansätze, und welche Lösungsansätze werden verfolgt? Wird es einen Universalspeicher (unified memory) geben, der die Dichte des DRAM, die Schnelligkeit des SRAM, mit der Nichtflüchtigkeit verbindet, oder werden sich je nach Anwendungsgebiet unterschiedliche Ansätze durchsetzen können? Wie ist die Ausgangssituation in Deutschland einzuschätzen? Welcher Handlungsbedarf ergibt sich für das BMBF? Der vorliegende Band fasst in Kapitel 4 die Diskussionen und Ergebnisse des Fachgesprächs zusammen. In Kapitel 5 werden die Folien der Vorträge wiedergegeben. Kapitel 6 präsentiert die Ergebnisse einer Fragebogenaktion, die parallel zum Fachgespräch durchgeführt wurde. Im Anhang werden die Aktivitäten führender Halbleiterhersteller und Förderaktivitäten zusammengestellt.

12 5 2 Tagesordnung: * * * * * * Kaffee, Tee * * * * * * Grußworte (BMBF) NVM allgemein, Braun (Infineon) Spintronik - Memory, Dr. Beschoten (RWTH Aachen) Organic Memory, Dr. Engl (Infineon) Phase Change Memory, - Prof. Wuttig (RWTH Aachen) - Dr. Bolivar (RWTH Aachen) FRAM, - Dr. Hesse (MPI Halle) - Prof. Waser (FZ Jülich) * * * * * * Mittagspause * * * * * * MRAM, Dr. Wecker (Siemens) Flash, Braun (Infineon) Diskussion, Moderation: Braun (Infineon) - Statement: NVM aus Sicht der Lithographie, Dr. Mitze (Carl Zeiss) - Ergebnisse der Fragebögen, Dr. Hoffknecht (VDI-TZ) Ende

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14 7 3 Teilnehmerliste Dr. Marin Alexe Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Weinberg Halle Georg Braun Infineon Technologies AG Memory Products Pro DNA Postfach München Dr. Karl-Heinz Arnold DLR e. V. PT Informationstechnik Rutherfordstr Berlin Dr. Bernd Beschoten RWTH Aachen II. Physikalisches Institut Templergraben Aachen Dr. Steffen Buschbeck Zentrum Mikroelektronik Dresden AG Grenzstr Dresden Dr. Carsten Diehl BM für Bildung und Forschung Mikrosystemtechnik Referat 514 Heinemannstraße Bonn Dr. Johannes von Borany Forschungszentrum Rossendorf Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung Bautzener Landstr. 128 (B6) Dresden Dr. Manfred Dietrich BM für Bildung und Forschung Nanoelektronik und -systeme Referat 515 Heinemannstr Bonn

15 8 Fachgespräch: Nichtflüchtige Datenspeicher Dr. Volkmar Dietz BM für Bildung und Forschung Strategie, Planung, Forschungskoordination Referat Z 22 Heinemannstraße Bonn Dr. Jochen Dreßen VDI-Technologiezentrum Physikalische Technologien Graf-Recke-Straße Düsseldorf Dr. Reimund Engl Infineon Technologies AG Dept. MP PMT - Polymer Materials and Technology Paul-Gossen-Straße Erlangen Dr.-Ing. Peter Haring Bolivar RWTH Aachen Inst. für Halbleitertechnik Sommerfeldstraße Aachen Dr. Dietrich Hesse Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Weinberg Halle (Saale) Dr. Andreas Hoffknecht VDI-Technologiezentrum Abt. Zukünftige Technologien Consulting Graf-Recke-Straße Düsseldorf Martijn Lankhorst Philips Research Laboratories Eindhoven, Inorganic Mat. And Processing Building WA Prof. Holstlaan 4 NL AA Eindhoven Dr. Wolfram Maass Singulus Technologies AG Semiconductor Equipment TMR-MRAM Hanauer Landstr Kahl

16 3 Teilnehmerliste 9 Dr. Roland Mattheis Institut für Physikalische Hochtechnologie e. V. Magnetoelektronik Winzerlaer Str Jena Dr. Stefan Mengel BM für Bildung und Forschung Nanoelektronik und systeme Referat 515 Heinemannstraße Bonn Dr. Carsten Mitze Carl Zeiss Semiconductor Manufacturing Technologies AG Carl-Zeiss-Str Oberkochen Dr. Wilhelm Möring Philips Semiconductors GmbH Stresemannallee Hamburg Christian Moormann AMO GmbH /AMICA Huyskensweg Aachen Jens-Uwe Pfeiffer DLR e. V. PT Informationstechnik Rutherfordstr Berlin Prof. Dr. Günter Reiss Universität Bielefeld Fakultät für Physik Universitätsstr Bielefeld Prof. Dr. Herbert Schewe Siemens AG Corporate Technology CT MM 1 Paul-Gossen-Straße Erlangen

17 10 Fachgespräch: Nichtflüchtige Datenspeicher Dr. Marcus Schumacher AIXTRON AG Advanced Materials Kackertstraße Aachen Dr. Joachim Wecker Siemens AG CT MM 1 Postfach Erlangen Dr. Gerd Schumacher Forschungszentrum Jülich GmbH PTJ Leo-Brandt-Straße Jülich Dr. Jürgen Stümpfig BM für Bildung und Forschung Optische Technologien Referat 513 Heinemannstraße Bonn Prof. Dr. Rainer Waser Forschungszentrum Jülich GmbH Inst. für Festkörperforschung Leo-Brandt-Straße Jülich Prof. Dr.-Ing. habil Hans-Jörg Werrmann Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. PT Informationstechnik Rutherfordstr Berlin Dr. R. M. Wolf Philips Research Department Head Inorganic Chemistry Prof. Holstlaan 4 (WB 641) NL AA Eindhoven Prof. Dr. Matthias Wuttig RWTH Aachen 1. Physikalisches Institut Postfach Aachen

18 11 4 Zusammenfassung Dieses Kapitel fasst die wichtigsten Aussagen der Vorträge und der anschließenden Diskussionen zu den verschiedenen Technologien zusammen. 4.1 NVM allgemein In der Informations- und Kommunikationstechnik werden Daten gegenwärtig entweder auf magnetischen Festplattenspeichern oder mit Halbleiterspeichern gespeichert. Magnetische Festplattenspeichern erreichen die höchsten Speicherdichten bei den niedrigsten Kosten pro bit. Ihr Nachteil liegt in der für die meisten Anwendungen zu geringen Geschwindigkeit. Halbleiterspeicher erreichen wesentlich höhere Geschwindigkeiten, aber bei erheblich geringeren Speicherdichten und zu wesentlich höheren Kosten pro bit. Die Kosten pro bit Speicherkapazität sinken seit Jahrzehnten exponentiell. Bei den Halbleiterspeichern fällt der Preis zur Zeit um ca. 35 % pro Jahr. Die Preisentwicklung wird vor allem durch die Verkleinerung des Flächenbedarfs eines bit getrieben. Bezogen auf die Speicherkapazität sind mittlerweile sowohl Festplatten als auch Flash-Speicher billiger als Papier. Der heutige Markt der Halbleiterspeicher teilt sich im Wesentlichem zwischen Flash, DRAM und SRAM auf 5 ) (siehe auch Abb. 1). Der Flash-Speicher ist der einzige nichtflüchtige Halbleiterspeicher mit bedeutenden Marktanteilen. Er erreicht mit Zellgrößen von 4 bis 10 F 2 6 ) die höchsten Dichten unter den Halbleiterspeichern, ist aber im Vergleich zum DRAM und SRAM langsam, braucht hohe Spannungen und ist mit maximal 10 6 Schreib-, Lesezyklen für viele Anwendungen nicht langlebig genug. Der DRAM hat mit 8F 2 eine kleine Zellgröße. Er kann schnell gelesen und beschrieben werden. Nachteile sind einerseits die Flüchtigkeit, die ein ständiges Refreshen des Speicherinhalts notwendig macht und der zunehmend komplizierte Aufbau, um trotz abnehmender Strukturgrößen die Kapazität des Speicherkondensators zu gewährleisten. 5 ) Einen einführenden Überblick über die Technologien bietet auch H. Klose u.a., Proceedings of the 31 th European Solid-State Device Research Conference, 45 50, ) F gibt die feature size, die kleinste lithographisch hergestellte Struktur, an.

19 12 Fachgespräch: Nichtflüchtige Datenspeicher Der SRAM ist zur Zeit das schnellste Speicherkonzept auf dem Markt. Er braucht keine Refreshzyklen, verliert seine Information aber, sobald keine Versorgungsspannung anliegt. Mit einer Zellgröße von F 2 ist er sehr groß und damit auch teuer. Besonders bei mobilen Anwendungen besteht Bedarf nach nichtflüchtigen Speichern. Das Ziel ist ein Universalspeicher, der die Performance des SRAM/DRAM mit der Zellgröße des DRAM oder Flash und mit der Nichtflüchtigkeit des Flash vereinigt. Eine weitere Zielsetzung besteht darin, durch die Realisierung von Halbleiterspeichern sehr hoher Dichte (bei eventuell leicht reduzierter Performance) eine Brücke zwischen Halbleiterspeichern und den Festplatten zu schlagen. Ob sich dieses Ziel verwirklichen lassen wird, ist noch unklar und wird letztlich durch die Kosten entschieden. Als mögliche Kandidaten sind zahlreiche Technologien in der Diskussion, von denen die wichtigsten intensiv auf dem Fachgespräch diskutiert wurden. 4.2 Spintronik Ziel der Spintronik ist die Entwicklung einer revolutionären neuartigen Elektronik, die auf dem Spinfreiheitsgrad der Elektronen (Ladungsträger) basiert. Während die heutige konventionelle Elektronik Ladungen und deren Energie nutzt, setzt die Spinelektronik (oder kurz Spintronik), zusätzlich oder anstelle der Elektronenladung auf die Orientierung des Spins, sowie auf die Spinkopplung. Schnelle Spinmanipulation und schneller Spintransport versprechen im Vergleich zur konventionellen Elektronik höhere Geschwindigkeiten bei geringerer Leistungsaufnahme. Zudem erscheint der Spin robuster gegenüber Störstellen zu sein. Zur Realisierung einer solchen Spintronik wird aus heutiger Sicht die Materialgruppe der ferromagnetischen Halbleiter favorisiert. Diese Materialien versprechen eine Integration von Informationsspeicherung und -verarbeitung sowie neue Funktionalitäten, die weder im Ferromagneten noch im Halbleiter alleine existieren. Zudem ist mit diesen Materialien die Kompatibilität zu bisherigen Halbleiter-Materialien (GaAs-System, Si) erreichbar. Ein Beispiel für neue Funktionalitäten ist die Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften und damit des remanenten Speicherzustands durch elektrische Felder 7 ). 7 ) H. Ohno et al., Nature 408 (2001); B. Beschoten, Phys. Bl. 54 (2001)

20 4 Zusammenfassung 13 Auf Basis der bisher bekannten Effekte scheinen Bauteile mit GHz-THz möglich zu sein. Bei Vergleichen der Spintronik mit der bisherigen Elektronik ist der deutlich geringere Entwicklungsstand der Spintronik zu beachten. Bisherige qualitative und quantitative Aussagen über die Leistungsfähigkeit einer Spintronik beruhen auf Schlussfolgerungen aus physikalischen Grundeffekten und weniger auf Messungen an realen Bauelementen. Die Basisentdeckungen der Spintronik wie die Spininjektion in III/V Halbleiter liegen erst drei bis vier Jahre zurück. Die bisherige wissenschaftliche Bevorzugung der III/V-Halbleiter gegenüber Silizium beruht auf der Tatsache, dass das III/V-System als direkter Halbleiter mit optischen Methoden der Analytik zugänglich ist. Optische Detektion der Spinpolarisation des emittierten bzw. absorbierten zirkularpolarisierten Lichtes (Spin-LED) ist zur Zeit eine der wesentlichen Analysemethoden der Spintronik. Prinzipiell spricht aber nichts gegen einen Übergang auf das technologisch dominierende Si, da das Wachstum von ferromagnetischen Halbleitern auch auf Si möglich ist. Der Bezug der Spintronik zu den nichtflüchtigen Speichern liegt in der absehbaren intrinsischen Kompatibilität der Spintronik zum MRAM (Kapitel 4.6). Die Spintronik ist dabei die Logikeinheit und der MRAM der Speicher. In einem weiteren Schritt könnten Logik und Speicher auch vereinigt werden. Vor einer technologischen Nutzung der Spintronik müssen die Spineigenschaften im Halbleiter verstanden und kontrollierbar sein. Derzeit fehlen noch Materialien mit einer Curie- Temperatur T c, deutlich über Raumtemperatur. Diese Materialien müssten zudem zu den bisherigen Halbleiter-Prozessen kompatibel sein. Die Theorie hat bereits aussichtsreiche Kandidaten 8 ) für Hoch-T c Materialien identifiziert. Ebenfalls notwendig ist ein effektiver Spininjektionsprozess. Bisher ist auf diesem Gebiet nur die prinzipielle Machbarkeit nachgewiesen worden 9 ). Mehr als 30% Effizienz bei der Spininjektion von Fe in AlGaAs konnten bisher noch nicht erreicht werden 10 ). Aufgrund dieses geringen Wirkungsgrads des Injektionsprozesses könnte die erwartete geringe Leistungsaufnahme eines Spinflips durch die notwendige Leistungsaufnahme bei der Spininjektion kompensiert werden. Neben der Effizienz der Injektion ist auch die Spinpolarisation der magnetischen Elektroden von entscheidender Bedeutung. Die bisher verwendeten Elektrodenmaterialien Fe, Co, Ni sowie deren Legierungen weisen eine Spinpolarisation von nur 30-40% auf und begrenzen 8 ) T. Dietl, H. Ohno et al Science 287, 1019 (2000) 9 ) G. Schmidt et al., PRB 62, R4790 (2000); D. Grundler, PRB 63, R (2001); Rashbah, PRB 62, (2001); H.J. Zhu et al., PRL 87, (01) 10 ) A.T. Hanbicki et al, APL (02)

21 14 Fachgespräch: Nichtflüchtige Datenspeicher damit zusätzlich die Effizienz derzeitiger spinelektronischer Bauelemente. Magnetit Fe 3 O 4, CrO 2, sowie einige andere Materialien aus der Gruppe der Heusler-Legierungen weisen Spinpolarisationen von bis zu 100% auf. Inwieweit diese Materialien mit der bisherigen Elektronik sowie deren Herstellungsprozessen kompatibel sind, ist noch offen. Hauptmotivation für die Forschung an diesen Materialien ist daher das wissenschaftliche Verständnis. Unabhängig vom Material befasst man sich mit den Transporteigenschaften der Materialien und dem mikroskopischen Verständnis von Grenzflächeneffekten am Interface Ferromagnet/Halbleiter. Neben den offenen Punkten bei den Materialien fehlen noch Bauelement-Designs, die über den klassischen Spintransistor hinausgehen und z.b. für die Realisierung eines Quantencomputers, d.h. parallele Informationsverarbeitung mit verschränkten Spinzuständen im Festkörper, notwendig sind. In ca. drei bis vier Jahren sollten verwertbare Bauelementkonzepte vorliegen. Die hier zur Zeit bearbeiteten Forschungsthemen sind die Spineffekte und - kontrolle in Quantendots in Hinblick auf spinkohärente, optische Bauelemente. 4.3 Organische Speicher Organische Speicher können aus Polymeren oder kleineren organischen Molekülen aufgebaut sein. Im Gegensatz zu molekularen Speichern, bei denen die Information durch den Zustand einzelner Moleküle codiert 11 ) wird, speichern organische Speicher die Information im Volumen. Für organische Speicher sind verschiedene Materialklassen in der Diskussion, die unterschiedliche Schaltmechanismen nutzen. Am weitesten fortgeschritten sind die Arbeiten von Thin Film Electronics. Die Firma, an der Intel beteiligt ist, arbeitet mit ferroelektrischen Polymeren und hat bereits Einzelelemente demonstriert. Exakte technische Daten sind leider nicht öffentlich bekannt, die derzeitige Geschwindigkeit scheint aber im Bereich von Flash- Speichern zu liegen. Bei den ferroelektrischen Speichern wird die gespeicherte Information durch das Auslesen gelöscht (destructive read). Ihre Skalierbarkeit scheint eingeschränkt. Vielversprechend scheinen organische Speicher, die auf einem Schalten der Leitfähigkeit beruhen. Das Prinzip wurde bereits an einzelnen Zellen demonstriert. Sie behalten ihren Inhalt auch beim Auslesen (non-destructive read) und sind wahrscheinlich besser skalierbar. 11 ) Zur Molekularelektronik siehe auch Ergebnisse des Fachgespräches Molekularelektronik (Zukünftige Technologie, Band 39

22 4 Zusammenfassung 15 Organische Speicher bieten möglicherweise Vorteile durch geringe Kosten und hohe Speicherdichten. Die hohen Speicherdichten könnten durch kleine Zellgrößen von bis zu 4F 2 und das Stapeln mehrerer Schichten realisierbar sein. Bei den ferroelektrischen Ansätzen muss allerdings bezweifelt werden, ob sich eine 4F 2 Zelle realisieren lässt, da die Hysterese der polymeren Ferroelektrika nicht steil genug ist, und sie mit steigender Zyklenzahl zudem noch abflacht. Nachteile der organischen Speicher sind unter anderem ihre relativ geringen Geschwindigkeiten. Intel arbeitet in Kooperation mit Thin Film Electronics intensiv an organischen Speichern. Daneben ist von Lucent Technologie und AMD bekannt, dass sie an organischen Speichern arbeiten 12 ). Großer Forschungsbedarf besteht bei den Materialien und der Entwicklung geeigneter Prozesse. Nach Aussage von Herrn Engl gibt es mittlerweile viele Materialien, deren Eigenschaften für den Einsatz zur Datenspeicherung geeignet scheinen. Die Materialien sind aber noch lange nicht optimiert. Sie werden bisher über Try and error -Verfahren gefunden. Einer zielgerichteteren Forschung steht ein noch mangelndes Verständnis der Speichermechanismen entgegen. Für eine Integration in den CMOS-Herstellungsprozess ist die Temperaturstabilität der Materialien eventuell zu gering. Hochdichte Speicher erfordern die Integration in die CMOS- Technologie und damit Prozesstemperaturen von 300 C 400 C. Die bisher gezeigte Stabilität einiger der Polymere bis ca. 200 C ist dafür nicht ausreichend. Aussagen über die Skalierbarkeit lassen sich noch nicht treffen, da für die Präparation zur Zeit reine Vakuumprozesse genutzt werden und noch keine Erfahrungen mit der Lithographie vorliegen. Fraglich ist, ob organische Speicher bei Verwendung konventioneller optischer Lithographie einen Kostenvorteil hätten. Dieser könnte eventuell durch die Möglichkeit, mehrere Ebenen zu stapeln, zustande kommen. Unabhängig von den Fragen, die der organische Speicher als hochdichter Speicher aufwirft, hat er möglicherweise ein großes Potenzial als All-polymer-Speicher im Low cost-, Low performance-bereich, etwa für die Verwendung in SmartCards oder Transponder-Systemen. 12 ) A. Stikeman, Technology Review, September 2002, 31

23 16 Fachgespräch: Nichtflüchtige Datenspeicher 4.4 PC-RAM Phase Change Speicher nutzen reversible Phasenwechsel bestimmter Materialien (z.b. Chalkogene) zwischen einem amorphen und einem kristallinen Zustand. Dabei geht die kristalline Phase durch ein kurzes Erhitzen auf die Temperatur T a in die amorphe Phase über. Ein längerer Temperaturpuls auf eine Temperatur T k < T a lässt die amorphe Phase rekristallisieren. Das Prinzip wird bei wiederbeschreibbaren CDs und DVDs bereits angewendet. Bei ihnen wird die für die Phasenwechsel notwendige Wärme durch Laserlicht zugeführt. Zum Auslesen wird die unterschiedliche Reflektivität beider Phasen genutzt. Im PC-RAM (Phase Change- Random Access Memory) wird die Wärme durch elektrische Ströme erzeugt. Beim Auslesen wird der unterschiedliche elektrische Widerstand beider Phasen genutzt, der um bis zu vier Größenordnungen differieren kann. Durch diesen hohen Kontrast führen bereits Phasenwechsel in sehr kleinen Volumina zu ausreichend großen Signalen. Größere modifizierte Volumina führen zu höherem Kontrast, bei niedrigeren Geschwindigkeiten und umgekehrt. Das PC- Material selbst kann vom Rand oder aus dem Volumen der Zelle heraus kristallisieren, wobei bei kleinen Zellen die Kristallisation vom Rand Vorteile bietet. Erste Arbeiten zum PC-RAM Anfang der 70er Jahre waren erfolglos, da die damaligen, großen Speicherzellen sich als zu langsam erwiesen und zuviel Energie verbrauchten. Die fortschreitende Miniaturisierung sowie Fortschritte bei den Materialien machen den Speichertyp heute wieder interessant. Neben Philips und STM setzt vor allem Intel, deren Mitbegründer Moore bereits bei den ersten Ansätzen beteiligt war, auf den PC-RAM. Intel hat in Kooperation mit Ovonics bei einem 4 Mbit-Demonstrator 10 7 Schreib-/Lesezyklen nachgewiesen. Für Einzelelemente wurde bisher Zyklen gezeigt. Bemerkenswerterweise werden beim Einsatz in optischen Speichern nur ca Zyklen erreicht. Beim PC-RAM erhöht die notwendige Kontaktierung mit einem Metall die Wärmeabfuhr und damit die Lebensdauer. Die Wärmeableitung erfolgt vertikal in das Substrat hinein. Ovonics hat bereits das Speichern von mehreren bit pro Zelle demonstriert. Die Zuverlässigkeit des PC-RAM wird durch zwei Probleme beschränkt. Zum einen kann es an den Grenzflächen (PC-Material/Elektrode) zu Interdiffusionen und Reaktionen kommen, zum anderen kommt es aufgrund der Volumenänderung beim Phasenwandel zu mechanischem Stress. Die Volumenänderung beim Kristallisieren beträgt 5-10 % und kann zu Rissen

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