Японская компания Kioxia Corporation представила новую технологию для производства высокоплотной энергоэффективной памяти. Разработка касается создания транзисторов с каналом из оксидного полупроводника, которые можно размещать в трехмерной структуре. Этот подход позволит преодолеть физические ограничения классической DRAM и создавать модули памяти с увеличенной емкостью и низким энергопотреблением для систем искусственного интеллекта.
Презентация технологии состоялась 10 декабря в Сан-Франциско на Международной встрече IEEE по электронным устройствам. Инженеры Kioxia продемонстрировали работоспособность транзисторов, собранных в восемь вертикальных слоев. Основой для новой архитектуры, получившей название OCTRAM, служит оксидный полупроводник индий-галлий-цинк-оксид, который заменяет традиционный монокристаллический кремний.
Ключевой проблемой современной DRAM-памяти является достижение физического предела масштабирования. Уменьшение размеров транзисторов по классическому планарному принципу становится все сложнее и дороже. Это ограничивает рост емкости модулей, которая критически важна для серверов ИИ, обрабатывающих огромные массивы данных. Трехмерная компоновка ячеек памяти, аналогичная подходу в NAND-флеш, рассматривается как логичный путь развития, однако для DRAM она сопряжена с технологическими сложностями.
Основным препятствием для 3D DRAM была высокая стоимость производства. Использование кремния в качестве канального материала для транзисторов в многослойной структуре требует сложных и дорогостоящих процессов эпитаксиального роста. Кроме того, с ростом емкости памяти пропорционально увеличивается и энергия, которую необходимо тратить на процедуру рефреша — периодического обновления заряда в ячейках для сохранения данных. Новая технология Kioxia предлагает решение обеих проблем.
Технологический процесс, который показала компания, предполагает послойное формирование зрелых пленок оксида кремния и нитрида кремния. Затем области нитрида кремния заменяют на материал InGaZnO, который и формирует каналы транзисторов. Этот метод замены позволяет одновременно создавать вертикальные слои горизонтально расположенных транзисторов. Инженеры также представили новую структуру трехмерной ячейки памяти, которая способна масштабироваться по вертикальному шагу. Такие процессы должны снизить стоимость создания многослойных структур.
Важным преимуществом оксидных полупроводников является их чрезвычайно низкий ток утечки в закрытом состоянии. В представленной разработке этот показатель составил менее 1 аттоампера, что равно 10⁻¹⁸ ампера. Для сравнения, современные кремниевые транзисторы в DRAM имеют ток утечки на несколько порядков выше. Низкий ток утечки напрямую влияет на энергопотребление, так как определяет, как быстро теряет заряд конденсатор ячейки памяти. Чем медленнее происходит разрядка, тем реже нужно выполнять энергоемкую операцию рефреша, что в итоге снижает общее энергопотребление модуля.
Одновременно с этим транзисторы OCTRAM демонстрируют высокий рабочий ток во включенном состоянии — более 30 микроампер. Это гарантирует быструю запись и считывание данных. Сочетание высокого рабочего тока и сверхнизкого тока утечки создает благоприятный баланс для создания производительной и энергоэффективной памяти.
Данная разработка является продолжением исследований, которые Kioxia начала представлять на IEDM годом ранее. Тогда компания анонсировала базовую технологию OCTRAM с вертикальными транзисторами. Нынешний прорыв заключается в доказательстве возможности надежного вертикального масштабирования таких структур до восьми слоев и подтверждении их работоспособности. Это важный шаг от концепции к потенциально промышленному внедрению.
В мировом контексте разработка Kioxia — часть гонки за создание коммерческой 3D DRAM. Аналогичные исследования ведут и другие крупные игроки, включая южнокорейские компании Samsung и SK Hynix. Технологические подходы различаются: некоторые сосредоточены на усовершенствовании кремниевых каналов для трехмерных структур, другие, как и Kioxia, исследуют альтернативные материалы. Выбор оксидных полупроводников может дать Kioxia определенное преимущество в вопросах стоимости производства и энергоэффективности, однако для массового внедрения предстоит решить задачи, связанные со стабильностью материала и высокой плотностью дефектов, характерных для оксидных полупроводников.
