3D-muistin luotettavuusongelman ratkaisu happitunnelilla

Tekoälyjärjestelmien kehittyessä muistia tarvitaan suurempien datamäärien siirtämiseen suuremmilla nopeuksilla. Perinteisessä tasopuolijohteiden skaalauksessa tila on kuitenkin loppumassa.

Korealainen tutkimusryhmä on nyt puuttunut kolmiulotteisten, pystysuunnassa pinottujen muistirakenteiden keskeiseen heikkouteen, mikä avaa uuden polun nopeammille ja energiatehokkaammille tekoälypuolijohteille.

KAISTin professori Jimin Kwonin johtama tutkimusryhmä on kehittänyt uudenlaisen dielektrisen rakenteen, joka vähentää vikoja ja parantaa merkittävästi oksidisten pystykanavatransistoreiden (VCT) suorituskykyä. VCT on seuraavan sukupolven muistirakenne.

Viime aikoina pystysuuntaisista kanavarakenteista, joissa virta kulkee pystysuunnassa, on tullut keskeinen teknologia muistitiheyden lisäämiseksi.

Haasteena ovat happivakanssit – happiatomien puuttumisesta oksidipuolijohteessa johtuvat viat – jotka horjuttavat materiaalin sähköisiä ominaisuuksia. Happea ei kuitenkaan voida yksinkertaisesti syöttää rajattomasti: kun happea syötetään happivakanssien tukahduttamiseksi, osa hapesta pyrkii kulkeutumaan pidemmälle, saavuttaen metallielektrodin ja hapettamalla sen, mikä puolestaan heikentää rakenteen suorituskykyä. Kanava tarvitsi happea, elektrodi ei. Siksi happivirtauksen valikoivasta hallinnasta tuli keskeinen haaste.

Tutkijatiimi kehitti uuden monikerroksisen välikerroseristeen, joka koostuu piinitridistä, piidioksidista ja piinitridistä (SiN/SiO₂/SiN). Se on suunniteltu toimimaan "happitunnelina", joka ohjaa happea valikoivasti kanavaa kohti ja estää samalla sen kulkua elektrodille. Rakenne mahdollisti happivakanssien vakaan kompensoinnin oksidipuolijohteessa ja samalla esti ei-toivotun hapettumisen elektrodilla, mikä ratkaisi kompromissin.

Tämän seurauksena tutkijat saavuttivat maailmanluokan virrantiheyden ja datan säilymisajan oksidipystykanavatransistoreissa.

Tiimi arvioi järjestelmätason suorituskykyä edelleen integroimalla perinteisen piipohjaisen CMOS-teknologian uuteen oksidipuolijohdealustaan. Tulokset viittaavat siihen, että tämä lähestymistapa voisi merkittävästi parantaa seuraavan sukupolven muistissa tehtävien laskentajärjestelmien (CIM) suorituskykyä. CIM-järjestelmät ovat älykkäitä puolijohteita, jotka suorittavat tekoälylaskentaa suoraan muistissa.

Tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Hyeonho Gu sanoi: ”Tämä tutkimus on merkittävä, koska se menee muistitiheyden parantamista pidemmälle ja ratkaisee 3D-rakenteiden pitkäaikaisen epävakausongelman uudella hapen kulkeutumisen hallintaan perustuvalla lähestymistavalla.” Hän lisäsi: ”Odotamme tämän teknologian olevan avainasemassa tekoälyaikakaudella tarvittavien erittäin vähän virtaa kuluttavien, tehokkaiden muistilaskentajärjestelmien kaupallistamisen nopeuttamisessa.”

Aiheesta aiemmin:

Insinöörit kasvattavat "pystyrakenteisia" 3D-siruja

Kaasut ja plasmat 3D-nanopiirien valmistuksessa

Analoginen suljetun silmukan muistilaskenta