Новые технологии оборудования станут ключевыми для масштабирования до 1000-слойной 3D NAND в эпоху ИИ

По мере того как вычисления, связанные с ИИ, продолжают развиваться как в облачных, так и в периферийных средах, спрос на более быстрые и ёмкие решения для хранения данных значительно вырастет в ближайшие два десятилетия. Технология NAND FLASH, являющаяся основой экономичных и высокоплотных систем хранения данных, уже революционизировала множество отраслей, начиная от USB-накопителей и заканчивая крупномасштабными серверами. Промышленность перешла от 2D NAND к 3D NAND, которая стала доминирующей технологией памяти с момента её коммерческого дебюта в 2013-2014 годах.

Рост 3D NAND

Технология 3D NAND позволила значительно повысить плотность данных за счёт вертикального наращивания слоёв, начиная с внедрения 32-слойной 3D NAND от Samsung. С тех пор 3D NAND стала основной архитектурой для большинства вычислительных приложений благодаря высокому темпу роста битов. Однако снижение стоимости за бит замедлилось из-за возросшей сложности масштабирования. С увеличением количества слоёв возрастают технологические сложности, что требует внедрения инновационных решений.

Одним из таких решений является техника stacking word-line (WL), которая позволяет увеличивать количество слоёв без значительного увеличения сложности производства. Вместе с этим продолжается уменьшение размеров ячеек, что также помогает повысить плотность памяти. Эти технологии станут ключевыми для повышения экономической эффективности 3D NAND в будущем.

• Искусственный интеллект (ИИ).
• Смартфоны.
• Автономные транспортные средства.
• Серверы корпоративного ИИ.

По прогнозам, к 2030 году глобальный рынок NAND FLASH превысит 93 миллиарда долларов, удвоившись по сравнению с 40 миллиардами долларов в 2023 году. Однако дальнейшее масштабирование 3D NAND станет серьёзной задачей, особенно в таких областях, как осаждение плёнок и травление, требующих внедрения новых технологий для преодоления ограничений, связанных с увеличением количества слоёв.

Проблемы масштабирования 3D NAND

Вертикальное наращивание в 3D NAND сталкивается с серьезными технологическими проблемами, особенно в процессе травления с высоким соотношением сторон (HAR). HAR-травление необходимо для создания структур памяти, таких как узоры и изоляция вертикально интегрированных устройств, но по мере увеличения количества слоёв этот процесс становится более сложным. Традиционное HAR-травление замедляется с ростом соотношения сторон, сталкиваясь с проблемами, такими как зависимость травления от соотношения сторон (ARDE), что ограничивает глубину и точность обработки.

В текущих процессах травления для 3D NAND формируются цилиндрические отверстия в слоях оксида и нитрида (ONON), которые обеспечивают размещение устройств хранения. По мере перехода к 1000-слойной архитектуре соотношение сторон этих отверстий может превысить 100:1, что создаёт огромные трудности в поддержании точности и равномерности формы отверстий на столь глубоких уровнях.

Эти вариации могут существенно повлиять на качество конечного продукта и усложняют производство многослойных структур. Улучшение контроля над профилями травления станет ключевым фактором в успешном масштабировании до 1000-слойной 3D NAND.

Инновации в технологии травления

Чтобы преодолеть трудности масштабирования 3D NAND, необходимы инновации в области осаждения и травления. Одним из перспективных решений является криогенное травление, которое проводится при субнольных температурах. Этот метод способствует улучшению адсорбции реактивных веществ и увеличивает скорость травления, одновременно контролируя боковое распространение травления. В результате достигаются более точные и контролируемые формы элементов.

• Шероховатость стенок.
• Искривление.
• ARDE (зависимость травления от соотношения сторон).

Эти улучшения позволяют проводить более глубокое и точное травление, что особенно важно для масштабирования до 1000-слойной 3D NAND. Криогенная технология помогает контролировать профиль каналов, минимизируя дефекты и обеспечивая надёжность при производстве многослойных структур памяти.

Роль криогенного травления

Криогенное травление оказалось эффективным средством борьбы с распространёнными проблемами, связанными с HAR-травлением. Работая при температурах ниже 0°C, оно использует низкотемпературные плазмы для улучшения распределения энергии и минимизации искажений поверхности. Кроме того, криогенная технология помогает снизить воздействие на окружающую среду, делая процесс травления более эффективным и экологически безопасным.

Отложения полимеров на стенках маски, вызывающие шероховатость и искажения формы отверстий, также могут быть устранены за счёт оптимизации химического состава травления. Путём совершенствования условий плазмы и применения масштабного моделирования характеристик, производители могут лучше предсказывать и контролировать профиль травления, обеспечивая высокую однородность на сотнях слоёв.

Инновационные решения и интеграция ИИ

Ведущие производители оборудования, такие как Lam Research, играют ключевую роль в развитии инноваций для масштабирования 3D NAND. Их система "Lam Cryo 3.0" использует передовые плазменные реакторы с энергоизоляцией и импульсную плазменную технологию, работая при криогенных температурах до -60°C. Это позволяет проводить точное HAR-травление (травление с высоким соотношением сторон), обеспечивая строгий контроль за профилями элементов. Благодаря этому можно проводить глубокие травления без ущерба для формы, что критически важно при масштабировании до 1000-слойной 3D NAND.

Кроме того, интеграция искусственного интеллекта (ИИ) становится всё более значимой в совершенствовании процессов травления. ИИ-модели, анализируя данные телеметрии и отзывы клиентов, могут симулировать оптимальные рецепты травления, что повышает как скорость, так и точность процессов. Это особенно важно в масштабных и сложных приложениях, таких как оборудование для обучения ИИ, где требования к хранению данных могут превосходить возможности современных графических процессоров (GPU) и DRAM.

Такая комбинация передовых технологий и ИИ помогает решать задачи, связанные с травлением и осаждением, улучшая производительность и точность в области 3D NAND.

Ключевая роль 3D NAND в развитии ИИ

По мере того как искусственный интеллект (ИИ) продолжает развиваться, требования к производительности и объёму хранения данных растут экспоненциально. В связи с этим 3D NAND флеш-память становится всё более важной технологией для поддержки решений по хранению данных, необходимых для обучения и выполнения задач ИИ как в облачных системах, так и на периферийных устройствах.

Уникальная структура 3D NAND, где ячейки памяти располагаются вертикально в виде слоев, позволяет значительно увеличивать плотность хранения данных по сравнению с традиционными планарными (2D) NAND-решениями. Это делает её идеальным выбором для современных твердотельных накопителей (SSD), которые способны удовлетворить растущие потребности в хранении данных в ИИ-приложениях.

Одной из ключевых тенденций в области 3D NAND является увеличение числа слоёв, что позволяет увеличить плотность хранения данных без увеличения занимаемой площади. На данный момент существуют коммерческие решения с архитектурой на основе 176 и 232 слоёв, однако ведущие компании, такие как Samsung, Micron и SK Hynix, активно работают над технологиями с 500 и более слоями. Ожидается, что к 2030 году будет достигнута технология 3D NAND с архитектурой в 1000 слоёв. Это открывает новые возможности для хранения данных, но также накладывает определённые технические ограничения и сложности, особенно в контексте травления с высоким соотношением сторон (high aspect ratio etching).

Процесс травления, который используется для создания вертикальных каналов в многослойной структуре 3D NAND, становится всё более сложным по мере увеличения количества слоёв. Чем больше слоёв, тем сложнее контролировать глубину и точность травления, не повреждая соседние структуры. Высокое соотношение сторон — это параметр, который описывает глубину канала по отношению к его ширине. Для успешного травления таких тонких и глубоких каналов требуется разработка новых методов плазменного травления, улучшение материалов для осаждения и использование более точных химических процессов. Эти инновации будут иметь решающее значение для масштабирования 3D NAND до 1000 слоёв и далее.

Кроме того, увеличение количества слоёв в 3D NAND предъявляет более высокие требования к производительности, энергоэффективности и надёжности. Каждое новое поколение требует улучшений в архитектуре управления памятью, чтобы обеспечить более высокие скорости записи и чтения данных, а также поддерживать высокую степень надёжности данных при многократных циклах перезаписи. Это особенно важно для ИИ-приложений, где скорость доступа к данным напрямую влияет на производительность систем машинного обучения и обработки больших данных.

Роль 3D NAND в периферийных устройствах (edge computing) также будет возрастать по мере того, как растёт количество ИИ-решений, требующих локальной обработки данных. Такие устройства, как автономные транспортные средства, умные камеры и системы промышленного интернета вещей (IIoT), генерируют огромные объёмы данных, которые требуют быстрого и надёжного локального хранения для обработки в режиме реального времени. Здесь 3D NAND SSD выступают в качестве ключевого компонента, способного обеспечить требуемые объёмы хранения и скорости доступа.

В долгосрочной перспективе успех 3D NAND в удовлетворении требований к хранению данных для ИИ-приложений будет зависеть от способности индустрии преодолевать технологические барьеры и поддерживать баланс между ёмкостью, производительностью и стоимостью. Инвестиции в новые технологии травления и осаждения, совершенствование материалов и методов производства, а также тесное сотрудничество между разработчиками полупроводников и производителями конечных решений будут играть решающую роль в достижении этих целей.