近日，比利時微電子研究中心（imec）和根特大學的研究人員發布論文稱，他們成功實現了在 120 毫米晶圓上生長了 300 層硅 （Si） 和硅鍺 （SiGe） 交替層——這是邁向3D DRAM 的關鍵一步。

挑戰始于晶格不匹配。硅和硅鍺晶體的原子間距略有不同，因此當堆疊時，各層自然會想要拉伸或壓縮。可以把它想象成試圖堆疊一副牌，其中第二張牌都比第一張牌稍大——如果沒有仔細對齊，牌堆就會扭曲和傾倒。用半導體術語來說，這些“傾倒”表現為錯位，即可能會破壞存儲芯片性能的微小缺陷。

為了解決這個問題，該研究團隊仔細調整了 SiGe 層中的鍺含量，并嘗試添加碳，碳就像一種微妙的膠水，可以緩解壓力。它們還在沉積過程中保持極其均勻的溫度，因為反應器中即使是微小的熱點或冷點也會導致生長不均勻。

△硅 （Si） 和硅鍺 （SiGe） 交替雙層形成 120 層堆棧的圖示，展示了用于 3D DRAM 應用的多層結構

該過程本身使用先進的外延沉積技術，就像用氣體作畫一樣。硅烷和鍺（含有硅和鍺的氣體）在晶圓表面被分解，留下精確的納米薄層。控制每層的厚度、成分和均勻性至關重要，即使是很小的偏差也會在堆棧中傳播，從而放大缺陷。

現在，為什么要付出所有這些努力呢？在傳統的DRAM中，存儲單元是平坦的，這限制了密度。垂直堆疊層（3D）允許在相同的占用空間內使用更多的存儲單元，從而在不增加芯片面積的情況下提高存儲容量。成功創建 120 個雙層表明垂直擴展是可以實現的，使我們更接近下一代高密度存儲設備。

將每個雙層視為摩天大樓中的一個模塊，如果錯位，那么整個建筑就會變得不穩定。通過控制應變和保持層均勻，研究人員有效地建造了一座由硅和 SiGe 組成的納米級摩天大樓，每單位面積可以容納數千個存儲單元。

△通過外延沉積概念化實現的 3D DRAM

報道稱，該研究成果的影響超出了存儲芯片的范疇。生長精確多層結構的技術可以推進 3D 晶體管、堆疊邏輯器件，甚至量子計算架構，在這些架構中，在原子水平上控制層特性至關重要。