近日，比利时微电子研究中心（imec）和根特大学的研究人员发布论文称，他们成功实现了在 120 毫米晶圆上生长了 300 层硅 （Si） 和硅锗 （SiGe） 交替层——这是迈向3D DRAM 的关键一步。

挑战始于晶格不匹配。硅和硅锗晶体的原子间距略有不同，因此当堆叠时，各层自然会想要拉伸或压缩。可以把它想象成试图堆叠一副牌，其中第二张牌都比第一张牌稍大——如果没有仔细对齐，牌堆就会扭曲和倾倒。用半导体术语来说，这些“倾倒”表现为错位，即可能会破坏存储芯片性能的微小缺陷。

为了解决这个问题，该研究团队仔细调整了 SiGe 层中的锗含量，并尝试添加碳，碳就像一种微妙的胶水，可以缓解压力。它们还在沉积过程中保持极其均匀的温度，因为反应器中即使是微小的热点或冷点也会导致生长不均匀。

△硅 （Si） 和硅锗 （SiGe） 交替双层形成 120 层堆栈的图示，展示了用于 3D DRAM 应用的多层结构

该过程本身使用先进的外延沉积技术，就像用气体作画一样。硅烷和锗（含有硅和锗的气体）在晶圆表面被分解，留下精确的纳米薄层。控制每层的厚度、成分和均匀性至关重要，即使是很小的偏差也会在堆栈中传播，从而放大缺陷。

现在，为什么要付出所有这些努力呢？在传统的DRAM中，存储单元是平坦的，这限制了密度。垂直堆叠层（3D）允许在相同的占用空间内使用更多的存储单元，从而在不增加芯片面积的情况下提高存储容量。成功创建 120 个双层表明垂直扩展是可以实现的，使我们更接近下一代高密度存储设备。

将每个双层视为摩天大楼中的一个模块，如果错位，那么整个建筑就会变得不稳定。通过控制应变和保持层均匀，研究人员有效地建造了一座由硅和 SiGe 组成的纳米级摩天大楼，每单位面积可以容纳数千个存储单元。

△通过外延沉积概念化实现的 3D DRAM

报道称，该研究成果的影响超出了存储芯片的范畴。生长精确多层结构的技术可以推进 3D 晶体管、堆叠逻辑器件，甚至量子计算架构，在这些架构中，在原子水平上控制层特性至关重要。

编辑：芯智讯-林子