突破技术瓶颈：迈向下一代 3D DRAM 的关键进展

想象一下，构建一座由数百片极薄且略有差异的材料薄片组成的塔，每一片薄片都会自行弯曲或变形。这正是比利时微电子研究中心 (IMEC) 和根特大学的研究人员在 300 毫米晶圆上交替生长 120 层硅 (Si) 和硅锗 (SiGe) 材料时所达成的成果，这无疑是迈向三维 DRAM 的关键一步。乍看之下，这似乎如同简单的叠纸操作，但实际上，这更像是用自然会分裂的材料来平衡一座纸牌屋，充满了挑战。

挑战首先源于晶格失配问题。硅和硅锗晶体的原子间距存在细微差别，当进行堆叠时，层与层之间自然会发生拉伸或压缩现象。这就好比试图堆叠一副牌，其中每一张牌都比前一张稍大，如果不进行仔细对齐，堆叠就会弯曲甚至倒塌。在半导体领域，这些 “倒塌” 表现为失配位错，这些微小的缺陷可能会严重损害存储芯片的性能。

为了解决这一难题，研究团队精心调整了硅锗层中的锗含量，并尝试添加碳元素。碳元素就像一种微妙的胶水，能够有效缓解应力。此外，他们在沉积过程中保持了极其均匀的温度，因为反应堆中哪怕是微小的热点或冷点，都可能导致生长不均匀。

该工艺采用了先进的外延沉积技术，类似于用气体进行绘画。硅烷和锗烷（含硅和锗的气体）在晶圆表面分解，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，因为即使是微小的偏差也会在整个堆叠中传播，从而放大缺陷。

那么，为何要付出如此多的努力呢？在传统的 DRAM 中，存储单元采用平面布局，这限制了存储密度。而垂直堆叠（3D）技术可以在相同的占用空间内容纳更多的存储单元，从而在不增大芯片尺寸的情况下显著提高存储容量。成功构建 120 个双层结构表明垂直扩展是可行的，这将使我们更接近下一代高密度存储设备。

想象一下，每一层双层结构就像摩天大楼的一层，如果其中一层出现错位，整栋楼就会变得不稳定。通过精确控制应变并保持各层结构均匀，研究人员成功地建造了一座由硅和硅锗组成的纳米级摩天大楼，每单位面积可容纳数千个存储单元。

其影响远不止于内存芯片领域。精确多层结构的生长技术可以推动 3D 晶体管、堆叠逻辑器件，甚至量子计算架构的发展。在这些架构中，对原子级层特性的控制至关重要。三星已经将 3D DRAM 列入其发展规划，并为此设立了专门的研发机构，可见其对该技术的重视。

此外，该研究与正在进行的栅极环绕场效应晶体管 (GAAFET) 和互补场效应晶体管 (CFET) 技术开发工作相契合。这些先进的晶体管架构得益于外延生长技术对材料特性的精确控制，从而能够制造出更小、更强大的晶体管，这对于电子设备的持续小型化至关重要。

总而言之，这不仅仅是简单的硅片堆叠，它基于原子张力的工程顺序，创造出自然界本身难以产生的结构。对于内存技术而言，这无疑是一个重要的里程碑，它可能会重塑芯片的设计方式，使其比以往任何时候都更密集、更快、更可靠。