تصور کنید که می‌خواهید برجی از صدها ورقه بسیار نازک و کمی متفاوت از مواد بسازید، که هر ورقه به تنهایی تمایل به خم شدن یا تاب برداشتن دارد. این اساساً همان چیزی است که محققان در imec و دانشگاه گنت به آن دست یافتند، زمانی که ۱۲۰ لایه متناوب از سیلیکون (Si) و سیلیکون-ژرمانیوم (SiGe) را روی یک ویفر ۳۰۰ میلی‌متری رشد دادند – گامی کلیدی به سوی DRAM سه‌بعدی. در نگاه اول، به نظر می‌رسد که ورقه‌های کاغذ را روی هم چیده‌اید، اما در واقعیت، بیشتر شبیه متعادل کردن یک خانه کارتی با موادی است که به طور طبیعی می‌خواهند از هم جدا شوند.

چالش با عدم تطابق شبکه آغاز می‌شود. بلورهای سیلیکون و سیلیکون-ژرمانیوم دارای فواصل اتمی کمی متفاوت هستند، بنابراین وقتی روی هم چیده می‌شوند، لایه‌ها به طور طبیعی تمایل به کشش یا فشرده شدن دارند. آن را مانند تلاش برای چیدن یک دسته کارت تصور کنید که هر کارت دوم کمی بزرگتر از اولی است – بدون تراز دقیق، پشته تاب برداشته و فرو می‌ریزد. در اصطلاحات نیمه‌رسانا، این “فروپاشی‌ها” به صورت نابجایی‌های نامناسب (misfit dislocations) ظاهر می‌شوند، نقص‌های کوچکی که می‌توانند عملکرد یک تراشه حافظه را از بین ببرند.

برای حل این مشکل، تیم با دقت محتوای ژرمانیوم را در لایه‌های SiGe تنظیم کرد و با افزودن کربن آزمایش کرد، که مانند یک چسب ظریف عمل می‌کند و تنش را کاهش می‌دهد. آنها همچنین دمای بسیار یکنواختی را در طول فرآیند رسوب‌گذاری حفظ کردند، زیرا حتی نقاط گرم یا سرد جزئی در راکتور می‌تواند منجر به رشد ناهموار شود.

خود این فرآیند، با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته رسوب‌گذاری اپیتکسیال، مانند نقاشی با گازها است. سیلان و ژرمان – گازهای حاوی سیلیکون و ژرمانیوم – روی سطح ویفر تجزیه می‌شوند و لایه‌های دقیق و نانومتری نازک را پشت سر می‌گذارند. کنترل ضخامت، ترکیب و یکنواختی هر لایه بسیار مهم است؛ حتی یک انحراف کوچک می‌تواند در سراسر پشته منتشر شده و نقص‌ها را تشدید کند.

حالا، چرا این همه تلاش؟ در DRAM معمولی، سلول‌های حافظه به صورت مسطح چیده شده‌اند که چگالی را محدود می‌کند. چیدن لایه‌ها به صورت عمودی – در سه‌بعد – امکان قرار دادن سلول‌های حافظه بسیار بیشتری را در همان فضای فیزیکی فراهم می‌کند و ظرفیت ذخیره‌سازی را بدون بزرگتر کردن تراشه‌ها بهبود می‌بخشد. ایجاد موفقیت‌آمیز ۱۲۰ دولایه نشان می‌دهد که مقیاس‌بندی عمودی قابل دستیابی است و ما را به دستگاه‌های حافظه نسل بعدی با چگالی بالا نزدیک‌تر می‌کند.

هر دولایه را به عنوان یک طبقه در یک آسمان‌خراش تصور کنید؛ اگر یک طبقه ناهماهنگ باشد، کل ساختمان ناپایدار می‌شود. با کنترل کرنش و حفظ یکنواختی لایه‌ها، محققان به طور موثری یک آسمان‌خراش نانومقیاس از سیلیکون و SiGe ساختند که می‌تواند هزاران سلول حافظه را در هر واحد سطح میزبانی کند.

پیامدهای این تحقیق فراتر از تراشه‌های حافظه است. تکنیک‌های رشد ساختارهای چندلایه دقیق می‌توانند ترانزیستورهای سه‌بعدی، دستگاه‌های منطقی پشته‌ای و حتی معماری‌های محاسبات کوانتومی را پیش ببرند، جایی که کنترل خواص لایه در سطح اتمی حیاتی است. سامسونگ قبلاً DRAM سه‌بعدی را در نقشه راه خود قرار داده و حتی یک مرکز تحقیق و توسعه اختصاصی برای آن دارد.

علاوه بر این، این تحقیق با تلاش‌های جاری برای توسعه فناوری‌های ترانزیستور اثر میدانی گیت-همه-جانبه (GAAFET) و FET مکمل (CFET) همسو است. این معماری‌های پیشرفته ترانزیستور از کنترل دقیق بر خواص مواد که توسط تکنیک‌های رشد اپیتکسیال فراهم می‌شود، بهره می‌برند و امکان ساخت ترانزیستورهای کوچکتر و قدرتمندتر را فراهم می‌کنند که برای ادامه کوچک‌سازی دستگاه‌های الکترونیکی حیاتی هستند.

به طور خلاصه، این فقط چیدن سیلیکون آنطور که ممکن است بدانید نیست؛ این مهندسی نظم از تنش اتمی است، ایجاد ساختارهایی که خود طبیعت برای تولید آنها به مشکل برمی‌خورد. برای فناوری حافظه، همانطور که با هر پیشرفت جدید می‌گوییم، این یک نقطه عطف است که می‌تواند نحوه طراحی تراشه‌ها را تغییر دهد و آنها را متراکم‌تر، سریع‌تر و قابل اعتمادتر از همیشه کند.