To może zmienić każdy komputer na świecie. Belgowie osiągnęli przełom w półprzewodnikach

Naukowcy z belgijskiego instytutu badawczego imec oraz Uniwersytetu w Gandawie pochwalili się nowym przełomowym rozwiązaniem dla półprzewodników. To może okazać się kluczowe dla przyszłych generacji pamięci, bo na waflu krzemowym o średnicy 300 mm udało im się wyhodować aż 120 naprzemiennych warstw krzemu (Si) i krzemogermanu (SiGe), co otwiera drogę do budowy prawdziwie trójwymiarowej pamięci DRAM.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że chodzi o zwykłe „układanie” warstw, jak kartki papieru jedna na drugiej, ale w rzeczywistości proces przypomina raczej budowanie domku z kart, które mają różne rozmiary i same chcą się wygiąć. Problemem jest tzw. niedopasowanie sieci krystalicznej, bo krzem i krzemogerman mają różne odległości między atomami, przez co przy ich łączeniu powstają naprężenia. Bez precyzyjnej kontroli takie naprężenia prowadzą do powstawania defektów (tzw. dyslokacji), które mogą zniszczyć wydajność przyszłej pamięci.

To może okazać się kluczowe dla przyszłych generacji pamięci, otwierając drogę do budowy prawdziwie trójwymiarowej pamięci DRAM.

Jak udało się ujarzmić materiały?

Badacze zastosowali kilka sprytnych trików, w tym precyzyjnie dobrali zawartość germanu w warstwach SiGe, a także dodali niewielkie ilości węgla, który działa niczym „klej”, rozpraszając naprężenia. Następnie kontrolowali temperaturę w reaktorze epitaksjalnym z niezwykłą dokładnością, bo nawet minimalne różnice mogłyby doprowadzić do nierównomiernego wzrostu.

Sam proces opiera się na depozycji epitaksjalnej, co porównać można do malowania gazami. Polega na tym, że Silan i german, rozkładając się na powierzchni wafla, odkładają nanometrowej grubości warstwy krzemu i krzemogermanu. Każda musi być idealnie równa, bo nawet niewielkie odchylenie może rozprzestrzeniać się w całym stosie, pogłębiając defekty.

Po co to wszystko?

W klasycznej pamięci DRAM komórki pamięci są ułożone płasko, co ogranicza gęstość upakowania. Wersja trójwymiarowa pozwala układać je warstwowo, niczym piętra w drapaczu chmur, dzięki czemu na tej samej powierzchni można pomieścić znacznie więcej informacji. Udane stworzenie 120 par warstw Si/SiGe to dowód, że skalowanie w pionie jest możliwe i otwiera drogę do pamięci o niespotykanej dotąd pojemności i wydajności.

Choć projekt powstał z myślą o DRAM, jego konsekwencje są szersze. Technika precyzyjnego układania warstw przyda się także przy rozwoju 3D tranzystorów i architektur GAAFET oraz CFET, budowie urządzeń logicznych w strukturze warstwowej, a nawet przy konstrukcji układów kwantowych, gdzie kontrola na poziomie atomowym jest kluczowa. Nie bez powodu Samsung ma już własne centrum badawcze poświęcone 3D DRAM, a wyścig o pionowe układy pamięci dopiero się rozpoczyna.