El futuro de la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) se juega, literalmente, en capas. Mientras la industria tecnológica busca superar los límites del escalado tradicional, investigadores europeos han presentado un avance clave en el crecimiento epitaxial de multicapas de silicio y silicio-germanio (Si/SiGe), un paso esencial hacia dispositivos de memoria tridimensionales más densos, rápidos y eficientes.
El trabajo, publicado en la revista Applied Physics en agosto de 2025 por un equipo liderado por R. Loo y colaboradores de Imec, describe la fabricación controlada de hasta 120 bilayers de Si/Si0.8Ge0.2 —es decir, 241 subcapas— depositadas sobre obleas de 300 milímetros. Un logro que supone acercarse a la realidad de la DRAM apilada en 3D, una arquitectura llamada a reemplazar los actuales canales verticales por estructuras horizontales apiladas, inspiradas en el concepto Gate-All-Around de los transistores MOSFET.
Del 2D al 3D: un cambio de paradigma en la memoria
Durante décadas, el avance de la memoria DRAM se apoyó en la reducción del tamaño de los transistores, siguiendo la conocida Ley de Moore. Sin embargo, los límites físicos y económicos de este escalado hacen cada vez más difícil continuar por esa senda.
La solución que gana terreno es la integración tridimensional: apilar capas de materiales semiconductores en estructuras multicapa que permitan aumentar la densidad sin necesidad de reducir de forma extrema las dimensiones de cada celda. En este contexto, los investigadores apuntan a arquitecturas basadas en multicapas epitaxiales de silicio y silicio-germanio, donde el germanio permite una alta selectividad en procesos de grabado, paso clave en la definición de los canales de memoria.
El reto está en crecer decenas o incluso centenares de estas capas sin que se relajen por las tensiones internas derivadas del desajuste reticular entre Si y SiGe, lo que provocaría defectos cristalinos que comprometen la fiabilidad del dispositivo.
120 pares de capas: récord en estabilidad
El estudio detalla cómo, mediante técnicas de epitaxia en obleas de 300 mm, lograron apilar hasta 120 pares de 65 nm de silicio y 10 nm de Si0.8Ge0.2. Lo sorprendente es que en el centro de la oblea las capas permanecieron totalmente tensionadas, sin defectos detectables.
“Alcanzar una acumulación total de 1,2 micrómetros de Si0.8Ge0.2 sin relajación de la red es un resultado notable”, destacan los autores. Para entender la magnitud: el grosor total de germanio superó ampliamente los límites críticos teóricos y experimentales de relajación para capas simples.
El secreto estuvo en un control exquisito de la temperatura y en el uso de gases precursores de alta pureza, como el diclorosilano en el crecimiento de las capas de SiGe. Además, se aplicaron técnicas de limpieza para eliminar el óxido nativo y evitar nucleaciones indeseadas.
Los problemas en el borde: dislocaciones de red
Aunque el núcleo de las obleas mostró una calidad cristalina excelente, en los bordes aparecieron dislocaciones de red. Estas imperfecciones son habituales, ya que los bordes actúan como zonas de menor barrera energética para la relajación del material.
Para mitigar este fenómeno, los investigadores exploraron dos estrategias:
- Reducir la concentración de germanio en las capas de SiGe.
- Introducir pequeñas cantidades de carbono en la red cristalina (co-aleación).
Ambos métodos disminuyen el desajuste reticular entre Si y SiGe, reduciendo la probabilidad de relajación. De hecho, con una concentración reducida de Ge hasta un 6,6 %, se logró fabricar multicapas de 30 bilayers totalmente libres de dislocaciones en toda la superficie de la oblea.
El desafío de la uniformidad
Uno de los grandes obstáculos de la epitaxia multicapa es la uniformidad vertical y lateral. Aunque los investigadores consiguieron mantener composiciones constantes, las capas tendían a variar de grosor a medida que avanzaba el crecimiento, especialmente en pilas de gran espesor.
La causa identificada fue la deposición sobre el tubo de cuarzo del reactor, que modifica la absorción de calor y, por tanto, la temperatura de la superficie de crecimiento. Este efecto genera ligeras variaciones de velocidad de deposición a lo largo del proceso.
Para solucionarlo, los equipos más modernos permiten controlar la temperatura del cuarzo, lo que se tradujo en una mejora significativa de la homogeneidad capa a capa.
Procesos de grabado y el dilema del germanio
El germanio juega un papel crucial: gracias a su concentración, los procesos posteriores de grabado lateral permiten definir con precisión los canales de memoria dentro de la pila. Sin embargo, al reducir su proporción para mitigar las dislocaciones, se complica este paso, ya que disminuye la selectividad de grabado frente al silicio.
Esto plantea un dilema tecnológico: más germanio mejora el proceso de grabado, pero aumenta el riesgo de defectos; menos germanio estabiliza la estructura, pero dificulta la fabricación posterior. Aquí, la adición de carbono se presenta como una alternativa prometedora para equilibrar ambos factores.
Implicaciones para la industria de la memoria
El avance no es solo un logro académico: tiene implicaciones directas para el futuro de la memoria DRAM. Según previsiones, la industria pasará de estructuras de canal vertical a horizontales apiladas en 3D en los próximos años, lo que permitirá mayor densidad de almacenamiento en el mismo espacio físico.
Además, estas arquitecturas se alinean con las necesidades de los centros de datos y la inteligencia artificial, donde la demanda de memoria de alto rendimiento y bajo consumo energético es creciente.
Anecdotario de laboratorio: cuando el cuarzo dicta el resultado
Uno de los aspectos más llamativos del trabajo es cómo algo aparentemente secundario —la acumulación de material en las paredes de cuarzo del reactor— terminó siendo un factor decisivo en la calidad final de las obleas.
Pequeños depósitos alteraban la temperatura local del gas y, con ello, la velocidad de crecimiento. En una industria donde unos nanómetros marcan la diferencia, controlar hasta estos detalles resultó vital para obtener capas estables y uniformes.
Una carrera internacional
El desarrollo de estas técnicas no ocurre en el vacío. Grandes fabricantes como Samsung, SK hynix y Micron también investigan activamente alternativas para la memoria DRAM del futuro. El trabajo europeo de Imec muestra que la colaboración entre investigación pública y privada sigue siendo fundamental para mantener la competitividad tecnológica.
Conclusión
El crecimiento epitaxial de hasta 120 multicapas Si/SiGe marca un antes y un después en la búsqueda de memorias DRAM en 3D. Aunque persisten desafíos en la uniformidad y en el control de dislocaciones en los bordes, el camino hacia memorias más densas, rápidas y eficientes está más cerca.
En un mundo donde los datos se multiplican a un ritmo exponencial, estos avances no son solo logros técnicos: son la base de la próxima revolución en la computación y la inteligencia artificial.
Preguntas frecuentes (FAQ)
¿Qué es el crecimiento epitaxial en semiconductores?
Es una técnica que permite depositar capas cristalinas de materiales sobre un sustrato, logrando que los átomos se alineen con la red del material base.
¿Por qué usar silicio-germanio en la DRAM 3D?
El germanio facilita procesos de grabado altamente selectivos, lo que ayuda a definir con precisión los canales de memoria en estructuras apiladas.
Cuál fue el mayor logro del estudio?
Conseguir apilar 120 bilayers de Si/SiGe sin relajación en el centro de obleas de 300 mm, algo muy por encima de los límites teóricos.
Qué impacto tendrá en el usuario final?
Estas innovaciones permitirán memorias DRAM con mayor capacidad y eficiencia energética, fundamentales para IA, big data y dispositivos móviles del futuro.
vía: pubs.aip.org
