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Reportaje - Un método pionero y sin agua para la fabricación de microchips

Los diminutos chips informáticos de alta velocidad que se encuentran integrados en todo dispositivo electrónico moderno bien poco se parecen a sus ancestros de hace unas décadas, mucho más lentos y aparatosos. La aparición de nuevos materiales, diseños y métodos de producción ha dado lugar a generaciones sucesivas de circuitos integrados con más prestaciones y menor coste. Ahora una investigación pionera y financiada con fondos europeos contribuye a que esta tendencia tenga continuidad.

Economía digital

La Ley de Moore, formulada por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore, que afirma que el número de transistores en un chip, y en consecuencia la potencia de procesamiento, se dobla aproximadamente cada dos años, se viene cumpliendo desde hace más de medio siglo. Hoy en día, cualquier teléfono móvil posee mayor potencia de computación que las primeras computadoras, que ocupaban habitaciones enteras. Pero para seguir encajando más y más transistores en un espacio cada vez más reducido -y seguir cumpliendo la Ley de Moore-, los fabricantes de chips deben seguir innovando, de manera que sus componentes evolucionan gradualmente hacia la nanoescala. A veces tienen que adentrarse en terrenos por completo inexplorados, como hicieron en el proyecto Copper («Interconexiones de cobre para avances en prestaciones y fiabilidad»), por medio del cual ocho organizaciones (empresas, institutos de investigación y universidades) de cuatro países han solucionado un problema primordial de la fabricación de chips. Al hacerlo, también han inaugurado un ámbito de investigación radicalmente nuevo dentro del sector de los semiconductores. Con fondos por valor de 3,15 millones de euros concedidos por la Comisión Europea, estos investigadores estudiaron los métodos y materiales empleados para interconectar los miles de millones de diminutos transistores que hay integrados en un microchip moderno. En concreto, el equipo de Copper ideó un proceso que permite usar directamente metales reactivos como barreras entre las interconexiones de cobre y la oblea de silicio del chip utilizando disolventes no acuosos, algo inédito en el mundo de la industria de los semiconductores. «A medida que aumenta el número de transistores que hay en un chip, también lo hace la longitud de las interconexiones entre transistores. Puesto que estas interconexiones poseen cierta resistencia, este aumento de longitud ralentiza la comunicación entre transistores, lo cual perjudica al rendimiento del chip», explicó Jan Fransaer, investigador del Departamento de Metalurgia e Ingeniería de Materiales (MTM) de la Universidad Católica de Lovaina (Bélgica). Por tanto, si se consigue acortar las interconexiones, mejorarán las prestaciones del chip. Pero ahora que los componentes de un chip se han reducido hasta los 22 nanómetros (unas 3 000 veces más pequeño que el grosor de un pelo humano) se alzan nuevos obstáculos para seguir logrando acortamientos. El problema en pocas palabras En términos muy simples, el problema consiste en lo siguiente: :hasta mediados de la década de 1990, el aluminio era el metal preferido para rellenar las vías de interconexión, es decir, zanjas diminutas en el silicio que transportan electrones entre los transistores. El aluminio poseía una conductividad suficiente para cumplir los requisitos de rendimiento de los transistores (por entonces tan sólo unos pocos millones en cada chip). A diferencia de otros metales más conductores como el cobre, la plata y el oro, no penetraba en el silicio, proceso que con el tiempo terminaría por destruir los circuitos. Pero el tamaño de los chips fue disminuyendo y el número de transistores por chip alcanzó los miles de millones, lo cual obligó a incrementar la velocidad de las interconexiones. Se necesitaba, pues, un metal con mayor conductividad, y por eso los fabricantes de semiconductores se pasaron al cobre como material de interconexión. Esto les obligó a tomar medidas para evitar que el cobre penetrase en el silicio, concretamente añadir lo que se llama barrera de difusión, una capa de otro metal que protege al silicio del cobre. El metal preferido para tales barreras se llama tantalio. Hasta aquí todo bien: la barrera de difusión a base de tantalio protege al silicio frente al cobre en las vías de interconexión. .La deposición de las interconexiones de cobre se realiza mediante un proceso llamado deposición electrolítica, que consiste en que una corriente eléctrica atraviese una solución disolvente con el fin de recubrir las vías con iones del metal. Como disolvente se suele utilizar una solución acuosa, es decir, a base de agua. Pero existe otro inconveniente: el tantalio se oxida de inmediato en agua, por lo que hasta ahora los fabricantes tenían que recubrir previamente la barrera de difusión de este metal con cobre, creando lo que se llama una intercapa (seed layer) que protege del agua al tantalio, el cual a su vez protege del cobre al silicio. .La intercapa se aplica mediante el proceso de deposición química de vapor (CVD). «¿Por qué no se puede sencillamente utilizar la intercapa en las interconexiones? Porque la CVD es un proceso «line-of-sight» (LOS, línea de visión), es decir, permite depositar suficiente cobre para recubrir el tantalio pero no para generar interconexiones continuas. Por consiguiente, aún hay que hacer la deposición electrolítica sobre la intercapa de cobre para rellenar las vías con suficiente cobre para crear las interconexiones», explicó Jan Fransaer. Resumiendo, los fabricantes de chips han estado jugando a las «muñecas rusas» a escala nanométrica. ««La situación puede parecer absurda, ya que al solucionar un problema surge otro, pero es un remedio que no ha funcionado mal hasta ahora», señaló Fransaer. Entonces ¿qué ha cambiado? La escala. La intercapa de cobre tiene un grosor de entre 5 y 10 nm, y por tanto a escalas inferiores a los 22 nm esa capa -cuya función no es otra que evitar la oxidación de la barrera de difusión de tantalio durante la producción del chip- acaba por ocupar un espacio excesivo. ¿Qué solución queda? «Cambiar el disolvente», señaló Fransaer. Remedio al problema del disolvente Como alternativa al agua, el equipo del proyecto Copper ideó un proceso innovador en el que se utilizan disolventes no acuosos, como el amoníaco líquido y líquidos iónicos. Al no oxidar el tantalio, permiten que la deposición electrolítica se realice sin necesidad de intercapa de cobre. En consecuencia, las vías de interconexión son más pequeñas, el tamaño del chip se reduce aún más, el número de transistores se incrementa y las prestaciones del chip mejoran en gran medida. «No es la primera vez que se lleva a cabo la deposición electrolítica empleando amoníaco líquido y líquidos iónicos, pero sí es la primera vez que este proceso se aplica en el sector de los semiconductores», recalcó Fransaer. «Sin duda, esta técnica contribuirá a que la Ley de Moore siga teniendo validez al menos durante unas pocas generaciones más.» Para desarrollar este proceso, el equipo tuvo que estudiar distintos materiales de oblea e ingredientes electrolíticos para la solución no acuosa, examinar sus propiedades físicas y aplicar técnicas analíticas y de simulación para determinar el mejor método posible. A continuación, y antes de pasar a construir un demostrador como prueba de concepto, realizaron un micromodelado del proceso. «Lo cierto es que tuvimos que adentrarnos en "terra incognita". Era un campo totalmente virgen, ya que antes del proyecto Copper no se había publicado ni un solo artículo sobre el uso de soluciones no acuosas en la industria de los semiconductores», destacó el coordinador del proyecto. No es de extrañar que el proyecto suscitase un interés considerable entre los fabricantes de chips cuando el equipo dio a conocer sus resultados en congresos internacionales. ««Sin duda el interés despertado fue grande, aunque no podemos asegurar que alguien haya empleado nuestra investigación como punto de partida para utilizar este proceso con fines comerciales. En cualquier caso, ahora que hemos demostrado su factibilidad, creo que no es más que cuestión de tiempo que empiecen a utilizarse soluciones no acuosas», afirmó Fransaer. Aunque el amoníaco (que se tiene que someter a presión para permanecer en estado líquido) y los líquidos iónicos son menos abundantes y más caros que el agua, el coste de utilizarlos «es desdeñable» en un sector como el de los semiconductores que mueve millones de millones de euros, en opinión de Jan Fransaer. ««En conjunto, el paso de las soluciones acuosas a las no acuosas repercutiría de manera muy marginal en el coste», aclaró. Quizás aún más destacable sea el hecho de que la investigación realizada por este equipo ha sacado a relucir nuevas posibilidades, que hay otros metales aparte del tantalio con aplicaciones viables en semiconductores y otros ámbitos. .Así, por ejemplo, entidades asociadas al consorcio de este proyecto planifican ya otro proyecto suplementario en el que aprovecharán elementos de la investigación de Copper con el propósito de mejorar la disipación de calor en electrónica de potencia, un avance necesario para las redes eléctricas inteligentes que ya están empezando a implantarse dentro y fuera de Europa. «Hay muchos elementos -y entre ellos los llamados metales nobles- que pueden someterse a galvanoplastia con agua, pero muchos que no, como el aluminio, el silicio, el germanio y otros. Nosotros hemos demostrado la factibilidad de la galvanoplastia de estos metales empleando una solución no acuosa. Esto abre una gama completamente nueva de aplicaciones que quizás antes no se consideraban posibles en absoluto», señaló Fransaer. Para la investigación realizada en Copper se contó con financiación del Séptimo Programa Marco, 7PM de la Comisión Europea. Enlaces útiles: - sitio web del proyecto Copper - ficha informativa del proyecto Copper en CORDIS - sitio web de CORDIS sobre la nanoelectrónica en el 7PM Artículos relacionados: - Reportaje - Transistores más veloces conducen a más seguridad y protección - Investigadores europeos al frente de la tecnología de semiconductores - EUROPRACTICE, líder en el diseño de microchips