Criterio de Rayleigh: qué es y en qué afecta a los chips semiconductores

Además de las leyes y reglas descritas en artículos anteriores., en esta nueva entrada comentaré sobre el criterio de Rayleigh. Algo sobre lo que quizás no habías escuchado hablar, ni habías leído antes, pero que afecta bastante a los chips semiconductores que usas a diario.

Y, pese a que siempre se piensa en grandes como Samsung, TSMC, IBM, GlobalFoundries, o Intel, lo cierto es que es una empresa europea la que está tirando de la industria semiconductora y la que está relacionada con el citado criterio. Se trata de ASML, dedicada a la fabricación de la maquinaria de fotolitografía


¿Cuál es el límite del silicio?

Die shot del CCD, con 2 CCX o 4 núcleos

Tras el nodo de 5nm llegarán los 3nm y 2nm… Pero los procesos no podrán seguir eternamente reduciendo su tamaño, ya que se toparán con el límite físico del silicio. Además, conforme se acercan a tamaños tan pequeños, algunos fenómenos cuánticos comienzan a afectar a los nuevos circuitos integrados, como el efecto túnel.

Dentro del die shrink puedes encontrar los nodos ITRS como los 14nm, 10nm, 7nm, 5nm, 3nm, etc. Pero también existe lo que se conoce como half-shrink, con nodos intermedios como 12nm, 8nm, 6nm, 4nm, etc.

Desde el tosco transistor de 1947 hasta los actuales chips con varios mil millones de transistores integrados, la industria ha dado pasos de gigante. Los actuales chips con nodo de 5nm tienen detalles de un tamaño muy reducido, más aún si se compara con un glóbulo rojo (7500nm), próximos a una sola hebra de ADN (2.5nm).

El silicio se ha transformado en la base de la industria de semiconductores actual, con algunas salvedades. Además de ser un material muy abundante en la corteza terrestre, también es ideal para esta industria por otros motivos, como lo fácil que resulta su procesamiento, sus extraordinarias propiedades físicas, y  porque posee un óxido nativo estable (SiO2) que es aislante.

En cambio, las dimensiones se van aproximado poco a poco al límite del silicio. Es decir, el tamaño de los átomos de Si, que es de 0.2nm. Ese sería el límite físico estricto, con detalles de un solo átomo de ancho. En cambio, no se puede llegar a esas dimensiones tan fácilmente, ya que conforme se reducen las dimensiones, van creciendo otros problemas de inestabilidad y de control.

El techo físico del Si

Al reducir más y más los transistores y agregar más unidades en un solo chip, se puede procesar la información más rápido. En cambio, eso también depende de la movilidad de los electrones dentro del material semiconductor. Y aunque los del silicio tienen una buena movilidad, no es el semiconductor con la mejor movilidad (el antimonuro de indio, arseniuro de indio o el arseniuro de galio superan al silicio en este sentido).

Por otro lado, también importa el movimiento de los otros portadores de carga: los huecos. Es decir, los espacios que quedan en la red cristalina a donde los electrones pueden moverse. En este caso, la movilidad de los huecos en el silicio es bastante pobre, lo que resulta otra gran barrera para mejorar la velocidad (el arseniuro de galio también es mejor en esto, por eso se está mirando como una alternativa al silicio).

Otro de los problemas del silicio es que el rendimiento se degrada mucho con las altas temperaturas. Los chips más complejos generan cantidades considerables de calor que hay que disipar. Semiconductores como el GaN (nitruro de galio) o el SiC (carburo de silicio), se adaptan mucho mejor a las altas temperaturas.

A eso hay que agregar las pobres propiedades del silicio para la transmisión de la luz, lo que puede resultar otra barrera para futuros dispositivos electrónicos y fotónicos combinados.

Por todo eso, se buscan nuevos materiales para sustituir al silicio. O tecnologías híbridas, como la de agregar germanio al silicio para mejorar la movilidad de los huecos. Los compuestos semiconductores III-V, como el arseniuro de indio o el antimonuro de indio también pueden mejorar la movilidad de los electrones.

También se están comenzando a usar sustitutos del dióxido de silicio como aislante, ya que las capas tan delgadas de la actualidad están haciendo desaparecer las propiedades aislantes, haciendo transistores poco fiables. Por eso se emplean materiales exóticos como dióxido de hafnio (HfO2), y otras alternativas.

En cambio, este tipo de materiales es difícilmente combinable con el silicio. No es tan fácil como parece, y sus propiedades dependen en gran medida de la integridad del cristal. Pero ya hay interesantes avances al respecto…

¿Qué es el criterio de Rayleigh?

stepper

El criterio de Rayleigh fue propuesto por John Rayleigh, y expone que dos líneas espectrales son todavía distinguibles si el máximo de uno coincide con el primer mínimo del otro. Algo que impone restos a los ingenieros de ASML para las maquinarias empleadas en la industria de semiconductores.

CD = k1 · λ / NA

Siendo CD (Critical Dimension) el valor que identifica la medida en que un componente se puede miniaturizar, es decir, influye en la dimensión crítica de los nodos de fabricación. Por otro lado, el factor K1 (para el Si es 0.25) es el coeficiente delimitado por los parámetros físicos que coinciden con el proceso de fabricación de semiconductores. Mientras que lambda (λ) es la longitud de onda de la luz o haz empleado para la litografía del proceso de fabricación. Por último, NA (Numerical Aperture) identifica el valor de apertura óptica empleada en el equipo litográfico, para determinar la cantidad de luz que los elementos ópticos son capaces de recoger.

0.25 es el límite de la tecnología del silicio. Conforme los otros elementos de la ecuación se van mejorando, y NA se hace más próximo a 1, más se aproximan a dicho límite…

Un reto consiste en hacer cada vez más pequeño el valor de lambda para reducir las dimensiones. Por eso se ha pasado de la luz, a la UV, o a la nueva EUV (Extreme UltraViolet) y High-NA EUV (High Numerical Aperture EUV), con longitudes de onda inferiores (véase espectro electromagnético), aumentando así la resolución de los componentes fabricados por el nodo.

En cambio, no solo se trata de reducir la longitud de onda (con nuevas fuentes de luz), sino que cada vez que se consigue un avance en ese sentido, se necesitan nuevos equipos de litografía, con ópticas avanzadas, técnicas para reducir ciertos problemas por las dimensiones tan pequeñas a las que se llegan, y nuevos materiales fotorresistentes.

Por otro lado, reducir la constante también sería posible, pero para ello hay que buscar alternativas a los procesos actuales del silicio, lo que es también complejo…

Isaac

Apasionado de la computación y la tecnología en general. Siempre intentando desaprender para apreHender.

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