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Hacer cableado que no tropiece con los chips de computadora
A medida que los fabricantes de chips reducen agresivamente los circuitos integrados para proporcionar cada vez más potencia informática, gran parte del enfoque se ha puesto en mejorar los transistores. Pero el rendimiento también se ha visto limitado por el cableado de cobre que transporta información alrededor de los chips.
Hoy, en el Semicon Oeste conferencia en San Francisco, fabricante de equipos semiconductores Materiales aplicados anunció una herramienta que, según dice, resuelve parte de este problema al fabricar cables con chip que tienen menos errores. Los observadores de la industria dicen que la nueva tecnología puede evitar costosos problemas de fabricación a corto plazo.
Los transistores han mejorado a medida que se hacen más pequeños y los cables de cobre han empeorado, dice Robert Geer , profesor de ciencia a nanoescala en la Universidad Estatal de Nueva York en Albany. A medida que estos cables, también llamados interconexiones, se vuelven más delgados, aumenta su resistencia eléctrica. Los cables que transportan señales alrededor de los circuitos integrados de última generación son ahora las principales fuentes de consumo de energía, acumulación de calor y retrasos en las señales.
A medida que las interconexiones se han reducido, también se ha vuelto más complicado de construir. Es este problema de fabricación el que las nuevas máquinas de Applied Materials prometen abordar. Los chips de computadora más poderosos de la actualidad están equipados con miles de millones de transistores de 20 nanómetros. Apilados encima de los transistores hay decenas de capas aislantes con cableado de cobre. En su punto más pequeño, donde los cables se conectan a los transistores, estos cables también miden unos 20 nanómetros.
Estos alambres se construyen capa a capa depositando cobre en orificios cilíndricos en la capa aislante. A medida que el cobre se mueve hacia los pequeños pero profundos agujeros necesarios para la próxima generación de chips, tienden a formarse pequeñas burbujas, un defecto catastrófico.
Los chips actuales contienen alrededor de 100 kilómetros de cableado de cobre, por lo que el potencial de errores es enorme. Y si uno de estos cables no funciona debido a un error en una capa, algo que es imposible de detectar hasta que el chip se completa y se prueba, el chip debe desecharse. Los pequeños errores tienen un precio muy alto: los defectos a una tasa de uno por mil millones conducen a una caída del 25 por ciento en el rendimiento, dice Sree Kesapragada, gerente de producto global para los productos de deposición de metales de Applied Materials.
La compañía dice que su nueva máquina de deposición de cobre, llamada Endura Amber, puede hacer interconexiones de cobre de menos de 10 nanómetros sin afectar el rendimiento. Al igual que las máquinas anteriores, utiliza un proceso llamado deposición física de vapor ionizado para recubrir el chip con una capa de cobre. Lo nuevo es que la máquina luego calienta el chip para que el cobre fluya hacia el orificio, lo que reduce la probabilidad de defectos. Llevar a cabo los pasos de deposición y calentamiento en la misma cámara no es trivial y fue algo que los ingenieros de la compañía originalmente consideraron una idea descabellada, dice Kevin Moraes, quien administra los productos de deposición de metales de Applied Materials.
Esta idea disparatada podría ayudar a los fabricantes a utilizar la infraestructura de fabricación de chips existente para la próxima generación de chips. Pero no resolverá el problema más grande: el hecho de que los alambres de cobre más pequeños causan importantes problemas de rendimiento. Cada avance incremental destaca el hecho de que debe trabajar en estas grandes soluciones para poder mantenerse al día con las enormes mejoras en el rendimiento informático a las que estamos acostumbrados, dice Geer.
La solución que causaría la menor interrupción en la infraestructura de fabricación de chips sería encontrar otro metal que siga siendo conductor incluso cuando se convierta en cables muy delgados, y que no se caliente tanto como el cobre, dice Jonathan Candelaria, director de ciencias de interconexión. en el Corporación de investigación de semiconductores . Los investigadores están analizando varias aleaciones, tungsteno o la posibilidad de volver al aluminio, el material de interconexión elegido hasta hace unos 20 años.
Durante un tiempo, los investigadores pusieron grandes esperanzas en los nuevos nanomateriales de carbono, incluido el grafeno. Parte del problema con el cobre es que los electrones dispersan las imperfecciones del material. Los nanotubos y el grafeno, por el contrario, facilitan la navegación de los electrones. Pero los investigadores todavía están aprendiendo a trabajar con estos materiales. Entonces, Geer está tratando de desarrollar nuevas formas de estructurar los metales convencionales para que, como los nanotubos y el grafeno, conduzcan sin dispersión. Saroj Nayak , profesor de física en el Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York, también está trabajando en trucos para mejorar los conductores metálicos. Está desarrollando nuevos materiales aislantes que ejercen presión sobre el cableado de metal para mejorar la conductividad.
Pero no está claro cuál de estas soluciones, si alguna, funcionará. Applied Materials no quiso comentar sobre lo que está preparado más allá del cobre. Esta incertidumbre es un gran problema, dice Candelaria, porque normalmente se necesitan entre siete y diez años para incorporar un nuevo material a la fabricación de semiconductores. Mientras tanto, los problemas de desempeño del cobre serán insuperables en cinco a diez años. 'Podemos ver esta pared de ladrillos rojos de muerte inminente más adelante', dice Candelaria.