La industria sigue reduciendo los tamaños

La fotolitografía para fabricación de transistores y C.I.

Pascual Bolufer. AECC10/03/2014
En 1975, Gordon Moore afirmó que el número de transistores por unidad de superficie en circuitos integrados (C.I.) se duplicaría cada dos años, y el coste descendería. Su pronosticó se ha cumplido. Además, Gordon Moore afirmó que el número de transistores vendidos en un año sería igual al número de hormigas en todo el mundo. En eso se quedó corto.

Para fabricar transistores a millones y C.I. por centenares de miles, y a un coste cada vez más económico necesitamos la fotolitografía, en constante perfeccionamiento. Es la evolución normal a partir del fotograbado que emplean las rotativas de las imprentas. El avance de la microelectrónica se caracteriza por la distancia entre la puerta y el drenador (P-D) en el transistor MOS. Hoy ya se fabrican transistores MOS con una longitud P-D menor de 50 nm. La industria basada en el silicio seguirá cumpliendo la ley de Moore.

Para crear semiconductores y C.I. usamos los procesos de la fotolitografía: transferir un patrón desde una fotomáscara a la superficie de una oblea de silicio, en forma cristalina.

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Lo ultimo en fotolitografia: con láser ultravioleta de pulsos muy cortos, de radiación muy potente, Q-laser, en EE UU, han logrado fotografiar las estructuras interiores de la raíz de un cereal, algo hasta ahora imposible. Los vasos de xilema están a la vista. Este láser produce fluorescencia de varios colores (contra el monocromatismo normal del láser), pero el objeto observado queda destruido (aquí una raíz de un vegetal). Hasta ahora conocíamos las radiografías del médico, los rayos X atraviesan uno tejidos sí y otros no. En fotografía comienza una nueva etapa.

La oblea de silicio

Como buen semiconductor el silicio tiene una banda prohibida, de anchura apropiada (1,11 eV). En un elemento químico (Si) la banda prohibida es la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. Está presente en aislantes y semiconductores. La conductividad eléctrica de un semiconductor, Si, intrínseco, puro, depende en gran medida de la anchura de la banda prohibida. Los únicos portadores únicos, útiles, para conducir son los electrones que tienen suficiente energía térmica para poder saltar la banda prohibida.

La oblea se somete al proceso horno/enfriamiento y recubrimiento/desarrollo. La oblea se limpia cuidadosamente, se desengrasa, y se calienta inicialmente en un horno a una temperatura de 75-80°C. Con ello eliminamos la humedad de su superficie. Se añade hexa-metil-disilizano con objeto de facilitar la adhesión de la fotorresina, que es un material polimérico, depositado encima de la oblea. La oblea va girando sobre un eje vertical para que la resina se distribuya de modo homogéneo, de un grosor y homogeneidad apropiados.

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El gráfico 2 adjunto ‘Oblea 6 procesos’ explica las fases para grabar la fotorresina sobre el Substrato Si, la oblea:

  1. Sobre el substrato Si, la oblea, se halla a la capa de óxido SiO2. Para realizar el grabado selectivo usaremos un material sensible a la luz, la fotorresina+.
  2. La fotorresina + está encima de la capa de óxido Si. No consta en el gráfico, pero encima de ella colocamos un negativo fotográfico, parcialmente transparente, llamado fotomáscara.
  3. Iluminamos la oblea y sus capas con luz ultravioleta. Solamente en el centro de la máscara la luz destruye la fotorresistencia +, a ambos lados la luz no ilumina la oblea.
  4. Las áreas no iluminadas se disuelven selectivamente con el disolvente tricloroetileno.
  5. Con gas R.I.E. de la sala blanca se ataca la capa de SiO2 central. A la derecha, el gráfico muestra la oblea ya preparada para imprimir. La fotorresina + se usa para las zonas blancas, brillantes, del C.I. La fotorresina – (negativa) se usa para las partes oscuras del C.I., es una imagen invertida, producida también con 6 etapas.

Escanear la oblea

Iluminamos la oblea siguiendo un programa de escaneo, digitalizando la imagen del C.I. El haz de luz, muy estrecho, explora la imagen siguiendo líneas horizontales, y asigna un valor digital en cada punto visual.

Iluminar la fotorresina

La luz ultravioleta atacará químicamente la fotorresina, y dejará el patrón de la fotomáscara grabado en la oblea. La longitud de onda usada es de 248-193 nm. Es aplicar nuestras ideas de cuanto más corta sea la longitud de onda mayor resolución podrá lograr. Inicialmente se usaron lámparas de mercurio, pero hoy día preferimos el láser excímero. El gas donde se forma la emisión láser estimulada es un haluro KrF (con onda de 248 nm) y ArF (con onda de 193 nm).

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Monocapa de grafeno con pliegues. El espesor es de un solo átomo.

Hay la luz ultravioleta convencional y la generada por láser. Para que el escaneo de la oblea sea microscópico el láser es indispensable. Veamos lo más básico del láser: Es la amplificación de la luz por una emisión estimulada de radiación. Puede ser sólido, líquido o gas, dentro de la cavidad óptica, y determina la longitud de la onda emitida. Una fuente externa, eléctrica, estimula los átomos hasta el nivel de la emisión estimulada. A esto llamamos bombeo.

Las propiedades del láser son: (1) monocromatismo, luz de un solo color, o lo que es lo mismo, emite en una banda muy estrecha de longitudes de onda; (2) coherencia espacial y temporal: la luz láser se transmite de modo paralelo en una única dirección, en un haz muy estrecho, que se propaga con mínima divergencia, lo que permite recorrer grandes distancias sin perder intensidad. El láser puede ser de onda continua o pulsado. La energía del pulso se mide en julios/cm2. En fotolitografía el área de la oblea iluminada por el pulso debe ser ínfima, microscópica.

El láser excímero utiliza una combinación de gases inertes (argón, kriptón, xenón) con un gas reactivo. En condiciones apropiadas de estimulación eléctrica se crea una pseudomolécula, la cual existe solamente en un estado excitado, y emite en el ultravioleta. El excímero fue inventado en 1970 por Nikolai Basov, en el Instituto de Física Lebedev, en Moscú con un dímero de xenón, excitado por un haz de electrones, con onda de 172 nm. Su inconveniente es el gran tamaño.

Una mejora posterior fue el uso de haluros de gases nobles, XeBr. El xenón y kriptón son gases nobles, y como su nombre lo indica, no forman compuestos químicos. En un estado excitado forman moléculas temporalmente enlazadas consigo mismas, dímeros, o con átomos de halógenos, como el flúor y el cloro. El resultado son pulsos de muy alta energía, con una frecuencia de repetición de pulso de unos 100 Hertzs, y una duración de pulso de unos 10 ns. Excelente para la fabricación de C.I., 'chips' de alta resolución, con componentes hasta 10 nm.

En 1971 Intel presentó un microordenador Intel 4004, el primer microprocesador basado en transistores. Entonces el tamaño de un transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) era de 10 micrones, y el número de transistores en el chip de Intel fue de 2300. La reducción del tamaño del transistor MOS rebajó el consumo de energía, y además los C.I. podían funcionar más aprisa. El coste del transistor comenzó a disminuir.

Ahora el último microprocesador de Intel, Titanium 2, contiene 410 millones de transistores, de un tamaño promedio de 45 nm, comprimidos en un chip de 3 cm2. El crecimiento exponencial de la densidad del chip un día terminará. Según Semiconductor Industry Association la longitud P-D del transistor MOS se reducirá a la mitad cada 6 años, desde 37 nm en 2005, hasta 18 nm en 2010 y 9 nm en 2016. La capa de óxido del transistor tiene un espesor de sólo 2 nm, que corresponde a 2 capas atómicas, el límite último para procesar el SiO2.

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El nanotubo de carbono tiene estructura interna hexagonal.

La fotolitografía permite grabar un dibujo sobre una placa de silicio. Como hemos dicho, la resolución última obtenida con esta técnica es inversamente proporcional a la longitud de onda de exposición a la resina. De ahí la búsqueda de longitudes de onda cada año menores. Los láseres del ultravioleta profundo logran una resolución de 110 nm, y es posible descender a 90 nm. Para ir más allá hay varias tecnologías: el láser ultravioleta extremo, con longitud de onda de 13.5 nm, pero la complejidad aumenta. Hacia los 10-15 nm la mayor parte de los materiales son opacos. Nos habremos de contentar con C.I. con motivos de 65 nm, o como máximo 45 nm. La velocidad del transistor mejora al disminuir sus dimensiones, pues el electrón emplea menos tiempo, y además consume menos energía.

Referencias bibliográficas

  • Ault, R. High power xenón fluoride laser. Applied Physics Letters 27, 1975.
  • Duarte, l. Tunable lasers handbook. 1995.New York.
  • Jain, K. Ultra fast deep`-UV lithography with excimer lasers. IEEE 1982.
  • La Fontaine, H. Lasers and Moore's Law. SPIE Oct.2010.
  • Martinez, JM. Aplicaciones optoelectrónicas de estructuras nanométricas de silicio. R.E.de Física, 16, 2002, Madrid.
  • Moore S.. Chips for the next wireless frontier. IEEE Spectrum, January 2007.

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