En la carrera de los fabricantes de microchips por reducir el tamaño de los circuitos integrados para conseguir cada vez más potencia de computación, gran parte de los esfuerzos se han centrado en mejorar los transistores. Pero el rendimiento de los chips también se ve limitado por los cables de cobre que trasladan la información dentro de los mismos.

Este martes, en la conferencia Semicon West celebrada en San Francisco (Estados Unidos), el fabricante de equipos para la fabricación de semiconductores Applied Materials presentó una herramienta que, según afirman, resuelve parte de este problema fabricando cables para chips que presentan menos errores. Los observadores de la industria afirman que la nueva tecnología puede servir para evitar problemas de fabricación a corto plazo.

“Los transistores han ido mejorando según iban disminuyendo de tamaño mientras que los cables de cobre han ido empeorando”, sostiene Robert Geer, profesor de nanociencia en la Universidad del Estado de Nueva York en Albany (EE.UU.). Según se van haciendo más finos, estos cables, denominados interconexiones, aumenta su resistencia eléctrica. Los cables, que transportan las señales a través de circuitos de última generación son ahora las principales fuentes de gasto energético, acumulación de calor y retraso en el envío de señales.

Y al encoger, las interconexiones también son más difíciles de fabricar. Este es el problema que la nueva maquinaria de Applied Materials promete abordar. Los chips más potentes que se fabrican en la actualidad contienen miles de millones de transistores de 20 nanómetros. Apiladas encima de los transistores hay decenas de capas aislantes recorridas por cables de cobre. En el punto más estrecho, donde los cables se conectan con los transistores éstos también tienen 20 nanómetros

Estos circuitos se construyen capa a capa, depositando cobre dentro de agujeros cilíndricos en la capa aislante. Según se introduce el cobre en los diminutos pero profundos agujeros necesarios para la próxima generación de chips, tienden a formarse pequeñas burbujas, un defecto fatal.

Los chips actuales contienen unos 100 kilómetros de circuitos de cobre, así que la posibilidad de que surjan errores es enorme. Y si uno de estos cables no funciona por un error en una capa –algo imposible de detectar hasta que el chip no está terminado y se prueba- hay que deshacerse de él. Los errores diminutos conllevan un coste enorme: los defectos en una proporción de uno entre mil millones conducen a un descenso del rendimiento del 25 por ciento, afirma Sree Kesapragada, gerente global de producto para los productos de deposición metálica de Applied Materials.

La empresa afirma que su nueva máquina para depositar cobre, llamada Endura Amber, puede hacer interconexiones de cobre menores de 10 nanómetros sin afectar al rendimiento. Igual que máquinas anteriores, usa un proceso denominado deposición física de vapor ionizada para cubrir el chip con una capa de cobre. La novedad consiste en que a continuación la máquina calienta el chip para que el cobre fluye dentro del agujero, reduciendo la probabilidad de que haya defectos. Llevar a cabo la deposición y el calentamiento en la misma cámara no es una cuestión trivial y era algo que los ingenieros de la empresa consideraron "una locura” en un principio, explica Kevin Moraes, que dirige el departamento de productos de deposición metálica de Applied Materials.

Esta locura de idea puede ayudar a los fabricantes a usar la infraestructura de fabricación de chips ya existente para la próxima generación de chips pero no resolverá el problema más profundo: el hecho de que los cables de cobre más pequeños tienen graves problemas de rendimiento. “Cada avance cualitativo destaca el hecho de que hay que trabajar sobre grandes soluciones para poder mantenerse al día con las enormes mejoras en rendimiento de computación a las que estamos acostumbrados”, afirma Geer.

La solución que menos trastocaría la infraestructura de fabricación de chips existente sería encontrar otro metal que siga siendo conductor incluso en forma de cables muy finos, pero que no se caliente tanto como el cobre, afirma Jonathan Candelaria, director de ciencias de interconexión en Semiconductor Research Corporation. Los investigadores están estudiando distintas aleaciones, el tungsteno o la posibilidad de volver al aluminio, el material de interconexión que se usaba hasta hace 20 años.

Durante un tiempo los investigadores tuvieron grandes esperanzas puestas en los nuevos nanomateriales de carbono, incluido el grafeno. Parte del problema del cobre es que los electrones dispersan las imperfecciones en el material. Los nanotubos y el grafeno por el contario, proporcionan un camino libre para los electrones. Pero los investigadores aún están descubriendo cómo trabajar con estos materiales. Así que Geer intenta desarrollar nuevas formas de estructurar los metales convencionales para que, al igual que los nanotubos y el grafeno, conduzcan la electricidad sin dispersarla. Saroj Nayak, profesor de física en el Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York (EE.UU.), también está trabajando en trucos para mejorar los conductores metálicos. Está desarrollando nuevos materiales aislantes que ponen tensión en el cableado metálico para mejorar la conductividad.

Pero no queda claro si alguna de estas soluciones funcionará. Applied Materials no quiere comentar qué tiene preparado más allá del cobre. Esta incertidumbre es un grave problema, según Candelaria, porque suelen pasar de 7 a 10 años hasta que un nuevo material se incorpora en la fabricación de semiconductores. Mientras tanto, los problemas de rendimiento del cobre serán insuperables de aquí a cinco o diez años. “Vemos un muro contra el que inevitablemente nos vamos a chocar más adelante”, afirma Candelaria.