Resultados de investigación de la National University of Singapore, la Universidad de Kyoto, KAIST y UNIST han revelado tres enfoques para abordar distintos desafíos del diseño de chips: reducir el tamaño de los aislantes de las interconexiones de cobre, operar transistores de carburo de silicio a temperaturas extremadamente altas y mejorar la estabilidad de los transistores de canal vertical fabricados con óxidos.
Un aislante de carbono que combina dos funciones
Investigadores de la National University of Singapore han desarrollado una película de carbono amorfo de grosor atómico para aislar cables de cobre cuyas dimensiones se reducen continuamente. La película mantuvo una constante dieléctrica de 1,35 con grosores de entre 0,8 y 2,7 nanómetros, además de impedir el paso de iones de cobre y soportar campos eléctricos intensos.
La película se fabricó mediante deposición química de vapor a temperaturas inferiores a 300 grados Celsius y se hizo crecer directamente sobre dióxido de silicio, cobre y cobalto. El crecimiento se extendió de manera uniforme sobre una oblea de cuatro pulgadas, incluidos los laterales y las esquinas de las estructuras grabadas.
Con un grosor de 0,8 nanómetros, la película soportó un campo eléctrico de entre 28 y 31 megavoltios por centímetro antes de perder su capacidad aislante. La importancia del resultado reside en combinar un aislamiento de bajo valor k con una barrera que impide la migración del cobre dentro de una sola capa, lo que podría dejar más espacio para el propio cable de cobre. Sin embargo, el equipo planea colaborar con TSMC para probar la fiabilidad a largo plazo, la escalabilidad y la compatibilidad con los procesos de fabricación existentes, aspectos que aún no se han resuelto.
Transistores de SiC para entornos de hasta 600 grados Celsius
Investigadores de la Universidad de Kyoto han desarrollado transistores de efecto de campo de unión complementaria de carburo de silicio (SiC JFET) y han demostrado su funcionamiento a una temperatura de 600 grados Celsius.
El diseño utiliza una compuerta inferior para mejorar el control de la tensión umbral, junto con un aislamiento basado en pozos en lugar de un sustrato semiaislante, con el objetivo de limitar la corriente de fuga a temperaturas elevadas. Esta estructura redujo la fuga hasta un nivel cercano al límite teórico previsto para el material SiC.
El resultado aún se encuentra en el ámbito de la investigación, ya que el equipo pretende desarrollar circuitos más complejos, pasar a la producción a nivel de oblea y verificar que el encapsulado completo pueda soportar entornos extremos.
Aislante multicapa para circuitos de computación dentro de la memoria
Investigadores de KAIST y UNIST han desarrollado una estructura aislante multicapa de nitruro de silicio/dióxido de silicio/nitruro de silicio (SiN/SiO₂/SiN) para mejorar el rendimiento de los transistores de canal vertical fabricados con óxidos, una estructura cuyo uso potencial está relacionado con dispositivos de computación dentro de la memoria.
La estructura funciona como un canal para transportar oxígeno, lo que ayuda a compensar de manera estable las vacantes de oxígeno en el semiconductor de óxido, al tiempo que limita la oxidación no deseada en el electrodo. Después de más de diez millones de ciclos de pruebas de estrés eléctrico, el cambio de la tensión umbral se mantuvo por debajo de 50 milivoltios. Los investigadores también lograron integrar el semiconductor de óxido con la tecnología CMOS de silicio convencional.
¿Por qué importa esta noticia?
Los tres resultados abordan limitaciones materiales y de ingeniería diferentes: la densidad de las interconexiones de cobre, las fugas a altas temperaturas y la inestabilidad de los dispositivos verticales. Sin embargo, no representan productos listos ni procesos de producción comercialmente demostrados; cada proyecto necesita pruebas adicionales de escalabilidad, fiabilidad e integración con las líneas de fabricación. Por ello, su valor actual reside en ofrecer líneas de investigación que pueden evaluarse, no en anunciar una transformación inmediata de la industria de los chips.