Litografía: Qué es y cómo funciona

Se habla mucho de la litografía en la industria de los semiconductores, y es que no es para menos. Los nodos de fabricación que manejan las foundries son vitales para la fabricación de los chips más allá de la densidad de transistores por unidad de superficie que se pueden integrar.

Otros factores tan importantes como el consumo, complejidad de las estructuras, el switching de los transistores (que a su vez repercute en la frecuencia de reloj), entre otros, también son dependientes de los proceso fotolitográficos empleados.

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¿Qué es la litografía? & ¿Qué es la fotolitografía?

La palabra litografía suele usarse como sinónimo de la fotolitografía. Sin embargo, existen pequeñas diferencias en cuanto a los términos:

Litografía: la palabra proviene del griego lithos (piedra) y graphein (escribir), es decir, es un procedimiento en el que se consigue escribir o trazar un dibujo en una piedra o placa. Esta técnica se puede implementar de varias formas, desde los antiguos labrados de piedra, hasta otros procedimientos de la imprenta, etc.
Fotolitografía: como su propio nombre indica, es un tipo de litografía que se realiza mediante luz para transferir el patrón que se necesita en una superficie semiconductora para la creación de CI y MEMS.

Litografía en la industria de los semiconductores

La fotolitografía, o simplemente litografía si lo prefieres, es un proceso empleado en la fabricación de circuitos integrados. Gracias a esta técnica se pueden transferir patrones creados en una retítula o fotomáscara a la superficie del wafer u oblea. Para ello también se emplea una fotoresina o fotoresistencia que es sensible a la luz y cambia sus propiedades entre las zonas expuestas a la luz y las no expuestas. De esta forma, se puede usar como máscara para otros procesos en los que solo se desea que afecten a una zona específica.

Las máscaras suelen estar hechas de cuarzo y cromo, otras emplean otros materiales como el zafiro, vidrio y otros metales diferentes al cromo. Las zonas de cristal son las que dejan pasar la luz, mientras que los detalles en metal son los que generarán sombras. Por supuesto, estas máscaras tienen tamaños mucho más grandes que los patrones que hay que grabar en los chips, pero se reducen mediante un sistema óptimo muy sofisticado.

Durante el proceso de la litografía se suelen llevar a cabo unos pasos fundamentales, que son:

El proceso de la litografía en la industria de los semiconductores es bastante complejo y delicado, por lo que aquí he realizado un resumen simplificado del procedimiento. De hecho, la litografía es tan sofisticada e importante que es una de las partes en las que más se invierte. Una máquina para litografía avanzada puede tener un precio de más de 180.000.000€, y en una foundry puede haber varias, para que te hagas una idea.

Aplicación de la resina sobre la superficie de la oblea. Esto se realiza mediante un spinner o máquina que hace girar la oblea a altas RPM y otra máquina robotizada que vierte la resina líquida sobre la oblea. Esto consigue que la resina se aplique de forma homogénea por toda la superficie y elimina el sobrante.
La siguiente etapa es pasar la oblea por un horno, dándole un ligero calentamiento para fijar la resina al sustrato semiconductor.
Después vendría la exposición. Para ello, se interpone la máscara (con los patrones a proyectar, como pozos para los transistores, puertas, interconexiones, etc.) entre la fuente de luz (lámparas, láser, haz de electrones,…) y la oblea. Las zonas transparentes que dejan pasar la luz alterarán la resina, mientras que las zonas de sombras evitan que la luz interceda con la resina.
Ahora llega el ataque químico, que es el paso donde se elimina la zona expuesta o no expuesta (dependiendo del tipo de resistencia positiva o negativa) mediante un baño ácido.
Y, por último vendría el proceso necesario para generar lo que se pretende crear. Por ejemplo, depositar metal para crear interconexiones en las zonas sin fotomáscara, implantación iónica para dopar zonas del semiconductor (N o P), oxidación para crear aislantes, escavar «trincheras» en el sustrato para los FinFET, etc.
Después de eso, se puede eliminar la fotomáscara que no se eliminó. Ya ha cumplido su cometido y ha evitado que el proceso previo afecte a las zonas donde no se pretendía realizar el grabado.

Estos pasos se repiten una y otra vez hasta completar todo el patrón del circuito integrado que se pretende crear, es decir, la implementación física de la microarquitectura. Algunos procesos necesitan varias decenas de máscaras diferentes para crear desde los transistores sobre el sustrato semiconductor, hasta las primeras capas de interconexiones que entrelazan transistores para crear puertas lógicas, o elementos de memoria, hasta las capas intermedias y superiores, que entrelazarán todas esas unidades básicas para implementar unidades funcionales.

Aquí tienes un ejemplo resumido para ver todo el procedimiento de una forma más gráfica. Se trata de la creación de un chip para una memoria SD de la firma Lexar. Evidentemente, en el vídeo también se ha resumido todo el proceso, ya que puede tardar meses en completarse. De hecho, ahora mismo están produciéndose algunos chips que se venderán dentro de unos meses.

Antes de concluir este apartado, también me gustaría tratar las tecnologías de iluminación empleadas el a fotolitografía. Las fuentes de luz varían y son importantes para el nodo, ya que determinan la longitud de onda del haz electromagnético, desde la luz visible, pasando por algunas luces de color, hasta la UV, e incluso otras radiaciones con longitud de onda inferior. En la actualidad se emplean dos tecnologías fundamentales:

DUV (Deep UltraViolet): esta técnica que emplea UV profunda tiene longitudes de onda de luz entre los 248 y los 193 nm, permitiendo detalles de hasta 50 nm. Para reducir ese tamaño se puede mejorar la técnica usando luz de 193 nm y litografía de inmersión en diferentes líquidos, OPC, PSM, etc. Algunas nuevas implementaciones DUV han conseguido llegar a los 157 nm, pudiendo crear detalles de menos de 32 nm.
EUV (Extreme UltraViolet): entra dentro de lo que se conoce como nanolitografía, una técnica más avanzada que es capaz de usar resoluciones aún inferiores. Se basa en llevar al extremo la radiación UV, para conseguir longitudes de onda muy cortas del orden de 13.5nm usando técnicas como NGL. La EUV es la empleada actualmente para la fabricación de los chips de memoria, CPUs, GPUs, entre otros.
NGL (Next Gen Lithography): la litografía de nueva generación engloba a algunos otros procedimientos de la nano litografía que no emplean luz, sino haces de electrones (eBeam), litografía con iones, rayos X, etc. Gracias a ellos se podrá mejorar incluso a la EUV.

Recuerda que cuanto menor sea el proceso, mayor resolución para la fabricación de dispositivos, lo que se traduce en componentes más pequeños. Por ejemplo, un nodo de 7nm no quiere decir que el transistor sea de 7nm, sino que se pueden crear detalles de esas dimensiones.

La importancia de la litografía de un chip

¿Para qué invertir tanto dinero en reducir los nodos y crear componentes de cada vez menos nanómetros? Es una pregunta que quizás algunos se están haciendo. Y la respuesta no es que los chips sean cada vez más pequeños (de hecho, en los chips avanzados la tendencia parece la contraria, crecen en unidad de superficie), sino otra bien diferente. La litografía se necesita mejorar ya que de ella dependen factores tan críticos como:

- Tamaño-complejidad: si se reducen todas las partes de un transistor por igual las propiedades eléctricas de dicho transistor no se ven alteradas, pero se podrán crear más transistores por unidad de superficie, lo que significa que se pueden fabricar chips más complejos y con mejores prestaciones. Por ejemplo, más unidades de ejecución, mayor tamaño de memoria, más funciones, etc.
- Capacitancia-switching: los transistores más pequeños también tienen una capacitancia más baja, lo que permite que se puedan conmutar de un estado a otro de forma más rápida, lo que resulta en la posibilidad de aumentar también la frecuencia de reloj.
- Capacitancia-consumo: por otro lado, a menor capacitancia también pueden conmutar con menos energía, lo que se traduce en chips más eficientes energéticamente. En definitiva, la potencia dinámica será inferior, que es la potencia no estática, el consumo realizado cuando los transistores no están en estado ocioso.
- Superficie-costes: chips más pequeños también significa menores costes de producción y mejor yield o rendimiento por oblea. Mientras más se reduzca el nodo o proceso de litografía, menos superficie ocupará un mismo diseño, por lo que se podrán producir más por cada wafer.

¿Sabías que no todos los transistores tienen el mismo tamaño en un chip? Algunos necesitan tener tamaños superiores a otros, por ejemplo los destinados a buffers. Por tanto, calcular el recuento de transistores de un chip no es tan sencillo como medir la superficie y multiplicar para realizar cálculos según el tamaño de cada transistor.

Desgraciadamente, no todo son ventajas, también tiene desventajas el hecho de reducir cada vez más el tamaño de los transistores:

Defectos-yield: mientras más pequeños, más difícil será controlar los procesos de fabricación a esa pequeña escala, por lo que los defectos aumentan. Por este motivo, el binning permite usar algunos que no se podrían etiquetar con la máxima velocidad o todas las prestaciones que tienen sus «hermanos» de oblea para no afectar tanto al yield. También se han creado técnicas como los chiplets para paliar estos problemas.
Leakage o fuga: mientras más pequeños son los transistores, mayores fugas tienen. Es decir, mayor cantidad de corriente que pasa por el transistor y es desperdiciada mientras está apagado. Por tanto, mientras disminuye la potencia dinámica, aumenta la potencia estática si no se hace algo para paliar este efecto. Para solucionarlo se han ideado algunas técnicas como SOI, nuevos materiales, nuevas estructuras, entre otras.