Técnica de medición de la resistencia en semiconductores

Los ingenieros del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un método para medir la dureza y la resistencia a la fractura de las capas finas de aislamiento que desempeñan un papel crítico en el alto rendimiento de los circuitos integrados. La nueva técnica podría ayudar a mejorar la fiabilidad y la fabricación de circuitos integrados, con la ventaja de que no es necesario nuevo equipamiento para ejecutar este método, por lo tanto, los fabricantes pueden implementarla con sus actuales sistemas sin incrementar costos.

Se trata de la resistencia mecánica de las llamadas capas dieléctricas “low-k”, con un par de micrómetros de espesor eléctricamente aislantes, las cuales están intercaladas entre las capas de conductores y diversos componentes en los chips de microprocesadores y otros dispositivos semiconductores de alto rendimiento. Los transistores de IC son cada vez más pequeños y en conjunto colaboran estrechamente en el diseño en prevención de interferencias eléctricas o “cross-talk”, haciendo de aislante a través de más capas con mayor porosidad, presentando huecos a nanoescala, lo cual hace que sea más frágil. El fracaso de la fragilidad del aislante por capas sigue siendo un problema para la industria, tanto para la fabricación como en el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos. Hasta la fecha, no ha habido ningún método exacto para medir la resistencia y fracturación de estas capas, lo que dificulta el diseño y la mejora de los dieléctricos.

Los ingenieros del NIST creen que han encontrado una respuesta al problema de medición a través de una nueva adaptación de una prueba técnica llamada nanohendidura. Esta funciona presionando a través de un filo a un objeto (en punta de diamante) y observar la cantidad de presión que se necesita para deformar el material. Aproximadamente en 20 años, los investigadores han conocido la manera de medir la elasticidad y plasticidad, la fuerza necesaria para doblar un material ya sea de forma temporal o permanente de los materiales a muy pequeña escala con nanomarcado. Las capas delgadas son particularmente problemáticas debido a que forzosamente deben colocarse en la parte superior de otro material más fuerte, como por ejemplo en una oblea de silicio.

La nueva técnica del NIST requiere de una ligera modificación en la nanohendidura del equipo de la sonda, la cual tiene que tener un mayor y más fuerte punto de contacto. Al presionar sobre las delicadas capas dieléctricas genera grietas tan pequeñas como 300 nanómetros, que son medidos por microscopía electrónica. La forma de las grietas depende de una compleja interacción que implica la fuerza de hendidura, el espesor de la capa, la tensión y las propiedades elásticas de ésta y del substrato de silicio. Estas variables están conectadas en una nuevo modelo mecánico de fractura que predice no sólo la tenacidad de una rotura, sino también otro valor fundamental, el espesor crítico de la capa ante fracturas espontáneas.

Con esta metodología, los fabricantes de dispositivos serán capaces de eliminar algunas capas dieléctricas interconectadas en consideración sin más costosos dispositivos de prueba. La técnica de medición y el modelo se publicaron en dos artículos en el “Journal of Materials Research”.

Más información: National Institute of Standards and Technology (NIST)