(Este artículo forma parte del capítulo 2 de mi libro: «¿Qué hacen por nosotros los semiconductores? El petróleo del siglo XXI»)
Introducción
Durante más de seis décadas, la microelectrónica ha avanzado siguiendo una trayectoria tan regular como asombrosa: cada nueva generación de circuitos integrados ha sido más rápida y más barata que la anterior, con transistores cada vez de dimensiones más reducidas. Esta dinámica, sintetizada de forma magistral en la llamada Ley de Moore, no solo ha guiado el desarrollo tecnológico, sino que ha moldeado nuestra economía, nuestra forma de comunicarnos y, en última instancia, nuestra vida cotidiana. Sin embargo, bajo esta aparente simplicidad se esconde una realidad mucho más compleja, en la que cada avance exige un control extraordinario de la materia a escalas atómicas.
Hoy, la fabricación de dispositivos semiconductores se enfrenta a retos que ya no son únicamente de ingeniería, sino también de naturaleza fundamental. Cuando el volumen activo de un transistor contiene apenas millones, o incluso cientos de miles de átomos, conceptos como “tamaño”, “pureza” o “rendimiento” adquieren un significado radicalmente distinto al que tienen en cualquier otra industria. Un solo átomo fuera de lugar puede alterar de forma significativa el comportamiento eléctrico de un dispositivo; una impureza residual puede arruinar un chip completo; una densidad de corriente excesiva puede acortar drásticamente su vida útil.
En este artículo analizo tres factores críticos que determinan el éxito —o el fracaso— de la tecnología microelectrónica moderna: la reducción del tamaño de los dispositivos, la pureza extraordinaria de los materiales y el rendimiento entendido en su sentido más amplio. Juntos forman el delicado equilibrio sobre el que se sostiene la industria de los semiconductores y explican por qué fabricar chips es, probablemente, uno de los mayores logros tecnológicos de nuestra civilización. La siguiente imagen muestra la evolución del tamaño de los transistores y de la densidad de estos por milímetro cuadrado de área de chip, desde 1970 hasta la actualidad y previsión hasta 2030.
El tamaño sí importa
En 1965, Gordon Moore observó que el número de transistores integrados en un circuito se duplicaba aproximadamente cada año desde la invención del circuito integrado. Aquella observación empírica, convertida más tarde en la Ley de Moore, ha actuado como una hoja de ruta —y también como una presión constante— para generaciones enteras de científicos e ingenieros. Durante más de 60 años, la industria ha logrado mantener esa tendencia, pese a las recurrentes predicciones sobre su inminente final.
El éxito del escalado ha sido espectacular. A medida que los transistores se han hecho más pequeños, su rendimiento ha aumentado y su coste por función se ha reducido, impulsando un mercado masivo de ordenadores personales, teléfonos inteligentes y, más recientemente, centros de datos e inteligencia artificial. Sin embargo, este progreso no es gratuito: cada reducción de tamaño obliga a controlar la materia con una precisión cada vez mayor.
La siguiente figura muestra el esquema de un MOSFET actual y el denominado “volumen de control”, que es la zona a través de la que tiene lugar el flujo de electrones entre Fuente y Drenador de manera controlada por la tensión aplicada en la Puerta. En los denominados nodos maduros, como el de 90 nm, el volumen de control típico tiene dimensiones del orden de décimas de micra en longitud y anchura, y decenas de nanómetros en altura. Incluso en este caso, el volumen de control del dispositivo contiene apenas unos 20-25 millones de átomos de silicio. Cuando se introducen átomos dopantes en concentraciones típicas de una parte por millón, ese volumen alberga tan solo unas pocas decenas de átomos de impureza. La pérdida o ganancia de un único átomo puede traducirse en variaciones porcentuales inaceptables en la conductividad del dispositivo.
La situación se vuelve aún más extrema con la llegada de los transistores tridimensionales FinFET. Introducidos a partir de 2012, estos dispositivos presentan volúmenes de control mucho menores, tal y como muestra la siguiente figura, donde se detallan las dimensiones tan reducidas de uno de estos dispositivos. En nodos avanzados de 10 nm y por debajo, el volumen de control puede contener del orden de cien mil átomos de silicio. En estas condiciones, el concepto clásico de dopado uniforme deja de tener sentido, ya que con los dopados habituales, en el volumen de control habría 0.1 átomos de dopantes, algo absurdo, evidentemente. Hemos cruzado un umbral.
Este simple ejercicio numérico ilustra una realidad incuestionable: el escalado no solo reduce dimensiones, sino que empuja a la microelectrónica hacia un régimen donde cada átomo cuenta. Mantener la reproducibilidad y la fiabilidad de los dispositivos en este contexto es uno de los mayores desafíos tecnológicos de nuestro tiempo.
Más problemas: corrientes y campos eléctricos
La reducción de tamaño trae consigo otros problemas menos intuitivos, pero igualmente críticos. Para que un transistor funcione correctamente, debe conducir corrientes elevadas en secciones cada vez más pequeñas. Las densidades de corriente típicas en los dispositivos actuales alcanzan valores del orden de 10⁵ A/cm², lo que somete a las interconexiones metálicas a unas condiciones de trabajo críticas. En estas condiciones aparece un fenómeno conocido como electromigración: los electrones, al desplazarse, “empujan” a los átomos del conductor fuera de sus posiciones de equilibrio. Con el tiempo, este proceso genera vacíos y acumulaciones de material que pueden interrumpir la continuidad eléctrica de las pistas metálicas. Durante años, la electromigración ha sido una de las principales causas de fallo en los circuitos integrados y el motivo fundamental del abandono del aluminio en favor del cobre como material de interconexión.
A estos problemas se suman los relacionados con los campos eléctricos. El óxido de silicio, obtenido por oxidación térmica del silicio, es uno de los mejores aislantes conocidos y puede soportar campos eléctricos del orden de 10⁷ V/cm. Sin embargo, a medida que el espesor del óxido se reduce hasta valores cercanos al nanómetro —apenas unas pocas capas atómicas—, mantener tensiones de operación del orden del voltio se vuelve inviable. La respuesta de la industria ha sido doble: reducir los voltajes de funcionamiento y desarrollar nuevos materiales aislantes con constantes dieléctricas más elevadas. Ambos cambios han tenido un impacto profundo en el diseño de los transistores modernos.
La pureza como requisito absoluto
Si hay una propiedad común a todos los materiales electrónicos, esa es la pureza. En ningún otro ámbito tecnológico se exigen niveles de control químico tan extremos como en microelectrónica. El silicio de grado electrónico es, probablemente, el material más puro y mejor estudiado jamás producido por el ser humano.
Para visualizar el requisito de pureza tan extremo del silicio, imagine el lector que se realiza una plantación de árboles en toda la extensión de Europa. Supongamos que esa plantación es de abetos, que representan a los átomos de silicio, y que hay algún roble, que juega el papel de átomos de hierro. La superficie de Europa, entendiendo como tal el territorio que llega hasta los Montes Urales y hasta la cordillera del Cáucaso en Rusia, es de unos 10 millones de kilómetros cuadrados o 10 billones de metros cuadrados. Si se pudiera sembrar en toda esa superficie un bosque extremadamente denso de abetos, a razón de uno por cada 10 metros cuadrados, sembraríamos un billón de abetos. Imaginemos por un momento que, al hacer la siembra, se ha colado inadvertidamente una semilla de roble, de manera que, al finalizar el proceso, habríamos sembrado un billón de abetos y un roble. Si a esta plantación se le aplicaran los requisitos de pureza exigibles al silicio, esta plantación en la que hay un roble en un billón de abetos debería declararse ¡contaminada por robles! Lo que habitualmente entendemos por “malas hierbas”, en el caso del silicio, es de otra dimensión
Trasladado a un dispositivo real, un billón de átomos de silicio ocupa un volumen de apenas unos pocos micrómetros cúbicos. En los volúmenes activos de los transistores actuales, la presencia de ¡un único átomo de hierro! puede arruinar por completo el comportamiento eléctrico del dispositivo. No existe ninguna otra industria —ni siquiera la farmacéutica— que opere con requisitos de pureza comparables. Este nivel de exigencia explica por qué el coste de la materia prima en microelectrónica no está dominado por el precio del elemento químico, sino por el proceso de purificación. También explica la complejidad y el coste astronómico de las fábricas de semiconductores, donde cada partícula de polvo, cada fibra de ropa o cada escama de piel humana representa un riesgo inaceptable.
Rendimiento
La pureza, por sí sola, no garantiza la utilidad de un material electrónico. El rendimiento debe entenderse como la capacidad de un material o dispositivo para funcionar de forma eficiente, repetitiva y estable a lo largo del tiempo. En este sentido, la historia de la microelectrónica está llena de compromisos. El cobre, por ejemplo, presenta un excelente rendimiento eléctrico, pero una estabilidad química limitada: se difunde con facilidad y puede contaminar regiones activas del dispositivo. La solución ha consistido en encapsularlo con materiales barrera que impiden su migración. De este modo, se acepta un rendimiento químico pobre a cambio de un rendimiento eléctrico superior.
Este equilibrio no siempre es posible. El arseniuro de galio (GaAs) ofrece, en teoría, velocidades de los electrones superiores a las del silicio y es ideal para aplicaciones optoelectrónicas. Sin embargo, la ausencia de un aislante comparable al SiO₂, la dificultad para obtener contactos fiables y su fragilidad mecánica han impedido que sustituya al silicio en la microelectrónica de gran consumo. Este ejemplo ilustra una lección fundamental: no existe el material perfecto, solo materiales adecuados para aplicaciones concretas.
Más allá del silicio
A medida que el escalado clásico se aproxima a sus límites, surge inevitablemente la pregunta: ¿qué hacer cuando el silicio ya no basta? Durante décadas, se ha explorado la tabla periódica en busca de nuevos semiconductores que puedan complementar o sustituir al silicio en determinadas aplicaciones. Sin embargo, cualquier alternativa debe evaluarse considerando el conjunto completo de propiedades relevantes: eléctricas, químicas, mecánicas, térmicas y económicas.
El futuro de la microelectrónica no pasa por un único material milagroso, sino por una combinación inteligente de tecnologías: nuevos dispositivos, nuevos materiales y nuevos paradigmas de integración, englobados bajo el concepto de “More than Moore”. En este nuevo escenario, el tamaño, la pureza y el rendimiento seguirán siendo los pilares fundamentales sobre los que se construya la próxima revolución tecnológica.
Un poco de ciencia, por favor 