La radiographie en 3D permet de visualiser les moindres détails d’une puce informatique

Beaucoup de puces électroniques de nos ordinateurs et téléphones mobiles abritent des fils électriques d’une largeur de seulement 45 nanomètres et des transistors d’une hauteur de 34 nanomètres. La fabrication de structures aussi fines est aujourd’hui une pratique courante. Mesurer en détail la structure précise de ces mêmes puces une fois leur fabrication terminée, en revanche, reste un défi – par exemple lorsqu’il faut vérifier si leur structure est conforme aux attentes. Actuellement, pour mener ces analyses, les fabricants de puces utilisent un procédé qui consiste à retirer une couche de la puce après l’autre et à étudier à chaque étape la surface au moyen d’un microscope électronique; ce procédé est connu sous le nom de FIB/SEM – Focused Ion Beam/Scanning Electron Microscope.

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont à présent reproduit en 3D les structures d’une partie de puce aux moyens de rayons X, et ce sans l’endommager. Le résultat: une visualisation bien nette du parcours du câblage, mais aussi de la position de chaque transistor et d’autres éléments de commutation. La résolution de l’image que nous avons produite est comparable à celle du procédé d’examen conventionnel FIB/SEM, explique Mirko Heller, chef du projet. Nous avons réussi à éviter deux inconvénients importants: premièrement nous avons gardé l’échantillon intact et obtenu une information complète sur la structure tridimensionnelle. Deuxièmement, nous évitons les images déformées que l’on obtient avec le procédé FIB/SEM lorsque la surface de chaque coupe n’est pas parfaitement plane.

Positionnement au nanomètre près

Pour leurs examens, les chercheurs ont utilisé un procédé tomographique particulier appelé ptychotomographie. Ce dernier a été développé et continuellement amélioré au cours des dernières années, si bien qu’aujourd’hui, il offre la meilleure résolution au monde de 15 nanomètres (15 millionièmes de millimètre) pour des volumes étudiés relativement importants. Lors de l’expérience, l’objet étudié est radiographié à des endroits précisément déterminés avec de la lumière de type rayons X de la Source de Lumière Suisse SLS de l’Institut Paul Scherrer. Un détecteur mesure les propriétés de la lumière après son passage dans l’échantillon. L’échantillon subit ensuite chaque fois une petite rotation et est radiographié à chaque angle. L’ensemble des données recueillies permet de déterminer la structure tridimensionnelle de l’échantillon. Lors de ces mesures, il faut connaître la position exacte de l’échantillons à quelques nanomètres près, explique Mirko Holler. C’est l’un des défis particuliers que nous avons dû relever lors de la mise sur pied de notre expérience.

Dans le cadre de cette expérience, les chercheurs ont étudié de petites portions de deux puces. La première était un détecteur développé au PSI et la deuxième une puce informatique usuelle. Ces portions de puces mesuraient chacune environ 10 micromètres (soit 10 millièmes de millimètre) chacune. Si l’examen d’une puce complète avec le dispositif de mesure en question n’est pas possible les avantages du procédé sous cette forme sont déjà manifestes, à tel point que les premiers intéressés ont demandé à pouvoir effectuer des mesures au PSI.

Objectif: analyser une micropuce entière

Nous commençons tout juste à améliorer la méthode de manière à pouvoir analyser une micropuce entière dans un temps de mesure acceptable, relève Gabriel Aeppli, directeur du domaine de recherche rayonnement synchrotron et nanotechnologie au PSI. On pourra alors aussi étudier le même domaine d’une puce successivement et observer, par exemple, les modifications infligées par les influences extérieures.

Texte: Institut Paul Scherrer/Paul Piwnicki

À propos du PSI

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(Mise à jour: mai 2016)