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

Villigen, 16.03.2017 - Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont réalisé des radiographies détaillées en 3D d’une puce informatique usuelle. Leur procédé a permis pour la première fois de visualiser les parcours des fils électriques et les transistors situés à l’intérieur de manière bien nette – sans distorsions ni déformations, et ce sans endommager l’échantillon. La largeur de ces fils électriques est de seulement 45 nanomètres (45 millionièmes de millimètre), et la hauteur des transistors de 34 nanomètres. Pour les fabricants, déterminer si la structure de leur puce est finalement conforme aux attentes représente un important défi. Ces résultats constituent donc une possibilité d’application importante pour un procédé spécifique de tomographie à rayons X que les chercheurs du PSI développent depuis quelques années. Dans le cadre de leur expérience, ils ont analysé une petite portion de puce qu’ils avaient préalablement découpée. Durant la mesure, cet échantillon est resté intact. L’objectif, à présent, est d’améliorer le procédé pour pouvoir étudier des puces complètes. Les chercheurs ont conduit leurs expériences à la Source de Lumière Suisse SLS de l’Institut Paul Scherrer. Ils présentent leurs résultats dans la dernière édition de la revue spécialisée Nature.

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

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2000 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 370 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

Publication originale

High-resolution non-destructive three-dimensional imaging of integrated circuits

Mirko Holler, Manuel Guizar-Sicairos, Esther H. R. Tsai, Roberto Dinapoli, Elisabeth Müller, Oliver Bunk, Jörg Raabe, Gabriel Aeppli
Nature 16 March 2017
DOI: https://dx.doi.org/10.1038/nature21698

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