La mise à niveau des rayons X permet de voir les transistors en 3D
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Une technique d'imagerie à rayons X améliorée peut fournir des images nettes en 3D du fonctionnement interne des puces, révélant ainsi leur conception et leurs défauts. La méthode a une résolution de 4 nanomètres, ce qui permet d'obtenir des images suffisamment claires pour cartographier les chemins de câblage d'une puce et révéler les minuscules caractéristiques des transistors sans détruire la puce.
Une équipe de scientifiques de l'Institut Paul Scherrer, dont font partie Tomas Aidukas et Mirko Holler , a développé cette technique d'imagerie améliorée en collaboration avec Tony Levi de l'Université de Californie du Sud et Gabriel Aeppli de l'ETH Zurich . Elle s'appuie sur une méthode antérieure développée en grande partie par la même équipe, appelée laminographie ptychographique à rayons X (PyXL) . Tony Levi explique qu'ils souhaitaient proposer une alternative aux processus chronophages et destructeurs utilisés pour effectuer le contrôle qualité et révéler les conceptions des puces.
En utilisant les techniques d'imagerie de pointe, « il faut vraiment savoir à l'avance ce que l'on cherche », explique Baohua Niu , ingénieur principal chez Intel Foundry , à Hillsboro, dans l'Oregon, qui n'a pas participé à la recherche. Les puces d'aujourd'hui sont si compliquées que les tests électriques ne peuvent pas à eux seuls localiser un défaut, dit-il. Les ingénieurs utilisent un mélange d'imagerie optique et d'autres méthodes pour cibler les zones potentiellement problématiques. Ils prennent ensuite une image de cette partie de la surface d'une puce avec un microscope électronique à balayage, et enfin prennent une tranche de la puce pour une imagerie plus approfondie avec un microscope électronique à transmission (MET). Lorsqu'ils trouvent le défaut, ils peuvent alors revenir en arrière et corriger leur conception.
La nouvelle technique d'imagerie utilise des rayons X « durs » ou à haute énergie produits par un accélérateur de particules appelé synchrotron. Ces faisceaux peuvent pénétrer complètement une puce, sans qu'il soit nécessaire de la découper. « Contrairement à un microscope optique, il est très difficile de fabriquer des lentilles », explique Tony Levi à propos de la gamme de rayons X. La méthode de son groupe consiste à éclairer l'échantillon de manière répétée sous différents angles avec un faisceau cohérent de rayons X à haute énergie. De minuscules éléments de la puce diffractent la lumière. Des algorithmes reconstruisent ensuite la version la plus probable de l'image en fonction de l'intensité et de la phase des rayons X diffractés. Ce type d'imagerie est généralement appelé ptychographie.
« On peut voir avec quelle précision ils ont placé le métal. Grâce à cette résolution, on peut voir à quel point les transistors sont bien assemblés et quels matériaux ils utilisent. »—Tony Levi, Université de Californie du Sud
Selon Levi, la version initiale de cette technique d'imagerie, PyXL, offrait une résolution d'environ 19 nm, ce qui était suffisant pour discerner les interconnexions d'une puce, mais trop grossière pour se concentrer sur les caractéristiques des transistors individuels. Pour réduire encore davantage la résolution, l'équipe a cherché à supprimer une source majeure de bruit, les minuscules vibrations qui peuvent brouiller l'image.
La solution qu’ils ont trouvée, appelée ptychographie en rafale, consistait à prendre des images en rafales, puis à utiliser des méthodes informatiques pour les trier. « Nous prenons plusieurs images de courte durée, les empilons et supprimons le jitter pour obtenir un motif de diffraction stable », explique Tony Levi. Cela a permis d’atteindre la résolution de 4 nm dont ils ont fait état cette semaine dans Nature ; Levi pense que l’équipe a un chemin à parcourir pour atteindre une résolution de 1 nm.
Selon Niu d'Intel, la résolution de cette technique de tomodensitométrie ptychographique à rayons X est 4 à 5 fois inférieure à celle fournie par un MET. Mais ce compromis en vaut la peine car la technique ne nécessite pas de découper et de détruire la puce et peut fournir des images 3D beaucoup plus profondes : les ingénieurs peuvent voir à travers toute la profondeur de 5 micromètres d'une puce, par opposition à la profondeur de 10 à 30 nm visible sous un MET.
La ptychographie en rafale révèle les ailettes du transistor et les contacts de grille [à droite]. La couleur [barre de gauche] correspond à la densité électronique en charges par angström cube. Paul Scherrer Institute
L'équipe de Niu chez Intel met en œuvre de nouveaux processus et s'efforce d'améliorer le rendement et les performances des puces. Selon lui, la nouvelle méthode devrait permettre aux ingénieurs de détecter plus facilement et plus rapidement les défauts des puces. Les processus de fabrication ne produisent pas toujours les fonctionnalités recherchées par les concepteurs, et l'imagerie peut aider les ingénieurs à rapprocher les conceptions de la réalité. « Voici ce pour quoi vous avez conçu ; voici ce qui a réellement été réalisé à partir de votre conception », explique-t-il. « Cela vous donne une validation physique. »
Le groupe de Levi a utilisé cette méthode pour obtenir des images d’un processeur AMD Ryzen 5 fabriqué à l’aide du procédé de gravure de nœuds de 7 nanomètres de TSMC. Les résultats comprenaient des détails sur la structure et les caractéristiques de ses transistors FinFET . Ces images peuvent être très révélatrices, souligne Tony Levi. « Vous pouvez voir avec quelle précision ils ont placé le métal. Avec cette résolution, vous pouvez voir à quel point les transistors sont bien assemblés et quels matériaux ils utilisent. » Les images aux rayons X peuvent également révéler le réseau d’interconnexions, les fils métalliques qui relient les transistors sur une puce. « La façon dont les éléments sont connectés vous indique comment fonctionne la puce », explique-t-il.
« On peut se rendre compte de la qualité de l'ingénierie et de la fabrication. On peut voir la qualité d'une puce, la négligence d'une autre », assure Tony Levi.
Obtenir une vue 3D à une résolution plus élevée devient de plus en plus important à mesure que les transistors et les puces acquièrent de plus en plus de fonctionnalités 3D, explique Niu. Les transistors sont de plus en plus petits et ne sont plus plans : les FinFET et les futurs transistors à grille tout autour dépassent de la surface ou sont superposés. Et les fabricants de semi-conducteurs, dont Intel, prévoient de déplacer les interconnexions d'alimentation des puces de l'avant vers l' arrière des puces dans les générations à venir, ajoutant ainsi un niveau de complexité supplémentaire.
« La métrologie est essentielle pour continuer à progresser dans la fabrication des semi-conducteurs », affirme Niu. La ptychographie en rafales « est un très bon effort de recherche pour répondre à un besoin critique. Ce que l’on ne peut pas mesurer, on ne peut pas l’améliorer. »