La technique localise simultanément plusieurs défauts sur les circuits de micropuces

Les puces informatiques défectueuses sont le fléau de l’industrie des semi-conducteurs. Même un défaut apparemment mineur dans une puce remplie de milliards de connexions électriques peut entraîner l’échec d’une opération critique dans un ordinateur ou un autre appareil électronique sensible.

En modifiant une technique existante d’identification des défauts, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis au point une méthode capable de localiser simultanément des défauts électriques individuels dans plusieurs microcircuits sur la même puce. Étant donné que la technique repose sur un outil d’imagerie relativement peu coûteux et commun, un microscope à force atomique (AFM), elle peut fournir une nouvelle façon de tester le câblage interconnecté des puces informatiques en usine.

Un AFM est doté d’une pointe ultra-tranchante attachée à un petit porte-à-faux qui vibre comme un plongeoir. Dans le mode de fonctionnement standard, les scientifiques appliquent une tension alternative (courant alternatif) à la pointe alors qu’elle balaye des fils individuels enfouis en parallèle à plusieurs micromètres (millionièmes de mètre) sous la surface d’une puce de silicium. La différence de tension entre la pointe et chaque fil génère une force électrique révélée par des changements de fréquence ou d’amplitude (hauteur) de la pointe vibrante. Une rupture ou un défaut dans un fil se manifestera par un changement brusque de la vibration de la pointe.

Cependant, cette méthode de recherche de défauts avec un AFM, connue sous le nom de microscopie à force électrostatique (EFM), présente un inconvénient. La vibration de la pointe est affectée non seulement par le champ électrique statique du fil étudié mais aussi par les tensions de tous les fils voisins. Ces signaux étrangers interfèrent avec la capacité d’imager clairement les défauts dans le fil subissant le balayage.

Les scientifiques du NIST Joseph Kopanski, Evgheni Strelcov et Lin You ont résolu le problème en appliquant des tensions alternatives spécifiques, fournies par un générateur externe, à des fils voisins individuels plutôt qu’à la pointe. Une tension alternative alterne entre des valeurs positives et négatives ; tracée dans le temps, la tension ressemble à une onde avec des pics et des vallées. En un seul cycle, la tension atteint sa tension positive maximale (la crête) puis tombe à sa tension négative la plus basse (la vallée).

Profitant de cette nature cyclique, les chercheurs ont appliqué la même tension alternative aux fils voisins qu’au fil en cours de balayage, avec une différence importante : les tensions aux voisins étaient exactement déphasées. Chaque fois que la tension au fil d’intérêt atteignait sa valeur la plus élevée, les tensions aux fils voisins étaient à leur plus bas.

Les tensions déphasées exerçaient des forces électrostatiques sur la pointe de l’AFM qui s’opposaient à la force exercée par le fil balayé. Ces forces dirigées de manière opposée se sont traduites en régions de contraste élevé sur une image AFM, ce qui facilite la distinction entre le signal et le fil d’intérêt.

À l’aide d’une puce de test comportant quatre paires de fils enfouis à 4 micromètres sous la surface, les scientifiques ont démontré que leur technique produisait des images claires et précises des défauts. Et en adaptant les tensions alternatives appliquées à chaque fil pour qu’elles aient des fréquences différentes, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient imager des défauts dans plusieurs fils adjacents en même temps.

Parce que la technique dépend d’une tension alternative appliquée à distance, aux fils plutôt qu’à l’AFM, les chercheurs ont surnommé la technique de microscopie à force électrostatique induite par la polarisation à distance.

“Appliquer une tension aux fils au lieu de la pointe AFM peut sembler une petite innovation, mais cela fait une grande différence”, a déclaré Kopanski. “La méthode ne nécessite pas de nouvel instrument et pourrait être facilement mise en œuvre par l’industrie des semi-conducteurs”, a-t-il ajouté.

D’autres techniques utilisées pour repérer les défauts, notamment les rayons X ou les champs magnétiques, sont également très précises mais nécessitent un équipement plus coûteux, a noté Strelcov.

Les chercheurs ont présenté leurs travaux le 3 novembre au 48e Symposium international sur les tests et l’analyse des défaillances à Pasadena, en Californie.