Le bruit de la ventilation oblige Stéphane Moreau à forcer la voix dans cette pièce aveugle du CEA-Leti, à Grenoble. L’ingénieur de recherche spécialiste des interconnexions des puces 3D présente quelques-unes des machines qu’il utilise au quotidien pour torturer les circuits sophistiqués que fabriquent ses collègues en salle blanche. Son travail s’inscrit dans la mission plus globale du laboratoire de caractérisation et fiabilité des composants, qui s’étend sur plusieurs étages de ce bâtiment entouré de montagnes.
« L’objectif est d’évaluer la fiabilité, c’est-à-dire de garantir le bon fonctionnement du produit dans des conditions données pendant une durée donnée », explique-t-il. Pour simuler des durées de vie réelles de composants microélectroniques, la méthode classique du laboratoire consiste à générer un vieillissement accéléré en soumettant les puces à des conditions extrêmes et à observer ensuite les dégâts causés.
Matériaux stressés à l’extrême
D’imposants fours infligent sans relâche d’éprouvants cycles thermiques à des puces coincées sur leur galette de silicium. Le plus gros dispose d’un ascenseur interne capable de plonger le wafer surchauffé dans une chambre froide pour créer un choc thermique. Sur une table à côté s’étale un assemblage de pièces métalliques et de positionneurs de précision entourant un support circulaire sous un microscope. Cette station sous pointes permet de réaliser des mesures électriques sur des échantillons portés à une température allant jusqu’à 1 000 °C.
Des étuves climatiques encombrent la seconde pièce, alliant température et humidité pour pousser encore plus les composants dans leurs retranchements. « Comme une cocotte-minute qui corroderait le cuivre », s’amuse Stéphane Moreau. Idéal pour éprouver les contacts cuivre-cuivre du collage direct des puces qui sont au cœur des technologies 3D développées par le CEA.
Vieillissement accéléré
Alignés le long d’un mur, des bancs de test à l’allure d’armoires électriques. Chacun renferme des dizaines de supports en céramique accueillant un composant à tester. Soumises à une haute température, jusqu’à 350 °C, et à un fort courant électrique pendant des centaines, voire des milliers d’heures, les puces sont le siège d’un phénomène indésirable bien connu de la microélectronique : l’électromigration, soit le déplacement d’atomes induit par le flux de courant traversant le matériau.
« Imaginez une bande de sable sur laquelle vous passeriez encore et encore. Au fur et à mesure, les grains seraient déportés sur les côtés », illustre Stéphane Moreau. Si un nombre trop élevé d’atomes de cuivre d’une connexion se déplace ainsi, celle-ci s’amincit localement jusqu’à s’interrompre : le courant ne passe plus. « Ce phénomène n’est pas plus critique pour les puces 3D que pour les autres types de puces, mais plus nos interconnexions sont petites pour le même courant, plus on risque de réduire la fiabilité », commente l’ingénieur.
Une fois les matériaux stressés, encore faut-il pouvoir observer de près les éventuelles dégradations des puces. « En ce qui concerne les technologies 3D, on ne peut pas se contenter de regarder en surface avec un microscope classique. Nous devons pouvoir observer en profondeur les matériaux. » Le microscope à infrarouge est bien utile. Dans ces longueurs d’onde, le silicium devient invisible, laissant voir les circuits et connexions en dessous, notamment les « vias », ces microcylindres de cuivre verticaux connectant des couches distinctes.
Plaçant une puce sous l’objectif du microscope, Stéphane Moreau navigue le long de l’échantillon. Il s’arrête devant une piste à la forme particulière, semblable à une éolienne. « C’est une structure de test pour disperser la chaleur émise par le via traversant au centre qui relie deux couches entre elles. » La vision en infrarouge ne donne cependant qu’une impression qualitative des matériaux et ne permet pas de discerner ce qui se cache sous les composants métalliques.
Trouver l’origine des défauts
En complément, une caméra thermique est utilisée. La puce est placée dans une station sous pointes et soumise à un courant électrique. Si un endroit du circuit a subi une dégradation, une surtension locale apparaît avec un dégagement de chaleur par effet Joule. C’est cet échauffement local que Stéphane Moreau observe. « Aux endroits où il y a un problème, on peut voir des variations de quelques millikelvins qui apparaissent à l’image, comme des taches de couleur. »
Toutefois, le travail n’est pas fini lorsque les défauts sont localisés. Pour comprendre l’origine du problème, les ingénieurs du CEA doivent observer les entrailles de leurs puces à une échelle bien plus petite. Ce travail se déroule dans la plateforme de nanocaractérisation dirigée par Narciso Gambacorti. Dans une salle à la lumière tamisée, remplie d’imposants équipements, ce dernier explique le processus à l’œuvre dans la machine pilotée par deux ingénieurs, les yeux rivés sur des écrans.
Grâce à un faisceau d’ions focalisé, véritable scalpel à l’échelle micrométrique, de fines tranches de 100 micromètres de profondeur et 100 micromètres de largeur sont creusées les unes après les autres dans les puces. Un autre faisceau d’ions dirigé à 50° d’incidence vient imager le côté de la tranchée ainsi créée, guidant les opérateurs jusqu’à la zone précise du défaut qui pourra être caractérisé. Narciso Gambacorti espère avoir bientôt une nouvelle machine combinant deux faisceaux : l’un d’ions pour creuser efficacement, l’autre d’électrons pour produire des images à la résolution nanométrique de l’intérieur des puces. La 3D mérite bien ces égards.
