揭示芯片设计的x射线技术

当你烘焙的时候蛋糕，很难知道里面什么时候是你想要的状态。对于微电子芯片来说也是如此，但风险要高得多:工程师如何确认内部的东西真正满足了设计师的意图?半导体设计公司如何判断其知识产权是否被盗?更令人担忧的是，人们怎么能确定没有秘密地插入终止开关或其他硬件木马呢?

如今，这种探测是通过磨掉芯片的每一层，并用电子显微镜进行检查来完成的。这种方法进展缓慢，当然也具有破坏性，很难让任何人满意。

我们中的一个(Levi)研究半导体，另一个(Aeppli)研究x射线。所以，在思考了这个问题之后，我们考虑使用x射线对芯片进行无损成像。你需要超越医用x射线扫描仪的分辨率。但我们很清楚，所需的解决办法是可能的。就在那一刻，我们所谓的“芯片扫描”项目诞生了。

我们的第一项技术，x射线计算机断层扫描技术，首先在22纳米英特尔处理器的一部分上进行了测试，构建了芯片互连的详细3D图像。SLS-USC芯片扫描团队

几年后，我们已经可以在不破坏最先进和最复杂的处理器的情况下映射整个互连结构。目前，这一过程需要一天以上的时间，但未来几年的改进应该能够在几个小时内完成整个芯片的映射。

这种技术被称为x射线照相技术，需要使用世界上最强大的x射线光源。但是，这些设施中的大多数都很方便地位于许多先进芯片设计的地方附近。因此，随着这种技术的普及，任何缺陷、失败或恶魔般的诡计都无法隐藏。

在决定在采用这种方法时，我们的首要任务是确定最先进的x射线技术可以做什么。这是在瑞士的Paul Scherrer研究所(PSI)完成的，我们中的一个(Aeppli)在那里工作。PSI是瑞士光源(SLS)同步加速器的所在地，它是迄今为止建造的15个最明亮的相干x射线源之一。

相干x射线与医疗或牙科诊所使用的x射线不同，就像激光笔发出的高度准直光束与白炽灯向各个方向发射的光不同一样。SLS和类似的设备通过首先将电子加速到几乎光速来产生高度相干的x射线光子束。然后，磁场使这些电子偏转，从而产生所需的x射线。

为了了解我们可以用SLS做什么，我们的多学科团队从当地商店以大约50美元的价格购买了英特尔奔腾G3260处理器，并拆除了包装以暴露硅。(该CPU使用22纳米CMOS FinFET技术制造)。

通过x射线扫描重建的英特尔22纳米处理器的顶层。SLS-USC芯片扫描小组

与所有此类芯片一样，G3260的晶体管是由硅制成的，但将它们连接起来形成电路的是金属互连的排列方式。在现代处理器中，相互连接超过15层，从上面看就像城市街道网格的地图。更靠近硅的下层具有令人难以置信的精细特征，在当今最先进的芯片中，它们之间的间隔仅为纳米。当你沿着互连层往上走，特征就会变得越来越稀疏，越来越大，直到你到达顶部，那里的电接触垫将芯片与封装连接起来。

我们从G3260上切割出一个10微米宽的圆柱体开始我们的检查。我们不得不采取这个破坏性的步骤，因为它大大简化了事情。10微米不到SLS光子穿透深度的一半，所以有了这么小的东西，我们就能探测到足够多的光子穿过柱子来确定里面是什么。

我们把样品放在机械台上，让它绕着圆柱轴旋转，然后发射一束相干x射线穿过样品的侧面。当样品旋转时，我们用重叠的2微米宽的斑点图案照亮它。

在每个被照亮的点上，相干x射线在穿过芯片曲折的铜互连塔时发生衍射，将一个图案投射到探测器上，该探测器被存储起来以供后续处理。记录下来的投影包含了足够的关于x射线穿过的物质的信息，可以确定三维结构。这种方法称为ptychographic x射线计算机断层扫描(PXCT)。照相术是一种计算过程，通过光的干涉图案产生物体的图像。

基本原则PXCT后面的结构相对简单，类似于光通过狭缝的衍射。你可能还记得在物理入门课上，如果你将一束相干光束通过狭缝照射到远处的平面上，实验就会产生所谓的夫琅和费衍射图样。这是一种由明暗条纹或条纹组成的图案，其间距与光的波长除以狭缝宽度的比例成正比。

如果你把光照射在一对距离很近的物体上，而不是通过一个狭缝，它们小到实际上是点，你会得到一个不同的图案。物体在光束中的位置无关紧要。只要它们之间保持相同的距离，你可以移动它们，你会得到相同的图案。

单凭这两种现象，你都无法重构微芯片中错综复杂的互连结构。但如果你把它们结合起来，你就会开始看到它是如何工作的。把这对物品放进狭缝里。由此产生的干涉图案是由狭缝和物体的组合衍射得来的，揭示了关于狭缝的宽度、物体之间的距离以及物体和狭缝的相对位置的信息。如果你稍微移动这两点，干涉图案就会改变。正是这个位移让你可以计算出物体在狭缝内的确切位置。

任何真实的样本都可以被看作是一组点状物体，这些点状物体会产生复杂的x射线散射模式。这样的模式可以用来推断这些点状物体是如何在二维空间中排列的。这个原理可以通过旋转光束内的样品来绘制三维图像，这个过程被称为层析重建。

您需要确保您收集了足够的数据来以所需的分辨率映射结构。分辨率由x射线波长、探测器大小和其他一些参数决定。对于我们使用SLS进行的初始测量，它使用0.21 nm波长的x射线，探测器必须放置在距离样品约7米的地方，以达到我们的目标分辨率13 nm。

2017年3月，我们通过发布英特尔奔腾G3260处理器中铜互连的一些非常漂亮的3D图像，演示了PXCT用于集成电路的无损成像。这些图像揭示了这个CMOS集成电路中电子互连的三维特征和复杂性。但他们也捕捉到了一些有趣的细节，比如层与层之间金属连接的缺陷，以及铜与周围二氧化硅介电之间的粗糙度。

仅从这个原理证明演示来看，很明显，该技术在故障分析、设计验证和质量控制方面具有潜力。因此，我们使用PXCT来探测由其他公司技术制造的芯片切割而成的类似尺寸的圆柱体。由此产生的3D重建中的细节就像ic独有的指纹，也揭示了用于制造芯片的制造过程的许多信息。

我们受到了鼓励靠我们早期的成功。但我们知道我们可以做得更好，通过建造一种新型x射线显微镜，并提出更有效的方法，利用芯片设计和制造信息来改善图像重建。我们称这种新技术为PyXL，是x射线照相术的简称。

首先要处理的是，当x射线穿透深度只有30微米左右时，如何扫描整个10毫米宽的芯片。我们解决这个问题的方法是首先将芯片倾斜成一个相对于光束的角度。接下来，我们围绕垂直于芯片平面的轴旋转样品。与此同时，我们也将它横向移动，栅格样式。这使得我们可以用光束扫描芯片的所有部分。

在这个过程中的每一个时刻，x射线通过芯片被IC内部的材料散射，形成衍射图案。与PXCT一样，来自重叠照明点的衍射图样包含x射线经过的多余信息。然后，成像算法推断出与所有测量衍射模式最一致的结构。根据这些数据，我们可以三维重建整个芯片的内部结构。

不用说，在开发一种新型显微镜时，有很多需要担心的问题。它必须有一个稳定的机械设计，包括精确的运动阶段和位置测量。它必须详细记录光束如何照亮芯片上的每个点以及随后的衍射模式。为这些问题和其他问题找到切实可行的解决方案需要一个由14名工程师和物理学家组成的团队的努力。PyXL的几何结构还要求开发新的算法来解释收集到的数据。这是一项艰苦的工作，但到2018年底，我们已经成功探测了16纳米ic，并于2019年10月发表了结果。

如今最先进的处理器之间的互连距离只有30纳米，而我们的技术至少在原理上可以产生小于2纳米的结构图像。

在这些实验中，我们能够使用PyXL虚拟地剥离每一层互连，以揭示它们形成的电路。作为早期测试，我们在设计文件中插入了一个小缺陷，用于最靠近硅的互连层。当我们将这个版本的层与芯片的PyXL重建进行比较时，缺陷立即显现出来。

原则上，a我们只需要几天的工作，就可以使用PyXL获得有关在最先进的设施中制造的IC的完整性的有意义的信息。如今最先进的处理器之间的互连距离只有几十纳米，而我们的技术至少在原理上可以产生小于2纳米的结构图像。

但是提高分辨率需要更长的时间。尽管我们制造的硬件能够以最高分辨率完全扫描1.2 × 1.2厘米的区域，但这样做是不切实际的。将时间放大到你感兴趣的领域会是更好的利用方式。在我们最初的实验中，对一个边长为0.3毫米的芯片正方形部分进行低分辨率(500纳米)扫描需要30个小时。高分辨率(19纳米)扫描芯片的一小部分，只有40 μm宽，花了60个小时。

成像速率基本上受到我们在SLS上可用的x射线通量的限制。但其他设施拥有更高的x射线通量，并且正在研究提高x射线源“亮度”的方法，这是由产生的光子数量、光束面积和传播速度综合而成的。例如，瑞典隆德的MAX IV实验室开创了一种将其亮度提高两个数量级的方法。新的x射线光学技术可以进一步提高一到两个数量级。综合这些改进，总通量总有一天会增加1万倍。

有了更高的通量，我们应该能够在比现在获得19纳米分辨率更短的时间内实现2纳米的分辨率。我们的系统还可以在不到30小时内以250纳米分辨率测量一个1平方厘米的集成电路(大约是苹果M1处理器的大小)。

还有其他提高成像速度和分辨率的方法，比如更好地稳定探测光束，改进我们的算法，以考虑ic的设计规则以及过多x射线曝光可能导致的变形。

尽管我们可以我们已经从集成电路的互连布局中了解了很多，随着进一步的改进，我们应该能够发现关于它的一切，包括它的材料。对于16纳米技术节点，包括铜、铝、钨和称为硅化物的化合物。我们甚至可以对硅晶格的应变进行局部测量，这种应变来自制造尖端设备所需的多层制造工艺。

既然铜互连技术已接近极限，识别材料可能变得尤为重要。在当代CMOS电路中，铜互连很容易受到电迁移的影响，电流会使铜原子偏离方向，导致结构中的空洞。为了解决这一问题，互连层被包裹在屏障材料中。但是这些护套太厚了，几乎没有留给铜的空间，使得互连的电阻太大。因此，人们正在探索钴和钌等替代材料。由于所讨论的互连是如此精细，我们需要达到10纳米以下的分辨率才能区分它们。

我们有理由相信我们会成功。将PXCT和PyXL应用于硬件和湿件(大脑)的“连接体”是世界各地的研究人员为支持建造新的和升级的x射线源而提出的关键论点之一。与此同时，我们在加州和瑞士的实验室继续工作，以开发更好的硬件和软件。因此，在不久的将来，如果您对自己的新CPU感到怀疑，或者对竞争对手的CPU感到好奇，您可以对其内部工作原理进行一次飞行旅行，以确保一切都在正确的位置。

SLS-USC芯片扫描团队包括Mirko Holler, Michal Odstrcil, Manuel Guizar-Sicairos, Maxime Lebugle, Elisabeth Müller, Simone Finizio, Gemma Tinti, Christian David, Joshua Zusman, Walter Unglaub, Oliver Bunk, Jörg Raabe, A. F. J. Levi和Gabriel Aeppli。

本文以“the Naked Chip”为题发表在2022年5月的印刷版上。