Microelectronic device performance depends critically on charge carrier transport, which is tightly linked to crystal lattice strain. Even a fraction of a percent variation in atomic plane spacing can enable processors that are faster and more energy-efficient. At CEA-Leti, researchers have spent years developing methods to measure these local, quantitative deformations at the heart of devices.

The institute now offers chipmakers a strain mapping service using precession electron diffraction (PED) in transmission electron microscopy (TEM). In conventional electron diffraction, a fixed beam angle often produces complex patterns due to multiple scattering. PED solves this by rotating the beam in a conical scan, recording diffraction patterns at dozens of orientations, yielding cleaner data that can be converted into strain maps.

The process begins with focused ion beam milling to prepare ultra-thin cross-sectional lamellae, roughly 80 nm thick. The sample is inserted into a TEM equipped with a PED module, where scanning diffraction measures the local lattice parameter. The technique delivers strain maps with 1 nm spatial resolution and approximately 0.02% precision, positioning CEA-Leti among global leaders in nanoscale metrology. The workflow has been simplified and accelerated to increase throughput and better exploit existing instrument capacity, resulting in shorter characterization turnaround times. Three TEMs are now outfitted for PED measurements, enabling higher sample volumes and broader access for qualified microscopists.

Nicolas Bernier emphasizes that the project was made possible by the combined expertise of the nanocharacterization platform team. This partnership between fundamental and technological research transformed an experimental methodology into a practical, routine characterization service.

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​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​Les performances des dispositifs avancés de microélectronique dépendent notamment des propriétés de transport des charges électriques. Ce transport est fortement lié aux déformations du réseau cristallin. C'est l'ingénierie des contraintes, qui permet d'améliorer le transport des charges électriques. Même une variation de l'ordre d'une fraction d'un pour cent de l'espacement des plans cristallins, peut se traduire par des processeurs plus rapides et plus économes en énergie.​​​ ​

C'est pourquoi au CEA-Leti, nous avons travaillé ces dernières années la mesure locale et quantitative de ces déformations dans les matériaux, au cœur des dispositifs.​​

Le service de cartographie des contraintes utilise la microscopie électronique à transmission pour réaliser une diffraction électronique en précession (PED pourprecession electron diffraction). En diffraction électronique classique, le faisceau interagit avec le cristal selon un angle fixe, produisant souvent des motifs complexes en raison de la diffusion multiple. La PED résout ce problème en faisant tourner le faisceau selon un balayage conique, enregistrant ainsi chaque motif de diffraction sous des dizaines d'orientations différentes. Il en résulte des données de diffraction de meilleure qualité qui peuvent être converties en cartographies de déformations.​

Le processus commence par la préparation d'échantillons en lamelles ultrafines - des coupes transversales d'une puce d'environ 80 nm d'épaisseur - par une technique d'usinage ionique focalisée.

Une fois l'échantillon prêt, il est inséré dans un TEM équipé d'un module PED. La diffraction par balayage permet au laboratoire de mesurer localement le paramètre de maille du réseau cristallin.

Cette technique par cartographies de déformations avec une résolution spatiale de 1 nm et une précision d'environ 0,02 %, ce qui place le CEA-Leti parmi les leaders mondiaux de la métrologie à l'échelle nanométrique.

La technique a été simplifiée et accélérée afin d'augmenter le débit et de mieux exploiter les instruments disponibles sur nos plateformes technologiques. Il en résulte un délai d'exécution plus court pour les demandes de caractérisation.

Trois de nos microscopes électroniques à transmission (TEM) sont équipés pour effectuer des mesures PED, ce qui permet au CEA-Leti de traiter un plus grand volume d'échantillons et de rendre le service accessible à davantage de microscopistes qualifiés.

Ce projet n'a pas été mené en vase clos. Nicolas Bernier souligne que c'est l'expertise combinée des membres de l'équipe de la plateforme de nanocaractérisation du CEA qui l'a rendu possible :

Ce partenariat entre la recherche fondamentale et technologique a permis de transformer une méthodologie expérimentale en un service de caractérisation pratique et courant.