INFN: Bari – Firenze – PerugiaIIT (Istituto Italiano di Tecnologia – Genova)IMM (Istituto di Microelettronica e Microsistemi-Bologna)

CHIPSODIA(CHIP by Silicon On DIAmond)

• Finalità:– Realizzazione e caratterizzazione di dispositivi

SoD (Silicon on Diamond)

Premessa

Silicio:Elettronica integrata di readout “rad-hard”

Diamante: sensore + “heat spreader”

Motivazioni

• La tecnologia Silicon on Insulator (SOI) è utilizzata da alcuni anni nella componentistica elettronica (applicazioni militari e costosa)

• La ricerca è ora volta ad applicare il concetto SOI alla rivelazione di particelle

• Scopo dell’esperimento: combinare i vantaggi della tecnologia SOI

e le proprietà estreme del diamante: 1.tolleranza alla radiazione, 2.bassa costante dielettrica, 3.altissima resistività elettrica e 4.alta diffusività termica

• Si parte dai risultati ottenuti da RAPSODIA• Step 1: realizzazioni di giunzioni SOD (Si on

Diamond) con tecniche Laser e suo miglioramento

• Step 2: elettronica di readout integrata su un rivelatore con caratteristiche superiori per:– Dissipazione termica– Potenza dissipata– Radiation hardness

• Possibili applicazioni:– Innovativo rivelatore per HEP– Campo biomedicale

Obiettivi

Primo Anno

  1. studio e simulazione di architettura di Front-End per il readout di un rivelatore a Diamante a. studio dei parametri di accoppiamento tra il

Silicio per il readout e il rivelatore (ottimizzazione delle caratteristiche d'ingresso del FE)

2.Studio della tecnologia da utilizzare per il bonding b. apertura di VIA per contattare il sensore e il Front-End (tecnica TSV Through Silicon Via)c. Thinning, metalizzazioni e saldatura 

Milestones della linea di ricerca proposta (3 anni)

2 anno• realizzazione di un prototipo di ASIC in

tecnologia CMOS DSM • misure sotto fascio delle prestazioni del

sistema integrato ASIC su Si e rivelatore al Diamante

• Studio del danno da irraggiamento3 anno

• Sottomissione seconda release del sistema integrato FE su Si accoppiato al rivelatore

• Proposta di spin-off

Milestones della linea di ricerca proposta (3 anni)

Sensori a diamante CVD (vantaggi)• Basso rumore serie: costante dielettrica relativa

er=5.7 (meno di metà di quella del silicio). • Correnti di perdita ininfluenti: ~1 pA/cm2

(diminuiscono con l’irraggiamento)• Tolleranza da radiazione maggiore di qualunque altro

materiale (il segnale scende a 1/e dopo 1.25 1016/cm2)• Lunghezza di radiazione 12.2 cm contro 9.4 cm

del silicio • Opera a basse tensioni e a temperatura ambiente

anche dopo alti irraggiamenti: per un campo applicato di 1 V/μm la velocità dei portatori è maggiore di 107 cm/s (3.8 ×106 cm/s per il silicio)Pixel detectors realizzati e caratterizzati con esito positivo al CERN (RD42 Collaboration)

• Bump bonding process• Pixel metalization on

diamond

Tecniche di integrazione (Bump-Bonding):

• Metallization fine, but not 100% OK

• Some dead pixels due to metallization problems

• missing bumps• dead electronics• Dead pixels

affect efficiency

Problemi connessi al “bump bonding” classico

Sensore:Diamante policristallino CVD (pcCVD) Diamante monocristallino (scCVD)Collaborazione RD42Pixel detector di ATLASpcCVD diametro wafer > 12 cmpcCVD spessore wafer > 2 mmscCVD diametro wafer 14 mmscCVD spessore wafer > 1 mm

Realizzazione di moduli a pixel con diamante

• Altre tecniche usate per saldare Si e Dia:– Deposito di diamante su Si mediante tecniche

CVD– Riscaldamento ad alta temperatura + alte

pressioni Entrambe presentano inconvenienti

Tecnologie alternative di bonding

Zona non saldata

Zona saldata

fratture

Deposito di grani impoverisconola qualità del diamante in superficie

che risulta essere inferiore rispetto al diamante monocristallino

HPHT method

CVD method (CH4 + H2)

Confronti di caratteristiche:

Diamanti scCVD raccolgono in media molta più caricaRaccolta a bassi valori di campo elettrico applicato e indipendente da esso

Realizzazione di moduli a pixel con diamante

13

SOI e sensori di radiazione

L’idea:

Integrazione del pixel detector e della elettronica di readout nel Silicon On Insulator wafer-bonded

Detector handle wafer Highly resistive

(> 4 kcm,FZ) 300 m thick Conventional p+-n DC-coupled

Electronics active layer Low resistive

(9-13 cm, CZ) 1.5 m thick Standard CMOS

technology

VDET

VSS

VDD

IN

RES

N_ROW_SEL

ROW_SEL

COL

Jastrzab et al., “Prototypes of large-scale SOI monolithic active pixel sensors”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 560 (2006) 31–35.

n-well

NMOS

p-well

n-substrate

p-implant

via PMOS

n-well

NMOS

p-well

intrinsic

via PMOS

SOD – traditional motivations

*M.Jastrzab et al. Nuclear Inst. And Meth. 560 (2006) 31-35

**hep.fi.infn.it/RAPSODIA

Il tentativo: trasferire la tecnologia del Monolithic Active Pixel Sensor (MAPS) dalla tecnologia SOI* alla SOD**, per sfruttare le migliori performance del Diamante come rivelatore:

-Radiation hardness (high-energy physics)

-Bio-compatibilità con tessuti (clinic dosimetry)

RAPSODIA – Radiation Active Pixel Silicon On DIAmond

* “Laser-Driven fabrication of Silicon-On-Diamond Material” S.Lagomarsino, G.Parrini, S.Sciortino et al. Submitted to Nature Materials

L’esperimento RAPSODIA (Radiaton Active Pixel Silicon On DIAmond) (2006-2009)* impiega una tecnica totalmente differente come metodo di bonding che migliora i risultati ottenuti con le tecniche precedenti:

-Consente di lasciare inalterate durante la fase di incollaggio le proprietà dei materiali (come la tecnica HPHT e meglio della CVD)

-Elimina gli stress meccanici restituendo superfici uniformi (come la CVD, e diversamente dalla HPHT)

SEM analysis

20 µm

Buona uniformità fino a 1 m

RAPSODIA – Radiation Active Pixel Silicon On DIAmond

300µm

•Trasparenza del Diamante per > 225 nm•Opacità del Silicio•Impulsi laser con > 355 nm, da 20 ps e P20mJ•Pressioni da ~800 atm•Ricristallizzazione con interfaccia di SiC e Si amorfo (100nm)•Limite di rottura e taglio ~ 5 Mpa•Saldatura resiste fino ~1000 °C•Possibilità di scegliere spessori del Diamante da:

•20 m (dissipatore termico)•a 200 m (sensore)•Idem per Si (da 50 m in su)

Come proseguire?

Problematiche da affrontare

Problematiche aperte

20

Pixel su SOD (caso detector per applicazioni HEP) D-SOD

• Tecnologia non convenzionale. Diamante in presenza di ossigeno con T > 600°C vaporizza: deve essere protetto.

p

Hi Voltage

VDD

n-silicon

diamond diamond

n+

reset

n+ n+

p

p+

Contatti ohmici

Come realizzarla? L’idea è di usare quanto esiste già

di commerciale per la tecnica 3D per la costruzione dell’ASIC

… e utilizzarla per il circuito di readout del rivelatore

Tecnica di integrazione 3-D (caso Vertical Integration)

• Costruzione del circuito integrato (preferito processo SoI per isolamento e precisione nell’etching)

• Uso di strati di ossidi profondi (Box) tra wafer

• Rimozione di strati di metallo (thinning)

• Inserimento di VIAs dopo il bonding e il thinning

Caso bio-medicale (B-SOD)

L’idea…

Prospettive : SOD come interfaccia neurale

Silicon-On-Diamond technology provides a realistic platform for integrating a 3D-matrix of sensor and processing electronics with neural tissue

PixelDetection and signal formation electronics

Via

laser graphitised column

H-terminated diamond surfaces

Pitch ~ 30 m

Diamond 100-500m

1-5m

Silicon 1-100 m

Thickness:

Micro-machining of diamond electrodes

Diamond

Silicon

Several groups are working, at present, on in vivo implantation of MEAs-based neural interfaces*

e.g. retinal interfaces: implemented 60 ME (2008), foreseen 200.

Collection and first elaboration of signal outside the body, then send to a receiver in the eye

* David D. Zhou and Robert J. Greenberg, Frontiers in Bioscience 10, 166-179, January 1, 2005

Perspectives: SOD for neural interfaces?

• 2010:– Studio e risoluzione dei problemi tecnologici di

accoppiamento tra ASIC commerciali e rivelatore– Simulazioni circuito di readout del pixel-detector

• 2011 – Realizzazione dell’ASIC di readout con la

tecnologia scelta– Accoppiamento Si-Dia e test di laboratorio

• 2012– Test e misure sotto fascio dell’SOD detector

(convalida progetto) per HEP detector– Eventuale spin-off per applicazioni bio-medicali

Programma della Sezione di Bari nella collaborazione

La collaborazione, le competenze

BA X

• M.I. per meeting di collaborazione

4 Keuro• M.E. per contatti

ditte 5 keuro• Consumo

(acquisizione licenze Design Kit) 10 Keuro

• Il personale:• A. Ranieri (resp.)

40%• F. Loddo

20%• F. Corsi (PoliBa)

20%• C. Marzocca

30%

Richieste finanziarie Bari (2010) e personale

spare

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Realizzazione SOD (1)• Sono stati recentemente fabbricati SOD

con crescita eteroepitassiale (highly oriented diamond, HOD) di diamante su silicio, e capovolgendo il materiale

Il substrato diventa lo strato di silicio del SODLo heat-spreader (diamante) viene saldato allo heat sink (rame)

Aleksov et al. Silicon-on-diamond: An advanced silicon-on-insulator technology, Diamond & Related Materials 14 (2005) 308– 313

32

SOD:Wafer Bonding

• Il diamante di alta qualità può essere saldato al silicio per diffusione ad una pressione di 300 atm e a una temperatura di 950 C

G.N. Yushin et al. Wafer bonding of highly oriented diamond to silicon, Diamond & Related Materials 13 (2004) 1816–1821