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Presentazione nuovi progetti Gr. V Trento - 2009
Gian-Franco Dalla BettaDISI, Universitá di TrentoINFN – Padova, Gruppo Collegato di TrentoTel.: 0461883904, e-mail: [email protected]
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Proposte nuovi progetti 2009Proposte nuovi progetti 2009Sigla Titolo Anni Sezioni
partecipanti
Coordinatore
nazionale
TRIDEAS
(*)
Development and optimization of silicon detectors with 3-D Electrodes and Active edgeS
2009-2011 BA, TN, TS-dot.
(+ FBK-irst)
Gian-Franco
Dalla Betta
(Trento)
VIPIX
(#)
Vertically Integrated PIXels)
2009-2011 BO, PG, PI, PV,
Roma III, TN, TO,
TS (+FBK-irst)
Valerio Re
(Pavia)
(*)(*) Evoluzione del progetto Evoluzione del progetto TREDITREDI (2005-2008) (2005-2008)
(#)(#) Evoluzione di precedenti progetti INFN inerenti i MAPS CMOS Evoluzione di precedenti progetti INFN inerenti i MAPS CMOS (Gr.5: (Gr.5: SLIM5SLIM5, SHARPS, DIGIMAPS; Gr.1: P-ILC) , SHARPS, DIGIMAPS; Gr.1: P-ILC)
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Colonne n+ e p+ non passanti, su facce opposte Processo quasi single-sidedsemplice, resa elevata
TREDI: rivelatori 3D
Colonne n+ e p+ passanti
Processo double-sided
Un lotto in fabbricazione nel 2008
Doppia colonna (=> migliore controllo dei campi elettrici e della raccolta di carica)
Processo “semplificato” (punto di partenza per lo sviluppo della tecnologia e delle metodologie di test) Colonne di singolo tipo (n+) su substrati p Colonne non passanti
• Processi 3D-DTC (Double Type Column)
• Processo iniziale 3D-STC (Single Type Column), 2 lotti fabbricati
Due lotti fabbricati 2006-07, un terzo in fabbricazione
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Lotto 3D-DTC-Lotto 3D-DTC-11
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0 20 40 60 80 100
Vrev [V]
Idio
de
[n
A]
stc2 stc3
dtc2 dtc3
3Ddtc1 - Wafer#861
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
0 1 2 3 4Vrev [V]
Cd
iod
e [
pF
]
stc100
dtc100
stc80
dtc80
CV-diode - W861
undepleted Si
80 m pitch, 400 columns
100 m pitch, 256 columns
STC DTC
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Progetti TN gr.V 2009
Caratterizzazione funzionale 3D-DTC-1Caratterizzazione funzionale 3D-DTC-1
Bias Voltage [V]
Eff
icie
ncy
[%
]
Bias Voltage [V]
Co
llect
ed C
har
ge
[fC
]
source setup IR laser setup
ATLAS SCT binary read-out, 40MHz, 20ns
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Progetti TN gr.V 2009
Finalmente acquisita e operativa l’attrezzatura di Deep Reactive Ion Etching (DRIE)
In corso un riciclo di fabbricazione 3D-DTC (atteso per set. 2008)
In fase di progetto/layout un nuovo lotto 3D con colonne passanti, fab.da completarsi entro dic. 2008
Completamento dei lotti previstidal programma TREDI entro
marzo 2009: rivelatori planari con bordo attivo
Status FBK-irstStatus FBK-irst
depth 210µm
diam.~10µm
surface
depth 210µm
diam.~10µm
depth 210µm
diam.~10µm
surface
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
TRIDEATRIDEASSObiettivo generale: Sviluppare ulteriormente ed ottimizzare
(sia a livello tecnologico che progettuale) rivelatori 3D con bordo attivo, orientati ad applicazioni in sLHC.
Durata: 3 anniSezioni coinvolte: Padova(Trento), Bari, Trieste (dotaz.)Supporto esterno: INFN Genova, 3D-ATLAS Collab.
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Progetti TN gr.V 2009
Tecnologia e progettoTecnologia e progetto
support wafer oxide
p n
p
n
support wafer oxide
p n
p
n Attacchi DRIE Bordo attivo: richiede wafer
di supporto e rimozione dellostesso alla fine tramite CMP
Resa di processo Ottimizzazione layout celle base: segnale vs rumore (cap) Sinergia con sviluppo chip di front-end
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Progetti TN gr.V 2009
Programma generaleProgramma generale
Completare caratterizzazione lotti TREDI Design e fabbricazione di un lotto di sviluppo
(entro 2009) e di un lotto di ottimizzazione
(entro 2010) Caratterizzazione elettrica e funzionale (laser e
sorgenti radioattive) estensiva,compresi effetti
del danno da radiazione (neutroni, protoni, X) Partecipazione a beam test CERN con rivelatori
a pixel 3D (2010 e 2011)
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Progetti TN gr.V 2009
Piano attività TN 2009Piano attività TN 2009 Completamento e caratterizzazione ultimi lotti
TREDI (colonne passanti e planare bordo attivo)entro 06/2009.
- misure elettriche su fetta (IV, CV, etc.)- caratterizzazione IR laser e con sorgenti
Simulazione TCAD e progetto rivelatori 3D con bordo attivo (09/09)
FBK-irst: Fabbricazione primo lotto 3D con bordo attivo (12/09)
Test di irraggiamento lotti esistenti (12/09)
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
PREAMPL
SHAPER
DISC LATCHPREAMPL
SHAPER
DISC LATCH
SLIM5: Thin TrackerSLIM5: Thin TrackerObiettivo:Sviluppo di rivelatori di silicio sottili a pixel e strisce con
capacita' di trigger per tracciatura di particelle cariche.Tecnologie:- Monolithic Active Pixel Sensors
(MAPS, CMOS deep n-well)- rivelatori a microstriscia
in silicio sottile
Programma svolto regolarmente, ottimi risultati, beam test finale presso CERN, settembre 2008
Ruolo Trento: WP2, rivelatori a microstriscia sottili (ed inoltre studio rivelatori basati su BJT per applicazioni ambientali)
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Rivelatori a striplets doppia faccia
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 20 40 60 80 100
Vrev [V]
Ide
t [n
A]
S1S2topS2botS1babyS2babyS2babybot
SLIM-DF - Wafer#5
Active area = 60x12.9 mm2
Angle ±45°, read-out strip pitch 50 m, strip width 15 m
1018 strips (666 full length strips) AC-coupling with metal electrode (no poly) Poly Rbias: ~ 1.5 Mwith metal BL) Back side isolation with atholl p-stops
Processing at FBK-irst:substrate FZ, n-type <100>, 200-m thick, >6k cm
Vdepl~10V, Ileak~100pA/strip@FD
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Rivelatori a BJT per (Radon)
Test con LED Linearitá Accuratezza
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
VIPIXVIPIX
Opto Electronicsand/ or Voltage Regulation
Digital Layer
Analog Layer
Sensor Layer
Physicist’s Dream
50 um
Power I n
Optical I n Optical Out
Obiettivo generale: Sviluppo di sistemi a pixel per tracciatori sottili di particelle
cariche basati su tecnologie di integrazione verticale (VSI)
Durata: 3 anni. Anno 2009: ~18 FTE, ~270kEuroSezioni coinvolte: BO, PD(TN), PI, PV, TO,TS (da SLIM5),
PG (da SHARPS), RM3 (da DIGIMAPS). 3 WP (Sensori e front-end, Trigger/DAQ, Integr.-Meccanica-Beam Test)
Diode
Analog readoutcircuitry
Diode
Analog readoutcircuitry
Diode
Analog readoutcircuitry
Diode
Analog readoutcircuitry
Pixel control, CDS,A/ D conversion
Conventional MAPS 4 Pixel Layout 3D 4 Pixel Layout
Sensor
Analog
Digital
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Integrazione verticaleIntegrazione verticale
A BBA
A BBA
Top Waf er
BottomWaf er
A BBA
FlipHorz.
Note: top and bottomwaf ers are identical.
Typical f rame
NMOS
PMOS Standard CMOS
Handle for CMOS
Deep N-well structure
NMOS PMOS
Buried N-type layer
P-well
Standard N-well
P-substrate
Cu for wafer bond to 3rd layer
12um
Tezzaron-Chartered 3D process, CMOS 130nm
(face to face wafer bonding)
MPW service, 500 Euro/mm2 (3D)
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Approcci tecnologiciApprocci tecnologici1) Integrazione verticale fra 2 layer di cui uno contiene un dispositivo MAPS e il front-end analogico, e il secondo il readout digitale ( pitch ridotto, 100% fill factor, migliore S/N a paritá di potenza dissipata grazie alle ridotte capacitá parassite, riduzione delle interferenze tra sezione digitale e sezione analogica, maggiori funzionalitá su pixel, ...)
2) Pixel ibridi in VSI: sensore a pixel ad alta resistività completamente svuotato abbinato a chip di lettura CMOS su due layer (analogico-digitale) ( si sfruttano pienamente le migliori caratteristiche di un rivelatore svuotato rispetto ai MAPS in termini di ampiezza e velocitá segnali, resistenza alla radiazione, capacitá elettrodo di raccolta)
Due possibili strategie:
2a. Integrazione verticale (piú interessante ma problematica)
2b. Bump-bonding (detector meno sottile, ma pitch ~ 50 m)
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Outline programma (WP1)Outline programma (WP1)
2009: Caratterizzazione strutture di test Tezzaron
(run pilota 2008), progetto MAPS e chip di front-
end per pixel ibridi VSI per run I Tezzaron, studi
integrazione pixel ibridi 2010: caratterizzazione dispositivi run I,
realizzazione e prima integrazione pixel ibridi,
primo test su fascio, progetto run II Tezzaron 2011: caratterizzazione run II, seconda
integrazione pixel ibridi, secondo test su fascio
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Piano attività TN 2009Piano attività TN 2009
Caratterizzazione (morfologica, elettrica e funzionale) di rivelatori HR sottili disponibili da SLIM5, per ottimizzazione tecnologia
Studio delle tecnologie per integrazione tra pixel alta resistivita’ e chip di front-end CMOS VSI (bump-bonding e integrazione verticale)
Definizione delle specifiche per la matrice di sensori a pixel su alta resistivitá
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Riassunto FTE 2009Progetto \ Persona Ruolo TRIDEAS VIPIX DASIPM2
Giovanni Soncini PO 30% 40% (resp)
30%
Gian-Franco Dalla Betta PA 50% (resp)
20% 30%
(resp.)
Giovanni Verzellesi PO 50% 50% -
Giorgio Fontana TC.EP 50% - 50%
Andrea Zoboli Dott. 100% - -
Vladyslav Tyzhnevyi Dott. 50% 50% -
Thanawee Chodjoursawad Dott. - - 100%
Totale FTE per progetto 3.3 1.6 2.1
+ 1 dottorando da associare per il 2009 (Paolo Gabos, XXIV ciclo)
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 4 Luglio 2008
Progetti TN gr.V 2009
Riassunto richieste 2009Progetto \ Voce TRIDEAS (k€) VIPIX (k€)
Missioni interne:
- riunioni tecniche e di coordinamento, attivita’ presso altre sedi
2.5 2.5
Missioni estero:-Partecipazione conferenza internazionale- Beam test e riunioni tecniche CERN
- Visita Labs. VSI per pixel ibridi
2.5
3.0
-
2.5
-
2.5
Consumabili:
- Mat. Lab. probe-card, componentistica elettronica, connettori, supporti, laser, etc. - Fabbricazione 1 lotto di rivelatori 3D con bordo attivo @ FBK-irst
2.0
26.4
2.5
-
Totale (k€) 36.4 10.0