INFN: Bari

1
CHIPSODIA(CHIP by Silicon On DIAmond)

• INFN Bari Firenze Perugia
• IIT (Istituto Italiano di Tecnologia Genova)
• IMM (Istituto di Microelettronica e
  Microsistemi-Bologna)

2
Premessa

• Finalità
• Realizzazione e caratterizzazione di dispositivi
  SoD (Silicon on Diamond)

Silicio Elettronica integrata di readout
rad-hard
Diamante sensore heat spreader
3
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 dellesperimento
• combinare i vantaggi della tecnologia SOI e
  le proprietà estreme del diamante
• tolleranza alla radiazione,
• bassa costante dielettrica,
• altissima resistività elettrica e
• alta diffusività termica

4
Obiettivi

• 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

5

Milestones della linea di ricerca proposta (3
anni)

• Primo Anno
•   1. studio e simulazione di architettura di
  Front-End per il readout di un rivelatore a
  Diamante
• studio dei parametri di accoppiamento tra il
  Silicio per il readout e il rivelatore
  (ottimizzazione delle caratteristiche d'ingresso
  del FE)
• 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 

6
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 irraggiamento
• 3 anno
• Sottomissione seconda release del sistema
  integrato FE su Si accoppiato al rivelatore
• Proposta di spin-off

7
Sensori a diamante CVD (vantaggi)

• Basso rumore serie costante dielettrica relativa
  
• er5.7 (meno di metà di quella del silicio).
• Correnti di perdita ininfluenti 1 pA/cm2
  (diminuiscono con lirraggiamento)
• 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)
8
Tecniche di integrazione (Bump-Bonding)

• Bump bonding process
• Pixel metalization on diamond

9
Problemi connessi al bump bonding classico

• Metallization fine, but not 100 OK
• Some dead pixels due to metallization problems
• missing bumps
• dead electronics
• Dead pixels affect efficiency

10
Realizzazione di moduli a pixel con diamante

• Sensore
• Diamante policristallino CVD (pcCVD)
• Diamante monocristallino (scCVD)
• Collaborazione RD42
• Pixel detector di ATLAS
• pcCVD diametro wafer gt 12 cm
• pcCVD spessore wafer gt 2 mm
• scCVD diametro wafer 14 mm
• scCVD spessore wafer gt 1 mm

11
Tecnologie alternative di bonding

• 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

Deposito di grani impoveriscono la qualità del
diamante in superficie
CVD method (CH4 H2)
HPHT method
che risulta essere inferiore rispetto al
diamante monocristallino
12
Realizzazione di moduli a pixel con diamante

• Confronti di caratteristiche
• Diamanti scCVD raccolgono in media molta più
  carica
• Raccolta a bassi valori di campo elettrico
  applicato e indipendente da esso

13
SOI e sensori di radiazione

• Lidea
• Integrazione del pixel detector e della
  elettronica di readout nel Silicon On Insulator
  wafer-bonded
• Detector ? handle wafer
• Highly resistive
• (gt 4 k?cm,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

Jastrzab et al., Prototypes of large-scale SOI
monolithic active pixel sensors, Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research A 560
(2006) 3135.
14
SOD traditional motivations
n-well

• 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)

M.Jastrzab et al. Nuclear Inst. And Meth. 560
(2006) 31-35 hep.fi.infn.it/RAPSODIA
15
RAPSODIA Radiation Active Pixel Silicon On
DIAmond

• Lesperimento 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)

Laser-Driven fabrication of Silicon-On-Diamond
Material S.Lagomarsino, G.Parrini, S.Sciortino
et al. Submitted to Nature Materials
16
Buona uniformità fino a 1 ?m
SEM analysis

• Trasparenza del Diamante per ? gt 225 nm
• Opacità del Silicio
• Impulsi laser con ? gt 355 nm, da 20 ps e P?20mJ
• 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)

RAPSODIA Radiation Active Pixel Silicon On
DIAmond
17
Come proseguire?
18
Problematiche da affrontare
19
Problematiche aperte
20
Pixel su SOD (caso detector per applicazioni HEP)
D-SOD

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

Contatti ohmici
21
Come realizzarla?

• Lidea è di usare quanto esiste già di
  commerciale per la tecnica 3D per la costruzione
  dellASIC
• e utilizzarla per il circuito di readout del
  rivelatore

22
Tecnica di integrazione 3-D (caso Vertical
Integration)

• Costruzione del circuito integrato (preferito
  processo SoI per isolamento e precisione
  nelletching)
• Uso di strati di ossidi profondi (Box) tra wafer
• Rimozione di strati di metallo (thinning)
• Inserimento di VIAs dopo il bonding e il thinning

23
Caso bio-medicale (B-SOD)
24
Lidea
25
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
26
Perspectives SOD for neural interfaces?
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
27
Programma della Sezione di Bari nella
collaborazione

• 2010
• Studio e risoluzione dei problemi tecnologici di
  accoppiamento tra ASIC commerciali e rivelatore
• Simulazioni circuito di readout del
  pixel-detector
• 2011
• Realizzazione dellASIC di readout con la
  tecnologia scelta
• Accoppiamento Si-Dia e test di laboratorio
• 2012
• Test e misure sotto fascio dellSOD detector
  (convalida progetto) per HEP detector
• Eventuale spin-off per applicazioni bio-medicali

28
La collaborazione, le competenze
BA
X
29
Richieste finanziarie Bari (2010) e personale

• 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

30
spare
31
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
SOD Lo 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
SODWafer 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) 18161821