CHIPSODIA
(CHIP by Silicon On DIAmond)
INFN: Bari – Firenze – Perugia
IIT (Istituto Italiano di Tecnologia – Genova)
IMM (Istituto di Microelettronica e Microsistemi-Bologna)
Premessa
• Finalità:
– Realizzazione e caratterizzazione di dispositivi SoD
(Silicon on Diamond)
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
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
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
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 irraggiamento
3 anno
Sottomissione seconda release del sistema
integrato FE su Si accoppiato al rivelatore
Proposta di spin-off
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)
Tecniche di integrazione (Bump-Bonding):
• Bump bonding process
• Pixel metalization on diamond
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
Realizzazione di moduli a pixel con
diamante

Sensore:
Diamante policristallino CVD
(pcCVD)
Diamante monocristallino
(scCVD)
Collaborazione RD42
Pixel detector di ATLAS
pcCVD diametro wafer > 12
cm
pcCVD spessore wafer > 2 mm
scCVD diametro wafer 14 mm
scCVD spessore wafer > 1 mm
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
Zona non
saldata
Deposito di grani impoveriscono
la qualità del diamante in superficie
fratture
CVD method (CH4 + H2)
Zona saldata
HPHT method
che risulta essere inferiore rispetto
al diamante monocristallino
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
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
N_ROW_SEL
(> 4 kcm,FZ)
VDD
VDET
 300 m thick
+
 Conventional p -n
COL
IN

 DC-coupled

Electronics  active layer
RES
 Low resistive
VSS
ROW_SEL
(9-13 cm, CZ)
 1.5 m thick
 Standard CMOS
technology
Jastrzab et al., “Prototypes of large-scale SOI monolithic
active pixel sensors”,
13
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 560 (2006) 31–35.
SOD – traditional motivations
via
NMOS
PMOS
p-well
n-well
via
NMOS
PMOS
p-well
p-implant
n-substrate
intrinsic
Il tentativo: trasferire la tecnologia del Monolithic Active Pixeln-well
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
RAPSODIA – Radiation Active Pixel
Silicon On DIAmond
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)
* “Laser-Driven fabrication of Silicon-On-Diamond Material” S.Lagomarsino, G.Parrini,
S.Sciortino et al. Submitted to Nature Materials
SEM analysis
Buona uniformità fino a 1 m
300µm
•Trasparenza del Diamante per  > 225 nm
•Opacità del Silicio
•Impulsi laser con  > 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)
RAPSODIA
– Radiation
Pixel Silicon On DIAmond
•Idem per
Si (da 50Active
m in su)
20 µm
Come proseguire?
Problematiche da affrontare
Problematiche aperte
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.
VDD
reset
n+
n+
n+
p+
n-silicon
p
Contatti ohmici
p
diamond
diamond
Hi Voltage
20
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
Detection and signal
formation electronics
H-terminated
diamond surfaces
Via
Pitch ~ 30 m
Pixel
Silicon
laser graphitised
column
Diamond
 1-5m
Micro-machining of diamond
electrodes
Thickness: Silicon 1-100 m
Diamond 100-500m
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.
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
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 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
La collaborazione, le competenze
BA
X
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%
spare
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
31
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
32
silicon, Diamond & Related Materials 13 (2004) 1816–1821