CHIPSODIA CHIP by Silicon On DIAmond INFN Bari

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 So. D (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 p. A/cm 2 (diminuiscono con l’irraggiamento) • Tolleranza da radiazione maggiore di qualunque altro materiale (il segnale scende a 1/e dopo 1. 25 1016/cm 2) • 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 (RD 42 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 Ø Sensore: Diamante policristallino CVD (pc. CVD) Diamante monocristallino (sc. CVD) Collaborazione RD 42 Pixel detector di ATLAS pc. CVD diametro wafer > 12 cm pc. CVD spessore wafer > 2 mm sc. CVD diametro wafer 14 mm sc. CVD 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 Ø Entrambe presentano inconvenienti Zona non saldata Deposito di grani impoveriscono la qualità del diamante in superficie fratture CVD method (CH 4 + H 2) Zona saldata HPHT method che risulta essere inferiore rispetto al diamante monocristallino

Realizzazione di moduli a pixel con diamante Ø Confronti di caratteristiche: Diamanti sc. CVD 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 n Highly resistive (> 4 k cm, FZ) n 300 m thick + n Conventional p -n n DC-coupled Electronics active layer n Low resistive (9 -13 cm, CZ) n 1. 5 m thick n 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 20 m. J • Pressioni da ~800 atm • Ricristallizzazione con interfaccia di Si. C e Si amorfo ( 100 nm) • 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 50 Active 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. Contatti ohmici 20

Come realizzarla? L’idea è di usare quanto esiste già di commerciale per la tecnica 3 D 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 So. I 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 3 D-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 Thickness: Silicon 1 -100 m Micro-machining of diamond electrodes 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 (Poli. Ba) 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