ACTIVIDADES DEL CNM EN FUTUROS ACELERADORES

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Juan Pablo Balbuena

Capacidades Tecnológicas del CNM orientadas a futuros aceleradores

Reunión Bienal de Física de Granada 2007 2

Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez Instituto de Microelectrónica de Barcelona

Sala Blanca del CNM Superficie total de 1500 m². Estructura House in house. Clases de 100 a 10.000 dependiendo del área. Control de aire (T=21°±1° C, Humedad 40% ± 5%) Sistema de agua desionizada (18 MW.cm, 26

m³/día Distribudión de gas ultrapuro

Conductos pulidos eléctricamente de acero inoxidable 316 L.

Fuente de alimentación (25 kV y 3000 kVA.) Tratamiento de residuos. Sistema de seguridad:

Detectores de gas, protección frente a fuego e intrusos.



Oxidacines seca y húmeda. Implantación iónica

B, P, As, N y Ar. Difusión Deposición química vaporizada

Si3N4, polisilicio, SiO2, BPSG Metalización

Al/Si, Al/Cu, Al/Cu/Si, TaSi, Ti, Ni, Au, Pt, Cr, Ag, -Si, y Ge.

Deposición de polimida Planarización mediante pulido

mecánico y químico (sep2007) Nanotechnología

AFM FIB SEM Nanoimpresión

Ataque seco y húmedo. Micromecanización de superficie y

sustrato de silicio. Soldadura anódica. Packaging

Soldadura pieza-pieza , soldadura por cable, Dispositivos de superficie en miniatura

Equipos de test in situ Elipsometría, interferometría,

perfilometría, medidas de 4 puntas Fotolitografía

De contacto/proximidad, chip a chip, por ambas caras

Limitada a obleas de 10cm

No es útil para gran producción, pero es importante para desarrollo tecnológico

TECNO TIPO CARACTERISTICAS APLICACION

CNM-25CMOS2.5 µm

2 poly - 2 metalAnalógico/

digital

CNMPOTENCIA

DMOSlateral &vertical

Doble difusiónDispositivos de

potencia

CNMµSISTEMAS

Sensores yactuadores

de Si

µmecanización de Si envolumen y superficie

Micro-sistemas

MCMSubstratos

de SiSubstratos activos y

flip-chipMódulosMultichip

Procesos



Tecnología planar de detectores de radiación Desarrollo y caracterización de detectores de radiación

resistentes a la radiación en la SB de CNM Tecnología básica de detectores de rad en la SB del CNM. Detectores

de silicio tipo pad, P-sobre-N Técnica de oxigenación para la mejora de la resistencia a la

radiación. Detectores con diseños más avanzados (Strips) Tecnologías más complejas N-sobre-P (p-type), N-sobre-N Fabricación de detectores en el IMB-CNM para la Colaboración RD50

Aplicación a Middle Region S-LHC



Igual grosor W2D>>W3D

Igual grosor W2D>>W3D

h+

e-

-ve +veSiO2

W3D

E

Bulk

h+

e-

+ve

E

p+

n

n+

W2D

+ve

Inconveniente: Proceso de fabricaión bastante largo y no standarizado => La producción en masa sería escasa y muy cara.

Detectores 3DPassivation

n+ doped

55um pitch

50-0um

300-250ump- type substrate

p+ doped

10um

Oxide0.4um1um

p+ doped

Metal

Poly 3um

OxideMetal

P-stop p+

50-0um TEOS 2um

5um

Corta distancia entre electrodos: Potencial de full depletion bajo Corta distancia de colección de carga

Mayor tolerancia a la radiación que los detectores planares

No hay colección de carga mezclada



Aplicaciones

High resistiv itySem iconductor

Pixel readout

Electronics ch ip

X-ray photon

Passivation layer

Solder bum p

PN N

*Dear-Mama: A photon counting X-ray imaging project for medical applications, Nuclear Instruments and Methods A 569 (2006) 136–139

*

0,0 5,0x1015 1,0x1016 1,5x1016 2,0x10160

5000

10000

15000

20000

250000,0 3,2x1015 6,4x1015 9,6x1015

fluence(n/cm2) 10 yrs at SLHC

Sig

na

l (e

-)

fluence(p/cm2)

Strip p-type prot. irr. (Casse et al.) 3D detectors prot. irr. (DaVia et al.) Strip p-type neutr. irr. (Pellegrini et al.)

extrapolated

10 yrs at LHC

Resistencia a la radiación

Imagen médica



Agujeros en Silicio

Reactive Ion Etching (RIE) Ejemplos hechos en el CNM Escala 25:1 Mínimo diámetro probado: 10 µm



Tecnología de Bump bonding flip chip

Conexión eléctrica del chip al sustrato o chip a chip cara a cara (flip chip)

Uso de pequeños bumps metálicos (bump bonding)

Etapas del proceso: Acondicionar el metal de la zona Pad:

Under Bump Metallisation (UBM) Crecer el bump sobre uno o los dos

elementos a unir Dar la vuelta a los chips y alinear Recocido Opcionalmente se rellena con siliconas

CNM



Electrodeposición de bump bonding Etapas del proceso

Sputtering de Ni/Au sobre toda la oblea

Fotolitografía para delimitar las zonas donde irán los bumps (thick photoresist)

Deposición electrolítica de la capa base y los bumps

Eliminar el photoresist Atacar el metal del

sputtering anterior Recocido para la formación

de las esferas Características

Pitch mínimo 40 µm Diámetro del bump30 - 75 µm Se hace sobre las obleas

CNM



Detectores transparentes al IR Estrategia de alineamiento mediante haces laser para piestas de partículas, usando que los haces de lR se propagan a

través de algunos módulos de silicio. La propuesta es diseñar desde el principio detectores transparentes a la luz IR:

Sustituir los electrodos de Al (de los strips y la base) por electrodos transparentes as ITO (Indio dopado SnO2) o AZO (Al dopado ZnO)

Diseñar capas antirreflectanes apropiadas (ARC) unsando capas de microelectrónica standard (SiO2, Si3N4) Tener en cuenta todas las capas sensibles

Propuestas de I+D de IFCA y CNM CNM proporcionará muestras de difererentes capas y

grosores para caracterizacines eléctricas a las longitudes de onda deseadas.

Assess fabrication tolerances of the different layers. Evaluar las variaciones de los coeficientes ópticos en

SiO2 y Si3N4 posibles por la variación de las condiciones de deposición.

Optimización del perfil vertical de capas para maximizar %T con razonables %A.

Tener en cuenta las variaciones posibles en los procesos.

Fabricar muestras de prueba con juegos de máscaras. Soldar al dispositivo de electrónica de lectura. Tests ópticos y eléctricos.

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ESTUDIOS DE RESISTENCIA FRENTE A LA RADIACIÓN DE TECNOLOGÍAS MICROELECTRÓNICAS PARA LA ELECTRÓNICA DE LECTURA DEL SUPER-LHC

Caracterización de tecnologías microelectrónicas orientadas a futuros aceleradores

Sergio Díez



S-LHC

2 retos tecnológicos para la electrónica Front-End:

Necesidad de encontrar una tecnología apropiada: Rápida y con elevada amplificación Bajo consumo Resistente a la radiación Bajo coste, disponibilidad

Alta ocupación Más interacciones Aumento de velocidad de procesado de

pulsos Mayor segmentación Más canales Potencia

Aumento nivel de radiación Eficiencia de colección de carga ↓ Señal ↓ Ganancia Degradación de la ganancia Corriente Potencia

Aumento de la luminosidad hasta 1035 cm-2 s-1



Alternativa: tecnologías BiCMOS de SiGe

Inserción de SiGe en la base que mejora la inyección de electrones

Mejor y fT (fT ~ 200 GHz) que tecnologías bipolares convencionales

Utilizado en móviles, wireless

Prestaciones de consumo/velocidad demostradas

HBT de SiGe de altas prestaciones combinado con las mejores tecnologías CMOS

¿Resistentes a la radiación? Tres tecnologías de IHP estudiadas (0.25 μm):

SG25H1: Opción principal (β = 200, fT = 200 GHz)

SG25H3: Tecnología alternativa (β = 150, fT = 120 GHz)

SGB25VD: Opción de bajo coste (β = 190, fT = 30-80 GHz)



ATLAS Upgrade: Región intermedia del detector interno (ID)

Fluencia máxima esperada: ~ 1015 cm-2



Efectos de la radiación en tecnologías de SiGe

γ, partículas cargadas: IONIZACIÓN

Sin irradiar Irradiado

Cargas atrapadas en el óxido: Deformación zona de carga espacial IB ↓ β

Trampas en la interfase SiO2-Si: Captura portadores minoritarios IB ↓ β



Efectos de la radiación en tecnologías de SiGe

Partículas masivas: DESPLAZAMIENTO

Colisiones con los átomos de la red cristalina de silicio a lo largo de todo el dispositivo, desplazándolos de su posición de equilibrio

Creación de vacantes, divacantes, intersticios, vacante-intersticio, complejos defecto-impureza, …

Aumento de la velocidad de recombinación de los portadores minoritarios

Aumento de IB ↓ β



RESULTADOS DC Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones

Irradiaciones γ: Ionización

3 Dosis alcanzadas: 10, 50 y 100 Mrad(Si)

Valores por encima del 20 % en todos los casos (β~50)

Ganancia normalizada (βN=βf /β0) para VBE = 0.7 V

Mayor degradación para tecnología SG25H1




Irradiaciones de neutrones: Desplazamiento.

2 fluencias alcanzadas: 5x1014 y 1015 n/cm2

Degradación muy similar para ambas tecnologías

Valores por encima del 20 % en todos los casos





Irradiaciones de protones: Ionización + desplazamiento.

1 fluencia alcanzada: 3.22x1015 p/cm2

Fluencia alcanzada demasiado elevada

Transistores muy degradados: no alcanzan el 10 % de la ganancia inicial




Consumo en potencia

IC (50): Corriente de colector necesaria para obtener valores de β = 50 tras las irradiaciones:

Gamma, neutrones: Corrientes ~ μA: Valores aceptables en términos de consumo en potencia de los dispositivos

Protones: Corrientes > 10-4 A: Valor excesivo en términos de consumo en potencia de los dispositivos

Dosis/Fluencia SG25H1 SG25H3 SGB25VD10 Mrads(Si) 2.52E-06 3.16E-07 8.24E-0750 Mrads(Si) 1.71E-06 1.40E-06 1.71E-06100 Mrad(Si) 1.51E-06 1.66E-06 2.27E-065e14 n/cm2 1.51E-06 1.01E-05 -1e15 ncm2 3.31E-06 1.25E-05 -

PROTONES 3.22e15 p/cm2 3.24E-05 2.05E-04 6.68E-04

Ic(50) (A)

GAMMA

NEUTRONES



Conclusiones

Se ha estudiado la resistencia frente a la radiación bajo irradiaciones γ, n y p de tres tecnologías BiCMOS de SiGe

Las tres tecnologías sobrevivirían con valores de ganancia aceptables (β ~ 50) durante todo el tiempo de vida del experimento S-LHC

Las tecnologías muestran valores aceptables en términos de consumo en potencia de sus dispositivos tras las irradiaciones

Diferencias poco significativas observadas entre ellas en su comportamiento frente a la radiación

Las muestras irradiadas con protones muestran una degradación excesiva, asociada a una elección de fluencia de radiación demasiado elevada

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