[論文レビュー] 3D Technologies for Large Area Trackers

G. Deptuch, Ulrich Heintz+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、Through-Silicon-Via (TSV) および Direct Bond Interconnect (DBI) 技術を用いたウェーハスケール3次元統合により、アクティブエッジセンサとリードアウトチップ（ROIC）を統合することで、大面積・高収率のピクセル化トラッキング検出器をスケーラブルかつ低コストで実現する手法を提案する。微細ピッチバンプボンディングを排除し、シリコン基板を貫通するバックサイド接続を可能にすることで、質量を低減し、電気的性能を向上させるとともに、モジュラーなタイルアセンブリを可能にし、100m²を超える検出器アレイを実現。2020年代には1cm²あたり10ドル未満のコストを実現することが予想される。

ABSTRACT

We describe technologies which can be developed to produce large area, low cost pixelated tracking detec- tors. These utilize wafer-scale 3D electronics and sensor technologies currently being developed in industry. This can result in fully active sensor/readout chip tiles which can be assembled into large area arrays with good yield and minimal dead area. The ability to connect though the bulk of the device can also provide better electrical performance and lower mass.

研究の動機と目的

• 次世代コライダー実験向けに、大面積（100m²以上）、低コスト、高ピクセル化されたトラッキング検出器を構築する課題に取り組む。
• 微細ピッチバンプボンディングの限界、特に高コスト、収率の低下、エッジ効果やワイヤボンディングに起因するデッドエリアを克服する。
• 3次元統合回路とアクティブエッジセンサを用いた完全にアクティブなセンサ/リードアウトタイルを実現し、デッドゾーンを最小限に抑え、電気的性能を向上させる。
• DBIボンディング、ポストプロセストレンチング、ダイ対ダイボンディングなどのスケーラブルかつモジュラーなプロセス技術を開発し、大面積アレイの高収率・低コスト生産を実現する。
• 200mmセンサウェーハとバッチ処理によるアクティブエッジプロセスを用いて、2020年代までに1cm²あたり約10ドルのコスト目標と80％以上の収率を達成する。

提案手法

• シリコン基板を貫通する垂直接続を可能にするThrough-Silicon-Vias (TSVs) を用いた3次元集積回路（3DIC）技術を活用し、インダクタンスと容量を低減する。
• 高収率・低コストなウェーハ対ウェーハボンディングを実現するため、DBI酸化膜ボンディングを採用し、微細ピッチ・バックサイドバンプボンディングを可能にする。
• 深く反応性イオンエッチングを用いて、ドーピングされた側壁を有する滑らかで垂直なトレンチを形成するアクティブエッジセンサ技術を適用し、ダイシング損傷に起因する電荷放出を排除し、エッジデッドゾーンを低減する。
• DBIボンディングによりセンサウェーハとROICウェーハを接合し、その後、選択的研磨、エッチング、シングルレーションを施して個々のアクティブタイルを分離することで、モジュラーなタイルを製造する。
• 標準センサにポストプロセストレンチングを施す方法や、TSVを装備したROICを用いたダイ対ダイボンディングを検討し、収率とプロセスの柔軟性を向上させる。
• DBIボンディングを用いたシリコンインタポジタを活用し、信号を再配分し、センサとROICのピッチを分離することで、ウェーハエッジから1cm以内のインセットで最大1cmのセンサ面積を実現可能にし、ROICピッチと整合性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DBIボンディングとTSVを用いた3次元ウェーハスケール統合は、従来のバンプボンディングと比較して、大面積ピクセルトラッカーのコスト低減と収率向上に寄与するか？
• RQ2 アクティブエッジセンサは、エッジ関連の電荷漏れとデッドゾーンをどれほど低減できるか？
• RQ3 標準センサにポストプロセストレンチングを施すことで、複雑なSOIウェーハスタックを必要としない状態で、プリプロセスされたアクティブエッジセンサと同等の性能を達成できるか？
• RQ4 大面積トラッカー製造において、TSVを有するダイ対ダイ3次元ボンディングは、完全なウェーハスケール統合と比較してコストと収率にどのような差異をもたらすか？
• RQ5 シリコンインタポジタを用いたDBIボンディングによるピッチ分離は、大面積アレイにおいて実現可能で、性能を発揮するか？

主な発見

• DBIボンディングを用いたウェーハスケール3次元統合により、センサ/リードアウト統合コストを1cm²あたり0.04ドルまで低減可能であり、大量生産では約90％の収率が予想される。
• ドーピングされた垂直トレンチ側壁を有するアクティブエッジセンサは、エッジ電流の発生を低減させ、最小限のデッドゾーンでセンサ表面をフルに活用可能にする。
• Tezzaron/Global Foundriesの2T 0.13µm 3D ICプロセス（1.2µm径、6µm深のTSV）は、DBIボンディングウェーハにおいて良好なアライメントと収率を達成したが、銅-銅ボンディングではアライメントの問題が生じた。
• 低温深く反応性イオンエッチングと原子層堆積法によるエッジ活性化を用いた、標準センサへのポストプロセストレンチングは、プリプロセスされたアクティブエッジウェーハよりも低複雑性であり、実用的で代替可能な選択肢を提供する。
• TSVを有するダイ対ダイ3次元ボンディングは、センサおよびROICの良品ダイを用いることで、完全なウェーハスケール経済の欠如を補っても、収率向上とコスト低減の可能性を秘めている。
• DBIボンディングを用いたインタポジタベースのアレイは、ウェーハエッジから1cm以内のインセットで最大1cmのセンサ面積を実現可能であり、標準のリチルール制限タイルよりも大きな有効面積を実現可能である。