[論文レビュー] Sensor/ROIC Integration using Oxide Bonding

Z. Ye|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2009

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー物理学への応用を想定したピクセルセンサとROICの統合に、Ziptronix社のDirect Bond Interconnect（DBI）技術を用いることを示している。この手法により、サブミクロンピッチ、低質量の電気的接続が実現され、100 µmへの薄型化と良好な接合が達成された。電気的接続の機能性と低入力静電容量（0.10–0.15 pF/ピクセル）が実証され、将来のビームテストに向けた有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

We explore the Ziptronix Direct Bond Interconnect technology for the integration of sensors and readout integrated circuits (ROICs) for high energy physics. The technology utilizes an oxide bond to form a robust mechanical connection between layers which serves to assist with the formation of metallic interlayer connections. We report on testing results of sample sensors bonded to ROICs and thinned to 100 microns.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学におけるピクセルセンサとROICの統合に向け、低質量で高密度の接続ソリューションを開発すること。
• 薄型化後にROICにセンサを接合する目的で、Ziptronix社のDBI技術の実用可能性を評価すること。
• DBI接合および100 µmへの薄型化後の電気的接続の完全性とセンサ性能を検証すること。
• X線およびレーザー励起条件下での信号応答および電荷収集挙動を評価すること。
• MIP信号の動的範囲と電荷応答をキャリブレーションし、ビームテストに備えること。

提案手法

• 表面活性化および洗浄を経て、室温下で1×0.7 cm²のピクセルセンサをBTeV FPIX2 ROICウェーハにZiptronix社の直接酸化物接合（DBI）プロセスで接合した。
• ボトム側の金属接触構造を露出させるために、化学的機械研磨（CMP）を用いて接合ウェーハを平面化した。
• 接合強度および金属同士の接触品質を向上させるために、最終段階の熱アニール処理を実施した。
• アライメント精度は±1 µm以内を達成し、バンプ接合の限界をはるかに下回る3 µmの接続ピッチを実現した。
• 機械的研磨を用いて接合デバイスを100 µmまで薄型化し、電気的接続を保持した。
• 電気的テストとして、電荷注入、レーザースキャン、Sr-90 β線源照射、および可変X線キャリブレーションを実施し、信号応答および接続機能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DBI接合は、サブミクロンピッチで信頼性があり、低静電容量の電気的接続をピクセルセンサとROIC間で実現できるか？
• RQ2 100 µmへの薄型化後もDBI接合が電気的機能を維持できるか？
• RQ3 センサ-ROICインターフェースの入力静電容量はどの程度で、ノイズ性能にどのように影響するか？
• RQ4 バイアス電圧の変化に伴い、センサのリーク電流はどのように変化するか？また、後処理により低減可能か？
• RQ5 p+-on-nセンサを用いた場合、FPIX2 ROICの動的範囲はMIP信号を解像可能か？

主な発見

• FPIX2チップへのセンサ入力静電容量は、ピクセル1つあたり0.10–0.15 pFで測定され、寄生負荷が極めて小さいことが示された。
• レーザースキャンにより、99.9%以上のピクセルで検出可能な信号が得られ、高い接続効率と機能性が確認された。
• バイアス電圧が高くなるにつれて信号振幅が増加し、立ち上がり時間が短くなったことから、拡散支配からドリフト支配への移行が示された。
• X線キャリブレーションにより、MIP信号のアナログ出力振幅がFPIX2チップの動的範囲内に収容されることを確認し、検出可能であることが裏付けられた。
• 8 Vを超えるバイアス電圧でリーク電流が急激に増加したが、これは裏面での結晶欠損に起因すると考えられ、さらなる処理（50 µmの研磨およびレーザーアニール）により低減可能であると予想された。
• スキャン音響顕微鏡による評価で、50個のデバイスのうち16個にボイドが検出されたが、機能テストにより、大多数のDBI接続が正常に形成されていることが確認された。