[论文解读] 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 8

一句话总结

本文展示了Ziptronix公司直接键合互连（DBI）技术在高能物理应用中将像素传感器与读出集成电路（ROIC）集成的使用。该方法实现了亚微米级节距、低质量的电互连，并成功将器件减薄至100 µm，测试结果证实了功能性的电连接以及低输入电容（0.10–0.15 pF/像素），验证了该方法在后续束流测试中的适用性。

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.

研究动机与目标

• 开发适用于高能物理中像素传感器与ROIC集成的低质量、高密度互连解决方案。
• 评估使用Ziptronix公司DBI技术在减薄后将传感器键合至ROIC的可行性。
• 验证DBI键合及100 µm减薄后电互连的完整性与传感器性能。
• 评估在X射线和激光激发下的信号响应与电荷收集行为。
• 通过校准动态范围和MIP信号的电荷响应，为束流测试做准备。

提出的方法

• 采用Ziptronix公司的直接氧化物键合（DBI）工艺，在表面活化与清洁后，于室温下将1×0.7 cm²像素传感器键合至BTeV FPIX2 ROIC晶圆。
• 采用化学机械抛光（CMP）对键合后的晶圆进行平整化处理，以暴露图案化的金属接触结构。
• 进行最终的热退火处理，以增强键合强度和金属-金属接触质量。
• 实现±1 µm以内的对准精度，并展示了3 µm的互连节距，显著优于传统凸点键合的极限。
• 采用机械研磨将键合器件减薄至100 µm，同时保持电互连的完整性。
• 通过电荷注入、激光扫描、Sr-90 β源照射以及可变X射线校准进行电学测试，以评估信号响应与互连功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 DBI键合是否能够在亚微米节距下实现像素传感器与ROIC之间可靠、低电容的电互连？
• RQ2 DBI键合在减薄至100 µm后是否仍能保持电功能？
• RQ3 传感器-ROIC接口的输入电容是多少，其对噪声性能有何影响？
• RQ4 漏电流随偏置电压的变化如何，是否可通过后续处理降低？
• RQ5 当使用p+-on-n传感器时，FPIX2 ROIC的动态范围是否足以分辨MIP信号？

主要发现

• 测量得到的传感器输入电容为每像素0.10–0.15 pF，表明寄生负载极小。
• 激光扫描结果表明超过99.9%的像素能产生可检测信号，证明了高互连良率与功能完整性。
• 随着偏置电压升高，信号幅度增加，上升时间缩短，表明电荷收集机制从扩散主导向漂移主导转变。
• X射线校准结果表明，MIP信号的模拟输出幅度位于FPIX2芯片的动态范围内，证实了可检测性。
• 当偏置电压超过8 V后，漏电流迅速增加，归因于背面晶体损伤，预计通过进一步处理（如50 µm研磨和激光退火）可降低该效应。
• 通过扫描声学显微镜在50个器件中的16个中检测到键合空洞，但功能测试表明大多数DBI互连均正确形成。