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ACTIVIDADES DEL CNM EN
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FUTUROS ACELERADORES
Capacidades Tecnológicas del CNM orientadas a
futuros aceleradores
Juan Pablo Balbuena
Reunión Bienal de Física de Granada 2007
2
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.
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
Instituto de Microelectrónica de Barcelona
Reunión Bienal de Física de Granada 2007
3
Procesos


Oxidacines seca y húmeda.
Implantación iónica








Ataque seco y húmedo.
Micromecanización de superficie y
sustrato de silicio.
Soldadura anódica.
Packaging
Si3N4, polisilicio, SiO2, BPSG

Metalización



B, P, As, N y Ar.
Difusión
Deposición química vaporizada


Al/Si, Al/Cu, Al/Cu/Si, TaSi, Ti, Ni, Au,
Pt, Cr, Ag, a-Si, y Ge.
Deposición de polimida
Planarización mediante pulido
mecánico y químico (sep2007)
Nanotechnología




AFM
FIB
SEM
Nanoimpresión

Equipos de test in situ


No es útil para gran producción, pero es
importante para desarrollo tecnológico
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
Elipsometría, interferometría,
perfilometría, medidas de 4 puntas
Fotolitografía

TECNO
CNM-25
CNM
POTENCIA
Limitada a obleas de 10cm
Soldadura pieza-pieza , soldadura por
cable, Dispositivos de superficie en
miniatura
CNM
µSISTEMAS
MCM
De contacto/proximidad, chip a chip,
por ambas caras
TIPO
CARACTERISTICAS
CMO S
2 poly - 2 metal
2.5 µm
DMO S
lateral &
Doble difusión
vertical
Sensores y
µmecanización de Si en
actuadores
volumen y superficie
de Si
Substratos
Substratos activos y
de Si
flip-chip
Instituto de Microelectrónica de Barcelona
APLICACION
Analógico/
digital
Dispositivos de
potencia
Microsistemas
Módulos
Multichip
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4
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




Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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5
Detectores 3D
SiO2
+ve -ve
+ve
1um
0.4um
P-stop p+
50-0um
E
W2D
e-
10um
p- type substrate
p+ doped
p+ doped
50-0um
Oxide
n
Igual grosor
W2D>>W3D
TEOS 2um
Poly 3um
+
W3D
E
n+ doped
300-250um
e
h+
Bul n
k
Metal
5um
p+
h+
-
Passivation
Oxide
Metal
55um pitch
+ve
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
Inconveniente: Proceso de fabricaión bastante largo y no standarizado => La
producción en masa sería escasa y muy cara.
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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6
Imagen médica
Aplicaciones
Resistencia a la radiación
2
fluence(n/cm )
10 yrs at LHC
0,0
25000
3,2x10
15
6,4x10
15
*
10 yrs at SLHC
9,6x10
15
Strip p-type prot. irr. (Casse et al.)
3D detectors prot. irr. (DaVia et al.)
Strip p-type neutr. irr. (Pellegrini et al.)
Signal (e-)
20000
X-ray photon
15000
extrapolated
Passivation layer
10000
N
P
N
High resistivity
Semiconductor
5000
Solder bump
0
0,0
5,0x10
15
1,0x10
16
1,5x10
16
2,0x10
16
Pixel readout
2
fluence(p/cm )
Electronics chip
*Dear-Mama: A photon counting X-ray imaging project for medical applications,
Nuclear Instruments and Methods A 569 (2006) 136–139
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
Instituto de Microelectrónica de Barcelona
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7
Agujeros en Silicio




Reactive Ion Etching (RIE)
Ejemplos hechos en el CNM
Escala 25:1
Mínimo diámetro probado: 10 µm
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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8
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)
CNM

Etapas del proceso:





Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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
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9
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 bump
30 - 75 µm
 Se hace sobre las obleas

CNM
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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10
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 SnO 2)
o AZO (Al dopado ZnO)

Diseñar capas antirreflectanes apropiadas (ARC) unsando capas de microelectrónica standard (SiO 2, 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.
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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ESTUDIOS DE RESISTENCIA FRENTE A LA RADIACIÓN
DEclic
TECNOLOGÍAS
MICROELECTRÓNICAS
PARA LA
Haga
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ELECTRÓNICA DE LECTURA DEL SUPER-LHC
Caracterización de tecnologías microelectrónicas
orientadas a futuros aceleradores
Sergio Díez
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12
S-LHC

Aumento de la luminosidad hasta 1035 cm-2 s-1

2 retos tecnológicos para la electrónica Front-End:

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
Necesidad de encontrar una tecnología apropiada:

Rápida y con elevada amplificación

Bajo consumo

Resistente a la radiación

Bajo coste, disponibilidad
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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13
Alternativa: tecnologías BiCMOS de SiGe


Inserción de SiGe en la base que mejora la inyección de
electrones  b  
Mejor b 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)
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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14
ATLAS Upgrade: Región intermedia del detector interno (ID)

Fluencia máxima esperada: ~ 1015 cm-2
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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15
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
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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16
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, vacanteintersticio, complejos defecto-impureza, …

Aumento de la velocidad de recombinación de los
portadores minoritarios

Aumento de IB  ↓ β
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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17
RESULTADOS DC

Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones

Irradiaciones γ: Ionización

3 Dosis alcanzadas: 10, 50 y 100 Mrad(Si)

Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
Ganancia normalizada
(βN=βf /β0) para
VBE = 0.7 V

Valores por encima del
20 % en todos los casos
(β~50)

Mayor degradación para
tecnología SG25H1
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18
RESULTADOS DC

Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones

Irradiaciones de neutrones: Desplazamiento.

2 fluencias alcanzadas: 5x1014 y 1015 n/cm2

Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
Ganancia normalizada
(βN=βf /β0) para
VBE = 0.7 V

Valores por encima del
20 % en todos los casos

Degradación muy similar
para ambas tecnologías
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19
RESULTADOS DC

Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones

Irradiaciones de protones: Ionización + desplazamiento.

1 fluencia alcanzada: 3.22x1015 p/cm2

Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
Ganancia normalizada
(βN=βf /β0) para
VBE = 0.7 V

Transistores muy
degradados: no alcanzan
el 10 % de la ganancia
inicial

Fluencia alcanzada
demasiado elevada
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20
Consumo en potencia

IC (50): Corriente de colector necesaria para obtener
valores de β = 50 tras las irradiaciones:
GAMMA
NEUTRONES
PROTONES
Dosis/Fluencia
10 Mrads(Si)
50 Mrads(Si)
100 Mrad(Si)
5e14 n/cm2
1e15 ncm2
3.22e15 p/cm2
Ic(50) (A)
SG25H1 SG25H3 SGB25VD
2.52E-06 3.16E-07 8.24E-07
1.71E-06 1.40E-06 1.71E-06
1.51E-06 1.66E-06 2.27E-06
1.51E-06 1.01E-05
3.31E-06 1.25E-05
3.24E-05 2.05E-04 6.68E-04

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
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
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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
Juan Pablo Balbuena y Sergio Díez
Instituto de Microelectrónica de Barcelona