RD- FASE2 Pixel ATLAS+CMS. Presentazione Comune sulle ADvità Pixel R&D. A nome dei gruppi partecipanl di BA, CS, FI, GE, MI, MIB, PG, PI, TIFPA, TO

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1 RD- FASE2 Pixel ATLAS+CMS Presentazione Comune sulle ADvità Pixel R&D A nome dei gruppi partecipanl di BA, CS, FI, GE, MI, MIB, PG, PI, TIFPA, TO Riunione Referee INFN, Roma 2 Set 2015

2 Il ProgePo RD- Fase2 Pixel ProgePo comune ATLAS- CMS- FBK, nato dalla call ACTIVE presentata in gruppo 5 nel 2013 ObieDvo finale: sviluppo di rivelatori sodli a pixel, sia 3D che Planari AcLve Edge su wafer di Lpo p da 6, in collaborazione con FBK Trento Principali caraperislche richieste per i sensori, odmizzal per gli stral piu interni dei futuri tracciatori HL- LHC: resistenza alle radiazioni fino a circa 2x10 16 Neq/cm 2 material budget molto piccolo Disegno e dimensioni dei pixel: goal finale pitch 25x100µm, 50x50µm passi intermedi: possibilita di lepura con gli apuali chip di ATLAS (FE- I4) e CMS (PSI46dig) e compalbilita con i futuri protolpi del chip di lepura in tecnologia 65nm previsto da RD53 Bump Bonding: R&D per alta densita di pixel e sensori di grande area 2

3 L Idea di Base: Pixel Single Side 3D e AcLve Edge Wafer advo FZ 100 o 130µm di spessore, montato su wafer di supporto MCZ da assodgliare, tecnologia DWB o SOI primo batch planare completato su DWB, batch 3D su DWB; scelta del supporto in funzione dei risultal TuPo il processo viene effepuato dal lato Top sia per le colonne che per i pixel AE PunL chiave (odmizzazione del processo a FBK): controllo della profondita di colonne e trincee diametro e forma delle colonne riempimento colonne Strato SiO2 piu resistente alla penetrazione La JuncLon Column non deve raggiungere il wafer LR La Ohmic Column deve penetrare nel wafer LR 3

4 Planar Batch wafer layout 2014 La prima fase del progepo è stata un batch di pixel planari per i test di qualifica ATLAS FBK QA test structures CMS Two half wafers (ATLAS- CMS) TS from CMS, FBK, ATLAS Designed in the Wafer periphery and in the central wafer diameter TS used to qualify the process, to compare with previous produclons made elsewhere, to study simple diode case, etc. ATLAS sensors (FE- I4) Layout finalizalon at FBK: G. Giacomini, M. Boscardin, N. Zorzi CMS sensors (PSI_dig) 4

5 Batch di Planar Pixel FBK su Wafer 6 Wafer: spessore attivo100µm e 130µm, supporto 500µm Processo n-in-p con tre dosi differenti di p-spray Layout: 10 ATLAS pixels (FEI4), 32 CMS pixels (PSI46dig), test structures Produzione terminata a dicembre 2014, primi wafer distribuiti agli istituti feb per la qualifica FBK Planar pixels FE- I4 Double FE- I4 FBK Planar pixels PSI46dig PSI_CMS Single ATLAS FE- I4

6 Test diode: I- V measurements Measured at FBK up to 200 V Circular diode, 4 mm 2, two Guard Rings FBK Test Diode J leak [na/cm 2 ] J leak distribulon on 135 diodes Guard Ring reverse currents on 3 wafers with 3 p- spray doses: Low Medium High (V BD trend as expected) 6

7 Test diode: C- V measurements DepleLon voltages: V depl ~ 16V for 130 µm thick. V depl ~ 20V for 100 µm thick. do not scale with square of thickness à Different resislviles Measurements FBK ConcentraLon profiles Doping 1 3 x cm - 3 Thicknesses about 10 µm lower than the nominal values, compalble with Boron diffusion from support wafer and measurement limit (L debye ) Depth [um] 7

8 Misure Capacita Sensori ATLAS W33 (Genova) F2N: 130 pf F2S: 270 pf F3N: 130 pf F3S: 260 pf FA5S1: 250 pf FA5S2: 260 pf F2N New type à 130 pf Standard type à pf (sia singoli che doppi) F2S Il wafer 33 e stato tagliato alla FBK 8

9 IV comparison : F2S sensor Le misure FBK sono prima del taglio 9

10 IV comparison : F3N sensor Le misure FBK sono prima del taglio 10

11 Planar Pixel sensors I- V measurements Measured at INFN Firenze up to high voltage V deplelon ~ 20V W30: Misure su Wafer intero ATLAS FEI4 sensors 11

12 Planar Pixel sensors I- V measurements V deplelon ~ 20V Measured at INFN Firenze up to high voltage W30: Misure su Wafer intero CMS PSI sensors 12

13 IrraggiamenL Pixel Planari Alcuni sensori e strupure di test del W33 (tagliato) sono stal gia invial ai centri di irraggiamento Colonna centrale: StruPure di Test per irraggiamento gamma (PG, TN) Sensori ATLAS (2), sensori CMS (6), lunepe Top e BoPom destra irraggiamento neutroni a 5x10E15 e 1x10E16 Neq/cm2 (FI e MPI) Bump Bonding Pixel Planari Processo di bump bonding in corso sia a IZM con cinque wafer che a SELEX con un wafer Saranno prodope alcune decine di moduli in totale (ATLAS + CMS) Sono previste diverse opzioni di isolamento con BCB per milgare le scariche tra ROC e sensore 13

14 RadiaLon Damage Studies: SimulaLon and Measurements Simulation workplan: Bulk and Interface radiation damage modeling Process dependent effects Comprehensive modelling (bulk + interface, 2D/3D) Measurement workplan: Before irradiation Measurements on dedicated test structures e.g. gated diodes, MOS capacitors and MOSFETs on p-spray/different substrates before and after irradiation 500 Mrad (annealing 80 C 10 min) GD p-type substrates measured before and after irradiation with gamma in the range Mrad. PG INFN e Uni, IMM- CNR BO, TN Uni

15 Verso la Produzione Pixel 3D Campagna di Scavo Colonne FBK: ODmizzazione del processo DRIE Quste prove fanno parte del batch 1 preliminare 3.4 µm! Deep ReacLve Ion Etching TesLng different etching depth and etching through oxide layer for SOI approach 155 µm! Photoresist 200 µm Si 200 nm SiO2 2 µm poly 4.7µm! Ohmic columns oplmized for depth 5.3 µm! 117 µm! 200 nm etched SiO2 2 µm poly- Si 5.3 µ m! JuncLon columns oplmized for uniformity 15

16 Test di Riempimento Colonne alla FBK Poly- Si filling and 2nd DRIE Reducing the hole diameter with poly- Si deposilon to ease the 2nd DRIE on the same wafer side First holes parlally filled with poly- Si 4µm poly- Si 5.3µm SEM image 16

17 STRIP FE- I4 3D Pixel Wafer Layout Batch spliped on 100 and 130µm DWB wafers with medium p- spray dose Two oplons for columns poly- silicon filling (cap/no- cap) Final version STRIP STRIP + Test structures (strip, diodes, etc) PSI46 dig RD53 big FE- I3 RD53 small FCP FCP Layout disegnato a TIFPA Many different pixel geometries and pitch varialons: FE- I4 50 x 250 (2E) std 50 x 50 (1E) 25 x 100 (1E and 2E) 25 x 500 (1E) FE- I3 50 x 50 (1E) 25 x 100 (1E and 2E) PSI46dig 100 x 150 (2E and 3E) std 50 x 50 (1E and 2E) 50 x 100, 100 x 100 (2E + 4E) 50 x 100, 100 X 150 (2E + 6E) 25 x 100 (1E and 2E) FCP 30 x 100 (1E) RD53 50 x 50 (1E) 25 x 100 (1E) x 100 (2E)

18 LePura pixel small pitch con i ROC apuali Esempi di adapamento dei canali di lepura FEI4 e PSIdig a pixel 50x100 o 50x50µm2 ATLAS FE- I4 50x50 (1E) + grid Schemi inseri? nel layout dei 3D, riu?lizzabili per pixel AE CMS PSI46: 50x50 (2E+4E) + grid 50x50 um 2 50x100 um 2 GND G.F. Dalla BePa et al. I pixel non led sono a GND 18

19 ADvita previste per il 2016 Test di Moduli CMS PSIdig e ATLAS FE- I4 con i vari Lpi di sensori prodod da FBK Qualifica del batch 3D e AE IrraggiamenL moduli (e sensori per confronto) Test beam, con preparazione delle strupure necessarie e adeguamento sistemi DAQ Produzione di moduli con wafer e ROC assodglial a diversi spessori per minimizzare il materiale; advita gia iniziata nel 2015, richiede ulteriori passi dopo i primi test Disegno e lancio della produzione di pixel 3D e AE compalbili con il chip RD53 Le advita RD- Fase2 sono in piena sinergia con AIDA in diversi WP, in parlcolare per i pixel il WP7 Advanced hybrid detectors molte sezioni INFN beneficiarie dei fondi AIDA in vari WP SLamo collaborando con gruppi esterni all INFN che hanno mostrato interesse in questo R&D: Max Planck (Munich) e LPNHE (Paris) 19

20 Milestone Proposte 1. CaraPerizzazione in clean room di disposilvi planari e 3D Prove su fascio di moduli pixel planari flip chipped Test in laboratorio di moduli 3D Definizione Layout per pixel 3D e planari compalbili con i protolpi del chip di lepura previsto per RD

21 Richieste finanziarie comuni ATLAS CMS: 154 ATLAS Batch (n.5) wafers di sensori 3D in convenzione MEMS3 24k TIFPA TN Sviluppo Indium BB ad alta densita 30k MI Wafer 3D: thinning, back metallizalon, bump deposilon, flip- chip 22k 76K GE ATLAS TOTAL CMS Preparazione e Bump- bonding pixel 3D, sviluppo BB alta densita 44k Mechanical Assembly 12k BA Test Beam mechanics and DAQ 12k MIB IrradiaLons, sample preparalon, mechanical supports and facililes costs 10k 78K PI TO CMS TOTAL 21

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