Development of LGAD Sensor Technology on 12 inch Wafers for 3D Integration with advanced CMOS processes

素粒子物理学の世界において、見るということは単に画像を捉えることではありません。それは不可能なほどの精度で一瞬を捉えることです。亜原子粒子が検出器の中を駆け抜けるとき、それらは一瞬のうちに消え去る束の間の痕跡を残します。宇宙を理解するために、科学者たちは粒子の通過場所だけでなく、それがいつ到着したかを、1兆分の1秒という単位まで正確に記録できるセンサーを必要としています。数十年間、これらのセンサーとそれを読み取る電子的な頭脳は、別々の部品として作られ、その後に結合されてきました。この分離がボトルネックを生み出し、嵩張らせ、信号を遅延させていました。新たな境地は、これら二つのコンポーネントを一つの三次元スタックへと融合させ、センサーが遅延をほとんどなくしてプロセッサと直接通信できるようにすることです。これには、粒子を捕らえるための繊細で高速なセンサーと、データを処理するための高度なコンピュータチップという、非常に異なる二つの技術の結婚が必要となります。どちらも巨大な12インチのシリコンウェハー上で製造されるものです。

フェルミ国立加速器研究所（Fermilab）、SLAC 国立加速器研究所、およびローレンス・リバモア国立研究所の研究チームは、この目標に向けた重要な一歩を踏み出しました。彼らは、標準的なコンピュータチップの製造プロセスを用いて、「低ゲイン・アバランチ・ダイオード（LGAD）」と呼ばれる新しいタイプの超高速センサーの設計、製作、そしてテストを開始することに成功しました。これらのセンサーは、高性能電子機器向けとされる規模である65ナノメートル技術を用いた12インチウェハー上に作成されました。研究チームの成果は、これらの特殊なセンサーを、それらを読み取るために必要な複雑な回路と共に製造することが可能であることを証明しており、センサー全体とプロセッサの層がガラス板のように貼り合わされた未来への道を切り開くものです。この統合により、より薄く、より速く、かつ前例のない精度で粒子を追跡できる検出器の誕生が期待されています。

米国エネルギー省の資金援助を受けたこのプロジェクトは、これらの先進的なセンサーが「ハイブリッドボンディング」として知られる最終組み立て工程に向けて準備ができていることを実証することを目的としました。このプロセスでは、センサーのフルウェハーを読み取り用チップのフルウェハーの上に直接接着し、シームレスな三次元構造を作り上げます。これに備えて、研究者たちは同じシリコンウェハー上に3種類の明確に異なるバージョンのLGADセンサーを作製しました。第一のものは、特定の電荷配置を使用して、粒子が検出可能な高エネルギー領域を作り出す標準的なデザインです。第二のバージョンは「ACカップリング型センサー」と呼ばれ、電極から絶縁層によって信号を分離することで、隣接するピクセル間での情報の共有を容易にします。第三の最も斬新なバージョンは「ディープジャンクション・センサー」であり、感応層を表面付近ではなく、シリコンの深い位置に配置しています。この深い配置は、ピクセルの端における電気的な問題を回避し、性能を損なうことなくセンサー同士をより密に詰め込むことを可能にします。

製造プロセスはデリケートなバランス調整でした。チームは、論理回路用に設計された標準的なコンピュータチップ工場のフローを適応させ、粒子検出に必要な特定的な電気的条件を作り出す必要がありました。彼らは、センサーを微調整するためにエネルギー量やシリコンへ注入する原子量を調整することは許されていましたが、工場の基本ステップ自体に変更を加えることはできませんでした。課題の一つは、ACカップリング型センサーのための電気的接続を作成することでした。チップ工場にある標準的な絶縁層は通常の手法を用いるには厚すぎたため、チームは工夫して、チップ内の二つの異なる金属層の間のスペースを利用することで、必要な電気的蓄積を実現しました。これには、チップのデザインに関する厳格な規則の中で正しく機能するように注意深く調整を行うことが求められました。

構築される前にこれらのセンサーがどのように振る舞うかを予測するため、チームは詳細なコンピュータシミュレーションを実行しました。これらの仮想モデルは、電気場がシリコン内をどのように移動するか、また電圧に対してセンサーがどのように反応するかを理解するのに役立ちました。シミュレーションの結果、センサーが正常に動作するには特定の電圧レベルが必要であること、そしてこのプロセスで使用される薄いシリコン層が電圧の変化に対して非常に敏感であることが分かりました。また、コンピュータモデルは周囲の保護リングの設計にも貢献し、高い電気的ストレス下でも故障しないようにしました。これらのシミュレーションは、さまざまな電気的特性の組み合わせを時間や材料を無駄にすることなくテストすることを可能にし、各バージョンのセンサーを計画する上で不可欠でした。

ウェハーが研究所に届くと、テスト段階が始まりました。研究者はまず、暗所および赤色LEDによる光の下で、センサーの基本的な電気的健全性を確認しました。特別なゲイン層を持つセンサーと持たないものを比較し、信号がいかに増幅されるかを測定しました。結果は予想通りであり、ACカップリング版は116ボルトから160ボルトの間で増幅を示しました。コンピュータシミュレーションによる予測値は驚くほど正確で、実際の測定値との差は通常10ボルト以内でした。また、標準的なセンサーはACカップリング型のものよりも動作させるためにより高い電圧を必要とすることも判明しましたが、これはAC設計特有の電気的構成によるものでした。

センサーの応答速度をテストするため、チームはレーザーと放射性粒子のビームをデバイスに照射しました。レーザーパルスは極めて短いため、チームはセンサーが反応した瞬間を正確に測定できました。結果は目覚ましいものでした。小型のセンサーにおいては、時間分解能は40ピコ秒、つまり40兆分の1秒に達しました。さらに小さなセンサーをテストした際には、分解能は23ピコ秒へと向上しました。これらの数値は、将来の実験に求められる極限の精度をもって粒子のイベントのタイミングを捉えられることを裏付けています。一方、ディープジャンクション・センサーについては、良好なタイミングと増幅を示しながらも、やや気難しい性質があることも分かりました。時間の経過とともに電気的特性に緩やかなドリフトが見られたため、詳細な測定は困難でしたが、それでも効果的に粒子を検出する能力を示しました。

研究はこれらの初期テストで終わりではありません。現在、研究者たちは完全な集積パッケージ内で両者がどのように連携するかを確認するため、センサーウェハーを読み取り用チップにボンディングしている最中です。また、将来の粒子衝突器のような過酷な環境下でも生存できるかを確認するため、強力な放射線下でのテストも計画しています。設計をさらに洗練させるため、わずかに異なる電気的特性を持つ次の一群のウェハーもすでに送付されています。このプロジェクトの成功は、検出器テクノロジーにおける転換点となりました。これらの高速センサーが高性能なコンピュータチッププロセスで作製でき、三次元スタックとして統合できることを証明したことで、チームは新しい世代の検出器への扉を開いたのです。これらの将来の装置は、位置、時間、角度という五次元の情報をもとに粒子を追跡できるようになり、私たちの宇宙の根本的な構成要素についての新たな秘密を明らかにするレベルの詳細さを提供することになるでしょう。