复合式像素探测器传感器设计与测试&MIMOSA-18芯片测试

刘剑2011.12.31

复合式像素探测器设计，加工，测试 硅片选择 设计原理，版图，参数 电极生长及测试

MIMOSA-18 芯片测试 测试平台介绍 工作流程及信号特点

硅晶元参数： 厚度 280 直径 2’’(4’’) 晶向 <111> 电阻率 2 导电类型 n

m

cmk

示意图注入浓度 /cm2

注入能量 /KeV

硼（正面）

3*1012 65

磷（正面）

1014 550

硼（反面）

1014 450

硼（正面）

6*1012 200

保护环：降低漏电

流

相应掩蔽层厚度及工艺见报告

离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程。注入能量介于 1keV 到1MeV 之间，注入深度平均可达 10nm~10um ，离子剂量变动范围从 1012/cm3 到1018/cm3 。相对于扩散工艺，离子注入的主要好处在于能更准确地控制杂质掺杂和较低的工艺温度。

像素间隔离

像素结构

4种像素结构

版图

正面 反面

Pixel1光刻板

经过 900◦C ， 30 分钟退火后，硅片表面的二氧化硅及氮化硅薄膜发生崩裂，普通情况下薄膜的高温热处理有助于消除薄膜缺陷，减小薄膜应力，但是对于氮化硅，温度过高时，薄膜中的氢受热后溢出会使薄膜起泡甚至破裂。在二氧化硅上生长的氮化硅当温度大于 650◦C 时，薄膜完整性开始破坏。

退火问题 　半导体芯片在经过离子注入以后就需要退火。因为往半导体中注入杂质离子时，高能量的入射离子会与半导体晶格上的原子碰撞，使一些晶格原子发生位移，结果造成大量的空位，将使得注入区中的原子排列混乱或者变成为非晶区，所以在离子注入以后必须把半导体放在一定的温度下进行退火，以恢复晶体的结构和消除缺陷。同时，退火还有激活施主和受主杂质的功能，即把有些处于间隙位置的杂质原子通过退火而让它们进入替代位置。

电极

N+（正面） P+（反面）

钛 /nm 30

铝 /nm 700 700

镍 /nm 50

金 /nm 100 100

钛铝镍金电极可降低功函数，容易与 N+ 硅形成欧姆接触。

PCB封装

电极测试

正面 反面

N+ 面电极为肖特基接触

P+ 面为欧姆接触

像素电极测试

结特性

击穿电压： 70-100V漏电流： ~50uA

受探针台限制， C-V只能测到 ±25V

漏电流与导电银胶相关

性很大

主要问题： N+ 面不能形成欧姆接触， 封装漏电流

关于此传感器的设计加工测试，以及遇到的问题及以后的改进，详见内网wiki ：

http://58.194.174.196/wiki/Internal/BasicFunctionTestModule 附件 pixel.pdf

MIMOSA---minimum ionizing MOS active sensor

MIMOSA-18 芯片测试

MAPS(monolithic active pixel sensor)原理

有效区域 : 外延层 , ~10 µm Thick 在读出电子学下面 , 提供 100% 填充

电离出的电子被 N阱 -P外延层二极管收集。

电子收集通过热漂移

Mimosa-18

512x512 像素阵列， 10 µm 间距（ pitch ） , 有效面积 5x5 mm2 ，14 µm 厚外延层

Chip analog signal

LMH6628•Vo=Vi-2(Vref-Vi)

Flat cableAD8138

ADC driverRG46 USB board

前置板与中间板

clock/reset signal USB board

RG46

DS90LV019LVDS

driver/receiver

Flat cable Mimosa chip

数据获取

相关双采样（ correlated

double sample ）

控制信号 :

输入：时钟，复位输出：芯片同步，行同步

读出信号

时钟频率 10MHz

信号与时钟

目前输出信号噪声较大，接地不好。本底信号， Fe55 放射源信号（粗略放置）已采集。

下一步： 降低噪声 数据分析，成像。

谢谢！！