Développement d'un procédé d'intégration 3D de photocapteurs et de circuits intégrés CMOS à grande échelle chez Teledyne DALSA

Abstract

La performance globale des systèmes d’instrumentation dans les champs d’applications de l’imagerie médicale et en science nucléaire dépend entre autres des performances des capteurs. L’intégration tridimensionnelle de circuits intégrés (3D-IC) est une alternative à la densification des transistors selon la loi de Moore. L’intégration 3D hétérogène appliquée aux photodétecteurs augmente la surface photosensible tout en optimisant les performances optoélectroniques du capteur ainsi que les fonctionnalités des circuits de lecture. Ce type de photodétecteur génère un intérêt marqué à l’implantation dans les prochaines générations d’imageurs par tomographie par émission de positons (TEP) du groupe de recherche en appareillage médical de Sherbrooke (GRAMS). Le GRAMS réalise notamment des photodétecteurs ultrarapides qui se basent sur des matrices de Single Photon Avalanche Diode (SPAD). Cependant, développée à l’institut interdisciplinaire d’innovation technologique (3IT), la méthode d’intégration 3D Die to Die (D2D) possède une faible répétabilité et une faible capacité de production. Ce mémoire présente la conception, le plan de test et les résultats obtenus sur l’intégration 3D d’une nouvelle architecture du photodétecteur SPAD pour atteindre 10 ps et être compatible avec les expériences de physique des particules. L’utilisation d’un collage Al-Ge Wafer to Wafer (W2W) et l’industrialisation du procédé d’intégration 3D chez Teledyne DALSA Semiconducteur Inc. (TDSI) permettent notamment d’améliorer la fiabilité et la capacité de production. Pour réaliser ce projet, six masques de photolithographie, une stratégie d’alignement, trois procédés de microfabrication et une stratégie d’intégration ont été introduits dans les systèmes de TDSI et sont présentés dans ce mémoire. Les lots sont présentement en cours de fabrication et une optimisation de la procédure de collage Al-Ge est en cours.