ALICE ITS3 업그레이드를 위한 최초 웨이퍼‑규모 프로토타입 MOSS 특성 평가

초록

본 논문은 2023년에 제작된 ALICE ITS3용 웨이퍼‑스케일 단일칩(MOSS)의 설계와 전기·방사선 특성을 종합적으로 평가한다. 1.4 cm × 25.9 cm, 50 µm 두께의 스티칭 센서는 6.72 M픽셀을 포함하며, 전력소모 40 mW/cm² 이하, 방사선 내성 4 kGy(TID)·4×10¹² n_eq cm⁻²(NIEL) 등 ITS3 요구사항을 만족한다.

상세 분석

MOSS는 300 mm 웨이퍼에 6개의 대형 센서를 구현하고, 각 센서는 좌·우 엔드캡(LEC, REC)과 10개의 반복 유닛(RSU)으로 구성된 1차원 스티칭 구조를 갖는다. RSU는 상·하 반유닛으로 나뉘며, 상부는 256 × 256 픽셀(피치 22.5 µm), 하부는 320 × 320 픽셀(피치 18.0 µm)로 설계돼 집적밀도와 수율을 동시에 검증한다. 스티칭된 전원·신호 라인은 금속 백본을 통해 전체 길이에 걸쳐 전압 강하를 최소화하도록 그리드 형태로 배치했으며, 전원은 양쪽 엔드캡에서만 공급해 전류 균등성을 확보한다.

픽셀 내부 프론트엔드는 저전류 동작을 위한 약한 인버터와 폴드‑캐스코드 증폭기를 결합한 구조로, I_bias를 조절해 이득과 잡음 사이의 트레이드오프를 최적화한다. I_reset은 피코암페어 수준으로 설정돼 누설전류보다 크게 유지하면서도 과도한 샷노이즈를 억제한다. 전압 레벨 시프팅 트랜지스터(M3)는 컬렉션 다이오드의 정전용량을 감소시켜 응답속도를 높인다.

실험적으로는 실온·냉각(–20 °C) 환경에서 전류·전압 특성, 누설전류, 전력소모, 잡음(ENC) 등을 측정했으며, 1 MeV n_eq cm⁻²당 10 ke⁻ 전하 수집 효율이 99 % 이상임을 확인했다. 방사선 내성 테스트에서는 4 kGy까지 TID와 4×10¹² n_eq cm⁻²까지 NIEL에 노출시켜도 픽셀 이득·노이즈 변화가 5 % 이하로 제한되었다. 또한, 싱글 이벤트 효과(SEE) 시험에서 SEU 발생률은 10⁻¹² bit·cm⁻²·s⁻¹ 수준으로, 실험 환경에서 무시할 수 있는 수준임을 보여준다.

수율 측면에서는 전체 6.72 M픽셀 중 99.3 %가 정상 동작했으며, 결함은 주로 스티칭 경계 부근의 전원 라인 저항 증가와 금속 연결 불량에 기인했다. 이러한 결함은 설계 규칙(Design‑for‑Manufacturability) 개선과 금속 두께 최적화를 통해 감소시킬 수 있다.

전체적으로 MOSS는 ITS3가 요구하는 초저두께(0.09 % X₀)와 고집적도, 저전력, 방사선 내성을 모두 만족하는 최초의 웨이퍼‑스케일 MAPS 시제품으로, 향후 대량 생산과 실제 트랙터킹 성능 검증을 위한 기반을 제공한다.