Viele Korrelierte Probleme Untersuchte Themen, jeweils als Funktion der Strahlendosis und des Pixel-Designs:

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1 Viele Korrelierte Probleme Untersuchte Themen, jeweils als Funktion der Strahlendosis und des Pixel-Designs: E-Feld Verteilung Pixel Isolierung: Verhindern von spontanen Entladungen nicht verbundener Pixelzellen Pixel-Kapazität Rauschverhalten Hochspannungs- Stabilität Multi Guard Rings Ladungs- Teilung im B-Feld (Lorentz-Effekt)? Oxyd-Ladung und Interface Traps Oberlächen- Leitfähigkeit O 2 Angereichertes Silizium Strahlenschäden

2 Prototypen Masken Design Produktion extern (2 Lieferanten/Prozesse) Entwicklung von Messmethoden Bestrahlungen am CERN (p) und am PSI (π) Messungen und Simulationen Dicke: µm ρ = 1.5 (2.5) kω cm N D = 3.2 (1.5) cm -3 Standard und Oxyd-Angereichertes Silizium Struktur Diverse 22x30 Pixel Sensoren Diverse 5x5 Pixel Sensoren "Parallel Router Chip" "Guard-Ring"-Test-Dioden MOS Kapazitäten Multi-Chip Sensoren 52 x 53 Pixel Sensoren Verwendungszweck Bondbar auf Prototyp Auslesechip Tests auf der "Probe-Station" Messung der Pixel Kapazität Hochspannungsstabilität Oxyd-Ladung und "Interface Traps" Bau von Mini-Modulen Vorgesehene Auslesechip-Grösse

3 Hochspannungsfestigkeit Multi-Guard-Rings für möglichst kleine Potential-Gradienten [µm] Schnitt-Kante -V bias p + Implantat (backplane) p + Guard Ringe p + Implantat n + Implantate n + Pixelzellen ~ 15 µm Auslesechip (GND Potential) I [A] 10-4 nach π cm nach p cm -2 unbestrahlt 10-6 Durchbruchs-Spannung: unbestrahlt: V D > 300 V bestrahlt: V D > 500 V (1000V) V bias [V]

4 Pixel Isolierung Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A (in print) n + Pixel in n-silizium e- Akkumulationsschicht nach Bestrahlung Pixel Isolation mit p-stop n-silizium Pixel SiO2 Implantaten als Ringe um die n + Pixel P-Stop Implantate Pixel Pixel mit fehlendem Kontakt zum Chip laden sich auf, spontane Entladungen (beobachtet!) Isolation gezielt brechen durch Öffnen der p-stop Ringe, um kontrolliertes Abliessen der Ladung zu ermöglichen Atoll p-stops R min = t int / C pixel = 25 ns / 25 ff = 1MΩ R max =??? (keine spontanen Entaldungen)

5 Messungen an unbestrahlten Pixelzellen Eine Pixelzelle mit V m ( 2V), alle Nachbarn auf GND, Messe I(-V m ) Leckstrom-Subtraktion durch zweimaliges Messen mit ±V m R = 2V m /[I(-V m ) - I(+V m )] depletiert undepletiert I(Vm) -V bias Isourr. R [Ω] p-stop 1 p-stop Vm Prozess 1 (SINTEF) V bias [V] R [Ω] MOS* Messungen und Simulationen: Bei Prozess 2 schon vor Bestrahlung Akkumulations- Schicht vorhanden 10 8 Prozess 1 } 10 7 (SINTEF) Prozess 2 } 10 6 (CSEM) * Metal on Silicon Kapazitäten V bias [V]

6 MOS Messungen MOS - Metal on Silicon - Kapazität zur Bestimmung von Oxyd-Ladungen (und Interface Traps) durch Messung der Flachband-Spannung V FB AC ~ Vg I(V) gate (Al) SiO 2 Messprinzip: n-silicon Q ox =C ox (Φ ms - V FB ) C ox : Oxyd-Kapazität Φ ms : Austrittsarbeits- Unterschied Al-Si CSEM: Q ox = q cm -2 SINTEF: Q ox = q cm -2 C / C ox n+-implant (ohmic contact) CSEM SINTEF V g [V] CSEM hat viel höhere Oxyd-Ladungs-Dichte als SINTEF Höhere Akkumulations-Schicht Konzentration bei CSEM V FB = V V FB = V

7 Messungen nach Bestrahlung Reduziert die e - Akkumulation an der Grenzfläche den Inter-Pixel Widerstand R? Ja, aber nur bei niedrigen Fluenzen*, danach starker Anstieg undepletiert depletiert R [Ω] Typ Umkehrung bei 2.1(3.6) π cm -2 (gemessen) Depletionszone wächst von der Pixel Seite her p-typ Silizium V bias GND V bias = 250 V p-stop Ring 10 7 Prozess 2 (CSEM) 10 6 Prozess 1 (SINTEF) Wochen Annealing Fluenz [π cm -2 ] Depletionszone stark genug, um akkumulierte e - zu verdrängen ( Pinch-Off, V p-stop 120V) Trotz sehr hohem Inter-Pixel Widerstand R nach π cm -2 keine spontanen Entladungen beobachtet Atoll p-stop Ringe funktionieren * Fluenz: zeitintegrierter Fluss

8 CSEM 7888SR pixel isolation [Ω] V 300V (20 weeks annealing) 250V (20 weeks annealing) V (20 weeks annealing) fluence [π cm -2 ] 10 5 SINTEF 7888SR oxygenated pixel isolation [Ω] V 300V (20 weeks annealing) 250V (20 weeks annealing) V (20 weeks annealing) fluence [π cm -2 ] 10 4

9 -Vbias R [Ω] nach p cm -2 undepletiert depletiert p-typ Silizium I(Vm) Isourr p-stop Ringe 1 p-stop Ring V bias [V] p-stop Ringe Vm SiO 2 n+ Pixel n+ Pixel Akkumulationsschicht n-substrat p + (V < 0) laterale depletion laterale depletion e - -Akkumulation (GND) p + (V < 0)

10 Spontane Entladungen wegen hohem Inter-Pixel Widerstand? Potential eines bestrahlten, nicht kontaktierten Pixles ( p cm -2 ) Saturation bei 125 V Hoch genug für spontane Entladung? Potential [V] x30 Pixel Ensemble (Sensor + Auslesechip) nach p cm V bias [V] Messungen an gebondeten Ensembles (Sensor + Chip): : fehlende Kontakte : Durchbrüche (hoher Strom) Durchbrüche nicht mit fehlenden Kontakten korreliert Durchbrüche alle bei gleicher Spannung, keine neuen Durch- brüche für höhere V bias Durchbrüche sind keine spontanen Entladungen Offene p-stop Ringe erfüllen Funktion.

11 Ladungs-Teilung im B-Feld Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A (in print) Verbesserte Ortsauflösung σ ohne B-Feld: σ = Abstand / µm mit B-Feld: Schwerpunktsberechnung σ = 15 µm q Ladungs- Teilung x CMS: B=4T Θ L : Lorentz-Winkel n + B p + Vbias E h e e h h e e h h e e h h e e h Θ L p-si depletiert undepletiert ionisierendes Teilchen B tan Θ L = tan β tan α E α β y Drift-Ebene mit B-Feld d Θ L Drift-Ebene ohne B-Feld ionisierendes Teilchen

12 Resultate: 2 10 [µm] Eintritts-Punkt unbestrahlt bestrahlt B = 3T 3T T = 20 C -3 C V b = 144V 256V unbestrahlt Pion B-Feld Länge der Pixelreihe [Anzahl Pixel] (Q n - Q i ) A = (Q n + Q i ) Q i(n) : Ladung gesammelt auf Impakt- (Nachbar-) Pixel Reihe Winkel β aus der Steigung von A Benötigt genaue Spurmessung Strahlteleskop mit σ=1µm 2 unbestrahlt Länge der Pixelreihe [µm] unbestrahlt (3T): Θ L = (18.2±1.2)

13 verschiene Θ L bei unterschiedlichen Tiefen bestrahlt Länge der Pixelreihe [µm] bestrahlt (3T): (6.2±3.0) Θ L (26.8±3.6) Simulationen: kleinerer Θ L (flache Steigung) verursacht durch Zonen hoher elektrischer Feldgradienten zwischen den Pixel Implantaten Ladungs-Teilung tiefenabhängig Trajektorien-Berechnung komplizierter n-silizium Pixel SiO 2 P-Stop Implantate Pixel Simulierte Feldstärke zwischen zwei Pixel- Implantaten als Funktion der Sensor-Tiefe E [V cm -1 ] V bias = 300V Tiefe [µm]

14 Pixel Kapazität Dominiert Verstärker-Rauschen Erstmessug für n + Pixel in n-silizium C tot = C 0 (zur Rückseite) + 4 C 1 (nächste Nachbarn) + 4 C 2 (diagonale Nachbarn) Probe 1 C2 C1 C2 C1 C1 C1 C 0 C2 C2 140 Pixel parallel geschaltet mit Parallel Router Chip Pixel-Zellen Probe 2 () Für volle Depletion Probe 1 pixel sensor Bias Spannung Probe 2 C pixel = (25.7 ± 1.8) ff Parallel Router Chip (Pixel mit zwei p-stop Ringen) Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A (in print)

15 Schlussfolgerungen Pixel-Isolation (nach Bestrahlung) R höher als erwartet (einige GΩ), trotzdem keine spontanen Entladungen Hoher Widerstand ist verstanden R ist nicht zu hoch Offene p-stop Ringe funktionieren Pixel-Kapazität C pixel = (25.7 ± 1.8) ff (Erstmessung) kleiner als erwartet,... Guard Ring Design Erfüllt Spezifikationen, kann so verwendet werden. Ladungs-Teilung Immer noch genügend nach Bestrahlung, jedoch kein uniformer Lorentz-Winkel mehr durch Zonen mit hohen elektrischen Feldgradienten Trajektorien-Berechnung wird komplizierter Sauerstoffangereichertes Silizium Hemmt Auswirkungen von Strahlenschäden ( β-parameter Keinen Einfluss auf Pixel-Isolierung (Oberfläche), aber Einfluss auf Bulk.