16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 1 Untersuchung von strahlenharten...

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

1

Untersuchung von strahlenharten Multigeometrie-Pixelsensoren

für den zukünftigen CMS Spurdetektor im Rahmen

der HPK-Kampagne


2

Kurzeinleitung

• Für den CMS-Spurdetektor „HPK*-Kampagne“• Untersuchung verschiedener Substrate

(Float Zone, Magnetic Czochralski und Epitaktisches Silizium); • verschiedener Dicken (320, 200, 120, 100, 50m) • und verschiedener Prozess- und Isolationstechnologien

(p-in-n (N), n-in-p pstop (P), n-in-p pspray (Y)) • produziert von einem Hersteller!!!

– Im Folgenden werden aus dieser Kampagne Messergebnisse für Multigeometry-Pixel (MPIX)-Sensoren vorgestellt

– Namensschema: Material + Dicke + Technologie *Hamamatsu Photonics KK


3

12 11 10 9 8 7 6 5 4 123

12 1

Pixel 32…1

8

Line

1

N S

E

W


4

Multipixel -2

Bias Ring

Guard Ring

Pixel

PolysiliziumWiderstand

Punch throughTransistor

Isolation


5

Besonderheiten• Teststrukturen für Sensoren des innersten Bereich des

zukünftigen Spurdetektors – Hohe Granularität

• Einzige Teststruktur innerhalb der Kampagne mit Punch-through-Transistor– Besonderes Augenmerk bei der Auswertung auf den Vergleich der

beiden Bias-Methoden

• „PT-Modul“

=1 =2


6

Messungen

• C/V und I/V Kurve des Biasrings• Pixelstrom und -kapazität• Zwischenpixelkapazität und

-widerstand• Biaswiderstand

• Gemessen wurden bisher 19 FZ, 8 Mcz und 8 Epi Sensoren von allen verfügbaren Dicken und Technologien

• Gute Kenntnis der Eigenschaften der unbestrahlten Sensoren! Diese ist nötig um sie später mit den Ergebnissen von Messungen an bestrahlten Sensoren zu vergleichen zu können. -> Strahlungshärte

C/V Kurve des Biasrings


7

0 100 200 300 40020.0p

30.0p

40.0p

50.0p

60.0p

PT

PS

even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

C/V Bias Ring -E100N-03-Mpix-2 7-120

8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

Cap

acita

nce

[F]

Voltage [V]

0 -100 -200 -300 -400 -5000

1e21

2e21

1/C

2 [1/F

2 ]

Voltage [V]

261V

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

100

200

300Verarmungsspannung

FZ320Y-06-Mpix1 FZ320P-02-Mpix2 FZ200Y-03-Mpix1 FZ200Y-03-Mpix2 FZ200P-03-Mpix1

Volta

ge [V

]

Region number

Verarmungsspannung = Minimale Betriebsspannung

C/V Kurve des Biasrings

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120.0

20.0p

40.0p

60.0p Short Pixel

Average of all FZ - 120m Average of all FZ - 200m Average of all FZ - 320m Average of all MCz - 200m

Cap

acita

nce

[F]

Region

Ctotal

@ 450V

Long Pixel

x2

I/V Kurve des Biasrings

0 -100 -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800 -900 -10000.0

-5.0n

-10.0n

-15.0n


I/V Bias Ring -FZ320Y-06-Mpix-1

Cur

rent

[A]

12-80

Voltage [V]

- DurchbruchsspannungTypische Werte: FZ320 > 1000VFZ200, M200 > 700VFZ120 > 500V E100 > 500VE50 > 350V

0 100 200 300 400 500 600 7000.0

2.0n

4.0n

6.0n


I/V Bias Ring -FZ320P-07-Mpix-1

Cur

rent

[A]

7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

Voltage [V]


9

Durchbruchsspannung= Maximale Betriebsspannung

Zwischenpixelkapazität

Rauschen•CPT > CPS

•C120m < C100m < C80m

•Clang ~ 2*Ckurz

0 100 200 300 4000.0

50.0f


7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

Cint

- M200N-05-Mpix-2

Cap

acita

nce

[F]

Voltage [V]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120.0

50.0f

100.0f

150.0f

Short Pixel

80100

even numbers = poly silicon biased odd numbers = punch through biased

Average of all sensors

M200N M200N-05-Mpix-2 M200N-09-Mpix-1 M200N-10-Mpix-1 M200N-11-Mpix-2

M200P M200P-03-Mpix-1 M200P-04-Mpix-1 M200P-07-Mpix-2

M200Y M200Y-02-Mpix-2 M200Y-05-Mpix-1

Inte

r-pi

xel C

apac

itanc

e [F

]

Region number

Cint

@ 450V

120

Long Pixel


10

• Keine Abhängigkeit von der Technologie !!!

Zwischenpixelwiderstand

M

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

5p

10p

15p

20p

25p

>100Teven numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

Voltage [V]

Rint

- E50N-07-Mpix-2

Cur

rent

[A]

>1T

Vbias

=300V

0.0 50.0T 100.0T 150.0T 200.0T 250.0T0

1

2

3

4

5

6

PT

Min : 5.46E12Max : 1.29E15

#

Resistance [Ohm]

Zwischenpixelwiderstand

PS

Epi


11

Pixelisolation• Rint(PT) > Rint(PS)• >1T für Epi• >1G für M

Pixelkapazität

0 100 200 300300.0f

350.0f

400.0f

450.0f

500.0f

550.0f

600.0f


7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

CPixel

E50N-07-Mpix-2

Cap

acita

nce

[F]

Voltage [V]


12

Rauschen / Elektronik•CPT > CPS

•Abstand: C120m>C100m>C80m

•Dicke : C320m<C200m<C120m

7 8 9 10 11 12250.0f

300.0f

350.0f

400.0f

450.0f

500.0f

550.0f E100N E100P E100Y E50N E50P E50Y

Cap

acita

nce

[F]

Region Number

Pixelkapazität120um

N~Y<P

Pixel Strom

0 100 200 300 400 500 600 7000

5p

10p

15peven numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

IPixel

FZ320Y-04-Mpix-2

Cur

rent

[A]

Voltage [V]


13

7 8 9 10 11 124.0p

5.0p

6.0p

7.0p

8.0p

9.0p

10.0p IPixel

Durchschnitt ueber alle Sensoren

FZ320N FZ320P FZ320Y

Cur

rent

[A]

Region

Leckstrom – “Blindleistung” • IPT > IPS

• I120m > I100m > I80m

• Technologien zeigen gleiches Verhalten

Rbias

-2 -1 0 1 2-1µ

-500n

0

500n

1µ

Polysilicon 2-120 4-100 6-80 8-120 10-100 12-80

RBias

- E50Y-01-Mpix-1

Cur

rent

[A]

Voltage [V]

1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6

106

107

108

109

Punch through "Widerstand"

Diff

eren

tial R

esis

tanc

e [O

hm]

Current [A]2 4 6 8 10 120

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 M200N (4 sensors) M200P (3 sensors) M200Y (2 sensors) FZ200N (2 sensors) FZ200P (2 sensors) FZ200Y (3 sensors)

Res

ista

nce

[M]

Region number

Poly silicon bias resistor Rbias dIdUdR


14


15

Zusammenfassung

• Alle untersuchten Mpix-Sensoren liegen im Rahmen der Spezifikationen

• Deutliche Unterschiede der elektrischen Eigenschaften für die verschiedenen Bias-Methoden

• Der Einfluss der Produktionstechnologie konnte z.B. für die Pixelkapazität untersucht werden

Ausblick

• Mpix Sensoren werden derzeitig mit Protonen und Neutronen bestrahlt und werden anschließend erneut gemessen

• Parallel zu den elektrischen Messungen sind Teststrahlmessungen vorgenommen worden und werden derzeitig ausgewertet


16


17

Anhang


18

24/10/11 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

19

1. HPK# Campaign (1)• The goal is to find the best material and geometry choice for the

upgrade of the CMS (silicon) tracker • To achieve this goal one wafer layout was designed and produced with

different substrates, thicknesses and different production technologies but with same production process from one manufacturer! (Hamamatsu)

* Physical thickness is 320m, active thickness is reduced by a “Deep Diffusion” process#

technology / material FZ-320m

FZ-200m

FZ-200m*

FZ-120m

FZ-120m*

MCz-200m

Epi-100m

Epi-50m

P-in-N 6 6 6 6 6 6 6 6

N-in-P pstop 6 6 6 6 6 6 6 6

N-in-P pspray 6 4 6 4 6 6 6 6

2'nd metal P-in-N 6

2'nd metal N-in-P pstop 6

2'nd metal N-in-P pspray 6

FZ – Floating Zone siliconMCz – Magnetic Czochralski siliconEpi – EPItaxial silicon

In total 158 wafers have to be qualified, irradiated and re-qualified.

1. HPK Campaign (3)

24/10/11 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

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N-irradiation (Ljubljana)

P-irradiation (KIT)P-irradiation (KIT)

N-irradiation (Ljubljana)

Radius [cm]

Protons [1014 neq/cm2]

Neutons [1014 neq/cm2]

Sum [1014neq/cm2]

RatioP/N

5 130 10 140 13

10 30 7 37 4.3

15 15 6 21 2.5

20 10 5 15 2

40 3 4 7 0.75

Corresponding to simulated fluences• Single and mixed particle irradiation for 5 radii• Electrical measurements after each irradiation• Several beam tests • Annealing studies after irradiation

Expected fluences at 3000fb-1 for CMS


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Biasing and isolation technics

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