Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo

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Danni da radiazione su prototipi al silicio di
tipo innovativo

• Tesi di dottorato in Fisica

Dottorando Norman Manna
Relatori Prof. Mauro DePalma Prof. Donato
Creanza
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MOTIVAZIONI
5 anni
Aumento della luminosità di LHC (1034
1035)cm-2s-1 (se ne discute dal 2002).
Data di partenza 2015. Per aumentare il
numero degli eventi ed avere una statistica
migliore
Il limite maggiore è rappresentato dalla non
resistenza a questi flussi dei silici che
costituiscono i tracciatori dei diversi
esperimenti.
1 Atlas Radiation Background Task Force,
ATL-GEN-2005-001, Jan. 2005. 2 F. Giannotti et
al., hep-ph/0204087, April 2002. 3 R.
Horisberger , CMS Workshop on SLHC, CERN, Feb.
2004.
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(1) Danno di superficie
Irraggiamento ? 1-a aumento della carica
positiva 1-b
rottura dei legami reticolari allinterfaccia
1-a
? aumento Cii ? aumento della
tensione operativa
Riduzione dellisolamento fra le strisce
1-b
Incremento delle trappole presenti
allinterfaccia Si-SiO2
? aumento corrente di superficie ? Vbreak a
tensioni più basse.
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(2) Danno del substrato
VO neutronon dannoso
PARTICELLA
SI
VI
V
V20 contribuisce al segno di Neff
Ec
VO
cluster
V20
Ef
Ev
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Oxygen concentration in FZ, CZ and EPI

• Epitaxial silicon

• Cz and DOFZ silicon

EPIlayer

• CZ alta e omogenea concentrzione di ossigeno

CZ substrate
G.Lindström et al.,10th European Symposium on
Semiconductor Detectors, 12-16 June 2005

• EPI Ossigeno diffonde dal substrato Cz
• EPI La concentrazione dellossigeno e la sua
  uniformità diminuiscono con lo spessore

• DOFZ concentrazione di ossigeno aumenta col
  tempo di ossigenazione
• DOFZ distribuzione non omogenea dellossigeno

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SMART Wafer layout, 4
1st p-type MCz microstrip detectors
RUN I p-on-n 22 wafers Fz, MCz, Epi
RUN II n-on-p 24 wafers Fz, MCz two p-spray
doses 3E12 5E12 cm-2

• substrati studiati in RD50
• Wafer Layout disegnato dalla
• collaborazione SMART
• Maschere processate dallITC-IRST (Trento)

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Irraggiamenti
April 2005
Protoni da 24 GeV al CERN 3 fluenze
0.6x1014,2.7x1014, 3.4x1015)1-MeV n/cm2 9 diodi
June 2005
Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe 10
fluenze 1.2x1014 - 6x1015 1-MeV n/cm2 20
mini-sensori, 8 strutture di test(capts), 100
diodi
Set up _at_ JSI(Ljubljana)
April 2006
Neutroni da reattore a Ljubljana 12 fluenze
5.0x1013 8.5x1015 1-MeV n/cm2 27 mini-sensori,
11 strutturedi test (capts),100 diodi
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Caratterizzazione pre-irraggiamento Diodi
SMART1 - p/n - MCz 300mm
C-V processo uniforme del wafer
I-V diodi alte Vbd e buon valore di densità di
corrente
C-V diodi Uniformità di r lungo il wafer
SMART2 - n/p - MCz 300mm
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
Disuniformità probabilmente legata alla
variazione della concentrazione di ossigeno nei
substrati MCz C. Piemonte, 5th RD50 workshop Oct
2004
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Tensione di svuotamento dopo irr.(Fz n
inversione di tipo)
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard FZ_n
T200C
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MCz irraggiamento con protoni da 24 GeV/c
M. Moll. A. Bates NIM A
F2.71014 n/cm2
F0.61014 n/cm2
NO-INVERSIONE
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da
F2.71014 n/cm2 Alla fluenza F1.31015 n/cm2 la
giunzione dominante è ancora sul front (lato p)
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Tensione di svuotamento dopo irr.(MCz n
irraggiamento protoni 26 MeV)
T200C
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Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence
Annealing study
1min800C?1giorno200C
INVERSIONE
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Annealing inverso
NEUTRON IRRADIATION
PROTON IRRADIATION
Limite strumentale
Miglior comportamento degli MCz.
Type non-inverted depletion voltage has a maximum
Type inverted depletion voltage has a minimum
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DIODI EPITASSIALI
26 MeV protons

• Le misuire di annealing suggeriscono
  linversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la
  fluenza più bassa

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wafer Sub. Drog. Irrag. a(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 4.20.2
553 FZ n Neutroni 4.40.3
64 FZ p P-26Mev 40.3
127 MCz n P-26Mev 4.40.3
179 MCz n Neutroni 4.10.2
09 MCz n P-26Mev 3.90.3
130 MCz p Neutroni 3.90.3
12 Epi n P-26Mev 3.50.2
TANNEALING8 min 800C
a indipendente dal substrato tranne lepitassiale
wafer Sub. Drog. Irrag. ß(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 1.070.07
553 FZ n Neutroni 1.180.07
64 FZ p P-26Mev 1.170.08
127 MCz n P-26Mev 10.7
130 MCz p Neutroni 1.310.8
12 Epi n neutroni 0.410.5
12 Epi n P-26Mev 1.550.9
ß(CMS)1.49
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Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensori
Resistività uniforme lungo il wafer
SMART1 - p/n - MCz 300mm
Buone performance dei minisensori n-type in
Termini di tensione di breakdown
SMART2 - n/p - MCz 300mm
Resistività non uniforme come per i diodi Basse
tensioni di breakdown Per i sensori di passo 100
mm Specialmente per lalta dose di p-spray
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Corrente inversa totale dei minisensori dopo
irraggiamento con protoni da 26 MeV

• andamenti IV dei minisensori n-type per tutte
  le fluenze prima dellannealing (misure a 0oC)
• (1) Il livello di corrente fra MCz e Fz è lo
  stesso ad una data fluenza.
• Alte tensioni di breakdown
• La corrente inversa è proporzionale alla fluenza.
  

FZ MCz sensors
n-type

• andamenti IV dei minisensori p-type per tutte
  le fluenze prima dellannealing (misure a 0oC)
• (1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni
  di breakdown confrontabili con gli n-type.
• I sensori con alto p-spray migliorano solo ad
  alte fluenze gt 4.0 1014 neq/cm2.

p-type
MCz Low p spray
MCz High p spray
MCz High p spray
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Corrente inversa totale dei minisensori dopo
irraggiamento con neutroni
p-type
n-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano
poco dopo lirraggiamento con neutroni poco
danno di superfice (contaminazione g )
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Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacità
Interstrip)

• Buon andamento dei minisensori n-type (la
  capacitancà interstrip dipende, come atteso,
  dalla geometria dei sensori larghezza della
  striscia, passo, metal overhang)

• Andamento diverso per i sensori p-type
• la capacitancà interstrip diminuisce con Vbias
  raggiungendo la saturazione ad una tensione
  maggiore dello svuotamento (100V), effetto
  legato al non svuotamento della carica mobile del
  p-spray. La saturazione è più veloce nellalto
  p-spray e nel passo largo. Non cè differenza fra
  Fz and MCz.

MCz p-type Low p Spray
MO
50µm
Cint /l (pF/cm)
100µm
-Vbias (Volt)
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Capacità interstrip proton irr.
Capacità totale Vista dal preamplificatore
Ctot Cback 2(Cint 1st Cin 2nd )
Tipico del Si lt111gt
OK
n-type
Raggiunge il valore del non irraggiato
Stesso problema del non irraggiato.La situazione
migliora dopo lirraggiamento.
p-type
Le simulazioni confermano gli andamenti per
capire le differenze fra substrati e tecniche di
isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
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F20.4E14 n cm-2 F74.0E14 n cm-2 F3 CERN3.6E15
n cm-2
C (pF/cm)
Il valore di Cint a F3.6E15 raggiunge il suo
valore geometrico anche nel caso di sensori con
alto p-spray Le misure di resistenza
interstriscia confermano che le strisce sono
isolate
Vbias
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Conclusioni

• La variazione di corrente inversa è indipendente
  dal tipo di substrato, eccezion fatta per il
  substrato Epi, ed è funzione solo della dose
  ricevuta.
• In termini di tensione di svuotamento, a
  differenza dei dispositivi FZ-n, che subiscono
  inversione di tipo indipendentemente dal tipo di
  irraggiamento, i dispositivi MCz ed EPI mostrano
  una forte dipendenza dal tipo di particella e
  dalla sua energia.
• La maggiore resistenza alle radiazioni nei
  dispositivi di tipo MCz ed EPI la si osserva in
  termini di annealing inverso
• Per i minisensori tipo MCz n non ci sono
  particolari problemi in termini di capacità
  interstrip e tesioni di breakdown.
• Per i minisensori tipo MCz p i risultati sembrano
  indicare come migliore, fra quelle esaminate, la
  bassa dose di p-spray.

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Conclusioni

• Tutte le informazioni, provenienti dallintera
  comunità RD50, sembrano indicare che i
  dispositivi MCz siano promettenti per le regioni
  a medio raggio in SLHC specialmente quelli di
  tipo p mentre nella zona più vicina al punto di
  interazione probabilmente verranno utilizzati
  pixel di tipo EPI
• La collaborazione SMART ha intenzione di inserire
  nella prossima produzione
• materiali EPI spessi 100 µm
• macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 µm
• pixel dello stesso disegno dellattuale
  produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e
  CMS
• Minisensori con passo 80 µm e strip lunghe 3 cm
• nei minisensori di tipo p una tecnica combinata
  p-spray p-stop per lisolamento fra le strisce.

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MOS structure VFB evolution with F
Fz p-type with high p-spray
f 1K Hz
- Vgate (V)