SOI 技術を用いた pixel 検出器の開発 （放射線損傷試験） 　　 2008/09/23　日本物理学会 　　　　　　　　 　　　　　筑波大学　瀬賀智子 　　　　　　 　　　　　他 SOI グループ SOI pixel 検出器 照射サンプル（TOPPIXN） 照射結果 Leak current Reset 応答 Laser 応答 Hot Spot 撮影 Summary＆Plans

SOI ピクセル検出器 埋め込み酸化膜(BOX)で回路部分と基板を分離 低寄生容量 高速動作、低消費電力 エレキ部(低比抵抗) 0.15μmプロセス Si:40nm厚 BOX:200nm厚 センサー部(高比抵抗) 350μm厚 埋め込み酸化膜(BOX)で回路部分と基板を分離 低寄生容量　　　　　 高速動作、低消費電力 完全分離構造　　　 latch up を抑制 はり合わせ型SOI センサー部とエレキ部それぞれに適した 抵抗のSiが選択可能 機械接続不要　　　 小面積、低物質量化、組立の簡素化　

放射線によるSOIデバイスへの影響 シリコンへの影響 バルク部（Cz法）の不純物濃度の変化 　　　FZ法では 1014 1-MeV neq/cm2 以下で、N型半導体⇒P型半導体へと反転 酸化膜への影響 　　　Total Ionizing Dose(TID)効果 　　　酸化膜に正の電荷が帯電し、 トランジスタの閾値が変動 gate BOX Si-substrate body source drain + + + + →陽子線照射実験により評価 東北大学サイクロトロンにて、TOPPIXNに70MeVの陽子線を 照射(2008年3月) 1.4x1015 1-MeV neq/cm2　　← sLHCでのSCT最内層 1.3x1016 1-MeV neq/cm2　　← sLHCでのpixel層

TOPPIXN（32x32 ピクセル検出器） 行と列のアドレスを指定し、 ３２ｘ３２ピクセルの信号を読む RESET電圧を変えて（0～1V) テストパルスにする 電圧（Vrst,Vdet）設定、オシロスコープと電流計の読み出しは自動化した アナログ OUT

TOPPIXN 断面図 Pixel (1024ch) HV リング Bias リング I/O Vdet pixel HV ring Bias ring Vdet Ｎ Box P+ N+ Al pixel Pixel (1024ch) HV リング Bias リング I/O

Leak current 1x1015 1x1016 ダイオード特性は1x1016 照射後も見られる HV ring Bias ring Vdet Ｎ Box P+ N+ Al pixel アニーリング：60℃40分 1x1015 1x1016 preirrad 1x1015 preirrad 1x1016 ダイオード特性は1x1016 照射後も見られる 照射後、Leak current は増加する

Reset 応答 Reset 信号をテストパルスとして、 エレキ部の応答をみる 1x1015 照射後は、動作領域が変化 Vdet preirrad Reset 信号をテストパルスとして、 エレキ部の応答をみる Aout [V] 1x1015 照射後は、動作領域が変化 1x1016 照射後は、応答がみられない (トランジスタの閾値変化のため） Vrst [V] 1x1015 1x1016 Vdet Vbias Aout [V] Aout [V] Vrst [V] Vrst [V]

γ線照射によるトランジスタの閾値変化 (2007年12月) NMOS PMOS ΔVT=VT(照射後)-VT(照射前)

Laser 応答 未照射 1x1015 1x1015 照射後でも Laser 応答がみられる Vdet=2V Vdet=2V Ch n-1 Laserの波長:650nm エレキ部が動作している1x1015照射後チップと未照射チップについて測定 未照射 Vdet=2V 1x1015 Vdet=2V Ch n-1 Ch n Ch n+1 Laser on Laser off 64point/1ch 1μs/point Reset 1x1015 照射後でも Laser 応答がみられる

Leak current 発生の原因 未照射 1x1015 1x1016 Vdet Vback Vdet Vback Vdet+Vback HV ring Bias ring Vdet Ｎ Box P+ N+ Al pixel V [V] preirrad(Vdet) Vdet Vback Vdet+Vback ① ② ③ 1x1015 preirrad(Vdet) Vdet Vback Vdet+Vback ④ ⑤ ⑥ 1x1016 V [V] V [V]

Bias リング（P+/バルク）周辺から Hot Spot Vback HV ring Bias ring Vdet Ｎ Box P+ N+ Al Hot Spot の撮影(1x1015) pixel 局所的に電場の集中する場所でマイクロ放電が起こる。 チップを赤外線カメラで観測し、 マイクロ放電が起こっている場所の特定を行った。 1x1015 ③Vback=120V、I=80uA、t=120sec Biasリングの角にHotSpot preirrad(Vdet) Vdet Vback Vdet+Vback ①Vdet=150V、I=38uA、t=120sec Biasリングの角にHotSpot ②Vdet=210V、I=72uA、t=120sec Biasリングの角、HVリングにHotSpot ③ Bias ② Bias,HV ① Bias V [V] Bias リング（P+/バルク）周辺から Hot Spot バルク(表面のみ？)は 反転（N→P）していない

Bias リング（P+/バルク）から Hot Spot なし Hot Spot の撮影(1x1016) Vback HV ring Bias ring Vdet Ｎ Box P+ N+ Al pixel preirrad(Vdet) Vdet Vback Vdet+Vback ④ ⑤ ⑥ 1x1016 ⑥Vback=100V、I=51uA、t=120sec Hot Spot はみられない ④Vdet=100V、I=14uA、t=120sec Hot Spot はみられない ⑤Vdet=170V、I=49uA、t=120sec HVリング上にHotSpot なし HV なし V [V] Bias リング（P+/バルク）から Hot Spot なし バルク(表面）は 反転（N→P）している可能性がある

Summary＆Plans SOI 技術を用いて、読み出し回路を一体化したPixel検出器を開発中である。放射線耐性試験として陽子線照射実験を行った。 TOPPIXNは、陽子線照射により回路動作範囲が変動する(トランジスタの閾値変化のため)。 1.4x1015 neq/cm2 照射後は、動作範囲が狭くなるが、レーザーによる応答がみられた。 1.3x1016 neq/cm2 照射後では動作しないことをテストパルスにより確認した。 Hot Spot の撮影により、 暗電流発生箇所を特定した。 　　　　　　　　　　1.38x1015 neq/cm2 照射後はバルク反転していないように見え、　　 　1.26x1016 neq/cm2 照射後はバルク表面付近については反転(N→P) しているように見えた。 トランジスタの閾値変化を Back Gate 効果により低減させることのできる P型バルクを用いた pixel 検出器など、放射線の影響を受けにくい検出器の開発を行う。 今後の予定

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Super LHC実験ATLAS検出器での放射線量 ピクセル領域(R=5cm)では、1x1016neq/cm2 シリコンマイクロストリップ検出器領域では、1x1015neq/cm2

このとき発生するエネルギーの高い光子を赤外線カメラで撮影 電圧をあげていく HV ring P+ N+ PN接合 高電場によって加速された電子が、 物質原子に衝突して、電子をたたき出す →なだれ増幅 e 原子 γ 観測 HV ring P+ N+ 電場集中 このとき発生するエネルギーの高い光子を赤外線カメラで撮影 特にRing角は電場が集中するため、なだれ増幅がおきやすい HV Ring Bias Ring HV ring P+ N+ 雪崩増幅

Wafer 製造法 ① CZ法 ② FZ法 多結晶Si をるつぼに入れて溶かし不純物を添加する。 　　シードを回転させながら徐々に引き上げていくと、シードに従って単結晶が成長する。 　　　　利点：大口径化が可能 　　　　欠点：酸素が混入 ② FZ法 　　棒状の多結晶Siを吊るし、高周波 　　コイルで加熱して部分的に帯状に 　　溶かす。Si融液部分に小さなシード　 　　を接触させてから、帯状の溶解部分　　 　　を上方に移動させ、全体を徐々に 　　単結晶化させる。 　　　　利点：酸素含有量が少ない 　　　　欠点：大口径化が困難 ① CZ法 ② FZ法

TOPPIXN

preirrad Reset 応答(1E15) Vrst 1E15 1E15anl Vrst

preirrad Reset 応答(1E16) Vrst 1E16 1E16anl Vrst

トランジスタの閾値変化（陽子線とγ線照射との比較） NMOS PMOS （陽子線照射：2007年8月）

Laser 応答 未照射 1x1015 1x1015 照射後でも Laser 応答がみられる Vdet=6V Vdet=1V Ch n-1 Laserの波長:650nm エレキ部が動作している1x1015照射後チップと未照射チップについて測定 未照射 Vdet=6V 1x1015 Vdet=1V Ch n-1 Ch n Ch n+1 Laser on Laser off 64point/1ch 1μs/point Reset 1x1015 照射後でも Laser 応答がみられる