SOI 技術を用いた pixel 検出器の開発 （放射線損傷試験）

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1 SOI 技術を用いた pixel 検出器の開発 （放射線損傷試験）
　　 /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

2 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　

3 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 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) 1.4x MeV neq/cm2　　← sLHCでのSCT最内層 1.3x MeV neq/cm2　　← sLHCでのpixel層

4 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

5 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

6 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

7 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]

8 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)

9 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

10 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]

11 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

12 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

13 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

14 Back Up

15 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

16 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

17 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

18 TOPPIXN

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

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

21 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）

22 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