Silicon On Insulator(SOI)技術を用いたmonolithic pixel検出器の開発(3)陽子線照射実験2007/09/22
日本物理学会@北海道大学
University of Tsukuba
Ai Mochizuki
他SOI groupzIntroduction: Silicon On Insulator device
zn-type pixel: 性能評価(暗電流、不良chの割合)
zp-type pixel: 陽子線照射実験
zSummary & Plans

1

Silicon On Insulator Device
Electronics•低抵抗 9-13Ωcm•1.5um thickVbackDetector•高抵抗 >4kΩcm•300um thick

SOI detectorの特徴
z 埋め込み酸化膜(BOX)で回路部分と基板を分離
9 完全分離構造
latch upを抑制、9 低接合容量
高速動作、低消費電力、高温でも動作
z 放射線耐性: latch up(OK),酸化膜の帯電(研究中)
z センサー部（高比抵抗）とエレキ部（低比抵抗）を一体化できる 2積分型pixel(32x32)

行の選択

SOIによるセンサーとエレクトロニクスの一体化をした20um角のpixel chipを作成した。
test pulse
列の選択

アナログ出力3

N-type pixel 性能評価① Leak current
・FY05
・FY06_ST・FY06_HE

昨年作成 FY05
Bias+Gard Ringの角に
FY06 丸みをつけたStandard =ST
High Energy=HE (4倍深くimplant)
最大で印加電圧: ~100V(FY05)⇒130V
leakが起こっている場所を特定するために、電流が増加した時点でchipを赤外線カメラで観測した。
V=120[V],I=120[uA],T=60[s]Bias,Gard Ringの角４箇所にHot spot(発光点)がみられた。
高い電圧まで印加するためにはこの Ringの角をさらに改良する必要がある。
4

性能評価②

Photo responsez Pixelにlaser(670nm)を当て、応答を見た。
FY06_HE,Vdet=10V,64us/ch
・RESET・AOUT

ON ch

OFF ch

FY052%

3.4%

FY06_ST

0.49%

0.02%

FY06_HE 0.6%

0.1%

I=9nA

Light OFFON ch・RESET
・AOUTLight ON

異常chの割合

異常chの割合が改善した。

I=8.1uA
Output=150mV/6us(HE)Output=270mV/6us(ST)OFF ch5

放射線による半導体デバイスへの影響{Single Event Effect(SEE)zSOIは影響が少ない{Total Ionizing Doze(TID)[積算線量]
z 酸化膜にホールがトラップされる。
z 閾値の変動、さらにMOS-Trが閉じきらなくなりleak電流が増える。
z キャリア(e, hole)移動度の低下(Trの速度低下)がみられる。

酸化膜が近接するSOIではTIDの影響が大きいと我々は測定している。

gate++++++++

source++++++++

buried oxide
Si- substratedrain{センサーSiの放射線損傷
z陽子線照射実験により評価した。
6照射実験(2007/08/28-29)
東北大学サイクロトロン
70MeVの陽子線を照射
ビームの大きさ
水平方向 15mm(FWHM)
垂直方向 16.5mm(FWHM)

p-type pixel に以下の照射量の照射を行った。

<放射線量>
1MeV-neq/cm2

1x10141x10151x1016
7

LHC pixel検出器に要求される線量

P-type pixel 照射結果①leak current
照射したsampleは６０℃８０分のアニーリングを行った後に測定した。
Vdet
HV Ring Bias Ring

P+

SiO2
N+
N+N+N+
Si-substrate (P)逆バイアス 順バイアス

Al

9照射量1x1014では未照射と似た振る舞いをしており、ダイオード特性がみられる。
9照射量1x1015 ,1x1016 では逆バイアスの電圧幅が大きくなっているが、ダイオード特性ははっきりしない。
8

照射結果②Reset信号による応答

照射量
1x1014

・VOUT・RESET

200mV

Vdet=-10[V],Vrst=0.8

未照射・VOUT・RESET
100mV

1x1015100us

1x10169照射量1x1015まではエレクトロニクス部分は動作している。
9出力信号の大きさは照射前より照射後のほうが2倍大きくなっていることがわかる。

9

照射結果②Reset信号による応答
出力信号の動作領域

未照射
1E14
1E15

照射量

動作領域 Vrst

未照射

0.5-1.0[V]

1x10140.36-1.0[V]

1x10150.32-1.0[V]

1x1016

No signal

9Vdetによる依存性はないが、1x1015までは照射により動作領域が広がる。
9閾値の変化に影響されたものだと考えられる。
10

Summary & Plansz N-type pixelの性能評価:今年作成したsampleは昨年作成したものより改善され、最大で130Vまで電圧を印加でき,異常chは0.1%未満である。
z P-type pixel: 1x1016(1MeV-neq/cm2)までの照射実験を行った。1x1015までの照射量ではエレクトロ二クス部分は動作していることが確認できた。
z backgate効果など陽子線照射損傷についての詳細について研究していく予定である。

11

Back up12

Introduction
現在のpixel検出器
Hybrid pixel
9２つのSiを多くのワイヤーや金属バンプにより接合9厚さが厚く、高価

SOI pixel検出器
monolithic pixel
9センサー部とエレクトロニクス部を一体化
9小型化、高速化
13
将来性が高い。

Leak current: Vback

14放射線によるbulkの変化

15

p-type pixel 照射結果②Reset信号による応答
RESET信号をテスト信号として応答をみる。
Vrstの値を変え、閾値を調べる。

Vout-16

TOPPIXN Hot Spot測定
leakが起こっている場所を特定するために、電流が増加した時点でchipを赤外線カメラで観測した。
TOPPIXN06（前回作成のchip）
V=110V, I=80uA 露出時間1分

17

Bias Ringの角３点に発光点(Hot Spot)が見られる。

Standard Implant
V=120V,I=200uA
露出時間1分

左隅を拡大したもの。

角4点にhoto spotがみられる。
Hot spotはバイアスリングを丸くしただけでは改善しない。

18

Vdet, Vback
Vdet

Vback

19

Standard Implant
V=120V,I=200uA,露出時間1分

Bias Ringの角４点にhot spotが見られる。
Hot spotは角を丸くしただけでは改善しない。

20

High Energy Implant
V=140V,I=120uA,露出時間1分

Bias Ring上に2点hot spotが見られる。

21

放射線による影響
gate

NMOS

+++++source

drain
+++++

buried oxide

未照射

Backgatesi- substrate

照射

放射線を受けると酸化膜に正電荷が蓄積し、Tr特性を変化させる（SiO2が近接するSOIでは影響大）(1) threshold voltageのシフト(2) Leak currentの増加

Backgate 電圧を調整することで22電荷の影響を除去できるか？

High Energy Implant
Chip #5 Vdet=140V,Idet=120uA
露出時間1分対角線上に2点hot spotが見られる。

左隅を拡大したもの。

23

照射実験(2007/08/28-29)
東北大学サイクロトロン
<目的>

X+
Y+

z 70MeVの陽子線を新しいSiセンサに照射し、20*E14[n/cm^2]までの放射線耐性を調べる。
z その際、Al fingerやpinphotoを使って、ビームの位置を測定した。
z また、ビームの一様性、照射量の確認のためにAl
dosimetryを行った。
24