Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo Università degli studi di Bari Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali, Dipartimento di Fisica. Tesi di dottorato in Fisica Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo Relatori: Prof. Mauro DePalma Prof. Donato Creanza Dottorando: Norman Manna

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.

(1) Danno di superficie Irraggiamento  1-a aumento della carica positiva 1-b rottura dei legami reticolari all’interfaccia +++++ - - - - - 1-a Riduzione dell’isolamento fra le strisce  aumento Cii  aumento della tensione operativa 1-b Incremento delle trappole presenti all’interfaccia Si-SiO2  aumento corrente di superficie  Vbreak a tensioni più basse.

(2) Danno del substrato VO neutro:non dannoso PARTICELLA SI V V+I V I V20 contribuisce al segno di Neff Ec VO cluster V20 Ef Ev

Oxygen concentration in FZ, CZ and EPI Epitaxial silicon Cz and DOFZ silicon CZ: alta e omogenea concentrzione di ossigeno EPI layer CZ substrate diffusion surface [G.Lindström et al.,10th European Symposium on Semiconductor Detectors, 12-16 June 2005] DOFZ: concentrazione di ossigeno aumenta col tempo di ossigenazione DOFZ: distribuzione non omogenea dell’ossigeno EPI: Ossigeno diffonde dal substrato Cz EPI: La concentrazione dell’ossigeno e la sua uniformità diminuiscono con lo spessore

SMART: Wafer layout, 4” Pad detector Test2 Edge structures Test1 1st p-type MCz microstrip detectors Microstrip detectors Inter strip Capacitance test Test2 Test1 Pad detector Edge structures Square MG-diodes Round MG-diodes 50 um pitch 100 um pitch 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 dall’ITC-IRST (Trento)

Irraggiamenti April 2005 Protoni da 24 GeV al CERN Set up @ CERN Irraggiamenti April 2005 Protoni da 24 GeV al CERN 3 fluenze: 0.6x1014,2.7x1014, 3.4x1015)1-MeV n/cm2 9 diodi Set up @FZK 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 @ 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

Caratterizzazione pre-irraggiamento : Diodi SMART1 - p+/n - MCz 300mm I-V diodi: alte Vbd e buon valore di densità di corrente C-V diodi: Uniformità di r lungo il wafer C-V : processo uniforme del wafer SMART2 - n+/p - MCz 300mm Inversione! 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

Tensione di svuotamento dopo irr. (Fz n inversione di tipo) Irraggiamento con protoni da 26MeV Tipico andamento del substrato standard FZ_n T=200C

MCz: irraggiamento con protoni da 24 GeV/c M. Moll. A. Bates NIM A F=2.7×1014 n/cm2 NO-INVERSIONE: F=0.6×1014 n/cm2 CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=2.7×1014 n/cm2 Alla fluenza F=1.3×1015 n/cm2 la giunzione dominante è ancora sul front (lato p+)

Tensione di svuotamento dopo irr. (MCz n irraggiamento protoni 26 MeV) T=200C

Irraggiamento con neutroni: CV and TCT Φ (1014n*cm-2) Vdep vs Fluence Annealing study 1min800C1giorno200C INVERSIONE Fn = 5·1014 cm-2

Annealing inverso Type non-inverted: depletion voltage has a maximum PROTON IRRADIATION NEUTRON IRRADIATION Limite strumentale Miglior comportamento degli MCz. Type non-inverted: depletion voltage has a maximum Type inverted: depletion voltage has a minimum

DIODI EPITASSIALI 26 MeV protons Le misuire di annealing suggeriscono l’inversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza più bassa 1.38x1014 n cm-2 4.09x1014 n cm-2 7.13x1014 n cm-2 , I sample 7.13x1014 n cm-2 , II sample Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg: le misure confermano l’inversione

tranne l’epitassiale wafer Sub. Drog. Irrag. α(10-17Acm-1) 1253 FZ n P-26Mev 4.2±0.2 553 Neutroni 4.4±0.3 64 p 4±0.3 127 MCz 179 4.1±0.2 09 3.9±0.3 130 12 Epi 3.5±0.2 TANNEALING=8 min 800C α indipendente dal substrato tranne l’epitassiale wafer Sub. Drog. Irrag. β(10-2cm-1) 1253 FZ n P-26Mev 1.07±0.07 553 Neutroni 1.18±0.07 64 p 1.17±0.08 127 MCz 1±0.7 130 1.31±0.8 12 Epi neutroni 0.41±0.5 1.55±0.9 β(CMS)=1.49

Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensori SMART1 - p+/n - MCz 300mm Resistività uniforme lungo il wafer MCz n-type Ileak/V (nA/cm-2) Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown SMART2 - n+/p - MCz 300mm -Vbias (Volt) MCz p-type Low p-Spray Ileak/V (nA/cm-2) 250 MCz p-type High p-Spray -Vbias (Volt) Ileak/V (nA/cm-2) 70 Resistività non uniforme come per i diodi Basse tensioni di breakdown Per i sensori di passo 100 mm Specialmente per l’alta dose di p-spray

Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 MeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dell’annealing (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. Bias Voltage (V) Leakage Current (A) FZ & MCz sensors n-type andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dell’annealing (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 > 4.0 1014 neq/cm2. p-type MCz Low p spray MCz High p spray MCz High p spray

Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutroni n-type p-type MCz High p spray Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo l’irraggiamento con neutroni: poco danno di superfice (contaminazione g )

Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacità Interstrip) Cint /l (pF/cm) Vbias (Volt) MCz n-type 50µm 100µm 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 nell’alto p-spray e nel passo largo. Non c’è differenza fra Fz and MCz. FZ p-type High p Spray Cint /l (pF/cm) -Vbias (Volt) MCz p-type High p Spray Cint /l (pF/cm) -Vbias (Volt) MCz p-type Low p Spray 50µm MO Cint /l (pF/cm) 100µm -Vbias (Volt)

Capacità interstrip: proton irr. Cint Cback Capacità totale Vista dal preamplificatore Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +…) MCz n <100> Tipico del Si <111> Fz n <111> OK n-type Raggiunge il valore del non irraggiato Stesso problema del non irraggiato.La situazione migliora dopo l’irraggiamento. MCz Low p spray MCz p High p spray p-type Le simulazioni confermano gli andamenti; per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria

F2=0.4E14 n cm-2 F7=4.0E14 n cm-2 F3 CERN=3.6E15 n cm-2 C (pF/cm) Il valore di Cint a F=3.6E15 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

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.

Conclusioni Tutte le informazioni, provenienti dall’intera 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 dell’attuale 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 l’isolamento fra le strisce.

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