[論文レビュー] MALTA-Cz: A radiation hard full-size monolithic CMOS sensor with small electrodes on high-resistivity Czochralski substrate

H. Pernegger, P. Allport+37 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、高抵抗率Czochralskiシリコン基板上に作製されたフルサイズで放射線耐性を有するモノリシックCMOSセンサ―であるMALTA-Czを提案する。3.5 µmの小型電極と36.4 µmピッチの512×512ピクセルアレイを備え、2×10¹⁵ nₑq/cm²の放射線照射後でも2 ns未満の時間分解能と95%以上の検出効率を達成し、高光度LHCトラッキング用途における優れた放射線耐性および高い空間的・時間的性能を示している。

ABSTRACT

Depleted Monolithic Active Pixel Sensor (DMAPS) sensors developed in the Tower Semiconductor 180 nm CMOS imaging process have been designed in the context of the ATLAS ITk upgrade Phase-II at the HL-LHC and for future collider experiments. The "MALTA-Czochralski (MALTA-Cz)" full size DMAPS sensor has been developed with the goal to demonstrate a radiation hard, thin CMOS sensor with high granularity, high hit-rate capability, fast response time and superior radiation tolerance. The small pixel size ($36.4 imes 36.4$~$μ$m$^2$) provides high spatial resolution. Its asynchronous readout architecture is designed for high hit-rates and fast time response in triggered and trigger-less detector applications. The readout architecture is designed to stream all hit data to the multi-channel output which allows an off-sensor trigger formation and the use of hit-time information for event tagging. The sensor manufacturing has been optimised through process adaptation and special implant designs to allow the manufacturing of small electrode DMAPS on thick high-resistivity p-type Czochralski substrate. The special processing ensures excellent charge collection and charge particle detection efficiency even after a high level of radiation. Furthermore the special implant design and use of a Czochralski substrate improves the sensor's time resolution. This paper presents a summary of sensor design optimisation through process and implant choices and TCAD simulation to model the signal response. Beam and laboratory test results on unirradiated and irradiated sensors have shown excellent detection efficiency after a dose of $2 imes10^{15}$ 1 MeV n$_{eq}$/cm$^{2}$. The time resolution of the sensor is measured to be $σ=2$~ns.

研究の動機と目的

• 高光度LHCトラッキング用途に適した、極めて高い放射線耐性を持つ放射線耐性を有するフルサイズモノリシックCMOSセンサ―の開発。
• 小型電極センサ―における放射線誘発トラップによるピクセルコーナーでの電荷収集効率の低下という課題の解決。
• 小型電極と厚さのある高抵抗率Czochralski基板を組み合わせることで、信号電圧と放射線耐性を向上させ、センサ―性能を最適化。
• 非同期読み出しとタイムスタンピングを用いて、トリガーレスおよびトリガードの検出器システムで100 MHz/cm²以上のヒットレートを実現。
• 低消費電力と低ノイズを実現するための静電容量最小化を維持しながら、10 µm未満の空間分解能と2 ns未満の時間分解能を達成。

提案手法

• 入力静電容量を最小限に抑えて信号対ノイズ比を向上させるために、3.5 µmの集電電極を備えた512×512ピクセルのモノリシックCMOSセンサ―を設計。
• 特に放射線照射後におけるピクセルコーナーでの電荷収集効率を向上させるために、p型およびn型のピクセルインプラント幾何形状を新規に実装。
• 深いデプリーションとより大きなイオン化電荷収集を可能にするために、高抵抗率p型Czochralski（Cz）シリコン基板（抵抗率~10 kΩ·cm）上にセンサ―をフォーミング。
• すべてのヒットデータをマルチチャネル出力にストリーミングする非同期読み出しアーキテクチャを採用し、センサ外でのトリガ形成と正確なヒットタイムタグ付けを可能に。
• TCADシミュレーションを用いて、バイアス電圧および放射線照射レベルの変動に応じた信号応答、電荷収集および時間分解能の最適化をモデル化。
• DESYでのビームテストおよび90Sr源、宇宙線を用いたラボテストにより、放射線照射前後における時間分解能および検出効率を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルサイズのモノリシックCMOSセンサ―に小型電極を適用した場合、10¹⁵ nₑq/cm²を超える放射線耐性と100 Mrad TIDを満たすことができるか？
• RQ2 高抵抗率Czochralski基板は、エpitaxial基板と比較して、電荷収集と信号電圧にどのように寄与するか？
• RQ3 MALTA-Czセンサ―の実現可能な時間分解能は何か？また、バイアス電圧およびデプリーション深さに応じてどのように変化するか？
• RQ4 改良されたピクセルインプラント設計は、ピクセルコーナーにおける放射線誘発電荷トラップをどの程度軽減するか？
• RQ5 2×10¹⁵ nₑq/cm²の放射線照射後、センサ―は95%以上の検出効率を維持できるか？エpitaxialバージョンと比較してどうなるか？

主な発見

• PicoTDCと90Sr源を用いた測定により、MALTA-Czセンサ―はσ = 2 nsの時間分解能を達成した。バイアス電圧が高くなるほど分解能が向上した。
• 2×10¹⁵ nₑq/cm²の放射線照射後も、95%以上の検出効率を維持し、優れた放射線耐性を示した。
• 高抵抗率Czochralski基板の使用により、より深いデプリーションが可能となり、エpitaxialセンサーよりもはるかに大きなイオン化電荷信号が得られた。
• MALTAセンサ―とトリガースクロシレーター間の時間差分布は、バイアス電圧が上昇するにつれて狭くなり、100 MHzのバッチクロスレートで完全なインタイム効率（>95%）を達成した。
• クラスタ幅の測定結果から、Czochralskiセンサ―ではより深いデプリーションのためクラスタが広がっていることが判明し、電荷補間を活用することで空間分解能を向上させることができる。
• 非同期読み出しアーキテクチャは、すべてのヒットデータを効果的にストリーミングし、センサ外でのトリガ形成と正確なタイムスタンピングを可能にし、イベント再構成に貢献した。