[論文レビュー] Radiation Hardness of MALTA2 Monolithic CMOS Sensors on Czochralski Substrates

M. Van Rijnbach, Dumitru Vlad Berlea+27 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2023

Particle Detector Development and PerformancePhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、背面メタリゼーションを施した高抵抗率Czochralski（Cz）シリコン基板上にフォーマットされた次世代モノリシックCMOSピクセルセンサであるMALTA2を提案する。3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²の放射線硬化性を示し、110 e⁻のしきい値で98%の検出効率と6.3 nsのタイミング分解能（RMS）を達成した。非常に高いn⁻層ドーピングを有するサンプルでは、性能と均一性が優れており、将来の高エネルギー物理学実験における放射線耐性の向上が確認された。

ABSTRACT

MALTA2 is the latest full-scale prototype of the MALTA family of Depleted Monolithic Active Pixel Sensors (DMAPS) produced in Tower Semiconductor 180 nm CMOS technology. In order to comply with the requirements of High Energy Physics (HEP) experiments, various process modifications and front-end changes have been implemented to achieve low power consumption, reduce Random Telegraph Signal (RTS) noise, and optimise the charge collection geometry. Compared to its predecessors, MALTA2 targets the use of a high-resistivity, thick Czochralski (Cz) substrates in order to demonstrate radiation hardness in terms of detection efficiency and timing resolution up to 3E15 1 MeV neq/cm2 with backside metallisation to achieve good propagation of the bias voltage. This manuscript shows the results that were obtained with non-irradiated and irradiated MALTA2 samples on Cz substrates from the CERN SPS test beam campaign from 2021-2023 using the MALTA telescope.

研究の動機と目的

• 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²を超えるフルエンス耐性を要する高光度LHC実験に適した放射線耐性を持つモノリシックCMOSピクセルセンサの開発。
• 高抵抗率Czochralski（Cz）シリコン基板上にフォーマットされたMALTA2センサの性能評価。これは、より大きなデプリーション体積と優れた電荷収集効率を提供する。
• Cz基板におけるバイアス電圧伝搬とセンサ性能に与える背面メタリゼーションの影響の評価。
• 放射線照射後のタイミング分解能と検出均一性に与えるn⁻層ドーピングレベルの影響の調査。
• CERNのSPS施設でMALTA望遠鏡を用いたテストビーム測定により、MALTA2の放射線耐性の妥当性を検証すること。

提案手法

• Tower Semiconductor社の180 nm CMOSプロセスを用いてMALTA2センサをフォーマット。ピクセルタイプは3種類：標準（STD）、ギャップ付きn⁻層（NGAP）、および追加のディープpウェル（XDPW）。
• デプリーション体積を増加させ、電荷収集効率を向上させるために、高抵抗率p型Czochralski基板（100 µm厚）を用いる。
• 厚いCz基板における性能を確保するため、センサ全体に均一なバイアス電圧分布を実現するため、背面メタリゼーションを施す。
• HL-LHCの条件を模倣するため、CERN SPSテストビームを用いてMALTA2サンプルを最大3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²まで照射。
• スチルレーター基準を用いたMALTA望遠鏡セットアップにより、粒子線の正確なタイミングと位置再構成を実施。
• 主な性能指標の分析：検出効率、クラスターサイズ、タイミング分解能（時間差分布のRMS）、ピクセル全体における時間シフトの均一性。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高抵抗率Czochralski基板の使用が、MALTA2センサの放射線耐性および電荷収集性能に与える影響は何か？
• RQ2 厚いCz基板におけるバイアス電圧分布の均一性とセンサ応答に、背面メタリゼーションが与える影響は何か？
• RQ3 3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²まで照射した後、n⁻層のドーピングレベルがタイミング分解能と検出均一性に与える影響は何か？
• RQ4 MALTA2は、HL-LHC用途に必要な最高フルエンスレベルにおいて、十分な検出効率とタイミング分解能を達成できるか？
• RQ5 非常に高いn⁻ドーピングを有するXDPWピクセル設計は、同等の照射条件下で高ドーピングサンプルと比較して、相対的にどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 非照射状態のMALTA2センサは、Cz基板上にフォーマットされ、150 e⁻のしきい値で99%の検出効率と1.7 nsのタイミング分解能（RMS）を達成。25 ns以内に98%のヒットが収集された。
• 3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²の照射後、非常に高いn⁻層ドーピングを有するMALTA2サンプルは、110 e⁻のしきい値で98%の検出効率と平均1.7ピクセルのクラスターサイズを示した。
• 同じ照射済みサンプルで、非常に高いn⁻ドーピングを有するものでは、タイミング分解能が6.3 ns（RMS）に達し、95%のクラスタが25 ns以内に収集された。
• 非常に高いn⁻ドーピングを有するサンプルは、高ドーピングサンプルと比較して、ピクセル対角線にわたるタイミング均一性が優れており、放射線耐性の向上が示された。
• 非常に高いn⁻ドーピングを有するサンプルは、2 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²まで照射した高ドーピングサンプルと同等の性能を示した。これは、放射線耐性の向上を示唆している。
• 背面メタリゼーションにより、厚いCz基板における効果的なバイアス電圧伝搬が実現され、センサ全体の一貫性ある性能発現に不可欠であることがわかった。