[논문 리뷰] MALTA-Cz: A radiation hard full-size monolithic CMOS sensor with small electrodes on high-resistivity Czochralski substrate

H. Pernegger, P. Allport외 37명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고저항성 Czochralski 실리콘 기판에 제작된 전형적, 방사선 내성 단일체 CMOS 센서인 MALTA-Cz를 제시한다. 이 센서는 3.5 µm의 소형 전극과 36.4 µm 피치를 가진 512×512 픽셀 어레이를 갖추고 있으며, 2×10¹⁵ nₑq/cm²의 방사선 조사 후에도 2 ns 이내의 시간 해상도와 95% 이상의 탐지 효율을 확보하여 고광도 LHC 트래킹 응용 분야에서 뛰어난 방사선 내성과 높은 공간 및 시간 성능을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 방사선 내성과 고광도 LHC 트래킹 응용 분야에 적합한 전형적 단일체 CMOS 센서 개발.
• 소형 전극 센서에서 방사선 유도 트랩으로 인한 픽셀 모서리의 전하 수집 효율 감소 문제 해결.
• 소형 전극와 두꺼운 고저항성 Czochralski 기판의 조합을 통해 신호 진폭과 방사선 내성을 향상시켜 센서 성능 최적화.
• 비동기식 독출 및 시간 태깅을 통해 100 MHz/cm² 이상의 높은 히트 레이트 작동을 가능하게 하여 트리거 없는 및 트리거 기반 검출기 시스템 지원.
• 저전력 및 저노이즈를 위해 커패시턴스 최소화를 통해 10 µm 이내의 공간 해상도와 2 ns 이내의 시간 해상도 확보.

제안 방법

• 입력 커패시턴스를 최소화하고 신호 대 노이즈 비를 향상시키기 위해 3.5 µm 직경의 수집 전극을 갖춘 512×512 픽셀 단일체 CMOS 센서 설계.
• 특수한 픽셀 임플랜트 기하구조를 도입하여 p형 및 n형 임플랜트를 조합함으로써, 특히 방사선 조사 후에도 픽셀 모서리의 전하 수집 효율 향상.
• 깊은 탈리프먼트와 더 큰 이온화 전하 수집을 가능하게 하기 위해 고저항성 p형 Czochralski(Cz) 실리콘 기판(저항율 ~10 kΩ·cm)에 센서를 제조.
• 모든 히트 데이터를 다중 채널 출력으로 스트리밍하는 비동기식 독출 아키텍처를 활용하여, 외부에서 트리거 형성과 정밀한 히트 타임 태깅이 가능.
• 다양한 편압 및 방사선 조사 수준에서의 전하 수집 및 시간 해상도 최적화를 위해 TCAD 시뮬레이션을 활용해 신호 응답 모델링.
• DESY에서의 비드 테스트 및 90Sr 원천, 우주선을 이용한 실험실 테스트를 통해 조사 전후의 시간 해상도 및 탐지 효율 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 전극를 갖춘 전형적 단일체 CMOS 센서가 10¹⁵ nₑq/cm² 이상의 방사선 내성과 100 Mrad TID를 초월할 수 있는가?
• RQ2 고저항성 Czochralski 기판은 에피택셜 기판에 비해 전하 수집 및 신호 진폭을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 MALTA-Cz 센서의 가시 시간 해상도는 얼마이며, 편압 및 탈리프먼트 깊이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 수정된 픽셀 임플랜트 설계는 픽셀 모서리의 방사선 유도 전하 포획을 얼마나 효과적으로 완화하는가?
• RQ5 2×10¹⁵ nₑq/cm² 조사 후 센서가 95% 이상의 탐지 효율을 유지할 수 있는가? 이는 에피택셜 버전과 비교해 어떻게 다를까?

주요 결과

• PicoTDC와 90Sr 원천을 사용한 측정에서 MALTA-Cz 센서는 σ = 2 ns의 시간 해상도를 확보하였으며, 높은 편압에서 더욱 향상된 해상도를 보였다.
• 2×10¹⁵ nₑq/cm² 조사 후에도 센서는 95% 이상의 탐지 효율을 유지하여 뛰어난 방사선 내성을 입증하였다.
• 고저항성 Czochralski 기판의 사용은 더 깊은 탈리프먼트 깊이를 가능하게 하여, 에피택셜 센서에 비해 상당히 큰 이온화 전하 신호를 생성하였다.
• MALTA 센서와 트리거 스컬린레이터 사이의 시간 차이 분포는 편압 증가에 따라 좁아지며, 100 MHz 번들 크로스링크 레이트에서 전체 시간 내 효율(>95%)을 달성하였다.
• 클러스터 폭 측정 결과, 더 깊은 탈리프먼트로 인해 Cz 기판 센서에서는 더 넓은 클러스터가 관측되었으며, 이를 이용해 전하 보간을 통해 공간 해상도 향상을 도모할 수 있었다.
• 비동기식 독출 아키텍처는 모든 히트 데이터를 성공적으로 스트리밍하여, 외부에서 트리거 형성과 정밀한 시간 태깅이 가능하게 하여 이벤트 재구성에 기여하였다.