[논문 리뷰] Radiation Hardness of MALTA2 Monolithic CMOS Sensors on Czochralski Substrates

M. Van Rijnbach, Dumitru Vlad Berlea외 27명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 25.

Particle Detector Development and PerformancePhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 백면 메탈라이제이션을 갖춘 고저항성 Czochralski(Cz) 실리콘 기반 고체상태에서 제작된 차세대 단일구조 CMOS 픽셀 센서인 MALTA2를 제시하며, 1 MeV nₑq/cm² 기준 3 × 10¹⁵까지 방사선 경도를 입증하였다. 110 e⁻ 임계값에서 98%의 탐지 효율과 6.3 ns의 타이밍 해상도(RMS)를 달성하였으며, n⁻층의 매우 높은 도핑을 특징으로 하는 샘플에서는 성능과 균일성이 뛰어나 향후 고에너지 물리 실험에 대한 향상된 방사선 내성 가능성을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²를 초월하는 선량 내성 요구 사양을 충족하는 고광도 LHC 실험에 적합한 방사선 내성 단일구조 CMOS 픽셀 센서의 개발.
• 고저항성 Czochralski(Cz) 실리콘 기반에서 제작된 MALTA2 센서의 성능 평가. 이는 더 큰 고갈 영역과 향상된 전하 수집 성능을 제공한다.
• 두꺼운 Cz 기반에서의 편압 전압 전파 및 센서 성능에 미치는 백면 메탈라이제이션의 영향 평가.
• 방사선 조사 후 타이밍 해상도와 탐지 균일성에 미치는 n⁻층 도핑 농도의 영향 조사.
• CERN의 SPS 시설에서 MALTA 탐지기로 수행된 시험 비드 측정을 통한 MALTA2의 방사선 내성 검증.

제안 방법

• Tower Semiconductor의 180 nm CMOS 공정을 사용하여 표준(STD), n⁻층에 갭이 있는(NGAP), 추가적인 깊은 p-웰(XDPW)을 갖춘 3종류의 픽셀 유형을 포함한 MALTA2 센서의 제조.
• 고저항성 p형 Czochralski 기반(100 µm 두께)을 사용하여 고갈 영역을 증가시키고 전하 수집 효율을 향상시킴.
• 두꺼운 Cz 기반에서의 성능을 확보하기 위해 필수적인 균일한 편압 전압 분포를 확보하기 위해 백면 메탈라이제이션 적용.
• HL-LHC 조건을 시뮬레이션하기 위해 CERN SPS 시험 비드를 사용하여 MALTA2 샘플을 최대 3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²의 선량으로 조사.
• 정밀한 타이밍 및 입자 궤적의 위치 재구성을 위해 샘플러 시료 기반의 MALTA 탐지기 시설을 사용한 특성 분석.
• 핵심 성능 지표 분석: 탐지 효율, 클러스터 크기, 타이밍 해상도(RMS 시간 차분 분포), 픽셀 전체에 걸친 시간 이동 균일성.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고저항성 Czochralski 기반에서 MALTA2 센서의 방사선 내성 및 전하 수집 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 두꺼운 기반에서의 편압 전압 분포 및 센서 반응에 대한 백면 메탈라이제이션의 영향은 무엇인가?
• RQ3 3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²로 조사한 후 n⁻층 도핑 수준이 타이밍 해상도와 탐지 균일성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 MALTA2는 HL-LHC 응용 분야에서 요구하는 최고 선량 수준에서도 충분한 탐지 효율과 타이밍 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ5 매우 높은 n⁻ 도핑을 가진 XDPW 픽셀 설계는 동일한 조사 조건에서 높은 도핑 샘플 대비 상대적인 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 방사선 조사되지 않은 MALTA2 센서는 Cz 기반에서 150 e⁻ 임계값에서 99%의 탐지 효율과 1.7 ns의 타이밍 해상도(RMS)를 달성하였으며, 98%의 타겟이 25 ns 이내에 수집되었다.
• 3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm² 조사 조건에서 매우 높은 n⁻층 도핑을 가진 MALTA2 샘플은 110 e⁻ 임계값에서 98%의 탐지 효율과 평균 1.7 픽셀의 클러스터 크기를 확보하였다.
• 동일한 조사 조건에서 매우 높은 n⁻ 도핑 샘플은 6.3 ns RMS의 타이밍 해상도를 보였으며, 95%의 클러스터가 25 ns 이내에 수집되었다.
• 매우 높은 n⁻ 도핑 샘플은 높은 도핑 샘플 대비 픽셀 대각선에 걸친 타이밍 균일성이 뛰어나 더 뛰어난 방사선 내성을 나타내었다.
• 매우 높은 n⁻ 도핑 샘플은 높은 도핑 샘플이 2 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²로 조사된 경우와 유사한 성능을 보였으며, 이는 향상된 방사선 내성을 시사한다.
• 백면 메탈라이제이션은 두꺼운 Cz 기반에서 효과적인 편압 전압 전파를 가능하게 하여 센서 전체에서 일관된 성능 확보에 필수적이다.