Attività di R&D per l’upgrade in luminosità di LHC

Riunione di Gruppo I , Firenze, 22 Gennaio 2007

Attività di R&D per l’upgrade in luminosità di LHC

SMART

sviluppo di materiali e rivelatori resistenti alla radiazione

TREDI

sviluppo di rivelatori a silicio a struttura tridimensionale

A. Macchiolo

Anna Macchiolo Riunione Gruppo I, Firenze, 22 Gennaio 2007

Upgrade di luminosità di LHC- implicazioni per i tracciatori

Layers interni r<20 cm: rivelatori a pixel su materiale rad-hard e/o nuove strutture (3D, epitassiale, diamante)

Layers intermedi : 20 < r < 60 cm micro-strip “corte” (2-3 cm) oppure macro-pixel su materiali più rad-hard (MCz) Layers esterni: r> 60 cm micro-strip di lunghezza ~ 10 cm, tecnologia di LHC

Tracciatori a Super-LHC - L=1035 cm-2s-

1 .

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

New Layers Concept New ROC/New Sensor Fabricate Install

Full Tracker Monte Carlo Concept New ROC/New Sensor Fabricate

New layer inside the volume of the present pixel tracker

Full Tracker


La Collaborazione SMART

SMART: Structures and Materials for Advanced Radiation-hard TrackersFinananziata dal gruppo V INFN (2003-2006), lavora in sinergia con l’iniziativa RD50 del Cern

Membri della collaborazione : 7 Istituti, 25 fisici Istituti fondatori: Bari, Firenze, Perugia, Pisa

Istituti esterni: Padova, TriesteIstituzioni partner: IRST-ITC (Trento,Italy)

Problematiche affrontate -Resistenza alla radiazione fino a fluenze di 1016 cm-2

Raggio < 20 cm il trapping è la maggiore limitazione,

20 cm< Raggio < 50 cm il problema principale è lo sviluppo della tensione di svuotamento con la fluenza

Firenze: M. Bruzzi, D. Bassignana, E. Focardi, A. Macchiolo, D. Menichelli, C. Tosi

Materiali studiati in SMART

Material Symbol (cm) [Oi] (cm-3)

Standard n- or p-type FZ FZ 1–710 3 < 51016

n and p Magnetic Czochralski Okmetic, Finland

MCz ~ 110 3 ~ 4-91017

n 150m Epitaxial layers on Cz-substrates, ITME

EPI 500 ~ 11017

materiale MCz di tipo n e p: rappresenta una soluzione promettente per i layer intermedi: buona reperibilità e basso costo.

-e’ disponibile da pochi anni con resistività abbastanza alte da permettere il suo uso in rivelatori per HEP.

-il silicio MCz di tipo n ha una inversione di tipo del bulk assente o ritardata rispetto al Fz.

- aumento più contenuto della tensione di svuotamento in funzione della fluenza e del tempo di annealing dopo irraggiamento con protoni

silicio epitassiale:

- è una possibilità per i pixel dei layer più interni.

-.Gli spessori epitassiali studiati variano da 25 a 150 m, su un substrato di silicio Cz con bassissima resistività.

- il minore segnale raccolto a causa del ridotto spessore è meno problematico ad altissime fluenze dove la raccolta di carica è comunque limitata a pochi decine di micron dal trapping.

- migliore risposta ai neutroni di Fz e MCz


Micro-strip detectors

50 m pitch 100 m pitch

Il layout del wafer è stato disegnato dalla Collaborazione SMART Processato da ITC-IRST (Trento) primi mini-sensori su silicio MCz di tipo p mai prodotti

SMART: layout del wafer

diodes

MOS

-strip # pitch m) p+ width (m) Metal width (S1 50 15 23S2 50 20 28S3 50 25 33S4 50 15 19S5 50 15 27S6 100 15 23S7 100 25 33S8 100 35 43S9 100 25 37

S10 100 25 41

Geometrie dei mini-sensori

Passo / larghezza impianto p+ / larghezza metallizzazione sono variati intorno ai parametri scelti dai sensori di CMS:Pitch/width=0.25 ottimizzazione della capacità inter-stripMetal over-hang=11% dell’impianto p+ migliori performance riguardo al breakdown

RUN I p-on-n: 22 wafers Fz, MCz, Epi

RUN II n-on-p: 24 wafers Fz, MCz


Substrato di tipo p

eqheheeff

Tt ),(1

,,,

he e diminuisce annealing

h aumenta con l’annealing

velocità di drift e~3h gli elettroni sono raccolti più velocemente e subiscono meno il trapping

non c’è inversione di tipo il campo elettrico rimane elevatp anche dopo le massime fluenze sul lato segmentato dei rivelatori

Rivelatori di tipo n-on-p (Fz o MCz) hanno migliori prestazioni per la raccolta di carica

dopo l’irraggiamento

Vantaggi del substrato di tipo p (Fz o MCz):

Svantaggi:

Ancora non esiste una tecnica ottimale di isolamento delle striscie occore un tuning del p-spray e del p-stop per evitare bassi valori della tensione di breakdown prima e dopo l’irraggiamento

Il silicio MCz di tipo p presenta forti disomogeneità nella resistività di bulk a causa della formazione dei thermal donors durante il processo.


Small prototype of • CMS pixel• Atlas Pixel (mask design by T. Rohe, PSI)

“full size” detector: Mini-strip CMS/Atlas

• Mini-strip : 80/100 micron pitch• 3 cm long• different implementations of the

p-stop and p-spray techniques (p-stop width ranges from 5 to 25m)

4-inch process on p-type material

Secondo lay-out di SMART

IRST

Macro-pixel : 50 micron pitch•Commercial bump bonding and • connection routed as strip detectors (double metal technique)


-Pixel CMS like on p-type bulk-Dimension as present CMS tracker devices (100 x 150 m2)-Standard (expensive) bump bonding-Single-side processing : n+ on p-type

Caratteristiche del layout: Pixels e Macro-pixels

- Macro-pixel : 50 micron pitch2 cm long- Commercial bump bonding and connection routed as strip detectors(Double metal technique)


1014 1015 10160

5000

10000

15000

20000

25000

# el

ectr

ons

1 MeV n fluence [cm-2]

strips

pixels

1014 1015 10160

5000

10000

15000

20000

25000

# el

ectr

ons

Fluence [cm-2]

p FZ Si 280m; 25ns; -30°C [1] p-MCz Si 300m;0.2-2.5s; -30°C [2] n EPI Si 75m; 25ns; -30°C [3] n EPI Si 150m; 25ns; -30°C [3] sCVD Diam 770m; 25ns; +20°C [4] pCVD Diam 300m; 25ns; +20°C [4] n EPI SiC 55m; 2.5s; +20°C [5] 3D FZ Si 235m [6]

[1] G. Casse et al. NIM A (2004)[2] M. Bruzzi et al. , this conference [3] G. Kramberger, RD50 Work. Prague 06[4] W: Adams et al. NIM A (2006)[5] F. Moscatelli RD50 Work.CERN 2005[6] C. Da Vià, this conference

Confronto di CCE su diversi materiali

Line to guide the eye for planar devices

160V

M. Bruzzi, 6th International "Hiroshima" STD06


Rivelatori 3D

la giunzione si sviluppa fra le colonne Tensioni di svuotamento limitate Distanza di raccolta limitata ~ passo fra le colonne il trapping meno problematico e la raccolta di carica rapida Lo spessore attivo rimane 300 m alto segnale raccolto

Vantaggi

Svantaggi Processo di fabbricazione con numerosi step alto costo rispetto ai dispositivi planari

Iniziativa “TREDI”, gruppo V INFN

Sezioni INFN: Firenze, Trieste, gruppo collegato di Trento alla sezione di Padova

Istituzioni collegate: ITC-IRST

Gruppo di Firenze: M. Bruzzi, E. Focardi, A. Macchiolo, D. Menichelli, C. Tosi

rivelatori a colonna rivelatori planari


Single-Type-Column 3D detectors - Principio di funzionamento

[C. Piemonte et al NIMA 541 (2205)]

gli elettroni sono raccolti velocemente grazie al campo trasversale

le lacune driftano verso la zona centrale fra le colonne e diffondono verso il contatto p+ sul back

Il processo di fabbricazione è molto più

semplice:• lo scavo delle colonne e il doping sono

realizzati solo in uno step …

n+ electrodes

Uniform p+ layer

p-type substrate

…passo intermedio sulla strada dei 3D standard: 3D-STC

particella ionizzante

n+ n+

… ma a causa del basso valore del campoelettrico nella regione centrale fra le colonne il meccanismo di raccolta di carica ha una coda temporale lenta


3-D Double-Sided Double-Type Columns

Bulk contact p-type columns

lato giunzione identica a 3D-STC

lato ohmico colonne senza read-out solo uno step di litografia necessario

50m

50m

300m

2 batches in fabbricazione :• configurazione p-on-n e n-on-p• lay-out con rivelatori a strip e a pixel


BACKUP


Oxygen concentration in FZ, CZ and EPI

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Depth [m]

51016

51017

51018

5

O-c

once

ntra

tion

[1/c

m3 ]

SIMS 25 m SIMS 25 m

25 m

u25

mu

SIMS 50 mSIMS 50 m

50 m

u50

mu

SIMS 75 mSIMS 75 m

75 m

u75

mu

simulation 25 msimulation 25 msimulation 50 msimulation 50 msimulation 75msimulation 75m

Cz and DOFZ siliconEpitaxial silicon

EPI: Oi and O2i (?) diffusion from substrate into epi-layer during production

EPI: in-homogeneous oxygen distribution

CZ: high Oi (oxygen) and O2i (oxygen dimer) concentration (homogeneous)

CZ: formation of Thermal Donors possible !

0 50 100 150 200 250depth [m]

51016

51017

51018

5

O-c

once

ntra

tion

[cm

-3]

51016

51017

51018

5

Cz as grown

DOFZ 72h/1150oCDOFZ 48h/1150oCDOFZ 24h/1150oC [G.Lindstroem et al.]

[G.Lindström et al.,10th European Symposium on Semiconductor Detectors, 12-16 June 2005]

DOFZ: inhomogeneous oxygen distribution DOFZ: oxygen content increasing with time

at high temperature

EPIlayer CZ substrate

SIMS profiling:

[O](25µm) > [O](50µm) > [O](75µm)


High resistivity MCz Wafer production

Contamination from metal levels have been stable at or below detection limit of 109 at /cm2.

MCZ growth high purity silica crucible polysilicon grade comparable to high

resistivity FZ

150 mm with reproducible resistivity vs. crystal length

O.Anttila, Okmetic Ltd., 6th RD50 - Helsinki, 2-4 June, 2005. http://rd50.web.cern.ch/rd50/6th-workshop/default.htm

0

1000

2000

3000

4000

0 500 1000 1500 2000

Distance from seed /mm

Re

sist

ivity

/O

hm

cm

p-type

n-type

[O] donor compensationIn the MCz technique a magnetic field is applied :

Strongest field at crucible cornerflow suppressed by strong field => growth effectively from smaller, less unstable melt better dopants and oxygen distribution with respect to Cz


Production Process

RUN II n-on-p 24 wafers Fz, MCz

<100> ρ>500 .cm thick=300m

Standard: LTO, sintering @ 420C

no LTO (pass. layer), sint. @ 380C

no LTO, sintering @ 350C

no LTO, sintering @ 380C + TDK

<111> ρ>6KΩ*cm thick=300μm

Standard Process

sintering @ 380C

<100> ρ>1.8 K*cm thick=300μm

No over-glass passivation

Low dose p-spray (3.0E12 cm-2)

High dose p-spray (5.0E12 cm-2)

<100> ρ>5KΩ*cm thick=200 mm

Low dose p-spray (3.0E12 cm-2)

High dose p-spray (5.0E12 cm-2)

MCz Samples

Fz Samples

RUN I p-on-n 22 wafers Fz, MCz, Epi

Double junction model

E(x) highly non-uniform in heavily irradiated detectors due to the electrons and hole trapping by Deep Levels defects close to the p+-contact the positive charge accumulated by deep donors will be higher than the negative charge accumulated by deep acceptors for the non-uniform distribution of free carriers. The effect is the presence of two peaks in the electric field distribution.

SMART n-type MCZ samplesDouble junction effect has been observed starting from =3×1014 neq/cm2 after irradiation with 24 GeV protons

At the fluence =1.3×1015 neq/cm2 the dominant junction is still on the p+ side

Technique: TCT set-up in St.Petersburg. A 830 m laser induces a current pulse after illumination from the front side. The laser only travels a few microns in the silicon. The current pulse is created by the transport of electrons (holes are absorbed by the p+ implant). Electric field distribution extracted by means of a fit to the current pulse shape.

M. Scaringella et al., NIM A (2006)

p+ implantation

n+

effto ed

EQti /


Charge collection

eqheheeff

Tt ),(1

,,,

he e has beneficial annealing,

conversely for h

Drift velocity ( e~3h ) electrons need smaller collection time

The drift of electrons will be completed sooner and consequently less charge will be trapped!n+ readout better performing n-in-p: - no type inversion, high electric field stays on structured side - collection of electrons

After high radiation damage charge collection will be reduced by carrier trapping:

Miniature n-in-p microstrip detectors (280m) Detectors read-out with LHC speed (40MHz) chip (SCT128A)Material: standard p-type and oxygenated (DOFZ) p-typeAt the highest fluence Q~6500e at Vbias=900V

G. Casse et al., NIMA535(2004) 362


CCE on SMART p-type MCz Si diodes

0

100

200

300

400

500

600

700

0 50 100 150 200 250 300 Annealing time (min)

Dep

leti

on

Vo

lta

ge

(V)

300

SMG16 f=0.68E15SMG12 f=5.4E14SMG10 f=4E14SMG7 f=2.7E14SMG5 f=2E14SMG4 f=1.4E14SMG26 f=1E14 SMG2 f=0.68E14SMG1 f=0.4E14

CCE Tested

0 200 400 600 800 1000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

p-type MCz Si MG diodes

CC

E

Voltage [Volt]

4.0x1013 n/cm2 SMG1

6.8x1013 n/cm2 SMG2

1.4x1014 n/cm2 SMG4

2.7x1014 n/cm2 SMG7

6.8x1014 n/cm2 SMG16

M.Bruzzi et al, 6th International "Hiroshima"

STD06, Carmel Mission Inn, California September 11-15, 2006

Imax = 10A Vmax = 1000V ENC 1500-2000e-

operation temperature down to - 30 °C90Sr source - analog DAQ with AC-coupledand shaping time of 2.4s.

non-irradiated at full depletion voltage

26MeV proton; 6.8x1014 1MeV ncm-2; 750V; -30°C


CCE on SMART n-type epi Si diodes

Same CCE set-up as for the previous CCE measurements except for the shaping time reduced to 200ns. After having normalized for the different thickness the collected signal before irradiation is the same for Fz and epitaxial material about 6800 electrons collected in 150 m thick epitaxial material after =4×1015 neq/cm2

Measurements after neutron irradiation:

6800 electrons

not-irradiated samples:epi and Fz


Process Details of the new SMART production

Process Splittings:

12 MCz p-type wafers: bulk resistivity >2K.cm 2 without nitride deposition (in coupling capacitors) 2 without nitride and poly-silicon (bias resistors) deposition 2 with standard process 6 with Rapid Thermal Annealing before Aluminum sintering

(try to annihilate Thermal Donors)

7 p-type Fz : bulk resistivity 5-7 K.cm 4 standard wafers 3 oxygenated wafers

5 p-type epitaxial wafers: 100 m active thickness

epi layer resistivity 300 .cm

Aluminum sintering at 350 oClow dose p-spray (3.0x1012 cm-2 )overglass passivation (SiO2 at T=300oC)Silicon Nitride and poly-silicon deposition at ~ 700oC

“New ” IRST Standard Process:


E(x) highly non-uniform in heavily irradiated detectors (electrons and hole trapping due to DLs): close to the p+-contact the positive charge accumulated by deep donors will be higher than the negative charge accumulated by deep acceptors. This is due to the non-uniform distribution of free carriers. The effectis the presence of two peaks in the electric field distribution.

Reverse current flow induces a relevant electric field Eb into the neutral base, that induces the drift of the collected charges through the base region. The response of the induced current pulse can be simulated as the result of the current drift through the entire thickness of the detector.

The Transient Current Technique

Technique:TCT setup at IOFFE (St. Petersburg)TCT setup response 0.8 nsTemperature range 77 – 373KLaser wavelength 830um

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time, ns

Cu

rren

t, m

kA

0.E+0

5.E+3

1.E+4

2.E+4

2.E+4

3.E+4

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

x.cm

E,V

/cm

Laser induced current pulse shape: illumination from the front side. The laser only travels a few microns in the silicon. The current pulse is created by the transport of electrons (holes are absorbed by the p+ implant).

Electric field distribution is extracted with a fit, taking into account the charge trapping


Transition voltage depends on the substrate concentration

Slope depends on w/p

p-spray breakdown

strip 1 strip 2oxide

n+ n+

strip 1 strip 2oxide

n+ n+

VJBR = potential difference between p-spray and strip which causes breakdownVBR = bias voltage for which we reach VJBR

High Np => Low VJBR

=> Low VBR

Three p-spray peak concentrations:- Np1=4e16cm-3

- Np2=8e16cm-3

- Np3=12e16cm-3

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800Bias Voltage (V)

p-s

pra

y p

ote

ntia

l (V

)VJBR

VBR

Np = 12e16cm-3

Np = 8e16cm-3

Np = 4e16cm-3

no impact ionizationmodel enabled

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800Bias Voltage (V)

p-s

pra

y p

ote

ntia

l (V

)VJBR

VBR

Np = 12e16cm-3

Np = 8e16cm-3

Np = 4e16cm-3

VJBR

VBR

Impact ionizationenabled

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800Bias Voltage (V)

p-s

pra

y p

ote

ntia

l (V

)VJBR

VBR

Np = 12e16cm-3

Np = 8e16cm-3

Np = 4e16cm-3

oxiden+ n+

h

e

Vbr increases for increasing

Qox because VJBR increase


p-stop Breakdown

0

10

20

30

40

50

60

70

0 100 200 300 400 500 600 700 800bias voltage (V)

p-s

top

po

ten

tial (

V)

5um 10um15um 20um30um 40um

Qox = 1e12cm-2

Qox = 2e12cm-2

Similar approach to p-spray:1. determine Vp-spray = f(VBIAS)2. determine VJBR level

S1 S2

high-field regions

increasing p-stop width

p-stop potential is higher for wide implants better narrow p-stop from the breakdown viewpoint

VJBR

VJBR

S1 S2

S1 S2


Combined p-spray p-stop

p-spray: VBR - low before irradiation - improves for increasing QOX

Cint - improves with irradiation BUT possible loss of isolation

p-stop: VBR - high before irradiation - decreases for increasing QOX

Cint - high and deteriorates for inc. QOX

improves with QOX

deteriorates with QOX

third solution is to combine the previous two using:- medium dose p-spray (to have sufficiently high initial VBR)

- 20/30m wide p-stop (to have low capacitance for high QOX)


Breakdown

0

30

60

90

120

150

0 200 400 600 800 1000Bias voltage (V)

p-s

top

po

ten

tial (

V)

1

2

3

4

5

VBR1 VBR2 VBR3

VBR4VBR5

1. Qox=0

2. Qox=4e11cm-2

3. Qox=10e11cm-2

4. Qox=20e11cm-2

5. Qox=30e11cm-2

For increasing QOX:S1 S2p-stopS1 S2p-stopS1 S2p-stop

1 3 4high-field regions high-field regions high-field regions2 5

VBR first increases(typical of p-spray)than decreases (typical of p-stop)as QOX grows

Attività di R&D per l’upgrade in luminosità di LHC

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