Characterization studies of 65nm radiation-tolerant pixel readout chip for CMS outer tracker

Abstract

Der Large Hadron Collider (LHC) ist das größte Beschleunigerlabor der Welt und wird vom CERN betrieben, einer internationalen Forschungsorganisation, die sich der Teilchenphysik widmet. Um dessen physikalisches Potenzial weiter ausschöpfen zu können, soll mit dem High-Luminosity-Upgrade (HL-LHC) die momentane Luminosität des Beschleunigers um einen Faktor 5 bis 10 erhöht werden. Die sich daraus ergebende Erhöhung der Kollisionsrate, der Teilchenspurdichte und der Strahlendosis erfordert ein umfangreiches Upgrade des Teilchentrackers ("Silicon-Tracker") des CMS Detektors. Die Zunahme der Kollisionsereignisse erfordert auch eine verbesserte Diskriminierung von interessanten Ereignissen. Im Zuge dessen, wurde für den CMS Outer Tracker eine neue Strategie eingeführt, bei der einzelne Module die Signale von zwei eng aufeinander liegenden Sensorschichten korrelieren, um somit Treffer von hochenergetischen Teilchen zu selektieren. Hochenergetische Treffer werden kontinuierlich mit 40 MHz als grobe Tracking Information an das Level-1-Trigger-System des Detektors geliefert, das anhand dieser Informationen entscheidet, ob das Kollisionsereignis weiterverarbeitet oder verworfen werden soll. Der Macro-Pixel-ASIC (MPA) und der Short-Strip-ASIC (SSA) sind 65 nm CMOS-Technologie basierende Auslesechips für Siliziumsensoren. Sie wurden entwickelt, um die erhöhten Leistungsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die hochfrequente On-Chip-Logik zur Unterscheidung von Teilchenimpulsen zu implementieren. Die Entwicklung der beiden Chips ist bis zu ihren endgültigen Prototypen, dem MPA2 und dem SSA2.1, vorangeschritten. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden umfangreiche Tests in verschiedenen Stadien durchgeführt, reichend von Tests auf Waferebene über die Charakterisierung einzelner Chips auf Trägerplatinen bis hin zu ionisierenden Bestrahlung (TID) und Single-Event-Upset (SEU) Charakterisierungen. Im Hinblick auf dessen zukünftigen Betrieb im CMS Outer Tracker, wurde die Leistungsfähigkeit des MPA2 charakterisiert und untersucht. Wafertests anhand einer Stückzahl von über 3550 MPA2-Chips von 17 Wafern haben gezeigt, dass über 90% voll funktionsfähig sind. Messungen zur Charakterisierung des Chips in Bezug auf Temperatur und Strahlung weisen auf eine gute allgemeine Funktionalität hin und untersteichen die Wirksamkeit von Design-Techniken hinsichtlich Strahlungsresistenz und Energieffizienz in der Implementierung des Chips.

The Large Hadron Collider (LHC) is the largest accelerator laboratory in the world and is operated by CERN, an international organization dedicated to particle physics re- search. To fully utilize its physics potential, the High-Luminosity upgrade (HL-LHC) aims to increase the instantaneous luminosity of the accelerator by a factor of 5 to 10. The consequent increases in collision rate, particle track density and radiation dose call for an extensive upgrade of the particle tracking system ("silicon tracker") of the general-purpose CMS detector. The increase in collision events requires an enhanced dis- crimination towards interesting events. A new discrimination strategy is introduced to the CMS Outer Tracker, where individual modules correlate signals of two closely-spaced sensor layers to filter for high-momentum particle hits. High energy hits are provided continuously at 40 MHz as coarse tracking information to the detector Level-1 trigger sys- tem, which uses the information to decide if the collision event is to be further processed or discarded. The Macro-Pixel ASIC (MPA) and Short-Strip ASIC (SSA) are 65nm CMOS-technology based silicon detector read out-chips designed to satisfy the height- ened performance requirements while implementing a fast on-chip particle momentum discrimination logic. The development of the two chips has progressed towards their final prototypes, respectively named MPA2 and SSA2.1. Extensive testing on various stages, ranging from wafer-level probing, single chip characterization on carrier-boards to total ionizing dose (TID) and single event upsets (SEU) irradiation testing have been conducted. Within the scope of this thesis and regarding its future operation in the CMS Outer Tracker, the performance of the MPA2 was characterized and studied. Probe sta- tion tests on a sample size of over 3550 MPA2 chips from 17 wafers show that over 90% of them are fully functional. Chip characterization studies in respect to temperature and radiation indicate a good general functionality and show effectiveness of radiation effect mitigation and low-power techniques used in the design of the chip.