Planar silicon strip sensors for the CMS phase-2 upgrade

Abstract

Der Large Hadron Collider (LHC) ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt und lässt Protonen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV kollidieren. An einem seiner insgesamt vier Interaktionspunkte befindet sich das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment. Das CMS Experiment ist ein großer Mehrzweck-Teilchendetektor, gebaut für die Suche nach dem Higgs Boson, Supersymmetrie und Dunkler Materie. Die innerste Lage des CMS Experiments ist der sogenannte Spurdetektor (Tracker), welcher die Spuren von sekundären Teilchen, entstanden aus den Protonen-Kollisionen des LHC, misst. Der sensitive Teil des Trackers besteht aus ca. 24,000 Siliziumsensoren, welche zusammen eine Fläche von insgesamt etwa 200 m2 ausmachen. In der Mitte des nächstens Jahrzehntes wird der Betrieb des LHC für ca. 2.5 Jahre eingestellt. Diese Betriebspause, auch long shutdown three (LS3) genannt, dient zur Ver- besserung und Weiterentwicklung des Beschleunigers. In erster Linie ist die Luminosität des LHC betroffen, welche um einen Faktor von fünf bis sieben erhöht wird. Der LHC wird somit zum sogenannten High Luminosity LHC (HL-LHC). Mit dem Start von LS3 befindet sich das CMS Experiment am Ende seiner Lebenszeit, was hauptsächlich durch Strahlen- schäden bedingt ist. Aus diesem Grund und um eine effiziente Datennahme während der HL-LHC Kollisionen zu gewährleisten, wird auch das CMS Experiment in der Zeit von LS3 weiterentwickelt. Hierbei erfährt der Tracker die umfangreichste Weiterentwicklung, welche unter dem Begriff CMS Tracker Phase-2 Upgrade zusammengefasst wird. Das Programm beinhaltet einen kompletten Austausch des inneren und äußeren Spurdetektors. Mehr als 26,500 Siliziumstreifensensoren werden für den äußeren Tracker benötigt. Dies setzt eine großangelegte und industrialisierte Produktion voraus, welche derzeit nur ein Hersteller in der gewünschten Qualität gewährleisten kann. Um eine zuverlässige Versorgung von Sen- soren sicherstellen zu können, plant CMS die Produktion auf mindestens zwei Hersteller aufzuteilen. Seit 2009 entwickelt das Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) zusammen mit dem Eu- ropäischen Halbleiterhersteller Infineon Technologies Siliziumstreifensensoren für das Phase- 2 Upgrade des äußeren CMS Trackers. Ziel der Kollaboration ist die Etablierung Infineons als zukünftigen Hersteller von Siliziumstreifensensoren für Experimente in der Hochen- ergiephysik. Die Zusammenarbeit begann mit der Entwicklung von AC-gekoppelten p-in-n Siliziumstreifensensoren, produziert auf 6 Zoll Wafern. Neuere Untersuchungen deuten jedoch darauf hin, dass n-in-p Sensoren eine höhere Toleranz gegenüber Strahlenschäden aufweisen. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für einen effizienten Betrieb während der Periode nach LS3, wo beispielslos hohe Teilchenflüsse herrschen werden. Aus diesem Grund begann die HEPHY-Infineon Kollaboration die Entwicklung von n-in-p Sensoren, hergestellt auf 8 Zoll Wafern. Eine Produktion auf 8 Zoll Wafern ist Stand der Technik in der Halbleiterindustrie, wohingegen es eine Neuheit im Bereich der Entwicklung von Sensoren für Hochenergiephysik Experimente darstellt. Im Speziellen repräsentieren die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelten Sensoren die welt ersten AC-gekoppelten Siliziumstreifensensoren produziert auf 8 Zoll Wafern. Die hier vorgestellte Arbeit fasst die Entwicklung und Charakterisierung der Prototyp n-in-p i Siliziumstreifensensoren hergestellt auf 8 Zoll Wafern zusammen. Insgesamt wurden zwei Prototyp Läufe mit identem Layout produziert. Das Wafer Layout wird im ersten Teil dieser Arbeit beschrieben. Ein spezielles Augenmerk ist hierbei auf das Layout von Teststrukturen gelegt. Neben geläufigen Teststrukturen wurde auch ein neues Set von Teststrukturen vom Autor implementiert. Es ist angedacht, dass ein solches Set an Teststrukturen für die Evaluierung von Prozessparametern einer zukünftigen industriellen Produktion von Sensoren dient. Das Set enthält unter anderem auch neu entwickelte Feldeffekttransistor Teststrukturen, welche zur Charakterisierung der Isolationsfähigkeit der p-stop Implantation dienen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die vom Autor durchgeführte elektrische Charakterisierung des Hauptsensors der 8 Zoll Prototyp Wafer zusammengefasst. Sowohl globale als auch Einzelstreifenparameter wurden gemessen und mit den Anforderungen von CMS verglichen. Die während der Charakterisierung festgestellten Probleme wurden im Detail analysiert und an den Hersteller kommuniziert. Dies führte zu signifikanten Verbesserungen für Sensoren des zweiten Laufs. Neben Sensoren wurden auch die wichtigsten Teststrukturen wie Dioden, MOS und GCDs vom Autor charakterisiert. Zusätzlich wurde die Funktionsfähigkeit der auf dem Set von Teststrukturen befindlichen Strukturen untersucht und Unzulänglichkeiten Design festgestellt. Dieser Teil der Arbeit wird abgeschlossen mit der Evaluierung von Feldeffekttransistor Teststrukturen, wo neben elektrischen Messungen auch TCAD Simulationen vom Autor durchgeführt wurden. Die Strahlenhärte von Proben aus beiden Läufen wurde mit Hilfe von Proton- und Neutron- Bestrahlungsstudien untersucht und die Resultate mit den theoretischen Vorhersagen ver- glichen. Besonderes Augenmerk wird auf die durch Strahlenschäden veränderten Eigen- schaften des Grundmaterials gelegt. Im Speziellen wurden effektive Energien, die Stromerhöhung und auch die Erhöhung der Depletionsspannung vom Autor untersucht. Der letzte Teil dieser Doktorarbeit fasst die Untersuchungen betreffend des Verhaltens der Sensoren in einem Teilchenstrahl zusammen. Zu diesem Zwecke wurde ein Elektronenstrahl test beam am DESY durchgeführt. Neben einem unbestrahlten Sensor wurde auch ein neutronenbestrahlter Sensor vom Autor untersucht. Zusammenfassend wurden durch die Messungen des Autors und das Feedback an Infineon signifikante Probleme an den ersten Prototypen aufgezeigt. Zusätzlich zu den beschriebe- nen Untersuchungen wurde eine Reihe an zusätzlichen Studien durchgeführt, die wertvolle Informationen zur Steigerung der Qualität lieferten. Nahezu alle der festgestellten Prob- leme wurden im Rahmen der Entwicklungsarbeit, welche in dieser Dissertation detailliert beschrieben wird, gelöst. Die Qualifizierung Infineons als Hersteller für Siliziumstreifensensoren für das CMS Tracker Phase-2 upgrade ist somit weit fortgeschritten und nahe an der Vollendung.

The Large Hadron Collider (LHC) is the world largest particle collider colliding protons at a center of mass energy of 13 TeV. At one of its four interaction points, the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment is located. CMS is a large multi-purpose particle detector built for the search of the Higgs boson, supersymmetry, and dark matter. The innermost detector system of CMS is the so-called Tracker, which measures the tracks of charged particles emerging from the proton collisions of the LHC. About 24,000 silicon sensors, which together constitute an area of 200 m2, represent the sensitive part of the Tracker. In the mid of the next decade, the LHC will undergo a 2.5 year long pause of operation, the socalled long shutdown three (LS3). During this phase, the LHC will be upgraded to the High Luminosity LHC (HL-LHC), which will lead to an increase in instantaneous luminosity by a factor of five to seven. At the same time, the CMS Tracker will have reached the end of its designated lifetime mainly due to radiation damage. Therefore, and to ensure an efficient operation during high luminosity data taking after LS3, the CMS Tracker will be upgraded in parallel to the LHC. This upgrade is referred to as the Tracker Phase-2 Upgrade, where the inner and outer Tracker will be replaced completely. For the upgrade of the CMS outer Tracker, more than 26,500 silicon sensors are required. This, in turn, requires an industrialized large-scale production, which currently only one company can offer in the desired quality. To ensure a reliable supply of sensors, it is foreseen to split the production between at least two vendors. Since 2009, the Institute of High Energy Physics (HEPHY) is collaborating with the European semiconductor manufacturer Infineon Technologies (Infineon) on the development of silicon strip sensors for the CMS outer Tracker upgrade. The aim of the collabora- tion is to establish Infineon as a future high-volume supplier of silicon strip sensors. The collaboration started with the development of AC-coupled p-in-n silicon strip sensors pro- cessed on 6-inch wafers. However, recent findings indicate that n-in-p sensors exhibit a better radiation tolerance. This is especially important for an efficient operation during the high luminosity data taking period, where unprecedented high particle fluences will be present. Therefore, the HEPHY-Infineon collaboration started a development of n-in-p silicon strip sensors processed on 8-inch wafers. Processing of 8-inch wafers is state-of- the-art in semiconductor industries but a novelty in the development of sensors used in High Energy Physics experiments. In particular, the sensors developed in the course of this thesis represent the worlds first AC-coupled silicon strip sensors processed on 8-inch wafers. This thesis summarizes the development and characterization of the prototype n-in-p silicon strip sensors processed on 8-inch wafers. Two prototype runs with identical wafer layout have been manufactured in total. The wafer layout is described in the first part of this thesis, with a focus placed on the layout of test structures. Besides standard test structures, a set of test structures, envisaged to be used for the evaluation of process parameters during a future large-scale production, has been implemented by the author. The set also comprises iii newly developed field-effect transistor test structures used for the characterization of the isolation capability of the p-stop. The second part of this thesis summarizes the electrical characterization of the main sensor of the two prototype 8-inch wafer runs, which was completely carried out by the author. Global and single strip parameters have been measured and compared to current require- ments of CMS. Processing issues observed during the characterization of the first prototype run were analyzed in detail and communicated to the manufacturer. This led to significant improvements for the second prototype run. The electrical characterization of the sensors is followed by the characterization of the most important test structures like diodes, MOS, and GCDs, which was also performed for this thesis. In addition, the functionality of structures located on the set of test structures has been investigated and design insufficiencies determined. This part of the thesis is concluded by the evaluation of the field-effect transistor test structures, where, besides electrical characterization, TCAD simulations have been conducted by the au- thor. The radiation hardness of samples of both runs has been investigated by proton and neutron irradiation studies, where the results are compared to theoretical predictions. A focus is placed on the properties of the bulk material that have been altered by the radiation. In particular, effective energies, the current related damage rate, and the change of the full depletion voltage have been investigated by the author. The last part of this thesis summarizes investigations concerning the performance of the sensors in a particle beam. For this purpose, an electron beam test at DESY has been carried out. In addition to an unirradiated sensor, the performance of a neutron irradiated sensor has been studied by the author. In summary, measurements by the Author and feedback to Infineon revealed significant problems of the first prototypes. In addition to the investigations described above, a va- riety of additional studies have been carried out, which provided valuable inputs for the improvement in quality. Within the development work that is described in detail in this PhD thesis, almost all of the identified problems were solved. Thus, the qualification of Infineon as manufacturer of silicon strip sensors for the CMS Tracker Phase-2 upgrade is well advanced and close to completion.