Lutzer, B. (2012). Measurements and irradiations of test structures for the CMS tracker upgrade [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/161314
Der Siliziumstreifendetektor des CMS-Experiments am CERN befindet sich der derzeit (2012) im Vollbetrieb. Er liefert präzise Spurendetektionsdaten in einer Umgebung mit hohem Strahlungshintergrund. Dies führt zu einer Beschädigung des Trackers, was schließlich zu einer Erneuerung des ganzen Detektors nach 10 Jahren, der geplanten Laufzeit, führen wird. Weiters ist ein Upgrade des LHC-Beschleunigers geplant. Dieses Upgrade führt zu einer wesentlich höheren Luminosität, daraus folgt ein wesentlich erhöhter Strahlungshintergrund. Daher müssen neuer Materialen gefunden werden, die höhere Strahlungsdosen tolerieren. Diese Spezifikationen können nur durch sorgfältige Forschung nach den richtigen Materialen erreicht werden. Dies wird derzeit im Rahmen der HPK-Kampagne durch eine institutionelle Kollaboration durchgeführt. Innerhalb dieser Kampagne werden Wafer entworfen und von einem Halbleiterindustriebetrieb produziert. Diese Wafer unterscheiden sich durch ihre Produktionsmethode (Float Zone, Magnetic Czochralski, CVD), Dotierung und Dicke. Es wird mit verschiedenen Methoden versucht, das richtige Material zu finden. Eine davon sind die sogenannten Teststrukturen, TS. Diese beinhalten verschiedene mikroelektronische Strukturen wie Dioden oder Widerstände. Sie wurden entworfen um verschiedene Parameter bestimmen zu können, die nicht aus den eigentlichen Sensoren am selben Wafer extrahierbar sind. Zudem werden diese Teststrukturen mit Neutronen und Protonen bestrahlt um die Einwirkung von Teilchen und ihre Zerstörungswirkung auf den Sensor im Laufe von 10 Jahren Betrieb zu simulieren. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden sowohl nicht-bestrahlte als auch bestrahlte Teststrukturen vermessen. Zusätzlich wurden noch Bestrahlungen außerhalb der Kampagne am TRIGA Mark II-Reaktor des Atominstituts in Wien durchgeführt. Diese, mit denjenigen anderer Institute kombinierten, Resultate werden schließlich zu einer Entscheidung für das Material führen. Das zweite Thema dieser Arbeit präsentiert komplementäre Messmethoden um Informationen über die Qualität des Oxides, des oberen Teils des Detektorvolumens und der Grenzfläche zwischen ihnen zu erhalten. Hierfür werden die Generationslebenszeit und die Oberflächengenerationsgeschwindigkeit des Bulks mit MOS-Kapazitäten vermessen. Diese Parameter werden in der Halbleiterindustrie regelmäßig bestimmt. Erste Ergebnisse an nicht-bestrahlten Teststrukturen werden in dieser Diplomarbeit präsentiert.
The silicon-strip tracker of the CMS experiment at CERN is currently (2012) in full operation. It delivers precise tracking information while it has to operate in a harsh radiation environment. This causes damage to the tracker which will lead eventually to a replacement of the whole detector after 10 years of lifetime. Additionally a further upgrade of the LHC accelerator is planned. This upgrade leads to a much higher luminosity which results in a much higher radiation background. Therefore new materials need to be found which are capable of tolerating higher radiation levels. These requirements can only be achieved by research for the right materials. This is currently done within the so-called HPK campaign which is carried out by an institutional collaboration. Wafers are designed and produced by a industrial company within this campaign. These wafers differ by their production method (Floating Zone, Magnetic Czochralski, CVD), their doping and thickness. It is tried to determine the right material with different methods where one of those is done at our institute with so called test structures, TS. These, containing different microelectronic structures like diodes, resistors, etc., were designed to be able to extract parameters which are not accessible in a silicon detector which are produced on the same wafer. Furthermore, these test structures will be irradiated with neutrons and protons for the purpose of simulating the particle fluence to assess the radiation damage inside the CMS tracker after 10 years of operation. Measurements of both non-irradiated and irradiated test structures have been done for this thesis. Additionally, irradiations outside the campaign at the TRIGA Mark II reactor of the Institute of Atomic and Subatomic Physics in Vienna have been done by the author. The combined results of the work with other structures by other institutes this will lead eventually to a decision of the material. The second topic of this work presents complementary measurement methods to get information about the quality of the oxide,the upper parts of the bulk and the interface between them by measuring the generation lifetime and surface generation velocity of the bulk on MOS capacitors. These parameters are regularly measured in the semiconductor industry. First results on non-irradiated test structures will be presented in this thesis.
