Introduction and Status of SOIPIXKuno & Yamanaka Lab. year-end meetingDec 22, 2008

Minoru HiroseYamanaka Taku Lab.

Introduction• SOIPIX：Silicon On Insulator技術を用いた一体型の半導体検出器‣ 浮遊容量の低減 → S/N、動作速度の向上‣ 機械的接合がない → 分解能向上、低価格化‣ 高放射線耐性

2

Fig. 1. Schematic cross section of a pixel module unit.

pigtail connector. A schematic cross section viewof a pixel module is shown in Fig. 1.

The sensor (2) has an active area of 60.8 mm× 16.4 mm. The 47268 pixels are implemented asn+ implants on the read-out side in 250 µm thickoxygenated float-zone silicon n-bulk material. Ra-diation damage will type invert the sensor bulkand then increase the depletion voltage. A multi-ple guard-ring structure on the back side of thesensor allows for a maximum bias voltage of 600V.This will provide nearly full depletion even afterten years operation in the LHC environment.

Fig. 2. Pixel cell design on the silicon sensor. The standarddesign in modified in the inter-chip region (long pixels andganged pixels) in order to maximize acceptance.

Each pixel cell has the dimensions 50 µm ×400 µm which will provide a point resolution of10 µm in the rφ−coordinate (3). In the regionsbetween front-end chips, pixels have either a mod-ified geometry (50µm × 600µm) or are connectedwith each other, such that, at the cost of ambigu-

ous reconstruction of hit positions, there is nodead area on the sensor surface (Fig. 2).

The silicon sensor is connected to the read-outfront-end chips through fine pitch bump bondingwith the flip-chip technique to form a bare mod-ule. The bump bonds provide electrical, mechani-cal and thermal contact at the same time. This fab-rication step was done by two different providers,IZM and AMS, with PbSn and In technology, re-spectively.

The front-end chip FE-I3 is described in detailelsewhere (4). It is implemented in a standard0.25 µm CMOS process with a radiation toler-ant layout, which has been demonstrated up to100 Mrad of total dose. It contains 2880 read-outcells, arranged in a 18 × 160 matrix matching thesensor pixel geometry. In the analog section thecharge deposited in the sensor is amplified andcompared to an individually tunable threshold bya discriminator. The digital readout buffers thepixel address, a time stamp, and the signal am-plitude as time-over-threshold (ToT) of hits. Hitswhich are selected by trigger signals within theLevel 1 latency (3.2 µm) are read-out, otherwisethey are deleted.

Fig. 3. A completely assembled module inside a flex holderused for safe manipulation during tests and transportation.

The last step of module assembly (“dressedmodule”) consists in gluing a flexible Kapton(flex) printed-circuit board to the back side of thebare module and connecting it through ultrasonicmicro-wirebonds (Fig. 3). The flex contains pas-

2

次世代の加速器に有望！

Introduction Ⅱ• SOIPIXは現在3種類開発が進んでおり、それぞれ積分型ピクセル、計数型ピクセル、SuperBelle test用ピクセルが存在する。

• そのうち今回は積分型ピクセルの結果について報告‣ 積分型ピクセル(INTPIX2)の回路図

3

- 3 -

1. Introduction

INTPIX2!"#$%&'()*+ CMOS SOI 0.2um,-./0123456789,:"20um;+

? 128x128@A"B0CDEFGH.IJK?@L SOIMNO:PQRS

TUVWXY! 5.0 mm;"ZT[I\]+89,XY!^ 5.1 mm:PQR_5! 260um (+10um -20um)

0 Thinning]`a0 200nm+ Al/b9cdI\?efghQRiU89,+j"177

Sensor I-V Characteristic

‣ Breakdown耐性が上がった。(125V程度)

‣ 20V程度に肩があるが原因不明‣ Leakが以前のピクセルより多いのはGuard RingをFloatingではなく0Vに落としているからだと予想 4

VSS Ring

Pixel Sensor

Guard RingBias Ring

IO

a b

- 5 -

! 3. "#$%&'()!*

1.3. ! Pixel

+,-.'(cpix)/01#,2! 434567892! 53:;*Pixel/? 20um x 20um@A

B'35CDC2EF@=GHI345.6um x ~6um/J2KLMNG*O/PQRSTUVWVXC

?Y/+,-.3ZZG'[3\]MNG*^_?`a 2um/bca/d2 4ef\gMNG*

! 4. Pixelhi/01#,!*

a

HV Ring

b

Vback [V]0 20 40 60 80 100 120

| Lea

kCu

rren

t | [

A]

-1010

-910

-810

-710

-610

Graph

INTPIX2

INTPIX1

Vbiasと空乏層の厚さ• Sensorに使うWaferの比抵抗はρ＝700Ω*cm電子の易動度μ、誘電率ε等を用いて、空乏層の厚さdは

と表され、これを用いると大体空乏層は170um程度まで広げることが出来ていると予想される。

5

!""#$%$!%!&$'()*+,-,.!/012!345*46! 7"!

Vbias [V]! Wdep [µm]! QMIP[electron]!

0! 11! 900!

10! 48! 3,800!

20! 67! 5,400!

30! 82! 6,600!

50! 106! 8,500!

100! 149! 12,000!

200! 211! 17,000!

300! 258! 21,000!

500! 333! 27,000!

89:;"

?@ABCDE2

back-gate bias effect• MOSFETのback-gateにかかる電圧によりトランジスタのしきい値電圧Vthが変化する現象。‣ Vthがnmosで0V以下になると、スイッチとして用いている場合Offにならない、pmosならonにならない

‣ トランジスタの動作電圧が変わることにより、動作が遅くなったり速くなったりする

• この効果により、センサーに高い電圧を掛けるとSOI層の回路が動作しなくなる

6

!"#$%&&'()*+,-.!*/%&'(0120*(3-04(*5)67.89*/:;?@',AA?AB#CD)E

!"#$ 01

読み出し回路のGain及び動作範囲• RST=Hiを与え、RSTVを変化させることにより、Gainと動作範囲を調べる。‣ Vbackを上げると、back-gate効果の影響が出る。➡回路の動作し始める電圧が変化する。➡Rangeが減少する。➡Gainは変化しない。

7

- 4 -

2. !"#$

Vback!"#$%&'() AOUT-RSTV)*+),-.!/ 012345'60.15um789:);-

?)@ABC) Back GateDE+!/ F1234

/ 04AOUT-VRST*+) Vback1GHIJKLMNOP4

/ F. 0.15um SOI Tr) Back GateQR1GH@ABCIS4

KTUVINTPIX2W 0.2um789:XYZ[\$BH)X6]),-.)CW^_1W`abcdBP

- 5 -

! 3. "#$%&'()!*

1.3. ! Pixel

+,-.'(cpix)/01#,2! 434567892! 53:;*Pixel/? 20um x 20um@A

B'35CDC2EF@=GHI345.6um x ~6um/J2KLMNG*O/PQRSTUVWVXC

?Y/+,-.3ZZG'[3\]MNG*^_?`a 2um/bca/d2 4ef\gMNG*

! 4. Pixelhi/01#,!*

Vback大

ScanTime測定• あるpixelのデータを読み出す為に掛ける時間を最適化する。‣ INTPIX2はアドレスを指定し、一つのラインから出力するために、アドレスを指定してからそのピクセルのデータが出るまでに時間がかかる

• ScanTimeが短いと、前に読んだピクセルの影響を受け像がぼやける。

80 20 40 60 80 100 120

0

20

40

60

80

100

120

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Image ADC_histEntries 16384

Mean 4.625± 931

RMS 592

Underflow 0

Overflow 0

Integral 1.638e+04

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

ADC_histEntries 16384

Mean 4.625± 931

RMS 592

Underflow 0

Overflow 0

Integral 1.638e+04

ADC

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Image ADC_histEntries 16384

Mean 1.924± 726.4

RMS 246.3

Underflow 0

Overflow 0

Integral 1.638e+04

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

ADC_histEntries 16384

Mean 1.924± 726.4

RMS 246.3

Underflow 0

Overflow 0

Integral 1.638e+04

ADC

Scan方向：左上から右に向かって読んでいき、行を増やしていきながら右下まで読む

①②

ScanTime測定• ScanTimeが十分であれば光が当たっている位置のレベルが上がり、不足していれば右に尾を引くということを利用し、200um程度まで絞った光を当て、その時の出力のMeanをScanTimeに対してplotする。

• Meanが動かなくなったScanTime以上で以降のテストを行った。

9

Scan Time Tuning• 200um程度まで絞った光を当て、そのMeanの値をScanTimeを変えながらプロットする。ScanTimeが十分だとMeanの位置は変わらなくなる

16

ScanTimeの最適化

3

45 50 55 60 65 70 75 800

5000

10000

15000

20000

25000

Graph

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

61.5

62

62.5

63

63.5

64

Graph

45 50 55 60 65 70 75 800

5000

10000

15000

20000

25000

Graph

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

61.5

62

62.5

63

63.5

64

Graph

ScanTimeが足りない ScanTimeが十分

CAΣADC

ScanTime[ns]

Mean[ADU]

0 20 40 60 80 100 1200

5000

10000

15000

20000

25000

Graph

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

26000

28000

30000

32000

34000

36000

38000

40000

42000

44000

46000

48000

Imege

CA

RAScanTimeを延ばすとmeanがシフトする

ScanTime測定• これを各Vbackに対して測定‣ 動作速度は指数関数的に増加する‣ ScanTimeを長くすると、Capacitorに溜めた電荷が逃げる為に、最初に読むピクセルと最後に読むピクセルで出力が変わるため、このままではVbackを上げて動作させるのは難しい。

10

Scan Time Tuning• この値を使って以降テストを行う

17

!"

!#"

!##"

#" !#" $#" %#" " '#" (#"

Vback[V]

ScanTimeの変わらなくなる点[us]

focused laser 応答試験• 5um程度まで絞れるLaserを用いて、1pixelだけに光を照射しCross Talkなどを調べる。

11

19

可視光導入用の窓

Laser

(RA,CA)=(64,62)のピクセルにLaser照射• (64,63)のピクセルと、CA=64でRA>=65のピクセルが反応している‣ さきほどScanTimeを十分取ったつもりだったが、依然影響があるようだ‣ Scan方向を変えると影響が出る方向が変わるのは確認済み➡純粋に読み出し系の動作速度が原因のCrossTalk

12

RA

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

pedestal

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

5

10

15

20

25

30

35

40

noise

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

bad channel

58 60 62 64 66 68

30

40

50

60

70

1

10

210

310

h2

60 61 62 63 64 65 66

62

63

64

65

66

67

68

69

70

210

310

h2

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

1

10

210

h2

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

1

10

210

h2

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

resEntries 7980

Mean x 62.75

Mean y 55.3

RMS x 15.3

RMS y 15.01

1

10

210

resEntries 7980

Mean x 62.75

Mean y 55.3

RMS x 15.3

RMS y 15.01

h2

CA

どの程度影響があるか？• S/N＞5のピクセルをHitとして定義し、500event中にどの程度Laserを当てていないPixelがHitと判断されるかを調べた。‣ S/N＞5は結構余裕で越えてしまうらしい

13

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

pedestal

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

5

10

15

20

25

30

35

40

noise

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

bad channel

52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72

10

20

30

40

50

60

70

80

210

310

h2

60 61 62 63 64 65 66

62

63

64

65

66

67

68

69

70

210

310

h2

52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 7210

20

30

40

50

60

70

1

10

210

h2

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

hitEntries 104

Mean x 80.09Mean y 59.41

RMS x 32.23

RMS y 26.08

1

10

210

hitEntries 104

Mean x 80.09Mean y 59.41

RMS x 32.23

RMS y 26.08

h2

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

resEntries 7980

Mean x 62.75

Mean y 55.3

RMS x 15.3

RMS y 15.01

1

10

210

resEntries 7980

Mean x 62.75

Mean y 55.3

RMS x 15.3

RMS y 15.01

h2

RA

CA

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

pedestal

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

5

10

15

20

25

30

35

40

noise

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

bad channel

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

210

310

h2

60 61 62 63 64 65 66

62

63

64

65

66

67

68

69

70

210

310

h2

50 55 60 65 70 75 8040

45

50

55

60

65

70

75

80

1

10

210

h2 h2

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

resEntries 1057

Mean x 62.71

Mean y 63.53

RMS x 6.967

RMS y 6.831

1

10

210

resEntries 1057

Mean x 62.71

Mean y 63.53

RMS x 6.967

RMS y 6.831

h2

どの程度影響があるか？• S/N＞10をHitとすると、この程度残る。‣ 下側がHitとされるのは減るが、直後に読むピクセルはなかなか消えない‣ S/N>20をHitとすると消えた。

14

RA

CA

Conclusion• Processのエラーを修正した新しいPixelセンサーが12月になり、ようやく納品された。

• Sensorにバイアス電圧をかなり掛けれるようになったため、空乏層は広げることが出来そう。

• しかし、バイアスを掛けることによるback-gate効果により、現状のピクセルでは主に動作速度が遅くなることにより、様々な問題が発生している。‣ しかし、Vthが負になることはないらしく、回路は動作する。(以前のピクセルは回路自身が動作しなかった)

• やはり、back-gate効果の抑制がSOIPIXを成功させる上での鍵である。

• Rangeを最大にする設定でテストを行っていたが、それにより動作が遅くなっていた。Rangeを犠牲にしても速度を上げた状態でテストを行う必要がある。

15

backup

16

可視光に対する反応領域

17

20

可視光に対して反応がある領域

IR Laserを用いたテスト(Preliminary)• 先ほどのLaserは緑色(λ=550nm)だったので、吸収長が数um程度。なので、空乏層がきちんと広がっていることを確認する為に吸収長が100um程度の赤外Laser(λ=990nm)を用いて反応を見る。Laserが当たっている点(図の赤枠の中)のADCの平均をVbackに対しplot

• 何故かVbackを上げるとADCが下がる‣ ScanTimeを長くすることにより、CapacitorからのLeakする量が増えたか？

180 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

pedestal

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

5

10

15

20

25

30

noise

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

bad channel

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

0

50

100

150

200

250

300

350

400

adc

0 100 200 300 400 500

50

100

150

200

250

300

Graph

!"

#!"

$!!"

$#!"

%!!"

%#!"

&!!"

!"

'!!"

!" $!" %!" &!" '!" #!" (!"

Vback[V]

ADC m

ean[ADU]

出力電圧範囲• Vbackを上げていくと、back-gate効果により出力電圧範囲が狭まる

• 読み出し用のColumn毎にあるBufferに与えるバイアスを作る回路も影響を受け、Bufferの動作範囲が変わることによりBufferのDrive能力を決めるVL2というパラメータを動かすと出力電圧範囲が変わる

19

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50800

810

820

830

840

850

860

870

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

pedestal

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50800

810

820

830

840

850

860

870

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

saturation level

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50800

810

820

830

840

850

860

870

0

100

200

300

400

500

600

700

residual

Vback[V]

VL2[mV] ・Z軸は出力電圧範囲

・VL2を下げるとRangeは広くなるが、Bufferが弱くなる為に動作速度が遅くなる・100mV≒6000 electron

Sensor I-V Characteristic• 先ほどのINTPIX2のデータの0V付近を拡大‣ 0.75Vの点でCurrentが0[A]となる。‣ つまり、Sensorの空乏層は0.75V以上掛けることにより広がりだす

20

Sensor I-V Characteristic• 先ほどのデータの0V付近を拡大した図。! 以前のデータはVback=0VでCurrent=0だったが、0.75V程度で電流が流れなくなる。

! Sensor側は0.75V以上掛けると空乏層が広がりだす。

30 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-5

-4

-3

-2

-1

0

-610!

INTPIX I-V with SEABAS

Vback[V]

Dark Current[A]

-5uAでCurrentLimitをかけている

SOI Waferの製造方法• 我々の検出器に用いているwaferは以下に示すSmart Cutという技術で2枚のwaferを張り合わせている。

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図 2.7: SIMOX法

Smart-Cut技術

酸素イオン注入を用いる SIOMOX法と異なり、水素イオン注入による剥離法を用いており、使用するイオンのサイズが非常に小さい為、SOI層に残存する欠陥が極めて少ない。Smart-Cut技術はフランスの SOITEC社の登録商標である。我々SOIpixelグループが開発するTEGの SOIウエハはこの方法で製造されている。

図 2.8: Smart-Cut技術

14

Pixel Layout

22

- 6 -

! 5"ipix#$%&'"20um x 20um (()*)+,-./01"

2. Signal & Timing

23456789:$;)"

2.1. Digital Signals

>?@6*A:B45C 1.8V CMOS#DB"

• RA[6:0]

Row AddressEF%G#H145"

• CA[6:0]

Column AddressEI%G#H145"

• ENRA

Row Address Enable 45"JKL Row Address45.MNLOPQR>STRCURow AddressVW

XY@Z[ ENRA. HiR>S"

• ENCA

Column Address Enable45"JKL Column Address45.MNLOPQR>STRCUColumn

AddressVWXY@Z[ ENCA. HiR>S"

• RST

SOIPIX評価用読み出しボード• SEABAS(Soipix EvAluation BoArd with Sitcp)‣ ADC(65MHz, 12bit), DAC(12bit, 4ch), NIM I/O(2chずつ)SiTCP(100Mbps), FPGA(VIRTEX4), 信号線120本(User FPGAより)

‣ 評価したいSOIPIXのチップに合わせたサブボードを付け替えることにより様々なPIXEL検出器を評価できる汎用読み出しボード

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4つのコネクタでサブボードに繋がる

信号線の数やADCなどの要求を満たせばSOIPIX以外にも

使用可能

SEABASを用いたDAQ system• SiTCP : 内田智久氏(東大)が開発したネットワークプロセッサ‣ FPGA上に実装したハードウェアでTCP/IPの処理を実現➡帯域上限(SEABASは100Mbps)で安定してデータ転送可能

‣ Ethernetを通したDAQシステム➡NICさえあればどんなPCでもDAQを行える

• ADC等を実装しているのでNIM, CAMACなどを使わなくてもよい

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SOIPIX

DATA

USER FPGAInternet

SiTCPnetworkの処理

DAQ Software

SEABAS + SubBoard

Ethernet100

Mbps

SOIPIX 読み出しシステム

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SEABAS SOIPIX

Trigger待ち

DAQ開始信号

受信待ち

PC(C++) SOIPIXTCP Connection確立

読み出しparameter送信

parameter set Trigger!

データ送信Data受信、保存

Data Set

FIFOに保存

Address送信

Data出力

PixelScan

全ピクセル送信後

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Start,Stop,Pause for DAQ

取得event数現在のevent番号

File Save関連

Program終了Display等初期化

積分時間や読み出し時間等のパラメータ変更

表示関連：2D Image or ADC distribution (生データだけでなくPedestalを 引いた分布等も見れる)

Logの表示やセーブ

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Histogram表示部

Histogramを表示する間隔とtrigger rate変更

Run mode 変更