단일형 활성 실리콘 픽셀 센서의 중성입자 선량에 대한 효과 연구

http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.67.952

Study on the Radiation Hardness of a Monolithic Active Pixel Sensor by Using Non-ionizing Energy Loss

Kyungeon Choi

Department of Physics, Indiana State University, IN 47405, U.S.A.

Jiyoung Kim

Department of Physics, Heidelberg University, 69117 Heidelberg, Germany

In-Kwon Yoo

Department of Physics, Pusan National University, Busan 46241, Korea (Received 15 May 2017 : revised 23 June 2017 : accepted 29 June 2017)

The monolithic active pixel sensor (MAPS) technology is widely used for high-energy particle- collision experiments. When the serious radiation damage near the collision points in the exper- imental environment is considered, a study on the radiation hardness of the MAPS chip is an essential part of the chip R&D process. Especially, study on the details of the non-ionizing energy loss (NIEL) effect on the chip has not shown much progressed because the electron trap processes in the silicon pixel chips are not well known. In this research, the charge collection efficiency (CCE) was studied for various MAPS chips irradiated by neutrons of a few 10¹³·1 MeV neq/cm² with⁵⁵Fe in the laboratory chip test system built in the Heavy Ion Physics Experiment (HIPEx) Laboratory of Pusan National University.

PACS numbers: 29.40.Gx, 29.40.Wk

Keywords: Silicon pixel detector, CMOS imaging sensor, Non-ionizing energy loss (NIEL) effect, Pixel chip characterization, Charge collection efficiency

단일형 활성 실리콘 픽셀 센서의 중성입자 선량에 대한 효과 연구

최경언

Department of Physics, Indiana State University, IN 47405, U.S.A.

김지영

Department of Physics, Heidelberg University, 69117 Heidelberg, Germany

유인권

부산대학교 물리학과, 부산 46241, 대한민국

(2017년 5월 15일 받음, 2017년 6월 23일 수정본 받음, 2017년 6월 29일 게재 확정)

단일형 활성 실리콘 픽셀 센서 (monolithic active pixel sensor, MAPS) 기술은 고에너지 입자충돌실험 에 널리 사용되고 있다. 하지만 입자충돌지점의 최근접거리에서 센서가 받게될 막대한 방사선량을 고려할

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때, MAPS의 방사선 내구성연구는 실리콘칩 연구개발에서 필수적이다. 특히 중성입자에 방사된 픽셀 칩 내부에서 발생한 전자의 트랩현상이 잘 알려져 있지 않기 때문에 중성입자의 선량에 대한 실리콘 픽셀 칩의 성능연구는 많이 진전되어 있지 않다. 이 논문에서는 다양한 중성입자선량에 노출된 여러가지 디자인의

실리콘 픽셀칩에 대해서, 부산대학교 중이온물리연구실에 구축된 칩테스트시스템을 이용하여⁵⁵Fe-

방사선원이 발생시키는 시그널의 전하량 수집효율을 측정하여 중성입자 선량에 대한 효과를 연구하였다.

PACS numbers: 29.40.Gx, 29.40.Wk

Keywords: 실리콘 픽셀 검출기, CMOS 이미징 센서, 중성입자선량 효과, 픽셀 특성측정, 전하수집효율

I. 서 론

고에너지 입자충돌실험에서 널리 사용되고 있는 반도체 픽셀 검출기는 특히 입자빈도가 높은 충돌지점에서 입자들 의 궤적을 재구성하는 용도로 주로 사용된다. 이는 초소형 으로 제작이 가능한 실리콘 센서의 특징상, 높은 궤적밀도의 환경에서 높은 공간분해능이 가능하고, 수십 마이크로미터 두께로 입자들이 센서 내부를 지나면서 다중 산란의 영향 을 거의 받지 않아 궤적의 변형이 적은 동시에 아주 작은 양의 에너지손실만으로도 신호 검출이 가능한 실리콘의 높은 효율 때문이다. 특히 최근 국제적인 대형실험장치에 사용되기 시작한 초소형의 픽셀내부에 전기신호처리장치 까지 내재된 단일형 실리콘 픽셀 센서 (monolithic active pixel sensor, MAPS) 는 센서에서 발생한 아날로그신호를 즉시 디지털신호로 처리하여 직접 고속으로 데이터수집이 가능하기 때문에 차세대 실리콘 센서로 주목받고 있다 [1].

MAPS의 기본적인 구조는 Fig.1과 같다.

실리콘 센서를 구성하는 반도체 물질, p, n 형의 밀도 (dopping) 정도에 따라 픽셀 내부의 영역을 Fig. 1과 같이 구분할 수 있다. 실리콘 센서를 통과하는 전하를 띤 입자들은 에피택시얼 영역을 이온화시켜 입사 경로에 전자를 발생시 킨다. 이때 생성된 전자들은 결핍영역 (depletion region) 이 라 불리우는 전기장 영역 내부에서 쿨롱힘 (Coulomb force) 을 받아 N형 우물 (NWELL) 다이오드 (diode) 로 모이게 된다. 이러한 전기장 영역은 p형과 n형 반도체의 나르개 (carrier) 밀도 차이에 따라 자연적으로 발생하는 것으로, 입사 입자로 인해 만들어진 전자들이 전기장 영역 근처에 분포하면 p형과 n형 사이의 전기장 방향으로 인해 NWELL 다이오드로 모이는 것이다. 이때의 전자의 이동은 동시에 전기장의 변화를 발생시키고, 이 전기장의 변화로 인해 발 생하는 유도 전류를 신호로 측정하게 된다 [2].

높은 공간 분해능과 고효율의 장점을 최대한 활용하기 위해, 높은 입자밀도의 영역에서 작동하게 되는 MAPS의 용도적 특성상, 이 센서는 고에너지 입자충돌실험에서 수백 krad의 총이온화 선량 (total ionizing dose, TID) 과 cm²당

∗E-mail: [email protected]

Fig. 1. (Color online) Structure of silicon pixel detector in CMOS technology.

수조개의 1 MeV의 중성자 (neq) 에 해당하는 중성입자의 에너지손실 (non ionizing energy loss, NIEL) 효과의 환경 을 견뎌내야 한다. 일례로, 최근 RHIC의 STAR 실험 [3]에 HFT (heavy flavor tracker) 의 센서로 사용된 ULTIMATE 칩의 경우, 최대 150 krad의 TID와 10¹²·1 MeV neq/cm² 의 방사능내구력을 갖춘 것으로 나타난 상태이다. 또한 비 교적 원인 및 해결방법에 대한 연구가 활발한 총이온화선량 (TID) 에 대한 방사능내구성 연구와 달리, 중성자선량에 의한 NIEL 내성연구는 많이 진척되지 않은 상황이므로, 본 논문에서는 일정량의 중성자가 조사된 칩을 이용하여 중성 자 선량 및 역바이어스전압 (VBB) 의 변화에 따른 칩성능을 측정하였다.

II. 본 론

1. 픽셀칩의 전하수집효율 측정 실험

본 연구에 사용된 EXPLORER-1 칩 (Fig.2) [4,5]은 14.4

× 1.8 mm²의 크기로 다양한 디자인의 46,000개 픽셀로 구 성되었으며, 하전입자가 입사하면 회로기판에 설치된 신 호처리장치를 통하여 픽셀별로 아날로그신호를 출력한다.

다양한 픽셀의 주요 사양은 Table 1 에 나타내었다. 칩의 특성 측정은 하전된 고속의 입자를 이용하는 빔테스트와 잘

Fig. 2. (Color online) Picture of EXPLORER-1 chip with its circuitry.

알려진 방사선원을 이용하는 랩테스트로 구별할 수 있는데, 본 논문에서는 Fe⁵⁵ 선원에서 방출되는 X-선 (Eγ = 5.9 keV) 을 이용하였다. 하전된 입자는 입자의 입사에너지에 따라 센서를 통과하면서 에너지의 손실이 다르고, 이에 따라 생성되는 전자-양자 쌍 (electron-hole pair) 의 개수가 달라 지지만, 광자의 에너지가 잘 알려져있는 X-선 선원은 일정 량 (⁵⁵Fe의 경우,∼ 1640개)의 전자-양자 쌍을 발생시킨다 [7]. 기본적으로 선원을 이용한 특성 측정에서는 5.9 keV 광자가 실리콘 픽셀 안에서 만드는 전자들을 포획하여, 그 시그널을 관측하지만, 초기 전자들의 발생 위치에 따라 그 전자들이 다이오드로 포획되는 과정에도 차이가 발생한다.

다른 포획 과정을 거친 전자들은 그에 따라 발생하는 시그 널의 형태가 다르게 분류되며, 아래와 같이 크게 3가지로 구분하여 분석을 진행한다.

• 단일 픽셀 클러스터 시그널 (single pixel cluster sig- nal): 전자들의 발생 위치가 결핍 영역 내부이거나 매우 가까운 경우, 이와 같은 시그널를 만든다. 단일 픽셀 클러스터 시그널의 경우는 센서 내부에서 발생 한 전자들이 주변 픽셀들로 퍼지지 않고, 하나의 픽셀 신호로만 측정되는 것이다. 따라서 Fe-55 방사선원 을 가지고 진행하는 실험에서의 단일 픽셀 클러스터 시그널의 크기는 5.9 KeV가 만드는 1640개의 전자가 만드는 신호의 크기로 호환된다.

• 클러스터 시그널(cluster signal): 전자들이 결핍 영역 으로부터 비교적 먼 곳에서 발생했을 경우 만들어지 는 시그널이다. 결핍 영역에서 떨어진 곳에서 발생한 전자들은 NWELL 다이오드로 향하는 전기력보다는 분산 (dispersion) 운동으로 인해, 주변의 픽셀로 이동

Table 1. Specifications of the pixel.

Pixel size (µm²) 20×20, 30×30 Diode Geometry square, octagonal Epitaxial layer thickness (µm) 12, 18, 20, 30, 40

Resistivity (kΩcm) 0.03, 1, 6 Diode size (µm) 0.45 to 3 (12 variations)

VBB 0 to -6 V

Irradiation (10¹³·1 MeV neq/cm²) 0.25, 1, 3

하여 포획될 수 있다. 이때 전자의 신호들은 하나의 픽셀이 아닌, 여러 개의 픽셀들로 구성된 클러스터 (cluster) 라는 형태로 측정될 수 있다. 이때의 시그 널의 크기는 전자가 포착된 주변 픽셀들의 시그널의 합으로 나타내며, 문턱값 (threshold) 를 초과한 픽셀 들의 총 개수를 클러스터 크기 (cluster multiplicity) 로 정의한다.

• 매트릭스 시그널 (matrix signal): 전자 포획 과정에 따라 신호 타입을 분류하면, 단일 픽셀 시그널과 클러 스터 시그널로 모든 포획의 경우를 설명할 수 있다.

매트릭스 시그널의 경우는 픽셀 특성 조사를 위해 인위적으로 정의된 신호 타입으로, 전자가 최대로 퍼져갈 수 있는 픽셀의 크기를 매트릭스로 정의하여, 그 매트릭스 내부의 신호의 총 합을 매트릭스 시그 널의 크기로 이용한다. 이때 매트릭스의 시그널에는 문턱값이 적용되지 않기 때문에, 클러스터 신호에서 측정되지 못한 문턱값 이하의 픽셀 신호까지 포함될 수 있다.

전하수집효율 (charge collection efficiency, CCE) 은 단 일픽셀 클러스터 시그널에 대한 임의의 매트릭스 시그널의 비율을 뜻한다. 즉, 입사입자가 발생시킨 이론적으로 수 집가능한 모든 전하량이 만드는 신호 (단일픽셀 클러스터 시그널) 중에서 실제 일정 사이즈의 매트릭스에 수집된 시 그널의 총량 (매트릭스 시그널) 의 비율이 얼마나 되는가를 측정하여 얻어진다. 이때 매트릭스 전체의 시그널 중 가장 큰 시그널이 나온 픽셀을 씨드픽셀 (seed pixel) 이라고 부 른다.

씨드픽셀은 사실상 입사입자가 생성시킨 전자들 중 가장 많은 전자들을 포획한 픽셀로서, 단일픽셀 클러스터 시그 널의 경우 100%가 되고, 일반적인 클러스터 시그널의 경우 가장 높은 비율의 씨드픽셀 주변 픽셀에 이보다 작은 크기의 시그널들이 나타나게 된다 (Fig.3).

부산대 중이온물리실험실에 구축한 측정 시스템의 구성도 를 Fig.4에 간략하게 나타내었다. 실리콘 센서와 직접적으

Fig. 3. (Color online) An example of cluster signal and its seed pixel.

로 배선 연결이 되어 있는 하이브리드 보드 (hybrid board), 픽셀에 역바이어스전압 (back-bias voltage) 을 공급하고 센서로부터 나오는 신호를 전달하기 위한 프록시미티 보드 (proximity board) 및 데이터 수집 장치 (scalable readout system, SRS) 로 구성돼 있으며, 그 외에 방사선원을 이 용한 실험에서 선원의 위치를 조정하기 위한 이동식 선반 (moving stage), 보드의 전원과 칩의 역전압을 공급하는 직류 전원 공급 장치 (power supply), 주변의 광원을 차단 하기 위한 암실 상자 (dark box), 측정된 데이터의 저장 및 분석을 위한 컴퓨터 (PC) 가 있다. 전하수집율 측정실험에 사용된 방사선원은 Table2와 같다.

2. 중성입자가 조사된 MAPS 측정 결과

중성입자에 의한 효과는 반도체를 이루는 실리콘 원자의 비탄성치환에 의한 실리콘 격자손상에 의한 것이다. 이로 말미암아 다이오드로 전자가 모이는 과정에 장애를 초래하 고, 결과적으로 전자수집효율이 떨어지고, 잡음 대비 신호의 비율을 저하시킨다. MAPS 내부를 지나가는 입자가 발생시 킨 전자들은 확산에 의해 흩어지다가 결핍영역의 전기장에 의하여 다이오드로 모이게 되는데, 중성입자에 의해 손상된 실리콘 격자는 전자의 이동을 현저히 방해하게 된다 [8].

결국 중성입자에 의한 격자의 손상으로 인한 전자붙잡힘의 현상이 전자의 확산에 중대한 영향을 미치므로, 전자들의 유동수집율을 절대적으로 증가시키는 것이 NIEL 효과에 대한 픽셀 센서의 내성을 증가시키기 위해 필요하다. 높은 비저항 값을 갖는 에피택시얼 층은 유동에 의한 전하수집을

Fig. 4. (Color online) Schematics of PNU’s chip test- system.

Table 2. Specification of⁵⁵Fe source.

Kinds of radio source ⁵⁵Fe

Radiation 37MBq

Company Eckert & Zigler (Germany)

Model name AD-1614

half year 2.737 yrs

purchase date Nov. 2013

강화시킬 수 있을 것이므로 [6], TowerJazz사에서 다양하게 디자인하고 제작한 MAPS는 결과적으로 다양한 중성입자 선량에 대한 효과들의 측정연구를 가능하게 하였다.

다양하게 시제작된 센서구조에 대한 연구는 ALICE 검출 기의 업그레이드 연구개발 [4,5]에서 사용된 EXPLORER 칩들을 사용하여 수행되었다. EXPLORER 칩의 주요목적 은 다이오드 형태와 전하수집효율을 최적화하고, 또한 추가 적인 역바이어스전압을 NWELL 다이오드에 걸어주었을 때의 효과를 살펴보고 방사성내구성을 연구하기 위함이었 다. EXPLORER 칩은 NWELL 다이오드의 모양과 크기를 변화시켜 다양한 MAPS 전극구조를 가진 두가지 크기 (20

× 20 µm² 및 30× 30 µm²) 의 픽셀들로 구성되었다. 또한 이 EXPLORER 칩들을 제작시에 7개의 서로 다른 저항을 갖는 재질 및 높이의 에피택시얼 층을 갖도록 하여, 결과 적으로 센서의 양극 (anode) 아래에 형성되는 결핍영역의 변화를 시도하였다. 본 연구에 활용된 EXPLORER-1 칩 샘플에 조사는 Ljubiljana의 JSI소재 TRIGA MarkII 연 구용 원자로에서 방충된 중성자를 통해 이루어졌으며, 본 논문에서는 많은 측정 결과들을 다음과 같이 정리하였다.

1) 중성입자 선량 (NIEL) 에 의한 효과

방사선이 조사되지 않은 정상칩과 중성입자선량 (NIEL) 이 각각 다르게 조사된 3가지 동일 크기 (30 × 30 µm²,

Fig. 5. Charge collection efficiency vs. fraction of the signal in the seed pixel to the matrix signal for differently irradiated pixel chips.

Fig. 6. Charge collection efficiency vs. fraction of the signal in the seed pixel to the matrix signal for various pixel chip geometries.

에피택시얼 두께 30 µm) 의 픽셀칩에 VBB = -6 V를 걸어 주었을 때의 전하수집효율 측정결과는 다음 Fig.5과 같다.

이 그림에서 알 수 있듯이, 정상 픽셀칩의 경우, 단일 픽셀 클러스터 시그널 (100%) 에 비해 씨드 픽셀 시그널의 크기 가 매트릭스 시그널 전체의 30%만 측정된 경우에도 매트릭 스 시그널 전체에 수집된 전하수집효율은 90%를 상회하고 있는 반면, 픽셀칩에 조사된 중성입자 선량이 증가할수록 그 효율은 현저히 낮아져서 3 × 10¹³·1 MeV neq/cm²가 조사된 픽셀칩의 경우 80%에도 미치지 못함을 확인할 수 있었다.

정량적으로 씨드 픽셀의 시그널 비율이 100%에서 30%

로 변하는 동안, 정상칩에 대한 상대적인 손실율 증가를 보면,

• 0.25× 10¹³·1 MeV neq/cm²의 선량이 조사된 픽셀 칩의 경우, 약 2%의 전하손실율 증가

Fig. 7. Charge collection loss (1-CCE) in dependence on the volume of various pixel chips.

• 1× 10¹³·1 MeV neq/cm²의 선량이 조사된 픽셀칩의 경우, 약 8%의 전하손실을 증가

• 3× 10¹³·1 MeV neq/cm²의 선량이 조사된 픽셀칩의 경우, 약 15%의 전하손실율 증가

를 기록하여, 중성입자선량이 증가할수록 거의 선형적으로 전하손실율이 증가하다가 둔화되는 것으로 보이며, 그 경향 성은 모든 씨드 픽셀 시그널의 비율에 일관적으로 고르게 나타났다.

2) 픽셀칩의 체적에 대한 효과

동일한 중성입자선량 (1 × 10¹³·1 MeV neq/cm²) 이 조 사된 다양한 디자인의 4가지 픽셀칩에 VBB= -6 V를 걸어 주었을 때의 전하수집효율의 측정결과는 Fig.6과 같다.

다양한 픽셀칩 디자인 (픽셀의 크기 및 에피택시얼 영역의 두께) 에 대한 실험결과는, 결과적으로 픽셀의 체적에 대한 효과로 나타났다. 즉, 체적이 클수록 중성입자선량 (NIEL) 에 대한 효율저하가 커짐을 확인하였다. 정량적으로 씨드 픽셀의 시그널 비율이 100%에서 30%로 변하는 동안 증가 한 손실율 (1-CCE) 을 각 픽셀의 체적에 대해 그래프로 나 타내면, Fig.7 과 같다. 결론적으로 중성입자선량 (NIEL) 에 의한 픽셀칩 내에서의 전하수집효율의 저하는 픽셀칩의 체적에 대해 선형적으로 증가함을 알 수 있다.

3) 역바이어스전압에 대한 효과

동일한 중성입자선량 (1 × 10¹³·1 MeV neq/cm²) 이 조 사된 동일 크기 (30 × 30 µm², 에피택시얼 두께 30 µm)

Fig. 8. Charge collection efficiency vs. fraction of the signal in the seed pixel to the matrix signal.

의 픽셀칩에 다양한 역바이어스전압 (VBB) 을 걸어주었을 때의 전하수집효율의 측정결과는 Fig.8과 같다.

전자 공핍영역 (depletion range) 은 역바이어스전압이 증가할수록 커지고, 전하수집효율도 이에 따라 증가하게 되는데, 실제로 Fig. 8에서 보여주듯이 역바이어스전압이 증가할수록 전하수집효율도 좋으며, 이같은 현상은 중성 입자가 조사된 픽셀칩에 대해서도 동일하게 나타났다. 역 바이어스전압이 단지 0 V에서 -1 V로만 변해도 -6 V까지 변할 때의 30% 이상의 전하수집효율이 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 픽셀내부에 형성된 전자공 핍영역에서는 전자가 쉽게 다이오드에 표획된다는 사실을 고려할 때, 역바이어스전압에 의해 달라지는 공핍영역의 크기변화는 조사된 중성입자의 영향을 별로 받지 않는다고 결론 지을 수 있다.

III. 결 론

중성입자선량 (NIEL) 의 조사에 의하여 손상된 MAPS 칩 내부 실리콘 반도체의 변화는 입사입자에 의해 생성된 전자가 다이오드에 수집되는 것을 저하시킬 것이라는 당초 예상대로 실험결과는 중성입자선량에 비례하여 전하수집 효율이 저하하는 것을 확인시켜주었다. 또한 이 효과를 다 양한 픽셀 디자인에 대해서 살펴본 결과, 픽셀칩의 체적에 정확히 비례함을 알 수 있었다. 나아가 역바이어스전압이 클수록 픽셀칩 내부에 형성되는 전자공핍영역이 커지며, 그럴수록 중성입자선량의 영향이 현저히 작아지는 것으로 나타났다.

ALICE [4]와 같은 고에너지 중이온 충돌실험환경에서 전체 실험기간동안에도 약 10¹²·1 MeV neq/cm²정도의 중 성입자선량에 노출될 것으로 예측되고 있는 것을 고려하면, 이 실험에서 살펴본 중성입자선량은 이보다도 10배이상 많은 것으로, MAPS가 경험할 수 있는 중성입자에 의한 최대손상일 것이라고 유추할 수 있다. 결론적으로 현재까지 개발된 EXPLORER MAPS 칩의 경우, 중성입자선량에 대한 내성이 상당히 높다는 것을 확인할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 부산대학교 자유과제학술연구비 (2년, 2015.03 - 2017.02) 의 지원에 의한 것이며 이에 감사드립니다.

REFERENCES

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