欧洲X射线自由电子激光器抗辐射像素传感器的设计和初步试验

摘要

目前正在汉堡建造的欧洲X射线自由电子激光器的高强度和高重复率需要硅传感器，该传感器可以在高偏置电压下工作3年，承受高达1 GGy的X射线剂量。在AGIPD合作范围内，研究了由四家供应商在具有两种晶体取向和不同工艺参数的高欧姆n型硅上制造的MOS电容器和栅控二极管中的X射线辐射损伤，剂量在1 kGy和1 GGy之间。提取的氧化物电荷密度和表面电流密度值已被用于TCAD模拟，并优化AGIPD像素传感器的布局和工艺参数。据发现，高X射线剂量的优化布局是显着不同的非辐照传感器。首批传感器和测试结构已于2013年初交付。测量结果为0至10 MGy的X射线剂量和它们的模拟比较。它们表明优化是成功的，传感器满足要求的规格

1.引言

欧洲X射线自由电子激光器（XFEL）[1]计划于2016年开始用户操作，将提供横向相干X射线脉冲，其光子峰值亮度为mm mrad，持续时间小于100 fs。这些脉冲将以4.5 MHz频率下的2700个脉冲串的形式发送，每个脉冲的光子数超过100个，间隔为99.4 ms。高瞬时强度、短脉冲持续时间和高重复率对成像探测器提出了非常苛刻的要求[2]。

自适应增益积分像素检测器AGIPD [3]目前正在开发中，以应对这些挑战。它是一种混合像素探测器系统，尺寸m m，由硅传感器制成，每个传感器具有cm cm的敏感面积和m的厚度。特殊的探测器要求是噪声和单个光子之间的分离，能量低至3 keV，脉冲持续时间小于100 fs的每个像素超过光子，在4.5 MHz的XFEL重复率下可以忽略的堆积，X射线剂量高达1GGy的操作，能量在3和20 keV之间的X射线的良好效率，以及边缘处的最小非活动区域[4]。

在传感器的设计中，必须考虑到每个像素的光子数量高，这会导致所谓的等离子体效应，以及高X射线剂量。等离子体效应[5]在参考文献[6]中进行了研究。为了将电荷收集时间限制在100 ns以下（AGIPD读出的近似积分时间），并避免电荷在漂移通过传感器期间扩散过大，建议使用远高于500 V的工作电压。提出的传感器设计的目标是在900 V以上的击穿电压。

关于辐射损伤，X射线照射导致氧化物电荷密度增加，并且在界面处形成陷阱，这导致表面电流密度增加。从四个不同供应商的MOS电容器（MOS-C）和栅控二极管（GCD）中获得的剂量、晶体取向、氧化物厚度和附加层的值和函数结果见[7]。

据发现，增加高达1至10 MGy的剂量，然后饱和。在80 ℃退火10分钟后的典型值为：10 kGy时的cm、1MGy时的cm和1 GGy时的cm。不同样品的值相差约2倍。此外，它们取决于可能的电场的大小和方向，并且已经在室温下观察到退火。

too的值显示剂量值在1至10 MGy之间增加。对于更高的值，测量值降低，这还不清楚。在80 ℃退火10分钟后的典型值为：1 kGy时为A cm，最大值为2 ~ A cm。同样，对于不同的技术，这些值也有很大的不同。它们也依赖于一个可能的电场，并观察到退火。

对于传感器的主要影响是在界面附近的植入物的耗尽边界的边缘处的高电场，其降低击穿电压。此外，在界面处形成电子累积层，这改变了该区域中的电场和电荷收集效率[8]。

传感器设计的主要挑战是在几kGy和1GGy之间的高度不均匀剂量分布下实现高击穿电压。使用SYNOPICTURE TCAD [9]进行的广泛模拟使用了实验确定的和值，用于优化像素和保护环布局。初步结果表明，AGIPD传感器的规格可以实现，可以在[10]，[11]中找到。

本文介绍了这些模拟和预期的传感器性能参数的详细信息。基于这些模拟，传感器和测试结构已于2012年秋季在SINTEF订购[12]。第一批已于二零一三年二月初交付。从那时起，在剂量值高达10 MGy的X射线辐照前后，对传感器和测试结构进行了详细测量。本文的结果和比较的模拟。结果表明，优化是成功的：在整个剂量范围内，击穿电压超过900 V，暗电流和像素间电容等参数均符合规格

2.传感器优化

我们首先提出的AGIPD传感器的规格，然后给予细节的模拟，特别是如何X射线辐射损伤已实施。最后，将讨论保护环和像素的优化。

A.传感器规范

表I列出了AGIPD传感器的主要规格。除了几何规格，单独的电气规格照射前和整个X射线剂量范围从0到1 GGy。非辐照传感器的规格用于确保生产的传感器基本上正常工作。将仅对具有选定生产批次的像素的测试传感器样本验证作为X射线剂量函数的质量标准。此外，焊盘二极管、MOS电容、栅控二极管和条形传感器等测试结构可用于验证技术参数，并确定它们对X射线剂量的依赖性。

B.TCAD仿真

对于传感器的优化，工艺和设备模拟已经进行。植入物的掺杂分布是从大约cm的硼植入的2D工艺模拟和一个供应商的工艺的植入物退火步骤中获得的[10]。为了验证模拟的正确性，模拟的硼的深度分布进行了比较，西姆斯（二次离子质谱）测量的结果为相同的过程。对于cm和晶体取向的磷体掺杂，所得结深度为m，横向延伸为m，从注入窗口的边缘测量。此外，模拟不同的工艺导致更深的注入已经执行。最后，对于优化设计的掺杂工艺，其结果在结深和横向扩展的m已被使用。

使用漂移扩散模型对293 K的温度进行了电气器件模拟。假设体中的载流子寿命为1 ms，迁移率根据界面处的退化对掺杂进行建模，对于雪崩过程，使用具有默认参数的货车Overstraeten-de Man模型[9]。

X射线辐射损伤是以如下方式实现的：氧化物电荷密度被模拟为位于界面处的电荷片，其沿界面沿着均匀分布。对于表面电流密度的模拟，假设表面电流是通过具有相同的表面复合速度的中间间隙处的陷阱产生的，对于电子和空穴。在表II中，给出了用于模拟的、和的值。通过在80 ℃下退火10分钟后对X射线辐照的MOS电容器和栅控二极管进行测量，估计了相应的剂量值[13]。正如已经发现的那样，当剂量值高于约10 MGy时，饱和甚至降低，表II中给出的最大值被认为对10 MGy和1 GGy之间的整个剂量范围有效，这是欧洲XFEL的最高预期值。

在Neumann边界条件（电场的零法向分量）之上使用。文献[8]的结果表明，在相同电势下，氧化物分离注入物随时间从Neumann变化到Dirichlet（恒定电势）。相应的时间常数在几分钟到几天之间变化，取决于环境条件，如相对湿度。我们已经决定使用诺依曼边界条件，如模拟所示，它们在X射线照射后导致较低的击穿电压。它们也被认为对真空中的传感器操作有效。未模拟顶部的其他钝化层。

对于模拟，我们通常使用Intel Xeon E5520 2.5 GHz PC的16个线程。对于二维像素模拟，接近界面和注入边缘的最小网格尺寸为3 nm横向和6 nm垂直于界面，以获得可靠的结果。顶点总数为135 000，元素数为255 000。从0到1000 V以10 V步进扫描，氧化物电荷密度为cm的扫描需要30分钟，而cm的扫描需要70分钟。对于四分之一像素的3-D模拟，使用的最小网格尺寸为nm，导致900 000个顶点和5 000 000个元素。电压扫描需要30到200个小时，迭代求解器需要大约80 GB的主内存。

C.保护环的仿真

为了优化像素和保护环结构的设计以获得高击穿电压，在模拟中改变了几个参数。我曾以《易经》为题，以《易经》为题，以《易经》为题。该值对应于欧姆电阻和雪崩击穿。所获得的结果对以下值的精确选择不敏感：

模拟的基本布局如图1所示：半像素宽度的条带、保护环、电流收集环和划线注入。

图1 对传感器区域的布局进行了仿真，用于保护环的优化。

作为第一步，对于具有（0 GR）的结构，确定最佳结深和氧化物厚度。击穿电压，已被确定为函数的不同值的体掺杂，的，和铝悬垂的CCR对划片线注入。对于朝向像素的Al突出，已经选择了5um的值。

对于CCR，体掺杂cm（电阻率k cm）和Al悬突m的结果示于图2中。对于给定的，作为函数有一个最大值，我们称之为最优。最佳值随波长的增加而减小，对于cm，最佳值在600 ~ 700 nm之间，取决于，对应于对于很少或没有X射线辐射损伤的优化。对于cm的假定饱和值，对于mand m，最佳值分别为230 nm和270 nm，具有70 V和80 V之间的值。在达到其最大值之后，随着增加而迅速减小到低于25 V的值，这对应于CCR的没有Al突出的结构的击穿电压。这种突然的降低与Al悬突下方的电子累积层有关[15]：如果存在累积层，则在结的拐角处存在单个高场区域。在没有积累层的情况下，电压降发生在Al层下方的整个区域上，其中一个高场区域在结的边缘处，第二个高场区域在Al突出端的端部下方。此外，较深的结导致结边缘处的较低场，从而进一步增加击穿电压。

基于这些结果和像素的2D模拟，选择了250 nm的氧化物厚度和m深的植入物用于进一步优化，作为技术可行性和高之间的折衷。从具有零保护环的V值，我们估计需要15个浮置保护环，具有m的向外Al悬突，以达到接近1000 V的值。

作为下一步骤，在笛卡尔坐标中进行2D模拟，用于优化保护环的直线部分：改变保护环之间的间距、它们的注入宽度和向内（朝向像素）的Al悬突，直到相邻保护环之间的电压差对于cm的氧化物电荷密度的饱和值近似相同。最后，在圆柱坐标系中对保护环结构的拐角进行模拟，以检查在拐角处没有显著降低。已经假定围绕限定外部像素角的圆的中心的圆柱对称。

保护环结构的优化设计参数见表III。在表IV中，2D模拟的结果

在直角坐标系和圆柱坐标系中给出了击穿电压与氧化物电荷密度和体电阻率的函数关系，为保护环的优化设计提供了依据。它们表明，在整个剂量范围内都可以满足击穿电压的AGIPD规格。

在直线部分以及保护环拐角处确定保护环注入物之间的最佳间距以获得高击穿电压的困难可以在图3中看到，图3示出了对于cm和k cm的体电阻率，在笛卡尔坐标（顶部）和圆柱坐标（底部）中模拟的保护环电压与偏置电压的关系。对于笛卡尔的情况下，相邻的保护环之间的电压差是类似的，在高电压下，各个保护环的贡献的整体电压降是类似的，并实现了高击穿电压与值以上1100 V。在圆柱坐标系中，与笛卡尔坐标系相比，各个保护环处于更高的电势上，并且内部保护环之间的电压降高于外部保护环之间的电压降。结果，击穿电压降低到910 V。可以通过减小内部保护环之间的间距来增加拐角处的击穿电压。然而，这将违反第一环的设计规则。保护环的注入宽度的减小，e.G.到m，同时保持其他参数相同，将导致击穿电压进一步降低到765 V。

接下来，我们讨论的击穿发生时，耗尽区在散装达到切割边缘。关于Mwide引入划线注入以防止在太低的电压下发生这种情况。

图3示出了最后的保护环Gr15不处于与划线注入相同的电势，划线注入通过切割边缘和未耗尽的体处于后接触电势。对于高氧化物电荷密度，在界面处存在积累层，并且后接触电势几乎达到最后的保护环。在那里，在硅体中，耗尽区结束，非耗尽区开始。如果氧化物电荷密度太低而不能形成积累层，耗尽区的边缘将移到注入区的边缘。在这种情况下，耗尽区将在比高氧化物电荷密度的情况更低的电压下到达切割边缘。[11]中的模拟表明，在cm为880 V，体电阻率为k cm时，耗尽区边缘与切割边缘之间的最小距离为m，而cm为m。如果硅晶体的电阻率降低，这个距离也会增加：对于氧化物电荷密度cm和电阻率k cm，它是m。我们认为距离m对于靠近切割边缘的损坏是合理的保存。

D.像素仿真

对于像素的设计，已经优化了以下参数，其中大部分参数如图4所示：结深、氧化物厚度、注入物之间的间隙、Al悬突和注入物窗口的半径以及拐角处的Al层。这些参数已经相对于击穿电压、暗电流和像素间电容进行了优化。虽然正方形像素本质上是一个3D问题，但2D条带模拟用于优化。其原因是由于大的像素尺寸和精细的网格在界面处，这是需要准确地描述表面损伤，优化所需的计算机资源太大。相反，暗电流和像素间电容的2D结果被外推到3D值，并且最后用四分之一像素的3D模拟来检查击穿电压和暗电流。

在[10]中，示出了对于像素，m的结深度不足以达到高于900 V的击穿电压。然而，它可以被证明，对于结深为m和氧化层厚度为300 nm的击穿电压超过1000 V的宽间隙和金属悬突的m。我们最终选择了一个间隙m，以尽量减少可能的影响，从表面上的时间依赖性边界条件，也tomimize表面电流可以产生的区域。最后，对250 nm厚氧化物的最终设计的四分之一像素的3D模拟预测，优化设计应满足0至1 GGy所需剂量范围的所有AGIPD规范[15]。

3.测量结果及与模拟结果的比较

AGIPD传感器由SINTEF在6英寸晶片上制造，晶体取向和折射率在7.4和k cm之间。为了实现所需的结深和氧化层厚度，对标准工艺进行了修改。对于植入物的工艺模拟相同的技术参数已被使用。通过扩展电阻测量检查结深。

对于第一批交付的晶片，进行了传感器验收和辐射硬度测量，以验证设计。在PETRA III的束线P11处进行X射线辐照，其中单色12 keV X射线的剂量高达1 MGy，并且8 keV X射线的剂量高达10 MGy。剂量率在0.42和7.1 kGy/s之间。在辐照过程中，测试结构和传感器的触点保持浮动，样品冷却至约25 ℃。在照射后1小时内，以及在80 ℃下退火10分钟后进行测量

A.测试结构的结果

研究的测试结构是直径为1.5 mm的圆形MOS电容器（MOS-C），具有m宽栅极和m宽二极管的指状结构的栅控二极管（GCD），以及mm mm的方形二极管。从二极管的体电阻率k cm的测量，以及从积累的MOS-C电容确定氧化物厚度为245 nm。

图5示出了在80 ° C下退火10分钟之后，在辐照之前以及辐照至0.01、0.1、1和10 MGy之后，MOS-C在1和10 kHz下的测量结果。我们仅呈现电压从正值（累积）斜升到负值（反转）的数据。正如已经在[7]中讨论的，辐照的MOS-Cs显示出滞后效应，然而，我们在这里不进一步讨论。

在照射之前，平带电压为V（平带电容pF）。考虑到金属-半导体功函数差V，我们得出有效氧化物电荷密度接近于零，甚至可能为负的结论。在先前研究的SINTEF样品中，氧化物厚度为750 nm，仅观察到正氧化物电荷密度[16]。这种差异可能与生产工艺的变化有关，该工艺试图在X射线照射前将氧化物电荷密度降至最低。

5.结论

欧洲XFEL的成像实验需要硅像素传感器在高工作电压下具有前所未有的X射线辐射耐受性。表征硅传感器的X射线辐射损伤的参数，这是从四个不同的供应商的测试结构获得的，已实施TCAD模拟和像素和保护环布局优化的辐射硬度。结果表明，X射线辐射硬度优化与体辐射损伤优化有很大不同。SINTEF已根据优化参数生产出传感器。来自第一生产晶片的测试结构和测试传感器已经被照射高达10 MGy的X射线剂量。辐照前后传感器的测量表明，优化是成功的，并且测量的性能参数，如击穿电压、漏电流和像素间电容接近模拟的预测。