Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Titanium nitride thin-film bias resistors for AC coupled segmented silicon detectors

Show full item record

Title: Titanium nitride thin-film bias resistors for AC coupled segmented silicon detectors
Author(s): Ott, Jennifer
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry
Discipline: Radiochemistry
Language: English
Acceptance year: 2016
Abstract:
Silicon detectors with spatial resolution, such as strip and pixel detectors, are essential for high-energy physics experiments, where they are exposed to very high luminosities and particle fluences. Radiation causes damage in silicon and deteriorates detector performance. The main consequences of radiation damage are the increase in depletion voltage, the increase in detector leakage current leading to a worse signal-to-noise ratio, and the decrease in charge collection length and efficiency. One solution for mitigating the effect of increased leakage current is the use of capacitive coupling, which permits the separation of a signal from the leakage current flowing in the DC biasing circuit. This requires a bias resistor for each detector segment, with a suitable value of resistance in order to allow biasing of the detector while isolating the individual segments from each other. In this thesis, titanium nitride (TiN) is studied as potential bias resistor material in the form of very thin films with thicknesses of around 20 nm. Its resistivity at smaller resistor dimensions is expected to be sufficiently high to permit the fabrication of very small segments, for example pixels with an area of 25 × 25 µm2. This would be compatible with the very short charge collection length and caused by radiation damage. Furthermore, TiN is expected to be far less sensitive to radiation damage than the polycrystalline silicon commonly used as bias resistor, and it can be deposited at lower temperatures , which is beneficial by many aspects of semiconductor processing. In order to deposit suitable TiN thin films with good accuracy and repeatability, a new process of plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) was developed. Crystallinity, conformality, surface morphology, chemical composition and resistivity of the films obtained this way were studied. The new PEALD process allowed for the deposition of good-quality TiN thin films at 300 °C from the routinely used and easily available precursors TiCl4 and NH3. TiN films with two different thicknesses were processed into bias resistor test structures, which were then tested for radiation hardness by irradiation with protons and photons of different energies. As expected, the radiation hardness of the resistors was excellent and none of the performed irradiations had any effect on the resistors' performance. It was discovered that relatively short annealing treatments, which are used routinely for sintering of aluminium, increased the resistance of the test structures significantly. This presents a very simple and straightforward way to tune the resistance of the TiN resistor structures to a desired value. It was concluded that TiN resistors fabricated in the way presented in this thesis have great potential for use in segmented silicon particle detectors.
Paikkaresoluutiota tarjoavat pii-ilmaisimet, kuten pikseli- ja raitadetektorit, ovat keskeisiä korkeaenergiafysiikan kokeissa, joissa ne kuitenkin altistuvat suurelle hiukkasvuolle ja korkeille säteilyannoksille. Säteily aiheuttaa vaurioita piissä ja heikentää detektorin toimintakykyä. Säteilyvauroiden pääasialliset seuraukset ovat tyhjennysjännitteen nousu, korkeampi vuotovirta, joka huonontaa signaali-tausta-suhteen, ja heikkenevä varauskeruutehokkuus ja -matka. Yksi mahdollinen ratkaisu korkean vuotovirran kompensoimiseksi on kapasitiivinen kytkentä, jolla signaali voidaan erottaa tasavirtapiirissä liikkuvasta vuotovirrasta. Tähän tarvitaan oma bias-vastus jokaiselle detektorin segmentille, jolla on sopiva, sekä detektorin tyhjennystä että segmenttien erottamista toisistaan salliva resistanssi. Tässä työssä tutkitaan titaaninitridiä (TiN) bias-vastusmateriaaliksi ohuiden noin 20 nm paksuisten ohutkalvojen muodossa. Sen resistiivisyyden odotetaan olevan myös pienillä vastusten mitoilla, mikä mahdollistaa hyvin pienten detektorisegmenttien tuottamisen, esimerkiksi 25 × 25 µm2 pinta-alan pikseleitä. Nämä sopisivat säteilyvaurioiden aiheuttamaan erittäin lyhyeen varauskeruumatkaan. Lisäksi TiN:n oletetaan olevan selvästi vähemmän herkkä säteilyvaurioille kuin yleisesti bias-vastuksena käytetty monikiteinen pii (polycrystalline silicon eli poly-Si), ja sitä voidaan valmistaa alhaisemmissa, tavallisen puolijohdeprosessoinnin kanssa yhteensopivissa lämpötiloissa. Sopivien TiN-ohutkalvojen tarkkaa ja toistettavaa kasvattamista varten kehitettiin uusi prosessi plasma-avusteiseen atomikerroskasvatukseen (plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD). Kasvatettujen kalvojen kiteisyys, konformaalisuus, morfologia, kemiallinen koostumus ja resistiivisyys tutkittiin. Kehitetty PEALD-prosessi mahdollistaa hyvälaatuisten TiN-ohutkalvojen kasvattamista 300 asteessa käyttäen hyväksi yleisesti käytettyjä ja helposti saatavilla olevia lähdeaineita TiCl4 ja NH3. Kahta eripaksuista TiN-ohutkalvoa prosessoitiin bias-vastuksiksi ja näiden säteilynkestävyyttä tutkittiin säteilyttämällä niitä erienergisillä protoneilla ja fotoneilla. Kuten odotettiinkin, vastusten säteilynkestävyys oli erinomainen, eikä mikään suoritetuista säteilytyksistä vaikuttanut kalvojen rakenteeseen tai vastusten toimivuuteen. Suhteellisen lyhyiden, rutiininomaisesti alumiinikontaktien sintrauksessa käytettyjen kuumennusten huomattiin nostavan vastusten resistanssia selkeästi. Tämä tarjoaa yksinkertaisen ja suoraviivaisen tavan nostaa TiN-vastusten resistanssin halutulle tasolle. Edellisten perusteella pääteltiin, että tässä työssä valmistetut TiN-ohutkalvovastukset ovat erittäin lupaavia käyttöön paikkaherkissä pii-ilmaisimissa.


Files in this item

Files Size Format View
ethesis_JO_15.pdf 6.120Mb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record