Characterization of p-stop isolation implants in silicon sensors using MOSFET structures

Résumé technique : Caractérisation des implants d'isolation p-stop dans les capteurs au silicium à l'aide de structures MOSFET

Énoncé du problème
Les capteurs au silicium sont des composants critiques pour le suivi, la chronométrie et la calorimétrie dans les expériences de physique des hautes énergies, particulièrement pour les mises à niveau de l'HL-LHC des expériences ATLAS et CMS. Dans les capteurs n-sur-p, les électrodes de type n adjacentes doivent être isolées électriquement pour éviter les courts-circuits via des couches d'accumulation d'électrons à l'interface $\text{Si-SiO}_2$. Cette isolation est généralement réalisée à l'aide d'implants p-stop. Cependant, ces implants modifient localement la distribution du champ électrique et les profils de dopage effectifs près de la surface, influençant les performances des dispositifs. Garantir la cohérence et la qualité de ces implants lors de la production industrielle à grande échelle nécessite des méthodes de diagnostic rigoureuses et non destructives. Bien que des structures de test dédiées existent, il est nécessaire de disposer de techniques capables de caractériser quantitativement les profils de dopage dépendants de la profondeur et les propriétés d'isolation des p-stops sans endommager le capteur.

Méthodologie
Les auteurs proposent et valident une méthodologie utilisant des structures de test de type transistor à effet de champ à oxyde métallique et semi-conducteur (MOSFET) comme sondes non destructives pour la caractérisation des p-stops. Ces dispositifs reproduisent la géométrie inter-électrode des capteurs segmentés, où les électrodes de collecte adjacentes servent de source et de drain, et une grille est placée sur la couche de $\text{SiO}_2$ entre elles.

L'étude a utilisé des MOSFET circulaires et elliptiques fabriqués sur deux types de plaquettes de silicium de type p (T et H) présentant des concentrations de dopage de volume variables et des configurations de p-stop différentes (allant de l'absence de p-stops à un ou deux p-stops avec des niveaux de dopage faibles ou élevés). Le montage de mesure impliquait l'application d'une tension de polarisation arrière ($V_{back}$) allant de 0,5 V à -600 V pour simuler les conditions de polarisation inverse, tout en balayant la tension grille-source ($V_{gs}$) pour enregistrer le courant source-drain ($I_{sd}$).

L'analyse s'est déroulée en deux étapes principales :

1. Extraction de paramètres : La tension de seuil ($V_{th}$) et les paramètres de mobilité électronique dépendants du champ ($\mu_0$ et $V_{1/2}$) ont été extraits des caractéristiques de transfert ($I_{sd}$ en fonction de $V_{gs}$) à l'aide d'un modèle de mobilité paramétré. La tension de seuil a été déterminée par extrapolation linéaire du maximum de transconductance et affinée en ajustant les données au modèle de mobilité.
2. Reconstruction de profil : La dépendance de $V_{th}$ vis-à-vis de $V_{back}$ a été utilisée pour reconstruire le profil de dopage effectif dans la région inter-électrode. En utilisant des relations analytiques dérivées de la théorie de l'épuisement, la profondeur de déplétion ($x$) et la concentration de dopage ($p$) ont été calculées à partir des dérivées première et seconde de la courbe $V_{th}$ en fonction de $V_{back}$. Pour atténuer l'amplification du bruit inhérente à la différenciation numérique, une procédure de lissage impliquant des ajustements polynomiaux de second ordre sur cinq points de données a été appliquée avant la différenciation.

Résultats clés

• Comportement de la tension de seuil : La présence d'implants p-stop induit une dépendance distincte de $V_{th}$ vis-à-vis de $V_{back}$. Les structures avec p-stops présentent une augmentation initiale abrupte de $V_{th}$ à mesure que $|V_{back}|$ augmente, suivie d'une région de saturation une fois les implants p-stop totalement épuisés. En revanche, les structures sans p-stops montrent un changement lent et monotone de $V_{th}$ sur toute la plage de polarisation.
• Paramètres de mobilité : La mobilité électronique extraite ($\mu_0$) augmente avec $|V_{back}|$ et sature dans les structures contenant des p-stops, atteignant des valeurs de plateau plus élevées pour des concentrations de dopage plus fortes. Ceci est attribué à la modification du champ électrique transverse et de la diffusion de surface par les implants p-stop. Le paramètre $V_{1/2}$ présente une tendance inverse, diminuant avec la polarisation avant de plafonner.
• Reconstruction du profil de dopage : Les profils de dopage reconstruits révèlent un pic de haute concentration caractéristique près de l'interface $\text{Si-SiO}_2$ pour les structures p-stop, avec des concentrations approchant $10^{16} \text{ cm}^{-3}$. La concentration diminue rapidement (de plus d'un ordre de grandeur) dans le premier micromètre, ce qui est cohérent avec les profils d'implantation de type gaussien et la diffusion thermique attendues. Les profils pour les structures sans p-stops restent constants, correspondant au dopage de volume d'environ $4 \times 10^{12} \text{ cm}^{-3}$.
• Sensibilité géométrique et de dopage : La technique distingue avec succès les différentes géométries de p-stop (circulaire vs elliptique) et les niveaux de dopage. Les p-stops à haut dopage (par exemple, sur la plaquette H) démontrent un blindage du champ électrique plus fort, nécessissant des tensions de polarisation arrière nettement plus élevées pour atteindre l'épuisement complet par rapport aux variantes à faible dopage.

Signification et revendications
L'article présente ce travail comme une preuve de concept démontrant que les structures de test basées sur les MOSFET peuvent servir d'outil de diagnostic non destructif pour surveiller la cohérence des p-stops et les propriétés d'isolation inter-électrode dans les détecteurs au silicium. L'étude affirme que la méthodologie permet la reconstruction quantitative de profils de dopage dépendants de la profondeur avec une résolution sub-micrométrique près de la surface. En corrélant la réponse électrique (spécifiquement la dépendance de $V_{th}$ vis-à-vis de la polarisation arrière) avec les caractéristiques physiques d'implantation, la technique fournit des données critiques pour simuler les performances des capteurs sous diverses conditions de fonctionnement. Les auteurs concluent que cette approche est efficace pour évaluer la qualité des implants d'isolation à travers différents types de plaquettes et géométries, soutenant les procédures de contrôle qualité requises pour la production de masse des capteurs destinés à l'HL-LHC.