電荷注入概述電荷注入是半導體器件中的關鍵物理過程影響器件性能和可靠性的重要因素課程目標1掌握電荷注入原理理解基本物理機制2了解應用場景CCD、開關電容電路中的應用3掌握注入問題解決方法減少電荷注入影響的設計技術熟悉測量與模擬方法電荷注入的基本概念定義電子或空穴越過勢壘進入半導體特點高度依賴電場和溫度影響因素界面狀態、雜質濃度、偏置條件電荷注入的物理機制熱電子發射高溫下的載流子獲得足夠能量越過勢壘隧穿效應量子力學效應使電子穿過薄勢壘場致電子發射強電場降低勢壘高度或寬度電荷注入在半導體器件中的應用集成電路MOS晶體管、邏輯門圖像傳感器CCD、CMOS圖像傳感器存儲器件EEPROM、閃存模擬電路開關電容濾波器電荷耦合器件（CCD）簡介發明歷史1969年貝爾實驗室1基本構成MOS電容器陣列2工作原理電荷包轉移3主要應用圖像傳感、信號處理4CCD的工作原理光電轉換光子激發產生電子-空穴對電荷存儲在勢阱中積累電荷電荷轉移按序移動電荷包至輸出信號輸出轉換為電壓信號CCD中的電荷注入過程初始狀態硅襯底表面處于耗盡狀態光子入射產生電子-空穴對電荷收集電子被柵極電壓吸引電荷存儲積累在勢阱中形成電荷包MOS結構中的電荷注入MOS電容結構金屬-氧化物-半導體層疊結構能帶圖顯示勢壘高度和能級差異載流子分布不同偏置下的電荷積累柵極電壓對電荷注入的影響1低于閾值耗盡區形成，無明顯電荷注入2達到閾值開始形成弱反型層3超過閾值形成強反型層，電荷開始積累4高電壓電荷積累飽和，轉移加速耗盡區的形成與電荷注入耗盡區寬度決定電場強度影響電子隧穿和熱發射概率反型層與電荷存儲弱反型少數載流子濃度開始增加1強反型少數載流子濃度超過多數載流子2電荷積累形成導電溝道3勢阱形成可存儲和轉移電荷包4光生電荷的產生與收集光子吸收能量大于帶隙才能被吸收載流子產生打破共價鍵形成電子-空穴對電荷分離在內建電場作用下分離電荷收集電子被柵極下勢阱收集電荷包的概念定義勢阱中積累的電子集合1形成條件足夠深的勢阱和適當的注入電荷2特性量子化、可轉移3功能信號載體、信息單元4電荷包的存儲機制1最終積累形成穩定電荷包2電勢分布勢阱形狀決定存儲容量3柵極隔離防止電荷擴散損失4耗盡區隔離阻止電荷向襯底泄漏電荷包的最大存儲量10?電子數量典型像素電荷包容量1.6×10?1?庫侖對應電荷量0.5伏特典型勢壘高度10?電子/秒暗電流注入率電荷包的轉移原理初始存儲電荷存在初始勢阱勢壘降低相鄰柵極電壓升高電荷遷移電子向新勢阱擴散完全轉移初始柵極電壓降低三相CCD的結構柵極排列每個像素三個柵極物理實現多層金屬柵極疊加剖面結構顯示氧化層和溝道區三相CCD的工作過程1φ1高電荷存儲在第一柵極下2φ2升高電荷開始向第二柵極轉移3φ1降低電荷完全轉移至第二柵極4φ3升高電荷向第三柵極轉移電荷轉移效率開關電容電路簡介時序控制由時鐘信號控制開關電容存儲電荷在電容上積累MOS開關控制電荷傳輸路徑運算放大器信號放大和處理開關電容中的電荷注入問題1開關導通溝道中積累電荷2開關關閉溝道電荷釋放3電荷分配部分電荷注入電容4電壓誤差引起采樣電壓偏移開關順序對電荷注入的影響同時關閉電荷均勻分配至兩端自底向上關閉電荷主要流向輸入端后置放大器減少對輸出的影響運算放大器在開關電容電路中的作用1信號放大提高信噪比2電平轉換調整信號電壓范圍3阻抗變換提供高輸入阻抗4減輕電荷注入利用虛地效應虛地效應與電荷注入虛地形成負反饋使同相輸入端接地1低阻抗點電荷容易流入該點2注入抑制減少對采樣電容的影響3誤差減少提高采樣精度4電荷注入導致的誤差分析溝道電荷時鐘饋通寄生電容溝道導通電阻時鐘饋通現象波形特征開關狀態變化時出現尖峰柵漏電容時鐘信號通過該電容耦合等效電路寄生電容形成分壓網絡電荷注入與時鐘饋通的區別電荷注入溝道電荷釋放與開關尺寸成正比與柵壓幅度相關時鐘饋通通過疊加電容耦合與柵漏重疊面積有關與電壓變化率相關減少電荷注入的方法：虛擬開關1主開關導通形成低阻通路2虛擬開關導通采樣完成后導通3主開關關閉電荷主要注入虛擬開關4虛擬開關關閉采樣電容已隔離，不受影響減少電荷注入的方法：互補開關結構特點NMOS和PMOS并聯使用工作原理兩種電荷極性相反，互相抵消優化設計調整尺寸比使注入電荷平衡應用場景高精度采樣保持電路減少電荷注入的方法：差動采樣開關差動輸入信號分為正負兩路同時采樣使用相同結構的開關共模抑制電荷注入作為共模誤差被抵消離子注入技術簡介1精確摻雜控制劑量和分布2低溫工藝減少熱擴散3穿透能力可穿透薄膜4工藝可控可重復性高離子注入與電荷注入的關系共同點涉及電荷移動改變材料特性影響器件性能區別離子注入是制造工藝電荷注入是工作現象影響機制不同離子注入的優點1精確控制摻雜濃度可精確調節2低溫工藝減少雜質擴散和熱損傷3選擇性摻雜可通過光刻實現區域摻雜4高純度質量分析器可過濾雜質離子注入的缺點晶格損傷高能離子破壞晶體結構1表面污染離子濺射引起污染2設備昂貴高真空和加速系統成本高3后續退火需要額外熱處理步驟4離子注入系統的基本結構離子源產生被加速的離子加速系統提供能量使離子加速質量分析器篩選特定質量離子掃描系統控制束流均勻照射靶室放置被注入晶片離子源的類型與特點等離子體源高密度，穩定產出電子束源適合氣態元素激光離子源高純度，可用于固態材料電弧源高流量，但純度較低加速和聚焦系統1預加速區低能初步加速2主加速區高壓加速到目標能量3電聚焦通過電場聚焦束流4磁聚焦通過磁場進一步聚焦質量分析器的作用分離不同質量離子保證摻雜純度精確控制離子種類掃描系統的工作原理1電場掃描X方向電場偏轉束流2磁場掃描Y方向磁場偏轉束流3機械掃描靶臺移動補充掃描4均勻性控制反饋系統調整掃描速度靶室設計與功能真空環境防止束流散射和污染溫度控制減少熱效應影響角度調整控制注入傾角屏蔽系統防止二次電子發射劑量控制系統時間(秒)劑量(101?離子/cm2)離子束中和技術問題形成正離子轟擊導致靶面帶正電影響電荷積累導致束流偏轉和能量變化中和方法電子束照射或等離子體中和效果保持靶面電中性，提高注入均勻性注入損傷的形成機制電子激發離子能量轉移給電子系統1核碰撞離子與晶格原子發生碰撞2位移級聯一次碰撞引發多次位移3缺陷形成產生空位和間隙原子4級聯碰撞現象高能離子入射引發連鎖反應形成損傷區域注入損傷的類型點缺陷空位和間隙原子缺陷團簇多個缺陷聚集位錯線型晶格缺陷非晶化晶格結構完全破壞熱退火處理的必要性1晶格修復恢復損傷區域的晶體結構2雜質激活使注入離子占據晶格位置3電學性能提高載流子濃度和遷移率4應力釋放減少注入過程產生的內應力熱退火的基本過程1低溫階段點缺陷開始移動和復合2中溫階段缺陷團簇分解，雜質開始擴散3高溫階段雜質原子激活，占據替位位置4冷卻階段結構固定，形成穩定摻雜區快速熱退火技術特點極短時間高溫處理溫度上升速率快精確溫度控制優勢減少雜質擴散控制摻雜分布提高激活率方法鹵素燈加熱激光退火微波退火電荷注入在MOSFET中的應用結構優化調整閾值電壓和溝道特性輕摻雜漏區減輕熱載流子效應暈環注入抑制短溝道效應溝道摻雜對電荷注入的影響1載流子遷移率影響溝道電導2閾值電壓決定開啟條件3亞閾值擺幅關斷特性4溝道電荷導通狀態積累電荷量閾值電壓調節與電荷注入摻雜劑量(1012/cm2)閾值電壓(V)短溝道效應與電荷注入漏極感應勢壘降低降低閾值電壓穿通效應源漏耗盡區相連熱載流子效應高場區電子獲得高能耗盡區電荷共享影響溝道中的電荷分布電荷注入在圖像傳感器中的應用CCD傳感器電荷轉移型圖像傳感器CMOS傳感器源跟隨型光電轉換器件針固光電二極管降低暗電流和噪聲電荷注入對器件性能的影響12345閾值電壓偏移影響開啟特性增加噪聲降低信噪比線性度下降影響模擬精度功耗增加電荷注入產生額外電流開關時間延長影響高頻特性電荷注入的測量方法時域測量觀察開關瞬態響應頻域測量分析諧波失真電荷泵技術直接測量注入電荷量差分結構通過對比電路測量電荷注入模型與仿真1簡化模型線性分配模型，考慮電荷均分2物理模型考慮溝道電荷分布和退化過程3SPICE模型基于等效電路和參數提取4器件仿真基于TCAD的精確數值模擬未來發展趨勢：器件