電荷注入概述電荷注入是半導(dǎo)體器件中的關(guān)鍵物理過程影響器件性能和可靠性的重要因素課程目標(biāo)1掌握電荷注入原理理解基本物理機制2了解應(yīng)用場景CCD、開關(guān)電容電路中的應(yīng)用3掌握注入問題解決方法減少電荷注入影響的設(shè)計技術(shù)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(dǎo)體特點高度依賴電場和溫度影響因素界面狀態(tài)、雜質(zhì)濃度、偏置條件電荷注入的物理機制熱電子發(fā)射高溫下的載流子獲得足夠能量越過勢壘隧穿效應(yīng)量子力學(xué)效應(yīng)使電子穿過薄勢壘場致電子發(fā)射強電場降低勢壘高度或?qū)挾入姾勺⑷朐诎雽?dǎo)體器件中的應(yīng)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(guān)電容濾波器電荷耦合器件（CCD）簡介發(fā)明歷史1969年貝爾實驗室1基本構(gòu)成MOS電容器陣列2工作原理電荷包轉(zhuǎn)移3主要應(yīng)用圖像傳感、信號處理4CCD的工作原理光電轉(zhuǎn)換光子激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對電荷存儲在勢阱中積累電荷電荷轉(zhuǎn)移按序移動電荷包至輸出信號輸出轉(zhuǎn)換為電壓信號CCD中的電荷注入過程初始狀態(tài)硅襯底表面處于耗盡狀態(tài)光子入射產(chǎn)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(jié)構(gòu)中的電荷注入MOS電容結(jié)構(gòu)金屬-氧化物-半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)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(qū)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(zhuǎn)移加速耗盡區(qū)的形成與電荷注入耗盡區(qū)寬度決定電場強度影響電子隧穿和熱發(fā)射概率反型層與電荷存儲弱反型少數(shù)載流子濃度開始增加1強反型少數(shù)載流子濃度超過多數(shù)載流子2電荷積累形成導(dǎo)電溝道3勢阱形成可存儲和轉(zhuǎn)移電荷包4光生電荷的產(chǎn)生與收集光子吸收能量大于帶隙才能被吸收載流子產(chǎn)生打破共價鍵形成電子-空穴對電荷分離在內(nèi)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(dāng)?shù)淖⑷腚姾?特性量子化、可轉(zhuǎn)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(wěn)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(qū)隔離阻止電荷向襯底泄漏電荷包的最大存儲量10?電子數(shù)量典型像素電荷包容量1.6×10?1?庫侖對應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移初始柵極電壓降低三相CCD的結(jié)構(gòu)柵極排列每個像素三個柵極物理實現(xiàn)多層金屬柵極疊加剖面結(jié)構(gòu)顯示氧化層和溝道區(qū)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(zhuǎn)移3φ1降低電荷完全轉(zhuǎn)移至第二柵極4φ3升高電荷向第三柵極轉(zhuǎn)移電荷轉(zhuǎn)移效率開關(guān)電容電路簡介時序控制由時鐘信號控制開關(guān)電容存儲電荷在電容上積累MOS開關(guān)控制電荷傳輸路徑運算放大器信號放大和處理開關(guān)電容中的電荷注入問題1開關(guān)導(dǎo)通溝道中積累電荷2開關(guān)關(guān)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(guān)順序?qū)﹄姾勺⑷氲挠绊懲瑫r關(guān)閉電荷均勻分配至兩端自底向上關(guān)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(guān)電容電路中的作用1信號放大提高信噪比2電平轉(zhuǎn)換調(diào)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(yīng)虛地效應(yīng)與電荷注入虛地形成負(fù)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(dǎo)致的誤差分析溝道電荷時鐘饋通寄生電容溝道導(dǎo)通電阻時鐘饋通現(xiàn)象波形特征開關(guān)狀態(tài)變化時出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)電荷注入與時鐘饋通的區(qū)別電荷注入溝道電荷釋放與開關(guān)尺寸成正比與柵壓幅度相關(guān)時鐘饋通通過疊加電容耦合與柵漏重疊面積有關(guān)與電壓變化率相關(guān)減少電荷注入的方法：虛擬開關(guān)1主開關(guān)導(dǎo)通形成低阻通路2虛擬開關(guān)導(dǎo)通采樣完成后導(dǎo)通3主開關(guān)關(guān)閉電荷主要注入虛擬開關(guān)4虛擬開關(guān)關(guān)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(guān)結(jié)構(gòu)特點NMOS和PMOS并聯(lián)使用工作原理兩種電荷極性相反，互相抵消優(yōu)化設(shè)計調(diào)整尺寸比使注入電荷平衡應(yīng)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(guān)差動輸入信號分為正負(fù)兩路同時采樣使用相同結(jié)構(gòu)的開關(guān)共模抑制電荷注入作為共模誤差被抵消離子注入技術(shù)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(fù)性高離子注入與電荷注入的關(guān)系共同點涉及電荷移動改變材料特性影響器件性能區(qū)別離子注入是制造工藝電荷注入是工作現(xiàn)象影響機制不同離子注入的優(yōu)點1精確控制摻雜濃度可精確調(diào)節(jié)2低溫工藝減少雜質(zhì)擴散和熱損傷3選擇性摻雜可通過光刻實現(xiàn)區(qū)域摻雜4高純度質(zhì)量分析器可過濾雜質(zhì)離子注入的缺點晶格損傷高能離子破壞晶體結(jié)構(gòu)1表面污染離子濺射引起污染2設(shè)備昂貴高真空和加速系統(tǒng)成本高3后續(xù)退火需要額外熱處理步驟4離子注入系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)離子源產(chǎn)生被加速的離子加速系統(tǒng)提供能量使離子加速質(zhì)量分析器篩選特定質(zhì)量離子掃描系統(tǒng)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(wěn)定產(chǎn)出電子束源適合氣態(tài)元素激光離子源高純度，可用于固態(tài)材料電弧源高流量，但純度較低加速和聚焦系統(tǒng)1預(yù)加速區(qū)低能初步加速2主加速區(qū)高壓加速到目標(biāo)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(zhì)量分析器的作用分離不同質(zhì)量離子保證摻雜純度精確控制離子種類掃描系統(tǒng)的工作原理1電場掃描X方向電場偏轉(zhuǎn)束流2磁場掃描Y方向磁場偏轉(zhuǎn)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(tǒng)調(diào)整掃描速度靶室設(shè)計與功能真空環(huán)境防止束流散射和污染溫度控制減少熱效應(yīng)影響角度調(diào)整控制注入傾角屏蔽系統(tǒng)防止二次電子發(fā)射劑量控制系統(tǒng)時間(秒)劑量(101?離子/cm2)離子束中和技術(shù)問題形成正離子轟擊導(dǎo)致靶面帶正電影響電荷積累導(dǎo)致束流偏轉(zhuǎn)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(fā)離子能量轉(zhuǎn)移給電子系統(tǒng)1核碰撞離子與晶格原子發(fā)生碰撞2位移級聯(lián)一次碰撞引發(fā)多次位移3缺陷形成產(chǎn)生空位和間隙原子4級聯(lián)碰撞現(xiàn)象高能離子入射引發(fā)連鎖反應(yīng)形成損傷區(qū)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(jié)構(gòu)完全破壞熱退火處理的必要性1晶格修復(fù)恢復(fù)損傷區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)2雜質(zhì)激活使注入離子占據(jù)晶格位置3電學(xué)性能提高載流子濃度和遷移率4應(yīng)力釋放減少注入過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力熱退火的基本過程1低溫階段點缺陷開始移動和復(fù)合2中溫階段缺陷團簇分解，雜質(zhì)開始擴散3高溫階段雜質(zhì)原子激活，占據(jù)替位位置4冷卻階段結(jié)構(gòu)固定，形成穩(wěn)定摻雜區(qū)快速熱退火技術(shù)特點極短時間高溫處理溫度上升速率快精確溫度控制優(yōu)勢減少雜質(zhì)擴散控制摻雜分布提高激活率方法鹵素?zé)艏訜峒す馔嘶鹞⒉ㄍ嘶痣姾勺⑷朐贛OSFET中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整閾值電壓和溝道特性輕摻雜漏區(qū)減輕熱載流子效應(yīng)暈環(huán)注入抑制短溝道效應(yīng)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(dǎo)2閾值電壓決定開啟條件3亞閾值擺幅關(guān)斷特性4溝道電荷導(dǎo)通狀態(tài)積累電荷量閾值電壓調(diào)節(jié)與電荷注入摻雜劑量(1012/cm2)閾值電壓(V)短溝道效應(yīng)與電荷注入漏極感應(yīng)勢壘降低降低閾值電壓穿通效應(yīng)源漏耗盡區(qū)相連熱載流子效應(yīng)高場區(qū)電子獲得高能耗盡區(qū)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(yīng)用CCD傳感器電荷轉(zhuǎn)移型圖像傳感器CMOS傳感器源跟隨型光電轉(zhuǎn)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(chǎn)生額外電流開關(guān)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(guān)瞬態(tài)響應(yīng)頻域測量分析諧波失真電荷泵技術(shù)直接測量注入電荷量差分結(jié)構(gòu)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(shù)提取4器件仿真基于TCAD的精確數(shù)值模擬未來發(fā)展趨勢：器件