《电荷注入》课件

电荷注入概述电荷注入是半导体器件中的关键物理过程影响器件性能和可靠性的重要因素课程目标1掌握电荷注入原理理解基本物理机制2了解应用场景CCD、开关电容电路中的应用3掌握注入问题解决方法减少电荷注入影响的设计技术熟悉测量与模拟方法电荷注入的基本概念定义电子或空穴越过势垒进入半导体特点高度依赖电场和温度影响因素界面状态、杂质浓度、偏置条件电荷注入的物理机制热电子发射高温下的载流子获得足够能量越过势垒隧穿效应量子力学效应使电子穿过薄势垒场致电子发射强电场降低势垒高度或宽度电荷注入在半导体器件中的应用集成电路MOS晶体管、逻辑门图像传感器CCD、CMOS图像传感器存储器件EEPROM、闪存模拟电路开关电容滤波器电荷耦合器件（CCD）简介发明历史1969年贝尔实验室1基本构成MOS电容器阵列2工作原理电荷包转移3主要应用图像传感、信号处理4CCD的工作原理光电转换光子激发产生电子-空穴对电荷存储在势阱中积累电荷电荷转移按序移动电荷包至输出信号输出转换为电压信号CCD中的电荷注入过程初始状态硅衬底表面处于耗尽状态光子入射产生电子-空穴对电荷收集电子被栅极电压吸引电荷存储积累在势阱中形成电荷包MOS结构中的电荷注入MOS电容结构金属-氧化物-半导体层叠结构能带图显示势垒高度和能级差异载流子分布不同偏置下的电荷积累栅极电压对电荷注入的影响1低于阈值耗尽区形成，无明显电荷注入2达到阈值开始形成弱反型层3超过阈值形成强反型层，电荷开始积累4高电压电荷积累饱和，转移加速耗尽区的形成与电荷注入耗尽区宽度决定电场强度影响电子隧穿和热发射概率反型层与电荷存储弱反型少数载流子浓度开始增加1强反型少数载流子浓度超过多数载流子2电荷积累形成导电沟道3势阱形成可存储和转移电荷包4光生电荷的产生与收集光子吸收能量大于带隙才能被吸收载流子产生打破共价键形成电子-空穴对电荷分离在内建电场作用下分离电荷收集电子被栅极下势阱收集电荷包的概念定义势阱中积累的电子集合1形成条件足够深的势阱和适当的注入电荷2特性量子化、可转移3功能信号载体、信息单元4电荷包的存储机制1最终积累形成稳定电荷包2电势分布势阱形状决定存储容量3栅极隔离防止电荷扩散损失4耗尽区隔离阻止电荷向衬底泄漏电荷包的最大存储量10⁵电子数量典型像素电荷包容量1.6×10⁻¹⁴库仑对应电荷量0.5伏特典型势垒高度10⁴电子/秒暗电流注入率电荷包的转移原理初始存储电荷存在初始势阱势垒降低相邻栅极电压升高电荷迁移电子向新势阱扩散完全转移初始栅极电压降低三相CCD的结构栅极排列每个像素三个栅极物理实现多层金属栅极叠加剖面结构显示氧化层和沟道区三相CCD的工作过程1φ1高电荷存储在第一栅极下2φ2升高电荷开始向第二栅极转移3φ1降低电荷完全转移至第二栅极4φ3升高电荷向第三栅极转移电荷转移效率开关电容电路简介时序控制由时钟信号控制开关电容存储电荷在电容上积累MOS开关控制电荷传输路径运算放大器信号放大和处理开关电容中的电荷注入问题1开关导通沟道中积累电荷2开关关闭沟道电荷释放3电荷分配部分电荷注入电容4电压误差引起采样电压偏移开关顺序对电荷注入的影响同时关闭电荷均匀分配至两端自底向上关闭电荷主要流向输入端后置放大器减少对输出的影响运算放大器在开关电容电路中的作用1信号放大提高信噪比2电平转换调整信号电压范围3阻抗变换提供高输入阻抗4减轻电荷注入利用虚地效应虚地效应与电荷注入虚地形成负反馈使同相输入端接地1低阻抗点电荷容易流入该点2注入抑制减少对采样电容的影响3误差减少提高采样精度4电荷注入导致的误差分析沟道电荷时钟馈通寄生电容沟道导通电阻时钟馈通现象波形特征开关状态变化时出现尖峰栅漏电容时钟信号通过该电容耦合等效电路寄生电容形成分压网络电荷注入与时钟馈通的区别电荷注入沟道电荷释放与开关尺寸成正比与栅压幅度相关时钟馈通通过叠加电容耦合与栅漏重叠面积有关与电压变化率相关减少电荷注入的方法：虚拟开关1主开关导通形成低阻通路2虚拟开关导通采样完成后导通3主开关关闭电荷主要注入虚拟开关4虚拟开关关闭采样电容已隔离，不受影响减少电荷注入的方法：互补开关结构特点NMOS和PMOS并联使用工作原理两种电荷极性相反，互相抵消优化设计调整尺寸比使注入电荷平衡应用场景高精度采样保持电路减少电荷注入的方法：差动采样开关差动输入信号分为正负两路同时采样使用相同结构的开关共模抑制电荷注入作为共模误差被抵消离子注入技术简介1精确掺杂控制剂量和分布2低温工艺减少热扩散3穿透能力可穿透薄膜4工艺可控可重复性高离子注入与电荷注入的关系共同点涉及电荷移动改变材料特性影响器件性能区别离子注入是制造工艺电荷注入是工作现象影响机制不同离子注入的优点1精确控制掺杂浓度可精确调节2低温工艺减少杂质扩散和热损伤3选择性掺杂可通过光刻实现区域掺杂4高纯度质量分析器可过滤杂质离子注入的缺点晶格损伤高能离子破坏晶体结构1表面污染离子溅射引起污染2设备昂贵高真空和加速系统成本高3后续退火需要额外热处理步骤4离子注入系统的基本结构离子源产生被加速的离子加速系统提供能量使离子加速质量分析器筛选特定质量离子扫描系统控制束流均匀照射靶室放置被注入晶片离子源的类型与特点等离子体源高密度，稳定产出电子束源适合气态元素激光离子源高纯度，可用于固态材料电弧源高流量，但纯度较低加速和聚焦系统1预加速区低能初步加速2主加速区高压加速到目标能量3电聚焦通过电场聚焦束流4磁聚焦通过磁场进一步聚焦质量分析器的作用分离不同质量离子保证掺杂纯度精确控制离子种类扫描系统的工作原理1电场扫描X方向电场偏转束流2磁场扫描Y方向磁场偏转束流3机械扫描靶台移动补充扫描4均匀性控制反馈系统调整扫描速度靶室设计与功能真空环境防止束流散射和污染温度控制减少热效应影响角度调整控制注入倾角屏蔽系统防止二次电子发射剂量控制系统时间(秒)剂量(10¹⁴离子/cm²)离子束中和技术问题形成正离子轰击导致靶面带正电影响电荷积累导致束流偏转和能量变化中和方法电子束照射或等离子体中和效果保持靶面电中性，提高注入均匀性注入损伤的形成机制电子激发离子能量转移给电子系统1核碰撞离子与晶格原子发生碰撞2位移级联一次碰撞引发多次位移3缺陷形成产生空位和间隙原子4级联碰撞现象高能离子入射引发连锁反应形成损伤区域注入损伤的类型点缺陷空位和间隙原子缺陷团簇多个缺陷聚集位错线型晶格缺陷非晶化晶格结构完全破坏热退火处理的必要性1晶格修复恢复损伤区域的晶体结构2杂质激活使注入离子占据晶格位置3电学性能提高载流子浓度和迁移率4应力释放减少注入过程产生的内应力热退火的基本过程1低温阶段点缺陷开始移动和复合2中温阶段缺陷团簇分解，杂质开始扩散3高温阶段杂质原子激活，占据替位位置4冷却阶段结构固定，形成稳定掺杂区快速热退火技术特点极短时间高温处理温度上升速率快精确温度控制优势减少杂质扩散控制掺杂分布提高激活率方法卤素灯加热激光退火微波退火电荷注入在MOSFET中的应用结构优化调整阈值电压和沟道特性轻掺杂漏区减轻热载流子效应晕环注入抑制短沟道效应沟道掺杂对电荷注入的影响1载流子迁移率影响沟道电导2阈值电压决定开启条件3亚阈值摆幅关断特性4沟道电荷导通状态积累电荷量阈值电压调节与电荷注入掺杂剂量(10¹²/cm²)阈值电压(V)短沟道效应与电荷注入漏极感应势垒降低降低阈值电压穿通效应源漏耗尽区相连热载流子效应高场区电子获得高能耗尽区电荷共享影响沟道中的电荷分布电荷注入在图像传感器中的应用CCD传感器电荷转移型图像传感器CMOS传感器源跟随型光电转换器件针固光电二极管降低暗电流和噪声电荷注入对器件性能的影响12345阈值电压偏移影响开启特性增加噪声降低信噪比线性度下降影响模拟精度功耗增加电荷注入产生额外电流开关时间延长影响高频特性电荷注入的测量方法时域测量观察开关瞬态响应频域测量分析谐波失真电荷泵技术直接测量注入电荷量差分结构通过对比电路测量电荷注入模型与仿真1简化模型线性分配模型，考虑电荷均分2物理模型考虑沟道电荷分布和退化过程3SPICE模型基于等效电路和参数提取4器件仿真基于TCAD的精确数值模拟未来发展趋势：器件