JP2014045050A - Simulation device of drain current and simulation program of drain current - Google Patents

Simulation device of drain current and simulation program of drain current Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To calculate a drain current at high speed with high accuracy, for a storage type thin film transistor containing a defect of capturing a carrier in a semiconductor film.SOLUTION: A simulation device 1 includes Fermi level calculation means 11 for calculating the Fermi level under flat band conditions based on electrical neutrality conditions, electrical charge carrier density calculation means 12 for calculating the electrical charge carrier density under flat band conditions, potential distribution calculation means 14 for calculating the potential distribution in the depth direction of a semiconductor film from a one-dimensional Poisson equation while taking account of electron density, hole density, donor density, and the density of acceptor type defect and donor type defect, as the density of electric charges, carrier density distribution calculation means 15 for calculating the carrier density distribution in the depth direction, carrier plane density calculation means 16 for calculating the carrier plane density, and drain current calculation means 17 for calculating the drain current by using the carrier plane density and the surface potential at more than one position in the channel length direction.

Description

本発明は、半導体中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の薄膜トランジスタについて、ドレイン電流を計算するシミュレーション装置及びそのプログラムに関する。   The present invention relates to a simulation apparatus for calculating a drain current and a program for the storage type thin film transistor including a defect that traps carriers in a semiconductor.

半導体トランジスタの構造設計では、ゲート絶縁膜厚や半導体膜厚といったデバイスパラメータの値を決める必要がある。また、サブスレッショールド係数(S値)や閾値電圧(Vth)といったトランジスタの重要な性能指標に対して、開発目標値が設定されている場合には、それらの性能指標及び目標を満たすように、デバイスパラメータの値を決めなければならない。そして、一般的に、こうしたトランジスタの構造設計には、シミュレーション技術が用いられる。効率的にデバイスパラメータの値を決めるためには、高速かつ高精度なドレイン電流特性のシミュレーションが必要であり、通常、市販の二次元デバイスシミュレータ(例えば、SILVACO社の二次元デバイスシミュレータ「ATLAS」)が用いられる。 In the structural design of a semiconductor transistor, it is necessary to determine values of device parameters such as a gate insulating film thickness and a semiconductor film thickness. In addition, when development target values are set for important performance indicators such as a subthreshold coefficient (S value) and threshold voltage (V th ), the performance indicators and targets should be satisfied. In addition, the value of the device parameter must be determined. In general, a simulation technique is used for the structural design of such a transistor. In order to determine device parameter values efficiently, high-speed and high-accuracy simulation of drain current characteristics is required, and usually a commercially available two-dimensional device simulator (for example, two-dimensional device simulator “ATLAS” manufactured by SILVACO). Is used.

具体的な構造設計法としては、まず、シミュレーションにより、ドレイン電流特性を計算し、そこから、サブスレッショールド係数(S値)や閾値電圧(Vth)といったトランジスタの性能指標を得る。そして、もし、それらが予め設定した条件を満たさなければ、デバイスパラメータの値を変更し、再び、シミュレーションを行う。これを繰り返すことで、ドレイン電流特性が条件を満たすように、デバイスパラメータの値を決めることができる。こうした方法により、トランジスタの構造設計のための実際の素子の試作回数を減らすことができ、トランジスタの開発期間やコストの削減が可能となる。 As a specific structure design method, first, drain current characteristics are calculated by simulation, and transistor performance indicators such as a subthreshold coefficient (S value) and a threshold voltage (V th ) are obtained therefrom. If they do not satisfy the preset conditions, the device parameter values are changed and the simulation is performed again. By repeating this, the value of the device parameter can be determined so that the drain current characteristic satisfies the condition. By such a method, the number of trials of actual elements for transistor structure design can be reduced, and the transistor development period and cost can be reduced.

一方、アモルファスシリコンTFTに比べて移動度が高く、また、多結晶シリコンTFTに比べて均一性が高いことで、アモルファスInGaZnO(IGZO;インジウム・ガリウム・亜鉛酸化物)などの酸化物半導体を用いたTFTが現在、注目されている。こうした酸化物半導体TFTの開発においても、前記したように、シミュレーション技術を用いたドレイン電流特性の計算が重要である。   On the other hand, an oxide semiconductor such as amorphous InGaZnO (IGZO; indium gallium zinc oxide) is used because of its high mobility compared to amorphous silicon TFTs and high uniformity compared to polycrystalline silicon TFTs. TFTs are currently attracting attention. Also in the development of such an oxide semiconductor TFT, as described above, calculation of drain current characteristics using a simulation technique is important.

そして、近年、市販の二次元デバイスシミュレータを用いて、IGZO−TFTのドレイン電流特性を計算した例が報告されている(非特許文献1、2参照)。   In recent years, examples of calculating drain current characteristics of IGZO-TFT using a commercially available two-dimensional device simulator have been reported (see Non-Patent Documents 1 and 2).

Hsing-Hung Hsieh, Toshio Kamiya, Kenji Nomura, Hideo Hosono, and Chung-Chih Wu, Appl. Phys. Lett. 92, 133503 (2008)Hsing-Hung Hsieh, Toshio Kamiya, Kenji Nomura, Hideo Hosono, and Chung-Chih Wu, Appl. Phys. Lett. 92, 133503 (2008) Tze-Ching Fung, Chiao-Shun Chuang, Charlene Chen, Katsumi Abe, Robert Cottle, Mark Townsend, Hideya Kumomi, and Jerzy Kanicki, J. Appl. Phys. 106, 084511 (2009)Tze-Ching Fung, Chiao-Shun Chuang, Charlene Chen, Katsumi Abe, Robert Cottle, Mark Townsend, Hideya Kumomi, and Jerzy Kanicki, J. Appl.Phys. 106, 084511 (2009)

ところが、前記したような二次元デバイスシミュレータを用いた計算では広範囲な条件で高精度にドレイン電流特性が得られる一方で、シミュレーションに長時間を要し、また、シミュレーションを実行させるためにハイスペックなコンピュータが必要である、といった問題がある。   However, in the calculation using the two-dimensional device simulator as described above, the drain current characteristic can be obtained with high accuracy under a wide range of conditions. On the other hand, the simulation takes a long time, and a high specification is required to execute the simulation. There is a problem that a computer is necessary.

また、酸化物半導体を用いたTFTは、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む、多数キャリアを使う蓄積型のトランジスタである。このため、このようなTFTには、アモルファスシリコンTFTや多結晶シリコンTFTに用いられる、従来からあるシミュレーション方法をそのまま適用することはできない。   A TFT using an oxide semiconductor is an accumulation-type transistor using a majority carrier that includes a defect of trapping carriers in a semiconductor film. For this reason, a conventional simulation method used for an amorphous silicon TFT or a polycrystalline silicon TFT cannot be directly applied to such a TFT.

そこで、本発明は、酸化物半導体TFTのように、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTに適用可能であり、かつ、高速にドレイン電流のシミュレーションを行うことができるシミュレーション装置及びシミュレーションプログラムを提供することを課題とする。   Therefore, the present invention can be applied to a storage type TFT including a defect that traps carriers in a semiconductor film, such as an oxide semiconductor TFT, and can simulate a drain current at high speed. An object is to provide a simulation program.

前記した課題を解決するために、請求項1に記載のドレイン電流のシミュレーション装置(以下、適宜シミュレーション装置という)は、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の薄膜トランジスタであって、半導体膜と絶縁膜とゲート電極とをこの順で積層した構造を有する電界効果型の薄膜トランジスタについて、ドレイン電極とソース電極との間の電流であるドレイン電流を計算するドレイン電流のシミュレーション装置であって、ポテンシャル分布演算手段と、キャリア密度分布演算手段と、キャリア面密度演算手段と、ドレイン電流演算手段と、を含んで構成した。   In order to solve the above-described problem, a drain current simulation apparatus according to claim 1 (hereinafter referred to as a simulation apparatus as appropriate) is a storage-type thin film transistor including a defect that traps carriers in a semiconductor film, and includes a semiconductor A drain current simulation device for calculating a drain current, which is a current between a drain electrode and a source electrode, for a field effect thin film transistor having a structure in which a film, an insulating film, and a gate electrode are stacked in this order, A potential distribution calculation unit, a carrier density distribution calculation unit, a carrier surface density calculation unit, and a drain current calculation unit are included.

かかる構成によれば、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布演算手段によって、半導体膜の電荷密度として、電子密度、ホール密度、ドナー密度、及びバンドギャップ中に指数関数型の状態密度を持つアクセプタ型欠陥とドナー型欠陥の密度を考慮して、一次元ポアソン方程式を解くことにより半導体膜中の深さ方向のポテンシャル分布を計算する。これによって、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布を高速に算出する。   According to such a configuration, the simulation apparatus uses the potential distribution calculation means to accept the electron defect, the hole density, the donor density, and the acceptor type defect and the donor having an exponential state density in the band gap as the charge density of the semiconductor film. In consideration of the density of mold defects, the potential distribution in the depth direction in the semiconductor film is calculated by solving the one-dimensional Poisson equation. Thereby, the simulation apparatus calculates the potential distribution at high speed.

次に、シミュレーション装置は、キャリア密度分布演算手段によって、ポテンシャル分布演算手段により算出したポテンシャル分布を用いて半導体膜中の深さ方向のキャリア密度分布を算出する。次に、シミュレーション装置は、キャリア面密度演算手段によって、キャリア密度分布演算手段により算出したキャリア密度分布を半導体膜の深さ方向の全範囲について積分して半導体膜中のキャリア面密度を算出する。そして、シミュレーション装置は、チャネル長方向の2以上の位置について、キャリア面密度演算手段により算出したキャリア面密度に電気素量を乗じたキャリア面電荷密度及びポテンシャル分布演算手段により算出した半導体膜とゲート絶縁膜との界面におけるポテンシャルを用いて、ドレイン電流演算手段によってドレイン電流を算出する。
これによって、シミュレーション装置は、高速に算出できる一次元のポテンシャル分布を用いて、ドレイン電流を算出する。
Next, the simulation apparatus calculates the carrier density distribution in the depth direction in the semiconductor film by using the potential distribution calculated by the potential distribution calculating means by the carrier density distribution calculating means. Next, the simulation apparatus calculates the carrier surface density in the semiconductor film by integrating the carrier density distribution calculated by the carrier density distribution calculating unit over the entire range in the depth direction of the semiconductor film by the carrier surface density calculating unit. Then, for the two or more positions in the channel length direction, the simulation apparatus calculates the carrier surface charge density obtained by multiplying the carrier surface density calculated by the carrier surface density calculating unit by the elementary charge and the semiconductor film and gate calculated by the potential distribution calculating unit. The drain current is calculated by the drain current calculation means using the potential at the interface with the insulating film.
Accordingly, the simulation apparatus calculates the drain current using a one-dimensional potential distribution that can be calculated at high speed.

請求項2に記載のシミュレーション装置は、請求項1に記載のシミュレーション装置において、フェルミ準位演算手段と、電荷担体密度演算手段と、を更に備えて構成した。
かかる構成によれば、シミュレーション装置は、フェルミ準位演算手段によって、半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位を、フェルミ準位についての方程式である式(18)から算出する。次に、シミュレーション装置は、電荷担体密度演算手段によって、フェルミ準位演算手段により算出したフェルミ準位を、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)に代入して、半導体膜のフラットバンド条件での、それぞれホール密度、電子密度、正に帯電したドナー型欠陥のディープステート(Deep state)における密度、負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステート(Deep state)における密度及び負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステート(Tail state)における密度を、電荷担体密度として算出する。
The simulation apparatus according to claim 2 is the simulation apparatus according to claim 1, further comprising Fermi level calculation means and charge carrier density calculation means.
According to such a configuration, the simulation apparatus calculates the Fermi level under the flat band condition of the semiconductor film from the equation (18), which is an equation for the Fermi level, by the Fermi level calculation means. Next, the simulation apparatus calculates the Fermi level calculated by the Fermi level calculation means by the charge carrier density calculation means by using the expressions (5), (6), (A9), (B10), and (C9). ), The hole density, the electron density, the density of positively charged donor-type defects in the deep state (Deep state), and the deep state of negatively-charged acceptor-type defects (in the flat band condition of the semiconductor film) The density in the deep state and the density in the tail state of the negatively charged acceptor type defect are calculated as the charge carrier density.

次に、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布演算手段によって、一次元ポアソン方程式である式(1)を差分化し、ゲート電極におけるポテンシャルがゲート電極及びソース電極の間の電圧であるゲート−ソース間電圧とフラットバンド電圧との差に等しいことを境界条件として、数値解析することでポテンシャル分布を算出する。また、ポテンシャル分布を算出する際に、電荷担体密度演算手段が算出した半導体膜のフラットバンド条件における電荷担体密度が用いられる。   Next, the simulation apparatus differentiates Equation (1), which is a one-dimensional Poisson equation, by the potential distribution calculation means, and the gate-source voltage, which is a voltage between the gate electrode and the source electrode, is flat with the potential at the gate electrode. The potential distribution is calculated by numerical analysis with the boundary condition being equal to the difference from the band voltage. Further, when calculating the potential distribution, the charge carrier density in the flat band condition of the semiconductor film calculated by the charge carrier density calculating means is used.

次に、シミュレーション装置は、キャリア密度分布演算手段によって、キャリア密度分布を、式(19)から算出し、更に、キャリア面密度演算手段によって、キャリア密度分布を、式(20)によって算出する。そして、シミュレーション装置は、ドレイン電流演算手段によって、ドレイン電流を、式(30)により算出する。
ここで、式(18)は、次のとおりである。
Next, the simulation apparatus calculates the carrier density distribution from the equation (19) by the carrier density distribution calculating unit, and further calculates the carrier density distribution by the equation (20) by the carrier surface density calculating unit. And a simulation apparatus calculates drain current by Formula (30) by a drain current calculating means.
Here, Formula (18) is as follows.

Figure 2014045050
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また、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)は、次のとおりである。   Moreover, Formula (5), Formula (6), Formula (A9), Formula (B10), and Formula (C9) are as follows.

Figure 2014045050
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また、式(1)は、次のとおりである。   Moreover, Formula (1) is as follows.

Figure 2014045050
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ここで、半導体膜の電荷密度ρは式(2)のように表され、更に、半導体膜のホール密度p、電子密度n、正に帯電したドナー型欠陥のディープステートにおける密度Ndd 、負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度Nad 及び負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度Nat は、それぞれ、式(3)、式(4−2)、式(10)、式(13−2)及び式(16−2)のように表すことができる。なお、式(10)、式(13−2)及び式(16−2)は、近似式であるため、ポテンシャル算出の高速化に寄与する。 Here, the charge density ρ of the semiconductor film is expressed by the formula (2), and further, the hole density p, the electron density n of the semiconductor film, the density N dd + in the deep state of the positively charged donor type defect, and negative density N at the and tail states negatively charged acceptor-type defects - - charged acceptor-type defect density N ad in deep state in each formula (3), the formula (4-2), formula (10) And (13-2) and (16-2). In addition, since Formula (10), Formula (13-2), and Formula (16-2) are approximate formulas, they contribute to speeding up of potential calculation.

Figure 2014045050
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また、式(19)及び式(20)は、次のように与えられる。   Moreover, Formula (19) and Formula (20) are given as follows.

Figure 2014045050
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更に、式(30)は、次のように与えられる。   Further, equation (30) is given as follows.

Figure 2014045050
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以上において、β=q/kT、γ=q/Edd、γ=q/Eadである。
また、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電気素量である。
更に、ρは半導体膜の電荷密度、pは半導体膜のフラットバンド条件におけるホール密度、nは半導体膜のフラットバンド条件における電子密度、Ndd0 は半導体膜のフラットバンド条件における正に帯電したドナー型欠陥のディープステートにおける密度、Nad0 は半導体膜のフラットバンド条件における負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度、Nat0 は半導体膜のフラットバンド条件における負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度、gdd0は半導体膜の価電子帯上端でのドナー型欠陥のディープステートにおける状態密度、gad0は半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥のディープステートにおける状態密度、gat0は半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥のテールステートにおける状態密度、Eは半導体膜の価電子帯上端のエネルギー、Eは半導体膜の伝導帯下端のエネルギー、Eは半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位、Eddは半導体膜のドナー型欠陥のディープステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、Eadは半導体膜のアクセプタ型欠陥のディープステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、Eatは半導体膜のアクセプタ型欠陥のテールステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、nは半導体膜の真性キャリア密度、Eは半導体膜の真性フェルミ準位、εscは半導体膜の誘電率、tscは半導体膜の膜厚、φはポテンシャル、φ(x)はポテンシャル分布、n(x)はキャリア密度分布、Nはキャリア面密度、Nは半導体の実効的なドナー密度である。
In the above, β = q / kT, γ d = q / E dd , and γ a = q / E ad .
K is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, and q is an elementary electric quantity.
Furthermore, ρ is the charge density of the semiconductor film, p 0 is the hole density in the flat band condition of the semiconductor film, n 0 is the electron density in the flat band condition of the semiconductor film, and N dd0 + is positively charged in the flat band condition of the semiconductor film. The density of donor-type defects in the deep state, N ad0 is the density of negatively charged acceptor-type defects in the flat band condition of the semiconductor film, and N at0 is the negatively charged acceptor in the flat band condition of the semiconductor film. Density in the tail state of the type defect, g dd0 is the density of states in the deep state of the donor type defect at the upper end of the valence band of the semiconductor film, and g ad0 is the density of states in the deep state of the acceptor type defect in the lower end of the conduction band of the semiconductor film. , Gat0 is the value at the bottom of the conduction band of the semiconductor film. State density at the tail state of Kuseputa type defects, E v is the valence band upper end of the energy of the semiconductor film, E c is the conduction band minimum energy of the semiconductor film, E f is the Fermi level of a flat band condition of the semiconductor film, E dd is the reciprocal of the slope of the state density distribution in the deep state of the donor-type defect of the semiconductor film, E ad is the reciprocal of the slope of the state density distribution in the deep state of the acceptor-type defect of the semiconductor film, and E at is the acceptor type of the semiconductor film. The reciprocal of the slope of the state density distribution in the defect tail state, n i is the intrinsic carrier density of the semiconductor film, E i is the intrinsic Fermi level of the semiconductor film, ε sc is the dielectric constant of the semiconductor film, and t sc is the film of the semiconductor film thickness, phi is the potential, φ (x) is the potential distribution, n (x) is the carrier density distribution, n is the carrier surface density, n d is the semiconductor An effective donors density.

また、xは半導体膜の厚さ方向の位置を示し、半導体膜と絶縁膜との界面を0とし、半導体膜とソース電極及びドレイン電極との界面をtscとする。また、yは前記半導体膜のチャネル長方向の位置を示し、ソース電極のドレイン電極側の端部を0とし、ドレイン電極のソース電極側の端部をLとする。
また、Lは前記半導体膜のチャネル長、Wは前記半導体膜のチャネル幅、μは前記半導体膜における電子の移動度、Vdsはドレイン−ソース間電圧、φは電子の擬フェルミポテンシャルを示し、φ(y)は前記チャネル長方向の位置yにおける電子の擬フェルミポテンシャルであって、φ(0)=0、φ(L)=Vdsである。
更に、Iはドレイン電流、Qはキャリア面電荷密度、Qは前記半導体膜のキャリア長方向の位置y=0におけるキャリア面電荷密度、Qは前記半導体膜のキャリア長方向の位置y=Lにおけるキャリア面電荷密度、φは前記半導体膜の厚さ方向の位置x=0におけるポテンシャル、φs0は前記半導体膜の厚さ方向の位置x=0、かつ前記半導体膜のチャネル長方向の位置y=0におけるポテンシャル、φsLは前記半導体膜の厚さ方向の位置x=0、かつ前記半導体膜のチャネル長方向の位置y=Lにおけるポテンシャル、である。
Further, x indicates the position in the thickness direction of the semiconductor film, and the interface between the semiconductor film and the insulating film is 0, and the interface between the semiconductor film and the source electrode and the drain electrode is t sc . Further, y indicates the position of the semiconductor film in the channel length direction, and the end of the source electrode on the drain electrode side is 0, and the end of the drain electrode on the source electrode side is L.
L is the channel length of the semiconductor film, W is the channel width of the semiconductor film, μ is the mobility of electrons in the semiconductor film, V ds is the drain-source voltage, and φ n is the pseudo-Fermi potential of the electrons. , Φ n (y) is a pseudo-Fermi potential of electrons at the position y in the channel length direction, and φ n (0) = 0 and φ n (L) = V ds .
Further, I d is the drain current, Q is the carrier surface charge density, Q 0 is the carrier surface charge density at the position y = 0 in the carrier length direction of the semiconductor film, and Q L is the position y = of the semiconductor film in the carrier length direction. The carrier surface charge density at L, φ s is the potential at the position x = 0 in the thickness direction of the semiconductor film, φ s0 is the position x = 0 in the thickness direction of the semiconductor film, and the channel length direction of the semiconductor film The potential at position y = 0, φ sL is the potential at position x = 0 in the thickness direction of the semiconductor film and at position y = L in the channel length direction of the semiconductor film.

請求項3に記載のシミュレーション装置は、請求項2に記載のシミュレーション装置において、前記ドレイン電流演算手段は、前記ドレイン電流を、前記式(30)に代えて、式(35)によって算出し、前記式(35)は、次の通りである。   The simulation apparatus according to claim 3 is the simulation apparatus according to claim 2, wherein the drain current calculation unit calculates the drain current by an expression (35) instead of the expression (30), and Formula (35) is as follows.

Figure 2014045050
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かかる構成によれば、シミュレーション装置は、半導体膜のチャネル長方向の両端であるソース電極端部とドレイン電極端部との2つの位置におけるキャリア面電荷密度及び半導体膜とゲート絶縁膜との界面におけるポテンシャルである表面ポテンシャルを用いて、式(35)に示した近似式によりドレイン電流を計算する。なお、半導体膜のチャネル長方向の両端の位置におけるキャリア面電荷密度及び表面ポテンシャルは、前記したようにチャネル長方向の両端の位置における一次元ポテンシャル分布に基づいて計算される。   According to such a configuration, the simulation apparatus has a carrier surface charge density at two positions of the source electrode end and the drain electrode end, which are both ends in the channel length direction of the semiconductor film, and an interface between the semiconductor film and the gate insulating film. Using the surface potential which is the potential, the drain current is calculated by the approximate expression shown in Expression (35). Note that the carrier surface charge density and the surface potential at the both ends in the channel length direction of the semiconductor film are calculated based on the one-dimensional potential distribution at the both ends in the channel length direction as described above.

請求項4に記載のシミュレーション装置は、請求項2又は請求項3に記載のシミュレーション装置において、計算範囲設定手段を更に備えて構成した。
かかる構成によれば、シミュレーション装置は、計算範囲設定手段によって、所定の範囲における複数のドレイン−ソース間電圧及び/又はゲート−ソース間電圧をポテンシャル分布の計算条件として順次にポテンシャル分布演算手段に設定する。次に、シミュレーション装置は、ポテンシャル分布演算手段によって、当該ドレイン−ソース間電圧及び/又はゲート−ソース間電圧におけるポテンシャル分布を算出する。そして、シミュレーション装置は、前記したドレイン電流演算手段によってドレイン電流を算出する。また、シミュレーション装置は、計算範囲設定手段によって、所定の範囲におけるドレイン−ソース間電圧及び/又はゲート−ソース間電圧を逐次変化させ、前記したドレイン電流演算手段によって、順次に設定されたドレイン−ソース間電圧及び/又はゲート−ソース間電圧に対応するドレイン電流を算出する。これによって、シミュレーション装置は、ドレイン電流と、その計算の基になったポテンシャル分布の計算条件としたドレイン−ソース間電圧及び/又はゲート−ソース間電圧とを対応付けたドレイン電流のドレイン電圧依存性及び/又はゲート電圧依存性を計算する。
A simulation apparatus according to a fourth aspect is the simulation apparatus according to the second or third aspect, further comprising calculation range setting means.
According to such a configuration, the simulation apparatus sequentially sets a plurality of drain-source voltages and / or gate-source voltages in a predetermined range as potential distribution calculation conditions in the potential distribution calculation means by the calculation range setting means. To do. Next, the simulation apparatus calculates the potential distribution in the drain-source voltage and / or the gate-source voltage by the potential distribution calculation means. Then, the simulation apparatus calculates the drain current by the drain current calculation means described above. Further, the simulation apparatus sequentially changes the drain-source voltage and / or the gate-source voltage in a predetermined range by the calculation range setting means, and the drain-source sequentially set by the drain current calculation means. A drain current corresponding to the inter-voltage and / or the gate-source voltage is calculated. As a result, the simulation apparatus determines the drain current dependency on the drain voltage, which correlates the drain current with the drain-source voltage and / or the gate-source voltage as the calculation condition of the potential distribution on which the calculation is based. And / or calculate gate voltage dependence.

なお、本願請求項1に記載の発明に係るドレイン電流のシミュレーション装置は、一般的なコンピュータが備えるCPU(中央演算装置)、メモリ、ハードディスクなどのハードウェア資源を、ポテンシャル分布演算手段、キャリア密度分布演算手段、キャリア面密度演算手段、ドレイン電流演算手段、として機能させるための請求項5に記載のドレイン電流のシミュレーションプログラムによって実現することもできる。このプログラムは、通信回線を介して配布してもよく、CD−ROMやフラッシュメモリなどの記録媒体に記録して配布してもよい。   The drain current simulation apparatus according to the first aspect of the present invention includes hardware resources such as a CPU (central processing unit), a memory, and a hard disk included in a general computer, potential distribution calculation means, carrier density distribution, and the like. It can also be realized by a drain current simulation program according to claim 5 for functioning as a calculation means, a carrier surface density calculation means, and a drain current calculation means. This program may be distributed via a communication line, or may be recorded and distributed on a recording medium such as a CD-ROM or a flash memory.

請求項1又は請求項5に記載の発明によれば、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTについて、半導体膜のチャネル長方向の2以上の位置における半導体膜の深さ方向についてのポテンシャル分布を算出し、その一次元ポテンシャル分布に基づいてドレイン電流を算出するため、ハイスペックなコンピュータを用いることなく、高速かつ高精度にドレイン電流を計算することができる。
請求項2に記載の発明によれば、バンドギャップ中に指数関数型の状態密度を持つドナー型欠陥のディープステートにおける密度と、アクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度と、アクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度とを考慮に含めて、電子の擬フェルミポテンシャルを考慮した一次元ポアソン方程式を数値解析してポテンシャル分布を計算し、チャネル長方向の2以上の位置における一次元ポテンシャル分布に基づいてドレイン電流を計算するようにしたため、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTについて、広い範囲のドレイン−ソース間電圧に対するドレイン電流を高速かつ高精度に計算することができる。
請求項3に記載の発明によれば、チャネル長方向の両端の位置における一次元ポテンシャル分布に基づいてドレイン電流を計算するようにしたため、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTについて、ドレイン電流の基本特性を高速かつ高精度に計算することができる。
請求項4に記載の発明によれば、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTについて、ドレイン電流のドレイン電圧依存特性及び/又はゲート電圧依存特性を計算することができる。
According to the first or fifth aspect of the present invention, in the accumulation type TFT including the defect that traps carriers in the semiconductor film, the depth direction of the semiconductor film at two or more positions in the channel length direction of the semiconductor film. Since the drain distribution is calculated based on the one-dimensional potential distribution, the drain current can be calculated at high speed and with high accuracy without using a high-spec computer.
According to the second aspect of the present invention, the density in the deep state of the donor-type defect having an exponential state density in the band gap, the density in the deep state of the acceptor-type defect, and the tail state of the acceptor-type defect The potential distribution is calculated by numerical analysis of the one-dimensional Poisson equation considering the pseudo-Fermi potential of the electron including the density, and the drain current is calculated based on the one-dimensional potential distribution at two or more positions in the channel length direction. Since the calculation is performed, the drain current for a wide range of drain-source voltages can be calculated at high speed and with high accuracy for a storage type TFT including a defect that traps carriers in a semiconductor film.
According to the third aspect of the present invention, since the drain current is calculated based on the one-dimensional potential distribution at both ends in the channel length direction, the storage type TFT including a defect that traps carriers in the semiconductor film. The basic characteristics of the drain current can be calculated at high speed and with high accuracy.
According to the fourth aspect of the present invention, the drain voltage dependency characteristic and / or the gate voltage dependency characteristic of the drain current can be calculated for a storage type TFT including a defect that traps carriers in the semiconductor film.

本発明の実施形態における計算対象であるTFTの構造を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of TFT which is calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における計算対象であるTFTにおける半導体膜の欠陥のバンドギャップ中の状態密度分布を示す図である。It is a figure which shows the state density distribution in the band gap of the defect of the semiconductor film in TFT which is calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における計算対象であるTFTについて、フラットバンド条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating flat band conditions about TFT which is the calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における計算対象であるTFTについて、ポアソン方程式を解く際の境界条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the boundary condition at the time of solving a Poisson equation about TFT which is a calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における計算対象であるTFTについて、寄生抵抗の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of parasitic resistance about TFT which is the calculation object in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるドレイン電流のシミュレーション装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the simulation apparatus of the drain current in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるドレイン電流のシミュレーション装置の処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a process of the simulation apparatus of the drain current in embodiment of this invention. 本発明に係るドレイン電流のシミュレーション装置を用いたドレイン電流特性の計算の実施例を示す図であり、欠陥の密度を種々に変えて、ドレイン電流のゲート電圧依存性を計算した結果を示す。It is a figure which shows the Example of calculation of the drain current characteristic using the simulation apparatus of the drain current which concerns on this invention, and shows the result of having calculated the gate voltage dependence of drain current by changing the density of a defect variously. 本発明に係るドレイン電流のシミュレーション装置を用いたドレイン電流特性の計算の実施例を示す図であり、ドレイン電圧を種々に変えて、ドレイン電流のゲート電圧依存性を計算した結果と実測値とを示す。It is a figure which shows the Example of calculation of the drain current characteristic using the simulation apparatus of the drain current which concerns on this invention, The drain voltage is changed variously, The result and the measured value which calculated the gate voltage dependence of the drain current are shown. Show. 本発明に係るドレイン電流のシミュレーション装置を用いたドレイン電流の計算の実施例を示す図であり、ゲート電圧を種々に変えて、ドレイン電流のドレイン電圧依存性を計算した結果と実測値とを示す。It is a figure which shows the Example of the calculation of the drain current using the simulation apparatus of the drain current which concerns on this invention, and shows the result of having calculated the drain voltage dependence of the drain current by changing gate voltage variously, and an actual measurement value . 本発明に係るドレイン電流のシミュレーション装置を用いたドレイン電流特性の計算の実施例を示す図であり、ゲート絶縁膜の厚さを変えて、ドレイン電流のゲート電圧依存性を計算した結果と実測値とを示す。It is a figure which shows the Example of calculation of the drain current characteristic using the simulation apparatus of the drain current which concerns on this invention, the result of having calculated the gate voltage dependence of drain current by changing the thickness of a gate insulating film, and an actual value It shows.

以下、本発明の実施形態について、適宜に図面を参照して説明する。ここでは、n型の蓄積型TFTについて説明する。なお、本実施形態について、先にドレイン電流の計算方法について説明し、その後に、その計算方法を用いたドレイン電流のシミュレーション装置について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate. Here, an n-type storage TFT will be described. In this embodiment, a drain current calculation method will be described first, and then a drain current simulation apparatus using the calculation method will be described.

[ドレイン電流の計算方法]
まず、ドレイン電流を計算方法について説明する。
図1は本発明におけるドレイン電流の計算方法を説明するためのTFTの断面を模式的に示したものである。このTFTは、図面において半導体膜SCの左右方向の両端にそれぞれソース電極Sとドレイン電極Dとが設けられ、図面において半導体膜SCの下方向には、ゲート絶縁膜INを挟んでゲート電極Gが設けられているボトムゲート、トップコンタクト型の電界効果型トランジスタ(FET)である。なお、本実施形態では、ボトムゲート、トップコンタクト型のTFTを例に説明するが、本発明が適用できるTFTは、この構造に限定されるものではない。
[Drain current calculation method]
First, a method for calculating the drain current will be described.
FIG. 1 schematically shows a cross section of a TFT for explaining a drain current calculation method in the present invention. In the TFT, a source electrode S and a drain electrode D are provided at both ends in the left-right direction of the semiconductor film SC in the drawing, respectively. In the drawing, a gate electrode G is formed below the semiconductor film SC with a gate insulating film IN interposed therebetween. This is a bottom-gate, top-contact type field effect transistor (FET) provided. In this embodiment, a bottom gate and top contact type TFT will be described as an example. However, a TFT to which the present invention can be applied is not limited to this structure.

ここで、tscは半導体膜SCの厚さであり、Lは半導体膜SCのチャネル長であり、tinはゲート絶縁膜INの厚さである。また、座標系は、半導体膜SCの厚さ方向(深さ方向ともいう)である図面の上下方向をx方向とし、チャネル長方向である図面の左右方向をy方向とする。x方向の座標は、半導体膜SCのゲート絶縁膜INとの界面をx=0とし、上端面はx=tscとする。また、y方向の座標は、半導体膜SCがソース電極Sの右端部と接触する位置をy=0とし、半導体膜SCがドレイン電極Dの左端部と接触する位置をy=Lとする。 Here, t sc is the thickness of the semiconductor film SC, L is the channel length of the semiconductor film SC, t in is the thickness of the gate insulating film IN. In the coordinate system, the vertical direction of the drawing, which is the thickness direction (also referred to as the depth direction) of the semiconductor film SC, is the x direction, and the horizontal direction of the drawing, which is the channel length direction, is the y direction. The coordinates in the x direction are x = 0 at the interface between the semiconductor film SC and the gate insulating film IN, and x = tsc at the upper end surface. The coordinates in the y direction are y = 0 when the semiconductor film SC is in contact with the right end of the source electrode S and y = L when the semiconductor film SC is in contact with the left end of the drain electrode D.

[ポアソン方程式]
ここで、半導体膜SC中のポアソン方程式は、チャネル長Lがゲート絶縁膜INの厚さに対して極端に短くない場合は、グラデュアルチャネル近似より、式(1)のように、一次元の方程式で表すことができる。ここで、チャネル長Lがゲート絶縁膜INの厚さtinに対して極端に短くない場合とは、例えば、ゲート絶縁膜INの厚さtinを100[nm]としたときに、チャネル長Lが5μm程度以上の場合にグラデュアルチャネル近似をすることができる。また、グラデュアルチャネル近似とは、ドレイン−ソース間の電圧のチャネル長方向(y方向)の変化が緩やかであるため、y方向の電界を無視するという近似である。
[Poisson equation]
Here, when the channel length L is not extremely short with respect to the thickness of the gate insulating film IN, the Poisson equation in the semiconductor film SC is one-dimensional as shown in the equation (1) from the gradual channel approximation. It can be expressed by an equation. Here, the case where the channel length L is not extremely short with respect to the thickness t in of the gate insulating film IN is, for example, when the thickness t in of the gate insulating film IN is set to 100 [nm]. Gradual channel approximation can be performed when L is about 5 μm or more. The gradual channel approximation is an approximation in which the electric field in the y direction is ignored because the change in the channel length direction (y direction) of the drain-source voltage is gentle.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

式(1)において、φは静電ポテンシャル(以下、適宜単に「ポテンシャル」という)、xは半導体膜SCの厚さ方向の位置、ρは電荷密度であり、εscは半導体膜SCの誘電率である。このとき、キャリアを捕獲する欠陥を含む半導体膜SCにおける電荷密度ρは、キャリアを捕獲する欠陥の密度を考慮して、式(2)で与えられる。 In Expression (1), φ is an electrostatic potential (hereinafter simply referred to as “potential” as appropriate), x is a position in the thickness direction of the semiconductor film SC, ρ is a charge density, and ε sc is a dielectric constant of the semiconductor film SC. It is. At this time, the charge density ρ in the semiconductor film SC including a defect that captures carriers is given by Expression (2) in consideration of the density of defects that capture carriers.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、qは電気素量、pはホール密度、nは電子密度、Nは酸素欠損や不純物水素などに由来する実効的なドナー密度、Ndd は正に帯電したドナー型欠陥のディープステート(Deep state)における密度、Nad は負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステート(Deep state)における密度、Nat は負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステート(Tail state)における密度である。また、ドレイン電流特性に対するドナー型欠陥のテールステート(Tail state)の影響は小さいため、それに関する項はここでは無視している。なお、Ndd は正に帯電したドナー型欠陥のディープステート(Deep state)における密度などは、適宜「Ndd は正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度」のように記載する。
また、「ディープステート(Deep state)」及び「テールステート(Tail state)」についての説明は後記する。
Here, q is the elementary charge, p is the hole density, n is the electron density, N d is the effective donor density derived from oxygen deficiency, impurity hydrogen, etc., and N dd + is the deep depth of the positively charged donor type defect. The density in the state (Deep state), N ad is the density in the deep state of the negatively charged acceptor type defect, and N at is the density in the tail state of the negatively charged acceptor type defect. is there. In addition, since the influence of the tail state of the donor-type defect on the drain current characteristics is small, the related item is ignored here. Note that N dd + is a density in a deep state of a positively charged donor type defect or the like, and “N dd + is a density of a positively charged donor type defect (Deep state)” as appropriate. .
Further, “Deep state” and “Tail state” will be described later.

ここで、ホール密度p及び電子密度nは、それぞれ式(3)及び式(4−1)のように与えられる。更に、本実施形態では、n型TFTにおける多数キャリアである電子の密度nについては、ドレイン−ソース間電圧Vdsが高く、熱的に平衡状態であると近似できない系、すなわち、熱的に非平衡状態な系に適用可能とするために、電子の擬フェルミポテンシャルφを導入し、電子密度nを表す式として、式(4−1)におけるポテンシャルφに代えて、(φ−φ)とした式(4−2)を用いる。
なお、p型TFTについて計算を行う場合は、n型TFTについての計算の際に電子密度n及び後記するアクセプタ型欠陥の密度Nad 、Nat (式(13−2)及び式(16−2)参照)に電子の擬フェルミポテンシャルφを導入することに代えて、ホール密度p及びドナー型欠陥の密度Ndd にホールの擬フェルミポテンシャルφを導入する(式(3)及び式(10)において、φを(φ−φ)に置き換える)。この場合、電子密度n及びアクセプタ型欠陥の密度Nad 、Nat には、電子の擬フェルミポテンシャルφの導入は不要である。
Here, the hole density p and the electron density n are given as shown in equations (3) and (4-1), respectively. Furthermore, in this embodiment, the density n of electrons, which are majority carriers in the n-type TFT, is a system in which the drain-source voltage Vds is high and cannot be approximated as being in a thermal equilibrium state, that is, thermally non- In order to be applicable to an equilibrium system, an electron pseudo-Fermi potential φ n is introduced, and instead of the potential φ in the equation (4-1), (φ−φ n ) Formula (4-2) is used.
In the case of calculating for the p-type TFT, the electron density n and the acceptor-type defect density N ad , N at (formula (13-2) and formula (16) will be described later in the calculation for the n-type TFT. -2) refer) to instead of introducing a quasi-Fermi potential phi n electronic introduces density n dd + the quasi-Fermi potential phi p of holes hole density p and the donor-type defects (formula (3) and In equation (10), φ is replaced with (φ−φ p )). In this case, it is not necessary to introduce the electron pseudo-Fermi potential φ n to the electron density n and the acceptor-type defect densities N ad and N at .

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、p及びnは、それぞれ、フラットバンド条件における半導体膜SCのホール密度及び電子密度であり、βは熱電圧の逆数である。ここで、β=q/kTであり、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。また、電子の擬フェルミポテンシャルφは、ソース端(y=0)において、φ=0、ドレイン端(y=L)において、φ=Vdsとなる。
但し、後記するように、寄生抵抗の影響が無視できない場合には、ドレイン端(y=L)において、φ=Vds−effとなる。ここで、Vds−effは、寄生抵抗による電圧降下の影響を考慮した、実効的なドレイン−ソース間電圧である。なお、実効的なドレイン−ソース間電圧Vds−effについての詳細な説明は後記する。
Here, p 0 and n 0 are the hole density and electron density of the semiconductor film SC under flat band conditions, respectively, and β is the reciprocal of the thermal voltage. Here, β = q / kT, k is a Boltzmann constant, and T is an absolute temperature. Also, quasi-Fermi potential phi n electrons in the source edge (y = 0), φ n = 0, at the drain end (y = L), the φ n = V ds.
However, as will be described later, when the influence of the parasitic resistance cannot be ignored, φ n = V ds-eff at the drain end (y = L). Here, V ds-eff is an effective drain-source voltage in consideration of the effect of voltage drop due to parasitic resistance. A detailed description of the effective drain-source voltage Vds-eff will be given later.

また、フラットバンド条件における半導体膜SCのホール密度p及び電子密度nは、それぞれ、式(5)及び式(6)のように与えられる。 Further, the hole density p 0 and the electron density n 0 of the semiconductor film SC under the flat band condition are given by the equations (5) and (6), respectively.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、nは真性キャリア密度、Eは真性フェルミ準位、Eはフラットバンド条件でのフェルミ準位である。 Here, n i is the intrinsic carrier density, E i is the intrinsic Fermi level, and E f is the Fermi level under flat band conditions.

また、本実施形態における計算方法では、酸素欠損や不純物水素などに由来する実効的なドナー密度Nは、ポテンシャルφに依存せずに、熱処理の温度や熱処理の雰囲気(例えば、窒素ガス雰囲気、大気など)などの製造プロセスによって定められる所定値をとるものと近似する。この所定値としては、実験結果に基づいて定められる経験値を固有パラメータとして用いることができる。 In the calculation method according to the present embodiment, the effective donor density N d derived from oxygen deficiency, impurity hydrogen, or the like does not depend on the potential φ, and the heat treatment temperature or heat treatment atmosphere (for example, a nitrogen gas atmosphere, Approximate to take a predetermined value determined by the manufacturing process such as air). As this predetermined value, an empirical value determined based on an experimental result can be used as a specific parameter.

次に、キャリアを捕獲する欠陥の密度について詳しく説明する。図2はバンドギャップ中のドナー型欠陥(Deep state)とアクセプタ型欠陥(Deep state, Tail state)の状態密度を表わした図である。なお、「Deep state」とは、価電子帯上端のエネルギーEと伝導帯下端のエネルギーEとの間のエネルギー状態において、中央部のエネルギー状態をいうものである。また、「Tail state」とは、前記したエネルギー間で、価電子帯上端のエネルギーEの近傍又は伝導帯下端のエネルギーEの近傍のエネルギー状態をいうものである。 Next, the density of defects that capture carriers will be described in detail. FIG. 2 is a diagram showing the density of states of a donor type defect (Deep state) and an acceptor type defect (Deep state, Tail state) in the band gap. The “Deep state” refers to the energy state at the center in the energy state between the energy E v at the upper end of the valence band and the energy E c at the lower end of the conduction band. Further, the "Tail state", among the above-mentioned energy, is intended to refer to energy state in the vicinity of the energy E c of the near or bottom of the conduction band energy E v of the valence band upper end.

ここで、ドナー型欠陥(Deep state)の状態密度gddは、バンドギャップ中のエネルギーEの関数として、式(7)のように与えられる。 Here, the state density g dd of the donor-type defect (Deep state) is given as a function of the energy E in the band gap as shown in Expression (7).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、gdd0は価電子帯上端のエネルギーEでのドナー型欠陥(Deep state)の状態密度である。また、Eddはドナー型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数で、「Edd>kT」である。なお、kTは、室温で26meVである。 Here, g dd0 is the density of states of the donor type defects in the energy E v of the valence band maximum (Deep state). Further, E dd is the reciprocal of the gradient of the state density distribution of the donor type defect (Deep state), and “E dd > kT”. Note that kT is 26 meV at room temperature.

また、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd は、式(8)に示すように、欠陥準位の占有確率をf(E)として、式(7)に(1−f(E))を掛けて、価電子帯上端のエネルギーEから伝導帯下端のエネルギーEまで積分することにより求めることができる。なお、欠陥準位の占有確率f(E)は、式(9)のように与えられる。 Further, the density N dd + of the positively charged donor-type defect (Deep state) is expressed by (1-) in Equation (7), where f (E) is the defect level occupation probability, as shown in Equation (8). multiplied by f (E)), it can be determined by integrating the energy E v of the valence band upper end to the energy E c of the conduction band. The defect level occupation probability f (E) is given by equation (9).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、Efeはフェルミ準位である。
次に、式(8)の積分計算は数値的に行う必要があるが、「Edd>kT」であることを考慮することにより、解析的な近似解が得ることができる。この近似解の導出について説明する。
Here, E fe is the Fermi level.
Next, the integral calculation of Expression (8) needs to be performed numerically, but an analytical approximate solution can be obtained by considering that “E dd > kT”. Derivation of this approximate solution will be described.

まず、式(8)に式(7)及び式(9)を代入し、積分範囲の上端を伝導帯下端のエネルギーEから無限大に変えることで、近似式である式(A1)が得られる。 First, Expression (7) and Expression (9) are substituted into Expression (8), and the upper end of the integration range is changed from the energy E c at the lower end of the conduction band to infinity, thereby obtaining Expression (A1) which is an approximate expression. It is done.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、式(A2)のように、z、αをおくと、式(A1)は、式(A3)のように表すことができ、更に式(A4)のように近似することができる。   Here, when z and α are set as in the formula (A2), the formula (A1) can be expressed as in the formula (A3) and further approximated as in the formula (A4).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、α>1(Edd>kT)のとき、式(A5)の関係が成立するから、式(A4)は、式(A6)のようになる。 Here, when α> 1 (E dd > kT), since the relationship of the equation (A5) is established, the equation (A4) becomes the equation (A6).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、式(A6)に、式(A7)に示した関係式を代入することで、式(A8)が得られる。   Here, the formula (A8) is obtained by substituting the relational expression shown in the formula (A7) into the formula (A6).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

また、式(A9)に示すように、式(A8)において、ポテンシャルφ=0とした場合が、半導体膜SCのフラットバンド条件での正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 である。 Further, as shown in the formula (A9), in the formula (A8), when the potential φ = 0, the density N dd0 of the positively charged donor-type defect (Deep state) under the flat band condition of the semiconductor film SC. + .

Figure 2014045050
Figure 2014045050

従って、式(A9)を用いることにより、式(A8)は式(10)のように表すことができる。本実施形態では、式(8)に示した正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd の近似式として、式(10)を用いるものである。 Therefore, by using the formula (A9), the formula (A8) can be expressed as the formula (10). In this embodiment, Expression (10) is used as an approximate expression of the density N dd + of the positively charged donor-type defect (Deep state) shown in Expression (8).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

また、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度gadは、式(11)のように与えられる。 Further, the state density g ad of the acceptor type defect (Deep state) is given by the equation (11).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、gad0は伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度、Eadはアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数であり、「Ead>kT」である。 Here, g ad0 is the state density of the acceptor type defect (Deep state) at the energy E c at the lower end of the conduction band, E ad is the reciprocal of the slope of the state density distribution of the acceptor type defect (Deep state), and “E ad > KT ”.

また、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad は、式(12)に示すように、式(11)に欠陥準位の占有確率f(E)を掛けて、価電子帯上端のエネルギーEから伝導帯下端のエネルギーEまで積分することにより求めることができる。 Further, the density N ad of acceptor defects (Deep state) charged negatively is obtained by multiplying the equation (11) by the defect level occupation probability f (E) as shown in the equation (12). it can be determined by integrating the energy E v band upper end to the energy E c of the conduction band.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

式(8)に示した積分計算と同様に、式(12)の積分計算も数値的に行う必要があるが、「Ead>kT」であることを考慮することにより、解析的な近似解を得ることができる。この近似解の導出について説明する。 Similar to the integral calculation shown in equation (8), the integral calculation in equation (12) also needs to be performed numerically, but by considering that “E ad > kT”, an analytical approximate solution Can be obtained. Derivation of this approximate solution will be described.

まず、式(12)に式(9)及び式(11)を代入することで、式(B1)が得られ、更に、積分範囲の下端を価電子帯上端のエネルギーEからマイナス無限大に変えることで、近似式である式(B2)が得られる。 First, by substituting Equation (9) and Equation (11) into Equation (12), Equation (B1) is obtained, and further, the lower end of the integration range is changed from the energy E v at the upper end of the valence band to minus infinity. By changing, the approximate expression (B2) is obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、式(B3)に示すように、z、αをおくと、式(B2)は、式(B4)のように表すことができ、更に、積分範囲の上端を無限大に変えることで、近似式である式(B5)が得られる。なお、式(B3)のz及びαは、前記した式(A2)のz及びαとは異なるものである。   Here, as shown in Expression (B3), when z and α are set, Expression (B2) can be expressed as Expression (B4), and further, by changing the upper end of the integration range to infinity. Then, an approximate expression (B5) is obtained. Note that z and α in the formula (B3) are different from z and α in the formula (A2).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、α>1(Ead>kT)のとき、式(B6)の関係が成立するから、式(B5)は、式(B7)のようになる。 Here, when α> 1 (E ad > kT), since the relationship of the equation (B6) is established, the equation (B5) becomes the equation (B7).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、式(B7)に、式(B8)に示した関係式を代入することで、式(B9)が得られる。   Here, the formula (B9) is obtained by substituting the relational expression shown in the formula (B8) into the formula (B7).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

また、式(B10)に示すように、式(B9)において、ポテンシャルφ=0とした場合が、半導体膜SCのフラットバンド条件での負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 である。 Further, as shown in the formula (B10), in the formula (B9), when the potential φ = 0, the density N ad0 of the negatively charged acceptor type defect (Deep state) under the flat band condition of the semiconductor film SC. - .

Figure 2014045050
Figure 2014045050

従って、式(B10)を用いることにより、式(B9)は式(13−1)のように表すことができる。更に本実施形態では、式(4−2)に示した電子密度nと同様に、熱的に非平衡状態の系に適用可能とするために、電子の擬フェルミポテンシャルφを考慮して、式(13−1)におけるポテンシャルφを(φ−φ)に置き換えた式(13−2)を、式(12)に示した負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad の近似式として用いる。 Therefore, by using the formula (B10), the formula (B9) can be expressed as the formula (13-1). Furthermore, in the present embodiment, in order to be applicable to a system in a thermally non-equilibrium state, similarly to the electron density n shown in the equation (4-2), the electron pseudo-Fermi potential φ n is considered, Equation (13-2) in which the potential φ in Equation (13-1) is replaced by (φ−φ n ) is replaced by the density N ad − of the negatively charged acceptor type defect (Deep state) shown in Equation (12). It is used as an approximate expression.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

また、アクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度gatは、式(14)のように与えられる。 Further, the state density g at the acceptor-type defects (Tail state) is given by equation (14).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、gat0は伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度、Eatはアクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度分布の傾きの逆数であり、「Eat<kT」である。 Here, g at0 is the state density of the acceptor type defect (Tail state) at the lower end of the conduction band, E at is the reciprocal of the slope of the state density distribution of the acceptor type defect (Tail state), and “E at <kT” is there.

また、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat は、式(15)に示すように、式(14)に、式(9)に示した欠陥準位の占有確率f(E)を掛けて、価電子帯上端のエネルギーEから伝導帯下端のエネルギーEまで積分することにより求めることができる。 Further, the density N at of the negatively charged acceptor type defect (Tail state) is expressed by the equation (14), the occupation probability f () of the defect level shown in the equation (9), as shown in the equation (15). E) the multiplied, it can be determined by integrating the energy E v of the valence band upper end to the energy E c of the conduction band.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

式(8)及び式(12)に示した積分計算と同様に、式(15)の積分計算も数値的に行う必要があるが、「Eat<kT」であることを考慮することにより、解析的な近似解を得ることができる。この近似解の導出について説明する。 Similar to the integral calculation shown in equations (8) and (12), the integral calculation in equation (15) also needs to be done numerically, but by considering that “E at <kT”, An analytical approximate solution can be obtained. Derivation of this approximate solution will be described.

まず、式(15)に式(9)及び式(14)を代入することにより式(C1)が得られ、更に、積分範囲の下端を価電子帯上端のエネルギーEからマイナス無限大に変えることで、近似式である式(C2)が得られる。 First, formula (C1) is obtained by substituting equation (9) and (14) into equation (15), further changes to minus infinity to the lower end of the integration range from the energy E v of the valence band maximum Thus, an expression (C2) that is an approximate expression is obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、アクセプタ型欠陥のTail stateの状態密度は、伝導帯下端のエネルギーEの近くのみで高い値をとるので、式(C2)の積分を行う際は、式(9)で表される占有確率f(E)を式(3)のように近似することができる。 Here, since the state density of the tail state of the acceptor type defect takes a high value only near the energy E c at the lower end of the conduction band, the integration of the equation (C2) is expressed by the equation (9). Occupancy probability f (E) can be approximated as shown in equation (3).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

従って、式(C2)は、更に、式(C4)に示すように近似でき、その結果として式(C5)が得られる。   Therefore, the equation (C2) can be further approximated as shown in the equation (C4), and as a result, the equation (C5) is obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、式(C5)に式(C6)の関係式を代入することで、式(C7)が得られ、更に、変形すると式(C8)が得られる。   Here, by substituting the relational expression of the formula (C6) into the formula (C5), the formula (C7) is obtained, and further transformed, the formula (C8) is obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

また、式(C9)に示すように、式(C8)において、ポテンシャルφ=0とした場合が、半導体膜SCのフラットバンド条件での負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 である。 Further, as shown in the formula (C9), in the formula (C8), when the potential φ = 0, the density N at0 of the negatively charged acceptor type defect (Tail state) under the flat band condition of the semiconductor film SC. - .

Figure 2014045050
Figure 2014045050

従って、式(C9)を用いることにより、式(C8)は式(16−1)のように表すことができる。更に本実施形態では、式(4−2)に示した電子密度nと同様に、熱的に非平衡状態の系に適用可能とするために、電子の擬フェルミポテンシャルφを考慮して、式(16−1)におけるポテンシャルφを(φ−φ)に置き換えた式(16−2)を、式(15)に示した負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat の近似式として用いる。 Therefore, by using the formula (C9), the formula (C8) can be expressed as the formula (16-1). Furthermore, in the present embodiment, in order to be applicable to a system in a thermally non-equilibrium state, similarly to the electron density n shown in the equation (4-2), the electron pseudo-Fermi potential φ n is considered, The equation (16-2) in which the potential φ in the equation (16-1) is replaced with (φ−φ n ) is replaced by the density N at − of the negatively charged acceptor type defect (Tail state) shown in the equation (15). It is used as an approximate expression.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

[フラットバンド条件でのフェルミ準位の計算]
次に、半導体膜SCの電気的中性条件に基づいて、フラットバンド条件でのフェルミ準位Eを計算するプロセスについて説明する。
[Calculation of Fermi level under flat band condition]
Next, a process for calculating the Fermi level E f under the flat band condition based on the electrical neutral condition of the semiconductor film SC will be described.

ここで、図3を参照して、フラットバンド条件について説明する。フラットバンド条件とは、図3に示すように、TFTのエネルギーバンド図において、半導体膜SCにおけるエネルギーバンドが曲がらず、フラットになる条件のことである。ゲート電極Gである金属の仕事関数と半導体膜SCの仕事関数とが等しく、かつ、ゲート絶縁膜IN中に電荷が存在しない場合、フラットバンド条件においては、ゲート電極Gである金属のフェルミ準位Efmと、半導体膜SCのフェルミ順位Efsとが等しくなる。 Here, the flat band condition will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the flat band condition is a condition in which the energy band in the semiconductor film SC does not bend and becomes flat in the TFT energy band diagram. When the work function of the metal that is the gate electrode G is equal to the work function of the semiconductor film SC and no electric charge is present in the gate insulating film IN, the Fermi level of the metal that is the gate electrode G is obtained under flat band conditions. E fm is equal to the Fermi rank E fs of the semiconductor film SC.

また、ゲート電極Gである金属の仕事関数と半導体膜SCの仕事関数との間に差がある場合や、ゲート絶縁膜IN中に電荷がある場合に、これらによって生じる半導体膜SC中のエネルギーバンドの曲がりを補償して、エネルギーバンドをフラットにするのに必要なゲート電圧Vがフラットバンド電圧Vfbである。 Further, when there is a difference between the work function of the metal that is the gate electrode G and the work function of the semiconductor film SC, or when there is a charge in the gate insulating film IN, the energy band in the semiconductor film SC that is generated by these. bending to compensate for the gate voltage V g necessary for the energy band in the flat is flat band voltage V fb.

フェルミ準位Eを計算するプロセスについて説明を続ける。
式(2)に、式(3)、式(4−2)、式(10)、式(13−2)及び式(16−2)を代入して、フラットバンド条件「φ=0」において、半導体膜SCにおける電気的中性条件である「ρ=0」及び「φ=0」とすることで、式(17)が得られる。
The process of calculating the Fermi level E f will be continued.
Substituting Equation (3), Equation (4-2), Equation (10), Equation (13-2), and Equation (16-2) into Equation (2), the flat band condition “φ = 0” By setting “ρ = 0” and “φ n = 0”, which are electrical neutral conditions in the semiconductor film SC, Expression (17) is obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

そして、式(17)に、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)を代入すると、式(18)が得られる。   Then, when Expression (5), Expression (6), Expression (A9), Expression (B10), and Expression (C9) are substituted into Expression (17), Expression (18) is obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、価電子帯上端のエネルギーEでのドナー型欠陥(Deep state)の状態密度gdd0、ドナー型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Edd、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度gad0、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Ead、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度gat0、アクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度分布の傾きの逆数Eat、実効的なドナー密度N、真性キャリア密度n、真性フェルミ準位E、価電子帯上端のエネルギーE及び伝導帯下端のエネルギーEは、デバイスの設計値であるデバイスパラメータ又は用いる材料に固有の固有パラメータとして与えられる。また、絶対温度Tは、任意の値(例えば、300K)を設定することができる。従って、式(18)において未知数はフェルミ準位Eのみである。 Here, the state density g dd0 of the donor type defect (Deep state) at the energy E v at the upper end of the valence band, the reciprocal number E dd of the state density distribution of the donor type defect (Deep state), and the energy E at the lower end of the conduction band the state density g ad0 of the acceptor-type defects in the c (Deep state), the acceptor-type defects (Deep state) inverse of the slope E ad state density distribution, the acceptor-type defects in the energy E c of the conduction band minimum (Tail state) State density g at0 , acceptor type defect (Tail state) state density distribution reciprocal number E at , effective donor density N d , intrinsic carrier density n i , intrinsic Fermi level E i , top of valence band The energy E v and the energy E c at the lower end of the conduction band are given as device parameters that are design values of the device or intrinsic parameters specific to the material used. The absolute temperature T can be set to an arbitrary value (for example, 300K). Therefore, in Equation (18), the only unknown is the Fermi level E f .

そこで、フェルミ準位Eの方程式である式(18)について、例えば、反復計算を用いた求根アルゴリズムであるニュートン法や二分法などの公知の手法により数値解析することで、フラットバンド条件でのフェルミ準位Eを算出することができる。 Therefore, by performing numerical analysis on the equation (18), which is an equation of the Fermi level E f , for example, by a known method such as Newton method or bisection method, which is a root finding algorithm using iterative calculation, under flat band conditions The Fermi level E f of can be calculated.

[フラットバンド条件での電荷担体密度の計算]
次に、式(18)から算出したフェルミ準位Eを、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)に代入することで、半導体膜SCのフラットバンド条件での電荷担体密度として、ホール密度p、電子密度n、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 が得られる。そして、これらの電荷担体密度を用いて、ポテンシャル分布の計算を行う。
[Calculation of charge carrier density under flat band conditions]
Next, by substituting the Fermi level E f calculated from the equation (18) into the equations (5), (6), (A9), (B10), and (C9), the semiconductor film SC As the charge carrier density under the flat band condition, the hole density p 0 , the electron density n 0 , the positively charged donor type defect (Deep state) density N dd0 + , the negatively charged acceptor type defect (Deep state) Density N ad0 and negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 are obtained. The potential distribution is calculated using these charge carrier densities.

[ポテンシャル分布の計算]
式(1)に示したポアソン方程式は、差分化することで、例えば、直接法であるガウスの消去法や、反復法であるヤコビ法などの公知の手法を用いた数値解析によって、その解を求めることができる。これによって、x方向(深さ方向)のポテンシャル分布の算出を行うことができる。
[Calculation of potential distribution]
The Poisson equation shown in the equation (1) is differentiated, and the solution is obtained by numerical analysis using a known method such as a Gaussian elimination method that is a direct method or a Jacobian method that is an iterative method. Can be sought. Thereby, the potential distribution in the x direction (depth direction) can be calculated.

ここで、差分化するために、半導体膜SCにおいて、数値解析をする際に、例えば等間隔メッシュを仮定して、そのメッシュ幅をΔxとして、ポテンシャル分布φ(x)を、Δx単位で離散化した数値関数として取り扱うこととする。その結果、数値解析によって、ポテンシャル分布φ(x)は、{φ(0),φ(Δx),φ(2Δx),・・・,φ(tsc)}という数値関数(数列)として算出される。 Here, in order to make a difference, when performing numerical analysis in the semiconductor film SC, for example, assuming an equally spaced mesh, the mesh width is Δx, and the potential distribution φ (x) is discretized in units of Δx. Will be treated as a numerical function. As a result, the potential distribution φ (x) is calculated as a numerical function (sequence) of {φ (0), φ (Δx), φ (2Δx),..., Φ (t sc )} by numerical analysis. The

ここで、図4を参照して、ポアソン方程式を解く際の境界条件について説明する。
まず、ゲート電極Gにおけるポテンシャルφは、ゲート−ソース間電圧Vgsとフラットバンド電圧Vfbとの差「Vgs−Vfb」とする。また、ゲート絶縁膜INと半導体膜SCとの界面(x=0)において、電束密度が連続となるようにする。更にまた、「x>tsc」となる領域、すなわち半導体膜SCの上面側(図1参照)に、十分に厚い絶縁膜層があるものと仮定し、x=tscにおいて電界Eがほぼゼロとなるようにする。
Here, with reference to FIG. 4, the boundary condition at the time of solving a Poisson equation is demonstrated.
First, the potential φ at the gate electrode G is defined as a difference “V gs −V fb ” between the gate-source voltage V gs and the flat band voltage V fb . In addition, the electric flux density is made continuous at the interface (x = 0) between the gate insulating film IN and the semiconductor film SC. Furthermore, assuming that there is a sufficiently thick insulating film layer in a region where “x> t sc ”, that is, the upper surface side of the semiconductor film SC (see FIG. 1), the electric field E is almost zero at x = t sc . To be.

[キャリア密度分布の計算]
半導体膜SC中のキャリア密度分布は、ポアソン方程式を解いて得られるポテンシャル分布から計算することができる。
式(4−2)において、位置xにおけるポテンシャルをφ(x)とすると、位置xにおけるキャリア密度(電子密度)n(x)は、式(19)で与えられる。
[Calculation of carrier density distribution]
The carrier density distribution in the semiconductor film SC can be calculated from the potential distribution obtained by solving the Poisson equation.
In Expression (4-2), when the potential at the position x is φ (x), the carrier density (electron density) n (x) at the position x is given by Expression (19).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

[キャリア面密度の計算]
キャリア面密度Nは、式(20)に示すように、キャリア密度n(x)を、厚さ方向にx=0からx=tscまで積分することにより算出することができる。
[Calculation of carrier surface density]
The carrier surface density N can be calculated by integrating the carrier density n (x) from x = 0 to x = tsc in the thickness direction, as shown in Expression (20).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

実際には、ポテンシャル分布は数値計算より得られるので、式(20)における積分は解析的には行うことができない。従って、半導体膜SCにおいて、数値計算をする際に等間隔メッシュを仮定して、そのメッシュ幅をΔxとすると、キャリアの面密度Nは、式(21)のようにして算出することができる。   Actually, since the potential distribution is obtained by numerical calculation, the integration in Expression (20) cannot be performed analytically. Therefore, in the semiconductor film SC, assuming an equally spaced mesh when performing numerical calculation, and assuming that the mesh width is Δx, the surface density N of carriers can be calculated as shown in Equation (21).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

[ドレイン電流の計算]
ドレイン電流Iは、式(23)に示すように、拡散電流成分Idiffと、ドリフト電流成分Idriftの和として与えられる。ここで、チャネル長方向であるy方向において、ソース端をy=0とし、ドレイン端をy=Lとし、y方向の電界がx方向(深さ方向)について一定であると近似すると、拡散電流成分Idiff及びドリフト電流成分Idriftは、それぞれ式(24)及び式(25)のように表すことができる。
式(24)において、N(y)はチャネル長方向の位置yにおけるキャリアの面密度であり、式(25)において、φ(y)は位置yにおけるゲート絶縁膜INと半導体膜SCとの界面(x=0)におけるポテンシャル(表面ポテンシャル)である。
[Calculation of drain current]
The drain current I d is given as the sum of the diffusion current component I diff and the drift current component I drift as shown in Expression (23). Here, in the y direction which is the channel length direction, if the source end is set to y = 0, the drain end is set to y = L, and the electric field in the y direction is approximated in the x direction (depth direction), the diffusion current is approximated. The component I diff and the drift current component I drift can be expressed as Equation (24) and Equation (25), respectively.
In Expression (24), N (y) is the surface density of carriers at the position y in the channel length direction. In Expression (25), φ s (y) is the relationship between the gate insulating film IN and the semiconductor film SC at the position y. This is the potential (surface potential) at the interface (x = 0).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

まず、式(24)に示した拡散電流成分Idiffをyについて積分すると、式(26)のようになる。ここで、Nは、y=Lにおけるキャリア面密度、Nは、y=0におけるキャリア面密度である。そして、拡散電流成分Idiffは、式(27)のように与えられる。
式(27)において、Q及びQは、それぞれ、y=L及びy=0におけるキャリア面電荷密度であり、Q=−qN、Q=−qNの関係が成り立つ。
First, when the diffusion current component I diff shown in Expression (24) is integrated with respect to y, Expression (26) is obtained. Here, N L is the carrier surface density at y = L, and N 0 is the carrier surface density at y = 0. The diffusion current component I diff is given as shown in Expression (27).
In Expression (27), Q L and Q 0 are carrier surface charge densities at y = L and y = 0, respectively, and a relationship of Q 0 = −qN 0 and Q L = −qN L is established.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

次に、式(25)に示したドリフト電流成分Idriftをyについて積分すると、式(28)のようになる。ここで、φsL及びφs0は、それぞれ、y=L及びy=0におけるゲート絶縁膜INと半導体膜SCとの界面(x=0)のポテンシャルである。そして、ドリフト電流成分Idriftは、式(29)のように与えられる。
なお、このとき、Q=−qNの関係を用いた。
Next, when the drift current component I drift shown in Expression (25) is integrated with respect to y, Expression (28) is obtained. Here, φ sL and φ s0 are potentials at the interface (x = 0) between the gate insulating film IN and the semiconductor film SC at y = L and y = 0, respectively. The drift current component I drift is given by the equation (29).
At this time, the relationship of Q = −qN was used.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

式(27)及び式(29)を式(23)に代入することで、ドレイン電流Iは、式(30)のように表すことができる。式(30)において、右辺の第一項は拡散電流成分を表し、第二項はドリフト電流を表す。 By substituting Equation (27) and Equation (29) into Equation (23), the drain current I d can be expressed as Equation (30). In Expression (30), the first term on the right side represents the diffusion current component, and the second term represents the drift current.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

式(30)中の第二項の積分計算は、具体的には、式(31)によって行う。すなわち、キャリア面電荷密度Q及びポテンシャルφを、それぞれy方向について離散化した関数に置き換えて、式(31)に示すように、キャリア面電荷密度Qとポテンシャルφの差分との積和演算を行うことで、積分値を算出することができる。
式(31)において、mは正の整数であり、関数をy方向に離散化する際のドレイン−ソース間電圧Vdsの分割数を示す。mを大きな値にするほど、離散化した関数の間隔が小さくなり、元の連続関数をより忠実に表現できるため、計算精度を高くすることができる。
Specifically, the integral calculation of the second term in the equation (30) is performed by the equation (31). In other words, the carrier surface charge density Q and the potential φ s are replaced with functions discretized in the y direction, respectively, and a product-sum operation between the carrier surface charge density Q and the difference between the potential φ s as shown in Expression (31). By performing the above, the integral value can be calculated.
In the formula (31), m y is a positive integer, the drain when discretizing function in the y direction - indicating the division number of the voltage V ds between source. The more the m y to a large value, the interval of discretized function is reduced, since it more faithfully represent the original continuous function, it is possible to increase the calculation accuracy.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

また、式(31)において、離散化したy方向のr番目の位置におけるキャリア面電荷密度Q及び表面ポテンシャルφsrは、まず、y方向のr番目の位置における擬フェルミポテンシャルφ(r)を式(32)に従って設定しておき、その上で式(1)に示したポアソン方程式を解いて得られるポテンシャルφ(x)を用いて計算する。計算の具体例について、この後に説明する。なお、式(32)において、ΔVdsは、式(33)で与えられ、y方向の離散化に対応した計算間隔(幅)である。また、0番目の位置はy=0の位置(ソース端)であり、m番目の位置はy=Lの位置(ドレイン端)である。 In the equation (31), the discretized carrier surface charge density Q r and surface potential φ sr at the r-th position in the y-direction are first expressed as a pseudo-Fermi potential φ n (r) at the r-th position in the y-direction. Is set according to the equation (32), and the calculation is performed using the potential φ r (x) obtained by solving the Poisson equation shown in the equation (1). A specific example of calculation will be described later. In Expression (32), ΔV ds is a calculation interval (width) given by Expression (33) and corresponding to discretization in the y direction. Further, 0-th position is the position of y = 0 (source end), m y-th position is the position of y = L (drain terminal).

次に、式(31)の計算の具体例について説明する。まず、式(33)によれば、例えば、Vds=10[V]、ΔVds=0.2[V]とした場合に、分割数m=50となり、あるゲート電圧Vにおけるドレイン電流Iを計算するために、起点を含めた51条件(φ(r)=0,0.2,0.4,0.6,・・・,9.6,9.8,10[V])でポアソン方程式を解くこととなる。そして、本例の場合は、51条件でのポアソン方程式を解くことにより、y方向の51個の位置における一次元のポテンシャルφが、離散化した関数φ(x)(rは0から50までの整数、xは0からtscまで、間隔Δxで定められる離散値)として算出される。 Next, a specific example of the calculation of Expression (31) will be described. First, according to the equation (33), for example, when V ds = 10 [V] and ΔV ds = 0.2 [V], the division number m y = 50, and the drain current at a certain gate voltage V g In order to calculate I d , 51 conditions including the starting point (φ n (r) = 0, 0.2, 0.4, 0.6,..., 9.6, 9.8, 10 [V ]) To solve the Poisson equation. In the case of this example, by solving the Poisson equation under 51 conditions, the one-dimensional potential φ at 51 positions in the y direction is converted into a discrete function φ r (x) (r is from 0 to 50). X is a discrete value determined by the interval Δx from 0 to t sc .

Figure 2014045050
Figure 2014045050

次に、ポテンシャル分布φ(x)及び擬フェルミポテンシャルφ(r)を式(19)のφ(x)及びφにそれぞれ代入することで、y方向のr番目の位置におけるキャリア密度n(x)が得られる。そして、キャリア密度n(x)を式(20)のn(x)に代入した積分計算として、式(21)の積和演算を行うことにより、y方向のr番目の位置におけるキャリア面密度Nが得られる。更に、キャリア面密度Nに負の電気素量(−q)を乗じることにより、y方向のr番目の位置におけるキャリア面電荷密度Qが得られる。 Next, by substituting the potential distribution φ r (x) and the pseudo-Fermi potential φ n (r) into φ (x) and φ n in the equation (19), respectively, the carrier density n at the r-th position in the y direction. r (x) is obtained. Then, as an integration calculation in which the carrier density n r (x) is substituted into n (x) of the equation (20), the product surface density at the r-th position in the y direction is obtained by performing the product-sum operation of the equation (21). Nr is obtained. Further, the carrier surface charge density Q r at the r-th position in the y direction is obtained by multiplying the carrier surface density N r by the negative elementary charge (−q).

y方向の位置r=0〜mについての、キャリア面電荷密度Q、及び既に算出したx=0におけるポテンシャルφ(0)であるポテンシャルφsrを、式(31)に代入することにより、式(30)の右辺第二項の積分値を得ることができる。
なお、式(30)の右辺の第一項におけるキャリア面電荷密度Q及びQは、第二項の積分計算のためのキャリア面電荷密度Qにおいて、それぞれr=0及びr=50の場合のキャリア面電荷密度として算出される値を用いることができる。
以上の計算プロセスにより、任意の大きさのドレイン−ソース間電圧Vdsに対してドレイン電流Iを算出することができる。
for the position r = 0 to m y in the y-direction, the carrier surface charge density Q r, and the potential phi r (0) is a potential phi sr at x = 0 calculated previously, by substituting the equation (31) , The integral value of the second term on the right side of Equation (30) can be obtained.
It should be noted that the carrier surface charge densities Q 0 and Q L in the first term on the right side of the equation (30) are the carrier surface charge densities Q r for the integral calculation in the second term, where r = 0 and r = 50, respectively. The value calculated as the carrier surface charge density in this case can be used.
Through the above calculation process, the drain current I d can be calculated with respect to the drain-source voltage V ds of an arbitrary magnitude.

また、このドレイン電流Iを算出の際に設定するゲート電圧Vの値を、様々に変えて、対応するドレイン電流Iを算出することにより、ドレイン電流Iのゲート電圧依存性(ドレイン電流特性)を計算することができる。同様に、ドレイン電圧Vの値を様々に変えて、ドレイン電流Iのドレイン電圧依存性を計算することもできる。
ここで、ゲート電圧Vの値は、ドレイン電流計算プロセスにおいて、ポテンシャル分布φ(x)を計算する際の境界条件を定めるために用いられる。すなわち、ゲート電極Gにおけるポテンシャルφ=Vgs−Vfb=(V−V)−Vfbを算出するために用いられる。
In addition, by changing the value of the gate voltage V g set when calculating the drain current I d in various ways and calculating the corresponding drain current I d , the gate voltage dependence of the drain current I d (drain Current characteristics) can be calculated. Similarly, the value of the drain voltage V d variously changed, it is also possible to calculate the drain voltage dependence of the drain current I d.
Here, the value of the gate voltage V g is the drain current calculation process, used to define the boundary conditions for calculating a potential distribution φ (x). That is, it is used to calculate the potential φ = V gs −V fb = (V g −V s ) −V fb at the gate electrode G.

なお、ドレイン−ソース間電圧Vdsが小さい場合(1〜数[V]程度又はそれ以下)は、チャネル長方向であるy方向に対してキャリア密度分布は緩やかに変化するとみなすことができ、式(34)の関係式を用いることができる。そして、式(34)の関係式を用いることで、式(30)は、式(35)のように近似することができる。 When the drain-source voltage V ds is small (about 1 to several [V] or less), the carrier density distribution can be regarded as gradually changing with respect to the y direction which is the channel length direction. The relational expression (34) can be used. Then, by using the relational expression of Expression (34), Expression (30) can be approximated as Expression (35).

Figure 2014045050
Figure 2014045050

式(35)の適用範囲は、ドレイン−ソース間電圧Vdsが、1〜数[V]程度又はそれ以下の電圧に限られるが、あるゲート電圧Vにおけるドレイン電流Iを計算するためには、ソース端(y=0、φ=0)及びドレイン端(y=L、φ=Vds)の2条件でのみ、ポアソン方程式を解けばよい。すなわち、半導体膜SCのチャネル長方向の両端であるソース端及びドレイン端の2箇所における一次元のポテンシャルφを算出すればよい。このため、式(30)を用いる場合に比べて、短時間でドレイン−ソース電圧Vdsが前記した低電圧におけるドレイン電流Iを算出することができる。 The range of application of Equation (35) is that the drain-source voltage V ds is limited to a voltage of about 1 to several [V] or less, but for calculating the drain current I d at a certain gate voltage V g . Can solve the Poisson equation only under the two conditions of the source end (y = 0, φ n = 0) and the drain end (y = L, φ n = V ds ). That is, the one-dimensional potential φ at two locations of the source end and the drain end, which are both ends in the channel length direction of the semiconductor film SC, may be calculated. Therefore, the drain current I d when the drain-source voltage V ds is the above-described low voltage can be calculated in a shorter time compared to the case where the equation (30) is used.

また、更に近似を進めて、ソース端及びドレイン端におけるキャリア面電荷密度Q,Q及び表面ポテンシャルφs0,φsLに対して、それぞれ式(36)及び式(37)に示す関係があるものとする。これらの関係式を式(35)に代入することで、式(38)の近似式を得ることができる。 Further, the approximation is further advanced, and there are relationships shown in the equations (36) and (37) with respect to the carrier surface charge densities Q 0 and Q L and the surface potentials φ s0 and φ sL at the source end and the drain end, respectively. Shall. By substituting these relational expressions into Expression (35), an approximate expression of Expression (38) can be obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

ここで、ソース端(y=0)におけるキャリア面密度をNとすると、式(39)の関係が成り立つ。そして、式(39)を式(38)に代入することで、式(40)の近似式を得ることができる。 Here, when the carrier surface density at the source end (y = 0) is N 0 , the relationship of Expression (39) is established. Then, by substituting equation (39) into equation (38), an approximate equation of equation (40) can be obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

式(40)に示した近似式を用いてドレイン電流Iを計算する場合には、ソース端におけるキャリア面密度Nを算出するために、ソース端(y=0、φ=0)でのみ、ポアソン方程式を解けばよい。すなわち、ソース端における一次元のポテンシャルφを算出すればよい。このため、式(35)を用いる場合よりも、更に短時間でドレイン電流Iを算出することができる。 When the drain current I d is calculated using the approximate expression shown in the equation (40), in order to calculate the carrier surface density N 0 at the source end, at the source end (y = 0, φ n = 0). Only solve the Poisson equation. That is, a one-dimensional potential φ at the source end may be calculated. Therefore, as compared with the case of using the equation (35) can calculate the drain current I d in a shorter time.

(寄生抵抗の影響)
また、図5に示すように、トランジスタに寄生抵抗がある場合、すなわち、寄生抵抗の影響を無視することができない場合には、その影響を考慮してドレイン電流Iを計算する必要がある。なお、図5に示した例では、ソース電極側とドレイン電極側とに、同じ抵抗値Rの寄生抵抗があるものと仮定している。
(Influence of parasitic resistance)
Further, as shown in FIG. 5, if there is a parasitic resistance in the transistor, that is, when it is impossible to ignore the influence of the parasitic resistance, it is necessary to calculate the drain current I d in consideration of the influence. In the example shown in FIG. 5, it is assumed that the source electrode side and the drain electrode side have parasitic resistances having the same resistance value R.

寄生抵抗Rにドレイン電流Iが流れることにより、電圧降下が生じるため、実際にトランジスタのドレイン−ソース間に印加される電圧は、端子間であるドレイン電極Dとソース電極S(図1参照)との間に印加した電圧(Vds)よりも小さくなる。ここで、実際にトランジスタに印加されるドレイン−ソース間電圧をVds−effとし、寄生抵抗の大きさをRとすると、図5から分かるように、式(41)の関係が成り立つ。
また、式(40)に示したドレイン電流Iの算出式において寄生抵抗の影響を考慮すると、式(40)は、ドレイン−ソース間電圧Vdsを実効的なドレイン−ソース間電圧Vds−effに代えて、式(42)にように表すことができる。
そして、式(42)に、式(41)を代入して整理することで、ドレイン−ソース間電圧Vdsと実効的なドレイン−ソース間電圧Vds−effとの関係を示す式(43)が得られる。
Since the drain current Id flows through the parasitic resistance R, a voltage drop occurs. Therefore, the voltage actually applied between the drain and source of the transistor is the drain electrode D and the source electrode S (see FIG. 1) between the terminals. It becomes smaller than the voltage ( Vds ) applied between. Here, assuming that the drain-source voltage actually applied to the transistor is V ds -eff and the magnitude of the parasitic resistance is R, the relationship of Expression (41) is established as can be seen from FIG.
Further, in consideration of the influence of the parasitic resistance in the calculation formula of the drain current I d shown in the formula (40), the formula (40) shows that the drain-source voltage V ds is an effective drain-source voltage V ds-. Instead of eff , it can be expressed as in equation (42).
Then, by substituting Equation (41) into Equation (42) and rearranging, Equation (43) showing the relationship between the drain-source voltage Vds and the effective drain-source voltage Vds-eff. Is obtained.

Figure 2014045050
Figure 2014045050

寄生抵抗の影響を考慮する場合は、式(32)及び式(33)により擬フェルミポテンシャルφ(r)を算出する際に、ドレイン−ソース間電圧Vdsを、式(43)を用いて算出される実効的なドレイン−ソース間電圧Vds−effに置き換えて算出する。そして、この擬フェルミポテンシャルφ(r)を用いてポアソン方程式を解くことで、寄生抵抗の影響をポテンシャル分布の計算に取り入れることができる。 When considering the influence of the parasitic resistance, when calculating the pseudo-Fermi potential φ n (r) using the equations (32) and (33), the drain-source voltage V ds is calculated using the equation (43). The calculation is performed by replacing the calculated effective drain-source voltage V ds-eff . Then, by solving the Poisson equation using this pseudo-Fermi potential φ n (r), the influence of the parasitic resistance can be taken into the calculation of the potential distribution.

次に、図6を参照(適宜図1参照)して、前記した本発明におけるドレイン電流の計算方法を用いて、ドレイン電流のシミュレーションを行うドレイン電流のシミュレーション装置(以下、適宜シミュレーション装置という)について説明する。   Next, referring to FIG. 6 (refer to FIG. 1 as appropriate), a drain current simulation apparatus (hereinafter referred to as a simulation apparatus as appropriate) that performs drain current simulation using the drain current calculation method of the present invention described above. explain.

[シミュレーション装置の構成]
図6に示すように、本実施形態におけるシミュレーション装置(ドレイン電流のシミュレーション装置)1は、デバイスパラメータ入力手段10、フェルミ準位演算手段11、電荷担体密度演算手段12、計算範囲設定手段13、ポテンシャル分布演算手段14、キャリア密度分布演算手段15、キャリア面密度演算手段16、ドレイン電流演算手段17、パラメータ記憶手段18、電荷担体密度記憶手段19及びドレイン電流記憶手段20を備えて構成されている。
[Configuration of simulation device]
As shown in FIG. 6, the simulation apparatus (drain current simulation apparatus) 1 in this embodiment includes a device parameter input means 10, a Fermi level calculation means 11, a charge carrier density calculation means 12, a calculation range setting means 13, a potential. A distribution calculating means 14, a carrier density distribution calculating means 15, a carrier surface density calculating means 16, a drain current calculating means 17, a parameter storing means 18, a charge carrier density storing means 19 and a drain current storing means 20 are provided.

なお、シミュレーション装置1は、専用のハードウェアによって構成することもできるが、パソコン(パーソナルコンピュータ)などの一般的なコンピュータに、ドレイン電流を計算するための前記した各手段を実現するプログラム(ドレイン電流のシミュレーションプログラム)を実行させることによって実現することができる。本実施形態は、パソコンにドレイン電流のシミュレーションプログラムを実行させてドレイン電流のシミュレーション装置1を実現するものである。
以下、各手段について詳細に説明する。
The simulation apparatus 1 can be configured by dedicated hardware, but a program (drain current) that realizes the above-described means for calculating the drain current in a general computer such as a personal computer (personal computer). This can be realized by executing the simulation program. In the present embodiment, a drain current simulation apparatus 1 is realized by causing a personal computer to execute a drain current simulation program.
Hereinafter, each means will be described in detail.

デバイスパラメータ入力手段10は、不図示のキーボードなどの入力手段を介して、ドレイン電流Iの計算に必要なデバイスの構成や特性値を示すパラメータであるデバイスパラメータを入力するものである。デバイスパラメータ入力手段10は、入力したデバイスパラメータを、パラメータ記憶手段18に記憶する。 Device parameter input means 10, via an input means such as a keyboard (not shown), and inputs the device parameters is a parameter indicating the structure and characteristic values of the devices required for the calculation of the drain current I d. The device parameter input unit 10 stores the input device parameters in the parameter storage unit 18.

入力するデバイスパラメータとしては、半導体膜SCの厚さtsc、ゲート絶縁膜INの厚さtin、チャネル長L、チャネル幅W、価電子帯上端のエネルギーEでのドナー型欠陥(Deep state)の状態密度gdd0、ドナー型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Edd、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度gad0、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Ead、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥の状態密度(Tail state)gat0、アクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度分布の傾きの逆数Eat、フラットバンド電圧Vfb及び実効的なドナー密度Nが挙げられる。 The device parameters to be input, the thickness t sc of the semiconductor film SC, the gate thickness t in the insulating film IN, the channel length L, the channel width W, the donor type defects (Deep state of the energy E v of the valence band maximum ) State density g dd0 , donor-type defect (Deep state) state density distribution reciprocal E dd , acceptor-type defect state density g ad0 at the conduction band bottom energy E c , acceptor-type defect (Deep state) inverse of the slope E ad state density distribution of the slope of the density of states distribution in the density of states of the acceptor-type defects in the energy E c of the conduction band minimum (Tail state) g at0, the acceptor-type defects (Tail state) inverse E at the include flat band voltage V fb and effective donor density N d.

また、本実施形態では、半導体膜SCについての真性フェルミ準位E、真性キャリア密度n、価電子帯上端のエネルギーE、伝導帯下端のエネルギーE、移動度μ、誘電率εsc及びゲート絶縁膜INの誘電率εinは、用いる材料に固有の固有パラメータとして、固定値を予めパラメータ記憶手段18に記憶しておく。更に、計算条件の一つであるソース電圧Vは、例えば、予め定められた値(例えば、0[V])を、パラメータ記憶手段18に記憶しておく。
以下、デバイスパラメータ、固有パラメータなどを合わせて、適宜「デバイスパラメータ等」という。
In the present embodiment, the intrinsic Fermi level E i , intrinsic carrier density n i , valence band upper end energy E v , conduction band lower end energy E c , mobility μ, dielectric constant ε sc for the semiconductor film SC. The dielectric constant ε in of the gate insulating film IN is stored in advance in the parameter storage means 18 as a unique parameter unique to the material used. Further, for the source voltage V s which is one of the calculation conditions, for example, a predetermined value (for example, 0 [V]) is stored in the parameter storage unit 18.
Hereinafter, the device parameters, unique parameters, and the like are collectively referred to as “device parameters”.

また、デバイスパラメータ入力手段10は、デバイスパラメータを、前記したキーボードのほか、光ディスクや磁気ディスク、フラッシュメモリなどの記憶媒体を介して入力するようにしてもよいし、LAN(Local Area Network)などの通信回線を介して入力するようにしてもよい。   The device parameter input means 10 may input device parameters via a storage medium such as an optical disk, a magnetic disk, or a flash memory in addition to the keyboard described above, or a LAN (Local Area Network) or the like. You may make it input via a communication line.

フェルミ準位演算手段11は、パラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、半導体膜SCのフラットバンド条件でのフェルミ準位Eを算出し、算出したフェルミ準位Eを電荷担体密度演算手段12に出力するものである。 The Fermi level calculation means 11 calculates the Fermi level E f under the flat band condition of the semiconductor film SC using the device parameters and the like stored in the parameter storage means 18, and uses the calculated Fermi level E f This is output to the charge carrier density calculating means 12.

具体的には、フェルミ準位演算手段11は、前記した式(18)にデバイスパラメータ等を代入し、式(18)をニュートン法や二分法などにより数値解析することによって、半導体膜SCのフェルミ準位Eを算出する。 Specifically, the Fermi level calculation means 11 substitutes device parameters and the like into the above equation (18), and numerically analyzes the equation (18) by the Newton method, the bisection method, or the like, thereby obtaining the Fermi level of the semiconductor film SC. The level E f is calculated.

電荷担体密度演算手段12は、フェルミ準位演算手段11から入力したフェルミ準位Eを用いて、半導体膜SCのフラットバンド条件における正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 、ホール密度p及び電子密度nを算出し、算出したこれらの電荷担体密度を電荷担体密度記憶手段19に記憶する。 The charge carrier density calculating means 12 uses the Fermi level E f input from the Fermi level calculating means 11, and the density N dd0 + of a positively charged donor-type defect (Deep state) in the flat band condition of the semiconductor film SC. The negatively charged acceptor type defect (Deep state) density N ad0 , the negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 , the hole density p 0 and the electron density n 0 were calculated. These charge carrier densities are stored in the charge carrier density storage means 19.

具体的には、電荷担体密度演算手段12は、フェルミ準位Eを前記した式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)に代入することで、半導体膜SCのフラットバンド条件における、それぞれ、ホール密度p、電子密度n、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 及び負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 を算出する。なお、これらの電荷担体密度の算出にデバイスパラメータ等が必要な場合は、電荷担体密度演算手段12は、適宜にパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を参照する。 Specifically, the charge carrier density calculating means 12 substitutes the Fermi level E f into the above-described equations (5), (6), (A9), (B10), and (C9). In the flat band condition of the semiconductor film SC, the hole density p 0 , the electron density n 0 , the positively charged donor-type defect (Deep state) density N dd0 + , and the negatively charged acceptor-type defect (Deep state), respectively. Density N ad0 and negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 are calculated. When device parameters or the like are required for calculating these charge carrier densities, the charge carrier density calculation unit 12 refers to the device parameters stored in the parameter storage unit 18 as appropriate.

計算範囲設定手段13は、ポアソン方程式を解いてポテンシャル分布を計算する際の、ゲート電圧Vの範囲を不図示のキーボードなどを介して入力し、ポテンシャル分布を計算する際に、入力したゲート電圧V及びドレイン電圧Vdの範囲における様々なゲート電圧V及びドレイン電圧Vdを計算条件として設定するものである。計算範囲設定手段13は、ゲート電圧V及びドレイン電圧Vdを計算条件として、ポテンシャル分布演算手段14に設定する。 Calculation range setting means 13, when calculating a potential distribution by solving the Poisson equation, the range of the gate voltage V g was entered via a keyboard (not shown), in calculating the potential distribution, entered the gate voltage Various gate voltages Vg and drain voltages Vd in the range of Vg and drain voltage Vd are set as calculation conditions. The calculation range setting unit 13 sets the gate voltage Vg and the drain voltage Vd in the potential distribution calculation unit 14 as calculation conditions.

具体的には、計算範囲設定手段13は、ゲート電圧Vの設定範囲として、ゲート電圧の初期値Vg0と、ゲート電圧の最大値Vgmaxと、ゲート電圧を変化させる間隔ΔVとを入力する。そして、計算範囲設定手段13は、入力した初期値Vg0と、最大値Vgmaxと、間隔ΔVとに基づいて、順次、Vg0,Vg0+ΔV,Vg0+2×ΔV,・・・,Vgmaxをゲート電圧Vとしてポテンシャル分布演算手段14に設定する。
同様に、ドレイン電圧Vも、ドレイン電圧Vの設定範囲として、ドレイン電圧の初期値Vd0と、ドレイン電圧の最大値Vdmaxと、ドレイン電圧を変化させる間隔ΔVとを入力する。そして、計算範囲設定手段13は、入力した初期値Vd0と、最大値Vdmaxと、間隔ΔVとに基づいて、順次、Vd0,Vd0+ΔV,Vd0+2×ΔV,・・・,Vdmaxのように変化させて、ドレイン電圧Vとしてポテンシャル分布演算手段14に設定する。
Specifically, calculation range setting unit 13, as the setting range of the gate voltage V g, the input initial value V g0 of the gate voltage, and the maximum value V gmax of the gate voltage, and a distance [Delta] V g varying the gate voltage To do. Then, the calculation range setting means 13 sequentially selects V g0 , V g0 + ΔV g , V g0 + 2 × ΔV g ,... Based on the input initial value V g0 , maximum value V gmax , and interval ΔV g. .. , V gmax is set in the potential distribution calculating means 14 as the gate voltage V g .
Similarly, the drain voltage V d, as the setting range of the drain voltage V d, and inputs the initial value V d0 of the drain voltage, and the maximum value V dmax of the drain voltage, and a distance [Delta] V d for varying the drain voltage. Then, the calculation range setting means 13 sequentially selects V d0 , V d0 + ΔV d , V d0 + 2 × ΔV d ,... Based on the input initial value V d0 , maximum value V dmax , and interval ΔV d. .. , V dmax , and set in the potential distribution calculation means 14 as the drain voltage V d .

ポテンシャル分布演算手段14は、電荷担体密度記憶手段19に記憶されている電荷担体密度及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等に基づいて、計算範囲設定手段13により設定されたゲート電圧V及びドレイン電圧Vdにおける半導体膜SCの深さ方向のポテンシャル分布φ(x)を算出し、算出したポテンシャル分布φ(x)をキャリア密度分布演算手段15に出力するものである。 The potential distribution calculation unit 14 is configured to determine the gate voltage V set by the calculation range setting unit 13 based on the charge carrier density stored in the charge carrier density storage unit 19 and the device parameters stored in the parameter storage unit 18. The potential distribution φ (x) in the depth direction of the semiconductor film SC at g and the drain voltage V d is calculated, and the calculated potential distribution φ (x) is output to the carrier density distribution calculating means 15.

具体的には、ポテンシャル分布演算手段14は、電荷担体密度として正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 、ホール密度p及び電子密度nと、必要なデバイスパラメータ等と、計算条件であるゲート電圧V及びドレイン電圧Vdとを用いて式(1)を計算する。このとき式(2)、式(3)、式(4−2)、式(10)、式(13−2)及び式(16−2)も利用する。更に、式(1)に示したポアソン方程式を差分化し、この差分化したポアソン方程式を、ガウスの消去法やヤコビ法などにより数値解析することによって、ポテンシャル分布φ(x)を算出する。 Specifically, the potential distribution calculating means 14 has a positive charge donor density (Deep state) density N dd0 + as a charge carrier density, a negative charge acceptor type defect (Deep state) density N ad0 , The density N at0 − of negatively charged acceptor type defects (Tail state), the hole density p 0 and the electron density n 0 , the necessary device parameters, etc., and the gate voltage V g and the drain voltage V d as calculation conditions To calculate equation (1). At this time, Formula (2), Formula (3), Formula (4-2), Formula (10), Formula (13-2), and Formula (16-2) are also used. Further, the Poisson equation shown in the equation (1) is differentiated, and the potential distribution φ (x) is calculated by numerically analyzing the differentiated Poisson equation by the Gaussian elimination method, the Jacobian method, or the like.

ここで、ポテンシャル分布演算手段14は、ゲート電極Gにおけるポテンシャルφ(−tin)が、ゲート−ソース間電圧Vgs(Vgs=V−V)とフラットバンド電圧Vfbとの差(Vgs−Vfb)に等しいことを境界条件として、ポテンシャル分布φ(x)を算出する。 Here, the potential distribution calculation means 14 indicates that the potential φ (−t in ) at the gate electrode G is the difference between the gate-source voltage V gs (V gs = V g −V s ) and the flat band voltage V fb ( The potential distribution φ (x) is calculated with a boundary condition equal to V gs −V fb ).

キャリア密度分布演算手段15は、式(19)に、ポテンシャル分布演算手段14から入力したポテンシャル分布φ(x)、電荷担体密度記憶手段19に記憶されている電子密度n及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を代入して、キャリア密度分布(電子密度分布)n(x)を算出する。
キャリア密度分布演算手段15は、算出したキャリア密度分布n(x)を、キャリア面密度演算手段16に出力する。
The carrier density distribution calculating unit 15 stores the potential distribution φ (x) input from the potential distribution calculating unit 14, the electron density n 0 stored in the charge carrier density storing unit 19, and the parameter storing unit 18 in Expression (19). By substituting the stored device parameters and the like, the carrier density distribution (electron density distribution) n (x) is calculated.
The carrier density distribution calculating unit 15 outputs the calculated carrier density distribution n (x) to the carrier surface density calculating unit 16.

キャリア面密度演算手段16は、キャリア密度分布演算手段15から入力したキャリア密度n(x)を、式(20)に従って、半導体膜SCの深さ方向の全範囲である下端(x=0)から上端(x=tsc)まで積分することでキャリア面密度Nを算出する。 The carrier surface density calculating unit 16 calculates the carrier density n (x) input from the carrier density distribution calculating unit 15 from the lower end (x = 0) that is the entire range in the depth direction of the semiconductor film SC according to the equation (20). The carrier surface density N is calculated by integrating up to the upper end (x = t sc ).

具体的には、キャリア面密度演算手段16は、式(21)に示したように、メッシュ幅をΔxとして数値積分によりキャリア面密度Nを算出する。
キャリア面密度演算手段16は、算出したキャリア面密度Nをドレイン電流演算手段17に出力する。
Specifically, the carrier surface density calculating unit 16 calculates the carrier surface density N by numerical integration with the mesh width as Δx, as shown in Expression (21).
The carrier surface density calculating unit 16 outputs the calculated carrier surface density N to the drain current calculating unit 17.

ドレイン電流演算手段17は、キャリア面密度演算手段16から入力したキャリア面密度Nと、パラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を、式(30)又は式(35)に代入して、ドレイン電流Iを算出する。 The drain current calculation means 17 substitutes the carrier surface density N input from the carrier surface density calculation means 16 and the device parameters stored in the parameter storage means 18 into the equation (30) or the equation (35), The drain current Id is calculated.

ドレイン電流演算手段17は、算出したドレイン電流Iを、計算条件であるゲート電圧V及びドレイン電圧Vdに対応付けて、ドレイン電流記憶手段20に記憶する。
なお、ドレイン電流演算手段17は、ドレイン電流Iを、ゲート電圧Vに代えて、ゲート−ソース間電圧Vgsに対応付けてドレイン電流記憶手段20に記憶するようにしてもよい。また、ドレイン電流演算手段17は、ドレイン電流Iを、ドレイン電圧Vdに代えて、ドレイン−ソース間電圧Vdsに対応付けてドレイン電流記憶手段20に記憶するようにしてもよい。
The drain current calculation unit 17 stores the calculated drain current I d in the drain current storage unit 20 in association with the gate voltage V g and the drain voltage V d which are calculation conditions.
The drain current calculation unit 17, the drain current I d, instead of the gate voltage V g, the gate - may be in association with the source voltage V gs is stored in the drain current storage means 20. The drain current calculation means 17, the drain current I d, instead of the drain voltage V d, the drain - may be in association with the source voltage V ds is stored in the drain current storage means 20.

パラメータ記憶手段18は、デバイスパラメータ入力手段10が入力したデバイスパラメータである半導体膜SCの厚さtsc、ゲート絶縁膜INの厚さtin、チャネル長L、チャネル幅W、価電子帯上端のエネルギーEでのドナー型欠陥(Deep state)の状態密度gdd0、ドナー型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Edd、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度gad0、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Ead、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度gat0、アクセプタ型欠陥(Tail state)の状態密度分布の傾きの逆数Eat、フラットバンド電圧Vfb及び実効的なドナー密度Nを記憶するものである。 Parameter storage means 18, the device parameter input unit 10 is a device parameters entered semiconductor film SC thickness t sc, the thickness t in the gate insulating film IN, the channel length L, the channel width W, of the valence band maximum The state density g dd0 of the donor type defect (Deep state) at the energy E v , the reciprocal E dd of the state density distribution of the donor type defect (Deep state), and the acceptor type defect (Deep) at the energy E c at the bottom of the conduction band state density g ad0 , acceptor-type defect (Deep state) state density distribution reciprocal number E ad , acceptor-type defect (Tail state) state density g at0 , acceptor-type energy density E c It stores the reciprocal number E at of the state density distribution of the defect (Tail state), the flat band voltage V fb, and the effective donor density N d .

また、パラメータ記憶手段18は、他のパラメータである半導体膜SCについての真性フェルミ準位E、真性キャリア密度n、価電子帯上端のエネルギーE、伝導帯下端のエネルギーE、移動度μ、誘電率εsc及びゲート絶縁膜INの誘電率εinを、用いる材料に固有の固有パラメータとして、それぞれに対応する固有値を予め記憶することとする。 Further, the parameter storage means 18 includes intrinsic Fermi level E i , intrinsic carrier density n i , valence band upper end energy E v , conduction band lower end energy E c , mobility of the semiconductor film SC as other parameters. It is assumed that μ, the dielectric constant ε sc, and the dielectric constant ε in of the gate insulating film IN are stored in advance as eigenvalues specific to the material to be used.

また、パラメータ記憶手段18は、他の計算条件であるソース電圧V及び絶対温度Tとして、それぞれ予め定められた値を予め記憶することとする。更にまた、定数であるボルツマン定数k及び電気素量qを予め記憶することとする。 The parameter storage unit 18 stores in advance predetermined values as the source voltage V s and the absolute temperature T, which are other calculation conditions. Furthermore, a Boltzmann constant k and an electric elementary quantity q, which are constants, are stored in advance.

パラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等は、フェルミ準位演算手段11、電荷担体密度演算手段12、ポテンシャル分布演算手段14、キャリア密度分布演算手段15、キャリア面密度演算手段16及びドレイン電流演算手段17によって、適宜参照される。   The device parameters and the like stored in the parameter storage means 18 are Fermi level calculation means 11, charge carrier density calculation means 12, potential distribution calculation means 14, carrier density distribution calculation means 15, carrier surface density calculation means 16, and drain current. Referenced by the arithmetic means 17 as appropriate.

電荷担体密度記憶手段19は、電荷担体密度演算手段12によって算出された電荷担体密度である、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 、ホール密度p及び電子密度nを記憶するものである。これらのデータは、ポテンシャル分布演算手段14、及びキャリア密度分布演算手段15によって参照される。 The charge carrier density storage means 19 is a charge carrier density calculated by the charge carrier density calculation means 12, which is a positively charged donor type defect (Deep state) density N dd0 + , a negatively charged acceptor type defect (Deep). state) density N ad0 , negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 , hole density p 0, and electron density n 0 are stored. These data are referred to by the potential distribution calculation means 14 and the carrier density distribution calculation means 15.

ドレイン電流記憶手段20は、ドレイン電流演算手段17によって算出されたドレイン電流Iを、ドレイン電流Iの計算条件であるゲート電圧V及びドレイン電圧Vdに対応付けて記憶するものである。 Drain current storage means 20, the drain current I d calculated by the drain current calculation unit 17 is configured to store in association with the drain current I gate voltage is calculated condition d V g and the drain voltage V d.

ドレイン電流記憶手段20に記憶されたドレイン電流Iは、例えば、TFTの特性値である閾値電圧Vthやサブスレッショールド係数(S値)などの計算のために利用される。また、不図示のグラフ描画手段によって、コンピュータに接続された表示手段や印刷手段に出力され、ドレイン電流特性としてグラフ表示することもできる(例えば、図8〜図11参照)。 The drain current I d which are stored in the drain current storage means 20, for example, the threshold voltage V th and the sub-threshold coefficient which is a characteristic value of the TFT (S value) is utilized for the calculation of such. In addition, the graph drawing means (not shown) can be output to display means or printing means connected to the computer and displayed as a graph of drain current characteristics (see, for example, FIGS. 8 to 11).

なお、本実施形態では、デバイスパラメータ入力手段10で入力したデバイスパラメータをパラメータ記憶手段18に一旦記憶して、フェルミ準位演算手段11などの演算手段によって適宜読み出されるようにしたが、デバイスパラメータ入力手段10は、入力したデバイスパラメータを直接に必要とする演算手段に出力するようにしてもよい。   In the present embodiment, the device parameters input by the device parameter input means 10 are temporarily stored in the parameter storage means 18 and read out as appropriate by calculation means such as the Fermi level calculation means 11. The means 10 may output the input device parameters directly to the necessary calculation means.

また、固有パラメータは、デバイスパラメータとともにデバイスパラメータ入力手段10によって入力するようにしてもよい。更にまた、計算条件の一つであるソース電圧Vは、デバイスパラメータ入力手段10又は計算範囲設定手段13によって入力するようにしてもよい。 The unique parameter may be input by the device parameter input unit 10 together with the device parameter. Furthermore, the source voltage V s, which is one of the calculation conditions, may be input by the device parameter input unit 10 or the calculation range setting unit 13.

また、本実施形態では、電荷担体密度演算手段12で算出した正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 などの電荷担体密度を、電荷担体密度記憶手段19に一旦記憶して、ポテンシャル分布演算手段14などによって適宜読み出されるようにしたが、電荷担体密度演算手段12は、算出したこれらの電荷担体密度を直接にポテンシャル分布演算手段14などに出力するようにしてもよい。 In the present embodiment, the charge carrier density such as the density N dd0 + of the positively charged donor-type defect (Deep state) calculated by the charge carrier density calculating unit 12 is temporarily stored in the charge carrier density storage unit 19. However, the charge carrier density calculating means 12 may output the calculated charge carrier density directly to the potential distribution calculating means 14 or the like.

なお、本発明に係るドレイン電流のシミュレーション装置は、一般的なコンピュータが備えるCPU(中央演算装置)、メモリ、ハードディスクなどのハードウェア資源を、デバイスパラメータ入力手段10乃至ドレイン電流記憶手段20の各手段として機能させるためのドレイン電流のシミュレーションプログラムによって実現することもできる。このプログラムは、通信回線を介して配布してもよく、CD−ROMやフラッシュメモリなどの記録媒体に記録して配布してもよい。   The drain current simulation apparatus according to the present invention includes hardware resources such as a CPU (Central Processing Unit), a memory, and a hard disk included in a general computer, and each means of the device parameter input means 10 to the drain current storage means 20. It can also be realized by a drain current simulation program for functioning as This program may be distributed via a communication line, or may be recorded and distributed on a recording medium such as a CD-ROM or a flash memory.

[シミュレーション装置の動作]
次に、図7を参照(適宜図1及び図6参照)して、本実施形態におけるドレイン電流のシミュレーション装置1の動作について説明する。
[Operation of simulation device]
Next, referring to FIG. 7 (refer to FIGS. 1 and 6 as appropriate), the operation of the drain current simulation apparatus 1 in this embodiment will be described.

まず、シミュレーション装置1は、デバイスパラメータ入力手段10によって、シミュレーション対象となるTFTについてのデバイスパラメータを入力し、パラメータ記憶手段18に記憶する(ステップS10)。   First, the simulation apparatus 1 inputs device parameters for a TFT to be simulated by the device parameter input unit 10 and stores the device parameters in the parameter storage unit 18 (step S10).

次に、シミュレーション装置1は、フェルミ準位演算手段11によって、パラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(18)により、フラットバンド条件での半導体膜SCのフェルミ準位Eを算出し、算出したフェルミ準位Eを電荷担体密度演算手段12に出力する(ステップS11)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the device parameters stored in the parameter storage unit 18 by the Fermi level calculation unit 11 to calculate the Fermi level of the semiconductor film SC under the flat band condition according to the equation (18). E f is calculated, and the calculated Fermi level E f is output to the charge carrier density calculating means 12 (step S11).

次に、シミュレーション装置1は、電荷担体密度演算手段12によって、フェルミ準位演算手段11により算出されたフェルミ準位E及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)により、半導体膜SCのフラットバンド条件における電荷担体密度として、それぞれ、ホール密度p、電子密度n、正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 及び負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 を算出し、算出したこれらの値を電荷担体密度記憶手段19に記憶する(ステップS12)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the Fermi level E f calculated by the Fermi level calculation unit 11 and the device parameters stored in the parameter storage unit 18 by the charge carrier density calculation unit 12 and the formula ( 5), Formula (6), Formula (A9), Formula (B10), and Formula (C9), the charge carrier density in the flat band condition of the semiconductor film SC is the hole density p 0 , electron density n 0 , positive the density of charged donor-type defect density N dd0 +, negatively charged acceptor type defects (Deep state) (Deep state) in N ad0 - and density N at0 negatively charged acceptor-type defects (Tail state) - a The calculated values are stored in the charge carrier density storage means 19 (step S12).

次に、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、ポテンシャル分布φ(x)を算出する際の、ドレイン電圧Vdの設定範囲を定めるデータとして、ドレイン電圧の初期値Vd0と、ドレイン電圧の最大値Vdmaxと、ドレイン電圧を変化させる間隔ΔVとを、不図示のキーボードなどから入力し、初期値Vd0をドレイン電圧Vとしてポテンシャル分布演算手段14に設定する(ステップS13)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the calculation range setting means 13 as data for determining the setting range of the drain voltage V d when calculating the potential distribution φ (x), and the drain voltage initial value V d0 and the drain voltage. and the maximum value V dmax of the distance [Delta] V d for varying the drain voltage, entered from the keyboard (not shown), sets the initial value V d0 in the potential distribution calculating unit 14 as the drain voltage V d (step S13).

次に、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、ポテンシャル分布φ(x)を算出する際の、ゲート電圧Vの設定範囲を定めるデータとして、ゲート電圧の初期値Vg0と、ゲート電圧の最大値Vgmaxと、ゲート電圧を変化させる間隔ΔVとを、不図示のキーボードなどから入力し、初期値Vg0をゲート電圧Vとしてポテンシャル分布演算手段14に設定する(ステップS14)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the calculation range setting means 13 as data for determining the setting range of the gate voltage V g when calculating the potential distribution φ (x), and the gate voltage initial value V g0 and the gate voltage. and the maximum value V gmax of the interval [Delta] V g varying the gate voltage, entered from the keyboard (not shown), sets the initial value V g0 to the potential distribution calculating means 14 as the gate voltage V g (step S14).

次に、シミュレーション装置1は、ポテンシャル分布演算手段14によって、電荷担体密度記憶手段19に記憶されている正に帯電したドナー型欠陥(Deep state)の密度Ndd0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Deep state)の密度Nad0 、負に帯電したアクセプタ型欠陥(Tail state)の密度Nat0 、ホール密度p、電子密度n、及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(1)に示したポアソン方程式を差分化して、計算範囲設定手段13により設定されたゲート電圧V及びドレイン電圧Vdにおけるポテンシャル分布φ(x)を算出し、算出したポテンシャル分布φ(x)をキャリア密度分布演算手段15に出力する(ステップS15)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the potential distribution calculation unit 14 to store the positively charged donor-type defect ( Neep state) density N dd0 + stored in the charge carrier density storage unit 19 and the negatively charged acceptor-type defect. (Deep state) density N ad0 , negatively charged acceptor type defect (Tail state) density N at0 , hole density p 0 , electron density n 0 , device parameters stored in parameter storage means 18, etc. , The Poisson equation shown in the equation (1) is differentiated to calculate the potential distribution φ (x) at the gate voltage V g and the drain voltage V d set by the calculation range setting means 13, and the calculated potential The distribution φ (x) is output to the carrier density distribution calculating means 15 (step S15).

次に、シミュレーション装置1は、キャリア密度分布演算手段15によって、ポテンシャル分布演算手段14により算出したポテンシャル分布φ(x)、電荷担体密度記憶手段19に記憶されている電荷担体密度及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(19)により、キャリア密度分布n(x)を算出し、算出したキャリア密度分布n(x)を、キャリア面密度演算手段16に出力する(ステップS16)。   Next, the simulation apparatus 1 uses the carrier density distribution calculation means 15 to calculate the potential distribution φ (x) calculated by the potential distribution calculation means 14, the charge carrier density and parameter storage means 18 stored in the charge carrier density storage means 19. Is used to calculate the carrier density distribution n (x) according to the equation (19), and outputs the calculated carrier density distribution n (x) to the carrier surface density calculating means 16 ( Step S16).

次に、シミュレーション装置1は、キャリア面密度演算手段16によって、キャリア密度分布演算手段15により算出したキャリア密度分布n(x)及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(20)により、キャリア面密度Nを算出し、算出したキャリア面密度Nをドレイン電流演算手段17に出力する(ステップS17)。   Next, the simulation apparatus 1 uses the carrier surface density calculation unit 16 to calculate the equation using the carrier density distribution n (x) calculated by the carrier density distribution calculation unit 15 and the device parameters stored in the parameter storage unit 18. The carrier surface density N is calculated by (20), and the calculated carrier surface density N is output to the drain current calculation means 17 (step S17).

次に、シミュレーション装置1は、ドレイン電流演算手段17によって、キャリア面密度演算手段16により算出したキャリア面密度N及びパラメータ記憶手段18に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(30)又は式(35)により、ドレイン電流Iを算出し、算出したドレイン電流Iを、計算条件であるゲート電圧V及びドレイン電圧Vdに対応付けて、ドレイン電流記憶手段20に記憶する(ステップS18)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the drain current calculation unit 17 to calculate the equation (30) or the carrier surface density N calculated by the carrier surface density calculation unit 16 and the device parameter stored in the parameter storage unit 18. The drain current I d is calculated by the equation (35), and the calculated drain current I d is stored in the drain current storage unit 20 in association with the gate voltage V g and the drain voltage V d which are the calculation conditions (step S35). S18).

次に、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、計算条件を、次のドレイン電流Iを算出する際のゲート電圧Vに変更するために、前回のゲート電圧Vに、計算の間隔ΔVを加算し、ポテンシャル分布演算手段14に設定する(ステップS19)。 Then, the simulator 1, the computation range setting unit 13, the calculation conditions, in order to change the gate voltage V g at the time of calculating the next drain current I d, the previous gate voltage V g, the calculated adding the interval [Delta] V g, to set the potential distribution calculating unit 14 (step S19).

次に、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、ステップS19で条件変更したゲート電圧Vが、計算範囲の最大値Vgmaxより大きいかどうかを判断し(ステップS20)、ステップS19で条件変更したゲート電圧Vが、計算範囲の最大値Vgmax以下の場合は(ステップS20でNo)、シミュレーション装置1は、ステップS15に戻り、ステップS19で設定したゲート電圧Vについて、ポテンシャル分布演算手段14によるポテンシャル分布φ(x)の算出を繰り返す。
一方、大きい場合は(ステップS20でYes)、ドレイン電圧Vの条件を変更するためのステップS21に進む。
Then, the simulator 1, the computation range setting means 13, the gate voltage V g was condition change in step S19 is to determine if the maximum value V gmax is greater than the calculated range (step S20), the condition in step S19 When the changed gate voltage V g is equal to or lower than the maximum value V gmax of the calculation range (No in step S20), the simulation apparatus 1 returns to step S15 and calculates the potential distribution for the gate voltage V g set in step S19. The calculation of the potential distribution φ (x) by means 14 is repeated.
On the other hand, if it is larger the process proceeds to step S21 for changing the (Yes in step S20), the condition of the drain voltage V d.

ステップS21において、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、計算条件を、次のドレイン電流Iを算出する際のドレイン電圧Vに変更するために、前回のドレイン電圧Vに、計算の間隔ΔVを加算し、ポテンシャル分布演算手段14に設定する(ステップS21)。 In step S21, the simulator 1, the computation range setting unit 13, the calculation conditions, in order to change the drain voltage V d when calculating the next drain current I d, the last time of the drain voltage V d, calculated adding the interval [Delta] V d, it is set to the potential distribution calculating unit 14 (step S21).

次に、シミュレーション装置1は、計算範囲設定手段13によって、ステップS21で条件変更したドレイン電圧Vが、計算範囲の最大値Vdmaxより大きいかどうかを判断し(ステップS22)、ステップS21で条件変更したドレイン電圧Vが、計算範囲の最大値Vdmax以下の場合は(ステップS22でNo)、シミュレーション装置1は、ステップS14に戻り、ゲート電圧Vの条件を初期値Vg0に戻すように設定し、ステップS21で設定したドレイン電圧Vについて、ポテンシャル分布演算手段14によるポテンシャル分布φ(x)の算出を繰り返す。
一方、大きい場合は(ステップS22でYes)、所定の計算範囲におけるドレイン電流Iの計算が終了したため、シミュレーション装置1は、処理を終了する。
Next, the simulation apparatus 1 determines whether or not the drain voltage V d whose condition has been changed in step S21 is greater than the maximum value V dmax of the calculation range by the calculation range setting unit 13 (step S22). When the changed drain voltage V d is equal to or lower than the maximum value V dmax of the calculation range (No in step S22), the simulation apparatus 1 returns to step S14 and returns the condition of the gate voltage V g to the initial value V g0. And the calculation of the potential distribution φ (x) by the potential distribution calculation means 14 is repeated for the drain voltage V d set in step S21.
On the other hand, if it is larger (Yes in step S22), and because the calculation of the drain current I d finished in a predetermined calculation range, the simulator 1, the process ends.

また、得られたドレイン電流特性は、例えば、不図示の表示装置にグラフ表示することができる(例えば、図8〜図11参照)。そして、ドレイン電流特性が所望の特性であるかを、例えば閾値電圧VthやS値を算出して確認し、所望の特性でなければ、ゲート絶縁膜厚tinや半導体膜厚tscなどのデバイスパラメータを変更し、前記した手順を繰り返してドレイン電流特性を計算し、所望のドレイン電流が得られるようにデバイスパラメータを決め、TFTのデバイス構造を決定することができる。 The obtained drain current characteristics can be displayed in a graph on a display device (not shown), for example (see, for example, FIGS. 8 to 11). Then, whether the drain current characteristic is desired properties, for example, to calculate the threshold voltage V th and S value check, if the desired properties, such as the gate insulating film thickness t in and the semiconductor film thickness t sc The device parameters are changed, the above procedure is repeated, the drain current characteristics are calculated, the device parameters are determined so as to obtain a desired drain current, and the device structure of the TFT can be determined.

なお、本実施形態では、ドレイン電圧Vを先に設定し、このドレイン電流Vにおいて、ゲート電圧Vを変化させてドレイン電流Iを計算するようにしたが、これに限定されるものではない。ゲート電圧Vを先に設定し、このゲート電圧Vにおいて、ドレイン電流Vを変化させてドレイン電流Iを計算するようにしてもよい。また、ドレイン電圧V又はゲート電圧Vの一方の電圧を固定値とし、他方の電圧を変化させてドレイン電流Iを計算することで、ドレイン電流の他方の電圧に対する依存性を算出するようにしてもよい。 Incidentally, those in the present embodiment, the drain voltage V d is set previously, the drain current V d, but so as to calculate the drain current I d by changing the gate voltage V g, which is limited to is not. The gate voltage V g is set previously, the gate voltage V g, may be calculated drain current I d by changing the drain current V d. Also, one of the voltage of the drain voltage V d or the gate voltage V g is a fixed value, by varying the other of the voltage to calculate the drain current I d, so as to calculate the dependence on the other voltage of the drain current It may be.

次に、本発明の実施形態に係るドレイン電流のシミュレーション装置の実施例について説明する。
本実施例におけるシミュレーション条件として、半導体膜はIGZO、ゲート絶縁膜はSiOとした。また、チャネル長L=80[μm]とし、チャネル幅W=130[μm]とした。
Next, an example of the drain current simulation apparatus according to the embodiment of the present invention will be described.
As simulation conditions in this example, the semiconductor film was IGZO, and the gate insulating film was SiO 2 . The channel length L was 80 [μm], and the channel width W was 130 [μm].

図8に、欠陥密度のパラメータ(gad0)を様々に変えて計算を行った、TFTのドレイン電流のゲート電圧依存性を示す。この計算において、ゲート絶縁膜厚tin=100[nm]、半導体膜厚tsc=30[nm]である。また、縦軸はドレイン電流Iを対数スケールで示し、横軸は、ゲート−ソース間電圧Vgsを示している。
また、欠陥密度のパラメータとして、伝導帯下端のエネルギーEでのアクセプタ型欠陥(Deep state)状態密度gad0を、0〜2×1019[cm−3eV−1]まで、5×1018[cm−3eV−1]間隔で設定し、アクセプタ型欠陥(Deep state)の状態密度分布の傾きの逆数Eadを0.1[eV]、ドレイン−ソース間電圧Vdsを1[V]とした。
FIG. 8 shows the gate voltage dependence of the drain current of the TFT, which was calculated by varying the defect density parameter ( gad0 ). In this calculation, the gate insulating film thickness t in = 100 [nm] and the semiconductor film thickness t sc = 30 [nm]. The vertical axis indicates the drain current Id on a logarithmic scale, and the horizontal axis indicates the gate-source voltage Vgs .
In addition, as a parameter of defect density, acceptor type defect (Deep state) state density g ad0 at energy E c at the bottom of the conduction band is set to 0 × 2 × 10 19 [cm −3 eV −1 ] to 5 × 10 18. It is set at intervals of [cm −3 eV −1 ], the reciprocal number E ad of the state density distribution of the acceptor type defect (Deep state) is 0.1 [eV], and the drain-source voltage V ds is 1 [V]. It was.

図8に示すように、欠陥密度が増えるにつれて、ゲート電圧V(ゲート−ソース間電圧Vgs)の増加に対するドレイン電流Iの増加が緩やかになっている。これは、欠陥密度が増えるにつれて、キャリアの捕獲も増えるためである。このことから、本シミュレーション装置による計算に、欠陥の影響が正しく考慮されていることが分かる。 As shown in FIG. 8, as the defect density increases, the increase in the drain current I d with respect to the increase in the gate voltage V g (gate-source voltage V gs ) becomes moderate. This is because carrier capture increases as the defect density increases. From this, it is understood that the influence of the defect is correctly taken into account in the calculation by the simulation apparatus.

次に、図9及び図10に、TFTのドレイン電流特性の計算結果(実線)及び実測値(○)の比較を示す。図9は、ドレイン電流Iのゲート電圧(ゲート−ソース間電圧)依存性を表しており、縦軸はドレイン電流Iを示し、左側に対数スケール、右側にリニアスケールを示している。また、横軸は、ゲート−ソース間電圧Vgsを示している。また、図10は、ドレイン電流Iのドレイン電圧(ドレイン−ソース間電圧)依存性を表しており、縦軸はドレイン電流Iをリニアスケールで示し、横軸は、ドレイン−ソース間電圧Vdsを示している。これらの計算において、ゲート絶縁膜厚tin=100[nm]、半導体膜厚tsc=30[nm]である。また、図9及び図10に結果を示した計算では、共通のデバイスパラメータにより、式(30)を用いてドレイン電流の計算を行っている。 Next, FIGS. 9 and 10 show a comparison between the calculation result (solid line) and the actual measurement value (◯) of the drain current characteristic of the TFT. 9, the gate voltage of the drain current I d - represents a (gate-source voltage) dependent, the vertical axis represents the drain current I d, a logarithmic scale on the left shows a linear scale on the right. The horizontal axis indicates the gate-source voltage Vgs . Further, FIG. 10, the drain voltage of the drain current I d - represents a (drain-source voltage) dependent, the vertical axis represents the drain current I d in a linear scale, the horizontal axis is the drain - source voltage V ds is shown. In these calculations, the gate insulating film thickness t in = 100 [nm] and the semiconductor film thickness t sc = 30 [nm]. In the calculations shown in FIG. 9 and FIG. 10, the drain current is calculated using the equation (30) with the common device parameters.

図9においては、ドレイン−ソース間電圧Vdsを1,3,10[V]にそれぞれ固定したときに、ゲート−ソース間電圧Vgsを変化させたときの結果をグラフ化した。図10においては、ゲート−ソース間電圧Vgsを0,5,10,15[V]にそれぞれ固定したときに、ドレイン−ソース間電圧Vdsを変化させたときの結果をグラフ化した。
図9及び図10に示すように、広範囲なゲート電圧V(ゲート−ソース間電圧Vgs)及びドレイン電圧V(ドレイン−ソース間電圧Vds)において、計算結果が実測値を再現しており、本シミュレーション装置の有効性を示している。
In FIG. 9, the results when the gate-source voltage V gs is changed when the drain-source voltage V ds is fixed to 1, 3, and 10 [V] are graphed. In FIG. 10, when the gate-source voltage V gs is fixed to 0, 5, 10, 15 [V], the results when the drain-source voltage V ds is changed are graphed.
As shown in FIG. 9 and FIG. 10, the calculation results reproduce the actual measurement values in a wide range of gate voltage V g (gate-source voltage V gs ) and drain voltage V d (drain-source voltage V ds ). The effectiveness of this simulation device is shown.

次に、図11に、ゲート絶縁膜厚tinが異なる2種類のTFT(tin=10[nm]及びtin=100[nm])について、ドレイン電流特性の計算結果(実線)及び実測値(○)の比較を示す。また、半導体膜厚tsc=30[nm]であり、ドレイン-ソース間電圧Vdsは1[V]である。また、ドレイン電流Iの計算は式(35)を用い、ゲート絶縁膜厚tinが異なる2種類のTFTについて、共通のデバイスパラメータを用いている。縦軸はドレイン電流Iを対数スケールで示し、横軸はゲート−ソース間電圧Vgsである。 Next, in FIG. 11, two types of TFT gate insulating film thickness t in different (t in = 10 [nm] and t in = 100 [nm]) , the calculation result of the drain current characteristic (solid line) and measured values A comparison of (○) is shown. Further, the semiconductor film thickness t sc = 30 [nm], and the drain-source voltage V ds is 1 [V]. The calculation of the drain current I d is using Equation (35), the gate insulating film thickness t in the two different TFT, and using a common device parameters. The vertical axis represents the drain current Id on a logarithmic scale, and the horizontal axis represents the gate-source voltage Vgs .

図11に示すように、ゲート絶縁膜厚が薄い場合(tin=10[nm])、立ち上りが急峻なドレイン電流特性となっている。一方、ゲート絶縁膜厚が厚い場合(tin=100[nm])には、立ち上りが緩やかなドレイン電流特性となっている。こうしたゲート絶縁膜厚に依存したドレイン電流特性の変化についても、本シミュレーション装置により高精度に再現できることが分かる。このように、本シミュレーション装置がTFTの構造設計(デバイスパラメータの決定)に有効であることを示している。 As shown in FIG. 11, when the gate insulating film thickness is thin (t in = 10 [nm]), the drain current characteristic has a steep rise. On the other hand, when the gate insulating film is thick (t in = 100 [nm]), the drain current characteristic has a gentle rise. It can be seen that such a change in drain current characteristics depending on the gate insulating film thickness can be reproduced with high accuracy by this simulation apparatus. Thus, it is shown that this simulation apparatus is effective for the structural design (determination of device parameters) of the TFT.

また、一般的なデスクトップコンピュータ(インテル社製のCPU(Central Processing Unit)Intel Core 2 Duo E8400 3.00GHzを搭載)を用いて計算した際に、本発明のシミュレーション装置での計算時間は、次の通りである。
式(30)を用いた図9に示した半導体膜厚tsc=30[nm]のTFTのドレイン電流Iのゲート電圧依存性の計算において、ドレイン−ソース間電圧Vds=10[V]とし、半導体膜SC中におけるメッシュのサイズをΔx=0.5[nm]とし、また、数値計算にBSDライセンス(Berkeley Software Distribution License)で提供されるオープンソフトウェアである数値解析ソフトウェアライブラリLAPACK(Linear Algebra PACKage)を用いた場合、200点のゲート電圧Vについて計算に要した時間は20秒程度であった。
また、式(35)を用いた図11に示した半導体膜厚tsc=30[nm]のTFTのドレイン電流Iのゲート電圧依存性の計算において、ドレイン−ソース間電圧Vds=1[V]とし、半導体膜SC中におけるメッシュのサイズをΔx=0.5[nm]とし、また、数値計算に数値解析ソフトウェアライブラリLAPACKを用いた場合、200点のゲート電圧Vについて計算に要した時間は0.5秒程度であった。
When the calculation is performed using a general desktop computer (CPU (Central Processing Unit) Intel Core 2 Duo E8400 3.00 GHz installed by Intel), the calculation time in the simulation apparatus of the present invention is as follows. It is.
In the calculation of the gate voltage dependence of the drain current I d of the TFT having the semiconductor film thickness t sc = 30 [nm] shown in FIG. 9 using the equation (30), the drain-source voltage V ds = 10 [V]. A numerical analysis software library LAPACK (Linear Algebra) which is an open software provided with a BSD license (Berkeley Software Distribution License) for numerical calculation is set to Δx = 0.5 [nm] in the semiconductor film SC. when using PACKage), the time required to calculate the gate voltage V g of 200 points was about 20 seconds.
Further, in the calculation of the gate voltage dependence of the drain current I d of the TFT having the semiconductor film thickness t sc = 30 [nm] shown in FIG. 11 using the formula (35), the drain-source voltage V ds = 1 [ and V], the size of mesh [Delta] x = 0.5 and [nm] in the semiconductor film SC, in the case of using the numerical analysis software library LAPACK numerical calculation, required to calculate the gate voltage V g of 200 points The time was about 0.5 seconds.

通常、市販の二次元デバイスシミュレータ(例えば、SILVACO社の二次元デバイスシミュレータ「ATLAS」)を用いた際のドレイン電流特性の計算時間は、数分から数十分であることから、本発明のシミュレーション装置による計算は、十分に高速であり、かつ高精度であることが分かる。
以上から、本発明のシミュレーション装置により、半導体膜SC中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型のTFTにおいて、高速かつ高精度なドレイン電流Iの計算が実現されていることが分かる。
Usually, the calculation time of drain current characteristics when using a commercially available two-dimensional device simulator (for example, two-dimensional device simulator “ATLAS” manufactured by SILVACO) is several minutes to several tens of minutes. It can be seen that the calculation by is sufficiently fast and accurate.
From the above, it can be seen that the simulation apparatus of the present invention realizes high-speed and high-accuracy calculation of the drain current I d in a storage-type TFT including defects that trap carriers in the semiconductor film SC.

1 ドレイン電流のシミュレーション装置(シミュレーション装置)
10 デバイスパラメータ入力手段
11 フェルミ準位演算手段
12 電荷担体密度演算手段
13 計算範囲設定手段
14 ポテンシャル分布演算手段
15 キャリア密度分布演算手段
16 キャリア面密度演算手段
17 ドレイン電流演算手段
18 パラメータ記憶手段
19 電荷担体密度記憶手段
20 ドレイン電流記憶手段
S ソース電極
D ドレイン電極
G ゲート電極
SC 半導体膜
IN ゲート絶縁膜
1 Drain current simulation device (simulation device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Device parameter input means 11 Fermi level calculation means 12 Charge carrier density calculation means 13 Calculation range setting means 14 Potential distribution calculation means 15 Carrier density distribution calculation means 16 Carrier surface density calculation means 17 Drain current calculation means 18 Parameter storage means 19 Charge Carrier density storage means 20 Drain current storage means S Source electrode D Drain electrode G Gate electrode SC Semiconductor film IN Gate insulating film

Claims (5)

シミュレーションの対象が半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の薄膜トランジスタであって、前記半導体膜と絶縁膜とゲート電極とをこの順で積層した構造を有する電界効果型の前記薄膜トランジスタについて、ドレイン電極とソース電極との間の電流であるドレイン電流を計算するドレイン電流のシミュレーション装置であって、
前記半導体膜の電荷密度として、電子密度、ホール密度、ドナー密度、及びバンドギャップ中に指数関数型の状態密度を持つアクセプタ型欠陥とドナー型欠陥の密度を考慮して、一次元ポアソン方程式を解くことにより半導体膜中の深さ方向のポテンシャル分布を計算するポテンシャル分布演算手段と、
前記ポテンシャル分布演算手段により算出したポテンシャル分布を用いて前記半導体膜中の深さ方向のキャリア密度分布を算出するキャリア密度分布演算手段と、
前記キャリア密度分布演算手段により算出したキャリア密度分布を前記半導体膜の深さ方向の全範囲について積分して前記半導体膜中のキャリア面密度を算出するキャリア面密度演算手段と、
前記半導体膜のチャネル長方向についての2以上の位置において、前記キャリア面密度演算手段により算出したキャリア面密度に電気素量を乗じたキャリア面電荷密度及び前記ポテンシャル分布演算手段により算出したポテンシャル分布における前記半導体膜と前記絶縁膜との界面におけるポテンシャルを用いて、前記ドレイン電流を計算するドレイン電流演算手段と、
を備えることを特徴とするドレイン電流のシミュレーション装置。
The field effect type thin film transistor having a structure in which the object of simulation is a storage type thin film transistor including defects that trap carriers in the semiconductor film, and the semiconductor film, the insulating film, and the gate electrode are stacked in this order. A drain current simulation device for calculating a drain current that is a current between a drain electrode and a source electrode,
Taking into account the electron density, hole density, donor density, and the density of acceptor-type defects and donor-type defects having an exponential density of states in the band gap as the charge density of the semiconductor film, the one-dimensional Poisson equation is solved. A potential distribution calculating means for calculating a potential distribution in the depth direction in the semiconductor film,
Carrier density distribution calculating means for calculating a carrier density distribution in the depth direction in the semiconductor film using the potential distribution calculated by the potential distribution calculating means;
A carrier surface density calculating unit that calculates the carrier surface density in the semiconductor film by integrating the carrier density distribution calculated by the carrier density distribution calculating unit over the entire range in the depth direction of the semiconductor film;
In two or more positions in the channel length direction of the semiconductor film, in the carrier surface charge density obtained by multiplying the carrier surface density calculated by the carrier surface density calculating means by the elementary charge and the potential distribution calculated by the potential distribution calculating means. Drain current calculation means for calculating the drain current using the potential at the interface between the semiconductor film and the insulating film;
A drain current simulation apparatus comprising:
前記半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位を、前記フェルミ準位についての方程式である式(18)から算出するフェルミ準位演算手段と、
前記フェルミ準位演算手段により算出したフェルミ準位を、式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)に代入して、前記半導体膜のフラットバンド条件での、それぞれホール密度、電子密度、正に帯電したドナー型欠陥のディープステート(Deep state)における密度、負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステート(Deep state)における密度及び負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステート(Tail state)における密度を、電荷担体密度として算出する電荷担体密度演算手段と、を更に備え、
前記ポテンシャル分布演算手段は、前記一次元ポアソン方程式である式(1)を差分化し、前記ゲート電極におけるポテンシャルが前記ゲート電極及び前記ソース電極の間の電圧であるゲート−ソース間電圧とフラットバンド電圧との差に等しいことを境界条件として、数値解析することで算出し、
前記キャリア分布密度演算手段は、前記キャリア密度分布を、式(19)から算出し、
前記キャリア面密度演算手段は、前記キャリア面密度分布を、式(20)によって算出し、
前記ドレイン電流演算手段は、前記ドレイン電流を、式(30)によって算出し、
前記式(18)は、
Figure 2014045050
であり、
ここで、前記式(5)、式(6)、式(A9)、式(B10)及び式(C9)は、
Figure 2014045050
であり、
前記式(1)は、
Figure 2014045050
であり、
ここで、
Figure 2014045050
であり、
前記式(19)は、
Figure 2014045050
であり、
前記式(20)は、
Figure 2014045050
であり、
前記式(30)は、
Figure 2014045050
であり、
ここで、
β=q/kT、
γ=q/Edd
γ=q/Ead
であり、
kはボルツマン定数、
Tは絶対温度、
qは電気素量、
ρは前記半導体膜の電荷密度、
pは前記半導体膜のホール密度、
nは前記半導体膜の電子密度、
dd は前記半導体膜の正に帯電したドナー型欠陥のディープステートにおける密度、
ad は前記半導体膜の負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度、
at は前記半導体膜の負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度、
は前記半導体膜のフラットバンド条件におけるホール密度、
は前記半導体膜のフラットバンド条件における電子密度、
dd0 は前記半導体膜のフラットバンド条件における正に帯電したドナー型欠陥のディープステートにおける密度、
ad0 は前記半導体膜のフラットバンド条件における負に帯電したアクセプタ型欠陥のディープステートにおける密度、
at0 は前記半導体膜のフラットバンド条件における負に帯電したアクセプタ型欠陥のテールステートにおける密度、
dd0は前記半導体膜の価電子帯上端でのドナー型欠陥のディープステートにおける状態密度、
ad0は前記半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥のディープステートにおける状態密度、
at0は前記半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥のテールステートにおける状態密度、
は前記半導体膜の価電子帯上端のエネルギー、
は前記半導体膜の伝導帯下端のエネルギー、
は前記半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位、
ddは前記半導体膜のドナー型欠陥のディープステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、
adは前記半導体膜のアクセプタ型欠陥のディープステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、
atは前記半導体膜のアクセプタ型欠陥のテールステートにおける状態密度分布の傾きの逆数、
は前記半導体膜の真性キャリア密度、
は前記半導体膜の真性フェルミ準位、
εscは前記半導体膜の誘電率、
scは前記半導体膜の膜厚、
φはポテンシャル、
φ(x)はポテンシャル分布、
n(x)はキャリア密度分布、
Nはキャリア面密度、
は前記半導体膜の実効的なドナー密度、
xは前記半導体膜の厚さ方向の位置(前記半導体膜と前記絶縁膜との界面を0とし、前記半導体膜と前記ソース電極及び前記ドレイン電極との界面をtscとする)、
yは前記半導体膜のチャネル長方向の位置(前記ソース電極の前記ドレイン電極側の端部を0とし、前記ドレイン電極の前記ソース電極側の端部をLとする)、
Lは前記半導体膜のチャネル長、
Wは前記半導体膜のチャネル幅、
μは前記半導体膜における電子の移動度、
dsはドレイン−ソース間電圧、
φは電子の擬フェルミポテンシャル、
φ(y)は前記チャネル長方向の位置yにおける電子の擬フェルミポテンシャルであって、φ(0)=0、φ(L)=Vdsであり、
はドレイン電流、
Qはキャリア面電荷密度、
は前記半導体膜のキャリア長方向の位置y=0におけるキャリア面電荷密度、
は前記半導体膜のキャリア長方向の位置y=Lにおけるキャリア面電荷密度、
φは前記半導体膜の厚さ方向の位置x=0におけるポテンシャル、
φs0は前記半導体膜の厚さ方向の位置x=0、かつ前記半導体膜のチャネル長方向の位置y=0におけるポテンシャル、
φsLは前記半導体膜の厚さ方向の位置x=0、かつ前記半導体膜のチャネル長方向の位置y=Lにおけるポテンシャル、
であることを特徴とする請求項1に記載のドレイン電流のシミュレーション装置。
Fermi level calculation means for calculating the Fermi level of the semiconductor film under a flat band condition from Equation (18) which is an equation for the Fermi level;
By substituting the Fermi level calculated by the Fermi level calculation means into Equation (5), Equation (6), Equation (A9), Equation (B10), and Equation (C9), the flat band condition of the semiconductor film Hole density, electron density, density of positively charged donor-type defects in deep state, density of negatively-charged acceptor-type defects in deep state, and negatively-charged acceptor type A charge carrier density calculating means for calculating a density in a tail state of the defect as a charge carrier density;
The potential distribution calculation means differentiates the equation (1) which is the one-dimensional Poisson equation, and a gate-source voltage and a flat band voltage in which a potential at the gate electrode is a voltage between the gate electrode and the source electrode. It is calculated by numerical analysis with the boundary condition being equal to the difference between
The carrier distribution density calculating means calculates the carrier density distribution from the equation (19),
The carrier surface density calculating means calculates the carrier surface density distribution by equation (20),
The drain current calculation means calculates the drain current by the equation (30),
Formula (18) is
Figure 2014045050
And
Here, Formula (5), Formula (6), Formula (A9), Formula (B10), and Formula (C9) are
Figure 2014045050
And
The formula (1) is
Figure 2014045050
And
here,
Figure 2014045050
And
The formula (19) is
Figure 2014045050
And
Formula (20) is
Figure 2014045050
And
The formula (30) is
Figure 2014045050
And
here,
β = q / kT,
γ d = q / E dd ,
γ a = q / E ad ,
And
k is the Boltzmann constant,
T is the absolute temperature,
q is the elementary charge,
ρ is the charge density of the semiconductor film,
p is the hole density of the semiconductor film,
n is the electron density of the semiconductor film,
N dd + is the density in the deep state of positively charged donor-type defects in the semiconductor film,
N ad is the density in the deep state of the negatively charged acceptor type defect of the semiconductor film,
N at is the density in the tail state of the negatively charged acceptor type defect of the semiconductor film,
p 0 is the hole density in the flat band condition of the semiconductor film,
n 0 is the electron density in the flat band condition of the semiconductor film,
N dd0 + is the density in the deep state of positively charged donor-type defects in the flat band condition of the semiconductor film,
N ad0 is the density in the deep state of the negatively charged acceptor type defect in the flat band condition of the semiconductor film,
N at0 is the density in the tail state of the negatively charged acceptor type defect in the flat band condition of the semiconductor film,
g dd0 is the density of states in the deep state of the donor-type defect at the top of the valence band of the semiconductor film,
g ad0 is the density of states in the deep state of the acceptor type defect at the lower end of the conduction band of the semiconductor film,
g at0 is the density of states in the tail state of the acceptor type defect at the lower end of the conduction band of the semiconductor film,
Ev is the energy at the top of the valence band of the semiconductor film,
E c is the energy at the lower end of the conduction band of the semiconductor film,
E f is the Fermi level under the flat band condition of the semiconductor film,
E dd is the reciprocal of the gradient of the state density distribution in the deep state of the donor-type defect of the semiconductor film,
E ad is the reciprocal of the slope of the state density distribution in the deep state of the acceptor type defect of the semiconductor film,
E at is the reciprocal of the slope of the state density distribution in the tail state of the acceptor type defect of the semiconductor film,
n i is the intrinsic carrier density of the semiconductor film,
E i is the intrinsic Fermi level of the semiconductor film,
ε sc is the dielectric constant of the semiconductor film,
t sc is the film thickness of the semiconductor film,
φ is potential,
φ (x) is the potential distribution,
n (x) is the carrier density distribution,
N is the carrier surface density,
N d is the effective donor density of the semiconductor film,
x is a position in the thickness direction of the semiconductor film (the interface between the semiconductor film and the insulating film is 0, and the interface between the semiconductor film, the source electrode and the drain electrode is t sc ),
y is the position in the channel length direction of the semiconductor film (the end of the source electrode on the drain electrode side is 0, and the end of the drain electrode on the source electrode side is L),
L is the channel length of the semiconductor film,
W is the channel width of the semiconductor film,
μ is the mobility of electrons in the semiconductor film,
V ds is the drain-source voltage,
φ n is the pseudo-Fermi potential of the electron,
φ n (y) is the quasi-Fermi potential of the electron at the position y in the channel length direction, and φ n (0) = 0, φ n (L) = V ds ,
I d is the drain current,
Q is the carrier surface charge density,
Q 0 is the carrier surface charge density at the position y = 0 in the carrier length direction of the semiconductor film,
Q L is a carrier surface charge density at a position y = L in the carrier length direction of the semiconductor film,
φ s is a potential at a position x = 0 in the thickness direction of the semiconductor film,
φ s0 is a potential at a position x = 0 in the thickness direction of the semiconductor film and a position y = 0 in the channel length direction of the semiconductor film,
φ sL is a potential at a position x = 0 in the thickness direction of the semiconductor film and a position y = L in the channel length direction of the semiconductor film,
The drain current simulation apparatus according to claim 1, wherein:
前記ドレイン電流演算手段は、前記ドレイン電流を、前記式(30)に代えて、式(35)によって算出し、
前記式(35)は、
Figure 2014045050
であることを特徴とする請求項2に記載のドレイン電流のシミュレーション装置。
The drain current calculation means calculates the drain current by an equation (35) instead of the equation (30),
The equation (35) is
Figure 2014045050
The drain current simulation apparatus according to claim 2, wherein:
所定の範囲における複数の前記ドレイン−ソース間電圧及び/又は前記ゲート−ソース間電圧を前記ポテンシャル分布の計算条件として順次に前記ポテンシャル分布演算手段に設定する計算範囲設定手段を更に備え、
前記ポテンシャル分布に基づいて算出されたドレイン電流と、当該ポテンシャル分布の計算条件とした前記ドレイン−ソース間電圧及び/又は前記ゲート−ソース間電圧とを対応付けた前記ドレイン電流のドレイン電圧依存性及び/又はゲート電圧依存性を計算することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のドレイン電流のシミュレーション装置。
A calculation range setting means for sequentially setting a plurality of the drain-source voltages and / or the gate-source voltages in a predetermined range in the potential distribution calculation means as the potential distribution calculation conditions;
A drain voltage dependency of the drain current in which the drain current calculated based on the potential distribution is associated with the drain-source voltage and / or the gate-source voltage as the calculation condition of the potential distribution, and 4. The drain current simulation apparatus according to claim 2, wherein gate voltage dependency is calculated.
シミュレーションの対象が半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の薄膜トランジスタであって、前記半導体膜と絶縁膜とゲート電極とをこの順で積層した構造を有する電界効果型の前記薄膜トランジスタについて、ドレイン電極とソース電極との間の電流であるドレイン電流を計算するために、コンピュータを、
前記半導体膜の電荷密度として、電子密度、ホール密度、ドナー密度、及びバンドギャップ中に指数関数型の状態密度を持つアクセプタ型欠陥とドナー型欠陥の密度を考慮して、一次元ポアソン方程式を解くことにより半導体膜中の深さ方向のポテンシャル分布を計算するポテンシャル分布演算手段、
前記ポテンシャル分布演算手段により算出したポテンシャル分布を用いて前記半導体膜中の深さ方向のキャリア密度分布を算出するキャリア密度分布演算手段、
前記キャリア密度分布演算手段により算出したキャリア密度分布を前記半導体膜の深さ方向の全範囲について積分して前記半導体膜中のキャリア面密度を算出するキャリア面密度演算手段、
前記半導体膜のチャネル長方向についての2以上の位置において、前記キャリア面密度演算手段により算出したキャリア面密度に電気素量を乗じたキャリア面電荷密度及び前記ポテンシャル分布演算手段により算出したポテンシャル分布における前記半導体膜と前記絶縁膜との界面におけるポテンシャルを用いて、前記ドレイン電流を算出するドレイン電流演算手段、
として機能させるためのドレイン電流のシミュレーションプログラム。
The field effect type thin film transistor having a structure in which the object of simulation is a storage type thin film transistor including defects that trap carriers in the semiconductor film, and the semiconductor film, the insulating film, and the gate electrode are stacked in this order. In order to calculate the drain current, which is the current between the drain electrode and the source electrode,
Taking into account the electron density, hole density, donor density, and the density of acceptor-type defects and donor-type defects having an exponential density of states in the band gap as the charge density of the semiconductor film, the one-dimensional Poisson equation is solved. A potential distribution calculating means for calculating a potential distribution in the depth direction in the semiconductor film,
A carrier density distribution calculating means for calculating a carrier density distribution in the depth direction in the semiconductor film using the potential distribution calculated by the potential distribution calculating means;
A carrier surface density calculating unit that calculates the carrier surface density in the semiconductor film by integrating the carrier density distribution calculated by the carrier density distribution calculating unit over the entire range in the depth direction of the semiconductor film;
In two or more positions in the channel length direction of the semiconductor film, in the carrier surface charge density obtained by multiplying the carrier surface density calculated by the carrier surface density calculating means by the elementary charge and the potential distribution calculated by the potential distribution calculating means. Drain current calculation means for calculating the drain current using the potential at the interface between the semiconductor film and the insulating film;
Drain current simulation program to function as
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