JP5839922B2 - Surface potential simulation apparatus and surface potential simulation program - Google Patents
Surface potential simulation apparatus and surface potential simulation program Download PDFInfo
- Publication number
- JP5839922B2 JP5839922B2 JP2011220586A JP2011220586A JP5839922B2 JP 5839922 B2 JP5839922 B2 JP 5839922B2 JP 2011220586 A JP2011220586 A JP 2011220586A JP 2011220586 A JP2011220586 A JP 2011220586A JP 5839922 B2 JP5839922 B2 JP 5839922B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- surface potential
- density
- semiconductor film
- equation
- back surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims description 53
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 136
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 111
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 108
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 83
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 39
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 12
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 11
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 description 23
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Thin Film Transistor (AREA)
Description
本発明は、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の電界効果型薄膜トランジスタの表面ポテンシャルを計算する装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to an apparatus and a program for calculating the surface potential of a storage-type field effect thin film transistor including a defect that traps carriers in a semiconductor film.
一般に、トランジスタを用いた回路設計には、SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)による回路シミュレーションが用いられる。そして、このSPICEを利用するためには、コンパクトモデルと呼ばれる、トランジスタの電気的特性を計算するためのシミュレーションモデルが必要となる。 In general, circuit simulation using SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) is used for circuit design using transistors. In order to use this SPICE, a simulation model called a compact model for calculating the electrical characteristics of the transistor is required.
現在、回路設計に広く用いられている単結晶シリコンMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の場合、HiSIM(Hiroshima-university STARC IGFET Model)(非特許文献1参照)といった高性能コンパクトモデルが多数開発されている。これらの高性能モデルは、表面ポテンシャル(表面電位)を用いて定式化されており、高精度に電気特性を計算することができる。また、これらの特徴としては、従来型のモデルとは異なり、端子電圧から直接、端子電荷や電流を計算するのではなく、端子電圧に基づいて、まず表面ポテンシャルを計算し、その表面ポテンシャルを用いて、電荷や電流を計算する。従って、こうしたモデルでは、表面ポテンシャルの計算を如何に高速かつ高精度に行うかが重要なポイントとなる。 In the case of single crystal silicon MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), which is widely used in circuit design, many high-performance compact models such as HiSIM (Hiroshima-university STARC IGFET Model) (see Non-Patent Document 1) have been developed. ing. These high-performance models are formulated using a surface potential (surface potential), and electrical characteristics can be calculated with high accuracy. In addition, unlike the conventional model, these features do not calculate the terminal charge or current directly from the terminal voltage, but first calculate the surface potential based on the terminal voltage and use the surface potential. And calculate the charge and current. Therefore, in such a model, an important point is how to calculate the surface potential at high speed and with high accuracy.
表面ポテンシャルは、ポアソン方程式を数値的に解くこと(数値解析)によって、高精度に計算することが可能である。しかしながら、この方法では、表面ポテンシャルを算出するために、裏面から表面までの間における多数のポイントについてのポテンシャルを同時に計算する必要があり、計算時間がかかってしまうという問題がある。そこで、HiSIMなどの高性能モデルでは、高速かつ高精度な回路シミュレーションを行うように、表面ポテンシャルが短時間で計算できるような工夫を図っている。 The surface potential can be calculated with high accuracy by numerically solving the Poisson equation (numerical analysis). However, in this method, in order to calculate the surface potential, it is necessary to calculate potentials at a large number of points between the back surface and the surface at the same time, and there is a problem that it takes a long calculation time. Therefore, a high-performance model such as HiSIM is devised so that the surface potential can be calculated in a short time so as to perform a high-speed and high-accuracy circuit simulation.
近年、移動度が高く、室温形成が可能なことで、a−InGaZnO(IGZO;アモルファス−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(Thin Film Transistor;薄膜トランジスタ)が注目されている。こうした酸化物半導体を用いたTFTの回路設計において、高速かつ高精度な回路シミュレーションを実現するためには、前記したように、表面ポテンシャルの高速かつ高精度な計算方法の開発が必要となる。 In recent years, TFT (Thin Film Transistor) using an oxide semiconductor such as a-InGaZnO (IGZO; amorphous-indium gallium, zinc oxide) has attracted attention because of its high mobility and room temperature formation. ing. In the TFT circuit design using such an oxide semiconductor, in order to realize high-speed and high-precision circuit simulation, it is necessary to develop a high-speed and high-precision calculation method of the surface potential as described above.
ここで、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み、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、前記したHiSIM(非特許文献1)などで用いられている単結晶シリコンMOSFET用の表面ポテンシャルの計算方法や、多結晶シリコンTFT用に開発された計算方法(特許文献1)などを適用することができない。 Here, a TFT using an oxide semiconductor is an accumulation-type transistor that includes defects that trap carriers in a semiconductor film and uses majority carriers. For this reason, such TFTs include a surface potential calculation method for single-crystal silicon MOSFETs used in the above-described HiSIM (Non-patent Document 1) and a calculation method developed for polycrystalline silicon TFTs ( Patent Document 1) cannot be applied.
そこで、本発明は、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の電界効果型の薄膜トランジスタに適用可能な表面ポテンシャルの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。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a surface potential simulation apparatus and a simulation program applicable to a storage-type field effect thin film transistor including a defect that traps carriers in a semiconductor film.
前記した課題を解決するために、請求項1に記載の表面ポテンシャル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、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薄膜トランジスタについて、前記半導体膜において前記絶縁膜と接する面を表面とし、反対面を裏面としたときに、前記半導体膜の表面ポテンシャルを計算する表面ポテンシャルのシミュレーション装置であって、フェルミ準位演算手段と、電荷担体密度演算手段と、裏面ポテンシャル演算手段と、表面ポテンシャル演算手段と、を備えて構成した。 In order to solve the above-described problem, a surface potential simulation device according to claim 1 (hereinafter referred to as a simulation device as appropriate) is a storage-type thin film transistor including defects that trap carriers in a semiconductor film, A field effect thin film transistor having a structure in which a semiconductor film, an insulating film, and a gate electrode are stacked in this order. When the semiconductor film has a surface in contact with the insulating film as a front surface and the opposite surface as a back surface, the semiconductor A surface potential simulation device for calculating the surface potential of a film, comprising Fermi level calculation means, charge carrier density calculation means, back surface potential calculation means, and surface potential calculation means.
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、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(5)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、前記フェルミ準位演算手段により算出されたフェルミ準位を、式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)に代入して、前記半導体膜のフラットバンド条件における、それぞれ正に帯電したドナー型欠陥の密度、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度、ホール密度及び電子密度を算出する。次に、シミュレーション装置は、裏面ポテンシャル演算手段によって、前記電荷担体密度演算手段により算出された正に帯電したドナー型欠陥の密度、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度、ホール密度及び電子密度を、式(22)を式(12)に代入して前記表面ポテンシャルを消去した前記半導体膜の裏面ポテンシャルについての方程式に代入し、前記裏面ポテンシャルを前記裏面ポテンシャルについての方程式から算出する。そして、シミュレーション装置は、表面ポテンシャル演算手段によって、前記裏面ポテンシャル演算手段により算出された裏面ポテンシャルを、前記式(22)に代入して前記表面ポテンシャルを算出する。 According to this configuration, the simulation apparatus calculates the Fermi level under the flat band condition of the semiconductor film from the equation (5), 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 using the expressions (2.3), (3.3), (4.2) and By substituting into equation (4.3), the density of positively charged donor type defects, the density of negatively charged acceptor type defects, the hole density and the electron density are calculated under the flat band condition of the semiconductor film. Next, the simulation apparatus calculates the density of positively charged donor type defects, the density of negatively charged acceptor type defects, the hole density, and the electron density calculated by the charge carrier density calculating unit by the back surface potential calculating unit. Substituting equation (22) into equation (12) and substituting the equation for the back surface potential of the semiconductor film from which the surface potential has been erased, the back surface potential is calculated from the equation for the back surface potential. Then, the simulation apparatus calculates the surface potential by substituting the back surface potential calculated by the back surface potential calculating unit into the equation (22) by the surface potential calculating unit.
ここで、前記式(5)は、 Here, the equation (5) is
であり、前記式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)は、 Formula (2.3), Formula (3.3), Formula (4.2) and Formula (4.3) are
であり、前記式(12)は、 And the formula (12) is
であり、前記式(22)は、 And the formula (22) is
であり、ここで、β=q/kT、γd=q/Etd、γa=q/Eta、cin=εin/tin、Vg’=Vgs−Vfb、であり、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電気素量、p0は半導体膜のフラットバンド条件におけるホール密度、n0は半導体膜のフラットバンド条件における電子密度、Ntd0 +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密度、Nta0 −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密度、gtd0は半導体膜の価電子帯上端でのドナー型欠陥の状態密度、gta0は半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥の状態密度、Evは半導体膜の価電子帯上端のエネルギー、Ecは半導体膜の伝導帯下端のエネルギー、Efは半導体膜のフラットバンド条件でのフェルミ準位、Etdは半導体膜のドナー型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数、Etaは半導体膜のアクセプタ型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数、niは半導体膜の真性キャリア密度、Ei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、εinは絶縁膜の誘電率、tinは絶縁膜の膜厚、φはポテンシャル、φsは表面ポテンシャル、φbは裏面ポテンシャル、Ndは半導体膜の実効的なドナー密度、Vgsはゲート−ソース間の電圧、Vfbはフラットバンド電圧、である。 , And the where, β = q / kT, γ d = q / E td, γ a = q / E ta, c in = ε in / t in, V g '= V gs -V fb, is, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, q is the elementary charge, p 0 is the hole density under the flat band condition of the semiconductor film, n 0 is the electron density under the flat band condition of the semiconductor film, and N td0 + is the flat of the semiconductor film. The density of positively charged donor type defects under band conditions, N ta0 − is the density of negatively charged acceptor type defects under flat band conditions of the semiconductor film , and g td0 is the density of donor type defects at the top of the valence band of the semiconductor film . state density, g ta0 state density of the acceptor-type defects in the conduction band of the semiconductor film, E v is the valence band upper end of the energy of the semiconductor film, E c is the conduction band of the semiconductor film energy, E f is Fermi level of a flat band condition of the semiconductor film, E td is the inverse of the slope of the density of states distribution in the donor-type defects in the semiconductor film, E ta the inverse of the slope of the density of states distribution of the acceptor-type defects in the semiconductor film, n i the intrinsic carrier density of the semiconductor film, E i is the intrinsic Fermi level of the semiconductor film, epsilon sc is the permittivity of the semiconductor film, t sc is the thickness of the semiconductor film, the epsilon in the dielectric constant of the insulating film, t in the insulating The film thickness, φ is the potential, φ s is the surface potential, φ b is the back surface potential, N d is the effective donor density of the semiconductor film , V gs is the gate-source voltage, V fb is the flat band voltage, It is.
請求項2に記載の表面ポテンシャル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、計算範囲設定手段を更に備えて構成した。 The simulation apparatus for surface potential according to claim 2 is the simulation apparatus according to claim 1, further comprising calculation range setting means.
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ゲート電圧を前記表面ポテンシャルの計算条件として順次に前記裏面ポテンシャル演算手段に設定する。次に、シミュレーション装置は、裏面ポテンシャル演算手段によって、計算範囲設定手段が設定した計算条件である前記ゲート電圧と予め定められたソース電圧との差を前記ゲート−ソース間の電圧として用いることで裏面ポテンシャルを計算する。そして、シミュレーション装置は、表面ポテンシャル演算手段によって、裏面ポテンシャル演算手段が計算した裏面ポテンシャルを用いて表面ポテンシャルを計算する。シミュレーション装置は、計算範囲設定手段によって順次に設定するゲート電圧について、裏面ポテンシャル演算手段及び表面ポテンシャル演算手段によって、表面ポテンシャルを計算することにより、表面ポテンシャルのゲート電圧依存性を計算する。 According to such a configuration, the simulation apparatus, the calculation range setting means sets a plurality of Gate voltage in a predetermined range sequentially the back potential calculating means as the calculation conditions of the surface potential. Next, the simulation apparatus uses the back surface potential calculation means to use the difference between the gate voltage, which is the calculation condition set by the calculation range setting means, and the predetermined source voltage, as the gate-source voltage. Calculate the potential. Then, the simulation apparatus calculates the surface potential using the back surface potential calculated by the back surface potential calculating means by the surface potential calculating means. The simulation apparatus calculates the gate potential dependence of the surface potential by calculating the surface potential by the back surface potential calculating means and the surface potential calculating means for the gate voltages sequentially set by the calculation range setting means.
請求項3に記載の表面ポテンシャルのシミュレーションプログラム(以下、適宜シミュレーションプログラムという)は、コンピュータを、請求項1又は請求項2に記載の表面ポテンシャルのシミュレーション装置として機能させるように構成した。 Simulation program of the surface potential of claim 3 (hereinafter, appropriately referred to as a simulation program), a computer, and configured to function as the simulation apparatus of the surface potential of claim 1 or claim 2.
請求項1又は請求項3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電界効果型の薄膜トランジスタについて、半導体膜の表面ポテンシャルを高速かつ高精度に計算することができる。
請求項2又は請求項3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電界効果型の薄膜トランジスタについて、半導体膜の表面ポテンシャルのゲート電圧依存性を高速かつ高精度に計算することができる。
According to the first or third aspect of the invention, the surface potential of the semiconductor film can be calculated at high speed and with high accuracy for a storage-type field effect thin film transistor including a defect that traps carriers in the semiconductor film. Can do.
According to the invention described in claim 2 or
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。 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.
図1は本発明における表面ポテンシャル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、絶縁膜INを挟んでゲート電極Gが設けられている電界効果型トランジスタ(FET)である。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は絶縁膜INの厚さである。なお、本明細書において、ポテンシャルとは電位のことである。 FIG. 1 schematically shows a cross section of a TFT for explaining a method for calculating a surface potential 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, and a gate electrode G is provided below the semiconductor film SC in the drawing with the insulating film IN interposed therebetween. Field effect transistor (FET). 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 insulating film IN. Note that in this specification, the potential means a potential.
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がy=Lとする。また、半導体膜SCのx=0における面を表面とし、その反対面であるx=tscにおける面を裏面とする。 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 insulating film IN, and x = tsc at the upper end surface. The coordinates in the y direction are y = 0 where the semiconductor film SC is in contact with the right end of the source electrode S and y = L where the semiconductor film SC is in contact with the left end of the drain electrode D. Further, the surface at x = 0 of the semiconductor film SC is the front surface, and the surface at x = tsc, which is the opposite surface, is the back surface.
ここで、半導体膜SC中のポアソン方程式は、式(1.1)のように表すことができる。 Here, the Poisson equation in the semiconductor film SC can be expressed as in Expression (1.1).
ここで、ρは電荷密度であり、εscは半導体の誘電率である。また、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(1.2)で与えられる。 Here, ρ is the charge density, and ε sc is the dielectric constant of the semiconductor. In addition, the charge density ρ in the semiconductor film SC including a defect that captures carriers is given by Expression (1.2) in consideration of the density of defects that capture carriers.
ここで、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の深さ方向(厚さ方向)の距離、qは電気素量、pはホール密度、nは電子密度、Nd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、Ntd +は正に帯電したドナー型欠陥の密度、Nta −は負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度である。また、p0は半導体膜SCのフラットバンド条件におけるホール密度であり、n0は半導体膜SCのフラットバンド条件における電子密度であり、βは熱電圧(kT/q)の逆数(q/kT)である。なお、kはボルツマン定数であり、Tは絶対温度である。 Here, φ is an electrostatic potential (hereinafter simply referred to as potential as appropriate), x is a distance in the depth direction (thickness direction) of the semiconductor film SC, q is an elementary charge, p is a hole density, n is an electron density, N d is an effective donor density derived from oxygen deficiency or impurity hydrogen, N td + is a density of positively charged donor type defects, and N ta − is a density of negatively charged acceptor type defects. P 0 is the hole density in the flat band condition of the semiconductor film SC, n 0 is the electron density in the flat band condition of the semiconductor film SC, and β is the reciprocal (q / kT) of the thermal voltage (kT / q). It is. Here, k is a Boltzmann constant, and T is an absolute temperature.
式(1.1)に式(1.2)を代入することにより、半導体膜SC中のポアソン方程式は、式(1.5)のように表すことができる。 By substituting the formula (1.2) into the formula (1.1), the Poisson equation in the semiconductor film SC can be expressed as the formula (1.5).
ドナー型欠陥の状態密度gtd及びアクセプタ型欠陥の状態密度gtaは、図2に示すように、それぞれバンドギャップ中のエネルギーの指数関数で表わされる。ここで、ドナー型欠陥の状態密度gtdは式(2.1)で与えられる。 The state density g td of the donor-type defect and the state density g ta of the acceptor-type defect are each represented by an exponential function of energy in the band gap as shown in FIG. Here, the state density g td of the donor-type defect is given by Equation (2.1).
ここで、gtd0は価電子帯上端でのドナー型欠陥の状態密度、Evは価電子帯上端のエネルギー、Eはバンドギャップ中のエネルギー、Etdはドナー型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数である。
また、正に帯電したドナー型欠陥の密度Ntd +は、式(2.1)に欠陥準位の占有確率として、(1−f(E))を掛けて、エネルギーEについてEvからEcまで積分することにより、式(2.2)のように与えられる。ここで、f(E)は式(2.5)に示すフェルミ分布関数であり、Ecは伝導帯下端のエネルギーである。
Here, g td0 is the density of states of the donor-type defect at the top of the valence band, E v is the energy of the top of the valence band, E is the energy in the band gap, and E td is the slope of the density of state density of the donor-type defects. It is the reciprocal number.
Further, the density N td + of the positively charged donor-type defect is obtained by multiplying Eq. (2.1) by (1−f (E)) as the defect level occupation probability and Ev to E By integrating up to c , it is given by equation (2.2). Here, f (E) is a Fermi distribution function shown in equation (2.5), E c is the energy of the conduction band minimum.
ここで、Efはフラットバンド条件でのフェルミ準位であり、Efeはフェルミエネルギーである。 Here, E f is the Fermi level under flat band conditions, and E fe is the Fermi energy.
また、アクセプタ型欠陥の状態密度gtaは式(3.1)で与えられる。 Further, the state density g ta of the acceptor type defect is given by the equation (3.1).
ここで、gta0は伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥の状態密度、Etaはアクセプタ型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数である。 Here, g ta0 is the state density of the acceptor type defect at the lower end of the conduction band, and E ta is the reciprocal of the slope of the state density distribution of the acceptor type defect.
負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta −は、式(3.1)に欠陥準位の占有確率として式(2.5)に示したフェルミ分布関数f(E)を掛けて、エネルギーEについてEvからEcまで積分することにより、式(3.2)のように与えられる。 The density N ta − of the negatively charged acceptor type defect is obtained by multiplying the formula (3.1) by the Fermi distribution function f (E) shown in the formula (2.5) as the occupation probability of the defect level, and the energy E By integrating from E v to E c , the equation (3.2) is given.
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Efを計算するプロセスを示す。 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、MOS型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、絶縁膜INの近傍で曲がらず、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、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のフェルミ準位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 is flat in the vicinity of the insulating film IN in the energy band diagram of the MOS TFT. 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 there is no charge in the insulating film IN, the Fermi level E of the metal that is the gate electrode G under the flat band condition. fm becomes equal to the Fermi level 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、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Vg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 an electric charge in the insulating film IN, the energy band in the semiconductor film SC that is generated by these changes. The flat band voltage V fb is the gate voltage V g required to compensate the bending and flatten the energy band.
フェルミ準位Efを計算するプロセスについて説明を続ける。
電気的中性条件は、式(1.1)に示したポアソン方程式及び式(1.2)に基づいて、式(4.1)のように表すことができる。
The process of calculating the Fermi level E f will be continued.
The electrical neutral condition can be expressed as in Formula (4.1) based on the Poisson equation shown in Formula (1.1) and Formula (1.2).
ここで、niは真性キャリア密度、Eiは真性フェルミ準位である。
式(4.1)に、式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)を代入すると、式(5)が得られる。
Here, n i is the intrinsic carrier density, E i is the intrinsic Fermi level.
By substituting Equation (2.3), Equation (3.3), Equation (4.2) and Equation (4.3) into Equation (4.1), Equation (5) is obtained.
ここで、価電子帯上端でのドナー型欠陥の状態密度gtd0、ドナー型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数Etd、伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥の状態密度gta0、アクセプタ型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数Eta、実効的なドナー密度Nd、真性キャリア密度ni、真性フェルミ準位Ei、価電子帯上端のエネルギーEv及び伝導帯下端のエネルギーEc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(5)は、フェルミ準位Efについての方程式となる。 Here, the state density g td0 of the donor type defect at the upper end of the valence band, the reciprocal number E td of the state density distribution of the donor type defect, the state density g ta0 of the acceptor type defect at the lower end of the conduction band, The reciprocal of the gradient of the state density distribution E ta , the effective donor density N d , the intrinsic carrier density n i , the intrinsic Fermi level E i , the energy E v at the top of the valence band, and the energy E c at the bottom of the conduction band are It is given as a device parameter which is a design value of or a characteristic parameter specific to the material used. The absolute temperature T can be set to an arbitrary value (for example, 300K). Therefore, Equation (5) is an equation for the Fermi level E f .
そこで、このフェルミ準位Efについての方程式である式(5)を、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により、フラットバンド条件でのフェルミ準位Efを算出することができる。そして、算出したフラットバンド条件でのフェルミ準位Efを式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)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、正に帯電したドナー型欠陥の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0及び電子密度n0の値を得る。これらの電荷担体密度の値は、この後の表面ポテンシャルの計算の際に用いる。 Therefore, the flat band is obtained by numerically analyzing Equation (5), which is an equation for the Fermi level E f , by a known method such as Newton's method or bisection method, which is a root finding algorithm using iterative calculation. The Fermi level E f under the condition can be calculated. Then, by substituting the calculated Fermi level E f under the flat band condition into the equations (2.3), (3.3), (4.2), and (4.3), the semiconductor film The values of the density N td0 + of positively charged donor-type defects, the density N ta0 − of negatively charged acceptor-type defects, the hole density p 0 and the electron density n 0 are obtained under the SC flat band condition. These charge carrier density values are used in the subsequent calculation of the surface potential.
次に、式(1.1)に示したポアソン方程式から、表面ポテンシャルとゲート電圧Vgとを関係付ける式の導出について説明する。
まず、式(1.1)の両辺に2(dφ/dx)を掛けると、式(6.1)が得られる。
Next, the Poisson's equation shown in equation (1.1), it will be described equation derived relating the surface potential and the gate voltage V g.
First, by multiplying both sides of the formula (1.1) by 2 (dφ / dx), the formula (6.1) is obtained.
ここで、式(6.1)の左辺は、式(6.2)のように変形することができる。 Here, the left side of the equation (6.1) can be transformed as in the equation (6.2).
式(6.1)及び式(6.2)から、式(6.3)が得られる。 Expression (6.3) is obtained from Expression (6.1) and Expression (6.2).
次に、式(6.3)の両辺をxについて、x=0からx=tsc(膜厚:図1参照)まで積分する。
ここで、
Next, both sides of the formula (6.3) are integrated with respect to x from x = 0 to x = t sc (film thickness: see FIG. 1).
here,
とおき、式(6.3)の左辺をxについて積分すると、式(7.1)が得られる。 Then, when the left side of equation (6.3) is integrated with respect to x, equation (7.1) is obtained.
次に、式(6.3)の右辺をxについて積分すると、式(7.2)が得られる。 Next, when the right side of Expression (6.3) is integrated with respect to x, Expression (7.2) is obtained.
ここで、φsは表面ポテンシャル(図1におけるx=0の位置でのポテンシャル)、φbは裏面ポテンシャル(図1におけるx=tscの位置でのポテンシャル)である。 Here, φ s is the surface potential (potential at the position of x = 0 in FIG. 1), and φ b is the back surface potential (potential at the position of x = t sc in FIG. 1).
よって、式(7.1)及び式(7.2)から式(8)が得られる。 Therefore, Expression (8) is obtained from Expression (7.1) and Expression (7.2).
ここで、式(8)の左辺に関して、ガウスの法則より、式(9.1)及び式(9.2)で示される境界条件が成り立つ。なお、式(9.1)は、x=tscにおいて、電界がゼロとするものであり、式(9.2)は、x=0において、絶縁膜IN側の電束密度と半導体膜SC側の電束密度とが等しいとするものである。 Here, with respect to the left side of Expression (8), the boundary conditions represented by Expression (9.1) and Expression (9.2) are satisfied according to Gauss's law. Note that Expression (9.1) is an expression in which the electric field is zero at x = t sc , and Expression (9.2) indicates that the electric flux density on the insulating film IN side and the semiconductor film SC at x = 0. It is assumed that the electric flux density on the side is equal.
ここで、Vgsはゲート−ソース間電圧(ゲート電圧Vgとソース電圧Vsとの差(Vg−Vs))、Vfbはフラットバンド電圧であり、εinは絶縁膜INの誘電率、tinは絶縁膜INの厚さである。 Here, V gs is a gate-source voltage (a difference (V g −V s ) between the gate voltage V g and the source voltage V s ), V fb is a flat band voltage, and ε in is a dielectric of the insulating film IN. rate, t in is the thickness of the insulating film iN.
また、式(8)の右辺に式(1.2)を代入すると、式(10)が得られる。 Further, when Expression (1.2) is substituted into the right side of Expression (8), Expression (10) is obtained.
そして、式(8)に、式(9.1)、式(9.2)及び式(10)を代入すると、式(11)を得る。 Then, when Expression (9.1), Expression (9.2), and Expression (10) are substituted into Expression (8), Expression (11) is obtained.
従って、式(11)の平方根をとることで、ポテンシャルとゲート電圧との間の関係は、式(12)のように表わすことができる。 Therefore, by taking the square root of Expression (11), the relationship between the potential and the gate voltage can be expressed as Expression (12).
式(12)から所望のゲート電圧Vgにおける表面ポテンシャルφsを計算するためには、表面ポテンシャルφsと裏面ポテンシャルφbとの間の関係式が必要となる。
本実施形態においては、表面ポテンシャルφsと裏面ポテンシャルφbとの間の関係式として、近似式を用いる。
In order to calculate the surface potential φ s at the desired gate voltage V g from the equation (12), a relational expression between the surface potential φ s and the back surface potential φ b is required.
In this embodiment, an approximate expression is used as a relational expression between the surface potential φ s and the back surface potential φ b .
次に、本実施形態で用いる表面ポテンシャルφsと裏面ポテンシャルφbとの間の近似式について説明する。
半導体膜SCの裏面(x=tsc)での電荷密度をρbとすると、式(1.2)に、式(1.3)、式(1.4)、式(2.2)及び式(3.2)を代入し、φ=φbとすることで、式(13)を得る。
Next, an approximate expression between the surface potential φ s and the back surface potential φ b used in the present embodiment will be described.
When the charge density at the back surface (x = t sc) of the semiconductor film SC and [rho b, the equation (1.2), equation (1.3), equation (1.4), equation (2.2) and substituting equation (3.2), by the phi = phi b, to obtain a formula (13).
ここで、式(1.1)のポアソン方程式における電荷密度ρは、xの値(深さ方向の位置)に厳密には依存するが、薄膜トランジスタの場合は半導体膜厚が薄いので、電荷密度ρはxの値に依存せず、式(14)に示すように、半導体膜SC中で一定であると近似する。 Here, the charge density ρ in the Poisson equation of Expression (1.1) strictly depends on the value of x (position in the depth direction), but in the case of a thin film transistor, the charge density ρ is small. Does not depend on the value of x, and is approximated to be constant in the semiconductor film SC as shown in Expression (14).
そして、式(14)を式(1.1)に代入すると、式(15)を得る。 Then, when Expression (14) is substituted into Expression (1.1), Expression (15) is obtained.
ここで、式(15)の右辺はxの値に依存しないので、式(15)は簡単に積分することができ、順次にxについて積分して式(16)及び式(17)を得ることができる。 Here, since the right side of Expression (15) does not depend on the value of x, Expression (15) can be easily integrated, and sequentially integrated with respect to x to obtain Expression (16) and Expression (17). Can do.
ここで、C1及びC2は積分定数である。
また、式(9.1)より、x=tscの場合について考えると、式(16)は、式(18.1)となり、積分定数C1は、式(18.2)のようになる。
Here, C 1 and C 2 are integral constants.
Further, from the equation (9.1), considering the case of x = t sc , the equation (16) becomes the equation (18.1), and the integration constant C 1 becomes as the equation (18.2). .
次に、式(18.2)を式(17)に代入すると、式(19.1)となり、式(19.1)において、x=tscとすると、φ=φbであるから、式(19.2)を得る。 Next, substituting equation (18.2) into equation (17) yields equation (19.1). In equation (19.1), if x = t sc , then φ = φ b. (19.2) is obtained.
従って、積分定数C2は、式(20)のようになる。 Accordingly, the integration constant C 2 is as shown in equation (20).
式(20)を式(19.1)に代入すると、式(21.1)となる。更に、式(21.1)において、x=0とすると、φ=φsであるから、式(21.2)を得る。 Substituting equation (20) into equation (19.1) yields equation (21.1). Furthermore, in equation (21.1), if x = 0, then φ = φ s , so equation (21.2) is obtained.
そして、式(21.2)に、式(13)を代入すると、式(22)を得ることができる。 Then, when Expression (13) is substituted into Expression (21.2), Expression (22) can be obtained.
本実施形態においては、式(22)を、表面ポテンシャルφsと裏面ポテンシャルφbとの間の関係を示す近似式として用いることとする。
そこで、式(22)を式(12)に代入して表面ポテンシャルφsを式(12)から消去することにより、裏面ポテンシャルφbについての方程式が得られる。
In the present embodiment, Expression (22) is used as an approximate expression indicating the relationship between the surface potential φ s and the back surface potential φ b .
Therefore, by substituting Equation (22) into Equation (12) and erasing the surface potential φ s from Equation (12), an equation for the back surface potential φ b can be obtained.
なお、式(22)に式(12)を代入した方程式において、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である、正に帯電したドナー型欠陥の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0及び電子密度n0は、それぞれ前記した式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)から算出されたたものを用いる。 In the equation in which the equation (12) is substituted into the equation (22), the density N td0 + of the positively charged donor type defect, which is the charge carrier density in the flat band condition of the semiconductor film SC, and the acceptor type negatively charged. The defect density N ta0 − , hole density p 0, and electron density n 0 are calculated from the above-described formula (2.3), formula (3.3), formula (4.2), and formula (4.3), respectively. Use what was done.
また、その他の必要な値であるドナー型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数Etd、アクセプタ型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数Eta、実効的なドナー密度Nd、絶縁膜の厚さtin、フラットバンド電圧Vfb、半導体膜の誘電率εsc及び絶縁膜の誘電率εin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。 In addition, the reciprocal number E td of the state density distribution of the donor-type defects, which is other necessary values, the reciprocal number E ta of the state density distribution of the acceptor-type defects, the effective donor density N d , and the thickness of the insulating film The t in , the flat band voltage V fb , the dielectric constant ε sc of the semiconductor film, and the dielectric constant ε in of the insulating film are given as device parameters that are design values of the device or intrinsic parameters specific to the material to be used.
また、Vg’を定義する式(9.4)におけるゲート−ソース間電圧Vgsを定めるために必要なゲート電圧Vg及びソース電圧Vsは、計算条件として設定される値であり、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。 Further, the gate voltage V g and the source voltage V s necessary for determining the gate-source voltage V gs in the equation (9.4) defining V g ′ are values set as calculation conditions, and are absolute The temperature T can be set to an arbitrary value (for example, 300K).
従って、この式(22)に式(12)代入して得られた裏面ポテンシャルφbの方程式を、前記した式(5)からフェルミ準位Efを計算するのと同様に、ニュートン法や二分法などの公知の手法を用いて数値解析することにより、裏面ポテンシャルφbを算出することができる。 Accordingly, the equation of the back surface potential φ b obtained by substituting the equation (12) into the equation (22) is replaced with the Newton method or the bisection in the same manner as the Fermi level E f is calculated from the equation (5). The back surface potential φ b can be calculated by numerical analysis using a known method such as the method.
そして、算出された裏面ポテンシャルφbを式(22)に代入することで、表面ポテンシャルφsを得ることができる。 Then, by substituting the calculated back surface potential φ b into the equation (22), the surface potential φ s can be obtained.
また、この裏面ポテンシャルφbの算出の際に設定するゲート電圧Vgの値を、様々に変えて、対応する表面ポテンシャルφsを算出することにより、表面ポテンシャルφsのゲート電圧依存性を計算することができる。 Further, the value of the gate voltage V g to set in the calculation of the back surface potential phi b, variously changed, by calculating the corresponding surface potential phi s, calculate the gate voltage dependence of the surface potential phi s can do.
次に、図4を参照(適宜図1参照)して、前記した本発明における表面ポテンシャルの計算方法を用いて、表面ポテンシャルのシミュレーションを行う表面ポテンシャル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. 4 (refer to FIG. 1 as appropriate), a surface potential simulation apparatus (hereinafter referred to as a simulation apparatus as appropriate) that performs surface potential simulation using the surface potential calculation method according to the present invention described above. explain.
[シミュレーション装置の構成]
図4に示したように、本実施形態におけるシミュレーション装置(表面ポテンシャル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、裏面ポテンシャル演算手段14、表面ポテンシャル演算手段15、パラメータ記憶手段16、電荷担体密度記憶手段17及び表面ポテンシャル記憶手段18を備えて構成される。
[Configuration of simulation device]
As shown in FIG. 4, the simulation apparatus (surface potential simulation apparatus) 1 in this embodiment includes a device
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、表面ポテンシャルφs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(表面ポテンシャル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、パソコンに表面ポテンシャルのシミュレーションプログラムを実行させて表面ポテンシャル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。
Although the simulation apparatus 1 can be configured by dedicated hardware, a program that realizes each of the above-described means for calculating the surface potential φ s in a general computer such as a personal computer (personal computer) ( This can be realized by executing a surface potential simulation program. In the present embodiment, a personal computer executes a surface potential simulation program to realize a surface potential simulation apparatus 1.
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、表面ポテンシャルφs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16に記憶する。
The device parameter input means 10 inputs device parameters, which are parameters indicating device configuration and characteristic values necessary for the calculation of the surface potential φ s , via an input means such as a keyboard (not shown). The device
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、絶縁膜INの厚さtin、価電子帯上端でのドナー型欠陥の状態密度gtd0、ドナー型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数Etd、伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥の状態密度gta0、アクセプタ型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数Eta、フラットバンド電圧Vfb及び実効的なドナー密度Ndが挙げられる。 The device parameters to be input, the semiconductor film SC thickness t sc, the thickness t in the insulating film IN, at the valence band maximum donor type defects state density g td0, the slope of the density of states distribution in the donor-type defects Examples include the reciprocal E td , the state density g ta0 of the acceptor type defect at the lower end of the conduction band, the reciprocal number E ta of the state density distribution of the acceptor type defect, the flat band voltage V fb, and the 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Ei、真性キャリア密度ni、価電子帯上端のエネルギーEv、伝導帯下端のエネルギーEc、誘電率εsc及び絶縁膜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16に記憶しておく。更にまた、計算条件の一つであるソース電圧Vs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16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 , energy E v at the valence band upper end, energy E c at the lower end of the conduction band, dielectric constant ε sc, and insulating film IN As for the dielectric constant ε in , a fixed value is stored in advance in the parameter storage means 16 as a specific parameter unique to the material to be used. Furthermore, as 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
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16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Efを計算し、計算したフェルミ準位Ef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 16, and calculates 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(5)にデバイスパラメータ等を代入し、式(5)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Efを算出する。 Specifically, the Fermi level calculation means 11 substitutes device parameters and the like into the above equation (5), and numerically analyzes the equation (5) 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Ef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の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0及び電子密度n0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17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 td0 + of the positively charged donor type defect in the flat band condition of the semiconductor film SC is negatively charged. The density N ta0 − , the hole density p 0, and the electron density n 0 of the accepted acceptor type defect are calculated, and the calculated charge carrier density is stored in the charge carrier density storage means 17.
具体的には、電荷担体密度演算手段12は、フェルミ準位Efを前記した式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)に代入することで、それぞれ正に帯電したドナー型欠陥の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0及び電子密度n0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16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 (2.3), (3.3), (4.2), and (4.3). Thus , the density N td0 + of the positively charged donor type defect, the density N ta0 − of the negatively charged acceptor type defect, the hole density p 0 and the electron density n 0 are calculated. When device parameters or the like are required for calculating these charge carrier densities, the charge carrier
計算範囲設定手段13は、表面ポテンシャルφsのゲート電圧依存性を計算する際の、ゲート電圧Vgの範囲を不図示のキーボードなどを介して入力し、裏面ポテンシャルφbを計算する際に、入力したゲート電圧Vgの範囲における様々なゲート電圧Vg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Vgを計算条件として、裏面ポテンシャル演算手段14に設定する。
The calculation range setting means 13 inputs the range of the gate voltage V g when calculating the gate voltage dependency of the surface potential φ s via a keyboard (not shown), and calculates the back surface potential φ b . Various gate voltages V g in the range of the input gate voltage V g are set as calculation conditions. The calculation
具体的には、計算範囲設定手段13は、ゲート電圧Vgの設定範囲として、ゲート電圧の初期値V0と、ゲート電圧の最大値Vmax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V0と、最大値Vmaxと、間隔ΔVとに基づいて、順次、V0,V0+ΔV,V0+2×ΔV,・・・,Vmaxをゲート電圧Vgとして裏面ポテンシャル演算手段14に設定する。 Specifically, the calculation range setting means 13 inputs the initial value V 0 of the gate voltage, the maximum value V max of the gate voltage, and the interval ΔV for changing the gate voltage as the setting range of the gate voltage V g. . Then, the calculation range setting means 13 sequentially V 0 , V 0 + ΔV, V 0 + 2 × ΔV,..., V based on the input initial value V 0 , maximum value V max , and interval ΔV. max setting the rear surface potential calculating means 14 as the gate voltage V g.
裏面ポテンシャル演算手段14は、電荷担体密度記憶手段17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16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Vgにおける裏面ポテンシャルφbを算出し、算出した裏面ポテンシャルφbを表面ポテンシャル演算手段15に出力するものである。
Based on the charge carrier density stored in the charge carrier
具体的には、裏面ポテンシャル演算手段14は、電荷担体密度として正に帯電したドナー型欠陥の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0及び電子密度n0と、必要なデバイスパラメータ等と、ゲート電圧Vgとを、前記した式(12)に式(22)を代入して得られる裏面ポテンシャルφbについての方程式に代入し、この裏面ポテンシャルφbについての方程式を、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、裏面ポテンシャルφbを算出する。なお、式(12)におけるVg’を定義する式(9.4)におけるゲート−ソース間電圧Vgsは、ゲート電圧Vgと、予め定められたソース電圧Vsとの差(Vg−Vs)として求めることができる。 Specifically, the back surface potential calculation means 14 calculates the density N td0 + of positively charged donor type defects, the density N ta0 − of negatively charged acceptor type defects, the hole density p 0, and the electron density n as the charge carrier density. 0 , necessary device parameters and the like, and the gate voltage V g are substituted into the equation for the back surface potential φ b obtained by substituting the equation (22) into the above equation (12), and this back surface potential φ b The back surface potential φ b is calculated by numerically analyzing the equation with respect to Newton method, bisection method, or the like. Note that the gate-source voltage V gs in the equation (9.4) defining V g ′ in the equation (12) is the difference between the gate voltage V g and a predetermined source voltage V s (V g − V s ).
表面ポテンシャル演算手段15は、裏面ポテンシャル演算手段14から入力した裏面ポテンシャルφb、電荷担体密度記憶手段17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16に記憶されているデバイスパラメータ等に基づいて、表面ポテンシャルφsを算出し、算出した表面ポテンシャルφsを、計算条件であるゲート電圧Vgに対応付けて、表面ポテンシャル記憶手段18に記憶するものである。
なお、表面ポテンシャル演算手段15は、表面ポテンシャルφsを、ゲート電圧Vgに代えて、Vg’に対応付けて表面ポテンシャル記憶手段18に記憶するようにしてもよい。
The surface potential calculation means 15 is based on the back surface potential φ b input from the back surface potential calculation means 14, the charge carrier density stored in the charge carrier density storage means 17, the device parameters stored in the parameter storage means 16, and the like. The surface potential φ s is calculated, and the calculated surface potential φ s is stored in the surface potential storage means 18 in association with the gate voltage V g which is a calculation condition.
The surface potential calculation means 15 may store the surface potential φ s in the surface potential storage means 18 in association with V g ′ instead of the gate voltage V g .
具体的には、表面ポテンシャル演算手段15は、式(22)に裏面ポテンシャルφb、電荷担体密度である正に帯電したドナー型欠陥の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0、電子密度n0、及び必要なデバイスパラメータ等を代入して、表面ポテンシャルφsを算出する。 Specifically, the surface potential calculation means 15 calculates the back surface potential φ b , the positively charged donor-type defect density N td0 + as the charge carrier density, and the negatively charged acceptor-type defect density N in Equation (22). The surface potential φ s is calculated by substituting ta0 − , hole density p 0 , electron density n 0 , and necessary device parameters.
パラメータ記憶手段16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、絶縁膜INの厚さtin、価電子帯上端でのドナー型欠陥の状態密度gtd0、ドナー型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数Etd、伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥の状態密度gta0、アクセプタ型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数Eta、フラットバンド電圧Vfb及び実効的なドナー密度Ndを記憶するものである。 Parameter storing means 16, the thickness t sc semiconductor film SC is a device parameter device parameter input means 10 is inputted, the thickness t in the insulating film IN, the state density of the donor-type defects in the valence band maximum g td0 , The reciprocal number E td of the state density distribution of the donor type defect, the state density g ta0 of the acceptor type defect at the lower end of the conduction band, the reciprocal number E ta of the state density distribution of the acceptor type defect, the flat band voltage V fb, and the effective it is for storing the donors density N d.
また、パラメータ記憶手段16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Ei、真性キャリア密度ni、価電子帯上端のエネルギーEv、伝導帯下端のエネルギーEc、誘電率εsc及び絶縁膜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。 In addition, the parameter storage means 16 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 , dielectric constant of the semiconductor film SC as other parameters. ε sc and the dielectric constant ε in of the insulating film IN are stored as pre-stored eigenvalues as eigenparameters specific to the material used.
また、パラメータ記憶手段16は、他の計算条件であるソース電圧Vs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
パラメータ記憶手段16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、裏面ポテンシャル演算手段14及び表面ポテンシャル演算手段15によって、適宜参照される。
The device parameters and the like stored in the
電荷担体密度記憶手段17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の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0及び電子密度n0を記憶するものである。これらのデータは、裏面ポテンシャル演算手段14及び表面ポテンシャル演算手段15によって参照される。 The charge carrier density storage means 17 is a charge carrier density calculated by the charge carrier density calculation means 12, which is a positively charged donor-type defect density N td0 + , a negatively charged acceptor-type defect density N ta0 − , The hole density p 0 and the electron density n 0 are stored. These data are referred to by the back surface potential calculating means 14 and the surface potential calculating means 15.
表面ポテンシャル記憶手段18は、表面ポテンシャル演算手段15によって算出された表面ポテンシャルφsを、表面ポテンシャルφsの計算条件であるゲート電圧Vgに対応付けて記憶するものである。 The surface potential storage means 18 stores the surface potential φ s calculated by the surface potential calculation means 15 in association with the gate voltage V g which is a calculation condition for the surface potential φ s .
表面ポテンシャル記憶手段18に記憶された表面ポテンシャルφsは、例えば、表面ポテンシャルφsに基づくTFTの電流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、TFTの特性値としてグラフ表示することもできる(例えば、図6及び図7参照)。 The surface potential φ s stored in the surface potential storage means 18 is used for, for example, calculation of a current value of a TFT based on the surface potential φ s . In addition, a graph drawing means (not shown) can output to a display means or a printing means connected to a computer and display it as a TFT characteristic value (for example, see FIGS. 6 and 7).
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16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 16 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Vs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
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の密度Ntd0 +などの電荷担体密度を、電荷担体密度記憶手段17に一旦記憶して、裏面ポテンシャル演算手段14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裏面ポテンシャル演算手段14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 td0 + of the positively charged donor type defect calculated by the charge carrier
[シミュレーション装置の動作]
次に、図5を参照(適宜図1及び図4参照)して、本実施形態における表面ポテンシャル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. 5 (refer to FIGS. 1 and 4 as appropriate), the operation of the surface potential simulation apparatus 1 in the present 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16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 means 10 and stores them in the parameter storage means 16 (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16に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(5)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Efを算出し、算出したフェルミ準位Ef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
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Ef及びパラメータ記憶手段16に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)により、それぞれ半導体膜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の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0及び電子密度n0の値を算出し、算出したこれらの値を電荷担体密度記憶手段17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
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、表面ポテンシャルφsを算出する際の、ゲート電圧Vgの設定範囲を定めるデータとして、ゲート電圧の初期値V0と、ゲート電圧の最大値Vmax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V0をゲート電圧Vgとして裏面ポテンシャル演算手段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 gate voltage V g when calculating the surface potential φ s , and the gate voltage initial value V 0 and the maximum gate voltage. The value V max and the interval ΔV for changing the gate voltage are input from a keyboard (not shown) or the like, and the initial value V 0 is set as the gate voltage V g in the back surface potential calculating means 14 (step S13).
次に、シミュレーション装置1は、裏面ポテンシャル演算手段14によって、電荷担体密度記憶手段17に記憶されている正に帯電したドナー型欠陥の密度Ntd0 +、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度Nta0 −、ホール密度p0、電子密度n0、及びパラメータ記憶手段16に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(12)及び式(22)により、計算範囲設定手段13により設定されたゲート電圧Vgにおける裏面ポテンシャルφbを算出し、算出した裏面ポテンシャルφbを表面ポテンシャル演算手段15に出力する(ステップS14)。
Next, the simulation apparatus 1 uses the back surface
次に、シミュレーション装置1は、表面ポテンシャル演算手段15によって、裏面ポテンシャル演算手段14により算出した裏面ポテンシャルφb、電荷担体密度記憶手段17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16に記憶されているデバイスパラメータ等を用いて、式(22)により、表面ポテンシャルφsを算出し、算出した表面ポテンシャルφsを、計算条件であるゲート電圧Vgに対応付けて、表面ポテンシャル記憶手段18に記憶する(ステップS15)。
Next, the simulation apparatus 1 stores the back surface potential φ b calculated by the back surface
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、次の表面ポテンシャルφsを算出する際のゲート電圧Vgに変更するために、前回のゲート電圧Vgに、計算の間隔ΔVを加算し、裏面ポテンシャル演算手段14に設定する(ステップS16)。 Next, the simulation apparatus 1 uses the calculation range setting means 13 to change the calculation condition to the previous gate voltage V g in order to change the calculation condition to the gate voltage V g when the next surface potential φ s is calculated. The interval ΔV is added and set in the back surface potential calculation means 14 (step S16).
ここで、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S16で条件変更したゲート電圧Vgが、計算範囲の最大値Vmaxより大きいかどうかを判断し(ステップS17)、大きい場合は(ステップS17でYes)、所定の計算範囲における表面ポテンシャルφs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。 Here, in the simulator 1, the computation range setting means 13, when the gate voltage V g was condition changed in step S16 is to determine whether the maximum value greater than V max calculation range (step S17), large ( Since the calculation of the surface potential φ s in the predetermined calculation range is finished, the simulation apparatus 1 finishes the process.
一方、ステップS16で条件変更したゲート電圧Vgが、計算範囲の最大値Vmax以下の場合は(ステップS17でNo)、シミュレーション装置1は、ステップS14に戻り、ステップS16で設定したゲート電圧Vgについて、裏面ポテンシャル演算手段14による裏面ポテンシャルφbの算出と、表面ポテンシャル演算手段15による表面ポテンシャルφsの算出(ステップS15)とを繰り返す。 On the other hand, the gate voltage V g was condition changed in step S16 is equal to or smaller than the maximum value V max of the calculation range (No in step S17), the simulation apparatus 1 returns to step S14, the gate voltage V set in step S16 For g , the calculation of the back surface potential φ b by the back surface potential calculation means 14 and the calculation of the surface potential φ s by the surface potential calculation means 15 (step S15) are repeated.
次に、本発明の実施形態に係る表面ポテンシャルのシミュレーション方法の実施例について説明する。
図6及び図7に、TFTの表面ポテンシャルのゲート電圧依存性の計算結果を示す。半導体膜はIGZO、絶縁膜はSiO2を仮定し、半導体膜厚tsc、絶縁膜厚tin、半導体膜中の欠陥の密度を様々に変えて計算を行った。
Next, an example of the surface potential simulation method according to the embodiment of the present invention will be described.
6 and 7 show the calculation results of the gate voltage dependence of the surface potential of the TFT. Assuming that the semiconductor film is IGZO and the insulating film is SiO 2 , the calculation was performed by changing the semiconductor film thickness t sc , the insulating film thickness t in , and the density of defects in the semiconductor film.
縦軸は表面ポテンシャルφs、横軸はゲート‐ソース間電圧Vgsとフラットバンド電圧Vfbの差Vg’を表わしており、図6及び図7において、式(1)のポアソン方程式を厳密に計算した結果を白丸で示し、本発明の実施形態に係る表面ポテンシャルのシミュレーション方法により計算した結果を実線で示している。何れも、ゲート電圧Vgを0.1[V]間隔で変化させた250点について計算したものである。 The vertical axis represents the surface potential φ s , and the horizontal axis represents the difference V g ′ between the gate-source voltage V gs and the flat band voltage V fb . In FIG. 6 and FIG. The calculated results are indicated by white circles, and the results calculated by the surface potential simulation method according to the embodiment of the present invention are indicated by solid lines. Which may occur to those calculated for 250 points and the gate voltage V g is changed by 0.1 [V] interval.
図6(a)に示した例は、半導体膜中に欠陥がない場合(gtd0=0[cm−3eV−1],gta0=0[cm−3eV−1])の計算結果を示し、絶縁膜厚tinを50nm、半導体膜厚tscを30nm、50nm及び100nmとした。
In the example illustrated in FIG. 6A , the calculation result when there is no defect in the semiconductor film (g td0 = 0 [cm −3 eV −1 ], g ta0 = 0 [cm −3 eV −1 ]) shows, an insulating film thickness t in to 50nm, the
図6(b)に示した例は、絶縁膜厚及び半導体膜厚の条件は図6(a)に示した例と同じであるが、半導体膜中に欠陥がある場合(gtd0=3×1020[cm−3eV−1],Etd=0.25[eV],gta0=8×1017[cm−3eV−1],Eta=0.15[eV])の計算結果を示す。 In the example shown in FIG. 6B, the conditions of the insulating film thickness and the semiconductor film thickness are the same as those in the example shown in FIG. 6A, but there is a defect in the semiconductor film (g td0 = 3 × 10 20 [cm −3 eV −1 ], E td = 0.25 [eV], g ta0 = 8 × 10 17 [cm −3 eV −1 ], E ta = 0.15 [eV]) Indicates.
同様に、図7(a)に示した例は半導体膜中に欠陥がない場合(gtd0=0[cm−3eV−1],gta0=0[cm−3eV−1])の計算結果を示し、絶縁膜厚tinを100nm、半導体膜厚tscを30nm、50nm及び100nmとしている。また、図7(b)に示した例は、絶縁膜厚及び半導体膜厚の条件は図7(a)に示した例と同じで、半導体膜中に欠陥がある場合(gtd0=3×1020[cm−3eV−1],Etd=0.25[eV],gta0=8×1017[cm−3eV−1],Eta=0.15[eV])の計算結果を示す。
Similarly, in the example illustrated in FIG. 7A, the calculation is performed when there is no defect in the semiconductor film (g td0 = 0 [cm −3 eV −1 ], g ta0 = 0 [cm −3 eV −1 ]). the results indicate the, 100 nm insulating film thickness t in, and a
図6及び図7に示したように、様々な条件(半導体膜厚、絶縁膜厚、半導体膜中の欠陥の密度)に関して、本発明の実施形態に係るシミュレーション方法を用いて計算した結果(実線)は、厳密な計算結果(白丸)と非常に良く一致している。また、インテル社製のCPU(Central Processing Unit)(Intel Core2 Duo E8400、動作周波数3.00GHz)を用いてシミュレーションした計算時間は、厳密な計算が250点の計算に1分程度であったのに対して、本発明の実施形態に係る表面ポテンシャルのシミュレーション方法では2〜3秒程度であった。 As shown in FIG. 6 and FIG. 7, the results (solid line) calculated using the simulation method according to the embodiment of the present invention for various conditions (semiconductor film thickness, insulating film thickness, defect density in the semiconductor film). ) Agrees very well with the exact calculation results (open circles). In addition, the calculation time simulated using an Intel CPU (Central Processing Unit) (Intel Core2 Duo E8400, operating frequency 3.00 GHz) was about 1 minute for a strict calculation of 250 points. On the other hand, the surface potential simulation method according to the embodiment of the present invention takes about 2 to 3 seconds.
以上の結果から、本発明の実施形態に係る表面ポテンシャルのシミュレーション方法により、半導体膜中にキャリアを捕獲する欠陥を含む蓄積型の電界効果型のTFTについて、高速かつ高精度な表面ポテンシャルの計算が実現されていることが分かる。 From the above results, the surface potential simulation method according to the embodiment of the present invention enables high-speed and high-accuracy calculation of the surface potential of a storage-type field effect TFT including defects that trap carriers in a semiconductor film. It can be seen that it has been realized.
1 表面ポテンシャルの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 裏面ポテンシャル演算手段
15 表面ポテンシャル演算手段
16 パラメータ記憶手段
17 電荷担体密度記憶手段
18 表面ポテンシャル記憶手段
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 絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface
Claims (3)
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(5)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されたフェルミ準位を、式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)に代入して、前記半導体膜のフラットバンド条件における、それぞれ正に帯電したドナー型欠陥の密度、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度、ホール密度及び電子密度を算出する電荷担体密度演算手段と、
前記電荷担体密度演算手段により算出された正に帯電したドナー型欠陥の密度、負に帯電したアクセプタ型欠陥の密度、ホール密度及び電子密度を、式(22)を式(12)に代入して前記表面ポテンシャルを消去した前記半導体膜の裏面ポテンシャルについての方程式に代入し、前記裏面ポテンシャルを前記裏面ポテンシャルについての方程式から算出する裏面ポテンシャル演算手段と、
前記裏面ポテンシャル演算手段により算出された裏面ポテンシャルを、前記式(22)に代入して前記表面ポテンシャルを算出する表面ポテンシャル演算手段と、
を備え、
前記式(5)は、
前記式(2.3)、式(3.3)、式(4.2)及び式(4.3)は、
前記式(12)は、
前記式(22)は、
ここで、
β=q/kT、
γd=q/Etd、
γa=q/Eta、
cin=εin/tin、
Vg’=Vgs−Vfb
であり、
kはボルツマン定数、
Tは絶対温度、
qは電気素量、
p0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、
n0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、
Ntd0 +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密度、
Nta0 −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密度、
gtd0は前記半導体膜の価電子帯上端でのドナー型欠陥の状態密度、
gta0は前記半導体膜の伝導帯下端でのアクセプタ型欠陥の状態密度、
Evは前記半導体膜の価電子帯上端のエネルギー、
Ecは前記半導体膜の伝導帯下端のエネルギー、
Ef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、
Etdは前記半導体膜のドナー型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数、
Etaは前記半導体膜のアクセプタ型欠陥の状態密度分布の傾きの逆数、
niは前記半導体膜の真性キャリア密度、
Ei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、
tscは前記半導体膜の膜厚、
εinは前記絶縁膜の誘電率、
tinは前記絶縁膜の膜厚、
φはポテンシャル、
φsは前記表面ポテンシャル、
φbは前記裏面ポテンシャル、
Ndは前記半導体膜の実効的なドナー密度、
Vgsは前記薄膜トランジスタのゲート−ソース間の電圧、
Vfbは前記薄膜トランジスタのフラットバンド電圧、
であることを特徴とする表面ポテンシャルのシミュレーション装置。 A field effect thin film transistor having a structure in which a semiconductor film, an insulating film, and a gate electrode are stacked in this order, which is a storage type thin film transistor including defects in which carriers are trapped in a semiconductor film. A surface potential simulation device that calculates the surface potential of the semiconductor film when the surface in contact with the insulating film is the front surface and the opposite surface is the back surface,
Fermi level calculation means for calculating the Fermi level of the semiconductor film under a flat band condition from Equation (5) which is an equation for the Fermi level;
The semiconductor film is substituted by substituting the Fermi level calculated by the Fermi level calculation means into Equation (2.3), Equation (3.3), Equation (4.2) and Equation (4.3). Charge carrier density calculating means for calculating the density of positively charged donor type defects, the density of negatively charged acceptor type defects, the hole density and the electron density in the flat band condition of
The density of positively charged donor type defects, the density of negatively charged acceptor type defects, the hole density and the electron density calculated by the charge carrier density calculating means are substituted into formula (12). Substituting the equation for the back surface potential of the semiconductor film with the surface potential eliminated, and calculating the back surface potential from the equation for the back surface potential;
Surface potential calculation means for calculating the surface potential by substituting the back surface potential calculated by the back surface potential calculation means into the equation (22);
With
The formula (5) is
Formula (2.3), Formula (3.3), Formula (4.2), and Formula (4.3) are:
The formula (12) is
The formula (22) is
here,
β = q / kT,
γ d = q / E td ,
γ a = q / E ta ,
c in = ε in / t in ,
V g ′ = V gs −V fb
And
k is the Boltzmann constant,
T is the absolute temperature,
q is the elementary charge,
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 td0 + is the density of positively charged donor-type defects in the flat band condition of the semiconductor film,
N ta0 − is the density of negatively charged acceptor defects in the flat band condition of the semiconductor film,
g td0 is the density of states of donor-type defects at the top of the valence band of the semiconductor film ,
g ta0 is the density of states of acceptor-type defects 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 td is the reciprocal of the slope of the state density distribution of donor-type defects in the semiconductor film ,
E ta is the reciprocal of the slope of the state density distribution 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,
ε in is the dielectric constant of the insulating film,
t in the thickness of the insulating film,
φ is potential,
φ s is the surface potential,
φ b is the back surface potential,
N d is the effective donor density of the semiconductor film ,
V gs is a gate-source voltage of the thin film transistor,
V fb is a flat band voltage of the thin film transistor,
This is a surface potential simulation device.
前記裏面ポテンシャル演算手段は、前記ゲート電圧と予め定められたソース電圧との差を前記ゲート−ソース間の電圧として用いることで前記裏面ポテンシャルを算出し、
前記表面ポテンシャル演算手段は、当該裏面ポテンシャルを用いて前記表面ポテンシャルを算出し、
当該表面ポテンシャルと、その計算条件とした前記ゲート電圧と、を対応付けた前記表面ポテンシャルのゲート電圧依存性を計算することを特徴とする請求項1に記載の表面ポテンシャルのシミュレーション装置。 Further comprising a calculation range setting means for setting a plurality of Gate voltage in a predetermined range sequentially the back potential calculating means as the calculation conditions of the surface potential,
The back surface potential calculation means calculates the back surface potential by using a difference between the gate voltage and a predetermined source voltage as a voltage between the gate and the source,
The surface potential calculation means calculates the surface potential using the back surface potential,
And the surface potential, the simulation apparatus of the surface potential of claim 1, characterized in that to calculate the gate voltage dependence of the surface potential associated with the gate voltage and calculation conditions for their, the.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011220586A JP5839922B2 (en) | 2011-10-05 | 2011-10-05 | Surface potential simulation apparatus and surface potential simulation program |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011220586A JP5839922B2 (en) | 2011-10-05 | 2011-10-05 | Surface potential simulation apparatus and surface potential simulation program |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013080847A JP2013080847A (en) | 2013-05-02 |
JP5839922B2 true JP5839922B2 (en) | 2016-01-06 |
Family
ID=48527003
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011220586A Active JP5839922B2 (en) | 2011-10-05 | 2011-10-05 | Surface potential simulation apparatus and surface potential simulation program |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5839922B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017055141A (en) * | 2012-02-03 | 2017-03-16 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Transistor and semiconductor device |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6108519B2 (en) * | 2012-08-27 | 2017-04-05 | 日本放送協会 | Drain current simulation apparatus and drain current simulation program |
JP6389395B2 (en) * | 2013-09-13 | 2018-09-12 | 日本放送協会 | Defect density measuring apparatus and defect density measuring program |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2351156A (en) * | 1999-06-15 | 2000-12-20 | Seiko Epson Corp | Modelling electrical characteristics of thin film transistors |
JP5020562B2 (en) * | 2006-07-25 | 2012-09-05 | 株式会社 液晶先端技術開発センター | SIMULATION DEVICE, SIMULATION METHOD, AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING METHOD |
JP2010062441A (en) * | 2008-09-05 | 2010-03-18 | Advanced Lcd Technologies Development Center Co Ltd | Simulation device and simulation method |
-
2011
- 2011-10-05 JP JP2011220586A patent/JP5839922B2/en active Active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017055141A (en) * | 2012-02-03 | 2017-03-16 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Transistor and semiconductor device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013080847A (en) | 2013-05-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5020562B2 (en) | SIMULATION DEVICE, SIMULATION METHOD, AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING METHOD | |
Li et al. | Discrete dopant fluctuations in 20-nm/15-nm-gate planar CMOS | |
JP4448533B2 (en) | Semiconductor element parameter extraction method | |
KR101267780B1 (en) | Method and apparatus for modeling capacitance of amorphous oxide semiconductor thin-film transistor | |
Myung et al. | Real-time TCAD: A new paradigm for TCAD in the artificial intelligence era | |
JP5839922B2 (en) | Surface potential simulation apparatus and surface potential simulation program | |
EP1145281B1 (en) | Modelling electrical characteristics of thin film transistors | |
JPWO2010041633A1 (en) | Simulation method and simulation apparatus | |
US10776560B2 (en) | Mapping intermediate material properties to target properties to screen materials | |
JP2010062441A (en) | Simulation device and simulation method | |
JP6108519B2 (en) | Drain current simulation apparatus and drain current simulation program | |
Ojha et al. | A computationally efficient quantum-corrected Poisson solver for accurate device simulation of multi-gate FETs | |
JP2013131640A (en) | Apparatus for simulating drain current and program for simulating drain current | |
Ibáñez et al. | A comprehensive characterization of the threshold voltage extraction in MOSFETs transistors based on smoothing splines | |
Jeong | Quantum-mechanical analysis of amorphous oxide-based thin-film transistors | |
JPH07176740A (en) | Device model of mosfet and parameter extraction method | |
JP6389395B2 (en) | Defect density measuring apparatus and defect density measuring program | |
US8219963B2 (en) | Method and apparatus for analyzing and designing semiconductor device using calculated surface potential | |
KR101643759B1 (en) | Method and apparatus for calculating the electrical characteristics of amorphous semiconductor thin-film transistor | |
US11941337B1 (en) | System and method for modeling nonlinear component for use in circuit design | |
US6493848B1 (en) | Rate equation method and apparatus for simulation of current in a MOS device | |
JP2008053617A (en) | Current model generating method and electronic circuit | |
Choi et al. | Enhancement and Expansion of the Neural Network-Based Compact Model Using a Binning Method | |
JP2011215749A (en) | Method, program and apparatus for supporting designing of semiconductor device | |
Hadia et al. | Implementation and comparative analysis of the optimisations produced by evolutionary algorithms for the parameter extraction of PSP MOSFET model |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20140326 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140901 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150825 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150827 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150917 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20151013 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20151110 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5839922 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |