（微电子学与固体电子学专业论文）zno薄膜晶体管的模型与新结构研究.pdf

里二煳煳 摘要 氧化锌薄膜晶体管由于具有透光性高，导电性高，光敏性低，制备成本、温 度低等很多优势，成为下一代有源矩阵液晶显示器应用控制元件的首选者。由于 制备工艺及温度限制，目前的氧化锌薄膜晶体管沟道层为多晶晶态，严重的影响 着器件性能，也限制了其应用范围。而针对氧化锌多晶沟道与电性能改善的理论 研究与分析尚处于初步阶段。 本文针对多晶氧化锌薄膜晶体管提出一种新的载流子输运以及能带中缺陷态 密度的模型。该模型考虑了多晶材料晶界处指数分布的带尾态缺陷态及能带中央 高斯分布的深能级缺陷态，经过理论与实验数据吻合验证，该模型能够很好的描 述多晶氧化锌薄膜晶体管的性能，并分析了各模型参数对其性能的影响。 基于提出的模型，本文模拟了双栅氧化锌薄膜晶体管的性能改善与不同工作 模式的性能。通过两种不同工作模式的对比，利用电势分布及电流密度分布，深 入分析源漏接触方式对z n ot f t 的影响机理。分析发现，在本文提出的双栅z n o 薄膜晶体管中，顶接触结构会增大等效沟道电阻，降低器件性能；而底接触结构 会影响源漏电极附近的电势分布，影响栅电极对沟道的调控，综合以上因素，提 出优化结构并进行特性模拟。 在此基础上，提出双栅双介质z n ot f t 结构并模拟其特性，通过与常规t f t 特性对比，双栅双介质z n ot f t 在亚阈性能及开关电流比等诸多方面有明显的改 善。最后，本文考虑沟道处能带图以及晶界势垒，阐述了双栅双介质z n ot f t 性 能改善的机理，并分析栅介质材料介电常数与厚度其不同器件参数对性能的影响。 关键词：氧化锌薄膜晶体管模型模拟新结构 z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 a b s t r a c t a bs t r a c t d u et ot h eh i g ht r a n s p a r e n c y , c o n d u c t i v i t y , l o wl i g h ts e n s i t i v i t ya n dp r e p a r a t i o n t e m p r e t u r e ，z n ot f th a sb e e nt h em o s tp o p u l a rc a n d i d a t eo ft h en e x tg e n e r a t i o na c t i v e m a t r i xl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( a m l c d ) t h ec h a n n e lo fz n ot f ti sp o l y c r y s t a l l i n e w h i c hl i m i t e dt h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n t h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n a n da n a l y s i so fi m p r o v e m e n ti nt h ep o l y c r s t a l l i n ec h a n n e la n de l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e i sa tt h ei n i t i a ls t a g e ac a r t i e rt r a n s p o r ta n dt h es u b g a pd e n s i t yo fs t a t e sm o d e li nap o l y c r y s t a l l i n ez n o t h i nf i l mt r a n s i s t o ri s p r o p o s e d i nt h ep a p e r t h em o d e lc o n s i d e r e de x p o n e n t i a l d i s t r i b u t i o nb a n dt a i ls t a t e sa n dg a u s s i a nd i s t r i b u t i o nd e e pl e v e ls t a t e si nt h eg r a i n b o u n d a r ya n dw ef o u n di tc o u l dr e p r o d u c e sw e l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l y c r y s t a l l i n e z n ot f tb yf i t t i n gt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，u s i n gt h e d e v e l o p e dm o d e l ，w es t u d y t h ee f f e c t so fd e f e c tp a r a m e t e r so nt h ee l e c t r i c a l p e r f o r m a n c e so ft h ep o l y c r y s t a l l i n ez n o t f t b a s e do no u rp r o p o s e dm o d e l ，w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d eo fd o u b l eg a t ez n ot f t t h ei n f l u e n c eo f t h es o u r c ea n dd r a i ne l e c t r o d ec o n t a c to nt h ed e v i c ep e r f o r m a n c ei sa n a l y z e db y c o m p a r i n gt h ep o t e n t i a l a n dt h ec u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o nb e t w e e nt w oo p e r a t i o n m o d e i nt h ec a s eo ft h ed o u b l eg a t ez n o t f t p r o p o s e di nt h ep a p e r , t h et o pc o n t a c t w o u l di n c r e a s et h ec o n t a c tr e s i s t a n c ew h i l et h eb o t t o mc o n t a c tw o u l dc h a n g et h e p o t e n t i a li nt h er e g i o nn e a rt h ee l e c t r o d ea n dl i m i t e dt h eg a t em o d u l a t i o no f t h ec h a n n e l t h ea b o v ef a c t o r sw e r ec o n s i d e r e da n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ec o n t a c tw a sp r o p o s e d a n ds i m u l a t e d o nt h eb a s i so fd e v e l o p e dd e v i c es t r u c t u r e ，d o u b l eg a t ed o u b l ei n s u l a t o rz n ot f t i sp r o p o s e da n da n a l y z e db ys i m u l a t i o n , w h i c hh a ss t e e p e rs u b t h r e s h o l ds l o p ea n db e t t e r o n - s t a t ec u r r e n tc o m p a r e d 谢t ht h ec o n v e n t i o nt f t a tl a s tw ei l l u s t r a t e dt h e m e c h a n i s mo ft h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti nt h ed o u b l eg a t ed o u b l ei n s u l a t o rz n o t f tc o n s i d e r i n gt h ee n e r g yb a n da n dg r a i nb o u n d a r yp o t e n t i a li nt h ec h a n n e l ，a n d a n a l y z e dt h ee f f e c to ft h ep e r m i t t i v i t ya n dt h et h i c k n e s so ft h ei n s u l a t o ro nt h ed e v i c e p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：z n ot f tm o d e l i n gs i m u l a t i o n n o v e l - s t r u c t u r e z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 第一章绪论 第一章绪论 薄膜晶体管( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ，t f n 是一种重要的半导体器件，在很多领域都 有广泛的应用。随着液晶显示器( l c d ) 的高速发展与普及，薄膜晶体管也得到了科 学界的普遍关注。采用非晶硅薄膜晶体管的液晶显示器目前已经成功的应用在了 大尺寸的平板显示产业中。但是非晶硅薄膜晶体管在l c d 应用中依然存在一些受 限于材料性质的缺点，这也为其他的氧化物半导体材料薄膜晶体管提供了良好的 机遇。氧化锌( z n o ) 材料由于其宽禁带，良好的透明性、导电性，以及高度c 轴取 向等优点，非常有潜力成为下一代t f t - l c d 的候选者。 1 1z n o 材料基本特性及研究意义 z n o 是一种新型的i i v i 族宽带隙半导体材料，常温下其禁带宽度为 3 3 7 e v l l l ，为直接带隙半导体。i i v i 族半导体包括v i 族元素z n ，c d ，h g 与i i 族 元素o ，s ，s e ，t e 组成的二元化合物【2 】。z n o 与氮化镓( c a n ) 具有相近的晶格常 数和禁带宽度，原料易得廉价，而且相对于g a n ，z n o 具有更高的熔点( 1 9 7 5 c ) 和激子束缚能【3 】( 6 0 m e v ，g a n 为2 1 m e v t 4 1 ) ，其机电耦合性能也十分优异。 在z n o 研究和应用中，薄膜是其主要的形态结构。z n o 薄膜的生长温度 较低，一般低于5 0 0 。c ，比g a n ( 1 0 5 0 ) 要低得多，低温制备有利于降低设备 成本，抑制固相扩散，提高薄膜的质量【5 】。z n o 薄膜非常容易成膜，现有的 工艺技术都可以获得质量稳定的z n o 薄膜，例如射频溅射【6 】，金属有机化学 气相淀积m o c v d t 7 1 ，脉冲激光淀积p l d t 8 1 ，分子束外延m b e t 9 1 ，溶胶凝胶【1 0 】 等，均可得到性能优良的z n o 薄膜。z n o 薄膜的制备难度低，成本低，且来 源丰富，价格低廉，制备方法简单，具有较高的商用价值。其应用也涉及多 个领域，包括大面积低成本的集成电路，有源矩阵显示的像素控制元件】， 化学传感器f 1 2 1 ，发光二级管【1 3 ，14 1 ，光伏应用1 1 5 】等等 氧化锌的晶体结构主要为六边纤锌矿结构和立方闪锌矿结构1 3 】。纤锌矿结 构在三者中稳定性最高，因而最常见。六边形纤锌矿结构的z n o 晶体结构图 如图1 1 所示。每个锌原子的周围被四个氧原子包围，并以锌原子为中心呈四 面体形状，而每个氧原子同样被四个锌原子以氧原子为中心呈四面体形状包 围。 2 z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 囝氧原子 锌原子 图1 1z n o 晶体结构图 z n o 薄膜具有优异的透光性，在可见光范围内光透射率高达9 0 ，可用作优 质的太阳电池透明电极以及透明电子材料。如图1 2 是石英基片上z n o 薄膜的透 射谱，图中的z n o 薄膜为射频磁控溅射方法制备。从图中可以看到，在可见及近 红外光范围( 3 9 0 ll o o n m ) 内，z n o 薄膜均具有很高的透射率( 8 5 哆扣9 5 ) 【1 6 1 。 莲 憾 番 蜊 图1 2 石英基片上z n o 薄膜的透射谱 本征z n o 为极性半导体，天然呈n 型导电，施主掺杂比较容易，受主掺杂则 异常困难。z n o 中的本征点缺陷主要有间隙( z n i 、o i ) 、空位z n 、v o ) 以及反位( z n o 、 o z n ) 缺陷等。其中z n i 、v o 和z n o 为施主型缺陷，o i 、和o z 为受主型缺附1 7 j 。 一般认为锌间隙( z n i ) 和氧空位t w o ) 是导致本征z n o 薄膜呈现n 型导电的主要原因。 掺杂了舢，g a ，或是i n 的z n o 薄膜具有更高的导电性，电阻低至1 0 4 q e m 。 z n o 薄膜的优良的透光性及导电性非常吻合太阳能电池或者液晶显示器等 应用需求。除此之外，z n o 薄膜还具有其他的优势，其独特的性能决定了它在光 电、压电、铁磁、气敏、压敏、光敏等领域具有广阔的的应用前景。 第一章绪论 1 2z n o 薄膜晶体管发展概述 在过去的几十年间，有源矩阵液晶显示器( a m l c d ) 的基本构成器件薄膜晶体 管，主要由硅基材料，如非晶硅和多晶硅构成。这些硅基薄膜晶体管的生产工艺 以及研究成果都已趋于成熟，但在硅基平板显示产业，存在着一些无法解决的缺 点，例如材料的不透明性，光敏性严重，沟道场效应迁移率偏低等等。因此，对 于新材料的薄膜晶体管的研究是非常有必要的。 如前所述，氧化锌薄膜由于既具有导电性，又具有很高的透明性，近半个世 纪来，在很多方面得到了广泛的应用，例如抗静电涂层，接触平板显示，太阳能 电池，平板显示，加热器，除霜器，光学涂层等等。氧化锌薄膜晶体管成为了科 研界以及平板显示产业关注的重点，很多文献【6 u 】都已提出基于透明氧化锌半导体 材料的晶体管。作为硅基薄膜晶体管的替代者，z n o 薄膜晶体管改善了像素的开 口率，降低了功率耗散，并且避免了复杂的制备过程。 采用z n o 作为薄膜晶体管半导体沟道层的最大的优势在于其很容易在室温下 得到高质量的多晶氧化锌薄膜，这对于电子器件的制备以及应用普及来说很重要。 除此之外，z n o 的禁带宽度相当宽( 3 4 e v ) ，在可见光区域的光谱中，它是透明的， 并且对光的敏感度很低。通过工艺的提高，可以得到较高的沟道电子迁移率和驱 动电流，以及更快工作速度的z n o 薄膜晶体管。很多文献【l 即0 j 都已报道了在不同 工艺以及不同的温度下制备的z n ot f t 。如表1 1 所示，为不同的工艺和温度下制 备的z n ot f t 的各性能的参数，其中数据均取自于已发表的文献。它们的迁移率 在0 2 7 c m 2 v s ，开关电流比为1 0 5 1 0 1 ，阈值电压为1 1 5 v 。z n o 沟道层通过采 用基片加热或者后期热退火等方式可以提高z n o 层的结晶度和薄膜的迁移率。 表1 1z n o t f r 的特性参数 工艺技术离子束溅射溶胶凝胶技术脉冲激光技术 温度 6 0 0 8 0 0 c r i b l 7 0 0 c 1 1 9 14 5 0 c 2 0 l 迁移率( c m 2 s ) 0 3 2 50 2o 0 31 旬9 7 开关电流比 1 0 61 0 7 1 0 8 阈值电压( v ) 1 0 2 01 2 5 t f t 工作模式增强型增强型增强型 饱和电流( o a ) 7 01 48 0 4z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 大多数文献提到的z n ot f t 晶体管制备方法只能得到多晶的氧化锌材料，沟 道材料的多晶晶态严重的影响着z n ot f t 的电学性能。其有源沟道内部存在着极 高浓度的晶粒间界g b ( g r a i nb o u n d a r y ) ，这些晶粒间界位于晶粒和晶粒的边界处， g b 对薄膜性能的影响现在尚处于研究阶段。尽管晶粒间界的尺寸相对于晶粒尺寸 很小，但是其浓度较高，对z n ot f t 性能的影响不可忽视。晶粒间界处的物理特 性和原子构成复杂，原子以大量的无序状态存在，因此也存在着高浓度的陷阱， 这些陷阱俘获了大量电荷形成势垒，阻挡了载流子的输运，具体介绍见第二章。 多晶z n ot f t 由于晶粒间界的存在，严重的降低了z n ot f t 器件的电学性能，例 如开态电流低，亚阈区间宽，以及迁移率低等。如何改善、克服z n ot f t 的这些 缺点，提高z n ot f t 的电学性能，使z n ot f t 更适用于a m l c d 应用，也成为了 当前亟需解决的科研难题。 目前关于z n ot f t 的研究主要集中在改进相关的z n o 薄膜制备工艺参数以提 高器件的性能，然而关于z n ot f t 的传输机制等深层次物理原因还没有完全理解。 z n ot f t 的器件物理知识以及材料物理知识的理论研究是非常重要的，它给改善 z n ot f t 上述缺点提供指导意义与理论基础。 1 3 论文工作及编排 本文提出一种同时考虑深能级缺陷态与带尾态缺陷态的能带间隙缺陷态模 型，借助半导体器件仿真软件s i l v a c o ，通过理论计算与实验数据的结合验证模 型的合理性与准确性，并分析模型中各参数对于z n ot f t 的性能的影响。利用该 模型理论基础，对z n o t 的器件结构与结构参数进行改善，并进行仿真理论分 析。文章的结构如下： 第一章：主要介绍了z n on 叮的研究现状，研究背景等。 第二章：主要介绍了z n ot f t 的应用、结构、导电机理、电流模型等理论知 识，同时简单的介绍了本文所用的仿真软件。 第三章：提出了z n ot f t 的模型建模方法，并分析该模型各参数对z n ot f t 电学性能的影响。该模型主要考虑了z n o 材料中的指数分布的带尾态缺陷态，和 高斯分布的深能级缺陷，并通过仿真软件进行理论计算，并与实验数据验证。通 过调整模型中各参数，研究带尾态缺陷参数与深能级缺陷参数对z n ot f t 的电学 性能的影响并分析其机理。最后，由于在器件建模中引入了半导体层绝缘层界面 电荷，本章分析了界面电荷参数对器件性能的影响趋势。 第四章：在上一章的模型理论基础上，提出双栅结构z n on 叮。通过仿真软 第一章绪论 件，对双栅z n ot f t 进行特性模拟与性能优化。通过对双栅z n ot f t 不同工作模 式的特性模拟，阐述了源漏电极接触方式对t f t 器件性能的影响，并进行了理论 分析，综合各因素给出了源漏电极接触方式的优化方法。 第五章：在第四章给出的优化的源漏电极接触的双栅z n ot f t 基础上，改变 绝缘层介质组成，提出双栅双层绝缘介质z n ot f t ，利用仿真软件进行特性模拟， 分析该结构关键区域的电势以及沟道区域晶界势垒，解释了双栅双层绝缘介质 z n ot f t 性能改善的机理。通过改变新结构z n ot f t 中各器件参数分析其对器件 性能的影响，给出结构设计的指导方向。 第六章：对本文研究成果进行总结，指出工作中的不足之处以及下一步研究 的展望。 6 z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 第二章z n o 薄膜晶体管器件 第二章z n o 薄膜晶体管器件 7 传统的薄膜晶体管采用a ：s i h 与p o l y s i 作为沟道层材料，存在着一些不可避 免的缺陷，例如非晶硅迁移率较低，光敏性较强，存在着退化现象；而多晶硅材 料由于工艺限制，很难大面积制备。采用z n o 材料作为薄膜晶体管的半导体层， 可以很好的解决上述问题。z n o 材料具有较低的电阻率，较高的透明度，较低的 制备成本【2 l 】。z n o 薄膜晶体管的理论研究，是非常有意义并且有必要的，深刻地 影响着有源矩阵液晶显示器产业。本章介绍了z n o 薄膜晶体管的器件结构，器件 物理等基础知识。 2 1z n o 薄膜晶体管器件概述 2 1 1z n o 薄膜晶体管的应用 薄膜晶体管主要应用在要求大面积或灵活的衬底以及传统半导体工艺不适合 的领域。大面积显示液晶显示便是很好的例子，它需要一个晶体管阵列以控制发 光元件的阵列【2 2 】。早期，t f t 还只是应用于便携式计算机等贵重便携设备上，近 些年来，由于制造成本的降低，t f t 已进入到了日常生活中，例如玩具的电子屏 幕，手机屏幕，以及时下最新的数字娱乐产品p a d 等等，都是采用t f t 作为有源 发光矩阵的控制元件。如图2 1 ( a ) 所示，是将t f t 作为有源寻址的液晶显示器的电 路原理图，( b ) 是结构示意图。液晶显示器每个像素的控制单元由t f t 构成，利用 t f t 控制显示单元，提高了显示器的显示效果。 数据驱动 oooo o p 卜 厂1 1p 臀。 2 -tt 辞 p 卜 卜卜 广1 娶 o ttt 1 严卜 厂1卜 卜 丁tt o ( a ) 8z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 透 嘞 图2 1 有源寻址液晶显示器示意图( a ) e 路原理图( b ) 结构示意图 z n ot f t 的有源沟道层采用具有透光性很高的z n o 薄膜，改善了传统硅基薄 膜晶体管透光性低的缺点。传统薄膜晶体管在a m l c d 中，由于材料的不透光性 以及高度光敏性，必须在薄膜晶体管的表面加入不透光的遮蔽板，以减少光源对 t f t 性能的影响。此种处理方法增大了a m l c dt f t 矩阵的工艺难度与成本，且 必须增强光源亮度以弥补由于开口率较低增大的矩阵电路的功耗。采用具有高透 光性的z n ot f t 作为a m l c d 的控制元件可以解决这一难题。 2 1 2z n o 薄膜晶体管器件结构 薄膜晶体管的结构类似于制造在s o l 上的m o s f e t ，只是有源区薄膜是淀积 薄膜且衬底可以是任意的。在薄膜晶体管中，由于迁移率较低，电流总是非常有 限；由于有源区薄膜由淀积生成，因此包含有大量缺陷，泄漏电流较大。作为液 晶显示的控制元件，像电流或速度这样的器件参数并不重要，开关性能显得尤为 重要。因此影响薄膜晶体管的主要参数体现在亚阈性能及开关电流比等参数。 z n o 薄膜晶体管的结构和传统t f t 相似，主要由衬底、栅绝缘层、半导体有 源层、栅极、源极和漏极构成，其中以z n o 为半导体有源层。图2 2 是典型透明 薄膜晶体管的结构。t f t 的工作原理与单晶半导体绝缘栅场效应晶体管是相同的， 通过栅电压调制控制沟道电阻。薄膜晶体管与m o s f e t 的主要区别在于沟道层采 用的材料、厚度及导电机理。 薄膜晶体管就所用半导体材料可分为非晶t f t 和多晶t f t 。非晶t f t 以非晶 硅薄膜晶体管为代表，制备工艺简单，可大规模生产，但是迁移率很低，严重限 制器件的响应速度田2 4 】。采用多晶材料作为半导体沟道层是解决迁移率较低的一 个方法，但是多晶材料由于其固有的晶粒间界问题，依然为器件带来很多的不稳 第二章z n o 薄膜晶体管器件 定性，因此对于晶粒间界的研究也是当前的学术热点问题。 源 h 漏3 0 ( i t o ，3 0 0 n m ) 沟道( z n o ，1 0 0 n m ) 栅绝缘介质( a t o ，2 2 0 n r n ) 栅电极( i t o ，2 0 0 n m ) 衬底( 玻璃) 栅 图2 2 典型的薄膜晶体管结构 ( a ) 栅 l 圈 电极绝缘介质 源漏 ( b ) 口团 半导体材料衬底 ( d ) 图2 3 薄膜晶体管结构简图 ( a ) 顶栅底接触结构( b ) 底栅项接触结构( c ) 顶栅顶接触结构( d ) 底栅底接触结构 9 根据沟道半导体材料层，栅介质层，源漏接触，以及栅电极的淀积顺序的不 同，薄膜晶体管可以分为四种结构【2 5 】，如图2 3 所示。根据栅极的淀积顺序，可以 分为顶栅结构( t o pg a t e ) 与底栅结构( b o t t o mg a t e ) 。顶栅结构的栅极淀积步骤在半导 体材料层，栅介质层，源漏接触等这些步骤之后完成，如图2 3 ( a ) ( c ) ，而底栅结构 的栅极淀积步骤是最先完成的，在半导体材料层，栅介质层，源漏接触等这些步 骤之前，如( b ) ( d ) 。根据源漏接触与半导体沟道层的淀积顺序，又可以分为顶接触 ( t o pc o n t a c t ) 与底接触( b o t t o mc o n t a c t ) 结构。源漏电极项接触结构为源漏电极的淀积 1 0z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 顺序在半导体沟道层的电极之后完成，如图2 3 ( b ) ( c ) ，而源漏电极底接触结构为源 漏电极在半导体沟道层之前淀积，如( a ) ( d ) 。因此，不同的组合也就形成了四种不 同的结构，如图2 3 所示，分别为( a ) 顶栅底接触结构，( b ) 底栅顶接触结构，( c ) 顶 栅顶接触结构与( d ) 底栅底接触结构。 不同的薄膜晶体管的工艺顺序导致了不同的结构，并且使得薄膜晶体管的性 能也有所不同，关于各种结构的薄膜晶体管也有很多文献报道l l l ，2 6 2 7 。 2 1 3z n o 薄膜晶体管电流输运方程 薄膜晶体管的电流输运原理类似于m o s 场效应晶体管，因此其电流电压表达 式采用与m o s f e t 相同的近似方法。z n ot f t 漏电流漏电压s v d s ) 黼最简 单近似方法采用平方率模型【2 引，与m o s f e t 相同，在非饱和区( s v d s a t ) ，有 7 k = 寺c i 卢( 一巧) 2 ( 2 2 ) 二l 其中z 为沟道宽度，三为沟道长度，c i 为单位栅介质电容，p 为沟道迁移率， 蜥为阈值电压，s a t 是沟道产生夹断时的漏源电压，定义为v d s a r = v o s 一所，v o s 为栅源电压。图2 4 为给定s 下，岛s s 曲线图，其中非饱和区和饱和区的判定 分界点为v d s a t = v g s 一所。 r = 一巧 s 图2 4 给定栅电压s 下，漏电流漏电压( d s - v d s ) 曲线 第二章z n o 薄膜晶体管器件 2 2 晶粒间界概述 作为z n ot f t 的关键部分，沟道层z n o 薄膜的制备有很多种，包括磁控溅射、 脉冲激光淀积( p l d ) 、分子束外延( m b e ) 和金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 等。 通过上述工艺得到的z n o 薄膜为多晶材料薄膜，由密致排列的晶粒构成，晶粒的 大小由于工艺的不同而不同，一般来说，介于1 0 - 2 0 0 n m 。晶粒和晶粒的交界部分， 形成晶粒边界( g r a i nb o u n d a r y ) 。 多晶材料通常是由很多个晶粒构成的，这些晶粒内部，可以认为是局部的单 晶结构，在晶粒间界部分，由于两个晶粒的晶向等不同，存在着高浓度的位错与 悬挂键。悬挂键主要是由于在晶界处存在着大量的不完全键合却无序排列的原子 导致，对于z n o 多晶材料，可能是由氧空位或者锌间隙造成。很高的位错密度和 悬挂键浓度造成了极高的晶界处缺陷浓度，在晶界处形成局域连续性陷阱带隙能 态。晶粒间界处于晶粒与晶粒之间的过渡区，在这个过渡区，原子结构复杂，基 本呈无序排列。晶界的厚度基本为几个原子浓度。 由于g b 通常被建模为含大量缺陷态的半导体薄层，因此业界主要的建模工作 集中于确定g b 中缺陷类型和缺陷态密度及分布上。2 0 0 8 年，j a e h e o ns h i n 等人 开发了基于深能级缺陷和带尾态缺陷的非晶i g z ot f t 的物理模型 2 9 1 ，k i c h a nj e o n 等人使用c v 特性的响应提取了非晶i g z ot f t 的缺陷态密剧3 0 1 ，这些模型均实 现了较好的非晶i g z ot f t 的电特性拟合。 关于p o l y s it f t 和a - s it f t 的g b 建模和仿真的实验以及理论分析有很多研 究【3 2 - 3 6 1 。对于z n ot f t 来说，宽禁带，小晶粒，在g b 间可能存在深能级陷阱态， 这三点使z n o 薄膜与p o l y s i 薄膜有很大的差异。基于z n o 的t f t 的建模与p o l y s i t f t 的建模的最主要的不同在于：( 1 ) z n o 薄膜的晶粒大小在纳米级别，与p o l y s i 薄膜晶粒大小相差甚远；( 2 ) 在纳米晶粒的z n o 薄膜中，g b 附近的耗尽区域是重 叠的，使薄膜中的电势与微晶硅薄膜中有很大的不同；( 3 ) 由于z n o 的宽禁带特性 和g b 间可能存在缺陷，g b 的势垒高度受z n ot f t 的栅压调制可能与p o l y s it f t 和a - s it f t 不同。针对p o l y s it f t ，许多文献也提到可以通过一些工艺上的方法 尽量减少薄膜中的g b 的存在，或者尽量增大晶粒的大小，因为即使很低浓度的 g b ，也会对器件的性能造成很大的改变。而对于z n o 薄膜来说，g b 分布的很均 匀，因此即使薄膜中存在g b ，如果g b 的特性可以通过其物理特性和适当的化学 改制控制，也可以克服很多由g b 产生的问题。 近年来，有很多研究工作是关于如何提高z n ot f t 的性能，但是关于z n ot f t 的建模以及仿真方面的研究却还是很有限的。h o s s a i n 等人在2 0 0 3 年提出基于禁 带中深能级缺陷的模型【3 1 1 ，来解释多晶z n o t f t 的输运行为，但是这个模型并不 1 2z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 具备广泛的应用性。h o s s a i n 先生提出的模型中，对于多晶氧化锌薄膜的晶粒大小 定义在0 2 9 m 1 9 m ，因此这个模型对于晶粒尺寸较大的z n ot f t 是有效的。但在 实际中，由于实验条件、制备过程的不同因素影响，大部分的z n o 薄膜的晶粒大 小都在l o o n m 以下，此时，h o s s a i n 先生提出的模型失去了准确性和有效性，该模 型在整个z n ot f t 的工作区间，不能很好的拟合多晶z n ot f t 的传输特性。 2 3 仿真中的模型与基本方程 对于半导体器件物理的深入研究有助于了解半导体器件内部的原因机理，在 本文中，采用半导体仿真器的仿真结果作为理论计算结果，同时，通过半导体仿 真器进行相关的半导体器件物理的深入研究。仿真过程中，采用了一些适用于半 导体器件的数学模型。这些模型包括一系列的基本方程，将静电势和载流子密度 紧密的联系起来。这些基本方程是从麦斯威尔法, 贝t j ( m a x w e l l sl a w s ) 得到，在通用 的半导体器件仿真器中内部运算，包括泊松方程( p o i s s o n se q u a t i o n ) ，连续性方程 ( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 和载流子输运方程。泊松方程联系了静电势的变化和局部电荷 密度。载流子连续性方程和输运方程描述了由于输运过程，产生过程和复合过程 导致的电子和空穴浓度的变化方式。 泊松方程通过式( 2 3 ) 将静电势和空间电荷密度联系起来： d i v ( g v g ) = 一j c i( 2 3 ) 这里y 是静电势，s 是局部介电常数，p 是局部空间电荷密度。基准电压可以 通过很多种方式定义。在本文所用的半导体器件仿真器s i l v a c o 中，定义本征费 米能级局为基准能级。局部电荷密度是所有移动的和固定电荷的总和，包括电子， 空穴和离化杂质。而电场如式( 2 4 ) 所示通过静电势的梯度得n - e = 一v l ：f ，( 2 - 4 ) 电子和空穴的载流子连续性方程如式( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 所示 鲁专机万+ q b ( 2 5 ) 塑= 一三q 挑石+ q 一 ( 2 - 6 ) 这里刀和p 是电子和空穴的浓度，万和巧是电子和空穴电流密度，g n 和g p 是电子和空穴的产生率，矗和r p 是电子和空穴的复合率，q 是一个电子的电量。 泊松方程以及载流子连续性方程是器件仿真的基本框架。但是还需要更进一 步的次要方程，来指定万，石，g n ，g p ，r n 和g p ，以获得更精确的物理模型。 电流密度方程，或者电荷输运模型，通常通过求解简化的波尔兹曼输运方程确定。 第二章z n o 薄膜晶体管器件 1 3 通过这些假设可以得到很多不同的输运模型，例如漂移扩散模型，能带平衡输运 模型或者流体动力模型等等。电荷输运模型的选择会对载流子产生和复合模型的 选择有很大的影响。 漂移扩散模型是最常用也是相对简单的电荷输运模型。这个模型的最大优势 在于，除了e ，n 和p 这几个物理量，它不会引入其他的独立变量。至今为止，漂 移扩散模型几乎适用于所有器件。而漂移扩散近似法对于较小特征尺寸，准确性 有所削弱。更高级的能带平衡模型和流体动力学模型更适合深亚微米器件的仿真。 因此，在本论文的仿真中，选用的是漂移扩散模型。 通常情况下，漂移扩散等式如式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 所示。 以= q n l u 。毛+ q d , , v n ( 2 7 ) 以= q n g p 易一q d p v p ( 2 8 ) 但是需要注意，漂移扩散模型的成立前提是爱因斯坦关系成立。对于波尔兹 曼统计分布，爱因斯坦关系分别如式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 所示，为： 正r ，r q = 当心 ( 2 - 9 ) g 7 r 珥= = 生j l l p ( 2 1 0 ) g 在仿真器中，默认类施主型陷阱是带正电荷的，因此只能捕获电子( 类施主型 陷阱没有被电子占据时表现为带正电荷，而被电子占据时，表现为电中性) 。而正 相反，类受主型陷阱呈负电荷型，因此只能发射电子( 类受主陷阱被电子占据时带 负电荷，未被电子占据时呈电中性) 。仿真器将这种捕获和发射过程根据肖特基 里德霍尔( s h o e k l e y - r e a d - h a l l ) 模型处理。而载流子的运动过程，在仿真器中采用漂 移扩散模型仿真，在此模型中，基本方程同单晶材料器件，除了在泊松方程中需 要另外考虑陷阱电荷。在载流子的连续性方程中，考虑了s r h 复合项。 在半导体材料能带禁带中的缺陷能级处存在着声子转换。s h o c k l e y 和r e a d 首 先提出1 3 9 1 ，这个声子转换的过程实际分为两步，之后h a l l 也提出过m 。s r h 复合 模型如式( 2 1 1 ) 所示。 = p n 一琅 ( 2 1 1 ) 这里e t p e 是陷阱能级和本征能级的电势差，死是晶格温度，单位为k ，fn o 和rp o 是电子和空穴寿命。用户可以自定义电子和空穴寿命参数。 同时，为了更好的描述关态的载流子输运，本文加入了带带遂穿( b a n d - t o b a n d 1 4 z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 t u n n e l i n g ) 模型。 如果在器件的能带处局部存在着较高的电场，那么电子有可能通过内场发射 产生隧穿现象，从价带隧穿进入导带。这种产生机制在连续性方程式( 2 5 ) ，式( 2 6 ) 的右边增加了一项产生项。隧穿产生率如式( 2 - 1 2 ) 所示： r = b b a , e n n g a m m ae x p ( - 警) ( 2 _ 1 2 ) 这里，e 是电场强度，b b a ，b b b ，和b b g a m m a 分别是带带隧穿模型参数。 第三章z n o 薄膜晶体管的模型建立 第三章z n o 薄膜晶体管的模型建立 当前很多文献对z n ot f t 的研究主要集中于采用革新的工艺技术提高器件的 性能，尽管文献中已经报道了一些模型来解释z n ot f t 的行为，然而z n ot f t 的 物理机制还没有完全理解。本章提出一种z n o 薄膜晶体管的模型，该模型基于晶 界中存在着的大量带尾态缺陷与深能级缺陷，能够很好的解释z n ot f t 的输运过 程和导电机制。为了更清晰的研究晶界效应对于器件性能的影响，利用半导体仿 真软件对z n o 薄膜晶体管进行模拟仿真。并利用仿真结果，研究解释了z n o 薄膜 晶体管的晶界缺陷对于器件性能的影响。 3 1 1 器件结构 3 1 考虑深能级和带尾态的z n o t 模型 图3 1 仿真中的z n 0 1 r i 叮结构简图 图3 1 是本文仿真中所用的z n ot f t 结构简图，该薄膜晶体管的衬底为重掺 杂的硅，硅衬底同时作为栅电极。在衬底之上，通过热生长得到2 8 0 n m 介质层s i 0 2 ， s i 0 2 表面用丙酮，乙醇，双氧水清理。在已清洗的s i 0 2 表面通过r f 射频溅射淀 积一层z n o 薄膜。z n o 的靶源为9 9 9 9 ，溅射气体为a r 和0 2 以2 5 ：1 比例的混 合气体。溅射之前工作室内的压强为1 x 1 0 。p a ，溅射气压为1 p a 。射频溅射功率为 1 5 0 w ，靶和衬底的距离为5 c m 。在z n o 层淀积之后，利用真空蒸发淀积1 0 0 n m 厚的金属触，作为源漏电极【4 l 】。器件的沟道宽度为2 m m ，长度为3 5 1 a m 【4 。文献 【4 l 】中制备了不同沟道层厚度的t f t ，通过a l p h as t e p ( d e k t a k3 s t ) 测量得知，z n o 沟 1 6 z n o 薄膜晶体管的模型和新结构研究 道层的厚度为1 5 7 0 n m 。本文依据上述实验数据，分别研究了不同厚度的z n ot f t ， 它们的沟道层厚度分别为1 5 n m ，2 5 n m ，5 0 n m 和7 0 n m ，其他的器件参数及材料参 数与实验结果统一。方便起见，分别将上述四个不同厚度晶体管记作t f t a ，t f tb ， t f tc 和t f td 。 3 1 2 模型基本条件 在本文的仿真研究中，t f t 的沟道层z n o 薄膜是多晶结构，由很多晶粒构成。 由于t f t 晶体管的沟道区为一层薄膜，其厚度一般在1 0 1 0 0 n m 之间，这与z n o 薄膜的晶粒大小相似，因此假设沟道层中，晶粒沿着沟道长度方向致密的排列， 而在沟道厚度方向，只有一层晶粒，如图3 1 所示。在仿真中，假定晶粒与晶粒之 间存在的晶粒边界是垂直于z n o s i 0 2 界面的。 另外一点需要说明的是，本文将晶粒边界建模成一个包含一定浓度陷阱的薄 层半导体材料，这个薄层垂直于z n o s i 0 2 界面。这个薄层的厚度，定义为晶粒间 界宽度。 在晶粒边界两侧的晶粒内部，以及z n o s i 0 2 界面处，假定为不含缺陷的。在 晶粒内部，其原子构成等材料结构与单晶材料相似，因此缺陷的浓度相对于晶粒 间界可忽略不计。本章主要考虑晶界处模型的建立，以及缺陷态对z n ot f t 性能 的影响，因此对于z n o s i 0 2 界面处，做了简化处理，认为其不含缺陷。简而言之， 在本文的模型中，假定所有的缺陷态都位于晶粒边界处。晶粒边界的薄层半导体 材料为z n o ，它的材料参数同晶粒内部的z n o 的材料参数完全相同，只是在缺陷 态参数有着差异。 表3 1 器件仿真中采用的z n o 材料参数 参数值 e g 3 0 0 ，3 0 0 k 时的禁带宽度 3 4 ( e v ) e g b e t a ，禁带宽度对温度依赖性中的b 系数 9 2 0 ( 1 ( ) e g a l p h a ，禁带宽度对温度依赖性中的a 系数8 x 1 0 。4 ( e v k ) p e r m i t t w i r 介电常数 8 1 2 v s a t , 电子的饱和速度3 2 x 1 0 4 ( c n e s ) m u n ，低场电子迁移率1 5 0 ( c m 2 v s ) a f f m i t y , 电子亲和能 4 2 9 ( e v ) e d b ，施主杂质电离能0 0 3 ( e n d , 施主掺杂浓度 5 x 1 0 1 6 ( c m 3 ) 第三章z n o 薄膜晶体管的模型建立 1 7 在a t l a s 中，硅材料的参数是默认的，而其他材料的材料参数在仿真器中只 有最基本的默认参数，为了增加仿真的准确度，需指定沟道层z n o 薄膜层更多的 材料参数。表3 1 是本论文中2 dz n ot f t 仿真所采用的材料参数，这些参数均取 自文献【3 l 】。 3 1 3 晶晁处缺陷态构成 如第二章所述，在多晶氧化锌薄膜中，存在着