栅介质材料及尺寸对薄膜晶体管性能影响研究

doi:10.13232/j.cnki.jnju.2019.05.005

栅介质材料及尺寸对薄膜晶体管性能影响研究

裴智慧¹^,², 秦国轩^,¹^,²

1. 天津大学微电子学院，天津，300072

2. 天津市成像与感知微电子技术重点实验室，天津，300072

Investigation on the influence of gate dielectric material and size onthin⁃film transistors performance

Pei Zhihui¹^,², Qin Guoxuan^,¹^,²

1. School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin，300072，China

2. Tianjin Key Lab Imaging and Sensing Microelectronic Technology，Tianjin，300072，China

通讯作者: E⁃mail：gqin@tju.edu.cn

收稿日期: 2019-06-11 网络出版日期: 2019-09-22

基金资助:

国家自然科学基金. 61871285
天津市自然科学基金. 18JCYBJC15900

Received: 2019-06-11 Online: 2019-09-22

摘要

系统地对基于高介电常数材料HfO₂和传统的介质材料SiO₂这两种不同栅介质层材料的硅薄膜晶体管进行建模并对不同尺寸和温度条件下的薄膜晶体管的工作特性进行了研究.获得了不同沟道长度和沟道宽度，不同栅介质层厚度和不同温度条件下的薄膜晶体管的工作特性曲线.通过对比发现，薄膜晶体管的饱和电流与沟道长度和栅介质层厚度成反比，与沟道宽度成正比，与理论计算一致.随着温度的升高，薄膜晶体管的载流子迁移率和阈值电压都在逐渐减小，因而饱和电流值逐渐减小；在相同栅介质层尺寸和温度条件下，基于HfO₂的薄膜晶体管相对于基于SiO₂的薄膜晶体管具有更高的电流开关比，更低的阈值电压和更小的泄漏电流.因此，基于高介电常数栅介质材料的薄膜晶体管相对于基于SiO₂的薄膜晶体管具有更好的性能.

关键词： 薄膜晶体管 ; 高介电常数 ; 栅介质材料 ; 栅介质尺寸

Abstract

The models of silicon thin⁃film transistors based on two different dielectric materials which include HfO₂ with high dielectric constant and conventional dielectric material SiO₂，were obtained and the working characteristics of these thin⁃film transistors with different size and temperature conditions were systematically investigated. The working characteristics of thin⁃film transistors with different channel length and channel width，different gate dielectric layer thickness and different temperature conditions were obtained. By comparison，it is proved that the saturation current of the thin⁃film transistor is inversely proportional to the channel length and the thickness of the gate dielectric layer，and proportional to the channel width，which is consistent with the theoretical calculation. The carrier mobility and threshold voltage are gradually decreasing with temperature increasing. Therefore，the saturation current of the transistors decreases with the temperature increasing. With the same gate dielectric layer size and temperature conditions，the thin⁃film transistors based on HfO₂ have higher current on/off ratios，lower threshold voltage and lower leakage current than the thin⁃film transistors based on SiO₂. Therefore，a thin⁃film transistor based on gate dielectric material with high dielectric constant has better performance than a thin⁃film transistor based on SiO₂.

Keywords： thin⁃film transistor ; high dielectric constant ; gate dielectric material ; gate dielectric size

PDF (2690KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

裴智慧, 秦国轩. 栅介质材料及尺寸对薄膜晶体管性能影响研究. 南京大学学报（自然科学版）[J], 2019, 55(5): 740-749 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2019.05.005

Pei Zhihui, Qin Guoxuan. Investigation on the influence of gate dielectric material and size onthin⁃film transistors performance. Journal of nanjing University[J], 2019, 55(5): 740-749 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2019.05.005

薄膜晶体管(TFT，Thin⁃film Transistor)是集成电路领域中一种重要的基础性电子器件，本质为场效应晶体管^[1].高性能、低功耗和小的特征尺寸一直都是集成电路发展的必然趋势，为获得更高性能和更小尺寸的TFT，选择合适的有源区材料和栅介质层材料至关重要.通常半导体纳米薄膜具有很好的机械、电学和光学性能，其中硅纳米薄膜是一种与传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相互兼容且制备简单，成本较低的材料，适于制作多种电子器件，如TFT^[2,3]，PIN二极管和光电探测器等.有的课题组在晶向为111和001的硅基底上通过分子束外延的方法生长厚度仅为4 nm的GeSn作为栅介质层，成功实现了具有室温下最低可实现的亚阈值摆幅和较高的电流开关比的隧穿场效应晶体管^[4].对于TFT而言，基于传统栅介质材料SiO₂的TFT(STFT)很容易被击穿.为了改善晶体管的性能，需要探索高介电常数(高k)的材料，其中基于高k材料ZrO₂作为栅介质层的具有高的空穴迁移率，并且电容等效厚度在1 nm以下的高性能GeP型MOSFET已经被成功制作^[5]，除此之外，HfO₂也是一种介电常数较高、带隙较宽的栅介质层材料，基于该材料也实现了高性能的薄膜晶体管^[6].通过建模仿真的方法将HfO₂作为栅介质层的TFT(HTFT)的性能与STFT进行对比，证明了高k材料对于实现更高性能的晶体管具有重要的意义.

为了确定设计晶体管的结构和所选择材料的合理性，利用Sentaurus软件对器件进行建模和性能研究，从而判断是否达到预期的目标以及适当调整相关的参数，对性能进行优化，为后续的工艺制作打下基础.目前基于该软件实现了多种晶体管的建模^{[7,8,9,10,11]}，实现了P阱绝缘体上硅场效应晶体管的建模^[12]，研究器件在辐照的条件和应变条件下表现出的性能变化^{[13,14,15,16,17]}，掺杂剂量和沟道长度对于晶体管性能的影响等^[18,19].但是利用该软件进行高k材料TFT的建模并系统地研究沟道长度和宽度、栅介质层的厚度和材料对于TFT性能的影响的研究还很有限.通过将STFT和HTFT进行建模和性能的研究与对比，发现HTFT具有更高的电流开关比和更小的阈值电压和漏电流，验证了使用高k材料的TFT具有更好的开关特性，更高的驱动能力和频率响应，对于尺寸更小，集成度更高的集成电路具有重要意义.

1 薄膜晶体管的结构设计与建模

所设计的TFT的结构是顶栅结构，硅纳米薄膜被选择作为有源区的材料，可以实现较高的载流子迁移率，因而可以获得开关特性更好的薄膜晶体管.栅介质层材料选择的是传统的SiO₂和高k材料HfO₂，源漏栅金属电极的材料均为金.对STFT和HTFT在沟道长度(L)、沟道宽度(W)和栅介质层厚度(t_ox)分别为 5 µm，30 µm和300 nm，温度(T)为300 K时转移特性曲线和输入输出特性曲线(I⁃V特性)进行了表征，最终的结构图和性能曲线图如图1所示.

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 晶体管结构图和性能曲线图

Fig.1 The transistor structure diagram and performance curves

图1所示顶栅晶体管的结构图和性能曲线，其中图1a为薄膜晶体管的结构图，图1b和图1c分别是STFT和HTFT的转移特性曲线，图1d和图1e分别是STFT和HTFT的I⁃V特性曲线.图中I_ds代表源漏电流值，g_m代表跨导值，V_gs为栅极电压值，L，W和t_ox分别为沟道长度、沟道宽度和栅介质层厚度，图中用箭头标示的I_off为关态漏电流，箭头标示的I_ds的值为饱和电流值，箭头标示的g_m值为最大跨导值.

从转移特性中可以看出，STFT在关态下的漏电流I_off约为10^-8 A，而HTFT在关态下的漏电流I_off接近10^-9 A，TFT的开关比即为TFT的开启电流与关态漏电流的比值.由此可以得到STFT的开关比大约为1.5×10⁴，而HTFT的开关比为4×10⁴，说明硅基薄膜晶体管具有较好的工作特性，同时也说明基于高k栅材料的TFT具有更高的开关比和更小的关态漏电流，即相比传统的基于SiO₂的TFT有更好的工作性能.从转移特性中也可以得到TFT的阈值电压(V_th)，STFT和HTFT相对应的V_th分别为0.69 V和0.52 V，说明HTFT的栅极相对于STFT具有更强的驱动能力.从图中同样可以得到器件的亚阈值摆幅(SS)，反映晶体管的亚阈区特性，在数量上可以用下式表示：

S S = \frac{\partial V_{g s}}{\partial l g I_{d s}}

(1)

SS对于STFT和HTFT分别为90 mV·dec^-1和80 mV·dec^-1，说明HTFT比传统的STFT在亚阈值区有更高的频率响应.从转移特性图也可以得到TFT的跨导值，跨导可以用式(2)计算：

g_{m} = \frac{\partial I_{d s}}{\partial V_{g s}}

(2)

即跨导在数学上为源漏电流随栅电压的变化率.HTFT的最大跨导值为229 μS，而STFT的最大跨导值为90.2 μS，说明HTFT具有较高的增益.利用跨导值可以通过式(3)计算得到晶体管的有效载流子迁移率：

μ_{n} = \frac{L \times g_{m}}{W \times C_{o x} \times V_{d s}}

(3)

其中，μ_n是有效载流子迁移率，V_ds是漏端电压，C_ox是单位面积的栅电容，计算公式为：

C_{o x} = \frac{ε_{0} ε_{r}}{t_{o x}}

(4)

其中，ε₀是真空介电常数，为8.85×10^-12 F·m^-1，ε_r是栅介质层材料的相对介电常数，对于HfO₂和SiO₂分别为22和3.9.

通过计算发现，HTFT的有效载流子迁移率大约为266 cm²·V^-1·s^-1，而STFT的有效载流子迁移率大约为653 cm²·V^-1·s^-1.高介电常数的材料载流子迁移率退化主要受到声学波散射、极性光学波散射和电离库伦散射等多种散射机制的影响.

2 薄膜晶体管的性能表征

2.1　不同沟道长度TFT的性能对比　图2所示为STFT和HTFT在W和t_ox分别为30 µm和300 nm，T为300 K，L的值分别为3 µm，

4 µm，5 µm和6 µm，对应的漏端电压为2 V时的工作特性曲线.图2a和图2b分别是不同沟道长度的STFT和HTFT的转移特性曲线，图2c和图2d分别是STFT和HTFT的I⁃V特性曲线.

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 不同沟道长度的TFT对应的性能曲线的对比图

Fig.2 Comparison of the performance curves of TFTs with different channel length

从图2可以看出，对于STFT，不同L对应的器件的V_th相同，均为0.69 V；对于HTFT两种沟道的器件对应的V_th也相同，为0.52 V.随着L的增加，晶体管饱和区的输出电流反而在逐渐减小，电流的开关比也在逐渐减小.晶体管工作时的电流计算公式如下：

I_{d s} = \frac{W \times μ_{n} \times C_{o x} \times [2 (V_{g s} - V_{t h}) \times V_{d s} - {V_{d s}}^{2}]}{2 L} 0 < V_{d s} < V_{g s} - V_{t h}

(5)

I_{d s} = \frac{W \times μ_{n} \times C_{o x} \times {(V_{g s} - V_{t h})}^{2}}{2 L} 0 < V_{g s} - V_{t h} < V_{d s}

(6)

由式(5)和式(6)可以看出，晶体管的饱和电流与L成反比，因而在W，t_ox和T相同的条件下，随着L的增加晶体管的饱和电流反而逐渐减小.L为3，4，5 µm的STFT的饱和电流分别为572，388，314 μA，是沟道长度为6 µm的STFT的饱和电流246 μA的2.32倍，1.58倍和1.28倍.对于HTFT，L=3，4，5 µm时对应的饱和电流分别为641，456，384 μA，是L=6 µm对应的饱和电流316 μA的2.03倍，1.44倍和1.22倍.在I⁃V特性曲线中，对于HTFT，L=3，4，5 µm时对应的饱和电流分别为549，370，306 μA，是L=6 µm对应的饱和电流274 μA的2倍，1.35倍和1.12倍，与理论计算基本一致，对于STFT也满足相应的倍数关系.这说明STFT和HTFT都有较好的工作性能，且HTFT比STFT的性能更高，体现了高k材料制作晶体管的优势.

2.2　不同沟道宽度TFT的性能对比

图3所示为STFT和HTFT在L和t_ox分别为5 µm和300 nm，T为300 K时，W的值分别为20 µm，30 µm，40 µm和50 µm对应的工作特性曲线.图3a和图3b分别是不同沟道宽度的STFT和HTFT的转移特性曲线，图3c和图3d分别是STFT和HTFT的I⁃V特性曲线.

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 不同沟道宽度的TFT对应的性能曲线的对比图

Fig.3 Comparison of the performance curves of TFTs with different channel width

由式（5）和式（6）可以看出，饱和电流与C_ox成正比，C_ox与晶体管沟道宽度W成正比，则饱和电流随W的增加而增加，与仿真结果一致.跨导的最大值也随着W的增加而线性增加.

在转移曲线中，沟道宽度为50，40，30 µm的STFT的饱和电流分别为524，419，314 μA，是沟道宽度为20 µm的STFT的饱和电流210 μA的2.5倍，2.0倍和1.5倍.对于HTFT也具有相同的特点，沟道宽度为50，40，30 µm的HTFT的饱和电流分别为640，513，384 μA，是沟道宽度为20 µm的HTFT的饱和电流256 μA的2.5倍，2.0倍和1.5倍，与理论的结果相一致.在输入输出特性曲线中，沟道宽度为50，40，30 µm的STFT的饱和电流分别为224，180，135 μA，是沟道宽度为20 µm的STFT的饱和电流89.8 μA的2.5倍，2.0倍和1.5倍.对于HTFT也具有相同的特点，沟道宽度为50，40，30 µm的HTFT的饱和电流分别为511，409，307 μA，是沟道宽度为20 µm的HTFT的饱和电流205 μA的2.5倍，2.0倍和1.5倍，与理论的结果相一致.这说明STFT和HTFT都具有较好的工作性能.

2.3　不同栅介质层厚度TFT的性能对比

图4所示为STFT和HTFT在L和W分别为5 µm，30 µm，T为300 K时，t_ox的值分别为250，280，300，400 nm对应的漏端电压为2 V时的工作特性曲线.图4a和图4b分别是不同栅介质层厚度的STFT和HTFT的转移特性曲线，图4c和图4d分别是STFT和HTFT的I⁃V特性曲线.

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 不同栅介质层厚度的TFT对应的性能曲线的对比图

Fig.4 Comparison of the performance curves of TFTs with different gate dielectric thickness

由电流的公式可以看出，饱和电流与C_ox成正比，而C_ox与t_ox成反比，因而晶体管的饱和电流和开关比都随着t_ox增大而逐渐减小，与图中的性能仿真结果一致.通过对比发现，HTFT的饱和电流值和跨导值相比于同一栅介质层厚度的STFT要高，同时t_ox为250，280，300 nm的STFT的饱和电流分别为444，350，314 μA，是t_ox为400 nm的STFT的饱和电流275 μA的1.61倍，1.27倍和1.14倍.对于HTFT也具有相同的特点，t_ox为250，280，300 nm的HTFT的饱和电流分别为518，393，384 μA，是t_ox为400 nm的HTFT的饱和电流376 μA的1.38倍，1.04倍和1.02倍.在输入输出特性曲线中，t_ox为250，280，300 nm的HTFT的饱和电流分别为428，336，307 μA，是t_ox为400 nm的HTFT的饱和电流276 μA的1.55倍，1.22倍和1.11倍，与理论计算结果也几乎一致，对于STFT也满足相应的倍数关系.这也说明STFT和HTFT具有晶体管的正常性能，且由于HTFT相对STFT具有较高的饱和电流，使HTFT具有更好的工作特性，进一步证明了高k材料对于实现高性能晶体管的重要意义.

2.4　不同温度条件下TFT的性能对比

图5所示为温度为273，300，373，400 K下STFT和HTFT在L为5 µm，W为30 µm，t_ox为300 nm时的工作特性曲线.图5a和图5b分别是不同温度条件下的STFT和HTFT的转移特性曲线.

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 不同温度条件下的TFT对应的性能曲线的对比图

Fig. 5 Comparison of the performance curves of TFTs under different temperature conditions

从图中可以看出，晶体管的饱和电流具有负的温度系数，即晶体管的饱和电流随着温度的升高而逐渐减小.从式(5)和式(6)可以看出，栅介质层材料的参数和沟道的宽长比随温度的变化很小，因而影响饱和电流的因素主要是μ_n和V_th.图6所示为STFT和HTFT的μ_n和V_th随温度的变化关系.

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 阈值电压和载流子迁移率随着温度的变化曲线

Fig. 6 Curves of threshhold voltage and carrier mobility as a function of temperature

从图中可以看出，μ_n和V_th均随着温度的升高而逐渐减小，但是HTFT的μ_n和V_th均小于STFT的μ_n和V_th，这是因为随着材料的介电常数的增大，带隙宽度会逐渐减小，因而高k材料制作而成的TFT的开启电压低于传统的SiO₂对应的TFT的开启电压.对于载流子迁移率，由于晶体管的有源层使用的材料是Si，因而在Si与SiO₂接触的界面态较少，而Si与HfO₂接触的界面态则相对较多，这是造成HTFT的载流子迁移率低于STFT的载流子迁移率的重要原因，同时有研究表明，在高k材料中，会存在多种散射机制，其中软声子散射是迁移率退化的主要散射机制^[20]，另外界面电荷和高k材料中的固定电荷是迁移率退化的重要原因^[21].

μ_n随温度的变化关系可以用式(7)表示：

μ_{n} (T) = μ_{n} (T_{0}) \times {(\frac{T}{T_{0}})}^{- m}

(7)

其中，μ_n(T)为温度为T时的载流子迁移率，

μ_n(T₀)为温度为300 K时的载流子迁移率，m通常的取值为1.5~2.从器件内部来讲主要是晶格振动散射会随着温度的升高而增强，导致μ_n的下降.半导体的费米能级随着温度的升高逐渐趋近禁带中央，导致半导体的费米势Ф_B的下降，因而更容易满足V_s≥2Ф_B的反型层的形成条件，V_s为硅薄膜上表层的电位，而V_th可以用式(8)表示：

V_{t h} = V_{s} + V_{o x}

(8)

其中，V_ox是栅介质层上的电压降.在温度升高时，V_s会随着费米势的下降而下降，最终导致V_th的下降.

综上可以得出，V_th和μ_n这两者都具有负的温度系数，分别会导致晶体管的饱和电流具有正的温度系数和负的温度系数.而为了获得较高的饱和电流，施加在晶体管栅极上的电压要高于阈值电压，这时晶体管的饱和电流受阈值电压的影响较小，而主要受到载流子迁移率的影响，因而一般情况下，晶体管的饱和电流随温度的升高而减小.这从另一方面也说明晶体管在低温下也可以有很高的工作性能.

通过以上对于不同栅介质尺寸和不同温度条件下的薄膜晶体管的性能研究可以发现，基于高k栅介质材料的HTFT可以实现较小的关态漏电流，较高的电流开关比和较低的亚阈值摆幅，但是由于高k材料与硅薄膜之间存在界面态，因而会导致基于高k栅介质材料的TFT具有较低的载流子迁移率.可以看出界面的质量是影响载流子迁移率的重要因素.对于HfO₂而言，其氧扩散率很高因而会影响器件的性能，一种在HfO₂中掺杂Al的方法来减小氧扩散的方法被提出，可以有效降低氧扩散率，从而在一定程度上提高器件的工作速度，但是这种方法可能会在一定程度上降低晶体管的开关性能等其他性能.这也就是说对于高k材料可能无法同时获得较高的工作速度和较高的电流开关比.

所以在实际中需要根据具体情况选择合适的高k材料，在需要晶体管的驱动速度较高的情况下可能会牺牲一部分可靠性或者开关性能，在要求晶体管的开关比较高的情况下可能在工作速度方面会有所下降，因而一方面需要不断通过相关的工艺手段尽可能地提高器件的各项工作指标，另一方面在无法同时满足较高的工作速度和较高的可靠性和开关比的情况下，需要根据特定情况下这些指标的重要程度选择合适的材料，比如可以选择介电常数不是很高但是可靠性较高的材料，既获得较高的工作速度，同时获得相对其他高k材料低的但是可接受的电流开关比，即需要在不同性能之间取折中达到最优的工作状态.

3 结论

通过系统地对基于传统的栅介质材料SiO₂和高介电常数的材料HfO₂在不同沟道长度和宽度，不同栅介质层厚度和不同温度下的晶体管的建模和性能研究，可以得到晶体管的饱和电流与晶体管的沟道长度和栅介质层的厚度成反比，与沟道宽度成正比，与理论计算结果相一致.可以发现，基于高介电常数材料的薄膜晶体管相对于传统的基于SiO₂的薄膜晶体管的优势在于具有较小的关态漏电流，较高的电流开关比和较低的亚阈值摆幅，但是其缺陷在于它的开关速度要低于传统的基于SiO₂的薄膜晶体管，因而在实际应用中需要在薄膜晶体管的不同性能指标中进行折中.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

周郁明，刘航志，杨婷婷等 .

碳化硅MOSFET电路模型及其应用

西安电子科技大学学报，2018，v.45(03)：103-107，135.