有机浮栅存储器的器件仿真

有机浮栅存储器的器件仿真1.1SILVACOTCAD简述本文所采用的器件模拟工具是SILVACOTCAD[20,TCAD就是TechnologyComputerAidedDesign，指的是半导体工艺模拟及器件模拟工具。计算机仿真必须基于数值计算。Silvaco中的数值计算主要是基于物理模型及其方程，但是实际的物理模型所构建的系统极其复杂，所用到的方程变量很多，必须要用计算机来辅助计算，我们知道计算机只能进行离散化运算，因此我们进行的工艺和器件仿真就是基于网格计算。下面简单介绍一下SilvacoTCAD一些组件，这些组件包括了工艺仿真工具ATHENA，器件仿真工具ATLAS，器件编辑工具DevEdit,交互式工具DeckBuild和Tonyplot，还有一些内部的模块。Deckbuild所有的TACD仿真组件均可在DeckBuild界面调用，我们可以用ATHENA生成器件结构，再由ATLAS对器件特性进行仿真，最后再调用TonyPlot2D或者Tonyplot3D作出器件图形和各种电学性能图表。各个仿真器都是通过集成环境DeckBuild组织的，Silvaco-TCAD的仿真流程如图3-1所示。TonyPlotTonyplot可视化工具对器件结构进行显示，可显示的结构包括一维、二维、三维，可显示的器件信息包括几何尺寸、材料性质，器件仿真得到的电学特性、光学特性等。TonyPlot还支持多种输出格式，可以导出图片，也可以导出表格信息，，方便我们进行处理。ATHENA工艺仿真组件ATHENA能够加快工艺流程和优化工艺参数，ATHENA是模块化、可扩展的。它能够对半导体制造工艺中关键制作步骤进行模拟仿真，精确预测器件结构的几何参数，杂质分布和晶格结构。参数优化使器件的产量、器件各种特性、器件的可靠性得到平衡，达到最优。此外，它还通过仿真模拟取代了耗费大量人力物力财力的真实器件测试，缩短了开发周期。ATLASATLAS是本文主要用到的组件，它的作用非常大，可以对器件结构进行仿真，对器件所用材料进行描述，对器件的电学、光学和热学性质进行描述。ATLAS具有非常全面的物理模型［21，能够对器件特性进行精确预测。以有机浮栅存储器为例，运用ATLAS可以构造该器件的二维结构，还可以仿真的所用有机材料，对有机材料的各种性质进行定义。最后还可以分析二维模式下分析有机浮栅存储器的存储特性。图3-2为ATLAS的开发流程图。

1.2浮栅型有机存储器的器件设计1.2.1有机浮栅存储器的材料选用有机浮栅存储器的材料主要有，有源层材料、浮栅所用材料、栅绝缘层材料、隧穿层材料、电极材料。下面对各种材料进行介绍。有源层材料采用的是有机半导体材料，有机半导体材料分为n型和p型半导体材料。常见的p型材料有并五苯，n型材料有L：。本文仿真的是底栅顶接触的有机浮栅场效应晶体管，采用的p型半导体-并五苯(pentacene)［22,23］作为有源区材料，并五苯的分子量为278.3，熔沸点很高，它的LUMO能级为-1.21eV，HUMO能级为-4.99eV，如图3-3所示。HighEnergyleVelLUMOHUMO-3.21eVLUMOHUMO-4.99eVLow图3-3并五苯的LUMO和HUMO分子轨道能级示意图我们采用并五苯的原因是并五苯的载流子迁移率相对较高［22,23］，并五苯的制备工艺简单，而且ATLAS组件中已经存在并五苯的材料库，我们进行仿真时只需要修改部分参数，能够满足实验需要。但是并五苯的稳定性不高，这是实验需要解决的问题之一。并五苯的材料参数如表3-1所示。材料模拟参数数值相对介电常数4电子亲和势(eV)2.8本征P型掺杂浓度(cm-3)2*1017有效空穴质量104*m0LUMO有效态密度(cm-3)2*1021NUMO有效态密度(cm-3)2*1021注：m0为真空电子的质量在本文中浮栅的材料是N型多晶硅，隧穿层的材料是由上，控制层的材料是。"'二米用多晶硅主要考虑的是多晶硅的晶格与Si的相近，晶格损伤小，且传统的无机闪存的浮栅制作工艺已经很成熟，采用多晶硅的浮栅结构能够与传统硅工艺兼容［19,24］。电极材料的选用对浮栅存储器性能的影响很大，我们选有源区电极材料采用^和Cu两种材料 .D用的电极材料要保证有源层与金属界面形成良好的欧姆接触，使载流子可以轻松的从源极注入到有机半导体层，达到理想的载流子注入效率。本文采用的金属电极材料主要有Au［25］。衬底作为栅极，通常采用重掺杂的多晶硅作为栅极。图3-4简单介绍了器件所用材料有源区电极材料采用^和Cu两种材料 .D主要选用并五苯、C60,I.等有机半导体材料)隧穿层采用P型多晶硅作为浮栅极隧穿层采用P型多晶硅作为浮栅极浮栅层栅介质层< A均采昭iO/作为介质材料 y衬底材料衬底材料采用重掺杂的多晶硅作为栅极衬底材料图3-4有机浮栅存储器所用材料示意图1.2.2有机浮栅存储器的尺寸设计整个器件自下而上的顺序说明每个部分的厚度，硅衬底的厚度为150nm，控制层的厚度为100nm-120nm，浮栅的厚度为20nm-40nm，隧穿层的厚度为10nm-20nm，有机半导体层的厚度为40nm，电极的厚度为30nm，导电沟道长宽比［26不固定，其中，具体的尺寸参看下节有机浮栅存储器的特性分析及参数优化。1.3浮栅型有机存储器的特性分析及参数优化1.1.1隧穿层厚度对浮栅型有机存储器存储窗口的影响本次仿真所采用的具体器件尺寸为：沟道长度为 25」心，沟道宽度为8000,心,控制层的厚度为100nm，并五苯有源区的厚度为40nm，隧穿层的厚度分别为10nm，15nm，20nm。分别对这三个不同隧穿层厚度的器件进行器件仿真，得出它们的存储窗口，发现随着隧穿层厚度的增加，存储窗口变小，如图3-5所示。图3-5隧穿层厚度对存储窗口的影响这个仿真结果与设想相符，由于隧穿层厚度的增加，使得FN隧穿变得困难，进入到浮栅中的电荷变少，导致浮栅屏蔽来自栅极电场的能力减弱，表现为编程后阈值电压绝对值的降低，而隧穿层厚度的增加对未编程器件的阈值电压影响不大，因而存储窗口变小。

1.1.2控制层厚度对浮栅型有机存储器存储窗口的影响本次仿真所采用的具体器件尺寸为：沟道长度为25山二，沟道宽度为6000 |］；，隧穿层厚度为15nm，控制层的厚度分别为100nm，120nm，140nm，通过对器件的模拟仿真，得出随着控制层厚度的增加，器件的存储窗口变小。可能的原因为：栅极对沟道的控制减弱，一方面使编程前的阈值电压增大，另一方面使浮栅上存入的电荷变少，导致编程后的阈值电压（绝对值）变小，最后的表现为阈值窗口的减小，如图3-6所示。0.20-0.15-II1 r,100nmerased100nmprogrammed▲0.20-0.15-II1 r,100nmerased100nmprogrammed▲120nmerasedt120nmprogrammed140nmerased►140nmprogrammedA0.10iD0.05-0.00--1003010 2040图3-6控制层厚度对器件的存储窗口的影响1.1.3浮栅厚度对浮栅型有机存储器存储窗口的影响本次仿真所采用的具体器件尺寸为：沟道长度为25 」】】；，沟道宽度为6000⑴孔隧穿层厚度为15nm，控制层的厚度为100nm，浮栅层的厚度分别

为20nm,30nm,40nm，所采用的编程电压为-60V，得出浮栅层的厚度对存储窗口的影响不大，如图3-7所示。1.1.4编程电压对浮栅型有机存储器存储窗口的影响本次