摘要：常溫下硅納米晶構(gòu)成的MOSFET存儲器具有低壓、低功耗、體積小、高劑量和快速讀寫等 優(yōu)良特性，在ULSI中有重要的應(yīng)用前景。它是當(dāng)前ULSI研究中的一項熱門專題，在國外一些著名刊物上屢見報道。本文介紹了這種器件的存儲特性及其機理與最新研究進展。

　　關(guān)鍵詞：納米晶；MOS型存儲器；存儲特性

　　1 引言

　　在室溫下工作的Si納米晶MOSFET存儲器件有體積小、低能耗、高劑量、快速擦寫和可多次循環(huán)使用的特點，在未來的超大規(guī)模集成電路中有著 重要的應(yīng)用前景。這種存儲器件可在約3V的低壓下工作，Si劑量可達到1012/cm2以上，讀寫時間達到ns量級，循環(huán)擦寫次數(shù)可達109量級，存儲時間可達幾天以上[1]，可作為非易失性的隨機存儲器。

　　2 納米晶粒MOSFET存儲器的存儲特性

　　納米晶存儲器的存儲效應(yīng)主要由其存儲電荷的劑量、寫入時間和存儲時間反映出來。存儲電荷的劑量是指每平方厘米中能存儲的電荷數(shù)，電荷主要存儲于納米晶粒中，對于單電子存儲，存儲電荷的 劑量與浮柵中納米晶粒劑量的大小同數(shù)量級；寫入時間是電子穿過隧穿氧化層存儲在納米晶中所需的時間，寫入時間隨隧穿氧化物厚度的減小和納米晶粒劑量的增加而縮短；存儲時間為電荷在納米晶中保存的時間，由于納米晶粒MOSFET存儲器中電荷泄漏的方式主要是電荷反向隧穿[2]，存儲時間隨隧穿氧化物的厚度增加而延長。

　　如圖1所示，納米晶粒鑲嵌在源漏溝道與控制柵之間的氧化物中,當(dāng)在控制柵和源之間加上偏壓時，電子直接隧穿注入納米晶粒內(nèi)，使柵極電荷受 到屏蔽而導(dǎo)致器件閾值改變。在存儲狀態(tài)下，電子處于勢阱中，當(dāng)柵極加上反向偏壓時，電子通過直接隧穿又回到溝道內(nèi)，由此實現(xiàn)電荷的擦除。當(dāng)一個電荷注入納米晶時，其產(chǎn)生的庫侖勢能遠大于常 溫下熱能，從而阻礙了其它的電荷注入，所以每個納米晶粒中只能存儲一定數(shù)目的電荷，因而可望實現(xiàn)單電子存儲。與傳統(tǒng)的浮柵存儲器相比，納米晶MOSFET存儲器在存儲一位數(shù)據(jù)時所需的電子數(shù)少，絕緣層中電流密度小，因而可在單位面積內(nèi)存儲更多的信息，提高器件循環(huán)使用的次數(shù)并縮短擦寫時間。
                      

    下面用改進的傳統(tǒng)MOS器件模型來討論納米晶存儲器存儲特性的機理[3,4]。將納米晶看作小的球形電容。圖2給出此存儲器的等效電路[3]。C1，d1分別是浮柵與襯底間的電容和距離；C2，d2分別是
                  

     浮柵與控制柵之間的電容和距離，則有
                    
                    
     式中，VW是寫入時所施加的電壓；m是浮柵中納米晶的數(shù)目；q0是背景電量。

　　隧穿速率的大小反應(yīng)了寫入速度的快慢，當(dāng)隧穿氧化層的厚度增大時，C1減小，從而V變小，隧穿速率變小，寫入時間加長。

　　當(dāng)電荷存儲于納米晶中時，電荷會隨時間的流逝而逐漸泄漏，在直接隧穿的區(qū)域，浮柵中的電荷隨時間的變化如下
                      
   當(dāng)隧穿氧化層的厚度增大時，C1減小，B增大，電荷泄漏較慢；當(dāng)控制氧化層的厚度增大時，C2減小，B增大，電荷泄漏速率也較慢。

　　3 影響存儲特性的因素

　　由以上的分析可以看出，納米晶粒MOSFET存儲器的存儲特性受多方面因素的影響，其中包括納米晶粒的劑量、隧穿氧化層、控制氧化層的厚度等。

　　3.1 納米晶的劑量
　　高劑量納米晶的單電子存儲器件存儲的電荷劑量大，即可存儲的信息量大，如能制得高劑量納米晶的器件，則可能實現(xiàn)Tb/cm2存儲。納米晶的劑量越大，隧穿速率也越大，存儲器的速度也就越快。這一點也可由柵極電流與柵極電壓的Fowler-Nordheim圖的斜率算出[5]，樣品劑量高到一定程度時，隧穿勢壘會降低，寫入速度會加快。

　　提高納米晶的劑量，可使器件存儲性能得到提高。研究表明，在硅的氮化物或三氧化二鋁上生長納米硅晶，可獲得