[发明专利]可变电容器单电子装置

说明书

技术领域

本发明大体而言涉及半导体装置的制造，且更具体而言，涉及单电子装置及其制作方法。

背景技术

人们对于增加计算能力和存储空间的持续的需求正在推动集成电路的小型化。为保持进步，小型化将很快推进到纳米领域。遗憾的是，由于寄生电阻、散射和隧穿所引起的问题，不能将传统装置直接按比例缩小。

单电子装置为因小型化而引发的一些问题提供解决方案。单电子装置可由容易获得的材料来制作，并可使用少到一个电子来界定一逻辑状态。与传统装置不同，当其形体尺寸减小时，单电子装置显示出改良的特性。这缘自于如下事实：单电子装置是基于量子力学效应，在尺寸越小时，量子力学效应越显著。单电子装置还具有低功率消耗，且因此对于利用此类装置的可能的高集成密度存在较小的能量限制。

然而，能够再现性地界定逻辑状态的单电子装置的实际实施方案仍然存在问题。例如，期望开发有助于大规模生产纳米规模单电子装置结构和使这些装置在室温下运行的工艺技术。然而，比大规模生产和室温运行重要得多的是单电子装置对随机背景电荷效应的敏感度。

随机背景电荷可改变库仑阻断能量，从而改变装置的运行特性。例如，在单电子晶体管(SET)逻辑栅极附近的俘获电荷或运动电荷可使装置的逻辑状态反转，从而使装置的输出在任何温度下均不可靠。此外，背景电荷运动可引起装置特性随时间而变化。

先前为减小单电子装置对随机背景电荷的依赖性所作的尝试没有完全取得成功。为寻找无杂质制作技术所作的努力没有得到完全不含随机背景电荷的装置。在逻辑电路中添加冗余被视为是无效的，尤其是在存在高的背景电荷噪声水平时。通过运行点刷新来调整装置的偏压状态也不视为是有效的解决方案。因此，由于其对随机背景电荷效应的敏感性、及随之产生的装置逻辑状态的不稳定性，单电子逻辑装置至今仍被视为是不切实际的。

因此，所属技术领域中需要一种单电子装置及其制造方法，其应能克服上述问题且尤其是使随机背景电荷对装置功能的影响最小化。

发明内容

为了解决现有技术的上述缺陷，本发明提供一种单电子晶体管装置。所述装置包括位于衬底上的源极和漏极、及位于源极和漏极之间的量子岛，以在源极和漏极之间形成隧道结。所述装置进一步包括位于量子岛附近的固定栅电极，所述固定栅电极具有与其相关的电容，所述电容随施加至固定栅电极的电压而变化。

在另一实施例中，本发明提供一种用于制造单电子装置的方法。所述方法包括形成位于衬底上的源极和漏极。所述方法还包括在源极和漏极之间布置一量子岛，其中所述量子岛在所述源极和所述漏极之间形成隧道结。所述方法还包括在所述量子岛附近形成上述固定栅电极。

本发明的又一实施例是晶体管电路，其包括含有上文所述源极、漏极、量子岛和固定栅电极的单电子装置、及与单电子装置耦连的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET经配置以放大来自单电子装置的漏极电流。

上文已概述本发明的较佳和替代特点，以使所属技术领域的技术人员可更好地理解下文对本发明的详细说明。下文将说明本发明的其他特点，这些其他特点构成本发明的权利要求书的标的物。所属技术领域中的技术人员应了解，其可容易地使用本发明的揭示概念和具体实施例作为基础来设计或修改用于执行本发明相同目的的其他结构。所属技术领域的技术人员还会认识到，此种等价构造不背离本发明的范畴。

附图说明

参考附图对本发明的实例性实施例进行说明，其中：

图1A和1B是根据本发明原理的实例性单电子晶体管装置的剖面图和俯视图；

图2是根据本发明的单电子晶体管装置的修改形式的俯视图；

图3-7是在一种根据本发明原理用于制造单电子装置的实例性方法中的选定步骤的剖面图和俯视图；及

图8是本发明的实例性晶体管电路的电路图。

具体实施方式

本发明认识到使用单电子装置的优点，所述单电子装置通过使用库仑振荡来存储和传输逻辑状态而防止随机背景电荷效应。本文中使用的术语“库仑振荡”是指在单电子装置中用于升高栅极电压(V_G)的漏极电流(I_d)的周期性变化。与库仑阻断不同，库仑振荡频率与随机背景电荷无关。

本发明进一步认识到，可通过改变对装置的栅极电容来调制单电子装置中的库仑振荡频率。此外，可通过改变用于改变库仑振荡频率的栅极电容来实现单电子装置的逻辑状态方面的改变。因此，可通过改变库仑振荡频率来存储和传输逻辑状态的单电子装置能够基本上不受随机背景电荷效应影响地发挥功能。