[发明专利]一种具有侧栅结构的硅基单电子记忆存储器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米电子学中单电子记忆存储器技术领域，尤其涉及一种具有侧栅结构的硅基单电子记忆存储器及其制作方法。

背景技术

纳米电子学是纳米科技的重要领域之一，是微电子学继续向微观领域的发展和延伸。目前，超大规模集成电路的特征尺寸已经进入到纳米尺度(＜100nm)范围，在CMOS器件等比例缩小的过程中，量子效应的影响变得越来越突出。而单原子层的薄膜外延生长技术、隧道探针技术、先进的光刻技术制作出的纳米固体结构表现出奇特的量子效应，在这些效应的基础上人们发明了共振隧穿器件、单电子器件、量子点器件等新型量子器件。

单电子器件是通过纳米尺寸的库仑岛控制单个电子的输运来进行工作的。随着纳米加工技术的发展，科学家已经可以在纳米尺度范围内控制库仑岛的尺寸和形状，以及隧穿结势垒的厚度和形状。

在库仑岛上，电子输运空间尺寸被减小到纳米量级，导致量子限制效应的显著增强，电子进入库仑岛必须隧穿通过。库仑岛内的电荷势能将排斥外界电子的进入，如果电子进入库仑岛所需的电荷能大于环境热能，这个电子将被阻塞。栅电场通过电容耦合可以对库仑岛进行电势调制，当库仑岛内的能级位于源漏电子库费米能级构成的能量窗口时，电子将通过共振隧穿效应高穿透率地通过库仑岛。这样，通过库仑岛的电子动量变化被显著地表现为具有分立能级特征的电流峰。

单电子进入库仑岛可以视为存储一个电荷，流出库仑岛可以视为释放一个电荷。库仑岛在这种单电子进出的过程中，电势将具有e/Ctt(其中Ctt为库仑岛的整个电容)的起伏。那么单电子记忆存储器就是用来探测这种由于单电子输运引起库仑岛的库仑势起伏的器件。

传统的存储器是通过操纵电荷流来完成对信息的传输和存储，而单电子存储器就是利用单电子库仑阻塞效应来精确控制几个甚至单个电子就可以完成同样的功能。它有以下几个方面的优点。首先，由于这种器件是依赖于电子间的排斥作用来实现其运行的，因此它可以在很小的尺寸下工作，使得大规模集成与复杂布线成为可能。其次，它能够利用很少的几个电子来完成基本的功能，因此能量的消耗是非常小的。如果能够高密度集成，其耗电量将仅为现在微电子晶体管电路的十万分之一。最后是由于器件尺寸小，只需要几个电子的隧穿就能够完成一个比特信息的传递，较之传统的需要大约10⁵个左右的电子参与隧穿的器件来讲，它的响应速度也是相当快的。单电子存储器的这些优点恰恰是组成集成电路的器件所需具备的，在用于大规模及超大规模集成方面有很好的发展潜力。

单电子器件领域的研究是从1969年Lambe和Jaklevic在类似单电子盒的结构中观察到电子量子化现象开始的(具体请参照文献“Lambe and R.C.Jaklevic，″Charge-quantization studies using tunnel capacitor，″Phys.Rev.Lerr.，vol.22，no.25，pp.1371-1375，June 1969.”所记载的内容)。

硅基的单电子器件依赖硅材料可氧化等特性和成熟的工艺优势，在不到十年的时间里，就获得了直径小于10nm的晶体硅量子点而实现了室温工作，并且大多数硅基单电子器件的制备方法能够与现有的硅CMOS工艺更好地兼容，使制备大规模量子数字集成电路成为可能。

目前国际上能够室温工作的半导体单电子晶体管主要都在薄硅膜的SOI衬底上制作成功的。相对体硅材料，SOI的氧化绝缘埋层把器件与衬底隔离开，减轻了衬底载流子对器件的影响，减小了硅器件的寄生电容效应，易于实现全介质隔离，避免了器件与衬底之间的相互作用。用于制作单电子器件的SOI衬底的硅膜都足够薄，利于制成微小的隧道结和量子点。随着晶体管尺寸的不断缩小，SOI技术的优势愈来愈突出。薄硅膜上的晶体管开启时，氧化埋层界面处于耗尽状态，硅膜全部耗尽。具有抗辐照、耐高温、低电场、高跨导、良好的短沟道和窄沟道特性，特别适合于高速、低压、低功耗电路的应用。