摘要：常温下硅纳米晶构成的MOSFET存储器具有低压、低功耗、体积小、高剂量和快速读写等 优良特性，在ULSI中有重要的应用前景。它是当前ULSI研究中的一项热门专题，在国外一些著名刊物上屡见报道。本文介绍了这种器件的存储特性及其机理与最新研究进展。

　　关键词：纳米晶；MOS型存储器；存储特性

　　1 引言

　　在室温下工作的Si纳米晶MOSFET存储器件有体积小、低能耗、高剂量、快速擦写和可多次循环使用的特点，在未来的超大规模集成电路中有着 重要的应用前景。这种存储器件可在约3V的低压下工作，Si剂量可达到1012/cm2以上，读写时间达到ns量级，循环擦写次数可达109量级，存储时间可达几天以上[1]，可作为非易失性的随机存储器。

　　2 纳米晶粒MOSFET存储器的存储特性

　　纳米晶存储器的存储效应主要由其存储电荷的剂量、写入时间和存储时间反映出来。存储电荷的剂量是指每平方厘米中能存储的电荷数，电荷主要存储于纳米晶粒中，对于单电子存储，存储电荷的 剂量与浮栅中纳米晶粒剂量的大小同数量级；写入时间是电子穿过隧穿氧化层存储在纳米晶中所需的时间，写入时间随隧穿氧化物厚度的减小和纳米晶粒剂量的增加而缩短；存储时间为电荷在纳米晶中保存的时间，由于纳米晶粒MOSFET存储器中电荷泄漏的方式主要是电荷反向隧穿[2]，存储时间随隧穿氧化物的厚度增加而延长。

　　如图1所示，纳米晶粒镶嵌在源漏沟道与控制栅之间的氧化物中,当在控制栅和源之间加上偏压时，电子直接隧穿注入纳米晶粒内，使栅极电荷受 到屏蔽而导致器件阈值改变。在存储状态下，电子处于势阱中，当栅极加上反向偏压时，电子通过直接隧穿又回到沟道内，由此实现电荷的擦除。当一个电荷注入纳米晶时，其产生的库仑势能远大于常 温下热能，从而阻碍了其它的电荷注入，所以每个纳米晶粒中只能存储一定数目的电荷，因而可望实现单电子存储。与传统的浮栅存储器相比，纳米晶MOSFET存储器在存储一位数据时所需的电子数少，绝缘层中电流密度小，因而可在单位面积内存储更多的信息，提高器件循环使用的次数并缩短擦写时间。
                      

    下面用改进的传统MOS器件模型来讨论纳米晶存储器存储特性的机理[3,4]。将纳米晶看作小的球形电容。图2给出此存储器的等效电路[3]。C1，d1分别是浮栅与衬底间的电容和距离；C2，d2分别是
                  

     浮栅与控制栅之间的电容和距离，则有
                    
                    
     式中，VW是写入时所施加的电压；m是浮栅中纳米晶的数目；q0是背景电量。

　　隧穿速率的大小反应了写入速度的快慢，当隧穿氧化层的厚度增大时，C1减小，从而V变小，隧穿速率变小，写入时间加长。

　　当电荷存储于纳米晶中时，电荷会随时间的流逝而逐渐泄漏，在直接隧穿的区域，浮栅中的电荷随时间的变化如下
                      
   当隧穿氧化层的厚度增大时，C1减小，B增大，电荷泄漏较慢；当控制氧化层的厚度增大时，C2减小，B增大，电荷泄漏速率也较慢。

　　3 影响存储特性的因素

　　由以上的分析可以看出，纳米晶粒MOSFET存储器的存储特性受多方面因素的影响，其中包括纳米晶粒的剂量、隧穿氧化层、控制氧化层的厚度等。

　　3.1 纳米晶的剂量
　　高剂量纳米晶的单电子存储器件存储的电荷剂量大，即可存储的信息量大，如能制得高剂量纳米晶的器件，则可能实现Tb/cm2存储。纳米晶的剂量越大，隧穿速率也越大，存储器的速度也就越快。这一点也可由栅极电流与栅极电压的Fowler-Nordheim图的斜率算出[5]，样品剂量高到一定程度时，隧穿势垒会降低，写入速度会加快。

　　提高纳米晶的剂量，可使器件存储性能得到提高。研究表明，在硅的氮化物或三氧化二铝上生长纳米硅晶，可获得