1.2 半導體硅材料——集成電路的核心與基礎

1.2.1 MOS型與雙極結型晶體管的比較

集成電路按所使用的半導體材料，分為硅IC和化合物IC兩大類。硅IC采用由單一元素構成的單晶，便于制作高純度/大直徑硅圓片（可采用拉制法、區熔法等），價格也比化合物IC便宜，物性穩定，利用熱氧化可形成非常穩定的絕緣膜（SiO₂），利用微細加工技術可制取精細化圖形，制作工藝已相當成熟。缺點是與化合物IC相比，電子遷移率低。硅IC主要用于存儲器、微處理器、邏輯元件等一般的大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（ULSI）?；衔颕C中電子遷移率要比硅IC中快得多，但從技術、價格等方面看，前者要推廣使用還存在不少問題。

硅IC可以分為MOS型和雙極結型晶體管，二者都既可以用自由電子為載流子，又可以用空穴為載流子。MOS中有不同類型，如以電子（負：negative）為載流子的“nMOS”，以空穴（正：positive）為載流子的“pMOS”，還有由雙方組合（complementary）而成的“互補金屬氧化物半導體晶體管（CMOS）”等。圖1給出三極管電流-電壓(I-U)特性曲線。

雙極結型晶體管與CMOS同樣，利用正、負兩種載流子，但由于比CMOS速度快，適合更高速的LSI。圖2給出了CMOS型與雙極結型的比較。

平常，一提IC往往給人以“數字式”的印象。實際上，因處理信號種類不同，也可以將IC分為“數字式”與“模擬式”兩種形式。

根據以上分類就可以領略IC種類的繁多，但其中采用最普遍的還是“硅CMOS”，因此，后面還要進一步介紹其功能。

1.2.2 CMOS構造的斷面模式圖（p型硅基板）

在MOS集成電路發展早期，人們發現數字電路中將pMOS與nMOS串聯，則能夠大大減小靜態功耗，這種電路就是CMOS電路。最基本的CMOS結構是一種反相器，有著優異的電壓傳輸特性，抗干擾能力極強，并且功耗只發生在高低電平轉換的時候，這些優點使得CMOS在現代IC產業中有著重要的地位。

CMOS需要將pMOS與nMOS同時放置在一個集成電路里，因此必須至少要有一種晶體管放在與襯底反型的阱里。如果襯底是n型的，那么p溝道金屬-氧化物-半導體場效晶體管（MOSFET）就直接做在襯底上，同時需要形成p阱以制備n溝道MOSFET。類似地，也可以采用n阱工藝來制作CMOS。CMOS的電流特性我們也要考慮，nMOS和pMOS的驅動電流要求近似相等。阱是通過補償摻雜得到，會降低其載流子的遷移率，同時電子遷移率比空穴遷移率要高，因此如果采用p阱工藝，在p阱中制作n溝道的MOS管，我們會得到驅動能力更加對稱的CMOS。然而我們一般采用n阱工藝來制作CMOS，因為電路里多數MOS管為n溝道，需要p型襯底。

隨著技術發展，人們對于性能更加完美的CMOS管有著更大的需求，因此采用了雙阱甚至三阱工藝來制造CMOS，保證n溝道的MOSFET和p溝道的MOSFET都能有最佳的性能。

1.2.3 快閃存儲器單元三極管“寫入”“擦除”“讀取”的工作原理

快閃存儲器單元三極管有很多種類，如圖中所示的為基本的浮柵存儲器件，這種器件實際上是一個有兩層柵的n溝道MOSFET?？刂茤胚B接外部電路，浮柵沒有外部連接。浮柵中的電子的泄漏非常慢，通常可以保存數十年，因此可以被用作存儲元件。

浮柵存儲期間的“讀取”相對“寫入”與“擦除”要簡單且直接很多?！皩懭搿迸c“擦除”一般需要比電源電壓更高的電壓。在很高的溝道電壓下，電子達到速度飽和形成熱載流子，較高的控制柵電壓有效地收集熱載流子，我們利用其高能的物理效應穿透絕緣膜完成“寫入”。如果有更薄的絕緣膜，那么可以利用Fowler-Nordheim（隧道效應）來實現“擦除”。通過在控制柵與源極之間加上較高的負電壓，形成一部分垂直的電場，則電子會通過隧穿效應離開浮柵，完成“擦除”。

存儲器芯片約占芯片市場的1/3，主要分為易失存儲器和非易失存儲器，前者包括動態隨機存取存儲器（DRAM）和靜態隨機存取存儲器（SRAM），后者主要包括快閃記憶體（NAND Flash）和 閃存記憶體（NOR Flash）。DRAM和NAND Flash是存儲器的兩大支柱產業，我國嚴重依賴進口。其中，NAND Flash產品幾乎全部來自國外，主要用在手機、固態硬盤和服務器。存儲芯片對制造工藝要求較高，主要由韓國的三星、海力士和美國的美光等企業壟斷。2016年下半年開始，存儲芯片價格暴漲，國內終端廠商苦不堪言。

目前，長江存儲作為中國首個進入NAND Flash存儲芯片的企業在2018年才實現小規模量產。到2019年,其64層128GB 3D NAND Flash存儲芯片將進入規模研發階段。長江存儲員工稱，今年將出的第一代產品技術相對落后，“主要為了技術積累，不是一個真正面向市場的量產產品?？赡艿矫髂晡覀兊诙a品出來后，會根據市場需求量產”。