1.2 半导体硅材料——集成电路的核心与基础

1.2.1 MOS型与双极结型晶体管的比较

集成电路按所使用的半导体材料，分为硅IC和化合物IC两大类。硅IC采用由单一元素构成的单晶，便于制作高纯度/大直径硅圆片（可采用拉制法、区熔法等），价格也比化合物IC便宜，物性稳定，利用热氧化可形成非常稳定的绝缘膜（SiO₂），利用微细加工技术可制取精细化图形，制作工艺已相当成熟。缺点是与化合物IC相比，电子迁移率低。硅IC主要用于存储器、微处理器、逻辑元件等一般的大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（ULSI）。化合物IC中电子迁移率要比硅IC中快得多，但从技术、价格等方面看，前者要推广使用还存在不少问题。

硅IC可以分为MOS型和双极结型晶体管，二者都既可以用自由电子为载流子，又可以用空穴为载流子。MOS中有不同类型，如以电子（负：negative）为载流子的“nMOS”，以空穴（正：positive）为载流子的“pMOS”，还有由双方组合（complementary）而成的“互补金属氧化物半导体晶体管（CMOS）”等。图1给出三极管电流-电压(I-U)特性曲线。

双极结型晶体管与CMOS同样，利用正、负两种载流子，但由于比CMOS速度快，适合更高速的LSI。图2给出了CMOS型与双极结型的比较。

平常，一提IC往往给人以“数字式”的印象。实际上，因处理信号种类不同，也可以将IC分为“数字式”与“模拟式”两种形式。

根据以上分类就可以领略IC种类的繁多，但其中采用最普遍的还是“硅CMOS”，因此，后面还要进一步介绍其功能。

1.2.2 CMOS构造的断面模式图（p型硅基板）

在MOS集成电路发展早期，人们发现数字电路中将pMOS与nMOS串联，则能够大大减小静态功耗，这种电路就是CMOS电路。最基本的CMOS结构是一种反相器，有着优异的电压传输特性，抗干扰能力极强，并且功耗只发生在高低电平转换的时候，这些优点使得CMOS在现代IC产业中有着重要的地位。

CMOS需要将pMOS与nMOS同时放置在一个集成电路里，因此必须至少要有一种晶体管放在与衬底反型的阱里。如果衬底是n型的，那么p沟道金属-氧化物-半导体场效晶体管（MOSFET）就直接做在衬底上，同时需要形成p阱以制备n沟道MOSFET。类似地，也可以采用n阱工艺来制作CMOS。CMOS的电流特性我们也要考虑，nMOS和pMOS的驱动电流要求近似相等。阱是通过补偿掺杂得到，会降低其载流子的迁移率，同时电子迁移率比空穴迁移率要高，因此如果采用p阱工艺，在p阱中制作n沟道的MOS管，我们会得到驱动能力更加对称的CMOS。然而我们一般采用n阱工艺来制作CMOS，因为电路里多数MOS管为n沟道，需要p型衬底。

随着技术发展，人们对于性能更加完美的CMOS管有着更大的需求，因此采用了双阱甚至三阱工艺来制造CMOS，保证n沟道的MOSFET和p沟道的MOSFET都能有最佳的性能。

1.2.3 快闪存储器单元三极管“写入”“擦除”“读取”的工作原理

快闪存储器单元三极管有很多种类，如图中所示的为基本的浮栅存储器件，这种器件实际上是一个有两层栅的n沟道MOSFET。控制栅连接外部电路，浮栅没有外部连接。浮栅中的电子的泄漏非常慢，通常可以保存数十年，因此可以被用作存储元件。

浮栅存储期间的“读取”相对“写入”与“擦除”要简单且直接很多。“写入”与“擦除”一般需要比电源电压更高的电压。在很高的沟道电压下，电子达到速度饱和形成热载流子，较高的控制栅电压有效地收集热载流子，我们利用其高能的物理效应穿透绝缘膜完成“写入”。如果有更薄的绝缘膜，那么可以利用Fowler-Nordheim（隧道效应）来实现“擦除”。通过在控制栅与源极之间加上较高的负电压，形成一部分垂直的电场，则电子会通过隧穿效应离开浮栅，完成“擦除”。

存储器芯片约占芯片市场的1/3，主要分为易失存储器和非易失存储器，前者包括动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM），后者主要包括快闪记忆体（NAND Flash）和 闪存记忆体（NOR Flash）。DRAM和NAND Flash是存储器的两大支柱产业，我国严重依赖进口。其中，NAND Flash产品几乎全部来自国外，主要用在手机、固态硬盘和服务器。存储芯片对制造工艺要求较高，主要由韩国的三星、海力士和美国的美光等企业垄断。2016年下半年开始，存储芯片价格暴涨，国内终端厂商苦不堪言。

目前，长江存储作为中国首个进入NAND Flash存储芯片的企业在2018年才实现小规模量产。到2019年,其64层128GB 3D NAND Flash存储芯片将进入规模研发阶段。长江存储员工称，今年将出的第一代产品技术相对落后，“主要为了技术积累，不是一个真正面向市场的量产产品。可能到明年我们第二代产品出来后，会根据市场需求量产”。