半导体存储器的设计与实现

1、半导体存储器的设计与实现汽车与交通工程学院 车辆（卓越）1101 孟礼3110401167摘 要：本文主要采用了文献研究法，通过查阅相关互联网资料和国内外书籍，获得了大量重要的资料。内容上首先研究了半导体产业的相关知识，简述了半导体技术和存储技术的发展历程，及其对人类社会发展所产生的深刻影响；然后重点论述了半导体存储技术的研究现状和发展方向；最后综观半导体产业在国内国外的发展境况，分析世界半导体存储产业重心的转移将可能带给中国半导体产业发展的机遇与挑战。本文是在前人研究的基础上，根据目前状况合理推断未来的趋势，希望可以引起重视读者的重视，增进学术界的交流，从而对半导体存储器向前发展起到一定的积

2、极作用。关键词：半导体存储器、高速低耗、体积小、产业重心The design and implementation of a semiconductor memory deviceSchool ofAutomotive and Traffic Engineering Vehicles (excellent)1101 MengLi3110401167Abstract：This treatise uses a literature study, throughing search Internet information and books at home and abroad, obtainin

3、g a lot of important information. Firstly， studied the common knowledge of the semiconductor industry, outlines the development process of semiconductor technology and storage technology, and its profound impact on the development of human society development; then mainly focus on the research statu

4、s and development of the semiconductor memory technology and its development direction; finally looking at the development of the semiconductor industry in the domestic situation globally, analyzing the semiconductor memory industry shift the center of the world will likely bring opportunities and c

5、hallenges to Chinas semiconductor industry. This article is based on previous studies, a reasonable inference based on the current status of future trends, hoping to get the readers attention, promoting academic exchanges, and thus playing a positive role in the development of semiconductor memory f

6、orward.Key words：Semiconductor memory、high speed low consumption、Small size、Industry focus 1本文系半导体存储器课题：主要是分析总结的成果。目录摘要1Abstract11半导体简介41.1半导体发展历程41.2半导体材料的性质51.3半导体技术分析62.存储器简介72.1存储器的分类72.2存储器的发展趋势83.半导体存储技术9 3.1半导体存储技术的研究现状93.2半导体存储技术发展方向11 4.世界半导体存储产业重心的转移挑战与机遇共存12参考文献14作者简介14致谢15导语：分析摩尔定律知道，CPU

7、的功能和复杂性每年增加一倍，其后期减慢为每18个月增加一倍，而成本则成反比例递减 ，这一定律揭示了信息技术进步的速度，然而目前半导体存储器性能的发展还远远落后于CPU性能的发展速度, 因此，半导体存储器的容量和速度对计算机系统运行速度起到了关键性的作用。为了满足各种系统和市场需求所提出的不同要求, 今后半导体存储器技术和市场仍将继续发展和繁荣,科学家正在寻找和开发新的存储原理,发展新型的存储器，另一方面半导体存储器在大容量、高速度、低功耗和方便使用等方面有了突飞猛进的发展。1. 半导体简介1.1半导体发展历程“新材料”的发现和使用伴随着人类的文明进程。陶器作为第一种人造材料结束了人类的石器时代

8、，使人类从蒙昧时代进入野蛮时代；在这个“野蛮”时代，人类发明了青铜，青铜制造的农具促进了农业发展；而青铜制造的兵器把人类带进了冷兵器时代，铁器的发明又把人类文明向前推进；而今，钢铁产量仍是衡量一个国家工业化水平和国防实力的标志之一。可以说，一个社会的进步可以用当时人类使用的器物来代表，其中材料起到了决定性的作用。而在微电子领域里，硅锗等半导体材料为信息化提供了有力支撑，人类传递、储存信息的方式日新月异，超导材料产品还可以加速信息传输和降低能耗、大幅度提高太阳能的利用效率，而纳米科技和纳米器件的发展，可能从根本上改变人类的社会生活和生产方式。“半导体材料”一词最初出现在20世纪初期的德国，作为一

9、种相对新的材料，当时曾被用于将无线电通信信号从交流转换为直流。在半导体特性能被完全解释之前，为了理解电子行为的量子理论，研究工作持续了几十年直到第二次世界大战。二战后，贝尔实验室的科学家们致力于研究固态硅和锗半导体晶体，领导这项研究的科学家感到需要替换真空管，且可以用固态半导体材料代替真空管。1947年12月16日诞生了固态晶体管，发明者是威廉肖克利，约翰巴丁和沃尔特布拉顿，晶体管的名字取自“跨导”和“变阻器”两词，提供了与真空管同样的电功能，但具有固态的显著优点有：尺寸小、无真空、可靠性高、重量轻、较小的发热以及低功耗。这一发现推动了以固体材料和技术为基础的现代半导体产业，现在，以硅为原料的

10、电子组件产值，已经远远超过了以钢铁为原料的产值，这说明，人类的历史已经进入了一个新的时代，就是硅的时代。6硅锗所代表的正是半导体组件，包括存储元件、微处理机、逻辑组件、光电组件与侦测器等等在内，电视、电话、计算机、电冰箱、汽车，这些半导体组件无时无刻不在为我们服务。硅是地壳中最常见的元素，许多石头的主要成分都是二氧化硅，然而，经过数百道制程做出的集成电路，其价值可达上万美金；把石头变芯片的过程可谓点石成金，也是近代科学的奇迹！在日本，有人把半导体比喻为工业社会的稻米，是近代社会一日不可或缺的。科学的说法是，半导体材料是一类具有半导体性能，可用来制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重

11、要基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。在国防上，惟有扎实的电子工业基础，才有强大的国防能力，1991年的波斯湾战争，美国把新一代电子武器发挥得淋漓尽致。从1970年以来，美国与日本间发生多次贸易摩擦，最后在许多项目上两国都选择了妥协，但在半导体方面，双方均不肯轻易让步，最后两国政府郑重签订了协议，足见对半导体产业的重视。当今，半导体产业已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。1.2半导体材料的性质半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，例如：锗、硅、砷化镓等

12、。半导体材料具有三大特性掺杂性，热敏性，光敏性。具体解释如下：参杂性：在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质，其导电能力将会成百倍增加，如半导体二极管、三极管等；热敏性：在一些情况下温度变化20倍，电阻率变化可达百万倍以上。利用这一特性可制成自动控制用的热敏元件，如热敏电阻等；光敏性：在光的照射下，电路中产生电流或电流变化。半导体光电效应分为两类，一种光照改变电阻值，称为内光电效应，一种光照下产生一定的电动势，称为阻挡层光电效应。利用半导体材料的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件，如光电池、光电管和光敏电阻等。另外，半导体还具有负电阻率温度特性（半导体材料在受热后电阻率随温度升高而迅速减小，这

13、与金属材料相反），压阻效应（半导体在受到压力后除发生相应的形变外，能带结构发生相应变化，从而电阻发生变化），磁敏感特性（半导体在磁场中会产生霍尔效应、磁阻效应等，热电效应(是指把热能转变为电能的过程，其中最重要的是温差电现象），导电特性（半导体的导电，同时具有两种载流子，即电子和空穴）等其他特性。1.3半导体技术分析半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的，因此电子产业又称为半导体产业。半导体技术最大的应用是集成电路（IC），手机、计算机等各种电器与信息产品中，一定有IC存在，它们被用来发挥各种控制功能，把计算机拆开会看到好几块线路板，板

14、上都有一些大小与形状不同的黑色小方块，周围是金属引脚，这就是封装好的IC。半导体制造过程分成很多层，由下而上逐层依蓝图布局叠积而成，每一层各有不同的材料与功能。随着功能的复杂，结构变得更繁复，技术要求也越来越高，例如先进的IC所需要的制作程序达一千个以上的步骤，这些步骤先依不同的功能组合成小的单元，称为单元制程，包括晶圆的生长技术、薄膜沉积、光刻、蚀刻、掺杂技术和工艺整合等技术。几个单元组成具有特定功能的模块制程，如隔绝模块、接触窗模块或平坦化模块等；最后再组合这些模块制成为某种特定IC的整合制程。3随着半导体技术的演进，除了改善性能与可靠性外，另一重点就是降低成本。降低成本的方式，除了改良制

15、作方法，包括制作流程与采用的设备外，如果能在硅芯片的单位面积内产出更多的IC，成本也会下降，所以半导体技术的一个非常重要的发展趋势，就是把晶体管微小化。当然组件的微小化会带来性能的改变，幸运的是，这种演进会使IC大部分的特性变好，只有少数变差，而这些就需要利用其它技术来弥补了。随着对微小化的要求，因此产生了纳米技术，纳米技术有很多种，基本上可以分成两类，一类是由下而上的方式或称为自组装的方式，另一类是由上而下所谓的微缩方式。前者以各种材料、化工等技术为主，后者则以半导体技术为主。以前我们都称IC技术是微电子技术，那是因为晶体管的大小是在微米（10-6米）等级。但是半导体技术发展得非常快，每隔两

16、年就会进步一个世代，尺寸会缩小成原来的一半，这就是有名的摩尔定律（Moores Law）。大约在15年前，半导体开始进入次微米，即小于微米的时代，而后是深度微米级，比微米级小很多的时代。到了2001年，晶体管尺寸甚至已经小于0.1微米，也就是小于100纳米。因此现在是纳米电子时代，未来的IC大部分会由纳米技术做成。但是为了达到纳米的要求，半导体制造过程的改变须从基本步骤做起。在分类上，按照半导体制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以化学组分、应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、

17、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。2. 存储器简介存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。62.1存储器的分类1按用途分类（1）内部存储器：内部存储器又叫内存，是主存储器。用来存储当前正在使用的或经常使用的程序和数据。CPU可以对他直接访问，存取速度较快。（2）外部存储器：外部存储器又叫外存，是辅助寄存器。外存的特点是容量大，所存的信息既可

18、以修改也可以保存。存取速度较慢，要用专用的设备来管理。计算机工作时，一般由内存ROM中的引导程序启动程序，再从外存中读取系统程序和应用程序，送到内存的RAM中，程序运行的中间结果放在RAM中（内存不够是也可以放在外存中）,程序的最终结果存入外部存储器。2按存储介质分类 （1）半导体存储器。存储元件由半导体器件组成的叫半导体存储器。其优点是体积小、功耗低、存取时间短。其缺点是当电源消失时，所存信息也随即丢失，是一种易失性存储器。半导体存储器又可按其材料的不同,分为双极型（TTL）半导体存储器和MOS半导体存储器两种。前者具有高速的特点，而后者具有高集成度的特点，并且制造简单、成本低廉、功耗小、故

19、MOS半导体存储器被广泛应用。（2）磁表面存储器。磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质，工作时磁层随载磁体高速运转，用磁头在磁层上进行读写操作，故称为磁表面存储器。按载磁体形状的不同，可分为磁盘、磁带和磁鼓。现代计算机已很少采用磁鼓。由于用具有矩形磁滞回线特性的材料作磁表面物质，它们按其剩磁状态的不同而区分“0”或“1”，而且剩磁状态不会轻易丢失，故这类存储器具有非易失性的特点。（3）光盘存储器光盘存储器是应用激光在记录介质(磁光材料)上进行读写的存储器，具有非易失性的特点。光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等。3、按存取方式分类按存取方式可把存储器分为

20、随机存储器、只读存储器、串行访问存储器等 （1）随机存储器RAM ：RAM是一种可读写存储器，其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。计算机系统中的主存都采用这种随机存储器。由于存储信息原理的不同，RAM又分为静态RAM(以触发器原理寄存信息)和动态RAM(以电容充放电原理寄存信息)。 （2）只读存储器：只读存储器是能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器。这种存储器一旦存入了原始信息后，在程序执行过程中，只能将内部信息读出，而不能随意重新写入新的信息去改变原始信息。因此，通常用它存放固定不变的程序、常数以及汉字字库，甚至用于操作系统

21、的固化。它与随机存储器可共同作为主存的一部分，统一构成主存的地址域。只读存储器分为掩膜型只读存储器MROM（Masked ROM）、可编程只读存储器PROM(Programmable ROM)、可擦除可编程只读存储器EPROM(Erasable Programmable ROM)、用电可擦除可编程的只读存储器EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)。以及近年来出现了的快擦型存储器Flash Memory，它具有EEPROM的特点，而速度比EEPROM快得多。 (3)串行访问存储器：如果对存储单元进行读写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻找地址

22、，则这种存储器叫做串行访问存储器。显然这种存储器由于信息所在位置不同，使得读写时间均不相同。如磁带存储器，不论信息处在哪个位置，读写时必须从其介质的始端开始按顺序寻找，故这类串行访问的存储器又叫顺序存取存储器。还有一种属于部分串行访问的存储器，如磁盘。在对磁盘读写时，首先直接指出该存储器中的某个小区域(磁道)，然后再顺序寻访，直至找到位置。故其前段是直接访问，后段是串行访问，也称其为半顺序存取存储器。2.2存储器的发展趋势 按照不同的技术，存储器芯片可以细分为EPROM、EEPROM、SRAM、DRAM、FLASH、MASK ROM和FRAM等。存储器技术是一种不断进步的技术，随着各种专门应用

23、不断提出新的要求，新的存储器技术也层出不穷，每一种新技术的出现都会使某种现存的技术走进历史，因为开发新技术的初衷就是为了消除或减弱某种特定存储器产品的不足之处。例如，闪存技术脱胎于EEPROM，它的一个主要用途就是为了取代用于PC机BIOS的EEPROM芯片，以便方便地对这种计算机中最基本的代码进行更新。尽管目前非挥发性存储器中最先进的就是闪存，但技术却并未就此停步。生产商们正在开发多种新技术，以便使闪存也拥有像DRAM和SDRAM那样的高速、低价、寿命长等特点。总之，存储器技术将会继续发展，以满足不同的应用需求。就PC市场来说，更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时间、更低成本的主流DRA

24、M技术将是不二之选。而在其它非挥发性存储器领域，供应商们正在研究闪存之外的各种技术，以便满足不同应用的需求，未来必将有更多更新的存储器芯片技术不断涌现。3. 半导体存储技术3.1半导体存储技术的研究现状 有上文介绍可知，由于对运行速度的要求，现代计算机的内存储器多采用半导体存储器。半导体存储器包括只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类。半导体存储器是计算机中最重要的部件之一,最初的冯. 诺依曼计算机程序存储原理就是利用存储器的记忆功能把程序存放起来,使计算机可以脱离人的干预自动地工作。它的存取时间和存取容量直接影响着计算机的性能。随着大规模集成电路和存储技术的长足发展,半导体存储

25、器的集成度以每三年翻两番的速度在提高,相同容量的存储器在计算机中的体积和成本所占用的比例已越来越小。通过对半导体存储器的分类的分类，实质上就是对其技术现状的分析，现详细阐述如下：（1）只读存储器ROM是线路最简单的半导体电路，通过掩模工艺，一次性制造，在元件正常工作的情况下，其中的代码与数据将永久保存，并且不能够进行修改。一般地，只读存储器用来存放固定的程序和数据，如微机的监控程序、BIOS (基本输入/输出系统Basic Input/Output System)、汇编程序、用户程序、数据表格等。根据编程方法不同，ROM可分为以下五种：1、掩码式只读存储器，这类ROM在制造过程中，其中的数据已

26、经事先确定了，因而只能读出，而不能再改变。它的优点是可靠性高，价格便宜，适宜批量生产。2、可一次性编程只读存储器（PROM），为了使用户能够根据自己的需要来写ROM，厂家生产了一种PROM。允许用户对其进行一次编程写入数据或程序。一旦编程之后，信息就永久性地固定下来。用户可以读出和使用，但再也无法改变其内容。3、可擦可编程只读存储器（EPROM），这是一种具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程的ROM内存，写入前必须先把里面的内容用紫外线照射它的IC卡上的透明视窗的方式来清除掉。4、电可擦可编程只读存储器（EEPROM），功能与EPROM一样，不同之处是清除数据的方式，它是以约20V的电压来进行

27、清除的。另外它还可以用电信号进行数据写入。5、快闪存储器（Flash Memory），是在EEPROM的基础上发展而来，只是它提高了ROM的读写速度。然而，相比之下，ROM的读取速度比RAM要慢的多，因此，一般都用RAM来存放当前正在运行的程序和数据，并且随时可以对存放在里面的数据进行修改和存取。而面对CPU的高速发展，内存的速度使得高速运算受到了限制，为了缓解这种矛盾，人们找到了几种方法，其中一种就是采用更高速的技术，使用更先进的RAM作为内存。于是，就有了RAM的发展历史。（2）随机存储器RAM可分为SRAM（Static RAM，静态随机存取存储器）和DRAM（Dynamic RAM，动

28、态随机存取存储器）。SRAM曾经是一种主要的内存，它以6颗电子管组成一位存储单元，以双稳态电路形式存储数据，因此不断电时即可正常工作，而且它的处理速度比较快而稳定，不过由于它结构复杂，内部需要使用更多的晶体管构成寄存器以保存数据，所以它采用的硅片面积相当大，制造成本也相当高，所以现在常把SRAM用在比主内存小的多的高速缓存上。而DRAM的结构相比之下要简单的多，其基本结构是一个电子管和一个电容，具有结构简单、集成度高、功耗低、生产成本低等优点，适合制造大容量存储器，所以现在我们用的内存大多是由DRAM构成的。但是，由于是DRAM将每个内存位作为一个电荷保存在位存储单元中，用电容的充放电来做储存

29、动作，因电容本身有漏电问题，因此必须每几微秒就要刷新一次，否则数据会丢失。3.2半导体存储技术发展方向微处理器的高速发展使存储器发展的速度远不能满足CPU 的发展要求,而且这种差距还在拉大。目前世界各大半导体厂商,一方面在致力于成熟存储器的大容量化、高速化、低电压低功耗化,另一方面根据需要在原来成熟存储器的基础上开发各种特殊存储器。（1）存储器集成度不断提高由于受到PC 机和办公自动化设备普及要求的刺激,对DRAM 需求量日益激增,再加上系统软件和应用软件对内存有越来越大要求的趋势,特别是新一代操作系统以及很多与图形图象有关的软件包都对内存容量提出了更大的要求,促使各大半导体厂商不断投入数以亿

30、计的巨资发展亚微米集成电路技术,提高存储器的集成度,不断推出大容量化存储器芯片。在半导体领域一直遵循有名的“摩尔(Moore) 定律”集成度以每18个月提高一倍的速度在发展。集成电路集成度越高,所需要采用的工艺线宽就越小,当达到半导体线度尺寸小于电子波长时,就会产生量子效应。为此正在发展一种称为硅量子细线技术和硅量子点技术的新工艺技术,可望把半导体细线做到10nm ,这样就可以进一步提高半导体的集成度,做出更大容量的存储器芯片。（2）存储器的低工作电压低功耗化随着用电池供电的笔记本式计算机和各种便携式带微处理器的电子产品的问世,要求尽量减少产品的体积、重量和功耗,还要求产品耐用。减小系统体积和

31、重量很重要的方面就是需要减少电池的数量,这又必然要求所用芯片的工作电压降低,耐用就需要降低芯片的功耗。由此就促使世界范围内半导体厂商研究和开发低压的半导体器件,包括低压的存储器。大多数低压存储器采取了3V 3. 3V 工作电压,也有采用2. 7V 1. 8V 电源供电的。如东芝推出的低压EEP2ROM, 日立公司还推出了只有要1V 工作电压的4MBSRAM。采用低电压集成电路技术后,芯片的功耗也大幅度降低,而且其工作速度并没有明显下降,这时电池的重量可以减轻40 % ,同时电池的寿命延长了3 至4 倍,系统发热量降低,整个系统的体积也不断减小。（3）新型动态存储器根据某些特定的需要,有些公司已

32、开发出一些新型的动态存储器:例如,为了提高扫描显示和通信速度以及用于多处理机系统的双端口SRAM(Dual - prot SRAM) ,为了解决图形显示的带宽瓶颈而设计的用于图形卡的视频读写存储器VRAM (Video RAM) ,为了改善Windows 图形用户接口中图形性能WRAM (Windows RAM) ,可用于多处理器系统高速通信的FIFO(First in First Out) 存储器等。（4）先进半导体存储静态随机存取存储器技术、高性能的动态随机存取存储器、专用DRAM的结构和设计，先进的不挥发存储器的设计和技术、嵌入式存储器的设计和应用，以及未来存储器的发展方向等。DRAM作

33、为新一代半导体产品制造技术的推动者，除用于计算机领域之外，还用于汽车、航空、航天、电信以及无线工业等领域。近年来，新一代高容量、高性能的存储器结构得到了进一步发展，包括嵌入式存储器和不挥发快闪存储器在内的大容量存储设备得到了越来越广泛的应用。24. 世界半导体存储产业重心的转移 20世纪70年代末,半导体产业重心从美国转移到了日本,而20世纪80年代末, 韩国与中国台湾成为半导体产业的主力。每一次产业重心转移,都引发了整个产业的剧烈震荡,这种力量也给那些新兴国家和地区带来了巨大的经济动力。这种转移在日本造就了日立、东芝、三菱电气、富士通和N EC 等世界顶级的半导体制造商。而仅仅通过十余年的不

34、懈努力, 韩国成为继美国、日本之后的世界第三个半导体产业中心, 自上个世纪90年代中期以来, 半导体产值一度占据韩国出口产品的第一位。韩国三星公司更成为世界第一大存储器生产大厂。随着中国作为新的世界制造战略基地的崛起,中国半导体厂的兴建经历了一股热潮。仅仅几年前,中国的半导体厂还距世界先进水平有着四、五代的巨大差距,而今,这差距已被迅速缩小至仅仅一、两代。2004年9月25日,中芯国际集成电路制造有限公司(SM IC)在北京举行隆重庆典,庆祝其第一座12英寸芯片厂成功投产进入正式营运阶段5。中国第一条12英寸芯片生产线的建成,标志着中国集成电路制造技术已经跨入300mm 时代,中国业已进入全球半导体制造强国的 行列。仅中芯国际三地的总产能在2004 年底达到预定的月产