閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)編程讀取擾動(dòng)故障專利技術(shù)發(fā)展綜述

摘 要：文章以閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)編程讀取擾動(dòng)故障技術(shù)的國內(nèi)外專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)為分析樣本，從專利的申請(qǐng)年代分布、申請(qǐng)區(qū)域及重點(diǎn)申請(qǐng)人等角度進(jìn)行了分析和研究，并以美國Sandisk閃迪公司的相關(guān)專利申請(qǐng)為線索簡述了閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)編程讀取擾動(dòng)故障技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：FLASH；閃存；擾動(dòng)；專利

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）21-0069-03

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息存貯技術(shù)變得尤為重要，閃存存儲(chǔ)器是在上世紀(jì)80年代末逐漸發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)簡單、密度高并且具有可擦除可編程的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高密度、低成本和高可靠性的存儲(chǔ)。

由于半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的不穩(wěn)定性，無法保證閃存存儲(chǔ)器芯片所有的存儲(chǔ)單元均無故障，因此在進(jìn)行讀、寫入、擦除等操作時(shí)可能會(huì)引起失效，這種類型的故障可稱為閃存存儲(chǔ)器擾動(dòng)故障，其會(huì)導(dǎo)致無法對(duì)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的讀取或者寫入，最終會(huì)降低存儲(chǔ)器的使用壽命，因此閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)擾動(dòng)故障技術(shù)極其重要。

1 原理簡介

目前較為流行的閃存存儲(chǔ)單元主要由一個(gè)包含浮柵或者電荷存儲(chǔ)薄膜的晶體管構(gòu)成，如圖1所示，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括源極、漏極、柵極、以及浮動(dòng)?xùn)艠O，可以采用載流子注入或者FN（Fowler Nordheim）隧道效應(yīng)將電子引入或者排出浮柵實(shí)現(xiàn)編程和擦除操作。

閃存存儲(chǔ)器在操作時(shí)，由于存儲(chǔ)單元的柵極、源極或漏極存在的物理缺陷引發(fā)了柵極、源極、或漏極電流的擾動(dòng)，導(dǎo)致與被操作的存儲(chǔ)單元相鄰存儲(chǔ)單元的邏輯值發(fā)生改變或恒定不變，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤，這類錯(cuò)誤可以模型化為擾動(dòng)故障。

擾動(dòng)故障包括：編程擾動(dòng)故障，即當(dāng)對(duì)選定的目標(biāo)存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫入操作時(shí)，非選定存儲(chǔ)單元受到影響，存儲(chǔ)狀態(tài)從擦除狀態(tài)被迫改變?yōu)閷懭霠顟B(tài)；讀擾動(dòng)故障，及當(dāng)對(duì)選定的已寫入的目標(biāo)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀取操作時(shí)，由于物理缺陷的存在，電荷即使在低電壓下也被注入到浮柵中，從而導(dǎo)致讀取存儲(chǔ)單元狀態(tài)為擦除狀態(tài)；擦除擾動(dòng)故障，即當(dāng)對(duì)選定的存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫入操作時(shí)，影響到其他的初始值為已寫入非選定存儲(chǔ)單元狀態(tài)變?yōu)椴脸隣顟B(tài)。

閃存存儲(chǔ)器進(jìn)行最頻繁的操作為編程操作和讀取操作，因此存儲(chǔ)器編程讀取擾動(dòng)故障發(fā)生的概率最高，對(duì)其預(yù)防和修復(fù)的技術(shù)是閃存存儲(chǔ)器各大廠商的研發(fā)重點(diǎn)，因此下面將重點(diǎn)介紹閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)編程讀取擾動(dòng)故障專利技術(shù)發(fā)展。

2 專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.1 申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)

國內(nèi)、全球?qū)＠暾?qǐng)量年代對(duì)比圖，如圖2所示。

2000年（含）之前中國閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)編程讀取擾動(dòng)故障技術(shù)專利申請(qǐng)量僅為個(gè)位數(shù)，2001年開始專利申請(qǐng)量達(dá)到2位數(shù)并逐年增加，2007年達(dá)到頂峰，申請(qǐng)量為75件，2008年之后申請(qǐng)量保持平穩(wěn)。

在全球范圍內(nèi)，該技術(shù)專利申請(qǐng)起步較早，于2000年的時(shí)候申請(qǐng)量已經(jīng)達(dá)到61件，2002年至2004年之間保持了穩(wěn)定的增加；2004年至2007年申請(qǐng)量快速增加，申請(qǐng)的峰值出現(xiàn)在2007年，申請(qǐng)量為395項(xiàng)；2008年由于全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)，主要閃存研發(fā)生產(chǎn)廠商申請(qǐng)量下滑，導(dǎo)致全球該技術(shù)專利申請(qǐng)量逐年下降，2010年至2012年之間申請(qǐng)量呈現(xiàn)出波動(dòng)；由于2013年后專利申請(qǐng)的公開數(shù)據(jù)不完整，導(dǎo)致總申請(qǐng)量下降，并不能因此判定該領(lǐng)域申請(qǐng)呈現(xiàn)出大幅下降趨勢(shì)。

2.2 專利申請(qǐng)國別統(tǒng)計(jì)

國際申請(qǐng)中專利原創(chuàng)國別和專利申請(qǐng)國別統(tǒng)計(jì)，如圖3所示，通過專利原創(chuàng)國別統(tǒng)計(jì)可以知曉原創(chuàng)技術(shù)的申請(qǐng)國家分布，而專利申請(qǐng)國別統(tǒng)計(jì)體現(xiàn)了專利申請(qǐng)人的布局目標(biāo)區(qū)域。

在全球范圍內(nèi)，美國是閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)編程讀取擾動(dòng)故障技術(shù)的最大原創(chuàng)國，美國的知名閃存廠商例如Sandisk閃迪、斯班遜等企業(yè)掌握大量原創(chuàng)技術(shù)；同時(shí)，美國也是該技術(shù)最大目標(biāo)申請(qǐng)國，意味著閃存廠商和相關(guān)企業(yè)對(duì)于美國市場的重視；韓國和日本的原創(chuàng)專利數(shù)量緊隨美國，韓國的原創(chuàng)閃存技術(shù)主要得益于三星、海力士兩大半導(dǎo)體制造商，而日本的原創(chuàng)閃存技術(shù)主要得益于東芝、日立等半導(dǎo)體企業(yè)；韓國和日本的專利申請(qǐng)量也是緊隨美國，主要為本土企業(yè)在本國的申請(qǐng)；中國臺(tái)灣具備一定的原創(chuàng)技術(shù)申請(qǐng)，同時(shí)也有一定的專利布局；從圖3可以看到中國的原創(chuàng)技術(shù)掌握非常有限，但如圖3所示，在中國該技術(shù)的專利申請(qǐng)可以排入世界前四，可以證明中國市場對(duì)于全球閃存廠商和相關(guān)企業(yè)非常重要，已被積極布局。

2.3 申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)

中文庫中專利申請(qǐng)的主要申請(qǐng)人排名如圖4所示，美國的Sandisk閃迪公司申請(qǐng)量領(lǐng)先，同時(shí)美國的美光科技、斯班遜公司也都是申請(qǐng)量排名靠前的企業(yè)；韓國的三星、海力士，日本的東芝株式會(huì)社的申請(qǐng)量也較為可觀；臺(tái)灣的旺宏半導(dǎo)體在該技術(shù)領(lǐng)域也具有一定的申請(qǐng)量；國內(nèi)的企業(yè)僅有上海的華宏宏力半導(dǎo)體申請(qǐng)量能排入前十，說明國內(nèi)在該領(lǐng)域缺乏核心技術(shù)。

全球?qū)＠暾?qǐng)的主要申請(qǐng)人情況如圖4所示，美國Sandisk閃迪公司在專利申請(qǐng)數(shù)量上領(lǐng)先于其他各個(gè)公司；其余主要申請(qǐng)人分別來自美、韓、日以及中國臺(tái)灣。

從國內(nèi)和全球重要申請(qǐng)人分布中可以看到，主要的核心技術(shù)依然掌握在大型跨國公司手中。閃存領(lǐng)域在半導(dǎo)體芯片制造業(yè)中極其重要，其科技含量高，工藝復(fù)雜，研發(fā)投入大，我們國家目前落后于歐美日韓等發(fā)達(dá)國家。但是半導(dǎo)體芯片制造業(yè)是我國目前大力發(fā)展的行業(yè)，隨著國內(nèi)一批半導(dǎo)體制造企業(yè)的發(fā)展，逐漸擺脫純粹的閃存半導(dǎo)體代工，擁有自主研發(fā)技術(shù)將會(huì)成為必然趨勢(shì)；同時(shí)，國內(nèi)的科研院校也應(yīng)加大在該放向的投入，盡快地?fù)碛袑儆谧约旱暮诵募夹g(shù)專利。

3 美國Sandisk閃迪公司專利綜述

美國SanDisk閃迪公司是全球最大的閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡產(chǎn)品供應(yīng)商，也是全球范圍內(nèi)閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)編程讀取擾動(dòng)故障先進(jìn)技術(shù)的擁有者，對(duì)SanDisk閃迪公司的專利分析將有助于審查員了解該技術(shù)的發(fā)展。從2000年開始Sandisk閃迪公司原創(chuàng)專利申請(qǐng)量變化，如圖6所示。

可以看到，從2000～2006年，Sandisk閃迪公司的申請(qǐng)量逐年上升，至2006年達(dá)到頂峰，隨后有所下降，其中2008申請(qǐng)量下降幅度最為明顯，從2010年開始申請(qǐng)量趨于穩(wěn)定直至2013年。

核心的研發(fā)團(tuán)隊(duì)決定了核心技術(shù)的創(chuàng)新高度，核心技術(shù)人員又決定了核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新能力，Sandisk閃迪公司的發(fā)明人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。

對(duì)主要發(fā)明人的技術(shù)研究方向進(jìn)行分類，見表1。

下面將以技術(shù)發(fā)展方向?yàn)榫€索，選取部分重要專利進(jìn)行簡述。

3.1 耦合補(bǔ)償

在申請(qǐng)US20010893277（2001.06.27）中，如圖8所示。陳健、方玉品提出了通過在相鄰存儲(chǔ)單元編程之后對(duì)某些存儲(chǔ)單元進(jìn)行二次編程來實(shí)現(xiàn)閃存存儲(chǔ)器相鄰浮柵之間耦合電荷的影響，增加了讀取數(shù)據(jù)的精確性。之后，在申請(qǐng)US20020237426（2002.09.06）中，陳健、方玉品、李彥在原有的編程方法上作了進(jìn)一步改進(jìn)，以一種來回的方式對(duì)存儲(chǔ)陣列中的各排進(jìn)行編程，進(jìn)一步減少了因?yàn)榇鎯?chǔ)單元之間的耦合電容造成的讀取數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

3.2 自升壓技術(shù)

在申請(qǐng)US20030379608（2003.03.05）中，如圖9所示，陳健、李彥、杰弗里·W·盧茨提出通過增加在NAND閃存串的源極端的溝道電位以改進(jìn)自升壓性能和最小化編程干擾。在申請(qǐng)US200605558850（2006.11.02）中，杰弗里.W.盧茨提出在編程非易失存儲(chǔ)器時(shí)同時(shí)實(shí)施例如自升壓、局部自升壓、擦除區(qū)域自升壓及修正區(qū)域自升壓等多個(gè)升壓模式，通過這些自升壓模式可用于在被選定的NAND串正在編程時(shí)，防止未選定的NAND串中的程序干擾。

3.3 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

在申請(qǐng)US20030732967（2003.12.10）中，如圖10所示，杰弗里.W.盧茨提出一種柱狀單元快閃存儲(chǔ)器技術(shù)，在存儲(chǔ)器形成時(shí)，半導(dǎo)體的處理過程許多方面是自對(duì)準(zhǔn)的，并且由于是以直角或接近直角將電子引導(dǎo)至浮柵，存儲(chǔ)單元具有增強(qiáng)的編程特征，抗編程擾動(dòng)能力強(qiáng)。

從Sandisk閃迪公司專利申請(qǐng)的可以看出，其在浮柵存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元耦合效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)上已經(jīng)布局了大量申請(qǐng)，掌控了大量核心技術(shù)，國內(nèi)的企業(yè)想要繞開這些專利可能性很小；同時(shí)，Sandisk閃迪公司在利用自升壓技術(shù)降低擾動(dòng)的技術(shù)分支上也已經(jīng)形成布局，且專利質(zhì)量較高；在利用存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)解決擾動(dòng)故障的技術(shù)分支上，Sandisk閃迪更多地是與東芝株式會(huì)社的半導(dǎo)體制造企業(yè)等合作進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，也會(huì)通過并購等方式迅速掌握核心技術(shù)，例如Sandisk閃迪于2011年8月斥資2.38億美元收購MATRIX矩陣半導(dǎo)體公司。

4 審查實(shí)踐與建議

通過核心技術(shù)發(fā)展進(jìn)行梳理，可以迅速把握本領(lǐng)域的技術(shù)狀況，進(jìn)而提高專利審查工作的效率。以下通過具體的專利審查案例來說明專利技術(shù)綜述在專利審查時(shí)所起作用。

申請(qǐng)?zhí)柡桶l(fā)明名稱：201080001353.3，閃存的參考電壓最優(yōu)化。

技術(shù)方案和技術(shù)效果：通過參考電壓的設(shè)置優(yōu)化來使讀取錯(cuò)誤的可能性最小化。

經(jīng)過本技術(shù)綜述的梳理，審查員容易發(fā)現(xiàn)Sandisk閃迪公司在耦合補(bǔ)償技術(shù)分支上有過相當(dāng)數(shù)量的申請(qǐng)，同時(shí)，通過改善讀取、編程參考電壓來補(bǔ)償耦合效應(yīng)是該分支上的重要手段，結(jié)合簡單的關(guān)鍵詞容易找到Sandisk閃迪公司的申請(qǐng)US20070945167（2007.11.26），其公開了該申請(qǐng)的發(fā)明構(gòu)思，可以作為評(píng)述該申請(qǐng)的新創(chuàng)性的對(duì)比文件。

因此，通過對(duì)閃存存儲(chǔ)器預(yù)防與修復(fù)編程讀取擾動(dòng)故障技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行梳理，尤其是對(duì)重點(diǎn)申請(qǐng)人的重點(diǎn)專利申請(qǐng)進(jìn)行研究后，能夠幫助審查員迅速掌握現(xiàn)有技術(shù)，把握專利申請(qǐng)技術(shù)方案實(shí)質(zhì)，準(zhǔn)確理解發(fā)明構(gòu)思把握發(fā)明點(diǎn)，提高審查效率和審查質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王達(dá)，胡瑜，李曉維.閃存存儲(chǔ)器測(cè)試與修復(fù)方法概述[A].第五屆中國測(cè)試學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2008.