閃存存儲器預防與修復編程讀取擾動故障專利技術發展綜述

摘 要：文章以閃存存儲器預防與修復編程讀取擾動故障技術的國內外專利申請數據為分析樣本，從專利的申請年代分布、申請區域及重點申請人等角度進行了分析和研究，并以美國Sandisk閃迪公司的相關專利申請為線索簡述了閃存存儲器預防與修復編程讀取擾動故障技術的發展。

關鍵詞：FLASH；閃存；擾動；專利

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）21-0069-03

隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展，信息存貯技術變得尤為重要，閃存存儲器是在上世紀80年代末逐漸發展起來的一種新型半導體非揮發性存儲器，其結構簡單、密度高并且具有可擦除可編程的優點，實現了高密度、低成本和高可靠性的存儲。

由于半導體生產工藝的不穩定性，無法保證閃存存儲器芯片所有的存儲單元均無故障，因此在進行讀、寫入、擦除等操作時可能會引起失效，這種類型的故障可稱為閃存存儲器擾動故障，其會導致無法對存儲器的數據進行正確的讀取或者寫入，最終會降低存儲器的使用壽命，因此閃存存儲器預防與修復擾動故障技術極其重要。

1 原理簡介

目前較為流行的閃存存儲單元主要由一個包含浮柵或者電荷存儲薄膜的晶體管構成，如圖1所示，每個存儲單元包括源極、漏極、柵極、以及浮動柵極，可以采用載流子注入或者FN（Fowler Nordheim）隧道效應將電子引入或者排出浮柵實現編程和擦除操作。

閃存存儲器在操作時，由于存儲單元的柵極、源極或漏極存在的物理缺陷引發了柵極、源極、或漏極電流的擾動，導致與被操作的存儲單元相鄰存儲單元的邏輯值發生改變或恒定不變，從而產生錯誤，這類錯誤可以模型化為擾動故障。

擾動故障包括：編程擾動故障，即當對選定的目標存儲單元進行寫入操作時，非選定存儲單元受到影響，存儲狀態從擦除狀態被迫改變為寫入狀態；讀擾動故障，及當對選定的已寫入的目標存儲單元進行讀取操作時，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，從而導致讀取存儲單元狀態為擦除狀態；擦除擾動故障，即當對選定的存儲單元進行寫入操作時，影響到其他的初始值為已寫入非選定存儲單元狀態變為擦除狀態。

閃存存儲器進行最頻繁的操作為編程操作和讀取操作，因此存儲器編程讀取擾動故障發生的概率最高，對其預防和修復的技術是閃存存儲器各大廠商的研發重點，因此下面將重點介紹閃存存儲器預防與修復編程讀取擾動故障專利技術發展。

2 專利申請數據統計

2.1 申請量統計

國內、全球專利申請量年代對比圖，如圖2所示。

2000年（含）之前中國閃存存儲器預防與修復編程讀取擾動故障技術專利申請量僅為個位數，2001年開始專利申請量達到2位數并逐年增加，2007年達到頂峰，申請量為75件，2008年之后申請量保持平穩。

在全球范圍內，該技術專利申請起步較早，于2000年的時候申請量已經達到61件，2002年至2004年之間保持了穩定的增加；2004年至2007年申請量快速增加，申請的峰值出現在2007年，申請量為395項；2008年由于全球經濟危機，主要閃存研發生產廠商申請量下滑，導致全球該技術專利申請量逐年下降，2010年至2012年之間申請量呈現出波動；由于2013年后專利申請的公開數據不完整，導致總申請量下降，并不能因此判定該領域申請呈現出大幅下降趨勢。

2.2 專利申請國別統計

國際申請中專利原創國別和專利申請國別統計，如圖3所示，通過專利原創國別統計可以知曉原創技術的申請國家分布，而專利申請國別統計體現了專利申請人的布局目標區域。

在全球范圍內，美國是閃存存儲器預防與修復編程讀取擾動故障技術的最大原創國，美國的知名閃存廠商例如Sandisk閃迪、斯班遜等企業掌握大量原創技術；同時，美國也是該技術最大目標申請國，意味著閃存廠商和相關企業對于美國市場的重視；韓國和日本的原創專利數量緊隨美國，韓國的原創閃存技術主要得益于三星、海力士兩大半導體制造商，而日本的原創閃存技術主要得益于東芝、日立等半導體企業；韓國和日本的專利申請量也是緊隨美國，主要為本土企業在本國的申請；中國臺灣具備一定的原創技術申請，同時也有一定的專利布局；從圖3可以看到中國的原創技術掌握非常有限，但如圖3所示，在中國該技術的專利申請可以排入世界前四，可以證明中國市場對于全球閃存廠商和相關企業非常重要，已被積極布局。

2.3 申請人統計

中文庫中專利申請的主要申請人排名如圖4所示，美國的Sandisk閃迪公司申請量領先，同時美國的美光科技、斯班遜公司也都是申請量排名靠前的企業；韓國的三星、海力士，日本的東芝株式會社的申請量也較為可觀；臺灣的旺宏半導體在該技術領域也具有一定的申請量；國內的企業僅有上海的華宏宏力半導體申請量能排入前十，說明國內在該領域缺乏核心技術。

全球專利申請的主要申請人情況如圖4所示，美國Sandisk閃迪公司在專利申請數量上領先于其他各個公司；其余主要申請人分別來自美、韓、日以及中國臺灣。

從國內和全球重要申請人分布中可以看到，主要的核心技術依然掌握在大型跨國公司手中。閃存領域在半導體芯片制造業中極其重要，其科技含量高，工藝復雜，研發投入大，我們國家目前落后于歐美日韓等發達國家。但是半導體芯片制造業是我國目前大力發展的行業，隨著國內一批半導體制造企業的發展，逐漸擺脫純粹的閃存半導體代工，擁有自主研發技術將會成為必然趨勢；同時，國內的科研院校也應加大在該放向的投入，盡快地擁有屬于自己的核心技術專利。

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據存儲卡產品供應商，也是全球范圍內閃存存儲器預防與修復編程讀取擾動故障先進技術的擁有者，對SanDisk閃迪公司的專利分析將有助于審查員了解該技術的發展。從2000年開始Sandisk閃迪公司原創專利申請量變化，如圖6所示。

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

核心的研發團隊決定了核心技術的創新高度，核心技術人員又決定了核心研發團隊的創新能力，Sandisk閃迪公司的發明人進行統計，如圖7所示。

對主要發明人的技術研究方向進行分類，見表1。

下面將以技術發展方向為線索，選取部分重要專利進行簡述。

3.1 耦合補償

在申請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單元編程之后對某些存儲單元進行二次編程來實現閃存存儲器相鄰浮柵之間耦合電荷的影響，增加了讀取數據的精確性。之后，在申請US20020237426（2002.09.06）中，陳健、方玉品、李彥在原有的編程方法上作了進一步改進，以一種來回的方式對存儲陣列中的各排進行編程，進一步減少了因為存儲單元之間的耦合電容造成的讀取數據錯誤。

3.2 自升壓技術

在申請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自升壓性能和最小化編程干擾。在申請US200605558850（2006.11.02）中，杰弗里.W.盧茨提出在編程非易失存儲器時同時實施例如自升壓、局部自升壓、擦除區域自升壓及修正區域自升壓等多個升壓模式，通過這些自升壓模式可用于在被選定的NAND串正在編程時，防止未選定的NAND串中的程序干擾。

3.3 存儲器結構

在申請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器技術，在存儲器形成時，半導體的處理過程許多方面是自對準的，并且由于是以直角或接近直角將電子引導至浮柵，存儲單元具有增強的編程特征，抗編程擾動能力強。

從Sandisk閃迪公司專利申請的可以看出，其在浮柵存儲器存儲單元耦合效應補償技術上已經布局了大量申請，掌控了大量核心技術，國內的企業想要繞開這些專利可能性很小；同時，Sandisk閃迪公司在利用自升壓技術降低擾動的技術分支上也已經形成布局，且專利質量較高；在利用存儲器器件結構與制造技術解決擾動故障的技術分支上，Sandisk閃迪更多地是與東芝株式會社的半導體制造企業等合作進行技術創新，也會通過并購等方式迅速掌握核心技術，例如Sandisk閃迪于2011年8月斥資2.38億美元收購MATRIX矩陣半導體公司。

4 審查實踐與建議

通過核心技術發展進行梳理，可以迅速把握本領域的技術狀況，進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綜述在專利審查時所起作用。

申請號和發明名稱：201080001353.3，閃存的參考電壓最優化。

技術方案和技術效果：通過參考電壓的設置優化來使讀取錯誤的可能性最小化。

經過本技術綜述的梳理，審查員容易發現Sandisk閃迪公司在耦合補償技術分支上有過相當數量的申請，同時，通過改善讀取、編程參考電壓來補償耦合效應是該分支上的重要手段，結合簡單的關鍵詞容易找到Sandisk閃迪公司的申請US20070945167（2007.11.26），其公開了該申請的發明構思，可以作為評述該申請的新創性的對比文件。

因此，通過對閃存存儲器預防與修復編程讀取擾動故障技術發展狀況進行梳理，尤其是對重點申請人的重點專利申請進行研究后，能夠幫助審查員迅速掌握現有技術，把握專利申請技術方案實質，準確理解發明構思把握發明點，提高審查效率和審查質量。

參考文獻：

[1] 王達，胡瑜，李曉維.閃存存儲器測試與修復方法概述[A].第五屆中國測試學術會議論文集[C].2008.