铁电随机存储器专利申请现状分析
发布时间:2016-08-15 浏览量:681

  铁电随机存储器FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)是一种在断电时不会丢失内容的非易失性存储器,其是利用铁电薄膜材料的极化可随电场反转并在断电时仍可保持的特性,将铁电薄膜与硅基互补金 属氧化物半导体(CMOS)工艺集成的存储器。铁电随机存储器与传统的半导体存储器相比,具有高密度、高速度、低功耗、低成本的优点,逐渐成为最具潜力的 新一代非挥发性存储器。
铁电随机存储器可作为独立式存储器应用在各种仪器仪表上,也可作为嵌入式存储器应用在智能卡中,因此铁电随机存储器在航 空、交通、金融、电信、办公系统等领域具有广阔的市场前景。本文以国内铁电随机存储器的专利申请数据为总体研究对象,分析国内铁电存储技术的专利申请量、 专利申请趋势、主要申请人以及主要热点技术,从而获得国内铁电存储技术领域专利布局总体态势。
铁电领域年专利申请趋势分析
图1为铁电存储 技术专利申请年分布趋势情况。如图所示,国内最早铁电领域的专利申请出现在1985年,当年的申请量仅有3件。尽管早在1963年,美国人Moll和 Tarui就提出了单管铁电存储器的概念,但是直到上世纪80年代初铁电存储器才发展起来,成为一种新型存储器,研究人员才利用化合物 “Pb(Zr,Ti)O3(PZT)”制造的铁电薄膜制备出了低密度铁电不挥发存储器件。
1985年之后的近10年间,铁电存储器专利申请量始终 处于个位数的状况,直到1997年专利申请量开始逐渐增多,这与铁电存储器的技术发展趋势吻合。这主要源于上世纪80年代末,铁电不挥发存储器的先驱之一 美国瑞创国际公司在锆钛酸铅(PZT)薄膜的基础上已经开发出了抗疲劳的铁电不挥发存储器。1991年,国际半导体公司把铁电薄膜集成在CMOS上制作了 单管单电容(1T1C)结构的随机动态存储器(DRAM)存储单元。由此可见,铁电存储技术直到本世纪初才逐渐发展起来。
1997年之后,铁电存 储技术的专利申请量逐年增多,呈不规律的波折性的上升趋势,直到2005年专利申请量达到历史性的最高值,即年申请量95件,这说明国内的铁电存储技术的 活跃程度在本世纪初的前5年达到最高。这种情况的出现,与铁电存储器逐渐成为商业化的产品有关。例如2002年,三星公司和德州仪器公司分别发布了存储容 量为32M和64M的铁电随机存储器FRAM;2003年,东芝公司和英飞凌公司在国际固态电路会议上宣布研制成功了存储容量为32Mb的铁电随机存储 器。
2005年之后,国内铁电存储专利申请量开始逐年下降,其竞争和活跃程度的衰减。
国外主要专利申请人
在华专利布局分析
据统计,在铁电存储技术领域,国内申请人提交的专利申请量最多,达到224件,占国内铁电存储器专利申请量的35%。经过检索发现,要求中国优先权的仅有1件,其余的中国专利申请并未要求优先权。
图2为铁电存储技术原创区域分布情况,该图以优先权的来源国为统计对象进行数据分析。优先权来源自国外的专利申请中,日本的专利申请量最多,达到了177件,美国和德国位居第二、第三,专利申请量分别为86件和52件,这反映了国外申请人在华的专利布局情况。
其 中,精工爱普生株式会社的专利申请量最多,达到44件,该公司在新型铁电材料的研发方面实力较强,其于2003年开发出铋掺杂锆钛酸铅(PZTN)材料, 使用铋(Nb)替换了PZT中的部分钛(Ti)元素,将铁电体薄膜的漏电流减小到了原来的万分之一,大幅改进了铁电体薄膜的疲劳特性,并且容易实现 FRAM的低电压设计(如表)。
美国的塞姆特里克斯公司专利申请量最多,达到21件。而松下电器产业株式会社的13件专利申请均是与美国的塞姆特 里克斯公司共同申请,日本电气株式会社的6件专利申请也是与美国的塞姆特里克斯公司为共同申请人。由此可见,在铁电存储技术领域,美国的塞姆特里克斯公司 非常注重与日本公司的合作,这应当引起我国专利申请人的注意。
国内外铁电领域
主要专利申请人分析
图3显示了铁电存储技术主要专利申请人的情况。如图所示,精工爱普生株式会社的专利申请量最多,达到46件,松下电器株式会社、因芬尼昂技术股份有限公司的专利申请量次之,富士通株式会社、清华大学、三星公司等均有一定的专利申请量。
精 工爱普生株式会社作为日本申请人,在开发铁电新材料方面具有很强的实力,居世界领先水平,其早在2003年就研发出新型的铁电材料铋掺杂PZTN,改善了 传统的PZT铁电薄膜易于疲劳的特性,提高了重写次数。该公司与富士通等公司合作,开发下一代铁电随机存储器,加快了在大规模集成电路(LSI)领域的开 发和商业化进程。
经检索发现,在精工爱普生株式会社的专利申请中,有23件专利申请涉及G11C11(以使用特殊的电或磁存储元件为特征而区分的 数字存储器,为此所用的存储元件)分类号,有14件专利申请涉及H01L27(由在一个共用衬底内或其上形成的多个半导体或其他固态组件组成的器件)分类 号。
值得一提的是,清华大学在我国铁电存储技术领域的专利申请量优势明显,有32件专利申请,其发明人为任天令的专利申请占到了19件,他的主要研究方向涉及铁电不挥发存储器、铁电场效应器件、铁电薄膜,这正说明我国高校在铁电存储技术方面的科研实力不容忽视。
铁电领域主要专利技术分析
图 4选取IPC分类号对研究对象进行统计,其中分类号选取级别到大组,分类号为H01L21(专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备) 下的专利申请量最多,达到288件,其次是H01L27、G11C11,上述3个分类号下的专利申请量占了总体研究对象的绝大部分。
1.铁电材料的选择和制备
本 文在H01L21(专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法或设备)分类号下,选取“薄膜材料”、“介电”、“PZT”、“钽酸锶铋 (SBT)”、“极化”等关键词继续进行检索,获得199件专利申请,占到总体研究对象的32%;在H01L27分类号下,选择同样的关键词进行检索,获 得139件专利申请,占到总体研究对象的22%;选取排名前5名申请人的237件专利申请中,以上述同样的关键词进行检索,发现64篇专利文献,占总体研 究对象的27%,可见上述申请人也很重视在铁电材料方面的专利申请。因此,铁电薄膜材料的选择是我国铁电存储技术专利申请的主要技术之一,也说明铁电薄膜 材料是专利主要布局领域。
通过分析专利文献可知,当前应用于FRAM的铁电材料主要是PZT和SBT,其中PZT铁电薄膜以介电常数高、绝缘性 好、剩余极化强度高而成为主流的铁电薄膜材料,但是PZT存在矫顽电场高、抗疲劳特性差等缺点;SBT铁电薄膜的铁电特性和抗疲劳性较好,但是薄膜沉积温 度高,不利于和CMOS工艺相兼容。
在总体分析数据的基础上,选取“制备”、“制膜”、“溅射”、“脉冲激光沉积”、“溶胶”、“凝溶”、“化学 气相淀积”、“脉冲激光沉积(PLD)”、“金属有机物化学气相沉积(MOCVD)”等关键词进行检索,获得192件专利申请,占总体研究对象的30%, 这说明铁电薄膜材料的制备是我国铁电存储技术专利申请的主要技术之一。
通过分析专利文献可知,磁控溅射和溶胶凝胶法(Sol-Gel)技术已用于 铁电薄膜存储器的制造,但在薄膜的组分控制、均匀性及台阶覆盖性等方面存在一些问题;脉冲激光沉积技术可以较好地控制薄膜的组分,但薄膜表面存在的小颗粒 问题及大面积均匀薄膜的制备,这是我国专利申请应该努力解决的问题之一。
目前采用PZT和SBT两种材料制造的FRAM已经较为普遍,但是二者都不是理想的铁电材料,改进薄膜制备工艺、以改善现有薄膜材料的性能以及研究新的高性能材料是专利持续的热点领域。
2.FRAM集成、电路设计及优化
分 类号为G11C11和G11C7下的专利申请量分别为203件和27件,共计230件,占到了总体研究对象的36.5%;在总体研究对象的基础上,选取 “电路”、“优化”、“CMOS”、“铁电电容”、“铁电电极”、“晶体管”、“场效应”等关键词进行检索,获得342件专利申请,占总体研究对象的 54%,可见铁电存储器的集成、电路设计及优化是目前专利申请的主要技术领域之一。
通过分析专利文献可见,改进电路结构、时序来提高FRAM性能 的专利申请占一定比重。同时,FRAM的电路设计和优化集中在存储阵列部分,目前存储单元结构主要有双管双电容(2T2C)和1T1C两种,2T2C存储 单元读出信号差大、抗干扰能力强,但是占用面积大,不利于大规模制造FRAM,1T1C存储单元面积小、集成度高,但是读出信号差。可见,目前我国在存储 单元结构的改进方面已经有一定数量的布局。除此以外,在消除铁电材料的缺点方面、提高电路可靠性、降低功耗、提高读写速度等方面都有一定量的专利申请。
铁 电随机存储器与传统的半导体存储器相比,其读写速度更快,系统可在瞬间完成对整个芯片的写操作,擦写次数高达100亿次,且其功耗要远低于其它非易失性存 储器,可见,铁电随机存储器成为具有强大潜力的新一代非挥发存储器,具有广阔的应用前景和巨大的经济利益。因此,我国企业应该着力关注铁电随机存储器的发 展。
本文利用国家知识产权局的专利检索与服务系统进行检索,在中国专利检索系统文摘数据库CPRSABS中利用关键词“铁电”、“FRAM”、 “FeRAM”进行检索,获得1876篇专利文献,本文特将上述结果限定在IPC分类号G11C(静态存储器)、H01L(半导体器件;其他类目未包含的 电固体器件)下,获得专利文献629篇。上述检索结果为铁电存储技术领域下中国的专利申请总量,本文基于上述研究对象进行相应的专利数据分析。