MRAM全球专利分析，中国仅排第三

一、 MRAM技术介绍

从1990年代开始，磁阻式随机存取内存 (Magnetoresistive Random Access Memory， MRAM)开始发展，MRAM是一种非挥发性内存NVM技术，拥护者认为，MRAM技术速度接近SRAM，具有快闪存储器的非挥发性，容量密度及使用寿命不输DRAM，平均能耗远低于DRAM，有望成为真正的通用型内存 (Universal memory)。

与传统的RAM技术不同，MRAM不以电荷或电流存储数据，而是由磁性隧道结MTJ (Magnetic tunnel junction)磁性存储数据。原理性的MTJ有三层结构，包括两个铁磁性板和一个将它们分开的磁通道隔离层 (Magnetic tunnel barrier,)组成，其中一层铁磁性板是固定磁化的永磁体 (fixed layer或pinned layer, 即固定层); 另一层铁磁性板的是自由磁化即可以改变磁化 (free layer或storage layer, 即自由层)以存储数据。现已有多种MTJ结构，见图1：

图1 不同MTJ类型

1.  MRAM读取数据技术基本相同：

MRAM中铁磁性板具有相同的磁化方向时MTJ处于低电阻状态，视为“0”，而相反的磁化方向时MTJ处于高电阻状态，视为“1”。通过测量MTJ的电阻来实现读取数据。通过向MTJ连在其漏极上的晶体管提供电流，电流从电源线通过MTJ切换地，通过测量所得到的电流，可以确定阻值高低，而确定所读数据是“0还是1”，从而完成读取。

2.  MRAM写入技术种类较多：

MRAM工作原理是磁阻效应，由此衍生出不同数据写入方式。

2.1  磁写入：应激磁场翻转自由层的

磁写入是经典的第一代MRAM，最基本的存储单元是 (TOGGLE CELL)，如图2所示，一个TOGGLE CELL包括： MTJ、漏极和MTJ固定层间接互连的晶体管、与MTJ自由层耦合的220位线BL (bit line)、与晶体管源极互连的230数位线 (digit line)、和240字线 (word line)。

图2 toggle cell 示意图

磁写入的工作中，晶体管处于关闭状态，在位线220中施加如图向右的电流产生翻转磁场250、数位线230中施加如图电流产生翻转磁场260，从而改变MTJ中自由层的磁化，写入储存数据。

随着制程进一步升级至20纳米甚至10纳米，MTJ尺寸越来越小，要改变自由层的磁化，就需要更强的翻转磁场，要求施加在位线和数位线中的电流越来越大。电流密度和耗能成倍增加。从经济性角度，磁写入不利于MRAM尺寸的小型化，无法普遍商业化。

在这种情况下，MRAM写入技术走进了以自旋电子注入 (spintronics injection)自由层的方式来改变自由层磁化的发展方向。

2.2  电写入 (自旋写入)：自旋极化电子注入翻转自由层

自旋写入是第二代MRAM，也是现在主流的NVM技术。主要是自旋力矩转移MRAM (STT-MRAM)。写入时，流经MTJ自身的电流脉冲来完成自由层磁化的切换。技术原理是：由自旋极化隧道电流 (spin polarized tunneling current)携带的角动量 (angular momentum)引起自由层的反转，自由层的磁化 (与固定层平行或相反)由电流脉冲的极性确定。如图3所示，一个最基本的STT-MRAM存储CELL包括305MTJ、与MTJ自由层互连的位线320、漏区连接在MTJ固定层的晶体管310、位于晶体管栅极附近的字线330、以及连接在晶体管源区的源线340 (source line)。

图3 STT-MRAM存储CELL示意图

一种自旋写入的流程为，如图3左下所示，晶体管处于开启状态 (这是与TOGGLE CELL写入关闭晶体管不同)，在位线上施加电流，流经MTJ（此时极化电子从固定层流向自由层），使得自由层与固定层的磁化相同，MTJ处于低电阻状态 (在读取数据时，允许通过MTJ的电流多)，值为“0”；如图3右下所示，在源线上施加电流，流经MTJ（此时极化电子从自由层流向固定层，与固定层相同极化的电子通过固定层，相反极化的电子将被反射回自由层），使得自由层与固定层的磁化相反，MTJ处于高电阻状态 (在读取数据时，允许通过MTJ的电流少)，值为“1”。

二、 全球MRAM专利检索结果及重要申请人

图4  全球MRAM申请年度分布 [件]

如图4所示， MRAM相关专利技术的发展状况为：从1990年全球开始研发MRAM技术，1990~1997年，MRAM专利申请少，技术处于萌发期。1998开始，从年申请量74不断增加，仅过5年，2002年申请量即突破1000件大关，说明1998~2002年MRAM技术取到突破，技术处于快速增长期。2003年全球MRAM专利申请达到1513件后，稍有下滑并进入平稳增长过程，说明2003年以后MRAM技术处于稳定发展期，处于不断的探索改进阶段，有待于取得新的突破性进展。

图5  全球MRAM专利申请人及其申请量分布 [件]

对申请人经过系统的标准化处理，将同一申请人不同的名称标准化，得到如图5所示的全球MRAM相关专利申请量排名前50的申请人。前50申请人来看基本上均为国外申请人，表明在MRAM技术目前主要掌握在国外申请人手中。

主要申请人中排名前20的申请人有TOSHIBA (东芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星电子)、SONY (索尼)、ＩＢＭ、RENESAS ELECTRONICS (瑞萨电子)、SK Hynix (SK 海力士)、QUALCOMM (高通)、NEC (日本电气)、INFINEON TECHNOLOGIES (英飞凌科技)、HEWLETT-PACKARD (惠普)、TDK、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)、TSMC (台积电)、EVERSPIN TECHNOLOGY (艾尔斯宾科技公司)、  FREESCALE SEMICONDUCTOR (飞思卡尔半导体)、HEADY TECH (海德威科技公司)、SEAGATE TECHNOLOGY  (希捷科技)、CANON ANELVA (佳能安内华) 、MOTOROLA  (摩托罗拉)、CROCUS TECHNOLOGY  (科罗库斯科技)。

其中，以TOSHIBA (东芝)的申请量最大，是第二名SAMSUNG ELECTRONICS (三星电子)的差不多两倍，占总申请量的11%，前5占总申请量的30%将近1/3,前10占总申请量的47%将近一半，前20占总申请量的62%，将近2/3，从以上前20申请人可以知道，主要申请人主要来自于日本，其次为美国，然后为韩国和中国台湾。

图6  MRAM专利申请人申请趋势分布 [件]

针对图5中排名前20的申请人进行主要申请人申请态势分析，结果如下图6 MRAM相关专利申请主要申请人申请趋势。图中不同颜色面积代表不同申请人的相应专利申请量，从该图可以看出，在该技术领域近20年来，TOSHIBA (东芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星电子)、SONY (索尼)、IBM、RENESAS ELECTRONICS (瑞萨电子)、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)在该技术领域具有持续稳定的专利申请，而其他申请人申请都并不是很连贯，近年来的主要申请人有TOSHIBA (东芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星电子)、QUALCOMM (高通)和SK Hynix (SK 海力士)，其次为IBM、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)和EVERSPIN TECHNOLOGY (艾尔斯宾科技公司)，表明近年来以上申请人在该领域有比较大的投入研究。

三、 全球MRAM专利技术分析

1.  全球总体技术分析

选取其中申请量前10的技术分类，如图7趋势可以知道，最近申请量呈现明显上升势头的有：H01L43/08 磁场控制的电阻器， G11C11/16 应用磁自旋效应的存储元件，H01L43/12 专门适用于制造或处理这些器件或其部件(应用电—磁或者类似磁效应的器件)的方法或设备，H01L27/22 包括有利用电—磁效应的组件的，例如霍尔效应；应用类似磁场效应的，以及H01L43/10 应用电—磁或者类似磁效应的器件,材料的选择，表明这些技术分类近来的研究上有比较大的进展，值得关注，而对于其技术分类，特别是G11C11/15 应用多层磁性层的，H01L27/105 包含场效应组件的，H01L21/8246 只读存储器结构，在上一周期1999-2003年发展迅速，但近来申请趋于衰落，表明所述的技术分类在近来的研究中处于瓶颈或者目前并不具有发展优势。

图7  全球MRAM专利主要申请技术分类发展趋势

H01L43/08 磁场控制的电阻器; G11C11/16 应用磁自旋效应的存储元件的; G11C11/15 应用多层磁性层的； H01L21/8246 只读存储器结构; H01L27/105 包含场效应组件的;G11C11/00 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; H01L43/12 专门适用于制造或处理这些器件或其部件(应用电—磁或者类似磁效应的器件)的方法或设备; H01L27/22 包括有利用电—磁效应的组件的，例如霍尔效应；应用类似磁场效应的; H01L43/10 应用电—磁或者类似磁效应的器件,材料的选择; H01L29/82 通过施加于器件的磁场变化可控的。

2.  MRAM技术聚类分析:

下图8 为MRAM相关专利聚类地图，其中，同一颜色表示聚类相近的专利技术，白色标签处为技术的聚集点，白色标签为该技术聚集点的主要关键词，地图上的柱状分别代表不同的主要申请人，从该地图上可以看出，主要申请人在各个技术聚类上都有对应申请，TOSHIBA（东芝）在各个技术聚类上都有最多或较多的申请，在主要关键词为“磁性 磁性隧道 磁阻 自旋 磁阻原件”的技术聚集点上，所有主要申请人都有做为重点进行申请，表明该技术方向可能为MRAM的主流技术方向，另外，SAMSUNG ELECTRONICS（三星电子）在主要关键词为“电阻 电阻式存储器 操作 可变电阻 数据” 的技术聚集点上有最多的申请。

图8  MRAM相关专利聚类地图

3.  MRAM技术路线分析:

根据被引用次数处于前20的相关专利，绘制如下图9的技术路线图，从该路线图开业看出，其时间段从1996-2005，其技术主要围绕以下几个方向的改进：

1） 本身结构的改进，包括各层结构的改进，如US5640343 MT结构高度控制；US616948 MTJ存储单元具有形成为两个铁磁膜的自由层，减小阵列；US6714444层状结构设计，使其具有高的输出信号等；

2） 半导体器件形成工艺控制，如US5654566磁自旋注入场效应晶体管工艺，US5940319防止制备过程中的高温降解设计，US20050146927A1蚀刻过程的保护设计；

3） 外部设置影响，如US5793697提供电压源控制MTJ电阻，US6385082设置加热元件，防止写入干扰，US20060180880A1设置磁场保护装置避免外界磁场影响等；

4） 材料的改进，如US5976713TMR材料改进，US6834005自由层材料改进。

图9  全球MRAM专利技术路线地图

四、 结论

1. 全球MRAM专利申请主要申请国依次为美国，其次为日本，然后是中国、PCT申请、台湾、欧洲和德国；技术主要申请人主要来自于日本、美国以及韩国和台湾，国内申请人很少。国内很有必要加强该领域的研究，弥补此方面技术的落后。

2. 2000~2003年全球MRAM专利申请处于快速增长期，期间内的专利被引用的次数也最多， MRAM技术有比较大的突破。2003年以后，MRAM技术研发处于平稳发展期。

3. MRAM专利主要申请人依次为，TOSHIBA（东芝）、SAMSUNG ELECTRONICS（三星电子）、SONY（索尼）、IBM、RENESAS ELECTRONICS（瑞萨电子）、MICRON TECHNOLOGY（美光科技）,这些厂商具有持续稳定的专利申请。近年来的主要申请人有TOSHIBA（东芝）、SAMSUNG ELECTRONICS（三星电子）、QUALCOMM（高通）和SK Hynix（SK 海力士），其次为IBM、MICRON TECHNOLOGY（美光科技）和EVERSPIN TECHNOLOGY（艾尔斯宾科技公司），表明他们在MRAM领域持续研发积累技术。

4. MRAM专利技术研发主要领域有：H01L43/08 磁场控制的电阻器，G11C11/16 应用磁自旋效应的存储元件的，H01L43/12 专门适用于制造或处理这些器件或其部件(应用电—磁或者类似磁效应的器件)的方法或设备，H01L27/22 包括有利用电—磁效应的组件的，例如霍尔效应；应用类似磁场效应的，以及H01L43/10 应用电—磁或者类似磁效应的器件。值得注意的是，材料的选择等技术分类上申请有明显的上升趋势，表明这些技术分类近来的研究上有比较大的进展，值得特别关注。

5. MRAM专利技术主要围绕以下几个方向的改进，各层结构改进以及整个层结构设计；其在半导体器件中形成工艺控制；外加装置控制；各层材料改进。 ​​​​​​​