全球记忆体产业已进入一个必须寻求新兴替代技术的时代。在多样化的次世代记忆体技术中，为何电阻式记忆体，在类神经仿生运算的应用上值得期待？其更被业界认为是最有机会成为下世代通用记忆体的选择，同时也是目前投入研发厂商最多之技术？

迈入寻求全新嵌入式非挥发性记忆体技术的时代

近年来由于物联网、行动装置、高速电脑和智慧汽车等产业的快速发展，大幅推升了人工智慧（AI）及边缘计算（Edge Computing）等巨量运算架构的应用需求，也因此既有高容量存储元件例如 DRAM 及 NAND Flash，其在耗电量及资料存取速度上已无法跟上需求的脚步。

并且，随着半导体制程线宽缩微已超越 14nm、电晶体发展主流迁移到 FinFET 或 GAA 等先进结构，长期应用于 CMOS 晶片上存储的嵌入式 NOR Flash 碍于「快闪记忆体缩放限制（Flash Memory Scaling Limit）」问题，也已无法跟上 SoC 晶片整合制程的发展要求，必须要有全新的嵌入式非挥发性记忆体技术，才能搭配下一世代以先进制程所制造的 ASIC 和 MCU。

电阻式记忆体为何备受期待？

过去数十年来在世界各国合力开发下，已初略成形的次世代非挥发性记忆体技术包括铁电记忆体（FRAM）、相变化记忆体（PRAM）、磁阻式记忆体（MRAM）、以及电阻式记忆体（RRAM）等。这些候选的新兴技术，不仅读写速度都比 NAND Flash 要快 1,000 倍以上，并且皆能够在奈安培（nA）的极低电流下操作。同时，也都具有潜力可突破范纽曼（von Neumann）架构瓶颈，实现记忆体内运算（In-memory Computing）之能力。

在多样化的次世代记忆体技术中，电阻式记忆体由于相对具有读写快速、低耗能、结构简单、资料储存时间长、重复操作可靠度佳与成本便宜等产品优势，以及适合应用于类神经仿生运算的电导（电阻）渐变类比特性，被业界认为是最有机会成为下世代通用记忆体的选择，同时也是目前投入研发厂商最多之技术，包含 Adesto（2020 年已被 Dialog 并购）、Crossbar、Samsung、Panasonic、Micron、Hynix 及 Intel 等公司，都各别拥有不同的电阻式记忆体技术。

电阻式记忆体由来

电阻式记忆体（Resistive Random Access Memory, RRAM）结构为简单的金属-绝缘层-金属（Metal-Insulator-Metal, MIM），其原理为施予电压或电流操作，利用物质电阻改变元件的高低电阻状态，达成数位讯号储存效果。

电阻式记忆体最早起源自 1960 年代，研究学者 Hickmott 发现氧化铝（AlOx）材料经过电压或电流操作后，其电阻状态会因此改变 [1]；近年来，研究发现氧化镍（NiO）[2-5]、氧化钛（TiOx）[6-9]、氧化铪（HfOx）[10-13] 等绝缘体材料，亦可用于 RRAM 的中间绝缘层。RRAM 可利用特定的电压来读取不同状态的电阻值（电流值），进而判读元件「1」和「0」的逻辑状态。此外，RRAM 具有良好的非挥发性记忆特性，其讯号储存状态可在不施加外在偏压的情况下，保存至下一次讯号的写入或抹除。

RRAM 物理机制与操作特性

RRAM 的物理机制目前较受到注目的是灯丝理论（Filament Theory）[14-16]，普遍认为 RRAM 的操作方式是在一开始时给予元件一较大的外加偏压，使氧化物绝缘层内部形成导通路径，此时绝缘层会变为低阻态（Low Resistance State, LRS），此过程通常需要限制电流（Compliance Current），避免电流过大反应剧烈使元件永久崩溃，此步骤称之为 Forming。

接着以元件偏压控制氧离子与氧空缺复合，使导通路径阻断，进而从低电阻态（LRS）回到高电阻态（High Resistance State, HRS），此过程称为 Reset；而再次给予小于 Forming 所需的电压，即可将阻断的导通路径重新连接，从高阻态（HRS）再次回到低阻态（LRS），此步骤称为 Set。

来回操作 Set 与 Reset process 就可以达成 RRAM 的写入与抹除，RRAM 的操作流程如图 1 所示，而在读取方面主要是借由一微小的读取电压来判读不同的电阻值，以分辨数位讯号 0 和 1（图 2）。RRAM 依阻值状态变化的不同可区分为阻丝型与介面型，阻丝型 RRAM 即于上下两电极间有一连续传导路径（图 3），也是目前 RRAM 在传导机制中较受到广泛认同的类型；另一为介面型 RRAM（图4），透过施加外部电压，使绝缘体层中形成氧空缺或载子电荷进行电子传递使其阻态改变，当氧空缺或载子电荷变多，其电流增大，因此元件电极间的绝缘体层面积大小会影响阻态变化。

▲图 1 RRAM 切换流程与电性输出图

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