全面解读电阻式内存的技术架构及其应用

全面解读电阻式内存的技术架构及其应用

目录

1.编者按........................................................................1

??迈入寻求全新嵌入式非挥发性存储器技术的时代..................................1

????电阻式存储器为何备受期待？..................................................2

????电阻式内存由来...............................................................3

????RRAM物理机制与操作特性.....................................................3

5.1.概述.....................................................................3

????欧姆传导机制(OhmicConduction)：...............................................................................7

??????肖特基发射(SchottkyEmission)：.....................................................................................7

??????法兰克-普尔发射(Frenkel-PooleEmission)：.................................................................8

??????跳跃传导(HoppingConduction)：..........................................9

??????穿隧传导(Tunneling)：........................................................................................................9

??????空间限制电流传导(SpaceChargeLimitedCurrent)：................................................10

????RRAM元件近年衍生的新颖应用...............................................12

6.1.概述....................................................................12

????何谓仿生技术？..........................................................12

??????RRAM元件于仿生技术的应用.............................................14

????展望........................................................................20

????总结........................................................................27

1.编者按

全球存储器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

世代存储器技术中，为何电阻式存储器，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一代通用存储器的选择，同时也是目前投入

研发厂商最多之技术？本篇将带您一探究竟。

本文是闵康科技特别邀请在电阻式内存研究领域顶尖学者王永和教授撰文

介绍此新兴内存组件的发展概况与技术趋势，与读者分享此一重要科技领域的

学术研究进展。

迈入寻求全新嵌入式非挥发性存储器技术的时代

第1页共28页

全球内存产业已进入一个必须寻求新兴替代技术的时代ro近年来由于物

联网、移动装置、高速计算机和智能汽车等产业的快速发展，大幅推升了人工

智能(AI)及边缘计算(EdgeComputing)等巨量运算架构的应用需求，也因此既有

高容量存储组件例如DRAM及NANDFlash,其在耗电量及数据访问速度上已无

法跟上需求的脚步。并且，随着半导体工艺线宽缩微已超越14nm、晶体管发展

主流迁移到FinFET或GAA等先进结构，长期应用于CMOS芯片上存储的嵌入

式NORFlash碍于「闪存循放限制(FlashMemoryScalingLimit)I问题，也已无

法跟上SoC芯片整合工艺的发展要求，必须要有全新的嵌入式非挥发性内存技

术，才能搭配下一世代以先进工艺所制造的ASIC和MCUo

??.电阻式存储器为何备受期待？

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内存

技术包括供电内存(FRAM)、相变化内存(PRAM)、磁阻式内存(MRAM)、以及电

阻式内存(RRAM)等。这些候选的新兴技术，不仅读写速度都比NANDFlash要

快1,000倍以上，并且皆能够在纳安培(nA)的极低电流下操作。同时，也都具

有潜力可突破vonNeumann架构瓶颈，实现内存内运算(In-memoryComputing)

之能力。

在多样化的次世代内存技术中，电阻式内存由于相对具有读写快速、低耗

能、结构简单、数据储存时间长、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)渐变模拟特性，被业界认为是最有

机会成为下世代通用内存的选择，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内存技术。尽管电阻式内存应

用潜力巨大，但至今大多数仍然处于开发阶段，至目前为止有对外供货的公司

仅Crossbar、Panasonic与Adesto三家而己。甚至该技术在其电阻变化的物理

机制研究与最佳材料选定上，至今也仍未有定论。然而，业界普遍认为，随着

人工智能应用的疾速发展、市场需求商机涌现，必然将带动电阻式内存在未来3

至4年内迎来快速成长。产官学界都应及早进行策略布局、掌握此新兴内存的

产业契机，创造下一个半导体奇迹。

第2页共28页

??.电阻式内存由来

电阻式内存(ResistiveRandomAccessMemory,RRAM)结构为简单的金属-

绝缘层-金属(Metal-InsuEor-Metal,MIM),其原理为施予电压或电流操作，利

用物质电阻改变组件的高任电阻状态，达成数字讯号储存效果。

电阻式内存最早起源自I960年代，研究学者Hickmott发现氧化铝(Al(\)

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

化镇(NiO)[2-5]、氧化钛(TiOx)[6-9]、氧化铅(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)，进而判读组件"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

5.1.概述

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组件一较大的

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

ResistanceState,LRS),此过程通常需要限制电流(ComplianceCurrent),避免

电流过大反应剧烈使组件永久崩溃，此步骤称之为Forming。接着以组件偏压

控制氧离子与氧空穴复合.使导通路径阻断，进而从低电阻态(LRS)回到高电阻

iS(HighResistanceState,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Resetprocess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藉由一微小的读取电压来判读不同

的电阻值，以分辨数字讯号0和1(图2)。RRAM依阻值状态变化的不同可区分

为阻丝型与界面型，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；另一为界面型RRAM(图

4),透过施加外部电压，使绝缘体层中形成氧空穴或载流子电荷进行电子传递

第3页共28页

使其阻态改变，当氧空穴或载流子电荷变多，其电流增大，因此组件电极间的

绝缘体层面积大小会影响阻态变化。

ExternalCurrentCompliance

Forming

FormingVoltage——.

Voltage(V)VoltagcC')^.

图1RRAM切换流程与电性输出图

47

—o'

o"2

4o'

—o'

.3

XoLowresisti/estate

-4

o'

1o.'

o5

46

—

7

4

—

GHighresistivestate

4

—o

1

-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0

Voltage(V)闲康拄才粕洲

图2RRAM用于数字内存判读方式

第4页共28页

Initialstate1.Forming

图3灯丝型RRAM操作过程[14]

第5页共28页

吊⑻

(p)

MO

Ti/PC

ir

dina

eale

Ann

(

<

<

)

h

J

u

e

j

_

j

ed

epar

As-pr

a

4

3

2

1

-10

V)

ge(

Volta

V)

ge(

Volta

cy

acan

env

Oxyg

e:

p-typ

tance

resis

Low

e

stanc

resi

High

洲

方掖

岸拉

、才•闲

tatic-

resis

High

e

stanc

resi

Low

e:

n-typ

]

理口4

作原

与操

曲线

特性

输出

AM

型RR

界面

图4

性:

两种特

式分为

操作方

RRAM

et

可作S

压即

的电

方向

单一

藉由

种可

，此

所示

5⑶

如图

r)：

ipola

性(Un

单极

态

使得阻

丝熔断

电阻灯

造成

ting)

Hea

Joule

耳热(

以焦

过程

eset

作，R

set操

与Re

。

变化

切