全球記憶體產業已進入一個必須尋求新興替代技術的時代。在多樣化的次世代記憶體技術中，為何電阻式記憶體，在類神經仿生運算的應用上值得期待？其更被業界認為是最有機會成為下世代通用記憶體的選擇，同時也是目前投入研發廠商最多之技術？

邁入尋求全新嵌入式非揮發性記憶體技術的時代

近年來由於物聯網、行動裝置、高速電腦和智慧汽車等產業的快速發展，大幅推升了人工智慧（AI）及邊緣計算（Edge Computing）等巨量運算架構的應用需求，也因此既有高容量存儲元件例如 DRAM 及 NAND Flash，其在耗電量及資料存取速度上已無法跟上需求的腳步。

並且，隨著半導體製程線寬縮微已超越 14nm、電晶體發展主流遷移到 FinFET 或 GAA 等先進結構，長期應用於 CMOS 晶片上存儲的嵌入式 NOR Flash 礙於「快閃記憶體縮放限製（Flash Memory Scaling Limit）」問題，也已無法跟上 SoC 晶片整合製程的發展要求，必須要有全新的嵌入式非揮發性記憶體技術，才能搭配下一世代以先進製程所製造的 ASIC 和 MCU。

電阻式記憶體為何備受期待？

過去數十年來在世界各國合力開發下，已初略成形的次世代非揮發性記憶體技術包括鐵電記憶體（FRAM）、相變化記憶體（PRAM）、磁阻式記憶體（MRAM）、以及電阻式記憶體（RRAM）等。這些候選的新興技術，不僅讀寫速度都比 NAND Flash 要快 1,000 倍以上，並且皆能夠在奈安培（nA）的極低電流下操作。同時，也都具有潛力可突破範紐曼（von Neumann）架構瓶頸，實現記憶體內運算（In-memory Computing）之能力。

在多樣化的次世代記憶體技術中，電阻式記憶體由於相對具有讀寫快速、低耗能、結構簡單、資料儲存時間長、重複操作可靠度佳與成本便宜等產品優勢，以及適合應用於類神經仿生運算的電導（電阻）漸變類比特性，被業界認為是最有機會成為下世代通用記憶體的選擇，同時也是目前投入研發廠商最多之技術，包含 Adesto（2020 年已被 Dialog 併購）、Crossbar、Samsung、Panasonic、Micron、Hynix 及 Intel 等公司，都各別擁有不同的電阻式記憶體技術。

電阻式記憶體由來

電阻式記憶體（Resistive Random Access Memory, RRAM）結構為簡單的金屬-絕緣層-金屬（Metal-Insulator-Metal, MIM），其原理為施予電壓或電流操作，利用物質電阻改變元件的高低電阻狀態，達成數位訊號儲存效果。

電阻式記憶體最早起源自 1960 年代，研究學者 Hickmott 發現氧化鋁（AlOx）材料經過電壓或電流操作後，其電阻狀態會因此改變 [1]；近年來，研究發現氧化鎳（NiO）[2-5]、氧化鈦（TiOx）[6-9]、氧化鉿（HfOx）[10-13] 等絕緣體材料，亦可用於 RRAM 的中間絕緣層。RRAM 可利用特定的電壓來讀取不同狀態的電阻值（電流值），進而判讀元件「1」和「0」的邏輯狀態。此外，RRAM 具有良好的非揮發性記憶特性，其訊號儲存狀態可在不施加外在偏壓的情況下，保存至下一次訊號的寫入或抹除。

RRAM 物理機製與操作特性

RRAM 的物理機製目前較受到注目的是燈絲理論（Filament Theory）[14-16]，普遍認為 RRAM 的操作方式是在一開始時給予元件一較大的外加偏壓，使氧化物絕緣層內部形成導通路徑，此時絕緣層會變為低阻態（Low Resistance State, LRS），此過程通常需要限製電流（Compliance Current），避免電流過大反應劇烈使元件永久崩潰，此步驟稱之為 Forming。

接著以元件偏壓控製氧離子與氧空缺複合，使導通路徑阻斷，進而從低電阻態（LRS）回到高電阻態（High Resistance State, HRS），此過程稱為 Reset；而再次給予小於 Forming 所需的電壓，即可將阻斷的導通路徑重新連接，從高阻態（HRS）再次回到低阻態（LRS），此步驟稱為 Set。

來回操作 Set 與 Reset process 就可以達成 RRAM 的寫入與抹除，RRAM 的操作流程如圖 1 所示，而在讀取方麵主要是藉由一微小的讀取電壓來判讀不同的電阻值，以分辨數位訊號 0 和 1（圖 2）。RRAM 依阻值狀態變化的不同可區分為阻絲型與介麵型，阻絲型 RRAM 即於上下兩電極間有一連續傳導路徑（圖 3），也是目前 RRAM 在傳導機製中較受到廣泛認同的類型；另一為介麵型 RRAM（圖4），透過施加外部電壓，使絕緣體層中形成氧空缺或載子電荷進行電子傳遞使其阻態改變，當氧空缺或載子電荷變多，其電流增大，因此元件電極間的絕緣體層麵積大小會影響阻態變化。

▲圖 1 RRAM 切換流程與電性輸出圖

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