浅谈阻变随机存储器技术发展

浅谈阻变随机存储器技术发展摘要：

非易失性存储器器件由于其高密度、高速度和低功耗的特点，在存储器的发展中占据着重要的地位，其中阻变存储器由于优越的综合存储性能被国际半导体发展路线图选为最具发展潜力的新型非易失性存储技术之一。本文将基于专利文献进行分析，从重要申请人和重要专利出发，对阻变存储器技术的发展做综述性介绍。

引言：

现代的存储器主要分为两大类型：易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器的特点是掉电后，数据将丢失，不过其读写速度很快，主要用于CPU的寄存器，计算机内存和FPGA等一些需要高速运算的场合。非易失性存储器（NVM）器件由于其高密度、高速度和低功耗的特点，在存储器的发展中占据着重要的地位。其中阻变存储器（Resistive Random Access Memory，RRAM）是忆阻器在二值情况下的特殊应用，是利用某些薄膜材料中发生的电致电阻变化来实现信息的存储。由于阻变存储器电阻变化的过程中，外加激励只影响薄膜材料中的电子结构或者很小区域内原子结构的排列。因此，从理论上讲，阻变存储器具有非常优良的可缩小性能。除此之外，相对于传统的Flash存储器，阻变存储器还有许多优越的综合存储性能，包括器件结构简单、与CMOS工艺兼容、易于三维集成、转变速度快、操作功耗低、耐久性高等优点，被国际半导体发展路线图选为最具发展潜力的新型非易失性存储技术之一。表1列出了各种存储器的性能比较。

表1 各种存储器的性能比较

本文将基于专利文献分析，对阻变存储器技术的发展做综述性介绍，并对本

领域重要申请人和重要专利进行一定的分析，总结了阻变存储器技术相关的国内

和国外专利的申请趋势。

阻变存储器的发展简述：

电阻转变现象最早可以追溯到1962年，T.W.Hickmott通过研究Al/SiO/Au、Al/Al2O3/Au、Ta/ Ta2O5/Au、Zr/ ZrO2/Au以及、Ti/ TiO2/Au等结构的电流电压

特性曲线，首次展出了这种基于金属-介质层-金属（MIM）三明治结构在偏压变

化时发生的阻变现象，在1967年，Simmons和Verderber等人报道了氧化硅材料

中的电阻转变现象，但是由于薄膜材料制备工艺的限制和基于浮栅结构的Flash

存储器的飞速发展，使得阻变现象并未得到广泛的研究和关注。但是随着微纳加

工技术的发展进步，特别是在Flash存储器发展遇到瓶颈以后，阻变存储技术再

次引起了广大学者以及工业界的关注。在2000年，美国休斯敦大学的Liu等人

在《应用物理快报》上报道了Pr0.7aCa0.3MnO3薄膜中的阻变现象研究结果表明，

该器件能够在，100ns的脉冲下连续转变，展现出优良的非易失存储性能，这

项工作引起了工业界的广泛关注，并引起了阻变存储器新的研究热潮。阻变存储

器研究的第一阶段主要集中于阻变薄膜材料的探索和阻变器件性能的改进。IBM、三星、Spansion、Hitachi、Infineon、Fujitsu和Panasonic等国际重大公司也

陆续报道了其他材料体系的阻变存储器件，包括有机材料、钙钛矿材料、金属氧

化物材料和固态电解液材料。其中，过渡金属氧化物薄膜由于其出色的阻变性能，受到包括三星、夏普、IBM、NEC等国际重要大公司的力推。阻变存储器研究的第

二个阶段是尝试将阻变存储器扩展到阵列。在2007年，日本富士山提出NiO:Ti

薄膜组成的1T1R阻变单元，可用于阵列集成。在2013年，美国闪迪公司和日本

东芝公司联合报道了24nm工艺制造的32Gb阻变存储器阵列的测试芯片。

申请人分布情况：

对涉及阻变存储器的专利申请的全球申请人的主要区域分布情况进行

分析，韩国和美国的申请量势均力敌，总分布占比近全球总量的三分之二，韩国

和美国在阻变存储器领域的发展远远领先于其他国家。

对涉及阻变存储器的国内专利申请的主要申请人分布情况进行分析，韩国三

星和韩国爱思开海力士占比较大，中国北京大学、中国科学院微电子研究所和复

旦大学的是国内专利申请的绝大部分，有关阻变存储器的国内专利申请高校申请

占据首位，反应了我国在该领域的研发主要停留在实验室里，所申请专利可能并

不能适应市场的需要。中芯国际集成电力制造有限公司发展迅猛，紧跟研究热潮，也在阻变存储器方面做出了突出的研究成果，美光科技公司在中国专利申请在美

国企业中占据主要地位。

重要申请人专利发展分析：

在中国申请中涉及阻变储存器的重要申请人主要包括三星电子株式会社、北

京大学以及美光科技公司。

在2006年，三星对于阻变存储器的研究取得了初步的结果，申请了采用两

个氧化物层的非易失性存储器器件专利，对阻变存储器中的阻变层进行改进，能

够在不借助诸如二极管或晶体管的独立器件的情况下可靠地开关和工作。在

2007-2010年的专利申请量呈现下降趋势，在2011年的专利申请量又一次增加，

并申请了具有三维存储单元阵列的非易失性存储器件专利，其解决了半导体存储

器件所占单位面积上的数据存储密度的需求的不断增加的问题。在2014-2016年

的专利申请量再次呈现下降趋势，在2017到至今专利申请量持续增加，并申请

了可变电阻存储器件专利，提高每个存储单元的操作可靠性，以及用于补偿电阻

存储器设备的劣化的方法和系统专利，以解决由于存储器单元的劣化导致的时间

开销、比特错误等问题。此时，三星公司有关阻变存储器的技术已经非常成熟，

均涉及于阻变存储器性能上的改进。

在2012年以前，北京大学有关阻变存储器的专利申请量逐年上升，申请了

氮化钛/氧化锌电阻式随机存储器的存储单元及制备方法专利，提供了具有优异

双稳态电阻转变和记忆特性的电阻式随机存储器件的存储单元及其制备方法，还