1971年，“忆阻器之父”蔡少棠教授在理论上提出忆阻器的概念，惠普实验室2008年宣布物理制备出了具有忆阻器特征的二端器件，并在Nature上发表了其研究成果。这一突破性文章引起了学术界和工业界的广泛关注，同时引发了一系列关于如何利用忆阻器独特性质构建新一代计算机架构和神经形态计算的讨论与探索 [1,2]。阻变存储器（简称RRAM或ReRAM）作为忆阻器件的核心代表，凭借其独特的电致阻变特性、优异的非易失性、高集成密度、低功耗及快速读写等核心优势，在存算一体架构等前沿学术研究领域占据关键地位，成为突破传统冯·诺依曼架构存储墙瓶颈、构建新一代高性能存算一体系统的核心研究方向，其天然适合矩阵向量运算（MAC）的特性，为当今AI时代提供了新的低功耗高性能的硬件解决方案[3]。本文将从RRAM的物理原理，1T1R的器件特性和Silvaco TCAD的RRAM器件仿真的原理和结果等方面进行展开。
一、RRAM的物理原理
首先需要明确，本文所说的RRAM特指氧化物型忆阻器，也被称为OxRAM。其基本结构如图1所示，两端的电极一个是惰性金属，另一个是容易发生氧化还原反应的金属，如钛(Ti)，中间是一层绝缘的金属氧化物，如图1(c)结构中的二氧化钛 TiO2（此时钛是四价，即 Ti4+）。图1(a)和图1(b)是分别处于关态和开态的器件内部离子分布情况示意图。可以看到，处于部分还原价态的阳离子，如 Ti3+是否连通正负电极决定器件的开关状态。当器件处在初始的关态，Ti 电极与 TiO2 界面处有少量氧离子从 TiO2 向钛电极扩散，因此留下部分被还原的 Ti3+。施加电压后，TiO2 层中更多的带负电氧离子 O2−逆着电场方向向正电极迁移，于是在功能层中留下氧空位(oxygen vacancy，Vo)，相应位置就形成亚氧化物(suboxide)如 Ti4O7，而亚氧化物的电导率较高。当电压引发的氧离子迁移量足够多时，一条亚氧化物的导电通道就形成了。将电压反向，则氧离子迁移回来，引发亚氧化物的重新氧化，于是导电通道消溶(dissolution)。这种依靠氧离子迁移，以及相应的价键变化实现高低阻态转换也称价键变化型存储器(valence change memory，VCM)。如图1(c)所示，高电导的亚氧化物导电丝(Ti4O7)在实验中可以被高分辨率透射电子显微镜观察到。[2]
图1 基于氧/硫等阴离子迁移的忆阻器示意图[2]
值得一提的是，焦耳热(Joule heating)效应在氧化物忆阻器中被认为发挥了重要作用。特别是，当导电通道已经形成时，器件处于低阻态，在电压作用下发热显著，造成导电丝处的温度相对较高，因此氧离子在温度梯度下发生热迁移运动，会加速亚氧化物导电丝的断裂。这就是热辅助下的导电丝消溶(thermal assisted dissolution)效应 [2]。在后续的TCAD仿真中，热效应是仿真准确的关键。
二、1T1R的器件特性
所谓1T1R是指一个晶体管与一个忆阻器或阻变单元串联的结构。利用晶体管实现对忆阻器单元的选通，避免因漏电流问题而造成的串扰现象。1T1R单元的最大优势是可以较为容易地集成在逻辑工艺上，这对于系统级芯片应用来说非常具有吸引力。用金属氧化物半导体场效应晶体管作为选通开关构成1T1R单元结构如图2所示［1］。采用MOSFET作控制开关可以有效抑制泄漏电流，同时可以提供较大的编程电流，加快编程速度。图2中的单元结构采用0.18um TSMC工艺制作，当字线施加2V电压时，最大编程电流为500 uA，可以实现5 ns的快速编程操作。
图2 1T1R单元的结构图，图中使用了TiN/Ti/HfO2/TiN结构的忆阻器[1]。
1T1R作为实现存算一体结构的基本电路单元，可扩展为 2D 平面阵列以高效执行 MAC 运算。其结构中 “1T” 对应图里包含源极、栅极、漏极的晶体管单元，“1R” 则是忆阻器。该结构里的晶体管既承担选通功能，又能抑制忆阻器的电流过冲：当向忆阻器施加正向电压时，其会转变为低电阻态（LRS），此时通过的电流较大，这一操作被称为 SET；而施加反向电压时，忆阻器会切换为高电阻态（HRS），对应电流较小，此过程为 RESET。忆阻器具备非易失性特性：处于 LRS 时，若未施加足够幅值的反向电压，其会保持低阻态；HRS 状态下也同理，无需持续供电即可维持当前电阻态。至于忆阻器当前所处的电阻态，需借助晶体管的导通与否，才能被外电路识别到该 1T1R 单元的状态，这正是晶体管选通功能的具体体现。如图3所示是典型的双极型忆阻器的I-V曲线示意图，其中的“限流”即可以通过晶体管实现。
图3 典型的双极型忆阻器IV特性曲线 [2]
三、Silvaco TCAD的RRAM器件仿真的原理和结果
本文使用Silvaco TCAD的Victory Device模拟RRAM的I-V特性。参考工程为Example中的Memory/ReRAM/ReRAM_ex01，所仿真的器件基于1T1R存储单元结构，集成限流晶体管以实现电流限制功能，其作用通过混合模式仿真纳入考量。以该参考工程为例，主要的输入文件有三个：“ReRAM_ex01.in”、“ReRAM_AUX.in”和“functions.c”。他们之间的关系是：“ReRAM_ex01.in”为主程序，调用“ReRAM_AUX.in”；“ReRAM_AUX.in”为RRAM物理行为的仿真程序，调用“functions.c”。下面对三个文件的主要功能和调用关系进行简要介绍，以理解RRAM的仿真原理。
“ReRAM_ex01.in”是工程的主要输入文件，仿真的宏观流程由该文件定义。首先，进行结构的定义和网格优化（如图4），将仿真区域定义为一个圆柱（参考图1(a)和(b)的模型），然后对一个截面进行2D仿真，减少仿真量的同时，保证了仿真的准确性。其次，进行使用SPICE语法的混合模式（Mixed-Mode）仿真（如图5）。混合模式不仅仿真 RRAM 器件本身（aR），还串联了一个 NMOS 晶体管（m1）作为选通管/限流管。这非常重要，用于稳定电流和防止器件在 SET 过程中永久击穿。定义了电压随时间变化的波形（PWL），进行瞬态扫描以模拟 SET（高阻态转低阻态）和 RESET（低阻态转高阻态）的操作循环。当然，这个文件只描述了宏观流程，定了器件形貌和电路连接，RRAM器件本身的阻变特性并没有在本文件中定义。在图5的最后，136行代码中SOURCE语句调用了“ReRAM_AUX.in”文件，这个文件描述了RRAM的器件行为。
图4 RRAM的器件结构定义和网格优化
图5 1T1R结构的混合模式仿真
“ReRAM_AUX.in”是实现RRAM阻变特性的主要文件，构建了RRAM仿真的物理模型，构建原理参考的是官方论文：“Silvaco Simulation Standard 2024, "Advanced TCAD Modeling of HfO2 - based ReRAM: Coupling Redox Reactions and Thermal Effects".”。该文件的主要作用是定义参与反应的化学物质（Species）、定义化学反应方程和反应速率、设置材料参数和探测器（Probes）。反应物质定义通过SPECIES定义，定义了 SiOx （基质）， Vo （氧空位， 导电主要贡献者），Ox- （氧离子）， If （界面金属原子） 等。掺杂分布通过DOPING定义，初始化了器件内部的缺陷分布，设定了潜在导电细丝区域（Gaussian分布）的初始空位浓度（如图6）。化学反应通过REACTION进行定义，表明了RRAM导通机制的核心——氧化还原反应。例如：SiOx + 2e- <=> Vo + Ox-，这个反应描述了在高电场下，Si-O键断裂产生氧空位（Vo）和氧离子（Ox-）的过程。C解释器挂载 (MOBILITY ... F.CONMUN=functions.c) 将迁移率和热导率的计算方式指向外部C文件（如图7第64行）。阻变层的化学反应反应速率受电场和温度共同调控：电场通过偶极矩与电场的点积改变反应势垒，正向电压促进氧空位生成（细丝形成），反向则加速其与氧离子复合（细丝断裂）；反应进行会使焦耳热升高，焦耳热升高会又会继续加速反应，与电场协同形成电－热－化学耦合，推动细丝快速生长或断裂。这些过程都在本文件中进行了定义。
添加图片注释，不超过 140 字（可选）
图6 反应物质定义和掺杂定义
图7 氧化物材料的特性定义
最后，“functions.c”是用C语言编写的自定义物理模型文件，由TCAD仿真器在运行时编译和调用，提供比内置模型更灵活的参数计算方式。其中的关键函数conmun (Conductivity Mobility)自定义电子迁移率模型，它使用 tanh 函数根据空间位置（x, y）平滑地定义迁移率。在设定的细丝半径内（MUN_X0）赋予较高的迁移率，用于辅助模拟细丝的导电特性。tcond (Thermal Conductivity)定义了热传导率模型。定义热导率随晶格温度线性变化的关系，用于更准确地模拟焦耳热效应。
然后开始对该工程进行仿真求解。将该工程写入VDOE，可以使不同仿真条件同时并行运行，也可以方便的进行DOE实验。仿真的结果如下图8-10所示。图8展示了忆阻器保持特性的仿真，使其长时间保持LRS状态。如图8的左图所示，黄色区域为阻变区域，实际的仿真结构是以x=0.0这一条轴旋转360度的圆柱体。右图的放大区域，在阻变区域展示了Vo浓度，Vo连通了上下两个电极，表示这个忆阻器的导电细丝通路是连通的，处在LRS状态下。图9展示的是基于图5代码设置的1T1R扫描结果，横轴表示Anode电极的扫描电压，纵轴表示1T1R器件的电流，也就代表了通过忆阻器的电流。从左图的扫描结果上看，仿真结果是典型的忆阻器的“电滞回曲线”，右图的对数坐标视图也是一种常见的查看方式。这表明了仿真结果的准确性。如图10所示的是不同时间点忆阻材料中的阻变材料的浓度的变化，其中1234时间点和图9中的1234一一对应。时间点的定义参考图5中代码的定义，1234时间点分别对应着SET到1.5V，从1.5V到0V，RESET到-1.5V，从-1.5V到0V的四个状态，可以看到从SET状态切换到RESET状态，Vo在Cathode一侧的浓度急剧降低，使得导线细丝断开，忆阻器到达HRS状态。至此，忆阻器件的基本特性顺利仿真完成。通过调整该工程中的材料参数，器件结构，反应速率和电路组合，可以仿真与拟合实验结果，帮助进行科研分析。
图8 基本结构（材料视图）和忆阻材料区域的放大（Vo浓度视图）
图9 Silvaco TCAD仿真的1T1R结构的IV特性曲线，左图为线性视图，右图为log视图
图10 Vo浓度变化，代表了导电细丝的通断
参考：
[1] 缪向水，李祎，孙华军，薛堪豪 编著。忆阻器导论 [M]. 存储科学与技术丛书。北京：科学出版社，2018. ISBN 978-7-03-056687-4.
[2] 何毓辉，李祎，缪向水 编著。忆阻类脑计算 [M]. 存储科学与技术丛书。北京：科学出版社，2024. ISBN 978-7-03-077101-8.
[3] Li, J.; Xue, Y.; Li, Y.; Jia, H.; Zhou, Z.; Yang, L.; Ren, S.; Chen, J.; He, Y.; Xue, K. Fully analog iteration for solving matrix equations with in-memory computing. Science Advances 2025, 11 (7), eadr6391.
【淘宝】点击链接购买基于Silvaco TCAD的半导体器件建模仿真与分析教程
半导体器件建模、仿真与分析教程(基于sentaurus TCAD)
【淘宝】SPICE模型建模提参与定制开发教程
【淘宝】构建EDA全链工具的Agent实战课程
【淘宝】基于国产Mozz TCAD的半导体器件建模仿真与分析教程
欢迎加Q技术交流群：638099934（名称懒小木 Silvaco TCAD交流群） 871913775，1群3000人已经满了，2群：973292092（ 名称 懒小木Sentaurus TCAD交流群）
有希望有需要学习器件建模（TCAD、SPICE）的学生、学者或者朋友，可以关注“半导体器件”公众号和知乎“懒小木”，有系统的课程、专业的答疑，累计服务行业内4万余人。
完全指南：从零开始掌握下一代AI范式)
