近年來(lái)，臺積非易失性存儲器(NVM)技術(shù)快速發(fā)展。電T的重隨著(zhù)人工智能、進(jìn)展自動(dòng)駕駛和物聯(lián)網(wǎng)等新興應用的臺積興起，傳統存儲系統正面臨速度、電T的重能耗與穩定性的進(jìn)展挑戰。為了滿(mǎn)足“快”“省”“穩”的臺積需求，各類(lèi)新型存儲器（如ReRAM、電T的重PCM、進(jìn)展FeRAM、臺積MRAM等）進(jìn)入研發(fā)階段，電T的重爭取在“后DRAM時(shí)代”中占據一席之地。進(jìn)展磁阻隨機存取存儲器(MRAM)因其高速、臺積低功耗和非易失性，電T的重被認為是進(jìn)展極具潛力的通用存儲解決方案。
據報道，加拿大臺積電及相關(guān)機構在MRAM技術(shù)上取得了重大突破，成功開(kāi)發(fā)出基于β相鎢材料的自旋軌道力矩磁阻隨機存取存儲器(SOT-MRAM)。該技術(shù)實(shí)現了顯著(zhù)的性能指標：數據切換時(shí)間僅需1納秒，數據保持時(shí)間超過(guò)10年，隧穿磁阻比高達146%。這項成果發(fā)表于《自然電子學(xué)》(Nature Electronics)期刊。
存儲技術(shù)的變革需求
如今的計算系統依賴(lài)SRAM、DRAM和閃存等存儲層級體系。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展突破10納米，傳統的基于電荷存儲的技術(shù)面臨極大挑戰，尤其是在人工智能和邊緣計算迅速發(fā)展的背景下，對存儲器的需求日益嚴苛——需要兼具DRAM的高速特性、閃存的非易失性并顯著(zhù)降低功耗。
新興非易失性存儲技術(shù)正是應運而生，例如，SOT-MRAM、STT-MRAM、PCM、RRAM和FeRAM等，這些技術(shù)具備非易失性、低延遲和低功耗的特點(diǎn)，并能與現有CMOS半導體工藝集成。相較于DRAM的14毫秒延遲和3D TLC NAND的50至100微秒讀取延遲，SOT-MRAM在納秒級實(shí)現數據切換，同時(shí)保持非易失性特點(diǎn)——即便斷電，數據依然保留。
SOT-MRAM的獨特優(yōu)勢
SOT-MRAM因其獨特的工作原理和技術(shù)優(yōu)勢而受矚目。其運用具有強自旋軌道耦合的材料，通過(guò)自旋軌道力矩實(shí)現數據的寫(xiě)入與擦除。SOT-MRAM相較其他存儲技術(shù)有三大核心優(yōu)勢：
1. **高速寫(xiě)入**：利用自旋軌道力矩效應，實(shí)現納秒級的磁化翻轉。
2. **高能效**：三端結構設計將讀寫(xiě)電流路徑分離，顯著(zhù)降低能耗并提高耐久性。
3. **高可靠性**：讀寫(xiě)操作獨立提高器件耐久性，并有效保持數據。
這些優(yōu)點(diǎn)使得SOT-MRAM有能力替代SRAM，成為新一代計算系統的核心存儲組件。
攻克關(guān)鍵技術(shù)難題
盡管SOT-MRAM在理論上具有明顯優(yōu)勢，但要實(shí)現產(chǎn)業(yè)化還需解決自旋軌道耦合材料的熱穩定性問(wèn)題。鎢因其卓越的自旋軌道耦合特性成為理想材料，尤其是β相鎢，然而該材料在常規熱處理下會(huì )轉變?yōu)闊岱€定的α相鎢，導致器件性能下降。
研究團隊的突破是將超薄鈷層插入鎢層，形成復合結構以抑制原子擴散和延緩相變。實(shí)驗表明，這種復合鎢結構在400°C的熱處理條件下，可以維持物相穩定長(cháng)達10小時(shí)。
性能全面驗證
研究團隊成功制備出基于復合鎢的64千位SOT-MRAM原型，并在接近實(shí)際應用條件下進(jìn)行全面性能測試，器件實(shí)現了納秒級的自旋軌道力矩翻轉速度，表現超越傳統存儲器，顯示出優(yōu)異的穩定性。
在數據保持能力方面，估算熱穩定性參數顯示器件的保持時(shí)間超過(guò)10年。在隧穿磁阻比測試中，器件達到了146%的高值，確保穩定讀出并提供可靠的工藝窗口。
在能耗控制上，獨立的讀寫(xiě)操作設計根本降低了能耗，讓SOT-MRAM非常適合邊緣計算和移動(dòng)終端應用。此外，由于臺積電團隊的參與，整個(gè)設計朝向現有半導體后端工藝優(yōu)化，確保未來(lái)大規模生產(chǎn)的可行性。
結論
基于復合鎢的SOT-MRAM通過(guò)材料設計成功解決了熱穩定性問(wèn)題，實(shí)現了納秒級切換與超長(cháng)數據保持的結合。這項研究不僅提供了核心技術(shù)儲備，也為存儲技術(shù)的未來(lái)指明了方向。隨著(zhù)向兆位級集成的發(fā)展，這種新型存儲器將在不久的將來(lái)走入我們的智能設備，開(kāi)啟全新的存儲技術(shù)時(shí)代。
本文編選自“半導體行業(yè)觀(guān)察”微信公眾號，作者：邵逸琦;XM外匯官網(wǎng)編輯：何鈺程。