SOT-MRAM关键材料难题攻克

中国台湾阳明交通大学（NYCU）联合台积电、国立中兴大学（NCHU）、美国斯坦福大学等机构，成功攻克自旋轨道力矩磁阻式磁性存储器（SOT-MRAM）的核心材料难题。SOT-MRAM被视为下一代非挥发性存储技术的重要方向。该研究由阳明交通大学助理教授黄彦霖主导，成果发表在《自然・电子学》上。

黄彦霖团队成功开发出一种新方法，使SOT-MRAM关键材料 ——β 相钨（β-W）在高温制程中仍能保持稳定，为制造超高速、低能耗且具商业化潜力的存储芯片奠定基础。

SOT-MRAM是一种新一代非易失性存储技术，兼具超快开关、低功耗和高耐久性。与传统STT-MRAM不同，SOT-MRAM将读写路径解耦，从而提高了可靠性和可扩展性。β-钨（β-W）具有高自旋轨道转矩（SOT）效率，常用于通过自旋霍尔效应产生自旋电流。然而，β-W是亚稳相，当膜厚超过5 nm或暴露在约400 °C以上温度时，β-W会转变为低效率的α相。

这一转变降低了自旋霍尔电导率，导致自旋电流产生减少和能耗增加。要实现密集、快速且高能效的SOT-MRAM阵列并将其集成到先进计算和存储技术中，必须克服这一限制。

为了解决β-W的热不稳定性，研究团队在W基体中插入厚度为0.14 nm的亚单层钴（Co）层以设计一种复合自旋霍尔材料。这些Co插层作为扩散屏障抑制了W原子迁移，从而稳定了β相。掠入射X射线衍射（GIXRD）测量结果证实，与单一W层在400 °C退火10 min就发生β-α相转变不同，复合结构在400 °C退火10 h和700 °C退火30 min后仍保持稳定。自旋转矩铁磁共振和谐波霍尔电压测量发现，复合β-W结构的自旋霍尔电导率约为4,500 Ω−1^{-1} cm−1^{-1}，自旋霍尔角为−0.61。

此外，X射线纳米衍射测量显示复合结构中存在条纹状图案，有助于实现无外场Type-X SOT开关，这在相当能耗下可能比Type-Y开关更快。

研究团队利用稳定的β-W通道采用CMOS工艺制造了一个64-kb三端SOT-MRAM阵列。该64-kb存储阵列表现出快速且可靠的SOT开关，最短可达1 ns，并具有146%的隧穿磁阻比，提供了足够的读出裕度以实现大规模存储集成。基于Landau–Lifshitz–Gilbert方程的宏观自旋模型拟合磁场依赖的开关概率显示，器件具有热稳定性因子Δ≈116，对应于超过10年的数据保持能力。

为验证该技术的可重复性，研究团队使用BEOL兼容的制造工艺生产了超过8000个器件。隧穿磁阻测量结果证实这些器件在整个阵列中的一致性。这些结果表明，通过工程化调控自旋霍尔通道的稳定性，可以实现可扩展、BEOL兼容的SOT-MRAM。

由于其固有的三端结构，SOT-MRAM阵列的占用面积相对于其他新兴非易失性存储较大。这一较大面积限制了其密度和可扩展性，从而制约了其在需要紧凑型存储单元（如移动设备边缘计算）中的应用。

混合STT–SOT方案的开发可通过实现双端操作来缩小单元面积。此外，通过优化器件布局和最小化寄生效应等集成工艺的进一步改进，可降低开关能耗并提高SOT-MRAM单元的能量/面积效率。研究团队的下一步计划是利用先进CMOS节点将存储架构扩展到兆比特密度。

该研究成果将加速 SOT-MRAM 商业化进程，其高速、低功耗、非易失性特质有望推动多个领域变革，例如在人工智能与大语言模型领域提升数据吞吐能效；在移动设备领域，延长电池续航，增强数据安全；在汽车电子与数据中心领域，提高热应力下的可靠性并降低能耗。