MRAM,台积电重大突破

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近年来,非易失性存储器(NVM)技术正迎来快速发展。随着人工智能、自动驾驶、物联网等新兴应用的兴起,传统的存储体系正面临速度、能耗与稳定性的多重挑战。

为兼顾“快”“省”“稳”,各类新型存储器(如ReRAM、PCM、FeRAM、MRAM等)纷纷进入研发与验证阶段,试图在“后DRAM时代”中脱颖而出。在这一背景下,磁阻随机存取存储器(MRAM)因兼具高速、低功耗与非易失性,被认为是最具潜力的通用型存储方案之一。

据报道,来自中国台湾国立阳明交通大学、台积电及工业技术研究院等机构的跨国研究团队,在MRAM技术上取得了重大突破。他们成功开发出一种基于β相钨材料的自旋轨道力矩磁阻随机存取存储器(SOT-MRAM),实现了令人瞩目的性能指标:仅需1纳秒即可完成数据切换,数据保持时间超过10年,隧穿磁阻比高达146%。这项发表在《自然电子学》(Nature Electronics)期刊上的成果,为下一代高速、低功耗存储技术的产业化应用铺平了道路。

存储技术的变革需求

当前计算系统依赖由SRAM、DRAM和闪存构成的存储层级体系。然而,随着技术节点突破10纳米关口,这些基于电荷存储的传统技术面临着严峻挑战:可扩展性受限、性能提升困难、读写干扰问题加剧、可靠性下降。特别是在人工智能和边缘计算快速发展的今天,对存储器提出了更高要求——既要具备DRAM的高速响应能力,又要拥有闪存的非易失性特征,同时还需大幅降低功耗。

在这一背景下,新兴非易失性存储技术应运而生。除SOT-MRAM外,还包括自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)、相变存储器(PCM)、电阻式随机存取存储器(RRAM)和铁电随机存取存储器(FeRAM)等。这些技术均具有非易失性、低延迟、低功耗的特点,并可与现有的CMOS半导体工艺集成,为开发新型计算架构提供了可能。

对比来看,DRAM的延迟约为14毫秒,3D TLC NAND的读取延迟在50至100微秒之间,而新型SOT-MRAM的切换速度达到1纳秒级别,几乎可与SRAM媲美,同时还保留了非易失性的优势——这意味着即使断电,数据也不会丢失。

SOT-MRAM的独特优势

SOT-MRAM之所以备受关注,源于其独特的工作原理和技术优势。它利用具有强自旋轨道耦合作用的材料产生自旋轨道力矩(SOT),实现磁性隧道结内纳米磁体的磁化翻转,从而完成数据的写入与擦除。

相比于其他存储技术,SOT-MRAM具有三大核心优势:

正是这些优势,使得SOT-MRAM有望替代高速缓存级别的SRAM,成为新一代计算系统的核心存储组件。

攻克关键技术难题

尽管SOT-MRAM的理论优势明显,但要实现产业化应用,必须解决一个关键技术瓶颈:自旋轨道耦合材料的热稳定性问题。

钨因其强自旋轨道耦合特性,是SOT-MRAM的理想候选材料。特别是稳定在A15结构(β相)的钨,其自旋霍尔角可达-0.4至-0.6,具有优异的自旋轨道力矩效率。然而,β相钨属于亚稳态,在半导体制造过程中常见的热处理条件下(通常需在400°C下持续数小时),会转变为热力学稳定的α相钨。这种相变是致命的——α相钨的自旋霍尔角仅约-0.01,自旋轨道力矩翻转效率大幅降低,使器件性能严重退化。

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研究团队的突破性方案是:在钨层中插入超薄钴层,形成复合结构。具体而言,他们将6.6纳米厚的钨层分成四段,每段之间插入仅0.14纳米厚的钴层——这个厚度小于钴的单原子层,因此钴呈不连续分布。这种精巧设计发挥了两重作用:钴层作为扩散阻挡层,抑制了钨层内的原子扩散;钴与钨之间的混合效应消耗了热预算,从而延缓了相变的发生。

实验验证令人振奋:这种复合钨结构可以在400°C下维持物相稳定长达10小时,甚至能耐受700°C高温30分钟,而传统单层钨在400°C下仅退火10分钟就发生了相变。通过透射电子显微镜、X射线衍射以及台湾光子源的纳米衍射测试,研究人员确认了β相钨的稳定性。

更重要的是,这种复合结构不仅解决了热稳定性问题,还保持了优异的自旋转换效率。通过自旋扭矩铁磁共振和谐波霍尔电阻测量,团队测得复合钨薄膜的自旋霍尔电导率约为4500 Ω⁻¹·cm⁻¹,阻尼类扭矩效率约为0.61,这些参数确保了高效的磁化翻转性能。

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性能全面验证

理论上的突破,唯有通过器件验证才能真正落地。研究团队基于复合钨薄膜方案,成功制备出64千位SOT-MRAM原型阵列,并在接近实际应用的条件下完成了全面的性能测试与验证。

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切换速度方面,器件实现了1纳秒级的自旋轨道力矩翻转速度,性能几乎可与SRAM媲美,远超DRAM与闪存。对8000个器件的统计测试显示,其翻转行为高度一致,在长脉冲(10纳秒)条件下的本征翻转电流密度仅为34.1兆安/平方厘米,展现出优异的稳定性与重复性。

数据保持能力同样出色。根据累积分布函数(CDF)估算,器件的热稳定性参数Δ约为116,意味着其数据保持时间可超过10年,完全满足非易失性存储的严格要求。

在隧穿磁阻比(TMR)测试中,器件取得了高达146%的TMR值,表明MgO与Co₄₀Fe₄₀B₂₀之间形成了高质量界面,为稳定读取裕量和可靠工艺窗口提供了有力保障。

在能耗控制方面,三端结构设计实现了读写操作的完全独立,从根本上降低了能耗,使其尤其适用于对功耗敏感的边缘计算、移动终端等应用场景。

此外,得益于台积电科研团队的参与,整个设计自立项之初便面向现有半导体后端工艺进行优化,确保了出色的工艺兼容性,为未来的大规模量产铺平了道路。

值得一提的是,研究团队还实现了无外加磁场的X型翻转。这一成果得益于复合钨材料中的对称性破缺效应,不仅进一步简化了器件结构,也提升了集成度和设计灵活性,为SOT-MRAM的工程化应用开辟了新方向。

开启存储技术新纪元

这项研究的意义远不止于实验室的技术突破,它为整个存储产业的发展指明了新方向。与许多仍停留在概念验证阶段的新型存储技术不同,基于复合钨的SOT-MRAM从设计之初就考虑了工艺兼容性和可制造性。研究团队已成功制备出64千位阵列,并计划进一步扩展至兆比特(Mb)级集成,同时将写入能耗降至每比特亚皮焦级别。

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