MRAM：台积电(TSM.US)的重要进展

近年来，台积非易失性存储器(NVM)技术快速发展。电T的重随着人工智能、进展自动驾驶和物联网等新兴应用的台积兴起，传统存储系统正面临速度、电T的重能耗与稳定性的进展挑战。为了满足“快”“省”“稳”的台积需求，各类新型存储器（如ReRAM、电T的重PCM、进展FeRAM、台积MRAM等）进入研发阶段，电T的重争取在“后DRAM时代”中占据一席之地。进展磁阻随机存取存储器(MRAM)因其高速、台积低功耗和非易失性，电T的重被认为是进展极具潜力的通用存储解决方案。

据报道，加拿大台积电及相关机构在MRAM技术上取得了重大突破，成功开发出基于β相钨材料的自旋轨道力矩磁阻随机存取存储器(SOT-MRAM)。该技术实现了显著的性能指标：数据切换时间仅需1纳秒，数据保持时间超过10年，隧穿磁阻比高达146%。这项成果发表于《自然电子学》(Nature Electronics)期刊。

存储技术的变革需求

如今的计算系统依赖SRAM、DRAM和闪存等存储层级体系。随着技术发展突破10纳米，传统的基于电荷存储的技术面临极大挑战，尤其是在人工智能和边缘计算迅速发展的背景下，对存储器的需求日益严苛——需要兼具DRAM的高速特性、闪存的非易失性并显著降低功耗。

新兴非易失性存储技术正是应运而生，例如，SOT-MRAM、STT-MRAM、PCM、RRAM和FeRAM等，这些技术具备非易失性、低延迟和低功耗的特点，并能与现有CMOS半导体工艺集成。相较于DRAM的14毫秒延迟和3D TLC NAND的50至100微秒读取延迟，SOT-MRAM在纳秒级实现数据切换，同时保持非易失性特点——即便断电，数据依然保留。

SOT-MRAM的独特优势

SOT-MRAM因其独特的工作原理和技术优势而受瞩目。其运用具有强自旋轨道耦合的材料，通过自旋轨道力矩实现数据的写入与擦除。SOT-MRAM相较其他存储技术有三大核心优势：

1. **高速写入**：利用自旋轨道力矩效应，实现纳秒级的磁化翻转。

2. **高能效**：三端结构设计将读写电流路径分离，显著降低能耗并提高耐久性。

3. **高可靠性**：读写操作独立提高器件耐久性，并有效保持数据。

这些优点使得SOT-MRAM有能力替代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在理论上具有明显优势，但要实现产业化还需解决自旋轨道耦合材料的热稳定性问题。钨因其卓越的自旋轨道耦合特性成为理想材料，尤其是β相钨，然而该材料在常规热处理下会转变为热稳定的α相钨，导致器件性能下降。

研究团队的突破是将超薄钴层插入钨层，形成复合结构以抑制原子扩散和延缓相变。实验表明，这种复合钨结构在400°C的热处理条件下，可以维持物相稳定长达10小时。

性能全面验证

研究团队成功制备出基于复合钨的64千位SOT-MRAM原型，并在接近实际应用条件下进行全面性能测试，器件实现了纳秒级的自旋轨道力矩翻转速度，表现超越传统存储器，显示出优异的稳定性。

在数据保持能力方面，估算热稳定性参数显示器件的保持时间超过10年。在隧穿磁阻比测试中，器件达到了146%的高值，确保稳定读出并提供可靠的工艺窗口。

在能耗控制上，独立的读写操作设计根本降低了能耗，让SOT-MRAM非常适合边缘计算和移动终端应用。此外，由于台积电团队的参与，整个设计朝向现有半导体后端工艺优化，确保未来大规模生产的可行性。

结论

基于复合钨的SOT-MRAM通过材料设计成功解决了热稳定性问题，实现了纳秒级切换与超长数据保持的结合。这项研究不仅提供了核心技术储备，也为存储技术的未来指明了方向。随着向兆位级集成的发展，这种新型存储器将在不久的将来走入我们的智能设备，开启全新的存储技术时代。

本文编选自“半导体行业观察”微信公众号，作者：邵逸琦;XM外汇官网编辑：何钰程。