MRAM，台积电重大突破

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文章摘要

【关键词】 非易失性存储器、MRAM技术、存储技术、半导体研究、人工智能应用

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。其中，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。

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1纳秒的数据切换速度，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》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。

当前计算系统依赖由SRAM、DRAM和闪存构成的存储层级体系，但随着技术节点突破10纳米关口，这些传统技术面临可扩展性受限、性能提升困难、读写干扰问题加剧等挑战。新兴非易失性存储技术应运而生，其中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。

SOT-MRAM利用具有强自旋轨道耦合作用的材料产生自旋轨道力矩，实现磁性隧道结内纳米磁体的磁化翻转。相比于其他存储技术，它具有高速写入、高能效和高可靠性三大核心优势。三端结构设计将读写电流路径完全分离，有效解决了STT-MRAM面临的耐久性问题和磁性隧道结电阻限制，显著降低了能耗。

研究团队通过插入超薄钴层形成复合结构，攻克了β相钨热稳定性的关键技术难题。这种设计使复合钨结构可以在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。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，确保了高效的磁化翻转性能。

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。测试显示，其翻转行为高度一致，在长脉冲条件下的本征翻转电流密度仅为34.1兆安/平方厘米。器件的热稳定性参数Δ约为116，数据保持时间可超过10年。隧穿磁阻比测试中，器件取得了高达146%的TMR值，表明形成了高质量界面。

这项研究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。研究团队计划进一步扩展至兆比特级集成，同时将写入能耗降至每比特亚皮焦级别。

在人工智能和边缘计算场景中，SOT-MRAM展现出独特优势。其非易失性意味着设备可快速启停而不丢失数据，对电池供电的物联网终端尤为有利。同时，SOT-MRAM的出现或将推动存储层级体系的重构，传统的三级架构可能迎来变革，SOT-MRAM有望填补SRAM与DRAM之间的性能空白。

在材料科学层面，研究中提出的“复合层稳定亚稳态相”策略为其他功能材料的相稳定性研究提供了新思路。这项突破或将推动计算架构创新，让“存算一体”等新型架构更加可行，为突破传统冯·诺依曼结构的“存储墙”瓶颈提供了新的路径。