台积电实现 MRAM 重大突破，引领存储技术新变革

近年来，随着人工智能、自动驾驶、物联网等新兴应用的蓬勃发展，传统存储体系正面临着前所未有的挑战。在速度、能耗与稳定性方面，传统存储技术已难以满足日益增长的需求。为了兼顾 “快”“省”“稳”，各类新型存储器纷纷进入研发与验证阶段，试图在 “后 DRAM 时代” 中崭露头角。其中，磁阻随机存取存储器（MRAM）因其兼具高速、低功耗与非易失性的特点，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。该存储器仅需 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%。这一成果发表在《自然电子学》（Nature Electronics）期刊上，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诸多严峻挑战。可扩展性受限、性能提升困难、读写干扰问题加剧、可靠性下降等问题日益凸显。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。

在这样的背景下，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，即即使断电，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：

●高速写入：通过自旋轨道力矩效应，可在纳秒级时间内完成磁化翻转，这比传统磁场驱动方式快得多。

●高能效：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。

●高可靠性：由于读写操作相互独立，器件的耐久性大幅提升，可承受更多次的读写循环，同时长期数据保持能力出色。

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。

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。

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。

在切换速度方面，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。

在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。

在人工智能和边缘计算场景中，SOT - MRAM 也展现出独特优势。AI 训练与推理过程中的高频数据访问是能耗的主要来源，而 SOT - MRAM 凭借高速、非易失和低功耗的特性，可作为 AI 加速器的片上缓存，显著降低系统能耗。在边缘设备中，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 “SRAM 缓存 —DRAM 主存 — 闪存外存” 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，甚至在部分应用中取代其中一者，从而简化架构、提升系统效率。

在材料科学层面，研究中提出的 “复合层稳定亚稳态相” 策略不仅适用于钨，也为其他功能材料的相稳定性研究提供了新的思路。团队计划进一步探索新型氧化物与二维界面材料，以提升整体性能与可靠性。更为深远的是，这项突破或将推动计算架构创新。高速、低功耗的 SOT - MRAM 让 “存算一体”（In - Memory Computing）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。

目前来看，基于复合钨的 SOT - MRAM，通过巧妙的材料设计解决了 β 相钨的热稳定性难题，实现了纳秒级切换与超长数据保持的完美结合。这不仅是一项学术成果，更是为下一代计算系统准备的核心技术储备。对于研究团队来说，他们的目标不仅是展示优异的实验室性能，更要通过系统级验证，展示 MRAM 如何在实际应用中显著降低整体功耗，推动 AI、边缘计算和移动设备的技术革新。随着从千位级向兆位级集成的推进，我们有理由期待，这种新型存储器将在不久的将来走进我们的智能设备，开启存储技术的新纪元。