演示与300mm Si CMOS技术兼容的高速SOT-MRAM存储单元

东北大学的研究人员宣布了与300 mm Si CMOS技术兼容的高速自旋轨道转矩(SOT)磁阻随机存取存储单元的演示。

随着人工智能(AI)和物联网(IoT)设备的广泛采用，对低功率和高性能集成电路(IC)的需求一直在增长。使用本IC，纯粹基于CMOS的存储器(例如嵌入式闪存(eFlash)和静态随机存取存储器(SRAM))占很大一部分功耗。为了在保持高性能的同时降低功耗，已经大力开发了磁阻随机存取存储器(MRAM)。自旋转移力矩MRAM(STT-MRAM)是开发最密集的MRAM。大型半导体公司现已宣布，它们已准备好批量生产用于替换eFlash的STT-MRAM。

研究人员的目标是用MRAM代替SRAM。为了更换SRAM，MRAM必须实现500 MHz以上的高速运行。为了满足该需求，提出了一种替代的MRAM，即所谓的自旋轨道扭矩MRAM(SOT-MRAM)，其对于高速操作具有多个优点。由于这些优点，还开发了SOT-MRAM。但是，大多数实验室研究都集中在SOT设备的基础知识上。为了用SOT-MRAM替代SRAM，需要在300mm CMOS基板上演示SOT-MRAM存储单元的高性能。另外，有必要开发SOT-MRAM的集成工艺，例如，对400°C退火的耐热性，这是标准CMOS后端工艺的要求。

由远藤哲雄教授和东北大学现任校长大野秀夫教授领导的研究小组已经开发出了一种与55nm CMOS技术兼容的SOT器件的集成工艺，并在300mm CMOS基板上制造了SOT器件。新开发的SOT器件同时实现了低至0.35 ns的高速开关和足够高的热稳定性因子(E / kBT?70)，适用于高速非易失性存储应用，并具有抗400°C退火的能力。基于这一成就，研究团队将SOT器件与CMOS晶体管集成在一起，并最终在完整的SOT-MRAM存储单元中展示了高速操作。

这些成就解决了使SOT-MRAM在商业应用中变得实用的问题，因此提供了一种用SOT-MRAM替代SRAM的方法，这将有助于实现具有低功耗的高性能电子产品。

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