替代SRAM，新选择！

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文章摘要

超快且易失性的SRAM一直是高性能计算架构中的关键组件，但随着位密度扩展速度放缓和待机功率问题的出现，业界开始寻求替代方案。自旋轨道扭矩（SOT）MRAM因其低待机功耗、高切换速度、耐用性、可靠性和可扩展性等优势，被视为SRAM的有前途的替代品。SOT-MRAM的基本构造块是磁隧道结（MTJ），通过施加电流并测量隧道磁阻（TMR）来读取存储器位单元，而写入则是通过自旋极化电流注入MTJ来实现。

近年来，SOT-MRAM技术取得了显著进展。最先进的SOT-MRAM单个器件已在300毫米晶圆上展示了开关速度，垂直MTJ磁化被认为是提高微缩潜力的重要一步。此外，SOT-MRAM的技术就绪水平也得到了提升，通过消除对外部磁场的需求，增强了该技术的实际适用性。Imec通过将平面内磁性层作为SOT轨道的一部分，展示了一种无场切换方法，取代了外部磁场的作用。

为了降低与切换自由层磁化所需的高注入电流相关的动态功耗，imec在IEDM 2022上展示了一种在写入操作期间使用电压门辅助的方法，降低了切换的能量势垒，并减少了位单元面积。通过缩放SOT轨道的尺寸，可以进一步改善开关能量。在IEDM 2023上，imec展示了可以将SOT-MRAM设备扩展到极限，使SOT轨道和MTJ柱具有可比的占用面积，这是实现大位单元密度的里程碑。

尽管SOT-MRAM已经实现了切换速度和耐久性等关键规格，但重新设计材料堆栈带来了进一步优化性能和可靠性参数的机会，例如保留率、BEOL兼容性、对外部磁影响的鲁棒性和写入错误率（WER）。在IEDM 2024上，imec提出了一种用于MTJ的创新复合自由层，从而可以更可靠地切换SOT-MRAM设备。这种新型自由层堆栈由合成反铁磁（SAF）结构制成，允许独立优化TMR和SOT切换操作。

MRAM设备的操作完全由电控制，但外部磁场很容易破坏设备性能。imec提供了第一个实验证据，表明外部磁场的强度和方向都会对MRAM器件的主动写入磁抗扰度产生负面影响。这项研究是在STT-MRAM器件上进行的，但主要结论预计也适用于SOT-MRAM器件。

最后，imec在VLSI 2024上首次展示了一个功能阵列，该阵列可作为表征各种SOT-MRAM配置的平台。该阵列用途更广泛，因为它还可用于表征STT-MRAM。imec已使用阵列来表征通过减小SOT轨道尺寸而将其尺寸缩小到极限的SOT-MRAM器件，并提出了一种新颖的集成解决方案来解决在尺寸极其微小的器件中SOT轨道宽度减小到柱子的直径时，柱子的侧壁很容易在连续的SOT图案化步骤中暴露和损坏的问题。

总之，SOT-MRAM器件已被确定为在末级缓存应用中替代SRAM的潜在候选器件。imec解决的一些剩余挑战使该技术更接近实际规格。MTJ材料堆栈的重新设计使器件级切换更加可靠，并且对外部磁场的影响具有更大的鲁棒性。磁抗扰度的补充研究揭示了如何保护器件免受外部磁场影响的有用见解。最后，功能阵列的演示为工业应用之路树立了里程碑。