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A 64-kilobit spin–orbit torque magnetic random-access memory based on back-end-of-line-compatible β-tungsten, Nature Electronics volume 8, pages794–802 (2025)
具後段製程相容性之 β-鎢基 64-kb 自旋軌道轉矩磁性隨機存取記憶體
Yen-Lin Huang*, Ming Yuan Song, Chien-Min Lee, Yu-Wei Chen, Ching-Yu Chiang, Shih-Hsiang Chou, Liang-Chao Hsu, Heng-Jui Liu, Guan-Long Chen, Shan-Yi Yang, Yao-Jen Chang, I-Jung Wang, Yu-Chen Hsin, Yi-Hui Su, Jeng-Hua Wei, Fen Xue, Shan X. Wang, and Xinyu Bao
2026/01/27
隨著 CMOS 技術節點持續推進至 10 奈米以下，傳統電荷式記憶體（SRAM、DRAM 與 Flash）在速度、功耗與可靠度方面逐漸遭遇不可避免的微縮瓶頸。自旋軌道轉矩磁性隨機存取記憶體（SOT-MRAM）因具備非揮發性、高速操作與低能耗潛力，被視為次世代嵌入式記憶體的關鍵候選技術。然而，目前最具效率的自旋電流產生材料：β相鎢（β-W）屬於熱力學亞穩態，在半導體後段製程（BEOL）常見的 400 °C 熱預算下極易轉變為低自旋霍爾效率的 𝛼 相，嚴重限制其製程整合與實用性。
為克服上述關鍵限制，本研究提出一種創新的「W/Co 複合層」設計，透過在 6.6 nm 鎢薄膜中週期性嵌入 0.14 nm 亞單層鈷（Co），有效穩定 β-W 的晶體結構。實驗結果顯示，該複合結構可在 400 °C 下維持相態穩定超過 10 小時，並能承受 700 °C、30 分鐘的高溫退火而不發生相轉變。自旋扭矩共振（ST-FMR）量測進一步證實，其自旋霍爾導電度高達 4500 Ω-1cm-1，同時阻尼常數低至 0.007，展現出卓越的轉矩效率與低能耗特性。
基於此材料突破，我們成功實現全球首個 64 kb SOT-MRAM 記憶體陣列，達成 1 ns 超高速寫入、146% 隧道磁阻比（TMR），以及超過 10 年的資料保持能力。此研究不僅驗證了β-W在嚴苛 BEOL 條件下的可行整合性，也為高效能 CMOS–SOT 垂直整合記憶體技術奠定了邁向量產的關鍵材料基礎。