垂直自旋軌道矩磁隧道結器件（SOT-MTJ）是新一代磁隨機存儲技術的核心單元，它具有非易失、高速、低功耗、讀寫壽命長等特點，極有希望成為下一代非易失磁存儲技術。但是垂直SOT-MTJ器件需要外磁場輔助才能實現(xiàn)定向寫入。外磁場的引入會導致額外的功耗、面積消耗，并會導致串擾等問題。如何實現(xiàn)無外磁場下定向高速寫入的SOT-MTJ納米器件仍是一大挑戰(zhàn)。

　　最近，中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發(fā)中心羅軍研究員團隊與華為海思團隊合作，在該中心的8英寸CMOS平臺上聯(lián)合研發(fā)了SOT-MTJ的后道集成工藝，實現(xiàn)間距≤360 nm、結直徑≤140 nm、TMR高于118%、熱穩(wěn)定性系數(shù)Δ達到118的隧道結陣列（圖1）。研發(fā)團隊設計了具有強層間耦合的隧道結薄膜結構，利用寫入電流產(chǎn)生的焦耳熱調(diào)控隧道結的耦合強度，實現(xiàn)單極性電流寫入的特性曲線（圖2（a））。與傳統(tǒng)隧道結不同，該隧道結的高低阻態(tài)取決于電流大小，而不是電流的方向（圖2（b））。這是由于電流產(chǎn)生的焦耳熱調(diào)控了隧道結的層間耦合場的大小，從而對SOT-MTJ的偏置場進行調(diào)制，導致不同阻態(tài)的寫入（圖2（c，d））。該器件可以實現(xiàn)高達1 ns的寫入速度（圖2（e）），并能夠在100℃高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。此外，片內(nèi)不同器件的電學特性具有較好的一致性（圖2（f））。該研究成果提出了一種具有可行性的無外場輔助寫入SOT-MTJ方案，并有助于實現(xiàn)高密度無外場SOT-MTJ陣列集成,為新一代大容量SOT-MRAM奠定了基礎。 

　　相關研究成果以“Field-Free Deterministic Writing of Spin-Orbit Torque Magnetic Tunneling Junction by Unipolar Current”為題發(fā)表在IEEE Electron Device Letters期刊（IEEE EDL，43，（2022）709），并獲選為編輯推薦文章。微電子所博士生楊騰智為第一作者，微電子所羅軍研究員、楊美音副研究員和華為海思葉力博士為共同通信作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院有關項目的支持。 

　　論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9733944 

　　圖1.（a）SOT-MTJ器件橫截面TEM和部分工藝頂視圖。（b）SOT-MTJ器件結構和原理示意。 

　　圖2. （a）SOT-MTJ電學寫入特性曲線。（b）SOT-MTJ存儲狀態(tài)與寫入電流密度大小的關系。（c）不同寫入操作的磁學特性原理示意。（d）矯頑場和偏置場隨寫入電流密度的變化關系。（e）臨界寫入電流密度與寫入脈沖寬度的關系。（f）隨機采樣器件的臨界寫入電流密度統(tǒng)計分布。