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。如何實現無外磁場下定向高速寫入的SOT-MTJ納米器件仍是一大挑戰。

　　最近，中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發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平臺上聯合研發了SOT-MTJ的后道集成工藝，實現間距≤360 nm、結直徑≤140 nm、TMR高于118%、熱穩定性系數Δ達到118的隧道結陣列（圖1）。研發團隊設計了具有強層間耦合的隧道結薄膜結構，利用寫入電流產生的焦耳熱調控隧道結的耦合強度，實現單極性電流寫入的特性曲線（圖2（a））。與傳統隧道結不同，該隧道結的高低阻態取決于電流大小，而不是電流的方向（圖2（b））。這是由于電流產生的焦耳熱調控了隧道結的層間耦合場的大小，從而對SOT-MTJ的偏置場進行調制，導致不同阻態的寫入（圖2（c，d））。該器件可以實現高達1 ns的寫入速度（圖2（e）），并能夠在100℃高溫環境下穩定工作。此外，片內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計分布。