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面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的车规级SOT-MRAM自旋轨道矩器件与三层MTJ堆叠设
资料介绍
面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的车规级SOT-MRAM自旋轨道矩器件与三层MTJ堆叠设计
摘要
SOT-MRAM（自旋轨道矩磁阻随机存储器）通过面内电流产生自旋轨道扭矩翻转磁矩，写入速度可达0.4ns，功耗仅为STT-MRAM的1%，且支持存内计算（CIM），被视为下一代车载存算一体芯片的核心存储技术。本文针对车载存算一体芯片的超低功耗需求，系统分析了SOT-MRAM的器件原理——包括自旋轨道矩的物理机制、重金属/铁磁体双层结构设计和三层MTJ堆叠工艺，通过优化W/CoFeB/MgO叠层结构，实现了0.4ns写入速度、飞焦级写入功耗和10^15次耐久性，为车载存算一体芯片提供了超低功耗、超高速度的SOT-MRAM器件方案。
一、SOT-MRAM的基本原理
1.1 自旋轨道矩机制
SOT-MRAM利用重金属层（如W、Pt、Ta）中的自旋霍尔效应或界面Rashba效应产生的自旋轨道矩来翻转铁磁层的磁矩。与STT-MRAM中电流垂直流过MTJ不同，SOT-MRAM的写入电流在重金属层中面内流动，自旋电流垂直注入铁磁层，实现磁矩翻转。这种分离的读写路径使得SOT-MRAM的写入速度可达0.4ns，写入功耗仅为STT-MRAM的1%。
1.2 三层MTJ堆叠
SOT-MRAM的单元结构为"重金属层/铁磁自由层/MgO势垒层/铁磁钉扎层"的三层堆叠。重金属层（如W）位于底部，提供自旋轨道矩；铁磁自由层（CoFeB）位于中部，存储数据；MgO势垒层和铁磁钉扎层位于顶部，用于读取数据。
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| 面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的车规级SOT-MRAM自旋轨道矩器件与三层MTJ堆叠设计.docx | 38K |
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