近日，北京航空航天大学与致真存储（北京）科技有限公司联合攻关，成功研制出全球首颗 8Mb 容量自旋轨道力矩磁随机存储器芯片。
相关论文《全球首颗8 Mb SOT-MRAM：从器件突破到晶圆级制造》已发表在《集成电路与嵌入式系统》2026年第1期，标志着我国在新型存储器领域取得重大进展，为 SOT-MRAM 从实验室走向产业化铺平了关键道路。
⒈产业背景，为何需要新一代存储？
 

人工智能、边缘计算及高可靠嵌入式系统的蓬勃发展，对存储器提出了前所未有的综合要求：高速、低功耗、非易失、高可靠。传统存储方案已面临瓶颈。

静态随机存储器虽快，但面积大、漏电高；闪存虽是非易失的，但写入慢、能耗高，在先进工艺下可靠性受到挑战。市场急需一种能兼顾性能与能效的新型存储技术。

磁随机存储器被视为突破存储瓶颈的重要方向。其中，自旋轨道力矩磁随机存储器因其读写路径分离、写入可靠性极高、速度可达亚纳秒级，并与 CMOS 工艺高度兼容，被公认为最具潜力在嵌入式领域替代 SRAM 的新一代存储技术。

它的核心价值在于，在保持接近 SRAM 速度的同时引入非易失性，从而大幅提升系统能效与可靠性，并显著降低待机功耗。
图1  随着MRAM 技术逐渐成熟,SOT-MRAM、嵌入式STT-MRAM、大容量cross-point MRAM 分别找到相应应用定位

⒉现实挑战，容量扩展的难题

尽管 SOT-MRAM 优势突出，但走向产业化，尤其是实现大容量，一直面临严峻挑战。

由于其存储单元通常采用三端结构，单元面积相对较大。在确保写入电流密度、热稳定性和可靠性的多重约束下，器件微缩与互连设计极为复杂。如何在维持高性能与高可靠性的前提下，实现容量的有效提升，是产业化的核心难题。

此次团队实现的 8Mb 容量突破，正是攻克了这一关键问题，为 SOT-MRAM 的大规模应用扫清了重要障碍。

⒊制造突破，自主可控的混合集成工艺
 

SOT-MRAM 芯片制造的核心，在于磁隧道结特种工艺与标准 CMOS 工艺的深度融合与集成。

研究团队构建了一套 自主可控的 8 英寸制造平台，并形成了独特的混合集成技术路线：

• 前后道分工：晶体管阵列、底层金属布线等标准 CMOS 工艺由代工厂完成；晶圆随后转入团队自建的 8 英寸自旋芯片工艺线，进行核心的特种工艺加工。

• 界面预处理：自主研发的界面工艺，集成了应力可调介质层、高密度通孔填充和高均匀性抛光技术，为后续磁性薄膜的精准沉积提供了 原子级平整的界面。

• 核心材料与器件工艺：通过材料工程，开发出具有高自旋-电荷转换效率的 SOT 电极技术。同时对 MTJ 膜堆（特别是 MgO 势垒层）进行深度优化，获得了高性能、高稳定的核心存储单元。

• 微纳加工与集成：建立了全流程工艺体系，攻克了 150nm 特征尺寸的 Y 型 SOT-MTJ 高密度阵列 制备难题，实现了低损伤刻蚀与精准集成。

这一套工艺路线，全面兼容主流国产 CMOS 产线，为低成本、高可靠的量产奠定了坚实基础。


图2  本团队已实现风险量产的SOT-MRAM 芯片晶圆以及自主开发的SOT-MRAM 混合集成工艺结

⒋性能卓越，实测数据说话

基于该工艺制造的晶圆级 SOT-MTJ 器件，展现了卓越的电学性能：

• 超高速写入：支持亚纳秒级的数据写入速度。

• 超高可靠性：写错误率可低至 10^{-6} 水平。

• 超低功耗：在亚纳秒至数纳秒的写入脉宽下，每比特写入能耗低于 1 pJ，且器件间一致性良好。

这些数据充分验证了 SOT-MRAM 高速、高可靠、低功耗的固有优势。

图3  晶圆级SOT-MTJ器件电学性能表征
⒌芯片实现，全球首颗8Mb SOT-MRAM
 

基于上述成熟工艺，团队成功流片并验证了 8 Mb SOT-MRAM 存储芯片。

• 先进架构：芯片采用多层存储体阵列结构，集成 ECC 纠错电路，自动将 8 位输入数据编码为 13 位带纠错能力的数据格式，极大提升了数据可靠性。

• 冗余设计：阵列中包含冗余行，可替换故障单元，有效提高了芯片良率和可靠性。

• 可靠参数：芯片采用 110 nm 国产工艺，工作电压 3-3.6V，支持 -40°C 至 125°C 的宽温范围，写入速度达 20 ns，数据保持时间超过 10 年。

北京航空航天大学与致真存储公司的此项合作，成功将 新一代自旋轨道力矩机理 与 高良率晶圆级制造工艺 深度融合，实现了 SOT-MRAM 容量的规模化突破。

图4  SOT-MRAM 内存储体结构和存储芯片顶层架构
 

这不仅是技术上的重要里程碑，更 为我国在全球高端存储芯片竞争中赢得了主动权。它清晰地指出了一条从材料、器件、工艺到芯片设计的全链条创新路径，对推动我国新型存储器产业发展具有重要的 引领和示范意义。

随着人工智能与边缘计算需求的持续爆发，兼具速度、能效和非易失性的 SOT-MRAM，有望在未来数年内，在高速缓存、嵌入式存储等关键领域开启全新的应用格局。这场由新材料物理驱动、从器件创新到制造集成的存储革命，正在中国科研与产业力量的推动下，加速照进现实。

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