磁隨機存儲器（Magnetic random access memory，MRAM）是一種利用讀取磁阻大小為原理的新型非易失性（Non-Volatile）隨機存儲器之一（圖1）。與其他存儲技術相比（表1），MRAM在速度、面積、寫入次數(shù)和功耗方面能夠達到較好的折中，因此被業(yè)界認為是構建下一代非易失性緩存和主存的潛在存取器件之一。

圖1 存儲器類型

MRAM性能的提升，得益于磁隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）的隧穿磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）值不斷提高。磁隧道結是MRAM的基本存儲單元，其核心部分是由兩個鐵磁金屬層（典型厚度為1~2.5nm）夾著一個隧穿勢壘層（絕緣材料，典型厚度為1~1.5nm）構成類似于三明治結構的納米多層膜（圖2）。其中一個鐵磁層被稱為參考層（Reference Layer）或固定層（Pinned Layer），它的磁化沿易磁化軸方向固定不變。另一個鐵磁層被稱為自由層（Free Layer），它的磁化有兩個穩(wěn)定的取向，分別與參考層平行或反平行，這將使磁隧道結處于低阻態(tài)或高阻態(tài)，該現(xiàn)象被稱為隧穿磁阻效應。兩個阻態(tài)可分別代表二進制數(shù)據(jù)“0”和“1”，是MRAM存儲的基本原理。隧穿磁阻效應可以用自旋相關隧穿理論予以解釋，如圖3所示，對于鐵磁金屬，自旋向上和自旋向下的電子態(tài)在費米能級附近分布不均衡。當參考層與自由層磁化方向一致時，兩層鐵磁材料中處于多數(shù)態(tài)的電子自旋方向相同，隧穿概率較高，隧穿電流較大，磁隧道結呈現(xiàn)低阻態(tài)；反之，磁隧道結呈現(xiàn)高阻態(tài)。

 圖3 自旋電子隧穿原理

隧穿磁阻效應最早于1975年由法國學者Julliere在低溫下成功觀測，但在當時并未引起較多的關注，此后的研究進展也極其緩慢，原因是當時的工藝水平難以制備出高質(zhì)量的納米薄膜。

如圖4所示，直到1995年，日本東北大學Miyazaki與美國MIT Moodera兩個研究小組分別成功獲得了室溫下的隧穿磁阻效應，他們制備的磁隧道結以Al2O3作為勢壘，TMR值分別為11.8%和18%。這一成果重新喚起了人們對隧穿磁阻效應的研究熱情。隨后，為進一步推動磁隧道結在硬盤磁頭和MRAM（室溫下需要約150%或更高的TMR值）領域的應用，學術界進行了大量探索以獲取更高的TMR值。2001年，Butler和Mathon等人從理論上預言，若將磁隧道結的勢壘由無定形態(tài)的Al2O3替換為單晶MgO，將獲得更高的TMR值（理論預測可達1000%），原因是MgO晶格的對稱性對隧穿電子的波函數(shù)具有篩選作用，該機制對TMR產(chǎn)生了額外的貢獻。這一理論預言在2004年得到了證實：IBM實驗室的Parkin等人和日本AIST研究所的Yuasa等人分別成功制備了采用單晶MgO勢壘的磁隧道結，室溫TMR值達到200%左右。此后，基于單晶MgO勢壘的磁隧道結的室溫TMR實驗值不斷提高，一度（2008年）達到604%。當前主流的磁隧道結均采用單晶MgO作為勢壘層。

MRAM的寫入操作通過磁隧道結中自由層的磁化翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。早期結構設計最簡單的MRAM模型之一是交叉點型MRAM，它的寫操作受到星形線的限制，所以也稱為astroid-MRAM，其電路結構如圖6所示，磁隧道結置于字線（Digit Line）和位線（Bit Line）的交叉處，字線和位線分別沿著自由層的難磁化軸和易磁化軸方向。寫入時，被選中的磁隧道結的字線和位線分別通入電流以產(chǎn)生互相垂直的兩個磁場，它們的大小均不足以使自由層完成磁化翻轉(zhuǎn)，但二者能夠?qū)⒈舜朔较蛏系某C頑場大小降低至所產(chǎn)生的磁場以下，因此，只有交叉處的磁隧道結能夠完成狀態(tài)的寫入。這種寫入方式要求位線（或字線）產(chǎn)生的磁場足夠大以至于能夠有效地減小字線方向上（或位線方向上）的矯頑場，但同時也要足夠小以避免同一條位線（或字線）上的其余磁隧道結被誤寫入（半選干擾問題），由于工藝偏差的存在，會產(chǎn)生讀寫錯誤，所允許寫入的磁場范圍非常有限。

熱輔助式MRAM和toggle-MRAM都不能從根本上克服磁場寫入方式存在著3個固有缺陷：1）需要毫安級的寫入電流，功耗較高；2）隨著工藝尺寸的減小，寫入電流將急劇增大，難以在納米級磁隧道結中推廣應用；3）需要較長的載流金屬線產(chǎn)生磁場，電路設計復雜度較高。這些缺點限制了MRAM的應用前景，因此，以純電學方式完成磁化翻轉(zhuǎn)，成為當時MRAM研究人員追求的重要目標。

1996年，Slonczewski和Berger從理論上預測了一種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩的純電學的磁隧道結寫入方式，其基本原理如圖8（a）所示，當電流從參考層流向自由層時，首先獲得與參考層磁化方向相同的自旋角動量，該自旋極化電流進入自由層時，與自由層的磁化相互作用，導致自旋極化電流的橫向分量被轉(zhuǎn)移，由于角動量守恒，被轉(zhuǎn)移的橫向分量將以力矩的形式作用于自由層，迫使它的磁化方向與參考層接近， 該力矩被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩。同理， 對于相反方向的電流，參考層對自旋的反射作用使自由層磁化獲得相反的力矩，因此，被寫入的磁化狀態(tài)由電流方向決定。

解決上述兩個弊端的有效途徑是使用垂直磁各向異性（Perpendicular Magnetic Anisotropy）的磁隧道結，如圖9所示。垂直磁各向異性避免了磁渦旋態(tài)在薄膜邊緣的形成，在納米尺度下亦可獲得較高的各向異性場和熱穩(wěn)定性勢壘，從而提高存儲密度。而且，若采用垂直磁各向異性，則自旋轉(zhuǎn)移矩所需的臨界翻轉(zhuǎn)電流直接正比于熱穩(wěn)定性勢壘。因此，對于相同的熱穩(wěn)定性勢壘，垂直磁各向異性能夠使磁隧道結的臨界翻轉(zhuǎn)電流比面內(nèi)磁各向異性的更低，相應地，自旋轉(zhuǎn)移矩的翻轉(zhuǎn)效率更高。鑒于上述優(yōu)勢，研究人員也一直致力于采用垂直磁各向異性的磁隧道結結構建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。

此后，垂直磁各向異性磁隧道結的尺寸持續(xù)縮小以效降低臨界電流密度。這樣與之匹配的半導體CMOS電路的晶體管尺寸也能做的更小，從而節(jié)省了空間，得以提高存儲密度。2011年，Samsung報道了短軸長度僅為17nm的垂直磁各向異性磁隧道結。該尺寸的磁性隧道結的成功制備證明了基于垂直各向異性的磁性隧道結的MRAM，可以于半導體工藝22nm節(jié)點相融合。2016年IBM和Samsung合作展示了直徑為11nm的垂直磁各向異性磁隧道結，可以與半導體工藝14nm節(jié)點相匹配。同年，IMEC展示了世界上最小的垂直磁各向異性磁隧道結，其直徑僅為8nm，兼容半導體工藝10nm節(jié)點以下。由于采用 “1晶體管+1pMTJ”設計（圖10）的pSTT-MRAM結構簡單，集成度高，因而更具有市場競爭力。