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(shù)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(rèn)為是構(gòu)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(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）的隧穿磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）值不斷提高。磁隧道結(jié)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(gòu)成類似于三明治結(jié)構(gòu)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(jié)處于低阻態(tài)或高阻態(tài)，該現(xiàn)象被稱為隧穿磁阻效應(yīng)。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(yīng)可以用自旋相關(guān)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(dāng)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(jié)呈現(xiàn)低阻態(tài)；反之，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)高阻態(tài)。

 圖3 自旋電子隧穿原理

隧穿磁阻效應(yīng)最早于1975年由法國學(xué)者Julliere在低溫下成功觀測，但在當(dāng)時并未引起較多的關(guān)注，此后的研究進展也極其緩慢，原因是當(dāng)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(xué)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(yīng)，他們制備的磁隧道結(jié)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(yīng)的研究熱情。隨后，為進一步推動磁隧道結(jié)在硬盤磁頭和MRAM（室溫下需要約150%或更高的TMR值）領(lǐng)域的應(yīng)用，學(xué)術(shù)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(yù)言，若將磁隧道結(jié)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(yù)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(yù)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(jié)，室溫TMR值達到200%左右。此后，基于單晶MgO勢壘的磁隧道結(jié)的室溫TMR實驗值不斷提高，一度（2008年）達到604%。當(dāng)前主流的磁隧道結(jié)均采用單晶MgO作為勢壘層。

MRAM的寫入操作通過磁隧道結(jié)中自由層的磁化翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。早期結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)如圖6所示，磁隧道結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)中推廣應(yīng)用；3）需要較長的載流金屬線產(chǎn)生磁場，電路設(shè)計復(fù)雜度較高。這些缺點限制了MRAM的應(yīng)用前景，因此，以純電學(xué)方式完成磁化翻轉(zhuǎn)，成為當(dāng)時MRAM研究人員追求的重要目標(biāo)。

1996年，Slonczewski和Berger從理論上預(yù)測了一種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩的純電學(xué)的磁隧道結(jié)寫入方式，其基本原理如圖8（a）所示，當(dāng)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(dǎo)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(jié)，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(jié)的臨界翻轉(zhuǎn)電流比面內(nèi)磁各向異性的更低，相應(yīng)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(jié)結(jié)構(gòu)建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。

此后，垂直磁各向異性磁隧道結(jié)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(dǎo)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(jié)。該尺寸的磁性隧道結(jié)的成功制備證明了基于垂直各向異性的磁性隧道結(jié)的MRAM，可以于半導(dǎo)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(jié)，可以與半導(dǎo)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(jié)，其直徑僅為8nm，兼容半導(dǎo)體工藝10nm節(jié)點以下。由于采用 “1晶體管+1pMTJ”設(shè)計（圖10）的pSTT-MRAM結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，因而更具有市場競爭力。