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1. 簡介 磁阻隨機存取存儲器MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一種非易失性(Non-Volatile)的磁性隨機存儲器。它擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。磁性自旋電子器件如今是一個快速發展的研發領域[1][2][3]，其主要原理是通過控制電子的自旋性質來實現對其器件外部電氣功能的控制。
首次成功通過控制磁矩來實現改變金屬中電子流動的實驗來自于1857年，對于各向異性磁阻效應(Anisotropic Magneto Resistive, AMR)的發現[4]。1988年，巨磁阻效應(Gaint Magneto Resistive, GMR)被發現[5]。接著在1991年，由Al2O3作為絕緣層的MTJ被提出[6]~[14]。
2. 工作原理
2.1 磁性隧道結器件
磁性隧道結器件（Magnetic Tunnel Junction， MTJ）被認為在將來的非易失性存儲和可編程邏輯芯片領域最具前景的技術。它的結構如圖1所示。最典型的MTJ結構有三個層次的工藝材料堆疊而成，其中位于上、下兩層結構為磁性材料，常見為CoFeB等；中間Tunnel Barrier層為絕緣層，常見為MgO、Al2O3等。磁性材料層中的電子具有特性的自選方向，而上、下兩層中的電子自旋方向或為相同、或為相反。中間絕緣層雖然不能導電，但其厚度極薄，典型尺寸為幾納米，因此上、下兩個層次中的電子一定概率下會通過中間的絕緣層發生隧穿現象。根據上、下兩層中電子自旋方向的相同或相反狀態，電子發生隧穿現象的概率有所不同，對外則表現成兩個不同的阻值：當上、下兩層中電子自旋方向相同時，其中一個層次中的磁多子——即自旋方向相同的電子——隧穿至另一個層次并成為該層次的磁多子的概率就會相對較大，因此對外表現的阻值就較小，一般稱之為RP (Resistance of Parallel)；當上、下兩層中電子自旋方向相反時，其中一個層次中的磁多子隧穿到另一個層次中就會成為磁少字，因此隧穿的概率就會相對小很多，對外表現的阻值就會較大，一般稱之為RAP (Resistance of Anti-Parallel)。當電流流經MTJ時，電流可以被Reference Layer自旋極化，并運用自旋轉矩來極化Free Layer，因此，MTJ可以被一個寫電流來改變狀態，這個性質被稱為自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque)。
圖1. 典型磁性隧道結器件結構
Reference LayerTunnel BarrierFree LayerAnodeCathod
2.2 磁阻隨機存取存儲器MRAM
MRAM陣列有兩種結構形式：交叉點結構（XPT）以及1晶體管-1MTJ（1T1MTJ）結構，如圖2及圖3所示。。
圖2.XPT結構 MRAM陣列及字線與位線
如圖2所示，XPT結構中，基于MTJ的MRAM位單元分布在相互垂直的雙層導線柵格上。上層的導線叫位線（BIt lince），下層的導線叫字線(Word line)。MTJ器件位于兩層導線之間，水平位置的每一個交叉點上。為了讀出一位信息，電流將流過對應的底部字線，沿著被選通的單元向上流出。邏輯電路則感應出縮在連接的頂部位線上相應的電流。寫入是通過對對應的字線通電，同時讓電流流過位線來實現的。
該結構具有很高的集成度。并且由于不需要與硅結構接觸，因此該陣列也可以堆疊，從而進一步提高集成度與MRAM密度。然而，該結構的靜態電流及功耗是一個問題。并且，單元中沒有其他元器件可以幫助選通該單元，因此位線上其他單元的電流會干擾到備選通單元的讀取。
圖3. 1T1MTJ結構MRAM陣列單元
1T1MTJ結構如圖3所示，每一個MTJ都連接一個n型晶體管（NMOS）。該晶體管的柵極為讀字線（Read Word Line, RWL）。該晶體管用于讀取操作中選通單元。寫字線（Write Word Line， WWL）并不接觸MTJ。RWL和WWL相互平行，且同位線垂直。位線同MTJ的自由層接觸。NMOS管的源極接地，漏極通過一層薄互聯層連接到MTJ的固定層。
由于晶體管的尺寸，以及需要為晶體管與MTJ之間互聯層所留空間所限，1T1MTJ結構的密度要低于XPT結構。并且由于每個單元都要在下面連接到硅，所以該結構也難于堆疊。
然而該結構具有一些優勢。在寫操作中，所有RWL電壓為低，從而消除了寫操作中丟失寫電流的可能性。并且，在讀過程中，只有被選通的單元RWL被拉高。從而避免了位線上其他MTJ的電流干擾讀操作。
1T1MTJ結構一般來說更被普遍接受。
2.3 MRAM研究進展
MRAM研究主要分兩個方向：提高MTJ的GMR或TMR；以及研究MRAM新型結構。
2.3.1提高GMR或TMR
中國科學院物理研究所韓秀峰教授曾取得一系列成果[15][16][17]。2000年制備出室溫磁電阻比為50%（4.2K下為70%）的CoFe/Al-O/CoFe結構，是當時國際上最高水平；2004年制備出4.2K下TMR高達20%的有機LB膜復合磁性隧道結；同年他們還制備出4.2K下TMR高達3000%~9050%的半金屬復合磁性隧道結；2006年制備出室溫磁電阻比為80%（4.2K下高于100%）目前最好水平的非晶金屬Co60Fe20B20/Al-O/ Co60Fe20B20結構。
2.3.2 自由層材料
MRAM通常采用CoFe及CoFe/NiFe等作為自由層材料。2002年Sony公司采用了CoFeB的非結晶膜，是的磁阻比值大幅度增加[18]。2004年美國NVE公司和日本ANELVA公司在固定層和自由層上全部采用CoFeB，室溫下磁阻率高達70%。
2.3.3 新型MRAM結構
FreescaleTM Semiconductor公司為解決傳統三明治結構在交叉陣列中所面臨的諸如“寫裕量”等弊病，率先提出了“選檔切換開關（Toggle-mode switching）型MRAM”[19]。該結構中，自由層和固定層并非單純的貼瓷板，而是合成的反鐵磁體三明治結構，由兩個反向對準的鐵磁材料以及兩層材料之間所夾的一層非磁性材料耦合隔層而組成。該結構避免了磁場交疊而導致的可擴展性的問題。
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