MRAM技術(shù)簡(jiǎn)介
20世紀(jì)80年代，法國(guó)Albert Fert與德國(guó)Peter Grünberg兩位科學(xué)家在研究磁/非磁納米多層膜的層間耦合時(shí)發(fā)現(xiàn)了巨磁阻（Giant Magneto Resistance，GMR）效應(yīng)，揭示了磁性納米薄膜結(jié)構(gòu)中電子自旋與電子輸運(yùn)過(guò)程的關(guān)聯(lián)及調(diào)控方法，孕育了迄今為止容量最大、應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代電腦硬盤，對(duì)信息存儲(chǔ)領(lǐng)域起到了劃時(shí)代的推動(dòng)作用，兩位科學(xué)家因此獲得2007年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
Albert Fert（左圖）和 Peter Grünberg（右圖）
在GMR效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。1995年變化率更大、更穩(wěn)定的隧穿磁阻效應(yīng)（Tunneling Magneto Resistance，TMR）被發(fā)現(xiàn)，2002年TMR磁頭替代GMR磁頭進(jìn)入市場(chǎng)，使硬盤的記錄密度更進(jìn)一步提升。
除了硬盤，TMR效應(yīng)也孕育了另一種磁性存儲(chǔ)器——磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）。Toggle-MRAM是第一代商用MRAM，以電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)改變自由層磁化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入功能。它具有無(wú)限擦寫次數(shù)、抗輻射、寬工作溫度范圍等特性，但難以進(jìn)一步突破密度和功耗限制。
Toggle-MRAM（左圖）和 STT-MRAM（右圖）
1996年，Slonczewski和Berger預(yù)測(cè)了電流自旋轉(zhuǎn)移力矩（Spin Transfer Torque，STT）作用，該效應(yīng)在1999年被實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。利用電流STT作用，可以制作全電流寫入的MRAM，即STT-MRAM。STT-MRAM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)密度高、功耗低、速度快等優(yōu)勢(shì)。2011年日本東北大學(xué)展示了垂直磁化的CoFeB/MgO/MgO磁性隧道結(jié)（MTJ），基于垂直磁化的MTJ的寫入電流具有更好的可微縮性，在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)、高密度存儲(chǔ)需求中擁有巨大的應(yīng)用潛力。
目前世界上多家知名半導(dǎo)體巨頭如IBM、GlobalFoundries、Samsung、TSMC、UMC、SK Hynix、KIOXIA等和一些專注于MRAM的初創(chuàng)公司均在開展STT-MRAM相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)。