MRAM是磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Magneto-resistiveRandom Access Memory ）的縮寫(xiě)。MRAM是一種非揮發(fā)性電腦存儲(chǔ)器（ NVRAM ）技術(shù)，從20世紀(jì)90年代以來(lái)開(kāi)始開(kāi)發(fā)就已經(jīng)取得驚人的進(jìn)展。MRAM存儲(chǔ)器最終將成為占主導(dǎo)地位的并取代其它所有類型的存儲(chǔ)器，并成為一個(gè)真正的“通用存儲(chǔ)器”。實(shí)用型MRAM芯片主要利用隧道磁阻（TMR）效應(yīng)，之前的巨磁阻（ GMR）或更早以前的異性磁阻（AMR）都不具備實(shí)用性。

MRAM芯片的概念1972年就已經(jīng)提出，但直到1988年GMR和1995年TMR的發(fā)現(xiàn)，才使得MRAM具有了實(shí)用性的前景。

最簡(jiǎn)單的MRAM存儲(chǔ)單元可以采用一個(gè)金屬三明治結(jié)構(gòu)，包括2個(gè)為一個(gè)非常薄的絕緣體分割開(kāi)來(lái)的三層膜結(jié)構(gòu)（ TMR結(jié)構(gòu)）。底層的磁矩是固定的（“釘扎的”），稱為固定層﹐而頂層的N—s極走向是雙穩(wěn)態(tài)式的（可變的），被稱為自由層。頂層的磁矩方向可以在與底層相同和相反兩個(gè)狀態(tài)間切換。

由于有量子隧道效應(yīng)存在，這種三明治結(jié)構(gòu)中的薄絕緣層可以流過(guò)小的電流。如果電子穿越絕緣體勢(shì)壘時(shí)保持其自旋方向不變，即兩層磁性材料磁矩平行的話，材料呈現(xiàn)低電阻;如果兩層磁性材料磁矩反平行的話﹐材料呈現(xiàn)高電阻。這種通過(guò)控制2個(gè)疊放的磁性薄膜磁矩的平行和反平行來(lái)改變電阻的原理被稱為磁致電阻效應(yīng)（Magnetore-sistive）。

2塊極板間的間隙被稱為磁隧道結(jié)（M TJ）。因?yàn)榀B層中頂層具有2個(gè)相反的穩(wěn)定態(tài)（與底層平行或反平行），它可以儲(chǔ)存一個(gè)二進(jìn)制的量值。該單元的平行態(tài)（低電阻）往往指示0，它的反平行（高阻態(tài)）往往代表1。利用薄膜阻抗根據(jù)磁化方向是否一致而變化的特性，系統(tǒng)可以判別數(shù)據(jù)位為0或1。較早的MRAM采用GMR技術(shù)。

由于在GMR薄膜下О和1之間的阻抗變化非常小，所以在指示磁性方向?yàn)?或1時(shí)電壓變化也微不足道，而差異不大意味著在檢測(cè)電壓時(shí)更容易受到外界影響，因此在裝有GMR薄膜的MRAM上，會(huì)執(zhí)行兩次讀取程序，以保證數(shù)據(jù)的正確。由于GMR薄膜與MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）串聯(lián)，這就要求兩者的阻抗必須匹配，而GMR薄膜的阻抗本來(lái)就很低，高阻抗的MOSFET使GMR薄膜的感應(yīng)很困難。要和MOSFET相匹配，則GMR薄膜必須要有較大的面積。這個(gè)條件給提高GMR芯片的集成度造成一定困難。

TMR是一種對(duì)GMR的更新技術(shù)，當(dāng)磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器在采用了TMR薄膜之后，上述問(wèn)題迎刃而解﹐不但可以減小芯片體積，而且不需要進(jìn)行重復(fù)讀取提高了速度。

圖1 MRAM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖

基于磁致電阻的MRAM位單元需要分布在相互垂直的雙層導(dǎo)線柵格上（圖1）。上層的導(dǎo)線叫位線，下層的導(dǎo)線叫字線。由于必須經(jīng)過(guò)該單元的頂板和底板﹐而不至于真正接觸到它們，位線和字線間的垂直距離需要略大于MRAM位單元本身的高度。MRAM位單元夾在兩層線之間﹐水平位置在每個(gè)交叉點(diǎn)上。為了讀出一位信息，電流將流過(guò)對(duì)應(yīng)的底部字線，沿著所選通的單元向上流出，邏輯電路則感應(yīng)出在所連接的頂部位線上的相應(yīng)電流。寫(xiě)入是通過(guò)向恰當(dāng)?shù)淖志€通電，同時(shí)讓電流流過(guò)位線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電流或者形成對(duì)準(zhǔn)方向（寫(xiě)入0），或者形成反對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)（寫(xiě)入1）。

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