自旋转移矩磁随机存储器(Spin Transfer Torque - Based Magnetoresistive Random Access Memory, STT-MRAM)是一种新型的MRAM技术，它通过自旋极化电流来引起铁磁材料磁化方向的翻转，进而改变磁阻的大小来存储信息。如图5-89所示，STT-MRAM的存储介质采用磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ),由自由层、势垒层、固定层3层结构的磁薄膜构成，上下薄膜之间用绝缘层分开。存储的数据由上下两层薄膜的磁化方向决定:如果磁化方向是平行的，表现为低阻状态，代表“1”;反之，表现为高阻状态，代表“0”

传统MRAM写入时，存储器利用字线和位线中通过的电流产生的环形磁场改变磁薄膜的磁化方向。由于矫顽场的相对恒定，当存储单元尺寸缩小时，就要求具有更高的电流密度，这使得MRAM的尺寸难以缩小。STT-MRAM则解决了这一问题，其工作原理是电流感应磁化翻转(Current-Induced Magnetic Switching,CIMS)效应，即垂直于铁磁层平面的自旋极化电流会引起铁磁层磁化的翻转。当电流从自由层流向固定层时，自旋极化电子从固定层流向自由层。

自旋极化电流大到一定程度( 超过临界电流)，将使自由层的磁化方向翻转，和固定层一致，器件电阻因此发生改变。基于CIMS效应的纳米磁多层结构，其R-I特性曲线具有双稳态特性。利用MTJ的CIMS效应实现的MRAM就是STT-MRAM。STT-MRAM 器件有两种:一种是平面内MTJ (In-Plane MTJ)，其磁矩平行于衬底的硅表面;另一种是更优化的降低写电流的垂直MTJ ( Perpendicular MTJ)，其磁矩垂直于硅衬底表面，预计未来可采用10nm以下工艺实现。

STT-MRAM、RRAM和PCRAM等新型存储器通常采用电流型灵敏放大器(Current-Mode SA, CSA), 如图5-90所示。因为CSA读取电压低，可以有效抑制读打扰(Read Disturb) 现象。读取时，首先将BL钳位至读取电压URD (URD=Uclamp),然后根据单元状态对单元支路电压Ucell进行放电。若两层薄膜的磁化方向相反(Anti-parallel), MTJ表现为高阻态RAP, 单元电流IAP=UkD/RAP， 参考电流Iref=(IAP+Ip)/2，由于IAP<Iref，则Ucell>Uref,读出数据为“0”;反之，两层薄膜的磁化方向平行( Parallel), MTJ为低阻态 Rp, Ip=URD/Rp, Ip>Iref，读出“1"。

STT-MRAM集SRAM的高速度、DRAM的高密度、Flash 的非易失性为一体，操作电压低，功耗小，制作时只需要增加2~3层掩模版就可以将其嵌入CMOS逻辑工艺中; 不仅非常适合嵌入式应用，比如嵌入新一代的FPGA、CPU、MCU和SoC 中，而且随着pMTJ技术的逐渐成熟也将在数据存储领域发挥作用:因此STT-MRAM技术具有广阔的应用前景。从电路设计角度分析，STT-MRAM遇到的技术挑战主要是读取困难。由于低电阻窗口(隧穿磁阻值小)和宽电阻分布导致分辨困难，同时由于读取电流和写电流方向致 会引起误写入问题，所以必须重点研究提高分辨度和降低读打扰的读取技术。

在2016年的IEDM (国际电子器件会议)上， 三星报道了基于28nm CMOS逻辑制造工艺的嵌入式8Mbit pMTJ STT-MRAM; SK海力士与东芝的研发团队报道了首款4Gbit独立式pMTJ STT-MRAM,其单元面积为9F(2)，十分接近于DRAM单元尺寸。