STT RAM (Spin Torque Transfer Random Access
Memory) 是 MRAM (Magnetic Random Access Memory) 的一種運作形式，目前主要的用途為記憶體，將來有機會成為儲存器 (storage) ，也可以成為邏輯運算元件，成為電子元件的終極統一元件。
壹、自旋電子學 (spintronics) [1]
過去的半導體利用的電子特性都只用了電荷，像 DRAM 中儲存在電容中的電荷、 flash 儲存在 charge trap 中的電荷 、或者是金屬線、電晶體中流動的電荷。但是電子還有另一個特性―自旋
(spin) [2] 以前未被應用到電子元件之中。
自旋是電子的角動量 (angular momentum) [3]，它是在量子力學於上世紀發展後被發現的物理量。你可以想像一個快速旋轉的電子由於其上電荷快速轉動、而流動的電荷―也就是電流―會產生磁場，所以在其轉動軸上－也就是角動量的方向―上有一小磁矩 (magnetic moment) [4]，注意小磁矩是有方向性的。。所以電子帶有電荷，也帶有磁矩。自旋由於其磁矩的性質，它會與外加磁場交互作用；也可以與物質中原子的軌域角動量 (orbital angular momentum) 交互作用， 稱為自旋―軌域作用 (spin-orbit interaction) [5]。
為什麼以前只有電荷的特性被應用在積體線路上？因為電荷是守性的，而自旋的方向不是。守恆的量在應用上比較容易，而自旋的方向很容易受到干擾，譬如行經物質時受原子軌域角動量的作用、或者受熱擾動 (thermal fluctuation) [6] 的影響而改變方向，所以不容易當成儲存或攜帶訊息的載體。電子自旋的平均自由程 (mean free path) [7] 一般就只有幾十到幾百奈米之間。
利用電荷的積體線路有個致命的缺點，電荷流動時會因焦耳效應 (Joule effect) [8] 而發熱，這個問題在半導體製程邁向十幾奈米時已經很嚴重了，先進製程的半導體元件大概有近半的能量消耗在無用的發熱上，將來只會更嚴重。相反的，自旋的方向由於凝態物理的研究―特別是在材料上的新發展，已經比較能有效掌控；而自旋方向的翻轉與自旋的傳遞相對的只需要較少的能量，所以在積體線路的未來應用成為主要的研究方向之一。
自旋電子學其實已經被應用於每個人的生活之中，包括硬碟中的讀取頭、GPS 中感應地磁的磁阻感測器 (magnetoresistance sensor) 等，STT
RAM 是自旋電子學的另一新應用。
貳、磁性隧道連接 (MTJ；Magnetic
Tunnel Junction) [9]
基本的記憶體單元中通常包括了一個電晶體 (transistor) 和一個儲存單元，譬如 DRAM 中的 1T1C―一個電晶體和一個電容 (capacitor)。儲存單元是用以儲存代表 0 與 1 的訊號，而電晶體則用於讀、寫訊號。STT RAM 則是 1T1M，其中的儲存單元 M 就是 MTJ。
典型的 MTJ為多層薄膜結構。其中最核心的四層為上圖中紅框中之四層，由上而下依次為自由層 (free layer)、氧化層、固定層 (fixed layer) 與鎖定層
(pinning layer)。其中自由層與固定層的材料為鐵磁性物質 CoFeB，氧化層為 MgO而鎖定層以鉭 (Ta) 為主的多層結構。
鐵磁性物質會有自發性的磁化 (magnetization) [10]。對於薄膜結構，如果沒有特殊外加結構，其磁化的易軸
(easy axis) [11] 為落於平面之中 (in-plane)，其詳細的方向會依薄膜的幾何形狀而定，譬如一橢圓狀的磁性薄膜其磁化方向會落在橢圓的長軸上。
氧化層的功用在提供一絕緣層，夾在二鐵磁層之間，形成穿隧磁阻效應 (TMR；Tunnel MagnetoResistance)。
鎖定層的功用為鎖定固定層的磁化方向；而自由層的磁化方向可以翻轉，與固定層的方向平行或反平行。而此 MTJ就由這二種狀態平行與反平行的磁化方向來代表訊息 0與 1。
雖然在工作原理上一個 MTJ只要這四層，但是由於要優化它在 STT RAM中的工作特性，現在的製程薄膜層數實際已達四十餘層。
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