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圖四、電子流自旋極化示意圖

Magnetic free layer
S
Spacer non-magnetic layer N Magnetic state of free layer is
switched by polarized current
Magnetic xed layer
N
S

Copper lead

傳輸的銅導線，其所輸送的電流事
實上是電子在流動，而這些電子自 結論
旋向上和自旋向下的總數是一樣，
舉例說明 圖四：每秒總共有 10 個
電子流經導線，自旋向上和自旋向 目前磁阻元件的主要用於感測器與
下的電子各有 5 個，當電子流先通 磁碟的讀頭，場驅動翻轉的 MRAM
過自旋向上的磁性固定層時，因為 也已有量產的商品 [2] ，夢幻記憶體
能帶的關係，電子會偏好自旋向上 STT-MTJ MRAM 呢？製程上還有
的狀態，因此電子流的自旋就會被 一些問題要改進，像是黃光和蝕刻
極化，也就是自旋向上的電子增加 會影響邊界的粗糙度，磁性層與絕
為 8 個，自旋向下的電子減少為 2 緣層薄膜的品質（晶體結構）和厚
個，這極化後以自旋向上為主的電 度的控制 (±< 0.2nm) 等，都會擴
子流再通過磁性自由層時，便會對 大 MRAM 元件之間磁化條件的差
自旋向下自由層的電子施一力矩， 異，另外還有如何增加自由層的熱
使其磁化為與固定層相同磁化方 穩定性並減少驅動磁化的電流，更
向。至於如何使相同磁化方向 ( 自 是一大考驗！
旋向上 ) 轉成相反方向，這時只需
改變電子流輸入的方向由磁性自由
層注入，只不過這回是由反射的少
數電子 ( 自旋向下 ) 來翻轉自由層
的方向，由平行態變成反平行態。
因為 STT 是由極化電流直接來驅動
磁化而非再經由電流產生的磁場場
驅動翻轉間接來磁化，故 STT 只需 參考文獻
場驅動翻轉電流大小的 1/10 或更 [1] 2011 "VLSI Symposium on Technology"
東芝、三星、海力士、美光、台積
少，目前所需驅動磁化的電流密度
電皆對 "Will Emerging Non-volatile
6
2
約 10 A/cm ，以圓形 28nm 元件 Memories Finally Emerge" 提出 MRAM
來估算，用 20ns 的時間來磁化一 產出的看法和研究。
個 阻 值 1 kΩ 的 MTJ 元 件， 只 需 [2] Everspin 這家生產 Field drive MRAM 的
公司，將會出貨五百萬個 MRAM 晶片在
要 7.6×10 -16 joule 的能量。 2012 年，較 2011 年成長 300 %。

NEW FAB TECHNOLOGY JOURNAL OCTOBER 2012 87