從古典磁性理論中，一般人都知道行進中的電荷會產生磁場，這意味著電流會在空間中產生磁場的分佈，但卻無法得知電子自旋的原理，直到量子力學清楚解釋了原子尺寸下的電子行為時，世人才得以一窺磁性世界的全貌，以及電子自旋的奧妙。

一般而言，自旋電子在磁場下，電子會繞著磁場方向做飽和角運動，另外，由於有摩擦力的作用，電子的磁化方向會漸漸和磁場方向平行。

旋轉力矩轉移隨機存取記憶體（Spin-Torque Transfer RAM；STT-RAM）是一種透過自旋電流（Spin-Polarized）移轉效應所開發而出的新記憶體技術，屬於非揮發性（Non-Volatile）記憶體的一種，其應用優勢包括無限次數的讀寫週期、低耗電，以及運算速度更快等，更適合嵌入式設計應用。

現有的磁阻式隨機存取記憶體（Magnetic Random Access Memory；MRAM）由於受限於技術，使得晶片上的電晶體尺寸無法有效縮小，因此MRAM記憶體技術一直無法以更具有成本效益的方式來增加儲存密度，也因為容量的限制導致進入商用市場的進度遲遲無法推前一步。

然而自旋電流移轉技術的出現，卻大大改變了MRAM儲存密度沒有突破性進展的僵局。自旋電流移轉技術可使MRAM大幅縮小記憶體細胞（Memory Cell）的體積，並以此增加儲存密度。在提高容量的同時又能兼顧低耗電、生命週期和非揮發性等優勢，並發揮無限次數讀寫週期與更快的運算速度，因此STT-RAM的出現可望在未來成為行動裝置、手機、車用電子以及工業控制等記憶體應用更合適的儲存技術。

極化自旋電流引致磁性層磁化向量翻轉現象已被廣泛應用，在記憶體上早已常見。只是目前最廣為使用的MRAM架構中，在寫入方式上會遭遇兩個主要技術瓶頸：一是未被選擇之寫入單元因導線磁場干擾而造成寫入錯誤，二是隨著磁性穿隧元件（MTJ）單元持續微縮，磁性自由層磁化向量翻轉所需之電流會急速升高，不僅耗電，而且會使得寫入電流遠超過導線可容忍之電流而產生失效。

近年來隨著自旋傳輸引致磁性自由層磁化向量翻轉相關研發之突破，以自旋電流移轉為寫入方式之MRAM逐漸引起大家的注目，此一寫入方式電流僅通過被選擇之記憶單元，所以不會有未被選擇寫入單元因為導線磁場的干擾而造成錯誤寫入之情況，而且隨著記憶單元的微縮，為使磁性自由層翻轉所需之電流密度維持不變，因此翻轉所需之電流不僅不會升高，反而會下降，此一特點使得利用自旋電流傳輸翻轉寫入方式之MRAM可以往後發展更多世代，這正是STT-RAM改善了MRAM瓶頸的優勢所在。

STT-RAM的出現是為了解決MRAM過去在架構設計上所存在的一些問題，例如無法有效提昇單位面積的電晶體密度與儲存容量，因而STT-RAM可說是第二代的MRAM技術，用於解決MRAM在架構設計中所存在的問題。既然如此，本文將先行簡單介紹MRAM的原理與架構。

MRAM架構

MRAM是以磁電阻特性來儲存並記錄資訊的非揮發性隨機存取記憶體，是以磁電阻特性儲存記錄資訊，具有低耗能、非揮發、與半永久等特性。最大優點在於寫入與讀取速度快，效能可媲美能高速讀取數據資料的靜態隨機存取記憶體（Static Random Access Memory；SRAM），同時在記憶容量上又可與動態隨機存取記憶體（Dynamic Random Access Memory；DRAM）相抗衡。由於MRAM近乎無限次數的讀寫特性，故被認為是極具發展潛力的記憶元件，因此也廣受各大電子廠商的重視，曾經投入研發的大廠諸如IBM、Motorola、HP、Infineon、三星與Honeywell等。MRAM發展的最終主要目標是整合PC內部所有記憶體，並使未來SoC架構中只剩下CPU與MRAM兩種主要元件。

MRAM的基本運作原理與硬碟儲存數據資料的動作雷同，數據以磁性方向為依據，儲存為0或1，所儲存的資料具有永久保存性，需要透過外界磁場的影響之後，才能改變這個磁性數據。MRAM的讀取速度約為25～100ns，接近SRAM；而在寫入的次數上，MRAM則與DRAM及SRAM一樣，都具有接近無限次的寫入數據次數；就耗電量來看，MRAM比SRAM具有更較低耗電量的優點；在製程上，MRAM的金屬底層是以CMOS Logic的製程完成，比起DRAM的製程技術更為簡單。

MRAM的核心製程技術在於可將電晶體往更高層堆疊，且單一電晶體可以控制32bits數據，相較於DRAM單一個電晶體只能控制1bit數據，因此在不需要持續性縮小體積的狀況下，就可做出高記憶容量的產品。

應用於MRAM的記憶單元（memory cell）包括巨磁電阻（GMR）、超巨磁電阻（Colossal Magneto-resistance；CMR）與穿隧式磁電阻（Tunneling Magneto-resistance；TMR）等。目前MRAM在設計上為人所詬病的地方，在於大多數的MRAM都是利用磁場來改變磁性方向，並藉此來寫入數據資料，而這樣的外加磁場多半是透過流經穿隧式磁電阻（TMR）單元附近導線的電流所產生的。TMR的工作原理主要是透過電子穿隧效應的發生與否，進而達成所需的高低電阻變化。TMR需經多道黃光微影製程，且在TMR的膜層結構中必須有一層薄且緊密的絕緣層，通常是Al2O3或AlN。儘管透過TMR的方式可以達到數據的快速讀取與寫入，但所需功耗卻太大，無法透過這樣的方式大幅提高儲存數據的密度。

《圖一　傳統MRAM結構圖，主要透過位元線（Bit line；BL）、寫入字元線（Write Word line；WWL）及披覆層（cladding layer）在MRAM中形成一個磁區以變換0與1的狀態。（圖片來源：Grandis）》

STT-RAM架構

MRAM使用磁性物質作為記憶單元，可依據磁性方向來儲存數據資料，當電源被切斷時依然可保存數據資料，並提供高速作業和無限次數的覆寫能力。目前多數MRAM都是依賴傳統支援高速運作的磁電阻數據寫入技術，未來隨著製程方面的演進，MRAM將會需要更強大的寫入電流，這時就必須藉助65nm甚至更細微製程的MRAM自旋電流轉移寫入技術。

而新的製程對於線路的設計也造成新的挑戰，特別是當半導體製程技術來到45奈米（nm）時，對於嵌入式設計將產生非常不利的影響，傳統的記憶體諸如SRAM、Flash或DRAM等都會在45奈米製程上遇到擴充性與壽命的設計瓶頸。設計工程師為了滿足記憶體對於擴充性與長壽命的應用需求，正朝向兩種方向努力以改變現狀，一是試圖改變傳統的線路架構，並在單位面積中放入更多的線路，二是針對全新的技術架構進行研發。

為了改善MRAM目前所存在的缺陷，一種透過自旋電流（Spin-Polarized）移轉效應所開發而出的新記憶體技術已被提出。目前許多廠商已經投入此領域並極力發展這樣的技術，知名者例如美國的Grandis、IBM及日本TDK、Renesas等。

這種稱為旋轉力矩轉移STT-RAM的記憶體技術是多種試圖在新興通用記憶體市場取得主導地位的技術之一。STT-RAM技術以自旋極化電流改變磁性位元的方式，透過校準流經TMR元件的電子旋轉方向來寫入數據，除了可降低功耗之外，還能有效增加記憶容量。

傳統磁電阻數據寫入技術是當電流通過靠近TMR元件線路時，藉由電線上電流所產生的磁場來改變磁性方向，並達到數據資料寫入的目的。自旋轉移寫入技術則是排列通過TMR元件電子的旋轉方向，藉由使用具有相同旋轉方向電子的旋極電流來執行數據資料的寫入，至於基本原理一樣是透過外加電流來改變磁場，一但磁場改變，電阻就會隨之變化，而透過電阻變化的程度，來決定所寫入的數據是1或是0的邏輯運算。

此外，當記憶體架構的設計研發持續進行當中，記憶體之外的世界也出現了新的改變，那就是處理器性能的不斷提昇。這對記憶體來說將產生新的問題，通常為了製作虛擬記憶體，電腦系統都配備特別的記憶體管理硬體，這些硬體通常被稱為記憶體管理單元（Memory Management Unit；MMU）。MMU會在記憶體位址每次存取前，都先經過轉譯，並將記憶體切割成許多分頁（pages），亦即連續的記憶體區段，每個區段大小相同，並由MMU視為一個獨立個體。而當製程進入到了45奈米，具備嵌入式記憶體管理單元（MMU）的處理器除了原有的記憶體問題之外，特有的設計難題也將一併產生。而MRAM和PRAM（Phase Change RAM；相變化隨機存取記憶體）等先進記憶體技術都會使這些問題更加惡化。

MMU需要被整合於複雜的SoC架構中，才能滿足現在甚至未來多處理器的先進SoC設計需求。而針對嵌入式設計，簡潔的記憶體設計架構是提供MMU高效能運作的最簡單途徑。理想的設計架構必須能提供經過驗證的功能擴充性和接近無限長的使用壽命，至於快速開關、低功耗與高速運算等更是基本需求。

《圖二　從MRAM到STT-RAM架構演變圖，圖中可比較STT-RAM架構明顯精簡許多。（圖片來源：Grandis）》

透過自旋電子或旋轉電子的方式，就是一種以電子自旋來達到上述性能需求的設計關鍵。這種與磁性相關的電子量子特性，在傳統記憶體元件中尚未被普遍應用，過去記憶體設計工程師多半應用電荷的移動，而非這種電子自旋的特性。前文所提到的美國Grandis公司，就掌握了控制電子自旋的新技術，並開發出STT-RAM非揮發記憶體。

在STT-RAM記憶體架構中，用於控制自旋的磁體，當電子通過磁體時，電子自旋方向將與磁體的磁化方向相同。磁性穿隧元件（Magnetic Tunneling Junction；MTJ）則位於STT-RAM每個儲存單元的中心位置，其構造是由兩個鐵磁電極所組成，中間隔有一層很薄的絕緣層。儲存層（Storage Layer；或稱自由層）是頂層的磁體結構，中間是相隔用的絕緣層（Barrier），底層（Reference Layer）則是用於釘紮（Pinned）之自旋電子過濾層（Spin Filter）。從(圖三)可見STT-RAM架構比起MRAM之架構精簡許多，幾乎完全省去了寫入字元線構造，這對於元件體積與製程手續的減少是非常重要的。

MTJ是一種磁性金屬/非磁絕緣體/磁性金屬（FM/I/FM）結構，其TMR效應是一種與自旋極化移轉過程相關的現象，由於磁性金屬的3d以至4s電子能帶會發生依自旋方向的交換分裂，使正自旋子帶和負自旋子帶中的電子數量不等，而正負自旋電子數量的不等將導致鐵磁金屬中的傳導電子產生自旋極化現象。在MTJ中，中間絕緣層的作用是提供絕緣並隔開鐵磁層，這樣鐵磁電極之間的導電就是一種穿隧效應。隧穿電流由兩種自旋電子流組成，對於MTJ中的上下兩層鐵磁電極，當它們的作用力不同，或一鐵磁層被釘紮時，它們的磁化方向隨著外界磁場的改變可呈現出並列或非並列兩種狀態。由於多數自旋電子帶與少數自旋電子帶之密度不同，故在上述兩種情況下穿隧機率不同，在磁場作用下就會產生電阻變化，這就是TMR效應。

自旋轉移開關可將MTJ的狀態從非並列（1）轉變到並列（0），反之亦可。這是透過從MTJ頂層垂直流向底層（或從底層垂直流向頂層）的電流來達成的。STT-RAM可透過這種讓電流直接流過的方式，為每一個記憶單元單獨定位，以避免寫入錯誤的情況發生。

至於自旋轉移開關則可透過自旋極化電流來操作。利用旋轉力矩轉移的方式使電流產生極化之後，數據資料就可以從固定的MTJ層或極化器傳送到自由的MTJ層。流經固定層的電流會對電子進行極化動作，而極化後的電子將會影響自由層的開關，並達成並列與非並列的結構配置。

SST-RAM非常適合用於先進製程的製造，不僅能有效降低MMU之設計問題，並且非常適合新一代嵌入式FPGA、MCU、CPU與SoC元件的整合。STT-RAM僅需1.2伏特的內部電壓，因此適用於以1.5伏特電池供電的行動產品。STT-RAM的另一優點是寫入電流非常低，若以90奈米製程設計時，所需電流約為100～200微安（μA），若以45奈米製程設計時，寫入電流甚至可低至100微安以下。如此低的寫入電流也使得STT-RAM能成為更高儲存密度、以及更低單位成本的記憶元件。

市場發展現況

目前在STT-RAM的發展方面，IBM跟日本的TDK正合作發展這種STT-RAM。IBM過去便已經致力於發展MRAM記憶體技術，然而在縮小電晶體以及數據資料寫入方面卻遭遇到了瓶頸難以突破，而由於看上了STT-RAM能有效解決MRAM問題的優點，因此IBM與TDK合作研發，並計畫幾年內就要推出65nm製程的STT-RAM原型產品。IBM認為，與PRAM相比，PRAM優點在於可以高密度寫入資料，而STT-RAM則具備較高寫入速度。因此IBM非常看好這種記憶體。另外，Grandis也早已投入研究STT-RAM技術，並預計在2008年之前上市相關記憶體產品。而與Grandis技術合作的日本瑞薩科技（Renesas Technology）也預計在不久的將來，上市採用65nm製程生產的STT-RAM微控制器和SoC產品。

Grandis

2002年成立的矽谷新創公司Grandis在STT-RAM領域相當活躍，一直致力於STT-RAM技術的研發與商用化，並以技術授權模式和日本半導體大廠瑞薩科技合作，共同開發65奈米製程的STT-RAM。

Grandis為STT-RAM的商用進程規劃了完整發展藍圖，其中包括採用STT-RAM寫入數據資料的旋轉力矩轉移（STT）方法，用於開發嵌入式元件和獨立元件。Grandis並認為該技術可以在32奈米製程節點時取代快閃記憶體。儘管要成就這項遠大的目標將會面臨重大挑戰，但Semico Research的分析師Bob Merritt則表示，STT-RAM的確是一種「具有前景」且「擁有吸引力」的新技術。Grandis於2005年與瑞薩科技共同合作開發STT寫入技術，瑞薩也規劃使用此種技術開發微控制器和SoC晶片。未來Grandis也會將該技術授權給更多廠商。

目前Grandis已開發出1Mb測試晶片，未來Grandis則是希望以65nm製程技術STT-RAM直接進軍嵌入式市場，並2007～2008年在嵌入式市場上取代SRAM與NOR Flash。下一步則是在2008～2009年開發獨立的STT-RAM記憶體元件。

《圖三　在STT-RAM架構的0與1數據寫入方式，透過垂直電流可避免數據寫入的錯誤。（圖片來源：Grandis）》

IBM

IBM也宣布和TDK合力研發STT-RAM的計畫，希望能以更先進的磁性材料，讓記憶體晶片設計跨入新紀元。根據計畫內容，IBM和TDK將在未來幾年內開發出採用65奈米製程的STT-RAM原型產品。

過去IBM一直致力於MRAM記憶體的發展，但是在縮小MRAM晶片尺寸的電晶體設計上遭遇了瓶頸。IBM表示，欲縮小MRAM晶片尺寸時，需要提高磁場強度，這幾乎是矛盾的，因此若要採用比65奈米製程更先進的技術，就必須找到一種數據寫入的新記憶體架構。

IBM在推出MRAM原型產品時，市場許多廠商質疑這種記憶體的壽命問題，有廠商直接指明MRAM不適用於65奈米甚至更新先進的製程技術。IBM則認為STT-RAM和PRAM兩種記憶體是未來非揮發性記憶體的可能技術。兩者各有優點，STT-RAM的寫入速度較快，而PRAM的儲存密度則較高，但IBM看好STT-RAM較長的使用壽命。

結語

將自旋電流移轉效應應用在STT-RAM記憶體的設計上，不管是密度、容量、耗能、寫入速度、尺寸微縮化與製程成本上都擁有很大優勢，因此許多廠商均已相繼投入研究。儘管目前還有降低電流密度與提升讀取訊號等許多課題尚待解決，然而在廠商的致力研究之下，相信很快就會有了解決之道。也期待在不久的將來，便可看到STT-RAM記憶體實際的商品化應用。