知識力

❒ 磁鐵與磁矩
磁鐵同時具有N極與S極，科學家們想像在磁鐵內部有無數的「小磁鐵」，每個小磁鐵都同時具有N極與S極，如＜圖一(a)＞所示，這樣的小磁鐵稱為「磁矩(Magnetic dipole)」。
當磁鐵內部的磁矩排列得很整齊時，所有磁矩的N極向上，才會造成整塊磁鐵的N極向上。為了簡化圖形的複雜度，我們通常以一個箭號來代表磁矩，箭頭的方向定義為磁矩的N極，如＜圖一(b)＞所示，具有磁矩的材料稱為「磁性材料(Magnetic materials)」。
磁化方向與磁場方向的定義不同，如＜圖一(c)＞所示：
➤磁化方向：定義為在「磁鐵內部」由S極指向N極的方向；
➤磁場方向：定義為在「磁鐵外部」由N極指向S極的方向

圖一　磁鐵與磁矩。

❒ 磁阻效應(MR： Magneto Resistance)

材料受到磁場作用的時候，電阻會產生變化的現象稱為「磁阻效應(Magneto resistance)」，常見的結構如＜圖一＞所示，當上下兩層磁性材料的N極方向相同時，電阻較小(電壓較小)，當上下兩層磁性材料的N極方向相反時，電阻較大(電壓較大)。磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)利用電流產生磁場(安培右手定則)使磁性材料產生不同的磁化方向來寫入資料，利用「磁阻效應(MR：Magneto Resistance)」來讀取資料，因此稱為「磁阻式(Magneto Resistive)」。

圖二　磁阻效應示意圖。
 

❒ 磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)的構造
磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)的構造如＜圖三＞所示，直接在矽晶圓上使用濺鍍法成長一層「磁性材料(鈷Co)」，再使用濺鍍法成長一層「非磁性材料(氧化鋁Al₂O₃)」，再使用濺鍍法成長一層「磁性材料(鈷鐵合金CoFe／鎳鐵合金NiFe)」，最後再以化學氣相沉積法(CVD)成長一層「金屬層」，並且使用光罩、曝光、顯影、蝕刻將金屬層蝕刻成金屬導線，金屬導線必須分布在每一個位元(bit)，用來存取每一個位元(bit)的資料。知識力www.ansforce.com。

圖三　磁電隨機存取記憶體(MRAM)的構造示意圖。

❒ 磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)的工作原理
「下層磁性材料(Co)」的N極方向固定向右，根據安培右手定則：姆指代表電流方向，則四指代表磁場方向，寫入資料的原理如＜圖四＞所示：
➤寫入資料0：當電流由每個位元上方的金屬導線由內向外流，則可以感應「上層磁性材料(CoFe／NiFe)」形成N極向右，代表寫入0，如＜圖四(a)＞所示。
➤寫入資料1：當電流由每個位元上方的金屬導線由外向內流，則可以感應「上層磁性材料(CoFe／NiFe)」形成N極向左，代表寫入1，如＜圖四(b)＞所示。

這裡要特別注意，上面說明的寫入方法只是讓大家有個概念，由於使用磁場改變磁化方向(N極方向)的方法在半導體電路上製作不易，因此目前實務上是使用電壓來改變磁化方向。

MRAM讀取資料是利用磁性材料的「磁阻效應(MR：Magneto Resistance)」，直接經由連接在每個位元上下方的金屬導線讀取資料，量測「上層磁性材料(CoFe／NiFe)」與「下層磁性材料(Co)」的電壓，讀取資料的原理如＜圖四＞所示：
➤讀取資料0：當上下兩層磁性材料的N極方向相同時，電阻較小(電壓較小)，如＜圖四(c)＞所示。
➤讀取資料1：當上下兩層磁性材料的N極方向相反時，電阻較大(電壓較大)，如＜圖四(d)＞所示。

圖四　磁電隨機存取記憶體(MRAM)的工作原理示意圖。

❒ 磁電隨機存取記憶體(MRAM)的優缺點
➤優點
1.屬於「非揮發性記憶體(NVM)」，電源關閉後資料仍然可以保存。
2.不像快取記憶體(Flash ROM)需要高電壓強迫電子注入浮動閘極，所以耗電量較低。
3.不像硬碟機(HDD)需要使用旋轉馬達與讀取頭，所以很省電、耐撞擊、不跳針。

➤缺點
1.必須使用各種磁性材料(鐵鈷合金與鐵鎳合金)，製程不夠成熟，良率較低。
2.許多專利由國外公司掌握，如果支付專利費用，則生產成本較高，售價也較高。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「光電科技與新儲存產業，全華圖書公司」。＜我要買書＞