过去11年来，飞思卡尔半导体技术总监Saied Tehrani和他领导的MRAM开发小组经过不断的摸索和研究，终于成功开发出一种采用磁阻技术取代电荷储存的新型半导体内存。

       在历经两年来向40多家公司提供样品后，飞思卡尔现已开始正式销售4Mb的磁阻RAM，小量采购时单价为25美元，大量采购时价格可以再‘协商’。

图1：飞思卡尔开始销售由亚利桑那州Chandler晶圆厂采用8吋晶圆生产的4Mb MRAM

       “从今天起，你可以直接下订单，我们马上就能交货，”Tehrani表示。

       虽然磁阻内存本身仍存在着成本与功耗挑战，但随着传统电荷储存内存逐渐失势，已经有不少公司，特别是瑞萨(Renesas)、三星(Samsung)、Sony及其合作伙伴东芝和NEC电子等，均已开始在MRAM领域与飞思卡尔展开竞争。SRAM正面临漏电流问题，DRAM的沟槽现在看来就像是‘长面条’，而嵌入式闪存则面临着可靠性和充电泵成本问题。特别是对嵌入式设备而言，内存位的数量将远远超过逻辑晶体管的数量，因此对新型非挥发性内存的需求将持升业界对MRAM的兴趣。

       “飞思卡尔的成果显示我们已经正式进入新内存技术时代。”Semico Research新兴内存技术分析师Bob Merritt说，“作为具有良好制造策略的首批公司之一，飞思卡尔将促使其它公司加速研发MRAM。一旦这些公司看到MRAM的成果，将会促使他们开发其它新型内存，如相变、金属与浮体内存等。

       MRAM的非挥发性和耐久性将在行动系统中开启全新应用，Merritt说。飞思卡尔的成果是“十年来最伟大的内存发明”，市调公司Forward Concepts总裁Will Strauss表示。他指出，其它新兴内存的优势均是从DRAM、SRAM与闪存衍生而来，其中闪存是衍生自E2PROM。

       “事情充满了变量。这是一种全新的技术，”Strauss表示。

瞄准汽车应用

       在飞思卡尔的200mm Chandler晶圆厂制造的分离式4Mb MRAM仅仅揭开了MRAM发展的序幕。

       Tehrani透露，飞思卡尔“并不想成为通用MRAM的供货商”。在未来的18个月到2年中，飞思卡尔计划将MRAM推广到汽车用微控制器中，用以取代闪存。闪存技术的可承受工作周期限制使汽车制造商的可靠性工程师们忧心忡忡。与闪存或铁电RAM不同，MRAM可以承受无限次(1015)的工作周期。

       飞思卡尔的MRAM单元是一个磁性穿隧结(MTJ)，透过极薄(15埃)的绝缘层隔离两个相对较厚的磁层。在施加电压时，两个磁层中的一个会反转极性，因而使电流穿过绝缘层中的隧道。其内存状态为非挥发性，其耐久性几乎是无限的，操作速度也相当快(读写时间均为35ns)。闪存的读取速度非常快，但写入速度很慢，而MRAM的读写时间是一样的，这意味着从嵌入式SRAM(断电时会丢失数据)转换到MRAM是相当简单的。

       尽管如此，这种方法也具有单元尺寸和写入功率等挑战。为确保储存的位具有非挥发性，电子必须克服能量阻障。如果阻障太低，位单元就很容易受到干扰。而阻障太高的话，就需要极高的写入功率。

       目前销售中的4Mb MRAM需要150mA的写入电流，Tehrani认为“这与目前使用的独立SRAM没有多大差别。闪存的写入时间为毫秒级，而我们的MRAM写入一次只需35ns。与闪存相比，MRAM从电池撷取的总能量也降低了好几个数量级。”

图2：飞思卡尔的Tehrani：MRAM“没有读写周期限制”

       目前的问题仍在于成本。飞思卡尔采用的低成本溅镀与蚀刻技术可避免采用昂贵的工具，如分子束磊晶或原子层沈积工具。

       Semico的Merritt指出，MRAM兼容于CMOS逻辑制程，MRAM内存穿隧结是在建构晶体管后的后端制作的。飞思卡尔的做法是，只有三层金属互连沈积必须在流程后端加以修改以制作MTJ，而微控制器中的其它两层或三层则不做任何修改。

       飞思卡尔现正使用6个额外光罩层嵌入MRAM和相关逻辑电路，与需要6到10个额外光罩层在CMOS制程嵌入闪存或DRAM的方法相比，这种方法更加便利，Tehrani说。这个采用0.18um制程的4Mb分离式MRAM单元尺寸为1.26um，采用飞思卡尔的90nm制程时可微缩到0.29um，这比嵌入式DRAM大，与嵌入式闪存差不多，但比6晶体管的SRAM小，在90nm节点每位所需的硅芯片面积为1平方微米，他表示。

       某种程度上，内存业务的成本取决于提供产量与良率的学习。Tehrani透露，飞思卡尔刚开始生产MRAM时，每月产量仅有几百片200mm晶圆。该公司的目标客户范围相当广泛，包括在高安全性网络系统中使用电池供电的SRAM应用;在磁盘网络中储存文件结构数据的应用;以及必须快速写入及恢复数据的其它应用。虽然透过连接大容量电池将使SRAM具有非挥发性，但若电池漏电，这些子系统就会瘫痪，而且价格也比MRAM解决方案昂贵，他指出。

       针对像RAID系统这类必须对内存写入大量数据的用户而言，MRAM具有很大的吸引力，因为MRAM“没有读写周期限制”，Tehrain表示。“这种限制对闪存和某些等级的铁电内存来说特别有害。”

       Will Strauss指出，许多可携式系统使用闪存储存程序代码和数据，然后在作业过程中再将数据写入SRAM或DRAM。在用MRAM取代这些内存后，他表示，“用户可以用比多数闪存更快的速度在MRAM中直接执行程序。其功耗也更低，因为闪存需要很大的电荷泵，而这些电荷泵很难用CMOS制程整合。”

       虽然许多公司透过开发耗损等级技术，已学习到在闪存中故障容许机制的存在，但MRAM拥有比闪存更高的可靠性，Strauss表示。“MRAM将带来新商机，包括用于高性能DSP。”

高温下的可靠性

       电池供电装置的SRAM市场很小，每年用量不超过2亿美元，Tehrani指出。但它提供了向更大市场发展的桥梁：数十亿美元的汽车微控制器市场。

       飞思卡尔目前销售的4Mbit MRAM可在商业温度范围(约0℃到70℃)内保证正常工作。该公司下一步将提供能在工业温度范围内操作的芯片，这些芯片必须能在-40℃到105℃范围内保证连续工作。

       汽车温度‘模式’要求引擎控制器等芯片能在正常寿命期内承受住一定时间的超高温度考验。温度上限正不断提高，从现在的150℃到更高要求的170℃上限，并需要持续一定的时间。因此，飞思卡尔要达到汽车制造商的目标还需要做更多的工作，如针对高温下的电流漂移对设计进行调整，并使制程更具强韧性。

       在去年举行的国际可靠性实体学研讨会上，飞思卡尔公布了早期的可靠性数据，该数据显示可以达到10年的资料保持水平。“我们很高兴能达到目前为止最高的可靠性水平，随着朝向工业和汽车温度范围发展，我们的产品性能还将不断得到提升，”Tehrani表示。

       飞思卡尔的运输与标准产品部门资深副总裁兼总经理Paul Grimme指出，MRAM还能整合磁传感器，这种混合产品将可为更广阔的市场提供服务，也能嵌入到需要板上内存的模拟组件上。该公司正研究整合被动组件与MRAM的可行性。

转矩技术发展蓝图

       长远来看，飞思卡尔正研究用氧化镁取代目前使用的氧化铝实现穿隧层。这样做虽然不会改善写入功耗，但可以降低读取位所需的功耗。

       “氧化镁能在两种状态间提供更大的讯号。讯号幅度增大后能大幅提升读取速度，”Tehrani说。“公司还未做出最后决定。我们必须确保采用氧化镁后仍具有可接受的可靠性能。不过我们相信这只是时间问题。”

       更新的技术是转矩(spin-torque)技术，Tehrani表示，“这种技术无疑有助于减少写入电流。”目前使用的磁性穿隧结透过顶层和底层的金属线产生局部电流。而在采用转矩MTJ时，电流将直接流经磁性层堆栈实现位的开关。虽然转矩技术将随着MRAM技术的发展而日益普及，但在可靠性方面仍需进一步努力。 “下一代内存拥有极大商机，”Tehrani表示，“不过要使转矩技术适合生产还有许多值得改进的地方。由于有电流经过隧道阻障，我们必须确保穿隧结在流经这些较大电流时具有较高的可靠性。”