经过11年的不断摸索尝试，飞思卡尔半导体公司Chandler晶圆厂的Saied Tehrani和他领导的MRAM开发小组已经成功开发出一种新型半导体存储器MRAM。MRAM采用的不是电荷存储技术，它第一个字母M所代表的是磁组技术。
在连续两年向40多家公司提供MRAM样品后，飞思卡尔开始正式销售4Mb的MRAM，小批量时单价为25美元，大批量时价格可进一步协商。“从今天起，用户只要下定单我们就能马上出货。”Tehrani表示。
虽然磁阻存储器自身存在成本和功耗方面的挑战，但随着传统电荷存储类存储器暴露出越来越多的缺陷，已经有不少公司加入飞思卡尔的MRAM阵营，特别是瑞萨、三星电子、索尼及其合作伙伴东芝和NEC电子。SRAM面临着漏电流问题；DRAM沟道看起来越发像“长面条”(编者注：采用碳纳米管CNT工艺的DRAM，由于CNT沉积在底层和沟道内，因而看起来像面条,而所预计的弹道传输不可能在过长的纳米管中发生)；而嵌入式闪存面临着可靠性和充电泵成本问题。特别是对于嵌入式应用来说，存储位的数量将远远超过逻辑晶体管的增长数量，因此对新型非易失性存储器的需求提升了大众对MRAM的兴趣。
“飞思卡尔产品的推出表明我们已经正式踏入存储器技术新时代。”Semico Research公司新存储技术分析师Bob Merritt说，“通过成为具有可行制造策略的首批先驱者之一，飞思卡尔将推动其它从事MRAM公司的积极性。一旦MRAM获得成功，将有助于增加他们开发相变、金属和浮体存储器等新存储器类型的信心。”
MRAM的非易失性和耐久性特性，可能会帮助其在移动系统中打开新的应用之门，Merritt补充道。
“飞思卡尔的MRAM是本世纪最伟大的存储器产品。”市场调研公司Forward Concepts总裁Will Strauss表示。他指出，其它的新型存储器的先进特性都派生于三大传统存储器技术：DRAM、SRAM和闪存(闪存本身是E2PROM的派生)，但MRAM却是一种全新的技术。
目标应用瞄准汽车领域
对于飞思卡尔200毫米Chandler晶圆厂来说，分立的4Mb MRAM的推出表示MRAM才刚刚拉开序幕。
据Tehrani透露：“飞思卡尔并无意成为通用MRAM提供商。”在今后18个月到2年的时间内，飞思卡尔公司计划将MRAM推广到其车用微控制器中，用以替代闪存。闪存技术的耗损机制总让负责汽车制造可靠性的工程师们感到担忧。与闪存或FRAM不同，MRAM的有效可存取次数接近无穷(高达1015次)。
飞思卡尔的MRAM单元是一个磁性隧道结(MTJ)，通过薄至15埃的绝缘层将两个较厚的磁层隔离开来。加电时，其中一个磁层的极性会翻转，从而使电流从绝缘层中的隧道流过。存储器状态是非易失的，耐久时间几乎无限长，操作速度也相当快(读和写的时间都是35ns左右)。这点与闪存不同，闪存虽然读取速度非常快，但写入速度却很慢。MRAM对称的读写速度意味着从嵌入式SRAM(断电时会丢失数据)切换到MRAM相当简单。
尽管如此，这种方法也面临挑战，包括单元尺寸和写入功率。为了确保存储的比特具有非易失性，电子必须克服一个能量势垒。如果势垒太低，位单元就很容易受到干扰；如果太高的话，又会大幅增加写入功率。
现在出售的4Mb MRAM需要150mA的写入电流。对此，Tehrani认为：“这个电流与今天正在使用的独立SRAM没有多大差别。但是与闪存相比，闪存的写入时间为毫秒级，MRAM写入一次只需35ns，因而MRAM的总耗电量下降了好几个数量级。”
优势还体现在成本上。飞思卡尔采用了低成本喷溅与蚀刻技术，从而避免了使用分子束外延(MBE)或原子层沉积等昂贵的工具。
Semico公司的Merritt表示，MRAM兼容CMOS逻辑工艺：MRAM存储器的隧道结是在晶体管创建后，在存储器的后端建造的。飞思卡尔的做法是，只有三层金属互连沉积必须在流程的后端加以修改以便创建MTJ，而微控制器中的其它两层或三层金属保持原状。
飞思卡尔公司现在通过6个附加掩膜层嵌入带逻辑电路的MRAM，这种方法比用6到10个附加掩膜层将闪存或DRAM嵌入CMOS工艺更为便利，Tehrani指出。采用0.18um工艺的4Mb分立MRAM单元尺寸是1.26um，而采用飞思卡尔90nm工艺时可缩小到0.29um，该尺寸比嵌入式DRAM大，与嵌入式闪存大小相当，但比6晶体管SRAM小，后者在90nm节点所需的硅片面积是1平方微米/位，他表示。
图3：飞思卡尔开始销售由Chandler晶圆厂利用200mm晶圆生产的4Mb MRAM
在某种程度上，存储器的成本取决于生产数量，后者为生产厂商提供了制造及良率经验。Tehrani透露，飞思卡尔公司预计刚开始MRAM的生产数量仅会达到月产数百块200mm晶圆的水平。公司的目标客户范围很大，包括在高安全性网络系统中使用电池供电SRAM的用户、在磁盘驱动网络中存储文件结构数据的用户，以及必须对数据进行快速读写的其它应用用户等。虽然通过连接大容量电池，SRAM可以具有非易失性，但是如果电池漏电，这些子系统就会瘫痪，而且这些系统的价格也比MRAM解决方案昂贵，他指出。
图1：飞思卡尔的Tehrani：MRAM具备无耗损机制
图2：如何写入一个MRAM位？
对需要将大量数据写入存储器(如RAID存储系统)的用户来说，MRAM具有极大吸引力。“因为MRAM拥有无耗损机制，”Tehrain表示，“耗损对闪存来说尤其致命，对某些铁电存储器也有一定程度的影响。”
专门研究信号处理市场的Strauss指出，许多便携式系统使用闪存来存储代码和数据，然后在操作过程中再将这些数据写入SRAM或DRAM。“如果用MRAM替换这些存储器，”他表示，“用户能以较许多类型闪存快得多的速度在MRAM中直接执行程序，而且功耗更低。因为闪存需要很大的电荷泵，而这些电荷泵很难用CMOS工艺集成。”
虽然许多公司已经通过开发耗损级别技术学习到如何克服闪存中的故障机制，但MRAM具有比闪存更高的可靠性。Strauss表示：“MRAM将带来新的市场机遇，包括在高性能DSP中得到使用。”
高温环境下的可靠性
电池供电的SRAM市场很小，每年的市场容量不超过2亿美元，Tehrani指出。但它是向更高利润市场发展的跳板，这个市场就是数十亿美元的汽车微控制器市场。
飞思卡尔现在销售的4Mb MRAM确保可以在商业温度范围(约0℃到70℃)内正常工作。该公司下一步计划提供能在工业温度范围内工作的芯片，这些芯片必须确保能在-40℃到105℃范围内连续工作。
例如，汽车温度规范要求引擎控制器等芯片在寿命期内，能够在某些时段经受住特高温考验。温度上限一直在不断提高，从现在的150℃到更高要求的170℃，并需要持续一定时间。因此如果飞思卡尔想达到汽车制造商的目标要求，还需要做更多的工作，如对设计进行调整，或使工艺更可靠以应对高温下的电流漂移。
在去年举行的国际可靠性物理学研讨会上，飞思卡尔公布了它早期的可靠性数据，数据显示良好的产品性能可以维持10年之久。“我们很高兴能达到这样的可靠性级别，而随着向工业和汽车领域的发展，我们还将不断提升产品性能。”Tehrani表示。
飞思卡尔高级副总裁兼传输与标准产品部总经理Paul Grimme指出，MRAM还能与磁传感器组合在一起，组合产品将服务于一个相当大的市场；MRAM还可以嵌入到需要板上存储器的模拟器件上。另外，公司正在调查将无源器件与MRAM集成在一起的可行性。
向转矩技术发展的规划
从长远看，飞思卡尔正在研究用氧化镁代替目前使用的氧化铝，来实现隧道层。这样做虽然不会改善写入时的位功耗，但却可以降低读取时的位功耗。
“氧化镁可以在两个状态之间提供更大的信号。信号增大能使读取速度大幅增加。”Tehrani说，“公司还没有做出最后的决定。我们仍然必须先确保氧化镁的可靠性，不过我们相信这只是个时间问题。”
更新的技术是转矩技术，Tehrani认为：“这种技术无疑有助于减小写入电流。”
目前使用的MTJ通过顶层和底层的金属线产生局部电流。在采用转矩MTJ时，电流将直接流经磁性层堆栈实现位开关。虽然转矩技术将随着MRAM技术的发展而日益普及，但仍需考虑可靠性问题。
“下一代存储器将大有前途。”Tehrani表示，“不过要使转矩技术适合生产还有许多需要改进的地方。由于有电流经过隧道势垒，我们不得不确保在流经这些较大电流时隧道结仍然可靠。”
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