[发明专利]具有渐变层的非易失性磁存储元件

说明书

技术领域

本发明通常涉及非易失性磁存储器，并且具体地涉及具有渐变层 的非易失性磁存储器。

背景技术

计算机通常使用诸如硬盘驱动器(HDD)之类的旋转式磁性介质 (rotating magnetic media)来进行数据存储。尽管被广泛使用并且 普遍接受，但是这种介质经受多种不足，例如存取等待时间、较高的 功耗、较大的物理尺寸和无法耐受任何物理震动。因此，需要没有这 些缺陷的新型存储器件。

其他占优势的存储器件是动态随机存取存储器(DRAM)和静态RAM (SRAM)，它们是易失性且非常昂贵的，但是具有快速的随机读取/写 入存取时间。诸如固态非易失性存储器(SSNVM)之类的固态存储器件 具有由基于NOR/NAND的闪速存储器构成的存储器结构，提供快速的存 取时间、提高的输入/输出(IO)速度、减小的功耗和物理尺寸、以及 增加的可靠性，但是具有较高的成本，所述成本通常比硬盘驱动器 (HDD)高很多倍。

尽管基于NAND的闪速存储器比HDD更加昂贵，但是至少部分地由 于即使在断电时也能保持数据的性质，基于NAND的闪速存储器已经在 很多应用领域代替了磁性硬盘驱动器，所述领域例如数字摄像机、MP3 播放器、蜂窝电话和手持多媒体设备。然而，随着存储器尺寸要求越 来越小，可缩放性成为一个重要的问题，因为基于NAND的闪速存储器 和DRAM存储器的设计难以缩放为更小的尺寸。例如，基于NAND的闪 速存储器具有与以下方面相关的问题：电容耦合、很少的电子比特(few electron bits)、差的误差率性能以及由于减小的读写耐久性导致的 降低的可靠性。读写耐久性指的是主要由于编程、擦除周期中所要求 的高电压，在存储器开始性能退化之前读、写和擦除周期的次数。

通常认为NAND闪速存储器将非常难以缩小到45纳米(nm)以下。 类似地，DRAM具有与沟槽电容器的缩放相关的问题，导致变得越发难 以制造的非常复杂的设计，导致较高的成本。

近来，各应用在系统设计中一般采用EEPROM/NOR、NAND、HDD和 DRAM存储器的组合。产品中不同存储器技术的设计增加了设计复杂性、 销售时间和增加的成本。例如，在合并了诸如NAND闪速存储器、DRAM 闪速存储器和EEPROM/NOR闪速存储器之类的多种存储器技术的手持多 媒体应用中，设计复杂度、制造成本和销售时间均增加了。另一个缺 点是其中合并了全部这些类型存储器的器件的尺寸增加。

在研发替换技术时进行了广泛的努力，例如由加利福尼亚州的 Fremont市的Nanochip有限公司制作的Ovanic(奥氏)随机存取存储 器(RAM)(或相变存储器)、铁电RAM(FeRAM)、磁性RAM(MRAM)、 探针存储器，以及其他的用于以某种形式代替当前设计中使用的存储 器(例如动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)、电可擦除可编程只读 存储器(EEPROM)/NOR闪速存储器、NAND闪速存储器和硬盘驱动器 (HDD))的存储器。尽管这些各种存储器/存储技术已经创造了许多 挑战，但是近年来在这一领域也已经产生了一些进步。MRAM看起来似 乎要引领这样的趋势：最近几年MRAM的进步作为一种通用的存储器解 决方案要代替系统中所有类型的存储器。

包括MRAM的现有技术存储器结构的问题之一是它们的单元尺寸或 存储器尺寸太大，因此不能使其自身良好地进行缩放。这种MRAM的典 型设计对一个存储器单元使用一个或更多晶体管，导致nT-1存储器单 元型设计，其中n＝1-6。这使得单元尺寸太大，导致缩放性和成本问题。 近来，采用电流感应磁化翻转(current-induced magnetization switching，CIMS)作为替代的存储器解决方案，并且声称引入构建 更高容量MRAM型存储器的较佳方式。但是基于MRAM的存储器倾向于 具有更大的单元尺寸(16-24F²，其中F是基于光刻技术的最小特征)。 在较低的翻转电流(switching current)和与热稳定性相关联的存储 器可靠性之间也存在折中。

因此按照上述陈述，所需要的是非易失性磁存储元件，其在展现 出改进的可靠性的同时具有较低的翻转电流。

发明内容