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1、(10)申请公布号 CN 104321819 A (43)申请公布日 2015.01.28 CN 104321819 A (21)申请号 201380015791.9 (22)申请日 2013.03.21 13/427,339 2012.03.22 US G11C 11/15(2006.01) H01L 27/115(2006.01) H01L 21/8247(2006.01) (71)申请人 美光科技公司 地址 美国爱达荷州 (72)发明人 古尔特杰S桑胡 韦恩I金尼 (74)专利代理机构 北京律盟知识产权代理有限 责任公司 11287 代理人 孙宝成 (54) 发明名称 存储器单元、 半导。
2、体装置结构、 包括此类单元 的系统及制造方法 (57) 摘要 本发明揭示了包括具有自由区域的单元核的 存储器单元。所述自由区域展现影响所述单元核 内的磁化定向的应变。应力源结构可在所述单元 核的至少一部分上施加应力以引起所述自由区域 的应变状态。本发明还揭示了包括此类存储器单 元的半导体装置结构及系统以及用于形成此类存 储器单元的方法。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.09.22 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2013/033344 2013.03.21 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/142713 EN 2013.09.26。
3、 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 13 页 附图 11 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书13页 附图11页 (10)申请公布号 CN 104321819 A CN 104321819 A 1/2 页 2 1. 一种半导体装置， 其包括 ： 至少一个存储器单元， 所述至少一个存储器单元包括磁性单元核， 所述磁性单元核包 括自由区域， 所述自由区域展现引起垂直磁化定向的应变。 2. 根据权利要求 1 所述的半导体装置， 其中所述至少一个存储器单元进一步包括至少 一个应力源结构， 所述至少一个应力源结构在所述磁性单元核外部且将。
4、应力施加至所述磁 性单元核。 3. 根据权利要求 2 所述的半导体装置， 其中所述至少一个应力源结构在所述自由区域 上施加侧向应力及垂直应力中的至少一者。 4. 根据权利要求 2 所述的半导体装置， 其中所述至少一个应力源结构在所述自由区域 上施加压缩应力及拉伸应力中的至少一者。 5. 根据权利要求 4 所述的半导体装置， 其中所述至少一个应力源结构侧向围绕所述磁 性单元核。 6. 根据权利要求 2 所述的半导体装置， 其中所述磁性单元核侧向安置在所述至少一个 应力源结构的至少两个区段之间。 7. 根据权利要求 6 所述的半导体装置， 其中所述至少一个应力源结构将侧向压缩应力 施加至所述自由区。
5、域。 8. 根据权利要求 2 所述的半导体装置， 其中所述磁性单元核垂直安置在所述至少一个 应力源结构的至少两个区段之间。 9. 根据权利要求 8 所述的半导体装置， 其中所述至少一个应力源结构将垂直拉伸应力 施加至所述自由区域。 10. 根据权利要求 2 所述的半导体装置， 其中所述至少一个应力源结构包括多种应力 源材料。 11. 根据权利要求 1 所述的半导体装置， 其中所述自由区域包括展现磁致伸缩的材料。 12. 根据权利要求 1 所述的半导体装置， 其中所述自由区域包括何士勒合金。 13. 根据权利要求 1 所述的半导体装置， 其中所述磁性单元核进一步包括展现垂直磁 化定向的钉扎区域。。
6、 14. 根据权利要求 1 至 13 中任一权利要求所述的半导体装置， 其中所述至少一个存储 器单元包括处于阵列中的多个存储器单元， 所述多个存储器单元包括 字线， 其与所述多个存储器单元中的每一存储器单元的所述磁性单元核可操作通信 ； 及 位线， 其与所述多个存储器单元中的每一存储器单元的所述磁性单元核可操作通信 ； 其中所述多个存储器单元中的每一存储器单元的所述自由区域的所述垂直磁化定向 指向与其可操作通信的所述字线及所述位线中的一者。 15. 一种形成存储器单元的方法， 所述方法包括 ： 形成单元核 ； 及 将应力施加至所述单元核以影响由所述单元核内的材料所展现的磁化定向。 16. 根据。
7、权利要求 15 所述的方法， 其中形成单元核包括 ： 形成钉扎区域 ； 在所述钉扎区域上形成非磁性区域 ； 及 权 利 要 求 书 CN 104321819 A 2 2/2 页 3 在所述非磁性区域上形成自由区域。 17. 根据权利要求 15 所述的方法， 其进一步包括使用在所述单元核外部的至少一个应 力源结构将所述应力施加至所述单元核。 18. 根据权利要求 17 所述的方法， 其进一步包括在所述单元核上形成所述至少一个应 力源结构， 所述至少一个应力源结构包括应力源材料， 所述应力源材料具有与所述单元核 的相邻材料的热膨胀系数不同的热膨胀系数。 19. 根据权利要求 18 所述的方法， 其。
8、进一步包括， 在形成所述至少一个应力源结构之 后， 降低所述至少一个应力源结构的温度以向所述相邻材料施加应力且影响所述单元核内 的自由区域的所述磁化定向。 20. 根据权利要求 17 所述的方法， 其进一步包括在所述单元核与所述至少一个应力源 结构之间安置绝缘材料。 权 利 要 求 书 CN 104321819 A 3 1/13 页 4 存储器单元、 半导体装置结构、 包括此类单元的系统及制造 方法 0001 优先权声明 0002 本申请案主张 2012 年 3 月 22 日申请的第 13/427,339 号美国专利申请案 “存储 器单元、 半导体装置结构、 包括此类单元的系统及制造方法 (M。
9、emory Cells， Semiconductor Device Structures， Systems Including Such Cells， and Methods of Fabrication)” 的 申请日期的权益。 技术领域 0003 在各种实施例中， 本发明大体上涉及存储器装置设计及制造的领域。 更特定地说， 本发明涉及特征是自旋扭矩转移磁性随机存取存储器 (STT-MRAM) 的存储器单元的设计及 制造。 背景技术 0004 磁性随机存取存储器 (MRAM) 是基于磁阻的非易失性计算机存储器技术。MRAM 是 非易失性的且因此可在存储器装置不被供电时维持存储器内容。MRAM。
10、 数据由磁阻元件存 储。一般来说， MRAM 单元中的磁阻元件由两个磁性区域制成， 所述两个磁性区域中的每一 者接受且维持磁化。一个区域 (“钉扎区域” ) 的磁化在其磁定向上固定， 且另一区域 (“自 由区域” ) 的磁化定向可改变。因此， 编程电流可使得两个磁性区域的磁定向平行， 从而给 出较低的跨越磁阻元件的电阻 ( 其可定义为 “0” 状态 )， 或使得两个磁性区域的磁定向反向 平行， 从而给出较高的跨越 MRAR 单元的磁阻元件的电阻 ( 其可定义为 “1” 状态 )。自由区 域的磁定向的切换及所得的跨越磁阻元件的高电阻状态或低电阻状态提供典型 MRAM 单元 的写入及读取操作。 0。
11、005 一种类型的 MRAM 单元是自旋扭矩转移 MRAM(STT-MRAM) 单元。常规的 STT-MRAM 单元可包括磁性单元核， 所述磁性单元核可包括磁性穿隧接面(MTJ)或自旋阀结构。 MTJ是 磁阻数据存储元件， 所述磁阻数据存储元件包括两个磁性区域 ( 一个是钉扎的且一个是自 由的)及两者之间的非磁性、 电绝缘区域， 其可通过数据线(例如， 位线)、 存取线(例如， 字 线 ) 及存取晶体管存取。自旋阀具有与 MTJ 类似的结构， 区别在于自旋阀在两个磁性区域 之间具有导电区域。 0006 在操作中， 编程电流可流经存取晶体管及磁性单元核。所述单元核内的钉扎区域 使编程电流的电子自。
12、旋极化， 且当自旋极化电流穿过所述核时产生扭矩。自旋极化电子流 通过在自由区域上施加扭矩来与所述自由区域相互作用。 当穿过核的自旋极化电子流的扭 矩大于自由区域的临界切换电流密度 (Jc) 时， 由自旋极化电子流施加的扭矩足以切换自由 区域的磁化方向。因此， 编程电流可用于引起自由区域的磁化与钉扎区域的磁化平行或反 向平行而对准， 且当在平行与反向平行之间切换自由区域的磁化时， 跨越核的电阻状态被 改变。 0007 常规的STT-MRAM单元的自由区域及钉扎区域展现与区域的宽度水平(也称为 “平 说 明 书 CN 104321819 A 4 2/13 页 5 面内” ) 的磁化定向。因此， 磁。
13、化定向与由支撑 STT-MRAM 单元的衬底的主表面界定的平面 平行(或反向平行)。 这些较宽的、 平面内STT-MRAM单元具有大占据面积， 使得所述单元低 于二十五纳米的缩放成为艰巨的任务。 0008 垂直定向的 STT-MRAM 单元可需要比平面内 STT-MRAM 单元小的单元宽度， 从而容 纳较大的单元封装。并且， 与平面内 STT-MRAM 单元相比， 垂直定向的 STT-MRAM 单元的相关 联垂直磁化 ( 在本领域中也称为垂直磁性各向异性 ( “PMA” ) 可具有极大地减少的所需的 切换电压。因此， 已努力形成其中钉扎区域及自由区域展现垂直磁化定向的垂直定向 ( “平 面外”。
14、 ) 的 STT-MRAM 单元。然而， 找到及实施用于单元核的合适材料及设计以实现垂直磁 化定向已成为艰巨的任务。 发明内容 0009 揭示存储器单元。所述存储器单元包括磁性单元核。所述磁性单元核包括展现引 起垂直磁化定向的应变的自由区域。 0010 还揭示包括单元核的存储器单元。 所述单元核包括处于展现垂直磁化定向的应变 状态中的自由区域。 所述单元核还包括钉扎区域及安置在所述自由区域与所述钉扎区域之 间的另一区域。 0011 还揭示形成存储器单元的方法。 所述方法包括形成单元核及将应力施加至所述单 元核以影响单元核内的材料展现的磁化定向。 0012 还揭示半导体装置结构。 所述半导体装置。
15、结构包括自旋扭矩转移磁性随机存取存 储器 (STT-MRAM) 阵列。所述阵列包括多个 STT-MRAM 单元。所述多个 STT-MRAM 单元中的 每个 STT-MRAM 单元包括单元核， 所述单元核包括展现垂直磁化定向的经应变自由区域。所 述多个 STT-MRAM 单元中的每个 STT-MRAM 单元还包括在单元核外部的应力源 (stressor) 结构。所述应力源结构向经应变自由区域施加应力。 0013 还揭示自旋扭矩转移磁性随机存取存储器 (STT-MRAM) 单元。所述单元包括磁性 单元核， 所述磁性单元核包括自由区域。所述单元还包括与单元核可操作通信的字线及与 单元核可操作通信的位。
16、线。 所述自由区域展现引起指向所述字线及所述位线中的一者的磁 化定向的应变。 附图说明 0014 图 1 是根据本发明的实施例制造的具有存储器单元的存储器阵列的一部分的示 意图 ； 0015 图 2A 至图 2F 是根据本发明的实施例的 STT-MRAM 单元的横截面、 正视图、 示意说 明 ； 0016 图 3A 至图 3F 分别是根据本发明的实施例的分别沿着截面线 A-A、 B-B、 C-C、 D-D、 E-E 及 F-F 取得的图 2A 至图 2F 的 STT-MRAM 单元的横截面、 平面、 示意说明 ； 0017 图 4A 至图 4F 分别是根据本发明的实施例的分别沿着截面线 A-A。
17、、 B-B、 C-C、 D-D、 E-E 及 F-F 取得的图 2A 至图 2F 的 STT-MRAM 单元的横截面、 平面、 示意说明 ； 0018 图5A至图5C是根据本发明的实施例的在施加侧向压缩应力的各种阶段期间的自 由区域的横截面、 正视图、 示意说明 ； 说 明 书 CN 104321819 A 5 3/13 页 6 0019 图6A至图6C是根据本发明的实施例的在施加垂直拉伸应力的各种阶段期间的自 由区域的横截面、 正视图、 示意说明 ； 0020 图 7 是包括本发明的实施例的存储器单元的半导体装置的简化框图 ； 及 0021 图 8 是根据本文中描述的一个或多个实施例实施的系。
18、统的简化框图。 具体实施方式 0022 揭示存储器单元、 包括此类存储器单元的半导体装置结构、 包括此类存储器单元 的阵列的系统及形成此类存储器单元的方法。所述存储器单元包括具有自由区域的单元 核， 所述自由区域展现引起垂直磁化定向的应变。 因此， 存储器单元的经应变自由区域的垂 直磁化定向受所施加的应力影响。所述所施加的应力可为机械应力、 热应力或为两者。所 施加的应力及自由区域展现的所引起的垂直磁化定向可为永久或暂时的。 0023 如本文中所使用， 术语 “衬底” 表示且包括在其上形成组件 ( 例如， 存储器单元内 的组件 ) 的基材或构造。所述衬底可为半导体衬底、 支撑结构上的基础半导体。
19、材料、 金属 电极或具有形成在其上的一种或多种材料、 结构或区域的半导体衬底。所述衬底可为常规 的硅衬底或包括半导电材料的其它块体衬底。如本文中使用， 除了别的以外， 术语 “块体衬 底” 不但表示且包括硅晶片， 而且表示且包括绝缘体上硅 (“SOI” ) 衬底 ( 例如， 蓝宝石上 硅 (“SOS” ) 衬底或玻璃上硅 (“SOG” ) 衬底、 基础半导体基底上的硅的外延层 ) 或其它半 导体或光电子材料 ( 例如， 硅 - 锗 (Si1-xGex， 其中， 例如 x 是 0.2 与 0.8 之间的摩尔分率 )、 锗(Ge)、 砷化镓(GaAs)、 氮化镓(GaN)或磷化铟(InP)。 此外。
20、， 当在以下描述中提及 “衬底” 时， 先前过程阶段可已被用于在基础半导体结构或基底中形成材料、 区域或接面。 0024 如本文中所使用， 术语 STT-MRAM 单元表示且包括磁性单元结构， 如上文论述， 如果安置在自由区域与钉扎区域之间的非磁性区域是绝缘的， 那么所述磁性单元结构可 包括 MTJ。或者， 如果安置在自由区域与钉扎区域之间的所述非磁性区域是导电的， 那么 STT-MRAM 单元的磁性单元结构可包括自旋阀。 0025 如本文中所使用， 术语 “钉扎区域” 表示且包括 STT-MRAM 单元内的由磁性材料形 成的区域， 所述区域在 STT-MRAM 单元的使用及操作期间具有固定磁。
21、化定向。所述钉扎区域 的固定磁化定向可受外部施加应力 ( 其可由应力源结构施加 ) 的影响， 使得钉扎区域可展 现应变。 与不施加应力的情况相比， 归因于在钉扎区域上施加应力， 经应变钉扎区域展现的 磁化定向可为不同的。 或者， 钉扎区域展现的磁化定向可不受所施加的应力的影响， 使得经 应变钉扎区域展现的磁化将与未应变钉扎区域展现的磁化相同。 本发明的钉扎区域的磁化 定向可展现垂直磁化定向。 0026 如本文中所使用， 术语 “自由区域” 表示且包括 STT-MRAM 单元内的由磁性材料形 成的区域， 所述区域在 STT-MRAM 单元的使用及操作期间具有可切换磁化定向。所述磁化定 向可在 “。
22、平行” 方向 ( 在所述 “平行” 方向上， 自由区域展现的磁化定向及钉扎区域展现的 磁化定向指向相同方向 ) 至 “反向平行” 方向 ( 在所述 “反向平行” 方向上， 自由区域展现 的磁化定向及钉扎区域展现的磁化定向指向相反方向 ) 之间切换。 0027 如本文中所使用， 术语 “单元核” 表示且包括存储器单元结构， 所述存储器单元结 构包括自由区域及钉扎区域， 且在存储器单元的操作期间， 电流流经所述存储器单元结构 以引起自由区域内的平行或反向平行磁定向。 说 明 书 CN 104321819 A 6 4/13 页 7 0028 如本文中所使用， 术语 “垂直” 表示且包括与相应区域的宽。
23、度垂直的方向。 “垂直” 还可表示且包括与支撑 STT-MRAM 单元的衬底的主表面垂直的方向。 0029 如本文中所使用， 术语 “第一” 、“第二” 、“第三” 等等可描述各种元件、 组件、 区域、 材料、 及 / 或区段， 其中没有一个由这些术语限制。这些术语只用于区分一个元件、 组件、 区 域、 材料或区段与另一元件、 组件、 区域、 材料或区段。因此， 下文论述的 “第一元件” 、“第一 组件” 、“第一区域” 、“第一材料” 或 “第一区段” 可称为第二元件、 第二组件、 第二区域、 第二 材料或第二区段， 而不脱离本文中的教示。 0030 如本文中所使用， 空间关系术语， 例如 。
24、“在下方” 、“在下面” 、“低于” 、“底部” 、“在上 方” 、“在上面” 、“顶部” 、“前方” 、“后方” 、“左边” 、“右边” 等等可为便于描述而用于描述如图 式中说明的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除非另有说明， 否则空间关系术语 希望涵盖除图式中描绘的定向以外的不同的材料定向。 例如， 如果颠倒图式中的材料， 那么 描述为在其它元件或特征的 “下面” 或 “下方” 或 “下部” 或 “底部” 的元件将被定向为在其它 元件或特征的 “上方” 或 “顶部” 。因此， 依据使用术语的上下文， 术语 “在下面” 可涵盖 “在 上方” 及 “在下面” 的定向， 这为本领域一般技术。
25、人员所明白。可以其它方式定向 ( 旋转 90 度、 颠倒等等 ) 材料且相应地解释本文中使用的空间关系描述符号。 0031 如本文中所使用， 将元件称为在另一元件 “上” 或 “上方” 表示且包括所述元件直 接在另一元件顶部、 直接与另一元件邻近、 直接在另一元件下方或与另一元件直接接触。 其 还包括所述元件间接地在另一元件的顶部、 间接与另一元件邻近、 间接地在另一元件下方 或间接地在另一元件附近， 其中其它元件在两者之间。相比而言， 当将元件称为 “直接” 在 另一元件 “上” 时， 不存在介于中间的元件。 0032 如本文中所使用， 术语 “包括” 及 / 或 “包含” 指定所陈述的特征。
26、、 区域、 整体、 阶段、 操作、 元件、 材料、 组件及 / 或群组的存在， 但不排除一个或多个特征、 区域、 整体、 阶段、 操 作、 元件、 材料、 组件及 / 或其群组的存在或添加。 0033 如本文中使用，“及 / 或” 包括相关联的列出项中的一或多者的任何及所有组合。 0034 如本文中所使用， 除非上下文另有明确指示， 否则单数形式 “一” 及 “所述” 希望也 包括复数形式。 0035 本文中呈现的说明不希望是任何特定材料、 组件、 结构、 装置或系统的实际视图， 而只是为用于描述本发明的实施例的理想化表示。 0036 在本文中参考说明描述实施例。期望源自 ( 例如 ) 制造技。
27、术及 / 或容限的说明的 形状的变化型式。因此， 本文中描述的实施例不应被理解为限于如所说明的特定形状或区 域而包括由源自 ( 例如 ) 制造的形状偏差。例如， 说明或描述为盒形的区域可具有粗糙及 / 或非线性特征。此外， 所说明的锐角可为圆形的。因此， 图式中说明的区域在本质上是示 意性的且其形状不希望说明区域的精确形状且不限制权利要求书的范围。 0037 以下描述提供特定细节 ( 例如， 材料类型及处理条件 ) 以提供对所揭示的装置及 方法的实施例的透彻描述。然而， 本领域一般技术人员将明白可在不使用这些特定细节的 情况下实践装置及方法的实施例。实际上， 可结合行业中使用的常规的半导体制造。
28、技术实 践装置及方法的实施例。 0038 本文中描述的工艺不形成用于处理半导体装置结构的完整过程流程。 本领域一般 技术人员知晓所述过程流程的剩余部分。因此， 本文中只描述理解本装置及方法的实施例 说 明 书 CN 104321819 A 7 5/13 页 8 所必需的方法及半导体装置结构。 0039 除非上下文另有指示， 否则本文中描述的材料可由任何常规的技术形成， 包括但 不限于， 自旋涂覆、 毯覆式涂覆 (blanket coating)、 化学气相沉积 ( “CVD” )、 等离子体增强 CVD、 原子层沉积 (“ALD” )、 等离子体增强 ALD 或物理气相沉积 (“PVD” )。。
29、或者， 所述材料 可现场生长。依据待形成的特定材料， 本领域一般技术人员可选择用于沉积或生长材料的 技术。 0040 现在将参看图式， 其中相同数字始终指代相同组件。所述图式不必按比例绘制。 0041 揭示存储器单元。所述存储器单元包括具有展现应变的自由区域的磁性单元核。 所述应变引起垂直磁化定向。 0042 图 1 说明包括与 STT-MRAM 单元 100 可操作通信的外围装置 90 的 STT-MRAM 系统 80， 依据系统要求及制造技术， 多个 STT-MRAM 单元 100 可被制造成以包括许若干行及列的 栅格图案或以各种其它布置形成存储器单元的阵列。STT-MRAM 单元 100。
30、 包括单元核 110、 存取晶体管 130、 可用作位线 140 的导电材料、 可用作字线 150 的导电材料及可用作源极线 160 的导电材料。STT-MRAM 系统 80 的外围装置 90 可包括读取 / 写入电路 170、 位线参考 180 及读出放大器 190。单元核 110 可包括磁性穿隧接面 (MTJ)， 其包括自由区域及钉扎区 域。STT-MRAM 单元 100 还可包括至少一个应力源结构 120， 其位于单元核 110 外部。如本 文中所使用， 在另一结构 “外部” 的结构可包括与所述另一结构物理隔离的结构、 与所述另 一结构电隔离的结构、 不与所述另一结构电通信的结构、 不垂。
31、直定位在单元核 110 的最上 区域 ( 其与位线 140 电通信 ) 与单元核 110 的最下区域 ( 其与字线 150 电通信 ) 之间的结 构或其组合。 0043 在使用及操作中， 当选择 STT-MRAM 单元 100 以将其编程时， 将编程电流施加至 STT-MRAM 单元 100， 且所述电流由钉扎区域进行自旋极化且在自由区域上施加扭矩， 这切 换了自由区域的磁化以 “写入至” 或 “编程” STT-MRAM 单元 100。在 STT-MRAM 单元 100 的读 取操作中， 使用电流来检测单元核 110 的电阻状态。应力源结构 120 可在单元核 110 的至 少一部分上施加应力。
32、。 归因于应力的施加， 单元核110内的自由区域可展现引起单元核110 内的自由区域展现的垂直定向的磁化的应变， 垂直定向可降低切换自由区域的磁化所需的 临界切换电流， 从而允许较小编程电流写入 STT-MRAM 单元 100。所述垂直磁化定向还可允 许使用具有较小侧向尺寸的单元核 110， 从而允许改善可伸缩性及装置密度。 0044 如先前论述， 施加用于 STT-MRAM 单元 100 的写入操作的编程电流。为起始编程电 流， 读取 / 写入电路 170 可产生至位线 140 及源极线 160 的写入电流。位线 140 与源极线 160 之间的电压的极性确定单元核 110 中的自由区域的磁。
33、化的切换。一旦根据编程电流的 自旋极性磁化了自由区域， 就将经编程状态写入至 STT-MRAM 单元 100。 0045 为读取 STT-MRAM 单元 100， 读取 / 写入电路 170 产生通过单元核 110 及存取晶体 管 130 至位线 140 及源极线 160 的读取电流。STT-MRAM 单元 100 的经编程状态与跨越单元 核 110 的电阻相关， 所述电阻可由位线 140 与源极线 160 之间的电压差来确定。在一些实 施例中， 所述电压差可与位线参考 180 进行比较且由读出放大器 190 放大。 0046 图 2A 说明根据本发明的实施例的多个 STT-MRAM 单元 1。
34、00。每个 STT-MRAM 单元 100 包括由衬底 10 支撑的单元核 110。单元核 110 包括自由区域 112 及钉扎区域 114。非 磁性区域 113( 其可为导电或绝缘的 ) 安置在自由区域 112 与钉扎区域 114 之间。在非磁 说 明 书 CN 104321819 A 8 6/13 页 9 性区域 113 绝缘的情况下， 单元核 110 形成 MTJ， 或在非磁性区域 113 导电的情况下， 单元 核 110 形成自旋阀。在单元核 110 形成 MTJ 的实施例中， 自由区域 112 与钉扎区域 114 之 间的非磁性区域 113 可用作两个区域 112、 114 之间的绝。
35、缘体。非磁性区域 113 可由以下材 料形成或包括以下材料 ： AlxOy、 MgO、 AlN、 SiN、 CaOx、 NiOx、 HfxOy、 TaxOy、 ZrxOy、 NiMnOx、 MgxFy、 SiC、 SiO2、 SiOxNy或以上材料的任何组合。 0047 自由区域112及钉扎区域114可由铁磁材料形成或包括铁磁材料， 例如， Co、 Fe、 Ni 或其合金 NiFe、 CoFe、 CoNiFe、 或掺杂合金 CoX、 CoFeX、 CoNiFeX(X B、 Cu、 Re、 Ru、 Rh、 Hf、 Pd、 Pt、 C)， 或其它半金属铁磁材料， 诸如 ( 例如 )NiMnSb 及。
36、 PtMnSb。更特定地说， 例如， 自 由区域 112 可由以下材料中的一种或多种形成或包括以下材料中的一种或多种 ： 展现磁致 伸缩的材料 ( 例如， 不具限制性， CoxFeyBz)、 展现 L10结晶结构的材料、 展现单轴磁各向异性 的材料及何士勒合金， 所述材料的特性是不相互排斥的。或者或此外， 在一些实施例中， 自 由区域 112 可由层状材料形成或包括层状材料。例如且不具限制性， 自由区域 112 可由钴 及铂的重复层形成或包括钴及铂的重复层， 其中铂层安置在多个钴层之间且反之亦然。作 为另一实例， 不具限制性， 自由区域 112 可包括钴及镍的重复层， 其中镍层安置在多个钴层 。
37、之间且反之亦然。 0048 钉扎区域 114 被如此命名是因为其具有带有固定或钉扎优选定向的固定磁化， 所 述定向由图 2A 至 2F 的钉扎区域 114 中说明的单向箭头表示。自由区域 112 中说明的双向 箭头表示自由区域 112 可在与钉扎区域 114 的定向平行的方向 ( 其给出低电阻 ) 或在与钉 扎区域 114 的定向反向平行的方向 ( 其给出高电阻 ) 上磁化。 0049 单元核110还可视情况包括除自由区域112、 非磁性区域113及钉扎区域114以外 的其它区域。例如， 如图 2A 中说明， 单元核 110 可包括反铁磁性区域 115， 其可定位在钉扎 区域 114 下方以通。
38、过交换耦合实现钉扎。在单元核 110 中可包括额外非磁性区域。例如， 另一非磁性区域 111 可定位在自由区域 112 上方。单元核 110 内的其它区域可包括压电区 域、 额外自由区域、 额外钉扎区域、 额外反铁磁性区域或已知 STT-MRAM 单元的其它区域中 的任一者。 0050 在单元核110外部， 可存在至少一个应力源结构120。 应力源结构120直接或间接 地在自由区域 112 上施加应力。所施加的应力可至少部分地归因于应力源结构 120 相对于 自由区域 112 的配置及定位。应力源结构 120 可直接或间接地在单元核 110 的至少一部分 上施加应力， 从而引起由自由区域 11。
39、2 展现的应变。自由区域 112 的应变状态引起自由区 域 112 中的垂直磁化定向。因此， 由应力源结构 120 施加的应力引起由自由区域 112 展现 的应变， 所述应变引起自由区域 112 的垂直磁化定向。 0051 应力源结构 120 可由一种或多种应力源材料形成或包括一种或多种应力源材料。 这些应力源材料可包括， 例如且不具限制性， SiO 或 Si3N4。在其它实施例中， 所述应力源材 料可包括， 例如且不具限制性， 经配制以在退火之后实质上收缩的旋涂式玻璃材料。 在另外 其它实施例中， 所述应力材料可包括， 例如且不具限制性， 经配制以在退火之后密化的非晶 材料。 0052 应力。
40、源结构 120 在相邻材料或结构上施加应力， 例如在单元核 110 的至少一个区 域上或安置在应力源结构 120 与单元核 110 的至少一个区域之间的绝缘材料上施加应力。 应力源结构 120 可经配置及定位以将压缩应力或拉伸应力施加至相邻材料。此外， 应力源 说 明 书 CN 104321819 A 9 7/13 页 10 结构 120 可经配置及定位以在相邻材料上施加实质上侧向应力或实质上垂直应力。如本文 中所使用，“侧向应力” 是指向与在其上施加侧向应力的结构的宽度平行的方向的应力。侧 向应力可指向与由支撑 STT-MRAM 单元的衬底 ( 在所述衬底中支撑其上施加侧向应力的结 构 ) 。
41、的主表面界定的平面平行的方向。并且， 如本文中使用，“垂直应力” 是指向与在其上施 加垂直应力的结构的高度平行的方向的应力。垂直应力可指向与由支撑 STT-MRAM 单元的 衬底 ( 在所述衬底中支撑其上施加垂直应力的结构 ) 的主表面界定的平面垂直的方向。 0053 在其它实施例中， 应力源结构 120 可经配置及定位以在相邻材料上施加有角应 力。因此， 应力源结构 120 可在至少一种相邻材料上施加侧向压缩应力、 侧向拉伸应力、 垂 直压缩应力、 垂直拉伸应力、 有角压缩应力或有角拉伸应力， 所述相邻材料可为单元核 110 的自由区域 112 或安置在应力源结构 120 与单元核 110 。
42、的自由区域 112 之间的另一材料。 预期选择包括应力源结构 120 的材料以在形成应力源结构 120 之后， 在相邻材料上在所要 方向(例如， 侧向、 垂直、 或有角)上施加所要类型(例如， 压缩或拉伸的)的所要量的应力， 以由自由区域 112 展现所要的应变且引起单元核 110 的经应变自由区域 112 内的垂直磁化 定向。 0054 如图 2A 中说明， STT-MRAM 单元 100 可包括一个以上应力源结构 120。例如， 如所 展示， STT-MRAM 单元 100 可包括侧向邻近应力源结构 120L 及垂直邻近应力源结构 120V。 STT-MRAM 单元 100 内的此侧向邻近。
43、应力源结构 120L 可经定位使得单元核 110 侧向安置在 侧向邻近的应力源结构 120L 的至少两个区段之间。侧向邻近的应力源结构 120L 的此类侧 向邻近区域可经配置及定位以直接或间接地在单元核110的至少自由区域112上施加压缩 性或拉伸性的侧向应力。 0055 垂直邻近应力源结构 120V 可安置在单元核 110 上方或安置在单元核 110 下方， 或 可安置在单元核 110 上方且安置在单元核 110 下方， 如图 2A 中展示。此类垂直邻近应力源 结构 120V 可经配置及定位以直接或间接地在单元核 110 的至少自由区域 112 上施加压缩 性或拉伸性的垂直应力。 0056 。
44、每一 STT-MRAM 单元 100 的字线 150 可形成在衬底 10 中且由衬底 10 支撑。位线 140 及字线 150 可安置在单元核 110 与垂直邻近应力源结构 120V 之间， 如图 2A 中展示， 且 形成位线 140 及字线 150 的导电材料可与单元核 110 可操作通信。在此类实施例中， 垂直 邻近应力源结构 120V 可经配置及定位以在将垂直应力间接地施加在单元核 110 的自由区 域 112 上之前， 将此垂直应力更直接地施加在位线 140 及字线 150 中的每一者或任一者上。 0057 在其它实施例 ( 未展示 ) 中， 此外或替代地， 可将垂直邻近应力源结构 1。
45、20V 安置 在位线 140 与单元核 110 之间， 例如安置在位线 140 与非磁性区域 111 之间。同样， 此类实 施例还可或替代地包括安置在字线 150 与单元核 110 之间 ( 例如安置在字线 150 与反铁磁 性区域 115 之间 ) 的垂直邻近应力源结构 120V。 0058 应力源结构 120 可与单元核 110 物理隔离或电隔离， 或与单元核 110 物理隔离且 电隔离。例如， 绝缘材料 20 可隔离应力源结构 120 与单元核 110。绝缘材料 20 可由已知层 间电介质材料 ( 例如， 例如且不具限制性， 二氧化硅 ) 形成或包括已知层间电介质材料 ( 例 如， 例如。
46、且不具限制性， 二氧化硅 )。 0059 应力源结构 120L 的侧向邻近区段可延伸由单元核 110 界定的高度的全部或只延 伸所述高度的一部分。例如， 如图 2A 中展示， 侧向邻近应力源结构 120L 的侧向邻近区段可 说 明 书 CN 104321819 A 10 8/13 页 11 延伸由单元核 110 的自由区域 112、 非磁性区域 113 及钉扎区域 114 界定的高度的全部， 但 可不在位线 140 与字线 150 之间物理接触或延伸。 0060 至少一个侧向邻近应力源结构 120L 的侧向邻近区段可界定小于或等于由位线 140及字线150中的较宽者界定的宽度的宽度。 因此， 。
47、在此类实施例中， 位线140及字线150 中的较宽者的宽度可界定 STT-MRAM 单元 100 的宽度。 0061 参考图 2B， 在一些实施例中， STT-MRAM 单元 100 的应力源结构 120 可不与单元核 110物理隔离。 在此类实施例中， 侧向邻近的应力源结构120L可直接形成在单元核110上， 例如形成在由单元核110界定的侧壁上。 此类侧向邻近应力源结构120L可与自由区域112、 位线 140 及字线 150 中的一或多者直接物理接触。 0062 并且， 如图 2B 中展示， 在一些实施例中， 侧向邻近的应力源结构 120L 可延伸单元 核 110 的高度。侧向邻近的应力。
48、源结构 120L 还可跨越相邻单元核 110 之间的某个距离， 而 不是界定相邻单元核 110 之间的侧向邻近应力源结构 120L 的离散区段。 0063 参考图 2C， 在一些实施例中， 侧向邻近的应力源结构 120L 可实质上延伸单元核 110 的高度， 同时由绝缘材料 20 与单元核 110 物理隔离且电隔离。 0064 参考图 2D， 在一些实施例中， 侧向邻近的应力源结构 120L 可实质上只延伸单元核 110 的自由区域 112 的高度。此类侧向邻近的应力源结构 120L 可实质上在相邻单元核 110 的自由区域 112 之间跨越， 同时由绝缘材料 20 与单元核 110 物理隔离。
49、且电隔离。 0065 参考图 2E， 在一些实施例中， 侧向邻近的应力源结构 120L 包括一种以上应力源材 料。此类侧向邻近的应力源结构 120L 可包括接近单元核 110 的第一应力源材料 122， 其中 第二应力源材料124接近第一应力源材料122， 第一应力源材料122安置在单元核110与第 二应力源材料 124 之间。在其它实施例中， 侧向邻近应力源结构 120L 中可包括两种以上应 力源材料。虽然侧向邻近应力源结构 120L 说明为与单元核 110 物理接触， 但是在其它实施 例 ( 未展示 ) 中， 由一种以上应力源材料形成的侧向邻近应力源结构 120L 可与单元核 110 电隔离、 物理隔离或电隔离且物理隔离。同样， 虽然侧向邻近应力源结构 120L 说明为延伸 单元核 110 的高度， 但在是其它实施例 ( 未展示 ) 中， 由一种以上应力源材料形成的侧向邻 近应力源结构 120L 可只延伸单元核 110 的高度的一部分， 例如只沿着单元核 110 的自由区 域 112 的高度延伸。 006。