CN105359217A - 存储器单元，操作及制造方法，半导体装置结构，及存储器系统 - Google Patents

存储器单元，操作及制造方法，半导体装置结构，及存储器系统 Download PDF

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Abstract

一种磁性单元核心包含接近于磁性区域(例如，自由区域或固定区域)的至少一个应力源结构。所述磁性区域可由展现磁致伸缩的磁性材料形成。在切换期间，所述应力源结构可经受通过所述磁性单元核心的编程电流。响应于所述电流，所述应力源结构的大小可改变。归因于所述大小变化，所述应力源结构可施加应力于所述磁性区域上，且借此改变其磁各向异性。在一些实施例中，可在切换期间降低所述磁性区域的MA强度，使得较低编程电流可用于切换所述自由区域的磁性定向。在一些实施例中，多个应力源结构可包含于所述磁性单元核心中。本发明还揭示制造及操作的方法以及相关装置结构及系统。

Description

存储器单元，操作及制造方法，半导体装置结构，及存储器系统
优先权主张
本申请案主张2013年7月1日申请的“存储器单元，操作及制造方法，半导体装置结构，及存储器系统(MEMORYCELLS,METHODSOFOPERATIONANDFABRICATION,SEMICONDUCTORDEVICESTRUCTURES,ANDMEMORYSYSTEMS)”的第13/932,497号美国专利申请案的申请日的权利。
技术领域
在各种实施例中，本发明整体而言涉及存储器装置设计及制造的领域。更特定来说，本发明涉及特性化为自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的存储器单元的设计及制造。
背景技术
磁性随机存取存储器(MRAM)为基于磁阻的非易失性计算机存储器技术。MRAM单元的一种类型为包含通过衬底支撑的磁性单元核心的自旋力矩转移MRAM(STT-MRAM)单元。所述磁性单元核心包含至少两个磁性区域(例如，“固定区域”及“自由区域”)，在所述两个磁性区域之间具有非磁性区域。STT-MRAM单元的自由区域及固定区域可展现相对于所述区域的宽度水平定向(“平面内”)或垂直定向(“平面外”)的磁性定向。
固定区域包含具有实质上固定(例如，不可切换)磁性定向的磁性材料。另一方面，自由区域包含具有可在单元的操作期间于“平行”配置与“反平行”配置之间切换的磁性定向的磁性材料。在平行配置中，固定区域及自由区域的磁性定向为在相同方向(例如，分别为北及北、东及东、南及南或西及西)上引导。在“反平行”配置中，固定区域及自由区域的磁性定向为在相反方向(例如，分别为北及南、东及西、南及北或西及东)上引导。
在平行配置中，STT-MRAM单元展现跨磁阻元件(即，固定区域及自由区域)的较低电阻。低电阻的此状态可定义为MRAM单元的“0”逻辑状态。在反平行配置中，STT-MRAM单元展现跨磁阻元件(即，磁性材料的区域，例如，固定区域及自由区域)的较高电阻。高电阻的此状态可定义为STT-MRAM单元的“1”逻辑状态。
可通过使编程电流通过磁性单元核心及其中的固定区域及自由区域来完成所述自由区域的磁性定向的切换。磁性单元核心内的固定区域使编程电流的电子自旋极化，且在所述经自旋极化的电流通过所述核心时产生力矩。所述经自旋极化的电子电流通过对自由区域施加力矩而与所述自由区域交互。当通过核心的经自旋极化电子电流的力矩大于自由区域的临界切换电流密度(Jc)时，通过所述经自旋极化的电子电流施加的力矩足以切换自由区域的磁性定向的方向。因此，编程电流可用于改变跨磁性区域的电阻。跨磁阻元件的所得高或低电阻状态实现常规MRAM单元的写入及读取操作。在切换自由区域的磁性定向以实现与所要逻辑状态相关联的平行配置及反平行配置中的一者之后，通常期望在“存储”阶段期间维持自由区域的磁性定向直到将MRAM单元重写到不同配置(即，不同逻辑状态)。
磁性区域的磁各向异性(“MA”)为其磁性定向的强度的指示，且因此为改变所述磁性定向的磁性材料的电阻的指示。与展现具有较低MA强度的磁性定向的磁性材料相比，展现具有高MA强度的磁性定向的磁性材料可较少倾向于使其磁性定向从所述定向改变。
使自由区域从平行配置切换到反平行配置所需的编程电流的量受磁性区域的MA强度影响。具有较强(即，较高)MA强度的自由区域可比具有较弱(即，较低)MA强度的自由区域需要更大量的编程电流来切换其磁性定向。然而，在存储期间具有弱MA强度的自由区域通常也较不稳定。即，具有弱MA强度的自由区域倾向于从其经编程配置(即，经编程的平行或反平行配置)过早改变，尤其在MRAM单元的固定区域具有强MA强度时。因此，形成具有自由区域及固定区域(所述区域具有能够在不使MRAM单元存储经编程逻辑状态的能力劣化的情况下使用最小化的编程电流进行切换而不出现故障(即，无过早切换自由区域的磁性定向)的MA强度)的MRAM单元通常为挑战。
发明内容
本发明揭示一种存储器单元。所述存储器单元包括磁性单元核心，所述磁性单元核心包括磁性区域及应力源结构。所述应力源结构经配置以在切换所述磁性区域的磁性定向期间所述应力源结构经受通过所述磁性单元核心的编程电流时施加应力于所述磁性区域上且改变所述磁性区域的磁各向异性。
本发明还揭示一种操作自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的方法。所述方法包括改变跨所述STT-MRAM单元的磁性单元核心的磁性区域及另一磁性区域的电阻以编程所述STT-MRAM单元的逻辑状态。改变所述电阻包括使电流通过所述磁性单元核心以切换所述磁性区域的可切换磁性定向。改变所述电阻还包括：至少部分响应于使所述电流通过，改变接近于所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者的应力源结构的至少一个尺寸以施加应力于所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者上且改变所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者的磁各向异性。
本发明还揭示一种形成存储器单元的方法。所述方法包括于衬底上方形成磁性材料。非磁性材料形成于所述磁性材料上方。另一磁性材料形成于所述非磁性材料上方。应力源材料经形成而接近于所述磁性材料及所述另一磁性材料中的至少一者。所述应力源材料具有不同于所述磁性材料及所述另一磁性材料中的最近者的热膨胀系数的热膨胀系数。
本发明还揭示一种半导体装置。所述半导体装置包括自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)阵列(所述阵列包括STT-MRAM单元)。所述STT-MRAM单元的STT-MRAM单元包括磁性单元核心。所述磁性单元核心包括介于磁性区域与另一磁性区域之间的非磁性区域。所述磁性单元核心还包括接近于所述磁性区域的应力源结构。所述应力源结构具有不同于所述磁性区域的热膨胀系数。所述应力源结构经配置以在所述STT-MRAM单元的切换期间经受编程电流时改变至少一个尺寸且施加应力于所述磁性区域上以改变所述磁性区域的磁各向异性。
本发明还揭示一种自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)系统。所述STT-MRAM系统包括磁性单元核心及与所述磁性单元核心可操作连通的导电材料。所述磁性单元核心包括接近于磁性区域的应力源结构。所述应力源结构经配置以在切换期间响应于通过所述磁性单元核心中的所述应力源结构的电流改变大小且施加应力于所述磁性区域上，以改变跨所述磁性区域的电阻。
附图说明
图1为平面外STT-MRAM单元的包含接近于自由区域的应力源结构的磁性单元结构的横截面正视示意说明。
图2A为在存储配置中的图1的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有正磁致伸缩及主要垂直磁性定向的磁性材料形成的自由区域。
图2B为在切换配置中的图2A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直膨胀的应力源结构。
图2C为在切换配置中的图2A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向膨胀的应力源结构。
图3A为在存储配置中的图1的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有负磁致伸缩及主要垂直磁性定向的磁性材料形成的自由区域。
图3B为在切换配置中的图3A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直收缩的应力源结构。
图3C为在切换配置中的图3A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向收缩的应力源结构。
图4为平面内STT-MRAM单元的包含接近于自由区域的应力源结构的磁性单元结构的横截面正视示意说明。
图5A为在存储配置中的图4的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有负磁致伸缩及主要水平磁性定向的磁性材料形成的自由区域。
图5B为在切换配置中的图5A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直膨胀的应力源结构。
图5C为在切换配置中的图5A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向膨胀的应力源结构。
图6A为在存储配置中的图4的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有正磁致伸缩及主要水平磁性定向的磁性材料形成的自由区域。
图6B为在切换配置中的图6A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直收缩的应力源结构。
图6C为在切换配置中的图6A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向收缩的应力源结构。
图7为平面外STT-MRAM单元的包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构的磁性单元结构的横截面正视示意说明。
图8A为在存储配置中的图7的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有正磁致伸缩及主要垂直磁性定向的磁性材料形成的固定区域。
图8B为在切换配置中的图8A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直收缩的下应力源结构。
图8C为在切换配置中的图8A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向收缩的下应力源结构。
图9A为在存储配置中的图7的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有负磁致伸缩及主要垂直磁性定向的磁性材料形成的固定区域。
图9B为在切换配置中的图9A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直膨胀的下应力源结构。
图9C为在切换配置中的图9A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向膨胀的下应力源结构。
图10A为在存储配置中的磁性单元结构的横截面正视示意说明，平面外STT-MRAM单元的所述磁性单元结构包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构，所述自由区域及所述固定区域由具有正磁致伸缩的磁性材料形成。
图10B为在切换配置中的图10A的磁性单元结构的横截面正视示意说明，上应力源结构经配置以在切换期间垂直膨胀且下应力源结构经配置以在切换期间垂直收缩。
图11A为在存储配置中的磁性单元结构的横截面正视示意说明，平面外STT-MRAM单元的所述磁性单元结构包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构，所述自由区域由具有正磁致伸缩的磁性材料形成且所述固定区域由具有负磁致伸缩的磁性材料形成。
图11B为在切换配置中的图11A的磁性单元结构的横截面正视示意说明，上应力源结构及下应力源结构经配置以在切换期间垂直膨胀。
图12为平面内STT-MRAM单元的包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构的磁性单元结构的横截面正视示意说明。
图13A为在存储配置中的图12的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有负磁致伸缩及主要水平磁性定向的磁性材料形成的固定区域。
图13B为在切换配置中的图13A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直收缩的下应力源结构。
图13C为在切换配置中的图13A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向收缩的下应力源结构。
图14A为在存储配置中的图12的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含由具有正磁致伸缩及主要水平磁性定向的磁性材料形成的固定区域。
图14B为在切换配置中的图14A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间垂直膨胀的下应力源结构。
图14C为在切换配置中的图14A的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明，所述磁性单元结构包含经配置以在切换期间横向膨胀的下应力源结构。
图15A为在存储配置中的磁性单元结构的横截面正视示意说明，平面内STT-MRAM单元的所述磁性单元结构包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构，所述自由区域由具有负磁致伸缩的磁性材料形成且所述固定区域由具有正磁致伸缩的磁性材料形成。
图15B为在切换配置中的图15A的磁性单元结构的横截面正视示意说明，上应力源结构及下应力源结构经配置以在切换期间垂直膨胀。
图16A为在存储配置中的磁性单元结构的横截面正视示意说明，平面内STT-MRAM单元的所述磁性单元结构包含接近于自由区域的上应力源结构及接近于固定区域的下应力源结构，所述自由区域及所述固定区域由具有正磁致伸缩的磁性材料形成。
图16B为在切换配置中的图16A的磁性单元结构的横截面正视示意说明，上应力源结构经配置以在切换期间垂直收缩且下应力源结构经配置以在切换期间垂直膨胀。
图17为具有由多个应力源子区域形成的应力源结构的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明。
图18为具有不连续应力源结构的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明。
图19为具有接近于磁性区域的应力源结构及定位于所述应力源结构与所述磁性区域之间的中间结构的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明。
图20为具有接近于应力源结构的加热器结构的磁性单元结构的部分横截面正视示意说明。
图21为根据本发明的实施例的包含具有磁性单元结构的存储器的STT-MRAM系统的示意图。
图22为根据本发明的实施例的包含具有磁性单元结构的存储器单元的半导体装置的简化框图。
图23为根据本发明的一或多个实施例实施的系统的简化框图。
具体实施方式
本发明揭示存储器单元、包含此类存储器单元的半导体装置结构、存储器系统以及形成及操作此类存储器单元的方法。所述存储器单元包含磁性单元核心，所述磁性单元核心包含磁性区域(例如，自由区域或固定区域)及应力源结构，所述应力源结构经配置以在切换期间施加应力于所述磁性区域上以在切换期间改变所述磁性区域的磁各向异性(MA)。所述应力可为压缩应力或拉伸应力。在切换期间(即，在编程期间)通过磁性单元核心的编程电流可实现应力源结构的结构改变(例如，膨胀或收缩)，此可引起压缩或拉伸应力施加于附近磁性区域上。磁性区域中的所得应变可改变所述磁性区域的磁各向异性。例如，应力源结构可经配置以在加热时膨胀(例如，横向、垂直或两者)，且使编程电流通过磁性单元核心可加热所述应力源结构。在编程期间，所述应力源结构的膨胀可(例如，使用压缩应力或拉伸应力)加应力于附近自由区域。所述自由区域可由经配置以在受应力时减小所述区域的主磁性定向的方向上(即，如果STT-MRAM单元为平面内STT-MRAM单元，那么在水平方向上，或如果所述STT-MRAM单元为平面外STT-MRAM单元，那么在垂直方向上)的磁各向异性强度的磁性材料形成。因此，使编程电流通过磁性单元核心可加热应力源结构，此可引起所述应力源结构膨胀，所述膨胀可引起自由区域受应力，所述应力可导致所述自由区域的MA强度降低。因此，在切换期间，可使用低于未受应力的自由区域原本所需的编程电流以切换受应力的自由区域的磁性定向。例如，较低编程电流可比切换自由区域(如果未受应力)所需的编程电流低最多约五倍(5×)。(即，切换未受应力的自由区域所需的编程电流可比切换受应力自由区域所需的编程电流大最多约500％)。在切换之后，可终止编程电流，应力源结构可冷却且收缩回到其原始尺寸，从而减轻自由区域上的应力使得所述自由区域的MA强度可增加回到其原始MA强度。因此，STT-MRAM单元可经配置以能够使用低编程电流而不使存储期间的数据保持及可靠性劣化。
如本文中所使用，术语“衬底”意谓且包含其上形成组件(例如，存储器单元内的所述组件)的基底材料或其它构造。所述衬底可为半导体衬底、支撑结构上的基底半导体材料、金属电极或其上形成有一或多个材料、结构或区域的半导体衬底。所述衬底可为常规硅衬底或包含半导体材料的其它块体衬底。如本文中所使用，术语“块体衬底”不仅意谓且包含硅晶片，而且意谓且包含绝缘体上硅(“SOI”)衬底(例如，蓝宝石上硅(“SOS”)衬底或玻璃上硅(“SOG”)衬底)、基底半导体基座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x为(例如)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)等等)。此外，当在以下描述中参考“衬底”时，可已利用先前工艺阶段以形成基底半导体结构或基座中的材料、区域或结。
如本文中所使用，术语“STT-MRAM单元”意谓且包含磁性单元结构，所述磁性单元结构包含磁性单元核心，所述磁性单元核心包含布置于自由区域与固定区域之间的非磁性区域。在磁性隧道结(“MTJ”)配置中，所述非磁性区域可为电绝缘(例如，电介质)区域。替代性地，在自旋阀配置中，所述非磁性区域可为导电区域。
如本文中所使用，术语“磁性单元核心”意谓且包含包括自由区域及固定区域的存储器单元结构且在使用及操作存储器单元期间电流可通过(即，流动通过)所述存储器单元结构以实现所述自由区域及所述固定区域的磁性定向的平行或反平行配置。
如本文中所使用，术语“磁性区域”意谓展现磁性的区域。磁性区域包含磁性材料且还可包含一或多个非磁性材料。
如本文中所使用，术语“磁性材料”意谓且包含铁磁性材料、次铁磁性材料两者及反铁磁性材料。
如本文中所使用，术语“固定区域”意谓且包含在STT-MRAM单元内的磁性区域，所述磁性区域包含磁性材料且在所述STT-MRAM单元的使用及操作期间具有固定磁性定向，这是因为实现单元核心的磁性区域(例如，自由区域)的磁化方向的变化的电流或施加场可不实现固定区域的磁化方向的变化。固定区域可包含一或多个磁性材料及任选地一或多个非磁性材料。例如，固定区域可配置为包含通过磁性子区域邻接的钌(Ru)的子区域的合成反铁磁体(SAF)。所述磁性子区域中的每一者可包含一或多个材料及其中的一或多个区域。作为另一实例，固定区域可配置为单一、均匀磁性材料。因此，固定区域可具有均匀磁化，或整体上实现在STT-MRAM单元的使用及操作期间具有固定磁性定向的固定区域的不同磁化的子区域。
如本文中所使用，术语“自由区域”意谓且包含STT-MRAM单元内的磁性区域，所述磁性区域包含磁性材料且在所述STT-MRAM单元的使用及操作期间具有可切换磁性定向。可通过施加电流或施加场使磁性定向在平行配置与反平行配置之间切换。
如本文中所使用，“切换”意谓且包含使用及操作存储器单元的阶段，在所述阶段期间使编程电流通过STT-MRAM单元的磁性单元核心以实现自由区域及固定区域的磁性定向的平行或反平行配置。
如本文中所使用，“存储”意谓且包含使用及操作存储器单元的阶段，在所述阶段期间并未使编程电流通过STT-MRAM单元的磁性单元核心且其中并未改变自由区域及固定区域的磁性定向的平行或反平行配置。
如本文中所使用，术语“膨胀(expand)”及“膨胀(expansion)”在参考材料的大小变化而使用时意谓且包含所述材料的大小沿着轴的增加大于相邻材料的大小沿着所述轴的增加。所述术语还指代材料的大小沿着轴增加，而相邻材料的大小沿着所述轴未改变或减小。经引用的“相邻材料”为沿着相同轴(膨胀材料的大小在所述轴上增加)邻近于所述膨胀材料的材料。大小变化的最终结果在于，在膨胀之后所述材料对相邻材料的大小比大于在膨胀之前所述材料对所述相邻材料的大小比。因此，如果相邻材料仅在长度或高度上加倍，那么在长度或高度上增到三倍的材料可称为“膨胀”。此外，在相邻材料的大小未改变或减小时，大小增加的材料也可称为“膨胀”。在“横向膨胀”的背景内容下，经引用的相邻材料为横向邻近于膨胀材料的材料。因此，横向膨胀的材料可相对于横向邻近的材料“膨胀”且可施加横向压缩应力于此相邻材料上。所述横向膨胀的材料还可施加横向拉伸应力于垂直邻近的材料上，所述横向拉伸应力可实现所述垂直邻近的材料的横向膨胀。在“垂直膨胀”的背景内容下，经引用的相邻材料为垂直邻近于膨胀材料的材料。因此，垂直膨胀的材料可相对于垂直邻近的材料“膨胀”且可施加垂直压缩应力于此相邻材料上。所述垂直膨胀的材料还可施加垂直拉伸应力于横向邻近的材料上，所述垂直拉伸应力可实现所述垂直邻近的材料的垂直膨胀。
如本文中所使用，术语“收缩(contract)”及“收缩(contraction)”在参考材料的大小变化而使用时意谓且包含材料的大小沿着轴的减小大于相邻材料的大小沿着所述轴的减小。所述术语还指代材料的大小沿着轴减小，而相邻材料的大小沿着所述轴未改变或增加。经引用的“相邻材料”为沿着相同轴(收缩材料的大小在所述轴上减小)邻近于所述收缩材料的材料。大小变化的最终结果在于，在收缩之后所述材料对相邻材料的大小比小于在收缩之前所述材料对所述相邻材料的大小比。因此，在相邻材料的大小膨胀或未改变时，大小缩小的材料可称为“收缩”。此外，大小的缩小大于相邻材料的大小缩小的材料可称为“收缩”。此外，然而，如果相邻材料在长度或高度上增到三倍，那么在长度或高度上加倍的材料可称为“收缩”。在“横向收缩”的背景内容下，经引用的相邻材料为横向邻近于收缩材料的材料。因此，横向收缩的材料可相对于横向邻近的材料“收缩”且可施加横向拉伸应力于此相邻材料上。所述横向收缩的材料还可施加横向压缩应力于垂直邻近的材料上，所述横向压缩应力可实现所述垂直邻近的材料的横向收缩。在“垂直收缩”的背景内容下，经引用的相邻材料为垂直邻近于膨胀材料的材料。因此，垂直收缩的材料可相对于垂直邻近的材料“收缩”且可施加垂直拉伸应力于此相邻材料上。所述垂直收缩的材料还可施加垂直压缩应力于横向邻近的材料上，所述垂直压缩应力可实现所述横向邻近的材料的垂直收缩。
如本文中所使用，术语“垂直”意谓且包含垂直于相应区域的宽度及长度的方向。“垂直”还可意谓且包含垂直于其上定位STT-MRAM单元的衬底的主表面的方向。
如本文中所使用，术语“水平”意谓且包含平行于相应区域的宽度及长度中的至少一者的方向。“水平”还可意谓且包含平行于其上定位STT-MRAM单元的衬底的主表面的方向。
如本文中所使用，术语“子区域”意谓且包含包含于另一区域中的区域。因此，一个磁性区域可包含一或多个磁性子区域(即，磁性材料的子区域)以及非磁性子区域(即，非磁性材料的子区域)。
如本文中所使用，术语“介于...之间”为用于描述一个材料、区域或子区域相对于至少两个其它材料、区域或子区域的相对布置的空间相对术语。术语“介于...之间”可涵盖一个材料、区域或子区域直接邻近于其它材料、区域或子区域的布置及一个材料、区域或子区域并未直接邻近于其它材料、区域或子区域的布置两者。
如本文中所使用，将元件称为在另一元件“上”或“上方”意谓且包含所述元件直接在另一元件的顶部上、直接邻近于另一元件、直接在另一元件下方或直接与另一元件接触。其还包含所述元件间接在另一元件的顶部上、间接邻近于另一元件、间接在另一元件下方或间接在另一元件附近，其中在所述元件与另一元件之间存在其它元件。相比之下，当将元件称为“直接”在另一元件“上”或“直接邻近于”另一元件时，不存在中介元件。
如本文中所使用，其它空间相对术语(例如“在…下面”、“在…下方”、“下”、“底部”、“上方”、“上”、“顶部”、“前面”、“后面”、“左侧”、“右侧”及类似者)可为易于描述而用于描述如图中所说明的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除非另有指定，否则所述空间相对术语旨在涵盖除如图中所描绘的定向之外的不同材料定向。例如，如果将图中的材料反转，那么描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”或“之下”或“底部上”的元件将接着定向于所述其它元件或特征的“上方”或“顶部上”。因此，取决于使用术语的内容背景，术语“在…下方”可涵盖上方及下方两种定向，这对于所属领域的一般技术人员来说将是显然的。材料可以其它方式定向(旋转90度、反转等)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述符。
如本文中所使用，术语“包括”、“包括(comprising)”、“包含”及/或“包含(including)”指定经陈述特征、区域、整数、阶段、操作、元件、材料、组件及/或群组的存在，但并不排除存在或添加一或多个其它特征、区域、整数、阶段、操作、元件、材料、组件及/或其群组。
如本文中所使用，“及/或”包含相关联列举项中的一或多者的任一组合及全部组合。
如本文中所使用，除非上下文另有清楚指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”及“所述”旨在也包含复数形式。
本文中所呈现的说明并非意指任何特定组件、结构、装置或系统的实际视图，但仅为经采用以描述本发明的实施例的理想化表示。
在本文中参考横截面说明(其为示意说明)描述实施例。因此，预期由于(例如)制造技术及/或公差所致的说明的形状的变动。因此，本文中所描述的实施例不应理解为限于如所说明的特定形状或区域但可包含源自(例如)制造技术的形状偏差。例如，说明及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。因此，图中所说明的材料、特征及区域本质上为示意性的且其形状并非旨在说明材料、特征或区域的精确形状且并不限制所附权利要求书的范围。
以下描述提供特定细节(例如，材料类型及处理条件)以提供所揭示装置及方法的实施例的透彻描述。然而，所属领域的一般技术人员将理解，可在不采用这些特定细节的情况下实践所述装置及方法的实施例。实际上，可结合行业中所采用的常规半导体制造技术实践所述装置及方法的实施例。
本文中所描述的制造工艺并未形成用于处理半导体装置结构的完整工艺流程。所属领域的一般技术人员已知所述工艺流程的剩余部分。因此，本文中仅描述理解本发明装置及方法的实施例所必需的方法及半导体装置结构。
除非上下文另有指示，否则本文中所描述的材料可通过任何合适技术形成，所述技术包含(但不限于)：旋涂、毯覆式涂布、化学气相沉积(“CVD”)、原子层沉积(“ALD”)、等离子增强型ALD或物理气相沉积(“PVD”)。替代性地，材料可原地生长。取决于待形成的特定材料，可由所属领域的一般技术人员选择用于沉积或生长材料的技术。
除非上下文另有指示，否则可通过任何合适技术完成移除本文中所描述的材料，所述技术包含(但不限于)：蚀刻、离子铣削、研磨平坦化或其它已知方法。
现将参考图式，其中贯穿全文相同数字指代相同组件。图式并不一定按比例绘制。
揭示一种存储器单元。所述存储器单元包含磁性单元核心，所述磁性单元核心包含至少一个磁性区域(例如，自由区域或固定区域)及接近于所述磁性区域的应力源结构。所述应力源结构经配置以在切换所述存储器单元期间施加应力于所述磁性区域上。所述应力实现在切换期间所述受应力磁性区域的磁各向异性(“MA”)的改变。在切换之后，可减轻所述应力且所述磁性区域的MA可回复到实质上其先前水平。所述应力源结构可因此经配置以引起在切换期间自由区域的MA强度的减小或在切换期间固定区域的MA强度的增加。
本发明的实施例的存储器单元可配置为平面内STT-MRAM单元或平面外STT-MRAM单元。“平面内”STT-MRAM单元包含展现主要定向在水平方向上的磁性定向的磁性区域，而“平面外”STT-MRAM单元包含展现主要定向在垂直方向上的磁性定向的磁性区域。如本文中所使用，“方向”在指代磁性定向时指代所述磁性定向的主要方向。
图1到3C说明平面外STT-MRAM单元的实施例。参考图1，说明根据本发明的实施例的平面外STT-MRAM单元的磁性单元结构100。磁性单元结构100包含衬底102上方的磁性单元核心101。磁性单元核心101可布置于上电极104上方与下电极105下方之间。磁性单元核心101包含至少两个磁性区域(例如，“固定区域”110及“自由区域”120)，在所述两个区域之间具有非磁性区域130。一或多个下中间区域140及一或多个上中间区域150可任选地分别布置于磁性单元结构100的磁性区域(例如，固定区域110及自由区域120)下面及上方。
在一些实施例中，如图1中所说明，磁性单元核心101可包含形成衬底102上方的晶种区域160的任选导电材料。晶种区域160(如果存在)或下中间区域140(如果晶种区域160不存在)可形成于下电极105的底部导电材料上方，所述底部导电材料可包含(例如但不限于)：铜、钨、钛、钽、前述中的任一者的氮化物或其组合。晶种区域160(如果存在)可包含(例如但不限于)基于镍的材料且可经配置以控制上覆材料或区域的晶体结构。下中间区域140(如果存在)可包含经配置以确保磁性单元核心101中的上覆材料的所要晶体结构的材料。
在一些实施例中，磁性单元结构100可任选地包含氧化物覆盖区域170，氧化物覆盖区域170可包含氧化物，例如氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)或其组合。在一些实施例中，氧化物覆盖区域170可包含非磁性区域130的相同材料、结构或两者，例如，氧化物覆盖区域170及非磁性区域130都可包含氧化镁(例如，MgO)、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化铪、氧化钌或氧化钽。氧化物覆盖区域170及非磁性区域130可包含一或多个非磁性材料。
任选上中间区域150(如果存在)可包含经配置以确保磁性单元核心101的相邻材料中的所要晶体结构的材料。上中间区域150可替代性地或额外地包含经配置以在磁性单元核心101的制造期间有助于图案化工艺的金属材料、势垒材料或常规STT-MRAM单元核心结构的其它材料。在一些实施例中，例如图1中说明的实施例，上中间区域150可包含导电覆盖区域，所述导电覆盖区域可包含一或多个材料，例如铜、钽、钛、钨、钌、氮化钽或氮化钛。
如图1中所说明，STT-MRAM单元可经配置以在磁性区域(例如，固定区域110及自由区域120)中的至少一者中展现垂直磁性定向。经展现的所述垂直磁性定向可以垂直磁各向异性(“PMA”)强度为特征。如图1中通过箭头112及双端箭头122所说明，在一些实施例中，固定区域110及自由区域120中的每一者可展现垂直磁性定向。固定区域110的磁性定向可贯穿STT-MRAM单元的操作保持在基本上相同方向(例如，在由图1的箭头112指示的方向)上引导。另一方面，在单元的操作期间，可在平行配置与反平行配置之间切换自由区域120的磁性定向，如由图1的双端箭头122所指示。
磁性单元核心101还包含接近于自由区域120及固定区域110中的至少一者的应力源结构180。如图1的实施例中所说明，应力源结构180可接近于自由区域120。应力源结构180可由经配置以在编程STT-MRAM单元期间在至少一个尺寸(例如，高度、宽度)上改变形状的材料(例如，非磁性材料)形成。可定制应力源结构180的结构配置、定位及材料组合物中的一或多者以使应力源结构180能够在编程期间改变形状以施加所要量值及方向的应力于相邻区域上。如本文中所使用，术语“经配置”在指代应力源结构180时意谓且包含应力源结构180使其结构配置、其定位(例如，相对于受影响的磁性材料)及材料组合物中的至少一者经定制以便实现结果(应力源结构180描述为针对所述结果进行“配置”)。
应力源结构180可经配置以响应于在编程期间的条件变化(例如，温度增加或电压下降)而在编程期间膨胀或收缩(即，尺寸的减小或膨胀小于相邻材料)。例如，在STT-MRAM单元的切换期间使编程电流通过包含应力源结构180的磁性单元核心101可加热应力源结构180的材料及磁性单元核心101内的其它材料。因此，在编程期间，如果应力源结构180经配置以响应于温度变化，那么应力源结构180的尺寸可改变，从而引起物理应力通过经改变的应力源结构180施加于相邻磁性材料上。在暂停编程电流时可减轻所述应力，从而引起温度返回到切换前水平且应力源结构180返回到其切换前尺寸。
在其中应力源结构180经配置以响应于温度变化的实施例中，应力源结构180可由具有不同于相邻材料(例如，相邻磁性区域的相邻磁性材料)的热膨胀系数(例如，比所述热膨胀系数大至少约0.1％或小至少约0.1％)的热膨胀系数的材料形成。因而，应力源结构180可经配置以在暴露到温度变化时依不同于相邻材料(例如，相邻磁性材料)的速率膨胀或收缩。例如但不限于，应力源结构180可由具有较高热膨胀系数(例如，相较于至少通过应力源结构180加应力的磁性区域的材料的热膨胀系数)的金属(例如，铝(Al)、铜(Cu))或其它材料(例如，硅(Si)、锗(Ge))形成或包括所述金属或所述其它材料且因此可经配置以在切换期间经受加热应力源结构180的编程电流时膨胀大于相邻材料且施加应力于相邻磁性区域上。在其它实施例中，应力源结构180可经配置以在切换期间经受加热应力源结构180的编程电流时减小体积且施加应力于相邻磁性区域上。此应力源结构180可由具有负的热膨胀系数的材料形成。替代性地，应力源结构180可由具有低于相邻材料的热膨胀系数的材料形成或包括所述材料使得磁性单元核心101的材料在切换期间经受加热所述材料的编程电流时，应力源结构180可膨胀小于相邻材料。因此，应力源结构180可相对于相邻材料收缩。
在其中应力源结构180经配置以响应于电压变化的实施例中，应力源结构180可由响应于编程期间跨其厚度的电压变化而改变形状(例如，相对于相邻材料膨胀或收缩)的压电材料形成。
取决于在磁性单元核心101内或磁性单元核心101外部与应力源结构180相邻的材料，应力源结构180可经配置以主要在一个方向上改变尺寸。此外，应力源结构180可经配置以在暴露到切换阶段的条件时垂直膨胀、垂直收缩、横向膨胀或横向收缩。因此，预期应力源结构180的材料及结构配置可经定制以完成所要尺寸改变及其对应应力施加于相邻磁性区域上。应力源结构180的材料还可经配制以在处理温度下对于相邻材料呈惰性(例如，不与相邻材料发生化学反应)。
自由区域120及固定区域110可由具有正磁致伸缩的磁性材料220(参见图2A)或具有负磁致伸缩的磁性材料320(参见图3A)形成或包括磁性材料220或磁性材料320。如本文中所使用，“磁致伸缩”指代磁性材料的引起所述材料在磁化过程期间改变其形状或尺寸的性质。具有“正磁致伸缩”的磁性材料220倾向于在其磁化方向上(即，在其磁性定向的方向上)呈长形，而具有“负磁致伸缩”的磁性材料320倾向于在其磁化方向上收缩。在具有正磁致伸缩的磁性材料220的主要磁性定向的方向上的MA强度可在磁性材料220在其磁性定向的方向上膨胀(例如，牵拉)时增加，但可在磁性材料220逆着其磁性定向的方向上压缩(例如，推动)时减小。在具有负磁致伸缩的磁性材料320的主要磁性定向的方向上的MA强度可在磁性材料320在其磁性定向方向上膨胀(例如，牵拉)时减小，但可在磁性材料320逆着其磁性定向的方向上压缩(例如，推动)时增加。因此，根据本发明的实施例，自由区域120及固定区域110中的至少一者可经配置以在切换期间沿着其主要磁性定向的方向膨胀或压缩以实现在切换期间经膨胀或收缩的区域中的MA强度的改变。物理膨胀或物理压缩可源自通过应力源结构180在编程期间改变时施加于磁性区域上的应力，如上文所论述。
磁性单元核心101的磁性区域(例如，固定区域110及自由区域120)中的一者或两者可包括展现正磁致伸缩或负磁致伸缩的磁性材料或基本上由所述磁性材料组成或由所述磁性材料组成。展现正磁致伸缩的磁性材料220可包含(例如但不限于)：包含钴(Co)及铁(Fe)的铁磁性材料(例如，CoFe、CoFeB)，其中钴铁(Co:Fe)比小于9:1。展现负磁致伸缩的磁性材料320可包含(例如但不限于)：包含钴(Co)及铁(Fe)的铁磁性材料(例如，CoFe、CoFeB)，其中钴铁(Co:Fe)比大于9:1。可任选地包含于固定区域110、自由区域120或两者中的其它磁性材料包含(例如但不限于)：Co、Fe、Ni或其合金NiFe、CoNiFe或掺杂合金CoX、CoFeX、CoNiFeX(X＝B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt、C)或其它半金属铁磁性材料(举例来说，例如NiMnSb及PtMnSb)。
在一些实施例中，磁性区域(例如，固定区域110及自由区域120)包含展现磁致伸缩的磁性材料及未展现磁致伸缩的磁性材料两者。尽管如此，磁性区域的MA强度可在所述磁性区域受应力时减小或增加。
替代性地或此外，在一些实施例中，自由区域120、固定区域110或两者可由多个材料形成或包括所述多个材料，所述多个材料中的一些材料可为磁性材料(例如，展现磁致伸缩的磁性材料及未展现磁致伸缩的磁性材料)且所述多个材料的一些材料可为非磁性材料。例如，一些此类多材料自由区域、固定区域或两者可包含多个子区域。例如但不限于，自由区域120、固定区域110或两者可由钴及铂的重复子区域形成或包括所述重复子区域，其中铂的子区域可安置于钴的子区域之间。作为另一实例(但不限于)，自由区域120、固定区域110或两者可包括钴及镍的重复子区域，其中镍的子区域可安置于钴的子区域之间。
自由区域120及固定区域110的组合物及结构(例如，厚度及其它物理尺寸)可相同或不同。
参考图2A，说明图1的磁性单元结构100的自由区域120，其中自由区域120为由具有正磁致伸缩的磁性材料220形成。图2A说明在未使编程电流通过磁性单元核心101(图1)的存储状态期间的应力源结构180及自由区域120。在此“存储配置”中，自由区域120展现具有具备特定量值的垂直磁各向异性的垂直磁性定向(通过箭头PMA表示)。
在某些实施例中，应力源结构180经配置以在切换阶段的条件下(例如，当编程电流通过磁性单元核心101(图1)且加热应力源结构180时)垂直膨胀。在此类实施例中，如图2B中所说明，在通过箭头VE指示的方向上的膨胀产生施加垂直压缩力于相邻磁性材料220上的垂直膨胀的应力源结构180VE。所得经垂直压缩的自由区域120VC可展现降低的PMA，如通过相较于图2A的箭头PMA的量值的箭头PMAL的较小量值所指示。因此，在切换期间，编程电流带来经垂直膨胀的应力源结构180VE、经垂直压缩的自由区域120VC及降低的PMAL。所述降低的PMAL可使经垂直压缩的自由区域120VC的磁性定向能够在低于原本所利用的编程电流下切换。
继切换之后，可停止施加编程电流，此情况可导致返回到切换前条件(包含温度)，在此期间经垂直膨胀的应力源结构180VE可返回到图2A中所说明的存储配置，从而减轻先前经施加以形成经垂直压缩的自由区域120VC的应力。因此，所述经垂直压缩的自由区域120VC可膨胀到图2A中所说明的其存储配置且降低的PMAL可增加到图2A中的自由区域120的PMA。因此，所述降低的PMAL可由切换期间的经垂直压缩的自由区域120VC展现，而原始PMA可由存储期间的自由区域120展现。因此，自由区域120可实现在较低编程电流下的切换而不使存储期间的数据保持劣化。
区分切换期间的PMA强度与存储期间的PMA强度可提供磁性单元结构100的可扩缩性。例如，使固定区域110能够在较低编程电流下切换而不使存储期间的固定区域110的PMA强度劣化可实现较小固定区域110的制造而不使固定区域110的功能性劣化。
在其它实施例中，应力源结构180(图2A)可经配置以在切换阶段的条件下(例如，当编程电流通过磁性单元核心101(图1)且加热应力源结构180时)横向膨胀。在此类实施例中，如图2C中所说明，在通过箭头LE指示的方向上的膨胀产生施加横向拉伸力于相邻磁性材料220上的横向膨胀的应力源结构180LE。所得经横向膨胀的自由区域120LE可展现降低的PMA，如通过相较于图2A的箭头PMA的量值的箭头PMAL的较小量值所指示。因此，在切换期间，编程电流带来经横向膨胀的应力源结构180LE、经横向膨胀的自由区域120LE及降低的PMAL。所述降低的PMAL可使经横向膨胀的自由区域120LE的磁性定向能够在低于原本所需要的编程电流下切换。
参考图3A到3C，说明图1的磁性单元结构100的自由区域120，其中自由区域120为由具有负磁致伸缩的磁性材料320形成。在一些实施例中，应力源结构180可经配置以如通过箭头VC所指示般垂直收缩，从而带来施加垂直拉伸应力于自由区域120上的经垂直收缩的应力源结构180VC，进而带来经垂直膨胀的自由区域120VE。所述经垂直膨胀的自由区域120VE的磁性材料320可展现降低的PMAL。因此，所述经垂直膨胀的自由区域120VE的磁性定向可在低编程电流下切换。
参考图3C，在其它实施例中，应力源结构180可经配置以如通过箭头LC所指示般横向收缩，从而带来施加横向压缩应力于自由区域120上的经横向收缩的应力源结构180LC，进而带来经横向压缩的自由区域120LC。所述经横向压缩的自由区域120LC的磁性材料320可展现具有可在低编程电流下切换的磁性定向的降低的PMAL。
参考图4，说明平面内STT-MRAM单元的磁性单元结构400，其中磁性单元核心401中的固定区域110及自由区域120的磁性材料展现水平磁性定向，如通过箭头412及双端箭头422所指示。
参考图5A，在一些实施例中，平面内STT-MRAM单元的自由区域120可由展现负磁致伸缩的磁性材料320形成。通过磁性材料320展现的水平磁性定向可以平面内磁各向异性(“IMA”)强度为特征。在一些实施例中，应力源结构180可经配置以在切换期间在图5B的箭头VE的方向上垂直膨胀，从而带来施加垂直压缩应力于相邻磁性材料320上的经垂直膨胀的应力源结构180VE，此情况带来经垂直压缩的自由区域120VC。经垂直压缩的自由区域120VC可因此展现降低的IMAL使得所述经垂直压缩的自由区域120VC的磁性定向可在低编程电流下切换。在切换之后，经垂直膨胀的应力源结构180VE及经垂直压缩的自由区域120VC可返回到图5A中所说明的配置。
参考图5C，在一些实施例中，应力源结构180可经配置以在切换期间在箭头LE的方向上横向膨胀，从而带来施加横向拉伸应力于磁性材料320上的经横向膨胀的应力源结构180LE，进而产生经横向膨胀的自由区域120LE。经横向膨胀的自由区域120LE可因此展现降低的IMAL使得经横向膨胀的自由区域120LE的磁性定向可在低编程电流下切换。在切换之后，经横向膨胀的应力源结构180LE及经横向膨胀的自由区域120LE可返回到图5A中所说明的配置。
在其它实施例中，平面内STT-MRAM存储器单元的磁性单元核心401的自由区域120(图4)可由展现正磁致伸缩的磁性材料220形成，如图6A中所说明。因此，参考图6B，应力源结构180可经配置以在切换期间垂直收缩以施加垂直拉伸应力于自由区域120上，从而带来经垂直收缩的应力源结构180VC、经垂直膨胀的自由区域120VE及降低的IMAL。参考图6C，应力源结构180可替代性地或额外地经配置以在切换期间横向收缩以施加横向压缩应力于自由区域120上，从而带来经横向收缩的应力源结构180LC、经横向压缩的自由区域120LC及降低的IMAL。在切换之后，区域及结构可返回到图6A中所说明的配置。
因此，揭示一种包括磁性单元核心的存储器单元，所述磁性单元核心包括磁性区域及应力源结构。所述应力源结构经配置以在切换所述磁性区域的磁性定向期间所述应力源结构经受通过所述磁性单元核心的编程电流时施加应力于所述磁性区域上且改变所述磁性区域的磁各向异性。
因为展现正磁致伸缩的磁性材料220对通过相邻应力源结构180产生的垂直及横向压缩及拉伸应力作出不同反应，预期所述应力源结构180经配置及定向以施加适当应力(例如，垂直压缩应力(如在图2B中)、横向拉伸应力(如在图2C中)、垂直拉伸应力(如在图3B中)及横向压缩应力(如在图3C中))以实现磁性材料(例如，展现正磁致伸缩的磁性材料220、展现负磁致伸缩的磁性材料320)的MA强度的增加。在其中待受应力源结构180影响的磁性区域为自由区域120的实施例中，预期应力源结构180经配置以施加导致由自由区域120展现的磁性定向的MA强度降低的应力。
无关于STT-MRAM单元是否配置为平面外单元(如在图1到3C中)或平面内单元(如在图4到6C中)，磁性区域(例如，自由区域120)的磁性材料是否为由展现正磁致伸缩的磁性材料220或展现负磁致伸缩的磁性材料320形成及应力源结构180是否经配置以垂直膨胀、垂直收缩、横向膨胀或横向收缩，在切换阶段期间使编程电流通过磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4))改变自由区域120的磁性定向且因此改变跨磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4))的自由区域120及固定区域110的电阻。此外，在使电流通过磁性单元核心时完成应力源结构180的至少一个尺寸的改变且应力源结构180的所述改变施加应力于相邻磁性区域(例如，自由区域120或固定区域110)上以改变所述磁性区域的MA强度。
因此，本发明揭示一种操作自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元的方法。所述方法包括改变跨STT-MRAM单元的磁性单元核心的磁性区域及另一磁性区域的电阻以编程STT-MRAM单元的逻辑阶段。改变所述电阻包括使电流通过所述磁性单元核心以切换磁性区域的可切换磁性定向。至少部分响应于使电流通过，改变接近于所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者的应力源结构的至少一个尺寸以施加应力于所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者上且改变所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者的磁各向异性。
参考图7，在一些实施例中，磁性单元结构700可包含磁性单元核心701，磁性单元核心701包含接近于自由区域120的上应力源结构781及接近于固定区域110的下应力源结构782。上应力源结构781可如上文关于图1到3C所描述的应力源结构180中的任一者般进行配置。因此，上应力源结构781可经配置以在切换期间施加应力于自由区域120上以降低在切换期间自由区域120的MA强度，从而使较低编程电流能够在切换期间使用。
下应力源结构782可经布置为接近于固定区域110且可经配置以在切换期间施加应力于固定区域110上以便改变在切换期间固定区域110的MA强度。预期下应力源结构782可经配置以施加导致固定区域110中的较高(例如，较大)MA强度的应力。所述较高MA强度可实现自由区域120的磁性定向的切换，这是因为固定区域110的MA强度可增强在编程电流通过磁性单元核心701时产生的力矩。
下应力源结构782还可抑制在编程期间固定区域110的磁各向异性的减小。例如，如果固定区域110的磁性材料在暴露到温度增加时倾向于降低MA强度，那么由下应力源结构782施加于固定区域上的应力可抑制MA强度降低。
参考图8A，在一些实施例中，固定区域110可由展现正磁致伸缩的磁性材料220形成且可展现以通过图8A中的箭头PMA的量值所指示的PMA强度为特征的垂直磁性定向。为了增加在切换期间的PMA强度，下应力源结构782可经配置以在切换期间如通过图8B的箭头VC所指示般垂直收缩，所述垂直收缩可施加垂直拉伸应力于展现正磁致伸缩的磁性材料220上且因此增加磁性材料220的PMA强度。因此，在切换期间，编程电流可带来经垂直收缩的应力源结构782VC、经垂直膨胀的固定区域110VE及较高PMAH。在切换之后，所述结构可返回到图8A中所说明的存储配置。
替代性地或此外，下应力源结构782可经配置以在图8C的箭头LC的方向上横向收缩。横向收缩带来施加横向压缩应力于固定区域110上的经横向收缩的应力源结构782LC，从而带来展现较高PMAH的经横向压缩的自由区域110LC。在切换之后，所述结构可返回到图8A中所说明的配置。
参考图9A，在一些实施例中，固定区域110可由展现负磁致伸缩的磁性材料320形成。因此，下应力源结构782可经配置以在图9B的箭头VE的方向上垂直膨胀以施加垂直压缩应力于磁性材料320上，从而带来展现较高PMAH的经垂直压缩的固定区域110VC。在其它实施例中，下应力源结构782可经配置以在图9C的箭头LE的方向上横向膨胀以施加横向拉伸应力于磁性材料320上，从而带来展现较高PMAH的经横向膨胀的固定区域110LE。
在一些实施例中，固定区域110及自由区域120两者可由展现正磁致伸缩的磁性材料220形成。在此类实施例中，上应力源结构781及下应力源结构782可经配置以在切换期间以相反方式改变至少一个尺寸以便降低自由区域120的MA强度且增加固定区域110的MA强度。例如，参考图10A及10B，平面外STT-MRAM单元的磁性单元结构1000A可包含具有由展现正磁致伸缩的磁性材料220形成的两个磁性区域的磁性单元核心1001。图10A说明在存储配置中的磁性单元结构1000A。上应力源结构781可经配置以垂直膨胀以压缩自由区域120，而下应力源结构782可经配置以垂直收缩以使固定区域110膨胀。因此，如图10B中所说明，相较于图10A的磁性单元结构1000A的相应区域的PMA强度，在磁性单元结构1000B中，所得经垂直压缩的自由区域120VC可展现降低的PMAL，而经垂直膨胀的固定区域110VE可展现较高PMAH。
在其它实施例中，上应力源结构781及下应力源结构782两者可经配置以改变相同尺寸且固定区域110及自由区域120可由以相反方式磁致伸缩的材料形成。例如，参考图11A及11B，平面外STT-MRAM单元的磁性单元结构1100A可包含磁性单元核心1101，磁性单元核心1101具有由展现正磁致伸缩的磁性材料220形成的自由区域120及由展现负磁致伸缩的磁性材料320形成的固定区域110。上应力源结构781及下应力源结构782两者可经配置以垂直膨胀，从而使自由区域120及固定区域110膨胀。因此，如图11B中所说明，相较于图11A的磁性单元结构1100A的相应区域的PMA强度，在磁性单元结构1100B中，所得经垂直压缩的自由区域120VC可展现降低的PMAL，而经垂直压缩的固定区域110VC可展现较高PMAH。在此类实施例中，上应力源结构781及下应力源结构782可由相同材料形成。
一个以上应力源结构(例如，上应力源结构781及下应力源结构782)还可包含于其中STT-MRAM单元配置为平面内单元的实施例中。参考图12，例如，磁性单元结构1200可包含具有接近于自由区域120的上应力源结构781及接近于固定区域110的下应力源结构782的磁性单元核心1201。上应力源结构781可如上文关于图4到6C所描述的应力源结构180中的任一者般进行配置。
在一些实施例中，固定区域110可由展现负磁致伸缩的磁性材料320形成，如图13A中所说明。因此，下应力源结构782可经配置以在图13B的箭头VC的方向上垂直收缩以施加垂直拉伸应力于固定区域110上，从而带来相较于图13A的结构具有较高IMAH的经垂直膨胀的固定区域110VE。替代性地或此外，下应力源结构782可经配置以在图13C的箭头LC的方向上横向收缩以施加横向压缩应力于固定区域110上，从而带来相较于图13A的结构具有较高IMAH的经横向压缩的自由区域110LC。
在其它实施例中，固定区域110可由展现正磁致伸缩的磁性材料220形成，如图14A中所说明。因此，下应力源结构782可经配置以在图14B的箭头VE的方向上垂直膨胀以施加垂直压缩应力于固定区域110上，从而带来相较于图14A的结构具有较高IMAH的经垂直压缩的固定区域110VC。替代性地或此外，下应力源结构782可经配置以在图14C的箭头LE的方向上横向膨胀且所得经横向膨胀的应力源结构782LE可施加横向拉伸应力于固定区域110上，从而带来相较于图14A的结构具有较高IMAH的经横向膨胀的固定区域110LE。
在一些实施例中，上应力源结构781及下应力源结构782两者可经配置以在切换期间垂直膨胀，而自由区域120及固定区域110可由展现相反磁致伸缩的磁性材料形成。例如，如图15A及15B中所说明，平面内STT-MRAM单元的磁性单元结构1500A可包含磁性单元核心1501，磁性单元核心1501具有由展现负磁致伸缩的磁性材料320形成的自由区域120及由展现正磁致伸缩的磁性材料220形成的固定区域110，而上应力源结构781及下应力源结构782两者可经配置以在图15B的箭头VE的方向上垂直膨胀。因此，在切换期间，所得经垂直膨胀的应力源结构781VE及经垂直膨胀的应力源结构782VE分别施加垂直压缩应力于磁性材料320及220上，从而带来在磁性单元结构1500B中展现降低IMAL的经垂直压缩的自由区域120VC及展现较高IMAH的经垂直压缩的固定区域110VC。
在其它实施例中，展现正磁致伸缩的磁性材料220或展现负磁致伸缩的磁性材料320经利用以形成固定区域110及自由区域120两者，而上应力源结构781及下应力源结构782经配置以在切换期间以相反方式改变尺寸。例如，如图16A及16B中所说明，平面内STT-MRAM单元的磁性单元结构1600A可包含具有由展现正磁致伸缩的磁性材料220形成的固定区域110及自由区域120的磁性单元核心1601。上应力源结构781可经配置以在图16B的箭头VC的方向上垂直收缩，从而带来经垂直收缩的应力源结构781VC，而下应力源结构782可经配置以在箭头VE的方向上垂直膨胀，从而带来磁性单元结构1600B的具有降低IMAL的经垂直膨胀的自由区域120VE及具有较高IMAH的经垂直压缩的固定区域110VC。
因此，揭示一种包括磁性单元核心的存储器单元。所述磁性单元核心包括经配置以展现可切换磁性定向的自由区域。所述磁性单元核心还包括经配置以展现固定磁性定向的固定区域。非磁性区域安置于所述自由区域与所述固定区域之间。接近于所述自由区域的应力源结构经配置以在可切换磁性定向的切换期间改变大小以在切换期间施加应力于所述自由区域上。接近于固定区域的另一应力源结构经配置以在可切换磁性定向的切换期间改变大小以在切换期间施加应力于所述固定区域上。
关于其中在磁性单元核心中包含一个以上应力源结构的实施例中的任一者，预期经配置以施加应力于自由区域120上的应力源结构(例如，上应力源结构781)可经配置以施加将使得自由区域120的MA降低的应力，而经配置以施加应力于固定区域110上的应力源结构(例如，下应力源结构782)可经配置以施加将使得固定区域110的MA较高的应力。然而，在其它实施例中，还预期可期望增加固定区域110及自由区域120两者的MA强度或减小自由区域120及固定区域110两者的MA强度。在此类实施例中，形成磁性区域的磁性材料可经选择以具有适当磁致伸缩(例如，正磁致伸缩或负磁致伸缩)且应力源结构(例如，上应力源结构781及下应力源结构782)经配置以垂直膨胀、垂直收缩、横向膨胀、横向收缩或其任何组合以赋予适当应力(例如，分别为垂直拉伸应力、垂直压缩应力、横向拉伸应力、横向压缩应力或其任何组合)以实现磁性材料的MA强度的所要改变。
在一些实施例中，应力源结构(例如，应力源结构180(图1到6C)、上应力源结构781(图7到16B)及下应力源结构782(图7到16B)中的任一者)可配置为具有多个应力源子区域1781的多区域应力源结构1780。上应力源结构781中的每一者可由彼此上覆或并排布置的不同离散区域中的不同材料或相同材料形成，以便形成经配置以在切换期间改变至少一个尺寸的多区域应力源结构1780。
在一些实施例中，应力源结构(例如，应力源结构180(图1到6C)、上应力源结构781(图7到16B)及下应力源结构782(图7到16B)中的任一者)可形成为接近于固定区域110及自由区域120中的一者的连续、均匀区域。然而，在其它实施例(例如，图18中所说明的实施例)中，应力源结构(例如，应力源结构180(图1到6C)、上应力源结构781(图7到16B)及下应力源结构782(图7到16B)中的任一者)可配置为不连续应力源结构1880，其中多个离散应力源特征1881由间隔1882彼此分离。在此类实施例中，离散应力源特征1881中的每一者可经配置以在切换期间改变至少一个尺寸以便施加应力于相邻磁性材料上。
在一些实施例中，应力源结构(例如，应力源结构180(图1到6C)、上应力源结构781(图7到16B)及下应力源结构782(图7到16B)中的任一者)可直接布置于磁性区域(例如，固定区域110或自由区域120)上。在此类实施例中，应力源结构(例如，应力源结构180(图1到6C)、上应力源结构781(图7到16B)及下应力源结构782(图7到16B)中的任一者)的膨胀或收缩可直接施加应力于相邻磁性区域上。
在其它实施例(例如，图19中所说明的实施例)中，中间结构1990可布置于应力源结构180与相邻磁性材料(例如，自由区域120)之间。在一些此类实施例中，应力源结构180可在氧化物覆盖区域170与中间结构1990之间。在其它此类实施例中，氧化物覆盖区域170可在应力源结构180与自由区域120之间使得氧化物覆盖区域170用作中间结构1990。因此，应力源结构180可在氧化物覆盖区域170与上中间区域150(图1)之间。如果不包含上中间区域150(图1)，那么应力源结构180可在氧化物覆盖区域170与上电极104(图1)之间。因此，可经由中间结构1990赋予由应力源结构180施加于磁性材料上的应力。
在一些实施例中，磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4)、磁性单元核心701(图7)、磁性单元核心1001(图10)、磁性单元核心1101(图11)、磁性单元核心1201(图12)、磁性单元核心1501(图15)及磁性单元核心1601(图16))还可包含加热器结构2090，如图20中所说明。加热器结构2090可由(例如但不限于)金属氧化物、金属氮化物、金属氧氮化物或其任何组合形成。加热器结构2090可经配置以将热传递到应力源结构180或从应力源结构180传递热以便增强在切换期间所述应力源结构180的改变。例如，在其中应力源结构180经配置以膨胀的实施例中，加热器结构2090可经配置以在切换期间将热传递到应力源结构180以使应力源结构180膨胀甚至大于在缺乏加热器结构2090的情况下应力源结构180原本将膨胀的程度。在其中应力源结构180经配置以收缩的实施例中，加热器结构2090可经配置以在切换期间使应力源结构180冷却使得热从应力源结构180传递到加热器结构2090以使应力源结构180收缩甚至大于在缺乏加热器结构2090的情况下应力源结构180原本将收缩的程度。因而，加热器结构2090可操作地连接到加热元件或冷却元件以实现加热器结构2090与应力源结构180之间的热交换。
应注意，虽然所述图将自由区域120说明为安置于固定区域110上方，但自由区域120及固定区域110可以其它方式相对于彼此安置。例如，磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4)、磁性单元核心701(图7)、磁性单元核心1001(图10)、磁性单元核心1101(图11)、磁性单元核心1201(图12)、磁性单元核心1501(图15)及磁性单元核心1601(图16))中的任一者可在上电极104与下电极105之间反转且仍在本发明的范围内。
磁性单元结构(例如，磁性单元结构100(图1)、磁性单元结构400(图4)、磁性单元结构700(图7)、磁性单元结构1000A(图10A)、磁性单元结构1100A(图11A)、磁性单元结构1200(图12)、磁性单元结构1500A(图15A)及磁性单元结构1600A(图16A))的材料可从基底到顶部彼此叠置地循序形成且接着经图案化以形成结构，其中下电极105及上电极104形成于其下方及其上方。如上文所描述的用于形成及图案化区域及结构的材料的方法在此项技术中是众所周知的且在本文中并未详细论述。
因此，揭示一种形成存储器单元的方法。所述方法包括于衬底上方形成磁性材料。非磁性材料形成于所述磁性材料上方且另一磁性材料形成于所述非磁性材料上方。应力源材料经形成为接近于所述磁性材料及所述另一磁性材料中的至少一者。所述应力源材料具有不同于所述磁性材料及所述另一磁性材料的最近者的热膨胀系数的热膨胀系数。
参考图21，说明包含与STT-MRAM单元2114可操作连通的外围装置2112的STT-MRAM系统2100，取决于系统要求及制造技术，可制造STT-MRAM单元2114的分组而以包含许多行及列的格栅图案或各种其它布置形成存储器单元阵列。STT-MRAM单元2114包含磁性单元核心2102、接入晶体管2103、可用作数据/感测线2104(例如，位线)的导电材料、可用作接入线2105(例如，字线)的导电材料及可用作源极线2106的导电材料。STT-MRAM系统2100的外围装置2112可包含读取/写入电路2107、位线参考2108及感测放大器2109。单元核心2102可为上文所描述的磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4)、磁性单元核心701(图7)、磁性单元核心1001(图10)、磁性单元核心1101(图11)、磁性单元核心1201(图12)、磁性单元核心1501(图15)及磁性单元核心1601(图16))中的任一者。归因于单元核心2102的结构(即，包含至少一个应力源结构180、781、782)，单元核心2102内的磁性区域的MA强度可在切换期间改变(例如)以能够使用较低切换电流。
在使用及操作中，当选择待编程的STT-MRAM单元2114时，施加编程电流到STT-MRAM单元2114且通过单元核心2102的固定区域使所述电流自旋极化并对单元核心2102的自由区域施加力矩，所述力矩切换所述自由区域的磁化以“写入”或“编程”STT-MRAM单元2114。在STT-MRAM单元2114的读取操作中，使用电流以检测单元核心2102的电阻状态。
为起始STT-MRAM单元2114的编程，读取/写入电路2107可产生到数据/感测线2104及源极线2106的写入电流(即，编程电流)。数据/感测线2104与源极线2106之间的电压的极性确定单元核心2102中的自由区域的磁性定向切换。通过使用自旋极性改变自由区域的磁性定向，根据编程电流的自旋极性使所述自由区域磁化，将经编程逻辑状态写入到STT-MRAM单元2114。
为读取STT-MRAM单元2114，读取/写入电路2107通过单元核心2102及接入晶体管2103产生到数据/感测线2104及源极线2106的读取电压。STT-MRAM单元2114的经编程状态为与跨单元核心2102的电阻有关，所述电阻可通过数据/感测线2104与源极线2106之间的电压差确定。在一些实施例中，可比较所述电压差与位线参考2108且通过感测放大器2109放大。
图21说明可操作STT-MRAM系统2100的一个实例。然而，预期可在经配置以并入具有磁性区域的磁性单元核心的任何STT-MRAM系统内并入及利用磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4)、磁性单元核心701(图7)、磁性单元核心1001(图10)、磁性单元核心1101(图11)、磁性单元核心1201(图12)、磁性单元核心1501(图15)及磁性单元核心1601(图16))。
因此，揭示一种包括磁性单元核心的自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)系统，所述磁性单元核心包括接近于磁性区域的应力源结构。所述应力源结构经配置以在切换期间响应于通过所述磁性单元核心中的所述应力源结构的电流而施加应力于所述磁性区域上，以改变跨所述磁性区域的电阻。所述STT-MRAM系统还包括与磁性单元核心可操作连通的导电材料。
参考图22，说明根据本文中所描述的一或多个实施例实施的半导体装置2200的简化框图。半导体装置2200包含存储器阵列2202及控制逻辑组件2204。存储器阵列2202可包含多个STT-MRAM单元2114(图21)，多个STT-MRAM单元2114包含上文所论述的磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4)、磁性单元核心701(图7)、磁性单元核心1001(图10)、磁性单元核心1101(图11)、磁性单元核心1201(图12)、磁性单元核心1501(图15)及磁性单元核心1601(图16))的任一者，所述磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4)、磁性单元核心701(图7)、磁性单元核心1001(图10)、磁性单元核心1101(图11)、磁性单元核心1201(图12)、磁性单元核心1501(图15)及磁性单元核心1601(图16))可已根据上文所描述的方法形成且可根据上文所描述的方法操作。控制逻辑组件2204可经配置以可操作地与存储器阵列2202交互以便从存储器阵列2202内的任何或全部存储器单元(例如，STT-MRAM单元2114(图21))读取或写入到存储器阵列2202内的任何或全部存储器单元(例如，STT-MRAM单元2114(图21))。
因此，揭示一种包括自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)阵列(其包括STT-MRAM单元)的半导体装置。所述STT-MRAM单元中的STT-MRAM单元包括磁性单元核心。所述磁性单元核心包括介于磁性区域与另一磁性区域之间的非磁性区域。所述磁性单元核心还包括接近于磁性区域的应力源结构。所述应力源结构具有不同于磁性区域的热膨胀系数且经配置以在STT-MRAM单元的切换期间经受编程电流时改变至少一个尺寸且施加应力于磁性区域上，以改变所述磁性区域的磁各向异性。
参考图23，描绘基于处理器的系统2300。基于处理器的系统2300可包含根据本发明的实施例制造的各种电子装置。基于处理器的系统2300可为各种类型中的任一者，例如计算机、传呼器、蜂窝式电话、个人组织器、控制电路或其它电子装置。基于处理器的系统2300可包含用于控制基于处理器的系统2300中的系统功能及请求的处理的一或多个处理器2302(例如，微处理器)。基于处理器的系统2300的处理器2302及其它子组件可包含根据本发明的实施例制造的磁性存储器装置。
基于处理器的系统2300可包含电力供应器2304。例如，如果基于处理器的系统2300为便携式系统，那么电力供应器2304可包含燃料单元、电力捕集装置、永久电池、可更换电池及可再充电电池中的一或多者。电力供应器2304还可包含AC配接器；因此，基于处理器的系统2300可插入到(例如)壁式插座中。电力供应器2304还可包含DC配接器使得基于处理器的系统2300可插入到(例如)汽车点烟器或汽车电力端口中。
取决于基于处理器的系统2300执行的功能，各种其它装置可耦合到处理器2302。例如，用户接口2306可耦合到处理器2302。用户接口2306可包含输入装置，例如按钮、切换器、键盘、光笔、鼠标、数字转换器及尖笔、触控屏幕、语音识别系统、麦克风或其组合。显示器2308还可耦合到处理器2302。显示器2308可包含LCD显示器、SED显示器、CRT显示器、DLP显示器、等离子显示器、OLED显示器、LED显示器、三维投影、音频显示器或其组合。此外，RF子系统/基带处理器2310还可耦合到处理器2302。RF子系统/基带处理器2310可包含耦合到RF接收器及RF发射器的天线(未展示)。通信端口2312或一个以上通信端口2312还可耦合到处理器2302。通信端口2312可经调适以耦合到一或多个外围装置2314(例如，调制解调器、打印机、计算机、扫描仪或相机)或耦合到网络(举例来说，例如局域网络、远程局域网络、内部网络或因特网)。
处理器2302可通过实施存储于存储器中的软件程序而控制基于处理器的系统2300。所述软件程序可包含(例如)操作系统、数据库软件、绘图软件、字处理软件、媒体编辑软件或媒体播放软件。存储器可操作地耦合到处理器2302以存储及促进各种程序的执行。例如，处理器2302可耦合到系统存储器2316，系统存储器2316可包含自旋力矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、赛道存储器或其它已知存储器类型中的一或多者。系统存储器2316可包含易失性存储器、非易失性存储器或其组合。系统存储器2316通常较大使得其可存储动态加载的应用程序及数据。在一些实施例中，系统存储器2316可包含半导体装置(例如，图22的半导体装置2200)、包含磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4)、磁性单元核心701(图7)、磁性单元核心1001(图10)、磁性单元核心1101(图11)、磁性单元核心1201(图12)、磁性单元核心1501(图15)及磁性单元核心1601(图16))中的任一者的存储器单元或其组合。
处理器2302还可耦合到非易失性存储器2318，此并非暗示系统存储器2316必须为易失性。非易失性存储器2318可包含结合系统存储器2316一起使用的STT-MRAM、MRAM、只读存储器(ROM)(例如，EPROM、电阻性只读存储器(RROM))及快闪存储器中的一或多者。通常选择非易失性存储器2318的大小以恰好足够大以存储任何必要操作系统、应用程序及固定数据。此外，非易失性存储器2318可包含高容量存储器，例如磁盘驱动器存储器(举例来说，例如包含电阻性存储器或其它类型的非易失性固态存储器的混合驱动装置)。非易失性存储器2318可包含半导体装置(例如，图22的半导体装置2200)、包含磁性单元核心(例如，磁性单元核心101(图1)、磁性单元核心401(图4)、磁性单元核心701(图7)、磁性单元核心1001(图10)、磁性单元核心1101(图11)、磁性单元核心1201(图12)、磁性单元核心1501(图15)及磁性单元核心1601(图16))中的任一者的存储器单元或其组合。
虽然本发明易于以其实施方案的各种修改及替代形式呈现，但已在图式中通过实例展示且已在本文中详细描述特定实施例。然而，本发明并非旨在限于所揭示的特定形式。实情是，本发明涵盖落在如通过以下所附权利要求书及其合法等效物所定义的本发明的范围内的全部修改、组合、等效物、变动及替代物。

Claims (20)

1.一种半导体装置，其包括：
至少一个存储器单元，其包括磁性单元核心，所述磁性单元核心包括：
磁性区域；及
应力源结构，其经配置以在所述磁性区域的磁性定向的切换期间所述应力源结构经受通过所述磁性单元核心的编程电流时施加应力于所述磁性区域上且改变所述磁性区域的磁各向异性。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述磁性区域展现垂直磁性定向。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述磁性区域包括展现正磁致伸缩的磁性材料。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其中所述应力源结构经配置以在经受所述编程电流时垂直膨胀以施加垂直压缩应力于所述磁性区域上以降低所述磁性区域的垂直磁各向异性。
5.根据权利要求3所述的半导体装置，其中所述应力源结构经配置以在经受所述编程电流时横向膨胀以施加横向拉伸应力于所述磁性区域上以降低所述磁性区域的垂直磁各向异性。
6.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述磁性区域包括展现负磁致伸缩的磁性材料。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述应力源结构经配置以在经受所述编程电流时垂直收缩以施加垂直拉伸应力于所述磁性区域上以降低所述磁性区域的垂直磁各向异性。
8.根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述应力源结构经配置以在经受所述编程电流时横向收缩以施加横向压缩应力于所述磁性区域上以降低所述磁性区域的垂直磁各向异性。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：
所述磁性区域展现水平磁性定向；
所述磁性区域包括展现负磁致伸缩的磁性材料；且
所述应力源结构经配置以在经受所述编程电流时膨胀以降低所述磁性区域的平面内磁各向异性。
10.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：
所述磁性区域展现水平磁性定向；
所述磁性区域包括展现正磁致伸缩的磁性材料；且
所述应力源结构经配置以在经受所述编程电流时收缩以降低所述磁性区域的平面内磁各向异性。
11.根据权利要求1所述的半导体装置，其中：
所述磁性区域经配制以展现可切换磁性定向；
所述应力源结构经配置以在所述应力源结构经受所述编程电流时施加所述应力于所述磁性区域上以降低所述磁性区域的所述磁各向异性；且
所述磁性单元核心进一步包括：
另一磁性区域，其经配制以展现固定磁性定向；
非磁性区域，其在所述磁性区域与所述另一磁性区域之间；及
另一应力源结构，其经配置以在所述另一应力源结构经受通过所述磁性单元核心的所述编程电流时施加另一应力于所述另一磁性区域上以增加所述另一磁性区域的磁各向异性。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，其中所述应力源结构及所述另一应力源结构中的至少一者包括金属。
13.根据权利要求11所述的半导体装置，其中：
所述磁性区域及所述另一磁性区域两者为由独立展现选自由正磁致伸缩及负磁致伸缩组成的群组的磁致伸缩的磁性材料形成；且
所述应力源结构及所述另一应力源结构经配置以在经受所述编程电流时改变大小以分别施加方向相反的应力于所述磁性区域及所述另一磁性区域上。
14.根据权利要求11所述的半导体装置，其中：
所述磁性区域及所述另一磁性区域为由展现选自由正磁致伸缩及负磁致伸缩组成的所述群组的不同磁致伸缩的磁性材料形成；且
所述应力源结构及所述另一应力源结构经配置以在经受所述编程电流时改变大小以分别施加相同方向的应力于所述磁性区域及所述另一磁性区域上。
15.根据权利要求1到14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在阵列中的多个存储器单元，所述多个存储器单元包括与所述至少一个存储器单元的所述磁性单元核心可操作连通的导电材料。
16.根据权利要求1到14中任一权利要求所述的半导体装置，其中所述应力源结构的材料具有比所述磁性区域的热膨胀系数大至少约0.1％或小至少约0.1％的热膨胀系数。
17.一种操作自旋力矩转移磁性随机存取存储器STT-MRAM单元的方法，所述方法包括：
改变跨所述STT-MRAM单元的磁性单元核心的磁性区域及另一磁性区域的电阻以编程所述STT-MRAM单元的逻辑状态，所述改变包括：
使电流通过所述磁性单元核心以切换所述磁性区域的可切换磁性定向；及
至少部分响应于使所述电流通过，改变接近于所述磁性区域及所述另一磁性区域中的一者的应力源结构的至少一个尺寸以施加应力于所述磁性区域及所述另一磁性区域中的所述一者上且改变所述磁性区域及所述另一磁性区域中的所述一者的磁各向异性。
18.根据权利要求17所述的方法，其中改变应力源结构的至少一个尺寸包括使接近于所述磁性区域的所述应力源结构膨胀以降低所述磁性区域的所述磁各向异性，所述磁性区域经配置为所述磁性单元核心的自由区域。
19.根据权利要求17所述的方法，其中改变应力源结构的至少一个尺寸包括使接近于所述磁性区域的所述应力源结构膨胀以提升所述磁性区域的所述磁各向异性，所述磁性区域经配置为所述磁性单元核心的固定区域。
20.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括保持跨所述磁性区域及所述另一磁性区域的所述电阻以存储所述STT-MRAM单元的所述逻辑状态，包括移除所述磁性区域及所述另一磁性区域中的所述一者上的所述应力以使所述磁性区域及所述另一磁性区域中的所述一者的所述磁各向异性回复到存储状态。
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