JP6427181B2 - メモリセル、動作方法および製造方法、半導体デバイス構造およびメモリシステム - Google Patents
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Description
本出願は、２０１３年７月１日に出願された米国特許出願整理番号１３／９３２，４９７“ＭＥＭＯＲＹ ＣＥＬＬＳ， ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ，ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＤＥＶＩＣＥ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ，ＡＮＤ ＭＥＭＯＲＹ ＳＹＳＴＥＭＳ”の出願日の利益を享受する権利を主張する。
本開示は、種々の実施形態において、概して、メモリデバイス設計および製造分野に関する。より詳細には、本開示は、スピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルとして特徴づけられるメモリセルの設計および製造に関する。
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、磁気抵抗に基づいた不揮発性コンピュータメモリ技術である。一種のＭＲＡＭセルは、スピントルクトランスファーＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルであり、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、基板によって支持される磁性セルコアを含む。磁性セルコアは、例えば、“固定領域（ｆｉｘｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）”および“自由領域（ｆｒｅｅ ｒｅｇｉｏｎ）”などの少なくとも二つの磁性領域を含み、その間に非磁性領域を有する。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの自由領域および固定領域は、領域の幅で水平方向に配向される（“平面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）”）か、または垂直方向に配向された（“平面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）”）磁性配向（方位、ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を示すことがある。
固定領域は、実質的に固定された（例えば、スイッチングできない）磁性配向を有する磁性材料を含む。一方、自由領域は、“パラレル”構造と“アンチパラレル”構造との間でセル動作中に、スイッチングされ得る磁性配向を有する磁性材料を含む。パラレル構造においては、固定領域および自由領域の磁性配向は、同一方向に向けられる（例えば、其々、北と北、東と東、南と南または西と西）。アンチパラレル構造においては、固定領域および自由領域の磁性配向は、逆方向に向けられる（例えば、其々、北と南、東と西、南と北、または西と東）。
パラレル構造においては、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁気抵抗素子、即ち固定領域および自由領域にわたってより低い電気抵抗を示す。この低電気抵抗状態は、ＭＲＡＭセルの“０”の論理状態として定義されてもよい。アンチパラレル構造においては、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁気抵抗素子、即ち磁性材料の領域、例えば、固定領域および自由領域にわたって、より高い電気抵抗を示す。この高電気抵抗状態は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの“１”の論理状態として定義されてもよい。
自由領域の磁性配向のスイッチングは、磁性セルコアおよびその固定領域、自由領域にプログラミング電流を通すことによって達成されてもよい。磁性セルコア内の固定領域は、プログラミング電流の電子スピンを分極させ、スピン分極電流がコアを通ると、トルクが生成される。スピン分極電流は、自由領域にトルクを及ぼすことによって自由領域と相互作用する。コアを通るスピン分極電流のトルクが、自由領域の臨界スイッチング電流密度（Ｊｃ）よりも大きいとき、スピン分極電流によって及ぼされるトルクは、自由領域の磁性配向の方向をスイッチングするのに十分である。したがって、プログラミング電流は、磁性領域にわたって電気抵抗を変化させるために使用することができる。結果として生じる磁気抵抗素子にわたる高電気抵抗状態または低電気抵抗状態は、従来のＭＲＡＭセルの書き込みおよび読み出し動作を可能とする。所望の論理状態に関連付けられたパラレル構造およびアンチパラレル構造のうちの一構造を達成するために自由領域の磁性配向をスイッチングした後、自由領域の磁性配向は、“保存（ｓｔｏｒａｇｅ）”段階（ステージ）の間、ＭＲＡＭセルが異なる構造（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）（即ち、異なる論理状態）に再書き込みされるまで、保持されることが通常望ましい。
磁性領域の磁性異方性（“ＭＡ”）は、磁性配向の強さの指標であり、したがって、磁性配向の変化に対する磁性材料の抵抗の指標である。高いＭＡ強度を有する磁性配向を示す磁性材料は、より低いＭＡ強度を有する磁性配向を示す磁性材料よりも、その磁性配向の他の磁性配向への変化を受けにくい可能性がある。
パラレル構造からアンチパラレル構造へ自由領域をスイッチングするために必要なプログラミング電流の量は、磁性領域のＭＡ強度によって影響される。より強い（即ち、より高い）ＭＡ強度を有する自由領域は、より弱い（即ち、より低い）ＭＡ強度を有する自由領域よりもその磁性配向をスイッチングするために、より大きなプログラミング電流を必要とすることがある。しかしながら、弱いＭＡ強度を有する自由領域も、しばしば保存中に安定性が低い。即ち、弱いＭＡ強度を有する自由領域は、特にＭＲＡＭセルの固定領域が強いＭＡ強度を有するときには、そのプログラムされた構造（即ち、プログラムされたパラレルまたはアンチパラレル構造）外への時期尚早な変化を受けやすい。したがって、プログラムされた論理状態を失敗なく記憶するためのセルの性能を低下させることなく（即ち、自由領域の磁性配向を時期尚早にスイッチングすることなく）、最小のプログラミング電流でスイッチングすることが可能なＭＡ強度を有する自由領域および固定領域を有するＭＲＡＭセルを形成することは、しばしば課題である。
メモリセルが開示される。メモリセルは、磁性領域およびストレッサ構造を含む磁性セルコアを含む。ストレッサ構造は、ストレッサ構造が磁性領域の磁性配向をスイッチングする間に、磁性セルコアを通るプログラミング電流に晒されるときに、磁性領域に対する応力を及ぼし、磁性領域の磁性異方性を変化させるように構成される。
スピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルの動作方法も開示される。本方法は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの論理状態をプログラムするために、磁性領域およびＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セルコアの別の磁性領域にわたる電気抵抗を変化させることを含む。電気抵抗を変化させることは、磁性領域のスイッチング可能な磁性配向をスイッチングするために、磁性セルコアに電流を通すことを含む。電気抵抗を変化させることは、少なくとも部分的に電流を通すことに応じて、磁性領域および別の磁性領域のうちの一領域に応力を及ぼし、磁性領域および別の磁性領域のうちの一領域の磁性異方性を変化させるために、磁性領域および別の磁性領域のうちの一領域に隣接するストレッサ構造の少なくとも一次元を変化させることも含む。
メモリセルの形成方法も開示される。本方法は、基板上に磁性材料を形成することを含む。非磁性材料は、磁性材料上に形成される。別の磁性材料は、非磁性材料上に形成される。ストレッサ材料は、磁性材料および別の磁性材料のうちの少なくとも一つに隣接して形成される。ストレッサ材料は、磁性材料および別の磁性材料のうちの最も近い一材料の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する。
半導体デバイスも開示される。半導体デバイスは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルを含むスピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）アレイを含む。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのうちの一つのＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁性セルコアを含む。磁性セルコアは、磁性領域と別の磁性領域との間に非磁性領域を含む。磁性セルコアは、磁性領域に隣接したストレッサ構造も含む。ストレッサ構造は、磁性領域とは異なる熱膨張係数を有する。ストレッサ構造は、磁性領域の磁性異方性を変化させるために、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのスイッチング中に、プログラミング電流に晒されるときに、少なくとも一つの次元を変化させて、磁性領域に応力を及ぼすように構成される。
スピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）システムも開示される。ＳＴＴ−ＭＲＡＭシステムは、磁性セルコアと、その磁性セルコアと通信するように動作可能な導電性材料とを含む。磁性セルコアは、磁気領域に隣接したストレッサ構造を含む。ストレッサ構造は、磁性領域にわたって電気抵抗を変化させるために、スイッチング中に磁性セルコア内のストレッサ構造を通る電流に応じて、寸法を変化させ、磁性領域に応力を及ぼすように構成される。
メモリセル、このようなメモリセルを含む半導体デバイス構造、メモリシステム、このようなメモリセルの形成方法および動作方法が開示される。メモリセルは、自由領域または固定領域などの磁性領域を含む磁性セルコアと、スイッチング中に磁性領域の磁性異方性（ＭＡ）を変化させるために、スイッチング中の磁性領域に応力を及ぼすように構成されたストレッサ構造とを含む。応力は、圧縮応力または引張応力であってもよい。スイッチング中（即ち、プログラミング中）に磁性セルコアを通るプログラミング電流は、膨張または収縮などのストレッサ構造における構造変化をもたらし、膨張または収縮によって、近傍の磁気領域に及ぼされる圧縮応力または引張応力を引き起こす可能性がある。磁性領域に結果として生じる歪みは、磁性領域の磁性異方性を変化させることがある。例えば、ストレッサ構造は、加熱されると（例えば、横方向、垂直方向、またはその双方に）膨張するように構成され、磁性セルコアにプログラミング電流を通すことによってストレッサ構造を加熱してもよい。プログラミング中のストレッサ構造の膨張は、近傍の自由領域に応力を（例えば、圧縮応力または引張応力で）及ぼしてもよい。自由領域は、応力を及ぼされると、領域の主な磁性配向の方向に（即ち、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが平面内ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルである場合には水平方向に、またはＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが平面外ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルである場合には垂直方向に）おける磁性異方性強度を減少させるように構成された磁性材料で形成されてもよい。したがって、磁性セルコアを通るプログラミング電流の通過は、ストレッサ構造を加熱し、この加熱によって、ストレッサ構造の膨張を引き起こし、この膨張は自由領域に応力を引き起こし、この応力の結果、自由領域のＭＡ強度の低下を引き起こす。このように、スイッチング中に、自由領域に応力が及ぼされない場合に必要とされるよりも、応力が及ぼされた自由領域の磁性配向をスイッチングするために使用され得るプログラミング電流を低下させる。例えば、応力が及ぼされていない場合に自由領域をスイッチングするために必要とされ得るプログラミング電流よりも、プログラミング電流は、約５倍（５×）低下する（即ち、応力を及ぼされていない自由領域に対して必要なプログラミング電流は、応力を及ぼされた自由領域をスイッチングするために必要なプログラミング電流の約５００％までである可能性がある）。スイッチング後、自由領域のＭＡ強度がその元のＭＡ強度に戻るように増加し得るように、プログラミング電流は終了し、ストレッサ構造は冷却され、元の寸法に収縮し、自由領域に対する応力を軽減する。このように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、保存中にデータ保持および信頼性を悪化させることなく、低いプログラミング電流の使用を可能とするように構成されてもよい。
本明細書で用いられるように、“基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）”という語は、メモリセル内などのコンポーネントが形成されるベース材料または他の構造を意味し、含む。基板は、半導体基板、支持構造上のベース半導体材料、金属電極、または一つ以上のその上に形成された材料、構造もしくは領域を有する半導体基板であってもよい。基板は、従来のシリコン基板または半導電性材料を含む他のバルク基板であってもよい。本明細書で用いられるように、“バルク基板”という語は、シリコンウェーハだけではなく、シリコンオンサファイア（“ＳＯＳ”）基板、シリコンオングラス（“ＳＯＧ”）基板、ベース半導体基板上のシリコンエピタキシャル層、またはシリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ、ここでｘは例えば、０．２から０．８の間のモル分率である）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、もしくはリン化インジウム（ＩｎＰ）などの他の半導体もしくは光電子材料などのシリコンオンインシュレータ（“ＳＯＩ”）基板も意味し、含む。さらに、以下の説明において“基板”に対して参照が行われるときには、それ以前の処理段階は、ベース半導体構造または基板内の材料、領域または接合を形成するために使用されてもよい。
本明細書で用いられるように、“ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ ｃｅｌｌ）”という語は、自由領域と固定領域との間に配置された非磁性領域を含む磁性セルコアを含む磁性セル構造を意味し、含む。非磁性領域は、磁性トンネル接合（“ＭＪＴ”）構造においては、電気的な絶縁（例えば、誘電）領域であってもよい。或いは、非磁性領域は、スピンバルブ構造においては、導電性領域であってもよい。
本明細書で用いられるように、“磁性セルコア（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｅｌｌ ｃｏｒｅ）”という語は、自由領域および固定領域を含み、メモリセルの使用および動作中に、自由領域および固定領域の磁性配向のパラレル構造またはアンチパラレル構造をもたらすためにそこを通って電流が通る（即ち、流れる）メモリセル構造を意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“磁性領域（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）”という語は、磁性を示す領域を意味する。磁性領域は、磁性材料を含み、一つ以上の非磁性材料も含むことがある。
本明細書で用いられるように、“磁性材料（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）”という語は、強磁性材料、フェリ磁性材料、反強磁性材料の双方を意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“固定領域（ｆｉｘｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）”という語は、磁性材料を含み、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの使用および動作中に固定された磁性配向を有するＳＴＴ−ＭＲＡＭセル内の磁性領域のことを意味し、含み、セルコアの一つの磁性領域、例えば、自由領域の磁化方向内の変化をもたらす電流または印加された電界は、固定領域の磁化方向内の変化をもたらさないことがある。固定領域は、一つ以上の磁性材料を含んでもよく、任意で、一つ以上の非磁性材料を含んでもよい。例えば、固定領域は、磁性サブ領域によって隣接するルテニウム（Ｒｕ）のサブ領域を含む合成反強磁性体（ＳＡＦ）として構成されてもよい。磁性サブ領域の各々は、一つ以上の材料および一つ以上の領域をその中に含んでもよい。別の例として、固定領域は、単一の均質な磁性材料として構成されてもよい。したがって、固定領域は、均一な磁化を有するか、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの使用中および動作中に固定された磁性配向を有する固定領域を全体としてもたらす様々な磁化のサブ領域を有してもよい。
本明細書で用いられるように、“自由領域（ｆｒｅｅ ｒｅｇｉｏｎ）”という語は、磁性材料を含み、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの使用中および動作中にスイッチング可能な磁性配向を有するＳＴＴ−ＭＲＡＭセル内の磁性領域を意味し、含む。磁性配向は、電流または印加される電界の適用によって、パラレル構造とアンチパラレル構造との間でスイッチングされてもよい。
本明細書で用いられるように、“スイッチング（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）”という語は、自由領域および固定領域の磁性配向のパラレル構造またはアンチパラレル構造をもたらすために、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セルコアをプログラミング電流が通る間の、メモリセルの使用および動作の段階を意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“保存（ｓｔｏｒａｇｅ）”という語は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セルコアを通ってプログラミング電流が通っておらず、自由領域および固定領域の磁性配向のパラレル構造またはアンチパラレル構造が変化しない間の、メモリセルの使用および動作段階のことを意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“膨張する（ｅｘｐａｎｄ）”および“膨張（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）”という語は、材料の寸法の変化について用いられるときには、ある軸に沿った隣接する材料の寸法の増加よりも、その軸に沿って材料の寸法がより大きく増加することを意味し、含む。この語は、ある軸に沿った材料の寸法増加のことも称するが、隣接する材料は、軸に沿って、寸法が変化しないか、または寸法が減少する。言及された“隣接する材料（ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）”とは、膨張する材料の寸法が増加するのと同一軸に沿って、膨張材料に隣接する材料のことである。寸法変化の最終結果は、膨張後の隣接材料に対する材料の寸法の割合が、膨張前の隣接材料に対する材料の寸法の割合よりも大きくなることである。したがって、長さまたは高さにおいて三倍になる材料は、隣接する材料が長さまたは高さにおいて単に二倍になる場合にも、“膨張する（ｅｘｐａｎｄ）”と言われることがある。さらに、隣接する材料は寸法が変化しないか、または寸法が減少するときに、寸法が増加する材料も“膨張する（ｅｘｐａｎｄ）”と言われることがある。“横方向の膨張（ｌａｔｅｒａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）”という文脈においては、言及される隣接材料は、膨張材料に横方向に隣接する材料である。このように、横方向に膨張する材料は、横方向に隣接する材料に関して“膨張し（ｅｘｐａｎｄｅｄ）”、このような隣接材料に対して横方向の圧縮応力を及ぼすことがある。横方向に膨張する材料は、垂直方向の隣接材料に対して横方向引張応力を及ぼし、横方向引張応力は、垂直方向の隣接材料の横方向膨張をもたらすことがある。“垂直方向の膨張（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）”の文脈においては、言及される隣接材料は、膨張材料に垂直方向に隣接する材料である。このように、垂直方向に膨張する材料は、垂直方向に隣接する材料に対して“膨張し（ｅｘｐａｎｄｅｄ）”、このような隣接材料に対して垂直方向の圧縮応力を及ぼすことがある。垂直方向に膨張する材料は、横方向に隣接する材料に対して垂直方向の引張応力を及ぼし、垂直方向引張応力は、垂直方向に隣接する材料の垂直方向膨張をもたらすことがある。
本明細書で用いられるように、“収縮する（ｃｏｎｔｒａｃｔ）”および“収縮（ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ）”という語は、材料の寸法変化について使用されるとき、ある軸に沿って隣接する材料の寸法が減少するよりも、その軸に沿って材料の寸法がより大きく減少することを意味し、含む。この語は、ある軸に沿って寸法が減少する材料のことを称し、隣接材料は、その軸に沿って寸法が変化しないか、または寸法が増加する。言及される“隣接材料（ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）”とは、収縮材料の寸法が減少する同一軸に沿って、収縮材料に隣接する材料のことである。寸法変化の最終結果は、収縮後の隣接材料に対する材料の寸法の割合が、収縮前の隣接材料に対する材料の寸法の割合よりも小さくなることである。したがって、隣接材料の寸法が膨張するか変化しない場合に、寸法が縮小する材料は、“収縮する（ｃｏｎｔｒａｃｔ）”と言われることがある。さらに、隣接する材料の寸法が縮小するよりも多く寸法が縮小する材料も“収縮する（ｃｏｎｔｒａｃｔ）”と言われることがある。しかしながら、さらに、隣接する材料が長さまたは高さにおいて三倍になる場合に、長さまたは高さにおいて二倍になる材料は、“収縮する（ｃｏｎｔｒａｃｔ）”と言われることがある。“横方向収縮（ｌａｔｅｒａｌ ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ）”の文脈においては、言及される隣接材料は、収縮する材料に横方向に隣接する材料である。このように、横方向に収縮する材料は、横方向に隣接する材料に対して“収縮する（ｃｏｎｔｒａｃｔｅｄ）”ものであって、このような隣接材料に対する横方向の引張応力を及ぼすことがある。横方向に収縮する材料は、垂直方向に隣接する材料に対して横方向の圧縮応力も及ぼし、この横方向圧縮応力は、垂直方向に隣接する材料の横方向収縮をもたらすことがある。“垂直方向収縮（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ）”の文脈においては、言及される隣接材料は、膨張する材料に垂直方向に隣接する材料である。このように、垂直方向に収縮する材料は、垂直方向に隣接する材料に対して“収縮する（ｃｏｎｔｒａｃｔｅｄ）”ものであって、このような隣接材料に垂直方向引張応力を及ぼすことがある。垂直方向に収縮する材料は、横方向に隣接する材料に垂直方向の圧縮応力を及ぼし、この垂直方向圧縮応力は、横方向に隣接する材料の垂直方向収縮をもたらすことがある。
本明細書で用いられるように、“垂直方向（ｖｅｒｔｉｃａｌ）”という語は、其々の領域の幅および長さに垂直な方向を意味し、含む。“垂直方向（ｖｅｒｔｉｃａｌ）”とは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが配置される基板の主面に対して垂直な方向を意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“水平方向（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）”という語は、其々の領域の幅および長さのうちの少なくとも一つに平行な平行を意味し、含む。“水平方向（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）”とは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが配置される基板の主面に平行な方向も意味し、含む。
本明細書で用いられるように、“サブ領域（ｓｕｂ−ｒｅｇｉｏｎ）”という語は、別の領域に含まれる領域を意味し、含む。このように、ある磁性領域は、非磁性サブ領域、即ち、非磁性材料のサブ領域とともに、一つ以上の磁性サブ領域、即ち、磁性材料のサブ領域を含んでもよい。
本明細書で用いられるように、“間（ｂｅｔｗｅｅｎ）”という語は、少なくとも二つの他の材料、領域またはサブ領域について、一つの材料、領域またはサブ領域の相対的配置を記述するために使用される空間的相対語である。“間（ｂｅｔｗｅｅｎ）”という語は、他の材料、領域またはサブ領域に直接隣接する一つの材料、領域、またはサブ領域の配置と、他の材料、領域またはサブ領域に直接隣接しない一つの材料、領域、またはサブ領域の配置との双方を包含する可能性がある。
本明細書で用いられるように、別の構成要素の“上（ｏｎ）”または“上方（ｏｖｅｒ）”にあるものとして言及される一構成要素は、他の構成要素の上部に直接存在する構成要素、他の構成要素と隣接する構成要素、他の構成要素の下部の構成要素または他の構成要素と直接は接触していない構成要素を意味し、含む。また、その間に存在する他の構成要素の上部に間接的に存在する構成要素、他の構成要素に隣接する構成要素、他の構成要素の下部にある構成要素、または他の構成要素の近傍にある構成要素も含む。対照的に、ある構成要素は、別の構成要素の“直接上（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）”または“直接隣接して（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｏ）”いるものとして言及されるとき、介在する構成要素は存在しない。
本明細書で用いられるように、“下（ｂｅｎｅａｔｈ）”“下（ｂｅｌｏｗ）”“低部（ｌｏｗｅｒ）”“底部（ｂｏｔｔｏｍ）”“上（ａｂｏｖｅ）”“上部（ｕｐｐｅｒ）”“上部（ｔｏｐ）”“前（ｆｒｏｎｔ）”“後ろ（ｒｅａｒ）”“左（ｌｅｆｔ）”“右（ｒｉｇｈｔ）”などの他の空間的相対語は、図面に示されるような、他の（複数の）構成要素または（複数の）形体に対するある構成要素または形体の関係を記述するために、記述を容易にするために用いられることがある。特に指定されない限りは、この空間的相対語は、図面に示されるような方向に加えて、材料の異なる方向も包含することを意図される。例えば、図面内の材料が反転される場合、他の構成要素または形体の“下（ｂｅｌｏｗ）”または“下（ｂｅｎｅａｔｈ）”または“下（ｕｎｄｅｒ）”または“底部（ｏｎ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ）”にあるものとして記述される構成要素は、今度は、他の構成要素または形体の“上（ａｂｏｖｅ）”または“上部（ｏｎ ｔｏｐ ｏｆ）”に方向づけられる。したがって、“下（ｂｅｌｏｗ）”という語は、その語が用いられる文脈に依存して、上部および下部の方向づけの双方を包含することができ、そのことは、当業者に明らかであろう。材料は、他に方向づけられてもよく（９０度回転される、反転される、など）、本明細書で用いられる空間的相対語は、それに従って解釈される。
本明細書で用いられるように、“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）”“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”“含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）”および／または“含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）”という語は、言及される特徴、領域、整数、段階、動作、構成要素、材料、コンポーネントおよび／または集合の存在を特定するものであるが、一つ以上の他の特徴、領域、整数、段階、動作、構成要素、材料、コンポーネントおよび／またはその集合の存在または追加を排除することはない。
本明細書で用いられるように、“および／または（ａｎｄ／ｏｒ）”は、関連付けられた記載項目のうちの一つ以上の任意の組み合わせおよび全ての組み合わせを含む。
本明細書で用いられるように、“一つの（ａ）”“一つの（ａｎ）”および“その（ｔｈｅ）”という単数形は、明確に指定されない限りは、複数形をさらに含むと意図される。
本明細書に提示される図面は、任意の特定のコンポーネント、構造、デバイスまたはシステムの実際の外観を意味するものではなく、本開示の実施形態を記述するために使用される単なる理想的表現に過ぎない。
実施形態は、概略図である断面図を参照して、本明細書に記述される。したがって、本明細書に記述される実施形態は、図示された特定の形状または領域に限定すると解釈されるべきではなく、例えば、製造技術の結果として生じる形状における誤差を含んでもよい。例えば、箱形として図示されるかまたは記述される領域は、粗い形体および／または非線形形体を有することがある。さらに、図示される鋭角は、丸まっていることがある。このように、図面に示される材料、特徴および領域は、本質的に概略であって、これらの形状は材料、特徴または領域の正確な形状を図示することを意図するものではなく、本請求項の範囲を限定することはない。
以下の記述は、開示されるデバイスおよび方法の実施形態の十分な理解を提供するために、材料種および処理条件などの具体的詳細事項を提供する。しかしながら、これらの具体的詳細事項がなくても、デバイスおよび方法の実施形態が実現され得ることを当業者には理解されたい。実際には、デバイスおよび方法の実施形態は、本産業で使用される従来の半導体製造技術と組み合わせて実現されることがある。
本明細書で記述される製造プロセスは、半導体デバイス構造を処理するための完全なプロセスフローを形成しない。プロセスフローの残りは、当業者には既知のものである。したがって、本デバイスおよび本方法の実施形態を理解するのに必要な方法および半導体デバイス構造のみが本明細書に記述される。
特に指定しない限りは、本明細書で記述される材料は、スピンコーティング、ブランケットコーティング、化学蒸着（“ＣＶＤ”）、原子層堆積（“ＡＬＤ”）、プラズマ増強ＡＬＤまたは物理蒸着（“ＰＶＤ”）を含むがそのいずれにも限定はされない任意の好適な技術によって形成されてもよい。或いは、材料は、ｉｎｓｉｔｕで成長してもよい。形成される特定の材料に依存して、材料を堆積または成長するための技術は、当業者によって選択されてもよい。
特に指定されない限りは、本明細書で記述される材料の除去は、エッチング、イオンミリング、研磨による平坦化または他の既知の方法を含むがそのいずれにも限定はされない任意の好適な技術によって達成されてもよい。
ここで、図面に対して参照が行われ、類似の参照番号は、図面を通して類似のコンポーネントのことを称する。図面は、必ずしも同じ縮尺で描かれるとは限らない。
メモリセルが開示される。メモリセルは、少なくとも一つの磁性領域（例えば、自由領域または固定領域）と、磁性領域に隣接するストレッサ構造とを含む磁性セルコアを含む。ストレッサ構造は、メモリセルのスイッチング中に磁性領域に対して応力を及ぼすように構成される。応力は、スイッチング中に応力を及ぼされた磁性領域の磁性異方性（“ＭＡ”）における変化をもたらす。スイッチング後、応力は軽減され、磁性領域のＭＡは、実質的にその以前のレベルに戻ってもよい。ストレッサ構造は、このように、スイッチング中に自由領域のＭＡ強度における減少を引き起こすか、スイッチング中の固定領域のＭＡ強度における増加を引き起こすように構成されてもよい。
本開示の実施形態のメモリセルは、平面内ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルまたは平面外ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのいずれかとして構成されてもよい。“平面内”ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、主に水平方向に方向づけられた磁性配向を示す磁性領域を含むが、“平面外”ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、主に垂直方向に方向づけられた磁性配向を示す磁性領域を含む。本明細書で用いられるように、磁性配向について言及されるときの“ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ（方向）”とは、磁性配向の主な方向のことを称する。
図１から図３Ｃは、平面外ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの一実施形態を示す。図１を参照すると、本開示の一実施形態による平面外ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セル構造１００が図示される。磁性セル構造１００は、基板１０２上の磁性セルコア１０１を含む。磁性セルコア１０１は、上部電極１０４上と低部電極１０５下との間に配置されてもよい。磁性セルコア１０１は、例えば、その間に非磁性領域１３０を有する“固定領域”１１０と“自由領域”１２０の少なくとも二つの磁性領域を含む。一つ以上の低部中間領域１４０および一つ以上の上部中間領域１５０は、任意で、磁性セル１００構造の磁性領域（例えば、固定領域１１０および自由領域１２０）の下および上に其々配置されてもよい。
幾つかの実施形態においては、図１に示されるように、磁性セルコア１０１は、基板１０２上のシード領域１６０を形成する任意の導電性材料を含んでもよい。存在する場合にはシード領域１６０が、またはシード領域１６０が存在しない場合には低部中間領域１４０が低部電極１０５の底部導電性材料上に形成され、低部電極１０５は、例えば、限定することなく、銅、タングステン、チタン、タンタル、前述された任意の元素の窒化物またはその組み合わせを含んでもよい。シード領域１６０は、もし存在する場合には、例えば、限定することなく、ニッケルベース材料を含み、被覆材料または被覆領域の結晶構造を制御するように構成されてもよい。底部中間領域１４０は、もし存在する場合には、磁性セルコア１０１内の被覆材料の所望の結晶構造を保証するように構成される材料を含んでもよい。
磁性セル構造１００は、幾つかの実施形態においては、任意で酸化物キャッピング領域１７０を含み、酸化物キャッピング領域１７０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）またはその組み合わせを含んでもよい。幾つかの実施形態においては、酸化物キャッピング領域１７０は、非磁性領域１３０と同一の材料、同一の構造またはその双方を含み、例えば、酸化物キャッピング領域１７０および非磁性領域１３０は、双方とも、酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ハフニウム、酸化ルテニウムまたは酸化タンタルを含んでもよい。酸化物キャッピング領域１７０および非磁性領域１３０は、一つ以上の非磁性材料を含んでもよい。
任意の上部中間領域１５０は、存在する場合には、磁性セルコア１０１の隣接する材料内の所望の結晶構造を保証するように構成された材料を含んでもよい。上部中間領域１５０は、磁性セルコア１０１の製造中のパターン化プロセスを支援するように構成された金属材料、バリア材料、または従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭセルコア構造の他の材料を代替的または追加的に含んでもよい。幾つかの実施形態においては、図１に示されたように、上部中間領域１５０は、導電性キャッピング領域を含み、導電性キャッピング領域は、銅、タンタル、チタン、タングステン、ルテニウム、窒化タンタルまたは窒化チタンなどの一つ以上の材料を含んでもよい。
図１に示されたように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは、磁性領域（例えば、固定領域１１０および自由領域１２０）の少なくとも一つにおける垂直方向磁性配向を示すように構成されてもよい。示された垂直方向磁性配向は、垂直磁性異方性（“ＰＭＡ”）強度によって特徴づけられてもよい。矢印１１２および両矢印１２２によって図１に示されるように、幾つかの実施形態においては、固定領域１１０および自由領域１２０の各々は、垂直方向磁性配向を示すことがある。固定領域１１０の磁性配向は、例えば、図１の矢印１１２によって示される方向に、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの動作中を通して、実質的に同一の方向に方向づけられたままであってもよい。一方、自由領域１２０の磁性配向は、図１の両矢印１２２によって示されるように、パラレル構造とアンチパラレル構造との間で、セルの動作中に、スイッチングされてもよい。
磁性セルコア１０１は、自由領域１２０および固定領域１１０の少なくとも一つに隣接するストレッサ構造１８０も含む。図１の実施形態に示されるように、ストレッサ構造１８０は、自由領域１２０に隣接してもよい。ストレッサ構造１８０は、例えば、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのプログラミング中に少なくとも一次元（例えば、高さ、幅）において形状が変化するように構成された材料、例えば非磁性材料で形成されてもよい。ストレッサ構造１８０の構造的構成、位置、および材料組成のうちの一つ以上は、隣接する領域に対して、所望の大きさおよび方向の応力を適用するために、プログラミング中にストレッサ構造１８０が変化することを可能にするように適合されてもよい。本明細書で用いられるように、“構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）”という語は、ストレッサ構造１８０について言及されるときには、ストレッサ構造１８０が“構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）”と記述された結果を可能とするように適合された、その構造的構成、（影響を及ぼされる磁性材料に対する）位置および材料組成のうちの少なくとも一つを有するストレッサ構造１８０を意味し、含む。
ストレッサ構造１８０は、温度上昇または電圧降下などのプログラミング中の条件の変化に応じて、プログラミング中に膨張または収縮（即ち、隣接する材料よりも寸法が減少するか、または隣接する材料よりも小さく膨張する）するように構成されてもよい。例えば、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのスイッチング中に、ストレッサ構造１８０を含む磁性セルコア１０１をプログラミング電流が通ると、ストレッサ構造１８０の材料および磁性セルコア１０１内の他の材料を加熱することがある。したがって、プログラミング中に温度変化に応じるように構成された場合には、ストレッサ構造１８０の寸法は変化して、隣接する磁性材料上で変化したストレッサ構造１８０によって及ぼされる物理的応力を引き起こす。この応力は、プログラミング電流が停止すると軽減され、スイッチング前のレベルに温度を戻し、ストレッサ構造１８０をスイッチング前の寸法に戻す。
ストレッサ構造１８０が温度変化に応じるように構成された実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、隣接材料、例えば、隣接する磁性領域の隣接する磁性材料の熱膨張係数とは異なる（例えば、少なくとも約０．１％大きいか、または少なくとも約０．１％小さい）熱膨張係数を有する材料で形成されてもよい。このように、ストレッサ構造１８０は、隣接材料、例えば、隣接する磁性材料とは異なる速度で、温度変化に晒されたときに、膨張または収縮するように構成されてもよい。例えば、限定することなく、ストレッサ構造１８０は、（例えば、少なくともストレッサ構造１８０によって応力を及ぼされる磁性領域の材料の熱膨張係数と比較して）より高い熱膨張係数を有する金属（例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）または他の材料（例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ））で形成されるか、そのような金属を含んでもよく、したがって、ストレッサ構造１８０を加熱するスイッチング中にプログラミング電流に晒されたときに、隣接材料よりも大きく膨張して、隣接する磁性領域に応力を及ぼすように構成されてもよい。他の実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、ストレッサ構造１８０を加熱するスイッチング中にプログラミング電流に晒されたときに、体積が減少して、隣接する磁性領域に応力を及ぼすように構成されてもよい。このようなストレッサ構造１８０は、負の熱膨張係数を有する材料で形成されてもよい。或いは、材料を加熱するスイッチング中に磁性セルコア１０１の材料がプログラミング電流に晒されたときに、ストレッサ構造１８０が隣接材料よりも小さく膨張するように、ストレッサ構造１８０は、隣接材料よりも低い熱膨張係数を有する材料で形成されるか、そのような材料を含んでもよい。このように、ストレッサ構造１８０は、隣接材料に対して収縮してもよい。
ストレッサ構造１８０が電圧変化に応じるように構成される実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、プログラミング中にその厚さにおける電圧変化に応じて形状を変化する（例えば、隣接材料に対して膨張するか収縮する）圧電材料で形成されてもよい。
磁性セルコア１０１内または磁性セルコア１０１外のストレッサ構造１８０に隣接する材料に依存して、ストレッサ構造１８０は、主に一方向に寸法を変化するように構成されてもよい。例えば、ストレッサ構造１８０は、スイッチング段階の状態に晒されたときに、垂直方向に膨張するか、垂直方向に収縮するか、横方向に膨張するか、または横方向に収縮するように構成されてもよい。このように、ストレッサ構造１８０の材料および構造的構成は、所望の寸法変化と、隣接する磁性領域に対する対応する応力の適用を達成するために適合されてもよい。ストレッサ構造１８０の材料は、処理温度で隣接材料に対して不活性である（例えば、化学反応しない）ように組み立てられてもよい。
自由領域１２０および固定領域１１０は、正の磁気歪みを有する磁性材料２２０（図２Ａ参照）もしくは負の磁気歪みを有する磁性材料３２０（図３Ａ参照）から形成されるか、またはそれらを含んでもよい。本明細書で用いられるように、“磁気歪み（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）”とは、磁化プロセス中に、材料の形状または寸法の変化を引き起こす磁性材料の特性を称する。“正の磁気歪み（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）”を有する磁性材料２２０は、その磁化方向（即ち、その磁性配向の方向）に延びる傾向があるが、“負の磁気歪み（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）”を有する磁性材料３２０は、その磁化方向に収縮する傾向がある。磁性材料２２０がその磁性配向の方向に膨張する（例えば、引き延ばされる）とき、正の磁気歪みを有する磁性材料２２０の主な磁性配向の方向におけるＭＡ強度は増加するが、磁性材料２２０がその磁性配向の方向に反して圧縮される（例えば、押し込まれる）とき、減少することがある。磁性材料３２０がその磁性配向の方向に膨張する（例えば、引き延ばされる）とき、負の磁気歪みを有する磁性材料３２０の主な磁性配向の方向におけるＭＡ強度は減少するが、磁性材料３２０がその磁性配向の方向に反して圧縮される（例えば、押し込まれる）とき増加することがある。このように、本開示の実施形態により、自由領域１２０および固定領域１１０のうちの少なくとも一つは、スイッチング中に膨張する領域または収縮する領域内のＭＡ強度変化をもたらすために、スイッチング中に主な磁性配向の方向にそって、膨張するか圧縮するように構成されてもよい。物理的膨張または物理的圧縮は、上述されたように、プログラミング中に変化するにつれて、ストレッサ構造１８０によって磁性領域に及ぼされる応力の結果生じることがある。
磁性セルコア１０１の磁性領域（例えば、固定領域１１０および自由領域１２０）のうちの一つまたはその双方は、正の磁気歪みまたは負の磁気歪みのいずれかを示す磁性材料を含むか、正の磁気歪みまたは負の磁気歪みのいずれかを示す磁性材料で実質的に構成されるか、正の磁気歪みまたは負の磁気歪みのいずれかを示す磁性材料で構成されてもよい。正の磁気歪みを示す磁性材料２２０は、例えば、コバルト（Ｃｏ）および鉄（Ｆｅ）を９：１より小さいコバルト・イオン（Ｃｏ：Ｆｅ）比で含む強磁性材料（例えば、ＣｏＦｅ，ＣｅＦｅＢ）を限定することなく含んでもよい。負の磁気歪みを有する磁性材料３２０は、例えば、９：１を超えるコバルト・イオン（Ｃｏ：Ｆｅ）比でコバルト（Ｃｏ）および鉄（Ｆｅ）を含む強磁性材料（例えば、ＣｏＦｅ，ＣｅＦｅＢ）を限定することなく含んでもよい。任意で、固定領域１１０、自由領域１２０またはその双方に含まれ得る他の磁性材料は、例えば、限定することなく、Ｃｏ、Ｆｅ，Ｎｉもしくはその合金、ＮｉＦｅ，ＣｏＮｉＦｅ、またはドープされた合金ＣｏＸ、ＣｏＦｅＸ、ＣｏＮｉＦｅＸ（Ｘ＝Ｂ、Ｃｕ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｈｆ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃ）または他の半金属強磁性材料（例えば、ＮｉＭｎＳｂおよびＰｔＭｎＳｂなど）を含む。
幾つかの実施形態においては、磁性領域（例えば、固定領域１１０および自由領域１２０）は、磁気歪みを示す磁性材料および磁気歪みを示さない磁性材領域の双方を含む。それにもかかわらず、磁性領域のＭＡ強度は、磁性領域に応力が及ぼされると、減少するか増加してもよい。
代替的または追加的に、幾つかの実施形態においては、自由領域１２０、固定領域１１０、またはその双方は、複数の材料で形成されるか、複数の材料を含んでもよく、複数の材料のうちのいくつかは、磁性材料（例えば、磁気歪みを示す磁性材料および磁気歪みを示さない磁性材料）であり、複数の材料のうちのいくつかは、非磁性材料であってもよい。例えば、このような複数材料の自由領域、固定領域またはその双方のうちのいくつかは、複数のサブ領域を含んでもよい。例えば、限定することなく、自由領域１２０、固定領域１１０またはその双方は、コバルトおよびプラチナの繰り返しサブ領域から形成されるか、コバルトおよびプラチナの繰り返しサブ領域を含み、プラチナのサブ領域は、コバルトのサブ領域の間に配置されてもよい。別の例として、限定することなく、自由領域１２０、固定領域１１０またはその双方は、コバルトおよびニッケルの繰り返しサブ領域を含んでもよく、ニッケルのサブ領域は、コバルトのサブ領域の間に配置されてもよい。
自由領域１２０および固定領域１１０の組成および構造（例えば、厚さおよび他の物理的寸法）は、同一であってもよいし、異なってもよい。
図１の磁性セル構造１００の自由領域１２０が図示された図２Ａを参照すると、自由領域１２０は、正の磁気歪みを有する磁性材料２２０で形成される。図２Ａは、保存状態中のストレッサ構造１８０および自由領域１２０を示し、保存状態において、プログラミング電流は磁性セルコア１０１（図１）を通っていない。このような“保存構造（ｓｔｏｒａｇｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）”における自由領域１２０は、矢印ＰＭＡで表される、ある大きさで垂直方向の磁性異方性を有する垂直方向の磁性配向を示す。
実施形態においては、ストレッサ構造１８０が、スイッチング段階の条件下で、例えば、プログラミング電流が磁性セルコア１０１（図１）を通り、ストレッサ構造１８０を加熱するとき、垂直方向に膨張するように構成される。このような実施形態においては、図２Ｂに示されたように、矢印ＶＥによって示された方向における膨張は、隣接する磁性材料２２０に対する垂直方向の圧縮力を及ぼす垂直方向に膨張したストレッサ構造１８０ＶＥを生成する。結果として生じた垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣは、図２Ａの矢印ＰＭＡの大きさと比較すると、より小さいＰＭＡＬの大きさによって示されるように、ＰＭＡの低下を示すことがある。このように、スイッチング中のプログラミング電流の結果、垂直方向に膨張したストレッサ構造１８０ＶＥ、垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣ、低下したＰＭＡＬを生じる。低下したＰＭＡＬによって、その他の場合に使用されるプログラミング電流よりも低いプログラミング電流で、垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣの磁性配向のスイッチングが可能となる。
スイッチング後、プログラミング電流の印加は停止され、その結果、温度も含めて、スイッチング前の状態に戻り、その間に、垂直方向に膨張したストレッサ構造１８０ＶＥは、図２Ａに示された保存構造に戻って、垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣを形成するために以前に及ぼされた応力を軽減する。このように、垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣは、図２Ａに示される保存構造に膨張し、低下したＰＭＡＬは、図２Ａにおける自由領域１２０のＰＭＡへと増加することがある。このように、低下したＰＭＡＬは、スイッチング中に垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣによって示されるが、元のＰＭＡは、保存中の自由領域１２０によって示されてもよい。したがって、自由領域１２０は、保存中のデータ保持を悪化させることなく、より低いプログラミング電流でスイッチングすることを可能とする。
スイッチング中および保存中のＰＭＡ強度間の差異は、磁性セル構造１００のスケーラビリティを収容してもよい。例えば、保存中の固定領域１１０のＰＭＡ強度を悪化させることなく、より低いプログラミング電流で固定領域１１０のスイッチングを可能とすることによって、固定領域１１０の機能を悪化させることなく、より小さい固定領域１１０を製造することを可能とすることができる。
他の実施形態においては、ストレッサ構造１８０（図２Ａ）は、スイッチング段階の条件下で、例えば、プログラミング電流が磁性セルコア１０１（図１）を通り、ストレッサ構造１８０を加熱するときに、横方向に膨張するように構成されてもよい。このような実施形態においては、図２Ｃに示されるように、矢印ＬＥによって示される方向における膨張は、隣接する磁性材料２２０に対する横方向の引張力を及ぼす、横方向に膨張したストレッサ構造１８０ＬＥを生成する。結果として生じる横方向に膨張した自由領域１２０ＬＥは、図２Ａの矢印ＰＭＡの大きさと比較するとより小さい大きさの矢印ＰＭＡＬによって示されるように、より低いＰＭＡを示すことがある。このように、スイッチング中のプログラミング電流の結果、横方向に膨張したストレッサ構造１８０ＬＥ、横方向に膨張した自由領域１２０ＬＥおよび低下したＰＭＡＬを生じる。低下したＰＭＡＬは、他の場合に必要とされるプログラミング電流よりも低いプログラミング電流で、横方向に膨張した自由領域１２０ＬＥの磁性配向のスイッチングを可能とすることができる。
図３Ａから図３Ｃを参照すると、図１の磁性セル構造１００の自由領域１２０が示され、自由領域１２０は、負の磁気歪みを有する磁性材料３２０で形成される。幾つかの実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、矢印ＶＣによって示されるように垂直方向に収縮するように構成され、その結果、自由領域１２０に垂直方向の引張応力を及ぼす垂直方向に収縮したストレッサ構造１８０ＶＣを生じ、その結果、垂直方向に膨張した自由領域１２０ＶＥを生じる。垂直方向に膨張した自由領域１２０ＶＥの磁性材料３２０は、低下したＰＭＡＬを示すことがある。したがって、垂直方向に膨張した自由領域１２０ＶＥの磁性配向は、低いプログラミング電流でスイッチング可能である可能性がある。
図３Ｃを参照すると、他の実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、矢印ＬＣによって示されるように、横方向に収縮するように構成され、その結果、自由領域１２０に横方向の圧縮応力を及ぼす横方向に収縮したストレッサ構造１８０ＬＣを生じ、その結果、横方向に圧縮された自由領域１２０ＬＣを生じる。横方向に圧縮された自由領域１２０ＬＣの磁性材料３２０は、低いプログラミング電流でスイッチング可能であり得る磁性配向とともに、低下したＰＭＡＬを示すことがある。
図４を参照すると、平面内ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セル構造４００が示され、磁性セルコア４０１内の固定領域１１０および自由領域１２０の磁性材料は、矢印４１２および両矢印４２２によって示されるように、水平方向の磁性配向を示す。
図５Ａを参照すると、幾つかの実施形態においては、平面内ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの自由領域１２０は、負の磁気歪みを示す磁性材料３２０で形成されてもよい。磁性材料３２０によって示される水平方向の磁性配向は、平面内磁性異方性（“ＩＭＡ”）強度によって特徴づけられることがある。幾つかの実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、スイッチング中に、図５Ｂの矢印ＶＥの方向、つまり垂直方向に膨張するように構成され、その結果、隣接する磁性材料３２０に垂直方向の圧縮応力を及ぼす垂直方向に膨張したストレッサ構造１８０ＶＥを生じ、その結果、垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣを生じる。したがって、垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣの磁性配向が、低いプログラミング電流でスイッチング可能であり得るように、垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣは、低下したＩＭＡＬを示すことがある。スイッチング後、垂直方向に膨張したストレッサ構造１８０ＶＥおよび垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣは、図５Ａに示される構造に戻ってもよい。
図５Ｃを参照すると、幾つかの実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、スイッチング中に矢印ＬＥの方向、つまり横方向に膨張するように構成され、その結果、磁性材料３２０に横方向の引張応力を及ぼす横方向に膨張したストレッサ構造１８０ＬＥを生じ、横方向に膨張した自由領域１２０ＬＥを生じる。したがって、横方向に膨張した自由領域１２０ＬＥの磁性配向が低いプログラミング電流でスイッチング可能であり得るように、横方向に膨張した自由領域１２０ＬＥは、低下したＩＭＡＬを示すことがある。スイッチング後、横方向に膨張したストレッサ構造１８０ＬＥおよび横方向に膨張した自由領域１２０ＬＥは、図５Ａに示される構造に戻ってもよい。
他の実施形態においては、平面内ＳＴＴ−ＭＲＡＭメモリセルの磁性セルコア４０１の自由領域１２０（図４）は、図６Ａに示されるように、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０から形成されてもよい。このように、図６Ｂを参照すると、ストレッサ構造１８０は、自由領域１２０に垂直方向の引張応力を及ぼすために、スイッチング中に垂直方向に収縮するように構成され、その結果、垂直方向に収縮したストレッサ構造１８０ＶＣ、垂直方向に膨張した自由領域１２０ＶＥ、および低下したＩＭＡＬを生じる。図６Ｃを参照すると、ストレッサ構造１８０は、代替的または追加的に、自由領域１２０に横方向の圧縮応力を及ぼすために、スイッチング中に横方向に収縮するように構成され、その結果、横方向に収縮したストレッサ構造１８０ＬＣ、横方向に圧縮された自由領域１２０ＬＣおよび低下したＩＭＡＬを生じる。スイッチング後、領域および構造は、図６Ａに示された構造に戻ってもよい。
したがって、磁性領域およびストレッサ構造を含む磁性セルコアを含むメモリセルが開示される。ストレッサ構造が磁性領域の磁性配向のスイッチング中に磁性セルコアを通るプログラミング電流に晒されるとき、ストレッサ構造は、磁性領域に応力を及ぼし、磁性領域の磁性異方性を変化するように構成される。
正の磁気歪みを示す磁性材料２２０は、隣接するストレッサ構造１８０によって生成される垂直方向および横方向の圧縮応力および引張応力に対して異なるように反応するため、ストレッサ構造１８０は、磁性材料（例えば、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０、負の磁気歪みを示す磁性材料３２０）のＭＡ強度の増加をもたらすために、好適な応力（例えば、（図２Ｂのような）垂直方向圧縮応力、（図２Ｃのような）横方向引張応力、（図３Ｂのような）垂直方向引張応力、（図３Ｃのような）横方向圧縮応力）を及ぼすように構成され、方向づけられると考えられる。ストレッサ構造１８０によって影響を受ける磁性領域が自由領域１２０である実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、自由領域１２０によって示される磁性配向のＭＡ強度を低下させる応力を及ぼすように構成されると考えられる。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが平面外セル（図１から図３Ｃなど）かまたは平面内セル（図４から図６Ｃなど）か、磁性領域（例えば、自由領域１２０）の磁性材料が、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０で形成されるかまたは負の磁気歪みを示す磁性材料３２０で形成されるか、ストレッサ構造１８０が垂直方向に膨張するか、垂直方向に収縮するか、横方向に膨張するか、または横方向に収縮するかに関わらず、スイッチング段階中に磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４））をプログラミング電流が通過することによって、自由領域１２０の磁性配向を変化させ、それによって、磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４））の自由領域１２０および固定領域１１０にわたる電気抵抗を変化させる。さらに、ストレッサ構造１８０の少なくとも一次元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）における変化は、磁性セルコアを電流が通る間に達成され、ストレッサ構造１８０内の変化は、磁性領域のＭＡ強度を変化させるために、隣接する磁性領域（例えば、自由領域１２０または固定領域１１０）にストレスを及ぼす。
このように、スピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルの動作方法が開示される。方法は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの論理状態をプログラムするために、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セルコアの磁性領域および他の磁性領域にわたる電気抵抗を変化させることを含む。電気抵抗を変化させることは、磁性領域のスイッチング可能な磁性配向をスイッチングするために、磁性セルコアに電流を通すことを含む。電流の通過に少なくとも部分的に応じて、磁性領域および別の磁性領域のうちの一つに隣接するストレッサ構造の少なくとも一次元が、磁性領域および別の磁性領域のうちの一つに応力を及ぼし、磁性領域および別の磁性領域のうちの一つの磁性異方性を変化させるために変化する。
図７を参照すると、幾つかの実施形態においては、磁性セル構造７００は、自由領域１２０に隣接する上部ストレッサ構造７８１および固定領域１１０に隣接する低部ストレッサ構造７８２を含む磁性セルコア７０１を含んでもよい。上部ストレッサ構造７８１は、図１から図３Ｃを参照して上述されたように、ストレッサ構造１８０のうちの任意の構造に類似して構成されてもよい。このように、上部ストレッサ構造７８１は、スイッチング中に自由領域１２０のＭＡ強度を低下させるために、スイッチング中に自由領域１２０に応力を及ぼすように構成され、スイッチング中に使用されるプログラミング電流を低下することを可能とする。
低部ストレッサ構造７８２は、固定領域１１０に隣接して配置され、スイッチング中に固定領域１１０のＭＡ強度を変化させるために、スイッチング中に固定領域１１０に応力を及ぼすように構成されてもよい。低部ストレッサ構造７８２は、固定領域１１０内のより高い（例えば、より大きい）ＭＡ強度を生じる応力を及ぼすように構成されてもよい。より高いＭＡ強度は、自由領域１２０の磁性配向をスイッチングすることを可能とすることがある。なぜなら、磁性セルコア７０１をプログラミング電流が通ると、固定領域１１０のＭＡ強度は、生成されるトルクを高めることがあるからである。
低部ストレッサ構造７８２は、プログラミング中に固定領域１１０の磁性異方性の減少を抑制することがある。例えば、固定領域１１０の磁性材料は、温度上昇に晒されたときに、ＭＡ強度を低下する傾向があり、その後、低部ストレッサ構造７８２によって固定領域に及ぼされる応力は、ＭＡ強度の低下を抑制することがある。
図８Ａを参照すると、幾つかの実施形態においては、固定領域１１０は、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０で形成され、図８Ａの矢印ＰＭＡの大きさによって示されるようなＰＭＡ強度によって特徴づけられる垂直方向磁性配向を示すことがある。スイッチング中にＰＭＡ強度を増加させるために、低部ストレッサ構造７８２は、スイッチング中に、図８Ｂの矢印ＶＣによって示されるように、垂直方向に収縮するように構成され、この垂直方向収縮は、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０に垂直方向引張応力を及ぼし、磁性材料２２０のＰＭＡ強度を増加させる。したがって、スイッチング中に、プログラミング電流は、垂直方向に収縮したストレッサ構造７８２ＶＣ、垂直方向に膨張した固定領域１１０ＶＥおよびより高いＰＭＡＨを生じる。スイッチング後、構造は、図８Ａに示される保存構造に戻ってもよい。
代替的または追加的に、低部ストレッサ構造７８２は、図８Ｃの矢印ＬＣの方向、つまり横方向に収縮するように構成されてもよい。横方向の収縮の結果、固定領域１１０に横方向圧縮応力を及ぼす横方向に収縮したストレッサ構造７８２ＬＣを生じ、その結果、より高いＰＭＡＨを示す横方向に圧縮された自由領域１１０ＬＣを生じる。スイッチング後、構造は、図８Ａに示された構造に戻ってもよい。
図９Ａを参照すると、幾つかの実施形態においては、固定領域１１０は、負の磁気歪みを示す磁性材料３２０で形成されてもよい。このように、低部ストレッサ構造７８２は、磁性材料３２０に垂直方向圧縮応力を及ぼすために、図９Ｂの矢印ＶＥの方向、つまり垂直方向に膨張するように構成され、より高いＰＭＡＨを示す垂直方向に圧縮された固定領域１１０ＶＣを生じる。他の実施形態においては、低部ストレッサ構造７８２は、磁性材料３２０に横方向の引張応力を及ぼすために、図９Ｃの矢印ＬＥの方向、つまり横方向に膨張するように構成され、より高いＰＭＡＨを示す横方向に膨張した固定領域１１０ＬＥを生じる。
幾つかの実施形態においては、固定領域１１０および自由領域１２０の双方は、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０で形成されてもよい。このような実施形態においては、上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２は、自由領域１２０のＭＡ強度を低下させるため、かつ、固定領域１１０のＭＡ強度を増加させるために、スイッチング中に少なくとも一つの次元で反対方向に変化するように構成されてもよい。例えば、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、平面外ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セル構造１０００Ａは、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０で形成された二つの磁性領域を有する磁性セルコア１００１を含んでもよい。図１０Ａは、保存構造における磁性セル構造１０００Ａを示す。上部ストレッサ構造７８１は、垂直方向に膨張して自由領域１２０を圧縮するように構成されるが、低部ストレッサ構造７８２は、垂直方向に収縮して、固定領域１１０を膨張させるように構成されてもよい。このように図１０Ｂに示されるように、図１０Ａの磁性セル構造１０００Ａの其々の領域のＰＭＡ強度と比較すると、磁性セル構造１０００Ｂにおいて、結果として生じる垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣは、低下したＰＭＡＬを示すが、垂直方向に膨張した固定領域１１０ＶＥは、より高いＰＭＡＨを示すことがある。
他の実施形態においては、上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２の双方は、同一の次元で変化するように構成され、固定領域１１０および自由領域１２０は、反対方向の磁気歪み材料で形成されてもよい。例えば、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、平面外ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セル構造１１００Ａは、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０で形成された自由領域１２０と、負の磁気歪みを示す磁性材料３２０で形成される固定領域１１０とを有する磁性セルコア１１０１を含んでもよい。上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２の双方は、垂直方向に膨張するように構成され、自由領域１２０および固定領域１１０を膨張させる。このように、図１１Ｂに示されるように、図１１Ａの磁性セル構造１１００Ａの其々の領域のＰＭＡ強度と比較すると、磁性セル構造１１００Ｂにおいて、結果として生じる垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣは、低下したＰＭＡＬを示すが、垂直方向に圧縮された固定領域１１０ＶＣは、より高いＰＭＡＨを示すことがある。このような実施形態においては、上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２は、同一の材料から形成されてもよい。
二以上のストレッサ構造（例えば、上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２）は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルが平面内セルとして構成される実施形態にも含まれてもよい。図１２を参照すると、例えば、磁性セル構造１２００は、自由領域１２０に隣接する上部ストレッサ構造７８１および固定領域１１０に隣接する低部ストレッサ構造７８２を有する磁性セルコア１２０１を含んでもよい。上部ストレッサ構造７８１は、図４から図６Ｃを参照して上述されたようなストレッサ構造１８０のうちの任意の構造に類似して構成されてもよい。
幾つかの実施形態においては、固定領域１１０は、図１３Ａに示されるように負の磁気歪みを示す磁性材料３２０で形成されてもよい。したがって、固定領域１１０に垂直方向引張応力を及ぼすために、低部ストレッサ構造７８２は、図１３Ｂの矢印ＶＣの方向、つまり垂直方向に収縮するように構成され、結果として、図１３Ａの構造と比較するとより高いＩＭＡＨを有する垂直方向に膨張した固定領域１１０ＶＥを生じる。代替的または追加的に、低部ストレッサ構造７８２は、固定領域１１０に横方向圧縮応力を及ぼすために、図１３Ｃの矢印ＬＣの方向、つまり横方向に収縮するように構成され、図１３Ａの構造と比較すると、より高いＩＭＡＨを有する横方向に圧縮された固定領域１１０ＬＣを生じる。
他の実施形態においては、固定領域１１０は、図１４Ａに示されるように、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０で形成されてもよい。このように、低部ストレッサ構造７８２は、固定領域１１０に垂直方向圧縮応力を及ぼすために、図１４Ｂの矢印ＶＥの方向、つまり垂直方向に膨張するように構成され、その結果、図１４Ａの構造と比較するとより高いＩＭＡＨを有する垂直方向に圧縮された固定領域１１０ＶＣを生じる。代替的または追加的に、低部ストレッサ構造７８２は、図１４Ｃの矢印ＬＥの方向、つまり横方向に膨張するように構成され、結果として生じる横方向に膨張したストレッサ構造７８２ＬＥは、固定領域１１０に横方向引張応力を及ぼし、その結果として、図１４Ａの構造と比較すると、より高いＩＭＡＨを有する横方向に膨張した固定領域１１０ＬＥを生じる。
幾つかの実施形態においては、上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２の双方は、スイッチング中に垂直方向に膨張するように構成され、自由領域１２０および固定領域１１０は、反対方向の磁気歪みを示す磁性材料で形成されてもよい。例えば、図１５Ａおよび図１５Ｂに示されるように、平面内ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セル構造１５００Ａは、負の磁気歪みを示す磁性材料３２０で形成された自由領域１２０と、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０で形成された固定領域１１０とを有する磁性セルコア１５０１を含み、上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２の双方は、図１５Ｂの矢印ＶＥの方向、つまり垂直方向に膨張するように構成されてもよい。したがって、スイッチング中に、結果として生じる垂直方向に膨張したストレッサ構造７８１ＶＥおよび垂直方向に膨張したストレッサ構造７８２ＶＥは、其々磁性材料３２０および２２０に垂直方向圧縮応力を及ぼし、その結果、磁性セル構造１５００Ｂ内の低下したＩＭＡＬを示す垂直方向に圧縮された自由領域１２０ＶＣおよびより高いＩＭＡＨを示す垂直方向に圧縮された固定領域１１０ＶＣを生じる。
他の実施形態においては、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０または負の磁気歪みを示す磁性材料３２０は、固定領域１１０および自由領域１２０の双方を形成するために使用されるが、上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２は、スイッチング中にある次元において反対方向に変化するように構成される。例えば、図１６Ａおよび図１６Ｂに示されるように、平面内ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの磁性セル構造１６００Ａは、正の磁気歪みを示す磁性材料２２０で形成された固定領域１１０および自由領域１２０を有する磁性セルコア１６０１を含んでもよい。上部ストレッサ構造７８１は、図１６Ｂの矢印ＶＣの方向、つまり垂直方向に収縮するように構成され、結果として垂直方向に収縮したストレッサ構造７８１ＶＣを生じるが、低部ストレッサ構造７８２は、矢印ＶＥの方向、つまり垂直方向に膨張するように構成され、結果として、低下したＩＭＡＬを有する磁性セル構造１６００Ｂの垂直方向に膨張した自由領域１２０ＶＥおよびより高いＩＭＡＨを有する垂直方向に圧縮された固定領域１１０ＶＣを生じる。
このように、磁性セルコアを含むメモリセルが開示される。磁性セルコアは、スイッチング可能な磁性配向を示すように構成された自由領域を含む。磁性セルコアは、固定磁性配向を示すように構成された固定領域も含む。非磁性領域は、自由領域と固定領域との間に配置される。自由領域に隣接するストレッサ構造は、スイッチング中に自由領域に応力を及ぼすために、スイッチング可能な磁性配向のスイッチング中に寸法を変化するように構成される。固定領域に隣接する別のストレッサ構造は、スイッチング中に固定領域に応力を及ぼすために、スイッチング可能な磁性配向のスイッチング中に寸法を変化するように構成される。
二以上のストレッサ構造が磁性セルコア内に含まれる実施形態のうちの任意の実施形態について、自由領域１２０に応力を及ぼすように構成されたストレッサ構造（例えば、上部ストレッサ構造７８１）は、自由領域１２０の低下したＭＡを結果として生じる応力を及ぼすように構成されるが、固定領域１１０に応力を及ぼすように構成されたストレッサ構造（例えば、低部ストレッサ構造７８２）は、固定領域１１０のより高いＭＡを結果として生じる応力を及ぼすように構成されてもよいと考えられる。しかしながら、他の実施形態においては、自由領域１２０および固定領域１１０の双方のＭＡ強度を増加させるか、または自由領域１２０および固定領域１１０の双方のＭＡ強度を減少させることが望ましいことがあると考えられる。このような実施形態においては、磁性領域を形成する磁性材料は、適切な磁気歪み（例えば、正か負のいずれか）、磁性材料のＭＡ強度に所望の変化をもたらすために好適な応力（例えば、其々、垂直方向引張応力、垂直方向圧縮応力、横方向引張応力、横方向圧縮応力またはその任意の組み合わせ）を与えるために、垂直方向に膨張するか、垂直方向に収縮するか、横方向に膨張するか、横方向に収縮するか、または、その任意の組み合わせになるように構成されたストレッサ構造（例えば、上部ストレッサ構造７８１および低部ストレッサ構造７８２）を有するように選択されてもよい。
幾つかの実施形態においては、ストレッサ構造（例えば、任意のストレッサ構造１８０）（図１から図６Ｃ）、上部ストレッサ構造７８１（図７から図１６Ｂ）および低部ストレッサ構造７８２（図７から図１６Ｂ）は、図１７に示されるように、複数のストレッササブ領域１７８１を有する複数領域ストレッサ構造１７８０として構成されてもよい。上部ストレッサ構造７８１の各々は、スイッチング中に少なくとも一次元で変化するように構成された複数領域ストレッサ構造１７８０を形成するために、互いに重なる異なる個別領域内の異なる材料または同一材料で形成されてもよいし、または、横並びに配置されてもよい。
幾つかの実施形態においては、ストレッサ構造（例えば、任意のストレッサ構造１８０）（図１から図６Ｃ）、上部ストレッサ構造７８１（図７から図１６Ｂ）および低部ストレッサ構造７８２（図７から図１６Ｂ）は、固定領域１１０および自由領域１２０のうちの一つに隣接する連続的な均質領域として形成されてもよい。しかしながら、他の実施形態においては、図１８に示されるように、ストレッサ構造（例えば、任意のストレッサ構造１８０（図１から図６Ｃ））、上部ストレッサ構造７８１（図７から図１６Ｂ）および低部ストレッサ構造７８２（図７から図１６Ｂ））は、互いにスペーサ１８８２によって分離された複数の個別のストレッサ形体１８８１を有する不連続ストレッサ構造１８８０として構成されてもよい。このような実施形態においては、個別のストレッサ形体１８８１の各々は、隣接する磁性材料に応力を及ぼすために、スイッチング中に少なくとも一次元が変化するように構成されてもよい。
幾つかの実施形態においては、ストレッサ構造（例えば、任意のストレッサ構造１８０（図１から図６Ｃ））、上部ストレッサ構造７８１（図７から図１６Ｂ）および低部ストレッサ構造７８２（図７から図１６Ｂ）は、磁性領域（例えば、固定領域１１０または自由領域１２０）の直接上に配置されてもよい。このような実施形態においては、ストレッサ構造（例えば、任意のストレッサ構造１８０（図１から図６Ｃ）、上部ストレッサ構造７８１（図７から図１６Ｂ）および低部ストレッサ構造７８２（図７から図１６Ｂ））の膨張または収縮は、隣接する磁性領域に直接応力を及ぼしてもよい。
他の実施形態においては、図１９に示されるように、中間構造１９９０は、ストレッサ構造１８０と隣接する磁性材料（例えば、自由領域１２０）との間に配置されてもよい。このような幾つかの実施形態においては、ストレッサ構造１８０は、酸化物キャッピング領域１７０と中間領域１９９０との間にあってもよい。このような他の実施形態においては、酸化物キャッピング領域１７０が中間構造１９９０として機能するように、酸化物キャッピング領域１７０は、ストレッサ構造１８０と自由領域１２０との間にあってもよい。このように、ストレッサ構造１８０は、酸化物キャッピング領域１７０と上部中間領域１５０（図１）との間にあってもよい。上部中間領域１５０（図１）が含まれていない場合、ストレッサ構造１８０は、酸化物キャッピング領域１７０と上部電極１０４（図１）との間にあってもよい。したがって、ストレッサ構造１８０によって磁性材料に対して及ぼされる応力は、中間構造１９９０を介して及ぼされてもよい。
幾つかの実施形態においては、磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４）、磁性セルコア７０１（図７）、磁性セルコア１００１（図１０）、磁性セルコア１１０１（図１１）、磁性セルコア１２０１（図１２）、磁性セルコア１５０１（図１５）、磁性セルコア１６０１（図１６））は、図２０に示されるようにヒータ構造２０９０も含んでもよい。ヒータ構造２０９０は、例えば、限定することなく、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物またはその任意の組み合わせから形成されてもよい。ヒータ構造２０９０は、スイッチング中にストレッサ構造１８０の変化を促進するために、ストレッサ構造１８０へ熱を伝達するか、またはストレッサ構造１８０から熱を伝達するように構成されてもよい。例えば、ストレッサ構造１８０が膨張するように構成される実施形態においては、ヒータ構造２０９０は、ヒータ構造２０９０がない場合に膨張するよりも多く、スイッチング中にストレッサ構造１８０を膨張させるために、ストレッサ構造１８０に熱を伝達するように構成されてもよい。ストレッサ構造１８０が収縮するように構成される実施形態においては、ヒータ構造２０９０がない場合に収縮するよりも大きく、スイッチング中にストレッサ構造１８０を収縮するために、熱が、ストレッサ構造１８０からヒータ構造２０９０に伝達するように、ヒータ構造２０９０は、ストレッサ構造１８０を冷却するように構成されてもよい。このように、ヒータ構造２０９０は、ヒータ構造２０９０とストレッサ構造１８０との間の熱交換を可能とするために、動作可能なように加熱素子または冷却素子に接続されてもよい。
図面は、固定領域１１０上に配置された自由領域１２０を図示しているが、自由領域１２０および固定領域１１０は、互いに対してそれとは異なるように配置されることがあることに留意されたい。例えば、任意の磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４）、磁性セルコア７０１（図７）、磁性セルコア１００１（図１０）、磁性セルコア１１０１（図１１）、磁性セルコア１２０１（図１２）、磁性セルコア１５０１（図１５）、磁性セルコア１６０１（図１６））は、上部電極１０４と低部電極１０５との間でひっくり返されることがあるが、その磁性セルコアは、まだ本開示の範囲内にある。
磁性セル構造（例えば、磁性セル構造１００（図１）、磁性セル構造４００（図４）、磁性セル構造７００（図７）、磁性セル構造１０００Ａ（図１０Ａ）、磁性セル構造１１００Ａ（図１１Ａ）、磁性セル構造１２００（図１２）、磁性セル構造１５００Ａ（図１５Ａ）、磁性セル構造１６００Ａ（図１６Ａ））の材料は、他方の上部上に一方が、底部から上部に向かって、連続的に形成され、その後、その下およびその上に底部電極０５と上部電極１０４とを有する構造を形成するために、パターン化されてもよい。上述されたような領域および構造の材料を形成しパターン化する方法は、本技術分野で既知であり、本明細書では詳細には議論されない。
したがって、メモリセルの形成方法が開示される。本方法は、基板上に磁性材料を形成することを含む。非磁性材料は、磁性材料上に形成され、別の磁性材料は非磁性材料上に形成される。ストレッサ材料は、磁性材料および別の磁性材料のうちの少なくとも一つに隣接して形成される。ストレッサ材料は、磁性材料および別の磁性材料のうちの隣接する磁性材料の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する。
図２１を参照すると、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４と動作可能なように通信する周辺デバイス２１１２を含むＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム２１００が図示され、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４のグループ化は、システム要件および製造技術に依存して、多数の行および列または種々の他の配列を含むグリッドパターンでメモリセルのアレイを形成するために製造され得る。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４は、磁性セルコア２１０２、アクセストランジスタ２１０３、データ／センス線２１０４（例えば、ビット線）として機能し得る導電性材料、アクセス線２１０５（例えば、ワード線）として機能し得る導電性材料、ソース線２１０６として機能し得る導電性材料を含む。ＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム２１００の周辺デバイス２１１２は、読み出し／書き込み回路２１０７、ビット線参照２１０８、センス増幅器２１０９を含んでもよい。セルコア２１０２は、上述された磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４）、磁性セルコア７０１（図７）、磁性セルコア１００１（図１０）、磁性セルコア１１０１（図１１）、磁性セルコア１２０１（図１２）、磁性セルコア１５０１（図１５）、磁性セルコア１６０１（図１６））のうちの任意の磁性セルコアであってもよい。セルコア２１０２の構造（即ち、少なくとも一つのストレッサ構造１８０、７８１、７８２）によって、セルコア２１０２内の磁性領域のＭＡ強度は、例えば、より低いスイッチング電流の使用を可能とするために、スイッチング中に変化してもよい。
使用および動作においては、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４がプログラムするために選択されるとき、プログラミング電流がＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４に対して印加され、電流は、セルコア２１０２の固定領域によってスピン分極され、セルコア２１０２の自由領域に対するトルクを及ぼし、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４に“書き込む”または“プログラムする”ために、自由領域の磁化をスイッチングする。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４の読み出し動作においては、電流は、セルコア２１０２の抵抗状態を検出するために使用される。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４のプログラミングを開始するために、読み出し／書き込み回路２１０７は、データ／センス線２１０４およびソース線２１０６に書き込み電流（即ち、プログラミング電流）を生成してもよい。データ／センス線２１０４とソース線２１０６との間の電圧の極性は、セルコア２１０２内の自由領域の磁性配向におけるスイッチングを決定する。スピン極性を有する自由領域の磁性配向を変化させることによって、自由領域はプログラミング電流のスピン極性に従って磁化され、プログラムされる論理状態がＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４に書き込まれる。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４を読み出すために、読み出し／書き込み回路２１０７は、セルコア２１０２およびアクセストランジスタ２１０３を通して、データ／センス線２１０４およびソース線２１０６に読み出し電圧を生成する。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４のプログラムされた状態は、セルコア２１０２にわたる電気抵抗に関連し、データ／センス線２１０４とソース線２１０６との間の電圧差によって決定されてもよい。幾つかの実施形態においては、電圧差は、ビット線参照２１０８と比較されて、センス増幅器２１０９によって増幅されてもよい。
図２１は、動作可能なＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１００の一例を示す。しかしながら、磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４）、磁性セルコア７０１（図７）、磁性セルコア１００１（図１０）、磁性セルコア１１０１（図１１）、磁性セルコア１２０１（図１２）、磁性セルコア１５０１（図１５）、磁性セルコア１６０１（図１６））は、磁性領域を有する磁性セルコアを組み込むように構成された任意のＳＴＴ−ＭＲＡＭシステム内に組み入れられるか使用されてもよいと考えられる。
したがって、磁性領域に隣接するストレッサ構造を含む磁性セルコアを含むスピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）システムが開示される。ストレッサ構造は、磁性領域にわたる電気抵抗を変化させるためのスイッチング中に、磁性セルコア内のストレッサ構造を通る電流に応じて、磁性領域に対する応力をもたらすように構成される。ＳＴＴ−ＭＲＡＭシステムは、磁性セルコアと動作可能なように通信する導電性材料も含む。
図２２を参照すると、本明細書に記述された一つ以上の実施形態により実現される半導体デバイス２２００の簡略化ブロック図が示される。半導体デバイス２２００は、メモリアレイ２２０２と制御論理コンポーネント２２０４とを含む。メモリアレイ２２０２は、上述された磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４）、磁性セルコア７０１（図７）、磁性セルコア１００１（図１０）、磁性セルコア１１０１（図１１）、磁性セルコア１２０１（図１２）、磁性セルコア１５０１（図１５）、磁性セルコア１６０１（図１６））のうちの任意の磁性セルコアを含む複数のＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４（図２１）を含んでもよく、この磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４）、磁性セルコア７０１（図７）、磁性セルコア１００１（図１０）、磁性セルコア１１０１（図１１）、磁性セルコア１２０１（図１２）、磁性セルコア１５０１（図１５）、磁性セルコア１６０１（図１６））は、上述された方法により形成され、上述された方法に従って動作してもよい。制御論理コンポーネント２２０４は、メモリアレイ２２０２内の任意のメモリセルまたは全てのメモリセル（例えば、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセル２１１４（図２１））から読み出すか、任意のメモリセルまたは全てのメモリセルに書き込むために、メモリアレイ２２０２と動作可能なように相互作用するように構成されてもよい。
したがって、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルを含むスピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）アレイを含む半導体デバイスが開示される。ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのうちの一つのＳＴＴ−ＭＲＡＭセルは磁性セルコアを含む。磁性セルコアは、磁性領域と別の磁性領域との間に非磁性領域を含む。磁性セルコアは、磁性領域に隣接するストレッサ構造も含む。ストレッサ構造は、磁性領域とは異なる熱膨張係数を有し、磁性領域の磁性異方性を変化させるために、ＳＴＴ−ＭＲＡＭセルのスイッチング中に、プログラミング電流に晒されると、少なくとも一次元において変化して、磁性領域に応力を及ぼすように構成される。
図２３を参照すると、プロセッサベースシステム２３００が図示される。プロセッサベースシステム２３００は、本開示の実施形態により製造された種々の電子デバイスを含んでもよい。プロセッサベースシステム２３００は、コンピュータ、ページャ、携帯電話、パーソナルオーガナイザ、制御回路または他の電子デバイスなどの様々な種類のうちの任意のものであってもよい。プロセッサベースシステム２３００は、プロセッサベースシステム２３００内のシステム機能および要求の処理を制御するためのマイクロプロセッサなど、一つ以上のプロセッサ２３０２を含んでもよい。プロセッサベースシステム２３００内のプロセッサ２３０２および他のサブコンポーネントは、本開示の実施形態により製造された磁性メモリデバイスを含んでもよい。
プロセッサベースシステム２３００は、電源２３０４を含んでもよい。例えば、プロセッサベースシステム２３００がポータブスシステムである場合、電源２３０４は、燃料電池、電源掃気デバイス、永久電池、置換可能電池および再充電可能電池のうちの一つ以上を含んでもよい。電源２３０４は、ＡＣアダプタを含んでもよい。したがって、プロセッサベースシステム２３００は、例えば、壁付コンセントにプラグを挿されてもよい。電源２３０４は、プロセッサベースシステム２３００が、例えば、自動車の煙草用ライターまたは自動車の電源ポートにプラグを挿されてもよいように、ＤＣアダプタも含んでもよい。
プロセッサベースシステム２３００が実施する機能に依存して、種々の他のデバイスがプロセッサ２３０２に結合されてもよい。例えば、ユーザインターフェイス２３０６が、プロセッサ２３０２に結合されてもよい。ユーザインターフェイス２３０６は、ボタン、スイッチ、キーボード、ライトペン、マウス、デジタイザーおよびスタイラス、タッチスクリーン、音声認識システム、マイクロフォン、またはその組み合わせなどの入力デバイスを含んでもよい。ディスプレイ２３０８も、プロセッサ２３０２に結合されてもよい。ディスプレイ２３０８は、ＬＣＤディスプレイ、ＳＥＤディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ、ＤＬＰディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＯＬＥＤディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、三次元投影、音声ディスプレイ、またはその組み合わせを含んでもよい。さらに、ＲＦサブシステム／ベースバンドプロセッサ２３１０もプロセッサ２３０２に結合されてもよい。ＲＦサブシステム／ベースバンドプロセッサ２３１０は、ＲＦ受信機およびＲＦ送信機（図示せず）に結合されたアンテナを含んでもよい。通信ポート２３１２、または二以上の通信ポート２３１２も、プロセッサ２３０２に結合されてもよい。通信ポート２３１２は、例えば、モデム、プリンタ、コンピュータ、スキャナもしくはカメラ、またはローカルエリアネットワーク、リモートエリアネットワーク、イントラネットもしくはインターネットなどのネットワークなど、一つ以上の周辺デバイス２３１４に結合されるように適応されてもよい。
プロセッサ２３０２は、メモリ内に記憶されたソフトウェアプログラムを実装することによってプロセッサベースシステム２３００を制御してもよい。ソフトウェアプログラムは、例えば、オペレーティングシステム、データベースソフトウェア、ドラフティングソフトウェア、ワープロソフトウェア、メディア編集ソフトウェア、またはメディア再生ソフトウェアを含んでもよい。種々のプログラムを記憶し、種々のプログラムの実行を容易にするために、メモリがプロセッサ２３０２に動作可能なように結合される。例えば、プロセッサ２３０２は、システムメモリ２３１６に結合されてもよく、システムメモリ２３１６は、スピントルクトランスファー磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、レーストラックメモリおよび他の既知の種類のメモリのうちの一つ以上を含んでもよい。システムメモリ２３１６は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはその組み合わせを含んでもよい。システムメモリ２３１６は、動的にロードされたアプリケーションおよびデータを記憶できるように、典型的には大型である。幾つかの実施形態においては、システムメモリ２３１６は、図２２の半導体デバイス２２００などの半導体デバイスと、磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４）、磁性セルコア７０１（図７）、磁性セルコア１００１（図１０）、磁性セルコア１１０１（図１１）、磁性セルコア１２０１（図１２）、磁性セルコア１５０１（図１５）、磁性セルコア１６０１（図１６））のうちの任意の磁性セルコアを含むメモリセルまたはその組み合わせを含んでもよい。
プロセッサ２３０２は、不揮発性メモリ２３１８に結合され、不揮発性メモリ２３１８は、システムメモリ２３１６が必ずしも揮発性であることを示唆しないためのものである。不揮発性メモリ２３１８は、システムメモリ２３１６と組み合わせて使用されるＳＴＴ−ＭＲＡＭ、ＭＲＡＭ、ＥＰＲＯＭなどのリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、抵抗性リードオンリーメモリ（ＲＲＯＭ）およびフラッシュメモリのうちの一つ以上を含んでもよい。不揮発性メモリ２３１８の寸法は、あらゆる必要なオペレーティングシステム、アプリケーションプログラムおよび固定データを記憶するのに十分大きいように典型的に選択される。さらに、不揮発性メモリ２３１８は、例えば、抵抗性メモリまたは他の種類の不揮発性ソリッドステートメモリを含む、ハイブリッドドライブなどのディスクドライブメモリなどの高容量メモリを含んでもよい。不揮発性メモリ２３１８は、図２２の半導体デバイス２２００などの半導体デバイスと、磁性セルコア（例えば、磁性セルコア１０１（図１）、磁性セルコア４０１（図４）、磁性セルコア７０１（図７）、磁性セルコア１００１（図１０）、磁性セルコア１１０１（図１１）、磁性セルコア１２０１（図１２）、磁性セルコア１５０１（図１５）、磁性セルコア１６０１（図１６））のうちの任意の磁性セルコアを含むメモリセル、またはその組み合わせを含んでもよい。
本開示は、種々の改変およびその実現における代替的形態が可能であるが、特定の実施形態が、例示として図面に示され、本明細書に詳細に記述される。しかしながら、本開示は、開示された特定の形態に限定することを意図するものではない。むしろ、本開示は、以下に添付する請求項およびその法的均等物によって定義されるように、本開示の範囲内にある全ての改変、組み合わせ、均等物、変形および代替物を包含する。
Claims (7)
- 磁気セルコアを含む少なくとも一つのメモリセルを備える半導体デバイスであって、
前記磁気セルコアは、
磁場配向が切り替え可能な自由領域と、
磁場配向が固定された固定領域と、
前記自由領域および前記固定領域間に配置された非磁性領域と、
前記自由領域に付随して設けられたストレッサと、を含み、
前記ストレッサは、前記自由領域よりも高い熱膨張係数を有することにより、前記磁気セルコアを通るプログラミング電流による発熱に基づき、前記自由領域に垂直方向の圧縮応力および横方向の引張応力の少なくとも一方の応力を与えるように構成され、
前記ストレッサは、スペーサによって互いに分離された複数の個別のストレッサ形体を含む不連続ストレッサ構造を備え、
前記自由領域は、前記自由領域および前記固定領域が共に垂直方向の磁場配向を示すように構成されるときは、正の磁気歪みを持たせられて、前記少なくとも一方の応力により前記自由領域の垂直磁性異方性（ＰＭＡ）が減少されるように構成され、
前記自由領域は、前記自由領域および前記固定領域が共に水平方向の磁場配向を示すように構成されるときは、負の磁気歪みを持たせられて、前記少なくとも一方の応力により前記自由領域の平面内磁性異方性（ＩＭＡ）が減少されるように構成された、
半導体デバイス。 - 前記磁気セルコアは、前記固定領域に付随して設けられた付加ストレッサをさらに含むように構成され、
前記付加ストレッサは、前記磁気セルコアを通るプログラミング電流による発熱に基づき、前記固定領域に対し、前記自由領域および前記固定領域が共に垂直方向の磁場配向を示すように構成されるときは、前記固定領域の垂直磁性異方性（ＰＭＡ）の低下を抑制するような応力を与え、前記自由領域および前記固定領域が共に水平方向の磁場配向を示すように構成されるときは、前記固定領域の平面内磁性異方性（ＩＭＡ）の低下を抑制するような応力を与えるように構成された、
請求項１に記載の半導体デバイス。 - 磁気セルコアを含む少なくとも一つのメモリセルを備える半導体デバイスであって、
前記磁気セルコアは、
切り替え可能な垂直方向の磁場配向を示す自由領域と、
固定された垂直方向の磁場配向を示す固定領域と、
前記自由領域および前記固定領域間に配置された非磁性領域と、
前記自由領域に付随して設けられたストレッサと、
前記ストレッサに接触し、かつ、前記ストレッサへ又は前記ストレッサから熱を伝達するヒータ構造と、を含み、
前記ストレッサは、前記自由領域よりも高い熱膨張係数を有することにより、前記磁気セルコアを通るプログラミング電流による発熱に基づき、前記自由領域に垂直方向の圧縮応力および横方向の引張応力の少なくとも一方の応力を与えるように構成され、
前記自由領域は、正の磁気歪みを持たせられて、前記少なくとも一方の応力により前記自由領域の垂直磁性異方性（ＰＭＡ）が減少されるように構成された、
半導体デバイス。 - 前記磁気セルコアは、前記固定領域に付随して設けられた付加ストレッサをさらに含むように構成され、
前記付加ストレッサは、前記磁気セルコアを通るプログラミング電流による発熱に基づき、前記固定領域に対し、前記固定領域の垂直磁性異方性（ＰＭＡ）の低下を抑制するような応力を与えるように構成された、
請求項３に記載の半導体デバイス。 - 磁気セルコアを含む少なくとも一つのメモリセルを備える半導体デバイスであって、
前記磁気セルコアは、
切り替え可能な水平方向の磁場配向を示す自由領域と、
固定された水平方向の磁場配向を示す固定領域と、
前記自由領域および前記固定領域間に配置された非磁性領域と、
前記自由領域に付随して設けられたストレッサと、を含み、
前記ストレッサは複数のストレッササブ領域を含み、各ストレッササブ領域は、前記複数のストレッササブ領域のうちの他のストレッササブ領域とは異なる材料を含み、
前記ストレッサは、前記自由領域よりも高い熱膨張係数を有することにより、前記磁気セルコアを通るプログラミング電流による発熱に基づき、前記自由領域に垂直方向の圧縮応力および横方向の引張応力の少なくとも一方の応力を与えるように構成され、
前記自由領域は、負の磁気歪みを持たせられて、前記少なくとも一方の応力により前記自由領域の平面内磁性異方性（ＩＭＡ）を減少するように構成された、
半導体デバイス。 - 前記磁気セルコアは、前記固定領域に付随して設けられた付加ストレッサをさらに含むように構成され、
前記付加ストレッサは、前記磁気セルコアを通るプログラミング電流による発熱に基づき、前記固定領域に対し、前記固定領域の平面内磁性異方性（ＩＭＡ）の低下を抑制するような応力を与えるように構成された、
請求項５に記載の半導体デバイス。 - 前記ストレッサは、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）を含んで構成される、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
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