(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリセルの形成方法であって、前記方法が、
磁性材料と別の磁性材料との間に配置される非磁性材料を備える最初の前駆体構造を形成することであって、前記磁性材料と前記別の磁性材料とのうちの少なくとも１つが、ある磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性領域を備え、前記最初の前駆体構造が、初期応力状態を経る、最初の前駆体構造を形成することと、
前記最初の前駆体構造の上に配置される応力補償材料を形成することであって、前記応力補償材料が、前記最初の前駆体構造が経る前記初期応力状態と反対向きの応力状態を経る、応力補償材料を形成することと、
前記磁性領域の前記磁気強度および前記垂直磁化配向を維持または強化しながらメモリセルを形成するように、前記応力補償材料と前記最初の前駆体構造の少なくとも一部分とをパターン形成することと、
を備える、メモリセルの形成方法。
【請求項２】
応力補償材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に配置される前記応力補償材料を形成することを備え、前記応力補償材料が、前記最初の前駆体構造が経る前記初期応力状態と反対向きかつ実質的に等しい応力状態を経る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
応力補償材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に配置される前記応力補償材料を形成することを備え、前記応力補償材料が、前記最初の前駆体構造が経る前記初期応力状態と反対向きかつこれを上回る応力状態を経る、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
応力補償材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に配置される前記応力補償材料を形成することを備え、前記応力補償材料が、前記最初の前駆体構造が経る前記初期応力状態と反対向きかつこれを下回る応力状態を経る、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
応力補償材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に導電性材料を形成することを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
最初の前駆体構造を形成することが、初期引張応力状態を経る前記最初の前駆体構造を形成することを備え、
応力補償材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に配置される前記応力補償材料を形成することを備え、前記応力補償材料が、前記最初の前駆体構造の初期引張応力状態と反対向きの圧縮応力状態を経る、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
最初の前駆体構造を形成することが、初期圧縮応力状態を経る前記最初の前駆体構造を形成することを備え、
応力補償材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に配置される前記応力補償材料を形成することを備え、前記応力補償材料が、前記最初の前駆体構造の初期圧縮応力状態と反対向きの引張応力状態を経る、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
応力補償材料を形成することが、前記最初の前駆体構造が経た前記初期応力状態を少なくとも部分的に無効にするように、前記最初の前駆体構造の上に導電性材料を形成することを備え、
前記応力補償材料と前記最初の前駆体構造の少なくとも一部分とをパターン形成することが、前記メモリセルのセルコアをその材料を横方向に膨張または収縮させることなく形成するように、前記最初の前駆体構造の前記少なくとも一部分から、また前記導電性材料から材料を除去することを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
最初の前駆体構造を形成することが、基板上に磁性材料と非磁性材料の組み合わせを形成することを備え、前記最初の前駆体構造が、前記初期応力状態を呈し、前記初期応力状態が、圧縮応力の状態である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
最初の前駆体構造を形成することが、基板上に前記最初の前駆体構造を形成することを備え、前記最初の前駆体構造が、前記初期応力状態を経、前記初期応力状態が、引張応力の状態であり、
前記最初の前駆体構造の上に導電性材料を形成することが、前記最初の前駆体構造が経る前記引張応力の状態を少なくとも部分的に無効にするように、前記最初の前駆体構造の上に前記導電性材料を形成することを備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記最初の前駆体構造を形成することが、
基板上に導電性材料を形成することと、
前記導電性材料の上に前記磁性材料を形成することと、
前記磁性材料の上に前記非磁性材料を形成することと、
前記非磁性材料の上に前記別の磁性材料を形成することと、
前記別の磁性材料の上に少なくとも１つの中間材料を形成することと、
を備え、
応力補償材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に別の導電性材料を形成することを備え、前記別の導電性材料が、前記最初の前駆体構造に応力をかけ、
前記応力補償材料と前記最初の前駆体構造の少なくとも一部分をパターン形成することが、前記メモリセルを形成するように、前記最初の前駆体構造の上に犠牲材料を形成することなく、前記最初の前駆体構造の前記少なくとも一部分から材料を除去することを備え、
前記メモリセルが、前記導電性材料を備える下部電極と、前記磁性材料および前記別の磁性材料を備える自由領域および固定領域と、前記非磁性材料を備える非磁性領域と、前記少なくとも１つの中間材料を備える上部の中間領域と、前記別の導電性材料を備える上部電極とを備え、前記自由領域が、前記垂直磁化配向を呈する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記最初の前駆体構造の上に別の導電性材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に前記別の導電性材料を形成することを備え、前記別の導電性材料が、前記最初の前駆体構造に前記最初の前駆体構造の少なくとも前記一部分の正味の応力状態と反対向きの応力をかける、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記最初の前駆体構造の上に別の導電性材料を形成することが、前記最初の前駆体構造の上に前記別の導電性材料をスパッタリングすることを備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
磁性材料と別の磁性材料との間に配置される非磁性材料を有し、前記磁性材料と前記別の磁性材料とのうちの少なくとも１つが垂直磁化配向を呈する磁性領域を備える構造体と、
前記構造体の上に配置されるとともに、前記構造体の応力状態と反対向きの応力状態を有する導電性領域と、
を含むメモリセルを備える、半導体装置。
【請求項１５】
半導体装置であって、
少なくとも１つのメモリセルを備え、前記少なくとも１つのメモリセルが、
ある磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性領域を備える磁気セルコアと、
前記磁気セルコアが有する応力状態と反対向きの応力状態を有し、前記磁気セルコア上に、少なくとも１つの他の領域によって前記磁性領域から間隔を空けて配置されている導電性領域と、
を備える、半導体装置。
【請求項１６】
前記導電性領域が、タンタル、チタン、窒化タンタル、および窒化チタンのうちの少なくとも１つを備える、請求項１４及び１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記導電性領域が、窒化タンタルおよび窒化チタンのうちの少なくとも１つを備える窒素勾配を備える、請求項１４及び１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのメモリセルが、前記導電性領域を備える上部電極をさらに備える、請求項１４及び１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記メモリセルがアレイ状に配置され、前記メモリセルは、スピントルク移行磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）として構成されており、前記アレイは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭアレイを構成し、前記導電性領域の導電性材料は、前記磁性領域の磁力を維持し、あるいは、増強するために、前記磁気セルコアに応力を印加し、
前記半導体装置が、前記少なくとも１つのメモリセルに操作可能に通信される少なくとも１つの周辺機器をさらに備え、前記少なくとも１つの周辺機器が、前記導電性領域に電流を発生するように構成される回路を備える、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記磁性領域が、ＣｏＦｅＢを約２０：６０：２０または約６０：２０：２０の原子数比で備える、請求項１４及び１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜優先権の主張＞
本出願は、２０１２年６月１９日に出願された、「Ｍｅｍｏｒｙ  Ｃｅｌｌｓ，  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」に関する米国特許出願第１３／５２７，１７３号の出願日の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、様々な実施形態において、概して、メモリデバイスの設計および製造の分野に関する。より詳細には、本開示は、スピントルク移行（Ｓｐｉｎ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）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。
【背景技術】
【０００３】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、磁気抵抗に基づく不揮発性コンピュータメモリ技術である。ＭＲＡＭは、不揮発性であるため、ＭＲＡＭメモリデバイスに電力が供給されていなくてもメモリの内容を維持し得る。ＭＲＡＭデータは、磁気抵抗素子によって記憶される。概して、ＭＲＡＭセルにおける磁気抵抗素子は、２つの磁性領域からなり、これらのそれぞれが、磁化され、また磁化状態を保つ。一方の領域（「固定領域」）の磁場は、その磁化方向に固定されており、他方の領域（「自由領域」）の磁化方向は、動作中に変化され得る。このため、プログラミング電流は、２つの磁性領域の磁化方向を平行とし、ＭＲＡＭセルの磁気抵抗素子の両端の電気抵抗を低くする（「０」状態と定義され得る）、または反平行（すなわち、平行配向から反対、例えば、１８０度に向けられている）とし、磁気抵抗素子の両端の電気抵抗を高くする（「１」状態と定義され得る）ようにさせ得る。自由領域の磁化方向の切り替え、ならびに結果として得られる磁気抵抗素子の両端における高抵抗状態または低抵抗状態は、一般的なＭＲＡＭセルの書き込みおよび読み出し動作を可能にする。
【０００４】
ＭＲＡＭセルの１つのタイプが、スピントルク移行ＭＲＡＭ（ＳＴＴ‐ＭＲＡＭ）セルである。従来型のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルは、磁気セルコアを含み得、これは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を含み得る、またはスピンバルブ構造を含み得る。ＭＴＪは、２つの磁性領域（１つの固定領域および１つの自由領域）と、その間にある非磁性の電気絶縁領域とを含む磁気抵抗データ記憶素子であり、これは、データ線（例えば、ビット線）、アクセス用の線（例えば、ワード線）、およびアクセス用のトランジスタを介してアクセスされ得る。スピンバルブは、スピンバルブが２つの磁性領域の間に非磁性の導電性領域を使用するという点を除いて、ＭＴＪと類似の構造を有する。
【０００５】
動作中、プログラミング電流は、アクセス用のトランジスタおよび磁気セルコアを通って流れるようにされ得る。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偏極し、スピン偏極電流がコアを通過すると、トルクが生み出される。スピン偏極電子電流は、自由領域上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。コアを通過するスピン偏極電子電流のトルクが、自由領域の臨界切り替え電流密度（Ｊｃ）よりも大きい場合、スピン偏極電子電流によって与えられるトルクは、自由領域の磁化の方向を切り替えるのに十分である。このようにして、プログラミング電流は、自由領域の磁化方向を固定領域の配向に対して平行または反平行にさせるのに用いられ得、自由領域の磁化方向が平行と反平行との間で切り替えられる場合、コアの両端の抵抗の状態が変化させられる。
【０００６】
従来型のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの自由領域および固定領域は、領域の幅に対して、「面内」としても知られる水平な磁化配向を呈する。固定領域および自由領域が垂直な磁化方向（当技術分野において垂直磁化としても知られる）を呈する垂直配向（「面外」）ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルを形成するための努力がなされてきた。しかしながら、セルコアのための好適な材料および設計を見出しかつ実装すること、そしてセルコア構造を形成することが課題となっている。例えば、図１に示されるように、ＰＭＡを有する従来型のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの磁気セルコアを形成する際、材料は、基板１１０の上に形成され得る。材料は、導電性材料１２０、任意の中間材料１３０、磁性材料１４０、非磁性材料１５０、さらなる任意の中間材料１６０、およびハードマスク材料１７０を含み得、図１に示されるように、材料の組み合わせは、まとめて前駆体構造１００を形成する。ハードマスク材料１７０は、後続のパターン形成プロセスで用いられるが、犠牲非導電性材料であり得る。図２を参照すると、前駆体構造１００内の磁性材料１４０のうちの１つまたは２つ以上は、初期形成の際に垂直磁化配向１８０を呈し得る。
【０００７】
垂直磁化配向１８０を呈する磁性材料１４０はまた、磁性材料１４０の垂直磁気異方性（「ＰＭＡ」）の強度によって特徴づけられ得る。強度（本明細書において「磁気強度」または「ＰＭＡ強度」とも呼ばれる）は、磁化方向の変化に対する磁性材料１４０の抵抗の指標である。低い磁気強度で垂直磁化配向１８０を呈する磁性材料と比べて、高い磁気強度で垂直磁化配向１８０を呈する磁性材料では、その磁化方向は、垂直な並びから外れて変化しにくいであろう。
【０００８】
前駆体構造１００（図１）の形成に続いて、図３を参照すると、前駆体構造１００（図１）は、その後、パターン形成、例えば、エッチングされて、セルコア構造３００を形成し得る。理想的には、セルコア構造３００は、エッチングされた導電性材料１２０、中間材料１３０、１６０、磁性材料１４０、非磁性材料１５０、およびハードマスク材料１７０に沿って実質的に垂直な側壁を有する、破線３０２で示される側壁を画定する構造を有し得る。しかしながら、従来型の材料形成プロセスは、前駆体構造１００の初期形成の際に、形成された材料１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０のうちの１つまたは２つ以上が横方向の残留引張応力または横方向の圧縮応力を経る結果になり得、またセルコア構造３００を形成するために用いられる従来型のパターン形成プロセスは、斜めの側壁３０４によって示されているように、それぞれの材料１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０の横方向の収縮または膨張という形で表される結果として得られるひずみに、これらの応力への反応をもたらし得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
先に応力を受けた前駆体構造１００（図１）の横方向の材料の膨張、または、一部の状況では、収縮によって示されるひずみは、磁性材料１４０のうちの１つまたは２つ以上の磁気強度を、例えば、自由領域において、固定領域において、あるいは自由領域および固定領域の両方で低下させ得る。例えば、磁気強度は、磁性材料１４０の磁化配向１８０が意図せずに垂直配向から外れて変わり得るという危険性を増大させて、低下し得る。極端な場合、したがって、磁気強度は、図４に示されるように、磁化配向１８０が垂直から外れて変わるほどまでに低下され得る。したがって、垂直磁化（本明細書において「垂直磁化配向」とも呼ばれる）のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルを製造するための従来型のプロセスは、パターン形成前の磁性材料の磁気強度および磁化方向と比べて、正味の磁気強度、すなわちＰＭＡの強度に悪影響を与える、例えば、これを低下させる場合があり、あるいは磁化配向１８０の方向、例えば配向を変えてしまう場合さえもある。磁気強度が低下される、または、極端な状況では、磁化方向が変えられると、エネルギー障壁が下がってビットの熱安定性が弱まる場合があり、また結果として得られるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルにおけるデータ保持に悪影響を及ぼす場合もある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
メモリセルの形成方法が開示される。方法は、最初の（ｐｒｉｍａｌ）前駆体構造を形成するステップを備える。最初の前駆体構造は、磁性材料と別の磁性材料との間に配置される非磁性材料を備える。磁性材料および別の磁性材料のうちの少なくとも１つは、ある磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性領域を備える。最初の前駆体構造は、初期応力状態を経る。方法はまた、最初の前駆体構造の上に配置される応力補償材料を形成するステップを備える。応力補償材料は、最初の前駆体構造が経た初期応力状態とは反対の応力状態を経る。応力補償材料と、最初の前駆体構造の少なくとも一部分とは、磁性領域の磁気強度および垂直磁化配向を維持または強化しながら、メモリセルを形成するようにパターン形成される。
【００１１】
メモリセルもまた開示される。メモリセルは、ある磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性領域を備える、磁気セルコアを備える。磁気セルコア上の導電性領域は、磁性領域内に有用なひずみをもたらして、磁性領域の磁気強度を維持または強化する。
【００１２】
メモリセルの形成方法もまた開示される。方法は、基板上に最初の前駆体構造を形成するステップを備える。最初の前駆体構造は、応力の状態を経る。導電性材料は、最初の前駆体構造上に形成されて、最初の前駆体構造が経た応力の状態を少なくとも部分的に無効にする。最初の前駆体構造および導電性材料のそれぞれの少なくとも一部分は、除去されて、その材料を横方向に膨張または収縮させずに、セルコアを形成する。
【００１３】
メモリセル構造の形成方法もまた開示される。方法は、基板上に最初の前駆体構造を形成するステップを備える。最初の前駆体構造を形成するステップは、導電性材料を基板上に形成するステップと、導電性材料の上に磁性材料を形成するステップとを備える。磁性材料の上に非磁性材料が形成される。非磁性材料の上に別の磁性材料が形成される。メモリセル構造の形成方法はまた、最初の前駆体構造の上に別の導電性材料を形成するステップを備える。この別の導電性材料は、最初の前駆体構造に応力をかける。最初の前駆体構造の少なくとも一部分は、最初の前駆体構造の上に犠牲材料を形成することなく除去されて、導電性材料を備える下部電極と、磁性材料および別の磁性材料を備える自由領域および固定領域と、非磁性材料を備える非磁性領域と、別の導電性材料を備える上部電極とを備えるメモリセル構造を形成する。自由領域は、垂直磁化配向を呈する。
【００１４】
半導体装置構造もまた開示される。構造は、スピントルク移行磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ‐ＭＲＡＭ）アレイを備える。このアレイは、複数のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルを備える。複数のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルのうちのそれぞれは、磁性領域を備えるセルコアを備える。複数のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルのうちのそれぞれはまた、セルコアに応力をかけて、磁性領域の磁気強度を維持または強化する導電性材料を備える。
【００１５】
スピントルク移行磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ‐ＭＲＡＭ）システムもまた開示される。システムは、垂直磁化配向を呈する磁性領域と、磁性領域に応力をかける導電性材料とを備える、少なくとも１つの磁性メモリセルを備える。少なくとも１つの周辺機器は、少なくとも１つの磁性メモリセルと操作可能に通信する。少なくとも１つの周辺機器は、導電性材料に電流を発生するように構成される回路を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来型の製造プロセスによる従来型のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの製造段階における従来型の前駆体構造を示す横断立面概略図である。
【図２】図１の従来型の前駆体構造の磁性領域を示す横断立面概略図である。
【図３】従来型の製造プロセスによる製造段階における従来型のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコア構造を示す横断立面概略図である。図１の従来型の前駆体構造のパターン形成を示している。
【図４】図３の従来型のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコア構造の磁性領域を示す横断立面概略図である。
【図５】本開示の実施形態によるメモリセルを有するＳＴＴ‐ＭＲＡＭシステムを示す概略図である。
【図６】本開示の実施形態によるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの製造段階において引張ひずみの状態にある最初の前駆体構造を示す横断立面概略図である。
【図７】本開示の実施形態によるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの製造段階において圧縮ひずみの状態にある最初の前駆体構造を示す横断立面概略図である。
【図８】本開示の実施形態によるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの製造段階において実質的に正味ゼロひずみの状態にある応力補償前駆体構造を示す横断立面概略図である。
【図９】本開示の実施形態によるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの製造段階におけるセルコア構造を示す横断立面概略図である。
【図１０】図９のセルコア構造の磁性領域を示す横断立面概略図である。
【図１１】本開示の実施形態のメモリセルを含む半導体装置を示す簡易ブロック図である。
【図１２】本開示の１つまたは２つ以上の実施形態による、実装されたシステムを示す簡易ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
メモリセルと、そのようなメモリセルを含む半導体装置構造と、メモリシステムと、そのようなメモリセルおよびメモリセル構造の形成方法とが開示される。メモリセルは、ある磁気強度の垂直磁化配向を呈する磁性領域を有する、セルコアを含む。セルコアは、磁性材料および非磁性材料からなる最初の前駆体構造の上に配置されるように形成される応力補償材料を含む、応力補償前駆体構造からパターン形成され、磁性材料のうちの少なくとも１つが、初期磁気強度で垂直磁化配向を呈する。応力補償材料が形成されるプロセス、材料、および条件は、応力補償前駆体構造が呈する正味のひずみを調整するように選択され得る。応力補償前駆体構造からのセルコアのエッチングの後、形成されたセルコアの磁性領域のうちの１つまたは２つ以上は、維持または強化された磁気強度で最初の前駆体構造の垂直磁化配向を呈する。
【００１８】
一部の実施形態では、応力補償材料は、引張応力を誘導して、最初の前駆体構造が経る圧縮応力を打ち消すように構成される。その他の実施形態では、応力補償材料は、圧縮応力を誘導して、最初の前駆体構造が経る引張応力を打ち消すように構成される。このようにして、結果として得られるメモリセル構造は、パターン形成の前または後で、正味ゼロひずみの状態を呈し得る。その他の実施形態では、応力補償材料は、引張応力または圧縮応力を誘導して、それぞれ、最初の前駆体構造が経る圧縮応力または引張応力を部分的にまたは余分に打ち消すように構成される。このようにして、結果として得られるメモリセル構造は、パターン形成の前または後で、正味の引張または圧縮ひずみを呈し得る。よって、応力補償材料の応力状態は、応力補償前駆体構造が呈するひずみ状態に影響するように調整されて、結果として得られるメモリセルのセルコアの自由領域における磁気強度、ひいては、垂直磁化配向を維持または強化するようにし得る。
【００１９】
本明細書で用いる場合、ひずみに関する場合、「正味（ｎｅｔ）」の語は、材料または領域の構造が呈する全ひずみを指し、これは、構造内の個々の材料または領域が呈するひずみの総和であり得る。このため、構造のある材料が圧縮ひずみを呈し得、かつ構造の別の材料が引張ひずみを呈し得るが、構造の正味のひずみは、該当する材料の相対的な寸法、例えば、厚さを考慮し、１つまたは２つ以上の材料のひずみの１つまたは２つ以上のその他の材料のひずみに対する比に応じて、実質的に無効にされる場合もある、すなわち「正味ゼロひずみ」を呈する場合もあるし、いくらか圧縮状態である場合もあるし、あるいはいくらか引張状態である場合もある。
【００２０】
本明細書で用いる場合、「最初の前駆体構造」の語は、結果として得られる構造を形成するためのパターン形成前、例えばエッチング前の構造を指す。
【００２１】
本明細書で用いる場合、「基板」の語は、その上にメモリセル内の構成要素などの構成要素が形成される、基材または基礎構造を意味し、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、あるいはその上に形成された１つまたは２つ以上の材料、構造、または領域を有する半導体基板であってもよい。基板は、従来型のシリコン基板または半導体材料を含むその他のバルク基板であってもよい。本明細書で用いる場合、「バルク基板」の語は、シリコンウエハだけではなく、中でも、シリコンオンサファイア（「ＳＯＳ」）基板またはシリコンオングラス（「ＳＯＧ」）基板などのシリコンオンインシュレータ（「ＳＯＩ」）基板、ベース半導体基盤上のシリコンのエピタキシャル層、あるいはシリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ、ただし、ｘは、例えば、０．２から０．８の間のモル分率）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、もしくはリン化インジウム（ＩｎＰ）などのその他の半導体または光電子材料をもまた意味し、含む。さらに、以下の説明において「基板」に着目する場合、ベース半導体構造または基盤に材料、領域、または接合部を形成するために、先行するプロセス段階が利用されている場合もある。
【００２２】
本明細書で用いる場合、「ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル」の語は、自由領域および固定領域の間に配置される非磁性領域が絶縁性の場合、上述のＭＴＪを含み得る磁性セル構造を意味し、含む。あるいは、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの磁性セル構造は、自由領域および固定領域の間に配置される非磁性領域が導電性の場合、スピンバルブを含み得る。
【００２３】
本明細書で用いる場合、「固定領域」の語は、セルコアのある磁性領域、例えば、自由領域の磁化方向に変化をもたらす電流が、固定領域の磁化方向に変化をもたらさないという点において、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの使用中および動作中、磁化方向が固定されている、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル内の磁性材料の領域を意味し、含む。固定領域の磁性材料の磁気強度は、固定領域の磁性材料が呈するひずみの状態によって影響され得る。
【００２４】
本明細書で用いる場合、「自由領域」の語は、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルの使用中および動作中、磁化方向が切り替え可能であるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル内の磁性材料の領域を意味し、含む。磁化方向は、自由領域が呈する磁化方向と固定領域が呈する磁化方向とが同じ方向に向けられている「平行」方向と、自由領域が呈する磁化方向と固定領域が呈する磁化方向とが反対向きの方向に向けられている「反平行」方向との間で切り替えられ得る。固定領域と同様に、自由領域は、磁性材料から形成され得、その磁気強度は、自由領域が呈するひずみの状態に影響される。
【００２５】
本明細書で用いる場合、「セルコア」の語は、自由領域および固定領域を備えるメモリセル構造を意味し、含み、そしてこれを介して、メモリセルの動作中、自由領域内で平行または反平行の磁化方向をもたらすように電流が流れる。
【００２６】
本明細書で用いる場合、「垂直」の語は、それぞれの領域の幅に垂直な方向を意味し、含む。「垂直」はまた、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルが配置される基板の主表面に垂直な方向を意味し、含み得る。
【００２７】
本明細書で用いる場合、「下（“ｂｅｎｅａｔｈ，”“ｂｅｌｏｗ，”“ｌｏｗｅｒ，”“ｂｏｔｔｏｍ”）」、「上（“ａｂｏｖｅ，”“ｕｐｐｅｒ，”“ｔｏｐ”）」、「前（“ｆｒｏｎｔ”）」、「後（“ｒｅａｒ”）」、「左（“ｌｅｆｔ”）」、「右（“ｒｉｇｈｔ”）」などの空間的な相対語は、記述を容易にするために用いられて、図面に示されるある要素または特徴の別の要素（複数可）または特徴（複数可）に対する具体的な関係を説明し得る。別段の定めのない限り、空間的な相対語は、図示された向きに加えて、異なる材料の向きを包含することを意図している。例えば、その他の要素または特徴の下にある（“ｂｅｌｏｗ”または“ｂｅｎｅａｔｈ”または“ｕｎｄｅｒ”または“ｏｎ  ｂｏｔｔｏｍ  ｏｆ”）として説明される要素は、図面中の材料が逆さにされるならば、その他の要素または特徴の上に（“ａｂｏｖｅ”または“ｏｎ  ｔｏｐ  ｏｆ”）配置される。このように、「下（“ｂｅｌｏｗ”）」の語は、その語が用いられる文脈に応じて、上（ａｂｏｖｅ）と下（ｂｅｌｏｗ）と両方の配置を包含することができ、このことは、当業者には明らかである。材料は、別の方法で配置されてもよく（９０度回転される、逆さまにされるなど）、それに応じて、本明細書に用いられる空間的な相対記述は解釈される。
【００２８】
本明細書で用いる場合、別の要素の上にある（“ｏｎ”または“ｏｖｅｒ”）として要素を呼ぶことは、その要素が直接的に他方の要素の上にある、他方の要素に隣接している、他方の要素の下にある、または他方の要素と直接接触していることを意味し、含む。これはまた、その要素が間接的にその他の要素の上にある、その他の要素に隣接している、その他の要素の下にある、あるいはその他の要素の付近にあり、他の要素がその間にあることを含む。逆に、ある要素が別の要素の上に直接（“ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｏｎ”）あると言及される場合、介在する要素は存在しない。
【００２９】
本明細書で用いる場合、「備える（“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ，”“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ，”“ｉｎｃｌｕｄｅｓ，”および／または“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”）」の語は、述べられた特徴、領域、整数、段階、動作、要素、材料、構成要素、および／またはグループの存在を規定するが、１つまたは２つ以上のその他の特徴、領域、整数、段階、動作、要素、材料、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しない。
【００３０】
本明細書で用いる場合、「および／または（“ａｎｄ／ｏｒ”）」は、関連する列挙された項目の１つまたは２つ以上の任意かつすべての組み合わせを含む。
【００３１】
本明細書で用いる場合、文脈上明らかにそうでないことが示されない限り、単数形（“ａ，”“ａｎ，”および“ｔｈｅ”）は、複数形もまた含むことが意図される。
【００３２】
本明細書に提示されている図面は、いかなる特定の材料、構成要素、領域、構造、装置、またはシステムの実際の見え方を意図するものでないが、本開示の実施形態を説明するために利用される単に理想化された表現である。
【００３３】
図面を参照しながら、本明細書にて実施形態を説明する。例えば、製造技術および／または製作公差の結果として、図示の形からの変形が予想される。このように、本明細書に説明される実施形態は、図示のような特定の形状または領域に限定されるとして解釈されるべきではないが、例えば、製造に起因する形状の逸脱を含む。例えば、箱形として図示または説明される領域は、凹凸がある、および／または直線でない外観を有し得る。さらに、図示上の鋭角部が丸みを帯びている場合もある。このように、図面に示されている領域は、元々概略的なものであり、それらの形状は、領域の正確な形状を示すことを意図されておらず、本特許請求の範囲を限定するものではない。
【００３４】
以下の説明は、開示される装置および方法の実施形態の十分な説明を提供するために、材料の種類および処理条件などの具体的な詳細を提供する。しかしながら、当業者であれば、装置および方法の実施形態が、これらの具体的な詳細を利用しなくても実施され得ることを理解するはずである。実際に、装置および方法の実施形態は、当業界で用いられている従来型の半導体製造技術と併せて実施され得る。
【００３５】
本明細書に説明される製造プロセスは、半導体装置構造を処理するための完全なプロセスフローを形成していない。プロセスフローの残りの部分は、当業者には既知である。よって、本装置および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装置構造のみが本明細書に説明されている。
【００３６】
文脈上他を意味しない限り、本明細書に記載される材料は、限定されるものではないが、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」）、プラズマＣＶＤ、原子層堆積（「ＡＬＤ」）、プラズマＡＬＤ、または物理蒸着（「ＰＶＤ」）を含む、任意の従来型の技術によって形成され得る。あるいは、材料は、その場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）成長され得る。形成されるべき具体的な材料に応じて、材料を堆積または成長させるための技術は、当業者によって選択され得る。
【００３７】
ここで図面を参照するが、一貫して、類似の数字は、類似の構成要素を指す。図面は必ずしも原寸に比例していない。
【００３８】
メモリセルの形成方法が開示される。本方法は、磁性材料および非磁性材料を含む最初の前駆体構造を形成するステップを含み、磁性材料および非磁性材料のうちの少なくとも１つが、複数の磁性材料の間に配置され得る。最初の前駆体構造は、初期応力状態を経る。応力補償材料は、最初の前駆体構造の上に配置されるように形成される。応力補償材料は、非犠牲導電性材料であり得るが、最初の前駆体構造が経る初期応力状態とは反対の応力状態を経る。このようにして、応力補償材料は、最初の前駆体構造の応力を少なくとも部分的に補償して、応力補償前駆体構造を所望の応力状態、例えば、ゼロ正味応力の状態、圧縮応力誘導応力の状態、または引張応力誘導応力の状態で形成する。所望の応力の状態は、応力補償前駆体構造のパターン形成後、結果として得られるセルコア構造が、ある磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性領域、例えば、固定領域および自由領域を含むように調整される。この磁気強度は、最初の前駆体構造の磁性領域の磁気強度と実質的に同じであり得る、または最初の前駆体構造の磁性領域の磁気強度と比べて強化され得る。
【００３９】
応力補償前駆体構造の所望の応力の状態はまた、材料の緩和の形での応力解放によるエッチング後の材料の膨張または収縮を抑制するように調整され得る。例えば、応力補償前駆体構造は、正味ゼロ応力を呈するように形成され得、その結果、応力補償前駆体構造には、エッチングされる際に解放すべき残留応力が存在しない。したがって、パターン形成前にある磁気強度で垂直磁化配向を呈する応力補償前駆体構造の磁性材料は、パターン形成後、実質的に同じまたは増加した磁気強度で、低下することはなく、垂直磁化配向を呈し続け得る。
【００４０】
図５は、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭシステム５００を示しており、これは、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４と操作可能に通信する周辺機器５１２を含み、複数のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４は、システム要件および製造技術に応じて、いくつかの行および列を含む格子状、または様々なその他の配置のメモリセルのアレイを形成するように製造され得る。ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４は、セルコア５０２と、選択デバイス５０３（例えば、アクセス用のトランジスタ）と、データ／センス線５０４（例えば、ビット線）として機能し得る導電性材料と、アクセス用の線５０５（例えば、ワード線）として機能し得る導電性材料と、ソース線５０６として機能し得る導電性材料とを含む。ＳＴＴ‐ＭＲＡＭシステム５００の周辺機器５１２は、読み出し／書き込み回路５０７と、ビット線基準５０８と、センスアンプ５０９とを含み得る。セルコア５０２は、自由領域および固定領域を含む、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を含み得る。製造中、セルコア５０２が形成される最初の前駆体構造の材料が経る応力は、応力補償材料によって誘導された応力により打ち消されている場合もあり、応力補償材料は、データ／センス線５０４として機能する導電性材料の一部分を形成する導電性材料であり得る。このようにして、結果として得られるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４を形成することには、形成されたセルコア５０２の自由領域、固定領域、またはその両方の領域がその磁気強度を低下させることなく垂直磁化配向を呈するように調整された正味のひずみを呈する応力補償構造をパターン形成することが含まれる。
【００４１】
使用中および動作中、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４がプログラミングされるように選択される場合、プログラミング電流は、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４に流され、電流は、固定領域によってスピン偏極され、自由領域にトルクを与え、これにより、自由領域の磁化が切り替えられて、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４「に書き込む」または「をプログラミングする」。ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４の読み出し動作では、電流は、セルコア５０２の抵抗状態を検出するために用いられる。所望の正味のひずみ（ゼロまたはその他）を有するセルコア５０２の形成のおかげで、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４内の自由領域、固定領域、またはその両方の磁気強度、ひいては垂直磁化配向は、例えば、パターン形成中、維持または強化され得、その結果、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４の熱安定性は、従来型のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルと比べて、改善され得る。維持または強化された磁気強度は、横方向の寸法がより小さいセルコア５０２の使用をさらに可能にし得、その結果、スケーラビリティおよびデバイスの密度が改善される。
【００４２】
ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４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５０７は、データ／センス線５０４およびソース線５０６に書き込み電流を発生し得る。データ／センス線５０４およびソース線５０６の間の電圧の極性が、セルコア５０２における自由領域の磁化の切り替えを決める。プログラミング電流のスピン極性にしたがって自由領域が磁化されると、プログラミングされた状態がＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４に書き込まれる。
【００４３】
ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４を読み出すために、読み出し／書き込み回路５０７は、セルコア５０２および選択デバイス５０３を介してデータ／センス線５０４およびソース線５０６に読み出し電流を発生する。ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４のプログラミングされた状態は、セルコア５０２の両端の抵抗に関係し、これは、データ／センス線５０４およびソース線５０６の間の電位差により判定され得る。一部の実施形態では、電位差は、ビット線基準５０８と比較され、センスアンプ５０９によって増幅され得る。
【００４４】
ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４を形成するために、図６に示される最初の前駆体構造６００などの最初の前駆体構造が形成され得る。最初の前駆体構造６００は、基板５１０上に形成される導電性材料５２０を含む。複数の磁性材料５４０は、１つまたは２つ以上の中間材料５３０が導電性材料５２０と、磁性材料５４０のうちの１つ、例えば一番下の磁性材料５４１との間に配置されるように形成された状態で、導電性材料５２０の上に形成され得る。中間材料５３０は、非磁性材料、遷移材料（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、拡散バリア材料、バッファ材料、および適合性材料（ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、あるいは従来型のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルのその他の従来型の材料を含み得る。同様に、１つまたは２つ以上のその他の中間材料５６０は、複数の磁性材料５４０のうちの１つ、例えば一番上の磁性材料５４３の上に形成され得る。非磁性材料５５０は、磁性材料５４０間に配置されるように形成され得る。非磁性材料５５０は、ＡｌｘＯｙ、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＣａＯｘ、ＮｉＯｘ、ＨｆｘＯｙ、ＴａｘＯｙ、ＺｒｘＯｙ、ＮｉＭｎＯｘ、ＭｇｘＦｙ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙ、または上記材料の任意の組み合わせを備え得る。
【００４５】
自由領域、固定領域、またはその両方の磁性材料５４０は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはその合金、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ、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）などの強磁性材料、あるいはＮｉＭｎＳｂおよびＰｔＭｎＳｂなどのその他のハーフメタリック強磁性材料を備え得る。より具体的には、例えば、磁性材料５４０は、磁気ひずみを呈する材料（例えば、限定することなく、ｘ：ｙ：ｚの原子数比が約２０：６０：２０および６０：２０：２０であるＣｏｘＦｅｙＢｚ）、Ｌ１０型結晶構造を呈する材料、一軸磁気異方性を呈する材料、およびホイスラー合金のうちの１つまたは２つ以上を備え得、これらの特性は互いに排他的ではない。代替的または追加的に、一部の実施形態では、磁性材料５４０は、層状材料を備え得る。例えば、限定するものではないが、磁性材料５４０は、コバルトと白金とが繰り返されている層を備え得、白金の層はコバルトの層の間に配置された状態であり、逆もまた同様である。別の例として、限定するものではないが、磁性材料５４０は、コバルトとニッケルとが繰り返されている層を備え得、ニッケルの層はコバルトの層の間に配置された状態であり、逆もまた同様である。
【００４６】
一部の実施形態では、一番下の磁性材料５４１の磁性材料５４０は、一番上の磁性材料５４３の磁性材料５４０と同じ組成、構造、またはその両方を有し得る。その他の実施形態では、一番下の磁性材料５４１の磁性材料５４０は、一番上の磁性材料５４３の磁性材料５４０とは異なる組成、構造、またはその両方を有し得る。
【００４７】
最初の前駆体構造６００の材料は、材料５２０、５３０、５４０、５５０、５６０を横方向への応力の状態、例えば、横方向の引張応力の状態または横方向の圧縮応力の状態で形成する、１つまたは２つ以上の従来型の製造プロセスによって形成され得る。一部の実施形態では、材料５２０、５３０、５４０、５５０、５６０のうちの１つまたは２つ以上は、横方向の応力を呈さずに、すなわち、ゼロ応力の状態で形成され得る。
【００４８】
例えば、限定するものではないが、材料５２０、５３０、５４０、５５０、５６０のうちの１つまたは２つ以上は、例えば、スパッタリングによって、約１ナノメートルから約５ナノメートルの範囲の厚さに形成され得る。スパッタリングのような形成プロセスでは特定のエネルギーの原子が、基材上に衝突させられ、次いで、形成が続けられるのにつれて、材料の形成された部分の中に衝突させられる。形成される材料の性質および衝突する原子のエネルギーに応じて、応力が横方向に生じ得る。高エネルギーの衝撃を利用するスパッタリングプロセスでは、結果として形成される材料は、横方向への圧縮応力の状態にあり得る。逆に、低エネルギーの衝撃を利用するスパッタリングプロセスでは、結果として得られるフィルム状の形成される材料は、横方向への引張応力の状態にあり得る。
【００４９】
スパッタリングプロセスでは、衝突する種のエネルギー、ひいては材料が形成される応力の状態は、堆積圧力および含まれる特有のガス種、例えば、アルゴンガスのガス圧力を調節することによって調整され得る。用いる圧力が比較的低い場合、衝突する種が、スパッタリングターゲットと、受ける基材との間で熱化される可能性が低くなり得る。よって、膜レベルでの衝突は、高エネルギーで生じ得、圧縮応力を受けた材料をもたらす可能性がある。逆に、スパッタリング中に用いる圧力が比較的高い場合、衝突する種が、スパッタリングターゲットと、受ける基材との間で熱化されやすくなり得て、膜レベルでの衝突が、低エネルギーで生じ得、引張応力を受けた材料をもたらす可能性がある。スパッタリング中に用いられる圧力、およびその他の条件はまた、応力を呈さない材料、すなわち、ゼロ応力の状態にある材料を形成するように調整され得る。しかしながら、そのような引張応力またはゼロ応力の形成プロセスのための条件は、材料の所望の磁気特性、平滑度および粒径が形成されるように達成しようとする場合、実用的でない場合もある。
【００５０】
よって、最初の前駆体構造６００の材料５２０、５３０、５４０、５５０、５６０を形成する材料、プロセス、および条件に応じて、最初の前駆体構造６００は、結果として得られるひずみを表す矢印５８２で示される正味の引張応力を経る場合もある。図７に示されているものなどのその他の実施形態では、その他の実施形態は、材料５２０、５３０、５４０、５５０、５６０を形成する異なる材料、プロセス、および条件を利用し得、それから形成される最初の前駆体構造７００は、結果として得られるひずみを表す矢印５８４で示される正味の圧縮応力を経る場合もある。一部の実施形態では、最初の前駆体構造６００、７００が呈するひずみは、当業者に知られているように、最初の前駆体構造６００、７００の湾曲を観察することによって検出および測定され得る。
【００５１】
図３に関して上述したように、最初の前駆体構造６００、７００が引き続いてパターン形成、すなわち、エッチングされて、セルコアを形成する場合、そのような構造６００、７００の材料における応力は、ひずみの形で解放され得、結果として、材料、例えば図６の最初の前駆体構造６００の材料の横方向の収縮、または材料、例えば図７の最初の前駆体構造７００の材料の横方向の膨張をもたらす。図４に示されるように、また上述のように、このような横方向の膨張または収縮は、最初の前駆体構造６００、７００内の磁性材料５４０のうちの１つまたは２つ以上の磁気強度を低下させ得る。極端な膨張または収縮は、磁気強度を低下させ得て、同様に垂直磁化配向も実質的に低下させる、すなわち、磁化方向を垂直方向から外れて変え得る。
【００５２】
図８を参照すると、本開示の実施形態によれば、最初の前駆体構造６００、７００が呈する正味のひずみは、反対向きの応力の応力補償材料５９０を形成することによって、完全にまたは部分的に打ち消され得、その結果、図８に示されるように、結果として得られる応力補償前駆体構造８００が呈する正味のひずみは、変化する、例えば正味ゼロとなる。
【００５３】
応力補償材料５９０は、導電性材料、例えばタンタル、チタン、またはその窒化物材料から形成され得る。用いられる導電性材料は、形成されるセルコアの隣接領域に導電性材料が拡散しないように、選択され得る。
【００５４】
応力補償材料５９０は、スパッタリングなどの従来型の材料形成プロセスによって形成され得る。したがって、応力補償材料５９０は、形成条件は異なる場合もあるが、応力補償前駆体構造８００のその他の材料を形成するために用いられた同じ反応チャンバ内で形成され得る。あるいは、応力補償材料５９０は、物理蒸着（ＰＶＤ）によって、イオンビーム蒸着によって、原子層堆積（ＡＬＤ）によって、化学蒸着（ＣＶＤ）によって、またはその他の既知の材料形成技術によって形成され得る。例えば、ＡＬＤまたはＣＶＤは、チタンまたはタンタルの窒化物を備える応力補償材料５９０を形成するために用いられ得る。
【００５５】
図８は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）の上方に配置されるように形成された応力補償材料５９０を示しているが、その他の実施形態では、応力補償材料５９０は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）の下方に配置されるように形成され得る。このような実施形態では、応力補償材料５９０は、基板上に形成され得、次いで、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）の材料は、その上に形成され得る。
【００５６】
形成プロセスの条件、例えば、圧力および種のエネルギーは、応力補償材料５９０を最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）が経る応力を所望の程度まで補償するための所望のレベルの応力で形成するように調整され得る。応力補償材料５９０によって生じる応力は、少なくとも部分的に応力補償材料５９０の厚さに依存し得る。これはまた、少なくとも部分的に応力補償材料５９０の組成に依存し得る。例えば、一部の実施形態では、応力補償材料５９０は、応力補償材料５９０の垂直軸に沿って、窒素勾配を含むように形成され得る。応力補償材料５９０内の窒素の量は、応力補償材料５９０が経る結果として得られる応力に影響し得る。例えば、より高い窒素含量の応力補償材料５９０は、応力補償材料５９０の残りの組成に応じて、より低い窒素含量の応力補償材料５９０よりも大きい引張応力または圧縮応力を呈し得る。一部の実施形態では、応力補償材料５９０は、応力補償材料５９０の大きさ、例えば厚さにわたって応力勾配を呈するように形成され得る。
【００５７】
応力補償材料５９０によって提供される所望の反対向きの応力はまた、パターン形成中にエッチングされる最初の前駆体構造６００、７００における材料および材料の厚さに少なくとも部分的に依存する。例えば、最初の前駆体構造６００、７００における材料の厚さが比較的薄い場合、応力補償材料５９０がかける所望の反対向きの応力は、最初の前駆体構造６００、７００における材料の厚さが比較的厚い場合の応力よりも小さい。所望の反対向きの応力はまた、後の処理工程と、そのＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコアの材料が呈する正味の全ひずみに対する効果とに少なくとも部分的に依存する。例えば、後の処理工程が、横方向の圧縮応力をＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコアに与えることが分かっている場合、応力補償材料５９０がかける所望の反対向きの応力は、後の処理工程の前に、結果として得られるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコア構造に正味の横方向の引張ひずみをもたらすための応力であり得る。
【００５８】
応力補償材料５９０が、方向５８２に引張ひずみを呈する最初の前駆体構造６００の上に配置されるように形成される実施形態では、応力補償材料５９０は、補償する反対向きの圧縮応力を呈するように形成され得る。例えば、限定するものではないが、応力補償材料５９０は、スパッタリングによって、約０．１ミリトール（約０．０１３Ｐａ）から約３．０ミリトール（約０．４００Ｐａ）の間のアルゴンガス圧力で、タンタルから形成され得る。応力補償材料５９０の厚さは、約１０ナノメートルから約１００ナノメートルの範囲であり得る。応力補償材料５９０が反対向きの圧縮応力をかけるように形成されるため、結果として得られる応力補償前駆体構造８００は、図８に示されるように、正味ゼロひずみを呈し得る。このような正味ゼロひずみは、ひずみのない状態の場合に垂直磁化配向および所望の磁気強度を呈する磁性材料５４０を用いる実施形態において望ましい場合がある。
【００５９】
その他の実施形態では、応力補償材料５９０は、方向５８４に圧縮ひずみを呈する最初の前駆体構造７００の上に、引張応力をかけるように応力補償材料５９０を形成することによって形成されて、図８に示されるように、結果として得られる応力補償前駆体構造８００をもたらし得る。例えば、そのような実施形態の応力補償材料５９０は、スパッタリングによって、約３．０ミリトール（約０．４００Ｐａ）を上回るアルゴンガス圧力で、タンタルから形成され得る。応力補償材料５９０の厚さは、約１０ナノメートルから約１００ナノメートルの範囲であり得る。応力補償材料５９０が反対向きの引張応力をかけるように形成されるため、結果として得られる応力補償前駆体構造８００は、図８に示されるように、正味ゼロひずみを呈し得る。このような正味ゼロひずみは、ひずみのない状態において所望の磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性材料５４０を用いる実施形態において望ましい場合がある。
【００６０】
その他の実施形態では、応力補償材料５９０は、最初の前駆体構造６００、７００がそれぞれ経る引張応力または圧縮応力を必ずしも完全に補償するのではないが、低減するように形成され得る。このような実施形態では、したがって、応力補償材料５９０が経る応力状態は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）が経る初期応力状態の反対向きであり、初期応力状態を下回る。その結果、結果として得られる応力補償前駆体構造（図示せず）は、それぞれ、正味の引張ひずみの状態または正味の圧縮ひずみの状態を呈し得る。このような実施形態は、所望の磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性材料５４０を用いる場合、それぞれ、そのような正味の引張ひずみの状態または正味の圧縮ひずみの状態の場合、あるいはセルコア構造のパターン形成に続いて、処理工程が、横方向の応力をセルコア構造に与えることが知られている場合、望ましい場合がある。
【００６１】
さらにその他の実施形態では、最初の前駆体構造は、ひずみを呈さないように形成され得る、すなわち、実質的にゼロ応力で形成され得る。このような実施形態では、したがって、応力補償材料５９０が経る応力状態は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）が経る初期応力状態の反対向きであり、実質的に等しい。このような正味ゼロ応力の最初の前駆体構造の上に従来型のハードマスクを従来型の方法で形成することは、ハードマスク材料を、ハードマスク材料が最初の前駆体構造に応力をかけ得るようなひずみ状態で形成し得る。しかしながら、本開示の実施形態によれば、応力補償材料５９０は、同様にゼロひずみを呈するように正味ゼロ応力の最初の前駆体構造の上に形成され得る。したがって、応力補償材料５９０は、正味ゼロ応力の最初の前駆体構造に応力をかけないように形成され得る。よって、応力補償前駆体構造８００は、正味ゼロのひずみを呈し得る。このような実施形態は、ひずみのない状態の場合に所望の磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性材料５４０を用いる場合に望ましい場合がある。
【００６２】
さらにその他の実施形態では、応力補償材料５９０は、過補償の引張応力または過補償の圧縮応力をかけるように形成されて、結果として得られる応力補償前駆体構造が、それぞれ、正味の引張ひずみまたは正味の圧縮ひずみを呈するようにし得る。このような実施形態では、したがって、応力補償材料５９０が経る応力状態は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）が経る初期応力状態の反対向きであり、初期応力状態を上回る。このような実施形態は、所望の磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性材料５４０を用いる場合、それぞれ、そのような正味の引張ひずみの状態または正味の圧縮ひずみの状態の場合、あるいは引き続く処理工程が、反対向きの横方向の応力をセルコア構造に与えることが知られている場合、望ましい場合がある。例えば、自由領域が負の磁気ひずみを呈する場合、圧縮応力緩和は、自由領域の磁気強度を低下せずに、強化する。
【００６３】
このようにして、応力補償材料５９０は、応力補償前駆体構造８００が呈する結果として得られる正味のひずみを調整するように形成されて、自由領域および固定領域のいずれかまたはその両方を形成する磁性材料５４０の磁気強度を強化または維持し得る。したがって、自由領域、固定領域、またはその両方の垂直磁化配向はまた、維持され得る。
【００６４】
応力補償前駆体構造８００は、パターン形成されて、図９に示されるようにセルコア構造９００を形成し得る。セルコア構造９００は、エッチングプロセスによって、例えば、応力補償材料５９０をハードマスクとして用いて、パターン形成され得る。応力補償材料５９０は、非犠牲材料であり得て、図９に示されるように、結果として得られるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコア構造９００が、応力補償材料５９０の少なくとも一部分を含むようにする。一部の実施形態では、結果として得られるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコア構造９００における応力補償材料５９０は、応力補償材料５９０が最初に形成された（例えば、図８の応力補償前駆体構造８００）厚さと実質的に等しい厚さを有する。その他の実施形態では、結果として得られるＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコア構造９００における応力補償材料５９０の厚さは、応力補償材料５９０が最初に形成された厚さ未満である。
【００６５】
最初の前駆体構造８００（図８）をエッチングが用いられて、ソース線５０６（図５）として機能する導電性材料の一部分を形成し得る、画定された下部の導電性領域５２２を有するセルコア構造９００を形成し得る。セルコア構造９００は、磁性材料５４０のうちの１つから形成される磁性領域５４２と、非磁性材料５５０から形成される非磁性領域５５２と、磁性材料５４０のうちの別のものから形成される別の磁性領域５４２とを含み、その結果、非磁性領域５５２が、磁性領域５４２の間に配置される。セルコア構造９００は、任意で、中間材料５３０から形成される１つまたは２つ以上の下部の中間領域５３２と、さらに、任意で、その他の中間材料５６０から形成される１つまたは２つ以上の上部の中間領域５６２とを含み得る。応力補償材料５９０は、データ／センス線５０４（図５）として機能する導電性材料の一部分またはＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルコア構造９００とデータ／センス線５０４との間の導電性接点の一部分を形成し得る、上部の導電性領域５９２の一部分を形成し得る。
【００６６】
結果として得られるセルコア構造９００は、パターン形成後、ひずみ、引張ひずみ、または圧縮ひずみを呈することはなく、図１０に示されるように、磁性領域５４２内の磁気強度、ひいては垂直磁化配向５８０を強化または維持する。図１０に示されている磁性領域５４２は、セルコア５０２（図５）の自由領域および固定領域のいずれかまたはその両方であり得る。このように、図１０は、一番上の磁性材料５４３における垂直磁化配向５８０を示しているが、その他の実施形態では、磁性領域５４２における垂直磁化配向５８０が、一番下の磁性材料５４１にある。図示の磁性領域５４２のどちらかが、すなわち、一番上の磁性材料５４３または一番下の磁性材料５４１のどちらかが、自由領域として機能し得、そこで、他方が固定領域として機能し得る。
【００６７】
結果として得られるセルコア構造９００において正味ゼロのひずみ、正味の引張ひずみ、または正味の圧縮ひずみのどれが望ましいかを判定することは、自由領域、固定領域、またはその両方の磁性材料５４０の磁気ひずみに依存し得る。自由領域の磁性材料５４０において最大磁気強度を達成することが望ましい場合もある。自由領域の磁性材料５４０が、正の磁気ひずみを有し、それが、磁性材料がその磁気ひずみの方向に物理的に延びやすいことを意味する場合、応力補償材料５９０は、コア構造９００が正味の引張ひずみまたは正味のゼロのひずみを呈するように形成され得る。自由領域の磁性材料５４０が、負の磁気ひずみを有し、それが、磁性材料がその磁気ひずみの方向に収縮しやすいことを意味する場合、応力補償材料５９０は、コア構造９００が正味ゼロのひずみまたは圧縮ひずみを呈するように形成され得る。
【００６８】
さらに、図９は、セルコア構造９００を形成するための、下部の導電性材料５２０、下部の中間材料（複数可）５３０、下部の磁性材料５４０（すなわち、一番下の磁性材料５４１）、非磁性材料５５０、上部の磁性材料５４０（すなわち、一番上の磁性材料５４３）、上部の中間材料（複数可）５６０、および応力補償材料５９０のそれぞれのエッチングを示しているが、その他の実施形態では、応力補償前駆体構造８００（図８）の材料の一部がエッチングされ得る。例えば、一部の実施形態では、非磁性材料５５０の上にある材料（すなわち、上部の磁性材料５４０、上部の中間材料（複数可）５６０、および応力補償材料５９０）のみがエッチングされ得る。このような実施形態では、次いで、応力補償材料５９０は、上部の磁性材料５４０（すなわち、一番上の磁性材料５４３）と、上部の中間材料（複数可）５６０との組み合わせが経る応力を補償する、反対向きの応力をかけるように形成され得る。したがって、エッチングされる最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）の材料および材料の厚さは、応力補償前駆体構造８００（図８）の正味のひずみを適切に調整するように形成される応力補償材料５９０の組成、形成プロセス、および寸法の選択に織りこまれ得る。
【００６９】
よって、一部の実施形態では、応力補償材料５９０は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）の一部分またはすべてが経る応力を補償するための、反対向きの応力をかけるように形成されて、セルコア構造９００（図９）を形成するためのエッチング後、実質的に材料の横方向の膨張または収縮が起こらないようにし得る。このような実施形態では、応力補償前駆体構造８００（図８）は、エッチング前に正味ゼロ応力を経るように構成されて、エッチングが、セルコア構造９００の材料の横方向の膨張または収縮の形で応力解放をもたらさないようにし得る。
【００７０】
その他の実施形態では、応力補償材料５９０は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）の一部またはすべてが経る応力の一部のみを補償するための、反対向きの応力をかけるように形成されて、セルコア構造９００（図９）を形成するためのエッチング後、材料の横方向の膨張または収縮の形でなんらかのひずみが生じるようにし得る。あるいは、同じ効果を達成するために、応力補償材料５９０は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）の一部またはすべてが経る応力を過補償するように形成され得る。このような実施形態では、応力補償前駆体構造８００（図８）は、エッチング前に正味の引張応力を経るように構成されて、エッチングが、材料の横方向の収縮の形で引張応力解放をもたらすようにし得る。その他のこのような実施形態では、応力補償前駆体構造８００（図８）は、エッチング前に正味の圧縮応力を経るように構成されて、エッチングが、材料の横方向の膨張の形で圧縮応力解放をもたらすようにし得る。
【００７１】
結果として得られるセルコア構造９００（図９）は、したがって、図１０に示されるように、所望の磁気強度で垂直磁化配向５８０を呈する、磁性材料５４０の磁性領域５４２、すなわち、自由領域、固定領域、またはその両方を含む。磁気強度は、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）における磁性材料５４０の磁気強度と実質的に同じまたはこれを上回る。よって、最初の前駆体構造６００、７００（図６および図７）における磁性材料５４０が呈する磁化方向は、結果として得られるセルコア構造９００（図９）において磁性材料５４０が呈する磁化方向と同じであり得る。このようにして、セルコア構造９００（図９）を含むセルコア５０２（図５）は、データ保持のための増大した熱安定性を呈し得る。加えて、応力補償前駆体構造８００（図８）のパターン形成が、一部の実施形態では、結果として得られるセルコア構造９００（図９）において最小限の横方向の膨張または収縮をもたらすことから、セルコア５０２（図５）の磁気強度は、セルの寸法が５０ｎｍ未満の場合、低下されない。
【００７２】
よって、メモリセルの形成方法が開示され、方法は、磁性材料と別の磁性材料との間に配置される非磁性材料を備える最初の前駆体構造を形成するステップを備える。磁性材料および別の磁性材料のうちの少なくとも１つは、ある磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性領域を備える。最初の前駆体構造は、初期応力状態を経る。方法はまた、最初の前駆体構造の上に配置される応力補償材料を形成するステップを備える。応力補償材料は、最初の前駆体構造が経た初期応力状態とは反対の応力状態を経る。方法はまた、磁性領域の磁気強度および垂直磁化配向を維持または強化しながら、メモリセルを形成するように、応力補償材料と、最初の前駆体構造の少なくとも一部分とをパターン形成するステップを備える。
【００７３】
ある磁気強度で垂直磁化配向を呈する磁性領域を備える、磁気セルコアを備えるメモリセルがさらに開示される。磁気セルコア上の導電性領域は、磁性領域内に有用なひずみをもたらして、磁性領域の磁気強度を維持または強化する。
【００７４】
またさらに、メモリセルの形成方法が開示され、方法は、基板上に最初の前駆体構造を形成するステップを備える。最初の前駆体構造は、応力の状態を経る。導電性材料は、最初の前駆体構造上に形成されて、最初の前駆体構造が経た応力の状態を少なくとも部分的に無効にする。最初の前駆体構造および導電性材料のそれぞれの少なくとも一部分は、除去されて、その材料を横方向に膨張または収縮させずに、セルコアを形成する。
【００７５】
さらに、メモリセル構造の形成方法が開示され、方法は、基板上に最初の前駆体構造を形成するステップを備える。最初の前駆体構造を形成するステップは、導電性材料を基板上に形成するステップと、導電性材料の上に磁性材料を形成するステップと、磁性材料の上に非磁性材料を形成するステップと、非磁性材料の上に別の磁性材料を形成するステップとを備える。最初の前駆体構造の上に別の導電性材料が形成され、最初の前駆体構造に応力をかける。メモリセル構造の形成方法はまた、導電性材料を備える下部電極と、磁性材料および別の磁性材料を備える自由領域および固定領域と、非磁性材料を備える非磁性領域と、別の導電性材料を備える上部電極とを備えるメモリセル構造を形成するために、最初の前駆体構造の上に犠牲材料を形成することなく、最初の前駆体構造の少なくとも一部分を除去するステップを備える。自由領域は、垂直磁化配向を呈する。
【００７６】
さらに、スピントルク移行磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ‐ＭＲＡＭ）システムが開示され、システムは、少なくとも１つの磁性メモリセルを備える。少なくとも１つの磁性メモリセルは、垂直磁化配向を呈する磁性領域を備える。少なくとも１つの磁性メモリセルは、磁性領域に応力をかける導電性材料を備える。少なくとも１つの周辺機器は、少なくとも１つの磁性メモリセルと操作可能に通信する。少なくとも１つの周辺機器は、導電性材料に電流を発生するように構成される回路を備える。
【００７７】
少なくとも１つのＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル、例えば、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルのアレイを含む、半導体装置構造もまた開示される。図１１を参照すると、本明細書に説明される１つまたは２つ以上の実施形態にしたがって実装された半導体装置構造１１００の簡易ブロック図が示されている。半導体装置構造１１００は、メモリアレイ１１０２と、制御ロジックコンポーネント１１０４とを含む。メモリアレイ１１０２は、上述し、上述の方法にしたがって形成された構造のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４（図５）のうちのいずれか複数を含み得る。制御ロジックコンポーネント１１０４は、メモリアレイ１１０２と動作可能に相互作用するように構成されて、メモリアレイ１１０２内の任意のまたはすべてのメモリセル（例えば、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭセル５１４）から読み出しまたはそこへ書き込みするようにし得る。
【００７８】
メモリアレイ、例えばメモリアレイ１１０２を含むシステムもまた開示される。図１２を参照すると、プロセッサベースのシステム１２００が図示されている。プロセッサベースのシステム１２００は、本開示の実施形態により製造された様々な電子装置を含み得る。プロセッサベースのシステム１２００は、コンピュータ、ポケットベル、携帯電話、個人用端末（ｐｅｒｓｏｎａｌ  ｏｒｇａｎｉｚｅｒ）、制御回路、またはその他の電子装置など、様々なタイプのどれでもあってもよい。プロセッサベースのシステム１２００は、マイクロプロセッサなどの１つまたは２つ以上のプロセッサ１２０２を含んで、プロセッサベースのシステム１２００におけるシステム機能および要求の処理を制御し得る。プロセッサベースのシステム１２００のプロセッサ１２０２およびその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み得る。
【００７９】
プロセッサベースのシステム１２００は、電源１２０４を含み得る。例えば、プロセッサベースのシステム１２００が可搬システムである場合、電源１２０４は、燃料電池、環境発電装置、永久電池、交換式電池、および充電式電池のうちの１つまたは２つ以上を含み得る。電源１２０４はまた、ＡＣアダプタを含み得る。したがって、プロセッサベースのシステム１２００は、例えば、壁コンセントに差し込み得る。電源１２０４はまた、ＤＣアダプタを含んで、プロセッサベースのシステム１２００が、例えば、車両用シガレットライターに差し込まれ得るようにし得る。
【００８０】
プロセッサベースのシステム１２００が行う機能に応じて、様々なその他の装置がプロセッサ１２０２に接続され得る。例えば、ユーザインターフェース１２０６がプロセッサ１２０２に接続され得る。ユーザインターフェース１２０６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、マイクロホン、またはこれらの組み合わせなどの入力装置を含み得る。ディスプレイ１２０８もまたプロセッサ１２０２に接続され得る。ディスプレイ１２０８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、音声表示装置、またはこれらの組み合わせを含み得る。さらに、ＲＦサブシステム／ベースバンドプロセッサ１２１０もまたプロセッサ１２０２に接続され得る。ＲＦサブシステム／ベースバンドプロセッサ１２１０は、ＲＦ受信装置とＲＦ送信装置（図示せず）に接続されるアンテナを含み得る。通信ポート１２１２、または２つ以上の通信ポート１２１２もまた、プロセッサ１２０２に接続され得る。通信ポート１２１２は、例えば、モデム、プリンタ、コンピュータ、スキャナ、もしくはカメラなどの１つまたは２つ以上の周辺機器１２１４に、あるい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に接続されるように適合され得る。
【００８１】
プロセッサ１２０２は、メモリに記憶されたソフトウェアプログラムを実行することによって、プロセッサベースのシステム１２００を制御し得る。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、製図用ソフトウェア、文書作成ソフトウェア、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み得る。メモリは、にプロセッサ１２０２操作可能に接続されて、様々なプログラムを記憶し、かつその実行を助ける。例えば、プロセッサ１２０２は、システムメモリ１２１６に接続され得、これは、スピントルク移行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）、およびその他の既知のメモリタイプのうちの１つまたは２つ以上を含み得る。システムメモリ１２１６は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはこれらの組み合わせを含み得る。システムメモリ１２１６は、一般に大規模であって、これが動的にロードされるアプリケーションおよびデータを記憶できるようにする。一部の実施形態では、システムメモリ１２１６は、半導体装置構造（例えば、図１１の半導体装置構造１１００を含むもの）、メモリセル（例えば、図９のセルコア構造９００を含むもの）、またはその両方を含み得る。
【００８２】
プロセッサ１２０２はまた、不揮発性メモリ１２１８に接続され得るが、これは、システムメモリ１２１６が必然的に揮発性であることを示唆するものではない。不揮発性メモリ１２１８は、システムメモリ１２１６と共に使用するために、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭ、ＭＲＡＭ、ＥＰＲＯＭなどの読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、抵抗読み出し専用メモリ（ＲＲＯＭ）、およびフラッシュメモリのうちの１つまたは２つ以上を含み得る。不揮発性メモリ１２１８のサイズは、一般的に、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、ちょうど十分な大きさとなるように選択される。加えて、不揮発性メモリ１２１８は、例えば、抵抗メモリまたはその他のタイプの不揮発性固体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大容量メモリを含み得る。不揮発性メモリ１２１８は、本開示の実施形態により形成されるＳＴＴ‐ＭＲＡＭ装置（例えば、図１１の半導体装置構造１１００を含むもの）、メモリセル（例えば、図９のセルコア構造９００を含むもの）、またはその両方を含み得る。
【００８３】
したがって、半導体装置構造が開示され、複数のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルを備えるスピントルク移行磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ‐ＭＲＡＭ）アレイを備える。複数のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルのうちのそれぞれは、磁性領域を備えるセルコアを備える。複数のＳＴＴ‐ＭＲＡＭセルのうちのそれぞれはまた、セルコアに応力をかけて、磁性領域の磁気強度を維持または強化する導電性材料を備える。
【００８４】
本開示は、その実施において様々な修正および代替形態に利用可能であるが、具体的な実施形態が例として図面に示され、本明細書に詳述されてきた。しかしながら、本開示は、開示された特定の形態に限定されることを意図するものではない。むしろ、本開示は、以下の添付の特許請求の範囲およびそれらの法的な均等物によって定義される、本開示の範囲内に含まれるすべての修正、組み合わせ、均等物、変形、および代替策を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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