应变垂直磁隧道结器件的制作方法

背景技术：

磁隧道结(mtj)器件典型地包括由隧穿阻挡层分隔开的固定磁性层和自由磁性层，利用了被称为隧穿磁阻(tmr)的现象。对于包括由薄的绝缘隧道层分隔开的两个铁磁层的结构而言，在两个磁性层的磁化处于平行取向时，比它们不平行(非平行或反平行取向)时，电子将更可能隧穿隧道材料层。这样一来，pmtj可以在两种电阻状态之间切换，一种状态具有低电阻，一种状态具有高电阻。电阻差异越大，tmr比就越大：(rap-rp)/rp*100％，其中rp和rap分别是磁化的平行和反平行对准的电阻。tmr比越高，就越容易结合pmtj电阻状态来可靠地存储位。因此，给定pmtj的tmr比是采用pmtj叠置体的自旋转移矩存储器(sttm)的重要性能度量。

对于sttm器件而言，可以使用电流感应的磁化切换来设置位状态。可以经由自旋转移矩现象使第一(自由)铁磁层的极化状态相对于第二(固定)铁磁层的固定极化进行切换，使得能够通过施加电流来设置pmtj的状态。可以通过一种或多种结构和技术(例如，直流电流、自旋-霍尔效应等)使电子的角动量(自旋)极化。这些自旋极化的电子能够将其自旋角动量转移到自由层的磁化并使其进动。这样一来，可以通过超过特定临界值的电流脉冲(例如，在大约1-10纳秒中)来切换自由磁性层的磁化强度，而只要电流脉冲低于与固定层架构相关联的某个更高阈值，固定磁性层的磁化就不变。

磁性电极具有垂直(衬底平面外)的磁化易轴的mtj有可能实现比面内变型更高密度的存储器。通常，在自由磁性层足够薄时，可以通过由相邻层(例如氧化镁(mgo))建立的界面垂直各向异性来在自由磁性层中实现垂直磁各向异性(pma)。然而，薄层常常与较低的矫顽场hc相关联。因此，能够为给定磁性层厚度增大hc的技术和结构是有利的，例如，以改进pmtj的稳定性。

附图说明

在附图中，通过示例而非限制的方式例示了本文描述的材料。为了说明的简单清晰，图中例示的元件未必是按比例绘制的。例如，为了清晰，一些元件的尺度可能相对于其它元件被放大。此外，在认为适当的情况下，在各图之间重复参考标记以指示对应或相似的元件。在附图中：

图1是根据本发明一些实施例的用于sttm器件的材料层叠置体的截面图；

图2是根据一些实施例的pmtj矫顽场和膜应力作为溅镀沉积应变诱导材料层期间气流的函数的曲线图；

图3a是根据实施例的包括多个横向应变pmtj器件的pmtj器件的平面图；

图3b是根据实施例的图3a中所示的pmtj器件的截面图；

图4a是根据实施例的包括多个横向应变pmtj器件的pmtj器件的平面图；

图4b是根据实施例的图4a中所示的pmtj器件的截面图；

图5a是根据实施例的包括多个横向应变pmtj器件的pmtj器件的平面图；

图5b是根据实施例的图5a中所示的pmtj器件的截面图；

图6是流程图，其示出了根据一些实施例的制造图5a-5b中的所示pmtj器件的方法；

图7是根据本发明的实施例的sttm位单元的示意图，其包括采用横向应变pmtj器件的自旋转移矩元件；

图8是示意图，其示出了根据本发明实施例的采用sttm阵列的移动计算平台和数据服务器机器；以及

图9是功能框图，其示出了根据本发明的实施例的电子计算设备。

具体实施方式

参考附图描述了一个或多个实施例。尽管详细描绘并论述了具体配置和布置，但应当理解，这仅仅是为了说明性目的而做的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本说明书的精神和范围的情况下，其它配置和布置是可能的。对于相关领域的技术人员而言显而易见的是，可以在本文详述之外的各种其它系统和应用中采用本文所述的技术和/或布置。

在以下具体实施方式中参考了附图，所述附图形成具体实施方式的部分并例示了示例性实施例。此外，要理解的是，可以在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下利用其它实施例并且对这些实施例做出结构和/或逻辑的改变。还应当注意的是，方向和引用(例如上、下、顶、底等)可以仅用于便于对附图中特征的描述。因此，不要以限制性的意义来理解以下具体实施方式，并且由所附权利要求及其等同物来限定所要求保护的主题的范围。

在以下描述中，阐述了许多细节。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在一些实例中，以框图的形式而非详细地示出了公知方法和设备，以避免使本发明难以理解。在整个本说明书中对“实施例”或“一个实施例”的引用意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构、功能或者特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中的各处出现的短语“在实施例中”或“在一个实施例中”不一定指代本发明的相同实施例。此外，可以在一个或多个实施例中以任何适合的方式来组合特定特征、结构、功能或特性。例如，只要与两个实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥，就可以将第一实施例与第二实施例组合。

如本发明的说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指示。还将理解的是，如本文中所使用的术语“和/或”指代和包含相关联的列出项目中的一个或多个项目的任何和所有可能的组合。

术语“耦合”和“连接”连同它们的派生词可以在本文中用于描述部件之间的功能或结构关系。应当理解的是，这些术语并非旨在作为彼此的同义词。相反，在具体实施例中，“连接”可以用于指示两个或更多个元件彼此直接物理、光、或电接触。“耦合”可以用于指示两个或更多个元件彼此直接或间接(在它们之间具有其它中间元件)物理或电接触，和/或两个或更多个元件彼此协作或相互作用(例如，如在因果关系中)。

如本文中所使用的术语“在……之上”、“在……之下”、“在……之间”以及“在……上”指代一个部件或材料相对于其它部件或材料的相对位置，其中，这种物理关系是值得注意的。例如在材料的背景中，设置在另一种材料之上或之下的一种材料或材料可以与一种或多种中间材料直接接触或可以具有一种或多种中间材料。此外，设置在两种材料或材料之间的一种材料可以与两层直接接触或可以具有一个或多个中间层。相比之下，“在”第二材料或材料“上”的第一材料或材料与该第二材料/材料直接接触。将在部件组件的背景中作出类似的区分。

如整个本说明书和权利要求书中所使用的，通过术语“……中的至少一个”或“……中的一个或多个”进行连接的一列项可以表示所列出的项的任意组合。例如，短语“a、b或c中的至少一个”可以表示a；b；c；a和b；a和c；b和c；或a、b和c。

本文描述的是pmtj材料叠置体，采用这样的材料叠置体的sttm器件，以及采用这样的sttm器件的计算平台。在一些实施例中，垂直pmtj材料叠置体至少包括在与磁化易轴正交的方向上横向应变的自由磁性层，以改善结稳定性。在一些示例性实施例中，整个pmtj材料叠置体(包括设置在固定磁性材料层和自由磁性材料层(都具有垂直磁各向异性)之间的隧道电介质材料层都)被横向应变，提高了关联的矫顽场强度。本文所述实施例的应用包括嵌入式存储器、嵌入式非易失性存储器(nvm)、磁性随机存取存储器(mram)、以及非嵌入式或独立存储器。

热稳定性δ是缩放基于sttm的器件和由其制造的存储器阵列所面对的最重要问题之一。更大的热稳定性与更长的存储器元件非易失性寿命相关联。随着缩放的继续，变得更加难以保持足够的稳定性。热稳定性被限定为两种磁性状态(例如(1,0)、(平行，反平行))之间的能量势垒e。稳定性等于自由磁性材料的磁各向异性keff与自由磁性材料的体积(厚度t乘以材料叠置体面积a)的乘积再除以热能(kbt)：

通常，认为至少60kbt的稳定性值对于大部分应用是合适的。然而，显然，缩放存储器单元面积降低了稳定性，60kbt的目标变得更难实现。磁各向异性还是饱和磁化ms和有效各向异性场hk,eff的函数，从而可以通过各向异性场的增大来改善热稳定性。在自由磁性层足够薄时，在存在由相邻层(例如氧化镁(mgo))建立的界面垂直各向异性时，自由磁性层中的垂直磁各向异性(pma)可以实现更大的hk,eff。

阻尼涉及自旋从一种状态切换到另一种时自旋磁化所经受的磁性摩擦。更大的阻尼表示需要更大的临界写入电流jc将自由层的磁化从一种状态切换到另一种。临界电流jc与阻尼常数α乘以稳定性与转移效率之比(～tmr).tmr成比例。然而，随着由于自旋泵浦效应导致自由层厚度减小，阻尼会增大。那么通常，各向异性的增大常常还线性地增大临界电流密度，使得难以在不使阻尼同时增加的情况下实现更高稳定性。

在本文的一些实施例中，通过至少在自由磁性层中诱导应变来增强sttm单元的稳定性和/或减小阻尼。如果相对于磁场方向适当对准，则这种应变可以针对给定自由磁性材料层厚度增强矫顽场强度。对于pmtj叠置体，应变应当是横向的，大体上与衬底的表面平行，并与磁场方向正交。

图1是根据本发明的一些实施例的pmtj器件101的截面图。pmtj器件101包括设置在两个电极107和180之间的pmtj材料叠置体102。在示例性实施例中，金属电极107(例如，底部电极)设置在衬底105之上。包括一层或多层磁性材料的固定磁性材料层(或叠置体)120设置在电极107之上。隧穿电介质材料层130设置在固定磁性材料层或叠置体120之上。自由磁性材料层(或叠置体)160设置在隧穿电介质材料层130之上。在所示的示例性实施例中，电介质材料层170(例如金属氧化物(例如，mgo、vo、wo、vdo、tao、hfo、moo))设置在自由磁性材料层160之上。对于自旋-霍尔效应(she)的实施方式而言，可以不存在这样的帽盖层。金属电极180(例如，顶部电极)设置在帽盖电介质材料层170之上。要注意的是，在替代的实施例中，材料层107-180的次序可以反转，或者从形貌特征侧壁横向延伸开。

在一些实施例中，pmtj材料叠置体102是垂直系统，其中磁性层的自旋垂直于材料层的平面(即，磁化易轴在从衬底105平面向外的z方向上)。固定磁性层120可以由适合维持固定磁化方向的材料的任何材料或叠置体构成，同时自由磁性材料层160在磁性上更软(即，磁化能够相对于固定层更容易旋转到平行和反平行状态)。在一些实施例中，pmtj材料叠置体102基于cofeb/mgo系统，具有mgo隧穿材料层130、cofeb固定磁性层/叠置体120和cofeb自由磁性材料层/叠置体160。在有利的实施例中，所有cofeb层都具有体心立方(bcc)(001)面外晶构(texture)，其中晶构是指pmtj叠置体101的各层内晶体取向的分布。对于至少一些这样的实施例而言，cofeb/mgo/cofeb叠置体101的高百分比cofeb晶体具有优选的(001)面外取向(即，晶构程度高)。在一些cofeb/mgo实施例中，(001)取向的cofeb磁性材料层120、160是用于提高磁垂直性的富铁合金(即，fe>co)。在一些实施例中，fe含量至少为50％。示例性实施例包括20-30％的b(例如，co20fe60b20)。具有相等部分的钴和铁的其它实施例也是可能的(例如，co40fe40b20)。对于固定和/或自由磁性层，其它磁性材料组分也是可能的，例如但不限于：co、fe、ni和这些金属的无硼合金(例如，cofe)。在一些有利实施例中，自由磁性层160的膜厚度介于0.6和1.6nm之间。

隧穿电介质材料层130由适合允许多数自旋的电流通过该层同时阻碍少数自旋的电流(即，自旋过滤器)的材料或材料叠置体构成，从而影响与pmtj材料叠置体102相关联的隧穿磁致电阻。在一些示例性实施例中，电介质材料层130是氧化镁(mgo)。电介质材料层130还可以提供结晶模板(例如，具有(001)晶构的bcc)，用于自由磁性材料层160和/或固定磁性材料层120的固相外延。

在一些实施例中，通过施加足以在pmtj叠置体中诱导平行于pmtj材料层平面的应变的横向引导应力来提供应变增强的pmtj器件。发明人发现，控制在pmtj材料叠置体之上或与其相邻施加的膜中的应力可以对磁性材料层的对应于一个或多个磁性材料层的应变的矫顽性有显著影响。图2是根据一些实施例的pmtj矫顽场和帽盖膜应力作为溅镀沉积帽盖膜期间所采用的气流函数的曲线图。利用电流面内隧穿方法(cipt)针对在衬底之上覆盖式沉积的完整pmjt材料叠置体来测量矫顽场hc。在完整的pmtj材料叠置体之上，利用针对每次处理不同的ar流来覆盖式沉积顶部电极材料层。进一步示出了顶部电极材料层中作为与溅镀沉积顶部电极材料(例如，ta或tin)期间ar气流相关联的ar分压的函数的膜应力。如图所示，对于特定的顶部电极材料，在600mpa压应力和250mpa张应力之间调谐膜应力。要注意的是，矫顽场强度与顶部电极材料膜应力强相关，示出了控制顶部电极材料中的应力如何提供了对pmtj材料叠置体施用应变工程的路径。进一步要指出，上方的张应力材料层在pmtj材料层平面中的下层的界面区域之上施加压应力，与峰值张应力相关联的250sccmar流使pmtj叠置体中的横向压应变最大化，从而为给定的pmtj叠置体提供了更高矫顽力。

在一些实施例中，横向应变诱导材料层设置在pmtj材料叠置体的顶表面或侧壁之上。图3a是根据实施例，包括多个pmtj材料叠置体102的应变pmtj器件的平面图。图3b是根据实施例，沿图3a中所示b-b’线的应变pmtj器件301的截面图。多个pmtj材料叠置体102排列在衬底105的表面之上，每个pmtj叠置体102由层间电介质305间隔。在一些示例性实施例中，pmtj器件301包括顶侧横向应变诱导材料层或帽盖。在图示的示例性实施例中，顶侧应变诱导材料层180设置在pmtj材料叠置体102之上。如图3a和3b中的箭头所示，顶侧应变诱导材料层180施加平行于每个pmtj叠置体102的顶表面的压应力。因此，至少磁性材料层，以及有利地pmtj叠置体102中的所有材料层都在垂直于磁场方向的横向方向(例如，x，y)上压应变。

在一些实施例中，顶侧横向应变诱导材料层180还充当pmtj器件中的顶部电极。在一些实施例中，顶侧横向应变诱导材料层180为ta，处于纯元素形式或其合金(例如，tan等)形式。在其它实施例中，顶侧横向应变诱导材料层180为ti，处于纯元素形式或其合金(例如，tin等)形式。也可以采用可以调谐具有高张应力(例如，200mpa或更大)的任何其它导电材料。顶侧横向应变诱导材料也可以是帽盖pmtj器件电极的电介质(例如，sin)。对于这样的实施例，导电通孔可以通过横向应变诱导材料以接触下方电极。在一些实施例中，为了增大pmtj叠置体102之内横向应变的量，顶侧横向应变诱导材料层180的厚度(例如，图3b中的z维度)大于pmtj叠置体中任何材料层(例如，磁性或电介质)的厚度。在一些另外的实施例中，顶侧横向应变诱导材料层180具有的厚度大于整个下方pmtj叠置体102的厚度。

在一些实施例中，横向应变诱导材料层设置在pmtj材料叠置体的侧壁之上。横向应变诱导材料层可以与pmtj材料叠置体侧壁直接接触，或通过居间的叠置体密封剂与叠置体分隔开。横向应变诱导材料可以沉积在相邻pmtj材料叠置体之间，调节沉积工艺以形成具有高压应力的材料。与pmtj侧壁相邻的压应力材料层将对pmtj叠置体侧壁施加平行于pmtj材料层平面且垂直于pmtj叠置体侧壁的力。压应力材料层向pmtj材料层平面外施加的力可以较小，受到pmtj材料层z厚度的限制。在一些实施例中，横向应变诱导材料层设置在pmtj材料叠置体的顶表面和pmtj材料叠置体的侧壁两者之上。例如，横向应变诱导材料层可以包括沉积为pmtj器件中的顶部电极的张应力材料，以及沉积在相邻pmtj材料叠置体之间的压应力材料层，两者都在pmtj材料叠置体内诱导横向压应变。

图4a是根据一些实施例的包括多个pmtj材料叠置体102的应变pmtj器件401的平面图。图4b是根据实施例，沿图4a中所示b-b’线的应变pmtj器件401的截面图。如图所示，该pmtj器件401包括围绕pmtj结构阵列的相邻横向应变诱导材料层405和设置在pmjt材料叠置体102之上的顶侧横向应变诱导材料层180。如图4a和4b中的箭头所示，相邻横向应变诱导材料层405施加垂直于相邻pmtj叠置体102的侧壁的压力，增强了顶侧横向应变诱导材料层180在平行于pmtj叠置体102顶表面的方向中施加的压力。相邻横向应变诱导材料层405可以结合或不结合顶侧横向应变诱导材料层180来使用。

相邻横向应变诱导材料层405可以是能够被调谐以具有高压应力(例如，200mpa或更大，有利地至少400mpa)的任何材料。在一些实施例中，相邻横向应变诱导材料层405是电介质材料，例如，但不限于al2o3、sio、sion和sin。电介质材料还可以充当层间电介质，将pmtj材料层与同一叠置体或相邻pmtj叠置体中的其它层电绝缘。相邻横向应变诱导材料层405至少覆盖自由磁性材料层，有利地还覆盖固定磁性材料层。在一些有利实施例中，横向应变诱导材料层405覆盖整个pmtj侧壁161以对pmtj材料叠置体的整个z高度施加力。在图4a-4b中所示的示例性实施例中，横向应变诱导材料层405与pmtj叠置体中的材料层直接接触。

在一些有利实施例中，相邻横向应变诱导材料层405回填应变pmtj器件401中的相邻pmtj结构之间的间隙。例如，相邻横向应变诱导材料层405的顶表面与顶侧横向应变诱导材料层180的顶表面共面。如果不存在顶侧横向应变诱导材料层180，则相邻横向应变诱导材料层405可以具有与pmtj材料叠置体102的顶表面共面的顶表面。

在一些实施例中，相邻横向应变诱导材料层通过居间叠置体封装与pmtj材料叠置体分隔开。对于这样的实施例，可以采用电介质材料(例如，针对pmtj器件401描述的那些的任何材料)或导电材料层以使pmtj材料叠置体发生横向应变。图5a是根据一些实施例，包括多个应变pmtj材料叠置体102的应变pmtj器件501的平面图。图5b是根据实施例的沿图5a中所示的b-b’线的应变pmtj器件501的截面图。

在一些实施例中，相邻横向应变诱导材料层405为导电材料。很多导电材料都可以被沉积为比大部分电介质材料具有更高压应力，从而可以在pmtj叠置体中诱导更大应变。例如，相邻横向应变诱导材料层405可以是金属。在一些示例性实施例中，金属包括ta、w或ru的至少一种。在一些实施例中，相邻横向应变诱导材料层405包括ta，处于纯元素形式或其合金(例如，tan等)形式。ta膜可以有利地溅镀沉积到非常高水平的压应力(例如，200-400mpa或更大)。在其它实施例中，相邻横向应变诱导材料层405包括w或ru，处于纯元素形式或其合金形式。

如图5a和5b中进一步所示，相邻横向应变诱导材料层405通过居间的电介质材料层510与pmtj叠置体102的材料层间隔开。电介质材料层510设置在pmtj叠置体102之上，覆盖pmtj叠置体102的一个或多个(例如，全部)材料层的外围侧壁。如图进一步所示，电介质材料层510还将电极材料107和180与相邻横向应变诱导材料层405分隔开，防止导电相邻横向应变诱导材料层使pmtj器件电短接。电介质材料层510可以具有充分高电阻率的任何组分，例如，但不限于sio、sion、sin、任何已知的低k电介质等。电介质材料层510可以具有宽范围的厚度(例如，2-20nm)并有利地小于5nm，以使导电横向应变诱导材料层405的体积最大化。在图4b中进一步所示的示例中，金属应变诱导材料405回填相邻pmtj叠置体之间的间隙，以与顶部电极180的顶表面、与设置在其间的电介质材料层510共面。

可以通过应用各种技术和处理室配置的各种方法来制造根据以上架构的pmtj材料叠置体和器件。图6是流程图，示出了根据一些实施例制造图5中所示pmtj器件501的方法601。方法601开始于在操作610接收衬底。可以接收已知适合微电子制造的任何衬底，例如，但不限于晶体硅衬底。在操作610进行接收时，衬底上可以有晶体管和/或一级或多级互连金属化。

在操作620，沉积pmtj材料叠置体。在示例性实施例中，沉积底部电极金属、固定磁性层或材料叠置体，例如富fecofeb。还可以沉积各种下方层，例如saf结构。在固定磁性层之上沉积隧穿电介质材料，例如mgo。在隧穿电介质材料之上沉积自由磁性材料层，例如富fecofeb。可以进一步在自由磁性层之上沉积电介质帽盖材料，例如mgo。然后在pmtj材料叠置体之上沉积顶部电极金属。在示例性实施例中，操作620需要在低于250℃下执行物理气相沉积(溅射沉积)。可以在现有技术中已知的任何容量中利用共溅射和反应溅射的一种或多种以形成本文所述的各种层组分。对于pvd实施例而言，以在衬底区域之上可以不连续(例如，形成不结合的岛)的非晶形式沉积材料层中的一个或多个，例如，但不限于磁性固定和自由材料层。可以为具有已知前体的那些材料执行替代沉积技术，例如原子层沉积(ald)。或者，可以进行外延工艺，例如，但不限于分子束外延(mbe)以生长pmtj材料层的一个或多个。对于这些替代的沉积技术中的一种或多种，至少磁性材料层可以被沉积为具有至少一些微结构(例如，具有晶构的多晶体)。

在一些实施例中，顶部电极金属的沉积还包括通过物理气相沉积(pvd)来沉积具有高张应力的金属。例如，在操作620在pmtj材料叠置体之上沉积ta或ti的至少一个。在一些示例性ta实施例中，利用高的ar分压进行沉积，以沉积具有至少200mpa张应力的ta膜。

方法601继续在操作630将pmtj材料叠置体图案化成pmtj器件结构的阵列。可以在操作630采用任何已知的图案化工艺以刻画pmtj器件结构的阵列。在操作640，在pmtj器件结构的阵列之上沉积电介质材料层。可以采用任何已知的低温沉积技术，例如，但不限于等离子体增强化学气相沉积(pecvd)、pvd等。在一些实施例中，直接在pmtj材料层(例如，自由磁性层和固定磁性层)的侧壁上沉积电介质材料层。

在操作650，利用横向应变诱导材料回填电介质包封的pmtj器件阵列。在一些示例性实施例中，在电介质材料层之上沉积具有高压应力的金属材料层。在一些实施例中，操作650需要以纯元素或合金形式溅射沉积ta、w或ru。可以设置溅射工艺参数，例如ar分压，以沉积具有400mpa或更大压应力的金属膜。可以在足以完全回填两个相邻pmjt材料叠置体之间间隙的持续时间内进行溅射沉积。

在操作660，将pmtj阵列平坦化，暴露pmtj器件的顶部电极，然后可以在操作670完成器件时将其互连到可寻址存储器单元阵列中。可以执行任何标准的微电子制造工艺，例如光刻、蚀刻、薄膜沉积、平坦化(例如，cmp)等，以完成采用本文所述的应变pmtj材料器件或其中的材料层子集中的任一种的sttm器件的互连。

在沉积pmtj材料叠置体的一个或多个层(例如，所有层)之后，在现有技术中已知的任何条件下进行退火，以促进自由磁性层和/或固定磁性层的固相外延，从而为多晶bcc微结构赋予(001)晶构。对于在250℃或更高温度下进行退火的示例性实施例，退火温度、持续时间和环境可以改变。在一些实施例中，在pmtj材料叠置体之上沉积横向应变诱导材料之后执行热退火。在其它实施例中，在pmtj材料叠置体之上沉积横向应变诱导材料之前执行热退火。

在实施例中，pmtj实际充当电阻器，其中，根据(多个)自由磁性层中或(多个)固定磁性层中的磁化的方向或取向，通过pmtj的电路径的电阻可以存在于两种电阻状态中，即“高”或“低”。在自旋方向在(多个)自由磁性层中向下(少数)的情况下，存在高电阻状态，并且耦合的(多个)自由磁性层和(多个)固定磁性层中的磁化方向彼此反平行。在自旋方向在耦合的自由磁性层中向上(多数)的情况下，存在低电阻状态，耦合的自由磁性层和固定磁性层中的磁化方向彼此平行。关于pmtj电阻状态的术语“低”和“高”是彼此相对而言的。换言之，高电阻状态仅仅是比低电阻状况可检测地更高电阻，反之亦然。因此，对于电阻中的可检测差异，高低电阻状态可以代表不同的信息位(即，“0”或“1”)。

耦合的自由磁性层中的磁化的方向可以通过使用自旋极化电流的被称为自旋转移矩(“stt”)的过程来进行切换。电流通常是非极化的(例如，由大约50％的上旋和大约50％的下旋电子构成)。自旋极化的电流是具有更大数量的上旋或下旋电子的电流。自旋极化电流可以通过经固定磁性层传递电流而产生。来自固定磁性层的自旋极化电流的电子通过隧穿阻挡或电介质层208隧穿，并将其自旋角动量转移到自由磁性层，其中自由磁性层将其磁化方向从反平行取向成固定磁性层的磁化方向或平行。也可以采用自旋-霍尔效应通过与自由磁性材料层接触的特定电极材料产生自旋极化的电流。对于这样的实施例而言，可以不通过固定磁性层和pmtj的其它材料层施加电流而对自由磁性层取向。在任一种实施方式中，都可以通过反转电流使自由磁性层返回其初始取向。因此，pmtj可以通过其磁化状态存储单个信息位(“0”或“1”)。通过驱动电流经过pmtj而感测pmtj中存储的信息。自由磁性层不需要功率以保持其磁化取向。这样一来，在撤除器件电力时，保持了pmtj的状态。因此，本文描述的由材料叠置体构成的自旋转移矩存储器位单元是非易失性的。

图7是根据本发明的实施例的sttm位单元701的示意图，sttm位单元701包括自旋转移矩元件710。该自旋转移矩元件710包括例如通过相邻材料层405发生横向应变的pmtj器件。元件710还包括第一金属化107和第二金属化180，其至少一个处于张变(张应力)中。第二金属化180电耦合到第一金属互连792(例如，位线)。第一金属化107通过晶体管715电连接到第二金属互连791(例如，源极线)。晶体管715进一步通过现有技术中任何常规方式连接到第三金属互连793(例如，字线)。在she实施方式中，第二金属化180可以进一步耦合到第四金属互连794(例如，相对于第一金属互连792维持在参考电势)。如固态非易失性存储器件领域的技术人员所理解的，自旋转移矩存储器位单元701还可以包括额外的读和写电路(未示出)、感测放大器(未示出)、位线基准(未示出)等。多个自旋转移矩存储器位单元710可以操作地彼此连接，以形成存储器阵列(未示出)，其中该存储器阵列可以被并入非易失性存储器器件中。

图8示出了例如根据上述本发明实施例的系统800，其中移动计算平台805和/或数据服务器机器806采用横向应变的pmtj器件。服务器机器806可以是任何商用服务器，例如，包括任意数量的高性能计算平台，它们设置在机架内并联网在一起以进行电子数据处理，在示例性实施例中，其包括封装的器件850。

移动计算平台805可以是为电子数据显示、电子数据处理、无线电子数据传输等配置的任何便携式设备。例如，移动计算平台805可以是平板计算机、智能电话、膝上型计算机等的任一种，并可以包括显示屏(例如，电容式、电感式、电阻式或光学触摸屏)、芯片级或封装级集成系统810和电池815。

无论设置在放大图820中所示的集成系统810内或作为服务器机器806内的独立封装器件，soc860都包括横向应变的pmtj器件。soc560还可以包括存储器电路和/或处理器电路840(例如，sttm、mram、微处理器、多核微处理器、图形处理器等)。控制器835、pmic830或rf(射频)集成电路(rfic)825的任一者都可以包括采用横向应变的pmtj器件的嵌入式sttm。

如图进一步所示，在示例性实施例中，rfic825具有耦合到天线(未示出)的输出，以实施若干无线标准或协议中的任何标准或协议，包括但不限于：wi-fi(ieee802.11系列)、wimax(ieee802.16系列)、ieee802.20、长期演进(lte)、ev-do、hspa+、hsdpa+、hsupa+、edge、gsm、gprs、cdma、tdma、edct、蓝牙、其衍生物，以及任何被指定为3g、4g、5g和更高版本的其它无线协议。在替代的实施方式中，这些soc模块中的每个都可以集成到耦合到封装衬底、内插器或板的独立ic上。

图9是根据本公开的至少一些实施方式布置的计算设备900的功能框图。计算设备900可以存在于例如平台905或服务器机器906内部。设备900还包括托管若干部件的母板902，部件例如，但不限于处理器904(例如，应用处理器)，其还可以结合基于根据本发明实施例包括mo基自由磁性耦合层的pmtj材料叠置体的嵌入式磁性存储器。处理器904可以物理和/或电气地耦合到母板902。在一些示例中，处理器904包括封装在处理器904之内的集成电路。通常，术语“处理器”或“微处理器”可以指处理来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据变换成可以进一步存储在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何设备或设备的部分。

在各示例中，一个或多个通信芯片906还可以物理和/或电耦合到母板902。在其它实施方式中，通信芯片906可以是处理器904的部分。根椐其应用，计算设备900可以包括可以物理以及电耦合或不耦合到母板902的其它部件。这些其它部件包括，但不限于易失性存储器(例如，dram)、非易失性存储器(例如，rom)、闪速存储器、图形处理器、数字信号处理器、密码处理器、芯片组、天线、触摸屏显示器、触摸屏控制器、电池、音频编解码器、视频编解码器、功率放大器、全球定位系统(gps)设备、罗盘、加速度计、陀螺仪、扬声器、相机和海量存储设备(例如，硬盘驱动器、固态驱动器(ssd)、光盘(cd)、数字多功能盘(dvd)等)，等等。

通信芯片906可以实现无线通信，以用于向计算设备900传输数据和从计算设备900传输数据。术语“无线”及其派生词可以用于描述可以通过使用经调制的电磁辐射来经由非固体介质传送数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等。该术语并不暗示关联的设备不包含任何线路，尽管在一些实施例中它们可以不包含。通信芯片906可以实施若干无线标准或协议的任何标准或协议，包括，但不限于本文别处所述那些。如上所述，计算设备900可以包括多个通信芯片906。例如，第一通信芯片可以专用于诸如wi-fi和蓝牙的短程无线通信，并且第二通信芯片可以专用于诸如gps、edge、gprs、cdma、wimax、lte、ev-do等的远程无线通信。

尽管已经参考各实施方式描述了本文阐述的特定特征，但本说明书并非意在以限制性意义被解释。因此，本文所述实施方式的各种修改以及被本公开所属领域技术人员而言显而易见的其它实施方式被视为落在本公开的精神和范围之内。

将认识到，本发明不限于这样描述的实施例，而是可以加以修改和改变而实践，而不脱离所附权利要求的范围。例如，以上实施例可以包括如下进一步提供的特征的特定组合。

在一个或多个第一实施例中，一种垂直磁隧道结(pmtj)器件包括设置在衬底之上的pmtj材料叠置体，该材料叠置体包括设置在固定磁性层和自由磁性层之间的隧道电介质材料层，固定磁性层和自由磁性层两者都具有垂直磁各向异性。该器件包括设置在pmtj叠置体之上的电介质材料层，该电介质材料层覆盖至少自由磁性材料层的外围侧壁，以及设置在电介质之上至少部分围绕外围侧壁的金属。

在第一实施例的进一步描述中，该金属为元素难熔金属或其合金。

在以上紧接的第一实施例的进一步描述中，该金属包括ta、w或ru的至少一种。

在第一实施例的进一步描述中，pmtj材料叠置体是pmtj材料叠置体阵列中的一个叠置体，该金属回填阵列内的相邻pmtj材料叠置体之间的间隙，完全围绕每个pmtj材料叠置体。

在以上紧接的第一实施例的进一步描述中，该金属与pmtj材料叠置体的电极顶表面共面，该电介质材料层设置在电极侧壁和金属应变诱导材料之间。

在一个或多个第二实施例中，一种设置在衬底之上的垂直磁隧道结(pmtj)器件包括设置在衬底之上的pmtj材料叠置体，该材料叠置体包括设置在固定磁性层和自由磁性层之间的隧道电介质材料层，固定磁性层和自由磁性层都具有垂直磁各向异性。该材料叠置体包括设置在pmtj材料叠置体顶表面或侧壁的至少一个之上的横向应变诱导材料层。

在第二实施例的进一步描述中，该横向应变诱导材料包括设置在pmtj材料叠置体之上的张应力顶部电极材料。

在以上紧接的第二实施例的进一步描述中，该顶部电极材料包括ta。

在以上的第二实施例的进一步描述中，该横向应变诱导材料还包括与自由磁性层、固定磁性层和隧道电介质层的侧壁相邻设置的压应力电介质或金属。

在以上紧接的第二实施例的进一步描述中，与侧壁相邻的该横向应变诱导材料与顶部电极材料的顶表面共面，顶部电极的侧壁和应变诱导材料之间设置有电介质材料层。

在一个或多个第三实施例中，一种非易失性存储器单元包括第一电极、耦合到存储器阵列的位线的第二电极、第一或第二实施例的任何实施例的pmtj器件以及晶体管，该晶体管具有电耦合到第一电极的第一端子、电耦合到存储器阵列的源极线的第二端子以及电耦合到存储器阵列的字线的第三端子。

在一个或多个第四实施例中，一种非易失性存储器单元包括第一电极、耦合到存储器阵列的位线的第二电极、设置在第一和第二电极之间的pmtj材料叠置体，该材料叠置体包括设置在固定磁性层和自由磁性层之间的隧道电介质材料层，固定磁性层和自由磁性层都具有垂直磁各向异性。该单元包括设置在pmtj材料叠置体顶表面或侧壁之上的横向应变诱导材料，以及晶体管，该晶体管具有电耦合到第一电极的第一端子、电耦合到存储器阵列的源极线的第二端子以及电耦合到存储器阵列的字线的第三端子。

在一个或多个第五实施例中，一种非易失性存储器器件包括根据第四、第三实施例的多个非易失性存储器单元。自由磁性材料和固定磁性材料层包括cofeb。该横向应变诱导材料包括设置在自由磁性层、固定磁性层和隧道电介质层的侧壁之上并通过居间的电介质材料与cofeb分隔开的金属。该存储器器件包括pmtj材料叠置体的阵列，该金属横向应变诱导材料回填阵列之内相邻pmtj材料叠置体之间的间隙，完全围绕阵列的每个pmtj材料叠置体。

在一个或多个第六实施例中，一种移动计算平台包括非易失性存储器，该非易失性存储器包括根据第四实施例的任一实施例的非易失性存储器单元；通信耦合到该非易失性存储器的处理器；耦合到处理器的电池；以及无线收发器。

在一个或多个第七实施例中，一种形成垂直磁隧道结(pmtj)器件的方法包括在衬底之上沉积pmtj材料叠置体，该pmtj材料叠置体包括设置在固定磁性层和自由磁性层之间的隧道电介质材料层，固定磁性层和自由磁性层都具有垂直磁各向异性。该方法包括将pmtj材料叠置体图案化成设置在衬底之上的离散pmtj结构的阵列，以及在该阵列之上沉积压应力材料，该压应力材料覆盖至少自由磁性层的侧壁，利用pmtj结构阵列将压应力材料平坦化以暴露多个pmtj电极，以及互连pmtj电极。

在第七实施例的进一步描述中，沉积pmtj材料叠置体还包括在pmtj材料叠置体之上沉积处于压应力下的电极金属。

在以上紧接的第七实施例的进一步描述中，在阵列之上沉积压应力材料还包括直接在自由磁性层和固定磁性层的侧壁上沉积电介质材料层，在电介质材料层之上沉积压应力金属材料层，并且将压应力材料平坦化还包括利用pmtj电极的顶表面将金属材料层平坦化。

在以上紧接的第七实施例的进一步描述中，沉积该金属还包括溅射沉积ta、w或ru的至少一种或其合金。

在以上紧接的第七实施例的进一步描述中，沉积该金属还包括溅射沉积ta或其合金。

在以上紧接的第七实施例的进一步描述中，溅射沉积回填两个相邻pmtj材料叠置体之间的间隙。

在第七实施例的进一步描述中，该方法还包括在pmtj材料叠置体之上溅射沉积张应力电极材料，以及在对pmtj材料叠置体图案化的同时对电极材料进行图案化。

然而，以上实施例不在这方面受限，并且在各实施方式中，以上实施例可以包括仅采用这样的特征的子集，采用这样的特征的不同次序，采用这样的特征的不同组合和/或采用除明确列出的那些特征之外的额外特征。因此，应当参考所附权利要求，连同这样的权利要求有权享有的等同物的完整范围来确定本发明的范围。