本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种磁隧道结及其形成方法、磁存储器。
背景技术：
磁存储器(magneticrandomaccessmemory，简称mram)的基本存储单元为磁隧道结(magnetictunneljunction,简称mtj)。磁隧道结的核心部分是由两个铁磁层夹着一个隧穿势垒层而形成的三明治结构，其中一个铁磁层磁化方向不变，被称为参考层。另一个铁磁层被称为自由层，它的磁化方向与参考层平行或反平行时，磁隧道结分别处于低阻或高阻态。两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”。
为了使磁隧道结中的数据能够保存足够长的时间，自由层需要较高的热稳定性，自由层的热稳定性可以用热稳定因子△(thermalstabilityfactor)来衡量，其中，△＝hkmsv/2kbt，hk是各向异性场，ms是饱和磁化强度，v是自由层体积，kb是玻尔兹曼常数，t是温度。通过上式可以看出，当自由层的磁各向异性较弱时，器件的热稳定性较低，当自由层的磁各向异性较强时，器件的热稳定性较高；同时，当磁各向异性不变时，热稳定性随着器件尺寸减小而降低。工业上一般要求磁隧道结的自由层的热稳定因子高于60，从而保证数据的稳定存储。
磁各向异性的来源有界面磁各向异性、体磁晶各向异性以及形状磁各向异性，有效磁各向异性常数
目前，随着集成化的发展，对于半导体器件体积提出了进一步小型化的需求，当磁隧道结尺寸较小时，热稳定性低。
技术实现要素：
针对现有技术中的问题，本发明提供一种磁隧道结及其形成方法、磁存储器，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，提供一种磁隧道结，从下到上依次包括：第一铁磁层、氧化物势垒层、第二铁磁层以及第一体磁各向异性铁磁层；
所述第二铁磁层和所述第一体磁各向异性铁磁层作为所述磁隧道结的自由层；所述第一铁磁层作为所述磁隧道结的参考层；
其中，所述第一体磁各向异性铁磁层由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
进一步地，磁隧道结还包括：第二体磁各向异性铁磁层；
所述第二体磁各向异性铁磁层设置在所述第一铁磁层的下面，由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
进一步地，所述体垂直磁各向异性的铁磁材料包括：铁铂、锰镓、锰铝、铁钯、钐钴中的一种或几种的组合。
进一步地，所述第一体磁各向异性铁磁层的厚度为1～10nm。
进一步地，磁隧道结还包括：钉扎层；
所述钉扎层设置在所述第一铁磁层的下面。
进一步地，磁隧道结还包括：缓冲层；
所述缓冲层设置在所述第一铁磁层的下面。
进一步地，磁隧道结还包括：覆盖层；
所述覆盖层设置在所述第一体磁各向异性铁磁层的上面，用于防止所述第一体磁各向异性铁磁层氧化。
进一步地，磁隧道结还包括：保护层；
所述保护层设置在所述第一体磁各向异性铁磁层的上面，用于保护所述第一体磁各向异性铁磁层。
第二方面，提供一种磁隧道结的形成方法，包括：
提供一基底；
形成一第一铁磁层于所述基底上；
形成一氧化物势垒层于所述第一铁磁层上；
形成一第二铁磁层于所述氧化物势垒层上；
形成一第一体磁各向异性铁磁层于所述第二铁磁层上；
其中，所述第一体磁各向异性铁磁层由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
第三方面，提供一种磁存储器，包括如上述的磁隧道结。
本发明提供的磁隧道结及其形成方法、磁存储器，该磁隧道结从下到上依次包括：第一铁磁层、氧化物势垒层、第二铁磁层以及第一体磁各向异性铁磁层；所述第二铁磁层和所述第一体磁各向异性铁磁层作为所述磁隧道结的自由层；所述第一铁磁层作为所述磁隧道结的参考层；其中，所述第一体磁各向异性铁磁层由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。其中，通过在第二铁磁层上设置由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成的第一体磁各向异性铁磁层，第一体磁各向异性铁磁层与第二铁磁层实现层间耦合，提高了磁隧道结的体垂直磁各向异性常数，使得磁隧道结具有强垂直磁各向异性和高热稳定性，当磁隧道结尺寸较小时，热稳定性依然能够得到保障。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中磁隧道结的结构图一；
图2为本发明实施例中磁隧道结的结构图二；
图3为本发明实施例中磁隧道结的结构图三；
图4为本发明实施例中磁隧道结的结构图四；
图5为本发明实施例中磁隧道结的结构图五；
图6为本发明实施例中磁隧道结的结构图六；
图7为本发明实施例中磁隧道结的结构图七；
图8为本发明实施例中磁隧道结的结构图八；
图9为本发明实施例中磁隧道结的结构图九；
图10为本发明实施例中磁隧道结的结构图十；
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员，了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及图式，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
磁隧道结中铁磁层的易磁化轴方向可以平行于薄膜平面方向，也可以垂直于薄膜平面方向，分别被称为面内磁各向异性(in-planemagneticanisotropy,ima)和垂直磁各向异性(perpendicularmagneticanisotropy,pma)。
本发明提供一种包含体垂直磁各向异性材料的磁隧道结，通过具有强体磁晶各向异性的材料和铁磁层之间进行层间耦合来获得强垂直磁各向异性，使得磁隧道结的垂直磁各向异性强、热稳定性高、尺寸小、隧穿磁阻率高。
图1为本发明实施例中磁隧道结的结构图一。如图1所示，该磁隧道结从下到上依次包括：铁磁层10、氧化物势垒层20、铁磁层30以及体磁各向异性铁磁层40。
铁磁层30和体磁各向异性铁磁层40作为磁隧道结的自由层；铁磁层10作为磁隧道结的参考层；
其中，体磁各向异性铁磁层40由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
具体地，体垂直磁各向异性的铁磁材料包括：铁铂(fept)、锰镓(mnga)、锰铝(mnal)、铁钯(fepd)、钐钴(smco)等材料中的一种材料或几种材料的组合。
值得说明的是，铁磁层10和铁磁层30是指铁磁材料形成的薄膜层，其材料是钴铁硼(cofeb)、铁硼(feb)、钴铁(cofe)中的一种材料或几种材料的组合，铁磁层10和铁磁层30的厚度为0.5～2nm，例如：0.7nm、0.9nm、1.1nm、1.3nm、1.5nm、1.7nm，其中，铁磁层10和铁磁层30的材料和厚度可以相同也可以不同。
氧化物势垒层20是指金属氧化物等绝缘体材料形成的薄膜层，其材料是镁氧化物、铝氧化物、镁铝氧化物、铪氧化物、钽氧化物等材料中的一种材料或几种材料的组合，优选氧化镁(mgo)、三氧化二铝(al2o3)或偏铝酸镁(mgal2o4)等；氧化物势垒层的厚度为0.2～1.5nm，例如：0.5nm、0.7nm、0.9nm、1.1nm、1.3nm。
值得说明的是，体磁各向异性铁磁层40的厚度为1～10nm，例如3nm、5nm、7nm、8nm。
磁隧道结具有读写端，该读取端位于所述体磁各向异性铁磁层40上，读电流与写电流不同，当所述读写端上加载高电流时写入数据，当所述读写端上加载低电流时读出数据。
本发明实施例提供的磁隧道结，通过在铁磁层30上设置由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成的体磁各向异性铁磁层40，体磁各向异性铁磁层40与铁磁层30实现层间耦合，提高了磁隧道结的体垂直磁各向异性常数，使得磁隧道结具有强垂直磁各向异性和高热稳定性，当磁隧道结尺寸较小时，热稳定性依然能够得到保障，能够运用于stt-mram。
在一个可选的实施例中，参见图2，该磁隧道结在图1所示结构的基础上，还可以包括：体磁各向异性铁磁层50；
体磁各向异性铁磁层50设置在铁磁层10的下面，由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
具体地，体垂直磁各向异性的铁磁材料包括：铁铂(fept)、锰镓(mnga)、锰铝(mnal)、铁钯(fepd)、钐钴(smco)等材料中的一种材料或几种材料的组合。
此时，体磁各向异性铁磁层50以及铁磁层10作为参考层，铁磁层30和体磁各向异性铁磁层40作为磁隧道结的自由层。
体磁各向异性铁磁层50的厚度为1～10nm，例如3nm、5nm、7nm、8nm，并且，体磁各向异性铁磁层50的厚度大于体磁各向异性铁磁层40的厚度，用于增强铁磁层10的磁各向异性，使铁磁层10作为参考层。
通过采用上述技术方案，能够进一步增加磁隧道结的体垂直磁各向异性常数，进一步使得磁隧道结具有强垂直磁各向异性和高热稳定性。
在一个可选的实施例中，参见图3，该磁隧道结在图1所示结构的基础上，还可以包括：钉扎层60。
钉扎层60设置在铁磁层10的下面。
具体地，钉扎层60是指铁磁层10下面的金属材料，其材料可以是co/pt多层膜、co/pd多层膜、co/ni多层膜等磁性多层膜结构，厚度为2-10nm，例如3nm、5nm、7nm、8nm。
通过采用上述技术方案，能够通过钉扎层60增强参考层的磁各向异性以及固定参考层的磁化方向，提高磁隧道结的工作可靠性。
在一个可选的实施例中，参见图4，该磁隧道结在图1所示结构的基础上，还可以包括：缓冲层70；
缓冲层70设置在铁磁层10的下面。
具体地，缓冲层70是指铁磁层10下面的一层金属或者合金材料，其材料可选自但不限于钨(w)、钽(ta)、铱(ir)、铪(hf)、铋(bi)、钼(mo)等，厚度为0.2-200nm，例如3nm、5nm、7nm、8nm、13nm、25nm、37nm、48nm、113nm、152nm、171nm、189nm。
通过采用上述技术方案，能够通过缓冲层70降低表面粗糙度、促进多层膜的生长晶向形成等。当然，也可以在图2和/或图3所示磁隧道结结构的基础上，增减缓冲层70，具体地，可在体磁各向异性铁磁层50的下面设置缓冲层70，参见图5，或者，在钉扎层60的下面增加缓冲层，参见图6。其中，缓冲层的材料、尺寸以及作用参见上述，在此不再赘述。
在一个可选的实施例中，参见图7，该磁隧道结在图1所示结构的基础上，还可以包括：基底80；其中，所述的基底可采用硅(si)、玻璃或其他化学性能稳定且表面平整的物质。
当然，本领域技术人员可以理解的是，图2至图6所示的磁隧道结结构也可以在最下方设置一个基底。
在一个可选的实施例中，参见图8，该磁隧道结在图1所示结构的基础上，还可以包括：覆盖层90；
覆盖层90设置在所述体磁各向异性铁磁层40的上面，用于防止体磁各向异性铁磁层40氧化。
具体地，覆盖层是指体磁各向异性铁磁层上面的一层金属或合金材料，其材料可选自但不限于钨(w)、钽(ta)、铱(ir)、铪(hf)、铋(bi)、钼(mo)等，厚度为0.2-200nm，例如3nm、5nm、7nm、8nm、13nm、25nm、37nm、48nm、113nm、152nm、171nm、189nm。
当然，本领域技术人员可以理解的是，在图2至图7所示的磁隧道结结构也可以在最上方设置一个覆盖层，用于防止体磁各向异性铁磁层90氧化。
在一个可选的实施例中，参见图9，该磁隧道结在图1所示结构的基础上，还可以包括：保护层100；
保护层100设置在体磁各向异性铁磁层40的上面，用于保护体磁各向异性铁磁层40。
具体地，保护层可以采用钽(ta)、钌(ru)、二氧化硅(sio2)等多种金属或者非金属材料，保护层的厚度一般为0.5-1000nm，例如3nm、55nm、87nm、118nm、213nm、325nm、437nm、548nm、613nm、752nm、871nm、989nm。
当然，本领域技术人员可以理解的是，在图2至图8所示的磁隧道结结构也可以在最上方设置一个保护层，用于保护体磁各向异性铁磁层40。
图10为本发明实施例中磁隧道结的结构图十。如图10所示，该磁隧道结从下到上依次包括：基底80、缓冲层70、铁磁层10、氧化物势垒层20、铁磁层30、体磁各向异性铁磁层40以及保护层100；
铁磁层30和所述体磁各向异性铁磁层40作为所述磁隧道结的自由层；铁磁层10作为所述磁隧道结的参考层。
本发明实施例提供的磁隧道结，通过在铁磁层30上设置由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成的体磁各向异性铁磁层40，体磁各向异性铁磁层40与铁磁层30实现层间耦合，提高了磁隧道结的体垂直磁各向异性常数，使得磁隧道结具有强垂直磁各向异性和高热稳定性，当磁隧道结尺寸较小时，热稳定性依然能够得到保障，能够运用于stt-mram。
值得说明的是，上述的各磁隧道结采用传统的磁控溅射、分子束外延或原子层沉积等方法将各层材料按照从下到上的顺序生长在基底或者其他多层膜上，然后进行光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备的，每一薄膜层的横截面积基本相等。
例如，可采用磁控溅射方式按照从下到上的顺序将缓冲层、铁磁层一、氧化物势垒层、铁磁层二、体磁各向异性铁磁层和保护层沉积在热氧化的硅基底上，最后进行光刻、刻蚀等加工。缓冲层的材料是w，厚度为2nm；铁磁层一的材料是co20fe60b20，厚度为2nm；氧化物势垒层的材料是mgo，厚度为1nm；铁磁层二的材料是co20fe60b20，厚度为1nm；；体磁各向异性铁磁层的材料是fept,厚度为5nm；保护层的材料为ta,厚度为2nm。因为体磁各向异性铁磁层fept的体垂直磁各向异性常数较大，通过和铁磁层二进行层间耦合，从而使该结构具有很强的垂直磁各向异性和热稳定性。此外，在一定范围内缩小该结构的横截面积后，该结构仍然能够保持较高的热稳定性，因此能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。因为缓冲层采用了具有较高自旋霍尔角的重金属材料w，因此该结构具有较高的电荷流-自旋流转化效率，临界翻转电流较小，功耗较低。
fept的常用晶体结构和元素配比是l10-fept、l12-fe3pt、l12-fept3等，这里的数字代表元素配比，l1x表示晶体结构，但不局限于这里所述的晶体结构和元素配比。
mnga的常用晶体结构是l10-mnga、d022-mnga，这里的l10和g022表示晶体结构，常用元素配比是mn3ga、mn2.5ga等，数字代表元素配比，但不局限于这里所述的晶体结构和元素配比。
mnal的常用晶体结构是l10-mnal，这里的l10表示晶体结构，常用元素配比是mnal、mn1.1al等，数字代表元素配比，但不局限于这里所述的晶体结构和元素配比。
fepd的常用晶体结构是l10-fepd，这里的l10表示晶体结构，常用元素配比为fepd、fe47.5pd52.5,数字代表元素配比，但不局限于这里所述的晶体结构和元素配比。
smco的常用元素配比为sm2co17和smco5,这里的数字代表元素配比，但不局限于这里的元素配比。
cofeb的常用元素配比是co20fe60b20、co40fe40b20或co60fe20b20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
feb的常用元素配比是fe80b20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
cofe的常用元素配比是co50fe50、co20fe80、co80fe20等，这里的数字代表元素的百分比，但不局限于这里所述的元素配比。
综上所述，本发明实施例提供的磁隧道结，垂直磁各向异性强、热稳定性高、临界翻转电流小、尺寸小。
其中，因为体磁各向异性铁磁层为体垂直磁各向异性材料，具有较大的体垂直磁各向异性常数，所以有效磁各向异性常数公式
同时，因为体磁各向异性铁磁层40/铁磁层30可以产生强垂直磁各向异性，所以在一定范围内增大铁磁层的厚度后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而可以减小磁阻尼系数，进而有利于降低临界翻转电流；
同时，因为体磁各向异性铁磁层40/铁磁层30可以产生强垂直磁各向异性，所以在一定范围内缩小该磁隧道结的横截面积后，该结构仍然能保持较高的热稳定性，从而能够减小器件尺寸、增大磁存储密度。
本发明实施例还提供一种磁隧道结的形成方法，还方法包括：
步骤1：提供一基底；
步骤2：形成一第一铁磁层于所述基底上；
步骤3：形成一氧化物势垒层于所述第一铁磁层上；
步骤4：形成一第二铁磁层于所述氧化物势垒层上；
步骤5：形成一第一体磁各向异性铁磁层于所述第二铁磁层上；
其中，所述第一体磁各向异性铁磁层由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
本发明实施例还提供一种磁存储器，包括如上所述的磁隧道结以及与所述磁隧道结对应的开关管；
磁隧道结具有读写端，该读取端位于所述体磁各向异性铁磁层上，读电流与写电流不同，当所述读写端上加载高电流时写入数据，当所述读写端上加载低电流时读出数据。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
1.一种磁隧道结，其特征在于，从下到上依次包括：第一铁磁层、氧化物势垒层、第二铁磁层以及第一体磁各向异性铁磁层；
所述第二铁磁层和所述第一体磁各向异性铁磁层作为所述磁隧道结的自由层；所述第一铁磁层作为所述磁隧道结的参考层；
其中，所述第一体磁各向异性铁磁层由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
2.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，还包括：第二体磁各向异性铁磁层；
所述第二体磁各向异性铁磁层设置在所述第一铁磁层的下面，由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的磁隧道结，其特征在于，所述体垂直磁各向异性的铁磁材料包括：铁铂、锰镓、锰铝、铁钯、钐钴中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，所述第一体磁各向异性铁磁层的厚度为1～10nm。
5.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，还包括：钉扎层；
所述钉扎层设置在所述第一铁磁层的下面。
6.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，还包括：缓冲层；
所述缓冲层设置在所述第一铁磁层的下面。
7.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，还包括：覆盖层；
所述覆盖层设置在所述第一体磁各向异性铁磁层的上面，用于防止所述第一体磁各向异性铁磁层氧化。
8.根据权利要求1所述的磁隧道结，其特征在于，还包括：保护层；
所述保护层设置在所述第一体磁各向异性铁磁层的上面，用于保护所述第一体磁各向异性铁磁层。
9.一种磁隧道结的形成方法，其特征在于，包括：
提供一基底；
形成一第一铁磁层于所述基底上；
形成一氧化物势垒层于所述第一铁磁层上；
形成一第二铁磁层于所述氧化物势垒层上；
形成一第一体磁各向异性铁磁层于所述第二铁磁层上；
其中，所述第一体磁各向异性铁磁层由体垂直磁各向异性的铁磁材料形成。
10.一种磁存储器，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的磁隧道结。
技术总结