Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod kątem zastosowań w elektronice spinowej

Transkrypt

1 Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod kątem zastosowań w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra Elektroniki, WIEiT AGH NCN grant DEC-2012/05/E/ST7/00240

2 Laboratorium Badań Strukturalnych W dniu 25 lipca 2013r. Laboratorium uzyskało akredytację z Certyfikatem Akredytacji Laboratorium Badawczego nr AB

3 Plan prezentacji Motywacja Magnetyczne złącza tunelowe (MTJ) Układy Co/Pt z prostopadłą anizotropią magnetyczną Hybrydowe układy metal spinowo-orbitalny/ferromagnetyk do badań spinowego efektu Halla (Ta/CoFeB/MgO/Ta) 3

4 Spis publikacji [1] J. Kanak, M. Czapkiewicz, T. Stobiecki, M. Kachel, I. Sveklo, A. Maziewski, and S. van Dijken, phys. stat. sol. (a), 204 (2007) 3950 [2] J. Kanak, T. Stobiecki, V. Drewello, J. Schmalhorst, and G. Reiss, phys. stat. sol. (a), 204 (2007) 3942 [3] J. Kanak, T. Stobiecki, A. Thomas, J. Schmalhorst, G. Reiss, Vacuum, 82 (2008) 1057 [4] J. Kanak, T. Stobiecki, S. van Dijken, IEEE Trans. Magn., 44 (2008) 238 [5] J. Cao, J. Kanak, T. Stobiecki, P. Wisniowski, and P.P. Freitas, Effect of Buffer Layer Texture on the Crystallization of CoFeB and on the Tunnel Magnetoresistance in MgO Based Magnetic Tunnel Junctions, IEEE Trans Magn., 45 (2009) 3464, [6] J. Kanak, P. Wiśniowski, T. Stobiecki, A. Zaleski, W. Powroźnik, S. Cardoso, P. Freitas, J. Appl. Phys. ( 2013) vol. 113, , [7] M. Cecot, J. Wrona, J. Kanak, S. Ziętek, W. Skowroński, A. Żywczak, M. Czapkiewicz, T. Stobiecki, IEEE Transactions on Magnetism 51 (2015) [8] M. Frankowski, A. Żywczak, M. Czapkiewicz, S. Ziętek, J. Kanak, M. Banasik, W. Powroźnik, W. Skowroński, J. Chęciński, J. Wrona, H. Głowiński, J. Dubowik, J.-Ph. Ansermet, T. Stobiecki, J. Appl. Phys. 117, (2015) , [9] W. Skowroński, M. Cecot, J. Kanak, S. Ziętek, T. Stobiecki, L. Yao, S. van Dijken, T. Nozaki, K. Yakushiji, S. Yuasa, Appl. Phys. Lett. 109 (2016) , [10] M. Cecot, Ł. Karwacki, W. Skowroński, J. Kanak, J. Wrona, A. Żywczak, L. Yao, S. Dijken, J. Barnaś, T. Stobiecki, Scientific Reports 7, Article number: 968 (2017) [11] P. Nawrocki, J. Kanak, M. Wójcik, T. Stobiecki,Co-59 NMR analysis of CoFeB-MgO based magnetic tunnel junction, Journal of Alloys and Compounds. 741 (2018) [12] W. Skowroński, Ł. Karwacki, S. Ziętek, J. Kanak, S. Łazarski, K. Grochot, T. Stobiecki, P. Kuświk, F. Stobiecki, and J. Barnaś, Physical Review Applied, Accepted 15 January

5 Motywacja Everspin: 1Gb STT-MRAM chip - grudzień 2018 (256Mb 2016) 5

6 Motywacja Spin-transfer torque (STT) - RAM pj/ Writingenergy bit bit Writing energy MRAM (Øersted field) after T. Nozaki AIST TSMC&Qualcomm 2009 Everspin2010 Hitachi&Tohoku 2010 Samsung 2011 Everspin2010 Toshiba2008 MagIC-IBM 2008 Everspin 2010 Avalanche 2010 SONY 2005 Toshiba 2012 MagIC-IBM 2010 Grandis 2010 STT+voltage effect Voltage effect Φ10nm Φ30nm Φ100nm MTJ size (µm 2 ) MRAM STT-RAM IBM2003 Energy required for data retention (60 k B T) 6

7 Magnetyczne złącze tunelowe (MTJ) MR=(RAP-RP)/RP~ 1000% Butler et al.physrev. B, (2001). Mathon& Umerski, Phys. Rev. B (2001). 7

8 Zawór spinowy MTJ Przełączanie zewnętrznym polem warstwa swobodna izolator warstwa zamocowana antyferromagnetyk M 2 M 1 R AP P Przełączanie prądem warstwy buforowe podłoże W. Skowroński 8

9 Tunelowa Magnetorezystancja (TMR) Ikeda, Appl. Phys. Lett. 93, (2008). CoFeB MgO CoFeB Ru CoFe Próbki: J. Wrona, ngulus Timaris PVD Cluster Tool System TEM: L. Yao, S. Van Dijken, Aalto, Finland 9

10 Magnetyczne złącze tunelowe (MTJ) J. Kanak, et al. Vacuum 82 (2008)1057 J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a) 204 (2007)

11 Nanoszenie i strukturyzacja Leybold CLAB600 sputter deposition 6 sources, 4", DC or RF mode high vacuum automatic sample handling plasma oxidation chamber University Bielefeld - Thin Films and Physics of Nanostructures 11

12 Układy MTJ z barierą MgO A Cu 25 O (100) Au 25 Ta 3 Cu 30 Ta 5 CoFeB MgO CoFeB IrMn 12 B Cu 25 Ta 5 O (100) J. Kanak, et al. Vacuum 82 (2008)1057 J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a) 204 (2007)

13 A Układy MTJ z barierą Al-O i MgO Cu 25 O (100) B NiFe AlO CoFe Cu 25 Ta 5 O (100) NiFe AlO CoFe CoFeB MgO CoFeB CoFeB MgO CoFeB 13

14 Układy PSV i EB-SV na buforze Ru Ta 5 Ru 5 CoFeB t (a) (b) (c) Ta 5 Substrate Bufor Ru Ru 18 Ta 5 Substrate Ta 3 Ru 18 Ta 5 Substrate MgO t CoFeB t Ru 0.9 CoFe 2 PtMn 20, 16 Ta 3 Ru 18 Ta 5 Substrate glass EB-SV elektrody warstwy buforowe Ta 5 Ru 5 CoFeB t MgO t CoFeB t Ta 3 Ru 18 Ta 5 Substrate glass P-SV RMS 0.07 nm RMS 0.21 nm RMS 0.13 nm J. Kanak, et al. J. Appl. Phys. 113, (2013) INESC MN 14

15 Analiza XRR - bufor Ru Intensity (counts) ω ( ) Ta 5 fit Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion Ta Ta-O Roughness Interdiffusion Intensity Ta 5/Ru 18 fit ω ( ) Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion Ta Ru Intensity Ta 5/Ru 18/Ta 3 fit ω ( ) Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion Ta Ru Ta Ta-O

16 Symulacje profili XRD 16 z i k j ,,,,,,,, ) sin 4 exp( ) ( ) ( ) ( ) ( = = = = I i K k J j k j i k j i k j i k j i i k z i t f G L CP I λ θ π σ θ θ θ θ

17 Symulacje profili XRD Ru 18 nm PtMn 20 nm CoFeB 15 nm Sample D [nm] texture coeff. D [nm] texture coeff. D [nm] texture coeff. PSV EB-SV J. Kanak, et al. J. Appl. Phys. 113, (2013)

18 Nanoszenie - system przemysłowy 18

19 Optymalizacja struktury bufora Ru 5 nm CoFeB 2.5 nm MgO ( ) nm CoFeB 2.5 nm Ru 0.9 nm Co 70 Fe 30 2 nm PtMn 16 nm Ta 3 nm CuN 50 nm CuN 50 nm O2 warstwa przykrywająca warstwy aktywne warstwy buforowe podłoże Ru 5 nm CoFeB 2.5 nm MgO ( ) nm CoFeB 2.5 nm Ru 0.9 nm Co 70 Fe 30 2 nm PtMn 16 nm Ta 3 nm Ru 20 nm O2 Potrzeba zastosowania bufora o odpowiedniej grubości - dolna elektroda 19

20 Optymalizacja struktury bufora Próbki niewygrzane Próbki wygrzane: 350 C, 2 godziny bufor/ptmn/cofe/ru/cofeb/mgo/cofeb/ru bufor/ptmn/cofe/ru/cofeb/mgo/cofeb/ru Log intensity (arb. units) PtMn(111) - Ru(0002) CuN(111) - Ta(110) - CuN(200) bufor: Ta/CuN/Ta/CuN/Ta Ta/Ru/Ta - Ta(220) - PtMn(222) - Ru(0004) - CuN(222) Log intensity (arb. units) - PtMn(110) PtMn(111) - Ru(0002) Cu(111) - Ta(110) - Cu(200) bufor: Ta/CuN/Ta/CuN/Ta Ta/Ru/Ta PtMn(311) - Ta(220) - PtMn(222) - Ru(0004) - Cu(222) PtMn[111] PtMn[200] θ ( ) PtMn fcc (cubic) Przejście do stanu antyferromagnetycznego PtMn fct (tetragonal) 2θ ( ) PtMn[111]h PtMn[002]h

21 Pomiary XRR, AFM Log intensity (arb. units) Ta Ta/50 CuN/3 Ta/50 CuN/3 Ta Ta / 20 Ru / 3 Ta ω ( ) interfejs Ta/CuN interfejs Ta/Ru 21

22 Wpływ bufora na sprzężenia M [a.u.] M [a.u.] nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO H [Oe] 0.68 nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO H [Oe] M [a.u.] M [emu] 0.68 nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO H IEC H [Oe] 0.68 nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO H [Oe] H S H IEC [Oe] 2 2 π h M = 2λt F Interlayer Exchange Coupling P 2π 2t 1 exp λ F Ta/CuN/Ta/CuN/Ta Ta/Ru/Ta 2π 2t 1 exp λ t MgO [nm] P 2π 2t exp λ S 22

23 Optymalizacja bariery MgO XRD θ-2θ XRD rocking curve 50 Ru 7 CuN 30 Ta 10 CoFeB 2.3 MgO 5 CoFeB 2.3 Intensity [counts] mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr Intensity [counts] mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr CoFe 2 Ru PtMn 16 Ta θ [ ] ω [ ] CuN 50 Ta 5 CuN 50 Ta 5 -O (001) FWHM [ ] Interpl. dist. [Å] Low pressure (a) High pressure (b) Ar pressure [mtorr] FWHM [ ] Ar pressure [mtorr] Wygrzewanie C, 2h pole 1T J Wrona, J Kanak, et al., Journal of Physics: Conference Series, 200, (2010)

24 Optymalizacja bariery MgO klin MgO 0.7 nm 1 nm Ru 7 CuN 30 Ta 10 CoFeB 2.3 MgO klin CoFeB 2.3 CoFe 2 Ru 0.9 PtMn 16 Ta 3 CuN 50 Ta 5 CuN 50 Ta 5 -O (001) Bufor CuN TMR [%] mTorr 80 2mTorr 3.8mTorr mTorr 7.5mTorr 15mTorr t MgO [nm] RA [Ω(µm) 2 ] mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr IEC field [Oe] Low pressure 1mTorr 2mTorr 3.8mTorr High pressure 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr t MgO [nm] t MgO [nm] 24

25 Układy Co/Pt z antyferromagnetykiem Co 0.5, 0.7 nm bottom AF Pt 2 nm Co Pt 2 nm Co Pt 2 nm Co IrMn 10 nm AF Pt 2 nm IrMn 10 nm Co Pt 2 nm Co Pt 2 nm Co Pt 2 nm top Intensity Bottom Pt2 #487 #487 fit #487@250 #487@250 fit 10 0 Cu 10 nm ω [ O ] Ta 5nm Cu 10 nm O Cu 10 nm O Cu 10 nm O Cu 10 nm Ta 5nm O Pt 10 nm O Pt 2 nm O Pt 2 nm O A B C D E F G Pt 2 nm Co 0.5 nm Pt 2 nm Co 0.5 nm Pt 2 nm Co 0.5 nm IrMn 10 nm 100nm 100nm 100nm RMS = 0.55 nm J. Kanak, et al. IEEE Trans. Magn., 44 (2008) 238 RMS = 0.81 nm RMS = 0.22 nm 25

26 Układy Co/Pt z antyferromagnetykiem 26

27 Supersieć Co/Pt Cu 10 nm O Cu 10 nm O Pt 2 nm Co Pt 2 nm Co Pt 2 nm Co Pt 2 nm Co Pt 2 nm Co Pt 2 nm Cu 10 nm O Cu 10 nm Ta 5nm Cu 10 nm Ta 5nm O A B C D J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a), 204 (2007)

28 Układy Co/Pt z prostopadłą anizotropią J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a), 204 (2007)

29 Spinowy efekt Halla Spinowo spolaryzowany prąd w metalach ciężkich - oddziaływanie spin-orbita Materiał ferromagnetyczny Fe, Co, CoFeB Materiały: ciężki metal - Ta, W, Pt, Spinowy kąt Halla θ SH stosunek prądu spinowego do prądu ładunkowego: K. Ando, et al., J. Appl. Phys. 109, (2011) 29

30 Ta/CoFeB badania strukturalne Wygrzewanie: 330 C, 20 min Bufory:, 10 nm, 15 nm Ta x nm O /O/Ta/ θ-2θ 1200 counts (002) /O substrate Ta 10 nm Ta 15 nm (004) nm Ta (006) 1400 /O/Ta/CFB/MgO/Ta θ-2θ Ta x nm O2 /O substrate Ta 10 nm Ta 15 nm Intensity [a.u.] Intensity [a.u.] θ ( ) 2θ θ ( ) 30

31 Analiza pomiarów XRD θ-2θ GID (grazing incidence diffraction) (002) θ-2θ /O/Ta/CFB/MgO/Ta Ta 10 nm Ta 15 nm Intensity [a.u.] Intensity [a.u.] Intensity [a.u.] (002) (002) Ta (002) Ta (002) Ta (410) Ta (410) Ta (330) Ta (330) Ta (202) Ta (202) Ta (212) Ta (212) Ta (411) Ta (411) Ta (331) Ta (331) MgO (002) MgO (002) MgO (002) Ta (312) Ta (312) θ ( ) /O/Ta x/cfb/mgo/ta GID@ω = 1 Ta 10 nm Ta 15 nm Intensity [a.u.] Intensity [a.u.] Intensity [a.u.] Ta (002) Ta (002) Ta (410) Ta (410) Ta (330) Ta (330) Ta (202) Ta (202) Ta (212) Ta (212) Ta (411) Ta (411) Ta (331) Ta (331) Ta (312) Ta (312) θ ( ) M. Cecot, J. Kanak, et al., Scientific Reports 7, Article number: 968 (2017) 31

32 Struktura warstwy Ta RMS = nm O2 RMS = nm Ta 10 nm O2 RMS = nm Ta 15 nm O2 32

33 Badanie interfejsu Ta/CoFeB Counts [a.u.] Roughness RMS [nm] 1E+08 1E+06 1E+04 1E+02 1E+08 1E+06 1E+04 1E+02 1E+08 1E+06 1E+04 1E a) b) c) 5 Ta simulation 10Ta simulation 15Ta simulation ω ( ) as deposited Ta 10 nm Ta 15 nm annealed Ta 10 nm Ta 15 nm CFB thickness [nm] RMS = 0.22 nm MgO 5 nm CoFeB 1 nm RMS = 0.57 nm O2 RMS = 0.23 nm MgO 5 nm CoFeB 1 nm Ta 10 nm RMS = 0.53 nm O2 RMS = 0.23 nm MgO 5 nm CoFeB 1 nm Ta 15 nm RMS = 0.51 nm O2 33

34 Kąt Halla, MDL Warstwa magnetycznie martwa Ta/CoFeB/MgO M/A [emu/cm 2 ] x a) b) Ta as deposited 5Ta annealed 10Ta as deposited 10Ta annealed 15Ta as deposited 15Ta annealed 1 c) CoFeB thickness [nm] DL [nm] Annealed As deposited Ta [nm] M. Cecot, J. Kanak, et al., Scientific Reports 7, Article number: 968 (2017) 34

35 Podsumowanie W pracy przebadano szeroką gamę materiałów stosowanych w elektronice spinowej Wykazano, że dobór materiałów, sposób nanoszenia oraz struktura warstwowa ma ogromny wpływ na własności mikrostrukturalne Pokazano wpływ struktury na międzywarstwowe sprzężenia magnetyczne i charakterystyki przełączania 35

36 Podziękowania Katedra Elektroniki, AGH: Monika Cecot Witold Skowroński Sławomir Ziętek Tomasz Stobiecki Maciej Czapkiewicz Wiesłw Powroźnik Piotr Wiśniowski Marek Frankowski Stanisław Łazarski Krzysztof Grochot Antoni Żywczak ACMiN, AGH Jerzy Wrona ngulus Technologies, Niemcy S. van Dijken, L. Yao - Nanomagnetism and spintronics, Uniwersytet Aalto, Finlandia NCN grant DEC-2012/05/E/ST7/ Struktura krystaliczna, modele oraz własności magnetoelektryczne układów wielowarstwowych nanoelektroniki spinowej 36

37 Dziękuję za uwagę 37