Badania dyfrakcyjne cienkowarstwowych struktur pod kątem zastosowań w elektronice spinowej Jarosław Kanak Katedra Elektroniki, WIEiT AGH NCN grant DEC-2012/05/E/ST7/00240
Laboratorium Badań Strukturalnych http://www.lbs.agh.edu.pl/ W dniu 25 lipca 2013r. Laboratorium uzyskało akredytację z Certyfikatem Akredytacji Laboratorium Badawczego nr AB 1445 2
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
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, 023915, [7] M. Cecot, J. Wrona, J. Kanak, S. Ziętek, W. Skowroński, A. Żywczak, M. Czapkiewicz, T. Stobiecki, IEEE Transactions on Magnetism 51 (2015) 6101504 [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) 223908, [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) 062407, [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) 775-780 [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 2019 4
Motywacja Everspin: 1Gb STT-MRAM chip - grudzień 2018 (256Mb 2016) 5
Motywacja Spin-transfer torque (STT) - RAM pj/ Writingenergy bit bit Writing energy 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 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 10-6 10-7 10-5 10-4 10-3 10-2 MTJ size 10-1 10 0 10 1 (µm 2 ) MRAM STT-RAM IBM2003 Energy required for data retention (60 k B T) 6
Magnetyczne złącze tunelowe (MTJ) MR=(RAP-RP)/RP~ 1000% Butler et al.physrev. B, 63 056614 (2001). Mathon& Umerski, Phys. Rev. B 220403 (2001). 7
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
Tunelowa Magnetorezystancja (TMR) Ikeda, Appl. Phys. Lett. 93, 082508 (2008). CoFeB MgO CoFeB Ru CoFe Próbki: J. Wrona, ngulus Timaris PVD Cluster Tool System TEM: L. Yao, S. Van Dijken, Aalto, Finland 9
Magnetyczne złącze tunelowe (MTJ) J. Kanak, et al. Vacuum 82 (2008)1057 J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a) 204 (2007) 3942 10
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
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) 3942 12
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
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) 023915 INESC MN 14
Analiza XRR - bufor Ru Intensity (counts) 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 1 2 3 4 5 ω ( ) Ta 5 fit Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion Ta 4.49 0.36 Ta-O 1.84 0.36 Roughness Interdiffusion Intensity 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 Ta 5/Ru 18 fit 1 2 3 4 5 ω ( ) Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion Ta 5.46 0.74 Ru 23.09 0.51 Intensity 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 Ta 5/Ru 18/Ta 3 fit 1 2 3 4 5 ω ( ) Layer Thickness Roughness/ Interdiffusion Ta 5.62 0.88 Ru 18.06 0.70 Ta 1.99 0.39 Ta-O 2.05 0.39 15
Symulacje profili XRD 16 z i k j 2 1 1 1,,,,,,,, ) 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
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 16 1 - - 7 0.16 EB-SV 16 1 12 0.56 6 0.12 J. Kanak, et al. J. Appl. Phys. 113, (2013) 023915 17
Nanoszenie - system przemysłowy 18
Optymalizacja struktury bufora Ru 5 nm CoFeB 2.5 nm MgO (0.65-1.1) 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 (0.65-1.1) 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
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] - 39.79 80 60 40 20 30 40 50 60 70 80 90 100 PtMn[200] - 46.27 80 60 40 20 2θ ( ) PtMn fcc (cubic) Przejście do stanu antyferromagnetycznego 30 40 50 60 70 80 90 100 PtMn fct (tetragonal) 2θ ( ) PtMn[111]h - 40.3 80 60 40 20 PtMn[002]h - 49.575 80 60 40 20 20
Pomiary XRR, AFM Log intensity (arb. units) 2137 5 Ta 2133 5 Ta/50 CuN/3 Ta/50 CuN/3 Ta 2141 5 Ta / 20 Ru / 3 Ta 1 2 3 4 5 ω ( ) interfejs Ta/CuN interfejs Ta/Ru 21
Wpływ bufora na sprzężenia M [a.u.] M [a.u.] 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 0.68 nm MgO 0.75 nm MgO 0.79 nm MgO 0.84 nm MgO 0.89 nm MgO 1.00 nm MgO -5000-4000 -3000-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 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 -5000-4000 -3000-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 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 -100 0 100 200 300 400 500 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 -100 0 100 200 300 400 500 H [Oe] H S H IEC [Oe] 2 2 π h M = 2λt 1000 100 10 F Interlayer Exchange Coupling P 2π 2t 1 exp λ F Ta/CuN/Ta/CuN/Ta Ta/Ru/Ta 2π 2t 1 exp λ 1 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 t MgO [nm] P 2π 2t exp λ S 22
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] 40 30 20 1mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr Intensity [counts] 80 60 40 1mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr CoFe 2 Ru 0.9 10 20 PtMn 16 Ta 3 39 40 41 42 43 44 45 2 θ [ ] 10 15 20 25 30 ω [ ] CuN 50 Ta 5 CuN 50 Ta 5 -O (001) FWHM [ ] Interpl. dist. [Å] 8 7 6 2.136 2.132 2.128 2.124 Low pressure (a) High pressure (b) 1 2 3.8 5.6 7.5 15 Ar pressure [mtorr] FWHM [ ] 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 1 2 3.8 5.6 7.5 15 Ar pressure [mtorr] Wygrzewanie 360 0 C, 2h pole 1T J Wrona, J Kanak, et al., Journal of Physics: Conference Series, 200, (2010) 052032 23
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 [%] 240 200 160 120 1mTorr 80 2mTorr 3.8mTorr 40 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr 0 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t MgO [nm] RA [Ω(µm) 2 ] 10 1 1mTorr 2mTorr 3.8mTorr 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr IEC field [Oe] 100 10 Low pressure 1mTorr 2mTorr 3.8mTorr High pressure 5.6mTorr 7.5mTorr 15mTorr 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t MgO [nm] 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 t MgO [nm] 24
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 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 Bottom Pt2 #487 #487 fit #487@250 #487@250 fit 10 0 Cu 10 nm 10-1 1 2 3 4 5 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
Układy Co/Pt z antyferromagnetykiem 26
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) 3950 27
Układy Co/Pt z prostopadłą anizotropią J. Kanak, et al. phys. stat. sol. (a), 204 (2007) 3950 28
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, 103913 (2011) 29
Ta/CoFeB badania strukturalne Wygrzewanie: 330 C, 20 min Bufory:, 10 nm, 15 nm Ta x nm O2 1400 /O/Ta/ θ-2θ 1200 counts 100000 10000 1000 (002) /O substrate Ta 10 nm Ta 15 nm (004) 1200 15 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.] 1000 800 100 Intensity [a.u.] 1000 800 600 600 400 10 20 40 60 80 100 120 30 35 40 45 50 2θ ( ) 2θ 400 200 30 35 40 45 50 2θ ( ) 30
Analiza pomiarów XRD θ-2θ GID (grazing incidence diffraction) (002) 1400 1200 1000 800 600 400 200 1400 1200 1000 800 600 400 200 1400 1200 1000 800 600 400 200 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) 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 2θ ( ) 1200 1000 800 600 400 200 1200 1000 800 600 400 200 1200 1000 800 600 400 200 /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) 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 2θ ( ) M. Cecot, J. Kanak, et al., Scientific Reports 7, Article number: 968 (2017) 31
Struktura warstwy Ta RMS = 0. 23 nm O2 RMS = 0. 26 nm Ta 10 nm O2 RMS = 0. 29 nm Ta 15 nm O2 32
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+02 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 a) b) c) 5 Ta simulation 10Ta simulation 15Ta simulation 1 2 3 4 5 ω ( ) as deposited Ta 10 nm Ta 15 nm annealed Ta 10 nm Ta 15 nm 0.30 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 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
Kąt Halla, MDL Warstwa magnetycznie martwa Ta/CoFeB/MgO M/A [emu/cm 2 ] x 10-4 4 3 2 1 a) 0 3 2 1 b) 0 3 2 5Ta as deposited 5Ta annealed 10Ta as deposited 10Ta annealed 15Ta as deposited 15Ta annealed 1 c) 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 CoFeB thickness [nm] DL [nm] 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Annealed As deposited 5 10 15 Ta [nm] M. Cecot, J. Kanak, et al., Scientific Reports 7, Article number: 968 (2017) 34
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
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/ST7/00240 - Struktura krystaliczna, modele oraz własności magnetoelektryczne układów wielowarstwowych nanoelektroniki spinowej 36
Dziękuję za uwagę 37