Mechanism of spin-orbit torques in platinum oxide systems
Mécanisme des couples spin-orbite dans les systèmes à l'oxyde de platine
Résumé
The advent of Big Data, Machine Learning (ML) and 5G has placed a greater emphasis on certain key metrics of memory technology such as power consumption, non-volatility, speed, size, and endurance. Magnetic Random-Access Memories (MRAM) such as Spin Transfer Torque MRAM (STT-MRAM) and Spin-Orbit Torque MRAM (SOT-MRAM) have emerged as key contenders in this market, targeted towards replacing the current Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) based Static RAMs (SRAM) and Dynamic RAMs (DRAM). SOT-MRAMs rely on spins generated by applying a charge current through a metal with a high Spin-Orbit Coupling (SOC) to switch the magnetic memory bit. These Heavy Metals (HM) being resistive, lead to Ohmic losses during the write process. A vast body of work, both academic and industrial, has been dedicated to finding ways to minimize these losses and thereby enhance the energy efficiency. Moreover, the current that is injected into the device during the write process is controlled by a CMOS switching transistor. The size of this transistor increases with the switching current. Hence, a reduction in this current can also lead to a gain in the bit density of the memory.Various approaches have been adopted to achieve this target by means of enhancing the generation of spins per unit applied current. The earliest approaches involved using transition metals with high SOC, metallic alloys and resistive structural phase of the metal. More recent works have focused on interfacial engineering via ultra-thin insertion layers and spin-sink capping materials. One of the current focus is on using oxidation as a means of enhancing the SOTs. Different groups have studied the effect of oxidation of the HM, the Ferro-Magnet (FM) as well as the capping layer consisting of lighter metals such as copper. Although majority of these works report an increase of SOTs in general, the results and conclusions are not consistent. Differing trends of SOT increase have been reported which in turn have been attributed to varied physical phenomenon. In this work, we study the SOTs generated by oxidizing the platinum layer in a Ta/Cu/Co/Pt multilayer stack.We quantify the SOTs in this system using second harmonic torque measurements and do indeed observe an increase in torques. This is verified with spin-pumping measurements, observing an increase in the damping. In order to determine the origin of this increase, we built an oxidation model of the system based on electrical, magnetic and material characterizations and ab-initio Density Functional Theory (DFT) calculations. This led us to the conclusion that unlike previous works, which exclusively explained the findings based on a completely oxidized HM model, in practice the oxygen near the FM/HM interface gets pumped into the FM layer. This not only oxidizes the FM, but it also leaves the HM metallic near the interface. This model was further supported by measurements and calculations of the symmetric and anti-symmetric exchange, which were found to have a linear relationship. Accounting for these observations, once the quantified SOTs are corrected, we see no observable increase in torques. This leads us to conclude that although on a system level there is an increase of SOTs with platinum oxidation, there is no intrinsic contribution of platinum-oxide on the enhancement of torques. This finding has broad consequences in the design of SOT-MRAM, affecting endurance, power consumption and Tunneling Magneto-Resistance (TMR).
L'avènement du Big Data, Machine Learning (ML) et 5G a l’importance de certains paramètres clé des technologies mémoire tels que la consommation d'énergie, la non-volatilité, la vitesse, la taille et l'endurance. Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) telles que les MRAM à couple de transfert de spin (STT-MRAM) et les MRAM à couple de spin orbite (SOT-MRAM) sont devenues des concurrents incontournables de ce marché, dans l’objectif de remplacer les RAM statiques (SRAM) et les RAM dynamiques (DRAM) actuelles basées sur la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). La commutation d’un bit mémoire dans les SOT-MRAMs s'appuie sur les spins générés via le couplage spin orbite (SOC) par l'application d'un courant de charge à travers un métal lourds (HM). Ces HM étant résistifs, des pertes ohmiques existent pendant le processus d'écriture. Un vaste corpus de travaux, tant universitaires qu'industriels, a été consacré à la recherche de moyens pour minimiser ces pertes et ainsi améliorer l'efficacité énergétique. De plus, le courant injecté dans la mémoire lors du processus d'écriture est contrôlé par un transistor de commutation CMOS. La taille de ce transistor augmente avec le courant de commutation. Par conséquent, une réduction de ce courant conduit également à un gain de densité de la mémoire.Diverses approches visant à améliorer la génération de spins par unité de courant appliqué ont été adoptées pour atteindre cet objectif. Les premières ont consisté à utiliser des métaux de transition présentant un SOC élevé, des alliages métalliques et/ou une phase structurelle résistive du métal. Des travaux plus récents se sont concentrés sur l'ingénierie de l’interface : insertion de couches ultrafines et utilisation de couches de capping formant des puits de spin. L'une des approches actuelles concerne l'utilisation de l'oxydation comme moyen d'augmenter les SOT. Différents groupes ont étudié l'effet de l'oxydation du HM, du Ferro-Magnétique (FM) ainsi que de la couche de capping constituée de métaux plus légers comme le cuivre. Bien que la majorité de ces travaux fass état d'une augmentation des SOT, les résultats et les conclusions ne sont pas cohérents. Des tendances divergentes d'augmentation des SOT, qui ont, à leur tour, été attribuées à des phénomènes physiques variés. Dans ce travail, nous étudions les SOTs générés par l'oxydation de la couche de platine dans une pile multicouche Ta/Cu/Co/Pt.Dans ce système, nous quantifions les SOTs en mesurant les couples par une technique de seconde harmonique. Nous observons en effet une augmentation des couples. Ceci est vérifié par des mesures de spin pumping qui montrent une augmentation de l'amortissement. Afin de déterminer l'origine de cette augmentation, nous avons construit un modèle décrivant l'oxydation du système basé sur des caractérisations électriques, magnétiques et matérielles ansi que des calculs ab-initio de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Ceci nous a conduit à la conclusion que contrairement aux travaux précédents, qui expliquaient les résultats en se basant exclusivement sur un modèle où seul le HM était oxydé, dans la pratique l'oxygène près de l'interface FM/HM est pompé dans la couche FM. Ce phénomènz ne conduit pas seulement à une oxydation FM, mais laisse aussi le HM métallique à proximité de l'interface. En outre, ce modèle a été étayé par des mesures et des calculs des échanges symétrique et anti-symétrique. En tenant compte de ces observations et une fois les SOT quantifiés corrigés, nous ne constatons aucune augmentation observable des couples. Ceci nous amène à conclure que bien qu'au niveau du système il y ait une augmentation des SOTs avec l’oxydation du platine, il n'y a pas de contribution intrinsèque de l'oxyde de platine à l'augmentation des couples. Cette découverte a de vastes conséquences sur la conception de SOT-MRAM, affectant l'endurance, la consommation d'énergie et la magnéto-résistance tunnel (TMR).
Origine : Version validée par le jury (STAR)