Письма в ЖЭТФ, том 111, вып. 12, с. 815 - 818

Магнитоэлектрический эффект в туннельных магниторезистивных

контактах CoFeB/MgO/CoFeB

И.Ю.Пашенькин⁺¹⁾, М.В.Сапожников^+∗, Н.С.Гусев⁺, В.В.Рогов⁺, Д.А.Татарский^+∗, А.А.Фраерман⁺,

М. Н. Волочаев^×

⁺Институт физики микроструктур РАН, 603950 Н. Новгород, Россия

^∗Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, 603950 Н. Новгород, Россия

^×Институт физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения РАН, 660036 Красноярск, Россия

Поступила в редакцию 27 апреля 2020 г.

После переработки 1 мая 2020 г.

Принята к публикации 1 мая 2020 г.

Исследована возможность электрического управления межслоевым обменным взаимодействием

в туннельных контактах CoFeB/MgO/CoFeB, демонстрирующих магнетосопротивление величиной

∼ 200 %. Показано, что увеличение приложенного напряжения с 50 мВ до 1.25 В приводит к сдвигу

кривой намагничивания свободного слоя на 10 Э при плотности протекающего тока ∼ 10³ А/см². Об-

наруженный эффект может быть использован при разработке энергоэффективной магниторезистивной

памяти с произвольным доступом.

DOI: 10.31857/S1234567820120058

Одной из наиболее актуальных практически

ремагничивание за счет зависимости магнитной

значимых задач спиновой электроники является

анизотропии от приложенного напряжения

[5, 6]

управление магнитным состоянием наносистем элек-

не требует протекания больших токов, однако

трическим полем (магнито-электрический эффект),

в связи с квадратичностью эффекта по намаг-

т. е. без протекания токов больших плотностей.

ниченности детерминированное переключение

Использование магнитоэлектрического эффекта

возможно только в динамическом режиме, что

позволит обеспечить высокую плотность записи и

накладывает жесткие требования на длительность

энергоэффективность магниторезистивной памя-

и форму импульсов напряжения. Эффект управ-

ти с произвольным доступом (MRAM). Элемент

ляемой анизотропии также используют в качестве

MRAM представляет собой туннельный магнито-

ассистирующего при перемагничивании спин-

резистивный (TMR) контакт, логическое состояние

поляризованным током [7], однако, ввиду четности

(сопротивление) которого определяется взаимной

эффекта по напряжению, барьер переключения сни-

ориентацией намагниченности свободного (маг-

жается только в одном из направлений (например,

нитомягкого) и закрепленного (магнитожесткого)

из “0” в “1”).

слоев. Запись информации в ячейку предполагает

Зависимость межслоевого обменного взаимодей-

перемагничивание ее свободного слоя, что является

ствия от электрического напряжения [8], приложен-

нетривиальной задачей. В первых коммерчески

ного к TMR-контакту, позволит осуществлять детер-

доступных MRAM переключение осуществлялось

минированное переключение при сравнительно низ-

магнитными полями токовых шин записи

[1, 2].

кой плотности тока, протекающего через систему.

При переходе к нанометровым масштабам дан-

Данный эффект обусловлен изменением формы по-

ный подход оказывается крайне неэффективным

тенциального барьера под действием электрическо-

ввиду высокого тепловыделения и невозможности

го поля и, как следствие, изменением его туннель-

локализации магнитных полей. В настоящее вре-

ной прозрачности, определяющей величину обмен-

мя процесс записи основывается на пропускании

ной константы. В рамках данной работы были прове-

через систему спин поляризованных токов гигант-

дены исследования возможности управления межс-

ских плотностей

(∼ 10⁶ А/см²)

[3, 4], неизбежно

лоевым обменным взаимодействием за счет приложе-

проводящих к значительным энергопотерям. Пе-

ния электрического напряжения к TMR-контактам

CoFeB/MgO/CoFeB. Эта система демонстрирует эф-

¹⁾e-mail: pashenkin@ipmras.ru

фект гигантского туннельного магнетосопротивле-

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 11 - 12

2020

815

816

И.Ю.Пашенькин, М.В.Сапожников, Н.С.Гусев и др.

ния [9] и является наиболее перспективной для со-

с 10-20 до 100-200 % для разных образцов (рис.2),

здания MRAM.

что соответствует мировому уровню в области маг-

Основой для изготовления TMR-элементов

послужили многослойные наноструктуры Ta(20)/

Pt(10)/Ta(20)/CoFeB(3-5)/MgO(1.3-1.5)/CoFeB(5)/

IrMn(10)/Ta(3)/Pt(10) (толщины указаны в нм),

выращенные на подложках Si/SiO₂ методом вы-

соковакуумного магнетронного распыления при

комнатной температуре. Остаточное давление в

ростовой камере не превышало 3 · 10^-7 Торр, рабочее

давление аргона в процессе напыления составляло

1.5-2·10^-3 Торр. Барьерный слой MgO формировал-

ся радиочастотным распылением диэлектрической

мишени MgO стехиометрического состава. С при-

менением последовательных операций оптической

литографии и ионного травления из полученных

структур изготавливались многослойные частицы

прямоугольной формы размерами 1.5 × 4 мкм. После

этого TMR-контакты соединялись последовательно

в цепочки из 50 элементов мостиками из золота

для предупреждения статического пробоя и фор-

мировались контактные площадки для включения

в измерительную схему. На рисунке 1 представлено

изображение участка цепочки TMR-элементов, по-

лученное в растровом электронном микроскопе, до

этапа напыления верхнего контакта, а также схема-

тическое изображение TMR-контакта, встроенного

в электродную систему.

Рис. 2. Кривые магнетосопротивления цепочки TMR-

контактов CoFeB/MgO/CoFeB до (а) и после (b) тер-

мического отжига

ниторезистивных структур [10]. Уменьшение однона-

правленной анизотропии в закрепленном слое ото-

жженных структур, вероятно, обусловлено диффу-

зией атомов Mn из антиферромагнитного слоя IrMn

и нарушением качества границы CoFeB/IrMn.

Увеличение магнетосопротивления при отжиге

связано с рекристаллизацией аморфных слоев CoFeB

от интерфейса с текстурированным барьером MgO

[001], который, в свою очередь, навязывает ферро-

Рис. 1. (Цветной онлайн) Изображение участка цепоч-

ки TMR-контактов, полученное в растровом электрон-

магнитным слоям кристаллографическую ориента-

ном микроскопе (слева) и схематическое изображение

цию [001]. Сам слой MgO изначально приобретает

сечения (перпендикулярного цепочке) TMR-контакта

кристаллическую структуру, ориентированную в на-

(справа)

правлении [001], при напылении на слой аморфно-

го CoFeB. Наличие кристаллической текстуры сло-

Завершающим этапом изготовления был терми-

ев MgO [001] и CoFeB [001] является обязатель-

ческий отжиг готовых чипов в вакууме при темпера-

ным условием для наблюдения гигантского TMR-

туре 330^◦С в течение 2 ч, в результате которого на-

эффекта в данной системе в связи с особенностями

блюдалось существенное увеличение TMR-эффекта

зонной структуры данных материалов [11].

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 11 - 12

2020

Магнитоэлектрический эффект в туннельных магниторезистивных контактах CoFeB/MgO/CoFeB

817

Разрешение электронно-микроскопического изоб-

С целью выяснения возможности электрического

ражения поперечного среза TMR-структур (рис. 3),

управления межслоевым обменным взаимодействи-

не позволяет определить конкретную кристалличе-

ем были проведены магнитотранспортные измере-

ния при различных напряжениях, приложенных к

цепочкам и отдельным TMR-контактам (рис. 4). В

Рис. 3. (Цветной онлайн) Изображения поперечного

Рис. 4. (Цветной онлайн) Кривые магнетосопротивле-

среза TMR-структуры CoFeB/MgO/CoFeB до (a) и по-

ния: (а), (b) - цепочки TMR-контактов; (c), (d) - пары

сле (b) термического отжига, полученные в просвечи-

TMR-контактов при различных приложенных напря-

вающем электронном микроскопе

жениях

скую структуру и ориентацию слоев CoFeB и MgO,

результате было обнаружено, что увеличение напря-

однако достаточно, чтобы различить поликристалли-

жения приводит к существенному падению величи-

ческие и аморфные материалы. Из рисунка 3 мож-

ны TMR-эффекта (рис. 4a, c), характерному для ис-

но видеть, что после термического отжига в сло-

следуемой системы и уже наблюдавшемуся ранее

ях CoFeB появился неоднородный поликристалличе-

[12]. Более важным является тот факт, что увели-

ский контраст (рис. 3b), изначально отсутствующий

чение приложенного напряжения с 50 мВ до 1.25 В

в аморфных слоях CoFeB (рис.3а).

(что соответствует электрическому полю ≈ 10⁹ В/м)

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 11 - 12

2020

818

И.Ю.Пашенькин, М.В.Сапожников, Н.С.Гусев и др.

на один контакт сопровождается сдвигом кривой на-

Авторы благодарят О. Г. Удалова за полезные об-

магничивания свободного слоя на величину до 10 Э

суждения.

(рис. 4b, d), что свидетельствует об изменении вели-

Работа выполнена при поддержке Российского

чины обменного взаимодействия между магнитными

научного фонда (грант # 16-12-10340П).

слоями. При этом ток, протекающий через контакт,

имеет плотность порядка 10³ А/см² (при напряже-

нии 1.25 В на 1 контакт), что на 2-3 порядка ниже то-

T. W. Andre, J. J. Nahas, C. K. Subramanian,

ков, необходимых для переключения ячейки MRAM

B. J. Garni, H. S. Lin, A. Omair, and W. L. Martino,

за счет spin-transfer torque - эффекта (STT-MRAM).

IEEE Journal of Solid-State Circuits 40, 301 (2005).

Следует отметить, что при уменьшении напряжения

B. N. Engel, J. Akerman, B. Butcher, R. W. Dave,

величина TMR-эффекта, форма и положение кри-

M. DeHerrera, M. Durlam, G. Grynkewich, J. Janesky,

вых магнетосопротивления полностью восстанавли-

S. V. Pietambaram, N. D. Rizzo, J. M. Slaughter,

ваются.

K. Smith, J. J. Sun, and S. Tehrani, IEEE Trans. Magn.

Для эффективного переключения состояния

41, 132 (2005).

TMR-элемента величина полевого сдвига должна

S.-C. Oh, S.-Y. Park, A. Manchon, M. Chshiev,

быть больше ширины склона гистерезисной кривой,

J.-H. Han, H.-W. Lee, J.-E. Lee, K.-T. Nam, Y. Jo,

которая составляет 20-30 Э для разных образцов.

Y.-C. Kong, B. Dieny, and K.-J. Lee, Nature Phys. 5,

Как показало исследование магниторезистивных

898 (2009).

кривых одиночных контактов, широкий фронт пере-

J. C. Sankey, Y.-T. Cui, J. Z. Sun, J. C. Slonczewski,

магничивания обусловлен не разбросом параметров

R. A. Buhrman, and D.C. Ralph, Nature Phys. 4, 67

частиц в цепочке, а возникновением неоднородных

(2007).

(многовихревых и/или многодоменных) состояний

J. G. Alzate, P. Kh. Amiri, P. Upadhyaya,

в каждом отдельном контакте ввиду микронных

S. S. Cherepov, J. Zhu, M. Lewis, R. Dorrance,

размеров. Наблюдаемые ступеньки на кривой маг-

J. A. Katine, J. Langer, K. Galatsis, D. Markovic,

нитосопротивления пары TMR-контактов (рис. 4c, d)

I. Krivorotov, and K. L. Wang,

2012

International

являются следствием перехода системы через по-

Electron Devices Meeting (IEDM 2012): San Francisco,

следовательность метастабильных неоднородных

California, USA, 10-13 December 2012. - Piscataway,

магнитных состояний в процессе перемагничивания

New Jersey: IEEE, 2012, p. 2.5.1.

системы. Увеличение крутизны магниторезистивных

J. G. Alzate, P. Kh. Amiri, G. Yu, P. Upadhyaya,

кривых может быть достигнуто изготовлением суб-

J. A. Katine, J. Langer, B. Ocker, I. N. Krivorotov, and

микронных (200-300 нм) TMR-элементов методом

K. L. Wang, Appl. Phys. Lett. 104, 112410 (2014).

электронной литографии. Магнитные частицы тако-

W.-G. Wang, M. Li, S. Hageman, and C. L. Chien,

го размера будут иметь два устойчивых состояния

Nature Mater. 11, 64 (2012).

с однородным распределением намагниченности,

T. Newhouse-Illige, Y. Liu, M. Xu et al. (Collaboration),

переключение между которыми будет происходить

Nat. Commun. 8, 15232 (2017).

скачком [13].

S. Ikeda, J. Hayakawa, Y. Ashizawa, Y. M. Lee,

Таким образом, в работе экспериментально

K. Miura, H. Hasegawa, M. Tsunoda, F. Matsukura,

продемонстрирована возможность электрического

and H. Ohno, Appl. Phys. Lett. 93, 082508 (2008).

управления межслоевым обменным взаимодей-

10.

P. P. Freitas, R. Ferreira, and S. Cardoso, Proc. IEEE

ствием в системе CoFeB/MgO/CoFeB. Полученные

104, 1894 (2016).

TMR-контакты демонстрируют магнетосопротив-

11.

S. Yuasa and D. D. Djayaprawira, J. Phys. D: Appl.

ление величиной в

200 % и обладают высокой

Phys. 40, R337 (2007).

стойкостью к электрическому пробою, что позво-

12.

D. D. Djayaprawira, K. Tsunekawa, M. Nagai,

ляет прикладывать напряжения до 1.25 В на один

H. Maehara, S. Yamagata, N. Watanabe, S. Yuasa,

элемент. При этом обнаруживается сдвиг кривой

Y. Suzuki, and K. Ando, Appl. Phys. Lett. 86, 092502

намагничивания свободного слоя на величину до

(2005).

10 Э при плотности тока, протекающего через си-

13.

S. N. Vdovichev, B. A. Gribkov, S. A. Gusev,

стему, ∼ 103 А/см2. Данный эффект может быть

A. Yu. Klimov, V. L. Mironov, I. M. Nefedov,

использован при разработке энергоэффективной

V. V. Rogov, A.A. Fraerman, and I. A. Shereshevskii,

MRAM.

JETP Lett. 94, 386 (2011).

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 11 - 12

2020