[논문 리뷰] Spin-orbit-torque MRAM: from uniaxial to unidirectional switching

Ming‐Han Tsai, Po-Hung Lin외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 06.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전류 펄스를 이용한 스핀-오비트 토크(SOT)를 통해 Pt/Co/IrMn 이종구조에서 전기적으로 제어 가능한 교환 비스를 구현함으로써, 수직 자기터널접합에서 외부 자기장이 없는 조건에서 단방향 스위칭을 실현한다. 이 방법은 SOT에 의해 유도된 교환 비스를 통해 자화 방향을 锁정함으로써 열적 불안정성을 억제하여, 향후 세대 메모리 응용을 위한 고안정성, 확장 가능한 SOT-MRAM를 가능하게 한다.

ABSTRACT

With ultra-fast writing capacity and high reliability, the spin-orbit torque is regarded as a promising alternative to fabricate next-generation magnetic random access memory. However, the three-terminal setup can be challenging when scaling down the cell size. In particular, the thermal stability is an important issue. Here we demonstrate that the current-pulse-induced perpendicular exchange bias can significantly relieve the concern of thermal stability. The switching of the exchange bias direction is induced by the spin-orbit torque when passing current pulses through the Pt/Co system with an inserted IrMn antiferromagnetic layer. Manipulating the current-pulse-induced exchange bias, spin-orbit-torque switching at zero field between states with unidirectional anisotropy is achieved and the thermal agitation of the magnetic moment is strongly suppressed. The spin-orbit torque mechanism provides an innovative method to generate and to control the exchange bias by electrical means, which enables us to realize the new switching mechanism of highly stable perpendicular memory cells.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 차원에서 스핀-오비트 토크 자기랜드메모리(SOT-MRAM)의 열적 안정성 문제를 해결하기 위해.
• 수직 자기 구조에서 전기적으로 교환 비스를 제어할 수 있는 방법을 개발하여 외부 자기장 없이 안정적인 스위칭을 가능하게 하기 위해.
• Pt/Co/IrMn 이종구조에서 전류 펄스에 의해 유도된 교환 비스를 통해 단방향 비대칭 스위칭을 실험적으로 입증하기 위해.
• 스핀-오비트 토크를 활용하여 반자성 상태를 제어함으로써 SOT-MRAM에서 자기장이 없는 조건에서 열적으로 안정된 스위칭을 실현하기 위해.

제안 방법

• Pt/Co/IrMn 이종구조를 통해 전류 펄스를 인가하여 Pt 층에서 스핀-오비트 토크(SOT)를 생성하기 위해.
• SOT를 이용해 IrMn/Co 인터페이스에서 교환 비스를 유도하여 반자성 모멘트의 방향을 선호하는 방향으로 정렬하기 위해.
• 유도된 교환 비스의 방향을 제어하기 위해 전류 펄스의 극성과 크기를 제어하기 위해.
• 외부 자기장이 없는 조건에서 단방향 비대칭 스위칭을 확인하기 위해 자기 스위칭 거동을 측정하기 위해.
• 스위칭 확률과 펄스 지속 시간에서 유도된 효과적 에너지 장벽을 사용하여 열적 안정성을 특성화하기 위해.
• 고밀도, 저전력 메모리 작동을 가능하게 하기 위해 수직 자기터널접합(p-MTJ) 기하구조를 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오비트 토크를 이용해 IrMn 기반 이종구조에서 전기적으로 교환 비스를 생성하고 제어할 수 있는가?
• RQ2 전류 펄스에 의해 유도된 교환 비스는 수직 자기 시스템에서 자기장이 없는 스위칭을 가능하게 하는가?
• RQ3 유도된 교환 비스는 자화 모멘트의 열적 불안정성에 얼마나 효과적으로 억제하는가?
• RQ4 스위칭 거동은 전류 펄스의 극성과 지속 시간에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 이러한 교환 비스 공학 기법을 통해 SOT-MRAM의 열적 안정성을 상당히 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• Pt/Co/IrMn 이종구조를 통한 전류 펄스는 IrMn/Co 인터페이스에서 교환 비스를 성공적으로 유도하여 자성 비대칭 방향을 제어할 수 있었다.
• 외부 자기장이 없는 조건에서 두 안정 상태 사이의 단방향 스위칭이 달성되어 공학적으로 설계된 비대칭성이 존재함을 확인하였다.
• 고정된 교환 비스로 인해 자화 모멘트의 열적 요동이 강력하게 억제되어 열적 안정성이 크게 향상되었다.
• 열적 스위칭에 대한 효과적 에너지 장벽이 증가하여 나노스케일 메모리 셀의 신뢰성이 향상됨을 나타내었다.
• 이 방법은 확장 가능하고 3단자 장치 아키텍처와 호환되는 SOT-MRAM에서 새로운 스위칭 메커니즘을 가능하게 하였다.
• 결과적으로 반자성 상태의 전기적 제어를 통해 고밀도, 저전력, 열적으로 안정된 SOT-MRAM로 향하는 실현 가능한 길을 제시하였다.