[論文レビュー] Spin-orbit-torque MRAM: from uniaxial to unidirectional switching

Ming‐Han Tsai, Po-Hung Lin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、電流パルスを用いたスピン軌道トルク（SOT）を介して、Pt/Co/IrMnヘテロ構造において電気的に制御可能な交換結合を実証し、垂直磁気トンネル接合（p-MTJ）において外部磁場ゼロの片方向スイッチングを実現した。この手法により、SOTが誘導する交換結合によって磁化方向がロックされることで熱不安定性が抑制され、次世代メモリ応用のための高信頼性でスケーラブルなSOT-MRAMが実現可能となる。

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.

研究の動機と目的

• ナノスケール寸法におけるスピン軌道トルク磁気ランダムアクセスメモリ（SOT-MRAM）の熱安定性の課題に対処すること。
• 外部磁場を要しない安定したスイッチングを実現するため、垂直磁性構造における電気的交換結合制御法を開発すること。
• Pt/Co/IrMnヘテロ構造において、電流パルスによって誘導される交換結合を用いた片方向磁気異方性スイッチングを実証すること。
• スピン軌道トルクを用いて反強磁性秩序を操作することで、SOT-MRAMにおける外部磁場ゼロの熱的に安定したスイッチングを達成すること。

提案手法

• Pt/Co/IrMnヘテロ構造を介して電流パルスを印加し、Pt層でスピン軌道トルク（SOT）を生成すること。
• SOTを用いてIrMn/Co界面で交換結合を誘発し、反強磁性モーメントを所定の方向に整列させること。
• 電流パルスの極性と振幅を制御することで、誘導される交換結合の方向を切り替えること。
• 外部磁場ゼロの下で磁化スイッチング特性を測定し、片方向異方性の存在を確認すること。
• スイッチング確率とパルス幅から導出される有効エネルギー障壁を用いて熱安定性を評価すること。
• 高密度・低消費電力のメモリ動作を可能にする垂直磁気トンネル接合（p-MTJ）構造を用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道トルクを用いて、IrMnを基盤とするヘテロ構造で電気的に交換結合を生成・制御できるか？
• RQ2 電流パルスによって誘導される交換結合は、垂直磁性系において外部磁場ゼロのスイッチングを可能にするか？
• RQ3 誘導された交換結合は、磁化モーメントの熱揺らぎをどの程度抑制するか？
• RQ4 スイッチング特性は、電流パルスの極性および持続時間にどのように依存するか？
• RQ5 この交換結合工学的手法により、SOT-MRAMの熱安定性を顕著に向上させられるか？

主な発見

• Pt/Co/IrMnヘテロ構造を電流パルスで駆動することで、IrMn/Co界面で交換結合が効果的に誘導され、磁気異方性の方向制御が可能となった。
• 外部磁場ゼロの条件下で、二つの安定状態間の片方向スイッチングが達成され、設計された異方性の存在が裏付けられた。
• ピン留めされた交換結合のおかげで、磁化モーメントの熱揺らぎが強く抑制され、熱安定性が顕著に向上した。
• 熱スイッチングのための有効エネルギー障壁が増加したため、ナノスケールのメモリセルにおける信頼性が向上した。
• 本手法により、スケーラブルで三端子デバイス構造と互換性のある新しいSOT-MRAMスイッチングメカニズムが実現された。
• 反強磁性秩序の電気的制御により、高密度・低消費電力・熱的に安定したSOT-MRAMの実現に向けた実用的道筋が示された。