Nanofabrication and characterization of spin orbit logic devices

Spin-based electronics is considered one of the most promising fields for the development of both logic and memory devices. One of the most innovative beyond CMOS architectures is that of the MESO (Magneto-Electric Spin-Orbit) device, proposed by Intel in 2019. In a MESO device the information is stored in the magnetization of a ferromagnetic layer, which is used to control the transmission of current through spin-to-charge current conversion in a strong spin-orbit-coupling material. Being the output dependent on the memorized state, this design allows for information transmission. The efficiency of the information transfer process is identified by Intel as a crucial parameter to be able to build working devices, with desired values ranging between 90-100 % and a potential gain scaling the device dimensions. The read-out process was recently studied using a bilayer CoFe-Pt heterostructure, which successfully demonstrated the feasability of the process, but only achieved an efficiency of 0.1%. To improve this value it is necessary to introduce innovative spin-orbit-coupling materials showing higher spin-to-charge conversion efficiency. In this thesis, we focused on the devices used to study the read-out process, optimizing their design and nanofabrication process. We then performed the electric characterization of the devices retrieving information on the properties of the single materials and the operational limits for the use of the heterostructures. A central role in this thesis was played by thermally assisted scanning probe lithography. The expertise acquired on this technique allowed to reach the maximum resolution for the patterned structures (60nm) and to verify the its potential for the integration of particularly promising 2D materials in the read-out stack.

L'elettronica di spin è considerata uno dei campi più promettenti per lo sviluppo di dispositivi logici e di memoria. Una delle architetture più innovative distanziatisi dalla logica CMOS è quella dei dispositivi MESO (Magneto Electric Spin-Orbit), proposta per la prima volta da Intel nel 2019. In un dispositivo MESO l'informazione è immagazzinata nello stato di magnetizzazione di un sottile nanomagnete, che viene utilizzato per controllare la trasmissione di corrente sfruttando effetti di conversione di correnti spin-carica all'interno di materiali con una forte interazione di spin-orbita. La dipendenza della corrente in uscita dallo stato di magnetizzazione permette dunque la trasmissione di informazione attraverso questi dispositivi. L'efficienza del processo di trasferimento di informazione è stata individuata da Intel come un parametro cruciale per il funzionamento dei dispositivi finali, con un trend di potenziale crescita riducendo le dimensioni dei dispositivi e un valore ambito nell'ordine del 90-100 %. Il processo di lettura dell'informazione è stato studiato utilizzando un'eterostruttura a due strati in Pt-CoFeB, che ha mostrato con successo la fattibilità del processo, arrivando tuttavia ad ottenere un'efficienza dello 0.1 %. Per migliorare questo valore è necessario introdurre nuovi materiali con forte interazione di spin-orbita per migliorare la conversione di correnti spin-carica. Il nostro lavoro si è concentrato sui dispositivi utilizzati per misurare l'efficienza di read-out, ottimizzandone il design e il processo di nanofabbricazione. I dispositivi completi sono poi stati caratterizzati dal punto di vista elettrico ricavando informazioni sia sui singoli materiali depositati sia sui limiti operazionali per l'utilizzo delle eterostrutture. Nell'ottimizzazione dell'efficienza di lettura dell'informazione ha avuto un ruolo centrale la litografia a sonda termica scansionante. La conoscenza acquisita riguardo questa tecnica ha permesso di raggiungere la minima risoluzione di scrittura ( 60 nm) e di verificare le potenzialità del suo utilizzo per l'integrazione di materiali bidimensionali particolarmente promettenti nel meccanismo di trasferimento dell'informazione.