Magnetic Magnetic switching of Ta/CoFeB/MgO heterostructures via Spin-Orbit Torque for memory applications

In the landscape of emerging memory technologies, perpendicular magnetic tunnel junctions have been attracting great interest due to their favourable scalabilty, their high thermal stability and their possibility of efficient current-induced switching. Due to the combined possibility to provide thin films with perpendicular magnetic anisotropy and high tunneling magnetoresistance and efficient Spin-Orbit Torque, the Ta/CoFeB/MgO heterostructure has rapidly become the preferred one for state of the art memory application. The aim of this work is the exploitation of Ta/CoFeB/MgO thin films for the fabrication of perpendicular magnetic tunnel junctions and for the realization of magnetization reversal via Spin-Orbit Torque (SOT) effect, a current-induced switching mechanism enabled by the charge to spin conversion taking place in a heavy metal channel underlying the junction. In its first stage, the work focuses on the realization of CoFeB/MgO based thin films with perpendicular magnetic anisotropy (PMA). Once the desired magnetic properties are obtained, perpendicular magnetic tunnel junctions (pMTJs) are fabricated and characterized, while Spin-Orbit Torque switching is independently studied on Ta/CoFeB/MgO based Hall bars using anomalous Hall effect to probe the state of the magnetization. An accurate study of the dependencies of SOT induced switching on external magnetic fields parallel and transverse to the injected current is carried out,highlighting the presence of field induced asymmetries on the switching behaviour. These asymmetries are therefore analyzed quantitatively and possible physical explanations are provided. Finally, we explore the possibility of using SOT to obtain multistate state switching and to manipulate the latter using a magnetic field transverse to the injected current, with a view to the development of spintronic memristive devices for neuromorphic applications.

Nel panorama delle tecnologie per le memorie emergenti, le giunzioni a effetto tunnel con anisotropia magnetica perpendicolare hanno attratto grande interesse grazie alla loro scalabilità, la loro stabilità termica e la possibilità di sfruttare la corrente per indurre switching. Viste le possibilità combinate di garantire film sottili con anisotropia magnetica perpendicolare e alta magnetoresistenza tunnel, la eterostruttura Ta/CoFeB/MgO è diventata rapidamente la favorita per la realizzazione di dispositivi di memoria allo stato dell’arte. Lo scopo di questo lavoro è l’utilizzo di film sottili basati sulla struttura Ta/CoFeb/MgO per la fabbricazione di giunzioni a effetto tunnel con anisotropia magnetica perpendicolare e per la realizzazione di switching magnetico tramite Spin-Orbit Torque (SOT), un meccanismo di inversione magnetica indotto da corrente basato sulla conversione carica-spin avente luogo in un layer composto da un metallo pesante posto al di sotto della giunzione. Nella prima fase il lavoro si concentra sulla realizzazione di film sottili basati sulla struttura Ta/CoFeB/MgO aventi anisotropia magnetica perpendicolare. Una volta ottenute le proprietà magnetiche desiderate, giunzioni a effetto tunnel sono fabbricate e caratterizzate, mentre la commutazione indotta da Spin-Orbit torque è studiata indipendentemente su delle Hall bar basate sulla stessa eterostruttura in cui l’effetto Hall anomalo viene usato per sondare lo stato della magnetizzazione. Viene presentato uno studio accurato delle dipendenze dello switching magnetico indotto da SOT da campi magnetici esterni paralleli e trasversi rispetto alla corrente iniettata, mettendo in evidenza la presenza di asimmetrie nel comportamento di switching indotte dal campo esterno. Queste asimmetrie sono quindi analizzate quantitativamente e sono fornite possibili cause fisiche. Infine, viene esplorata la possibilità di usare l’effetto di SOT per ottenere switching di stati intermedi e di manipolare quest’ultimo con un campo magnetico trasverso rispetto alla corrente iniettata, con la prospettiva di realizzare dispositivi spintronici con carattere memristivo per applicazioni neuromorfiche.