Scalable spintronics devices with reduced Pt and Ru content
Dispositifs spintroniques aux noeuds technologiques avancés contenant des quantités réduites de Pt et de Ru
Résumé
In the field of information and communication technologies (ICT), the development of non-volatile memories is crucial to reduce the amount of energy required to store and process data. Spin transfer-torque Magnetic Random-Access Memory (STT-MRAM) is already used as an alternative to embedded flash (e-flash) memory and envisioned for static RAM (static random-access memory) replacement due to its high performance and easy integration with complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. However, MRAM contains several materials classified as critical, in particular by the European Union (EU), with a high supply risk. Platinum is used in combination with cobalt (Co) to form a synthetic antiferromagnet structure that provides the required stability for reference layer of the magnetic tunnel junction (MTJ), the main component of MRAM. Due to the tiny amounts of Pt present in the initial ore (few ppm), the energy (2000 MJ/kg), the carbon emissions (12500 kg.eq/kg) and the price (25000 euro/kg) associated to the extraction and subsequent refinement of such metal are very high.The purpose of this work is to realize spintronic devices, without the use of critical Pt and Ru. In a first approach, we analyzed the possibility of using perpendicular shape anisotropy for the p-MRAM reference layer, which allows the use of more common ferromagnetic materials such as FeCoB or NiFe. In a second approach, we study the possibility of substituting platinum with more common nickel (Ni) whose requirements are some orders of magnitude lower (200 MJ/kg, 6.5 kg.eq/kg, 12 euro/kg) but which still provides perpendicular magnetic anisotropy (PMA) when combined with cobalt (Co). In addition, a copper-based seed layer has been used, since it is a common metal classified as non-critical, to induce the fcc (111) texture required for the PMA of the Co/Ni multilayers, instead of the more critical hafnium used in other works.The conclusions we draw from our studies is that the use of nickel or more common ferromagnetic elements can provide good performance and strong reductions in terms of energy, price or carbon emissions. However, due to the tiny amounts of critical metals used in MRAM, the benefits of these substitutions remain small compared to the requirements for manufacturing the silicon wafers on which these types of devices are grown. Therefore, more emphasis should be placed on reducing the environmental impact of manufacturing the silicon wafers themselves. Nevertheless, the presence of alternative materials to the use of Pt or Pd remains positive for the development of the technology in the event of supply disruptions, since four mining companies, one Russian and the other three South African, ensure 80% of the World production.Finally, we propose an innovative vortex based magnetic sensor sensitive to a perpendicular field with large scalability down to sub-100nm nodes. The electrical measurements performed demonstrate linear field ranges up to more than 0.2T. In addition, the diameter or the material used for the sensing layer can control the linear field range. This device has the particular advantage that it does not require an in-plane magnetized reference layer, as in conventional vortex-based sensors that often comprise an antiferromagnetic layer containing critical metals such as Ir or Pt. A perpendicular reference layer, based on Co/Ni multilayer can be used avoiding the use of Pt. A certain residual stray field can help to stabilize the vortex polarity in a single direction so that the use of a synthetic antiferromagnetic structure containing critical ruthenium can also be avoided.
Dans le domaine des technologies de l'information et de la communication (ICT), le développement des mémoires non volatiles est crucial pour réduire la quantité d'énergie nécessaire au stockage et au traitement des données. La mémoire à accès aléatoire STT-MRAM est déjà utilisée comme alternative à la mémoire flash intégrée (e-flash) et envisagée pour le remplacement de la RAM statique (mémoire à accès aléatoire statique) en raison de ses hautes performances et de sa facilité d'intégration avec la technologie semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS). Cependant, la MRAM contient plusieurs matériaux classés comme critiques, notamment par l'Union européenne (UE), avec un risque d'approvisionnement élevé. Le platine (Pt) est utilisé en combinaison avec du cobalt (Co) pour former une structure antiferromagnétique synthétique (SAF) qui fournit la stabilité requise pour la couche de référence de la jonction tunnel magnétique (MTJ), le composant principal de la MRAM. En raison des quantités infimes de Pt présentes dans le minerai initial (quelques ppm), de l'énergie (2000 MJ/kg), des émissions de carbone (12500 kg.eq/kg) et du prix (25000 euro/kg) associés à l'extraction et le raffinement ultérieur de ce métal sont très élevés.Le but de ce travail est de réaliser des dispositifs spintroniques, sans l'utilisation de Pt et Ru critiques. Dans une première approche, nous avons analysé la possibilité d'utiliser l'anisotropie de forme perpendiculaire pour la couche de référence p-MRAM, ce qui permet l'utilisation de matériaux ferromagnétiques plus courants tels que FeCoB ou NiFe. Dans une deuxième approche, nous étudions la possibilité de substituer le Pt par du nickel (Ni) plus commun dont les besoins sont inférieurs de quelques ordres de grandeur (200 MJ/kg, 6,5 kg.eq/kg, 12 euro/kg) mais qui fournit tout de même des anisotropie magnétique (PMA) lorsqu'il est combiné avec du cobalt.La conclusion de nos études est que l'utilisation du nickel ou d'éléments ferromagnétiques plus courants peut apporter de bonnes performances et de fortes réductions en termes d'énergie, de prix ou d'émissions de carbone. Cependant, en raison des quantités infimes de métaux critiques utilisés dans la MRAM, les avantages restent faibles par rapport aux exigences de fabrication des tranches de silicium sur lesquelles ces types de dispositifs sont développés. Par conséquent, il convient de mettre davantage l'accent sur la réduction de l'impact environnemental de la fabrication des tranches de silicium elles-mêmes. Néanmoins, la présence de matériaux alternatifs à l'utilisation du Pt ou du Pd reste positive pour le développement de la technologie en cas de rupture d'approvisionnement, puisque quatre sociétés minières, l'une russe et les trois autres sud-africaines, assurent 80% de la production mondiale.Enfin, nous proposons un capteur magnétique innovant à base de vortex sensible à un champ perpendiculaire avec une grande évolutivité jusqu'aux nœuds inférieurs à 100 nm. Les mesures électriques effectuées démontrent des plages de champs linéaires jusqu'à plus de 0,2T. De plus, le diamètre ou le matériau utilisé pour la couche de détection peut contrôler la plage de champ linéaire. Ce dispositif présente notamment l'avantage de ne pas nécessiter de couche de référence aimantée dans le plan, comme dans les capteurs conventionnels à base de vortex qui utilisent souvent une couche antiferromagnétique contenant des métaux critiques tels que Ir ou Pt. Une couche de référence perpendiculaire peut être utilisée, basée sur une multicouche Co/Ni, évitant l'utilisation de PGM. Nous voyons qu'un certain champ parasite résiduel peut aider à stabiliser la polarité du vortex dans une seule direction, de sorte que l'utilisation d'une structure antiferromagnétique synthétique critique contenant du ruthénium pourrait ne pas être nécessaire non plus.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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