Reversal dynamics driven by spin transfer torque in perpendicular shape anisotropy magnetic random access memories

Abstract

The perpendicular Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory (p-STT-MRAM) is one of the most promising emerging non-volatile memory technologies. As these devices are limited by their thermal stability at technological nodes higher than 20 nm, their downsize capability is compromised. A possible answer to this problems relies on taking advantage of the shape anisotropy, by increasing substantially the thickness of the free layer. This method is employed in a new memory device, called Perpendicular Shape Anisotropy STT-MRAM (PSA-STT-MRAM). However, as pillar cells are nanofabricated with aspect ratios (AR) as high as 5, some elements become tilted during the process. In order to correctly interpret the magnetoresistance loops of individual elements, it is important to know the exact direction of the applied magnetic field with respect to the pillar symmetry axis. For this purpose, an experimental procedure based on a 3D StonerWohlfarth astro¨ıd analysis is presented which allows to determine the tilt angle. The studied sample was fabricated in the Plateforme de Technologie Amount (PTA), in Grenoble, by the SPINTEC MRAM group. Additional micromagnetic simulations were carried out for different pillar thicknesses using a micromagnetic solver developed by Liliana Buda Prejbeanu, a researcher at SPINTEC. The behaviour of the switching time and reversal was analysed as a function of the applied voltage. Two distinct dynamical regimes were identified for simulation parameters for different FeCoB layer thicknesses. Below a thickness threshold, there is a collective curling-like reversal. Above it, the reversal happens through the nucleation and further propagation of a transverse domain wall. Both these regimes exhibit a linear dependence between the applied voltage and the inverse of the switching time, Vbias ∝ τ −1 switch. Simulations performed including a stochastic thermal field indicate that the mechanism of reversal is robust against thermal fluctuations. In addition, it is observed that the magnetization reversal is controlled by STT and assisted by the thermal fluctuations. The understanding of the physical phenomena happening during the magnetization reversal driven by STT is important to engineer optimized devices, as the free layer thickness affects the thermal stability and the writing operation of the memory cell.

A memória magnética de acesso aleatório com uma anisotropia perpendicular é uma das mais promissoras memórias não voláteis (p-STT-MRAM). No entanto, estes dispositivos estão limitados pela sua estabilidade térmica a diâmetros superiores a 20 nm. Uma possível resposta a este problema baseia-se no uso da anisotropia de forma perpendicular, aumentando substancialmente a espessura da camada livre. Este método é aplicado num novo tipo de memórias, PSA-STT-MRAM. No entanto, como os pilares são fabricados com um aspect ratio elevado, alguns ficam inclinados durante o processo. De modo a interpretar corretamente as curvas de magnetoresistência, é importante saber com precisão a direção que o campo magnético aplicado faz com o eixo de simetria do pilar. Assim, um procedimento experimental baseado na análise de um asteroide de revolução 3D de Stoner-Wohlfarth é apresentado, permitindo o calculo do ângulo de inclinação do pilar. A amostra estudada foi fabricada na Plateforme de Technologie Amount (PTA) em Grenoble, França, pelo grupo MRAM do SPINTEC. Simulações micromagnéticas foram realizadas para diferentes espessuras de camada livre, utilizando um código desenvolvido pela Liliana Buda Prejbeanu. A dependência do tempo e do modo de comutação com a voltagem aplicada é investigada. Foram observados dois regimes dinâmicos distintos para os parâmetros utilizados nas diferentes espessuras de camada livre de FeCoB. Para espessuras inferiores à de transição, verifica-se que a comutação exibe um modo de ondulação coletiva da magnetização. Para espessuras superiores verifica-se a nucleação e propagação de uma parede de domínio. Ambos estes regimes seguem uma relação linear entre a voltagem aplicada e o inverso do tempo de comutação, Vaplicada ∝ τ −1 comutação. Simulações tendo em conta flutuações térmicas indicam que o modo de comutação é robusto com a introdução de temperatura no sistema. A compreensão do modo de comutação em memórias que usem o efeito de transferência de torque ´e importante para a fabricação de dispositivos otimizados, visto que a espessura da camada livre influência tanto a estabilidade térmica como o tempo de escrita na memória.