Analyses of Spin Hall Angle and Spin Orbit Torque efficiency of A15 phase W3Ta

Abstract

본 연구에서는 W3Ta/CoFeB/MgO 구조에서의 열처리 온도에 따른 스핀 오빗 토크에 의해 유도되는 전류 유도 자화 스위칭에 대하여 연구하였다. 첫번째로 A15 상 물질 중 스핀 홀 전도도가 크다고 이론상으로 알려진 W3Ta 의 결정구조에 대해 파악하였다. W3Ta 의 결정성은 작업압력과 RF 파워에 의해 영향을 받는 것을 확인하였다. 작업압력은 플라즈마가 뜨는 범위 내에서 증가할수록, 파워는 작업압력에 반비례하게 감소할수록 결정성이 알파상에서 A15 상으로 결정성이 변화하는 것을 확인하였다. 두번째로 W3Ta/CoFeB/MgO 구조에서의 자성특성에 대해 VSM 을 이용하여 특성을 파악하였다. 열처리 온도에 따라 자화방향이 수직자화이방성의 특성이 변화하는 것을 확인하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 전류가 흐르는 중금속층의 텅스텐와 탄탈럼의 영향을 받아 자화의 크기가 변하는 것을 확인하였다. 열처리 온도는 텅스텐에 비해 녹는점이 낮은 탄탈럼의 수직자기이방성이 나타나는 온도를 고려해 열처리를 진행해야 할 것이라고 판단하였다.세번째로 평면 분석 방법에서 직류를 측정하는 스핀 궤도 토크에 의해 유도되는 유효장을 그래프 피팅을 통해 정량적으로 계산하였다. 인가된 직류에 따라 박막의 자화방향의 변화를 홀측정을 통해 홀저항의 변화를 통해 얻어지는 신호를 이용해 교류 하모닉 측정방식과 같이 스핀 궤도 토크에 의해 유효 자장이 전류값에 따라 비례함을 확인하였다. 마지막으로 텅스텐과 텅스텐 결합물인 W3Ta 의 물질에 따른 스핀 오빗 토크 유효자장과 스핀 홀 각도의 관계를 조사하였다. 물질에 따라 전류에 의해 박막의 자화방향의 변화를 통해 전류에 의해 유도된 유효자장의 값과 스핀 홀 각도 값을 확인하였다. 이를 통해 이론적으로 제안된 텅스텐 결합물인 W3Ta 가 단일 텅스텐 물질에 비해 스핀 오빗 토크 유효자장과 스핀 홀 각도가 증가함을 확인할 수 있었다.|This master dissertation describes an experimental study on current induced magnetization switching induced by spin orbit torque in W and W3Ta(Heavy Metal or HM) / CoFeB(Ferromagnet or FM) / MgO(Oxide or O) heterostructures with differentiating Working Pressure and RF sputtering power. In the fist place, we investigate crystallinity of A15 phase heavy metal W3Ta with differentiating working pressure and rf sputtering power. As working pressure varied to increase, the crystallinity of W3Ta tend to change from alpha phase to beta phase. The other variable that affects the crystallinity is RF sputtering power that tends to decrease as the working pressure increases, similarly from alpha phase to beta phase as shown in working pressure. Secondly, we investigate magnetic property of W and W3Ta(HM) / CoFeB(FM) / MgO(O) heterostructures with changing Annealing Temperature. As annealing temperature increases, it was confirmed that the characteristic of Inplane Magnetic Anisotropy exhibited remarkably under the influence of Tantalum for its low melting point. It was confirmed that the Perpendicular Magnetic Anisotropy property must be considered both substances Tungsten and Tantalum that make up the W3Ta. Thirdly, we investigate effective field induced by spin orbit torque that is measured DC inplane analysis method. Effective field value is derived based on AC first and second harmonic measurement and calculated numerical fitting methods. It is confirmed that the the type of heavy metal affects effective field induced by spin orbit torque. Lastly, we investigate relation of spin hall angle and spin orbit torque efficiency with varying heavy metal. We confirmed that the spin hall angle was enhanced, which is the conversion ratio from applied charge current to spin current. With this result, spin orbit torque efficiency was confirmed through the value of the effective field by current density with W and W3Ta.