Hall-effect and noise measurements of SOT (multilayer) systems

Abstract

The promising market development for nanoelectronic applications is the main reason whytechnology companies are working intensively on the development for the next generation ofproducts for spintronic based applications. Over the last 15 years, fundamental research on thespin-orbit torque effect has generated numerous possible layer systems. Now it is time to selectthese system candidates and test them for their usability for industrial applications.The aim of this work is to test the selected layer configurations Ta/CoFeB/MgO/Ta andTa/TaN/CoFeB/MgO/Ta for their usability for applications in the field of magnetic fieldmeasurement. In this context, the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layer andthe electrical noise of the samples were analysed in more detail.The magnetic properties of the sample were determined by measuring the anomalous Hall effectusing a source meter and a calibrated electromagnet. These measurements were supplementedby individual selective measurements using a vibrating sample magnetometer. The individualcontributions to the electrical noise were determined by a series of noise measurements atdifferent bias currents, temperatures and external magnetic fields using a lock-in amplifier withan additional ultra-low-noise preamplifier.The anomalous Hall effect measurements show that the selected layer configurations havedifferent long-term stabilities. The samples without the additional TaN layer changed over thestorage period of two years due to diffusion processes, which led to a change in layer thickness.It was also shown that the additional TaN layer prevents such a diffusion processes.The noise measurements carried out serve as a database to extract and analyse the individualcomponents out of the total noise component. The experiment confirmed that the noise can bemodelled using a combination of white and pink noise. It can be concluded that the noise poweris mainly determined by bias current, temperature and sample resistance.Although many questions related to the materials investigated were clarified within theframework of the presented thesis, further R&D activities are still required for a final spintronicapplication based on the Ta/TaN/CoFeB/MgO/Ta layer system, which is ready to be launchedat the market. Additional activities are related in particular to iterations (design andmeasurements) in order to optimize the detector geometry a well as measures to increase sensorstability.

Die vielversprechende Marktentwicklung für nanoelektronische Anwendungen, ist der Grund des großen Interesses vieler Unternehmen an der Entwicklung von Anwendungen auf der Grundlage der Spintronik. In den letzten 15 Jahren hat die Grundlagenforschung zum Spin-Orbit-Torque-Effekt maßgeblich zur Entdeckung zahlreicher möglicher Schichtsysteme geführt. Nun ist es an der Zeit, diese Systeme zu selektieren und auf ihre Einsetzbarkeit für industrielle Anwendungen zu testen. Ziel dieser Arbeit ist, die beiden Schichtkonfigurationen Ta/CoFeB/MgO/Ta undTa/TaN/CoFeB/MgO/Ta auf ihre Verwendbarkeit für Anwendungen in der Magnetfeldmessung zu testen. In diesem Zusammenhang wurden die senkrechte magnetischen Anisotropie der magnetischen Schicht und das elektrische Rauschen der Proben genauer analysiert. Die magnetischen Eigenschaften der Probe wurden durch die Messung des anomalen Hall-Effekts, mittels eines Source Meters und eines kalibrierten Elektromagneten bestimmt. Diese Messungen wurden durch selektive Messungen mit einem Schwingprobenmagnetometer ergänzt. Die Aufschlüsselung der einzelnen Beiträge zum elektrischen Rauschen wurde durch Serien von Rauschmessungen bei unterschiedlichen Bias Strömen, Temperaturen und externen Magnetfeldern mit Hilfe eines Lock-In Verstärkers in Kombination mit einem ultrarauscharmen Vorverstärker bestimmt. Die Messungen des anomalen Hall-Effekts zeigen, dass die beiden Schichtkonfigurationen eine unterschiedliche Langzeitstabilität aufweisen. Die Proben ohne die zusätzliche TaN-Schicht veränderten sich während der Lagerung von zwei Jahren aufgrund von Diffusionsprozessen, die zu einer Veränderung der Schichtdicke führten. Es konnte auch gezeigt werden, dass die zusätzliche TaN-Schicht einen solchen Diffusionsprozess verhindert. Die durchgeführten Rauschmessungen dienen als Datenbasis um die einzelnen Komponenten des Rauschens zu extrahieren und zu analysieren aus welchen Komponenten sich das Gesamtrauschen für das untersuchte Schichtsystem zusammensetzt. Es konnte im Versuch bestätigt werden, dass das Rauschen durch eine Kombination aus weißem und rosa Rauschen modelliert werden kann. Daraus lässt sich schließen, dass die Rauschleistung vor allem durch Bias-Strom, Temperatur und Probenwiderstand bestimmt wird. KurzfassungIIIObwohl im Rahmen der vorgelegten Arbeit viele Fragen im Zusammenhang mit den untersuchten Materialien geklärt werden konnten, sind für eine marktfähige spintronische (Spintronic) Anwendung, basierend auf dem Ta/TaN/CoFeB/MgO/Ta-Schichtsystem, noch weitere R&D Aktivitäten erforderlich. Die betreffen im Speziellen Iterationen (Design und Messungen) zur Optimierung der Detektorgeometrie sowie Maßnahmen zur Erhöhung der Sensorstabilität.