STT-MRAM uygulamalarına yönelik P-MTJ geliştirilmesi ve karakterizasyonu
P-MTJ fabrication and characterization for STT-MRAM applications
Yazar: FATMA YILMAZ
Danışman: PROF. DR. OSMAN ÖZTÜRK
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fotoelektron spektroskopi = Photoelectron spectroscopy ; Manyetometreler = Magnetometers ; X ışını fotoelektron spektroskopisi = X ray photoelectron spectroscopy

Özet:
MTJ'lerin veri depolama, veri işleme ve sensör uygulamalarında kullanılmaya başlanması ile MTJ katmanı hazırlamaya yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Yapılan bir çok çalışma IP-MTJ'lerde ölçeklendirilebilirliğin sınıra dayandığını göstermektedir. Bu durum daha küçük alana daha fazla bilgi depolamayı amaçlayan hafıza cihazlarında P-MTJ'nin önemini artırmıştır.
Bu çalışmada MTJ'nin üç temel tabakası olan sabit, serbest ve yalıtkan tabaka ayrı ayrı çalışıldıktan sonra bir araya getirilerek P-MTJ üretimi gerçekleştirilmiştir. Dik manyetik anizotropiye sahip sabit katman oluşturmak ve exchange biasın açıklanamayan noktalarına kapı aralamak amacı ile CoO kalınlığına bağlı exchange bias değişimi incelenmiştir. Manyetik saçtırma tekniği kullanılarak antiferromanyetik malzeme olan CoO(x) katmanının üzerine, ferromanyetik [Pt(10)/Co(5)]x3 katmanı XPS kontrollü büyütülmüştür. Hazırlanan manyetik ince filmlerin kolay eksenleri MOKE tekniği kullanılarak belirlenmiş, AHE ve VSM teknikleri kullanılarak düşük sıcaklıklarda elde edilen mıknatıslanma eğrilerinden exchange bias değerleri hesaplanmıştır. Serbest tabaka olarak kullanmak amacı ile manyetik saçtırma tekniği kullanılarak Pt/Co yapısı, Pt kaplama gücüne bağlı olarak büyütülmüştür. Hazırlanan çok katlı ince filmlerin kolay eksenleri ve sıfırlayıcı alan değerlerindeki değişim MOKE tekniği kullanılarak gözlemlenmiştir. Yalıtkan tabaka olarak MgO'e karar verilmiştir. Manyetik saçtırma tekniği kullanılarak kaplama gücüne bağlı MgO büyütülmüştür. Her bir kaplama gücü için elementel oran hesabı XPS tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Son olarak ayrı ayrı çalışılan bu üç tabaka birlikte büyütülerek, P-MTJ yapısı hazırlanmıştır. Hazırlanan P-MTJ'nin VSM tekniği kullanılarak örnek düzlemine dik geometride RT ve LT mıknatıslanma eğrileri kaydedilmiştir. Yapılan ölçümler sonucunda iki ferromanyetik katmanın manyetik olarak bağımsız hareket ettiğini ifade eden adımlı histeresis eğrisi gözlemlenmiştir.

Abstract:
With the use of MTJs in data storage, data processing and sensor applications, studies on preparing the MTJ stack have gained momentum. Many studies show that the scalability of IP-MTJs is at the limit. This has increased the importance of the role of P-MTJ in memory devices that the potential to improve the storage density.
In this study, all three layers of MTJ, which are pinned, free and insulator layers, were studied separately and then combined to produce P-MTJ. İnitially, in order to produce a pinned layer with perpendicular magnetic anisotropy and to open the door to the unexplained points of exchange bias, the exchange bias change dependence on the CoO thickness was investigated. By using the magnetron sputter technique, the ferromagnetic [Pt(10)/Co(5)]x3 layer was grown on the antiferromagnetic CoO(x) layer under XPS control. The easy axes of the prepared magnetic thin films were determined using the MOKE technique, and the exchange bias effect were calculated from the magnetization curves obtained at low temperatures using AHE and VSM techniques. In order to use as free layer, the Pt/Co multilayer was grown with the different Pt sputtering powers to be able to optimize both hysteresis squareness and coercivity parameters. The easy axes and change in coercive field of the prepared multilayer thin films were obtained using the MOKE technique. MgO was chosen as the insulator layer. Using the magnetron sputtering method, MgO was grown with varying sputtering power also for optimizing the layer morphology and chemical stability. Chemical state of the films regarding to coating powers was determined using XPS technique. Finally, the complete P-MTJ structure was prepared by combining these three layers, which were studied separately. For P-MTJ, RT and LT magnetic hysteresis curves were recorded in geometry perpendicular to the sample plane using the VSM technique. As a result of the measurements made, a stepped hysteresis curve was observed, which expresses that the two ferromagnetic layers move independently magnetically.