Practical device applications of magnetic multilayers with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) usually need to match the mature complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated techniques, which require high temperature annealing during the back-end-of-line process. Here, we report the realization of PMA in the W buffered CoFeB/MgO stack by inserting a thin Zr dusting layer between CoFeB and MgO layers. An ultra-high thermal stability of PMA in the W/CoFeB/Zr/MgO stack is observed, which is robust upon annealing at 600 °C. The establishment of PMA in W/CoFeB/Zr/MgO is due to the formation of an interface layer between CoFeB and MgO doped with oxidized Zr. After annealing at 540 °C, the magnetic interfacial anisotropy density reaches 3.08 erg/cm2, which is much higher than those in previous reports. The results suggest that the W/CoFeB/Zr/MgO stack with extra high annealing stability is a potential candidate to achieving the practical application of spin-logic device that is compatible with the mature CMOS integrated techniques.

1.
M. T.
Johnson
,
P. J. H.
Bloemen
,
F. J. A.
den Broeder
, and
J. J.
de Vries
,
Rep. Prog. Phys.
59
,
1409
(
1996
).
2.
B.
Dieny
and
M.
Chshiev
,
Rev. Mod. Phys.
89
,
025008
(
2017
).
3.
S.
Monso
,
B.
Rodmacq
,
S.
Auffret
,
G.
Casali
,
F.
Fettar
,
B.
Gilles
,
B.
Dieny
, and
P.
Boyer
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
4157
(
2002
).
4.
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
H.
Yamamoto
,
K.
Mizunuma
,
H. D.
Gan
,
M.
Endo
,
S.
Kanai
,
J.
Hayakawa
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
9
,
721
(
2010
).
5.
P. K.
Amiri
,
Z. M.
Zeng
,
J.
Langer
,
H.
Zhao
,
G.
Rowlands
,
Y.-J.
Chen
,
I. N.
Krivorotov
,
J.-P.
Wang
,
H. W.
Jiang
,
J. A.
Katine
,
Y.
Huai
,
K.
Galatsis
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
112507
(
2011
).
6.
H.
Sato
,
M.
Yamanouchi
,
K.
Miura
,
S.
Ikeda
,
H. D.
Gan
,
K.
Mizunuma
,
R.
Koizumi
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
042501
(
2011
).
7.
H. D.
Gan
,
H.
Sato
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
R.
Koizumi
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
252507
(
2011
).
8.
S. H.
Kang
and
K.
Lee
,
Acta Mater.
61
,
952
(
2013
).
9.
M.
Natsui
,
A.
Tamakoshi
,
H.
Honjo
,
T.
Watanabe
,
T.
Nasuno
,
C.
Zhang
,
T.
Tanigawa
,
H.
Inoue
,
M.
Niwa
,
T.
Yoshiduka
,
Y.
Noguchi
,
M.
Yasuhira
,
Y.
Ma
,
H.
Shen
,
S.
Fukami
,
H.
Sato
,
S.
Ikeda
,
H.
Ohno
,
T.
Endoh
, and
T.
Hanyu
,
IEEE J. Solid-State Circuits
56
,
1116
(
2021
).
10.
V. T.
Pham
,
I.
Groen
,
S.
Manipatruni
,
W. Y.
Choi
,
D. E.
Nikonov
,
E.
Sagasta
,
C.-C.
Lin
,
T. A.
Gosavi
,
A.
Marty
,
L. E.
Hueso
,
I. A.
Young
, and
F.
Casanova
,
Nat. Electron.
3
,
309
(
2020
).
11.
L.
Thomas
,
G.
Jan
,
J.
Zhu
,
H.
Liu
,
Y.-J.
Lee
,
S.
Le
,
R.-Y.
Tong
,
K.
Pi
,
Y.-J.
Wang
,
D.
Shen
,
R.
He
,
J.
Haq
,
J.
Teng
,
V.
Lam
,
K.
Huang
,
T.
Zhong
,
T.
Torng
, and
P.-K.
Wang
,
J. Appl. Phys.
115
,
172615
(
2014
).
12.
K. L.
Wang
,
J. G.
Alzate
, and
P. K.
Amiri
,
J. Phys. D
46
,
074003
(
2013
).
13.
M.
Yamanouchi
,
R.
Koizumi
,
S.
Ikeda
,
H.
Sato
,
K.
Mizunuma
,
K.
Miura
,
H. D.
Gan
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
J. Appl. Phys.
109
,
07C712
(
2011
).
14.
W.-G.
Wang
,
S.
Hageman
,
M.
Li
,
S.
Huang
,
X.
Kou
,
X.
Fan
,
J. Q.
Xiao
, and
C. L.
Chien
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102502
(
2011
).
15.
T.
Liu
,
Y.
Zhang
,
J. W.
Cai
, and
H. Y.
Pan
,
Sci. Rep.
4
,
5895
(
2014
).
16.
J.
Chatterjee
,
R. C.
Sousa
,
N.
Perrissin
,
S.
Auffret
,
C.
Ducruet
, and
B.
Dieny
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
202401
(
2017
).
17.
H.
Almasi
,
D. R.
Hickey
,
T.
Newhouse-Illige
,
M.
Xu
,
M. R.
Rosales
,
S.
Nahar
,
J. T.
Held
,
K. A.
Mkhoyan
, and
W.-G.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
182406
(
2015
).
18.
X.
Li
,
G. Q.
Yu
,
H.
Wu
,
P. V.
Ong
,
K.
Wong
,
Q.
Hu
,
F.
Ebrahimi
,
P.
Upadhyaya
,
M.
Akyol
,
N.
Kioussis
,
X. F.
Han
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
142403
(
2015
).
19.
T.-Y.
Chen
,
H.-I.
Chan
,
W.-B.
Liao
, and
C.-F.
Pai
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
044038
(
2018
).
20.
D.
Wu
,
G. Q.
Yu
,
Q. M.
Shao
,
X.
Li
,
H.
Wu
,
L. K.
Wong
,
Z. Z.
Zhang
,
X. F.
Han
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
212406
(
2016
).
21.
A.
Kaidatzis
,
C.
Bran
,
V.
Psycharis
,
M.
Vázquez
,
J. M.
García-Martín
, and
D.
Niarchos
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
262401
(
2015
).
22.
Y.
Ou
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
192403
(
2017
).
23.
X. D.
Xu
,
K.
Mukaiyama
,
S.
Kasai
,
T.
Ohkubo
, and
K.
Hono
,
Acta Mater.
161
,
360
(
2018
).
24.
S.
Kim
,
S. C.
Baek
,
M.
Ishibashi
,
K.
Yamada
,
T.
Taniguchi
,
T.
Okuno
,
Y.
Kotani
,
T.
Nakamura
,
K.-J.
Kim
,
T.
Moriyama
,
B.-G.
Park
, and
T.
Ono
,
Appl. Phys. Exp.
10
,
073006
(
2017
).
25.
L.
Liu
,
T.
Moriyama
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
036601
(
2011
).
26.
L.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
,
555
558
(
2012
).
27.
C.-F.
Pai
,
L.
Liu
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122404
(
2012
).
28.
C.-F.
Pai
,
M.-H.
Nguyen
,
C.
Belvin
,
L. H.
Vilela-Leão
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
082407
(
2014
).
29.
Q.
Hao
and
G.
Xiao
,
Phys. Rev. Appl.
3
,
034009
(
2015
).
30.
G.-G.
An
,
J.-B.
Lee
,
S.-M.
Yang
,
J.-H.
Kim
,
W.-S.
Chung
, and
J.-P.
Hong
,
Acta Mater.
87
,
259
(
2015
).
31.
Y.
Takeuchi
,
C. L.
Zhang
,
A.
Okada
,
H.
Sato
,
S.
Fukami
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
192408
(
2018
).
32.
Z. C.
Zheng
,
Q. X.
Guo
,
D.
Jo
,
D.
Go
,
L. H.
Wang
,
H. C.
Chen
,
W.
Yin
,
X. M.
Wang
,
G. H.
Yu
,
W.
He
,
H.-W.
Lee
,
J.
Teng
, and
T.
Zhu
,
Phys. Rev. Res.
2
,
013127
(
2020
).
33.
O. A.
Bulavchenko
,
Z. S.
Vinokurov
,
T. N.
Afonasenko
,
P. G.
Tsyrul'nikov
,
S. V.
Tsybulya
,
A. A.
Saraev
, and
V. V.
Kaichev
,
Dalton Trans.
44
,
15499
15507
(
2015
).
34.
Y. M.
Jang
,
C. H.
Nam
,
K.-S.
Lee
,
B. K.
Cho
,
Y. J.
Cho
,
K.-S.
Kim
, and
K. W.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
102104
(
2007
).
35.
H. X.
Yang
,
M.
Chshiev
,
B.
Dieny
,
J. H.
Lee
,
A.
Manchon
, and
K. H.
Shin
,
Phys. Rev. B
84
,
054401
(
2011
).
36.
B. J.
Kirby
,
M. T.
Rahman
,
R. K.
Dumas
,
J. E.
Davies
,
C. H.
Lai
, and
K.
Liu
,
J. Appl. Phys.
113
,
033909
(
2013
).
37.
P.-C.
Chen
,
Y. M.
Du
,
B.-Y.
Yang
,
P.-H.
Lin
,
G.-Y.
Guo
,
M.
Pakala
, and
C.-H.
Lai
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
064408
(
2018
).
38.
W. Z.
Chen
,
G.
Xiao
,
Q.
Zhang
, and
X. X.
Zhang
,
Phys. Rev. B
98
,
134411
(
2018
).
39.
Q.
Hao
and
G.
Xiao
,
Phys. Rev. B
91
,
224413
(
2015
).
40.
C.
Fowley
,
S.
Ouardi
,
T.
Kubota
,
O.
Yildirim
,
A.
Neudert
,
K.
Lenz
,
V.
Sluka
,
J.
Lindner
,
J. M.
Law
,
S.
Mizukami
,
G. H.
Fecher
,
C.
Felser
, and
A. M.
Deac
,
J. Phys. D
48
,
164006
(
2015
).
41.
T.
Zhu
,
Y.
Yang
,
R. C.
Yu
,
H.
Ambaye
,
V.
Lauter
, and
J. Q.
Xiao
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
202406
(
2012
).
42.
A.
Hallal
,
H. X.
Yang
,
B.
Dieny
, and
M.
Chshiev
,
Phys. Rev. B
88
,
184423
(
2013
).
44.
S. V.
Karthik
,
Y. K.
Takahashi
,
T.
Ohkubo
,
K.
Hono
,
S.
Ikeda
, and
H.
Ohno
,
J. Appl. Phys.
106
,
023920
(
2009
).
45.
W.-T.
Sheng
,
W. G.
Wang
,
X. H.
Xiang
,
F.
Shen
,
F.-F.
Li
,
T.
Zhu
,
Z.
Zhang
,
Z.-Z.
Li
,
J.
Du
,
A.
Hu
, and
J. Q.
Xiao
,
J. Electron. Mater
33
,
1274
(
2004
).
46.
D. R.
Lide
,
CRC Handbook of Chemistry and Physics
, 81st ed. (
CRC
,
Boca Raton, FL
,
2000
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.