SOUSA Ricardo

Cet article étudie les effets de l'irradiation par laser et par ions lourds sur les dispositifs à jonction tunnel magnétique à anisotropie magnétique perpendiculaire et à transfert de spin (PMA STT-MTJ). La campagne radiative aura lieu dans les installations de l'Université Catholique de Louvain (UCL) en avril 2020. Les dispositifs considérés sont des STT p-MTJs purement magnétiques et ont été fabriqués en utilisant la technologie MTJ CoFeB-MgO la plus avancée. La tolérance aux perturbations à événement unique (SEU) et la modification des propriétés magnétiques seront étudiées en profondeur et présentées dans l'article final.

Afin d'améliorer la marge de lecture/écriture dans les mémoires magnétiques à accès aléatoire à transfert de spin perpendiculaire (STT-MRAM), un concept de cellule MRAM à double jonction tunnel magnétique (MTJ) est proposé dans lequel l'efficacité STT peut être modifiée entre les modes lecture et écriture. Dans les piles conventionnelles à double jonction tunnel magnétique, la magnétisation de la couche de stockage est soumise à deux contributions STT additives, l'une provenant de la couche de référence située sous la barrière tunnel inférieure et l'autre d'une couche de polarisation supplémentaire située au-dessus de la barrière tunnel supérieure. Dans l'empilement proposé, l'aimantation de la couche de polarisation supérieure peut être commutée entre le mode de lecture et le mode d'écriture par la propagation de la paroi de domaine ou le couple orbital de spin. Cela nous permet de maximiser le STT sur la couche de stockage pendant l'écriture et de le minimiser pendant la lecture. Les avantages associés sont un courant d'écriture plus faible, une perturbation de lecture réduite, une amplitude de magnétorésistance maximale pendant la lecture, et une lecture plus rapide grâce à un courant de lecture plus important. Nous rapportons ici la démonstration expérimentale de ce concept sur des empilements perpendiculaires de double-MTJ.

Dans cette étude, un nouveau type de memristor magnétique compact est démontré.

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Dans les mémoires magnétiques à transfert de spin, l’aimantation d’une couche mince ferromagnétique est retournée sous l’effet d’un courant polarisé. Au cours de ce manuscrit est étudiée la façon dont ce retournement s’opère, appelée chemin de retournement. Après avoir posé les concepts théoriques de base nécessaires et effectué un état de l’art du chemin de retournement, je présente les résultats de nos simulations micromagnétiques. Nous avons étudié le chemin de retournement en fonction du diamètre du dispositif. Ces calculs numériques prédisent un retournement composé d’une phase cohérente suivie de la nucléation et de la propagation d’une paroi de domaine. Ce chemin de retournement est attendu pour les dispositifs the 20 à 100 nm à température ambiante, donc dans nos mesures à venir. La propagation de paroi de domaine observée dans les simulations présente de complexes oscillations de Walker qui ne sont pas expliquées par les modèles de l’état de l’art. Aussi je présente un modèle de dynamique de paroi plus complet, où la géométrie exacte du système est prise en compte. Dans cette géométrie l’élasticité de la paroi donne naissance à un nouveau champ que nous appelons champ d’étirement. Ce champ d’étirement joue un rôle capital dans la dynamique de paroi et va nous permettre de comprendre et de prédire les oscillations de Walker complexes. Nos mesures sont effectuées pour des dispositifs de mémoires magnétiques à transfert de spin dernière génération, basé sur une jonction tunnel magnétique à anisotropie perpendiculaire. Le diamètre de nos dispositifs varie entre 26 et 200 nm. Nous effectuons des mesures de magnétométrie, de résonance ferromagnétique et des mesures électriques résolues en temps de la commutation. Le chemin de retournement mesuré dans ces dernières présente les signatures d’une phase initiale cohérente suivie d’un déplacement de paroi de domaine, comme calculé dans nos simulations. Les fortes oscillations de Walker prédites par nos modèles sont observées pour des échantillons spécifiques où la couche libre présente peu de défauts, mais pas dans nos échantillons les plus standards. Ceci met en lumière l’intérêt de nos travaux analytiques dans la compréhension du retournement dans des dispositifs destinés aux applications industrielles.

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Les limites de température des STT-MRAM perpendiculaires ont été étudiées dans cet article en caractérisant différentes épaisseurs de couches de stockage simples et composites ainsi que différents matériaux de recouvrement et conditions de température de recuit. Les mesures de température ont montré l'importance de régler précisément l'épaisseur de la couche de stockage afin de choisir entre une faible consommation, une immunité magnétique élevée, une température de travail élevée, la TMR et la rétention des données, la couche de stockage composite apparaissant comme le meilleur compromis. Les différentes épaisseurs et empilements ont ensuite été comparés aux principales applications industrielles pour faire correspondre épaisseur et performances.

Une nouvelle couche de couplage antiferromagnétique multifonctionnelle (MF-AFC) combinant le Ru et le W est révélée pour réaliser une couche antiferromagnétique synthétique perpendiculaire (pSAF) extrêmement mince (3,8 nm), compatible en bout de ligne ainsi que magnétiquement et électriquement stable, essentielle pour les applications de mémoire spintronique et de dispositifs logiques. En plus de réaliser un couplage antiferromagnétique RKKY, cette MF-AFC agit également comme un puits de bore et une couche de rupture de texture. Une optimisation détaillée de l'épaisseur des différentes couches impliquées a été réalisée pour obtenir une couche de référence MF-AFC extrêmement fine avec des propriétés magnétiques stables, ce qui permet la réalisation de cellules STT-MRAM de moins de 20 nm. Cette couche de référence ultra-mince présente deux avantages importants : elle facilite la gravure de la couche de référence et minimise le champ dipolaire agissant sur la magnétisation de la couche de stockage.

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Ce manuscrit présente les points forts des recherches auxquelles j'ai contribué sur les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) depuis mon arrivée au laboratoire Spintec du CEA-Grenoble en 2002. Ces travaux ont consisté à développer des concepts de MRAM utilisant des méthodes d'écriture par champ magnétique et par couple de transfert de spin (STT) ainsi que les matériaux nécessaires à la démonstration de leur principe de fonctionnement. Après avoir brièvement résumé mon parcours professionnel dans le premier chapitre, je présente les domaines qui bénéficieraient de l'adoption de la mémoire non volatile en particulier comme mémoire embarquée. Le deuxième chapitre passe en revue les avantages de l'utilisation du flux de courant à travers la cellule dans l'écriture assistée thermiquement à l'aide de champs magnétiques et de STT. Il se concentre sur la dynamique de chauffage et les méthodes permettant de déterminer l'augmentation de température à l'intérieur d'un pilier de jonction tunnel magnétique. Le chapitre suivant passe en revue les solutions permettant d'écrire et d'inverser la direction de la magnétisation à la vitesse limite ultime définie par la fréquence de précession de la magnétisation dans la gamme des GHz. Il traite également de la rupture de la barrière de la jonction tunnel à de courtes largeurs d'impulsion. Nous examinons ensuite les avantages des matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire pour la MRAM, le concept le plus susceptible d'être adopté par l'industrie, ainsi que les développements de matériaux nécessaires pour mettre à l'échelle des cellules de moins de 20 nm de diamètre. Enfin, je résume nos résultats dans le contexte des futures orientations de recherche possibles dans le domaine de la MRAM.

L'objectif de cette thèse était la modélisation et la démonstration expérimentale des fonctionnalités de lecture et écriture d'une nouvelle structure de mémoire magnétoresistive à accès aléatoire thermiquement assistée, la MRAM autoréférencée. L'empilement magnétique de la MRAM autoréférencée s'obtient à partir de celui de la MRAM thermiquement assistée en retirant la couche antiferromagnétique de référence, remplaçant de ce fait la couche de référence piégée par une couche libre la couche de lecture. En commutant indirectement l'aimantation de la couche de lecture par le biais d'un champ externe, la direction d'aimantation de la couche de stockage piégée, et ainsi le niveau logique stocké, peut être mesuré in-situ. Grace à la possibilité de programmer individuellement les deux couches magnétiques, la MRAM autoréférencée peut être considérée comme une unité logique magnétique, combinant la fonctionnalité mémoire avec la logique comparative dans un même dispositif, ce qui ouvre de nouveau champs d'applications. La fonctionnalité des modes de lecture et d'écriture de la MRAM autoréférencée ont été démontrées expérimentalement sur un premier jeu d'échantillons. Cependant, les champs requis se sont avérés être incompatible avec une application dans un produit industriel fonctionnel. Dans le but d'optimiser les champs requis pour l'écriture et la lecture, un modèle macrospin, inspiré du modèle de Stoner-Wohlfarth de retournement de l'aimantation, a été développé. En introduisant les phénomènes de couplages magnétostatiques, RKKY et d'échange entre matériaux ferromagnetiques et antiferromagnétiques, une forme générale de l'énergie applicable à n'importe quel empilement magnétique MRAM a été obtenue. Un mode d'écriture à basse amplitude de champ, basé sur le couplage magnétostatique entre les couches de lecture et de stockage, a été prédit par le modèle puis démontré expérimentalement sur un nouveau lot d'échantillons. Un excellent accord a été obtenu entre le modèle et les mesures expérimentales. Afin d'étudier la reproductibilité de l'écriture, l'influence de l'activation thermique a été introduite par le calcul des barrières d'énergies reliées aux transitions magnétiques effectuées lors de l'écriture, puis comparée aux mesures expérimentales de la probabilité d'écriture d'un nouveau lot d'échantillons. Une fois encore, un excellent accord a été obtenu entre le modèle et l'expérience. A l'aide du modèle développé et validé, une roadmap définissant les empilements magnétiques permettant de conserver des champs de fonctionnement faible pour des points mémoires jusqu'à 45 nm a été établie. En raison de limitations technologiques fondamentales dans les MRAM commutées par champ, il est apparu indispensable d'augmenter la capacité de stockage individuelle de chaque point mémoire pour atteindre de plus grande densité de stockage. Une nouvelle méthode de stockage angulaire exploitant la mobilité de l'aimantation de la couche de lecture a été explorée. A l'aide du modèle développé précédemment des échantillons adéquat ont été produits et ont permis de démontrer expérimentalement une capacité de stockage allant jusqu'à 4 bits par point mémoire individuel. Cependant, les champs de fonctionnement requis se sont avérés être bien supérieurs à ce qui est compatible avec une application industrielle. A l'aide du modèle, une nouvelle méthode d'écriture a été proposée et a permis d'établir une seconde roadmap vers le nœud technologique de 45 nm. Des structures miroirs à double barrières ont ensuite été étudiées, avec une démonstration expérimentale de faisabilité de leur fabrication, ainsi que de leurs fonctionnalités. Plus particulièrement, un mode d'écriture à faible champ, similaire à celui observé dans les MRAM autoréférencées à simple barrière, a été obtenu. Enfin, l'adaptation du stockage angulaire à ces structures miroirs a été modélisée, aboutissant à la proposition d'une méthode permettant de stocker jusqu'à 8 bits par point mémoire.

L'influence des épaisseurs des électrodes magnétiques inférieure et supérieure sur l'anisotropie perpendiculaire et les propriétés de transport est étudiée dans des jonctions tunnel magnétiques (Co/Pt)/Ta/CoFeB/MgO/FeCoB/Ta. En étudiant soigneusement le moment magnétique relatif des deux électrodes en fonction de leur épaisseur, nous identifions et quantifions la présence de couches magnétiquement mortes, probablement localisées aux interfaces avec le Ta, soit 0,33 nm pour l'électrode inférieure et 0,60 nm pour l'électrode supérieure. Les épaisseurs critiques (transitions de réorientation de spin) sont déterminées comme étant de 1,60 et 1,65 nm pour les électrodes inférieure et supérieure, respectivement. Le rapport de magnétorésistance tunnel atteint sa valeur maximale, dès que les deux épaisseurs effectives (corrigées de la couche morte) des électrodes dépassent 0,6 nm.

Dans le cadre de l'augmentation de la densité de stockage des mémoires magnétorésistives à accès direct (MRAM), les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire sont particulièrement intéressants car ils possèdent une très forte anisotropie. Cependant, cette augmentation d'anisotropie induit également un accroissement de la consommation d'écriture. Un nouveau concept d'écriture assistée thermiquement a été proposé par le laboratoire SPINTEC. Le principe est de concevoir une structure très stable à température ambiante, mais qui perd son anisotropie lorsqu'elle est chauffée, facilitant ainsi l'écriture. Le but de cette thèse est de valider expérimentalement ce concept. Les premiers chapitres sont consacrés à l'optimisation des matériaux à anisotropie perpendiculaire que sont les multicouches (Co/Pt), (Co/Pd) et (Co/Tb). Leur intégration dans une jonction tunnel magnétique est ensuite présentée. L'évolution de l'anisotropie en température, paramètre crucial au bon fonctionnement de l'assistance thermique, a également été étudiée. Enfin, il est démontré que l'écriture thermiquement assistée est particulièrement efficace : les structures développées présentent une consommation d'écriture réduite par rapport aux structures classiques et une forte stabilité à température ambiante.

Cette thèse est consacrée à l’intégration d’un polariseur à anisotropie perpendiculaire dans une jonction tunnel magnétique aux aimantations planaires. Par effet du transfert de spin venant du polariseur perpendiculaire, il est possible d’induire des oscillations de l’aimantation de la couche libre. Ces oscillations ultra-rapides de l’ordre de la picoseconde, peuvent être utilisées comme mode d’écriture dans une cellule magnétique MRAM. Ce type d’écriture est appelée écriture précessionnelle. Nous avons optimisé des structures fonctionnelles tout en gardant des bonnes qualités électriques et magnétiques. Les tests d’écriture sur des nanopiliers ont permis de valider le concept d’écriture précessionnelle ouvrant ainsi une porte à la compréhension des différents phénomènes liés au transport tunnel et à la dynamique de l’aimantation.