Développement de cellules mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) auto-référencées assistées thermiquement

Development of self-referenced thermally assisted magnetic random access memory cells (MRAM)

• Auteur / Autrice : Quentin Stainer
• Direction : Bernard Dieny, Ricardo Sousa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano électronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 19/12/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Spintec
• Jury : Président / Présidente : Alain Schuhl
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Dieny, Ricardo Sousa, Dafiné Ravelosona, Lucien Lombard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Montaigne, Jean-Marie George

Mots clés

Mots clés libres

MRAM

Magnétisme

Auto-référence

Multibit

MRAM

Magnetism

Self-reference

Multibit

Résumé

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.

The goal of this thesis was to model and demonstrate experimentally the read and write functionalities of a new thermally assisted magnetic random access memory structure, the self-referenced MRAM. The self-referenced MRAM stack is obtained from the thermally assisted MRAM one by removing the reference antiferromagnetic, effectively replacing the pinned reference layer by a free layer: the sense layer. By remotely switching the sense layer magnetization, by means of an external field, the storage layer magnetization direction, and as such the stored bit state, can be probed in-situ. Due the possibility to program both magnetic layers individually, self-referenced MRAM can be operated as a Magnetic Logic Unit, combining in-stack the storage and exclusive-or logic functions and thereby opening new application ranges. The read and write functionality of self-referenced MRAM were experimentally demonstrated on a first batch of samples. However, the field requirements were found to be higher than the target requirements for fully functional industrial products. In order to optimize the read and write field requirements, we developed a macrospin model based on the Stoner-Wohlfarth model of magnetization reversal. By introducing magnetostatic, RKKY and ferromagnet/antiferromagnet exchange coupling phenomena, we calculated a general form of the energy for any type of MRAM magnetic stack. A previously proposed highly efficient switching mode, relying on the magnetostatic interactions between the sense and the storage layer, was effectively predicted by the model and experimentally demonstrated in new samples. An excellent agreement was obtained between the model and the experimental results. Increasing the stiffness of the storage layer was found to be critical in order to minimize the read field requirements at decreasing patterning dimensions. Material developments were performed to maximize the RKKY coupling in the synthetic ferrimagnet storage layer. In order to study the reproducibility of the write operation, the influence of thermal activation was modelled by calculating energy barriers and transition paths and compared with on-the-fly measurements of switching probabilities on the new set of samples with a stiffer storage layer. Again, an excellent agreement was obtained between the model and the experiments. Based on the model developed, we built a roadmap describing the magnetic stack to use, that allows a downscaling of the self-referenced MRAM down to 45 nm while conserving manageable field requirements. Due to fundamental limitations in field-induced switching MRAM technology, reaching higher densities was found to require increasing the individual storage capacity of each MTJ, i.e. storing multiple bits per unit cell. A new angle-based storage method taking advantage of the sense layer free magnetization was investigated. Using the magnetic model developed previously, suitable samples were designed and allowed to experimentally demonstrate up to 4 bits per single MTJ. The field requirements were however found to be substantially higher than those compatible with a fully functional product. A new write method, predicted by the model, was investigated and exploited in the building of a second roadmap down to 45 nm. Mirrored dual barrier structures were then studied, with the experimental demonstration of their manufacturability and functionality. Notably, a highly efficient write mechanism similar to that observed in single barrier self-referenced MRAM was obtained. Finally, the adaptation of angle-based storage to these dual barrier devices was modeled, leading to the proposition of a method to store up to 8 bits per single cell.