Réduction du champ d'écriture de mémoires magnétiques à écriture assistée thermiquement à l'aide du couple de transfert de spin

Writing field reduction in magnetic memories thanks to spin transfer torque

• Auteur / Autrice : Antoine Chavent
• Direction : Bernard Dieny, Ricardo Sousa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 21/01/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Dieny, Ricardo Sousa, Daniel Lacour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Marie George, Jean-François Bobo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de spin

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

MRAM

Retournement assisté thermiquement

Couple de transfert de spin

Diagramme de phase

Spintronic

MRAM

Thermaly assisted switching

Spin transfer torque

Phase diagram

Résumé

La spintronique propose de nouvelles solutions en microélectronique en termes d’architecture, pour résoudre les problèmes de miniaturisation et de consommation. Son produit phare, les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM), est composé de jonctions tunnel magnétiques (JTM). Une alternative intéressante d’architecture MRAM, développée par Crocus Technology propose d’assister thermiquement le retournement du moment magnétique stockant l’information. L’aimantation de la couche de stockage est couplée à une couche antiferromagnétique afin de la stabiliser (couche piégée). Un chauffage par effet Joule à l’aide d’un courant traversant la barrière tunnel permet de libérer la couche de stockage pour écrire l’information à l’aide d’un champ magnétique. Générer un champ magnétique est encore coûteux en puissance. Pour résoudre ce problème, l’idée explorée dans cette thèse est d’exploiter avantageusement le couple de transfert de spin généré par le courant de chauffage pour réduire le champ d’écriture en changeant la polarité du courant de chauffage suivant l’état que l’on cherche à écrire. Pour ce faire, des dispositifs 1 kbit ont été testés, dans lesquels on montre que l’influence du couple de transfert permet de réduire le champ d’écriture. Une nouvelle structure à couche de stockage synthétique ferrimagnétique (SyF) piégée a été développée pour tirer parti du couple de transfert de spin au mieux sans dégrader relations d’épitaxie garantes des propriétés de stabilité et de signal. Pour étudier l’influence du couple de transfert de spin en détail, des diagrammes de phases en champ et tension ont été réalisés sur divers structures, en séparant les différentes composantes de l’empilement complet. En plus du couple de transfert de spin attendu, un effet pair du courant a été observé, favorisant toujours l’état antiparallèle quel que soit la polarité du courant. Cet effet se retrouve tant sur les couches piégées que les couches libres, et peut s’expliquer par un couple de transfert de spin perpendiculaire comme suggéré par la forme des diagrammes obtenus avec des couches libres. Par ailleurs, les diagrammes d’écriture de couche de stockage SyF révèlent une forme complexe qui serait liée à l’excitation d’une seule des deux couches du SyF par le couple de transfert de spin. En variant le produit résistance-surface (RA) de la JTM, on a montré que le couple de transfert de spin semble bien conserver sa proportionnalité avec la densité de courant sur des structures à couche de stockage piégée. Un autre pan du travail concerne la phase de refroidissement à la fin de l’écriture assistée thermiquement. L’influence de la vitesse de refroidissement sur l’efficacité du couple de transfert de spin a été mise en évidence, et il est montré qu’une diminution progressive de la tension permet d’atteindre un régime de refroidissement quasi-statique dans lequel le taux d’erreur est réduit d’un ordre de grandeur sur certaines structures. Les différents résultats sont mis en lien avec la dépendance en température du couplage RKKY au sein du SyF. Celui-ci permet de d’estimer l’évolution de la température en tension et en temps réel. Enfin, l’existence d’un effet thermoélectrique dû à l’asymétrie de chauffage est étudiée.

Spintronics offers new solutions in microelectronics regarding architecture, to solve scaling and consumption issues. Its main product, magnetic random access memories (MRAM), is composed of magnetic tunnel junctions (MTJ). Switching of the magnetic moment storing the data is facilitated by a thermally assisted writing method developed by Crocus Technology. The storage layer’s magnetization is coupled to an antiferromagnetic layer to stabilize it (pinned layer). Joule heating thanks to a tunneling current allows freeing the storage layer to write information thanks to a magnetic field. Generating a magnetic field still consumes power. To solve this issue, the idea explored in the thesis is to harness advantageously the spin transfer torque arising from the heating current in order to lower the writing field by changing the heating current polarity depending on the state to write. To do this, 1 kbit test vehicles have been tested, for which it is shown that spin transfer torque influence allows reducing the writing field. A new structure has been developed, consisting of a pinned synthetic ferrimagnetic (SyF) storage layer, to get benefits from the spin transfer torque without degrading epitaxial relations necessary to have a good stability and a good signal. To study the influence of spin transfer torque in details, field-voltage phase diagrams have been measured for various structures, by separating the elementary parts of the full structure. Apart from the expected spin transfer torque, an even effect of the current has been observed, favoring the antiparallel state whatever the current polarity. This effect can be found both in pinned layers and free layers, and can be explained thanks to perpendicular spin transfer torque as suggested by the shape of the diagrams obtained on free layers. Besides, writing diagrams of SyF storage layer have a complexe shape that may be related to the excitation of one only layer of the two of the SyF by spin transfer torque. By varying the resistance-area product (RA) of the MTJ, we showed that spin transfer torque seems to keep its proportionality to current density for structures with pinned storage layer. Another side of the work is related to the cooling phase at the end of the thermally assisted writing. Influence of the cooling rate on the efficiency of spin transfer torque was evidenced, and it is showed that a gradual decrease of the voltage let reach a quasistatic cooling regime in which the writing error rate is reduced by one order of magnitude on some structures. The different results are linked to the temperature dependence of RKKY coupling inside the SyF. This allows estimating real time change of temperature. Finally, thermoelectric effect due to heating asymmetry is studied.