Etude et optimisation de la stabilité thermique et de la tenue en température de P-STT-MRAM pour des applications industrielles

Study and optimization of thermal stability and temperature dependence of P-STT-MRAM for industrial applications

• Auteur / Autrice : Luc Tillie
• Direction : Ioan-Lucian Prejbeanu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 05/12/2018
• 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 : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jeffrey Childress
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lionel Torres, Myriam Pannetier-Lecœur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoélectricité

Spintronique

Ordinateurs -- Mémoires magnétiques

Mots clés libres

Mémoire magnétique

Stt-Mram

Spintronics

Caractérisation

Intégration

Stabilité

Magnetic memories

Stt-Mram

Spintronics

Characterization

Integration

Stability

Résumé

Avec la quantité d’information augmentant drastiquement depuis les dernières décennies, le besoin pour de nouvelles solutions technologiques grandit. Une des réponses à ce problème consiste à améliorer les composants actuels avec des Mémoires Non-Volatiles émergentes. Parmi ces nouvelles solutions, les Mémoires vives Magnétiques (MRAM) attirent l’attention de l’industrie. Avec leurs supposée endurance illimitée, haute vitesse d’écriture et de lecture, opérations à basse tension et grande rétention d’information à température ambiante, les MRAM, particulièrement les MRAM Perpendiculaires à Couple de Transfert de Spin (P-STT-MRAM), sont vus comme l’un des meilleurs candidats au remplacement des SRAM, DRAM et Flash embarquée. Pour être utilisées dans des applications industrielles, les P-STT-MRAM doivent répondre à un large panel de requis en terme de rétention d’information (ex :10 ans) et une température de fonctionnement élevée (plus de 200°C). Cependant, puisque mesurer une grande rétention d’information n’est pas pratique, des solutions doivent être trouvées pour l’extraire rapidement. Ce manuscrit propose et compare différentes méthodes d’extraction du facteur de stabilité thermique pour P-STT-MRAM. La plus adaptée est utilisée pour modéliser le comportement en température et en taille de ce facteur. Ensuite, les limites en température des P-STT-MRAM sont caractérisées et différentes options de couche de stockage sont associées aux applications industrielles. Pour finir, la dépendance des paramètres électriques avec un champs magnétique externe est étudiée et un capteur magnétique linéaire basé sur une mémoire P-STT-MRAM est proposé

With the amount of data increasing drastically during the last few decades, the need for new technological solutions rose. One of the answers to this problem consists in improving the actual hardware with emerging Non-Volatile Memories (e-NVM). Within these new solutions, the Magnetic Random Access Memory (MRAM) gains a lot of attention from the industrial market. With their supposed unlimited endurance, high speed switching, low voltage operations and high data retention at room temperature, the MRAM, especially the Perpendicular Spin Transfer Torque MRAM (P-STT-MRAM), is seen as one of the best contenders for DRAM, SRAM and embedded Flash replacement. To be used in industrial applications, the P-STT-MRAM has to answer to a large range of requirements in terms of data retention (e.g 10 years) and high operating temperature (more than 200°C). However, as measuring high data retention is not practical, solutions have to be found to extract it fastly. This manuscript will propose and compare different thermal stability factor extraction protocols for P-STTMRAM. The most adapted will be used to model the temperature and size dependence of this factor. Then, the temperature limits of P-STT-MRAM will be characterized and different flavours of storage layers will be match with industrial applications. Finally, the electrical parameters dependence with an external magnetic field will be studied and a linear magnetic sensor based on a P-STT-MRAM device will be proposed