Adressage des verrous de rétention et écriture pour des points mémoire magnétiques MRAM sub-10nm

Exploring new designs addressing fabrication and read/write bottlenecks of Perpendicular-Shape-Anisotropy MRAM

• Auteur / Autrice : Natalia Boscolo meneguolo
• Direction : Olivier Fruchart
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et Technologie des Composants

Mots clés

Mots clés libres

Mémoire magnétique

Fluctuations thermiques

Études nanomagnétiques

Magnetic memory

Thermal fluctuations

Nanomagnetic analysis

Résumé

Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) sont une des réalisations technologiques phares qui ont été rendues possibles par les recherches fondamentales et découvertes en spintronique. Les MRAM présentent plusieurs points forts, dont l'absence de consommation électrique hors fonctionnement (par contraste avec les SRAM et DRAM), la très forte endurance (par contraste avec les flash), et un temps de commutation proche de la nanoseconde. Les programmes de l'essentiel des fondeurs et géants des semi-conducteurs ont intégré les MRAM. Leur marché est en croissance importante mais positionné sur quelques niches (mémoires cache pour les transferts de données pour la rapidité, ou dans les FPGA et l'IoT pour la faible consommation par exemple). L'adressage d'autres marchés à grande ampleur (mémoires DRAM à forte densité, ou à contraintes de haute température dans la robotique et l'automobile) nécessitent cependant de développer de nouveaux concepts pour renforcer leur stabilité thermique, notamment aux nœuds technologiques les plus agressifs. Dans ce contexte, en 2018 deux acteurs majeurs en spintronique au niveau mondial ont proposé et développé de manière indépendante un nouveau concept : le centre Tohoku au Japon, et SPINTEC en Europe. Il s'agit de la mémoire MRAM 3D, dont la stabilité thermique et donc la capacité de rétention reposent sur l'anisotropie magnétique d'un nanopilier vertical, naturellement forte du fait de l'important volume associé, plutôt que sur des empilements ultraminces pour les MRAM standard, naturellement sujettes aux fluctuations thermiques du fait de leur basse dimensionnalité. Le travail réalisé a permis de trouver des voies de fabrication jusque sub-10 nm, et montrer la capacité d'écriture/lecture de cellules par un courant électrique, et s'est concrétisé par une combinaison de brevets et publications. Cependant, tant les expériences que les simulations montrent qu'un verrou de cette approche est une plus grande difficulté d'écriture par le courant électrique. L'effet sous-jacent de transfert de spin s'applique en effet essentiellement à l'interface d'une jonction magnétique, ce qui est naturellement moins efficace pour un pilier vertical qu'une couche ultramince. L'objectif de la thèse est d'explorer des voies disruptives afin de lever les verrous en écriture par courant électrique dans le concept de MRAM 3D. L'enjeu est de donner un réel potentiel applicatif à la preuve de concept réalisée jusqu'à présent, pour pouvoir envisager une montée en TRL. Ce faisant, il s'agit de lever des verrous en développant de nouveaux concepts physiques Étapes de la thèse o Simulation numérique pour tester de nouveaux designs : forme conique du point mémoire, cœur-coquille avec couplages magnétostatiques ou RKKY. o Développement des briques de fabrication nécessaires, dans des via en matrice isolante. o Études nanomagnétiques des points mémoires et de leur stabilité thermique o Comportement en lecture/écriture sous courant, après réalisation d'une jonction tunnel magnétique après une planarisation CMP et dépôt d'électrode supérieure de référence.

CONTEXT. Magnetic Random Access Memories (MRAMs) are one of the flagship technological achievements that have been made possible by fundamental research and discoveries in spintronics. MRAMs have several strengths, including zero consumption in the idle state (as opposed to SRAM and DRAM), very high endurance (as opposed to flash), and near-nanosecond switching time. Most of the founders and semiconductor worldwide have included integrated MRAMs in their technological portfolio. The market for MRAM is growing significantly, but at present it remains positioned in a few niches: cache memory for data transfer for speed, or in FPGAs and IoT for low power consumption, for example. Addressing other large-scale markets (high-density DRAMs, or high-temperature constraints in robotics and the automotive industry) requires the development of new fundamental concepts to reinforce their thermal stability, particularly at the most aggressive technological nodes. CONTEXT at SPINTEC. In 2018 two worldwide players in spintronics independently proposed and developed a new concept: the Tohoku Center in Japan, and SPINTEC in Europe. This is the 3D MRAM memory, also called Perpendicular-Shape Anisotropy MRAM (PSA-MRAM), whose thermal stability and thus retention capacity are based on the magnetic shape anisotropy of a vertical nanopillar. It is intrinsically large thanks to the large volume involved, contrary to ultrathin stacks as used for standard MRAMs, which are prone to thermal fluctuations due to their low dimensionality. The work carried out has allowed us to demonstrate a fabrication routes for pillars down to sub-10 nm in diameter, and to show the ability to write/read cells by an electric current, and has resulted in a combination of patents and publications. Two main aspects have still to be validated for future technological implementation: the reduction of the critical current density needed for switching as well as innovative fabrication process capable to produce high-density and high yield integration. POSITION The objective of the PhD project is to explore disruptive fabrication routes, cell and material designs to lift the two bottlenecks, related to fabrication and efficiency of the write operation with a spin-polarized current. While the motivation and objective is to give a real application potential to the proof of concept achieved so far, the means to do so requires to address a number of issues pertaining to fundamental spintronics and materials science, and pushing further the knowledge of the micromagnetics and spintronics of extreme nanosized elements. Practical work will consist in handling simulation micromagnetics to refine the design proposed for the memory cells, the experimental development of the steps required for their fabrication (thin film and patterning steps), the nanomagnetic and electric testing of individual nanomagnets and memory cells, up to read-write proof of concept. SPINTEC provides a readily available environment to conduct the work, ranging from micromagnetic codes and computing farms, state-of-the-art thin film and clean room facilities, and a series of advanced magnetic microscopy techniques and electric testing tools.