Mémoire magnétique à courant d'écriture réduit grâce à l'assistance par micro-ondes

par Daniel Sanchez Hazen

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Bernard Dieny.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Spintronique et Technologie des Composants (laboratoire) depuis le 31-08-2018 .


  • Résumé

    L'industrie de la microélectronique suscite un intérêt croissant pour un nouveau type de mémoire magnétique non volatile appelée STT-MRAM. SPINTEC est très actif dans ce domaine depuis 10 ans et détient des brevets très importants pour cette technologie. Dans ces mémoires, les éléments de stockage sont des jonctions tunnel magnétiques à motifs nanométriques constituées de deux couches ferromagnétiques séparées par une barrière à oxyde à tunnel mince (MgO). L'information (0 ou 1) est codée dans l'orientation relative de l'aimantation des deux couches magnétiques (Parallèle = 0; Antiparallèle = 1), l'aimantation d'une seule couche étant bloquée dans une direction fixe (couche de référence) tandis que l'aimantation du l'autre est commutable (couche de stockage) pour atteindre les états P ou AP. Ces mémoires seront lancées cette année dans les grandes fonderies de microélectronique pour le remplacement d'e-FLASH. De nombreuses applications (applications portables telles que les smartphones, les objets interconnectés de l'internet des objets, etc.) nécessitent de minimiser la consommation électrique des circuits, en particulier des mémoires, afin de prolonger la durée de vie de la batterie. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier une nouvelle approche pour réduire la conception énergétique de l'écriture en mémoire en aidant la commutation de l'aimantation de la couche de stockage par une micro-onde produite par un nano-oscillateur à couple de transfert de spin (STT) intégré dans chaque cellule de mémoire. STT permet de commuter l'aimantation de la couche de stockage avec un coût énergétique qui devrait être réduit de plusieurs dizaines de fJ à quelques fJ grâce à l'assistance RF. La thèse comprendra des simulations et des expériences. Sur la base de l'expertise de laboratoire sur le terrain, nous proposons d'évaluer d'abord le concept proposé par des simulations numériques. Nous allons ensuite faire croître les empilements correspondants par pulvérisation, caractériser leurs propriétés magnétiques et électriques au niveau des plaquettes en collaboration avec l'Institut Néel. Nous allons ensuite modeler les piles sous forme de piliers nanométriques dans notre salle blanche et caractériser leur commutation par couple de transfert de spin. Tout au long de la thèse, les résultats seront comparés aux propriétés des structures existantes.

  • Titre traduit

    Magnetic memory with reduced write current thanks to microwave assistance


  • Résumé

    There is an increase interest in microelectronics industry for a new type of magnetic non-volatile memory called STT-MRAM. SPINTEC has been very active in this field for the past 10 years and holds very important patents on this technology. In these memories, the storage elements are nanopatterned magnetic tunnel junctions which consist of two ferromagnetic layers separated by a thin tunnel oxide barrier (MgO). The information (0 or 1) is encoded in the relative orientation of the magnetization of the two magnetic layers (Parallel=0; Antiparallel=1), the magnetization of one being pinned in a fixed direction (reference layer) while the magnetization of the other is switchable (storage layer) to reach the P or AP states. These memories will be launched in volume production this year in major microelectronics foundries for e-FLASH replacement. Lot of applications (wearable applications such as smartphones, interconnected objects of Internet of Things, etc) require to minimize the electrical consumption of the circuits, in particular of the memories, to extend the battery lifetime. In this thesis, we propose to investigate a novel approach for reducing the energy conception for writing in the memory by assisting the switching of the magnetization of the storage layer by a microwave produced by a spin transfer torque (STT) nano-oscillator integrated in each memory cell. STT yields the switching of the storage layer magnetization with an energy cost that we expect to be reduced from several tens of fJ to afew fJ thanks to the RF assistance. The thesis will comprise simulations and experiments. Based on the laboratory expertise in the field, we propose to first evaluate the proposed concept by numerical simulations. We will then grow the corresponding stacks by sputtering, characterize their magnetic and electrical properties at wafer level in collaboration with Institut Néel. We will then pattern the stacks in the form of nanometric pillars in our clean room and characterize their switching by spin transfer torque. Throughout the thesis, the results will be benchmarked with the properties of the existing structures.