Couples de spin-orbite en vue d'applications aux mémoires cache

par Claire Hamelin

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Gilles Gaudin et de Olivier Boulle.

Soutenue le 28-10-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Spintronique et technologie des composants (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Bourgeois.

Le jury était composé de Kevin Garello.

Les rapporteurs étaient Dafiné Ravelosona, Mohamed Belmeguenai.


  • Résumé

    Le remplacement des technologies DRAM et SRAM des mémoires caches est un enjeu pour l’industrie microélectronique qui doit faire face à des demandes de miniaturisation, de réduction des amplitudes et des durées des courants d’écriture et de lecture des données. Les mémoires à accès direct magnétiques (MRAM) sont des candidates pour une future génération de mémoires et la découverte des couples de spin-orbite (SOT) a ouvert la voix à une combinaison des deux technologies appelée SOT-MRAM. Ces mémoires sont très prometteuses car elles allient non-volatilité et bonne fiabilité, mais de nombreux défis techniques et théoriques restent à relever.L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier le retournement de l’aimantation par couple de spin-orbite avec des impulsions de courant sub-nanoseconde et de diminuer les courants d’écriture à couple de spin-orbite. Ce travail est préliminaire à la preuve de concept d’une mémoire SOT-MRAM écrite avec des impulsions de courant électrique ultra-courtes et des amplitudes relativement faibles.Pour cela nous avons étudié des cellules mémoire à base de Ta-CoFeB-MgO. Nous avons vérifié les dépendances du courant critique en durées d’impulsions et en un champ magnétique extérieur. Nous avons ensuite, sur une cellule type SOT-MRAM, prouvé l’écriture ultrarapide avec des impulsions de courant inférieures à la nanoseconde. Puis nous nous sommes intéressés à la diminution du courant d’écriture de SOT-MRAM à l’aide d’un champ électrique. Nous avons démontré que ce dernier permet de modulerl’anisotropie magnétique. Sa diminution lors d’une impulsion de courant dans la liste de tantale montre que la densité de courant critique pour le retournement de l’aimantation du CoFeB par SOT est réduite. Ces résultats sont très encourageants pour le développement des SOT-MRAM et incitent à approfondir ces études. Le mécanisme de retournement de l’aimantation semble être une nucléation puis une propagation de parois de domaines magnétiques. Cette hypothèse se fonde sur des tendances physiques observées lors des expériences ainsi que sur des simulations numériques.

  • Titre traduit

    Spin orbit torques for cache memory applications


  • Résumé

    They require smaller areas for bigger storage densities, non-volatility as well as reduced and shorter writing electrical currents. Magnetic Random Access Memory (MRAM) is one of the best candidates for the replacement of SRAM and DRAM. Moreover, the recent discovery of spin-orbit torques (SOT) may lead to a new technology called SOT-MRAM. These promising technologies combine non-volatility and good reliability but many challenges still need to be taken up.This thesis aims at switching magnetization by spin-orbit torques with ultra-fast current pulse and at reducing their amplitude. This preliminary work should enable one to proof the concept of SOT-MRAM written with short current pulses and low electrical consumption to write a memory cell.To do so, we studied Ta-CoFeB-MgO-based memory cells for which we verified current dependencies on pulse lengths and external magnetic field. Then we proved the ultrafast writing of a SOT-MRAM cell with pulses as short as 400 ps. Next, we focused on reducing the critical writing currents by SOT with the application of an electric field. We showed that magnetic anisotropy can be modulated by an electricfield. If it can be lowered while a current pulse is injected through the tantalum track, we observed a reduction of the critical current density for the switching of the CoFeB magnetization. Those results are very promising for the development of SOT-MRAM and encourage one to delve deeper into this study. The magnetization switching mechanism seems to be a nucleation followed by propagations of magneticdomain walls. This assumption is based on many physical tendencies we observed and also on numerical simulations.


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