Fondamentaux des jonctions tunnel magnétiques 3D ultraminiaturisées et voies d'intégration ver les matrices mémoire à très haute densité

Fundamentals of ultra scaled 3D magnetic tunnel junctions and integration routes for high density memory arrays

• Auteur / Autrice : Nuno Caçoilo
• Direction : Ioan-Lucian Prejbeanu, Olivier Fruchart, Ricardo Sousa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Mougin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Diana Leitao, Shunsuke Fukami, Laurent Ranno
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandra Mougin, François Montaigne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-fabrication

Ordinateurs -- Mémoires à accès sélectif

Effet tunnel

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Anisotropie de forme perpendiculaire

Mram

Jonctions tunnel magnétique

Interactions dipolaires

Nanofabrication

Spintronics

Perpendicular Shape Anisotropy

Mram

Magnetic tunnel junctions

Dipolar interactions

Nanofabrication

Résumé

La mémoire vive magnétique à couple de transfert de spin perpendiculaire est l'une des technologies émergentes les plus prometteuses en matière de mémoire non volatile. Comme ces dispositifs sont limités par leur facteur de stabilité thermique à des nœuds technologiques supérieurs à 20 nm, leur potentiel de miniaturisation est compromis. Une solution possible à cette limitation consiste à tirer parti de l'anisotropie de la forme en augmentant considérablement l'épaisseur de la couche de stockage. Grâce à ce rapport d'aspect vertical, la stabilité peut être améliorée de manière significative jusqu'à des nœuds inférieurs à 10 nm et ce nouvel élément de mémoire porte le nom de jonction tunnel magnétique (MTJ) à anisotropie de forme perpendiculaire (PSA-MTJ). Bien qu'il s'agisse d'une voie prometteuse vers des réseaux de MTJ denses, plusieurs défis doivent encore être relevés avant d'adopter cette technologie. Dans cette thèse, nous nous attaquons aux défis de ce nouvel élément de mémoire, tels que la fabrication et l'amélioration du mécanisme d'écriture. En utilisant des simulations micromagnétiques, nous montrons les différents mécanismes d'écriture du PSA-MTJ et réalisons une étude sur la manière de les améliorer. Nous avons démontré qu'il est nécessaire de réduire la hauteur de l'élément magnétique pour obtenir des temps de commutation plus rapides. Cette augmentation de la vitesse de commutation est due non seulement à l'augmentation du champ d'anisotropie, mais aussi à l'effet plus important de l'effet de couple de transfert de spin. Cette idée sert de base à la fabrication d'éléments de moins de 10 nm avec un rapport d'aspect vertical, où la commutation est réalisée par l'effet de couple de transfert de spin. Les MTJ habituelles sont également fabriquées en utilisant la même méthodologie et on constate une augmentation du facteur de mérite à mesure que le diamètre est réduit. Dans la limite de la dimension, des dispositifs aussi petits que 5 nm montrent un comportement stochastique, bien contrôlé par STT. Cela ouvre la voie à des réseaux stochastiques denses avec un diamètre ultra réduit et un faible courant de commutation. Cependant, pour fabriquer un réseau MTJ dense, il reste plusieurs défis à relever, à savoir le champ parasite des bits voisins, mais aussi l'effet d'ombrage des piliers à très grand rapport d'aspect, qui limite l’espacement entre les bits voisins. Pour faire face à ces situations, nous utilisons l'électrolyse dans des nano-vias pré-fabriqués, soit par lithographie par faisceaux d'électrons (EBL), soit par auto-assemblage direct (DSA) pour fabriquer des MTJ ultra-petits. Les nano-vias crées par EBL ont le potentiel d'atteindre moins de 10 nm grâce au diamètre déjà petit défini par l'EBL, mais aussi grâce à la gravure uniforme du pilier par faisceau d'ions, évitant ainsi les piliers inclinés ou tombés. La commutation par couple de transfert de spin et une très grande magnétorésistance ont été démontrées dans les mesures de dispositifs uniques utilisant cette approche pour les MTJ conventionnels. Les nano-vias formées par DSA sont prometteurs pour les piliers à très petit espacement (50 nm) et les petits nœuds (25 nm). Ils sont prometteurs pour l'intégration CMOS, car le nano-via peut être rempli directement sur le via en tungstène déjà existant. Un procédé utilisant une électrode inférieure commune a été conçu et une caractérisation structurelle et magnétique des nano-vias a été réalisée. Une solution à la forte interaction dipolaire entre les dispositifs magnétiques a été démontrée analytiquement et micromagnétiquement par l'utilisation d'un système noyau-coquille pour la couche de stockage. Grâce au rapport d'aspect vertical de la couche magnétique, ce système ajoute de la stabilité et réduit le temps de commutation sans pénaliser la tension de commutation. Nous avons démontré que le système peut être conçu de manière à ce qu'il n'y ait pas de champ parasite résiduel à l'intérieur du réseau magnétique.

Perpendicular Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory (p-STT-MTJ) is one of the most promising emerging non-volatile memory technologies. As these devices are limited by their thermal stability factor at technological nodes larger than 20 nm, their downsize capability is compromised. A possible solution to this limitation relies in taking advantage of the shape anisotropy, by increasing substantially the thickness of the storage layer. Thanks to this vertical aspect ratio, the stability can be enhanced significantly to sub-10 nm nodes and this new memory element is given the name Perpendicular Shape Anisotropy MTJ (PSA-MTJ). Although a promising path to dense MTJ arrays, there are still several challenges that need to be addressed before adopting this technology. In this thesis we address the bottlenecks of this novel memory element, such as fabrication and improvement of the reversal mechanism. Making use of micromagnetic simulations it is shown the different reversal mechanisms of the PSA-MTJ and a study on how to improve them is realised. It is shown that it is necessary to reduce the height of the magnetic element to achieve faster switching times. This increase in switching speed comes, not only from the increase in anisotropy field, but also due to the stronger effect of the spin-transfer-torque (STT). This idea is used as a base of fabricated sub-10 nm elements with vertical aspect ratio, where switching is achieved through spin-transfer-torque. Usual MTJ are also fabricated using the same methodology and it is shown an increase in figure of merit as the diameter is reduced. In the limit of the dimension, devices as small as 5 nm show a stochastic behaviour, well controlled by STT. This opens the path to dense stochastic arrays with ultra-small diameter and small switching current. However, to fabricate a dense MTJ array there are still several challenges that need to be solved, namely the stray field from neighbouring bits but also the shadow effect of the very large aspect-ratio PSA-MTJ pillars, which limits the pitch between neighbouring bits. To tackle these situations we make use of electrodeposition in pre-patterned nano-vias, either by electro-beam lithography (EBL) or direct self-assembly (DSA) to fabricate ultra-small MTJ. The nano-vias created by EBL show potential so achieve sub-10 nm thanks to the already small diameter defined by the EBL but also thanks to the uniform ion beam etching of the pillar, avoiding tilted or fallen pillars. STT-switching and very large TMR were shown in single devices measurements using this approach for conventional MTJ. The nano-vias formed by DSA show promise in very small pitch pillars (around 50 nm) and small nodes (25 nm). These show promise for CMOS integration, as the nano-via can be filled directly on top the already existing W via. A process flow that makes use of a common bottom electrode was devised and structural and magnetic characterization of the nano-vias was realised. A solution to the strong cross talk between magnetic devices was demonstrated analytically and micromagnetically through the use of a core-shell system for the storage layer. Thanks to the vertical aspect ratio of the magnetic layer, this system adds stability and reduced switching time without penalty in the switching voltage. Additionally, the system can be engineered so that there is no remnant stray field inside the magnetic array.