Phénomène d'anisotropie magnétique d'échange aux dimensions nanométriques et optimisation des dispositifs de l’électronique de spin du type TA-MRAM

Ferromagnetic/antiferromagnetic exchange bias nanostructures for ultimate spintronic devices

• Auteur / Autrice : Kamil Akmaldinov
• Direction : Vincent Baltz, Bernard Dieny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/02/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Bourgeois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clarisse Ducruet, Luc Lechevallier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuel Bibes, Robert Stamps

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mémoires non-volatiles à accès sélectif

Mots clés libres

Materiaux antiferromagnétiques

Anisotropie magnétique d’échange

Verre de spin

Température de blocage

Distribution bimodale

Nanostructures

Mémoires magnétiques à accès aléatoire thermiquement assistées

Antiferromagnetic materials

Exchange bias

Spin-glass

Blocking temperature

Bimodal distribution

Nanostructures

Thermally assisted magnetic random access devices

Résumé

Les applications d’électronique de spin telles les mémoires à accès aléatoire (MRAM), les capteurs (e.g.les têtes de lecture des disques durs d’ordinateurs) et les éléments de logique magnétique utilisent les interactionsd’échange ferromagnétique/antiferromagnétique (F/AF) dans le but de définir une direction de référence pour lespin des électrons de conduction. Les MRAM à écriture assistée thermiquement (TA-MRAM) utilisent mêmedeux bicouches F/AF : une pour le stockage de l’information et l’autre comme référence. Ces dernièresapplications technologiques impliquent des étapes de nanofabrication des couches minces continues pour formerune matrice de cellules mémoires individuelles. La qualification industrielle du produit final impose de sérieusescontraintes sur la largeur des distributions des propriétés magnétiques - y compris d’échange F/AF - de cellulemémoire à cellule mémoire. Des phases verres de spin réparties de manière aléatoire sur la couche continue, àl’interface F/AF ou dans le coeur de l’AF pourraient contribuer de manière significative à ces distributionsd’échange F/AF dans les dispositifs, après nanofabrication ; comme supposé il y a de cela quelques années. Lebut de cette thèse est d’étudier factuellement le possible lien entre verre de spin répartis dans des couches mincesF/AF et dispersions de propriétés d’échange de cellule mémoire à cellule mémoire dans les dispositifs TAMRAMcorrespondants. Avant cela, l’origine de ces régions verre de spin a été étudiée et une attention plusparticulière a été portée au rôle joué par les diffusions de Mn. Ces dernières ont été directement observées,comprises et l’utilisation de barrières complexes pour les réduire et par là même pour diminuer la quantité dephases verre de spin a été mise en oeuvre avec succès. En guise d’alternative pour varier la quantité de verres despin, l’utilisation d’AFs composites a été également étudiée dans le cadre de cette thèse. Ce type d’AF permet dumême coup de varier la stabilité thermique des grains AF et de répondre à un autre problème identifié pour lesTA-MRAM qui consiste à trouver des matériaux AF avec des propriétés de rétention et d’écriture intermédiairespar rapport aux matériaux actuellement utilisés. Finalement, ces AFs composites ont été utilisés comme moyende varier la quantité de verres de spin dans des dispositifs TA-MRAM réels et de prouver le lien direct avec ladispersion de propriétés de cellule mémoire à cellule mémoire.

Spintronics applications such as magnetic random access memories (MRAM), sensors (e.g.. hard diskdrive read head) and logic devices use ferromagnetic/antiferromagnetic (F/AF) exchange bias (EB) interactionsto set the reference direction required for the spin of conduction electrons. Thermally-assisted (TA-) MRAMapplications even use two F/AF exchange biased bilayers: one for reference and one for storage. Suchtechnological applications involve patterning full sheet wafers into matrix of individual bit-cells. Industrialproducts qualification imposes stringent requirements on the distributions of the magnetic properties from cell tocell, including those related to EB. It was supposed few years ago that randomly spread spin-glass like phases atthe F/AF interface or within the bulk of the AF layer significantly contribute to the distributions of EB propertiesin devices after processing. This thesis aimed at factually studying the link between spin-glasses spread overF/AF thin films and bit-cell dispersions of EB in corresponding TA-MRAM. Prior to that the origin of the spinglasslike regions and more specifically the role of Mn-diffusion was consolidated. Mn-diffusion was directlyobserved, understood and the use of complex barriers to reduce such diffusion and consequently to minimize theamount of spin-glass was successfully studied. Mixing AFs as another way to tune the amount of spin-glass likephases was also evidenced in the framework of this thesis. All at once, this last solution also tuned the AF grainsthermal stability and this solved another issue related to TA-MRAM, i.e. finding AF-materials with intermediateretention and write properties compared to the AFs presently used. Finally, those mixed antiferromagnets werethe mean chosen to tune the amount of spin-glass like phases in real TA-MRAM devices and to factually provetheir link with bit-cell distributions of EB properties.