Cross-point architecture for spin transfer torque magnetic random access memory

Spin transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM) is considered as one of the most promising candidates to build up a true universal memory thanks to its fast write/read speed, infinite endurance and non-volatility. However the conventional access architecture based on 1 transistor + 1 memory cell limits its storage density as the selection transistor should be large enough to ensure the write current higher than the critical current for the STT operation. This paper describes a design of cross-point architecture for STT-MRAM. The mean area per word corresponds to only two transistors, which are shared by a number of bits (e.g. 64). This leads to significant improvement of data density (e.g. 1.75 F2/bit). Special techniques are also presented to address the sneak currents and low speed issues of conventional cross-point architecture, which are difficult to surmount and few efficient design solutions have been reported in the literature. By using a STT-MRAM SPICE model including precise experimental parameters and STMicroelectronics 65 nm technology, some chip characteristic results such as cell area, data access speed and power have been calculated or simulated to demonstrate the expected performances of this new memory architecture

A compact model for magnetic tunnel junction (MTJ) switched by thermally assisted Spin transfer torque (TAS + STT)

Thermally assisted spin transfer torque [TAS + STT] is a new switching approach for magnetic tunnel junction [MTJ] nanopillars that represents the best trade-off between data reliability, power efficiency and density. In this paper, we present a compact model for MTJ switched by this approach, which integrates a number of physical models such as temperature evaluation and STT dynamic switching models. Many experimental parameters are included directly to improve the simulation accuracy. It is programmed in the Verilog-A language and compatible with the standard IC CAD tools, providing an easy parameter configuration interface and allowing high-speed co-simulation of hybrid MTJ/CMOS circuits

Symmetry and topology in antiferromagnetic spintronics

Antiferromagnetic spintronics focuses on investigating and using antiferromagnets as active elements in spintronics structures. Last decade advances in relativistic spintronics led to the discovery of the staggered, current-induced field in antiferromagnets. The corresponding N\'{e}el spin-orbit torque allowed for efficient electrical switching of antiferromagnetic moments and, in combination with electrical readout, for the demonstration of experimental antiferromagnetic memory devices. In parallel, the anomalous Hall effect was predicted and subsequently observed in antiferromagnets. A new field of spintronics based on antiferromagnets has emerged. We will focus here on the introduction into the most significant discoveries which shaped the field together with a more recent spin-off focusing on combining antiferromagnetic spintronics with topological effects, such as antiferromagnetic topological semimetals and insulators, and the interplay of antiferromagnetism, topology, and superconductivity in heterostructures.Comment: Book chapte

Matériels et composants

1.1. Le mur du 10 nm dans les technologies silicium (Philippe Dollfus) Pour l’essentiel, l’évolution de la microélectronique vers la réduction des dimensions globales sur la puce s’est longtemps basée sur une stratégie de miniaturisation obéissant à de simples lois de mise à l’échelle, tant pour la technologie des composants que pour l’architecture des circuits et l’intégration des systèmes. Jusqu’à présent les progrès technologiques ont toujours permis une telle évolution, de type top-down, ..

EFFET HALL EXTRAORDINAIRE DANS LES MULTICOUCHES MAGNETIQUES. APPLICATION A L'ETUDE DE LA DYNAMIQUE DE RENVERSEMENT DE L'AIMANTATION

ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Dynamique de l'aimantation assistée par un champ électrique dans des dispositifs à base de (Ga,Mn)As

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude à la fois théorique et expérimentale de la dynamique de l'aimantation assistée par un champ électrique dans un dispositif à base de (Ga,Mn)As. Une couche de (Ga,Mn)As, dont l anisotropie magnétique est complexe, est un matériau de choix pour la manipulation de l aimantation par un champ électrique.J ai présenté une stratégie de retournement précessionnel de l'aimantation qui tire partie de la réduction transitoire de l'anisotropie cubique provoquée par une courte impulsion de champ électrique. A l aide d un modèle macrospin, j ai démontré notamment qu'une impulsion de champ électrique de quelques ns de durée est suffisante pour basculer l'aimantation entre deux positions d'équilibres.L'aspect expérimental est basé sur l'utilisation d'une jonction p-n tout semi-conducteur dont la région dopée p est formée par une couche mince de (Ga,Mn)As. La déplétion des porteurs de charge dans le canal semi-conducteur provoquée par l'application d'un train d'impulsions de tension de courte durée induit une forte diminution du champ d'anisotropie cubique. L'étude expérimentale du renversement de l'aimantation en champ magnétique a conduit à la mise en évidence d'un retournement de l'aimantation via la nucléation et la propagation de parois et d une distribution large des champs de piégeage. L'inhomogénéité magnétique au sein de la couche de (Ga,Mn)As a empêché l'observation d'une résonance ferromagnétique induite par un champ électrique. Néanmoins, des mesures de retournement avec une ou plusieurs impulsions de tension de grille ont permis de proposer un processus de renversement de l'aimantation induit par un champ électrique.This work has been devoted to the study of both theoretical and experimental electric field induced magnetization dynamics in a (Ga,Mn)As based device. A layer of (Ga,Mn)As, whose magnetic anisotropy is complex, is of particular interest for magnetization manipulation by electric fields.I proposed a scheme for the precessional switching of the magnetization using cubic anisotropy field reduction triggered by electric field pulse. Using a model macrospin, I demonstrated that a ns-pulse is sufficient to switch the magnetization between two equilibrium positions.An all-semiconductor epitaxial p-n junction based on low-doped (Ga,Mn)As was fabricated. Gating effects triggered by low voltage pulses induced a strong decrease of the cubic anisotropy field. I demonstrated that magnetization reversal is dominated by the nucleation and the propagation of domain walls. The distribution of pinning fields was found to be broad. Due to a magnetic inhomogeneity of the (Ga,Mn)As layer, it was not possible to observe any ferromagnetic resonance induced by an electric field. However, I proposed a magnetization reversal scenario based on single or multiple gate voltage pulses measurementsPARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Etude de la dynamique hyperfréquence de l'aimantation de nanostructures magnétiques à anisotropie perpendiculaire

Ce mémoire est consacré à l étude théorique et expérimentale de la dynamique rapide de l aimantation dans des nanostructures de (Co3Å/Pt6Å)6 à forte anisotropie perpendiculaire.J ai proposé d assister le retournement de l aimantation par un champ d échange dans le plan de La nanostructure. Un modèle analytique a été développé dans l approximation macrospin. Ce champ d échange réduit significativement l amplitude de l impulsion du champ magnétique nécessaire pour le retournement, et ce à la fois si le champ appliqué est parallèle au champ d échange ou perpendiculaire au plan de la nanostructure. Dans ce dernier cas, la ré-écriture directe est possible et la réduction du champ de retournement peut être utilisée pour augmenter de 24% la densité d enregistrement sur disques durs en utilisant des matériaux à plus forte anisotropie magnétique.L aspect expérimental comprend deux parties. La première concerne la conception, la réalisation et la caractérisation des échantillons. Après la définition des circuits hyperfréquences, quatre procédés technologiques pour leur microfabrication ont été testés et comparés. Les microcircuits incorporent une source de champ localisée, prenant la forme d une microbobine ou d une ligne coplanaire. Leur bande passante varie entre 14 GHz et 20 GHz. Les champs magnétiques typiques générés par la microbobine et la ligne coplanaire sont respectivement de 1.9 Oe/mA et 1.3 Oe/mA. Les mesures résolues en temps par effet Hall extraordinaire ont été réalisées pour sonder la réponse précessionnelle de l aimantation induite l impulsion du champ. La forte résistance DC de la multicouche Co/Pt a rendu difficile la détection de ce signal. Des mesures quasi-sThis work is devoted to the theoretical and the experimental study of the fast magnetization dynamics in high perpendicular anisotropy (Co3A/Pt6A)6 nanostructures. I proposed to assist the magnetization switching by an in-plane exchange bias field. An analytical model was developed in the macrospin approximation. This exchange bias field reduces significantly the needed amplitude of the reversal pulse field both if the field in parallel to the exchange bias field or if it is out of the sample plane. In this latter case, direct overwrite is possible and the decrease in the reversal field can be used to increase the magnetic recording areal density in hard discs by 24%, by resorting to higher anisotropy materials. The experimental aspect contains two parts. The first part concerns the design, the microfabrication and the sample characterization. After the definition of the high frequency circuits, four technological processes for sample fabrication have been tested and compared. The microcircuits incorporate localized source of magnetic field that has the shape of either a microcoil or a coplanar waveguide. Their bandwidths vary between 14 GHz and 20 GHz. The typical generated magnetic fields by the microcoil and the coplanar waveguide are respectively 1.9 Oe/mA and 1.3 Oe/mA. Time-resolved measurements using extraordinary Hall effect were made to probe the magnetization precession induced by the in-plane pulse field. The high DC resistance of the Co/Pt multilayer rendered the detection of this signal difficult. Quasi-static magnetization switching measurements using single/train of pulses of nanosecond durations assisted by an out-of-plane static field have been done.LIMOGES-ENSCI (870852305) / SudocORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

STRUCTURATION ET NANOSTRUCTURATION DE COUCHES MAGNETIQUES CO/PT PAR IRRADIATION IONIQUE

NOUS AVONS DEVELOPPE UN PROCEDE ORIGINAL PERMETTANT DE STRUCTURER LES PROPRIETES MAGNETIQUES DE FILMS MINCES AUX ECHELLES NANOMETRIQUES, TOUT EN PRESERVANT LA PLANEITE DE LA SURFACE ET SON UNIFORMITE OPTIQUE. LE PRINCIPE CONSISTE A MODIFIER PAR IRRADIATION AVEC DES IONS LEGERS (HELIUM, ENERGIE 30 KEV) L'ORDRE ATOMIQUE LOCAL DU MATERIAU, ET AINSI CONDITIONNER LES PROPRIETES MAGNETIQUES. NOUS L'AVONS ILLUSTRE SUR DES EMPILEMENTS PT/CO/PT, OU L'IRRADIATION INDUIT UN MELANGE PROGRESSIF DES INTERFACES. CE MELANGE REDUIT LA COERCITIVITE DE FACON CONTROLEE ET UNIFORME. SELON LA STRUCTURE DE DEPART, LES FORTES FLUENCES D'IRRADIATION INDUISENT UNE REORIENTATION DES DIRECTIONS DE FACILE AIMANTATION OU UN COMPORTEMENT NON MAGNETIQUE A TEMPERATURE AMBIANTE. LES MODES DE RETOURNEMENT DE L'AIMANTATION NE SONT PAS AFFECTES PAR L'IRRADIATION. LES ORIGINES STRUCTURALES DE CES PHENOMENES ONT ETE ETUDIEES PAR SPECTROSCOPIE D'ABSORPTION X ET REFLECTOMETRIE DE RAYONS X RASANTS, PERMETTANT AINSI DE CORRELER STRUCTURE ET MAGNETISME. DES SIMULATIONS MONTE CARLO DE L'IRRADIATION DANS LE CADRE D'UN MODELE DE MELANGE BALISTIQUE ONT REPRODUIT LES STRUCTURES EXPERIMENTALES. PAR IRRADIATION A TRAVERS UN MASQUE, ON PEUT CREER DES NANOSTRUCTURES MAGNETIQUES ENFOUIES SOUS UNE SURFACE PLANE. GRACE AU DEVELOPPEMENT DE CODES DE SIMULATION 3D ADAPTES A LA GEOMETRIE DE MASQUAGE, NOUS AVONS IDENTIFIE LES VERROUS TECHNOLOGIQUES DE CE PROCEDE. SON OPTIMISATION A PERMIS D'OBTENIR DES NANOSTRUCTURES DE 30 NM DE LARGE. ELLES SONT LE SIEGE D'EFFETS NOUVEAUX ASSURANT UN CONTROLE DE LA GEOMETRIE DU RETOURNEMENT DE L'AIMANTATION. NOTRE PROCEDE OUVRE LA VOIE A DE NOMBREUSES ETUDES FONDAMENTALES. DE PAR SON CARACTERE PLANAIRE, IL EST RICHE DE POTENTIALITES INDUSTRIELLES, EN PARTICULIER POUR L'ENREGISTREMENT HAUTE DENSITE. DANS CETTE OPTIQUE, NOUS DEVELOPPONS UN PROCEDE DE REPLICATION ECONOMIQUE SANS LITHOGRAPHIE, PERMETTANT LA FABRICATION MASSIVEMENT PARALLELE DE SUPPORTS MAGNETIQUES NANOSTRUCTURES.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Etude d'un point mémoire MRAM (caractérisations et définitions d'architectures mémoires)

L'avènement des applications digitales grand public a généré une demande croissante pour des mémoires peu chères, de grande capacité et rapides. Dans ce contexte, les mémoires magnéto-résistives à accès aléatoire (MRAM) montrent un fort potentiel. Elles combinent à la fois la non-volatilité, l'insensibilité aux radiations, une cyclabilité quasi-infinie et des vitesses compatibles avec les processeurs actuels. En réunissant les qualités des mémoires traditionnelles (Flash, DRAM, SRAM), elles concourent au titre de "mémoire universelle". Elles pourraient notamment remplacer sur une même puce tous les types de mémoires dont on a besoin sans la nécessité d'utiliser plusieurs technologies différentes. Cependant leur miniaturisation soulève de sérieuses difficultés. L'objet de ma thèse a été d'identifier les problèmes correspondants, de vérifier qu'il était possible d'intégrer des matériaux magnétiques dans une filière CMOS standard, et de proposer des solutions innovantes.The recent development of consumer digital applications has created a growing demand for cheap, high capacity and fast non volatile memories. In that context, the magneto-resistive random access memory (MRAM) holds the potential to replace any existing technology (Flash, DRAM, SRAM), in line to become a universal" memory. Indeed MRAM are non-volatile and insensitive to radiations, with quasi unlimited cyclability and clock frequencies close to those of actual CPUs. Embedded in a system on chip (SoC), they could replace all memories within one single technology. However, the MRAM scalability is known to be an issue. The goal of my PhD was to identify the key challenges arising from scalability, to check the feasibility of magnetic materials integration into an industrial CMOS demonstrator, and to propose innovative solutions.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF