Tesi sul tema "Ordinateurs – Mémoires magnétiques – Matériaux"

La première partie de la thèse est axée sur la modélisation et la simulation du renversement de l'aimantation et de l'influence du bruit dans les nanostructures ferromagnétiques. La deuxième partie s'intéresse à l'étude des composés à transition de spin 1D et 2D notamment la relaxation à basse température et l’effet de la taille dans les nanoparticules. Après un aperçu des matériaux magnétiques ainsi que des principaux modèles développées pour l'étude théorique du comportement d'hystérésis, le troisième chapitre propose un aperçu de nos résultats concernant le renversements d 'aimantation par des champs magnétiques et par le courant de spin polarisés. Nous présentons aussi la modélisation et la simulation du phénomène de bruit induit dans les systèmes complexes d'hystérèse. Le quatrième et cinquième chapitre sont consacrés aux composés à transition de spin et à la description de quelques modèles proposés pour expliquer le phénomène à transition de spin. Le chapitre six fournit une vue d'ensemble sur les composés à transition de spin 1D mettant l'accent sur l’effet de la lumière à basse température. Le dernier chapitre présent quelques caractéristique de systèmes à transition de spin 2D: l'effet de taille et la dynamique de relaxation à l'aide de la technique de Monte Carlo avec l’algorithme d’Arrhenius
The first part of the thesis focuses on modeling and simulation of the magnetization switching and the influence of noise in ferromagnetic nanostructures. The second part is concerned with the study of 1D and 2D spin crossover compounds, particularly focusing on the relaxation at low temperature and the size effect in nanoparticles. After an overview of magnetic materials and of the main models developed for the theoretical study of the hysteresis behavior, the third chapter provides a description of our results concerning magnetization reversals driven by magnetic fields and spin polarized currents and the modelization and simulation of noise induced phenomenon in complex hysteretic systems. The fourth and the fifth chapter are devoted to the spin crossover compounds and to the description of some models proposed to explain the phenomenon of spin transition. Chapter six provides an overall view of the 1D spin crossover compounds, focusing on the effect of light at low temperature. The last chapter presents some characteristics of 2D spin crossover systems: the size effect and the relaxation dynamics using the Monte Carlo technique with the Arrhenius algorithm

Les matériaux ferrimagnétiques de synthèse à aimantation perpendiculaire ont été étudiés extensivement lors de la dernière décennie. Leurs propriétés d’électronique de spin, notamment en ce qui concerne les propagations de parois magnétiques par l’injection d’un courant, en font des candidats idéaux pour les applications de mémoires magnétiques de type racetrack. Du fait de propriétés remarquables concernant d’une part la génération et le transport de courant de spin par couple de spin orbite, et d’autre part le couplage d’échange de type RKKY, l’iridium est un excellent candidat en tant que matériau de spacer pour les matériaux ferrimagnétiques de synthèse. Dans ce manuscrit, nous étudions des multicouches ferrimagnétiques de synthèse composées de deux couches de cobalt séparées par un spacer d’iridium. Nous présentons d’une part l’optimisation de la croissance de tels matériaux, de sorte à obtenir un système modèle en vue d’applications pour des « racetrack memories ». Nous maximisons ainsi le couplage d’échange antiferromagnétique entre les couches de cobalt et l’aimantation à rémanence. D’autre part, nous étudions les propriétés de transport de spin de l’iridium grâce à des méthodes de résonance magnétique par pompage en spin. Nous en concluons que les matériaux ferrimagnétiques de synthèse à base d’iridium sont des systèmes modèles pour la fabrication de « racetrack memories »
Synthetic ferrimagnets with perpendicular magnetic anisotropy have been studied extensively in the past decades. Their outstanding properties in terms of spintronics, especially concerning the current-induced magnetic domain wall propagation lead us to contemplate them as promising candidates as materials for magnetic racetrack memories. Besides, considering the remarkable properties of iridium concerning the transport and the generation of pure spin currents by means of spin orbit torque, as well as its large RKKY coupling properties, this material seems to be an excellent material as a spacer for synthetic ferrimagnets. In this manuscript, we study magnetic multilayers composed of two magnetic layers of cobalt separated by an iridium spacer. We optimise the growth of these multilayers by choosing the most adequate thicknesses, so as to obtain a model system for racetrack memories applications. Thus, we maximise the antiferromagnetic exchange between the cobalt layers, and the remanence magnetisation. Besides, we study the spin current generation and transport properties of iridium by spin pumping ferromagnetic resonance means. We draw the conclusion that iridium-based synthetic ferrimagnets can be considered as model systems for racetrack memory technology

L'expansion rapide en termes d'échelle et de complexité des dispositifs électroniques pour les applications d'apprentissage automatique et d'intelligence artificielle actuelles engendre une demande considérable en nouvelles architectures. L'industrie est activement à la recherche de nouvelle génération de mémoires et de stockage capables d'offrir vitesse, densité, et une meilleure efficacité énergétique. Les mémoires non volatile magnétorésistive (MRAM), dont les états magnétiques permettent de stocker l'information suscitent un intérêt grandissant. Jusqu'à présent la direction d'aimantation de matériaux ferromagnétique définissaient l'état magnétique. Cependant, les matériaux antiferromagnétiques ne possédant quasiment pas d'aimantation sont intéressant puisqu'ils ne sont pas sensibles aux champs magnétiques externes. Cette caractéristique permet de minimiser l'influence d'interactions dipolaires entre des dispositifs adjacents, favorisant ainsi une intégration plus dense. De plus les matériaux antiferromagnétiques présentent une dynamique à haute fréquence allant jusqu'à la gamme des térahertz, ce qui ouvre théoriquement la possibilité de vitesses d'écriture plus élevées que les dispositifs ferromagnétiques. Toutefois, des dispositifs à aimantation nulle rendent la manipulation et la détection de l'état mémoire complexe par des méthodes classiques. Dans le cadre de cette thèse, nous avons démontré le renversement du couplage d'échange ou exchange bias dans des héterostructures ferromagnétique/antiferromagnétique au sein de jonctions magnétiques à tunnel à trois terminaux, parvenant ainsi à détecter électriquement une couche antiferromagnétique via une variation de magnétorésistance tunnel de 80 %, soit deux ordres de grandeur plus importantes que les résultats publiés précédemment. Ici, la configuration magnétique de la couche antiferromagnétique (IrMn) impacte la couche libre ferromagnétique de CoFeB. De plus, nous avons pu démontrer un retournement d'aimantation rapide dépendant de la polarité du courant, en 0,8 ns. Nous avons pu identifier deux mécanismes de basculement, à savoir le mode chauffage et le mode induit par le couple spin-orbite, en fonction de la largeur d'impulsion du courant. Le second cas est en accord avec des simulations numériques, suggérant que le couple spin-orbite généré par le Pt induit la précession de l'IrMn, tandis que le couplage d'échange à l'interface IrMn/CoFeB détermine la polarité de basculement de l'IrMn. De plus, dans des structures IrMn/CoGd, nous avons étudier le couplage d'échange perpendiculaire en variant les épaisseurs d'IrMn et les concentrations de CoGd. Nous avons pu démontrer dans une structure optimisée, le retournement du couplage d'échange avec une seule impulsion laser femtoseconde. Par ailleurs, nous avons analysé l'impact de la fluence laser et du nombre pulse laser sur l'évolution du couplage d'échange. Grace a des mesures pompe-sonde, nous avons pu démontrer le retournement du couplage d'échange en moins de 100 ps. Ces résultats ont pu être reproduit par des simulations atomistiques prenant en compte la structure des grains des films d'IrMn polycristallins et l'état amorphe des couches d'alliage de CoGd. L'IrMn montre une désaimantation plus rapide que les matériaux ferromagnétiques, chaque grain d'IrMn parvenant à se réaimanter en un état monodomaine en seulement 2 ps. En conclusion le couplage d'échange peut être manipuler grâce à un courant électrique ou une impulsion optique ultra brève sans champ magnétique appliqué et pour des dispositifs ayant une bonne stabilité thermique, ce qui en fait une solution intéressantes pour diverses applications
The rapid growth in scale and complexity of neural network architectures in today's machine learning and artificial intelligence applications is creating a significant demand for advanced hardware solutions. The semiconductor industry is actively seeking next-generation storage technologies that can offer improved speed, density, power consumption, and scalability. One such technology that shows great promise for high-performance data storage and processing is magnetoresistive random access memory (MRAM), which stores information in the magnetic state of materials. However, with the continuous requirement of high-density and ultrafast scenarios, antiferromagnet as the basic unit of MRAM shows obvious advantages. Antiferromagnetic materials have negligible macroscopic magnetism, making them highly robust to external magnetic fields. This property also allows for the absence of dipole interactions between adjacent bits, enabling higher-density integration. Additionally, antiferromagnetic materials exhibit high-frequency dynamics up to the terahertz range, theoretically enabling faster write speeds than ferromagnetic devices. However, such fully compensated magnetic moments make the magnetization state of the antiferromagnetic material difficult to manipulate and detect by traditional electrical methods. In this thesis, we demonstrate the antiferromagnetic exchange bias switching in three-terminal magnetic tunnel junctions and achieve electrical detection of antiferromagnetism by the tunnelling magnetoresistance with a ratio over 80%, which is two orders larger than previous methods. This is achieved by imprinting the state of antiferromagnet IrMn on the CoFeB free layer. We further realize current polarity-dependent switching, rather than current orientation-dependent switching of IrMn down to 0.8 ns. We identify two switching mechanisms, the heating mode and the spin-orbit torque driven mode, depending on the current pulse width. The latter case is supported by numerical simulations, which suggest that spin-orbit torque generated by Pt induces the precession of IrMn and exchange coupling at the IrMn/CoFeB interface determines the switching polarity of IrMn. Furthermore, to break the ferromagnetic and electrical write speed limit and further explore the antiferromagnetic switching speed, we experimentally realize exchange bias switching by a single femtosecond laser pulse. In the IrMn/CoGd structure, the perpendicular exchange bias is investigated for different IrMn thicknesses and CoGd concentrations. Using the optimized structure, the exchange bias was switched under a single femtosecond laser, and the dependence of the exchange bias variations with different laser fluence and pulse numbers was detailed investigated. The pump-probe time-resolved measurement is used to demonstrate the exchange bias switching time scale of less than 100 ps. The grain structure of polycrystalline IrMn films and the amorphous state of CoGd alloy layers are accurately described using atomistic simulations. The IrMn exhibits a faster demagnetization than ferromagnetic materials and each IrMn grain remagnetizing to a single-domain state in only 2 ps. In addition, the different grains of IrMn exhibit independent and stochastic probabilistic switching in the ultrafast time scale. The electrical and all-optical manipulation of exchange bias system allows ultrafast, field-free and energy-efficient control of antiferromagnet with high ordering temperature and thermal stability, making it highly suited to applications

Les mémoires magnétiques (MRAM) font partie des technologies de mémoires non volatiles émergentes ayant connu un développement rapide cette dernière décennie. Un des avantages de cette technologie réside dans les domaines d’applications variées dans lesquelles elle peut intervenir. En plus de sa fonction principale de stockage d’information, la MRAM est utilisée de nos jours dans des applications de type capteurs, récepteur RF et sécurité matérielle. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’utilisation des MRAM dans la conception des primitives de sécurité matérielle élémentaires. Dans un premier temps, une exploration dans la conception de TRNG (True Random Number Generator) basée sur des mémoires de type STT-MRAM (Spin Transfert Torque MRAM) a été menée dans le but de réaliser un démonstrateur et de prouver son efficacité pour les applications sécurisées. Les méthodes d’extraction d’aléa dans les mémoires STT et TAS (Thermally Assisted Switching) sont présentées. Nous avons ainsi évalué ces mémoires magnétiques dans le cadre des TRNG mais également pour la génération de PUF (Physically Unclonable Functions) sur des dispositifs physiques
Magnetic memories (MRAM) are one of the emerging non-volatile memory technologies that have experienced rapid development over the past decade. One of the advantages of this technology lies in the varied fields of application in which it can be used. In addition to its primary function of storing information, MRAM is nowadays used in applications such as sensors, RF receivers and hardware security. In this thesis, we are interested in the use of MRAMs in the design of elementary hardware security primitives. Initially, an exploration in the design of TRNG (True Random Number Generator) based on STT-MRAM (Spin Transfert Torque MRAM) type memories was carried out with the aim of producing a demonstrator and proving its effectiveness for secure applications. Random extraction methods in STT and TAS (Thermally Assisted Switching) memories are presented. We have thus evaluated these magnetic memories within the framework of TRNGs but also for the generation of PUFs (Physically Unclonable Functions) on physical devices

Les mémoires Flash ont connu un succès commercial exemplaire au cours de ces dix dernières années. Les raisons de ce succès sont attribuables en grande partie à l'essor de nouveaux produits tels que les téléphones portables, les appareils photos numériques ou les périphériques de stockage de masse. Les densités d'intégration de ces dispositifs sont actuellement plusieurs Gigabits alors qu'ils n'excédaient pas la centaine de Mégabits au milieu des années 90. Cependant, des obstacles technologiques majeurs à la réduction des dimensions de ces mémoires, liés principalement à la difficulté de réduire l'épaisseur des diélectriques fonctionnels de ces dispositifs, sont attendus aux alentours des années 2005-2007. Ceux-ci poussent de nombreux industriels et laboratoires de recherche à explorer différentes voies permettant de prolonger la durée de vie de ces dispositifs au delà du noeud technologique 65nm. Dans ce contexte, ce travail de thèse présente plusieurs solutions technologiques qui peuvent être envisagées afin de poursuivre la réduction des dimensions des mémoires non-volatiles. En premier lieu, nous avons focalisé notre attention sur une architecture mémoire innovante, la mémoire à jonctions tunnel multiples (ou Multiple tunnel Junctions - MTJ) dont le principe repose sur l'utilisation du blocage de Coulomb dans les nanocristaux de silicium. Après avoir effectué une étude théorique de ce phénomène appliquée à ces dispositifs, nous présentons les résultats électriques obtenus sur ces mémoires ainsi qu'une première optimisation de leurs performances. Certains résultats ayant été obtenus sur des cellules décananométriques, nous avons pu également observer et quantifier l'impact de phénomènes mono-électroniques sur les performances de ces dispositifs. La dernière partie de ce travail est consacrée aux matériaux high-K qui ont été étudiés en vue d'une utilisation dans les architectures classiques de mémoires non-volatiles. Nous présentons une étude consacrée à l'utilisation de l'alumine ou de l'oxyde d'hafnium en remplacement du nitrure dans les diélectriques de type "interpoly". Nous nous sommes intéressés au piégeage dans ces empilements ainsi qu'aux courants de fuite auxquels nous nous sommes efforcés d'apporter une interprétation physique. Nous terminons cette étude, consacrée aux diélectriques high-K, par une étude théorique visant à évaluer le bénéfice obtenu par l'utilisation de diélectriques à gap et à constante diélectrique modulés, constitués par l'empilement de différents matériaux high-K utilisés en tant que diélectrique tunnel des mémoires Flash. Nous verrons que ce type de structure pourrait permettre l'élaboration de dispositifs mémoire aux performances accrues en terme de temps d'écriture et temps de rétention

La MRAM est une technologie de mémoire non-volatile émergente, elle a la particularité de stocker les données sous forme d’orientations de moments magnétiques. Ses performances sont intéressantes et surpassent les technologies actuelles sur plusieurs aspects. Crocus Technology développe une nouvelle génération de MRAM, les TAS-MRAM (pour ThermallyAssistedSwitching MRAM). Ces MRAM ont la particularité d’effectuer les opérations d’écritures à hautes températures, améliorant ainsi la consommation électrique et facilitant sa réduction d’échelle. Les TAS-MRAM sont développées pour des applications sécuritaires ou critiques, cependant la technologie MRAM utilise des principes physiques liés aux interactions magnétiques qui sont relativement peu étudiés en termes de sécurité du composant.L’objet du travail de cette thèse est d’évaluer les potentielles faiblesses de sécurité pour cette technologie. En particulier la capacité des MRAM à garantir l’intégrité et la confidentialité des informations qui sont stockées a été étudiée. Ce travail est divisé en deux parties, une première partie est consacrée à l’analyse de la résistance des MRAM aux attaques physiques avec un focus tout particulier sur l’étude des effets des champs magnétiques sur l’écriture, la lecture et la rétention des données ainsi que les différentes solutions envisagées pour réduire ces effets. Une étude des effets de la température a également été réalisée. L’autre partie du travail porte sur l’étude des émissions électromagnétiques et l’analyse de plusieurs méthodes pour retrouver le poids de Hamming des données manipulées par la mémoire et de ce fait en extraire de potentiels secrets ou données sensibles
MRAM (magnetoresistive RAM) is an emergent non-volatile memory technology; it has the particularity to store data in magnetic moments orientations. It has very interesting characteristics that overwhelm mature technologies on several points. Crocus Technology is developing a new MRAM technology called TAS-MRAM (for Thermally Assisted Switching). During write operations, this new MRAM technology uses a current to heat the memory cell. This reduces the power consumption and makes scalability easier. TAS-MRAM are developed for secure or critical applications but this technology relies on spintronic, a field of physics not much studied for electronics security.This work aims to evaluate potential security weaknesses of this technology. More specifically the memory capacity to guarantee data confidentiality was studied. This work was divided in two parts; one part is dedicated to the analysis of MRAM resistance against physical perturbations, with a special focus on magnetic fields (both static and pulsed) effects on read and write operations as well as their effects on data retention. Various methods to reduce these effects were tested and compared. The effect of high temperature was also studied.The second part focuses on the analysis of electromagnetic emissions of the MRAM components during its operations. Methods to retrieve the Hamming weight of data written in the memory are exposed and compared

Avec la miniaturisation des composants et des technologies toujours plus agressives en termes de dimensions, les mémoires flash font face à des problèmes d’intégration de plus en plus complexes, engendrant des coûts élevés, notamment en 28nm FD-SOI et au-delà. Le marché des mémoires intégrées non-volatiles s’oriente donc vers des solutions novatrices en plein développement, plus attractives en termes de coûts et offrant une grande marge d’évolution. On retrouve notamment les mémoires ma-gnétiques (MRAM), résistives (RRAM) ou encore à changement de phase (PCM). Cependant, la compétitivité de ces mémoires étant directement liée à leur taille et leur coût, l’un des défis majeurs est l’intégration d’un sélecteur à la fois compact, per-formant et peu coûteux. L’entreprise STMicroelectronics, partenaire de cette thèse, a choisi de s’orienter vers les mémoires de type PCM. Les sélecteurs sont des com-posants critiques dans le fonctionnement de ce type de mémoires. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse s’articulent autour de trois types de sélecteurs pour mé-moires PCM : le transistor MOS, la diode, et le transistor bipolaire. Chacun de ces sélecteurs possède ses avantages et ses inconvénients. Le fonctionnement et l’intégration en technologie 28nm FD-SOI de ces sélecteurs est étudié, développé, puis caractérisé, et enfin des axes d’améliorations potentiels sont proposés dans chaque partie
With the miniaturization of components and technologies ever more aggressive in terms of dimensions, flash memory face increasingly complex integration problems, generating high costs, especially in 28nm FD-SOI and beyond. The non-volatile integrated memory market is therefore moving towards innovative solutions in full development, more attractive in terms of costs and offering a large margin of evolution. We find, in particular, magnetic (MRAM), resistive (RRAM) and phase change (PCM) memories. However, the competitiveness of these memories being directly related to their size and cost, one of the major challenges is the integration of a selector at the same time compact, performing and inexpensive. The company STMicroelectronics, partner of this thesis, chose to move towards PCM type memories. The selectors are critical components in the operation of this type of memory. In this context, the work of this thesis revolves around three types of selectors for PCM memories: the MOS transistor, the diode, and the bipolar transistor. Each of these selectors has its advantages and disadvantages. The operation and integration in 28nm FD-SOI technology of these selectors is studied, developed, then characterized, and finally, potential improvement axes are proposed in each part

Les mémoires magnétiques à accès aléatoires (ou MRAM) sont récemment entrées en production. Ce travail de thèse vise à évaluer et caractériser les problèmes potentiels de fiabilité dus à l'introduction de la partie magnétique dans les mémoires MRAM.
Je décris tout d'abord en détail les principes physiques à la base du fonctionnement aussi bien électrique que magnétique des jonctions tunnels magnétiques qui sont au cœur des mémoires magnétiques. Je me suis attachée à chaque étape à identifier les nouveaux facteurs susceptibles d'intervenir dans la fiabilité (par rapport à un processus CMOS classique), en essayant de donner une évaluation quantitative de leur impact éventuel.
Sur cette base, j'ai essayé d'établir et de tester un procédé de caractérisation d'un effet critique de la MRAM : la non-volatilité, qui puisse ensuite être utilisé sur des éléments isolés d'un wafer comme point de vérification de la qualité magnétique du circuit. Nous avons choisi de comparer des calculs de barrière d'énergie à une mesure réelle de la barrière sur des échantillons élaborés dans le cadre de l'Alliance Crolles 2.
Enfin, j'ai mené une étude sur un autre type de structure de mémoires magnétiques faisant intervenir un déplacement de parois magnétiques à l'aide d'un courant. Cette étude visait à estimer, une fois encore, la barrière énergétique de ces nouvelles structures. Nous avons essayé de démontrer qu'elles seraient une perspective intéressante pour la miniaturisation des mémoires magnétiques.

Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) sont en passe de supplanter les autres formes de mémoires à accès aléatoire utilisant des états de charge électrique, et ce grâce à leurs nombreux avantages techniques : non-volatilité, rapidité, faible consommation énergétique, robustesse. Egalement, les MRAM sont prétendues insensibles aux rayonnements ionisants, ce qui n'a pas été vérifié expérimentalement jusqu'à présent. L'architecture actuelle des MRAM est basée sur l'utilisation de jonctions tunnel magnétiques (JTM). Ces MRAM peuvent présenter un inconvénient de taille, car elles sont susceptibles d'exhiber des erreurs d'adressage, en particulier lorsque l'intégration (la densité de points mémoire) est de plus en plus poussée. Le travail mené pendant cette thèse concerne ces deux points : - vérifier la fiabilité fonctionnelle des MRAM à base de JTM exposées aux rayonnements ionisants de haute énergie ; - étudier un alliage amorphe ferrimagnétique, le GdCo, susceptible d'entrer dans la composition de JTM et permettant de s'affranchir des éventuelles erreurs d'adressage par un processus d'inhibition thermique des points mémoire. Ces travaux de thèse ont démontré que les MRAM à base de JTM conservent pleinement leurs propriétés fonctionnelles lorsqu'elles sont soumises à un rayonnement ionisant intense, et que le GdCo est un matériau très intéressant du point de vue de la physique du solide et du magnétisme, que ses propriétés physiques sont très prometteuses quant à ses applications, et que son intégration dans une JTM réclame encore des évolutions technologiques
The magnetic random access memories (MRAM) are on the way to supplant the other forms of random access memories using the states of electric charge, and this thanks to their many technical advantages: not-volatility, speed, low consumption power, robustness. Also, the MRAM are alleged insensitive with the ionizing radiations, which was not checked in experiments until now. The current architecture of the MRAM is based on the use of magnetic tunnel junctions (MTJ). These MRAM can present an important disadvantage, because they are likely of present errors of addressing, in particular when integration (density of memory cells) is increasingly thorough. The work undertaken during this thesis relates to these two points: - to check the functional reliability of the MRAM containing JTM exposed to high energy ionizing radiations ; - to study a ferrimagnetic amorphous alloy, GdCo, likely to enter the composition of JTM and allowing to free from the possible errors of addressing by a process of thermal inhibition of the memory cells. This work of thesis showed that the MRAM containing JTM preserve their functional properties fully when they are subjected to intense ionizing radiations, and that GdCo is a very interesting material from the point of view of the solid state physics and magnetism, that its physical properties are very promising as for its applications, and that its integration in a JTM still claims technological developments

Après la découverte d'une grande magnétorésistance tunnel (MRT) dans les jonctions tunnel magnétiques (JTM) à température ambiante, beaucoup d’applications potentielles basées sur le transport polarisé ont émergé, en particulier pour l’utilisation des jonctions tunnel au sein de mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM). Cependant, les MRAM actuellement proposées, nécessitent d’ajouter un commutateur semi-conducteur (un transistor CMOS ou une diode PN ) en série avec la cellule mémoire (JTM). En effet, dans une matrice de JTM, il faut supprimer (ou bloquer) les courants parasites provenant des autres éléments lors de la lecture de l’état magnétique d’un élément donné. Cependant, ce procédé est pénalisé par la difficulté technologique de combiner une partie semi-conductrice, où la conduction se fait dans une géométrie planaire, et une partie métal/oxyde. Un des moyens de contourner cette difficulté d’intégration est d’introduire une diode à base de multicouches métal/isolant (Metal Insulator Diode MID). Dans ce cas, on peut fabriquer des diodes avec la même taille latérale que les jonctions magnétiques conduisant à une augmentation de la densité de stockage de la MRAM. Dans ce travail de thèse, nous avons élaboré de telles structures et nous avons validé le fonctionnement d'une diode Métal/Isolant avec un rapport de rectification élevé. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l’intégration en série de la diode MID ainsi obtenue avec une jonction magnétique donnant le signal magnétorésistif (fonction de mémoire) dans une structure MID-RAM. Le fonctionnement de la MID-RAM a été validé à l’aide de simulations et de contacts macroscopiques entre une diode MID et une jonction magnétique. Une structure intégrée a été réalisé montrant à la fois un signal MRT et une rectification du courant. Cependant, nous montrons que cette intégration se heurte à des difficultés liées au caractéristiques intrinsèques du transport dans ces structures
After discovery of a great tunnel magnetoresistance (TMR) in magnetic tunnel junctions (MTJ) at room temperature, several potential applications based on polarized transport have emerged. Large TMR values at room temperature are very promising, in particular, for the use of the tunnel junctions within magnetic random access memory (MRAM) devices. However, the MRAM currently proposed, which incorporate magnetic junctions tunnel, require to add a semiconductor switch (a CMOS transistor or a PN diode) in series with the cell memory (MTJ). Indeed, in a matrix of MTJ, it is necessary to remove (or block) the stray currents coming from the other elements during the reading of the magnetic state of a given element. However, this process is penalized by the technological difficulty to combine a semiconductor part, where conduction is done in a planar geometry, and a metal/oxide part. One of the means of circumventing this difficulty of integration is to introduce a diode based on metal/insolator multilayers. In this case, diodes can be manufactured with the same size as the magnetic junctions that will lead to an increase of the storage density in the MRAM. In this thesis, we have elaborated such structures and have validated the operating mode of a Metal-Insulator Diode (MID) with a high rectification ratio. The second part of this work is devoted to the integration of the diode thus obtained with a magnetic junction giving the magnetoresitif signal in a MID-RAM structure. This corresponds to contacting the MID diode (blocking function) in series with a magnetic tunnel junction (memory function RAM). The operating mode of the MID-RAM has been validated using simulations and macroscopic contacts between a MID and a magnetic junction. An integrated structure has been realised exhibiting simultaneously TMR signal and rectified current. However, we show that this integration comes up against difficulties related to intrinsic properties of the transport in such structures

Après de nombreuses études au cours des dernières décennies, les technologies émergentes de mémoires non volatiles décollent enfin dans le marché des semi-conducteurs. Elles ont comme objectif principal de prendre le relais des mémoires flash et DRAM qui touchent à leurs limites en termes de densité, de miniaturisation, de consommation ou d'amélioration de la vitesse. Parmi les technologies émergentes, la mémoire MRAM passe de simple « candidat potentiel » il y a quelques années à des mémoires fabriquées par de grandes industries, aujourd’hui disponibles sur le marché, suscitant un fort intérêt général dans le monde industriel de la microélectronique. Ses atouts permettent d'intégrer cette mémoire dans des flots de conception full custom et numérique afin de pouvoir améliorer certaines performances soit au niveau cellule élémentaire soit au niveau architecture. C'est pourquoi nous proposons dans une première partie la conception de circuits hybrides CMOS/magnétique de type LUT (Look Up Table) en technologie STT-MRAM (Spin Transfer Torque) ayant pour but de réaliser un démonstrateur. La conception full custom de A à Z de LUT innovantes a été mise en œuvre. Nous proposons dans la deuxième partie la conception d'une mémoire embarquée en technologie SOT (Spin Orbit Torque), pour laquelle un brevet d'invention a été déposé. Enfin, dans la dernière partie, ce type de mémoire SOT-MRAM ainsi que d’autres de type STT-MRAM ont été intégrées dans un processeur volatil afin d'évaluer les éventuels intérêts de ces technologies magnétiques STT et SOT dans ce type de circuit largement répandus
After many studies in recent decades, emerging non-volatile memory technologies have recently taken off in the semiconductor market. Their main objective is to replace flash and DRAM memories that reach their limits in terms of density, miniaturization, consumption or speed improvement. Among the emerging technologies, the MRAM memory has been identified as a strong candidate to become a leading storage technology for future memory applications. That is why we propose in the first part the design of hybrid CMOS / Magnetic circuits of LUT type (Look Up Table) in STT-MRAM technology (Spin Transfer Torque) aiming to realize a demonstrator. The full custom design from A to Z of innovative LUTs has been implemented. We propose in the second part the design of a full memory in SOT (Spin Orbit Torque) technology, for which a patent has been deposited. Finally, in the last part, this type of memory SOT-MRAM as well as others of type STT-MRAM were integrated in a volatile processor to evaluate the possible interests of these magnetic technologies STT and SOT in this type of circuit

La microélectronique a montré une évolution rapide motivée par l'accroissement des performances et par l'abaissement des coûts. Le marché des mémoires est un domaine clé de ce secteur. L'enjeu majeur est d'accéder à la mémoire universelle qui remplacera toutes les autres en associant la densité et l'endurance "illimitée" des DRAM, la rapidité des SRAM et la non-volatilité des Flash. Nous nous sommes intéressés aux technologies MRAM et OxRRAM possédant l'avantage d'être, comme la technologie Flash, non volatile et compatible avec la technologie MOS. Elles promettent également, suivant l'architecture adoptée, d'être aussi rapides qu'une SRAM, aussi dense qu'une DRAM et avoir une endurance quasi-illimitée. Ces technologies reposent sur des concepts dans lesquels la discrimination des deux états du point mémoire est assurée par un changement de résistance. La première partie de cette thèse a été consacrée à la technologie MRAM et notamment à la fiabilité de l'oxyde tunnel intégré dans la jonction magnétique, élément de base des cellules mémoires MRAM. La seconde partie a été axée sur le développement et la compréhension des mécanismes physiques de programmation des mémoires OxRRAM intégrant un oxyde binaire NiO dans l'élément de mémorisation. Un accent particulier a été porté sur le développement d'une solution technologique simple dans son mode de fabrication et permettant d'aboutir à un empilement présentant des performances électriques conformes aux spécifications. Il est alors possible d'envisager l'intégration de l'oxyde de nickel dans des structures de très faibles dimensions et de viser une réduction substantielle de la taille de la cellule mémoire

La microélectronique a montré une évolution rapide motivée par l'accroissement des performances et par l'abaissement des coûts. Le marché des mémoires est un domaine clé de ce secteur. L'enjeu majeur est d'accéder à la mémoire universelle qui remplacera toutes les autres en associant la densité et l'endurance "illimitée" des DRAM, la rapidité des SRAM et la non-volatilité des Flash. Nous nous sommes intéressés aux technologies MRAM et OxRRAM possédant l'avantage d'être, comme la technologie Flash, non volatile et compatible avec la technologie MOS. Elles promettent également, suivant l'architecture adoptée, d'être aussi rapides qu'une SRAM, aussi dense qu'une DRAM et avoir une endurance quasi-illimitée. Ces technologies reposent sur des concepts dans lesquels la discrimination des deux états du point mémoire est assurée par un changement de résistance. La première partie de cette thèse a été consacrée à la technologie MRAM et notamment à la fiabilité de l'oxyde tunnel intégré dans la jonction magnétique, élément de base des cellules mémoires MRAM. La seconde partie a été axée sur le développement et la compréhension des mécanismes physiques de programmation des mémoires OxRRAM intégrant un oxyde binaire NiO dans l'élément de mémorisation. Un accent particulier a été porté sur le développement d'une solution technologique simple dans son mode de fabrication et permettant d'aboutir à un empilement présentant des performances électriques conformes aux spécifications. Il est alors possible d'envisager l'intégration de l'oxyde de nickel dans des structures de très faibles dimensions et de viser une réduction substantielle de la taille de la cellule mémoire
Microelectronics has shown a rapid development due to the improvement of performances and the cost reduction. The memory market is a key domain in this sector. The major stake is to accede to universal memory which will replace all the others, by associating the DRAM density and "unlimited" endurance, the SRAM rapidity and the Flash non volatility. We have focused on the MRAM and OxRRAM technologies, having the advantage of being, like the Flash technology, non volatile and compatible with MOS technology. They should also be, according to the architecture adopted, as rapid as a SRAM, as dense as a DRAM and have an almost unlimited endurance. These technologies are based on concepts in which the discrimination between the two states of the memory point is operated by a resistance change. The first part of this thesis has been dedicated to the MRAM technology and particularly to the reliability of the tunnel oxide integrated in the magnetic junction, basic element of MRAM memory cells. The second part has been centered on the development and the understanding of physical programming mechanisms of OxRRAM memory integrating a NiO binary oxide in the memorization element. A particular stress has been put on the development of a simple technological solution in its manufacturing process and permitting to obtain stacks with electrical performances conforming to specifications. Thus, it is possible to consider the nickel oxide integration in very small-sized dimension structures and to aim at a substantial reduction of the memory cell size

Une évolution possible des mémoires Flash actuelles passe par le remplacement de la grille flottante continue par une rangée de nanocristaux pour un stockage discret. Dans cette optique, des couches de SiO2 sur substrat Si contenant des nanocristaux de germanium ont été fabriquées par implantation ionique d’ions Ge+ suivi d’un recuit thermique haute température. La microscopie électronique à transmission (MET) associée à la spectrométrie par rétrodiffusion Rutherford a été utilisée pour étudier la redistribution du germanium dans les couches de SiO2 en fonction de la température de recuit et des paramètres d’implantation (dose, énergie). Une monocouche de nanocristaux de germanium, située le long de l’interface Si/SiO2 et clairement séparée de celle-ci a été réalisée après recuit de couches implantée à énergie moyenne (13-17 keV) et à une dose de 1x1016at/cm2. Des mesures en MET ont permis de mesurer des densités de nanocristaux importantes de l’ordre de 1x1012 /cm2 avec un diamètre moyen de 4,5nm et à une distance de l’interface de 4 nm. L’augmentation de la dose d’implantation peut également amener à la formation d’une deuxième couche de nanocristaux au centre du film de SiO2. Des capacités métal-oxyde-semiconducteur (MOS) contenant de telles couches de SiO2 implantées ont ensuite été réalisées pour étudier leurs propriétés électriques. Les résultats indiquent un chargement des nanocristaux situés proche de l’interface Si/SiO2. Les faibles tensions de chargement appliquées sont attribuées à la faible épaisseur tunnel les séparant de l’interface. Les propriétés de rétention et les temps de chargements sont cependant incompatibles avec les attentes des industriels
One way to improve current Flash memories is to replace the actual continuous floating gate by an array of nanocrystals discrete charge storage. In this work, silicon dioxide (SiO2) on Si layers with embedded germanium nanocrystals (Ge-ncs) were fabricated using Ge+-implantation and subsequent annealing. Transmission Electron Microscopy (TEM) and Rutherford Backscattering Spectrometry have been used to study the Ge redistribution in the SiO2 films as a function of annealing temperature and implantation conditions (dose, energy). A monolayer of Ge-ncs near and clearly separated of the Si/SiO2 interface was formed under specific annealing and implantation conditions. This layer, with a nc density and mean-size measured to be respectively of the order of 1x1012 /cm2 and 4,5 nm, is located at approximately 4 nm from the Si/SiO2 interface. Increasing the implantation dose leads to the formation of a second monolayer situated in the middle of the SiO2 film. Capacitance-voltage measurements were performed on metal-oxide-semiconductor (MOS) structures containing such implanted SiO2 layers in order to study their electrical properties. The results indicate a strong memory effect at relatively low programming voltages (< 5V), due to the presence of Ge-ncs near the Si/SiO2 interface. Retention and charging times are however found to be incompatible with industrial requirements

Le sujet de cette thèse concerne la dynamique auto-entretenue excitée par transfert de spin de vortex couplés, dans des structures de type nano-piliers vannes de spin (Py/Cu/Py). Un premier objectif a été de comprendre les processus de transport polarisé en spin et de transfert de spin associés à des configurations d’aimantation fortement non-homogènes. Cette étude a permis d‘identifier et ainsi de précisément contrôler les configurations magnétiques à base de vortex, et en particulier d’observer l’influence du transfert de spin sur les mécanismes de renversement du cœur de vortex. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, nous avons également pu déterminer les conditions sur les paramètres relatifs des deux vortex (chiralités et polarités) pour obtenir des oscillations gyrotropiques couplées auto-entretenues de deux vortex dans un pilier unique. Un cas très intéressant est prévu pour les piliers de plus grands diamètres (typiquement supérieurs à 200nm) pour lesquels le courant critique est réduit potentiellement à zéro. Les résultats expérimentaux confirment les prédictions sur l’existence d’une dynamique couplée de vortex, avec des largeurs de raies atteignant 200kHz, un record à champ nul (soit un facteur de qualité Q ≈ 5000, un ordre de grandeur plus grand que pour les auto-oscillations de vortex unique) et diminuant même jusqu’à 50kHz sous champ extérieur. Un second objectif de ce travail a été l’étude de la synchronisation de deux auto-oscillateurs à transfert de spin à base de vortex. Nous avons démontré que le verrouillage des phases par couplage dipolaire de deux oscillateurs identiques peut être théoriquement obtenu indépendamment des paramètres des deux vortex. Toutefois un couplage trois fois plus important est prévu dans le cas de vortex de polarités opposées. Du point de vue expérimental, des premiers résultats ont permis de démontrer une faculté de synchronisation de deux oscillateurs présentant un écart en fréquence atteignant jusqu'à 10% de leurs fréquences d'auto-oscillation. Ce travail de thèse, qui s’inscrit dans l’effort de recherche mené pour améliorer les performances rf des nano-oscillateurs à transfert de spin, a permis d’illustrer que l’excitation de modes d’aimantations couplées est une voie à poursuivre dans le but d’aboutir à des largeurs de raies de plus en plus faibles
My PhD work is dedicated to the spin transfer induced self-sustained dynamics of two coupled vortices, in nano-pillars spin-valves structures (Py/Cu/Py). A first objective was to understand the spin-polarized transport processes as well as spin transfer mechanisms associated to highly non-homogeneous magnetic configurations. This study allows me to identify and then precisely tune the vortex based magnetic configurations, and notably to observe the influence of spin transfer on reversal mechanisms of the vortex core. Combining analytical calculations and micro-magnetic simulations, we determine the conditions on relative parameters for the two vortices (chiralities and polarities) necessary to obtain self-sustained gyrotropic oscillations of the coupled vortices in a single pillar. A very interesting case is predicted for the pillars with larger diameters (typically over 200nm) for which the critical current is reduced to zero. The experimental results confirm the predictions that a coupled dynamics exists with linewidths as narrow as 200kHz, that is a record at zero field (corresponding to a quality factor Q ≈ 5000, an order of magnitude over the self-sustained oscillations of a single vortex), and even down to 50kHz under external field.A second objective was to investigate the synchronization of two vortex based spin transfer oscillators. We demonstrate theoretically that the phase locking through dipolar coupling of two identical oscillators can be achieved for any parameters of the two vortex. However, the coupling is three times stronger when vortices have opposite core polarities. From an experimental point of view, the synchronization capability for two oscillators having a frequency mismatch reaching up to 10 % of the auto-oscillation frequency has been demonstrated. This work, being part of the research effort made to improve the rf properties of spin transfer nano-oscillators emphasizes how the excitation of coupled magnetizations modes is important to reach lower and lower linewidths

Les réseaux de neurones artificiels, dont le concept s'inspire du fonctionnement des cerveaux biologiques et de leurs capacités d'apprentissage, sont une approche prometteuse pour répondre aux nouveaux usages informatiques dits « cognitifs », tels que la reconnaissance d'images ou l'interaction en langage naturel. Néanmoins, leur mise en œuvre par des ordinateurs conventionnels est peu efficace. Une solution à ce problème est le développement de puces d'accélération matérielle spécialisées qui comportent :- des neurones, unités de traitement de l'information, pour lesquelles des circuits électroniques efficaces existent ;- des synapses, reliant les neurones mais aussi support matériel de l'apprentissage, par le biais de la modulation de leur conductance électrique (qualifiée de « plasticité synaptique »). Réaliser des synapses artificielles intégrables densément et capables d'apprendre in situ reste aujourd'hui un défi majeur.Ces travaux de thèse portent sur l'utilisation synaptique de nanocomposants mémoires innovants, dont certains comportements plastiques riches et intrinsèques sont analogues aux fonctionnalités que nous recherchons.Nous nous intéressons tout d'abord aux jonctions tunnel magnétiques à transfert de spin, développées dans l'industrie pour concevoir de nouvelles mémoires informatiques non volatiles. Nous montrons qu'il est aussi possible d'en faire des synapses artificielles binaires. Après la modélisation analytique de leur comportement naturellement stochastique, nous présentons comment exploiter ce dernier pour faciliter la mise en œuvre in situ d'une règle d'apprentissage probabiliste. À l'aide d'outils de simulation développés au laboratoire, nous étudions l'influence du régime de programmation sur la robustesse d'un système à la variabilité de telles synapses et sur leur consommation énergétique.Nous nous tournons ensuite vers des cellules électrochimiques métalliques Ag2S, d'autres nanocomposants mémoires innovants fabriqués et étudiés par des collaborateurs de l'Université de Lille I, qui y ont déjà observé plusieurs comportements plastiques. Nous avons découvert une plasticité supplémentaire, proche d'un comportement observé en neurosciences. Grâce à un modèle analytique simple permettant de comprendre les relations entre les différentes plasticités, nous montrons en simulation une preuve de concept d'apprentissage non supervisé qui repose sur l'interaction de ces multiples comportements.Pour finir, nous soulevons des pistes de réflexion sur les défis posés par les circuits nécessaires au bon fonctionnement d'un système utilisant comme synapses artificielles les nanocomposants étudiés, notamment lors de la lecture ou de l'écriture de ces derniers.Les résultats de cette thèse ouvrent la voie à la conception de systèmes neuro-inspirés capables d'apprendre en s'appuyant sur la richesse de comportements plastiques offerte par les nanocomposants mémoires innovants
Artificial neural networks, which take some inspiration from the behavior of biological brains and their learning capabilities, are promising tools to address emerging computing uses known as “cognitive” tasks like classifying images or natural language interaction. However, implementing them on conventional computers is poorly efficient. A solution to this problem is to develop specialized acceleration chips which feature:• neurons, the information processing units, which can be implemented efficienctly with current electronic technologies;• synapses, the connections between the neurons which also support the learning process by adjusting their electrical conductance (“synaptic plasticity”). Implementing artificial synapses with high integration and on-line learning capabilities is still a challenge.This thesis explores the use of innovative memory nanodevices as artificial synapses: some of their rich plastic behaviors naturally implement features that are difficult to access with other devices.First, we investigate spin-transfer torque magnetic tunnel junctions, that are currently develop in industry as a new non volatile memory technology. We show that they can also be used as binary artificial synapses. After modeling their intrinsic stochastic behavior analytically, we describe how to harness this behavior to facilitate the implementation of an on-line probabilistic learning rule. With simulations tools developped in the laboratory, we detail the impact of the programming regime on the resilience of a system that uses such synapses, as well as on the system's power consumptionWe then investigate Ag2S electrochemical metalization cells, another type of innovative memory nanodevices fabricated and characterized by collaborators from Université de Lille I, who had already observed the existence of several plastic behaviors. We discovered an additional plasticity, close to a behavior known in neurosciences. With a simple analytical model that allows a better understanding of the relationships between theses plasticities, we show by simulations means a proof of concept of an unsupervised learning that relies on the interaction of the plastic behaviors theses nanodevices feature.Finally, we consider the challenges arising from the circuits that are required to read and write such artificial synapses in a neuro-inspired system.The results of this Ph.D. work pave the way for the design of neuro-inspired systems that can learn by harnessing the rich plastic behaviors that are featured by innovative memory nanodevices

Aujourd'hui, le marché des mémoires non-volatile est dominé par la technologie Flash. Cependant, cette technologie est en passe d'atteindre ses limites de miniaturisation. Ainsi, dans le but de poursuivre la réduction des dimensions, de nouveaux concepts mémoires sont explorés. Parmi les technologies émergentes, la mémoire résistive OxRRAM basée sur la commutation de résistance d’une structure Métal/Isolant/Métal, cette technologie présente des performances prometteuses, supporte une réduction de ses dimensions critiques et offre une bonne compatibilité avec les filières CMOS. Toutefois, cette technologie mémoire n'en est qu'au stade du développement et se heurte à une compréhension que partielle des mécanismes de commutation de résistance.Ce travail de thèse s'intègre dans ce contexte et vise à apporter une contribution supplémentaire au développement de cette technologie. La première partie est consacrée à la sélection du meilleur couple électrodes/matériau actif. A l’aide d’une analyse des caractéristiques électriques de commutation, l’empilement TiNHfO2Ti est retenu pour être intégré dans une structure 1T1R. Une seconde partie présente la caractérisation électrique avancée de l’architecture mémoire 1T1R. L'influence des différents paramètres de programmation est analysée et les performances électriques sont évaluées. La dernière partie apporte des éléments d'analyse et de compréhension sur les mécanismes de commutation de résistance. La mesure, en fonction de la température, des caractéristiques électriques de commutation a permis d'analyser l'influence de la température et du champ électrique sur les mécanismes physiques à l'origine du changement de résistance
Today, non-volatile memory market is dominated by charge storage based technologies. However, this technology reaches his scaling limits and solutions to continue miniaturization meet important technological blocks. Thus, to continue scaling for advanced nodes, new non-volatile solutions are developed. Among them, oxide based resistive memories (OxRRAM) are intensively studied. Based on resistance switching of Metal/Isolator/Metal stack, this technology shows promising performances and scaling perspective but isn’t mature and still suffer from a lake of switching mechanism physical understanding.Results presented in this thesis aim to contribute to the development of OxRRAM technology. In a first part, an analysis of different materials constituting RRAM allow us to compare unipolar and bipolar switching modes and select the bipolar one that benefit from lower programming voltage and better performances. Then identified memory stack TiNHfO2Ti have been integrated in 1T1R structure in order to evaluate performances and limitation of this structure. Operating of 1T1R structure have been carefully studied and good endurance and retention performances are demonstrated. Finally, in the last part, thermal activation of switching characteristics have been studied in order to provide some understanding of the underling physical mechanisms. Reset operation is found to be triggered by local temperature while retention performances are dependent of Set temperature

La plupart des efforts de développements actuels des STT-MRAM est centrée sur des jonctions tunnels magnétiques à aimantation hors du plan. Les derniers empilements mis au point utilisent avantageusement l’anisotropie perpendiculaire induite aux interfaces magnétiques métal / oxydes, qui permet de réconcilier la forte anisotropie demandée pour assurer une rétention suffisante de la mémoire ainsi qu’une faible densité de courant de retournement STT grâce au couplage spin-orbite faible. Cependant, pour des cellules mémoire de taille inférieure à 20 nm, il est difficile d’atteindre une rétention de 10 ans à 100°C en utilisant uniquement l’anisotropie interfaciale. Pour augmenter encore plus l’anisotropie magnétique, ceci impose l’utilisation de couches magnétiques de CoFeB ultraminces (épaisseur inférieure à 1.4nm) qui présentent un coefficient d’amortissement Gilbert augmenté ainsi qu’une magnétorésistance tunnel TMR réduite. Pour des nœuds technologiques inférieurs à 20 nm, des nouveaux matériaux présentant une forte anisotropie magnétocrystalline et faible coefficient d’amortissement doivent être trouvés. De plus, l’anisotropie interfaciale est très sensible aux propriétés structurelles et chimiques aux interfaces entre les métaux magnétiques et la barrière tunnel de MgO. Avec des techniques de nanofabrication conventionnelles, ces interfaces peuvent être endommagées durant notamment l’étape de gravure, ce qui conduit à une variabilité importante cellule à cellule. Pour résoudre ce genre de problèmes pour des cellules STT-MRAM de tailles très petites, nous proposons l’utilisation d’empilements jonctions tunnel magnétiques dans lesquels l’anisotropie de la couche de stockage est contrôlée uniquement par son anisotropie de forme hors du plan. Ceci donne notamment une couche de stockage de forme cylindrique avec un aspect de forme suffisamment large (épaisseur / diamètre environ > 1). De cette façon, pour des raisons purement magnétostatiques, l’aimantation de la couche de stockage sera orientée perpendiculairement au plan de la cellule. Dans cette approche, la géométrie planaire classique des couches minces est ainsi remplacée par une géométrie tridimensionnelle. Cette approche innovante a plusieurs avantages : (i) elle génère une source fiable et robuste d’anisotropie perpendiculaire, beaucoup moins sensible aux défauts de structure et aux fluctuations thermiques; (ii) permet d’utiliser des matériaux connus et facile à croître, avec des coefficients d’amortissement faible, comme le Permalloy, en combinaison avec du CoFeB aux interfaces avec la barrière tunnel de MgO et (iii) donne une approche miniaturisable, même à des diamètres sub-10 nm, car le même matériau peut être utilisé pour des nœuds technologiques très petits
Most of the actual STT-MRAM development effort is nowadays focused on out-of-plane magnetized MTJ taking advantage of the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) arising at magnetic metal/oxide interface. This interfacial anisotropy allows conciliating large anisotropy required to insure a sufficient retention of the memory together with low switching current density thanks to weak spin-orbit coupling. However this PMA is too weak to insure 10 year retention up to 100°C in sub-20 nm devices. For deeply sub-20 nm nodes, new materials with large bulk PMA and low damping still have to be found. Furthermore, because this PMA is an interfacial effect, it is very sensitive to the structural and chemical properties of the magnetic metal/MgO interfaces contributing to dot to dot variability. To solve these problems in very small feature size STT-MRAM, we propose a totally novel approach: use MTJ stacks in which the storage layer anisotropy is uniquely controlled by its out-of-plane shape anisotropy i.e. by giving the storage layer a cylindrical shape with large enough aspect ratio (thickness / diameter typically > 1). In such structure, for purely magnetostatic reasons, the storage layer magnetization lies out-of-plane. With this approach, the geometry of conventional 2D thin layers is thus replaced by a 3D geometry. This innovative approach had several advantages: (i) it creates a strong and robust source of perpendicular anisotropy, much less sensitive to interfacial defects and thermal fluctuations; (ii) allows the use of well-known materials with mastered growth and low magnetic damping, such as Permalloy in combination with FeCoB at the interface of the MgO tunnel barrier and (iii) yields to an extreme scalability of the memory point, down to the sub-10 nm node, as the same materials can be used at very low nodes

Les mémoires à changement de phase électroniques (PCRAM) sont l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de mémoires non-volatiles. Cette technologie présente cependant deux inconvénients majeurs : un temps de rétention de l'information court pour des températures de fonctionnement élevées et une consommation électrique trop importante. Le premier objectif de ce travail a été de développer de nouveaux matériaux à changement de phase par PVD pour remplacer le traditionnel Ge2Sb2Te5, inadapté pour des applications embarquées. Le second objectif a été d'élaborer le matériau sélectionné par MOCVD assisté plasma afin d'évaluer la faisabilité de dispositifs confinés nécessitant des courants de fonctionnement faibles. L'étude du matériau binaire GeTe a montré des performances supérieures à celles de Ge2Sb2Te5 avec notamment une estimation du temps de rétention de l'information de dix ans à 110°C. L'impact de l'incorporation d'éléments dopants N ou C dans GeTe a été évalué en prévision du développement MOCVD. Il a été démontré une nette augmentation de la stabilité thermique des matériaux dopés, que nous expliquons par la formation d'une phase amorphe de type nitrure ou carbure lors de la cristallisation. L'utilisation d'un système de dépôt MOCVD par injection pulsée avec assistance plasma a permis de réaliser des couches minces conformes de GeTe à l'état cristallin ou amorphe, présentant des propriétés de transition de phase similaires à celles de GeTe de référence élaboré par PVD
Phase-Change Random Access Memories (PCRAM) are one of the most promising candidates for next generation of nonvolatile memories. However, this technology presents two major drawbacks: an archival life for high operating temperatures too short and power consumption too high. The first objective of this work was to develop new phase change materials by PVD to replace the common Ge2Sb2Te5 unsuitable for embedded applications. The second objective was to develop the targeted material by plasma-assisted MOCVD to assess the feasibility of confined devices requiring low operating currents. The study of binary GeTe material showed higher performance than Ge2Sb2Te5 including an estimated archival life up to ten years at 110°C. The impact of the incorporation of doping elements N and C in GeTe has been under evaluation for development of MOCVD. It has been shown a pronounced increase in thermal stability of doped materials that we explain by the formation of an amorphous phase of nitride or carbide during crystallization. Using a pulsed liquid MOCVD tool with plasma assistance allowed depositing GeTe thin films in crystalline or amorphous phase, with properties of phase transition similar to sputtered GeTe ones

Le secteur Semi-conducteurs avec l'avènement de fabrication submicroniques coule dessous de 45 nm ont commencé à relever de nouveaux défis pour continuer à évoluer en fonction de la loi de Moore. En ce qui concerne l'adoption généralisée de systèmes embarqués une contrainte majeure est devenu la consommation d'énergie de l'IC. En outre, les technologies de mémoire comme le standard actuel de la technologie de mémoire intégré pour la hiérarchie de la mémoire, la mémoire SRAM, ou le flash pour le stockage non-volatile ont des contraintes complexes extrêmes pour être en mesure de produire des matrices de mémoire aux nœuds technologiques 45 nm ci-dessous. Un important est jusqu'à présent mémoire non volatile n'a pas été adopté dans la hiérarchie mémoire, en raison de sa densité et comme le flash sur la nécessité d'un fonctionnement multi-tension.Ces thèses ont fait, par le travail dans l'objectif de ces contraintes et de fournir quelques réponses. Dans la thèse sera présenté méthodes et les résultats extraits de ces méthodes pour corroborer notre objectif de définir une feuille de route à adopter une nouvelle technologie de mémoire non volatile, de faible puissance, à faible fuite, SEU / MEU-résistant, évolutive et avec similaire le rendement en courant de la SRAM, physiquement équivalente à SRAM, ou encore mieux, avec une densité de surface de 4 à 8 fois la surface d'une cellule SRAM, sans qu'il soit nécessaire de domaine multi-tension comme FLASH. Cette mémoire est la MRAM (mémoire magnétique), selon l'ITRS avec un candidat pour remplacer SRAM dans un proche avenir. MRAM au lieu de stocker une charge, ils stockent l'orientation magnétique fournie par l'orientation de rotation-couple de l'alliage sans la couche dans la MTJ (Magnetic Tunnel Junction). Spin est un état quantical de la matière, que dans certains matériaux métalliques peuvent avoir une orientation ou son couple tension à appliquer un courant polarisé dans le sens de l'orientation du champ souhaitée.Une fois que l'orientation du champ magnétique est réglée, en utilisant un amplificateur de lecture, et un flux de courant à travers la MTJ, l'élément de cellule de mémoire de MRAM, il est possible de mesurer l'orientation compte tenu de la variation de résistance, plus la résistance plus faible au passage de courant, le sens permettra d'identifier un zéro logique, diminuer la résistance de la SA détecte une seule logique. Donc, l'information n'est pas une charge stockée, il s'agit plutôt d'une orientation du champ magnétique, raison pour laquelle il n'est pas affecté par SEU ou MEU due à des particules de haute énergie. En outre, il n'est pas dû à des variations de tensions de modifier le contenu de la cellule de mémoire, le piégeage charges dans une grille flottante.En ce qui concerne la MRAM, cette thèse a par adresse objective sur les aspects suivants: MRAM appliqué à la hiérarchie de la mémoire:- En décrivant l'état actuel de la technique dans la conception et l'utilisation MRAM dans la hiérarchie de mémoire;- En donnant un aperçu d'un mécanisme pour atténuer la latence d'écriture dans MRAM au niveau du cache (Principe de banque de mémoire composite);- En analysant les caractéristiques de puissance d'un système basé sur la MRAM sur Cache L1 et L2, en utilisant un débit d'évaluation dédié- En proposant une méthodologie pour déduire une consommation d'énergie du système et des performances.- Et pour la dernière base dans les banques de mémoire analysant une banque mémoire Composite, une description simple sur la façon de générer une banque de mémoire, avec quelques compromis au pouvoir, mais la latence équivalente à la SRAM, qui maintient des performances similaires
The Semiconductors Industry with the advent of submicronic manufacturing flows below 45 nm began to face new challenges to keep evolving according with the Moore's Law. Regarding the widespread adoption of embedded systems one major constraint became power consumption of IC. Also, memory technologies like the current standard of integrated memory technology for memory hierarchy, the SRAM, or the FLASH for non-volatile storage have extreme intricate constraints to be able to yield memory arrays at technological nodes below 45nm. One important is up until now Non-Volatile Memory weren't adopted into the memory hierarchy, due to its density and like flash the necessity of multi-voltage operation. These theses has by objective work into these constraints and provide some answers. Into the thesis will be presented methods and results extracted from this methods to corroborate our goal of delineate a roadmap to adopt a new memory technology, non-volatile, low-power, low-leakage, SEU/MEU-resistant, scalable and with similar performance as the current SRAM, physically equivalent to SRAM, or even better with a area density between 4 to 8 times the area of a SRAM cell, without the necessity of multi-voltage domain like FLASH. This memory is the MRAM (Magnetic Memory), according with the ITRS one candidate to replace SRAM in the near future. MRAM instead of storing charge, they store the magnetic orientation provided by the spin-torque orientation of the free-layer alloy in the MTJ (Magnetic Tunnel Junction). Spin is a quantical state of matter, that in some metallic materials can have it orientation or its torque switched applying a polarized current in the sense of the field orientation desired. Once the magnetic field orientation is set, using a sense amplifier, and a current flow through the MTJ, the memory cell element of MRAM, it is possible to measure the orientation given the resistance variation, higher the resistance lower the passing current, the sense will identify a logic zero, lower the resistance the SA will sense a one logic. So the information is not a charge stored, instead it is a magnetic field orientation, reason why it is not affected by SEU or MEU caused due to high energy particles. Also it is not due to voltages variations to change the memory cell content, trapping charges in a floating gate. Regarding the MRAM, this thesis has by objective address the following aspects: MRAM applied to memory Hierarchy: - By describing the current state of the art in MRAM design and use into memory hierarchy; - by providing an overview of a mechanism to mitigate the latency of writing into MRAM at the cache level (Principle to composite memory bank); - By analyzing power characteristics of a system based on MRAM on CACHE L1 and L2, using a dedicated evaluation flow- by proposing a methodology to infer a system power consumption, and performances.- and for last based into the memory banks analysing a Composite Memory Bank, a simple description on how to generate a memory bank, with some compromise in power, but equivalent latency to the SRAM, that keeps similar performance

Dans les mémoires magnétiques à transfert de spin, l’aimantation d’une couche mince ferromagnétique est retournée sous l’effet d’un courant polarisé. Au cours de ce manuscrit est étudiée la façon dont ce retournement s’opère, appelée chemin de retournement. Après avoir posé les concepts théoriques de base nécessaires et effectué un état de l’art du chemin de retournement, je présente les résultats de nos simulations micromagnétiques. Nous avons étudié le chemin de retournement en fonction du diamètre du dispositif. Ces calculs numériques prédisent un retournement composé d’une phase cohérente suivie de la nucléation et de la propagation d’une paroi de domaine. Ce chemin de retournement est attendu pour les dispositifs the 20 à 100 nm à température ambiante, donc dans nos mesures à venir. La propagation de paroi de domaine observée dans les simulations présente de complexes oscillations de Walker qui ne sont pas expliquées par les modèles de l’état de l’art. Aussi je présente un modèle de dynamique de paroi plus complet, où la géométrie exacte du système est prise en compte. Dans cette géométrie l’élasticité de la paroi donne naissance à un nouveau champ que nous appelons champ d’étirement. Ce champ d’étirement joue un rôle capital dans la dynamique de paroi et va nous permettre de comprendre et de prédire les oscillations de Walker complexes. Nos mesures sont effectuées pour des dispositifs de mémoires magnétiques à transfert de spin dernière génération, basé sur une jonction tunnel magnétique à anisotropie perpendiculaire. Le diamètre de nos dispositifs varie entre 26 et 200 nm. Nous effectuons des mesures de magnétométrie, de résonance ferromagnétique et des mesures électriques résolues en temps de la commutation. Le chemin de retournement mesuré dans ces dernières présente les signatures d’une phase initiale cohérente suivie d’un déplacement de paroi de domaine, comme calculé dans nos simulations. Les fortes oscillations de Walker prédites par nos modèles sont observées pour des échantillons spécifiques où la couche libre présente peu de défauts, mais pas dans nos échantillons les plus standards. Ceci met en lumière l’intérêt de nos travaux analytiques dans la compréhension du retournement dans des dispositifs destinés aux applications industrielles
In spin transfer torque random access memories (STTMRAM), the magnetization of a thin ferromagnetic layer is reversed under the action of a polarized spin current. Along this manuscript we study the switching path that the STTMRAM undergo. First I present the basic theoretical concepts necessary for our forthcoming calculations. Then comes a state of the art of the switching path. The first results I present are micromagnetic simulations of the switching. We study the impact of the diameter of the device on the switching path. From these numerical calculations we predict for devices between 20 and 100 nm at room temperature a switching path composed of a coherent phased followed by a domain wall nucleation and motion. It is the switching path expected in our forthcoming measurements. The domain wall dynamics observed in the micromagnetic simulations present complex Walker oscillations that are not understood from the domain wall models of the state of the art. Therefore, I present a more complete model for the domain wall dynamics within a STTMRAM which takes into account the exact geometry of the system. In this geometry the elasticity terms act as a new effective field called the stretch field. The stretch field plays a key role in the wall dynamics and explains the complex Walker oscillations. The conditions under which these effects can be measured are also predicted by our new model. Our measurements are performed on state-of-the-art STTMRAM based on perpendicular magnetic tunnel junction. The diameter of the devices varies between 26 and 200 nm. We characterize our devices by magnetometry, ferromagnetic resonance and electrical time-resolved measurements of the switching path. The switching path in our time-resolved measurements presents the signatures of an initial coherent phase and of a domain wall motion. This is in agreement with the simulated switching path. The complex Walker oscillations predicted by our models are measured in specific devices with an ultrasoft free layer, but not in our most standard stack. This highlight the interest of our analytical models for understanding the behavior of application-oriented devices

Avec la quantité d’information augmentant drastiquement depuis les dernières décennies, le besoin pour de nouvelles solutions technologiques grandit. Une des réponses à ce problème consiste à améliorer les composants actuels avec des Mémoires Non-Volatiles émergentes. Parmi ces nouvelles solutions, les Mémoires vives Magnétiques (MRAM) attirent l’attention de l’industrie. Avec leurs supposée endurance illimitée, haute vitesse d’écriture et de lecture, opérations à basse tension et grande rétention d’information à température ambiante, les MRAM, particulièrement les MRAM Perpendiculaires à Couple de Transfert de Spin (P-STT-MRAM), sont vus comme l’un des meilleurs candidats au remplacement des SRAM, DRAM et Flash embarquée. Pour être utilisées dans des applications industrielles, les P-STT-MRAM doivent répondre à un large panel de requis en terme de rétention d’information (ex :10 ans) et une température de fonctionnement élevée (plus de 200°C). Cependant, puisque mesurer une grande rétention d’information n’est pas pratique, des solutions doivent être trouvées pour l’extraire rapidement. Ce manuscrit propose et compare différentes méthodes d’extraction du facteur de stabilité thermique pour P-STT-MRAM. La plus adaptée est utilisée pour modéliser le comportement en température et en taille de ce facteur. Ensuite, les limites en température des P-STT-MRAM sont caractérisées et différentes options de couche de stockage sont associées aux applications industrielles. Pour finir, la dépendance des paramètres électriques avec un champs magnétique externe est étudiée et un capteur magnétique linéaire basé sur une mémoire P-STT-MRAM est proposé
With the amount of data increasing drastically during the last few decades, the need for new technological solutions rose. One of the answers to this problem consists in improving the actual hardware with emerging Non-Volatile Memories (e-NVM). Within these new solutions, the Magnetic Random Access Memory (MRAM) gains a lot of attention from the industrial market. With their supposed unlimited endurance, high speed switching, low voltage operations and high data retention at room temperature, the MRAM, especially the Perpendicular Spin Transfer Torque MRAM (P-STT-MRAM), is seen as one of the best contenders for DRAM, SRAM and embedded Flash replacement. To be used in industrial applications, the P-STT-MRAM has to answer to a large range of requirements in terms of data retention (e.g 10 years) and high operating temperature (more than 200°C). However, as measuring high data retention is not practical, solutions have to be found to extract it fastly. This manuscript will propose and compare different thermal stability factor extraction protocols for P-STTMRAM. The most adapted will be used to model the temperature and size dependence of this factor. Then, the temperature limits of P-STT-MRAM will be characterized and different flavours of storage layers will be match with industrial applications. Finally, the electrical parameters dependence with an external magnetic field will be studied and a linear magnetic sensor based on a P-STT-MRAM device will be proposed

Afin de réduire la consommation de puissance des futures générations de systèmesélectroniques, une solution est d’intégrer de la non-volatilité au sein même des cellulesmémoires. Dans cette optique, l’utilisation du retournement de l’aimantation d’un matériauferromagnétique comme support de l’information a été utilisée initialement dans un conceptde mémoire, la MRAM. La dernière évolution de cette technologie, la SOT-RAM, utilise desphénomènes nouveaux appelés SOTs afin de contrôler la direction de l’aimantation. Parrapport aux générations précédentes (STT-MRAM notamment), elle devrait permettred’améliorer la vitesse d’écriture en conservant une endurance adaptée pour des utilisations enmémoires cache où en mémoire centrale. Le terme SOTs est une dénomination généraledésignant l’ensemble des effets, encore mal connus, liés au couplage spin-orbite et permettantle retournement de l’aimantation d’une cellule mémoire.Ce travail de thèse a eu pour objectif d’étudier les SOTs via un système expérimental demesure quasi-statique basé sur les effets Hall extraordinaires et planaires. Sonimplémentation et la méthode d’analyse associée, ainsi que les considérations théoriquesnécessaires à l’interprétation des résultats sont détaillées dans ce manuscrit. Il a été montréque le retournement de l’aimantation dans des systèmes à aimantation perpendiculaire à basede cobalt-platine ne peut être expliqué par les modèles simples considérés jusqu’à présentdans la littérature. En effet, il a été mis en évidence qu’au moins deux effets simultanés doiventêtre pris en compte pour expliquer les phénomènes observés. Par ailleurs, ceux-ci présententune sensibilité différente à la fois à une altération de la structure cristalline et à une variationde température
In order to reduce power consumption in next generations’ electronic devices, one potentialsolution is to implement non-volatility in memory cells. In this goal, the magnetizationswitching of a ferromagnetic material has been used in a memory concept: the MRAM. Thelatest development of this technology, called SOT-RAM, is based on new phenomena calledSOTs (Spin-Orbit Torques) in order to control magnetization direction. Contrary to precedentgenerations (STT-MRAM), it should achieve a higher operating speed and an enduranceadapted for cache and main memories applications. SOTs is a generic term referring to all theeffects, linked to the spin-orbit interaction, and that enable magnetization reversal. They areyet not perfectly understood.The main objective of this Ph.D. was then to study these SOTs through a quasi-staticexperimental measurement setup based on anomalous and planar Hall effects. Itsimplementation and the associated analysis method, as well as the required theoreticalconsiderations for data interpretation are detailed in this manuscript. It has been highlightedthat magnetization switching in perpendicularly magnetization cobalt-platinum systemscannot be explained by the simple models considered thus far in the literature. As a matter offact it has been evidenced that at least two effects have to be considered in order to explainobserved phenomena. In addition, they present different susceptibility both to a modificationof the crystal structure and to a temperature change

Les techniques de stockage de l’information ont connu un essor important avec l’avènement de l’informatique et de toutes les activités multimédia. L’enregistrement hélicoïdal sur bande, qui reste le média le plus économique est destiné à stocker de très importants volumes d’information. Le nombre de têtes d’écriture/lecture utilisées par ce type d’enregistreurs augmente pour améliorer les taux de transfert. Le problème du positionnement entre les têtes devient donc central. La technologie de fabrication des têtes pour l’enregistrement hélicoïdal proposé par la société Alditech qui est entièrement intégrée sur silicium constitue le point de départ du travail présenté ici. En effet, l’objectif est de réaliser une tête double en s’affranchissant des problèmes de positionnement des têtes entre elles grâce aux technologies importées de la microélectronique. La démarche qui a amené à proposer la structure du composant est présentée ici. La faisabilité de cette structure est ensuite validée par l’étude de briques de base technologiques et la réalisation d’un premier démonstrateur. Par ailleurs les perturbations du fonctionnement magnétique des têtes introduites par l’utilisation d’une technologie têtes doubles ainsi que les phénomènes de diaphonie entre les têtes sont étudiés par simulation numériques
The data storage techniques knew an important development due to the success of the multimedia activities. Helical recording on tape, that remains the most economical media, is used for the very important data volumes. The number of read/write heads used by this type of recorders increases to improve the transfer rates. Thus the problem of the relative heads positioning becomes central. The manufacture technology of helical recording heads proposed by Alditech is fully integrated on silicon wafers. It constitutes the departure point of the work presented here. The purpose is to build a double head suppressing the positioning problems of heads thanks to the imported technologies of the microelectronic. The gait that brought to propose the structure of the component is presented here. Next the feasibility of this structure is validated by the study of basic technological steps and the realization of the first demonstrator. Besides the perturbations of the magnetic function of the heads introduced by the “double head” technology as well as the crossfeed phenomena between the heads are studied by numerical simulations

De nos jours, la conception des systèmes sur puce devient de plus en plus complexe, et requiert des densités de mémoire sans cesse grandissantes. Pour ce faire, une forte miniaturisation des nœuds technologiques s’opère. Les mémoires non-volatiles résistives, tels que les RRAM, PC-RAM ou MRAM se présentent comme des alternatives technologiques afin d'assurer à la fois une densité suffisante et des faibles contraintes en surface, en latence, et en consommation à l’échelle nanométrique. Cependant, la variabilité croissante de ces cellules mémoires ainsi que des circuits en périphérie, tels que des circuits de lecture, est un problème majeur à prendre en considération. Cette thèse consiste en une étude détaillée et une aide à la compréhension de la problématique de variabilité appliquée aux circuits de lecture pour mémoires résistives. Elle propose des solutions d’amélioration de la fiabilité de lecture de ces mémoires. Pour ce faire, diverses études ont été réalisées : revue générale des solutions existantes d’amélioration du rendement de lecture, au niveau circuit et système ; développement d’un modèle statistique évaluant la contribution à la marge de lecture de la variabilité de chaque composante du chemin de lecture de la mémoire résistive ; analyse, caractérisation, modélisation et optimisation de l’offset d’un amplificateur de lecture dynamique pour mémoires résistives ; proposition d’architecture d’amplificateur de lecture permettant un rapport signal à offset optimum
Nowadays, Systems on chip (SoCs) conception is becoming more and more complex and demand an ever-increasing amount of memory capacity. This leads to aggressive bit cell technology scaling. Nonvolatile resistive memories (PC-RAM, RRAM, MRAM) are promising technologic alternatives to ensure both high density, low power consumption, low area and low latencies. However, scaling lead to significant memory cell and/or memory periphery variability. This thesis aims to address variability issues in read circuitries of resistive memories and propose solutions for read yield enhancement of these memories. To this end, several sub-studies were achieved: overall review of the existing solutions for read yield enhancement, at both circuit and system level; development of a statistical model evaluating the contributions to read margin of the variability of each component of the resistive memory sensing path; analysis, characterization modelling and optimization of the offset of one particular dynamic sense amplifier for resistive memories; proposal of a sense amplifier architecture that features an optimum signal to offset ratio

Le but de la thèse sera d'étudier la faisabilité d'un nouveau procédé de nanostructuration des jonctions tunnel de dimension sub-30nm récemment imaginé et breveté par Spintec et le LTM et de tester les propriétés des jonctions tunnel obtenus sur les plans structural, magnétique et des propriétés électriques. Une attention particulière sera mise sur la caractérisation des défauts générés en bord de piliers lors de la gravure des jonctions tunnels et l'impact de ces défauts sur les propriétés magnétiques et de transport. Une autre partie de la thèse concerne l'optimisation des propriétés magnétiques et de transport des empilements jonctions tunnel magnétiques en vue d'en améliorer la stabilité thermique, l'amplitude de magnétoresistance tunnel et la facilité de gravure de l'empilement.En particulier l'insertion de nouveaux matériaux réfractaires (W, ) dans les empilements a été étudiée pour améliorer la stabilité de l'empilement lors des recuits à haute température. Des améliorations ont également été apportées pour renforcer la stabilité de la couche de référence de la jonction tunnel lorsque cette dernière est située au dessus de la barrière tunnel. Par ailleurs, une nouvelle couche de couplage antiferromagnétique a été mise au point permettant de réduire significativement l'épaisseur totale de l'empilement et par là même facilitant sa gravure.Tous ces résultats ont été obtenus par des mesures magnétiques et de transport réalisées sur les couches continues et sur des piliers de taille nanométriques
The first aim of the thesis is to study the feasibility of a new process for nanopatterning of sub-30nm diameter tunnel junctions recently patented by Spintec and LTM and to test the properties of tunnel junctions obtained, from the point of view of magnetic and electrical properties. Particular attention will be paid on the characterization of defects generated at the pillar edges when patterning the tunnel junctions and the impact of these defects on the magnetic and transport properties. Another part of the thesis is focused on improving the magnetic and transport MTJ stacks with higher thermal budget tolerance. As a part of this, new materials (W, etc) were used as cap layer or as a spacer layer in composite free layer of pMTJ stacks. Moreover, different magnetic materials combined with different non-magnetic spacer have been investigated to improve the thermal stability factor of the composite storage layers. Detailed structural characterizations were performed to demonstrate the improvements in magnetic and electrical properties. A new RKKY coupling layer was found which allowed to obtain an extremely thin pMTJ stack by reducing the SAF layer thickness to 3.8nm. Seed lees multilayers with enhanced PMA is necesssary to realize a top-pinned pMTJ stack which is necessary to configure a spin-orbit torque MRAM (SOT-MRAM)stack and double magnetic tunnel junction stacks (DMTJs). A new seed less multilyar with enhanced PMA and subsequently advanced stacks such as conventional-DMTJ, thin-DMT, SOT-MRAM stacks, Multibit memory were realized. Finally, electrical properties patterned memory devices were also studied to correlate with the magnetic properties of thin films

L’avènement de l’électronique flexible a entraîné des recherches rapides sur des capteurs, des dispositifs bio-implantables et portables pour l’évaluation de maladies telles que l’épilepsie, la maladie de Parkinson et les crises cardiaques. Les dispositifs de mémoire sont des composants majeurs dans tous les circuits électroniques, uniquement secondaires aux transistors, par conséquent de nombreux efforts de recherche sont consacrés au développement de dispositifs de mémoire flexibles. Les mémoires à accès aléatoire à pont conducteur (CBRAM) basées sur la création / dissolution d'un filament métallique dans un électrolyte solide sont d'un grand intérêt pour la recherche en raison de leur architecture métallique isolante métallique simple, de leurs capacités basse tension et de leur compatibilité avec les substrats flexibles. Dans ce travail, au lieu d'un oxyde métallique conventionnel ou d'une couche de chalcogénure, un polymère biocompatible - l'oxyde de polyéthylène (PEO) - est utilisé comme couche d'électrolyte solide en utilisant l'eau comme solvant. Des dispositifs de mémoire, constitués d'empilements tri-couches Ag / PEO / Pt, ont été fabriqués à la fois sur du silicium et des substrats flexibles en utilisant un processus hétérogène combinant un dépôt physique en phase vapeur et un revêtement par rotation. Pour cela, une étude systématique de l'effet de la concentration de la solution et de la vitesse de dépôt sur l'épaisseur du PEO est présentée. Des mesures SEM / EDX et AFM ont ensuite été effectuées sur des structures planes dédiées à «nano-gap» et ont révélé la formation de précipités métalliques d'Ag ainsi que des changements morphologiques de la couche de polymère après commutation de résistance. Les performances des dispositifs de mémoire résistive sont ensuite évaluées sur silicium et substrats flexibles. En particulier, la programmation des statistiques de tension, le rapport de résistance OFF / ON, les cycles d'endurance et les tests de rétention sont effectués et l'effet de la conformité du courant est analysé. Le mécanisme de conduction dans le HRS / LRS est étudié sur les appareils de référence Ag / PEO / Pt et Pt / PEO / Pt. Enfin, la caractérisation électrique des dispositifs sur substrat souple est réalisée sous contrainte mécanique, donnant des résultats prometteurs. Les dispositifs CBRAM à base de polymères sont donc proposés comme candidats potentiels pour le développement durable de dispositifs de mémoire flexibles
The advent of flexible electronics has brought about rapid research towards sensors, bio implantable and wearable devices for assessment of diseases such as epilepsy, Parkinson’s and heart attacks. Memory devices are major component in any electronic circuits, only secondary to transistors, therefore many research efforts are devoted to the development of flexible memory devices. Conductive Bridge Random Access Memories (CBRAMs) based on creation/dissolution of a metallic filament within a solid electrolyte are of great research interest because of their simple Metal Insulator Metal architecture, low-voltage capabilities, and compatibility with flexible substrates. In this work, instead of a conventional metallic oxide or a chalcogenide layer, a biocompatible polymer - Polyethylene Oxide (PEO) – is employed as the solid electrolyte layer using water as solvent. Memory devices, consisting in Ag/PEO/Pt tri-layer stacks, were fabricated on both silicon and flexible substrates using a heterogeneous process combining physical vapour deposition and spin coating. To aim this, a systematic study on the effect of solution concentration and deposition speed on the PEO thickness is presented. SEM/EDX and AFM measurements were then conducted on devoted “nano-gap” planar structures and have revealed the formation of metallic Ag precipitates together with morphological changes of the polymer layer after resistance switching. The performance of the resistive memory devices is then assessed on silicon and flexible substrates. In particular programming voltage statistics, OFF/ON resistance ratio, endurance cycles and retention tests are performed and the effect of current compliance is analysed. The conduction mechanism in the HRS/LRS is studied on the Ag/PEO/Pt and Pt/PEO/Pt reference devices. Finally, the electrical characterization of devices on flexible substrate is performed under mechanical stress, showing promising results. Polymer-based CBRAM devices are therefore suggested as potential candidates for sustainable development of flexible memory devices

Les nouveaux matériaux de type chalcogénures (à base de S, Se, Te) font l’objet d’un intérêt croissant, non seulement pour les applications mémoires avancées, photonique et photovoltaïque, mais également autour des matériaux dichalcogénures innovants à base de métaux de transition (MoS₂, WS₂, ..). Les propriétés de ces matériaux, réalisés sous forme d’alliages binaires ou ternaires, avec ou sans dopage, dépendent fortement de leur composition, du profil de composition dans ces couches très fines, ainsi que des conditions de surface et d’interface (préparation, passivation). La maîtrise des propriétés de ces couches fines, déposées par voie chimique (CVD) ou par co-pulvérisation cathodique magnétron, doit s’appuyer sur des nouveaux protocoles de caractérisation aux incertitudes optimisées et compatibles avec un contrôle de fabrication en ligne. Dans cette thèse, nous présentons les performances de protocoles de métrologie spécifiquement développés pour l’analyse de couches minces de chalcogénures. Ces protocoles, qui s’appuient essentiellement sur les techniques non destructives de spectroscopie de photoélectrons (XPS) et de fluorescence X (XRF), ont été optimisés pour la caractérisation surfacique des couches ultrafines, l’analyse quantitative de la composition des matériaux complexes à base de tellure ou de soufre, et la mesure du profil de composition dans des couches et empilements < 50 nm. Dans un premier temps, nous présentons l’étude par XPS quasi in situ des propriétés de surface des matériaux Ge, Sb, Te ainsi que de leurs composés binaires et ternaires. Nous mettons en évidence l’évolution de la surface après remise à l’air puis vieillissement, et nous comparons l’efficacité de stratégies d’encapsulation in situ de couches minces à base de Te et Se. Nous démontrons ensuite les performances de protocoles d’analyses par XRF à dispersion de longueur d’onde (WDXRF) et XPS pour la quantification précise de la composition chimique de composés Ge-Sb-Te (de 1 à 200 nm) et de couches ultrafines de dichalcogénures à base de métaux de transition (MoS₂, WS₂). L’analyse combinée WDXRF/XPS permet de mesurer l’évolution avec la composition des facteurs de sensibilité relative des composantes Ge3d, Te4d et Sb4d, et par conséquent d’améliorer la précision de mesure par XPS de la composition des matériaux à changement de phase de type GexSbyTez. Nous soulignons également l’influence des effets de matrice sur la capacité de la WDXRF à l’analyse quantitative de l’azote dans des matériaux Ge-Sb-Te. Nous évaluons la possibilité d’un étalonnage de la WDXRF fondé sur des analyses par faisceaux d’ions spécifiques, ce qui permet in fine un suivi en ligne de couches GeSbTeN dans une fenêtre procédé donnée. Enfin, nous présentons deux stratégies de caractérisation non destructive du profil de composition dans des couches minces de chalcogénures. D’une part, nous démontrons que la combinaison des techniques de XRF en géométrie d'incidence rasante (GIXRF) et de réflectométrie X (XRR) permet une mise en évidence non ambiguë de faibles variations dans les procédés de dépôts, voire de phénomènes de diffusion dans des empilements de 10 nm d'épaisseur. L'utilisation de substrats multicouches en lieu et place du silicium permet d’optimiser la distribution en profondeur du champ d'ondes stationnaires, ce qui conduit à une amélioration nette de la sensibilité des stratégies XRR / GIXRF. D’autre part, nous montrons l’adéquation de protocoles fondés sur l’analyse XPS résolue en angle pour la caractérisation du profil de composition dans des couches nanométriques de GeTe et Ge₂Sb₂Te₅, ce qui permet une étude fine des premières étapes de dépôt de ces matériaux
Chalcogenide materials are compounds based on S, Se, and Te elements from group VI of the periodic table. They are receiving an extensive interest not only for applications in resistive memories (PCRAM and CBRAM), photonics and photovoltaics but also in the development of new 2-D materials (e.g. spintronics applications). Chalcogenide materials are already present in the semiconductor roadmaps and it is already replacing flash memories (e.g. phase change material and ovonic threshold switch in new random access memory). For the next technology nodes, chalcogenide properties can be scaled by tuning the chemical composition or by reducing the film thickness. Nonetheless, it also means that their properties become more tightly influenced by the chemical composition, the surface/interface effects and the depth-profile composition. Hence, dedicated metrology protocols must be developed, first to assist the optimization of chalcogenide materials processes in cleanroom environment, then to allow non-destructive process monitoring with industry-driven uncertainties. In this PhD thesis, we developed metrology protocols based on X-ray techniques, dedicated to thin chalcogenides materials and fully compatible with inline monitoring. First, we used quasi in-situ X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) to characterize the surface of Ge, Sb, Te thin materials and compounds, and to study the composition-dependent evolution of the surface after air break and ageing. The efficiency of in situ capping strategies to protect Te-based and Se-based thin layered materials from ageing was also investigated. Secondly, we demonstrated the ability of improved metrology strategies based on in-line Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence (WDXRF) and XPS to accurately quantify the chemical composition of Ge-Sb-Te compounds (from 1 to 200 nm) and ultrathin 2D transition metal dichalcogenides (MoS₂, WS₂). Combined WDXRF/XPS analysis was used to determine refined values of composition-dependent relative sensitivity factors for Te4d, Sb4d and Ge3d that allow for XPS-based metrology of PCRAM materials with mastered accuracy. We pointed the need for in-depth study of the significant matrix effects that alter the ability of WDXRF to quantify Nitrogen in Ge-Sb-Te materials: ion beam analysis was carefully investigated as possible input for WDXRF calibration, and a WDXRF protocol was established for inline monitoring of N-doped Ge-Sb-Te films in a specific process window. Finally, we investigated two ways to non-destructively characterize the in-depth chemical distribution in thin chalcogenide films: we demonstrated that the combination of XRF in grazing incidence geometry (GIXRF) and X-ray reflectometry (XRR) was able to unambiguously reveal small process differences along with process-induced diffusion in 10 nm-thick stackings. We showed that the use of multilayered substrate instead of silicon allowed fine-tuning of the depth-dependent X-ray standing wave field, resulting in improved sensitivity of XRR/GIXRF strategies. We also developed an angle-resolved XPS protocol for the evaluation of the first deposition steps of GeTe and Ge₂Sb₂Te₅ films, revealing the process-dependent elemental distribution as a function of the film growth. Therefore, in this work we not only elaborated advanced metrology protocols for the development of new chalcogenide films but also metrological solutions for the next technology nodes (28 nm and below), since current in-line metrology tools reach their detection limits

Depuis la première observation de désaimantation ultra-rapide dans des films de Ni soumis à une excitation laser pulsée, on a assisté à un grand intérêt de comprendre l'interaction entre les impulsions laser ultra-courtes et l'aimantation. Ces études ont conduit à la découverte de la commutation toute optique de l'aimantation dans un alliage de film ferrimagnétique en utilisant des impulsions laser femtosecondes. La commutation toute optique permet un renversement de l’aimantation d’un matériau magnétique sans champ magnétique externe. La direction de l'aimantation résultante est donnée par la polarisation circulaire droite ou gauche de la lumière. La manipulation de l'aimantation par un faisceau laser a longtemps été limité à un seul type de matériau, mais ce mécanisme s'est avéré être un phénomène plus général qui s’applique à une grande variété de matériaux ferromagnétiques, y compris des alliages, des empilements et des hétérostructures, ainsi que des hétérostructures ferrimagnétiques synthétiques de terres-rares. Récemment, nous avons observé le même phénomène dans des films ferromagnétiques simples, ouvrant ainsi la voie à une intégration de l'écriture toute optique dans les dispositifs spintroniques. De plus, dans des matériaux de type [Co/Pt] ou [Co/Ni] avec une polarisation de spin élevée et une anisotropie magnétique perpendiculaire contrôlable, un mouvement de parois de domaines induit par un courant polarisé peut être observé dans des pistes magnétiques (couple spin-orbite ou couple de transfert de spin), ce qui présente un grand intérêt pour des applications spintroniques basse consommation et de densité élevée, telles que le concept de mémoire racetrack et la logique magnétique. Cependant, la densité de courant requise pour le mouvement des parois de domaines est encore trop élevée pour permettre la réalisation de dispositifs à faible puissance. Dans ce contexte innovant, la recherche effectuée dans le cadre de ma thèse s’est concentrée sur la manipulation de parois de domaines dans les pistes fabriquées à partir de films minces à forte anisotropie magnétique perpendiculaire en combinant à la fois les effets du courant polarisé et ceux de la commutation toute optique. Différents films minces ont été explorés afin d'étudier les effets combinés optiques dépendant de l'hélicité et des couples spin-orbite ou de transfert de spin sur le mouvement des parois de domaines. Nous avons montré que les parois de domaine peuvent rester piégées sous une hélicité circulaire du laser et dépiégées par une hélicité circulaire opposée, et la densité de courant polarisé seuil peut être considérablement réduite en utilisant un laser femtoseconde. Nos résultats sont prometteurs pour le développement de nouveaux dispositifs photoniques-spintroniques de faible puissance
Since the first observation of ultrafast demagnetization in Ni films arising from a pulsed laser excitation, there has been a strong interest in understanding the interaction between ultrashort laser pulses and magnetization. These studies have led to the discovery of all-optical switching (AOS) of magnetization in a ferrimagnetic film alloy of GdFeCo using femtosecond laser pulses. All-optical switching enables an energy-efficient magnetization reversal of the magnetic material with no external magnetic field, where the direction of the resulting magnetization is given by the right or left circular polarization of the light. The manipulation of magnetization through laser beam has long been restricted to one material, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic materials, including alloys, multilayers and heterostructures, as well as rare earth free synthetic ferrimagnetic heterostructures. Recently, we have observed the same phenomenon in single ferromagnetic films, thus paving the way for an integration of all-optical writing in spintronic devices. Moreover, in similar materials, like [Co/Pt] or [Co/Ni] with high spin polarization and tunable perpendicular magnetic anisotropy (PMA), efficient current-induced domain wall (DW) motion can be observed in magnetic wires, where spin-orbit torque (SOT) or spin transfer torque (STT) provides a powerful means of manipulating domain walls, which is of great interest for several spintronic applications, such as high-density racetrack memory and magnetic domain wall logic. However, the current density required for domain wall motion is still too high to realize low power devices. This is within this very innovative context that my Ph.D. research has focused on domain wall manipulation in magnetic wires made out of thin film with strong perpendicular magnetic anisotropy combining both spin-polarized current and all-optical switching. Different material structures have been explored, in order to investigate the combined effects of helicity-dependent optical effect and spin-orbit torque or spin transfer torque on domain wall motion in magnetic wires based on these structures. We show that domain wall can remain pinned under one laser circular helicity while depinned by the opposite circular helicity, and the threshold current density can be greatly reduced by using femtosecond laser pulses. Our findings provide novel insights towards the development of low power spintronic-photonic devices

Cette thèse porte principalement sur la caractérisation électrique et la modélisation physique d'éléments mémoires émergents de type OxRRAM (Oxide Resistive Random Access Memory) intégrant soit un oxyde de nickel, soit un oxyde de hafnium. Une fois la maturité technologique atteinte, ce concept de mémoire est susceptible de remplacer la technologie Flash qui fait encore figure de référence. Les principaux avantages de la technologie OxRRAM reposent sur une très bonne compatibilité avec les filières CMOS, un faible nombre d'étapes de fabrication, une grande densité d'intégration et des performances attractives en termes de fonctionnement. Le premier objectif de ce travail concerne le diélectrique employé dans les cellules. Il s'agit d'apporter des éléments factuels permettant d'orienter un choix technologique sur la méthode d'élaboration de l'oxyde de nickel (oxydation thermique ou pulvérisation cathodique réactive) puis d'évaluer les performances de cellules à base d'oyxde de hafnium. Le second objectif est d'approfondir la compréhension des mécanismes physiques responsables du changement de résistance des dispositifs mémoire par une approche de modélisation physique des phénomènes opérant lors des phases d'écriture et d'effacement, sujet encore largement débattu dans la communauté scientifique. Le troisième objectif de cette thèse est d'évaluer, par le biais de caractérisations électriques, les phénomènes parasites intervenant dans les éléments mémoires de type 1R (élément résistif sans dispositif d'adressage) et, en particulier, la décharge capacitive apparaissant lors de leur programmation (opérations d'écriture)
This work is focused on the electrical characterization and physical modeling of emerging OxRRAM memories (Oxide Resistive Random Access Memory) integrating nickel or hafnium oxide. After reaching maturity, this memory concept is likely to replace the Flash technology which is still a standard in the CMOS industry. The main advantages of resistive memories technology is their good compatibility with CMOS processes, a small number of manufacturing steps, a high integration density and their attractive performances in terms of memory operation. The first objective of this thesis is to provide enough informations allowing to orientate the elaboration process of the active nickel oxide layer (thermal oxidation, reactive sputtering) then to compare the performances of the fabricated cells with devices featuring a hafnium oxide layer. The second objective is to understand the physical mechanisms responsible of the device resistance change. A physical model is proposed allowing to apprehend SET and RESET phenomenon in memory devices, subject which is still widely debated in the scientific community. The third objective of this thesis is to evaluate electrical parasitic phenomenon observed in 1R-type memory elements (resistive element without addressing device), in particular the parasitic capacitance appearing during cell programming (writing operation)

L'avènement du Big Data, Machine Learning (ML) et 5G a l’importance de certains paramètres clé des technologies mémoire tels que la consommation d'énergie, la non-volatilité, la vitesse, la taille et l'endurance. Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) telles que les MRAM à couple de transfert de spin (STT-MRAM) et les MRAM à couple de spin orbite (SOT-MRAM) sont devenues des concurrents incontournables de ce marché, dans l’objectif de remplacer les RAM statiques (SRAM) et les RAM dynamiques (DRAM) actuelles basées sur la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). La commutation d’un bit mémoire dans les SOT-MRAMs s'appuie sur les spins générés via le couplage spin orbite (SOC) par l'application d'un courant de charge à travers un métal lourds (HM). Ces HM étant résistifs, des pertes ohmiques existent pendant le processus d'écriture. Un vaste corpus de travaux, tant universitaires qu'industriels, a été consacré à la recherche de moyens pour minimiser ces pertes et ainsi améliorer l'efficacité énergétique. De plus, le courant injecté dans la mémoire lors du processus d'écriture est contrôlé par un transistor de commutation CMOS. La taille de ce transistor augmente avec le courant de commutation. Par conséquent, une réduction de ce courant conduit également à un gain de densité de la mémoire.Diverses approches visant à améliorer la génération de spins par unité de courant appliqué ont été adoptées pour atteindre cet objectif. Les premières ont consisté à utiliser des métaux de transition présentant un SOC élevé, des alliages métalliques et/ou une phase structurelle résistive du métal. Des travaux plus récents se sont concentrés sur l'ingénierie de l’interface : insertion de couches ultrafines et utilisation de couches de capping formant des puits de spin. L'une des approches actuelles concerne l'utilisation de l'oxydation comme moyen d'augmenter les SOT. Différents groupes ont étudié l'effet de l'oxydation du HM, du Ferro-Magnétique (FM) ainsi que de la couche de capping constituée de métaux plus légers comme le cuivre. Bien que la majorité de ces travaux fass état d'une augmentation des SOT, les résultats et les conclusions ne sont pas cohérents. Des tendances divergentes d'augmentation des SOT, qui ont, à leur tour, été attribuées à des phénomènes physiques variés. Dans ce travail, nous étudions les SOTs générés par l'oxydation de la couche de platine dans une pile multicouche Ta/Cu/Co/Pt.Dans ce système, nous quantifions les SOTs en mesurant les couples par une technique de seconde harmonique. Nous observons en effet une augmentation des couples. Ceci est vérifié par des mesures de spin pumping qui montrent une augmentation de l'amortissement. Afin de déterminer l'origine de cette augmentation, nous avons construit un modèle décrivant l'oxydation du système basé sur des caractérisations électriques, magnétiques et matérielles ansi que des calculs ab-initio de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Ceci nous a conduit à la conclusion que contrairement aux travaux précédents, qui expliquaient les résultats en se basant exclusivement sur un modèle où seul le HM était oxydé, dans la pratique l'oxygène près de l'interface FM/HM est pompé dans la couche FM. Ce phénomènz ne conduit pas seulement à une oxydation FM, mais laisse aussi le HM métallique à proximité de l'interface. En outre, ce modèle a été étayé par des mesures et des calculs des échanges symétrique et anti-symétrique. En tenant compte de ces observations et une fois les SOT quantifiés corrigés, nous ne constatons aucune augmentation observable des couples. Ceci nous amène à conclure que bien qu'au niveau du système il y ait une augmentation des SOTs avec l’oxydation du platine, il n'y a pas de contribution intrinsèque de l'oxyde de platine à l'augmentation des couples. Cette découverte a de vastes conséquences sur la conception de SOT-MRAM, affectant l'endurance, la consommation d'énergie et la magnéto-résistance tunnel (TMR)
The advent of Big Data, Machine Learning (ML) and 5G has placed a greater emphasis on certain key metrics of memory technology such as power consumption, non-volatility, speed, size, and endurance. Magnetic Random-Access Memories (MRAM) such as Spin Transfer Torque MRAM (STT-MRAM) and Spin-Orbit Torque MRAM (SOT-MRAM) have emerged as key contenders in this market, targeted towards replacing the current Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) based Static RAMs (SRAM) and Dynamic RAMs (DRAM). SOT-MRAMs rely on spins generated by applying a charge current through a metal with a high Spin-Orbit Coupling (SOC) to switch the magnetic memory bit. These Heavy Metals (HM) being resistive, lead to Ohmic losses during the write process. A vast body of work, both academic and industrial, has been dedicated to finding ways to minimize these losses and thereby enhance the energy efficiency. Moreover, the current that is injected into the device during the write process is controlled by a CMOS switching transistor. The size of this transistor increases with the switching current. Hence, a reduction in this current can also lead to a gain in the bit density of the memory.Various approaches have been adopted to achieve this target by means of enhancing the generation of spins per unit applied current. The earliest approaches involved using transition metals with high SOC, metallic alloys and resistive structural phase of the metal. More recent works have focused on interfacial engineering via ultra-thin insertion layers and spin-sink capping materials. One of the current focus is on using oxidation as a means of enhancing the SOTs. Different groups have studied the effect of oxidation of the HM, the Ferro-Magnet (FM) as well as the capping layer consisting of lighter metals such as copper. Although majority of these works report an increase of SOTs in general, the results and conclusions are not consistent. Differing trends of SOT increase have been reported which in turn have been attributed to varied physical phenomenon. In this work, we study the SOTs generated by oxidizing the platinum layer in a Ta/Cu/Co/Pt multilayer stack.We quantify the SOTs in this system using second harmonic torque measurements and do indeed observe an increase in torques. This is verified with spin-pumping measurements, observing an increase in the damping. In order to determine the origin of this increase, we built an oxidation model of the system based on electrical, magnetic and material characterizations and ab-initio Density Functional Theory (DFT) calculations. This led us to the conclusion that unlike previous works, which exclusively explained the findings based on a completely oxidized HM model, in practice the oxygen near the FM/HM interface gets pumped into the FM layer. This not only oxidizes the FM, but it also leaves the HM metallic near the interface. This model was further supported by measurements and calculations of the symmetric and anti-symmetric exchange, which were found to have a linear relationship. Accounting for these observations, once the quantified SOTs are corrected, we see no observable increase in torques. This leads us to conclude that although on a system level there is an increase of SOTs with platinum oxidation, there is no intrinsic contribution of platinum-oxide on the enhancement of torques. This finding has broad consequences in the design of SOT-MRAM, affecting endurance, power consumption and Tunneling Magneto-Resistance (TMR)

Cette thèse s'inscrit dans la thématique des MRAM, nouvelles mémoires non volatiles utilisant des propriétés originales de l'électronique de spin. Le but de ce travail a été principalement de démontrer qu'un nouveau concept de MRAM était possible afin de passer outre les limitations imposées par chacune des générations déjà existantes (TA-MRAM et STT-RAM). Pour cela, leurs avantages respectifs ont été combinés, à savoir la stabilité thermique pour la TA-MRAM et l'écriture sans champ magnétique pour la STT-RAM. C'est ainsi qu'a été donnée au cours de cette étude la première démonstration de STT-TA-MRAM ainsi qu'une optimisation de ses propriétés grâce une structure améliorée. Le retournement de la couche de stockage par couple de transfert de spin a donc été au centre de ces recherches. Un montage expérimental innovant a également permis d'observer le retournement de l'aimantation en temps réel dans le but de mieux comprendre la physique de l'écriture. Enfin, la problématique de la durée de vie des barrières tunnel a été abordée montrant que celles-ci claquent plus lentement que prévu pour les impulsions courtes
This thesis deals with MRAMs, new non volatile memories using spintronics original properties. The goal of this work has mainly been to demonstrate that a new MRAM concept was possible to break through limitations due to previous generations (TA-MRAM and STT-RAM). Their respective advantages have been combinated, that is to say thermal stability for the TA-MRAM and writing without any magnetic field for the STT-RAM. A first demonstration of this new STT-TA-MRAM has been given at the beginning of this study, followed by improvements on the structure with significantly better electrical results. As a consequence, the spin transfer torque switching of the storage layer has been a key point of our investigation. Moreover, an innovative experimental setup has been tested to measure the real time magnetization reversal in order to understand better the writing physics. To finish, the tunnel barrier lifetime has been explored, showing that breakdown is slower than expected for short pulses

Dans cette thèse, nous étudions deux problèmes mathématiques concernant les équations du micromagnétisme. Ces équations régissent la configuration de la magnétisation dans les matériaux ferromagnétiques qui entrent dans la fabrication des têtes d'enregistrement magnétique et des mémoires à lignes de Bloch. Dans la première partie, nous décrivons les propriétés physiques de ces matériaux et nous donnons une description sommaire de deux codes de simulation numérique qui ont été développés au LETI-CEA. Une configuration d'aimantation est un minimum d'une énergie composée de quatre termes : les énergies d'échange, d'anisotropie, démagnétisante et de Zeemann. De plus, l'aimantation est de norme constante. Il s'agit d'un problème de minimisation d'une fonctionnelle, sous contrainte non linéaire. Le terme d'énergie démagnétisante est non local, ce qui introduit des difficultés tant du point de vue théorique que numérique. La deuxième partie est consacrée à la présentation des méthodes que nous avons développées pour résoudre les systèmes linéaires qui apparaissent dans les codes de simulation. Nous avons utilisé une méthode de type gradient conjugué préconditionné et une méthode d'expansion couplée à la première méthode. Dans la troisième partie, nous démontrons que les singularités d'une configuration d'aimantation sont en nombre fini à l'intérieur du matériau. Nous utilisons, pour cela, la théorie introduite par Schoen et Uhlenbeck pour les fonctions minimisant l'énergie de Dirichlet sur la sphère unité. Nous avons du adapter cette théorie à l'énergie du micromagnétisme. Il a fallu, en particulier, tenir compte du caractère non local de l'énergie démagnétisante.