On November 17th at 14:00, Natalia BOSCOLO MENEGUOLO (SPINTEC) will defend her PhD thesis entitled : Adressing bottlenecks in fabrication and reading and writing procedures for Perpendicular Shape Anisotropy Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memories
Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (presential access to the conference room at CEA in Grenoble requires an entry authorization, request it before November 7th to admin.spintec@cea.fr)
video conference : https://visio.numerique.gouv.fr/ikx-sctj-kqg
Abstract : Magnetic Random Access Memories (MRAMs) are one of the flagship technological achievements that have been made possible by fundamental research and discoveries in spintronics. MRAMs have several strengths, including zero consumption in the idle state (as compared to SRAM and DRAM), very high endurance (as compared to FLASH memories), and near-nanosecond switching time. Most of the foundries and semiconductor companies worldwide have included MRAMs in their technological portfolio. The market for MRAM is growing significantly, but for the moment it remains positioned in a few niches: cache memory for data transfer for speed, or in FPGAs and IoT for low power consumption, for example. Addressing other large-scale markets (high-density DRAMs or high-temperature constraints in robotics and the automotive industry) requires the development of new fundamental concepts to reinforce their thermal stability, particularly at the most aggressive technological nodes.
To expand MRAM possible deployment to lower dimensions, in 2018 Tohoku University in Japan, and SPINTEC in Europe independently proposed and developed the concept of 3D MRAM memory, also called Perpendicular-Shape Anisotropy MRAM (PSA-MRAM). In such a system, thermal stability (and therefore retention capacity) is determined by the magnetic shape anisotropy of the vertical nanopillar, which is intrinsically large owing to its substantial volume. This contrasts with the ultrathin stacks used in conventional MRAMs, which are more susceptible to thermal fluctuations because of their reduced dimensionality.
The work carried out by the two teams has demonstrated the proof of principle, established fabrication routes for pillars with diameters below 10 nm, and resulted in a combination of patents and scientific publications.
Two fundamental aspects have still to be addressed to allow for future technological implementation: the reduction of the critical current density needed for switching as well as innovative fabrication process capable to produce high-density and high yield integration.
The objective of this PhD thesis is to explore disruptive concepts and fabrication routes, to lift these bottlenecks. The means to do so require to address a number of issues pertaining to fundamental spintronics and materials science, pushing further the knowledge of the micromagnetics and spintronics of extreme nanosized elements.
Specific developments of micromagnetic simulations, including namely 3D finite element methods, allowed to refine the proposed design for the memory cells exploring the physics behind 3D nanomagnetic systems and the impact of shape and material gradients in their switching efficiency.
Experimental work instead aimed to develop a full process flow for nanofabricating PSA systems with embedded storage layers. A bottom-up fabrication approach was developed in which nanoscale vias are defined in SiO2, filled with ferromagnetic material by electrodeposition, and subsequently planarized before deposition of the remaining MTJ stack. The work established the feasibility of the principal individual process steps and identified the technological limitations that must be addressed before complete device integration.
Through a multidisciplinary approach, bridging simulations and experiment, these results contribute to unlock the full potential of PSA-STT-MRAMs in the landscape of modern spintronics.
titre : Adressage des verrous de rétention et écriture pour des points mémoire magnétiques MRAM sub-10nm
resumé : Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) constituent l’une des réalisations technologiques phares rendues possibles par la recherche fondamentale et les découvertes en spintronique. Les MRAM présentent plusieurs atouts, notamment une consommation nulle en veille (par rapport aux SRAM et aux DRAM), une endurance très élevée (par rapport aux mémoires FLASH) et un temps de commutation très rapide, de l’ordre de la nanoseconde. La plupart des entreprises de semi-conducteurs à travers le monde ont intégré les MRAM à leur portefeuille technologique. Le marché des MRAM connaît une croissance significative, mais pour l’instant, il reste cantonné à quelques niches : les mémoires cache pour le transfert rapide de données, ou encore les FPGA et l’IoT pour leur faible consommation d’énergie, par exemple. Pour s’attaquer à d’autres marchés à grande échelle (DRAM haute densité ou contraintes de haute température en robotique et dans l’industrie automobile), il est nécessaire de développer de nouveaux concepts fondamentaux afin de renforcer leur stabilité thermique, en particulier aux nœuds technologiques les plus petits.
Afin d’étendre les possibilités de déploiement de la MRAM à des dimensions plus petites, l’université de Tohoku au Japon et SPINTEC en Europe ont, en 2018, proposé et développé indépendamment le concept de mémoire MRAM 3D, également appelée MRAM à anisotropie de forme perpendiculaire (PSA-MRAM). Dans un tel système, la stabilité thermique (et donc la capacité de rétention) est déterminée par l’anisotropie de forme magnétique du nanopilier vertical, qui est intrinsèquement importante en raison de son volume considérable. Cela contraste avec les empilements ultra-minces utilisés dans les MRAM classiques, qui sont plus sensibles aux fluctuations thermiques en raison de leur dimensionnalité réduite.
Les travaux menés par les deux équipes ont permis de démontrer la validité du principe, d’établir des procédés de fabrication pour des piliers d’un diamètre inférieur à 10 nm, et ont donné lieu à plusieurs brevets et publications scientifiques.
Deux aspects fondamentaux doivent encore être résolus pour permettre une future mise en œuvre technologique : la réduction de la densité de courant critique nécessaire à la commutation, ainsi que la mise au point d’un procédé de fabrication innovant capable de produire une intégration à haute densité et à haut rendement.
L’objectif de cette thèse de doctorat est d’explorer des nouveaux concepts et des nouvelles voies de fabrication afin de surmonter ces obstacles. Pour y parvenir, il est nécessaire d’aborder un certain nombre de questions relatives à la spintronique fondamentale et à la science des matériaux, en approfondissant les connaissances en matière de micromagnétisme des éléments de taille nanométrique extrême.
Des développements spécifiques de simulations micromagnétiques, notamment les méthodes des éléments finis en 3D, ont permis d’affiner la conception proposée pour les cellules de mémoire, en explorant la physique sous-jacente aux systèmes 3D ainsi que l’impact des gradients de forme et de matériau sur leur efficacité de commutation.
Les travaux expérimentaux ont quant à eux visé à mettre au point un flux de processus complet pour la nanofabrication de systèmes PSA dotés de couches de stockage intégrées. Une approche de fabrication ascendante a été développée : des vias à l’échelle nanométrique sont définis dans du SiO₂, remplis de matériau ferromagnétique par électrodéposition, puis planarisés avant le dépôt du reste de la l’empilement de la jonction tunnel magnétique. Ces travaux ont démontré la faisabilité des principales étapes individuelles du processus et identifié les limites technologiques à surmonter avant l’intégration complète du dispositif.
Grâce à une approche multidisciplinaire alliant simulations et expériences, ces résultats contribuent à exploiter pleinement le potentiel des mémoires PSA-STT-MRAM dans le domaine de la spintronique moderne.
Jury :
- Dieter SUESS- FULL PROFESSOR, UNIVERSITY OF VIENNA – Rapporteur
- Michel HEHN – PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE DE LORRAINE – Rapporteur
- Thibaut DEVOLDER – DIRECTEUR DE RECHERCHE, CNRS DELEGATION ILE-DE-FRANCE GIFSUR-YVETTE – Examinateur
- Alexandra MOUGIN – DIRECTRICE DE RECHERCHE, CNRS DELEGATION ILE-DE-FRANCE GIFSUR-YVETTE – Examinatrice
- Ursula EBELS – DIRECTRICE DE RECHERCHE, CEA CENTRE DE GRENOBLE – Examinatrice
Thesis supervisors :
- Olivier FRUCHART – DIRECTEUR DE RECHERCHE, CNRS DELEGATION ALPES – Directeur de thèse
- Ioan-Lucian PREJBEANU – DIRECTEUR DE RECHERCHE, CEA CENTRE DE GRENOBLE – Co-directeur de thèse
