On Tuesday, June 14th at 14:00, M. Daniel Sanchez Hazen will defend his PhD thesis entitled:
Dual magnetic tunnel junction with switchable assistance layer for high performance spin-transfer torque memory
Double jonction tunnel magnétique avec couche d’assistance commutable pour une mémoire haute performance à écriture par transfert de spin

Place : CEA Bat. 10.05 Room 445

Zoom link (**) : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/9618654716?pwd=QXVEbU9KZVplZG9KQmR0NDE0WHp4UT09

Abstract : The realization of energy-efficient perpendicular spin-transfer torque magnetic random access memory cells (p-STT-MRAM) is one of the main goals towards a wide adoption of MRAM technologies. MRAM combine a unique set of assets with their endurance, high speed, scalability, and non-volatility which could make them potentially usable at all levels in the memory hierarchy. This possibility triggered almost 30 years of MRAM development. However, nowadays industrial uses of p-STT-MRAM is limited to some specific applications in which its characteristics provide a significant processing simplification (e.g. eFlash replacement) or an important power consumption reduction of the integrated circuits. Another foreseen application of p-STT-MRAM is that of the cache memory levels which require high speed and large endurance. One important challenge while developing novel devices for high-performance p-STT-MRAM is to overcome the dilemma between increasing the thermal stability (∆) while reducing the critical current (Ic) required to switch the storage layer magnetization between its parallel (P) or anti-parallel (AP) alignment with the reference layer. The trade-off between these properties is commonly expressed in terms of a figure of merit (∆/Ic) which is used as a quantitative measurement of the memory cell writing efficiency. Double magnetic tunnel junctions (DMTJ) were the first stack design presenting a real improvement in STT efficiency. However, they present drawbacks in terms of difficulties of fabrication and of achieving symmetric properties in the “0” and “1” states. In this thesis, a simpler and thinner device, so-called double magnetic tunnel junction (ASL-DMTJ) with assistance layer, has been engineered and evaluated. The ASL-DMTJ relies on the use of a switchable top polarizer that acts as an assisting layer (ASL). The ASL is designed to switch its magnetic orientation during the write operation by the spin-polarized current from the storage layer (SL). The SL/ASL magnetic coupling and ASL thermal stability are finely adjusted so that the ASL always assist the switching of the SL magnetization by spin transfer torque while always ending in standby in parallel configuration with the SL thus increasing the SL thermal stability. Macrospin numerical simulations of the proposed concept set the basis for its correct operation and working principles under-voltage and field. The materials comprised in the full ASL-DMTJ were optimized at sheet film and on patterned devices till the required switching sequences were experimentally verified. Real-time observations of the devices resistance variations confirmed the expected operation mechanism in the fabricated cells. The SL writing efficiency was evaluated and compared to those of conventional single magnetic tunnel junction structures without the ASL. The ASL-DMTJ presents an average increase in thermal stability factor ∆ of 10 KBT with respect to single MTJ regardless of the memory size, while the critical current to switch by spin-transfer torque is decreased for the AP-to-P transition or maintained for the P-to-AP. These results represent a twofold increase in the figure of merit of the devices, which are in line with previously reported STT efficiency enhancements with conventional p-DMTJ cells but with a magnetic stack much simpler and easier to nano-fabricate.

Résumé:  La réalisation de cellules de mémoire magnétique à accès aléatoire à écriture par couple de transfert de spin (p-STT-MRAM), économes en énergie, est l’un des principaux objectifs vers une large adoption des technologies MRAM. La MRAM combine un ensemble unique d’atouts avec leur endurance, leur haute vitesse, leur évolutivité et leur non-volatilité, ce qui pourrait les rendre potentiellement utilisables à tous les niveaux de la hiérarchie mémoire. Cependant, aujourd’hui, les utilisations industrielles de la p-STT-MRAM sont limitées à certaines applications spécifiques dans lesquelles ses caractéristiques permettent une simplification significative du procédé de fabrication (par exemple dans le cas du remplacement de l’eFlash) ou une réduction importante de la consommation d’énergie des circuits intégrés. Une autre application envisagée de la p-STT-MRAM est celle des niveaux de mémoire cache qui nécessitent une grande vitesse et une grande endurance. Un défi important dans la conception de p-STT-MRAM haute performance est de surmonter le dilemme entre augmentation de la stabilité thermique () et besoin de réduire le courant critique (Ic) nécessaire pour commuter l’aimantation de la couche de stockage entre l’état parallèle (P) ou anti-parallèle (AP ) par rapport à l’aimantation de la couche de référence. Le compromis entre ces propriétés est couramment exprimé en termes de facteur de mérite (∆/Ic) qui est utilisé comme mesure quantitative de l’efficacité d’écriture de la cellule mémoire. Les jonctions tunnel magnétiques doubles (DMTJ) ont constitué la première conception d’empilements présentant une réelle amélioration de l’efficacité du STT. Cependant, elles présentent des inconvénients en termes de difficultés de fabrication et d’obtention de propriétés symétriques dans les états « 0 » et « 1 ». Dans cette thèse, un dispositif plus simple et moins épais (donc plus facile à graver), appelé double jonction tunnel magnétique (ASL-DMTJ) avec couche d’assistance, a été conçu et évalué. L’ASL-DMTJ repose sur l’utilisation d’un polariseur supérieur commutable qui agit comme une couche d’assistance (ASL). L’ASL est conçu pour changer son orientation magnétique pendant l’opération d’écriture par le courant polarisé en spin provenant de la couche de stockage (SL). Le couplage magnétique SL/ASL et la stabilité thermique de l’ASL sont finement ajustés pour que l’ASL assiste toujours la commutation de l’aimantation du SL par le couple de transfert de spin tout en se terminant toujours à la fin de l’écriture en configuration parallèle avec le SL, augmentant ainsi la stabilité thermique du SL. Les simulations numériques Macrospin du concept proposé ont permis de déterminer les conditions pour son bon fonctionnement sous-tension et champ. Les matériaux compris dans l’ASL-DMTJ complet ont été optimisés sur les films en couches continues et sur les dispositifs gravés jusqu’à ce que les séquences de commutation requises soient vérifiées expérimentalement. Les observations en temps réel des variations de résistance des dispositifs ont confirmé le mécanisme de fonctionnement attendu dans les cellules fabriquées. L’efficacité d’écriture SL a été évaluée et comparée à celles des structures à jonction tunnel magnétique unique conventionnelles sans l’ASL. L’ASL-DMTJ présente une augmentation moyenne du facteur de stabilité thermique ∆ de 10 KBT par rapport à une MTJ sans ASL, quelle que soit la taille de la mémoire, tandis que le courant critique pour commuter par le couple de transfert de spin est diminué pour la transition AP à P ou maintenu pour la transition de P vers AP. Ces résultats représentent un doublement du facteur de mérite des dispositifs, ce qui est conforme aux améliorations d’efficacité STT précédemment rapportées avec des cellules p-DMTJ conventionnelles mais avec ici, un empilement magnétique beaucoup plus simple et plus facile à nano-fabriquer.

Jury :

• Dr Thibaut Devolder, C2N, rapporteur
• Dr Julie Grollier, CNRS/Thales, rapporteure
• Dr Christophe Thirion, Institut Néel, examinateur
• Pr François Montaigne, Institut Jean Lamour, Nancy , examinateur
• Pr Ahmad Bsiesy, Université Grenoble Alpes, examinateur

Thesis supervisors :

• Dr Bernard Dieny, CEA-Grenoble/IRIG, Directeur de thèse

Access conditions :

Sujet : Daniel Sanchez Hazen, PhD defense
Heure : 14 juin 2022 02:00 PM Paris
Participer à la réunion Zoom
https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/9618654716?pwd=QXVEbU9KZVplZG9KQmR0NDE0WHp4UT09

ID de réunion : 961 865 4716
Code secret : DANIELPhD!