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 June 26th to admin.spintec@cea.fr)
video conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/98769867024?pwd=dXNnT3RMeThjYStybGVQSUN0TVdJdz09
Meeting ID: 987 6986 7024
Passcode: 025918
Abstract : Rising global energy consumption drives the need for energy-efficient data storage, pushing research toward low-power memory like Magnetic-Random-Access-Memory. Conventional perpendicular magnetic tunnel junctions (MTJs) face a critical scaling trade-off: as device diameters shrink below 20 nm, interfacial perpendicular magnetic anisotropy (PMA) decreases, forcing a compromise between thermal stability and switching efficiency. Double-MTJs address this by enclosing the storage layer (SL) between two MgO barriers, yet they often suffer from complex fabrication and unstable top reference layers. This research investigates a novel ASL-DMTJ architecture where the top fixed polarizer is replaced by a magnetic assistance layer (ASL) with free magnetization. This ASL dynamically interacts with the SL through spin-transfer torque (STT) and ferromagnetic coupling, reinforcing stability through magnetostatic alignment and providing a high-retention and low-power switching. In order to evaluate the enhancement of DMTJ performance through the integration of this ASL, a comprehensive macrospin framework was established to investigate magnetostatic and dynamical properties. Analysis of the total energy landscape demonstrates that system thermal stability is a function of thickness-dependent interfacial anisotropy and mutual dipolar coupling. While decreasing SL thickness inherently reduces the energy barrier, the inclusion of dipolar coupling reinforces stability by energetically favoring parallel configurations, acting as a vital mechanism for long-term data retention. Numerical investigations reveal that series-connected dual barriers lead to a dynamic voltage redistribution across the stack, dictating STT efficiency. The study highlights a staged switching mechanism where the SL benefits from cumulative torques provided by both the reference and assistance layers, ensuring the SL remains the most stable layer while the ASL facilitates the reversal process.On the experimental front, this investigation demonstrates that double-MgO structures offer significantly improved transport properties compared to triple-MgO implementations by eliminating parasitic resistance. By optimizing tunnel barrier thickness and oxidation, enhanced TMR signals were achieved. Systematic use of double-wedge samples revealed that the bottom FeCoB/MgO interface serves as the primary TMR barrier, while the top interface is crucial for maximizing the effective anisotropy field. Material optimization confirmed that samples maintaining a magnetic layer at the top MgO interface provide an optimal balance of performance, exceeding the required 40 kBT thermal stability threshold with high switching symmetry. Finally, switching efficiency was rigorously quantified using write error rate distributions across pulse widths from 7 ns to 10 µs. We introduced a unified model captured the dependence of critical pulse voltage on pulse width across both ballistic and thermally assisted regimes. This unified model identifies a characteristic switching threshold centered on the minimum switching energy point, introducing a novel figure of merit—the ratio of the thermal stability barrier to the minimum switching energy—that provides a more precise estimation of operational energy than conventional approximations. Experimental energy barrier results exhibited a linear dependence on diameter, providing evidence for a switching mechanism governed by domain nucleation and wall propagation rather than a pure macrospin model. Analytical calculations and experimental results confirmed that stray fields from the reference layer significantly modulate these barriers. Ultimately, this work provides a robust strategy for optimizing DMTJ design, demonstrating that precise control over interface oxidation, ferromagnetic layer dimensions, and internal exchange interactions is fundamental to achieving high-density, low-energy MRAM scalability.
titre : Interfaces à anisotropie perpendiculaire pour la spintronique frugal
resumé : L’augmentation de la consommation mondiale d’énergie accentue le besoin de stockage de données à haute efficacité, orientant la recherche vers des mémoires non volatiles à faible puissance comme la MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) à couple de transfert de spin. Les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) perpendiculaires conventionnelles font face à un compromis critique lors de la réduction d’échelle, l’anisotropie magnétique d’interface diminue, imposant un dilemme entre stabilité thermique et efficacité de commutation. Les structures doubles-MTJ (DMTJ) répondent théoriquement à ce problème en insérant la couche de stockage (SL) entre deux barrières de MgO, bien qu’elles souffrent souvent d’une fabrication complexe et de l’instabilité des couches de référence supérieures. Cette thèse étudie une architecture innovante nommée ASL-DMTJ, où le polariseur fixe supérieur est remplacé par une couche d’assistance magnétique (ASL) à aimantation libre. Cette ASL interagit dynamiquement avec la couche de stockage par couple de transfert de spin et couplage ferromagnétique, renforçant la stabilité par alignement magnétostatique et permettant une rétention élevée ainsi qu’une commutation à très faible puissance. Afin d’évaluer les performances via l’intégration de cette ASL, un cadre de modélisation macrospin complet a été établi pour étudier les propriétés magnétostatiques et dynamiques. L’analyse du profil énergétique démontre que la stabilité thermique du système dépend de l’anisotropie interfaciale liée à l’épaisseur et du couplage dipolaire mutuel. Tandis que la réduction de l’épaisseur de la SL diminue intrinsèquement la barrière d’énergie, l’inclusion du couplage dipolaire renforce la stabilité globale en favorisant les configurations parallèles, agissant comme un mécanisme vital pour la rétention des données. Des investigations numériques mettent en évidence un mécanisme de commutation par étapes où la SL bénéficie des couples cumulatifs fournis par les couches de référence et d’assistance, garantissant que la SL reste la couche la plus stable tandis que l’ASL facilite le renversement. Sur le plan expérimental, une étude comparative démontre que les structures à double MgO offrent des propriétés de transport nettement améliorées par rapport aux implémentations à triple MgO en éliminant la résistance parasite. En optimisant l’épaisseur et l’oxydation de la barrière tunnel, des valeurs de magnétorésistance tunnel optimisées ont été obtenues. L’utilisation systématique d’échantillons en double-MgO avec l’interface inférieure FeCoB/MgO sert de barrière principale, tandis que l’interface supérieure est cruciale pour maximiser le champ d’anisotropie effectif. L’optimisation des matériaux a confirmé que les échantillons conservant une couche magnétique à l’interface MgO supérieure offrent une stablité dépassant le seuil de stabilité thermique requis de 40kBT avec une symétrie de commutation élevée. Enfin, l’efficacité de commutation a été quantifiée via les distributions du taux d’erreur d’écriture sur des impulsions allant de 4 ns à 10 µs. Nous avons introduit un modèle unifié capturant la dépendance de la tension critique par rapport à la largeur d’impulsion à travers les régimes balistiques et thermiquement assistés. Ce modèle identifie un seuil de commutation caractéristique centré sur le point d’énergie minimale, introduisant une nouvelle figure de mérite, le rapport entre la barrière de stabilité thermique et l’énergie de commutation minimale, fournissant une estimation plus précise de l’énergie opérationnelle. Les résultats expérimentaux ont montré une dépendance linéaire de la barrière d’énergie vis-à-vis du diamètre, prouvant un mécanisme de commutation régi par la nucléation de domaines et la propagation de parois plutôt que par un modèle macrospin pur. Les calculs analytiques et expérimentaux confirment que les champs de fuite de la couche de référence modulent significativement ces barrières.
La hausse de la consommation énergétique mondiale pousse au développement de mémoires plus sobres comme la MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory). Mais en dessous de 20 nm, les jonctions magnétiques classiques perdent en stabilité ou en efficacité. Cette thèse étudie une architecture innovante, appelée ASL-DMTJ, où une couche magnétique d’assistance aide la couche de stockage à conserver l’information tout en facilitant l’écriture avec peu d’énergie. Des modèles montrent que les interactions magnétiques internes renforcent la stabilité malgré la miniaturisation. Les expériences confirment que des structures à double barrière MgO améliorent les performances et réduisent les pertes. Un nouveau modèle de commutation est aussi proposé pour mieux estimer l’énergie nécessaire. Ces travaux ouvrent la voie à des mémoires plus petites, rapides et économes en énergie.Face à l’explosion de la consommation numérique, nos appareils ont besoin de mémoires plus économes. La technologie MRAM est une candidate idéale car elle conserve les données sans électricité. Cependant, miniaturiser ces mémoires réduit leur stabilité , les données risquent de s’effacer. Cette thèse explore une architecture innovante, la “ASL-DMTJ”. L’idée est d’entourer la couche de stockage d’informations par deux barrières protectrices et d’ajouter une couche d’assistance magnétique. Cette dernière agit comme un guide dynamique qui aide à l’écriture des données tout en renforçant leur maintien dans le temps. En combinant simulations numériques et tests réels, ces travaux prouvent que ce design permet de créer des mémoires ultra-stables et rapides. L’étude montre aussi que le basculement de l’information se passe à point d’énergie minimale, offrant une grande efficacité énergétique. Ce nouveau modèle architectural permet d’envisager des technologies dont la consommation électrique serait drastiquement réduite.
Jury :
- Daniel LACOUR, DIRECTEUR DE RECHERCHE, CNRS, Rapporteur
- Aurélien MANCHON , PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Aix-Marseille Université, Rapporteur
- Jérémy POSTEL-PELLERIN, MAITRE DE CONFERENCES, Aix-Marseille Université, Examinateur
- Hélène BÉA, MAITRESSE DE CONFERENCES, Université Grenoble Alpes, Examinatrice
- Laurent RANNO, MAITRE DE CONFERENCES, Université Grenoble Alpes, Examinateur
Thesis supervisors :
- Kevin Garello, Directeur de These, SPINTEC