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.

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