Un des dilemmes au quel doit faire face la technologie MRAM est la réduction de la consommation énergétique et l’amélioration des vitesses d’accès aux données sans compromettre la rétention des données. Une des solutions possibles passe par les jonctions tunnel magnétiques à double barrière(JTMDB) dont l’amplitude du couple de transfert de spin de la couche de stockage peut être réglée par le choix de la configuration magnétique des électrodes. Cela permet ainsi des modes d’opération lecture/écriture plus fiables pour les MRAM. Malgré la réduction de moitié du courant de commutation, une étude précédente sur les JTMDB avec aimantation dans le plan signale des commutations indésirables en mode lecture liées au couple de transfert de spin perpendiculaire. Dans cette thèse, nous étudions plus en détail l’interaction complexe entre les couples de transfert de spin planaire et perpendiculaire dans ces structures à double barrière. Les mesures effectuées en utilisant courant DC ou des impulsions en tension de courte durée dans des JTMDB avec des barrières symétriques et asymétriques ont montré la présence du couple de transfert de spin perpendiculaire en mode lecture et en mode écriture. De plus, dans les JTMDB avec barrières symétriques en mode lecture, nous démontrons la commutation pure déclenchée par le couple de transfert de spin perpendiculaire qui est proportionnel à la tension quadratique et ajusté par le préfacteur. En outre, ce couple de transfert de spin favorise l’alignement antiparallèle entre les aimantations de la couche de stockage et les deux couches de référence. Les résultats obtenus expérimentalement sont en accord avec des simulations macrospin effectuée avec un choix adéquat des préfacteurs des couples de transfert de spin planaire et perpendiculaire. Afin de supprimer l’influence du couple de transfert de spin perpendiculaire, réduire encore plus le courant d’écriture et permettre la miniaturisation des JTM, nous avons développé et fabriqué des JTMDB avec anisotropie perpendiculaire (p-JTMDB). Des nouvelles multicouches sans couche de croissance avec une anisotropie magnétique perpendiculaire amélioré ont été conçues et introduites dans p-JTMDB fonctionnelles comme référence du haut. Les p-JTMDB optimisées ont été fabriquées en nanopiliers de diamètre inférieur à 300 nm et le couple de transfert de spin étudié expérimentalement en mode lecture et écriture. L’utilisation du W au lieu de Ta comme couche intercalaire dans la couche de stockage FeCoB/couche intercalaire/FeCoB a montré une amélioration de l’efficacité du couple de transfert de spin d’un facteur 3. En mode écriture, les p-JTMDB ont aussi démontré un considérable renforcement de l’efficacité du couple de transfert de spin par comparaison aux p-JTM à simple barrière. En mode lecture, la commutation est empêchée au centre de la région bistable mais la stabilité thermique de l’état magnétique se dégrade aux tensions élevées. Parmi plusieurs explications proposées pour ce phénomène, la réduction de la aimantation à saturation et de l’anisotropie effective avec l’augmentation de la température par effet Joule semble la plus probable selon des simulations macrospin. / One of the dilemmas faced by the present STT-MRAM technology is the reduction of the power consumption and increase of data access speed without jeopardizing the data retention. A possible solution lies on the double barrier magnetic tunnel junction (DBMTJ) where the amplitude of the spin transfer torque (STT) on the storage layer can be tuned through a proper magnetic configuration of the outer electrodes. Thus providing more reliable read/write operation modes for MRAM. Despite the reduction in half of the switching current, previous studies on DBMTJs with in-plane magnetization report undesired switchings in read mode associated with field-like torque. In this thesis, we further investigate the complex interplay between damping-like and field-like torques in these double barrierstructures. Measurements using DC current and short voltage pulses in DBMTJ with symmetric and asymmetric barriers have revealed a strong presence of the field-like torque both in write and read modes. Moreover, in DBMTJs with symmetric barriers set in read mode, we demonstrate pure field-like torque switching which is proportional to a quadratic voltage and adjusted by a b2 prefactor. Furthermore, this torque favors a antiparallel alignment between the storage layer magnetization and the two references’ magnetizations. The results obtained experimentally were in agreement with macrospin simulation performed with a proper tuning of the damping-like and field-like torque prefactors. In order to suppress the field-like torque and aiming for a further reduction of the writing currents and enhancedscalability of MTJs, we developed and realized DBMTJs with perpendicular anisotropy (p-DBMTJs). Novel seedless multilayers with improved perpendicular magnetic anisotropy to be used as top reference were designed and implemented in functional p-DBMTJs. The optimized p-DBMTJs were patterned into sub-300nm nanopillars and the spin transfer torque studied experimentally in write and read modes.The use of W instead of Ta as a spacer in the FeCoB/spacer/FeCoB composite storage layer showed a 3x improvement of STT efficiency. In write mode, p-DBMTJs have also demonstrated a considerable enhancement of STT efficiency when compared to single barrier p-MTJs. In read mode, switching has been prevented at the center of the bistable region but its thermal stability degraded with high voltage. Among several proposed explanations of this phenomenon, the reduction of the saturation magnetization and effective anisotropy with increasing temperature has been supported by macrospin simulations as the most probable one.

Du fait de leurs propriétés avantageuses en termes de rétention des données, densité de stockage et faible courant critique pour l'écriture par courant polarisé en spin (STT), les jonctions tunnel magnétiques à anisotropie perpendiculaire sont devenues prédominantes dans les études sur les applications aux mémoires magnétiques MRAM. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans ce contexte avec pour but l'amélioration des propriétés de transport et d'anisotropie de telles structures ainsi que la réalisation d'empilements encore plus complexes tels que des doubles jonctions perpendiculaires. Grâce à l'étude des propriétés magnétiques et des mesures de MagnétoRésistance Tunnel (TMR), il apparaît que pour optimiser les performances des jonctions tunnel, l'ensemble des épaisseurs des couches composant l'empilement doit être adapté. Des compromis sont souvent nécessaires pour obtenir à la fois une forte anisotropie perpendiculaire et des signaux de TMR élevés. Des études en fonction des épaisseurs magnétiques ont permis de déterminer les aimantations à saturation, épaisseurs critiques et couches mortes dans les couches de référence et de stockage de jonctions standard avec électrode libre supérieure et couverture Ta. Ce type de jonction a pu être nano-fabriqué sous forme de piliers circulaires afin de tester l'écriture par STT. Sachant que l'anisotropie perpendiculaire provient essentiellement de l'interface métal/oxyde, la couverture Ta a été ensuite remplacée par une deuxième couche de MgO, permettant d'améliorer significativement l'anisotropie de la couche libre. En introduisant une seconde référence au-dessus de cette jonction, des doubles jonctions perpendiculaires fonctionnelles ont pu être fabriquées. Des couches de stockage antiferromagnétiques synthétiques de la forme CoFeB/insert/CoFeB ont pu être développées et apparaissent suffisamment stables pour pouvoir remplacer les traditionnelles références à base de multicouches Co/Pt. / Due to their advantageous properties in terms of data retention, storage density and critical current density for Spin Transfer Torque (STT) switching, the magnetic tunnel junctions with perpendicular anisotropy have become predominant in the developments for MRAM applications. The aim of this thesis is to improve the anisotropy and transport properties of such structures and to realize even more complex stacks such as perpendicular double junctions. Studies on the magnetic properties and Tunnel MagnetoResistance (TMR) measurements showed that to optimize the performances of the junctions, all the thicknesses of the different layers constituting the stack have to be adapted. To guaranty both a large TMR as well a strong perpendicular anisotropy, compromises are most of the time needed. Studies as a function of magnetic thickness enabled to extract the saturation magnetization, the critical thickness and the magnetic dead layer thickness both in the bottom reference and the top storage layer in structures capped with Ta. This type of junction could be tested electrically after patterning the sample into nanopillars. Knowing that perpendicular anisotropy mostly arises at the metal/oxide interface, the Ta capping layer was replaced by a MgO one, leading to a huge increase in the anisotropy of the free layer. A second top reference was then added on such a stack to create functional perpendicular double junctions. CoFeB/insertion/CoFeB synthetic antiferromagnetic storage layers could be developed and were proved to be stable enough to replace the standard Co/Pt-based reference layers.