L’étude de l’impact des défauts sur les propriétés électriques des semi-conducteurs a joué un rôle crucial dans la révolution des technologies de l’information dans le milieu du 20ème siècle. Jusqu’ici, la course à la miniaturisation a permis de répondre à la demande croissante en termes de puissance de calcul. Cependant, cette stratégie est vouée à rencontrer des limites physiques qu’il ne sera pas possible de surpasser, c’est pourquoi de nouvelles approches sont nécessaire. Dans ce nouveau paradigme de recherche, les dispositifs électroniques à base d’oxydes sont des candidats prometteurs afin de réaliser de nouveaux dispositifs multifonctionnels. L’importance des défauts sur les propriétés nominale des oxydes n’est pas autant reconnue que dans le domaine des semi-conducteurs. Notre projet de recherche tourne autour de deux objectifs principaux, le premier a pour but d’identifier explicitement l’impact de défauts spécifiques sur les propriétés électrique de dispositifs à base d’oxydes. Le second a pour but de tirer avantage des propriétés induites pour les défauts pour des applications optoélectroniques. / The study of the impact of defects on the electrical properties of semiconductors played a crucial role in the revolution of information technologies in the middle of the 20th century. Up to now, the race to miniaturization allowed to meet the increasing demand in terms of processing power. However, this strategy is predicted to encounter physical limits impossible to overcome and new approaches are necessary. Within this new research paradigm, oxide based electronic devices are promising candidates to fabricate new multifunctional devices. The importance of defects on the nominal properties of oxides is not acknowledged as much as it is in the field of semiconductors. Our research project revolved around two primary objectives, the first one aimed to explicitly identify the impact of specific defects on the properties of oxide-based electronic devices. The second one aimed to actually take advantage of properties induced by defects for optoelectronic applications.

Le but de la thèse sera d'étudier la faisabilité d'un nouveau procédé de nanostructuration des jonctions tunnel de dimension sub-30nm récemment imaginé et breveté par Spintec et le LTM et de tester les propriétés des jonctions tunnel obtenus sur les plans structural, magnétique et des propriétés électriques. Une attention particulière sera mise sur la caractérisation des défauts générés en bord de piliers lors de la gravure des jonctions tunnels et l'impact de ces défauts sur les propriétés magnétiques et de transport. Une autre partie de la thèse concerne l'optimisation des propriétés magnétiques et de transport des empilements jonctions tunnel magnétiques en vue d'en améliorer la stabilité thermique, l'amplitude de magnétoresistance tunnel et la facilité de gravure de l'empilement.En particulier l'insertion de nouveaux matériaux réfractaires (W, ) dans les empilements a été étudiée pour améliorer la stabilité de l'empilement lors des recuits à haute température. Des améliorations ont également été apportées pour renforcer la stabilité de la couche de référence de la jonction tunnel lorsque cette dernière est située au dessus de la barrière tunnel. Par ailleurs, une nouvelle couche de couplage antiferromagnétique a été mise au point permettant de réduire significativement l'épaisseur totale de l'empilement et par là même facilitant sa gravure.Tous ces résultats ont été obtenus par des mesures magnétiques et de transport réalisées sur les couches continues et sur des piliers de taille nanométriques. / The first aim of the thesis is to study the feasibility of a new process for nanopatterning of sub-30nm diameter tunnel junctions recently patented by Spintec and LTM and to test the properties of tunnel junctions obtained, from the point of view of magnetic and electrical properties. Particular attention will be paid on the characterization of defects generated at the pillar edges when patterning the tunnel junctions and the impact of these defects on the magnetic and transport properties. Another part of the thesis is focused on improving the magnetic and transport MTJ stacks with higher thermal budget tolerance. As a part of this, new materials (W, etc) were used as cap layer or as a spacer layer in composite free layer of pMTJ stacks. Moreover, different magnetic materials combined with different non-magnetic spacer have been investigated to improve the thermal stability factor of the composite storage layers. Detailed structural characterizations were performed to demonstrate the improvements in magnetic and electrical properties. A new RKKY coupling layer was found which allowed to obtain an extremely thin pMTJ stack by reducing the SAF layer thickness to 3.8nm. Seed lees multilayers with enhanced PMA is necesssary to realize a top-pinned pMTJ stack which is necessary to configure a spin-orbit torque MRAM (SOT-MRAM)stack and double magnetic tunnel junction stacks (DMTJs). A new seed less multilyar with enhanced PMA and subsequently advanced stacks such as conventional-DMTJ, thin-DMT, SOT-MRAM stacks, Multibit memory were realized. Finally, electrical properties patterned memory devices were also studied to correlate with the magnetic properties of thin films.

.La jonction magnétique à effet tunnel, noyau de la mémoire MRAM (magnetic random access memory), a suscité beaucoup d'intérêt pour les technologies de stockage et de traitement de l'information de faible puissance. Cette thèse se concentre sur l'influence de l'effet de bord pour les propriétés magnétiques des nanodispositifs. Deux nanostructures magnétiques typiques sont concernés: nanopiliers MTJ sous un processus spécial d'encapsulation, et nanodots magnétiques avec la même structure que la couche libre de pilier MTJ.Tout d'abord, nous développons le processus de fabrication complet pour nanopiliers MTJ et nanodots magnétiques, qui est compatible avec la technologie standard du CMOS.Ensuite, un nouveau dispositif memristive hétérogène composé de nanopiliers MTJ entourés de commutateurs résistifs en silicium est étudié par la mesure de transport et la caractérisation structurale. Son application potentielle en tant que dispositif de mémoire à logique avec fonction de cryptage de la mémoire est discutée.Enfin, les nanodots magnétiques avec anisotropie magnétique perpendiculaire (Perpendicular Magnetic Anistopy, PMA) est étudiés par le microscope Kerr. Un modèle physique de la pression de Laplace appliqué sur un mouvement de DW aux bords des nanodots est chargé d'expliquer le décalage inattendu de la distribution du champ de commutation (switching field distribution, SFD) pour des nanodots de tailles variées / Magnetic tunnel junction (MTJ), the core of the magnetic random access memory (MRAM), have attracted intensive interest for low-power storage and information processing technologies. This thesis focuses on the discussion of the influence of edge effect for the magnetic proprieties of nanodevices. Two typical magnetic nanostructures are involved: MTJ nanopillar under a special encapsulation process, and magnetic nanodots with the same structure as the free layer of MTJ stack.First, we develop the full fabrication process for both MTJ nanopillar and magnetic nanodots, which is compatible with standard CMOS technology.Then, a novel heterogeneous memristive device composed of an MTJ nanopillars surrounded by resistive silicon switches is investigated by transport measurement and structural characterization. The potential application as a logic-in-memory device with memory encryption function is discussed.Finally, the magnetic nanodots with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is investigated using Kerr microscope. A physical model of Laplace pressure applied on a DW motion at the edges of nanodots is responsible for explaining the unexpected shifting of switching field distribution (SFD) for nanodots with varied sizes.

Les mémoires non-volatiles magnétiques à effet de couple de transfert de spin - STT-MRAM sont un nouveau type de mémoire pouvant remplacer les mémoires DRAM ou SRAM. Chaque point de mémoire STT-MRAM est une jonction tunnel magnétique sous forme d’un pilier de taille nanométrique, composée de deux couches magnétiques séparées par une barrière d'oxide. L'empilement multicouche doit être élaboré sous ultravide par épitaxie par faisceau moléculaire (M.B.E.) ou par pulvérisation cathodique (P.V.D.). Ces méthodes d’élaboration sont développées par la société Vinci Technologies (finançant ce travail de thèse par une bourse CIFRE). L’amplitude de la magnétorésistance tunnel, utilisée pour lire les informations stockées dans la mémoire, dépend de l'orientation relative des aimantations des deux couches magnétiques. Par ailleurs, l'écriture de l’information dans le dispositif est obtenue grâce à l'effet de couple de transfert de spin, qui permet la manipulation de l’aimantation en utilisant un courant polarisé. Enfin, la stabilité thermique du dispositif est donnée par la barrière en énergie séparant les deux orientations d'aimantation (vers le haut et vers le bas dans le cas d'un dispositif perpendiculaire). Pour que les STT-MRAM soient une technologie compétitive, la tension critique nécessaire au retournement de l’aimantation (tension d'écriture) ainsi que le temps de retournement doivent être réduits, tandis que la stabilité thermique doit rester suffisamment élevée pour assurer la conservation de l'information. Au cours de ma thèse, en collaboration avec Vinci Technologies, les équipements nécessaires à la croissance des couches minces composant les jonctions tunnels (M.B.E. et P.V.D.) ont été optimisées. Grâce à cela, nous avons pu obtenir des couches minces avec une anisotropie perpendiculaire (hors du plan) bien caractérisée. J'ai ensuite concentré mon étude sur les dispositifs STT-MRAM industriels (IBM et STT) présentant une aimantation perpendiculaire pour comprendre le mécanisme de retournement de l’aimantation induite par le courant. J'ai alors pu identifier les paramètres pertinents influençant la valeur de la tension de retournement et proposer des solutions pour l'abaisser tout en préservant la stabilité thermique. Grâce à une étude concernant la probabilité de retournement d'aimantation, comparée à une modélisation macrospin et micromagnétique, j'ai mis en évidence un mécanisme de retournement variable en fonction de la configuration magnétique initiale. En effet, le champ rayonné par une couche magnétique sur une autre et la forme de la jonction tunnel ont un impact important sur la manipulation de l'aimantation / Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memories – STT-MRAM – are developed as a new type of memory which could replace DRAM or SRAM. In the case of STT- MRAM, each memory point is a nanopillar magnetic tunnel junction composed of two magnetic layers separated by an oxide barrier. The multilayer stack can be grown under ultra-high vacuum using Molecular Beam Epitaxy (MBE) or Physical Vapor Deposition (PVD). Those systems are developed by the company Vinci Technologies (sponsoring this PhD work). The tunnel magnetoresistance signal which depends on the relative orientation of the two magnetizations is used to read the information stored in the device. The writing of the information in the device is realized thanks to the spin transfer torque effect, which allows magnetization manipulation using a spin current. The thermal stability of the device is given by the energy barrier separating the two magnetization orientations (up and down in the case of a perpendicular device). For STT-MRAM to be a competitive technology, the critical voltage needed for magnetization switching (writing voltage) as well as the switching time have to be reduced while the thermal stability remains high enough to ensure the retention of information. During my thesis, in collaboration with Vinci-Technologies several tools to grow thin films have been optimized. With such equipment, we were able to grow thin films with well characterized perpendicular (out-of-plane) anisotropy. I have then focused my study on industrial STT-MRAM devices (from two companies: IBM and STT) with an out-of-plane magnetization direction so as to understand the mechanism of current induced magnetization switching. By doing so, I could identify the relevant parameters influencing the switching voltage value and propose solutions to lower it while preserving thermal stability. Through a probabilistic study of magnetization reversal, coupled with macrospin and micromagnetic modeling studies, I have evidenced different switching mechanisms depending on the initial magnetic configuration. Indeed both the stray field from one magnetic layer to the other and the shape of the nanopillar have a large impact on magnetization manipulation