With CMOS technology scaling reaching its limitations rigorous research of alternate and competent technologies is paramount to push the boundaries of computing. Spintronic and resistive memories have proven to be effective alternatives in terms of area, power and performance to CMOS because of their non-volatility, ability for logic computing and easy integration with CMOS. However, deeper investigations to understand their physical phenomenon and improve their properties such as writability, stability, reliability, endurance, uniformity with minimal device-device variations is necessary for deployment as memories in commercial applications. Application of these technologies beyond memory and logic are investigated in this thesis i.e. for security of integrated circuits and systems and special purpose memories. We proposed a spintonic based special purpose memory for search applications, present design analysis and techniques to improve the performance for larger word lengths upto 256 bits. Salient characteristics of RRAM is studied and exploited in the design of widely accepted hardware security primitives such as Physically Unclonable Function (PUF) and True Random Number Generators (TRNG). Vulnerability of these circuits to adversary attacks and countermeasures are proposed. Proposed PUF can be implemented within 1T-1R conventional memory architecture which offers area advantages compared to RRAM memory and cross bar array PUFs with huge number of challenge response pairs. Potential application of proposed strong arbiter PUF in the Internet of things is proposed and performance is evaluated theoretically with valid assumptions on the maturity of RRAM technology. Proposed TRNG effectively utilizes the random telegraph noise in RRAM current to generate random bit stream. TRNG is evaluated for sufficient randomness in the random bit stream generated. Vulnerability and countermeasures to adversary attacks are also studied. Finally, in thesis we investigated and extended the application of emerging non-volatile memory technologies for search and security in integrated circuits and systems.

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En spintronique, l’étude des hétérostructures multicouches composées d'une électrode ferromagnétique et d'une couche isolante mince, c'est-à-dire des jonctions tunnel magnétiques (JTM), est particulièrement importante. Le système canonique est le Fe/MgO/Fe où les hautes valeurs du rapport de la magnétoresistance tunnel (TMR) ont été mesurées. Le facteur crucial définissant la performance de la jonction est l’imperfection structurelle dans un dispositif réel. Dans notre travail, nous nous sommes concentrés sur des lacunes d'oxygène dans MgO. Au moyen de la théorie de la fonctionnelle de densité, nous avons étudié les propriétés électroniques de l'état fondamental des lacunes d'oxygène simples et doubles dans MgO massif, appelées respectivement centres F et M. Nous avons ensuite étudié l'impact de ces lacunes sur le transport balistique dans les jonctions magnétiques. Nous avons démontré le rôle supérieur joué par les centres M et nous avons prouvé qu'un transport cohérent, préservant le spin et la symétrie des électrons, est possible en présence de centres M. / In sprintronics, the study of multilayer heterostructures composed of a ferromagnetic electrodes and a thin insulating layer, i.e. magnetic tunnel junctions (MTJs), is of special importance. The canonical systems are MTJs made of Fe/MgO/Fe where hight tunneling mangetoresistance ratio (TMR) values were measured. The crucial factor defining the junction performance is the structural imperfection appearing in a real devices. In our work we focused in particular on oxygen vacancies in MgO. By means of density functional theory we studied ground state electronic properties of single and double oxygen vacancies, referred as F and M centers, respectively, in bulk MgO. We then switched to full junctions where we investigated the impact of vacancies on the ballistic transport. We demonstrated that M centers played a superior role and proved that coherent transport, preserving electrons spin and symmetry, is possible in presence of paired vacancies.

Cette thèse est consacrée à l’intégration d’un polariseur à anisotropie perpendiculaire dans une jonction tunnel magnétique aux aimantations planaires. Par effet du transfert de spin venant du polariseur perpendiculaire, il est possible d’induire des oscillations de l’aimantation de la couche libre. Ces oscillations ultra-rapides de l’ordre de la picoseconde, peuvent être utilisées comme mode d’écriture dans une cellule magnétique MRAM. Ce type d’écriture est appelée écriture précessionnelle. Nous avons optimisé des structures fonctionnelles tout en gardant des bonnes qualités électriques et magnétiques. Les tests d’écriture sur des nanopiliers ont permis de valider le concept d’écriture précessionnelle ouvrant ainsi une porte à la compréhension des différents phénomènes liés au transport tunnel et à la dynamique de l’aimantation. / This thesis is dedicated to the integration of a polarizer with out-of-plane anisotropy in a classical planar magnetic tunnel junction. The spin transfer torque from the perpendicular polarizer induces a large angle precessional motion of the free layer magnetization. These ultrafast oscillations below the nanosecond-scale can be used as writing technique, also called precessional switching in MRAM cells. We optimized a functional memory device with both good electric and magnetic properties. The concept of processional writing was validated by electric tests on patterned nanopillars structures opening the way to investigate different phenomenon’s regarding both tunneling transport and magnetization dynamics.

Phénomènes de spintronique dans les jonctions tunnel magnétiques et des films minces sont très prometteurs des deux points fondamentaux et l'application de vue. Elles sont basées sur l'exploration de spin d'électron en plus de sa charge et comprennent intercalaire couplage d'échange (CEI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), géante (GMR) et magnétorésistance tunnel (TMR), Couple de transfert de spin (STT), Spin effet Hall (SHE) et même induire du magnétisme dans les éléments non compris d graphène. Cette thèse comprendra premiers principes des études de phénomènes spintronique qui ont été d'un grand intérêt récemment. La première partie est consacrée à intercalaire couplage d'échange à travers les matériaux isolants dont le MgO, SrTiO3, GaAs et ZnSe. La deuxième partie comprendra des études ab initio d'anisotropie magnétique perpendiculaire au Fe | interfaces MgO et MTJ y compris le mécanisme et sa corrélation avec le spin Bloch symétrie Etat fondé de filtrage. Dans les enquêtes troisième partie de l'anisotropie magnétique et la fonction de travail dans les Co | interfaces graphène seront présentés. Ensuite, il sera montré possibilité d'induire et d'optimiser le magnétisme intrinsèque dans nanomeshes graphène. Dernière partie sera consacrée à l'induction de polarisation de spin et le réglage de Dirac point et ordre magnétique dans le graphène à l'aide d'effets de proximité magnétiques substrat. / Spintronic phenomena in magnetic tunnel junctions and thin films are very promising from both fundamental and application points of view. They are based on exploring spin of electron in addition to its charge and include interlayer exchange coupling (IEC), perpendicular magnetic anisotropy (PMA), giant (GMR) and tunnel magnetoresistance (TMR), Spin Transfer Torque (STT), Spin Hall Effect (SHE) and even inducing magnetism in non d elements including graphene. This thesis will include first-principles studies of spintronic phenomena which have been of high interest recently. First part is devoted to interlayer exchange coupling across insulating materials including MgO, SrTiO3, GaAs and ZnSe. The second part will include ab initio studies of perpendicular magnetic anisotropy at Fe|MgO interfaces and MTJs including the mechanism and its correlation to the Bloch state symmetry based spin filtering. In third part investigations of magnetic anisotropy and work function in Co|graphene interfaces will be presented. Next, it will be shown possibility of inducing and optimizing intrinsic magnetism in graphene nanomeshes. Final part will be devoted to inducing spin polarization and tuning Dirac point and magnetic order in graphene by means of magnetic substrate proximity effects.

Depuis plusieurs années de nombreuses technologies non volatiles sont apparues et ont pris place principalement dans le monde de la mémoire, tendant à remplacer tout type de mémoire. Leurs atouts laissent à penser que certaines d'entre elles, et en particulier les technologies MRAM, pourraient améliorer les performances des circuits intégrés en utilisant leurs composants magnétiques, si connus notamment sous le nom de jonctions tunnel magnétiques, dans la logique. Pour évaluer ces éventuels gains, il faut être capable de concevoir de tels circuits. C'est pourquoi nous proposons dans ces travaux d'une part un kit de conception complet pour les flots de conception full custom et numérique, permettant de couvrir l'ensemble des étapes de conception pour chacun d'entre eux. Une partie de ce kit a servi à plusieurs partenaires de projets de recherche ANR, pour concevoir des démonstrateurs. Nous proposons également dans ce kit de conception un latch magnétique non volatil innovant ultra compact, pour lequel deux brevets d'invention ont été déposés, intégré à une flip-flop. Enfin, nous présentons l'intégration de composants magnétiques à deux applications, sécurité et faible consommation, ainsi qu'une étude qui montre que les gains en consommation statique peuvent être considérables. / For several years many non-volatile technologies have been appearing and taking place mainly in the memory world, aiming at replacing all kind of memory. Their assets let thinking that some of them, specially the MRAM technologies, could improve the integrated circuit performances, using their so called magnetic components in the logic, in particular the magnetic tunnel junctions. To evaluate the potential benefits, it is necessary to be able to design such a circuit. That is the reason why we are proposing a full design kit for both full custom and digital designs, allowing all the design steps. Part of this kit has been used by partners in research project to design demonstrators. We also propose in this kit an innovative ultra-compact magnetic latch, for which 2 patents have been deposited, integrated in a flip-flop. Finally, we present the integration of magnetic components for two applications, security and low power, as well as a case study which shows that the static consumption reduction can be huge.

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.

This work presents an analogue baseband (BB) chain for a magnetic tunneling junction (MTJ) based radiofrequency (RF) signal detector fully integrated in a hybrid CMOS-MTJ technology. The BB chain contains a 6 th -order gm-C low-pass filter (LPF), a BB amplifier, a comparator, and a current bank. According to measurement results, the 6 th -order LPF with a cut-off frequency of 10 MHz consumes a very low DC power of 2.41 mW. Its DC power consumption per pole of 0.4 mW is the lowest among the state-of-the-art LPFs. The LPF can be also switched on and off very fast within 110 ns. With the fast switch-ability and the low power consumption, the LPF outperforms the state of the art. Furthermore, the complete BB chain can transform a 2.5 Vpp, 5 Mbps BB signal into digital data with a bit error rate fewer than 1e−6 . The BB chain consumes 2.85mW including all bias circuits. To achieve power efficiency, the BB chain is designed to operate under an aggressive duty-cycling mode. The switch-on time of the BB chain is within 200 ns

.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.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Wachstum von Dünnschichtstrukturen, die zur Herstellung eines Spin-selektiven Schottky-Barrier-Tunneltransistors (SS-SBTT) erforderlich sind. Das Bauelement basiert auf dem Transport von Ladungsträgern durch eine dünne halbleitende (SC) Schicht, die zwei ferromagnetische (FM) Kontakte trennt. Daher müssen hochqualitative und gitterangepasste vertikale FM/SC/FM-Trilayer gezüchtet werden, was aufgrund der inkompatiblen Kristallisationsenergien zwischen SC und Metallen eine experimentelle Herausforderung darstellt. Das Problem wurde mit einem Festphasenepitaxie-Ansatz gelöst, bei dem eine dünne amorphe Ge-Schicht (4-8 nm) durch Ausglühen über Fe3Si auf GaAs(001)-Substraten kristallisiert wird. Langsame Glühgeschwindigkeiten bis zu einer Temperatur von 260°C konnten ein neues gitterangepasstes Polymorph von FeGe2 erzeugen, über das ein zweites Fe3Si mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet werden könnte. SQUID-Magnetometermessungen zeigen, dass die dreischichtigen Proben in antiparallele Magnetisierungszustände versetzt werden können. Vertikale Spin-Ventil-Bauelemente, die mit verschiedenen Trilayern hergestellt wurden, wurden verwendet, um zu demonstrieren, dass der Ladungstransport über die Heteroübergänge spinselektiv ist und bei Raumtemperatur einen Magnetowiderstand von höchstens 0,3% aufweist. Der Effekt nimmt bei niedrigen Temperaturen ab, was mit einem ferromagnetischen Übergang in der FeGe2-Schicht korreliert. Durch TEM- und XRD-Experimente konnte festgestellt werden, dass das neue FeGe2-Polymorph die Raumgruppe P4mm aufweist und bis zu 17% Si-Atome als Ersatz für Ge-Stellen enthält. Die Isolierung von FeGe2 war möglich, indem das Verhältnis von Fe-, Si- und Ge-Atomen so eingestellt wurde, dass die richtige Stöchiometrie bei vollständiger Durchmischung erreicht wurde. Anhand von FeGe2-Dünnschichten wurde ein zunehmender spezifischer Widerstand bei niedriger Temperatur und ein semi-metallischer Charakter beobachtet. / This thesis discusses the growth of thin film structures required to fabricate a Spin-Selective Schottky Barrier Tunnel transistor (SS-SBTT). The device relies on charge carriers being transported through a thin semiconducting (SC) layer separating two ferromagnetic (FM) contacts. Thus, high quality and lattice-matched FM/SC/FM vertical trilayers must be grown, which is experimentally challenging due to incompatible crystallization energies between SC and metals. The problem was solved using a solid-phase epitaxy approach, whereby a thin amorphous layer of Ge (4-8 nm) is crystallized by annealing over Fe3Si on GaAs(001) substrates. Slow annealing rates up to a temperature of 260°C could produce a lattice-matched Ge-rich compound, over which a second Fe3Si could be grown my molecular-beam epitaxy. The compound obtained during annealing is a new layered polymorph of FeGe2. SQUID magnetometry measurements indicate that the trilayer samples can be placed in states of antiparallel magnetization. Vertical spin valve devices created using various trilayers were used to demonstrate that charge transport is spin-selective across the heterojunctions, showing a magnetoresistance of at most 0.3% at room temperature. The effect decreases at low temperature, correlating with a ferromagnetic transition in the FeGe2 layer. TEM and XRD experiments could determine that the new FeGe2 polymorph has a space group P4mm, containing up to 17% Si atoms substituting Ge sites. Isolating FeGe2 was possible by tuning the proportion Fe, Si and Ge atoms required to obtain the right stoichiometry upon full intermixing. Hall bars fabricated on FeGe2 thin films were used to observe an increasing resistivity at low temperature and semimetallic character.