La spintronique propose de nouvelles solutions en microélectronique en termes d’architecture, pour résoudre les problèmes de miniaturisation et de consommation. Son produit phare, les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM), est composé de jonctions tunnel magnétiques (JTM). Une alternative intéressante d’architecture MRAM, développée par Crocus Technology propose d’assister thermiquement le retournement du moment magnétique stockant l’information. L’aimantation de la couche de stockage est couplée à une couche antiferromagnétique afin de la stabiliser (couche piégée). Un chauffage par effet Joule à l’aide d’un courant traversant la barrière tunnel permet de libérer la couche de stockage pour écrire l’information à l’aide d’un champ magnétique. Générer un champ magnétique est encore coûteux en puissance. Pour résoudre ce problème, l’idée explorée dans cette thèse est d’exploiter avantageusement le couple de transfert de spin généré par le courant de chauffage pour réduire le champ d’écriture en changeant la polarité du courant de chauffage suivant l’état que l’on cherche à écrire. Pour ce faire, des dispositifs 1 kbit ont été testés, dans lesquels on montre que l’influence du couple de transfert permet de réduire le champ d’écriture. Une nouvelle structure à couche de stockage synthétique ferrimagnétique (SyF) piégée a été développée pour tirer parti du couple de transfert de spin au mieux sans dégrader relations d’épitaxie garantes des propriétés de stabilité et de signal. Pour étudier l’influence du couple de transfert de spin en détail, des diagrammes de phases en champ et tension ont été réalisés sur divers structures, en séparant les différentes composantes de l’empilement complet. En plus du couple de transfert de spin attendu, un effet pair du courant a été observé, favorisant toujours l’état antiparallèle quel que soit la polarité du courant. Cet effet se retrouve tant sur les couches piégées que les couches libres, et peut s’expliquer par un couple de transfert de spin perpendiculaire comme suggéré par la forme des diagrammes obtenus avec des couches libres. Par ailleurs, les diagrammes d’écriture de couche de stockage SyF révèlent une forme complexe qui serait liée à l’excitation d’une seule des deux couches du SyF par le couple de transfert de spin. En variant le produit résistance-surface (RA) de la JTM, on a montré que le couple de transfert de spin semble bien conserver sa proportionnalité avec la densité de courant sur des structures à couche de stockage piégée. Un autre pan du travail concerne la phase de refroidissement à la fin de l’écriture assistée thermiquement. L’influence de la vitesse de refroidissement sur l’efficacité du couple de transfert de spin a été mise en évidence, et il est montré qu’une diminution progressive de la tension permet d’atteindre un régime de refroidissement quasi-statique dans lequel le taux d’erreur est réduit d’un ordre de grandeur sur certaines structures. Les différents résultats sont mis en lien avec la dépendance en température du couplage RKKY au sein du SyF. Celui-ci permet de d’estimer l’évolution de la température en tension et en temps réel. Enfin, l’existence d’un effet thermoélectrique dû à l’asymétrie de chauffage est étudiée. / Spintronics offers new solutions in microelectronics regarding architecture, to solve scaling and consumption issues. Its main product, magnetic random access memories (MRAM), is composed of magnetic tunnel junctions (MTJ). Switching of the magnetic moment storing the data is facilitated by a thermally assisted writing method developed by Crocus Technology. The storage layer’s magnetization is coupled to an antiferromagnetic layer to stabilize it (pinned layer). Joule heating thanks to a tunneling current allows freeing the storage layer to write information thanks to a magnetic field. Generating a magnetic field still consumes power. To solve this issue, the idea explored in the thesis is to harness advantageously the spin transfer torque arising from the heating current in order to lower the writing field by changing the heating current polarity depending on the state to write. To do this, 1 kbit test vehicles have been tested, for which it is shown that spin transfer torque influence allows reducing the writing field. A new structure has been developed, consisting of a pinned synthetic ferrimagnetic (SyF) storage layer, to get benefits from the spin transfer torque without degrading epitaxial relations necessary to have a good stability and a good signal. To study the influence of spin transfer torque in details, field-voltage phase diagrams have been measured for various structures, by separating the elementary parts of the full structure. Apart from the expected spin transfer torque, an even effect of the current has been observed, favoring the antiparallel state whatever the current polarity. This effect can be found both in pinned layers and free layers, and can be explained thanks to perpendicular spin transfer torque as suggested by the shape of the diagrams obtained on free layers. Besides, writing diagrams of SyF storage layer have a complexe shape that may be related to the excitation of one only layer of the two of the SyF by spin transfer torque. By varying the resistance-area product (RA) of the MTJ, we showed that spin transfer torque seems to keep its proportionality to current density for structures with pinned storage layer. Another side of the work is related to the cooling phase at the end of the thermally assisted writing. Influence of the cooling rate on the efficiency of spin transfer torque was evidenced, and it is showed that a gradual decrease of the voltage let reach a quasistatic cooling regime in which the writing error rate is reduced by one order of magnitude on some structures. The different results are linked to the temperature dependence of RKKY coupling inside the SyF. This allows estimating real time change of temperature. Finally, thermoelectric effect due to heating asymmetry is studied.

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.

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.

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.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique des MRAM, nouvelles mémoires non volatiles utilisant des propriétés originales de l'électronique de spin. Le but de ce travail a été principalement de démontrer qu'un nouveau concept de MRAM était possible afin de passer outre les limitations imposées par chacune des générations déjà existantes (TA-MRAM et STT-RAM). Pour cela, leurs avantages respectifs ont été combinés, à savoir la stabilité thermique pour la TA-MRAM et l'écriture sans champ magnétique pour la STT-RAM. C'est ainsi qu'a été donnée au cours de cette étude la première démonstration de STT-TA-MRAM ainsi qu'une optimisation de ses propriétés grâce une structure améliorée. Le retournement de la couche de stockage par couple de transfert de spin a donc été au centre de ces recherches. Un montage expérimental innovant a également permis d'observer le retournement de l'aimantation en temps réel dans le but de mieux comprendre la physique de l'écriture. Enfin, la problématique de la durée de vie des barrières tunnel a été abordée montrant que celles-ci claquent plus lentement que prévu pour les impulsions courtes.

Les mémoires magnétiques à accès aléatoires (ou MRAM) sont récemment entrées en production. Ce travail de thèse vise à évaluer et caractériser les problèmes potentiels de fiabilité dus à l'introduction de la partie magnétique dans les mémoires MRAM. <br /> Je décris tout d'abord en détail les principes physiques à la base du fonctionnement aussi bien électrique que magnétique des jonctions tunnels magnétiques qui sont au cœur des mémoires magnétiques. Je me suis attachée à chaque étape à identifier les nouveaux facteurs susceptibles d'intervenir dans la fiabilité (par rapport à un processus CMOS classique), en essayant de donner une évaluation quantitative de leur impact éventuel.<br /> Sur cette base, j'ai essayé d'établir et de tester un procédé de caractérisation d'un effet critique de la MRAM : la non-volatilité, qui puisse ensuite être utilisé sur des éléments isolés d'un wafer comme point de vérification de la qualité magnétique du circuit. Nous avons choisi de comparer des calculs de barrière d'énergie à une mesure réelle de la barrière sur des échantillons élaborés dans le cadre de l'Alliance Crolles 2.<br /> Enfin, j'ai mené une étude sur un autre type de structure de mémoires magnétiques faisant intervenir un déplacement de parois magnétiques à l'aide d'un courant. Cette étude visait à estimer, une fois encore, la barrière énergétique de ces nouvelles structures. Nous avons essayé de démontrer qu'elles seraient une perspective intéressante pour la miniaturisation des mémoires magnétiques.

A study of magnetization dynamics experiments in nanostructured materials using the rf susceptibility tunnel diode oscillator (TDO) method is presented along with a extensive theoretical analysis. An original, computer controlled experimental setup that measures the change in susceptibility with the variation in external magnetic field and sample temperature was constructed. The TDO-based experiment design and construction is explained in detail, showing all the elements of originality. This experimental technique has proven reliable for characterizing samples with uncoupled magnetic structure and various magnetic anisotropies like: CrO2 , FeCo/IrMn and Co/SiO2 thin films. The TDO was subsequently used to explore the magnetization switching in coupled magnetic systems, like synthetic antiferromagnet (SAF) structures. Magnetoresistive random access memory (MRAM) is an important example of devices where the use of SAF structure is essential. To support the understanding of the SAF magnetic behavior, its configuration and application are reviewed and more details are provided in an appendix. Current problems in increasing the scalability and decreasing the error rate of MRAM devices are closely connected to the switching properties of the SAF structures. Several theoretical studies that were devoted to the understanding of the concepts of SAF critical curve are reviewed. As one can notice, there was no experimental determination of SAF critical curve, due to the difficulties in characterizing a magnetic coupled structure. Depending of the coupling strength between the two ferromagnetic layers, on the SAF critical curve one distinguishes several new features, inexistent in the case of uncoupled systems. Knowing the configuration of the SAF critical curve is of great importance in order to control its switching characteristics. For the first time a method of experimentally recording the critical curve for SAF is proposed in this work. In order to overcome technological limitations, a new way of recording the critical curve by using an additional magnetic bias field was explored.

<p>Modern computing platforms, from servers to mobile devices, demand ever-increasing amounts of memory to keep up with the growing amounts of data they process, and to bridge the widening processor-memory gap. A large and growing fraction of chip area and energy is expended in memories, which face challenges with technology scaling due to increased leakage, process variations, and unreliability. On the other hand, data intensive workloads such as machine learning and data analytics pose increasing demands on memory systems. Consequently, improving the energy-efficiency and performance of memory systems is an important challenge for computing system designers.</p> <p>Spintronic memories, which offer several desirable characteristics - near-zero leakage, high density, non-volatility and high endurance - are of great interest for designing future memory systems. However, these memories are not drop-in replacements for current memory technologies, viz. Static Random Access Memory (SRAM) and Dynamic Random Access Memory (DRAM). They pose unique challenges such as variable access times, and require higher write latency and write energy. This dissertation explores new approaches to improving the energy efficiency of spintronic memory systems.</p> <p>The dissertation first explores the design of approximate memories, in which the need to store and access data precisely is foregone in return for improvements in energy efficiency. This is of particular interest, since many emerging workloads exhibit an inherent ability to tolerate approximations to their underlying computations and data while still producing outputs of acceptable quality. The dissertation proposes that approximate spintronic memories can be realized either by reducing the amount of data that is written to/read from them, or by reducing the energy consumed per access. To reduce memory traffic, the dissertation proposes approximate memory compression, wherein a quality-aware memory controller transparently compresses/decompresses data written to or read from memory. For broader applicability, the quality-aware memory controller can be programmed to specify memory regions that can tolerate approximations, and conforms to a specified error constraint for each such region. To reduce the per-access energy, various mechanisms are identified at the circuit and architecture levels that yield substantial energy benefits at the cost of small probabilities of read, write or retention failures. Based on these mechanisms, a quality-configurable Spin Transfer Torque Magnetic RAM (STT-MRAM) array is designed in which read/write operations can be performed at varying levels of accuracy and energy at runtime, depending on the needs of applications. To illustrate the utility of the proposed quality-configurable memory array, it is evaluated as an L2 cache in the context of a general-purpose processor, and as a scratchpad memory for a domain-specific vector processor.</p> <p>The dissertation also explores the design of caches with Domain Wall Memory (DWM), a more advanced spintronic memory technology that offers unparalleled density arising from a unique tape-like structure. However, this structure also leads to serialized access to the bits in each bit-cell, resulting in increased access latency, thereby degrading overall performance. To mitigate the performance overheads, the dissertation proposes a reconfigurable DWM-based cache architecture that modulates the active bits per tape with minimal overheads depending on the application's memory access characteristics. The proposed cache is evaluated in a general purpose processor and improvements in performance are demonstrated over both CMOS and previously proposed spintronic caches.</p> <p>In summary, the dissertation suggests directions to improve the energy efficiency of spintronic memories and re-affirms their potential for the design of future memory systems.</p>

<pre><p>Conventional digital computers are built using stable deterministic units known as "bits". These conventional computers have greatly evolved into sophisticated machines, however there are many classes of problems such as optimization, sampling and machine learning that still cannot be addressed efficiently with conventional computing. Quantum computing, which uses q-bits, that are in a delicate superposition of 0 and 1, is expected to perform some of these tasks efficiently. However, decoherence, requirements for cryogenic operation and limited many-body interactions pose significant challenges to scaled quantum computers. Probabilistic computing is another unconventional computing paradigm which introduces the concept of a probabilistic bit or "p-bit"; a robust classical entity fluctuating between 0 and 1 and can be interconnected electrically. The primary contribution of this thesis is the first experimental proof-of-concept demonstration of p-bits built by slight modifications to the magnetoresistive random-access memory (MRAM) operating at room temperature. These p-bits are connected to form a clock-less autonomous probabilistic computer. We first set the stage, by demonstrating a high-level emulation of p-bits which establishes important rules of operation for autonomous p-computers. The experimental demonstration is then followed by a low-level emulation of MRAM based p-bits which will allow further study of device characteristics and parameter variations for proper operation of p-computers. We lastly demonstrate an FPGA based scalable synchronous probabilistic computer which uses almost 450 digital p-bits to demonstrate large p-circuits.</p> </pre>