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.

L'étude des mécanismes fondamentaux qui contrôlent l'injection des électrons polarisés en spin à partir d'un métal ferromagnétique vers le silicium ainsi que l'interaction entre ces spins et l'aimantation d'une électrode ferromagnétique « collectrice » en spin, constitue le sujet de ce travail de thèse. Cette étude est basée sur l'analyse et la modélisation des caractéristiques électriques obtenues sur une structure « test » composée de deux électrodes ferromagnétiques servant respectivement à injecter et à collecter les électrons polarisés en spin. Une étude approfondie des propriétés électriques de la diode ferromagnétique/isolant/silicium (FMIS) est aussi réalisée. Le renversement sélectif de l'aimantation d'une des deux électrodes et la variation de la (magnéto-) résistance attendue fournissent un outil pour l'étude de l'injection de spins dans le silicium. Ce concept de mémoire magnétique intégrée sur silicium pourrait fournir à terme une solution alternative aux mémoires de type flash qui vont être de plus en plus confrontées au problème de rétention d'information.

La microélectronique a montré une évolution rapide motivée par l'accroissement des performances et par l'abaissement des coûts. Le marché des mémoires est un domaine clé de ce secteur. L'enjeu majeur est d'accéder à la mémoire universelle qui remplacera toutes les autres en associant la densité et l'endurance "illimitée" des DRAM, la rapidité des SRAM et la non-volatilité des Flash. Nous nous sommes intéressés aux technologies MRAM et OxRRAM possédant l'avantage d'être, comme la technologie Flash, non volatile et compatible avec la technologie MOS. Elles promettent également, suivant l'architecture adoptée, d'être aussi rapides qu'une SRAM, aussi dense qu'une DRAM et avoir une endurance quasi-illimitée. Ces technologies reposent sur des concepts dans lesquels la discrimination des deux états du point mémoire est assurée par un changement de résistance. La première partie de cette thèse a été consacrée à la technologie MRAM et notamment à la fiabilité de l'oxyde tunnel intégré dans la jonction magnétique, élément de base des cellules mémoires MRAM. La seconde partie a été axée sur le développement et la compréhension des mécanismes physiques de programmation des mémoires OxRRAM intégrant un oxyde binaire NiO dans l'élément de mémorisation. Un accent particulier a été porté sur le développement d'une solution technologique simple dans son mode de fabrication et permettant d'aboutir à un empilement présentant des performances électriques conformes aux spécifications. Il est alors possible d'envisager l'intégration de l'oxyde de nickel dans des structures de très faibles dimensions et de viser une réduction substantielle de la taille de la cellule mémoire

Cette thèse vise principalement à faire face à la fiabilité de stockage de STT-MRAM au niveau dispositif, au niveau circuit et au niveau système. Les majeures contributions de cette thèse peuvent être résumées comme il suit: a) La modélisation de la jonction tunnel magnétique par courant polarisé en spin (STT-MTJ), pour développer un compact modèle SPICE de STT-MTJ. b) Le design de fiabilité de STT-MRAM au niveau dispositif, pour étudier les structures de base de cellule de mémoire et de cellules de référence. Dans cette partie, nous avons proposé une cellule de mémoire configurable (CMC), une cellule dynamique de référence (RDC) et un loquet magnétique de rayonnement durci (RHM-Latch). c) Le design de fiabilité de STT-MRAM au niveau circuit, pour étudier les modules de circuits périphériques. Dans cette partie, nous avons proposé un circuit de lecture séparé et précharge (SPCRC), un circuit de lecture offset-Tolérant sans perturbation (OTDFRC) et un circuit de correction d'erreur intégré. d) Le design de fiabilité de STT-MRAM au niveau système, vise principalement à étudier l'architecture de la puce. Dans cette partie, nous avons proposé une architecture reconfigurable (nommé Re-STT-MRAM) et une architecture de correction d'erreur hybride (nommé cRR-SECC). / This thesis aims mainly to deal with the storage reliability of STT-MRAM from device-Level, circuit-Level and system-Level perspectives. The major contributions of this thesis can be summarized as follows: a) Spin transfer torque magnetic tunnel junction (STT-MTJ) modeling, to develop a compact SPICE model of STT-MTJ.b) Device-Level reliability design of STT-MRAM, to study the basic memory cell and reference cell structures. We proposed a configurable memory cell (CMC), a dynamic reference cell (DRC) and a radiation hardened magnetic latch (RHM-Latch) in this part.c) Circuit-Level reliability design of STT-MRAM, to study the peripheral circuit modules. We proposed a separated pre-Charge read circuit (SPCRC), an offset-Tolerant disturbance-Free read circuit (OTDFRC) and a built-In error correction circuit in this part.d) System-Level reliability design of STT-MRAM, aims mainly to study the chip architecture. We proposed a reconfigurable architecture and a hybrid error correction architecture in this part.

L'étude du déplacement des parois de domaines magnétiques au moyen d'un courant électrique, par couple de transfert de spin, a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs de mémoires magnétiques utilisant cet effet ont été proposés. Récemment, un nouveau mécanisme capable de propager les parois sous courant avec une grande efficacité a été mis en évidence dans les matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et à fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite, reste néanmoins loin d'être acquise, tout comme son effet sur la propagation des parois de domaines.L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier l'influence de ce couple de spin-orbite sur la dynamique des parois. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de paroi sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx en présence d'un champ magnétique planaire, utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du couple de spin-orbite sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet asymétrique dans la dynamique de la paroi pour ce type de système.Pour expliquer ce résultat, nous avons proposé une nouvelle structure de paroi dans les matériaux ultra-minces à anisotropie perpendiculaire, résultant de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, la dynamique d'une telle paroi a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Enfin, toujours dans le but d'expliquer l'effet asymétrique observé expérimentalement, une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope a également été proposée. / The study of current-induced magnetic domain wall motion through spin transfer torque has attracted a lot of attention in recent years, especially since new magnetic memories devices based on this effect have been proposed. Recently, a new mechanism allowing for highly efficient current-induced domain wall motion has been discovered in ultrathin asymmetric materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. However this mechanism, named spin-orbit torque, and its effect on domain wall motion are not yet well understood.The objective of this work was to study the influence of this spin-orbit torque on domain wall motion. For that, I have studied field- and current-induced domain wall motion in Pt/Co/AlOx trilayer, in the presence of an in-plane magnetic field. This work allowed highlighting the existence of an asymmetric effect in the domain-wall dynamics of this system.In order to explain this result, we have proposed a new kind of domain wall structure, resulting from Dzyaloshinskii-Moriya interaction in materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. Using analytic calculations and micro-magnetic simulations, this domain wall dynamics has been studied and compared to the experimental results. Finally, a second approach based on the presence of an anisotropic damping mechanism has also been proposed to explain the asymmetric effect observed experimentally.