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.

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.

We studied the possibility of achieving an order of magnitude reduction in the energy dissipation needed to write bits in perpendicular magnetic tunnel junctions (p-MTJs) by simulating the magnetization dynamics under a combination of resonant surface acoustic waves (r-SAW) and spin-transfer-torque (STT). The magnetization dynamics were simulated using the Landau-Lifshitz-Gilbert equation under macrospin assumption with the inclusion of thermal noise. We studied such r-SAW assisted STT switching of nanomagnets for both in-plane elliptical and circular perpendicular magnetic anisotropy (PMA) nanomagnets and show that while thermal noise affects switching probability in in-plane nanomagnets, the PMA nanomagnets are relatively robust to the effect of thermal noise. In PMA nanomagnets, the resonant magnetization dynamics builds over few 10s of cycles of SAW application that drives the magnetization to precess in a cone with a deflection of ~45⁰ from the perpendicular direction. This reduces the STT current density required to switch the magnetization direction without increasing the STT application time or degrading the switching probability in the presence of room temperature thermal noise. This could lead to a pathway to achieve energy efficient switching of spin-transfer-torque random access memory (STT-RAM) based on p-MTJs whose lateral dimensions can be scaled aggressively despite using materials with low magnetostriction by employing resonant excitation to drive the magnetization away from the easy axis before applying spin torque to achieve a complete reversal.

<p>The subjects of the thesis are theoretical first principles calculations of X-ray absorption (XA) spectra and current induced spin transfer torque. XA spectra calculated from atomic multiplet theory and from band structure calculations, based on density functional theory for La_0.7Sr_0.3MnO₃ have been compared to experiment. The comparison shows that the effect of the core hole created in the XA process must be considered in the calculation. The theory by Mahan, Nozières and De Dominicis (MND) of dynamical core hole screening is generalised to multiband systems and implemented in first principle calculations. Calculations of the XA spectrum of graphite, including dynamical core hole screening, are shown to better reproduce the relative intensity of the peaks in the experimental spectrum compared to static calculations based on the local density of state of a core excited atom. In combination with experiments the developed method to calculate XA spectra is used to investigate the electronic structure of mixed valent Yb, hydrogen storage in carbon nanotubes and the structure of liquid water. Moreover, a method to calculate the current induced spin transfer torque in materials with a helical spin density wave from first principles has been developed. The method is applied to rare earth metals and it is shown that a current along the axis of spin rotation induces a torque which gives rise to a rotation of the magnetisation direction.</p>

The subjects of the thesis are theoretical first principles calculations of X-ray absorption (XA) spectra and current induced spin transfer torque. XA spectra calculated from atomic multiplet theory and from band structure calculations, based on density functional theory for La0.7Sr0.3MnO3 have been compared to experiment. The comparison shows that the effect of the core hole created in the XA process must be considered in the calculation. The theory by Mahan, Nozières and De Dominicis (MND) of dynamical core hole screening is generalised to multiband systems and implemented in first principle calculations. Calculations of the XA spectrum of graphite, including dynamical core hole screening, are shown to better reproduce the relative intensity of the peaks in the experimental spectrum compared to static calculations based on the local density of state of a core excited atom. In combination with experiments the developed method to calculate XA spectra is used to investigate the electronic structure of mixed valent Yb, hydrogen storage in carbon nanotubes and the structure of liquid water. Moreover, a method to calculate the current induced spin transfer torque in materials with a helical spin density wave from first principles has been developed. The method is applied to rare earth metals and it is shown that a current along the axis of spin rotation induces a torque which gives rise to a rotation of the magnetisation direction.

Two of the principal phenomena observed and exploited in the field of spintronics are giant magnetoresistance (GMR) and spin transfer torque (STT). With GMR, the resistance of a magnetic multilayer is affected by the relative orientation of its magnetic layers due to (electron) spin dependent scattering. For the STT effect, a spin-polarized electric current is used to alter the magnetic state of a ferromagnet. Together, GMR and STT are at the foundation of numerous technologies, and they hold promise for many more applications. To achieve the high current densities (~10¹² A/m²) that are necessary to observe STT effects, point contacts – constricted electrical pathways (~1–100 nm in diameter) between conducting materials – are often used because of their small cross-sectional areas. In this sense, we have explored STT in bilayer magnetic nanopillars, where an electric current was used to induce precession of a ferromagnetic layer. This precessional state was detected as an increase in resistance of the device, akin to GMR. Temperature dependent measurements of the onset of precession shed light on the activation mechanism, but raised further questions about its detailed theory. Point contacts can also be used as local sources or detectors of electrons. In this context, we have observed transverse electron focusing (TEF) in a single crystal of bismuth. TEF is a k-selective technique for studying electron scattering from within materials. Using lithographically fabricated point contacts, we have studied the temperature dependence of the relaxation time for ballistic electrons from 4.2 to 100 K. These measurements indicated a transition between electron-electron dominated scattering at low temperatures and electron-phonon scattering as the Debye temperature was approached. We present preliminary work toward a TEF experiment to measure spin dependent scattering from a non-magnet/magnet interface. We also investigated spin wave propagation in thin, magnetic waveguide structures. At the boundary between the waveguide and continuous magnetic film, spin wave rays were found to radiate into the film, or to reflect and form standing waves in the waveguide. A circular defect in the waveguide was observed to cause diffraction of spin waves, generating an interference pattern of higher modes of oscillation. / text

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We study current-induced domain wall dynamics in a thin ferromagnetic nanowire. We derive the effective equations of domain wall motion, which depend on the wire geometry and material parameters. We describe the procedure to determine these parameters by all-electric measurements of the time-dependent voltage induced by the domain wall motion. We provide an analytical expression for the time variation of this voltage. Furthermore, we show that the measurement of the proposed effects is within reach with current experimental techniques. We also show that a certain resonant time-dependent current moving a domain wall can significantly reduce the Joule heating in the wire, and thus it can lead to a novel proposal for the most energy efficient memory devices. We discuss how Gilbert damping, non-adiabatic spin transfer torque, and the presence of Dzyaloshinskii-Moriya interaction can effect this power optimization. Furthermore, we propose a new nanodot magnetic device. We derive a specific time-dependent current that is needed to switch the magnetization of the nanodot the most efficiently.

Dans cette thèse, nous avons étudié la dynamique des parois de domaine sous courant dans des couches ferromagnétiques ultra-minces de type métal lourd/ métal ferromagnétique/ oxyde présentant un fort couplage spin-orbite. Dans ces systèmes, deux éléments liés au fort couplage spin-orbite et l'asymétrie structurelle d'inversion jouent un rôle clé sur la dynamique des parois : d'une part, l'amplitude des couples de spin-orbite (SOT) exercés sur la paroi lors de l'injection de courant; d'autre part, l'amplitude de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya qui stabilise la structure Néel interne de la paroi. L'objectif de ce travail a été de caractériser les couples agissant sur la paroi induits par le courant ainsi que l'amplitude de l'interaction DMI.Pour y parvenir, j'ai mis au point une nouvelle technique de mesure basée sur la mesure des déplacements nanométriques induits par le courant d'une paroi piégée dans un nanoplot découpé dans le matériau magnétique. Cette mesure quasi-statique permet de s'affranchir des difficultés liées à la modélisation de la dynamique des parois magnétique sous courant en présence de défauts.Par ailleurs, le dispositif a été conçu de façon à ce que le courant et le champ magnétique externe statique puissent être appliqués dans différentes directions orthogonales, ce qui permet séparer clairement les contributions des couples de transfert de spin (NA-STT) et de spin-orbite (DL-SOT).Les mesures ont permis de caractériser le couple exercé sur la paroi par le courant en fonction d'un champ magnétique planaire pour un empilement Pt/Co/AlOx et ceci pour quatre orientations champ/courant différentes. Les résultats permettent d'écarter l'hypothèse d'une structure de type Bloch bi-stable.Dans le cas où le courant est injecté au travers de la paroi, la comparaison des résultats avec le modèle aboutit à une valeur du couple NA-STT très faible. Nos mesures faites avec le champ magnétique planaire permettent de conclure à un champ SOT de 7,5+/-0,5 Oe pour 10 MA/m² en accord avec les résultats de couple publiés précédemment dans le cas d'une paroi de Néel. Si les deux configurations donnent de mesures de couple SOT similaire, elles ne permettent pas de conclure sur la valeur de DMI dans ce système. L'origine de ces valeurs contradictoires reste à expliquer. / In this thesis, we studied the current induced domain walls (DWs) dynamics in ultra-thin ferromagnetic films of heavy metal/ ferromagnetic metal/ oxide type with a high spin-orbit coupling. In these systems, two ingredients linked to the high spin-orbit coupling and the structural inversion asymmetry play a key role on the DWs dynamics: the amplitude of the spin-orbit torques (SOT) acting on the domain when a current is injected; and the amplitude of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMi) which stabilizes the Néel structure of the DW. The purpose of this work was to characterize the current induced torques acting on the DW and the amplitude of the DMi.For that purpose, I developed a new measurement technique relying on the measurement of current induced nanometer size motion of a DW, trapped inside a nanodot patterned in the magnetic material. This quasi-static measurement enables to avoid the difficulties related to the modelling of the DW dynamics in the presence of defects.Besides that, the device has been designed to enable different perpendicular directions for the current and the external magnetic field, which enable a clear measurement of spin transfer (NA-STT) and spin-orbit (DL-SOT) torques contributions.The measurements allowed the characterization of the torque exerted by the current on the DW with respect to a planar magnetic field for a Pt/Co/AlOx stack in 4 different couples of field/current directions. The results allow to exclude the hypothesis of a Bloch structure for the DW.In the case where the current is injected through the DW, the comparison between the results and the model leads to a very weak value for the NA-STT. Our measurements made with the planar magnetic field leads to a value of 7,5+/-0,5 Oe per 10 MA/m² for the DL-SOT, which is in agreement with previously published results in the case of a Néel DW. If both configurations lead to similar measurements for the SOT, they don't permit to conclude on the exact value of the DMi in this system. The origin of these contradictories values is still to be understood.

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.