Magnetic memory optimized for cryoelectronics operation
Mémoires magnétiques optimisées pour un fonctionnement en cryoélectronique
Résumé
Magnetic Random Access Memories (MRAM) have been in the forefront of technological development for data storage in the past few decades. They harbor incredible capacity to out-perform the current state-of-the-art devices used in electronics, such as SRAM and DRAM. They still hold many interesting facets that have yet to be fully explored with the advancements in Spin Transfer Torque (STT), Voltage Controlled Anisotropy (VCMA) and the discovery of Spin Orbit Torque. It is a thriving field, and with the advent of High Performance Computing, the coming era of super computers and quantum processors is attracting more and more attention, which leads us to the current topic of this work.To engineer new magnetic memory storage devices for cryoelectronics, we focused on two different writing mechanisms: STT and VCMA. Initially, we studied them under the framework of macrospin numerical simulations to better understand the switching dynamics of our system.The STT effect showed much similar behavior to conventional devices and we investigated higher order anisotropy systems, which exhibits a canted magnetization state called "easy-cone" anisotropy. Switching simulations show us that it enables very low temperature switching without thermal activation and reduces the switching energy necessary to write the bit.The VCMA effect, on the other hand, presented a novel non-precessional switching regime for temperatures below 50K.Next, with a micromagnetic approach using MuMax3, we corroborate the results for VCMA switching and observe a deviation from the macrospin model within the easy-cone system for the STT system. The dependence of its switching voltage with temperature and its magnetic hysteresis gives us tools to identify it in experimental observations.To take advantage of the low thermal energy at cryogenic temperatures, we decided to nanofabricate our MRAMs with much lower anisotropy compared to conventional devices. The approach we used was to modify the storage layer structure of the magnetic tunnel junctions to either reduce its surface anisotropy or increase its saturation magnetization for a lower energy barrier between the two writeable states, parallel and antiparallel. We introduced embedded magnetic layers, such as Co or Permalloy, onto the FeCoB layer and conducted magnetic and electrical characterization at room temperature down to 4K.From the analyzed samples, using a storage layer containing Parmalloy showed improvement in the figure of merit (quality factor relating its thermal stability to its switching current) over conventional MTJs and those using either Co, Mg or Ru as an embedded layer. Further magnetic analysis and MFM imaging of the Permalloy stack at thin-film and device level indicate the presence of the easy-cone anisotropy discussed in the numerical simulation results.For the analysis of VCMA samples, an array of over 1000 devices were characterized at room temperature and its coefficient was extracted for each one. The method described allows for large amounts of data to be acquired in a short period of time, enabling us to quantify the VCMA effect without conducting switching experiments.
Les Magnetic Random Access Memories (MRAM) présentent une capacité incroyable à surpasser les dispositifs actuels de pointe utilisés dans l'électronique, tels que les SRAM et les DRAM. Ils conservent encore de nombreuses facettes intéressantes qui restent à explorer pleinement grâce aux avancées dans le transfert de spin par effet tunnel (STT), à l'anisotropie contrôlée par tension (VCMA) et à la découverte du transfert de spin par effet orbitale. Avec l'avènement de l'informatique haute performance, l'ère à venir des superordinateurs et des processeurs quantiques attire de plus en plus l'attention, ce qui nous amène au sujet actuel de ce travail.Pour concevoir de nouveaux dispositifs de stockage magnétique pour la cryoélectronique, nous nous sommes concentrés sur deux mécanismes d'écriture différents : le STT et le VCMA. Initialement, nous les avons étudiés dans le cadre de simulations numériques de macrospin pour mieux comprendre la dynamique de commutation de notre système.L'effet STT a montré un comportement très similaire à celui des dispositifs conventionnels, et nous avons étudié des systèmes d'anisotropie d'ordre supérieur, qui présentent un état de magnétisation incliné appelé "anisotropie en easy-cone". Les simulations de commutation montrent qu'il permet une commutation à très basse température sans activation thermique et réduit l'énergie de commutation nécessaire pour écrire le bit.L'effet VCMA a présenté un régime de commutation non précessionnelle novateur pour des températures inférieures à 50 K.Ensuite, en utilisant une approche micromagnétique avec MuMax3, nous avons corroboré les résultats de la commutation VCMA et observé une déviation par rapport au modèle de macrospin dans le système d'anisotropie en cône facile pour le système STT.Pour tirer parti de l'énergie thermique réduite aux températures cryogéniques, nous avons décidé de nanofabriquer nos MRAM avec une anisotropie beaucoup plus faible par rapport aux dispositifs conventionnels. L'approche que nous avons utilisée consistait à modifier la structure de la couche de stockage des jonctions tunnel magnétiques pour réduire son anisotropie de surface ou augmenter sa magnétisation de saturation, afin d'obtenir une barrière d'énergie plus basse entre les deux états inscriptibles, parallèle et antiparallèle. Nous avons introduit des couches magnétiques intégrées, telles que le Co ou le Permalloy, sur la couche FeCoB et avons effectué une caractérisation magnétique et électrique à température ambiante jusqu'à 4 K.Parmi les échantillons analysés, l'utilisation d'une couche de stockage contenant du Permalloy a montré une amélioration du facteur de mérite par rapport aux jonctions tunnel magnétiques conventionnelles et à celles utilisant du Co, du Mg ou du Ru comme couche intégrée. Des analyses magnétiques supplémentaires et des images MFM de la pile Permalloy au niveau des films minces et des dispositifs indiquent la présence de l'anisotropie en easy-cone discutée dans les résultats de la simulation numérique.Pour l'analyse des échantillons VCMA, un ensemble de plus de 1000 dispositifs a été caractérisé à température ambiante et son coefficient a été extrait pour chacun d'entre eux. La méthode décrite permet d'acquérir de grandes quantités de données en peu de temps, ce qui nous permet de quantifier l'effet VCMA sans effectuer d'expériences de commutation.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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