On Friday October 13th, at 14:00, M. Nuno CACOILO will defend his PhD thesis entitled :
Fundamentals of ultrascaled 3D magnetic tunnel junctions and integration routes for high density memory arrays
Place : SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (access needs authorization *)
ZOOM link : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/5115826964
Abstract : The perpendicular Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory (p-STT-MRAM) is one of the most promising emerging non-volatile memory technologies. As these devices are limited by their thermal stability factor at technological nodes smaller than 20 nm, their downsize capability is compromised. A possible solution to this limitation relies in taking advantage of the shape anisotropy, by increasing substantially the thickness of the storage layer. Thanks to this now vertical aspect-ratio, the stability can be enhanced significantly to sub-10 nm nodes and this new memory element is named Perpendicular Shape Anisotropy MTJ (PSA-MTJ). Although a promising path to dense MTJ arrays, there are still several challenges that need to be addressed before adopting this technology. In this dissertation we address the bottlenecks of this novel memory element, namely the fabrication process and improvement of the reversal mechanism. Making use of micromagnetic simulations it is shown the different reversal mechanisms of the PSA-MTJ and a study on how to avoid a non-coherent reversal while keeping fast switching times at low switching voltages is realised. It is namely shown that it is necessary to finely tune the aspect-ratio of the memory cell to achieve faster switching times. This increase in switching speed comes, not only from the increase in anisotropy field (in a macrospin approximation, it increases to maintain the same stability at proportionally smaller magnetic volume), but also due to the stronger effect of the spin-transfer-torque. This idea is used as a baseline for fabricated sub-10 nm elements with vertical aspect-ratio, where switching is achieved through spin-transfer-torque. Usual p-MTJs are also fabricated using the same methodology and it is shown an increase in figure of merit (∆/Ic0) (a known parameter that relates the ratio between the stability and the critical current necessary to switch the device) as the diameter is reduced. In the limit of the dimension, devices as small as 5 nm in diameter show a stochastic behaviour (direction of magnetization fluctuates with the thermal noise), well controlled by the STT current. This opens the path to dense arrays of stochastic MTJs with ultra-small diameter and small switching current. However, to fabricate a dense MTJ array there are still several challenges that need to be solved, namely the stray field from neighbouring bits but also the shadow effect, which limits the pitch between devices. To tackle these constraints we make use of electrodeposition in pre-patterned nano-vias, either by electro-beam lithography (EBL) or direct self-assembly (DSA), to fabricate ultra-small MTJ. The nano-vias created by EBL show potential to achieve sub-10 nm thanks to the already small pre-defined diameter but also thanks to a more uniform ion beam etching of the pillar, avoiding tilted or fallen devices. STT-switching and very large TMR values were shown in single devices measurements using this approach for conventional pMTJ. The nano-vias created by DSA show promise for very small pitch (≈ 50 nm) and small node (≈ 25 nm) MTJ arrays. These can be adapted for CMOS integration, as the nano-via can be filled directly on top the already existing W via. A process flow that makes use of a common bottom electrode was devised and structural and magnetic characterization of the nano-vias was realised. A solution to the strong cross talk between magnetic devices was demonstrated analytically and micromagnetically through the use of a core-shell system for the storage layer. Thanks to the vertical aspect ratio of the magnetic layer, this system adds stability and reduced switching time without a penalty in the switching voltage. Additionally, the system can be adjusted so that there is no remnant stray field inside a magnetic array.
Résumé : La Mémoire Magnétique à Accès Aléatoire et à Transfert de Spin perpendiculaire (p-STT-MRAM) est l’une des technologies émergentes les plus prometteuses pour les mémoire non volatile. Étant donné que le facteur de stabilité de ces dispositifs rencontre une limite fondamentale aux nœuds technologiques inférieurs à 20 nm, leur capacité de poursuite de réduction de taille. Une solution possible à cette limitation repose sur l’exploitation de l’anisotropie de forme magnétique, en augmentant considérablement l’épaisseur de la couche de stockage. Grâce à un rapport d’aspect vertical, la stabilité peut être significativement améliorée pour des nœuds inférieurs à 10 nm. Le nouvel élément de mémoire suivant ce concept est nommé Jonction Tunnel Magnétique à Anisotropie de Forme Perpendiculaire (PSA-MTJ). Bien que représentant une voie prometteuse vers des réseaux d’éléments MTJ denses, plusieurs défis doivent encore être relevés avant que cette technologie ne soit viable. Dans cette thèse, nous abordons les goulots d’étranglement de ce nouvel élément de mémoire, à savoir le processus de fabrication et l’amélioration du mécanisme de renversement d’aimantation. En utilisant des simulations micromagnétiques, nous montrons les différents mécanismes de renversement d’aimantation des PSA-MTJ, et réalisons une étude sur la manière d’éviter un renversement non cohérent, tout en maintenant des temps de commutation rapides à de faibles tensions de commutation. Il est notamment démontré qu’il est nécessaire d’ajuster finement le rapport d’aspect de la cellule mémoire pour obtenir des temps de commutation plus rapides. Cette augmentation de la vitesse de commutation est lié non seulement à l’augmentation du champ d’anisotropie (dans une approximation macrospin, ce champ doit être augmenté pour maintenir la même stabilité avec un volume magnétique proportionnellement plus petit), mais également à l’effet plus fort du couple de transfert de spin. Cette étude est utilisée comme base pour fabriquer des éléments de moins de 10 nm de diamètre avec un rapport d’aspect vertical, où la commutation est réalisée par transfert de spin. Des MTJ classiques sont également fabriquées en utilisant la même méthodologie, et une augmentation du facteur de mérite (∆/Ic0) est observée (un paramètre habituel qui compare le facteur de stabilité et le courant critique nécessaire pour commuter le dispositif) à mesure que le diamètre diminue. À mesure que les dimensions diminuent, pour des diamètres de l’ordre de 5 nm des dispositifs finissent par montrer un comportement stochastique (la direction de l’aimantation fluctue avec le bruit thermique) contrôlable par le courant STT. Cela ouvre la voie à des matrices d’éléments MTJ stochastiques à densité élevée avec un diamètre ultra-petit et un faible courant de commutation. Cependant, pour fabriquer une matrice d’éléments MTJ dense, plusieurs défis doivent encore être résolus, notamment le champ parasite induits pas les éléments voisins, mais aussi l’effet d’ombrage lors de la fabrication, qui limite l’espacement entre les bits voisins. Pour résoudre ces aspects, nous avons utilisé l’électrodépôt dans des nano-vias prégavés, soit par lithographie par faisceau d’électrons (EBL) dasn une résine, soit par auto-assemblage direct (DSA) sur des substrats Si, pour fabriquer des MTJ ultra-petites. Les nano-vias créés par EBL montrent un potentiel pour atteindre des dimensions inférieures à 10 nm, grâce au diamètre déjà réduit défini par l’EBL, mais aussi grâce à la gravure uniforme par faisceau d’ions du pilier, évitant ainsi les piliers inclinés ou détachés issus du processus classique de fabrication des PSA. La commutation par STT et de très grandes valeurs de TMR ont été démontrées dans des mesures de dispositifs individuels en utilisant cette approche pour des MTJ conventionnels. Les nano-vias formés par DSA montrent des résultats prometteurs pour les piliers à espacement très réduit (≈ 50 nm) et les nœuds de petite taille (≈ 25 nm). Ils offrent des perspectives d’intégration CMOS, car le nano-via peut être directement rempli au-dessus d’un contact conducteur existant, dans le cas présent en W. Un procédé de contactage électrique utilisant une électrode inférieure commune a été mise au point et une caractérisation structurale et magnétique des nano-vias résultant a été réalisée. Enfin, l’utilisation d’un système cœur-coquille pour la couche de stockage est proposé comme une solution au problème de fort couplage entre dispositifs magnétiques voisins, comme démontrée analytiquement et micromagnétiquement. Grâce au rapport d’aspect vertical de la structure, ce système renforce la stabilité tout en réduisant le temps de commutation, sans pénalité en termes de tension de commutation. De plus, le système peut être optimisé de manière réduire drastiquement le champ magnétique parasite de couplage à l’intérieur d’un réseau magnétique dense.
Jury :
- Mme. Alexadra MOUGIN – Directrice de Recherche, CNRS, Université Paris-Saclay
- M. François MONTAIGNE – Professeur, Université de Lorraine
- Mme Diana LEITAO – Assistant professor, Eindhoven University of Technology
- M. Shunsuke FUKAMI – Full professor, Tohoku University
- M. Laurent RANNO – Maître de Conférences, Université Grenoble Alpes
Thesis supervisors :
- M. Lucian PREJBEANU – Directeur de recherche, CEA
- M. Olivier FRUCHART – Directeur de recherche, CNRS
(*) Persons who do not have a CEA pass must request an entry authorization sufficiently in advance, before October 03th, 2023 at admin.spintec@cea.fr
