4. Positionnement du travail de thèse dans ce contexte
1.3. Evolution de la technologie MRAM
1.3.2. Cellule TA-MRAM
Afin de limiter les courants de programmation, la société Crocus Technology, en collaboration avec le laboratoire CEA/CNRS Spintec, a développé la cellule TA-MRAM (Thermally Assited MRAM) dans laquelle le basculement d’aimantation est assisté thermiquement par l’injection d’un courant dans la jonction pendant l’écriture [Prejbeanu, 2004 ; Sousa, 2006].
1.3.2.1. Architecture
Ces jonctions magnétiques tunnel forment une nanostructure magnétique complexe constituée d'une dizaine de couches d'épaisseurs variables (Figure A-1-13). La couche ferromagnétique de NiFe19 est couplée à une couche antiferromagnétique d’IrMn de faible température de blocage. La couche de référence est constituée d’une structure SAF (CoFe/Ru/CoFe) couplée à une couche antiferromagnétique de PtMn64 de grande température de blocage. L'étape la plus délicate lors de la fabrication de cet empilement est l'obtention de la barrière tunnel (en Al2O3 ou MgO) dont l'épaisseur doit être bien maîtrisée. Les électrodes de l’empilement sont en tantale. Cet empilement est à la base du premier démonstrateur mis au point par la société Crocus Technology.
Figure A-1-13 : Empilement type pour une écriture assistée thermiquement [Dieny, 2006].
Les difficultés technologiques pour réaliser de tels empilements sont nombreuses :
i. Tout d’abord, les couches déposées ont une épaisseur nanométrique et les interfaces ont donc une importance critique. Les propriétés magnétiques trouvent, pour la plupart, leur origine aux interfaces et il est par conséquent impératif de maîtriser leur rugosité sur toute la surface du wafer.
ii. D’autre part, la résistance tunnel dépend exponentiellement de l’épaisseur de la barrière. Celle-ci doit donc être parfaitement homogène sur l’ensemble du wafer afin d’éviter les problèmes de lecture.
iii. De plus, les flancs des jonctions doivent être parfaitement gravés afin d’éviter tout court-circuit ou couplage magnétique parasite.
Comme nous le verrons dans le second chapitre de cette partie A, il est nécessaire d’effectuer des observations par Microscopie Electronique en Transmission (MET) couplées à des analyses chimiques locales par EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) afin d'évaluer l'uniformité en épaisseur, la rugosité aux interfaces et la microstructure locale de la barrière tunnel. De plus, ces analyses permettent d'étudier l'impact des étapes d'intégration (e.g. procédés de gravure, recuits…) ou des sollicitations électriques appliquées sur la microstructure de l'empilement magnétique.
1.3.2.2. Mode d'écriture assisté thermiquement
Le principe de fonctionnement des cellules TA-MRAM est basé sur l'injection d'un courant de chauffage à travers la jonction magnétique tunnel pendant l'écriture. Dans ce type
d’adressage, le transistor en série avec la jonction magnétique tunnel ne sert pas uniquement à la lecture mais permet aussi de sélectionner la jonction dans laquelle le courant est injecté. Les circuits de lecture et d’écriture ne sont donc plus indépendants. L’écriture décrite sur la Figure A-1-14 est séquentielle et se fait en trois étapes. Pour illustration, on considère une jonction magnétique tunnel initialement en configuration d’aimantations parallèles. La première étape consiste à faire circuler un courant et chauffer la jonction au-dessus de la température de blocage de la couche antiferromagnétique de la couche de stockage. Le champ d’échange s’annule et le cycle d’hystérésis de la couche de stockage est centré en 0 (Figure A-1-14, passage de l’étape 1 à 2). Le courant circule alors dans la ligne d’adressage induisant un champ magnétique tout en continuant à échauffer la jonction. Un faible champ magnétique suffit alors pour retourner l’aimantation de la couche de stockage. Afin de fixer l’aimantation dans ce nouvel état, l’écriture s’achève par un refroidissement sous champ magnétique (Figure A-1-14, étape 3). Le transistor de sélection est bloqué de manière à laisser refroidir la jonction magnétique tunnel tout en continuant à faire circuler un courant dans la ligne d’adressage. Ce refroidissement sous champ permet de stabiliser le couplage d’échange entre la couche antiferromagnétique et la couche ferromagnétique libre. Le cycle d’hystérésis de la couche libre (étape 3) après cette étape est déplacé latéralement en sens inverse par rapport au sens initial (étape 1). A l’état final, la jonction magnétique est en configuration d’aimantations antiparallèles.
Ce mode d’écriture, assisté thermiquement, présente trois avantages :
i. Tout d’abord, il permet de réduire significativement la consommation d’énergie puisque le champ magnétique nécessaire au retournement d’aimantation est plus faible que dans le cas d’un adressage classique.
ii. Ce mécanisme simplifie l’architecture puisqu’une seule ligne d’adressage est nécessaire.
iii. Enfin, ce mode d’écriture permet de limiter le risque de commutation accidentelle des points mémoires voisins.
Au niveau de la fiabilité de ces structures, ce mode d'écriture nécessite une excellente cyclabilité de la barrière tunnel qui doit supporter l’injection fréquente d’impulsions de courant très courtes. Ainsi, comme nous le verrons dans le chapitre suivant, l’évaluation et l’amélioration des performances des jonctions magnétiques tunnel requièrent une analyse détaillée de leur fiabilité sous diverses sollicitations ainsi qu’une étude précise de la microstructure de la nanostructure magnétique.
1.3.2.3. Derniers développements
En raison du mode d’écriture assisté thermiquement dans ces cellules, un contrôle rigoureux de la température de la jonction et de la cinétique de chauffage est nécessaire. Ces deux paramètres sont étroitement liés aux dissipations de chaleur entre la nanostructure magnétique et le niveau CMOS. Ce problème peut être résolu en introduisant de part et d’autre de la jonction magnétique tunnel des barrières thermiques formées d’un matériau présentant à la fois une faible conductivité thermique et une faible résistivité électrique (Figure A-1-15).
Cette approche, actuellement à l’étude dans le projet européen TIMI (Thermally Insulating MRAM Interconnects, no. EUR-06-204, office EURIPIDES), permet (i) de concentrer le flux de chaleur à la seule région de la jonction, (ii) de réduire significativement la puissance consommée pendant un cycle d’écriture et de (iii) limiter les effets perturbateurs sur les cellules adjacentes.
Barri Barrièère th ermique su p re thermique s upéérieurrieuree Barri Barrièère th ermique in f re thermi que inféérieur e rieure MgO MgO BTI BTI BTS BTS 20 nm 20 nm Barri Barrièère th ermique su p re thermique s upéérieurrieuree Barri Barrièère th ermique in f re thermi que inféérieur e rieure MgO MgO BTI BTI BTS BTS 20 nm 20 nm
Figure A-1-15 : Derniers développements technologiques : la jonction tunnel à base de MgO est entourée de deux barrières thermiques évitant la dispersion de chaleur et assurant une isolation thermique des cellules voisines.