Consommation de la TAS-MRAM
La consommation de la TAS-MRAM a deux sources : le courant dans la ligne de champ et la tension appliquée sur la jonction permettant de la chauffer. On peut estimer la contribution de chacun à partir de la formule P = RI2. Les courants sont connus assez facilement. Pour la résistance, celle-ci va dépendre du design. Il faut donc tenir compte de la résistance d’un certain nombre de transistors en série. Pour la ligne de champ, elle fait de 10 Ω à quelques centaines d’ohms. Elle est alimentée par des transistors assez puissants, capables de délivrer quelques mA. Ces transistors ont des résistances qui peuvent être de l’ordre de 1 kΩ. On trouve une puissance de l’ordre de 250 mW. La jonction quant à elle a une résistance allant de 1 kΩ à 10 kΩ suivant la technologie, et le courant utilisé est de l’ordre de 0,5 mA. Ainsi, la puissance consommée par la jonction est de l’ordre de quelques mW, bien inférieure à la consommation des lignes de champ. La consommation des lignes de champ est principalement liée à l’amplitude du courant permettant de générer le champ d’écriture, élevée au carré dans la puissance. Un avantage majeur des TA-MRAM par rapport aux toggle MRAMs est la possibilité de partager le champ d’écriture entre de nombreux bits. Ceci permet de partager la consommation associé à la création du champ. Réduire le champ d’écriture permettrait de réduire davantage la consommation.
Electromigration
Mise à part le fait d’être la principale source de consommation, l’amplitude du courant dans les lignes de champ empêche de réduire beaucoup leur dimension à cause de l’électromigration. L’ordre de grandeur du courant nécessaire à l’écriture est I = 2πdHc, où d est la dimension de la ligne de champ et Hc le champ coercitif. Donc la densité de courant dans la ligne de champ nécessaire pour le retournement est J ∝ Hc/d. Ainsi, en réduisant le diamètre de la ligne de champ on va augmenter la densité de courant qui passe dans celle-ci. Or actuellement la densité de courant qui passe dans la ligne de champ est de quelques MA/cm2 ce qui se rapproche de la densité de courant critique de l’électromigration dans le cuivre [79]. Ainsi, en allant vers des dimensions inférieures, l’électromigration pourrait devenir un problème, à moins de réduire le champ d’écriture Hc.
On voit que le champ d’écriture est source de consommation et limite la miniaturisation. Pour étendre les performances des TAS-MRAM, il faut réduire le champ d’écriture. L’objectif de cette thèse est la réduction du champ d’écriture en utilisant le couple de transfert de spin fournit par le courant de chauffage de la TAS-MRAM. On peut, avant de rentrer dans le vif du sujet, faire un point sur les solutions alternatives.
Solutions alternatives de réduction du champ d’écriture
Avant de considérer le couple de transfert de spin, on peut faire un tour des autres solutions disponibles.
D’abord, il faut noter qu’un avantage intrinsèque du TAS est que le champ coercitif est découplé de la stabilité thermique. On peut utiliser des jonctions rondes et non pas elliptiques contrairement aux Toggle MRAM car en TAS la stabilité de l’aimantation est fournie par le couplage avec l’AF et non pas pas l’anisotropie de forme. Du coup une fois chauffée, le couplage avec l’AF disparait et en principe, le champ nécessaire au retournement de l’aimantation est beaucoup plus faible que dans les mémoires Stoner-Wolfarth ou Toggle de forme elliptique.
Si on fait une estimation un peu plus détaillée de la puissance consommée par la ligne de champ pour une jonction, on obtient :
P = 1 NR × I 2 = 1 N (RLC+ RT) × 2π(d + D/2)H c 1 + χ 2 = ρD/2 D2 + RT N × 2π(d + D/2)H c 1 + χ 2 (1.40)
Où RLC est la résistance de la ligne de champ, RT est la résistance des transistors d’alimen- tation, d est la distance entre la surface de la ligne de champ et la jonction, D est la dimension transversale de la ligne de champ et N est le nombre de jonctions entre les deux extrémités de la ligne de champ.
Prenons par exemple une ligne de champ dont la résistance est de 10 Ω et il faut y faire circuler un courant de 15 mA pour écrire. Une JTM circulaire de 80 nm de diamètre avec un RA de 25 Ω·µm2 fait 5 kΩ, est en série avec un transistor de charge équivalente, et nécessite un courant de 0,2 mA pour atteindre la température de blocage. S’il faut des impulsions de 10 ns pour le chauffage et le champ magnétique, cela donne une consommation par le champ de 31 pJ contre 4 pJ pour la jonction. On voit ainsi que l’essentielle de la consommation provient de la ligne de champ, même en négligeant la résistance de ses transistors d’alimentation.
Pour réduire la consommation, on peut réduire les résistances, augmenter le rendement de la ligne de champ, ou améliorer les paramètres magnétiques des matériaux.
On peut d’abord augmenter le champ généré par un courant donné, en optimisant la section de la ligne de champ, et en diminuant la distance d entre la jonction et la ligne de champ. Une autre solution très importante est le cladding présenté sur la figure 1.23. Il s’agit de déposer un matériau ferromagnétique autour de la ligne de champ pour concentrer celui-ci et améliorer son rendement d’un facteur 2 à 4.
On peut diminuer la part de la consommation due à la génération du champ en mutualisant la ligne de champ ce qui divisera la puissance consommée par autant de bits qu’on peut écrire simultanément (N ). En pratique on peut mettre un grand nombre de jonctions par ligne de champ (typiquement 1000), mais la méthode d’écriture est par mots dont la taille dépend du design (typiquement 64 bits).
Enfin, évidemment, on peut réduire le champ d’écriture Hc= 2K/µ0Ms en diminuant l’ani- sotropie K, dont on n’a pas besoin en TAS, et en augmentant l’aimantation Ms. Ces deux paramètres fondamentaux ne sont pas à négliger. L’anisotropie de forme est facile a suppri- mer, en utilisant des jonctions rondes, mais d’autres sources d’anisotropie peuvent subsister. Par exemple l’influence de la magnétostriction (qui peut apparaître à chaque nouveau projet d’intégration) peut rendre l’anisotropie critique. Quant à l’aimantation, elle est difficile à faire varier car elle nécessiterait de changer de matériau ce qui dégraderait le signal TMR.
NiFe Cu
J
JTM
Figure 1.23 – Méthode du cladding permettant de concentrer le champ magnétique au niveau de la JTM. Source : InMRAM
réduire le champ d’écriture de telles multicouches, un travail de développement consiste à aug- menter l’aimantation ferrimagnétique effective en jouant sur l’épaisseur relative des deux couches ferromagnétiques.
Ainsi, il est possible de jouer sur plusieurs leviers pour maîtriser le champ d’écriture. Nous allons par la suite explorer comment le couple de transfert de spin peut aider à résoudre cette question.
TAS bipolaire
L’idée du TAS-bipolaire est d’utiliser avantageusement l’effet STT qui peut être apporté par l’impulsion de courant servant à chauffer la jonction pour l’écriture. En effet, la densité de courant est de l’ordre de grandeur (quelques MA/cm2) auquel apparaissent les effets de couple de transfert de spin. Ce couple favorise un état ou l’autre suivant la polarité du courant dans la jonction. Ainsi, en combinant le sens du courant dans la ligne de champ et le sens du courant dans la jonction, le couple de transfert de spin va s’ajouter au couple du champ magnétique pour aider au retournement de l’aimantation [80]. On a représenté la méthode d’écriture sur la figure 1.24.
AFxàxTxbxbasse AFxàxTbxélevée Couchexdexréférence Couchexdexstockage MgO H J H R MgO H J H R EcriturexRmin EcriturexRmax
Figure 1.24 – Méthode d’écriture TAS-bipolaire
L’idée de combiner deux sources d’énergie se trouve déjà dans l’utilisation de deux lignes de champ dans la Toggle MRAM [15], ou dans l’écriture assistée thermiquement. Ici, l’estimation du gain de puissance consommée est complexe car il dépend du design. On peut cependant faire une estimation de cette puissance consommée en modélisant l’effet du couple de transfert de spin comme une réduction du courant de la ligne de champ :
ILC= ILC0− αIMTJ (1.41)
Où ILC est le courant dans la ligne de champ, IMTJ le courant dans la jonction tunnel et α représente le STT. Alors la puissance consommée est :
P = R1ILC2 + R2IMTJ2
= R1(ILC0− αIMTJ)2+ R2IMTJ2
(1.42)
Où R1 est la somme de la résistance de ligne de champ et de la résistance des transistors
R1 = RT+ RLC et R2 est la somme de la résistance de la JTM avec le transistor de sélection
R2= RT+ RMTJ.
En fixant des valeurs pour la résistance de ligne de champ en série avec ses transistors R1, la résistance de la JTM en série avec le transistor de sélection R2 et le courant dans la ligne de champ sans STT ILC0, on peut voir comment ajuster le courant IJTMdans la jonction en fonction du STT, comme montré sur la figure 1.25. On voit qu’il y a deux cas de figure dans ce modèle simple. Soit le courant dans la jonction nécessaire pour débloquer l’AF est déjà assez important. Dans ce cas, on se contente d’améliorer l’influence du STT pour réduire la consommation. Soit le courant de chauffage est assez faible, et on peut augmenter son intensité pour réduire le courant d’écriture et réduire la consommation. Dans ce second cas, il faut prendre en compte la tension de claquage qui peut limiter le courant maximal utilisable.
Les valeurs des paramètres R1, R2 et ILC0 peuvent être assez variables comme indiqué dans la table 1.1.
R1 Ligne de champ + Transistors d’alimentation 10 Ω − 2000Ω
R2 JTM + Transistors de sélection 1000 Ω − 20000Ω
ILC0 Écriture en absence de STT 5 mA - 20 mA
0 1 0 1 STTd(u.a.) IMTJ d(u.a.) Pd(u.a.) Coura ntdcritique I2doptimaldàdSTTdconstant Ajustementddud courantdd'écriture Améliorationdded l'efficacitédSTT Courantd d'écritured actuel 1 10 102 103
Figure 1.25 – Puissance consommée en fonction du STT. La courbe noire en cloche indique le courant d’écriture dans la JTM IMTJ permettant de minimiser la puissance globale, pourvu que le champ d’écriture soit réduit au fur et à mesure que le STT augmente. Dans la zone noire, le courant d’écriture dans la JTM IMTJest supérieur au courant critique, donc il n’est pas nécessaire d’y pénétrer car à sa bordure l’écriture est possible par STT sans champ. En partant d’un système TAS sans STT, on voit deux programmes possibles de réduction de la consommation en fonction du courant d’écriture actuel. Si le courant d’écriture est en dessous de la courbe en cloche, il sera bénéfique de l’augmenter après avoir amélioré le STT pour pouvoir réduire le champ d’écriture et la consommation. Les bornes supérieures et inférieures entre lesquelles on peut travailler sont fixées par le déblocage de l’AF et la tension de claquage.
On peut faire une application numérique en prenant par exemple R1 = 1000 Ω, R2 = 2000 Ω, IMTJ = 0,7 mA (3,8 MA/cm2 pour une jonction circulaire de diamètre 150 nm) et ILC0 = 10 mA et en supposant que 10 jonctions sont mutualisées par ligne de champ. Alors sans STT la puissance consommée en écriture est de 11 mW. Si on parvient à diminuer le champ d’écriture de 50 % grâce à l’effet STT, la puissance consommée devient 3,5 mW.