2.1. Présentation du système étudié.
2.1.1. La cellule mémoire MRAM. 2.1.2. Approche adoptée.
2.2. Problèmes de fiabilité liés à la fabrication des cellules magnétiques.
2.2.1. Contamination et diffusion. 2.2.2. Rugosité des couches minces.
2.2.3. Mauvaise oxydation de la barrière tunnel.
2.3. Problèmes de fiabilité lié au fonctionnement de la mémoire.
2.3.1. Problèmes liés à la structure de la cellule magnétique. 2.3.2. Problèmes de dispersion des propriétés.
2.3.3. Stabilité thermique. 2.3.4. « Program error ».
2.4. Modèle physique d’une jonction tunnel magnétique pour simulation électrique.
2.4.1. Principe du modèle 2.4.2. Equations du modèle
Après avoir introduit dans le premier chapitre les principales caractéristiques et applications des jonctions tunnels magnétiques, nous verrons, dans ce deuxième chapitre, les principaux problèmes de fiabilité liés à l’introduction de jonctions tunnels magnétiques dans des circuits électroniques, et, plus particulièrement dans les mémoires magnétiques à accès aléatoires.
L’étude de la fiabilité doit se faire par deux approches : la compréhension des phénomènes physiques de dégradation, et l’étude analytique et statistique de ces modes de dégradation. Le cycle de vie d’un produit suit ce qu’on appelle la « courbe en baignoire » représentée sur la Figure 2.1. Nous allons, dans ce Chapitre, nous intéresser aux deux premières périodes de la vie d’une mémoire magnétique : la période de défaillances précoces qui est liée aux imperfections de la fabrication de la mémoire et la période de défaillances d’usure, qui traduit, en quelque sorte, la fiabilité intrinsèque en fonctionnement de la mémoire.
Dans un premier temps, nous décrirons la cellule mémoire que nous allons étudier, ainsi que l’approche que nous avons adoptée pour cette étude.
Nous verrons ensuite les problèmes de fiabilité liés à la fabrication pouvant causer des défaillances précoces.
Puis, nous nous intéresserons aux problèmes de fiabilité susceptibles d’intervenir pendant la période de fonctionnement de la mémoire.
Enfin, comme perspective de cette première partie, nous décrirons brièvement les principes permettant de mettre en place un modèle électrique (type SPICE) des jonctions tunnels magnétiques. Période de défaillances précoces Période de défaillances à taux constant Période de défaillances d’usure Taux de défaillances Temps
Figure 2.1 : cycle de vie d’un produit. La courbe en baignoire traduit les différentes périodes de la « vie » d’un produit en représentant le taux de défaillances en fonction du temps.
2.1. Présentation du système étudié.
Nous allons, dans cette partie, présenter un peu plus en détail les dispositifs dont nous étudions la fiabilité. Nous avons vu au Chapitre 1, le principe de fonctionnement de ce type de dispositif. Nous verrons ici plus précisément les objets sur lesquels se sont portées nos études.
2.1.1. La cellule mémoire MRAM.
Une cellule mémoire MRAM est composée d’une jonction tunnel magnétique en série avec un transistor. Nous avons vu dans le Chapitre 1 que les jonctions tunnels magnétiques constituent les « bits » de la mémoire magnétique. Elles sont formées d’un empilement complexe d’une dizaine de couches minces, et par conséquent leur réalisation technologique est particulièrement critique. Nous allons détailler dans ce paragraphe le rôle de chacune de ces couches minces afin de mieux comprendre les problèmes susceptibles d’apparaître. Nous allons décrire, sur la Figure 2.2, deux types d’empilement. Le premier est un empilement ‘simple’ où l’écriture de la cellule MRAM se fait par un adressage du type Stoner-Wohlfarth. Le second correspond à l’empilement nécessaire à l’écriture mise en place par L. Savtchenko [Savtchenko 2003]. L’empilement type ‘Stoner Wohlfarth’ suit le principe décrit par D.W. Abraham [Abraham 2006]. De la même manière, l’empilement type ‘Savtchenko’ suit le principe décrit par B.N. Engel [Engel 2004]. Une image en microscopie électronique par transmission présentée par J. Slaughter au Cornell Nanotechnology Symposium en mai 2004 permet de mieux visualiser les épaisseurs des différentes couches minces.
Le premier empilement est constitué de huit couches minces. Nous allons les décrire du bas vers le haut.
L’électrode basse est une couche d’épaisseur typique 50 nm. Elle est souvent constituée de Tantale qui permet à la fois un bon contact électrique et une bonne croissance des couches supérieures (rugosité très faible).
La couche d’antiferromagnétique, comme nous l’avons vu au Chapitre 1, permet de ‘fixer’ à l’aide d’un champ d’échange la couche ‘fixe’. Elle est typiquement constituée d’un alliage IrMn ou d’un alliage PtMn et est d’une épaisseur de l’ordre d’une vingtaine de nanomètres. La couche ‘fixe’ est constituée d’un antiferromagnétique synthétique (SAF) compensé (moment magnétique total nul). Ce SAF est composé de deux couches magnétiques couplées antiferromagnétiquement par une couche métallique d’espaceur, couramment de Ruthénium. Les couches magnétiques sont typiquement constituées de Co, CoFe ou CoFeB. Le couplage d’échange entre les deux couches magnétiques, J, dépend de l’épaisseur de l’espaceur et est de l’ordre de quelques centièmes d’erg par cm2.
AF SAF ‘fixe’ Électrode basse Couche ‘libre’ Électrode haute Barrière tunnel AF SAF ‘fixe’ SAF ‘libre’ Électrode basse Électrode haute Barrière tunnel
Figure 2.2 : empilements typiques pour des cellules MRAM avec un adressage du type Stoner-Wohlfarth (à gauche), et pour des cellules MRAM avec un adressage du type Savtchenko (à droite), et image TEM (Microscope Electronique en Transmission) d’une jonction tunnel magnétique présentée par J. Slaughter au Cornell Nanotechnology Symposium, mai 2004.
Couche libre
Barrière tunnel Al2O3
Anti Ferromagnétique SAF
Ferro1
Espaceur : Ru Ferro 2
La barrière tunnel est une couche d’isolant de moins d’ 1 nm d’épaisseur. Dans notre cas, l’isolant est de l’Alumine amorphe (Al2O3), mais nous avons vu au Chapitre 1 qu’il existe d’autres barrières tunnels possibles telles que le TiO2 (utilisé dans les têtes de lectures de disques durs) et le MgO.
La couche libre des empilements qui ont un retournement du type Stoner-Wohlfarth est une couche simple couramment constituée de Permalloy Ni80Fe20 et d’une dizaine de nm d’épaisseur.
Enfin, l’électrode haute, de même que l’électrode basse est souvent constituée de Tantale ou d’un alliage de Tantale.
L’empilement pour le retournement ‘Savtchenko’ suit le même principe, sauf que la couche libre a été remplacée par un système antiferromagnétique synthétique de deux couches de Permalloy couplée à l’aide d’un espaceur de Ruthénium antiferromagnétiquement.
Cette structure complexe, et le fait que les propriétés magnétiques utilisées dans ces empilements soient des propriétés interfaciales va générer un certain nombre de faiblesses potentielles pour la fiabilité de ces structures.
2.1.2. Approche adoptée.
La Figure 2.3 décrit l’intégration d’une cellule MRAM dans une vue en coupe des différents niveaux. L’encadré rouge en pointillé représente une cellule de la mémoire avec une jonction tunnel magnétique reliée par les différents niveaux de métallisation en série avec un transistor au niveau du substrat de silicium. On peut aussi noter la présence des lignes métalliques d’adressage (digit line et bit line).