25 octobre 2016
Désaligner pour écrire plus vite
Contact : Bernard Dieny

Figure : a) Champ de résonance FMR en fonction de l’angle du champ appliqué par rapport à la normale au plan de l’échantillon montrant que l’anisotropie possède un terme d’ordre 2 (uniaxial) et d’ordre 4 (quadratique). b) distribution d’événements de commutation de STO montrant une distribution plus étroite et à plus faible tension d’écriture Vsw en présence de l’anisotropie de cône facile par rapport à une simple anisotropie perpendiculaire

L’écriture des mémoires magnétiques conventionnelles à base de jonctions tunnel magnétiques (STT-MRAM) est intrinsèquement stochastique : il faut attendre une fluctuation thermique importante pour déclencher la commutation d’aimantation de la couche de stockage. SPINTEC a montré qu’on peut quasiment supprimer cette stochasticité en induisant dans la couche de stockage une anisotropie oblique (anisotropie de cône facile) ce qui augmente beaucoup la vitesse d’écriture de la mémoire.

Dans les mémoires magnétiques MRAM,  l’information est codée par l’orientation relative des aimantations de deux couches ferromagnétiques : la couche de stockage (STO) d’aimantation commutable et la couche de référence (REF) d’aimantation fixe (« 0 »=alignement parallèle=état de faible résistance, « 1 »=alignement antiparallèle=état de forte résistance). Ces aimantations sont orientées perpendiculairement au plan des couches. A l’écriture, l’aimantation de STO est commutée par le phénomène de transfert de spin (STT) qui résulte de l’interaction d’échange entre le spin des électrons injectés dans STO (polarisés en spin suivant l’aimantation de REF) à travers la barrière tunnel et ceux responsables de l’aimantation de STO.  Lorsque les aimantations de STO et REF sont strictement parallèles ou antiparallèles ce couple est nul. Il faut créer un petit angle initial entre les aimantations de STO et REF pour déclencher ce retournement. Dans les STT-MRAM, cet angle intial est dû aux fluctuations thermiques des aimantations. Ceci donne un caractère stochastique au retournement d’aimantation et oblige d’allonger la durée du pulse de courant d’écriture autant que nécessaire (pour atteindre un taux d’erreur suffisamment faible (10-11 par exemple).

Ceci est gênant pour réaliser des mémoires rapides (durée d’écriture ~ ns) comme pour les applications Cache (type SRAM). Dans cette étude, nous avons montré qu’on peut s’affranchir de ce problème en induisant dans STO une anisotropie dite « de cône facile » [1] . Ceci signifie que l’aimantation de la couche STO, au lieu d’être alignée à l’équilibre suivant la normale au plan des couches, est libre de s’aligner dans n’importe quelle direction sur un cône d’axe normal au plan de la couche. La couche REF conserve quant à elle son anisotropie perpendiculaire. Grace à cette anisotropie de cône facile, les aimantations des couches STO et REF forment toujours un angle entre elles ce qui permet de déclencher le retournement de l’aimantation de la couche STO dès le début du pulse de courant d’écriture. Une telle anisotropie de cône facile a été mise en évidence au laboratoire. Elle résulte de l’existence de termes d’anisotropie d’ordre supérieur  que l’on a pu révéler par des mesures de résonance ferromagnétique (voir Figure a)). Ce terme quadratique d’anisotropie résulte lui-même de fluctuations spatiales de l’anisotropie uniaxiale que l’on peut induire lors du dépôt et du recuit de la jonction tunnel magnétique. Grace à cette anisotropie de cône facile, l’écriture est beaucoup plus reproductible et peut donc être effectuée plus rapidement et/ou à plus basse tension donc avec  moins de consommation d’énergie (voir Figure b).

[1] A. Timopheev, R. Sousa, M. Chshiev, H.T. Nguyen, B. Dieny, Scient.Reports. 6, 26877 (2016).

 

Maj : 25/10/2016 (1210)

 

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