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MEMOIRE MAGNETIQUE A JONCTION TUNNEL MAGNETIQUE A ECRITURE ASSISTES
THERMIQUEMENT ET PROCEDE POUR SON ECRITURE
Domaine techniaue
La présente invention se rattache au domaine des mémoires magnétiques, et
notamment des mémoires magnétiques à accès aléatoire non volatiles permettant
le
stockage et la lecture de données dans des systèmes électroniques. Plus
précisément,
elle concerne les mémoires à accès aléatoire magnétique, appelées M-RAM
(Magnetic Rarzdonz Access Mernory), constituées d'une jonction tunnel
magnétique.
L'invention concerne également un procédé d'écriture thermomagnétique au
sein d'une telle mémoire.
Etat antérieur de la techniaue
Les mémoires magnétiques M-RAM ont connu un regain d'intérêt avec la mise
au point de jonction tunnel magnétique (MTJ, pour "Magtzetic Tuytnel
Juytctiorz")
présentant une forte magnéto-résistance à température ambiante. Ces mémoires
magnétiques à accès aléatoire présentent de nombreux atouts
- rapidité (quelques nanosecondes de durée d'écriture et de lecture),
- non volatilité,
- absence de fatigue à la lecture et à l'écriture,
- insensibilité aux radiations ionisantes.
Ce faisant, elles sont susceptibles de remplacer les mémoires de technologie
plus traditionnelle, basées sur l'état de charge d'une capacité (DRAM, SRAM,
FLASH) et ainsi devenir une mémoire universelle.
Dans les premières mémoires magnétiques réalisées, le point mémoire était
constitué d'un élément dit "à magnéto-résistance géante", constitué d'un
empilement
3o de plusieurs couches métalliques alternativement magnétiques et non
magnétiques.
Une description détaillée de ce type de structure peut, par exemple, être
trouvée dans
les documents US-A-4 949 039 et US-A-5 159 513 pour la structure de base, et
dans
le document US-A-5 343 422 pour la réalisation d'une mémoire RAM à partir de
ces
structures de base.
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Cette technologie, de par son architecture, permet la réalisation de mémoires
non volatiles avec une technologie simple, mais de capacité limitée. En effet,
le fait
que les éléments mémoires soient connectés en série le long de chaque ligne
limite la
possibilité d'intégration, puisque le signal est de plus en plus faible
lorsque le nombre
d'éléments augmente.
La mise au point des points mémoire à jonction tunnel magnétique (MTJ) a
permis une augmentation significative des performances et du mode de
fonctionnement de ces mémoires. Ces mémoires magnétiques à jonction tunnel
magnétique ont, par exemple, été décrites dans le document US-A-5 640 343.
Dans
leurs formes les plus simples, elles sont composées de deux couches
magnétiques de
coercitivité différente, séparées par une couche mince isolante.
Ces MRAM à jonction tunnel magnétique ont fait (objet de perfectionnements
tels que par exemple décrits dans le document US-A-6 021 065 et dans la
publication
"Journal of Applied Physics" - Vol. 81, 1997, page 3758 et représenté au sein
de la
figure 1. Ainsi que l'on peut l'observer, chaque élément mémoire (10) est
constitué de
(association d'un transistor CMOS (12) et d'une jonction tunnel MTJ (11).
Ladite
jonction tunnel (11) comporte au moins une couche magnétique (20) dite "couche
de
stockage", une fine couche isolante (21) et une couche magnétique (22) dite
"couche
de référence".
Préférentiellement, mais de manière non limitative, les deux couches
magnétiques sont réalisées à base des métaux 3d (Fe, Co, Ni) et leurs
alliages, et la
couche isolante est traditionnellement constituée d'alumine (A1203).
Préférentiellement, la couche magnétique (22) est couplée à une couche
anti-ferromagnétique (23), dont la fonction est de piéger la couche (22), afin
que son
aimantation ne bascule pas, ou bascule de façon réversible sous l'effet d'un
champ
magnétique extérieur. Préférentiellement, la couche de référence (22) peut
être, elle
3o même, constituée de plusieurs couches, comme par exemple décrit dans le
document
US-A-5 583 725, afin de former une couche anti-ferromagnétique synthétique.
Il est également possible de remplacer la simple jonction tunnel par une
double
jonction tunnel comme cela est décrit dans la publication Y.Saito et al.,
Journal of
Magnetism and Magnetic Materials vo1.223 (2001) page 293. Dans ce cas la
couche
de stockage est prise en sandwich entre deux couches fines isolantes, avec
deux
couches de référence situées du côté opposé desdites couches isolantes.
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Lorsque les aimantations des couches magnétiques de stockage et de référence
sont anti-parallèles, la résistance de la jonction est élevée. En revanche,
lorsque les
aimantations sont parallèles, cette résistance devient faible. La variation
relative de
résistance entre ces deux états peut typiquement atteindre 40 % par un choix
approprié des matériaux constitutifs des couches de (empilement et/ou de
traitement
thermique de ces matériaux. Ainsi que déjà précisé, la jonction (11) est
placée entre
un transistor de commutation (12) et une ligne d'amenée de courant (14) (Word
Line)
formant une ligne conductrice supérieure. Un courant électrique passant dans
celle-ci
produit un premier champ magnétique. Une ligne conductrice (15) inférieure
(Bit
lo Line), généralement disposée de manière orthogonale par rapport à la ligne
(14)
(Word Line) permet, lorsqu'on y fait circuler un courant électrique, de
produire un
second champ magnétique.
Dans le mode écriture, le transistor (12) est bloqué, et aucun courant ne
traverse donc le transistor. On fait circuler des impulsions de courant dans
la ligne
d'amenée de courant (14) et dans la ligne (15). La jonction (11) est donc
soumise à
deux champs magnétiques orthogonaux. L'un est appliqué selon Taxe
d'aimantation
difficile de la couche de stockage, également dénommée "couche libre" (22),
afin d'y
réduire son champ de retournement, tandis que (autre est appliqué selon son
axe de
facile aimantation, afin de provoquer le retournement de l'aimantation et donc
(écriture du point mémoire.
Dans le mode lecture, le transistor (12) est placé en mode saturé, c'est-à-
dire
que le courant électrique traversant ce transistor est maximum, par l'envoi
d'une
impulsion de courant positif dans la grille dudit transistor. Le courant
électrique
envoyé dans la ligne (14) traverse uniquement le point mémoire, dont le
transistor est
placé en mode saturé. Ce courant électrique permet de mesurer la résistance de
la
jonction de ce point mémoire. Par comparaison avec un point mémoire de
référence,
on sait alors si (aimantation de la couche de stockage (22) est parallèle ou
anti-
3o parallèle à celle de la couche de référence (20). L'état du point mémoire
considéré
(<e 0 » ou <e 1 ») peut ainsi être déterminé.
Les impulsions de champ magnétique générées par les deux lignes (14, 15)
permettent, ainsi qu'on (aura compris, la commutation de (aimantation de la
couche
de stockage (20) lors du processus d'écriture. Ces impulsions de champ
magnétique
sont produites en envoyant des impulsions de courant courtes (typiquement 2 à
5
nanosecondes) et d'intensité faible (typiquement inférieure à 10 milliampères)
le long
des lignes de courant (14, 15). L'intensité de ces impulsions et leur
synchronisation
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sont ajustées de sorte que seule l'aimantation du point mémoire se trouvant à
(intersection de ces deux lignes de courant (point sélectionné) peut commuter
sous
(effet du champ magnétique généré par les deux conducteurs. Les autres points
mémoires, situés sur la même ligne ou sur la même colonne (points demi-
s sélectionnés) ne sont, de fait, assujettis qu'au champ magnétique d'un seul
des
conducteurs (14, 15), et en conséquence ne se retournent pas.
Afin d'obtenir un fonctionnement satisfaisant de cette architecture lors du
processus d'écriture, il est nécessaire d'utiliser des points mémoire de forme
1o anisotrope, généralement des ellipses, croissants, demi-ellipses,
diamants... avec des
rapports longueur sur largeur élevés, typiquement 1.5 et plus. (voir figure
2.). Cette
géométrie est en effet requise pour obtenir
- d'une part, un fonctionnement bi-stable, c'est-à-dire deux états bien
définis
du point mémoire correspondant à l'état « 1 » et à (état e< 0 »,
15 - et d'autre part, une bonne sélectivité à l'écriture entre les points
mémoire
sélectionnés et les points mémoire demi-sélectionnés situés sur une même
ligne ou une même colonne.
- une bonne stabilité thermique et temporelle
20 De par le mécanisme de structure de ces points mémoire, on comprend
clairement les limites de cette architecture.
L'écriture étant constituée par un champ magnétique extérieur, elle est
assujettie à la valeur du champ de retournement individuel de chaque point
mémoire.
25 Si la fonction de distribution des champs de retournement pour (ensemble
des points
mémoire est large (en effet, elle n'est pas uniforme en raison des contraintes
de
fabrication et des fluctuations statistiques intrinsèques), il est nécessaire
que le
champ magnétique sur le point mémoire sélectionné soit supérieur au champ de
retournement le plus élevé de la distribution, au risque de renverser
accidentellement
3o certains points mémoire situés sur la ligne ou sur la colonne
correspondante, dont le
champ de retournement, situé dans la partie basse de la distribution, est plus
faible
que le champ magnétique généré par la ligne ou la colonne seule. Inversement,
si fon
souhaite s'assurer qu'aucun point mémoire ne soit écrit par une ligne ou une
colonne,
il faut limiter le courant d'écriture de telle sorte à ne jamais dépasser,
pour ces points
35 mémoire, le champ magnétique correspondant à la partie basse de la
distribution, au
risque de ne pas écrire le point mémoire sélectionné à l'intersection desdites
ligne et
colonne, si son champ de retournement est situé dans la partie haute de la
distribution.
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En d'autres termes, cette architecture à sélection par champ magnétique à
(aide
de lignes et de colonnes ou conducteurs, peut facilement conduire à des
erreurs
d'adressage à (écriture. Compte-tenu de ce qu il est attendu que la fonction
de
distribution des champs de retournement des points mémoire soit d'autant plus
large
5 que leur dimension est faible, puisque c'est la géométrie des points mémoire
(forme,
irrégularité, défaut) qui domine le mécanisme de renversement de
l'aimantation, cet
effet ne peut qu'empirer dans les générations de produits futurs.
Selon un perfectionnement décrit dans le document US-A-5 959 880, le rapport
d'aspect du point mémoire peut être diminué en utilisant l'anisotropie
intrinsèque du
matériau constitutif de la couche de stockage (connue par l'homme de l'art
sous le
nom de l'anisotropie magnétocristalline) pour définir les deux états stables
du
système. Avec cette approche, cependant, la stabilité temporelle ou thermique
du
système n'est cependant plus garantie car c'est le même paramètre physique qui
gouverne le processus d'écriture et la stabilité thermique
- si l'anisotropie magnétocristalline est importante, le système est stable
(en
temps et en température) et les deux états du point mémoire sont bien
définis. En revanche, le champ magnétique requis pour renverser
l'aimantation dudit point mémoire d'un état stable à l'autre (le champ
d'écriture) est important, donc la puissance consommée lors du processus
d'écriture est grande.
- Inversement, si l' anisotropie magnétocristalline est faible, la puissance
consommée à l'écriture est faible, mais la stabilité thermique et temporelle
n'est plus assurée. De plus, les deux états au repos du point mémoire sont
mal définis car les structures magnétiques â l'intérieur du point mémoire
sont complexes et multiples selon le cyclage en champ.
En d'autres termes, il est impossible d'assurer simultanément une faible
puissance consommée et la stabilité thermique et temporelle.
Selon un perfectionnement décrit par exemple dans le brevet US-A-6 385 082,
une impulsion de courant est envoyée à travers le point mémoire lors du
processus
d'écriture, en ouvrant le transistor (12), dans (objectif d'induire un
échauffement
significatif dudit point mémoire. L'échauffement du point mémoire produit un
abaissement du champ magnétique d'écriture requis. Pendant cette phase oû la
température du point adressé est significativement supérieure à celle des
autres points
mémoire, des impulsions de courant sont envoyées dans les lignes (14, 15) pour
créer
deux champs magnétiques orthogonaux, permettant la commutation de (aimantation
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de la couche de stockage de la jonction considérée. Cette écriture, assistée
thermiquement, permet d'améliorer la sélection à l'écriture, puisque seul le
point
mémoire sélectionné est échauffé, les autres points mémoire demi sélectionnés
sur la
même ligne ou sur la même colonne restant à température ambiante. En d'autres
termes, le perfectionnement décrit dans ce document vise à augmenter la
sélectivité à
l'écriture en échauffant la jonction adressée tout en gardant le concept de
base
d'écriture par envoi de deux impulsions de champs magnétiques orthogonaux.
D'autres méthodes d'adressage, également basées sur une élévation de
température du point mémoire, mais utilisant un seul champ magnétique ou une
commutation magnétique par injection de courant polarisé en spin dans la
couche de
stockage ont été décrites dans les documents FR 2 829 867 et FR 2 829 868.
La mise en oeuvre d'un tel chauffage du point mémoire sélectionné offre
différents avantages, parmi lesquels on peut citer
- une amélioration importante de la sélectivité à (écriture, puisque seul le
point mémoire à écrire est chauffé,
- une amélioration importante de la sélectivité à (écriture, en utilisant des
matériaux à fort champ d'écriture à température ambiante,
2o - une amélioration de la stabilité en champ magnétique nul (rétention) en
utilisant des matériaux à forte anisotropie magnétique (intrinsèque ou liée à
la forme du point mémoire) à température ambiante,
- la possibilité de diminuer fortement la taille du point mémoire sans
affecter
la limite de stabilité, en utilisant des matériaux à forte anisotropie
magnétique à température ambiante.
Descriptif sommaire de l'invention
L'objectif de la présente invention est d'optimiser de manière supplémentaire
3o les avantages précédemment évoqués en abaissant le champ de retournement de
(aimantation du point mémoire par la sélection d'une géométrie particulière
dudit
point mémoire, et notamment en mettant en oeuvre une géométrie circulaire. En
effet,
il a pu être montré, et c'est là le coeur de la présente invention, que dans
le cadre
d'une telle géométrie circulaire du point mémoire, l' anisotropie de forme du
point
mémoire qui est responsable d'une augmentation du champ de retournement de
(aimantation est nulle. Par voie de conséquence, la puissance électrique
requise pour
réaliser l'écriture d'un point mémoire peut être considérablement abaissée
dans
l'approche écriture assistée thermiquement. Ce résultat constitue un avantage
décisif,
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en particulier pour les applications portables et pour les applications en
technologie
sur SOI (Silicium sur Isolant).
A cet égard, il convient de souligner que l' utilisation simple d' une
géométrie
circulaire, telle que décrite dans le document précité US-A-5 959 880, sans
utiliser ni
l'approche d'écriture assistée thermiquement ni l'optimisation telle que
décrite dans
la présente invention, ne permet pas d'assurer la fonctionnalité recherchée
car il est
alors impossible, pour la raison décrite ci-dessus, d'assurer simultanément
une faible
puissance consommée et la stabilité thermique et temporelle.
lo
Ainsi, (invention concerne une mémoire magnétique à écriture assistée
thermiquement, dont chaque point mémoire est constitué d'une jonction tunnel
magnétique, et dont la section parallèlement au plan des couches constitutives
de la
jonction tunnel est circulaire ou sensiblement circulaire, ladite jonction
tunnel
comprenant au moins
- une couche magnétique de référence, dite "couche piégée", dont
(aimantation est de direction fixe,
- une couche magnétique de stockage, dite "couche libre", dont la direction
d'aimantation est variable,
- une couche isolante, interposée entre la couche libre et la couche piégée,
et dans laquelle la couche de stockage est formée d'au moins une couche
magnétique
douce, c'est-à-dire d'anisotropie magnétique réduite, préférentiellement
inférieure à
10 Oersted, et typiquement comprise entre 1 et 3 Oersted, et d'une couche de
piégeage, les deux couches étant couplées magnétiquement par contact,
et dans laquelle la température de fonctionnement de la mémoire en lecture ou
au
repos est choisie en dessous de la température de blocage des couches
respectivement
libre et piégée, c'est à dire la température à laquelle le piégeage magnétique
disparaît.
Selon un aspect avantageux de l'invention, la couche magnétique douce de la
3o couche de stockage est constituée d'un alliage à base de nickel, de cobalt
et de fer et
la couche de piégeage est constituée d'un alliage à base de fer et de cobalt,
ou d'un
alliage anti-ferromagnétique à base de manganèse, ou d'alliages amorphes à
base de
terre rare et de métal de transition.
Toujours selon (invention, la couche de référence ôu couche piégée est
préférentiellement constituée d'une couche synthétique anti-ferromagnétique
artificielle, constituée de deux couches ferro-magnétiques en alliages à base
de
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nickel, de cobalt et de fer, séparées d'une couche non magnétique, de telle
sorte que
les aimantations des deux couches ferromagnétiques soient anti-parallèles.
Comme il est connu de l'homme de l'art, les couches de stockage et de
référence peuvent en outre comporter près de l'interface avec la barnère
tunnel une
couche additionnelle de cobalt ou d'alliage riche en cobalt et destinée à
augmenter la
polarisaïion des électrons tunnel et donc l'amplitude de magnétorésistance.
Selon l'invention, les ~ points mémoire sont organisés en réseau, chaque point
1o mémoire étant connecté en son sommet à une ligne conductrice et â sa base,
à un
transistor de sélection, l'écriture étant réalisée au niveau d'un point
mémoire
considéré par l'envoi simultané d'impulsions de courant électrique dans ledit
conducteur et d'un courant de chauffage par (ouverture dudit transistor.
Selon une caractéristique avantageuse de (invention, le transistor de commande
et sa ligne de commande correspondante sont placés sous le point mémoire
considéré.
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en
découlent
ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre
indicatif et
non limitatif, à (appui des figures annexées.
Descriution sommaire des ~~ures
La figure l, déjà décrite, est une représentation schématique de (architecture
d'une mémoire magnétique de (état antérieur de la technique, dont les points
mémoire sont constitués par une jonction tunnel magnétique.
La figure 2, également déjà décrite, est une représentation schématique des
formes des points mémoire de fart antérieur.
La figure 3 est une représentation schématique illustrant (état d'aimantation
des
3o couches constitutives des points mémoire, respectivement à (état « 1 » et à
l'état
«0».
La figure 4A est une représentation schématique d'un point mémoire conforme
à une première forme de réalisation de l'invention, dont la figure 4B est une
vue
schématique du dessus.
La figure 5A est une représentation schématique d'un point mémoire selon une
variante de l'invention, dont la figure 5B est une vue schématique du dessus.
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La figure 6A est une représentation schématique d'une autre variante d'un
point
mémoire conforme à la présente invention, dont la figure 6B est une vue
schématique
du dessus.
La, figure 7 décrit la variation calculée du champ d'écriture requis dans un
point
mémoire elliptique à base de Ni8oFe2o1Co9oFelo (épaisseurs respectives 30 et
15
Angstrom) en fonction de la longueur du point mémoire pour différents facteurs
de
forme AR=longueur/largeur.
Description détaillée de l'invention
On a représenté au sein de la figure 3 les orientations de l'aimantation des
différentes couches constitutives d'un point mémoire, notamment de l'art
antérieur.
Selon celui-ci, la couche de stockage (30) est constituée d'un empilement
comprenant
au moins une couche ferro-magnétique (32) et une couche anti-ferromagnétique
(31).
Ces deux couches sont déposées de telle sorte qu'un couplage d'échange
magnétique
s'établisse entre les deux couches. L'empilement du point mémoire complet
comporte
également au moins une couche isolante (33) et une couche de référence (34),
avantageusement associées à une couche de piégeage (35). Cette architecture
est
décrite sous la dénomination de couche de stockage piégée. Les avantages
procurés
2o par cette architecture sont multiples
- limite de stabilité des points mémoires repoussée,
- insensibilité aux champs magnétiques externes,
- possibilité de réaliser des stockages mufti-niveaux.
Selon (invention, le point mémoire utilisant une couche de stockage piégée
n'est plus de forme allongée, mais de forme circulaire et plus précisément, sa
section
transversale parallèlement au plan des couches le constituant est circulaire.
En
d'autres termes, le point mémoire présente un profil cylindrique ou conique,
et donc
une symétrie de révolution.
Selon l'invention, le point mémoire peut également être de géométrie non
circulaire tant que son rapport d'aspect reste inférieur à 1.2 (20% de
différence entre
la longueur et la largeur).
Ce faisant, et comme déjâ indiqué précédemment, l'anisotropie de forme du
point mémoire est minimisée, diminuant de manière significative le champ de
retournement de (aimantation du point mémoire en processus d'écriture, et par
voie
de conséquence, diminuant la puissance électrique requise. Un exemple de la
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dépendance du champ d'écriture pour les différents facteurs de forme est donné
dans
la figure 7. On observe sur cette figure que le lorsque le point mémoire n'est
pas de
géométrie circulaire, le champ d'écriture (exprimé ici en courant dans les
conducteurs utilisé pour générer le champ magnétique) croît fortement lorsque
la
5 dimension du point mémoire est réduite en dessous de 200nm, et d' autant
plus
abruptement que le rapport d'aspect (quotient de la longueur sur la largeur)
est
important. Au contraire, lorsque le point mémoire est de géométrie circulaire
(rapport
d'aspect = 1), le champ d'écriture décroît de manière monotone avec la
dimension du
point mémoire, même en dessous de 200 nm.
Avantageusement, la couche de stockage (30) ou couche libre est formée d'un
matériau doux, c'est-à-dire dont le champ de renversement (champ coercitif)
est très
faible. Préférentiellement, ce matériau est un alliage contenant du nickel, du
fer ou du
cobalt, en particulier du perrnalloy NiBOF'eZO ,NiFeCo ou FeCoB. En effet,
l'utilisation
d'un matériau très doux permet de diminuer le champ magnétique requis à
l'écriture,
donc la puissance consommée.
Avantageusement, les couches de piégeage (31) et (35) sont constituées d'un
matériau anti-ferromagnétique et notamment d'un alliage à base de manganèse de
type Pt5oMn5o, h2oMn8o ou NiSOMnso. Il est important de préciser que les
épaisseurs,
la nature chimique ou la microstructure des couches de piégeage (31) et (35)
different
afin que leurs températures de blocage (température à laquelle le couplage
d'échange
avec la couche ferromagnétique adjacente, respectivement la couche de stockage
(30)
et la couche de référence (34)) soient bien différenciées. Plus précisément,
la
température de blocage de la couche (31) doit être inférieure à celle de la
couche (35)
afin de permettre, lors de l'écriture, de débloquer l'aimantation de la couche
de
stockage (30) à écrire, sans altérer la direction de l'aimantation de la
couche de
référence (34) du même point mémoire.
3o Avantageusement, la couche de référence (34) est une structure synthétique
constituée d'une couche synthétique anti-ferromagnétique et de deux couches
ferro-
magnétiques en alliages à base de nickel, de cobalt et de fer, séparées d'une
couche
non magnétique, de telle sorte que les aimantations des deux couches
ferromagnétiques soient couplées avec des orientations anti-parallèles de
leurs
aimantations, afin de minimiser le champ magnéto-statique agissant sur la
couche de
stockage (30).
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Avantageusement, les couches de stockage et de référence peuvent en outre
comporter près de l'interface avec la barrière tunnel une couche additionnelle
de
cobalt ou d' alliage riche en cobalt, et destinée à augmenter la polarisation
des
électrons tunnel et donc l'amplitude de magnétorésistance.
On a représenté schématiquement en relation avec les figures 4A et 4B, la
structure d'un point mémoire conforme à (invention. Le point mémoire comporte
la
jonction tunnel magnétique proprement dite, de forme cylindrique ainsi que
déjà dit,
un transistor d'adressage (46) muni de sa ligne de commande (47) et un
conducteur
lo (48), permettant de générer le champ magnétique parallèlement à Taxe facile
de
(aimantation de la couche de stockage (41). L'aimantation des couches
magnétiques
est sensiblement dans le plan des couches.
Avantageusement et comme expliqué précédemment, cette structure à simple
barrière tunnel pourrait avantageusement être remplacée par une structure à
double
barrière tunnel. Dans ce cas, la couche de stockage (41) est constituée d'une
tricouche antiferromagnétique (par exemple IrZOMnBO) en sandwich entre deux
couches ferromagnétiques, simple ou complexes, (par exemple
NisoFe2o/Co9oFeio).
Cette « tricouche » de stockage est insérée entre deux barnères tunnels,. du
côté
opposé desquelles se situent les deux couches de référence similaires à celles
décrite
dans l' état de l' art.
Le fonctionnement de ces structures peut être décrit de la manière suivante.
Les températures de blocage des couches de stockage et de référence doivent
étre supérieures à la température de fonctionnement de la mémoire hors
échauffement, et même nettement supérieure à cette température de
fonctionnement,
dès lors que l'on souhaite stocker l'information de manière stable. La
température de
blocage de la couche de stockage doit être inférieure à celle de la couche de
3o référence.
Ainsi, en phase d'écriture, le transistor (46) associé au point mémoire (40)
est
commuté en mode bloqué par une impulsion de tension dans la ligne (47). En
même
temps, une impulsion de tension est appliquée au point mémoire (40) par le
biais de
la ligne (48), de telle sorte qu'un courant électrique circule à travers la
jonction
tunnel (40) via le transistor (46). Le niveau de tension est défini de telle
sorte que la
densité de puissance produite au niveau de la jonction permette une élévation
la
température de la jonction tunnel (40) à une température supérieure à la
température
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de blocage de la couche anti-ferromagnétique (42), et inférieure à la
température de
blocage de la couche de piégeage (45). A cette température, (aimantation de la
couche de stockage (41) n'est plus piégée par la couche (42) et peut donc se
retourner
sous (effet d'un champ magnétique d'écriture. En revanche, (aimantation de la
couche de référence (44), constituée d'un matériau à forte anisotropie magnéto-
cristalline, et séparée de la couche de stockage (41) par la barrière isolante
(43), reste
piégée par la couche (45), dont la température de blocage est supérieure à
celle de la
couche (42), de sorte qû elle ne commute pas sous (effet du champ magnétique
d'écriture.
lo
Il est à noter qu'en considérant une densité de courant maximum de 10
mA./~um2 afin de limiter la taille du transistor de commande (46), et un
produit RxA
(résistance x surface) de la jonction tunnel (40) de 100 et 200 Ohms~m2
(valeurs
accessibles dans l' état de l' art) pour des jonctions à simple et double
barrière,
respectivement, les tensions à appliquer sont de l'ordre de 1 à 2 volts. Ces
valeurs
sont tout à fais admissibles en régime dynamique (impulsions électriques de
courte
durée).
Ilne fois le point mémoire échauffé au dessus de la température de blocage de
2o la couche antiferromagnétique (42), le chauffage est stoppé en fermant le
transistor
(46) de manière à couper le courant de chauffage circulant au travers de la
jonction
tunnel (40). L'impulsion de courant dans le conducteur d'excitation (48), qui
ne passe
plus à travers la jonction tunnel (40), est maintenue avec un signe et une
amplitude
tels que le champ magnétique produit permette le renversement de l'aimantation
de la
couche de stockage (41) dans la direction désirée. La synchronisation et la
durée de
(impulsion doivent être ajustées de telle sorte que l'aimantation de 1a couche
de
stockage (41) soit orientée dans la direction désirée pendant le
refroidissement du
point mémoire (40), jusqu'à une température du point mémoire inférieure à la
température de blocage de la couche antiferromagnétique (42). Il est alors
possible de
couper les courant dans la ligne (48). Le point mémoire (40) finit alors de
redescendre à la température de fonctionnement hors écriture et l'aimantation
de la
couche de stockage (41) finit de se figer dans la direction désirée. Le point
mémoire
est alors écrit.
Afin de mieux saisir l'avantage inhérent à la mise en oeuvre d'un point
mémoire cylindrique, tel que décrit dans la présente invention, il convient
d'exprimer
l'énergie de la hauteur de barrière de potentiel qu'il faut franchir pour
passer d'un
état e< 0 » à un état « 1 » du point mémoire, ladite hauteur de barrière de
potentiel
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étant directement liée d'une part, à la valeur du champ magnétique qu'il faut
appliquer pour écrire le point mémoire, donc à la puissance consommée, et
d'autre
part à la stabilité thermique et temporelle des données écrites.
Dans le cas de l'état antérieur de la technique où la couche de stockage n'est
pas piégée par interaction d'échange à la couche de piégeage (42), la
stabilité
thermique de la mémoire est assurée par l'anisotropie de forme du point
mémoire,
directement reliée au rapport d'aspect entre longueur et largeur du point
mémoire.
L' énergie de la barrière par unité de volume s' écrit alors comme
lo
Eb =K+A~ ltMs
où le premier terme (K) est l' anisotropie magnéto-cristalline et le second
terme
est l'anisotropie de forme. Dans ce second terme, AR est le rapport d'aspect
(longueur/largeur) du point mémoire, L sa longueur, t l'épaisseur de la couche
de
stockage (41) et Ms son aimantation à saturation. Pour une valeur de AR=1.5
(valeur
typique de l'état antérieur de la technique), Eb s'écrit
Eb =K+OL tMs
Les limitations de l'état antérieur de la technique sont immédiatement
décelables. En effet
- Plus le point mémoire diminue en taille (L diminue, AR constant) plus
l'énergie de la barrière augmente, d'où une augmentation importante de la
puissance consommée ;
- Plus le rapport d' aspect est faible {AR diminue, L constant), plus l'
énergie
de la barnère diminue, d' où une perte de la stabilité thermique et
temporelle des données, d'autant plus importante que le point mémoire
diminue en taille. La seule parade est ici d'augmenter l'anisotropie
magnéto-cristalline K en adaptant le matériau du point mémoire, mais alors
au prix d'une augmentation importante de la puissance consommée.
Dans le cas de la présente invention, où la couche de stockage (41) est piégée
par échange avec la couche (42), il n'est plus nécessaire d'utiliser
l'anisotropie de
forme pour assurer la stabilité thermique et temporelle du point mémoire. En
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choisissant une géométrie circulaire ou presque circulaire (AR~1), on annule
le terme
d'anisotropie de forme, et l'énergie de la barrière s'écrit alors
z
~b = K+ J~ -MS 1- T
t TB
où le second terme correspond maintenant à l'énergie d'échange entre la couche
de
stockage (4-1) et la couche de piégeage (42). On conçoit alors l'intérêt de
l'invention
par rapport à l'état antérieur de la technique. En effet
- Au repos, l'énergie de la barrière est adaptée par le choix des matériaux
(42) (à travers la constante d'échange JeX) et (41) (à travers l'épaisseur t
et
l'aimantation Ms) pour être suffisante pour permettre la stabilité thermique
et temporelle
- A l' écriture, le courant circulant à travers le point mémoire provoque une
élévation de température jusqu'à ou au-dessus de la température de blocage
TB de la couche (42), de sorte que la couche de stockage (41) soit dépiégée.
En d'autres termes, le second terme de l'équation ci-dessus est annulé et
l'énergie de la barrière devient simplement Eb=K, plus petite valeur
possible pour un point mémoire magnétique. En choisissant
avantageusement le matériau de la couche de stockage (41), il est possible
2o d'abaisser suffisamment la barrière (K = 0) pour minimiser le champ
magnétique requis lors du processus d'écriture et donc la puissance
conSOmmée.
On conçoit à la lumière de cette description l'intérêt de la pxésente
invention,
qui permet d'optimiser séparément la fonction de stockage (stabilité thermique
et
temporelle) et la fonction d'écriture (minimisation de la puissance
consommée).
C'est une amélioration majeure par rapport à l'état antérieur de la technique,
dans
lequel les deux fonctions sont mélangées, forçant â des compromis difficiles.
3o On observe donc que, conformément à la présente invention, il n'y a qu'une
seule ligne de génération de champ magnétique d'écriture contrairement aux
dispositifs de l'art antérieur. Celle-ci permet ainsi de superposer le
transistor de
commande (46) et sa ligne de commande correspondante (47) avec le point
mémoire
(40), ce qui aboutit à une minimisation de la dimension de la cellule mémoire
élémentaire, augmentant par là même les possibilités d'intégration. Par
ailleurs, le
réseau carré de points mémoire présente une structure beaucoup plus simple,
puisque
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la mémoire est formée de simples lignes de points mémoire rationalisant
d'autant les
procédés de fabrication.
Avantageusement, la ligne conductrice servant à générer (impulsion de
5 chauffage peut étre distincte de la ligne conductrice servant â générer
l'impulsion du
champ magnétique, cela afin d'optimïser les densités de courants respectifs
pour les
deux opérations.
Avantageusement ainsi que l'on peut (observer sur la figure 6A, cette ligne de
10 courant additionnelle (69), mise en oeuvre pour 1a génération de
l'impulsion de
champ magnétique, et isolée électriquement du point mémoire (60) et du
conducteur
(67), est placée au-dessus du point mémoire (60), de telle sorte à permettre
la
superposition du transistor de commande (66) et de sa ligne de commande (67)
avec
le point mémoire (60), préservant ainsi la compacité de la mémoire.
Les impulsions de courant dans les lignes (6~) et (69) peuvent être contrôlées
indépendamment, tant du point de vue de l'amplitude du courant, que de la
durée de
pulse du courant et de leur synchronisation.
Par ailleurs, en utilisant une couche de stockage piégée par une couche anti-
ferromagnétique, cette technique d'écriture permet la réalisation de plus de
deux états
magnétiques dans le point mémoire (40). Pour cela, il faut avoir non plus une
seule
ligne conductrice pour générer le champ d'écriture, mais deux lignes
perpendiculaires
ainsi que représentées sur la figure 5A, les lignes (4~) et (49). La
combinaison de ces
deux champs perpendiculaires permet de créer n'importe quelle direction de
champ
magnétique dans le plan de l'échantillon. En appliquant ce champ dans la
direction
désirée pendant le refroidissement de la couche de stockage au travers de sa
température de blocage, on peut ainsi stabiliser d'autres configurations
magnétiques
intermédiaires entre alignement parallèle et anti-parallèle, correspondant â
des
niveaux de résistance intermédiaires. Ainsi est-il possible simultanément
d'obtenir
plusieurs états magnétiques dans le point mémoire, donc un stockage dit «
multi-
niveaux », tout en conservant l'avantage de l'invention de la puissance
consommée
trës faible.
Selon une alternative de l'invention, il est possible de faire commuter
(aimantation de la couche de stockage au cours du refroidissement du point
mémoire
en utilisant le phénomène de commutation magnétique par injection de courant
polarisé en spin. L'origine physique de ce phénomène a été décrite par J.
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SLONCZEWSKI, Journal of Magnetism and Magnetic Materials Vo1.159 (1996),
page L1 et par L. BERGER, Physical Review vol.B54 (1996) , page 9353.
Ce principe consiste à faire passer un courant tunnel au travers de la
jonction.
Si les électrons passent par effet tunnel de la couche de référence vers la
couche de
stockage, c'est-à-dire si le courant circule de la couche de stockage vers la
couche de
référence, l'aimantation de la couche de stockage va s'orienter parallèlement
à la
direction des spins injectés, à condition que le courant soit suffisamment
intense, ce
qui suppose de nouveau que la barrière ait une faible résistance électrique.
Si au
1o contraire, les électrons passent par effet tunnel de la couche de stockage
vers la
couche de référence, l'aimantation de la couche de stockage va s'orienter anti
parallèlement à fairnantation de la couche de référence.
Quel que soit le mode de commutation magnétique employé, le procédé de
lecture est identique â celui décrit dans l'état antérieur de la technique. On
procède en
effet à une lecture de la rêsistance du point mémoire (40) par un courant de
faible
amplitude commandé par (ouverture du transistor de commande (46). La
résistance
est généralement comparée à celle d'une cellule de référence non représentée
au sein
des figures 4 à 6.
On conçoit tout (intérêt de cette architecture dans la mesure où
- L'aimantation de la couche de stockage n'étant plus piégée par la couche
anti-
ferromagnétique (42) lors du processus d'écriture,1e champ de retournement de
la
couche de stockage (41) peut être extrêmement faible, puisqu'il n'est plus
défini
que par des propriétés intrinsèques de ladite couche de stockage {41),
- de par (utilisation d'un matériau de très faible anisotropie magnétique
(très doux
magnétiquement) pour ladite couche de stockage (41), d'une part, et la
géométrie
cylindrique du point mémoire (40) (absence de champ démagnétisant) d'autre
part,
conduisant â une anisotropie magnétique très faible, le renversement de la
couche
3o de stockage (41) peut donc être effectué dans un champ magnétique très
faible.
- de par le couplage entre la couche de stockage (41) et la couche de piégeage
(42),
la stabilité thermique et temporelle des données écrites dans le point mémoire
est
excellente ;
- de par la géométrie circulaire du point mémoire, l'influence des variations
de
taille sur la valeur du champ de retournement des points mémoires individuels
est
éliminée. En conséquence les erreurs d'adressage lors du processus d'écriture
sont
grandement réduites et les procédés de fabrication sont simplifiés.
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Il résulte de ces considérations qu'il est possible d'abaisser le courant
d'écriture
du point mémoire (40) sélectionné à des valeurs très inférieures à celles
requises par
les dispositifs de l'état antérieur de la technique sans obérer la stabilité
thermique et
temporelle des données écrites.
Cette diminution de la puissance consommée est d'autant plus importante que
les dimensions du point mémoire sont réduites. En effet, alors que l'état de
l'art
conduit à des puissances consommées lors de l'écriture d'autant plus grandes
que la
taille des points mémoire est réduite, la présente invention permet au
contraire de
lo diminuer la puissance consommée lorsque la taille du point mémoire est
réduite. En
d' autres termes, l' avantage concurrentiel de la présente invention ne fera
que
s' accroître au fur et à mesure de la réduction de la dimension des points
mémoire.
En outre, la sélectivité â (écriture est préservée, puisque les autres points
mémoire situés sur une méme ligne ou une même colonne n'étant pas chauffés
lors
du processus d'écriture, les couches de stockage (41) correspondantes desdits
points
mémoire non sélectionnés restent couplées aux couches anti-ferromagnétiques
(42)
correspondantes, étant donc insensibles au champ magnétique appliqué.
D'autre part, le stockage multi-niveaux est facilité puisque l'énergie magnéto-
statique est la même dans toutes les directions de (espace. En conséquence, le
champ
d'écriture est identique quelle que soit la direction donnée à (aimantation
par rapport
à la direction de référence. 11 convient également de préciser qu'au moyen de
cette
architecture, le chauffage peut être obtenu par un élément chauffant extérieur
non
représenté sur les figures 4 et 5. Cet élément chauffant peut être une couche
de forte
rêsistivité électrique située au-dessus ou en dessous des couches (42 ou 45)
respectivement.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la couche de référence
(44) est de type anti-ferromagnétique synthétique afin d'améliorer la
discrimination à
(écriture en diminuant le champ magnéto-statique.
Selon une caractéristique avantageuse, la couche de stockage du point mémoire
peut être constituée d'une ou plusieurs couches ferro-magnétiques de type
alliage
amorphe fen-imagnétique (AAF). Dans ce cas, la température atteinte lors du
processus d'écriture n'est plus une température de blocage de la couche anti
ferromagnétique (42), mais la température de Curie de la couche de piégeage
(42)
réalisée en AAF. De telles couches en AAF sont précisément des alliages de
cobalt et
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de terre rare, comme le samarium (Sm), le terbium (Tb) ou encore, mais de
façon non
limitative, le gadolinium (Gd).
En outre, la technique d'adressage conforme à l'invention permet une écriture
simultanée de plusieurs points mémoire en sélectionnant le chauffage simultané
de
plusieurs points mémoire. Cette approche permet d'augmenter la vitesse
d'écriture
globale de la mémoire.
