Brevet FR3037185A1 — publié le 20161209

DISPOSITIF A COMMUTATION D'ANISOTROPIE MAGNETIQUE COMMANDE EN TENSION UTILISANT UN FILM DE POLARISATION FERROMAGNETIQUE EXTERNE CONTEXTE Domaine de l'invention [0001] Certains aspects de la présente invention concernent de manière générale des systèmes de stockage de données, et plus particulièrement, un dispositif de commutation à anisotropie magnétique commandée en tension (VCMA, Voltage Controlled Magnetic 10 Anisotropy) utilisant un film de polarisation ferromagnétique externe. Description de l'art antérieur [0002] Les dispositifs électroniques modernes comportent de plus en plus souvent des quantités significatives de mémoire à semi-conducteurs. L'industrie de l'électronique est sans cesse à la recherche de dispositifs toujours plus denses permettant de réduire la 15 consommation d'énergie. Les dispositifs de mémoire magnétique, de par leur nature, ont des caractéristiques de non-volatilité, et retiennent de plus en plus l'attention en tant que type de mémoire de nouvelle génération. [0003] Les densités binaires de stockage les plus élevées dans les supports magnétiques utilisés dans les disques durs ont réduit la taille (le volume) des bits magnétiques. La 20 mémoire vive magnétique (MRAM) offre un temps d'accès réduit, une endurance en lecture/écriture infinie, une dureté au rayonnement, et une haute densité de stockage. Contrairement aux technologies de puces RAM classiques, les données MRAM ne sont pas stockées sous forme de charge électrique, mais sont au lieu de cela stockées par polarisation magnétique d'éléments de stockage. Des cellules MRAM comportant des éléments de 25 mémoire à jonction tunnel magnétique (MTJ) peuvent être conçues pour une magnétisation dans le plan ou perpendiculaire de la structure de couche MTJ par rapport à la surface du film. Les éléments sont formés à partir de deux plaques polarisées magnétiquement, dont chacune peut maintenir un champ de polarisation magnétique, séparé par une couche isolante mince, qui forment ensemble un empilement MTJ. La figure 1 est un diagramme illustrant un 30 exemple d'empilement MTJ 100, selon certains aspects de la présente invention. Comme illustré sur la figure 1, l'une des deux plaques est un aimant permanent 102 (c'est-à-dire qu'il 3037185 2 possède une magnétisation fixe) réglé sur une polarité particulière ; la polarisation de l'autre plaque 106 va varier (c'est-à-dire qu'elle possèdera une magnétisation libre) afin qu'elle s'adapte à celle d'un champ externe suffisamment intense. Par conséquent, les cellules présentent deux états stables qui permettent aux cellules de jouer le rôle d'éléments de 5 mémoire non volatils. [0004] Un dispositif de mémoire peut être construit à partir d'une grille de cellules de ce type. Les cellules MRAM d'une matrice sur puce sont connectées par des lignes de mots et de bits métalliques. Chaque cellule de mémoire est connectée à une ligne de mots et à une ligne de bits. Les lignes de mots connectent des rangées de cellules, et les lignes de bits connectent des colonnes de cellules. Généralement, des structures à semi-conducteurs métal-oxyde complémentaires (CMOS) comprennent un transistor de sélection qui est électriquement connecté à l'empilement MTJ par l'intermédiaire des contacts métalliques supérieurs ou inférieurs. Le sens de passage du courant est établi entre des électrodes métalliques supérieures ou inférieures. [0005] La lecture de l'état de polarisation d'une cellule MRAM est réalisée en mesurant la résistance électrique de la MTJ de la cellule. Une cellule particulière est habituellement sélectionnée en alimentant un transistor associé qui commute un courant d'une ligne d'alimentation à travers la couche MTJ vers une masse. Du fait de l'effet de magnétorésistance tunnel, lors duquel il se produit un passage par effet tunnel d'électrons à travers la couche de barrière tunnel 104, la résistance électrique de la cellule varie du fait de l'orientation relative des polarisations dans les deux couches magnétiques de la MTJ. En mesurant le courant qui en résulte, on peut déterminer la résistance à l'intérieur d'une cellule particulière quelconque, et à partir de celle-ci, la polarité de la couche inscriptible libre (libre) déterminée. Si les deux couches présentent la même polarisation, cela est considéré comme 25 représentant un État "0", la résistance étant "basse", alors que si les deux couches sont de polarisation opposée, la résistance sera plus élevée, cela représentant un État "1". Les données sont écrites dans les cellules par diverses techniques. [0006] Dans la MRAM classique, un champ magnétique externe est produit par un courant passant dans un conducteur à proximité de la cellule, qui est suffisamment intense 30 pour aligner la couche libre. La MRAM à couple de transfert de spin (STT) utilise des électrons à spin aligné ("polarisés") pour directement soumettre à un couple les domaines de la couche libre. Ces électrons polarisés pénétrant dans la couche libre exercent un couple 3037185 3 suffisant pour réaligner (par exemple, inverser) la magnétisation de la couche libre. [0007] Une RAM magnétorésistive (MeRAM) utilise l'effet de magnétorésistance tunnel (TMR) pour la lecture effectuée dans un élément de mémoire à deux bornes, d'une manière semblable à d'autres types de MRAM. Cependant, l'écriture d'informations est effectuée par 5 VCMA à l'interface entre la barrière tunnel et la couche libre, contrairement aux mécanismes commandés en courant (par exemple le STT ou le couple spin-orbite, SOT). Dans les dispositifs VCMA, les propriétés magnétiques sont commandées par l'application d'un champ électrique. Les dispositifs VCMA sont fondés sur la commutation induite par un champ électrique de nano-aimants. Les dispositifs MeRAM offrent le potentiel de réduire de manière 10 spectaculaire la dissipation d'énergie. Du fait de l'élimination de la nécessité de courants destinés fonctionnement du dispositif, la dissipation ohmique est sensiblement réduite, cela conduisant à une très faible dissipation d'énergie dynamique (commutation). En plus d'une dissipation de puissance réduite, l'utilisation de champs électriques pour l'écriture dans la MeRAM offre un avantage du point de vue de l'amélioration de la densité des bits. En 15 particulier, l'écriture magnétoélectrique n'impose pas de limite de taille liée à l'attaque en courant aux dispositifs d'accès (par exemple aux transistors) lorsqu'ils sont intégrés à un circuit, autorisant de ce fait une superficie de cellule totale beaucoup plus faible. Simultanément, la MeRAM conserve en principe tous les avantages déterminants de la STTMRAM, à savoir l'endurance élevée, la vitesse élevée, la dureté au rayonnement, et la 20 possibilité d'un fonctionnement non volatil. [0008] Par conséquent, il est nécessaire de disposer de dispositifs de mémoire magnétiques à haute densité et à haut rendement énergétique. RÉSUMÉ DE L'INVENTION [0009] Les systèmes, procédés et dispositifs de l'invention possèdent chacun plusieurs aspects, dont aucun n'est à lui seul responsable de ses attributs souhaitables. Sans limiter la portée de la présente invention telle qu'elle est exprimée par les revendications qui suivent, certaines caractéristiques vont à présent être décrites brièvement. Après avoir examiné cette présentation, et en particulier après avoir lu la section intitulée "Description détaillée", on comprendra comment les caractéristiques de la présente invention offrent des avantages qui comprennent l'amélioration des communications entre des points d'accès et des stations dans un réseau sans fil. 3037185 4 [0010] Certains aspects de la présente invention concernent de manière générale des systèmes de stockage de données, et plus particulièrement, un dispositif de commutation VCMA utilisant un film de polarisation ferromagnétique externe. 100111 Selon un aspect, il est proposé un dispositif MRAM. Le dispositif MRAM 5 comprend de manière générale un substrat, au moins un empilement MTJ disposé sur le substrat, dans lequel l'empilement MTJ comprend une couche de barrière tunnel entre une première couche ferromagnétique ayant une magnétisation fixe et une seconde couche ferromagnétique ayant une magnétisation non fixe, et un aimant disposé de façon adjacente à la seconde couche ferromagnétique. 10 [0012] Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de fabrication d'un dispositif MRAM. Le procédé comprend de manière générale la formation d'au moins un empilement MTJ sur un substrat, dans lequel l'empilement MTJ comprend une couche de barrière tunnel entre une première couche ferromagnétique ayant une magnétisation fixe et une seconde couche ferromagnétique ayant une magnétisation non fixe et la disposition d'un aimant de 15 manière adjacente à la seconde couche ferromagnétique. [0013] Selon encore un autre aspect, il est proposé un dispositif MRAM. Le dispositif MRAM comprend de manière générale un substrat, au moins un empilement MTJ disposé sur le substrat, dans lequel l'empilement MTJ comprend une couche de barrière tunnel entre une première couche ferromagnétique ayant une magnétisation fixe et une seconde couche 20 ferromagnétique ayant une magnétisation non fixe, une couche de passivation formée sur le substrat, dans lequel la couche de passivation remplit l'espace entre les MTJ, et un aimant disposé dans la couche de passivation de manière adjacente à la seconde couche ferromagnétique, dans lequel l'aimant comprend une couche de polarisation ferromagnétique disposée horizontalement parallèlement au substrat, et alignée avec la seconde couche 25 ferromagnétique, et dans lequel la magnétisation de la seconde couche décrit une précession ferromagnétique autour d'un champ de polarisation provenant de l'aimant lorsqu'une tension de polarisation est appliquée à l'empilement MTJ de telle sorte que la polarité magnétique de l'empilement MTJ est inversée lorsqu'un champ électrique est appliqué à l'empilement MTJ. [0014] Pour la mise en oeuvre de ce qui précède et d'objets connexes, lesdits un ou 30 plusieurs aspects comprennent les caractéristiques décrites ci-après en détail et plus particulièrement soulignées dans les revendications. La description qui suit et les dessins 3037185 5 annexés exposent en détail certains aspects illustratifs desdits un ou plusieurs aspects. Ces caractéristiques ne sont toutefois indicatives que de quelques-unes des diverses manières dont les principes de divers aspects de l'invention peuvent être utilisés, et la présente description doit être considérée comme couvrant tous ces aspects et leurs équivalents. 5 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0015] Pour que la manière dont les caractéristiques indiquées ci-dessus de la présente invention puisse être comprise en détail, une description plus particulière, brièvement résumée ci-dessus pourra être obtenue en référence à des aspects de l'invention dont certains sont illustrés dans les dessins annexés. Il est à noter toutefois que les dessins annexés 10 n'illustrent que certains aspects typiques de la présente invention et ne doivent donc pas être considérés comme limitant sa portée, d'autres aspects tout aussi efficaces entrant dans le cadre de la présente invention. [0016] La figure 1 est un diagramme illustrant un exemple d'empilement MTJ, selon certains aspects de la présente invention. 15 [0017] La figure 2 est un diagramme illustrant un exemple d'empilement MTJ avec une couche de polarisation magnétique dans l'empilement. [0018] La figure 3 illustre l'application d'un champ magnétique pour ajuster une barrière d'énergie, selon certains aspects de la présente invention. [0019] La figure 4 illustre la commutation de la polarité magnétique par application d'une 20 tension, selon certains aspects de la présente invention. [0020] La figure 5 est un graphique illustrant un exemple d'écriture pilotée par VCAM avec une lecture TMR pour un dispositif MTJ perpendiculaire utilisant un champ de polarisation dans l'empilement. [0021] La figure 6 est un schéma fonctionnel illustrant un exemple d'opérations de 25 fabrication d'un dispositif MRAM, selon certains aspects de la présente invention. [0022] La figure 7 est un diagramme illustrant un exemple de dispositif MRAM comportant un empilement MTJ avec une couche de polarisation magnétique externe, selon certains aspects de la présente invention. 3037185 6 [0023] Pour faciliter la compréhension, des références numériques identiques ont été utilisées, lorsque cela est possible, pour désigner des éléments identiques qui sont communs aux figures. On peut considérer que les éléments décrits en ce qui concerne un aspect peuvent être avantageusement utilisés pour d'autres aspects, sans nécessité de les citer spécifiquement. 5 DESCRIPTION DÉTAILLÉE [0024] Divers aspects de l'invention sont décrits plus en détail ci-après en référence aux dessins annexés. La présente invention peut toutefois être mise en oeuvre sous de nombreuses formes différentes et ne doit pas être interprétée comme étant limitée à une quelconque structure ou fonction spécifique présentée tout au long de la présente description. Ces aspects 10 sont en effet présentés de manière à ce que la présente description soit exhaustive et complète, et qu'elle transmette au mieux le champ d'application de l'invention à l'homme du métier. Sur la base des enseignements du présent document, l'homme du métier pourra comprendre que la portée de l'invention couvre un quelconque aspect de l'invention décrite ici, qu'il soit mis en oeuvre indépendamment ou en association avec un quelconque autre 15 aspect de l'invention. A titre d'exemple, un dispositif peut être mis en oeuvre ou un procédé peut être mis en pratique en utilisant un nombre quelconque des aspects présentés ici. En outre, la portée de l'invention est considérée comme couvrant un appareil ou un procédé de ce type mis en pratique à l'aide d'une autre structure, ou fonctionnalité ou d'une structure et d'une fonctionnalité en plus ou différente des divers aspects de l'invention présentée ici. Il doit être 20 entendu qu'un aspect quelconque de l'invention décrite ici peut être mis en oeuvre par un ou plusieurs éléments d'une revendication. [0025] Le terme "donné à titre d'exemple" est utilisé ici pour signifier "servant d'exemple, de forme de réalisation ou d'illustration". Tous les aspects décrits ici comme "étant donnés à titre d'exemple" ne doivent pas nécessairement être interprétés comme étant préférés ou 25 avantageux par rapport à d'autres aspects. [0026] Certains aspects de la présente invention concernent de manière générale un dispositif de commutation VCMA utilisant un film de polarisation ferromagnétique externe. A titre d'exemple, comme cela sera évoqué plus en détail ci-après, au moins un empilement MTJ peut être formé sur un substrat. L'empilement/les empilements MTJ peut/peuvent 30 comprendre une couche de barrière tunnel entre une première couche ferromagnétique ayant une magnétisation fixe et une seconde couche ferromagnétique ayant une magnétisation non 3037185 7 fixe. Un aimant externe (par exemple, une couche ferromagnétique de polarisation) peut être disposé de manière adjacente à la seconde couche ferromagnétique. [0027] Dans la description qui suit de certains aspects de la présente description, il est fait référence aux dessins annexés qui en font partie et qui sont présentés à titre d'illustration des 5 formes de réalisation particulières selon lesquelles l'invention peut être mise en pratique. Il est à noter que les figures présentées ici ne sont pas représentées à l'échelle et n'indiquent pas des tailles réelles ou relatives. Les éventuelles hachures apparaissant dans les figures permettent de distinguer les couches et ne représentent pas le type de matériau utilisé. Une pluralité de réseaux de cellules MRAM sont généralement fabriqués simultanément sur une 10 plaquette unique. Les figures et la description présentées ici ne font référence qu'à quelques cellules de la pluralité de cellules qui seront typiquement fabriquées simultanément sur une plaquette unique. EXEMPLE DE DISPOSITIF DE COMMUTATION VCMA [0028] Dans des films ferromagnétiques métalliques tels que ceux qui sont généralement 15 utilisés dans des dispositifs MTJ, les champs électriques sont occultés par la conductivité du matériau et par conséquent ne pénètrent que de quelques Angstrôms dans la surface du film. Par conséquent, l'intensité du champ électrique à proximité de la surface est en principe une limitation pour la commande par champ électrique des propriétés magnétiques. Cependant, en utilisant des films ferromagnétiques ultraminces (par exemple REVENDICATIONS1. Dispositif de mémoire vive magnétorésistive (MRAM), comprenant : un substrat ; au moins un empilement de jonctions tunnel magnétiqUes (MTJ) disposé sur le 5 substrat, dans lequel l'empilement MTJ comprend une couche de barrière tunnel entre une première couche ferromagnétique ayant une magnétisation fixe et une seconde couche ferromagnétique ayant une magnétisation non fixe ; et un aimant disposé de manière adjacente à la seconde couche ferromagnétique. 10 2. Dispositif MRAM selon la revendication 1, dans lequel l'aimant comprend une couche de polarisation ferromagnétique formée horizontalement parallèlement au substrat et alignée avec la seconde couche ferromagnétique. 3. Dispositif MRAM selon la revendication 1, dans lequel l'aimant comprend une 15 couche ferromagnétique dure ou une couche ferromagnétique douce bloquée par un antiferroaimant. 4. Dispositif MRAM selon la revendication 3, dans lequel la couche ferromagnétique dure comprend du CoPt et la couche ferromagnétique douce comprend du NiFe. 20 5. Dispositif MRAM selon la revendication 1, dans lequel le dispositif MRAM comprend en outre une couche de passivation formée sur le substrat,, et dans lequel l'aimant est disposé dans la couche de passivation. 25 6. Dispositif MRAM selon la revendication 1, dans lequel la première couche ferromagnétique et la seconde couche ferromagnétique comprennent des couches de CoFeB. 7. Dispositif MRAM selon la revendication 1, dans lequel la couche de barrière tunnel comprend une couche de MgO. 30 8. Procédé de fabrication d'un dispositif de mémoire vive magnétorésistive (MRAM), consistant à : former au moins un empilement de jonctions tunnel magnétiques (MTJ) sur un 3037185 14 substrat, dans lequel l'empilement MTJ comprend une couche de barrière tunnel entre une première couche ferromagnétique ayant une magnétisation fixe et une seconde couche ferromagnétique ayant une magnétisation non fixe ; et disposer un aimant de manière adjacente à la seconde couche ferromagnétique. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'aimant comprend une couche de polarisation ferromagnétique formée horizontalement parallèlement au substrat et alignée avec la seconde couche ferromagnétique. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'aimant comprend une couche ferromagnétique dure ou une couche ferromagnétique douce bloquée par un antiferroaimant. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel la couche ferromagnétique dure comprend du CoPt et la couche ferromagnétique douce comprend du NiFe. 12. Procédé selon la revendication 8, consistant en outre à : former une couche de passivation sur le substrat, dans lequel l'aimant est disposé dans la couche de passivation. 13. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la première couche ferromagnétique et la seconde couche ferromagnétique comprennent des couches de CoFeB. 14. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la couche de barrière tunnel comprend une couche de MgO. 25 15. Procédé selon la revendication 8, consistant en outre à utiliser un effet d'anisotropie magnétique commandée en tension (VCMA) de manière à ce que la magnétisation de la seconde couche ferromagnétique décrive une précession autour d'un champ de polarisation provenant de l'aimant afin d'inverser une polarité magnétique de la seconde couche 30 ferromagnétique. 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel l'aimant adjacent à la seconde couche ferromagnétique est un aimant permanent. 3037185 15 17. Dispositif de mémoire vive magnétorésistive (MRAM), comprenant : un substrat ; au moins un empilement de jonctions tunnel magnétiques (MTJ) disposé sur le substrat, dans lequel l'empilement MTJ comprend une couche de barrière tunnel entre une 5 première couche ferromagnétique ayant une magnétisation fixe et une seconde couche ferromagnétique ayant une magnétisation non fixe ; une couche de passivation formée sur le substrat, dans lequel la couche de passivation remplit l'espace entre les MTJ ; et un aimant disposé dans la couche de passivation de manière adjacente à la seconde 10 couche ferromagnétique, dans lequel l'aimant comprend une couche de polarisation ferromagnétique disposée horizontalement parallèlement au substrat et alignée avec la seconde couche ferromagnétique, et dans lequel la magnétisation de la seconde couche ferromagnétique décrit une précession autour d'un champ de polarisation provenant de l'aimant lorsqu'une tension de polarisation est appliquée à l'empilement. MTJ afin d'inverser 15 une polarité magnétique de l'empilement MTJ lorsqu'un champ électrique est appliqué à l'empilement MTJ. 18. Dispositif MRAM selon la revendication 17, dans lequel l'aimant comprend une couche ferromagnétique dure ou une couche ferromagnétique douce bloquée par un 20 antiferroaimant. 19. Dispositif MRAM selon la revendication 17, dans lequel l'aimant est un aimant permanent.