Characterisations and reliability of magnetic random access memories (MRAM)
Caractérisations et fiabilité de mémoires magnétiques à accès aléatoires (MRAM)
Résumé
The magnetic random access memories (or MRAM) are now entering the phase of mass production. This thesis aims at the evaluation and the characterization of the potential problems of reliability due to the introduction of the magnetic part into the MRAM memories.
First, I describe in detail the physical principles, both electric and magnetic, of the magnetic tunnel junctions which are the crucial component of magnetic memories. I identify at each stage the new factors likely to influence the reliability (compared to a traditional CMOS process), while giving a quantitative evaluation of their possible impact.
Along this line, I established and tested a process to characterize a critical feature of the MRAM, its non-volatility, which can then be used on isolated elements from a wafer in order to check the magnetic quality of the circuit. We chose to compare calculations of the energy barrier with real measurements of the barrier on samples provided by the Alliance Crolles 2.
Finally, I undertook a study on another type of structure of magnetic memories utilizing the motion of magnetic domain walls using a current. This study also aimed at estimating the energy barrier of these new structures. We showed that they would be an interesting alternative to the miniaturization of magnetic memories.
First, I describe in detail the physical principles, both electric and magnetic, of the magnetic tunnel junctions which are the crucial component of magnetic memories. I identify at each stage the new factors likely to influence the reliability (compared to a traditional CMOS process), while giving a quantitative evaluation of their possible impact.
Along this line, I established and tested a process to characterize a critical feature of the MRAM, its non-volatility, which can then be used on isolated elements from a wafer in order to check the magnetic quality of the circuit. We chose to compare calculations of the energy barrier with real measurements of the barrier on samples provided by the Alliance Crolles 2.
Finally, I undertook a study on another type of structure of magnetic memories utilizing the motion of magnetic domain walls using a current. This study also aimed at estimating the energy barrier of these new structures. We showed that they would be an interesting alternative to the miniaturization of magnetic memories.
Les mémoires magnétiques à accès aléatoires (ou MRAM) sont récemment entrées en production. Ce travail de thèse vise à évaluer et caractériser les problèmes potentiels de fiabilité dus à l'introduction de la partie magnétique dans les mémoires MRAM.
Je décris tout d'abord en détail les principes physiques à la base du fonctionnement aussi bien électrique que magnétique des jonctions tunnels magnétiques qui sont au cœur des mémoires magnétiques. Je me suis attachée à chaque étape à identifier les nouveaux facteurs susceptibles d'intervenir dans la fiabilité (par rapport à un processus CMOS classique), en essayant de donner une évaluation quantitative de leur impact éventuel.
Sur cette base, j'ai essayé d'établir et de tester un procédé de caractérisation d'un effet critique de la MRAM : la non-volatilité, qui puisse ensuite être utilisé sur des éléments isolés d'un wafer comme point de vérification de la qualité magnétique du circuit. Nous avons choisi de comparer des calculs de barrière d'énergie à une mesure réelle de la barrière sur des échantillons élaborés dans le cadre de l'Alliance Crolles 2.
Enfin, j'ai mené une étude sur un autre type de structure de mémoires magnétiques faisant intervenir un déplacement de parois magnétiques à l'aide d'un courant. Cette étude visait à estimer, une fois encore, la barrière énergétique de ces nouvelles structures. Nous avons essayé de démontrer qu'elles seraient une perspective intéressante pour la miniaturisation des mémoires magnétiques.
Je décris tout d'abord en détail les principes physiques à la base du fonctionnement aussi bien électrique que magnétique des jonctions tunnels magnétiques qui sont au cœur des mémoires magnétiques. Je me suis attachée à chaque étape à identifier les nouveaux facteurs susceptibles d'intervenir dans la fiabilité (par rapport à un processus CMOS classique), en essayant de donner une évaluation quantitative de leur impact éventuel.
Sur cette base, j'ai essayé d'établir et de tester un procédé de caractérisation d'un effet critique de la MRAM : la non-volatilité, qui puisse ensuite être utilisé sur des éléments isolés d'un wafer comme point de vérification de la qualité magnétique du circuit. Nous avons choisi de comparer des calculs de barrière d'énergie à une mesure réelle de la barrière sur des échantillons élaborés dans le cadre de l'Alliance Crolles 2.
Enfin, j'ai mené une étude sur un autre type de structure de mémoires magnétiques faisant intervenir un déplacement de parois magnétiques à l'aide d'un courant. Cette étude visait à estimer, une fois encore, la barrière énergétique de ces nouvelles structures. Nous avons essayé de démontrer qu'elles seraient une perspective intéressante pour la miniaturisation des mémoires magnétiques.
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