Structure où une fine couche isolante est prise entre deux couches magnétiques. La résistance est faible quand les aimantations sont parallèles et élevée quand elles sont opposées. Élément de mémorisation de la MRAM.
Nom japonais: 磁気トンネル接合(MTJ)
« Jonction tunnel magnétique (MTJ) » apparaît dans 14 questions d'entraînement réparties sur 1 thèmes, dont Mémoires émergentes.
Domaine: Mémoires émergentes
Une jonction tunnel magnétique (MTJ) enserre une barrière tunnel isolante, typiquement en MgO d'environ 1 nm d'épaisseur, entre deux couches ferromagnétiques, par exemple en CoFeB. L'une, la couche de référence ou couche piégée, a son aimantation fixée par un antiferromagnétique ou un antiferromagnétique synthétique, afin que les courants d'écriture et les champs parasites ne puissent pas la modifier. L'autre, la couche libre ou couche de stockage, peut basculer entre deux directions. Les MTJ de production sont des empilements de plus de dix films, dont beaucoup n'existent que pour stabiliser la couche de référence.
Les électrons traversent la barrière par effet tunnel quantique, et dans un ferromagnétique les électrons de spin majoritaire et de spin minoritaire disposent de nombres d'états différents. Lorsque les deux couches sont parallèles, les états majoritaires des deux côtés se correspondent et l'effet tunnel est facile, d'où une faible résistance. Lorsqu'elles sont antiparallèles, les électrons majoritaires doivent entrer dans des états minoritaires, et la résistance est élevée. Le taux de magnétorésistance tunnel (TMR), (R_AP − R_P)/R_P, mesure ce contraste : 2 kΩ contre 5 kΩ donne 150 %. Les jonctions MgO de laboratoire dépassent 600 % à température ambiante, mais les cellules de production se situent autour de 100 à 200 %, si bien que les deux états ne diffèrent que d'un facteur deux à trois.
Dans la MRAM à transfert de spin (STT), le courant d'écriture traverse la jonction ; les électrons polarisés en spin par la couche de référence transfèrent du moment cinétique à la couche libre et la font basculer, le sens du courant choisissant 0 ou 1. Le courant d'écriture diminue avec la surface de la cellule, ce qui a fait de la STT l'approche dominante. La lecture empruntant le même chemin, le courant de lecture doit rester bien inférieur au courant de basculement pour éviter la perturbation en lecture. La MRAM à couple spin-orbite (SOT) fait passer le courant d'écriture dans une ligne en métal lourd, comme le tungstène ou le platine, sous la couche libre, ce qui sépare les chemins de lecture et d'écriture et permet des écritures en moins d'une nanoseconde, dans une cellule à trois terminaux plus grande.
La barrière d'énergie qui maintient la couche libre vaut à peu près l'anisotropie magnétique multipliée par le volume : elle diminue donc avec la taille des cellules. Son rapport à l'énergie thermique kT, le facteur de stabilité thermique Δ, doit être d'environ 60 ou plus pour une rétention de dix ans ; un Δ plus grand exige aussi davantage de courant d'écriture, d'où le compromis de miniaturisation. Les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire y contribuent. Les MTJ sont construites entre les couches d'interconnexion, dans le back end of line (BEOL) : elles doivent donc supporter environ 400 °C, et les films magnétiques sont gravés par faisceau d'ions pour éviter la redéposition de métal sur les flancs.
Réponse : A. L'oxyde de magnésium (MgO)
Avec une barrière tunnel en MgO cristallin, seuls les électrons de spin présentant une symétrie particulière traversent sélectivement par effet tunnel, ce qui donne un taux TMR élevé atteignant plusieurs centaines de % à température ambiante (quelques dizaines de % avec l'Al2O3 amorphe traditionnel). Cette technologie, annoncée en 2004 séparément par l'AIST au Japon et par IBM, a accru l'écart de résistance entre 0 et 1, permis l'augmentation de capacité des têtes de lecture de HDD et conduit à la mise en pratique de la MRAM.
Réponse : A. Les fluctuations thermiques inversent plus facilement l'aimantation et la rétention des données devient difficile
La barrière d'énergie maintenant l'aimantation vaut « anisotropie magnétique × volume » et diminue avec la taille de l'élément. Son rapport à l'énergie thermique kT (indice de stabilité thermique Δ) doit être d'environ 60 ou plus pour une rétention de 10 ans ; en deçà, les fluctuations thermiques inversent spontanément l'aimantation plus facilement. Or augmenter Δ accroît aussi le courant d'écriture : concilier rétention et écriture est un enjeu de la miniaturisation, traité par des matériaux à aimantation perpendiculaire et par la forme des éléments.
Le taux de magnétorésistance tunnel vaut (R_antiparallèle − R_parallèle) divisé par R_parallèle. Les jonctions de MRAM de production présentent typiquement environ 100 à 200 %, ce qui signifie que l'état à forte résistance vaut deux à trois fois l'état à faible résistance.
Toutes deux utilisent deux couches magnétiques dont l'alignement relatif fixe la résistance, mais une vanne de spin à magnétorésistance géante (GMR) utilise un mince espaceur métallique, par exemple en cuivre, tandis qu'une MTJ utilise une barrière tunnel isolante. La barrière tunnel produit une variation de résistance bien plus grande, c'est pourquoi la MRAM utilise des MTJ.
Non. Le bit est stocké sous forme de direction d'aimantation de la couche libre, qui persiste sans alimentation : une MRAM à base de MTJ est donc non volatile, tant que le facteur de stabilité thermique est suffisamment élevé.
Les MTJ à aimantation dans le plan stabilisent l'orientation de l'aimantation par la forme de l'élément (elliptique, etc.) et perdent cette stabilité lorsqu'elles sont réduites.
Pourquoi les MTJ à aimantation perpendiculaire au plan du f…La MTJ est formée entre les couches d'interconnexion, lors des étapes d'interconnexion (BEOL) qui suivent la réalisation des transistors.
À quelle étape de fabrication d'un circuit logique LSI l'él…L'une des couches de la MTJ est une couche de référence (couche fixe) à aimantation fixe, l'autre une couche libre (couche de stockage) dont l'orientation peut être inversée à l'écriture ; 0 et 1 sont mémorisés selon que la couche libre est parallèle ou antiparallèle à la couche de référence.
Quel est le rôle des deux couches magnétiques constituant u…La MRAM utilise une jonction tunnel magnétique (MTJ), dans laquelle une couche isolante d'environ 1 nm d'épaisseur est prise en sandwich entre deux couches magnétiques.
Quel est le principe de mémorisation de la MRAM ?Dans la STT-MRAM, un courant traverse la MTJ ; les électrons dont le spin a été aligné par la couche de référence transfèrent leur moment cinétique à la couche de stockage (couple de transfert de spin), ce qui inverse l'aimantation.
Comment l'information est-elle écrite dans une STT-MRAM ?MRAM Taux TMR STT-MRAM PCM (mémoire à changement de phase) SOT-MRAM Mémoire non volatile Grille flottante 3D XPoint Calcul en mémoire (in-memory computing) Chalcogénure