On July 7 at 14:00, Hanna Karaoui (SPINTEC) will defend her PhD thesis “Perpendicular anisotropy interfaces for high-efficiency low power spintronics” at IRIG/SPINTEC, CEA Grenoble (auditorium 445, building 10.05). Physical attendance requires prior authorization (request before June 26 to admin.spintec@cea.fr); remote access is available via Zoom (Meeting ID: 987 6986 7024, passcode: 025918).

The research confronts a central challenge in making spin-transfer-torque magnetic random-access memory (STT-MRAM) a truly low-power, scalable technology. Conventional perpendicular magnetic tunnel junctions (MTJs) suffer from a well-known scaling trade-off: as diameters shrink below 20 nm, interfacial perpendicular magnetic anisotropy (PMA) weakens, forcing an undesirable compromise between thermal stability and switching efficiency. Double-MTJs (DMTJs) enclose the storage layer (SL) between two MgO barriers, theoretically alleviating this, but they typically suffer from complex fabrication and unstable top reference layers. Karaoui’s work explores a novel “ASL-DMTJ” architecture in which the top fixed polarizer is replaced by a magnetic assistance layer (ASL) with free magnetization. The ASL interacts dynamically with the SL via spin-transfer torque (STT) and ferromagnetic coupling, reinforcing stability through magnetostatic alignment and enabling both high retention and low-power switching.

A comprehensive macrospin framework was developed to dissect the system’s magnetostatic and dynamical properties. Analysis of the total energy landscape shows that thermal stability is a function of thickness-dependent interfacial anisotropy and mutual dipolar coupling. While reducing SL thickness inherently lowers the energy barrier, dipolar coupling energetically favours parallel configurations, thus acting as a pivotal retention mechanism. Numerical studies also reveal that series-connected dual barriers cause dynamic voltage redistribution, directly shaping STT efficiency. A staged switching mechanism emerges: the SL benefits from cumulative torques delivered by both the reference layer and the ASL, ensuring the SL remains the most stable element while the ASL facilitates reversal.

Experimentally, double-MgO structures proved significantly better than triple-MgO stacks by eliminating parasitic resistance. Optimized tunnel barrier thickness and oxidation yielded enhanced TMR signals. Systematic use of double-wedge samples pinpointed the bottom FeCoB/MgO interface as the primary TMR barrier, while the top interface is critical for maximizing the effective anisotropy field. Material stacks that retain a magnetic layer at the top MgO interface achieved thermal stability above the required 40 kBT threshold with high switching symmetry.

Switching efficiency was rigorously quantified via write-error-rate distributions across pulse widths from 7 ns to 10 µs. A unified model was introduced that captures the dependence of critical pulse voltage on pulse width in both ballistic and thermally assisted regimes. This model identifies a characteristic switching threshold centered on the point of minimum switching energy and establishes a new figure of merit—the ratio of the thermal stability barrier to the minimum switching energy—offering a more accurate estimate of operational energy than conventional approaches. Experimentally observed energy barriers scale linearly with device diameter, evidence that switching proceeds via domain nucleation and wall propagation rather than a pure macrospin model. Analytical and experimental results confirm that stray fields from the reference layer significantly modulate these barriers.

The work delivers a coherent design strategy for DMTJ optimization, showing that precise control of interface oxidation, ferromagnetic layer dimensions, and internal exchange interactions is essential to achieving scalable, high-density, low-energy MRAM.

The jury includes rapporteurs Daniel Lacour (CNRS) and Aurélien Manchon (Aix-Marseille Université), with examiners Jérémy Postel-Pellerin, Hélène Béa, and Laurent Ranno (Université Grenoble Alpes). The thesis was supervised by Kevin Garello (SPINTEC).

On July 07th at 14:00, Hanna Karaoui (SPINTEC) will defend her PhD thesis entitled : Perpendicular anisotropy interfaces for high-efficieny low power spintronics

Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (presential access to the conference room at CEA in Grenoble requires an entry authorization, request it before June 26th to admin.spintec@cea.fr)

video conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/98769867024?pwd=dXNnT3RMeThjYStybGVQSUN0TVdJdz09

Meeting ID: 987 6986 7024

Passcode: 025918

Abstract : Rising global energy consumption drives the need for energy-efficient data storage, pushing research toward low-power memory like Magnetic-Random-Access-Memory. Conventional perpendicular magnetic tunnel junctions (MTJs) face a critical scaling trade-off: as device diameters shrink below 20 nm, interfacial perpendicular magnetic anisotropy (PMA) decreases, forcing a compromise between thermal stability and switching efficiency. Double-MTJs address this by enclosing the storage layer (SL) between two MgO barriers, yet they often suffer from complex fabrication and unstable top reference layers. This research investigates a novel ASL-DMTJ architecture where the top fixed polarizer is replaced by a magnetic assistance layer (ASL) with free magnetization. This ASL dynamically interacts with the SL through spin-transfer torque (STT) and ferromagnetic coupling, reinforcing stability through magnetostatic alignment and providing a high-retention and low-power switching. In order to evaluate the enhancement of DMTJ performance through the integration of this ASL, a comprehensive macrospin framework was established to investigate magnetostatic and dynamical properties. Analysis of the total energy landscape demonstrates that system thermal stability is a function of thickness-dependent interfacial anisotropy and mutual dipolar coupling. While decreasing SL thickness inherently reduces the energy barrier, the inclusion of dipolar coupling reinforces stability by energetically favoring parallel configurations, acting as a vital mechanism for long-term data retention. Numerical investigations reveal that series-connected dual barriers lead to a dynamic voltage redistribution across the stack, dictating STT efficiency. The study highlights a staged switching mechanism where the SL benefits from cumulative torques provided by both the reference and assistance layers, ensuring the SL remains the most stable layer while the ASL facilitates the reversal process.On the experimental front, this investigation demonstrates that double-MgO structures offer significantly improved transport properties compared to triple-MgO implementations by eliminating parasitic resistance. By optimizing tunnel barrier thickness and oxidation, enhanced TMR signals were achieved. Systematic use of double-wedge samples revealed that the bottom FeCoB/MgO interface serves as the primary TMR barrier, while the top interface is crucial for maximizing the effective anisotropy field. Material optimization confirmed that samples maintaining a magnetic layer at the top MgO interface provide an optimal balance of performance, exceeding the required 40 kBT thermal stability threshold with high switching symmetry. Finally, switching efficiency was rigorously quantified using write error rate distributions across pulse widths from 7 ns to 10 µs. We introduced a unified model captured the dependence of critical pulse voltage on pulse width across both ballistic and thermally assisted regimes. This unified model identifies a characteristic switching threshold centered on the minimum switching energy point, introducing a novel figure of merit—the ratio of the thermal stability barrier to the minimum switching energy—that provides a more precise estimation of operational energy than conventional approximations. Experimental energy barrier results exhibited a linear dependence on diameter, providing evidence for a switching mechanism governed by domain nucleation and wall propagation rather than a pure macrospin model. Analytical calculations and experimental results confirmed that stray fields from the reference layer significantly modulate these barriers. Ultimately, this work provides a robust strategy for optimizing DMTJ design, demonstrating that precise control over interface oxidation, ferromagnetic layer dimensions, and internal exchange interactions is fundamental to achieving high-density, low-energy MRAM scalability.

titre : Interfaces à anisotropie perpendiculaire pour la spintronique frugal

resumé : L’augmentation de la consommation mondiale d’énergie accentue le besoin de stockage de données à haute efficacité, orientant la recherche vers des mémoires non volatiles à faible puissance comme la MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) à couple de transfert de spin. Les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) perpendiculaires conventionnelles font face à un compromis critique lors de la réduction d’échelle, l’anisotropie magnétique d’interface diminue, imposant un dilemme entre stabilité thermique et efficacité de commutation. Les structures doubles-MTJ (DMTJ) répondent théoriquement à ce problème en insérant la couche de stockage (SL) entre deux barrières de MgO, bien qu’elles souffrent souvent d’une fabrication complexe et de l’instabilité des couches de référence supérieures. Cette thèse étudie une architecture innovante nommée ASL-DMTJ, où le polariseur fixe supérieur est remplacé par une couche d’assistance magnétique (ASL) à aimantation libre. Cette ASL interagit dynamiquement avec la couche de stockage par couple de transfert de spin et couplage ferromagnétique, renforçant la stabilité par alignement magnétostatique et permettant une rétention élevée ainsi qu’une commutation à très faible puissance. Afin d’évaluer les performances via l’intégration de cette ASL, un cadre de modélisation macrospin complet a été établi pour étudier les propriétés magnétostatiques et dynamiques. L’analyse du profil énergétique démontre que la stabilité thermique du système dépend de l’anisotropie interfaciale liée à l’épaisseur et du couplage dipolaire mutuel. Tandis que la réduction de l’épaisseur de la SL diminue intrinsèquement la barrière d’énergie, l’inclusion du couplage dipolaire renforce la stabilité globale en favorisant les configurations parallèles, agissant comme un mécanisme vital pour la rétention des données. Des investigations numériques mettent en évidence un mécanisme de commutation par étapes où la SL bénéficie des couples cumulatifs fournis par les couches de référence et d’assistance, garantissant que la SL reste la couche la plus stable tandis que l’ASL facilite le renversement. Sur le plan expérimental, une étude comparative démontre que les structures à double MgO offrent des propriétés de transport nettement améliorées par rapport aux implémentations à triple MgO en éliminant la résistance parasite. En optimisant l’épaisseur et l’oxydation de la barrière tunnel, des valeurs de magnétorésistance tunnel optimisées ont été obtenues. L’utilisation systématique d’échantillons en double-MgO avec l’interface inférieure FeCoB/MgO sert de barrière principale, tandis que l’interface supérieure est cruciale pour maximiser le champ d’anisotropie effectif. L’optimisation des matériaux a confirmé que les échantillons conservant une couche magnétique à l’interface MgO supérieure offrent une stablité dépassant le seuil de stabilité thermique requis de 40kBT avec une symétrie de commutation élevée. Enfin, l’efficacité de commutation a été quantifiée via les distributions du taux d’erreur d’écriture sur des impulsions allant de 4 ns à 10 µs. Nous avons introduit un modèle unifié capturant la dépendance de la tension critique par rapport à la largeur d’impulsion à travers les régimes balistiques et thermiquement assistés. Ce modèle identifie un seuil de commutation caractéristique centré sur le point d’énergie minimale, introduisant une nouvelle figure de mérite, le rapport entre la barrière de stabilité thermique et l’énergie de commutation minimale, fournissant une estimation plus précise de l’énergie opérationnelle. Les résultats expérimentaux ont montré une dépendance linéaire de la barrière d’énergie vis-à-vis du diamètre, prouvant un mécanisme de commutation régi par la nucléation de domaines et la propagation de parois plutôt que par un modèle macrospin pur. Les calculs analytiques et expérimentaux confirment que les champs de fuite de la couche de référence modulent significativement ces barrières.

La hausse de la consommation énergétique mondiale pousse au développement de mémoires plus sobres comme la MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory). Mais en dessous de 20 nm, les jonctions magnétiques classiques perdent en stabilité ou en efficacité. Cette thèse étudie une architecture innovante, appelée ASL-DMTJ, où une couche magnétique d’assistance aide la couche de stockage à conserver l’information tout en facilitant l’écriture avec peu d’énergie. Des modèles montrent que les interactions magnétiques internes renforcent la stabilité malgré la miniaturisation. Les expériences confirment que des structures à double barrière MgO améliorent les performances et réduisent les pertes. Un nouveau modèle de commutation est aussi proposé pour mieux estimer l’énergie nécessaire. Ces travaux ouvrent la voie à des mémoires plus petites, rapides et économes en énergie.Face à l’explosion de la consommation numérique, nos appareils ont besoin de mémoires plus économes. La technologie MRAM est une candidate idéale car elle conserve les données sans électricité. Cependant, miniaturiser ces mémoires réduit leur stabilité , les données risquent de s’effacer. Cette thèse explore une architecture innovante, la “ASL-DMTJ”. L’idée est d’entourer la couche de stockage d’informations par deux barrières protectrices et d’ajouter une couche d’assistance magnétique. Cette dernière agit comme un guide dynamique qui aide à l’écriture des données tout en renforçant leur maintien dans le temps. En combinant simulations numériques et tests réels, ces travaux prouvent que ce design permet de créer des mémoires ultra-stables et rapides. L’étude montre aussi que le basculement de l’information se passe à point d’énergie minimale, offrant une grande efficacité énergétique. Ce nouveau modèle architectural permet d’envisager des technologies dont la consommation électrique serait drastiquement réduite.

Jury :

Daniel LACOUR, DIRECTEUR DE RECHERCHE, CNRS, Rapporteur

Aurélien MANCHON , PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Aix-Marseille Université, Rapporteur

Jérémy POSTEL-PELLERIN, MAITRE DE CONFERENCES, Aix-Marseille Université, Examinateur

Hélène BÉA, MAITRESSE DE CONFERENCES, Université Grenoble Alpes, Examinatrice

Laurent RANNO, MAITRE DE CONFERENCES, Université Grenoble Alpes, Examinateur

Thesis supervisors :

Kevin Garello, Directeur de These, SPINTEC

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