Electronique de spin MRAM et voies alternatives G

Electronique de spin: MRAM et voies alternatives. G. Agnus, T. Arnal, A. Fleurence, R. Soulimane, A. Rota, 1. B. Bartenlian, A. -M. Haghiri, T. Maroutian, P. Beauvillain, Institut d’Electronique Fondamentale Université Paris-Sud, UMR 8622 Département Magnétisme, Micro et nano-Structures E. Moyen, M. Hanbücken CRMC-N, UPR 7251 Université de la Méditerranée

En 2005 en production: ~70 Gbits/in 2 1010 bits/cm 2 100 bits/µm 2

Principe de la Magnétorésistance géante dans une multicouche magnétique Dans une multicouche métallique magnétique: Diffusion dépendant du spin aux interfaces entre une couche ferromagnétique (F) et une couche non magnétique (NM) EF F 2 NM F 1 NM Couche dure e - Configuration FERROMAGNETIQUE e - Configuration ANTIFERROMAGNETIQUE Faible diffusion des électrons de spin // Les deux canaux de conduction à l’aimantation des deux couches ont une forte résistivité Découverte: Baibich et al, PRL 61 (1988)

Effet tunnel dépendant du spin Etat parallèle Etat antiparallèle EF EF Jullière, Phys. Lett. A 54225 (1975) Isolant Ferro 1 F 1 EF Isolant (Al 2 O 3, …) Ferro 2 0 F 2 Passage par effet tunnel e. V EF Moodera & al. , Phys. Rev. Lett. 74 (1995)

Mémoire magnétique à accès aléatoire MRAM Principe : Information stockée sur l’orientation des moments magnétiques d’une vanne de spin ou d’une jonction tunnel "1" "0" Couche dure Lecture Ecriture R < R

Bit élémentaire MRAM bit line techno MOS H 1 H 2 word line Avantages : - non volatile - insensible aux radiations - très faible surface 2001 2004 2007 nœud (nm) 130 90 65 p (nm) 200 140 90 Production en Europe: 2005? ALTIS: IBM + Infineon, ST + Motorola + Philips …

CTU IEF-MINERVE Lithographie électronique Faisceau d’électrons Silicium Résine sensible RAITH 150 Résolution : 2 nm Taille des échantillons jusqu’à 8 pouces Ecriture: 10 MHz Performances en lithographie : Largeur de ligne minimale : 20 nm Mémoire magnétique à nano-encoches de largeur 40 nm.

CTU IEF-MINERVE Gravure plasma RIE (Reactive Ion Etching) 320 PC STS neutres ions Si Si. O 2 Si produits volatils et pulvérisés Bâti de gravure CAIBE nanostructures magnétiques

e- M 1 M 2 Possibilité de renversement d’aimantation par injection de courant polarisé en spin. Densité de courant nécessaire: qq 107 A. cm-2 J. C. Slonczewski, JMMM 159, (96) L 1 théorie J. A. Katine et al. , PRL 84 (2000), 3149, Université de Cornell, USA première démonstration expérimentale

Voies alternatives au sein du Département MMS de l’IEF. Nanocomposants pour électronique de spin à base d’oxydes magnétiques en technologie planaire. poster T. Arnal Auto-organisation contrôlée de nanostructures magnétiques. posters G. Agnus et A. Fleurence

Propriétés de l’oxyde magnétique La 2/3 Sr 1/3 Mn 03 Ablation laser Collaboration CRISMAT-Caen, B. Mercey Matériau à forte polarisation de spin: 95% à 5 K 100 Structure monocristalline sans défauts

Parois de domaine et nano-ponts Le domaine central a une forte anisotropie de forme pour l’ancrage de parois de domaine magnétiques. Petite encoche Paroi de domaine fine } Forte magnétorésistance

Principe du piégeage de paroi dans une nanoencoche et calculs de micromagnétisme réponse MR M antiparallèles souhaitée MR M M M parallèles État anti-parallèle Voir poster Thomas Arnal Hc 1 Hc 2 H si Hc 1 < Hc 2, le domaine central est piégé Simulations micromagnétiques réalisées en collaboration avec A. V. Khvalkovskii, A. K. Zvezdin and K. A. Zvezdin

Avantages et inconvénients de l’auto-organisation: Technologie planaire bas coût Absence de défauts de bord ou d’interface induit par la nanotechnologie comportement physique intrinsèque à la nanoparticule même aux tailles ultimes. Dispersion de taille Défauts du réseau sur une grande échelle

Formation of réseau de nanoparticules de Fe. Pt par auto-organisation Evaporation Method S. Sun, C. B. Murray, D. Weller, L. Folks, A. Moser Science 287, 1989 (2000)

Structuration d’une surface et croissance auto-organisée Croissance localisée Si MEB in situ de gouttelettes d’or déposées sous ultravide surface structurée de silicium T. Ogino et coll. J. Electron Micros. 49 (2000) NTT, Japon Si Si Si Îlots d’or visibles formés devant les avancées de macromarches et entre les motifs résiduels de gravure (ellipses grises).

Préparation d’une surface de Silicium (111) vicinale 2° [1, 1, -2] Si(111) 2° [1, 1, -2] Dopage N (Phosphore), = 0, 7 -1, 5 . cm Chauffage par courant direct Image STM sous UHV T = 1100°C RHEED Si(111)-7 x 7 +2 V -2 V Réseau régulier de paquets de marches (post doc A. Rota)

340°C 1, 8 ML Dépôt d’or surface vicinale de Si(111) désorientée vers [11 -2] Alignement le long des paquets de marches Choix de la taille par recuit 360°C 3, 5 ML 200 nm 3, 5 ML 500 nm 200 nm Voir poster Guillaume Agnus

3 x 3 Images STM du détail de la croissance de nanoparticules d’or sur Si(111) 35 nm 3 x 3 5 x 2 45 nm Image STM de gouttelettes Au/Si obtenue au CRMC-N

Îlots magnétiques sur silicium Au (15 MC) / Co (8 -15 MC) / Au (2 MC) / Si(111) Au Co Co Avant couche de protection (Au) 160°C 15 nm Siliciure de Co Si(111) 8 MC AGFM // ^ 100 nm 0 Couverture des îlots 10% Alignés le long des marches Voir poster Antoine Fleurence MS (îlots) = 10 -15 µemu/cm 2 Mesure à température ambiante

Conclusion Les MRAM avec GMR ou effet tunnel dépendant du spin devraient être produites en Europe dès 2005 avec taille compatible technologie CMOS. L’injection de courant polarisé est également une voie explorée. Voies alternatives plus prospectives: * Dispositif innovant à encoches en technologie planaire à base d’oxyde magnétique. * Auto-organisation contrôlée de nanostructures magnétiques ultimes en terme de taille et défauts de bord.