Electronique de spin: MRAM et voies alternatives.

1. Electronique de spin: MRAM et voies alternatives. G. Agnus, T. Arnal, A. Fleurence, R. Soulimane, A. Rota, 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

2. En 2005 en production: ~70 Gbits/in2 1010 bits/cm2 100 bits/µm2

3. Couche dure Principe de la Magnétorésistance géante dans une multicouche magnétique EF Dans une multicouche métallique magnétique: Diffusion dépendant du spin aux interfaces entre une couche ferromagnétique (F) et une couche non magnétique (NM) F2 NM F1 NM e- e- e- e- Configuration FERROMAGNETIQUE Faible diffusion des électrons de spin // à l’aimantation des deux couches Configuration ANTIFERROMAGNETIQUE Les deux canaux de conduction ont une forte résistivité Découverte: Baibich et al, PRL61 (1988)

4. Etat parallèle Etat antiparallèle Passage par effet tunnel Isolant F1 F2 Ferro 1 EF eV Isolant (Al2O3, …) EF EF EF 0 Ferro 2 Moodera & al., Phys. Rev. Lett. 74 (1995) Jullière, Phys. Lett. A54225 (1975) Effet tunnel dépendant du spin

5. "1" "0" Couche dure 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 R < R Lecture Ecriture

6. bit line techno MOS 2001 2004 2007 nœud (nm) 130 90 65 p (nm) 200 140 90 H1 H2 word line Bit élémentaire MRAM Production en Europe: 2005? ALTIS: IBM + Infineon, ST + Motorola + Philips … Avantages : - non volatile - insensible aux radiations - très faible surface

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

8. CTU IEF-MINERVE 320 PC STS produits volatils et pulvérisés ions neutres Si SiO2 Si Bâti de gravure CAIBE nanostructures magnétiques Gravure plasmaRIE (Reactive Ion Etching)

9.  e- M1 M2 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) L1 théorie J.A. Katine et al., PRL 84 (2000), 3149, Université de Cornell, USA première démonstration expérimentale

10. 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

11. 100 Propriétés de l’oxyde magnétique La2/3Sr1/3Mn03 Ablation laser Collaboration CRISMAT-Caen, B. Mercey Matériau à forte polarisation de spin: 95% à 5K Structure monocristalline sans défauts

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

13. Principe du piégeage de paroi dans une nanoencoche et calculs de micromagnétisme M anti-parallèles MR M parallèles H Hc2 Hc1 État anti-parallèle M M réponse MR souhaitée si Hc1 < H < Hc2, le domaine central est piégé Voir poster Thomas Arnal Simulations micromagnétiques réalisées en collaboration avec A.V. Khvalkovskii, A.K. Zvezdin and K.A. Zvezdin

14. 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

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

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

17. Préparation d’une surface de Silicium (111) vicinale 2°  [1,1,-2] RHEED Si(111)-7x7 + 2 V - 2 V 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 Réseau régulier de paquets de marches (post doc A. Rota)

18. 340°C 360°C 3,5 ML 500 nm Dépôt d’or sur surface vicinale de Si(111) désorientée vers [11-2] 1,8 ML Alignement le long des paquets de marches Choix de la taille par recuit 200 nm 3,5 ML Voir poster Guillaume Agnus 200 nm

19. 3x3 35 nm 45 nm Images STM du détail de la croissance de nanoparticules d’or sur Si(111) 3x3 Image STM de gouttelettes Au/Si obtenue au CRMC-N 5x2

20. Îlots magnétiques sur silicium Au (15 MC) / Co (8-15 MC) / Au (2 MC) / Si(111) Au Co Co Siliciure de Co Avant couche de protection (Au) Si(111) 160°C 8 MC 15 nm // ^ 100 nm 0 Couverture des îlots  10% Alignés le long des marches AGFM MS (îlots) = 10-15 µemu/cm2 Mesure à température ambiante Voir poster Antoine Fleurence

21. 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.