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 FondamentaleUniversité 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/in2

1010 bits/cm2

100 bits/µm2

Dans une multicouche métallique magnétique:Diffusion dépendant du spin aux interfaces entre une couche ferromagnétique (F) et une couche non magnétique (NM)

Principe de la Magnétorésistance géante dans une multicouche magnétique

Configuration FERROMAGNETIQUEFaible diffusion des électrons de spin // à l’aimantation des deux couches

Configuration ANTIFERROMAGNETIQUELes deux canaux de conduction ont une forte résistivité

Découverte: Baibich et al, PRL61 (1988)

Couche dure

F1

F2

NM

NM

e- e- e- e-

EF

Effet tunnel dépendant du spin

Moodera & al., Phys. Rev. Lett. 74 (1995)

eVEF

0EF

F1 F2

Isolant Passage par effet tunnel

Ferro 1

Ferro 2

Isolant (Al2O3, …)

EF

Etat parallèle

Jullière, Phys. Lett. A54225 (1975)

EF

Etat antiparallèle

Principe : Information stockée sur l’orientation desmoments magnétiquesd’une vanne de spinou d’une jonction tunnel

Lecture R < R

Ecriture

Mémoire magnétique à accès aléatoire MRAM

"1"

"0"

Couche dure

Avantages : - non volatile- insensible aux radiations- très faible surface

techno MOS 2001 2004 2007

nœud (nm) 130 90 65

p (nm) 200 140 90

Production en Europe: 2005?ALTIS: IBM + Infineon, ST + Motorola + Philips …

H1H2

word line

bit line

Bit élémentaire MRAM

Lithographie électroniqueLithographie électronique

RAITH 150RAITH 150

Résolution : 2 nmRésolution : 2 nmTaille des échantillons Taille des échantillons jusqu’à 8 poucesjusqu’à 8 poucesEcriture: 10 MHzEcriture: 10 MHz

Performances en lithographie :Performances en lithographie :Largeur de ligne minimale : Largeur de ligne minimale :

20 nm20 nmMémoire magnétiqueMémoire magnétiqueà nano-encoches à nano-encoches de largeur 40 nm. de largeur 40 nm.

Résine Résine sensiblesensibleRésine Résine sensiblesensible

SiliciumSilicium

Faisceau Faisceau d’électronsd’électrons Faisceau Faisceau d’électronsd’électrons

CTUIEF-MINERVE

Gravure plasmaGravure plasmaRIE (Reactive Ion Etching)

320 PC STS ionsionsneutresneutres

produits produits volatils et volatils et pulvériséspulvérisés

Si

SiO2

Si

CTUIEF-MINERVE

Bâti de gravure CAIBEnanostructures magnétiques

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 théorieJ.A. Katine et al., PRL 84 (2000), 3149, Université de Cornell, USA

première démonstration expérimentale

M1 M2

e-

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

0 100 200 300 4000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

ZFC + inc 500 G

//<100> in-plane 10 nm

40 nm

M ( B

/f.u

.)

T (K)

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

Ker

Ro

tati

on

(d

eg.)

µ0H (Gauss)

100

Ablation laser

Collaboration CRISMAT-Caen, B. Mercey

Structure monocristallinesans défauts

Propriétés de l’oxyde magnétique La2/3Sr1/3Mn03

Matériau à forte polarisation de spin:95% à 5K

}Petite encoche

Paroi de domaine fine

Forte magnétorésistance

Le domaine central a une forte anisotropie de forme pour l’ancragede parois de domaine magnétiques.

Pads (Au)

La2/3Sr1/3MnO3

Substrate (SrTiO3)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b) H

MRparois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b) Hc1 Hc2- Hc2 - Hc1

Bit 1

Bit 0

constrained domain walls

Pads (Au)

La2/3Sr1/3MnO3

Substrate (SrTiO3)

Pads (Au)

La2/3Sr1/3MnO3

Substrate (SrTiO3)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b) H

MRparois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b) Hc1 Hc2- Hc2 - Hc1

Bit 1

Bit 0

constrained domain walls

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b) H

MRparois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b) Hc1 Hc2- Hc2 - Hc1

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b) H

MRparois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

parois de domaines

Substrat

Manganite

Contacts (Or)

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2

MR

HHC1 HC2-HC1-HC2(a) (b) Hc1 Hc2- Hc2 - Hc1

Bit 1

Bit 0

constrained domain wallsconstrained domain walls

Parois de domaine et nano-ponts

réponse MR souhaitée

si Hc1 < H < Hc2, le domaine central est piégé

HHc2Hc1

MR

M parallèles

M anti-parallèles

MM

État anti-parallèle

Principe du piégeage de paroi dans une nanoencocheet calculs de micromagnétisme

Voir poster Thomas Arnal Simulations micromagnétiques réalisées en collaboration avec A.V. Khvalkovskii, A.K. Zvezdin and K.A. Zvezdin

Technologie planaire bas coût Absence de défauts de bord ou d’interface induit par la nanotechnologie comportement physique intrinsèqueà la nanoparticule même aux tailles ultimes.

Dispersion de tailleDéfauts du réseau sur une grande échelle

Avantages et inconvénients de l’auto-organisation:

Solvent Evaporation

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

3.911 4.168 4.426 4.684 4.942

Popu

latio

n %

Size (nm)

4.480.15 nm (3.3%)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

3.911 4.168 4.426 4.684 4.942

Popu

latio

n %

Size (nm)

4.480.15 nm (3.3%)

20 nm

4.48±0.15 nm(3.3%)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

3.911 4.168 4.426 4.684 4.942

Popu

latio

n %

Size (nm)

4.480.15 nm (3.3%)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

3.911 4.168 4.426 4.684 4.942

Popu

latio

n %

Size (nm)

4.480.15 nm (3.3%)

20 nm

4.48±0.15 nm(3.3%)

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)

Structuration d’une surface et croissance auto-organiséeCroissance localisée

Si

Si

Si

Si

Si Si

Si

MEB in situ de gouttelettes d’or déposées sous ultravide sur surface structurée de siliciumT. 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).

Si(111)-7x7

RHEED

[11-2]

100 nm

+ 2 V

- 2 V

Si(111) 2° [1,1,-2]Dopage N (Phosphore), = 0,7-1,5 .cm

Réseau régulier de paquets de marches (post doc A. Rota)

Chauffage par courant direct

T = 1100°C

Préparation d’une surface deSilicium (111) vicinale 2° [1,1,-2]

Image STMsous UHV

200 nm

340°C

200 nm

3,5 ML

1,8 ML

360°C

500 nm

3,5 ML

Dépôt d’or sur surface vicinalede Si(111) désorientée vers [11-2]

Alignement le long des paquets de marches

Choix de la taille par recuit

Voir poster Guillaume Agnus

45 nm

3x3

35 nm

5x2

3x3

Image STM de gouttelettes Au/Si obtenue au CRMC-N

Images STM du détail de la croissancede nanoparticules d’or sur Si(111)

Si(111)

Au CoCoSiliciure de Co

-6 -3 0 3 6-20

-10

0

10

20

//

M (

10-6 e

mu/

cm2 )

H (kOe)

AGFM

MS (îlots) = 10-15 µemu/cm2

Mesure à température ambiante

Îlots magnétiques sur siliciumAu (15 MC) / Co (8-15 MC) / Au (2 MC) / Si(111)

Avant couche de protection (Au)

//

100 nm

15 nm

0

Couverture des îlots 10%

Alignés le long des marches

8 MC

160°C

Voir poster Antoine Fleurence

Conclusion

Les MRAM avec GMR ou effet tunnel dépendant du spin devraientêtre 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 planaireà base d’oxyde magnétique.

* Auto-organisation contrôlée de nanostructures magnétiques ultimesen terme de taille et défauts de bord.