Post on 15-Jan-2016
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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.