Matériaux à Anisotropie Perpendiculaire pour cellules Mémoire Magnétiques Non-volatiles Haute-densité – PATHOS

Le projet vise à établir la connaissance pour fabriquer des jonctions tunnel magnétiques à anisotropie perpendiculaire, et plus généralement pour la réalisation de couches minces à anisotropie perpendiculaire en vue de leur utilisation en tant qu’électrodes magnétiques de jonction tunnel ou polariseurs perpendiculaires. L'intégration de couches à anisotropie perpendiculaire dans des structures comportant une barrière de MgO présente un défi pour conserver à la fois l'anisotropie perpendiculaire et la structure cristalline du MgO permettant le filtrage en spin des électrons, à l'origine des valeurs élevées de magnétorésistance tunnel (TMR) observées. Il y a actuellement un avantage clair en termes de signal de TMR dans les structures planaires, mais l'approche « anisotropie perpendiculaire » sera la seule manière viable d'aller à des tailles de cellules inférieures à 35nm. Elle permet un meilleur compromis entre la stabilité thermique et la densité de courant critique de commutation, puisque la réduction de la taille de la cellule mémoire augmente le rapport d’aspect vertical, et donc aussi la stabilité thermique du bit d’information.

Simultanément au développement de matériaux à anisotropie perpendiculaire, la démonstration de quatre concepts différents sera réalisée. Tous exigent au moins une couche à anisotropie perpendiculaire.

1. La cellule planaire MRAM à faible champ démagnétisant représente une évolution à faible risque des cellules actuelles à anisotropie planaire. Il y a une réduction prévue de densité de courant de commutation par un facteur 5, représentant un bonne possibilité pour l'amener au-dessous du seuil d'industrialisation de 1E6A/cm².

2. Le concept de MRAM à commutation précessionnelle vise la vitesse de commutation la plus élevée, pour opération dans la gamme du gigahertz.

3. La commutation thermiquement assistée de couches à aimantation perpendiculaire est un concept breveté par Spintec pour réduire la densité de courant polarisé nécessaire pour renverser la couche perpendiculaire de stockage.

4. Le concept de cellules MRAM à anisotropie perpendiculaire représente une perspective viable pour descendre à long terme à des tailles de cellules MRAM au-dessous de 35nm.

La viabilité industrielle de ces concepts sera l'objectif final du projet. Ceci sera réalisé en transférant un ou plusieurs de ces concepts dans un prototype industriel complet, exigeant également le transfert de technologie des matériaux à anisotropie perpendiculaires correspondants. L'intégration avec les concepts existants de commutation par transfert de spin ne devrait pas demander de changements significatifs. D'autres gains seront obtenus par l'optimisation des résultats de ce nouveau concept de MRAM, permettant de réduire la taille du transistor et la taille globale des cellules.

L'originalité du projet est que pour la première fois ces concepts vont être explorés dans les jonctions tunnel magnétiques, et non pas dans des systèmes métalliques comme c’était le cas jusqu'ici. Les MTJs ont des rapports de magnétorésistance beaucoup plus grands que les vannes de spin et l'efficacité de l'injection de spin est considérablement améliorée avec une barrière isolante comparée à un séparateur de cuivre. Ceci entraîne, même dans les systèmes à aimantation planaire, une réduction significative des densités de courant critiques pour la commutation par transfert de spin avec au moins une réduction par un facteur 10 ou 100, allant de 1E7-1E8A/cm² dans les systèmes métalliques à 1E5-1E6A/cm² dans les systèmes à base de jonctions tunnel. Le but du développement de MTJs perpendiculaires est de ramener cette densité de courant critique dans la gamme de 1E5A/cm². Cette réduction se traduira par une réduction de la taille du transistor de sélection de la cellule et améliorera la fiabilité de la cellule de mémoire en raison d'une tension d’écriture plus faible.