La nanoélectronique ne peut être que quantique - CEA

ouverte jusqu’au Tbit/cm 2 .Pratiquement, le substratinitial peut être réalisé par une technologie de nanoimpression(nanoimprint) utilisant un moule d’abordréalisé par lithographie électronique (étape coûteuse),puis utilisé un grand nombre de fois pour transférerle motif sur de nouveaux substrats par simple pressagede la résine lithographique.100 nmmulticoucheCo/Ptgrains CoPtLes phénomènes de magnétorésistanceappliqués aux mémoires MRAMaFigure 2.En (a), image obtenue par microscopie à force magnétique, de plots magnétiques de 100 200 nmconstitués d’une multicouche (Pt/Co) n déposée sur un substrat de silicium prégravé. Chaqueplot présente une aimantation pointant vers le haut, ou le bas, indépendamment de ses voisins,et peut donc supporter un bit d’information. Un tel système a été lu avec succès par une tête delecture classique. En (b), image en coupe obtenue par microscopie électronique entransmission d’un plot de silicium recouvert d’une multicouche Co/Pt.lecturelignede motécriturelignesde motécriture “1”ligne de bit“1”“0”écriture “0”lignes de bitLe lien entre propriétés de transport électronique etmagnétisme est à la base de nombreux phénomènesde magnétorésistance (dépendance de la résistanceélectrique du champ magnétique appliqué),largementétudiés dans les laboratoires de la Direction des sciencesde la matière du CEA, dans une perspective tantfondamentale qu’appliquée. Sur ce dernier plan, lesefforts portent essentiellement sur le développementde nouvelles technologies pour les mémoires magnétiquesà accès aléatoire (MRAM), qui sont l’un deschamps d’application les plus importants de la spintronique.Elles utilisent comme éléments de stockagedes jonctions tunnel constituées d’une fine barrièreisolante (~1 nm) séparant deux couches magnétiques.Ces jonctions sont lithographiées et gravées sous laforme de piliers de dimension submicronique. Desélectrodes conductrices, à la base et à leur sommet,permettent d’injecter un courant électrique au traversde la barrière. Une jonction tunnel magnétique secomporte avec le spin des électrons comme le fait uncouple polariseur/analyseur en optique avec la polarisationdes photons:on peut faire varier la transmissiondes électrons à travers la barrière tunnel enjouant sur l’angle entre les aimantations des deuxcouches magnétiques. Pour ce faire, la direction d’aimantationde l’une des deux couches est fixée, tandisque la seconde est réalisée de manière à tourner facilementsous l’action d’un champ magnétique. La coucheémettrice polarise en spin les électrons, la coucheréceptrice les analyse. La résistance de la jonction évolued’environ 50% entre les configurations parallèle etantiparallèle des aimantations. Ces deux niveaux derésistance permettent de stocker l’information (figure 3).Les jonctions tunnels sont disposées en un réseau carréinterconnecté à la base et au sommet par deux réseauxperpendiculaires de lignes conductrices parallèles.La lecture consiste à faire passer un courant à traversle point mémoire et à mesurer son niveau de résistance.L’écriture se fait par envoi simultané de deux impulsionsde courant dans les deux lignes conductrices quise croisent au niveau du point mémoire à écrire.Ces courants génèrent deux champs magnétiques quis’ajoutent localement et permettent de faire basculerla jonction tunnel dans la configuration magnétiquedésirée (aimantations parallèles ou antiparallèles).L’intensité des courants doit être ajustée pour que seulle point mémoire qui “ressent” la somme des deuxchamps commute. Cette technologie est actuellementla principale développée par plusieurs consortia internationauxdont Motorola/STMicroelectronics/Philipsqui ont réalisé des démonstrateurs de 4 et 16 Mbitet annoncé la production pour 2005. Aux faiblesdensités d’intégration, cette technologie fonctionnebien, mais il est de plus en plus difficile de réaliser despoints mémoires présentant le même champ de retournementde l’aimantation aux petites dimensions,ce qui va rapidement poser des problèmes d’erreursd’écriture. Pour résoudre cette question, le CEAtravaille sur deux nouvelles approches.Écriture assistée thermiquementou renversement d’aimantation par courantpolarisé en spinLa première consiste en une écriture assistée thermiquement.Le principe consiste à faire passer uncourant à travers le point mémoire pendant l’écriture,ce qui a pour effet de l’échauffer par effet Joule.Or, dans les matériaux magnétiques, d’une façongénérale, le champ permettant le renversement del’aimantation diminue avec l’accroissement de latempérature, car l’activation thermique assiste leretournement.Cet échauffement permet donc d’écrirele point adressé avec un champ plus faible et doncmoins de risques de commutation accidentelled’autres points mémoires. Cette technologie a faitl’objet de plusieurs brevets CEA et une jeune entreprise,Crocus Technology, a été créée pour la développer, seproposant à terme de produire des TAS-MRAM(Thermally Assisted Switching-MRAM).La deuxième approche repose sur un phénomènedécouvert très récemment: le renversement d’aimantationinduit par un courant polarisé en spin.Un métalferromagnétique constitue une source d’électronsbjonctions tunnelFigure 3.Principe de fonctionnementd’une MRAM de premièregénération. L’écriture estassurée par l’envoi simultanéde deux impulsions de courantdans les deux lignesconductrices perpendiculaires(ligne de bit et ligne de mot quise croisent au niveau du pointà adresser).CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005 11