Soutenance mémoire
En 2017, le nombre d’objets connectés était estimé à 8,4 milliards. En 2020, les estimations portent ce nombre à 30 milliards, représentant un marché total de 7,1 billions de dollars [1]. A l’ère du Big Data et de l’Internet des objets (IoT, Internet of Things), les besoins de supports de stockage de l’information de plus en plus denses, de plus en plus rapides et de moins en moins énergivores ne cessent d’augmenter. Les objets connectés, par exemple, font l’objet d’une miniaturisation croissante. Ils reposent sur des sources d’énergie généralement non rechargeables, et génèrent des flux massifs de données à stocker, traiter et analyser. A l’échelle nationale et internationale, la recherche de nouvelles technologies de stockage de l’information de très grande capacité et économes en énergie représente ainsi une part toujours croissante des efforts alloués par les industriels de la microélectronique, et pourrait bien représenter la révolution numérique de demain.
Concernant le critère énergétique, le magnétisme a depuis longtemps été utilisé comme source de stockage non volatile de l’information, c’est-à-dire comme source de stockage qui ne nécessite pas d’apport énergétique extérieur pour conserver l’information en mémoire. Différentes technologies se sont succédées : bandes magnétiques (depuis 1928), disques durs (depuis 1956), mémoires à tores magnétiques (1955 à 1975) et mémoires à bulles magnétiques (années 1980). Finalement, des mémoires magnétorésistives ont émergé il y une trentaine d’années, avec notamment la technologie MRAM (Magnetic Random Access Memory), qui possèdent à la fois des caractéristiques analogues aux RAM basées sur le stockage de charge et la non-volatilité des disques durs magnétiques.
Le magnétisme
Découverte et origine du magnétisme
Bien que la date et le lieu exacts de la découverte du phénomène de magnétisme restent inconnus, les grandes civilisations de l’Antiquité en connaissaient déjà l’existence [2]. La première utilisation du magnétisme peut être attribuée à l’invention de la boussole, qui aurait été découverte indépendamment en Chine avant le Xe siècle et en Europe fin XIIe . L’astronome anglais William Gilbert a été le premier scientifique à développer une théorie du magnétisme en 1600 dans son ouvrage « De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure». Les concepts ont été repris par René Descartes qui a décrit le magnétisme de manière mécanique et développé un formalisme mathématique révolutionnaire, les coordonnées cartésiennes, parfaitement adapté pour traiter les problèmes physiques. Le XIXe siècle a permis de comprendre le lien entre électricité et magnétisme, notamment grâce aux travaux d’Œrsted (1820), Arago, Ampère, Biot, Savart, Faraday, Maxwell (1861), Tesla et Pierre Curie. Le XXe siècle a finalement apporté une compréhension plus fondamentale du magnétisme grâce à l’avènement de la mécanique quantique. Aujourd’hui, l’origine fondamentale du magnétisme est attribuée à un moment magnétique élémentaire intrinsèque que possède chaque particule, le spin, au même titre que sa charge électrique.
L’électron possède un nombre quantique de spin s = 1/2. Il est par conséquent caractérisé par seulement deux états de spin distincts ms = ± 1/2 communément appelées spin up (+1/2, noté ↑) et spin down (–1/2, noté ↓). Le moment magnétique associé au moment cinétique de spin ¯h→s est donné par µ S = g µB s où g est un nombre sans dimension appelé facteur de Landé et µB = e¯h/2me le magnéton de Bohr. Bien que l’électron possède un spin non nul, un matériau n’a a priori aucune raison d’être magnétique à l’échelle macroscopique. En effet, la mécanique quantique impose des règles de remplissage précises des couches électroniques d’un atome. Il en résulte qu’un atome possède un moment magnétique non nul seulement si la dernière sous-couche en cours de remplissage n’est ni vide, ni pleine . De plus, à l’échelle nanométrique, les moments magnétiques de chaque atome doivent posséder un couplage d’échange positif afin de faire émerger un ordre ferromagnétique local, c’est-à-dire un alignement parallèle entre les spin voisins . Enfin l’échange doit être suffisamment fort afin de lutter contre le champ magnétique créé par le matériau lui-même, à défaut de quoi l’aimantation se brise en une multitude de domaines magnétiques , détruisant l’ordre magnétique à l’échelle micrométrique. L’ensemble de ces conditions n’est rempli que pour une faible variété de matériaux, dont des alliages à base de fer, de nickel et de cobalt.
Les électrons 3d d’un métal de transition peuvent être considérés en première approximation comme localisés autour de leur noyau, conférant un éventuel ordre magnétique au cristal . En revanche, les électrons 4s peuvent être considérés comme entièrement délocalisés sur l’ensemble du cristal, constituant ainsi les électrons de conduction, responsables du transport de charge. Le transport de charge définit le domaine de l’électronique tandis que la manipulation du spin des électrons de conduction définit le domaine de la spintronique, fusion des mots spin et électronique et thématique de recherche dans laquelle s’inscrivent les MRAM.
Micromagnétisme appliqué aux nanostructures
Les concepts du micromagnétisme ont été formalisés par Brown [3], qui reprend et unifie les travaux de Weiss [4] et de Landau et Lifshitz [5]. Le micromagnétisme est une description continue d’un matériau ferromagnétique possédant une aimantation spontanée MS en dessous de sa température de Curie Tc, température à partir de laquelle l’agitation thermique est suffisamment forte pour détruire l’ordre magnétique. L’origine quantique du magnétisme et sa description atomique sont donc laissés de côté pour adopter une description avec des fonctions continues. Un matériau ferromagnétique possède rarement une aimantation uniforme sur l’ensemble de son volume, mais il peut généralement être décrit par une collection de domaines magnétiques d’aimantation uniforme. Ces domaines sont séparés par des régions de transition appelées parois de domaine, au niveau desquelles l’aimantation varie rapidement avec la position.
Transport et manipulation de spin
Polarisation en spin d’un courant de charge
Le transport d’électrons dans un métal non magnétique est très bien décrit par un modèle diffusif de déplacement de charges auxquelles aucun moment magnétique n’est associé. Cependant, dans un matériau ferromagnétique, l’environnement magnétique local influence le transport des électrons de manière différente selon l’orientation relative de leur spin par rapport à l’aimantation du réseau. Considérons par exemple que la population majoritaire de spin du réseau soit spin up (↑) et donc que la population minoritaire soit spin down (↓). En se plaçant dans une limite basse température, il peut être considéré que les différents phénomènes de diffusion conservent le spin des électrons. Sous cette hypothèse, Mott a proposé en 1936 un modèle selon lequel les électrons dont le spin est parallèle au réseau (↑) et les électrons dont le spin est antiparallèle au réseau (↓) se propagent dans deux canaux distincts et indépendants [23]. Cette approche a été validée par Fert et Campbell dans des couches de Fe et Ni présentant des impuretés magnétiques [24].
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 – Introduction : du magnétisme aux MRAM
I. Le magnétisme
1. Découverte et origine du magnétisme
2. Micromagnétisme appliqué aux nanostructures
3. Équation du mouvement LLG
II. Transport et manipulation de spin
1. Polarisation en spin d’un courant de charge
2. Magnétorésistance géante (GMR)
3. Magnétorésistance tunnel (TMR)
4. Couple de transfert de spin (STT)
III. Mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM)
1. Hiérarchie des mémoires
2. La technologie MRAM
3. STT-MRAM à anisotropie perpendiculaire
4. État de l’art, limitations et prévisions
IV. Objectif de la thèse : PSA-STT-MRAM
CHAPITRE 2 – Modélisation d’une PSA-STT-MRAM
I. Diagrammes de stabilité
1. Stabilité en régime macrospin
2. Domaine de validité du modèle macrospin
3. Domaine d’écriture par STT
II. Modélisation du renversement d’une couche à anisotropie de forme
1. Modèle macrospin
2. Renversement micromagnétique par STT
3. Renversement de systèmes quasi-macrospins
III. Influence de la forme des couches
1. Couches cylindriques endommagées sur les flancs
2. Couches faiblement coniques
IV. Etude de la stabilité de la référence
1. Stabilité de TL sous champ
2. Stabilité de TL sous STT
3. Bilan sur la stabilité du SAF
V. Conclusion
CHAPITRE 3 – Optimisation des propriétés des PSA-STT-MRAM
I. Minimisation de la variabilité de ∆
1. Dérivation des conditions optimales {Mopti S , Lopti}
2. Exemples concrets
3. Quantification de δ∆ aux conditions optimales
4. Conditions optimales approchées
II. Minimisation de la variabilité de Vc
III. Optimisation de la stabilité en température
IV. Conclusion
CHAPITRE 4 – Développement d’un procédé de nanofabrication de PSA-MRAM
I. Nanofabrication de p-STT-MRAM
1. Procédé RAM4
2. Gravure de couches magnétiques par IBE
II. Gravure par IBE d’une couche épaisse
1. Multiples voies de gravure
2. Gravure verticale de la jonction
3. Amincissement du pilier
4. Amincissement initial du plot de Ta
5. Gravure du SAF sans redépôt sur MgO
6. Conclusion
III. Reproductibilité du procédé de gravure
1. Point d’arrêt de la gravure IBE
2. Propriétés magnétiques des piliers
IV. Conclusion
CHAPITRE 5 – Caractérisations des PSA-STT-MRAM
CONCLUSION
