Projet ANR-13-NANO-0010 – EXCALYB : Cellules MRAM sub-20nm et intégration CMOS de circuits hybrides
Programme : Nanotechnologies et nanosystèmes (P2N)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Ricardo SOUSA (Spintronique et Technologie des Composants)
Partenaires : Institut Nanosciences et Cryogénie; CROCUS TECHNOLOGY; Spintronique et Technologie des Composants
Montant : 845932.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : Cellules MRAM sub-20nm et intégration CMOS de circuits hybridesLe projet EXCALYB mettra au point des filières technologiques avancées et des empilements magnétiques innovants, intégrés sur CMOS pour des nouvelles architectures de mémoires et de circuits logiques hybrides, non-volatiles et miniaturisables à des nœuds technologiques extrêmes (en dessous de 20nm).
Objectifs du projet1) Le projet EXCALYB vise à établir une plate-forme technologique pour la réalisation de dispositifs spintroniques à base de jonctions tunnel magnétiques à des dimensions nanométriques sous 20nm de diamètre.2) Augmenter le niveau de maturité de deux concepts de mémoire magnétique (MRAM) explorés, en utilisant soit l'écriture par champ (cellules MRAM autoréférences) ou par transfert de spin (STT). Le développement des empilements permettra d'explorer nouvelles idées pour améliorer la fiabilité et l'écriture consommation d'énergie, le niveau de signal magnétorésistance (TMR), ainsi que la stabilité thermique. 3) Intégration de cellules MRAM de petites dimensions sur des wafers CMOS multi-projet pour évaluer la fonctionnalité de circuits hybrides jonction tunnel magnétique-CMOS. Ceci est une étape importante, puisque les propriétés au niveau système ne peuvent être démontrées qu’après l'intégration effective. Une intégration réussie fournira une approche alternative pour l'évaluation des circuits intégrés hybrides, sur une plateforme à faible coût complémentaire avec des lignes d’intégration  200/300mm.
Nanofabrication de pilliers de 20nm de diamètreLithographie electronique, gravure ionique réactive (RIE), gravure pas faisceau d'ions (IBE)
Résumé de la soumission : Le projet EXCALYB mettra au point des filières technologiques avancées et des empilements magnétiques innovants, intégrés sur CMOS pour des nouvelles architectures de mémoires et de circuits logiques hybrides, non-volatiles et miniaturisables à des nœuds technologiques extrêmes (en dessous de 20nm)Ceci passera tout d’abord par le développement d’une plateforme technologique innovante permettant de fabriquer des piliers magnétorésistifs de taille latérale inférieure à 20nm. Cette plateforme sera utilisable dans l’évaluation des dispositifs spintroniques à base de jonctions tunnel magnétiques de dimensions nanométriques extrêmes. La filière technologique développée ne sera pas spécifique uniquement à des cellules de type MRAM, mais pourra être utilisée pour évaluer d’autres types de dispositifs de la spintronique, comme par exemple et non restrictif des oscillateurs RF basés sur l’effet de transfert de spin, des capteurs de champ magnétique ou des circuits hybrides magnétique / CMOS. Cette plateforme “amont” unique en France est complémentaire aux efforts menés par ailleurs en France et en Europe pour créer des lignes « back-end » magnétique 200/300mm. L’alternative proposée par notre consortium réduit de manière significative les coûts associés à l’évaluation des designs de circuit hybrides à base de jonctions tunnel magnétiques, ce qui constitue un avantage de taille pour l’émergence de nouvelles technologies et de nouveaux dispositifs. Un autre objectif du projet EXCALYB et d’apporter des solutions pour des applications à base de mémoires non-volatiles haute performance à très faible consommation. EXCALYB permettra d’évaluer des nouveaux circuits hybrides et d’explorer leur miniaturisation pour les futures générations de produits. Les concepts innovants de mémoires magnétiques proposés dans le projet pourront être directement utilisés dans les futures architectures MRAM de Crocus. En effet, ces concepts permettent d’établir une roadmap technologique pour la MRAM jusqu’à des tailles compatibles avec le nœud technologique 22nm. Le programme de recherché du projet EXCALYB permettra d’optimiser et de porter à maturité le concept d’écriture par courant polarisé en spin à basculement d’anisotropie assistée thermiquement pour des jonctions tunnel magnétique d’aimantation perpendiculaire. Les résultats préliminaires obtenus à Spintec indiquent que ce concept est extrêmement prometteur se situant au tout premier plan au monde en ce qui concerne la figure de mérite, soit le rapport entre stabilité thermique et courant d’écriture. De plus, des améliorations sont encore attendues par rapport à cette première démonstration, notamment en termes d’amplitude de signal de magnétorésistance tunnel. L’utilisation de la filière technologique sub-20nm mise au point dans le cadre du projet permettra de valider expérimentalement la scalabilité attendue de ce mode d’écriture très prometteur. Ceci constituera une avancée scientifique et technologique de premier rang, à la fois pour les mémoires standalone et pour les circuits hybrides embarqués, avec des avantages considérables en consommation en mode veille. Enfin, le projet pourra valider la roadmap fonctionnelle de l’approche MRAM à lecture auto-référencée, actuellement en développement à Crocus pour ses avantages de taille pour les applications embarquées et haute température.
Résultats : Le projet à atteint le jalon numero 1 avec la nano-fabrication de points mémoire avec un ‘diamètre électrique’ sub-30nm, diamètre qui correspond au calcul du diamètre de plot à partir de la valeur de résistance mesuré.
Réalisation de cellules MRAM perpendiculaires fonctionnelles avec des signaux TMR autour de 70-80% et des courants critiques de commutation de l’ordre de 3MA/cm² pour des impulsions de 100ns. La stabilité thermique calculée à partir de mesures obtenues est entre 30-50kBT.
Des cellules à plus grande stabilité entre 40 et 110kBT pour des cellules avec couverture MgO, et des valeurs de stabilité varie entre 100 et 300kBT pour des cellules prévus pour une écriture par basculement d’anisotropie assistée thermiquement.
Perspectives : 1) Fabrication de cellules magnétiques sub-20nm avec différentes stratégies de gravure RIE et IBE.
2) Augmentation TMR, réduction du courant critique de commutation STT, validation de la scalabilité des jonctions perpendiculaires et planaires auto-référencées. 
3) Intégration sur circuit CMOS de jonctions avec filière 20nm
Publications et brevets : Self-referenced multi-bit thermally assisted magnetic random access memories
Stainer, Q. and Lombard, L. and Mackay, K. and Lee, D. and Bandiera, S. and Portemont, C. and Creuzet, C. and Sousa, R. C. and Dieny, B.
Applied Physics Letters, 105, 032405 (2014)
Influence of magnetic electrodes thicknesses on the transport properties of magnetic tunnel junctions with perpendicular anisotropy
Cuchet, L., B. Rodmacq, S. Auffret, R.C. Sousa and B. Dieny
Applied Physics Letters 105 (2014) 052408
Effects of the heating current polarity on the writing of thermally assisted switching-MRAM
Chavent, A., J. Alvarez-Hérault, C. Portemont, C. Creuzet, J. Pereira, J. Vidal, K. Mackay, R.C. Sousa, I.L. Prejbeanu and B. Dieny
IEEE Transactions on Magnetics 50 (2014) 3401504
Field dependence of spin transfer torque switching current in perpendicular magnetic tunnel junctions
Cuchet, L., R.C. Sousa, L. Vila, S. Auffret, B. Rodmacq and B. Dieny
IEEE Transactions on Magnetics 50 (2014) 4401404
Influence of cooling rate in planar thermally assisted magnetic random access memory: Improved writeability due to spin-transfer-torque influence
A. Chavent, C. Ducruet, C. Portemont, C. Creuzet, L. Vila, J. Alvarez-Hérault, R. C. Sousa, I. L. Prejbeanu and B. Dieny
Appl. Phys. Lett. 107, 112403 (2015)
Respective influence of in-plane and out-of-plane spin-transfer torques in magnetization switching of perpendicular magnetic tunnel junctions
A. A. Timopheev, R. Sousa, M. Chshiev, L. D. Buda-Prejbeanu, and B. Dieny
Phys. Rev. B 92, 104430 – Published 28 September 2015