FR2849526A1

FR2849526A1 - SPIN DETECTION MAGNETIC MEMORY

Info

Publication number: FR2849526A1
Application number: FR0216844A
Authority: FR
Inventors: Viatcheslav Safarov
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de la Mediterranee Aix Marseille II
Current assignee: Aix Marseille Universite; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: AU2003303658A1; CN1745430A; FR2849526B1; EP1595263A2; JP2006512763A; AU2003303658A8; WO2004061856A2; WO2004061856A3

Abstract

L'invention présente une mémoire magnétique à détection de spin agencée sur une jonction semi-conductrice 103 formée de deux zones adjacentes, la première 101 et la deuxième 102 zone présentant une conductivité respectivement d'un premier et d'un second type ; cette mémoire comporte une première 110 et une deuxième 120 cellules de connexion disposées de part et d'autre de cette jonction 103, chaque cellule étant pourvue d'un module d'aimantation 111-112, 121-122.De plus, l'une au moins de ces cellules comporte une électrode de polarisation 113, 123 en sus du module d'aimantation.The invention presents a magnetic memory with spin detection arranged on a semiconductor junction 103 formed of two adjacent zones, the first 101 and the second 102 having a conductivity respectively of a first and a second type; this memory comprises a first 110 and a second 120 connection cells arranged on either side of this junction 103, each cell being provided with a magnetization module 111-112, 121-122. In addition, one at least one of these cells has a polarization electrode 113, 123 in addition to the magnetization module.

Description

Mémoire magnétique à détection de spinMagnetic memory with spin detection

La présente invention concerne une mémoire magnétique à détection de spin. Les mémoires magnétiques sur silicium, encore appelées " MRAM " 5 pour le terme anglais " Magnetic Random Access Memory " ont connu un développement très rapide ces dernières années et l'on pourra se référer à ce sujet par exemple au brevet américain US 5 650 958. Elles présentent en effet de nombreux avantages comme la non-volatilité de la mémoire " FLASH ", la rapidité de la mémoire " SRAM " et la densité de la mémoire " DRAM ". Outre 10 ces nombreux avantages, elles offrent aussi un fonctionnement à très basse tension. Néanmoins, le procédé de fabrication des MRAM est complexe. Il nécessite un contrôle très précis de certains paramètres ainsi que l'emploi de matériaux peu répandus. Ces mémoires se révèlent ainsi difficiles à industrialiser 15 de façon rentable et, jusqu'à présent, seuls quelques prototypes ont été produits. The present invention relates to a magnetic memory with spin detection. Magnetic memories on silicon, also called "MRAM" 5 for the English term "Magnetic Random Access Memory" have experienced very rapid development in recent years and we can refer to this subject for example in US Patent US 5,650,958 They indeed have many advantages such as the non-volatility of the "FLASH" memory, the speed of the "SRAM" memory and the density of the "DRAM" memory. In addition to these many advantages, they also offer very low voltage operation. However, the MRAM manufacturing process is complex. It requires very precise control of certain parameters as well as the use of uncommon materials. These memories thus prove difficult to industrialize profitably and, so far, only a few prototypes have been produced.

Un premier type de transistor à spin tel que celui décrit dans le brevet américain US 5 654 566 se présente comme un transistor à effet de champ si ce n'est que la source, respectivement le drain, sont remplacés par un injecteur, respectivement un détecteur d'électrons polarisés en spin, tous deux en matériau 20 magnétique aimanté. A first type of spin transistor such as that described in US Pat. No. 5,654,566 is presented as a field effect transistor except that the source, respectively the drain, are replaced by an injector, respectively a detector. of spin-polarized electrons, both made of magnetic magnetic material.

Les électrons polarisés en spin sont injectés de l'injecteur dans le canal du transistor. Ils dérivent sous l'effet du champ électrique appliqué entre l'injecteur le détecteur. La grille sert à manipuler des spins (changer leur orientation) lors du parcours de l'injecteur au détecteur. Spin polarized electrons are injected from the injector into the transistor channel. They drift under the effect of the electric field applied between the injector and the detector. The grid is used to manipulate spins (change their orientation) during the path from the injector to the detector.

2 5 Les potentiels électriques des trois éléments, injecteur, grille et détecteur, sont conditionnés par le fonctionnement du transistor, si bien qu'il n'est pas possible de les modifier librement pour optimiser l'injection d'électrons polarisés en spin dans le canal, ni pour optimiser la détection de ces mêmes électrons. On connaît par ailleurs le transistor à spin de type bipolaire tel que celui enseigné par le brevet américain US 5 962 905. Ici, l'émetteur et la base sont recouverts chacun d'une couche magnétique aimantée. Bien que ces deux éléments soient séparés par une jonction semi-conductrice, la plage de réglage de leur potentiel reste très limitée. 2 5 The electrical potentials of the three elements, injector, gate and detector, are conditioned by the operation of the transistor, so that it is not possible to freely modify them to optimize the injection of spin-polarized electrons in the channel, nor to optimize the detection of these same electrons. The bipolar type spin transistor such as that taught by American patent US 5,962,905 is also known. Here, the emitter and the base are each covered with a magnetized magnetic layer. Although these two elements are separated by a semiconductor junction, the range of adjustment of their potential remains very limited.

La présente invention a ainsi pour objet une mémoire magnétique à détection de spin dans laquelle l'injection et/ou la détection des électrons polarisés en spin sont sensiblement améliorées. The present invention thus relates to a magnetic memory with spin detection in which the injection and / or the detection of electrons polarized in spin are significantly improved.

Selon l'invention, la mémoire est agencée sur une jonction semi5 conductrice formée de deux zones adjacentes, la première et la deuxième zone présentant une conductivité respectivement d'un premier et d'un second type, cette mémoire comportant une première et une deuxième cellules de connexion disposées de part et d'autre de cette jonction, chaque cellule étant pourvue d'un module d'aimantation; de plus, l'une au moins de ces cellules comporte une 0o électrode de polarisation en sus de son module d'aimantation. According to the invention, the memory is arranged on a semiconductive junction formed of two adjacent zones, the first and the second zone having a conductivity of a first and a second type respectively, this memory comprising a first and a second cell connection arranged on either side of this junction, each cell being provided with a magnetization module; in addition, at least one of these cells has a 0o polarization electrode in addition to its magnetization module.

L'adjonction d'une électrode à proximité du module d'aimantation permet de modifier la polarisation de ce module sans perturber outre mesure le fonctionnement de la mémoire. The addition of an electrode near the magnetization module makes it possible to modify the polarization of this module without unduly disrupting the operation of the memory.

De préférence, l'un des modules d'aimantation jouxte la jonction semi15 conductrice. Preferably, one of the magnetization modules adjoins the semiconductor junction.

Selon un mode de réalisation privilégié, l'un au moins de ces modules d'aimantation comporte une couche tampon au contact de la zone dans laquelle il figure, une couche magnétique étant disposée sur cette couche tampon. According to a preferred embodiment, at least one of these magnetization modules comprises a buffer layer in contact with the zone in which it appears, a magnetic layer being disposed on this buffer layer.

Avantageusement, cette couche tampon est en un matériau isolant et, 20 suivant une caractéristique additionnelle, son épaisseur est telle qu'elle permette une conduction par effet tunnel entre la couche magnétique et la zone dans laquelle elle figure. Advantageously, this buffer layer is made of an insulating material and, according to an additional characteristic, its thickness is such that it allows conduction by tunnel effect between the magnetic layer and the zone in which it appears.

De plus, la distance entre les deux modules d'aimantation de la mémoire est inférieure au double de la longueur de diffusion de spin. In addition, the distance between the two magnetization modules of the memory is less than double the spin diffusion length.

En outre, la première zone présente une conductivité de type p. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en se référant à la figure annexée qui représente un schéma de la mémoire à détection de spin selon l'invention. In addition, the first zone has a p-type conductivity. The present invention will now appear in more detail in the context of the description which follows of exemplary embodiments given by way of illustration with reference to the appended figure which represents a diagram of the memory with detection of spin according to the invention.

En référence à la figure 1, la mémoire magnétique est disposée sur un substrat semi-conducteur 100. With reference to FIG. 1, the magnetic memory is arranged on a semiconductor substrate 100.

Le substrat 100 comporte une première zone 101 sur laquelle est disposée une première cellule de connexion 110. Cette première zone 101 présente une conductivité d'un premier type, le type p dans le cas présent, alors 35 que le reste du substrat qui constitue une deuxième zone 102, présente une conductivité du deuxième type, du type n dans le cas présent. La séparation des deux zones forme ainsi une jonction semi-conductrice 103. The substrate 100 has a first zone 101 on which a first connection cell 110 is disposed. This first zone 101 has a conductivity of a first type, type p in this case, while the rest of the substrate which constitutes a second zone 102 has a conductivity of the second type, of type n in the present case. The separation of the two zones thus forms a semiconductor junction 103.

La première cellule de connexion 110 est ici un injecteur d'électrons polarisés en spin. Elle comporte un premier module d'aimantation formé d'une 5 première couche tampon 111 au contact de la première zone 101 et d'une première couche magnétique 112 disposée sur cette première couche tampon. The first connection cell 110 is here a spin polarized electron injector. It comprises a first magnetization module formed by a first buffer layer 111 in contact with the first zone 101 and by a first magnetic layer 112 disposed on this first buffer layer.

De préférence, ce premier module d'aimantation est disposé à proximité immédiate de la jonction semi-conductrice 103. Preferably, this first magnetization module is disposed in the immediate vicinity of the semiconductor junction 103.

Les électrons polarisés en spin sont injectés de la première couche 1o magnétique 112 dans la première zone 101. The spin-polarized electrons are injected from the first magnetic 1o layer 112 into the first zone 101.

Pour injecter et détecter des électrons polarisés en spin, il faut disposer de matériaux qui ont une forte polarisation électronique de spin: les matériaux ferromagnétiques sont naturellement de bons candidats. Ces matériaux peuvent être isolants, semi-conducteurs ou métalliques. Pour des dispositifs électroniques 15 tels que les mémoires, il est préférable de recourir à des métaux ferromagnétiques car les semi- conducteurs ferromagnétiques sont des matériaux qui ont été synthétisés récemment et leur technologie n'est pas encore bien maîtrisée. De plus, la température de Curie de ces matériaux est assez basse, inférieure à 300'K, et ces matériaux ne peuvent donc pas être utilisés à 20 température ambiante. Par contre, les matériaux ferromagnétiques conducteurs ont des températures de Curie très élevées, largement supérieures à 3000K. To inject and detect spin-polarized electrons, you need materials that have a strong electronic spin polarization: ferromagnetic materials are naturally good candidates. These materials can be insulating, semiconducting or metallic. For electronic devices such as memories, it is preferable to use ferromagnetic metals because ferromagnetic semiconductors are materials which have been synthesized recently and their technology is not yet well mastered. In addition, the Curie temperature of these materials is quite low, less than 300K, and therefore these materials cannot be used at room temperature. On the other hand, conductive ferromagnetic materials have very high Curie temperatures, well above 3000K.

Leur technologie est bien maîtrisée et il existe une large gamme de métaux ferromagnétiques (purs et alliages) avec des propriétés magnétiques (champ coercitif, anisotropie magnétiques...) variées. Their technology is well mastered and there is a wide range of ferromagnetic metals (pure and alloys) with varied magnetic properties (coercive field, magnetic anisotropy ...).

L'injection d'électrons à partir de métaux ferromagnétiques peut se faire de différentes manières, notamment au moyen d'une jonction tunnel. En effet, des expériences réalisées avec des métaux ferromagnétiques montrent que les électrons émis par ces métaux à travers des jonctions tunnels sont fortement polarisés en spin. The injection of electrons from ferromagnetic metals can be done in different ways, in particular by means of a tunnel junction. Indeed, experiments carried out with ferromagnetic metals show that the electrons emitted by these metals through tunnel junctions are strongly polarized in spin.

Ainsi, de préférence, la première couche tampon 111 est en un matériau isolant tel que le dioxyde de silicium ou l'alumine. Thus, preferably, the first buffer layer 111 is made of an insulating material such as silicon dioxide or alumina.

Elle présente une épaisseur suffisamment fine, d'une fraction de nanomètre à quelques nanomètres, pour que la conduction entre la première couche magnétique 1 12 et la première zone 101 soit dominée par l'effet tunnel. 35 L'empilement première zone 101, première couche tampon 111, première couche magnétique 112, constitue donc une jonction tunnel. It has a sufficiently fine thickness, from a fraction of a nanometer to a few nanometers, so that the conduction between the first magnetic layer 11 and the first zone 101 is dominated by the tunnel effect. The first zone 101, first buffer layer 111, first magnetic layer 112 stack therefore constitutes a tunnel junction.

De sorte que cette jonction tunnel puisse être polarisée en direct, la première cellule d'aimantation comporte une électrode de polarisation 113 en contact ohmique avec la première zone 101. Il suffit qu 'une tension relativement faible, de l'ordre de quelques Volts, soit appliquée entre la première couche 5 magnétique 112 et la première zone 101 pour décourber les bandes dans le semi-conducteur 101 à proximité de l'interface avec la première couche tampon 111. L'injection d'électrons dans la bande de conduction de ce semi-conducteur est alors assurée. So that this tunnel junction can be polarized directly, the first magnetization cell comprises a polarization electrode 113 in ohmic contact with the first zone 101. It suffices that a relatively low voltage, of the order of a few volts, is applied between the first magnetic layer 112 and the first zone 101 to curve the bands in the semiconductor 101 near the interface with the first buffer layer 111. The injection of electrons into the conduction band of this semiconductor is then insured.

D'autre part une deuxième cellule de connexion 120 joue le rôle de 10 détecteur d'électrons polarisés en spin. Disposée sur la deuxième zone 102, elle comporte un deuxième module d'aimantation qui, de préférence, est formée d'une deuxième couche tampon 121 au contact de la deuxième zone 102 et d'une deuxième couche magnétique 122 disposée sur cette deuxième couche tampon. On a mentionné plus haut qu'une jonction tunnel permet d'accroître sensiblement l'efficacité d'injection des électrons polarisés. Une telle jonction permet de manière analogue d'améliorer la détection de ces électrons polarisés car la probabilité de passage d'un électron dans un matériau ferromagnétique à travers cette jonction dépend très fortement de son orientation de spin. On the other hand, a second connection cell 120 acts as a detector of spin-polarized electrons. Arranged on the second zone 102, it comprises a second magnetization module which, preferably, is formed of a second buffer layer 121 in contact with the second zone 102 and of a second magnetic layer 122 disposed on this second buffer layer . It was mentioned above that a tunnel junction makes it possible to significantly increase the injection efficiency of polarized electrons. Such a junction similarly improves the detection of these polarized electrons because the probability of an electron passing through a ferromagnetic material through this junction very strongly depends on its spin orientation.

2 0 Ainsi, avantageusement, la deuxième couche tampon 121 est en matériau isolant pour réaliser une deuxième jonction tunnel matérialisée par l 'empilement deuxième zone 102, deuxième couche tampon 121, deuxième couche magnétique 122. 2 0 Thus, advantageously, the second buffer layer 121 is made of insulating material to produce a second tunnel junction materialized by the stacking of the second zone 102, second buffer layer 121, second magnetic layer 122.

Pour améliorer la sélectivité en spin de la détection, il est préférable de 25 disposer une seconde électrode de polarisation 123 en contact ohmique avec la deuxième zone 102. A titre d'exemple, la différence de potentiel entre la deuxième couche magnétique 122 et cette deuxième électrode de polarisation est de l'ordre de quelques Volts. To improve the spin selectivity of the detection, it is preferable to have a second polarization electrode 123 in ohmic contact with the second zone 102. As an example, the potential difference between the second magnetic layer 122 and this second polarization electrode is of the order of a few volts.

Le courant injecté par la première cellule de connexion 110 à destination 30 de la deuxième cellule de connexion est polarisé en spin. Autrement dit, il est constitué majoritairement d'électrons d'un type de spin, " spin up " ou " spin down ". Le taux de polarisation du courant est déterminé par la structure de bandes du matériau magnétique à l'interface avec la couche tampon. La polarisation de spin dépend de l'orientation de l'aimantation du métal 35 ferromagnétique. Le courant injecté I a deux composantes G+ et G., chacune représentant le courant d'électron respectivement de " spin up " ou de " spin down ". The current injected by the first connection cell 110 to the second connection cell is spin polarized. In other words, it is mainly made up of electrons of a spin type, "spin up" or "spin down". The rate of current polarization is determined by the band structure of the magnetic material at the interface with the buffer layer. The spin polarization depends on the orientation of the magnetization of the ferromagnetic metal. The injected current I has two components G + and G., each representing the electron current of "spin up" or "spin down" respectively.

Au niveau de la deuxième cellule de connexion, le courant injecté est subdivisé en un courant de détection capté par la deuxième couche magnétique 5 122 et un courant de fuite capté par la deuxième électrode de polarisation 123. At the second connection cell, the injected current is subdivided into a detection current picked up by the second magnetic layer 5 122 and a leakage current picked up by the second polarization electrode 123.

Le courant de détection et le courant de fuite dépendent de l'aimantation relative des deux modules d'aimantation. The detection current and the leakage current depend on the relative magnetization of the two magnetization modules.

On note ip, respectivement iap, le courant de détection lorsque les aimantations des deux modules sont parallèles, respectivement antiparallèles. 10 On note de même jp, respectivement jiap, le courant de fuite lorsque les aimantations des deux modules sont parallèles, respectivement antiparallèles. We denote ip, respectively iap, the detection current when the magnetizations of the two modules are parallel, respectively antiparallel. 10 We also note jp, jiap respectively, the leakage current when the magnetizations of the two modules are parallel, respectively antiparallel.

Les probabilités de transmission des électrons de " spin up " et de " spin down " dans la deuxième couche magnétique sont caractérisées par les coefficients oa+ et ca, la probabilité de passer vers le contact ohmique étant 15 caractérisée par le coefficient D qui lui est indépendant de la polarisation de spin. The transmission probabilities of the "spin up" and "spin down" electrons in the second magnetic layer are characterized by the coefficients oa + and ca, the probability of passing to the ohmic contact being characterized by the coefficient D which is independent of it. of spin polarization.

En configuration parallèle, les différents courants sont reliés aux concentrations n+ et n. d'électrons respectivement de " spin up " et de " spin down " comme suit: I=G++G_ ip=a+n++an; jp= (n++n) En régime stationnaire et toujours pour une configuration parallèle des 20 aimantations relatives des injecteurs et détecteurs nous avons: G +=a+n+ + n+ ; G =an + /n n±- G+ 'n=Gn a + =+ a + f i= c+n+a+: n_ = a G+ - G P + + a.+6+? a +?Lorsque les aimantations de l'injecteur et du détecteur sont en 25 configuration antiparallèles, le courant détecté est modifié par rapport à la configuration parallèle: G_=ao+n+ +]n+ n-- =G+ a--+ P G+ =a n_ +,n In parallel configuration, the different currents are linked to the n + and n concentrations. of spin up and spin down electrons respectively as follows: I = G ++ G_ ip = a + n ++ year; jp = (n ++ n) In steady state and always for a parallel configuration of the 20 relative magnetizations of the injectors and detectors we have: G + = a + n + + n +; G = an + / n n ± - G + 'n = Gn a + = + a + f i = c + n + a +: n_ = a G + - G P + + a. + 6 +? When the magnetizations of the injector and the detector are in antiparallel configuration, the detected current is modified compared to the parallel configuration: G_ = ao + n + +] n + n-- = G + a - + P G + = a n_ +, n

GG

n+ =o[+ + iap =o+ +a n_ = a+ G + a+ +,6 a G+ a-_+fi Il s'ensuit que: ip-i ap = a+ ; (G±G) a_-c a-_+f (G±G-) i -iap =(G±G)t ip+ iapp=a (G+ i p+ pao+ +fi p(aCa-) Xa+ +,aa-l+f( ) +G)+ (as + (G+ +G_) a_- +? ip + iap=(G++ 2a+a +/(za++a-) t + +,61a- +,6 Nous introduisons les notations suivantes pour quantifier les asymétries du courant injecté, de la détection et du courant détecté: G+=G+AG;G-=G-AG; oG= (G+G-) etAG= 2 2 a+= a + Aa; a- = a - Aa; O 2= 2 et2A= 2 i= 2 et Ai= 2 La quantité qui caractérise la sensibilité du détecteur est Aili, variation relative du courant de détection pour deux configurations d'aimantation Ai _AGX 2,a, _ AG Aa A5 i G (A2[a2-(a)2 +2/) a G a a (Aa)2+ En faisant l'hypothèse que (Aa) est sensiblement inférieur à à2, nous obtenons la relation suivante: Ai AGX Aa _10 AG/G caractérise la polarisation de spin des électrons injectés. n + = o [+ + iap = o + + a n_ = a + G + a + +, 6 a G + a -_ + fi It follows that: ip-i ap = a +; (G ± G) a_-c a -_ + f (G ± G-) i -iap = (G ± G) t ip + iapp = a (G + i p + pao + + fi p (aCa-) Xa + +, aa- l + f () + G) + (as + (G + + G_) a_- +? ip + iap = (G ++ 2a + a + / (za ++ a-) t + +, 61a- +, 6 We introduce the following notations to quantify the asymmetries of the injected current, of the detection and of the detected current: G + = G + AG; G- = G-AG; oG = (G + G-) and AG = 2 2 a + = a + Aa; a- = a - Aa; O 2 = 2 and 2A = 2 i = 2 and Ai = 2 The quantity which characterizes the sensitivity of the detector is Aili, relative variation of the detection current for two magnetization configurations Ai _AGX 2, a, _ AG Aa A5 i G (A2 [a2- (a) 2 + 2 /) a G aa (Aa) 2+ Assuming that (Aa) is significantly less than 2, we obtain the following relation: Ai AGX Aa _10 AG / G characterizes the spin polarization of the injected electrons.

Ja/a caractérise l'anisotropie de transmission du détecteur. Ja / a characterizes the transmission anisotropy of the detector.

Les rapports AG/G et Aa/a valent quelques dixièmes d'unité, 0,4 environ pour un alliage de fer et de cobalt. The ratios AG / G and Aa / a are worth a few tenths of a unit, around 0.4 for an alloy of iron and cobalt.

La limite de sensibilité dépend donc uniquement des propriétés des structures ferromagnétiques. Elle est atteinte pour a " , ou encore pour i " j. The sensitivity limit therefore depends solely on the properties of the ferromagnetic structures. It is reached for a ", or even for i" j.

Le détecteur présente donc un courant plus faible (par rapport au courant injecté), mais avec une sensibilité maximale à la polarisation de spin dans le semi-conducteur. Pour un courant détecté représentant 10% du courant injecté, 20 la sensibilité du détecteur sera égale à 90% de la sensibilité limite, donnée par le choix des matériaux ferromagnétiques. The detector therefore has a lower current (compared to the injected current), but with maximum sensitivity to spin polarization in the semiconductor. For a detected current representing 10% of the injected current, the sensitivity of the detector will be equal to 90% of the limit sensitivity, given by the choice of ferromagnetic materials.

En qualifiant de collecteur l'espace figurant entre le deux modules d'aimantation, ce collecteur contient une concentration non négligeable d'électrons non polarisés de spin lorsque le courant injecté est nul. Au fur et à 25 mesure que des électrons polarisés en spin sont injectés, ces électrons remplacent progressivement les électrons non polarisés. Dans le collecteur en régime stationnaire, une distribution de polarisation de spin P s'établit qui a la forme suivante: P(x) = P(0) exp (- x/L,) o x est la distance de l'électron à la jonction semiconductrice 103 et Ls la longueur de diffusion de spin. By qualifying as a collector the space appearing between the two magnetization modules, this collector contains a non-negligible concentration of non-polarized electrons of spin when the injected current is zero. As spin-polarized electrons are injected, these electrons gradually replace the unpolarized electrons. In the steady state collector, a spin polarization distribution P is established which has the following form: P (x) = P (0) exp (- x / L,) ox is the distance from the electron to the semiconductor junction 103 and Ls the spin diffusion length.

LS=-F-c avec D le coefficient de diffusion des électrons et ts le temps de 10 relaxation de spin. LS = -F-c with D the diffusion coefficient of the electrons and ts the relaxation time of spin.

Il est donc préférable que la distance d qui sépare les deux modules d'aimantation soit inférieure à la longueur de diffusion Ls, bien que cette distance d puisse être plus importante, le double de la longueur de diffusion Ls par exemple, ceci au détriment de la sensibilité du détecteur. It is therefore preferable that the distance d which separates the two magnetization modules is less than the scattering length Ls, although this distance d may be greater, twice the scattering length Ls for example, this to the detriment of the sensitivity of the detector.

Dans le silicium à température ambiante, le coefficient de diffusion des porteurs et le temps de relaxation de spin sont suffisamment élevés pour que les électrons conservent leur spin sur des longueurs de diffusion de plusieurs microns. Les temps de relaxation de spins d'électrons de conduction, mesurés par les techniques dites " RPE " (pour Résonance Paramagnétique 20 Electronique), sont de l'ordre de 10-8 s. Ceci conduit à une valeur de Ls, la longueur de diffusion, de l'ordre de quelques microns. Pour des distances d inférieures à L,, la relaxation de spin est donc un phénomène négligeable et le spin devient une caractéristique propre à chaque électron. In silicon at room temperature, the diffusion coefficient of the carriers and the spin relaxation time are high enough for the electrons to retain their spin over diffusion lengths of several microns. The relaxation times of conduction electron spins, measured by so-called "RPE" techniques (for Electronic Paramagnetic Resonance), are of the order of 10-8 s. This leads to a value of Ls, the diffusion length, of the order of a few microns. For distances d less than L ,, the spin relaxation is therefore a negligible phenomenon and the spin becomes a characteristic specific to each electron.

La mémoire selon l'invention peut notamment être fabriquée de la façon 25 suivante. Le procédé jusqu'à la partie contact est un procédé de fabrication CMOS traditionnel. Avant l'ouverture des contacts ou après le remplissage du contact par un métal, une étape supplémentaire est introduite. Un isolant de quelques nanomètres d'épaisseur est déposé; cet isolant peut être du dioxyde de silicium, de l'alumine ou tout autre diélectrique connu. Ensuite est réalisé le 3 0 dépôt du matériau ferromagnétique, un alliage de cobalt et de fer par exemple. The memory according to the invention can in particular be produced in the following manner. The process up to the contact part is a traditional CMOS manufacturing process. Before opening the contacts or after the contact has been filled with a metal, an additional step is introduced. An insulator a few nanometers thick is deposited; this insulator can be silicon dioxide, alumina or any other known dielectric. Next, the ferromagnetic material, for example an alloy of cobalt and iron, is deposited.

Les deux contraintes imposées aux matériaux sont d'avoir une interface abrupte avec le diélectrique tout en maintenant une polarisation électronique élevée à l'interface. L'épaisseur de matériau magnétique déposée peut varier de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres. Ensuite est réalisé le dépôt d'un 35 métal traditionnel comme du cuivre ou de l'aluminium, ou tout autre matériau assurant une bonne continuité électrique. Le circuit est alors polli mécanochimiquement afin de laisser uniquement le matériau magnétique dans les zones d'injection et de détection. Le procédé peut alors reprendre son cours traditionnel. La mémoire est écrite ou effacée avec un champ magnétique qui vient retourner l'aimantation de la première 112 ou de la deuxième 122 couche magnétique. Du fait que le courant passant dans le détecteur dépend de l'orientation relative des aimantations des injecteurs et détecteurs, l'état magnétique de la cellule est lu avec le courant traversant le détecteur. Comme 10 dans l'état de l'art, l'écriture de la mémoire peut être accomplie par le passage d'un courant à travers deux conducteurs métalliques isolés qui se croisent audessus de la couche magnétique qu'il s'agit d'aimanter. The two constraints imposed on the materials are to have an abrupt interface with the dielectric while maintaining a high electronic polarization at the interface. The thickness of deposited magnetic material can vary from a few tens to a few hundred nanometers. Next, a traditional metal such as copper or aluminum is deposited, or any other material ensuring good electrical continuity. The circuit is then polluted mechanochemically in order to leave only the magnetic material in the injection and detection zones. The process can then resume its traditional course. The memory is written or erased with a magnetic field which returns the magnetization of the first 112 or of the second 122 magnetic layer. Since the current passing through the detector depends on the relative orientation of the magnetizations of the injectors and detectors, the magnetic state of the cell is read with the current passing through the detector. As in the state of the art, memory writing can be accomplished by passing a current through two insulated metal conductors which cross over the magnetic layer to be magnetized .

Quand un courant de saturation traverse ces deux conducteurs, le champ magnétique généré à l'intersection de ceux-ci est suffisant pour faire 15 passer les configurations d'aimantation d'un état parallèle à un état antiparallèle. When a saturation current passes through these two conductors, the magnetic field generated at the intersection of these is sufficient to bring the magnetization configurations from a parallel state to an antiparallel state.

Le courant de saturation est choisi de sorte que le champ magnétique combiné excède le champ critique du métal ferromagnétique, déterminé de manière prépondérante par l'anisotropie magnétique. De plus, si ce courant de saturation est appliqué à un seul des deux conducteurs, le champ magnétique généré est 20 insuffisant pour retourner l'aimantation. Finalement, l'agencement des conducteurs est tel que le champ généré par le courant de saturation est très localisé. Ce champ est inférieur au champ nécessaire pour modifier l'aimantation d'autres éléments magnétiques qui seraient situés à proximité de l'intersection des deux conducteurs. The saturation current is chosen so that the combined magnetic field exceeds the critical field of the ferromagnetic metal, predominantly determined by magnetic anisotropy. In addition, if this saturation current is applied to only one of the two conductors, the magnetic field generated is insufficient to return the magnetization. Finally, the arrangement of the conductors is such that the field generated by the saturation current is very localized. This field is less than the field necessary to modify the magnetization of other magnetic elements which would be located near the intersection of the two conductors.

Les deux directions possibles d'aimantation définissent alors deux états logiques possibles (couramment notés 0 ou 1) de la mémoire. The two possible directions of magnetization then define two possible logical states (commonly denoted 0 or 1) of the memory.

Naturellement, plusieurs mémoires individuelles ou unités telles que celle décrite ci-dessus peuvent être associées pour réaliser un ensemble de mémorisation. La structure de cette unité lui permet d'être intégrée avec des composants élémentaires tels des transistors, diodes ou capacités. Ces composants permettent de manipuler le courant de lecture à travers les différentes unités et ainsi de conduire à un ensemble de mémorisation à accès aléatoire (" RAM "). Naturally, several individual memories or units such as that described above can be combined to produce a storage unit. The structure of this unit allows it to be integrated with elementary components such as transistors, diodes or capacitors. These components make it possible to manipulate the reading current through the various units and thus to lead to a random access storage unit ("RAM").

Actuellement, l'ensemble des mémoires non volatiles (" EEPROM ", " FLASH ", " FeRAM ", " MRAM ") utilisent des procédés de fabrication qui ne sont pas standards. La fabrication nécessite l'ajout de quatre à cinq niveaux de masquages, d'o un surcot d'environ 20%. Currently, all non-volatile memories ("EEPROM", "FLASH", "FeRAM", "MRAM") use non-standard manufacturing processes. Manufacturing requires the addition of four to five levels of masking, resulting in an increase of approximately 20%.

Selon l'invention, il devient possible de fabriquer des mémoires non volatiles avec un procédé CMOS conventionnel, sans augmenter 5 considérablement les différents niveaux de masquage. En outre, par comparaison aux mémoires " Flash ", la mémoire selon l'invention fonctionne à basse tension et ne nécessite pas de pompe de charges. Il s'agit là d'un avantage déterminant pour les applications mobiles. According to the invention, it becomes possible to manufacture non-volatile memories with a conventional CMOS process, without considerably increasing the different levels of masking. In addition, compared to "Flash" memories, the memory according to the invention operates at low voltage and does not require a charge pump. This is a decisive advantage for mobile applications.

L'invention est particulièrement adaptée à la technologie dite " System 10 On Chip " ou " SOC ". La technologie SOC intègre l'ensemble des composants sur une puce unique: micro-contrôleur, mémoires " SRAM " et " DRAM ", logique dédiée, " MEMS ", senseurs chimiques et bien sr, mémoires nonvolatiles. Il est alors nécessaire d'avoir un procédé de fabrication le plus standardisé possible. The invention is particularly suitable for technology called "System 10 On Chip" or "SOC". SOC technology integrates all of the components on a single chip: microcontroller, "SRAM" and "DRAM" memories, dedicated logic, "MEMS", chemical sensors and of course, nonvolatile memories. It is therefore necessary to have the most standardized manufacturing process possible.

L'exemple de réalisation de l'invention présenté ci-dessus a été choisi pour son caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. The embodiment of the invention presented above was chosen for its concrete character. However, it would not be possible to exhaustively list all the embodiments covered by this invention.

En particulier, tout moyen décrit peut-être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. In particular, any means described may be replaced by equivalent means without departing from the scope of the present invention.

Claims

1) Magnetic spin detection memory arranged on a semiconductor junction 103 formed of two adjacent zones, the first 101 and the second 102 having a conductivity of a first and a second type respectively, comprising a first 110 and a second 120 connection cells arranged on either side of said junction 103, each cell being provided with a magnetization module 111-112, 121-122, characterized in that at least one of these cells comprises a polarization electrode 113, 123 in addition to 10 said magnetization module.

2) Memory according to claim 1, characterized in that one of said magnetization modules 111 -112 adjoins said junction.

3) Memory according to any one of claims 1 or 2, characterized in that at least one of said magnetization modules comprises a buffer layer 111, in contact with said zone 101, a magnetic layer 112 being disposed on this buffer layer.

4) Memory according to claim 3, characterized in that said buffer layer 111 is made of an insulating material.

5) Memory according to claim 4, characterized in that the thickness of said buffer layer 111 is such that it allows conduction by tunnel effect between said magnetization layer and said zone.

6) Memory according to any one of the preceding claims, characterized in that the distance between the two magnetization modules 111-112, 121-122 is less than twice the diffusion length of 2 5 spin.

7) Memory according to any one of the preceding claims, characterized in that said first zone 101 has a p-type conductivity.