« Le but est d’élaborer avec vous, la communauté, les pôles de compétitivité Minalogic et Systematic (…), une réelle stratégie pour le déploiement de la spintronique en France et aussi en Europe », a lancé Vincent Cros, directeur de recherche CNRS au laboratoire Albert Fert, à l’adresse d’un auditoire composé d’une centaine de chercheurs, d’industriels et d’entrepreneurs.
Ainsi s’est ouverte la première journée industrielle – deux autres suivront à l’avenir - du grand programme national de recherche consacré à la spintronique (PEPR Spin), qui a eu lieu au Centre de congrès à Grenoble le 28 novembre dernier. Un retour en territoire connu, ce PEPR ayant été inauguré dans le chef-lieu de l’Isère en janvier dernier.
L’enjeu était de livrer un aperçu des perspectives industrielles de la spintronique, qui exploite les propriétés du spin de l’électron, comparable à son moment magnétique intrinsèque. La technologie porte déjà ses fruits, ce dont témoigne la magnétorésistance géante (GMR), qui a conquis les disques durs à partir de 1997.
Ont suivi les capteurs magnétiques, employés dans l’automobile et la robotique comme encodeurs de position par exemple, et dernièrement les mémoires magnétiques (MRAM). Les uns et les autres sont fondés sur un composant fondamental de la spintronique : la jonction à effet tunnel magnétique (JTM), dont la résistance électrique varie fortement selon le champ magnétique appliqué.
Nouvelles applications à l'horizon
Mais le PEPR Spin, de nature exploratoire, a pour vocation d’élargir l’horizon applicatif. Frugales, rapides et non volatiles, les MRAM permettraient de rapprocher calcul et mémoire (le transport des données étant très énergivore), voire de les fusionner, ce qui serait appréciable pour l’IA embarquée et l’IoT.
C’est aussi l’ambition de la deeptech Nellow, présente à l’évènement, avec son composant FESO. Thales, partie prenante du laboratoire Albert Fert avec le CNRS et l’université Paris-Saclay, a fait part de ses recherches sur des nano-oscillateurs JTM capables de convertir un courant continu en signal RF ou de récupérer de l’énergie à partir du champ RF ambiant.
Mais cette journée industrielle était aussi l’occasion de cerner les obstacles qui pourraient freiner l’adoption industrielle de la spintronique. Concernant la conception, IC’Alps, entreprise grenobloise qui développe des circuits électroniques intégrés, a raconté la difficulté d’intégrer des capteurs TMR, la dernière génération de capteurs très sensibles faisant appel à la magnétorésistance tunnel, à la demande d’un client.
Le besoin des PDK et des lignes-pilotes
« Le module prévu pour ce genre de capteur n’était pas disponible dans le PDK (process design kit, qui modélise le procédé de fabrication) fourni par le fondeur, a expliqué Lucille Engels, directrice des opérations et cofondatrice d’IC’Alps. Nous avons dû fabriquer un prototype et le mesurer pour obtenir des données pour construire notre propre module impliquant tous les paramètres du capteur. »
« Une lacune du fondeur, a-t-elle ajouté, justifiée par le fait que la technologie en était à ses débuts. Pour que le fondeur fasse un effort, il lui faut du volume. » En 2021, un autre projet d’IC’Alps qui mobilisait la première génération de MRAM s’est en revanche déroulé sans écueil, si ce n’est des cycles de fabrication (ajout de couches de matériaux) et de tests plus longs.
Côté fabrication, l’importance des lignes-pilotes a été soulignée, en raison des machines et des matériaux spécifiques réclamés par la spintronique. La prochaine ligne-pilote FAMES, qui sera implantée à Grenoble, répondra en partie à ce besoin.
Le défi de la miniaturisation en passe d'être résolu
La parole était aussi donnée à GlobalFoundries, l’une des fonderies majeures du secteur microélectronique. En charge du développement des mémoires non-volatiles embarquées, Johannes Müller s’est voulu rassurant quant au potentiel d’intégration de la STT-MRAM (deuxième génération de mémoire magnétique), en particulier dans le secteur de l’automobile.
Ces composants spintroniques sont en effet intégrés au wafer durant la phase finale de la chaîne de fabrication (BEOL, back end of line) dans la filière microélectronique. Ce qui supprime les risques de contamination des machines antérieures dédiées à l’électronique avec des matériaux « exotiques », ferromagnétiques notamment.
Selon Johannes Müller, le nettoyage du silicium autour de la JTM, durant la phase de gravure, peut cependant être délicat, du fait de la densification croissante des composants, qui entraîne aussi leur raccourcissement vertical : il y a de moins en moins d’angle pour réaliser cette gravure. Mais différentes études, a-t-il indiqué, présentent des pistes pour contourner ce problème et poursuivre la miniaturisation en-deça du nœud technologique à 22 nanomètres. Il s’agit d’assurer la compatibilité entre la JTM, et donc la STT-RAM, avec la technologie FinFET en vigueur pour les transistors.
A l'épreuve des systèmes
Comme d’autres intervenants, Johannes Müller a tordu le coup au supposé problème de vulnérabilité de ces mémoires au champ magnétique. « Dans une voiture, on sait la position le microcontrôleur, on connaît son exposition au champ électromagnétique, a-t-il précisé. L’inquiétude est éventuellement légitime pour des puces disponibles en quantité via Internet qui finiront par équiper des objets connectés à très bas coût. »
En dépit de ses nombreuses qualités, la spintronique doit toutefois continuer à faire ses preuves. Pour passer du concept au produit, il faut notamment « contextualiser ces composants innovants à l’échelle du système », a commenté Louis Hutin, chercheur au CEA. Qui a rappelé que d’autres composants spintroniques, par le passé, avaient vu leurs bénéfices contrebalancés une fois intégrés.
La mémoire magnétique embarquée, remplaçante désignée de l'eFlash
L’analyste de Yole Group Simone Bertolazzi a fait un point marché sur les mémoires magnétiques. Une distinction est faite entres la mémoire dite « stand-alone » (puces-mémoire à part entière) et la mémoire embarquée, intégrée aux microcontrôleurs et aux systèmes sur puce.
La première reste pénalisée par sa densité relativement faible et son prix élevé, aux alentours de 40 dollars le gigabit pour la STT-MRAM. En comparaison, la DRAM, à base de transistors, coûte moins d’un dollar le gigabit. Pour la Flash NAND (la technologie Flash la plus répandue), le prix est descendu à moins d’un centième de dollar.
Cette mémoire magnétique se destine en effet à des marchés de faible volume, comme l’aérospatiale et l’industrie, ce qui explique son adoption encore limitée. Dans ce marché des mémoires non-volatiles émergentes, la part de la MRAM, confrontée à la mémoire à changement de phase (PCM), résistive (RRAM) ou ferroélectrique (FRAM), pourrait cependant progresser de 19% à 34% de 2023 à 2029.
Les opportunités seraient supérieures sur le marché de la mémoire embarquée, aux mains des grandes fonderies (TSMC, Globalfoundries, Samsung…). Il s’avère que la mémoire eFlash n’est plus compétitive en-dessous du nœud à 28 nanomètres. Toujours dans le secteur des mémoires non-volatiles émergentes, la part de la MRAM pourrait ainsi croître de 22% à 30% entre 2023 et 2029, au détriment de la PCM.
Pour GlobalFoundries, la STT-RAM est la candidate numéro 1 au remplacement de l’eFlash : elle est très rapide, endurante et a déjà fait ses preuves sur le terrain.
