Mémoire de nouvelle génération : la SOT-MRAM à base de tungstène permet une commutation en nanosecondes et un stockage de données à faible consommation d'énergie

La capacité à modifier de manière fiable la direction de l'alignement magnétique des matériaux, un processus appelé commutation de magnétisation, est reconnue comme essentielle au fonctionnement de la plupart des dispositifs de mémoire. Une stratégie connue pour y parvenir consiste à créer une force de rotation (ou un couple) sur les spins des électrons via un courant électrique ; un effet physique connu sous le nom de couple spin-orbite (SOT).

Les dispositifs de stockage d'informations qui exploitent cet effet sont appelés mémoires magnétiques à accès aléatoire à couple spin-orbite (SOT-MRAM). Ces systèmes de mémoire présentent plusieurs avantages notables, tels que la capacité de conserver les données même hors tension , une commutation rapide par rapport aux autres solutions de mémoire existantes et une faible consommation d'énergie .

Des chercheurs de l'Université nationale Yang Ming Chiao Tung, de la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, de l'Institut de recherche en technologie industrielle et d'autres instituts ont récemment développé une nouvelle SOT-MRAM à base de matériaux composites contenant du tungstène, un métal lourd connu pour son fort couplage spin-orbite. Leur mémoire, présentée dans un article publié dans Nature Electronics , pourrait être fabriquée selon les procédés existants pour la production à grande échelle de semi-conducteurs.

« Notre motivation est née du besoin de mémoires véritablement basse consommation, rapides et fiables pour soutenir l'informatique de nouvelle génération », a déclaré Yen-Lin Huang, premier auteur de l'article, à Tech Xplore. « Si la MRAM à couple spin-orbite était proposée depuis longtemps, le défi consistait à démontrer une commutation à l'échelle de la nanoseconde, une longue rétention et une intégration à grande échelle dans des processus compatibles avec l'industrie des semi-conducteurs. »

L'objectif principal de la récente étude menée par Huang et ses collègues était de développer une MRAM capable d'allier vitesse et endurance, tout en étant susceptible d'être fabriquée selon des procédés largement utilisés dans l'industrie électronique. La mémoire ainsi créée stocke l'information dans le sens de magnétisation d'une fine couche ferromagnétique.

L'équipe de recherche du professeur Huang de l'Université nationale Yang Ming Chiao Tung. Crédit : Yen-Lin Huang, NYCU.

« Au lieu d'utiliser un champ magnétique , nous utilisons un couple spin-orbite : un courant traversant une couche de tungstène génère des spins qui inversent la magnétisation en environ 1 ns », explique Huang.

Comparée à la DRAM et à la Flash, notre MRAM allie la non-volatilité (comme la Flash) à une vitesse nanoseconde (comme la DRAM), mais avec une consommation bien plus faible et sans cycles de rafraîchissement. Son originalité réside dans la stabilisation de la phase tungstène, qui assure à la fois une efficacité de rotation élevée et une intégration industrielle.

Les chercheurs ont réalisé un prototype de leur mémoire, avec une matrice de 64 kilobits (Ko), puis ont évalué ses performances dans des conditions proches de celles d'applications réelles. La SOT-MRAM a atteint une vitesse de commutation remarquable de 1 ns et un temps de rétention supérieur à 10 ans.

« Nous avons stabilisé une phase de tungstène généralement difficile à contrôler, mais essentielle à l'efficacité de spin jusqu'à 700 °C », a déclaré Huang. « Notre étude montre que la SOT-MRAM peut être adaptée au cache sur puce et à la mémoire embarquée, permettant ainsi une IA économe en énergie et un calcul de pointe où la vitesse et la non-volatilité sont essentielles. »

Les travaux récents de Huang et de ses collègues pourraient ouvrir de nouvelles perspectives pour la fabrication évolutive et à grande échelle de SOT-MRAM hautes performances à base de tungstène en phase β. À l'avenir, d'autres équipes de recherche pourraient s'appuyer sur cette étude pour développer d'autres systèmes de mémoire rapides, stables et compatibles avec les procédés de fabrication existants.

« Notre objectif est désormais de dépasser les matrices de validation de principe pour atteindre une intégration de l'ordre du mégabit, tout en réduisant le courant d'écriture à des niveaux inférieurs au picojoule/bit », a ajouté Huang. « Côté physique, nous explorons de nouvelles interfaces oxyde et 2D pour optimiser encore l'efficacité et la fiabilité. Nous privilégions également les démonstrations à l'échelle système, montrant comment la MRAM peut réduire la consommation totale des accélérateurs d'IA et des appareils mobiles. »

https://techxplore.com/news/2025-10-generation-memory-tungsten-based-sot.html