Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) constituent l’une des réalisations technologiques phares rendues possibles par la recherche fondamentale et les découvertes en spintronique. Les MRAM présentent plusieurs atouts, notamment une consommation nulle en veille (par rapport aux SRAM et aux DRAM), une endurance très élevée (par rapport aux mémoires FLASH) et un temps de commutation très rapide, de l’ordre de la nanoseconde. La plupart des entreprises de semi-conducteurs à travers le monde ont intégré les MRAM à leur portefeuille technologique. Le marché des MRAM connaît une croissance significative, mais pour l’instant, il reste cantonné à quelques niches : les mémoires cache pour le transfert rapide de données, ou encore les FPGA et l’IoT pour leur faible consommation d’énergie, par exemple. Pour s’attaquer à d’autres marchés à grande échelle (DRAM haute densité ou contraintes de haute température en robotique et dans l’industrie automobile), il est nécessaire de développer de nouveaux concepts fondamentaux afin de renforcer leur stabilité thermique, en particulier aux nœuds technologiques les plus petits.
Afin d’étendre les possibilités de déploiement de la MRAM à des dimensions plus petites, l’université de Tohoku au Japon et SPINTEC en Europe ont, en 2018, proposé et développé indépendamment le concept de mémoire MRAM 3D, également appelée MRAM à anisotropie de forme perpendiculaire (PSA-MRAM). Dans un tel système, la stabilité thermique (et donc la capacité de rétention) est déterminée par l’anisotropie de forme magnétique du nanopilier vertical, qui est intrinsèquement importante en raison de son volume considérable. Cela contraste avec les empilements ultra-minces utilisés dans les MRAM classiques, qui sont plus sensibles aux fluctuations thermiques en raison de leur dimensionnalité réduite.
Les travaux menés par les deux équipes ont permis de démontrer la validité du principe, d’établir des procédés de fabrication pour des piliers d’un diamètre inférieur à 10 nm, et ont donné lieu à plusieurs brevets et publications scientifiques.
Deux aspects fondamentaux doivent encore être résolus pour permettre une future mise en œuvre technologique : la réduction de la densité de courant critique nécessaire à la commutation, ainsi que la mise au point d’un procédé de fabrication innovant capable de produire une intégration à haute densité et à haut rendement.

L’objectif de cette thèse de doctorat est d’explorer des nouveaux concepts et des nouvelles voies de fabrication afin de surmonter ces obstacles. Pour y parvenir, il est nécessaire d’aborder un certain nombre de questions relatives à la spintronique fondamentale et à la science des matériaux, en approfondissant les connaissances en matière de micromagnétisme des éléments de taille nanométrique extrême.
Des développements spécifiques de simulations micromagnétiques, notamment les méthodes des éléments finis en 3D, ont permis d’affiner la conception proposée pour les cellules de mémoire, en explorant la physique sous-jacente aux systèmes 3D ainsi que l’impact des gradients de forme et de matériau sur leur efficacité de commutation.
Les travaux expérimentaux ont quant à eux visé à mettre au point un flux de processus complet pour la nanofabrication de systèmes PSA dotés de couches de stockage intégrées. Une approche de fabrication ascendante a été développée : des vias à l’échelle nanométrique sont définis dans du SiO₂, remplis de matériau ferromagnétique par électrodéposition, puis planarisés avant le dépôt du reste de la l’empilement de la jonction tunnel magnétique. Ces travaux ont démontré la faisabilité des principales étapes individuelles du processus et identifié les limites technologiques à surmonter avant l’intégration complète du dispositif.
Grâce à une approche multidisciplinaire alliant simulations et expériences, ces résultats contribuent à exploiter pleinement le potentiel des mémoires PSA-STT-MRAM dans le domaine de la spintronique moderne.​
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