Brevet FR2726960A1 — publié le 19960515

PROCEDE DE REALISATION DE TRANSDUCTEURS MAGNETORESISTIFS L'invention concerne un procédé de réalisation d'un transducteur magnétorésistif et plus particulièrement un transducteur magnétorésistif à transport perpendiculaire. Le procédé de l'invention permet en outre de réaliser un grand nombre de ces transducteurs en une même étape, ceux-ci pouvant être connectés entre eux ou non. Dans les différents domaines d'applications des matériaux magnétorésistifs en couches minces (tête de lecture pour l'enregistrement magnétique, magnétomètres, compas, divers types de capteurs ...), la totalité des composants est aujourd'hui réalisée avec des couches minces d'alliages magnétiques tels que le "Permalloy": Ni80Fe20. La découverte d'un effet magnétorésistif géant dans des multicouches métalliques magnétiques [1] a été décrit, par exemple, dans le document M.N. Baibich et al, Physic Review Letters 61, p 2472, 1989 et dans le document T. Valet et al, Applied Physic Letters 61, p 3187, 1992. Il est déjà acquis que ces matériaux présentent des performances supérieures par rapport à celles des alliages magnétiques utilisés jusqu'à présent. L'origine physique de cet effet réside dans la dépendance en spin des diffusions des porteurs dans les métaux magnétiques et leurs alliages (voir document A. Campbell et al, Transport Properties of Ferromagnets paru dans Ferromagnetic Material édité WOHLFARTH, Amsterdam, 1982, vol 3) et de l'existence de deux états magnétiques dans ces multicouches un état où les aimantations des couches magnétiques pointent toutes dans une même direction et que l'on notera P, L'autre état où les aimantations sont alternativement dans un sens puis dans l'autre et que l'on notera AP. Le passage d'un état d'alignement à l'autre provoque une variation de la résistivité pouvant s'écrire sous la forme: pAP =p(1+a) [1] II existe deux types de géométrie possible, la première notée CIP (celle qui a été le plus étudiée), où le courant lo circule parallèlement aux couches (voir figure 1A), la deuxième notée CPP où le courant 190 circule perpendiculairement aux couches (voir figure 18). Comme l'ont démontrés les travaux théoriques (voir document T. Valet et al. Physical Review, B 48, n 10, p 7099, 1993) et expérimentaux (voir document W.P. Pratt, Physic Review Letters, 66, p 3060, 1991), la deuxième configuration est potentiellement plus prometteuse. Néanmoins, les difficultés rencontrées lors de sa mise en oeuvre en ont limitées l'étude. Pour clarifier ce point, il est nécessaire de calculer non pas la variation de résistivité a de la multicouche, qui est une variation intrinsèque, mais celle de la résistance totale, qui est expérimentalement la grandeur accessible. La résistance R d'un objet de résistivité p, de section S, de longueur I, s'exprime de la manière suivante: R=pl/S [2] Pour un ensemble de résistances en série la résistance totale sera la somme de toutes ces résistances. Ainsi dans les deux cas mentionnés dessus (CIP et CPP), en désignant par Rm la résistance de la multicouche, par Rf celle des amenées de courant et par Rc celle résultant du contact entre la multicouche et ces amenées, on a la résistance totale: Rt =2RC+Rm+2Rf [3] Dans le cas général où les lignes de courant |# font un angle 0 par rapport aux plans des couches (figures la et 1b), la variation de résistance associée aux situations au passage d'un P à un état AP ou inversement s'écrit d'après les formules [1] à [3]:: aG = &alpha;m/(1+2 Rf/Rm+2 Rc/Rm) avec &alpha;m = ss&alpha;mCPP +(1-ss)&alpha;mCIP ss tel que ss=1 si # = #/2 et ss=0 si #=0 G AP résistivité dans l'état anti-parallèle de la (pGmAP signifie résistivité dans l'état anti-parallèle de la géométrie CIP ou CPP pour la couche magnétique. G.P #m signifie résistivité dans l'état parallèle de la géométrie CIP ou CPP pour la couche magnétique. II apparaît donc d'après les formules [4] que la variation aG mesurée est un mélange des effets obtenus dans les deux géométries. De plus, ces formules montrent que la valeur de l'effet mesuré est atténuée par les résistances de contacts et par celles des amenées de courant, cette atténuation dépendant d'après les formules [2] et [3]: - des dimensions géométriques des contacts électriques; - de ceux de la multicouche; - des résistivités; - de la qualité des contacts. Ainsi pour avoir accès à la valeur intrinsèque am de l'effet, qui est la variation maximale que l'on puisse obtenir, il est nécessaire de diminuer le rapport des résistances (Rf + RC)/Rm, et pour découpler les effets amCIP et amCPP de réaliser une structure dans laquelle les lignes de courant sont parallèles (cas CIP) où perpendiculaires (cas CPP) aux plans des couches. Cela peut être réalisé de deux manières l'une en jouant sur les dimensions géométriques des différents éléments de la structure, L'autre en adaptant les résistivités de ses constituants. Dans le cas CIP (figure la) il est très facile d'accéder à l'effet intrinsèque crm CIP, il suffit pour cela d'augmenter la distance parcourue par le courant dans la multicouche (paramètre Lm), dans une structure en serpentin par exemple. Par contre dans le cas CPP (figure lob), cette longueur est limitée à l'épaisseur de la multicouche, il est alors nécessaire de jouer sur les autres paramètres si l'on veut s'approcher de la variation intrinsèque am CPP. Un autre problème important résultant de cette géométrie est la faible valeur de la résistance due à la multicouche. Cela a pour double conséquence: - une faible chute de potentiel peu compatible avec des applications; - une mesure perturbée par les différentes sources de bruits (thermique notamment). Pour fixer un ordre de grandeur de ces valeurs, en supposant que la résistance de contact est parfaite et que les lignes de courant sont quasiment parallèles au plan des couches dans le cas CIP et quasiment perpendiculaire dans le cas CPP, comparons les, dans les deux géométries et prenons le cas où les contacts électriques sont en cuivre et où la multicouche est constituée de permalloy et de cuivre (voir document T. Valet et al, Applied Physic Letters, 61, p 3187, 1992). Nous avons alors, d'après les figures la et 1 b et les formules [2] à [4]: aCIp =(xmCIP/(l+2pf Lf Sm / pPm Lm Sf) aCPP = aCPP = &alpha;mCPP/(1+2 pf ef Sm/pPm emSf) ou pf # 3 # cm, #m # 30## cm et dans le cas où Sf # Sm # 1 m nous obtenons aCIP =amCIP/(l+0.2 Lf /Lm) acpp =amCPP/(1+0.2ef /em) Dans le cas CIP, nous avons facilement: Lm = 10 Lf=1mm # aCIP # &alpha;m Rt=Rm = 300# Dans le cas CPP, des valeurs typiques sont:: em#ef/10=0.1 m = > aCPP=am/3; nous avons donc accès à seulement un tiers de l'effet, et pour le cas idéal où acpp = arn. Rt = Rm = 0.03# nous avons donc, dans le cas CPP, une résistance inférieure de quatre ordres de grandeurs par rapport au cas CIP. II y a donc dans le cas CPP, deux problèmes à résoudre qui sont: - obtenir une résistance mesurable Rt - avoir accès à la variation maximale: &alpha;m CPP Une des solutions développée pour remédier à ces différents problèmes, utilise des contacts supraconducteurs en Niobium (voir document W.P. Pratt et al, Physical Review Letters, 66, p 3060, 1991). Bien que cette approche permette de s'affranchir des résistances des amenées de courant, elle nécessite l'utilisation de basse température (4.2K), ce qui en limite l'intérêt pour les applications citées ci-dessus. Une approche plus technologique a été développée et décrite dans le document M.A.M. GIJS et al, Applied Physic Letters, 63, p 111, 1993. Celle-ci consiste à réduire la section Sm de la multicouche en utilisant les techniques disponibles en microlithographie. La figure 2a illustre la structure fabriquée par cette technique. Dans un premier temps par masquage et exposition à un rayonnement ultraviolet, un motif carré est imprimé dans une résine photosensible déposée sur l'empilement de matériaux où l'on désire usiner le pavé 1 (ici une multicouche 2 déposée sur une couche d'or 3). Après l'usinage du pavé la résine est dissoute dans un bain d'acétone. Puis on recouvre l'ensemble d'un matériau photosensible 4 (polyimide) qui sert d'isolant. Une ouverture obtenue par une exposition à un rayonnement ultraviolet et situé au-dessus du pilier est ensuite pratiquée dans cet isolant. Finalement, immédiatement après avoir nettoyé la surface ainsi dégagée, une couche d'or 5 est déposée sur l'ensemble de la structure (reprise de contact). Dans cette technique, il existe une forte corrélation entre la section des piliers, I'épaisseur des couches conductrices enserrant celui-ci et la part de la résistance mesurée provenant de cette colonne. Les résultats obtenus montrent que, pour une épaisseur de conducteur inférieure à deux micromètres et pour des sections inférieures à une dizaine de micromètres, la part de la résistance de la colonne peut devenir très faible. Pour y remédier, une tranchée 6 est pratiquée de part et d'autre du pavé comme cela est représenté sur la figure 2b (vue de dessus de la figure 2a). La résistance mesurée est alors celle du pilier et ce, indépendamment des valeurs des épaisseurs et des sections. Cependant cette technologie présente de nombreux inconvénients. D'une part, la structure ainsi fabriquée possède une forte résistance de contact due à l'obligation d'utiliser un matériau photosensible comme isolant, qui, lors du nettoyage du sommet des pavés est arraché et redéposé sur cette surface. D'autre part l'obligation, lors de l'ouverture d'une fenêtre sur le sommet des plots pour la reprise des contacts ou de la réalisation de la tranchée, de se positionner avec une précision au moins égale à leurs diamètres, rend cette étape délicate pour des sections de quelques micromètres. De plus, il semble délicat de creuser une tranchée à l'aplomb du pilier (écart Ax et ty de la figure 2b). La présente invention a pour objet un procédé de fabrication remédiant aux inconvénients énumérés précédemment. II consiste à conserver la résine ayant servi à la gravure du motif puis à déposer sur cet ensemble un matériau isolant, enfin à utiliser cette résine pour enlever (par une technique de liftoff) L'isolant déposé sur le sommet des plots. Cette solution permet ainsi de réaliser, avec une même résine, donc un seul masquage, I'usinage des piliers, leurs isolations et le dégagement de l'isolant déposé sur leurs sommets, et rend également possible l'utilisation d'un isolant non organique (A1203 par exemple), plus résistant au procédé de nettoyage. Nous supprimons de cette manière les problèmes d'alignements et de contaminations résultant de la solution élaborée dans les laboratoires de la Société Philips. Dans une version améliorée de l'invention, ces piliers pourront être réalisés en deux étapes, par le croisement de deux lignes, I'intersection des deux lignes déterminant la position du pilier. Cette façon d'opérer qui facilite le "liftoff' de la résine (après le dépôt de l'isolant) permettra de réaliser des piliers de faible section ainsi qu'une tranchée dans le conducteur inférieur. Cette tranchée permettra de déposer la multicouche sur une couche conductrice de faible épaisseur pour laquelle la croissance se passe mieux et cela, comme l'ont démontré les ingénieurs de la Société Philips [9], sans réduire la variation de résistance mesurée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, parmi lesquels: - les figures 3 représentent les différents masques utilisés; - les figures 4a à 4e sont le procédé général selon l'invention et des coupes de la structure finale; - les figures 5 illustrent quelques étapes du procédé de l'invention; - la figure 6 représente comme exemple d'application celle de cellule mémoire; - la figure 7 représente un ensemble où plusieurs de ces éléments sont en série. On va tout d'abord décrire un exemple de réalisation simplifié de l'invention en se reportant aux figures 4c à 4e. On réalise tout d'abord, sur un substrat 10, une première couche d'un matériau conducteur 8, puis une multicouche, un métalliquemagnétique 7. Cette multicouche est une alternance de couches magnétiques et de couches non magnétiques. Les couches non magnétiques peuvent être en matériau métallique. Sur la multicouche 7, on réalise une deuxième couche d'un matériau conducteur 9. Puis, comme cela est représenté en figure 4c, on réalise sur la couche 9, un masque 12 en résine ayant la forme de l'élément transducteur à réaliser. La figure 3b représente un exemple d'un tel masque. Ensuite, on grave les couches 9, 7 et partiellement la couche 8 autour du masque 12. L'ensemble de la structure est recouverte par une couche de matériau isolant 15 comme cela est représenté en figure 4d. On procède ensuite au retrait de la couche résine constituant le masque 12 ainsi que le matériau isolant situé au-dessus du masque. On obtient ainsi la structure représentée en figure 4e. Enfin, une couche de reprise de contact 21 est déposée à la partie supérieure de la structure et permet de contacter la couche conductrice 9. Le procédé de réalisation selon l'invention permet ainsi de réaliser un transducteur magnétorésistifs en résolvant les problèmes indiqués précédemment. On va maintenant décrire le procédé de l'invention de façon plus détaillée. Les schémas 5a à 5j et 5ab à 5hb illustrent à l'aide de vues en coupe et de dessus quelques unes des étapes du procédé de l'invention. Nous avons représenté sur ces figures la réalisation d'un seul pilier sur un ensemble constitué d'une multicouche magnétique 7 prise en sandwich entre deux couches de matériaux conducteurs, dénommés conducteur inférieur 8 et conducteur supérieur 9, le tout étant déposé sur un substrat de silicium 10 éventuellement oxydé (couche d'oxyde de silicium 11). Cette réalisation est décrite dans le cas où le pilier est obtenu en croisant deux lignes. Les techniques employées et l'enchaînement des différentes étapes, données à titre d'exemple, sont les suivantes: On réalise d'abord sur un substrat 10 un empilement de couches: couche conductrice 8, multicouche 7, couche conductrice 9. Au cours d'une première opération, on définit ensuite une première ligne dans ces couches. Cette opération comprend: - la définition dans une résine photosensible 12, du motif à graver dans cet ensemble. Cela peut être réalisé par les techniques disponibles en lithographie (résinage, masquage, ...). Les figures 5a et 5ab illustrent cette étape, le masque 12 utilisé est représenté en vue de dessus sur la figure 3a. II comporte une partie rectiligne 13. - une première gravure 14, par exemple par usinage ionique (figures 5b et 5bb). La gravure a dans cet exemple été effectuée jusqu'à la moitié du conducteur inférieur 8 mais pourrait l'être à tout autre épaisseur (de l'épaisseur nulle à la totalité). L'épaisseur de la résine 12 étant telle qu'après la gravure il en demeure une couche continue - le dépôt de la première couche d'isolant 15 (par exemple de l'alumine), par pulvérisation cathodique par exemple (figure 5c); - le retrait de la résine restante (liftoff) après la première gravure (figures 5d et 5db), opération consistant à enlever celle-ci en plongeant le substrat dans un solvant tel que l'acétone, éventuellement en présence d'ultrasons afin de faciliter le processus (I'épaisseur de la résine étant suffisante pour permettre un bon déroulement de cette étape).Cela a pour effet de dégager la surface 16 de tout isolant et de laisser les surfaces 17 recouvertes d'isolant. Au cours d'une deuxième opération, on définit une deuxième ligne (partie 19 de la résine 18, figure 5eb). Nous répétons les opérations précédentes, mais cette fois la deuxième ligne 19 à graver dans le matériau fait un angle y (ici y = 90 degrés) par rapport à la première ligne 14. La figure 5e correspond au masquage à l'aide du masque 18. La figure 5eb est une vue de dessus de la structure après la gravure de la deuxième ligne dans le cas où cette deuxième gravure a été exécutée: - jusqu'à la moitié du conducteur inférieur 8 pour la partie de la surface 16 non recouverte par la résine du deuxième masquage; - jusqu'aux deux tiers de la première couche d'isolant pour la partie des surfaces 17 non recouverte par la résine du deuxième masquage (exemple 1). Les épaisseurs de matériaux usinés sont données comme exemple, mais pourrait être différentes, notamment sur la figure Sebb nous avons représenté une vue de dessus de la structure après la gravure de la deuxième ligne dans le cas où l'usinage a été effectué: - jusqu'à la couche d'oxyde 11 pour la partie de la surface 16 non recouverte par la résine du deuxième masquage (ce qui permet de creuser une tranchée 25, figure 5j dans le conducteur inférieur 8); - jusqu'au conducteur inférieur 8 pour la partie des surfaces 17 non recouverte par la résine du deuxième masquage (exemple 2). Une deuxième couche d'isolant est ensuite déposée sur l'ensemble de la structure. Puis, le masque 18 est retiré par liftoff ainsi que le matériau isolant situé sur ce masque. Les figures 5f (exemple 1) et 5h (exemple 2) illustrent le résultat obtenu après le dépôt de la deuxième couche d'isolation 26 et de son liftoff. La figure 5hb est une vue de dessus de la structure finale. Au cours d'une troisième opération, on réalise ensuite une reprise de contact sur la face supérieure de la structure. Les différentes étapes sont: - le nettoyage de la surface 20 (figure 5hb) de la couche conductrice supérieure 9, par un etching plasma par exemple; - le dépôt d'une couche conductrice 21 (figures 4a et 4b) pour la reprise des contacts électriques. Ce dépôt est effectué immédiatement après le nettoyage sans ramener le composant à l'air. Nous obtenons en final, au croisement des deux lignes, un pilier 22 (figure 59), dont le diamètre (ou dimension latérale) est approximativement égal à la largeur des lignes qui ont permis de le définir. Les flancs de celui-ci sont recouverts d'un isolant qui est déposé en deux fois, les faces 23 sont recouvertes de la première couche d'isolant 15, les faces 24 sont recouvertes de la deuxième couche d'isolant 26 (figures 5hb et 5h). Lors de la première opération (respectivement deuxième opération), la résine restante sur le sommet de la ligne définie par la première gravure (respectivement de la colonne définie par la deuxième gravure), est utilisée pour enlever (par liftoff) L'isolant qui est déposé sur ces surfaces lors du dépôt de la première (respectivement deuxième) couche d'isolant, il n'y a donc pas de problème d'alignement lors de ces opérations puisque la résine utilisée à chaque opération (première et deuxième) provient du même résinage. La figure 59 est une représentation de la structure finale où l'on a omis la deuxième couche d'isolant. La figure 5i (respectivement 5j) est une coupe (respectivement une vue de dessus) de la figure 5h. Sur la figure 5j, nous avons, pour des raisons de clarté, omis de représenter les différentes couches d'isolants et de reprise de contacts. Ces figures illustrent l'allure du conducteur inférieur, on remarque que la tranchée 25 est à l'aplomb du pilier et est donc parfaitement centrée sur ce dernier. Les figures 4a et 4b sont des coupes de la figure 5f après la reprise des contacts. Ces coupes montrent les différences de niveaux des couches d'isolants résultant de la procédure employée. Ce procédé peut être généralisé à une fabrication collective de ces éléments. Ces éléments pouvant être électriquement connectés ensemble ou isolés les uns par rapport aux autres. La figure 7 représente un exemple de réalisation où dix de ces éléments sont en série. Pour réaliser une telle structure, lors de la première opération décrite précédemment, on réalise un masque 12 orienté selon la ligne de transducteurs. Ensuite, lors de la deuxième opération, on définit chaque transducteur en prévoyant des masques 18 perpendiculaires à la ligne de transducteurs. La gravure à l'aide de ces masques se fait jusqu'à la couche 8. La reprise de contacts sur les faces supérieures des transducteurs, après avoir enlevée les masques 18 et l'isolant des faces supérieures, peut être précédée d'une opération de gravure pour graver la couche 8 tous les deux transducteurs de façon que la couche 8 couple tous les deux transducteurs. L'ensemble de transducteurs de la figure 7 réalise ainsi une série transducteurs connectés en série. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un transducteur magnétorésistif comprenant une première étape de réalisation sur une surface d'un substrat (10) d'un empilement d'une première couche conductrice (8) en contact avec le substrat et d'une alternance de couches magnétiques et de couches métalliques non magnétiques constituant une multicouche métallique magnétique (7) en contact avec la couche conductrice (8), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes:: - une deuxième étape de réalisation sur la multicouche métallique magnétique (7) d'une deuxième couche conductrice (9); - une troisième étape de réalisation d'un premier masque en résine (12, 18) ayant les dimensions d'un élément sensible magnétorésistif à réaliser; - une quatrième étape de gravure autour du masque de la deuxième couche conductrice (9) et de la multicouche métallique magnétique (7) ;-- - une cinquième étape d'un dépôt d'une couche d'isolant sur la structure; - une sixième étape de retrait du masque en résine et de la couche d'isolant et de la couche d'isolant se retrouvant sur cette résine; - une septième étape de reprise de contact sur la deuxième couche conductrice (9). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de l'élément transducteur sur le substrat (10) est un polygone tel qu'un carré ou un cercle. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce les épaisseurs des différentes couches de matériaux conducteurs et de la multicouche sont comprises entre 0,1 pm et 3 pm. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que: - lors de la troisième étape, le masque en résine possède une première partie (13) de forme allongée; - en ce qu'il comporte entre la sixième et la septième étape, une huitième, une neuvième, une dixième et une onzième étapes supplémentaires similaires respectivement aux troisième, quatrième cinquième et sixième étapes; - et en ce que le deuxième masque (18) réalisé lors de la huitième étape comporte une deuxième partie (19) de forme allongée sensiblement perpendiculaire à la position de la première partie (18) de forme allongée. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que lors de la quatrième étape et de la neuvième étape la gravure se fait jusqu'à la première couche conductrice (8) sans l'entamer. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce lors de la quatrième étape et de la neuvième étape, la gravure se fait en gravant tout ou partie de la première couche conductrice (8). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 4, caractérisé en ce que les masques (12, 18) possèdent des parties de grandes surfaces (29) situées de part et d'autre des parties allongées pour faciliter lors des sixième et onzième étapes, le retrait du matériau des masques et du matériau isolant situé sur ces masques. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les parties de grandes surfaces sont raccordées par des zones se rétrécissant à partir des grandes surfaces vers les parties allongées. 9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie allongée (13) du premier masque de la première partie (voir troisième étape) à une longueur permettant de réaliser, lors de la huitième étape, au moins deux deuxièmes masques sensiblement perpendiculaires à la position du premier masque. 10. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que lors de la quatrième étape, la première couche conductrice (8) n'est pas attaquée ou n'est attaquée que partiellement par la gravure, cette couche conductrice interconnectant les éléments transducteurs. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce plusieurs ensembles de transducteurs interconnectés par la première couche conductrice (8) sont réalisés et sont découplés les uns des autres par gravure totale de la première couche conductrice (8) entre ces ensembles de transducteurs ; la reprise de contact de la septième étape connectant un élément transducteur d'un ensemble à un élément transducteur d'un autre ensemble.