Brevet FR2794288A1 — publié le 20001201

La présente invention concerne un élément magné- torésistif, notamment une cellule GMR comportant des premiè- res couches superposées de manière alternée et ayant des propriétés magnétiques ainsi que des secondes couches ayant des propriétés non magnétiques. Les paquets en couches formés de couches simples, extra minces, magnétiques et amagnétiques, peuvent présenter, dans certaines conditions, un effet magnétorésistif (ou effet GMR pour les anglophones). Les systèmes en couches désignent dans le cas le plus simple, des éléments composés de deux minces couches magnétiques séparées par une couche intermé- diaire non magnétique. Les couches magnétiques coopèrent en alternance et les couples magnétiques des couches sont ali- gnés en fonction de l'épaisseur de la couche intermédiaire de manière parallèle ou antiparallèle. En utilisant des éléments dont les couches magnétiques sont en cobalt et les couches non magnétiques en cuivre, on obtient un alignement antipa- rallèle des couches voisines de l'aimantation (premier et se- cond maximum antiferromagnétiques), pour des épaisseurs de couche usuelles, pour la couche magnétique de l'ordre de 10 à A, dans le cas d'une épaisseur de la couche non magnétique de l'ordre de 10 ou de l'ordre de 20 A; dans le cas d'une épaisseur de couche intermédiaire de l'ordre de 15 A, on a un alignement parallèle d'aimantation des couches magnétiques (premier maximum ferromagnétique). Il est usuel de superposer un grand nombre de ces éléments ayant des triples couches ou strates). Des éléments ou des matériaux ainsi construits sont particulièrement intéressants comme matériaux à couches fonctionnelles pour de multiples capteurs magnétiques. De ma- nière spécifique à l'application, il faut toutefois que la caractéristique de résistance dépendant du champ magnétique des éléments (caractéristique MR) présente des grandeurs ca- ractéristiques. Il est ainsi par exemple connu d'influencer la caractéristique MR par le choix de la matière des diffé- rentes couches, la succession des couches, leurs épaisseurs ainsi que les paramètres de procédé utilisés pour la prépara- tion. Comme grandeur caractéristique, il y a par exemple, la variation absolue de la résistance électrique de l'élément magnétorésistif sous l'effet d'un champ magnétique appliqué, la grandeur dite de l'effet, le champ magnétique pour lequel il n'y a plus de variation de résistance, c'est-à-dire le champ de saturation ainsi que l'hystérésis de la caractéris- tique de l'élément magnétorésistif. Ces grandeurs caractéris- tiques peuvent se régler dans le cas des éléments magnétorésistifs usuels, notamment des cellules GMR habituel- les, mais toutefois pas de manière quelconque et de façon in- dépendante par variation des paramètres évoqués (sélection de la matière, succession des couches, différentes couches sim- ples, paramètres du procédé). La présente invention a pour but de développer un élément magnétorésistif, notamment une cellule GMR dont les grandeurs caractéristiques de l'élément, c'est-à-dire les grandeurs de la caractéristique MR de l'élément, soient ré- glables de manière importante et de façon très indépendante par rapport aux éléments usuels. A cet effet, l'invention concerne un élément ma- gnétorésistif, notamment une cellule GMR, caractérisé en ce que les premières couches ont au moins une structure formée de trois strates, et au moins deux des trois strates ont des propriétés magnétiques. L'élément magnétorésistif selon l'invention per- met de régler les caractéristiques de la courbe MR, dans une plage importante et de manière indépendante, contrairement aux éléments magnétorésistifs connus. A partir de l'élément magnétorésistif selon l'invention, on peut ainsi réaliser des matières de couches fonctionnelles considérablement plus sou- ples pour de multiples applications. Dans le cas le plus sim- ple selon la présente invention, pour un élément magnétorésistif à plusieurs couches avec une superposition alternée de couches magnétiques et de couches non magnéti- ques, chaque couche magnétique est réalisée sous la forme de trois strates, la couche non magnétique étant placée entre deux couches magnétiques. Il est à remarquer ici que, dans le cadre de la description de l'invention, le terme " couche " est utilisé dans le sens d'un composant d'une couche unique et les éléments magnétorésistifs sont formés d'un certain nombre de " couches " elles-mêmes formées d'un certain nombre de strates. Selon un premier mode de réalisation avantageux de l'élément magnétorésistif de l'invention, toutes les stra- tes des couches à caractéristiques magnétiques ont elles- mêmes des caractéristiques ou propriétés magnétiques. Par coopération de ces couches à propriétés magnétiques avec les couches respectives interposées à caractéristiques non magné- tiques, en modifiant les paramètres des différentes strates de la couche magnétique, on améliore le réglage des caracté- ristiques par rapport aux éléments usuels. Selon un autre développement de l'élément magné- torésistif selon l'invention, une strate intermédiaire parmi les trois strates d'une couche magnétique a une épaisseur créant un alignement parallèle ou antiparallèle de l'aimantation de deux strates extérieures voisines. Contrai- rement aux éléments magnétorésistifs usuels, il est également possible d'associer aux couches magnétiques, des états d'aimantation " internes " différents. Si dans une couche ma- gnétique usuelle on ne pouvait réaliser que deux états " internes ", selon l'invention à l'intérieur d'une couche magnétique, on peut réaliser quatre états d'aimantation. Par exemple, si on utilise l'élément magnétorésistif comme élé- ment de mémoire ou comme élément de capteur, on a des appli- cations avantageuses. Selon une autre forme de réalisation préféren- tielle de l'élément magnétorésistif selon l'invention, les strates magnétiques des différentes couches magnétiques sont fabriquées dans des matières différentes. Si par exemple pour la première strate magnétique, on utilise du cobalt (Co) et pour la seconde strate magnétique du nickel-fer (NiFe), par le choix de l'épaisseur des différentes strates, on réalise des caractéristiques MR avec de très grandes possibilités de modifications. Selon un autre développement avantageux de l'élément magnétorésistif de l'invention, les couches non ma- gnétiques entre les couches magnétiques, et les strates non magnétiques à l'intérieur des couches magnétiques sont réali- sées dans des matières différentes. Ces moyens permettent également de modifier dans une très large mesure les caracté- ristiques MR par rapport à ce qui était possible jusqu'alors. Selon un autre développement avantageux de l'élément magnétorésistif de l'invention, il est possible que les strates magnétiques d'au moins une couche magnétique pré- sentent des épaisseurs différentes. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les- quels: * la figure 1 est une vue d'ensemble schématique de côté d'une cellule GMR selon l'état de la technique, * la figure 2 est une vus schématique de côté d'une couche magnétique sous la forme de trois strates, représentant un composant d'un élément magnétorésistif selon la présente invention et * la figure 3 est une vue schématique de côté d'un mode de réalisation préférentiel d'une cellule GMR selon la pré- sente invention. La figure 1 montre un schéma de principe d'une cellule GMR connue en vue de côté. La figure montre un sys- tème de couches couplées dont les différentes couches magné- tiques simples 1 sont chaque fois séparées par des ouches intermédiaires 2 non magnétiques. L'épaisseur des couches 2 est choisie pour avoir un alignement antiparallèle des cou- ples magnétiques des couches 1 comme l'indiquent les flèches (premier ou second maximum antiferromagnétique). Si, pour une telle cellule GMR, on cherche, par exemple par variation de la sélection de la matière ou des épaisseurs des couches sim- ples, à augmenter l'amplitude de l'effet, on constate que le champ de saturation augmente également. Par exemple, si on utilise des alliages contenant du cobalt (Co) pour les cou- ches magnétiques 1, on constate en outre que dans un disposi- tif selon la figure 1 on rencontre toujours de l'hystérisis ce qui est un inconvénient pour la plupart des applications. Pour éviter de tels inconvénients, l'invention propose de remplacer les couches magnétiques homogènes 1 (comme celles représentées à la figure 1) par trois strates magnétiques (comme celles représentées à la figure 2). Selon la figure 2, on a trois couches portant globalement le réfé- rence 10 et comprenant deux strates magnétiques externes 10a, 10b et une strate intermédiaire 10c. Bien que la strate in- termédiaire 10c puisse également être magnétique selon l'invention, on suppose dans l'exposé fait ci-après, que la strate 10c est en une matière non magnétique, par exemple en cuivre ou en ruthénium (Ru). Par le choix de l'épaisseur de la strate intermédiaire 10c, on peut réaliser un alignement parallèle ou antiparallèle des aimantations des strates 10a, b dans le cas de champs magnétiques appropriés. La figure 3 montre finalement un mode de réalisa- tion préférentiel d'une cellule GMR selon l'invention; dans cette cellule, les couches magnétiques 10 sont formées de trois strates. On voit qu'entre les trois couches respectives il y a des couches 20 non magnétiques; les matières uti- lisées pour les couches 20 non magnétiques de la cellule GMR peuvent être différents de la matière de la strate intermé- diaire non magnétique 10c appartenant à la couche magnétique 10. Une comparaison de l'état d'aimantation représen- té à la figure 3 (alignement antiparallèle des différentes couches) des couches magnétiques respectives avec l'état d'aimantation de la figure 1 montre que, dans le cas d'une cellule GMR comme celle représentée à la figure 3 à l'intérieur d'une couche magnétique, on réalise quatre états d'aimantation différents alors que dans une couche magnétique usuelle, on ne pouvait avoir que deux états. En outre, l'élément magnétorésistif selon l'invention se distingue en ce que, dans les couches magnéti- ques 10, on peut modifier l'épaisseur des différentes stra- tes. Les possibilités de variation évoquées ci-dessus permettent d'optimiser simultanément par exemple, à la fois l'amplitude de l'effet et le champ de saturation et ainsi la sensibilité des strates ou des différentes couches. Si, par exemple, les couches intermédiaires non magnétiques 20 sont optimisées par un petit effet d'alternance dans la direction des petits champs de saturation, on peut en même temps opti- miser les couches magnétiques 10 réalisées sous la forme de trois strates pour arriver à un plus grand effet, permettant d'avoir des caractéristiques MR avec de petits champs de sa- turation et des amplitudes importantes de l'effet. Les deux grandeurs peuvent ainsi se régler ou s'optimiser d'une ma- nière essentiellement indépendante. Les épaisseurs de strate des couches magnétiques respectives 10 peuvent être différentes comme cela a été in- diqué. Par exemple, une strate 10a peut avoir une épaisseur différente de celle de la strate 10b. Finalement, il convient de remarquer que la réalisation exposée des couches magnéti- ques 10 sous la forme de trois strates constitue uniquement un exemple de réalisation préférentiel. On peut ainsi envisa- ger des structures de couches multistrates, quelconques pour les différentes couches 10. La caractéristique MR d'un élément magnétorésis- tif selon la présente invention peut être prouvée par des me- sures habituelles ainsi que par une analyse de la structure de couche ou de strate de l'élément. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Elément magnétorésistif, notamment une cellule GMR com- portant des premières couches (10) superposées de manière al- ternée et ayant des propriétés magnétiques ainsi que des secondes couches (20) ayant des propriétés non magnétiques, caractérisé en ce que - les premières couches (10) ont au moins une structure for- mée de trois strates (10a, lOb, 10c), - et au moins deux des trois strates (0la, lOb, 10c) ont des propriétés magnétiques. 2 ) Elément magnétorésistif selon la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les strates d'au moins une première couche (10) notam- ment toutes les trois strates (10a, lOb, 10c) ont des pro- priétés magnétiques. ) Elément magnétorésistif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins l'une des trois strates d'au moins l'une des premiè- res couches (10) notamment la strate intermédiaire d'une pre- mière couche en trois strates (10) a une épaisseur qui, dans un champ magnétique approprié, produit un alignement paral- lèle ou antiparallèle de l'aimantation des deux strates voi- sines (0la, lOb). 4 ) Elément magnétorésistif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que les strates à propriété magnétique d'au moins une des premiè- res couches (10) sont réalisées en matières différentes. ) Elément magnétorésistif selon l'une quelconque des reven- dications 1, 3, 4, caractérisé en ce qu' au moins l'une des secondes couches (20) et au moins une strate non magnétique (0lc) d'une première couche (10) sont réalisées dans des matières différentes. 6 ) Elément magnétorésistif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que les strates magnétiques d'au moins une première couche (10) ont des épaisseurs différentes.