Brevet FR2841041A1 — publié le 20031219

qu'elle est reglee par le procede de reglage de la revendication 6. DISPOSITIF A MAGNETORESISTANCE VARIABLE La presente invention se rapporte a un dispositif a magnetoresistance variable. Dans le cadre de la presente invention, on entend par dispositif a magnetoresistance variable tout dispositif comportant au moins: une couche magnetique libre (dons l'aimantation s'oriente facilement dans la direction d'un champ magnetique exterieur) ou fixe (dons l'aimantation necessite un champ magnetique exterieur beaucoup plus important pour changer de direction), une couche isolante, et une couche magnetique fixe ou libre. De teds dispositifs peuvent par exemple aussi bien etre des capteurs de champ l 0 magnetique que des fetes magnetiques de lecture ou bien des portes logiques pilotees par un champ magnetique externe. Les capteurs de champ magnetique, qu'ils soient magnetoresistifs ou a effet Hall, ont une sensibilite limitee a environ 105 V/TA. Or, les applications actuellement envisagees necessiteraient des sensibilites plus elevees (106 a 107 V/TA de fa,con a pouvoir concurrencer les techniques volumineuses comme la RMN ou necessitant de la cryogenic, telle que SQUID). De meme, la sensibilite des fetes de lecture a besoin de suivre ['augmentation des densites des supports d'enregistrement, alors que les fetes de lecture multipistes actuelles ont egalement des performances limitees. Bien entendu, il serait egalement souhaitable que les portes logiques aient une densite la plus elevee possible et puissent etre pilotees par un faible champ magnetique externe. La presente invention a pour objet un dispositif a magnetoresistance variable qui soit sensible a un champ magnetique le plus faible possible, qui soit le moins encombrant possible, reproductible et facile a realiser. Le dispositif conforme a ['invention, du type comportant au moins: une couche magnetique libre, une couche isolante et une couche magnetique fixe, est caracterise en ce que la couche isolante comporte au moins une constriction dont la dimension est de l'ordre de grandeur de quelques Angstroms. La presente invention sera mieux comprise a la lecture de la description detaillee de plusieurs modes de realisation, pris a titre d'exemples non limitatifs, et illustree par le dessin annexe, sur lequel: - la figure 1 est une vue en coupe schematique d'un premier mode de realisation du dispositif conforme a ['invention; - la figure 2 est un ensemble de deux vues schematiques du dispositif de la figure 1 illustrant l'effet d'un champ magnetique exterieur sur ['orientation relative des aimantations des deux couches magnetiques qui font partie de ce dispositif, et 0 illustrant la facon de mesurer ce changement d'orientation; - la figure 3 est un diagramme illustrant le principe de fonctionnement du dispositif de ['invention utilise en porte logique; - la figure 4 est un schema illustrant le phenomene physique l 5 faisant varier la resistance du dispositif de ['invention; - la figure 5 est un schema simplifie illustrant l'etape d'electrodeposition pouvant etre mise en ceuvre lors de la fabrication du dispositif de ['invention; - les figures 6 a 10 vent des vues en coupe schematiques d'autres modes de realisation du dispositif de ['invention. Le dispositif de ['invention, dans les premiers modes de realisation decrits ci-dessous (figures 1 a 6), est un dispositif magnetique mettant en ceuvre la magnetoresistance balistique a travers une constriction qui sert a pieger un domaine magnetique. On a represente en figure 1 les parties essentielles d'un dispositif magnetique 1 conforme a ['invention. Comme precise ci-dessus, ce dispositif peut etre par exemple un capteur de champ magnetique, ou bien une tete de lecture magnetique, ou encore une porte logique. Ce dispositif 1 comporte une premiere couche magnetique 2 libre, une couche 3 isolante percee de trous 4 (que l'on appelle egalement constrictions), et une deuxieme couche magnetique 5 fixe. Dans l'exemple represente, les trous 4 ont, vus en coupe, une forme conique se retrecissant de la couche 5 vers la couche 2, mais il est bien entendu que cette forme peut etre differente (rectiligne, cOnes inverses par rapport a ceux representes, retrecissement a mi-hauteur...). La dimension de la partie la plus etroite de chacun des trous 4 doit etre au minimum de la dimension d'un atome, c'est-a-dire qu'elle doit etre de quelques Angstroms. Le materiau constituent la couche 5 doit remplir les trous 4. Dans le present exemple, la couche 2 est une couche magnetique libre, alors que la couche 5 est une couche magnetique fixe, mais il est bien entendu que ['inverse est egalement possible. Le dispositif 1 decrit ci-dessus utilise la magnetoresistance balistique a travers une paroi dont la taille est plus petite que le libre parcours moyen electronique (ce dernier etant d'environ 20 nary). Ces effete de magnetoresistance ont ete decrits pour des dispositifs experimentaux, par 0 exemple dans les publications suivantes: " G. TARTARA et al, Phys. Rev. Lett. 83 (1999), 2030 n GARCIA et al, Phys. Rev. Lett. 85 (2000), 3053 >>, Phys. Lett. 76 (2000) 2586 >. Les dispositifs decrits dans ces publications comportent deux pointes en materiau magnetique a extremites arrondies que l'on approche l'une de l'autre jusqu'a constater ['existence du phenomene de magnetoresistance balistique. Ces dispositifs vent purement experimentaux, vent encombrants et ne vent pas reproductibles industriellement. Par contre, le dispositif de la figure 1 peut etre facilement fabrique en serie a ['aide de techniques industrielles bien connues en soi, comme par exemple celles decrites ci-dessous, ce qui le rend facilement reproductible. En outre, il est facile de conferer au dispositif de ['invention une valeur de resistance de sortie, dans certaines limites, en formant, a la fabrication, un nombre determine de constrictions, les resistances dues a ces constrictions etant en parallele entre elles. Ainsi, si la resistance d'une constriction dans un etat donne est R. et s'il y a N constrictions dans un dispositif, sa resistance de sortie sera R/N. Dans le cas ultime d'un contact entre deux atomes (constriction de dimension atomique), la resistance de sortie est la resistance cite de SHARVING, qui est de 26 kQ, et qui est une limite quantique, comme decrit dans ['article de Yu V. SHARVING, public en russe dans le Journal de Physique Theorique Experimentale 48, 984 (1965), ou en traduction anglaise [Soy. Phys. JEPT, 21, 655 (1965)]. L'utilisation du dispositif de ['invention en tent que porte logique exploite de facon numerique la variation du signal de magnetoresistance balistique, alors que son utilisation en tent que capteur exploite le meme signal sous sa forme analogique. Dans les deux cas, deux des avantages principaux du dispositif de ['invention vent le caractere non volatile du stockage de ['information sous forme magnetique et le fait qu'il soit intrinsequement durci vis-a-vis de radiations ionisantes grace a la nature metallique de ses couches magnetiques. On a illustre en figure 2 le principe de fonctionnement du dispositif de ['invention. Sur cette figure, on a represente, de facon simplifiee, un dispositif conforme a ['invention dans deux etats caracteristiques differents. A gauche, le dispositif 6 est dans un premier etat correspondent a ['absence de l0 champ magnetique exterieur (autre que le champ magnetique terrestre), alors qu'a droite, le meme dispositif, reference 7, est dans un deuxieme etat, correspondent a la presence d'un champ magnetique exterieur. Ce dispositif comporte une couche magnetique 8 fixe, une couche 9 isolante percee d'au moins un trou 9A et une couche magnetique libre, qui est referencee 10 dans le premier etat et 10A dans le deuxieme etat. On relic un dispositif 11 de mesure de resistance aux deux couches magnetiques. Qu'un champ magnetique exterieur soit present ou non, I'orientation de l'aimantation de la couche magnetique fixe 8 ne change pas (fleche 12), tandis que celle de la couche magnetique libre varie. Dans le premier etat, I'orientation de I'aimantation de la couche magnetique libre (10) est. par exemple, de meme sens que celle de la couche 8 (fleche 13). Par contre, en presence d'un champ magnetique exterieur, I'aimantation de la couche magnetique libre tend a s'orienter dans la direction imposee par ce champ (ce qui est symbolise, pour le dispositif 7, par une fleche 14 qui a une orientation differente de celle de la fleche 13). La variation angulaire relative entre les aimantations des deux couches magnetiques 8 et 10 s'accompagne d'une variation de resistance, mesuree par le dispositif 11. Bien entendu, dans le cas d'un capteur de champ magnetique, pour eviter une fausse mesure lorsque l'aimantation de la couche 10 est de meme sens que ce champ, on peut disposer au moins deux dispositifs capteurs, tel que le dispositif 6, dont les aimantations vent orientees differemment, ou bien on peut faire tourner un seul capteur sur lui-meme et noter ['amplitude de la variation de resistance. Ainsi, la variation de resistance, qui passe de la valeur R dans le premier etat a la valeur R1 dans le deuxieme etat, variation mesuree par le dispositif 11, permet d'utiliser le dispositif de ['invention en capteur de champ magnetique. Une autre application possible du dispositif de ['invention est illustree par le diagramme de la figure 3. Cette figure 3 correspond a l'utilisation du dispositif de ['invention en tent que porte logique. Dans ce cas, le dispositif de ['invention est associe a un dispositif tel qu'un conducteur pouvant etre parcouru par un courant electrique, inactif a l'etat de repos et produisant sous ['action d'une commande exterieure un champ magnetique suffisant pour modifier ['orientation de l'aimantation de la couche magnetique libre du dispositif de ['invention. Bien entendu, ce champ magnetique est oriente de fa,con a produire une variation angulaire maximale de ['orientation de l'aimantation de la couche magnetique libre. Ainsi, la resistance du dispositif de ['invention, qui a la valeur R en ['absence de champ magnetique, passe brusquement a la vaieur R1 (superieure a R) des que le champ magnetique apparat, et repasse aussi brusquement a la valeur R des que ce champ magnetique disparat. A ces deux valeurs de resistance differentes, on fait correspondre deux etats logiques ( > et miniaturise, on peut en integrer un tres grand nombre sur un meme substrat. La figure 4 illustre de fa,con simplifiee le phenomene qui est a I'origine de la variation de resistance du dispositif de ['invention. Ce phenomene est dO a la diffusion, dependante du spin, a travers un domaine magnetique piege dans chaque constriction 15 de la couche isolante 16, formee entre une couche magnetique fixe 17 et une couche magnetique libre 18, lorsque ['angle entre les aimantations des deux couches 17, 18 est different de zero. Dans le cas ou la taille du domaine magnetique est plus petite que le libre parcours moyen electronique (symbolise par ['ensemble de fleches 19), la conduction des electrons de part et d'autre du domaine est balistique, avec conservation du spin des electrons. On a schematiquement illustre en figure 5 une etape d'electro deposition de la couche magnetique devant remplir les constrictions du dispositif de ['invention. Auparavant, on depose, de fa,con connue en soi, une premiere couche magnetique 20 sur un substrat 21 non ferromagnetique. La couche 20 est une couche conductrice ferromagnetique d'epaisseur pouvant etre comprise entre quelques nanometres et plusieurs centaines de nanometres. Sur la couche 20, on depose une couche 22 en materiau isolant ayant une epaisseur de quelques nanometres. Differents procedes vent envisageables pour realiser des constrictions 22A dans la couche 22 suivant la durete de celle-ci. Si cette couche 22 est. par exemple, en alumine (Al2O3), les constrictions peuvent etre realisees par nanoindentation. Dans ce cas, la pression exercee par le nanoindenteur controle la profondeur du trout Si la couche 22 est en un materiau plus mou, par exemple un polymere, les constrictions peuvent etre reaiisees avec un microscope a force atomique equipe d'une pointe conductrice. Le controle de la profondeur du trou est alors assure par la mesure de la resistance entre cette pointe et la couche l0 20. D'autres techniques, connues en soi, peuvent etre mises en oeuvre pour realiser les constrictions. Ce peut etre le claquage local d'un isolant a ['aide d'une pointe de microscopic tunnel, ou bien le > (decrit dans ['article de S.Y. CHOU et al, dans Science, vol. 272, p. 85 - 1996). Pour remplir les trous formes dans la couche 22, on peut mettre en ceuvre une technique de depot classique telle que la pulverisation cathodique ou ['evaporation sous vice. Selon un aspect prefere de ['invention, ce depot est realise par vole electrolytique, comme illustre en figure 5. Pour ce faire, on dispose sur la couche 22 un recipient 23 contenant un bain de liquide approprie d'electrolyse 24, et on applique entre ce liquide et la couche 20 une difference de potentiel a ['aide d'un generateur 25. La couche ainsi deposee par electrolyse est une couche ferromagnetique conductrice est par exemple en Co, Ni, Fe ou l'un des alliages de ces metaux. Bien entendu, apres remplissage des trous de la couche isolante, on peut continuer le depot pour constituer la deuxieme couche magnetique. Ceci est realise par percolation du depot electrolytique. Alternativement, on peut deposer une couche conductrice, de preference ferromagnetique, afin d'assurer lihomogeneite magnetique de l'aimantation de cette deuxieme couche. Pour assurer le bon fonctionnement du dispositif de ['invention, il est necessaire de controler ['arrangement anti- ferromagnetique des deux couches magnetiques principales (2 et 5 en figure 1). Pour y parvenir, il existe plusieurs procedes connus en soi. Les plus classiques consistent a bloquer une des couches magnetiques principales soit a ['aide d'un couplage d'echange indirect au travers d'une couche non magnetique avec une autre couche magnetique, soit, comme illustre en figures 6 et 7, en inserant une couche auxiliaire d'un materiau antiferromagnetique (NiO, FeMn, IrMn,... par exemple) qui est au contact de la couche ferromagnetique fixe. Dans ce cas, I'interaction d'echange direct entre ia couche ferromagnetique principale (fixe) la plus proche de cette couche auxiliaire et cette couche auxiliaire provoque un decalage du cycle d'hysteresis de ladite couche ferromagnetique principale fixe, qui se volt ainsi artificiellement bloquee. La couche ferromagnetique libre est avantageusement constituee d'un materiau magnetique doux tel que NiFe. En figure 6, on a represente schematiquement une premiere possibilite d'insertion de la couche auxiliaire. Sur un substrat 26, on depose une premiere couche ferromagnetique principale 27 qui est une couche libre. Sur cette couche 27, on depose une couche isolante 28 a constrictions 28A et une deuxieme couche ferromagnetique principale 29 remplissant les constrictions. Sur la couche 29, on depose une couche 30 anti ferromagnetique d'une epaisseur de l'ordre de quelques dizaines de nm, puis une couche de protection 31, par exemple en Au ou Cu. La deuxieme possibilite dtinsertion de la couche anti ferromagnetique est illustree en figure 7. Sur un substrat 32, on depose une couche antiferromagnetique 33, puis une couche ferromagnetique principale fixe 34, une couche isolante 35, une couche principale libre 36, qui remplit les constrictions 35A de la couche isolante et une couche de protection 37. En figures 8 et 9, on a schematiquement represente deux exemples de realisation du dispositif de ['invention, pour lesquels les constrictions ne debouchent que d'un cote, c'est-a-dire qu'il subsiste de I'autre cote une epaisseur E d'isolant, de quelques Angstroms. Dans ce cas, le principe de fonctionnement du dispositif de ['invention s'apparente plutot a la magnetoresistance a effet tunnel qu'a celle a effet balistique. Le dispositif de la figure 8 comporte, sur un substrat 38, une premiere couche ferromagnetique principale 39, une couche isolante 40 et une deuxieme couche ferromagnetique principale 41. Les constrictions 42 pratiquees dans la couche 40 ne la traversent pas entierement, ce qui laisse subsister entre leur fond et la couche 39 un mince voile de materiau isolant 43, d'epaisseur E (de quelques Angstroms, comme precise ci-dessus). Le dispositif de la figure 9 comporte, sur un substrat 44, une premiere couche 45 ferromagnetique principale, une couche auxiliaire 46 de materiau isolant, ayant l'epaisseur E precitee, une couche isolante 47 et une deuxieme couche ferromagnetique principale 48. Contrairement a ce qui a ete fait dans le dispositif de la figure 8, les constrictions 47A de la couche isolante 47 de la figure 9 traversent entierement cette couche, la couche isolante 46 jouant le meme role que les voiles 43, c'est-a-dire qu'elle est le siege de l'effet tunnel. Le dispositif de la figure 10 comporte, sur un substrat 49, une premiere couche ferromagnetique principale 50, une couche conductrice non magnetique 51, une couche isolante 52 et une deuxieme couche principale lo ferromagnetique 53. Les constrictions 52A formees dans la couche isolante 52 traversent entierement celle-ci. Du fait de la presence de la couche conductrice 51 entre les couches 50 et 52, le principe de fonctionnement de ce dispositif de la figure 10 s'apparente a la magnetoresistance geante (GMR). Bien entendu, les dispositifs des figures 8 a 10 peuvent avantageusement comporter une couche auxiliaire anti-ferromagnetique telle que celle des figures 6 et 7, ainsi qu'une couche de protection. REVENDICATIONS 1. Dispositif a magnetoresistance variable, du type comportant au moins: une couche ferromagnetique libre (5, 10, 18, 27, 36, 41, 48, 53), une couche isolante (3, 9, 16, 22, 28, 35, 40, 47, 52) et une couche ferromagnetique fixe (2, 8, 17, 20, 27, 34, 39, 45, 50), caracterise en ce que la couche isolante comporte au moins une constriction (4, 9A, 15, 22A, 42, 47A, 52A) dont la dimension est de l'ordre de grandeur de quelques Angstroms. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise par le fait qu'il comporte une couche auxiliaire antiferromagnetique (30, 33) au contact de la 0 couche ferromagnetique fixe (29, 34). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caracterise par le fait que les constrictions traversent la couche isolante. 4. Dispositif selon la revendication 3, caracterise par le fait qu'il comporte une couche isolante auxiliaire d'une epaisseur de quelques Angstroms (46) entre la couche isolante et une couche ferromagnetique (45) . 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise par le fait que les constrictions (42) ne traversent pas entierement la couche isolante, en laissant subsister un voile (43) d'une epaisseur de quelques Angstroms. 6. Dispositif selon la revendication 3, caracterise par le fait qu'il comporte une couche conductrice non magnetique (51) entre la couche