Brevet FR2852400A1 — publié le 20040917

L'invention concerne un capteur magnétorésistif de champ magnétique ainsi que l'utilisation d'un tel capteur pour la mesure de l'intensité d'un champ magnétique. s Historiquement, les capteurs magnétorésistifs exploitent la variation de résistance électrique d'un matériau magnétique unique qui est induite par la variation du champ magnétique à mesurer. C'est le principe de fonctionnement des capteurs à magnétorésistance anisotrope. Cependant, la variation de résistance est faible. Depuis la découverte de la magnétorésistance géante (en 10 1988) et de la magnétorésistance tunnel à température ambiante (1995), d'autres architectures de capteur ont été imaginées avec des variations de résistance de plus de 50% à température ambiante. Ces capteurs comprennent l'empilement d'un élément magnétique de référence, i5 d'un élément de séparation et d'un élément magnétique sensible au champ magnétique, ledit empilement étant agencé pour présenter une variation de résistance électrique en fonction du champ magnétique à mesurer. En particulier, l'empilement peut comprendre deux structures magnétiques 20 formant respectivement élément de référence et élément sensible qui sont séparées par l'élément de séparation. Dans cette configuration, l'orientation du moment magnétique de l'élément de référence est agencée pour être inchangée par l'action du champ magnétique à mesurer, alors que celle de l'élément sensible est modifiable par l'action dudit champ. Lorsque l'élément de séparation est conducteur électriquement (une couche métallique ou semi-conductrice par exemple), le capteur exploite la magnétorésistance géante qui traduit la dépendance du courant en fonction de l'orientation relative des aimantations des structures magnétiques. Et, lorsque 30 l'élément de séparation est isolant électriquement, le capteur exploite la magnétorésistance tunnel qui dépend de la structure de bandes d'interface des électrons de spin up et down et qui pour un canal de spin donné dépend de l'orientation relative de leur aimantation. Ces capteurs sont d'une grande sensibilité et peuvent à priori être destinés à la détection de champ magnétique dont l'amplitude peut varier de plusieurs ordres de grandeurs. Pour obtenir un capteur magnétorésistif performant, il est nécessaire de 5 maîtriser l'orientation relative des moments magnétiques des structures magnétiques, de sorte à pouvoir corréler la variation de résistance électrique avec le champ magnétique à mesurer. En particulier, une orientation perpendiculaire de l'axe d'anisotropie magnétique de l'élément de référence par rapport à celui de l'élément sensible permet de linéariser la sortie du capteur 10 afin d'obtenir un signal de mesure facilement exploitable. Le document FR-2 809 185 décrit un capteur dans lequel l'élément sensible comprend une couche de matériau ferromagnétique dont l'anisotropie magnétique provient de l'énergie de forme, et l'élément de référence comprend 15 la superposition d'une couche en matériau ferromagnétique et d'une couche en matériau antiferromagnétique dont l'anisotropie résulte de l'échange entre ces deux couches. Selon ce document, l'énergie de forme est donc utilisée pour obtenir l'élément sensible, et l'anisotropie d'échange est utilisée pour obtenir l'élément de référence, c'est-à-dire pour obtenir un moment magnétique fixe en 20 fonction de ce champ. Cette solution présente plusieurs inconvénients tant du point de vue de la conception du capteur que de celui de la performance de la mesure obtenue. Concernant la conception, l'utilisation de l'énergie de forme pour induire l'anisotropie de l'élément sensible s'avère difficile et coûteuse à mettre en oeuvre. En effet, comme l'explique le document FR-2 809 185, cela nécessite l'utilisation des surfaces vicinales de Si(111) désorientées, or ce substrat est particulièrement onéreux et difficile à utiliser de façon industrielle. En effet, un 30 recuit à haute température (900C) avec une descente lente en température est nécessaire pour obtenir l'accumulation des marches nécessaire à l'observation de l'anisotropie de forme. En outre, cette utilisation impose une direction d'anisotropie particulière, ce qui est préjudiciable à la modularité du capteur. De plus, ces substrats ne sont pas adaptés à une intégration de l'élément sensible sur un ASIC de traitement du signal. Concernant la performance de mesure, il s'avère que la plage d'utilisation du 5 capteur connu est difficilement adaptable, et qu'en tout état de cause elle reste relativement limitée. En particulier, cette plage d'utilisation dépend de la taille du capteur ce qui nuit également à la modularité du capteur. En outre, la disposition de la couche antiferromagnétique sur la partie supérieure de l'empilement pose des problèmes de fiabilité de la mesure. En effet, il a été montré qu'une texture 10 de la couche antiferromagnétique est nécessaire à un fort blocage et donc à une plage de fonctionnement en température élevée. Cependant, lorsque la couche antiferromagnétique est disposée au dessus d'une couche isolante amorphe, la texture est perdue, le blocage est moindre et le capteur ne fonctionne plus pour des températures un peu supérieures à la température ambiante. Pour résoudre l'ensemble de ces inconvénients, l'invention propose un capteur magnétorésistif dans lequel l'anisotropie magnétique de l'élément sensible est induite par l'échange qui existe au niveau d'une interface entre une couche de matériau ferromagnétique et une couche de matériau antiferromagnétique. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un capteur magnétorésistif de champ magnétique comprenant un empilement d'un élément de référence, d'un élément de séparation et d'un élément sensible au champ magnétique, dans lequel l'élément de référence et l'élément sensible présentent 25 respectivement une première et une deuxième anisotropie magnétique suivant une première et une deuxième direction. L'élément sensible comprend la superposition d'une couche d'un matériau ferromagnétique et d'une couche d'un matériau antiferromagnétique qui est agencée pour obtenir un moment magnétique dont la composante orientée dans la direction du champ à mesurer 30 varie linéairement et réversiblement en fonction de l'intensité du champ magnétique à mesurer, et linéairement dans une gamme de champ ajustable. Selon un deuxième aspect, l'invention propose l'utilisation d'un tel capteur pour la mesure de l'intensité d'un champ magnétique, dans laquelle la direction d'anisotropie de l'élément de référence est disposée parallèlement à la direction du champ magnétique à mesurer. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - les figures 1 et 2 sont des vues en perspective montrant schématiquement o0 respectivement une première et une deuxième réalisation d'un empilement de couches disposé sur un substrat pour la réalisation d'un capteur selon l'invention; - la figure 3 est un schéma de la configuration magnétique des axes 15 d'anisotropie, des aimantations et du champ magnétique à mesurer dans les empilements selon les figures 1 ou 2; - les figures 4a et 4b représentent la variation, en fonction du champ magnétique à mesurer, de l'aimantation respectivement de l'élément 20 sensible et de l'élément de référence selon la configuration de la figure 3 et pour l'empilement de la figure 1; - les figures 5a et 5b représentent la variation, en fonction du champ magnétique à mesurer, de l'aimantation respectivement de l'élément 25 sensible et de l'élément de référence selon la configuration de la figure 3 et pour l'empilement de la figure 2; - la figure 6 représente la variation, en fonction du champ magnétique à mesurer, de la résistance électrique de la jonction qui résulte des variations 30 d'aimantations représentées sur les figures 4a et 4b; - la figure 7 représente la variation, en fonction du champ magnétique à mesurer, de la résistance électrique de la jonction qui résulte des variations d'aimantations représentées sur les figures 5a et 5b; - la figure 8 illustre les variations des sensibilités électrique et magnétique d'un capteur selon l'invention en fonction de la température; - la figure 9 illustre la variation de sa sensibilité totale avec la température; - la figure 10 illustre la variation de la sensibilité totale d'un capteur optimisé avec la température. La propriété qui nous intéresse ici plus particulièrement est la réponse obtenue lorsqu'un matériau ferromagnétique FM1 et un matériau antiferromagnétique 15 AFI présentent une interface commune lorsque le champ est appliqué perpendiculairement à l'axe magnétique présentant de l'échange. Dans ce cas, le processus de renversement de l'aimantation par nucléation et propagation de parois (renversement lorsque le champ est appliqué le long de l'axe magnétique présentant de l'échange) est remplacé par la rotation réversible de l'aimantation 20 (renversement lorsque le champ est appliqué perpendiculairement à l'axe magnétique présentant de l'échange). Le comportement hystérétique est alors remplacé par le comportement réversible de la figure 4a. De plus, dans une gamme de champs assez étendue, le signal est linéaire. De manière formelle, la pente de la réponse de l'aimantation avec le champ appliqué est donnée par: %HH=0 52 M t (1) 81H Ms tF M Ce type de capteur est agencé pour que, sous l'effet du champ magnétique à mesurer, la direction de l'aimantation 10 de l'élément sensible 4 varie par rapport à celle de l'élément de référence 2, ce qui induit une variation de résistance électrique de l'empilement 1 en fonction de l'intensité dudit champ. Selon une première réalisation, l'élément de séparation 3 comprend une couche S d'un matériau isolant électriquement, par exemple à base d'aluminium oxydé et/ou nitré, de gallium oxydé, de tantale oxydé, de magnésium oxydé, de titanate de strontium oxydé. Le capteur magnétorésistif exploite alors les propriétés de magnétorésistance tunnel de la jonction formée par les deux 30 éléments magnétiques 2, 4 séparés par la couche isolante S. Dans cette réalisation, les mesures de résistance sont effectuées perpendiculairement au plan de la couche S. Selon une deuxième réalisation, l'élément de séparation 3 est formé d'une couche S de matériau conducteur électriquement, par exemple à base de métaux tels que le cuivre ou à base de semi-conducteurs. Le capteur 5 magnétorésistif exploite alors les propriétés de magnétorésistance géante de la " spin valve " formée par les deux éléments magnétiques 2, 4 séparés par la couche conductrice S. Dans cette réalisation, les mesures de résistance sont effectuées soit perpendiculairement au plan de la couche S soit parallèlement à lui. Dans ces deux réalisations, l'effet magnétorésistif conduit à une variation de la résistance électrique de l'empilement 1 en fonction du champ magnétique à mesurer, ladite variation étant exploitée dans un circuit électronique de traitement pour obtenir l'intensité dudit champ. De façon particulière, 15 l'exploitation de la variation de résistance est facilitée en prévoyant que, en l'absence de champ magnétique à mesurer, la première anisotropie 5 soit perpendiculaire à la deuxième anisotropie 6. En relation avec la figure 1, on décrit un premier mode de réalisation de 20 l'empilement 1 qui comprend une couche de matériau ferromagnétique FM2 en tant qu'élément de référence 2, et la superposition d'une couche d'un matériau ferromagnétique FM1 et d'une couche d'un matériau antiferromagnétique AFi en tant qu'élément sensible 4. Les matériaux ferromagnétiques FM1, FM2 sont par exemple à base de cobalt, de fer, de nickel ou d'alliage de ces matériaux. 25 Les matériaux ferromagnétiques de l'élément de référence 2 et de l'élément sensible 4 peuvent être de nature identique ou différente en fonction des caractéristiques souhaitées pour le capteur. Le matériau antiferromagnétique peut être à base d'lrMn, de FeMn, de PtMn, de NiMn ou d'autres composés à base de manganèse. Lorsqu'un matériau ferromagnétique et un matériau antiferromagnétique présentent une interface commune, il est possible d'observer un effet appelé " d'exchange bias " qui se manifeste principalement par un déplacement en champ magnétique du cycle d'hystérésis. La couche ferromagnétique FMi présente alors une direction d'anisotropie 6 imposée par le matériau antiferromagnétique AF1. Cette direction d'anisotropie 6 a l'avantage d'être contrôlable, soit en saturant l'aimantation de la couche ferromagnétique FMi 5 lors du dépôt de la couche AF1, soit par un traitement thermique sous champ magnétique après dépôt o l'échantillon est chauffé à une température supérieure à la température de blocage du matériau antiferromagnétique AF1 avant d'être refroidi en dessous de cette température. Lors de ce refroidissement, il convient de s'assurer que l'aimantation de la couche 10 ferromagnétique FMI est saturée dans la direction souhaitée pour l'anisotropie de la couche. L'empilement 1 est déposé sur un substrat 7, par exemple en silicium ou en verre, la couche de matériau antiferromagnétique AF1 étant disposée sur le 15 substrat. Pour ce faire, on peut utiliser une technique de pulvérisation cathodique sous vide qui permet de déposer successivement de fines couches de matériaux souhaités. Concernant le dépôt d'une couche d'aluminium oxydé, on peut prévoir de déposer une couche l'aluminium par pulvérisation cathodique sous vide puis d'oxyder cette couche sous oxygène. Pour limiter la formation de défaut dans la couche de matériau antiferromagnétique AF1, il peut être envisagé de déposer sur le substrat 7 une couche tampon, par exemple un film amorphe de tantale 8, qui est destinée à améliorer l'état de la surface sur laquelle le matériau antiferromagnétique AF1 25 est disposé. Dans ce mode de réalisation, l'anisotropie 5 de l'élément de référence 2 est obtenue soit en déposant la couche de matériau ferromagnétique FM2 sous champ magnétique de sorte à orienter cette anisotropie 5 dans la direction du 30 champ magnétique appliqué, soit en induisant une anisotropie de forme dans la couche de matériau ferromagnétique FM2, par exemple en prévoyant que l'élément de référence 2 possède une dimension plus importante dans la direction de l'anisotropie 5. L'élément de référence 2 est agencé pour présenter un champ coercitif plus élevé que la gamme de champ à mesurer. Ainsi, en appliquant un champ magnétique, on peut induire une modification de l'orientation du moment magnétique de l'élément sensible 4 sans modifier le moment magnétique de l'élément de référence 2. A titre d'exemple, on a réalisé la jonction tunnel magnétique suivante: Verre / Ta (5 nm) / Co (10 nm) / IrMn (10 nm) / Co (10 nm) / AlOx / Co (2 nm)/ Co80Pt20 (5 nm) / Pt (4nm) Le verre constitue le substrat et la bicouche Ta/Co est la couche tampon. L'élément sensible est composé de la bicouche IrMn (10 nm) / Co (10 nm). L'élément de référence Co (2 nm) / Co80Pt20 (5 nm) est constitué de cobalt additionné de platine pour augmenter le champ coercitif. La couche Pt (4nm) est 15 une couche de protection. Les couches ont été déposées par pulvérisation cathodique à température ambiante sous une pression de base inférieure à 5.10-7 mbar. La pression d'Argon durant le dépôt était de 5.10-3 mbar. 20 Pour obtenir la couche isolante (AlOx), l'oxydation a été réalisée après dépôt d'une couche métallique de 1,3 nm en utilisant une décharge luminescente continue à 300 W pendant 35 secondes sous plasma d'oxygène pur à 10-'1 mbar dans une enceinte à pulvérisation cathodique. L'échantillon a été transféré dans 25 cette enceinte sans briser le vide. Après croissance, l'échantillon a été recuit pendant 30 minutes à 200 C en présence d'un champ magnétique de 300 Oe afin d'établir "l'exchange bias" dans la couche IrMn et pour orienter la direction d'anisotropie de cette couche 30 perpendiculairement à la direction d'anisotropie de la couche Co (2 nm) / Co80Pt20 (5 nm) / Pt (4nm). La conformation de la jonction a été effectuée de façon connue par lithographie UV et gravure par faisceau d'ions. Selon le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 2, l'élément de 5 référence 2 comprend la superposition d'une couche d'un matériau ferromagnétique FM2 et d'une couche d'un matériau antiferromagnétique AF2, et l'élément sensible 4 est analogue à celui représenté sur la figure 1. Cette réalisation permet d'obtenir une plus grande stabilité de l'élément de référence 2 vis-à-vis du champ magnétique à mesurer (figure 5b). Dans ce mode de réalisation, le capteur comprend donc l'empilement AFI/FM1/S/FM2/AF2, les matériaux antiferromagnétiques AFi et AF2 ayant des températures de blocage, respectivement Tl et T2, qui sont différentes, par exemple avec T1>T2. Pour obtenir la configuration magnétique représentée sur 15 la figure 3, on peut procéder comme suit: l'empilement 1 est recuit à une température T>T1 sous champ magnétique de sorte à induire une anisotropie respectivement dans l'élément sensible 4 et dans l'élément de référence 2 qui est parallèle au champ magnétique appliqué; puis - l'empilement est recuit à une température T comprise entre Tl et T2 sous champ magnétique perpendiculaire à celui appliqué dans l'étape précédente, de sorte à induire une anisotropie 5 dans l'élément de référence 2 qui est parallèle au champ magnétique appliqué et donc perpendiculaire à l'anisotropie 6 de l'élément sensible 4. Dans ces deux modes de réalisation, l'élément sensible 4 est agencé pour que son moment magnétique 10 varie en fonction du champ magnétique à mesurer, et l'élément de référence 2 est agencé pour que la direction et le sens de son moment magnétique 9 soient fixes en fonction du champ magnétique à mesurer. Ces caractéristiques sont obtenues, en fonction de l'intensité du champ magnétique à mesurer, en faisant varier la nature des matériaux utilisés et/ou l'épaisseur des différentes couches. En particulier, les épaisseurs des couches peuvent être de l'ordre de 10nm et être agencées pour obtenir la jonction souhaitée, tunnel ou magnétorésistance géante, et ce dans la plage d'intensité du champ magnétique à mesurer. La figure 3 représente une configuration magnétique possible pour les axes d'anisotropie 5, 6 et les aimantations 9, 10 respectivement des éléments de référence 2 et sensible 4. Dans cette configuration, sous champ magnétique nul, les moments magnétiques 10, 9 sont perpendiculaires. Lorsqu'on applique un champ magnétique à mesurer 11 suivant une direction fixe parallèle à la 10 direction de l'anisotropie 5 de l'élément de référence 2, il en résulte une rotation du moment magnétique 10 de la couche sensible 4 (vers une position 10'), alors que l'aimantation 9 de la couche de référence 2 reste fixe. Comme on peut le voir sur les figures 4a et 5a, la variation de l'aimantation de 15 l'élément sensible 4 dans la direction du champ appliqué est linéaire sur une large plage de variation de l'intensité du champ à mesurer (entre -50 et +50 Oe sur les figures 4a et 4b) alors que l'aimantation de l'élément de référence 2 reste constante sur cette plage (figure 4b et 5b). Concernant l'aimantation de l'élément de référence 2 (figure 4b), le champ coercitif, qui correspond au 20 retournement de l'aimantation sous l'effet du champ à mesurer, est de l'ordre de Oe (figure 4b) ou 300 Oe (figure 5b), soit bien au delà de la plage de linéarité de la figure 4a. Par conséquent, on obtient une variation de la résistance d'un empilement 1 25 suivant l'invention telle que représentée sur les figures 6 et 7 qui comprend comme caractéristique importante le fait de présenter une réponse linéaire et réversible sur une plage importante d'intensité de champ à mesurer (entre -50 et +50 Oe). Cette loi de variation peut donc être utilisée de façon particulièrement simple dans un circuit électronique de traitement pour obtenir 30 l'intensité du champ magnétique en fonction de la résistance de l'empilement 1, puisque la variation de la résistance est linéaire en fonction de l'intensité du champ magnétique à mesurer. On peut par ailleurs montrer que la sensibilité totale S du capteur se décompose en une sensibilité électrique Se et une sensibilité magnétique Sm de sorte que S= Se x Sm, avec Se = (Rp-RAp)/2 et S, = 1/Hx O Rp et RA sont les résistances de la jonction pour les alignements parallèle et 5 antiparallèle respectivement des aimantations de l'élément de référence et de l'élément sensible et Hex = J/(MstF) est le champ d'échange opérant dans la bicouche IrMn/Co. On a mesuré de façon indépendante sur l'échantillon décrit ci-dessus la 10 sensibilité magnétique et la sensibilité électrique. A cet effet, la résistance en fonction du champ a été mesurée à différentes températures avec un champ appliqué parallèle à la direction d'anisotropie de la couche antiferromagnétique de l'élément sensible afin d'avoir sans ambiguïté accès à (RP - RAp)/2 et Hex. La figure 8 illustre les résultats obtenus. Sur cette figure, la courbe (a) 15 représente la sensibilité électrique, et la courbe (o) représente l'inverse de la sensibilité magnétique, pour des températures allant jusqu'à 430 K. La sensibilité magnétique varie linéairement avec la température. De façon étonnante, il en est de même pour la sensibilité électrique. Ainsi, la sensibilité 20 totale varie également linéairement (dans le cas présent elle augmente, comme montré à la figure 9) avec la température. En fait, une analyse fine de la figure 8 montre que la résistance de la jonction varie en fonction de la température suivant une loi R(T) = R(O) (1- C T2) o C est une constante, d est l'épaisseur de la couche isolante, et cI est la hauteur de la barrière de la jonction en eV. Par conséquent, il est possible de fixer la pente de Se en modifiant les paramètres d et OI de la barrière, et en particulier son épaisseur. Pour une jonction ayant une hauteur de barrière donnée, il est donc possible déterminer l'épaisseur de la couche isolante de manière que la pente de Se en fonction de la température compense celle de Sm et que la sensibilité totale du capteur soit indépendante de la température. La variation en fonction de la température de la sensibilité totale de l'échantillon décrit ci-dessus est illustrée à la figure 10 o l'on peut constater qu'elle est pratiquement inexistante. REVENDICATIONS 1. Capteur magnétorésistif de champ magnétique comprenant un empilement (1) d'un élément de référence (2), d'un élément de séparation (3) et d'un 5 élément sensible (4) au champ magnétique, dans lequel l'élément de référence (2) et l'élément sensible (4) présentent respectivement une première et une deuxième anisotropie magnétique (5, 6) suivant une première et une deuxième direction, ledit capteur étant caractérisé en ce que l'élément sensible (4) comprend la superposition d'une couche d'un matériau ferromagnétique (FM1) 10 et d'une couche d'un matériau antiferromagnétique (AFl) qui est agencée pour obtenir un moment magnétique (10) dont la composante orientée dans la direction du champ à mesurer varie réversiblement en fonction de l'intensité du champ magnétique à mesurer, et linéairement dans une gamme de champ ajustable. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première anisotropie (5) est perpendiculaire à la deuxième anisotropie (6). 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de 20 référence (2) comprend une couche d'un matériau ferromagnétique (FM2) présentant une direction et un sens d'aimantation (9) fixes en fonction du champ magnétique à mesurer. 4. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de 25 référence (2) comprend la superposition d'une couche d'un matériau ferromagnétique (FM2) et d'une couche d'un matériau antiferromagnétique (AF2) qui est agencée pour obtenir une direction et un sens d'aimantation (9) fixes en fonction du champ magnétique à mesurer. 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température de blocage du matériau antiferromagnétique (AF2) de l'élément sensible (2) est différente de la température de blocage du matériau antiferromagnétique (AFI) de l'élément de référence (4). 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche de matériau antiferromagnétique (AFl) de l'élément sensible (4) est disposée sur un substrat (7). 7. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le substrat (7) comprend une couche (8) d'un matériau qui est destinée à améliorer l'état de la surface sur laquelle le matériau antiferromagnétique (AFI) est disposé. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce io que l'élément de séparation (3) est formé d'une couche (S) de matériau conducteur électriquement. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de séparation (3) comprend une couche (S) d'un matériau isolant 15 électriquement. 10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que sa sensibilité est sensiblement indépendante de la température. 11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'élément de séparation est telle, en fonction de la hauteur de barrière de la jonction tunnel magnétique constituée par l'empilement de l'élément de référence, de l'élément de séparation et de l'élément sensible, que la variation en température de la sensibilité électrique du capteur compense sensiblement la 25 variation en température de sa sensibilité magnétique. 12. Utilisation d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour la mesure de l'intensité d'un champ magnétique, dans laquelle la direction d'anisotropie (5) de l'élément de référence (2) est disposée parallèlement à la 30 direction du champ magnétique à mesurer.