Brevet FR2944384A1 — publié le 20101015

OSCILLATEUR RADIOFREQUENCE A VANNE DE SPIN OU A JONCTION TUNNEL DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se place dans le domaine des oscillateurs radiofréquence mettant en oeuvre la technologie des systèmes magnétiques en couches minces. Elle vise plus particulièrement de tels oscillateurs radiofréquences mettant en oeuvre des vannes de spin ou des jonctions tunnel magnétiques comportant un empilement magnétique d'au moins une couche magnétique libre, une couche magnétique piégée, lesdites couches étant interfacées par une couche intermédiaire amagnétique. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Les oscillateurs radiofréquences sont destinés à fonctionner dans des gammes de fréquences élevées, typiquement comprises entre quelques dizaines de mégahertz et quelques dizaines de gigahertz. Afin de satisfaire les exigences nées du développement, notamment de la téléphonie mobile (cellulaires, portables), outre en raison de la saturation des bandes de fréquences attribuées aux télécommunications, il a été proposé de remplacer l'allocation statique desdites bandes de fréquence par une allocation dynamique. Ce principe repose sur la capacité d'analyser le spectre de fréquences, et d'identifier les bandes de fréquence libres afin de pouvoir les utiliser. On parle alors de � radio opportuniste �. Cependant, afin de mettre en oeuvre ce principe d'allocation dynamique de fréquences, les dispositifs le mettant en oeuvre doivent disposer d'oscillateurs à très larges bandes, et par ailleurs être très performants en termes de bruit de phase, et donc à fort coefficient de qualité Q=f/Af. Une solution technique propre à satisfaire ces exigences consiste en la mise en oeuvre d'oscillateurs radiofréquences à électronique de spin. Avec de tels oscillateurs, on dispose d'une large bande de fréquences avec un facteur de qualité Q élevé, outre une accordabilité en fréquence aisée, et mettant en oeuvre une architecture relativement simple. 35 L'électronique de spin utilise le spin des électrons comme degré de liberté supplémentaire, afin de générer des effets nouveaux. On a ainsi montré qu'en faisant passer un courant polarisé en spin à travers une couche mince magnétique, on produit un renversement de son aimantation en l'absence de tout champ magnétique extérieur. Le courant polarisé en spin peut également générer des excitations magnétiques entretenues, également dénommées oscillations. L'utilisation de l'effet de génération d'excitations magnétiques entretenues dans un dispositif magnétorésistif permet de convertir cet effet en une modulation de résistance électrique, directement utilisable dans les circuits électroniques, et donc corolairement, susceptible d'intervenir directement au niveau de la fréquence. Le document US-5 695 864 décrit divers développements mettant en oeuvre le principe mentionné ci-dessus, et décrit notamment la précession de l'aimantation d'une couche magnétique traversée par un courant électrique polarisé en spin. On a représenté en relation avec la figure 1 un empilement de couches magnétiques susceptible de constituer un tel oscillateur radiofréquence. Cet empilement est inséré entre deux zones de contact électrique 5, 5', par exemple réalisées en cuivre, en aluminium ou en or. La couche 2 de cet empilement, dite � couche piégée �, présente une aimantation à orientation fixe. Elle peut être constituée d'une couche simple, d'épaisseur typique comprise entre 5 et 100 nanomètres, et par exemple réalisée en cobalt, ou plus généralement en un alliage à base de cobalt et/ou de fer et/ou de nickel (par exemple CoFe ou NiFe). Cette couche piégée 2 peut être simple ou synthétique. Elle remplit la fonction de polariseur. Ainsi, les électrons du courant électrique traversant les couches constitutives du dispositif magnétorésistif perpendiculairement à leur plan, réfléchis ou transmis par le polariseur, sont polarisés avec une direction de spin parallèle à l'aimantation qu'a la couche 2 à l'interface opposé à celle en contact avec une couche antiferromagnétique 6, à laquelle elle est associée, et destinée à figer l'orientation de son aimantation. Cette couche 2 reçoit sur sa face opposée à la face recevant la couche antiferromagnétique 6 une autre couche 3 non magnétique faisant fonction d'espaceur. Cette couche 3 est de nature métallique, typiquement une couche de cuivre de 3 à 10 nanomètres d'épaisseur, ou est constituée d'une fine couche isolante de type oxyde d'aluminium, d'une épaisseur typique comprise entre 0,5 à 1,5 nanomètre, ou d'oxyde de magnésium, d'une épaisseur typique comprise entre 0,5 à 3 nanomètres. De l'autre côté de l'espaceur 3, est mise en place une couche 1 dite � couche libre �, généralement d'épaisseur plus faible que celle de la couche 2. Cette couche peut être simple ou composite. Elle peut également être couplée à une couche antiferromagnétique 4 rapportée sur celle-ci au niveau de sa face opposée à l'interface de la couche 1 avec l'espaceur 3. Elle doit simplement rester plus libre que la couche piégée. Cette couche 4 est par exemple constituée d'alliage de type Ir80Mn20, de FeMn ou de PtMn. Le matériau de la couche 1 est en général constitué d'un alliage à base de cobalt et/ou de fer et/ou de nickel. On a proposé de réaliser l'empilement magnétorésistif du système ainsi décrit sous la forme d'un cylindre, constituant ainsi un nano-pilier, dont le diamètre critique est compris entre 50 et 200 nanomètres. Ainsi, avec une telle configuration et sous la seule action d'un courant continu polarisé en spin passant au travers, c'est-à-dire perpendiculairement à l'empilement de ses couches magnétiques, l'aimantation de la couche libre est amenée à subir des oscillations entretenues sous certaines conditions.Les oscillations entretenues d'aimantation apparaissent le plus souvent lorsque les effets du champ magnétique effectif agissant sur l'aimantation de la couche libre et l'effet du courant polarisé en spin traversant cette couche sont antagonistes. C'est le cas par exemple si un champ est appliqué parallèlement à l'aimantation de la couche piégée 2, favorisant l'alignement parallèle des aimantations des couches 1 et 2 et si le courant circule de la couche piégée vers la couche libre (les électrons allant de la couche libre vers la couche piégée) ce qui favorise l'alignement antiparallèle des aimantations. Cette oscillation engendre une tension alternative de très haute fréquence via les propriétés magnétorésistives de ces systèmes. En effet, la résistance d'un alignement antiparallèle est plus grande que pour un alignement parallèle des aimantations des couches respectivement polarisantes et libres. Cette tension est accordable via le courant continu appliqué au travers de l'empilement selon une gamme de fréquences allant du gigahertz jusqu'à quelques dizaines de gigahertz avec un facteur de qualité pouvant atteindre théoriquement la valeur de 10.000. Si sur le papier, une telle architecture est appelée à donner de bons résultats, l'expérience démontre que l'utilisation de ces oscillateurs dans des synthèses de fréquences se heurte à plusieurs verrous technologiques, dont les deux principaux sont la puissance de sortie, c'est-à-dire l'amplitude du signal utile trop faible, et des largeurs de raie trop grande, donc un faible facteur de qualité f/A� S'agissant de ce dernier point, il a pu être montré que les largeurs de raie importantes sont généralement inhérentes à un manque de cohérence du mouvement de précession de l'aimantation. Ce manque de cohérence semble avoir deux origines distinctes : - le faible volume de l'empilement magnétorésistif qui le rend plus sensible aux effets de fluctuations thermiques de l'aimantation ainsi qu'au procédé de nanofabrication (défauts au bord de l'empilement provoquant des sites de nucléation magnétique pour le renversement de l'aimantation) ; - l'effet du champ d'Oersted ou champ ampérien (champ crée par le courant circulant dans le pilier et régi par la loi de Biot et Savard) induit par le courant appliqué qui, dans une structure cylindrique et pleine, a tendance à induire un cisaillement de l'aimantation avec une singularité au centre. L'objectif recherché par la présente invention est de proposer un oscillateur radiofréquence permettant de surmonter le problème lié au manque de cohérence du mouvement de précession de l'aimantation. EXPOSE DE L'INVENTION A cet effet, l'invention propose un oscillateur radiofréquence intégrant un dispositif magnétorésistif cylindrique au sein duquel est susceptible de circuler un courant électrique. Ce dispositif magnétorésistif comprend : - une première couche magnétique, dite � couche piégée �, dont l'aimantation est de direction fixe ; - une seconde couche magnétique dite � couche libre � ; - une couche amagnétique, dite � couche intermédiaire �, interposée entre la première et la seconde couche. Ce dispositif comprend également des moyens aptes à faire circuler un courant d'électrons dans lesdites couches constitutives de l'empilement précité et selon une direction perpendiculaire au plan qui contient lesdites couches. Selon l'invention, la couche libre au moins se présente sous la forme d'un anneau, c'est-à-dire d'un cylindre creux. On montre qu'avec une telle architecture de la couche libre, il se forme deux parois magnétiques et un domaine magnétique tournant autour de l'anneau. Au surplus, on observe des oscillations de l'aimantation de la couche libre même en champ appliqué nul, c'est-à-dire en l'absence de champ magnétique externe. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le diamètre interne de l'anneau est compris entre 50 et 200 nanomètres, et son diamètre externe est compris entre 200 et 500 nanomètres, grandeurs typiques facilement réalisables technologiquement et qui permettent d'avoir les performances escomptées. Selon l'invention, la couche ferromagnétique piégée fait fonction d'analyseur et est simple ou synthétique, et est piégée par une couche antiferromagnétique positionnée à son interface opposée à l'interface de la couche piégée avec l'espaceur. 15 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'intégralité des couches constitutives de l'empilement magnétorésistif se présente sous forme d'anneaux, lesdites couches présentant sensiblement le même diamètre ; cependant, la gravure du pilier peut conduire à un léger élargissement du pied de la structure. 20 Selon une caractéristique de l'invention, un polariseur peut être rajouté, et positionné de manière adjacente à la couche libre, et séparé de celle-ci par un espaceur de nature métallique ou diélectrique. La couche libre peut également être de nature synthétique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif, à 30 l'appui des figures annexées, et dans lesquelles les mêmes références correspondent aux mêmes éléments. Comme déjà dit, la figure 1 est une représentation schématique d'un oscillateur conforme à l'état antérieur de la technique. 10 25 La figure 2 est une représentation schématique de l'empilement magnétorésistif selon une première forme de réalisation de l'invention. La figure 3 est une illustration de la couche libre, tendant à montrer le champ d'Oersted au sein de l'anneau, et corollairement, l'absence de cisaillement de l'aimantation. Les figures 4 et 5 sont une représentation schématique de l'empilement magnétorésistif selon une seconde forme de réalisation de l'invention, avec respectivement une couche libre simple et synthétique. Les figures 6 et 7 sont une représentation schématique de l'empilement magnétorésistif selon une troisième forme de réalisation de l'invention, avec respectivement une couche libre simple et synthétique. Les figures 8a à 8d illustrent schématiquement le procédé de réalisation d'un empilement magnétorésistif conforme à l'invention. MODES DE REALISATION DE L'INVENTION On a représenté en relation avec la figure 2, un premier mode de réalisation de l'invention, en l'espèce le plus basique. Celui-ci ne représente que le seul empilement des couches magnétiques, étant entendu, à l'instar des figures suivantes, que cet empilement est destiné à recevoir, comme illustré sur la figure 1, des zones de contact électrique permettant de faire circuler un courant d'électrons dans ledit empilement et selon une direction perpendiculaire au plan des couches qu'il contient. Selon l'invention, cet empilement se présente sous la forme d'un nano-pilier de forme cylindrique. Il comprend une couche libre oscillante 1 se présentant sous forme annulaire. En d'autres termes, cette couche 1 est constituée d'un cylindre creux dont les caractéristiques dimensionnelles sont les suivantes : - diamètre interne compris entre 100 et 200 nanomètres ; - diamètre externe compris entre 200 et 500 nanomètres. Cette couche libre 1 présente une épaisseur typique comprise entre 1 et 6 nanomètres. Elle est réalisée à base d'alliage de cobalt, de fer ou de nickel, tel que par exemple CoFe, CoFeB, NiFe, etc. .35 Cette couche libre 1 est séparée d'une couche piégée 2 par un espaceur non magnétique 3. Dans cette forme de réalisation, tant la couche piégée que l'espaceur sont constitués chacun par un cylindre plein, et non pas, comme pour la couche libre d'un cylindre creux. L'espaceur 3 peut être de nature métallique, et typiquement réalisé en cuivre, dans le cas d'une vanne de spin. En revanche, il est constitué d'un matériau diélectrique, tel que Al2O3, MgO, SrTiO3, HfO2, Ta2O5 dans le cas d'une jonction tunnel magnétique. Il présente une épaisseur typique qui est comprise entre 1 et 2 nanomètres. La couche piégée 2 peut être une couche simple ou antiferromagnétique synthétique. Son aimantation est fixe. Dans l'exemple de la figure 2, cette couche piégée 2 est, comme déjà indiqué précédemment, constituée d'un cylindre plein. Elle peut être dans ce cas constituée d'une couche épaisse de 6 à 20 nanomètres typiquement, ou encore être couplée à une couche réalisée en un matériau antiferromagnétique, par exemple réalisée en un alliage à base de manganèse. Elle peut cependant être patternée en forme d'anneau à l'instar de la couche libre 1. La couche piégée 2 peut également servir de polariseur et dans ce cas, les électrons passant à travers cette couche sont polarisés puis vont déstabiliser et induire la précession de l'aimantation de la couche libre. On a représenté en relation avec la figure 3 l'effet de la mise en oeuvre de la couche libre sous forme annulaire. On observe ainsi la création d'un champ d'Oersted toujours du même signe sur une portion de la couronne, de sorte que l'effet de cisaillement de l'aimantation que l'on observe dans les structures cylindriques pleines disparaît, contribuant ainsi à optimiser la cohérence de la rotation de l'aimantation de ladite couche libre 1. En outre, en raison de cette configuration de la couche libre en anneau, on observe une fermeture naturelle du flux, permettant de stabiliser l'aimantation et de la rendre plus homogène le long de l'anneau : ce faisant, les effets de bord observés avec les dispositifs de l'art antérieur sont largement amoindris. En outre, en raison de cette configuration en anneau, il devient possible d'augmenter le volume des couches magnétiques constitutives de l'empilement. Ce faisant, on aboutit à une meilleure cohérence de l'aimantation, et notamment une moindre influence des fluctuations thermiques sur la dynamique d'aimantation (comme décrit dans l'article � Stochastic theory of spin-transfer oscillator linewidths �, Joo-Von Kim ; Phys. Rev. B 73, 174412 (2006)), et une minimisation des effets de bord liés à la nanofabrication dudit empilement. Ces différents effets contribuent à rendre l'aimantation plus homogène et la rotation de l'aimantation plus cohérente. Selon une variante représentée au sein des figures 4 et 5, on adjoint à l'empilement un polariseur 8 découplé de la couche libre 1 par un espaceur 7 non magnétique, de nature métallique ou isolante et de moindre résistance que celle de l'espaceur 3 séparant les couches 1 et 2. De la sorte, l'effet magnétorésistif dominant produisant les variations dynamiques de tension entre le sommet et la base de l'empilement provient du sandwich formé par les couches 1, 2 et 3. Le matériau dépend du type de polariseur : planaire ou perpendiculaire Dans le mode de réalisation décrit en relation avec les figures 4 et 5, ce polariseur 8 a son augmentation planaire. Le matériau constitutif de ce polariseur planaire peut être Co, CoFe, CoFeB, ou encore les alliages NiCoFe, l'aimantation du polarisateur planaire pouvant être piégée par une couche antiferromagnétique de PtMn, IrMn, NiMn, FeMn. La figure 4 illustre la mise en oeuvre d'une couche libre simple alors que la figure 5 illustre la mise en oeuvre d'une couche libre de type antiferromagnétique synthétique, et constituée de deux couches ferromagnétiques 9 et 11 couplées antiparallèlement l'une à l'autre à travers une fine couche de couplage antiferromagnétique 10, par exemple réalisée en ruthénium et d'épaisseur comprise entre 0.5 et 0.9 nanomètre. Dans cette configuration, les couches ferromagnétiques 9 et 11 sont par exemple réalisées en un alliage à base de cobalt. Dans une autre variante de l'invention représentée en relation avec les figures 6 et 7, on met également en oeuvre un polariseur 12, mais dont l'aimantation est cette fois perpendiculaire par rapport au plan des couches, ce qui peut permettre de générer des oscillations de plus grande amplitude. Ce polariseur peut être constitué d'un alliage CoPt, FePt, terres rares/métaux de transition (TbCo, TbFe) ou de multicouches de type Co/Pt, Co/Ni ou Co/Pd.35 La figure 6 illustre le cas où la couche libre est une couche simple et la figure 7 où la couche libre est une couche antiferromagnétique synthétique, constituée d'une couche ferromagnétique 9 et d'une couche antiferromagnétique 11 séparées par un espaceur métallique ou diélectrique 10, à l'instar de ce qui a été décrit en relation avec la figure 5. Il peut également être envisagé de mettre en oeuvre un polariseur en couche continue, c'est-à-dire non pas de nature annulaire, mais constitué d'un cylindre plein. Ainsi, en faisant passer un courant suffisamment intense pendant le recuit réalisé après le dépôt des couches magnétiques constitutives de l'empilement, ledit recuit étant nécessaire pour orienter l'aimantation de la couche antiferromagnétique et donc, par couplage, assurer le piégeage de la couche piégée, on peut utiliser le champ d' Oersted pour piéger la couche continue constitutive du polariseur dans un état vortex, ce qui équivaut à recréer la configuration visée dans la figure 2. On peut obtenir le même effet en mettant en oeuvre une couche piégée très épaisse, typiquement de 50 nanomètres d'épaisseur. Un mode de réalisation de l'empilement magnétorésistif constitutif de l'invention est décrit en relation avec les figures 8a à 8d. Une fois l'empilement magnétique, en l'espèce constituée d'une couche antiferromagnétique de type PtMn ou IrMn 14, d'une couche ferromagnétique 15 constituée d'un alliage à base de cobalt , d'une barrière tunnel 16 constituée d'un oxyde du type AlOx, SrTiO3, ou MgO, et enfin d'une couche ferromagnétique 17, par exemple réalisée également à base de cobalt, déposé (par exemple par pulvérisation cathodique) sur l'électrode inférieure 13, par exemple réalisé en cuivre ou en or, on dépose une couche 18 par exemple réalisée en tantale, constitutive d'un masque dur, destiné à s'opposer à l'action de la gravure intervenant subséquemment et donc à protéger provisoirement l'empilement magnétique lors de ladite étape de gravure (figure 8a). On dépose ensuite sur cet empilement une résine au dessus du masque dur (figure 8b) selon une zone correspondant à la dimension recherchée du nano-plot que l'on souhaite réaliser. A cet effet, la résine est déposée pleine plaque puis insolée par traitement UV à travers un masque de chrome, ou insolée par un faisceau d'électrons dans un masqueur � e-beam �, pour définir la forme de cylindre creux que l'on souhaite donner à l'empilement déposé. L'ensemble est alors soumis à une gravure propre à évacuer le masque dur et les différentes couches constitutives de l'empilement jusqu'à l'électrode inférieure, sauf sur les parties protégées par la couronne de résine et le masque dur, afin de définir la dimension et notamment les diamètres internes et externes du plot (figure 8c). Cette gravure peut être par exemple réalisée par IBE (� Ion Beam Etching �) ou encore par RIE (� Reactive Ion Etching �). On procède alors à l'encapsulation de l'ensemble résultant de cette dernière étape, cette 10 encapsulation étant réalisée au moyen d'un matériau diélectrique 19 de type silice ou alumine. Le dépôt de cette encapsulation peut être réalisée par dépôt PVD (selon l'acronyme anglo-saxon �Physical Vapor Deposition �) (figure 8d). On procède alors à une étape de planarisation, par exemple par CMP (Polissage Mécano 15 Chimique - selon l'acronyme anglo-saxon � Chemical mechanical polishing �), jusqu'à aboutir au niveau supérieur du nano-plot à l'obtention d'une surface plane apte à recevoir l'électrode supérieure 20. On procède alors au dépôt du matériau métallique destiné à constituer l'électrode supérieure 20 puis à une étape de lithographie et de gravure pour définir la forme de l'électrode supérieure, et enfin au retrait de la résine, par exemple par voie chimique, pour aboutir à l'oscillateur. On conçoit de fait la facilité de réalisation d'un tel oscillateur, qui présente des propriétés améliorées en termes de synthèse de fréquence et d'accordabilité, compte tenu notamment de 25 la plus grande cohérence de rotation de l'aimantation de la couche libre.5 REVENDICATIONS1. Oscillateur radiofréquence intégrant un dispositif magnétorésistif au sein duquel est susceptible de circuler un courant d'électrons, ledit dispositif comprenant : - une première couche magnétique, dite � couche piégée � (2), dont l'aimantation est de direction fixe ; - une seconde couche magnétique dite � couche libre � (1) ; - une couche amagnétique (3), dite � couche intermédiaire � ou espaceur, interposée entre la couche libre (1) et la couche piégée (2) ; l'oscillateur comprenant également des moyens (13, 20) aptes à faire circuler un courant d'électrons dans lesdites couches constitutives de l'empilement précité et selon une direction perpendiculaire au plan qui contient lesdites couches, caractérisé : • en ce que le dispositif magnétorésisif est de forme cylindrique ; • et en ce que la couche libre (1) au moins se présente sous la forme d'un anneau, c'est-à-dire d'un cylindre creux. 2. Oscillateur radiofréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intégralité des couches constitutives de l'empilement se présente sous la forme d'un anneau. 3. Oscillateur radiofréquence selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre interne de l'anneau est compris entre 50 et 200 nanomètres, et en ce que son diamètre externe est compris entre 200 et 500 nanomètres. 25 4. Oscillateur radiofréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche piégée (2) est ferromagnétique, et fait en outre fonction d'analyseur pour le courant d'électrons susceptible de la traverser. 5. Oscillateur radiofréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche 30 piégée (2) est simple, en ce qu'elle est réalisée en cobalt, ou plus généralement en un alliage à base de cobalt et/ou de fer et/ou de nickel (CoFe ou NiFe), et en ce qu'elle est piégée par une couche antiferromagnétique positionnée à son interface opposée à l'interface de la couche piégée (2) avec l'espaceur (3).20 6. Oscillateur radiofréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche piégée (2) est antiferromagnétique synthétique. 7. Oscillateur radiofréquence selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'empilement magnétorésistif comporte en outre un polariseur (8, 12), découplé de la couche libre (1) par un espaceur (7) réalisé en un matériau métallique ou diélectrique. 8. Oscillateur radiofréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que le polariseur est constitué d'une couche réalisée en un alliage de cobalt et de platine, ou est constitué d'une alternance de multicouches Co/Pt, et dont l'aimantation est orientée dans le plan de la couche qui le constitue, ou perpendiculairement à ce plan. 9. Oscillateur radiofréquence selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche intermédiaire ou espaceur (3) est de nature métallique, et par exemple en cuivre, ou est constitué d'une barrière tunnel, et par exemple constituée d'un oxyde du type Al2O3, MgO, SrTiO3, HfO2, Ta2O5.