WO2004083881A1 - Capteur magnetoresistif comprenant un element sensible ferromagnetique/antiferromagnetique - Google Patents

Capteur magnetoresistif comprenant un element sensible ferromagnetique/antiferromagnetique Download PDF

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WO2004083881A1
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magnetic
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sensor
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PCT/FR2004/000574
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Michel Hehn
Alain Schuhl
Grégory MALINOWSKI
Christophe Nicot
Christophe Duret
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S.N.R. Roulements
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G—PHYSICS
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors

Definitions

  • Maqnétoresistif sensor including a ferromagnetic / antiferroma ⁇ nically sensitive element
  • the invention relates to a magnetoresistive magnetic field sensor and the use of such a sensor for measuring the intensity of a magnetic field.
  • magnetoresistive sensors exploit the variation of electrical resistance of a single magnetic material which is induced by the variation of the magnetic field to be measured. This is the operating principle of anisotropic magnetoresistance sensors. However, the variation in resistance is small. Since the discovery of giant magnetoresistance (in 1988) and tunnel magnetoresistance at room temperature (1995), other sensor architectures have been imagined with resistance variations of more than 50% at room temperature.
  • These sensors include the stack of a reference magnetic element, a separation element and a magnetic element sensitive to the magnetic field, said stack being arranged to present a variation in electrical resistance as a function of the magnetic field to be measured.
  • the stack can comprise two magnetic structures respectively forming a reference element and a sensitive element which are separated by the separation element.
  • the orientation of the magnetic moment of the reference element is arranged to be unchanged by the action of the magnetic field to be measured, while that of the sensitive element is modifiable by the action of said field.
  • the separating element When the separating element is electrically conductive (a metallic or semi-conductive layer for example), the sensor exploits the giant magnetoresistance which translates the dependence of the current as a function of the relative orientation of the magnetizations of the magnetic structures. And, when the separating element is electrically insulating, the sensor uses the tunnel magnetoresistance which depends on the structure of interface bands of the spin up and down electrons and which for a given spin channel depends on the relative orientation of their magnetization. These sensors are very sensitive and can a priori be intended for magnetic field detection, the amplitude of which can vary by several orders of magnitude.
  • Document FR-2 809 185 describes a sensor in which the sensitive element comprises a layer of ferromagnetic material, the magnetic anisotropy of which comes from the form energy, and the reference element comprises the superposition of a layer of material ferromagnetic and a layer of antiferromagnetic material whose anisotropy results from the exchange between these two layers.
  • the form energy is therefore used to obtain the sensitive element
  • the exchange anisotropy is used to obtain the reference element, that is to say to obtain a fixed magnetic moment in function of this field.
  • the range of use of the known sensor is difficult to adapt, and that in any event it remains relatively limited.
  • this range of use depends on the size of the sensor, which also affects the modularity of the sensor.
  • the arrangement of the antiferromagnetic layer on the upper part of the stack poses problems of reliability of the measurement. Indeed, it has been shown that a texture of the antiferromagnetic layer is necessary for strong blocking and therefore for an operating range at high temperature. However, when the antiferromagnetic layer is placed on top of an amorphous insulating layer, the texture is lost, the blocking is less and the sensor no longer works for temperatures slightly above ambient temperature.
  • the invention proposes a magnetoresistive sensor in which the magnetic anisotropy of the sensitive element is induced by the exchange which exists at an interface between a layer of ferromagnetic material and a layer of antiferromagnetic material.
  • the invention provides a magnetoresistive magnetic field sensor comprising a stack of a reference element, a separation element and an element sensitive to the magnetic field, in which the reference element and the sensitive element respectively have a first and a second magnetic anisotropy in a first and a second direction.
  • the sensitive element comprises the superposition of a layer of ferromagnetic material and a layer of antiferromagnetic material which is arranged to obtain a magnetic moment, the component of which is oriented in the direction of the field to be measured. varies linearly and reversibly as a function of the intensity of the magnetic field to be measured, and linearly within an adjustable field range.
  • the invention proposes the use of such a sensor for measuring the intensity of a magnetic field, in which the direction of anisotropy of the reference element is arranged parallel to the direction of the magnetic field to be measured.
  • FIGS. 1 and 2 are perspective views schematically showing respectively a first and a second embodiment of a stack of layers disposed on a substrate for the production of a sensor according to the invention
  • Figure 3 is a diagram of the magnetic configuration of the anisotropy axes, magnetizations and the magnetic field to be measured in the stacks according to Figures 1 or 2;
  • FIGS. 4a and 4b represent the variation, as a function of the magnetic field to be measured, of the magnetization respectively of the sensitive element and of the reference element according to the configuration of FIG. 3 and for the stack of FIG. 1 ;
  • FIGS. 5a and 5b represent the variation, as a function of the magnetic field to be measured, of the magnetization respectively of the sensitive element and of the reference element according to the configuration of FIG. 3 and for the stack of FIG. 2 ;
  • FIG. 6 represents the variation, as a function of the magnetic field to be measured, of the electrical resistance of the junction which results from the variations in magnetizations shown in FIGS. 4a and 4b;
  • FIG. 7 represents the variation, as a function of the magnetic field to be measured, of the electrical resistance of the junction which results from the variations in magnetizations shown in FIGS. 5a and 5b;
  • FIG. 8 illustrates the variations in the electrical and magnetic sensitivities of a sensor according to the invention as a function of the temperature
  • FIG. 9 illustrates the variation of its total sensitivity with temperature
  • FIG. 10 illustrates the variation of the total sensitivity of a sensor optimized with the temperature.
  • the property which interests us here more particularly is the response obtained when a ferromagnetic material FM1 and an antiferromagnetic material AF1 have a common interface when the field is applied perpendicular to the magnetic axis exhibiting exchange.
  • the process of reversing the magnetization by nucleation and propagation of walls is replaced by the reversible rotation of the magnetization (reversal when the field is applied perpendicular to the magnetic axis with exchange).
  • the hysteretic behavior is then replaced by the reversible behavior of FIG. 4a.
  • the signal is linear.
  • the slope of the response of the magnetization with the applied field is given by:
  • M s is the saturation magnetization of the ferromagnetic layer FM1
  • t F is the thickness of the ferromagnetic layer FM1
  • KF is the anisotropy constant of the ferromagnetic layer FM1
  • J is the coupling existing between the ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer.
  • the invention relates to a magnetoresistive magnetic field sensor which comprises a stack 1 of a reference element 2, of a separation element 3 and of an element sensitive to the magnetic field.
  • the reference element 2 and the sensitive element 4 respectively have a first 5 and a second 6 magnetic anisotropy in a first and a second direction.
  • This type of sensor is arranged so that, under the effect of the magnetic field to be measured, the direction of the magnetization 10 of the sensitive element 4 varies relative to that of the reference element 2, which induces a variation electrical resistance of the stack 1 as a function of the intensity of said field.
  • the separation element 3 comprises a layer S of an electrically insulating material, for example based on oxidized and / or nitrated aluminum, oxidized gallium, oxidized tantalum, oxidized magnesium, titanate of oxidized strontium.
  • the magnetoresistive sensor then exploits the tunnel magnetoresistance properties of the junction formed by the two magnetic elements 2, 4 separated by the insulating layer S. In this embodiment, the resistance measurements are carried out perpendicular to the plane of the layer S.
  • the separation element 3 is formed of a layer S of electrically conductive material, for example based on metals such as copper or based on semiconductors.
  • the magnetoresistive sensor then exploits the giant magnetoresistance properties of the "spin valve" formed by the two magnetic elements 2, 4 separated by the conductive layer S.
  • the resistance measurements are carried out either perpendicular to the plane of the layer S either parallel to him.
  • the magnetoresistive effect leads to a variation in the electrical resistance of the stack 1 as a function of the magnetic field to be measured, said variation being used in an electronic processing circuit to obtain the intensity of said field.
  • the exploitation of the resistance variation is facilitated by providing that, in the absence of a magnetic field to be measured, the first anisotropy 5 is perpendicular to the second anisotropy 6.
  • a first embodiment of the stack 1 which comprises a layer of ferromagnetic material FM2 as a reference element 2, and the superposition of a layer of a ferromagnetic material FM1 and a layer of an antiferromagnetic material AF1 as a sensitive element 4.
  • the ferromagnetic materials FM1, FM2 are for example based on cobalt, iron, nickel or an alloy of these materials.
  • the ferromagnetic materials of the reference element 2 and of the sensitive element 4 can be of identical or different nature depending on the characteristics desired for the sensor.
  • the antiferromagnetic material can be based on IrMn, FeMn, PtMn, NiMn or other manganese-based compounds.
  • the ferromagnetic layer FM1 When a ferromagnetic material and an antiferromagnetic material have a common interface, it is possible to observe an effect called "exchange bias" which manifests itself mainly by a displacement in magnetic field of the hysteresis cycle.
  • the ferromagnetic layer FM1 then has an anisotropy direction 6 imposed by the antiferromagnetic material AF1.
  • This direction of anisotropy 6 has the advantage of being controllable, either by saturating the magnetization of the ferromagnetic layer FM1 during the deposition of the layer AF1, or by a heat treatment under magnetic field after deposition where the sample is heated at a temperature higher than the blocking temperature of the antiferromagnetic material AF1 before being cooled below this temperature. During this cooling, it must be ensured that the magnetization of the ferromagnetic layer FM1 is saturated in the direction desired for the anisotropy of the layer.
  • the stack 1 is deposited on a substrate 7, for example made of silicon or glass, the layer of antiferromagnetic material AF1 being disposed on the substrate.
  • a substrate 7 for example made of silicon or glass
  • the layer of antiferromagnetic material AF1 being disposed on the substrate.
  • a sputtering technique under vacuum which allows to successively deposit thin layers of desired materials.
  • a buffer layer for example an amorphous film of tantalum 8, which is intended to improve the state of the surface on which the antiferromagnetic material AF1 is arranged.
  • the anisotropy 5 of the reference element 2 is obtained either by depositing the layer of ferromagnetic material FM2 under magnetic field so as to orient this anisotropy 5 in the direction of the applied magnetic field, or by inducing a shape anisotropy in the layer of ferromagnetic material FM2, for example by providing that the reference element 2 has a larger dimension in the direction of the anisotropy 5.
  • the reference element 2 is arranged to have a higher coercive field than the range of field to be measured. Thus, by applying a magnetic field, it is possible to induce a modification of the orientation of the magnetic moment of the sensitive element 4 without modifying the magnetic moment of the reference element 2.
  • the sensitive element is composed of the IrMn (10 nm) / Co (10 nm) bilayer.
  • the Co (2 nm) / Co 80 Pt.2o (5 nm) reference element consists of cobalt with added platinum to increase the coercive field.
  • the Pt layer (4nm) is a protective layer.
  • the layers were deposited by sputtering at room temperature under a base pressure less than 5.10 "7 mbar.
  • the Argon pressure during the deposition was 5.10 " 3 mbar.
  • the oxidation was carried out after deposition of a metallic layer of 1.3 nm using a continuous luminescent discharge at 300 W for 35 seconds under pure oxygen plasma at 10 "1 mbar in a sputtering enclosure. The sample was transferred to this enclosure without breaking the vacuum.
  • the sample was annealed for 30 minutes at 200 ° C in the presence of a magnetic field of 300 Oe in order to establish the "exchange bias" in the IrMn layer and to orient the direction of anisotropy of this layer perpendicular to the direction of anisotropy of the layer Co (2 nm) / Co 80 Pt 2 o (5 nm) / Pt (4nm).
  • the conformation of the junction was carried out in a known manner by UV lithography and ion beam etching.
  • the reference element 2 comprises the superposition of a layer of a ferromagnetic material FM2 and a layer of an antiferromagnetic material AF2, and the sensitive element 4 is similar to that shown in Figure 1.
  • This embodiment provides greater stability of the reference element 2 vis-à-vis the magnetic field to be measured ( Figure 5b).
  • the senor therefore comprises the stack AF1 / FM1 / S / FM2 / AF2, the antiferromagnetic materials AF1 and AF2 having blocking temperatures, respectively T1 and T2, which are different, for example with T1> T2 .
  • the stack 1 is annealed at a temperature T> T1 under magnetic field so as to induce anisotropy respectively in the sensitive element 4 and in the reference element 2 which is parallel to the applied magnetic field; then
  • the stack is annealed at a temperature T of between T1 and T2 under a magnetic field perpendicular to that applied in the previous step, so as to induce anisotropy 5 in the reference element 2 which is parallel to the applied magnetic field and therefore perpendicular to the anisotropy 6 of the sensitive element 4.
  • the sensitive element 4 is arranged so that its magnetic moment 10 varies according to the magnetic field to be measured, and the reference element 2 is arranged so that the direction and the direction of its magnetic moment 9 are fixed according to the magnetic field to be measured.
  • the thicknesses of the layers may be of the order of 10 nm and be arranged to obtain the desired junction, tunnel or giant magnetoresistance, and this within the intensity range of the magnetic field to be measured.
  • FIG. 3 represents a possible magnetic configuration for the anisotropy axes 5, 6 and the magnetizations 9, 10 respectively of the reference 2 and sensitive elements 4.
  • the magnetic moments 10, 9 are perpendicular .
  • a magnetic field to be measured 11 is applied in a fixed direction parallel to the direction of the anisotropy 5 of the reference element 2, this results in a rotation of the magnetic moment 10 of the sensitive layer 4 (towards a position 10 '), while the magnetization 9 of the reference layer 2 remains fixed.
  • the variation in the magnetization of the sensitive element 4 in the direction of the applied field is linear over a wide range of variation in the intensity of the field to be measured (between -50 and +50 Oe in FIGS. 4a and 4b) while the magnetization of the reference element 2 remains constant over this range (FIG. 4b and 5b).
  • the coercive field which corresponds to the reversal of the magnetization under the effect of the field to be measured, is of the order of 100 Oe (FIG. 4b) or 300 Oe ( Figure 5b), well beyond the range of linearity of Figure 4a.
  • the total sensitivity S of the sensor breaks down into an electrical sensitivity S e and a magnetic sensitivity S, n so that S ⁇
  • Magnetic sensitivity varies linearly with temperature. Surprisingly, the same is true for electrical sensitivity. Thus, the total sensitivity also varies linearly (in this case it increases, as shown in Figure 9) with temperature.
  • R (T) R (0) (lC- ⁇ T 2 ) ⁇

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Abstract

L'invention concerne un capteur magnétorésistif de champ magnétique comprenant un empilement (1) d'un élément de référence (2), d'un élément de séparation (3) et d'un 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. L'élément sensible (4) comprend la superposition d'une couche d'un matériau ferromagnétique (FM1) et d'une couche d'un matériau antiferromagnétique (AF1) 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. L'invention concerne également une utilisation d'un tel capteur.

Description

Capteur maqnétorésistif comprenant un élément sensible ferromagnétique / antiferromaαnétique
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.
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 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, 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 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 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 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 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 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 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 œuvre. 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 recuit à haute température (900°C) 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 AF1 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 (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 :
Figure imgf000007_0001
où Ms est l'aimantation à saturation de la couche ferromagnétique FM1 , tF est l'épaisseur de la couche ferromagnétique FM1 , KF est la constante d'anisotropie de la couche ferromagnétique FM1 et J est le couplage existant entre la couche ferromagnétique et la couche antiferromagnétique. Lorsque KF = 0, il est possible de connaître analytiquement la composante de l'aimantation de la couche FM1 dans la direction du champ appliqué soit
Figure imgf000008_0001
Ainsi la création d'une interface commune ferromagnétique/antiferromagnétique induit un axe d'anisotropie magnétique, dont la direction est contrôlable dans la couche ferromagnétique. La réponse en champ magnétique de faible amplitude est réversible avec une pente, et donc une sensibilité du futur capteur, ajustable par la fonction de Ms, tF et J.
L'invention concerne un capteur magnétorésistif de champ magnétique qui comprend un empilement 1 d'un élément de référence 2, d'un élément de séparation 3 et d'un élément sensible 4 au champ magnétique. L'élément de référence 2 et l'élément sensible 4 présentent respectivement une première 5 et une deuxième 6 anisotropie magnétique suivant une première et une deuxième direction.
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 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 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, 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 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 AF1 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. 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'IrMn, 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 FM1 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 FM1 lors du dépôt de la couche AF1 , soit par un traitement thermique sous champ magnétique après dépôt où 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 ferromagnétique FM1 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 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 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 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) / Co80Pt2o (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) / Co80Pt.2o (5 nm) est constitué de cobalt additionné de platine pour augmenter le champ coercitif. La couche Pt (4nm) est 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.
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 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 perpendiculairement à la direction d'anisotropie de la couche Co (2 nm) / Co80Pt2o (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 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 AF1/FM1/S/FM2/AF2, les matériaux antiferromagnétiques AF1 et AF2 ayant des températures de blocage, respectivement T1 et T2, qui sont différentes, par exemple avec T1>T2. Pour obtenir la configuration magnétique représentée sur 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 T1 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 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 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 retournement de l'aimantation sous l'effet du champ à mesurer, est de l'ordre de 100 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 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 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 S,n de sorte que S≈
Se x Sm - avec Se = (RP - RΛp)l2 et Sm = l/ff» où RP et RAP sont les résistances de la jonction pour les alignements parallèle et antiparallèle respectivement des aimantations de l'élément de référence et de l'élément sensible e\ Hex = JI(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 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-RÂP)I2 etHex. La figure 8 illustre les résultats obtenus. Sur cette figure, la courbe (•) 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 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(0)(l-C-~T2) Φ
où C est une constante, d est l'épaisseur de la couche isolante, et Φ 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 Φ 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 où l'on peut constater qu'elle est pratiquement inexistante.

Claims

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 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 ) et d'une couche d'un matériau antiferromagnétique (AF1 ) 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 rhesurer, 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 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 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 (AF1) 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 (AF1) 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 (AF1) est disposé.
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce 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 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 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 direction du champ magnétique à mesurer.
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