Étude du degré d’oxydation de la barrière

Pour étudier les effets du degré d’oxydation de la barrière, il est possible de déposer sur une plaque de silicium de 100 mm de diamètre une jonction tunnel magnétique stan- dard, à aimantation planaire. Cette jonction est Ta3/CuN60/Ta5/CoFeB4/AltAloxnat/-

CoFeB3/Ru0,9/Co2/IrMn7/Cu3/Ru7. Un décalage de 100 mm entre l’axe de la cible et

l’axe du substrat est imposé pendant le dépôt de la couche d’aluminium, de telle sorte que l’épaisseur de cette couche métallique varie sur la plaque. La variation de l’épaisseur en fonction de la position est connue grâce à des mesures de réflectivité sur un échan- tillon témoin. Cette méthode permet de faire varier l’épaisseur de la barrière tout en s’affranchissant des problèmes de reproductibilité. La jonction est recuite à 240˚C pen- dant 90 minutes sous 2,3 kOe de champ pour piéger la couche de référence supérieure avec l’IrMn.

4 Fabrication de jonctions tunnel à aimantation perpendiculaire gure 4.3. Ce cycle montre que la couche de référence est bien piégée par échange avec l’IrMn et que le couplage à travers le ruthénium est antiferromagnétique. Les sauts d’ai- mantation proches du champ nul correspondent au renversement de la couche libre de 4 nm de CoFeB. Ce cycle est décalé par rapport au champ nul de Hcoupl à cause du

couplage à travers la barrière dû essentiellement au couplage peau d’orange et aux trous d’épingles. Ce couplage varie avec l’épaisseur de la barrière.

Figure 4.3 – Cycle magnétique mesuré au VSM d’une jonction tunnel magnétique planaire. Dans l’insert : renversement de la couche libre.

La figure 4.4 présente les résultats des mesures CIPT effectuées à Crocus Tech- nology1 _{sur cet échantillon. Le produit aire-résistance de l’empilement augmente avec}

l’épaisseur de la barrière, tandis que le couplage ferromagnétique à travers la barrière diminue. La magnétorésistance tunnel quant à elle passe par une valeur maximale pour tAl=0,54(±0,03) nm. Lorsque la barrière est continue, le couplage à travers la barrière

doit suivre la loi de Néel. L’équation 1.6 prédit une variation exponentielle du cou- plage ferromagnétique avec l’épaisseur de la barrière. Cette loi est bien vérifiée pour tAl >0,5 nm, mais le couplage devient plus important que prévu en dessous de cette

valeur. Il est possible d’attribuer cette augmentation à un couplage supplémentaire dû à des discontinuités dans la barrière couplant directement les deux électrodes. Le produit aire-résistance quant à lui doit également suivre une loi exponentielle d’après Simmons[18] :

4.1 Fabrication de la barrière tunnel

Figure 4.4 – Évolution de la magnétorésistance tunnel (en haut), du produit aire- résistance (au milieu) et du champ de couplage (en bas) en fonction de l’épaisseur tAl

déposée pour une jonction tunnel magnétique à aimantation planaire.

ln(RA) = 4πtAlOx √

2mφ

h (4.1)

où φ est la hauteur de barrière et h la constante de Planck. Encore une fois, cette loi est bien vérifiée pour tAl >0,5 nm, mais le produit aire-résistance est inférieure à ce qui

est prévu par l’équation 4.1 en dessous de cette valeur. Il est possible d’attribuer cette déviation à des trous d’épingle qui créent des ponts métalliques réduisant la résistance de l’empilement comparé à la situation où la barrière est continue. La hauteur de bar- rière calculée en utilisant l’équation 4.1 et les données mesurées pour tAl >0,5 nm est de

0,9(±0,05) eV. Bien que les différentes épaisseurs d’aluminium oxydées dans les mêmes conditions puissent avoir une stoechiométrie en oxygène différente, et donc une hauteur de barrière différente, cette valeur est cohérente avec les résultats disponibles dans la littérature[19].

Il est possible de définir à partir de ces courbes trois zones :

4 Fabrication de jonctions tunnel à aimantation perpendiculaire déposée est discontinue, il y a donc une oxydation partielle de la couche inférieure. Les trous d’épingles présents dans la barrière couplent directement les deux électrodes. Les ponts métalliques diminuent la résistance et la magnétorésistance tunnel de l’empile- ment.

- une zone de sous-oxydation, pour tAl >0,58 nm. Dans cette zone la quantité d’oxygène

apportée est insuffisante pour obtenir une barrière homogène, et une fine couche d’alu- minium métallique est probablement présente à l’interface inférieure, ce qui diminue la magnétorésistance tunnel.

- une zone d’oxydation optimale, pour 0,5 nm< tAl <0,58 nm. Dans ce cas, la barrière

est parfaitement oxydée et continue, la magnétorésistance tunnel atteinte est maximale. Dans la suite, la barrière standard utilisée est faite en MgO. Le MgO possède une hauteur de barrière inférieure à celle de l’alumine, ce qui permet d’avoir pour une même épaisseur de barrière une résistance plus faible. De plus, la cristallisation de la barrière de MgO permet d’obtenir une plus grande magnétorésistance tunnel qu’avec une bar- rière amorphe d’alumine. La barrière de MgO utilisée a été développée à SPINTEC : Mg0,9oxnat/Mg0,5, l’oxydation naturelle se faisant sous 250 mbar d’oxygène pendant

180 s. La couche de 0,5 nm de Mg ajoutée après oxydation permet de diminuer artifi- ciellement la concentration en oxygène tout en diminuant le nombre de trous à travers la barrière. Cette couche additionnelle augmente la magnétorésistance tunnel des jonctions pour des RA de l’ordre de 10 Ω.µm2_[20].