SyF par couplage RKKY

Pour accroître la cohérence de la couche de stockage, on utilise le ruthénium pour augmenter le couplage antiferromagnétique par le couplage RKKY. On utilise le maximum du couplage antiferromagnétique pour une épaisseur de ruthénium autour de 0,8 - 0,9 nm. Pour accroître l’amplitude du couplage, on intercale une couche de CoFe entre le NiFe et le ruthénium [109]. L’empilement est MgO / CoFeB 1,2 / Ta 0,15 / CoFeB 0,2 / Ru 0,9 / CoFe 1 / NiFe 1,5 / FeMn 12 (nm). L’insertion de tantale de 0,15 nm sert à réduire l’aimantation de la couche de CoFeB en créant des couches mortes magnétiquement, ce qui augmente l’influence du STT. Sa position au sein de la couche de CoFeB a été choisie suffisamment loin de la barrière tunnel pour obtenir une TMR supérieure à 100 %, et suffisamment loin du ruthénium pour garder un bon couplage RKKY. La mesure CIPT donne : TMR=115 % ; RA = 18,4 Ω.µm2.

Comportement pleine tranche

Le comportement pleine tranche de l’aimantation est mesuré au VSM et tracé figure 3.17. Pour cet échantillon avec l’empilement MgO / CoFeB 1,2 / Ta 0,15 / CoFeB 0,2 / Ru 0,9 / CoFe 1 / NiFe 1,5 / FeMn 12, on a intégré la couche de référence à la mesure afin de com- parer le comportement du SyF de la couche de stockage et du SAF de la couche de référence. On voit quatre variations successives du moment magnétique sur la mesure qui correspondent au retournement de l’aimantation des quatre couches de l’empilement. Les retournements en champ plus forts, positif et négatif, autour de 2500 Oe, correspondent à l’électrode de référence tandis que les retournements en champ plus faible correspondent à l’électrode de stockage. Pour chaque électrode, un champ de retournement (en champ positif) est essentiellement dû au cou- plage F/AF, tandis que l’autre (en champ négatif) est essentiellement dû au couplage RKKY. On constate que l’intensité des couplages est plus grande pour l’électrode de référence que pour l’électrode de stockage. Dans l’électrode de stockage il y a déjà des compromis entre STT et couplage (par exemple la couche de tantale 0,15 nm réduit le couplage RKKY) qui réduisent l’intensité des couplages. De plus l’électrode de référence est déposée avant l’oxyde de MgO, ce qui lui permet d’avoir une bonne cristallinité tandis que l’électrode de stockage est déposée sur le MgO amorphe et sa cristallisation se fait grâce à un recuit. Enfin l’échange F/AF est plus grand avec le PtMn dans l’électrode de référence qu’avec le FeMn dans l’électrode de stockage.

Le couplage RKKY dans la couche de stockage décale le champ de retournement du Co- FeB visible sur la figure 3.17 (b) de 250 Oe. A ce couplage doit s’ajouter après gravure des piliers le couplage dipolaire qui ajoute un champ de l’ordre de 50 Oe. Ainsi, il semble qu’on ait un décalage suffisant pour lire l’état de la couche de stockage, et donc de l’AF.

-5000 0 5000 -1 -0,5 0 0,5 1

Champ magnétique (Oe)

Moment magnétique (u.a.)

(a)

-500 0 500 1000

-0,5 0 0,5

Champ magnétique (Oe)

Moment magnétique (u.a.)

(b)

Figure 3.17 – Cycle d’aimantation de l’empilement MgO / CoFeB 1,2 / Ta 0,15 / CoFeB 0,2 / Ru 0,9 / CoFe 1 / NiFe 1,5 / FeMn 12 (nm) mesuré en VSM. (a) Cycle complet de l’empilement avec la couche de référence SAF et la couche de stockage SyF. (b) Agrandissement centré sur le SyF de la couche de stockage.

Cycle R(H)

Après gravure, le cycle R(H) obtenu (Figure 3.18) montre un fort décalage du retournement de la couche CoFeB, donc le ruthénium rempli bien son rôle. La distribution de champ de couplage (Figure 3.18 (b)) est très faible donc le couplage est bien reproductible. Cependant, on observe une légère variation du niveau de résistance en champ nul sur la figure 3.18 (b) qui n’apparaissait pas pour le SyF dipolaire sur la figure 3.9. En plus du retournement vers le niveau de résistance haute pour un champ positif, on voit en champ négatif une variation de résistance. En champ positif, il s’agit du retournement de la couche du SyF en contact avec la barrière tandis qu’en champ négatif, c’est la couche du SyF en contact avec l’AF qui se retourne. Ce retournement se fait par spin-flop et entraine aussi la couche en contact avec la barrière, c’est pourquoi on voit aussi une variation de résistance en champ négatif. Ainsi, il y a bien une variation de l’état entre deux écritures mais au lieu de se répercuter sur le champ de couplage, cela se répercute sur l’état en champ nul : l’aimantation n’est pas parfaitement parallèle avec celle de la couche de référence. Cela peut s’expliquer par une configuration micromagnétique non uniforme de l’aimantation de la couche de stockage ou un angle entre les aimantations des couches de stockage et de référence.

−500 0 500

600 800 1000 1200

Champ magnétique (Oe)

Résistance ( Ω ) (a) −500 0 500 600 800 1000 1200

Champ magnétique (Oe)

Résistance (

Ω

)

(b)

Figure 3.18 – Cycles de magnétorésistance pour l’empilement SyF avec couplage RKKY. (a) Le cycle rouge est la lecture après écriture de l’état Rmax, et le cycle bleu est pour l’état Rmin. (b) Dix cycles de lecture, réalisés chacun après une écriture de l’état Rmin.

Diagramme d’écriture

La mesure des champs d’écriture est faite encore une fois avec la méthode d’initialisa- tion/écriture (Figure 3.19). On observe qu’en dessous de 1,2 V l’écriture est plus facile avec

la polarité positive. Cela pourrait s’expliquer par l’asymétrie de chauffage3. Il y a un écart d’environ 0,1 V entre les polarités pour un champ d’écriture donné. Le produit en croix avec la température d’écriture de l’ordre de 150 °C permet d’estimer l’écart de température de l’AF entre les polarités à 12 K en accord avec [68].

Au-delà de 1,3 V, les champs d’écriture des deux polarités se croisent pour l’état AP de sorte que l’influence du couple de transfert de spin planaire domine et la différence de champ d’écriture augmente pour atteindre 100 Oe. On voit ici un effet très favorable du couple de transfert de spin, et comme on a vu que l’état écrit est assez bien défini, cet empilement est un bon candidat pour réduire le champ d’écriture dans les TAS-MRAM. Avant de présenter ses performances statistiques (taux d’erreur, dispersion jonction à jonction ...), on va étudier plus précisément les particularités du comportement d’une jonction unique. Notamment, on va s’intéresser au saut du champ d’écriture de l’état AP autour de 1,3 V qui semble plus rapide que le pas de tension utilisé.

1 1,2 1,4 -200 -100 0 100 200

Champ magnétique (Oe)

Tension (V) V>0 V<0 AP→P P→AP 1 1,2 1,4 -200 -100 0 100 200

Champ magnétique (Oe)

Tension (V)

V>0 V<0

Figure 3.19 – Diagramme de champ d’écriture du SyF avec couplage RKKY. Le champ d’écri- ture à 50 % est mesuré en fonction de la tension et de la polarité pour les deux sens d’écriture.