4.4 Caractéristiques électriques des jonctions perpendiculaires
4.4.3 Utilisation de multicouches (Co/Tb)
Enfin, un système apparaissant très avantageux pour fabriquer une électrode supé- rieure est l’alliage TbCo. Il n’est pas nécessaire d’utiliser de couche tampon pour obtenir l’anisotropie perpendiculaire dans ces alliages, et il est possible d’obtenir des champs coercitifs supérieurs à 15 kOe dans des structures compensées. Cependant, comme il est nécessaire d’avoir une épaisseur supérieure à 4-5 nm pour conserver l’anisotropie per- pendiculaire après recuit, ce système semble plus approprié pour être utilisé en couche de référence. Enfin, comme cet alliage est amorphe, la cristallisation du CoFeB doit a priori poser moins de problème que lorsque des multicouches (Co/Pt) ou (Co/Pd) sont utilisées.
Les échantillons étudiés sont constitués d’une électrode inférieure Ta3/Pt5/(Co0,5/Pt0,4)5/-
CoFeB1,5, d’une barrière tunnel de MgO standard, et d’une électrode supérieure CoFeB1,5/-
(Tb0,45/Co0,55)20/Pt2. Ils sont recuits à différentes températures pendant 10 minutes.
L’alliage TbCo utilisé ici est légèrement plus riche en terbium que la structure com- pensée, mais la couche de CoFeB additionnelle rapproche la structure complète de la compensation, de telle sorte que le champ de retournement de la couche dure de l’échan- tillon recuit à 300˚C est de 11 kOe. L’évolution de la magnétorésistance en fonction de la température de recuit est présentée en figure 4.20. Le recuit permet d’augmenter significativement la magnétorésistance jusqu’à 55%8, le produit aire-résistance restant
constant à l’erreur de mesure près, valant entre 32 et 35 Ω.µm2.
Le recuit semble dans ce cas permettre la cristallisation du CoFeB dans le système cc (001), ce qui explique la haute magnétorésistance observée. Cette affirmation néces- siterait cependant d’être vérifiée par microscopie électronique en transmission.
Cependant, cette magnétorésistance mesurée sur une plaque pleine tranche est plus dé- licate à obtenir sur un pilier nanométrique. En effet, lors de la gravure du pilier et avant son encapsulation (étape n˚6 de l’annexe 1), l’électrode de TbCo réagit avec son environ- nement et se dégrade significativement. Des piliers ont été fabriqués à partir de jonctions possédant une telle électrode de référence, seule l’électrode de stockage ayant été mo-
4 Fabrication de jonctions tunnel à aimantation perpendiculaire
Figure 4.20 – Évolution de la magnétorésistance tunnel d’une jonction tunnel magné- tique possédant une électrode de référence TbCo en fonction de la température de recuit. Le produit résistance-aire reste constant, entre 32 et 35 Ω.µm2.
difiée pour présenter un basculement d’anisotropie. La figure 4.21 présente un cycle de magnétorésistance typique mesuré sur un pilier de 100 nm de diamètre. La jonction tunnel a été recuite à 300˚C. Le RA obtenu est de 11 Ω.µm2, ce qui est cohérent avec
ce qui avait été mesuré sur les plaques pleine tranche, mais la magnétorésistance tunnel mesurée est comprise entre 20 et 30%, légèrement inférieure aux 35% mesurés par la méthode CIPT.
Plus remarquable, le cycle obtenu présente des pentes qui ne devraient pas exister si toutes les couches étaient parfaitement perpendiculaires. La forme de ces pentes semble montrer que l’électrode de TbCo est spérimagnétique. L’angle formé entre les moments du cobalt (et du CoFeB) et ceux du terbium est différent de 180˚, et varie en fonction du champ appliqué. Il est impossible avec cette électrode supérieure d’obtenir un état parfaitement antiparallèle, ce qui réduit la magnétorésistance tunnel. L’état saturé à haut champ est l’état de basse résistance, ce qui montre que l’électrode de référence est devenue riche en cobalt alors qu’elle était riche en terbium en couche continue. Le champ coercitif de cette électrode a également fortement diminué, il ne vaut plus que 2 200 Oe ici alors qu’il devait être supérieur à 10 kOe. Cet effet augmente lorsque le diamètre du pilier diminue, ce qui indique que l’oxydation des atomes de terbium par les flancs des piliers est le facteur principal de dégradation de l’anisotropie de l’électrode. Ce phé- nomène pourrait être réduit en encapsulant sous vide le pilier juste après sa gravure. Cependant, il n’est pas possible de réaliser cette opération avec les équipement de la Plateforme Technologique Amont.
4.5 Caractéristiques électriques des jonctions perpendiculaires
Figure 4.21 – Cycle de magnétorésistance mesuré sur un pilier de 100 nm de dia- mètre d’une jonction ayant une électrode de référence supérieure de TbCo. Les schémas montrent la direction de différentes aimantations en fonction du champ appliqué : en vert celle des couches de cobalt, en rouge celle des couches terbium, et en noir celle des électrodes de CoFeB.
Il faut noter que la fabrication d’une jonction avec deux électrodes de TbCo est diffici- lement compatible avec l’obtention d’une faible résistance tout en conservant une forte magnétorésistance tunnel. La rugosité importante de l’alliage TbCo déposé avant la bar- rière rend difficile la fabrication d’une barrière suffisamment fine et homogène, sans trou d’épingle.
Malgré ces problèmes, cette électrode de référence supérieure en TbCo est celle qui a permis d’obtenir les meilleurs résultats électriques au laboratoire SPINTEC pour le moment. Le système Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCo9 présente quant à lui une magné-
torésistance de l’ordre de 70% pour un RA de 10 Ω.µm2[45]. Ces résultats dépendent de
la qualité des dépôts réalisés et donc de la machine de dépôt. Dans des structures opti- misées, il est possible d’obtenir des magnétorésistances de l’ordre de 100% dans des sys- tèmes utilisant des multicouches (Co/Pd)[5] ou une combinaison de multicouche (Co/Pt) et d’alliage TbFeCo[8], et de l’ordre de 130% pour des structures Ta/CoFeB/MgO/- CoFeB/Ta[3]. Il faut cependant noter que dans ces travaux, le CoFeB utilisé possède une concentration en fer plus importante que le CoFeB utilisé au laboratoire SPINTEC.
4 Fabrication de jonctions tunnel à aimantation perpendiculaire
4.5 Conclusion
La fabrication de jonctions tunnel magnétiques à aimantation perpendiculaire et faible résistance reste difficile à réaliser. Il n’est pas aisé d’allier forte magnétorésis- tance, forte anisotropie perpendiculaire et faible résistance. Les multicouches (Co/Pt) ou (Co/Pd) n’ont pas une symétrie cristalline compatible avec la barrière de MgO, et induisent une cristallisation des électrodes de CoFeB dans la mauvaise direction lors du recuit. Il est possible de contrer partiellement cet effet grâce à l’insertion d’une très fine couche de tantale entre la multicouche et le CoFeB. D’un autre côté, les alliages TbCo amorphes ne présentent pas ce problème d’incompatibilité structurale, et permettent d’obtenir des magnétorésistances tunnel supérieures à 50%.
La fabrication d’électrodes de référence rayonnant le moins de champ possible est égale- ment un aspect important pour le dispositif final, où il est nécessaire que deux états soient stables à champ nul. Les alliages TbCo ferrimagnétiques sont idéaux car ils présentent une aimantation pouvant être très faible (inférieure à 100 emu.cm−3), et
rayonnent donc très faiblement. Dans le cas de multicouches (Co/Pt) ou (Co/Pd), il est possible de réaliser des structures antiferromagnétiques synthétiques en utilisant les propriétés de couplage RKKY du ruthénium. L’insertion d’une fine couche de platine ou de palladium à l’interface supérieure de l’espaceur de ruthénium permet de conserver une anisotropie perpendiculaire satisfaisante vis à vis des fluctuations thermiques. Ces structures doivent cependant être optimisées en fonction des paramètres géométriques du pilier, et en particulier du diamètre.
Enfin, la fabrication de la barrière tunnel est un aspect essentiel dans ces structures. Elle doit être optimisée de façon à obtenir la plus faible résistance (de préférence de l’ordre de 10 Ω.µm2, voire moins) pour la plus grande magnétorésistance possible. Une
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Chapitre 5
Effets de la température sur
l’anisotropie
Dans le cadre de cette thèse, la variation d’anisotropie avec la température est l’un des phénomènes les plus importants à étudier. En effet, le développement d’électrodes de stockage possédant une température de basculement d’anisotropie bien contrôlée est primordiale pour réaliser le dispositif décrit au chapitre 1.
Relativement peu d’études font état de ce basculement d’anisotropie en fonction de la température. L’étude de référence à ce sujet est l’article de Jensen et al.[1], où la dépendance de l’anisotropie en fonction de la température est calculée grâce à un modèle thermodynamique par des considérations de maximisation de l’entropie du système. Ce basculement d’anisotropie avec la température a été observé expérimentalement[2], et plusieurs études ont démontré que le modèle développé par Jensen ne pouvait s’appliquer que dans certains cas particuliers. Ces études ont été particulièrement utilisées dans le cadre de média à écriture thermomagnétique, dans lesquels le contrôle de la variation du champ coercitif en fonction de la température est essentiel au bon fonctionnement du dispositif[3, 4].
La première partie de ce chapitre sera consacrée au modèle théorique permettant de décrire la variation d’anisotropie. Dans un second temps, les paramètres permettant de modifier la température de basculement seront présentés, et enfin une dernière partie décrira la réalisation d’électrodes présentant un basculement d’anisotropie.