FR2677811A1 - Dispositif incluant un super-reseau de couches ayant des proprietes de magnetoresistance geante realisees sur un substrat semiconducteur. - Google Patents

Abstract

Le dispositif inclut un super-réseau réalisé sur un substrat semiconducteur monocristallin, au moyen de l'alternance de couches monocristallines de matériau ferromagnétique et de matériau conducteur ayant la même orientation cristalline que celle du substrat. Parmi les paramètres qui définissent le super-réseau: - l'orientation essentielle du plan des couches pratiquement monocristallines formant le super-réseau est selon un plan cristallographique dans lequel le matériau ferromagnétique montre une anisotropie magnétique, l'anisotropie magnétique étant définie par k.K1 .df où k est une constante supérieure ou égale à 1, K1 est la constante de couplage ferromagnétique, df est l'épaisseur de la couche de matériau ferromagnétique dans le super-réseau, - l'épaisseur des couches est choisie en fonction des matériaux pour qu'il existe un couplage anti-ferromagnétique à champ nul à travers les couches du matériau conducteur, et pour qu'il existe ainsi un phénomène de magnétorésistance dite géante, le couplage étant défini par la constante de couplage J, - ces paramètres du super-réseau sont en outre choisis pour que le couplage anti-ferromagnétique J soit inférieur ou du même ordre de grandeur que l'anisotropie magnétique selon la relation: J<=k.K1 .df Application: senseurs magnétorésistifs.

Description

"Dispositif incluant un super-réseau de couches ayant des propriétés de magnétorésistance géante réalisées sur un substrat semiconducteur
Description
L'invention concerne un dispositif incluant un super-réseau réalisé sur un substrat semiconducteur monocristallin, au moyen de l'alternance de couches monocristallines de matériau ferromagnétique et de matériau conducteur ayant la même orientation cristalline que celle du substrat.

L'invention trouve son application par exemple dans la réalisation de senseurs magnétorésistifs.

Les propriétés magnétorésistives d'un super-réseau de couches de Fe(100/Cr(100) sont déjà connues par la publication intitulée "Magnetic and transport properties of
Fe/Cr Superlattices" par A.Barthelemy et P.Etienne et al. dans "J. Appl. Phys., 67 (9), 1 May 1990, pp.5903-5913.

Ce document décrit les propriétés d'un super-réseau de couches Fe/Cr orientées respectivement (001), réalisées par épitaxie par jet moléculaire, sur un substrat semiconducteur en GaAs orienté (001).

Les structures obtenues montrent, à champ nul, un couplage antiferromagnétique entre les couches de Fe à travers les couches de Cr qui les séparent. La valeur de ce couplage varie en *oscillant" en fonction de la valeur principalement de l'épaisseur des couches de Cr. La valeur du couplage est aussi influencée par la valeur de l'épaisseur des couches de
Fe.

D'une manière générale, la structure décrite dans la publication citée présente de préférence des caractéristiques appropriées à produire un fort couplage antiferromagnétique à champ nul.

Dans ces conditions ces structures montrent à champ nul une *magnétorésistance géante".

Lorsqu'un champ magnétique est appliqué à ces structures parallèlement au plan des couches, le couplage devient ferromagnétique pour des valeurs du champ magnétique égales ou supérieures à la valeur de saturation de l'aimantation, d'où il résulte que la résistivité diminue brusquement et fortement.

Les propriétés magnétorésistives des super-réseaux de couches Fe/Cr d'orientation (100) sont en outre très dépendantes de la température à laquelle ces mesures sont effectuées.

Les couches de Fe/Cr appartiennent au système cristallographique dit "cubique faces centrées" (en anglais fcc). La publication citée enseigne qu'il existe dans le plan des couches, lorsqu'il montre l'orientation (100), deux axes d'aimantation préférentielle, dits axes d'aimantation facile (en anglais : easy axis) qui sont alignés avec les directions cristallographiques [100] et [ 010 ] , et deux axes d'aimantation difficile (en anglais : hard axis) orientés selon les bissectrices des précédents.

Ces propriétés d'aimantation différentes dans le plan (100) sont dites propriétés d'anisotropie d'aimantation.

Dans le système Fe/Cr, l'anisotropie d'aimantation dans le plan (100) a une influence négligeable sur les valeurs obtenues pour la "magnétorésistance géante" à champ nul, car, dans ce système Fe/Cr connu, la structure est choisie pour présenter un très fort couplage antiferromagnétique à champ nul, qui ne peut être vaincu que par l'application d'un champ magnétique de saturation très fort, de l'ordre de 20 kOe (correspondant à une induction magnétique de l'ordre de 20 kG ou 2 Teslas) pour faire diminuer la résistivité de la structure en amenant cette dernière dans des conditions de couplage ferromagnétique. Ainsi la valeur du champ de saturation ne subit pas l'influence de la direction selon laquelle le champ magnétique est appliqué sur la structure puisque l'effet de l'anisotropie d'aimantation est négligeable.Les valeurs nécessaires pour atteindre l'aimantation de saturation ( > au Tesla) rendent cette structure connue de super-réseaux Fe/Cr peu apte à des applications industrielles.

Un autre couple de matériaux montrant des propriétés magnétorésistives est connu de la publication intitulée "Oscillatory Magnetic Exchange Coupling through thin
Copper Layers" par S.S.P. PARKIN et al., dans "Physical Review
Letters, Vol.66, n016, 22 April 1991, pp. 2152-2155".

Cette publication décrit les propriétés d'un super-réseau de couches de Co/Cu orientées majoritairement (111), réalisées au moyen d'un "magnétron" sur un substrat en
Si (100).

Les nouvelles structures de super-réseaux obtenues selon ce second document cité, montrent les mêmes propriétés magnétorésistives que les précédentes structures Fe/Cr, avec quelques différences minimes. Ainsi, par exemple, les orientations des cristallites dans les couches de la structure étant principalement arrangées selon le plan (111) du système cubique faces centrées (fcc), il n'existe pas d'axes faciles (ni difficiles) dans ce plan, donc pas d'anisotropie d'aimantation.

Ce qui revient à dire dans ce cas, comme dans le cas précédent, que l'anisotropie d'aimantation n'a pas d'influence sur la valeur obtenue pour la "magnétorésistance géantes.

Dans cette structure Co/Cu connue, la grandeur de la magnétorésistance "oscille" entre des grandes et des petites valeurs lorsque ltépaisseurdedela couche de Cu augmente. La valeur de ces oscillations dépend aussi de l'épaisseur de la couche de Co.

D'une manière générale, ces courbes montrent un premier maximum pour l'épaisseur de la couche de Cu de l'ordre de 0,8 à 1 nm, et la période des oscillations est de l'ordre du nm. Les oscillations sont amorties mais la magnétorésistance reste élevée pour des couches d'épaisseur supérieure à 5 nm.

Selon ce dernier document cité, les couches de
Co/Cu étaient réalisées sur une couche tampon de Fe d'épaisseur 5 nm. Ce système était préféré à celui qui utilisait une couche tampon de cuivre de 4 nm d'épaisseur. En effet, le système Co/Cu montre un phénomène d'hystérésis lorsqu'il est soumis à des champs magnétiques variables, et ce phénomène est plus important lorsque la couche tampon est réalisée en Cu que lorsqu'elle est réalisée en Fe. Les épaisseurs des couches sont choisies pour obtenir un très fort couplage antiferromagnétique lorsque l'aimantation passe par O à champ coercitif 1 couplage qui ne peut être vaincu, ici encore, que par l'application d'un champ magnétique de saturation très fort, de l'ordre de 5 kOe (correspondant à une induction magnétique d'environ 5 kG ou 0,5 Tesla).

Les valeurs de la magnétorésistance sont de l'ordre de 45 % à température ambiante, aussi bien pour le système FetCr que pour le système Co/Cu. Cependant la valeur du champ nécessaire pour obtenir l'aimantation de saturation est plus faible (0,5 Tesla) dans le système Co/Cu, comparée à sa valeur (2 Teslas) dans le système Fe/Cr.

Les valeurs de la magnétorésistance sont aussi moins sensibles à la température dans le système Co/Cu que dans le système Fe/Cr.

Il n'en résulte pas moins que, pour les mêmes raisons que celles exposées pour le système Fe/Cr, il apparaît que le système Co/Cu est peu propice aux applications industrielles, tout au moins dans la structure telle que révélée par le second document cité.

D'autre part, il apparaît que, selon l'état de la technique connu à ce jour, l'homme du métier ne sait pas réaliser des couches de Co/Cu d'une orientation autre que "majoritairement (111)" sur silicium (Si) (100).

Le second document cité fait référence à une autre publication intitulée "Antiferromagnetic ordening in Co/Cu single-crystal superlatticesg par A.Cebollada et al. dans "Physical Review B, vol.39, ne13, 1 May 1989, pp.9726-9729.

Cette publication concerne un super-réseau de couches Co/Cu d'orientation (100) réalisées sur un substrat en cuivre massif monocristallin d'orientation (100).

Ce document n'enseigne pas à réaliser un super-réseau de couches Co/Cu sur un matériau semiconducteur d'une part, et d'autre part, justement du fait que le substrat est métallique donc parfaitement conducteur, aucun phénomène de magnétorésistance géante ne peut apparaître.

Un des buts de l'invention est de fournir un dispositif incluant un super-réseau de couches ayant des propriétés de magnétoristance géante, dont la sensibilité au champ magnétique soit plus grande que celle qui est connue des documents cités.

Notamment, un des buts de l'invention est de fournir un tel dispositif qui nécessite un champ de saturation plus faible pour faire passer la structure de la situation où elle présente un couplage antiferromagnétique à celle où elle présente un couplage ferromagnétique.

De préférence le champ magnétique nécessaire pour atteindre ce but doit avoir des valeurs utilisables dans l'industrie, par exemple de l'ordre de quelques dizaines de
Gauss.

En particulier, un des buts de l'invention est de fournir un tel dispositif dans lequel la structure de super-réseau est sensible à une variation du champ magnétique de l'ordre de l'0e, c'est-à-dire montre une variation de résistivité détectable pour une variation du champ magnétique aussi faible que l'Oe.

Un autre but de l'invention est de fournir un tel dispositif dans lequel la structure de super-réseau est sensible à une variation de l'orientation du champ magnétique par rapport au plan des couches.

Ces buts sont atteints au moyen d'un dispositif tel que décrit dans le préambule et en outre caractérisé en ce que, parmi les paramètres du super-réseau - l'orientation du plan des couches monocristallines formant
le super-réseau est selon un plan cristallographique dans
lequel le matériau ferromagnétique montre une anisotropie
magnétique, l'anisotropie magnétique étant définie par
k.K1.df où
k est une constante supérieure ou égale à 1,
K1 est la constante de couplage ferromagnétique dans le
système cristallographique,
df est l'épaisseur de la couche de matériau
ferromagnétique dans le super-réseau, - l'épaisseur des couches est choisie en fonction des
matériaux pour qu'il existe un couplage anti-ferromagnétique
à champ nul à travers les couches du matériau conducteur, et
pour qu'il existe ainsi un phénomène de magnétorésistance
dite géante, le couplage étant défini par la constante de
couplage J, - ces paramètres du super-réseau sont en outre choisis pour
que le couplage anti-ferromagnétique J soit inférieur à, ou
du même ordre de grandeur que l'anisotropie
magnétocristalline selon la relation
J < k.K1 .df
Notamment ces buts sont atteints au moyen d'un tel dispositif dans lequel le substrat semiconducteur monocristallin est en silicium orienté selon le plan cristallographique (100), et la stucture du super-réseau est formée de couches de cobalt (Co) pour le matériau ferromagnétique, et de métaux choisis entre le cuivre (Cu) et un métal noble tel que l'or (Au), l'argent (Ag) etc... pour le matériau conducteur, d'orientation cristalline selon le plan cristallographique (100) ou (200) présentant dans ce plan deux axes d'aimantation facile dits axes faciles [011] et [ 011 ] .

Selon l'invention, une utilisation de ce dispositif réside dans l'application à la structure de super-réseau d'un champ magnétique parallèlement à un axe d'aimantation facile, et de valeur variant entre une valeur supérieure ou sensiblement égale à la valeur de saturation de l'aimantation des couches ferromagnétiques et la valeur inverse, pour faire varier la résistivité dans cette structure.

Selon l'invention, une autre utilisation de ce dispositif réside dans l'application à la structure de super-réseau d'un champ magnétique parallèlement au plan des couches et de valeur fixe, en faisant varier la direction d'application de ce champ par rapport à la position des axes d'aimantation facile, pour faire varier la résistivité de cette structure.

L'invention concerne également un procédé de réalisation de ce dispositif pour obtenir la formation des couches du super-réseau dans le système Co/Cu monocristallin cubique à faces centrées, orientées majoritairement selon le plan cristallographique (100) ou (200) sur un substrat en silicium (Si) orienté (100) ou faiblement désorienté par rapport à ce plan.

L'invention concerne aussi un capteur magnétorésistif incluant un dispositif selon l'invention dans l'une ou l'autre des variantes.

L'invention concerne de plus un capteur numérique incluant un tel dispositif.

L'invention est décrite ci-après en détail en référence avec les figures annexées dont - la figure 1 représente un dispositif incluant un
super-réseau de couches réalisées sur un substrat
semiconducteur, - les figures 2 représentent les différentes configurations
selon lesquelles s'arrangent les moments d'aimantation dans
les couches ferromagnétiques en fonction du champ magnétique
appliqué au super-réseau, - la figure 3 montre une courbe représentative de la
magnétorésistance en fonction du champ appliqué au
super-réseau dans un exemple de réalisation où la structure
est une multicouches Co/Cu (200) sur Si (100), - la figure 4 montre l'intensité 1B des pics de Bragg
obtenue en diffraction de rayons X (mesurée en unités
arbitraires), en fonction de l'épaisseur de la couche tampon
de cuivre dtCu, pour l'orientation (200) en trait plein et
(111) en traits discontinus, dans un super-réseau de couches
Co/Cu - la figure 5 montre la rugosité de surface Rs en nm, en
fonction de l'épaisseur de la couche tampon de cuivre
dtCu, dans un tel super-réseau.

- la figure 6 montre les oscillations de la magnétorésistance
en fonction de l'épaisseur de la couche de cuivre dans
divers échantillons de structures de super-réseau Co/Cu.

- les figures 7a à 7d montrent les courbes de
magnétorésistance en fonction du champ appliqué dans les
différents cas possibles d'orientation du champ par rapport
aux axes cristallographiques de la structure.

En référence avec la figure 1, un dispositif comprenant un substrat semiconducteur monocristallin orienté
S, est muni sur une face orientée de ce substrat, d'une structure multicouches F/M formant un super-réseau. Par structure de super-réseau il faut entendre une structure multicouches de couches monocristallines orientées, de faible épaisseur, par exemple pouvant être inférieure au nanomètre jusqu'à quelques nanomètres. A ces faibles épaisseurs sont associées des propriétés spécifiques telles que l'augmentation ou bien la réduction des moments magnétiques, l'anisotropie de surface, ou d'interface, les effets de faible dimension, etc... De plus, dans les super-réseaux existent des effets dûs à la structure périodique que l'on crée artificiellement par l'empilement de couches minces alternées.

Dans la structure périodique, le matériau pour réaliser les couches F est choisi parmi les matériaux ferromagnétiques, et le matériau pour réaliser les couches M, parmi les matériaux conducteurs. Ces matériaux sont en outre choisis parmi ceux dont le paramètre de maille cristalline est le plus proche de celui du substrat, ou bien d'un multiple de celui du substrat.

L'épaisseur des couches dans la structure périodique est choisie parmi celles où les matériaux montrent des propriétés d'anti-ferromagnétisme à champ nul, ainsi qu'une résistivité élevée.

Les couches de la structure sont réalisées en outre selon une orientation où elles montrent une anisotropie magnétique.

Les couches peuvent ne pas être complètement monocristallines. La taille des cristallites doit toutefois être supérieure à la période des empilements dans la structure.

Exemple
Dans cet exemple, un dispositif selon l'invention
comprend un susbstrat semiconducteur en silicium (Si),
d'orientation (100), présentant une face supérieure (100) ou
légèrement désorientée de quelques degrés vis-à-vis du plan
cristallographique (100), par exemple 30.

La structure de super-réseau est constituée par
l'empilement alterné de couches de cobalt et de cuivre,
lesquels sont choisis du fait de leur bon accord de maille
avec le silicium. D'autres métaux peuvent être choisis à la
place du cuivre parmi les métaux nobles tels que l'or (Au),
l'argent (Ag), etc...

Les couches de cobalt (Co) et de cuivre (Cu) sont
réalisées selon tout procédé capable de produire que ces
couches soient orientées parallèlement aux plans
cristallographiques (100) ou (200). L'effet recherché est
de produire des couches orientées selon un plan où il existe
des propriétés d'anisotropie magnétique.

D'autre part, dû à la structure multicouches, il
existe un couplage magnétique entre les couches
ferromagnétiques adjacentes à travers les couches
conductrices. L'aimantation se trouve toujours dans le plan
des couches du fait que l'on a affaire à une structure de
super-réseau, c'est-à-dire à des multicouches de faible
épaisseur.

Ce couplage entre les couches montre des valeurs
qui "oscillent" en fonction de l'épaisseur de la couche de
matériau conducteur M, et qui dépendent aussi de l'épaisseur
de la couche de matériau ferromagnétique F, ainsi que de la
température.

Par un choix convenable des épaisseurs des couches
de matériaux F et M, on peut obtenir que le couplage soit
anti-ferromagnétique à température ambiante, à champ nul.

Ainsi, en référence avec la figure 1, on
représente les moments d'aimantation dans les couches de
matériau ferromagnétique F, par des vecteurs respectivement
M1 et 42 pour deux couches F adjacentes, disposés
anti-parallèlement et dans le plan des couches F, à champ
nul.

La force de couplage par unité de surface (par
exemple en erg.cm-2), entre deux couches F adjacentes
faisant partie d'une structure donnée, s'exprime par la
constante de couplage J.

Dans le système Fe/Cr décrit précédemment au titre de l'état de la technique, les conditions étaient telles que pour la constante de couplage, J était extrêment grande. Il en était de même dans le système Co/Cu également décrit au titre de l'état de la technique.

Cette caractéristique technique était un élément essentiel pour l'obtention d'une "magnétorésistance géante" telle que recherchée par l'une et l'autre de ces publications.

D'autre part, dans la structure selon l'invention telle qu'illustrée par la figure 1, l'anisotropie magnétique qui se manifeste du fait du choix (100) de l'orientation du plan des couches de cobalt et de cuivre, se traduit par l'existence dans ce plan de deux axes d'aimantation facile dits axes faciles hl et A2 (en anglais : easy axes) respectivement [ 011 ] et [ 011 ] et de deux axes d'aimantation difficile (en anglais : hard axes) ou axes difficiles disposés selon les bissectrices des précédents.

Lorsqu'un champ magnétique H est appliqué à la structure de super-réseau de la figure 1, il agit sur les moments M1 et M2. L'ensemble des figures 2 illustre différentes possibilités d'application du champ magnétique H et les positions respectives des moments 1 et M42 qui en résultent.

En référence avec la figure 2a, le champ magnétique H est appliqué parallèlement à un axe facile, A par exemple, et sa valeur est Hs égale ou supérieure à une valeur permettant d'obtenir la saturation de l'aimantation.

Dans ces conditions, les moments 41 et M42 viennent s'aligner parallèlement au champ H et tous les deux dans la même direction que le champ H. L'aimantation est alors ferromagnétique et la résistivité de la structure est minimale.

En référence avec la figure 2b, lorsque la valeur du champ magnétique H devient inférieure à la valeur de saturation Hst les moments magnétiques tendent à s'écarter de la position d'alignement avec A1 et tournent symétriquement, la direction A1 étant la bissectrice de l'angle formé par 41 et 2. La résistivité de la structure augmente.

En référence avec la figure 2c, le champ magnétique H appliqué est nul, les moments M1 et M2 sont antiparallèles et alignés avec le second axe facile A2, le couplage est antiferromagnétique et la résistivité est maximale.

En référence avec les figures 2d et 2e, on constate que l'effet est inversé losque le champ magnétique H est inversé, avec des grandeurs entre O et la valeur égale ou supérieure au champ de saturation.

En réalité le système CoiCu présente un phénomène d'hystérésis qui est inhérent au matériau cobalt (Co) et qui ne peut être évité complètement.

Donc la valeur du champ magnétique pour laquelle l'aimantation devient nulle dépend des conditions auxquelles la structure a été soumise antérieurement. D'une façon générale l'aimantation devient nulle pour + Hc où Hc est la valeur du champ coercitif.

De même, l'axe facile selon lequel les moments magnétiques M1 et M2 s'alignent en position antiparallèle dépend du choix de l'axe facile selon lequel on a appliqué antérieurement le champ magnétique.

D'une façon générale, le comportement du système
Co/Cu à champ nul dépend toujours des conditions antérieures.

L'anisotropie magnétique qui existe dans le plan cristallographique (100) des couches de cobalt (Co) s'exprime par la constante d'anisotropie K1 (par exemple en erg.cm#3) caractéristique des métaux cubiques à faces centrées.

Si dCo est l'épaisseur des couches de cobalt dans la structure de super-réseau, on peut comparer la grandeur
K = kKî.dCo (où k est une constante égale ou supérieure à 1) à la constante de couplage J.

Selon l'invention, l'épaisseur des couches de cobalt est choisie pour que le couplage antiferromagnétique J soit inférieur ou égal (par égal on entend du même ordre de grandeur) à l'anisotropie magnétique, selon la relation
J < K c'est-à-dire J#k.K1 .dCo
La structure selon l'invention est ainsi complètement différente de la structure Fe/Cr connue où l'anisotropie était négligeable, et de la structure Co/Cu connue où l'anisotropie n'existait pas du tout dans le plan.

D'autre part, elle diffère aussi de ces deux structures du fait qu'il n'est pas recherché d'obtenir un couplage antiferromagnétique fort à champ nul.

De ces différences résultent des propriétés qui permettent de résoudre le problème technique du fonctionnement du dispositif au moyen d'un champ faible, et avec une grande sensibilité à de petites variations du champ magnétique appliqué.

D'une part, comme le couplage antiferromagnétique est plus faible que dans les dispositifs connus, le champ magnétique de saturation qu'il est nécessaire d'appliquer pour vaincre ce couplage est également plus faible. Ainsi, il faut un champ plus faible pour amener l'aimantation de la situation antiparallèle (figure 2c) à la position parallèle (figure 2e), et pour faire varier la résistivité de sa valeur maximale à sa valeur minimale.

D'autre part, comme l'anisotropie aide à vaincre le couplage, elle permet d'obtenir ce résultat au moyen d'un champ de saturation encore plus faible, et ceci pour une amplitude de variation de la résistivité inchangée. Il suffit pour obtenir cet effet d'aligner le champ magnétique appliqué à la structure sur un des axes faciles.

Ainsi, en choisissant la valeur du couplage de manière appropriée vis-à-vis de la valeur de l'anisotropie, on obtient le résultat recherché : la valeur du champ de saturation est bien inférieure à celle qui était en jeu dans l'utilisation de la structure Fe/Cr connue, ou de la structure
Co/Cu connue.

Les documents produits au titre de l'art antérieur, fondent le raisonnement sur la grandeur de la magnétorésistance.

Par magnétorésistance l'homme du métier entend le rapport AR/R, où R est la résistivité maximale, à champ nul ou + le champ coercitif selon le cas, et où AR est la variation de résistivité lorsqu'un champ de saturation est appliqué.

La figure 3 représente la courbe de variations de la magnétorésistance #R/R en fonction du champ magnétique H appliqué, dans le cas d'une structure Si (100), Co (200), où un courant i nécessaire à la mesure de la résistivité est appliqué dans le plan des couches parallèlement à une direction quelconque et où le champ magnétique est appliqué parallèlement à l'axe facile [011], à température ambiante.

En référence avec la figure 3, le champ magnétique de saturation, nécessaire à vaincre le couplage antiferromamgnétique est de l'ordre de 100 Oe.

Cette valeur est à comparer avec celle qui est lue sur les courbes de la figure 5 du premier document cité au titre de l'état de la technique (structure Fe/Cr), qui était de l'ordre de 5 à 20 kOe, c'est-à-dire 50 à 200 fois supérieure.

La variation de résistivité entre le maximum de la courbe de la figure 3 pour + Hc, où Hc est la valeur du champ coercitif et la valeur de saturation est de l'ordre de 6 % à température ambiante, alors que cette valeur est de 13 % selon le document cité, également à température ambiante.

Donc selon l'invention, la variation de la résistivité est moitié de celle qui est observée dans l'état de la technique, mais elle est obtenue pour des variations du champ magnétique entre 50 à 200 fois plus faibles.

il est particulièrement remarquable que selon l'invention l'on obtient, lorsque le champ est appliqué parallèlement à un axe facile, un champ de saturation qui est de l'ordre de 100 Oe, et donc que l'on obtient des variations de la résistivité détectables et utilisables industriellement dans une plage de valeurs du champ magnétique également compatible avec de nombreuses applications industrielles
Au contraire, la valeur de 20 kOe ( 20 kGauss ou 2 Teslas) connue de l'état de la technique était peu compatible avec des applications industrielles courantes.

De plus, selon l'invention, en appliquant le champ magnétique selon un axe facile de la structure de manière à obtenir une coopération importante de l'anisotropie pour vaincre le couplage antiferromagnétique, on obtient un basculement très rapide entre l'état antiferromagnétique et l'état ferromagnétique.

il en résulte que le dispositif est sensible à des variations du champ magnétique aussi faibles que 1 Oe.

L'invention trouve son application dans la réalisation de capteurs magnétiques. Du fait de la plage de valeurs dans laquelle le dispositif est sensible, il peut être utilisé pour réaliser des capteurs par exemple sensibles aux variations du champ magnétique terrestre (- 5 Oe) pour permettre la localisation d'un véhicule. Il peut aussi être utilisé pour réaliser des capteurs magnétiques inclus dans des systèmes de mesure industriels.

On a vu précédemment que le système Co/Cu selon l'invention présentait un phénomène d'hystérésis qui se traduit par deux maxima symétriques par rapport à la valeur O du champ électrique sur la courbe de la figure 3.

Cependant ce phénomène n'est pas gênant pour les applications industrielles. En effet, pour éviter les inconvénients dûs à l'hystérésis, on peut entre autres, utiliser le dispositif incluant une structure de super-réseau de couches Co/Cu pour réaliser un capteur de type numérique (en anglais : digital).

Dans le second document de l'état de la technique cité, qui concernait une structure de super-réseau de couches de Co/Cu d'orientation (111), il n'avait pas été possible de réaliser l'orientation (100) comme selon l'invention parce que cette dernière orientation ne s'obtient pas spontanément sur un substrat en silicium d'orientation (100).

C'est pourquoi un pocédé de réalisation spécifique est proposé ici dans le but de permettre l'obtention de couches d'orientation (100) capables de fournir l'anisotropie magnétique souhaitée.

Les structures de couches de cobalt-cuivre peuvent être réalisées par exemple par pulvérisation ou au moyen d'un magnétron.

Tout d'abord, on prépare un susbstrat en silicium présentant une face orientée selon un plan cristallographique (100), ou désorientée d'environ 30 par rapport à ce plan.

Puis le substrat est soumis à un recuit "flash".

La structure cobalt-cuivre est ensuite réalisée en commençant par une couche de cuivre, dite couche tampon d'épaisseur dtCu. L'épaisseur de la couche tampon et le fait qu'elle soit en cuivre ou en métal noble sont déterminants pour l'obtention de l'orientation cristallographique des couches de la structure super-réseau ultérieurement réalisées, ainsi que pour la qualité structurelle de ces couches. En effet avec une couche tampon en Fe, on obtient toujours l'orientation (111).

Des structures super-réseaux de cobalt-cuivre ont été réalisées sur des couches-tampons de cuivre d'épaisseur variant entre 1 et 5 nm. Puis les structures ont été examinées par diffraction de rayons X. Les couches obtenues sont toutes dans le système cubique à faces centrées (fcc), mais leur orientation cristallographique est essentiellement dépendante de l'épaisseur de la couche tampon de cuivre.

La figure 4 représente l'intensité du pic de diffraction de Bragg en fonction de l'épaisseur de la couche tampon de cuivre, dtCu, dans les conditions où l'épaisseur des couches de la structure de super-réseau est
dCo = 1,5 nm pour le cobalt
dCu = 1,85 nm pour le cuivre et le nombre des couches est
N = 30, dans le plan (200) pour la courbe en trait plein, et dans le plan (111) pour la courbe en traits discontinus.

En référence avec la figure 4, il ressort que la structure des couches du super-réseau est préférentiellement orientée selon le plan cristallographique (200) pour des épaisseurs de la couche tampon
1,5tdtCu(4 nm alors que ces couches sont préférentiellement orientées selon le plan (111) dans les cas où
dtCu(1,5 nm
et dtCu > 4 nm
La figure 5 représente la rugosité de surface R5 en nm en fonction de l'épaisseur dtCu de la couche tampon de cuivre dans les conditions où les épaisseurs des couches du super-réseau et le nombre des couches sont les mêmes que pour la figure 4.

En référence avec la figure 5, il apparaît que la rugosité d'interface est minimale pour
1,5 < dtcu < 4 nm c'est-à-dire dans le cas où la structure du super-réseau Co/Cu est orientée selon le plan (200).

D'une façon générale, il a été trouvé que la qualité structurelle des multicouches de cobalt-cuivre est bien dépendante de l'épaisseur de la couche tampon de cuivre.

La qualité est moins bonne pour les couches tampons de cuivre les plus minces ou les plus épaisses.

De cette étude, il ressort que le cuivre de la couche tampon réagit certainement avec le silicium au cours de la première phase du dépôt.

L'homme du métier est donc amené à conclure que l'épaisseur dtCu de la couche tampon de cuivre déposée sur le substrat en silicium monocristallin d'orientation (100) est un élément essentiel pour obtenir une orientation (200) ou (100) de la structure de super-réseau de couches Co/Cu ultérieurement réalisée, et donc est également un élément essentiel pour obtenir l'anisotropie magnétique recherchée selon l'invention.

Pour la réalisation des structures ultérieures de super-réseaux Co/Cu sur silicium (100), des couches tampons de cuivre d'épaisseur
1,5 nmsdtcus4 nm ont été réalisées sur le substrat après un recuit flash, les échantillons ont ensuite été réalisés avec des épaisseurs de la couche de cobalt
dCo = 1,85 nm un nombre de couches
N = 30 et une couche supérieure de cuivre d'épaisseur 5 nm.

En référence avec la figure 6 qui représente la magnétorésistance #R/R en % en fonction de l'épaisseur de la couche conductrice de cuivre, dCu, on constate que la magnétorésistance est "oscillante" en fonction de l'épaisseur des couches de cuivre et présente des maxima pour des valeurs qui sont en accord avec ce qui avait été enseigné par la publication relative aux structure Co/Cu, bien que dans cette dernière ces structures aient l'orientation (111) au lieu de (200) comme selon l'invention (ou 100).

En référence avec la courbe de la figure 6, l'homme du métier adoptera favorablement, pour réaliser la structure de super-réseau Co/Cu, les valeurs dCu des épaisseurs des couches conductrices de cuivre qui correspondent à un maximum de HOIR. Par exemple l'épaisseur dCu = 1,8 nm est une épaisseur très convenable du fait que les couches de cobalt (Co) seront, comme on l'a dit plus haut favorablement d'épaisseur supérieure à 1,5 nm. En effet, d'une part il est favorable au concepteur de circuit de réaliser toutes les couches de cuivre du même ordre de grandeur, et d'autre part il est favorable au concepteur de circuit de réaliser aussi les couches de cobalt du même ordre de grandeur.

C'est pourquoi, pour l'étude de la meilleure utilisation de la structure Co/Cu, il a été adopté de réaliser les échantillons avec les caractéristiques suivantes
dtCu = 1,85 nm
dCu = 1,85 nm
dCo = 1,5 nm avec une couche supérieure de cuivre de 5 nm.

L'ensemble des figures 7 illustre l'importance de l'utilisation du dispositif d écrit plus haut en plaçant le champ magnétique parallèlement à un axe facile.

La figure 7a montre la courbe de magnétorésistance en fonction du champ lorsqu'un courant i est appliqué à la
4 structure Co/Cu parallèlement à l'axe [010], le champ H étant appliqué parallèlement au même axe [010] (axe difficile). La figure 7b montre la courbe de magnétorésistance en fonction du champ lorsque le courant i est appliqué parallèlement à l'axe [ 010 ] , alors que le champ H est appliqué parallèlement à l'axe [ 001 ] (axe difficile). Dans l'un et l'autre cas, l'aimantation est saturée pour une valeur du champ de l'ordre de i 1 kOe.

La figure 7c montre la courbe de magnétorésistance obtenue en fonction du champ lorsqu'un courant i est appliqué à la structure Co/Cu parallèlement à l'axe [ 010 ] , et le champ appliqué selon l'axe [ 011 ] (axe facile). La figure 7d montre la courbe de magnétorésistance obtenue lorsque le courant i est appliqué selon l'axe [ 011 ] , et le champ selon l'autre axe facile [ 011 ] . Dans l'un et l'autre cas, dû au fait que le champ est appliqué selon un axe facile, l'aimantation est saturée pour des valeurs du champ aussi faibles que 50 Oe. Le basculement entre l'aimantation parallèle et antiparallèle est donc très brusque. Le dispositif selon l'invention est donc très sensible à une faible variation du champ magnétique.

Ce dispositif est donc très sensible également à l'orientation du champ magnétique à détecter, par rapport à ses axes faciles. il trouvera donc des applications dans la détection de la direction du champ magnétique, ou bien dans la détection de variations du champ magnétique.

Par contre les différentes courbes de la figure 7 montrent qu'il est insensible à la direction d'application du courant.

Le dispositif selon l'invention est donc tout à fait utilisable à température ordinaire (3000K). Des résultats très semblables et légèrement améliorés ont été trouvés à la température de l'azote liquide, ce qui permet d'utiliser aussi le dispositif à ces basses températures.

Claims (10)

Revendications

1. Dispositif incluant un super-réseau réalisé sur un substrat semiconducteur monocristallin, au moyen de l'alternance de couches pratiquement monocristallines de matériau ferromagnétique et de matériau conducteur ayant la même orientation cristalline que celle du substrat, caractérisé en ce que, parmi les paramètres qui définissent le super-réseau - l'orientation essentielle du plan des couches pratiquement

monocristallines formant le super-réseau est selon un plan

cristallographique dans lequel le matériau ferromagnétique

montre une anisotropie magnétique, l'anisotropie magnétique

étant définie par k.K1.df où

k est une constante supérieure ou égale à 1,

K1 est la constante de couplage ferromagnétique,

df est l'épaisseur de la couche de matériau

ferromagnétique dans le super-réseau, - l'épaisseur des couches est choisie en fonction des

matériaux pour qu'il existe un couplage anti-ferromagnétique

à champ nul à travers les couches du matériau conducteur, et

pour qu'il existe ainsi un phénomène de magnétorésistance

dite géante, le couplage étant défini par la constante de

couplage J, - ces paramètres du super-réseau sont en outre choisis pour

que le couplage anti-ferromagnétique J soit inférieur ou du

même ordre de grandeur que l'anisotropie magnétique selon la

relation

J < k.K1 .df

2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur monocristallin est du silicium orienté selon le plan cristallographique (100), et la stucture du super-réseau est formée de couches de cobalt (Co) pour le matériau ferromagnétique, et de métaux choisis entre le cuivre (Cu) et un métal noble tel que l'or (Au), l'argent (Ag) etc..., pour le matériau conducteur, d'orientation cristalline selon le plan cristallographique (100) ou (200) présentant dans ce plan deux axes d'aimantation facile dits axes faciles [011] et [ 010 ] .

3. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on applique à la structure de super-réseau un champ magnétique parallèlement à un axe d'aimantation facile, et de valeur variant entre plus ou moins une valeur supérieure ou sensiblement égale à la valeur de saturation de l'aimantation des couches ferromagnétiques, pour faire varier la résistivité dans cette structure.

4. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on applique à la structure de super-réseau un champ magnétique parallèlement au plan des couches et de valeur fixe, en faisant varier la direction d'application de ce champ par rapport à la position des axes d'aimantation facile, pour faire varier la magnétorésistance de cette structure.

5. Capteur magnétorésistif incluant un dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2.

6. Capteur selon la revendication 5, du type dit numérique.

7. Capteur selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel le dispositif est utilisé selon l'une des revendications 3 ou 4.

8. Procédé de réalisation pour obtenir un dispositif selon la revendication 2, comprenant au moins les étapes suivantes - réalisation d'un substrat en silicium monocristallin

présentant une face orientée parallèlement au plan

cristallographique (100) ou faiblement désorientée par

rapport à ce plan, - réalisation d'une. couche tampon en cuivre Cu d'épaisseur

comprise entre 1,5 et 4 nm, - réalisation d'une structure multicouches Co/Cu, dans

laquelle l'épaisseur des couches de cuivre est choisie parmi

celles qui donnent un maximum de la magnétorésistance à

champ nul, telle que environ 1,85 nm.

9. procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que en outre, il comprend - une étape de recuit très rapide du substrat en silicium

avant la réalisation de la couche tampon en cuivre.

10. procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la formation d'une couche supérieure de cuivre d'épaisseur de l'ordre de 5 nm, et en ce que les couches de cobalt ont une épaisseur de l'ordre de 1,5 nm.