FR2800915A1 - Composant magnetosensible notamment element de capteur muni de systemes a couches magnetoresistantes selon un montage en pont - Google Patents

Abstract

Composant magnétosensible (30), notamment élément de capteur ayant au moins sur un substrat (10) deux systèmes à couches magnétorésistantes (20). Les systèmes (20) ont au moins une couche de référence (2, 2'), une couche intermédiaire (3) et une couche de détection (1), et sont branchés en montage de pont de Wheatstone (21). Une couche de référence (2, 2') comporte au moins une première couche partielle (2a, 2a') ayant une aimantation (m2 ) et une seconde couche partielle antiferromagnétique (2b, 2b'). Le composant (30) convient tout particulièrement pour une détection sans contact très largement indépendante de la température et sans dérive des vitesses ou des angles de rotation, en appliquant le principe de l'effet GMR ou TMR.

Description

La présente invention concerne un composant ma-

gnétosensible, notamment élément de capteur ayant au moins deux systèmes à couches magnétorésistantes réalisés sur un substrat avec chaque fois au moins une couche de référence, au moins une couche intermédiaire voisine de la couche de ré- férence et au moins une couche de détection voisine de la

couche intermédiaire, les systèmes à couches magnétorésistan-

tes étant branchés comme des résistances de pont dans un cir-

cuit électrique de type pont de Wheatstone.

Etat de la technique

Les éléments de capteur magnétorésistants fonc-

tionnant selon le principe de la " soupape rotative " (Spin-

valve) se composent usuellement d'une couche de détection à aimantation douce avec une première aimantation ml, réglable

parallèlement à la couche de détection par un champ magnéti-

que extérieur, une couche de référence à aimantation dure

avec un alignement spatial prédéterminé d'une seconde aiman-

tation m2, correspondante dirigée parallèlement à la couche de référence et aussi fixe que possible, ainsi qu'une couche intermédiaire métallique amagnétique. Pour un dimensionnement

approprié des épaisseurs de couches et d'une sélection appro-

priée de la matière, ce système présente alors une variation

de la résistance électrique pour un courant électrique pas-

sant dans le plan de la couche intermédiaire selon la fonc-

tion: R = R0 + C cos O

dans laquelle Oreprésente l'angle entre les di-

rections des deux aimantations correspondant respectivement à la couche de référence et à la couche de détection (appelé

effet GMR, c'est-à-dire effet géant de résistance magnéti-

que). La variation de résistance se situe de manière caracté-

ristique dans une plage comprise entre 5 % et 10 % et peut se

mesurer en modifiant la direction d'aimantation m1 par exem-

ple sous l'effet d'un champ magnétique extérieur.

La couche de référence à aimantation dure se com-

pose en outre usuellement soit d'une couche mince en matière

à aimantation relativement dure, soit en deux couches super-

posées sous la forme d'une couche partielle à aimantation

douce ou relativement dure adjacente à la couche intermé-

diaire et d'une couche partielle voisine antiferromagnétique, qui fixe et stabilise l'orientation spatiale de l'aimantation de la couche magnétique adjacente à la couche intermédiaire.

Le fonctionnement d'un tel élément de capteur ma-

gnétorésistant repose sur le fait que la direction de

l'aimantation ml de la couche de détection s'aligne aussi fa-

cilement et aussi parallèlement que possible par rapport à une composante située à l'intérieur du plan de la couche de détection et provenant d'un champ magnétique externe alors

que la direction de l'aimantation m2 de la couche de réfé-

rence reste pratiquement inchangée par l'action de tels

champs extérieurs, pour constituer une référence fiable per-

mettant de définir l'angle 0.

Pour d'autres détails des éléments de capteur ma-

gnétorésistants et leurs applications éventuelles, on se re-

portera par exemple au document C. Tsang " Design, Fabrication and Testing of Spin-Valve Read Heads for High Density Recording ", IEEE Trans. Magn., 30, (1994), pages

3801 et suivantes.

Pour utiliser un système de couches magnétorésis-

tantes dans un élément de capteur, par exemple pour la mesure sans contact de champs magnétiques extérieurs, utilisable

comme capteur ABS de roues de véhicule, comme capteur de di-

rection ou comme potentiomètre, il est indispensable que l'élément de capteur fournisse dans une plage de température aussi grande que possible, une tension de sortie pratiquement sans décalage dans une plage de température élevée et une tension de sortie pratiquement sans dérive tout en permettant d'augmenter la précision de la mesure. Pour cela, il est déjà connu de brancher un élément de capteur avec deux ou quatre

systèmes à couches magnétorésistantes sous la forme d'un mon-

tage en pont de Wheatstone, pour ainsi éliminer la dérive re-

lativement importante par rapport au signal de mesure et fonction de la température, de la tension d'un seul système

stratifié magnétorésistant.

De manière plus détaillée, un élément de capteur formé par quatre résistances distinctes R1-R4 constituées par

quatre systèmes à couches magnétorésistantes qui sont usuel-

lement réalisés sous la forme de chemins conducteurs en forme de méandres, est structuré et reçoit en plus des chemins con- ducteurs électriques et une borne de contact en étant monté

de façon connue en soi suivant un pont de Wheatstone. En va-

riante, il est également connu de n'utiliser que deux systè-

mes à couches magnétorésistantes et de les brancher sous la

forme de deux demi-ponts avec deux résistances usuelles ex-

ternes, en procédant de manière connue en soi pour obtenir un

pont de Wheatstone.

Des différences par exemple dans le premier mon-

tage en pont pour les directions d'aimantation m2 des couches de référence dans les résistances Ri, R3 par rapport à celles des résistances R2, R4 exactement de 180 donnent une tension de sortie de pont pratiquement indépendante de la dérive de température UB = 2*Uo*C*cos 0 Pour pouvoir réaliser un tel élément de capteur sur un support par exemple une puce, sous forme compacte, il est en outre connu de réaliser la couche de référence sous la forme de trois couches partielles, superposées et une couche de cuivre d'une épaisseur de quelques A, séparant l'une de

l'autre deux couches minces de cobalt ayant chacune une ai-

mantation opposée mais d'intensités différentes, donnant un

couple magnétique qui en résulte et qui sont couplées de ma-

nière magnétique par la couche de cuivre. Une couche de réfé-

rence ainsi constituée est appelée couche " antiferro-aimant de synthèse " ou couche " antiferromagnétique artificielle ",

car il n'y a ni cobalt, ni cuivre antiferromagnétique.

Avec de tels éléments de capteur connus, on peut

générer les aimantations de référence m2 des couches de réfé-

rence des différents systèmes à couches magnétorésistantes

seulement après avoir créé les systèmes à couches magnétoré-

sistantes dans un montage en pont sur une puce; pour cela après le dépôt du système de couches sur la puce, on génère d'abord de manière localement définie, à l'aide d'un champ magnétique extérieur, les aimantations m2 des différentes

couches de référence des systèmes à couches magnétorésistan-

tes. Cela est possible pour des éléments de capteur

connus selon l'état de la technique, car la couche de réfé-

rence antiferromagnétique artificielle peut être influencée

par le couple magnétique résultant, de ses deux couches par-

tielles en cobalt par un champ magnétique local extérieur, en

général particulièrement intense, appliqué lors de la fabri-

cation de l'élément de capteur par exemple à l'aide de deux têtes d'écriture magnétiques créant un champ magnétique local

extérieur; de plus, globalement, l'aimantation m2 de la cou-

che de référence se règle à partir de sa direction. Cela per-

met d'obtenir des aimantations de référence m2 localement dirigées de manière différente dans des systèmes à couches magnétorésistantes, différents par l'application unique sur

la puce dans cette production, de champs magnétiques exté-

rieurs, locaux intenses.

Un tel élément de capteur est proposé par la So-

ciété Infineon Technologies AG, 81609 Munich sous la dénomi-

nation GMR B6.

Avantages de l'invention L'invention concerne un composant magnétosensible du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'au moins l'une

des couches de référence d'au moins un système à couches ma-

gnétorésistantes comprend au moins une première couche par-

tielle et au moins une seconde couche partielle, la première couche partielle ayant une aimantation et la seconde couche

partielle étant une couche partielle antiferromagnétique.

Le composant magnétosensible selon l'invention

avec des systèmes à couches magnétorésistantes dans le mon-

tage en pont présente l'avantage par rapport à l'état de la technique de conserver ainsi une plage de température étendue de -40 C jusqu'à 150 C avec une tension de sortie sans dérive

et indépendante de la température; le composant magnétosen-

sible peut se monter avantageusement sur un substrat ou une puce, de façon très compacte, en étant de préférence intégré de manière monolithique. Cela économise un montage ultérieur relativement compliqué et un branchement des différents sys- tèmes magnétorésistants ou de résistances supplémentaires. De plus, le composant magnétosensible selon l'invention peut être fabriqué selon un procédé usuel de fa- brication en série de systèmes à couches et de microstructu-

ration qui est bien maîtrisé actuellement. Il est en outre très avantageux que le composant magnétosensible selon l'invention reste toujours inchangé no-

tamment lorsqu'on l'utilise comme élément de capteur même sous l'influence de champs magnétiques extérieurs intenses ou

de champs magnétiques perturbateurs; il n'y a pas de dété-

riorations irréversibles ou une dérive dans le temps, de la caractéristique du capteur ou de l'effet GMR ou de l'effet TMR (Résistance magnétique à effet tunnel) des différents systèmes à couches, notamment sous l'effet de la variation du sens de l'aimantation m2 de la couche de référence et ainsi

de la valeur de référence pour mesurer l'angle 0.

On utilisera dans la description la notion de

champ magnétique intense pour des champs magnétiques tels que

H > 15 kA/m.

Ainsi, le composant magnétosensible selon l'invention présente une fiabilité particulièrement bonne, une insensibilité aux parasites et une précision de mesure, notamment concernant la précision angulaire ainsi que la constance et la reproductibilité du résultat de mesure dans

le temps.

Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - le branchement électrique correspond à un montage en pont pour deux demiponts ayant chaque fois au moins un système à couches magnétorésistantes; - le branchement électrique comprend au moins un montage en pont avec quatre systèmes à couches magnétorésistantes comme résistances de pont, et/ou le montage électrique

comporte au moins un pont de Wheatstone avec deux demi-

ponts ayant chaque fois un système à couches magnétorésis-

tantes comme résistances de pont et chaque fois une résis-

tance indépendante d'un champ magnétique extérieur; - les systèmes à couches magnétorésistantes sont branchés pour qu'une tension de sortie de pont modifiable par un champ magnétique extérieur, au moins dans une zone com-

prise entre -40 C et plus 150 C, soit très largement indé-

pendante de la température et/ou au moins très largement indépendante de la dérive; - pour au moins un système à couches, la couche de détection est prévue sur un substrat notamment muni d'une couche

tampon et la couche de détection porte la couche intermé-

diaire et celle-ci les couches de référence; ou bien pour

au moins un système à couches magnétorésistantes, les cou-

ches de référence sont prévues sur un substrat notamment muni d'une couche tampon, et sur les couches de référence on a, la couche intermédiaire et sur celle-ci la couche de détection; dans ces deux cas, la couche tampon peut être une couche de tantale ou une couche de NiFe;

- les couches de détection des systèmes à couches magnéto-

sensibles ont chaque fois une première aimantation au moins dans la zone de leur surface tournée vers la couche intermédiaire; on peut prévoir dans ce cas que pour au

moins un système à couches magnétorésistantes, la direc-

tion de l'aimantation de la couche de détection est varia-

ble sous l'influence d'un champ magnétique extérieur et se

règle toujours de façon à être au moins largement paral-

lèle à une composante du champ magnétique extérieur, pa-

rallèle au plan de la couche de détection à l'endroit du système à couches magnétorésistantes respectif; - pour au moins un système à couches magnétorésistantes, la direction d'aimantation de la première couche partielle est au moins largement parallèle au plan de la première

couche partielle, et la direction de la première aimanta-

tion de la couche de détection est au moins très largement parallèle au plan de la couche de détection; - pour au moins un système à couches magnétorésistantes, la direction de l'aimantation de la première couche partielle est très largement invariable même sous l'effet d'un champ

magnétique extérieur intense et/ou notamment dirigé de ma-

nière quelconque; - au moins une couche intermédiaire d'un système à couches

magnétorésistantes est en une matière électrique conduc-

trice, notamment en un métal amagnétique, et/ou au moins

une couche intermédiaire d'un système à couches magnétoré-

sistantes correspond à une matière diélectrique notamment

A1203;

- au moins une couche de détection d'au moins un système à couches magnétorésistantes présente au moins par zones une matière à aimantation douce notamment NiFe ou FeCo; - au moins une première couche partielle possède au moins par zones, une matière à aimantation douce, notamment du cobalt à alignement d'aimantation homogène, ou une matière à aimantation relativement douce notamment NiFe ou FeCo;

- au moins une seconde couche partielle est en matière anti-

ferromagnétique notamment NiO, IrMn, MnFe ou PtMn; - le substrat est un substrat de silicium ou de silicium à oxydation thermique, notamment une plaquette ou une puce,

et le composant magnétosensible est intégré de manière mo-

nolithique dans le substrat; - la seconde couche partielle induit dans la première couche partielle une aimantation au moins en surface;

- le composant magnétosensible comprend au moins deux systè-

mes à couches magnétorésistantes, l'aimantation d'au moins une première couche partielle d'un système à couches étant dirigée de manière au moins approximativement opposée à l'aimantation d'au moins une couche partielle d'un autre système à couches;

- le composant magnétosensible comporte au moins deux systè-

mes à couches magnétorésistantes, l'aimantation d'au moins une première couche partielle d'un système à couches étant au moins approximativement perpendiculaire à l'aimantation

d'au moins une couche partielle d'un autre système à cou-

ches; - le substrat est subdivisé en au moins deux zones en forme de bandes; deux zones voisines ont au moins une couche de référence avec des directions d'aimantation dirigées de façon différente, notamment au moins sensiblement opposées ou tournées de 90 , les directions d'aimantation étant pratiquement invariable sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, ou bien parmi les deux zones voisines, l'une est une zone sans couche de référence, une zone avec une

couche de référence amagnétique ou une zone avec une cou-

che de référence à aimantation douce dont la direction

d'aimantation peut être alignée au moins d'une manière as-

sez parallèle à un champ magnétique extérieur, et l'autre

est une zone avec au moins une couche de référence à ai-

mantation pratiquement invariable sous l'effet d'un champ

magnétique extérieur.

Dans cette dernière configuration, le composant

magnétosensible comprend au moins deux systèmes à couches ma-

gnétorésistantes avec au moins deux zones à couches de réfé-

rence à aimantation dirigées différemment au moins pratiquement invariables sous l'effet d'un champ magnétique

extérieur; toutefois on peut aussi envisager que le compo-

sant magnétosensible comporte au moins un système à couches magnétorésistantes dans une zone avec une aimantation d'une couche de référence pratiquement invariable sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, et au moins un système à couches magnétorésistantes dans une zone sans couche de référence, une zone avec une couche de référence amagnétique ou une zone

avec une couche de référence à aimantation douce dont la di-

rection d'aimantation peut être alignée au moins d'une ma-

nière très largement parallèle à un champ magnétique extérieur. Selon un développement avantageux de l'invention,

au moins la première couche partielle de la couche de réfé-

rence d'au moins un système à couches magnétorésistantes com-

porte une structure de surfaces ou une structure au moins par zones pour que la structure s'oppose à une variation de la

direction d'aimantation de la première couche partielle.

Il est en outre avantageux que la couche de réfé-

rence soit structurée notamment avec une topographie en forme d'ondulations ou de dents de scie à direction préférentielle uniaxiale, les différentes ondulations de cette topographie

étant avantageusement aussi parallèles que possible à la di-

rection d'aimantation de la couche de référence. Cette forme de structure donne une aimantation de la couche de référence

particulièrement stable et insensible aux perturbations.

De plus, la couche de détection et/ou la couche

intermédiaire peuvent présenter au moins d'un côté une struc-

ture, notamment une topographie ondulée qui correspond au

moins très largement à la structure de la couche de réfé-

rence. Il est particulièrement avantageux que la plage de mesure de l'élément de capteur selon l'invention utilisé comme capteur d'angle corresponde à une plage angulaire de 3600. Si au moins un système à couches magnétorésistantes a

sous l'influence d'un champ magnétique extérieur une varia-

tion de la résistance électrique de la couche intermédiaire, la variation de cette résistance électrique peut être une fonction de l'angle entre l'aimantation de la première couche partielle et l'aimantation de la couche de détection, et la

résistance électrique de la couche intermédiaire sera la ré-

sistance électrique qui peut se mesurer pour un courant élec-

trique parallèle ou perpendiculaire au plan de la couche intermédiaire. Du reste, le système à couches selon l'invention peut fonctionner de manière simple également comme élément de

capteur TMR ou comme élément de mémoire TMR (résistance ma-

gnétique à effet tunnel). Pour cela, il suffit de donner à la couche intermédiaire la forme d'une mince couche diélectrique et d'appliquer un courant électrique perpendiculaire au plan

de la couche intermédiaire. La couche intermédiaire fonc-

tionne dans ce cas comme une barrière à effet tunnel; on a avantageusement des variations de résistance importantes de

cette barrière à effet tunnel pour des courants perpendicu-

laires au plan de la couche intermédiaire en fonction d'un

champ magnétique extérieur.

Globalement, le système à couches selon l'invention convient avantageusement comme élément de mémoire magnétique (MRAM = " Mémoire vive à accès aléatoire ") comme tête de lecture à plaques magnétiques, comme capteur GMR (" résistance magnétique géante "), comme capteur TMR

(" résistance magnétique à effet tunnel ") ou de manière gé-

nérale dans un capteur magnétique pour la saisie sans contact d'un déplacement d'une vitesse ou d'une vitesse angulaire ou encore de grandeurs physiques déduites de ces grandeurs par

exemple dans les applications à des véhicules automobiles.

Dessins

La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation re-

présentés schématiquement dans les dessins annexés, dans les-

quels:

- la figure 1 montre un schéma de principe simple d'un sys-

tème à couches magnétorésistantes,

- les figures 2 et 3 montrent un premier exemple de réalisa-

tion d'un composant magnétosensible avec un système à cou-

ches magnétorésistances monté en pont, selon une vue de dessus,

- les figures 4a, 4b montrent un second exemple de réalisa-

tion pour créer un composant magnétosensible sur un subs-

trat avec des systèmes à couches magnétorésistantes dans les domaines en forme de bandes, selon une vue en coupe,

- la figure 4c montre un développement de la figure 4b don-

nant un système à couches selon la figure 3, - la figure 5 correspond à un développement de la figure 4b pour un autre exemple de réalisation variant de celui de la figure 4c,

- la figure 6 montre une variante de réalisation de la fi-

gure 2 correspondant aux figures 4a ou 5.

Exemples de réalisation La figure 1 montre un schéma de principe d'un

système de couches 20 magnétorésistantes comprenant une cou-

che de détection 1 en matière à aimantation douce ayant une aimantation m1 par exemple dans la direction de la flèche. Le système 20 comprend également une couche intermédiaire 3 en une matière non magnétique conductrice électrique, traversée

par un courant I dans le plan de la couche intermédiaire 3.

Enfin sur la couche intermédiaire 3, du côté opposé à celui de la couche de détection 1, on a une couche de référence 2 en une matière à aimantation dure, ayant une aimantation m2

dont la direction est indiquée par la flèche.

La figure 2 montre un schéma de principe d'un circuit électrique correspondant à un montage en pont de Wheatstone 21 formé d'un premier demi-pont 22 et d'un second demi-pont 23 ayant chaque fois des résistances R1, R2 et R3, R4. Dans ce pont de Wheatstone 21, on applique tout d'abord une tension extérieure UO, puis on compense les résistances

R1, R2, R3, R4 du pont ou on les dimensionne pour que la ten-

sion UB du pont soit minimale de préférence nulle. A la fi-

gure 2, les résistances R1, R2, R3, R4 du pont sont formées par un système de couches magnétorésistantes 20; les flèches à la figure 2 indiquent chaque fois la direction

d'aimantation m2 de la couche de référence selon la figure 1.

La figure 3 correspond à un premier exemple de

réalisation d'un composant magnétosensible 30 avec des systè-

mes à couches magnétorésistantes 20 montés en pont. Les sys-

tèmes à couches magnétorésistantes 20 sont placés sur un substrat 10 dans une première zone 31 en forme de bande et dans une troisième zone 33 en forme de bande; les systèmes à couches magnétorésistantes 20 qui forment des résistances de pont R1, R3 ont une aimantation m2 parallèle; les systèmes à couches magnétorésistantes 20 formant les résistances R2, R4

du pont ont également une aimantation m2, parallèle. La di-

rection de l'aimantation m2 des résistances de pont R1, R3 formant le système de couches 20 et la direction de

l'aimantation m2 du système de couches 20 formant les résis-

tances de pont R2, R3 sont opposées.

Le branchement des différentes résistances du pont selon la figure 3 se fait de façon analogue à la figure

2, de manière connue par des chemins conducteurs non repré-

sentés; ces chemins sont appliqués ou réalisés par des pro-

cédés de mise en structure connus dans la technique des microstructures. Comme la mise en contact, l'alimentation en

tension et le branchement sont connus du spécialiste, ces moyens ne seront pas détaillés.

Les figures 4a et 4b ou 4a-4c explicitent le pro-

cédé de fabrication d'un composant magnétosensible 30 sur un

substrat 10; à la fin de ce procédé de fabrication, on ob-

tient un composant magnétosensible 30 ayant la structure de principe de la figure 3. La figure 4c est ainsi une vue en

coupe de la figure 3.

De manière plus détaillée, pour une fabrication

d'un composant magnétosensible 30 selon l'invention, en par-

tant de la coupe de la figure 4a, on utilise un substrat 10 par exemple une plaquette ou une puce de silicium dont la surface est du silicium à oxydation thermique. Sur la surface du substrat 10, on applique tout d'abord par pulvérisation, une couche tampon 11, en option, qui peut être formée d'une couche de tantale d'une épaisseur de quelques nm ou d'une couche NiFe d'une épaisseur de quelques nm. Puis sur cette couche tampon 11, on applique de manière connue une couche de détection 1 qui est de préférence en matière à aimantation douce notamment en NiFe ou FeCo. La couche de détection 1 est

déposée de façon connue en soi pour qu'elle possède une ai-

mantation m1 dont la direction puisse varier sous l'influence d'un champ magnétique extérieur; cette aimantation se règle

chaque fois pour qu'elle soit au moins très largement paral-

lèle à une composante du champ magnétique extérieur parallèle au plan de la couche de détection 1, à l'endroit de chaque

* système à couches magnétorésistantes 20.

Sur la couche de détection 20, on dépose au cours de l'étape suivante une couche intermédiaire 3. Cette couche intermédiaire 3 selon l'exemple décrit est en une matière conductrice électrique de préférence en un métal amagnétique

tel que du cuivre.

Si à la place d'un élément de capteur GMR, on veut réaliser un élément de capteur TMR, il convient

d'utiliser comme matière de la couche intermédiaire 3, égale-

ment une matière diélectrique de préférence de l'oxyde d'aluminium. Comme le fonctionnement de principe des éléments de capteur GMR ou TMR est connu, ce fonctionnement ne sera

pas détaillé.

Après l'application de la couche intermédiaire 3, selon la figure 4b, au niveau d'une seconde zone en forme de bande 32, on réalise une structure sous la forme d'une couche sacrifiée 12 en appliquant par exemple un fotolack, structuré

de manière correspondante pour servir de masque. Après le dé-

pôt de cette couche sacrifiée 12, on applique alors en sur-

face notamment sur la couche sacrifiée 12, une première couche partielle 2a de la couche de référence 2; celle-ci est de préférence en une matière à aimantation dure telle que du cobalt avec un alignement magnétique homogène ou encore une matière à aimantation douce par exemple NiFe ou FeCo. Sur la première couche partielle 2a, on forme alors la seconde

couche partielle 2b qui est en une matière antiferromagnéti-

que. De manière détaillée, la seconde couche partielle 2b est par exemple une couche de NiO, d'iridium-manganèse, de platine-manganèse ou de manganèse-fer, ayant une épaisseur de quelques nm. En même temps que l'on applique la direction

d'aimantation m2 pendant le dépôt de la seconde couche par-

tielle 2b et de préférence également pendant le dépôt de la première couche partielle 2a formant la couche de référence 2, on applique un champ magnétique extérieur H, homogène; ce

champ est caractérisé à la figure 4a par une flèche représen- tant cette direction et ce champ produit dans la couche de référence 2, un

alignement correspondant de l'aimantation m2

de la couche de référence.

De manière détaillée, la seconde couche partielle antiferromagnétique 2b produit grâce à l'application d'un champ magnétique extérieur H pendant le dépôt, une induction permanente, de manière connue en soi et une stabilisation de la direction de l'aimantation de la première couche partielle 2a pour qu'après dépôt et après coupure du champ magnétique extérieur H appliqué pendant le dépôt, les champs magnétiques

extérieurs et les champs parasites ne risquent plus de modi-

fier le champ. On arrive ainsi à bloquer la direction

d'aimantation m2 dans la couche de référence 2.

La figure 4b montre comment après le dépôt de la couche de référence 2, on enlève la couche sacrifiée 12 par un procédé de dégagement pour avoir une mise en structure de la surface supérieure du substrat 10 dans les zones 31, 32 en forme de bandes, voisines, en ne laissant plus que dans la zone 32, la couche de référence 2 et son aimantation m2. Au niveau de la seconde zone 32 en forme de bande, on enlève de

nouveau la couche de référence 2 déposée sur la couche sacri-

fiée 12.

Le système à couches selon la figure 4b est en-

suite structuré en surface pour qu'à l'intérieur de la pre-

mière et de la seconde zones en forme de bandes 31, 32, on

obtienne deux résistances du pont, en surface ou en méandres.

Pour cela, dans la première zone 31, on dégage les deux ré-

sistances de pont R2, R4 et dans la seconde zone 32, on dé-

gage les deux résistances de pont R5, R6 selon la figure 6 et on branche les deux demi-ponts 22, 23 pour former un pont de Wheatstone 21. Les résistances de pont R5, R6 de cet exemple

de réalisation sont des résistances purement ohmiques consti-

tuées par la couche intermédiaire 3 ou la couche de détection

1 et n'ayant pas d'effet GMR.

La figure 4c décrit selon un développement de la

figure 4b, un autre exemple de réalisation et prévoit de dé-

poser une seconde couche de référence 2' sur le substrat 10.

La structure de cette couche est tout d'abord totalement ana-

logue à celle de la couche de référence 2; toutefois, elle s'étend sur toute la surface du substrat 10. De plus, pendant le dépôt de la seconde couche de référence 2', on choisit une direction du champ magnétique extérieur H appliqué pendant le dépôt et qui est opposée à la direction du champ magnétique extérieur H appliqué pendant le dépôt de la première couche

de référence 2.

On forme ainsi sur le substrat 10, une troisième

zone en forme de bande 33 dans laquelle la couche intermé-

diaire 3 comporte une seconde couche de référence 2'; cette couche est elle-même formée d'une troisième couche partielle 2a' et d'une quatrième couche partielle 2b'. La troisième

couche partielle 2a' est analogue à la première couche par-

tielle 2a et la quatrième couche partielle 2b' est analogue à

la seconde couche partielle 2b de la figure 4a.

Les deux couches de référence 2' et 2 de la fi-

gure 4c se distinguent toutefois par la direction des aiman-

tations respectives m2 et m2' opposées l'une à l'autre.

Après la réalisation de la construction strati-

fiée selon la figure 4c et sa mise en structure de surface

dans les résistances de pont R1-R4 selon la figure 3, on mu-

nit la surface supérieure du substrat 10, d'une manière con-

nue en soi, de couches conductrices de câblage, de couches d'isolation et de couches de protection selon l'état de la technique.

Ce câblage se fait en ce qu'au niveau de la troi-

sième zone 33 en forme de bande, on réalise deux systèmes à

l0 couches magnétorésistantes 20 qui sont branchés selon la fi-

gure 3 comme des résistances en pont R1, R3. De façon analo-

gue, on câble la première zone en forme de bande 31 qui est

également formée par deux systèmes à couches 20 magnétorésis-

tantes branchés comme les résistances de pont R2, R4 de la

figure 3.

On obtient de cette manière un montage électrique en forme de pont de Wheatstone 21; les résistances R1-R4 du

pont sont formées par des systèmes à couches magnétorésistan-

tes 20; parmi ces couches, on a chaque fois des directions d'aimantation m2 et m2' parallèles. Ainsi, la troisième zone

33 correspond à la première bande 5 de la figure 3 et la pre-

mière zone 31 à la seconde bande 6 de la figure 3. Le pont de

Wheatstone 21 ainsi formé comprend en outre un premier demi-

pont 22 et un second demi-pont 23; il est relié de manière

connue en soi à la tension extérieure UO ainsi qu'à un dispo-

sitif de mesure de la tension UB du pont.

Il apparaît du reste clairement que selon les fi-

gures 4b ou 4c, on peut réaliser plusieurs ponts de Wheats-

tone 21 sur le substrat 10 en donnant au substrat 10 une

structure de zone en forme de bande ayant chaque fois des di-

rections d'aimantation le cas échéant différentes.

Dans la mesure o on réalise ou on dégage la structure de plusieurs ponts de Wheatstone 21 du substrat 10, cela se fait de manière préférentielle en ce qu'on forme dans les différents systèmes à couches 20 constituant les ponts de Wheatstone 21, les directions d'aimantation m2 et m2' entre les différents ponts 21 perpendiculaires l'une à l'autre. De cette manière, avec un composant magnétosensible 30, on peut réaliser une mesure angulaire sur 360 conservant les autres

avantages de l'invention.

La figure 6 représente un exemple de réalisation

dans lequel, contrairement aux figures 2 et 3, les résistan-

ces de pont R5, R6 sont des résistances inactives. On obtient

ainsi un pont de Wheatstone 21 (figure 6) avec deux demi-

ponts 22, 23 ayant chacun une résistance R2, R4 formée elle-

même chaque fois par un système à couches magnétorésistantes

avec une couche de référence 2, 2' De manière plus dé-

taillée pour le substrat 10, comme déjà décrit ci-dessus, on lui donne tout d'abord une structure totalement analogue à

celle du premier exemple de réalisation pour avoir une cons-

truction stratifiée du composant magnétosensible 30 comme ce-

la a été décrit à l'aide de la figure 4b. Ensuite, on supprime le dépôt de la seconde couche de référence 2' comme cela a été décrit dans l'exemple de réalisation précédent à propos de la figure 4c et on réalise directement une mise en structure de la première et de la seconde zones 31, 32 selon

la figure 4b.

De manière plus détaillée, on dégage la structure

de deux systèmes à couches magnétorésistantes 20 de la pre-

mière zone 31, ces deux systèmes ayant la même direction d'aimantation m2; ces deux systèmes forment les résistances de pont R2, R4 selon la figure 6. La direction d'aimantation

m2 selon la figure 6 est indiquée par la flèche. De plus se-

lon la figure 4b, on structure également la seconde zone 32 de manière connue en soi pour former deux résistances de pont, passives R5, R6. Puis, on combine les résistances de pont R2, R4, R5 et R6 de manière connue en soi pour former le pont de Wheatstone 21 selon la figure 6 et comme indiqué pour l'exemple de réalisation précédent, on prévoit des couches conductrices pour le câblage, les couches d'isolation et de

protection selon l'état de la technique.

Les deux résistances de pont R5, R6, passives sont formées selon la figure 6 par la couche intermédiaire 3 et sont uniquement des résistances ohmiques insensibles à la direction d'un champ magnétique extérieur. Ainsi, le pont de

Wheatstone 21 selon la figure 6 comprend uniquement deux sys-

tèmes à couches magnétorésistantes 20 qui présentent par exemple une même direction d'aimantation et chaque moitié 22, 23 du pont de Wheatstone 21 comporte chaque fois un système à

couches magnétosensibles 20.

La tension de sortie de pont UB que donne le pont de Wheatstone 21 selon la figure 6 correspond certes pour une même tension appliquée U0 uniquement à la moitié du circuit

de la figure 2 avec quatre systèmes à couches magnétorésis-

tantes 20 constituant les résistances R1, R2, R3, R4 du pont mais l'avantage d'un décalage de la tension de sortie du pont UB indépendante de la température reste conservé à la figure 6, car toutes les résistances de pont R2, R4, R5, R6 sont

réalisées dans la même matière.

Il convient de remarquer qu'il est également pos-

sible que les résistances de pont R5, R6 soient des résistan-

ces ohmiques externes, c'est-à-dire des résistances non

réalisées sur le substrat 10 mais constituées par des résis-

tances externes connues en soi dans les circuits électroni-

ques, avec des résistances de pont R2, R4 magnétosensibles

intégrées dans le substrat 10, pour être branchées de la ma-

nière décrite comme un pont de Wheatstone ou comme deux demi-

ponts.

La figure 5 montre un autre exemple de réalisa-

tion d'un composant magnétosensible 30 pour un pont de

Wheatstone 21 comme celui de la figure 6. Le mode de réalisa-

tion de la figure 5 se distingue de celui de la figure 4b uniquement en ce qu'à la figure 5, dans une quatrième zone 34, qui correspond à la seconde zone 32 de la figure 4b, on a

appliqué également la première couche partielle 2a.

De manière plus détaillée, selon la figure 5, on applique la première couche partielle 2a sur toute la surface du substrat 10. Puis, on structure la surface du substrat 10 en des zones 31, 34 en forme de bandes, par exemple par un masquage approprié au niveau de la quatrième zone 34 qui est alors suivie par un dépôt de la seconde couche partielle 2b en appliquant simultanément un champ magnétique extérieur H selon la figure 4b pour créer une aimantation orientée m2 dans la première zone 31. Puis, on enlève le masque au niveau

de la quatrième zone.

Pour le reste, la réalisation de la structure stratifiée de la figure 5 est totalement analogue à celle de l'exemple de réalisation décrit à l'aide des figures 4a, 4b, c'est-à-dire qu'à la figure 5, on dépose à la surface de la

couche intermédiaire 3, tout d'abord une première couche par-

tielle 2a d'aimantation douce; cette couche est par exemple en NiFe; puis dans la première zone 31 en forme de bande, on

applique la couche partielle antiferromagnétique 2b par exem-

ple en NiO ou en iridium-manganèse.

On obtient de cette manière que la première cou-

che partielle 2a à aimantation douce s'aligne dans la qua-

trième zone 34 en forme de bande toujours dans la direction

d'un champ magnétique extérieur pour ne pas engendrer de va-

riation de résistance dépendant d'un champ magnétique alors que dans la première zone 31 en forme de bande, à l'aide de la couche partielle antiferromagnétique 2b dans la première

couche partielle 2a, même pour des champs magnétiques exté-

rieurs intenses ou des champs parasites, on a toujours une aimantation qui n'est pratiquement pas influencée et dont la direction est constante; cette aimantation constitue ainsi

une référence fiable.

Globalement, dans la première zone en forme de bande 31, un champ magnétique extérieur modifie la direction de l'aimantation dans la couche de détection 1 produisant un

effet de magnétorésistance; on utilise le fait que la se-

conde couche partielle 2b antiferromagnétique ne possède pas de couple magnétique résultant extérieur, si bien qu'elle ne peut être alignée ou influencée ultérieurement par un champ

magnétique extérieur.

Il apparaît du reste clairement que la succession des couches du composant magnétosensible 30 décrite à l'aide des figures 4a-4c et 5 peut également être inversée. C'est

ainsi qu'il est par exemple possible sans difficulté, de réa-

liser sur le substrat 10 tout d'abord une couche tampon 11, puis sur celle-ci une première couche de référence 2 et le

cas échéant une seconde couche 2'; puis, on applique la cou-

che intermédiaire 3 et ensuite la couche de détection 1.

Le composant magnétosensible 30 peut utiliser à la place de l'effet GMR également l'effet TMR en ce que la couche intermédiaire 3 n'est pas conductrice, mais réalisée en une matière diélectrique notamment A1203. Dans ce cas, le courant I généré par la source de tension extérieure UO ne passe pas dans le plan de la couche intermédiaire 3, mais perpendiculairement à ce plan; la couche intermédiaire 3 constitue une barrière à effet tunnel et le courant tunnel

passe dans la direction d'aimantation de la couche de détec-

tion 1 ou de la première et/ou de la seconde couche de réfé-

rence 2, 2'. De tels circuits sont également connus des spécialistes.

Dans certains cas, il est avantageux que la pre-

mière ou la troisième couches partielles 2a, 2a' des couches

de référence 2 ou 2' d'au moins un système à couches magnéto-

résistantes 20 du composant magnétosensible 30 présentent au moins en surface et au moins par zones une structure qui s'oppose à l'effet de la seconde ou de la quatrième couche partielle 2b, 2b' antiferomagnétique à une variation de la direction d'aimantation m2 de la première ou de la troisième couche partielle 2a, 2a'

Cette mise en structure est de préférence une to-

pographie ondulée ou en dents de scie correspondant au moins très largement à une direction préférentielle uniaxiale au moins largement parallèle à la direction d'aimantation m2 et/ou au moins largement parallèle à la direction d'aimantation m2'

NO M E N C L A T U R E

1 couche de détection 2 première couche de référence 2a première couche partielle 2b seconde couche partielle 2' seconde couche de référence 2a' troisième couche partielle 2b' quatrième couche partielle 3 couche intermédiaire première bande 6 seconde bande substrat 11 couche tampon 12 couche sacrifiée système à couches 21 pont de Wheatstone 22 premier demipont 23 deuxième demi-pont composant magnétosensible 31 première zone 32 seconde zone 33 troisième zone 34 quatrième zone

Claims (21)

R E V E N D I C A T I ON S

1 ) Composant magnétosensible, notamment élément de capteur

ayant au moins deux systèmes à couches (20) magnétorésistan-

tes à effet GMR ou TMR réalisés sur un substrat (10) avec chaque fois au moins une couche de référence (2, 2'), au moins une couche intermédiaire (3) voisine de la couche de référence (2, 2') et au moins une couche de détection (1)

voisine de la couche intermédiaire (3), les systèmes à cou-

ches magnétorésistantes (20) étant branchés comme des résis-

tances de pont (R2, R4) dans un circuit électrique de type pont de Wheatstone (21), caractérisé en ce qu' au moins l'une des couches de référence (2, 2') d'au moins un système à couches magnétorésistantes (20) comprend au moins

une première couche partielle (2a, 2a') et au moins une se-

conde couche partielle (2b, 2b'), la première couche par-

tielle (2a, 2a') ayant une aimantation (m2) et la seconde

couche partielle étant une couche partielle antiferromagnéti-

que (2b, 2b').

2 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le branchement électrique correspond à un montage en pont pour deux demi-ponts (22, 23) ayant chaque fois au moins un

système à couches magnétorésistantes (20).

3 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que - le branchement électrique comprend au moins un montage en

pont (21) avec quatre systèmes à couches magnétorésistan-

tes (20) comme résistances de pont (R1, R2, R3, R4), et/ou

- le montage électrique comporte au moins un pont de Wheats-

tone (21) avec deux demi-ponts (22, 23) ayant chaque fois

un système à couches magnétorésistantes (20) comme résis-

tances de pont (R2, R4) et chaque fois une résistance (R5,

R6) indépendante d'un champ magnétique extérieur.

4 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les systèmes à couches magnétorésistantes (20) sont branchés pour qu'une tension de sortie de pont (UB) modifiable par un champ magnétique extérieur, au moins dans une zone comprise entre -40 C et plus 150 C, soit très largement indépendante de la température et/ou au moins très largement indépendante

de la dérive.

) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que

pour au moins un système à couches (20), la couche de détec-

tion (1) est prévue sur un substrat (10) notamment muni d'une couche tampon (11) et la couche de détection (1) porte la couche intermédiaire (3) et celle-ci les couches de référence

(2, 2').

6 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour au moins un système à couches magnétorésistantes (20), les couches de référence (2, 2') sont prévues sur un substrat (10) notamment muni d'une couche tampon (11) et

sur les couches de référence (2, 2'), on a la couche intermé-

diaire (3) et sur celle-ci la couche de détection (1).

7 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que

les couches de détection (1) des systèmes à couches magnéto-

sensibles (20) ont chaque fois une première aimantation (m1) au moins dans la zone de leur surface tournée vers la couche

intermédiaire (3).

8 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour au moins un système à couches magnétorésistantes (20),

la direction d'aimantation (m2) de la première couche par-

tielle (2a, 2a') est au moins largement parallèle au plan de la première couche partielle (2a, 2a'), et la direction de la première aimantation (m1) de la couche de détection (1) est

au moins très largement parallèle au plan de la couche de dé-

tection (1).

9 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour au moins un système à couches magnétorésistantes (20),

la direction de l'aimantation (m2) de la première couche par-

tielle (2a, 2a') est très largement invariable même sous

l'effet d'un champ magnétique extérieur intense et/ou notam-

ment dirigé de manière quelconque.

) Composant magnétosensible selon la revendication 7, caractérisé en ce que pour au moins un système à couches magnétorésistantes (20), la direction de l'aimantation (ml) de la couche de détection

(1) est variable sous l'influence d'un champ magnétique exté-

rieur et se règle toujours de façon à être au moins largement

parallèle à une composante du champ magnétique extérieur, pa-

rallèle au plan de la couche de détection (1) à l'endroit du

système à couches magnétorésistantes respectif (20).

11 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'

- au moins une couche intermédiaire (3) d'un système à cou-

ches magnétorésistantes (20) est en une matière électrique conductrice, notamment en un métal amagnétique et/ou

- au moins une couche intermédiaire (3) d'un système à cou-

ches magnétorésistantes (20) correspond à une matière di-

électrique notamment A1203.

12 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une couche de détection (1) d'au moins un système à couches magnétorésistantes (20) présente au moins par zones

une matière à aimantation douce notamment NiFe ou FeCo.

13 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une première couche partielle (2a, 2a') possède au moins par zones, une matière à aimantation douce, notamment du cobalt à alignement d'aimantation homogène, ou une matière

à aimantation relativement douce notamment NiFe ou FeCo.

14 ) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'

au moins une seconde couche partielle (2b, 2b') est en ma-

tière antiferromagnétique notamment NiO, IrMn, MnFe ou PtMn.

) Composant magnétosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (10) est un substrat de silicium ou de silicium à oxydation thermique, notamment une plaquette ou une puce, et

le composant magnétosensible (30) est intégré de manière mo-

nolithique dans le substrat (10).

16 ) Composant magnétosensible selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la couche tampon (11) est une couche de tantale ou une couche

de NiFe.

17 ) Composant magnétosensible selon au moins l'une quelcon-

que des revendications précédentes,

caractérisé en ce que la seconde couche partielle (2b, 2b') induit dans la première

couche partielle (2a, 2a') une aimantation au moins en sur-

face.

18 ) Composant magnétosensible selon l'une quelconque des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que

le composant magnétosensible (30) comprend au moins deux sys-

tèmes à couches magnétorésistantes (20), l'aimantation (m2)

d'au moins une première couche partielle (2a, 2a') d'un sys-

tème à couches (20) étant dirigée de manière au moins ap-

proximativement opposée à l'aimantation (m2) d'au moins une couche partielle (2a, 2a') d'un autre système de couches (20).

19 ) Composant magnétosensible selon l'une quelconque des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que

le composant magnétosensible (30) comporte au moins deux sys-

tèmes à couches magnétorésistantes (20), l'aimantation (m2)

d'au moins une première couche partielle (2a, 2a') d'un sys-

tème de couches (20) étant au moins approximativement perpen-

diculaire à l'aimantation (m2) d'au moins une couche

partielle (2a, 2a') d'un autre système à couches (20).

) Composant magnétosensible selon l'une quelconque des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que - le substrat (10) est subdivisé en au moins deux zones (31, 32, 33, 34) en forme de bandes, deux zones (31, 33) voisines ayant au moins une couche de référence (2, 2') avec des directions d'aimantation (m2,

m2') dirigées de façon différente, notamment au moins sen-

siblement opposées ou tournées de 90 , les directions d'aimantation (m2, m2') étant pratiquement invariable sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, ou - parmi les deux zones (31, 32) voisines, l'une est une zone sans couche de référence (32), une zone avec une couche de référence amagnétique ou une zone (34) avec une couche de référence à aimantation douce (2a), dont la direction

d'aimantation peut être alignée au moins d'une manière as-

sez parallèle à un champ magnétique extérieur, et l'autre est une zone (31) avec au moins une couche de référence (2, 2') à aimantation (m2) pratiquement invariable sous

l'effet d'un champ magnétique extérieur.

21 ) Composant magnétosensible selon la revendication 20, caractérisé en ce que

le composant magnétosensible (30) comprend au moins deux sys-

tèmes à couches magnétorésistantes (20) avec au moins deux zones (31, 33) à couches de référence (2, 2') à aimantation

dirigées différemment (m2, m2'), au moins pratiquement inva-

riables sous l'effet d'un champ magnétique extérieur.

22 ) Composant magnétosensible selon la revendication 20, caractérisé en ce que - le composant magnétosensible (30) comporte au moins un système à couches magnétorésistantes (20) dans une zone

(31, 33) avec une aimantation (m2) d'une couche de réfé-

rence (2, 2'), pratiquement invariable sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, et - le composant magnétosensible (30) comporte au moins un système à couches magnétorésistantes (20) dans une zone sans couche de référence (32), une zone avec une couche de référence amagnétique ou une zone (34) avec une couche de référence à aimantation douce (2a) dont la direction d'aimantation peut être alignée au moins d'une manière

très largement parallèle à un champ magnétique extérieur.

23 ) Composant magnétosensible selon au moins l'une quelcon-

que des revendications précédentes,

caractérisé en ce qu' au moins la première couche partielle (2a, 2a') de la couche

de référence (2, 2') d'au moins un système à couches magnéto-

résistantes (20) comporte une structure de surfaces ou une structure au moins par zones pour que la structure s'oppose à

une variation de la direction d'aimantation (m2) de la pre-

mière couche partielle (2a, 2a').

24 ) Composant magnétosensible selon la revendication 23, caractérisé en ce que la structure correspond à une topographie ondulée ou en dents

de scie, les structures ayant au moins très largement une di-

rection préférentielle uniaxiale qui est orientée au moins très largement parallèlement à la direction d'aimantation

(m2) de la première couche partielle (2a, 2a').

) Composant magnétosensible selon la revendication 23, caractérisé en ce que la couche de détection (1) et/ou la couche intermédiaire (3) présentent au moins d'un côté une structure, notamment une topographie ondulée qui correspond au moins très largement à la structure de la couche de référence (2, 2').

26 ) Composant magnétosensible selon au moins l'un des reven-

dications précédentes, caractérisé par au moins un système à couches magnétorésistantes (20) ayant

sous l'influence d'un champ magnétique extérieur une varia-

tion de la résistance électrique de la couche intermédiaire (3), la variation de cette résistance électrique étant une fonction de l'angle entre l'aimantation (m2) de la première couche partielle (2a, 2a') et l'aimantation (m1) de la couche de détection (1), et la résistance électrique de la couche intermédiaire (3) étant la résistance électrique qui peut se

mesurer pour un courant électrique parallèle ou perpendicu-

laire au plan de la couche intermédiaire (3).