FR2931011A1

FR2931011A1 - Element magnetique a ecriture assistee thermiquement

Info

Publication number: FR2931011A1
Application number: FR0852996A
Authority: FR
Inventors: Bernard Dieny
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2009-11-13
Anticipated expiration: 2028-05-06
Also published as: US8208295B2; EP2281289A1; JP2011521391A; CN102017005A; EP2281289B1; US20110044099A1; WO2009136313A1; FR2931011B1

Abstract

Cet élément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement, comprend un empilement constitué de :. une couche magnétique libre, également dénommée couche de stockage ou couche d'aimantation commutable (51), dont la direction d'aimantation est commutable entre deux états stables hors écriture, toutes deux dirigées sensiblement perpendiculairement au plan de ladite couche, et dont l'aimantation se réoriente spontanément de sensiblement perpendiculaire au plan à sensiblement dans le plan sous l'effet de l'élévation de température pendant l'écriture ;. au moins une couche magnétique de référence (50), dite couche piégée, dont l'aimantation est orientée sensiblement perpendiculairement au plan de ladite couche ;. un espaceur non magnétique (52) interposé entre les deux couches ;. des moyens pour faire circuler un courant électrique perpendiculairement au plan desdites couches.

Description

ELEMENT MAGNETIQUE A ECRITURE ASSISTEE THERMIQUEMENT DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rattache au domaine des éléments magnétiques intégrant un empilement magnétorésistif comprenant deux couches magnétiques séparées par une barrière tunnel isolante, une couche à chemins de courant confinés, une couche semi-conductrice ou une couche métallique, et notamment une jonction tunnel magnétique, tels que ceux utilisés dans les mémoires magnétiques à accès aléatoire non volatiles, permettant, de manière connue, le stockage, la lecture et l'écriture de données dans les systèmes électroniques. Plus spécifiquement, elle s'applique aux mémoires magnétiques à accès aléatoire, désignées de manière traditionnelle sous l'acronyme MRAIVI, constituées d'un ensemble de points mémoire formés chacun par une jonction tunnel magnétique, également désignée sous l'acronyme JTM. De manière connexe, la présente invention se rattache aussi aux éléments logiques à couches magnétiques dès lors qu'ils utilisent au moins un empilement magnétorésistif comprenant deux couches magnétiques séparées par une barrière tunnel isolante, une couche à chemins de courant confinés, une couche semi-conductrice ou une couche métallique.

Dans ce qui suit, on entend donc par élément magnétique un empilement de couches magnétiques comportant au moins une couche piégée également dénommée couche de référence, une couche libre également dénommée couche de stockage, et entre celles-ci une couche isolante ou semi-conductrice ou à chemins de courant confinés. La définition de la notion de couche piégée et de couche libre apparaîtra de manière plus précise dans la suite de la présente description.

ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE

Les mémoires magnétiques MRAM ont connu un regain d'intérêt avec la mise au point des jonctions tunnel magnétiques (JTM) présentant une résistance compatible avec l'utilisation de composants CMOS et une forte magnétorésistance à température ambiante.

De telles mémoires magnétiques à jonction tunnel magnétique ont par exemple été décrites dans le document US-A-5 640 343. Dans leurs formes les plus simples, elles sont composées de deux couches magnétiques de coercitivités différentes, séparées par une couche mince isolante. Lorsque les aimantations des couches respectives de stockage et de référence, constituant les deux couches magnétiques précitées situées de part et d'autre de la barrière tunnel, sont anti-parallèles, la résistance de la jonction tunnel magnétique est élevée. A l'inverse, lorsque les aimantations sont parallèles, cette résistance devient faible.

De manière préférentielle, ces deux couches magnétiques sont réalisées à base de métaux 3d (Fe, Co, Ni) et leurs alliages (susceptibles de contenir du bore ou du zirconium de telle sorte à rendre amorphe la structure desdites couches et d'aplanir leurs interfaces), et la couche isolante est traditionnellement constituée d'alumine amorphe (AlOX) ou d'oxyde de magnésium cristallin (MgO). Avantageusement, la couche de référence, également dénommée couche piégée , peut elle-même être constituée d'un empilement de plusieurs couches, tel que par exemple décrit dans le document US-5 583 725 et ce, afin de constituer une couche dite antiferromagnétique synthétique (SAF). De même, il est possible de remplacer pour chacun des points mémoire la jonction tunnel magnétique unique par une double jonction tunnel magnétique, tel que par exemple décrit dans la publication Y. SAITO & al, Journal of Magnetisum and Magnetic Materials , Volume 223, 2001, page 293. Dans ce cas, la couche de stockage est interposée entre deux couches isolantes, la structure comportant deux couches de référence positionnées sur les faces opposées auxdites couches isolantes respectives.

L'architecture la plus classique dite "FIMS", acronyme de l'expression anglo-saxonne Field Induced Magnetic Switching , c'est-à-dire le renversement de l'aimantation par un champ magnétique induit, est celle décrite dans le document US-A-6 021 065 et dans la publication "Journal of Applied Physics" vol. 81, 1997, page 3758 et représentée sur la figure 1.

Comme on peut l'observer au sein de la figure 1 illustrant l'état antérieur de la technique, chaque élément mémoire ou point mémoire 10 est constitué de l'association d'un transistor de technologie CMOS 12 et d'une jonction tunnel magnétique JTM 11. Ladite jonction tunnel 11 comporte au moins une couche magnétique 20, appelée couche de stockage ou couche libre , une fine couche isolante 21, et une couche magnétique 22 dite "couche piégée", également dénommée couche de référence.

Le fonctionnement de ces mémoires magnétiques à points mémoire, constitués chacun d'une jonction tunnel magnétique, consiste, pour l'écriture, à générer un champ magnétique impulsionnel créé par des lignes de courant ou conducteurs associés à chacun desdits points magnétiques.

Ainsi, et dans le cadre de l'architecture FIMS, on observe trois niveaux de ligne de courant. Dans la figure 1, les deux niveaux de ligne 14 (Word line) et 15 (Bit line), généralement disposés à 90° l'un de l'autre, sont destinés à générer des impulsions de champ magnétique permettant la commutation de l'aimantation de la couche libre 20 lors du processus d'écriture. Ces impulsions de champ magnétique sont produites en faisant circuler dans les lignes de courant 14 et 15, des impulsions électriques courtes, typiquement 2 à 5 nanosecondes, et d'intensité de l'ordre de plusieurs milliampères. L'intensité de ces impulsions et leur synchronisation sont ajustées, de sorte que seule l'aimantation du point mémoire situé à la croisée de ces deux lignes de courant soit susceptible de commuter.

Un niveau de ligne de courant additionnel 16, également dénommé "Control fine" est destiné à commander l'ouverture ou la fermeture du canal des transistors de sélection ou de commutation 12 associé à chaque point mémoire, afin de pouvoir adresser chaque élément mémoire individuellement. En d'autres termes, les transistors 12 CMOS sont utilisés comme des interrupteurs.

En mode écriture du point mémoire considéré, le transistor 12 sélectionné est en mode bloqué ou OFF , aucun courant ne traverse donc le transistor. On envoie une impulsion de courant I dans les deux lignes de courant 14 et 15 correspondant au point mémoire 10 sélectionné. L'amplitude de l'impulsion de courant I est telle que le champ magnétique créé n'est pas suffisant pour faire basculer les points mémoire sur les lignes 14 ou 15, sauf à l'intersection des lignes 14 et 15 où la contribution conjointe des deux lignes est suffisante pour générer un champ magnétique également suffisant, susceptible de faire basculer l'aimantation de la couche 20 du point mémoire considéré. En mode lecture, le transistor 12 est en mode saturé ou ON par l'envoi d'une impulsion de tension dans la grille dudit transistor à travers la ligne de commande 16. Un courant de mesure est ensuite envoyé dans la ligne de courant 14 qui ne peut traverser que le seul point mémoire dont le transistor 12 est placé en mode saturé ou ON . Par ce courant, on effectue une mesure de la résistance de la jonction tunnel magnétique 11 dudit point mémoire 10 sélectionné. De la valeur de cette résistance, on déduit l'état correspondant du point mémoire 10 0 (pour une configuration à aimantation parallèle de faible résistance) ou 1 (pour une configuration d'aimantation anti-parallèle de résistance élevée).

On aura compris à la lumière de ce qui précède que l'intensité des impulsions traversant les lignes de courant 14 et 15 et leur synchronisation sont ajustées de telle sorte que seule l'aimantation du point mémoire se trouvant à l'intersection de ces deux lignes de courant (point sélectionné) peut commuter sous l'effet du champ magnétique généré par les deux conducteurs. Les autres points mémoire situés sur la même ligne ou sur la même colonne (points demi-sélectionnés) ne sont de fait assujettis qu'au champ magnétique d'un seul des conducteurs 14, 15, et en conséquence ne se retournent pas.

De par le mécanisme d'écriture de ces points mémoire, on est à même de comprendre les limites de cette architecture.

Dans la mesure où l'écriture est assurée par un champ magnétique extérieur, elle est assujettie à la valeur du champ de retournement individuel de chaque point mémoire. Comme la fonction de distribution des champs de retournement pour l'ensemble des points mémoire est large (en effet, cette distribution est large en raison des imperfections de fabrication notamment au niveau de la gravure des points mémoire et des fluctuations statistiques intrinsèques liées aux fluctuations thermiques), il est nécessaire que le champ magnétique sur le point mémoire sélectionné soit supérieur au champ de retournement le plus élevé de la distribution, au risque de renverser accidentellement certains points mémoire situés sur la ligne ou sur la colonne correspondante, où le champ de retournement situé dans la partie basse de la distribution est plus faible que le champ magnétique généré par la ligne ou la colonne seule. Au surplus, la consommation électrique de la mémoire mettant en oeuvre un tel champ magnétique extérieur sera d'autant plus importante que la distribution du champ de retournement sera large.

De plus, attendu qu'en général, la valeur moyenne du champ de retournement augmente lorsque la taille des points mémoire diminue, ce que l'on cherche à réaliser pour des raisons d'encombrement, un courant d'autant plus important est attendu dans les générations de produits futurs. En conséquence, la puissance électrique requise pour le fonctionnement de ces mémoires sera d'autant plus grande que l'intégration sera poussée.

Un autre inconvénient de ces mémoires de l'état de l'art concerne la stabilité de l'aimantation de la couche libre vis-à-vis des fluctuations thermiques lorsque la taille du point mémoire diminue. En effet, la barrière d'énergie à franchir pour faire commuter l'aimantation de cette couche d'une orientation à l'autre est proportionnelle au volume de cette couche. Lorsque le volume diminue, la hauteur de la barrière devient alors comparable à l'agitation thermique. L'information écrite dans la mémoire n'est alors plus conservée. Pour pallier cette difficulté, on est obligé d'augmenter l'anisotropie magnétique de la couche libre en choisissant un matériau de plus forte anisotropie ou en accentuant l'anisotropie de forme du point mémoire, par exemple. Mais ce faisant, le champ magnétique nécessaire à la commutation magnétique augmente, dû à une consommation électrique accrue pour générer le champ nécessaire à la commutation magnétique. Le courant électrique dans la word line et dans la bit line peut même, dans certains cas, excéder le seuil limite imposé par l'électromigration dans ces lignes conductrices (typiquement de l'ordre de 10' A/cm ).

Aussi, afin de surmonter cette difficulté, on a proposé la mise en oeuvre de mémoires magnétiques à accès aléatoire à écriture assistée thermiquement, dénommées selon l'acronyme TAS-MRAIVI, dans laquelle la couche libre ou couche de référence est elle-même piégée par une couche anti-ferromagnétique. Ce perfectionnement est par exemple décrit dans le document US 6 385 082.

Dans cette configuration, au lieu de réaliser la sélectivité à l'écriture du point mémoire en combinant deux impulsions perpendiculaires de champ magnétique, cette sélectivité à l'écriture est réalisée en combinant une élévation de température courte du point mémoire à adresser, réalisée par une impulsion de courant traversant ledit point mémoire considéré, avec soit une impulsion de champ magnétique, soit par transfert de spin réalisé par un courant polarisé en spin à travers la couche de stockage dudit point mémoire.

On a représenté au sein de la figure 2 une telle configuration. Dans celle-ci, la couche libre 40 de la jonction tunnel magnétique 31 est piégée par une couche antiferromagnétique 41. De même que dans le cas des mémoires FIMS, une couche isolante 42 est comprise entre la couche libre magnétique 40 et une couche magnétique 43 dite couche piégée . Selon une version avantageuse, la couche magnétique piégée 43 est couplée à une couche anti-ferromagnétique 44, dont la fonction est de piéger la couche 43 afin que son aimantation ne bascule pas lors de l'écriture.

Là encore, la couche ferromagnétique piégée 43 peut être une couche dite antiferromagnétique synthétique constituée de plusieurs couches, plus précisément de deux couches ferromagnétiques d'aimantation couplées antiparallèlement à travers une couche séparatrice par exemple en ruthénium d'épaisseur 0.6nm à 0.9nm.

Selon cette configuration, la couche anti-ferromagnétique 41 possède une température limite dite de blocage TB au dessus de laquelle le champ magnétique dit d'échange stabilisant qu'elle exerce sur la couche libre 40 n'est plus effectif sur la dite couche libre 40. On sélectionne le matériau constituant la couche anti- ferromagnétique 41 ainsi que son épaisseur, de telle sorte que la température de blocage TB soit supérieure à la température d'utilisation de la mémoire (température de fonctionnement au repos). De la même manière, on sélectionne la température de blocage TB de la couche anti-ferromagnétique 44 adjacente à la couche piégée 43 afin qu'elle soit supérieure et assez éloignée de la température de blocage de la couche anti- ferromagnétique 41.

Ainsi, à une température inférieure à la température de blocage de la couche antiferromagnétique 41, la couche libre 40 est stabilisée par le champ magnétique d'échange, et ainsi elle s'avère très difficile à retourner par la seule application d'un champ magnétique externe ou par transfert de spin réalisé par un courant polarisé en spin à travers la couche libre. A la température de blocage de la couche antiferromagnétique 41 et au-delà, le champ d'échange étant nul, la couche libre 40 devient alors très facile à retourner par l'intermédiaire d'un champ magnétique externe, à condition que ce dernier soit supérieur au champ coercitif de la couche libre 40 à la température donnée, ou par transfert de spin avec une densité de courant polarisé en spin traversant la couche libre suffisamment forte pour provoquer la commutation magnétique. De fait, on choisit pour la couche libre 40 un matériau permettant à cette dernière d'avoir un champ coercitif faible si la commutation est réalisée par un champ magnétique, ou une faible densité de courant critique de commutation si la commutation est faite par transfert de spin.

Cette architecture particulière comporte deux ou trois niveaux de ligne de courant suivant que la commutation est réalisée par transfert de spin ou par champ magnétique. Pour l'écriture par champ magnétique, une ligne de courant 30 dite ligne de champ , est située sous la jonction tunnel magnétique 31 sans cependant être en contact avec cette dernière. Elle est destinée à générer le champ magnétique nécessaire au renversement de l'aimantation de la couche libre de stockage 40, dès lors qu'un courant électrique de plusieurs milliampères la traverse. Cette ligne n'existe pas si la commutation est réalisée par transfert de spin. Une autre ligne de courant 32 dite Bit line , est située au-dessus de la jonction tunnel magnétique 31 du point mémoire considéré et en contact avec celle-ci. Une troisième ligne de courant 33 dite Word fine est en contact avec la grille d'un transistor CMOS 35. De même que pour le FIMS, la ligne 33 commande l'ouverture ou la fermeture du canal des transistors par l'application ou non d'une tension seuil, chacun des transistors fonctionnant en mode interrupteur pour chacun des points mémoire associés. Le canal du transistor 35 est lui-même connecté en série avec la jonction 31 par un ou plusieurs vias 34.

En mode lecture, le transistor CMOS 35, associé au point mémoire à lire, est rendu passant par l'application d'une tension adéquate dans la word fine 33. Un courant de mesure est alors envoyé par la bit fine 32, courant qui ne peut traverser que le seul point mémoire dont le transistor 35 est passant. Par ce courant, on effectue une mesure de la résistance de la jonction tunnel magnétique 31 du point mémoire sélectionné. De la valeur de la résistance, on déduit l'état correspondant du point mémoire 1 ou 0 est ainsi déterminé, l'état 1 correspondant par exemple au maximum de résistance et l'état 0 au minimum.

En mode écriture, le transistor CMOS 35 du point mémoire à écrire est rendu passant par l'application d'une tension adéquate dans la word fine 33. Un courant de chauffage d'une intensité supérieure au courant de mesure est alors envoyé dans le point mémoire à écrire par la bit fine 32. A partir d'une certaine densité de courant, celui-ci induit l'élévation de température de la jonction tunnel magnétique 31 au-dessus de la température de blocage de la couche anti-ferromagnétique 41. Le champ d'échange stabilisant la couche libre 40 devient alors quasiment nul, et l'aimantation de ladite couche libre est alors très mobile. Pour une commutation magnétique par champ magnétique, un courant électrique de plusieurs milliampères est alors envoyé dans la ligne de champ 30 une fois que la température de blocage est atteinte (au bout de quelques nanosecondes). Cette impulsion génère un champ magnétique d'écriture suffisant pour retourner dans le sens souhaité (écriture du bit 1 ou 0 ), l'aimantation de la couche libre 40, qui comme décrit précédemment, est très mobile avec une coercitivité intrinsèque faible. Alors que le courant dans la ligne 30 circule toujours, on coupe le courant de chauffage dans la jonction tunnel magnétique 31 (par coupure du courant dans la bit fine 32 et ouverture du transistor 35). La température globale du point mémoire chute alors très rapidement (quelques nanosecondes) en deçà de la température de blocage de la couche anti-ferromagnétique 41 (à la température de fonctionnement au repos typiquement), l'aimantation de la couche libre 40 étant maintenue pendant ce refroidissement, par le champ magnétique généré par le courant circulant dans la ligne 30. Ceci permet au piégeage de l'aimantation de la couche 40 par la couche antiferromagnétique 41 de se re-établir au cours du refroidissement dans la direction définie par le champ d'écriture. Lorsque la température des couches 40 et 41 devient inférieure à la température de blocage, le courant circulant dans la ligne 30 est alors coupé et le champ magnétique d'écriture devient nul.

l0 Pour une commutation par transfert de spin, on se sert du courant de chauffage à la fois pour chauffer la couche de stockage de la jonction tunnel et pour appliquer un couple de transfert de spin sur l'aimantation de cette couche. Pour faire commuter l'aimantation de la couche de stockage vers l'état parallèle, le flux d'électrons du courant de chauffage doit aller de la couche de référence vers la couche de stockage ce 15 qui signifie que le courant de chauffage doit aller de la couche de stockage vers la couche de référence. Au contraire, pour faire commuter l'aimantation de la couche de stockage vers l'état antiparallèle, il faut que le flux d'électrons du courant de chauffage aille de la couche de stockage vers la couche de référence ce qui signifie que le courant de chauffage doit aller de la couche de référence vers la couche de stockage. 20 De telles mémoires magnétiques à écriture assistée thermiquement présentent un certain nombre d'avantages, parmi lesquels on peut citer : amélioration significative dans la sélectivité à l'écriture du fait que seul le point mémoire à écrire est chauffé ; 25 conservation de l'information écrite dans la mémoire même lorsque le point mémoire est exposé à des champs magnétiques parasites à température ambiante ; amélioration de la stabilité thermique de l'information par la mise en oeuvre de matériaux avec une forte anisotropie magnétique (intrinsèque, et due à la forme du point mémoire ou au champ d'anisotropie d'échange de la couche de stockage), à 30 température ambiante permettant ainsi de réduire de manière significative la taille des cellules des points mémoire sans affecter leur limite de stabilité; réduction de la consommation lors de l'écriture ; possibilité d'obtenir des cellules de stockage multi-niveaux dans certaines circonstances. 35 Il a été également montré que la même technologie pouvait être utilisée pour réaliser des éléments logiques tels que des portes logiques reprogrammables (voir par exemple la publication Evaluation of a non-volatile FPGA based on MRAM technology de Zhao-W; Belhaire-E; Javerliac-V; Chappert-C; Dieny-B, Proceedings.-2006- International-Conference-on-Integrated-Circuit-Design-and-Technology. 2006: 4 pp, IEEE, Piscataway, NJ, USA). Ces éléments logiques combinent aussi des composants semi-conducteurs en technologie CMOS avec des jonctions tunnels magnétiques comme sus-décrites. Contrairement aux mémoires dont le but est de stocker l'information, ces éléments logiques servent à traiter ces informations et à effectuer des opérations logiques sur ces informations. Souvent, les jonctions tunnel magnétiques sont utilisées dans ces éléments comme des résistances variables permettant de changer les seuils de commutation des circuits CMOS.

Les approches d'écriture assistée thermiquement décrites ont cependant des défauts.

Lorsque la commutation magnétique est réalisée par champ magnétique, bien que plus faible que dans l'approche classique, le champ magnétique d'écriture nécessite pour être généré l'envoi dans la ligne conductrice située au dessus du point mémoire d'une impulsion de courant typiquement de 2 à 4mA. L'utilisation d'éléments mémoires de section transversale proche du cercle permet de minimiser le champ magnétique d'écriture en minimisant l'anisotropie de forme de l'élément. Toutefois, tout écart par rapport à une section circulaire, par exemple lié à des défauts de gravure, est susceptible d'induire une anisotropie de forme de quelques mT nécessitant d'augmenter le champ d'écriture. A nouveau, lorsque la section des lignes conductrices est réduite pour augmenter la densité des mémoires ou circuits logiques, on se heurte au problème de limite d'électromigration dans la ligne conductrice.

Par ailleurs, lorsque la commutation magnétique s'effectue par transfert de spin, les densités de courant requises sont élevées, typiquement de l'ordre de quelques 106A/cm' ce qui soumet la barrière tunnel à un stress électrique important. On cherche donc à réduire cette densité de courant critique d'écriture par transfert de spin.

L'objet de la présente invention concerne autant les MRAMs à écriture assistée thermiquement que ces éléments logiques dans lesquelles les configurations magnétiques des jonctions tunnel sont modifiées par écriture par champ assistée thermiquement ou par transfert de spin assistée thermiquement.

Un premier objet de la présente invention est de proposer l'utilisation de matériaux pour la couche de stockage et de référence de la jonction tunnel, qui présentent une aimantation hors du plan. On induit la réorientation de l'aimantation de la couche de stockage spontanément de hors du plan à dans le plan sous l'effet de l'augmentation de température provoquée par la circulation d'un courant de chauffage à travers la jonction. On applique alors un faible champ magnétique vers le haut ou vers le bas au moins pendant la phase initiale du refroidissement de la couche de stockage afin de légèrement tirer l'aimantation de cette couche vers l'hémisphère du haut ou vers l'hémisphère du bas au moins pendant la phase initiale de réorientation de l'aimantation de planaire à hors du plan. Le faible champ appliqué permet de sélectionner l'hémisphère vers le haut ou vers le bas mais c'est ensuite la réorientation d'anisotropie qui permet de finir d'orienter l'aimantation de la couche de stockage suivant la normale au plan, vers le haut ou vers le bas .

L'approche proposée permet ainsi de rendre maximum le couple magnétique exercé par le champ magnétique sur l'aimantation de la couche de stockage lors de son application puisque lorsque l'aimantation de la couche de stockage est dans le plan, le champ est appliqué à 90° de la direction de l'aimantation (donc couple maximum permettant de réduire l'amplitude du champ à appliquer). Par ailleurs, cette configuration permet de minimiser les distributions de champ de retournement lié à des fluctuations de forme des différents éléments mémoires que l'on peut rencontrer avec les matériaux à aimantation planaire.

La lecture est effectuée à une densité de courant inférieure à l'écriture, de sorte que 25 l'échauffement est insuffisant pour provoquer le basculement d'aimantation de la couche de stockage.

De plus, pour pallier au problème de devoir appliquer un champ magnétique lors de l'écriture, il a été proposé de combiner l'échauffement de la jonction tunnel magnétique 30 avec l'action exercée par le courant polarisé en spin qui entre dans la couche de stockage de la jonction tunnel (voir par exemple FR 2 832 542). En effet il avait été prédit théoriquement par JC.Slonczewski et L.Berger (Journ.magn.Magn.Mater.159, L1 (1996) et Phys.Rev.B.54, 9353 (1996)) et observé expérimentalement quelques années plus tard par J.Katine et al (Phys.Rev.Lett.84, 3149 (2000)) que lorsqu'un 35 courant polarisé en spin est injecté dans une nanostructure magnétique, ce courant exerce un couple sur l'aimantation de la nanostructure, appelé couple de transfert de spin ( spin transfer torque ou spin-torque en anglais), qui peut permettre d'agir sur l'aimantation de la nanostructure et en particulier de la réorienter dans une direction souhaitée. Ce phénomène de transfert de spin peut donc être utilisé comme un nouveau moyen d'écriture de l'information dans des dispositifs MRAMs ou composants logiques. JC.Slonczewski a montré que ce couple de transfert de spin a la forme d'un nouveau terme dans l'équation de Landau Lifshitz Gilbert qui régit la dynamique d'aimantation dans les systèmes magnétiques. Ce nouveau terme s'écrit F=aj MA(MAP) dans lequel le prefacteur aj est proportionnel à la densité de courant traversant la nanostructure et à la polarisation de ce courant, M est le vecteur représentant l'aimantation de la nanostructure traversée par le courant polarisée en spin, P est la direction de polarisation du courant. Ce qui est particulièrement intéressant avec le transfert de spin comme moyen d'écriture de l'information, c'est que comme le préfacteur du terme de transfert de spin est proportionnel à la densité de courant traversant la nanostructure, c'est donc la densité de courant qui va déterminer le seuil de commutation de l'aimantation de la nanostructure magnétique et non le courant total comme dans les approches d'écriture par champ magnétique. Par exemple, pour une nanostructure magnétique plane d'épaisseur d, de dimension suffisamment petite (typiquement inférieure à 100nm) pour pouvoir être traitée en approximation macrospin, il a été montré que l'aimantation de la nanostructure peut commuter sous l'influence d'un courant polarisé en spin traversant cette nanostructure perpendiculairement à son plan, lorsque le préfacteur du terme de transfert de spin atteint la valeur (a, ),rit = a (2iMs + HK ) + aH,t a 21Ms où a est la constante d'amortissement de Gilbert, Ms est l'aimantation spontanée de la nanostructure, HK est le champ d'anisotropie. Cette valeur critique du préfacteur aj détermine la valeur critique de la densité de ce courant provoquant la commutation magnétique sachant que les deux grandeurs sont reliées par : (a,) = ù g B 1 P où gù2 est le facteur de 2Msde Landé, B le magnéton de Bohr, e la charge de l'électron, P la polarisation du courant et J la densité de courant (Sun, Phys.Rev.B 62, 570 (2000)). De ce fait, lorsque la dimension latérale de l'élément mémoire ou composant logique est réduite, le courant nécessaire diminue aussi en fonction de la section de l'élément (courant = densité de courant*section). Ainsi cette approche d'écriture par transfert de spin offre de bien meilleures perspectives d'évolution des caractéristiques des dispositifs mémoires ou logiques mettant en oeuvre ces éléments que pour une écriture impliquant des impulsions de champ magnétique générées par des impulsions de courant électrique dans des lignes conductrices.

Toutefois, utiliser seulement l'effet de transfert de spin lors de l'écriture pose le problème de la stabilité thermique de l'élément magnétique aux toutes petites dimensions. En effet, pour une nanostructure de volume V possédant une anisotropie uniaxiale par unité de volume K (liée à la forme de la nanoparticule et/ou à une anisotropie magnétocristalline ou induite par des contraintes), la barrière d'énergie séparant les deux états stables d'aimantation du système est KV. Il est bien connu de l'homme de l'art que si les fluctuations thermiques données par KBT représentent une fraction significative de KV, alors l'aimantation de la nanostructure devient instable vis-à-vis des fluctuations thermiques de sorte que la nanostructure ne peut plus conserver l'information inscrite dans l'orientation de son aimantation. C'est ce qui est bien connu sous le nom de limite superparamagnétique . Augmenter le rapport de forme de la nanostructure excessivement (en lui donnant par exemple une forme elliptique avec un rapport de forme grand axe/petit axe au-delà de 2) ne permet pas de résoudre le problème car le retournement de l'aimantation se fait alors par nucléation propagation de paroi et non plus par retournement cohérent. La hauteur de barrière n'augmente alors quasiment plus avec le rapport de forme de la particule.

Pour contourner ce problème, il est intéressant de combiner l'écriture par transfert de spin avec l'écriture assistée thermiquement. Grace au même courant traversant la structure, on peut à la fois échauffer la nanostructure et exercer le couple sur l'aimantation qui provoque la commutation de cette dernière. L'échauffement permet juste au moment de l'écriture d'abaisser la barrière nécessaire au retournement d'aimantation tout en conservant une hauteur de barrière importante hors écriture et donc une bonne stabilité thermique.

Ainsi, un second objet de la présente invention est de proposer une façon optimale de mettre en oeuvre cette combinaison d'écriture assistée thermiquement et de commutation par transfert de spin. Elle repose aussi sur l'utilisation de matériaux à aimantation hors du plan, dont l'anisotropie bascule de hors du plan à planaire sous l'effet de l'échauffement au moment de l'écriture. Toutefois, la polarisation en spin générant le couple de transfert de spin exercé sur l'aimantation de la nanostructure est et reste hors du plan de la nanostructure à toutes les températures de fonctionnement du dispositif. Ainsi la polarisation du courant est perpendiculaire à la direction de l'aimantation de la couche de stockage au moment le plus crucial du processus d'écriture (c'est-à-dire autour de la température maximale atteinte par l'élément magnétique pendant l'écriture) ce qui permet de maximiser l'efficacité du transfert de spin et ainsi de minimiser la densité de courant requise pour l'écriture. En effet, ce dernier varie approximativement comme le sinus de l'angle entre la direction de polarisation du courant et l'aimantation de la nanostructure, en particulier dans le cas de jonctions tunnels magnétiques.

La lecture est effectuée à une densité de courant inférieure à l'écriture de sorte que l'échauffement et/ou le transfert de spin exercés sur la nanostructure sont insuffisants pour en provoquer la commutation d'aimantation.

PRINCIPE GENERAL DE L'INVENTION 10 Ainsi, l'invention vise un élément magnétique à écriture par champ ou par transfert de spin assistée thermiquement comprenant : • une couche magnétique libre, également dénommée couche de stockage ou couche d'aimantation commutable, dont la direction d'aimantation est 15 commutable entre deux états stables hors écriture, toutes deux dirigées sensiblement perpendiculairement au plan de ladite couche ; • une couche magnétique de référence, dite couche piégée, dont l'aimantation est orientée sensiblement perpendiculairement au plan de ladite couche ; • un espaceur non magnétique interposé entre les deux couches ; 20 • des moyens pour faire circuler un courant électrique sensiblement perpendiculairement au plan desdites couches.

Selon l'invention, la commutation de l'aimantation de la couche libre fait intervenir une réorientation spontanée de l'aimantation de sensiblement perpendiculaire au plan à 25 sensiblement dans le plan induite par une élévation de température produite par un courant électrique traversant l'élément magnétique pat le biais desdits moyens. Le basculement de l'aimantation de ladite couche dans l'un ou l'autre des deux états stables résulte de l'application d'un champ magnétique dirigé hors du plan de la couche, ou en utilisant l'effet de spin transfert induit par la circulation dans la couche 30 magnétique d'un courant polarisé en spin dans la direction sensiblement hors du plan.

En d'autres termes, l'élément mémoire ou logique comprend une couche magnétique dite de stockage d'aimantation réorientable ayant deux états stables d'aimantation hors écriture (en standby). L'information binaire est codée par l'orientation de l'aimantation 35 suivant l'un ou l'autre de ces états. Cette couche est insérée dans un empilement de couches comprenant des moyens pour faire circuler un courant électrique sensiblement perpendiculairement au plan de la couche magnétique. L'empilement est tel que les deux états magnétiques stables sont caractérisés par deux valeurs différentes de résistance électrique de la structure. L'empilement peut être une jonction tunnel magnétique, ou une structure métallique ou à chemins de courant confinés, à magnétorésistance géante, ou une structure dite filtre à spin comprenant une barrière d'oxyde magnétique.

Hors écriture (en standby), l'aimantation de la couche magnétique est sensiblement orientée perpendiculairement au plan de la couche sous l'effet d'une anisotropie perpendiculaire qui peut être d'origine interfaciale ou volumique. Les phénomènes d'anisotropie perpendiculaire dans les couches minces ont été décrits par exemple dans l'article de Den Broeder et al, Journ.Magn.Magn.Mater.93 , 562 (1991).

D'une façon générale, les couches minces magnétiques ont tendance à avoir leur aimantation dans le plan des couches du fait de l'anisotropie de forme des couches minces. Ceci leur permet de minimiser leur énergie magnétostatique. Cette anisotropie de forme conduit à un terme d'énergie par unité de volume de la couche magnétique de la forme (en CGS) K forme = 2iMs (n.M~2 où n est un vecteur unitaire normal au plan de la couche, M est un vecteur unitaire parallèle à l'aimantation de la couche dont Ms est l'aimantation spontanée. Néanmoins, certaines couches minces ou multicouches magnétiques présentent une orientation d'aimantation perpendiculaire au plan de la couche. Ceci est dû à la présence d'une anisotropie hors du plan supérieure à l'anisotropie de forme. Cette anisotropie supplémentaire peut être d'origine volumique ou interfaciale.

Elle peut être d'origine magnétocristalline comme par exemple dans le cobalt de structure hexagonale. L'axe c de la maille hexagonale du cobalt constitue un axe facile d'orientation de l'aimantation du cobalt. Si cet axe c de la maille hexagonale correspond à la direction de croissance (c'est-à-dire perpendiculaire au plan de la couche), alors l'aimantation de la couche de cobalt peut être orientée selon la normale au plan de la couche.

L'anisotropie perpendiculaire peut aussi être liée à des contraintes générées lors de la croissance des couches. Ces contraintes combinées aux effets magnéto-élastiques dans la couche magnétique peuvent générer une anisotropie perpendiculaire.35 L'anisotropie perpendiculaire peut également être causée par des effets de structures électroniques interfaciaux, en particulier des effets d'hybridation d'orbitales atomiques combinés avec le couplage spin-orbite. Parmi les matériaux bien connus présentant une anisotropie hors du plan, on peut citer les multicouches (Pt/Co), (Pd/Co), (Au/Co) (Den Broeder et al, Journ.Magn.Magn.Mater.93, 562 (1991)), (Pt/Co/Pt/Ni) (G.Srinivas et al, Thin Solid Films 301, 211 (1997)), Fe/Cu(100) (R.Allenspach, Phys.Rev.Lett, 69, 3385 (1992)), (Co/Ni) (Daalderop et al, Phys.Rev.Lett.68, 682 (1992)) et également les alliages Terres-Rares/Métaux de transition comme GdCo, TbCo, TbFe...

Ces termes d'anisotropie supplémentaires peuvent s'exprimer sous la forme d'une anisotropie perpendiculaire par unité de volume de la couche magnétique K = ù(K + Ksurf)(n.Moù K regroupe toutes les contributions và perp vol vol volumiques cette anisotropie, et Kurf les contributions surfaciques ou interfaciales, d étant l'épaisseur de la couche magnétique. Des termes d'ordre supérieurs en (nie peuvent exister (d'ordre 4, 6...) mais ne sont pas considérés par souci de simplification, ceci est bien connu de l'homme du métier et ne change pas le fond de la discussion et de l'invention.

Or, il a été montré par différents auteurs que lorsque la température de la couche magnétique augmente, son anisotropie magnétique décroit relativement rapidement, K (T) [ms (T) s typiquement comme le cube de l'aimantation : per = s Kperp (0) Ms (0) Pour les termes d'anisotropie d'ordre supérieur, la décroissance est même beaucoup 25 plus rapide (typiquement puissance 10 pour le terme d'ordre 4). Tout ceci est décrit par exemple dans l'article de R.J.Jensen et al, Phys.Rev.B.42, 849 (1990). Ainsi l'anisotropie de forme décroit moins vite en température (puissance 2 de Ms) que l'anisotropie perpendiculaire (puissance 3 de Ms voire plus). De ce fait, lorsque la 30 température augmente au-delà d'une certaine température critique, l'anisotropie de forme (planaire) devient prépondérante sur l'anisotropie perpendiculaire, de sorte que l'aimantation de la couche bascule de hors du plan en dessous de cette température critique à dans le plan, au dessus de cette température critique. 5 10 Cette réorientation d'anisotropie est également favorisée pour des raisons entropiques : il y a beaucoup plus d'états disponibles d'orientation d'aimantation dans le plan que hors du plan. Ces réorientations d'anisotropie sont discutées dans l'article de R.J.Jensen et al, Phys.Rev.B.42, 849 (1990).

Du point de vue expérimental, ces réorientations d'anisotropie de perpendiculaire à planaire en fonction de la température ont été observées par différents groupes (par exemple R.Allenspach et al, Phys.Rev.Lett.69, 3385 (1992) ; D.P.Pappas et al, Phys.Rev.Lett.64, 3179 (1990)).

La variation d'aimantation sous champ perpendiculaire est réversible sur toute la gamme de champ appliqué hors du plan.

L'invention consiste à tirer partie de ce basculement d'anisotropie induit par la 15 température en combinant ce basculement d'anisotropie avec 1) soit l'application d'un champ magnétique hors du plan (premier mode de réalisation), 2) soit en utilisant l'effet de spin transfert induit par la circulation dans la couche magnétique d'un courant polarisé en spin dans la direction hors du plan.

20 Quel que soit le mode d'écriture, l'empilement dans lequel est inséré la couche magnétique de stockage est tel que la circulation du courant électrique à travers l'empilement provoque lors de l'écriture un échauffement de ladite couche magnétique de typiquement 100 à 200°C comme dans les mémoires à écriture assistée thermiquement (Cf. par exemple FR2 832 542). 25 L'empilement selon l'invention est tel que cet échauffement, lors de l'écriture, est suffisant pour faire basculer l'aimantation de la couche magnétique de stockage de sensiblement hors du plan à densité de courant faible (en standby (courant nul) ou en lecture (courant de lecture inférieur d'un facteur environ 2 à 4 au courant d'écriture)) à 30 dans le plan à la densité de courant utilisée pour l'écriture. L'échauffement est réalisé par exemple en insérant la couche magnétique dans une jonction tunnel magnétique, la couche magnétique de stockage constituant l'une des électrodes magnétiques en contact direct avec la barrière tunnel. La dissipation produite par la relaxation en énergie des électrons chauds tunnelant à travers la barrière conduit ainsi à un 35 échauffement de la jonction et en particulier de la couche magnétique adjacente à la barrière. L'échauffement produit par une densité de courant donnée peut être ajusté en jouant sur les épaisseurs des couches, la composition de l'empilement et en particulier l'introduction de barrières thermiques entre la jonction tunnel et les électrodes conductrices qui connectent électriquement le sommet et la base de la jonction tunnel, comme par exemple décrit dans le document WO2005036559. Les densités de courant typiquement nécessaires pour élever la température de jonctions tunnels de produit résistance*surface entre quelques S2. m2 et quelques dizaines d' S2. m2 d'environ AT=100°C à 220°C en quelques nanosecondes sont typiquement de l'ordre de 5.105A.cm2 à 5.106A.cm2.

Par ailleurs, pour ces deux modes de réalisation, il est important de minimiser le champ magnétostatique rayonné par la couche de référence sur la couche de stockage car ce champ rayonné influe aussi sur l'hémisphère dans lequel l'aimantation de la couche de stockage est tirée lors de son refroidissement. Pour minimiser ce champ rayonné, deux méthodes sont possibles : • utiliser une couche piégée antiferromagnétique synthétique : la couche de référence à aimantation hors du plan est couplée antiparallèlement à une couche piégée à aimantation hors du plan, de préférence elle-même piégée par une couche antiferromagnétique (par exemple réalisée en IrMn ou PtMn). Les épaisseurs des couches piégées et de référence peuvent être ajustées en fonction de la composition de l'empilement et de la section de la jonction tunnel pour que le champ rayonné par l'ensemble formé par la couche de référence et la couche piégée soit nul en moyenne sur le volume de la couche de stockage. • il est aussi possible de rajouter de l'autre côté de la couche de stockage par rapport à la couche de référence une autre couche d'aimantation piégée dans le sens opposé à l'aimantation de la couche de référence, de sorte que les champs rayonnés par la couche de référence et cette couche piégée additionnelle se compensent au niveau de la couche de stockage. Cette couche additionnelle doit être séparée de la couche de stockage par une fine couche métallique non-magnétique, par exemple en cuivre, afin qu'il n'y ait pas de couplage directe entre la couche de stockage et cette couche additionnelle.

Ainsi, la couche de stockage selon l'invention peut : • être réalisée en un alliage magnétique (FePt, FePd, CoPt, CoPd) ; • ou être constituée d'une multicouche ou d'une association de multicouches à base 35 de Co, Ni, Fe, Pt, Pd ; • ou être constituée par l'association de deux couches en interaction d'échange, l'une présentant une forte anisotropie hors du plan, l'autre qui aurait une aimantation planaire si elle était seule mais qui par interaction d'échange avec la première a son aimantation tirée sensiblement hors du plan à la température de standby (hors écriture).

Par ailleurs, l'espaceur non magnétique séparant la couche de stockage de la couche de référence est constitué • par une barrière tunnel amorphe (alumine, HfOx, TaOx, TiOx) ou cristallisée (MgO, SrTiO3) • par une couche isolante à chemins de courant confinés (AlCuOx, MgCuOx, HfCuOx, TaCuOx) ; • par une couche semiconductrice (Ge, GaAs) • ou par une couche métallique (Cu, Au).

Selon le premier mode de réalisation de l'invention, on réalise la commutation dans l'un des deux états stables de la couche de stockage résulte, en plus du chauffage de ladite couche, par l'application d'un champ magnétique selon la direction sensiblement normale au plan des couches, sensiblement dans le sens vers le haut ou vers le bas .

Selon le second mode de réalisation de l'invention, on réalise la commutation dans l'un des deux états stables de la couche de stockage résulte, en plus du chauffage de ladite couche, par l'injection d'un courant polarisé en spin de polarisation orientée sensiblement perpendiculairement au plan de la couche de stockage dans ladite couche de stockage.

Par ailleurs, le fait d'utiliser l'assistance thermique permet d'avoir une meilleure stabilité thermique de l'aimantation en standby (hors écriture) car l'anisotropie magnétique hors du plan peut être choisie très forte à la température de standby suivant le principe de l'enregistrement thermomagnétique (HAMR : Heat Assisted Magnetic Recording) bien connu de l'homme de l'art.

Il est aussi intéressant de noter que dans cette géométrie, le champ Ampérien créé par le courant traversant la structure a aussi un effet bénéfique sur la réorientation d'aimantation de hors du plan à planaire induite par la température. En effet, pour un courant circulant perpendiculairement au plan des couches, ce champ ampérien à une 15 symétrie de vortex planaire. Ce champ tend donc aussi à rabattre l'aimantation de la couche de stockage dans le plan lorsque la densité de courant augmente. L'effet du champ ampérien vient donc s'ajouter à celui de la température. Ceci implique que le principe de la présente invention pourrait être appliqué à des éléments de plus gros diamètres (par exemple 150 à 300nm) que dans le cas de structures à aimantation planaire dans lesquelles le champ ampérien a un effet plutôt nuisible.

La présente invention repose donc sur l'effet combiné de réorientations d'aimantation induites par variation de température et une discrimination entre hémisphère haut et hémisphère bas induite soit par l'application d'un champ magnétique (premier mode de réalisation), soit par transfert de spin en utilisant un courant polarisé perpendiculairement au plan des couches (deuxième mode de réalisation).

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées.

20 La figure 1 est, comme déjà indiqué, une représentation schématique de l'architecture d'une mémoire magnétique de type FIMS de l'état antérieur de la technique. La figure 2, également déjà décrite, est une représentation schématique d'une mémoire magnétique mettant en oeuvre une mémoire MRAM à écriture assistée thermiquement, également connue de l'art antérieur. 25 La figure 3 est une représentation schématique d'un point mémoire ou élément logique conformément à une forme de réalisation de l'invention. La figure 4 est une vue analogue à la figure 3, d'une seconde forme de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre une couche piégée de référence et une couche piégée additionnelle. 30 La figure 5 est une vue analogue à la figure 4, dans laquelle les deux couches piégées sont constituées chacune par une couche antiferromagnétique synthétique. La figure 6 est une vue analogue à la figure 4, dans laquelle la couche de stockage est constituée par une couche antiferromagnétique synthétique. La figure 7 est une vue analogue à la figure 4, dans laquelle tant les deux couches 35 piégées que la couche de stockage sont constituées par des couches antiferromagnétiques synthétiques.

La figure 8 est une représentation schématique tendant à illustrer l'écriture d'un point mémoire conforme à l'invention selon un premier mode mettant en oeuvre l'application d'un champ magnétique. Les figures 9a à 9d sont des représentations schématique tendant à illustrer l'écriture 5 d'un point mémoire de l'invention selon un second mode mettant en oeuvre un courant électrique polarisé en spin.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

10 L'élément magnétique au coeur du point mémoire ou de l'élément logique de l'invention est un élément magnétorésistif utilisant l'effet de magnétorésistance géante ou de magnétorésistance tunnel. Le coeur de cet élément magnétorésistif comprend fondamentalement un sandwich formé de deux couches magnétiques 50, 51 séparées par un espaceur non-magnétique 52. 15 Selon l'invention, les deux couches magnétiques possèdent hors écriture, une anisotropie perpendiculaire au plan des couches.

La couche d'aimantation fixe ou couche de référence 50 a des propriétés magnétiques 20 telles que son aimantation reste perpendiculaire au plan sur toute la gamme de température à laquelle l'élément magnétique opère (en particulier pendant l'écriture et a fortiori pendant la lecture et en standby). Cette gamme de température d'opération peut aller de aussi bas en température que souhaité à typiquement +250°C au moment de l'écriture. Il n'y a pas de limite basse en température pour le fonctionnement de la 25 couche d'aimantation fixe puisque l'anisotropie hors du plan a plutôt tendance à se renforcer lorsqu'on diminue la température.

Cette couche de référence 50 peut être réalisée de différentes manières :

30 Elle peut ainsi être constituée d'une multicouche : • formée d'une alternance de couches ultrafines de Co et de Ni, par exemple de période (Co 0.2nm/Ni 0.4nm) (voir F.den Broeder et al, Appl.Phys.Lett.61, 1468 (1992)). Dans ces multicouches, la température de basculement d'anisotropie peut être supérieure à 400°C ; • constituée de métal de transition magnétique/oxide comme CoFe/Alumine. De telles multicouches montrent aussi des anisotropies hors du plan importantes et sont résistantes en température jusqu'à 250°C. De telles multicouches ont par exemple été décrites dans la demande de brevet français non encore publiée FR 06.55943 ; • de période (Pt/Co) ou (Pd/Co). Dans ces dernières, il est connu que les températures d'ordre et corrélativement de basculement d'anisotropie dépendent fortement de l'épaisseur des couches individuelles. On peut donc ajuster l'épaisseur de Pt et de Co pour obtenir une température de basculement d'anisotropie au dessus de 250°C. De même les multicouches de période (Pt/Co/Pt/Ni) peuvent présenter des températures de basculement d'anisotropie au dessus de 250°C. Par exemple, l'article de G.Srivinas et al, thin Solid Films 301 (1997) 211, décrit des multicouches de période (Pt/Co/Pt/Ni). Pour certaines épaisseurs, des températures de Curie supérieures à 280°C sont observées par exemple pour (Pt 0.69nm/Co 0.5nm/Pt 0.69nm/Ni 0.3nm) (Tc,u.;e=280°C) ou (Pt 0.69nm/Co 0.7nm/Pt 0.69nm/Ni 0.3nm) (Tc,;e=290°C). Toutefois, ces multicouches présentent souvent des effets d'interdiffusion aux interfaces à des températures de l'ordre de 200°C. En conséquence, il pourra être préférable de leur préférer une des solutions proposées précédemment.

Elle peut encore être constituée d'une monocouche réalisée : • à base d'alliages ordonnés FePt ou FePd, qui ont des températures d'ordre de l'ordre de 700K et qui conservent une anisotropie hors du plan jusqu'à 250°C ; • à base d'alliages CoPt ou CoPd avec des concentrations de Co entre 85% atomique et 50%atomique, comme décrit dans l'article de J.Ariake et al, Journ.Magn.Magn.Mater.287 (2005) 229 ; • à base d'alliages CoCr de structure hexagonale avec axe c perpendiculaire au plan des couches comme ceux de composition proche de Co8oCr20 utilisés dans les média pour l'enregistrement magnétique perpendiculaire. • à base de certains alliages terre-rare/métaux de transition comme TbFeCo, qui présentent également des anisotropies hors du plan pouvant résister en température jusqu'à des températures de 250°C. Un exemple de réalisation de jonctions tunnels à aimantation hors du plan à base de tels alliages est donné dans l'article : N.Nishimura et al, Journ.Appl.Phys.91, 5246 (2002).

De façon optionnelle, différentes améliorations peuvent être apportées à la composition de cette couche d'aimantation fixe 50 orientée hors du plan.

Ainsi, il peut être avantageux de rajouter entre cette couche d'aimantation fixe 50 et la espaceur non-magnétique 52 séparant cette couche d'aimantation fixe de la couche de stockage 51, une fine couche de matériau magnétique dont l'aimantation sera aussi hors du plan par couplage d'échange avec la couche d'aimantation fixe 50. Le but de cette couche magnétique additionnelle est d'augmenter l'amplitude de la magnétorésistance de l'élément magnétique et corrélativement pour le deuxième mode de réalisation, de renforcer la polarisation du courant qui va tirer l'aimantation de la couche de stockage dans l'hémisphère du haut ou dans l'hémisphère du bas par transfert de spin. Par exemple, si l'espaceur non-magnétique 52 est une barrière tunnel de MgO, cette fine couche magnétique additionnelle peut être réalisée en alliage CoFeB ou CoFe de composition suffisamment riche en Fe (typiquement au dessus de 30%) pour avoir une structure cubique centrée compatible avec la structure de la barrière de MgO. L'épaisseur de cette couche ne doit pas être trop grande (typiquement inférieure à 4nm) pour que son aimantation ne tombe pas dans le plan parallèle aux interfaces à cause d'une contribution excessive de l'anisotropie de forme. Ceci est décrit dans le document FR 2 904 724.

Il peut également être avantageux de remplacer la couche d'aimantation fixe 50 par une couche dite antiferromagnétique synthétique (figures 5 et 7), constituée de deux couches d'aimantation fixe 60, 61 orientée hors du plan et couplées antiparallèlement par une couche 62 apte à induire un couplage antiferromagnétique entre couches ferromagnétiques adjacentes comme par exemple une fine couche de Ruthenium d'épaisseur 0.5 à 0.9nm. On peut ainsi par exemple réaliser une couche d'aimantation fixe de composition (Co 0.25nm/Ni 0.4nm)6/Ru 0.6nm/(Co 0.25nm/Ni0.4nm)4 Comme cela est connu de l'homme du métier. L'avantage de remplacer la couche unique d'aimantation fixe par une telle structure antiferromagnétique synthétique est de rendre l'aimantation de la couche d'aimantation fixe encore plus piégée et donc encore plus résistante aux perturbations magnétiques. Par ailleurs, cela réduit le champ magnétostatique rayonné par cette couche antiferromagnétique synthétique sur la couche de stockage.

Dans le même ordre d'idée, afin de renforcer le piégeage de la couche d'aimantation fixe, on peut coupler cette couche d'aimantation fixe simple ou antiferromagnétique synthétique à une couche antiferromagnétique par exemple en PtMn d'épaisseur typique de 12 à 20nm ou IrMn d'épaisseur typique 6 à l0nm. Comme cela est bien connu de l'homme du métier, l'interaction d'échange entre la couche antiferromagnétique et la couche ferromagnétique adjacente a pour effet de piéger l'aimantation de la couche ferromagnétique adjacente. C'est une technique en particulier utilisée dans les vannes de spin ou jonctions tunnels magnétiques, technique qui fonctionne aussi avec une anisotropie perpendiculaire au plan des couches comme décrit dans l'article : Pinned synthetic ferrimagnets with perpendicular anisotropy and tuneable exchange bias , J.Sort, B. Rodmacq, S. Auffret, and B. Dieny, Appl. Phys. Lett. 83, 1800 (2003).

La couche de stockage 51 est réalisée en un matériau choisi de telle sorte que lors de l'écriture, l'échauffement produit par le courant circulant à travers l'espaceur 52, et en l'espèce une barrière tunnel, provoque une réorientation de son aimantation de perpendiculaire au plan des couches à planaire. Cette réorientation est liée à la baisse rapide de l'anisotropie perpendiculaire de cette couche avec la température, qui devient alors inférieure à l'anisotropie de forme de la couche, laquelle tend à orienter l'aimantation dans le plan de la couche.

Comme pour la couche d'aimantation fixe 50, cette couche 51 peut avoir une structure en multicouche à base de Co, Ni, Fe, Pt, Pd, Cr, mais dont les épaisseurs et la composition des couches sont choisies pour donner lieu à ce basculement d'anisotropie entre la température de standby (hors écriture) et la température maximale atteinte lors de l'écriture (de l'ordre de 140 à 250°C). Il pourra s'agir en particulier : • de multicouches (Pt/Coi_X_yFexNiy) ou (Pd/ Coi_X_yFexNiy) où les alliages Col_X_ yFexNiy sont riches en Co (x+y<50%). Dans ces multicouches, il est connu que la décroissance de l'aimantation, et donc de l'anisotropie dépend beaucoup des épaisseurs des couches de Pt ou Pd et d'alliages magnétiques. D'une façon générale, la décroissance en fonction de la température est d'autant plus rapide que la proportion d'alliage magnétique est faible par rapport à la proportion de Pt. • de multicouches (Co/Ni) mais un peu plus riche en Ni que pour la couche d'aimantation fixe, • de multicouches (Pt/Co/Pt/Ni), • de combinaison d'empilements de la forme (Co/Ni)/(Co/Pt). • de multicouches à base de métal de transition alternant avec de fines couches d'oxydes comme décrits dans la demande de brevet non encore publiée FR 06.55943 ; • d'une couche unique d'alliages à anisotropie perpendiculaire à la température de standby : CoCr ou FePt ou FePd ou d'alliages Terre Rare-Métaux de transition (par exemple TbFe, TbCo).

D'une façon générale, on peut jouer à la fois sur la composition et sur l'épaisseur de la couche ferromagnétique de stockage pour ajuster la température à laquelle se produit le basculement d'anisotropie de cette couche. En effet, comme expliqué précédemment, dans ces systèmes, l'anisotropie hors du plan est souvent induite par une anisotropie interfaciale dont la dépendance en température suit une puissance 3 de l'aimantation spontanée du matériau constitutif de cette couche. Cette anisotropie est contrebalancée par l'anisotropie de forme qui varie comme puissance 2 de l'aimantation spontanée. Plus quantitativement, on peut écrire que l'anisotropie totale de la couche par unité de volume est donnée par (en CGS) : K(T)=ù2mMs(0) MS(T) z+/K (0)+K(0)` MS(3 T) MS (0) d MS (0) Dans cette expression, le premier terme reflète l'anisotropie volumique de forme qui favorise une orientation de l'aimantation dans le plan. Le deuxième terme correspond à la somme d'une anisotropie volumique d'origine magnétocristalline et d'une anisotropie d'interface qui favorise une orientation hors du plan de l'aimantation pour les matériaux envisagés. Compte tenu du caractère interfacial contenu dans le deuxième terme, le poids relatif des deux termes dépend de l'épaisseur de la couche ferromagnétique de stockage. Comme par ailleurs ces deux termes ont des dépendances en température différentes, il en résulte que la température de basculement d'aimantation donnée par la température à laquelle les deux termes s'égalisent, dépend de l'épaisseur de la couche ferromagnétique.

La couche magnétique de stockage peut également être constituée de l'association d'une couche supplémentaire ferromagnétique qui, si elle était seule, aurait une aimantation planaire, en interaction d'échange avec une couche ou une multicouche à aimantation hors du plan. Il peut s'agit par exemple d'une couche d'alliages CoFeB ou CoFe d'épaisseur de 1 à 3nm en interaction d'échange avec une couche ou multicouche à anisotropie hors du plan (comme TbCo ou (Pt/Co)). Si l'anisotropie perpendiculaire de la couche à aimantation hors du plan est suffisamment forte à la température de standby et si l'interaction d'échange entre ces deux couches est suffisamment forte (couche à aimantation planaire si elle était seule et couche à aimantation hors du plan), alors l'aimantation de la couche supplémentaire peut être tirée hors du plan par la couche à aimantation perpendiculaire à la température de standby. Dans ce cas aussi, comme l'anisotropie hors du plan de la couche à aimantation perpendiculaire décroit en fonction de la température, l'aimantation de la couche supplémentaire basculera dans le plan à une certaine température que l'on peut ajuster en jouant sur la composition des couches et aussi sur leur épaisseur. L'avantage de rajouter la couche supplémentaire est de permettre de renforcer la polarisation en spin des électrons au voisinage de la barrière tunnel.

Par ailleurs, la couche d'aimantation fixe 50 et la couche de stockage à aimantation commutable 51 sont séparées par un espaceur non-magnétique 52. Ce dernier peut être : • de façon préférentielle, une barrière tunnel isolante (par exemple en alumine ou l0 MgO ou TiOX ou HfOX ou TaOX ou SrTiOX d'épaisseur typique entre 0.4nm et 3nm). Dans ce cas, l'élément magnétique résultant de cet empilement présente un effet de magnétorésistance tunnel ; • une couche isolante percée de chemins conducteurs (comme les espaceurs connus de l'homme du métier dans les structures dites à chemin de courant confinés). 15 Ces espaceurs sont constitués de petits trous conducteurs à l'intérieur de couches isolantes. On les prépare par exemple en déposant une fine couche d'alliages Ah_ XCux que l'on oxyde comme une barrière tunnel. L'aluminium capte l'oxygène et se transforme en alumine tandis que le cuivre ségrége en petits agrégats formant des chemins conducteurs à travers la barrière d'oxyde. L'élément résultant de cet 20 empilement présente un effet de magnétorésistance géante caractéristique de ces structures à chemins de courant confinés (ou selon l'expression anglo-saxonne current confined path ou CCP) ; • une couche semiconductrice (par exemple en Si, Ge, GaAs d'épaisseur typique entre 0.5nm et l0microns). L'élément résultant de cet empilement présente un 25 effet de magnétorésistance tunnel ou géante suivant les épaisseurs de l'espaceur. • Une couche métallique (par exemple en cuivre ou or, d'épaisseur typique comprise entre 1nm et 10nm). L'élément magnétique résultant de cet empilement présente un effet de magnétorésistance géante.

30 L'ensemble constitué par la couche d'aimantation fixe 50, l'espaceur non-magnétique 52, et la couche d'aimantation commutable 51 (à basculement d'anisotropie) constitue le coeur de l'empilement décrit dans la présente invention.

Différentes améliorations peuvent être apportées à cet empilement de base : 35 • Le remplacement de la couche d'aimantation fixe par une couche dite piégée antiferromagnétique synthétique a déjà été décrite au-dessus, laquelle couche peut être piégée par interaction d'échange avec une couche antiferromagnétique. • Dans le cas où la commutation d'aimantation de la couche 51 met en oeuvre le phénomène de transfert de spin et si l'espaceur non-magnétique 52 est non-métallique, il est alors avantageux de rajouter au contact de la couche d'aimantation commutable 51, du côté opposé à l'espaceur non-magnétique 52 précédemment décrit séparant la couche d'aimantation commutable de la couche d'aimantation fixe 50, un deuxième espaceur non-magnétique 56, de préférence métallique (par exemple en cuivre d'épaisseur typiquement de 2 à 5nm) ou de moindre résistance électrique que le premier espaceur non-magnétique 52, ledit second espaceur 56 étant lui-même en contact avec une deuxième couche d'aimantation fixe 55 orientée hors du plan dans toute la gamme de température d'opération du dispositif (voir figure 4). Cette deuxième couche piégée 55 est de même nature que la première couche piégée 50. L'aimantation de cette deuxième couche doit avoir son aimantation antiparallèle à la première couche piégée. L'avantage d'introduire cette deuxième couche d'aimantation fixe 55 est de renforcer l'effet de transfert de spin au niveau de la couche d'aimantation commutable 51 en cumulant le transfert de spin généré par les deux couches piégées. Cet effet de renforcement du transfert de spin est décrit par exemple dans le document US6385082. En revanche, comme la résistance électrique du premier espaceur 52 (non-métallique) est supérieure à la résistance électrique du deuxième espaceur 56, la magnétorésistance de l'empilement est dominée par la contribution du sandwich formé par la première couche d'aimantation fixe 50, le premier espaceur non-magnétique non-métallique 52, et la couche d'aimantation commutable 51. Il est intéressant de remarquer qu'en plus du renforcement de l'effet de transfert de spin, un deuxième avantage de l'introduction de cette deuxième couche d'aimantation fixe 55, est de permettre une bonne compensation du champ magnétostatique rayonné par les deux couches d'aimantation fixe sur la couche d'aimantation commutable. En effet si les deux couches d'aimantation fixe 50, 55 ont des moments magnétiques comparables et sont à des distances comparables de la couche d'aimantation commutable 51, elles produisent un champ rayonné quasiment opposé au niveau de la couche d'aimantation commutable, lequel champ va donc se compenser au niveau de cette couche. Ceci est intéressant car le champ magnétostatique rayonné par la couche piégée 50 pourrait gêner l'action du transfert de spin ou du champ magnétique appliqué pendant l'écriture en influençant l'orientation de l'aimantation commutable vers l'hémisphère du haut ou du bas. Par ailleurs, comme pour la première couche d'aimantation fixe 50, cette deuxième couche d'aimantation fixe 55 peut être constituée d'une couche antiferromagnétique synthétique c'est-à-dire formée de deux couches d'aimantation antiparallèle hors du plan 63, 64 maintenue en alignement antiparallèle par interaction à travers une couche de couplage appropriée 65 par exemple en ruthénium d'épaisseur 0.6nm à 0.9nm (Figure 5). Dans ce cas, c'est l'aimantation de la couche 64 la plus près de la couche à aimantation commutable 51 qui doit être orientée antiparallèlement à l'aimantation de la première couche piégée la plus proche de l'aimantation commutable. De plus, afin de renforcer le piégeage de cette deuxième couche piégée, celle-ci peut être mise en interaction d'échange avec une couche antiferromagnétique adjacente. La structure globale avec deux couches piégées antiferromagnétiques synthétiques piégées par des couches antiferromagnétiques est représentée sur la Figure 5. • Afin de minimiser l'effet du champ magnétostatique rayonné par la couche piégée d'aimantation fixe pendant le processus d'écriture, il peut être également avantageux d'utiliser une couche d'aimantation commutable 51 constituée d'une couche antiferromagnétique synthétique. Celle-ci est constituée de deux couches ferromagnétique 66, 67 couplées antiferromagnétiquement à travers une couche 68 de couplage appropriée comme de ruthénium d'épaisseur 0.6nm à 0.9nm. La structure proposée est représentée sur la Figure.6. L'avantage de l'utilisation d'une couche d'aimantation commutable antiferromagnétique synthétique est de compenser les effets des champs rayonnés par les deux couches piégées d'aimantation fixe 50, 55. En effet, comme les deux couches 66, 67 constitutives de la couche douce antiferromagnétique synthétique ont des aimantations opposées, l'action des champs rayonnés par les deux couches d'aimantation fixe 50, 55 se compense au niveau de ce sandwich d'aimantation commutable. Comme précédemment, dans le cas où l'écriture s'effectue par transfert de spin, il est possible de renforcer le transfert de spin sur l'aimantation commutable en rajoutant à la structure de base un deuxième espaceur 56 de résistance moindre que le premier espaceur 52 et une deuxième couche piégée 55 dont l'aimantation sera cette fois parallèle à l'aimantation de la première couche piégée 50. L'effet de renforcement du transfert de spin sur une couche antiferromagnétique synthétique par adjonction d'une deuxième couche piégée d'aimantation parallèle à une première couche piégée est décrit par exemple dans le document US 6,603,677. Comme précédemment, l'une ou l'autre ou les deux couches piégées peuvent être remplacées par des couches piégées antiferromagnétiques synthétiques, lesquelles peuvent être elles- mêmes piégées par des couches antiferromagnétiques. La figure 7 illustre le cas où les deux couches piégées sont remplacées par des couches piégées antiferromagnétiques synthétiques couplées à des couches antiferromagnétiques.

Afin de minimiser le courant électrique nécessaire au chauffage de la structure au moment de l'écriture, il peut être avantageux d'introduire dans la structure des barrières thermiques qui réduisent la diffusion de la chaleur vers les électrodes. Ceci a été décrit par exemple dans le document EP-A-1 671 330. Ces barrières thermiques peuvent être réalisées en BiTe, en matériaux chalcogénures du type GeSbTe, en 13-Ta ou réalisées en introduisant des multicouches laminées de type (Ta/Cu) tirant partie de la forte résistance électrique et thermique introduite par les interfaces.

Selon un premier mode d'écriture de l'invention, on induit tout d'abord une élévation de température au sein de la couche de stockage 51 par injection d'un courant dans l'empilement de l'élément magnétique, jusqu'à aboutir à l'orientation de l'aimantation de ladite couche de sensiblement perpendiculaire à dans le plan de ladite couche. Puis, on applique un champ magnétique en positionnant au voisinage de la couche de stockage des lignes conductrices horizontales 70, 71(voir figure 8). Ces lignes sont décalées en position sur le côté des points mémoire pour favoriser l'apparition d'une composante verticale du champ au niveau de la couche de stockage du point mémoire considéré. Les deux lignes 70, 71 situées de part et d'autre de chaque point mémoire peuvent être alimentées simultanément par deux impulsions de courant opposées pour donner deux contributions qui s'ajoutent au champ magnétique créé par ces lignes. Ceci est avantageux en terme de consommation électrique puisque le courant d'écriture dans chacune des lignes peut être réduit d'un facteur 2 par rapport au cas où une seule ligne serait alimentée pour créer un champ magnétique équivalent. La puissance consommée est alors réduite d'un facteur 2.

Selon le second mode d'écriture de l'invention, là encore, on induit tout d'abord une élévation de température au sein de la couche de stockage 51 par injection d'un courant dans l'empilement de l'élément magnétique, jusqu'à aboutir à l'orientation de l'aimantation de ladite couche de sensiblement perpendiculaire à dans le plan de ladite couche. Selon cette configuration, on utilise comme deuxième électrode de la jonction tunnel magnétique une couche magnétique d'aimantation fixe orientée hors du plan. Ce deuxième mode de réalisation est à priori plus intéressant que le premier car offre une meilleure évolution des propriétés aux petites dimensions puisqu'il n'y a là plus besoin d'appliquer de champ magnétique.

Si le courant électrique circule de la couche de stockage 51 vers la couche d'aimantation fixe 50, alors les électrons circulent de la couche d'aimantation fixe vers la couche de stockage (figure 9a). Les électrons issus de la couche d'aimantation fixe orientée hors du plan sont donc polarisés en spin hors du plan dans le même sens que l'aimantation de la couche d'aimantation fixe. Ces électrons, en pénétrant dans la couche de stockage, dont l'aimantation est devenue planaire sous l'effet de l'échauffement, exercent un couple de transfert de spin qui tend à tirer l'aimantation de cette couche de stockage hors du plan dans la direction de polarisation en spin des électrons injectés dans cette couche. La dynamique d'aimantation induite par l'injection d'un courant polarisé hors du plan dans une couche à aimantation planaire a été décrite dans les articles suivants : D.Houssamedine et al, Nature Materials 6, 447 (2007) ; Lee, K. J., Redon, O. & Dieny, B. Analytical investigation of spin-transfer dynamics using a perpendicular-to plane polarizer, Appl. Phys. Lett. 86, 22505ù22507 (2005); Kent, A. D., O" zyilmaz, B. & del Barco, E. Spin-transfer-induced precessional magnetization reversai, Appl. Phys. Lett. 84, 3897û3899 (2004).

Dans ces articles, il a été montré que sous l'effet combiné du couple de transfert de spin et du champ démagnétisant hors du plan s'exerçant sur l'aimantation de la couche de stockage, l'aimantation de cette dernière est tirée hors du plan dans l'hémisphère du haut ou du bas suivant la direction du courant. Dans une large gamme de densité de courant, l'aimantation se met à précesser sur un cône d'axe hors du plan parallèle à la direction de polarisation du courant de spin. L'angle que forme l'aimantation de la couche de stockage avec la normale au plan et la fréquence de précession dépendent de la densité de courant comme montré dans les publications précédentes. A plus forte densité de courant, l'aimantation peut acquérir une position stable hors du plan. Toutefois, ce qui est important pour la présente invention est juste le fait que l'aimantation sorte du plan sous l'effet du transfert de spin pour passer dans l'hémisphère dont l'axe a le même sens que l'aimantation de la couche d'aimantation fixe (figure 9b).

Si le courant électrique circule de la couche d'aimantation fixe 50 vers la couche de stockage 51 (figure 9c), alors les électrons circulent de la couche de stockage vers la couche d'aimantation fixe. L'aimantation de la couche de stockage 51 est alors tirée hors du plan dans le sens antiparallèle au sens de l'aimantation de la couche d'aimantation fixe. Comme dans le cas précédent, l'aimantation peut se mettre à précesser en décrivant un cône dont l'axe est antiparallèle au sens de l'aimantation de la couche d'aimantation fixe. Toutefois, ce qui est important pour la présente invention est juste le fait que l'aimantation sort du plan sous l'effet du transfert de spin pour passer dans l'hémisphère dont l'axe est antiparallèle à l'aimantation de la couche d'aimantation fixe (figure 9d).

Les densités de courant en jeu dans ce phénomène sont de l'ordre de quelques 105A/cm2 à quelques 106A/cm2. Elles sont tout à fait compatibles avec les densités de courant que peuvent supporter les jonctions tunnels magnétiques de résistance entre -1 et quelques dizaines d' S2. m2. Elles sont également du même ordre ou légèrement inférieures aux densités de courant nécessaires pour le chauffage.

Le processus d'écriture de l'information dans l'empilement selon ce deuxième mode de réalisation et illustré sur les figures 8 et 9 est faite dans le cas préférentiel où l'empilement est une jonction tunnel magnétique. Sans nuire à la généralité, on suppose pour la discussion que la couche d'aimantation fixe 50 a son aimantation orientée vers le haut comme représenté sur la Figure 8. L'homme du métier arriverait sans mal à transcrire cette discussion au cas où l'aimantation de la couche fixe serait vers le bas.

Pour écrire un 0 ou un 1 logique, on envoie une impulsion de courant à travers l'empilement de haut en bas ou de bas en haut comme représenté sur la figure 9a, ligne 20 du haut. Ce pulse de courant a plusieurs effets combinés :

• D'une part, dans un premier temps, il provoque un échauffement de l'empilement par effet Joule dans la structure. Dans le cas d'une jonction tunnel, la production de chaleur est essentiellement localisée au niveau de la barrière tunnel et diffuse vers les 25 électrodes qui connectent la jonction à sa base et son sommet. La densité de courant est choisie telle que l'échauffement au niveau de la couche de stockage soit de l'ordre de AT=100 à 220°C et que cet échauffement provoque pour le matériau constitutif de la couche de stockage un basculement de l'anisotropie de hors du plan à planaire. 30 • D'autre part, le courant traversant la couche de stockage 51 étant polarisé en spin avec une polarisation hors du plan du fait de la présence de la couche d'aimantation fixe 50, exerce un couple de transfert de spin sur l'aimantation qui tire l'aimantation de la couche de stockage dans l'hémisphère du haut ou du bas suivant le sens du courant comme illustré sur la figure 9. • Après son maximum, la densité de courant décroît ensuite progressivement (en quelques nanosecondes typiquement) pour s'annuler quelques nanosecondes plus tard. Pendant ce temps, la température passe par un maximum puis décroît pour rejoindre la température de standby en typiquement 5 à 30ns. Cette durée de refroidissement dépend de la chaleur spécifique du pilier et des constantes de diffusion thermique des différents éléments constituant l'empilement et en particulier de la présence ou non de barrières thermiques entre la couche de stockage et la ligne conductrice supérieure (voir figure 9) et entre la couche d'aimantation fixe et la ligne conductrice inférieure (voir figure 9). Du fait du refroidissement de la couche de stockage, cette dernière tend à recouvrer son anisotropie hors du plan. Du coup, si le transfert de spin a tendance à tirer l'aimantation de la couche de stockage dans l'hémisphère vers le haut, l'aimantation de la couche de stockage va s'orienter pendant le refroidissement sensiblement selon la normale au plan de la couche et vers le haut. Au contraire, si le transfert de spin a tendance à tirer l'aimantation de la couche de stockage dans l'hémisphère vers le bas, l'aimantation de la couche de stockage va s'orienter pendant le refroidissement sensiblement selon la normale au plan de la couche et vers le bas.

L'avantage de ce deuxième mode de réalisation de la présente invention par rapport à l'état de l'art est que les densités de courant requises sont ici plus faibles que en utilisant des empilements à aimantation hors du plan mais ne présentant pas ces réorientations d'aimantation (comme par exemple décrit dans l'article de S. Mangin, D. Ravelosona, J. Katine, B. Terris, and E. E. Fullerton, Nat. Mater. 5, 210 (2006)). En effet dans la présente invention, le rôle du transfert de spin n'est pas de provoquer la commutation complète de vers le haut à vers le bas partant d'un état où l'aimantation est orientée vers le bas ou vers le haut. Ici, le rôle du transfert de spin est de légèrement tirer l'aimantation dans l'hémisphère du haut ou dans l'hémisphère du bas partant d'une situation où l'aimantation est quasiment dans le plan. Cette dernière situation nécessite des densités de courant bien plus faibles que dans la précédente. La densité de courant nécessaire à l'écriture va donc être essentiellement déterminée par la densité de courant de chauffage nécessaire pour provoquer la réorientation d'anisotropie de la couche de stockage de hors du plan à planaire. Dans les mémoires à écriture assistée thermiquement, on sait qu'on peut significativement abaisser la densité de courant de chauffage (à des valeurs de l'ordre de quelques 105A/cm') en jouant sur les propriétés thermiques de l'empilement, notamment en minimisant l'épaisseur des couches impliquées dans la partie active de l'empilement du point de vue de la magnétorésistance (c'est-à-dire le sandwich couche de référence/barrière tunnel/couche de stockage) et en introduisant des couches de faible conductivité thermique jouant le rôle de barrières thermiques dans l'empilement entre cette partie active et les électrodes d'amenées de courant situées au sommet et à la base du pilier.5

Claims

REVENDICATIONS1. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement constitué de : • une couche magnétique libre, également dénommée couche de stockage ou couche d'aimantation commutable (51), dont la direction d'aimantation est commutable entre deux états stables hors écriture, toutes deux dirigées sensiblement perpendiculairement au plan de ladite couche, et dont l'aimantation se réoriente spontanément de sensiblement perpendiculaire au plan à sensiblement dans le plan sous l'effet de l'élévation de température pendant l'écriture ; • au moins une couche magnétique de référence (50, 55), dite couche piégée, dont l'aimantation est orientée sensiblement perpendiculairement au plan de ladite couche ; • un espaceur non magnétique (52) interposé entre les deux couches ; • des moyens pour faire circuler un courant électrique perpendiculairement au plan desdites couches.
2. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de stockage (51) est réalisée en un alliage magnétique FePt, FePd, CoPt, CoPd, ou en un alliage Terre Rare-Métaux de transition TbFe, TbCo.
3. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de stockage (51) est réalisée en une multicouche ou une association de multicouches à base de Co, Ni, Fe, Pt, Pd, Cr.
4. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de stockage (51) est constituée par l'association de deux couches ferromagnétiques (66, 67) en interaction d'échange, l'une présentant une forte anisotropie hors du plan, l'autre qui aurait une aimantation planaire si elle était seule mais qui par interaction d'échange avec la première a son aimantation tirée hors du plan à la température de standby (hors écriture).
5. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de stockage (51) est une couche antiferromagnétique synthétique.
6. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche piégée (50) est constituée d'une multicouche à base d'au moins deux éléments parmi Pt, Pd, Co, Ni, les alliages Co 1_X_,, FexNiy avec x+y<50%. l0
7. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche piégée (50) est constituée d'une multicouche formée de métal de transition magnétique/oxide. 15
8. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche piégée (50) est constituée d'une monocouche réalisée à base d'alliages ordonnés FePt, FePd, CoPt, CoPd, CoCr, ou terre-rare/métaux de transition. 20
9. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche piégée (50) comprend en outre une fine couche ferromagnétique insérée entre la couche piégée (50) et l'espaceur non-magnétique (52), destinée à 25 renforcer l'amplitude de la magnétorésistance de l'élément magnétique et la polarisation du courant.
10. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce 30 que la couche piégée (50) est constituée d'une couche antiferromagnétique synthétique.
11. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce 35 que la couche piégée (50) est en interaction d'échange avec une couche antiferromagnétique de piégeage, du type PtMn, IrMn, ou PtPdMn. 5
12. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'empilement comporte une seconde couche piégée (55), séparée de la couche de stockage (51) par un second espaceur (56).
13. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon la revendication 12, caractérisé en ce que la seconde couche piégée (55) est une couche antiferromagnétique synthétique. 10
14. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon les revendications 12 et 13, caractérisé en ce que la seconde couche piégée (55) est en interaction d'échange avec une couche antiferromagnétique du type PtMn, IrMn, PtPdMn. 15
15. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon la revendication 12 à 14, caractérisé en ce que la seconde couche piégée (55) a son aimantation antiparallèle à celle de la première couche piégée (50). 20
16. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon la revendication 12 à 14, caractérisé en ce que la seconde couche piégée (55) a son aimantation parallèle à celle de la première couche piégée (50). 25
17. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'espaceur non-magnétique (52) est une barrière tunnel isolante choisie dans le groupe comprenant l'alumine, MgO, SrTiO3, TiOX, HfOX, TaOX, ou semiconductrice, choisie dans le groupe comprenant (Si, Ge, GaAs). 30
18. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'espaceur non-magnétique (52) est une couche isolante à chemins de courant confinés choisie dans le groupe comprenant AlCuOx, MgCuOx, HfCuOx, 35 TaCuOx.
19. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'espaceur non-magnétique (52) est une couche métallique du type Cu ou Au.
20. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 12 à 19, caractérisé en ce que l'espaceur non-magnétique (52) a une résistance électrique supérieure au second espaceur non-magnétique (56).
21. Elément magnétique à écriture par champ magnétique ou par transfert de spin assistée thermiquement selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que l'empilement comprend en outre des barrières thermiques choisies dans le groupe comprenant BiTe, les chalcogénures, 13-Ta, les multicouches laminées type (Ta/Cu).
22. Procédé pour réaliser l'écriture de points mémoire d'une mémoire magnétique constituée d'un élément magnétique selon l'une des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que chaque phase d'écriture s'accompagne d'une élévation de température du point mémoire considéré au dessus de la température de basculement d'anisotropie de l'aimantation de la couche de stockage par envoi d'une impulsion de courant dans une ligne conductrice associée au point mémoire considéré et ainsi amener l'aimantation de la couche de stockage (50) d'une orientation sensiblement perpendiculaire au plan de ladite couche à une orientation sensiblement dans le plan de la couche, et de l'application d'un champ magnétique dirigé vers le haut ou vers le bas par rapport au plan des couches constitutives dudit point mémoire, et enfin de la coupure du courant de chauffage de sorte que l'aimantation se refroidit sous l'effet dudit champ magnétique en se réorientant sensiblement suivant la normale au plan des couches vers le haut ou vers la bas.
23. Procédé pour réaliser l'écriture de points mémoire d'une mémoire magnétique constituée d'un élément magnétique selon l'une des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que chaque phase d'écriture s'accompagne d'une élévation de température du point mémoire considéré au dessus de la température de basculement d'anisotropie de l'aimantation de la couche de stockage par envoi d'une impulsion de courant dans une ligne conductrice associée au point mémoire considéré et ainsi amener l'aimantation de la couche de stockage (50) d'uneorientation sensiblement perpendiculaire au plan de ladite couche à une orientation sensiblement dans le plan de la couche, puis de la décroissance et de l'annulation de ce courant, le courant électrique injecté étant polarisé en spin et circulant de la première couche piégée (50) vers la couche de stockage (51) ou en sens opposé et exerçant par transfert de spin un couple sur l'aimantation de ladite couche de stockage (51), la polarisation en spin dudit courant induisant l'orientation de l'aimantation de ladite couche vers le haut ou vers le bas par rapport au plan des couches constitutives dudit point mémoire en fonction du sens dudit courant.
24. Mémoire magnétique à écriture assistée thermiquement dont chaque point mémoire est constitué d'un élément magnétique selon l'une des revendications 1 à 21.
25. Elément logique à écriture assistée thermiquement constitué d'un élément magnétique selon l'une des revendications 1 à 21.