WO2001088562A1

WO2001088562A1 - Capteur de champ magnetique utilisant la magnetoresistance, et procede de fabrication

Info

Publication number: WO2001088562A1
Application number: PCT/FR2001/001321
Authority: WO
Inventors: Frédéric NGUYEN VAN DAU; Henri Jaffres; Daniel Lacour
Original assignee: Thales
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2001-11-22
Also published as: US7094480B2; FR2809185B1; JP2003533895A; KR20030034073A; FR2809185A1; US20030157368A1

Abstract

L'invention concerne les capteurs de champs magnétique dans lesquels on utilise la magnétorésistance comme phénomène physique pour détecter et mesurer le champ magnétique. Elle consiste à réaliser un empilement comportant une première couche ferromagnétique (101), une couche isolante (103), une deuxième couche ferromagnétique (102) et une couche antiferromagnétique (104). Les deux couches ferromagnétiques présentent des anisotropies magnétiques croisées et elles forment avec la couche isolante une jonction tunnel. L'anisotropie de la première couche est obtenue à partir de l'énergie de forme du substrat sur lequel elle repose et qui est légèrement désorientée par rapport à elle. L'anisotropie de la deuxième couche est obtenue par l'action de la couche antiferromagnétique. Le champ magnétique à mesurer, dans lequel est plongé le capteur, modifie les caractéristiques de la jonction tunnel, et donc le courant qui passe dans celle-ci lorsque les couches magnétiques sont alimentées par une source de tension, dans des proportions bien plus grandes que celles obtenues avec les autres systèmes.

Description

CAPTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE UTILISANT LA MAGNETORESISTANCE, ET PROCEDE DE FABRICATION

La présente invention se rapporte aux capteurs de champ magnétique qui utilisent le phénomène de magnetoresistance, c'est à dire la variation de la résistance électrique d'un conducteur sous l'effet du champ magnétique qui lui est appliqué. Elle permet de réaliser des capteurs tels que des magnétomètres, des compas ou des capteurs de courant. Elle concerne également les procédés de fabrication de tels capteurs Les capteurs magnétiques entièrement métalliques connus à ce jour sont essentiellement ceux qui utilisent soit la magnetoresistance anisotrope (AMR), soit la magnetoresistance géante (GMR). Dans tous ces cas, la résolution des capteurs de ce type est limitée par deux sources de bruit, liées l'une à la fluctuation de résistance connue également sous le nom de bruit Johnson, et l'autre à la dérive thermique.

La magnetoresistance anisotrope résulte du caractère anisotrope de la résistivité d'un matériau métallique ferromagnétique en fonction de l'angle défini par son aimantation et la direction du courant. Pour utiliser au mieux cet effet, les inventeurs ont mis au point un système utilisant l'effet Hall planaire, qui permet notamment de réduire de manière considérable le bruit de dérive thermique. La variation maximale de la résistance, due à cet effet, est de l'ordre de 1% de la résistance de la zone active.

La magnetoresistance géante a été découverte en 1988 et provient de la dépendance en spin de la résistance d'une structure magnétique artificielle présentant une configuration magnétique différente suivant le champ magnétique appliqué. On peut alors atteindre une variation de résistance totale de l'ordre d'une dizaine de % de la zone active. Les inventeurs ont précédemment mis au point un dispositif breveté utilisant cet effet de magnetoresistance géante, qui permet d'obtenir différents avantages par rapport aux capteurs magnétiques de l'ancienne génération. En particulier on peut ainsi obtenir une augmentation de l'amplitude du signal, ainsi qu'une augmentation du rapport signal/bruit pouvant atteindre un ordre de grandeur.

On connaît enfin le phénomène de magnetoresistance tunnel, qui traduit la dépendance du courant dans une jonction tunnel en fonction de l'orientation relative des aimantations situées de part et d'autre de la barrière isolante formant cette jonction. Ce phénomène correspond à la conservation du spin des électrons lorsqu'ils traversent cette barrière par effet tunnel. On citera sur ce sujet les mesures effectuées par J.S Moodera et al, Phys.Rev.Lett.74 (16),3273 (1995) sur ces jonctions tunnel ferromagnétiques à température ambiante.

Avec ce dernier phénomène, on peut espérer obtenir une variation totale de la résistance de l'ordre de quelques dizaines de % de la résistance de la zone active. Cette résistance de la zone active est elle même supérieure de plusieurs décades à la résistance des capteurs connus entièrement métalliques. Au total la sensibilité magnétique d'un tel capteur peut donc être supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la sensibilité des capteurs conventionnels.

Pour pouvoir effectivement obtenir ces résultats, l'invention propose un capteur de champ magnétique utilisant la magnetoresistance, principalement caractérisé en ce qu'il comprend une première couche ferromagnétique présentant une première anisostropie magnétique selon une première direction, une deuxième couche ferromagnétique présentant une deuxième anisotropie magnétique selon une deuxième direction et une couche isolante séparant les deux couches ferromagnétiques et dont l'épaisseur permet de constituer une jonction tunnel entre ces deux couches ferromagnétiques.

Selon une autre caractéristique, les deux directions d' anisotropie sont perpendiculaires.

Selon une autre caractéristique, la première anisotropie est induite par un substrat supportant la première couche ferromagnétique .

Selon une autre caractéristique, la deuxième anisotropie est induite par une couche antiferromagnétique AF superposée sur la deuxième couche ferromagnétique

Selon une autre caractéristique, les deux anisotropies présentent des valeurs sensiblement différentes pour que l'une soit "douce" et l'autre soit "forte".

Selon une autre caractéristique, la couche ferromagnétique "douce" est la première.

Selon une autre caractéristique, le capteur comprend deux capteurs de type CAP+ et deux capteurs de type CAP- assemblés pour former un pont de Wheastone dans lequel chaque capteur d'un type est adjacent à un capteur de l'autre type.

Selon une autre caractéristique, la première couche ferromagnétique est déposée sur un substrat désorienté pour induire la première anisotropie magnétique par l'intermédiaire de l'énergie de forme.

Selon une autre caractéristique, pour obtenir la deuxième anisotropie magnétique on chauffe la deuxième couche ferromagnétique au delà de la température de Néel de la couche AF en contact et on la laisse refroidir en dessous de cette température en lui appliquant un champ magnétique de saturation dirigé selon la deuxième direction.

Selon une autre caractéristique, pour obtenir la deuxième anisotropie magnétique des quatres capteurs formant le pont de Wheastone, on chauffe l'ensemble de ces capteurs au delà de la température de Néel de la deuxième couche ferromagnétique et on applique à chaque capteur un champ magnétique de saturation dirigé dans le sens des deuxièmes directions d'anisotropie en plaçant au dessus de ces quatres capteurs un circuit électrique dont la configuration permet d'obtenir localement les directions souhaitées.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite de manière non limitative en regard des figures annexées qui représentent :

- la figure 1, une vue en perspective d'un empilement de couches permettant d'obtenir un capteur selon l'invention

- la figure 2, deux graphiques de la variation de la magnetoresistance en fonction du champ appliqué, l'un dans une géométrie parallèle, et l'autre dans une géométrie perpendiculaire.

- - la figure 3, une vue en perspective permettant d'expliquer la manière d'obtenir une orientation correcte des aimantations pendant la fabrication des couches sensibles;

- la figure 4, une vue en perspective montrant l'influence du champ magnétique en régime linéaire;

- la figure 5, une vue en perspective montrant l'influence d'un faible champ magnétique en fonction de son orientation; - la figure 6, une vue en perspective de deux capteurs de réponses électriques opposées;

- la figure 7, le schéma d'un dispositif en pont de Wheastone utilisant des capteurs individuels du type de ceux de la figure 6; et

- la figure 8, un schéma explicitant la manière de polariser les cellules du pont de Wheastone de la figure 7.

On a représenté sur la figure 1 la structure en épaisseur d'un capteur de champ magnétique selon l'invention. Cette structure comprend un empilement de quatre couches supportées par un substrat non représenté. Une première couche FMI 101 est formée d'un film de matériau ferromagnétique, tel que par exemple du cobalt, du fer, ou un alliage de nickel/fer ou de cobalt/fer.

Une deuxième couche FM 102 est formée d'un matériau ferromagnétique pouvant être de composition ou de nature différentes de celui de la couche FMI.

Une troisième couche I 103 est formée d'un matériau isolant pouvant être déposé sous une épaisseur extrêmement mince pour réaliser la jonction tunnel. Ce matériau sera par exemple de l'oxyde d'aluminium. Enfin une quatrième couche AF 104 est formée d'un matériau tel qu'un oxyde magnétique, ou d'un matériau antiferromagnétique métallique tel qu'un alliage fer/manganèse ou iridium/manganèse. Elle peut être relativement épaisse par rapport aux trois couches précédentes, qui sont quant à elles relativement minces, voir très minces pour la couche I. Si l'on veut obtenir une réponse réversible et linéaire du signal en champ faible, il est nécessaire d'utiliser une configuration magnétique particulière, dite géométrie perpendiculaire, dans laquelle les deux aimantations s'orientent perpendiculairement l'une par rapport à l'autre en champ nul. En effet, comme on le voit sur le haut sur la figure 2, lorsque ces deux orientations sont parallèles l'une par rapport à l'autre en champ nul, le changement de sens de l'orientation de ces deux couches 101 et 102 entre un champ positif et un champ négatif s'effectue pour une valeur particulière du champ, ici dans la zone négative de celui-ci, par la réorientation de l'une puis de l'autre des couches dans une fourchette donnée de ce champ. Ce fonctionnement bistable introduit un changement brutal et important de la valeur de la résistance R dans l'intervalle de la fourchette. Cet effet non linéaire pourrait éventuellement être utilisé pour d'autres applications, mais il ne permet pas de mesurer le champ, comme recherché dans l'invention.

Pour obtenir la structure en géométrie perpendiculaire, il faut donc bien contrôler les anisotropies afin de créer dans chacune des couches FMI et FM2 une direction de facile aimantation qui soit perpendiculaire par rapport à celle de l'autre couche et qui permet une variation linéaire et réversible de la valeur de MR, comme on le voit sur le bas de la figure 2.

Pour cela, l'invention propose d'utiliser, d'une manière semblable à celle utilisée dans les capteurs à magnetoresistance géante, les propriétés des surfaces vicinales de silicium Si(lll) désorientées, pour induire une direction d'aimantation préférentielle dans l'électrode FMI en contact avec le substrat sur lequel est fabriqué le capteur. La désorientation de la direction de croissance, de l'ordre de quelques degrés, se manifeste par l'apparition de terrasses qui induisent une anisotropie magnétique uniaxiale, provenant de l'énergie de forme. Cette direction particulière est fixée par la géométrie du substrat comme explicité plus particulièrement dans l'article de Sussiau, F. Nguyen Van Dau, P. Galtier, A. Schuhl, paru dans Applied Physic letter, volume 69, 857 (1996). Pour fixer la direction de facile aimantation de la couche, ou électrode, supérieure FM2, l'invention propose d'utiliser l'anisotropie d'échange qui se crée lorsque l'on recouvre cette couche FM2 par la couche antiferromagnétique AF. Ce phénomène est décrit par exemple dans l'article de J. Noguès, Ivan K. Schuller, J.Magn paru dans Magn. Mater, vol 192. 203- 232 (1999). L'axe d'anisotropie correspond à la direction du champ d'échange qui apparaît en dessous de la température de transition antiferromagnétique-paramagnétique du matériau constituant cette couche AF. Cette température de transition est également connue sous le nom de température de Néel, dite T_N. La direction en question est déterminée par la direction de l'aimantation de la couche FM2 en contact avec la couche AF, au voisinage de TN.

Donc pour obtenir la configuration magnétique souhaitée, l'invention propose, comme représenté sur la figure 3, de chauffer le dispositif au delà de la température TN puis de le laisser refroidir tout en lui appliquant un champ magnétique saturant 302 dont la direction est orthogonale à la direction de l'axe facile nominal 301 induit dans la couche 101 par le substrat comme explicité plus haut.

Dans ces conditions, les champs d'anisotropie obtenus pour les deux électrodes FMI et FM 2 ont des valeurs en général sensiblement différentes. On définira donc une couche dite "douce", comme étant celle dont le champ d'anisotropie est le plus faible, c'est à dire celle qui s'aimante le plus facilement sur l'action d'un champ extérieur. Pour la suite de la description on supposera que la couche douce est celle qui correspond à l'électrode FMI, ce qui n'entraîne aucune restriction sur la généralité de l'invention, la description et le fonctionnement étant strictement identiques, au changement de rôle des deux couches près, dans le cas contraire.

On est alors amené à définir les paramètres suivants :

- h_c le champ de retournement de FMi

- hk¹ le champ d'anisotropie agissant sur FMi, - h ² et hexc les champs d'anisotropies et d'échange agissant sur

FM₂, - le champ extérieur appliqué, celui qui doit être détecté ou mesuré, sera appelé h_a. On va maintenant décrire le fonctionnement du capteur dans son régime linéaire, c'est à dire expliciter le signal obtenu en réponse à un champ magnétique h_a dont la direction est fixée et l'amplitude variable.

Pour obtenir une sensibilité maximale, ce champ h_a est dirigé perpendiculairement à l'axe 301 de facile aimantation de la couche douce FMI 101 . Il est donc parallèle à la direction 302 de facile aimantation de la couche dure FM2 102, comme représenté sur la figure 4.

Dans ces conditions, lorsque le champs h_a est nul, l'aimantation

401 de la couche douce 101 est parallèle à la direction 301, et l'aimantation

402 de la couche dure 102 est parallèle à la direction 302.

Lorsque le champ à mesurer h_a 403, appliqué parallèlement à la direction 302, prend une valeur qui n'est pas nulle, l'aimantation 411 dans la couche douce 101 s'écarte de la direction précédente (lorsque ce champ était nul) pour prendre un angle ε par rapport à la direction 301. Cette rotation de l'aimantation dans le plan de la couche FMI 101 est d'autant plus marquée que la valeur du champ h_a est grande, comme on le voit sur la figure 4. L'aimantation de la couche FM2 102 reste quant à elle bloquée selon son axe facile 302, puisque, selon les définitions données plus haut, celle-ci est plus "dure" que la couche 101. Ce blocage de l'aimantation de FM2 persiste jusqu'à ce que h_a atteigne le champ de retournement de celle- ci. En jouant sur la composition des matériaux des deux couches, et sur l'écart d'aimantation entre la couche douce et la couche dure, on peut facilement respecter cette dernière condition.

L'angle relatif entre les aimantations des deux couches est donc modulé par le champ magnétique extérieur, ce qui entraîne donc une variation réversible de la magnetoresistance du dispositif, et donc du signal obtenu en mesurant la résistance de l'ensemble.

Pour de faibles champs, c'est à dire lorsque h_a est très inférieur à Hk¹, la variation de magnetoresistance est sensiblement linéaire, c'est à dire

La sensibilité du dispositif, qui représente la variation du signal de mesure par unité de champ est quant à elle inversement proportionnelle au champ d'anisotropie Hk¹.

Un tel capteur peut également être utilisé pour déterminer l'orientation du champ magnétique dans lequel il est plongé, lorsque ce champ reste constant tout en variant d'orientation dans le plan du capteur c'est à dire dans le plan de la jonction. On parle alors de réponse angulaire de ce capteur.

Celui-ci présente en fait deux régimes de fonctionnement distincts selon que le champ dans lequel il est plongé est "faible" ou "fort ". Dans le cas d'un champ faible, c'est à dire lorsque h_a<h_c, l'application de ce champ faible a pour effet, comme déjà représenté sur la figure 4, de moduler l'angle relatif entre l'aimantation de la couche douce et l'aimantation de la couche dure, ce qui entraîne une modulation de la réponse magnétorésistive. Dans ces conditions, on peut définir deux axes P_E et PA orthogonaux entre eux et parallèles respectivement aux directions d'aimantation des couches dures et douces en l'absence de champ.

Comme représenté sur la figure 5a, lorsque le champ ha est parallèle à l'axe PE on obtient une rotation importante de l'aimantation 411 de la couche FMI 101. Inversement, lorsque le champ h_a est, comme sur la figure 5b, parallèle à la direction PA, l'influence de ce champ ha 413 est sensiblement nulle puisque le fort champ d'anistropie Hk² bloque l'aimantation de la couche FM2 102. Dans ces conditions, seule la composante du champ selon PE aura pour effet de moduler l'angle relatif entre les deux aimantations, et donc le signal magnétorésitif. Il en résulte que lorsque le champ h_a tout en étant constant, change d'orientation dans le plan du capteur, la variation du signal magnétorésistif correspondante est représentée par une fonction cosinus. Les variations de ce signal sont alors de quelques % de la magnetoresistance totale.

Lorsque par contre ce champ ha est fort, c'est à dire lorsqu'il est compris entre Hk¹ et Hk², ce champ est suffisamment important pour pouvoir saturer la couche FMI 101 selon sa direction. Lorsque ce champ fort tourne alors dans le plan des couches, l'aimantation de FMI décrit tout le plan alors que l'aimantation de FM2 reste bloquée par l'anisotropie d'échange. Dans ces conditions l'état magnétique antiparallèle entre les deux couches peut être atteint et l'on obtient alors une réponse magnétorésistive maximale.

Il ne faut cependant pas que la valeur du champ appliqué devienne supérieure à la valeur du champ d'anisotropie de FM2, c'est à dire que h_a soit supérieure à H_k ², parce que dans ce cas les deux aimantations ont tendance à s'aligner parallèlement, ce qui conduit à une diminution du signal magnétorésistif et à une distorsion angulaire de la réponse du capteur.

Comme on l'a dit plus haut, la sensiblité d'un tel capteur est limitée en particulier par le bruit de dérive thermique. Pour réduire celui-ci, on a proposé, dans le cas des capteurs de type GMR, d'utiliser une structure en pont de Wheastone qui permet de soustraire la composante continue de la résistance sans affecter le signal utile. On citera plus particulièrement les travaux de J.K Spong et al, paru dans IEEE Transactions on magnetics, vol.32,2 (1996).

Pour cela, on se place dans le cas représenté sur la figure 6, où le signal à mesurer ha 403 est parallèle à la direction d'aimantation de la couche FM2 102. La direction d'aimantation 301 de la couche douce 101 étant perpendiculaire à la direction de l'aimantation 402, on se trouve dans une géométrie dite CAP. Dans ces conditions, il existe, comme représenté sur cette figure 6, deux types de configuration CAP, notées respectivement CAP + et CAP - .

Dans la configuration CAP+, le champ h_a 403, qualifié arbitrairement de positif dans la configuration de la figure, entraine une augmentation de l'angle relatif entre les deux aimantations, ce qui entraine une variation du signal magnétorésistif, elle-même arbitrairement qualifiée de positive.

Dans la configuration CAP-, le même champ positif h_a est dans le sens contraire de l'aimantation de la couche FM2 102, ce qui entraîne une diminution de l'angle relatif entre les deux aimantations des deux couches et donc une variation du signal magnétorésistif, de signe opposé à celui obtenu avec la cellule CAP+, qui sera arbitrairement qualifié de négatif.

Ceci permet, en regroupant deux cellules CAP + 701 et 702 et deux cellules CAP - 703 et 704, de former un pont de Wheastone dans lequel ces cellules sont disposées de manière à ce que les aimantations des couches dures de deux cellules adjacentes soit antiparallèles. Ce pont est alimenté depuis une source de tension par deux bornes 708 et 709 situées respectivement entre les cellules 702 et 703 d'une part, et 701 et 704 d'autre part. La tension de déséquilibre du pont est alors disponible sur deux bornes 705 et 706 situées respectivement entre les cellules 701 et 703 d'une part et

702 et 704 d'autre part. La différence de tension entre V+ et V- ainsi obtenue est directement proportionnelle à la différence des signaux délivrés par les capteurs CAP+ et CAP- et elle est donc proportionnelle au signal utile.

Pour obtenir des mesures correctes, surtout avec une bonne précision et pour des champs de valeurs faibles, il n'est pas dans la pratique possible de réaliser quatres cellules de mesure distinctes puis de les assembler pour obtenir le pont de la figure 7. En effet les dispersions de fabrication d 'une part, et les erreurs sur l'alignement des plans des quatres cellules d'autres part, ainsi que leur éloignement, ne permettraient pas alors d'obtenir des résultats satisfaisants.

On est donc amené à réaliser un dispositif monolithique comportant un substrat unique sur lequel les quatres couches, définies par rapport à la figure 1, sont déposées simultanément. L'ensemble est ensuite gravé par voie chimique, ou par faisceau d'ions, pour isoler les quatres cellules. On obtient ainsi une homogénéité et une disposition géométrique tout à fait satisfaisantes.

Le problème consiste alors à obtenir les orientations adéquates des aimantations des couches dures de ces cellules. L'invention propose pour cela d'appliquer à chaque cellule un champ local dont l'orientation est inverse de celui appliqué aux cellules adjacentes, pendant le processus de polarisation des cellules, c'est à dire lors du refroidissement qui permet de figer dans la couche dure les aimantations ainsi déterminées. L'un des moyens pour obtenir ces champs distincts consiste, comme représenté sur la figure 8, à utiliser une ligne conductrice isolée 801 qui se sépare en deux branches 811 et 821 qui viennent passer au dessus des cellules CAP 701 à 704 de telle manière que les champs magnétiques 802 induits par les quatres bras de ces deux branches 811 et 821 passant au dessus des cellules CAP aient les sens voulus pour polariser ces cellules de la manière désirée.

Une manière de faire consiste à réaliser ces deux branches 811 et 821 sous une forme d'un carré permettant aux bras de passer au dessus des cellules dans le bon sens. Le champ magnétique local nécessaire pour saturer les aimantations dures des cellules étant de l'ordre de quelques dizaines d'Oersted, le courant à faire circuler dans le circuit électrique peut ne pas être très important ce qui peut parfaitement être compatible avec une technologie de type microélectronique

Claims

REVENDICATIONS

-Capteur de champ magnétique utilisant la magnetoresistance, caractérisé en ce qu'il comprend une première couche ferromagnétique (101) présentant une première anisostropie magnétique selon une première direction (301), une deuxième couche ferromagnétique (102) présentant une deuxième anisotropie magnétique selon une deuxième direction (302) et une couche isolante (103) séparant les deux couches ferromagnétiques et dont l'épaisseur permet de constituer une jonction tunnel entre ces deux couches ferromagnétiques.

- Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux directions d' anisotropie (301,302) sont perpendiculaires.

- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première anisotropie est induite par un substrat supportant la première couche ferromagnétique (101).

- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la deuxième anisotropie est induite par une couche antiferromagnétique AF (104) superposée sur la deuxième couche ferromagnétique (102).

- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux anisotropies présentent des valeurs sensiblement différentes pour que l'une soit "douce" et l'autre soit "forte".

- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche ferromagnétique "douce" est la première (101).

- Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend deux capteurs de type CAP+ (701,702) et deux capteurs de type CAP- (703,704) assemblés pour former un pont de Wheastone dans lequel chaque capteur d'un type est adjacent à un capteur de l'autre type.

Procédé de fabrication d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la première couche ferromagnétique (101) est déposée sur un substrat désorienté pour induire la première anisotropie magnétique par l'intermédiaire de l'énergie de forme.

- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que pour obtenir la deuxième anisotropie magnétique on chauffe la deuxième couche ferromagnétique (102) au delà de la température de Néel de la couche AF en contact et qu'on la laisse refroidir en dessous de cette température en lui appliquant un champ magnétique de saturation dirigé selon la deuxième direction(302).

- Procédé de fabrication d'un capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que pour obtenir la deuxième anisotropie magnétique des quatres capteurs (701-704) formant le pont de Wheastone, on chauffe l'ensemble de ces capteurs au delà de la température de Néel de la deuxième couche ferromagnétique et que l'on applique à chaque capteur un champ magnétique de saturation dirigé dans le sens des deuxièmes directions d'anisotropie en plaçant au dessus de ces quatres capteurs un circuit électrique dont la configuration permet d'obtenir localement les directions souhaitées.