WO2010055238A1 - Procede de fabrication d'une couche d'un materiau antiferromagnetique a structures magnetiques controlees - Google Patents

Procede de fabrication d'une couche d'un materiau antiferromagnetique a structures magnetiques controlees Download PDF

Info

Publication number
WO2010055238A1
WO2010055238A1 PCT/FR2009/051950 FR2009051950W WO2010055238A1 WO 2010055238 A1 WO2010055238 A1 WO 2010055238A1 FR 2009051950 W FR2009051950 W FR 2009051950W WO 2010055238 A1 WO2010055238 A1 WO 2010055238A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
magnetic
antiferromagnetic
domains
magnetic field
Prior art date
Application number
PCT/FR2009/051950
Other languages
English (en)
Inventor
Antoine Barbier
Odile Bezencenet
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique filed Critical Commissariat A L'energie Atomique
Priority to US13/128,721 priority Critical patent/US20110236704A1/en
Priority to EP09756160A priority patent/EP2364499A1/fr
Publication of WO2010055238A1 publication Critical patent/WO2010055238A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/32—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/002—Antiferromagnetic thin films, i.e. films exhibiting a Néel transition temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F41/303—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices with exchange coupling adjustment of magnetic film pairs, e.g. interface modifications by reduction, oxidation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/32—Composite [nonstructural laminate] of inorganic material having metal-compound-containing layer and having defined magnetic layer
    • Y10T428/325—Magnetic layer next to second metal compound-containing layer

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing antiferromagnetic layers, and more particularly those used in spin electronics.
  • the materials owe their magnetic properties to the fact that some atoms have one or more atomic sublayers having a single electron whose magnetic spin is not canceled by the opposite spin of another electron. Most of these materials have several single electrons, whose algebraic sum of elementary magnetic moments is not zero. There are four main categories of magnetic materials:
  • the first category is formed by ferromagnetic and ferrimagnetic materials.
  • the latter are characterized in that the magnetic moment of an atom is strongly coupled to the magnetic moment of the neighboring atoms by the exchange coupling, which tends to align the magnetic moments of all the atoms inside the same direction in the same direction. the same magnetic domain (called Weiss domain).
  • Weiss domain the same magnetic domain
  • ferrimagnetic materials whose magnetic behavior is very close to that of ferromagnetic materials.
  • the ferromagnetic materials When they are not saturated but in a disordered or weakly magnetic state, the ferromagnetic materials thus consist of a plurality of magnetic domains (Weiss domains) separated from each other by magnetic walls (for example Bloch walls). ): a magnetic domain is a magnetic microstructure in which the magnetic moments are all oriented in the same direction. The magnetic domains have irregular shapes, whose dimensions are of the order of a few hundred nanometers, even a micron, and the magnetization is very intense.
  • the magnetic orientations of two juxtaposed domains are a priori arbitrary, which causes a magnetic noise when the material is traversed by a spin current. Indeed, each electron passing through a magnetic domain undergoes a spin transfer depending on the difference between its magnetic orientation and that of the considered domain.
  • the algebraic sum of the magnetic moments of all domains has a fixed non-zero value determining its macroscopic magnetization.
  • these materials orient their magnetic domains in the direction of the external field. The more intense this field is, the more magnetic domains that are oriented in its direction are numerous, until saturation, which corresponds to the alignment of all the magnetic domains in the direction of the external field.
  • the hard ferromagnetic materials have an atomic structure that makes it difficult to randomly reorient the magnetizations of the magnetic domains after removal of the external magnetic field. All these magnetic properties disappear, reversibly, under the effect of thermal agitation beyond the Curie temperature. It will be noted that the stability of these hard layers can be ensured by its shape and / or by exchange coupling with an antiferromagnetic layer.
  • the second category of magnetic materials consists of diamagnetic materials characterized in this almost all my does not have an atomic sublayer with a single electron; for each sublayer, the magnetic moment created by an electron is thus canceled by the magnetic moment of the electron that is paired with it.
  • the resulting magnetic moment for each atom has a direction, a priori random, but a zero intensity. There is no magnetic coupling between two neighboring atoms.
  • the magnetic moment of each atom tends to orient itself very slightly in the opposite direction of this field, gradually forming, as the intensity of the field increases, magnetic domains. Their magnetization intensity remains much lower than the magnetization of a ferromagnetic material; Moreover, it is not possible to reach saturation.
  • the third category concerns paramagnetic materials which are characterized in that their atoms have atomic sub-layers having at least one single electron. However, there is no coupling between two neighboring atoms or magnetic order at great distance. When subjected to an external magnetic field, the magnetic moment of each atom tends to orient itself very slightly, in the direction of this field, forming gradually, when the intensity of the field increases, magnetic domains. Their magnetization intensity remains much lower than the magnetization of a ferromagnetic material and no remanence is observed after exposure to an external field. Again, it is therefore not at all feasible to reach saturation.
  • the fourth category of magnetic materials is that of antiferromagnetic materials. Their atoms have saturated layers, whose magnetic spin moments cancel out two by two. Their magnetic moment has a totally zero intensity, to the point of canceling any interaction with an external magnetic field. They nonetheless possess an antiferromagnetic structure characterized by the scheduling in two sub-networks of opposite magnetization, the resultant of which is zero. The subnetworks are nonetheless organized in magnetic domains, called Néel domains, which separate regions where the antiferromagnetic order has nucleated in different crystallographic orientations, although they are equivalent. in symmetry. Without intervention other than material growth, these domains are naturally expected to be smaller (one to two orders of magnitude) than the Weiss domains of ferromagnetic materials.
  • these domains are delimited by the fact that the same domain has on its outer surface one of the magnetization sub-networks, oriented in a certain direction. direction, the atomic layer immediately within this domain being obviously constituted by the opposite magnetization subarray (same direction and opposite direction).
  • This scheduling exists below the Néel temperature and reversibly disappears above, giving way to a slight paramagnetism or absence of magnetic order.
  • These Néel domains are at the origin of the magnetic noise when the material is traversed by a spin current, in a way comparable to the Weiss domains for ferro or ferrimagnetic materials.
  • Some known techniques make it possible to obtain antiferromagnetic layers whose surface (external) atomic layer corresponds to a magnetized network in one direction, the atomic layer immediately deeper (internal) corresponding obviously to the magnetized network in the opposite direction.
  • Such an arrangement allows the atoms of the outer surface layer to establish a magnetic exchange action with the atoms of a material placed in immediate contact.
  • By placing in contact a ferromagnetic layer it is possible to impose, by exchange coupling, the magnetic direction of this ferromagnetic layer. Since the antiferromagnetic layer is totally insensitive to the external magnetic field, it thus locks the orientation of the ferromagnetic layer.
  • the ferromagnetic / antiferromagnetic coupling used to produce "hard layers" and mentioned above, with a fixed magnetization direction, is thus obtained in the giant magneto resistors, the spin valves, the magnetic memories and, more generally, all the electronics of the magnet. spin.
  • Magnetic domains Weiss, Néel, Certainly the magnetic material, there is the presence of magnetic domains (Weiss, Néel, 7) separated by walls; these half Magnetic crostructures will be designated later by the generic term magnetic domain.
  • the magnetic domains are at the origin of a noise (Barkhausen noise) induced by the displacement of the walls of these domains. Therefore, it is useful in spin electronics to have magnetic layers whose magnetic domains are the largest possible, to limit this noise.
  • One way to reduce the number of small areas is to apply a sufficiently strong magnetic field to the magnetic material so that the latter contains almost no walls and is mono-domain. This solution is however not applicable to the layers of antiferromagnetic material, their lack of sensitivity to the external magnetic field not making it possible to act on the size of the domains.
  • a known solution for enlarging the Néel domains of an antiferromagnetic layer is to use the following method:
  • the whole is subjected to annealing at a temperature above the Néel temperature of the antiferromagnetic layer and below the Curie temperature of the ferromagnetic material, by applying, once at this temperature, an external magnetic field capable of enlarging the magnetic domains; preferentially, the ferromagnetic layer is magnetically saturated to have a single magnetic domain.
  • This method nevertheless has the following drawbacks: thermal treatment can cause inter-diffusion of the atoms between the layers, leading to a significant degradation of the characteristics of the junctions.
  • antiferromagnetic materials such as Fe 2 O 3 are not usable insofar as they have a Néel temperature of approximately 650 ° C. Annealing at a temperature of the order of 700 ° C. (beyond the Néel temperature of the antiferromagnetic layer) with a metal layer above the antiferromagnetic layer would result in technologically unacceptable cross-scattering.
  • the annealing generally carried out between 200 and 300 ° C for 30 to 60 minutes, can generate recrystallizations, which induce unacceptable inhomogeneities, especially from the point of view of magnetic properties. This may interfere with certain applications such as MRAM type magnetic memories where many junctions must have identical magnetic properties;
  • the object of the present invention is to provide a method of manufacturing an antiferromagnetic layer which makes it possible to suppress the small Néel domains and to significantly increase the size of the remaining Néel domains while freeing them limitations mentioned above (inter-diffusion, inapplicability of the process to antiferromagnetic materials having a Néel too high temperature, recrystallizations, homogeneity of treatment, inapplicability to substrates such as silicon).
  • the invention provides a method of manufacturing an antiferromagnetic layer comprising the following steps:
  • antiferromagnetic material in which can be integrated by diffusion during the growth at least one of the components of the material of the first layer:
  • Fe2O3 can be cited as an example of a component of a first ferromagnetic layer ⁇ -
  • Fe2O3 groups then diffuse into the antiferromagnetic layer LaFeOs.
  • Fe can also be mentioned as the first layer and FeMn as the second antiferromagnetic layer: in this case it is the Fe atoms that diffuse into the FeMn layer.
  • the applied external magnetic field must have a certain amplitude to obtain the displacement of the domains; typically, when magnetizing a ferro- or ferrimagnetic material, when an applied magnetic field has too little amplitude, the response of the material can be reversible. In this case, the spins can follow, at least partially, the applied external field but the domain walls do not move. When the magnetic field is cut, the spins return to their original state and nothing has changed. Therefore, according to the invention, it is necessary to apply a magnetic field exceeding this phenomenon to obtain a displacement of the walls.
  • the magnetic field it is meant by the time required for the tilting of the domains, the time necessary for the displacement of the walls to endure in a stable position after suppression of the magnetic field. If a magnetic field is applied for too short a time and / or with a weak magnetic field, the modifications will be reversible.
  • the displacement of the walls is typically on the millisecond scale, a magnetic field of greater amplitude tending to slightly shorten this value.
  • the amplitude of the field and the time of application of this field depend on the material. In general, it is a question of overcoming the reversible zone of magnetization.
  • the antiferromagnetic layer will copy the statistical distribution of the domains of the first magnetic layer, which will have magnified magnetic domains at the time of deposition of the first atomic thickness layers of antiferromagnetic layer, these first layers being sufficient to that establish the ferromagnetic order.
  • the antiferromagnetic order is established over large distances compared to other orders (several nanometers) magnetic or structural (less than one nanometer).
  • the growth of the antiferromagnetic layer is carried out starting from a first ferrimagnetic or ferromagnetic layer, either para or diamagnetic: the antiferromagnetic order is installed after a sufficient thickness of ferri, ferro, para or diamagnetic material.
  • this first layer must have a sufficient thickness for establishing the ferri, ferro, para or diamagnetic order.
  • This order generally corresponds to the thickness of at least three or four atomic layers (typically of the order of one nanometer).
  • the method of the invention consists in intervening at a sufficiently early stage on the growth of the antiferromagnetic layer, in order to avoid the problems of the prior art.
  • the antiferromagnetic order is not yet established, it can be manipulated by modifying the magnetic domains of the first layer (initial layer) by applying an external magnetic field (permanent or not). The Applicant was indeed surprised to note that the statistical distribution of the antiferromagnetic layer repeats the statistical distribution of the initial layer.
  • the antiferromagnetic state of the antiferromagnetic layer is modified by applying a magnetic field before the transition to the antiferromagnetic order and by modifying the domains of the initial layer.
  • the method according to the invention thus makes it possible to use spin electronics to antiferromagnetic materials having a high Néel temperature and to ferromagnetic materials coupled by exchange with Curie temperatures lower than the Néel temperature of the antiferromagnetic layer.
  • the magnetic field is only applied from the moment the ferro, ferri, para or diamagnetic order is established.
  • the method according to the invention thus totally differs from known methods for influencing the formation of metallic films, magnetic or not, using a magnetic field in a plane parallel to the surface of the substrate to prevent high energy electrons from a plasma source to bombard and therefore alter the surface of the film during its elaboration: these methods are not intended to influence the distribution of the magnetic domains by applying a magnetic field to an initial layer whose magnetic order is established. These methods contribute even less to allow an antiferromagnetic layer to grow on the initial layer and to recopy the statistical distribution of the magnetic domains of the initial layer.
  • the method according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • said magnetic field is applied for a time at least equal to that required for the specified switching of said magnetic domains
  • the antiferromagnetic material of said second layer has the same chemical formula as that of the material of said first layer;
  • said first layer is a ferrimagnetic or ferromagnetic layer, and said application time of the magnetic field is at least equal to the time required for tilting said domains;
  • said first layer is made of a ferrimagnetic material ⁇ -F ⁇ 2 ⁇ 3 so that the antiferromagnetic state of said second layer of Cc-Fe 2 O 3 by applying a magnetic field on said first layer before the transition to the antiferromagnetic order;
  • said first layer is a paramagnetic or diagrammatic layer, said application time being greater than or equal to the time necessary to establish the antiferromagnetic order of said second layer;
  • said magnetic field is applied after a thickness of said first layer greater than or equal to the thickness necessary for establishing the magnetic order of said first layer;
  • said magnetic field is applied after a thickness of said first layer greater than or equal to a thickness of the order of two to three atomic layers;
  • said magnetic field is applied in a direction parallel to an axis of crystalline anisotropy of the material of said first layer;
  • said application of the magnetic field is outside the deposition chamber in which said method is implemented;
  • said application of the magnetic field is made inside the enclosure in which said method is implemented via magnetic means such as at least one permanent magnet or at least one vacuum coil arranged directly in said enclosure;
  • the deposition of said first and second layers is in a growth chamber by molecular beam epitaxy with a pressure, during the deposition, of less than or equal to 10 -8 bars and preferably less than or equal to 10 -9 bars; ;
  • the deposition temperature is between room temperature and 450 ° C .; the growth of said first layer is carried out on a substrate cleaned of any contamination;
  • the deposition of said first and second layers is done using one of the following techniques: o laser ablation deposit; o molecular beam epitaxy; o chemical deposition such as CVD chemical vapor deposition or electrochemistry; said substrate used is a substrate of the type AI 2 O 3 (OOOI) or Pt (111);
  • said applied magnetic field is a field sufficient to cause the displacement of the magnetic walls and limited at most to the saturating field value for the material of said first layer;
  • said magnetic field is not uniform in space and has at least a first region subjected to a first uniform magnetic field value in intensity and direction, and at least one other uniform magnitude of magnetic field in intensity and direction, creating a structuring of space in magnetically distinct zones; a magnetic field pulse of sufficient intensity is applied to remove from their initial position the magnetic spins of the electrons in such a way that, after suppression of the magnetic field, these spins are realigned by a precession of Larmor in a new orientation determined by the brief magnetic field pulse.
  • the present invention also relates to a magnetic structure comprising at least one antiferromagnetic layer obtained by the method according to the invention.
  • the magnetic structure according to the invention comprises at least one ferromagnetic layer deposited on said antiferromagnetic layer and whose configuration of the magnetic domains is identical to that of said antiferromagnetic layer.
  • FIG. 1 illustrates the various steps of the method according to the invention
  • FIG. 2 represents an image of the magnetic domains observed on a 2 nm thick ferrimagnetic layer of Y-Fe 2 O 3
  • FIG. 3 represents an image of the magnetic domains observed on an antiferromagnetic layer with a thickness of 10 nm of ⁇ -Fe 2 O 3 ;
  • FIG. 4 represents the statistical evolution of the perimeter of the ferric or antiferromagnetic domains of Fe 2 O 3 layers of thickness.
  • FIG. 5 represents the statistical evolution of the perimeter of the magnetic domains as a function of the area of these domains for two antiferromagnetic layers of Cc-Fe 2 O 3 with a thickness of 10 nm obtained respectively with and without the field treatment magnetic in the early phase of the growth of the process according to the invention;
  • FIG. 6 represents the statistical evolution of the perimeter of the magnetic domains as a function of the area of these domains for different antiferromagnetic layers of Fe 2 O 3 and an antiferromagnetic layer of LaFeO 3 with a thickness of 40 nm;
  • FIG. 7 represents an image of the ferromagnetic domains of a 2 nm Co layer and domains of an antiferromagnetic Fe 2 O 3 layer with a thickness of 20 nm obtained by the method according to the invention.
  • the method according to the invention advantageously uses the surprising finding made by the applicant that the statistical distribution of the magnetic domains is identical in a ferrimagnetic film of ⁇ -Fe 2 O 3 , of thickness less than 3 nm, and in a film antiferromagnetic CC-Fe 2 O 3 thicker than 3 nm.
  • FIG. 2 represents an image of the magnetic domains observed on a ferrimagnetic layer with a thickness of 2 nm of ⁇ -Fe 2 O 3 .
  • the image is made by spectromicroscopy from a circularly polarized monoenergetic photon source of energy close to the L2 or L3 absorption thresholds of Fe; the image results from the weighted difference images observed for right and left circular polarizations.
  • the direction of the incident photons is indicated by an arrow on the image.
  • the white areas of the image represent the magnetic domains with magnetic moments oriented in the direction of the incident photons.
  • the black areas represent the magnetic domains having magnetic moments opposite to the direction of the incident photons.
  • Gray areas represent magnetic domains whose direction of magnetic moments is between white and black areas.
  • FIG. 3 represents an image of the magnetic domains observed on a 10 nm thick antiferromagnetic layer of Cc-Fe 2 O 3 obtained after growth on a ferrimagnetic film of 7-Fe 2 Os.
  • the antiferromagnetic order requires scales large enough to be established and the growth of an antiferromagnetic layer is effected via the passage through a first layer having a different order (ferrimagnetic, ferromagnetic, diamagnetic or paramagnetic).
  • the first layer is a ferrimagnetic layer.
  • the ferrimagnetic phase ⁇ -Fe 2 ⁇ 3 is stable up to a thickness of 3.5 nm before switching to the ⁇ -Fe 2 ⁇ 3 phase which is antiferromagnetic.
  • the image is made by spectromicroscopy from a linearly polarized monoenergetic photon source of energy close to the L2 or L3 absorption thresholds of Fe; the image results from the weighted difference of the images observed for horizontal and vertical linear polarizations.
  • the direction of the incident photons is indicated by an arrow on the image.
  • the white areas represent the magnetic domains having magnetic moments parallel or antiparallel to the direction of the incident photons.
  • the gray or black areas represent the magnetic domains having magnetic moments substantially perpendicular to the direction of the incident photons.
  • FIG. 4 represents the statistical evolution of the perimeter L of the ferri- or antiferromagnetic domains of Fe 2 O 3 layers with thicknesses equal to 2, 3.5, 6, 20 and 30 nm depending on the area A of these areas.
  • magnetic domain perimeter is understood to mean the length of the boundary of the magnetic domain. More precisely, the layer of thickness 2 nm is a ferrimagnetic layer ⁇ -F ⁇ 2 ⁇ 3 and the layers of thicknesses 3.5, 6, 20 and 30 nm are antiferromagnetic layers ⁇ -F ⁇ 2 ⁇ 3.
  • the statistical distribution of the magnetic domains is identical in the ⁇ -F ⁇ 2 ⁇ 3 ferrimagnetic layer with a thickness of 2 nm and in the antiferromagnetic layers of ⁇ -F ⁇ 2 ⁇ 3 with a thickness greater than or equal to 3.5 nm.
  • the percentage of domains distributed according to certain size classes is identical for the ferrimagnetic material and the antiferromagnetic material. This result is valid regardless of the thickness of the antiferromagnetic samples.
  • the statistical distribution of domain sizes obeys the statistical laws of a random field Ising model, typical of ferromagnetic materials.
  • the fractal dimension obtained from the domain images is 1.89 ⁇ 0.02 and the roughness coefficient is 0.60 ⁇ 0.04 which corresponds to the exponents expected in the hypothesis of a ferromagnetic domain propagation equation (control over precisely by a Kardar-Parisi-Zhang equation). But it was not expected to see the boundaries of the antiferromagnetic domains responding to a model designed for the physical phenomena propagating.
  • the method according to the invention advantageously uses the identical statistical distributions between the antiferromagnetic layer and the initial layer on which it grows.
  • Figure 1 illustrates the various steps 1 to 3 of the method according to the invention.
  • the invention consists of a process for producing an antiferromagnetic layer whose magnetic domains are determined by the application of an external magnetic field.
  • This method thus comprises a first step 1 of depositing, on a substrate, a first magnetic layer (ferri, ferro, para or diamagnetic).
  • the second step 2 consists, after deposition of a sufficient thickness so that establishes the magnetic order (ferri, ferro, para or diamagnetic) of the material of the first layer, that is to say in practice at least three or four atomic layers, to apply an external magnetic field of sufficient amplitude to cause the displacement of the magnetic domain walls of the first layer, for a time at least equal to the tilting time of these domains.
  • a magnetic field is applied whose amplitude and duration are sufficient to move the walls of the magnetic domains of the first layer from a first statistical distribution to a second statistical distribution, the second statistical distribution having: a minimum size of magnetic domains strictly greater than the minimum size of the magnetic domains of the first statistical distribution and;
  • the third step 3 it is grown on the first ferri, ferro, para or diamagnetic layer whose magnetic domains are modified, an antiferromagnetic layer of a material in which can be integrated by diffusion during the growth one to less components of the material of the first layer; this second antiferromagnetic layer, which may advantageously be of the same chemical composition as the first layer, forms a magnetic structure whose Néel domains recopy the shape and dimensions of the Weiss domains of the first layer.
  • the material used for the first layer is a ferrimagnetic material; the invention finds a particularly advantageous application in the case of ferrimagnetic material ⁇ -F ⁇ 2 ⁇ 3.
  • the first layer (initial layer) is deposited in a thin layer on a substrate in an environment free of contamination and without chemical reaction against the deposited material, preferably under ultra-high vacuum (typically a residual vacuum of less than 10 ⁇ 9 mbar).
  • ultra-high vacuum typically a residual vacuum of less than 10 ⁇ 9 mbar
  • Fe 2 O 3 a substrate of ⁇ -Al 2 ⁇ 3 (0001) or of Pt (111) and a growth chamber with a residual vacuum of 5 ⁇ 10 -10 mbar can be used. Charge effects for some measurements
  • the growth of Fe 2 Os films is carried out on a substrate cleaned of any contamination with an atomic oxygen plasma and a Fe atom evaporation from a source of molecular beam epitaxy MBE ("Molecular Beam Epitaxy")
  • the evaporators are of high purity (99.999% for Fe here) and evaporated with fluxes of the order of 0.1 nm / min.
  • the pressure during the deposition remains better than 10 ⁇ 8 mbar for a plasma oxygen source which dissociates about 10% of the oxygen atoms
  • the Fe 2 O 3 layer can be carried out in a wide temperature range from the temperature ambient up to 450 0 C.
  • the magnetic field can be applied in any direction but a particularly effective result on magnetic anisotropy will be obtained when applied in one direction easy magnetization, especially for materials with a strong magnetocrystalline anisotropy, for Y-Fe 2 O 3 , this magnetocrystalline anisotropy is weak, so that the orientation of the sample can be arbitrary
  • the application of the magnetic field makes it possible to modify the statistical distribution of the magnetic domains.
  • the growth is then continued to a sufficient thickness for the antiferromagnetic order to establish and to lead to the growth of an antiferromagnetic layer (second layer) of Cc-Fe 2 O 3 .
  • the final thickness may be chosen according to the application, the remaining antiferromagnetic domains frozen thereafter.
  • FIG. 5 represents the statistical evolution of the perimeter of the magnetic domains as a function of the area of these domains for two antiferromagnetic layers of ⁇ -Fe 2 O 3 with a thickness of 10 nm obtained. respectively with and without the magnetic field treatment in the early phase (after establishment of ferrimagnetic order) of growth.
  • the round-shaped dots relate to a layer deposited directly without a magnetic field.
  • the square-shaped dots relate to a layer of Fe 2 O 3 obtained by the process according to the invention whose growth was stopped for a thickness of 2 nm where a magnetic induction of 2 Tesla was applied for 30 secs with a rate of rise and fall in the field of the order of 5 min. Growth was then continued to a thickness of 10 nm.
  • the statistical distribution of the antiferromagnetic domains is modified so that the perimeter of the magnetic domains for a given area is multiplied by a factor close to 3.
  • the effect can be modulated as a function of the intensity of the applied field (depending on whether it is saturating or not for the material) or materials (in particular the value of the coercive field and the magnetochstalline anisotropy of the material).
  • a determined magnetic anisotropy can be "printed" in the antiferromagnetic material by virtue of the action of a magnetic field on the early phase which exists for a thickness less than the appearance of the antiferromagnetic order .
  • the fields to be applied will typically be of the order of 0.01 Tesla for times of at least a few milliseconds.
  • the process according to the invention is of course applied to other materials than Fe 2 O 3 .
  • LaFeO 3 layers of which the images were processed and compared for obtaining the statistical distribution were deposited on SrTiOs substrates (OOI) by laser ablation pulsed under an oxygen partial pressure of 10 ⁇ 4 mbar and for a substrate temperature of 1300 0 C.
  • This method of obtaining is therefore radically different from the process for obtaining Fe 2 O 3 layers (high partial pressure of O 2 and very rapid process in the case of La-FeO 3 and very little O 2 and slower reaction in the case of Fe 2 O 3 ).
  • the observations of the antiferromagnetic domains do not therefore depend on the mode of preparation of the antiferromagnetic layers.
  • the invention has been more particularly described in the case of a first ferrimagnetic layer; as we have already mentioned, the properties of the ferro and ferrimagnetic layers being very close, the invention also applies to a ferromagnetic initial layer. Moreover, the method is also applicable to initial paramagnetic or diamagnetic initial layers.
  • initial paramagnetic or diamagnetic initial layers there exists a critical nanometric size for which Ni-Mn grains pass from a paramagnetic order to an antiferromagnetic order [cf. especially Ladwig et al.
  • a specific magnetic anisotropy may be "printed" in the antiferomagnetic material by virtue of the action of a magnetic field on the early phase which exists for a thickness less than the appearance of the antiferromagnetic order.
  • the application of the magnetic field will be until the thickness is sufficient for the antiferromagnetic order to be established.
  • a paramagnetic early phase a moderate field of some 0.01 T to some 0.1 T will be sufficient.
  • the limited magnetic susceptibility of the diamagnetic materials requires the application of magnetic fields of greater amplitude to influence the latter, typically from 1 to several Tesla, or even higher.
  • the growth was stopped and the sample was removed from the growth chamber by epitaxy to be subjected to a magnetic field.
  • magnetic field it is also possible to apply the magnetic field directly to the growth chamber.
  • magnetic means all the devices making it possible to apply a magnetic field to the place where the MBE (or other) deposit is made, these magnetic means may consist of either at least one permanent magnet or by at least one vacuum coil arranged directly in the chamber.
  • the method according to the invention finds an immediate application in spin electronics also referred to as spintronics. Spinning is a fostering discipline in which the spin of the electron is used as an additional degree of freedom over conventional silicon electronics that use only its charge.
  • Magnetoresistive layer stacks comprising at least two ferromagnetic layers. separated by a non-magnetic layer. One of the ferromagnetic layers is trapped in a fixed direction and serves as a reference layer while the magnetization of the other layer can be switched relatively easily by the application of a magnetic moment by a magnetic field or a polarized current. in spin.
  • These stacks can be magnetic tunnel junctions when the separating layer is insulating or structures called spin valves when the separating layer is metallic.
  • the electrical resistance varies according to the relative orientation of the magnetizations of the two ferromagnetic layers.
  • Hard Layer As already mentioned, the magnetization of one of these ferromagnetic layers (called hard layer or “Hard Layer”, HL) is fixed.
  • the stability of this layer can be ensured by its shape and / or by exchange coupling with an antiferromagnetic layer.
  • This exchange coupling requires the deposition of a ferromagnetic layer on an antiferromagnetic layer, the latter being an antiferromagnetic synthetic layer.
  • Figure 7 represents:
  • the images are made by spectromicroscopy from a circularly polarized monoenergetic photon source of energy close to the L2 or L3 absorption thresholds of Co for the left image and the Fe for the right image; the image results from the weighted difference of the images observed for horizontal and vertical linear polarizations for the observation of the antiferromagnetic and circularly left and right domains for the observation of the ferromagnetic domains.
  • the direction of the incident photons is indicated by an arrow on the image.
  • the white areas represent the magnetic domains having magnetic moments parallel or antiparallel to the direction of the incident photons (represented by a double black arrow).
  • the gray or black areas represent the magnetic domains having magnetic moments substantially perpendicular to the direction of the incident photons (represented by a double white arrow).
  • the black areas represent the magnetic domains having magnetic moments opposite to the direction of the incident photons (represented by a white arrow).
  • the white areas represent magnetic domains whose direction of the magnetic moments is in the direction of the incident photons (represented by a black arrow).
  • the Co layer reproduces the same configuration of magnetic domains as the underlying Fe 2 O 3 antiferromagnetic layer.
  • the method according to the invention opens the way to spintronic applications allowing the use of antiferromagnetic materials having a high Néel temperature (this is particularly the case of Fe2O3 whose Néel temperature is approximately equal to 650 ° C.) and the use of ferromagnetic materials with lower Curie temperatures (the requirement of a high Curie temperature is avoided by the absence of heat treatment).
  • a macroscopic magnetic anisotropy is printed at all the materials used using a macroscopic magnetic field.
  • a locally applied magnetic field for example via a MFM (Magnetic Force Microscopy) tip, by drawing the magnetic domains and thus creating a domain shape template.
  • MFM Magnetic Force Microscopy
  • the ferromagnetic material on the antiferromagnetic layer obtained by the process according to the invention, for example for the elaboration of magnetic sensors of the spin valve or tunnel junction type which will take the form of the domains impregnated initially in the initial ferrimagnetic layer .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication de couches antiferromagnétiques, et plus particulièrement celles qui sont utilisées en électronique de spin. Le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes : dépôt (1) sur un substrat d'une première couche sur une épaisseur suffisante pour établir un ordre magnétique déterminé parmi l'un des ordres ferrimagnétique, ferromagnétique, paramagnétique ou diamagnétique; après établissement dudit ordre, application (2) d'un champ magnétique dont l'amplitude et la durée sont suffisants pour déplacer les parois des domaines magnétiques de ladite première couche d'une première répartition statistique vers une deuxième répartition statistique; dépôt (3), sur ladite première couche dont les parois des domaines magnétiques ont été déplacées, d'une seconde couche d'un matériau antiferromagnétique dans lequel peut s'intégrer par diffusion lors de la croissance l'un au moins des composants du matériau de ladite première couche.

Description

Procédé de fabrication d'une couche d'un matériau antiferromagnétique à structures magnétiques contrôlées
La présente invention concerne un procédé de fabrication de couches antiferromagnétiques, et plus particulièrement celles qui sont utilisées en électronique de spin.
Les matériaux doivent leurs propriétés magnétiques au fait que cer- tains atomes possèdent une ou plusieurs sous-couches atomiques ayant un électron célibataire dont le spin magnétique n'est pas annulé par le spin opposé d'un autre électron. La plupart de ces matériaux possèdent plusieurs électrons célibataires, dont la somme algébrique des moments magnétiques élémentaires n'est pas nulle. On peut distinguer quatre principales catégories de matériaux magnétiques :
- les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques ;
- les matériaux diamagnétiques ;
- les matériaux paramagnétiques ; - les matériaux antiferromagnétiques.
La première catégorie est formée par les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques. Ces derniers sont caractérisés en ce que le moment magnétique d'un atome est fortement couplé au moment magnétique des atomes voisins par le couplage d'échange, qui tend à aligner dans une même direction les moments magnétiques de tous les atomes à l'intérieur d'un même domaine magnétique (dit domaine de Weiss). Pour les matériaux ferromagnétiques, chacun de ces atomes aimantés dans une même direction a la même intensité d'aimantation. Concernant les matériaux ferrimagnétiques, dont le comportement magnétique est très proche de celui des matériaux ferromagnétiques. Là aussi, les moments magnétiques des atomes d'un même domaine sont dans une même direction, mais dans le ferri- magnétisme les électrons périphériques sont différemment répartis entre les deux spins lorsqu'on passe d'un atome à l'autre, de sorte que l'intensité d'aimantation varie selon chaque atome. Dans les deux cas toutefois (ferri- magnétique et ferromagnétique), l'existence des domaines magnétiques et leur formation sont régies par les mêmes lois : dès lors, on parlera dans toute la suite de la description indifféremment de matériaux ferrimagnétiques ou de matériaux ferromagnétiques.
Lorsqu'ils ne sont pas saturés mais dans un état désordonné ou fai- blement aimanté, les matériaux ferromagnétiques sont ainsi constitués d'une pluralité de domaines magnétiques (domaines de Weiss) séparés entre eux par des parois magnétiques (par exemple des parois de Bloch) : un domaine magnétique est une microstructure magnétique dans laquelle les moments magnétiques sont tous orientés dans une même direction. Les domaines magnétiques ont des formes irrégulières, dont les dimensions sont de l'ordre de quelques centaines de nanomètres, voire un micron, et l'aimantation y est très intense. Les orientations magnétiques de deux domaines juxtaposés sont a priori quelconques, ce qui cause un bruit magnétique lorsque le matériau est parcouru par un courant de spin. En effet, chaque électron traver- sant un domaine magnétique y subit un transfert de spin dépendant de l'écart entre son orientation magnétique et celle du domaine considéré.
Pour les couches dures (« hard layer » en anglais) de matériau ferromagnétique, la somme algébrique des moments magnétique de tous les domaines a une valeur non nulle fixe déterminant son aimantation macros- copique. Soumis à un champ magnétique extérieur, ces matériaux orientent leurs domaines magnétiques dans le sens du champ extérieur. Plus ce champ est intense, plus les domaines magnétiques qui s'orientent selon sa direction sont nombreux, ceci jusqu'à la saturation, qui correspond à l'alignement de tous les domaines magnétiques dans la direction du champ ex- térieur. Les matériaux ferromagnétiques durs ont une structure atomique qui rend difficile une réorientation aléatoire des aimantations des domaines magnétiques après suppression du champ magnétique extérieur. Toutes ces propriétés magnétiques disparaissent, de manière réversible, sous l'effet de l'agitation thermique au-delà de la température de Curie. On notera que la stabilité de ces couches dures peut être assurée par sa forme et/ou par couplage d'échange avec une couche antiferromagnétique.
La seconde catégorie de matériaux magnétiques est constituée par les matériaux diamagnétiques caractérisés en ce la quasi totalité des ato- mes ne possède pas de sous-couche atomique ayant un électron célibataire ; pour chaque sous-couche, le moment magnétique créé par un électron est donc annulé par le moment magnétique de l'électron qui lui est apparié. Le moment magnétique résultant pour chaque atome a une direction, a priori aléatoire, mais une intensité nulle. Il n'existe pas de couplage magnétique entre deux atomes voisins. Toutefois, lorsqu'un tel matériau est soumis à un champ magnétique extérieur, le moment magnétique de chaque atome tend à s'orienter très légèrement dans le sens inverse de ce champ, formant progressivement, à mesure que l'intensité du champ croît, des domaines magnétiques. Leur intensité d'aimantation reste très inférieure à l'aimantation d'un matériau ferromagnétique ; il n'est d'ailleurs pas envisageable d'atteindre la saturation.
La troisième catégorie concerne les matériaux paramagnétiques qui sont, caractérisés en ce que leurs atomes possèdent des sous-couches atomiques ayant au moins un électron célibataire. Il n'existe cependant pas de couplage entre deux atomes voisins ni d'ordre magnétique à grande distance. Lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique extérieur, le moment magnétique de chaque atome tend à s'orienter très légèrement, dans le sens de ce champ, formant progressivement, lorsque l'intensité du champ croît, des domaines magnétiques. Leur intensité d'aimantation reste très inférieure à l'aimantation d'un matériau ferromagnétique et aucune rémanence n'est observée après une exposition à un champ extérieur. A nouveau, il n'est donc pas du tout envisageable d'atteindre la saturation.
La quatrième catégorie de matériaux magnétiques est celle des maté- riaux antiferromagnétiques. Leurs atomes ont des couches saturées, dont les moments magnétiques de spin s'annulent deux à deux. Leur moment magnétique a une intensité totalement nulle, au point d'annuler toute interaction avec un champ magnétique extérieur. Ils possèdent néanmoins une structure antiferromagnétique caractérisée par l'ordonnancement en deux sous réseaux d'aimantation opposée, dont la résultante est nulle. Les sous réseaux s'ordonnent néanmoins en domaines magnétiques, dits domaines de Néel, qui séparent des régions où l'ordre antiferromagnétique a nucléé selon des orientations cristallographiques différentes bien qu'équivalentes en symétrie. Sans intervention autre que la croissance du matériau, ces domaines sont attendus naturellement plus petits (d'un à deux ordres de grandeur) que les domaines de Weiss des matériaux ferromagnétiques. Dans le cas particulier des couches minces (de 1 à 100 nm), ces domaines sont dé- limités entre eux par le fait qu'un même domaine présente à sa surface extérieure l'un des sous réseaux d'aimantation, orienté dans une certaine direction, la couche atomique immédiatement à l'intérieur de ce domaine étant bien évidemment constituée du sous-réseau d'aimantation opposée (même direction et sens contraire). Cet ordonnancement, existe en dessous de la température de Néel et disparaît, de manière réversible, au-dessus pour laisser place à un léger paramagnétisme ou une absence d'ordre magnétique. Ces domaines de Néel sont à l'origine du bruit magnétique lorsque le matériau est parcouru par un courant de spin, de manière comparable aux domaines de Weiss pour les matériaux ferro ou ferrimagnétiques. Certaines techniques connues permettent d'obtenir des couches antiferromagnétiques dont la couche atomique surfacique (externe) correspond à un réseau aimanté dans une direction, la couche atomique immédiatement plus profonde (interne) correspondant bien évidemment au réseau aimanté dans la direction opposée. Un tel arrangement permet aux atomes de la couche surfacique externe d'établir une action magnétique d'échange avec les atomes d'un matériau placé en contact immédiat. En plaçant en contact une couche ferromagnétique, on peut imposer, par couplage d'échange, la direction magnétique de cette couche ferromagnétique. Puisque la couche antiferromagnétique est totalement insensible au champ magnétique exté- rieur, elle verrouille ainsi l'orientation de la couche ferromagnétique. On obtient ainsi le couplage ferromagnétique/antiferromagnétique utilisé pour produire des « couches dures » et mentionné plus haut, à direction d'aimantation fixe, dans les magnéto résistances géantes, les vannes de spin, les mémoires magnétiques et plus généralement toute l'électronique de spin.
On constate, quel que soit le matériau magnétique, la présence de domaines magnétiques (Weiss, Néel,...) séparés par des parois ; ces mi- crostructures magnétiques seront désignées par la suite par le terme générique de domaine magnétique.
Comme déjà mentionné plus haut, les domaines magnétiques, quels qu'ils soient, sont à l'origine d'un bruit (bruit de Barkhausen) induit par le dé- placement des parois de ces domaines. Dès lors, il est utile, en électronique de spin, d'avoir des couches magnétiques dont les domaines magnétiques sont les plus grands possibles, afin de limiter ce bruit. Une manière de réduire le nombre de petits domaines consiste à appliquer un champ magnétique suffisamment fort au matériau magnétique de sorte que ce dernier ne contienne quasiment plus de parois et soit mono-domaine. Cette solution n'est toutefois pas applicable aux couches de matériau antiferromagnétique, leur absence de sensibilité au champ magnétique extérieur ne permettant pas d'agir sur la dimension des domaines.
Une solution connue pour agrandir les domaines de Néel d'une cou- che antiferromagnétique consiste à utiliser le procédé suivant :
- choisir des matériaux ferromagnétique et antiferromagnétique tels que la température de Néel du matériau antiferromagnétique soit inférieure à la température de Curie du matériau ferromagnétique ;
- fabriquer une couche antiferromagnétique ; - placer cette couche antiferromagnétique en contact très étroit avec une couche ferromagnétique ;
- faire subir à l'ensemble un recuit à une température supérieure à la température de Néel de la couche antiferromagnétique et inférieure à la température de Curie du matériau ferromagnétique, en appliquant, une fois à cette température, un champ magnétique extérieur apte à agrandir les domaines magnétiques ; préférentiellement, on sature magnétiquement la couche ferromagnétique pour avoir un seul domaine magnétique. Ce procédé présente néanmoins les inconvénients suivants : - le traitement thermique peut provoquer de l'inter-diffusion des atomes entre les couches, conduisant à une dégradation importante des caractéristiques des jonctions. Pour limiter ce phénomène, dépendant des lois thermodynamiques, il convient d'éliminer systématiquement tous les matériaux antiferromagnétiques à température de Néel élevée, qui sont précisément ceux qui confèrent au dispositif final de spintronique la plus grande stabilité, et devraient de ce fait être privilégiés; typiquement, des matériaux antiferromagnétiques tels que Fe2O3 ne sont pas utilisables dans la mesure où ils présentent une température de Néel d'environ 6500C. Un recuit à une température de l'ordre de 7000C (au-delà de la température de Néel de la couche antiferromagnétique) avec une couche métallique au-dessus de la couche antiferromagnétique entraînerait des inter-diffusions technologi- quement inacceptables.
- l'ensemble des couches est soumis au même traitement thermique, ce qui est contre-indiqué pour certaines applications. En effet, à l'issu de ce traitement, on obtient un mono-domaine magnétique ; en revanche, si l'on souhaite obtenir des domaines suffisamment grands mais différents, il est alors nécessaire de découper les jonctions individuelles par lithographie à l'issue du traitement ;
- le recuit, généralement effectués entre 200 et 300 °C pendant 30 à 60 minutes, peut générer des recristallisations, qui induisent des inhomogénéités rédhibitoires, notamment du point de vue des propriétés magnétiques. Cela peut gêner certaines applications comme les mémoires magnétiques de type MRAM où de nombreuses jonctions doivent posséder des propriétés magnétiques identiques ;
- ce procédé est utilisé avec des substrats qui sont généralement choisis pour être inertes par rapport aux métaux ; en revanche, la migra- tion des éléments de dopage occasionnée par le recuit rendrait son application extrêmement délicate pour des substrats tels que le silicium, qui seraient pourtant particulièrement intéressants pour une intégration avec des composants électroniques. En outre, la maîtrise de ce procédé sur les domaines magnétiques reste limitée.
En conclusion, le procédé connu décrit ci-dessus a une utilisation extrêmement limitée et n'est guère applicable pour de nombreux circuits d'électronique de spin. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un procédé de fabrication d'une couche antiferromagnétique permettant de supprimer les domaines de Néel de petite dimension et d'augmenter significati- vement la dimension des domaines de Néel restants tout en s'affranchissant des limitations mentionnées ci-dessus (inter-diffusion, inapplicabilité du procédé à des matériaux antiferromagnétiques ayant une température de Néel trop élevée, recristallisations, homogénéité du traitement, inapplicabilité à des substrats tels que le silicium).
A cette fin, l'invention propose un procédé de fabrication d'une cou- che antiferromagnétique comportant les étapes suivantes :
- dépôt sur un substrat d'une première couche sur une épaisseur suffisante pour établir un ordre magnétique déterminé parmi l'un des ordres suivants : o ferrimagnétique, o ferromagnétique, o paramagnétique, o diamagnétique ;
- après établissement dudit ordre ferrimagnétique, ferromagnétique, paramagnétique ou diamagnétique, application d'un champ magnétique dont l'amplitude et la durée sont suffisants pour déplacer les parois des domaines magnétiques de ladite première couche d'une première répartition statistique vers une deuxième répartition statistique, ladite deuxième répartition statistique présentant :
• une taille minimale de domaines magnétiques strictement supé- rieure à la taille minimale des domaines magnétiques de la première répartition statistique et ;
• pour une aire donnée, des domaines magnétiques dont le périmètre est supérieur à celui des domaines de la première répartition statistique ; - dépôt, sur ladite première couche dont les parois des domaines magnétiques ont été déplacées, d'une seconde couche d'un matériau antiferromagnétique dans lequel peut s'intégrer par diffusion lors de la croissance l'un au moins des composants du matériau de ladite première couche.
On entend par matériau antiferromagnétique dans lequel peut s'intégrer par diffusion lors de la croissance l'un au moins des composants du matériau de la première couche :
- soit un matériau ayant la même formule chimique que celle du matériau de la première couche ;
- soit un matériau ayant une formule chimique incluant partiellement la formule chimique de la première couche ; on peut citer Fe2Û3 comme exemple de composant d'une première couche ferromagnétique γ-
Fβ2θ3, et comme seconde couche antiferromagnétique LaFeOs : il est clair que des groupements Fe2Û3 diffusent alors dans le couche antiferromagnétique LaFeOs. On peut aussi citer Fe comme première couche et FeMn comme seconde couche antiferromagnétique : dans ce cas ce sont les atomes Fe qui diffusent dans la couche FeMn.
On note que le champ magnétique extérieur appliqué doit avoir une certaine amplitude pour obtenir le déplacement des domaines ; typiquement, lors de l'aimantation d'un matériau ferro- ou ferrimagnétique, lorsqu'un champ magnétique appliqué a une amplitude trop faible, la réponse du ma- tériau peut être réversible. Dans ce cas, les spins peuvent suivre, au moins partiellement, le champ extérieur appliqué mais les parois de domaines ne bougent pas. Lorsque le champ magnétique est coupé, les spins reviennent à leur état initial et rien n'a changé. Dès lors, selon l'invention, il est nécessaire d'appliquer un champ magnétique dépassant ce phénomène pour ob- tenir un déplacement des parois.
De même que pour le champ magnétique, on entend par temps nécessaire au basculement des domaines, le temps nécessaire pour que le déplacement des parois perdure dans une position stable après suppression du champ magnétique. Si on applique un champ magnétique pendant un temps trop bref et/ou avec un champ magnétique trop faible, les modifications seront réversibles. Le déplacement des parois se fait typiquement à l'échelle des millisecondes, un champ magnétique de plus forte amplitude ayant tendance à raccourcir légèrement cette valeur. Il faut donc laisser le champ présent pendant le temps nécessaire pour que les parois se déplacent effectivement, et dans le cas d'une impulsion brève suivie d'une précession de Larmor, ajouter au temps de déplacement des parois le temps nécessaire à la stabilisation des spins électroniques. L'amplitude du champ et le temps d'application de ce champ dépendent du matériau. De façon générale, il s'agit de vaincre la zone réversible d'aimantation.
Grâce à l'invention, la couche antiferromagnétique va recopier la répartition statistique des domaines de la première couche magnétique, Ia- quelle aura des domaines magnétiques agrandis au moment du dépôt des premières épaisseurs atomiques de couche antiferromagnétique, ces premières couches étant en nombre suffisant pour que s'établisse l'ordre ferromagnétique. L'ordre antiferromagnétique s'établit sur des distances grandes par rapport à d'autres ordres (plusieurs nanomètres) magnétiques ou struc- turaux (inférieur au nanomètre). La croissance de la couche antiferromagnétique s'effectue à partir d'une première couche soit ferrimagnétique ou ferromagnétique, soit para ou diamagnétique : l'ordre antiferromagnétique s'installe après une épaisseur suffisante de matériau ferri, ferro, para ou diamagnétique. Dans tous les cas, cette première couche doit avoir une épaisseur suffisante pour que s'établisse l'ordre ferri, ferro, para ou diamagnétique. Cet ordre correspond généralement à l'épaisseur d'au moins trois ou quatre couches atomiques (typiquement de l'ordre d'un nanomètre). Le procédé de l'invention consiste à intervenir à un stade suffisamment précoce sur la croissance de la couche antiferromagnétique, afin d'éviter les problè- mes de l'art antérieur. Lorsque l'ordre antiferromagnétique n'est pas encore établi, il peut être manipulé en modifiant les domaines magnétiques de la première couche (couche initiale) par application d'un champ magnétique extérieur (permanent ou non). La demanderesse a en effet eu la surprise de constater que la répartition statistique de la couche antiferromagnétique re- copie la répartition statistique de la couche initiale. Dès lors, on modifie l'état antiferromagnétique de la couche antiferromagnétique en appliquant un champ magnétique avant la transition vers l'ordre antiferromagnétique et en modifiant les domaines de la couche initiale. On peut donc ainsi piloter la taille, la forme ou la répartition statistique des domaines de Néel antiferromagnétiques sans recourir à des recuits ou des méthodes post-élaboration. Le procédé selon l'invention permet donc d'avoir recours en électronique de spin à des matériaux antiferromagnétiques ayant une température de Néel élevée et à des matériaux ferromagnétiques couplés par échange avec des températures de Curie inférieures à la température de Néel de la couche antiferromagnétique.
Il convient de noter que le champ magnétique n'est appliqué qu'à partir du moment où l'ordre ferro, ferri, para ou diamagnétique est établi. Le procédé selon l'invention diffère donc totalement de procédés connus pour influencer la formation de films métalliques, magnétiques ou non, à l'aide d'un champ magnétique dans un plan parallèle à la surface du substrat visant à empêcher les électrons de haute énergie issue d'une source plasma de bombarder et donc d'altérer, la surface du film lors de son élaboration : ces procédés ne visent absolument pas à influencer la répartition des domaines magnétiques par application d'un champ magnétique à une couche initiale dont l'ordre magnétique est établi. Ces procédés concourent encore moins à permettre à une couche antiferromagnétique de croître sur la couche initiale et de recopier la distribution statistique des domaines magnéti- ques de la couche initiale.
Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- ledit champ magnétique est appliqué pendant un temps au moins égal à celui requis pour le basculement spécifié desdits domaines magnétiques ;
- le matériau antiferromagnétique de ladite seconde couche a la même formule chimique que celle du matériau de ladite première couche ;
- ladite première couche est une couche ferrimagnétique ou ferroma- gnétique, et ledit temps d'application du champ magnétique est au moins égal au temps nécessaire au basculement desdits domaines ;
- ladite première couche est réalisée dans un matériau ferrimagnétique γ-Fβ2θ3 de sorte qu'on modifie l'état antiferromagnétique de ladite seconde couche de Cc-Fe2O3 en appliquant un champ magnétique sur ladite première couche avant la transition vers l'ordre antiferromagnétique ;
- ladite première couche est une couche paramagnétique ou diama- gnétique, ledit temps d'application étant supérieur ou égal au temps nécessaire à l'établissement de l'ordre antiferromagnétique de ladite seconde couche ;
- ledit champ magnétique est appliqué après une épaisseur de ladite première couche supérieure ou égale à l'épaisseur nécessaire pour que s'établisse l'ordre magnétique de ladite première couche ;
- ledit champ magnétique est appliqué après une épaisseur de ladite première couche supérieure ou égale à une épaisseur de l'ordre de deux à trois couches atomiques ;
- ledit champ magnétique est appliqué selon une direction parallèle à un axe d'anisotropie cristalline du matériau de ladite première couche ;
- ladite application du champ magnétique se fait en dehors de l'enceinte de dépôt dans laquelle est mis en œuvre ledit procédé ;
- ladite application du champ magnétique se fait à l'intérieur de l'enceinte dans laquelle est mis en œuvre ledit procédé via des moyens magnétiques tels qu'au moins un aimant permanent ou au moins une bobine sous vide agencé directement dans ladite enceinte ;
- le dépôt desdites première et deuxième couches se fait dans une en- ceinte de croissance par épitaxie par jets moléculaires avec une pression, pendant le dépôt, inférieure ou égale à 10~8 bars et préfé- rentiellement inférieure ou égale à 10~9 bars ;
- la température de dépôt est comprise entre la température ambiante et 4500C ; - la croissance de ladite première couche est réalisée sur un substrat nettoyé de toute contamination ;
- le dépôt desdites première et deuxième couches se fait en utilisant l'une des techniques suivantes : o dépôt par ablation laser ; o épitaxie par jets moléculaires ; o dépôt par voie chimique tel qu'un dépôt chimique en phase vapeur CVD ou une électrochimie ; - ledit substrat utilisé est un substrat du type AI2O3(OOOI ) ou Pt(111 ) ;
- ledit champ magnétique appliqué est un champ suffisant pour provoquer le déplacement des parois magnétiques et limité au plus à la valeur de champ saturant pour le matériau de ladite première couche ;
- ledit champ magnétique n'est pas uniforme dans l'espace et présente au moins une première région soumise à une première valeur uniforme de champ magnétique en intensité et direction, et au moins une autre valeur uniforme de champ magnétique en intensité et direction, créant une structuration de l'espace en zones magnétiquement distinctes ; - on applique une impulsion de champ magnétique suffisamment intense pour écarter de leur position initiale les spins magnétiques des électrons d'une telle manière qu'après suppression du champ magnétique ces spins se réalignent par une précession de Larmor dans une nouvelle orientation déterminée par la brève impulsion de champ ma- gnétique.
La présente invention a également pour objet une structure magnétique comportant au moins une couche antiferromagnétique obtenue par le procédé selon l'invention.
Avantageusement, la structure magnétique selon l'invention comporte au moins une couche ferromagnétique déposée sur ladite couche antiferromagnétique et dont la configuration des domaines magnétiques est identique à celle de ladite couche antiferromagnétique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nul- lement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre les différentes étapes du procédé selon l'invention;
- la figure 2 représente une image des domaines magnétiques observés sur une couche ferrimagnétique d'épaisseur 2 nm de Y-Fe2O3 ; - la figure 3 représente une image des domaines magnétiques observés sur une couche antiferromagnétique d'épaisseur 10 nm de cc- Fe2O3 ;
- la figure 4 représente l'évolution statistique du périmètre des domai- nés ferri- ou antiferromagnétiques de couches de Fe2O3 d'épaisseur
2, 3.5, 6, 20 et 30 nm en fonction de l'aire de ces domaines ;
- la figure 5 représente l'évolution statistique du périmètre des domaines magnétiques en fonction de l'aire de ces domaines pour deux couches antiferromagnétiques de Cc-Fe2O3 d'une épaisseur de 10 nm obtenues respectivement avec et sans le traitement sous champ magnétique dans la phase précoce de la croissance du procédé selon l'invention ;
- la figure 6 représente l'évolution statistique du périmètre des domaines magnétiques en fonction de l'aire de ces domaines pour différen- tes couches antiferromagnétiques de Fe2O3 et une couche antiferromagnétique de LaFeO3 d'épaisseur 40 nm ;
- la figure 7 représente une image des domaines ferromagnétiques d'une couche de 2 nm de Co et des domaines d'une couche antiferromagnétique de Fe2O3 d'une épaisseur de 20 nm obtenue par le procédé selon l'invention.
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence.
Le procédé selon l'invention utilise de manière avantageuse la constatation surprenante faite par la demanderesse que la répartition statistique des domaines magnétiques est identique dans un film ferrimagnétique de γ- Fe2O3, d'épaisseur inférieure à 3 nm, et dans un film antiferromagnétique de CC-Fe2O3 d'épaisseur supérieure à 3 nm.
Ce phénomène est tout d'abord illustré par les figures 2 et 3. La figure 2 représente une image des domaines magnétiques obser- vés sur une couche ferrimagnétique d'épaisseur 2 nm de γ-Fe2O3. L'image est réalisée par spectromicroscopie à partir d'une source de photons monoénergétique polarisée circulairement d'une énergie proche des seuils d'absorption L2 ou L3 du Fe ; l'image résulte de la différence pondérée des images observées pour des polarisations circulaire droite et gauche. La direction des photons incidents est indiquée par une flèche sur l'image. Les zones blanches de l'image représentent les domaines magnétiques ayant des moments magnétiques orientés suivant la direction des photons inci- dents. Les zones noires représentent les domaines magnétiques ayant des moments magnétiques opposés à la direction des photons incidents. Les zones grises représentent des domaines magnétiques dont la direction des moments magnétiques se situe entre celle des zones blanches et noires.
La figure 3 représente une image des domaines magnétiques obser- vés sur une couche antiferromagnétique d'épaisseur 10 nm de Cc-Fe2O3 obtenu après croissance sur un film ferrimagnétique de 7-Fe2Os. Comme nous l'avons déjà mentionné plus haut, l'ordre antiferromagnétique nécessite des échelles assez grandes pour s'établir et la croissance d'une couche antiferromagnétique s'effectue via le passage par une première couche ayant un ordre différent (ferrimagnétique, ferromagnétique, diamagnétique ou para- magnétique). Selon un mode de réalisation préférentielle, la première couche est une couche ferrimagnétique. Dans le cas présent, la phase ferrimagnétique γ-Fe2θ3 est stable jusqu'à une épaisseur de 3.5 nm avant de basculer vers la phase α-Fe2θ3 qui est antiferromagnétique. Avec une même formule chimique (Fe2O3), on passe ainsi d'une phase ferrimagnétique à une phase antiferromagnétique. L'image est réalisée par spectromicroscopie à partir d'une source de photons mono-énergétique polarisée linéairement d'une énergie proche des seuils d'absorption L2 ou L3 du Fe ; l'image résulte de la différence pondérée des images observée pour des polarisations linéaire horizontale et verticale. La direction des photons incidents est indiquée par une flèche sur l'image. Les zones blanches représentent les domaines magnétiques ayant des moments magnétiques parallèles ou antiparallèles à la direction des photons incidents. Les zones grises ou noires représentent les domaines magnétiques ayant des moments magnétiques sensiblement perpendiculaires à la direction des photons incidents.
L'homme du métier constate sur les deux images des figures 2 et 3 que les parois de domaines magnétiques sont sensiblement identiques. Ce phénomène surprenant est confirmé par la figure 4 qui représente l'évolution statistique du périmètre L des domaines ferri- ou antiferromagnétiques de couches de Fe2Û3 d'épaisseurs t égales à 2, 3,5, 6, 20 et 30 nm en fonction de l'aire A de ces domaines. Dans toute la suite de la descrip- tion, on entend par périmètre de domaine magnétique la longueur de la frontière du domaine magnétique. Plus précisément, la couche d'épaisseur 2 nm est une couche ferrimagnétique γ-Fβ2θ3 et les couches d'épaisseurs 3,5, 6, 20 et 30 nm sont des couches antiferromagnétiques α-Fβ2θ3. La répartition statistique des domaines magnétiques est identique dans la couche ferrima- gnétique de γ-Fβ2θ3 d'épaisseur 2 nm et dans les couches antiferromagnétiques de α-Fβ2θ3 d'épaisseur supérieure ou égale à 3,5 nm. En d'autres termes, le pourcentage de domaines répartis suivant certaines classes de dimensions est identique pour le matériau ferrimagnétique et le matériau antiferromagnétique. Ce résultat est valable quelle que soit l'épaisseur des échantillons antiferromagnétiques.
La répartition statistique des tailles de domaines obéit dans les deux cas aux lois statistiques d'un modèle d'Ising en champ aléatoire, typique des matériaux ferromagnétiques. La dimension fractale obtenue à partir des images des domaines est de 1 ,89±0.02 et le coefficient de rugosité est de 0,60±0.04 qui correspondent aux exposants attendus dans l'hypothèse d'une équation de propagation de domaines ferromagnétiques (régie plus précisément par une équation de type Kardar-Parisi-Zhang). Or il n'était pas attendu de voir les frontières des domaines antiferromagnétiques répondant à un modèle conçu pour les phénomènes physiques propagatoires. Le procédé selon l'invention utilise avantageusement les répartitions statistiques identiques entre la couche antiferromagnétique et la couche initiale sur laquelle elle croît.
La figure 1 illustre les différentes étapes 1 à 3 du procédé selon l'invention. Sous sa forme la plus générale, l'invention consiste en un procé- dé de fabrication d'une couche antiferromagnétique dont les domaines magnétiques sont déterminés par l'application d'un champ magnétique extérieur. Ce procédé comporte ainsi une première étape 1 consistant à déposer, sur un substrat, une première couche magnétique (ferri, ferro, para ou diamagnétique).
La seconde étape 2 consiste, après dépôt d'une épaisseur suffisante pour que s'établisse l'ordre magnétique (ferri, ferro, para ou diamagnétique) du matériau de la première couche, c'est-à-dire en pratique au moins trois ou quatre couches atomiques, à appliquer un champ magnétique extérieur d'amplitude suffisante pour provoquer le déplacement des parois de domaines magnétiques de la première couche, pendant un temps au moins égal au temps de basculement de ces domaines. En d'autres termes, on applique un champ magnétique dont l'amplitude et la durée sont suffisants pour déplacer les parois des domaines magnétiques de la première couche d'une première répartition statistique vers une deuxième répartition statistique, la deuxième répartition statistique présentant : - une taille minimale de domaines magnétiques strictement supérieure à la taille minimale des domaines magnétiques de la première répartition statistique et ;
- pour une aire donnée, des domaines magnétiques dont le périmètre est supérieur à celui des domaines de la première répartition statisti- que.
Selon la troisième étape 3, on fait croître sur la première couche ferri, ferro, para ou diamagnétique dont les domaines magnétiques sont modifiés, une couche antiferromagnétique d'un matériau dans lequel peut s'intégrer par diffusion lors de la croissance l'un au moins des composants du maté- riau de la première couche ; cette seconde couche antiferromagnétique, qui peut avantageusement être de même composition chimique que la première couche, forme une structure magnétique dont les domaines de Néel recopient la forme et les dimensions des domaines de Weiss de la première couche. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le matériau utilisé pour la première couche est un matériau ferrimagnétique ; l'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le cas du matériau ferrimagnétique γ-Fβ2θ3. Selon un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, la première couche (couche initiale) est déposée en couche mince sur un substrat dans un environnement exempt de contamination et sans réaction chimique face au matériau déposé, de préférence sous ultravide (typique- ment un vide résiduel inférieur à 10~9 mbar).
Dans le cas de Fe2θ3, on peut utiliser un substrat de α-AI2θ3(0001 ) ou de Pt(111 ) et une enceinte de croissance avec un vide résiduel de 5.10"10 mbar. Le substrat de Pt évite la présence d'effets de charges pour certaines mesures. La croissance des films de Fe2Os est réalisée sur un substrat net- toyé de toute contamination à l'aide d'un plasma d'oxygène atomique et d'une évaporation d'atome de Fe à partir d'une source d'épitaxie par jets moléculaires MBE (« Molecular Beam Epitaxy »). Les évaporants sont de grande pureté (99,999% pour le Fe ici) et évaporés avec des flux de l'ordre de 0,1 nm/min. La pression pendant le dépôt reste meilleure que 10~8 mbar pour une source plasma d'oxygène qui dissocie environ 10% des atomes d'oxygène. La couche de Fe2O3 peut être réalisée dans une large gamme de températures allant de la température ambiante jusqu'à 4500C.
Comme mentionné plus haut, à un stade précoce de la croissance, pour une épaisseur telle que l'ordre ferrimagnétique est établi (γ-Fe2O3) mais pas encore l'ordre antiferromagnétique ((X-Fe2Os), on applique un champ magnétique saturant. Dans l'exemple donné ici, la croissance a été arrêtée pour une épaisseur de 2 nm et l'échantillon a été soumis à une induction magnétique de 2 Teslas pendant 30 sec avec une vitesse de montée en champ de l'ordre de 5 minutes et une descente en champ de l'ordre de 5 minutes également. Le champ magnétique peut être appliqué dans n'importe quelle direction mais un résultat particulièrement efficace sur l'anisotropie magnétique sera obtenu lorsqu'il est appliqué dans une direction de facile aimantation, en particulier pour des matériaux présentant une forte anisotropie magnétocristalline. Pour Y-Fe2O3, cette anisotropie magné- tocristalline est faible ; dès lors, l'orientation de l'échantillon peut être quelconque. Comme nous allons le voir, l'application du champ magnétique permet de modifier la distribution statistique des domaines magnétiques. La croissance est ensuite poursuivie jusqu'à une épaisseur suffisante pour que l'ordre antiferromagnétique s'établisse et pour mener à la croissance d'une couche (deuxième couche) antiferromagnétique de Cc-Fe2O3. L'épaisseur finale pourra être choisie en fonction de l'application, les domai- nés antiferromagnétiques restants figés par la suite.
Pour le matériau cité en exemple, des épaisseurs allant jusqu'à 30 nm ont été testés.
Le résultat de ce procédé est illustré par la figure 5 qui représente l'évolution statistique du périmètre des domaines magnétiques en fonction de l'aire de ces domaines pour deux couches antiferromagnétiques de α- Fe2O3 d'une épaisseur de 10 nm obtenues respectivement avec et sans le traitement sous champ magnétique dans la phase précoce (après établissement de l'ordre ferrimagnétique) de la croissance.
Les points de forme ronde sont relatifs à une couche déposée direc- tement sans champ magnétique. Les points de forme carrée sont relatifs à une couche de Fe2O3 obtenue par le procédé selon l'invention dont la croissance a été stoppée pour une épaisseur de 2 nm où une induction magnétique de 2 Tesla a été appliquée pendant 30 secs avec une vitesse de montée et de descente en champ de l'ordre de 5 min. La croissance a ensuite été poursuivie jusqu'à une épaisseur de 10 nm.
On constate que la classe d'universalité statistique de la seconde courbe est conservée mais que cette seconde courbe est décalée verticalement et que les domaines les plus petits ont été supprimés. En d'autres termes, on observe deux effets liés à l'application du champ magnétique: - on augmente, pour une aire donnée, le périmètre des domaines magnétiques ;
- on supprime la partie basse de la courbe correspondant à des domaines de taille réduite.
Dans l'exemple illustré en figure 5, la répartition statistique des do- maines antiferromagnétique est modifiée de sorte que le périmètre des domaines magnétiques pour une aire donné se trouve multiplié par un facteur proche de 3. L'effet pourra être modulé en fonction de l'intensité du champ appliqué (selon qu'il est saturant ou non pour le matériau) ou des caractéris- tiques des matériaux (notamment la valeur du champ coercitif et l'anisotropie magnétochstalline du matériau).
Ce double effet qui consiste non seulement à supprimer les domaines les plus petits mais également à augmenter les domaines déjà grands s'explique par le fait que la couche antiferromagnétique recopie la distribution statistique des domaines de la couche ferrimagnétique sur laquelle elle croit ; dès lors, en agissant sur la distribution statistique des domaines de la couche ferrimagnétique, on agit sur la distribution statistique des domaines de la couche antiferromagnétique. La répartition statistique dans Cc-Fe2O3 est donc modifiée lorsqu'un champ magnétique est appliqué à γ-Fe2O3 avant de finir la croissance, cette modification étant réalisable sans nécessiter de traitement thermique. En d'autres termes, on modifie l'état antiferromagnétique de la couche de Cc-Fe2O3 en appliquant un champ magnétique avant la transition vers l'ordre antiferromagnétique. On peut ainsi piloter la taille, la forme ou la répartition statistique des domaines antiferromagnétique sans recourir à des recuits thermiques ou des méthodes post-élaboration. A l'aide de ce procédé, une anisotropie magnétique déterminée pourra être « imprimée » dans le matériau antiferromagnétique grâce à l'action d'un champ magnétique sur la phase précoce qui existe pour une épaisseur inférieure à l'apparition de l'ordre antiferromagnétique. Selon la réalisation préférentielle où l'on applique un champ magnétique pendant le temps requis pour le déplacement des domaines, les champs à appliquer seront typiquement de l'ordre de 0,01 Teslas pour des temps d'au moins quelques millisecondes. Le procédé selon l'invention s'applique bien entendu à d'autres maté- riaux que le Fe2O3. Ainsi, la figure 6 représente l'évolution statistique du périmètre des domaines magnétiques en fonction de l'aire de ces domaines pour différentes couches antiferromagnétiques de Fe2O3 (points de forme ronde) et une couche antiferromagnétique de LaFeO3 (points de forme carrée) d'épaisseur 40 nm. On observe que la répartition des domaines pour un autre composé antiferromagnétique, à savoir LaFeO3, suit les mêmes lois statistiques que Fe2O3, (à nouveau le modèle d'Ising en champ aléatoire caractérisé par une dimension fractale de 1.9±0.02 et un coefficient de rugosité de 0.58±0.04). On notera par ailleurs que les couches de LaFeO3 desquelles les images ont été traités et comparées pour l'obtention de la distribution statistique ont été déposées sur des substrats de SrTiOs(OOI ) par ablation laser puisé sous une pression partielle d'oxygène de 10~4 mbar et pour une température de substrat de 13000C. Ce procédé d'obtention est donc radicalement différent du procédé d'obtention des couches de Fe2O3 (pression partielle d'O2 importante et procédé très rapide dans le cas de La- FeO3 et très peu d'O2 et réaction plus lente dans le cas de Fe2O3). Les observations des domaines antiferromagnétiques ne dépendent donc pas du mode de préparation des couches antiferromagnétiques. D'autres méthodes de croissances, par exemple par voie chimique (du type dépôt chimique en phase vapeur CVD ou électrochimie) pourrait également être utilisées, la seule condition étant de partir d'un matériau antiferromagnétique issu d'un matériau ayant un ordre magnétique différent (ici typiquement un ordre fer- rimagnétique). Bien entendu, le procédé selon l'invention n'est pas limité aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre indicatif et nullement limitatif en référence aux figures 1 à 6.
Notamment, l'invention a été plus particulièrement décrite dans le cas d'une première couche ferrimagnétique ; comme nous l'avons déjà mention- né, les propriétés des couches ferro et ferrimagnétiques étant très proches, l'invention s'applique aussi à une couche initiale ferromagnétique. Par ailleurs, le procédé est également applicable à des premières couches initiales paramagnétiques ou diamagnétiques. Ainsi, à titre d'exemple il existe une taille nanométrique critique pour laquelle des grains de Ni-Mn transitent d'un ordre paramagnétique à un ordre antiferromagnétique [cf. notamment Ladwig et al. Journal of Electronic Materials 32 (2003) pp 1155-1159] : on peut donc envisager de mettre en œuvre le procédé avec une couche initiale (première couche) paramagnétique de Ni-Mn qui transite vers une seconde couche antiferromagnétique de Ni-Mn. De même, des films minces de Cr sont souvent diamagnétiques alors que le chrome massif adopte un ordre antiferromagnétique [cf. notamment K. Schrόder et S. Nayak, Physica Status Solidi (b) 172 (1992) pp 679-686]. On peut donc également envisager de mettre en œuvre le procédé avec une couche initiale (première couche) diamagnétique de Cr et une seconde couche antiferromagnétique de Cr.
De même que pour le procédé précédemment décrit, une anisotropie magnétique déterminée pourra être « imprimée » dans le matériau antifer- romagnétique grâce à l'action d'un champ magnétique sur la phase précoce qui existe pour une épaisseur inférieure à l'apparition de l'ordre antiferromagnétique. Pour des couches initiales paramagnétiques ou diamagnétiques, l'application du champ magnétique se fera jusqu'à ce que l'épaisseur soit suffisante pour que l'ordre antiferromagnétique s'établisse. Pour une phase précoce paramagnétique, un champ modéré de quelques 0,01 T à quelques 0,1 T sera suffisant. Dans le cas d'utilisation d'une première couche diamagnétique, la susceptibilité magnétique limitée des matériaux diamagnétiques impose d'appliquer des champs magnétiques d'amplitude plus importante pour influencer ces derniers, typiquement de 1 à plusieurs Tesla, voire supérieure.
Par ailleurs, dans l'exemple décrit, la croissance a été arrêtée et l'échantillon a été sorti de la chambre de croissance par épitaxie pour être soumis à un champ magnétique. Bien entendu, il est également possible d'appliquer le champ magnétique directement dans la chambre de crois- sance. En désignant par le terme « moyens magnétiques » l'ensemble des dispositifs permettant d'appliquer un champ magnétique à l'endroit où s'effectue le dépôt MBE (ou autre), ces moyens magnétiques peuvent être constitués soit par au moins un aimant permanent soit par au moins une bobine sous vide agencée directement dans la chambre. Le procédé selon l'invention trouve une application immédiate en électronique de spin également désignée par le terme spintronique. La spin- tronique est une discipline en plein essor, qui consiste à utiliser le spin de l'électron comme degré de liberté supplémentaire par rapport à l'électronique classique sur silicium qui n'utilise que sa charge. Le spin a en effet une in- fluence importante sur les propriétés de transport dans les matériaux ferromagnétiques. De nombreuses applications de l'électronique de spin en particulier les mémoires ou les éléments logiques utilisent des empilements de couches magnétorésistives comprenant au moins deux couches ferroma- gnétiques séparées par une couche non-magnétique. L'une des couches ferromagnétiques est piégée dans une direction fixe et sert de couche de référence tandis que l'aimantation de l'autre couche peut être commutée relativement facilement par l'application d'un moment magnétique par un champ magnétique ou un courant polarisé en spin.
Ces empilements peuvent être des jonctions tunnels magnétiques lorsque la couche séparatrice est isolante ou des structures dites de vannes de spin lorsque la couche séparatrice est métallique. Dans ces structures, la résistance électrique varie en fonction de l'orientation relative des aimanta- tions des deux couches ferromagnétiques.
Comme nous l'avons déjà mentionné, l'aimantation d'une de ces couches ferromagnétiques (appelée couche dure ou « Hard Layer », HL) est fixe. La stabilité de cette couche peut être assurée par sa forme et/ou par couplage d'échange avec une couche antiferromagnétique. Ce couplage d'échange nécessite le dépôt d'une couche ferromagnétique sur une couche antiferromagnétique, cette dernière pouvant être une couche antiferromagnétique de synthèse. On voit ici tout l'intérêt du procédé selon l'invention puisque le gabarit magnétique crée via ce procédé pourra être utilisé pour se propager dans les couches de jonctions magnétiques de type vanne de spin ou jonctions tunnel. Les domaines magnétiques de la couche antiferromagnétique sont en effet également recopiés par la couche ferromagnétique que l'on ferra croître sur celle-ci. Ce phénomène est illustré par la figure 7 qui représente :
- une image (à gauche) des domaines magnétiques d'une couche fer- romagnétique de 2 nm de Co déposée sur une couche antiferromagnétique de Fβ2θ3 d'une épaisseur de 20 nm obtenue par le procédé selon l'invention et ;
- une image (à droite) des domaines d'une couche antiferromagnétique de Fβ2θ3 d'une épaisseur de 20 nm obtenue par le procédé selon l'invention.
Les images sont réalisée par spectromicroscopie à partir d'une source de photons mono-énergétique polarisée circulairement d'une énergie proche des seuils d'absorption L2 ou L3 du Co pour l'image de gauche et du Fe pour l'image de droite; l'image résulte de la différence pondérée des images observée pour des polarisations linéaire horizontale et verticale pour l'observation des domaines antiferromagnétiques et circulairement gauche et droite pour l'observation des domaines ferromagnétiques. La direction des photons incidents est indiquée par une flèche sur l'image. Pour l'image de la couche antiferromagnétique, les zones blanches représentent les domaines magnétiques ayant des moments magnétiques parallèles ou antiparallèles à la direction des photons incidents (représentés par une flèche noire double). Les zones grises ou noires représentent les domaines magnétiques ayant des moments magnétiques sensiblement perpendiculaires à la direction des photons incidents (représentés par une flèche blanche double). Pour l'image de la couche ferromagnétique, les zones noires représentent les domaines magnétiques ayant des moments magnétiques opposés à la direction des photons incidents (représentés par une flèche blanche). Les zones blanches représentent des domaines magnétiques dont la direction des moments magnétiques se situe suivant la direction des photons incidents (représentés par une flèche noire).
Comme on peut l'observer sur ces deux images, la couche de Co reproduit la même configuration de domaines magnétiques que la couche anti- ferromagnétique de Fe2Û3 sous-jacente. Ainsi, avec un champ magnétique suffisamment intense pendant la phase précoce, il est tout à fait envisageable d'obtenir des couches mono-domaine (ou en tout état de cause, d'éliminer les domaines de tailles réduites et d'augmenter les tailles des domaines restant) afin de réduire le bruit lié aux domaines magnétiques de tailles réduites. Le procédé selon l'invention ouvre la voie à des applications en spintronique permettant l'utilisation de matériaux antiferromagnétiques ayant une température de Néel élevée (c'est notamment le cas de Fe2Û3 dont la température de Néel est environ égale à 6500C) et à l'utilisation de matériaux ferromagnétiques ayant des températures de Curie plus basse (on s'affranchit de l'exigence d'une température de Curie élevée via l'absence de traitement thermique). Dans le cas d'une application visant à obtenir des domaines de tailles plus grandes (voire même un monodomaine), on imprime une anisotropie magnétique macroscopique à l'ensemble des matériaux utilisés à l'aide d'un champ magnétique macroscopique. On notera toutefois qu'il est également possible d'utiliser un champ magnétique appliqué localement, par exemple via une pointe de MFM (Mi- croscopie à Force Magnétique), en dessinant les domaines magnétiques et en créant ainsi un gabarit de forme de domaines et en déposant ensuite le matériau ferromagnétique sur la couche antiferromagnétique obtenu par le procédé selon l'invention, par exemple pour l'élaboration de capteurs magnétiques de type vanne de spin ou jonction tunnel qui reprendront la forme des domaines imprégnés au départ dans la couche ferrimagnétique initiale.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'une couche antiferromagnétique comportant les étapes suivantes : - dépôt (1 ) sur un substrat d'une première couche sur une épaisseur suffisante pour établir un ordre magnétique déterminé parmi l'un des ordres suivants : o ferrimagnétique, o ferromagnétique, o paramagnétique, o diamagnétique ;
- après établissement dudit ordre ferrimagnétique, ferromagnétique, paramagnétique ou diamagnétique, application (2) d'un champ magnétique dont l'amplitude et la durée sont suffisants pour déplacer les pa- rois des domaines magnétiques de ladite première couche d'une première répartition statistique vers une deuxième répartition statistique, ladite deuxième répartition statistique présentant :
• une taille minimale de domaines magnétiques strictement supérieure à la taille minimale des domaines magnétiques de ladite première répartition statistique et ;
• pour une aire donnée, des domaines magnétiques dont le périmètre est supérieur à celui des domaines de ladite première répartition statistique ;
- dépôt (3), sur ladite première couche dont les parois des domaines magnétiques ont été déplacées, d'une seconde couche d'un matériau antiferromagnétique dans lequel peut s'intégrer par diffusion lors de la croissance l'un au moins des composants du matériau de ladite première couche.
2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le champ magnétique est appliqué pendant un temps au moins égal à celui requis pour le basculement spécifié desdits domaines magnétiques.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau antiferromagnétique de ladite seconde couche a la même formule chimique que celle du matériau de ladite première couche
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite première couche est une couche ferrimagnétique ou ferromagnétique, et ledit temps d'application du champ magnétique est au moins égal au temps nécessaire au basculement desdits domaines.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite première couche est réalisée dans un matériau ferrimagnétique Y-Fe2O3 de sorte qu'on modifie l'état antiferromagnétique de ladite seconde couche de Cc-Fe2O3 en appliquant un champ magnétique sur ladite première couche avant la transition vers l'ordre antiferromagnétique.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite première couche est une couche paramagnétique ou diamagnétique, ledit temps d'application étant supérieur ou égal au temps nécessaire à rétablissement de l'ordre antiferromagnétique de ladite seconde couche.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit champ magnétique est appliqué après une épaisseur de ladite première couche supérieure ou égale à l'épaisseur nécessaire pour que s'établisse l'ordre magnétique de ladite première couche.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit champ magnétique est appliqué après une épaisseur de ladite première couche supérieure ou égale à une épaisseur de l'ordre de deux à trois couches atomiques.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit champ magnétique est appliqué selon une direction parallèle à un axe d'anisotropie cristalline du matériau de ladite première couche.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite application du champ magnétique se fait en dehors de l'enceinte de dépôt dans laquelle est mis en œuvre ledit procédé.
1 1 . Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que ladite application du champ magnétique se fait à l'intérieur de l'enceinte dans laquelle est mis en œuvre ledit procédé via des moyens magnétiques tels qu'au moins un aimant permanent ou au moins une bobine sous vide agencé directement dans ladite enceinte.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le dépôt desdites première et deuxième couches se fait dans une enceinte de croissance par épitaxie par jets moléculaires avec une pression, pendant le dépôt, inférieure ou égale à 10~8 bars et préférentiel Ie- ment inférieure ou égale à 10~9 bars.
13. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la température de dépôt est comprise entre la température ambiante et 4500C.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la croissance de ladite première couche est réalisée sur un substrat nettoyé de toute contamination.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 1 1 caractérisé en ce que le dépôt desdites première et deuxième couches se fait en utilisant l'une des techniques suivantes :
- dépôt par ablation laser ;
- épitaxie par jets moléculaires ; - dépôt par voie chimique tel qu'un dépôt chimique en phase vapeur CVD ou une électrochimie.
16. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit substrat utilisé est un substrat du type AI2O3(OOOI ) ou
Pt(1 1 1 ).
17. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit champ magnétique appliqué est un champ suffisant pour provoquer le déplacement des parois magnétiques et limité au plus à la valeur de champ saturant pour le matériau de ladite première couche.
18. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit champ magnétique n'est pas uniforme dans l'espace et pré- sente au moins une première région soumise à une première valeur uniforme de champ magnétique en intensité et direction, et au moins une autre valeur uniforme de champ magnétique en intensité et direction, créant une structuration de l'espace en zones magnétiquement distinctes.
19. Structure magnétique comportant au moins une couche antiferromagnétique obtenue par le procédé selon l'une des revendications précédentes.
20. Structure magnétique selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une couche ferromagnétique déposée sur ladite couche antiferromagnétique et dont la configuration des domaines magnétiques est identique à celle de ladite couche antiferromagnétique.
PCT/FR2009/051950 2008-11-12 2009-10-13 Procede de fabrication d'une couche d'un materiau antiferromagnetique a structures magnetiques controlees WO2010055238A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/128,721 US20110236704A1 (en) 2008-11-12 2009-10-13 Process for fabricating a layer of an antiferromagnetic material with controlled magnetic structures
EP09756160A EP2364499A1 (fr) 2008-11-12 2009-10-13 Procede de fabrication d'une couche d'un materiau antiferromagnetique a structures magnetiques controlees

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0857646A FR2938369B1 (fr) 2008-11-12 2008-11-12 Procede de fabrication d'une couche d'un materiau antiferromagnetique a structures magnetiques controlees
FR0857646 2008-11-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010055238A1 true WO2010055238A1 (fr) 2010-05-20

Family

ID=40779628

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2009/051950 WO2010055238A1 (fr) 2008-11-12 2009-10-13 Procede de fabrication d'une couche d'un materiau antiferromagnetique a structures magnetiques controlees

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20110236704A1 (fr)
EP (1) EP2364499A1 (fr)
FR (1) FR2938369B1 (fr)
WO (1) WO2010055238A1 (fr)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201117446D0 (en) * 2011-10-10 2011-11-23 Univ York Method of pinning domain walls in a nanowire magnetic memory device
GB2557923B (en) 2016-12-16 2020-10-14 Ip2Ipo Innovations Ltd Non-volatile memory

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003092440A (ja) * 2001-09-18 2003-03-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁化スイッチ素子
AU2003296063A1 (en) * 2002-12-25 2004-07-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magnetic switching device and magnetic memory

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BARBIER A ET AL: "Electronic and crystalline structure, morphology, and magnetism of nanometric Fe2O3 layers deposited on Pt(111) by atomic-oxygen-assisted molecular beam epitaxy", PHYSICAL REVIEW, B. CONDENSED MATTER, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK, US, vol. 72, no. 24, 15 December 2005 (2005-12-15), pages 245423/1 - 245423/7, XP009118905, ISSN: 0163-1829 *
GOTA S ET AL: "Atomic-oxygen-assisted MBE growth of [alpha]-Fe2O3 on [alpha]-Al2O3(0001): Metastable FeO(111)-like phase at subnanometer thicknesses", PHYSICAL REVIEW B (CONDENSED MATTER) APS THROUGH AIP USA, vol. 60, no. 20, 15 November 1999 (1999-11-15), pages 14387 - 14395, XP002534653, ISSN: 0163-1829 *
K. SCHRÔDER, S. NAYAK, PHYSICA STATUS SOLIDI (B, vol. 172, 1992, pages 679 - 686
LADWIG ET AL., JOURNAL OF ELECTRONIC MATERIALS, vol. 32, 2003, pages 1155 - 1159

Also Published As

Publication number Publication date
FR2938369A1 (fr) 2010-05-14
US20110236704A1 (en) 2011-09-29
EP2364499A1 (fr) 2011-09-14
FR2938369B1 (fr) 2010-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FR2946183A1 (fr) Dispositif magnetique a polarisation de spin.
EP2106612A2 (fr) Dispositif magnétique multicouches, procédé pour sa réalisation, capteur de champ magnétique, mémoire magnétique et porte logique mettant en oeuvre un tel dispositif
EP2533244B1 (fr) Dispositif magnétique à couplage d'echange
EP2047489A2 (fr) Dispositif magnétique en couches minces à forte polarisation en spin perpendiculaire au plan des couches, jonction tunnel magnétique et vanne de spin mettant en oeuvre un tel dispositif
EP2286473A1 (fr) Element magnetique tricouches, procede pour sa realisation, capteur de champ magnetique, memoire magnetique et porte logique magnetique mettant en oeuvre un tel element
EP3531432B1 (fr) Jonction tunnel magnetique a anisotropie de forme perpendiculaire et variation en temperature minimisee, point memoire et element logique comprenant la jonction tunnel magnetique, procede de fabrication de la jonction tunnel magnetique
EP3531420B1 (fr) Jonction tunnel magnetique a anisotropie de forme perpendiculaire et variabilite minimisee, point memoire et element logique comprenant la jonction tunnel magnetique, procede de fabrication de la jonction tunnel magnetique
FR2868194A1 (fr) Procede et dispositif pour la fabrication d'un film multicouche magnetoresistif avec utilisation d'oxygene
WO2010055238A1 (fr) Procede de fabrication d'une couche d'un materiau antiferromagnetique a structures magnetiques controlees
EP2622605B1 (fr) Dispositif magnetique a ecriture assistee thermiquement
FR2961339A1 (fr) Oscillateur a transfert de spin
EP2533245B1 (fr) Empilement magnétique et point mémoire comportant un tel empilement
EP0186528A1 (fr) Matériau magnétique du type grenat, film magnétique à forte rotation Faraday comportant un tel matériau et son procédé de fabrication
EP2839488B1 (fr) Dispositif injecteur de spins comportant une couche de protection en son centre
Binns et al. Static and dynamic magnetic behaviour of iron nanoclusters on magnetic substrates
FR3073661B1 (fr) Aimant permanent comprenant une couche antiferromagnetique et une couche ferromagnetique
EP1989716B1 (fr) Semi-conducteur ferromagnetique, son procede de fabrication, composants l'incorporant et utilisations de ce semi-conducteur s'y rapportant
Wen et al. Epitaxial CuN Films with Highly Tunable Lattice Constant for Lattice‐Matched Magnetic Heterostructures with Enhanced Thermal Stability
Li et al. Reduced magnetic coercivity and switching field in NiFeCuMo/Ru/NiFeCuMo synthetic-ferrimagnetic nanodots
FR2860333A1 (fr) Film multicouche magnetoresistif
Yamane et al. Magnetic Properties of Antiferromagnetic Coupled Co-Pt Stacked Films with Two-Dimensional Array Structures

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09756160

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009756160

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13128721

Country of ref document: US