WO2010136527A1 - Dispositif de memoire magnetique a polarisation de spin et son procede d'utilisation - Google Patents

Dispositif de memoire magnetique a polarisation de spin et son procede d'utilisation Download PDF

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WO2010136527A1
WO2010136527A1 PCT/EP2010/057326 EP2010057326W WO2010136527A1 WO 2010136527 A1 WO2010136527 A1 WO 2010136527A1 EP 2010057326 W EP2010057326 W EP 2010057326W WO 2010136527 A1 WO2010136527 A1 WO 2010136527A1
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magnetization
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plane
magnetic
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PCT/EP2010/057326
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Bernard Dieny
Cristian Papusoi
Ursula Ebels
Dimitri Houssameddine
Liliana Buda-Prejbeanu
Ricardo Sousa
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic device with spin polarization. It finds an application in electronics, particularly in the realization of memory points and memory type MRAM ("Magnetic Random Access Memory”) or magnetic random access memory.
  • MRAMs Magnetic Random Access Memory
  • FIG. 1 schematically illustrates the structure and the function of such a junction bearing the reference numeral 1.
  • the magnetic tunnel junction (or magnetoresistive stack) 1 is composed of two magnetic layers 2 and 3 separated by a magnetic layer. oxide 4 forming a tunnel barrier, typically aluminum oxide or magnesium.
  • the magnetization of one of the magnetic layers 2, called storage layer (re-orientable magnetization layer in two substantially opposite directions) can be oriented in different directions with respect to the magnetization of the second layer 3, called the layer of reference, whose magnetization is trapped in a fixed direction.
  • This trapping is generally carried out by interaction with an adjacent non-represented antiferromagnetic layer (exchange anisotropy mechanism).
  • Different levels of tunnel junction resistance can be achieved depending on the angle between the magnetizations of the two storage and reference layers.
  • the information is stored in the magnetic element by the parallel or antiparallel magnetic configuration of the magnetizations of the storage layers 2 and 3.
  • the resistance variation as a function of the magnetic configuration is used to read back the information written in the magnetic element. the memory cell.
  • Each tunnel junction 1 constitutes a memory point.
  • the tunnel junctions 1 are arranged in a square array inserted between two perpendicular networks of parallel lines: the bit lines 5 (or "bit lines” in English) and the word lines 6 (or "word lines” in English), one above and one below the plane of the tunnel junctions 1.
  • the junctions 1 are placed between a transistor 7 and a bit line 5. A Current flowing in this bit line produces a magnetic field.
  • a current passing in the word line 6 orthogonal to the bit line 5 makes it possible to produce a second magnetic field.
  • the transistor 7 is blocked and current pulses are sent simultaneously in the word line 6 and the bit line 5 which intersect at the addressed memory point 1.
  • the combination of these two fields makes it possible to switch the magnetization of the storage layer of the addressed memory point 1 in the desired direction without affecting the magnetization of the other memory points.
  • transistor 7 is saturated.
  • the current sent in the bit line 5 passes only the memory point whose transistor is open. This current makes it possible to measure the resistance of the junction. By comparison with a reference memory point, the bit state of the memory point ("0" or "1") can thus be determined.
  • the first problem is a problem of selectivity. Since the reversal of the magnetization of the junction storage layer occurs under the effect of external fields and since the turning fields are statistically distributed, it is not impossible to accidentally flip some neighboring junctions. by the effect of the magnetic field produced along the line of addressing. Since, for high-density memories, the size of the memory points is clearly sub-serial, the number of addressing errors increases. This problem of selectivity could be improved by the introduction of a so-called "toggle" writing technology described in the patent US6545906 but at the cost of increased power consumption. Moreover, the currents required in the bit lines and word lines to create the magnetic fields necessary for writing are several mA (typically 5 to 7mA).
  • the section of these conductive lines When seeking to increase the density of memories or logic circuits, the section of these conductive lines must decrease while the current required for the generation of magnetic field pulses remains of the same order of magnitude or even increases.
  • the electro-migration limit in these lines is then quickly encountered, reached for current densities, typically of the order of 10 7 A / cm 2 . For a current of 4 mA, this electromigration limit is for example reached for conductors of section substantially equal to 200 nm * 200 nm.
  • This spin-transfer magnetic switching phenomenon was first observed in all-metal systems formed, for example, of alternating Co and Cu layers of the Co 20nm / Cu 4nm / Co 3nm type (Phys.Rev.Lett 84, 3149 (2000)). A few years later, this same spin-transfer magnetic shift phenomenon was observed in low-resistance magnetic tunnel junctions (Appl.Phys.Lett.84, 31 18 (2004)). This spin transfer phenomenon can therefore be used as a new means of writing information in devices of the MRAM type or logical components. JC.SIonczewski has shown that this spin-transfer couple has the shape of a new term in the Landau Lifshitz Gilbert equation that governs the magnetization dynamics in magnetic systems.
  • T aj Mx (MxP) in which the pre-factor aj (hereinafter referred to as the spin transfer coefficient) is proportional to the density of current flowing through the nanostructure and at the polarization of this current, M is the vector representing the magnetization of the nanostructure traversed by the spin polarized current, P is the direction of polarization of the current and the sign "x" designates the vector product . Since the pre-factor of the spin transfer term is proportional to the current density crossing the nanostructure, the current density determines the switching threshold of the magnetization of the magnetic nanostructure and not the total current as in the approaches of magnetic field writing.
  • the size of the selection transistor connected in series with the tunnel junction depends directly on the total current to pass through the transistor. This current is typically 700 ⁇ A per micron the width of the transistor channel. So that the minimization of the size of the MRAM cell is not limited by the size of the transistor, it is necessary that this size of the transistor is of the same order of magnitude as the size of the junction. Assuming that the width L of the transistor is equal to the diameter of the tunnel junction, a write current density is obtained which must be such that the product JecmureL 2 is approximately equal to 0.7 mA / ⁇ m * L; in other words, J ec ure m should be approximately equal to 0.7mA / .mu.m / L.
  • a first known solution for lowering the critical current is described in the patent application FR2832542.
  • This solution consists in adding to the tunnel junction on the side of the soft layer opposite to the tunnel barrier, a second trapped magnetization layer opposite to that of the first trapped layer of the tunnel junction and separated from the soft layer by a metal spacer. thickness typically of the order of 3 to 5nm (configuration called “dual"). This thickness must be large enough to allow the magnetic decoupling between the second trapped layer and the soft layer (typically beyond 2 nm). But it must be sufficiently weak compared to the spin diffusion length so that the electrons keep the memory of their spin in their transition from the second layer trapped to the soft layer.
  • the trapping direction of the reference layer or trapped layer is parallel or antiparallel to the magnetization of the storage layer. It is indeed this configuration that maximizes the amplitude of magnetoresistance.
  • such a configuration implies that the polarization of the current that exerts the spin transfer on the magnetization of the soft layer is initially parallel or antiparallel to the magnetization of the latter.
  • the spin transfer torque varies as the sine of the angle between the polarization of the current and the magnetization, the torque is initially zero so that the switching is difficult to trigger.
  • This effective anisotropy encompasses the anisotropy of shape (that is to say of demagnetizing field) which tends to reduce the magnetization in the plane of the layer, and the perpendicular anisotropy (of volume or interfacial origin) which tends to pull the magnetization out of the plane. It follows that this effective anisotropy K ⁇ ff is generally much more
  • FIG. 2 Another approach proposed in the patent FR2817998 consists, to cause the switching of a planar magnetic magnetization layer, to inject into this layer a spin polarized current whose direction of polarization is perpendicular to the plane of the layers.
  • a magnetic device 30 is illustrated in FIG. 2.
  • the device 30 represented comprises an antiferromagnetic layer 10, a tri-layer stack 12 consisting of two magnetic layers 121, 123 with antiparallel planar magnetizations, separated by a non-magnetic conductive layer 122. This Stacking is the trapped layer.
  • the device 30 further comprises an insulating layer 14, and a free magnetic layer 16.
  • the assembly 12, 14, 16 constitutes a magnetic tunnel junction 15.
  • the device 30 is completed by a conductive non-magnetic separating layer 18 and a layer bias magnet 20 having a magnetization perpendicular to the plane of the layer.
  • This layer 20 may be composed of a stack of layers, for example Fe / Pt or Fe / Pd or Co / Pt, or Co / Pd, or Co / Au, etc. or their ordered alloys .
  • the polarization layer rests on a conductive substrate 22. The assembly of this stack is inserted between a current supply 24 and a current switching transistor 26.
  • the direction of the spin will be oriented parallel to the magnetization of this layer, that is to say perpendicularly to the plane of the various layers of the junction 15 and in particular to the plane of the free layer 16.
  • the magnetization of this layer subjected to this current of polarized electrons out the plane will rotate in a cone of large angle perpendicular to the plane of the layer, without being able to align with the direction of spin because of the demagnetizing field which tends to maintain the magnetization in the plane of the layer .
  • Figure 3 symbolically shows this rotation with a positive direction of the current.
  • a trirectangle Oxyz trihedron allows to identify the different directions, the axis Oz being perpendicular to the plane of the layers.
  • the layer 20 with out-of-plane magnetization influenced the magnetization dynamics of the layer 16 much more than the reference layer 123.
  • the layer 20 is mainly responsible for the precession movement of the layer 16 when a current of intensity greater than the precession critical current flows through the structure, while the layer 123 only slightly disturbs this precessional movement by making it asymmetrical, promoting a parallel alignment of the magnetizations of the layers 123 and 16 if the current is positive and antiparallel if the current is negative.
  • the current being positive, the parallel state is favored. This is represented in FIG.
  • the effect of the spin transfer is to precede the magnetization on a cone, around an axis perpendicular to the plane of the layers.
  • the magnetization of the free layer 16 precesses continuously (i.e., it rotates continuously on itself with a sustained oscillation of My and therefore resistance of the junction).
  • the device 30 only included the perpendicular polarizer 20 and the soft layer 16 whose precession magnetization, no change in strength of the stack would occur associated with this precession movement because the angle between the magnetizations of the polarizer perpendicular and soft layer is constant during the precession movement.
  • the present invention aims to provide a magnetic device to overcome the aforementioned requirements on the current pulse duration through the device related to high precession frequencies while reducing stochastic fluctuations in turnaround time of magnetization and the critical current density for the magnetization reversal.
  • the invention proposes a magnetic device comprising: a first magnetic layer, referred to as a reference layer, having a fixed direction magnetization situated either in the plane of the reference layer or perpendicular to the plane of the reference layer; a second magnetic layer, called a storage layer, having a variable direction magnetization;
  • a non-magnetic layer called a spacer, separating said reference layer and said storage layer;
  • a third magnetic layer referred to as the electron spin polarization layer, having a magnetization perpendicular to that of said reference layer and situated outside the plane of the polarization layer if the magnetization of the reference layer is oriented in the plane of the reference layer or in the plane of the polarization layer if the magnetization of the reference layer is oriented perpendicularly to the plane of the reference layer;
  • variable direction magnetization has two equilibrium positions substantially along the axis defined by said fixed magnetization direction of said reference layer, the spin transfer coefficient between said reference layer and said storage layer being greater than the spin transfer coefficient between said spin polarization layer and said storage layer so that in the presence of an electron current: the spin transfer between said polarization layer of spin and said storage layer separates the magnetization direction of said storage layer from a first equilibrium position parallel or antiparallel to the magnetization direction of said reference layer and then the spin transfer between said reference layer and said storage layer causes depending on the direction of the electron current: o either switching the magnetization direction of said storage layer to a second equilibrium position corresponding to a magnetization direction of said storage layer opposite to the magnetization direction of said storage layer in said first position equilibrium if the direction of the electron current is in a first direction; o is the return of the magnetization direction of said storage layer towards its direction of magnetization in said first equilibrium position if the
  • magnetoresistive element that includes at least one hard ferromagnetic layer and a soft ferromagnetic layer separated by a non-ferromagnetic (metal or insulating) interlayer is called a "magnetoresistive stack" or “magnetic tunnel junction”.
  • magnetoresistive stacking we will designate this element by the term "magnetoresistive stacking".
  • the device according to the invention comprises a magnetic storage layer with reorientable magnetization between two directions substantially opposite either in the plane or out of the plane, sandwiched between two magnetic magnetization fixed layers, one oriented in the plane of the layers the other oriented perpendicular to the plane of the layers.
  • the binary information is encoded by the orientation of the magnetization of the storage layer relative to that of the reference layer.
  • the reference layer is inserted into a stack of layers comprising means for circulating an electric current perpendicular to the plane of the magnetic layers.
  • the device according to the invention has magnetoresistive properties, that is to say that it is such that the two stable magnetic states are characterized by two different values of electrical resistance of the device. tif.
  • the stack may be a magneto-resistive stack, or a metallic structure or giant magnetoresistance confined current path, or a so-called spin filter structure comprising a magnetic oxide barrier. Switching from one magnetic state to another occurs by spin transfer, i.e. using a spin polarized current flowing through the storage layer.
  • the spin transfer coefficient (or pre-factor) between the reference layer and the storage layer is greater than the spin transfer coefficient between the spin polarization layer and the storage layer.
  • the influence of the spin transfer due to the first trapped layer (reference layer) is greater than the influence of the spin transfer due to the second trapped layer (spin polarization layer).
  • the reference layer disturbs only slightly the precessing motion generated by the perpendicular polarizer by inducing the asymmetry of the trays shown in FIG. 4.
  • the spin transfer coefficient from the perpendicular polarizer is much larger than the spin transfer coefficient from the reference layer. This reference layer does not significantly disturb the magnetization dynamics generated by the perpendicular polarizer, its main role being to reveal a magnetoresistance signal.
  • the spin transfer exerted by the reference layer plays a dominant role with respect to the spin transfer played by the perpendicular polarizer; it is the reference layer which plays the main role on the magnetization dynamics, the polarization layer only helping to reduce the critical switching current.
  • the magnetoresistive structure were all alone, that is to say without the polarization layer with perpendicular magnetization, it is then known to those skilled in the art that the magnetization of the storage layer can be switched by spin transfer, i.e. by circulating a spin-polarized current through the structure.
  • the electrons polarize by crossing the magnetic reference layer and exert gnetic on the magnetization of the storage layer.
  • this torque is strong enough, the magnetization of the storage layer can switch. It is known that if the electrons go from the reference layer to the storage layer, this favors the parallel alignment of the magnetizations. If instead the electrons flow from the storage layer to the reference layer, it promotes the antiparallel alignment of the magnetizations.
  • the perpendicular polarizer is added. In doing so, we add a second contribution of spin transfer from the polarization of the current induced by the perpendicular polarizer. But it is ensured that this second contribution to the spin transfer exerted on the storage layer is less than the contribution made by the reference layer. Thus, the storage layer maintains a bistable behavior despite the presence of the perpendicular polarizer.
  • the magnetization of the storage layer is not carried away in a sustained precession movement but continues to switch with respect to the magnetization of the reference layer as in the case of the magnetoresistive element alone, that is to say towards the parallel state if the electrons flow from the reference layer towards the storage layer and towards the antiparallel state if the electrons flow from the storage layer to the reference layer.
  • the advantage of the addition of the perpendicular polarization layer having a weaker effect on the spin transfer than the reference layer is nevertheless twofold: it makes it possible to very significantly reduce the critical switching current density (typically by a factor of 2 to 10).
  • the spin transfer from the perpendicular polarizer provides additional torque to the magnetization of the storage layer which is added to the torque provided by the reference layer and thus helps to switch the magnetization of the storage layer.
  • the storage layer can switch to a lower current density than the situation where the perpendicular polarizer is not present.
  • the perpendicular polarizer alone would not suffice in this invention, to switch, and a fortiori to precess the magnetization of the storage layer; the presence of the additional polarization layer makes it possible to reduce the stochastic fluctuations in switching time of the magnetization of the storage layer. Indeed, in the absence of this additional polarizer, the magnetizations of the storage and reference layers are initially parallel or antiparallel.
  • the spin transfer torque exerted at the very beginning of the commutation is very small because this torque varies as the sine of the angle between the magnetizations of the reference and storage layers (sinus close to zero when the magnetizations are parallel or antiparallel).
  • the magnetization switching is triggered randomly when a thermal fluctuation spreads the magnetization of the storage layer from its direction to equilibrium. This causes an uncertainty in the time required for the switching of magnetization which is troublesome in a perspective of use of this phenomenon for MRAM cell rewriting.
  • the magnetization of the polarization layer is substantially orthogonal to that of the storage layer.
  • the spin transfer torque is therefore maximal from the beginning of the write current draw. Consequently, although this pair due to the perpendicular polarizer is too weak to switch the magnetization all by itself, it is nevertheless sufficient to allow the magnetization to undergo an impulse which moves it away from its position. balance in a very short time of the order of 50ps. As a result, this allows the spin transfer due to the reference layer to take over very quickly and to cause switching of the magnetization of the storage layer. Thus, thanks to the polarization layer, the reversal is no longer triggered by a random thermal fluctuation but by the current draw itself through the magnetic element. This makes the switching much faster and its duration much less fluctuating.
  • the magnetic device according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • said storage layer has a uniaxial anisotropy with an easy axis of magnetization substantially parallel to the magnetization direction of said reference layer;
  • said storage layer has an elongated shape such as an elliptical shape
  • the device according to the invention comprises a layer, called a second spacer, separating said storage layer and said electron spin polarization layer;
  • the electrical resistance of the stack formed by said reference layer, said first spacer and said storage layer is greater than the electrical resistance of the stack formed by said second spacer and said electron spin polarization layer; the product of the resistance by the surface of said first spacer is greater than the product of the resistance by the surface of said second spacer;
  • said first spacer is a tunnel barrier and said second spacer is chosen from the following elements: a tunnel barrier; o a barrier to confined stream paths; a non-magnetic metal layer;
  • said first spacer is a confined current path barrier and said second spacer is selected from the following elements: a confined current path barrier; a non-magnetic metal layer;
  • said second spacer is a confined current path barrier having more metal paths and / or paths magnets of larger diameters than in the first spacers;
  • said first and second spacers are non-magnetic metal layers; said electron spin polarization layer is directly coupled to said storage layer;
  • said reference layer has a fixed direction magnetization located in the plane of the reference layer and said electron spin polarization layer has a magnetization perpendicular to that of said reference layer and located out of the plane of the electron layer; polarization;
  • said electron spin polarization layer is produced according to one of the following arrangements: a multilayer of period (Pt / Co), (Pd / Co) or (Pt / Co / Pt / Ni); a multilayer formed of an alternation of ultrafine layers of Co and Ni; a multilayer formed by alternating magnetic transition metal / oxide; an ordered alloy FePt or FePd; o CoPt or CoPd alloy with Co concentrations between
  • said storage layer is made of one of the following materials: an alloy based on Co, Fe, Ni containing additives, in particular B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb; o an alloy of Heusier; said reference layer is produced according to one of the following materials: an alloy based on Co, Fe, Ni containing additives, in particular B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb; a semi-metallic material, in particular from the Heusier family of alloys;
  • said reference layer has a fixed direction magnetization perpendicular to the plane of the reference layer and said electron spin polarization layer has a magnetization perpendicular to that of said reference layer and located in the plane of the polarization layer ;
  • said electron spin polarization layer is produced in one of the following materials: an alloy containing Co, Fe, Ni containing additives, in particular B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb; a Co multilayer containing fine insertions of Cu or Ni; a semi-metallic material, in particular from the Heusier family of alloys;
  • said storage layer and / or said reference layer are produced according to one of the following arrangements or materials: a multilayer of period (Pt / Co), (Pd / Co) or (Pt / Co / Pt / Ni) ; a multilayer formed of alternating layers of Co and Ni; a multilayer alternating a magnetic transition metal and an oxide; an ordered alloy of FePt or FePd; an alloy of CoPt or CoPd with Co concentrations between 85 atomic% and 50 atomic%; a CoCr alloy of hexagonal structure with axis c perpendicular to the plane of the layers; o a rare earth / transition metal alloy;
  • At least one of said reference, storage or polarization layers of electron spin is a synthetic antiferromagnetic layer formed of two fixed magnetization layers oriented out of the plane and antiparallelly coupled by a layer capable of inducing antiferromagnetic coupling between the ferromagnetic layers;
  • At least one of said reference or electron spin polarization layers exhibits a magnetization trapped by interaction with an antiferromagnetic trapping layer.
  • the present invention also relates to a method for writing / reading information in a device according to the invention, characterized in that the information writing consists in circulating through the device perpendicularly to the plane of the layers a current of electrons, switching the magnetization direction of said storage layer to the second equilibrium position by injecting an electron current in a first direction and switching the magnetization direction of said storage layer to the first equilibrium position is by injecting a current of electrons in a second direction opposite to said first direction of the current.
  • the reading of information consists in circulating through the device perpendicularly to the plane of the layers a current of electrons and in measuring the resistance of said device, the intensity of the reading current being less than the intensity of the current.
  • FIG. 1 schematically shows a set of magnetic tunnel junctions in a memory device illustrating the structure and function of a magnetic tunnel junction
  • FIG. 2 illustrates a magnetic device according to the state of the art
  • FIG. 3 shows the orientations of the magnetizations in the different layers in a positive direction of flow of the current for the device of FIG. 2;
  • FIG. 4 shows the variations of the magnetization component along an axis Oy parallel to the plane of the layers in the direction of the current flowing through the stack illustrated in FIG. 3;
  • - Figure 5 schematically shows a device according to the invention
  • FIG. 6 represents a view from above of the storage layer used in the device of FIG. 5;
  • FIGS. 7A and 7B show the variations of the component My of the magnetization along an axis Oy parallel to the plane of the layers of the device of FIG. 5;
  • FIG. 8 represents an exemplary stability diagram (current-field) of a device according to the invention
  • FIG. 9 represents a first embodiment of the invention
  • FIG. 10 represents a second embodiment of the invention.
  • FIG. 11 represents a third embodiment of the invention.
  • FIG. 12 represents a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 13 represents a fifth embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 to 4 have already been described with reference to the state of the art.
  • a trirectangle Oxyz trihedron allows to identify the different directions, the axis Oz being perpendicular to the plane of the layers.
  • Figure 5 shows schematically a magnetic device 200 according to the invention.
  • the magnetic device 200 comprises: a magnetic reference layer 201 of fixed magnetization direction (here located in the plane of the reference layer);
  • a magnetic storage layer 203 having a reorientable magnetization direction in two substantially opposite orientation states (two equilibrium positions substantially along the axis defined by the fixed magnetization direction of the reference layer 201);
  • a second spacer 204 a layer 205 of electron spin polarization, having a magnetization out of the plane of the polarization layer and of direction perpendicular to that of the reference layer 200.
  • This stack formed by the above set of layers is inserted - Re between a current supply 206 and a current switching means 207 which is here a transistor for circulating an electric current perpendicular to the plane of the stack of magnetic layers.
  • the stack has magnetoresistive properties that is to say that it is such that the two stable magnetic states are characterized by two different values of electrical resistance of the structure.
  • the stack may be a magneto-resistive stack, or a metallic structure or giant magnetoresistance confined current path, or a so-called spin filter structure comprising a magnetic oxide barrier. Switching from one magnetic state to another occurs by spin transfer, i.e. using a spin polarized current passing through the storage layer 203.
  • the second spacer 204 has a resistance lower than that of the magnetoresistive element formed by the reference layer 201 and the storage layer 203 separated by the first non-magnetic spacer 202.
  • the electrical resistance of the second spacer 204 must indeed be sufficiently low. relative to that of the magnetoresistive element so that the magnetoresistance effect of the device 200 is not greatly reduced by the series resistance of the spacer 2.
  • the second spacer 204 is in contact with the storage layer 203 of the opposite side of the magnetoresistive element.
  • the electron spin polarization layer 205 is in contact with the second spacer 204.
  • the reference layer 201 and the electron spin polarization layer 205 are chosen such that the spin transfer coefficient between the reference layer 201 and the storage layer 203 is greater than the spin transfer coefficient between the layer of spin polarization 205 and the storage layer 203.
  • the storage layer 203 preferably has a uniaxial anisotropy that can be generated by giving the structure an elliptical elongate shape. This uniaxial anisotropy gives the magnetization of the storage layer 203 two stable magnetization states that are substantially parallel and antiparallel to the magnetization of the reference layer 201.
  • FIG. 6 shows a view from above of the storage layer. 203 having an elliptical shape.
  • the magnetoresistive element formed by the reference layer 201 and the storage layer 203 separated by the first nonmagnetic spacer 202 was all alone, ie without the second spacer 204 and the perpendicular polarization layer 205, it is possible to switch the magnetization of the storage layer 203 by spin transfer effect, that is to say by circulating a spin-polarized current through the structure.
  • the electrons are polarized by crossing the magnetic reference layer 201 and exerts a magnetic torque on the magnetization of the storage layer 203. When this torque is strong enough, the magnetization of the storage layer 203 can switch. If the electrons go from the reference layer 201 to the storage layer 203, this promotes the parallel alignment of the magnetizations.
  • the critical switching current densities are typically of the order of 5.10 6 A / cm 2 in quasistatic, reaching of the order of 2.10 7 A / cm 2 for a current pulse switching of a duration. of the order of the nanosecond. These current densities are relatively high for use in MRAM application. They impose a size of the selection transistor 207 connected in series with the magnetoresistive element, much larger than the size of the magnetoresistive element.
  • the second spacer 204 and the perpendicularly magnetized polarization layer 205 are thus added.
  • a second spin transfer contribution from the polarization of the current induced by the perpendicular polarization layer 205 is added.
  • this second contribution to the spin transfer exerted on the storage layer 203 is made smaller than the The contribution made by the reference layer 201.
  • the storage layer 203 retains a bistable behavior despite the presence of the perpendicular polarization layer 205.
  • the magnetization of the storage layer 203 is not found carried away in a sustained precession movement but continues to switch with respect to the magnetization of the reference layer as in the case of the mag onlytoresistive alone, ie to the parallel state if the electrons flow from the reference layer to the storage layer and to the antiparallel state if the electrons flow from the storage layer to the reference layer.
  • FIGS. 7A and 7B represents the variations of the component My of the magnetization along an axis Oy parallel to the plane of the layers as a function of time depending on whether the layers are traversed by a positive direct current or negative (J> 0 or J ⁇ 0).
  • P and AP respectively denote the initial parallel or antiparallel states between the magnetization direction of the reference layer 201 and the magnetization direction of the storage layer 203.
  • the parallel state is favored (FIG. 7A) by passing the electrons from the reference layer 201 to the storage layer 203: in other words, if the initial state is AP, passing a current J> 0 causes a transition to state P; if the initial state is P, it remains in the state P when passing a current J> 0.
  • Figure 7 B the antiparallel state by passing the electrons from the storage layer to the reference layer.
  • the magnetization Once the magnetization has switched, it remains in the new state and does not continue to rotate as in the documents of the prior art (and in particular the patent application FR2817998).
  • a structure of the prior state with a perpendicular polarizer When traversed by a direct current perpendicular to its interfaces, a structure of the prior state with a perpendicular polarizer has sustained oscillations of My that is to say of resistance.
  • the device according to the present invention has a substantially invariant or substantially stepped resistance according to the initial magnetic state and in the direction of the current as represented in the graphs of FIGS. 7A and 7B.
  • the spin transfer from the polarization layer 205 provides additional torque to the magnetization of the storage layer 203 which is added to the torque provided by the reference layer 201 and thus helps to switch the magnetization of the storage layer 203.
  • the storage layer 203 can switch to a lower current density than the situation where the polarization layer 205 is not present.
  • the polarization layer 205 alone would not be sufficient to switch and a fortiori to precess the magnetization of the storage layer 203; the presence of the polarization layer 205 makes it possible to reduce the stochastic fluctuations of the switching time of the magnetization of the storage layer 203.
  • the spin transfer torque is therefore maximal from the beginning of the injection of the write current pulse. Consequently, although this torque due to the polarization layer 205 is too weak to switch the magnetization all by itself, it is nevertheless sufficient to allow the magnetization to undergo an impulse which moves it away from its equilibrium position in a very short time of the order of 50ps. As a result, this allows the spin transfer due to the reference layer 201 to take over very quickly and to cause the switching of the magnetization of the storage layer 203. Thus, thanks to the polarization layer 205, the reversal is no longer triggered by a random thermal fluctuation but by the current pulse itself passing through the magnetic element. This makes the switching much faster and its duration much less fluctuating.
  • the storage layer 203 may be a single magnetic layer (for example made of CoFeB) or composed of several coupled magnetic layers (for example CoFe / CoFeB).
  • the storage layer 203 may also be a synthetic antiferromagnetic layer that is to say composed of two ferromagnetic layers antiparallel coupled through a thin antiparallel coupling layer, for example ruthenium 0.6nm thick at O. ⁇ nm .
  • the advantage of such a structure is that better thermal stability with respect to thermal fluctuations in magnetization.
  • the reference layer 201 may be a single layer trapped by an antiferromagnetic layer.
  • the reference layer may be a Co, Fe, Ni-based alloy containing additives, in particular B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb.
  • the reference layer may also be made of a half-metal material, in particular of the family of Heusier alloys such as Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe.
  • this layer must also, preferably, have near the interface a cubic centered beak structure ("body cubic centered" in English).
  • An alloy based on Co, Fe and Ni of beak structure or an amorphous CoFeB alloy is then chosen, which will then be recovered.
  • the Heusier alloys mentioned above may also be suitable.
  • the reference layer can also be advantageously a synthetic antiferromagnetic layer consisting of two ferromagnetic layers antiparallel coupled through a thin antiparallel coupling layer, for example ruthenium 0.6nm thickness to 0. ⁇ nm. This synthetic antiferromagnetic layer can itself be trapped by interaction with an antiferromagnetic layer.
  • the advantage of using a synthetic trapped layer is to be able to reduce the magnetostatic field radiated by the reference layer on the storage layer and thus avoid favoring an orientation of the magnetization of the storage layer relative to the other .
  • the electron spin polarization layer 205 may also be a synthetic antiferromagnetic layer. It can also be trapped by an antiferromagnetic layer.
  • planar magnetization layers for the storage layer 203 and the reference layer 201 and a magnetization layer out of the plane, perpendicular to the magnetization of the storage layer 203, for the layer of the electron spin polarization 205 it is possible to rotate all these magnetizations by 90 °, that is to say to use non-plane magnetization layers for the storage layer.
  • 203 and the reference layer 201 and a planar magnetization layer for the electron spin polarization layer 205 instead of using planar magnetization layers for the storage layer 203 and the reference layer 201 and a magnetization layer out of the plane, perpendicular to the magnetization of the storage layer 203, for the layer of the electron spin polarization 205.
  • the stability diagram (current-field) of a device according to the invention is represented in FIG. 8 with a curve R (I) illustrating the evolution of the resistance as a function of the current.
  • the bi-stability region in the phase diagram shown in FIG. 8 is centered around a non-zero field value (here equal to 173Oe).
  • This field corresponds in fact to the magnetostatic field radiated by the reference layer 201 on the storage layer 203.
  • This field can be canceled using a reference layer 201 called synthetic antiferromagnetic, that is to say formed of two layers having substantially the same magnetic moment coupled antiparallel to each other through a ruthenium layer of typical thickness. around 0.6nm.
  • synthetic antiferromagnetic that is to say formed of two layers having substantially the same magnetic moment coupled antiparallel to each other through a ruthenium layer of typical thickness. around 0.6nm.
  • the hysteresis cycle R (I) shown at the top right in FIG. 8 has a switching current corresponding to a current density of the order of 2.10 6 A / cm 2, ie an order of magnitude below this same device without a perpendicular polarization layer.
  • This cycle corresponds to the values of the resistance of the device 200 as a function of the current flowing through it when moving on a horizontal line corresponding to a field of 179Oe in the stability diagram and makes it possible to observe the two stable resistance values in FIG. the bi-stability zone BS corresponding to the states P and AP.
  • the spin transfer coefficient between the reference layer 201 and the storage layer 203 must be greater than the spin transfer coefficient between the spin polarization layer.
  • this uniaxial anisotropy may be an anisotropy of shape obtained by giving the element an elongated shape (elliptical, rectangular, hexagonal stretched ).
  • Pt or Mn in the polarization layer which are known to generate spin flip which can contribute to lowering the influence of the spin transfer of the perpendicular polarization layer on the storage layer.
  • this contribution must not be lowered so that the beneficial effect of the perpendicular polarization layer remains.
  • reference layer 201 it is also possible to increase the role of the spin transfer exerted by the reference layer 201 on the storage layer 203.
  • the MgO tunnel barriers associated with Co, CoFe or CoFeB electrodes are known to give such large polarizations. It is also possible to use a reference electrode based on semi-metallic materials such as HeusIer alloys.
  • FIG. 9 represents a first embodiment of a magnetic device 300 according to the invention.
  • the magnetic device 300 comprises a stack formed by:
  • an antiferromagnetic trapping layer 307 an antiferromagnetic trapping layer 307; a magnetic reference layer 301 of fixed magnetization direction (here located in the plane of the reference layer);
  • first non-magnetic spacer 302 a magnetic storage layer 303 having a reorientable magnetization direction in two substantially opposite orientation states (two equilibrium positions substantially along the axis defined by the fixed magnetization direction of the reference layer 301); a second spacer 304;
  • a layer 305 of electron spin polarization having a magnetization out of the plane of the polarization layer and of direction perpendicular to that of the reference layer 301;
  • the reference layer 301 is here a synthetic antiferromagnetic layer comprising two ferromagnetic layers 311 and 309 anti-parallel coupled through a thin layer 310 of antiparallel coupling, for example ruthenium 0.6nm thickness to 0.nm.
  • this synthetic antiferromagnetic reference layer 301 comprises a CoFeB layer 31 1 having a thickness between 1.5 and 4 nm in contact with the barrier 302 of MgO, a layer 310 ruthenium thickness between 0.6 and 0.9nm and a layer 309 CoFe typical thickness of 2 to 4nm.
  • This latter magnetic layer 309 is here trapped by the antiferromagnetic layer 307, for example 1 micromn80 of thickness 7 nm or PtMn of thickness 20 nm.
  • the antiferromagnetic trapping layer 307 is covered by the protective layer 308 for protecting it from oxidation upon exposure to air during the manufacturing process and also serving as electrical contact with the upper electrode of the stack.
  • the storage layer 303 is a magnetization layer in the plane of the magnetization layer of variable direction and having two positions of equilibrium substantially along the axis defined by the fixed magnetization direction of the reference layer 301, the direction of which magnetization is fixed 301 in the plane of the reference layer.
  • the storage layer 303 must have sufficient thermal stability so that the magnetization can remain in a fixed direction for a period of 10 years. This requires that it has a uniaxial anisotropy K such that KV> 50k B T where V is the volume of this layer, k B is the Boltzmann constant and T is the temperature.
  • the uniaxial anisotropy may have various origins: it may be an anisotropy of shape obtained by giving the magnetic element an elongated shape (for example a form of ellipse of shape ratio typically between 1.5 and 2.5, or rectangle or elongated hexagon). It can also be an anisotropy of magneschstalline origin obtained by inducing a particular texture in the plane, for example using materials of hexagonal structure (CoCr type) which is oriented c axis in the plan.
  • CoCr type hexagonal structure
  • this storage layer 303 may be made of a Co, Fe, Ni-based alloy containing additives, in particular B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb.
  • the storage layer 303 may also be made of a half-metal material, in particular from the family of Heusier alloys such as Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe.
  • this storage layer 303 must also preferably have near the interface a beak structure.
  • An alloy based on Co, Fe and Ni of beak structure or an amorphous CoFeB alloy is then chosen, which will then be recovered.
  • the Heusier alloys mentioned above may also be suitable.
  • the electron spin polarization layer 305 has a magnetization out of the plane of the polarization and direction layer perpendicular to that of the reference layer 301.
  • Such a layer 305 may consist of different types of materials: - multilayers of period (Pt / Co), (Pd / Co), (Pt / Co / Pt / Ni) as described by G.Srivinas et al (thin SoNd Films 301 (1997) 211); multilayers formed of an alternation of ultra-thin layers of Co and Ni, for example of the period (0.2nm Co / Ni 0.4nm) (see F.den Broeder et al., Appl.Phys.Lett.61, 1468 ( 1992));
  • this additional magnetic layer is to control or reinforce the polarization of the current that will be injected into the storage layer from this additional polarizer. Indeed, as explained above, it is important to ensure that the contribution of the spin transfer from the spin polarization layer 305 of electrons having a magnetization out of the plane (perpendicular polarizer) is less than the contribution of the spin transfer from the reference layer 31 1.
  • this additional layer may be a thin Co layer 1 to 2 nm thick containing one or two very thin layers of another metal.
  • This other metal may be in Cu 0.3nm thick if we try to increase the polarization of the spin current from the layer 305 of electron spin polarization, having a magnetization out of the plane or on the contrary Pt or Mn if we try to diminish it.
  • the advantage of replacing the single fixed magnetization layer by such a synthetic antiferromagnetic structure is to make the magnetization of the fixed magnetization layer even more trapped and thus resistant to magnetic disturbances.
  • this simple fixed or synthetic antiferromagnetic magnetization layer can be coupled to a layer antiferromagnetic for example PtMn typical thickness of 12 to 20nm or IrMn of typical thickness 6 to 10nm.
  • the exchange interaction between the antiferromagnetic layer and the adjacent ferromagnetic layer has the effect of trapping the magnetization of the adjacent ferromagnetic layer.
  • Buffer layer 306 is intended to promote the growth of the entire structure and to make electrical contact with the lower electrode. It can be layers of CuN, Ta, NiFeCr, Ru, Pt, Cu, multilayer (Cu / Ta). In these multilayers, the alternation of copper and tantalum layers is intended to break the growth of copper grains to prevent them from being too big. Indeed, the formation of large grains of copper is often accompanied by a significant roughness of the surface of this layer 306. The thickness of this layer 306 may vary from 1 to a few hundred nm.
  • the stack consisting of the reference layer 301 / the first spacer 302 / the storage layer 303 is greater than the electrical resistance of the stack formed by the polarization layer 305 / the second spacer 304.
  • the stack consisting of the reference layer 301 / the first spacer 302 / the storage layer 303 is a magnetoresistive stack.
  • the first spacer 302 may be a tunnel barrier based on MgO, AlOx, TiOx, SrTiO3, HfOx, TaOx.
  • This magnetoresistive stack will be characterized by a product RA of its resistance R by its surface A typically of the order of 0.5 to 30Ohm. micron 2 .
  • the second spacer 304 is for example a tunnel barrier of lower product RA than that constituting the first spacer 302. It may be made of the same material as the first spacer 302 (for example MgO or AlOx) but of lesser thickness or of a different material, preferably of lower barrier height so that its electrical resistance is less than that of of the first spacer 302.
  • this second spacer 304 may be a confined current path layer.
  • Such a layer consists of an insulating layer pierced with conductive paths of diameter typically from 1 to a few nanometers. Such a layer is for example formed by oxidation of an AI99Cu1 alloy.
  • the RA product can be adjusted to the desired value.
  • the product RA of the second spacer 304 is preferably at least 2 times smaller than the product RA of the first spacer 302 so that the magnetoresistance tunnel of the magnetoresistive stack containing the first spacer 302 is not too diluted by the series resistance of the second spacer 304.
  • the metal precipitates forming the current paths through the insulating layer can be magnetic, for example in Co.
  • the second spacer 304 can then be a non-magnetic metal spacer, for example copper or gold.
  • This second spacer 304 must have the capacity to transmit the electrons of the vertically magnetized polarization layer to the storage layer 303 while preserving the spin polarization of the electrons.
  • the relevant length is the typically 20 nm spin diffusion length in copper. It will therefore be ensured that the thickness of the second spacer 304 is much less than this length. Typically, a thickness of 3 to 5 nm will be used.
  • the first spacer 302 can also be a confined current path layer as described above with respect to the se- In this case, however, to ensure that the second spacer 304 has a lower resistance than the first spacer 302, the second spacer 304 will need to be a confined stream path layer with more metal paths. (More numerous and / or larger) than in the first spacer 302 or the second spacer 304 is a non-magnetic metal layer capable of transmitting the spin polarization of electrons such as copper.
  • the two spacers 302 and 304 may finally be two metal layers, the reference layer structure 301 / spacer 302 / storage layer 303 then being a giant magnetoresistance structure. But this situation is a priori not the most favorable for a memory type application because the total resistance of the stack will be small compared to the resistance of the transistor or other selection device that will be connected in series. Even if the description of the present embodiment relates to a synthetic reference layer 301, it should be noted that the reference layer may also consist of a Co, Fe, Ni-based alloy containing additives, in particular B, Cr , Pt, Pd, Zr, Nb.
  • Reference layer 301 may also be made from a half-metal material, in particular from the family of Heusier alloys such as Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnS, Co2MnAI, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe.
  • this reference layer 301 must also preferably have near the interface a beak structure. An alloy based on Co, Fe and Ni of beak structure or an amorphous CoFeB alloy is then chosen, which will then be recovered.
  • FIG. 10 represents a magnetic device 400 according to a second embodiment of the invention.
  • the different layers of the magnetic device 400 are identical to the layers of the magnetic device 300 described above and have the same references and characteristics, the only difference being to use a layer 303 of synthetic storage, that is to say layer of two ferromagnetic layers 409 and 41 1 coupled antiparallel through an antiparallel coupling layer 410 as ruthenium of thickness of 0.6 nm to 0.nm. In doing so, the volume of the storage layer 310 is increased and its internal field is also made more uniform.
  • the composition of the synthetic storage layer 303 may be of the CoFe / Ru / CoFeB type.
  • the CoFeB layer 409 with a typical thickness of 1.5 to 4 nm will advantageously be in contact with the MgO tunnel barrier 302 to give a strong tunnel magnetoresistance to the structure.
  • the layer 410 of Ru will have a thickness of 0.6 to 0.9 nm providing an antiparallel coupling between adjacent ferromagnetic layers 409 and 410.
  • Figure 11 shows a third embodiment of a magnetic device 500 according to the invention.
  • the different layers of the magnetic device 500 are identical to the layers described above with reference to the device 300 and have the same reference numbers and the same characteristics, the only difference being to remove the second spacer 304.
  • the electron spin polarization layer 305 having a magnetization out of the plane of the polarization and direction layer perpendicular to that of the reference layer 301 is directly coupled to the storage layer 303.
  • the magnetizations of these two layers 303 and 305 are substantially orthogonal, a magnetic wall 501 will be formed in the thickness of this bilayer to minimize the cost of exchange energy.
  • the magnetization of the storage layer 303 in the vicinity of the spacer 302 is parallel or antiparallel to that of the reference layer 301 in order to benefit from all the amplitude of the magnetoresistance effect of the stack.
  • reference layer 301 / spacer 302 / storage layer 303 This means that the thickness of the wall 501 must be substantially less than the thickness of the storage layer 303.
  • the exchange interaction between the polarization 305 and the storage layer 303 must be adjusted to satisfy this condition.
  • the wall thickness 501 which will be formed in the thickness will be of the order of the width of a wall of Bloch that is to say in (A / K) 1/2 where A is the constant of exchange ("constant exchange stiffness") and K is anisotropy.
  • the anisotropy is large in magnetization materials out of the plane (typically to of the order of several 10 6 to 10 7 erg / cm 3) and the exchange constant may be on the order of 10 "7 erg / cm leading to wall widths of the order of 1 nm which is the order of magnitude sought.
  • the storage layer 303 is typically of the order of 2 to 4nm thick, a wall width in 1nm thickness is correct
  • directly coupling the storage layer 303 with the perpendicular magnetization polarization layer may have a significant advantage. planar magnetization in which polarized electrons are injected in the plane (in the case of electrons coming from the reference layer 301), the critical current density for the switching by
  • the magnetization of the storage layer 303 is directly coupled to the perpendicular polarization layer as in the case of the magnetic device 500, it is clear that this will facilitate its ability to exit out of the plane. Indeed, the planar magnetization storage layer 303 will tend to be pulled out of the plane by the exchange interaction with the polarization layer 305.
  • the demagnetizing field energy can typically be reduced. - - - by a factor of 2 or more thanks to this interaction, which allows
  • the reference layer has a fixed direction magnetization located perpendicular to the plane of the reference layer;
  • the storage layer has a variable direction magnetization having two equilibrium positions substantially along the axis defined by the fixed magnetization direction of the reference layer;
  • the electron spin polarization layer has a magnetization perpendicular to that of the reference layer and located in the plane of the polarization layer.
  • Figure 12 shows a fourth embodiment of a magnetic device 600 according to the invention.
  • the magnetic device 600 comprises a stack formed by:
  • a magnetic reference layer 601 of fixed magnetization direction (here perpendicular to the plane of the reference layer);
  • a magnetic storage layer 603 with a reorientable magnetization direction in two substantially opposite orientation states two equilibrium positions substantially along the axis defined by the fixed magnetization direction of the reference layer 601);
  • a second spacer 604 a layer 605 of electron spin polarization, having a magnetization in the plane of the polarization layer and in a direction perpendicular to that of the reference layer 601;
  • Buffer layer 606 is intended to promote the growth of the entire structure and to make electrical contact with the lower electrode. It can be layers of CuN, Ta, NiFeCr, Ru, Pt, Cu, multilayer (Cu / Ta). In these multilayers, the alternation of copper and tantalum layers is intended to break the growth of copper grains to prevent them from being too big. Indeed, the formation of large copper grains is often accompanied by a significant roughness of the surface of this buffer layer 606. The thickness of this buffer layer 606 can vary from 1 to a few hundred nm.
  • the reference layer 601 is here a synthetic antiferromagnetic layer comprising two ferromagnetic layers 611 and 609 antiparallel coupled through a thin layer 610 antiparallel coupling, for example ruthenium 0.6nm thickness to 0. ⁇ nm.
  • the reference layer 601 is for example a synthetic antiferromagnetic layer of composition (0.25nm Co / Ni 0.4nm) 6 / Ru 0.6nm / (Co 0.25nm / Ni0.4nm) 8
  • the advantage of using a synthetic reference layer is to reduce the magnetostatic field exerted by this layer on the magnetization of the storage layer.
  • the synthetic reference layer 601 is itself trapped by interaction with a first antiferromagnetic trapping layer 607, for example 7nm thick IrMn.
  • the first antiferromagnetic trapping layer 607 can be suppressed, in particular if the coercive field of the synthetic reference layer 601 is sufficiently high, typically greater than or equal to 2k ⁇ e.
  • the antiferromagnetic trapping layer 607 is covered by the protective layer 608 used to protect it from oxidation during exposure to air during the manufacturing process and also serving as electrical contact with the upper electrode of the stack.
  • the storage layer 603 has in this embodiment a magnetization out of the plane.
  • This storage layer can be achieved via different types of materials such as:
  • multilayers formed of an alternation of ultrafine layers of Co and Ni, for example of a period (Co 0.2nm / Ni 0.4nm) (see article by F.den Broeder et al., Appl.Phys.Lett.61, 1468 (1992));
  • certain magnetic transition metal / oxide multilayers such as CoFe / Alumina, also show significant off-plane anisotropies and resistant to temperature up to 250 ° C. This is described in particular in the patent application FR2910716; ordinated FePt or FePd alloys;
  • CoCr alloys of hexagonal structure with axis c perpendicular to the plane of the layers such as those of composition close to
  • Co 8 oCr 2 o used in media for perpendicular magnetic recording
  • some rare-earth / transition metal alloys such as TbFeCo also exhibit off-plane anisotropies.
  • An example of magneto-resistive magnetization stacking out of the plane based on such alloys is given in the article by N. Nishimura et al (Journ.Appl.Phys.91, 5246 (2002)).
  • the reference layer may also consist of the same materials as those mentioned above for the storage layer 603.
  • the storage layer 603 in order to maximize the magnetoresistance amplitude of the storage layer stack 603 / first spacer 602 / storage layer reference 601, it may be advantageous to introduce at the interface between the first spacer 602 and the reference layer 601 an additional layer of magnetic material whose magnetization will be pulled out of the plane by exchange interaction with the rest of the storage layer 603.
  • this additional magnetic layer will advantageously be CoFeB.
  • the interface of the storage layer 603 in contact with the second spacer 604 is magnetic so that the spin transfer due to the planar magnetization polarization layer 605 can be exerted on the magnetization of the storage layer. 603.
  • the stack above the second spacer 604 must begin with a magnetic layer for example in Co.
  • the interface with the first spacer 602 must be magnetic, which means that the stack of the storage layer 603 must be terminated by a magnetic layer, for example Co, CoFe or CoFeB (advantageously CoFeB if the first spacer 602 is an MgO tunnel barrier) .
  • the electrical resistance of the stack constituted by the reference layer 601 / the first spacer 602 / the storage layer 603 is greater than the electrical resistance of the stack constituted by the polarization layer 605 / the second spacer 604.
  • the stack constituted by the reference layer 601 / the first spacer 602 / the storage layer 603 is a magnetoresistive stack.
  • the first spacer 602 may be a tunnel barrier based on MgO, AlOx, TiOx, SrTiO3, HfOx, TaOx.
  • This magnetoresistive stack will be characterized by a product RA of its resistance R by its surface A.
  • the second spacer 604 is for example a tunnel barrier of lower product RA than that constituting the first spacer 602. It can consist of the same material as the first spacer 602 (for example in MgO or AlOx) but of lesser thickness or different material, preferably of lower barrier height so that its electrical resistance is less than that of the first spacer 602.
  • this second spacer 604 may be a confined current path layer.
  • a confined current path layer consists of an insulating layer pierced with conductive paths of diameter typically from 1 to a few nanometers. By varying the density and size of the conductive paths, the RA product can be adjusted to the desired value.
  • the product RA of the second spacer 604 is preferably at least 2 times smaller than the product RA of the first spacer 602 so that the magnetoresistance tunnel of the magnetoresistive stack containing the first spacer 602 is not too diluted by the series resistance of the second spacer 604.
  • the metal precipitates forming the current paths through the insulating layer can be magnetic, for example in Co.
  • the second spacer 604 can then be a non-magnetic metal spacer, for example copper or gold.
  • This second spacer 604 must have the ability to transmit the electrons of the planar magnetization polarization layer to the storage layer 603 while preserving the spin polarization of the electrons.
  • the relevant length is the typically 20 nm spin diffusion length in copper. It will therefore be ensured that the thickness of the second spacer 604 is well below this length.
  • first spacer 602 may also be a confined current path layer as previously described with respect to the second spacer 604. But in this case, to ensure that the second spacer 604 has a lower resistance than the first spacer 602 it will be necessary for the second spacer 604 to be a confined current path layer having more metal paths (more numerous and / or larger) than in the first spacer 602 or the second spacer 604 being a non-magnetic metal layer capable of transmitting the spin polarization of electrons, for example copper.
  • the electron spin polarization layer 605 having a magnetization in the plane of the polarization layer may be a Co, Fe, Ni-based alloy containing additives, in particular B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb.
  • the typical thickness of this layer is of the order of 2 to 5nm.
  • This layer 605 may also consist of a multilayer for example of Co containing fine Cu insertions of typical thickness between 0.2 and 0.4 nm or Ni.
  • the polarization layer 605 may also be made of a half-metal material, in particular of the family of Heusier alloys such as Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe.
  • FIG. 13 represents a fifth embodiment of a magnetic device 700 according to the invention.
  • the different layers of the magnetic device 700 are identical to the layers described above with reference to the device 700 and have the same reference numbers and the same characteristics, the only difference being to use a synthetic polarization layer 605.
  • This planar magnetization polarization layer 605 is therefore a synthetic antiferromagnetic layer that is to say formed of two magnetic layers 701 and 702 oriented anti-parallel to each other through a thin layer 703 of ruthenium. thickness 0.6 to 0.9nm.
  • the two magnetic layers 701 and 702 may be composed of the same materials or different materials.
  • This synthetic antiferromagnetic layer 605 itself is trapped by interaction with the antiferromagnetic 612 trapping underlayer 6, for example in PtMn 20nm or IrMn 7nm deposited on the buffer layer 606.
  • switchable magnetization storage layer 605 outside the plane, as shown in FIGS. 12 and 13, with a synthetic antiferromagnetic layer consisting of two fixed magnetization layers oriented out of the plane. and antiparallel coupled by a layer capable of inducing antiferromagnetic coupling between adjacent ferromagnetic layers as by a thin layer of ruthenium 0.5 to 0.9 nm thick.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif magnétique (200) comportant une couche magnétique (201) de référence ayant une aimantation de direction fixe située soit dans le plan de la couche (201) soit perpendiculairement au plan de la couche (201), une seconde couche magnétique (203) de stockage, ayant une aimantation de direction variable, un espaceur non magnétique (202) séparant la couche de référence (201) et la couche de stockage (203) et une troisième couche magnétique (205) de polarisation de spin d'électrons ayant une aimantation perpendiculaire à celle de la couche (201) et située hors du plan de la couche (205) si l'aimantation de la couche de référence (201) est orientée dans le plan de la couche (201) ou dans le plan de la couche (205) si l'aimantation de la couche de référence (201) est orientée perpendiculairement au plan de la couche (201). Le coefficient de transfert de spin entre la couche de référence (201) et la couche de stockage (203) est supérieur au coefficient de transfert de spin entre la couche de polarisation de spin (205) et la couche de stockage (203).

Description

DISPOSITIF DE MEMOIRE MAGNETIQUE A POLARISATION DE SPIN ET SON PROCEDE D ' UTILISATION
La présente invention concerne un dispositif magnétique à polarisation de spin. Elle trouve une application en électronique, notamment dans la réalisation de points mémoire et de mémoire de type MRAM (« Magnectic Random Access Memory ») ou mémoire magnétique à accès aléatoire. Le contexte est celui des MRAMs à base de jonctions tunnels magnétiques (dits également empilements magnétorésistifs) et plus particulièrement des MRAMs dans lesquelles l'écriture est réalisée par transfert de spin. La figure 1 illustre schématiquement la structure et la fonction d'une telle jonction portant la référence 1. De façon connue, la jonction tunnel magné- tique (ou empilement magnétorésistif) 1 est composée de deux couches magnétiques 2 et 3 séparées par une couche d'oxyde 4 formant une barrière tunnel, typiquement en oxyde d'aluminium ou de magnésium. L'aimantation de l'une des couches magnétiques 2, dite couche de stockage (couche d'aimantation ré-orientable suivant deux directions sensiblement opposées) peut être orientée dans différentes directions par rapport à l'aimantation de la seconde couche 3, dite couche de référence, dont l'aimantation est piégée dans une direction fixe. Ce piégeage est en général réalisé par interaction avec une couche antiferromagnétique adjacente non représentée (mécanisme d'anisotropie d'échange). Différents niveaux de résistance de la jonction tunnel peuvent être réalisés en fonction de l'angle entre les aimantations des deux couches de stockage et de référence. Ainsi l'information est stockée dans l'élément magnétique par la configuration magnétique parallèle ou antiparallèle des aimantations des couches de stockage 2 et de référence 3. Ensuite la variation de résistance en fonction de la configuration magnétique est utilisée pour relire l'information écrite dans la cellule mémoire. Lorsque les aimantations des couches magnétiques 2 et 3 sont antiparallèles, la résistance de la jonction 1 est élevée ; lorsque les aimantations sont parallèles, la résistance devient faible. La variation de résistance entre ces deux états peut dépasser 100% par un choix approprié des matériaux. Chaque jonction tunnel 1 constitue un point mémoire. Dans l'approche la plus classique des MRAMs avec écriture par champs magnétiques perpendiculaires, les jonctions tunnels 1 sont disposées en un réseau carré inséré entre deux réseaux perpendiculaires de lignes parallèles : les lignes de bits 5 (ou « bit lines » en anglais) et les lignes de mots 6 (ou « word lines » en anglais), l'une au dessus, l'autre en dessous du plan des jonctions tunnels 1. Les jonctions 1 sont placées entre un transistor 7 et une ligne de bits 5. Un courant passant dans cette ligne de bits 5 produit un champ magnétique. Un courant passant dans la ligne de mots 6 orthogonale à la ligne de bits 5 permet de produire un second champ magnétique. Au moment de l'écriture, le transistor 7 est bloqué et des impulsions de courant sont envoyées simultanément dans la ligne de mots 6 et la ligne de bits 5 qui se croisent au niveau du point mémoire 1 adressé. La combinaison de ces deux champs permet de faire commuter l'aimantation de la couche de stockage du point mémoire 1 adressé dans la direction souhaitée sans affecter l'aimantation des autres points mémoires. Dans le mode « lecture », le transistor 7 est en régime saturé. Le courant envoyé dans la ligne de bits 5 traverse uniquement le point mémoire dont le transistor est ouvert. Ce courant permet de mesurer la résistance de la jonction. Par comparaison avec un point mémoire de référence, l'état binaire du point mémoire (« 0 » ou « 1 ») peut ainsi être déterminé.
Le mécanisme d'écriture décrit ci-dessus présente cependant certaines difficultés.
Le premier problème est un problème de sélectivité. Comme le renversement de l'aimantation de la couche de stockage d'une jonction se pro- duit sous l'effet de champs extérieurs et comme les champs de retournement sont statistiquement distribués, il n'est pas impossible de retourner accidentellement certaines jonctions voisines simplement par l'effet du champ magnétique produit le long de la ligne d'adressage. Comme, pour des mémoires à haute densité, la taille des points mémoires est nettement submi- cronique, le nombre d'erreurs d'adressage augmente. Ce problème de sélectivité a pu être améliorés par l'introduction d'une technologie d'écriture dite « toggle » décrite dans le brevet US6545906 mais au prix d'une consommation électrique accrue. Par ailleurs, les courants nécessaires dans les lignes de bits et les lignes de mots pour créer les champs magnétiques nécessaires à l'écriture sont de plusieurs mA (typiquement 5 à 7mA). Lorsqu'on cherche à augmenter la densité des mémoires ou des circuits logiques, la section de ces lignes conductrices doit diminuer alors que le courant nécessaire à la génération des impulsions de champ magnétique reste du même ordre de grandeur voire même augmente. On se heurte alors rapidement à la limite d'électro- migration dans ces lignes, atteinte pour des densités de courant typiquement de l'ordre de 107A/cm2. Pour un courant de 4mA, cette limite d'électro- migration est par exemple atteinte pour des conducteurs de section sensiblement égale à 200nm*200nm.
Plus récemment sont apparus d'autres types de dispositifs magnétiques permettant de palier le problème évoqué ci-dessus. Dans de tels dispositifs, le renversement de l'aimantation se produit non plus par des champs magnétiques extérieurs mais en utilisant l'action exercée par un courant polarisé en spin qui entre dans la couche de stockage de la jonction tunnel. En effet, il avait été prédit théoriquement par JC.SIonczewski et L.Berger (Journ.magn.Magn.Mater.159, L1 (1996) et Phys.Rev.B.54, 9353 (1996)) et observé expérimentalement quelques années plus tard par J.Katine et al (Phys.Rev.Lett.84, 3149 (2000)), que lorsqu'un courant polarisé en spin est injecté dans une nanostructure magnétique, ce courant exerce un couple sur l'aimantation de la nanostructure, appelé couple de transfert de spin (« spin transfer torque » ou « spin-torque » en anglais), qui peut permettre d'agir sur l'aimantation de la nanostructure et en particulier de la réorienter dans une direction souhaitée. Ce phénomène de commutation magnétique par transfert de spin a tout d'abord été observé dans des systèmes entièrement métalliques formés par exemple d'une alternance de couches de Co et Cu du type Co 20nm/Cu 4nm/Co 3nm (Phys.Rev.Lett.84, 3149 (2000)). Quelques années plus tard, ce même phénomène de commu- tation magnétique par transfert de spin a été observé dans les jonctions tunnels magnétiques de faible résistance (Appl.Phys.Lett.84, 31 18 (2004)). Ce phénomène de transfert de spin peut donc être utilisé comme un nouveau moyen d'écriture de l'information dans des dispositifs du type MRAMs ou composants logiques. JC.SIonczewski a montré que ce couple de transfert de spin à la forme d'un nouveau terme dans l'équation de Landau Lifshitz Gilbert qui régit la dynamique d'aimantation dans les systèmes magnétiques. Ce nouveau terme de couple T exercé par le courant de spin sur l'aimantation locale s'écrit T=aj Mx(MxP) dans lequel le pré-facteur aj (dit par la suite coefficient de transfert de spin) est proportionnel à la densité de courant traversant la nanostructure et à la polarisation de ce courant, M est le vecteur représentant l'aimantation de la nanostructure traversée par le courant polarisée en spin, P est la direction de polarisation du courant et le signe « x » désigne le produit vectoriel. Comme le pré-facteur du terme de transfert de spin est proportionnel à la densité de courant traversant la nanostructure, la densité de courant détermine le seuil de commutation de l'aimantation de la nanostructure magnétique et non le courant total comme dans les approches d'écriture par champ magnétique. Par exemple, pour une nanostructure magnétique d'aimantation planaire, d'épaisseur d, de dimension suffisamment petite (typiquement inférieure à 100nm) pour pouvoir être traitée en approximation macrospin, il a été montré que l'aimantation de la nanostructure peut commuter sous l'influence d'un courant polarisé en spin traversant cette nanostructure perpendiculairement à son plan, lorsque le pré-facteur du terme de transfert de spin atteint la valeur {a j )mt = ±a{2πMs + Hκ )+ aHext ≈ al7Ms où α est la constante d'amortissement de Gilbert, Ms est l'aimantation spontanée de la nanostructure, Hκ est le champ d'anisotropie. Cette valeur critique du pré-facteur aj détermine la valeur critique de la densité de ce courant provoquant la com- mutation magnétique sachant que les deux grandeurs sont reliées par :
où g (environ égal à 2) est le facteur de Lande, μB le
Figure imgf000006_0001
magnéton de Bohr, e la charge de l'électron, P la polarisation du courant et J la densité de courant (Sun, Phys.Rev.B. 62, 570 (2000)). On notera que l'expression du nouveau terme de couple T=aj Mx(MxP) exercé par le cou- rant de spin sur l'aimantation locale vaut plus particulièrement pour les configurations à vannes de spin. Dans le cas d'une configuration à jonction tunnel magnétique, le nouveau terme de couple T exercé par le courant de spin sur l'aimantation locale peut s'écrire T=aj Mx(MxP)+bj MxP. On retrouve le premier terme aj Mx(MxP) auquel vient s'ajouter un second terme bj MxP dans lequel le pré-facteur bj représente le coefficient du champ effectif induit par courant. Contrairement au cas d'une vanne de spin, dans une jonction tunnel magnétique, le terme de champ effectif n'est pas négligeable.
De ce fait, lorsque la dimension latérale de l'élément mémoire ou composant logique est réduite, le courant nécessaire diminue aussi en fonction de la section de l'élément, le courant étant égal au produit de la densité de courant par la section de l'élément. Ainsi, cette approche d'écriture par transfert de spin offre de bien meilleures perspectives d'évolution des caractéristiques des dispositifs mémoires ou logiques mettant en œuvre ces éléments que pour une écriture impliquant des impulsions de champs magnétiques générés par des impulsions de courant électriques dans des lignes conductrices. Lorsqu'on cherche à utiliser le transfert de spin comme moyen d'écriture dans les MRAMs à base de jonctions tunnels magnétiques, un point très important est la densité de courant à laquelle se produit la commutation. Cette densité de courant doit être suffisamment faible pour deux raisons. La première raison concerne la possibilité pour cette densité de courant de traverser la barrière tunnel sans l'endommager électriquement. En effet lorsqu'une densité de courant j traverse une barrière tunnel présentant un produit RA de sa résistance R par son aire A, il apparait une tension V=RA*j entre les deux électrodes de la jonction. Or la tension est limitée par le claquage électrique (typiquement à des valeurs de 0.7V à 1.5V suivant l'épaisseur de la barrière tunnel) et la magnétorésistance tend à décroître fortement pour des produits RA inférieurs à 10Ω.μm2. Ceci implique que la densité de courant maximale de commutation que l'on souhaite pour ne pas générer de stress électrique excessif de la barrière tunnel avec une magné- torésistance importante doit être de l'ordre de 106 A/cm2 voire 6.105A/cm2.
La deuxième raison est que la taille du transistor de sélection connecté en série avec la jonction tunnel dépend directement du courant total devant traverser le transistor. Ce courant est typiquement de 700μA par micron de largeur du canal de transistor. Pour que la minimisation de la taille de la cellule MRAM ne soit pas limitée par la taille du transistor, il faut que cette taille du transistor soit du même ordre de grandeur que la taille de la jonction. En supposant que la largeur L du transistor soit égale au diamètre de la jonction tunnel, on aboutit à une densité Jécπture de courant d'écriture qui doit être tel que le produit JécmureL2 soit environ égal à 0.7mA/μm*L ; en d'autres termes, Jécmure doit être environ égal à 0.7mA/μm/L. Pour une taille L de jonctions de l'ordre de 50nm, on obtient une densité Jécmure environ égale à 7.105A/cm2. On retrouve donc le même ordre de grandeur souhaité pour la densité de courant de commutation que celle obtenu pour la première raison mentionné dans le paragraphe précédent.
Or selon l'état de l'art actuel, avec des jonctions tunnels à base de MgO et à aimantation planaire, les densités de courant critiques observées sont de l'ordre de 7.106A/cm2 pour une commutation en quelques nanose- condes (cf. article de Y.Huai et al, Appl.Phys.Lett.87, 222510 (2005)). Cette densité de courant est encore trop grande par rapport à la valeur que l'on cherche à atteindre inférieure à 106A/cm2.
Une première solution connue pour abaisser le courant critique est décrite dans la demande de brevet FR2832542. Cette solution consiste à adjoindre à la jonction tunnel du côté de la couche douce opposé à la barrière tunnel, une deuxième couche piégée d'aimantation opposée à celle de la première couche piégée de la jonction tunnel et séparée de la couche douce par un espaceur métallique d'épaisseur typiquement de l'ordre de 3 à 5nm (configuration dite « duale »). Cette épaisseur doit être suffisamment importante pour permettre le découplage magnétique entre la deuxième couche piégée et la couche douce (typiquement au-delà de 2nm). Mais elle doit être suffisamment faible par rapport à la longueur de diffusion de spin pour que les électrons gardent la mémoire de leur spin dans leur passage de la deuxième couche piégée à la couche douce. Dans cet empilement, comme la résistance de la barrière tunnel est la contribution dominante de la résistance électrique de l'empilement, toute la magnétorésistance de la structure provient de la jonction tunnel formée par première couche piégée/barrière tunnel/couche douce. Par contre, du point de vue du transfert de spin, il y a un effet cumulatif des deux couples de transfert de spin exercés par l'une et l'autre des deux couches piégées. Ceci est mentionné dans le brevet FR2832542 et a été démontré plus tard théoriquement par LBerger dans l'article Journ.Appl.Phys.93(2003)7693 et vérifié expérimenta- lement dans l'article de Y.Huai et al, Appl.Phys.Lett.87, 222510 (2005). Ainsi dans ce dernier article, il a été montré que l'adjonction d'une deuxième couche piégée d'aimantation opposée à celle de la première couche piégée de la jonction tunnel permettait d'abaisser le courant critique de commutation de densité de l'ordre de 7.106A/cm2 à 2.2 106A/cm2. Le courant critique a été abaissé d'un facteur 3 par cette configuration duale mais cette valeur reste encore trop grande. Par ailleurs, cette configuration ne résout pas le problème des fluctuations stochastiques du temps de retournement ou de commutation.
En effet, de façon connue, la direction de piégeage de la couche de référence ou couche piégée est parallèle ou antiparallèle à l'aimantation de la couche de stockage. C'est en effet cette configuration qui maximise l'amplitude de magnétorésistance. Toutefois, une telle configuration implique que la polarisation du courant qui exerce le transfert de spin sur l'aimantation de la couche douce soit initialement parallèle ou antiparallèle à l'aimantation de cette dernière. Or comme le couple de transfert de spin varie comme le sinus de l'angle entre la polarisation du courant et l'aimantation, le couple est initialement nul de sorte que la commutation a du mal à se déclencher. Il faut alors attendre que sous l'effet d'une fluctuation thermique aléatoire, un petit angle apparaisse entre l'aimantation de la couche douce et la direction de polarisation du courant, pour que le couple de transfert de spin augmente et déclenche le retournement d'aimantation. Il s'en suit qu'il existe un temps d'attente entre le début du puise de courant et le retournement d'aimantation qui peut varier de quelques 100ps à quelques 10ns. Ceci a été montré expérimentalement dans la publication de T.Devolder et al (Phys.Rev.Lett.100, 057206 (2008)). Dans un fonctionnement de mémoires ou de composants logiques, il est clair que ce temps d'attente est particulièrement gênant car il limite la vitesse de fonctionnement de la mémoire ou du composant. Une deuxième solution pour réduire la densité de courant critique de commutation est également décrite dans la demande de brevet FR2832542. Cette solution consiste à utiliser des matériaux à aimantation perpendiculaire au plan des couches. En effet lorsqu'on injecte un courant de polarisa- tion planaire dans une nanostructure d'aimantation planaire, la densité de
^e, OCt1 M0M/ courant critique est exprimée par JWR ιn_ p llaannee = + 21 où e
est la charge de l'électron, h la constante de Planck, tF l'épaisseur de la nanostructure, α l'amortissement de Gilbert, P la polarisation du courant, J la densité de courant, μ0 la perméabilité du vide, Ms l'aimantation de la nanos- tructure et K son anisotropie (Sun, Phys.Rev.B. 62, 570 (2000)). Dans cette
expression, le terme — — — représente l'énergie de champ démagnétisant
qui est en général beaucoup plus grande (typiquement par 1 à 2 ordres de grandeur) que l'énergie d'anisotropie de la nanostructure. Ce terme est associé au fait que lors du retournement de l'aimantation, cette dernière doit précesser en sortant hors du plan, ce qui lui coûte cette énergie de champ démagnétisant. Ceci conduit aux densités de courant précédemment mentionnées de l'ordre de 7.106A/cm2 pour des jonctions tunnels simples à aimantation planaire. Par contre, si on utilise une nanostructure d'aimantation perpendiculaire dans laquelle on injecte un courant de spin de polarisation perpendiculaire, la densité de courant de commutation devient
J WR out-of -≠ane = \ γ \ y^ dans laquelle Kθff représente l'anisotropie effec¬
tive de la nanostructure. Cette anisotropie effective englobe l'anisotropie de forme (c'est-à-dire de champ démagnétisant) qui tend à ramener l'aimantation dans le plan de la couche, et l'anisotropie perpendiculaire (d'origine volumique ou interfaciale) qui tend à tirer l'aimantation hors du plan. Il s'en suit que cette anisotropie effective Kθff est en général bien plus
faible que le terme — — — + 2K gouvernant le courant critique dans le cas
planaire. En conséquence, on peut s'attendre à obtenir des courants critiques en anisotropie perpendiculaire plus faible que pour les matériaux à aimantation planaire. De récents résultats expérimentaux (Yoda et al, présentés oralement à Intermag 2008, Madrid, FA04) ont montré dans des structures à aimantation perpendiculaire du type
TbCo/CoFeB2nm/MgO/CoFeB1 nm/GdCo des courants critiques de 3.106A/cm2. Ce résultat est encourageant mais encore trop important ce qui semble indiquer que le rapport α/P est supérieur dans ces matériaux à aimantation hors du plan qu'avec les matériaux « usuels » à aimantation planaire. Il reste donc à trouver des matériaux à aimantation perpendiculaire ayant un faible amortissement de Gilbert et une forte polarisation en spin et offrant une grande amplitude de magnétorésistance (seulement 10% dans l'étude précitée). Par ailleurs, cette configuration ne résout également pas le problème des fluctuations stochastiques du temps de retournement de l'aimantation.
Une autre approche proposée dans le brevet FR2817998 consiste, pour provoquer la commutation d'une couche magnétique d'aimantation planaire, à injecter dans cette couche un courant polarisé en spin dont la direction de polarisation est perpendiculaire au plan des couches. Un tel dispositif magnétique 30 est illustré en figure 2. Le dispositif 30 représenté comprend une couche antiferromagnétique 10, un empilement tri-couche 12 constitué par deux couches magnétiques 121 , 123 à aimantations planaires antiparallèles, séparées par une couche conductrice non magnétique 122. Cet empilement constitue la couche piégée. Le dispositif 30 comprend en outre une couche isolante 14, et une couche magnétique libre 16. L'ensemble 12, 14, 16 constitue une jonction tunnel magnétique 15. Le dispositif 30 se complète par une couche séparatrice non-magnétique conductrice 18 et une couche magnétique de polarisation 20 ayant une aimantation perpendiculaire au plan de la couche. Cette couche 20 peut être composée d'un empilement de couches, par exemple en Fe/Pt ou en Fe/Pd ou en Co/Pt, ou en Co/Pd, ou en Co/Au, etc.. ou en leurs alliages ordonnés. La couche de polarisation repose sur un substrat conducteur 22. L'ensemble de cet empilement est inséré entre une amenée de courant 24 et un transistor 26 de commutation de courant. Pour les électrons transmis à travers la couche 20 ou réfléchis par celle-ci, la direction du spin se trouvera être orientée parallèlement à l'aimantation de cette couche, c'est-à-dire perpendiculairement au plan des diverses couches de la jonction 15 et en particulier au plan de la couche libre 16. L'aimantation de cette couche soumise à ce courant d'électrons polarisés hors du plan va tourner suivant un cône de grand angle d'axe per- pendiculaire au plan de la couche, sans pouvoir s'aligner avec la direction de spin du fait du champ démagnétisant qui tend à maintenir l'aimantation dans le plan de la couche. La figure 3 montre symboliquement cette rotation avec une direction positive du courant. Un trièdre trirectangle Oxyz permet de repérer les différentes directions, l'axe Oz étant perpendiculaire au plan des couches. Dans ce brevet FR2817998, il était supposé que la couche 20 à aimantation hors du plan influençait la dynamique de l'aimantation de la couche 16 de façon beaucoup plus importante que la couche de référence 123. En d'autres termes, la couche 20 est principalement responsable du mouvement de précession de la couche 16 lorsqu'un courant d'intensité su- périeure au courant critique de précession circule à travers la structure, tandis que la couche 123 ne vient que légèrement perturber ce mouvement de précession en le rendant asymétrique, favorisant un alignement parallèle des aimantations des couches 123 et 16 si le courant est positif et antiparallèle si le courant est négatif. Dans le cas de la figure 3, le courant étant posi- tif, l'état parallèle est donc favorisé. Ceci est représenté sur la figure 4 par une variation alternative de l'aimantation My de la couche 16 présentant des maximas d'aimantation My plus courts (de durée t2) et des minimas d'aimantation My plus longs (de durée t3). Ainsi dans ce brevet, on peut écrire l'état parallèle des aimantations des couches 16 et 123 (représentant par exemple un « 0 ») ou l'état antiparallèle d'aimantation (représentant par exemple un « 1 ») en utilisant l'un ou l'autre des sens du courant mais on est obligé de contrôler précisément la durée du puise du courant pour s'arrêter soit sur un plateau bas (« 0 »), soit sur un plateau haut (« 1 »).
Selon cette géométrie, l'effet du transfert de spin est de faire préces- ser l'aimantation sur un cône, autour d'un axe perpendiculaire au plan des couches. Ainsi, lorsqu'un courant continu traverse la structure, l'aimantation de la couche libre 16 précesse de façon continue (c'est-à-dire qu'elle tourne sur elle-même de façon continue avec une oscillation entretenue de My et donc de la résistance de la jonction). On notera que si le dispositif 30 comportait seulement le polariseur perpendiculaire 20 et la couche douce 16 dont l'aimantation précesse, aucune variation de résistance de l'empilement ne se produirait associé à ce mouvement de précession car l'angle entre les aimantations du polariseur perpendiculaire et de la couche douce est constant au cours du mouvement de précession. Pour obtenir un effet de magné- torésistance utilisable dans une application MRAM ou un oscillateur radio- fréquence, on est obligé de rajouter la couche de référence piégée 123 d'aimantation planaire, séparée de la couche douce 16 par un espaceur non-magnétique. En contrôlant la durée du mouvement de précession généré par le polariseur perpendiculaire à une demi-période près, il est possible d'utiliser le mouvement de précession pour faire commuter l'aimantation de la couche 16 d'aimantation planaire entre deux directions opposées. L'avantage de cette approche est que la commutation est en principe très rapide (de l'ordre de 0.3ns) et peu sensible aux fluctuations stochastiques. Toutefois, les fréquences de précession en jeu sont typiquement de plusieurs GHz. Cela signifie que pour faire effectuer une demie période de précession à l'aimantation de la couche planaire, il faut pouvoir contrôler la durée de puise de courant traversant cette couche avec une précision de l'ordre de 0.1 ns. Dans un dispositif électronique de type puce mémoire, cela est très difficile à réaliser car les effets inductifs et capacitifs qui se produisent lors de la propagation des puises de courant dans les lignes conductrices conduisent à des retards et élargissement des puises. Ces déformations du signal électrique sont rédhibitoires pour la mise en œuvre de cette commutation précessionnelle dans un dispositif mémoire.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un dispositif magnétique permettant de s'affranchir des exigences précitées sur la durée d'impulsion de courant traversant le dispositif liée aux fréquences de précession élevées tout en réduisant les fluctuations stochastiques de durée de retournement d'aimantation et la densité de courant critique pour le retournement d'aimantation.
A cette fin, l'invention propose un dispositif magnétique comportant : - une première couche magnétique, dite couche de référence, ayant une aimantation de direction fixe située soit dans le plan de la couche de référence soit perpendiculairement au plan de la couche de référence; - une seconde couche magnétique, dite couche de stockage, ayant une aimantation de direction variable ;
- une couche non magnétique, dit espaceur, séparant ladite couche de référence et ladite couche de stockage ;
- une troisième couche magnétique, dite couche de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation perpendiculaire à celle de ladite couche de référence et située hors du plan de la couche de polarisation si l'aimantation de la couche de référence est orientée dans le plan de la couche de référence ou dans le plan de la couche de polarisation si l'aimantation de la couche de référence est orientée per- pendiculairement au plan de la couche de référence ;
- des moyens pour faire circuler dans les couches, et perpendiculairement à celles-ci, un courant d'électrons ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite aimantation de direction variable possède deux positions d'équilibre sensiblement suivant l'axe défini par ladite direction d'aimantation fixe de ladite couche de référence, le coefficient de transfert de spin entre ladite couche de référence et ladite couche de stockage étant supérieur au coefficient de transfert de spin entre ladite couche de polarisation de spin et ladite couche de stockage de sorte qu'en présence d'un courant d'électrons : - le transfert de spin entre ladite couche de polarisation de spin et ladite couche de stockage écarte la direction d'aimantation de ladite couche de stockage d'une première position d'équilibre parallèle ou antiparallèle à la direction d'aimantation de ladite couche de référence puis, - le transfert de spin entre ladite couche de référence et ladite couche de stockage entraîne en fonction de la direction du courant d'électrons : o soit la commutation de la direction d'aimantation de ladite couche de stockage vers une deuxième position d'équilibre correspondant à une direction d'aimantation de ladite couche de stockage opposée à la direction d'aimantation de ladite couche de stockage dans ladite première position d'équilibre si la direction du courant d'électrons est dans un premier sens ; o soit le retour de la direction d'aimantation de ladite couche de stockage vers sa direction d'aimantation dans ladite première position d'équilibre si la direction du courant d'électrons est dans un sens opposé au premier sens.
De façon générale, le coefficient aj de transfert de spin est défini via le couple T exercé par le courant de spin sur l'aimantation locale donné par l'équation: T = RjMx (MxP) OU P est un vecteur unitaire orienté dans le sens du courant polarisé en spin et M est le vecteur d'aimantation de la couche de stockage.
Conformément à l'usage, un élément magnétorésistif qui comporte au moins une couche ferromagnétique dure et une couche ferromagnétique douce séparées par une couche intercalaire non ferromagnétique (métallique ou isolante) est appelé « empilement magnétorésistif » ou « jonction tunnel magnétique ». Dans ce qui suit, on désignera cet élément par le terme « empilement magnétorésistif ».
Le dispositif selon l'invention comprend une couche magnétique de stockage à aimantation réorientable entre deux directions sensiblement opposées soit dans le plan, soit hors du plan, en sandwich entre deux couches magnétiques d'aimantation fixe, l'une orientée dans le plan des couches, l'autre orientée perpendiculairement au plan des couches. L'information binaire est codée par l'orientation de l'aimantation de la couche de stockage relativement à celle de la couche de référence. La couche de référence est insérée dans un empilement de couches comprenant des moyens pour faire circuler un courant électrique perpendiculairement au plan des couches magnétiques. Le dispositif selon l'invention possède des propriétés magnétoré- sistives, c'est-à-dire qu'il est tel que les deux états magnétiques stables sont caractérisés par deux valeurs différentes de résistance électrique du disposi- tif. L'empilement peut être un empilement magnétorésistif, ou une structure métallique ou à chemin de courants confinés à magnétorésistance géante, ou une structure dite filtre à spin comprenant une barrière d'oxyde magnétique. La commutation d'un état magnétique à l'autre se produit par transfert de spin, c'est-à-dire à l'aide d'un courant polarisé en spin traversant la couche de stockage.
Le coefficient de transfert de spin (ou pré-facteur) entre la couche de référence et la couche de stockage est supérieur au coefficient de transfert de spin entre la couche de polarisation de spin et la couche de stockage. En d'autres termes, l'influence du transfert de spin dû à la première couche piégée (couche de référence) est supérieure à l'influence du transfert de spin dû à la deuxième couche piégée (couche de polarisation de spin).
Dans la demande de brevet FR2817998 déjà mentionnée plus haut, la couche de référence ne perturbe que légèrement le mouvement de pré- cession généré par le polariseur perpendiculaire en induisant l'asymétrie des plateaux montrés sur la figure 4. Dans cette demande de brevet FR2817998, le coefficient de transfert de spin provenant du polariseur perpendiculaire est largement supérieur au coefficient de transfert de spin provenant de la couche de référence. Cette couche de référence ne perturbe pas de façon significative la dynamique d'aimantation générée par le polariseur perpendiculaire, son rôle principal consistant à faire apparaître un signal de magnétorésistance. Au contraire, selon la présente invention, le transfert de spin exercé par la couche de référence joue un rôle dominant par rapport au transfert de spin joué par le polariseur perpendiculaire ; c'est la couche de référence qui joue le rôle principal sur la dynamique d'aimantation, la couche de polarisation n'aidant qu'à réduire le courant critique de commutation.
Si la structure magnétorésistive était toute seule, c'est-à-dire sans la couche polariseur à aimantation perpendiculaire, il est alors connu de l'homme du métier qu'on peut faire commuter l'aimantation de la couche de stockage par effet de transfert de spin, c'est-à-dire en faisant circuler un courant polarisé en spin à travers la structure. En fait, les électrons se polarisent en traversant la couche magnétique de référence et exerce un couple ma- gnétique sur l'aimantation de la couche de stockage. Lorsque ce couple est suffisamment fort, l'aimantation de la couche de stockage peut commuter. Il est connu que si les électrons vont de la couche de référence vers la couche de stockage, cela favorise l'alignement parallèle des aimantations. Si au contraire les électrons circulent de la couche de stockage vers la couche de référence, cela favorise l'alignement antiparallèle des aimantations. Partant de cet élément magnétorésistif bistable connu, on rajoute le polariseur perpendiculaire. Ce faisant, on rajoute une deuxième contribution de transfert de spin provenant de la polarisation du courant induite par le polariseur per- pendiculaire. Mais on fait en sorte que cette deuxième contribution au transfert de spin exercé sur la couche de stockage soit inférieure à la contribution apportée par la couche de référence. Ainsi, la couche de stockage garde un comportement bistable malgré la présence du polariseur perpendiculaire. En d'autres termes, dans ces conditions et contrairement au dispositif magné- tique de la demande de brevet FR2817998, l'aimantation de la couche de stockage ne se trouve pas emportée dans un mouvement de précession entretenue mais continue de commuter par rapport à l'aimantation de la couche de référence comme dans le cas de l'élément magnétorésistif seul, c'est-à-dire vers l'état parallèle si les électrons circulent de la couche de ré- férence vers la couche de stockage et vers l'état antiparallèle si les électrons circulent de la couche de stockage vers la couche de référence. Le bénéfice de l'adjonction de la couche de polarisation perpendiculaire ayant un effet plus faible sur le transfert de spin que la couche de référence est néanmoins double : - elle permet de baisser de façon très significative la densité de courant critique de commutation (typiquement par un facteur 2 à 10). Le transfert de spin provenant du polariseur perpendiculaire fournit un couple supplémentaire à l'aimantation de la couche de stockage qui vient s'ajouter au couple fourni par la couche de référence et aide ainsi à la commutation de l'aimantation de la couche de stockage. Ainsi la couche de stockage peut commuter à une densité de courant inférieure à la situation où le polariseur perpendiculaire n'est pas présent. Il est à souligner que le polariseur perpendiculaire seul ne suffirait pas dans cette invention, à faire commuter et a fortiori à faire précesser l'aimantation de la couche de stockage ; la présence de la couche de polarisation additionnelle permet de réduire les fluctuations stochastiques de temps de commutation de l'aimantation de la couche de stockage. En effet, en l'absence de ce polariseur additionnel, les aimantations des couches de stockage et de référence sont initialement parallèles ou antiparallèles. De ce fait, le couple de transfert de spin exercé au tout début de la commutation est très faible car ce couple varie comme le sinus de l'angle entre les aimantations des couches de référence et de stockage (sinus proche de zéro lorsque les aimantations sont parallèles ou antiparallèles). Du coup, la commutation d'aimantation se déclenche de façon aléatoire lorsqu'une fluctuation thermique écarte l'aimantation de la couche de stockage de sa direction à l'équilibre. Ceci provoque une incertitude dans le temps nécessaire à la commutation d'aimantation qui est gênante dans une perspective d'utilisation de ce phénomène pour récriture de cellules MRAM. Par contre, en présence de la couche de polarisation additionnelle, la situation est différente. En effet, l'aimantation de la couche de polarisation est sensiblement orthogo- nale à celle de la couche de stockage. Le couple de transfert de spin est donc maximal dès le début du puise de courant d'écriture. En conséquence, bien que ce couple dû au polariseur perpendiculaire soit trop faible pour faire commuter l'aimantation à lui tout seul, il est néanmoins suffisant pour permettre à l'aimantation de subir une im- pulsion qui l'écarté de sa position d'équilibre en un très bref temps de l'ordre de 50ps. De ce fait, ceci permet au transfert de spin dû à la couche de référence de prendre très rapidement la relève et de provoquer la commutation de l'aimantation de la couche de stockage. Ainsi, grâce à la couche de polarisation, le retournement n'est plus déclenché par une fluctuation thermique aléatoire mais par le puise de courant lui-même traversant l'élément magnétique. Ceci rend la commutation beaucoup plus rapide et sa durée beaucoup moins fluctuante. A aucun moment, en présence d'un courant continu, l'aimantation de la couche de stockage ne précesse, et donc n'oscille, de façon continue. Une fois que l'aimantation a commuté, elle reste dans le nouvel état et ne continue pas à tourner. Le dispositif magnétique selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- ladite couche de stockage présente une anisotropie uniaxiale avec un axe facile d'aimantation sensiblement parallèle à la direction d'aimantation de ladite couche de référence ;
- ladite couche de stockage présente une forme allongée telle qu'une forme elliptique ;
- le dispositif selon l'invention comporte une couche, dite second espa- ceur, séparant ladite couche de stockage et ladite couche de polari- sation de spin d'électrons ;
- la résistance électrique de l'empilement formé par ladite couche de référence, ledit premier espaceur et ladite couche de stockage est supérieure à la résistance électrique de l'empilement formé par ledit second espaceur et ladite couche de polarisation de spin d'électrons ; - le produit de la résistance par la surface dudit premier espaceur est supérieur au produit de la résistance par la surface dudit second espaceur ;
- ledit premier espaceur est une barrière tunnel et ledit second espaceur est choisi parmi les éléments suivants : o une barrière tunnel ; o une barrière à chemins de courant confinés ; o une couche métallique non magnétique ;
- ledit premier espaceur est une barrière à chemins de courant confinés et ledit second espaceur est choisi parmi les éléments suivants : o une barrière à chemins de courant confinés ; o une couche métallique non magnétique ;
- ledit second espaceur est une barrière à chemins de courant confinés présentant davantage de chemins métalliques et/ou des chemins magnétiques de diamètres plus grands que dans le premier espa- ceur ;
- lesdits premier et second espaceurs sont des couches métalliques non magnétiques ; - ladite couche de polarisation de spin d'électrons est directement couplée à ladite couche de stockage ;
- ladite couche de référence a une aimantation de direction fixe située dans le plan de la couche de référence et ladite couche de polarisation de spin d'électrons a une aimantation perpendiculaire à celle de ladite couche de référence et située hors du plan de la couche de polarisation ;
- ladite couche de polarisation de spin d'électrons est réalisée suivant l'un des agencements suivants : o une multicouche de période (Pt/Co), (Pd/Co) ou (Pt/Co/Pt/Ni) ; o une multicouche formée d'une alternance de couches ultrafines de Co et de Ni ; o une multicouche formée par une alternance métal de transition magnétique/oxyde ; o un alliage ordonné FePt ou FePd ; o un alliage CoPt ou CoPd avec des concentrations de Co entre
85% atomique et 50% atomique ; o un alliage CoCr de structure hexagonale avec axe c perpendiculaire au plan des couches ; o un alliage terre-rare/métal de transition ; - ladite couche de stockage est réalisée dans l'un des matériaux suivants : o un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs en particulier de B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb ; o un alliage d'HeusIer ; - ladite couche de référence est réalisée suivant l'un des matériaux suivants : o un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs, en particulier du B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb ; o un matériau demi-métallique en particulier de la famille des alliages d'HeusIer ;
- ladite couche de référence a une aimantation de direction fixe perpendiculairement au plan de la couche de référence et ladite couche de polarisation de spin d'électrons a une aimantation perpendiculaire à celle de ladite couche de référence et située dans le plan de la couche de polarisation ;
- ladite couche de polarisation de spin d'électrons est réalisée dans l'un des matériaux suivants : o un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs, en particulier du B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb ; o une multicouche de Co contenant de fines insertions de Cu ou de Ni ; o un matériau demi-métallique en particulier de la famille des al- liages d'HeusIer ;
- ladite couche de stockage et/ou ladite couche de référence sont réalisées suivant l'un des agencements ou matériaux suivants : o une multicouche de période (Pt/Co), (Pd/Co) ou (Pt/Co/Pt/Ni) ; o une multicouche formée d'une alternance de couches de Co et de Ni ; o une multicouche alternant un métal de transition magnétique et un oxyde ; o un alliage ordonné de FePt ou de FePd ; o un alliage de CoPt ou de CoPd avec des concentrations de Co entre 85% atomique et 50% atomique; o un alliage de CoCr de structure hexagonale avec axe c perpendiculaire au plan des couches ; o un alliage terre-rare/métal de transition ;
- au moins l'une desdites couches de référence, de stockage ou de po- larisation de spin d'électrons est une couche antiferromagnétique synthétique formée de deux couches d'aimantation fixe orientée hors du plan et couplées antiparallèlement par une couche apte à induire un couplage antiferromagnétique entre les couches ferromagnétiques ;
- au moins l'une desdites couches de référence ou de polarisation de spin d'électrons présente une aimantation piégée par interaction avec une couche antiferromagnétique de piégeage.
La présente invention a également pour objet un procédé d'écriture/lecture d'information dans un dispositif selon l'invention caractérisé en ce que l'écriture d'information consiste à faire circuler à travers le dispositif perpendiculairement au plan des couches un courant d'électrons, la commutation de la direction d'aimantation de ladite couche de stockage vers la deuxième position d'équilibre se faisant par l'injection d'un courant d'électrons dans un premier sens et la commutation de la direction d'aimantation de ladite couche de stockage vers la première position d'équilibre se faisant par l'injection d'un courant d'électrons dans un deu- xième sens opposé au dit premier sens du courant.
Avantageusement, la lecture d'information consiste à faire circuler à travers le dispositif perpendiculairement au plan des couches un courant d'électrons et à mesurer la résistance dudit dispositif, l'intensité du courant de lecture étant inférieure à l'intensité du courant d'écriture. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 représente schématiquement un ensemble de jonctions tunnel magnétiques dans un dispositif mémoire illustrant la structure et la fonction d'une jonction tunnel magnétique ;
- la figure 2 illustre un dispositif magnétique selon l'état de la technique ;
- la figure 3 montre les orientations des aimantations dans les différentes couches selon une direction positive de circulation du courant pour le dispositif de la figure 2 ;
- la figures 4 montre les variations de la composante de l'aimantation selon un axe Oy parallèle au plan des couches suivant la direction du courant circulant à travers l'empilement illustré en figure 3 ; - la figure 5 représente schématiquement un dispositif selon l'invention ;
- la figure 6 représente une vue de dessus de la couche de stockage utilisée dans le dispositif de la figure 5 ; - les figures 7 A et 7 B représentent les variations de la composante My de l'aimantation selon un axe Oy parallèle au plan des couches du dispositif de la figure 5 ;
- la figure 8 représente un exemple de diagramme de stabilité (courant- champ) d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 9 représente un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 10 représente un second mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 1 1 représente un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 12 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 13 représente un cinquième mode de réalisation de l'invention.
Les figures 1 à 4 ont déjà été décrites en référence à l'état de la technique. Un trièdre trirectangle Oxyz permet de repérer les différentes directions, l'axe Oz étant perpendiculaire au plan des couches.
La figure 5 représente schématiquement un dispositif magnétique 200 selon l'invention.
Le dispositif magnétique 200 comporte : - une couche magnétique de référence 201 de direction d'aimantation fixe (ici située dans le plan de la couche de référence) ;
- un premier espaceur non magnétique 202 ;
- une couche magnétique de stockage 203 de direction d'aimantation réorientable suivant deux états d'orientation sensiblement opposées (deux positions d'équilibre sensiblement suivant l'axe défini par la direction d'aimantation fixe de la couche de référence 201 ) ;
- un second espaceur 204 ; - une couche 205 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation hors du plan de la couche de polarisation et de direction perpendiculaire à celle de la couche de référence 200. Cet empilement formé par l'ensemble de couches ci-dessus est insé- ré entre une amenée de courant 206 et un moyen de commutation de courant 207 qui est ici un transistor permettant de faire circuler un courant électrique perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques.
L'empilement possède des propriétés magnétorésistives c'est-à-dire qu'il est tel que les deux états magnétiques stables sont caractérisés par deux valeurs différentes de résistance électrique de la structure. L'empilement peut être un empilement magnétorésistif, ou une structure métallique ou à chemin de courants confinés à magnétorésistance géante, ou une structure dite filtre à spin comprenant une barrière d'oxyde magnétique. La commutation d'un état magnétique à l'autre se produit par transfert de spin, c'est-à-dire à l'aide d'un courant polarisé en spin traversant la couche de stockage 203.
Le second espaceur 204 présente une résistance inférieure à celle de l'élément magnétorésistif formé par la couche de référence 201 et la couche de stockage 203 séparées par le premier espaceur non magnétique 202. La résistance électrique du deuxième espaceur 204 doit en effet être suffisamment faible par rapport à celle de l'élément magnétorésistif de sorte que l'effet de magnétorésistance du dispositif 200 ne soit pas trop réduit par la résistance en série de l'espaceur 2. Le second espaceur 204 est en contact avec la couche de stockage 203 du côté opposé de l'élément magnétorésistif.
La couche 205 de polarisation de spin d'électrons est en contact avec le second espaceur 204.
La couche de référence 201 et la couche de polarisation de spin d'électrons 205 sont choisies de sorte que le coefficient de transfert de spin entre la couche de référence 201 et la couche de stockage 203 soit supérieur au coefficient de transfert de spin entre la couche de polarisation de spin 205 et la couche de stockage 203. La couche de stockage 203 présente préférentiellement une anisotro- pie uniaxiale pouvant être générée en donnant à la structure une forme allongée elliptique. Cette anisotropie uniaxiale confère à l'aimantation de la couche de stockage 203 deux états stables d'aimantation sensiblement pa- rallèle et antiparallèle à l'aimantation de la couche de référence 201. La figure 6 montre une vue de dessus de la couche de stockage 203 présentant une forme elliptique.
Si l'élément magnétorésistif formé par la couche de référence 201 et la couche de stockage 203 séparées par le premier espaceur non magné- tique 202 était tout seul, c'est-à-dire sans le second espaceur 204 et la couche de polarisation perpendiculaire 205, on peut faire commuter l'aimantation de la couche de stockage 203 par effet de transfert de spin, c'est-à-dire en faisant circuler un courant polarisé en spin à travers la structure. En fait, les électrons se polarisent en traversant la couche magnétique de référence 201 et exerce un couple magnétique sur l'aimantation de la couche de stockage 203. Lorsque ce couple est suffisamment fort, l'aimantation de la couche de stockage 203 peut commuter. Si les électrons vont de la couche de référence 201 vers la couche de stockage 203, cela favorise l'alignement parallèle des aimantations. Si au contraire les électrons circulent de la couche de stockage 203 vers la couche de référence 201 , cela favorise l'alignement antiparallèle des aimantations. Ceci est décrit par exemple dans l'article Y.Huai et al (Applied Physics Letters 84, 31 18 (2004)). Dans ce cas, les densités de courant critique de commutation sont typiquement de l'ordre de 5.106A/cm2 en quasistatique, atteignant de l'ordre de 2.107A/cm2 pour une commutation par impulsion de courant d'une durée de l'ordre de la nanoseconde. Ces densités de courant sont relativement élevées pour une utilisation pour une application MRAM. Elles imposent une taille du transistor 207 de sélection connecté en série avec l'élément magnétorésistif, bien supérieure à la taille de l'élément magnétorésistif. Par ailleurs, dans le cas où l'élément magnétorésistif est un empilement magnétorésistif de produit RA (résistance R par surface A) typiquement de l'ordre de 5Ω.μm2 (valeur permettant d'avoir une magnétorésistance supérieure à 100% pour des empilements magnétorésistifs à base de MgO), des impul- sions de densité de courant j=107A/cm2 signifie des impulsions de tension V=RA.j de 1 V ce qui est très proche de la tension de claquage électrique de ces empilements magnétorésistifs. On souhaite donc arriver à baisser la densité de courant de commutation pour diminuer le risque de claquage de l'empilement magnétorésistif lors des cycles d'écriture. C'est le but de l'adjonction de la couche de polarisation 205. Partant de l'élément magnéto- résistif bistable décrit ci-dessus, on rajoute donc le second espaceur 204 et la couche de polarisation à aimantation perpendiculaire 205. Ce faisant, on rajoute une deuxième contribution de transfert de spin provenant de la pola- risation du courant induite par la couche de polarisation perpendiculaire 205. On fait toutefois en sorte que cette deuxième contribution au transfert de spin exercé sur la couche de stockage 203 soit inférieure à la contribution apportée par la couche de référence 201. Ainsi, la couche de stockage 203 garde un comportement bistable malgré la présence de la couche de polari- sation perpendiculaire 205. Dans ces conditions, l'aimantation de la couche de stockage 203 ne se trouve pas emportée dans un mouvement de précession entretenue mais continue de commuter par rapport à l'aimantation de la couche de référence comme dans le cas de l'élément magnétorésistif seul, c'est-à-dire vers l'état parallèle si les électrons circulent de la couche de référence vers la couche de stockage et vers l'état antiparallèle si les électrons circulent de la couche de stockage vers la couche de référence. Ce phénomène est illustré aux figures 7 A et 7 B qui représente les variations de la composante My de l'aimantation selon un axe Oy parallèle au plan des couches en fonction du temps selon que les couches sont parcou- rues par un courant continu positif ou négatif (J>0 ou J<0). P et AP désignent respectivement les états initiaux parallèle ou antiparallèle entre la direction d'aimantation de la couche de référence 201 et la direction d'aimantation de la couche de stockage 203. On constate bien un comportement bistable. On favorise (figure 7 A) l'état parallèle en faisant passer les électrons de la couche de référence 201 vers la couche de stockage 203 : en d'autres termes, si l'état initial est AP, le fait de faire passer un courant J>0 entraîne une transition vers l'état P ; si l'état initial est P, on reste à l'état P lorsqu'on fait passer un courant J>0. Inversement, on favorise (figure 7 B) l'état antiparallèle en faisant passer les électrons de la couche de stockage vers la couche de référence. Une fois que l'aimantation a commuté, elle reste dans le nouvel état et ne continue pas à tourner comme dans les documents de l'art antérieur (et notamment la demande de brevet FR2817998). Lorsqu'elle est traversée par un courant continu perpendiculaire à ses interfaces, une structure de l'état antérieur avec un polariseur perpendiculaire présente des oscillations entretenues de My c'est-à-dire de résistance. Par contre, le dispositif selon la présente invention possède une résistance sensiblement invariante ou sensiblement en marche d'escalier suivant l'état magnétique initial et suivant la direction du courant comme représenté sur les graphiques des figures 7 A et 7 B.
Le bénéfice de l'adjonction de la couche de polarisation 205 à aimantation perpendiculaire est double :
- Il permet de baisser la densité de courant critique de commutation (typiquement par un facteur 2 à 10). Le transfert de spin provenant de la couche de polarisation 205 fournit un couple supplémentaire à l'aimantation de la couche de stockage 203 qui vient s'ajouter au couple fourni par la couche de référence 201 et aide ainsi à la commutation de l'aimantation de la couche de stockage 203. Ainsi la couche de stockage 203 peut commuter à une densité de courant inférieure à la situation où la couche de polarisation 205 n'est pas présente. Il convient de noter que la couche de polarisation 205 seule ne suffirait pas à faire commuter et a fortiori à faire précesser l'aimantation de la couche de stockage 203 ; - la présence de la couche de polarisation 205 permet de réduire les fluctuations stochastiques de temps de commutation de l'aimantation de la couche de stockage 203. En effet, en l'absence de cette couche de polarisation 205, les aimantations des couches de stockage et de référence sont initialement parallèles ou antiparallèles. De ce fait, le couple de transfert de spin exercé au tout début de la commutation est très faible car ce couple varie comme le sinus de l'angle entre les aimantations des couches de référence et de stockage (sinus qui est égal à zéro lorsque l'état est parallèle ou antiparallèle). Dès lors, en l'absence de la couche de polarisation 205, la commutation d'aimantation se déclenche de façon aléatoire lorsqu'une fluctuation thermique écarte l'aimantation de la couche de stockage de sa direction à l'équilibre. En revanche, en présence de la couche de polarisa- tion 205, la situation est différente. En effet, l'aimantation de la couche de polarisation 205 est sensiblement orthogonale à celle de la couche de stockage 203. Le couple de transfert de spin est donc maximal dès le début de l'injection de l'impulsion de courant d'écriture. En conséquence, bien que ce couple dû à la couche de po- larisation 205 soit trop faible pour faire commuter l'aimantation à elle toute seule, elle est néanmoins suffisante pour permettre à l'aimantation de subir une impulsion qui l'écarté de sa position d'équilibre en un très bref temps de l'ordre de 50ps. De ce fait, ceci permet au transfert de spin dû à la couche de référence 201 de prendre très rapidement la relève et de provoquer la commutation de l'aimantation de la couche de stockage 203. Ainsi, grâce à la couche de polarisation 205, le retournement n'est plus déclenché par une fluctuation thermique aléatoire mais par l'impulsion de courant elle- même traversant l'élément magnétique. Ceci rend la commutation beaucoup plus rapide et sa durée beaucoup moins fluctuante.
Nous verrons en référence à la figure 1 1 qu'il est possible d'omettre le second espaceur 204, la couche 205 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation hors du plan de la couche de polarisation et de direction perpendiculaire à celle de la couche de référence 201 étant alors direc- tement couplée à la couche de stockage 203.
La couche de stockage 203 peut être une couche magnétique simple (par exemple en CoFeB) ou constituée de plusieurs couches magnétiques couplées (par exemple CoFe/CoFeB). La couche de stockage 203 peut également être une couche antiferromagnétique synthétique c'est-à-dire consti- tuée de deux couches ferromagnétiques couplées antiparallèlement à travers une fine couche de couplage antiparallèle, par exemple en ruthénium d'épaisseur 0.6nm à O.δnm. L'avantage d'une telle structure est de présen- ter une meilleure stabilité thermique vis-à-vis des fluctuations thermiques d'aimantation.
La couche de référence 201 peut être une couche simple piégée par une couche antiferromagnétique. La couche de référence peut être un al- liage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs en particulier de B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb. La couche de référence peut aussi être réalisée en un matériau demi-métallique en particulier de la famille des alliages d'HeusIer tels que Ni2MnAI, Ni2Mnln, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Co2MnAI, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe. Dans le cas d'empilement magnétorésistif à base de MgO bec, cette couche doit aussi, de façon préférentielle, avoir près de l'interface une structure cubique centrée bec (« body cubic centered » en anglais). On choisit alors un alliage à base de Co, de Fe et de Ni de structure bec ou un alliage CoFeB amorphe que l'on recuira ensuite. Les alliages d'HeusIer cités ci-dessus peuvent aussi convenir. La couche de référence peut être aussi avantageusement une couche antiferromagnétique synthétique constituée de deux couches ferromagnétiques couplées antiparallèlement à travers une fine couche de couplage antiparallèle, par exemple en ruthénium d'épaisseur 0.6nm à O.δnm. Cette couche antiferromagnétique synthétique peut elle-même être piégée par interaction avec une couche antiferromagné- tique. L'avantage d'utiliser une couche piégée synthétique est de pouvoir diminuer le champ magnétostatique rayonné par la couche de référence sur la couche de stockage et éviter de privilégier ainsi une orientation de l'aimantation de la couche de stockage par rapport à l'autre.
La couche de polarisation de spin d'électrons 205 peut également être une couche antiferromagnétique synthétique. Elle peut aussi être piégée par une couche antiferromagnétique.
On notera qu'au lieu d'utiliser des couches à aimantation planaire pour la couche de stockage 203 et la couche de référence 201 et une couche à aimantation hors du plan, perpendiculaire à l'aimantation de la couche de stockage 203, pour la couche de polarisation de spin d'électrons 205, il est possible de tourner toutes ces aimantations de 90° c'est-à-dire d'utiliser des couches à aimantation hors du plan pour la couche de stoc- kage 203 et la couche de référence 201 et une couche à aimantation planaire pour la couche de polarisation de spin d'électrons 205.
Le diagramme de stabilité (courant-champ) d'un dispositif selon l'invention est représenté sur la figure 8 avec une courbe R(I) illustrant l'évolution de la résistance en fonction du courant.
On observe clairement cinq zones :
- une première zone noire P correspondant à un état parallèle de l'aimantation de la couche de stockage 203 ;
- une seconde zone en gris foncé BS de bi-stabilité de l'aimantation de la couche de stockage 203 ;
- une troisième zone en gris clair correspondant à un état antiparallèle de l'aimantation de la couche de stockage 203 ;
- une quatrième et une cinquième zone OPP (pour « Out of Plane Pre- cession » en anglais) de précession de l'aimantation de la couche de stockage 203.
On observe donc une zone centrale BS de bi-stabilité Parallèle (P)/Antiparallèle (AP) ayant une forme « d'amande » qui se termine par des régions étroites en courant où il est facile de commuter de l'état P à AP et de l'état AP à P avec de relativement faibles variations de courant. C'est cette forme particulière du diagramme de phase obtenue en combinant une couche de référence 201 jouant un rôle dominant dans la dynamique d'aimantation et une couche de polarisation perpendiculaire 205 jouant un rôle secondaire qui permet d'obtenir la propriété de bi-stabilité associée à une densité de courant critique de commutation par transfert de spin bien plus faible que dans l'état de l'art.
Il est à noter que la région de bi-stabilité dans le diagramme de phase représenté sur la figure 8 est centrée autour d'une valeur de champ non-nul (ici égale à 173Oe). Ce champ correspond en fait au champ magnétosta- tique rayonné par la couche de référence 201 sur la couche de stockage 203. Ce champ peut être annulé en utilisant une couche de référence 201 dite antiferromagnétique synthétique, c'est-à-dire formée de deux couches ayant sensiblement un même moment magnétique couplée antiparallèle- ment l'une à l'autre à travers une couche de ruthénium d'épaisseur typique- ment de l'ordre de 0.6nm. Ainsi les champs rayonnes par ces deux couches au niveau de la couche de stockage se compensent, ce qui permet de recentrer autour du champ nul la région de bi-stabilité.
Le cycle d'hystérésis R(I) présenté en haut à droite sur la figure 8 présente un courant de commutation correspondant à une densité de courant de l'ordre de 2.106A/cm2 soit un ordre de grandeur en dessous de ce même dispositif sans couche de polarisation perpendiculaire. Ce cycle correspond aux valeurs de la résistance du dispositif 200 en fonction du courant qui le traverse lorsqu'on se déplace sur une ligne horizontale correspondant à un champ de 179Oe dans le diagramme de stabilité et permet d'observer les deux valeurs stables de résistance dans la zone de bi-stabilité BS correspondant aux états P et AP.
Selon la présente invention, le coefficient de transfert de spin entre la couche de référence 201 et la couche de stockage 203 doit être supérieur au coefficient de transfert de spin entre la couche de polarisation de spin
205 et la couche de stockage 203. Pour ce faire, plusieurs solutions sont possibles :
- On peut jouer sur la forme de l'élément magnétique et plus généralement sur son anisotropie uniaxiale. On aura intérêt à donner à la couche de stockage 203 une anisotropie uniaxiale avec un axe facile d'aimantation sensiblement parallèle à la direction d'aimantation de la couche de référence. Comme évoqué précédemment, cette anisotropie uniaxiale peut être une anisotropie de forme obtenue en donnant à l'élément une forme allongée (elliptique, rectangulaire, hexagonale étirée...). Il peut aussi s'agir d'une anisotropie magnétochstalline si la couche est épitaxiée avec un axe facile selon la couche de référence 201 ou polycristalline mais avec une texture de grains donnant une anisotropie uniaxiale sensiblement parallèle à l'aimantation de la couche de référence 201. On peut aussi induire une anisotropie uniaxiale par dépôt en incidence oblique comme décrit par exemple dans l'article « Influence of déposition angle on the properties of NiO spin-valves » (M.Cartier, S.Auffret, P.Bayle-Guillemaud, F.Ernult, F.Fettar and B.Dieny, Journal-of-Applied-Physics. vol.91 , no.3; 1 Feb. 2002; p.1436-43).
- On peut également jouer sur la polarisation du courant provenant de la couche de polarisation perpendiculaire 205. Il est possible d'atténuer la polarisation du courant en introduisant des couches de
Pt ou de Mn dans la couche de polarisation, lesquelles sont connues pour générer du spin flip ce qui peut contribuer à baisser l'influence du transfert de spin de la couche de polarisation perpendiculaire sur la couche de stockage. Il ne faut cependant pas trop baisser cette contribution pour que l'effet bénéfique de la couche de polarisation perpendiculaire subsiste.
- On peut aussi augmenter le rôle du transfert de spin exercé par la couche de référence 201 sur la couche de stockage 203. Pour cela, l'utilisation de couches de référence 201 et/ou de couche non magné- tique 202 à barrière tunnel donnant une forte polarisation en spin des électrons tunnels est préférable. Les barrières tunnel de MgO associées à des électrodes de Co, CoFe ou CoFeB sont connues pour donner de telles polarisations importantes. Il est aussi possible d'utiliser une électrode de référence à base de matériaux demi- métalliques comme les alliages d'HeusIer.
Par soucis de simplification, les amenées de courant et les moyens de commutation de courant permettant de faire circuler un courant électrique perpendiculairement au plan de l'empilement de couches magnétiques ont été volontairement omis dans la description des figures 9 à 13 qui suivent. La figure 9 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif magnétique 300 selon l'invention.
Le dispositif magnétique 300 comporte un empilement formé par:
- une couche de protection 308 ;
- une couche de piégeage antiferromagnétique 307 ; - une couche magnétique de référence 301 de direction d'aimantation fixe (ici située dans le plan de la couche de référence) ;
- un premier espaceur non magnétique 302 ; - une couche magnétique de stockage 303 de direction d'aimantation réorientable suivant deux états d'orientation sensiblement opposées (deux positions d'équilibre sensiblement suivant l'axe défini par la direction d'aimantation fixe de la couche de référence 301 ) ; - un second espaceur 304 ;
- une couche 305 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation hors du plan de la couche de polarisation et de direction perpendiculaire à celle de la couche de référence 301 ;
- une couche tampon 306. La couche de référence 301 est ici une couche antiferromagnétique synthétique comprenant deux couches ferromagnétiques 311 et 309 couplées antiparallèlement à travers une fine couche 310 de couplage antiparallèle, par exemple en ruthénium d'épaisseur 0.6nm à O.δnm. Dans le cas où le premier espaceur non magnétique 302 est une barrière tunnel de MgO, cette couche de référence 301 antiferromagnétique synthétique comprend une couche 31 1 de CoFeB d'épaisseur entre 1.5 et 4nm en contact avec la barrière 302 de MgO, une couche 310 de ruthénium d'épaisseur entre 0.6 et 0.9nm et une couche 309 de CoFe d'épaisseur typique de 2 à 4nm. Cette dernière couche magnétique 309 est ici piégée par la couche antiferroma- gnétique 307 par exemple en lr20Mn80 d'épaisseur 7nm ou en PtMn d'épaisseur 20nm.
La couche de piégeage antiferromagnétique 307 est recouverte par la couche de protection 308 servant à la protéger de l'oxydation lors de l'exposition à l'air pendant le procédé de fabrication et servant également de contact électrique avec l'électrode supérieure de l'empilement.
La couche de stockage 303 est une couche à aimantation dans le plan de la couche aimantation de direction variable et possédant deux positions d'équilibre sensiblement suivant l'axe défini par la direction d'aimantation fixe de la couche de référence 301 dont la direction d'aimantation est fixe 301 dans le plan de la couche de référence. La couche de stockage 303 doit présenter une stabilité thermique suffisante pour que l'aimantation puisse rester dans une direction fixe pendant une durée de 10 ans. Cela impose qu'elle ait une anisotropie uniaxiale K telle que KV>50kBT où V est le volume de cette couche, kB est la constante de Boltzmann et T la température. L'anisotropie uniaxiale peut avoir diverses origines : il peut s'agir d'une anisotropie de forme obtenue en donnant à l'élément magnétique une forme allongée (par exemple une forme d'ellipse de rapport de forme typiquement entre 1.5 et 2.5, ou de rectangle ou d'hexagone allongé). Il peut aussi s'agir d'une anisotropie d'origine magné- tochstalline obtenue en induisant une texture particulière dans le plan, par exemple à l'aide de matériaux de structure hexagonale (type CoCr) dont on oriente l'axe c dans le plan. Il peut aussi s'agir d'une anisotropie liée à des contraintes obtenues par exemple en réalisant un dépôt en incidence oblique comme décrit par exemple dans l'article « Influence of déposition angle on the properties of NiO spin-valves », M.Cartier, S.Auffret, P.Bayle- Guillemaud, F.Ernult, F.Fettar and B.Dieny, Journal-of-Applied-Physics. vol.91 , no.3; 1 Feb. 2002; p.1436-43. Dans le cas général, cette couche de stockage 303 peut être réalisée dans un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs en particulier de B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb. La couche de stockage 303 peut aussi être réalisée en un matériau demi-métallique en particulier de la famille des alliages d'HeusIer tels que Ni2MnAI, Ni2Mnln, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Co2MnAI, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe. Dans le cas d'empilement magnétorésistif à base de MgO bec, cette couche de stockage 303 doit aussi de façon préférentielle avoir près de l'interface une structure bec. On choisit alors un alliage à base de Co, de Fe et de Ni de structure bec ou un alliage CoFeB amorphe que l'on recuira ensuite. Les alliages d'HeusIer cités ci-dessus peuvent aussi convenir. La couche 305 de polarisation de spin d'électrons a une aimantation hors du plan de la couche de polarisation et de direction perpendiculaire à celle de la couche de référence 301
Une telle couche 305 peut être constituée de différents types de matériaux : - des multicouches de période (Pt/Co), (Pd/Co), (Pt/Co/Pt/Ni) telles que décrite par G.Srivinas et al (thin SoNd Films 301 (1997) 21 1 ) ; - des multicouches formées d'une alternance de couches ultrafines de Co et de Ni, par exemple de période (Co 0.2nm/Ni 0.4nm) (cf. F.den Broeder et al, Appl.Phys.Lett.61 , 1468 (1992)) ;
- Certaines multicouches formées par une alternance métal de transi- tion magnétique/oxyde comme CoFe/Alumine qui montrent aussi des anisotropies hors du plan importantes et résistantes en température jusqu'à 250 °C. Ceci est décrit en particulier dans la demande de brevet FR2910716 ;
- des alliages ordonnés FePt ou FePd qui ont des températures d'ordre voisine de 700K et qui gardent une anisotropie hors du plan jusqu'à
250 °C ;
- des alliages CoPt ou CoPd avec des concentrations de Co entre 85% atomique et 50% atomique comme décrit dans l'article de J.Ahake et al (Journ. Magn.Magn.Mater.287 (2005) 229) ; - des alliages CoCr de structure hexagonale avec axe c perpendiculaire au plan des couches comme ceux de composition proche de Co8oCr2o utilisés dans les média pour l'enregistrement magnétique perpendiculaire ;
- certains alliages terre-rare/métaux de transition comme TbFeCo qui présentent aussi des anisotropies hors du plan pouvant tenir en température jusqu'à des températures de 250 °C. Un exemple de réalisation d'empilement magnétorésistif à aimantation hors du plan à base de tels alliages est donné dans l'article : N.Nishimura et al (Journ.Appl.Phys.91 , 5246 (2002)). De façon optionnelle, différentes améliorations peuvent être apportées à la composition de cette couche 305 de polarisation de spin d'électrons d'aimantation fixe orientée hors du plan. Celles-ci sont décrites ci-dessous :
- Il peut être avantageux de rajouter entre cette couche 305 d'aimantation fixe et le second espaceur 304 séparant cette couche
305 d'aimantation fixe de la couche 303 de stockage, une fine couche (non représentée) de matériau magnétique dont l'aimantation sera aussi hors du plan par couplage d'échange avec la couche d'aimantation fixe. Le but de cette couche magnétique additionnelle est de contrôler voire renforcer la polarisation du courant qui va être injecté dans la couche de stockage en provenance de ce polariseur additionnel. En effet, comme expliqué précédemment, il est important de faire en sorte que la contribution du transfert de spin en provenance de la couche 305 de polarisation de spin d'électrons ayant une aimantation hors du plan (polariseur perpendiculaire) soit inférieure à la contribution du transfert de spin de la couche 31 1 de référence. A titre d'exemple cette couche additionnelle peut être une fine couche de Co de 1 à 2 nm d'épaisseur contenant une ou deux de très fines couches d'un autre métal. Cet autre métal pourra être en Cu d'épaisseur 0.3nm si on cherche à augmenter la polarisation du courant de spin provenant de la couche 305 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation hors du plan ou au contraire en Pt ou Mn si on cherche à la diminuer.
- Il peut être aussi avantageux de remplacer la couche 305 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation fixe hors du plan, par une couche dite antiferromagnétique synthétique constituée de deux couches d'aimantation fixe orientée hors du plan et couplées antipa- rallèlement par une couche apte à induire un couplage antiferromagnétique entre les couches ferromagnétiques adjacentes comme par exemple une fine couche de Ruthénium d'épaisseur 0.5 à 0.9nm. On peut ainsi par exemple réaliser une couche d'aimantation fixe de composition (Co 0.25nm/Ni 0.4nm)6/Ru 0.6nm/(Co 0.25nm/Ni0.4nm)4. L'avantage de remplacer la couche unique d'aimantation fixe par une telle structure antiferromagnétique synthétique est de rendre l'aimantation de la couche d'aimantation fixe encore plus piégée et donc résistante aux perturbations magnétiques.
- Dans le même ordre d'idée, afin de renforcer le piégeage de la couche 305 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation fixe hors du plan, on peut coupler cette couche d'aimantation fixe simple ou antiferromagnétique synthétique à une couche antiferromagnétique par exemple en PtMn d'épaisseur typique de 12 à 20nm ou IrMn d'épaisseur typique 6 à 10nm. L'interaction d'échange entre la couche antiferromagnétique et la couche ferromagnétique adjacente a pour effet de piéger l'aimantation de la couche ferromagnétique adjacente. C'est une technique en particulier utilisée dans les vannes de spin ou empilements magnétorésistifs, technique qui fonctionne aussi avec une anisotropie perpendiculaire au plan des couches comme décrit dans l'article : « Pinned synthetic ferrimagnets with perpendicular anisotropy and tuneable exchange bias » (J. Sort, B. Rodmacq, S. Auffret, and B. Dieny, Appl. Phys. Lett. 83, 1800 (2003)).
La couche tampon 306 a pour but de promouvoir la croissance de l'ensemble de la structure et d'établir le contact électrique avec l'électrode inférieure. Il peut s'agir de couches de CuN, de Ta, de NiFeCr, de Ru, de Pt, de Cu, de multicouches (Cu/Ta). Dans ces multicouches, l'alternance des couches de cuivre et de tantale a pour but de casser la croissance des grains de cuivre pour éviter que ceux-ci ne soient trop gros. En effet, la formation de gros grains de cuivre s'accompagne souvent d'une rugosité importante de la surface de cette couche 306. L'épaisseur de cette couche 306 peut varier de 1 à quelques centaines de nm. Comme indiqué précédemment, dans le dispositif selon l'invention, on cherche à faire en sorte que la résistance électrique de l'empilement constitué par la couche de référence 301 / le premier espaceur 302 / la couche de stockage 303 soit supérieure à la résistance électrique de l'empilement constitué par la couche de polarisation 305 / le second espaceur 304. Pour cela, avantageusement, l'empilement constitué par la couche de référence 301 / le premier espaceur 302 / la couche de stockage 303 est un empilement magnétorésistif. Pour ce faire, le premier espaceur 302 peut être une barrière tunnel à base de MgO, AIOx, TiOx, SrTiO3, HfOx, TaOx. Cet empilement magnétorésistif sera caractérisé par un produit RA de sa résistance R par sa surface A typiquement de l'ordre de 0.5 à 30Ohm. micron2.
Dans ce cas, le second espaceur 304 est par exemple une barrière tunnel de plus faible produit RA que celle constituant le premier espaceur 302. Elle peut être constituée du même matériau que le premier espaceur 302 (par exemple en MgO ou AIOx) mais de moindre épaisseur ou d'un matériau différent, de préférence de plus faible hauteur de barrière pour que sa résistance électrique soit moindre de celle du premier espaceur 302. De manière alternative, ce deuxième espaceur 304 peut être une couche à chemins de courant confinés. Une telle couche est constituée d'une couche isolante percée de chemins conducteurs de diamètre typiquement de 1 à quelques nanomètres. Une telle couche est par exemple formée par oxydation d'un alliage AI99Cu1. Au cours de l'oxydation, l'aluminium s'oxyde en AIOx tandis que le cuivre qui est moins oxydable que l'aluminium coalesce en petits clusters formant les chemins conducteurs. En jouant sur la densité et la taille des chemins conducteurs, on peut ajuster le produit RA à la valeur souhaitée.
Selon l'invention, le produit RA du deuxième espaceur 304 est préfé- rentiellement au moins 2 fois plus faible que le produit RA du premier espaceur 302 afin que la magnétorésistance tunnel de l'empilement magnétoré- sistif contenant le premier espaceur 302 ne soit pas trop diluée par la résistance en série du second espaceur 304.
Dans le cas particulier où le second espaceur 304 est une structure à chemin de courant confinés, les précipités métalliques formant les chemins de courant à travers la couche isolante peuvent être magnétiques par exemple en Co.
Si le premier espaceur 302 est une barrière tunnel, le second espaceur 304 peut alors être un espaceur non magnétique métallique par exemple en cuivre ou en or. Ce second espaceur 304 doit avoir la capacité de transmettre les électrons de la couche de polarisation à aimantation verticale vers la couche de stockage 303 tout en préservant la polarisation en spin des électrons. La longueur pertinente est la longueur de diffusion de spin typiquement de 20nm dans le cuivre. On veillera donc que l'épaisseur du second espaceur 304 soit bien inférieure à cette longueur. On utilisera typiquement une épaisseur de 3 à 5nm.
On notera que le premier espaceur 302 peut aussi être une couche à chemins de courant confiné comme décrit précédemment à propos du se- cond espaceur 304. Mais dans ce cas, pour s'assurer que le second espa- ceur 304 a une moindre résistance que le premier espaceur 302, il faudra que le second espaceur 304 soit une couche à chemins de courant confiné présentant davantage de chemins métalliques (plus nombreux et/ou plus gros) que dans le premier espaceur 302 ou que le second espaceur 304 soit une couche non magnétique métallique apte à transmettre la polarisation en spin des électrons comme par exemple en cuivre.
Les deux espaceurs 302 et 304 peuvent enfin être deux couches métalliques, la structure couche de référence 301 /espaceur 302/ couche de stockage 303 étant alors une structure à magnétorésistance géante. Mais cette situation n'est a priori pas la plus favorable pour une application de type mémoire car la résistance totale de l'empilement sera faible par rapport à la résistance du transistor ou autre dispositif de sélection qui lui sera connecté en série. Même si la description du présent mode de réalisation porte sur une couche de référence 301 synthétique, on notera que la couche de référence peut également être constituée d'un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs en particulier de B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb. La couche de référence 301 peut aussi être réalisée en un matériau demi-métallique en particulier de la famille des alliages d'HeusIer tels que Ni2MnAI, Ni2Mnln, Ni2MnSn, Ni2MnS, Co2MnAI, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe. Dans le cas de jonctions à base de MgO bec, cette couche de référence 301 doit aussi de façon préférentielle avoir près de l'interface une structure bec. On choisit alors un alliage à base de Co, de Fe et de Ni de structure bec ou un alliage CoFeB amorphe que l'on recuira ensuite.
On notera que pour augmenter la stabilité thermique de la couche de stockage 303, il peut être avantageux d'utiliser une couche de stockage synthétique. Une telle structure est illustrée en figure 10 qui représente un dispositif magnétique 400 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les différentes couches du dispositif magnétique 400 sont identiques aux couches du dispositif magnétique 300 décrit précédemment et présentent les même références et caractéristiques, la seule différence consistant à utiliser une couche 303 de stockage synthétique, c'est-à-dire corn- posée de deux couches ferromagnétiques 409 et 41 1 couplées antiparallè- lement à travers une couche de couplage antiparallèle 410 comme de ruthénium d'épaisseur de 0.6nm à O.δnm. Ce faisant, on augmente le volume de la couche de stockage 310 et on rend également plus uniforme son champ interne. De ce fait, la commutation d'aimantation par transfert de spin se produit de façon plus cohérente ce qui permet d'abaisser le courant critique de retournement. Si le premier espaceur 302 est une barrière tunnel de MgO, la composition de la couche de stockage synthétique 303 pourra être du type CoFe/Ru/CoFeB. La couche 409 de CoFeB d'épaisseur typique de 1.5 à 4nm sera avantageusement en contact avec la barrière tunnel 302 de MgO pour donner une forte magnétorésistance tunnel à la structure. La couche 410 de Ru aura une épaisseur de 0.6 à 0.9nm donnant un couplage antiparallèle entre les couches 409 et 410 ferromagnétiques adjacentes.
La figure 11 représente un troisième mode de réalisation d'un disposi- tif magnétique 500 selon l'invention. Les différentes couches du dispositif magnétique 500 sont identiques aux couches décrites précédemment en référence au dispositif 300 et présentent les mêmes numéros de références et les mêmes caractéristiques, la seule différence consistant à supprimer le second espaceur 304. Dans le cas où le second espaceur 304 est omis, la couche 305 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation hors du plan de la couche de polarisation et de direction perpendiculaire à celle de la couche de référence 301 est directement couplée à la couche de stockage 303. Comme les aimantations de ces deux couches 303 et 305 sont essentiellement orthogonales, une paroi magnétique 501 va se former dans l'épaisseur de cette bicouche pour minimiser le coût en énergie d'échange. Il est important que l'aimantation de la couche de stockage 303 au voisinage de l'espaceur 302 soit bien parallèle ou antiparallèle à celle de la couche de référence 301 pour bénéficier de toute l'amplitude de l'effet de magnétorésistance de l'empilement couche de référence 301 /espaceur 302/couche de stockage 303. Ceci signifie que l'épaisseur de la paroi 501 doit être sensiblement inférieure à l'épaisseur de la couche de stockage 303. Pour cela l'interaction d'échange entre la couche de polarisation 305 et la couche de stockage 303 doit être ajustée pour satisfaire cette condition. En effet, la lar- geur de paroi 501 qui va se former dans l'épaisseur va être de l'ordre de la largeur d'une paroi de Bloch c'est-à-dire en (A/K)1/2 où A est la constante d'échange (« exchange stiffness constant » en anglais) et K est l'anisotropie. L'anisotropie est grande dans les matériaux à aimantation hors du plan (ty- piquement de l'ordre de quelques 106 à 107erg/cm3) et la constante d'échange peut être de l'ordre de 10"7 erg/cm conduisant à des largeurs de paroi de l'ordre de 1 nm ce qui est l'ordre de grandeur recherché. Si la couche de stockage 303 fait typiquement de l'ordre de 2 à 4nm d'épaisseur, une largeur de paroi dans l'épaisseur de 1 nm est correcte. Lorsqu'on utilise une couche de stockage 303 d'aimantation planaire, coupler directement la couche de stockage 303 avec la couche de polarisation à aimantation perpendiculaire peut présenter un avantage significatif. En effet, pour une couche d'aimantation planaire dans laquelle on injecte des électrons polarisés dans le plan (cas des électrons provenant de la couche de référence 301 ), la densité critique de courant pour la commutation par
transfert de spin est donnée par l'expression : . Dans
Figure imgf000041_0001
cette expression, J est la densité de courant, P la polarisation du courant, μ0 la permittivité magnétique (4π10"7SI), e la charge de l'électron, Ms l'aimantation spontanée de la couche de stockage, d son épaisseur, K son anisotropie uniaxiale, α l'amortissement de Gilbert. Dans l'expression du courant critique de commutation, il apparait que le terme dominant est le
terme a— — - . Ce terme traduit la difficulté qu'a l'aimantation de la couche
de stockage 303 à sortir hors du plan lors de son mouvement de précession accompagnant la commutation de l'aimantation. Si maintenant l'aimantation de la couche de stockage 303 est directement couplée à la couche de polarisation perpendiculaire comme dans le cas du dispositif magnétique 500, il est clair que ceci va faciliter son aptitude à sortir hors du plan. En effet la couche de stockage 303 à aimantation planaire va avoir tendance à être tirée hors du plan par l'interaction d'échange avec la couche de polarisation 305. On peut typiquement réduire l'énergie de champ démagnétisant — — - d'un facteur 2 voire plus grâce à cette interaction, ce qui permet de
réduire d'autant la densité de courant critique de commutation.
Comme nous l'avons déjà évoqué plus haut, au lieu d'utiliser des couches à aimantation planaire pour la couche de stockage et la couche de référence, et une couche à aimantation hors du plan pour la couche de polarisation additionnelle, il est possible de tourner toutes ces aimantations de 90° c'est-à-dire d'utiliser des couches à aimantation hors du plan pour la couche de stockage et la couche de référence et une couche à aimantation planaire pour la couche de polarisation additionnelle. Cette rotation de 90° de l'aimantation est décrite dans ce qui suit en référence aux deux modes de réalisation des figures 12 et 13. Dans chacune de ces figures, la couche de référence a une aimantation de direction fixe située perpendiculairement au plan de la couche de référence ; la couche de stockage a une aimantation de direction variable possédant deux positions d'équilibre sensiblement suivant l'axe défini par la direction d'aimantation fixe de la couche de référence; la couche de polarisation de spin d'électrons a une aimantation perpendiculaire à celle de la couche de référence et située dans le plan de la couche de polarisation.
La figure 12 représente un quatrième mode de réalisation d'un dispo- sitif magnétique 600 selon l'invention.
Le dispositif magnétique 600 comporte un empilement formé par:
- une couche de protection 608 ;
- une première couche de piégeage antiferromagnétique 607 ;
- une couche magnétique de référence 601 de direction d'aimantation fixe (ici perpendiculaire au plan de la couche de référence) ;
- un premier espaceur non magnétique 602 ;
- une couche magnétique de stockage 603 de direction d'aimantation réorientable suivant deux états d'orientation sensiblement opposées (deux positions d'équilibre sensiblement suivant l'axe défini par la di- rection d'aimantation fixe de la couche de référence 601 ) ;
- un second espaceur 604 ; - une couche 605 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation dans le plan de la couche de polarisation et de direction perpendiculaire à celle de la couche de référence 601 ;
- une seconde couche de piégeage antiferromagnétique 612 - une couche tampon 606.
La couche tampon 606 a pour but de promouvoir la croissance de l'ensemble de la structure et d'établir le contact électrique avec l'électrode inférieure. Il peut s'agir de couches de CuN, de Ta, de NiFeCr, de Ru, de Pt, de Cu, de multicouches (Cu/Ta). Dans ces multicouches, l'alternance des couches de cuivre et de tantale a pour but de casser la croissance des grains de cuivre pour éviter que ceux-ci ne soient trop gros. En effet, la formation de gros grains de cuivre s'accompagne souvent d'une rugosité importante de la surface de cette couche tampon 606. L'épaisseur de cette couche tampon 606 peut varier de 1 à quelques centaines de nm. La couche de référence 601 est ici une couche antiferromagnétique synthétique comprenant deux couches ferromagnétiques 611 et 609 couplées antiparallèlement à travers une fine couche 610 de couplage antiparallèle, par exemple en ruthénium d'épaisseur 0.6nm à O.δnm. La couche de référence 601 est par exemple une couche antiferromagnétique synthétique de composition (Co 0.25nm/Ni 0.4nm)6/Ru 0.6nm/(Co 0.25nm/Ni0.4nm)8 L'avantage d'utiliser une couche de référence synthétique est de réduire le champ magnétostatique exercé par cette couche sur l'aimantation de la couche de stockage. Il est important que ce champ rayonné soit faible pour ne pas di-symétriser de façon excessive les deux états d'aimantation de la couche de stockage 603 (état « vers le haut » et état « vers le bas »). La couche de référence synthétique 601 est elle-même piégée par interaction avec une première couche antiferromagnétique de piégeage 607 par exemple d'IrMn d'épaisseur 7nm. La première couche antiferromagnétique de piégeage 607 peut être supprimée, en particulier si le champ coercitif de la couche synthétique de référence 601 est suffisamment élevé, typiquement supérieur ou égal à 2kθe.
La couche de piégeage antiferromagnétique 607 est recouverte par la couche de protection 608 servant à la protéger de l'oxydation lors de l'exposition à l'air pendant le procédé de fabrication et servant également de contact électrique avec l'électrode supérieure de l'empilement.
La couche de stockage 603 possède dans ce mode de réalisation une aimantation hors du plan. Cette couche de stockage peut être réalisée via différents types de matériaux tels que :
- des multicouches de période (Pt/Co), (Pd/Co) ou (Pt/Co/Pt/Ni) (cf. article de G.Srivinas et al, thin SoNd Films 301 (1997) 21 1 ) ;
- des multicouches formées d'une alternance de couches ultrafines de Co et de Ni, par exemple de période (Co 0.2nm/Ni 0.4nm) (cf. article de F.den Broeder et al, Appl.Phys.Lett.61 , 1468 (1992)) ;
- certaines multicouches métal de transition magnétique/oxyde comme CoFe/Alumine montrent aussi des anisotropies hors du plan importantes et résistantes en température jusqu'à 250 °C. Ceci est décrit en particulier dans la demande de brevet FR2910716 ; - des alliages ordonnés FePt ou FePd ;
- des alliages CoPt ou CoPd avec des concentrations de Co entre 85% atomique et 50% atomique comme décrit dans l'article de J.Ahake et al (Journ.Magn.Magn.Mater.287 (2005) 229) ;
- des alliages CoCr de structure hexagonale avec axe c perpendicu- laire au plan des couches comme ceux de composition proche de
Co8oCr2o utilisés dans les média pour l'enregistrement magnétique perpendiculaire ;
- certains alliages terre-rare/métaux de transition comme TbFeCo présentent aussi des anisotropies hors du plan. Un exemple de réalisa- tion d'empilement magnétorésistif à aimantation hors du plan à base de tels alliages est donné dans l'article de N.Nishimura et al (Journ.Appl.Phys.91 , 5246 (2002)).
Même si la description du présent mode de réalisation porte sur une couche de référence 601 synthétique, on notera que la couche de référence peut également être constituée des mêmes matériaux que ceux cités ci- dessus pour la couche de stockage 603. De même que pour la couche de stockage 603, afin de maximiser l'amplitude de magnétorésistance de l'empilement couche de stockage 603 / premier espaceur 602 /couche de référence 601 , il pourra être avantageux d'introduire à l'interface entre le premier espaceur 602 et la couche de référence 601 une couche additionnelle de matériau magnétique dont l'aimantation sera tirée hors du plan par interaction d'échange avec le reste de la couche de stockage 603. Dans le cas où le premier espaceur 602 est une barrière tunnel à base de MgO, cette couche magnétique additionnelle sera avantageusement en CoFeB.
Avantageusement, l'interface de la couche de stockage 603 en contact avec le second espaceur 604 est magnétique de sorte que le transfert de spin dû à la couche 605 de polarisation à aimantation planaire puisse s'exercer sur l'aimantation de la couche de stockage 603. Dans le cas de multicouches (Co/Pt) ou (Co/Pd), l'empilement au dessus du second espaceur 604 doit commencer par une couche magnétique par exemple en Co. De même, l'interface avec le premier espaceur 602 doit être magnétique ce qui veut dire que l'empilement de la couche de stockage 603 doit se termi- ner par une couche magnétique par exemple en Co, CoFe ou CoFeB (avantageusement en CoFeB si le premier espaceur 602 est une barrière tunnel de MgO).
Comme indiqué précédemment en référence aux figures 5, 9, 10 et 11 , dans le dispositif selon l'invention, on cherche à faire en sorte que la ré- sistance électrique de l'empilement constitué par la couche de référence 601 / le premier espaceur 602 / la couche de stockage 603 soit supérieure à la résistance électrique de l'empilement constitué par la couche de polarisation 605 / le second espaceur 604.
Pour cela, avantageusement, l'empilement constitué par la couche de référence 601 / le premier espaceur 602 / la couche de stockage 603 est un empilement magnétorésistif. Pour ce faire, le premier espaceur 602 peut être une barrière tunnel à base de MgO, AIOx, TiOx, SrTiO3, HfOx, TaOx. Cet empilement magnétorésistif sera caractérisé par un produit RA de sa résistance R par sa surface A. Dans ce cas, le second espaceur 604 est par exemple une barrière tunnel de plus faible produit RA que celle constituant le premier espaceur 602. Elle peut être constituée du même matériau que le premier espaceur 602 (par exemple en MgO ou AIOx) mais de moindre épaisseur ou d'un ma- tériau différent, de préférence de plus faible hauteur de barrière pour que sa résistance électrique soit moindre de celle du premier espaceur 602.
De manière alternative, ce deuxième espaceur 604 peut être une couche à chemins de courant confinés. Une telle couche est constituée d'une couche isolante percée de chemins conducteurs de diamètre typiquement de 1 à quelques nanomètres. En jouant sur la densité et la taille des chemins conducteurs, on peut ajuster le produit RA à la valeur souhaitée.
Selon l'invention, le produit RA du deuxième espaceur 604 est préfé- rentiellement au moins 2 fois plus faible que le produit RA du premier espaceur 602 afin que la magnétorésistance tunnel de l'empilement magnétoré- sistif contenant le premier espaceur 602 ne soit pas trop diluée par la résistance en série du second espaceur 604.
Dans le cas particulier où le second espaceur 604 est une structure à chemins de courant confinés, les précipités métalliques formant les chemins de courant à travers la couche isolante peuvent être magnétiques par exemple en Co.
Si le premier espaceur 602 est une barrière tunnel, le second espaceur 604 peut alors être un espaceur non magnétique métallique par exemple en cuivre ou en or. Ce second espaceur 604 doit avoir la capacité de transmettre les électrons de la couche de polarisation à aimantation planaire vers la couche de stockage 603 tout en préservant la polarisation en spin des électrons. La longueur pertinente est la longueur de diffusion de spin typiquement de 20nm dans le cuivre. On veillera donc que l'épaisseur du second espaceur 604 soit bien inférieure à cette longueur.
On notera que le premier espaceur 602 peut aussi être une couche à chemins de courant confiné comme décrit précédemment à propos du second espaceur 604. Mais dans ce cas, pour s'assurer que le second espaceur 604 a une moindre résistance que le premier espaceur 602, il faudra que le second espaceur 604 soit une couche à chemins de courant confiné présentant davantage de chemins métalliques (plus nombreux et/ou plus gros) que dans le premier espaceur 602 ou que le second espaceur 604 soit une couche non magnétique métallique apte à transmettre la polarisation en spin des électrons comme par exemple en cuivre.
La couche 605 de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation dans le plan de la couche de polarisation peut être un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs en particulier de B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb. L'épaisseur typique de cette couche est de l'ordre de 2 à 5nm. Cette couche 605 peut aussi être constituée d'une multicouche par exemple de Co contenant de fines insertions de Cu d'épaisseur typique entre 0.2 et 0.4nm ou de Ni. La couche 605 de polarisation peut aussi être réalisée en un matériau demi-métallique en particulier de la famille des alliages d'HeusIer tels que Ni2MnAI, Ni2Mnln, Ni2MnSn, Ni2MnSb, Co2MnAI, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe.
La figure 13 représente un cinquième mode de réalisation d'un dispositif magnétique 700 selon l'invention. Les différentes couches du dispositif magnétique 700 sont identiques aux couches décrites précédemment en référence au dispositif 700 et présentent les mêmes numéros de références et les mêmes caractéristiques, la seule différence consistant à utiliser une couche de polarisation 605 synthétique. Cette couche 605 de polarisation à aimantation planaire est donc une couche antiferromagnétique synthétique c'est-à-dire formé de deux couches magnétiques 701 et 702 orientées anti- parallèlement l'une à l'autre à travers une fine couche 703 de ruthénium d'épaisseur 0.6 à 0.9nm. Les deux couches magnétiques 701 et 702 peuvent être composées des mêmes matériaux ou de matériaux différents. Cette couche 605 antiferromagnétique synthétique est elle-même être pié- gée par interaction avec la sous couche 612 antiferromagnétique de pié- geage par exemple en PtMn 20nm ou IrMn 7nm déposée sur la couche tampon 606.
On notera enfin qu'il peut être aussi avantageux de remplacer la couche de stockage 605 à aimantation commutable hors du plan, telle que représentée en figures 12 et 13, par une couche antiferromagnétique synthétique constituée de deux couches d'aimantation fixe orientée hors du plan et couplées antiparallèlement par une couche apte à induire un couplage antiferromagnétique entre couches ferromagnétiques adjacentes comme par exemple une fine couche de ruthénium d'épaisseur 0.5 à 0.9nm. On peut ainsi par exemple réaliser une couche d'aimantation commutable de composition (Co 0.25nm/Ni 0.4nm)6/Ru 0.6nm/(Co 0.25nm/Ni0.4nm)4 L'avantage de remplacer la couche unique d'aimantation commutable par une telle structure antiferromagnétique synthétique est d'en augmenter la stabilité thermique en augmentant son volume.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif magnétique (200, 300, 400, 500, 600, 700) comportant :
- une première couche magnétique (201 , 301 , 601 ), dite couche de ré- férence, ayant une aimantation de direction fixe située soit dans le plan de la couche de référence (201 , 301 ) soit perpendiculairement au plan de la couche de référence (601 ) ;
- une seconde couche magnétique (203, 303, 603), dite couche de stockage, ayant une aimantation de direction variable ; - une couche non magnétique (202, 302, 602), dite espaceur, séparant ladite couche de référence (201 , 301 , 601 ) et ladite couche de stockage (203, 303, 603) ;
- une troisième couche magnétique (205, 305, 604), dite couche de polarisation de spin d'électrons, ayant une aimantation perpendiculaire à celle de ladite couche de référence (201 , 301 , 601 ) et située hors du plan de la couche de polarisation (205, 305) si l'aimantation de la couche de référence (201 , 301 ) est orientée dans le plan de la couche de référence (201 , 301 ) ou dans le plan de la couche de polarisation (605) si l'aimantation de la couche de référence (601 ) est orientée perpendiculairement au plan de la couche de référence
(601 );
- des moyens (206, 207) pour faire circuler dans les couches, et perpendiculairement à celles-ci, un courant d'électrons ; ledit dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700) étant caractérisé en ce que ladite aimantation de direction variable possède deux positions d'équilibre sensiblement suivant l'axe défini par ladite direction d'aimantation fixe de ladite couche de référence (201 , 301 , 601 ), le coefficient de transfert de spin entre ladite couche de référence (201 , 301 , 601 ) et ladite couche de stockage (203, 303, 603) étant supérieur au coefficient de transfert de spin entre ladite couche de polarisation de spin (205, 305, 605) et ladite couche de stockage (203, 303, 603) de sorte qu'en présence d'un courant d'électrons :
- le transfert de spin entre ladite couche de polarisation de spin (205, 305, 605) et ladite couche de stockage (203, 303, 603) écarte la di- rection d'aimantation de ladite couche de stockage (203, 303, 603) d'une première position d'équilibre parallèle ou antiparallèle à la direction d'aimantation de ladite couche de référence (201 , 301 , 601 ) puis, - le transfert de spin entre ladite couche de référence (201 , 301 , 601 ) et ladite couche de stockage (203, 303, 603) entraîne en fonction de la direction du courant d'électrons : o soit la commutation de la direction d'aimantation de ladite couche de stockage (203, 303, 603) vers une deuxième posi- tion d'équilibre correspondant à une direction d'aimantation de ladite couche de stockage (203, 303, 603) opposée à la direction d'aimantation de ladite couche de stockage (203, 303, 603) dans ladite première position d'équilibre si la direction du courant d'électrons est dans un premier sens ; o soit le retour de la direction d'aimantation de ladite couche de stockage (203, 303, 603) vers sa direction d'aimantation dans ladite première position d'équilibre si la direction du courant d'électrons est dans un sens opposé au premier sens.
2. Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite couche de stockage (203, 303, 603) présente une anisotropie uniaxiale avec un axe facile d'aimantation sensiblement parallèle à la direction d'aimantation de ladite couche de référence (201 , 301 , 601 ).
3. Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700) selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite couche de stockage (203, 303, 603) présente une forme allongée telle qu'une forme elliptique.
4. Dispositif (200, 300, 400, 600, 700) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte une couche, dite second espaceur (204, 304, 604), séparant ladite couche de stockage (203, 303, 603) et ladite couche de polarisation de spin d'électrons (205, 305, 605).
5. Dispositif (200, 300, 400, 600, 700) selon la revendication 4 caractérisé en ce que la résistance électrique de l'empilement formé par ladite couche de référence (201 , 301 , 601 ), ledit premier espaceur (202, 302, 602) et ladite couche de stockage (203, 303, 603) est supérieure à la résistance électrique de l'empilement formé par ledit second espaceur (204, 304, 604) et ladite couche de polarisation de spin d'électrons (205, 305, 605).
6. Dispositif (200, 300, 400, 600, 700) selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que le produit de la résistance par la surface dudit premier espaceur (202, 302, 602) est supérieur au produit de la résistance par la surface dudit second espaceur (204, 304, 604).
7. Dispositif (200, 300, 400, 600, 700) selon l'une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que ledit premier espaceur (202, 302, 602) est une barrière tunnel et ledit second espaceur (204, 304, 604) est choisi parmi les éléments suivants :
- une barrière tunnel ;
- une barrière à chemins de courant confinés ;
- une couche métallique non magnétique.
8. Dispositif (200, 300, 400, 600, 700) selon l'une des revendications
4 à 6 caractérisé en ce que ledit premier (202, 302, 602) espaceur est une barrière à chemins de courant confinés et ledit second espaceur (204, 304, 604) est choisi parmi les éléments suivants :
- une barrière à chemins de courant confinés ; - une couche métallique non magnétique.
9. Dispositif (200, 300, 400, 600, 700) selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit second espaceur (204, 304, 604) est une barrière à chemins de courant confinés présentant davantage de chemins métalliques et/ou des chemins magnétiques de diamètres plus grands que dans le pre- mier espaceur (202, 302, 602)
10. Dispositif (200, 300, 400, 600, 700) selon l'une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que lesdits premier (202, 302, 602) et second (204, 304, 604) espaceurs sont des couches métalliques non magnétiques.
1 1. Dispositif (500) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite couche de polarisation de spin d'électrons (305) est directement couplée à ladite couche de stockage (303).
12. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon l'une des revendications 1 à 1 1 caractérisé en ce que ladite couche de référence (201 , 301 ) a une aiman- tation de direction fixe située dans le plan de la couche de référence (201 , 301 ) et ladite couche de polarisation de spin d'électrons (205, 305) a une aimantation perpendiculaire à celle de ladite couche de référence (201 , 301 ) et située hors du plan de la couche de polarisation (205, 305).
13. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon la revendication 12 caractérisé en ce que ladite couche de polarisation de spin d'électrons (205, 305) est réalisée suivant l'un des agencements suivants :
- une multicouche de période (Pt/Co), (Pd/Co) ou (Pt/Co/Pt/Ni) ;
- une multicouche formée d'une alternance de couches ultrafines de Co et de Ni ;
- une multicouche formée par une alternance métal de transition magnétique/oxyde ;
- un alliage ordonné FePt ou FePd ;
- un alliage CoPt ou CoPd avec des concentrations de Co entre 85% atomique et 50% atomique ;
- un alliage CoCr de structure hexagonale avec axe c perpendiculaire au plan des couches ;
- un alliage terre-rare/métal de transition ;
14. Dispositif (200, 300, 500) selon l'une des revendications 12 à 13 caractérisé en ce que ladite couche de stockage (203, 303) est réalisée dans l'un des matériaux suivants :
- un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs en particulier de B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb ;
- un alliage d'HeusIer.
15. Dispositif (200) selon l'une des revendications 12 à 14 caractérisé en ce que ladite couche de référence (201 ) est réalisée suivant l'un des matériaux suivants :
- un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs, en particulier du B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb ; - un matériau demi-métallique en particulier de la famille des alliages d'HeusIer.
16. Dispositif (600, 700) selon l'une des revendications 1 à 1 1 caractérisé en ce que ladite couche de référence (601 ) a une aimantation de direction fixe perpendiculairement au plan de la couche de référence (601 ) et ladite couche de polarisation de spin d'électrons (605) a une aimantation perpendiculaire à celle de ladite couche de référence (601 ) et située dans le plan de la couche de polarisation (605).
17. Dispositif (600) selon la revendication 16 caractérisé en ce que ladite couche de polarisation de spin d'électrons (605) est réalisée dans l'un des matériaux suivants :
- un alliage à base de Co, Fe, Ni contenant des additifs, en particulier du B, Cr, Pt, Pd, Zr, Nb ; - une multicouche de Co contenant de fines insertions de Cu ou de Ni ;
- un matériau demi-métallique en particulier de la famille des alliages d'HeusIer.
18. Dispositif (600, 700) selon l'une des revendications 16 ou 17 caractérisé en ce que ladite couche de stockage (603) et/ou ladite couche de référence (601 ) sont réalisées suivant l'un des agencements ou matériaux suivants :
- une multicouche de période (Pt/Co), (Pd/Co) ou (Pt/Co/Pt/Ni) ;
- une multicouche formée d'une alternance de couches de Co et de Ni ;
- une multicouche alternant un métal de transition magnétique et un oxyde ;
- un alliage ordonné de FePt ou de FePd ;
- un alliage de CoPt ou de CoPd avec des concentrations de Co entre 85% atomique et 50% atomique;
- un alliage de CoCr de structure hexagonale avec axe c perpendicu- laire au plan des couches ;
- un alliage terre-rare/métal de transition.
19. Dispositif (300, 400, 500, 600, 700) selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites couches de référence (301 , 601 ), de stockage ou de polarisation de spin d'électrons est une couche antiferromagnétique synthétique formée de deux couches
(309, 31 1 , 609, 61 1 ) d'aimantation fixe orientée hors du plan et couplées antiparallèlement par une couche (310, 610) apte à induire un couplage antiferromagnétique entre les couches ferromagnétiques.
20. Dispositif (300, 400, 500, 600, 700) selon l'une des revendications 1 à 1 1 ou selon la revendication 19 caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites couches de référence (301 , 601 ) ou de polarisation de spin d'électrons présente une aimantation piégée par interaction avec une couche antiferromagnétique (307, 607) de piégeage.
21. Procédé d'écriture/lecture d'information dans un dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'écriture d'information consiste à faire circuler à travers le dispositif perpendiculairement au plan des couches un courant d'électrons, la commutation de la direction d'aimantation de ladite couche de stockage vers la deuxième position d'équilibre se faisant par l'injection d'un courant d'électrons dans un premier sens et la commutation de la direction d'aimantation de ladite couche de stockage vers la première position d'équilibre se faisant par l'injection d'un courant d'électrons dans un deuxième sens opposé au dit premier sens du courant.
22. Procédé d'écriture/lecture selon la revendication précédente caractérisé en ce que la lecture d'information consiste à faire circuler à travers le dispositif perpendiculairement au plan des couches un courant d'électrons et à mesurer la résistance dudit dispositif, l'intensité du cou- rant de lecture étant inférieure à l'intensité du courant d'écriture.
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