Magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetization

220 Pages·2017·14.81 MB·French

by  Lavinia Nistor

Jonctions tunnel magn´etiques `a aimantation
perpendiculaire : anisotropie, magn´etor´esistance,
couplages magn´etiques et renversement par couple de
transfert de spin
Lavinia Nistor
To cite this version:
Lavinia Nistor. Jonctions tunnel magn´etiques a` aimantation perpendiculaire : anisotropie,
magn´etor´esistance, couplages magn´etiques et renversement par couple de transfert de spin.
Autre [cond-mat.other]. Universit´e de Grenoble, 2011. Fran¸cais. <NNT : 2011GRENY046>.
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Physique des Matériaux
Arrêté ministériel du 7 août 2006

Présentée par
Lavinia Elena NISTOR

Thèse dirigée par M. Bernard RODMACQ
et co-dirigée par M. Bernard DIENY

préparée au sein du Laboratoire Spintec (INAC, CEA Grenoble)
dans l'École Doctorale de Physique

Magnetic tunnel junctions with perpendicular
magnetization: anisotropy, magnetoresistance,
magnetic coupling and spin transfer torque
switching

Thèse soutenue publiquement le 7 Octobre 2011
devant le jury composé de:
M. James M. D. COEY
Prof., Trinity College, Dublin (Président)
M. Stéphane MANGIN
Prof., Université Henri-Poincaré, Nancy (Rapporteur)
M. Dafiné RAVELOSONA
D.R. CNRS, Institut d’Électronique Fondamentale, Orsay (Rapporteur)
M. Bernard RODMACQ
Ingénieur, Spintec, CEA Grenoble (Directeur de Thèse)
M. Bernard DIENY
Ingénieur, Spintec, CEA Grenoble (Co-Directeur de Thèse)
M. Olivier FRUCHART
D.R. CNRS, Institut Néel, Grenoble (Examinateur)
M. André THIAVILLE
D.R. CNRS, Laboratoire de Physique des Solides, Orsay (Examinateur)
M. Alain SCHUHL
Prof., Université Joseph-Fourier, Grenoble (Invité)

Remerciements

Je tiens à remercier en premier celui qui m’a ouvert la porte vers la recherche dans le
domaine du magnétisme : Viorel Pop, Professeur à l’Université Babes-Bolyai de Cluj-Napoca
(Roumanie), qui a suivi avec beaucoup d’attention, de bons conseils et d'encouragements tout
mon parcours scientifique à l’Université de Cluj et à l’Université Joseph-Fourier de Grenoble. Je
vous remercie de m’avoir accueilli dans votre équipe depuis mes premières années de Faculté en
me donnant la possibilité de faire mes premiers pas dans le métier de chercheur à vos cotés et
surtout de m’avoir toujours soutenu dans mes choix. Merci pour votre confiance.

Je voudrais remercier Bernard Rodmacq, mon directeur de thèse à Spintec, pour toute
sa patience, sa disponibilité, son enthousiasme et ses conseils. Je vous remercie d'avoir été à mes
côtés dans mon apprentissage du métier de chercheur, de m’avoir toujours encouragée pour
dire mes idées, de m’avoir appris à bien argumenter chaque manip, chaque point de mesure et
de m’avoir initiée à la physique très appliquée à travers les brevets. Merci de m’avoir
encouragée aussi à explorer pendant la thèse des problématiques plus fondamentales à coté
d’un but plus appliqué. Merci pour votre disponibilité, les discussions avec vous m’ont apporté
beaucoup au niveau scientifique et m’ont aidé à développer mon esprit critique.

Je voudrais aussi remercier Alain Schuhl, Directeur de SPINTEC jusqu'en 2010, et
Bernard Dieny, son adjoint et mon correspondant CEA, de m'avoir accueilli dans leur
Laboratoire en me donnant la chance de découvrir un autre "monde" entre la physique
fondamentale et les applications. Alain Schuhl, je vous remercie pour votre disponibilité et
surtout pour vos conseils scientifiques mais aussi pédagogiques. Bernard Dieny, je voudrais
vous remercier spécialement pour m’avoir suivi pendant ces années de thèse, pour vos conseils
scientifiques concernant les articles et les présentations orales que j’ai faits pendant ma thèse. Je
tiens aussi à remercier Jean-Pierre Nozières, actuel Directeur de Spintec, pour sa disponibilité,
sa sincérité et les encouragements pour la suite de la thèse.

Je remercie James M.D. Coey d'avoir accepté de présider mon jury de thèse. Je remercie
également Stéphane Mangin et Dafiné Ravelosona pour avoir accepté le travail de rapporteur
pour ma thèse et pour leurs observations et suggestions. Merci également à Olivier Fruchart et
André Thiaville, et à tous les membres du jury, pour le temps qu’ils ont consacré à la lecture
mon manuscrit de thèse, pour leurs questions intéressantes lors de ma soutenance et leurs
observations et commentaires qui ont été très bénéfiques pour l’amélioration de ce manuscrit.

Merci à Stéphane Auffret pour toutes ses heures passées devant la machine de dépôt
dans la salle blanche PTA, pour nous fabriquer les échantillons dont on avait besoin pour cette
étude. Je te remercie Stéphane, pour la confiance que tu m’as montrée en m’apprenant à utiliser
la machine de dépôt Actemium en tenant compte des problèmes techniques qu’elle avait. Merci
Stéphane aussi pour les discutions scientifiques ou pas qui m’ont fait un grand plaisir.

Je tiens à remercier également Liliana Prejbeanu pour m’avoir donné la chance de faire
de l’enseignement, pour toutes ses encouragements et conseils et discussions scientifiques et
pédagogiques.

Je remercie aussi Mairbek Chshiev, pour toute sa disponibilité, sa patience pour
discuter avec moi et m’aider à mieux comprendre mes résultats à travers la théorie. Merci Mair
aussi de m’avoir laissé un peu explorer le monde des simulations de transport de spin et
structure électronique des matériaux.
Pendant cette thèse j'ai utilisé différentes techniques. Je voudrais remercier pour leur
disponibilité et leur aide pour résoudre des petits problèmes de manip à Stéphanie Pouget
pour la réflectivité de RX, Jean-François Jacquot pour le Squid et Marité pour m’avoir appris le
process des jonctions tunnel à la PTA. Mes remerciements aussi au personnel de la salle
blanche PTA.

Je voudrais aussi remercier Crocus Technology et spécialement Clarisse Ducruet,
Céline Portemont et Lucian Prejbeanu pour leur collaboration sur certaines études et pour
m’avoir fabriqué des échantillons et m’avoir laissé utiliser leur outil CAPRES pour faire des
mesures de transport sur couches continues et pouvoir avancer plus vite (sans passer par
l’étape lithographie) dans la fabrication des jonctions tunnel magnétiques.

Je remercie également tout le personnel du Laboratoire pour l'accueil et pour la bonne
humeur et surtout les secrétaires qui m'ont beaucoup aidé avec tous les papiers qu’on a dû faire
pendant ces 3 années de thèse.

Je vous souhaite une bonne lecture !
4
5
Introduction: MATERIALS. THE SPINTRONICS AGE.
MOTIVATION 1
References ........................................................................................................................................... 7

Chapter I: PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY
AT MAGNETIC METAL/OXIDE INTERFACE 11
I-1. Origin of PMA in magnetic metal / oxide bilayers........................................................ 14
I-2. Experimental determination of perpendicular anisotropy ...................................... 18
I-3. Thin films preparation ......................................................................................................... 23
I-4. Pt/Co(CoFeB)/Oxide trilayers............................................................................................. 25
I-5. Growth of magnetic layers on oxides ............................................................................... 32
I-6. Conclusions............................................................................................................................... 40
I-7. References ................................................................................................................................ 41

Chapter II: ANISOTROPY AND TRANSPORT
PROPERTIES OF PERPENDICULAR MAGNETIC TUNNEL
JUNCTIONS 45
II-1. Magnetic tunnel junctions ................................................................................................. 49
II-2. Anisotropy properties of top and bottom electrodes in full stackings ................ 60
II-3. Influence of the oxidation conditions of the barrier ................................................. 70
II-4. Transport properties of perpendicular junctions ..................................................... 75
II-5. Correlation between anisotropy and magneto-resistance ...................................... 80
II-6. Low effective demagnetizing field in planar magnetic tunnel junctions ............ 87
II-7. Conclusions ............................................................................................................................. 90
II-8. References ............................................................................................................................... 92
Chapter III: INDIRECT EXCHANGE COUPLING IN
PERPENDICULAR MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS 99
III-1. Indirect exchange coupling: theoretical models and experimental
determination ............................................................................................................................... 103
III-2. Indirect exchange coupling in perpendicular junctions ...................................... 109
III-3. Variation of the antiferromagnetic coupling ........................................................... 115
III-4. Origin of the sign of interlayer coupling and of its variation .............................. 124
III-5. Coupling oscillations with top Co layer thickness .................................................. 126
III-6. Conclusions ......................................................................................................................... 131
III-7. References ........................................................................................................................... 132

Chapter IV: SPIN TRANSFER TORQUE SWITCHING IN
PERPENDICULAR MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS 137
IV-1. Spin Transfer Torque switching: theory and experiments .................................. 140
IV-2. STT switching of CoFeB/MgO/CoFeB/(Tb/Co) based pMTJ ................................ 148
IV-3. Conclusions .......................................................................................................................... 160
IV-4. References ............................................................................................................................ 162

Conclusion 167
References ...................................................................................................................................... 170

Appendices 173
A-1. Today's recording media ................................................................................................ 175
A-2. Ellingham's diagrams...................................................................................................... 177
A-3. Complementary magnetic measurements on in-plane junctions ..................... 178
A-4. Sub-micrometric junction processing at PTA ......................................................... 180
A-5. Scientific communications ............................................................................................ 185
A-6. French summary .............................................................................................................. 187
A-6.1 French introduction ............................................................................................. 187
A-6.2 French summary ................................................................................................... 193
A-6.3 French conclusions .............................................................................................. 199