Emeline HASSEN - Inac

Spintronique et Technologie des Composants
Soutenance Thèse SPINTEC
Samedi 22/09/2012, 00h00
Amphi P005, PHELMA Polygone
Emeline HASSEN
Elaboration de jonctions tunnel magnétiques à barrière SrTiO3 pour
application bas RA
Résumé
Ce travail de thèse porte sur l'élaboration et la caractérisation de jonctions tunnel magnétiques (JTM) polycristallines à
barrière d'oxyde de titane de strontium, SrTiO3, qui se situe parmi les nouvelles barrières tunnel aux bandes interdites
les plus étroites, recensées par la littérature. De telles barrières pourraient répondre à un besoin applicatif crucial : avoir
un produit résistance x surface, RA, plus faible dans les JTM, ou à son corollaire, avoir une épaisseur de barrière plus
forte à RA égal tout en conservant une magnétorésistance tunnel, TMR, élevée. De précédents travaux ont montré que le
SrTiO3 présente une température de cristallisation inhabituellement basse (< 400°C) lorsqu'il est déposé par
pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) ce qui peut le rendre compatible avec les électrodes magnétiques standards
constitutives des JTM. Le dépôt par IBS restant une technique pour le moins exotique au regard de l'état de l'art des
JTM, nous avons dans un premier temps élaboré des JTM à barrière d'oxyde de magnésium, MgO, matériau phare de la
spintronique. Cette étude a permis de mettre en avant les paramètres spécifiques à cette technique de dépôt influant sur
les propriétés de transport des JTM, notamment le type d'oxydation. Dans un second temps, nous avons réalisé des JTM
CoFeB/SrTiO3/CoFeB par IBS à partir d'une cible céramique de SrTiO3, en nous inspirant du travail effectué sur le
MgO. Les influences de plusieurs paramètres de dépôt, d'oxydation et de recuit ont été analysées, conduisant à deux
tendances opposées avec des systèmes présentant soit à une TMR élevée (18 %), soit un RA faible (2.6 Ohm.µm²). Des
JTM SrTiO3 ont ensuite été nanostructurées pour la première fois et les tests électriques ont montré que les JTM ayant
un bas RA présentaient un comportement ohmique alors que celles ayant une TMR élevée présentaient le comportement
tunnel attendu. De plus, ces dernières présentent un claquage diélectrique intrinsèque à l'oxyde. En parallèle, des études
microstructurales ont montré une qualité morphologique des JTM SrTiO3 semblable à celle des JTM MgO à l'état de
l'art. Toutefois, ces observations n'ont pas permis de statuer sur le caractère cristallisé ou non des barrières en SrTiO3.
Plusieurs pistes visant à déterminer la température de cristallisation du SrTiO3 dans la gamme des épaisseurs
extraordinairement faibles des barrières tunnel ont été proposées.
Abstract
This work is focused on the development and the characterization of polycrystalline magnetic tunnel junctions (MTJ)
with strontium titanium oxide barrier, SrTiO3, identified as a low band gap tunnel barrier by literature. Such barrier
could fulfill the critical application requirement: having a lower resistance area product (RA) in MTJ, or its corollary,
having a thicker barrier at constant RA, while keeping the tunnel magnetoresistance ratio (TMR) high enough. Former
studies have shown that SrTiO3 deposited by ion beam sputtering (IBS) could crystallize at an unusual low temperature
(< 400°C) which could make it compatible with the magnetic layers of MTJs. In a first place, MTJs with a tunnel barrier
made of a well known material in spintronics, namely MgO, were deposited. This preliminary work allowed us to
highlight the specific parameters affecting the transport properties in MTJs deposited by IBS, including the oxidation
type. In a second place, CoFeB/SrTiO3/CoFeB MTJs were developed using IBS and a SrTiO3 ceramic target, learning
from our experience on MgO based MTJs. Many combinations of different parameters (including deposition, oxidation
and annealing parameters) were explored, leading to two opposite tendencies with systems having either a high TMR
(up to 18 %) or a low RA (down to 2.6 Ohm.µm²). SrTiO3 based MTJs were then patterned for the first time and
submitted to electrical tests. These tests showed that the MTJs having a low RA exhibited an ohmic behaviour while the
MTJs having a large TMR showed the expected tunnel characteristics. Furthermore, the latter MTJs showed an intrinsic
dielectric breakdown. In parallel, microstructural characterizations have shown that SrTiO3 based MTJs and MgO based
MTJ were alike morphologically. Nevertheless, these observations alone were not enough to assess on the crystalline
state of SrTiO3. Many possibilities/tracks aiming at determining the crystallisation temperature of SrTiO3, in the range
of extremely low thicknesses used in MTJs, are identified.
Contact : [email protected] - 04.38.78.36.33