CN109891613B - 半导体器件和半导体逻辑器件 - Google Patents
半导体器件和半导体逻辑器件 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及半导体器件，本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件(1000)的特征在于，包括第一电极以及连接于所述第一电极的第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元分别配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)，当施加到所述第一电极的面内的电流超过各个单元的阈值电流值时，所述第一单元和第二单元中的每一个的所述自由磁层的磁化方向改变，并且所述第一单元和第二单元的所述阈值电流值彼此不同。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件和半导体逻辑器件。
背景技术
最近研究的半导体器件包括磁存储器件、相变器件等，作为其中一种，磁存储器件不仅速度快、工作电压低、而且还具有非易失性的性质，因此具备了作为存储器件的理想条件。通常，磁存储器件可以由一个磁阻传感器和一个晶体管构成单元(Unit cell)，如美国专利第5,699,293号中所公开。
磁存储器件的基本结构包括两个铁磁材料由绝缘层隔开的磁隧道结结构(第一磁性电极/绝缘体/第二磁性电极)。通过该器件的电阻根据两个磁体的相对磁化方向而改变的磁阻来存储信息。两个磁层的磁化方向能够通过自旋极化电流来控制，这被称为自旋转移矩(Spin transfer torque)，电子具有的角动量传递到磁矩使得产生转矩。
为了利用自旋转移矩来控制磁化方向，需要使自旋极化电流通过磁性物质内部，但是，最近提出了使产生自旋电流的重金属与磁体相邻，从而通过施加水平电流来实现磁体的磁化反转的技术，即，自旋轨道矩(Spin orbit torque)技术【US 8416618，Writablemagnetic memory element，US2014-0169088，Spin Hall magnetic apparatus，methodand application，KR1266791，使用面内电流和电场的磁存储器件】。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的在于，提供一种信息的存储、识别和传输速度快且功耗低的半导体器件。
另外，能够实现高度集成化，从而能够提高半导体器件的性能并且降低制造成本。
另外，在制造后改变各个单元(cell)的磁化特性，从而能够应用于各种领域。
另外，能够实现AND、OR、NAND、NOR等逻辑门。
解决问题的技术方案
本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件1000的特征在于，包括第一电极以及连接于所述第一电极的第一单元(cell)和第二单元(cell)，所述第一单元和第二单元分别配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ：magnetic Tunnel Junction)，当施加到所述第一电极的面内的电流超过各个单元的阈值电流值时，所述第一单元和第二单元中的每一个的所述自由磁层的磁化方向改变，并且所述第一单元和第二单元的所述阈值电流值彼此不同。
另外，还包括：输入电路，在所述第一电极中隔着所述第一单元和第二单元配置的第一位置和第二位置之间施加电流；第一输出电路，电流从所述第一电极的第一位置流过第一单元；以及第二输出电路，电流从所述第一电极的第一位置流过第二单元，通过沿所述输入电路施加的电流将信息存储到所述第一单元或第二单元中，通过测量所述第一输出电路和第二输出电路的电特性能够读取信息。
在本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的控制方法中，所述半导体器件包括：输入电路，在第一电极的第一位置和第二位置之间施加电流；第一单元和第二单元，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；第一输出电路，电流从所述第一电极的第一位置流过第一单元；以及第二输出电路，电流从所述第一电极的第一位置流过第二单元，所述控制方法包括：通过驱动所述输入电路来向所述第一电极施加大于改变所述第一单元的自由磁层的磁化方向的阈值电流的电流，从而将信息存储到所述第一单元；以及通过驱动所述输入电路来向所述第一电极施加大于改变所述第二单元的自由磁层的磁化方向的阈值电流的电流，从而将信息存储到所述第二单元。
另外，可以通过向所述第一输出电路和第二输出电路施加电流来读取所述第一单元(cell)和第二单元(cell)的信息。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的特征在于，包括：第一电极；单元，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；以及电压电路，与所述单元电连接，向所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，由所述电压电路施加的电压控制所述单元的阈值电流值。
另外，还可以包括：输入电路，在所述第一电极中隔着所述单元配置的第一位置和第二位置之间施加电流；以及电压电路，向所述自由磁层和固定磁层之间施加电压。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的控制方法的特征在于，所述半导体器件包括：输入电路，在包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流；单元，配置在所述第一位置和第二位置之间，并且包括自由磁层的磁化方向根据记录电流电路施加的记录电流而改变的磁隧道结(MTJ:magnetic TunnelJunction)；以及记录电压电路，向与所述自由磁层隔着绝缘层配置的固定磁层和所述自由磁层之间施加电压，所述控制方法包括：通过驱动所述记录电压电路来向所述固定磁层和自由磁层之间施加电压，并且改变所述单元的阈值电流值的步骤；以及通过驱动所述记录电流电路来向所述第一电极施加电流，并且改变所述自由磁层的磁化方向，从而将信息存储到所述单元的步骤。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的特征在于，包括：第一电极；单元，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic TunnelJunction)；以及控制电压门，向所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，所述控制层通过施加到所述控制电压门的电压来控制所述自由磁层和绝缘层界面的电平，并且所述单元的阈值电流值根据所述控制层控制所述电平而被控制。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件包括：第一输入端子，向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流；第一单元和第二单元，配置在所述第一电极的第一位置和第二位置之间，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic TunnelJunction)；输出端子，输出由通过了所述第一输入端子和第一单元的电流生成的值与由通过了所述第一输入端子和第二单元的电流生成的值相加的输出值；以及第二输入端子，向所述第一单元和第二单元的所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，根据输入到所述第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件包括：输入电路，向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流；第一单元和第二单元，配置在所述第一电极的第一位置和第二位置之间，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；以及第一输入端子，向所述第一单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；第二输入端子，向所述第二单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；以及输出端子，输出由通过了所述第一电极和第一单元的电流生成的值与由通过了所述第一电极和第二单元的电流生成的值相加的输出值，当所述输入电路向所述第一电极施加电流时，根据输入到所述第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件包括：第一输入端子，向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流；单元，配置在所述第一电极的第一位置和第二位置之间并且包括磁隧道结(MTJ:magnetic TunnelJunction)，所述磁隧道结包括配置在所述第一电极上的自由磁层、配置在所述自由磁层上的绝缘层、配置在所述绝缘层上的控制层、以及配置在所述控制层上的固定磁层；第二输入端子，向所述单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；以及输出端子，输出由通过了所述第一电极和单元的电流生成的值，根据输入到第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件包括：第一输入端子，向第一电极施加电流；第一单元，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；第一电压门，向所述第一单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；第二单元，配置在被施加通过了所述第一单元的电流的第二电极上，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magneticTunnel Junction)；第二电压门，向所述第二单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；输出端子，输出通过所述第二单元输出的输出值；以及输入电路，从所述第一输入端子施加的电流沿第一电极、第一单元和第二电极流动；以及输出电路，从所述第一输入端子施加的电流沿第一电极、第一单元和第二单元流动。
发明效果
本发明实施例的半导体器件具有信息的存储、识别和传输速度快且功耗低的优点。
另外，能够实现高度集成化，从而能够带来提高半导体器件的性能以及降低制造成本的效果。
另外，在制造后改变各个单元的磁化特性，从而能够应用于各种领域。
另外，能够实现AND、OR、NAND、NOR等逻辑门。
附图说明
图1是示出本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图2是示出自由磁层和固定磁层的磁化方向的动作的图。
图3是示出包括输入电路、第一输出电路和第二输出电路的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图4是用于说明本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
图5是示出根据磁场的第一单元和第二单元的状态变化的图。
图6是示出根据电流的第一单元和第二单元的状态变化的图。
图7是示出根据磁场的整个单元的磁化方向变化的图。
图8是示出根据电流的整个单元的磁化方向变化的图。
图9是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图10是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图11是示出图10的半导体器件的自由磁层的磁化方向在没有磁场的环境下根据施加到第一电极的电流而改变的图。
图12是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图13是示出包括输入电路和电压电路的基于自旋轨道矩(SOT:Spin OrbitTorque)效应的半导体器件的图。
图14示出了用于测量图11的半导体器件的反常霍尔电阻的实验的示意图。
图15至图17是示出利用图14测量的反常霍尔电阻的图。
图18是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图19是实验单元的模式图。
图20是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图21是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图22是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图23是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
图24至图26是示出根据图23的半导体器件的控制层的氧化时间的、反常霍尔效应相对于磁场的变化的图。
图27是示出根据图23的半导体器件的控制层的氧化时间的、垂直各向异性场的变化量△Hk和阈值电流的变化量△Ic的变化的图。
图28至图30是示出根据图23的半导体器件的控制层的氧化时间的、反常霍尔效应和磁化反转的图。
图31是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图32是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
图33是示出图32的半导体器件的第一输入端子和第二输入端子的输入值、以及据此在第一单元和第二单元的输出端子测量的值的图。
图34是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图35是示出包括输入电路的本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:SpinOrbit Torque)效应的半导体器件的图。
图36是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
图37和图38是示出图36的半导体器件的第一单元和第二单元的反常霍尔效应和磁化反转的图。
图39是示出图36的半导体器件的第一输入端子和第二输入端子的输入值、以及根据由输入电路施加的电流而在第一单元和第二单元的输出端子测量的值的图。
图40是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
图41是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图42是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
图43是示出图42的半导体器件的单元的反常霍尔效应和磁化反转的图。
图44是示出根据图42的半导体器件的第一输入端子和第二输入端子的输入值而在输出端子测量的值的图。
图45是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
图46是示出包括输入电路和输出电路的本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。然而，本发明的实施方式可以变形为各种其他形式，并且本发明的范围不限于下面描述的实施方式。另外，提供本发明的实施方式是为了向本领域普通技术人员更充分地解释本发明。因此，为了更清楚地描述，附图中的要素的形状和尺寸等可以被放大，并且附图中由相同附图标记表示的要素表示相同的要素。另外，在整个附图中，对于起到相似功能和作用的部分使用相同的附图标记。此外，除非另有说明，否则在整个说明书中“包括”某种要素表示还可以包括其他构成要素，并不排除其他构成要素。
图1是示出本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件1000的图，图2是示出自由磁层1211、1221和固定磁层1213、1223的磁化方向的动作的图。参照图1和图2，本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件1000的特征在于，包括第一电极以及连接于所述第一电极的第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元分别配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)，当施加到所述第一电极的面内的电流超过各个单元的阈值电流值时，所述第一单元和第二单元中的每一个的所述自由磁层的磁化方向改变，并且所述第一单元和第二单元的所述阈值电流值彼此不同。
第一电极1100可以向第一单元1210和第二单元1220供应电流，具体地，所述电流可以是用于控制磁体的磁化方向的自旋极化电流。所述第一单元1210和第二单元1220的电特性或磁特性可以根据流过所述第一电极1100的电流而改变。由于所述第一电极1100能够改变各个单元的特性，因此在半导体器件1000中可以用作写入线(write line)。另外，还可以包括用于控制施加到所述第一电极的电流的电流控制开关。
此时，所述自由磁层1211、1221能够以磁化方向垂直于层叠方向排列，具有垂直各向异性的特性。另外，所述自由磁层1211、1221的电特性或磁特性、尤其是磁化方向可以根据流过所述第一电极1100的水平电流而改变，并且所述水平电流可以由输入电路控制，在该输入电路中，在所述第一电极中隔着所述第一单元和第二单元配置的第一位置和第二位置之间施加电流。
所述第一电极1100可以包括导电材料。更优选地，所述第一电极1100可以包括重金属。通过第一电极1100包括重金属，从而可以改变第一单元1210和第二单元1220的自由磁层1211、1221的磁化方向等磁特性。如上所述，由于利用了自旋轨道矩，因此本发明实施例的半导体器件1000具有信息的存储、识别和传输速度快且功耗低的优点。
自由磁层1211、1221是磁化方向等磁特性可以改变的自由磁层，所述自由磁层1211、1221的磁特性可以根据周边的电特性和磁特性而改变。另外，可以相对于第一电极1100-自由磁层1211、1221的层叠面具有垂直各向异性。
所述自由磁层1211、1221可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金中的至少一种。
即使电流流过所述第一电极1100，也没有流过足以改变所述自由磁层1211、1221的磁特性的电流时，所述自由磁层1211、1221的磁特性不会改变。只有当足以改变所述自由磁层1211、1221的磁特性的电流流过所述第一电极1100时，所述自由磁层1211、1221的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层1211、1221的阈值电流。即，可以通过使阈值电流以上的电流流过所述第一电极1100来改变所述自由磁层1211、1221的电特性或磁特性。
通过不同地设置第一单元1210和第二单元1220中的每一个的自由磁层1211、1221的阈值电流，可以选择性地改变所述第一单元1210和第二单元1220的自由磁层1211、1221的磁特性。例如，当第一单元1210的自由磁层1211的阈值电流值大于第二单元1220的自由磁层1221的阈值电流值时，即使使小于第一单元1210的自由磁层1211的阈值电流以及第二单元1220的自由磁层1221的阈值电流值的电流流过第一电极1100，所述第一单元1210和第二单元1220的磁特性也均不会改变。不同于此，如果使大于第一单元1210的自由磁层1211的阈值电流以及第二单元1220的自由磁层1221的阈值电流值的电流流过第一电极1100，则所述第一单元1210和第二单元1220的磁特性均会改变。不同于此，如果使小于第一单元1210的自由磁层1211的阈值电流值且大于第二单元1220的自由磁层1221的阈值电流值的电流流过第一电极1100，则所述第一单元1210的磁特性不会改变，但所述第二单元1220的磁特性会改变。
如上所述，配置在第一电极1100上的第一单元1210和第二单元1220的磁特性可以根据施加到第一电极1100的电流的大小而同时或选择性地改变。
所述第一单元1210和第二单元1220可以分别包括自由磁层1211、1221和固定磁层1213、1223由绝缘层1212、1222区分的磁隧道结结构。更具体地，所述第一单元1210和第二单元1220的所述自由磁层1211、1221上可以配置有绝缘层1212、1222，并且在所述绝缘层1212、1222上配置有固定磁层1213、1223，从而可以配置成自由磁层1211、1221和固定磁层1213、1223隔着所述绝缘层1212、1222相对。
所述固定磁层1213、1223可以是磁化方向固定的固定磁层，并且可以包含磁化方向相对于层叠面垂直的材料，即，可以包含具有垂直各向异性的材料。更具体地，所述固定磁层1213、1223可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金中的至少一种。
另外，所述固定磁层1213、1223可以包括磁层和反铁磁层。另外，所述固定磁层1213、1223可以是人工反铁磁层。更具体地，所述固定磁层1213、1223可以是磁层/导电层/磁层的三层结构的人工反铁磁结构，并且反铁磁层由铱(Ir)、铂(Pt)、铁(Fe)、锰(Mn)及它们的合金、或者Ni、Co、Fe的氧化物及它们的合金材料制成，人工反铁磁结构可以由由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金构成的磁层以及钌(Ru)、铜(Cu)、铂(Pt)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)等的导电层构成。
所述固定磁层1213、1223和自由磁层1211、1221之间可以配置有绝缘层1212、1222。所述绝缘层1212、1222在固定磁层1213、1223和自由磁层1211、1221之间起到限制电流流动的作用。
所述绝缘层1212、1222无特殊限制，但是可以包括氧化铝、氧化镁、氧化钽和氧化锆中的至少一种。
所述自由磁层1211、1221、绝缘层1212、1222和固定磁层1213、1223可以通过用于薄膜沉积的普通工艺形成，例如，原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)的方法。每一层的厚度可以是几nm至几十nm，无特殊限制。
所述第一单元1210和第二单元1220的固定磁层1213、1223可以与第二电极1300连接。通过所述第二电极1300可以判断各个单元的电特性和磁特性。因此，所述第二电极1300在半导体器件1000中可以用作读线(read line)。
所述第二电极1300可以包含导电材料。第二电极1300无特殊限制，可以包括镍(Ni)、钨(W)、铜(Cu)及它们的合金中的至少一种。
如上所述，所述第一单元1210和第二单元1220的电特性或磁特性可以根据施加到所述第一电极1100的电流的大小而改变。此时，各个单元中包含的自由磁层1211、1221的磁化方向等磁特性可以改变。如上所述，自由磁层1211、1221的磁化方向的变化可以取决于流过所述第一电极1100的电流的大小或周边的磁场的大小。
此时，流过第二电极1300的电流只要达到能够判断各个单元的电特性或磁特性的大小就足够，因此不会改变自由磁层1211、1221和固定磁层1213、1223的磁特性。
参照图2，自由磁层1211的磁化方向可以如朝向上下方向的箭头所示朝向两个方向改变。与此相反，固定磁层1213的磁化方向可以如只朝向上方的箭头所示不改变。
本发明实施例的半导体器件还包括：输入电路，在所述第一电极中隔着所述第一单元和第二单元配置的第一位置和第二位置之间施加电流；第一输出电路，电流从所述第一电极的第一位置流过第一单元；以及第二输出电路，电流从所述第一电极的第一位置流过第二单元，通过沿所述输入电路施加的电流将信息存储到所述第一单元或第二单元中，通过测量所述第一输出电路和第二输出电路的电特性能够读取信息。
即使通过所述输入电路向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，没有流过足以改变所述自由磁层的磁特性的电流时，所述自由磁层的磁特性也不会改变。只有当足以改变所述自由磁层的磁特性的电流通过所述输入电路流过包括第一位置和第二位置的第一电极时，所述自由磁层的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层的阈值电流。即，所述输入电路可以通过使阈值电流以上的电流流过包括第一位置和第二位置的第一电极来改变所述自由磁层的电特性或磁特性。
图3示出了包括输入电路、第一输出电路和第二输出电路的本发明实施例的半导体器件的电路图。
参照图3，所述输入电路可以在所述第一电极中隔着所述第一单元和第二单元配置的第一位置和第二位置之间施加电流，并且可以具有经过写入块(Writing Block)、源线(Source-Line)、用于控制流过第一电极的电流的晶体管、第一单元、第二单元和写入线重新回到写入块的路径。
所述第一输出电路可以使电流从所述第一电极的第一位置流过第一单元，并且可以具有经过连接于所述第一单元的源线(Source-Line)、用于控制流过第一电极的电流的晶体管、所述第一单元和连接于所述第一单元的读线(Read-Line)并通过放大器SA输出的路径。
所述第二输出电路可以使电流从所述第一电极的第一位置流过第二单元，并且可以具有经过连接于所述第一单元的源线(Source-Line)、用于控制流过第一电极的电流的晶体管、所述第二单元、连接于所述第二单元的读线(Read-Line)并通过放大器SA输出的路径。
参照图3，所述第一输出电路通过连接于所述第一单元的源线和连接于所述第一单元的输出电路来施加电流，当电流从所述第一电极的第一位置流过第一单元时，通过测量所述第一单元的电特性能够读取存储到所述第一单元中的信息。
参照图3，所述第二输出电路通过连接于所述第二单元的源线和连接于所述第二单元的输出电路来施加电流，当电流从所述第一电极的第一位置流过第二单元时，通过测量所述第一单元的电特性能够读取存储到所述第二单元中的信息。
如上所述，所述第一单元1210和第二单元1220可以包括磁特性可以根据周边的电流或磁而改变的自由磁层1211、1221。另外，还可以包括配置在所述自由磁层1211、1221上的绝缘层1212、1222，配置在所述绝缘层1212、1222上的固定磁层1213、1223，以及连接于所述固定磁层1213、1223的第二电极1300。所述自由磁层1211、1221，绝缘层1212、1222，固定磁层1213、1223，第一电极1100和第二电极1300的相关内容可以与上述相同。
施加到所述第一电极1100的电流由电流控制开关控制。当所述电流控制开关导通(On)时，电流流过所述第一电极1100，第一单元1210和第二单元1220的自由磁层1211、1221会受到流过所述第一电极1100的电流的影响。因此，所述第一单元1210和第二单元1220的磁化方向可以根据供应到所述第一电极1100的电流而改变。
所述电流控制开关可以是半导体器件1000中用于控制电流或电压的电流控制开关，其材料、形状和功能无特殊限制。尤其是，所述电流控制开关可以是用于控制施加到DRAM等的写入线(write line)的电流的电流控制开关。图9中示出了电流控制开关2400的一个例子。
当所述电流控制开关导通，使得足以改变所述第一单元1210和第二单元1220的自由磁层1211、1221的磁化方向等磁特性的电流施加到所述第一电极1100时，所述第一单元1210和第二单元1220的磁特性改变。
当所述电流控制开关导通，使得足以仅改变所述第一单元1210和第二单元1220的自由磁层1211、1221中的任意一个的磁化方向等磁特性的电流施加到所述第一电极1100时，所述第一单元1210和第二单元1220的磁特性选择性地改变。
当所述电流控制开关截止(Off)时，所述第一单元1210和第二单元1220的磁特性保持在改变的状态，从而信息可以存储在单元中。
当向第二电极1300施加电压并且读取各个单元的电特性或磁特性值时，可以获得各个单元的磁特性、即存储在各个单元中的信息。
在上述本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件1000中，改变第一单元1210和第二单元1220的磁特性的电流的大小、即阈值电流可以彼此不同。下面将参照图4至图6对阈值电流彼此不同的单元的动作进行说明。
图4是用于说明本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件1000中的反常霍尔效应(AHE:Anomalous Hall Effect)电压测量的图，图5是示出使用图4的测量方法时，根据磁场的第一单元1210和第二单元1220的状态变化的图，图6是示出使用图4的测量方法时，根据电流的第一单元1210和第二单元1220的状态变化的图。具体地，所述图5和图6是示出各个单元的自由磁层1211、1221的状态变化的图。
如图5所示，在向第一电极1100施加电流且存在外部磁场的状态下配置阈值电流彼此不同的第一单元1210和第二单元1220，从而可以测量所述第一单元1210和第二单元1220的反常霍尔电阻(RH：Anomalous Hall Resistance)的变化。
参照图5可以看出，第一单元1210和第二单元1220的磁化方向根据磁场的大小而单独变为上(Up)和下(Down)，由此可以看出第一单元1210和第二单元1220的磁特性彼此不同。
另外，参照图6可以看出，第一单元1210和第二单元1220的磁化方向根据施加到第一电极1100的电流而反转为上(Up)和下(Down)。在第一单元1210中，磁化方向从上(Up)变为下(Down)的阈值电流是-11.5mA，磁化方向从下(Down)变为上(Up)的阈值电流是+9.5mA。在第二单元1220中，磁化方向从上(Up)变为下(Down)的阈值电流是-13.5mA，磁化方向从下(Down)变为上(Up)的阈值电流是+11.5mA。
图9是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件2000的图。参照图9，可以理解更多数量的单元2210、2220、2230、2240、2250、2260连接于第一电极2100的半导体器件2000的形状。
在图9中，六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260连接于第一电极2100，施加到第一电极2100的电流由连接于第一电极2100的一个输入电路2400控制。改变所述六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260的磁特性的阈值电流可以彼此不同。此时，如果将低于六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260的阈值电流值中最低的阈值电流值的电流施加到第一电极2100，则六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260的磁特性都不会改变。如果将高于等于六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260的阈值电流值中最大的阈值电流值的电流施加到第一电极2100，则六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260的磁特性均会改变。如果将六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260的阈值电流值中最大的阈值电流值和最低的阈值电流值之间的电流施加到第一电极2100，则六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260中的仅一部分单元的磁特性可以改变。
在该情况下，通过六个单元2210、2220、2230、2240、2250、2260可以实现的信息(例如，反常霍尔电阻(RH:Anomalous Hall Resistance))如下。当使数据初始化为上(Up)方向的电流施加到半导体器件的写入线，以将六个单元的磁方向初始化为上(Up)时，可以是上-上-上-上-上-上、上-上-上-上-上-下、上-上-上-上-下-下、上-上-上-下-下-下、上-上-下-下-下-下、上-下-下-下-下-下、下-下-下-下-下-下等七种。另外，当使数据初始化为下(Down)方向的电流施加到半导体器件的写入线，以将六个单元的磁方向初始化为下(Down)时，可以是下-下-下-下-下-下、下-下-下-下-下-上、下-下-下-下-上-上、下-下-下-上-上-上、下-下-上-上-上-上、下-上-上-上-上-上、上-上-上-上-上-上等七种。因此，通过六个单元可以实现的信息可以是上-上-上-上-上-上、上-上-上-上-上-下、上-上-上-上-下-下、上-上-上-下-下-下、上-上-下-下-下-下、上-下-下-下-下-下、下-下-下-下-下-下、下-下-下-下-下-上、下-下-下-下-上-上、下-下-下-上-上-上、下-下-上-上-上-上、下-上-上-上-上-上等十二种。即，通过n个单元可以实现2n个信息。
当一个开关连接于一个单元以控制单元时，一个开关可以控制两种信息。在如图9所示的本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件2000中，由于一个开关可以控制六个单元中的每一个的状态，因此可以控制十二种信息。因此，本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件2000与一个开关连接于一个单元的现有的半导体器件相比，可以具有相对于开关数量的高的信息集成度。因此，本发明实施例的半导体器件2000能够实现高度集成化，从而具有提高半导体器件2000的性能以及降低制造成本的效果。
图10是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件3000的图。参照图10，第一电极3100可以区分为上部电极3110和下部电极3120。所述第一电极的下部电极可以包括重金属、尤其是钽(Ta)，所述第一电极的上部电极配置在所述下部电极上，并且可以包括反铁磁材料、尤其是铱-锰(IrMn)。
图11是示出图10的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件3000的自由磁层3211的磁化方向在没有磁场的环境下根据施加到第一电极3100的电流而改变的图。在图10中，在使第一电极3100的下部电极包括钽(Ta)、上部电极包括铱-锰(IrMn)、自由磁层3211包括CoFeB、绝缘层3212包括MgO而制成半导体器件3000之后，向第一电极3100施加电流而测量了反常霍尔电阻。参照图11，通过在包括反铁磁材料的上部电极上配置包括磁性材料的第一铁磁层，能够在不施加外部磁场的状态下更容易地改变所述自由磁层3211的磁特性。
在本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的控制方法中，所述半导体器件包括：输入电路，在第一电极的第一位置和第二位置之间施加电流；第一单元和第二单元，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；第一输出电路，电流从所述第一电极的第一位置流过第一单元；以及第二输出电路，电流从所述第一电极的第一位置流过第二单元，所述控制方法包括：通过驱动所述输入电路来向所述第一电极施加电流，以将信息存储到所述第一单元中的步骤；以及通过驱动所述输入电路来向所述第一电极施加电流，以将信息存储到所述第二单元中的步骤。
在通过驱动所述输入电路来向所述第一电极施加电流，以将信息存储到所述第一单元中的步骤中，所述电流可以是用于控制磁体的磁化方向的自旋极化电流，所述第一单元的电特性或磁特性可以根据施加到所述第一电极的电流而改变。
在通过驱动所述输入电路来向所述第一电极施加电流，以将信息存储到所述第二单元中的步骤中，所述电流可以是用于控制磁体的磁化方向的自旋极化电流，所述第二单元的电特性或磁特性可以根据施加到所述第一电极的电流而改变。
可以不同地设置在所述第一单元和第二单元中存储信息所需的阈值电流值。
本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的控制方法还可以包括：通过向所述第一输出电路和第二输出电路施加电流来读取所述第一单元和第二单元的信息的步骤。
在通过向所述第一输出电路和第二输出电路施加电流来读取所述第一单元和第二单元的信息的步骤中，所述第一单元1210和第二单元1220的第二磁层1213、1223可以与第二电极1300连接，并且通过所述第二电极1300可以判断各个单元的电特性和磁特性。
下面将参照图7和图8对图4的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件1000中包含的多个单元被一个电流控制开关控制的方法进行说明。
图7和图8是示出图4的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件1000的磁化方向的变化的图。图7是示出整个单元的磁化方向变化的图，示出了根据磁场的整个单元的磁化方向。图8是示出整个单元的磁化方向变化的图，示出了反常霍尔电压随着改变流过第一电极的电流而改变的情况。具体地，图7和图8中示出了自由磁层的磁化方向的变化。
参照图8，当向基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件1000的第一电极1100施加-13.5mA的电流时，第一单元1210和第二单元1220的磁化方向均变为下(Down)方向。这是因为，施加的-13.5mA的电流大于等于第一单元1210和第二单元1220的上-下方向的阈值电流。接着，当向第一电极1100施加+9.5mA时，仅第一单元1210的磁化方向从下变为上方向。这是因为，施加的+9.5mA的电流虽符合第一单元1210的下-上方向的阈值电流，但是小于第二单元1220的下-上方向的阈值电流。接着，当向第一电极1100施加+11.5mA时，第二单元1220的磁化方向也从下变为上方向。这是因为，施加的+11.5mA的电流大于等于第一单元1210和第二单元1220的下-上方向的阈值电流。接着，当向第一电极1100施加-11.5mA时，仅第一单元1210的磁化方向从上变为下方向。这是因为，施加的-11.5mA虽符合第一单元1210的上-下方向的阈值电流，但是小于第二单元1220的上-下方向的阈值电流。接着，当向第一电极1100施加-13.5mA时，第一单元1210和第二单元1220的磁化方向均变为下方向。接着，当向第一电极1100施加+9.5mA时，仅第一单元1210的磁化方向从下变为上方向。通过如上所述控制各个单元的磁化方向，可以使半导体器件1000的反常霍尔电阻(RH:Anomalous Hall Resistance)值具有多级。
如上所述，参照图7和图8，在包括连接于第一电极1100的多个单元的半导体器件1000中，通过控制所述第一电极1100的电流可以实现多级的反常霍尔电阻(RH:AnomalousHall Resistance)。
图12是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件6000的图。参照图12，本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin OrbitTorque)效应的半导体器件6000的特征在于，包括：第一电极；单元，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic TunnelJunction)；以及单元控制电极，与所述单元电连接，向所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，并且由所述单元控制电极施加的电压控制所述单元的阈值电流值。
所述第一电极、绝缘层、自由磁层和固定磁层可以与上述所述第一电极、绝缘层、自由磁层和固定磁层的相关内容相同。
此时，所述单元控制电极6510、6520和单元6210、6220之间还可以包括栅极绝缘层6610、6620。
当由所述单元控制电极6510、6520施加的电压超过预定值时，所述单元6210、6220的电特性或磁特性可以改变。
所述单元6210、6220包括可以根据由单元控制电极6510、6520施加的电压而改变电特性或磁特性的材料和结构。所述电特性或磁特性可以是改变所述单元6210、6220的磁化方向的阈值电流的大小。
利用单元6210、6220根据由所述单元控制电极6510、6520施加的电压而改变的特性，可以改变向单元6210、6220输入信息所需的条件。例如，可以向单元6210、6220施加电压，来改变与所述单元6210、6220的磁化方向改变对应的阈值电流值。在该情况下，即使向写入线施加特定电流，单元6210、6220的磁化方向也可能不会改变。即，可以改变单元6210、6220的写入条件，从而控制施加到半导体器件的写入线的电流值、容量等。
另外，所述单元6210、6220为两个以上，可以根据由连接于所述单元6210、6220的每个单元的单元控制电极6510、6520施加的电压来分别控制所述单元6210、6220的电特性。利用由每个所述单元控制电极6510、6520施加的电压，向每个单元6210、6220施加彼此不同的电压，从而可以不同地设置向所述单元6210、6220输入信息所需的电流值。
所述单元6210、6220包括自由磁层6211、6221，由所述单元控制电极6510、6520施加的电压可以调节所述自由磁层6211、6221的电特性或磁特性。参照图12，本发明实施例的半导体器件6000可以包括：第一电极6100；单元6210、6220，与所述第一电极6100电连接，并且包括自由磁层6211、6221；绝缘层6610、6620，配置在所述自由磁层6211、6221上；以及单元控制电极6510、6520，配置在所述绝缘层6610、6620上。所述自由磁层6211、6221的电性或磁性可以根据由所述单元控制电极6510、6520施加的电压而改变。如上所述，可以利用每个单元控制电极6510、6520来改变每个单元6210、6220的特性。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件6000还可以包括：输入电路，在所述第一电极中隔着所述单元配置的第一位置和第二位置之间施加电流；以及电压电路，向所述自由磁层和固定磁层之间施加电压。
图13是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的输入电路和电压电路的图。
所述输入电路可以向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，并且可以控制施加的电流的大小。
参照图13，所述输入电路可以在所述第一电极中隔着所述单元配置的第一位置和第二位置之间施加电流，并且可以具有经过写入块(Writing Block)、源线(Source-Line)、用于控制流过第一电极的电流的晶体管、第一单元和写入线(Write-Line)重新回到写入块(Writing Block)的路径。
即使通过所述输入电路向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，没有流过足以改变所述自由磁层的磁特性的电流时，所述自由磁层的磁特性也不会改变。只有当足以改变所述自由磁层的磁特性的电流通过所述输入电路流过包括第一位置和第二位置的第一电极时，所述自由磁层的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层的阈值电流。即，所述输入电路可以通过使阈值电流以上的电流流过包括第一位置和第二位置的第一电极来改变所述自由磁层的电特性或磁特性。
还可以包括用于控制施加到所述输入电路的电流的电流控制开关。
所述电压电路可以向所述单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压，并且所述单元的阈值电流值可以根据控制所述单元的电平而被控制。
参照图13，所述电压电路可以通过所述第一位线(Bit-Line)将连接于所述单元的第二电极的晶体管切换到导通状态，从而向所述单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压。此时，所述电压电路可以沿着写入块(Witing Block)、源线(Source-Line)、第一电极、单元和读线(Read-Line)形成。
图14示出了用于测量图12的半导体器件的反常霍尔电阻的实验的示意图，图15至图17是示出利用图14测量的反常霍尔电阻的图。
在图14中，使用Ta将第一电极6100形成为5nm的厚度，使用CoFeB将包括自由磁层的第一单元和第二单元6610、6620形成为1nm的厚度，在所述第一单元和第二单元6610、6620上形成厚度分别为1.6nm、1.5nm、40nm的氧化镁(MgO)、氧化铝(AlOx)、氧化锆(ZrOx)作为绝缘层，使用钌(Ru)形成第一和第二单元控制电极6510、6520。在图14中，将VG1和VG2分别施加到配置在每个单元6210、6220上的单元控制电极6510、6520，并且向第一电极6100施加了电流。使施加的VG1和VG2从-几十V变为+几十V。
参照图15至图17可以看出，当向第一和第二单元控制电极6510、6520施加正电压时，矫顽力HC和阈值电流JC减小，相反，当施加负电压时，矫顽力HC和阈值电流JC增加。如上所述，由VG1和VG2改变的矫顽力HC和阈值电流JC具有即使在去除VG1和VG2时也保持的非易失性特性。由此可以看出，每个单元的磁性或电性可以通过施加到单元控制电极的电压来调节。
图18是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。参照图18，本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件7000可以包括：第一电极7100；单元，与所述第一电极7100电连接，并且包括自由磁层7211、7221、配置在所述自由磁层7211、7221上的绝缘层7212、7222以及配置在所述绝缘层7212、7222上的固定磁层7213、7223；以及单元控制电极7510、7520，配置在所述固定磁层7213、7223上。在该情况下，配置在固定磁层7213、7223下方的绝缘层7212、7222可以用作栅极绝缘层。所述单元控制电极7510、7520向固定磁层7213、7223施加电流，所述自由磁层7211、7221的电性或磁性可以根据施加到所述固定磁层7213、7223的电压而改变。如上所述，可以通过每个单元控制电极7510、7520来改变每个单元7210、7220的特性。
在图18的结构的半导体中，根据施加到固定磁层7213、7223的电压来改变自由磁层7211、7221的电性或磁性，已被Wei-Gang Wang等的论文(Electric-field-assistedswitching in magnetic tunnel junctions，Nature Materials，Volume：11，Pages：64-68，Year published：(2012))的实验结果证实。在上述论文中，制造了图19所示结构的实验单元并进行了实验。在上述实验中，实验单元8000由自由磁层8100、配置在所述自由磁层8100上的绝缘层8200、以及配置在所述绝缘层8200上的固定磁层8300形成。所述自由磁层8100由CoFeB形成为1.3nm的厚度，所述绝缘层8200由MgO形成为1.4nm的厚度，所述固定磁层8300由CoFeB形成为1.6nm的厚度。将电极分别连接于所述自由磁层8100和固定磁层8300，从而将电压施加到固定磁层8300。此时观察到，固定磁层8300作用为栅电极，并且绝缘层8200作用为栅极氧化膜，从而自由磁层8100的电特性和磁特性改变。
图12和图18的实施例中，所述第一电极可以包括导电材料。更优选地，所述第一电极可以包括重金属。通过第一电极包括重金属，从而可以改变单元的自由磁层的磁化方向等磁特性。如上所述，由于利用了自旋轨道矩，因此本发明实施例的半导体器件具有信息的存储、识别和传输速度快并且功耗低的优点。
所述自由磁层的磁化方向等磁特性可以改变。所述自由磁层的磁特性可以根据周边的电特性和磁特性而改变。另外，相对于第一电极-自由磁层的层叠面可以具有垂直各向异性。
所述自由磁层可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金中的至少一种。
此时，所述自由磁层能够以磁化方向垂直于层叠方向排列，具有垂直各向异性的特性。另外，所述自由磁层的电特性或磁特性、尤其是磁化方向可以根据流过所述第一电极的水平电流而改变。
即使电流流过所述第一电极，没有流过足以改变所述自由磁层的磁特性的电流时，所述自由磁层的磁特性也不会改变。只有当足以改变所述自由磁层的磁特性的电流流过所述第一电极时，所述自由磁层的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层的阈值电流。即，可以通过使阈值电流以上的电流流过所述第一电极来改变所述自由磁层的电特性或磁特性。
参照图18，所述两个以上的单元可以分别包括自由磁层7211、7221和固定磁层7213、7223由绝缘层7212、7222区分的磁隧道结结构。更具体地，所述两个以上的单元可以包括所述自由磁层上的绝缘层，并且在所述绝缘层上配置有固定磁层，从而可以配置成自由磁层和固定磁层隔着所述绝缘层相对。
所述固定磁层的磁化方向可以是固定的，并且可以包含磁化方向相对于层叠面垂直的材料，即，可以包括具有垂直各向异性的材料。更具体地，所述固定磁层可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金中的至少一种。
另外，所述固定磁层可以包括磁层和反铁磁层。另外，所述固定磁层可以包括人工反铁磁层。更具体地，所述固定磁层可以是反铁磁层和磁层/导电层/磁层的三层结构的人工反铁磁结构，反铁磁层由铱(Ir)、铂(Pt)、铁(Fe)、锰(Mn)及它们的合金、或者NiOx、CoOx、FeOx等材料制成，人工反铁磁结构可以由由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金构成的磁层以及钌(Ru)、铜(Cu)、铂(Pt)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)等的导电层构成。
如图18所示，所述固定磁层和自由磁层之间可以配置有绝缘层。所述绝缘层在固定磁层和自由磁层之间起到限制电流流动的作用。
所述绝缘层无特殊限制，但是可以包括氧化铝、氧化镁、氧化钽和氧化锆中的至少一种。
参照图12和图18，所述两个以上的单元的固定磁层可以与第二电极连接。通过所述第二电极可以判断各个单元的电特性和磁特性。因此，所述第二电极在半导体器件中可以用作读线(read line)。
所述第二电极可以包括导电材料。第二电极无特殊限制，可以包括镍(Ni)、钨(W)、铜(Cu)、钌(Ru)及它们的合金中的至少一种。
图21是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件5000的图。在图21中，六个单元连接于第一电极5100，施加到第一电极5100的电流由连接于第一电极5100的一个电流控制开关5400控制。所述六个单元可以设置为，通过由分别连接的单元控制电极5510、5520、5530、5540、5550、5560施加的电压而改变磁特性的阈值电流彼此不同。此时，如果将低于六个单元5210、5220、5230、5240、5250、5260的阈值电流值中最低的阈值电流值的电流施加到第一电极5100，则六个单元5210、5220、5230、5240、5250、5260的磁特性都不会改变。如果将高于六个单元5210、5220、5230、5240、5250、5260的阈值电流值中最大的阈值电流值的电流施加到第一电极5100，则六个单元5210、5220、5230、5240、5250、5260的磁特性均会改变。如果将六个单元5210、5220、5230、5240、5250、5260的阈值电流值中最大的阈值电流值和最低的阈值电流值之间的电流施加到第一电极5100，则六个单元5210、5220、5230、5240、5250、5260中的仅一部分单元的磁特性改变。
在该情况下，可以利用六个单元5210、5220、5230、5240、5250、5260实现的信息(例如，反常霍尔电阻(RH:Anomalous Hall Resistance))可以是64个，即，2n个。与前面图9的情况不同，由于可以使用通过单元控制电极5510、5520、5530、5540、5550、5560施加的电压来控制每个单元的电特性或磁特性，因此信息集成度高。
图20是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件4000的图。参照图20，本发明另一实施例的半导体器件4000包括：第一电极4100；单元4210、4220，与所述第一电极4100连接；以及单元控制电极4510、4520，与所述单元4210、4220连接，用于调节所述单元4210、4220的电特性或磁特性。此时，还可以包括控制施加到所述单元控制电极4510、4520的电压的单元控制输入电路。另外，所述单元控制电极4510、4520和单元4210、4220之间还可以包括栅极绝缘层4610、4620。
所述单元4210、4220包括自由磁层4211、4221，所述单元控制电极4510、4520可以调节所述自由磁层4211、4221的电特性或磁特性。另外，可以根据供应到所述第一电极4100的电流来控制所述单元4210、4220的磁化方向。另外，还可以包括输入电路，该输入电路连接于所述第一电极4100，用于控制流向所述第一电极4100的电流。
所述单元控制电极4510、4520可以改变单元4210、4220的电特性或磁特性。所述单元控制电极4510、4520可以向所述单元4210、4220施加电压，当由所述单元控制电极4510、4520施加的电压超过预定值时，所述单元4210、4220的电特性或磁特性可以改变。
所述单元4210、4220包括通过由单元控制电极4510、4520施加的电压可以改变电特性或磁特性的材料和结构。由所述单元控制电极4510、4520改变的单元4210、4220的特性可以是改变所述单元4210、4220的磁化方向的阈值电流的大小。
根据由所述单元控制电极4510、4520改变的单元4210、4220的特性，可以改变向单元4210、4220输入信息所需的条件。例如，可以通过单元控制电极4510、4520向单元4210、4220施加电压，来改变与所述单元4210、4220的磁化方向改变对应的阈值电流值。在该情况下，即使向写入线施加特定电流，单元4210、4220的磁化方向也可能不会改变。即，可以改变单元4210、4220的写入条件，从而控制施加到半导体器件4000的写入线的电流值、容量等。
另外，所述单元4210、4220为两个以上，连接于所述单元4210、4220的每个单元控制电极4510、4520可以分别控制所述单元4210、4220的电特性。通过所述每个单元控制电极4510、4520向每个单元4210、4220施加彼此不同的电压，从而可以不同地设置向所述单元4210、4220输入信息所需的电流值。
所述第一电极4100可以包括导电材料。更优选地，所述第一电极4100可以包括重金属。通过第一电极4100包括重金属，从而可以改变单元4210、4220的自由磁层4211、4221的磁化方向等磁特性。如上所述，由于利用了自旋轨道矩，因此本发明实施例的半导体器件4000具有信息的存储、识别和传输速度快并且功耗低的优点。
所述自由磁层4211、4221可以是磁化方向等磁特性可以改变的自由磁层。所述自由磁层4211、4221的磁特性可以根据周边的电特性和磁特性而改变。另外，相对于第一电极4100-自由磁层4211、4221的层叠面可以具有垂直各向异性。
所述自由磁层4211、4221可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金中的至少一种。
此时，所述自由磁层4211、4221能够以磁化方向垂直于层叠方向排列，具有垂直各向异性的特性。另外，所述自由磁层4211、4221的电特性或磁特性、尤其是磁化方向可以根据流过所述第一电极4100的水平电流而改变。
即使电流流过所述第一电极4100，也没有流过足以改变所述自由磁层4211、4221的磁特性的电流时，所述自由磁层4211、4221的磁特性也不会改变。只有当足以改变所述自由磁层4211、4221的磁特性的电流流过所述第一电极4100时，所述自由磁层4211、4221的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层4211、4221的阈值电流。即，可以通过使阈值电流以上的电流流过所述第一电极4100来改变所述自由磁层4211、4221的电特性或磁特性。
通过利用所述单元控制电极4510、4520来不同地设置两个以上的单元4210、4220中的每一个的自由磁层4211、4221的阈值电流，可以选择性地改变所述两个以上的单元4210、4220中的每一个的自由磁层4211、4221的磁特性。
所述两个以上的单元4210、4220可以分别包括自由磁层4211、4221和固定磁层4213、4223由绝缘层4212、4222区分的磁隧道结结构。更具体地，所述两个以上的单元4210、4220的所述自由磁层4211、12221上可以配置有绝缘层4212、4222，并且在所述绝缘层4212、4222配置有固定磁层4213、4223，从而可以配置成自由磁层4211、4221和固定磁层4213、4223隔着所述绝缘层4212、4222相对。
所述固定磁层4213、12223可以是磁化方向固定的固定磁层，并且可以包含磁化方向相对于层叠面垂直的材料，即，可以包含具有垂直各向异性的材料。更具体地，所述固定磁层4213、12223可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金中的至少一种。
另外，所述固定磁层1213、1223可以包括磁层和反铁磁层。另外，所述固定磁层1213、1223可以是人工反铁磁层。更具体地，所述固定磁层1213、1223可以是磁层/导电层/磁层的三层结构的人工反铁磁结构，反铁磁层由铱(Ir)、铂(Pt)、铁(Fe)、锰(Mn)及它们的合金、或者Ni、Co、Fe的氧化物及它们的合金材料制成，人工反铁磁结构可以由由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金构成的磁层以及钌(Ru)、铜(Cu)、铂(Pt)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)等的导电层构成。
所述固定磁层4213、4223和自由磁层4211、4221之间可以配置有绝缘层4212、4222。所述绝缘层4212、4222在固定磁层4213、4223和自由磁层4211、4221之间起到限制电流流动的作用。
所述绝缘层4212、4222无特殊限制，但是可以包括氧化铝、氧化镁、氧化钽和氧化锆中的至少一种。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的控制方法的特征在于，所述半导体器件包括：输入电路，向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流；单元，配置在所述第一位置和第二位置之间，并且包括自由磁层的磁化方向根据记录电流电路施加的记录电流而改变的磁隧道结(MTJ:magnetic TunnelJunction)；以及电压电路，向与所述自由磁层隔着绝缘层配置的固定磁层和所述自由磁层之间施加电压，所述控制方法包括：通过驱动所述电压电路来向所述固定磁层和自由磁层之间施加电压并且改变所述单元的阈值电流值的步骤；以及通过驱动所述输入电路来向所述第一电极施加电流并且改变所述自由磁层的磁化方向，以将信息存储到所述单元中的步骤。
在通过驱动所述电压电路来向所述固定磁层和自由磁层之间施加电压并且改变所述单元的阈值电流值的步骤中，所述单元可以设置为，通过由分别连接的电压电路施加的电压改变磁特性的阈值电流彼此不同。
在通过驱动所述输入电路来向所述第一电极施加电流并且改变所述自由磁层的磁化方向，以将信息存储到所述单元中的步骤中，可以通过输入电路向单元(该单元在先前步骤中设置为，通过由分别连接的电压电路施加的电压改变磁特性的阈值电流彼此不同)施加电流，并由此将信息存储到各个单元中。
如上所述，在制造半导体器件5000之后，通过驱动电压电路来改变单元的电特性或磁特性，从而用户可以根据需求控制半导体的特性。
图22是示出本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
参照图22，本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件9000的特征在于，包括：第一电极9100；单元9210，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层9212和控制层9213接合的结构配置有自由磁层9211和固定磁层9214的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；以及控制电压门，向所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，所述控制层通过施加到所述控制电压门的电压来控制所述自由磁层和绝缘层界面的电平，并且所述单元的阈值电流值根据所述控制层控制所述电平而被控制。
所述第一电极9100可以向包括所述磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)的单元9210供应电流，具体地，所述电流可以是控制磁体的磁化方向的自旋极化电流。包括所述磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)的单元9210的电特性或磁特性可以根据流过所述第一电极的电流而改变。由于所述第一电极9210可以改变各个单元的特性，因此在半导体器件中可以用作写入线。
此时，所述自由磁层9211能够以磁化方向垂直于层叠方向排列，具有垂直各向异性的特性。另外，所述自由磁层的电特性或磁特性、尤其是磁化方向可以根据流过所述第一电极的水平电流而改变。
所述第一电极9100可以包括导电材料。更优选地，所述第一电极可以包括重金属。通过第一电极包括重金属，从而可以改变包括所述磁隧道结(MTJ:magnetic TunnelJunction)的单元的自由磁层的磁化方向等磁特性。如上所述，由于利用了自旋轨道矩，因此本发明实施例的半导体器件具有信息的存储、识别和传输速度快且功耗低的优点。
所述自由磁层9211是磁化方向等磁特性可以改变的自由磁层，所述自由磁层的磁特性可以根据周边的电特性和磁特性而改变。另外，相对于第一电极9100-自由磁层9211的层叠面可以具有垂直各向异性。
所述自由磁层9211可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金中的至少一种。
即使电流流过所述第一电极9100，也没有流过足以改变所述自由磁层9211的磁特性的电流时，所述自由磁层的磁特性也不会改变。只有当足以改变所述自由磁层的磁特性的电流流过所述第一电极时，所述自由磁层的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层的阈值电流。即，可以通过使阈值电流以上的电流流过所述第一电极来改变所述自由磁层的电特性或磁特性。
所述固定磁层9214可以包括磁化方向相对于层叠面垂直的材料，即，可以包括具有垂直各向异性的材料。更具体地，所述固定磁层可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金中的至少一种。
另外，所述固定磁层9214可以包括磁层和反铁磁层。另外，所述固定磁层可以是人工反铁磁层。更具体地，所述固定磁层可以是磁层/导电层/磁层的三层结构的人工反铁磁结构，反铁磁层由铱(Ir)、铂(Pt)、铁(Fe)、锰(Mn)及它们的合金、或者Ni、Co、Fe的氧化物及它们的合金材料制成，人工反铁磁结构可以由由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、硼(B)、硅(Si)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)及它们的合金构成的磁层以及钌(Ru)、铜(Cu)、铂(Pt)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)等的导电层构成。
所述固定磁层9214和自由磁层9211之间可以配置有绝缘层9212。所述绝缘层9212在固定磁层和自由磁层之间起到限制电流流动的作用。
所述绝缘层9212无特殊限制，但是可以包括氧化铝、氧化镁、氧化钽和氧化锆中的至少一种。
所述自由磁层9211和固定磁层9214可以通过用于薄膜沉积的普通工艺形成，例如，原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)的方法。每一层的厚度可以是几nm至几十nm，无特殊限制。
所述控制层9213优选为与绝缘层相接合的结构。所述控制层可以与绝缘层或自由磁层相邻配置。
所述控制层9213可以是氧化物，优选地，可以是铝氧化物(Aluminum Oxide，AlOx)、钛氧化物(Titanium Oxide，TiOx)和钽氧化物(Tantalum Oxide，TaOx)中的至少一种，但是不限于此。
所述控制层9213的氧化时间可以是25秒至125秒。
所述控制层9213可以通过形成金属层之后氧化而制成。所述氧化时间可以是25秒至125秒。可以通过调节制造所述控制层的工序中的氧化时间来调节所述控制层的氧化程度。根据所述控制层的氧化程度，可以改变自由磁层的磁各向异性。
所述控制电压门可以向所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，所述控制层可以根据施加到所述控制电压门的电压来控制所述自由磁层和绝缘层界面的电平，并且所述单元的阈值电流值根据所述控制层控制所述电平而被控制。
此时，还可以包括调节施加到所述控制电压门的电压的控制电压门开关。所述控制电压门开关可以包括通常用于在半导体中控制电压的流动的开关结构。
所述电压门是用于向所述自由磁层9211和固定磁层9214之间施加电压的结构，可以是所述固定磁层9214，也可以是连接于所述固定磁层9214的第二电极9300。
当由所述控制电压门施加的电压超过预定值时，包括所述磁隧道结的单元的电特性或磁特性可以改变。
包括所述磁隧道结的单元9210包含电特性或磁特性可以根据由控制电压门施加的电压而改变的材料和结构。所述电特性或磁特性可以是改变包括所述磁隧道结的单元的磁化方向的阈值电流的大小。
可以通过向包括所述磁隧道结的单元9210施加电压，来改变与包括所述磁隧道结的单元的磁化方向改变对应的阈值电流值。
作为一例，可以根据施加到所述控制电压门的电压来控制所述自由磁层9211和绝缘层9212界面的电平。此时，所述控制层9213可以根据施加到所述控制电压门的电压来控制所述自由磁层和绝缘层界面的电平，并且所述单元的阈值电流值根据所述控制层9213控制所述电平而被控制。
图23是用于说明本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE:Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
在图23中，以基板(氧化的硅)-第一电极(Ta(5nm))/自由磁层(Co32Fe48B20(CoFeB，1nm)/绝缘层(MgO，1.6nm)/控制层(AlOx(1.8nm))的结构来制造半导体器件，并且在所述控制层上沉积钌(Ru)作为第二电极来形成。
所述金属层在0.4Pa(3mTorr)的工作压力下通过d.c.溅射法生长，MgO层使用MgO靶在1.33Pa(10mTorr)下通过RF溅射法(150W)沉积。AlOx通过沉积1.5nm的金属Al层而形成之后，在4Pa(30mTorr)的压力和30w的功率下以各种氧化时间tox暴露于O2等离子体中。另外，为了提高垂直磁各向异性，在250℃真空条件下执行约40分钟的热处理。
将所述控制层9213的氧化时间调节为25秒至125秒，测量了根据所述控制层的氧化时间以及电压极性的磁各向异性依赖性。
图24至图26是示出根据图23的半导体器件的控制层9213的氧化时间的、反常霍尔效应相对于磁场的变化的图。
参照图24观察到，当控制层(铝氧化物)的氧化时间为25秒时，与由控制电压门施加的电压为负(-20V)相比，在所述电压为正(22V)的情况下，由面内磁场Bx而减小的反常霍尔效应的斜率更大。参照图25观察到，当控制层(铝氧化物)的氧化时间为75秒时，没有显著差异。参照图26观察到，与图24的结果相反，当控制层(铝氧化物)的氧化时间为125秒时，与由控制电压门施加的电压为正(22V)相比，在所述电压为负(-20V)的情况下，由面内磁场Bx而减小的反常霍尔效应的斜率更大。
通过上述结果确认到，通过调节控制层9213的氧化状态，可以使反常霍尔效应的极性根据由控制电压门施加的电压而反转。
图27是示出根据图23的半导体器件的控制层9213的氧化时间的、垂直各向异性场的变化量△Hk和阈值电流的变化量△Ic的变化的图。
参照图27可以看出，以75秒的氧化时间tox为基准，当氧化时间超过75秒时，垂直各向异性场(Hk，perpendicular anisotropy field)增加，当氧化时间减小至小于75秒时，垂直各向异性场减小。另外可以看出，以75秒的氧化时间tox为基准，当氧化时间增加至超过75秒时，用于自由磁层的磁化反转的阈值电流(critical current)增加，当氧化时间减小至小于75秒时，用于自由磁层的磁化反转的阈值电流减小。上述变化可能是由于CoFeB/MgO界面中根据作为控制层的铝氧化膜的氧化状态的变化、即氧化时间的变化导致垂直磁各向异性改变所引起。
图28至图30是示出根据图23的半导体器件的控制层9213的氧化时间的、反常霍尔效应和磁化反转的图。
参照图28可以看出，当所述控制层9213的氧化时间为25秒时，当向所述控制电压门施加24V的电压时，阈值电流为6.5mA，当施加-24V的电压时，阈值电流为8.8mA，大于6.5mA。参照图29可以看出，当所述控制层9213的氧化时间为75秒时，阈值电流没有根据施加到所述控制电压门的电压的极性而发生变化。参照图30可以看出，当所述控制层9213的氧化时间为125秒时，与上述图5的结果相反，施加-24V的电压时的阈值电流的绝对值|IC|比施加+24V的电压时的阈值电流的绝对值更小。相反，当所述控制层的氧化时间为75秒时，可以忽略根据控制电压门的极性的变化而引起的|IC|的变化。
参照图28至图30，当所述控制层9213的氧化时间为75秒时，可能对外部电压没有较大的依赖性。因此，当根据由所述控制电压门施加的电压的极性变化而引起的阈值电流的值的差异小时，所述控制层可以称为正常氧化控制层。
另外，当所述控制层9213的氧化时间为25秒时，与施加到控制电压门的电压的极性为负相比，在施加到所述控制电压门的电压的极性为正的情况下，阈值电流可以减小，这种状态的控制层可以称为低氧化(under-oxidized)控制层。
另外，当所述控制层9213的氧化时间为125秒时，与施加到控制电压门的电压的极性为正相比，在施加到所述控制电压门的电压的极性为负的情况下，阈值电流可以减小，这种状态的控制层可以称为过氧化(over-oxidized)控制层。
通过前面图28至图30的结果可以看出，本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的阈值电流可以通过控制电压门有效地调整，并且可以通过控制层9213的氧化状态有效地调整。
图31是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件10000的图。
参照图31，本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件10000包括：第一输入端子，向包括第一位置和第二位置的第一电极10100施加电流；第一单元10210和第二单元10220，配置在所述第一电极的第一位置和第二位置之间，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；输出端子，输出由通过所述第一输入端子和第一单元的电流生成的值与由通过所述第一输入端子和第二单元的电流生成的值相加的输出值；以及第二输入端子，向所述第一单元和第二单元的所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，根据输入到所述第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，从所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
所述第一电极、绝缘层、控制层、自由磁层和固定磁层可以与上述第一电极、绝缘层、控制层、自由磁层和固定磁层的相关内容相同。
所述输出值根据需求可以是在逻辑半导体器件的特定位置或特定位置之间测量的电流值、电阻值和电压值中的任意一种。可以将所述输出值与预定参考值进行比较，当大于所述参考值时区分为数字1，当小于所述参考值时区分为数字0。或者，可以将所述输出值与预定参考值进行比较，当大于所述参考值时区分为数字0，当小于所述参考值时区分为数字1。如上所述，本发明实施例的逻辑半导体器件能够根据二进制方法存储和读取信息。
所述本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件可以用作CMOS AND/OR门、CMOS NAND/NOR门、CMOS反相器、CMOS SRAM或CMOSOp-AMP中的至少一种。
所述第一输入端子可以向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，并且可以控制施加的电流的大小。
即使通过所述第一输入端子向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，也没有流过足以改变所述自由磁层的磁特性的电流时，所述自由磁层的磁特性也不会改变。只有当通过所述第一输入端子使足以改变所述自由磁层的磁特性的电流流过包括第一位置和第二位置的第一电极时，所述自由磁层的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层的阈值电流。即，所述第一输入端子可以通过使阈值电流以上的电流流过包括第一位置和第二位置的第一电极来改变所述自由磁层的电特性或磁特性。
还可以包括用于控制施加到所述第一输入端子的电流的电流控制开关。所述第一输入端子可以是连接于第一电极的一端的电极，所述电流控制开关可以包括通常用于在半导体中控制电流流动的开关结构。
包括所述磁隧道结的第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向可以根据施加到所述第一输入端子的电流的大小而改变，包括所述磁隧道结的第一单元和第二单元的改变磁化方向的阈值电流可以彼此不同。
包括所述磁隧道结的第一单元的控制层10213和第二单元的控制层10223可以是正常氧化控制层、低氧化控制层或过氧化控制层。
例如，包括所述磁隧道结的第一单元可以包括正常氧化控制层，包括所述磁隧道结的第二单元可以包括过氧化控制层。或者，包括所述磁隧道结的第一单元可以包括低氧化控制层，包括所述磁隧道结的第二单元可以包括过氧化控制层。
所述第二输入端子可以向所述第一单元和第二单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压，所述控制层可以根据施加到所述第二输入端子的电压来控制所述自由磁层和绝缘层界面的电平，并且所述单元的阈值电流值根据所述控制层控制所述电平而被控制。
还可以包括用于控制施加到所述第二输入端子的电压的电压控制开关。所述第二输入端子可以是连接于第二电极的一端的电极，所述电压控制开关可以包括通常用于在半导体中控制电压流动的开关结构。
所述第二输入端子是用于向所述第一单元和第二单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压的结构，可以是所述固定磁层，也可以是连接于所述固定磁层的电极。
包括所述磁隧道结的第一单元10210和第二单元10220包含可以根据由第二输入端子施加的电压而改变电特性或磁特性的材料和结构。所述电特性或磁特性可以是改变包括所述磁隧道结的单元的磁化方向的阈值电流的大小。
可以通过向包括所述磁隧道结的第一单元10210和第二单元10220施加电压，使得改变包括所述磁隧道结的单元的磁化方向的阈值电流值改变。
另外，根据施加到所述第二输入端子的电压，由第一单元的控制层10213控制的所述自由磁层10211和绝缘层10212界面的电平与由所述第二单元的控制层10223控制的所述自由磁层10221和绝缘层10222界面的电平不同，根据由每个所述控制层不同地控制的电平，使得所述第一单元和第二单元的阈值电流值不同地被控制，根据所述第一单元和第二单元中的每一个的自由磁层的磁化方向，从所述输出端子输出的输出值电平可以被控制。
优选地，包括所述磁隧道结的第一单元的控制层10213可以是过氧化控制层，包括所述磁隧道结的第二单元的控制层10223可以是低氧化控制层。或者，包括所述磁隧道结的第一单元的控制层10213可以是低氧化控制层，包括所述磁隧道结的第二单元的控制层10223可以是过氧化控制层。在上述情况下，包括所述磁隧道结的第一单元和第二单元可以被控制为对于施加到第二输入端子的正电压或负电压的动作彼此不同。
所述输出端子可以输出由通过了所述第一输入端子和第一单元的电流生成的值与由通过了所述第一输入端子和第二单元的电流生成的值相加的输出值。所述输出端子可以是连接于所述固定磁层的电极，并且可以起到能够通过读线等来传递所述输出值的作用。
由通过了所述第一输入端子和第一单元的电流生成的值与由通过了所述第一输入端子和第二单元的电流生成的值相加的输出值可以是隧道磁阻(输出端子，TunnelMagnetoresistance)或反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压。
当电流通过所述第一输入端子和第一单元时，当所述第一单元的自由磁层和固定磁层的磁化方向处于平行状态时，可以输出相同的第一电平的输出值，所述第一电平的输出值可以是高的电流值或低的电阻值。当电流通过所述第一输入端子和第一单元时，当所述第一单元的自由磁层和固定磁层的磁化方向处于非平行状态时，可以输出相同的第二电平的输出值，所述第二电平的输出值可以是低的电流值或高的电阻值。
根据输入到所述第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值可以区分为数字0或数字1。
本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件对电压的磁化反转的极性彼此不同，因此可以用作与现有的互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary metal oxide semiconductor)起到相似作用的器件。
在本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件10000中，当施加到第二输入端子的电压为正电压时，例如，只能实现第一单元的磁化反转，当施加到第二输入端子的电压为负电压时，例如，只能实现第二单元的磁化反转。所述第二输入端子可以通过同时施加到所述第一单元和第二单元的公共电极来施加电压，从而所述第一单元和第二单元中的至少一个单元的自由磁层的磁化方向可以是第一方向，至少一个单元的单元的自由磁层的磁化方向可以是第一方向。
为了使所述第一单元或第二单元的磁化方向初始化，当施加超过所述第一单元或第二单元的阈值电流的电流时，可以使磁化方向初始化为第一方向或第二方向。
当所述第一单元或第二单元的自由磁层的磁化方向为第一方向或上方向时，所述第一单元或第二单元的固定磁层的磁化方向可以是与所述自由磁层的磁化方向反平行(Anti-parallel)的第一方向，由此可以显示出高的电阻值或高的隧道磁阻(TMR,TunnelMagnetoresistance)数值。当所述第一单元或第二单元的自由磁层的磁化方向为第二方向或下方向时，所述第一单元或第二单元的固定磁层的磁化方向可以是与所述自由磁层的磁化方向相同的方向即第二方向，此时，自由磁层和固定磁层的磁化方向可以处于平行(Parallel)状态，由此可以显示出低的电阻值或低的隧道磁阻(TMR,TunnelMagnetoresistance)数值。
图32是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件10000中的反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
在图32中，以基板(氧化的硅)-第一电极(Ta(5nm))/自由磁层(Co32Fe48B20(CoFeB，1nm)/绝缘层(MgO，1.6nm)/控制层(AlOx)的结构来制造半导体器件，并且在所述控制层上沉积钌作为第二电极来形成。此时，所述第一单元的控制层的氧化时间设置为25秒，从而准备了n-型相似单元，所述第二单元的控制层的氧化时间设置为125秒，从而准备了p-型相似单元。
图33是示出图32的半导体器件的第一输入端子和第二输入端子的输入值、以及据此在第一单元和第二单元的输出端子测量的值的图。
参照图33，初始磁化状态初始化为上方向，从而所述第一单元和第二单元的标准化的反常霍尔电阻(normalized anomalous Hall resistance)分别测量为+2W。接着，向第二输入端子施加+24V的电压，并向第一输入端子依次施加±12mA的电流。此时，n-型相似单元磁化反转为下-上，而p-型相似单元没有改变。与此相反，向第二输入端子施加-24V的电压，可以通过施加到第一输入端子的电流，选择性地仅使p-型相似单元磁化反转。
另外，当向第一输入端子施加了大于14mA的电流时，可以同时控制第一单元和第二单元，而与施加到第一输入端子的电压无关。
由此可以看出，在本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin OrbitTorque)效应的半导体器件中，当向第二输入端子施加正电压时，可以选择性地仅控制n-型相似单元，当向第二输入端子施加负电压时，可以选择性地仅控制p-型相似单元。
另外，当向所述第一输入端子施加电流并且向所述第二输入端子施加电压时，所述输出端子可以输出以下输出值电平。
(a)当第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向为第一方向时，输出第一电平；
(b)当第一单元的自由磁层的磁化方向为第一方向，并且第二单元的自由磁层的磁化方向为第二方向时，输出第二电平；
(c)当第一单元的自由磁层的磁化方向为第二方向，并且第二单元的自由磁层的磁化方向为第一方向时，输出第二电平；以及
(d)当第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向为第二方向时，输出第三电平。
参照图33，当第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向处于向第一方向、即向上(Up)磁化反转的状态时，可以从所述输出端子输出第一电平，当第一单元和第二单元的自由磁层的至少一个磁化方向为第一方向，并且第一单元和第二单元的自由磁层的至少一个磁化方向为第二方向时，可以从所述输出端子输出第二电平，当第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向处于向第二方向、即向下(Down)磁化反转的状态时，可以从所述输出端子输出第三电平。
图34是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件11000的图。
参照图34，本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件11000包括：输入电路，向包括第一位置和第二位置的第一电极11100施加电流；第一单元11210和第二单元11220，配置在所述第一电极11100的第一位置和第二位置之间，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；第一输入端子，向所述第一单元的自由磁层11211和固定磁层11214之间施加电压；第二输入端子，向所述第二单元的自由磁层11221和固定磁层11224之间施加电压；以及输出端子，输出由通过了所述第一电极11100和第一单元11210的电流生成的值与由通过了所述第一电极11100和第二单元11220的电流生成的值相加的输出值，当所述输入电路向所述第一电极施加电流时，根据输入到所述第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
所述第一电极、绝缘层、控制层、自由磁层和固定磁层可以与上述第一电极、绝缘层、控制层、自由磁层和固定磁层的相关内容和相同。
所述输入电路可以向包括第一位置和第二位置的第一电极11100施加电流，并且可以控制施加的电流的大小。
即使通过所述输入电路向包括第一位置和第二位置的第一电极11100施加电流，也没有流过足以改变所述自由磁层的磁特性的电流时，所述自由磁层的磁特性也不会改变。只有当通过所述输入电路使足以改变所述自由磁层的磁特性的电流流过包括第一位置和第二位置的第一电极时，所述自由磁层的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层的阈值电流。即，所述输入电路可以通过使阈值电流以上的电流流过包括第一位置和第二位置的第一电极来改变所述自由磁层的电特性或磁特性。
还可以包括用于控制施加到所述输入电路的电流的电流控制开关。所述电流控制开关可以包括通常用于在半导体中控制电流流动的开关结构。
图35是示出包括输入电路的本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:SpinOrbit Torque)效应的半导体器件的图。
参照图35，所述输入电路可以向所述第一电极11100中隔着所述第一单元11210和第二单元11220配置的第一位置和第二位置之间施加电流，并且可以具有经过写入块11610、源线3510、用于控制流过第一电极的电流的晶体管、第一单元11210、第二单元11220和写入线11520重新回到写入块11610的路径。
所述写入块11610可以控制源线11510和写入线11520，所述开关11620可以控制第一位线11531、第二位线11532和第三位线11533，所述第一位线11531可以控制用于控制流过第一电极的电流的晶体管，所述第二位线11532可以控制用于控制所述第一单元的电压的晶体管，所述第三位线11533可以控制用于控制所述第二单元的电压的晶体管。
所述源极放大器11630可以放大并识别从所述读线11541、11542输出的第一单元和第二单元的输出值。
包括所述磁隧道结的第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向可以根据施加到所述输入电路的电流的大小而改变，包括所述磁隧道结的第一单元和第二单元的改变磁化方向的阈值电流可以彼此不同。
所述第一输入端子可以向所述第一单元11210的自由磁层11211和固定磁层11214之间施加电压，所述控制层11213可以根据施加到所述第一输入端子的电压来控制所述自由磁层11211和绝缘层11212界面的电平，并且在所述控制层11213控制所述电平时，所述第一单元11210的阈值电流值可以被控制。
本发明另一实施例的逻辑半导体器件11000还可以包括用于控制施加到所述第一输入端子的电压的电压控制开关。所述电压控制开关可以包括用于在半导体中控制电压的一般的开关结构，无特殊限制。
所述第一输入端子是用于向所述第一单元11210的自由磁层11211和固定磁层11214之间施加电压的结构，可以是所述固定磁层11214，也可以是连接于所述固定磁层的第二电极11300。
包括所述磁隧道结的单元包含电特性或磁特性可以根据由第一输入端子施加的电压而改变的材料和结构。所述电特性或磁特性可以是改变包括所述磁隧道结的单元的磁化方向的阈值电流的大小。
可以通过向包括所述磁隧道结的单元施加电压，来改变与包括所述磁隧道结的单元的磁化方向改变对应的阈值电流值。
另外，根据施加到所述第一输入端子的电压，由第一单元的控制层控制的所述自由磁层和绝缘层界面的电平不同，根据每个所述控制层不同地控制的电平，使得所述第一单元的阈值电流值不同地被控制，根据所述第一单元的自由磁层的磁化方向，从所述输出端子输出的输出值电平可以被控制。
包括所述磁隧道结的第一单元的控制层可以是正常控制层、过氧化控制层和低氧化控制层中的至少一种。
所述第二输入端子可以向所述第二单元11220的自由磁层11221和固定磁层11224之间施加电压，所述控制层11223可以根据施加到所述第二输入端子的电压来控制所述自由磁层11221和绝缘层11222界面的电平，并且所述第二单元11220的阈值电流值可以根据所述控制层11223控制所述电平而被控制。
本发明另一实施例的逻辑半导体器件还可以包括用于控制施加到所述第二输入端子的电压的电压控制开关。所述电压控制开关可以包括用于在半导体中控制电压的一般的开关结构，无特殊限制。
所述第二输入端子是用于向所述第二单元11220的自由磁层11221和固定磁层11224之间施加电压的结构，可以是所述固定磁层11224，也可以是连接于所述固定磁层的第二电极11300。
包括所述磁隧道结的单元包含电特性或磁特性可以根据由第二输入端子施加的电压而改变的材料和结构。所述电特性或磁特性可以是改变包括所述磁隧道结的单元的磁化方向的阈值电流的大小。
可以通过向包括所述磁隧道结的单元施加电压，来改变与包括所述磁隧道结的单元的磁化方向改变对应的阈值电流值。
另外，根据施加到所述第二输入端子的电压，由第二单元的控制层控制的所述自由磁层和绝缘层界面的电平不同，根据每个所述控制层不同地控制的电平，所述第二单元的阈值电流值不同地被控制，根据所述第二单元的自由磁层的磁化方向，从所述输出端子输出的输出值电平可以被控制。
包括所述磁隧道结的第二单元的控制层可以是正常控制层、过氧化控制层和低氧化控制层中的至少一种。
所述输出端子可以输出由通过了所述第一电极和第一单元的电流生成的值与由通过了所述第一电极和第二单元的电流生成的值相加的输出值。
另外，根据施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压，可以控制由所述第一单元和第二单元的控制层控制的所述自由磁层和绝缘层界面的电平，根据由所述控制层控制的电平，可以控制所述第一单元和第二单元的阈值电流值。
图36是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE：Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
在图36中，以基板(氧化的硅)-第一电极(Ta(5nm))/自由磁层(Co32Fe48B20(CoFeB，1nm)/绝缘层(MgO，1.6nm)/控制层(AlOx)的结构来制造半导体器件，并且在所述控制层上沉积钌作为第二电极来形成。此时，将所述第一单元和第二单元的控制层的氧化时间设置为125秒，从而将第一单元和第二单元均准备为p-型相似单元。
图37和图38是示出图36的半导体器件的第一单元和第二单元的反常霍尔效应和磁化反转的图。
参照图37和图38可以看出，在向所述第一输入端子和第二输入端子分别施加+24V的状态下，当向输入电路施加14.5±0.5mA的电流时发生磁化反转，在向所述第一输入端子和第二输入端子分别施加-24V的状态下，当向输入电路施加12.5±0.5mA的电流时发生磁化反转。另外，参照图36可以看出，所述第一单元和第二单元是p-型相似单元，当从第一输入端子和第二输入端子施加的电压为负时，阈值电流的绝对值更小。
另外，当所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向为第一方向，所述输入电路施加电流，并且向所述第一输入端子和第二输入端子施加电压时，所述输出端子输出以下输出值的电平，从而作为AND或OR门工作。
(a)当施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压为第一电平时，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向保持在第一方向，所述输出端子输出第一电平的输出值；
(b)当施加到所述第一输入端子的电压为第一电平，并且施加到第二输入端子的电压为第二电平时，所述第一单元的自由磁层的磁化方向保持在第一方向，并且所述第二单元的自由磁层的磁化方向变为第二方向，所述输出端子输出第二电平的输出值；
(c)当施加到所述第一输入端子的电压为第二电平，并且施加到第二输入端子的电压为第一电平时，所述第一单元的自由磁层的磁化方向变为第二方向，并且所述第二单元的自由磁层的磁化方向保持在第一方向，所述输出端子输出第二电平的输出值；以及
(d)当施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压为第二电平时，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向变为第二方向，所述输出端子输出第三电平的输出值。
图39是示出图36的半导体器件的第一输入端子和第二输入端子的输入值、以及根据由输入电路施加的电流在第一单元和第二单元的输出端子测量的值的图。
参照图39，当初始磁化状态为上方向时，由于第一单元或第二单元为p-型相似单元，因此所述第一单元或第二单元的磁化或标准化的反常霍尔电阻只有在施加到所述第一输入端子或第二输入端子的电压为-24V时才会改变。
为了说明AND门或OR门逻辑驱动(logic operation)，标准(reference)定义如下。
Rref,UP＝(Rxy,1st+Rxy,2nd)/2＝+2W
Rref,DOWN＝(Rxy,1st+Rxy,2nd)/2＝-2W
参照图39和上述Rref值，导出了下述根据第一输入端子和第二输入端子的输入值来确定输出值的表1的真值表(truth table)。下述表1的真值表是使第一单元和第二单元的磁化方向每次初始化方向，且施加到输入电路的电流为-12mA时的非常有限的情况的真值表。
【表1】
参照表1，当以Rref,UP为基准时，只有当向第一输入端子和第二输入端子施加+24V(第二电平)时，输出值(Routput或Rxy,1st+Rxy,2nd)才会大于Rref,UP，当以Rref,DOWN为基准时，只有当向第一输入端子和第二输入端子施加-24V(第一电平)时，输出值(Routput或Rxy,1st+Rxy,2nd)才会小于Rref,DOWN。
因此，当采用Rref,UP作为参考值时，可以作为AND门工作，当所述输出端子输出第一电平或第二电平的值时，可以区分为数字0，当所述输出端子输出第三电平的值时，可以区分为数字1。即，当第一输入端子和第二输入端子的输入值相同均为第二电平时，可以区分为数字1。
因此，当采用Rref,DOWN时，可以作为OR门工作，当所述输出端子输出第一电平值时，可以区分为数字0，当所述输出端子输出第二电平或第三电平的值时，可以区分为数字1。即，当第一输入端子和第二输入端子的输入值中的至少一种为第二电平时，可以区分为数字1。
另外，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向为第二方向，当所述输入电路施加电流，并且向所述第一输入端子和第二输入端子施加电压时，所述输出端子可以用作输出以下输出值电平的NAND或NOR门。
(a)当施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压为第一电平时，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向变为第一方向，所述输出端输出第一电平的输出值；
(b)当施加到所述第一输入端子的电压为第一电平，并且施加到第二输入端子的电压为第二电平时，所述第一单元的自由磁层的磁化方向变为第一方向，并且所述第二单元的自由磁层的磁化方向保持在第二方向，所述输出端输出第二电平的输出值；
(c)当施加到所述第一输入端子的电压为第二电平，并且施加到第二输入端子的电压为第一电平时，所述第一单元的自由磁层的磁化方向保持在第二方向，并且所述第二单元的自由磁层的磁化方向变为第一方向，所述输出端输出第二电平的输出值；以及
(d)当施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压为第二电平时，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向保持在第二方向，所述输出端输出第三电平的输出值。
图40是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件中的反常霍尔效应(AHE:Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
在图40中，以基板(氧化的硅)-第一电极(Ta(5nm))/自由磁层(Co32Fe48B20(CoFeB，1nm)/绝缘层(MgO，1.6nm)/控制层(AlOx)的结构来制造半导体器件，并且在所述控制层上沉积钌作为第二电极来形成。此时，所述第一单元和第二单元的控制层的氧化时间设置为25秒，从而将第一单元和第二单元均准备为n-型相似单元。
当图40的第一单元和第二单元均为n-型相似单元时，关于电压的极性的磁化方向与前面的结果相反，可以导出真值表如下表2所示。
【表2】
参照表2，当以Rref,UP为基准时，只有当向第一输入端子和第二输入端子施加负电压(第一电平)时，输出值(Routput或Rxy,1st+Rxy,2nd)才会大于Rref,UP，当以Rref,DOWN为基准时，只有当向第一输入端子和第二输入端子施加正电压(第二电平)时，输出值(Routput或Rxy,1st+Rxy,2nd)才会小于Rref,DOWN。
因此，当采用Rref,UP作为参考值时，可以作为NAND门工作，当所述输出端子输出第二电平或第三电平的值时，可以区分为数字0，当所述输出端子输出第一电平的值时，可以区分为数字1。即，只有当施加到第一输入端子和第二输入端子的电压为第一电平时，才可以区分为数字1。
因此，当采用Rref,DOWN时，可以作为NOR门工作，当所述输出端子输出第一电平或第二电平的值时，可以区分为数字1，当所述输出端子输出第三电平值时，可以区分为数字0。即，只有当施加到第一输入端子和第二输入端子的电压为第二电平时，才可以区分为数字0。
图41是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件12000的图。
参照图41，本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件12000包括：第一输入端子，向包括第一位置和第二位置的第一电极12100施加电流；单元12210，配置在所述第一电极12100的第一位置和第二位置之间并且包括磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)，所述磁隧道结包括配置在所述第一电极上的自由磁层12211、配置在所述自由磁层12211上的绝缘层12212、配置在所述绝缘层12212上的控制层12213、以及配置在所述控制层12213上的固定磁层12214；第二输入端子，向所述单元12210的自由磁层12211和固定磁层12214之间施加电压；以及输出端子，输出由通过了所述第一电极12100和单元12210的电流生成的值，根据输入到第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
所述第一电极、绝缘层、控制层、自由磁层和固定磁层可以与上述第一电极、绝缘层、控制层、自由磁层和固定磁层的相关内容相同。
所述第一输入端子可以向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，并且可以控制施加的电流的大小。
即使通过所述第一输入端子向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，也没有流过足以改变所述自由磁层的磁特性的电流时，所述自由磁层的磁特性也不会改变。只有当足以改变所述自由磁层的磁特性的电流通过所述第一输入端子流过包括第一位置和第二位置的第一电极时，所述自由磁层的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层的阈值电流。即，所述第一输入端子可以通过使阈值电流以上的电流流过包括第一位置和第二位置的第一电极来改变所述自由磁层的电特性或磁特性。
还可以包括用于控制施加到所述第一输入端子的电流的电流控制开关。所述第一输入端子可以是连接于第一电极的一端的电极，所述电流控制开关可以包括通常用于在半导体中控制电流流动的开关结构。
包括所述磁隧道结的单元12210的自由磁层的磁化方向可以根据施加到所述第一输入端子的电流的大小而改变。
第二输入端子可以向所述单元12210的自由磁层12211和固定磁层12214之间施加电压，所述控制层12213可以根据施加到所述第二输入端子的电压来控制所述自由磁层12211和绝缘层12212界面的电平，并且所述单元的阈值电流值可以根据所述控制层控制所述电平而被控制。
所述输出端子可以输出由通过了所述第一电极和单元的电流生成的值。
根据输入到第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值可以区分为数字0或数字1。
图42是用于说明本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件12000中的反常霍尔效应(AHE:Anomalous Hall Effect)电压测量的图。
在图42中，以基板(氧化的硅)-第一电极(Ta(5nm))/自由磁层(Co32Fe48B20(CoFeB，1nm)/绝缘层(MgO，1.6nm)/控制层(AlOx)的结构来制造半导体器件，并且在所述控制层上沉积钌作为第二电极来形成。此时，所述单元的控制层的氧化时间设置为125秒，从而准备了p-型相似单元。
图43是示出图42的半导体器件的单元的反常霍尔效应和磁化反转的图。
参照图43可以看出，所述单元是p-型相似单元，当向所述第二输入端子施加正电压时，阈值电流绝对值更大。
另外，当根据施加到所述第一输入端子和第二输入端子的输入，所述输出端子输出以下输出值的电平时，可以作为OR门工作。
(a)当向所述第一输入端子施加第一电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第一电平的电压时，所述单元的自由磁层的磁化方向保持或变为第一方向，并且所述输出端输出第一电平的输出值；
(b)当向所述第一输入端子施加第一电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第二电平的电压时，所述单元的自由磁层的磁化方向保持或变为第一方向，并且所述输出端输出第一电平的输出值；
(c)当向所述第一输入端子施加第二电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第一电平的电压时，所述单元的自由磁层的磁化方向保持或变为第一方向，并且所述输出端输出第一电平的输出值；以及
(d)当向所述第一输入端子施加第二电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第二电平的电压时，所述单元的自由磁层的磁化方向保持或变为第二方向，并且所述输出端输出第二电平的输出值。
图44是示出根据图42的半导体器件的第一输入端子和第二输入端子的输入值而在输出端子测量的值的图。
参照图44可以看出，在所述单元中，当向第二输入端子施加±24V，并且向第一输入端子施加±13mA时，只有当向第二输入端子施加负电压时，所述单元的磁化状态或反常霍尔电阻才会反转。
参照图44，导出了下述表3的真值表。
【表3】
当根据施加到所述第一输入端子和第二输入端子的输入，所述输出端子输出以下输出值的电平时，可以作为OR门工作，只有当向所述第一输入端子施加第一电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第一电平的电压时，才可以区分为数字0。当向所述第一输入端子施加第一电平的电流或者向所述第二输入端子施加第一电平的电压时，可以区分为数字1。
图45是示出本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件13000的图。
参照图45，本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的逻辑半导体器件包括：第一输入端子，向第一电极13100施加电流；第一单元13210，配置在所述第一电极13100，并且包括隔着绝缘层13212和控制层13213接合的结构配置有自由磁层13211和固定磁层13214的磁隧道结(MTJ:magnetic Tunnel Junction)；第一电压门，向所述第一单元13210的自由磁层13211和固定磁层13214之间施加电压；第二单元13220，配置在被施加通过了所述第一单元的电流的第二电极13300上，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结(MTJ:magnetic TunnelJunction)；第二电压门，向所述第二单元的自由磁层13220和固定磁层13220之间施加电压；输出端子，输出通过所述第二单元输出的输出值；输入电路，从所述第一输入端子施加的电流沿第一电极13220、第一单元和第二电极13300流动；以及输出电路，从所述第一输入端子施加的电流沿第一电极、第一单元和第二单元流动。
所述第一电极、绝缘层、控制层、自由磁层和固定磁层可以与上述第一电极、绝缘层、控制层、自由磁层和固定磁层的相关内容相同。
所述第一输入端子可以向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，并且可以控制施加的电流的大小。
即使通过所述第一输入端子向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流，也没有流过足以改变所述自由磁层的磁特性的电流时，所述自由磁层的磁特性特也不会改变。只有当足以改变所述自由磁层的磁特性的电流通过所述输入电路流过包括第一位置和第二位置的第一电极时，所述自由磁层的磁特性才会改变，此时的电流值可以称为自由磁层的阈值电流。即，所述输入电路可以通过使阈值电流以上的电流流过包括第一位置和第二位置的第一电极来改变所述自由磁层的电特性或磁特性。
还可以包括用于控制施加到所述第一输入端子的电流的电流控制开关。所述第一输入端子可以是连接于第一电极的一端的电极，所述电流控制开关可以包括通常用于在半导体中控制电流流动的开关结构。
所述第一电压门可以向所述第一单元13210的自由磁层13211和固定磁层13214之间施加电压。
所述第二电压门可以向所述第二单元13220的自由磁层13221和固定磁层13224之间施加电压。
所述输出端子可以输出通过所述第二单元输出的输出值。
图46是示出包括输入电路和输出电路的本发明另一实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件的图。
参照图46，在所述输入电路中，从所述第一输入端子施加的电流可以沿第一电极、第一单元和第二电极流动，
所述输入电路经过写入块、源线、用于控制流过第一电极的电流的晶体管、第一单元和写入线，可以是用于控制第二电极、第一单元的晶体管的路径。
参照图46，在所述输入电路中，从所述第一输入端子施加的电流可以沿第一电极13100、第一单元13210和第二电极13400流动，所述输入电路经过写入块13610、源线13510、用于控制流过第一电极13100的电流的晶体管、第一单元13210和写入线13520，可以是用于控制第二电极13400、第一单元13210的晶体管的路径。
参照图46，在所述输出电路中，从所述第一输入端子施加的电流可以沿第一电极13100、第一单元13210和第二单元13220流动，所述输出电路可以具有经过写入块13610、源线13510、第一电极13100、第一单元13210、第二电极13400、第二单元13220和读线13540并通过源极放大器13630输出的路径。
所述写入块13610可以控制源线13510和写入线13520，所述开关13620可以控制第一位线13531，第二位线13532和第三位线13533，所述第一位线13531可以控制用于控制流过第一电极的电流的晶体管，所述第二位线13532可以控制用于控制所述第一单元的电压的晶体管，所述第三位线13533可以控制用于控制所述第二单元的电压的晶体管。
所述源极放大器13630可以放大并识别从所述读线13540输出的第一单元和第二单元的输出值。
在所述第一单元中，根据由所述第一电压门施加的电压，沿所述输入电路施加到所述第二电极的电流的电平可以根据所述第一单元的磁化方向而改变。
所述第二单元的自由磁层的磁化方向可以由根据所述第一单元的自由磁层的磁化方向控制的所述第二电极的面内电流、以及由所述第二电压门施加的电压的电平来控制。
本发明不限于上述实施方式和附图，而是旨在受所附权利要求书的限制。因此，在不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的技术思想的范围内，本领域技术人员能够进行各种替换、变形和改变，并且认为其包含在本发明的范围内。
工业实用性
本发明实施例的基于自旋轨道矩(SOT:Spin Orbit Torque)效应的半导体器件具有信息的存储、识别和传输速度快且功耗低的优点，并且能够实现高度集成化，从而能够带来提高半导体器件的性能以及降低制造成本的效果。另外，在制造后改变各个单元的磁化特性，从而能够应用于各种领域，并且能够实现AND、OR、NAND、NOR等逻辑门。
Claims (13)
1.一种基于自旋轨道矩效应的半导体器件，其中，
包括：
第一电极；
单元，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结，所述控制层包括氧化物而形成；以及
控制电压门，向所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，
所述控制层通过施加到所述控制电压门的电压来控制所述自由磁层和绝缘层界面的电平，并且所述单元的阈值电流值根据所述控制层控制所述电平而被控制。
2.一种基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
包括：
第一输入端子，向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流；
第一单元和第二单元，配置在所述第一电极的第一位置和第二位置之间，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结，所述控制层包括氧化物而形成；
输出端子，输出由通过了所述第一输入端子和第一单元的电流生成的值与由通过了所述第一输入端子和第二单元的电流生成的值相加的输出值；以及
第二输入端子，向所述第一单元和第二单元的所述自由磁层和固定磁层之间施加电压，
根据输入到所述第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
3.根据权利要求2所述的基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
根据施加到所述第二输入端子的电压，由第一单元的控制层控制的所述自由磁层和绝缘层界面的电平与由所述第二单元的控制层控制的所述自由磁层和绝缘层界面的电平不同，根据每个所述控制层不同地控制的电平，所述第一单元和第二单元的阈值电流值不同地被控制，
根据所述第一单元和第二单元中的每一个的自由磁层的磁化方向，从所述输出端子输出的输出值电平被控制。
4.根据权利要求2所述的基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
当对所述第一输入端子施加电流并且对所述第二输入端子施加电压时，所述输出端子输出以下输出值的电平：
(a)当第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向为第一方向时，输出第一电平；
(b)当第一单元的自由磁层的磁化方向为第一方向，并且第二单元的自由磁层的磁化方向为第二方向时，输出第二电平；
(c)当第一单元的自由磁层的磁化方向为第二方向，并且第二单元的自由磁层的磁化方向为第一方向时，输出第二电平；以及
(d)当第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向为第二方向时，输出第三电平。
5.一种基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
包括：
输入电路，向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流；
第一单元和第二单元，配置在所述第一电极的第一位置和第二位置之间，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结，所述控制层包括氧化物而形成；以及
第一输入端子，向所述第一单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；
第二输入端子，向所述第二单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；以及
输出端子，输出由通过了所述第一电极和第一单元的电流生成的值与由通过了所述第一电极和第二单元的电流生成的值相加的输出值，
当所述输入电路向所述第一电极施加电流时，根据输入到所述第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
6.根据权利要求5所述的基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
根据施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压，来控制所述第一单元和第二单元的控制层控制的所述自由磁层和绝缘层界面的电平，根据由所述控制层控制的电平，来控制所述第一单元和第二单元的阈值电流值。
7.根据权利要求5所述的基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
当所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向为第一方向，所述输入电路施加电流，并且向所述第一输入端子和第二输入端子施加电压时，所述输出端子输出以下输出值的电平，从而作为AND或OR门工作，
(a)当施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压为第一电平时，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向保持在第一方向，所述输出端子输出第一电平的输出值；
(b)当施加到所述第一输入端子的电压为第一电平，并且施加到第二输入端子的电压为第二电平时，所述第一单元的自由磁层的磁化方向保持在第一方向，并且所述第二单元的自由磁层的磁化方向变为第二方向，所述输出端子输出第二电平的输出值；
(c)当施加到所述第一输入端子的电压为第二电平，并且施加到第二输入端子的电压为第一电平时，所述第一单元的自由磁层的磁化方向变为第二方向，并且所述第二单元的自由磁层的磁化方向保持在第一方向，所述输出端子输出第二电平的输出值；以及
(d)施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压为第二电平时，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向变为第二方向，所述输出端子输出第三电平的输出值。
8.根据权利要求5所述的基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
当所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向为第二方向，所述输入电路施加电流，并且向所述第一输入端子和第二输入端子施加电压时，作为所述输出端子输出以下输出值的电平的NAND或NOR门工作，
(a)当施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压为第一电平时，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向变为第一方向，所述输出端输出第一电平的输出值；
(b)当施加到所述第一输入端子的电压为第一电平，并且施加到第二输入端子的电压为第二电平时，所述第一单元的自由磁层的磁化方向变为第一方向，并且所述第二单元的自由磁层的磁化方向保持在第二方向，所述输出端输出第二电平的输出值；
(c)当施加到所述第一输入端子的电压为第二电平，并且施加到第二输入端子的电压为第一电平时，所述第一单元的自由磁层的磁化方向保持在第二方向，并且所述第二单元的自由磁层的磁化方向变为第一方向，所述输出端输出第二电平的输出值；以及
(d)当施加到所述第一输入端子和第二输入端子的电压为第二电平时，所述第一单元和第二单元的自由磁层的磁化方向保持在第二方向，所述输出端输出第三电平的输出值。
9.一种基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
包括：
第一输入端子，向包括第一位置和第二位置的第一电极施加电流；
单元，配置在所述第一电极的第一位置和第二位置之间，并且包括磁隧道结，所述磁隧道结包括配置在所述第一电极上的自由磁层、配置在所述自由磁层上的绝缘层、配置在所述绝缘层上且包括氧化物而形成的控制层、以及配置在所述控制层上的固定磁层；
第二输入端子，向所述单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；以及
输出端子，输出由通过了所述第一电极和单元的电流生成的值，
根据输入到第一输入端子和第二输入端子的输入值的电平，所述输出端子输出的输出值区分为数字0或数字1。
10.根据权利要求9所述的基于自旋轨道矩效应的逻辑半导体器件，其中，
当根据施加到所述第一输入端子和第二输入端子的输入，所述输出端子输出以下输出值的电平时，作为OR门工作，
(a)当向所述第一输入端子施加第一电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第一电平的电压时，所述单元的自由磁层的磁化方向保持或变为第一方向，并且所述输出端输出第一电平的输出值；
(b)当向所述第一输入端子施加第一电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第二电平的电压时，所述单元的自由磁层的磁化方向保持或变为第一方向，并且所述输出端输出第一电平的输出值；
(c)当向所述第一输入端子施加第二电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第一电平的电压时，所述单元的自由磁层的磁化方向保持或变为第一方向，并且所述输出端输出第一电平的输出值；以及
(d)当向所述第一输入端子施加第二电平的电流，并且向所述第二输入端子施加第二电平的电压时，所述单元的自由磁层的磁化方向保持或变为第二方向，并且所述输出端输出第二电平的输出值。
11.一种基于自旋轨道矩效应的半导体器件，其中，
包括：
第一输入端子，向第一电极施加电流；
第一单元，配置在所述第一电极上，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结；
第一电压门，向所述第一单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；
第二单元，配置在被施加通过了所述第一单元的电流的第二电极上，并且包括隔着绝缘层和控制层相接合的结构配置有自由磁层和固定磁层的磁隧道结；
第二电压门，向所述第二单元的自由磁层和固定磁层之间施加电压；
输出端子，输出通过所述第二单元输出的输出值；
输入电路，从所述第一输入端子施加的电流沿第一电极、第一单元和第二电极流动；以及
输出电路，从所述第一输入端子施加的电流沿第一电极、第一单元和第二单元流动，
所述控制层包括氧化物而形成。
12.根据权利要求11所述的基于自旋轨道矩效应的半导体器件，其中，
在所述第一单元中，根据由所述第一电压门施加的电压，控制沿所述输入电路施加到所述第二电极的电流的电平。
13.根据权利要求11所述的基于自旋轨道矩效应的半导体器件，其中，
所述第二单元的自由磁层的磁化方向由根据所述第一单元的自由磁层的磁化方向控制的所述第二电极的面内电流、以及由所述第二电压门施加的电压的电平控制。
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