KR20130095753A - 자성 소자，및 상기 자성 소자로부터의 판독과 상기 자성 소자로의 기입 방법 - Google Patents

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KR20130095753A
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버나드 디에니
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 고정된 자화 방향을 가진 기준 층(2), 가변적인 자화 방향을 가진 저장 층(3)을 포함하는 자성 소자에 관한 것이다. 기입 모드에서, 저장 층(3)의 자화 방향은 상기 저장 층의 "1" 또는 "0"을 저장하도록 변화된다. 판독 모드에서, 자성 소자의 저항은 저장 층(3)에 저장된 것을 알도록 측정된다. 자성 소자는 특히, 가변적인 자화 방향을 가진 제어 층(4)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 제어 층(4)의 자화 방향은 저장 층(3)에 기입하는 것이 필요한 경우에 스핀 전달 토크의 유효성을 증가시키고, 저장 층(3)에 포함된 정보를 판독하는 것이 필요한 경우에 스핀 전달 토크의 유효성을 감소시키되, 상기 정보를 변형시킴 없이 감소시키도록 제어된다.

Description

자성 소자，및 상기 자성 소자로부터의 판독과 상기 자성 소자로의 기입 방법{MAGNETIC DEVICE, AND METHOD FOR READING FROM AND WRITING TO SAID DEVICE}
본 발명은 자성 소자(magnetic device), 및 상기와 같은 자성 소자로부터의 판독과 상기와 같은 자성 소자로의 기입 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전자 부품을 사용하는 데에서 발견되며, 특히 메모리 셀 및 MRAM 유형의 메모리("Magnetic Random Access Memory")를 구현하여 사용될 시에 발견된다.
주변 온도에서 강한 자기 저항을 나타내는 자기 터널 접합을 이용할 수 있는MRAM 자성 메모리들이 새로운 관심사로 대두되어 왔다. MRAM 메모리들은 복수의 메모리 셀들을 포함한다. 이러한 메모리 셀들은 일반적으로:
- 고정된 자화 방향을 가지며, "기준 층(reference layer)"이라 하는 자성 층;
- 가변 자화 반향을 가지며, "저장 층(storage layer)"이라 하는 자성 층으로서, 상기 저장 층의 자화는 상기 기준 층의 자화 방향에 평행 또는 역 평행으로 배향될 수 있는 자성 층;
- 상기 기준 층 및 상기 저장 층을 분리시키는 절연 층 또는 반도체 층을 포함하는 자성 소자이다.
문헌 FR2817999는 상기와 같은 자성 소자를 기술한다. 이러한 자성 소자는 2 개의 동작 모드를 가진다: "판독(read)" 모드 및 "기입(write)" 모드. 기입 모드 동안, 임계 전압보다 큰 기입 전압(write voltage)을 갖는 전류는 전류가 일측 방향 또는 타측 방향(opposite direction)으로 층들을 통과하도록, 층들을 통하여 흐른다. 이러한 전류는 저장 층의 자화 방향의 뒤바뀜을 만들어 내고, 그 후, 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행을 하게 된다. 저장 층의 자화 방향이 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행(anti-parallel)인지의 여부에 따라서, "1" 또는 "0"이 저장 층에 저장된다.
판독 모드 동안, 또 다른 전류가 소자를 통하여 주입된다. 이러한 전류는 기입 전압보다 엄격하게 낮은 판독 전압을 가져야 한다. 이러한 전류는 자성 소자의 저항이 측정되도록 한다. 기준 층 및 저장 층의 자화 방향이 평행하게 될 시에, 접합 저항은 낮아지게 되는 반면, 기준 층 및 저장 층의 자화 방향이 역 평행하게 될 시에는, 접합 저항은 높아지게 된다. 기준 저항과 비교하여, 저장 층("0" 또는 "1")에 저장된 값이 판별될 수 있다.
문헌 FR2817999은 또한 비-자성 전도체 층에 의해 분리된 역 평행 자화들을 가진 2 개의 자성 층들로 구성된, 저장 층으로서의 삼중 층 적층의 사용을 제안한다.
그러나, 이러한 자성 소자는 다수의 결점을 가진다. 먼저, 이러한 소자는 항복 전압을 가지며, 이때 상기 항복 전압 이상에서는 상기 소자가 손상된다. 그러므로, 기입 모드 동안, 기입 전압은 항복 전압보다 낮게 유지되어야 한다.
게다가, 판독 전압은 판독 동안 저장 층의 자화 방향을 변화시키는 위험이 없도록, 기입 전압보다 매우 낮게 유지되어야 한다. 그러나, 판독 전압이 지나치게 낮게 사용될 수 없는데, 이는 그렇지 않으면 판독 속도가 감소되기 때문이다.
그러므로, 판독 대신에 기입의 위험을 없애기 위해서는 판독 속도가 지나치게 감소됨 없이는, 항복 전압 아래에 있고 서로 현저하게 다른 판독 및 기입 전압을 충분하게 선택하는 것이 힘들다.
문헌 FR2832542는 또한, 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction)을 가진 자성 소자, 및 이러한 소자를 사용한 판독 방법 및 기입 방법을 기술한다. 이러한 소자는 고정 방향의 자화를 가진 기준 층, 자화 방향이 가변적인 저장 층, 및 자화 방향이 고정되고 기준 층의 자화 방향과 역 평행을 하는 추가적인 편광 층(polarising layer)을 포함한다. 이러한 추가적인 편광 층은 기입하는 동안 저장 층 상에 스핀 전달을 강하도록 하는데, 이는 기준 층으로부터의 스핀 분극형 전자 전류(spin-polarised electron current)와, 추가적인 편광 층으로부터의 스핀 분극형 전자 전류가 조합되도록 하기 때문이다.
그러나, 문헌 FR2817999에서와 같이, 이러한 자성 소자는 판독하는 동안 우발적인 기입 위험을 가지는데, 이는 저장 층의 정보가 판독되도록 하는 전자 전류가 저장 층의 자화 방향을 고의로 변화시킬 수 있고, 이로써, 저장 층에 포함된 정보를 변화시킬 수도 있기 때문이다.
본 발명은 판독 시간에서 의도치 않은 기입 위험 없이 필적할 만한 판독 전압 및 기입 전압이 사용되도록 하는 자성 소자를 제안함으로써, 종래 기술의 결점을 적어도 부분적으로 극복하는 것에 그 목적을 둔다.
이로써, 본 발명의 목적은 기입 전압 및 판독 전압 분배를 분리시키는 문제점을 극복할 수 있는 자성 소자를 제공하는 것에 있다.
이를 위해, 본 발명의 제 1 양태에 따라 제공되는 자성 소자는:
- 고정된 자화 방향을 가지며, "기준 층"인 제 1 자성 층;
- 가변 자화 반향을 가지며, "저장 층"인 제 2 자성 층으로서, 상기 저장 층의 자화는 상기 기준 층의 자화에 평행 또는 역 평행으로 될 수 있는 제 2 자성 층;
- 상기 기준 층 및 상기 저장 층을 분리시키는 제 1 스페이서(spacer)를 포함하고,
상기 자성 소자는:
- 가변 자화 방향을 가진 "제어 층"인 제 3 자성 층으로서, 상기 제어 층의 자화는 상기 기준 층의 자화와 기본적으로 평행 또는 역 평행을 이룰 수 있는 제 3 자성 층;
- 저장 층 및 제어 층을 분리시키는 제 2 스페이서;
- 저장 층의 자화의 방향을 변화시키지 않고, 제어 층의 자화의 방향을 변화시킬 수 있는, 제어 층의 자화의 방향을 위한 제어 수단을 더 포함한다.
이로써, 본 발명은 제어 층의 배향을 통해서 판독과 기입 간의 스핀 전달의 유효성을 변화시킴으로써, 판독하는 동안 기입의 위험 없이, 필적할 만한 기입 전압 및 판독 전압이 사용되도록 한다. 이는 상대적으로 판독을 천천히 하는 매우 낮은 전압, 즉 0.1 V 미만인 전압으로 판독되는 것을 방지한다.
그러므로, 본 발명에 따른 자성 소자는 특히, 저장 층 및 기준 층으로부터 이격된 제어 층을 포함한다는 점에서 특히나 주목할 만하고, 그의 자화 방향은 가변된다. 이로써, 이러한 제어 층의 자화 방향은:
- 저장 층에 기입할 시에, 층들 및 저장 층을 통하여 주입된 전자 전류 간의 스핀 전달의 유효성을 증가시키거나, 또는
- 이러한 정보를 변화시키는 위험 없이, 저장 층에 포함된 정보만을 판독할 시에 스핀 전달의 유효성을 감소시키도록 선택될 수 있다.
이로써, 임의의 판독 또는 기입 이전에, 제어 층의 자화 방향은 스핀 전달의 유효성을 증가시키거나 이를 감소시키도록 선택될 것이다.
보다 구체적으로, 이로써, 본 발명에 따른 자성 소자는 다음 방식의 기능을 할 수 있다. 기입 모드에 있어서, 제어 층의 자화 방향은 스핀 전달을 촉진시키기 위해 선택된다. 스핀 전달의 유효성을 증가시키는 제어 층의 자화의 이러한 배향은 기준 층의 자화와 기본적으로 역 평행한다. 저장 층에 기입할 시에, 전자 전류는 층들과 수직을 이루는 층들을 통하여 흘러간다. 이러한 전자 전류는 일측 말단에서 타측 말단으로 소자를 통과한다. 다음 논의에서는 전자가 기준 층으로부터 저장 층을 순환한다고, 즉 전류가 저장 층으로부터 기준 층을 향하여 순환한다고 가정한다. 이러한 전자 전류가 고정 방향으로 자화되는 기준 층을 통과할 시에, 전자 스핀들은 기준 층을 구성하는 자성 물질의 전자 구조로 인한 기준 층의 자화에 따라 분극화될 수 있다. 이를 위해, 전자들은 분극화된 스핀을 가진 기준 층으로부터 드러날 것이다. 이러한 전자가 저장 층을 통과할 시에, 상기 전자는 저장 층의 자화 상에 스핀 전달 토크를 가할 것이고, 기준 층의 자기 모멘트와 평행하는 저장 층을 자화 정렬시키는 경향을 가질 것이다. 이로써, 기준 층은 전류의 이러한 방향에 대해 저장 층의 자화의 평행 정렬을 촉진시킬 것이다. 게다가, 기입 모드에 대해 제어 층의 자화 방향이 기준 층과 저장 층 간의 스핀 전달의 유효성을 증가시키도록 선택되기 때문에, 소수의 스핀 전자(즉, 제어 층의 자화와 반대인 스핀을 가짐)는 저장 층을 향하여 반사될 것이다. 제어 층의 자화에 역 평행하는 스핀을 가진, 즉 기준 층의 자화에 평행하는 스핀을 가진 이렇게 반사된 전자는 저장 층 및 기준 층의 자화의 평행 정렬을 촉진시키는 스핀 전달 토크도 가할 것이다. 이로써, 이해하는 바와 같이, 참조 층 및 저장 층의 자화의 역 평행 정렬은 스핀 전달의 유효성의 강화로부터 이익을 얻어낼 수 있고, 이로써, 저장층으로부터 전류에 의한 판독을 용이하게도 할 수 있다.
전류 방향이 이제 역행되는 경우, 제어 층으로부터 직접 이르는 전자 및 기준 층에 의해 반사된 전자에 의해 가해진 스핀 전달은 저장 층 및 기준 층의 자화의 역 평행 정렬을 촉진시키기 위해 결합될 것이다. 이로써, 전류 방향에 따라서, 평행 구성(구성은 기준 층의 자화 및 저장 층의 자화의 상대적인 정렬을 의미하는 것으로 이해하면 됨) 또는 역 평행 구성에 기입할 수 있을 것이다. 기입 경우에서, 이로써, 기준 층 및 제어 층은 저장 층의 자화 방향의 변화를 촉진시키기 위해 연동한다. 이로써, 기준 층으로 인한 스핀 전달 및 제어 층으로 인한 스핀 전달은 기입 모드를 위해 누적된다.
이로써, 제어 층은, 기준 층으로부터의 스핀 분극형 전자 전류로 인한 스핀 전달 토크와 제어 층으로부터의 스핀 분극형 전자 전류로 인한 스핀 전달 토크를 결합시키는 것이 기입 모드에서 가능하다. 이로써, 기입 전압은 종래 기술의 소자에서 사용되는 것보다는 낮을 수 있는데, 이는 전류와 저장 층 간의 스핀 전달 효과가 제어 층의 존재에 의하여 최대가 되기 때문이다.
다른 한편, 판독 모드에서, 제어 층의 자화 방향은 기준 층의 자화 방향과 기본적으로 평행해지도록 선택된다. 이 시점에, 기준 층 및 제어 층에 의해 만들어진 스핀 전달 효과는 덜어지게 된다(subtracted). 판독 전류가 상기 구조를 통하여 순환될 시에, 기준 층으로부터의 직접적인 전자 및 제어 층으로부터의 반사된 전자는 실제로 스핀 전달의 유효성의 감소를 일으키는 반대 스핀 분극화(opposite spin polarisations)를 가진다. 이는 판독 전류의 방향을 나타내는 경우이다. 이로써, 제어 층은 제어 층으로부터의 스핀 분극형 전자 전류로 인한 스핀 전달 토크에 의하여, 기준 층으로부터의 스핀 분극형 전자 전류로 인한 스핀 전달 토크를 적어도 부분적으로 보상하는 것이 판독 모드에서 가능할 것이다. 이로써, 판독 모드에서, 제어 층의 자화 방향은, 제어 층이 일 방향으로 저장 층의 자화 방향을 배향시키는 경향을 가지는 반면, 기준 층이 타측 방향으로 저장 층의 자화 방향을 배향시키는 경향을 가지도록 선택된다. 이로써, 층들을 통과하는 전자 전류는 저장 층의 자화 방향을 변화시키지 않는다.
이로써, 본 발명에 따른 자화 소자는 판독하는 동안 기입의 위험을 수반함 없이 필적할만한 판독 및 기입 전압을 가진 전류를 사용하는 것을 가능케 한다.
본 발명에 따라서, 이로써, 제어 층은 기입 모드 또는 판독 모드가 선택되도록 한다. 그러므로, 제어 층의 자화 방향은 본 발명에 따라 변화되되, 판독 모드에서 기입 모드로 또는 기입 모드에서 판독 모드로 변화될 시에만 그러하다. 결과적으로, 2 개의 기입 모드 간에서 판독 모드 없이 연속적인 기입 모드가 실행되는 경우, 제어 층의 자화는 기입되려는 논리 상태와 무관하게 변화되지 않는다. 이와 유사하게, 기입 모드 후에, 이러한 연속적인 판독 모드들 간의 기입 모드 없이 여러 개의 연속적인 판독 모드가 실행되는 경우, 제어 층의 자화는 각 판독 이벤트 간에서 변화되지 않는다. 판독 또는 기입 모드가 선택되면, 제어 층의 자화는 모든 연속적인 기입 이벤트들 또는 모든 연속적인 판독 이벤트들 동안에 고정된 상태를 유지한다.
그러므로, 본 발명에 따른 제어 층의 자화의 방향은 저장 층에 저장하는 논리 상태이거나 논리 상태가 아닌 판독 또는 기입 모드의 기능으로서 단지 변화된다. 게다가, 제어 층의 자화가 일측 모드로부터 타측 모드로 변화되도록 스위칭되면, 그의 자화는, 이러한 기입 모드가 판독 모드에 의해 간섭되지 않는 한, 모든 연속적인 기입 모드 동안 트랩핑된다. 그러므로, 제어 층은 연성 강자성 물질과 같은 물질로 구성될 수 있고, 상기 제어 층의 자화 방향은 너무 손쉽게 변화될 수 없다.
게다가, 본 발명에 따른 제어 층은 판독을 용이하게 하는데, 이는 기준 층/터널 장벽/저장 층 및 저장 층/제 2 스페이서/제어 층의 조립에 의해 형성되는 터널 접합으로부터의 자기 저항 효과가 판독 동안 추가되기 때문이다.
본 발명에 따른 자성 소자는 또한 개별적이거나 임의의 기술적인 가능성 조합을 고려할 시에 다음 수단 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
각각의 스페이서는 절연 또는 반도체 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
게다가, 한편으로는 저장 층의 자화 방향이, 다른 한편으로는 제어층의 자화 방향이 서로 별개로 제어될 수 있어야 하되, 이러한 자화 방향 중 일측 자화 방향을 변화시킴 없이 이러한 자화 방향 중 타측 자화 방향이 변화될 수 있도록 제어될 수 있어야 한다.
특히, 저장 층의 자화 방향은 제어 층의 자화 방향이 변화됨 없이, 그리고 그 반대로 스위칭될 수 있어야 한다.
이를 달성하기 위해서, 저장 층의 자화 방향 및 제어 층의 자화 방향은 다양한 방법에 의해 변화될 것이다. 예를 들면, 저장 층의 자화 방향은 층들의 평면과 수직한 전류 순환의 도움으로 스핀 전달에 의해 변화될 수 있는 반면, 제어 층의 자화 방향은 층의 평면과 평행한 벽 전파(wall propagation)에 의해 또는 자기장에 의해 변화될 것이다.
바람직한 실시예에 따라서, 저장 층은 비-자성 전도성 층(non-magnetic conductive layer)에 의해 분리된 2 개의 자성 층들에 의해 구성된 "합성 반강자성체(synthetic antiferromagnetic)"인 제 1 삼중 층 적층(tri-layer stack)에 의해 형성되고, 상기 2 개의 자성 층들은 비-자성 전도성 층을 통하여 역 평행으로 연결된다. 이러한 합성 반강자성체 삼중 층 적층은, 0.5 nm 내지 0.9 nm의 두께를 바람직하게 가진 통상적인 루테늄(Ru)으로 구성된 비-자성 전도성 층에 의해 분리되는, 통상적으로 CoFe 또는 CoFeB로 구성된 2 개의 자성 층들로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 실시예에서, 합성 반강자성체 삼중 층 적층의 2 개의 자성 층들은 비-자성 전도성 층을 통하여 연결된 역 팽행 자화를 가진다. 본 발명에 따라서, 합성 반강자성체 삼중 층 적층의 2 개의 자성 층들의 자기 모멘트들은 기본적으로 동일하게 선택되는 것이 바람직하고, 그 결과 합성 반강자성체 삼중 층 적층의 총 모멘트는 0에 가깝고, 통상적으로 총 모멘트는 2 개의 구성 성분인 강자성 층들 중 하나의 모멘트의 30% 미만, 바람직하게는 15% 미만인 부분을 가진다.
이러한 문헌에서, 자성 층의 "자기 모멘트"는 단위 영역당 자성 층의 자기 모멘트, 즉 이러한 자성 층의 두께에 의해 증가된 자성 층의 자화의 생산물을 의미한다.
이러한 실시예는 이점이 있는데, 이는 보다 균일한 자화를 가질 수 있고, 열적으로 안정성이 크기 때문이며, 저장 층의 체적도 크기 때문이다. 공지된 바와 같이, 상기와 같은 삼중 층 적층의 자화 방향은 스핀 전달에 의해 변화될 수 있고, 즉, 삼중 층 적층을 구성하면서 서로 역 평행으로 유지되는 자성 층의 자화는 구조를 통과하는 스핀 분극형 전류의 효과 하에 일측 방향으로부터 타측 방향으로 스위칭될 수 있다. 한편, 이러한 삼중 층 적층이 가상으로 0의 전체 자기 모멘트를 가지기 때문에, 자기장과 매우 작게 반응할 것이다. 이하에서 개시된 바와 같이, 단일 자성 층으로 구성된 제어 층을 선택함으로써, 이로써, 제어 층의 자화가 자기장에 의해 뒤바뀌질 수 있는데, 제어 층의 자기장이, 모멘트가 가상으로 0이 되는 삼중 층 적층의 자화를 뒤바꾸지 않아도 0이 아니기 때문이다.
저장 층이 삼중 층 적층에 의해 형성될 시에, 제어 층의 자화 방향은, 기입 모드에서 제어 층이 기준 층의 자화 방향에 평행한 자화 방향을 가지도록 제어되는 것이 바람직하다. 이로써, 기준 층으로 인한 스핀 전달 및 제어 층으로 인한 스핀 전달은, 저장 층을 형성하는 삼중 층 적층의 전체에 걸쳐 누적된다. 이와 달리, 판독 모드에서, 제어 층의 자화 방향은, 제어 층이 기준 층의 자화 방향과 역 평행하는 자화 방향을 가지도록 제어되는 것이 바람직하다. 이로써, 기준 층 및 제어 층으로 인한 스핀 전달은 상쇄된다.
또 다른 실시예에 따라서, 저장 층은 자성 물질의 단 층으로 형성된다.
이 경우에서, 제어 층의 자화 방향은, 기입 모드에서 기준 층의 자화 방향과 역 평행하도록 제어된다. 이로써, 기입 모드에서 제어 층 및 기준 층으로 인한 스핀 전달은 누적된다. 이와 반대로, 판독 모드에서, 제어 층의 자화 방향은, 기준 층의 자화 방향에 평행하여 제어 층 및 기준 층으로 인한 스핀 전달이 서로 보상되도록 선택된다.
제어 층은 자성 물질의 단 층(monolayer)으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라서, 제어 층의 자화 방향은 저장 층의 자화 방향을 변화시킴 없이 변화될 수 있어야 한다. 이를 위해, 제어 층의 자화의 방향을 위한 제어 수단은 저장 층의 자화의 방향을 변화시킴 없이, 제어 층의 자화의 방향을 변화시킬 수 있어야 한다.
실시예에 따라서, 제어 층의 자화의 방향을 위한 제어 수단은 기준 층의 자화의 방향과 평행 또는 역 평행하는 방향을 갖는 자기장을 발생시키는 자기장 발생 수단을 포함한다. 이러한 실시예는 특히, 저장 층이 비-자성 전도성 층을 통하여 역 평행으로 연결되는 2 개의 자성 층들을 포함하는 합성 반강자성체의 삼중 층 적층에 의해 형성될 시에 특히나 이점을 가진다. 이 경우에, 삼중 층 적층의 자성 층들은 서로 보상하는 자화를 가지는 것이 바람직하고, 그 결과, 자기장은 저장 층에 사실상 영향을 미치지 않는다. 결과적으로, 저장 층을 형성하는 자성 층들의 자화 방향은 변화되지 않는다. 이와 달리, 단독 제어 층은 자기장에 민감하고, 그 결과 그의 자화는 자기장의 효과 하에 방향을 변화시킨다.
자기장을 발생시키는 자기장 발생 수단은 적어도 하나의 전도체를 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 전도체를 통하여, 전류는 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행하는 자기장을 생성하도록 일측 방향 또는 타측 방향으로 진행한다.
제어 층, 저장 층 및 기준 층이 위치되는 평면에 분극화될 시에, 예를 들면, 이러한 층들이 길이 방향으로 연장되고 이들의 자화 방향이 이러한 자화 방향과 평행 또는 역 평행을 이룰 시에, 제어 수단은 전도체를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 전도체는 제어 층, 저장 층 및 기준 층이 위치되고 길이 방향으로 제어 층, 저장 층 및 기준 층이 정렬되는 평면과 평행하게 연장된다. 이 방식으로, 제 1 전도체를 통과하는 전류는 제어 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행하는 자기장의 생성을 가능케 한다.
이와 달리, 제어 층, 저장 층 및 기준 층이 위치한 평면 외부에 분극화될 시에, 예를 들면 이러한 층들이 길이 방향으로 연장되고 이들의 자화 방향이 이러한 길이 방향과 수직을 이룬 횡 방향과 평행 또는 역 평행을 이룰 시에, 제어 수단은 기준 층, 저장 층 및 제어 층이 위치한 평면에 평행으로 각각 연장되는 2 개의 전도체들을 포함하는 것이 바람직하고, 이러한 전도체들은 제어 층에 대해 길이 방향으로 오프셋되고, 제어 층의 각 측면 상에 위치한다. 서로 반대 방향을 하고 있는 전류는 이러한 2 개의 전도체들을 통과하는 것이 바람직하다. 이로써, 이러한 2 개의 전도체들은 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행하는 자기장의 생성을 가능케 한다.
또 다른 실시예에 따라서, 제어 층의 자화의 방향을 위한 제어 수단은, 기준 층의 자화의 방향과 평행 또는 역 평행하는 분극형 전자를 상기 제어 층에 주입하는 주입 수단을 포함한다. 이러한 주입 수단은, 전자가 길이 방향으로 제어 층을 통과하도록 제어 층에 전자를 주입하는 것이 바람직하다.
자기장으로 인해 제어 층의 자화 방향을 변화시키는 것 대신에, 실제로 스핀 전달 효과를 사용하여 전류로 유도되는 벽 전파에 의하여, 이러한 자화 방향을 변화시킬 수도 있다. 이러한 경우, 제어 층은, 원하는 자화 방향을 가진 자성 영역이 생성되는 전류 전도체 층이다. 그 후 이러한 자성 영역은 전류를 제어 층을 통하여 보냄으로써, 제어 층 전체로 연장된다. 그 후, 자성 영역의 벽들은 스핀 전달로 인해 전자 전류에 의해 가해진 압력의 효과 하에 제어 층을 통하여 전파된다.
보다 구체적으로, 이러한 실시예에 따라서, 스핀 분극형 전자 전류는 제어 층의 제 1 말단에 주입된다. 이러한 전자 전류는 예를 들면, 고정된 자화 방향을 가진 자성 물질의 층을 전자 전류가 통과하도록 함으로써, 스핀-분극화가 될 수 있다. 이로써, 전자는 분극형 스핀을 가진 제어 층에 주입된다. 제어 층이 전자의 스핀 방향과 역 평행하는 자화를 가질 시에, 제어 층에 전자 전류를 주입하는 것은 예를 들면, 제어 층에 자성 영역의 핵을 이루게 할 수 있고, 이러한 영역은 전자의 스핀 방향과 평행하는 자화를 가진다. 전자가 제어 층을 통하여 길이 방향으로 순환될 시에, 전자는 이러한 영역을 경계 짓는 벽들을 뒤로 밀어내되, 제어 층을 통하여 영역을 연장시키도록 밀어내고, 그 결과, 전자가 제어 층의 제 2 말단에 이르게 될 시에, 상기 영역은 전체 제어 층으로 연장된다. 그 후, 제어 층 전체는 원하는 자화 방향을 가진다. 제어 층을 통과하는 전류의 방향을 선택함으로써, 이로써, 제어 층의 자화 방향을 제어하는 것이 가능해진다. 이러한 실시예는 저장 층의 자화 방향을 변화시킴 없이, 제어 층의 자화 방향을 변화시킬 수 있다.
분극형 전자를 제어 층에 주입하는 주입 수단은:
- 제어 층의 제 1 말단과 접촉하여 배치되는 적층;
- 전류가 일측 방향 또는 타측 방향으로 상기 적층을 통과하도록, 전류를 흘려보낼 수 있는 전류 발생기;
- 상기 제어 층의 제 2 말단과 접촉하여 배치되는 제 4 전도체를 포함하며, 그리고
상기 적층은:
○ 제 2 전도체;
○ 반강자성 물질;
○ 고정된 자화를 가진 자성 물질의 층;
○ 제 3 전도체를 포함한다.
적층은 전자를 스핀 분극화가 가능해지도록 하되, 전자가 제어 층의 제 1 말단에 주입되기 전에 가능해지도록 한다. 그 후, 전자는 길이 방향으로 제어 층을 통과하되, 전자가 제 4 전도체에 이를 때까지 통과한다.
바람직한 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 자성 소자는:
- 제어 층에 배치된 반강자성 물질의 제 2 층;
- 반강자성 물질의 제 2 층의 온도를 제어하는 수단을 더 포함한다.
이러한 실시예는 제어 층의 자화 방향이 선택된다면, 제어 층의 안정성을 증가시키는 것이 가능하다. 제어 층의 방향을 변화시킬 시에, 반강자성 물질의 제 2 층은 가열된다. 그 후, 반강자성의 제 2 층은 상자성체가 되고, 그 후 제어 층의 자화 방향을 손쉽게 변화시킬 수 있다. 반면, 제어 층의 자화 방향을 변화시키지 않을 시에, 반강자성의 제 2 층의 가열은 멈추게 되고, 제어 층의 자화 그 자체가 발견되는 방향으로 제어 층의 자화를 트랩핑한다. 그 후, 제어 층의 자화 방향을 변화시키는 위험 없이, 저장 층의 방향을 변화시킬 수 있다.
이러한 실시예가 제어 층의 자화의 방향을 위한 모든 제어 수단과 호환되긴 하지만, 이러한 실시예는 특히 이점을 가지되, 기준 층의 자화의 방향과 평행 또는 역 평행하는 방향을 가진 자기장을 발생시키는 수단으로 구성된, 제어 층의 자화 방향을 위한 제어 수단과 함께 사용될 시에, 그리고 특히 자기장을 발생시키는 이러한 수단이 전류가 통과하는 제 1 전도체를 포함할 시에 그러하다. 이 경우에, 반강자성 물질의 제 2 층의 온도를 제어하는 수단은 높은 저항을 가진 제 5 전도체를 포함할 수 있고, 이때 상기 제 5 전도체는 전류가 통과하고 자기장을 발생시키도록 하는 제 1 전도체와 반강자성 물질의 제 2 층 사이에 배치된다. 제어 층의 자화 방향이 변화되도록 하는 자기장을 발생시키기 위해서, 전류가 제 1 전도체를 통과할 시에, 이러한 전류는 줄 효과로 가열되는 제 5 전도체로 전파된다. 그 후, 반강자성 물질의 제 2 층은, 자기장이 생성되자마자, 자동으로 가열된다.
또 다른 실시예에 따라서, 제 1 전도체 및 제 5 전도체를 전기적으로 절연시킴으로써, 그리고 2 개의 서로 다른 전류가 이러한 2 개의 전도체들을 통과하도록 함으로써, 자기장의 생성과는 무관하게, 반강자성 물질의 제 2 층의 가열을 제어할 수도 있다.
다양한 실시예들에 따라서:
- 기준 층, 저장 층 및 제어 층은 길이 방향으로 연장되고, 기준 층의 자화, 저장 층의 자화 및 제어 층의 자화는 길이 방향에 정렬된다. 이 경우에, 기준 층의 자화, 저장 층의 자화, 및 제어 층의 자화는 "평면 내(in-plane)"로 언급된다;
- 기준 층, 저장 층 및 제어 층은 길이 방향으로 연장되고, 기준 층의 자화, 저장 층의 자화 및 제어 층의 자화는 길이 방향과 수직을 이룬다. 이 경우에, 기준 층의 자화, 저장 층의 자화, 및 제어 층의 자화는 "평면 외(out-of-plane)"로 언급된다; 이러한 후자의 실시예는 특히 이점을 가지는데, 이는 생성된 자성 소자가 향상된 열적 안정성을 가지기 때문이다.
본 발명에 따른 자성 소자는 저장 층에 정보를 기입하는 기입 수단을 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 기입 수단은 제 1 전류가 일측 방향으로 또는 타측 방향으로 층들을 통하여 순환될 수 있다.
본 발명에 따른 자성 소자는:
- 상기 저장 층에 포함된 정보를 판독하며, 제 2 전류가 층들을 통하여 순환될 수 있도록 하는 판독 수단;
- 층들의 단자에서 전압을 측정하는 측정 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
제 2 전류는 제 1 전류의 전압 이하의 전압을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 소자에 포함된 정보를 판독하는 방법, 및 본 발명에 따른 소자에 정보를 기입하는 방법에 관한 것이다.
저장 층이 비-자성 전도성 층에 의해 분리된 2 개의 자성 층들에 의해 형성된 합성 반강자성체의 삼중 층을 포함할 시에, 본 발명에 따른 기입 방법은, 저장 층의 자화 방향을 변화시키는 단계 이전에, 제어 층의 자화 방향이 기준 층의 자화 방향과 평행을 이루도록 제어 층의 자화의 방향을 제어시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
저장 층이 비-자성 전도성 층에 의해 분리된 2 개의 자성 층들에 의해 형성된 합성 반강자성체의 삼중 층을 포함할 시에, 본 발명에 따른 판독 방법은, 저장 층의 자화 방향을 판독하는 단계 이전에, 제어 층의 자화 방향이 기준 층의 자화 방향과 역 평행하도록 제어 층의 자화의 방향을 제어하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
저장 층이 자성 단 층을 포함할 시에, 본 발명에 따른 기입 방법은, 저장 층의 자화 방향을 변화시키는 단계 이전에, 제어 층의 자화 방향이 기준 층의 자화 방향과 역 평행을 이루도록 제어 층의 자화의 방향을 제어시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
저장 층이 자성 단 층을 포함할 시에, 본 발명에 따른 판독 방법은, 저장 층의 자화 방향을 판독하는 단계 이전에, 제어 층의 자화 방향이 기준 층의 자화 방향과 평행하도록 제어 층의 자화의 방향을 제어하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 수단 및 이점은 다음 설명을 이해할 시에, 나타날 것이되 다음에 제시된 첨부 도면을 참조할 시에 그러하고, 도면에서:
- 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기입 모드의 자성 소자의 단면도이고;
- 도 2는 도 1의 판독 모드의 소자의 단면도이고;
- 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기입 모드의 소자의 단면도이고;
- 도 4는 도 3이 판독 모드의 소자의 단면도이고;
- 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 판독 모드의 소자의 단면도이고;
- 도 6은 도 5의 기입 모드의 소자의 단면도이고;
- 도 7은 "0"을 기입하는 동안 도 5의 소자의 단면도이고;
- 도 8은 "1"을 기입하는 동안 도 5의 소자의 단면도이고;
- 도 9는 제어 층에 기입하는데 열적으로 도움을 주는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소자의 단면도이고;
- 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기입 모드의 소자의 단면도이고;
- 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 판독 모드의 소자의 단면도이고;
- 도 12는 도 11의 기입 모드의 소자의 단면도이고;
- 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 판독 모드의 소자의 단면도이다.
보다 큰 명료성을 위해, 동일하거나 유사한 소자는 모든 도면에서 동일한 참조 기호로 나타난다.
모든 도면에서, 참조 기호 A로 나타낸 화살표는 다양한 자성 층들의 자화 방향을 의미하고 참조 기호 I로 나타낸 화살표는 전류를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자성 소자(1)를 나타낸다. 이러한 자성 소자(1)는 다음을 포함한다:
- 제 1 자성 층이라 하는 "기준 층" (2),
- 제 2 자성 층이라 하는 "저장 층" (3),
- 제 3 자성 층이라 하는 "제어 층" (4).
기준 층(2) 및 저장 층(3)은 제 1 스페이서(5)에 의해 분리된다. 제어 층(4) 및 저장 층은 제 2 스페이서(6)에 의해 분리된다.
이러한 실시예에서, 층들(2 내지 6)은 x 축에 평행한 길이 방향(1)으로 연장된다.
이 문헌 전반에 있는 "길이 방향"이라 함은 x 축에 평행한 방향을 의미하며, "횡 방향"이라 함은 y 축에 평행한 방향을 의미한다.
이러한 실시예에서, 기준 층(2), 저장 층(3) 및 제어 층(4)은 "평면 내" 자화를 가지고, 즉 이러한 층들의 자화는 길이 방향을 향한다.
기준 층(2)은 도 1 및 2의 화살표로 나타낸 고정 방향의 자화를 가진다. 기준 층(2)의 자화 방향은 예를 들면 제 1 반강자성 층과의 교환 커플링에 의해(exchange coupling) 고정될 수 있다. 이러한 기준 층(2)은 또한 반강자성 층에 의해 트랩핑된(trapped) 합성 반강자성 층일 수도 있다.
저장 층 및 제어 층은 가변 방향의 자화를 가진다: 이러한 저장 층(3) 및 제어 층(4)의 자화는 기준 층의 자화 방향에 평행 또는 역 평행으로 배향될 수 있다.
저장 층(3)은 자성 물질, 예를 들면 코발트-철-붕소(CoFeB)로 만들어진 단 층이다. 이러한 자성 물질은 단지 예일 뿐, 다른 자성 물질들, 예를 들면, CoFe, Fe, 또는 Ni, Fe 및 Co에 기반한 합금으로 저장 층(3)이 만들어지는 것도 생각할 수 있다.
기준 층(2)도 단 층이며, 이는 예를 들면 CoFeB 또는 CoFe로 만들어진다.
제 1 및 제 2 스페이서들(5, 6)은 절연 층 또는 반도체 층으로 구성되되, 예를 들면, MgO 또는 알루미늄(Al2O3)으로 구성된다.
자성 소자(1)는 기입 모드 및 판독 모드에 따라 기능할 수 있다.
기입 모드에서, 도 1에 나타난 바와 같이, 제어 층(4)의 자화는, 기준 층의 자화 방향과 역 팽행을 하도록 선택된다. 기준 층의 자화는 축(-x)를 따라 진행하고, 제어 층의 자화는 축(+x)을 따라 진행하게 된다.
제 1 전자 전류(7)가 층들(2 내지 6)을 통하여 축(-y)을 따라 흐르게 될 시에 전도(conduction) 전자는 기준 층을 통과하고, 이러한 전자의 스핀은 이러한 기준 층을 통과함에 따라 분극화된다. 그 후, 분극화된 전자는 저장 층의 자화 상에 스핀 전달 토크를 가한다. 게다가, 제어 층의 자화와 역 평행으로 스핀 분극화되고 제어 층(4)에 의해 반사된 전자 또한, 저장 층(3)의 자화 상에 스핀 전달 토크를 가한다. 그러므로, 스핀 전달 토크는 기준 층(2) 및 제어 층(3)의 조인트 작용(joint action)에 의해 강화되는데, 이는 이러한 2 개의 층들이 역 평행 자화 방향을 가지기 때문이다. 이러한 스핀 전달은 층들(2 내지 6)을 통과하는 전자 전류가 축(-y) 또는 (+y)을 따라 진행하는 여부에 따라서, 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행으로 저장 층의 자화를 진행시킬 수 있는 것을 가능케 한다.
이로써, 제어 층의 존재는 저장 층에 정보를 기입하는 것을 용이하게 할 수 있다.
판독 모드에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 층(4)의 자화는 기준 층(2)의 자화에 평행하도록 선택된다.
저장 층에 저장된 정보를 판독하기 위해서, 제 2 전자 전류(7')는 층들(2 내지 6)과 수직을 이루는 층들(2 내지 6)의 적층을 통하여 흘러간다. 이러한 제 2 전자 전류(7')는 자성 소자(1)의 저항을 측정하는 것을 가능케 한다. 저장 층 및 기준 층이 역 평행 자화를 가질 시에, 소자의 저항은 높아진다. 이와 반대로, 저장 및 기준 층이 평행 자화를 가질 시에는 소자의 저항은 낮아진다. 그러므로, 제 2 전자 전류(7')는 저장 층에 포함된 정보가 판독되도록 하되, 이러한 정보를 변화시킴없이 판독되도록 하여야 한다.
이를 위해, 평행 자화를 가진 기준 층 및 제어 층은 저장 층 상에 반대 작용을 가하는데, 이는 이들 양쪽 층이 반대 방향으로 저장 층의 자화를 배향시키려는 경향을 가지기 때문이다. 제 2 전자 전류가 층을 통하여 흘러 감에도 불구하고, 저장 층의 자화 방향은 변화되지 않는다.
이로써, 본 발명에 따른 자성 소자는 판독 모드 및 기입 모드에서 필적할 만한 전압(comparable voltage)의 전류를 보낼 수 있되, 저장 층에 포함된 정보가 판독 모드에서 변함없이 전류를 보낼 수 있다.
도 3 및 4는 또 다른 실시예를 제시하고, 저장 층(3)은, 비-자성 전도성 물질(10)의 층에 의해 분리된 자성 물질(8 및 9)의 2 개의 층들을 포함하는 합성 반강자성체 삼중 층 적층에 의해 구성된다. 자성 물질의 2 개의 층들은 예를 들면, 코발트-철-붕소 CoFeB 또는 CoFe의 합금에 의해 구성되고, 비-자성 전도성 물질(10)의 층은 예를 들면 0.5 nm 내지 0.9 nm의 두께를 가지며, 루테늄(Ru)으로 구성된다.
자성 물질(8 및 9)의 2 개의 층들은 이들의 자화가 역 평행 자화 방향을 가질 수 있도록, 비-자성 전도성 물질(10)의 층을 통하여 자기적으로 연결된다. 자성 물질(8 및 9)의 2 개의 층들은 바람직하게 동일한 자기 모멘트를 가지며, 즉 자화 배수 두께(magnetisation times thickness)가 동일한 제품을 가질 수 있되, 이들의 자기 모멘트가 균형이 잡혀 삼중 층 적층이 가상으로 0인 자기 모멘트를 전반적으로 가질 수 있도록 한다.
저장 층이 합성 반강자성체 삼중 층 적층에 의해 형성될 시에, "저장 층의 자화 방향" 또는 "저장 층의 자화의 방향"은, 저장 층에 속하고 기준 층에 가장 근접하게 위치한 자성 층의 자화의 방향을 의미한다.
기준 층(2), 제 1 스페이서(5), 제어 층(4) 및 제 2 스페이서(6)는 도 1 및 2를 참조하여 기술한 것과 동일할 수 있다.
이러한 실시예에서, 기입 모드에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어 층은 기준 층의 자화와 평행한 자화를 가져야 한다. 기입 모드에서, 전류가 적층을 통과할 시에, 사실 기준 층(2)은 일 방향으로 자성 물질(8)의 층의 자화를 배향시키려는 경향을 가진다. 그러므로, 기입을 촉진시키기 위해, 제어 층(4)이 반대 방향으로 자성 물질(9)의 층의 자화를 배향시켜려는 경향을 갖는 것은 필수적인데, 이는 자성 물질(8 및 9)의 층들이 역 평행으로 연결되었기 때문이다.
이와 달리, 판독 모드에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 자성 물질(8 및 9)의 층들의 자화의 배향이 변화되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제어 층(4)은 기준 층(2)의 자화 방향과 역 평행하는 자화를 가져야 한다. 이로써, 제 2 전류(7')가 층들을 통과할 시에, 기준 층은 일 방향으로 자성 물질(8)의 층의 자화를 배향시키는 경향을 가지며, 제어 층은 동일 방향으로 자성 물질(9)의 층의 자화를 배향시키려는 경향을 가짐으로 인해 자성 물질(8 및 9)의 층들의 자화 방향의 변화를 상쇄시키는데, 이는 이러한 2 개의 층들이 역 평행으로 연결되었기 때문이다.
이로써, 판독하는 동안 저장 층의 자화 방향의 돌발적인 뒤바뀜은 방지될 수 있다.
저장 층이 삼중 층 적층으로 구성된 이러한 실시예는 저장 층의 자화가 보다 균일하다는 점에서 이점을 가진다. 삼중 층 적층에 의해 형성된 저장 층의 경우에서, 2 개의 자성 층들(8 및 9) 간에는 플럭스 폐쇄 현상(flux closure phenomenon)이 실제 있다. 게다가, 저장 층의 열 안정성이 증가되는데, 이는 저장 층의 체적이 크기 때문이다.
도 5 및 6은 또 다른 실시예에 따른 자성 소자를 도시하며, 저장 층(3)은, 비-자성 전도성 물질(10)의 층을 통하여 역 평행으로 연결된 2 개의 자성 층들(8 및 9)을 포함하는 제 1 삼중 층 적층으로 구성된다. 저장 층을 구성하는 2 개의 자성 층의 자화 방향은 변화할 수 있다.
이러한 실시예에서, 기준 층(2)은 또한 비-자성 전도성 층(16)을 통하여 역 평행으로 연결된 2 개의 자성 층들(14, 15)를 포함하는 삼중 층 적층으로 구성된다. 기준 층이 삼중 층 적층으로 구성될 시에, "기준 층의 자화 방향 또는 자화의 방향"은 저장 층에 가장 가깝게 위치한 삼중 층 적층의 자성 층의 자화 방향을 의미한다.
이러한 실시예에 따른 자성 소자는 또한, 기준 층(2)에 배치되며 기준 층(2)을 구성하는 자성 층들(14 및 15)의 자화 방향을 고정시키기 위한, 예를 들면, 12 nm 내지 20 nm의 두께의 플래티넘 및 망간(PtMn)의 합금인 반강자성 물질(12)의 제 1 층도 포함한다. 기준 층(2)은 0.5 nm 내지 0.9 nm의 두께의 루테늄(Ru)의 얇은 층을 통하여 역 평행으로 연결된 CoFeB 또는 CoFe의 2 개의 층들로 구성된 합성 반강자성체 삼중 층일 수 있다. 이러한 합성 반강자성 층의 통상적인 조성물은 2 nm 두께의 CoFe의 층, 0.6 nm 두께의 루테늄의 층, 및 2.5 nm 두께의 CoFeB의 층일 수 있다.
자성 층들(8, 9, 14 및 15)은 예를 들면 코발트-철-붕소의 합금으로 만들어질 수 있고, 비-자성 전도성 층들(10 및 16)은 예를 들면 루테늄(Ru)으로 만들어질 수 있다. 자성 층들(8 및 9)은 자화 배수 두께의 동일한 제품을 가지는 것이 바람직하고, 그 결과 이들의 자기 모멘트들은 균형이 잡힌다. 이와 유사하게, 자성 층들(14 및 15)도 자화 배수 두께의 동일한 제품을 가지는 것이 바람직하고, 그 결과 이들의 자기 모멘트들은 균형이 잡힌다. 이러한 자성 층들 각각의 두께는 통상적으로 1.5 nm 내지 4 nm이다.
기준 층은 또한 이전의 실시예에와 같이, 자성 단 층으로 형성될 수 있다.
제어 층(4)은 통상적으로 4 nm 내지 8 nm 두께의 코발트-철-붕소(CoFeB), 또는 CoFe 또는 Fe의 합금으로 만들어질 수 있다. 자성 층들(4, 8, 9, 14 및 15)의 자화는 자성 층들(4, 8, 9, 14 및 15)이 연장되는 x 축과 평행 또는 역 평행한다.
자성 소자는 또한 트랜지스터(13)를 포함한다.
자성 소자는 또한 저장 층(3)의 자화의 방향을 변화시킴 없이 제어 층의 자화의 방향을 변화시킬 수 있는 제어 층(4)의 자화 방향을 위한 제어 수단(11)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 제어 수단(11)은 전도체(17)를 포함하고, 상기 전도체는 z 축을 따라 연장하고, 횡 방향(y)을 따라 제어 층과 정렬된다. 제어 수단(11)은 전도체(17)로 전류를 흘려 보내는 수단(미도시)도 포함한다. 전류가 전도체(17)를 통과할 시에, 이는 기준 층(2)의 자화 방향과 평행 또는 역 평행할 수 있는 자기장(18)을 발생시킨다. 이로써, 이러한 자기장은 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행하는 제어 층의 자화를 배향시키는 것을 가능케 한다.
이러한 실시예에서, 자기장은 저장 층을 구성하는 자성 층들(8 및 9)의 자화의 배향에 현저한 영향을 끼치지 않는데, 이는 자성 층들(8 및 9)의 자기 모멘트가 오프셋[또는 오프셋에 가까워짐]되기 때문이다. 역 평행으로 연결되는 2 개의 자성 층들(8 및 9)은 사실 반대의 자기 모멘트들을 가지고, 그 결과 저장 층의 총 자기 모멘트는 가상으로 0이 된다. 그러므로, 제어 수단(11)에 의해 생성되는 자기장은 저장 층에 영향을 끼치지 아니한다. 다른 한편으로는, 다른 임의의 층에 자기적으로 연결되는 않은 제어 층의 자화 방향을 변화시키는 것이 가능하다.
이로써, 저장 층에 포함된 정보를 판독하기 전에(도 5), 전류는 전도체(17)를 통하여 축(+z)을 따라 흘러 간다. 이러한 전류는 기준 층의 층(14)의 자화에 역 평행하는 자기장을 생성하고, 이때 상기 층의 자화는 기준 층, 저장 층 및 제어 층을 통하여 상기 층의 자화 방향에 역 평행하는 제어 층의 자화를 정렬시킴으로써, 저장 층에 포함된 정보를 판독할 수 있고, 제어 층에 의해 생성된 스핀 전달 및 기준 층에 의해 생성된 스핀 전달은 보상되어, 저장 층을 구성하는 층들(8 및 9)의 자화 방향을 변화시키는 위험을 제한시킬 수 있다.
이와 달리, 저장 층에 포함된 정보를 변화시키기 전에(도 6), 즉, 저장 층에 정보를 기입하기 전에, 전류는 자기장을 생성시키도록 전도체(17)를 통하여 축(-z)을 따라 흘러가고, 기준 층(2)의 자성 층(14)의 자화와 평행하는 제어 층의 자화를 정렬시킨다.
다음으로, 도 7은 저장 층에 "0"을 기입하는 방법을 도시한다. 이를 위해, 전류는 기준 층, 저장 층 및 제어 층을 통하여 흘러가되, 이러한 전류가 층들과 수직을 이루는 층들을 통과하도록 흘러 간다. 전류는 축(-y)을 통하여 흘러가야 한다. 그 후, 기준 층(2), 보다 상세하게 말하면, 기준 층(2)의 자성 층(14)은 자성 층(14)의 자화 방향과 평행하는 자성 층(8)의 자화를 배향시키는 경향을 가진다. 제어 층(4)은 제어 층의 자화 방향과 역 평행하는 자성 층(9)의 자화를 배향시키는 경향을 가진다. 이로써, 기준 층 및 제어 층은 동일 방향으로 저장 층의 자화 방향을 배향시키도록 연동한다. 이러한 기입 처리 동안에, 중요한 바와 같이, 제어 층은 다른 자성 층들에 의해 제어 층의 자화 상에 가해진 스핀 전달 토크의 효과 하에 스위칭되지 않는다. 이를 위해, 제어 층의 자화가 저장 층의 자화 방향을 변화시키도록 하는 스핀 전달 토크에 저항할 수 있도록, 통상적으로 4 nm 이상의 제어 층의 충분한 두께를 선택하는 것이 바람직하다. 실제로 공지된 바와 같이, 스핀 전달 토크는 기본적으로 계면 간에서 이루어진다(interfacial). 이로써, 제어 층의 자화를 스위칭하기에 필요한 임계 전류 밀도는 층의 두께에 비례하여 변화된다. 제어 층의 두께를 증가시킴으로써, 스핀 전달 토크가 제어 층에 미치는 영향은 자기장에 의한 스위칭을 하는데 어려움 없이 최소화되는데, 이는 가해진 자기장이 층의 전체 체적에 작용하기 때문이다.
도 8은 저장 층에 "1"을 기입하는 방법을 도시한다. 이를 위해, 전류는 기준 층, 저장 층 및 제어 층을 통하여 흘러가되, 이러한 전류가 층들과 수직을 이루는 층들을 통과하도록 흘러간다. 전류는 축(+y)을 따라 흘러들어가야 한다. 이로써, 기준 층(2), 보다 상세하게 말하면, 기준 층(2)의 자성 층(14)은 자성 층(14)의 자화 방향과 역 평행하는 자성 층(8)의 자화를 배향시키는 경향을 가진다. 제어층의 부분을 위한 제어 층은 제어 층의 자화 방향과 평행하는 자성 층(9)의 자화를 배향시키는 경향을 가진다. 이로써, 기준 층 및 제어 층은 저장 층의 자화 방향을 동일 방향으로 배향시키도록 연동한다.
이러한 실시예에서, 전도체(17)는 동시에 다음을 가능케 한다:
- 제어 층의 자화 방향이 변화되도록 하는 자기장을 생성할 수 있는 전류를 전도시키고,
- 기준 층에 또는 기준 층에 대해 정보를 판독 또는 기입하도록, 기준 층(2), 제어 층(4) 및 저장 층(3)을 통과하는 전류를 공급함.
그러나, 이러한 2 가지 기능들을 실행하기 위해 2 개의 별도의 전도체들의 사용도 생각해 볼 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 자성 소자를 도시한다. 이러한 실시예에서, 자성 소자는, 제 1 전도체(17)와 제어 층(4) 간에서 다음과 같은 것을 실제로 포함하는 것을 제외하면, 도 5 내지 8에 대해 기술한 것과 유사하다:
- 전류가 제 5 전도체(18)를 통과할 시에 열을 만들어내는 제 5 전도체(18). 이러한 제 5 전도체(18)는 예를 들면 탄탈럼 또는 텅스텐으로 구성되거나, 전도체(17)와 동일한 물질로 구성될 수 있지만, 그러나 길이 단위당 높은 저항이 국부적으로 존재하도록 작은 두께를 가지며; 그리고
- 제어 층(4) 및 제 5 전도체(18)와 접촉을 이루는 제 2 반강자성 층(19).
이러한 실시예에 따라서, 제 5 전도체(18)는 제 1 전도체(17)와 접촉을 이루되, 전류가 제 1 전도체(17)를 통과할 시에 제 5 전도체(18)도 통과하도록 접촉을 이루다.
제 5 전도체(18)를 통하는 전류가 없을 시에, 제어 층의 자화 방향은 강자성 물질(19)의 제 2 층의 존재로 고정된다. 제어 층의 자화 방향은 기준 층의 자성 층(14)의 자화 방향과 평행하거나, 이러한 자화 방향과 역 평행으로 고정될 수 있다. 이로써, 제어 층의 자화 방향을 변화시킴 없이 저장 층의 자화 방향을 변화시키는 것이 가능하다.
이와 달리, 전류가 제어 층의 자화 방향을 변화시킬 목적으로 자기장을 생성하도록 제 1 전도체(17)를 통과할 시에, 이러한 전류는 제 5 전도체(18)로 전파될 수도 있다. 그 후, 제 5 전도체(18)는 줄 효과에 의해 열을 만들어 내고, 이는 반강자성 물질의 제 2 층을 가열하되, 반강자성 물질의 이러한 제 2 층이 상자성체(paramagnetic)가 되도록, 제어 층의 자화 방향이 전도체(17)로의 전류 통로에 의해 생성된 자기장의 효과 하에 변화될 수 있도록 가열한다.
전류가 차단될 시에, 반강자성 물질의 제 2 층은 다시 반강자성체가 되고, 제어 층의 자화 방향을 고정시킨다.
또한, 반강자성 물질의 제 2 층의 가열 및 제 1 전도체(17)에 의한 자기장의 생성을 독립적으로 제어할 수 있도록, 접촉이 되지 않는 제 1 전도체(17) 및 제 5 전도체(18)를 사용할 수도 있다.
다른 외부 가열 수단에 의한 제 2 반강자성 층의 가열도 생각해볼 수 있다.
반강자성 층(19)은 통상적으로 180 내지 250 ℃의 온도를 차단하는 FeMn 또는 IrMn 또는 IrMnCr으로 구성될 수 있다.
게다가, 기준 층은 삼중 층 적층에 의해 형성되는 것 대신에, 단일 단 층에 의해 구성될 수 있다.
이와 유사하게, 저장 층은 합성 반강자성체의 삼중 층 적층에 의해 형성되는 것 대신에 단 층에 의해 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 저장 층은, 제어 층의 자화 방향이 변화될 시에, 저장 층의 자화 방향이 변화되지 않도록, 제어 층의 보자성(coercivity)보다 큰 보자성을 가져야 한다. 예를 들면 저장 층을 만들어 내기 위한 코발트-크롬 합금, 및 제어 층을 위한 코발트-철-붕소 합금의 층을 사용하는 것을 가능케 한다.
도 10은 자성 소자의 자성 층이 평면 외(out-of-plane) 자화를 가지는 또 다른 실시예를 도시한다. 이로써, 이러한 자성 소자는 제 1 자성 층(14), 제 2 자성 층(15)을 그 자체로 포함하는 삼중 층 적층을 포함하는 기준 층(2)을 포함하고, 이때 제 1 및 제 2 자성 층들(14 및 15)은 층들(14 및 15) 간의 역 평행 연결을 제공하는 비-자성 전도성 층(16)에 의해 분리된다. 제 1 및 제 2 자성 층들(14 및 15)은 다층 또는 코발트-팔라듐 Co/Pd의 합금으로, 다층 또는 코발트-플래티넘의 합금으로, 또는 다층 또는 코발트-니켈의 합금으로, 또는 희토류/전이 금속의 합금(예를 들면, TbFe)으로 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 자성 층들을 분리하는 비-자성 전도성 층(16)은 예를 들면, 0.5 nm 내지 0.9 nm 두께의 루테늄으로 구성될 수 있다.
자성 소자는 또한 저장 층(3)을 포함하고, 상기 저장 층은 본 실시예의 경우에 합성 반강자성체의 삼중 층 적층을 포함하고, 상기 저장 층 그 자체는 층들(8 및 9) 간의 역 평행 연결을 제공하는 비-자성 전도성 층(10)에 의해 분리된 제 1 및 제 2 자성 층(8 및 9)을 포함한다. 제 1 및 제 2 자성 층들(8 및 9)은, 다층 또는 코발트-팔라듐(Co/Pd)의 합금, 다층 또는 코발트-플래티넘의 합금, 또는 다시 다층 또는 코발트-니켈의 합금으로 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 자성 층들을 분리시키는 비-자성 전도성 층(10)은 예를 들면 0.5 nm 내지 0.9 nm의 두께의 루테늄으로 구성될 수 있다.
자성 소자는 또한 예를 들면 CoFeB로 구성된 제어 층(4)을 포함한다.
자성 소자는 평면 외 배향을 가지고, 즉, 기준 층(2), 저장 층(3) 및 제어 층은 길이 방향(x)을 따라 연장되는 반면, 자성 층들(8, 9, 14, 15)의 자화는 횡 방향(y 또는 -y)을 따라 연장된다. 평면 외 자화를 갖는 이러한 자성 소자는 특히 이점을 가지는데, 그 이유는 자성 소자가 평면 내 자화를 가진 자성 소자들에 비해 열적으로 안정성이 개선되기 때문이다. 평면 외 자화를 가진 물질은 실제로 평면 내 자화를 가진 물질의 것보다 큰 계면 기점(interfacial origin)의 이방성(anisotropy)을 나타낸다.
자성 소자는 기준 층과 저장 층 사이에, 그리고 저장 층과 제어 층 사이에 각각 위치하는 제 1 스페이서(5) 및 제 2 스페이서(6)도 포함한다. 2 개의 스페이서들은 예를 들면 MgO 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다.
자성 소자는 또한 구조 전체의 우수한 성장이 촉진되도록 하는 버퍼 층(12)을 포함한다. 이러한 버퍼 층은 예를 들면 Ta, Pt, CuN으로 구성될 수 있다.
자성 소자는 또한 트랜지스터(13)를 포함한다.
이러한 실시예에 따라서, 기준 층(2)은 또한 제 1 전이 층(transition layer)(21)을 포함하는 것이 바람직하고, 이때 상기 제 1 전이 층은 삼중 층 적층(14-15-16)과 제 1 스페이서(5) 사이에 위치한다. 이러한 전이 층(21)은, 스페이서(5)가 MgO 터널 장벽(tunnel barrier)일 시에, 중심 입방형 결정학적인 구조(centred cubic crystallographic structure)를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 전이 층(21)은 250℃-350℃로 어닐링함으로써, MgO와 접촉하는 중심 입방형으로 결정체를 이루는 예를 들면 CoFeB로 구성된다. 기준 층을 구성하는 층들(14-15-16)은 실제로 육각형 또는 면심 입방형 결정학적인 구조를 가지는 반면, MgO의 제 1 스페이서(5)는 중심 입방형 결정학적인 구조를 가진다. 이로써, 전이 층(21)은 기준 층(2)과 제 1 스페이서(5) 사이에서 구조 전이를 형성하고, 제 1 스페이서(5)의 자기 저항이 증가되도록 한다.
이와 유사하게, 저장 층(3)은, 제 1 스페이서(5)에 위치한 제 2 전이 층(22)을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 제 2 전이 층(22)은 중심 입방형 결정학적인 구조를 가지고, 이는 육각형 또는 면심 입방형 결정학적인 구조를 가진 저장 층의 삼중 층 적층과 중심 입방형 결정학적인 구조를 가진 제 1 스페이서(5) 사이에서 구조적 전이가 이루어지도록 한다. 이러한 전이 층(22)은 예를 들면 CoFeB로 구성된다.
각각의 전이 층(21, 22)은 상기 전이 층에 각각 위치한 자성 층(14, 8)의 자화와 평행하는 자화를 가져야 한다. 이러한 배향은, 각각 접촉하고 있는 자성 층들의 자화와 이러한 전이 층들의 자화 간의 교환 상호 작용에 의해 특히 얻어진다.
이와 유사하게, 이들을 삼중 층 적층들에서 만들어내는 대신에, 단 층에 기준 층 및 저장 층을 만드는 것도 가능할 수 있다.
자성 소자는 또한 제어 층의 자화의 방향을 위한 제어 수단(11)을 포함하고, 상기 수단은 저장 층의 자화의 방향을 변화시킴 없이 제어 층의 자화의 방향을 변화시킬 수 있다. 제어 층(4)은 y 축과 평행 또는 역 평행하는 자화 방향을 가지며, 그 결과 제어 수단(11)은 y 축에 평행 또는 역 평행하는 자기장을 생성할 수 있다. 이를 위해, 제어 수단(11)은 예를 들면, 적어도 2 개의 전류 전도체들(23 및 24)을 포함하고, 상기 전류 전도체들은 z 축을 따라 연장하고, 제어 층(4)에 대해 횡 방향으로 오프셋된다. 이로써, 전류 전도체들(23 및 24)은 x 축을 따라 이동할 시에 제어 층(4)의 각 측면 상에 위치된다. 전류(I)는 2 개의 전도체들(23 및 24)을 통하여 진행하고, 상기 전류는 서로 반대 방향으로 각각의 전도체들을 통하여 진행한다. 제어 수단(11)은 또한 제어 층에 대해 x 축을 따라 오프셋된 단일 전도체를 포함할 수 있다.
도 11 및 12는 제어 수단(11)이 길이 방향의 벽 전파에 의해 제어 층의 자화 방향을 변화시킬 수 있는 또 다른 실시예를 도시한다. 도 11 및 12는, 2 개의 자성 소자들에 공통된 제어 층(4)을 포함하는, 본 발명에 따른 2 개의 자성 소자들을 도시하지만, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어남 없이 그들 자신의 제어 층을 각각 포함하는 자성 소자들을 만들어 낼 수도 있다. 이러한 2 개의 자성 소자들 각각은 도 5 내지 8를 참조하여 기술된 것과 유사한 기준 층(2), 저장 층(3) 및 2 개의 스페이서들(5 및 6)을 포함하지만, 그러나 단 층들로의 삼중 층 적층의 대체도 본 발명의 권리 범위를 벗어남 없이 생각해 볼 수 있다. 제어 층(4)은 길이 방향(x)을 따라 연장한다. 제어 수단(11)은 기준 층의 자화의 방향에 평행 또는 역 평행으로 분극된 전자를 제어 층(4)에 주입하는 주입 수단(25)을 포함한다. 이러한 주입 수단(25)은 제어 층(4)의 제 1 말단(26)과 접촉하여 배치된 적층을 포함한다. 이러한 적층은 다음을 포함한다:
- 예를 들면, 구리인 제 2 전도체(27);
- 반강자성 물질(28);
- 고정된 자화를 가진 자성 물질의 층(29), 예를 들면 CoFe인 층;
- 예를 들면 구리인 제 3 전도체(30).
주입 수단(11)은 또한 전류가 일측 방향 또는 타측 방향으로 횡 방향을 향하여 적층을 통하여 통과하도록, 전류를 흘려 보낼 수 있는 전류 발생기(미도시)를 포함한다.
주입 수단(25)은 또한 제어 층(4)의 제 2 말단(32)과 접촉하여 배치된 제 4 전도체(31)를 포함한다.
이로써, 주입 수단(25)은, 길이 방향과 평행 또는 역 평행하는 스핀 분극형 전자의 전류를, 제어 층을 통하여 길이 방향으로 순환시키도록 할 수 있다.
제어 층은, 스핀 분극이 되고 이러한 제어 층을 길이 방향으로 통하여 흘려보내는 전류(I) 및 자성 전도체 라인이다. 이를 위해, 전자는 고정된 자화(29)를 가진 자성 물질의 층을 통과하고, 그의 자화 방향은 반강자성 물질(28)에 의해 트랩핑된다. 고정된 자화(29)를 가진 자성 물질의 층은 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행하는 자화 방향을 가져야 한다. 그러므로, 전자들이 제어 층의 제 1 말단(26)에 주입될 시에, 이들은 스핀 분극화된다. 이러한 전자들은 제어 층의 제 1 말단 내부의 영역의 핵을 이루게 되고, 이러한 영역은 원하는 분극의 자화를 가진다. 전류(I)가 제어 층을 통하여 길이 방향으로 전파될 시에, 이러한 영역의 벽들은 제어 층 전체를 통하여 뒤로 밀리게 되되,이러한 층들이 제어 층의 제 2 말단(32)에 이르게 될 때까지 밀리게 되고, 그 후 제어 층 전체는 원하는 자화를 가진다. 제어 층의 자화 방향을 변화시키기 위해서, 제어 층을 통하여 전류(I)의 전파 방향을 변화시키는 것이 바람직하다.
전도체들(27, 30 및 31)은 제어 층(4)을 통하여 전류의 순환이 촉진되도록 한다.
이로써, 도 11은 판독 모드의 자성 소자를 나타내는 반면, 도 12는 기입 모드의 동일한 자성 소자를 나타낸다.
도 13은 자성 소자가 평면 외 자화를 가진다는 점을 제외하고, 도 11 및 12의 것과 유사한 자성 소자를 도시한다. 각각의 자성 소자는 도 10을 참조하여 기술된 것과 같은 2 개의 전이 층들(21, 22)을 포함한다.
평면 외 자화의 경우에, 고정된 자화(29)를 갖는 자성 물질의 층이 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행하는 자화 방향을 가져야 하기 때문에, 고정된 자화(29)를 갖는 자성 물질의 층은 또한 평면 외 자화를 가져야 한다.
본 발명은 도면을 참조하여 기술된 실시예들에 한정되지 않음은 물론이고, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않는다면 변형도 생각해볼 수 있다. 특히, 기준 층, 저장 층 및 제어 층을 만들어 내기 위해 선택된 물질은 단지 예시로 주어졌을 뿐 다른 물질도 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. - 고정된 자화 방향을 가지며, "기준 층" (2)인 제 1 자성 층;
    - 가변 자화 반향을 가지며, "저장 층" (3)인 제 2 자성 층으로서, 상기 저장 층(3)의 자화는 상기 기준 층(2)의 자화에 평행 또는 역 평행으로 배향될 수 있는 제 2 자성 층;
    - 상기 기준 층(2) 및 상기 저장 층(3)을 분리시키는 제 1 스페이서(5)를 포함하는 자성 소자에 있어서,
    상기 자성 소자는:
    - 판독 모드로부터 기입 모드로, 그리고 기입 모드로부터 판독 모드로 상기 자성 소자를 변화시키도록 하는, 가변 자화 방향을 가진 "제어 층"(4)인 제 3 자성 층;
    - 상기 저장 층(3) 및 상기 제어 층(4)을 분리시키는 제 2 스페이서(6);
    - 상기 저장 층(3)의 자화의 방향을 변화시키지 않고 상기 제어 층(4)의 자화의 방향을 변화시킬 수 있는, 상기 제어 층(4)의 자화의 방향을 위한 제어 수단 (11)을 더 포함하며,
    상기 제어 층(4)의 자화는 다음과 같은 방식으로 제어될 수 있되;
    ○ 상기 판독 모드에서는, 상기 제어 층은, 상기 기준 층 및 상기 제어 층에 의해 상기 저장 층의 자화 상에 가해진 스핀 전달 토크를 덜어내기 위해(subtract), 상기 기준 층의 자화 방향과 평행 또는 역 평행하는 자화 방향을 가지며,
    ○ 상기 기입 모드에서는, 상기 제어 층은 기입 모드에서의 자화 방향을 가지며,
    이때 상기 기입 모드에서의 자화 방향은:
    ● 상기 제어 층이 판독 모드에서 상기 기준 층의 자화 방향과 역 평행하는 자화 방향을 가질 시에 상기 기준 층의 자화 방향과는 평행하거나, 또는
    ● 상기 제어 층이 판독 모드에서 상기 기준 층의 자화 방향과 평행하는 자화 방향을 가질 시에 상기 기준 층의 자화 방향과는 역 평행하도록 제어될 수 있는 자성 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장 층(3)은 상기 제어 층(4)의 보자성보다 큰 보자성을 가지는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 저장 층(3)은 비-자성 전도성 층(10)에 의해 분리된 2 개의 자성 층들(8, 9)로 구성된 "합성 반강자성체"인 제 1 삼중 층 적층으로 형성되고,
    상기 2 개의 자성 층들은 상기 비-자성 전도성 층을 통하여 역 평행으로 연결되는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 저장 층(3)은 자성 물질의 단 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 층(11)의 자화의 방향을 위한 제어 수단(11)은 상기 기준 층(2)의 자화의 방향과 평행 또는 역 평행하는 방향을 가진 자기장을 발생시키는 자기장 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 층의 자화의 방향을 위한 제어 수단(11)은, 상기 기준 층(2)의 자화의 방향과 평행 또는 역 평행하는 분극형 전자를 상기 제어 층에 주입하는 주입 수단(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 분극형 전자를 상기 제어 층(4)에 주입하는 주입 수단(25)은:
    - 상기 제어 층(4)의 제 1 말단(26)과 접촉하여 배치되는 적층;
    - 전류가 일측 방향 또는 타측 방향으로 상기 적층을 통과하도록, 전류를 흘려보낼 수 있는 전류 발생기;
    - 상기 제어 층(4)의 제 2 말단(32)과 접촉하여 배치되는 제 4 전도체(31)를 포함하며, 그리고
    상기 적층은:
    ○ 제 2 전도체(27);
    ○ 반강자성 물질(28);
    ○ 고정된 자화(29)를 가진 자성 물질의 층;
    ○ 제 3 전도체(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 소자는:
    - 상기 제어 층(4)에 배치된 반강자성 물질(19)의 층,
    - 상기 반강자성 물질(19)의 층의 온도를 제어하는 수단(18)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 층(2), 상기 저장 층(3) 및 상기 제어 층(4)은 길이 방향으로 연장되고,
    상기 기준 층(2)의 자화, 상기 저장 층(3)의 자화 및 상기 제어 층(4)의 자화는 상기 길이 방향과 정렬되는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 층(2), 상기 저장 층(3) 및 상기 제어 층(4)은 길이 방향으로 연장되고,
    상기 기준 층(2)의 자화, 상기 저장 층(3)의 자화 및 상기 제어 층(4)의 자화는 상기 길이 방향과 수직을 이루는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 소자는 상기 저장 층에 정보를 기입하는 기입 수단을 더 포함하고
    상기 기입 수단은 제 1 전류(7)가 일측 방향으로 또는 타측 방향으로 층들을 통하여 순환될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 소자는:
    - 상기 저장 층에 포함된 정보를 판독하며, 제 2 전류(7')가 층들을 통하여 순환될 수 있도록 하는 판독 수단;
    - 층들의 단자에서 전압을 측정하는 측정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 소자.
  13. 청구항 3, 또는 청구항 5 내지 청구항 10 중 청구항 3에 따른 자성 소자의 저장 층의 자화의 방향을 변화시키는 방법에 있어서,
    저장 층(3)의 자화 방향을 변화시키는 단계 이전에,
    제어 층(4)의 자화의 방향은 기준 층(2)의 자화 방향과 평행을 이루도록 제어되는 자성 소자의 저장 층 자화 방향 변화 방법.
  14. 청구항 3, 또는 청구항 5 내지 청구항 10 중 청구항 3에 따른 자성 소자의 저장 층의 자화의 방향을 변화시키는 방법에 있어서,
    저장 층(3)의 자화 방향을 판독하는 단계 이전에,
    제어 층(4)의 자화의 방향은 기준 층(2)의 자화 방향과 역 평행을 이루도록 제어되는 자성 소자의 저장 층 자화 방향 변화 방법.
  15. 청구항 4, 또는 청구항 6 내지 청구항 10 중 청구항 4에 따른 자성 소자의 저장 층의 자화의 방향을 변화시키는 방법에 있어서,
    저장 층(3)의 자화 방향을 변화시키는 단계 이전에,
    제어 층(4)의 자화의 방향은 기준 층(2)의 자화 방향과 역 평행을 이루도록 제어되는 자성 소자의 저장 층 자화 방향 변화 방법.
  16. 청구항 4, 또는 청구항 6 내지 청구항 10 중 청구항 4에 따른 자성 소자의 저장 층의 자화의 방향을 변화시키는 방법에 있어서,
    저장 층(3)의 자화 방향을 판독하는 단계 이전에,
    제어 층(4)의 자화의 방향은 기준 층(2)의 자화 방향과 평행을 이루도록 제어되는 자성 소자의 저장 층 자화 방향 변화 방법.
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