KR20180083805A - Semiconductor device, semiconductor device control method and optic switch - Google Patents

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KR20180083805A
KR20180083805A KR1020180003639A KR20180003639A KR20180083805A KR 20180083805 A KR20180083805 A KR 20180083805A KR 1020180003639 A KR1020180003639 A KR 1020180003639A KR 20180003639 A KR20180003639 A KR 20180003639A KR 20180083805 A KR20180083805 A KR 20180083805A
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Abstract

The present invention relates to a semiconductor element with low power consumption, a control method thereof, and an optic switch. According to an embodiment of the present invention, the semiconductor element comprises a first electrode; a cell disposed on the first electrode and including a magnetic tunnel junction (MJT) in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are disposed with an insulating layer interposed therebetween; and a heating unit forming thermal gradient in the first electrode.

Description

반도체 소자, 반도체 소자 제어방법 및 광학 스위치{SEMICONDUCTOR DEVICE, SEMICONDUCTOR DEVICE CONTROL METHOD AND OPTIC SWITCH}Technical Field [0001] The present invention relates to a semiconductor device, a semiconductor device control method, and an optical switch,

본 발명은 반도체 소자 및 반도체 소자 제어방법 및, 광학 스위치에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor element and a semiconductor element control method, and an optical switch.

최근 연구되고 있는 반도체 소자에는 자기 메모리 소자, 상변환 소자 등이 있으며, 그 중 하나인 자기 메모리 소자는 속도가 빠르고 작동전압이 낮은 데다 비휘발성 성질을 갖기 때문에 메모리 소자로서 이상적인 조건을 갖추고 있다. 일반적으로 자기 메모리 소자는 미국특허 제 5,699,293호에 개시되어 있는 바와 같이 1개의 자기저항 센서와 1개의 트랜지스터로 단위셀이 구성될 수 있다. Recent semiconductor devices include magnetic memory devices, phase change devices, and magnetic memory devices, which have high speed, low operating voltage, and nonvolatile properties, are ideal conditions for memory devices. Generally, a magnetic memory element can be constituted by one magnetoresistive sensor and one transistor as a unit cell as disclosed in U.S. Patent No. 5,699,293.

자기 메모리 소자의 기본 구조는 두 강자성 물질이 절연층에 의해서 분리되어 있는 자기터널접합 구조(제1 자성전극/절연체/제 2 자성전극)를 포함한다. 이 소자의 저항이 두 자성체의 상대적인 자화 방향에 따라서 달라지는 자기 저항으로 정보를 저장한다. 두 자성층의 자화 방향 제어는 스핀 분극 전류로 제어가 가능하고, 이는 전자가 가지고 있는 각운동량이 자기 모멘트에 전달되어 토크를 발생시키는 스핀전달토크 (Spin transfer torque)라고 한다. The basic structure of a magnetic memory device includes a magnetic tunnel junction structure (first magnetic electrode / insulator / second magnetic electrode) in which two ferromagnetic materials are separated by an insulating layer. The resistance of this device stores information by magnetoresistance, which depends on the relative magnetization directions of the two magnetic materials. The magnetization direction control of the two magnetic layers can be controlled by the spin polarization current, which is called a spin transfer torque which generates torque by transferring the angular momentum possessed by the electrons to the magnetic moment.

스핀전달토크로 자화 방향을 제어하기 위해서는 스핀 분극 전류가 자성물질 내로 통과를 해야 하지만, 최근 스핀전류를 발생시키는 중금속을 자성체와 인접하게 하여 수평 전류 인가로 자성체의 자화반전을 이루는 기술, 즉 스핀오빗토크(Spin orbit torque) 기술이 제안되었다 [US 8416618, Writable magnetic memory element, US 2014-0169088, Spin Hall magnetic apparatus, method and application, KR1266791, 면내전류와 전기장을 이용한 자기메모리 소자].In order to control the magnetization direction with the spin transfer torque, a spin polarization current has to pass through the magnetic material. However, recently, a technique of making magnetization inversion of a magnetic body by applying a horizontal current to a heavy metal adjacent to the magnetic body to generate a spin current, Spin orbit torque technology has been proposed [US 8416618, Writable magnetic memory element, US 2014-0169088, Spin Hall magnetic apparatus, method and application, KR 1266791, magnetic memory element using in-plane current and electric field].

미국특허 제5,699,293호U.S. Patent No. 5,699,293 미국특허 제5,986,925호U.S. Patent No. 5,986,925

본 발명은 정보의 저장, 인식 및 전달 속도가 빠르고, 전력 소모가 낮은 반도체 소자의 제공을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a fast storage, recognition and transfer speed of information and low power consumption.

또한, 고도의 집적화가 가능하여 반도체 소자의 성능 향상 및 제조 비용의 감소가 가능하다.In addition, it is possible to highly integrate the semiconductor device, thereby improving the performance of the semiconductor device and reducing the manufacturing cost.

또한, 각 셀의 자화 특성을 제조 후 변경함으로써 다양한 분야에 적용 가능하다. Further, the present invention can be applied to various fields by changing the magnetization characteristics of each cell after manufacturing.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되고, 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀; 및 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 가열부;을 포함한다. A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first electrode; A cell disposed on the first electrode and including a magnetic tunnel junction (MTJ) in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are disposed with an insulating layer interposed therebetween; And a heating part forming a thermal gradient in the first electrode.

또한, 상기 자유 자성층의 자화 방향이 적층 방향에 수직 방향으로 정렬되어 수직 이방성 특성을 가질 수 있다. In addition, the magnetization direction of the free magnetic layer may be aligned in a direction perpendicular to the direction of lamination, and may have perpendicular anisotropy characteristics.

또한, 상기 가열부는 상기 제1 전극 상에 배치될 수 있다. The heating unit may be disposed on the first electrode.

또한, 상기 가열부에 의해 열구배가 형성되는 방향은 상기 제1 전극에 인가되는 전류 방향일 수 있다. Further, a direction in which the heating element is formed by the heating part may be a current direction applied to the first electrode.

또한, 상기 자유 자성층의 자화 방향은 상기 가열부에 의해 형성된 열구배에 의해 변할 수 있다. Further, the magnetization direction of the free magnetic layer may be changed by a thermal gradient formed by the heating portion.

또한, 상기 자유 자성층은 자화 방향이 수평 전류 인가에 의해 변할 수 있다. Further, the free magnetic layer can be changed by applying a horizontal current to the magnetization direction.

또한, 상기 제1 전극은 상기 제1 전극에 인가되는 전류의 방향을 따라 두께 또는 폭 구배를 가질 수 있다. The first electrode may have a thickness or width gradient along the direction of the current applied to the first electrode.

또한, 상기 가열부는 발열 소자를 포함할 수 있다. In addition, the heating unit may include a heating element.

또한, 상기 가열부는 제1 전극 보다 열 전도도가 낮은 물질을 포함할 수 있다. The heating unit may include a material having a thermal conductivity lower than that of the first electrode.

또한, 상기 제1 전극의 적어도 일부에 형성된 단열 구조를 더 포함할 수 있다. Further, it may further include a heat insulating structure formed on at least a part of the first electrode.

또한, 상기 제1 전극의 적어도 일부에 형성된 방열 구조를 더 포함할 수 있다. The plasma display panel may further include a heat dissipation structure formed on at least a portion of the first electrode.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자의 제어방법은 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치되고, 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀, 및 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 가열부를 포함하는 반도체 소자의 제어방법에 있어서, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하여, 상기 셀의 임계 전류값을 변경하는 단계; 및 상기 제1 전극에 전류를 인가하여, 상기 셀에 정보를 저장하는 단계;를 포함한다. A method of controlling a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first electrode, a magnetic tunnel junction (MTJ) having a free magnetic layer and a pinned magnetic layer disposed on the first electrode, And a heater for forming a thermal gradient in the first electrode, the method comprising: forming a thermal gradient in the first electrode to change a critical current value of the cell; And applying current to the first electrode to store information in the cell.

또한, 상기 제1 전극 및 상기 셀을 통하는 전류를 인가하여, 상기 셀의 정보를 읽는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include a step of applying current through the first electrode and the cell to read information of the cell.

또한, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 단계에서, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 방법은 상기 가열부에 전류를 인가하여 수행될 수 있다. In the step of forming a thermal gradient in the first electrode, a method of forming a thermal gradient in the first electrode may be performed by applying a current to the heating unit.

또한, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 단계에서, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 방법은 상기 제1 전극에 에너지원을 조사하여 수행될 수 있다. In the step of forming a thermal gradient in the first electrode, a method of forming a thermal gradient in the first electrode may be performed by irradiating the first electrode with an energy source.

본 발명의 실시 예를 따르는 광학 스위치는 제1 전극; 및 상기 제1 전극 상에 배치되고, 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀;을 포함하고, 상기 제1 전극은 광수용부를 포함한다. An optical switch according to an embodiment of the present invention includes: a first electrode; And a cell disposed on the first electrode and including a magnetic tunnel junction (MTJ) in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are disposed with an insulating layer sandwiched therebetween, .

또한, 상기 광수용부는 외부의 에너지원을 수용하여 온도를 변화시킬 수 있다. Also, the light receiving portion may receive an external energy source and change the temperature.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자는 정보의 저장, 인식 및 전달 속도가 빠르고, 전력 소모가 낮다. 고도의 집적화가 가능하여 반도체 소자의 성능 향상 및 제조 비용 감소의 효과가 있다.A semiconductor device according to an embodiment of the present invention has a fast storage, recognition and transfer speed of information, and low power consumption. It is possible to achieve a high degree of integration, thereby improving the performance of the semiconductor device and reducing the manufacturing cost.

또한, 열 인가에 따라 스핀오빗토크 스위칭을 위한 임계전류 값의 제어가 가능하다.Also, it is possible to control the threshold current value for spin orbit torque switching according to the application of heat.

또한, 각 셀의 자화 특성을 제조 후 변경함으로써 다양한 분야에 적용 가능하다. Further, the present invention can be applied to various fields by changing the magnetization characteristics of each cell after manufacturing.

도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자를 도시한 것이다.
도 2는 제1 전극에 배치된 가열부를 포함하는 반도체 소자를 도시한 것이다.
도 3은 제1 전극 상에 배치된 가열부를 포함하는 반도체 소자를 도시한 것이다.
도 4는 반도체 소자의 제1 전극에 외부에서 에너지원을 조사하는 것을 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 A에서 열 인가에 따른 열 스핀 토크를 도시한 것이다.
도 6은 대칭적 열 인가에 의한 반도체 소자의 자화 거동을 도시한 것이다.
도 7은 비대칭적 열 인가에 의한 반도체 소자의 자화 거동을 도시한 것이다.
도 8은 비대칭적 열 인가 에너지와 임계전류 값 변화 관계를 도시한 것이다.
도 9은 본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자의 제어방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시 예를 따르는 광학 스위치를 도시한 것이다. 1 shows a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 shows a semiconductor device including a heating portion disposed on a first electrode.
3 shows a semiconductor device including a heating portion disposed on a first electrode.
Fig. 4 shows the step of irradiating the first electrode of the semiconductor element with an energy source from the outside.
FIG. 5 shows a thermal spin torque according to heat application in FIG. 4A.
6 shows the magnetization behavior of the semiconductor device by symmetrical heat application.
7 shows the magnetization behavior of the semiconductor device by asymmetric heat application.
8 shows the relationship between the asymmetric thermal applied energy and the threshold current value change.
9 is a flowchart of a method of controlling a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
10 shows an optical switch according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity of description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In the drawings, like reference numerals are used throughout the drawings. In addition, "including" an element throughout the specification does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary.

반도체 소자Semiconductor device

도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자(1000)를 도시한 것이다. 1 shows a semiconductor device 1000 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자(1000)는 제1 전극(1100); 상기 제1 전극 상에 배치되고, 절연층(1212)을 사이에 두고 자유 자성층(1211) 및 고정 자성층(1213)이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀; 및 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 가열부(1400);을 포함한다. Referring to FIG. 1, a semiconductor device 1000 according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 1100; A cell disposed on the first electrode and including a magnetic tunnel junction (MTJ) in which a free magnetic layer 1211 and a pinned magnetic layer 1213 are disposed with an insulating layer 1212 therebetween; And a heating unit 1400 for forming a thermal gradient on the first electrode.

상기 제1 전극(1100)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극은 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 중금속을 포함할 수 있다. The first electrode 1100 may include a conductive material. The first electrode may include at least one of hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), iridium (Ir), platinum (Pt), palladium (Pd), and alloys thereof. In addition, the first electrode may include a heavy metal.

상기 제1 전극(1100)은 상기 제1 전극에 배치된 자유 자성층에 전류를 공급할 수 있으며, 상기 전류는 스핀오빗토크를 발생시킬 수 있다. 상기 스핀오빗토크에 의해 상기 자유 자성층의 전기적 또는 자기적 특성이 변경될 수 있다. 상기 제1 전극에 흐르는 전류의 방향은 순방향 또는 역방향으로 흐를 수 있고, 이에 의해 자화 반전의 방향이 달라질 수 있다. 상기 제1 전극(1100)은 각 셀의 특성을 변화 시키므로, 반도체 소자(1000)에 있어서, 쓰기 선(write line)의 역할을 할 수 있다.The first electrode 1100 may supply a current to the free magnetic layer disposed on the first electrode, and the current may generate a spin orbit. The electrical or magnetic characteristics of the free magnetic layer may be changed by the spin orbit torque. The direction of the current flowing to the first electrode may flow in a forward direction or a reverse direction, thereby changing the direction of magnetization inversion. Since the first electrode 1100 changes characteristics of each cell, the first electrode 1100 can function as a write line in the semiconductor device 1000.

상기 자유 자성층(1211)은 자화 방향 등의 자기적 특성의 변화가 가능한 자유 자성층으로, 상기 자유 자성층(1211)의 자기적 특성은 주위의 전기 및 자기 특성에 의해 변경될 수 있다. 또한, 제1 전극(1100)-자유 자성층(1211)의 적층면에 대하여 수직이방성을 가질 수 있다. 상기 자유 자성층(1211)은 전기적 또는 자기적 특성, 특히 자화 방향이 상기 제1 전극에 흐르는 수평 전류에 의해 변할 수 있다.The free magnetic layer 1211 is a free magnetic layer capable of changing the magnetic characteristics such as the magnetization direction. The magnetic characteristics of the free magnetic layer 1211 can be changed by surrounding electric and magnetic characteristics. Further, the first electrode 1100 and the free magnetic layer 1211 may have perpendicular anisotropy with respect to the lamination plane. The free magnetic layer 1211 may change its electrical or magnetic characteristics, particularly the magnetization direction, by the horizontal current flowing through the first electrode.

상기 자유 자성층(1211)은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 붕소(B), 규소(Si), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The free magnetic layer 1211 may be formed of at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd, And may include at least one.

상기 제1 전극(1100)에 전류가 흐르는 경우라도 상기 자유 자성층(1211)의 자기적 특성을 변화시키는 데 충분한 정도의 전류가 흐르지 않는 때에는, 상기 자유 자성층의 자기적 특성은 변하지 않는다. 상기 제1 전극(1100)에 상기 자유 자성층(1211)의 자기적 특성을 변화시키는 데 충분한 정도의 전류가 흘러야 상기 자유 자성층의 자기적 특성이 변하게 되며, 이 때의 전류 값을 자유 자성층의 임계전류라고 할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(1100)에 임계전류 이상의 전류를 흐름으로써 상기 자유 자성층(1211)의 전기적 또는 자기적 특성을 변화시킬 수 있다. Even when a current flows through the first electrode 1100, the magnetic characteristics of the free magnetic layer do not change when a sufficient amount of current does not flow to change the magnetic characteristics of the free magnetic layer 1211. The magnetic characteristics of the free magnetic layer are changed by flowing a current sufficient to change the magnetic characteristics of the free magnetic layer 1211 to the first electrode 1100, . That is, the electric or magnetic characteristics of the free magnetic layer 1211 can be changed by flowing a current equal to or higher than a critical current to the first electrode 1100.

상기 고정 자성층(1213)은 자화 방향이 고정되고, 적층면에 대하여 수직한 방향의 자화 방향을 갖는 물질, 즉 수직이방성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 고정 자성층은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 붕소(B), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The pinned magnetic layer 1213 may include a material having a fixed magnetization direction and a magnetization direction perpendicular to the lamination plane, that is, a material having perpendicular anisotropy. More specifically, the fixed magnetic layer includes at least one of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), boron (B), zirconium (Zr), platinum (Pt), palladium .

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자(1000)는 자유 자성층 및 고정 자성층이 절연층에 의해 구분된 자기터널접합구조를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 반도체 소자(1000)는 상기 자유 자성층(1211) 상에 절연층(1212)이 배치될 수 있고, 상기 절연층(1212) 상에 고정 자성층(1213)이 배치됨으로써 상기 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 마주하도록 배치될 수 있다. 상기 절연층(1212)은 고정 자성층(1213)과 자유 자성층(1211) 사이의 전기적 연결을 제한하는 역할을 한다. 상기 절연층(1212)은 특별히 제한되지 않지만, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화탄탈 및 산화지르코늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The semiconductor device 1000 according to an embodiment of the present invention may include a magnetic tunnel junction structure in which a free magnetic layer and a fixed magnetic layer are separated by an insulating layer. More specifically, in the semiconductor device 1000, the insulating layer 1212 may be disposed on the free magnetic layer 1211, and the fixed magnetic layer 1213 may be disposed on the insulating layer 1212, So that the free magnetic layer and the fixed magnetic layer face each other. The insulating layer 1212 serves to restrict electrical connection between the pinned magnetic layer 1213 and the free magnetic layer 1211. The insulating layer 1212 is not particularly limited, but may include at least one of aluminum oxide, magnesium oxide, tantalum oxide, and zirconium oxide.

상기 제1 전극(1100), 자유 자성층(1211), 절연층(1212) 및 고정 자성층(1213)은 박막 증착을 위한 일반적인 공정, 예를 들면 원자층 증착(ALD), 화학 증착(CVD), 물리 증착(PVD)의 방법으로 형성할 수 있다. 각각의 두께는 수 nm 내지 수십 nm 일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.The first electrode 1100, the free magnetic layer 1211, the insulating layer 1212 and the pinned magnetic layer 1213 may be formed by conventional processes for thin film deposition such as atomic layer deposition (ALD), chemical vapor deposition (CVD) Deposition (PVD) method. Each thickness may be from several nm to several tens nm, and is not particularly limited.

상기 가열부(1400)는 제1 전극(1100)에 열구배를 형성할 수 있다. The heating unit 1400 may form a thermal gradient in the first electrode 1100.

상기 가열부(1400)는 제1 전극(1100)의 물질과 동일한 물질을 포함할 수 있고, 구조적인 이질성이 없을 수 있다. 예를 들어 상기 제1 전극이 텅스텐을 포함할 수 있고, 상기 가열부도 또한 텅스텐을 포함할 수 있다. The heating portion 1400 may include the same material as the material of the first electrode 1100, and may have no structural heterogeneity. For example, the first electrode may include tungsten, and the heating portion may also include tungsten.

도 2는 제1 전극에 배치된 가열부를 포함하는 반도체 소자를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 상기 가열부(1400)는 제1 전극(1100)에 열구배를 형성하기 위해 제1 전극 내에 형성될 수 있다. Fig. 2 shows a semiconductor device including a heating portion disposed on a first electrode. Referring to FIG. 2, the heating unit 1400 may be formed in the first electrode 1100 to form a thermal gradient in the first electrode 1100.

도 3은 제1 전극 상에 배치된 가열부를 포함하는 반도체 소자를 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 상기 가열부(1400)는 상기 제1 전극(1100) 상에 배치될 수 있다. 3 shows a semiconductor device including a heating portion disposed on a first electrode. Referring to FIG. 3, the heating unit 1400 may be disposed on the first electrode 1100.

또는, 상기 가열부(1400)는 제1 전극(1100)과 열적 또는 전기적으로 접촉하도록 배치되고, 상기 배치되는 위치 및 가열부의 형상은 특별히 제한되지 않을 수 있다. Alternatively, the heating unit 1400 may be arranged to be in thermal or electrical contact with the first electrode 1100, and the position and shape of the heating unit may not be particularly limited.

상기 가열부(1400)에 의해 열구배가 형성되는 방향은 상기 제1 전극(1100)에 인가되는 전류 방향일 수 있다. The direction in which the heating element is formed by the heating part 1400 may be a current direction applied to the first electrode 1100.

상기 가열부(1400)에 의해 열구배가 형성되는 방향은 상기 제1 전극(1100)에 인가되는 전류에 의존하여 형성될 수 있다. 따라서, 바람직하게 상기 상기 가열부(1400)에 의해 열구배가 형성되는 방향은 상기 제1 전극(1100)에 형성된 전류 또는 전류 밀도에 의존하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극에 전류가 인가되어 상기 전류가 상기 제1 전극 및 자유 자성층이 접하는 경계 인접 지역으로 전류 방향을 따라서 전류가 집중된다면, 상기 열구배는 이를 따라서 형성될 수 있다. The direction in which the heating element is formed by the heating part 1400 may be formed depending on the current applied to the first electrode 1100. Therefore, the direction in which the heating element is formed by the heating part 1400 may be formed depending on the current or the current density formed in the first electrode 1100. For example, if a current is applied to the first electrode and the current is concentrated along the current direction to a boundary adjacent region where the first electrode and the free magnetic layer are in contact, the thermal gradient can be formed accordingly.

상기 자유 자성층(1211)의 자화 방향은 상기 가열부에 의해 형성된 열구배에 의해 변할 수 있다. The magnetization direction of the free magnetic layer 1211 may be changed by a thermal gradient formed by the heating portion.

상기 제1 전극(1100)에 전류가 흐르는 경우라도 상기 자유 자성층(1211)의 자기적 특성을 변화시키는 데 충분한 정도의 전류가 흐르지 않는 때에는, 상기 자유 자성층(1211)의 자기적 특성은 변하지 않는다. 상기 제1 전극(1100)에 상기 자유 자성층(1211)의 자기적 특성을 변화시키는 데 충분한 정도의 전류가 흘러야 상기 자유 자성층의 자기적 특성이 변하게 되며, 이 때의 전류 값을 자유 자성층(1211)의 임계전류라고 할 수 있다. 상기 제1 전극에 임계전류 이상의 전류를 인가함으로써 상기 자유 자성층의 전기적 또는 자기적 특성을 변화시킬 수 있다. 이때, 상기 자유 자성층의 자화 방향은 상기 가열부에 의해 형성된 열구배에 의해 변할 수 있고, 상기 자유 자성층의 임계전류 값은 상기 가열부에 의해 형성된 열구배에 의해 변할 수 있다. The magnetic characteristics of the free magnetic layer 1211 do not change when a sufficient amount of current does not flow to change the magnetic characteristics of the free magnetic layer 1211 even when a current flows through the first electrode 1100. [ The magnetic characteristics of the free magnetic layer are changed by supplying a current sufficient to change the magnetic characteristics of the free magnetic layer 1211 to the first electrode 1100. The current value at this time is applied to the free magnetic layer 1211, Can be said to be the critical current of The electric or magnetic characteristics of the free magnetic layer can be changed by applying a current equal to or higher than the threshold current to the first electrode. At this time, the magnetization direction of the free magnetic layer may be changed by a thermal gradient formed by the heating portion, and the critical current value of the free magnetic layer may be changed by a thermal gradient formed by the heating portion.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자(1000)는 고정 자성층(1213)과 전기적으로 연결된 제2 전극(1300)을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 전극(1300)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제2 전극(1300)은 특별히 제한되지 않으며, 니켈(Ni), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 그 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The semiconductor device 1000 according to an embodiment of the present invention may further include a second electrode 1300 electrically connected to the pinned magnetic layer 1213 and the second electrode 1300 may include a conductive material . The second electrode 1300 is not particularly limited and may include at least one of nickel (Ni), tungsten (W), copper (Cu), and alloys thereof.

상기 제2 전극(1300)을 통해 각 셀의 전기 및 자성적 특성을 판단할 수 있다. 따라서, 상기 제2 전극은 반도체 소자에 있어서 읽기 선(read line)의 역할을 할 수 있다. 이때, 제2 전극(1300)에 흐르는 전류는 각 셀의 전기 또는 자기적 특성을 판단할 수 있는 정도의 크기이면 충분하기 때문에, 자유 자성층(1211) 및 고정 자성층(1213)의 자기적 특성을 변화시키지 않는다. The electrical and magnetic characteristics of each cell can be determined through the second electrode 1300. Therefore, the second electrode may serve as a read line in the semiconductor device. The magnitude of the current flowing through the second electrode 1300 is sufficient to determine the electric or magnetic characteristics of each cell. Therefore, the magnetic characteristics of the free magnetic layer 1211 and the fixed magnetic layer 1213 can be changed Do not.

도 1을 참조하면, 자유 자성층(1211)의 자화 방향은, 위아래로 향하는 화살표가 의미하는 바와 같이 두 방향으로 변할 수 있다. 이와 반대로, 고정 자성층의 자화 방향은, 위로만 향하는 화살표가 의미하는 바와 같이 변하지 않을 수 있다. Referring to FIG. 1, the magnetization direction of the free magnetic layer 1211 can be changed in two directions, as indicated by upward and downward arrows. On the other hand, the magnetization direction of the pinned magnetic layer may not change as indicated by the upward facing arrow.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자(1000)는 자기터널접합 구조에서 자유 자성층(1211)에 인접한 비자성체에 흐르는 수평전류에 의한 스핀오빗토크(spin orbit torque)로 상기 자유 자성층을 반전하는 기술을 이용한다. 이는 기존의 수직방향의 전류로 구동되는 스핀전달토크(spin transfer torque) 기술과 대비된다. 또한, 낮은 임계전류밀도, 높은 열적안정성, 소자 안정성 등 기존의 고집적 자기메모리의 문제점 등을 해결할 수 있는 효과가 있다.The semiconductor device 1000 according to the embodiment of the present invention has a technique of reversing the free magnetic layer with a spin orbit torque due to a horizontal current flowing in a nonmagnetic body adjacent to the free magnetic layer 1211 in a magnetic tunnel junction structure . This contrasts with spin transfer torque technology driven by conventional vertical currents. It also has the effect of solving the problems of conventional highly integrated magnetic memories such as low threshold current density, high thermal stability, and device stability.

상기 제1 전극(1100)은 전류의 이동 방향으로 두께 또는 폭 구배를 가질 수 있다. The first electrode 1100 may have a thickness or width gradient in the direction of current flow.

상기 제1 전극(1100)은 상기 제1 전극에 흐르는 전류에 의해 줄 가열(Joule heating)에 의해 가열될 수 있다. 상기 줄 가열은 전류가 흐르는 매체의 저항에도 의존하지만, 단면적에 의존할 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극의 횡 방향 단면적이 두께 또는 폭 구배를 가지면, 줄어든 단면적에 의해 줄 가열에 의한 열 발생이 증가할 수 있다. The first electrode 1100 may be heated by joule heating by a current flowing in the first electrode. The line heating depends on the resistance of the medium through which the current flows, but may depend on the cross-sectional area. Therefore, if the lateral cross-sectional area of the first electrode has a thickness or width gradient, heat generation due to line heating may be increased by the reduced cross-sectional area.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자에서, 상기 가열부(1400)는 발열 소자를 포함할 수 있다. In the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the heating part 1400 may include a heating element.

상기 발열 소자는 열을 생성하는 발열부, 상기 발열부에 전기를 인가하는 전기 인가 수단, 및 상기 전기 인가 수단을 제어하는 발열 소자 스위치를 포함할 수 있다. 상기 발열부는 제1 전극 보다 높은 열 비저항을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상기 발열부는 상기 발열부에 인가되는 전류의 크기에 의존하여 발생되는 열 에너지가 증가할 수 있고, 이를 통해 가열부에 생성되는 열 에너지의 제어가 가능할 수 있다. 이때, 상기 가열부가 배치된 위치와 선택적인 작동에 의해 상기 제1 전극에 열구배를 선택적으로 제어할 수 있다. The heating element may include a heating unit that generates heat, an electric applying unit that applies electricity to the heating unit, and a heating element switch that controls the electric applying unit. The heat generating portion may include a material having a higher thermal resistivity than the first electrode. The heat generating unit may increase the heat energy generated depending on the magnitude of the current applied to the heat generating unit, and may control the thermal energy generated in the heating unit. At this time, it is possible to selectively control the thermal gradient to the first electrode by the position where the heating unit is disposed and the selective operation.

상기 가열부(1400)는 상기 제1 전극(1100) 보다 전기 전도도가 높은 물질을 포함할 수 있다. The heating unit 1400 may include a material having a higher electrical conductivity than the first electrode 1100.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자(1000)에서, 상기 제1 전극(1100)에 배치된 가열부(1400)는 제1 전극 보다 높은 전기 전도도를 갖는 물질을 포함할 수 있고, 상기 반도체 소자의 작동 시에 상기 제1 전극 및 가열부에 흐르는 전류에 의해 줄 가열(joule heating)이 발생할 수 있다. 상기 제1 전극 및 가열부에 흐르는 전류는 전류의 특성상 전기 전도도가 높은 측으로 편향되어 집중된다. 이를 통해, 상기 가열부로 전류 밀도가 집중될 수 있고, 이에 의해 가열부에 열구배가 발생할 수 있다. In the semiconductor device 1000 according to an embodiment of the present invention, the heating portion 1400 disposed in the first electrode 1100 may include a material having a higher electrical conductivity than the first electrode, Joule heating may occur due to the current flowing through the first electrode and the heating unit during operation. The current flowing through the first electrode and the heating portion is deflected toward the higher electrical conductivity due to the characteristics of the current. Through this, the current density can be concentrated in the heating unit, and heat conduction can be generated in the heating unit.

상기 가열부(1400)를 형성하는 방법은 반도체 소자에서 통상적으로 물질을 선택적으로 형성하는 방법인 포토리소그래피 공정, 식각 공정 및 증착 공정을 통해 수행될 수 있다. The method of forming the heating portion 1400 may be performed through a photolithography process, an etching process, and a deposition process, which are methods for selectively forming a material in a semiconductor device.

상기 가열부(1400)는 제1 전극(1100)에 포함된 물질의 산화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극이 알루미늄 전극인 경우 알루미나(Al2O3) 또는 알루미늄 질화물(AlN)을 포함할 수 있다. The heating unit 1400 may include at least one of an oxide and a nitride of a material included in the first electrode 1100. For example, when the first electrode is an aluminum electrode, it may include alumina (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN).

상기 제1 전극(1100)에 포함된 물질의 산화물 및 질화물은 상기 제1 전극에 포함된 물질의 선택적 산화 및 질화를 통해 형성될 수 있다. The oxide and nitride of the material contained in the first electrode 1100 may be formed through selective oxidation and nitridation of the material contained in the first electrode 1100.

상기 산화물은 상기 제1 전극(1100)에 산소 이온 주입을 수행하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극이 텅스텐이면, 상기 제1 전극 두께의 중심부 또는 원하는 위치에 산소 이온 주입(ion implantation)을 실시하고, 중금속에 배치된 산소 이온은 후속 열처리를 통해 텅스텐의 선택적 산화가 가능하고, 제1 전극 보다 비저항이 높은 가열부를 형성할 수 있다. 이때, 산소 이온을 텅스텐 내부에 선택적으로 배치하기 위해서 포토 리소그래피 공정을 함께 수행할 수 있다. 상기 제1 전극을 선택적으로 산화 및 질화하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. The oxide may be formed by performing oxygen ion implantation into the first electrode 1100. For example, if the first electrode is tungsten, an ion implantation is performed at a central portion or a desired position of the first electrode thickness, and oxygen ions disposed in the heavy metal are selectively oxidized by selective oxidation of tungsten through a subsequent heat treatment. And a heating portion having a higher specific resistance than the first electrode can be formed. At this time, a photolithography process can be performed together to selectively place the oxygen ions in the tungsten. The method of selectively oxidizing and nitriding the first electrode is not particularly limited.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자(1000)는, 상기 제1 전극(1100)의 적어도 일부에 형성된 단열 구조를 더 포함할 수 있다.The semiconductor device 1000 according to an embodiment of the present invention may further include a heat insulating structure formed on at least a part of the first electrode 1100. [

상기 단열 구조는 제1 전극(1100)보다 낮은 열 전도도를 갖는 적어도 한 개의 층을 갖는 다층 구조로 형성될 수 있고, 상기 제1 전극(1100)을 감싸는 구조(capping structure)로 형성될 수 있다. 상기 단열 구조를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않을 수 있다. 상기 단열 구조는 상기 제1 전극 및 가열부에서 발생한 열이 방출되는 것을 방지할 수 있고, 제1 전극 보다 낮은 열전도도를 갖는 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 단열 구조가 3개의 층으로 구성되어 있을 때, 상기 3개의 층은 서로 다른 물질일 수 있다. 상기와 같이 서로 다른 3개의 층으로 형성되어 있을 때 각각의 층은 서로 다른 격자 구조, 밀도 및 열 전도도를 갖고, 다층 구조의 경계면에 의해 제1 전극 및 가열부에서 발생한 열의 방출을 효과적으로 제어할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자의 제1 전극에 열구배를 제어할 수 있고, 비대칭적인 열구배로 제어하는 것이 가능할 수 있다.The insulating structure may be formed in a multi-layer structure having at least one layer having a thermal conductivity lower than that of the first electrode 1100, and may be formed in a capping structure that surrounds the first electrode 1100. The method of forming the heat insulating structure is not particularly limited. The heat insulating structure may prevent the heat generated in the first electrode and the heating part from being emitted, and may be a material having a thermal conductivity lower than that of the first electrode. For example, when the insulating structure is composed of three layers, the three layers may be different materials. When formed as three different layers as described above, each layer has a different lattice structure, density and thermal conductivity, and can effectively control the emission of heat generated in the first electrode and the heating portion by the interface of the multi-layer structure have. Accordingly, it is possible to control the thermal gradient to the first electrode of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, and it is possible to control the asymmetric thermal diffraction.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자(1000)는, 상기 제1 전극(1100)의 적어도 일부에 형성된 방열 구조를 더 포함할 수 있다.The semiconductor device 1000 according to an embodiment of the present invention may further include a heat dissipation structure formed on at least a part of the first electrode 1100. [

상기 방열 구조는 제1 전극(1100)의 적어도 일부에 접촉하여 형성될 수 있고, 상기 제1 전극에서 발생하는 열을 이동시키고, 상기 제1 전극 및 가열부에서 생성된 열을 방출시킬 수 있는 열 채널 또는 히트 싱크(heat sink)로 형성될 수 있다. 상기 방열 구조의 형상은 특별히 제한되지 않고, 상기 방열 구조의 일단은 제1 전극과 접촉하여 일직선, 'ㄱ' 형상 및 'ㄴ'형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있고, 상기 방열 구조의 타단은 대기중과 접촉할 수 있다. 상기 방열 구조는 단열물질에 의해 감싸질 수 있다. 상기 방열 구조는 높은 열전도도를 가지는 물질로 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 방열 구조에 의해서 본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자의 제1 전극에 생성되는 열을 제어할 수 있고, 비대칭적인 열구배로 제어하는 것이 가능할 수 있다. The heat dissipation structure may be formed in contact with at least a part of the first electrode 1100, and the heat generated by the first electrode may be moved, and the heat generated by the first electrode and the heat generated by the heating unit Channel or a heat sink. The shape of the heat dissipation structure is not particularly limited, and one end of the heat dissipation structure may be formed in various shapes such as a straight line, an a 'shape, and an a' shape by contacting with the first electrode, Lt; / RTI > The heat dissipation structure may be surrounded by a heat insulating material. The heat dissipation structure may be formed of a material having a high thermal conductivity. The heat generated in the first electrode of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention can be controlled by the heat dissipation structure and it is possible to control the asymmetrical heat spread.

도 4는 반도체 소자의 제1 전극에 외부에서 에너지원을 조사하는 것을 도시한 것이다. 도 4에서 제1 전극은 텅스텐(W)을 이용하여 5nm 두께로 형성하였고, 상기 제1 전극 상에 자유 자성층으로 CoFeB를 1nm 두께로 형성하였으며, 상기 자유자성층 상에 1.6nm의 두께로 산화 마그네슘(MgO)를 형성하였다. 이때, 상기 제1 전극에 전류(Ip)를 일 방향으로 인가하였고, 가열부에 외부 에너지원을 이용하여 열 구배(∇Tx>0)를 형성하였다. 상기 외부 에너지원은 매우 작은 구경을 갖는 레이저(VSAL, very small aperture laser)를 사용하였고, 상기 가열부에서 발생하는 열 에너지는 상기 가열부에 인가된 레이저 조사량에 의해 제어될 수 있다.Fig. 4 shows the step of irradiating the first electrode of the semiconductor element with an energy source from the outside. 4, the first electrode was formed to a thickness of 5 nm using tungsten (W), CoFeB was formed as a free magnetic layer on the first electrode to a thickness of 1 nm, and magnesium oxide MgO). At this time, a current (I p ) was applied to the first electrode in one direction, and a thermal gradient (∇T x > 0) was formed in the heating unit using an external energy source. The external energy source uses a very small aperture laser (VSAL), and the thermal energy generated by the heating unit can be controlled by the laser irradiation amount applied to the heating unit.

도 5는 도 4의 A에서 열 인가에 따른 열 스핀 토크를 도시한 것이다. FIG. 5 shows a thermal spin torque according to heat application in FIG. 4A.

도 5를 참조하면, 상기 가열부에 외부 에너지원을 이용하여 열 구배(∇Tx>0)를 형성하였을 때, 상기 가열부의 열 구배에 의해 스핀전류가 생성될 수 있고, 스핀 토크가 발생할 수 있다. 이를 통해, 반도체 소자의 자유 자성층의 자화 반전 거동을 변화할 수 있다. Referring to FIG. 5, when a thermal gradient (∇T x > 0) is formed in the heating unit using an external energy source, a spin current can be generated by a thermal gradient of the heating unit, have. Thus, the magnetization reversal behavior of the free magnetic layer of the semiconductor device can be changed.

도 6은 대칭적 열구배에 의한 반도체 소자의 자화 거동을 도시한 것이다. 6 shows the magnetization behavior of a semiconductor device by a symmetrical thermal gradient.

도 6을 참조하면, 상기 도 6의 그래프에서 x-축 방향의 너비는 임계 전류(IC) 및 스위칭 효율을 의미한다. 도 6을 참조하면, 상기 제1 전극에 조사된 레이저의 파워가 증가할 수록 상기 자유 자성층의 자화 반전을 위한 임계 전류가 감소하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, in the graph of FIG. 6, the width in the x-axis direction means the threshold current I C and the switching efficiency. Referring to FIG. 6, it can be seen that the critical current for magnetization inversion of the free magnetic layer decreases as the laser power applied to the first electrode increases.

도 7은 비대칭적 열구배에 의한 반도체 소자의 자화 거동을 도시한 것이다. FIG. 7 shows the magnetization behavior of a semiconductor device by an asymmetric thermal gradient.

도 7을 참조하면, 제1 전극에 비대칭적인 열구배에 의해 임계 전류가 더 극적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 열구배의 방향에 의존하여 변화되는 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 비대칭적 열구배의 방향을 조절함에 따라 임계 전류를 극적으로 감소시킬 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the threshold current is more dramatically reduced by the asymmetric thermal gradient to the first electrode. Also, it can be seen that the behavior varies depending on the direction of the thermal gradient. At this time, the critical current can be dramatically reduced by adjusting the direction of the asymmetric thermal gradient.

도 8은 제1 전극에 가해지는 비대칭 열구배의 열에너지 크기와 임계전류의 변화량의 관계를 도시한 것이다. 도 8을 참조하면 비대칭 열구배 열에너지 크기와 임계전류의 변화량은 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.8 shows the relationship between the magnitude of the heat energy of the asymmetric thermal gradient applied to the first electrode and the amount of change in the threshold current. Referring to FIG. 8, it can be seen that the amount of asymmetric thermal gradient heat energy and the variation of the critical current linearly increase.

본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자는 가열부에 형성된 열 구배를 이용하여 반도체 소자의 자화 반전을 위한 임계 전류를 소정의 값으로 손쉽게 조절할 수 있고, 이를 통해 단일 반도체 소자를 이용하여 열 구배에 따라 임계전류가 변화하는 반도체 소자로 활용할 수 있다. A semiconductor device according to an embodiment of the present invention can easily adjust a critical current for magnetization inversion of a semiconductor device to a predetermined value by using a thermal gradient formed in a heating unit, It can be utilized as a semiconductor element whose threshold current changes.

반도체 소자 제어방법Semiconductor device control method

도 9는 본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자의 제어방법의 순서도이다.9 is a flowchart of a method of controlling a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 반도체 소자의 제어방법(S1000)은 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치되고, 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀, 및 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 가열부를 포함하는 반도체 소자의 제어방법에 있어서, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하여, 상기 셀의 임계 전류값을 변경하는 단계(S1100); 및 상기 제1 전극에 전류를 인가하여, 상기 셀에 정보를 저장하는 단계(S1200);를 포함한다.Referring to FIG. 9, a method of controlling a semiconductor device (S1000) according to an embodiment of the present invention includes a first electrode, a second electrode disposed on the first electrode, and a free magnetic layer and a pinned magnetic layer A method of controlling a semiconductor device including a cell including a tunnel junction (MTJ: magnetic tunnel junction) and a heating part forming a thermal gradient in the first electrode, the method comprising: forming a thermal gradient in the first electrode, (S1100); And storing information in the cell by applying a current to the first electrode (S1200).

먼저, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하여, 상기 셀의 임계 전류값을 변경하는 단계(S1100)를 설명한다. First, a step S1100 of changing a threshold current value of the cell by forming a thermal gradient on the first electrode will be described.

본 발명의 다른 실시 예를 따르는 반도체 소자를 제어하는 방법에서, 상기 제1 전극에 형성된 열구배는 상기 자유 자성층의 자화 반전을 위한 임계 전류를 변경할 수 있다. In a method of controlling a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, a thermal gradient formed in the first electrode may change a threshold current for magnetization inversion of the free magnetic layer.

다음으로, 상기 제1 전극에 전류를 인가하여, 상기 셀에 정보를 저장하는 단계(S1200)를 설명한다. Next, a step S1200 of applying a current to the first electrode and storing information in the cell will be described.

앞선 단계에서, 제1 전극에 형성된 열구배에 의해서 자기적 특성의 변화에 대한 임계전류 값을 변경하고, 상기 셀에 전류를 인가하고, 이에 의해 각 셀에 정보가 저장될 수 있다.In the previous step, the threshold current value for the change of the magnetic characteristic is changed by the thermal gradient formed on the first electrode, and the current is applied to the cell, whereby information can be stored in each cell.

상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 단계에서, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 방법은 상기 가열부에 전류를 인가하여 수행될 수 있다. In the step of forming a thermal gradient in the first electrode, a method of forming a thermal gradient in the first electrode may be performed by applying a current to the heating unit.

본 발명의 다른 실시 예를 따르는 반도체 소자 제어방법에서, 상기 가열부는 제1 전극 보다 낮은 열 전도도를 갖는 물질을 포함할 수 있고, 상기 가열부는 반도체 소자와 독립된 배선을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 가열부에서 발생하는 열 에너지는 상기 가열부에 인가된 전류량에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. In the semiconductor device control method according to another embodiment of the present invention, the heating unit may include a material having a thermal conductivity lower than that of the first electrode, and the heating unit may have a wiring independent of the semiconductor device. Accordingly, the thermal energy generated in the heating unit can be independently controlled by the amount of current applied to the heating unit.

상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 단계에서, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 방법은, 상기 제1 전극에 에너지원을 조사하여 수행될 수 있다.In the step of forming a thermal gradient in the first electrode, a method of forming a thermal gradient in the first electrode may be performed by irradiating the first electrode with an energy source.

광학 스위치Optical Switch

도 10은 본 발명의 실시 예를 따르는 광학 스위치를 도시한 것이다. 10 shows an optical switch according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 광학 스위치(2000)는 제1 전극(2100); 및 상기 제1 전극(2100) 상에 배치되고, 절연층(2212)을 사이에 두고 자유 자성층(2211) 및 고정 자성층(2213)이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀(2210);을 포함하고, 상기 제1 전극은 광수용부(2400)를 포함한다. 10, an optical switch 2000 according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 2100; And a magnetic tunnel junction (MTJ), which is disposed on the first electrode 2100 and in which a free magnetic layer 2211 and a pinned magnetic layer 2213 are disposed with an insulating layer 2212 therebetween, (2210), and the first electrode includes a light receiving portion (2400).

상기 제1 전극(2100)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극은 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 중금속을 포함할 수 있다. The first electrode 2100 may include a conductive material. The first electrode may include at least one of hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), iridium (Ir), platinum (Pt), palladium (Pd), and alloys thereof. In addition, the first electrode may include a heavy metal.

상기 제1 전극(2100)은 상기 제1 전극에 배치된 자유 자성층(2211)에 전류를 공급할 수 있으며, 상기 전류는 스핀오빗토크를 발생시킬 수 있다. 상기 스핀오빗토크에 의해 상기 자유 자성층의 전기적 또는 자기적 특성이 변경될 수 있다. 상기 제1 전극에 흐르는 전류의 방향은 순방향 또는 역방향으로 흐를 수 있고, 이에 의해 자화 반전의 방향이 달라질 수 있다. 상기 제1 전극(2100)은 각 셀의 특성을 변화 시키므로, 광학 스위치(2000)에 있어서, 쓰기 선(write line)의 역할을 할 수 있다.The first electrode 2100 can supply a current to the free magnetic layer 2211 disposed on the first electrode, and the current can generate a spin orbit torque. The electrical or magnetic characteristics of the free magnetic layer may be changed by the spin orbit torque. The direction of the current flowing to the first electrode may flow in a forward direction or a reverse direction, thereby changing the direction of magnetization inversion. Since the first electrode 2100 changes characteristics of each cell, the optical switch 2000 can serve as a write line.

상기 자유 자성층(2211)은 자화 방향 등의 자기적 특성의 변화가 가능한 자유 자성층으로, 상기 자유 자성층(2211)의 자기적 특성은 주위의 전기 및 자기 특성에 의해 변경될 수 있다. 또한, 제1 전극(2100)-자유 자성층(2211)의 적층면에 대하여 수직이방성을 가질 수 있다. 상기 자유 자성층은 전기적 또는 자기적 특성, 특히 자화 방향이 상기 제1 전극에 흐르는 수평 전류에 의해 변할 수 있다.The free magnetic layer 2211 is a free magnetic layer capable of changing magnetic characteristics such as a magnetization direction. The magnetic characteristics of the free magnetic layer 2211 can be changed by surrounding electric and magnetic characteristics. Further, the first electrode 2100 and the free magnetic layer 2211 may have perpendicular anisotropy with respect to the lamination plane. The free magnetic layer may be changed in electrical or magnetic characteristics, in particular, in the direction of magnetization by a horizontal current flowing to the first electrode.

상기 자유 자성층(2211)은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 붕소(B), 규소(Si), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The free magnetic layer 2211 may be formed of at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, B, Si, Zr, Pt, Pd, And may include at least one.

상기 제1 전극(2100)에 전류가 흐르는 경우라도 상기 자유 자성층(2211)의 자기적 특성을 변화시키는 데 충분한 정도의 전류가 흐르지 않는 때에는, 상기 자유 자성층(2211)의 자기적 특성은 변하지 않는다. 상기 제1 전극(2100)에 상기 자유 자성층(2211)의 자기적 특성을 변화시키는 데 충분한 정도의 전류가 흘러야 상기 자유 자성층(2211)의 자기적 특성이 변하게 되며, 이 때의 전류 값을 자유 자성층(2211)의 임계전류라고 할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(2100)에 임계전류 이상의 전류를 흐름으로써 상기 자유 자성층(2211)의 전기적 또는 자기적 특성을 변화시킬 수 있다. The magnetic characteristics of the free magnetic layer 2211 do not change when a current of sufficient magnitude to change the magnetic characteristics of the free magnetic layer 2211 does not flow even when a current flows through the first electrode 2100. [ The magnetic characteristics of the free magnetic layer 2211 are changed by flowing a current sufficient to change the magnetic characteristics of the free magnetic layer 2211 to the first electrode 2100, It can be said that the threshold current of the transistor 2211 is a threshold current. That is, the electric or magnetic characteristics of the free magnetic layer 2211 can be changed by flowing a current equal to or larger than a critical current to the first electrode 2100.

상기 고정 자성층(2213)은 자화 방향이 고정되고, 적층면에 대하여 수직한 방향의 자화 방향을 갖는 물질, 즉 수직이방성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 고정 자성층은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 붕소(B), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The pinned magnetic layer 2213 may include a material having a magnetization direction fixed and a magnetization direction perpendicular to the lamination plane, that is, a material having perpendicular anisotropy. More specifically, the fixed magnetic layer includes at least one of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), boron (B), zirconium (Zr), platinum (Pt), palladium .

상기 광학 스위치(2000)는 자유 자성층 및 고정 자성층이 절연층에 의해 구분된 자기터널접합구조를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 광학 스위치는 상기 자유 자성층 상에 절연층이 배치될 수 있고, 상기 절연층 상에 고정 자성층이 배치됨으로써 상기 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 마주하도록 배치될 수 있다. 상기 절연층은 고정 자성층(2213)과 자유 자성층 사이의 전기적 연결을 차단하는 역할을 한다. 상기 절연층은 특별히 제한되지 않지만, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화탄탈 및 산화지르코늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The optical switch 2000 may include a magnetic tunnel junction structure in which a free magnetic layer and a fixed magnetic layer are separated by an insulating layer. More specifically, the optical switch may be arranged such that the insulating layer is disposed on the free magnetic layer, and the free magnetic layer and the pinned magnetic layer face each other with the insulating layer interposed therebetween by disposing the stationary magnetic layer on the insulating layer . The insulating layer serves to cut off the electrical connection between the pinned magnetic layer 2213 and the free magnetic layer. The insulating layer is not particularly limited, but may include at least one of aluminum oxide, magnesium oxide, tantalum oxide, and zirconium oxide.

상기 제1 전극, 자유 자성층, 절연층 및 고정 자성층은 박막 증착을 위한 일반적인 공정, 예를 들면 원자층 증착(ALD), 화학 증착(CVD), 물리 증착(PVD)의 방법으로 형성할 수 있다. 각각의 두께는 수 nm 내지 수십 nm 일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.The first electrode, the free magnetic layer, the insulating layer, and the fixed magnetic layer may be formed by a general process for thin film deposition, for example, atomic layer deposition (ALD), chemical vapor deposition (CVD), or physical vapor deposition (PVD). Each thickness may be from several nm to several tens nm, and is not particularly limited.

본 발명의 실시 예를 따르는 광학 스위치(2000)는 고정 자성층과 전기적으로 연결된 제2 전극(2300)을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 전극(2300)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제2 전극(2300)은 특별히 제한되지 않으며, 니켈(Ni), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 그 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The optical switch 2000 according to an embodiment of the present invention may further include a second electrode 2300 electrically connected to the fixed magnetic layer, and the second electrode 2300 may include a conductive material. The second electrode 2300 is not particularly limited and may include at least one of nickel (Ni), tungsten (W), copper (Cu), and alloys thereof.

상기 제2 전극(2300)을 통해 각 셀의 전기 및 자성적 특성을 판단할 수 있다. 따라서, 상기 제2 전극은 광학 스위치에 있어서 읽기 선(read line)의 역할을 할 수 있다. 이때, 제2 전극(2300)에 흐르는 전류는 각 셀의 전기 또는 자기적 특성을 판단할 수 있는 정도의 크기이면 충분하기 때문에, 자유 자성층(2211) 및 고정 자성층(2213)의 자기적 특성을 변화시키지 않는다. The electrical and magnetic characteristics of each cell can be determined through the second electrode 2300. Therefore, the second electrode may serve as a read line in the optical switch. The magnitude of the current flowing through the second electrode 2300 is sufficient to determine the electric or magnetic characteristics of each cell. Therefore, the magnetic characteristics of the free magnetic layer 2211 and the fixed magnetic layer 2213 can be changed Do not.

상기 자유 자성층(2211)의 자화 방향은, 위아래로 향하는 화살표가 의미하는 바와 같이 두 방향으로 변할 수 있다. 이와 반대로, 고정 자성층(2213)의 자화 방향은, 위로만 향하는 화살표가 의미하는 바와 같이 변하지 않을 수 있다. The magnetization direction of the free magnetic layer 2211 can be changed in two directions as indicated by upward and downward arrows. On the other hand, the magnetization direction of the pinned magnetic layer 2213 may not change as indicated by the upward facing arrow.

본 발명의 실시 예를 따르는 광학 스위치(2000)는 자기터널접합 구조에서 자유 자성층에 인접한 비자성체에 흐르는 수평전류에 의한 스핀오빗토크(spin orbit torque)로 상기 자유 자성층을 반전하는 기술을 이용한다. 이는 기존의 수직방향의 전류로 구동되는 스핀전달토크(spin transfer torque) 기술과 대비된다. 또한, 낮은 임계전류밀도, 높은 열적안정성, 소자 안정성 등 기존의 고집적 자기메모리의 문제점 등을 해결할 수 있는 효과가 있다.The optical switch 2000 according to the embodiment of the present invention uses a technique of inverting the free magnetic layer with a spin orbit torque caused by a horizontal current flowing in a nonmagnetic body adjacent to the free magnetic layer in the magnetic tunnel junction structure. This contrasts with spin transfer torque technology driven by conventional vertical currents. It also has the effect of solving the problems of conventional highly integrated magnetic memories such as low threshold current density, high thermal stability, and device stability.

상기 광수용부(2400)는 외부의 에너지원을 수용하여 온도를 변화시킬 수 있다. 상기 광수용부(2400)는 외부의 에너지원이 조사될 수 있고, 상기 에너지원이 인가됨에 따라, 가열 또는 냉각되어 상기 제1 전극에 열 구배를 형성할 수 있다. 상기 광수용부(2400)는 외부의 에너지원의 인가에 의해, 온도 구배를 형성할 수 있는 열전 소자의 구성을 포함할 수 있다. The light receiving portion 2400 can receive an external energy source and change the temperature. The light-receiving portion 2400 may be irradiated with an external energy source, and may be heated or cooled as the energy source is applied to form a thermal gradient in the first electrode. The light receiving portion 2400 may include a configuration of a thermoelectric element capable of forming a temperature gradient by application of an external energy source.

본 발명의 실시 예를 따르는 광학 스위치(2000)는 상기 제1 전극에 임계전류 이하의 전류가 인가될 때, 상기 자유자성층의 전기 및 자기적 특성이 변하지 않고, 상기 제1 전극에 임계전류 이하의 전류를 인가하면서 동시에 상기 광수용부(2400)에 에너지원을 인가함으로써 상기 자유자성층의 전기 및 자기적 특성을 변화할 수 있다. The optical switch 2000 according to the embodiment of the present invention is characterized in that the electric and magnetic characteristics of the free magnetic layer are not changed when a current equal to or less than a critical current is applied to the first electrode, The electric and magnetic characteristics of the free magnetic layer can be changed by applying an electric current to the light receiving portion 2400 while applying an electric current.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.

1000: 반도체 소자
1100: 제1 전극
1210: 메모리 셀
1211: 자유 자성층
1212: 절연층
1213: 고정 자성층
1300: 제2 전극
1400: 가열부
2000: 광학 스위치
2100: 제1 전극
2110: 광수용부
2210: 메모리 셀
2211: 자유 자성층
2212: 절연층
2213: 고정 자성층
2300: 제2 전극
2400: 광수용부1000: semiconductor device
1100: first electrode
1210: memory cell
1211: free magnetic layer
1212: Insulating layer
1213: Fixed magnetic layer
1300: second electrode
1400:
2000: Optical switch
2100: first electrode
2110:
2210: memory cell
2211: free magnetic layer
2212: Insulating layer
2213: Fixed magnetic layer
2300: second electrode
2400:

Claims (16)

제1 전극;
상기 제1 전극 상에 배치되고, 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀; 및
상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 가열부;을 포함하는 반도체 소자.
A first electrode;
A cell disposed on the first electrode and including a magnetic tunnel junction (MTJ) in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are disposed with an insulating layer interposed therebetween; And
And a heating part forming a thermal gradient in the first electrode.
제1항에 있어서,
상기 자유 자성층의 자화 방향이 적층 방향에 수직 방향으로 정렬되어 수직 이방성 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And the magnetization direction of the free magnetic layer is aligned in a direction perpendicular to the stacking direction to have perpendicular anisotropy characteristics.
제1항에 있어서,
상기 가열부는 상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And the heating portion is disposed on the first electrode.
제1항에 있어서,
상기 가열부에 의해 열구배가 형성되는 방향은 상기 제1 전극에 인가되는 전류 방향인 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein a direction in which the heating element is formed by the heating portion is a current direction applied to the first electrode.
제 1항에 있어서,
상기 자유 자성층의 자화 방향은 상기 가열부에 의해 형성된 열구배에 의해 변하는 것을 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And the magnetization direction of the free magnetic layer is changed by a thermal gradient formed by the heating portion.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전극은 전류의 이동 방향으로 두께 또는 폭 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the first electrode has a thickness or width gradient in the direction of current flow.
제 1항에 있어서,
상기 가열부는 발열 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the heating portion includes a heating element.
제 1항에 있어서,
상기 가열부는 제1 전극 보다 전기 전도도가 높은 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the heating unit includes a material having a higher electrical conductivity than the first electrode.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전극의 적어도 일부에 형성된 단열 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And a heat insulating structure formed on at least a part of the first electrode.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전극의 적어도 일부에 형성된 방열 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to claim 1,
And a heat dissipation structure formed on at least a part of the first electrode.
제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치되고, 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀, 및 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 가열부를 포함하는 반도체 소자의 제어방법에 있어서,
상기 제1 전극에 열구배를 형성하여, 상기 셀의 임계 전류값을 변경하는 단계; 및
상기 제1 전극에 전류를 인가하여, 상기 셀에 정보를 저장하는 단계;를 포함하는 반도체 소자의 제어방법.
A first electrode, a cell disposed on the first electrode, the cell including a magnetic tunnel junction (MTJ) in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are disposed with an insulating layer sandwiched therebetween, and a thermal gradient The method comprising the steps of:
Forming a thermal gradient in the first electrode to change a critical current value of the cell; And
And applying current to the first electrode to store information in the cell.
제11항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 셀을 통하는 전류를 인가하여, 상기 셀의 정보를 읽는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 제어방법.
12. The method of claim 11,
Further comprising the step of applying current through the first electrode and the cell to read information of the cell.
제 11항에 있어서,
상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 단계에서, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 방법은 상기 가열부에 전류를 인가하여 수행되는 반도체 소자의 제어방법.
12. The method of claim 11,
The method of forming a thermal gradient in the first electrode is performed by applying a current to the heating unit in the step of forming a thermal gradient in the first electrode.
제 11항에 있어서,
상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 단계에서, 상기 제1 전극에 열구배를 형성하는 방법은 상기 제1 전극에 빛을 조사하여 수행되는 반도체 소자의 제어방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step of forming a thermal gradient in the first electrode is performed by irradiating light to the first electrode.
제1 전극; 및
상기 제1 전극 상에 배치되고, 절연층을 사이에 두고 자유 자성층 및 고정 자성층이 배치된 자기터널접합(MTJ: magnetic Tunnel Junction)을 포함하는 셀;을 포함하고, 상기 제1 전극은 광수용부를 포함하는 광학 스위치.
A first electrode; And
And a cell including a magnetic tunnel junction (MTJ) in which a free magnetic layer and a pinned magnetic layer are disposed with an insulating layer interposed therebetween, the first electrode being disposed on the first electrode, Including an optical switch.
제15항에 있어서,
상기 광수용부는 외부의 에너지원을 수용하여 온도를 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 광학 스위치.
16. The method of claim 15,
Wherein the light receiving portion accommodates an external energy source to change the temperature.
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