KR20230046561A - 스핀오빗토크 소자 및 스핀오빗토크 소자 제조 방법 - Google Patents

스핀오빗토크 소자 및 스핀오빗토크 소자 제조 방법 Download PDF

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노수정
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김정목
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Abstract

본 발명은 하부 강자성층(ferromagnetic layer), 상기 하부 강자성층 상에 접합되는 비자성층(non-magnetic layer) 및 상기 비자성층 상에 접합되는 상부 강자성층(ferromagnetic layer)을 포함하고, 상기 하부 강자성층의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 하는 스핀오빗토크 소자로서, 본 발명에 의하면, 스핀오핏토크를 이용하여 물리적으로 복제가 불가능하며 재현성을 가지는 자기 메모리 소자를 제공할 수 있다.

Description

스핀오빗토크 소자 및 스핀오빗토크 소자 제조 방법{SPIN-ORBIT TORQUE DEVICE MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 스핀오빗토크를 이용한 자성체 소자 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 전장 부품의 확대에 따라 차량의 주행이 기존의 기계식 조작을 뛰어 넘어 전자식 드라이브 바이 와이어(drive by wire)로 급격히 변하고 있으며, 이에 따라 차량 내부 전장 플랫폼의 보안 문제가 중요한 이슈가 되고 있다.
IoT(internet of things) 등 정보통신기술의 발전에 따른 자율주행 자동차의 양산을 앞두고 V2X(vehicle to everything) 상황에서 차량의 자율주행시스템의 보안 문제가 대두되고 있으며, 만약 자율주행 시스템을 외부 공격으로부터 안정적으로 보호하지 못하면 탑승자나 보행자의 생명에 치명적인 위협을 야기할 수 있다.
이에 대응하기 위해 기존의 소프트웨어 기반의 보안 솔루션의 안정성을 넘어서는 하드웨어 기반의 보안 솔루션이 최근 각광을 받기 시작하고 있다.
본 발명은 이 같은 보안 문제의 열쇠가 될 수 있는 메모리 소자에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3은 종래의 물리적으로 복제 불가능한(physically unclonable functions, PUF) 메모리 소자에 관한 예이다.
도 1의 경우 반도체 공정 중 금속 전극을 제작하기 위한 via hole etching process 공정을 조절하여 via hole의 크기를 무작위적으로 하여 전기적 contact의 randomness를 확보하는 기술이다.
이는 환경(온도, 습도 등)에 변경되지 않는 unique, randomness 및 우수한 반복성(Reliability를 확보한다. 그리고, VIA PUF key로 암호화된 데이터는 VIA PUF key 없이 복호화가 불가능하다.
다만, 재현성(reconfigurablity)이 확보되지 않는 한계가 있다.
도 2는 소위 spin transfer torque magnetic tunnel junction based physically unclonable functions 로서, 두 개의 MTJ(magnetic tunnel juction) 소자를 하나의 전류 라인으로 연결하고 과전류를 흘려 소자의 절연파괴(breakdown, BD)를 일으킨 후 우측 및 좌측 MTJ가 랜덤하게 BD가 일어나는 현상을 이용하여 PUF를 구현하는 것이다.
한 쪽이 BD가 일어나면 다음 시행에도 BD된 부분이 비가역적이기 때문에 Intra-die HD가 0%인 이상적인 상황이고, 어느 부분이 BD될지 랜덤이기 때문에 Intra-die HD도 높다고 한다.
그러나, 이 또한 재현성(reconfigurablity)이 확보되지 않는 한계가 있다.
도 3은 소위 perpendicular magnetic anistropy based physically unclonable functions 로서, Ta(10nm) / CoFeB(1.6nm) / MgO(1.6nm) / Ta(5nm) 구조에서 수직 자화를 발생시키는 CoFeB / MgO 계면의 수직자기이방성 효과를 최상부 Ta(5nm) capping 층을 식각(etching)하여 MgO의 non-uniform 두께(0.6~0.8nm)를 만들어내 조절하고, 외부 자기장이 0일 때 각 CoFeB의 anomalous Hall resistance 값의 차이를 읽음으로써 PUF를 구현한다.
환경(온도, radiation 등)에 민감하지 않은 PUF 특성이 확보 가능하다고 하나, anomalous Hall 신호를 digital output 으로 변환시켜주는 과정 및 회로가 따로 필요하며, 이 또한 재현성(reconfigurablity)이 확보되지 않는 한계가 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
한국공개특허공보 제10-2016-0133821호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 스핀오핏토크를 이용하여 물리적으로 복제가 불가능하며 재현성을 가지는 자기 메모리 소자 및 스핀오빗토크 소자 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 스핀오빗토크 소자는, 하부 강자성층(ferromagnetic layer), 상기 하부 강자성층 상에 접합되는 비자성층(non-magnetic layer) 및 상기 비자성층 상에 접합되는 상부 강자성층(ferromagnetic layer)을 포함하고, 상기 하부 강자성층의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 하부 강자성층은 탈자화(demagnetization)된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 강자성층의 무작위적 자화 방향에 따라 상기 상부 강자성층의 스위칭 특성(polarity)이 결정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하부 강자성층은 수평이방성을 가지며, 상기 상부 강자성층은 수직이방성을 가지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 상부 강자성층 및 상기 하부 강자성층은 CoFeB, CoFe, NiFe 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비자성층은 Ti(티타늄), Ta(탄탈륨) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 스핀오빗토크 소자는, 반강자성층(antiferromagnetic layer), 상기 반강자성층 상에 접합되는 하부 강자성층(ferromagnetic layer), 상기 하부 강자성층 상에 접합되는 비자성층(non-magnetic layer) 및 상기 비자성층 상에 접합되고, 수직이방성을 가지는 상부 강자성층(ferromagnetic layer)을 포함하고, 상기 하부 강자성층의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 하고, 상기 반강자성층과 상기 하부 강자성층 간에 교환자기결합 이방성이 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 하부 강자성층은 탈자화(demagnetization)된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 강자성층의 무작위적 자화 방향에 따라 상기 상부 강자성층의 스위칭 특성(polarity)이 결정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상부 강자성층 및 상기 하부 강자성층은 CoFeB, CoFe, NiFe 합금 중 어느 하나이고, 상기 반강자성층은 IrMn, PtMn 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 스핀오빗토크 소자 제조 방법은, 청구항 1 또는 청구항 7의 스핀오빗토크 소자를 준비하는 단계 및 상기 스핀오빗토크의 상기 하부 강자성층을 탈자화(demagnetization)시키는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 하부 강자성층을 탈자화하는 단계는, 상기 스핀오빗토크 소자를 가열하는 단계 및 상기 스핀오빗토크 소자에 자기장을 인가하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 스핀오빗토크 소자를 가열하는 단계는 상기 하부 강자성층의 닐 온도(Neㅹl temperature) 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자기장을 인가하는 단계는, 상기 스핀오빗토크 소자에 정방향과 반대방향의 자기장을 교번하여 인가하며 크기를 순차적으로 줄여 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 자성체 박막의 탈자화 과정에서 생성되고, 외부 요인에 따라 제어가 되지 않는 무작위적인 자화 패턴을 기반으로 하고 있다.
본 발명의 방식으로 형성된 무작위적인 자화 배열은 매 시도마다 그 패턴이 동일하지 않기에 이를 물리적, 화학적 방법을 이용하여 소자를 제작하고, 전기적, 광학적인 방법을 이용하여 각 소자의 자화 방향(또는 자화 방향에 의존하는 특성)을 읽어 들이는 방법과 결부시키면 하드웨어 기반 보안 소자로서 응용이 가능하다.
그리고, 무작위적으로 분포된 각각의 자화 패턴을 자기장이나 열 등의 외부 충격으로부터 보호하기 위해 교환자기결합이방성을 이용해 자화 방향을 고정할 수 있으며, 박막의 탈자화를 통해 생성된 무작위 자화 패턴을 이용한 소자는 현재 개발되고 있는 자기터널접합 기반의 MRAM소자와 결부된 응용 및 그 외 다양한 자성체 기반 소자에 응용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 자기 메모리 소자의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 스핀오빗토크 소자의 일 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 인가된 전류에 따fms 자기 저항 분포를 나타낸 것이며,
도 6은 하부 강자성층에 따라 SOT 스위칭이 불가능한 상태를 도시한 것이다.
도 7은 자성체의 탈자화(demagnetization) 공정에 의한 M-H 곡선을 도시한 것이다.
도 8의 easy axis(as-deposited)에 대한 탈자화 전 자기모멘트 상태, 도 9는 탈자화 후 분포를 나타낸 것이다.
도 10은 hard axis의 경우 탈자화 분포를 나타낸다.
도 11은 무작위적인 자화 배열을 광자기커효과(MOKE, magneto=optic Kerr effect)를 이용하여 확인한 결과이며, 도 12는 도 11의 white box, 도 13은 도 11의 blue box, 도 14는 도 11의 red box를 나타낸 것이다.
도 15, 도 16은 각각 탈자화 전 하부 강자성층과 상부 강자성층의 분포, 도 도 17, 도 18은 탈자화 후 각각의 분포 변화이며, 19는 탈자화시 모식도이다.
도 20은 본 발명의 소자 구조를 어레이로 구성하여 35㎛ㅧ5㎛ Hall bar 패터닝 후 x 방향으로 전류를 인가하며 홀 저항(RH) 을 측정한 예시이다.
도 21은 도 20 실험의 VSM 측정 결과이며, 도 22는 도 20 실험의 Bx에 대한 RH, 도 23은 도 20 실험의 Bz에 대한 RH 결과이다.
도 24 내지 도 27은 무작위적으로 배열된 자화 패턴의 방향 및 분포 특성을 planar Hall resistance를 측정한 결과이다.
도 28 및 도 29는 본 발명에 의한 스핀오빗토크 소자 및 어레이 소자를 제조하는 방법을 도시한 것이다.
도 30은 SOT PUF 동작 예시를 도시한 것이다.
도 31, 도 32, 도 33은 각각 반복 탈자화에 의한 서로 다른 자화 분포를 나타낸 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
최근의 반도체 소자 중 자기 메모리 소자는 속도가 빠르고 작동 전압이 낮고 비휘발성 특성을 갖기 때문에 메모리 소자로서 이상적인 조건을 갖고 있다.
자기 메모리 소자는 두 강자성 물질이 절연층에 의해 분리된 자기터널접합 구조를 가진다. 그래서, 두 자성체의 상대적인 자화 방향에 따라 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)라 한다.
스핀전달토크로 자화 방향을 제어하기 위해서는 스핀 분극 전류가 자성물질 내로 통과를 해야 하지만, 최근 스핀 전류를 발생시키는 중금속을 자성체와 인접하게 하여 수평 전류 인가로 자성체의 자화반전을 이루는 기술, 즉 스핀오빗토크(Spin orbit torque) 기술이 제안되었다.
본 발명은 이러한 스핀오빗토크를 이용하여, 보안 기술에 사용 가능하도록 물리적으로 복제 불가능한 자기 메모리 소자에 관한 것이다.
본 발명의 스핀오빗토크 소자는 도 4와 같이 하부 강자성층(10, ferromagnetic layer), 하부 강자성층(10) 상에 접합되는 비자성층(20, non-magnetic layer), 비자성층(20) 상에 접합되는 상부 강자성층(30, ferromagnetic layer)의 삼중층 구조로 형성되고, 하부 강자성층(10)은 수평이방성을 가지며, 상부 강자성층(30)은 수직이방성을 가지는 것이 바람직하다.
수평이방성을 가지는 하부 강자성층(10)은 CoFeB, CoFe, NiFe 등일 수 있고, 비자성층(20)은 Ti(티타늄), Ta(탄탈륨) 등일 수 있으며, 수직이방성을 가지는 상부 강자성층(30)은 CoFeB, CoFe, NiFe 합금 등일 수 있다.
즉, 하부 강자성층(10)은 Co, Fe, Ni 중 하나를 포함하는 모든 강자성물질일 수 있으며, 비자성층(20)은 Ti, Ta 외에 비자성을 지닌 다른 금속일 수 있다.
여기서, 본 발명은 수평이방성의 하부 강자성층(10)의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 한다.
그래서, 본 발명은 수평이방성의 하부 강자성층(10)의 무작위 자화 분포에 수직이방성의 상부 강자성층(30)의 자화 방향이 스핀궤도돌림힘(spin-orbit torque, SOT)에 따른 스위칭 방향이 결정되게 하는 자기 메모리 소자이다.
무작위적 자화 방향 분포를 만드기 위해서는 물리적, 화학적으로 연속적인 자성박막(magnetic thin film)에 외부 자기장의 방향을 교대로 바꿔 크기를 줄여 인가함으로써 최종 자기장이 0이 되어 탈자화(demagnetization)된 것일 수 있다.
또는, 수평이방성의 하부 강자성층(10)의 외부 자기장 및 열적 안정성을 확보하기 위해서, 이를 대신하여 반강자성층(antiferromagnetic layer)과 강자성층이 접합된 구조를 형성하여 반강자성층과 강자성층 간에 형성되는 교환자기결합 이방성을 적용할 수 있으며, 이 경우에도 하부 수평이방성 강자성층과 같은 무작위성을 얻을 수 있다.
이때 반강자성층은 IrMn, PtMn 등일 수 있으며, 이외에 교환자기결합 이방성을 만들 수 있는 FeMn, CoO, NiO 등의 반강자성물질 또한 가능하다.
본 발명은 이 같은 하부 강자성층(10) 또는 이를 대신하는 반강자성층과 강자성층의 실시 형태에 의해 무작위적으로 분포된 자화 방향을 전기적 혹은 광학적 방법을 통해 읽어 내는 소자를 구현할 수 있으며, 이는 물리적으로 복제 불가능한(physically unclonable functions, PUF) 보안소자를 위시한 여러 소자(MTJ 기반 MRAM 소자 등)에 응용될 수가 있다.
본 발명은 앞서 살펴본 삼중층 구조 또는 반강자성층이 부가된 구조에서 하부의 반강자성층과 강자성층의 교환자기 결합이방성이 사라지는 온도(blocking 온도, 닐 온도) 이상으로 접합체를 가열하고, blocking 온도 이상에서 교대로 자기장을 인가하는 탈자화 공정을 진행하여 하부의 수평 자화 강자성층의 무작위적인 자화 배열을 형성시킨다. 또는 이온조사법에 의해 탈자화할 수도 있다.
그래서, blocking 온도 이하로 접합체를 냉각시켜 수평 자화 강자성층의 무작위적인 자화 배열을 따라가는 교환자기결합 이방성의 무작위적인 분포가 확보되며, 이때 수직이방성의 상부 강자성층은 하부의 교환자기결합 이방성 및 수평 자화 강자성층의 자화 방향에 따라 SOT 스위칭 특성(polarity)이 결정되게 된다.
이하에서는, 수평자기이방성의 하부 강자성층을 대신하여 IrMn의 반강자성층과 NiFe의 강자성층의 이중층 구조의 교환자기결합 이방성 및 blocking 온도(반강자성층의 Neel vector 이방성이 사라지는 온도)를 확인하는 실험을 설명하고, IrMn 반강자성층과 NiFe의 강자성층 이중층 구조를 탈자화 공정을 진행하여 무작위적인 자화 배열을 형성시켜, 광자기커효과(MOKE, magneto=optic Kerreffect)를 이용하여 확인하고, 이 같은 하부 강자성층(이중층)에 Ta의 비장층과 CoFeB의 강자성층이 접합된 삼중층 구조에서 하부 NiFe 강자성층의 무작위적 자화 배열을 상부 CoFeB 강자성층 구조의 SOT 스위칭 실험을 통해 확인하도록 한다.
본 발명은 수평자기이방성을 갖는 하부 강자성층(10)의 자화방향 또는 분포에 따라 스위칭 여부가 결정되고, 도 4는 SOT 스위칭이 가능한 상태로서, 인가된 전류에 따라 도 5와 같은 자기 저항 분포가 나타날 수 있으며, 도 6은 SOT 스위칭이 불가능한 상태이다.
도 7은 자성체의 탈자화(demagnetization) 공정에 의한 M-H 곡선을 도시한 것이며, 이를 통해 앞서 설명한 삼중층의 스핀오빗토크 소자를 제조하여 PUF 소자로서 이용한다. 그리고, 하부 강자성층 대신 반강자성층(AFM), 강자성층(FM) 구조를 통해 외부 자기장에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
먼저, IrMn 반강자성층과 NiFe의 강자성층 이중층 구조를 탈자화를 위해 1)시편을 지지하는 홀더를 반강자성층의 blocking 온도 이상에서 가열하고, 2) 시편을 홀더에서 30초간 가열하고, 3) 탈자화 공정을 30초간 수행한다.
반강자성층이 blocking 온도는 예를 들어 150℃이고, 탈자화 공정은 자기장의 방향을 정방향과 반대방향으로 교번하며 순차적으로 줄여서 자기장이 0이 될 때까지 실시한다.
다음, 시편을 냉각 후 VSM(Vibrating Sample magnetometer)을 통해 측정한다.
도 8의 easy axis(as-deposited)에 대한 탈자화 전 자기모멘트 상태에서, 탈자화 후 도 9와 같은 분포가 나타나고, hard axis의 경우 도 10과 같이 탈자화됨을 알 수 있었다. 도시와 같이 (-)가 50%, (+)가 50%로 exchange 방향이 형성됨을 알 수 있다.
그리고, 이러한 무작위적인 자화 배열을 광자기커효과(MOKE, magneto=optic Kerr effect)를 이용하여 확인한 결과가 도 11이며, 도 12는 도 11의 white box, 도 13은 도 11의 blue box, 도 14는 도 11의 red box를 나타낸 것이다.
외부 자기장이 없는 상태에서 수십 ㎛ 크기의 domain으로 분리되고, 각 영역은 반대 방향의 교환결합 자기이방성(exchange anisotropy)을 가짐을 알 수 있다.
domain 크기가 자성체 박막에서 수십 ㎛ ~ 수백 ㎛ 로 무작위적으로 분포하고, 외부 자기장을 방향을 달리하여 (+) 자기장을 인가한 경우와 (-) 자기장을 인가한 경우 모두 분포가 도 11과 같이 원래의 분포를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 이로부터 교환자기결합에 의한 외부 자기장에 대한 안정성을 확인할 수 있다.
다음, 앞서 살펴본 반강자성과 강자성층에 비자성층(20), 상부 강자성층(30)을 접합한 삼충증 구조의 탈자화 공정 재현성을 확인하였다.
탈자화 전 하부 강자성층과 상부 강자성층은 각각 도 15, 도 16과 같은 분포에서 도 17와 같이 탈자화시 탈자화 후 각각 도 18, 도 19과 같은 분포 변화가 발생하였다.
하부 강자성층의 경우 exchange bias가 50:50으로 나타나고, 상부 강자성층은 탈자화 공정의 영향을 받지 않는 것을 알 수가 있다.
다음, 앞서 설명한 바와 같은 도 20와 같은 본 발명의 소자 구조를 어레이로 구성하여 35㎛ㅧ5㎛ Hall bar 패터닝 후 x 방향으로 전류를 인가하며 홀 저항(RH) 을 측정하였다.
도 21은 VSM 측정 결과이며, 도 22는 Bx에 대한 RH로서 이를 통해 패터닝된 소자에서도 교환자기 결합이방성을 확인할 수 있으며, 도 23은 Bz에 대한 RH 결과이로서 이를 통해 패터닝된 소자에서 수직 CoFeB에 의해 Hall을 확인할 수 있다.
다음, 무작위적으로 배열된 자화 패턴의 방향 및 분포 특성을 planar Hall resistance를 측정한 결과, 도 24, 도 25의 상태에서 도 26, 도 27와 같이 하부 강자성층이 exchange bias 방향에 따라 RH-Bx 방향이 shift됨을 알 수 있다.
즉, 하부 강자성층의 자화 방향에 따라 선호하는 상부 강자성층의 SOT 스위칭 방향이 달라진다.
따라서, 동일한 전류 인가시에 수직자화 상부 강자성층의 SOT 스위칭 선호도를 통해 정보를 0 또는 1로 저장하는 것이 가능하다. margin을 키우기 위해 MTJ 구조와 결합도 가능하다.
이상과 같이 본 발명의 스핀오빗토크 소자는 수평이방성의 하부 강자성층(10), 하부 강자성층(10) 상에 접합되는 비자성층(20, non magnet), 비자성층(20) 상에 접합되는 수직이방성의 상부 강자성층(30)의 삼중층 구조를 가지며, 하부 강자성층(10)은 반강자성층과 강자성층으로 형성될 수 있다.
이 같은 구조의 삼중층에서 하부 강자성층을 도 28과 같이 탈자화하며, 도 29와 같이 에칭(etching)에 의해 패터닝을 실시하여 스위칭 소자로서 제조하며, 어레이 소자(40)로서 배열하여 제조할 수 있다.
한편, 각 자화의 방향을 읽기 위해 자성층 위에 다른 자성층의 도포, 노광 및 식각 등의 추가적인 공정이 탈자화 공정 전후로 진행될 수 있다.
이를 통해 도 30와 같이 SOT PUF 동작이 가능하게 하며, 도 31, 도 32, 도 33과 같이 반복 탈자화에 의해 서로 다른 자화 분포가 생성되어 재현성(reconfigurable)을 가진다.
이 같은 무작위적 자화 분포는 매번 동일한 방법을 이용해 자화 분포 형성을 시도할 때마다 그 자화의 분포가 동일하지 않게 무작위적으로 배열되게 되며, 이러한 무작위성은 외부 공정 요인으로 인해 의도적으로 제어가 불가능한 성질을 가지게 된다.
따라서, 이러한 특성을 바탕으로 본 발명의 무작위적 자화 방향분포를 이용한 스핀오빗토크 소자는 재현성(reconfigurability)을 갖게 된다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10 : 하부 강자성층
20 : 비자성층
30 : 상부 강자성층
40 : 어레이 소자

Claims (14)

  1. 하부 강자성층(ferromagnetic layer);
    상기 하부 강자성층 상에 접합되는 비자성층(non-magnetic layer); 및
    상기 비자성층 상에 접합되는 상부 강자성층(ferromagnetic layer)을 포함하고,
    상기 하부 강자성층의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 강자성층은 탈자화(demagnetization)된 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하부 강자성층의 무작위적 자화 방향에 따라 상기 상부 강자성층의 스위칭 특성(polarity)이 결정되는 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 하부 강자성층은 수평이방성을 가지며, 상기 상부 강자성층은 수직이방성을 가지는 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 상부 강자성층 및 상기 하부 강자성층은 CoFeB, CoFe, NiFe 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 비자성층은 Ti(티타늄), Ta(탄탈륨) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  7. 반강자성층(antiferromagnetic layer);
    상기 반강자성층 상에 접합되는 하부 강자성층(ferromagnetic layer);
    상기 하부 강자성층 상에 접합되는 비자성층(non-magnetic layer); 및
    상기 비자성층 상에 접합되고, 수직이방성을 가지는 상부 강자성층(ferromagnetic layer)을 포함하고,
    상기 하부 강자성층의 자화 방향이 무작위적으로 분포(random distribution)된 것을 특징으로 하고,
    상기 반강자성층과 상기 하부 강자성층 간에 교환자기결합 이방성이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 하부 강자성층은 탈자화(demagnetization)된 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 하부 강자성층의 무작위적 자화 방향에 따라 상기 상부 강자성층의 스위칭 특성(polarity)이 결정되는 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 상부 강자성층 및 상기 하부 강자성층은 CoFeB, CoFe, NiFe 합금 중 어느 하나이고,
    상기 반강자성층은 IrMn, PtMn 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자.
  11. 청구항 1 또는 청구항 7의 스핀오빗토크 소자를 준비하는 단계; 및
    상기 스핀오빗토크의 상기 하부 강자성층을 탈자화(demagnetization)시키는 단계를 포함하는,
    스핀오빗토크 소자 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 하부 강자성층을 탈자화하는 단계는,
    상기 스핀오빗토크 소자를 가열하는 단계; 및
    상기 스핀오빗토크 소자에 자기장을 인가하는 단계를 포함하는,
    스핀오빗토크 소자 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 스핀오빗토크 소자를 가열하는 단계는 상기 하부 강자성층의 닐 온도(Neㅹl temperature) 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 자기장을 인가하는 단계는, 상기 스핀오빗토크 소자에 정방향과 반대방향의 자기장을 교번하여 인가하며 크기를 순차적으로 줄여 인가하는 것을 특징으로 하는,
    스핀오빗토크 소자 제조 방법.
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