KR100418537B1 - Magnetic memory device - Google Patents

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Abstract

자기 메모리 장치는 제1 및 제2 터널 접합부 및 스위치로 이루어진 메모리 셀을 포함하는데, 각각의 제1 및 제2 터널 접합부는 자화 방향이 고정된 고착층 및 자화 방향이 외부 자계에 따라 변화하는 기록층의 적층으로 형성된다. 제1 데이터 라인은 제1 터널 접합부의 제1 단부에 접속된다. 제2 데이터 라인은 제2 터널 접합부의 제1 단부에 접속된다. 비트 라인은 스위치를 통해 제1 터널 접합부의 제2 단부 및 제2 터널 접합부의 제2 단부에 접속된다.The magnetic memory device includes a memory cell consisting of first and second tunnel junctions and a switch, each of the first and second tunnel junctions having a fixed layer in which the magnetization direction is fixed and a recording layer in which the magnetization direction changes according to an external magnetic field. It is formed by lamination. The first data line is connected to the first end of the first tunnel junction. The second data line is connected to the first end of the second tunnel junction. The bit line is connected to the second end of the first tunnel junction and the second end of the second tunnel junction via a switch.

Description

자기 메모리 장치{MAGNETIC MEMORY DEVICE}Magnetic Memory Device {MAGNETIC MEMORY DEVICE}

본 발명의 출원은 기초 출원인 1999년 12월 16일에 출원된 일본 특허 출원 번호 평11-357469와, 2000년 3월 17일에 출원된 일본 특허 출원 번호 특원2000-075168을 우선권 주장하며, 이들 우선권의 전체 내용은 참조로서 본 발명에 일체화된다.The present application claims priority to Japanese Patent Application No. Hei 11-357469, filed December 16, 1999, and Japanese Patent Application No. 2000-075168, filed March 17, 2000, which are priorities. The entire contents of are incorporated herein by reference.

본 발명은 강자성체를 사용한 정보 기록 기술에 관한 것으로, 특히 자기 터널 접합을 이용한 자기 메모리 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an information recording technology using a ferromagnetic material, and more particularly to a magnetic memory device using a magnetic tunnel junction.

자기 랜덤 액세스 메모리(이후로는 MRAM으로 간략화하기로 함)는 정보 기록 매체로서 강자성체의 자화 방향을 이용하여, 임의의 시간에 정보를 재기입하고, 유지하고, 판독할 수 있는 고체 상태 메모리(solid state memory)의 형태이다. 이 MRAM은 강자성체의 자화 방향이 기준 방향과 평행한지 반평행한지에 따라, 2진 코딩된 정보 "1" 및 "0"을 대응시킴으로써 정보를 기록한다.Magnetic random access memory (hereafter abbreviated as MRAM) is a solid state memory that can rewrite, retain, and read information at any time using the magnetization direction of a ferromagnetic material as an information recording medium. state memory). This MRAM records information by correlating binary coded information " 1 " and " 0 " according to whether the magnetization direction of the ferromagnetic material is parallel or antiparallel to the reference direction.

정보를 기록하는 것은 각 셀의 강자성체의 자화 방향을, 사선(cross stripe) 형태로 배치된 기입 라인에 전류를 공급하여 생성된 자계에 의해 전환시킴으로써 기입된다. 저장하는 동안의 전력 소모는 원리적으로 제로이다.Recording information is written by switching the magnetization direction of the ferromagnetic material of each cell by a magnetic field generated by supplying a current to the write lines arranged in a cross stripe form. The power consumption during storage is in principle zero.

저장된 정보는 메모리 셀의 전기적 저항이, 셀을 구성하는 강자성체의 자화 방향과 감지 전류의 방향간의 상대적 각도에 따라 변하거나, 또는 다수의 강자성층들 간의 자화의 상대각에 따라 변하는 현상, 소위 자기 저항 효과(magneto resistance effect)를 이용하여 판독된다.Stored information is a phenomenon in which the electrical resistance of a memory cell changes depending on the relative angle between the magnetization direction of the ferromagnetic material constituting the cell and the direction of the sensing current, or the relative angle of magnetization between a plurality of ferromagnetic layers, so-called magnetoresistance. It is read using a magneto resistance effect.

MRAM은 종래의 반도체 메모리와의 비교를 행할 때 다음의 이점을 갖는다.MRAM has the following advantages when compared with a conventional semiconductor memory.

(a) 완전한 비휘발성이고, 1015이상의 내구(endurance) 사이클이 가능하다.(a) Completely nonvolatile, endurance cycles of 10 15 or more are possible.

(b) 비파괴적 판독이 가능하고, 리프레시 동작이 필요하지 않아서, 판독 사이클을 줄일 수 있게 한다.(b) Non-destructive reads are possible, and no refresh operation is required, thus reducing read cycles.

(c) 방사선에 대한 내성이 전하 저장형 메모리 셀에 비해 강하다.(c) Resistance to radiation is stronger than that of charge storage type memory cells.

MRAM에 대한 단위 면적 당 집적도와, 기입 및 판독 시간이 DRAM의 단위 면적 당 집적도와, 기입 및 판독 시간과 거의 같다고 예측된다. 따라서, 중요한 비휘발성의 특징을 이용하여, 휴대 디지털 오디오 기기용의 외부 메모리 장치, 무선 IC 카드, 및 이동 퍼스널 컴퓨터(PC)에 MRAM을 응용하는 것이 더 기대된다.It is expected that the degree of integration per unit area for MRAM and the write and read times are approximately equal to the density per unit area of DRAM and the write and read times. Therefore, it is further expected to apply MRAM to an external memory device, a wireless IC card, and a mobile personal computer (PC) for portable digital audio equipment by utilizing important nonvolatile features.

실용적인 사용을 위해 현재 논의되는 1Mb의 기록 용량을 갖는 MDRAM에서는 거대 자기 저항 효과(Giant Magnetro-Resistance; 이후로는 GMR 효과로 약칭함)가 저장된 정보를 판독하기 위해 채택된다. GMR 효과를 나타내는 소자(이후로는 GMR 소자로 약칭함)를 사용한 MRAM의 예는 IEEE Trans. Mag., 33,3289(1997)에 개시되어 있다.In the MDRAM having a recording capacity of 1 Mb, which is currently discussed for practical use, a Giant Magnetro-Resistance (hereinafter abbreviated as GMR effect) is adopted to read stored information. Examples of MRAMs using elements that exhibit the GMR effect (hereinafter abbreviated as GMR elements) are described in IEEE Trans. Mag., 33,3289 (1997).

비결합 NiFe/Cu/Co로 이루어진 3층 막의 GMR 효과의 값은 대략 6% 내지 8%이다. 예를들어, 상술된 의사스핀-밸브(PseudoSpin-Valve) 구조를 이용한 MRAM 셀에서, 기록된 정보의 판독 동안 자기 방향의 분포(distribution)가 제어되고, 이에 따라 5% 이상의 저항 변화를 효과적으로 얻을 수 있다. 그러나, 일반적으로 GMR 소자의 시트 저항은 대략 수십 Ω/μ㎡이다. 따라서, 100 Ω/μ㎡의 시트 저항 및 5%의 저항 변화율이 가정되는 경우에도, 10mA의 감지 전류에 관계하는 출력 신호는 5mV일 뿐이다. 현재, 실용적으로 이용할 수 있는 MOS 타입 전계 효과 트랜지스터에서, 소스-드레인 전류 Ids의 값은 채널 폭 W와 채널 길이 L 간의 비에 비례하므로, Ids의 값은 W=3.3, L=1일 때, 약 0.1mA이다. 따라서, 여기에서 이용되는 10㎃의 감지 전류값은 서브-미크론의 치수를 갖는 트랜지스터에 대해 매우 과도한 값이다.The value of the GMR effect of the three layer film consisting of unbound NiFe / Cu / Co is approximately 6% to 8%. For example, in an MRAM cell using the above-described PseudoSpin-Valve structure, the distribution of magnetic direction during the reading of the recorded information is controlled, thereby effectively obtaining a resistance change of 5% or more. have. In general, however, the sheet resistance of the GMR element is approximately tens of Ω / μm 2. Therefore, even when a sheet resistance of 100 Ω / μm 2 and a resistance change rate of 5% are assumed, the output signal related to the sense current of 10 mA is only 5 mV. Currently, in a practically available MOS type field effect transistor, the value of the source-drain current I ds is proportional to the ratio between the channel width W and the channel length L, so that the value of I ds is W = 3.3. , L = 1 Is about 0.1 mA. Thus, the sense current value of 10 mA as used herein is a very excessive value for transistors with sub-micron dimensions.

이러한 문제점을 해결하기 위해, GMR 소자를 이용한 MRAM 셀에서, 다수의 GMR 소자를 직렬로 접속한 후, 데이터 라인을 구성하는 방법을 채용한다 (예를 들어, IEEE Trans. Comp. Pac. Manu. Tech. pt.A, 17,373 (1994) 참조). 그러나, 메모리셀이 직렬로 접속되는 경우, 판독중의 전력 소비 효율이 현저하게 저하된다는단점이 있다.In order to solve this problem, in a MRAM cell using a GMR element, a method of constructing a data line after connecting a plurality of GMR elements in series is adopted (for example, IEEE Trans. Comp. Pac. Manu. Tech). pt.A, 17,373 (1994)). However, when the memory cells are connected in series, there is a disadvantage that the power consumption efficiency during reading is significantly lowered.

이러한 문제점을 해결하기 위해, GMR 효과 대신에 강자성 터널 효과(Tunnel Magneto-Resistance: 이하, TMR 효과로 약칭함)를 이용하는 방법이 제안되었다. TMR 효과를 나타내는 소자(이하, TMR 소자로 약칭함)는 주로 강자성층(1), 절연층, 및 강자성층(2)으로 이루어지는 3층막으로 구성되며, 절연 장벽을 통해 전류가 흐른다. 터널 저항값은 2개의 강자성 금속층의 자화 방향 간의 상대각의 코사인에 비례하여 변하며, 2개의 자화 방향이 서로 완전히 반대 방향인 경우에 최대값을 얻을 수 있다.In order to solve this problem, a method using a ferromagnetic tunnel effect (hereinafter, abbreviated as TMR effect) instead of the GMR effect has been proposed. An element exhibiting a TMR effect (hereinafter abbreviated as TMR element) mainly consists of a three-layer film composed of a ferromagnetic layer 1, an insulating layer, and a ferromagnetic layer 2, and a current flows through the insulating barrier. The tunnel resistance value changes in proportion to the cosine of the relative angles between the magnetization directions of the two ferromagnetic metal layers, and a maximum value can be obtained when the two magnetization directions are completely opposite to each other.

예를 들어, NiFe/Co/Al2O3/Co/NiFe의 터널 접합에서, 50Oe 이하의 낮은 자기장에서 25%를 초과하는 자기 저항비가 발견된다 (예를 들어, IEEE Trans. Mag., 33,3553 (1997) 참조). TMR 소자의 셀 저항값은 전형적으로 접합 면적(㎛2) 당 104Ω 내지 106Ω이다. 따라서, 저항값이 10㏀이고, 1㎛2의 셀에서 자기 저항비가 25%인 것으로 가정하면, 10㎂의 감지 전류에서 25㎷의 셀 판독 신호가 얻어진다.For example, in tunnel junctions of NiFe / Co / Al 2 O 3 / Co / NiFe, a magnetoresistance ratio of more than 25% is found in low magnetic fields below 50Oe (e.g. IEEE Trans. Mag., 33, 3553 (1997). The cell resistance value of the TMR element is typically from 10 4 kPa to 10 6 kPa per junction area (μm 2 ). Thus, assuming that the resistance value is 10 mA and the magnetoresistance ratio is 25% in a cell of 1 mu m 2 , a cell read signal of 25 mA is obtained at a sense current of 10 mA.

TMR 소자를 이용하는 MRAM 셀 어레이에서, 다수의 TMR 소자는 데이터 라인 상에서 병렬로 접속된다. 다음에 기재하는 것과 같은 세부 구조들이 채용된다.In an MRAM cell array using TMR elements, multiple TMR elements are connected in parallel on data lines. Detailed structures as described below are employed.

(1) 선택 반도체 소자가 각 TMR 소자에 직렬로 배치되는 구조(1) A structure in which a select semiconductor element is arranged in series with each TMR element

(2) 다수의 TMR 소자가 병렬로 접속되는 각 데이터 라인마다 선택 트랜지스터가 배치되는 구조; 및(2) a structure in which a selection transistor is disposed for each data line to which a plurality of TMR elements are connected in parallel; And

(3) 다수의 TMR 소자가 매트릭스로 배치되고, 선택 트랜지스터가 각 행 데이터 라인이나 각 열 데이터 라인마다 배치되는 구조 (예를 들어, J. Appl. Phys., 81,3758 (1997) 참조).(3) A structure in which a plurality of TMR elements are arranged in a matrix, and a selection transistor is arranged for each row data line or each column data line (see, for example, J. Appl. Phys., 81,3758 (1997)).

이러한 구조들 중에서, (1)의 구조는 셀 출력 전압 판독 중의 전력 소비 효율면에 있어서 가장 우수한 특성을 갖는다.Among these structures, the structure of (1) has the best characteristics in terms of power consumption efficiency during cell output voltage reading.

그러나, (1)의 구조를 갖는 MRAM 셀에서는, 판독중에, TMR 소자에 접속된 반도체 소자에 전류를 공급할 필요가 있다. 반도체 소자로는, MOS형 트랜지스터, 트랜지스터를 이용하는 다이오드 소자, 및 pn 접합 또는 쇼트키 접합을 이용하는 다이오드 소자가 이용된다. 따라서, 이러한 반도체 소자의 특성에서 편차가 발생하는 경우, 이러한 편차에 의해 야기되는 잡음은 무시될 수 없다.However, in the MRAM cell having the structure of (1), it is necessary to supply a current to the semiconductor element connected to the TMR element during reading. As the semiconductor element, a MOS transistor, a diode element using the transistor, and a diode element using a pn junction or a Schottky junction are used. Therefore, when a deviation occurs in the characteristics of such a semiconductor element, the noise caused by such a deviation cannot be ignored.

예를 들어, MOS 트랜지스터의 경우에서, 소스와 드레인 간의 전압 강하는 0.25㎛의 룰에서 100㎷ 이상에 달한다. 즉, 반도체 소자의 특성에서 10%의 편차가 존재하는 경우, 이러한 편차에 의해 10㎷ 이상의 잡음이 발생된다. 또한, 데이터 라인과 결합된 잡음이나 감지 증폭기의 특성 편차로 인한 잡음과 같이 주변 회로에서 발생되는 잡음을 고려할 때, 잡음 레벨은 10㎷보다 커진다. 약 20㎷ 내지 30㎷의 전류 셀 출력 전압에서, 단 몇 ㏈의 신호 대 잡음비만이 얻어질 수 있다.For example, in the case of a MOS transistor, the voltage drop between the source and the drain reaches 100 kV or more in a rule of 0.25 mu m. That is, when there is a deviation of 10% in the characteristics of the semiconductor device, noise of 10 Hz or more is generated by this deviation. In addition, the noise level is greater than 10 dB when considering noise generated in the peripheral circuits, such as noise combined with data lines or noise due to characteristic variations in the sense amplifier. At current cell output voltages of about 20 kV to 30 kV, only a few kW signal-to-noise ratios can be obtained.

신호 대 잡음비를 향상시키기 위해, 종래의 MRAM 셀 어레이에서는, 선택된 하나의 메모리 셀의 출력 전압 V와 기준 VREF를 비교하여, 그들 사이의 차동 전압 Vsig를 차동적으로 증폭하는 방법이 종종 이용되었다. 이것의 제1 목적은 메모리셀이 접속되어 있는 데이터 라인쌍에서 발생하는 잡음을 제거하는 것이고, 제2 목적은 감지 라인을 구동하거나 셀을 선택하기 위한 반도체 소자의 특성에서의 편차로 인한 셀 출력 전압 Vsig의 오프셋을 제거하는 것이다. 기준 전압 VREF를 생성하기 위한 회로로는, 반도체 소자 또는 더미셀을 이용한 회로가 이용된다. 그러나, 이러한 방법에서, 선택된 메모리셀과 기준 전압을 생성하기 위한 회로는 그들 각각의 셀 선택 반도체 소자에 접속되어, 반도체 소자의 특성에서의 편차로 인한 셀 출력 전압 V의 오프셋을 완전히 제거하는 것을 불가능하게 한다.In order to improve the signal-to-noise ratio, in conventional MRAM cell arrays, a method of comparing the output voltage V of one selected memory cell with the reference V REF and differentially amplifying the differential voltage V sig therebetween is often used. . The first purpose of this is to eliminate noise generated in the pair of data lines to which the memory cells are connected, and the second purpose is the cell output voltage due to the deviation in the characteristics of the semiconductor element for driving the sense line or selecting the cell. Is to remove the offset of V sig . As a circuit for generating the reference voltage V REF , a circuit using a semiconductor element or a dummy cell is used. However, in this method, the circuit for generating the selected memory cell and the reference voltage is connected to their respective cell select semiconductor elements, making it impossible to completely eliminate the offset of the cell output voltage V due to the deviation in the characteristics of the semiconductor elements. Let's do it.

또한, 종래 기술에서, 일반적으로, 기준 전압 VREF는 셀 정보 "1"과 "0"에 대응하는 출력 전압 VF와 VAF사이의 중간 전압으로서 정의된다. 예를 들어, 전류 센싱 또는 전압 검출의 경우에, 감지 전류값을 Is로 정의하고, 셀에 이용되는 TMR 소자의 저항값을 R로 정의하고, 자기 저항비를 MR로 정의하는 것으로 가정하면, VF와 VAF는 다음과 같이 얻어질 수 있다.Also, in the prior art, the reference voltage V REF is generally defined as an intermediate voltage between the output voltages V F and V AF corresponding to the cell information " 1 " and " 0 ". For example, in the case of current sensing or voltage detection, it is assumed that the sensing current value is defined as I s , the resistance value of the TMR element used in the cell is defined as R, and the magnetoresistance ratio is defined as MR. V F and V AF can be obtained as follows.

기준 전압이 VF와 VAF사이의 중간 전압으로 정해진다고 가정하면, 감지 증폭기에 입력되는 차동 전압은 다음과 같다.Assuming that the reference voltage is set to an intermediate voltage between V F and V AF , the differential voltage input to the sense amplifier is as follows.

분모 2의 팩터는 기준 전압 VREF가 중간 전압으로 설정되기 때문이다. 전압 센싱과 전류 검출의 경우에, 바이어스 전압이 Vbias로 정의되고, 검출 부하 저항이 RL로 정의된다고 가정하면, 유사하게 다음의 공식을 취득할 수 있다.The factor of denominator 2 is because the reference voltage V REF is set to an intermediate voltage. In the case of voltage sensing and current detection, assuming that the bias voltage is defined as V bias and the detection load resistance is defined as R L , the following formula can be similarly obtained.

수학식 6의 유도 과정에서, MR2≪1 인 점이 고려된다.In the derivation process of Equation 6, the point that MR 2 <

그러므로, 종래의 기술에서, TMR 소자의 자기 저항비의 절반만이 이용될 수 있다.Therefore, in the prior art, only half of the magnetoresistance ratio of the TMR element can be used.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 예를 들어, 강자성층(1)과 강자성층(2)가 강자성적으로 또는 반강자성적으로 서로 결합되는 TMR 소자를 채용하여 정보 판독 중에 자계를 이용하는 방법이 있다(예를 들어, 미국특허 제5,734,605호 참조). 그러나, 이 방법은 판독 중에 전력 소비가 증가하기 때문에 핸드 헬드 디바이스에 적용하기에는 적합하지 않다.In order to solve this problem, for example, there is a method of using a magnetic field while reading information by employing a TMR element in which the ferromagnetic layer 1 and the ferromagnetic layer 2 are ferromagnetically or antiferromagnetically coupled to each other (eg, See, for example, US Pat. No. 5,734,605). However, this method is not suitable for handheld devices because of the increased power consumption during reading.

또한, 2개의 TMR 소자를 위한 선택 트랜지스터를 각각 배치하여, 메모리 셀을 구성하는 방법이 개시되어 있다(예를 들어, ISSCC 2000 Digest paper TA 7.2 참조). 이 방법에 있어서, 두 TMR 소자들의 기록층의 자화 방향이 언제나 서로 반평행하는 동안에, 기록이 수행된다. 즉, 소자들 중 어느 하나의 자화 구성이 반평행 상태로 들어가고, 다른 하나의 자화가 평행 상태로 들어가는 상보형 기입이 채택된다. 이 방법에 있어서, 이들 두 소자의 출력은 차동적으로 증폭되어, 동일 위상에서 잡음을 제거하고 S/N을 개선시킨다. 그러나, 셀 영역이 증가하고, 두개의 선택 트랜지스터가 하나의 셀을 위해 채택되기 때문에 집적도가 낮아진다는 문제점이 있다.In addition, a method of configuring a memory cell by arranging selection transistors for two TMR elements, respectively, is disclosed (see, for example, ISSCC 2000 Digest paper TA 7.2). In this method, recording is performed while the magnetization directions of the recording layers of the two TMR elements are always antiparallel to each other. That is, a complementary write is adopted in which the magnetization configuration of any of the elements enters the antiparallel state and the other magnetization enters the parallel state. In this method, the outputs of these two devices are differentially amplified, removing noise in the same phase and improving S / N. However, there is a problem that the cell area is increased and the degree of integration is lowered because two select transistors are adopted for one cell.

상술한 바와 같이, TMR 소자는 메모리 셀에 적용되어, 판독 중의 감지 전류의 감소와 셀 출력 신호의 증가가 동시에 취득될 수 있어서, 통상적으로 채택되는 GMR 효과를 이용하는 MRAM보다 더 고밀도의 MRAM을 제공하는 것을 가능하게 한다. 그러나, TMR 소자가 메모리 셀에 이용되는 경우에도, 셀 출력 전압은 약 수십 mV이다. 감지 라인을 구동하거나 셀을 선택하기 위한 반도체 소자 특성의 편차에 의한 잡음의 세기, 또는 데이터 라인과 주변회로로부터의 잡음의 세기에 비추어보아, 현재 충분한 신호 대 잡음비가 얻어지지 않는다. 신호 대 잡음비를 개선시키기 위하여, 자계를 이용하는 방법이 제안되나, 판독 중에 전력 소비가 증가한다는 불리한 점이 있다.As described above, the TMR element is applied to a memory cell so that a decrease in the sense current during reading and an increase in the cell output signal can be simultaneously obtained, thereby providing a higher density MRAM than an MRAM using a conventionally adopted GMR effect. Makes it possible. However, even when a TMR element is used for a memory cell, the cell output voltage is about several tens of mV. In view of the strength of the noise due to the variation of the semiconductor device characteristics for driving the sense line or selecting the cell, or the strength of the noise from the data line and the peripheral circuit, a sufficient signal-to-noise ratio is not currently obtained. In order to improve the signal-to-noise ratio, a method using a magnetic field is proposed, but has the disadvantage of increasing power consumption during reading.

본 발명의 목적은 판독 중에 셀 출력 전압을 증대시킬 수 있으며, 판독 중에 전력 소비의 증대 없이 신호 대 잡음비를 개선시킬 수 있는 자기 메모리 장치를 제공하는 것이며, 이 자기 메모리 장치는 저전력 소비와 빠른 판독 특성을 모두 가진다.It is an object of the present invention to provide a magnetic memory device which can increase the cell output voltage during reading and can improve the signal-to-noise ratio without increasing the power consumption during reading, which has low power consumption and fast read characteristics. Has both.

본 발명에 따라, 자화 방향이 고정된 고착층과 자화 방향이 외부 자계에 의해서 변화된 기록층을 적층하며, 단일 또는 이중 및 그 이상의 터널 접합을 형성하는 다수개의 터널 접합부를 포함하는 자기 메모리 셀 장치가 제공되어, 정보 기록 장치인 메모리 셀이 두개의 터널 접합부(제1 및 제2 TMR 소자)로 구성되고, 제1 및 제2 TMR 소자 각각의 적층 방향에 있어서 제1 단부는 각각의 데이터 라인에 접속되고, 제2 단부는 동일한 셀 선택 반도체 소자를 통하여 비트 라인에 접속된다.According to the present invention, there is provided a magnetic memory cell device comprising a plurality of tunnel junctions for laminating a fixed layer having a fixed magnetization direction and a recording layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field, and forming single, double and more tunnel junctions. A memory cell serving as an information recording apparatus is composed of two tunnel junction portions (first and second TMR elements), and the first end is connected to each data line in the stacking direction of each of the first and second TMR elements. And the second end is connected to the bit line via the same cell select semiconductor element.

또한, 본 발명에 따라, 자화 방향이 고정된 고착층과 자화 방향이 외부 자계에 의해서 변화된 기록층을 적층하며, 단일 또는 다수의 터널 접합을 형성하는 다수개의 터널 접합부를 포함하는 자기 메모리 셀 장치가 제공되어, 자기 메모리 셀 어레이는 복수개의 분할된 셀 어레이로 분리되고, 각각의 분할된 셀 어레이는 서로 평행하게 배치된 제1 및 제2 데이터 라인, 데이터 라인들과 교차하는 복수개의 워드 라인, 데이터 라인과 평행하게 배치되는 비트 라인, 및 복수개의 자기 메모리 셀로 구성된다. 자기 메모리 셀은 두개의 터널 접합부(제1 및 제2 TMR 소자)로 구성되고, 적층 방향으로의 제1 및 제2 TMR 소자의 제1 단부는 제1 및 제2 데이터 라인 각각에 접속되고, 제2 단부는 동일 셀 선택 반도체 소자를 통해 동일 비트 라인에 접속된다.In addition, according to the present invention, there is provided a magnetic memory cell apparatus comprising a plurality of tunnel junctions which form a single or multiple tunnel junctions by laminating a fixed layer having a fixed magnetization direction and a recording layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field. Provided, the magnetic memory cell array is divided into a plurality of divided cell arrays, each divided cell array having first and second data lines arranged in parallel with each other, a plurality of word lines crossing the data lines, data A bit line arranged in parallel with the line, and a plurality of magnetic memory cells. The magnetic memory cell is composed of two tunnel junctions (first and second TMR elements), the first ends of the first and second TMR elements in the stacking direction are connected to the first and second data lines, respectively, The two ends are connected to the same bit line through the same cell select semiconductor element.

또한, 본 발명에 따르면, 자화 방향이 고정된 고착층과 자화 방향이 외부 자계에 의해 변화되는 기록층이 적층되고 단일 또는 이중 및 그 이상의 터널 접합부를 구성하는 다수의 터널 접합부를 구비하는 자기 메모리 셀 장치가 제공되어 있으며, 이 자기 메모리 셀 어레이는 다수의 분할된 셀 어레이로 분할되고, 분할된 각각의 셀 어레이는 서로 평행하게 배치된 제1 및 제2 보조 데이터 라인, 이들 보조 데이터 라인과 교차하는 다수의 워드 라인, 이들 보조 데이터 라인과 평행하게 배치되는 보조 비트 라인, 및 다수의 자기 메모리 셀로 구성된다. 자기 메모리 셀은 2개의 터널 접합부(제1 및 제2 TMR)로 구성된다. 적층 방향으로의 제1 및 제2 TMR 소자의 제1 단부는 제1 및 제2 보조 데이터 라인 각각에 접속된다. 제2 단부는 동일 셀 반도체 소자를 통해 동일 보조 비트 라인에 접속된다. 제1 및 제2 보조 데이터 라인과 보조 비트 라인은 선택 트랜지스터를 통해 제1 및 제2 데이터 라인과 비트 라인 각각에 접속된다.Further, according to the present invention, a magnetic memory cell having a fixed layer having a fixed magnetization direction and a recording layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field and having a plurality of tunnel junctions constituting a single, double or more tunnel junctions An apparatus is provided, wherein the magnetic memory cell array is divided into a plurality of divided cell arrays, each divided cell array intersecting the first and second auxiliary data lines arranged parallel to each other, these auxiliary data lines. It consists of a plurality of word lines, an auxiliary bit line disposed in parallel with these auxiliary data lines, and a plurality of magnetic memory cells. The magnetic memory cell consists of two tunnel junctions (first and second TMR). First ends of the first and second TMR elements in the stacking direction are connected to the first and second auxiliary data lines, respectively. The second end is connected to the same auxiliary bit line through the same cell semiconductor element. The first and second auxiliary data lines and the auxiliary bit lines are connected to the first and second data lines and the bit lines through select transistors, respectively.

본 발명의 바람직한 실시예를 다음과 같이 예시한다.Preferred embodiments of the present invention are illustrated as follows.

(1) 제1 및 제2 터널 접합부의 저항값과 자기 저항비가 사실상 서로 동일하고, 터널 접합부의 양 기록층의 자화 구성이 항상 반평행하다.(1) The resistance value and the magnetoresistance ratio of the first and second tunnel junctions are substantially the same, and the magnetization configurations of both recording layers of the tunnel junction are always antiparallel.

(2) 제1 및 제2 TMR 소자 각각의 한 단부는 제1 및 제2 데이터 라인 각각에 접속되고, 다른 단부는 셀 선택 반도체 소자를 통해 비트 라인에 접속된다.(2) One end of each of the first and second TMR elements is connected to each of the first and second data lines, and the other end is connected to the bit line via a cell select semiconductor element.

(3) 제1 및 제2 데이터 라인과 비트 라인 간에 전위차가 인가될 때 제1 및 제2 데이터 라인에 흐르는 전류의 크기를 비교함으로써 저장된 정보를 판독한다. 또한, 제1 및 제2 데이터 라인은 동일 전위로 유지된다.(3) The stored information is read by comparing the magnitudes of currents flowing in the first and second data lines when a potential difference is applied between the first and second data lines and the bit lines. In addition, the first and second data lines are maintained at the same potential.

(4) 제1 및 제2 데이터 라인 간에 전위차가 인가될 때 비트 라인에서 나타나는 전압의 크기를 비교함으로써 저장된 정보를 판독한다.(4) The stored information is read by comparing the magnitude of the voltage appearing at the bit line when a potential difference is applied between the first and second data lines.

(5) 제1 TMR 소자의 적층 방향으로의 한 단부에 제1 기입 라인이 배치되고, 제2 TMR 소자의 적층 방향으로의 한 단부에 제2 기입 라인이 배치된다. 적층 방향으로의 제1 TMR 소자의 제1 또는 제2 단부와 적층 방향으로의 제2 TMR 소자의 제1 또는 제2 단부에 공통 기입 라인이 배치된다. 이들 공통 기입 라인들은 제1 기입 라인을 흐르는 전류 방향과 제2 기입 라인을 흐르는 전류 방향이 대각선이 되도록 구성된다.(5) The first writing line is arranged at one end in the stacking direction of the first TMR element, and the second writing line is arranged at one end in the stacking direction of the second TMR element. A common write line is disposed at the first or second end of the first TMR element in the stacking direction and at the first or second end of the second TMR element in the stacking direction. These common write lines are configured such that the current direction through the first write line and the current direction through the second write line are diagonal.

(6) 제1 및 제2 TMR 소자는 동일 평면 내에 배치된다. 제1 및 제2 기입 라인은 동일 평면 내에서 서로 평행하게 배치된다. 제3 기입 라인과 제1 및 제2 기입 라인은 다른 평면에 있고, 제1 및 제2 TMR 소자의 부근에서 서로 교차하도록 배치된다. 제1 및 제2 기입 라인 각각은 한 단부에서 메모리 셀 어레이 영역의 외부에 접속된다.(6) The first and second TMR elements are arranged in the same plane. The first and second write lines are arranged parallel to each other in the same plane. The third write line and the first and second write lines are in different planes and are arranged to cross each other in the vicinity of the first and second TMR elements. Each of the first and second write lines is connected to the outside of the memory cell array region at one end.

(7) 제1 및 제2 TMR 소자는 수직 방향으로 배열되고, 제1 및 제2 기입 라인은 수직 방향과 평행하게 배치된다. 제3 기입 라인과 제1 및 제2 기입 라인은 한 평면 내에서 수직 방향으로 서로 평행하게 배치된다. 제3 기입 라인과 제1 및 제2 기입 라인은 다른 평면에 있고, 제1 및 제2 TMR 소자의 부근에서 서로 교차하도록 배치된다. 제1 및 제2 기입 라인 각각은 한 단부에서 메모리 셀 어레이 영역의 외부에 접속된다.(7) The first and second TMR elements are arranged in the vertical direction, and the first and second writing lines are arranged parallel to the vertical direction. The third writing line and the first and second writing lines are arranged parallel to each other in the vertical direction in one plane. The third write line and the first and second write lines are in different planes and are arranged to cross each other in the vicinity of the first and second TMR elements. Each of the first and second write lines is connected to the outside of the memory cell array region at one end.

(8) 셀 선택 반도체 소자는 MOS형 전계 효과 트랜지스터, MOS형 전계 효과 트랜지스터를 이용하는 다이오드 소자, 또는 pn 접합이나 쇼트키 접합을 이용하는접합형 다이오드 소자이다.(8) Cell selection A semiconductor element is a MOS field effect transistor, a diode element using a MOS field effect transistor, or a junction diode element using a pn junction or a Schottky junction.

(9) 하나의 보조 셀 어레이에 포함된 메모리 셀의 수는 1000 또는 그 이하이다.(9) The number of memory cells included in one auxiliary cell array is 1000 or less.

상기 구성된 자기 메모리 장치에서, 메모리 셀에 관한 저장된 정보를 판독하는 방법은 첫째, 판독 동안 셀 선택 트랜지스터 반도체 소자를 저 임피던스 상태로 활성화시키는 단계와, 제1 및 제2 데이터 라인과 비트 라인 간에 전위차가 인가될 때 제1 및 제2 데이터 라인을 흐르는 전류의 크기를 비교하는 단계를 포함한다. 동일한 전위가 되도록 제1 및 제2 데이터 라인이 제어된다. 이러한 방식으로, 각 TMR 소자의 전위차 및 저항값에 따라 좌우되는 감지 전류가 제1 및 제2 데이터 라인에 흐른다. TMR 소자의 저항값은 TMR 소자의 고착층과 저장층 사이의 자화의 상대각이 서로 평행한지 또는 반평행한지에 따라 서로 다르다.In the above-described magnetic memory device, a method of reading stored information about a memory cell includes firstly activating a cell select transistor semiconductor element in a low impedance state during readout, wherein a potential difference between the first and second data lines and a bit line is determined. Comparing the magnitude of current flowing through the first and second data lines when applied. The first and second data lines are controlled to be at the same potential. In this way, sense currents flow in the first and second data lines, which depend on the potential difference and resistance value of each TMR element. The resistance value of the TMR element differs depending on whether the relative angles of magnetization between the fixed layer and the storage layer of the TMR element are parallel or antiparallel to each other.

본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서는, 2개의 TMR 소자의 저항값과 자기 저항비가 서로 동일하고, 각각의 기록층의 자화 방향이 서로 반평행하다. 그러므로, 전위차가 Vbias로 정의되고, 제1 TMR 소자의 저항값이 R(1-MR/2)로 정의되고, 제2 TMR 소자의 저항값이 R(1+MR/2)로 정의된 것으로 가정하면, 제1 및 제2 데이터 라인을 흐르는 감지 전류의 값 I1및 I2는 다음과 같다.In the magnetic memory device according to the present invention, the resistance values and the magnetoresistance ratios of the two TMR elements are equal to each other, and the magnetization directions of the respective recording layers are antiparallel to each other. Therefore, the potential difference is defined as V bias , the resistance value of the first TMR element is defined as R (1-MR / 2), and the resistance value of the second TMR element is defined as R (1 + MR / 2). Assuming, the values I 1 and I 2 of the sense currents flowing through the first and second data lines are as follows.

즉, 감지 전류차 Isig는 Isig=(V/R) ×MR에 의해 얻어지며, 종래 기술에서보다 큰 차 신호가 얻어질 수 있다. 메모리 셀은 전류 구동형 소자이다. 따라서, 셀 선택 반도체가 TMR 소자에 직렬로 접속될 때 저항의 편차가 발생되는 경우 결과적으로 출력 신호의 편차로 나타난다. 본 발명에서는, 제1 및 제2 TMR 소자는 동일한 셀 선택 반도체 소자를 공유하므로, 반도체 소자의 특성의 편차에 의해 발생되는 편차를 완전히 없앨 수 있게 된다. 이것은 종래 기술이 가지지 못한 큰 이점이다.That is, the sense current difference I sig is obtained by I sig = (V / R) × MR, and a larger difference signal can be obtained than in the prior art. The memory cell is a current driven device. Thus, when a variation in resistance occurs when the cell select semiconductor is connected in series with the TMR element, it appears as a variation in the output signal as a result. In the present invention, since the first and second TMR elements share the same cell select semiconductor element, the deviation caused by the variation in the characteristics of the semiconductor element can be completely eliminated. This is a great advantage that the prior art does not have.

또한, 상기 판독 방법 중 두번째는, 판독 동안에 셀 선택 반도체 소자를 저 임피던스 상태로 활성화시키는 단계, 및 제1 데이터 라인과 제2 데이터 라인 사이에 전위차가 인가되면 기준 전위와 관련된 비트 라인에 나타나는 전압의 크기를 비교하는 단계를 포함한다. 제1 데이터 라인과 제2 데이터 라인 사이의 전위차가 Vbias로 정의되고, 제1 TMR 소자의 저항값이 R(1-MR/2)로 정의되고, 제2 TMR 소자의 저항값이 R(1+MR/2)로 정의된 것으로 가정하면, 제2 데이터 라인과 비트 라인 사이의 전위차 V 는 다음과 같이 얻어진다.In addition, a second of the read methods may include: activating a cell select semiconductor element in a low impedance state during readout, and if a potential difference is applied between the first data line and the second data line, the voltage appearing at the bit line associated with the reference potential. Comparing the sizes. The potential difference between the first data line and the second data line is defined as V bias , the resistance value of the first TMR element is defined as R (1-MR / 2), and the resistance value of the second TMR element is R (1). Assuming that + MR / 2) is defined, the potential difference V between the second data line and the bit line is obtained as follows.

이때, 기준 전압 VREF는 다음과 같이 설정된다.At this time, the reference voltage V REF is set as follows.

그러면, 신호 전압 Vsig는 다음과 같이 얻어진다.Then, the signal voltage V sig is obtained as follows.

이러한 판독 방법에서는, 기준 전압이 사용되기 때문에 신호 전압의 변화량이 제1 판독 방법에서의 변화량보다 작기는 하지만 다음의 유용한 효과가 제공된다.In this reading method, since the reference voltage is used, although the amount of change in the signal voltage is smaller than the amount of change in the first reading method, the following useful effects are provided.

(1) 차분 전압은 TMR 소자에 흐르는 전류값에 좌우되지 않는다. 즉, 메모리 셀 어레이의 메모리 셀의 수가 변하고 따라서 데이터 라인 사이의 임피던스가 변하는 경우에도, 출력은 영향을 받지 않는다.(1) The differential voltage does not depend on the current value flowing through the TMR element. That is, even when the number of memory cells in the memory cell array changes and thus the impedance between data lines changes, the output is not affected.

(2) 바이어스 전압은 2개의 TMR 소자에 의해 배분되므로, 인가된 전압에 따라 좌우되는 자기 저항비의 감소가 줄어들 수 있다.(2) Since the bias voltage is distributed by two TMR elements, the decrease in the magnetoresistance ratio which depends on the applied voltage can be reduced.

(3) 비트 라인에는 거의 전류가 흐르지 않으므로, 선택 반도체 소자의 특성의 편차가 제거될 수 있다.(3) Since almost no current flows through the bit line, variations in the characteristics of the selected semiconductor element can be eliminated.

본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서는, 제1, 제2 및 제3 기입 라인에 전류를 공급함으로써 메모리 셀에 저장 정보가 기입된다. 이 기간 중에는, 자계의 값은 제1, 제2 및 제3 기입 라인의 교차 영역에서만 TMR 소자의 전환 자계의 값을 초과하도록 설정되어, 기입 중에 셀 선택이 이루어질 수 있다.In the magnetic memory device according to the present invention, the storage information is written to the memory cells by supplying current to the first, second and third write lines. During this period, the value of the magnetic field is set to exceed the value of the switching magnetic field of the TMR element only in the intersection region of the first, second and third write lines, so that cell selection can be made during writing.

본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서는, 제1 TMR 소자에 배치된 제1 기입 라인에 흐르는 전류의 방향이 제2 TMR 소자에 배치된 제2 기입 라인에 흐르는 전류의 방향과 반대이다. 즉, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서는, 기입 동작 중의 메모리 셀을 구성하는 제1 및 제2 TMR 소자의 기록층의 자화 방향은 항상 서로 반평행하다. 정보 "1" 및 "0" 은 소자의 고착층과 기록층 사이의 자화의 상대각이 제1 TMR 소자에서 평행한지 또는 반평행한지의 여부에 따라 판별된다.In the magnetic memory device according to the present invention, the direction of the current flowing in the first write line arranged in the first TMR element is opposite to the direction of the current flowing in the second write line arranged in the second TMR element. That is, in the magnetic memory device according to the present invention, the magnetization directions of the recording layers of the first and second TMR elements constituting the memory cell during the write operation are always antiparallel to each other. The information " 1 " and " 0 " is determined according to whether the relative angle of magnetization between the fixing layer and the recording layer of the element is parallel or antiparallel in the first TMR element.

본 발명에 따르면, 고정된 자화 방향을 갖는 제1 고착층, 제1 고착층에 인접한 제1 터널 장벽, 제1 터널 장벽을 통해 제1 고착층에 대향하고, 자화 방향이 외부 자계에 따라 변하는 제1 자기층, 제1 자기층에 반강자성적으로 결합되고, 자화 방향이 외부 자계에 따라 변하는 제2 자기층, 및 제1 및 제2 자기층 사이에 삽입되어, 제1 및 제2 자기층 사이에 반강자성적으로 결합하는 비자기 도전층의 적층으로 형성된 자기 메모리층: 제2 자기층에 인접한 제2 터널 장벽: 및 제2 터널 장벽을 통해 제2 자기층에 대향한 제2 고착층을 포함하는 터널 접합부; 및 제1 자기층과 제1 고착층을 통해 흐르는 제1 터널 전류와 제2 자기층과 제2 고착층을 통해 흐르는 제2 터널 전류 간의 전류차, 또는 전압차를 차동 방식으로 검출하도록 구성된 검출부를 포함하는 자기 메모리 장치가 제공된다.According to the present invention, a first fixing layer having a fixed magnetization direction, a first tunnel barrier adjacent to the first fixing layer, and a first tunneling layer facing the first fixing layer through the first tunnel barrier, and the magnetization direction is changed according to an external magnetic field. A first magnetic layer, antiferromagnetically coupled to the first magnetic layer, interposed between the first and second magnetic layers, and between the first and second magnetic layers, the second magnetic layer having a magnetization direction that varies with an external magnetic field, and A magnetic memory layer formed of a stack of nonmagnetic conductive layers antiferromagnetically coupled to a second tunnel barrier adjacent to the second magnetic layer: and a second anchoring layer facing the second magnetic layer through the second tunnel barrier. A tunnel junction; And a detector configured to differentially detect a current difference or a voltage difference between the first tunnel current flowing through the first magnetic layer and the first fixed layer and the second tunnel current flowing through the second magnetic layer and the second fixed layer. A magnetic memory device is provided that includes.

본 발명에 따르면, 고정된 자화 방향을 갖는 제1 고착층, 제1 고착층에 인접한 제1 터널 장벽, 제1 터널 장벽을 통해 제1 고착층에 대향하고 자화 방향이 외부 자계에 따라 변화하는 제1 자기층, 제1 자기층에 반강자성적으로 결합되고 자화 방향이 외부 자계에 따라 변하는 제2 자기층, 및 제1 및 제2 자기층 사이에 삽입되어, 제1 및 제2 자기층 사이에 반강자성적으로 결합하는 비자기 도전층의 적층으로형성된 자기 메모리층: 제2 자기층에 인접한 제2 터널 장벽: 및 제2 터널 장벽을 통해 제2 자기층에 대향한 제2 고착층을 포함하는 터널 접합부; 제1 자기층, 비자기 도전층 및 제2 자기층의 전부 또는 어느 하나에 전기적으로 접속된 비트 라인; 제1 고착층에 전기적으로 접속된 제1 데이터 라인; 및 제2 고착층에 전기적으로 접속된 제2 데이터 라인을 포함하는 자기 메모리 장치가 제공된다.According to the present invention, a first fixing layer having a fixed magnetization direction, a first tunnel barrier adjacent to the first fixing layer, a first tunneling layer facing the first fixing layer through the first tunnel barrier and the magnetization direction varying with an external magnetic field Between a first magnetic layer, a second magnetic layer antiferromagnetically coupled to the first magnetic layer, and a magnetization direction varying with an external magnetic field, and between the first and second magnetic layers, between the first and second magnetic layers A magnetic memory layer formed of a stack of antiferromagnetically coupled non-magnetic conductive layers: a second tunnel barrier adjacent the second magnetic layer: and a second anchoring layer facing the second magnetic layer through the second tunnel barrier; Tunnel junction; A bit line electrically connected to all or one of the first magnetic layer, the nonmagnetic conductive layer, and the second magnetic layer; A first data line electrically connected to the first anchor layer; And a second data line electrically connected to the second fixing layer.

본 발명의 부가적인 목적과 이점이 다음의 상세한 설명에서 설명될 것이고, 부분적으로 상세한 설명으로부터 명백할 것이고, 발명의 실행으로 알게 될 것이다. 본 발명의 목적 및 이점은 이하에 지적된 특정한 수단과 결합에 의해 실현되고 얻어질 수 있다.Additional objects and advantages of the invention will be set forth in the description which follows, and in part will be obvious from the description, and will be learned by practice of the invention. The objects and advantages of the present invention can be realized and obtained by combination with the specific means pointed out below.

첨부한 도면은 통합되어 명세서의 부분을 구성하며, 본 발명의 현재의 양호한 실시예를 설명하고, 위의 일반적인 설명과 함께 이하의 양호한 실시예의 상세한 설명이 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공된다.The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate presently preferred embodiments of the present invention, and together with the general description above, the following detailed description of the preferred embodiments is provided to illustrate the principles of the present invention.

도 1은 제1 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.1 shows an electrical equivalent circuit of a magnetic memory cell array according to the first embodiment;

도 2는 제1 실시예에 따른 데이터 라인 DL 및 /DL을 흐르는 전류값 I1및 I2의 변화를 도시한 도면.2 is a view showing changes in current values I 1 and I 2 flowing through the data lines DL and / DL according to the first embodiment.

도 3은 제1 실시예에 따른 다수의 메모리 셀의 기록 정보가 연속적으로 판독되는 경우의 파형을 도시한 차트.3 is a chart showing waveforms in the case where write information of a plurality of memory cells according to the first embodiment is continuously read;

도 4는 선택 셀 이외의 소자가 단락 저항으로 가정된 등가 회로의 도면.4 is an equivalent circuit diagram in which elements other than the selection cell are assumed to be short circuit resistances.

도 5는 도 4에 도시된 등가 회로를 이용한 시뮬레이션의 결과를 도시한 도면.FIG. 5 shows the results of a simulation using the equivalent circuit shown in FIG. 4. FIG.

도 6은 제1 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이를 구성한 TMR 소자와 기입 라인의 배치를 설명하는 개략도.Fig. 6 is a schematic diagram illustrating an arrangement of TMR elements and write lines constituting a magnetic memory cell array according to the first embodiment.

도 7은 제1 실시예에 사용되는 메모리 셀의 평면 구조를 도시한 도면.Fig. 7 is a diagram showing the planar structure of the memory cell used in the first embodiment.

도 8a 및 8b는 도 7에 도시된 메모리 셀 구조에서 라인 8A-8A 및 8B-8B를 따른 횡단면을 도시한 도면.8A and 8B show cross sections along lines 8A-8A and 8B-8B in the memory cell structure shown in FIG.

도 9a 및 9b는 기입 라인과 데이터 라인이 모두 함께 이용되는 메모리 셀 구조의 횡단면을 도시한 도면.9A and 9B illustrate cross sections of a memory cell structure in which both write lines and data lines are used together.

도 10은 제2 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이를 구성하는 TMR 소자와 기입 라인의 배치를 설명하는 개략도.Fig. 10 is a schematic view for explaining arrangement of TMR elements and write lines constituting a magnetic memory cell array according to the second embodiment.

도 11은 제2 실시예에 따른 메모리 셀의 평면 구조를 도시한 도면.Fig. 11 shows the planar structure of the memory cell according to the second embodiment.

도 12a 및 도 12b는 도 11에 도시된 메모리 셀 구조에서 라인 12A-12A 및 12B-12B를 따른 횡단면을 도시한 도면.12A and 12B show cross-sections along lines 12A-12A and 12B-12B in the memory cell structure shown in FIG.

도 13은 제3 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이를 구성하는 TMR 소자와 기입 소자의 배치를 설명하는 개략도.Fig. 13 is a schematic diagram illustrating an arrangement of a TMR element and a write element constituting the magnetic memory cell array according to the third embodiment.

도 14는 제3 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 소자의 단면 구조를 도시한 도면.Fig. 14 shows a cross-sectional structure of elements of the magnetic memory cell array according to the third embodiment.

도 15는 제4 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.Fig. 15 shows an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the fourth embodiment.

도 16은 본 발명의 제5 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이 소자의 단면 구조를 도시한 도면.16 is a cross-sectional structure of a magnetic memory cell array element according to the fifth embodiment of the present invention.

도 17은 본 발명의 제6 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이 소자의 단면 구조를 도시한 도면.FIG. 17 shows a cross-sectional structure of a magnetic memory cell array element according to a sixth embodiment of the present invention. FIG.

도 18a 및 도 18b는 본 발명의 제7 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이 소자의 단면 구조를 각각 도시한 도면.18A and 18B show cross-sectional structures of the magnetic memory cell array elements according to the seventh embodiment of the present invention, respectively.

도 19는 본 발명의 제8 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이 소자의 단면 구조를 도시한 도면.Fig. 19 shows a cross-sectional structure of a magnetic memory cell array element according to the eighth embodiment of the present invention.

도 20은 제9 실시예에 따른 자기 메모리 셀의 메모리 셀 구조의 횡단면을 도시한 도면.20 is a cross sectional view showing a memory cell structure of a magnetic memory cell according to the ninth embodiment;

도 21은 제10 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.FIG. 21 shows an electrical equivalent circuit of a magnetic memory cell array according to the tenth embodiment.

도 22는 제11 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.Fig. 22 shows an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the eleventh embodiment.

도 23은 제12 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.Fig. 23 shows an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the twelfth embodiment.

도 24는 제13 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.Fig. 24 shows an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the thirteenth embodiment.

도 25는 제14 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.Fig. 25 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the fourteenth embodiment.

도 26은 제15 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.Fig. 26 shows an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the fifteenth embodiment.

도 27은 제16 실시예에 따른 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.FIG. 27 shows an electrical equivalent circuit of a magnetic memory cell array according to the embodiment according to the sixteenth embodiment.

도 28은 제17 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.FIG. 28 shows an electrical equivalent circuit of a magnetic memory cell array according to the seventeenth embodiment.

도 29는 제18 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.Fig. 29 shows an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the eighteenth embodiment.

도 30은 제19 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.30 is an electric equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the nineteenth embodiment;

도 31은 제20 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.FIG. 31 shows an electrical equivalent circuit of a magnetic memory cell array according to the twentieth embodiment; FIG.

도 32는 제20 실시예의 변형에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 pn 다이오드가 MOS 트랜지스터로 대체된 경우의 등가 회로를 도시한 도면.FIG. 32 shows an equivalent circuit in the case where the pn diode of the magnetic memory cell array according to the modification of the twentieth embodiment is replaced with the MOS transistor;

도 33은 제21 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.FIG. 33 shows an electrical equivalent circuit of a magnetic memory cell array according to the twenty-first embodiment; FIG.

도 34는 제21 실시예에서 비트 라인을 흐르는 전류가 오프셋 전압 Voff의 함수로 측정되는 경우 얻어지는 결과를 도시한 도면.FIG. 34 shows the results obtained when the current flowing through the bit line in the twenty-first embodiment is measured as a function of the offset voltage Voff. FIG.

도 35는 제22 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시한 도면.35 illustrates an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the twenty-second embodiment.

도 36은 제22 실시예에서 자기 메모리 어레이의 판독 동작을 설명하는 타이밍도.36 is a timing chart for explaining a read operation of the magnetic memory array in the twenty-second embodiment;

도 37은 제22 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전체 구조를 도시한 도면.FIG. 37 shows the overall structure of a magnetic memory cell array in accordance with a twenty-second embodiment; FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

11, 21, 13, 23 : TMR 소자11, 21, 13, 23: TMR element

30 : 워드 라인30: word line

31, 32, 33, 34 : 선택 트랜지스터31, 32, 33, 34: select transistor

41, 42 : 데이터 라인41, 42: data line

44 : 셀 플레이트44: cell plate

51, 52 : 기입 라인51, 52: write line

101 : 기록층101: recording layer

102 : 터널 장벽102: tunnel barrier

103 : 고착층103: fixing layer

111 : 터널 접합 소자111: tunnel junction element

201 : 메모리 셀201: memory cell

401 : 전류 검출형 차동 증폭기401: Current Sensing Differential Amplifier

420 : 바이어스 전압 클램핑 회로420: bias voltage clamping circuit

이하, 본 발명은 본 실시예에 의해 상세히 설명될 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by the present embodiment.

<제1 실시예><First Embodiment>

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다.1 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of a magnetic memory cell array according to a first embodiment of the present invention.

도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응하고, 이 메모리 셀(201)은 2개의 TMR 소자 및 선택 트랜지스터로 제조된다. 즉, 제1 메모리 셀은 TMR 소자(11 및 21) 및 선택 트랜지스터(31)로 제조되고; 제2 메모리 셀은 TMR 소자(12 및 22) 및 선택 트랜지스터(32)로 제조되며; 제3 메모리 셀은 TMR 소자(13 및 23) 및 선택 트랜지스터(33)로 제조되며; 제4 메모리 셀은 TMR 소자(14 및 24) 및 선택 트랜지스터(34)로 제조된다. 도면에서는, 4개의 메모리 셀이 후술할 데이터 라인 방향과 관련하여 배열되어 있지만, 배열된 메모리 셀의 개수는, 물론 필요에 따라서 변경될 수 있다.In the figure, the region enclosed by the dotted lines corresponds to the memory cell 201, which is made of two TMR elements and a selection transistor. That is, the first memory cell is made of the TMR elements 11 and 21 and the select transistor 31; The second memory cell is made of TMR elements 12 and 22 and select transistor 32; The third memory cell is made of the TMR elements 13 and 23 and the select transistor 33; The fourth memory cell is made of the TMR elements 14 and 24 and the select transistor 34. In the drawing, four memory cells are arranged in relation to the data line direction to be described later, but the number of arranged memory cells can, of course, be changed as necessary.

제1 메모리 셀(201)에서는, TMR 소자(11)의 한 단이 데이터 라인 DL에 접속되고, TMR 소자(21)의 한 단은 데이터 라인 /DL에 접속된다. TMR 소자(11 및 21) 각각의 다른 단은 셀 선택 트랜지스터(31)를 통해 동일한 비트 라인 BL에 접속된다. 다른 셀 또한, 마찬가지로, 각각의 TMR 소자의 한 단이 데이터 라인 DL 및 /DL 에 접속되며, 다른 단은 셀 선택 트랜지스터(32 내지 34)를 통해 동일한 비트 라인 BL에 접속된다.In the first memory cell 201, one end of the TMR element 11 is connected to the data line DL, and one end of the TMR element 21 is connected to the data line / DL. The other end of each of the TMR elements 11 and 21 is connected to the same bit line BL through the cell select transistor 31. The other cell is also likewise connected to one end of each TMR element to the data lines DL and / DL and the other end to the same bit line BL via cell select transistors 32 to 34.

독립적인 워드 라인 WL1 내지 WL4는 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 각각 배치된다. 후술하는 바와 같이, 인접한 메모리 셀 어레이는 선택 트랜지스터의 드레인 영역 및 비트 라인을 공유한다. 데이터 라인 DL 및 /DL은 공통 워드 라인 DSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 접속된다. 바이어스 전압 클램핑 회로(420)는 워드 라인 BSL이 접속된 선택 트랜지스터를 통해 비트 라인 BL에 접속된다.Independent word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34, respectively. As will be described later, adjacent memory cell arrays share the drain region and the bit line of the select transistor. The data lines DL and / DL are connected to the current detection type differential amplifier 401 through a select transistor having a common word line DSL. The bias voltage clamping circuit 420 is connected to the bit line BL through a select transistor to which the word line BSL is connected.

다음으로, 이 회로의 동작에 대해 메모리 셀(201)을 예로 들어 설명한다.Next, the operation of this circuit will be described taking the memory cell 201 as an example.

지금부터, TMR 소자(11)의 기록층 및 고착층의 자화 구성이 서로 평행하고, TMR 소자(21)의 기록층 및 고착층의 자화 구성이 서로 반평행한 경우 (기록 정보 "1")에 대해서 고려해보자. 초기화 상태에서는, WL1, BSL 및 DSL의 전위가 0이다. 이때, DSL 및 BSL의 전위는 VDD로 정해지고, DL 및 /DL은 0 전위로 설정되고, Vbias가 BL에 인가된다. 이 상태에서 WL1 이 VDD로 설정될 때, 선택 트랜지스터(31)는 도전 상태가 된다. TMR 소자(11)의 저항값이 R(1-MR/2)로 정해지고, TMR 소자(21)의 저항값이 R(1+MR/2)로 정해진다고 가정하면, 데이터 라인 DL 및 /DL을 흐르는 감지 전류(I1및 I2)는 다음과 같다.From now on, when the magnetization configurations of the recording layer and the fixing layer of the TMR element 11 are parallel to each other, and the magnetization configurations of the recording layer and the fixing layer of the TMR element 21 are antiparallel to each other (recording information " 1 &quot;)Let's consider that. In the initialization state, the potentials of WL1, BSL, and DSL are zero. At this time, the potentials of DSL and BSL are set to V DD , DL and / DL are set to zero potential, and V bias is applied to BL. In this state, when WL1 is set to V DD , the selection transistor 31 is in a conductive state. Assuming that the resistance value of the TMR element 11 is set to R (1-MR / 2) and the resistance value of the TMR element 21 is set to R (1 + MR / 2), the data lines DL and / DL The sense currents I 1 and I 2 flowing through are as follows.

즉, 결과는 I1I2, 차는 Isig= (V/R) ×MR 이다.기록 정보가 "0"인 경우, 즉, TMR 소자(11)의 자화 구성이 서로 반평행하고, TMR 소자(21)의 자화 구성이 서로 평행한 경우, I1및 I2는 다음과 같다.Namely, the result is I 1 I 2 and the difference is I sig = (V / R) x MR. When the recording information is "0", that is, the magnetization configurations of the TMR elements 11 are antiparallel to each other, When the magnetization configurations of 21) are parallel to each other, I 1 and I 2 are as follows.

즉, 결과는 I1<I2이고, 차는 기록 정보가 "1"인 경우와 동일하다. 따라서,I1및 I2의 크기는 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 의해 비교되어, 정보 판독이 가능해진다.That is, the result is I 1 <I 2 , and the difference is the same as in the case where the recording information is “1”. Therefore, the magnitudes of I 1 and I 2 are compared by the current detection type differential amplifier 401, so that the information can be read.

도 2는 시간의 경과에 따른 데이터 라인 DL 및 /DL을 흐르는 전류 I1및 I2의 변화를 도시한다. 여기서, 바이어스 전압 Vbias는 400㎷이고, TMR 소자(11 및 21)의 저항값은 소정의 바이어스의 경우에는 평행 상태에서 40㏀이고, 반평형 상태에서는 60㏀이다. 전위 WL1은 5ns 내지 10ns 동안에는 VDD로 유지된다. 상술한 바와 같이, 소자 저항값에 따라서, 서로 다른 값의 감지 전류가 데이터 라인 DL 및 /DL을 흐른다는 사실을 발견하였다. 데이터 라인의 스트레이(stray) 캐패시턴스로 인해 약간의 시간 지연이 발생된다.2 shows the change in currents I 1 and I 2 flowing through the data lines DL and / DL over time. Here, the bias voltage V bias is 400 kV, and the resistance values of the TMR elements 11 and 21 are 40 kV in the parallel state in the case of the predetermined bias, and 60 kV in the anti-balance state. The potential WL1 is held at VDD for 5ns to 10ns. As described above, it has been found that depending on the device resistance value, different values of sense current flow through the data lines DL and / DL. Stray capacitance of the data lines causes some time delay.

도 3은 다수의 메모리 셀에 대한 기록 정보가 연속적으로 판독되는 경우의 파형을 도시한다. 이 실시예에서는, 저임피던스의 데이터 라인 DL 및 /DL이 전류 구동되기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이, 데이터 라인의 스트레이 캐패시턴스로 인한 지연은 0.5ns 이하만큼 작다. 이러한 고속 판독 특징은 본 발명의 큰 장점이다.3 shows waveforms in the case where write information for a plurality of memory cells is read continuously. In this embodiment, since the low impedance data lines DL and / DL are current driven, the delay due to the stray capacitance of the data lines is as small as 0.5 ns or less, as shown in FIG. This high speed read feature is a great advantage of the present invention.

본 실시예에서는, 비선택 셀은 데이터 라인 DL 및 /DL 사이의 단락 저항으로서 기능을 하고, 그 저항값은 기억 정보에 관계없이 2R이다. 예를 들면, N+1개의 셀이 데이터 라인 DL 및 /DL에 접속되어 있는 경우, 등가 회로는 도 4에 도시된 바와 같다. 이 회로에서는, 데이터 라인 DL 및 /DL 간의 접속이 2R/N의 저항에 의해 단락된다. 감지 전류가 선택 셀에서 데이터 라인 DL 및 /DL로 흐르는 동안, 전위차가 데이터 라인 DL 및 /DL의 배선 저항 RD에 의해 데이터 라인 DL 및 /DL에 조금씩 생성되고, 이에 따라 전류가 단락 저항 RD에 흐른다. 그 결과, 데이터 라인 DL 및 /DL 간의 전류차가 제거되는 방향으로 전위차가 작용한다.In the present embodiment, the unselected cell functions as a short circuit resistance between the data lines DL and / DL, and the resistance value is 2R regardless of the stored information. For example, in the case where N + 1 cells are connected to the data lines DL and / DL, the equivalent circuit is as shown in FIG. In this circuit, the connection between the data lines DL and / DL is shorted by a resistance of 2R / N. While the sense current flows from the selected cell to the data lines DL and / DL, the potential difference is generated little by little in the data lines DL and / DL by the wiring resistance R D of the data lines DL and / DL, so that the current is short-circuited R D Flows on. As a result, the potential difference acts in the direction in which the current difference between the data lines DL and / DL is removed.

도 5는 도 4에 도시된 등가 회로를 이용한 시뮬레이션 결과를 도시한다. 여기서, R=250㏀으로 추정한다. 단락 저항 Rdummy의 크기가 2.5㏀일 때, 즉, 접속 셀의 수가 N=100일 때, 전류차의 감소가 어떠한 실질적인 문제도 일으키지 않는 10% 이내가 된다. 그러나, 접속 셀의 개수가 N=1000인 경우에는, 전류차의 감소가 50%를 초과하고, 보상 판독으로 인해 출력 신호가 두배로 증가하여 본 발명의 장점이 손실될 것이다. 따라서, 본 실시예에서는, 셀 블럭당 메모리 셀의 개수가 100개 이하인 것이 바람직하며, 많아야 1000개 정도 요구된다.FIG. 5 shows simulation results using the equivalent circuit shown in FIG. 4. Here, it is estimated that R = 250 ms. When the size of the short-circuit resistance R dummy is 2.5 kW, that is, when the number of connected cells is N = 100, the reduction in the current difference is within 10% without causing any practical problem. However, if the number of connected cells is N = 1000, the reduction in the current difference will exceed 50%, and the output signal will double due to the compensation reading, and the advantages of the present invention will be lost. Therefore, in this embodiment, the number of memory cells per cell block is preferably 100 or less, and at most about 1000 are required.

도 6은 본 실시예에 따른 자기 메모리 어레이를 구성하는 TMR 소자 및 기록 라인의 배치를 개략적으로 도시한다. 도 6에서, 참조 번호 10 내지 14 및 참조 번호 20 내지 24는 TMR 소자를 표시하고, 참조 번호 51 및 52는 기입 라인을 표시한다. 본 발명의 보다 나은 이해를 위해, TMR 소자 및 기입 라인의 구성을 제외한 구성에 대해서는 여기서는 생략하기로 한다. 도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)을 표시한다. 도면에는, 5개의 메모리 셀이 기입 라인(51)이 배열되어 있는 방향을 따라 배열되어 있지만, 이러한 배열의 개수는 필요에 따라서 변경될 수 있다.Fig. 6 schematically shows the arrangement of TMR elements and write lines constituting the magnetic memory array according to this embodiment. In Fig. 6, reference numerals 10 to 14 and reference numerals 20 to 24 denote TMR elements, and reference numerals 51 and 52 denote writing lines. For a better understanding of the present invention, configurations other than those of the TMR element and the write line will be omitted here. In the figure, the region enclosed by the dotted lines indicates the memory cell 201. In the figure, five memory cells are arranged along the direction in which the write lines 51 are arranged, but the number of such arrays can be changed as necessary.

메모리 셀(201)은 두개의 TMR 소자(제1 및 제2 TMR 소자(11 및 12)), 및 각각의 소자 영역에서 수직으로 서로 교차하는 기입 라인(51 및 52)을 포함한다. TMR 소자(11 및 21)는 후술하는 바와 같이 하나 또는 둘 또는 그 이상의 터널 접합을 구성하고, 자화 방향이 고정된 고착층을 가지며, 자화 방향이 변화하는 기록층을 갖는다. 또한, 이 소자들은 저항값, 자기 저항비, 및 기록층의 전환 자계의 크기가 2개의 소자에서 서로 동일하도록 제조된다. 기입 라인(51)은 접혀진 U자형의 형태를 갖고, 전류 흐름 방향이 TMR 소자(11 및 21)와 관련하여 반대가 되도록 배치된다.The memory cell 201 includes two TMR elements (first and second TMR elements 11 and 12), and write lines 51 and 52 that vertically cross each other in their respective device regions. The TMR elements 11 and 21 constitute one or two or more tunnel junctions as described later, have a fixed layer with a fixed magnetization direction, and have a recording layer with a changed magnetization direction. In addition, these elements are manufactured such that the resistance value, the magnetoresistance ratio, and the magnitude of the switching magnetic field of the recording layer are the same in the two elements. The write lines 51 have a folded U-shape and are arranged so that the current flow direction is reverse with respect to the TMR elements 11 and 21.

기록 정보는 기입 라인(51 및 52)을 이용하여 메모리 셀(201) 내에 기입된다. 지금, 기입 라인(51)의 한 단(511)의 전위를 다른 단(512)보다 더 높게 되도록 설정하는 것으로 하면, 기입 전류는 화살표로 표시한 바와 같이 기입 라인(51)을 흐른다. 기입 전류의 방향은 TMR 소자(21)와 관련된 용지면의 우측 상단부 및 TMR 소자(11)와 관련된 용지면의 좌측 하단부이다. 기입 전류에 의해, 도면에서 점선으로 도시된 화살표로 표시한 방향의 자계가 기입 라인 주변에서 생성되나, 그 배향은 TMR 소자(21)와 관련된 용지면의 좌측 그리고 TMR 소자(11)와 관련된 용지면의 우측이다. 따라서, 이러한 자계에 의해, 기입 동작이, TMR 소자(11 및 21)의 자화 방향이 항상 서로 반대가 되도록 이루어질 수 있다.Write information is written into the memory cell 201 using the write lines 51 and 52. Now, if the potential of one end 511 of the write line 51 is set to be higher than the other end 512, the write current flows through the write line 51 as indicated by the arrow. The directions of the write currents are the upper right part of the paper surface associated with the TMR element 21 and the lower left part of the paper surface associated with the TMR element 11. By the write current, a magnetic field in the direction indicated by the arrow shown by the dotted line in the figure is generated around the write line, but its orientation is on the left side of the paper surface associated with the TMR element 21 and on the right side of the paper surface associated with the TMR element 11. to be. Therefore, by this magnetic field, the writing operation can be made so that the magnetization directions of the TMR elements 11 and 21 are always opposite to each other.

정보 "1" 및 "0"은 TMR 소자(11)의 기록층의 자화 및 고착층의 자화 간의 상대 각도가 평행한지 반평행한지에 따라서 판별될 수 있다. 또한, 정보 "1" 및 "0"은 기입 라인(51)을 흐르는 기입 전류의 방향을 바꿈으로써 쉽게 재기입된다. 기입 라인(51)에서, 제1 기입 라인(51a)은 터미널(511)에 접속되고, 제2 기입라인(51b)은 터미널(512)에 접속된다.The information " 1 " and " 0 " can be determined according to whether the relative angle between the magnetization of the recording layer of the TMR element 11 and the magnetization of the fixing layer is parallel or antiparallel. In addition, the information "1 " and " 0 " In the write line 51, the first write line 51a is connected to the terminal 511 and the second write line 51b is connected to the terminal 512.

기입 중의 셀을 선택하기 위하여, 기입 라인(52)(제3 기입 라인)이 기입 라인(51)과 함께 사용된다. 즉, 도시된 바와 같이 용지면의 좌측 상부 방향의 기입 전류가 기입 라인(52)을 흐를 때, 도면에서 점선으로 도시된 화살표에 의해 표시된 방향의 자계가 기입 라인(52) 주위에 발생한다. 기입 라인(52)으로부터의 자계의 방향은 TMR 소자(11, 21)의 방향과 동일하며, 기입 라인(51)으로부터의 자계 방향에 수직이다. 따라서, 기입 라인(51, 52)의 각각을 흐르는 기입 전류의 값은 기입 라인(51, 52)으로부터의 합성 자계의 값이 반전된 자계의 값보다 크도록 설정되며, 이에 따라 셀 선택 및 기입이 달성될 수 있게 된다.In order to select a cell during writing, a write line 52 (third write line) is used together with the write line 51. That is, as shown, when the write current in the upper left direction of the paper surface flows through the write line 52, a magnetic field in the direction indicated by the arrow shown by the dotted line in the figure is generated around the write line 52. The direction of the magnetic field from the write line 52 is the same as that of the TMR elements 11 and 21 and is perpendicular to the direction of the magnetic field from the write line 51. Therefore, the value of the write current flowing through each of the write lines 51 and 52 is set such that the value of the synthesized magnetic field from the write lines 51 and 52 is larger than the value of the inverted magnetic field, so that cell selection and writing is performed. Can be achieved.

상술한 바와 같이 서로 직교하는 자계를 이용하는 기입 동작에 있어서는, TMR 소자의 기록층의 완만한 자화축이 기입 라인(51)으로부터의 자계의 방향에 평행한 것이 바람직하다. 또한, 기입 라인(51, 52)은 TMR 소자의 근처에서 항상 서로 직교해야 하는 것은 아니며, 임의의 각도로 설정될 수 있다.In the writing operation using magnetic fields orthogonal to each other as described above, it is preferable that the gentle magnetization axis of the recording layer of the TMR element is parallel to the direction of the magnetic field from the writing line 51. In addition, the write lines 51 and 52 do not always have to be orthogonal to each other in the vicinity of the TMR element, and can be set at any angle.

도 7은 도 1에 도시된 것에 대응하는 메모리 셀(201)의 평면 구조를 나타낸다. 본 실시예에 따른 메모리 셀은 하나의 구조에 2개의 TMR 소자를 가지며, TMR 소자는 Si 기판(70) 상에 있는 반도체 회로부의 상부층에 형성된다.FIG. 7 shows a planar structure of the memory cell 201 corresponding to that shown in FIG. 1. The memory cell according to the present embodiment has two TMR elements in one structure, and the TMR elements are formed in the upper layer of the semiconductor circuit portion on the Si substrate 70.

도 7에서 참조 부호 71 및 72는 트랜지스터의 드레인 또는 소스로서 소용되는 셀 선택 트랜지스터의 확산 영역, 41 및 42는 데이터 라인, 30은 셀 선택 트랜지스터의 워드 라인, 44는 TMR 소자(11, 12)의 하부층에 형성된 셀 플레이트, 45는 셀 플레이트(44)와 셀 선택 트랜지스터의 드레인 영역 사이의 접촉부를 나타낸다. 셀 선택 트랜지스터의 소스 영역(72)은 인접 메모리 셀 어레이(도시되지 않음)의 메모리 셀들과 공유되며, 비트 라인에 접속된다. 소자 분리 영역을 고려할 때, 하나의 메모리 셀 범위의 크기는 20 내지 25F2이다. 여기서, F는 데이터 라인 간격을 나타낸다.In Fig. 7, reference numerals 71 and 72 denote diffusion regions of cell select transistors serving as drains or sources of transistors, 41 and 42 denote data lines, 30 denote word lines of cell select transistors, and 44 denote TMR elements 11 and 12. Cell plate 45 formed in the lower layer represents a contact portion between cell plate 44 and the drain region of the cell select transistor. The source region 72 of the cell select transistor is shared with the memory cells of an adjacent memory cell array (not shown) and connected to the bit line. Considering the device isolation region, the size of one memory cell range is 20 to 25F 2 . Where F represents the data line spacing.

본 실시예에서, 2개의 TMR 소자는 하나의 트랜지스터를 공유하며, 따라서 2개의 TMR 소자가 자신의 트랜지스터를 구비하고 있는 차동 증폭기에 비해 셀 영역을 2배로 감소시킬 수 있게 된다.In this embodiment, the two TMR elements share one transistor, so that the two TMR elements can double the cell area compared to a differential amplifier having its own transistor.

도 8a 및 도 8b는 도 7에 도시된 메모리 셀의 평면 구조에서 라인 8A-8A 및 8B-8B를 따라 취해진 단면을 나타내는 도면이다. Si 기판(70) 상에 형성된 반도체 회로부와 각 금속층은 층간 절연층(60)에 의해 분리되어 있다. TMR 소자(11, 21)는 각각 기록층(101), 터널 장벽(102) 및 고착층(103)의 적층 구조로 이루어진다. TMR 소자(11, 21)는 공통 셀 플레이트(44) 상에 형성된다. 셀 플레이트(44)는 셀 선택 트랜지스터와 각각의 TMR 소자(11, 21) 간에 전기적 접촉이 이루어지도록 형성된다. 이 노드는 W, Al 또는 Ta와 같은 비자기 도전층으로 이루어진다.8A and 8B are cross-sectional views taken along lines 8A-8A and 8B-8B in the planar structure of the memory cell shown in FIG. The semiconductor circuit portion and each metal layer formed on the Si substrate 70 are separated by the interlayer insulating layer 60. The TMR elements 11 and 21 each have a stacked structure of a recording layer 101, a tunnel barrier 102 and a fixing layer 103. The TMR elements 11 and 21 are formed on the common cell plate 44. The cell plate 44 is formed such that electrical contact is made between the cell select transistors and the respective TMR elements 11 and 21. This node consists of a nonmagnetic conductive layer such as W, Al or Ta.

본 실시예에서는 기입 라인(51, 52)이 데이터 라인(41, 42)과 분리된 구조로 도시되어 있지만, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 이들 모두를 공유하여 데이터 라인(41, 42)에 기입 라인(51)의 기능을 제공할 수도 있다. 이 경우, 도 8a 및 도 8b에 도시된 기입 라인(51)에 대응하는 금속 배선층이 제거된다. 또한, 상술한 경우에, 데이터 라인(41, 42)은 기입 동작 동안 그 한 단부에서 단락되어야 하지만, 이러한 단락 회로 메카니즘은 종래 공지된 회로 기술을 이용하여 쉽게 구성될 수 있다. 데이터 라인(41, 42)이 다수의 TMR 소자에 의해 서로 접속되지만, TMR 소자의 접합 저항은 데이터 라인의 배선 저항에 비해 충분히 크다. 따라서, 다수의 소자가 접속되는 경우에도, 기입 동안 TMR 소자를 통해 흐르는 기입 전류의 크기는 무시될 수 있다.Although the write lines 51 and 52 are shown in a separate structure from the data lines 41 and 42 in this embodiment, as shown in FIGS. 9A and 9B, all of them share the data lines 41 and 42. The function of the write line 51 may be provided. In this case, the metal wiring layer corresponding to the write line 51 shown in Figs. 8A and 8B is removed. Also, in the case described above, the data lines 41 and 42 must be shorted at one end thereof during the write operation, but such a short circuit mechanism can be easily configured using conventionally known circuit techniques. Although the data lines 41 and 42 are connected to each other by a plurality of TMR elements, the junction resistance of the TMR elements is sufficiently large compared to the wiring resistance of the data lines. Thus, even when a plurality of elements are connected, the magnitude of the write current flowing through the TMR element during writing can be ignored.

바람직한 실시예에서는 상호 금속 확산을 방지하기 위한 TiN 또는 TaN과 같은 도전성 금속 질화물로 구성된 장벽 금속이 셀 플레이트(44)의 하부 및 TMR 소자의 접촉 장소에 제공된다. 또한, 고착층(103)의 결정성 및 결정 방향을 제어하기 위하여 Au, Pt, Ta, Ti 또는 Cr과 같은 시드(seed)층이 제공될 수 있다.In a preferred embodiment, a barrier metal composed of a conductive metal nitride such as TiN or TaN to prevent mutual metal diffusion is provided at the bottom of the cell plate 44 and at the contact point of the TMR element. In addition, a seed layer such as Au, Pt, Ta, Ti, or Cr may be provided to control the crystallinity and the crystal direction of the fixing layer 103.

고착층(103)은 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금으로 이루어진 박층으로 형성된다. 고착층의 자화 방향은 정보 기록 및 판독 동안의 기준 방향을 정의한다. 따라서, 전환 자계는 후술되는 기록층의 전환 자계보다 충분히 커야 한다. 이를 위하여, 예컨대, Mn 합금, 및 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금과 같은 금속 반강자성 재료로 이루어진 적층 구조, 또는 층간 반강자성 결합이 실시된 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금 및 Cu 또는 Ru와 같은 비자기 금속의 대안적인 적층 구조를 이용하는 것이 바람직하다.The fixing layer 103 is formed of a thin layer made of Fe, Co, Ni, or an alloy thereof. The magnetization direction of the fixation layer defines the reference direction during information recording and reading. Therefore, the switching magnetic field must be sufficiently larger than the switching magnetic field of the recording layer described later. For this purpose, for example, a laminated structure made of a metal antiferromagnetic material, such as an Mn alloy and Fe, Co, Ni or an alloy thereof, or Fe, Co, Ni or an alloy thereof and Cu or Ru subjected to interlayer antiferromagnetic bonding It is desirable to use alternative laminated structures of non-magnetic metals such as

터널 장벽(102)은 Al 산화층으로 이루어지며, 알루미나를 직접 스퍼터링하거나 2nm 이하의 두께로 Al을 형성한 후 Al층을 산화시킴으로써 고착층(103) 상에 형성된다. 터널 장벽(102)에 사용되는 재료는 2nm 이하의 매우 얇은 층 두께로 양호한 절연성을 가져야 한다. 이러한 재료로서 상술한 알루미나 스퍼터링 층 및 Al산화층은 물론이고 Ta2O5, MgO, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등이 사용될 수 있다. 또한, 금속 입자가 절연 재료 내에 분산된 구조, 및 수 nm의 매우 얇은 금속층이 샌드위치된 구조가 제공될 수 있다. 이러한 복합 구조를 가진 절연층이 사용될 때, 셀 저항 값은 구조적 설계에 의해 쉽게 제어될 수 있는데, 이는 실용적인 관점에서 바람직하다.The tunnel barrier 102 is made of an Al oxide layer, and is formed on the fixing layer 103 by directly sputtering alumina or forming Al to a thickness of 2 nm or less and then oxidizing the Al layer. The material used for tunnel barrier 102 should have good insulation with a very thin layer thickness of 2 nm or less. As such a material, Ta 2 O 5 , MgO, silicon oxide, silicon nitride and the like can be used as well as the alumina sputtering layer and Al oxide layer described above. Further, a structure in which metal particles are dispersed in an insulating material, and a structure in which a very thin metal layer of several nm is sandwiched can be provided. When an insulating layer having such a composite structure is used, the cell resistance value can be easily controlled by structural design, which is preferable from a practical point of view.

기록층(101)은 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금으로 이루어진 박층으로 형성된다. 정보 기록 동안의 전력 소모를 줄이기 위하여, 기록 층의 전환 자계는 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 바람직한 전환 자계의 크기는 10 Oe 내지 30 Oe이다. 기록층의 전환 자계를 감소시키기 위하여, 바람직한 실시예에서는 전도 전자의 높은 스핀 분극을 가진 CoFe 합금층 및 소프트 자성을 가진 NiFe 합금층을 적층한 층을 사용한다. 또한, Fe, Co, Ni 및 임의의 다른 원소의 합금 또는 화합물이 사용될 수 있다.The recording layer 101 is formed of a thin layer made of Fe, Co, Ni, or an alloy thereof. In order to reduce power consumption during information recording, the switching magnetic field of the recording layer is preferably as small as possible. Preferred sizes of the switching magnetic field are 10 Oe to 30 Oe. In order to reduce the switching magnetic field of the recording layer, in a preferred embodiment, a layer in which a CoFe alloy layer having high spin polarization of conductive electrons and a NiFe alloy layer having soft magnetism are used is laminated. In addition, alloys or compounds of Fe, Co, Ni and any other elements may be used.

W, Al 또는 Cu, 또는 이들의 합금과 같은 비자기 도전층으로 이루어진 데이터 라인(41, 42)은 기록층(101)의 상부층에 배치된다. 대안으로, 바람직한 실시예에서는 예컨대 이들 라인과의 상호 확산을 방지하기 위해, TiN 또는 TaN과 같은 도전성 금속 질화물로 이루어진 장벽 금속을 접촉 장소에 제공한다. TMR 소자 이외의 구성 요소 및 그 제조 방법에 있어서는, 공지된 반도체 소자 제조 기술이 사용될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Data lines 41 and 42 made of a nonmagnetic conductive layer such as W, Al or Cu, or an alloy thereof are disposed in the upper layer of the recording layer 101. Alternatively, in a preferred embodiment, a barrier metal made of a conductive metal nitride such as TiN or TaN is provided at the contact site, for example, to prevent interdiffusion with these lines. In components other than the TMR element and a method of manufacturing the same, a known semiconductor element manufacturing technique may be used, and a detailed description thereof will be omitted.

상술한 바와 같이, 본 실시예에서 하나의 메모리 셀(예컨대, 참조 번호 201)은 2개의 TMR 소자(예컨대, 참조 번호 11 및 21)에 의해 제조되며, 각각의 메모리 셀은 서로 평행하게 배치된 각각의 기입 라인(51a 및 51b)과 이들 라인에 수직한 기입 라인(52) 사이의 교차점에 배치된다. 따라서, 전류가 기입 라인(51a, 51b) 및 기입 라인(52)에 공급되어, 임의의 메모리 셀에 대해 기입이 선택적으로 이루어질 수 있다.As described above, in this embodiment, one memory cell (e.g., reference numeral 201) is manufactured by two TMR elements (e.g., reference numerals 11 and 21), and each memory cell is disposed in parallel with each other. Is arranged at the intersection between the write lines 51a and 51b of and the write lines 52 perpendicular to these lines. Thus, current is supplied to the write lines 51a and 51b and the write line 52 so that writing can be selectively performed for any memory cell.

기입 라인(51a, 51b)을 흐르는 전류의 방향은 서로 반대이며, 하나의 메모리 셀을 구성하는 2개의 TMR 소자(11, 21)의 기록층(101)의 자화 방향은 기입 동작 동안 항상 서로 반평행하다. 따라서, TMR 소자(11, 21)의 출력간의 차이가 기억 정보 판독 동안에 발생하므로, 종래 기술에 비해 커다란 차동 전압이 얻어질 수 있다. 구체적으로, 셀 선택 트랜지스터(31)가 판독 동안 도통 상태가 되고, 제1 및 제2 데이터 라인(DL, /DL) 각각과 비트 라인(BL) 사이에 전위차가 인가될 때, 데이터 라인(DL, /DL)을 흐르는 전류(I1, I2)의 크기는 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 의해 서로 비교되어, 저장 정보가 판독될 수 있다.The directions of the currents flowing through the write lines 51a and 51b are opposite to each other, and the magnetization directions of the recording layers 101 of the two TMR elements 11 and 21 constituting one memory cell are always antiparallel to each other during the write operation. Do. Therefore, since the difference between the outputs of the TMR elements 11 and 21 occurs during reading of the storage information, a large differential voltage can be obtained as compared with the prior art. Specifically, when the cell select transistor 31 is brought into a conductive state during reading and a potential difference is applied between each of the first and second data lines DL and / DL and the bit line BL, the data line DL, The magnitudes of the currents I 1 , I 2 flowing in / DL are compared with each other by the current detection type differential amplifier 401, so that the stored information can be read.

따라서, 본 실시예에 따르면, 셀 출력 전압이 증가할 수 있으며, 판독 동안에 전력 소모의 증가 없이 신호 대 잡음 비가 개선될 수 있어, 저전력 소모와 고속 판독 능력 간의 양립이 가능하게 된다. 또한, TMR 소자(11, 21)는 동일한 셀 선택 트랜지스터(31)를 공유하며, 따라서 트랜지스터 특성의 차이에 기인한 셀 출력 전압의 오프셋을 완전히 제거할 수 있게 된다.Thus, according to the present embodiment, the cell output voltage can be increased, and the signal-to-noise ratio can be improved without increasing power consumption during reading, thereby making it possible to achieve compatibility between low power consumption and high speed reading capability. In addition, the TMR elements 11 and 21 share the same cell select transistor 31, thus making it possible to completely eliminate the offset of the cell output voltage due to the difference in transistor characteristics.

<제2 실시예>Second Embodiment

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이를 구성하는 TMR 소자와 기입 라인의 배치를 설명하기 위한 개략도이다.FIG. 10 is a schematic diagram for explaining arrangement of TMR elements and write lines constituting a magnetic memory cell array according to a second embodiment of the present invention.

도 10에서, 도면 부호 10 내지 14와 도면 부호 20 내지 24는 TMR 소자를 나타내고, 도면 부호 51 및 52는 기입 라인을 나타낸다. 이해를 더 용이하게 하기 위하여, TMR 소자와 기입 라인 이외의 구조는 생략한다. 도면에서 점선으로 둘러싸인 영역은 정보 기록부인 메모리 셀(201) 영역을 나타낸다.In Fig. 10, reference numerals 10 to 14 and 20 to 24 denote TMR elements, and reference numerals 51 and 52 denote writing lines. For easier understanding, structures other than the TMR element and the write line are omitted. In the figure, an area enclosed by a dotted line indicates an area of the memory cell 201 which is an information recording unit.

메모리 셀(201)은 두 개의 TMR 소자(11, 12)를 포함한다. 기입 라인(51, 52)은 각자의 소자 영역에서 수직 교차한다. 기입 라인(51)은 수직 방향으로 폴드형 U 문자 형상을 갖고 있으며, TMR 소자(11, 12)의 전류 진행 방향이 서로 대향되도록 배치된다. 본 실시예에서는 제1 실시예와 달리, TMR 소자(11, 12)와 기입 라인(51)은 층면에 수직인 방향에서 동일 평면에 배치된다.The memory cell 201 includes two TMR elements 11 and 12. The write lines 51 and 52 vertically cross in their respective device regions. The write line 51 has a fold-shaped U-shape in the vertical direction, and is disposed so that the current traveling directions of the TMR elements 11 and 12 face each other. In the present embodiment, unlike the first embodiment, the TMR elements 11 and 12 and the write line 51 are arranged in the same plane in the direction perpendicular to the layer plane.

즉, 기입 라인(51)은 수직 방향에서 서로 평행하게 배치된 제1 및 제2 기입 라인(51a, 51b)으로 구성되고, 각 기입 라인(51a, 51b)의 한 단은 셀 배치 영역 외부에 접속된다. TMR 소자들(10 내지 14)은 각각 기입 라인(51a)의 하부면상에 배치되고, TMR 소자들(20 내지 24)은 각각 기입 라인(51b)의 상부면상에 배치되고, TMR 소자들(10 및 20, 11 및 21, 12 및 22, 12 및 23, 14 및 24)은 수직 방향에서 서로 대향하여 배치된다. 예컨대, TMR 소자(11, 21)로 제조된 메모리 셀(201)에 대해서는, 제3 기입 라인(52)이 기입 라인(51a, 51b)에 직교되도록 제1 기입 라인(51a)과 제2 기입 라인(51b) 사이의 중간 위치에 배치된다. 상술한 것 이외의 구성과 기능은 제1 실시예에서와 동일하므로, 여기서는 상세한 설명은 생략한다.That is, the write lines 51 are composed of first and second write lines 51a and 51b arranged parallel to each other in the vertical direction, and one end of each write line 51a and 51b is connected outside the cell arrangement region. do. TMR elements 10 to 14 are respectively disposed on the bottom surface of the write line 51a, and TMR elements 20 to 24 are each disposed on the top surface of the write line 51b, and the TMR elements 10 and 14 are disposed. 20, 11 and 21, 12 and 22, 12 and 23, 14 and 24 are arranged opposite each other in the vertical direction. For example, for the memory cell 201 manufactured from the TMR elements 11 and 21, the first write line 51a and the second write line such that the third write line 52 is orthogonal to the write lines 51a and 51b. It is arrange | positioned in the intermediate position between 51b. Since the configuration and functions other than those described above are the same as in the first embodiment, detailed descriptions thereof will be omitted here.

도 11은 도 10에 도시된 것에 대응하는 메모리 셀(201)의 평면 구조를 도시한 것이다. 도 12a 및 도 12b는 도 11에 도시된 것에 대응하는 메모리 셀의 개략 단면도로서 라인 12A-12A와 12B-12B를 따라 절취한 단면도이다.FIG. 11 illustrates a planar structure of the memory cell 201 corresponding to that shown in FIG. 10. 12A and 12B are schematic cross-sectional views of the memory cells corresponding to those shown in FIG. 11, taken along lines 12A-12A and 12B-12B.

본 실시예에서는 제1 실시예와는 달리 상부 및 하부의 두 개 층에 공통 셀 플레이트(44, 44')가 구비되어 있는데, 셀 플레이트(44)는 상부 TMR 소자(11)의 하단에 접속되고, 셀 플레이트(44')는 하부 TMR 소자(21)의 하단에 접속된다. 더욱, 데이터 라인(41)은 TMR 소자(11)의 기록층(101)의 상부층에 접속되고, 데이터 라인(42)은 TMR 소자(21)의 기록층(101')의 상부층에 접속된다.In the present embodiment, unlike the first embodiment, the common cell plates 44 and 44 'are provided in two layers, upper and lower, and the cell plate 44 is connected to the lower end of the upper TMR element 11. The cell plate 44 ′ is connected to the lower end of the lower TMR element 21. Further, the data line 41 is connected to the upper layer of the recording layer 101 of the TMR element 11, and the data line 42 is connected to the upper layer of the recording layer 101 ′ of the TMR element 21.

상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 제1 실시예와 달리 TMR 소자(11, 21)와 기입 라인(51), 그리고 데이터 라인(41, 42)은 층면에 수직인 방향에서 동일 평면에 배치된다. 상술한 것이외의 구성과 기능은 제1 실시예에서의 것과 유사하며, 제1 실시예에서의 효과와 유사한 효과가 달성된다. 또한, 본 실시예에서는 두 개의 TMR 소자(11, 21)가 수직 방향으로 배치되며, 하나의 메모리 셀의 면적은 약 8 내지 12F2으로서, 제1 실시예에서보다 작다.As described above, in the present embodiment, unlike the first embodiment, the TMR elements 11 and 21, the write lines 51, and the data lines 41 and 42 are arranged in the same plane in the direction perpendicular to the layer plane. Configurations and functions other than those described above are similar to those in the first embodiment, and effects similar to those in the first embodiment are achieved. Further, in this embodiment, two TMR elements 11 and 21 are arranged in the vertical direction, and the area of one memory cell is about 8 to 12F 2 , which is smaller than in the first embodiment.

<제3 실시예>Third Embodiment

도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 메모리 어레이를 구성하는 TMR 소자와 기입 라인의 배치를 설명하기 위한 개략도이다.FIG. 13 is a schematic diagram for explaining an arrangement of TMR elements and write lines constituting a magnetic memory array according to a third embodiment of the present invention.

도 13에서, 도면 부호 10 내지 14와 도면 부호 20 내지 24는 TMR 소자를 나타내고, 도면 부호 51 및 52는 기입 라인을 나타낸다. 이해를 더 용이하게 하기위하여, TMR 소자와 기입 라인 이외의 구조에 대해서는 그 설명을 생략한다. 도 10에 도시된 제2 실시예와는 달리, 제3 기입 라인(52)은 제1 기입 라인(51a)과 제2 기입 라인(51b) 사이 대신에 제2 기입 라인(52b) 아래를 통과한다.In Fig. 13, reference numerals 10 to 14 and 20 to 24 denote TMR elements, and reference numerals 51 and 52 denote writing lines. For easier understanding, the description of structures other than the TMR element and the write line is omitted. Unlike the second embodiment shown in FIG. 10, the third write line 52 passes under the second write line 52b instead of between the first write line 51a and the second write line 51b. .

도 14는 제3 실시예에서의 메모리 셀의 단면을 개략적으로 도시하는 도면이다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 실시예와는 달리, TMR 소자(11 및 21)는 공통 셀 플레이트(44)의 상측 및 하측에 각각 형성된다. 또한, 데이터 라인(41)이 TMR 소자(11)의 기록층(101)의 상층에 접속되고, 데이터 라인(42)은 TMR 소자(21)의 기록층(101')의 하층에 접속된다.14 is a diagram schematically showing a cross section of a memory cell in the third embodiment. In the present embodiment, unlike the first and second embodiments, the TMR elements 11 and 21 are formed above and below the common cell plate 44, respectively. The data line 41 is connected to the upper layer of the recording layer 101 of the TMR element 11, and the data line 42 is connected to the lower layer of the recording layer 101 ′ of the TMR element 21.

또한, 본 실시예에서, 셀 플레이트는 강자성 물질로 이루어진다. 이 물질은 TMR 소자(11 및 21)의 공통 고착층으로서 기능하는 것을 특징으로 한다. 즉, TMR 소자(11)는 기록층(101), 터널 장벽(102) 및 셀 플레이트(44)로 제작되고, TMR 소자(21)는 기록층(101'), 터널 장벽(102') 및 셀 플레이트(44')로 제작된다.Also, in this embodiment, the cell plate is made of ferromagnetic material. This material is characterized by functioning as a common fixing layer of the TMR elements 11 and 21. That is, the TMR element 11 is made of the recording layer 101, the tunnel barrier 102 and the cell plate 44, and the TMR element 21 is the recording layer 101 ', the tunnel barrier 102' and the cell. It is made of plate 44 '.

이러한 구성에 따르면, 본 실시예에서는 제2 실시예에 비해 셀 어레이가 용이하게 제조될 수 있는 장점을 제공하고, TMR 소자(11 및 21)의 특성 편차가 감소된다. 셀 플레이트(44)에서, TMR 소자(11 및 21)를 형성하는 부분만이 강자성 물질로 이루어지고, 나머지 부분은 비강자성 물질로 이루어진다.According to this configuration, this embodiment provides an advantage that the cell array can be easily manufactured as compared with the second embodiment, and the characteristic variation of the TMR elements 11 and 21 is reduced. In the cell plate 44, only portions forming the TMR elements 11 and 21 are made of ferromagnetic material, and the remaining portions are made of non-ferromagnetic material.

본 실시예에 따르면, TMR 소자와 기입 라인이 층면의 방향으로 적층됨으로써, 셀 면적을 상당히 감소시킬 수 있다. F를 데이터 라인 간격으로서 정의하면, 하나의 메모리 셀의 면적은 8 내지 12F2로서, 제1 실시예와 비교해볼 때 셀 면적의 절반 정도이다.According to this embodiment, the TMR element and the write line are stacked in the direction of the layer plane, whereby the cell area can be significantly reduced. If F is defined as the data line spacing, the area of one memory cell is 8 to 12F 2 , which is about half of the cell area as compared with the first embodiment.

<제4 실시예>Fourth Example

이하에서, 본 발명에 따른 자기 메모리 장치의 회로 구성과 관련된 제4 실시예를 도 15에 도시된 회로도를 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a fourth embodiment related to the circuit configuration of the magnetic memory device according to the present invention will be described with reference to the circuit diagram shown in FIG.

본 발명에 따른 자기 메모리 장치는 다수의 메모리 셀 구성 요소 각각에 대해 두개 이상의 터널 접합을 포함한다. 이 제4 실시예에서는, 이중 터널 접합 소자(111)를 사용하여 설명하기로 하는 데, 이 이중 터널 접합 소자(111)는 두개의 터널 접합을 포함하지만 본 발명에서는 다수개의 터널 접합으로까지 확장되는 양상을 띤다.The magnetic memory device according to the present invention includes two or more tunnel junctions for each of a plurality of memory cell components. In the fourth embodiment, a description will be made using the double tunnel junction element 111, which includes two tunnel junctions, but in the present invention extends to multiple tunnel junctions. Have an aspect.

도 15에 도시된 이중 터널 접합 소자(111a 및 111b)의 구성을 소자(111a)를 사용하여 설명하기로 한다. 소자(111a)는 제1 고착층, 제1 터널 장벽 및 제1 자기층으로 형성된 터널 접합(111a-1)과, 제2 고착층, 제2 터널 장벽 및 제2 자기층으로 형성된 터널 접합(111a-2)을 포함한다. 이것들이 순차 적층되면, 결과적으로는 제1 고착층, 제1 장벽층, 제1 자기층, 비자기 도전층, 제2 자기층, 제2 터널 장벽, 및 제2 고착층 순서로 적층된다.The configuration of the double tunnel junction elements 111a and 111b shown in FIG. 15 will be described using the element 111a. The element 111a includes a tunnel junction 111a-1 formed of a first fixing layer, a first tunnel barrier, and a first magnetic layer, and a tunnel junction 111a formed of a second fixing layer, a second tunnel barrier, and a second magnetic layer. -2). When they are sequentially stacked, they are subsequently stacked in the order of the first fixing layer, the first barrier layer, the first magnetic layer, the nonmagnetic conductive layer, the second magnetic layer, the second tunnel barrier, and the second fixing layer.

제1 및 제2 고착층이 고정된 자화를 갖는 강자성층이고, 이 자화는 기입 자계 하에서도 변하지 않는다. 제1 및 제2 자기층에서, 이들 자기층 사이에 삽입된 비자기 도전층 때문에, 제1 및 제2 자기층의 자화는 항상 반강자성적으로 결합된다. 제1 및 제2 자기층과 비자기 도전층이 기록층을 구성한다. 이 기록층의 자화 구성은 기입 자계를 인가함으로써 변화될 수 있다.The first and second fixing layers are ferromagnetic layers with fixed magnetization, and the magnetization does not change even under the write magnetic field. In the first and second magnetic layers, the magnetization of the first and second magnetic layers is always antiferromagnetically coupled because of the nonmagnetic conductive layer interposed between these magnetic layers. The first and second magnetic layers and the nonmagnetic conductive layer constitute a recording layer. The magnetization configuration of this recording layer can be changed by applying a write magnetic field.

이들 터널 접합 소자들(예로, 111a 및 111b)의 저장 정보의 차동 검출은 도 15에 도시된 터널 접합 소자(111a)를 사용함으로써 설명될 것이다. 정보가 저장됨으로써 터널 접합(111a-1 및 111b-2) 중 하나는 저저항 RP이고, 다른 저항은 고저항 RAP이다. 여기서, 저저항 RP는 자기층의 자화와 고착층의 자화가 서로 평행한 저항이고, 고저항 RAP는 자기층의 자화와 고착층의 자화가 반평행한 저항이다.Differential detection of the storage information of these tunnel junction elements (eg, 111a and 111b) will be explained by using the tunnel junction element 111a shown in FIG. By storing the information, one of the tunnel junctions 111a-1 and 111b-2 is the low resistance R P and the other resistance is the high resistance R AP . Here, the low resistance R P is a resistance in which the magnetization of the magnetic layer and the magnetization of the fixed layer are parallel to each other, and the high resistance R AP is a resistance in which the magnetization of the magnetic layer and the magnetization of the fixed layer are antiparallel.

이중 터널 접합 소자(111a)에서, 제1 고착층은 데이터 라인(113)에 접속되어 있고, 제2 고착층은 데이터 라인(112)에 접속되어 있다. 이들 층은 공통 감지 증폭기(117)에 접속되어 있다.In the double tunnel junction element 111a, the first fixing layer is connected to the data line 113 and the second fixing layer is connected to the data line 112. These layers are connected to the common sense amplifier 117.

기록층은 트랜지스터(114a)의 소오스 또는 드레인에 전기적으로 접속되어 있다. 이와 같이 기록층을 구성하는 제1 자기층, 비자기 도전층 및 제2 자기층 모두 또는 그 중 어느 하나가 도전층을 통해 소오스 또는 드레인에 전기적으로 접속되도록 구성되어 있다.The recording layer is electrically connected to the source or the drain of the transistor 114a. In this manner, all or any one of the first magnetic layer, the nonmagnetic conductive layer, and the second magnetic layer constituting the recording layer are configured to be electrically connected to the source or the drain through the conductive layer.

이중 터널 접합(111a), 예를 들면 도 15에 도시된 이중 터널 접합 소자(111b)와 동일한 구성을 갖는 다른 이중 터널 접합 소자는 소자(111a)와 동일한 형태로 데이터 라인(112, 113)에 평행하게 접속되어 있다. 게다가, 이중 터널 접합 소자(111b)의 기록층과 셀 트랜지스터(114a) 간의 접속은 이중 터널 접합 소자(111a)와 유사하게 이루어진다.The other double tunnel junction element having the same configuration as the double tunnel junction 111a, for example, the double tunnel junction element 111b shown in FIG. 15, is parallel to the data lines 112 and 113 in the same form as the element 111a. Is connected. In addition, the connection between the recording layer of the double tunnel junction element 111b and the cell transistor 114a is made similar to the double tunnel junction element 111a.

동일한 데이터 라인(112, 113)에 접속된 2개 이상의 터널 접합 소자가 다수개 제공될 수 있으며, 도 15에 도시한 데이터 라인(112, 113)이 연장하는 방향으로어레이 형상으로 배치되어 있다. 게다가, 도 15에 도시한 동일 비트 라인에 접속되어 있는 메모리 셀의 셀 트랜지스터(114a, 114b)는 비트 라인 선택 트랜지스터(115)의 소오스 또는 드레인에 공통 접속되어 있다. 각 셀 트랜지스터의 게이트는 대응하는 워드 라인(116a, 116b) 각각에 접속되어 있다. 도시하지는 않았지만, 어레이 형상으로 배치된 메모리 셀의 셀 트랜지스터의 게이트 전극은 워드 라인의 길이 방향으로 동일 워드 라인에 공통 접속될 수 있다.A plurality of two or more tunnel junction elements connected to the same data lines 112 and 113 may be provided, and the data lines 112 and 113 shown in FIG. 15 are arranged in an array shape in the extending direction. In addition, the cell transistors 114a and 114b of the memory cell connected to the same bit line shown in FIG. 15 are commonly connected to the source or drain of the bit line select transistor 115. The gate of each cell transistor is connected to each of the corresponding word lines 116a and 116b. Although not shown, the gate electrodes of the cell transistors of the memory cells arranged in an array shape may be commonly connected to the same word line in the length direction of the word line.

제4 실시예에서는, 한개의 메모리 셀은 한개의 트랜지스터와 한개의 이중 터널 접합 소자로 구성되며, 따라서 차동 시스템이 달성되고 기준 셀(reference cell)을 사용할 필요가 없게 된다. 게다가, 비트 사이즈를 크게 저감시킬 수 있고, 대용량의 메모리 장치를 달성할 수 있다. 그외에, 셀 트랜지스터의 편차와 관련한 문제도 저감시킬 수 있고, 따라서 잡음을 크게 줄일 수 있다. 그 결과, 얻어진 S/N비는 종래의 MRAM보다 10배 이상 높다. 게다가, 이중 이상의 다수 터널 접합이 사용되기 때문에, 인가된 전압에 따라 좌우되는 자기 저항비의 감소가 작게 된다. 또한, 기록층이 서로 반강자성적으로 결합된 제1 및 제2 강자성층으로 구성된다는 사실로 인해, 메모리 셀의 크기가 서브-미크론 영역으로 감소되는 경우조차도 자기소거장(demagnetization)은 여전히 감소된다. 그러므로, 전력 소모가 적은 대용량의 비휘발성 메모리를 제공할 수 있게 된다.In the fourth embodiment, one memory cell consists of one transistor and one double tunnel junction element, so that a differential system is achieved and there is no need to use a reference cell. In addition, the bit size can be greatly reduced, and a large memory device can be achieved. In addition, problems associated with variations in cell transistors can be reduced, and therefore noise can be greatly reduced. As a result, the obtained S / N ratio is 10 times higher than that of the conventional MRAM. In addition, since more than one multiple tunnel junction is used, the reduction in the magnetoresistance ratio which depends on the applied voltage becomes small. Also, due to the fact that the recording layers are composed of first and second ferromagnetic layers which are antiferromagnetically coupled to each other, even when the size of the memory cell is reduced to the sub-micron region, the demagnetization is still reduced. Therefore, it is possible to provide a large capacity nonvolatile memory with low power consumption.

<제5 실시예>Fifth Embodiment

제5 실시예에서는 도 16에 도시된 단면도를 참조하면서 제4 실시예에서 설명한 회로를 구성하는 메모리 장치의 구조 및 자기 정보 기입/판독에 대해서 기술하고 있다. 도 16에서, 도 15에 도시된 것과 동일 소자에 대해서는 동일한 참조 번호를 부기하고, 여기에서는 그 상세한 설명은 생략한다.In the fifth embodiment, the structure and the magnetic information writing / reading of the memory device constituting the circuit described in the fourth embodiment are described with reference to the cross-sectional view shown in FIG. In FIG. 16, the same elements as those shown in FIG. 15 are given the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted here.

도시된 실시예의 이중 터널 접합 소자(111)에 따르면, 제1 고착층(121); 제1 터널 장벽(122); 제1 자기층(123); 비자기 도전층(124); 제2 자기층(125); 제2 터널 장벽(126); 및 제2 강자성 자화 고착층(127)이 순차 적층되어 형성되어 있다. 제1 자기층(123), 비자기 도전층(124) 및 제2 자기층(125)은 기록층(128)을 구성한다. 이 소자(111)에서, 제1 터널 접합은 제1 고착층(121), 제1 터널 장벽(122) 및 제1 자기층(123)에 의해 형성되고, 제2 터널 접합은 제2 자기층(125), 제2 터널 장벽(126) 및 제2 고착층(127)에 의해 형성된다. 기록층(128)이 3층막으로 되어 있지만, 이 층은 더 다층막일 수도 있다.According to the double tunnel junction element 111 of the illustrated embodiment, the first fixing layer 121; First tunnel barrier 122; First magnetic layer 123; Nonmagnetic conductive layer 124; Second magnetic layer 125; Second tunnel barrier 126; And a second ferromagnetic magnetization fixing layer 127 are sequentially stacked. The first magnetic layer 123, the nonmagnetic conductive layer 124, and the second magnetic layer 125 constitute a recording layer 128. In this device 111, the first tunnel junction is formed by the first fixing layer 121, the first tunnel barrier 122, and the first magnetic layer 123, and the second tunnel junction is formed by the second magnetic layer ( 125, the second tunnel barrier 126 and the second anchoring layer 127. Although the recording layer 128 is a three-layer film, this layer may be a multilayer film.

기록층(128)을 구성하는 제1 및 제2 자기층(123, 125)은 서로 반강자성적으로 결합되어 있다. 즉, 제1 및 제2 자화층(123, 125)의 자화는 서로 반대 방향으로 유지되고 있으며, 이들 층의 자화는 외부 자계에 의해 반전된 후 서로 반대 방향으로 유지되고 있다. 이러한 반강자성 결합은 제1 및 제2 자기층(123, 125) 사이에 얇은 비자기 도전층(124)을 삽입함으로써 달성될 수 있다.The first and second magnetic layers 123 and 125 constituting the recording layer 128 are antiferromagnetically coupled to each other. That is, the magnetizations of the first and second magnetization layers 123 and 125 are maintained in opposite directions, and the magnetizations of these layers are maintained in opposite directions after being inverted by an external magnetic field. This antiferromagnetic coupling can be achieved by inserting a thin nonmagnetic conductive layer 124 between the first and second magnetic layers 123, 125.

제1 및 제2 강자성층과의 층간 교환 결합을 증진시키는 비자기 도전층(124)의 재료는 공지된 재료 중에서 선택할 수 있다. 그러나, Cu, Ru, Cr, Re, Ir 및 이들 원소 중 하나를 50 원자% 이상 포함하는 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, Ru, Re 및 Ir 박막은 강한 반강자성 층간 결합을 증진시킬 수 있으므로, 이렇게 하는 것이 선호되고 있다.The material of the nonmagnetic conductive layer 124 that promotes interlayer exchange coupling with the first and second ferromagnetic layers may be selected from known materials. However, it is preferable to use Cu, Ru, Cr, Re, Ir and an alloy containing at least 50 atomic% of one of these elements. In particular, Ru, Re and Ir thin films are preferred because they can promote strong antiferromagnetic interlayer bonding.

또한, 약한 자계로 인한 자화 전환을 촉진하기 위해, 2개의 자기층이 상이한 자화를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 각각 층두께가 다른 제1 및 제2 자기층을 형성하거나 또는 각각 재료가 다른 자기층을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, in order to promote the magnetization conversion due to the weak magnetic field, it is preferable that the two magnetic layers have different magnetizations. Therefore, it is preferable to form first and second magnetic layers having different layer thicknesses, or to use magnetic layers having different materials, respectively.

제1 및 제2 고착층(121, 127)의 자화의 방향은 도 16에 도시된 바와 같이 서로 동일하게 되도록 고정된다. 반강자성적으로 결합된 제1 및 제2 자기층(123, 125)의 자화의 방향은 도 16에 도시된 상태 "1" 로부터 상태 "0" 으로 반전되어, 이에 의해 이들 메모리 셀의 저장 정보가 변경된다.The magnetization directions of the first and second fixing layers 121 and 127 are fixed to be the same as shown in FIG. 16. The magnetization directions of the antiferromagnetically coupled first and second magnetic layers 123 and 125 are inverted from the state "1" shown in FIG. 16 to the state "0", whereby the storage information of these memory cells Is changed.

도 16에 도시된 상태 "1"에서, 제1 고착층(121) 및 제1 자기층(123)의 자화의 방향은 서로 반평행하다. 따라서, 제1 터널 접합은 고저항 RAP이다. 제2 자기층(125) 및 제2 고착층(127)의 자화의 방향은 서로 평행하다. 따라서, 제2 터널 접합은 저저항 RP이다. 대조적으로, 상태 "0"에서, 제1 고착층(121) 및 제1 자기층(123)의 자화의 방향은 서로 평행하다. 따라서, 제1 터널 접합은 저저항 RP이다. 제2 자기층(125) 및 제2 고착층(127)의 자화의 방향은 서로 반평행하다. 따라서, 제2 터널 접합의 저항은 고저항 RAP일 수 있다.In the state " 1 " shown in FIG. 16, the directions of the magnetizations of the first fixing layer 121 and the first magnetic layer 123 are antiparallel to each other. Thus, the first tunnel junction is a high resistance R AP . The magnetization directions of the second magnetic layer 125 and the second fixing layer 127 are parallel to each other. Thus, the second tunnel junction is low resistance R P. In contrast, in the state " 0 &quot;, the directions of magnetization of the first fixing layer 121 and the first magnetic layer 123 are parallel to each other. Thus, the first tunnel junction is low resistance R P. The magnetization directions of the second magnetic layer 125 and the second fixing layer 127 are antiparallel to each other. Thus, the resistance of the second tunnel junction may be high resistance R AP .

지금부터, 기입 동작의 방법이 후술될 것이다. 기입 전류를 도 16에 도시된 기입 라인(129,130)에 공급함으로써 정보가 저장된다. 기입 라인(129)은 도 16에 도시된 용지면의 수평 방향으로 길게 연장되고, 기입 라인(130)은 용지면의 수직 방향으로 길게 연장된다. 기입 전류는 양쪽에 모두 공급되어, 이에 의해 이중 터널 접합 소자(111) 내에 교차점에서만 정보가 저장된다. 도 16에 도시된 바와 같이, 기록층(128)은 도전성 재료로 이루어진 접촉 컬럼(와이어)을 통하여 셀 선택 트랜지스터(114)의 소스 또는 드레인(131)에 접속되고, 셀 선택 트랜지스터(114)의 다른 소스 또는 드레인(131)은 도 15에 도시된 비트 라인 선택 트랜지스터(115)에 접속된다. 기록층(128)과 소스 또는 드레인(131) 중에 하나를 접속시키는 접촉 컬럼이 도 16의 점선에 의해 표시된 용지면의 앞에 또는 깊이 방향으로 배치되고, 층간 절연층을 경유하여 데이터 라인(113) 및 기입 라인(129)을 관통한다.Now, the method of the write operation will be described later. Information is stored by supplying a write current to the write lines 129 and 130 shown in FIG. The write line 129 extends long in the horizontal direction of the paper surface shown in FIG. 16, and the write line 130 extends long in the vertical direction of the paper surface. The write current is supplied to both sides, whereby information is stored only at the intersection points in the double tunnel junction element 111. As shown in FIG. 16, the recording layer 128 is connected to the source or drain 131 of the cell select transistor 114 through a contact column (wire) made of a conductive material, and the other of the cell select transistor 114. The source or drain 131 is connected to the bit line select transistor 115 shown in FIG. A contact column connecting the recording layer 128 and one of the source or the drain 131 is disposed in front of the paper surface indicated by the dotted line in FIG. 16 or in the depth direction, and the data line 113 and the writing via the interlayer insulating layer. Pass through line 129.

도 15에 도시된 세로로 적층된 이중 터널 접합은 비트 사이즈의 감소에 크게 공헌할 수 있다. 또한, 반강자성적으로 서로 결합된 2개의 자기층(123, 125)으로 소프트 자기층이 사용된 경우, 보자력이 감소된다. 따라서, 정보를 기입하기 위해 작은 자계가 요구된다. 소자 사이즈가 감소될지라도, 기입 전류는 여전히 작으며, 전력 소비는 낮게 유지된다.The vertically stacked double tunnel junctions shown in FIG. 15 can greatly contribute to the reduction in bit size. In addition, when the soft magnetic layer is used as two magnetic layers 123 and 125 that are antiferromagnetically coupled to each other, the coercive force is reduced. Therefore, a small magnetic field is required for writing the information. Although the device size is reduced, the write current is still small, and the power consumption is kept low.

또한, 제4 실시예에서와 같이, 어떠한 기준 셀도 사용되지 않으며, 트랜지스터 또는 터널 접합 소자의 편차를 고려할 필요가 없다. 따라서, 현저한 가격 감소가 이루어진다.Also, as in the fourth embodiment, no reference cell is used, and there is no need to consider the deviation of the transistor or the tunnel junction element. Thus, a significant price reduction is achieved.

판독 감도를 증가시키기 위해, 제1 및 제2 강자성 고착층 또는 제1 및 제2 자기층의 자기 재료에 대하여 높은 자기 저항비를 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 자기층(123, 125) 및 고착층(121, 127)은 Co, Fe, CoFe, CoNi, CoFeNi, 및 FeNi 합금 및 NiMnSb 또는 Co2MnGe와 같은 반금속(half-metals)으로 제조될 수 있다. 반금속에서, 하나의 에너지 갭만이 한 스핀 밴드에 존재한다. 따라서, 스핀 편극율(spin polarization rate)이 크다. 이러한 금속을 사용함으로써, 높은 자기 저항 효과를 실현할 수 있다. 그 결과, 더욱 많은 신호 출력이 얻어질 수 있다.In order to increase the read sensitivity, it is preferable to use a material having a high magnetoresistance ratio with respect to the magnetic material of the first and second ferromagnetic fixing layers or the first and second magnetic layers. Accordingly, the magnetic layers 123 and 125 and the fixing layers 121 and 127 may be made of Co, Fe, CoFe, CoNi, CoFeNi, and FeNi alloys and half-metals such as NiMnSb or Co 2 MnGe. have. In semimetals, only one energy gap exists in one spin band. Therefore, the spin polarization rate is large. By using such a metal, a high magnetoresistive effect can be realized. As a result, more signal output can be obtained.

또한, 고착층(121, 127)의 자화를 고정시키기 위한 다양한 수단을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 기록층(128)의 자기층(123, 125)보다 보자력이 높은 강자성 재료를 사용하는 수단, 서로 접촉하고 있는 반강자성 층 및 강자성 층 간의 교환 결합을 사용함으로써 고착층의 자화를 고정시키기 위한 수단, 및 누설 자계를 사용하여 고착층(121, 127)의 자화를 고정시키기 위해 강자성 층이 반강자성층 대신에 경성 자기층과 접촉하게 하는 수단이 제공되어 있다. 교환 결합을 위해 사용된 반강자성 층 재료는 FeMn, IrMn, 및 PtMn 같은 일반적인 스핀 밸브 GMR에 채용된 재료를 포함할 수 있다.In addition, it is possible to use various means for fixing the magnetization of the fixing layers 121 and 127. For example, the magnetization of the fixing layer is fixed by means of using a ferromagnetic material having a higher coercive force than the magnetic layers 123 and 125 of the recording layer 128, and an exchange coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer in contact with each other. Means are provided, and means for bringing the ferromagnetic layer into contact with the hard magnetic layer instead of the antiferromagnetic layer to fix the magnetization of the anchoring layers 121, 127 using a leakage magnetic field. Antiferromagnetic layer materials used for exchange coupling may include materials employed in common spin valve GMR such as FeMn, IrMn, and PtMn.

또한, 터널 장벽(122, 126)으로서, Al2O3, Ta2O5, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 또는 MgO 같은 다양한 절연 비자성 재료가 사용될 수 있다. 이러한 층들의 두께는 양호하게는 5Å 내지 30Å에 이른다.In addition, as the tunnel barriers 122 and 126, various insulating nonmagnetic materials such as Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , silicon nitride, silicon oxide, or MgO may be used. The thickness of these layers preferably amounts to 5 kPa to 30 kPa.

게다가, 상술된 바와 같이 자기 소자 박막 층은 MBE(molecule beam epitaxy) 방법, 다양한 스퍼터링 방법 또는 증기 증착 방법과 같은 얇은 층 형성을 위해 일반적인 장치를 이용함으로써 제조될 수 있다. 게다가, 도시된 실시예에서 보여진 것과 같은 구조는 정교한 처리 기술 및 다수 적층된 배선 기술을 이용함으로써 제조될 수 있다.In addition, as described above, the magnetic element thin film layer may be manufactured by using a general apparatus for forming thin layers such as a molecular beam epitaxy (MBE) method, various sputtering methods, or vapor deposition methods. In addition, structures such as those shown in the illustrated embodiment can be manufactured by using sophisticated processing techniques and multiple stacked wiring techniques.

<제6 실시예>Sixth Embodiment

제6 실시예는 제4 및 제5 실시예에서 설명된 회로를 구성하는 메모리 장치의 다른 구조와 도 17의 단면 구조 및 개략 회로도를 이용하는 정보의 기입/판독을 설명한다. 도 17에서는 도 15와 도 16에서의 소자와 같은 부분에는 같은 참조 번호로 표기하며, 상세한 설명은 여기서 생략될 것이다.The sixth embodiment describes the writing / reading of information using another structure of the memory device constituting the circuits described in the fourth and fifth embodiments and the cross-sectional structure and schematic circuit diagram of FIG. In FIG. 17, the same parts as those of FIGS. 15 and 16 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted herein.

도시한 실시예에서, 도 17에 도시된 데이터 라인(112 및 113) 중의 어느 하나 및 데이터 라인(113)과 감지 증폭기(117)가 트랜지스터(133)를 경유하여 연결되는 회로가 있다. 이런 방식으로 , 도 16에서 두개의 기입 라인(129, 130) 중의 하나는 제거될 수 있다. 즉, 정보 기록동안, 전류가 데이터 라인(112) 및 기입 라인(134)에 제공되며, 동시에 트랜지스터(133)는 턴 오프된다. 이런 방식으로, 데이터 라인(112)에 흐르는 전류는 터널 접합을 통하여 흐르지 않으며, 단지 기입을 위한 자계를 발생시키는데 기여한다.In the illustrated embodiment, there is a circuit in which any of the data lines 112 and 113 shown in FIG. 17 and the data line 113 and the sense amplifier 117 are connected via the transistor 133. In this way, one of the two write lines 129 and 130 in FIG. 16 can be eliminated. That is, during information writing, current is provided to the data line 112 and the write line 134, and at the same time the transistor 133 is turned off. In this way, the current flowing through the data line 112 does not flow through the tunnel junction, but only contributes to generating a magnetic field for writing.

이와 같이, 한개의 기입 라인은 트랜지스터(133)를 삽입함에 의해 제거될 수 있으며, 배선 층의 수는 감소될 수 있다.As such, one write line can be removed by inserting transistor 133, and the number of wiring layers can be reduced.

<제7 실시예>Seventh Example

제7 실시예는 제4 실시예에서 설명된 회로를 구성하는 메모리 장치의 다른 구성과 도 18a와 18b에서 보여진 단면 구조 및 개략 회로도를 이용함으로써 정보의 기입/판독을 설명한다. 도 18a와 18b에서는, 도 15 내지 도 17에서의 소자와 같은 부분에는 같은 참조 번호로 표기하며, 상세한 설명은 여기서 생략될 것이다.The seventh embodiment describes the writing / reading of information by using another configuration of the memory device constituting the circuit described in the fourth embodiment and the cross-sectional structure and schematic circuit diagram shown in Figs. 18A and 18B. In Figs. 18A and 18B, the same parts as those in Figs. 15 to 17 are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be omitted here.

도 18a와 18b에 도시된 것과 같이, 제7 실시예에서, 셀 선택 트랜지스터(114)의 소스 또는 드레인(131)의 하나가 셀 플레이트(138) 및 접촉부(139)를 경유하여 기록층(128)에 연결된다. 이것은 도 16에서 보여진 제2 터널 장벽(126) 및 제2 고착층(127)에서 정공(hole)을 제공하여, 정공을 절연 물질로 패딩함으로써 형성된다. 게다가, 비자기 도전층(137)이 사용될 수 있다. 이 경우에, 비자기 도전층을 적층하여 처리하는 것이 요구된다.As shown in FIGS. 18A and 18B, in the seventh embodiment, one of the source or drain 131 of the cell select transistor 114 is connected to the recording layer 128 via the cell plate 138 and the contact 139. Is connected to. This is formed by providing holes in the second tunnel barrier 126 and the second anchoring layer 127 shown in FIG. 16 to pad the holes with an insulating material. In addition, a nonmagnetic conductive layer 137 may be used. In this case, it is required to laminate and process the nonmagnetic conductive layer.

도 18a와 18b에 도시된 것과 같은 구성으로, 정보가 기록될 때, 전류가 데이터 라인(112) 및 기입 라인(134)에 공급된다. 데이터 라인(113)에 연결된 스위치 트랜지스터(133)가 턴 오프될 때, 터널 전류는 이중 터널 접합(111)에 흐르지 않는다. 정보는 데이터 라인(112)과 기입 라인(134)에 흐르는 두 전류에 대한 합성 자계에 의해 기록층(128) 내에 기입될 수 있다.With the configuration as shown in Figs. 18A and 18B, when information is written, current is supplied to the data line 112 and the write line 134. When the switch transistor 133 connected to the data line 113 is turned off, the tunnel current does not flow to the double tunnel junction 111. Information can be written into the recording layer 128 by a composite magnetic field for two currents flowing in the data line 112 and the write line 134.

게다가, 저장된 정보가 판독될때, 도 18a와 18b에서 보여진 스위치 트랜지스터(133)는 전류가 데이터 라인(112 및 113)에 흐르도록 턴온된다. 트랜지스터(114)가 턴온되면, 전력은 이중 터널 접합(111)에 공급될 수 있다.In addition, when the stored information is read, the switch transistor 133 shown in FIGS. 18A and 18B is turned on so that current flows through the data lines 112 and 113. When transistor 114 is turned on, power may be supplied to double tunnel junction 111.

<제8 실시예><Eighth Embodiment>

제8 실시예는 제5 실시예에서 설명된 회로를 구성하는 메모리 장치의 구조와 도 19에서 보여진 단면 구조 및 개략 회로도를 참조하여 정보의 기입/판독을 설명한다. 도 19에서는, 도 15 내지 도 18에서의 소자와 같은 부분에는 같은 참조 번호로 표기하며, 상세한 설명은 여기서 생략될 것이다.The eighth embodiment describes the writing / reading of information with reference to the structure of the memory device constituting the circuit described in the fifth embodiment, the cross-sectional structure and schematic circuit diagram shown in FIG. In Fig. 19, the same parts as those in Figs. 15 to 18 are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be omitted here.

도 19는 제9 실시예에 따른 자기 메모리 셀의 단면도를 보여준다. 이 실시예는 셀 선택 반도체 소자로서 접합형 다이오드(151)를 이용함에 의해 특징지어진다. 이중 터널 접합 소자(111)는 도면의 용지에 대해 수직 방향으로 확장하는 제1과 제2 데이터 라인(112 및 113) 사이에 수직으로 삽입된다. 기록층(128) 및 다이오드(151)는 셀 플레이트(138) 및 접촉부(139)에 의해 서로에게 연결된다. 다이오드(151)는 기입 라인(134)에 연결된다. 다이오드(151)의 정류 방향은 나중에 도시되는 바와 같이 기입/판독 회로의 구성에 따라 정해질 수 있다. 기입 라인(134)은 제1 및 제2 데이터 라인(112 및 113)에 수직이고 또한 비트 라인으로서 기능한다. 기입 동작은 데이터 라인(112 및 113)과 거기에 수직인 기입 라인(137)을 통하여 신호 전류를 흐르게 함으로써 수행된다. 이 경우에, 다이오드는 기입 전류가 이중 터널 접합 소자(111)에 흐르는 것을 막는다. 다이오드(151)는 pn 접합 다이오드, 쇼트키 접합 다이오드, MIS 접합 다이오드 등과 같은 정류 기능을 갖는 소자로 형성될 수 있다.19 is a sectional view of a magnetic memory cell according to the ninth embodiment. This embodiment is characterized by using a junction diode 151 as a cell select semiconductor element. The double tunnel junction element 111 is inserted vertically between the first and second data lines 112 and 113 extending in the vertical direction with respect to the sheet of the drawing. The recording layer 128 and the diode 151 are connected to each other by the cell plate 138 and the contact portion 139. Diode 151 is connected to the write line 134. The rectifying direction of the diode 151 may be determined according to the configuration of the write / read circuit as shown later. The write line 134 is perpendicular to the first and second data lines 112 and 113 and also functions as a bit line. The write operation is performed by flowing a signal current through the data lines 112 and 113 and the write line 137 perpendicular thereto. In this case, the diode prevents the write current from flowing into the double tunnel junction element 111. The diode 151 may be formed of a device having a rectifying function such as a pn junction diode, a Schottky junction diode, a MIS junction diode, and the like.

상술된 제5 내지 제7 및 제9 실시예에서, 층들이 기판면의 수직 방향으로 적층되도록 형성되는 이중 터널 접합 소자가 메모리와 셀 내의 터널 접합 소자에 이용되었지만, 본 발명의 터널 접합 소자는 이것에 한정되지 않고, 다양하게 변경될 수 있다. 즉, 본 발명은 이중 또는 좀 더 다수의 터널 소자에 적용될 수 있다. 게다가, 이들 층들이 항상 적층되어 형성될 필요는 없다.In the above-mentioned fifth to seventh and ninth embodiments, a double tunnel junction element in which layers are formed so as to be stacked in the vertical direction of the substrate surface is used for the tunnel junction element in the memory and the cell, but the tunnel junction element of the present invention is similar to this. The present invention is not limited thereto, and may be variously changed. That is, the present invention can be applied to double or more tunnel elements. In addition, these layers need not always be stacked.

<제9 실시예><Example 9>

도 20은 제9 실시예에 따른 자기 메모리 셀의 단면도를 나타낸다.20 is a sectional view of a magnetic memory cell according to the ninth embodiment.

메모리 셀(201)은 그 자화 방향이 고정된 제1 고착층(121); 제1 터널 장벽(122); 그 자화 방향이 자계에 의존하여 변화하는 제1 자기층(123), 비자기 도전층(124), 및 그 자화 방향이 자계에 의존하여 변화하는 제2 자기층(125)으로 형성된 기록층(128); 제2 터널 장벽(126); 및 그 자화 방향이 고정된 제2 고착층(127)이 기술된 순서대로 적층되어 제조된다. 달리 말하면, 제1 고착층(121), 제1 터널 장벽(122), 및 제1 자기층이 제1 터널 접합을 형성한다. 제2 자기층(125), 제2 터널 장벽(126), 및 제2 고착층(127)이 제2 터널 접합을 형성한다. 비자기 도전층(124) 및 셀 선택 트랜지스터(131)는 셀 플레이트(138) 및 접촉부(139)를 통해 상호 접속된다.The memory cell 201 includes a first fixing layer 121 having a fixed magnetization direction; First tunnel barrier 122; The recording layer 128 formed of the first magnetic layer 123 whose magnetization direction changes depending on the magnetic field, the nonmagnetic conductive layer 124, and the second magnetic layer 125 whose magnetization direction changes depending on the magnetic field. ); Second tunnel barrier 126; And the second fixing layer 127 having a fixed magnetization direction are laminated and manufactured in the order described. In other words, the first anchor layer 121, the first tunnel barrier 122, and the first magnetic layer form a first tunnel junction. The second magnetic layer 125, the second tunnel barrier 126, and the second anchor layer 127 form a second tunnel junction. The nonmagnetic conductive layer 124 and the cell select transistor 131 are interconnected through the cell plate 138 and the contact 139.

제1 및 제2 데이터 라인(112 및 113)은 제1 및 제2 터널 접합을 수직으로 그들 사이에 삽입하고, 기입 라인(134)에 대해 수직이다. 기입 동작은 기입 전류를 데이터 라인(112 및 118)과 그것에 수직인 기입 라인(137)으로 흐르게 함으로써 수행된다. 이 경우에, 누설 전류가 데이터 라인(112 및 123)을 통해 흐르는 것을 방지하기 위해서, 스위치 트랜지스터(133)가 감지 증폭기(117)의 전단상에 제공될 수 있다.The first and second data lines 112 and 113 insert the first and second tunnel junctions vertically therebetween and are perpendicular to the write line 134. The write operation is performed by flowing a write current to the data lines 112 and 118 and the write line 137 perpendicular to it. In this case, the switch transistor 133 may be provided on the front end of the sense amplifier 117 to prevent leakage current from flowing through the data lines 112 and 123.

비자기 도전층(124)은 Cu, Ru, Cr, Re, 및 Ir, 또는 50 원자 % 이상의 Cu, Ru, Cr, Re, 및 Ir을 포함하는 합금중에서 선택된 금속으로 형성된다.The nonmagnetic conductive layer 124 is formed of a metal selected from Cu, Ru, Cr, Re, and Ir, or an alloy containing at least 50 atomic% Cu, Ru, Cr, Re, and Ir.

본 실시예의 자기 메모리 장치에서, 비자기 도전층(124)에 접속된 제1 자기층(123), 및 제2 자기층(125)은 자기층들 사이의 결합이 제거되는 거리만큼 상호 분리되도록 형성된다. 본 실시예는 도 4 내지 9의 실시예들과는 기능면에서 다르다. 달리 말하면, 본 실시예는 하나의 터널 접합이 낮은 저항을 갖고 다른 나머지 하나의 터널 접합이 높은 저항을 갖는 상태를 이용하여, 제1 및 제2 자기층 사이의 반강자성 결합을 이용하지 않고도 자화의 전환을 독자적으로 제어함으로써 차동적인 판독을 구현한다.In the magnetic memory device of this embodiment, the first magnetic layer 123 and the second magnetic layer 125 connected to the nonmagnetic conductive layer 124 are formed to be separated from each other by a distance from which the coupling between the magnetic layers is removed. do. This embodiment differs in function from the embodiments of FIGS. 4 to 9. In other words, this embodiment utilizes a state in which one tunnel junction has a low resistance and the other tunnel junction has a high resistance, thereby eliminating the need for antiferromagnetic coupling between the first and second magnetic layers. Independently control the transition to achieve differential readings.

본 실시예에서는, 2개의 터널 접합이 적층 구성으로 이루어지기 때문에, 셀의 면적이 매우 감소될 수 있다. 배선 라인 간격이 F이면, 셀 면적은 8 내지 12F2이다.In this embodiment, since the two tunnel junctions are made in a stacked configuration, the area of the cell can be greatly reduced. If the wiring line spacing is F, the cell area is 8 to 12F 2 .

<제10 실시예><Example 10>

도 21은 본 발명의 제10 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로도이다. 도 1에 도시된 소자들과 동일한 것은 같은 참조 번호들에 의해 표시되고, 상세한 설명은 생략된다.21 is an electrical equivalent circuit diagram of a magnetic memory cell array according to a tenth exemplary embodiment of the present invention. The same elements as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.

도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응하고, 2개의 TMR 소자들은 별도의 데이터 라인 DL 및 /DL에 각각 그 한 단부가 접속되고, 그 다른 단부는 셀 선택 트랜지스터를 통해 동일한 비트 라인 BL에 접속된다. 별도의 워드 라인 WL1 내지 WL4는 각각 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 배치되고, 선택 트랜지스터(31 및 32) 및 선택 트랜지스터(33 및 34)는 각각 드레인 영역을 공유한다. 데이터 라인 DL 및 /DL은 워드 라인 DSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 접속되고, 비트 라인 BL은 워드 라인 BSL에 접속된 선택 트랜지스터를 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420)에 접속된다.In the figure, the region enclosed by the dotted line corresponds to the memory cell 201, and two TMR elements are each connected at one end thereof to separate data lines DL and / DL, and the other end thereof is the same bit through the cell select transistor. It is connected to the line BL. The separate word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34, respectively, and the select transistors 31 and 32 and the select transistors 33 and 34 each share a drain region. The data lines DL and / DL are connected to the current detecting differential amplifier 401 through a select transistor having a word line DSL, and the bit line BL is connected to the bias voltage clamping circuit 420 through a select transistor connected to the word line BSL. Connected.

본 실시예에서, 본 발명은 인접 셀들이 선택 트랜지스터의 드레인 영역 및 비트 라인을 공유한다는 점에 특징이 있다. 따라서, 인접 셀들이 비트 라인을 공유함으로써 비트 라인의 수가 절반이 될 수 있다는 이점이 제공된다.In this embodiment, the present invention is characterized in that adjacent cells share the drain region and the bit line of the select transistor. Thus, the advantage is that the number of bit lines can be halved by neighboring cells sharing the bit lines.

<제11 실시예><Eleventh embodiment>

도 22는 본 발명의 제11 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로도이다. 도 1에 도시된 것과 동일한 소자들은 같은 참조 번호에 의해 표시되고, 상세한 설명은 생략된다.22 is an electrical equivalent circuit diagram of a magnetic memory cell array according to an eleventh embodiment of the present invention. The same elements as shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.

도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응한다. 각 셀에서, TMR 소자들은 데이터 라인 DL 및 /DL에 각각 그 한 단부가 접속되고, 셀 선택 트랜지스터를 통해 그 다른 단부가 나머지 비트 라인 BL1 및 BL2에 각각 접속된다. 별도의 워드 라인 WL1 내지 WL4는 각각 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 배치되고, 선택 트랜지스터(31 및 32) 및 선택 트랜지스터(33 및 34)는 각각 드레인 영역을 공유한다. 데이터 라인 DL 및 /DL은 공통 워드 라인 DSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 접속된다.In the drawing, the region enclosed by the dotted lines corresponds to the memory cell 201. In each cell, the TMR elements are each connected at one end thereof to the data lines DL and / DL, and the other ends thereof are connected to the remaining bit lines BL1 and BL2, respectively, through the cell select transistor. The separate word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34, respectively, and the select transistors 31 and 32 and the select transistors 33 and 34 each share a drain region. The data lines DL and / DL are connected to the current detection type differential amplifier 401 through a select transistor having a common word line DSL.

비트 라인 BL1 및 BL2는 데이터 라인 DL 및 /DL에 평행한 비트 라인 CBL1 및 CBL2에 접속된다. 또한, CBL1 및 CBL2는 각각 메모리 셀 어레이 영역의 외부에서 별도의 워드 라인 BSL1 및 BSL2를 갖는 선택 트랜지스터를 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420)에 접속된다.Bit lines BL1 and BL2 are connected to bit lines CBL1 and CBL2 parallel to data lines DL and / DL. Also, CBL1 and CBL2 are connected to bias voltage clamping circuit 420 through select transistors having separate word lines BSL1 and BSL2, respectively, outside of the memory cell array region.

본 실시예에서, 본 발명은, 비트 라인 BL이 데이터 라인 DL 및 /DL과 교차하고 있고, 인접 메모리 셀 어레이들에 의해 공유된다는 점에서 특징을 갖는다. 또한, 인접 메모리 어레이들이 BL을 공유하고, 마침내, BL은 데이터 라인 DL 및 /DL에 대하여 평행하게 되는 하나의 CBL에 접속되어, 데이터 라인 DL 및 /DL 상에 중첩되도록 평행하게 되는 라인의 수를 감소시켜서, 어레이 영역을 보다 많이 감소시키는 것을 가능하게 한다. 비트 라인 BL 및 워드 라인 WL이 상호 평행하게 되는 경우에, 비트 라인 BL 및 워드 라인 WL은 동시에 활성화되어, 행 방향의 메모리 셀들이 동시에 판독되게 하는 것, 즉 소위 페이지 모드 판독을 실행하는 것을 가능하게 한다.In the present embodiment, the present invention is characterized in that the bit line BL intersects with the data lines DL and / DL and is shared by adjacent memory cell arrays. In addition, adjacent memory arrays share the BL, and finally, the BL is connected to one CBL that is parallel to the data lines DL and / DL, so that the number of lines that are paralleled to overlap on the data lines DL and / DL is determined. By reducing, it becomes possible to reduce the array area even more. In the case where the bit line BL and the word line WL become parallel to each other, the bit line BL and the word line WL are simultaneously activated to enable the memory cells in the row direction to be read at the same time, that is, to execute a so-called page mode read. do.

<제12 실시예><Twelfth Example>

도 23은 본 발명의 제12 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로도이다. 도 1에 도시된 것과 같은 것은 같은 참조 번호에 의해 표시되고, 상세한 설명은 생략된다.23 is an electrical equivalent circuit diagram of a magnetic memory cell array according to a twelfth embodiment of the present invention. The same as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.

도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응한다. 2개의 TMR 소자는 각각 그 한 단부가 별도의 데이터 라인 DL1 및 /DL에 접속되고, 그 다른 단부가 셀 선택 트랜지스터를 통해 동일한 비트 라인 BL1에 접속된다. 또한, 이들 메모리 셀들 및 워드 라인 방향에서 상호 인접한 메모리 셀들에서, 이들 2개의 TMR 소자들은 그 한 단부가 각각 데이터 라인 DL2 및 /DL에 접속되고, 그 다른 단부가 셀 선택 트랜지스터를 통해 동일한 비트선 BL2에 접속된다. 즉, 데이터 라인 /DL은 워드 라인 방향에서 인접 메모리 셀들에 의해 공유된다.In the drawing, the region enclosed by the dotted lines corresponds to the memory cell 201. The two TMR elements each have one end connected to separate data lines DL1 and / DL, and the other end connected to the same bit line BL1 through a cell select transistor. Further, in these memory cells and memory cells adjacent to each other in the word line direction, these two TMR elements have one end connected to the data lines DL2 and / DL, respectively, and the other end of the same bit line BL2 through the cell select transistor. Is connected to. That is, data line / DL is shared by adjacent memory cells in the word line direction.

별도의 워드 라인 WL1 내지 WL4는 각각 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 배치된다. 데이터 라인 DL1 및 /DL은 공통 워드 라인 DLS1을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 접속된다. 데이터 라인 /DL은 인접 메모리 셀 어레이들에 의해 공유되지만, 서로 다른 선택 트랜지스터를 갖는다. 데이터 라인 DL2 및 /DL은 공통 워드 라인 DSL2를 갖는 선택 트랜지스터를 통해 전류 검출형차동 증폭기(401)에 접속된다. 여기서, 데이터 라인 DL1 및 DL2는 데이터 라인 DL2를 통한 누설 전류의 발생을 방지하기 위해서 선택 트랜지스터의 워드 라인을 공유하지 않는다.The separate word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34, respectively. The data lines DL1 and / DL are connected to the current detection type differential amplifier 401 through a select transistor having a common word line DLS1. The data line / DL is shared by adjacent memory cell arrays, but with different select transistors. The data lines DL2 and / DL are connected to the current detection type differential amplifier 401 through a selection transistor having a common word line DSL2. Here, the data lines DL1 and DL2 do not share the word lines of the select transistors in order to prevent generation of leakage current through the data lines DL2.

본 실시예에서, 본 발명은 인접 메모리 셀 어레이들이 데이터 라인 /DL을 공유한다는 점에 특징이 있다. 따라서, 데이터 라인이 공유되어, 어레이 영역을 보다 많이 감소시키는 것이 가능하다는 이점이 제공된다.In this embodiment, the present invention is characterized in that adjacent memory cell arrays share a data line / DL. Thus, the data line is shared, providing the advantage that it is possible to reduce the array area even more.

<제13 실시예><Thirteenth Example>

도 24는 본 발명의 제13 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로도이다. 도 1에 도시된 것과 같은 것은 같은 참조 번호에 의해 표시되고, 상세한 설명은 생략된다.24 is an electrical equivalent circuit diagram of a magnetic memory cell array according to a thirteenth embodiment of the present invention. The same as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.

도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응한다. 2개의 TMR 소자는 각각 그 한 단부가 보조 데이터 라인 sDL 및 /sDL에 접속된다. 각 TMR 소자의 다른 단부는 셀 선택 트랜지스터를 통해 동일한 보조 비트 라인 sBL에 접속된다. 별도의 워드 라인 WL1 내지 WL4는 각각 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 배치된다.In the drawing, the region enclosed by the dotted lines corresponds to the memory cell 201. The two TMR elements are each connected at one end thereof to the auxiliary data lines sDL and / sDL. The other end of each TMR element is connected to the same auxiliary bit line sBL through a cell select transistor. The separate word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34, respectively.

보조 데이터 라인 sDL 및 /sDL과 보조 비트 라인 sBL은 공통 워드 라인 SASL을 갖는 선택 트랜지스터들을 통해 데이터 라인 DL 및 /DL과 비트 라인 BL에 각각 접속된다. 데이터 라인 DL 및 /DL은 공통 워드 라인 DSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 접속된다. 또한, 비트 라인 BL은 메모리 셀 어레이 영역의 외부에서 워드 라인 BSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420)에 접속된다.The auxiliary data lines sDL and / sDL and the auxiliary bit line sBL are connected to the data lines DL and / DL and the bit line BL, respectively, through select transistors having a common word line SASL. The data lines DL and / DL are connected to the current detection type differential amplifier 401 through a select transistor having a common word line DSL. The bit line BL is also connected to the bias voltage clamping circuit 420 through a select transistor having a word line BSL outside of the memory cell array region.

본 실시예는, 데이터 라인 방향에서 메모리 셀 어레이가 분할되어, 보조 셀 어레이를 형성한다는 점에 특징이 있다. 이러한 배열을 채용하는 것은 어레이 영역을 심각하게 증가시키지 않고도 셀 어레이 내의 메모리 셀들의 수를 감소시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 메모리 셀의 증가된 수에 기인하는 출력 신호의 저하에 관한 문제점이 회피될 수 있다.This embodiment is characterized in that the memory cell array is divided in the data line direction to form an auxiliary cell array. Employing such an arrangement makes it possible to reduce the number of memory cells in a cell array without significantly increasing the array area. In this way, a problem with the degradation of the output signal due to the increased number of memory cells can be avoided.

<제14 실시예><Example 14>

도 25는 본 발명의 제14 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로도이다. 도 1에 도시된 것과 같은 것은 같은 참조 번호에 의해 표시되고, 상세한 설명은 생략된다.25 is an electrical equivalent circuit diagram of a magnetic memory cell array according to a fourteenth exemplary embodiment of the present invention. The same as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.

도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응하고, 2개의 TMR 소자는 각각 그 한 단부가 보조 데이터 라인 sDL 및 /sDL에 접속된다. 각 TMR 소자의 다른 단부는 셀 선택 트랜지스터를 통해 비트 라인 BL에 접속되고, 데이터 라인 방향으로 배열된 메모리 셀 각각의 별도의 비트 라인 BL1 내지 BL4 각각에 접속된다.In the figure, the region enclosed by the dotted line corresponds to the memory cell 201, and two TMR elements are respectively connected at one end thereof to the auxiliary data lines sDL and / sDL. The other end of each TMR element is connected to the bit line BL through a cell select transistor, and to each of the separate bit lines BL1 to BL4 of each of the memory cells arranged in the data line direction.

별도의 워드 라인 WL1 내지 WL4는 각각 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 배치된다. 보조 데이터 라인 sDL 및 /sDL은 공통 워드 라인 SASL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 데이터 라인 DL 및 /DL에 접속된다. 데이터 라인 DL 및 /DL은 공통 워드 라인 DSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 접속된다.The separate word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34, respectively. The auxiliary data lines sDL and / sDL are connected to the data lines DL and / DL through select transistors having a common word line SASL. The data lines DL and / DL are connected to the current detection type differential amplifier 401 through a select transistor having a common word line DSL.

본 실시예에서, 본 발명은 비트 라인 BL이 데이터 라인 DL 및 /DL과 교차하고 있고, 비트 라인 BL이 기입 라인과 호환성이 있다는 점에 특징이 있다.In the present embodiment, the present invention is characterized in that the bit line BL intersects with the data lines DL and / DL, and the bit line BL is compatible with the write line.

<제15 실시예><Example 15>

도 26은 본 발명의 제15 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로도이다. 도 1에 도시된 것과 같은 것은 같은 참조 번호에 의해 표시되고, 상세한 설명은 생략된다.26 is an electrical equivalent circuit diagram of a magnetic memory cell array according to a fifteenth embodiment of the present invention. The same as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.

도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응한다. 각 메모리 셀에서, 하나의 TMR 소자의 한 단부는 각각의 데이터 라인 DLR1 내지 DLR4에 접속되고, 다른 TMR 소자의 한 단부는 동일한 데이터 라인 DLC에 접속된다. 또한, 각각의 TMR 소자의 다른 단부는 셀 선택 트랜지스터를 통해 동일한 비트 라인 BL에 접속된다. 별도의 워드 라인 WL1 내지 WL4는 각각 셀 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 배치된다. 비트 라인 BL은 메모리 셀 어레이 영역의 외부에서 워드 라인 BSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420)에 접속된다.In the drawing, the region enclosed by the dotted lines corresponds to the memory cell 201. In each memory cell, one end of one TMR element is connected to each data line DLR1 to DLR4, and one end of the other TMR element is connected to the same data line DLC. Also, the other end of each TMR element is connected to the same bit line BL through a cell select transistor. The separate word lines WL1 to WL4 are disposed in the cell select transistors 31 to 34, respectively. The bit line BL is connected to the bias voltage clamping circuit 420 through a select transistor having a word line BSL outside of the memory cell array region.

본 실시예에서, 본 발명은, 데이터 라인 쌍 DLR 및 DLC가 상호 교차하고 있고, 이와 유사하게 BL이 WL과 교차하고 있다는 점에 특징이 있다. 또한, 비트 라인은 워드 라인 방향에서 공유되지 않는다. 따라서, 판독 동안의 셀 선택은 BL 및 WL의 전위를 제어함으로써 고유하게 수행될 수 있고, 바이어스 전압은 선택 셀에만 인가된다. 또한, 데이터 라인 쌍 DLR 및 DLC는 상호 교차하고, 따라서, 선택되지 않은 셀에 의해 단락되지 않는다. 따라서, 안정성 및 전력 소비 효율이 높은 동작이 기대될 수 있다.In the present embodiment, the present invention is characterized in that the data line pair DLR and DLC cross each other, and similarly, the BL crosses the WL. In addition, the bit lines are not shared in the word line direction. Thus, cell selection during readout can be uniquely performed by controlling the potentials of BL and WL, and a bias voltage is applied only to the selection cell. In addition, the data line pairs DLR and DLC cross each other and are therefore not shorted by unselected cells. Therefore, operation with high stability and high power consumption efficiency can be expected.

<제16 실시예><Example 16>

도 27은 본 발명의 제16 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로도이다. 도 1에 도시된 것과 같은 것은 같은 참조 번호에 의해 표시되고, 상세한 설명은 생략된다.27 is an electrical equivalent circuit diagram of a magnetic memory cell array according to a sixteenth embodiment of the present invention. The same as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.

도면에서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응한다. 2개의 TMR 소자는 각각 그 한 단부가 데이터 라인 DL 및 /DL에 접속되고, 셀 선택 트랜지스터를 통해 그 다른 단부가 동일한 비트 라인 BL에 접속된다. 별도의 워드 라인 WL1 내지 WL4는 각각 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 배치된다. 데이터 라인 DL 및 /DL은 공통 워드 라인 DSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420) 및 전류 검출형 차동 증폭기(401)에 접속된다. 또한, 비트 라인 BL은 접지된다.In the drawing, the region enclosed by the dotted lines corresponds to the memory cell 201. The two TMR elements each have one end connected to the data lines DL and / DL, and the other end thereof is connected to the same bit line BL through a cell select transistor. The separate word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34, respectively. The data lines DL and / DL are connected to the bias voltage clamping circuit 420 and the current detection differential amplifier 401 through a select transistor having a common word line DSL. In addition, the bit line BL is grounded.

본 실시예에서, 본 발명은, 비트 라인 BL이 데이터 라인 DL 및 /DL에 대하여 전위가 낮다는 것과, 전류는 선택 트랜지스터를 통해 데이터 라인 DL 및 /DL로부터 비트 라인 BL을 흐른다는 것이 특징이다. 도 29에서, 비트 라인 전위가 접지 전위로서 정의되지만, 이 전위는 비트 라인 전위가 데이터 라인 전위를 초과하지 않는 범위 내의 임의의 전압으로 설정될 수도 있다. 또한, 본 실시예에서, 데이터 라인 DL 및 /DL의 전위는 상호 완전히 동일할 것이 요구된다. 이것은 바이어스 전압 클램핑 회로 또는 설명된 것과 유사한 기술에 의해 용이하게 달성될 수 있다.In the present embodiment, the present invention is characterized in that the bit line BL has a low potential with respect to the data lines DL and / DL, and the current flows from the data lines DL and / DL through the selection transistors. In Fig. 29, the bit line potential is defined as the ground potential, but this potential may be set to any voltage within a range in which the bit line potential does not exceed the data line potential. In addition, in this embodiment, the potentials of the data lines DL and / DL are required to be exactly the same as each other. This can easily be accomplished by a bias voltage clamping circuit or a technique similar to that described.

<제17 실시예><Example 17>

도 28은 본 발명의 제17 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 것과 같은 소자들은 같은 참조 번호로 표기되고, 세부적인 설명은 여기서 생략된다.FIG. 28 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the seventeenth embodiment of the present invention. Elements such as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted here.

도면에 있어서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응하고, 두 개의 TMR 소자들은 독립적인 데이터 라인 DL 및 /DL의 한 단부에 각각 접속된다. TMR 소자 각각의 다른 단부는 셀 선택 트랜지스터를 통해 비트 라인에 접속되고, 데이터 라인 방향으로 배열된 독립적인 비트 라인 BL1 내지 BL4 각각에 접속된다. 독립적인 워드 라인 WL1 내지 WL4는 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 각각 배치된다. 데이터 라인 DL은 워드 라인 DSL을 갖는 선택 트랜지스터를 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420)에 접속되고, 데이터 라인 /DL은 접지된다. 비트 라인 BL1 내지 BL4는 그들의 다른 차동 감지 증폭기 SA에 각각 접속된다.In the figure, the region enclosed by the dotted lines corresponds to the memory cell 201, and two TMR elements are connected to one end of the independent data lines DL and / DL, respectively. The other end of each of the TMR elements is connected to a bit line through a cell select transistor, and is connected to each of the independent bit lines BL1 to BL4 arranged in the data line direction. Independent word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34, respectively. The data line DL is connected to the bias voltage clamping circuit 420 through a select transistor having a word line DSL, and the data line / DL is grounded. Bit lines BL1 through BL4 are each connected to their other differential sense amplifiers SA.

다음에, 이러한 회로의 동작은 메모리 셀(201)을 예시함으로써 기술될 것이다. 이제, TMR 소자(11)의 기록층 및 고착층의 자화 구성이 서로 평행한 경우를 고려해 보면, TMR 소자(21)의 이러한 층들은 서로 반평행이다(기록 정보 "1"). 초기 상태에 있어서, WL1 및 DSL1의 전위는 0이다. 그 때, DSL1의 전위는 VDD로써 정의되고, Vbias가 DL에 인가되는 동안 WL1은 VDD로 정의되며, 이로써 전기적으로 전도성이 있는 선택 트랜지스터(31)를 만들게 된다. TMR 소자(11)의 저항값이 R(1-MR/2)로 정의되고, TMR 소자(12)의 저항값이 R(1+MR/2)로 정의될 때, BL에 유도될 전압값은 다음과 같이 얻어진다.Next, the operation of this circuit will be described by illustrating the memory cell 201. Now, considering the case where the magnetization configurations of the recording layer and the fixing layer of the TMR element 11 are parallel to each other, these layers of the TMR element 21 are antiparallel to each other (recording information " 1 &quot;). In the initial state, the potentials of WL1 and DSL1 are zero. At that time, the potential of DSL1 is defined as VDD, and WL1 is defined as VDD while V bias is applied to DL, thereby making the selection transistor 31 electrically conductive. When the resistance value of the TMR element 11 is defined as R (1-MR / 2) and the resistance value of the TMR element 12 is defined as R (1 + MR / 2), the voltage value to be induced in the BL is Obtained as follows.

반면에, 기록 정보가 "0"인 경우, 즉 TMR 소자(11)의 자화 구성이 반평행 상태로 진입하는 경우, 및 TMR 소자(21)의 자화 구성이 평행 상태로 진입하는 경우에 있어서, BL로 유도되는 전압값은 다음과 같다.On the other hand, when the recording information is "0", that is, when the magnetization configuration of the TMR element 11 enters the antiparallel state, and when the magnetization configuration of the TMR element 21 enters the parallel state, BL Induced voltage values are as follows.

따라서, 예를 들면, 차동 감지 증폭기의 기준 전압이 VREF=Vbias/2로 설정될 때, BL의 신호 전압을 기준 전압과 비교함으로써, 저장된 정보가 판별될 수 있다.Thus, for example, when the reference voltage of the differential sense amplifier is set to V REF = V bias / 2, the stored information can be determined by comparing the signal voltage of the BL with the reference voltage.

이러한 판독 방법에 있어서, 두 개의 TMR 소자들에 기인하는 분할된 전압의 비가 검출되고, 따라서 다음과 같은 이점이 제공된다.In this reading method, the ratio of the divided voltages due to the two TMR elements is detected, thus providing the following advantages.

(1) TMR 소자를 흐르는 전류값에 의존적이지 않다. 즉, 메모리 셀 어레이에서 메모리 셀의 수가 바뀌고 데이터 라인 DL 및 /DL 사이의 임피던스가 변하더라도, 출력은 영향을 받지 않는다.(1) It is not dependent on the current value flowing through the TMR element. That is, even if the number of memory cells in the memory cell array changes and the impedance between data lines DL and / DL changes, the output is not affected.

(2) 바이어스 전압은 두 개의 TMR 소자들로 나누어질 수 있고, 인가된 전압에 따라 좌우되는 자기 저항비의 감소가 줄어들 수 있다.(2) The bias voltage can be divided into two TMR elements, and the decrease in the magnetoresistance ratio which depends on the applied voltage can be reduced.

(3) 비트 라인에 전류가 거의 흐르지 않고, 선택 반도체 소자들의 특성에서의 편차, 특히 소스/드레인 저항에 있어서의 편차는 무시될 수 있다.(3) Almost no current flows in the bit line, and variations in the characteristics of the selected semiconductor elements, in particular, variations in the source / drain resistance, can be ignored.

<제18 실시예><Example 18>

도 29는 본 발명의 제18 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 소자들과 같은 것은, 같은 참조 번호로 표기하고, 여기서 세부적인 설명은 생략한다.29 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the eighteenth embodiment of the present invention. The same elements as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

도면에 있어서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응한다. 두 개의 TMR 소자들 각각은 한 단부가 데이터 라인 DL 및 DL/ 중 각각의 하나에 접속되고, 다른 단부는 셀 선택 트랜지스터(31)를 통해 동일한 비트 라인 BL에 접속된다. 독립적인 워드 라인 WL1 내지 WL4는 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 배치된다. 데이터 라인 DL은 워드 라인 DSL을 각각 갖는 선택 트랜지스터들을 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420)에 접속되고, 데이터 라인 /DL은 접지된다. 비트 라인 BL은 워드 라인 BSL에 접속된 선택 트랜지스터를 통해 차동 감지 증폭기 SA에 접속된다.In the figure, the region enclosed by the dotted lines corresponds to the memory cell 201. Each of the two TMR elements has one end connected to each one of the data lines DL and DL /, and the other end connected to the same bit line BL through the cell select transistor 31. Independent word lines WL1 to WL4 are disposed in the select transistors 31 to 34. The data line DL is connected to the bias voltage clamping circuit 420 through select transistors each having a word line DSL, and the data line / DL is grounded. The bit line BL is connected to the differential sense amplifier SA through a select transistor connected to the word line BSL.

본 발명에 있어서, 비트 라인 BL은 다수의 메모리 셀에 의해 공유되고, 따라서 어레이 영역이 보다 충분히 감소될 수 있게 된다.In the present invention, the bit line BL is shared by a plurality of memory cells, so that the array area can be reduced more sufficiently.

<제19 실시예><19th Example>

도 30은 본 발명의 제19 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 것과 같은 소자들은 같은 참조 번호로 표기되고, 여기서 세부적인 설명은 생략된다.30 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the nineteenth embodiment of the present invention. Elements such as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

본 실시예는 메모리 셀 어레이 구조에 있어서 제17 및 제18 실시예와 기본적으로 동일하다. 그러나, 비트 라인 BL은 전류 변환 회로를 통해 보조 비트 라인 sBL로 나뉘어지고, 판독 동작에 의해 생성된 sBL 전압의 변동은 전류 변환 회로에 의해 비트 라인 BL을 통해 다음 단계에서 메인 증폭기 SA로 전류차로써 이송된다. 본 실시예에 있어서, 부유 용량(floating capacity) 및 권선 저항(wiring resistance)은 비트 라인 BL의 길이를 줄임으로써 감소될 수 있고, 고속 동작은 비트 라인 지연을 감소시킴으로써 달성할 수 있다.This embodiment is basically the same as the seventeenth and eighteenth embodiments in the memory cell array structure. However, the bit line BL is divided into the auxiliary bit line sBL through the current converting circuit, and the variation of the sBL voltage generated by the read operation is passed through the bit line BL by the current converting circuit as the current difference to the main amplifier SA in the next step. Transferred. In this embodiment, the floating capacity and the wiring resistance can be reduced by reducing the length of the bit line BL, and high speed operation can be achieved by reducing the bit line delay.

<제20 실시예><Example 20>

도 31은 본 발명의 제20 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 것과 같은 소자들은 같은 참조 번호로 표기되고, 여기서 세부적인 설명은 생략된다.FIG. 31 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the twentieth embodiment of the present invention. Elements such as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

도면에 있어서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응하고, 두 개의 TMR 소자들은 한 단부가 데이터 라인 DL 및 /DL 중 각각의 하나에 접속된다. TMR 소자들 각각의 다른 단부는 셀 선택 다이오드 소자(31)를 통해 비트 라인 BL에 접속되고, 데이터 라인 방향으로 배열된 메모리 셀을 통해 비트 라인 BL1 내지 BL4 중 각각의 독립적인 하나에 접속된다. 데이터 라인 DL은 워드 라인 DSL을 각각 갖는 선택 트랜지스터를 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420)에 접속되고, 데이터 라인 /DL은 접지된다. 비트 라인 BL은 부하 저항 및 워드 라인 BSL에 접속된 선택 트랜지스터를 통해 접지된다.In the figure, the region enclosed by the dotted line corresponds to the memory cell 201, and two TMR elements have one end connected to each one of the data lines DL and / DL. The other end of each of the TMR elements is connected to the bit line BL through a cell select diode element 31 and to an independent one of each of the bit lines BL1 to BL4 through a memory cell arranged in the data line direction. The data line DL is connected to the bias voltage clamping circuit 420 through select transistors each having a word line DSL, and the data line / DL is grounded. The bit line BL is grounded through a select transistor connected to the load resistor and word line BSL.

본 실시예에 있어서, 다이오드의 순방향의 임계 전압은 셀 선택을 위해 이용된다. 즉, 다이오드의 순방향의 임계 전압값은 VTo로써 정의되고, VTo〈 V0인 것으로 가정된다. 여기서, 전위차 V가 특정한 데이터 라인 DL 및 /DL에 인가될 때, V0-VTo혹은 V1-VTo의 전압은 데이터 라인 DL 및 /DL을 횡단하는 비트 라인 그룹에 접속된 감지 증폭기에 인가된다. 따라서, 저장된 정보는 그것의 크기를 식별함으로써 판독될 수 있다.In this embodiment, the forward threshold voltage of the diode is used for cell selection. That is, the threshold voltage value of the diode forward direction is defined as V To, To is assumed to be V <V 0. Here, when the potential difference V is applied to specific data lines DL and / DL, the voltage of V 0 -V To or V 1 -V To is applied to the sense amplifier connected to the bit line group crossing the data lines DL and / DL. do. Thus, the stored information can be read by identifying its size.

본 실시예에 있어서 셀 선택을 위한 다이오드 소자로서, 접합형 pn-다이오드, 쇼트키 다이오드, 혹은 MIS 다이오드, 및 도 32에 도시된 바와 같이 단락된 드레인/게이트 터미널을 갖는 n형 MOS 트랜지스터가 사용될 수 있다. 일반적으로, 자기 메모리 장치에 있어서, MOS 트랜지스터가 종종 사용된다. 여분의(redundant) 소자 분리 영역은 반도체 부분에서 pn-다이오드를 형성하기 위해 요구되고, 이는 셀 면적이 증가되도록 한다. nMOS 트랜지스터를 사용하는 다이오드는 그러한 문제를 발생시키지 않으므로, 바람직한 실시예이다.As a diode element for cell selection in this embodiment, an n-type MOS transistor having a junction-type pn-diode, Schottky diode, or MIS diode, and a shorted drain / gate terminal as shown in FIG. 32 can be used. have. In general, in magnetic memory devices, MOS transistors are often used. Redundant device isolation regions are required to form the pn-diode in the semiconductor portion, which allows the cell area to be increased. Diodes using nMOS transistors do not cause such a problem and are therefore preferred embodiments.

<제21 실시예><Example 21>

도 33은 본 발명의 제21 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 것과 같은 소자들은 같은 참조 번호로 표기하고, 여기서 세부적인 설명은 생략된다.33 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the twenty-first embodiment of the present invention. Elements like those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

도면에 있어서, 점선으로 둘러싸인 영역은 메모리 셀(201)에 대응하고, 두 개의 TMR 소자들은 한 단부가 데이터 라인 DL 및 /DL 중 각각의 하나에 접속된다. TMR 소자들의 각각의 다른 단부는 셀 선택 다이오드 소자(31)를 통해 비트 라인 BL에 접속되고, 데이터 라인 방향으로 배열된 메모리 셀을 통해 비트 라인 BL1 내지 BL4 중 각각의 독립적인 하나에 접속된다. 데이터 라인 DL은 워드 라인 DSL을 각각 갖는 선택 트랜지스터를 통해 바이어스 전압 클램핑 회로(420)에 접속되고, 데이터 라인 /DL은 접지된다. 비트 라인 BL은 오프셋 전압 회로(430) 및 전류 감지 증폭기(402)에 접속된다.In the figure, the region enclosed by the dotted line corresponds to the memory cell 201, and two TMR elements have one end connected to each one of the data lines DL and / DL. Each other end of the TMR elements is connected to the bit line BL via a cell select diode element 31 and to an independent one of each of the bit lines BL1 to BL4 through a memory cell arranged in the data line direction. The data line DL is connected to the bias voltage clamping circuit 420 through select transistors each having a word line DSL, and the data line / DL is grounded. The bit line BL is connected to the offset voltage circuit 430 and the current sense amplifier 402.

도 34에 따른 본 실시예 있어서, 비트 라인을 흐르는 전류는 오프셋 전압 Voff의 함수로서 측정된다. 두 개의 곡선은 저장된 정보 "1" 및 "0" 각각에 대응하는 전류 I0및 I1을 나타낸다. 단지 I0가 실질적으로 0과 동일한 영역은 Voff= 500mV의 근처에 존재한다. 이러한 영역에 있어서, I1/I2의 값은 매우 크고, 이는 실용적인 관점에서 매우 유리하다.In this embodiment according to FIG. 34, the current flowing through the bit line is measured as a function of the offset voltage V off . Two curves represent the currents I 0 and I 1 corresponding to the stored information " 1 " and " 0 &quot;, respectively. Only the region where I 0 is substantially equal to zero exists near V off = 500 mV. In this area, the value of I 1 / I 2 is very large, which is very advantageous in practical terms.

그러한 저장된 정보에 따른 I0및 I1의 변화는 다이오드의 임계 전압 VTo의 근처에 있는 강한 비선형성과 저장된 정보에 따른 전압 변화를 결합함으로써 얻어질 수 있다. 일반적으로, 다이오드에 있어서 VTo의 크기는 제조 방법에 의존하여 결정된다. 따라서, 본 실시예와 같은 오프셋 전압을 인가하는 방법은 바람직한 실시예이다.The change in I 0 and I 1 according to such stored information can be obtained by combining the strong nonlinearity near the threshold voltage V To of the diode with the voltage change according to the stored information. In general, the size of V To in a diode is determined depending on the manufacturing method. Therefore, the method of applying the offset voltage as in this embodiment is a preferred embodiment.

<제22 실시예><22th Example>

도 35는 본 발명의 제22 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전기적 등가 회로를 도시하는 도면이다.35 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the magnetic memory cell array according to the twenty-second embodiment of the present invention.

도면에 있어서, 점선으로 둘러싸인 영역은 하나의 메모리 셀(201)에 대응한다. 이러한 메모리 셀(201)에 있어서, TMR 소자들(11 및 21) 각각은 한 단부가 데이터 라인(41, 42) 중 각각의 독립적인 하나에 접속되고, TMR 소자들(11, 21) 각각의 다른 단부는 셀 선택 트랜지스터(32)에 공통으로 접속된다.In the drawing, an area enclosed by a dotted line corresponds to one memory cell 201. In this memory cell 201, each of the TMR elements 11 and 21 has one end connected to an independent one of each of the data lines 41 and 42, and the other of each of the TMR elements 11 and 21. The end is commonly connected to the cell select transistor 32.

또한, 각각의 메모리 셀에 있어서, 독립적인 워드 라인(301 내지 304)은 셀 선택 트랜지스터(31 내지 34)에 각각 배치된다. 데이터 라인(41 및 42) 각각의 한 단부는 일정한 전류원(401 및 402) 중 각각의 하나에 접속되고, 다른 단부는 감지 증폭기(404)에 접속된다. 공통 워드 라인(403)은 일정한 전압원(401 및 402)을 구성하는 MOS 트랜지스터에 배치된다. 감지 증폭기(404)는 전압 래치형 플립플롭 증폭기이고, 공통 소스 터미널(405) 및 데이터 터미널(406)을 갖는다.In addition, in each memory cell, independent word lines 301 to 304 are disposed in the cell select transistors 31 to 34, respectively. One end of each of the data lines 41 and 42 is connected to each one of a constant current source 401 and 402, and the other end is connected to a sense amplifier 404. The common word line 403 is disposed in the MOS transistors that make up the constant voltage sources 401 and 402. The sense amplifier 404 is a voltage latched flip-flop amplifier and has a common source terminal 405 and a data terminal 406.

다음에, 본 발명에 따른 자기 메모리 셀 어레이에 있어서 정보를 판독하는 방법이 상세히 기술될 것이다.Next, a method of reading information in the magnetic memory cell array according to the present invention will be described in detail.

도 36은 셀 선택 트랜지스터(32)의 워드 라인(302)의 전위 WL, 일정한 전류원(401 및 402)에 접속된 워드 라인(403)의 전위 DLW, 데이터 라인(41 및 42; DL 및 /DL)의 전위, 및 수평축으로써의 시간축을 갖는 감지 증폭기(404)의 공통 소스 터미널(405)의 전위 SS를 판독할 때의 변화를 도시한다.36 shows the potential WL of the word line 302 of the cell select transistor 32, the potential DLW of the word line 403 connected to the constant current sources 401 and 402, and the data lines 41 and 42 (DL and / DL). The change in reading the potential SS of the common source terminal 405 of the sense amplifier 404 having the potential of and the time axis as the horizontal axis is shown.

이제, TMR 소자(11)의 기록층의 자화가 고착층의 그것에 반평행한 경우를 고려한다(기록 정보 "1"). 초기 상태에 있어서, 일정한 전류원(401 및 402)을 제어하는 워드 라인 DLW 및 셀 선택 트랜지스터(32)의 워드 라인 WL의 전위는 0으로 정의되고, 감지 증폭기(404)의 공통 소스 터미널의 전위는 VD로 정의된다. 이러한 상태에 있어서, 데이터 라인(41 및 42)은 부유 전위에 있고, 감지 증폭기(404)는 데이터 라인(41 및 42)으로부터 분리된다.Now consider the case where the magnetization of the recording layer of the TMR element 11 is antiparallel to that of the fixing layer (recording information " 1 "). In the initial state, the potential of the word line DLW and the word line WL of the cell select transistor 32 controlling the constant current sources 401 and 402 is defined as 0, and the potential of the common source terminal of the sense amplifier 404 is VD. Is defined as In this state, data lines 41 and 42 are at floating potentials and sense amplifier 404 is separated from data lines 41 and 42.

다음에, 고전위 Vs는 WL이 고전위 Vcc로써 정의된 이후에 DLW에 인가되고, 셀 선택 트랜지스터(32)는 전도성을 갖는다. 이러한 방법에 있어서, 센스 전류 Is는 데이터 라인(41 및 42)을 통해 TMR 소자들(11 및 21)로 흐르는 전류와 동일하다. 셀 선택 트랜지스터(32)에 있어서 강하되는 전압은 Vr로 정의되고, 데이터 라인(41 및 42)의 전위는 다음과 같다.Next, the high potential V s is applied to the DLW after WL is defined as the high potential V cc , and the cell select transistor 32 is conductive. In this way, the sense current I s is equal to the current flowing through the data lines 41 and 42 to the TMR elements 11 and 21. The voltage dropped in the cell select transistor 32 is defined as Vr, and the potentials of the data lines 41 and 42 are as follows.

즉,In other words,

가 데이터 라인(41 및 42)의 차동 전압으로서 얻어진다.Is obtained as the differential voltage of the data lines 41 and 42.

다음에, 이 상태에서, VD에서 0으로 변화하는 판독 펄스는 도시된 바와 같이 감지 증폭기(404)의 공통 소스 단자(405)에 인가된다. DL과 SS간의 전위차가 트랜지스터의 임계 전위 Vth를 초과하면, 낮은 전위로 데이터 라인(42)에 접속된 트랜지스터는 방전하기 시작한다. 결과적으로, 데이터 라인(41)은 초기 전위 Vd를 유지하고, 다른 데이터 라인(42)은 0V로 래치된다.In this state, a read pulse that changes from VD to zero is then applied to the common source terminal 405 of the sense amplifier 404 as shown. When the potential difference between DL and SS exceeds the threshold potential Vth of the transistor, the transistor connected to the data line 42 at a low potential starts to discharge. As a result, the data line 41 maintains the initial potential Vd and the other data line 42 is latched to 0V.

기록 정보 "0"의 경우에, TMR 소자(11)의 기록층의 자화는 고착층의 것과 평행하고, 데이터 라인(11)은 감지 전류가 공급되는 동안 낮은 전위에 있게 된다.그러므로, 판독 펄스가 인가될 때, 데이터 라인(41)은 0V로 래치된다. 따라서, 소정 기간이 지난 후에, 공통 소스 단자(405)에 펄스가 인가되고, 데이터 라인(41)의 전압 D가 감지 증폭기의 단자(406)를 사용하여 얻어져서, 판독이 수행된다. 데이터 판독 이후에, 각 단자의 전위는 도시된 바와 같이 초기 상태로 복원되어, 감지 증폭기(404)의 래치는 리셋되고, 판독 동작이 완료된다.In the case of the write information "0 ", the magnetization of the recording layer of the TMR element 11 is parallel to that of the fixed layer, and the data line 11 is at a low potential while the sensing current is supplied. Therefore, the read pulse is When applied, data line 41 is latched to 0V. Thus, after a predetermined period of time, a pulse is applied to the common source terminal 405, and the voltage D of the data line 41 is obtained using the terminal 406 of the sense amplifier, so that reading is performed. After reading the data, the potential of each terminal is restored to the initial state as shown, so that the latch of the sense amplifier 404 is reset and the read operation is completed.

본 실시예의 구성에서, 감지 증폭기(404)의 공통 소스 단자(405)에 인가된 판독 펄스의 크기 ψ는In the configuration of this embodiment, the magnitude ψ of the read pulse applied to the common source terminal 405 of the sense amplifier 404 is

VD'≤ψ≤VD이어야 한다.VD'≤ψ≤VD

즉, 펄스 크기와 관련된 마진은 판독 중의 데이터 라인들 사이의 차동 전압에 거의 상응한다. 이 부분의 동작을 안정화시키기 위해서, (1) 감지 증폭기의 전단에서의 전압 증폭 회로; 및 (2) VD와 VD'사이의 편차를 보상하기 위한 회로 등이 제공될 수 있다. 본 실시예에서는 플립-플롭 증폭기가 사용되었지만, 다른 증폭 회로, 예를 들어, 전류 미러 증폭기가 감지 증폭기용으로 사용될 수 있다.That is, the margin associated with the pulse size corresponds approximately to the differential voltage between the data lines during reading. In order to stabilize the operation of this part, (1) a voltage amplifying circuit at the front end of the sense amplifier; And (2) a circuit or the like for compensating for the deviation between VD and VD '. Although a flip-flop amplifier is used in this embodiment, other amplification circuits, for example, current mirror amplifiers, can be used for the sense amplifiers.

도 37은 본 실시예에 따른 자기 메모리 셀 어레이의 전체 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 메모리 셀 어레이는 2차원으로 배열된 메모리 셀; 이들 메모리 셀에 접속된 데이터 라인 그룹; 워드 라인 그룹; 및 메모리 셀에 인접하여 교차하는 기입 라인 그룹을 포함한다. 한 쌍의 기입 라인 RWL 및 CWL은 열 디코더 및 행 디코더에 접속되어, 외부 어드레스 입력에 대응하는 선택적인 기입을 가능하게 한다.37 is a diagram schematically showing the overall configuration of the magnetic memory cell array according to the present embodiment. The memory cell array includes memory cells arranged in two dimensions; A data line group connected to these memory cells; Word line groups; And a write line group crossing adjacent to the memory cell. The pair of write lines RWL and CWL are connected to the column decoder and the row decoder to enable selective writing corresponding to the external address input.

한편, 데이터 라인쌍 DL 및/DL을 구동시키기 위한 워드 라인 DWL과 이들 워드 라인에 직교하는 셀 선택 트랜지스터를 구동시키기 위한 워드 라인 WL은 각각 열 디코더와 행 디코더에 접속되어, 외부 어드레스 입력에 대응하는 선택적인 판독을 가능하게 한다. 감지 증폭기 SA는 각각의 데이터 라인 쌍에 제공되고, 공통 워드 라인 SS에 의해 구동된다. 다음에, 판독 데이터는 공통 데이터 라인 D를 통해 판독된다.On the other hand, the word line DWL for driving the data line pair DL and / DL and the word line WL for driving the cell select transistor orthogonal to these word lines are connected to the column decoder and the row decoder, respectively, to correspond to the external address input. Enable selective reading. A sense amplifier SA is provided for each pair of data lines and is driven by a common word line SS. Next, the read data is read through the common data line D.

이러한 방식으로, 본 실시예에서는, 하나의 메모리 셀(예를 들어, 201)은 2개의 TMR 소자(예를 들어, 11 및 12)에 의해 제조되고, 메모리 셀은 서로 평행하게 배치된 기입 라인(51a 및 51b)의 각각과 이들 기입 라인에 직교하는 기입 라인(52) 사이의 교차부에 각각 배치된다. 그러므로, 기입 라인(51a 및 51b) 및 기입 라인(52)에 전류가 공급되어, 데이터가 임의의 메모리 셀에 선택적으로 기입될 수 있다.In this manner, in this embodiment, one memory cell (e.g., 201) is manufactured by two TMR elements (e.g., 11 and 12), and the memory cell is formed of write lines (parallel to each other). Disposed at the intersection between each of 51a and 51b and the write line 52 orthogonal to these write lines. Therefore, current is supplied to the write lines 51a and 51b and the write line 52 so that data can be selectively written to any memory cell.

기입 라인(51a 및 51b)을 통해 흐르는 전류의 방향은 서로 반대이고, 하나의 메모리 셀(201)을 구성하는 2개의 TMR 소자(11 및 12)의 기록 영역(101)의 자화 방양은 서로 반평행이다. 그러므로, 저장 정보 판독 동작 중에, TMR 소자(11 및 12)의 출력들간의 차이가 얻어져서, 종래 기술의 것보다 큰 차동 신호가 얻어질 수 있다. 또한, TNR 소자(11 및 12)는 동일한 셀 선택 트랜지스터(32)를 공유하여, 트랜지스터 특성의 편차에 의해 발생된 출력 신호의 오프셋을 완전히 제거하는 것이 가능하다.The directions of the currents flowing through the write lines 51a and 51b are opposite to each other, and the magnetization patterns of the recording regions 101 of the two TMR elements 11 and 12 constituting one memory cell 201 are antiparallel to each other. to be. Therefore, during the storage information reading operation, the difference between the outputs of the TMR elements 11 and 12 is obtained so that a differential signal larger than that of the prior art can be obtained. In addition, the TNR elements 11 and 12 share the same cell select transistor 32, so that it is possible to completely eliminate the offset of the output signal caused by the variation of the transistor characteristics.

그러므로, 본 발명에 따르면, 판독 동작중의 셀 출력 신호가 증가될 수 있고, 신호-잡음비가 판독중에 전력 소비와 안정화 시간을 조금도 증가시키지 않고 개선될 수 있다. 그러므로, 저전력 소비가 신속한 판독 특성과 양립될 수 있다.Therefore, according to the present invention, the cell output signal during the read operation can be increased, and the signal-noise ratio can be improved without any increase in power consumption and stabilization time during reading. Therefore, low power consumption can be compatible with fast read characteristics.

위에 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 자기 메모리 셀 어레이 구조를 사용하면 정보 판독 중에 종래의 기술을 사용하는 것보다 상당히 높은 출력과 낮은 잡음을 달성할 수 있다. 그러므로, 저전력 소비와 신속한 판독 특성이 양립할 수 있는 고체 자기 메모리 장치가 제공될 수 있다.As described in detail above, the magnetic memory cell array structure of the present invention can achieve significantly higher output and lower noise than using conventional techniques during information reading. Therefore, a solid magnetic memory device in which low power consumption and fast read characteristics are compatible can be provided.

부가적인 장점 및 변형은 본 기술에 숙련된 자에게 용이하게 이루어질 것이다. 그러므로, 보다 넓은 범위에서의 본 발명은 본 명세서에 도시되고 설명된 특정한 상세 및 대표적 실시예들에 제한되지 않는다. 따라서, 다양한 변형이 첨부된 특허청구범위 및 그에 준하는 것에 정의된 일반적 발명 개념을 벗어나지 않고서 이루어질 수 있다.Additional advantages and modifications will be readily apparent to those skilled in the art. Therefore, the invention in its broader scope is not limited to the specific details and representative embodiments shown and described herein. Accordingly, various modifications may be made without departing from the general inventive concept as defined in the appended claims and their equivalents.

Claims (33)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 자기 메모리 장치에 있어서,In a magnetic memory device, 고정된 자화 방향을 갖는 제1 고착층(121), 상기 제1 고착층 상에 중첩된 제1 터널 장벽(122), 상기 제1 터널 장벽(122) 상에 중첩되고 외부 자계에 따라 자화 방향이 변화하는 제1 자기층(123), 상기 외부 자계에 따라 자화 방향이 변화하는 제2 자기층(125), 및 자신들의 자기 모멘트들의 방향들이 실질적으로 서로 반평행한 상태의 상기 제1 및 제2 자기층들 사이에 삽입된 비자성 도전층(124)으로 구성된 적층,The first anchoring layer 121 having a fixed magnetization direction, the first tunnel barrier 122 overlapping the first anchoring layer, and the magnetization direction are superimposed on the first tunnel barrier 122 and according to an external magnetic field. The first and second magnetic layers 123 that are changing, the second magnetic layers 125 whose magnetization directions change according to the external magnetic field, and the first and second states in which their magnetic moments are substantially antiparallel to each other. A laminate composed of a nonmagnetic conductive layer 124 inserted between magnetic layers, 상기 제2 자기층(125) 상에 중첩된 제2 터널 장벽(126), 및A second tunnel barrier 126 superimposed on the second magnetic layer 125, and 상기 제2 터널 장벽(126) 상에 중첩된 제2 고착층(127)Second fixing layer 127 overlying the second tunnel barrier 126. 을 포함하는 터널 접합부;Tunnel junction comprising a; 상기 제1 자기층(123), 상기 비자기 도전층(124), 및 상기 제2 자기층(125) 중의 적어도 하나에 전기적으로 접속된 반도체 소자(114); 및A semiconductor device 114 electrically connected to at least one of the first magnetic layer 123, the nonmagnetic conductive layer 124, and the second magnetic layer 125; And 상기 제1 자기층(123)과 상기 제1 고착층(121)을 흐르는 제1 터널 전류와 상기 제2 자기층(125)과 상기 제2 고착층(127)을 흐르는 제2 터널 전류 사이의 전류 차, 또는 부하 전압차를 차동 방식으로 검출하기 위한 검출 수단(117)Current between the first tunnel current flowing through the first magnetic layer 123 and the first fixing layer 121 and the second tunnel current flowing through the second magnetic layer 125 and the second fixing layer 127. Detecting means 117 for detecting a difference or a load voltage difference in a differential manner 을 포함하는 자기 메모리 장치.Magnetic memory device comprising a. 제27항에 있어서,The method of claim 27, 상기 반도체 소자(114)를 통해 상기 제1 자기층(123), 상기 비자기 도전층(124) 및 상기 제2 자기층(125) 중의 적어도 하나에 전기적으로 접속된 비트 라인;A bit line electrically connected to at least one of the first magnetic layer 123, the nonmagnetic conductive layer 124, and the second magnetic layer 125 through the semiconductor device 114; 상기 제1 고착층(121)에 전기적으로 접속된 제1 데이터 라인(113); 및A first data line (113) electrically connected to the first fixing layer (121); And 상기 제2 고착층(127)에 전기적으로 접속된 제2 데이터 라인(112)A second data line 112 electrically connected to the second fixing layer 127. 을 더 포함하는 자기 메모리 장치.Magnetic memory device further comprising. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 반도체 소자는 트랜지스터(114) 또는 다이오드를 포함하는 자기 메모리 장치.29. The magnetic memory device of claim 27 or 28, wherein the semiconductor device comprises a transistor (114) or a diode. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 검출 수단은 감지 증폭기(117) 및 자신을 통해 상기 감지 증폭기가 상기 데이타 라인(113)에 접속되는 트랜지스터(133)를 포함하는 자기 메모리 장치.29. A magnetic memory device according to claim 27 or 28, wherein the detection means comprises a sense amplifier (117) and a transistor (133) through which the sense amplifier is connected to the data line (113). 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자기층(123,125)은 서로 그 두께가 다른 자기 메모리 장치.29. The magnetic memory device of claim 27 or 28, wherein the first and second magnetic layers (123, 125) are different in thickness from one another. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자기층(123,125)은 높은 자기저항 비(magnetoresistance ratio)를 갖는 자성 재료로 구성되는 자기 메모리 장치.29. The magnetic memory device of claim 27 or 28, wherein the first and second magnetic layers (123, 125) are made of a magnetic material having a high magnetoresistance ratio. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 제1 자기층(123)은 상기 제2 자기층(125)에 반강자성(anti-ferromagnetically) 결합된 자기 메모리 장치.29. The magnetic memory device of claim 27 or 28, wherein the first magnetic layer (123) is anti-ferromagnetically coupled to the second magnetic layer (125).
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