KR100444014B1 - 고속용비휘발성메모리및데이터기록/재생방법 - Google Patents

고속용비휘발성메모리및데이터기록/재생방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속용 비휘발성 메모리 및 데이터 기록/재생 방법에 관한 것으로서, 특히 복수 개의 단위 셀을 구비하는 비휘발성 메모리의 각 단위 셀은 재생용 비트라인과 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 재생용 트랜지스터; 기록용 비트라인과 상기 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 기록용 트랜지스터; 상기 재생용 트랜지스터의 출력단자와 연결되는 자기 저항소자; 상기 기록용 트랜지스터와 접지사이에 연결되며 상기 자기 저항소자에 인접하게 배치된 전선; 및 상기 자기 저항소자로부터 출력된 신호와 기준신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 증폭기를 구비하는 것을 특징으로한다. 따라서, 본 발명은 휘발성 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM)의 데이터 기록 및 재생 동작을 대신할 수 있는 비휘발성 특성을 가진 자기저항 소자를 구비하므로서, 소비 전력을 줄일 수 있으며 또한, 상기 자기 저항소자의 자기 저항효과에 의해 데이터 처리 속도가 고속화된다.

Description

고속용 비휘발성 메모리 및 데이터 기록/재생 방법
본 발명은 비휘발성 메모리에 관한 것으로서, 특히 자기 저항소자를 구비하여 고속으로 메모리 셀에 데이터를 기록 및 재생시킬 수 있는 고속용 비휘발성 메모리 및 데이터 기록/재생 방법에 관한 것이다.
종래의 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM)는 1개의 트랜지스터와 1개의 커패시터를 구비하여 상기 커패시터에 정보를 축적하는 방식으로 데이터의 기록이 가능하기 때문에 대용량화, 고집적화 및 저가격화의 장점을 가지고 있다. 그러나, 상기 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM)는 스태틱 랜덤 액세스 메모리(SRAM)와는 다르게 상기 커패시터에 저장된 정보를 누설 전류에 의해 상실된다는 결점이 있기 때문에 주기적으로 리프레시 동작을 수행해야 한다. 이에 따라 상기 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM)는 상기 커패시터에 저장된 정보의 손실을 방지하기 위하여 전력을 주기적으로 상기 커패시터에 공급해야만 하므로 소비되는 전력량이 크다.
따라서, 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM)의 여러 장점에도 불구하고, 휘발성 메모리 특성으로 인하여 메모리 크기가 커질 경우 전력 소비량도 증가되는 단점으로 인해 디바이스 특성이 나빠지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM)의 데이터 기록 및 재생 동작을 대신할 수 있도록 스핀 밸브, GMR( Giant Magneto Resistance) 및 AMR(Anisotropy Magneto Resistance) 등의 자기저항 소자를 구비하므로서, 상기 자기 저항소자의 자기 저항효과에 의해 데이터 처리를 고속화시킬 수 있으며 소비 전력을 줄일 수 있는 고속용 비휘발성 메모리 및 데이터 기록/재생 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 복수 개의 단위 셀을 구비하는 비휘발성 메모리에 있어서, 상기 단위 셀은 재생용 비트라인과 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 재생용 트랜지스터; 기록용 비트라인과 상기 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 기록용 트랜지스터; 상기 재생용 트랜지스터의 출력단자와 연결되는 자기 저항소자; 상기 기록용 트랜지스터와 접지사이에 연결되며 상기 자기 저항소자에 인접하게 배치되어 상기 자기 저항소자에 유도 자기장을 발생시키기 위한 전선; 및 상기 자기 저항소자로부터 출력된 신호와 기준신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 증폭기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고속용 비휘발성 메모리의 데이터 기록 방법은 상기 워드라인의 구동신호에 따라 상기 기록용 트랜지스터가 턴온될 경우 선택된 기록용 비트라인으로부터 상기 전선에 흐르는 전류에 의해 해당 셀 내의 자기 저항소자는 유도 자기장이 발생되어 상기 자기 저항소자의 자화 방향을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고속용 비휘발성 메모리의 데이터 재생 방법은 상기 워드라인의 구동신호에 따라 상기 재생용 트랜지스터가 턴온될 경우 재생용 비트라인에 흐르는 전류에 의해 상기 해당 셀 내의 자기 저항소자이 변화하는 자기 저항을 검출한 후, 검출된 신호를 증폭기로 입력하여 기준신호와 비교한 후에 그 차를 출력하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고속용 비휘발성 메모리를 나타낸 회로도.
도 2는 상기 도 1에 도시된 단위 셀의 수직 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 재생용 트랜지스터 20:기록용 트랜지스터
30: 전선 40: 자기 저항소자
50: 증폭기
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고속용 비휘발성 메모리를 나타낸 회로도의 일 실시예로서, 상기 비휘발성 메모리의 단위 셀은 재생용 비트라인(B/Lr)과 워드라인(W/L)에 연결되고 상기 워드라인(W/L)의 제어신호에 응답하여 턴온되는 재생용 트랜지스터(10)와, 기록용 비트라인(B/Lw)과 상기 워드라인(W/L)에 연결되고 상기 워드라인(W/L)의 제어신호에 응답하여 턴온되는 기록용 트랜지스터(20)와, 상기 기록용 트랜지스터(20)의 일측과 접지사이에 연결된 전선(30)과, 상기 재생용 트랜지스터(10)의 출력단자와 연결되고 상기 전선(30)에 흐르는 전류에 따라 유도 자기장이 발생되어 전기저항이 변화하는 자기 저항소자(40) 및 상기 자기 저항소자(40)로부터 출력된 신호와 기준신호(Vref)를 비교하여 그 차를 증폭하는 증폭기(50)로 구성된다.
또한, 상기 자기 저항소자(40)는 소자 내 강자성체층(42)과, 상기 강자성체층(42)과 대칭적 위치에 형성된 연자성체층(46)과, 상기 강자성체층(42) 및 상기 연자성체층(46) 사이에 형성된 도전층(44)으로 구성된다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 단위 셀의 수직 단면도로서, 반도체 기판(2) 내 에 재생용 트랜지스터(Trr)의 게이트(12), 소스(14) 및 드레인(16)이 형성되고, 상기 게이트(12) 상부에 워드라인(W/L)이 형성되고, 상기 소스(14) 상부에 재생용 비트라인(B/Lr)이 형성되고, 상기 반도체 기판(2) 내에 기록용 트랜지스터(Trw)의 게이트(22), 소스(24) 및 드레인(26)이 형성되고, 상기 게이트(22) 상부에 워드라인(W/L)이 형성되고, 상기 드레인(26) 상부에 기록용 비트라인(B/Lw)이 형성되고, 상기 재생용 트랜지스터(Trr)의 드레인(16) 상부에 자기 저항소자(40)가 형성되고, 상기 자기 저항소자(40)에 증폭기(50)를 연결하기 위한 배선층(60)이 형성되고, 상기 기록용 트랜지스터(Trw)의 소스(24)로부터 접지(GND)를 연결하기 위한 전선(30)이 형성된다.
본 발명에 따른 고속용 비휘발성 메모리의 데이터 기록 및 재생 과정은 상기도 1 내지 도 2를 참조하여 설명하고자 한다.
소정 위치의 메모리 셀에 데이터를 기록할 경우 선택된 워드라인(W/L)으로부터 하이레벨의 구동신호가 입력되어 해당 기록용 트랜지스터(20)를 턴온시킨다. 그와 동시에 기록용 비트라인(B/L)으로부터 인가되는 소정 전류는 상기 기록용 트랜지스터(20)를 통해 전선(30)을 거쳐 접지로 흐른다. 이때, 도 1에서 보듯이 상기 전선(30)은 상기 자기 저항소자(40)에 인접하게 배치되어 있으므로 상기 전선(30)에 흐르는 전류(Iwrite)는 상기 자기 저항소자(40)에 유도 자기장을 발생시킨다. 여기서, 상기 유도 자기장은
Figure pat00001
이고, 이때 r은 상기 전선(30) 중심에서부터 자기 저항소자의 바깥 부분까지의 거리를 나타낸다. 그리고, Iwrite는 상기 자기 저항소자(40) 내 연자성체의 자화 방향을 변화시킬 수 있도록 상기 전선(30)과 상기 자기 저항소자(40)간의 거리에 따라 결정된다.
이로 인해 상기 자기 저항소자(40)는 상기 전선(30)에 흐르는 전류(Iwrite)의 전류 방향에 따라 상기 강자성체층(42) 및 연자성체층(46)의 자화 방향을 변화시킨다. 즉, 상기 전선(30)에 흐르는 전류(Iwrite)에 의해 상기 강자성체층(42)의 자화 방향이 고정되어 있다가 상기 전류(Iwrite) 방향이 바뀌게 될 경우 상기 연자성체층(46)의 자화 방향이 바뀌게 된다. 그러므로, 상기 자기 저항소자(40)는 상기 강자성체층(42)과 연자성체층(46)의 자화 방향이 평행 또는 반평행으로 배열되어 있는가에 따라 데이터를 0 또는 1로 기록시키기 때문에 전원이 상기 메모리에공급되지 않더라도 기록된 데이터는 계속 유지된다. 또한, 상기 전선(30)에 흐르는 전류의 방향이 바뀜에 따라 상기 자기 저항 소자(40)에 0 또는 1의 데이터가 기록되는 데이터 처리속도는 종래의 디램에서 커패시터의 전하 충전에 따른 수백 Mbyte/sec에 비해, 시간 의존적(time-dependent) 성질을 갖는 강자기 공명현상(ferromagnetic resonance)의 극한 범위인 약 1Gbyte/sec 정도까지 향상될 수 있다.
따라서, 평행 또는 반평행한 상태의 배열을 갖는 상기 자화방향이 서로 반전되는 자화반전을 수 나노초(nsec)로 빠르게 할 수 있기 때문에 본 발명에 따른 고속용 비휘발성 메모리는 종래의 수십 나노초(예컨대 약 50nsec)의 처리속도를 갖는 디램에 비해 데이터 처리를 고속화시킬 수 있다.
한편, 소정 위치의 메모리 셀에 기록된 데이터를 재생시킬 경우 선택된 워드라인(W/L)으로부터 하이레벨의 구동신호가 입력되어 재생용 트랜지스터(10)를 턴온시키고, 그와 동시에 선택된 재생용 비트라인(B/Lr)으로부터 인가되는 재생 전류가 상기 재생용 트랜지스터(10)에 의해 상기 자기 저항소자(40)로 입력된다. 상기 자기 저항소자(40)는 재생 전류를 입력받아 기록된 데이터에 따라 변화되는 자기 저항값이 검출되도록 하고, 그 값을 출력전압으로 상기 증폭기(50)에 입력되도록 한다. 이때, 선택된 워드라인(W/L)의 구동신호에 의해 선택 상기 워드라인(W/L)과 연결된 복수 개의 트랜지스터가 모두 턴온되지만 상기 선택된 기록용 비트라인(B/Lr)에만 재생 전류가 흐르기 때문에 선택된 메모리 셀을 제외한 다른 메모리 셀에 기록된 데이터는 영향을 미치지 않고 데이터가 재생된다.
이에 따라 상기 증폭기(50)는 상기 자기 저항소자(40)의 출력전압과 기준전압(Vref)을 비교하여 전압차가 작을 경우 기록된 데이터를 1로 출력하고, 전압차가 클 경우 기록된 데이터를 0으로 출력한다.
따라서, 본 발명에 따른 고속용 비휘발성 메모리는 재생 전류를 상기 자기 저항소자(40)에 입력하여 자기 저항값을 직접적으로 측정하여 데이터를 출력할 수 있지만, 종래의 디램에서 커패시터에 저장된 전하량에 출력에 따라 외부로부터 인가되는 전류 또는 전압을 간접적으로 측정하여 데이터를 출력할 수 있기 때문에 본 발명에 따른 고속용 비휘발성 메모리는 종래의 디램에 비해 데이터 처리를 고속화시킬 수 있다.
그러므로, 본 발명은 휘발성 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 대신에 기록용 및 재생용 트랜지스터 2개와 자기 저항소자를 1개 구비하므로서 상기 자기 저항소자에 의해 비휘발성 메모리 특성을 가진다.
본 발명은 휘발성 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM)의 데이터 기록 및 재생 동작을 대신할 수 있는 비휘발성 특성을 가진 자기저항 소자를 구비하므로서, 소비 전력을 줄일 수 있으며 또한, 상기 자기 저항소자의 자기 저항효과에 의해 디램에 비해 데이터 처리속도가 고속화되는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 복수 개의 단위 셀을 구비하는 비휘발성 메모리에 있어서, 상기 단위 셀은 재생용 비트라인과 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 재생용 트랜지스터;
    기록용 비트라인과 상기 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 기록용 트랜지스터;
    상기 재생용 트랜지스터의 출력단자와 연결되는 자기 저항소자;
    상기 기록용 트랜지스터와 접지사이에 연결되며 상기 자기 저항소자에 인접하게 배치되어 상기 자기 저항소자에 유도 자기장을 발생시키기 위한 전선; 및
    상기 자기 저항소자로부터 출력된 신호와 기준신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 증폭기를 구비하는 것을 특징으로 하는 고속용 비휘발성 메모리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 저항소자는 적층된 복수 개의 자성체 박막을 구비하는 것을 특징으로 하는 고속용 비휘발성 메모리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 저항소자는 연자성체층, 도전층 및 강자성체를 구비하는 것을 특징으로 하는 고속용 비휘발성 메모리.
  4. 재생용 비트라인과 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 재생용 트랜지스터; 기록용 비트라인과 상기 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 기록용 트랜지스터; 상기 재생용 트랜지스터의 출력단자와 연결되는 자기 저항소자; 상기 기록용 트랜지스터의 일측과 접지사이에 연결되며 상기 자기 저항소자에 인접하게 배치된 전선; 및 상기 자기 저항소자로부터 출력된 신호와 기준신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 증폭기를 구비하는 고속용 비휘발성 메모리에 있어서, 데이터 기록 방법은 상기 워드라인의 구동신호에 응답하여 상기 기록용 트랜지스터가 턴온되어 선택된 기록용 비트라인으로부터 인가된 전류를 전선에 의해 선택 셀의 자기 저항소자에 유도 자기장을 발생하여 상기 자기 저항소자의 자화 방향을 변화시키는 것을 특징으로 하는 고속용 비휘발성 메모리의 데이터 기록 방법.
  5. 재생용 비트라인과 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 재생용 트랜지스터; 기록용 비트라인과 상기 워드라인에 연결되며 상기 워드라인의 제어신호에 응답하여 턴온되는 기록용 트랜지스터; 상기 재생용 트랜지스터의 출력단자와 연결되는 자기 저항소자; 상기 기록용 트랜지스터의 일측과 접지사이에 연결되며 상기 자기 저항소자에 인접하게 배치된 전선; 및 상기 자기 저항소자로부터 출력된 신호와 기준신호를 비교하여 그 차를 증폭하는 증폭기를 구비하는 고속용 비휘발성 메모리에 있어서, 데이터 재생 방법은 재생용 비트라인에 흐르는 전류에 의해 선택된 상기 자기 저항소자의 자기 저항을 검출한 후, 검출된 신호를 증폭기로 입력하여 기준신호와 비교한 후에 그 차를 출력하는 것을 특징으로 하는 고속용 비휘발성 메모리의 데이터 재생 방법.
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