KR100506065B1 - 자화 홀 감지 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이 - Google Patents

자화 홀 감지 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자화 홀 감지 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이에 관한 것으로, 각각 다른 주변물질의 성분종류 및 성분크기에 따라 상이한 자화율을 센싱하여 주변물질의 성분을 전기적 성분으로 분리 및 분석하도록 하는 기술을 개시한다.
본 발명의 센싱 셀 어레이는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 소자 또는 GMR(Giant Magneto Resistance) 소자와, 전류라인과, 가변 강자성층 및 스위칭 소자를 구비하는 자화 홀 감지 센서를 바이오 센서 칩에 복수개의 로오 및 컬럼 형태를 갖는 센싱 셀 어레이로 배치하여, 각각 다른 특성을 띠는 주변물질의 성분 및 성분의 크기에 따라 상이한 자화율을 센싱하여 전기적 성분으로 분리 및 분석한다.

Description

자화 홀 감지 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이{Magnetic hole detecting sensor and sensing cell array using the same}
본 발명은 자화 홀 감지 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이에 관한 것으로, 각각 다른 주변물질의 성분종류 및 성분크기에 따라 상이한 자화율을 센싱하여 주변물질의 성분을 전기적 성분으로 분리 및 분석하도록 하는 기술이다.
현재 대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로서, 강자성체 물질을 이용하고 있으며, 특히, MTJ(Magnetic Tunnel Junction;자기 터널 접합) 소자, GMR(Giant Magneto Resistance;거대 자기 저항) 소자 등을 개발하고 있다.
MTJ 소자는 스핀 자기투과(MTJ) 현상을 이용하는 것으로, 절연층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우가 스핀 방향이 다른 경우보다 전류 투과가 훨씬 잘 일어난다는 원리를 적용한 것이다.
GMR 소자는 거대자기 저항(GMR) 현상을 이용하는 것으로, 비자성층을 사이에 둔 두 자성층에서의 스핀방향이 다른 경우가, 스핀방향이 같은 경우보다 저항이 크게 달라지는 원리를 적용한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 MTJ 소자의 동작 원리를 나타낸다.
MTJ 소자는 가변 강자성층(Free magnetic layer;1), 터널 접합층(Tunnel junction layer;2) 및 고정 강자성층(Fixed magnetic layer;3)으로 형성된다.
MTJ 소자는 고정 강자성층(3)의 자력선이 주변 물질을 통해 가변 강자성층(1)으로 전달될 때 중간 주변 물질마다 자화율이 다름을 이용하여 서로 다른 자속밀도의 값을 얻을 수 있게 된다.
즉, 자속밀도 B=uH(여기서, u;자화율,H;자속)으로 표현되는데 자화율 u에 따라 각각 다른 자속밀도 B의 값을 얻을 수 있다.
여기서, 도 1a에서와 같이 고정 강자성층(3)과 가변 강자성층(1)의 사이에 큰 자화율 u을 갖는 물질이 존재하면 가변 강자성층(1)의 자속밀도 B는 큰 값을 갖게 된다. 반면에, 도 1b에서와 같이 고정 강자성층(3)과 가변 강자성층(1)의 사이에 작은 자화율 u을 갖는 물질이 존재하면 가변 강자성층(1)의 자속밀도 B는 작은 값을 갖게 된다.
따라서, 고정 강자성층(3)과 가변 강자성층(1)의 사이에 구비된 주변물질의 자화율 u에 따라 각각 다른 자기 저항의 값을 얻을 수 있게 된다.
도 2는 주변물질의 성분에 따른 자화율 분류 특성 분석표를 나타낸다.
자화상수 u는 주변물질의 성분 종류에 따라 각각 다른 특성을 나타내고, 주변물질의 성분 크기에 따라 각각 다른 특성을 나타냄을 알 수 있다.
한편, 사람의 질병을 검진하기 위해서 혈액 속의 성분을 분석하는 센싱 방법, 혼합물 성분을 분석하는 센싱 방법 또는 피부 인식을 위한 센싱 방법이 이용된다. 하지만, 상술된 센싱 방법들은 주로 물리적 분석방법이나 화학적인 성분 분석 방법에 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 테스트를 위하여 많은 장비 및 비용이 필요할 뿐만 아니라, 테스트를 위한 시간이 오래 걸리게 되어 단시간 안에 다양한 주변 물질의 성분을 분석할 수 없게 되는 문제점이 있다.
따라서, 단시간에 다양한 주변물질의 성분을 분석하기 위하여 상술된 자기저항 센서를 이용하여 주변 물질의 성분을 정량적으로 분석하는 방법의 필요성이 점점 커지게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 각각 다른 주변물질의 성분종류 및 성분크기에 따라 상이한 자화율을 센싱하여 주변물질의 성분을 전기적 성분으로 분석할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자화 홀 감지 센서는, 제 1가변 강자성층과, 터널 접합층 및 고정 강자성층으로 형성된 MTJ 소자와, 제 1가변 강자성층과 같은 자속 방향을 갖고, 제 1가변 강자성층과 일정 간격을 유지하는 제 2가변 강자성층과, 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층의 하부에 형성되어, 자기장을 유도하기 위한 전류가 인가되는 전류라인 및 전류라인의 하부에 형성되고, MTJ 소자에서 센싱된 전류를 센스 비트라인으로 출력하는 스위칭 소자를 구비하여, 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층의 사이에 형성되는 센싱 홀에 노출된 주변물질의 자화율에 따라, 스위칭 소자를 통해 출력되는 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자화 홀 감지 센서는, 제 1가변 강자성층과, 센싱 전도층 및 고정 강자성층으로 형성된 GMR 소자와, 제 1가변 강자성층과 같은 자속 방향을 갖고, 제 1가변 강자성층과 일정 간격을 유지하는 제 2가변 강자성층과, 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층의 하부에 형성되어, 자기장을 유도하기 위한 전류가 인가되는 전류라인 및 전류라인의 하부에 형성되고, GMR 소자에서 센싱된 전류를 센스 비트라인으로 출력하는 스위칭 소자를 구비하여, 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층의 사이에 형성되는 센싱 홀에 노출된 주변물질의 자화율에 따라, 스위칭 소자를 통해 출력되는 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이는, 각각 평행하게 배치되는 복수개의 포싱 워드라인, 복수개의 센스 워드라인 및 복수개의 워드라인과, 복수개의 포싱 워드라인, 복수개의 센스 워드라인 및 복수개의 워드라인과 수직으로 교차되어 배치되는 복수개의 센스 비트라인과, 복수개의 포싱 워드라인, 복수개의 센스 워드라인, 복수개의 워드라인 및 복수개의 센스 비트라인 사이에 연결되어, 두 가변 강자성층의 사이에 형성되는 센싱홀에 노출된 주변 물질에 따라 각각 서로 다른 자화율을 센싱하는 복수개의 자화 홀 감지 센서 및 복수개의 센스 비트라인에 연결된 복수개의 센스앰프를 구비함을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 개념도를 나타낸다.
먼저, 복수개의 자화 홀 감지 센서를 N개의 컬럼과 M개의 로오로 이루어진 센싱 셀 어레이에 배치하고, 센싱 셀 어레이로 이루어진 바이오 센서 칩을 패키지 혹은 웨이퍼 레벨에서 준비한다.
그리고, 주변 물질로 이루어진 성분 측정 데이타들을 각각의 자화 홀 감지 센서에 노출시킨다. 이후에, 자화 홀 감지 센서의 셀 어레이에서 각각의 성분 측정 데이타들을 측정하고, 혈액 성분 분석 수단을 이용하여 측정된 주변물질의 성분을 전기적으로 분석한다. 여기서, 주변 물질로써는 혈액, 가스 또는 기타 용액이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 혈액 성분을 그 실시예로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 센싱 셀 어레이의 패키지 및 센싱 시스템의 구성도를 나타낸다.
센싱 시스템은 센싱된 혈액의 성분을 분석하는 혈액성분 분석 수단(9)과, 자화 홀 감지 센서(5)를 탑제한 센싱 패키지(6)를 포함한다. 센싱 패키지(6)는 연결 리드(lead)(7)를 통해 혈액성분 분석 수단(9) 위에 장착된 연결 보드(Board)(8) 위에 위치하도록 연결된다. 또한, 센싱 패키지(6) 내의 자화 홀 감지 센서(5)는 연결선(4)을 통해 연결 리드(7)와 연결된다.
따라서, 자화 홀 감지 센서(5)로부터 센싱된 주변물질의 성분 데이타가 연결 리드(7) 및 연결 보드(8)를 통해 혈액 성분 분석 수단(9)으로 출력되고, 혈액 성분 분석 수단(9)은 측정된 주변물질의 성분 데이타를 전기적 성분으로 분리하여 주변물질의 성분을 정량적으로 분석할 수 있게 된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서의 기본적인 구성을 나타낸다.
본 발명은 유도 자기장을 생성하기 위한 전류가 인가되는 전류라인(10)과, 전류라인(10)상부 일측에 형성된 가변 강자성층(11)과, 전류라인(10)의 상부 다른 일측에 형성된 MTJ소자(또는 GMR소자)(15)를 구비한다.
여기서, MTJ 소자(15)는 가변 강자성층(12), 터널 접합층(13) 및 고정 강자성층(14)을 구비한다.
따라서, 전류라인(10)에 일정전류가 인가될 경우 가변 강자성층(11,12)과 두 가변 강자성층(11,12) 사이의 형성된 주변물질을 통해 전류라인(10) 주변에 유도 자기장이 형성된다.
만약, 도 5a와 같이 두 가변 강자성층(11,12) 사이에 큰 자화율 물질이 존재할 경우 가변 강자성층(11,12)의 자속밀도가 크기 때문에 유도 자기장의 크기가 크게 나타난다. 반면에, 도 5b에서와 같이 두 가변 강자성층(11,12) 사이에 작은 자화율 물질이 존재할 경우 가변 강자성층(11,12)의 자속밀도가 작기 때문에 유도 자기장의 크기가 작게 나타난다.
따라서, MTJ소자(또는 GMR소자)(15)의 가변 강자성층(12)의 자력선에서 중간 주변물질의 자화율이 주변물질의 성분에 따라 서로 다름을 이용하여 자기 저항의 변화값을 얻을 수 있게 된다.
도 6a 및 도 6b는 MTJ 소자를 이용한 본 발명의 자화 홀 감지 센서의 단면 및 평면 구성도이다.
본 발명은 하나의 스위칭 소자와, MTJ소자(15)의 가변 강자성층(12)에 자기장을 유도하기 위하여 포싱 워드라인 전류가 인가되는 전류라인(10)과, 가변 강자성층(11) 및 하나의 MTJ소자(15)를 구비한다. 여기서, MTJ 소자(15)는 가변 강자성층(12), 터널 접합층(13) 및 고정 강자성층(14)을 구비하고, 가변 강자성층(12)의 하부에는 베리어 도전층(16)이 형성된다.
그리고, MTJ 소자(15)의 고정 강자성층(14) 상부에는 센스 워드라인(17)이 형성되고, 모든 소자들은 옥사이드 보호층(19)에 의해 절연된다. 또한, 가변 강자성층(11)과 MTJ 소자(15)의 사이에는 임의의 규격을 갖는 센싱 홀(19)이 형성되고, 센싱 홀(19)에 센싱하고자 하는 주변 물질의 성분이 노출되도록 한다.
스위칭 소자는 NMOS트랜지스터로 이루어지는데, NMOS트랜지스터의 한쪽 드레인 단자(20)는 콘택라인(23)을 통해 센스 비트라인(26)에 연결된다. NMOS트랜지스터의 게이트 단자(22)는 워드라인(25)과 연결되며, 소스 단자(21)는 콘택라인(24)을 통해 MTJ 소자(15)의 하부에 형성된 베리어 도전층(16)과 연결된다.
도 7은 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서의 센싱 홀(19) 유형을 설명하기 위한 도면이다.
센싱 홀(19)은 가변 강자성층(11)과 MTJ소자(15)의 가변 강자성층(12)의 거리 d에 따른 변수를 횡방향으로 설정하고, 두 가변 강자성층(11,12)의 면적에 따른 변수를 종방향으로 설정한다. 따라서, 두 가변 강자성층(11,12) 간의 거리에 따라 주변물질의 성분 크기를 분류할 수 있고, 두 가변 강자성층(11,12) 간의 면적에 따라 주변물질의 크기에 해당하는 성분들의 양을 정량적으로 분석할 수 있게 된다.
도 8a 및 도 8b는 MTJ 소자(15)를 이용한 자화 홀 감지 센서의 센싱 홀(19) 크기에 따른 자화율 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a에서와 같이 두 가변 강자성층(11,12) 사이의 거리가 가까운 경우, 센싱 홀(19)의 크기가 작기 때문에 주변물질(27)의 성분 크기가 센싱 홀(19)보다 큰 성분들은 센싱 홀(19) 안쪽으로 침투할 수 없다. 따라서, 센싱 홀(19)에 노출된 주변물질(27)의 자화상수 u를 센싱하여 작은 크기의 성분만 주변물질(27)의 특성으로 나타낼 수 있게 된다.
반면에, 도 8b와 같이 두 가변 강자성층(11,12) 사이의 거리가 먼 경우, 센싱 홀(19)의 크기가 크기 때문에 주변물질(27)의 성분 크기가 센싱 홀(19)보다 작은 성분들이 모두 센싱 홀(19) 안쪽으로 침투하게 된다. 따라서, 센싱 홀(19)에 노출된 주변물질(27)의 자화상수 u를 센싱하여, 크기가 큰 성분들도 주변물질(27)의 특성으로 나타낼 수 있게 된다.
한편, 도 9a 및 도 9b는 GMR 소자를 이용한 본 발명의 자화 홀 감지 센서의 단면 및 평면 구성도이다.
본 발명은 하나의 스위칭 소자와, GMR(35)의 가변 강자성층(32)에 자기장을 유도하기 위하여 포싱 워드라인 전류가 인가되는 전류라인(30)과, 가변 강자성층(31) 및 하나의 GMR소자(35)를 구비한다. 여기서, GMR 소자(35)는 가변 강자성층(32), 센싱 전도층(33) 및 고정 강자성층(34)을 구비한다.
그리고, GMR 소자(35)의 고정 강자성층(34) 상부에는 센스 워드라인(36)이 형성되고, 모든 소자들은 옥사이드 보호층(37)에 의해 절연된다. 또한, 가변 강자성층(31)과 GMR 소자(35)의 사이에는 임의의 규격을 갖는 센싱 홀(38)이 형성되고, 센싱 홀(38)에 센싱하고자 하는 주변 물질의 성분이 노출되도록 한다.
스위칭 소자는 NMOS트랜지스터로 이루어지는데, NMOS트랜지스터의 한쪽 드레인 단자(39)는 콘택라인(42)을 통해 센스 비트라인(45)에 연결된다. NMOS트랜지스터의 게이트 단자(41)는 워드라인(44)과 연결되며, 소스 단자(40)는 콘택라인(43)을 통해 GMR 소자(35)의 센싱 전도층(33)과 연결된다.
도 10a 및 도 10b는 GMR 소자(35)를 이용한 자화 홀 감지 센서의 센싱 홀(38) 크기에 따른 자화율 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a에서와 같이 두 가변 강자성층(31,32) 사이의 거리가 가까운 경우, 센싱 홀(38)의 크기가 작기 때문에 주변물질(47)의 성분 크기가 센싱 홀(38)보다 큰 성분들은 센싱 홀(38) 안쪽으로 침투할 수 없다. 따라서, 센싱 홀(38)에 노출된 주변물질(47)의 자화상수 u를 센싱하여 작은 크기의 성분만 주변물질(38)의 특성으로 나타낼 수 있게 된다.
반면에, 도 10b와 같이 두 가변 강자성층(31,32) 사이의 거리가 먼 경우, 센싱 홀(38)의 크기가 크기 때문에 주변물질(47)의 성분 크기가 센싱 홀(38)보다 작은 성분들이 모두 센싱 홀(38) 안쪽으로 침투하게 된다. 따라서, 센싱 홀(38)에 노출된 주변물질(47)의 자화상수 u를 센싱하여, 크기가 큰 성분들도 주변물질(47)의 특성으로 나타낼 수 있게 된다.
도 11은 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이를 나타낸다.
자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이는 로오 방향으로 복수개의 포싱 워드라인 F_WL_1~F_WL_m과 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m 및 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m이 평행하게 배치된다. 그리고, 컬럼 방향으로는 복수개의 포싱 워드라인 F_WL_1~F_WL_m과 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m 및 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m과 수직으로 교차하여 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn이 배치된다.
서로 교차되는 복수개의 포싱 워드라인 F_WL_1~F_WL_m과 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m과 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m 및 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn 사이에는 복수개의 자화 홀 감지 센서(50)가 구비된다.
하나의 자화 홀 감지 센서(50)는 하나의 스위칭 소자 T와, 하나의 센서 S와, 자기장을 유도하기 위한 소스로써 하나의 전류라인 L을 구비한다. 여기서, 센서 S는 MTJ 소자 또는 GMR 소자로 이루어질 수 있다.
스위칭 소자 T의 드레인 단자는 센스 비트라인 S_BL과 연결되고, 소스 단자는 센서 S의 일단과 연결되며, 게이트 단자는 워드라인 WL과 연결된다. 그리고, 센서 S의 다른 일단은 센스 워드라인 S_WL과 연결된다.
포싱 워드라인 F_WL은 전류라인 L의 일단과 연결되고, 전류라인 L의 다른 일단에는 복수개의 전류 조정부 CC_1~CC_m가 각각 연결된다. 복수개의 전류 조정부 CC는 전류라인 L과 접지전압단 사이에 구비되어, 바이어스 전압에 의해 생성된 전류를 전류라인 L에 공급하여 전류라인에 유도 자기장을 생성한다.
또한, 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn은 이와 일대일 대응되는 복수개의 센스앰프 SA1~SAn와 연결된다. 복수개의 센스 앰프 SA1~SAn는 이와 대응되는 복수개의 기준전압 REF_1~REF_n 및 센스앰프 인에이블 신호 SEN가 입력되고, 센스 앰프 출력신호 SA_OUT가 출력된다. 여기서, 각각의 기준전압 REF_1~REF_n은 각각 서로 다른 기준전압 값을 갖는다.
즉, 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 각각의 컬럼들은 서로 다른 레벨의 기준전압 REF_1~REF_n에 의해 혈액 성분의 특성이 다양하게 분리 및 분석되도록 한다.
이러한 구성을 갖는 본 발명은, 워드라인 WL이 인에이블 되면 스위칭 소자 T가 턴온되어 센서 S에서 센싱된 자속밀도에 따라 상이한 전류값이 센스 비트라인 S_BL에 출력된다.
센스앰프 SA는 센스앰프 인에이블 신호 SEN에 따라 센스 비트라인 S_BL으로부터 인가되는 전류를 증폭하여 센스앰프 출력신호 SA_OUT를 출력한다. 그리고, 센스앰프 SA는 서로 다른 기준전압 REF에 따라 서로 다른 센스앰프 출력신호 SA_OUT를 출력한다.
따라서, 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 전체적인 각 로오와 각 컬럼들은 각각 다른 성분의 특성을 얻게 된다.
도 12는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 다른 실시예이다.
본 발명의 센싱 셀 어레이는 도 11의 구성에 비해 하나의 센스 비트라인 S_BL에 복수개의 센스앰프 SA1~SAm가 연결되는 것이 상이하다. 하나의 센스 비트라인 S_BL에 복수개의 센스앰프 SA1~SAm가 연결되고, 각각의 센스앰프 SA1~SAm에 이와 대응되는 복수개의 서로 다른 기준전압 REF_1~REF_m이 입력된다.
그리고, 복수개의 센스앰프 SA1~SAm에서 각각 출력되는 복수개의 센스앰프 출력신호 SA_OUT는 인코더(60,61)에 출력되어 주변 물질의 성분 분석을 위해 인코딩된다.
이상에서와 같이 센싱 셀 어레이의 각각의 센싱 출력값에 따라 도 13에서와 같이 자화 홀 감지 센서의 주변 물질의 성분 분석표를 얻을 수 있게 된다.
여기서, 복수개의 센스 워드라인 S_WL과 복수개의 센스 비트라인 S_BL 사이에 구비된 센싱 홀(19,38)은 그 크기에 따른 함수로 표현될 수 있다. 또한, 센스 비트라인 S_BL의 출력값과 서로 다른 기준전압 REF의 비교에 따라 주변물질의 성분이 각각 분리된다.
따라서, 전체 자화 홀 감지 센서의 센싱 셀 어레이는 주변 물질의 각각 다른 특성을 분리하여 분석할 수 있게 된다.
도 14는 본 발명의 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 리드 동작시 동작 타이밍도이다.
먼저, t1 구간의 진입시 워드라인 WL, 센스 워드라인 S_WL, 포싱 워드라인 F_WL, 센스 비트라인 S_BL 및 기준전압 REF이 활성화된다. 따라서, 센서 S로부터 센싱된 서로 다른 출력값은 센스 비트라인 S_BL을 통해 각각 센스앰프 SA에 출력된다.
이후에, t2 구간의 진입시 센스앰프 인에이블 신호 SEN가 활성화되면 센스앰프 SA에서 센싱된 서로 다른 출력값과 기준전압 REF를 각각 비교 및 증폭하여 센스앰프 출력신호 SA_OUT가 출력된다.
따라서, 혈액 성분 분석 수단은 센싱 셀 어레이로부터 출력된 각각의 센스앰프 출력신호 SA_OUT를 분석하여 주변 물질의 성분을 분석할 수 있게 된다.
다음에, t2 구간 이후에 t3 구간에 진입하면, 워드라인 WL, 센스 워드라인 S_WL, 포싱 워드라인 F_WL, 센스 비트라인 S_BL 및 기준전압 REF이 비활성화 되고, 센스 앰프 인에이블 신호 SEN가 디스에이블되어 동작을 멈추게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 센싱 셀 어레이를 통해 빠른 시간 안에 주변 물질의 다양한 성분을 동시에 분석할 수 있도록 한다. 즉, 바이오 센서, 혼합물 성분 분석 센서, 피부 인식 센서에 적용되어 다양한 주변 물질의 성분을 나노 세컨드의 시간 레벨에서 분석할 수 있게 된다.
또한, 센싱 셀 어레이의 칩 사이즈가 작기 때문에 테스트를 위한 샘플의 시료를 절약할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 MTJ 소자의 동작 원리는 나타낸 도면.
도 2는 주변물질의 성분에 따른 자화율 분류 특성 분석표.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이의 개념도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서의 구성도.
도 6a는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서의 단면 구성도.
도 6b는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서의 평면 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서의 센싱 홀 유형을 설명하기 위한 도면.
도 8a 및 도 8b는 MTJ를 이용한 본 발명의 자화 홀 감지 센서의 센싱 홀 크기에 따른 자화율 변화를 설명하기 위한 도면.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 10a 및 도 10b는 GMR을 이용한 본 발명의 자화 홀 감지 센서의 센싱 홀 크기에 따른 자화율 변화를 설명하기 위한 도면.
도 11 내지 도 12는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 실시예들을 도시한 도면.
도 13은 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서의 성분 분석표.
도 14는 본 발명에 따른 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 리드시 동작 타이밍도.

Claims (28)

  1. 제 1가변 강자성층과, 터널 접합층 및 고정 강자성층으로 형성된 MTJ 소자(15);
    상기 제 1가변 강자성층과 같은 자속 방향을 갖고, 상기 제 1가변 강자성층과 일정 간격을 유지하는 제 2가변 강자성층(11);
    상기 제 1가변 강자성층 및 상기 제 2가변 강자성층의 하부에 형성되어, 자기장을 유도하기 위한 전류가 인가되는 전류라인(10); 및
    상기 전류라인의 하부에 형성되고, 상기 MTJ 소자에서 센싱된 전류를 센스 비트라인으로 출력하는 스위칭 소자(20,21,22)를 구비하여,
    상기 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층의 사이에 형성되는 센싱 홀에 노출된 주변물질의 자화율에 따라, 상기 스위칭 소자를 통해 출력되는 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MTJ 소자의 상기 고정 강자성층 상부에 형성된 센스 워드라인; 및
    상기 제 1가변 강자성층의 하부에 형성된 베리어 도전층을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는
    상기 센스 비트라인과 연결된 드레인 단자;
    상기 베리어 도전층과 연결된 소스 단자; 및
    워드라인과 연결된 게이트 단자를 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 MTJ 소자, 상기 제 2가변 강자성층, 상기 전류라인, 상기 스위칭 소자 및 상기 센스 워드라인의 상부에 형성되어 소자들을 절연시키는 옥사이드 보호층을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1가변 강자성층과 제 2가변 강자성층 사이에 센싱 홀을 형성하여, 상기 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층 사이의 거리에 따라 상기 주변물질의 성분 크기를 분류하고, 상기 센싱 홀의 면적에 따라 상기 주변물질의 양을 분류함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  6. 제 1가변 강자성층과, 센싱 전도층 및 고정 강자성층으로 형성된 GMR 소자(35);
    상기 제 1가변 강자성층과 같은 자속 방향을 갖고, 상기 제 1가변 강자성층과 일정 간격을 유지하는 제 2가변 강자성층(31);
    상기 제 1가변 강자성층 및 상기 제 2가변 강자성층의 하부에 형성되어, 자기장을 유도하기 위한 전류가 인가되는 전류라인(30); 및
    상기 전류라인의 하부에 형성되고, 상기 GMR 소자에서 센싱된 전류를 센스 비트라인으로 출력하는 스위칭 소자(39,40,41)를 구비하여,
    상기 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층의 사이에 형성되는 센싱 홀에 노출된 주변물질의 자화율에 따라, 상기 스위칭 소자를 통해 출력되는 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 GMR 소자의 상기 고정 강자성층 상부에 형성된 센스 워드라인을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는
    상기 센스 비트라인과 연결된 드레인 단자;
    상기 센싱 전도층과 연결된 소스 단자; 및
    워드라인과 연결된 게이트 단자를 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 GMR 소자, 상기 제 2가변 강자성층, 상기 전류라인, 상기 스위칭 소자 및 상기 센스 워드라인의 상부에 형성되어 소자들을 절연시키는 옥사이드 보호층을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1가변 강자성층과 제 2가변 강자성층 사이에 센싱 홀을 형성하여, 상기 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층 사이의 거리에 따라 상기 주변물질의 성분 크기를 분류하고, 상기 센싱 홀의 면적에 따라 상기 주변물질의 양을 분류함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서.
  11. 각각 평행하게 배치되는 복수개의 포싱 워드라인(F_WL), 복수개의 센스 워드라인(S_WL) 및 복수개의 워드라인(WL);
    상기 복수개의 포싱 워드라인, 상기 복수개의 센스 워드라인 및 상기 복수개의 워드라인과 수직으로 교차되어 배치되는 복수개의 센스 비트라인(S_BL);
    상기 복수개의 포싱 워드라인, 상기 복수개의 센스 워드라인, 상기 복수개의 워드라인 및 상기 복수개의 센스 비트라인 사이에 연결되어, 두 가변 강자성층의 사이에 형성되는 센싱홀에 노출된 주변 물질에 따라 각각 서로 다른 자화율을 센싱하는 복수개의 자화 홀 감지 센서(50); 및
    상기 복수개의 센스 비트라인에 연결된 복수개의 센스앰프(SA)를 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 복수개의 자화 홀 감지 센서는
    동일한 센스 비트라인과 연결된 적어도 하나 이상의 자화 홀 감지 센서들을 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 복수개의 자화 홀 감지 센서는
    센스 비트라인과 드레인 단자가 연결되고, 게이트 단자가 워드라인과 연결된 스위칭 소자(T);
    상기 스위칭 소자의 소스 단자와 일단이 연결되고 센스 워드라인과 다른 일단이 연결된 센서(S); 및
    포싱 워드라인과 연결되어 상기 센서에 자기장을 유도하기 위한 제 1전류라인(L)을 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  14. 제 11 항에 있어서, 복수개의 자화 홀 감지 센서는
    제 1가변 강자성층과, 터널 접합층 및 고정 강자성층으로 형성된 MTJ 소자(15);
    상기 제 1가변 강자성층과 같은 자속 방향을 갖고, 상기 제 1가변 강자성층과 일정 간격을 유지하는 제 2가변 강자성층(11);
    상기 제 1가변 강자성층 및 상기 제 2가변 강자성층의 하부에 형성되어, 자기장을 유도하기 위한 전류가 인가되는 제 2전류라인(10); 및
    상기 제 2전류라인의 하부에 형성되고, 상기 MTJ 소자에서 센싱된 전류를 센스 비트라인으로 출력하는 제 1스위칭 트랜지스터(20,21,22)를 구비하여,
    상기 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층의 사이에 형성되는 제 1센싱 홀에 노출된 주변물질의 자화율에 따라, 상기 제 1스위칭 트랜지스터를 통해 출력되는 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  15. 제 14 항에 있어서, 복수개의 자화 홀 감지 센서는
    상기 MTJ 소자의 상기 고정 강자성층 상부에 형성된 제 1센스 워드라인; 및
    상기 제 1가변 강자성층의 하부에 형성된 베리어 도전층을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1스위칭 트랜지스터는
    상기 센스 비트라인과 연결된 드레인 단자;
    상기 베리어 도전층과 연결된 소스 단자; 및
    워드라인과 연결된 게이트 단자를 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 MTJ 소자, 상기 제 2가변 강자성층, 상기 전류라인, 상기 스위칭 소자의 상부에 형성되어 소자들을 절연시키는 제 1옥사이드 보호층을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  18. 제 14 항에 있어서, 복수개의 자화 홀 감지 센서는
    상기 제 1가변 강자성층과 제 2가변 강자성층 사이에 제 1센싱 홀을 형성하여, 상기 제 1가변 강자성층 및 제 2가변 강자성층 사이의 거리에 따라 상기 주변물질의 성분 크기를 분류하고, 상기 제 1센싱 홀의 면적에 따라 상기 주변물질의 양을 분류함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  19. 제 11 항에 있어서, 복수개의 자화 홀 감지 센서는
    제 3가변 강자성층과, 센싱 전도층 및 고정 강자성층으로 형성된 GMR 소자(35);
    상기 제 3가변 강자성층과 같은 자속 방향을 갖고, 상기 제 3가변 강자성층과 일정 간격을 유지하는 제 4가변 강자성층(31);
    상기 제 3가변 강자성층 및 상기 제 4가변 강자성층의 하부에 형성되어, 자기장을 유도하기 위한 전류가 인가되는 제 3전류라인(35); 및
    상기 제 3전류라인의 하부에 형성되고, 상기 GMR 소자에서 센싱된 전류를 센스 비트라인으로 출력하는 제 2스위칭 트랜지스터(39,40,41)를 구비하여,
    상기 제 3가변 강자성층 및 제 4가변 강자성층의 사이에 형성되는 제 2센싱 홀에 노출된 주변물질의 자화율에 따라, 상기 제 2스위칭 트랜지스터를 통해 출력되는 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 GMR 소자의 상기 고정 강자성층 상부에 형성된 제 2센스 워드라인을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 제 2스위칭 트랜지스터는
    상기 센스 비트라인과 연결된 드레인 단자;
    상기 센싱 전도층과 연결된 소스 단자; 및
    워드라인과 연결된 게이트 단자를 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 GMR 소자, 상기 제 4가변 강자성층, 상기 제 2전류라인, 상기 제 2스위칭 트랜지스터의 상부에 형성되어 소자들을 절연시키는 제 2옥사이드 보호층을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  23. 제 19 항에 있어서, 복수개의 자화 홀 감지 센서는
    상기 제 3가변 강자성층과 제 4가변 강자성층 사이에 상기 제 2센싱 홀을 형성하여, 상기 제 3가변 강자성층 및 제 4가변 강자성층 사이의 거리에 따라 상기 주변물질의 성분 크기를 분류하고, 상기 제 2센싱 홀의 면적에 따라 상기 주변물질의 양을 분류함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  24. 제 11 항에 있어서, 상기 복수개의 센스앰프는
    상기 복수개의 센스 비트라인과 일대일 대응으로 연결되고, 센스앰프 인에이블 신호와 각각 서로 다른 기준전압이 입력되어 상기 복수개의 센스 비트라인에 인가된 센싱신호를 증폭하여 센스앰프 출력신호를 출력함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  25. 제 11 항에 있어서, 상기 복수개의 자화 홀 감지 센서와 접지전압단 사이에 각각 연결되어 바이어스 전압에 의해 생성된 전류를 상기 복수개의 자화 홀 감지 센서에 공급하여 상기 복수개의 자화 홀 감지 센서에 인가되는 전류를 조정하는 복수개의 전류 조정부를 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  26. 제 11 항에 있어서, 상기 복수개의 센스 비트라인 각각은 상기 복수개의 센스앰프와 연결되고, 상기 복수개의 센스앰프는 센스앰프 인에이블 신호와 각각 서로 다른 기준전압이 입력되어 동일한 센스 비트라인에 인가된 센싱신호를 증폭하여 복수개의 센스앰프 출력신호를 출력함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 복수개의 센스앰프 출력신호를 인코딩하여 상기 센싱신호를 분석하는 인코더를 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
  28. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수개의 센스앰프로부터 출력되는 복수개의 센스앰프 출력신호를 분석하여 각각 상이한 성분을 갖는 주변 물질의 성분을 분석하는 성분 분석 수단을 더 구비함을 특징으로 하는 자화 홀 감지 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.
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