KR100544690B1 - non-volatile MRAM cell and operating methode thereof, and ultra-high large scale integrated multi-radix MRAM using non-volatile MRAM cell - Google Patents

non-volatile MRAM cell and operating methode thereof, and ultra-high large scale integrated multi-radix MRAM using non-volatile MRAM cell Download PDF

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Abstract

본 발명은 다층 자성 박막의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항 차이를 이용한 비휘발성 자기 메모리 셀의 동작 원리와 그 구조에 관한 것이다. 본 발명의 비휘발성 자기 메모리 셀은 서로 반 평행한 교환 바이어스를 형성시킨 제1 자기 고정층(강자성)/반강자성층/제2 자기 고정층(강자성) 구조의 자기 고정층을 구비하는 것을 특징으로 하며, 반 평행하게 형성된 교환 바이어스에 의해 서로 반 평행하게 자화 방향이 고정된 제1, 제2 자기 고정층과 제1, 제2 자기 자유층(강자성층)의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이를 이용하여 3 진법 또는 4 진법의 정보 저장 능력을 가지는 비휘발성 자기 메모리 단위 셀을 구현한다. 상기의 단위 셀은 정보 판독 방법으로 거대 자기저항(GMR) 또는 터널링 자기저항(TMR)을 이용하는 자기 메모리 소자에 모두 적용 가능하며, 또한 상기의 단위 셀의 적층을 통하여 다진법 소자를 구현하는 방법과 그 구조를 제공하며, 이를 통하여 비휘발성 초고집적 자기 메모리를 구현한다.The present invention relates to an operation principle and a structure of a nonvolatile magnetic memory cell using a difference in magnetoresistance according to a relative magnetization direction of a multilayer magnetic thin film. The nonvolatile magnetic memory cell of the present invention is characterized by having a magnetic pinned layer having a first magnetic pinned layer (ferromagnetic) / antiferromagnetic layer / second magnetic pinned layer (ferromagnetic) structure in which exchange biases which are antiparallel to each other are formed. By using the difference in the magnetoresistance according to the relative magnetization direction of the first and second magnetic pinned layer and the first and second magnetic free layers (ferromagnetic layers) in which the magnetization directions are fixed in parallel to each other by the exchange bias formed in parallel, A nonvolatile magnetic memory unit cell having a base or quadratic information storage capability is implemented. The unit cell may be applied to both magnetic memory devices using a large magnetoresistance (GMR) or a tunneling magnetoresistance (TMR) as an information reading method, and a method of implementing a pulverization method by stacking the above unit cells; It provides the structure, thereby implementing a nonvolatile ultra-high density magnetic memory.

4진법, 다진법, 자기 메모리 소자, 비휘발성, 자성박막, 교환 바이어스, 거대 자기저항Quaternary, Minced, Magnetic Memory Device, Nonvolatile, Magnetic Thin Film, Exchange Bias, Giant Magnetoresistance

Description

비휘발성 자기 메모리 셀, 동작 방법 및 이를 이용한 다진법 비휘발성 초고집적 자기 메모리{non-volatile MRAM cell and operating methode thereof, and ultra-high large scale integrated multi-radix MRAM using non-volatile MRAM cell}Non-volatile magnetic memory cell, an operation method and a non-volatile MRAM using the same, and an ultra-high large scale integrated multi-radix MRAM using non-volatile MRAM cell}

도 1a는 본 발명이 제안한 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 구현하기 위한 시편의 개략도1A is a schematic diagram of a specimen for implementing a magnetically fixed layer having an anti-parallel exchange bias proposed by the present invention

도 1b는 도 1a 시편의 단면에 대한 투과전자현미경(TEM) 사진FIG. 1B is a transmission electron microscope (TEM) image of the cross section of the specimen of FIG. 1A

도 1c는 커(Kerr) 회전각을 이용하여 상온에서 측정한 도 1a 시편의 자기이력곡선Figure 1c is the hysteresis curve of the specimen of Figure 1a measured at room temperature using the Kerr rotation angle

도 2a는 도 1a 시편을 교환 바이어스가 형성되지 않는 온도(blocking temperature)에서 커 회전각을 이용하여 측정한 자기이력곡선과 자기이력곡선 상의 특정 외부자장에 따른 각 자기 고정층의 자화 방향FIG. 2A shows the magnetization direction of each magnetic pinned layer according to a specific external magnetic field on the magnetic hysteresis curve and the magnetic hysteresis curve measured using the rotation angle of the specimen of FIG. 1A at a blocking temperature at which no exchange bias is formed.

도 2b, 2c, 및 2d는 각각 도 2a의 자기이력곡선 상의 (1), (2), 및 (3) 상태의 외부자장에서 각 자성층의 자화 방향을 배열한 후 실온까지 냉각시킨 상태의 시편을 커 회전각으로 측정한 자기이력곡선 및 외부자장을 가하지 않은 상태에서 각 자성층의 자화방향2B, 2C, and 2D show the specimens in which the magnetization directions of the magnetic layers are arranged in an external magnetic field in the magnetic history curves of FIG. 2A and then cooled to room temperature, respectively. Magnetic hysteresis curve measured by the angle of rotation and the magnetic direction of each magnetic layer in the absence of external magnetic field

도 3a는 본 발명이 제안하는 비휘발성 4진법 자기 메모리 단위 셀의 층 구조 와 각 자성층의 자화 방향3A shows the layer structure of the nonvolatile quaternary magnetic memory unit cell proposed by the present invention and the magnetization direction of each magnetic layer.

도 3b는 도 3a의 단위 셀이 형성하는 자기이력곡선 개략도와 외부자장의 변화에 따른 각 자성층의 자화 방향3B is a schematic diagram of a magnetic history curve formed by the unit cell of FIG. 3A and a magnetization direction of each magnetic layer according to a change in an external magnetic field.

도 3c는 본 발명의 단위 셀이 4진법 정보를 저장하기 위해서 가져야 하는 자기 자유층과 자기 고정층의 상대적인 자화 방향3c shows a relative magnetization direction between a magnetic free layer and a magnetic pinned layer which a unit cell of the present invention should have in order to store quaternary information.

도 4a, 4b는 각각 본 발명의 단위 셀을 이용하여 구현되는 비휘발성 4진법 자기 메모리 셀을 거대 자기저항 및 터널링 자기저항을 이용하여 정보를 판독하기 위한 디지트 라인과 비트라인의 배열4A and 4B show an arrangement of digit lines and bit lines for reading information using a large magnetoresistance and a tunneling magnetoresistance for a nonvolatile quadrupole magnetic memory cell implemented using a unit cell of the present invention, respectively.

도 4c는 도 4a의 셀 구조를 이용하여 구성한 셀 배열4C is a cell arrangement constructed using the cell structure of FIG. 4A.

도 4d는 도 4b의 셀 구조를 이용하여 구성한 셀 배열FIG. 4D is a cell arrangement constructed using the cell structure of FIG. 4B.

도 5a는 자기 고정층에 의한 교환 바이어스가 인접한 자기 자유층에 작용하는 경우에 대한 단위 셀의 자기이력곡선 개략도와 자기이력곡선 상의 특정 외부자장에 따른 각 자성층의 자화 방향FIG. 5A is a schematic diagram of a magnetic history curve of a unit cell for a case where an exchange bias caused by a magnetic pinning layer is applied to an adjacent magnetic free layer, and a magnetization direction of each magnetic layer according to a specific external magnetic field on the magnetic history curve.

도 5b는 자기 고정층에 의한 교환 바이어스가 인접한 자기 자유층에 작용하는 경우, 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 예상한 단위 셀의 자기이력곡선FIG. 5B shows a magnetic history curve of a unit cell predicted by computer simulation when an exchange bias caused by a magnetic pinning layer acts on an adjacent magnetic free layer.

도 5c와 도 5d는 각각 단위 셀이 거대 자기저항 또는 터널링 자기저항을 이용하여 정보를 판독하는 비휘발성 3진법 자기 메모리로 구현될 경우, 하나의 디지트 라인과 하나 또는 두 개의 비트라인을 포함하는 셀의 개략도5C and 5D illustrate a cell including one digit line and one or two bit lines when each unit cell is implemented as a nonvolatile ternary magnetic memory that reads information using a giant magnetoresistance or a tunneling magnetoresistance. Schematic

도 5e는 도 5c의 셀 구조를 이용한 셀 배열FIG. 5E shows a cell arrangement using the cell structure of FIG. 5C

도 5f는 도 5d의 셀 구조를 이용한 셀 배열FIG. 5F illustrates a cell arrangement using the cell structure of FIG. 5D

도 6a, 도 6b, 도 6c, 및 도 6d는 각각 메모리 셀의 하부구조, 제1 자기 자유층(301)의 자화 방향에 따른 셀 하부구조의 자기저항 크기, 메모리 셀의 상부구조, 및 제2 자기 자유층(307)의 자화 방향에 따른 셀 상부구조의 자기저항 크기6A, 6B, 6C, and 6D illustrate the substructure of the memory cell, the magnetoresistance of the cell substructure along the magnetization direction of the first magnetic free layer 301, the superstructure of the memory cell, and the second, respectively. Magnetoresistance size of the cell superstructure according to the magnetization direction of the magnetic free layer 307

도 6e는 본 발명의 단위 셀을 이루는 각 자기 자유층과 자기 고정층의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 변화6E is a change in magnetoresistance according to the relative magnetization directions of the magnetic free layers and the magnetic pinned layers constituting the unit cell of the present invention.

도 6f는 자기 고정층에 의한 교환 바이어스가 인접한 자기 자유층에 작용하는 경우, 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 예상한 외부자장에 따른 단위 셀의 자기저항 변화FIG. 6F illustrates a change in magnetoresistance of a unit cell according to an external magnetic field predicted through computer simulation when an exchange bias caused by a magnetic pinning layer acts on an adjacent magnetic free layer.

도 7a는 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층의 개략도7A is a schematic representation of a magnetic pinned layer with parallel exchange bias

도 7b는 도 7a에 대한 자기이력곡선 과 외부자장에 따른 각 자성층의 자화 방향FIG. 7B illustrates the magnetization direction of each magnetic layer according to the magnetic hysteresis curve and the external magnetic field of FIG. 7A.

도 7c는 본 발명의 단위 셀에 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 이용하는 경우, 컴퓨터 시뮬레이션으로 예상한 단위 셀의 자기이력곡선과 외부자장에 따른 자기저항의 변화FIG. 7C illustrates a change in magnetoresistance according to the magnetic hysteresis curve and external magnetic field of a unit cell predicted by computer simulation when using a magnetic pinned layer having an exchange bias parallel to the unit cell of the present invention.

도 8a, 도 8b는 각각 거대 자기저항 또는 터널링 자기저항을 이용하여 정보를 판독하는 단위 셀, 디지트 라인, 비트라인 배열을 적층하여 구현한 비휘발성 다진법 자기 메모리의 개략도8A and 8B are schematic diagrams of a nonvolatile quantum magnetic memory implemented by stacking an array of unit cells, digit lines, and bit lines for reading information using a giant magnetoresistance or a tunneling magnetoresistance, respectively.

도 9a는 본 발명의 단위 셀에 BMR (Ballistic Magneto Resistance) 효과를 적용하기 위한 개략도9A is a schematic diagram for applying a BMR (Ballistic Magneto Resistance) effect to a unit cell of the present invention

도 9b는 단위 셀의 자유층 자화 방향을 전압에 따른 응력유도자기이방성으로 조정하기 위한 개략도9B is a schematic diagram for adjusting the free layer magnetization direction of a unit cell with stress induced magnetic anisotropy according to voltage;

본 발명은 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 이용한 비휘발성 4진법 자기 메모리 셀의 동작원리와 그 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명의 비휘발성 4진법 자기 메모리 셀은 반 평행한 교환 바이어스를 형성시킨 제1 자기 고정층(강자성층)/반강자성층/제2 자기 고정층(강자성층) 구조의 자기 고정층을 구비하는 것을 특징으로 하며, 서로 반 평행한 교환 바이어스에 의하여 서로 반 평행하게 고정된 제1, 제2 자기 고정층의 자화 방향과 제1, 제2 자기 자유층(강자성층)의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 변화를 이용하여 단위 셀 당 4 진법의 비휘발성 정보를 저장 및 판독할 수 있는 자기 메모리 구현에 관한 것이다.The present invention relates to the operation principle and structure of a nonvolatile quaternary magnetic memory cell using a magnetic pinned layer having an antiparallel exchange bias, and more particularly, to a nonparallel quaternary magnetic memory cell of the present invention. And a magnetically fixed layer having a first magnetically fixed layer (ferromagnetic layer) / antiferromagnetic layer / second magnetically fixed layer (ferromagnetic layer) structure having a bias formed thereon, and being fixed in parallel to each other by an anti-parallel exchange bias. Quadratic non-volatile information per unit cell is stored and read using the change of magnetoresistance according to the magnetization direction of the first and second magnetic pinned layers and the relative magnetization direction of the first and second magnetic free layers (ferromagnetic layers). A magnetic memory implementation that can be done.

본 발명의 주요한 목적은 단위 셀의 적층을 통하여 초고집적 비휘발성 다진법 소자의 구현에 있으며, 이는 곧 정보 저장 밀도를 높이기 위해서 단위 셀의 면적과 단위 셀간의 간격을 감소시키지 않고 집적도를 증가시키는 방법을 제공한다. 따라서 MRAM의 집적도를 높이기 위해 셀의 면적이 축소되고, 셀간의 간격이 작아지므로 발생하는 셀간의 상호 작용에 따른 정보 유실과 정보를 기록하기 위한 스위칭 자장의 국소화 문제를 해결할 수 있다.The main object of the present invention is to implement an ultra-high density nonvolatile multi-factor device through stacking of unit cells, which is a method of increasing the density without reducing the area of the unit cell and the distance between the unit cells in order to increase the information storage density. To provide. Therefore, the area of the cell is reduced and the spacing between the cells is reduced to increase the density of the MRAM, thereby solving the problem of localization of the switching magnetic field for recording information and information loss due to the interaction between cells.

또한, 본 발명의 단위 셀은 신호 대 잡음 비율을 높이기 위하여 자기 고정층 과 자기 자유층 사이의 절연층에 형성된 강자성 나노 컨택(Nano contact)에 의한 BMR 효과를 이용하여 각 자성층의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 변화를 증가시킬 수 있으며, 각 자기 자유층의 자화 방향을 제어하기 위한 자장의 국소화 문제를 해결하기 위하여, 전압에 따른 응력유도자기이방성으로 자기 자유층의 자화 방향을 제어할 수 있다.In addition, the unit cell of the present invention uses the BMR effect of the ferromagnetic nano contact formed in the insulating layer between the magnetic pinned layer and the magnetic free layer in order to increase the signal-to-noise ratio, according to the relative magnetization direction of each magnetic layer. In order to solve the problem of localization of the magnetic field for controlling the magnetization direction of each magnetic free layer, the magnetization direction of the magnetic free layer may be controlled by stress induced magnetic anisotropy according to voltage.

일반적인 랜덤 액세스 메모리 셀(DRAM)은 전계 효과 트랜지스터(FET)와 선형 캐패시터로 구성이 되어있다. 선형 캐패시터 안의 유전체는 외부 전압에 의해서 분극이 일어나므로, 이를 이용하여 유전체에 전하를 축전하여 데이터를 저장한다. 그러나 선형 캐패시터에 저장된 전하는 저절로 방전되기 때문에 주기적으로 재기록하는 과정이 필수적이다. 따라서 전원이 공급되지 않는 상황에서는 저장된 정보를 모두 잃어버리는 휘발성의 특징을 지닌다.A typical random access memory cell (DRAM) is composed of a field effect transistor (FET) and a linear capacitor. Since the dielectric in the linear capacitor is polarized by an external voltage, the dielectric is used to store data by storing charge in the dielectric. However, the charge stored in the linear capacitor is discharged by itself, so the periodic rewriting process is essential. Thus, in the event of a power failure, all stored information is lost.

최근 최첨단 정보기억소자 분야에서 기술상 핵심 논점은 이상적인 비휘발성 소자를 구현하는 것이다. 최근에 가장 주목을 받고 있는 기술은 강유전체의 자발분극현상을 이용한 강유전체 랜덤 액세스 메모리(FRAM)와 자성 박막의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이(거대 자기저항 효과 또는 터널링 자기저항 효과)를 이용한 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)이다.Recently, a key technical issue in the field of advanced information storage devices is to implement an ideal nonvolatile device. Recently, the most popular technology is the ferroelectric random access memory (FRAM) using the spontaneous polarization of the ferroelectric and the magnetism using the difference of magnetoresistance (giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance effect) according to the relative magnetization direction of the magnetic thin film. Random Access Memory (MRAM).

FRAM의 경우 기존의 DRAM 기술을 그대로 적용이 가능하다는 장점을 지니고 있다. DRAM의 선형 캐패시터 사이에 들어가는 유전막을 강유전막으로 대치하면 강유전막에 자발 분극의 형태로 정보를 저장하고, 자발 분극에 의해 축전된 전하는 방전되지 않으므로 비휘발성을 지닌다. 그러나 강유전박막은 분극의 방향이 여러 번 바뀌면 자발 분극 효과가 감소되는 피로현상을 일으키므로, 비휘발성 메모리 소자로서의 능력을 상실하게 된다. 따라서 FRAM의 경우 피로현상에 강한 강유전박막을 개발하는 것이 기술 구현의 핵심 과제이다.FRAM has the advantage that the existing DRAM technology can be applied as it is. When the dielectric film interposed between the linear capacitors of the DRAM is replaced with a ferroelectric film, the ferroelectric film stores information in the form of spontaneous polarization, and the charges accumulated by the spontaneous polarization are non-discharged. However, the ferroelectric thin film loses its capability as a nonvolatile memory device because the ferroelectric thin film causes fatigue phenomenon in which spontaneous polarization effect is reduced when the direction of polarization is changed several times. Therefore, in the case of FRAM, developing a ferroelectric thin film resistant to fatigue is a key task of implementing the technology.

MRAM은 정보 판독 방법으로 거대 자기저항 효과, 또는 터널링 자기저항 효과를 이용하는 두 가지 종류로 구분된다. 거대 자기저항 효과를 이용하는 MRAM(이하에서 설명하는 거대 자기저항 효과를 이용하는 기존의 MRAM 기술은 미국 특허 5,343,422에 명시되어 있다.)의 경우 단위 셀은 기판/스페이서층/제1 강자성체층(자기 자유층)/비트라인(도전층 - 읽기, 쓰기 라인)/제2 강자성체층(자기 고정층)/반강자성체층/디지트 라인(도전층 - 쓰기 라인)의 구조를 갖는다. 제1 강자성층(자기 자유층)은 연자성 물질을 사용하여 디지트(digit) 라인에 의한 자장의 변화를 이용하여 쉽게 자화 방향을 조정할 수 있고, 제2 강자성층(자기 고정층)은 반강자성층과 교환바이어스를 형성하므로 디지트 라인에 의한 자장의 변화에도 자화 방향이 변하지 않는다. 따라서 제1 강자성층(자기 자유층)과 제2 강자성층(자기 고정층)의 상대적인 자화 방향에 따라 비트라인의 자기저항이 달라지고, 이를 이용하여 2 진법의 정보를 저장한다.MRAM is classified into two types, using a large magnetoresistance effect or a tunneling magnetoresistance effect as an information reading method. In the case of MRAM using the giant magnetoresistive effect (the existing MRAM technology using the giant magnetoresistive effect described below is described in US Pat. No. 5,343,422), the unit cell is a substrate / spacer layer / first ferromagnetic layer (magnetic free layer). ) / Bit line (conductive layer-read, write line) / second ferromagnetic layer (magnetic fixed layer) / anti-ferromagnetic layer / digit line (conductive layer-write line). The first ferromagnetic layer (magnetic free layer) can easily adjust the magnetization direction by using a magnetic field change by a digit line using a soft magnetic material, and the second ferromagnetic layer (magnetic fixed layer) Since the exchange bias is formed, the magnetization direction does not change even when the magnetic field is changed by the digit line. Accordingly, the magnetoresistance of the bit line varies according to the relative magnetization directions of the first ferromagnetic layer (magnetic free layer) and the second ferromagnetic layer (magnetic pinned layer), and the binary information is stored using the bit line.

거대 자기저항 효과 MRAM이 비휘발성의 특성을 지니기 위해서는 비트라인의 "읽기" 전류에 의한 자장에 의해 제1 강자성층(자기 자유층)의 자화 방향이 변하지 않아야 한다. 이를 위해서 단위 셀의 폭 방향과 길이 방향의 길이를 달리 하여 자화 용이축을 디지트 라인에 의한 "쓰기" 자장에 평행하고 비트라인에 의한 "읽기" 또는 "쓰기" 자장방향에 수직하게 형성하여 비트라인의 "읽기" 전류에 의한 자장으 로 제1 강자성층의 자화 방향이 변하는 것을 방지한다. 특히 단위 셀의 짧은 쪽 길이가 자기 자유층을 이루는 강자성층의 도메인 벽 두께 보다 작을 경우에 자화 용이축의 고정 효과가 크다. 또한 일정 셀의 제1 강자성층(자기 자유층) 자화 방향을 조정하기 위한 "쓰기" 자장에 의해서 인근 셀의 제1 강자성층(자기 자유층)의 자화 방향이 변화하여 저장된 정보가 유실되는 것을 막기 위해서 기판 위에 스페이서층을 형성하여 인근 셀과의 간격을 넓힌다.Large magnetoresistance effect In order for MRAM to have non-volatile characteristics, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer (magnetic free layer) should not be changed by the magnetic field caused by the "read" current of the bit line. For this purpose, the easy magnetization axis is formed parallel to the "write" magnetic field by the digit line and perpendicular to the "read" or "write" magnetic field direction by the bit line by varying the length of the unit cell in the width direction and the longitudinal direction. The magnetic field caused by the "read" current prevents the magnetization direction of the first ferromagnetic layer from changing. In particular, when the short length of the unit cell is smaller than the domain wall thickness of the ferromagnetic layer forming the magnetic free layer, the fixing effect of the easy magnetization axis is large. In addition, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer (magnetic free layer) of a neighboring cell is changed by a "write" magnetic field to adjust the magnetization direction of the first ferromagnetic layer (magnetic free layer) of a certain cell, thereby preventing the stored information from being lost. In order to form a spacer layer on the substrate to increase the distance between the adjacent cells.

거대 자기저항 효과 MRAM에서 각 단위 셀에 정보를 선택적으로 저장하기 위해서 디지트 라인과 비트라인을 모두 "쓰기"에 이용한다. 일반적으로 자화 용이축에 평행한 자장(디지트 라인에 흐르는 "쓰기" 전류에 의한 자장)의 크기가 제1 강자성층(자기 자유층)의 자화 방향을 역전 시키기에 충분하지 않은 크기를 지닌 상태에서 자화 용이축에 수직한 방향으로의 자장(비트라인에 흐르는 "쓰기" 전류에 의한 자장)이 형성될 경우에 제1 강자성층의 자화 방향이 역전되는 현상을 볼 수 있다. 이를 이용하면 n×n 단위 셀 배열에서 특정 단위 셀의 제1 강자성층(자기 자유층)만 자화 방향을 조정 할 수 있다.In the large magnetoresistive effect MRAM, both digit lines and bit lines are used for " write " to selectively store information in each unit cell. In general, magnetization in a state in which the magnetic field parallel to the easy magnetization axis (the magnetic field caused by the "write" current flowing through the digit line) is not large enough to reverse the magnetization direction of the first ferromagnetic layer (magnetic free layer). It can be seen that the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is reversed when a magnetic field in the direction perpendicular to the easy axis (a magnetic field caused by a "write" current flowing in the bit line) is formed. Using this, only the first ferromagnetic layer (magnetic free layer) of a specific unit cell in the n × n unit cell array can adjust the magnetization direction.

그러나 거대 자기저항 효과를 이용하는 경우에는 하나의 비트라인 상에 여러 개의 단위 셀이 직렬로 구성되어 있으므로 읽기 시에 신호의 크기가 작아진다. 따라서 집적도가 높아져서 하나의 비트라인에 많은 수의 단위 셀이 형성되어야 하는 경우에는 약점을 지닌다.However, in the case of using the giant magnetoresistive effect, since a plurality of unit cells are configured in series on one bit line, the size of the signal is reduced at the time of reading. Therefore, there is a weak point when the degree of integration is increased and a large number of unit cells must be formed on one bit line.

터널링 자기저항 효과를 이용하는 MRAM의 경우는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction)를 기본 구조로 이용한다. MTJ의 구조(미국 특허 5,650,958)는 기판/하부 전극(도전층)/반강자성층/제2 강자성층(자기 고정층)/터널링층(절연층)/제1 강자성층(자기 자유층)/보호층(비자성층)/상부전극(도전층)의 구조를 지닌다. MTJ 구조를 이용한 터널링 자기저항 MRAM의 경우도 거대 자기저항 효과를 이용하는 MRAM의 경우와 같이 제1 강자성층(자기 자유층)과 제2 강자성층(자기 고정층)의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이로 정보를 저장한다. 그러나 터널링 자기저항 MRAM의 경우에는 "읽기" 전류가 MTJ 구조에 수직한 방향으로 흐른다.In case of MRAM using tunneling magnetoresistance effect, MTJ (Magnetic Tunnel Junction) is used as a basic structure. The structure of MTJ (US Pat. No. 5,650,958) is based on substrate / lower electrode (conductive layer) / antiferromagnetic layer / second ferromagnetic layer (magnetic fixed layer) / tunneling layer (insulating layer) / first ferromagnetic layer (magnetic free layer) / protective layer It has a structure of (nonmagnetic layer) / upper electrode (conductive layer). Tunneling magnetoresistance MRAM using MTJ structure also has the difference of magnetoresistance according to the relative magnetization direction of the first ferromagnetic layer (magnetic free layer) and the second ferromagnetic layer (magnetic fixed layer) as in the case of MRAM using a large magnetoresistive effect Save the information with However, in the case of tunneling magnetoresistive MRAM, the "read" current flows in a direction perpendicular to the MTJ structure.

터널링 자기저항 MRAM의 경우에도 거대 자기저항 효과 MRAM과 같이 제1 강자성층(자기 자유층)은 연자성 물질을 사용하여 디지트 라인과 비트라인의 "쓰기" 자장에 의해서 쉽게 자화 방향을 조정할 수 있게 하고, 제2 강자성층(자기 고정층)은 반강자성층과 교환 바이어스를 형성하거나(미국 특허 5,650,985), 항자력이 큰 경자성 물질을 사용(미국 특허 5,764,567)하여 "쓰기" 자장에 의해 자화 방향이 변하지 않게 한다.In the case of tunneling magnetoresistive MRAM, like the giant magnetoresistive effect MRAM, the first ferromagnetic layer (magnetic free layer) uses a soft magnetic material to easily adjust the magnetization direction by the "write" magnetic field of the digit line and the bit line. , The second ferromagnetic layer (magnetically fixed layer) forms an exchange bias with the antiferromagnetic layer (US Pat. No. 5,650,985), or uses a hard magnetic material (US Pat. No. 5,764,567) so that the magnetization direction is not changed by the "write" magnetic field. do.

터널링 자기저항 효과 MRAM의 단위 셀도 거대 자기저항 효과 MRAM의 단위 셀과 같이 단위 셀의 폭 방향과 길이 방향의 길이를 달리 하여 자화 용이축을 디지트 라인에 의한 자장에 평행하고 비트라인에 의한 자장에 수직하게 형성한다. 서로 수직하게 형성된 비트라인과 디지트 라인을 이용하여 n×n 셀 배열에서 특정 셀의 제1 자유층(자기 자유층)의 자화 방향을 조정 가능(미국 특허 5,838,608)하고 그 방법은 위에서 설명한 거대 자기저항 효과 MRAM과 같다. 그러나 저장된 정보를 읽는 경우에는 MTJ 구조에 수직하게 "읽기" 전류가 흘러야 하므로, 라인에서 MTJ 구조를 지나 디지트 라인으로 흐르는 전류를 측정하거나 MTJ 하부에 "읽기" 만을 전 용으로 하는 새로운 라인을 형성 하여야 한다.The unit cell of the tunneling magnetoresistance effect MRAM is also different from the unit cell of the large magnetoresistance effect MRAM by varying the length in the width direction and the length direction of the unit cell so that the axis of easy magnetization is parallel to the magnetic field by the digit line and perpendicular to the magnetic field by the bit line. Form. The magnetization direction of the first free layer (magnetic free layer) of a specific cell in the n × n cell array can be adjusted using bit lines and digit lines formed perpendicular to each other (US Pat. No. 5,838,608). The effect is the same as MRAM. However, when reading stored information, a "read" current must flow perpendicular to the MTJ structure, so a current line must be measured from the line through the MTJ structure to the digit line, or a new line dedicated to "reading" below the MTJ. do.

터널링 자기저항 효과를 이용하는 경우에는 절연막의 두께에 따라서 각 단위 셀의 저항이 크게 변화한다. 따라서 현재에는 인접한 비교 셀과의 저항 차이를 이용하여 정보를 저장한다. 그러나 저장 셀과 비교 셀의 터널링 절연막의 두께가 0.2Å 이상 차이가 나면 소자에 저장된 정보를 파악하기 어렵다. 따라서 생산공정 시에 수 인치 반경의 웨이퍼에 균일한 두께의 절연막을 형성해야 하는 기술적인 문제가 있다.In the case of using the tunneling magnetoresistance effect, the resistance of each unit cell changes greatly depending on the thickness of the insulating film. Therefore, information is currently stored by using a resistance difference from an adjacent comparison cell. However, when the thickness of the tunneling insulating layer between the storage cell and the comparison cell is 0.2 mm or more, it is difficult to grasp the information stored in the device. Therefore, there is a technical problem of forming an insulating film of uniform thickness on a wafer of several inches radius during the production process.

위에서 설명한 MRAM의 구조는 지속적인 개선 노력을 통하여, 자기저항 비율이 높아지거나, 열적 안정성이 향상되는 등의 발전을 하고 있다. 여기서는 대표적으로 스페이서층(spacer)과 반 평행 결합층(Anti-Parallel Coupling layer)을 이용하여 개선된 MRAM 구조에 대하여 간단히 설명하겠다.The structure of the MRAM described above has been developed through continuous efforts to increase the magnetoresistance ratio or the thermal stability. Here, a brief description will be made of an improved MRAM structure using a spacer layer and an anti-parallel coupling layer.

교환 바이어스를 이용하는 MRAM은 셀의 크기가 작아지는 경우 자기 자유층과 자기 고정층의 거리가 가까워지고, 이에 따라 자기 고정층을 이루는 강자성체의 자장에 의해서 자기 자유층의 강자성체가 영향을 받는다. 이러한 자기 고정층에 의한 자장, 즉 스트레이 필드(stray field)는 자기저항비율을 낮아지게 하거나 자기 자유층의 항자력을 증가시키는 등에 나쁜 영향을 줄 수 있다.In the case of MRAM using exchange bias, the distance between the magnetic free layer and the magnetic pinned layer is closer when the cell size becomes smaller, and thus the ferromagnetic material of the magnetic free layer is affected by the magnetic field of the ferromagnetic material forming the magnetic pinned layer. The magnetic field generated by the magnetic pinned layer, that is, the stray field, may have a bad effect on lowering the magnetoresistance rate or increasing the coercive force of the magnetic free layer.

특히 MTJ 구조는 터널링 자기저항 효과를 이용하므로 터널링층의 두께가 거대 자기 저항 효과 MRAM의 비트라인 두께보다 얇다. 따라서 자기 고정층과 자기 자유층의 거리가 보다 가까워지고, 자기 고정층에 의해서 자기 자유층의 자화가 영향을 많이 받는다. 이를 방지하기 위해서 절연층과 자기 자유층 사이에 비자성 도전 성 스페이서층(spacer)을 형성하여 자기 자유층과 자기 고정층간의 거리를 넓힌다. (미국 특허 5,764,567).In particular, the MTJ structure uses the tunneling magnetoresistance effect so that the thickness of the tunneling layer is thinner than the bit line thickness of the giant magnetoresistive effect MRAM. Therefore, the distance between the magnetic pinned layer and the magnetic free layer is closer, and the magnetization of the magnetic free layer is much affected by the magnetic pinned layer. To prevent this, a nonmagnetic conductive spacer layer is formed between the insulating layer and the magnetic free layer to increase the distance between the magnetic free layer and the magnetic pinned layer. (US Pat. No. 5,764,567).

또 한가지 방법으로는 자기 고정층을 이루는 강자성층을 강자성층/반 평행 결합층/강자성층의 구조로 대치한다. 두 개의 강자성층 사이에 반 평행 결합층을 삽입하면 반 평행 결합층의 두께에 따라 각 강자성층의 자화 방향이 반 평행하게 배열되고 각 강자성층에 의한 스트레이 필드(stray field)가 "닫힌 흐름" 을 이루므로 자기 고정층에 의한 스트레이 필드(stray field)가 자기 자유층에 영향을 주지 않는다. 반 평행 결합층은 루테늄(Ru)과 같은 비자성 물질을 주로 사용하고 2~8Å의 두께에서 강한 반 평행 결합을 보여준다. 이는 스핀 밸브 센서에 이미 응용되고 있는 기술이다(국내 특허 1999-0036731, 미국 특허 출원 제 08/697,396).In another method, the ferromagnetic layer constituting the magnetic pinning layer is replaced with a ferromagnetic layer / semi-parallel coupling layer / ferromagnetic layer. Inserting a parallel antiparallel layer between two ferromagnetic layers arranges the magnetization direction of each ferromagnetic layer in parallel with the thickness of the antiparallel coupling layer and creates a "closed flow" of the stray field by each ferromagnetic layer. Therefore, the stray field by the magnetic pinned layer does not affect the magnetic free layer. The antiparallel bonding layer mainly uses nonmagnetic materials such as ruthenium (Ru) and shows strong antiparallel bonding at thicknesses of 2 to 8 mm 3. This is a technique already applied to spin valve sensors (domestic patent 1999-0036731, US patent application 08 / 697,396).

기존의 MRAM의 경우 자성층의 자화 방향을 자장을 이용하여 조정하므로, 소자의 집적도를 증가시키기 위해서 단위 셀간의 간격을 좁히는 경우 하나의 단위 셀의 자기 자유층의 자화 방향을 조정하기 위한 자장에 의해서 인근 셀에 저장된 정보가 유실될 가능성이 높아진다. 따라서 정보의 신뢰성을 높이기 위해서 전압을 이용한 자화용이축의 제어방법이 개발되고 있다. 특히 강자성층과 압전체를 결합하여 전압에 따른 응력유도자기이방성으로 자유층의 자화 용이축을 박막면에 수평에서 수직으로 조정하는 기술(한국 특허 출원 20022-46734호)은 정보저장을 위한 자장이 필요치 않으므로 정보의 신뢰성이 높아지고, 수직 및 수평 방향의 자화 방향에 따른 자기 저항을 이용하여 정보를 저장하므로 stray field를 근본적으로 발생시키지 않는다. 또한 전압을 이용하여 정보를 저장하므로 초절전형 메모리 소자의 구현이 가능하다.In the case of the conventional MRAM, the magnetization direction of the magnetic layer is adjusted by using a magnetic field. Therefore, when the distance between unit cells is narrowed to increase the degree of integration of the device, the magnetic field is adjusted by the magnetic field to adjust the magnetization direction of the magnetic free layer of one unit cell. Information stored in the cell is more likely to be lost. Therefore, in order to increase the reliability of information, a method of controlling biaxial magnetization using voltage has been developed. In particular, the technique of combining the ferromagnetic layer and the piezoelectric body with the stress-induced magnetic anisotropy according to the voltage to easily adjust the axis of magnetization of the free layer from the horizontal to the vertical plane (Korean Patent Application No. 20022-46734) does not require a magnetic field for information storage. The reliability of the information is increased and the stray field is not fundamentally generated because the information is stored using the magnetoresistance according to the magnetization directions in the vertical and horizontal directions. In addition, since information is stored using a voltage, an ultra low-power memory device can be realized.

최근 주목을 끌기 시작한 BMR (Ballistic Magneto Resistance)의 경우, 기존의 거대 자기저항효과의 경우 강자성층의 자화 방향에 따른 자기저항효과가 불과 수십%인 것에 반하여 처음 발견될 당시에 300%의 자기저항 효과를 나타냈고(N. Garcia, M. Munoz, and Y.-W.Zhao, Phys. Rev. Lett., Vol.82 Num.14, p2923), 최근에 이르러서는 100,000%의 자기 저항효과를 달성하여 (Suan Z. Hau and Harsh Deep Chopra, Phys. Rev. B 67, 060401) 앞으로 자기 소자에 있어서 활용도가 높아지고 있다. 특히 본 발명과 같은 다진법 자기 메모리의 경우 기존의 신호 대 잡음 비율을 유지하기 위해서는 2진법 자기 메모리 소자에 비하여 자성층의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 변화가 커야 하므로, 그 활용도는 더욱 크다.In the case of BMR (Ballistic Magneto Resistance), which has recently attracted attention, the existing large magnetoresistance effect has only a few tens of percent of the magneto-resistance effect according to the magnetization direction of the ferromagnetic layer. (N. Garcia, M. Munoz, and Y.-W. Zhao, Phys. Rev. Lett., Vol. 82 Num. 14, p2923), and recently achieved a magneto-resistance effect of 100,000% ( Suan Z. Hau and Harsh Deep Chopra, Phys. Rev. B 67, 060401) are increasingly used in magnetic devices. In particular, in the case of the multiplex magnetic memory according to the present invention, in order to maintain the existing signal-to-noise ratio, the magnetoresistance according to the relative magnetization direction of the magnetic layer should be larger than that of the binary magnetic memory device, and thus the utilization thereof is greater.

최근에 기존의 소자에 다진법 특성을 구현하기 위한 여러 가지 노력들이 나타나고 있다. 다진법 소자는 같은 면적의 2진법 소자에 비하여 수 배의 정보 저장 능력을 가지므로 그 중요성이 매우 크다. 하지만 MRAM과 같은 자기 메모리 소자에 있어서는 상기의 종래기술에서 설명한 바와 같은 2진법 특성을 갖는 예는 있으나, 본원에서 개시한 다진법 특성의 구현을 위한 예는 없다. 다진법 구현 소자의 대표적인 기술로는 시바타(Shibata)의 4단자 트랜지스터(4 terminal transistor)와 신경망 트랜지스터(neuron MOSFET)-(미국 특허 US 6,356,136), 이시와라(Ishiwara)의 부분 스위칭에 의한 MFS FET-(일본 공개특허 1996-204,232, 일본 공개특허 1998-242,856, 일본 공개특허 2000-138,351)이 있다. 또한 삼성 전자의 누설전류를 이용한 메트릭스형 다진법 강유전체 랜덤 액세스 메모리(일본 공개특허 1996-303,378, 일본 공개특허 1996-056,141, 대한민국 공개특허 1998-031,960, 대한민국 공개특허 1997-076,816)가 있다.Recently, various efforts have been made to implement the chopped properties in the existing devices. Since the multi-element element has several times the information storage capability compared to the binary element of the same area, it is very important. However, in the magnetic memory device, such as MRAM, there is an example having the binary characteristics as described in the prior art, but there is no example for the implementation of the multiplicity characteristics disclosed herein. Representative techniques of the implementation method of the multiplication method include Shibata's 4-terminal transistors and neural network transistors (US Pat. No. 6,356,136) and MFS FETs by partial switching of Ishiwara. (Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1996-204,232, Japanese Laid-Open Patent Publication 1998-242,856, and Japanese Laid-Open Patent Publication 2000-138,351). In addition, there is a matrix type chopped ferroelectric random access memory using a leakage current of Samsung Electronics (Japanese Patent Laid-Open No. 1996-303,378, Japanese Patent Laid-Open No. 1996-056,141, Korean Laid-Open Patent 1998-031,960, and Korean Laid-Open Patent 1997-076,816).

이하에서 각각의 기존 다진법 메모리 셀 기술들을 간단히 설명하기로 한다.Hereinafter, each of the conventional quantum memory cell technologies will be briefly described.

4단자 트랜지스터의 경우 기존의 전계 효과 트랜지스터(FET)가 1개의 게이트단자를 가지는 것에 비하여, 2개의 게이트를 가지는 트랜지스터를 제안했다. 소스와 드레인 사이에 일정한 전압차를 가지는 경우, 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 특성은 게이트의 전압에 의해서 정해진다. 따라서 한 개의 게이트를 가지는 3단자 트랜지스터의 경우에는 단일한 게이트 전압 Vs. 소스-드레인 전류 특성 곡선을 가지는 반면, 두 개의 게이트를 가지는 4단자 트랜지스터의 경우에는 복수 개의 게이트 전압 Vs. 소스-드레인 전류 특성을 갖는다. 이와 같은 4단자 트랜지스터의 전류 특성을 이용하여 다진법 메모리 소자를 구현한다.In the case of a four-terminal transistor, a transistor having two gates has been proposed in comparison with a conventional field effect transistor (FET) having one gate terminal. When there is a constant voltage difference between the source and the drain, the characteristic of the current flowing between the source and the drain is determined by the voltage of the gate. Therefore, in the case of a three-terminal transistor having one gate, a single gate voltage Vs. In the case of a four-terminal transistor having a source-drain current characteristic curve while having two gates, a plurality of gate voltages Vs. Source-drain current characteristics. By using the current characteristics of such a four-terminal transistor to implement a multi-chip memory device.

4단자 트랜지스터의 게이트 전압 Vs. 소스-드레인 전류 특성 곡선을 이용하여,다단자 소자로 개발된 것이 신경망 트랜지스터이다. 신경망 트랜지스터의 경우에는 n개의 다중 게이트를 지니므로 다중의 게이트 전압 Vs. 소스-드레인 전류 특성 곡선을 가지고, 이를 이용하여 다진법 소자를 구현한다.Gate voltage Vs. of 4-terminal transistors. Neural network transistors have been developed as multi-terminal devices using source-drain current characteristic curves. The neural network transistor has n multiple gates, so the multiple gate voltages Vs. It has a source-drain current characteristic curve and uses it to implement a quantum method.

그러나 시바타의 4단자 트랜지스터와 신경망 트랜지스터는 기존의 DRAM의 기술을 그대로 적용하므로 휘발성이라는 단점을 지니고 있다.However, Shibata's four-terminal transistors and neural network transistors have the disadvantages of volatility because they adopt existing DRAM technology.

이시와라의 부분 스위칭 MFS FRAM (Metal-Ferroelectric-substrate FRAM)의 경우 기존의 게이트 절연박막을 강유전체 절연박막으로 대치한다. 게이트에 전압을 가하여 강유전체 게이트 절연박막의 자발 분극 방향을 조정하고, 자발 분극의 방향 에 의해서 통전 채널의 구성 여부가 결정된다. 강유전체의 분극은 비휘발성을 지니므로 비휘발성 메모리 소자의 구현이 가능하다. 또한 게이트에 가하는 전압 혹은 전압을 가하는 시간을 조정하여 분극의 정도를 자유로이 조정 가능하고, 이를 통하여 통전채널의 게이트 전압 Vs. 소스-드레인 전류 특성의 조정이 가능하다. 따라서 강유전체 게이트 절연막의 부분 스위칭을 이용하면 비휘발성 다진법 소자의 구현이 가능하다. 이러한 강유전체 게이트 절연층의 사용은 캐패시터에 축전된 전하로 정보를 저장하는 것이 아니라 통전 채널 자체의 저항 차이를 이용하여 정보를 저장하므로 캐패시터의 면적이 필요치 않다. 따라서 캐패시터를 이용하는 기존 메모리 소자에 비하여 고집적도를 달성할 수 있다. 그러나 게이트 절연막으로 사용되는 강유전체가 실리콘 위에 직접 증착이 가능한 물질로 제한되고, 강유전체의 분극을 이용한 소자이므로 피로현상을 일으킨다.In the case of the partially switched MFS FRAM (Metal-Ferroelectric-substrate FRAM) of Ishiwara, the existing gate insulating thin film is replaced with a ferroelectric insulating thin film. The voltage is applied to the gate to adjust the spontaneous polarization direction of the ferroelectric gate insulating thin film, and the configuration of the energization channel is determined by the spontaneous polarization direction. Since the polarization of the ferroelectric is nonvolatile, it is possible to implement a nonvolatile memory device. In addition, the degree of polarization can be freely adjusted by adjusting the voltage applied to the gate or the time of applying the voltage, and through this, the gate voltage Vs. It is possible to adjust the source-drain current characteristics. Thus, the partial switching of the ferroelectric gate insulating film can be used to implement a nonvolatile mining method. The use of the ferroelectric gate insulating layer does not require the area of the capacitor because the information is stored by using the resistance difference of the conduction channel itself, rather than storing the information by the electric charge stored in the capacitor. As a result, it is possible to achieve high density compared to conventional memory devices using capacitors. However, the ferroelectric used as the gate insulating film is limited to a material that can be directly deposited on the silicon, and it causes fatigue phenomenon because the device uses polarization of the ferroelectric.

삼성전자의 누설전류를 이용한 다진법 소자의 경우 게이트를 유전막/하부전극/강유전막/상부전극의 다층 구조로 구성한다. 유전체 박막과 강유전체 박막의 특성상 일정 전압 이상에서 누설 전류를 형성하게 되는데, 일반적으로 유전체가 강유전체에 비하여 낮은 전압에서 누설 전류를 발생하게 된다. 이를 이용하여 정보 "쓰기" 시에는 일반적인 MOS(Metal-Oxide-Silicon) FET처럼 게이트에 전압을 가하여 통전 채널을 형성하고, 정보 "지우기" 시에는 "쓰기" 보다 높은 전압을 게이트에 가하여 유전체 박막을 통과하는 누설전류를 발생시켜서 하부전극에 전하를 충전시킨다. 이러한 "지우기" 시간 조정을 통하여 하부전극에 축전되는 전하의 양의 조절이 가능하고, 하부전극에 축전되는 전하의 양에 따라서 통전 채널의 게이트 전압 Vs. 소스-드레인 전류 특성이 변화하게 된다. 이를 이용하여 다진법 메모리 소자를 구현한다. 이 기술은 강유전체의 분극 현상을 이용하지 않으므로, 피로현상을 방지할 수 있고, 강유전체 박막을 하부전극(금속)위에 형성하므로 다양한 강유전체를 사용 가능하다. 그러나 하부 전극에 축전된 누설 전하로 정보를 저장하므로, 비휘발성 소자로 구현하기 위해서 특별한 구조를 형성할 필요가 있고, 이는 공정상의 어려움으로 나타난다.In the case of Samsung's leakage current-using multi-chip device, the gate is composed of a multilayer structure of dielectric film / bottom electrode / ferroelectric film / top electrode. Due to the characteristics of the dielectric thin film and the ferroelectric thin film, a leakage current is formed at a predetermined voltage or more. In general, the dielectric generates a leakage current at a lower voltage than the ferroelectric. In this case, when the information is "written", a voltage is applied to the gate to form a conduction channel like a general metal oxide-silicon (MOS) FET, and when the information is "cleared", the dielectric thin film is formed by applying a voltage higher than the "write" to the gate. The leakage current passes through to charge the lower electrode. Through this " clear " time adjustment, it is possible to control the amount of charge stored in the lower electrode, and according to the amount of charge stored in the lower electrode, the gate voltage Vs. The source-drain current characteristics will change. By using this, a chopped memory device is implemented. Since this technique does not use the polarization of the ferroelectric, fatigue phenomenon can be prevented, and various ferroelectrics can be used since the ferroelectric thin film is formed on the lower electrode (metal). However, since information is stored as leakage charges stored in the lower electrode, it is necessary to form a special structure in order to implement it as a nonvolatile device, which appears as a process difficulty.

상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 반(反) 평행한 교환 바이어스를 지니는 제1 자기 고정층(강자성층)/반강자성층/제2 자기 고정층(강자성층)으로 구성된 자기 고정층을 특징으로 하는 비휘발성 4 진법 자기 메모리를 구현한다.In order to solve the above problems, the present invention is characterized by a non-magnetic layer comprising a first magnetic pinned layer (ferromagnetic layer) / antiferromagnetic layer / second magnetic pinned layer (ferromagnetic layer) having anti-parallel exchange bias. Implement volatile quaternary magnetic memory.

보다 상세하게는 반 평행한 교환 바이어스에 의하여 제1, 제2 자기 고정층의자화방향이 서로 반 평행하게 고정된 자기 고정층과 두 개의 도전층 또는 절연층, 제1, 제2 자기 자유층을 구비한 단위 셀을 형성하며, 단위 셀에 구비된 두 개의 자기 자유층과 두 개의 자기 고정층의 서로 다른 4가지 상대적인 자화 방향 상태에 따른 4가지 자기저항 값을 이용하여 기존의 MRAM 단위 셀에 비하여 2배의 정보 저장 능력을 지니는 비휘발성 4 진법 자기 메모리 셀을 구현한다.More specifically, the magnetization direction of the first and second magnetic pinning layers is antiparallelly fixed to each other by anti-parallel exchange bias, and includes two conductive or insulating layers and first and second magnetic free layers. A unit cell is formed, and four magnetoresistance values according to four different relative magnetization direction states of two magnetic free layers and two magnetic pinning layers provided in the unit cell are doubled compared to conventional MRAM unit cells. Implement a nonvolatile quadrupole magnetic memory cell with information storage capability.

기존의 메모리 셀은 셀 면적 또는 셀간의 간격의 감소를 이용하여 집적도를 증가시키므로, 지속적으로 신기술을 필요로 하게 된다. 특히 집적도를 증가시키기 위해 도선 폭을 0.1㎛이하로 감소시키려면, 극히 어려운 기술적 문제를 해결해야 할 뿐만 아니라, 생산비용 또한 기하급수적으로 증가한다. 또한 기존 MRAM의 집적 도를 상기의 방법으로 증가시킬 경우, 단위 셀의 면적 또는 셀간의 간격 감소로 인하여 각 단위 셀간에 상호작용에 의하여 정보가 유실되거나, 정보 저장을 위한 자장을 국소화해야 하는 문제가 생긴다. 본 발명의 단위 셀은 단위 셀의 면적이나 간격의 감소 등의 방법을 사용하지 않고, 4 진법 자기 메모리를 구현하여 집적도 증가시키므로, 기존의 기술을 사용할 수 있을 뿐만 아니라 외부 자기장이나 스핀의 상호 작용에 의한 정보 유실 등의 집적도 증가 시에 MRAM이 가지고 있던 문제점을 해결할 수 있다. 본 발명의 또 다른 기술적 장점은 비휘발성 4 진법 자기 메모리 단위 셀을 높이 방향으로 적층하여, 다진법 비휘발성 메모리의 구현하고, 이를 통하여 초고집적도 비휘발성 메모리 셀을 가능케 한다.Existing memory cells increase the degree of integration by reducing the cell area or the cell-to-cell spacing, and thus require new technologies continuously. In particular, in order to reduce the wire width to less than 0.1 [mu] m in order to increase the density, not only has to solve the extremely difficult technical problem, but also the production cost increases exponentially. In addition, when the density of the existing MRAM is increased by the above method, information is lost due to interaction between each unit cell or localized magnetic field for information storage due to the decrease of the area of the unit cell or the gap between cells. Occurs. Since the unit cell of the present invention does not use a method such as reducing the area or spacing of the unit cell, and implements a quaternary magnetic memory to increase the degree of integration, it is possible not only to use the existing technology but also to interact with an external magnetic field or spin. This can solve the problem that the MRAM has in increasing the density of information loss. Another technical advantage of the present invention is to stack the nonvolatile quaternary magnetic memory unit cells in the height direction, thereby implementing the multiplied nonvolatile memory, thereby enabling ultra-high density nonvolatile memory cells.

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 4진법 자기 메모리 단위 셀은 반 평행한 자화 방향을 지니는 강자성층/반강자성층/강자성층의 자기 고정층을 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the quaternary magnetic memory unit cell of the present invention is characterized by including a magnetic pinned layer of a ferromagnetic layer, an antiferromagnetic layer, and a ferromagnetic layer having antiparallel magnetization directions.

자기 고정층의 구성은 강자성층/반강자성층/강자성층으로 하며, 이를 교환 바이어스가 형성 되지 않는 온도(blocking temperature)이상으로 온도를 높인 후에 자기 고정층을 이루는 양쪽 두 개의 강자성층이 서로 반 평행한 자화 방향을 갖는 외부 자장을 인가거나 혹은 그 후 자기장을 제거한 상태에서 실온까지 냉각하면 반 평행한 자화 방향을 가지는 자기 고정층을 구성할 수 있다.The magnetic pinned layer is composed of a ferromagnetic layer, an antiferromagnetic layer, and a ferromagnetic layer, and after raising the temperature above a blocking temperature at which no exchange bias is formed, the two ferromagnetic layers forming the magnetic pinned layer are antiparallel to each other. After applying an external magnetic field having a direction or cooling to room temperature in a state where the magnetic field is removed thereafter, a magnetic pinned layer having an anti-parallel magnetization direction can be formed.

상기의 자기 고정층에 도전층 또는 절연층과 두 개의 자기 자유층을 구비하여 본 발명의 단위 셀을 구성 할 수 있다. 따라서 본 발명의 단위 셀은 제1 자기 자유층/도전층 또는 절연층/제1 자기 고정층/반강자성층/제2 자기 고정층/도전층 또는 절연층/제2 자기 자유층을 구비한다. 또한 제1, 제2 자기 고정층의 스트레이 필드(stray field)를 제거하기 위해 제1, 제2 자기 고정층을 반 평행한 자화 방향을 지니는 강자성층/반 평행 결합층/강자성층의 구조(synthetic structure)로 대치하거나, 스페이서층(spacer)을 이용하여 자기 자유층과 자기 고정층 사이의 거리를 넓힐 수 있다.The unit cell of the present invention may be configured by providing a conductive layer or an insulating layer and two magnetic free layers in the magnetic fixing layer. Therefore, the unit cell of the present invention includes a first magnetic free layer / conductive layer or an insulating layer / first magnetic pinned layer / antiferromagnetic layer / second magnetic pinned layer / conductive layer or insulating layer / second magnetic free layer. In addition, the structure of the ferromagnetic layer / anti-parallel coupling layer / ferromagnetic layer having a magnetization direction antiparallel to the first and second magnetic pinning layer to remove the stray field of the first and second magnetic pinning layer Alternatively, the spacer layer may be used to increase the distance between the magnetic free layer and the magnetic pinned layer.

거대 자기저항을 이용하여 정보를 판독하는 경우는 전류가 단위 셀 면에 평행하게 흐르도록 도전층을 사용하고, 터널링 자기저항을 이용하여 정보를 판독하는 경우에는 전류가 단위 셀에 수직하게 흐르도록 얇은 절연성 터널링층(예: Al2O3)을 사용한다.In the case of reading information using a large magnetoresistance, a conductive layer is used so that the current flows in parallel with the unit cell plane, and in the case of reading information using tunneling magnetoresistance, the current flows perpendicularly to the unit cell. An insulating tunneling layer (eg Al 2 O 3 ) is used.

상기의 도전층 또는 절연층의 두께를 조정하거나 자기 자유층과 자기 고정층사이에 비자성 스페이서층(spacer)을 형성하여 자기 자유층과 자기 고정층 사이의 거리를 조정하면, 제1, 제2 자기 자유층에 자기 고정층에 의한 교환 바이어스가 작용하여, 제1 자기 자유층과 제2 자기 자유층의 자기이력곡선이 양, 음의 외부자장 방향으로 분리된다. 이를 이용하여 하나의 도선으로 발생시킨 외부자장으로 제1 자기 자유층과 제2자기 자유층의 자화 방향을 조정한다.When the thickness of the conductive layer or the insulating layer is adjusted or a nonmagnetic spacer layer is formed between the magnetic free layer and the magnetic pinned layer to adjust the distance between the magnetic free layer and the magnetic pinned layer, the first and second magnetic free layers The exchange bias by the magnetic pinning layer acts on the layer, so that the hysteresis curves of the first magnetic free layer and the second magnetic free layer are separated in the positive and negative external magnetic directions. By using this, the magnetization direction of the first magnetic free layer and the second magnetic free layer is adjusted by the external magnetic field generated by one conductor.

상기 반 평행 교환 바이어스를 가지는 자기 고정층을 사용하지 않고, 평행 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 사용하여도 제1 자기 자유층과 제1 자기 고정층의 자화 방향에 따른 자기저항과 제2 자기 자유층과 제2 자기 고정층의 자화 방향에 따른 자기저항의 차이를 이용하는 본 발명에서는 비휘발성 4 진법 메모리 소자의 구현이 가능하다. 그러나 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 사용하는 경우에는 자기 자유층의 자화 방향을 조절하기 위해 사용 가능한 외부자장의 범위가 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 사용한 경우와 비교하여 감소하므로 자기 자유층의 자화 방향을 제어하기가 쉽지 않다.Without using the magnetic pinned layer having the anti-parallel exchange bias and using the magnetic pinned layer having the parallel exchange bias, the magnetoresistance according to the magnetization direction of the first magnetic free layer and the first magnetic pinned layer and the second magnetic free layer and the In the present invention using the difference in the magnetoresistance according to the magnetization direction of the magnetic pinned layer, it is possible to implement a nonvolatile quaternary memory device. However, in the case of using a magnetically fixed layer with parallel exchange bias, the range of external magnetic fields available to control the magnetization direction of the magnetic free layer is reduced compared to the case of using a magnetically fixed layer with an antiparallel exchange bias. It is not easy to control the magnetization direction of layers.

또한 자기 자유층과 자기 고정층 사이의 거리 조절을 통하여 형성된, 제1 자기 자유층과 제2 자기 자유층에 작용하는 교환 바이어스의 방향이 동일하므로, 제1, 제2 자기 자유층의 자기이력곡선이 분리되지 않는다. 따라서 하나의 도선에 의한 외부자장으로 제1, 제2 자기 자유층의 자화 방향을 독립적으로 제어할 수 없다.In addition, since the direction of the exchange bias acting on the first magnetic free layer and the second magnetic free layer formed by controlling the distance between the magnetic free layer and the magnetic pinned layer is the same, the magnetic history curves of the first and second magnetic free layers are It is not separated. Therefore, it is not possible to independently control the magnetization directions of the first and second magnetic free layers with an external magnetic field by one conductor.

본 발명의 또 하나의 특징은 상기 비휘발성 4 진법 자기 메모리 단위 셀의 적층을 통해서 단위 셀의 면적과 간격을 줄이지 않고, 다진법 메모리의 구현을 통하여 초고집적 메모리 소자를 가능케 한다는 점이다.Another feature of the present invention is that the stacking of nonvolatile quadrupole magnetic memory unit cells does not reduce the area and spacing of the unit cells, and enables ultra-high density memory devices through the implementation of the multiplicity memory.

본 발명의 단위 셀은 자기저항을 이용하여 다진법 정보를 저장하므로 기존의 MRAM이 지니는 신호 대 잡음 비율을 유지하기 위해서는 기존의 소자에 비하여 자화 방향에 따른 자기저항의 차이가 커야 한다. 따라서 자기 고정층과 자기 자유층 사이의 절연층에 강자성 나노 컨택을 형성하여 각 자성층의 상대적인 자화 방향에 따른 BMR (Ballistic Magneto Resistance)효과를 이용하면 높은 신호 대 잡음 비율을 얻을 수 있다.Since the unit cell of the present invention stores the chopped method information by using the magnetoresistance, in order to maintain the signal-to-noise ratio of the conventional MRAM, the magnetoresistance according to the magnetization direction must be larger than that of the conventional device. Therefore, high signal-to-noise ratios can be obtained by forming ferromagnetic nano-contacts in the insulating layer between the magnetic pinned layer and the magnetic free layer by using the BMR (Ballistic Magneto Resistance) effect according to the relative magnetization direction of each magnetic layer.

본 발명의 단위 셀이 4진법의 정보를 저장하기 위해서는 제1, 제2 자기 자유 층을 독립적으로 조정 할 수 있어야 한다. 이를 위해서 단위 셀 당 2개의 디지트 라인을 형성한다. 그러나 각 자기 자유층의 자화 방향을 조정하기 위한 자장에 의해서 인근 자기 자유층에 저장된 정보가 유실될 수 있으므로, 전압에 따른 응력유도자기이방성으로 각 자기 자유층의 자화 방향을 조정할 수 있다.In order for the unit cell of the present invention to store the information of the quadratic method, it is necessary to independently adjust the first and second magnetic free layers. To this end, two digit lines are formed per unit cell. However, since the information stored in the adjacent magnetic free layer may be lost by the magnetic field for adjusting the magnetization direction of each magnetic free layer, the magnetization direction of each magnetic free layer may be adjusted by the stress induced magnetic anisotropy according to the voltage.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 4진법 비휘발성 자기 메모리 단위 셀 과 이를 이용한 비휘발성, 초고집적 다진법 자기 메모리 소자를 설명한다. 모든 도면에서 자성박막의 면에 표시된 실선 화살표는 강자성층의 자화 방향을 나타내고, 점선 화살표는 강자성층에 인접한 반강자성층 계면의 자화 방향을 나타낸다.Hereinafter, a quaternary nonvolatile magnetic memory unit cell according to the present invention and a nonvolatile, ultra-high density multipolar magnetic memory device using the same will be described with reference to the accompanying drawings. In all figures, the solid arrows on the surface of the magnetic thin film indicate the magnetization direction of the ferromagnetic layer, and the dashed arrows indicate the magnetization direction of the antiferromagnetic layer interface adjacent to the ferromagnetic layer.

본 발명은 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 특징으로 하므로, 이를 구현하기 위해 실시예를 통하여 강자성층/반강자성층/강자성층의 구조를 지니는 시편을 구성했다. 이를 도 1을 통하여 설명한다.Since the present invention is characterized by a magnetic pinned layer having an anti-parallel exchange bias, a specimen having a structure of a ferromagnetic layer, an antiferromagnetic layer, and a ferromagnetic layer is constructed through an embodiment to realize this. This will be described with reference to FIG. 1.

도 1a는 본 발명이 제안한 반 평행한 교환 바이어스를 가지는 자기 고정층을 구현하기 위한 시편의 개략도이다. 상세한 층 구조는 바닥으로부터 Si 기판 위에 SiO2(150 nm) 및 Ta(5 nm), Ni81Fe19(8 nm), Fe50Mn50 (20 nm), Co(3.5 nm)를 순서대로 적층한다. SiO2는 자연 산화에 의해서 형성하고, Ta(5 nm), Ni81Fe19(8 nm), Fe50Mn50(20 nm)의 층은 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 기본 압력 5 ×10-6 Torr 의 고진공에서 Ar 압력을 1~2 mTorr로 유지하고 100 Oe의 외부 자기장을 박막면에 평행하게 가해준 상태에서 적층했다. 상기 시편을 커 회전각 자기이력곡선을 측정 하기 위한 2 ×10-8 Torr의 고진공 상태의 MOKE 챔버로 옮겨, Fe50Mn50 박막 위에 형성된 산화막을 제거하고, 전자 빔 증착법을 이용하여 0.76Å/분의 증착율에서 3.5nm 의 Co 박막을 증착 시켰다. 상기의 시편은 강자성(Ni81Fe19)/반강자성(Fe50Mn50)/강자성(Co)의 3층 박막 구조를 형성하고 있다.1A is a schematic diagram of a specimen for implementing a magnetic pinned layer having an anti-parallel exchange bias proposed by the present invention. The detailed layer structure stacks SiO 2 (150 nm) and Ta (5 nm), Ni 81 Fe 19 (8 nm), Fe 50 Mn 50 (20 nm), Co (3.5 nm) on the Si substrate from the bottom in order. . SiO 2 is formed by natural oxidation, and the layers of Ta (5 nm), Ni 81 Fe 19 (8 nm), and Fe 50 Mn 50 (20 nm) have a basic pressure of 5 × 10 -6 Torr using DC magnetron sputtering. The Ar pressure was maintained at a high vacuum of 1 to 2 mTorr, and the stack was applied while applying an external magnetic field of 100 Oe parallel to the thin film surface. The specimen was transferred to a high vacuum MOKE chamber of 2 × 10 -8 Torr for measuring the rotation angle magnetic hysteresis curve, the oxide film formed on the Fe 50 Mn 50 thin film was removed, and the electron beam evaporation method was performed at 0.76Å / min. At the deposition rate of 3.5nm Co thin film was deposited. The specimen forms a three-layer thin film structure of ferromagnetic (Ni 81 Fe 19 ) / anti-ferromagnetic (Fe 50 Mn 50 ) / ferromagnetic (Co).

도 1b는 도 1a의 시편의 단면구조를 투과전자현미경(TEM)을 통하여 관찰한 사진이다. 이때, Co 박막의 산화를 방지하기 위해서 고진공 챔버에서 1.5 nm 의 Pd 보호층을 증착한 후에 관찰하였다. 도면을 살펴보면 본 실시예를 위한 시편의 각 층들이 균일한 두께로 층 구조를 이루고 있으며, 각 층간의 계면 또한 잘 형성되어 있음을 알 수 있다.FIG. 1B is a photograph of the cross-sectional structure of the specimen of FIG. 1A observed through a transmission electron microscope (TEM). At this time, in order to prevent the oxidation of the Co thin film was observed after depositing a 1.5 nm Pd protective layer in a high vacuum chamber. Looking at the drawings it can be seen that each layer of the specimen for this embodiment forms a layer structure with a uniform thickness, and the interface between each layer is also well formed.

도 1c는 커 회전각을 이용하여 상온에서 측정한 도 1a 시편의 자기이력곡선이다. 상기 강자성/반강자성/강자성의 3중 박막 구조에서 두 개의 교환 바이어스가 형성됨을 확인할 수 있다. Ni81Fe19 박막의 교환 바이어스 자장의 크기는 -170 Oe 이고 항자력은 24 Oe 이다. 또한 Co 박막의 교환 바이어스 자장의 크기는 -22 Oe이고 항자력은 60 Oe 이다.FIG. 1C is a magnetic history curve of the specimen of FIG. 1A measured at room temperature using a Kerr rotation angle. It can be seen that two exchange biases are formed in the ferromagnetic / antiferromagnetic / ferromagnetic triple thin film structure. The exchange bias magnetic field of the Ni 81 Fe 19 thin film is -170 Oe and the coercive force is 24 Oe. In addition, the size of the exchange bias magnetic field of the Co thin film is -22 Oe and the coercive force is 60 Oe.

도 1을 통하여 살펴보면 본 실시예의 시편을 이루는 강자성층들(Co, Ni81Fe19)에는 서로 평행한 교환 바이어스가 형성되어 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명이 이용하고자 하는 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 구현하기 위해서는 몇 단계의 과정을 거쳐야 한다. 이를 도 2를 통하여 설명한다.Looking through Figure 1 it can be seen that the exchange bias is formed in parallel with the ferromagnetic layers (Co, Ni 81 Fe 19 ) forming the specimen of this embodiment. Therefore, in order to implement a magnetically fixed layer having an anti-parallel exchange bias to be used by the present invention, several steps must be taken. This will be described with reference to FIG. 2.

도 2a는 도 1a의 시편을 교환 바이어스가 형성되지 않는 온도(190℃)에서 커 회전각을 통하여 측정한 자기이력곡선과 자기이력곡선 상의 특정 외부자장에 따른 자기 고정층의 자화 방향을 도시한 것이다. 본 실시예의 강자성층/반강자성층/강자성층 박막의 교환 바이어스는 190℃에서 완전히 사라졌다. 상기 자기이력곡선을 살펴보면 도 2a의 (2)와 (3)의 외부자장 상태에서 자기 고정층을 이루는 강자성층들의 자화 방향이 서로 반 평행하게 형성 된 것을 볼 수 있다.FIG. 2A illustrates the magnetization direction of the magnetic pinning layer according to a specific external magnetic field on the magnetic hysteresis curve and the magnetic hysteresis curve measured by the rotation angle of the specimen of FIG. 1A at a temperature (190 ° C.) at which an exchange bias is not formed. The exchange bias of the ferromagnetic layer / antiferromagnetic layer / ferromagnetic layer thin film of this example disappeared completely at 190 ° C. Looking at the magnetic history curve, it can be seen that the magnetization directions of the ferromagnetic layers constituting the magnetic pinning layer in the external magnetic state of FIGS. 2A and 2 are formed in parallel with each other.

본 발명에 있어서 자기 고정층의 자화 방향은, 먼저 자기 고정층을 교환 바이어스가 일어나지 않는 온도(blocking temperature - 본 실시예는 190℃) 이상으로 가열한 후, 강자성층들의 자화 방향이 반 평행하게 배열되는 일정한 외부자장(도 2a의 (2) 또는 (3)상태의 외부자장)을 인가하거나 혹은 그 후 자장을 제거한 상태에서 실온까지 냉각을 시켜준다. 그러면 반강자성층 계면의 자화 방향이 접촉하고 있는 강자성층의 자화 방향으로 배열되므로, 반강자성층의 계면에 반 평행한 교환 바이어스가 형성되고, 이 교환 바이어스에 의해서 반강자성체의 양쪽에 접하고 있는 강자성체의 자화 방향이 고정된다. 따라서 본 발명에서 이용한 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 구현할 수 있다.In the present invention, the magnetization direction of the magnetic pinned layer is a constant in which the magnetization directions of the ferromagnetic layers are arranged in parallel in parallel after first heating the magnetic pinned layer to a temperature at which no exchange bias occurs (190 ° C in this embodiment). An external magnetic field (external magnetic field in the state (2) or (3) of FIG. 2A) is applied or thereafter cooled to room temperature in a state where the magnetic field is removed. Then, since the magnetization direction of the antiferromagnetic layer interface is arranged in the magnetization direction of the ferromagnetic layer in contact, an exchange bias is formed which is antiparallel to the interface of the antiferromagnetic layer. The magnetization direction is fixed. Therefore, the magnetic pinned layer having the anti-parallel exchange bias used in the present invention can be implemented.

도 2b, 도 2c, 및 도 2d 는 각각 도 2a의 자기이력곡선 상의 (1), (2), (3)상태의 외부자장에서 각 자성층의 자화 방향을 배열한 후 실온까지 냉각 시킨 상태의 메모리 셀을 커 회전각으로 상온에서 측정한 자기이력곡선 및 자화 방향이다. 각 경우의 교환 바이어스의 크기(Heb)와 보자력(Hc)은 도면에 명시하였다.2B, 2C, and 2D show the magnetization directions of the magnetic layers in the magnetic fields of (1), (2), and (3) on the magnetic hysteresis curve of FIG. 2A, respectively, and then cooled to room temperature. It is the magnetic hysteresis curve and magnetization direction measured at room temperature by the rotation angle of the cell. In each case, the magnitude of the exchange bias (H eb ) and the coercive force (H c ) are shown in the figure.

본 실시예를 통하여 측정한 자기이력곡선은 광자기적 측정방법인 커 회전각을 이용하여 측정한 것이므로 자기이력곡선만으로 각 자성층의 절대적인 자화 세기를 비교할 수는 없다.Since the magnetic hysteresis curve measured by the present embodiment is measured using Kerr rotation angle, which is a magneto-optical measuring method, it is not possible to compare the absolute magnetization strength of each magnetic layer by the magnetic hysteresis curve alone.

상기 실시예에서 구현한 반 평행 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 구비하는 본 발명의 단위 셀은 제1 자기 고정층과 제1 자기 자유층, 제2 자기 고정층과 제2 자기 자유층의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이를 이용하여 비휘발성 4진법 정보를 저장한다. 이하 도 3를 통하여 본 발명의 비휘발성 4진법 자기 메모리 단위 셀을 제안한다.The unit cell of the present invention having a self-fixing layer having an anti-parallel exchange bias implemented in the above embodiment may be configured according to the relative magnetization directions of the first magnetic fixing layer and the first magnetic free layer, and the second magnetic fixing layer and the second magnetic free layer. Non-volatile quadratic information is stored using the difference in magnetoresistance. Hereinafter, a nonvolatile quaternary magnetic memory unit cell of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3a는 본 발명이 제안하는 4 진법 비휘발성 자기 메모리 단위 셀(30)의 층 구조와 각 층의 자화 방향을 도시한 것이다. 단위 셀(30)은 도 2의 실시예를 통하여 구현한바 있는 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층(31)을 구비한다. 단위 셀(30)의 상세한 구조는 아래부터 제1 자기 자유층(301), 도전층 또는 절연층(302), 제1 자기 고정층(303), 반강자성층(304), 제2 자기 고정층(305), 도전층 또는 절연층(306), 제2자기 자유층(307)으로 구성된다.FIG. 3A illustrates the layer structure of the quaternary nonvolatile magnetic memory unit cell 30 proposed by the present invention and the magnetization direction of each layer. The unit cell 30 has a magnetic pinned layer 31 having an anti-parallel exchange bias as implemented through the embodiment of FIG. 2. The detailed structure of the unit cell 30 is described below from the first magnetic free layer 301, the conductive layer or the insulating layer 302, the first magnetic pinned layer 303, the antiferromagnetic layer 304, and the second magnetic pinned layer 305. ), A conductive layer or insulating layer 306, and a second magnetic free layer 307.

단위 셀(30)의 제1 자기 고정층(303), 반강자성층(304), 제2 자기 고정층(305)으로 이루어진 자기 고정층(31)은 실시예에서 구현한 바와 같은 과정을 통하여 반 평행한 교환 바이어스를 지니므로, 각 자기 고정층을 이루는 강자성층(303, 305)의 자화 방향이 서로 반 평행하게 고정되어 있다. 따라서 일정 크기의 외부자장 범위에서는 자화 방향이 변하지 않는다. 제1, 제2 자기 자유층(301, 307)을 이루는 강자성층은 연자성 물질을 사용하여 자기 고정층들(303, 305)의 자화 방향이 변하지 않는 범위의 외부자장으로 자화 방향을 조정할 수 있다. 이를 도 3b를 통하여 자세히 설명한다.The anti-parallel layer 31 composed of the first magnetic pinned layer 303, the anti-ferromagnetic layer 304, and the second magnetic pinned layer 305 of the unit cell 30 is semi-parallel exchanged through the process as implemented in the embodiment. Because of the bias, the magnetization directions of the ferromagnetic layers 303 and 305 constituting each of the magnetic pinning layers are fixed in parallel to each other. Therefore, the magnetization direction does not change in the range of the external magnetic field of a certain size. The ferromagnetic layer constituting the first and second magnetic free layers 301 and 307 may use a soft magnetic material to adjust the magnetization direction to an external magnetic field in which the magnetization directions of the magnetic pinned layers 303 and 305 do not change. This will be described in detail with reference to FIG. 3B.

도 3b는 도 3a의 단위 셀이 형성하는 자기이력곡선의 개략도와 외부자장의 변화에 따른 각 자기 자유층의 자화방향을 도시한 것이다. 상기 자기이력곡선은 자기 고정층과 자기 자유층 사이의 거리가 충분하여 서로 자기적으로 영향을 주지 않고, 제1, 제2 자기 자유층(301, 307)을 이루는 물질이 동일한 자기적 특성을 지닌다는 가정하에 구성한 개략도이다. 상기 자기이력곡선을 살펴보면 반 평행 교환 바이어스에 의하여 제1, 제2 자기 고정층(303, 305)의 자기이력곡선은 각각 양과 음의 외부자장 방향으로 분리되어, 제1, 제2 자기 고정층의 자화 방향이 외부자장에 의해 영향을 받지 않는 범위(△H)가 생긴다.FIG. 3B is a schematic diagram of a magnetic history curve formed by the unit cell of FIG. 3A and a magnetization direction of each magnetic free layer according to a change in an external magnetic field. The magnetic hysteresis curve is such that the distance between the magnetic pinned layer and the magnetic free layer is sufficient so that the materials forming the first and second magnetic free layers 301 and 307 have the same magnetic characteristics. It is a schematic diagram constructed under the assumption. Looking at the magnetic hysteresis curve, the magnetic hysteresis curves of the first and second magnetic pinned layers 303 and 305 are separated in the positive and negative external magnetic directions by anti-parallel exchange biases, respectively, and the magnetization directions of the first and second magnetic pinned layers are different. The range? H is not affected by the external magnetic field.

상기 자기이력곡선에서 제1, 제2 자기 자유층(301, 307)에 의한 자기이력곡선은 두 자기 자유층(301, 307)이 자기적으로 동일하고, 자기 고정층(303, 305)에 의해서 자화에 영향을 받지 않으므로 동일한 자기이력곡선을 나타낸다. 또한 자기 자유층(301, 307)은 외부자장을 이용하여 쉽게 자화 방향을 조정할 수 있도록 연자성 물질을 사용하므로, 자기 자유층(301, 307)에 의한 자기이력곡선은 교환 바이어스에 의해 양과 음의 외부자장 방향으로 분리된 제1, 제2 자기 고정층(303, 305)의 자기이력곡선들 사이(△H)에 존재한다. 따라서 자기 고정층(303, 305)의 자화 방향이 변하지 않는 일정 범위(△H)의 외부자장으로 자기 자유층(301, 307)의 자화 방향을 변화 시킬 수 있다. 그러나 특정 외부자장에서 각 자기 자유층이 이루는 자화 방향을 살펴보면, 상기의 단위 셀(30)의 자기 자유층(301, 307)은 외부자장의 변화 에 의해 두 층의 자화 방향이 동일하게 변하므로, 하나의 외부자장으로 제1, 제2 자기 자유층(301, 307)의 자화 방향을 독립적으로 조정할 수 없다.In the magnetic hysteresis curve, the magnetic hysteresis curves of the first and second magnetic free layers 301 and 307 are magnetically identical to each other, and the magnetization layers are magnetized by the magnetic pinned layers 303 and 305. Since it is not affected by, it shows the same magnetic hysteresis curve. In addition, since the magnetic free layers 301 and 307 use a soft magnetic material to easily adjust the magnetization direction by using an external magnetic field, the magnetic hysteresis curves of the magnetic free layers 301 and 307 are positive and negative due to an exchange bias. It exists between the magnetic history curves ΔH of the first and second magnetic pinned layers 303 and 305 separated in the external magnetic direction. Accordingly, the magnetization directions of the magnetic free layers 301 and 307 may be changed by an external magnetic field within a predetermined range ΔH where the magnetization directions of the magnetic pinned layers 303 and 305 do not change. However, when looking at the magnetization direction of each magnetic free layer in a specific external magnetic field, the magnetic free layers 301 and 307 of the unit cell 30 are changed in the same direction due to the change in the external magnetic field, The magnetization direction of the first and second magnetic free layers 301 and 307 cannot be adjusted independently with one external magnetic field.

본 발명의 단위 셀(30)은 제1, 제2 자기 자유층(301, 307)과 제1, 제2 자기 고정층(303, 305)의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항을 이용하여 정보를 저장하므로, 4 진법 비휘발성 메모리 소자로서의 특징을 지니기 위해서는 도 3c에 도시한 바와 같이 제1, 제2 자기 자유층(301, 307)과 제1, 제2 자기 고정층(303, 305)의 상대적인 자화 방향이 4가지 상태를 지녀야 한다. 따라서 제1, 제2 자기 자유층의 자화 방향을 독립적으로 조정할 수 있어야 한다. 이를 위한 본 발명의 자기 자유층(301, 307) 조정 방법을 도4를 통하여 설명한다.Since the unit cell 30 of the present invention stores information by using a magnetoresistance according to a relative magnetization direction of the first and second magnetic free layers 301 and 307 and the first and second magnetic pinned layers 303 and 305. In order to have the characteristics as a quaternary nonvolatile memory device, as shown in FIG. 3C, the relative magnetization directions of the first and second magnetic free layers 301 and 307 and the first and second magnetic pinned layers 303 and 305 are different from each other. You must have four states. Therefore, the magnetization directions of the first and second magnetic free layers should be independently adjustable. A method of adjusting the magnetic free layers 301 and 307 of the present invention for this purpose will be described with reference to FIG.

도 4a와 도 4b는 각각 본 발명의 비휘발성 4진법 자기 메모리에 저장된 정보를 거대 자기저항 및 터널링 자기저항으로 판독하기 위한 디지트 라인과 비트라인의 구성을 보인 것이다. 단위 셀(30) 당 두 개의 디지트 라인을 구비하므로, 제1 자기 자유층(301)과 제2 자기 자유층(307)에 독립적인 외부자장을 가할 수 있다. 따라서 제1 자기 자유층(301)과 제2 자기 자유층(307)의 자화 방향을 독립적으로 조정 가능하고, 이를 이용하여 4 진법 의 비휘발성 정보를 저장할 수 있다. 거대 자기저항을 이용하여 정보를 판독하는 경우 각 자성층의 상대적인 자화 방향 상태를 파악하기 위한 "읽기" 전류가 도전층(302, 306)으로 흘러야 하므로 도 4a와 같이 도전층(302, 306)을 비트라인(403, 404)으로 구성하고, 터널링 자기저항으로 정보를 판독하는 경우에는 "읽기" 전류가 단위 셀(30)을 수직으로 통과하여 터널링(절연층)을 지나야 하므로 단위 셀(30) 상하에 비트라인(407, 408)을 구성하여야 한 다. 또한 터널링 자기저항을 사용하는 경우에는 디지트 라인(405, 406)과 비트라인(407, 408)이 인접해 있으므로, 전류 누설을 막기 위해서 디지트 라인과 비트라인 사이에 절연층(308, 309)을 형성한다.4A and 4B show the configuration of the digit lines and the bit lines for reading the information stored in the nonvolatile ternary magnetic memory of the present invention with a large magnetoresistance and a tunneling magnetoresistance, respectively. Since two digit lines are provided per unit cell 30, an independent external magnetic field may be applied to the first magnetic free layer 301 and the second magnetic free layer 307. Accordingly, the magnetization directions of the first magnetic free layer 301 and the second magnetic free layer 307 can be independently adjusted, and the non-volatile information of the quaternary method can be stored using the magnetization directions. When reading information by using a large magnetoresistance, a "read" current must be flowed to the conductive layers 302 and 306 to determine the relative magnetization direction state of each magnetic layer, so as shown in FIG. In the case of configuring the lines 403 and 404 and reading the information by the tunneling magnetoresistance, the "read" current must pass vertically through the unit cell 30 and pass through the tunneling (insulation layer), so that the upper and lower portions of the unit cell 30 Bit lines 407 and 408 should be constructed. In the case of using the tunneling magnetoresistance, since the digit lines 405 and 406 and the bit lines 407 and 408 are adjacent to each other, the insulating layers 308 and 309 are formed between the digit lines and the bit lines to prevent current leakage. do.

본 발명의 단위 셀(30)은 상기 MRAM의 기술을 적용하여 폭 방향의 길이(W)를 길이 방향의 길이(L)보다 짧게 하여, 자화 용이축을 디지트 라인에 의한 자장과 평행하고 비트라인에 의한 자장과 수직하게 형성한다. 또한 디지트 라인(401, 402 또는 405, 406)과 비트라인(403, 404 또는 407, 408)을 모두 자유층의 자화 방향을 조정하는 "쓰기" 에 사용한다. 이 방법에 대해서는 상기 "발명이 속하는 종래 기술" 을 통하여 설명하였으므로 여기에서는 생략하기로 한다.The unit cell 30 of the present invention applies the technique of the MRAM so that the length W in the width direction is shorter than the length L in the longitudinal direction, so that the axis of easy magnetization is parallel to the magnetic field by the digit line and is formed by the bit line. Form perpendicular to the magnetic field. Also, the digit lines 401, 402 or 405, 406 and the bit lines 403, 404 or 407, 408 are both used for " write " to adjust the magnetization direction of the free layer. This method has been described through the above-described "prior art," which will be omitted here.

상기 단위 셀(30)과 디지트, 비트라인의 배열을 조합하면 n×n 셀 배열을 형성할 수 있다. 거대 자기저항 효과를 사용하는 경우의 셀 배열은 도 4c에 도시하였고, 터널링 자기저항 효과를 사용하는 경우는 도 4d에 도시하였다. 상기의 셀 배열은 기존의 MRAM 셀 배열과 같이 디지트 라인과 비트라인을 모두 "쓰기"에 이용하므로 특정 셀에 선택적으로 정보 저장이 가능하다. 본 발명의 단위 셀(30)은 두 개의 자기 자유층(301, 307)을 지니고, 이의 자화 방향을 조정하기 위한 두 개의 디지트 라인(401, 402 또는 405, 406)과 두 개의 비트라인(403, 404 또는 407, 408)을 지니므로 단위 셀(30)당 4개의 라인을 구비하는 것을 특징으로 한다. 따라서 n×n 셀 배열의 특정 단위 셀의 제1 또는 제2 자기 자유층(301, 307)의 자화 방향만을 독립적으로 조정 가능하다.When the unit cell 30, the digits, and the bit lines are combined, an n × n cell array may be formed. The cell arrangement in the case of using the giant magnetoresistive effect is shown in FIG. 4C, and the case of using the tunneling magnetoresistive effect is shown in FIG. 4D. Since the cell array uses both the digit line and the bit line to "write" like the conventional MRAM cell array, it is possible to selectively store information in a specific cell. The unit cell 30 of the present invention has two magnetic free layers 301 and 307, and two digit lines 401, 402 or 405, 406 and two bit lines 403, for adjusting the magnetization direction thereof. Since it has 404 or 407, 408, it is characterized by having four lines per unit cell 30. Therefore, only the magnetization directions of the first or second magnetic free layers 301 and 307 of the specific unit cells of the n × n cell array can be independently adjusted.

기존의 MRAM에 비하여 본 발명의 단위 셀은 4 진법 정보 저장을 위해서 2배 의 라인수가 필요하다. 이는 공정상 상당한 약점이 될 수 있으므로, 본 발명에서는 단위 셀 당 3개 또는 기존의 MRAM 라인 배열과 같이 2개의 라인으로 제1, 제2 자기 자유층의 자화 방향을 독립적으로 조정하기 위한 방법을 도 5를 통하여 설명한다.Compared with the conventional MRAM, the unit cell of the present invention requires twice the number of lines for storing the binary information. Since this can be a significant disadvantage in the process, the present invention provides a method for independently adjusting the magnetization directions of the first and second magnetic free layers with two lines, such as three per unit cell or an existing MRAM line arrangement. Explain through 5.

도 5a는 자기 고정층(303, 305)에 의한 교환 바이어스가 인접한 자유층(301, 307)에 작용하는 경우에 대한 단위 셀(30)의 자기이력곡선 개략도와 자화 방향을 도시한 것이다. 상기 도 3b를 통하여 설명한 단위 셀(30)의 자기이력곡선에서 자기 자유층(301, 307)에 의한 자기이력곡선은 자기 자유층(301, 307)과 자기 고정층(302, 305) 사이의 거리가 충분하여 서로 자기적으로 영향을 주지 않고, 제1, 제2 자기 자유층(301, 307)이 동일한 자기적 성질을 가진 상태이므로, 하나의 자기이력곡선으로 나타난다. 그러나 단위 셀(30)의 도전층 또는 절연층(302, 306)의 두께를 조정하거나, 자기 자유층(301, 307)과 자기 고정층(303, 305) 사이에 비자성 스페이서층(spacer)을 삽입하여 자기 자유층과 자기 고정층 사이의 거리를 적절히 조정하는 경우, 자기 고정층(303, 305)에 의한 교환 바이어스가 자기 자유층(301, 307)에 작용한다. 상기 자기 고정층(303, 305)은 반 평행한 자화 방향을 지니므로, 자기 자유층(301, 307)에 작용하는 교환 바이어스도 서로 반 평행하다. 따라서 자기 자유층(301, 307)에 의한 자기이력곡선은 양과 음의 외부자장 방향으로 분리된다.FIG. 5A shows a schematic diagram and magnetization direction of the hysteresis curve of the unit cell 30 in the case where the exchange bias by the magnetic pinned layers 303 and 305 acts on the adjacent free layers 301 and 307. In the magnetic hysteresis curve of the unit cell 30 described with reference to FIG. 3B, the magnetic hysteresis curves of the magnetic free layers 301 and 307 have a distance between the magnetic free layers 301 and 307 and the magnetic pinned layers 302 and 305. Since the first and second magnetic free layers 301 and 307 have sufficient magnetic properties without sufficient magnetic influence on each other, they appear as one magnetic history curve. However, the thickness of the conductive or insulating layers 302 and 306 of the unit cell 30 is adjusted, or a nonmagnetic spacer layer is inserted between the magnetic free layers 301 and 307 and the magnetic pinned layers 303 and 305. When the distance between the magnetic free layer and the magnetic pinned layer is properly adjusted, the exchange bias by the magnetic pinned layers 303 and 305 acts on the magnetic free layers 301 and 307. Since the magnetic pinned layers 303 and 305 have antiparallel magnetization directions, the exchange biases acting on the magnetic free layers 301 and 307 are also antiparallel to each other. Therefore, the magnetic history curves of the magnetic free layers 301 and 307 are separated in the positive and negative external magnetic directions.

도면에 도시한 특정 외부자장 상태에서 각 자성층의 자화 방향을 살펴보면, 상기 자기 자유층(301, 307)의 자기이력곡선 분리를 이용하면, 하나의 도선에 의한 외부 자장으로 제1, 제2 자기 자유층의 방향을 조정할 수 있다. 그러나 도면의 (2) 와 (4) 의 경우가 같은 자화 방향 상태를 가지므로, 하나의 도선에 의한 외부자장으로는 자기 자유층(301, 307)과 자기 고정층(303, 305)의 4가지 다른 상대적인 자화 방향을 구현할 수 없다. 따라서 단위 셀(30)을 이루는 자기 자유층(301, 307)의 자화 방향을 하나의 도선으로 조정하는 경우에는 3 진법의 정보만 저장이 가능하다.Looking at the magnetization direction of each magnetic layer in the specific external magnetic state shown in the drawing, when the magnetic hysteresis curve separation of the magnetic free layers 301 and 307 is used, the first and second magnetic freedoms are the external magnetic field by one conductor. The direction of the layers can be adjusted. However, in the case of (2) and (4) in the drawing, the same magnetization direction state is used, and as the external magnetic field by one conductor, four different types of magnetic free layers 301 and 307 and magnetic pinned layers 303 and 305 are provided. Relative magnetization directions cannot be implemented. Therefore, when the magnetization direction of the magnetic free layers 301 and 307 constituting the unit cell 30 is adjusted to one conductive line, only the information of the ternary method can be stored.

도 5b는 자기 고정층에 의한 교환 바이어스가 자기 자유층에 영향을 주는 경우, 컴퓨터 시뮬레이션으로 예상한 자기이력곡선이다. 도면은 강자성층으로 NiFe 와 CoFe를 사용하고 도전층으로 20Å Cu를 사용한 것을 가정한 시뮬레이션 결과이다. 자기 고정층에 의한 교환바이어스의 크기는 자기 고정층과 자기 자유층 사이의 도전층 또는 절연층의 두께에 의해서 결정이 된다. 일반적으로 도전층 또는 절연층의 두께가 감소하면 자기 고정층에 의해 자기 자유층에 작용하는 교환 바이어스의 크기가 지수함수의 형태로 증가한다. 따라서 자기 고정층과 자기 자유층의 사이의 거리를 적절히 조절하면 작은 크기의 자장으로 본 발명의 단위 셀에 3가지 상대적인 자화방향을 구현하여 3진법의 정보를 저장할 수 있다.5B is a magnetic history curve predicted by computer simulation when the exchange bias caused by the magnetic pinned layer affects the magnetic free layer. The figure shows simulation results assuming that NiFe and CoFe are used as ferromagnetic layers and 20ÅCu is used as the conductive layer. The size of the exchange bias by the magnetic pinning layer is determined by the thickness of the conductive or insulating layer between the magnetic pinning layer and the magnetic free layer. In general, as the thickness of the conductive layer or the insulating layer decreases, the magnitude of the exchange bias acting on the magnetic free layer by the magnetic pinning layer increases in the form of an exponential function. Therefore, if the distance between the magnetic pinned layer and the magnetic free layer is properly adjusted, three relative magnetization directions can be stored in the unit cell of the present invention with a small magnetic field, thereby storing the information of the ternary method.

도 5c와 도 5d는 단위 셀(30)이 각각 거대 자기저항 또는 터널링 자기저항을 이용하여 정보를 판독하는 비휘발성 3진법 자기 메모리로 구현될 경우, 하나의 디지트 라인(501 또는 504)과 하나 또는 두 개의 비트라인(502, 503, 또는 505)을 포함하는 셀의 개략도이다. 두 경우 모두 단위 셀(30) 당 하나의 디지트 라인(501, 504)을 구비하므로 제1 자기 자유층과 제2 자기 자유층에 하나의 도선에 의한 자장을 가한다. 그러나 도 5a를 통하여 설명한 바와 같이 제1, 제2 자기 자유층의 자기 이력곡선이 분리 되어 있으면, 하나의 도선에 의한 자장으로 3 진법의 정보를 나타내는 각 자성층의 상대적인 자화 방향을 표현할 수 있다.5C and 5D show one digit line 501 or 504 and one digit when the unit cell 30 is implemented as a nonvolatile ternary magnetic memory that reads information using a giant magnetoresistance or a tunneling magnetoresistance, respectively. A schematic diagram of a cell comprising two bit lines 502, 503, or 505. In both cases, since one digit line 501 or 504 is provided per unit cell 30, a magnetic field by one conductor is applied to the first magnetic free layer and the second magnetic free layer. However, when the magnetic hysteresis curves of the first and second magnetic free layers are separated as described with reference to FIG. 5A, the relative magnetization directions of the respective magnetic layers representing the information of the ternary method can be expressed by the magnetic field of one conductive wire.

도 5e와 도 5f는 각각 도 5c와 도 5d에 도시한 하나의 디지트 라인을 이용하는 셀 구조를 조합한 n×n 셀 배열을 이다. 거대 자기저항을 이용하여 정보를 판독하는 경우 (도 5e)에 각 단위 셀(30)은 "읽기" 전류가 두 개의 비트라인(502, 503)으로 흐르므로, 단위 셀(30) 당 하나의 디지트 라인(501)과 두 개의 비트라인(502, 503)을 구비하고, 터널링 자기저항을 이용하는 경우(도 5f)에는 "읽기" 전류가 비트라인에서 두 개의 터널링층(302, 306)을 지나 디지트 라인으로 흘러야 하므로 단위 셀(30) 당 하나의 디지트 라인(504)과 하나의 비트라인(505)을 구비한다. 따라서 터널링 자기저항 효과를 이용하는 본 발명의 비휘발성 3진법 자기 메모리 단위 셀(30)은 기존의 MTJ 구조를 사용하던 MRAM의 배선 기술에 그대로 적용가능하다.5E and 5F show an n × n cell arrangement combining cell structures using one digit line shown in FIGS. 5C and 5D, respectively. In the case of reading information using a giant magnetoresistance (FIG. 5E), each unit cell 30 has a “read” current flowing through two bit lines 502 and 503, so that one digit per unit cell 30 is obtained. Line 501 and two bit lines 502 and 503, and in the case of using a tunneling magnetoresistance (FIG. 5F), a " read " current passes through the two tunneling layers 302 and 306 in the bit line. One digit line 504 and one bit line 505 are provided per unit cell 30 because it must flow in the. Therefore, the nonvolatile ternary magnetic memory unit cell 30 of the present invention using the tunneling magnetoresistance effect can be applied to the wiring technology of MRAM, which used the conventional MTJ structure.

이상에서는 본 발명의 단위 셀(30)의 구조와 단위 셀(30)을 이루는 제1, 제2자기 자유층(301, 307)의 자화 방향을 독립적으로 조정하여 단위 셀(30) 당 4 진법 혹은 3 진법의 정보를 저장하기 위한 방법을 살펴봤다. 이하에서는 제1, 제2 자기 자유층(301, 307)과 제1, 제2 자기 고정층(303, 305)의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이를 이용하여 단위 셀에 저장된 4 진법 정보를 읽는 방법을 도 6을 통하여 설명한다.In the above description, the structure of the unit cell 30 of the present invention and the magnetization directions of the first and second magnetic free layers 301 and 307 constituting the unit cell 30 are independently adjusted so that the unit cell 30 may be in a quadratic manner or the like. We have seen how to store ternary information. Hereinafter, the hexadecimal information stored in the unit cell is read using the difference in the magnetoresistance according to the relative magnetization directions of the first and second magnetic free layers 301 and 307 and the first and second magnetic pinned layers 303 and 305. The method will be described with reference to FIG. 6.

도 6a, 도 6b, 도 6c, 및 도 6d는 각각 메모리 셀의 하부구조, 제1 자기 자유층(301)의 자화 방향에 따른 셀 하부구조의 자기저항 크기, 메모리 셀의 상부구조, 및 제2 자기 자유층(307)의 자화 방향에 따른 셀 상부구조의 자기저항 크기를 도시한 것이다.6A, 6B, 6C, and 6D illustrate the substructure of the memory cell, the magnetoresistance of the cell substructure along the magnetization direction of the first magnetic free layer 301, the superstructure of the memory cell, and the second, respectively. The magnetoresistance of the cell superstructure along the magnetization direction of the magnetic free layer 307 is shown.

도 6b를 통하여 단위 셀 하부(61)의 제1 자기 자유층(301)과 제1 자기 고정층(303)의 상대적인 방향에 따른 자기저항의 크기인 R1(자화 방향이 서로 평행한 경우)과 R2(자화 방향이 서로 반 평행한 경우)를 도시하였고, 도 6d를 통하여 단위 셀상부(62)의 제2 자기 자유층(307)과 제2 자기 고정층(305)의 상대적인 방향에 따른 자기저항의 크기인 R3(자화 방향이 서로 평행한 경우)과 R4(자화 방향이 서로 반 평행한 경우)를 도시하였다.6B, R 1 (when magnetization directions are parallel to each other) and R, which are magnitudes of magnetoresistance according to relative directions of the first magnetic free layer 301 and the first magnetic pinned layer 303 of the unit cell lower part 61 through FIG. 6B. 2 (when the magnetization directions are antiparallel to each other), the magnetic resistance according to the relative direction of the second magnetic free layer 307 and the second magnetic pinned layer 305 of the unit cell upper part 62 is shown through FIG. 6D. The magnitudes R 3 (when the magnetization directions are parallel to each other) and R 4 (when the magnetization directions are half parallel to each other) are shown.

도 6b와 도 6d에 나타난 각 자성층의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 크기인 R1, R2, R3, R4 의 크기가 모두 다를 경우, 단위 셀 하부(61)에 의한 자기저항과 단위 셀 상부(62)에 의한 자기저항은 서로 다른 크기의 4가지 조합을 이룰 수 있다. 이를 각 자성층의 자화 방향과 연결하여 도시하면 도 6e과 같다. 도 6e를 살펴보면, 각 자성층의 상대적인 자화 방향에 따라서 4가지의 자기저항 상태가 나타난다. 이를 비트라인에 흐르는 전류를 이용하여 측정하면, 단위 셀에 저장된 4가지 상태의 자성층의 상대적인 자화 방향, 즉 4 진법의 비휘발성 정보를 읽을 수 있다.When the magnitudes of R 1, R 2, R 3, and R 4 , which are the magnitudes of the magnetoresistance according to the relative magnetization directions of the respective magnetic layers shown in FIGS. 6B and 6D, are different from each other, the magnetoresistance due to the unit cell lower portion 61 and the unit The magnetoresistance by the cell top 62 can be of four combinations of different sizes. This is shown in connection with the magnetization direction of each magnetic layer is shown in Figure 6e. Referring to FIG. 6E, four magnetoresistive states appear according to the relative magnetization directions of the respective magnetic layers. When measured using the current flowing in the bit line, it is possible to read the relative magnetization direction of the magnetic layers of the four states stored in the unit cell, that is, the nonvolatile information of the quadratic method.

도 6f는 자기 고정층에 의한 교환 바이어스가 자기 자유층에 작용하는 경우, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 예상한 외부 자장에 따른 자기저항의 변화이다. 도면은 강자성층으로 NiFe 와 CoFe 를 사용하고 도전층으로 2Å Cu를 사용한 것을 가정한 시뮬레이션 결과이다. 본 시뮬레이션의 결과는 하나의 외부자장으로 제1 자기 자유층과 제2 자기 자유층의 자화 방향을 동시에 조정하므로 도6e에서 도시한 것과 같은 4가지 상대적인 자화 방향을 지닐 수는 없다. 따라서 단위 셀 당 3진법의 정보를 저장할 수 있다. 자기 고정층과 자기 자유층 사이의 거리를 조정하면 교환바이어스의 크기를 조정할 수 있으므로, 작은 자장의 범위에서 3가지 자기저항 상태를 모두 나타낼 수 있는 것을 알 수 있다.6F is a change in magnetoresistance according to an external magnetic field predicted by computer simulation when the exchange bias caused by the magnetic pinned layer acts on the magnetic free layer. The figure shows simulation results assuming that NiFe and CoFe are used as ferromagnetic layers and 2ÅCu is used as the conductive layer. As a result of this simulation, one external magnetic field simultaneously adjusts the magnetization directions of the first magnetic free layer and the second magnetic free layer, and thus cannot have four relative magnetization directions as shown in FIG. 6E. Therefore, ternary information can be stored per unit cell. Since the size of the exchange bias can be adjusted by adjusting the distance between the magnetic pinned layer and the magnetic free layer, it can be seen that all three magnetoresistance states can be represented in the range of a small magnetic field.

상기 단위 셀 하부(61)에 의한 자기저항과 단위 셀 상부(62)에 의한 자기저항의 서로 다른 크기의 4가지 조합에 의해서 저장된 정보를 읽는 방법을 사용하는 경우, 서로 평행한 교환 바이어스를 지니는 강자성층/반강자성층/강자성층으로 구성된 자기 고정층을 사용하여도 단위 셀 당 4 진법의 정보 저장이 가능하고, 비트라인을 이용하여 저장된 정보를 읽을 수 있다. 이를 본 발명의 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층(31)과 비교하여 도 7을 통하여 설명한다.When using a method of reading stored information by four combinations of different magnitudes of the magnetoresistance by the unit cell lower portion 61 and the magnetoresistance by the unit cell upper portion 62, ferromagnetics having parallel exchange biases with each other. Even when a magnetic pinned layer composed of a layer, an antiferromagnetic layer, and a ferromagnetic layer is used, it is possible to store information in a quadratic manner per unit cell and read the stored information using a bit line. This will be described with reference to FIG. 7 in comparison with the magnetic pinned layer 31 having the anti-parallel exchange bias of the present invention.

도 7a는 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층(70)의 개략도이며, 도 7b는 도 7a에 대한 자기이력곡선이다. 또한 도 7b에 특정 외부자장에서 자기 고정층을 이루는 두 개의 강자성층(701, 703)의 자화 방향을 도시하였다.FIG. 7A is a schematic diagram of a magnetic pinned layer 70 having parallel exchange biases, and FIG. 7B is a magnetic history curve for FIG. 7A. In addition, the magnetization directions of two ferromagnetic layers 701 and 703 forming a magnetic pinned layer in a specific external magnetic field are illustrated in FIG. 7B.

이하에서는 평행한 교환 바이어스를 지니는 고정층(70)의 자기이력곡선인 도 7b를 반 평행한 자기 고정층(31)을 지니는 본 발명의 단위 셀(30)의 자기이력곡선인 도 3b 또는 도 5a와 비교하여 설명한다. 우선, 도 3b와 비교하여 도 7b의 자기이력곡선에서 주목해야 할 점은 자기 고정층(70)을 이루는 강자성층(701, 703)의 자화 방향이 변하지 않는 외부자장의 범위(△H)이다. △H의 범위가 클수록 자기 자유층(301, 307)의 자화 방향 조정을 위한 외부자장의 형성이 용이하다. 특히 집적도가 증가하면, 자기 자유층(301, 307)의 자화방향을 조정하기 위한 자장을 균일하 게 발생시키기가 어려워지고, 특정 단위 셀의 정보 저장을 위한 자장에 의해서 인근 단위 셀이 영향을 받을 수 있으므로 △H의 범위가 중요해진다.Hereinafter, FIG. 7B, which is a magnetic history curve of the pinned layer 70 having parallel exchange bias, is compared with FIG. 3B or FIG. 5A, which is a magnetic history curve of the unit cell 30 of the present invention having the anti-parallel magnetic fixed layer 31. Will be explained. First, a point to be noted in the magnetic history curve of FIG. 7B compared to FIG. 3B is a range ΔH of the external magnetic field in which the magnetization directions of the ferromagnetic layers 701 and 703 constituting the magnetic pinned layer 70 do not change. The larger the range of ΔH, the easier it is to form an external magnetic field for adjusting the magnetization direction of the magnetic free layers 301 and 307. In particular, when the degree of integration increases, it becomes difficult to uniformly generate a magnetic field for adjusting the magnetization directions of the magnetic free layers 301 and 307, and the neighboring unit cells may be affected by the magnetic field for storing information of a specific unit cell. Therefore, the range of ΔH becomes important.

도 7b의 자기이력곡선을 살펴보면, 양의 방향 외부자장에 의해서는 자기 고정층을 이루는 강자성체(701, 703)의 자화 방향이 변하지 않으므로, △H의 범위는 도 3b와 비교하여 큰 것을 알 수 있다. 그러나 자기 자유층의 자화 방향을 통하여 정보를 저장하기 위해서는 양과 음의 방향의 외부자장을 모두 가해야 하므로, 실질적으로 중요한 △H의 범위는 음의 방향으로의 범위인 △H' 이다. 일반적으로 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층(31)의 경우에 △H' 가 크다. 실시예의 도 2b와 도 2d를 비교하여 보면 반 평행 교환 바이어스를 형성한 자기 고정층의 경우 △H' 가 46 Oe로 평행 교환 바이어스를 형성하는 자기 고정층의 35 Oe 보다 큰 것을 알 수 있다.Referring to the magnetic hysteresis curve of FIG. 7B, the magnetization direction of the ferromagnetic bodies 701 and 703 constituting the magnetic pinned layer does not change by the positive external magnetic field, so that the range of ΔH is larger than that of FIG. 3B. However, in order to store information through the magnetization direction of the magnetic free layer, an external magnetic field in both positive and negative directions must be applied, so the practically important range of ΔH is ΔH 'which is a range in the negative direction. In general, ΔH 'is large in the case of the magnetic pinned layer 31 having the anti-parallel exchange bias. Comparing FIG. 2B and FIG. 2D of the embodiment, it can be seen that ΔH ′ is larger than 35 Oe of the magnetic fixing layer forming the parallel exchange bias at 46 Oe in the case of the magnetic fixing layer forming the anti-parallel exchange bias.

또한 도 5a와 비교하여 살펴보면 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층(70)을 사용하는 경우 자기 자유층(301, 307)과 자기 고정층(303, 305) 사이의 거리 조정을 통한 교환 바이어스가 제1, 제2 자기 자유층에 같은 방향으로 작용하므로, 두 자기 자유층(301, 307)의 자기이력곡선이 분리되지 않는다. 따라서 한 개의 디지트 라인을 사용하는 비휘발성 3 진법 자기 메모리 단위 셀의 형성이 불가능하다.5A, when the magnetic pinned layer 70 having the parallel exchange bias is used, the exchange bias is adjusted by adjusting the distance between the magnetic free layers 301 and 307 and the magnetic pinned layers 303 and 305. Since the second magnetic free layer acts in the same direction, the magnetic history curves of the two magnetic free layers 301 and 307 are not separated. Therefore, it is not possible to form a nonvolatile ternary magnetic memory unit cell using one digit line.

도 7c는 본 발명의 단위 셀에 평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 사용한는 경우 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 예상한 자기이력곡선과 외부 자장에 따른 자기저항의 변화를 도시한다. 각 경우는 강자성층으로 NiFe 와 CoFe 를 사용 하고 도전층으로 20Å Cu를 사용한 것을 가정한 시뮬레이션 결과이다. 결과를 살펴보면 자기 고정층에 의해 제1, 제2 자기 자유층에 작용하는 교환 바이어스의 방향이 같으므로 자기 자유층의 자기이력곡선이 모두 음의 방향으로 이동하였고, 자기이력곡선의 분리 또한 도 5b에 비하여 작은 것을 알 수 있다. 따라서 하나의 디지트 라인으로 각 자기 자유층을 독립적으로 조정하는 것이 반평행한 교환 바이어스를 지니는 자기 고정층을 사용한 경우에 비하여 어려움을 알 수 있다.FIG. 7C shows the change in magnetoresistance according to the magnetic hysteresis curve and the external magnetic field predicted using computer simulation when using a magnetic pinned layer having an exchange bias parallel to the unit cell of the present invention. In each case, the simulation results assume that NiFe and CoFe are used as ferromagnetic layers and 20ÅCu is used as the conductive layer. As a result, since the direction of the exchange bias acting on the first and second magnetic free layers by the magnetic pinned layer is the same, the magnetic hysteresis curves of the magnetic free layers are all moved in the negative direction, and the separation of the magnetic hysteresis curves is also shown in FIG. It can be seen that small compared to. Therefore, it can be seen that adjusting each magnetic free layer independently with one digit line is more difficult than using a magnetically fixed layer having an antiparallel exchange bias.

이상에서 설명한 본 발명의 4 진법 비휘발성 자기 메모리 단위 셀(30)은 높이 방향으로 적층함으로써 비휘발성 다진법 자기 메모리 셀을 구현할 수 있는데, 이를 도 8을 통하여 설명한다.The quaternary nonvolatile magnetic memory unit cell 30 according to the present invention described above may be stacked in a height direction to implement a nonvolatile minced magnetic memory cell, which will be described with reference to FIG. 8.

도 8a, 도 8b는 각각 거대 자기저항 또는 터널링 자기저항을 이용하여 정보를 판독하는 단위 셀(30), 디지트 라인, 비트라인 배열을 적층하여 구현한 비휘발성 다진법 자기 메모리의 개략도이다. 하나의 단위 셀(30)은 4개의 서로 다른 자화 상태로 4 진법의 정보를 저장하므로, 이 단위 셀을 n개 적층하여 4n 진법의 정보를 저장 가능하다. 이때 각각 단위 셀(30)의 자기 자유층(301, 307)의 자화 방향을 조정하기 위한 2n개의 디지트 라인(401, 402 또는 405, 406)이 필요하고, 거대 자기저항으로 정보를 판독하는 경우는 "읽기" 전류가 각 단위 셀(30)의 2개의 비트라인(403, 404)으로 흐르므로, 자기저항을 측정하기 위한 2n개의 비트 라인이 필요하다. 터널링 자기저항으로 정보를 판독하는 경우에는 "읽기" 전류가 단위 셀 적층에 수직으로 흘러 터널링층은 통과해야 하므로 단위 셀 적층 구조의 양끝에 2개의 비트라인만이 필요하다.8A and 8B are schematic diagrams of a nonvolatile quantum magnetic memory implemented by stacking an array of unit cells 30, a digit line, and a bit line, each of which reads information using a giant magnetoresistance or a tunneling magnetoresistance. Since one unit cell 30 stores information of the ternary system in four different magnetization states, n unit cells can be stacked to store 4n base information. In this case, 2n digit lines 401, 402 or 405, 406 are required to adjust the magnetization directions of the magnetic free layers 301 and 307 of the unit cell 30, respectively. Since the "read" current flows into the two bit lines 403 and 404 of each unit cell 30, 2n bit lines are needed for measuring the magnetoresistance. When reading information with a tunneling magnetoresistance, only two bit lines are needed at both ends of the unit cell stack structure because the "read" current flows perpendicularly to the unit cell stack and must pass through the tunneling layer.

도 9a는 단위 셀의 신호 대 잡음 비율을 높이기 위해서 BMR(Ballistic Magneto Resistance)효과를 적용하기 위한 개략도이다. 본 발명의 단위 셀은 자기저항을 이용하여 다진법 정보를 저장하므로 기존의 MRAM이 지니는 신호 대 잡음 비율을 유지하기 위해서는 기존의 소자에 비하여 자화 방향에 따른 자기저항의 차이가 커야 한다. 따라서 자기 고정층과 자기 자유층 사이의 절연층에 강자성 나노 컨택을 형성하여 각 자성층의 상대적인 자화 방향에 따른 BMR (Ballistic Magneto Resistance) 효과를 이용하면 높은 신호 대 잡음 비율을 얻을 수 있다.9A is a schematic diagram for applying a BMR (Ballistic Magneto Resistance) effect to increase the signal-to-noise ratio of a unit cell. Since the unit cell of the present invention stores the chopped method information by using the magnetoresistance, in order to maintain the signal-to-noise ratio of the conventional MRAM, the magnetoresistance according to the magnetization direction must be larger than that of the conventional device. Therefore, high signal-to-noise ratios can be obtained by forming ferromagnetic nano-contacts in the insulating layer between the magnetic pinned layer and the magnetic free layer by using the BMR (Ballistic Magneto Resistance) effect according to the relative magnetization direction of each magnetic layer.

도 9b는 응력유도자기이방성을 이용하여 제1, 제2 자기 자유층을 독립적으로 조정하기 위한 개략도이다. 본 발명의 단위 셀이 4진법의 정보를 저장하기 위해서는 제1, 제2 자기 자유층을 독립적으로 조정할 수 있어야 한다. 이를 위해서 단위 셀 당 2개의 디지트 라인을 형성한다. 그러나 각 자기 자유층의 자화 방향을 조정하기 위한 자장에 의해서 인근 자유층에 저장된 정보가 유실될 수 있으므로, 전압에 따른 응력유도자기이방성으로 각 자기 자유층의 자화 방향을 조정할 수 있다. 이를 통하여 저장된 정보의 신뢰도를 높일 수 있고, 전압을 통하여 자화 방향을 조정하므로 초절전형 자기 메모리 소자로 구현할 수 있다.9B is a schematic diagram for independently adjusting the first and second magnetic free layers using stress induced magnetic anisotropy. In order for the unit cell of the present invention to store information of the quadratic method, it is necessary to independently adjust the first and second magnetic free layers. To this end, two digit lines are formed per unit cell. However, since the information stored in the adjacent free layer may be lost by the magnetic field for adjusting the magnetization direction of each magnetic free layer, the magnetization direction of each magnetic free layer may be adjusted by the stress induced magnetic anisotropy according to the voltage. Through this, the reliability of the stored information can be increased, and the magnetization direction can be adjusted through the voltage, thereby implementing the ultra-low power magnetic memory device.

본 발명은 반 평행한 교환 바이어스를 지니는 강자성층/반강자성층/강자성층의 자기 고정층을 지니고, 제1, 제2 자기 고정층과 제1, 제2 자기 자유층의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이로 단위 셀 당 4 진법의 비휘발성 정보를 저장할 수 있는 메모리 소자를 제안한다. The present invention has a magnetoresistive layer of ferromagnetic layer / antiferromagnetic layer / ferromagnetic layer with anti-parallel exchange bias, and according to the relative magnetization directions of the first and second magnetic pinning layers and the first and second magnetic free layers, As a difference, a memory device capable of storing nonvolatile information in a quadratic system per unit cell is proposed.                     

따라서 기존의 MRAM에 비하여 단위 셀의 면적이나 셀 간의 간격의 감소 없이 2배의 집적도를 달성할 수 있다. 이로서 기존의 MRAM이 집적화가 높아질수록 해결해야 하는 각 셀간의 자기적 간섭이나 자성층의 자화 방향 조정을 위한 자기장의 국소화 등의 기술적 과제를 본 발명은 해결할 수 있다.Therefore, compared to the conventional MRAM, it is possible to achieve twice the density without reducing the area of the unit cell or the spacing between cells. As a result, the present invention can solve technical problems such as magnetic interference between each cell that must be solved as the integration of the existing MRAM increases, and localization of the magnetic field for adjusting the magnetization direction of the magnetic layer.

기존의 메모리 소자들은 셀, 도선 등의 2차원 적인 면적 감소를 통하여 집적도를 높이고자 하므로 초고집적화를 실현하기 위해서는 패턴 공정, 배선 공정 등에 새로운 기술을 요하게 되고 생산비용 또한 기하 급수적으로 증가한다. 본 발명의 단위 셀의 높이 방향의 적층을 통하여 다진법 소자의 구현이 가능하며, 자기저항 차이를 구별할 수 있는 기술이 구비된다면 하나의 단위 셀에 n 진법의 정보를 저장할 수 있으므로 현재의 기술을 사용하더라도 집적도의 획기적인 향상을 기대할 수 있다.Existing memory devices want to increase the degree of integration by reducing the two-dimensional area of cells, wires, etc., so that ultra high integration requires new technologies such as pattern and wiring processes, and the production cost also increases exponentially. The stacking of the unit cells according to the present invention enables the implementation of a pulverization element, and if a technology capable of distinguishing the difference in magnetoresistance is provided, it is possible to store the information of the n-base system in one unit cell. Even if it is used, a dramatic improvement in the density can be expected.

Claims (27)

제1 자기 자유층;A first magnetic free layer; 제1 비자성층;A first nonmagnetic layer; 제1 자기 고정층;A first magnetic pinned layer; 반강자성층;Antiferromagnetic layer; 제2 자기 고정층;A second magnetic pinned layer; 제2 비자성층; 및A second nonmagnetic layer; And 제2 자기 자유층이 순차적으로 적층되어 구성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.The nonvolatile magnetic memory cell of claim 2, wherein the second magnetic free layer is sequentially stacked. 청구항 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 비휘발성 자기 메모리 셀은 상기 제1 및 제2 자기 자유층 각각의 외측에 정보를 쓰기 위한 디지트(digit) 라인을 더 구비하고, 상기 제1 및 제2 비자성층은 정보를 읽거나 쓰기 위한 비트라인으로 구성한 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.The nonvolatile magnetic memory cell further includes a digit line for writing information outside each of the first and second magnetic free layers, wherein the first and second nonmagnetic layers are bits for reading or writing information. A nonvolatile magnetic memory cell comprising lines. 청구항 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 비휘발성 자기 메모리 셀은 상기 제1 및 제2 비자성층은 터널링 절연층이며, 상기 제1 및 제2 자기 자유층 각각의 외측에 정보를 읽거나 쓰기 위한 비트 라인을 더 구비하고, 상기 비트라인 각각의 외측에는 정보를 쓰기 위한 디지트 라인을 더 구비하며, 상기 비트라인과 디지트 라인 사이에는 절연층이 개재된 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.In the nonvolatile magnetic memory cell, the first and second nonmagnetic layers are tunneling insulating layers, and further include bit lines for reading or writing information on the outside of each of the first and second magnetic free layers. And a digit line for writing information on the outside thereof, and an insulating layer interposed between the bit line and the digit line. 청구항 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 비휘발성 자기 메모리 소자는 상기 제1 또는 제2 자기 자유층의 어느 한쪽 외측에 정보를 쓰기 위한 하나의 디지트 라인을 더 구비하고, 상기 제1 및 제2 비자성층을 정보를 읽거나 쓰기 위한 비트라인으로 구성한 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.The nonvolatile magnetic memory device further includes one digit line for writing information on either outside of the first or second magnetic free layer, and a bit for reading or writing information on the first and second nonmagnetic layers. A nonvolatile magnetic memory cell comprising lines. 청구항 제 1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 비휘발성 자기 메모리 셀은 상기 제1 및 제2 비자성층은 터널링 절연층이며, 상기 제1 또는 제2 자기 자유층의 어느 한쪽 외측에 정보를 쓰기 위한 하나의 디지트 라인을 더 구비하고, 타측 자유층의 외측에는 정보를 읽거나 쓰기 위한 하나의 비트라인을 더 구비한 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.In the nonvolatile magnetic memory cell, the first and second nonmagnetic layers are tunneling insulating layers, and further include one digit line for writing information on either outside of the first or second magnetic free layer, and the other side is free. A nonvolatile magnetic memory cell further comprising a bit line outside the layer for reading or writing information. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 제1 자기 고정층과 상기 제2 자기 고정층은 서로 반(反) 평행하게 자화되어고정되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.And the first magnetic pinned layer and the second magnetic pinned layer are magnetized in anti-parallel to each other and fixed. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 제1 자기 고정층과 상기 제2 자기 고정층은 서로 평행하게 자화되어 고정되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.And the first magnetic pinned layer and the second magnetic pinned layer are magnetized and fixed in parallel with each other. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 제1 자기 자유층과 상기 제2 자기 자유층은 외부의 자계에 의하여 자화방향이 가변되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.And the magnetization direction of the first magnetic free layer and the second magnetic free layer is changed by an external magnetic field. 청구항 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 외부자계는 디지트 라인과 비트 라인에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.And the external magnetic field is supplied by a digit line and a bit line. 청구항 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 자유층의 자화방향을 가변시키는 외부자계의 세기는 고정층의 자화방향에 영향을 미치지 않는 범위(△H) 내인 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.The intensity of the external magnetic field varying the magnetization direction of the free layer is within a range (ΔH) not affecting the magnetization direction of the fixed layer. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 제1 자기 자유층, 제1 자기 고정층, 반강자성층, 제2 자기 고정층, 및 제2 자기 자유층은 각각 Ni81Fe19, Ni81Fe19, Fe50Mn 50(또는 Ir21Mn79), Co90Fe10(또는 Co) 및 Ni81Fe19, 또는 각각 Ni81Fe19, Co90Fe10 (또는 Co), Fe50Mn50(또는 Ir21Mn79), Ni81Fe 19 및 Ni81Fe19 재질로 된 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.The first magnetic free layer, the first magnetic pinned layer, the antiferromagnetic layer, the second magnetic pinned layer, and the second magnetic free layer are Ni 81 Fe 19 , Ni 81 Fe 19 , Fe 50 Mn 50 (or Ir 21 Mn 79 ), respectively. , Co 90 Fe 10 (or Co) and Ni 81 Fe 19 , or Ni 81 Fe 19 , Co 90 Fe 10 (or Co), Fe 50 Mn 50 (or Ir 21 Mn 79 ), Ni 81 Fe 19 and Ni 81 Non-volatile magnetic memory cell, characterized in that the Fe 19 material. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 비휘발성 메모리 셀은 적층 구조의 길이 방향이 폭 방향보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 셀.The nonvolatile memory cell of claim 1, wherein a length direction of the stacked structure is longer than a width direction. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 비휘발성 메모리 셀은 자화용이축을 디지트 라인에 의한 자장에 평행하고, 비트 라인에 의한 자장에 수직하게 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 셀.And the non-volatile memory cell forms a magnetic axis for magnetization parallel to the magnetic field by the digit line and perpendicular to the magnetic field by the bit line. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 비휘발성 메모리 셀은 자유층과 고정층의 상대적인 자화방향에 따른 자기저항의 차이를 이용하여 정보를 식별하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.And wherein the nonvolatile memory cell identifies information by using a difference in magnetoresistance according to a relative magnetization direction of the free layer and the pinned layer. 청구항 제 14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 자기저항의 크기는 제1 자기 자유층과 제1 자기 고정층의 자계가 서로 평행한 경우를 R1, 제1 자기 자유층과 제1 자기 고정층의 자계가 서로 반 평행한 경우를 R2, 제2 자기 자유층과 제2 자기 고정층의 자계가 서로 평행한 경우를 R3, 제2 자기 자유층과 제2 자기 고정층의 자계가 서로 반 평행한 경우를 R4라고 할 때 R1, R2, R3, 및 R4를 각각 다른 크기로 설정한 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.The magnitude of the magnetoresistance is R1 when the magnetic fields of the first magnetic free layer and the first magnetic pinning layer are parallel to each other, and R2 and the second magnetic field when the magnetic fields of the first magnetic free layer and the first magnetic fixing layer are parallel to each other. R3 is the case where the magnetic fields of the free layer and the second magnetic pinned layer are parallel to each other, and R1 is the case where the magnetic fields of the second magnetic free layer and the second magnetic pinned layer are parallel to each other. A nonvolatile magnetic memory cell characterized by being set to a different size. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 제1 비자성층과 제2 비자성층에는 단위 셀의 신호 대 잡음 비율을 높이기 위하여 강자성 나노 콘텍을 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.And a ferromagnetic nano contact on the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer to increase the signal-to-noise ratio of the unit cell. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 제1 비자성층과 상기 제1 자기 자유층 사이 및 제2 비자성층과 제2 자기 자유층 사이에는 도전층을 더 포함하고, 상기 제1 자기 자유층 외측 및 상기 제2 자기 자유층 외측에는 압전층을 더 포함함으로써, 상기 제1 자기 자유층과 제2 자기 자유층의 자화 방향을 응력유도 자기이방성을 사용하여 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.A conductive layer is further included between the first nonmagnetic layer and the first magnetic free layer, and between the second nonmagnetic layer and the second magnetic free layer, and a piezoelectric body is disposed outside the first magnetic free layer and outside the second magnetic free layer. And a layer, whereby the magnetization directions of the first magnetic free layer and the second magnetic free layer are independently controlled using stress-induced magnetic anisotropy. 청구항 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 제1 비자성층과 상기 제1 자기 자유층 사이 및 제2 비자성층과 제2 자기 자유층 사이에는 압전층과 도전층을 순차적으로 더 포함함으로써, 상기 제1 자기 자유층과 제2 자기 자유층의 자화 방향을 응력유도 자기이방성을 사용하여 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀.By further including a piezoelectric layer and a conductive layer between the first nonmagnetic layer and the first magnetic free layer, and between the second nonmagnetic layer and the second magnetic free layer, the first magnetic free layer and the second magnetic free layer The magnetization direction of the nonvolatile magnetic memory cell, characterized in that it is independently controlled using the stress-induced magnetic anisotropy. 제1 디지트 라인, 제1 자기 자유층, 제1 비트라인, 제1 자기 고정층, 반강자성층, 제2 자기 고정층, 제2 비트라인, 제2 자기 자유층, 및 제2 디지트 라인이 순차적으로 적층된 비휘발성 자기 메모리 셀에 있어서,The first digit line, the first magnetic free layer, the first bit line, the first magnetic pinned layer, the antiferromagnetic layer, the second magnetic pinned layer, the second bit line, the second magnetic free layer, and the second digit line are sequentially stacked. Nonvolatile magnetic memory cells, 정보의 저장은 상기 제1 디지트 라인과 제1 비트라인을 이용하여 상기 제1 자기 자유층의 자화 방향을 변경시키고, 상기 제2 디지트 라인과 제2 비트라인을 이용하여 상기 제2자기 자유층의 자화 방향을 변경시킴으로써 행하고,The storage of the information may be performed by changing the magnetization direction of the first magnetic free layer using the first digit line and the first bit line, and by using the second digit line and the second bit line. By changing the magnetization direction, 정보의 판별은 상기 각 자유층과 고정층 사이의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이를 비트라인 이용하여 검출함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 비휘발성 메모리 셀의 4진법 정보 저장 및 판별 방법Discrimination of information is performed by detecting a difference in magnetoresistance according to a relative magnetization direction between each of the free and fixed layers by using a bit line. 제1 디지트 라인, 절연층, 제1 비트라인, 제1 자기 자유층, 제1 터널링 절연층, 제1 자기 고정층, 반강자성층, 제2 자기 고정층, 제2 터널링 절연층, 제2 자기 자유층, 제2 비트라인, 절연층 및 제2 디지트 라인이 순차적으로 적층된 비휘발성 자기 메모리 셀에 있어서,First digit line, insulating layer, first bit line, first magnetic free layer, first tunneling insulating layer, first magnetic fixing layer, antiferromagnetic layer, second magnetic fixing layer, second tunneling insulating layer, second magnetic free layer A nonvolatile magnetic memory cell in which a second bit line, an insulating layer, and a second digit line are sequentially stacked, 정보의 저장은 상기 제1 디지트 라인과 제1 비트라인을 이용하여 상기 제1 자기 자유층의 자화 방향을 변경시키고, 상기 제2 디지트 라인과 제2 비트라인을 이용하여 상기 제2 자기 자유층의 자화 방향을 변경시킴으로써 행하고,The storing of the information may be performed by changing the magnetization direction of the first magnetic free layer by using the first digit line and the first bit line, and by using the second digit line and the second bit line. By changing the magnetization direction, 정보의 판별은 상기 각 자유층과 고정층 사이의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이를 비트라인 이용하여 검출함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 터널링 자기저항 비휘발성 메모리 셀의 4진법 정보 저장 및 판별 방법Discrimination of information is performed by detecting a difference in magnetoresistance according to a relative magnetization direction between each of the free and fixed layers by using a bit line. 하나의 디지트 라인, 제1 자기 자유층, 제1 비트라인, 제1 자기 고정층, 반강자성층, 제2 자기 고정층, 제2 비트라인, 및 제2 자기 자유층이 순차적으로 적층된 비휘발성 자기 메모리 셀에 있어서,Nonvolatile magnetic memory in which one digit line, a first magnetic free layer, a first bit line, a first magnetic pinned layer, an antiferromagnetic layer, a second magnetic pinned layer, a second bit line, and a second magnetic free layer are sequentially stacked In the cell, 정보의 저장은 상기 하나의 디지트 라인을 이용하여 상기 제1 및 제2 자기 자유층의 자화 방향을 변경시킴으로써 행하고,The information is stored by changing the magnetization directions of the first and second magnetic free layers using the one digit line, 정보의 판별은 상기 각 자유층과 고정층 사이의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이를 비트라인 이용하여 검출함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 거대 자기저항 비휘발성 메모리 셀의 3진법 정보 저장 및 판별 방법Determination of information is performed by detecting the difference in the magnetoresistance according to the relative magnetization direction between each of the free layer and the pinned layer by using a bit line. 하나의 디지트 라인, 제1 자기 자유층, 제1 터널링 절연층, 제1 자기 고정층, 반강자성층, 제2 자기 고정층, 제2 터널링 절연층, 제2 자기 자유층, 및 하나의 비트라인이 순차적으로 적층된 비휘발성 자기 메모리 셀에 있어서,One digit line, the first magnetic free layer, the first tunneling insulating layer, the first magnetic fixing layer, the antiferromagnetic layer, the second magnetic fixing layer, the second tunneling insulating layer, the second magnetic free layer, and one bit line are sequentially In a non-volatile magnetic memory cell stacked in the 정보의 저장은 상기 하나의 디지트 라인을 이용하여 상기 제1 및 제2 자기 자유층의 자화 방향을 변경시킴으로써 행하고,The information is stored by changing the magnetization directions of the first and second magnetic free layers using the one digit line, 정보의 판별은 상기 각 자유층과 고정층 사이의 상대적인 자화 방향에 따른 자기저항의 차이를 하나의 비트라인 이용하여 검출함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 터널링 자기저항 비휘발성 메모리 셀의 3진법 정보 저장 및 판별 방법Determination of the information is performed by detecting the difference in the magnetoresistance according to the relative magnetization direction between each of the free layer and the pinned layer by using one bit line. 제1 자기 자유층과; 제1 비자성층과; 제1 자기 고정층과; 반강자성층과; 제2 자기 고정층과; 제2 비자성층과; 제2 자기 자유층이 순차적으로 적층된 비휘발성 자기 메모리 셀에 있어서, 고정층의 자화방향은A first magnetic free layer; A first nonmagnetic layer; A first magnetic pinned layer; Antiferromagnetic layer; A second magnetic pinned layer; A second nonmagnetic layer; In a nonvolatile magnetic memory cell in which second magnetic free layers are sequentially stacked, the magnetization direction of the pinned layer is (가) 상기 제1 및 제2 자기 고정층과 반강자성층 사이에 교환 바이어스가 형성되지 않는 온도(blocking temperature) 이상으로 가열하는 단계;(A) heating above a blocking temperature at which no exchange bias is formed between the first and second magnetic pinned layers and the antiferromagnetic layer; (나) 상기의 온도에서 두 자기 고정층의 자화 방향이 서로 평행 또는 반 평행하게 형성되도록 외부 자장을 인가하거나 또는 인가한 외부 자기장을 제거하는 단계;(B) applying an external magnetic field or removing the applied external magnetic field such that the magnetization directions of the two magnetic pinning layers are formed parallel or antiparallel to each other at the above temperature; (다) 상기 자기 고정층의 자화방향이 평행 또는 반 평행하게 형성된 상태에서 실온까지 냉각하는 단계에 의하여 고정되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 자기 메모리 셀의 교환 바이어스 형성 방법.(C) A method of forming an exchange bias of a nonvolatile magnetic memory cell, characterized in that the magnetization direction of the magnetic pinned layer is fixed by cooling to room temperature in a state in which the magnetization direction is formed in parallel or anti-parallel. 제1 자기 자유층, 제1 자기 고정층, 반강자성층, 제2 자기 고정층, 및 제2 자기 자유층으로 이루어진 비휘발성 자기 메모리 셀에 있어서,A nonvolatile magnetic memory cell comprising a first magnetic free layer, a first magnetic pinned layer, an antiferromagnetic layer, a second magnetic pinned layer, and a second magnetic free layer, 제1 자기 자유층인 SiO2 는 Si 기판의 자연 산화에 의해서 형성하고, 버퍼링 층, 제1자기 고정층 및 반강자성층인 Ta, Ni81Fe19 및 Fe50Mn50(또는 Ir21Mn79)은 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 고진공에서 Ar 압력을 소정의 크기로 유지하고 소정의 크기의 외부 자기장을 박막면에 평행하게 가해준 상태에서 적층하며, 제2 자기 고정층인 , Co90Fe10(또는 Co)는 전자 빔 증착법을 이용하여 소정의 증착율에서 증착하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 셀 제조방법.SiO 2 , the first magnetic free layer, is formed by natural oxidation of the Si substrate, and Ta, Ni 81 Fe 19, and Fe 50 Mn 50 (or Ir 21 Mn 79 ), which are the buffering layer, the first magnetic pinned layer, and the antiferromagnetic layer, By using DC magnetron sputtering, Ar pressure is maintained at a predetermined size in high vacuum, and an external magnetic field of a predetermined size is applied in parallel with the thin film surface. The second magnetic fixing layer, Co 90 Fe 10 (or Co), is laminated. And depositing at a predetermined deposition rate using an electron beam deposition method. 청구항 제24항에 있어서,The method of claim 24, 상기 고진공은 5×10-6 Torr 의 압력, 상기 Ar 압력은 1~2 mTorr, 상기 외부자기장의 크기는 100 Oe, 전자 빔 증착법의 증착율은 0.76Å/분인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 셀 제조방법.The high vacuum pressure is 5 × 10 -6 Torr, the Ar pressure is 1 ~ 2 mTorr, the size of the external magnetic field is 100 Oe, the deposition rate of the electron beam deposition method is 0.76 Å / min, characterized in that the magnetic memory cell. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항의 메모리 셀을 상하로 적층하여 구성된 다진법 비휘발성 자기 메모리 셀.A chopped nonvolatile magnetic memory cell constructed by stacking the memory cells of any one of claims 1 to 5 vertically. 제1항 내지 제5 중의 어느 한 항의 메모리 셀을 디지트 라인과 비트라인을 따라 n Ⅹ n 배열의 격자모양으로 배치하여 구성된 비휘발성 자기 메모리 장치.The nonvolatile magnetic memory device of claim 1, wherein the memory cells of any one of claims 1 to 5 are arranged in a lattice shape of an n Ⅹ n array along a digit line and a bit line.
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