KR20100015039A - Dual magneto-resistance memory cell - Google Patents

Dual magneto-resistance memory cell Download PDF

Info

Publication number
KR20100015039A
KR20100015039A KR1020080075921A KR20080075921A KR20100015039A KR 20100015039 A KR20100015039 A KR 20100015039A KR 1020080075921 A KR1020080075921 A KR 1020080075921A KR 20080075921 A KR20080075921 A KR 20080075921A KR 20100015039 A KR20100015039 A KR 20100015039A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
magnetization
magnetization layer
stator
magnetic
Prior art date
Application number
KR1020080075921A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100958469B1 (en
Inventor
김현정
Original Assignee
주식회사 하이닉스반도체
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 하이닉스반도체 filed Critical 주식회사 하이닉스반도체
Priority to KR1020080075921A priority Critical patent/KR100958469B1/en
Publication of KR20100015039A publication Critical patent/KR20100015039A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100958469B1 publication Critical patent/KR100958469B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
    • G11C11/5607—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using magnetic storage elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

PURPOSE: A dual magneto-resistance memory cell is provided to obtain the high integration and the high capacitance of a magneto-resistance memory cell structure by realizing multi-bit using a plurality of pinned magnetic layers formed on a plurality of non-magnetic layers. CONSTITUTION: A common free magnetic layer(104) is magnetization-reversed by magnetic field or current. A first and a second non-magnetic layers(103,105) are respectively formed on the upper side and the lower side of the common free magnetic layer. A first and a second magnetic pinned layer(102,106) are respectively formed on the first and the second non-magnetic layers. The first and the second magnetic pinned layer are formed to oppose the common free magnetic layer. The second magnetic pinned layer is not magnetization-reversed by the magnetic field or the current which magnetization-reverses the common free magnetic layer. The second magnetic pinned layer is magnetization-reversed by magnetic field or current which does not magnetization-reverse the first pinned magnetic layer.

Description

이중 자기저항 메모리 셀{DUAL MAGNETO-RESISTANCE MEMORY CELL}Dual magnetoresistive memory cell {DUAL MAGNETO-RESISTANCE MEMORY CELL}

본 발명은 MRAM(Magnetic Random Access Memory)에 관한 것으로, 더 자세하게는 자기저항(Magneto-Resistance) 변화를 이용한 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM), and more particularly, to a nonvolatile memory device using a magneto-resistance change.

MRAM은 강자성체 간의 자화(Magnetization) 방향에 따른 자기저항 변화를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 말한다. 현재 MRAM으로 가장 많이 채용되고 있는 셀(Cell) 구조로는, 거대자기저항(Giant Magneto-Resistance; GMR) 효과를 이용한 GMR 소자, 터널자기저항(Tunnel Magneto-Resistance: TMR) 효과를 이용한 자기투과정션(Magnetic Tunnel Junction; MTJ) 소자 등이 있으며, 이외에도 GMR 소자의 단점을 극복하기 위해 강자성층을 영구자석으로 보강하고 자유층을 연자성층으로 채용한 스핀 밸브(Spin-Valve) 소자 등이 있다. 특히, MTJ 소자는 빠른 속도, 저전력을 갖으며, 디램(DRAM)의 커패시터 대용으로 사용되어 저전력 및 고속 그래픽, 모바일 소자에 응용될 수 있다.MRAM refers to a nonvolatile memory device using a change in magnetoresistance according to a magnetization direction between ferromagnetic materials. Cell structures that are most commonly used in MRAMs include GMR devices using Giant Magneto-Resistance (GMR) effects and magnetic transmission processes using Tunnel Magneto-Resistance (TMR) effects. (Magnetic Tunnel Junction (MTJ)) devices, etc. In addition, to overcome the shortcomings of the GMR device, there are spin-valve devices in which a ferromagnetic layer is reinforced with a permanent magnet and a free layer is used as a soft magnetic layer. In particular, the MTJ device has a high speed and low power, and is used as a substitute for a capacitor of a DRAM and thus may be applied to low power and high speed graphics and mobile devices.

일반적으로, 자기저항 소자는 두 자성층의 스핀 방향이 같은 방향이면 저항이 작고 스핀 방향이 반대이면 저항이 크다. 이와 같이 자성층의 자화 상태에 따라 셀의 저항이 달라지는 사실을 이용하여 자기저항 메모리 소자에 비트 데이터를 기록할 수 있다. MTJ 구조의 자기저항 메모리를 예로 하여 설명하면, 강자성층/절연층/강자성층 구조의 MTJ 메모리 셀에서 첫번째 강자성체층을 지나가는 전자가 터널링 장벽(Tunneling Barrier)으로 사용된 절연층을 통과할 때 두번째 강자성체층의 자화 방향에 따라 터널링 확률이 달라진다. 즉, 두 강자성층의 자화방향이 평행일 경우 터널링 전류는 최대가 되고, 반평행할 경우 최소가 되므로, 예를 들면, 저항이 클 때를 '0'이, 그리고 저항이 작을 때를 '1'이 기록된 것으로 간주할 수 있다. In general, a magnetoresistive element has a small resistance when the two magnetic layers have the same spin direction, and a larger resistance when the spin directions are opposite. As described above, the bit data can be written in the magnetoresistive memory device by using the fact that the resistance of the cell varies depending on the magnetization state of the magnetic layer. In the case of the MTJ-structured magnetoresistive memory as an example, in a MTJ memory cell having a ferromagnetic layer / insulation layer / ferromagnetic layer structure, electrons passing through the first ferromagnetic layer pass through an insulating layer used as a tunneling barrier. The tunneling probability depends on the magnetization direction of the layer. That is, the tunneling current becomes maximum when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel, and minimum when anti-parallel. For example, '0' when the resistance is large and '1' when the resistance is small. Can be regarded as recorded.

이와 같이 종래의 자기저항 메모리 소자는 단위 셀에 '0' 이나 '1'과 같은 하나의 비트 데이터만 기록할 수 있으므로, 자기저항 메모리 소자의 셀 집적도를 높이기 위해서는 셀을 포함하는 메모리 소자의 부피를 줄일 필요가 있다. 특히, MRAM이 기존 메모리의 대안으로서 사용되기 위해서는 MTJ 구조의 단위 메모리 셀을 소형화할 수 있어야 한다. 그러나, 자성층은 부피가 줄어듦에 따라 자성 고유의 성질을 잃어 버리고 상자성 물질의 특성을 띠게 되는 이른바 초상자성(Superparamagnetism) 현상을 보이기 때문에 MRAM의 고집적화를 위해 단위 셀을 크기를 줄이는 데에 한계가 있다.As described above, since the conventional magnetoresistive memory device can write only one bit data such as '0' or '1' in the unit cell, in order to increase the cell density of the magnetoresistive memory device, the volume of the memory device including the cell is increased. Need to be reduced. In particular, in order for MRAM to be used as an alternative to conventional memory, it is necessary to miniaturize the unit memory cells of the MTJ structure. However, the magnetic layer has a limitation in reducing the unit cell size for high integration of MRAM because the magnetic layer exhibits so-called superparamagnetism, which loses its inherent properties and becomes paramagnetic.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 메모리 셀의 사이즈를 줄이지 않고도 하나의 단위 셀이 멀티 비트를 갖게 함으로써 고집적화 및 고용량화가 가능한 자기저항 메모리 셀 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetoresistive memory cell structure capable of high integration and high capacity by having one unit cell have multiple bits without reducing the size of the memory cell.

본 발명에 따른 이중 자기저항 메모리 셀은, 자기장 또는 전류에 의해 자화 반전이 가능한 공통 자유자화층과, 공통 자유자화층의 상면 및 하면에 각각 형성된 제1 및 제2 비자성층과, 제1 및 제2 비자성층 각각의 일면에 형성되되 공통 자유자화층에 대향하여 형성된 제1 및 제2 고정자화층을 포함한다. 여기서, 제2 고정자화층은 공통 자유자화층이 자화 반전되는 자기장 또는 전류에 의해서는 자화 반전되지 않고 동시에 제1 고정자화층이 자화 반전되지 않는 자기장 또는 전류에 의해서 자화 반전이 가능하게 형성된다. The dual magnetoresistive memory cell according to the present invention includes a common free magnetization layer capable of magnetization reversal by a magnetic field or a current, first and second nonmagnetic layers formed on the upper and lower surfaces of the common free magnetization layer, respectively, The nonmagnetic layer includes first and second stator magnetization layers formed on one surface of each of the two nonmagnetic layers and opposed to the common free magnetization layer. Here, the second stator magnetization layer is formed so as to be capable of magnetization inversion by a magnetic field or current in which the common free magnetization layer is not magnetized inverted by a magnetic field or a current in which magnetization is inverted.

또한, 제1 비자성층과 대향하여 제1 고정자화층의 일면에 제1 반자성층을 더 형성할 수 있고, 제2 비자성층과 대향하여 제2 고정자화층의 일면에 제2 반자성층을 더 형성할 수 있으며, 제1 및 제2 고정자화층 각각의 일면에 제1 및 제2 반자성층을 형성할 수도 있다. In addition, a first diamagnetic layer may be further formed on one surface of the first pinned magnetization layer to face the first nonmagnetic layer, and a second semimagnetic layer may be further formed on one surface of the second pinned magnetization layer to face the second nonmagnetic layer. The first and second diamagnetic layers may be formed on one surface of each of the first and second stator magnetization layers.

나아가, 공통 자유자화층, 제1 고정자화층 및 제2 고정자화층 중 적어도 하나는 두개의 자성층 사이에 Ru층 또는 Cr층이 개재된 합성형 자화층으로 형성될 수 있다. 아울러, 제1 고정자화층, 제1 비자성층 및 공통 자유자화층으로 구성되는 자기저항 메모리 셀을 제1 메모리부라 하고, 제2 고정자화층, 제2 비자성층 및 공 통 자유자화층으로 구성되는 자기저항 메모리 셀을 제2 메모리부라 할 때, 제1 및 제2 메모리부 각각은 자기터널정션 구조 또는 스핀 밸브 구조로 형성될 수 있다. 특히, 제2 고정자화층의 보자력은 공통 자유자화층의 보자력보다 크고 제1 고정자화층의 보자력보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.Furthermore, at least one of the common free magnetization layer, the first stator magnetization layer, and the second stator magnetization layer may be formed as a synthetic magnetization layer having a Ru layer or a Cr layer interposed between two magnetic layers. In addition, the magnetoresistive memory cell including the first pinned magnetization layer, the first nonmagnetic layer, and the common free magnetization layer is called a first memory unit, and is composed of a second pinned magnetization layer, a second nonmagnetic layer, and a common free magnetization layer. When the magnetoresistive memory cell is referred to as a second memory unit, each of the first and second memory units may be formed as a magnetic tunnel junction structure or a spin valve structure. In particular, the coercive force of the second stator magnetization layer is preferably greater than the coercive force of the common free magnetization layer and smaller than the coercive force of the first stator magnetization layer.

본 발명에 따르면 자기저항 메모리 셀이 멀티 비트를 구현하게 함으로써 메모리 셀의 사이즈를 줄이지 않고도 고집적화 및 고용량화가 가능한 이중 자기저항 메모리 소자를 실현할 수 있다. 즉, 셀의 소형화에 따른 자성체의 초상자성 현상을 극복할 수 있으며, 저전력, 고속 동작 및 비휘발성 메모리라는 우수한 성능의 MRAM의 고집적화 및 고용량화가 가능하므로, 본 발명에 따른 이중 자기저항 메모리 셀은 가까운 미래에 MRAM의 메모리 셀로서의 응용성이 더욱 커질 것으로 기대된다. According to the present invention, it is possible to realize a dual magnetoresistive memory device capable of high integration and high capacity without reducing the size of the memory cell by allowing the magnetoresistive memory cell to implement multiple bits. That is, the superparamagnetism of the magnetic material due to the miniaturization of the cell can be overcome, and the high-density and high-capacity MRAM of high performance such as low power, high speed operation, and nonvolatile memory can be achieved. It is expected that the applicability of MRAM as a memory cell will become even greater in the future.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 자기저항 메모리 셀의 단면도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 자기저항 메모리 셀은 크게 제1 메모리부와 제2 메모리부로 구성된 두개의 메모리 셀이 중첩된 구조를 갖는다. 여기서, 제1 메모리부와 제2 메모리부 각각은 자유자화층(104)를 공통으로 하여 각각 MTJ 메모리 셀 구조로 형성된다. 즉, 제1 메모리부는 제1 고정자화층(101), 제1 비자성층(103) 및 공통 자유자화층(104)로 이루어진 MTJ 구조의 메모리 셀로 형성되고, 마찬가지로 제2 메모리부도 제2 고정자화층(106), 제2 비자성층(105) 및 공통 자유자화층(104)로 이루어진 MTJ 구조의 메모리 셀로 형성된다. 1 is a cross-sectional view of a dual magnetoresistive memory cell according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a magnetoresistive memory cell has a structure in which two memory cells including a first memory part and a second memory part are superimposed. Here, each of the first memory unit and the second memory unit has a free magnetization layer 104 in common, and is formed in an MTJ memory cell structure. That is, the first memory unit is formed of a memory cell having an MTJ structure including the first stator magnetization layer 101, the first nonmagnetic layer 103, and the common free magnetization layer 104, and similarly, the second memory unit also includes the second stator magnetization layer. (106), the second nonmagnetic layer 105 and the common free magnetization layer 104 is formed of a memory cell of the MTJ structure.

여기서, 비자성층(103, 105)을 사이에 둔 두 자성층(즉 102 및 104, 또는 106 및 104)의 스핀 방향에 따라 저항이 차이가 나며 이를 메모리에 이용한다. 특히 제2 고정자화층(106)은 공통 자유자화층(104)이 자화 반전되는 자기장 또는 전류에 의해 자화 반전이 불가능하고 제1 고정자화층(102)은 자화 반전되지 않는 자기장 또는 전류에 의해 자화 반전이 가능하게 형성된다. 다시말해서, 두개의 고정자화층(102 또는 106)의 보자력을 공통 자유자화층(104)의 보자력보다 크게 형성하되, 제1 고정자화층(102)의 보자력을 제2 고정자화층(106)의 보자력보다 크게 형성한다. 예컨대, 도 1에서와 같이, 제1 고정자화층(102)의 스핀 방향을 고정하는 반자성(Anti-ferromagnetic) 물질을 이용하여 제1 고정자화층(102)의 보자력을 제2 고정자화층(106)보다 크게 할 수 있다. 이를 통해, 제1 고정자화층(102)의 하부에 형성된 제1 반자성층(101)으로 인해 제1 고정자화층(102)의 자화 방향이 반전되지 않는 상태에서 제2 고정자화층(106)만을 자화 반전시킬 수 있다.Here, the resistance varies depending on the spin direction of the two magnetic layers (ie, 102 and 104, or 106 and 104) having the nonmagnetic layers 103 and 105 interposed therebetween, and used for the memory. In particular, the second stator magnetization layer 106 is not magnetized by a magnetic field or current in which the common free magnetization layer 104 is magnetized inverted, and the first stator magnetization layer 102 is magnetized by a magnetic field or current that is not magnetized inverted. Inversion is possible. In other words, the coercive force of the two stator magnetization layers 102 or 106 is formed to be greater than the coercive force of the common free magnetization layer 104, while the coercive force of the first stator magnetization layer 102 is Form larger than the coercive force. For example, as shown in FIG. 1, the coercive force of the first stator magnetized layer 102 is adjusted by using an anti-ferromagnetic material that fixes the spin direction of the first stator magnetized layer 102. Can be made larger than As a result, only the second stator magnet layer 106 is in a state in which the magnetization direction of the first stator magnet layer 102 is not inverted due to the first diamagnetic layer 101 formed under the first stator magnet layer 102. Magnetization can be reversed.

상술한 이중 자기저항 메모리 셀 구조에서, 제1 및 제2 고정자화층의 스핀 방향에 대하여 공통 자유자화층(104)의 스핀 방향을 조정함으로써 그 저항차를 읽는다. 이때 공통 자유자화층(104)과 제1 고정자화층(102) 또는 제2 고정자화층(106)의 스핀 방향이 동일하면 상대적으로 작은 저항값을 갖고 스핀 방향이 달라 지면 저항값이 커진다. 일반적으로 대비되는 두 자성층의 스핀 방향이 180도를 이룰 때 저항비가 가장 크게 된다. In the above-described dual magnetoresistive memory cell structure, the resistance difference is read by adjusting the spin direction of the common free magnetization layer 104 with respect to the spin direction of the first and second stator magnetization layers. In this case, if the spin directions of the common free magnetization layer 104 and the first stator magnetization layer 102 or the second stator magnetization layer 106 are the same, the resistance value is increased when the spin direction is different. In general, the resistance ratio is greatest when the contrast direction of the two magnetic layers is 180 degrees.

예컨대, 도 1의 제1 MTJ에서 두 자성층(102 및 104)의 스핀 방향이 동일한 경우 저항을 R1이라 하고 스핀 방향이 달라 저항이 클 때를 R1+ΔR1 이라 하고, 마찬가지로 제2 MTJ의 경우에도 두 자성층(104 및 106)의 스핀 방향이 동일한 경우를 R2라 하고 스핀 방향이 다른 경우를 R2+ΔR2라 하자. 이 경우, ΔR1 및 ΔR2는 0보다 큰 값을 갖으며, 제 1 MTJ와 제 2 MTJ의 자성층, 비자성층의 두께, 성분 혹은 물질 등의 차이로 R1와 R2, 혹은 ΔR1와 ΔR2의 저항 값이 다를 수도 같을 수도 있다. 일반적으로 MTJ 구조에서는 비자성 물질의 두께에 따라 터널링(tunneling)되는 정도가 달라지며 이에 의해 저항값이 달라진다. 이하에서는 이와 같은 가정하에 각각의 자성층의 스핀 방향에 따라 멀티 비트 메모리 셀이 구현될 수 있음을 설명한다.For example, in the first MTJ of FIG. 1, when the two magnetic layers 102 and 104 have the same spin direction, the resistance is R1, and when the spin directions are different, the resistance is R1 + ΔR1. Let R2 be the case where the spin directions of the magnetic layers 104 and 106 are the same, and R2 + ΔR2 when the spin directions are different. In this case, ΔR1 and ΔR2 have a value greater than 0, and the resistance values of R1 and R2 or ΔR1 and ΔR2 are different due to differences in the thicknesses, components, or materials of the magnetic layers and nonmagnetic layers of the first and second MTJs. It may be the same. In general, in the MTJ structure, the degree of tunneling varies depending on the thickness of the nonmagnetic material, thereby changing the resistance value. Hereinafter, a multi-bit memory cell may be implemented according to the spin direction of each magnetic layer under such an assumption.

먼저, 도 2는 제1 고정자화층(102), 공통 자유자화층(104) 및 제2 고정자화층(106)의 자화 방향이 동일한 경우를 나타낸다. 도 2를 참조하여 설명하면, 제1 고정자화층(102) 및 공통 자유자화층(104) 사이의 저항은 R1이 되고, 공통 자유자화층(104) 및 제2 고정자화층(106)의 저항은 R2가 되므로, 전체 저항은 R1+R2로 가 장 작은 값을 보이게 된다.First, FIG. 2 illustrates a case where the magnetization directions of the first stator magnetization layer 102, the common free magnetization layer 104, and the second stator magnetization layer 106 are the same. Referring to FIG. 2, the resistance between the first stator magnetization layer 102 and the common free magnetization layer 104 becomes R1, and the resistances of the common free magnetization layer 104 and the second stator magnetization layer 106 are described. Since R2 becomes R2, the total resistance is the smallest value of R1 + R2.

다음으로, 도 3은 제1 및 2 고정자화층(102, 106)의 자화 방향은 서로 동일하고 공통 자유자화층(104)의 자화방향이 이와 다른 경우를 나타낸다. 이는, 도 2와 같은 자화방향을 갖는 메모리 셀에 수직한 방향으로 일정 크기의 전류를 흘려 공통 자유자화층(104)의 자화방향을 바꾸어 준 경우인데, 이 경우에는 전체 저항이 R1+R2+ΔR1+ΔR2 로 저항이 가장 크게 된다. Next, FIG. 3 illustrates a case where the magnetization directions of the first and second pinned magnetization layers 102 and 106 are the same and the magnetization directions of the common free magnetization layer 104 are different. This is a case where the magnetization direction of the common free magnetization layer 104 is changed by flowing a predetermined amount of current in a direction perpendicular to the memory cell having the magnetization direction as shown in FIG. 2, in which case the overall resistance is R1 + R2 + ΔR1. The resistance is the largest with + ΔR2.

한편, 도 4는 제1 고정자화층(102)과 공통 자유자화층(104)의 자화방향이 동일하고 제2 고정자화층(106)의 자화방향이 이와 다른 경우를 나타낸다. 여기서, 제2 고정자화층(106)의 보자력도 제1 고정자화층(102)의 보자력보다 작다. 따라서, 예컨대 전류유도 스위칭 방식을 이용하는 경우 공통 자유자화층(104)의 자화반전 전류밀도(J1)보다는 크고 제1 고정자화층의 자화반전 전류밀도(J2)보다는 작은 전류를 흘림으로써 제2 고정자화층(106)의 자화 방향을 반전시킬 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 각 자성층의 자화 방향이 설정된 경우, 제1 고정자화층(102) 및 공통 자유자화층(104) 사이의 저항은 R1이 되고, 공통 자유자화층(104) 및 제2 고정자화층(106) 사이의 저항은 R2+ΔR2이 되므로, 전체 저항은 R1+R2+ΔR2이 된다. 4 illustrates a case where the magnetization directions of the first stator magnetization layer 102 and the common free magnetization layer 104 are the same, and the magnetization directions of the second stator magnetization layer 106 are different from each other. Here, the coercive force of the second stator magnetization layer 106 is also smaller than the coercive force of the first stator magnetization layer 102. Thus, for example, when the current induction switching method is used, the second stator magnetization is made by flowing a current larger than the magnetization inversion current density J1 of the common free magnetization layer 104 and smaller than the magnetization inversion current density J2 of the first stator magnetization layer. The magnetization direction of the layer 106 can be reversed. When the magnetization direction of each magnetic layer is set as shown in FIG. 4, the resistance between the first stator magnetization layer 102 and the common free magnetization layer 104 becomes R1, and the common free magnetization layer 104 and the second Since the resistance between the stator magnetization layers 106 becomes R2 + ΔR2, the total resistance becomes R1 + R2 + ΔR2.

이와 유사하게, 도 5에서 보듯이, 제1 및 제2 고정자화층(102, 106)의 자화방향이 서로 다르고, 공통 자유자화층(104)의 자화방향이 제2 고정자화층(106)과 같은 경우는, 제1 MTJ의 저항이 크고 제2 MTJ 저항이 작은 경우로서 전체 저항이 R1+ΔR1+R2가 된다.Similarly, as shown in FIG. 5, the magnetization directions of the first and second stator magnetization layers 102 and 106 are different from each other, and the magnetization directions of the common free magnetization layer 104 are different from the second stator magnetization layer 106. In the same case, when the resistance of the first MTJ is large and the resistance of the second MTJ is small, the total resistance becomes R1 + ΔR1 + R2.

이와 같이, 제1 고정자화층(102)은 보자력을 가장 크게 하여 스핀 방향이 변 화하지 않게 하고, 제2 고정자화층(106)의 보자력은 공통 자유자화층(104)보다 크고 제1 고정자화층(102)보다 작게 함으로써, 제2 고정자화층(106)의 자화 방향을 제1 고정자화층(102)과 동일하거나 반대 방향으로 조절할 수 있다. 따라서, 가장 작은 보자력을 갖는 공통 자유자화층(104)만을 자화 반전시키거나, 혹은 제2 고정자화층(106)과 공통 자유자화층(104)의 자화 방향을 동시에 반전시킴으로써, 하나의 소자가 4가지 다른 저항 상태를 나타내는 멀티 비트의 구현이 가능하게 된다. As such, the first stator magnetization layer 102 has the largest coercive force so that the spin direction does not change, and the coercivity of the second stator magnetization layer 106 is larger than the common free magnetization layer 104 and the first stator magnetization. By making it smaller than the layer 102, the magnetization direction of the second stator magnetization layer 106 can be adjusted in the same or opposite direction as the first stator magnetization layer 102. Therefore, by inverting only the common free magnetization layer 104 having the smallest coercive force or inverting the magnetization directions of the second stator magnetization layer 106 and the common free magnetization layer 104 simultaneously, a single element becomes four. The implementation of multi-bits representing different resistance states is possible.

제1 고정자화층(102)을 자화 반전시키지 않으면서 제2 고정자화층(106)만을 선택적으로 자화 반전시키는 방법으로는, 각각의 고정자화층(102, 106)을 구성하는 자성층의 두께와 재질을 달리하여 보자력을 조절할 수도 있고, 도 1에서와 같이, 제1 고정자화층(102)의 스핀 방향을 고정하는 반자성체(101)를 배치하여 상대적으로 제1 고정자화층(102)의 보자력을 향상시킬 수도 있다.  As a method of selectively magnetizing and inverting only the second stator magnetization layer 106 without magnetizing reversal of the first stator magnetization layer 102, the thickness and the material of the magnetic layers constituting the respective stator magnetization layers 102 and 106 are selected. The coercive force may be adjusted by differently, and as shown in FIG. 1, the coercive force of the first stator magnetized layer 102 is relatively improved by arranging the diamagnetic material 101 that fixes the spin direction of the first stator magnetized layer 102. You can also

한편, 도 6과 같이, 제2 고정자화층(106)에도 반자성층(107)을 두어 제2 고정자화층(106)의 스핀 방향을 피닝(pinning)할 수 있는데, 이러한 경우에는 제2 반자성층(107)과 제2 고정자화층(106)의 두께와 물성 등을 제어하여 보자력을 조절 할 수 있다. 다만, 이 경우에도 제1 및 제2 고정자화층(102, 106)의 보자력은 서로 다르게 조절해야 한다. 즉, 하나의 고정자화층은 다른 고정자화층이 자화 반전되는 전류 또는 자기장보다는 작은 전류 또는 자기장에 의해 자화 방향이 바뀌어야 한다. On the other hand, as shown in FIG. 6, the second magnetization layer 106 may also have a diamagnetic layer 107 to pin the spin direction of the second stator magnetization layer 106. In this case, the second diamagnetic layer 106 may be pinned. The coercivity can be adjusted by controlling the thickness and physical properties of the 107 and the second stator magnetization layer 106. However, even in this case, the coercive force of the first and second stator magnetization layers 102 and 106 should be adjusted differently. That is, one magnetization layer should be changed in magnetization direction by a current or magnetic field smaller than the current or magnetic field in which the other magnetization layers are magnetized inverted.

본 발명에 따른 이중 자기저항 메모리 셀은 자기장 스위칭 방식 또는 전류유도 스위칭 방식 중 어느 방식을 채택하여도 무방하다. 예컨대, STT-MRAM(Spin Transfer Torque-MRAM)의 경우, 제2 고정자화층의 자화반전 전류밀도를 공통 자유자화층보다는 크고 제1 고정자화층보다는 작게 함으로써, 제2 고정자화층을 제1 고정자화층이 자화 반전되지 않는 상태에서 자화 반전시킬 수 있다. 따라서, 적절한 크기의 전류를 흘림으로써 제2 고정자화층의 자화 방향을 선택적으로 조절할 수 있다.The dual magnetoresistive memory cell according to the present invention may employ either a magnetic field switching method or a current induction switching method. For example, in the case of STT-MRAM (Spin Transfer Torque-MRAM), the magnetization inversion current density of the second stator magnetization layer is larger than the common free magnetization layer and smaller than the first stator magnetization layer, whereby the second stator magnetization layer is first fixed. The magnetization layer can be magnetized in the state in which the magnetization is not inverted. Therefore, the magnetization direction of the second pinned magnetization layer can be selectively adjusted by flowing a current having an appropriate magnitude.

또한, 본 발명에 따른 이중 자기저항 메모리 셀에서는 고정자화층(102, 106)을 합성형 반자성 구조(Synthetic Anti-Ferromagnet; SAF)로 형성할 수 있다. SAF 구조는 두개의 자성체층 사이에 Ru 또는 Cr 층을 삽입한 구조를 하나의 자성체층으로 간주하여 사용하는 것을 말한다. 나아가, 공통 자유자화층(104)도 SAF 구조로 형성하는 것도 가능하다. 즉, 이와 같이 자유자화층(104), 고정자화층(102, 106)을 합성형 자화층으로 형성하면 메모리 셀의 열 안정성 등 물성을 향상시킬 수 있다.In addition, in the dual magnetoresistive memory cell according to the present invention, the stator layers 102 and 106 may be formed of a synthetic anti-ferromagnetic structure (SAF). The SAF structure refers to a structure in which a Ru or Cr layer is inserted between two magnetic layers as one magnetic layer. Furthermore, the common free magnetization layer 104 can also be formed in a SAF structure. That is, when the free magnetization layer 104 and the pinned magnetization layers 102 and 106 are formed of a synthetic magnetization layer, physical properties such as thermal stability of the memory cell may be improved.

한편, 본 발명에 따른 이중 자기저항 메모리 셀에서는 비자성층으로서 산화물을 쓸 수도 있고 전도성 물질을 쓸 수도 있다. 나아가, 지금까지 MTJ 구조의 메모리 셀 두개가 중첩되어 이중 자기저항 메모리 셀을 형성한 예에 기초하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 하나의 자유자화층을 공통으로 하는 중첩된 두개의 메모리 셀 각각을 자기터널정션(MTJ) 구조 또는 스핀 밸브 구조로 형성할 수 있다. 즉, 제1 메모리부를 MTJ 구조로 하고, 제2 메모리부를 스핀 밸브 구조로 형성할 수도 있으며, 이외에도 스핀 밸브 구조 및 스핀 밸브 구조의 결합도 가능하다.Meanwhile, in the dual magnetoresistive memory cell according to the present invention, an oxide or a conductive material may be used as the nonmagnetic layer. Furthermore, the present invention has been described based on an example in which two memory cells of the MTJ structure are overlapped to form a double magnetoresistive memory cell. However, the present invention is not limited thereto, and two overlapped memory cells having one free magnetization layer in common are described. Each may be formed as a magnetic tunnel junction (MTJ) structure or a spin valve structure. That is, the first memory unit may be formed as an MTJ structure, and the second memory unit may be formed as a spin valve structure. In addition, the spin valve structure and the spin valve structure may be combined.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 자기저항 메모리 셀의 단면도이고,1 is a cross-sectional view of a dual magnetoresistive memory cell according to a preferred embodiment of the present invention,

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 이중 자기저항 메모리 셀의 제1 고정자화층, 공통 자유자화층 및 제2 고정자화층의 자화 방향에 따른 가능한 4가지 저항 상태를 설명하는 셀 단면도들이고,2 to 5 are cell cross-sectional views illustrating four possible resistance states along the magnetization directions of the first stator magnetization layer, the common free magnetization layer, and the second stator magnetization layer of the dual magnetoresistive memory cell according to the present invention;

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 자기저항 메모리 셀의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a dual magnetoresistive memory cell according to another embodiment of the present invention.

< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of the code | symbol about the principal part of drawings>

101: 제 1 반자성층 102: 제 1 고정자화층101: first diamagnetic layer 102: first stator magnetization layer

103: 제 1 비자성층 104: 공통 자유자화층103: first nonmagnetic layer 104: common free magnetization layer

105: 제 2 비자성층 106: 제 2 고정자화층105: second nonmagnetic layer 106: second stator layer

107: 제 2 반자성층107: second diamagnetic layer

Claims (7)

자기장 또는 전류에 의해 자화 반전이 가능한 공통 자유자화층과,A common free magnetization layer capable of magnetization reversal by a magnetic field or a current, 상기 공통 자유자화층의 상면 및 하면에 각각 형성된 제1 및 제2 비자성층과,First and second nonmagnetic layers formed on upper and lower surfaces of the common free magnetization layer, respectively; 상기 제1 및 제2 비자성층 각각의 일면에 형성되되 상기 공통 자유자화층에 대향하여 형성된 제1 및 제2 고정자화층을 포함하고,A first magnetization layer formed on one surface of each of the first and second nonmagnetic layers and formed to face the common free magnetization layer; 상기 제2 고정자화층은 상기 공통 자유자화층이 자화 반전되는 자기장 또는 전류에 의해서는 자화 반전되지 않고 동시에 상기 제1 고정자화층이 자화 반전되지 않는 자기장 또는 전류에 의해서 자화 반전이 가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 메모리 셀.The second stator magnetization layer may be magnetized inverted by a magnetic field or a current in which the first stator magnetization layer is not magnetized inverted by a magnetic field or current in which the common free magnetization layer is magnetized inverted. A dual magnetoresistive memory cell. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 고정자화층의 일면에 형성되되 상기 제1 비자성층과 대향하여 형성된 제1 반자성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 메모리 셀.And a first semi-magnetic layer formed on one surface of the first stator magnetization layer and facing the first nonmagnetic layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 고정자화층 상부에 형성되되 상기 제2 비자성층과 대향하여 형성된 제2 반자성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 메모리 셀.And a second diamagnetic layer formed on the second stator magnetization layer and facing the second nonmagnetic layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 고정자화층 각각의 일면에 형성되되 상기 제1 및 제2 비자성층과 대향하여 형성된 제1 및 제2 반자성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 메모리 셀.And a first and second diamagnetic layers formed on one surface of each of the first and second pinned magnetization layers and opposed to the first and second nonmagnetic layers. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 공통 자유자화층, 상기 제1 고정자화층 및 상기 제2 고정자화층 중 적어도 하나는 두개의 자성층 사이에 Ru층 또는 Cr층이 개재된 합성형 자화층인 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 메모리 셀.At least one of the common free magnetization layer, the first stator magnetization layer, and the second stator magnetization layer is a synthetic magnetization layer having a Ru layer or a Cr layer interposed between two magnetic layers. . 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 제1 고정자화층, 상기 제1 비자성층 및 상기 공통 자유자화층으로 구성되는 자기저항 메모리 셀을 제1 메모리부라 하고, 상기 제2 고정자화층, 상기 제2 비자성층 및 상기 공통 자유자화층으로 구성되는 자기저항 메모리 셀을 제2 메모리부라 할 때, 상기 제1 및 제2 메모리부 각각은 자기터널정션 구조 또는 스핀 밸브 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 메모리 셀.A magnetoresistive memory cell composed of the first stator magnetization layer, the first nonmagnetic layer and the common free magnetization layer is called a first memory unit, and the second stator magnetization layer, the second nonmagnetic layer and the common free magnetization layer When the magnetoresistive memory cell consisting of the second memory portion, each of the first and second memory portion is a dual magnetoresistive memory cell, characterized in that formed in a magnetic tunnel junction structure or spin valve structure. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 제2 고정자화층의 보자력은 상기 공통 자유자화층의 보자력보다 크고 상기 제1 고정자화층의 보자력보다 작은 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 메모리 셀.The coercive force of the second stator magnetization layer is greater than the coercivity of the common free magnetization layer and smaller than the coercive force of the first stator magnetization layer.
KR1020080075921A 2008-08-04 2008-08-04 Dual magneto-resistance memory cell KR100958469B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080075921A KR100958469B1 (en) 2008-08-04 2008-08-04 Dual magneto-resistance memory cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080075921A KR100958469B1 (en) 2008-08-04 2008-08-04 Dual magneto-resistance memory cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100015039A true KR20100015039A (en) 2010-02-12
KR100958469B1 KR100958469B1 (en) 2010-05-17

Family

ID=42088230

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080075921A KR100958469B1 (en) 2008-08-04 2008-08-04 Dual magneto-resistance memory cell

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100958469B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8649214B2 (en) 2011-12-20 2014-02-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory including magnetic memory cells integrated with a magnetic shift register and methods thereof

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7675129B2 (en) * 2002-12-13 2010-03-09 Japan Science And Technology Agency Spin injection device, magnetic device using the same, magnetic thin film used in the same
KR100754930B1 (en) * 2004-12-22 2007-09-03 한국과학기술원 Information storage and interpretation method of magnetic random access memory using voltage-control magnetization reversal as the writing type

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8649214B2 (en) 2011-12-20 2014-02-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory including magnetic memory cells integrated with a magnetic shift register and methods thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR100958469B1 (en) 2010-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107689415B (en) Perpendicular magnetization spin orbit magnetic element
US8754460B2 (en) MRAM synthetic anitferomagnet structure
CN102224546B (en) Stram with compensation element
JP5788001B2 (en) Method and system for providing a magnetic tunneling junction element having biaxial anisotropy
US7606063B2 (en) Magnetic memory device
EP1600977A2 (en) Multi-bit magnetic random acces memory device
US7773408B2 (en) Nonvolatile memory device
US7589994B2 (en) Methods of writing data to magnetic random access memory devices with bit line and/or digit line magnetic layers
US8649214B2 (en) Magnetic memory including magnetic memory cells integrated with a magnetic shift register and methods thereof
US20060138509A1 (en) Magnetic random access memory with lower switching field through indirect exchange coupling
US8780665B2 (en) Method and system for providing magnetic tunneling junction elements having an easy cone anisotropy
KR20130015927A (en) Magnetic resistance memory apparatus having multi level and method of manufacturing the same
US7208808B2 (en) Magnetic random access memory with lower switching field
KR20130018470A (en) Semiconductor device
KR20060124578A (en) Magnetic storage element storing data by magnetoresistive effect
CN110366756A (en) Magnetic memory, semiconductor device, electronic equipment and the method for reading magnetic memory
JP2008171862A (en) Magnetoresistive effect element and mram
KR20070058364A (en) Storage element and memory
JP4766835B2 (en) Magnetic random access memory cell using magnetostatic coupling
KR100958469B1 (en) Dual magneto-resistance memory cell
JP5445029B2 (en) Magnetoresistive element and domain wall random access memory
JP2005174969A5 (en)
US7436700B2 (en) MRAM memory cell having a weak intrinsic anisotropic storage layer and method of producing the same
JP3738165B2 (en) Magnetic memory cell
JP2003197872A (en) Memory using magneto-resistance effect film

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee