KR102398177B1 - Magnetic memory device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기 메모리 장치에 관한 것으로, 서로 교차하는 워드 라인들과 제1 비트 라인들 사이에 연결되는 복수의 제1 메모리 셀들, 상기 제1 메모리 셀들의 각각은 제1 메모리 소자 및 이에 연결되는 제1 선택 소자를 포함하고 및 서로 교차하는 상기 워드 라인들과 제2 비트 라인들 사이에 연결되는 복수의 제2 메모리 셀들, 상기 제2 메모리 셀들의 각각은 제2 메모리 소자 및 이에 연결되는 제2 선택 소자를 포함하되, 상기 제1 및 제2 메모리 소자들의 각각은, 고정층, 자유층 및 이들 사이의 터널 배리어층을 포함하는 자기터널접합을 포함하고, 상기 제2 메모리 소자들 중 일부의 상기 자기터널접합은 상기 터널 배리어층이 절연 파괴되어 비가역적인 저항 상태를 갖는 자기 메모리 장치를 제공한다.The present invention relates to a magnetic memory device, comprising a plurality of first memory cells connected between word lines and first bit lines crossing each other, each of the first memory cells being a first memory element and a first memory cell connected thereto A plurality of second memory cells including a first selection element and connected between the word lines and second bit lines crossing each other, each of the second memory cells is a second memory element and a second selection element connected thereto a device, wherein each of the first and second memory devices includes a magnetic tunnel junction including a pinned layer, a free layer, and a tunnel barrier layer therebetween, wherein the magnetic tunnel of some of the second memory devices The junction provides a magnetic memory device having an irreversible resistance state due to dielectric breakdown of the tunnel barrier layer.
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 자기 메모리 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor devices, and more particularly to magnetic memory devices.
전자 기기의 고속화, 저 소비전력화에 따라 이에 내장되는 반도체 기억 소자 역시 빠른 읽기/쓰기 동작, 낮은 동작 전압이 요구되고 있다. 이러한 요구들을 충족시키기 일 방안으로 반도체 기억 소자로 자기기억 소자가 제안된 바 있다. 자기기억 소자는 고속으로 동작할 수 있으며, 또한 비휘발성 특성을 가질 수 있어, 차세대 기억 소자로서 각광받고 있다.In accordance with the high speed and low power consumption of electronic devices, semiconductor memory devices embedded therein are also required to have fast read/write operations and low operating voltages. A magnetic memory device has been proposed as a semiconductor memory device as a way to satisfy these requirements. The magnetic memory device can operate at a high speed and can have non-volatile characteristics, so it is in the spotlight as a next-generation memory device.
자기기억 소자는 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction: MTJ)을 포함할 수 있다. 자기터널접합은 두 개의 자성체들과 그 사이에 개재된 터널 배리어층을 포함할 수 있다. 두 개의 자성체들의 자화 방향들에 따라 자기터널접합의 저항값이 달라질 수 있다. 예컨대, 두 개의 자성체들의 자화 방향들이 서로 반평행한 경우 자기터널접합은 상대적으로 큰 저항값을 가질 수 있으며, 두 개의 자성체들의 자화 방향들이 평행한 경우 자기터널접합은 상대적으로 작은 저항값을 가질 수 있다. 이러한 저항값들의 차이를 이용하여 자기 기억 소자는 데이터를 기입/판독할 수 있다.The magnetic memory device may include a magnetic tunnel junction (MTJ). The magnetic tunnel junction may include two magnetic materials and a tunnel barrier layer interposed therebetween. The resistance value of the magnetic tunnel junction may vary according to the magnetization directions of the two magnetic materials. For example, when the magnetization directions of two magnetic materials are antiparallel to each other, the magnetic tunnel junction may have a relatively large resistance value, and when the magnetization directions of the two magnetic materials are parallel to each other, the magnetic tunnel junction may have a relatively small resistance value. there is. The magnetic memory device can write/read data by using the difference in resistance values.
전자 산업이 고도로 발전함에 따라, 자기기억 소자에 대한 고집적화 및/또는 저 소비전력화에 대한 요구가 심화되고 있다. 따라서, 이러한 요구들을 충족시키기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.As the electronic industry is highly developed, the demand for high integration and/or low power consumption of the magnetic memory device is increasing. Therefore, many studies are being conducted to satisfy these needs.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고집적화된 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a highly integrated magnetic memory device.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 우수한 신뢰성을 갖는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.Another technical object of the present invention is to provide a magnetic memory device having excellent reliability.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치 복수의 워드 라인들; 상기 워드 라인들과 교차하는 복수의 비트 라인들, 상기 복수의 비트 라인들은 제1 비트 라인들, 및 상기 제1 비트 라인들로부터 상기 워드 라인들의 연장 방향으로 이격되는 제2 비트 라인들을 포함하고; 서로 교차하는 상기 워드 라인들과 상기 제1 비트 라인들 사이에 연결되는 복수의 제1 메모리 셀들, 상기 제1 메모리 셀들의 각각은 제1 메모리 소자 및 이에 연결되는 제1 선택 소자를 포함하고; 및 서로 교차하는 상기 워드 라인들과 상기 제2 비트 라인들 사이에 연결되는 복수의 제2 메모리 셀들, 상기 제2 메모리 셀들의 각각은 제2 메모리 소자 및 이에 연결되는 제2 선택 소자를 포함하되, 상기 제1 및 제2 메모리 소자들의 각각은, 고정층, 자유층 및 이들 사이의 터널 배리어층을 포함하는 자기터널접합을 포함하고, 상기 제2 메모리 소자들 중 일부의 상기 자기터널접합은 상기 터널 배리어층이 절연 파괴되어 비가역적인 저항 상태를 가질 수 있다. A plurality of word lines of a magnetic memory device according to embodiments of the present invention for achieving the above object; a plurality of bit lines intersecting the word lines, the plurality of bit lines including first bit lines, and second bit lines spaced apart from the first bit lines in an extension direction of the word lines; a plurality of first memory cells connected between the word lines crossing each other and the first bit lines, each of the first memory cells including a first memory element and a first selection element connected thereto; and a plurality of second memory cells connected between the word lines and the second bit lines crossing each other, each of the second memory cells comprising a second memory element and a second selection element connected thereto; Each of the first and second memory devices includes a magnetic tunnel junction including a pinned layer, a free layer, and a tunnel barrier layer therebetween, and the magnetic tunnel junction of some of the second memory devices is the tunnel barrier The layer may be dielectric breakdown and have an irreversible resistance state.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 메모리 셀들은 복수 회의 프로그래밍이 가능한 노말 메모리 셀 어레이를 구성하고, 상기 제2 메모리 셀들은 일 회의 프로그래밍만이 가능한 OTP 메모리 셀 어레이를 구성할 수 있다. According to an embodiment, the first memory cells may constitute a normal memory cell array that can be programmed a plurality of times, and the second memory cells may constitute an OTP memory cell array that can be programmed only once.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 메모리 소자들의 상기 자기터널접합은 제1 자기터널접합이고, 상기 제2 메모리 소자들 중 상기 일부의 상기 자기터널접합은 제2 자기터널접합이고, 상기 제2 메모리 소자들 중 나머지의 상기 자기터널접합은 제3 자기터널접합이되, 상기 제1 자기터널접합은 복수의 프로그래밍을 통해 제1 데이터에 상응하는 제1 저항값 또는 제2 데이터에 상응하는 제2 저항값을 갖고, 상기 제2 자기터널접합은 일 회의 프로그래밍을 통해 상기 제1 데이터에 상응하는 제3 저항값을 갖고, 상기 제3 자기터널접합은 일 회의 프로그래밍을 통해 상기 제2 데이터에 상응하는 제4 저항값을 갖되, 상기 제1 내지 제4 저항값들은 서로 다를 수 있다.In an embodiment, the magnetic tunnel junction of the first memory elements is a first magnetic tunnel junction, the magnetic tunnel junction of the part of the second memory elements is a second magnetic tunnel junction, and the second memory The magnetic tunnel junction of the remaining elements becomes a third magnetic tunnel junction, wherein the first magnetic tunnel junction has a first resistance value corresponding to first data or a second resistance corresponding to second data through a plurality of programming. value, the second magnetic tunnel junction has a third resistance value corresponding to the first data through one programming, and the third magnetic tunnel junction has a third resistance value corresponding to the second data through one programming. It has 4 resistance values, and the first to fourth resistance values may be different from each other.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 저항값은 상기 제2 저항 값보다 작고, 상기 제3 저항값은 상기 제1 저항값보다 작고, 상기 제4 저항값은 상기 제1 및 제2 저항값들 사이일 수 있다. In example embodiments, the first resistance value is smaller than the second resistance value, the third resistance value is smaller than the first resistance value, and the fourth resistance value is between the first and second resistance values. can be
일 실시예에 따르면, 상기 제1 메모리 셀들 중 일부는 상기 제1 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제1 기준 셀로 이용되고, 상기 제2 메모리 셀들 중 일부는 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제2 기준 셀로 이용될 수 있다. According to an embodiment, some of the first memory cells are used as first reference cells for a read operation of the first memory cells, and some of the second memory cells are used as first reference cells for a read operation of the second memory cells. 2 It can be used as a reference cell.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 기준 셀은 상기 제1 메모리 셀들 중 한 쌍의 제1 메모리 셀들이 하나의 제1 비트 라인을 통해 병렬 연결되도록 구성될 수 있다. According to an embodiment, the first reference cell may be configured such that a pair of first memory cells of the first memory cells are connected in parallel through one first bit line.
일 실시예에 따르면, 상기 한 쌍의 제1 메모리 셀들 중 어느 하나의 상기 제1 자기터널접합은 상기 제1 저항값을 갖도록 프로그래밍되고, 다른 하나의 상기 제1 자기터널접합은 상기 제2 저항값을 갖도록 프로그래밍 될 수 있다. In an embodiment, the first magnetic tunnel junction of any one of the pair of first memory cells is programmed to have the first resistance value, and the first magnetic tunnel junction of the other one has the second resistance value. can be programmed to have
일 실시예에 따르면, 상기 제2 기준 셀은 상기 제2 메모리 셀들 중 상기 제2 자기터널접합을 포함하는 어느 하나로 구성될 수 있다. According to an embodiment, the second reference cell may include any one of the second memory cells including the second magnetic tunnel junction.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 기준 셀과 전기적으로 연결되는 제어 저항을 더 포함하되, 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 기준 저항은 상기 제2 기준 셀을 구성하는 상기 제2 자기터널접합의 상기 제3 저항값과 상기 제어 저항의 제5 저항값의 합산 값을 이용할 수 있다. In an embodiment, the display device further includes a control resistor electrically connected to the second reference cell, wherein the reference resistance for the read operation of the second memory cells is the second magnetic tunnel junction constituting the second reference cell. A sum of the third resistance value of and the fifth resistance value of the control resistor may be used.
일 실시예에 따르면, 상기 합산 값은 상기 제3 저항값과 상기 제4 저항값 사이일 수 있다.According to an embodiment, the sum value may be between the third resistance value and the fourth resistance value.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 비트 라인들을 통해 상기 제1 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 제1 주변 회로; 및 상기 제2 비트 라인들을 통해 상기 제2 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 제2 주변 회로를 더 포함하되, 상기 제2 주변 회로는 상기 제1 주변 회로의 제1 주변 트랜지스터보다 높은 전압 하에 구동되는 적어도 하나의 제2 주변 트랜지스터를 포함할 수 있다. According to an embodiment, a first peripheral circuit electrically connected to the first memory cells through the first bit lines; and a second peripheral circuit electrically connected to the second memory cells through the second bit lines, wherein the second peripheral circuit is at least driven under a higher voltage than a first peripheral transistor of the first peripheral circuit. One second peripheral transistor may be included.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 주변 트랜지스터는 제1 주변 게이트 유전막 및 제1 주변 게이트 전극을 포함하고, 상기 제2 주변 트랜지스터는 제2 주변 게이트 유전막 및 제2 주변 게이트 전극을 포함하되, 상기 제2 주변 게이트 유전막의 두께는 상기 제1 게이트 유전막의 두께보다 클 수 있다. In an embodiment, the first peripheral transistor includes a first peripheral gate dielectric layer and a first peripheral gate electrode, and the second peripheral transistor includes a second peripheral gate dielectric layer and a second peripheral gate electrode, A thickness of the second peripheral gate dielectric layer may be greater than a thickness of the first gate dielectric layer.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 주변 게이트 전극은 상기 제1 주변 게이트 전극의 제1 폭보다 큰 제2 폭을 가질 수 있다.According to an embodiment, the second peripheral gate electrode may have a second width greater than a first width of the first peripheral gate electrode.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치, 노말 셀 어레이 및 OTP 셀 어레이를 포함하는 메모리 셀 어레이; 제1 비트 라인들을 통해 상기 노말 셀 어레이와 전기적으로 연결되는 제1 주변 회로; 및 제2 비트 라인들을 통해 상기 OTP 셀 어레이와 전기적으로 연결되는 제2 주변 회로를 포함하고, 상기 노말 셀 어레이는, 제1 자기터널접합 및 이에 연결된 제1 선택 트랜지스터를 포함하는 복수의 제1 메모리 셀들을 포함하고, 상기 OTP 셀 어레이는, 제2 자기터널접합 및 이에 연결된 제2 선택 트랜지스터를 포함하는 복수의 제2 메모리 셀들을 포함하되, 상기 제2 자기터널접합들 중 일부는 비가역적인 저항 상태를 가질 수 있다. A memory cell array including a magnetic memory device, a normal cell array, and an OTP cell array according to embodiments of the present invention for achieving the above object; a first peripheral circuit electrically connected to the normal cell array through first bit lines; and a second peripheral circuit electrically connected to the OTP cell array through second bit lines, wherein the normal cell array includes a plurality of first memories including a first magnetic tunnel junction and a first selection transistor connected thereto cells, wherein the OTP cell array includes a plurality of second memory cells including a second magnetic tunnel junction and a second selection transistor connected thereto, wherein some of the second magnetic tunnel junctions have an irreversible resistance state can have
일 실시예에 따르면, 상기 제2 자기터널접합들 중 상기 일부는 제1 서브 자기터널접합이고, 상기 제2 자기터널접합들 중 다른 일부는 제2 서브 자기터널접합이되, 상기 제1 자기터널접합은 복수의 프로그래밍을 통해 제1 데이터에 상응하는 제1 저항값 또는 제2 데이터에 상응하는 제2 저항값을 갖고, 상기 제1 서브 자기터널접합은 일 회의 프로그래밍을 통해 상기 제1 데이터에 상응하는 제3 저항값을 갖고, 상기 제2 서브 자기터널접합은 일 회의 프로그래밍을 통해 상기 제2 데이터에 상응하는 제4 저항값을 갖고, 상기 제1 저항값은 상기 제2 저항 값보다 작고, 상기 제3 저항값은 상기 제1 저항값보다 작고, 상기 제4 저항값은 상기 제1 및 제2 저항값들 사이일 수 있다. According to an embodiment, the part of the second magnetic tunnel junctions is a first sub-magnetic tunnel junction, and another part of the second magnetic tunnel junctions is a second sub-magnetic tunnel junction, and the first magnetic tunnel The junction has a first resistance value corresponding to the first data or a second resistance value corresponding to the second data through a plurality of programming, and the first sub-magnetic tunnel junction corresponds to the first data through a single programming has a third resistance value, the second sub-magnetic tunnel junction has a fourth resistance value corresponding to the second data through one programming, the first resistance value is smaller than the second resistance value, and The third resistance value may be smaller than the first resistance value, and the fourth resistance value may be between the first and second resistance values.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 메모리 셀들 중 일부는 상기 제1 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제1 기준 셀로 이용되고, 상기 제1 서브 자기터널접합을 포함하는 상기 제2 메모리 셀들 중 선택된 어느 하나는 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제2 기준 셀로 이용될 수 있다. According to an embodiment, some of the first memory cells are used as first reference cells for a read operation of the first memory cells, and any one selected from among the second memory cells including the first sub-magnetic tunnel junction may be used as a second reference cell for a read operation of the second memory cells.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 주변 회로는 상기 제2 기준 셀과 전기적으로 연결되는 제어 저항을 포함하되, 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 기준 저항은 상기 제2 기준 셀을 구성하는 상기 제2 자기터널접합의 상기 제3 저항값과 상기 제어 저항의 제5 저항값의 합산 값을 이용할 수 있다. According to an embodiment, the second peripheral circuit includes a control resistor electrically connected to the second reference cell, and the reference resistance for the read operation of the second memory cells is the reference resistance constituting the second reference cell. A sum of the third resistance value of the second magnetic tunnel junction and the fifth resistance value of the control resistor may be used.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 메모리 셀들 중 일부는 상기 제1 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제1 기준 셀로 이용되고, 상기 OTP 셀 어레이는 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제2 기준 셀을 더 포함하되, 상기 제2 기준 셀은 가변 저항 소자를 통하지 않고 상기 제2 비트 라인들 중 하나와 연결되는 제3 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. According to an embodiment, some of the first memory cells are used as first reference cells for the read operation of the first memory cells, and the OTP cell array is a second reference cell for the read operation of the second memory cells. The second reference cell may further include a third selection transistor connected to one of the second bit lines without passing through the variable resistance element.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 주변 회로는 상기 제2 기준 셀과 전기적으로 연결되는 제어 저항을 포함하되, 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 기준 저항은 상기 제어 저항의 제5 저항값을 이용할 수 있다. In an embodiment, the second peripheral circuit includes a control resistor electrically connected to the second reference cell, and the reference resistance for the read operation of the second memory cells is a fifth resistance value of the control resistor. Available.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 주변 회로는 적어도 하나의 제1 주변 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 주변 회로는 적어도 하나의 제2 주변 트랜지스터를 포함하되, 상기 제2 주변 트랜지스터는 상기 제1 주변 트랜지스터보다 높은 전압 하에서 구동될 수 있다. According to an embodiment, the first peripheral circuit includes at least one first peripheral transistor, and the second peripheral circuit includes at least one second peripheral transistor, wherein the second peripheral transistor includes the first peripheral transistor. It can be driven under a higher voltage than a transistor.
본 발명의 실시예들에 따르면, OTP 메모리 장치를 별도의 영역에 형성하지 않고 메모리 셀 어레이의 일부를 OTP 셀 어레이로 구현함에 따라, 고집적화에 최적화된 자기 메모리 장치를 제공할 수 있다. 아울러, 메모리 셀들의 메모리 소자인 자기터널접합을 단락시킴으로써, 용이하게 OTP 메모리 셀들을 구현할 수 있다. 더하여, OTP 메모리 셀들을 위한 기준 셀 및 주변 회로를 별도로 형성함으로써, OTP 메모리 셀들의 쓰기 및 읽기 동작이 최적화될 수 있다. 결과적으로, 신뢰성이 향상된 자기 메모리 장치를 제공할 수 있다.According to embodiments of the present invention, a magnetic memory device optimized for high integration can be provided by implementing a part of the memory cell array as an OTP cell array without forming the OTP memory device in a separate area. In addition, by shorting the magnetic tunnel junction, which is a memory element of the memory cells, it is possible to easily implement OTP memory cells. In addition, by separately forming a reference cell and a peripheral circuit for the OTP memory cells, write and read operations of the OTP memory cells may be optimized. As a result, it is possible to provide a magnetic memory device with improved reliability.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치의 구성을 설명하기 위한 예시적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 메모리 셀을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 제1 자기터널접합을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 제1 서브 셀 및 제2 서브 셀을 나타내는 예시적인 도면들이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 메모리 셀의 읽기 동작을 설명하기 위한 간략 회로도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 제2 메모리 셀의 읽기 동작을 설명하기 위한 간략 회로도들이다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치를 나타내는 예시적인 평면도이다. 도 8b는 도 8a의 A-A' 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 8c는 도 8a의 C-C', D-D', 및 E-E'선에 따른 단면도이다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치를 나타내는 예시적인 평면도이다. 도 9b는 도 9a의 A-A' 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 9c는 도 9a의 C-C', D-D', 및 E-E'선에 따른 단면도이다.1 is a block diagram of a magnetic memory device according to embodiments of the present invention.
2 is an exemplary circuit diagram for explaining a configuration of a magnetic memory device according to embodiments of the present invention.
3 is an exemplary diagram illustrating a first memory cell according to embodiments of the present invention.
4A and 4B are conceptual views for explaining a first magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.
5A and 5B are exemplary diagrams illustrating a first sub-cell and a second sub-cell, respectively, according to embodiments of the present invention.
6 is a simplified circuit diagram illustrating a read operation of a first memory cell according to embodiments of the present invention.
7A and 7B are simplified circuit diagrams for explaining a read operation of a second memory cell according to embodiments of the present invention.
8A is an exemplary plan view illustrating a magnetic memory device according to embodiments of the present invention. 8B is a cross-sectional view taken along lines AA' and B-B' of FIG. 8A, and FIG. 8C is a cross-sectional view taken along lines C-C', D-D', and E-E' of FIG. 8A.
9A is an exemplary plan view illustrating a magnetic memory device according to embodiments of the present invention. 9B is a cross-sectional view taken along lines AA' and B-B' of FIG. 9A, and FIG. 9C is a cross-sectional view taken along lines C-C', D-D', and E-E' of FIG. 9A.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. In order to fully understand the configuration and effect of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be embodied in various forms and various modifications may be made. However, it is provided so that the disclosure of the present invention is complete through the description of the present embodiments, and to fully inform those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the scope of the invention.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content. Parts indicated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have a schematic nature, and the shapes of the illustrated regions in the drawings are intended to illustrate specific shapes of regions of the device and not to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, third, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprises' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치의 블록도이다.1 is a block diagram of a magnetic memory device according to embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 자기 메모리 장치는 외부에서 입력된 데이터를 저장하기 위한 메모리 셀 어레이(10), 및 메모리 셀 어레이(10)를 제어하기 위한 주변 회로를 포함할 수 있다. 메모리 셀 어레이(10)는 노말 셀 어레이(10a)와 OTP 셀 어레이(10b, One Time Programmable Cell Array)를 포함할 수 있다. 즉, 메모리 셀 어레이(10)의 일부는 노말 셀 어레이(10a)로 구현될 수 있고, 메모리 셀 어레이(10)의 다른 일부는 OTP 셀 어레이(10b)로 구현될 수 있다. 주변 회로는 행 디코더(20), 열 선택 회로(30), 읽기/쓰기 회로(40), 및 제어 로직(50)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a magnetic memory device may include a
노말 셀 어레이(10a) 및 OTP 셀 어레이(10b)의 각각은, 적어도 하나의 메모리 소자와 적어도 하나의 선택 소자를 포함하는 복수의 메모리 셀들로 구성될 수 있다. 노말 셀 어레이(10a)의 메모리 셀들은 복수 회의 프로그램이 가능한 반면, OTP 셀 어레이(10b)의 메모리 셀들은 단 한번의 프로그래밍만이 가능할 수 있다. 노말 셀 어레이(10a) 및 OTP 셀 어레이(10b)의 메모리 셀들은 워드 라인들 및 비트 라인들에 연결될 수 있다. 이하 설명의 편의상, 노말 셀 어레이(10a)의 메모리 셀들은 노말 메모리 셀들로 지칭되고, OTP 셀 어레이(10b)의 메모리 셀들은 OTP 메모리 셀들로 지칭될 수 있다. 더하여, 노말 셀 어레이(10a)의 메모리 셀들과 연결되는 비트 라인들은 제1 비트 라인들로 지칭되고, OTP 셀 어레이(10b)의 메모리 셀들과 연결되는 비트 라인들은 제2 비트 라인들로 지칭될 수 있다.Each of the
행 디코더(20)는 워드 라인들을 통해 노말 셀 어레이(10a) 및 OTP 셀 어레이(10b)와 연결될 수 있다. 행 디코더(20)는 외부에서 입력된 어드레스를 디코딩하여 복수 개의 워드 라인들 중 하나를 선택할 수 있다. The
열 선택 회로(30) 및 읽기/쓰기 회로(40)의 각각은 노말 셀 어레이(10a) 및 OTP 셀 어레이(10b)에 상응하여 두 개의 영역으로 분리될 수 있다. 즉, 열 선택 회로(30)는 노말 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 제1 열 선택 회로(30a), 및 OTP 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 제2 열 선택 회로(30b)를 포함할 수 있다. 유사하게, 읽기/쓰기 회로(40)는 노말 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 제1 읽기/쓰기 회로(40a), 및 OTP 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 제2 읽기/쓰기 회로(40b)를 포함할 수 있다.Each of the
상세하게, 제1 열 선택 회로(30a)는 제1 비트 라인들을 통해 노말 셀 어레이(10a)와 연결되며, 외부에서 입력된 어드레스를 디코딩하여 복수 개의 제1 비트 라인들 중 하나를 선택할 수 있다. 제1 열 선택 회로(30a)에서 선택된 제1 비트 라인은 제1 읽기/쓰기 회로(40a)에 연결될 수 있다. 제2 열 선택 회로(30b)는 제2 비트 라인들을 통해 OTP 셀 어레이(10b)와 연결되며, 외부에서 입력된 어드레스를 디코딩하여 복수 개의 제2 비트 라인들 중 하나를 선택할 수 있다. 제2 열 선택 회로(30b)에서 선택된 제2 비트 라인은 제2 읽기/쓰기 회로(40b)에 연결될 수 있다.In detail, the first
제1 읽기/쓰기 회로(40a)는 제어 로직(50)의 제어에 따라 선택된 노말 메모리 셀을 액세스하기 위한 비트 라인 바이어스를 제공할 수 있다. 제1 읽기/쓰기 회로(40a)는 입력되는 데이터를 노말 메모리 셀에 기입하거나 판독하기 위하여 선택된 비트 라인에 비트 라인 전압을 제공할 수 있다. 제1 읽기/쓰기 회로(40a)는 제1 쓰기 드라이버 및 제1 센스 앰프를 포함할 수 있다. 제2 읽기/쓰기 회로(40b)는 제어 로직(50)의 제어에 따라 선택된 OTP 메모리 셀을 액세스하기 위한 비트 라인 바이어스를 제공할 수 있다. 제2 읽기/쓰기 회로(40b)는 입력되는 데이터를 OTP 메모리 셀에 기입하거나 판독하기 위하여 선택된 비트 라인에 비트 라인 전압을 제공할 수 있다. 제2 읽기/쓰기 회로(40b)는 제2 쓰기 드라이버 및 제2 센스 앰프를 포함할 수 있다.The first read/
제어 로직(50)은 외부에서 제공된 명령(command) 신호에 따라, 자기 메모리 장치를 제어하는 제어 신호들을 출력할 수 있다. 제어 로직(50)에서 출력된 제어 신호들은 읽기/쓰기 회로(40)를 제어할 수 있다. The
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치의 구성을 설명하기 위한 예시적인 회로도이다.2 is an exemplary circuit diagram for explaining a configuration of a magnetic memory device according to embodiments of the present invention.
도 2를 참조하면, 자기 메모리 장치는 복수의 워드 라인들(WL), 비트 라인들, 메모리 셀 어레이(10), 제1 주변 회로(PC1) 및 제2 주변 회로(PC2)를 포함할 수 있다. 메모리 셀 어레이(10)는 제1 방향(D1)을 따라 순차적으로 배열된 제1 메모리 셀 어레이(10a)와 제2 메모리 셀 어레이(10b)를 포함할 수 있다. 제1 메모리 셀 어레이(10a)는 도 1의 노말 셀 어레이(10a)에 대응될 수 있고, 제2 메모리 셀 어레이(10b)는 도 1의 OTP 셀 어레이(10b)에 대응될 수 있다. 여기서, 제1 방향(D1)은 워드 라인들(WL)이 연장되는 방향으로 정의될 수 있다. 그리고, 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)은 비트 라인들이 연장되는 방향으로 정의될 수 있다. 워드 라인들(WL)은 제1 방향(D1)으로 연장되어 제1 메모리 셀 어레이(10a)와 제2 메모리 셀 어레이(10b)를 가로질 수 있다. 비트 라인들은 워드 라인들(WL)과 교차할 수 있다. 비트 라인들은 제1 메모리 셀 어레이(10a)와 연결되는 제1 비트 라인들(BL1) 및, 제2 메모리 셀 어레이(10b)와 연결되는 제2 비트 라인들(BL2)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2 , the magnetic memory device may include a plurality of word lines WL, bit lines, a
제1 메모리 셀 어레이(10a)는 제1 메모리 셀들(MC1)을 포함할 수 있다. 제1 메모리 셀들(MC1)은 2차원적으로 또는 3차원적으로 배열될 수 있다. 제1 메모리 셀들(MC1)은 서로 교차하는 워드 라인들(WL)과 제1 비트 라인들(BL1) 사이에 연결될 수 있다. 제1 메모리 셀들(MC1)은 도 1을 참조하여 설명한 노말 메모리 셀들에 해당할 수 있다. 제2 메모리 셀 어레이(10b)는 제2 메모리 셀들(MC2)을 포함할 수 있다. 제2 메모리 셀들(MC2)은 2차원적으로 또는 3차원적으로 배열될 수 있다. 제2 메모리 셀들(MC2)은 서로 교차하는 워드 라인들(WL)과 제2 비트 라인들(BL2) 사이에 연결될 수 있다. 제2 메모리 셀들(MC2)은 도 1을 참조하여 설명한 OTP 메모리 셀들에 해당할 수 있다. 하나의 워드 라인(WL)에 복수 개의 제1 메모리 셀들(MC1)과 복수 개의 제2 메모리 셀들(MC2)이 연결될 수 있다. 그리고, 하나의 열을 이루는 복수 개의 제1 메모리 셀들(MC1)은 서로 다른 워드 라인들(WL)과 연결되고, 하나의 제1 비트 라인(BL1)을 공유할 수 있다. 마찬가지로, 하나의 열을 이루는 복수 개의 제2 메모리 셀들(MC2)은 서로 다른 워드 라인들(WL)과 연결되고, 하나의 제2 비트 라인(BL2)을 공유할 수 있다. The first
제1 메모리 셀들(MC1)의 각각은 제1 메모리 소자(ME1) 및 제1 선택 소자(SE1)를 포함할 수 있다. 제1 메모리 소자(ME1)는 제1 비트 라인(BL1)과 제1 선택 소자(SE1) 사이에 연결될 수 있고, 제1 선택 소자(SE1)는 제1 메모리 소자(ME1)와 워드 라인(WL) 사이에 연결될 수 있다. 제1 메모리 소자(ME1)는 인가되는 전기적 펄스에 의해 두 가지 저항 상태로 스위칭될 수 있는 가변 저항 소자일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 메모리 소자(ME1)는 그것을 통과하는 전류에 의한 스핀 전달 과정을 이용하여 그것의 전기적 저항이 변화될 수 있는 박막 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 제1 메모리 소자(ME1)는 자기-저항(magnetoresistance) 특성을 보이도록 구성되는 박막 구조를 가질 수 있으며, 적어도 하나의 강자성 물질들 및/또는 적어도 하나의 반강자성 물질들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 메모리 소자(ME1)는 자기터널접합(magnetic tunnel junction)을 포함하는 자기기억 소자일 수 있다.Each of the first memory cells MC1 may include a first memory element ME1 and a first selection element SE1 . The first memory device ME1 may be connected between the first bit line BL1 and the first selection device SE1 , and the first selection device SE1 includes the first memory device ME1 and the word line WL. can be connected between The first memory element ME1 may be a variable resistance element that can be switched to two resistance states by an applied electric pulse. According to an embodiment, the first memory device ME1 may be formed to have a thin film structure in which its electrical resistance can be changed by using a spin transfer process by a current passing therethrough. The first memory device ME1 may have a thin film structure configured to exhibit magnetoresistance characteristics, and may include at least one ferromagnetic material and/or at least one antiferromagnetic material. Specifically, the first memory device ME1 may be a magnetic memory device including a magnetic tunnel junction.
제1 선택 소자(SE1)는 제1 메모리 소자(ME1)를 지나는 전하의 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 선택 소자(SE1)는 다이오드, 피엔피 바이폴라 트랜지스터, 엔피엔 바이폴라 트랜지스터, 엔모스 전계효과 트랜지스터 및 피모스 전계효과 트랜지스터 중의 하나일 수 있다. 제1 선택 소자(SE1)가 3단자 소자인 바이폴라 트랜지스터 또는 모스 전계효과 트랜지스터로 구성되는 경우, 추가적인 배선(예컨대, 소스 라인, 미도시)이 제1 선택 소자(SE1)에 연결될 수 있다. 제1 메모리 셀(MC1)에 대해서는 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세히 설명한다. The first selection device SE1 may be configured to selectively control the flow of charges passing through the first memory device ME1 . For example, the first selection element SE1 may be one of a diode, a PNP bipolar transistor, an NPM bipolar transistor, an NMOS field effect transistor, and a PMOS field effect transistor. When the first selection element SE1 is configured as a three-terminal bipolar transistor or a MOS field effect transistor, an additional wire (eg, a source line, not shown) may be connected to the first selection element SE1 . The first memory cell MC1 will be described in detail with reference to FIGS. 3, 4A, and 4B .
제2 메모리 셀들(MC2)은 제1 메모리 셀들(MC1)과 실질적으로 동일/유사한 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 제2 메모리 셀들(MC2)의 각각은 자기터널접합 형태로 구현되는 제2 메모리 소자(ME2), 및 제1 선택 소자(SE1)와 동일한 형태로 구현되는 제2 선택 소자(SE2)를 포함할 수 있다. 이 때, 제2 메모리 셀들(MC2) 중 일부의 제2 메모리 소자들(ME2)은 블로잉된(blown) 상태일 수 있고, 다른 일부의 제2 메모리 소자들(ME2)은 블로잉되지 않은(un-blown) 상태일 수 있다. 여기서, 블로잉된 상태는 자기터널접합을 구성하는 두 개의 자성층들이 서로 단락된 상태를 의미한다. 이는 일 회의 프로그래밍 동작을 통해, 두 자성층들의 양단에 항복 전압(break down voltage)을 인가하여 자성층들 사이의 터널 배리어층을 절연 파괴함으로써 달성될 수 있다. 블로잉된 자기터널접합의 저항은 비가역적이며, 블로잉되지 않은 자기터널접합의 저항보다 작은 값을 가질 수 있다. 결론적으로, 제2 메모리 셀들(MC2) 중 일부가 비가역적인 저항 상태의 제2 메모리 소자들(ME2)을 가짐에 따라, 제2 메모리 셀 어레이(10b)는 OTP 메모리 장치로 구현될 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 블로잉되지 않은 제2 메모리 소자(ME2)를 포함하는 제2 메모리 셀(MC2)은 제1 서브 셀(MC2_1, 도 5a)로 지칭하고, 블로잉된 제2 메모리 소자(ME2)를 포함하는 제2 메모리 셀(MC2)은 제2 서브 셀(MC2_2, 도 5b)로 지칭한다. 제1 및 제2 서브 셀들((MC2_1, MC2_2)에 대해서는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 상세히 설명한다. The second memory cells MC2 may be implemented in substantially the same/similar shape to the first memory cells MC1 . For example, each of the second memory cells MC2 includes a second memory device ME2 implemented in a magnetic tunnel junction shape, and a second selection device SE2 implemented in the same shape as the first selection device SE1 . can do. In this case, some of the second memory elements ME2 of the second memory cells MC2 may be in a blown state, and some of the second memory elements ME2 may be in a non-blown state. blown) state. Here, the blown state means a state in which two magnetic layers constituting the magnetic tunnel junction are short-circuited. This may be achieved by applying a break down voltage to both ends of the two magnetic layers to dielectrically break the tunnel barrier layer between the magnetic layers through one programming operation. The resistance of the blown magnetic tunnel junction is irreversible and may have a value smaller than the resistance of the non-blown magnetic tunnel junction. Consequently, as some of the second memory cells MC2 have the second memory elements ME2 in an irreversible resistance state, the second
제1 메모리 셀들(MC1)의 각각은 제1 비트 라인들(BL1)의 각각에 의해 제1 주변 회로(PC1)에 연결될 수 있고, 제2 메모리 셀들(MC2)의 각각은 제2 비트 라인들(BL2)의 각각에 의해 제2 주변 회로(PC2)에 연결될 수 있다. 제1 주변 회로(PC1)는 도 1의 제1 열 선택 회로(30a) 및/또는 제1 읽기/쓰기 회로(40a)를 포함할 수 있다. 제2 주변 회로(PC2)는 도 1의 제2 열 선택 회로(30b) 및/또는 제2 읽기/쓰기 회로(40b)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 주변 회로(PC1)를 구성하는 제1 주변 트랜지스터들은 저전압 트랜지스터로 구현될 수 있다. 그리고, 제2 주변 회로(PC2)를 구성하는 제2 주변 트랜지스터들의 적어도 일부는 제1 주변 트랜지스터들보다 높은 전압 하에 구동되는 고전압 트랜지스터로 구현될 수 있다. 이는 제2 서브 셀(MC2_2)로 구현되는 제2 메모리 셀들(MC2)의 일부에 안정적인 고전압을 인가하기 위함일 수 있다. Each of the first memory cells MC1 may be connected to the first peripheral circuit PC1 by each of the first bit lines BL1 , and each of the second memory cells MC2 may be connected to the second bit lines BL1 . BL2) may be connected to the second peripheral circuit PC2. The first peripheral circuit PC1 may include the first
한편, 제1 메모리 셀 어레이(10a)의 읽기 동작을 위해 제1 메모리 셀들(MC1) 중 일부는 기준 셀로 이용될 수 있다. 마찬가지로, 제2 메모리 셀 어레이(10b)의 읽기 동작을 위해, 제2 메모리 셀들(MC2) 중 일부는 기준 셀로 이용될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 제1 메모리 셀 어레이(10a)의 기준 셀은 제1 기준 셀(RC1, 도 6 참조)로 지칭하고, 제2 메모리 셀 어레이(10b)의 기준 셀은 제2 기준 셀(RC2, 도 7a 참조)로 지칭한다. Meanwhile, some of the first memory cells MC1 may be used as reference cells for the read operation of the first
일 실시예에 따르면, 제1 기준 셀(RC1)은 서로 인접한 두 개의 워드 라인들(WL)과 이들과 교차하는 하나의 제1 비트 라인(BL1) 사이에 연결될 수 있다. 즉, 제1 기준 셀(RC1)은 병렬 연결된 한 쌍의 제1 메모리 소자들과 한 쌍의 제1 메모리 소자들 각각에 직렬 연결된 제1 선택 소자들(SE1)을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 기준 셀(RC1)은 복수 개로 제공될 수 있다. 예컨대, 복수 개의 제1 기준 셀들(RC1)은 서로 인접한 두 개의 워드 라인들(WL)과 이들과 교차하는 제1 비트 라인들(BL1) 사이에 각각 연결될 수 있다. 제1 기준 셀(RC1)에 대해서는 도 6을 참조하여 다시 설명한다.According to an embodiment, the first reference cell RC1 may be connected between two word lines WL adjacent to each other and one first bit line BL1 crossing them. That is, the first reference cell RC1 may include a pair of first memory elements connected in parallel and first selection elements SE1 connected in series to each of the pair of first memory elements. However, embodiments of the present invention are not limited thereto. A plurality of first reference cells RC1 may be provided. For example, the plurality of first reference cells RC1 may be respectively connected between two word lines WL adjacent to each other and first bit lines BL1 crossing them. The first reference cell RC1 will be described again with reference to FIG. 6 .
제2 기준 셀(RC2)은 제2 서브 셀(MC2_2)로 구현될 수 있다. 즉, 제2 기준 셀(RC2)은 블로잉된 제2 메모리 소자(ME2)를 포함할 수 있다. 제2 기준 셀(RC2)은 복수 개로 제공될 수 있으며, 복수 개의 제2 기준 셀들(RC2)은 제2 방향(D2)으로 배열되어 하나의 열을 이룰 수 있다. 하나의 열을 이루는 복수 개의 제2 기준 셀들(RC2)은 서로 다른 워드 라인들(WL)과 연결되고, 하나의 제2 비트 라인(BL2)을 공유할 수 있다. 제2 기준 셀(RC2)에 대해서는 도 7a를 참조하여 다시 설명한다.The second reference cell RC2 may be implemented as a second sub-cell MC2_2. That is, the second reference cell RC2 may include the blown second memory device ME2 . A plurality of second reference cells RC2 may be provided, and the plurality of second reference cells RC2 may be arranged in the second direction D2 to form one column. The plurality of second reference cells RC2 constituting one column may be connected to different word lines WL and may share one second bit line BL2 . The second reference cell RC2 will be described again with reference to FIG. 7A .
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 메모리 셀을 나타내는 예시적인 도면이다. 3 is an exemplary diagram illustrating a first memory cell according to embodiments of the present invention.
도 3을 참조하면, 제1 메모리 셀(MC1)은 메모리 소자로서 제1 자기터널접합(MTJ1) 및 선택 소자로서 제1 선택 트랜지스터(SE1)를 포함할 수 있다. 제1 선택 트랜지스터(SE1)의 게이트 전극은 상응하는 워드 라인(WL)에 연결되며, 제1 선택 트랜지스터(SE1)의 소스(source)는 상응하는 소스 라인(SL)에 연결되고, 제1 선택 트랜지스터(SE1)의 드레인(drain)은 제1 자기터널접합(MTJ1)을 통해 상응하는 제1 비트라인(BL1)에 연결될 수 있다. Referring to FIG. 3 , the first memory cell MC1 may include a first magnetic tunnel junction MTJ1 as a memory device and a first selection transistor SE1 as a selection device. A gate electrode of the first selection transistor SE1 is connected to a corresponding word line WL, a source of the first selection transistor SE1 is connected to a corresponding source line SL, and the first selection transistor A drain of SE1 may be connected to a corresponding first bit line BL1 through a first magnetic tunnel junction MTJ1.
제1 자기터널접합(MTJ1)은 고정층(PL), 자유층(FL) 및 이들 사이에 개재된 터널 배리어층(TBL)을 포함할 수 있다. 고정층(PL)은 일 방향으로 고정된 자화방향을 갖고, 자유층(FL)은 고정층(PL)의 자화방향에 평행 또는 반평행하도록 변경 가능한 자화방향을 갖는다. 제1 자기터널접합(MTJ1)의 전기적 저항은 고정층(PL)과 자유층(FL)의 자화방향들에 따라 달라질 수 있다. 제1 자기터널접합(MTJ1)에서 고정층(PL)과 자유층(FL)의 자화 방향이 평행한 경우, 제1 자기터널접합(MTJ1)은 낮은 저항 상태(예를 들어, 제1 저항값=R1)를 가지며, 제1 데이터에 상응하는 '0'이 기입될 수 있다. 이와 달리, 제1 자기터널접합(MTJ1)에서 고정층(PL)과 자유층(FL)의 자화 방향이 반평행한 경우, 제1 자기터널접합(MTJ1)은 높은 저항 상태(예를 들어, 제2 저항값=R2)를 가지며, 제2 데이터에 상응하는 '1'이 기입될 수 있다. 예컨대, 제1 저항값(R1)은 약 10킬로옴(kΩ) 일 수 있고, 제2 저항값(R2)은 약 40킬로옴(kΩ) 일 수 있다.The first magnetic tunnel junction MTJ1 may include a pinned layer PL, a free layer FL, and a tunnel barrier layer TBL interposed therebetween. The pinned layer PL has a magnetization direction fixed in one direction, and the free layer FL has a magnetization direction that can be changed to be parallel or antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer PL. The electrical resistance of the first magnetic tunnel junction MTJ1 may vary according to the magnetization directions of the pinned layer PL and the free layer FL. When the magnetization directions of the pinned layer PL and the free layer FL are parallel in the first magnetic tunnel junction MTJ1 , the first magnetic tunnel junction MTJ1 is in a low resistance state (eg, first resistance value = R1 ). ), and '0' corresponding to the first data may be written. On the other hand, when the magnetization directions of the pinned layer PL and the free layer FL in the first magnetic tunnel junction MTJ1 are antiparallel, the first magnetic tunnel junction MTJ1 is in a high resistance state (eg, the second magnetic tunnel junction MTJ1). resistance = R2), and '1' corresponding to the second data may be written. For example, the first resistance value R1 may be about 10 kiloohms (kΩ), and the second resistance value R2 may be about 40 kiloohms (kΩ).
제1 메모리 셀(MC1)의 쓰기 동작을 위해, 워드 라인(WL)에 턴-온 전압이 인가될 수 있으며, 제1 자기터널접합(MTJ1)의 양단에 제1 쓰기 전압이 인가될 수 있다. 제1 자기터널접합(MTJ1)에 인가되는 제1 쓰기 전압의 방향에 따라, 제1 자기터널접합(MTJ1)에 제1 쓰기 전류(Iw1) 또는 제2 쓰기 전류(Iw2)가 흐를 수 있다. 제1 쓰기 전류(Iw1)는 제1 비트 라인(BL1)에서 소스 라인(SL)으로 흐르는 방향으로 제1 자기터널접합(MTJ1)에 제공되고, 제2 쓰기 전류(Iw2)는 소스 라인(SL)에서 제1 비트 라인(BL1)으로 흐르는 방향으로 제1 자기터널접합(MTJ1)에 제공될 수 있다. 자유층(FL)의 자화방향은 상술한 쓰기 전류 내 전자들의 스핀 토크(spin torque)에 의하여 변경될 수 있다. 결론적으로, 제1 메모리 셀(MC1)은 제1 자기터널접합(MTJ1)을 흐르는 쓰기 전류의 방향에 따라 제1 저항값(R1) 또는 제2 저항값(R2)을 저장할 수 있고, 이로써 복수의 프로그래밍이 가능한 노말 메모리 셀로 구현될 수 있다.For a write operation of the first memory cell MC1 , a turn-on voltage may be applied to the word line WL and a first write voltage may be applied to both ends of the first magnetic tunnel junction MTJ1 . A first write current Iw1 or a second write current Iw2 may flow in the first magnetic tunnel junction MTJ1 according to the direction of the first write voltage applied to the first magnetic tunnel junction MTJ1 . The first write current Iw1 is provided to the first magnetic tunnel junction MTJ1 in a direction flowing from the first bit line BL1 to the source line SL, and the second write current Iw2 is the source line SL. may be provided to the first magnetic tunnel junction MTJ1 in a direction flowing from the to the first bit line BL1 to the first bit line BL1 . The magnetization direction of the free layer FL may be changed by a spin torque of electrons in the above-described write current. As a result, the first memory cell MC1 may store the first resistance value R1 or the second resistance value R2 according to the direction of the write current flowing through the first magnetic tunnel junction MTJ1 , so that a plurality of It may be implemented as a programmable normal memory cell.
본 실시예에서, 자유층(FL)이 제1 비트 라인(BL1)에 연결되고, 고정층(PL)이 제1 선택 트랜지스터(SE1)에 연결되는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 도시된 바와 달리, 고정층(PL)이 제1 비트 라인(BL1)에 연결되고, 자유층(FL)이 제1 선택 트랜지스터(SE1)에 연결될 수 있다. 이하, 제1 자기터널접합(MTJ1)에 대해 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세히 설명한다.In the present embodiment, it is illustrated that the free layer FL is connected to the first bit line BL1 and the pinned layer PL is connected to the first selection transistor SE1, but embodiments of the present invention are not limited thereto. it is not According to another embodiment, unlike illustrated, the pinned layer PL may be connected to the first bit line BL1 , and the free layer FL may be connected to the first selection transistor SE1 . Hereinafter, the first magnetic tunnel junction MTJ1 will be described in detail with reference to FIGS. 4A and 4B .
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 제1 자기터널접합을 설명하기 위한 개념도들이다. 4A and 4B are conceptual views for explaining a first magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.
제1 자기터널접합(MTJ1)의 전기적 저항은 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 자화 방향들에 의존적일 수 있다. 예를 들면, 제1 자기터널접합(MTJ1)의 전기적 저항은 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 자화 방향들이 평행한(parallel) 경우에 비해 이들이 반평행한(antiparallel) 경우에 훨씬 클 수 있다. 결과적으로, 제1 자기터널접합(MTJ1)의 전기적 저항은 자유층(FL)의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 원리로서 이용될 수 있다.The electrical resistance of the first magnetic tunnel junction MTJ1 may depend on the magnetization directions of the pinned layer PL and the free layer FL. For example, the electrical resistance of the first magnetic tunnel junction MTJ1 may be much greater when the magnetization directions of the pinned layer PL and the free layer FL are antiparallel than when they are parallel. there is. As a result, the electrical resistance of the first magnetic tunnel junction MTJ1 can be adjusted by changing the magnetization direction of the free layer FL, which can be used as a data storage principle in the magnetic memory device according to the present invention.
도 4a를 참조하면, 고정층(PL) 및 자유층(FL)은 자화 방향이 터널 배리어층(TBL)의 상면과 실질적으로 평행한 수평 자화 구조를 형성하기 위한 자성층들일 수 있다. 이 경우, 고정층(PL)은 반강자성 물질(anti-ferromagnetic material)을 포함하는 층과 강자성 물질(ferromagnetic material)을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 반강자성 물질을 포함하는 층은 PtMn, IrMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO 및 Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 반강자성 물질을 포함하는 층은 희유 금속(precious metal) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 희유 금속은 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 한편, 강자성 물질을 포함하는 층은 CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4A , the pinned layer PL and the free layer FL may be magnetic layers for forming a horizontal magnetization structure in which a magnetization direction is substantially parallel to a top surface of the tunnel barrier layer TBL. In this case, the pinned layer PL may include a layer including an anti-ferromagnetic material and a layer including a ferromagnetic material. According to an embodiment, the layer including the antiferromagnetic material may include at least one of PtMn, IrMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO, and Cr. According to another embodiment, the layer including the antiferromagnetic material may include at least one selected from among rare metals. The rare metal may include ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), or silver (Ag). Meanwhile, the layer including the ferromagnetic material may include at least one of CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO and Y3Fe5O12. may include
자유층(FL)은 변화 가능한 자화 방향을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 자유층(FL)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 자유층(FL)은 FeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The free layer FL may include a material having a changeable magnetization direction. The free layer FL may include a ferromagnetic material. For example, the free layer FL may include at least one selected from FeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO, and Y3Fe5O12. may include
자유층(FL)은 복수의 층으로 구성될 수 있다. 일 예로, 복수의 강자성 물질을 포함하는 층들과 층들 사이에 개재되는 비자성 물질을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 이 경우, 강자성 물질을 포함하는 층들과 비자성 물질을 포함하는 층은 합성 반강자성층(synthetic antiferromagnetic layer)을 구성할 수 있다. 합성 반강자성층은 자기 기억 소자의 임계 전류 밀도를 감소시키고, 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.The free layer FL may include a plurality of layers. For example, it may include a layer including a plurality of ferromagnetic materials and a layer including a non-magnetic material interposed between the layers. In this case, the layers including the ferromagnetic material and the layer including the nonmagnetic material may constitute a synthetic antiferromagnetic layer. The synthetic antiferromagnetic layer can reduce the critical current density of the magnetic memory device and improve the thermal stability.
터널 배리어층(TBL)은 마그네슘(Mg)의 산화물, 티타늄(Ti)의 산화물, 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn)의 산화물, 마그네슘-보론(MgB)의 산화물, 티타늄(Ti)의 질화물 및 바나듐(V)의 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 터널 배리어층(TBL)은 산화마그네슘(MgO)의 단층일 수 있다. 이와 달리, 터널 배리어층(TBL)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 터널 배리어층(TBL)은 화학 기상 증착(CVD) 공정을 이용하여 형성될 수 있다.The tunnel barrier layer TBL is an oxide of magnesium (Mg), an oxide of titanium (Ti), aluminum (Al), an oxide of magnesium-zinc (MgZn), an oxide of magnesium-boron (MgB), and a nitride of titanium (Ti). and at least one of a nitride of vanadium (V). For example, the tunnel barrier layer TBL may be a single layer of magnesium oxide (MgO). Alternatively, the tunnel barrier layer TBL may include a plurality of layers. The tunnel barrier layer (TBL) may be formed using a chemical vapor deposition (CVD) process.
도 4b를 참조하면, 고정층(PL) 및 자유층(FL)은 자화 방향이 터널 배리어층(TBL)의 상면에 실질적으로 수직한 수직 자화 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 L10 결정구조를 갖는 물질, 조밀육방격자를 갖는 물질, 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Co50Pd50 및 Fe50Ni50를 포함하는 L10 결정구조를 갖는 물질 중 적어도 하나일 수 있다. 이와 달리, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 조밀육방격자를 갖는 10 내지 45 at. %의 백금(Pt) 함량을 갖는 코발트-백금(CoPt) 무질서 합금(disordered alloy) 또는 Co3Pt 질서합금(ordered alloy)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나와 희토류 금속인 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 가돌리늄(Gd) 중 적어도 하나를 포함하는 비정질 RE-TM 합금 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4B , the pinned layer PL and the free layer FL may have a perpendicular magnetization structure in which the magnetization direction is substantially perpendicular to the upper surface of the tunnel barrier layer TBL. In this case, each of the pinned layer PL and the free layer FL may include at least one of a material having an L10 crystal structure, a material having a dense hexagonal lattice, and an amorphous Rare-Earth Transition Metal (RE-TM) alloy. there is. For example, each of the pinned layer PL and the free layer FL may be at least one of materials having an L10 crystal structure including Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Co50Pd50, and Fe50Ni50. In contrast, each of the pinned layer PL and the free layer FL has a dense hexagonal lattice of 10 to 45 at. A cobalt-platinum (CoPt) disordered alloy having a platinum (Pt) content of % or a Co3Pt ordered alloy may be included. In contrast, each of the pinned layer PL and the free layer FL includes at least one selected from iron (Fe), cobalt (Co) and nickel (Ni) and rare earth metals terbium (Tb), dysprosium (Dy) and gadolinium ( It may include at least one selected from an amorphous RE-TM alloy including at least one of Gd).
고정층(PL) 및 자유층(FL)은 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 계면 수직 자기 이방성은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성층이 그와 인접하는 다른 층과의 계면으로부터의 영향에 의하여 수직 자화 방향을 갖는 현상을 말한다. 여기서, 내재적 수평 자화 특성은 외부적 요인이 없을 경우, 자성층이 그것의 가장 넓은 표면에 평행한 자화 방향을 갖는 특성을 의미한다. 일 예로, 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성층이 기판 상에 형성되고 외부적 요인이 없을 경우, 자성층의 자화 방향은 기판의 상면과 실질적으로 평행할 수 있다.The pinned layer PL and the free layer FL may include a material having an interface perpendicular magnetic anisotropy. Interfacial perpendicular magnetic anisotropy refers to a phenomenon in which a magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics has a perpendicular magnetization direction due to the influence from the interface with another layer adjacent thereto. Here, the intrinsic horizontal magnetization characteristic means a characteristic in which the magnetic layer has a magnetization direction parallel to its widest surface when there is no external factor. For example, when the magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics is formed on the substrate and there is no external factor, the magnetization direction of the magnetic layer may be substantially parallel to the upper surface of the substrate.
일 예로, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 코발트(Co), 철(Fe) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 보론(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 보론(B)를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 포화 자화량을 낮추기 위해, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.For example, each of the pinned layer PL and the free layer FL may include at least one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni). In addition, each of the pinned layer PL and the free layer FL is boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), At least one of a non-magnetic material including silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N) may be further included. For example, each of the pinned layer PL and the free layer FL includes CoFe or NiFe, but may further include boron (B). In addition, in order to lower the saturation magnetization amount of the pinned layer PL and the free layer FL, each of the pinned layer PL and the free layer FL is titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), or magnesium. It may further include at least one of (Mg), tantalum (Ta), and silicon (Si).
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 제1 서브 셀 및 제2 서브 셀을 나타내는 예시적인 도면들이다. 5A and 5B are exemplary diagrams illustrating a first sub-cell and a second sub-cell, respectively, according to embodiments of the present invention.
도 5a를 참조하면, 제1 서브 셀(MC2-1)은 메모리 소자로서 제2 자기터널접합(MTJ2) 및 선택 소자로서 제2 선택 트랜지스터(SE2)를 포함할 수 있다. 제2 선택 트랜지스터(SE2)의 게이트 전극은 상응하는 워드 라인(WL)에 연결되며, 제2 선택 트랜지스터(SE2)의 소스(source)는 상응하는 소스 라인(SL)에 연결되고, 제2 선택 트랜지스터(SE2)의 드레인(drain)은 제2 자기터널접합(MTJ2)을 통해 상응하는 제2 비트라인(BL2)에 연결될 수 있다. 제2 자기터널접합(MTJ2)은 고정층(PLa), 자유층(FLa) 및 이들 사이에 개재된 터널 배리어층(TBLa)을 포함할 수 있다. 제2 자기터널접합(MTJ2)의 고정층(PLa), 자유층(FLa) 및 터널 배리어층(TBLa)은 각각 제1 자기터널접합(MTJ1)의 고정층(PL), 자유층(FL) 및 터널 배리어층(TBL)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 즉, 제2 자기터널접합(MTJ2)은 인가되는 전기적 펄스에 의해 두 가지 저항 상태로 스위칭될 수 있는 가변 저항 소자 형태로 구현될 수 있다. Referring to FIG. 5A , the first sub-cell MC2-1 may include a second magnetic tunnel junction MTJ2 as a memory device and a second selection transistor SE2 as a selection device. The gate electrode of the second selection transistor SE2 is connected to the corresponding word line WL, the source of the second selection transistor SE2 is connected to the corresponding source line SL, and the second selection transistor A drain of SE2 may be connected to a corresponding second bit line BL2 through a second magnetic tunnel junction MTJ2. The second magnetic tunnel junction MTJ2 may include a pinned layer PLa, a free layer FLa, and a tunnel barrier layer TBLa interposed therebetween. The pinned layer PLa, the free layer FLa, and the tunnel barrier layer TBLa of the second magnetic tunnel junction MTJ2 are the pinned layer PL, the free layer FL and the tunnel barrier layer of the first magnetic tunnel junction MTJ1, respectively. It may be formed of the same material as the layer TBL. That is, the second magnetic tunnel junction MTJ2 may be implemented in the form of a variable resistance element that can be switched to two resistance states by an applied electric pulse.
도 5b를 참조하면, 제2 서브 셀(MC2-2)은 메모리 소자로서 제3 자기터널접합(MTJ3)을 포함하는 것을 제외하고 제1 서브 셀(MC2-1)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제3 자기터널접합(MTJ3)은 고정층(PLa), 자유층(FLa) 및 이들 사이에 개재된 터널 배리어층(TBLa1)을 포함할 수 있다. 제3 자기터널접합(MTJ3)의 고정층(PLa), 자유층(FLa) 및 터널 배리어층(TBLa1)은 각각 제1 자기터널접합(MTJ1)의 고정층(PL), 자유층(FL) 및 터널 배리어층(TBL) (또는 제2 자기터널접합(MTJ2)의 고정층(PLa), 자유층(FLa) 및 터널 배리어층(TBLa))과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 이 때, 터널 배리어층(TBLa1)은 절연 파괴된 상태일 수 있다. 이에 따라, 제3 자기터널접합(MTJ3)은 비가역적인 저항 상태를 가질 수 있다.Referring to FIG. 5B , the second sub-cell MC2 - 2 may be substantially the same as the first sub-cell MC2-1 except for including the third magnetic tunnel junction MTJ3 as a memory device. The third magnetic tunnel junction MTJ3 may include a pinned layer PLa, a free layer FLa, and a tunnel barrier layer TBLa1 interposed therebetween. The pinned layer PLa, the free layer FLa, and the tunnel barrier layer TBLa1 of the third magnetic tunnel junction MTJ3 are the pinned layer PL, the free layer FL and the tunnel barrier layer of the first magnetic tunnel junction MTJ1, respectively. The layer TBL (or the pinned layer PLa, the free layer FLa, and the tunnel barrier layer TBLa of the second magnetic tunnel junction MTJ2) may be formed of the same material. In this case, the tunnel barrier layer TBLa1 may be in a dielectric breakdown state. Accordingly, the third magnetic tunnel junction MTJ3 may have an irreversible resistance state.
OTP 메모리 셀의 구현을 위한 일 회의 프로그래밍을 통해, 제1 서브 셀(MC2-1)로 구현되는 제2 메모리 셀들(MC2)의 일부에는 제2 쓰기 전압이 인가되고, 제2 서브 셀(MC2-2)로 구현되는 제2 메모리 셀들(MC2)의 다른 일부에는 제3 쓰기 전압이 인가될 수 있다. 즉, 제2 자기터널접합(MTJ2)의 양단에 제2 쓰기 전압이 인가될 수 있고, 제3 자기터널접합(MTJ3)의 양단에 제3 쓰기 전압이 인가될 수 있다. 여기서, 제2 쓰기 전압은 제1 자기터널접합(MTJ1)의 양단에 인가되는 제1 쓰기 전압과 실질적으로 동일한 크기를 갖는 반면, 제3 쓰기 전압은 제1 쓰기 전압보다 훨씬 더 클 수 있다. 즉, 제3 쓰기 전압은 제3 자기터널접합(MTJ3)의 항복 전압(break down voltage) 이상일 수 있다. 이에 따라, 제3 자기접합터널(MTJ3)의 터널 배리어층(TBLa1)은 파괴될 수 있다. 한편, 제2 메모리 셀들(MC2)의 프로그래밍은 자기 메모리 장치의 패키징 이전에 수행될 수 있다. 이 때, 제2 자기터널접합(MTJ2)은, 제2 쓰기 전압의 방향(달리 얘기하면, 제2 자기터널접합(MTJ2)에 흐르는 쓰기 전류의 방향)에 따라, 제1 저항값(R1) 또는 제2 저항값(R2)을 가지도록 프로그래밍 될 수 있다. 그러나, 자기 메모리 장치의 패키징 공정 및/또는 후속의 고온 공정을 거치면서 제2 자기터널접합(MTJ2)의 저항값은 변동될 수 있다. 이에 따라, 제2 자기터널접합(MTJ2)의 최종적인 저항값은 제1 및 제2 저항값들(R1, R2) 사이의 제3 저항값(R3)을 가질 수 있다. Through one programming for the implementation of the OTP memory cell, a second write voltage is applied to a portion of the second memory cells MC2 implemented as the first sub-cell MC2-1, and the second sub-cell MC2- A third write voltage may be applied to other portions of the second memory cells MC2 implemented as 2). That is, a second write voltage may be applied to both ends of the second magnetic tunnel junction MTJ2 , and a third write voltage may be applied to both ends of the third magnetic tunnel junction MTJ3 . Here, the second write voltage has substantially the same magnitude as the first write voltage applied to both ends of the first magnetic tunnel junction MTJ1 , while the third write voltage may be much greater than the first write voltage. That is, the third write voltage may be greater than or equal to the breakdown voltage of the third magnetic tunnel junction MTJ3 . Accordingly, the tunnel barrier layer TBLa1 of the third self-junction tunnel MTJ3 may be destroyed. Meanwhile, programming of the second memory cells MC2 may be performed before packaging of the magnetic memory device. In this case, the second magnetic tunnel junction MTJ2 may have a first resistance value R1 or It may be programmed to have a second resistance value R2. However, the resistance value of the second magnetic tunnel junction MTJ2 may be changed during the packaging process of the magnetic memory device and/or the subsequent high temperature process. Accordingly, the final resistance value of the second magnetic tunnel junction MTJ2 may have a third resistance value R3 between the first and second resistance values R1 and R2.
결과적으로, 상술한 일 회의 프로그래밍을 통해, 제2 자기터널접합(MTJ2)은 제3 저항값(R3)을 가지며, 제2 데이터에 상응하는 '1'이 기입될 수 있다. 여기서, 제3 저항값(R3)은 제1 저항값(R1)과 제2 저항값(R2) 사이일 수 있다. 한편, 블로잉된 제3 자기터널접합(MTJ3)은 제1 저항값(R1)보다 훨씬 작은 제4 저항값(R4)을 가지며, 제1 데이터에 상응하는 '0'이 기입될 수 있다. 예컨대, 제4 저항값(R4)은 1킬로옴(kΩ) 이하일 수 있다.As a result, through the aforementioned one-time programming, the second magnetic tunnel junction MTJ2 has the third resistance value R3, and '1' corresponding to the second data may be written. Here, the third resistance value R3 may be between the first resistance value R1 and the second resistance value R2 . Meanwhile, the blown third magnetic tunnel junction MTJ3 has a fourth resistance value R4 that is much smaller than the first resistance value R1, and '0' corresponding to the first data may be written. For example, the fourth resistance value R4 may be 1 kiloohm (kΩ) or less.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 메모리 셀의 읽기 동작을 설명하기 위한 간략 회로도이다. 6 is a simplified circuit diagram illustrating a read operation of a first memory cell according to embodiments of the present invention.
선택된 제1 메모리 셀(MC1)의 데이터 값은 선택된 제1 메모리 셀(MC1)의 저항과 제1 기준 셀(RC1)의 저항의 차이를 판별하여 독출될 수 있다. 도 6을 참조하면, 제1 기준 셀(RC1)은 일 예로, 병렬로 연결된 한 쌍의 제1 자기터널접합들(MTJ1)과 한 쌍의 제1 자기터널접합들(MTJ1) 각각에 직렬 연결된 제1 선택 트랜지스터들(SE1)을 포함할 수 있다. 도시하지는 안았지만, 제1 기준 셀(RC1)의 제1 선택 트랜지스터들(SE1) 각각에 연결된 소스 라인들(SL)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제1 기준 셀(RC1)의 제1 선택 트랜지스터들(SE1) 각각의 소스(source)는 하나의 소스 라인(SL)을 공유할 수 있다. The data value of the selected first memory cell MC1 may be read by determining a difference between the resistance of the selected first memory cell MC1 and the resistance of the first reference cell RC1 . Referring to FIG. 6 , the first reference cell RC1 is, for example, a pair of first magnetic tunnel junctions MTJ1 connected in parallel and a first magnetic tunnel junction connected in series to each of the pair of first magnetic tunnel junctions MTJ1 . One select transistor SE1 may be included. Although not shown, the source lines SL connected to each of the first selection transistors SE1 of the first reference cell RC1 may be electrically connected to each other. According to another embodiment, a source of each of the first selection transistors SE1 of the first reference cell RC1 may share one source line SL.
읽기 동작의 수행 전에, 제1 기준 셀(RC1)의 제1 자기터널접합들(MTJ1)은 서로 다른 저항값을 가지도록 프로그래밍 될 수 있다. 즉, 제1 기준 셀(RC1)의 제1 자기터널접합들(MTJ1) 중 하나는 제1 저항값(R1)을 갖고, 다른 하나는 제2 저항값(R2)을 갖도록 프로그래밍 될 수 있다. 이에 따라, 한 쌍의 제1 자기터널접합들(MTJ1)이 병렬 연결된 제1 기준 셀(RC1)의 저항은 제1 저항값(R1)과 제2 저항값(R2)의 합의 중간((R1+R2)/2) 정도의 값을 가질 수 있다. 한편, 선택된 제1 메모리 셀(MC1)에는 별도의 프로그래밍을 통해 제1 저항값(R1) 또는 제2 저항값(R2)에 상응하는 데이터가 저장될 수 있다. Before the read operation is performed, the first magnetic tunnel junctions MTJ1 of the first reference cell RC1 may be programmed to have different resistance values. That is, one of the first magnetic tunnel junctions MTJ1 of the first reference cell RC1 may be programmed to have a first resistance value R1 and the other to have a second resistance value R2 . Accordingly, the resistance of the first reference cell RC1 to which the pair of first magnetic tunnel junctions MTJ1 is connected in parallel is in the middle ((R1+) of the sum of the first resistance value R1 and the second resistance value R2. It may have a value of about R2)/2). Meanwhile, data corresponding to the first resistance value R1 or the second resistance value R2 may be stored in the selected first memory cell MC1 through separate programming.
읽기 동작을 수행을 위해, 선택된 제1 메모리 셀(MC1)의 워드 라인(WL)에 턴-온 전압이 인가될 수 있으며, 선택된 제1 메모리 셀(MC1)의 제1 자기터널접합(MTJ1)에 제1 읽기 전류(Ir1)가 흐를 수 있다. 또한, 제1 기준 셀(RC1)의 워드 라인(WL)에 턴-온 전압이 인가될 수 있으며, 제1 기준 셀(RC1)의 제1 자기터널접합들(MTJ1)에 제2 읽기 전류들(Ir2_1, Ir2_2)이 흐를 수 있다. 제1 센스 앰프(SA1)는 제1 읽기 전류(Ir1)에 의한 제1 메모리셀(MC1)의 저항값과 제2 읽기 전류들(Ir2_1, Ir2_2)에 의한 제1 기준 셀(RC1)의 저항값의 차이를 감지 및 증폭하여, 선택된 제1 메모리셀(MC1)에 저장된 데이터가 무엇인지 판별할 수 있다. 한편, 제1 센스 앰프(SA1)는 도 2를 참조하여 설명한 제1 주변 회로(PC1)의 일부일 수 있다. To perform the read operation, a turn-on voltage may be applied to the word line WL of the selected first memory cell MC1 , and may be applied to the first magnetic tunnel junction MTJ1 of the selected first memory cell MC1 . A first read current Ir1 may flow. In addition, a turn-on voltage may be applied to the word line WL of the first reference cell RC1 , and second read currents MTJ1 may be applied to the first magnetic tunnel junctions MTJ1 of the first reference cell RC1. Ir2_1, Ir2_2) can flow. The first sense amplifier SA1 has a resistance value of the first memory cell MC1 by the first read current Ir1 and a resistance value of the first reference cell RC1 by the second read currents Ir2_1 and Ir2_2 By detecting and amplifying the difference between , it is possible to determine what data is stored in the selected first memory cell MC1 . Meanwhile, the first sense amplifier SA1 may be a part of the first peripheral circuit PC1 described with reference to FIG. 2 .
선택된 제1 메모리셀(MC1)의 제1 자기터널접합(MTJ1)에서, 자유층(FL)의 자화 방향이 고정층(PL)의 자화 방향과 평행(parallel)하게 배치된 경우, 선택된 제1 메모리셀(MC1)의 데이터는, 예를 들어, '0'으로 독출될 수 있다. 이와 달리, 선택된 제1 메모리셀(MC1)의 제1 자기터널접합(MTJ1)에서, 자유층(FL)의 자화 방향이 고정층(PL)의 자화 방향과 반 평행(anti-parallel)하게 배치된 경우, 선택된 제1 메모리셀(MC1)의 데이터는, 예를 들어, '1'로 독출될 수 있다.In the first magnetic tunnel junction MTJ1 of the selected first memory cell MC1 , when the magnetization direction of the free layer FL is parallel to the magnetization direction of the pinned layer PL, the selected first memory cell The data of (MC1) may be read as, for example, '0'. In contrast, when the magnetization direction of the free layer FL is disposed anti-parallel to the magnetization direction of the pinned layer PL in the first magnetic tunnel junction MTJ1 of the selected first memory cell MC1 . , data of the selected first memory cell MC1 may be read as, for example, '1'.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 제2 메모리 셀의 읽기 동작을 설명하기 위한 간략 회로도들이다.7A and 7B are simplified circuit diagrams for explaining a read operation of a second memory cell according to embodiments of the present invention.
도 7a를 참조하면, 제2 기준 셀(RC2)은 제2 서브 셀들(MC2_2) 중에서 선택된다. 이에 따라, 제2 기준 셀(RC2)은 제4 저항값(R4)을 갖는 제3 자기터널접합(MTJ3)을 포함할 수 있다. 한편, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)은 제1 서브 셀(MC2-1) 또는 제2 서브 셀(MC2-2)일 수 있다. 즉, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)은 제2 자기터널접합(MTJ2) 또는 제3 자기터널접합(MTJ3)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)은 제3 저항값(R3) 또는 제4 저항값(R4)에 상응하는 저항을 가질 수 있다. Referring to FIG. 7A , the second reference cell RC2 is selected from among the second sub-cells MC2_2 . Accordingly, the second reference cell RC2 may include the third magnetic tunnel junction MTJ3 having the fourth resistance value R4 . Meanwhile, the selected second memory cell MC2 may be the first sub-cell MC2-1 or the second sub-cell MC2-2. That is, the selected second memory cell MC2 may include a second magnetic tunnel junction MTJ2 or a third magnetic tunnel junction MTJ3 . Accordingly, the selected second memory cell MC2 may have a resistance corresponding to the third resistance value R3 or the fourth resistance value R4 .
선택된 제2 메모리 셀(MC2)의 데이터 값은 선택된 제2 메모리 셀(MC2)의 저항과 제2 기준 셀(RC2)의 저항의 차이를 판별하여 독출될 수 있다. 이 때, 센싱 마진을 증대시키기 위해, 제2 기준 셀(RC2)의 저항은 제4 저항값(R4)과 제3 저항값(R3) 사이의 값을 갖는 것이 요구된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 이와 같은 요구를 용이하게 달성하기 위해, 제2 기준 셀(RC2)과 연결되는 제2 비트 라인(BL2)과 제2 기준 셀(RC2)의 저항을 감지하는 제2 센스 앰프(SA2) 사이에 제어 저항(Rct)이 제공될 수 있다. 즉, 제2 기준 셀(RC2)의 제3 자기터널접합(MTJ3)과 제어 저항(Rct)은 전기적으로 연결될 수 있다. 결과적으로, 읽기 동작에 의해 감지되는 제2 기준 셀(RC2)의 저항은 제3 자기터널접합(MTJ3)의 제4 저항값(R4)과 제어 저항(Rct)의 제5 저항값(R5)의 합산 값일 수 있다. 상기의 합산 값은 제4 저항값(R4)과 제3 저항값(R3)의 사이(예컨대, 약 7킬로옴(kΩ))일 수 있다. 일 수 있다. 한편, 제2 센스 앰프(SA2) 및 제어 저항(Rct)은 도 2를 참조하여 설명한 제2 주변 회로(PC2)의 일부일 수 있다. The data value of the selected second memory cell MC2 may be read by determining a difference between the resistance of the selected second memory cell MC2 and the resistance of the second reference cell RC2 . In this case, in order to increase the sensing margin, the resistance of the second reference cell RC2 is required to have a value between the fourth resistance value R4 and the third resistance value R3 . According to an embodiment of the present invention, in order to easily achieve such a request, a second bit line BL2 connected to the second reference cell RC2 and a second sensing resistance of the second reference cell RC2 are A control resistor Rct may be provided between the sense amplifier SA2. That is, the third magnetic tunnel junction MTJ3 of the second reference cell RC2 and the control resistor Rct may be electrically connected. As a result, the resistance of the second reference cell RC2 sensed by the read operation is the value of the fourth resistance R4 of the third magnetic tunnel junction MTJ3 and the fifth resistance R5 of the control resistor Rct. It may be a summed value. The above summed value may be between the fourth resistance value R4 and the third resistance value R3 (eg, about 7 kiloohms (kΩ)). can be Meanwhile, the second sense amplifier SA2 and the control resistor Rct may be a part of the second peripheral circuit PC2 described with reference to FIG. 2 .
읽기 동작을 수행을 위해, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)의 워드 라인(WL)에 턴-온 전압이 인가될 수 있으며, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)의 제2 메모리 소자(즉, 제2 자기터널접합(MJT) 또는 제3 자기터널접합(MTJ3))에 제3 읽기 전류(Ir3)가 흐를 수 있다. 또한, 제2 기준 셀(RC2)의 워드 라인(WL)에 턴-온 전압이 인가될 수 있으며, 제2 기준 셀(RC2)의 제3 자기터널접합(MTJ3) 및 제어 저항(Rct)에 제4 읽기 전류(Ir4)가 흐를 수 있다. 제2 센스 앰프(SA2)는 제3 읽기전류(Ir3)에 의한 제2 메모리 셀(MC2)의 저항과 제4 읽기전류(Ir4)에 의한 제2 기준 셀(RC2)의 저항의 차이를 감지 및 증폭하여, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)에 저장된 데이터가 무엇인지 판별할 수 있다. To perform the read operation, a turn-on voltage may be applied to the word line WL of the selected second memory cell MC2 , and the second memory device (ie, the second memory cell) of the selected second memory cell MC2 . A third read current Ir3 may flow in the magnetic tunnel junction MJT or the third magnetic tunnel junction MTJ3. In addition, a turn-on voltage may be applied to the word line WL of the second reference cell RC2 and the third magnetic tunnel junction MTJ3 and the control resistor Rct of the second reference cell RC2. 4 A read current (Ir4) can flow. The second sense amplifier SA2 detects a difference between the resistance of the second memory cell MC2 by the third read current Ir3 and the resistance of the second reference cell RC2 by the fourth read current Ir4, and By amplifying, it is possible to determine what data is stored in the selected second memory cell MC2 .
선택된 제2 메모리 셀(MC2)이 제1 서브 셀(MC2-1)인 경우, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)의 데이터는, 예를 들어, '1'로 독출될 수 있다. 이와 달리, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)이 제2 서브 셀(MC2-2)인 경우, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)의 데이터는, 예를 들어, '0'으로 독출될 수 있다. When the selected second memory cell MC2 is the first sub-cell MC2-1, data of the selected second memory cell MC2 may be read, for example, as '1'. Alternatively, when the selected second memory cell MC2 is the second sub-cell MC2 - 2 , data of the selected second memory cell MC2 may be read, for example, as '0'.
다른 실시예에 따르면, 제2 기준 셀(RC2)은 도 7a에 도시된 바와 다른 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 제2 기준 셀(RC2)은 메모리 소자로서 제3 자기터널접합(MTJ3)을 포함하지 않을 수 있다. According to another embodiment, the second reference cell RC2 may be implemented in a form different from that shown in FIG. 7A . For example, the second reference cell RC2 may not include the third magnetic tunnel junction MTJ3 as a memory device.
도 7b를 참조하면, 제2 기준 셀(RC2)은 제2 선택 트랜지스터(SE2)로만 구성될 수 있다. 이 경우, 제어 저항(Rct)의 제5 저항값(R5)은 제4 저항값(R4)과 제3 저항값(R3) 사이일 수 있다. 예컨대, 제어 저항(Rct)의 제5 저항값(R5)은 약 7킬로옴(kΩ)일 수 있다. 읽기 동작을 수행을 위해, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)의 워드 라인(WL)에 턴-온 전압이 인가될 수 있으며, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)의 제2 메모리 소자(즉, 제2 자기터널접합(MJT) 또는 제3 자기터널접합(MTJ3))에 제3 읽기 전류(Ir3)가 흐를 수 있다. 또한, 제2 기준 셀(RC2)의 워드 라인(WL)에 턴-온 전압이 인가될 수 있으며, 제2 기준 셀(RC2)의 제어 저항(Rct) 및 제2 기준 셀(RC2)에 연결된 제2 비트 라인(BL) 및 소스 라인(SL) 사이에 제4 읽기 전류(Ir4)가 흐를 수 있다. 제2 센스 앰프(SA2)는 제3 읽기전류(Ir3)에 의한 제2 메모리 셀(MC2)의 저항과 제4 읽기전류(Ir4)에 의한 제2 기준 셀(RC2)의 저항의 차이를 감지 및 증폭하여, 선택된 제2 메모리 셀(MC2)에 저장된 데이터가 무엇인지 판별할 수 있다.Referring to FIG. 7B , the second reference cell RC2 may include only the second selection transistor SE2 . In this case, the fifth resistance value R5 of the control resistor Rct may be between the fourth resistance value R4 and the third resistance value R3 . For example, the fifth resistance value R5 of the control resistor Rct may be about 7 kiloohms (kΩ). To perform the read operation, a turn-on voltage may be applied to the word line WL of the selected second memory cell MC2 , and the second memory device (ie, the second memory cell) of the selected second memory cell MC2 . A third read current Ir3 may flow in the magnetic tunnel junction MJT or the third magnetic tunnel junction MTJ3. In addition, a turn-on voltage may be applied to the word line WL of the second reference cell RC2 , and the control resistor Rct of the second reference cell RC2 and the second reference cell RC2 connected to the second reference cell RC2 . A fourth read current Ir4 may flow between the second bit line BL and the source line SL. The second sense amplifier SA2 detects a difference between the resistance of the second memory cell MC2 by the third read current Ir3 and the resistance of the second reference cell RC2 by the fourth read current Ir4, and By amplifying, it is possible to determine what data is stored in the selected second memory cell MC2 .
OTP 메모리 장치는 반도체 장치를 리페어하는 데 사용되고 있다. 예컨대, 반도체 장치를 테스트하여 테스트 결과에 따른 반도체 장치의 특성을 반도체 장치 내부의 OTP 메모리에 저장하고, OTP 메모리에 저장된 정보에 기반하여 반도체 장치가 동작함으로써 반도체 장치의 오작동을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, OTP 메모리 장치는 반도체 장치를 제어하기 위한 다른 정보를 저장할 수 있다. 예컨대, 반도체 제조 공정을 통과하면서 반도체 장치는 서로 다른 특성을 가질 수 있고, OTP 메모리 장치는 이러한 반도체 장치의 서로 다른 특성에 대한 정보를 저장하고, 정보는 메모리 어레이를 제어하는데 이용될 수 있다.OTP memory devices are being used to repair semiconductor devices. For example, the semiconductor device may be tested and characteristics of the semiconductor device according to the test result are stored in an OTP memory inside the semiconductor device, and the semiconductor device operates based on the information stored in the OTP memory, thereby preventing malfunction of the semiconductor device. In addition, the OTP memory device may store other information for controlling the semiconductor device. For example, semiconductor devices may have different characteristics while passing through a semiconductor manufacturing process, and the OTP memory device may store information about the different characteristics of the semiconductor device, and the information may be used to control a memory array.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상술한 바와 같은 OTP 메모리 장치를 별도의 영역에 형성하지 않고 메모리 셀 어레이의 일부를 OTP 셀 어레이로 구현함에 따라, 고집적화에 최적화된 자기 메모리 장치를 제공할 수 있다. 아울러, 메모리 셀들의 메모리 소자인 자기터널접합을 단락시킴으로써, 용이하게 OTP 메모리 셀들을 구현할 수 있다. 더하여, OTP 메모리 셀들을 위한 기준 셀 및 주변 회로를 별도로 형성함으로써, OTP 메모리 셀들의 쓰기 및 읽기 동작이 최적화될 수 있다. 결과적으로, 신뢰성이 향상된 자기 메모리 장치를 제공할 수 있다. According to embodiments of the present invention, a magnetic memory device optimized for high integration can be provided by implementing a part of the memory cell array as an OTP cell array without forming the OTP memory device as described above in a separate area. . In addition, by shorting the magnetic tunnel junction, which is a memory element of the memory cells, it is possible to easily implement OTP memory cells. In addition, by separately forming a reference cell and a peripheral circuit for the OTP memory cells, write and read operations of the OTP memory cells may be optimized. As a result, it is possible to provide a magnetic memory device with improved reliability.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치를 나타내는 예시적인 평면도이다. 도 8b는 도 8a의 A-A' 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 8c는 도 8a의 C-C', D-D', 및 E-E'선에 따른 단면도이다.8A is an exemplary plan view illustrating a magnetic memory device according to embodiments of the present invention. 8B is a cross-sectional view taken along lines A-A' and B-B' of FIG. 8A, and FIG. 8C is a cross-sectional view taken along lines C-C', D-D', and E-E' of FIG. 8A.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 셀 어레이 영역(CR) 및 주변 회로 영역(PR)을 포함하는 기판(100)이 제공된다. 기판(100)은 실리콘 기판, 게르마늄 기판, 및/또는 실리콘-게르마늄 기판 등일 수 있으나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 셀 어레이 영역(CR)은 제1 셀 어레이 영역(CR1)과 제2 셀 어레이 영역(CR2)을 포함할 수 있다. 제1 셀 어레이 영역(CR1)은 도 2의 제1 메모리 셀 어레이(10a)가 형성되는 영역일 수 있고, 제2 셀 어레이 영역(CR2)은 도 2의 제2 메모리 셀 어레이(10b)가 형성되는 영역일 수 있다. 주변 회로 영역(PR)은 제1 주변 회로 영역(PR1), 및 제2 주변 회로 영역(PR2)을 포함할 수 있다. 제1 주변 회로 영역(PR1)은 도 2를 참조하여 설명한 제1 주변 회로(PC1)가 형성되는 영역일 수 있고, 제2 주변 회로 영역(PR2)은 도 2를 참조하여 설명한 제2 주변 회로(PC2)가 형성되는 영역일 수 있다. 8A to 8C , a
소자분리 패턴들(102)이 기판(100) 내에 제공될 수 있다. 제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)의 소자분리 패턴들(102)은 활성 라인 패턴들(ALP)을 정의할 수 있다. 제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)의 소자분리 패턴들(102) 및 활성 라인 패턴들(ALP)은 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있다. 평면적 관점에서, 제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)의 소자분리 패턴들(102) 및 활성 라인 패턴들(ALP)은 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)으로 나란히 연장될 수 있다. 활성 라인 패턴들(ALP)은 제1 도전형의 도펀트로 도핑될 수 있다.
제1 및 제2 주변 회로 영역들(PR1, PR2)의 소자분리 패턴들(102)은 각각 제1 주변 활성부(PA1) 및 제2 주변 활성부(PA2)를 정의할 수 있다. 제1 주변 활성부(PA1) 및 제2 주변 활성부(PA2)는 제1 도전형 또는 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 도펀트로 도핑될 수 있다. The
제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)에서, 격리 리세스 영역들(104, isolation recess regions)이 활성 라인 패턴들(ALP) 및 소자분리 패턴들(102)을 가로지를 수 있다. 평면적 관점에서, 격리 리세스 영역들(104)은 제1 방향(D1)으로 나란히 연장된 그루브 형태들을 가질 수 있다. 격리 리세스 영역들(104)은 활성 라인 패턴들(ALP)의 각각을 셀 활성부들(CA)로 분할시킬 수 있다. 셀 활성부들(CA)은 서로 인접한 한 쌍의 격리 리세스 영역들(104) 사이에 위치한 활성 라인 패턴들(ALP)의 일부분일 수 있다. 즉, 셀 활성부들(CA)은 서로 인접한 한 쌍의 소자 분리 패턴들(102) 및 서로 인접한 한 쌍의 격리 리세스 영역들(104)에 의해 정의될 수 있다. 평면적 관점에서, 셀 활성부들(CA)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있다. In the first and second cell array regions CR1 and CR2 ,
적어도 하나의 게이트 리세스 영역(103, gate recess region)이 제1 방향(D1)을 따라 배열된 셀 활성부들(CA)을 가로지를 수 있다. 게이트 리세스 영역(103)은 격리 리세스 영역들(104)과 평행하게 연장될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 한 쌍의 게이트 리세스 영역들(103)이 제1 방향(D1)을 따라 배열된 셀 활성부들(CA)을 가로지를 수 있다. 이 경우에, 한 쌍의 셀 트랜지스터들이 셀 활성부들(CA)에 각각 형성될 수 있다. 제1 셀 어레이 영역(CR1)의 셀 트랜지스터는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 제1 선택 트랜지스터(SE1)에 해당할 수 있고, 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 셀 트랜지스터는 도 2, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한 제2 선택 트랜지스터(SE2)에 해당할 수 있다.At least one
게이트 리세스 영역들(103)의 하면의 높이는 격리 리세스 영역들(104)의 하면의 높이와 실질적으로 동일할 수 있다. 게이트 및 격리 리세스 영역들(103, 104)의 하면들의 높이는 제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)의 소자분리 패턴들(102)의 하면들의 높이보다 높을 수 있다.The height of the lower surfaces of the
워드 라인(WL)이 각 게이트 리세스 영역들(103) 내에 배치될 수 있다. 셀 게이트 유전막(105)이 워드 라인(WL)과 각 게이트 리세스 영역들(103)의 내면 사이에 배치될 수 있다. 게이트 리세스 영역들(103)의 형태에 기인하여, 워드 라인(WL)은 제1 방향(D1)으로 연장된 라인 형태를 가질 수 있다. 셀 트랜지스터는 워드 라인(WL), 및 게이트 리세스 영역(103)에 의하여 리세스된 채널 영역을 포함할 수 있다.A word line WL may be disposed in each of the
격리 라인(IL)이 각 격리 리세스 영역들(104) 내에 배치될 수 있다. 격리 게이트 유전막(106)이 격리 라인(IL)과 각 격리 리세스 영역들(104)의 내면 사이에 배치될 수 있다. 격리 라인(IL)도 제1 방향(D1)으로 연장된 라인 형태를 가질 수 있다.An isolation line IL may be disposed within each isolation recessed
셀 캡핑 패턴들(108)이 워드 및 격리 라인들(WL, IL) 상에 각각 배치될 수 있다. 셀 캡핑 패턴들(108)은 게이트 및 격리 리세스 영역들(103, 104) 내에 배치될 수 있다. 셀 캡핑 패턴들(108)의 상면들은 기판(100)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다.
자기 메모리 장치의 동작 시에, 격리 전압이 격리 라인(IL)에 인가될 수 있다. 격리 전압은 격리 리세스 영역들(104)의 내면 아래에 채널이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 격리 전압에 의하여 격리 라인(IL) 아래의 격리 채널 영역이 턴-오프(turn-off) 될 수 있다. 이에 따라, 활성 라인 패턴들(ALP)로부터 분할된 셀 활성부들(CA)은 서로 전기적으로 격리될 수 있다. 일 예로, 활성 라인 패턴들(ALP)이 P형 도펀트로 도핑된 경우, 격리 전압은 접지 전압 또는 음의 전압일 수 있다.During operation of the magnetic memory device, an isolation voltage may be applied to the isolation line IL. The isolation voltage may prevent a channel from forming under the inner surface of the
워드 라인(WL)은 일 예로, 도펀트로 도핑된 반도체 물질(ex, 도핑된 실리콘 등), 금속(ex, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄 및/또는 탄탈륨), 도전성 금속 질화물(ex, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물 및/또는 텅스텐 질화물) 및 금속-반도체 화합물(ex, 금속 실리사이드) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 격리 라인(IL)은 워드 라인(WL)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 셀 게이트 유전막(105) 및 격리 게이트 유전막(106)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물 및/또는 고유전물(예를 들면, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물 등과 같은 절연성 금속 산화물)을 포함할 수 있다. 셀 캡핑 패턴들(108)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다.The word line WL may be, for example, a semiconductor material doped with a dopant (eg, doped silicon, etc.), a metal (eg, tungsten, aluminum, titanium and/or tantalum), or a conductive metal nitride (eg, titanium nitride, tantalum nitride, etc.). and/or tungsten nitride) and a metal-semiconductor compound (eg, metal silicide). According to an embodiment, the isolation line IL may be formed of the same material as the word line WL. The cell
제1 불순물 영역(111)이 워드 라인(WL)의 일 측의 셀 활성부들(CA) 내에 배치될 수 있고, 제2 불순물 영역(112)이 워드 라인(WL)의 타 측의 셀 활성부(CA) 내에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 불순물 영역(111)은 한 쌍의 워드 라인(WL) 사이에 배치될 수 있고, 제2 불순물 영역들(112)은 워드 라인(WL)과 격리 라인(IL) 사이의 셀 활성부들(CA) 내에 각각 배치될 수 있다. 이로써, 셀 활성부들(CA)에 형성된 한 쌍의 셀 트랜지스터들은 제1 불순물 영역(111)을 공유할 수 있다. 제1 및 제2 불순물 영역들(111, 112)은 셀 트랜지스터의 소스/드레인 영역들에 해당할 수 있다. 제1 및 제2 불순물 영역들(111, 112)은 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 도펀트들로 도핑될 수 있다. 제1 도전형의 도펀트 및 제2 도전형의 도펀트 중에 하나는 N형 도펀트이고, 다른 하나는 P형 도펀트일 수 있다.The
제1 주변 회로 영역(PR1)의 제1 주변 활성부(PA1) 상에, 제1 주변 게이트 유전막(114a), 제1 주변 게이트 전극(116a) 및 제1 주변 캡핑 패턴(118a)이 차례로 적층될 수 있다. 제1 주변 소스/드레인 영역들(120a)이 제1 주변 게이트 전극(116a) 양 측의 제1 주변 활성부(PA1)에 각각 배치될 수 있다. 제1 주변 게이트 스페이서들(122a)이 제1 주변 게이트 전극(116a)의 양 측벽들 상에 배치될 수 있다. 제1 주변 소스/드레인 영역들(120a)은 제1 주변 활성부(PA1)의 도펀트들의 도전형과 다른 도전형의 도펀트들로 도핑될 수 있다. 셀 트랜지스터와 달리, 제1 주변 게이트 전극(116a)을 포함하는 제1 주변 트랜지스터는 평탄한 채널 영역(planar channel region)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 주변 트랜지스터는 평탄한 트랜지스터(planar transistor)일 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 제1 주변 게이트 전극(116a)은 핀 펫(Fin-FET) 소자의 전극 구조를 가질 수 있다. 제1 주변 트랜지스터는 피모스(PMOS) 트랜지스터 또는 엔모스(NMOS) 트랜지스터일 수 있다.A first peripheral
제2 주변 회로(PC2) 영역(PR1)의 제2 주변 활성부(PA2) 상에, 제2 주변 게이트 유전막(114b), 제2 주변 게이트 전극(116b) 및 제2 주변 캡핑 패턴(118b)이 차례로 적층될 수 있다. 제2 주변 소스/드레인 영역들(120b)이 제2 주변 게이트 전극(116b) 양 측의 제2 주변 활성부(PA2)에 각각 배치될 수 있다. 제2 주변 게이트 스페이서들(122b)이 제2 주변 게이트 전극(116b)의 양 측벽들 상에 배치될 수 있다. 제2 주변 소스/드레인 영역들(120b)은 제2 주변 활성부(PA2)의 도펀트들의 도전형과 다른 도전형의 도펀트들로 도핑될 수 있다. 제2 주변 게이트 전극(116b)을 포함하는 제2 주변 트랜지스터는 제1 주변 트랜지스터와 실질적으로 동일한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 제2 주변 트랜지스터는 평탄한 트랜지스터(planar transistor)일 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 제2 주변 게이트 전극(116b)은 핀 펫(fin-FET) 소자의 전극 구조를 가질 수 있다. 제2 주변 트랜지스터는 피모스(PMOS) 트랜지스터 또는 엔모스(NMOS) 트랜지스터일 수 있다. On the second peripheral active portion PA2 of the second peripheral circuit PC2 region PR1 , the second peripheral
본 발명의 개념에 따르면, 제1 주변 트랜지스터는 저전압 하에서 동작하는 저전압 트랜지스터일 수 있고, 제2 주변 트랜지스터는 고전압 하에서 동작하는 고전압 트랜지스터일 수 있다. 제2 주변 트랜지스터의 채널은 고전압을 견딜 수 있도록(즉, 제2 주변 소스/드레인 영역들(120b) 사이의 펀치스루를 방지하도록) 제1 주변 트랜지스터의 채널보다 길게 형성될 수 있다. 즉, 제2 주변 게이트 전극(116b)의 제2 폭(W2)은 제1 주변 게이트 전극(116a)의 제1 폭(W1)보다 클 수 있다. 또한, 제2 주변 트랜지스터의 게이트 유전막은 고전압에 견딜 수 있도록(즉, 제2 주변 게이트 전극(116b)과 제2 주변 소스/드레인 영역들(120b) 사이의 높은 전위차를 견딜 수 있도록) 제1 주변 트랜지스터의 게이트 유전막보다 두껍게 형성될 수 있다. 즉, 제2 주변 게이트 유전막(114b)의 제2 두께(t2)는 제1 주변 게이트 유전막(114a)의 제1 두께(t1)보다 클 수 있다. According to the concept of the present invention, the first peripheral transistor may be a low voltage transistor operating under a low voltage, and the second peripheral transistor may be a high voltage transistor operating under a high voltage. The channel of the second peripheral transistor may be formed to be longer than the channel of the first peripheral transistor to withstand a high voltage (ie, to prevent punch-through between the second peripheral source/
제1 및 제2 주변 게이트 유전막들(114a, 114b)의 각각은 예컨대, 실리콘 산화물 및/또는 고유전물(예를 들면, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물 등과 같은 절연성 금속 산화물)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 주변 게이트 유전막(114a)은 상대적으로 얇은 실리콘 산화막으로 형성되고, 제2 주변 게이트 유전막(114b)는 상대적으로 두꺼운 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제1 주변 게이트 유전막(114a)은 고유전물을 포함하는 단일막으로 형성되고, 제2 주변 게이트 유전막(114b)은 실리콘 산화막 및 고유전막이 적층된 이중막으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 주변 게이트 전극들(114)의 각각은 도펀트로 도핑된 반도체 물질(ex, 도핑된 실리콘 등), 금속(ex, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄 및/또는 탄탈륨), 도전성 금속 질화물(ex, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물 및/또는 텅스텐 질화물) 및 금속-반도체 화합물(ex, 금속 실리사이드) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 주변 캡핑 패턴들(116)의 각각은 예컨대, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 주변 게이트 스페이서들(122b)의 각각은 예컨대, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및/또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다.Each of the first and second peripheral gate
저항 패턴(124)이 제2 주변 회로 영역(PR2)의 소자 분리 패턴(102) 상에 배치될 수 있다. 저항 패턴(124)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 저항 패턴(124)은 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 저항 패턴(124)에 포함된 반도체 물질은 다결정 상태일 수 있다. 저항 패턴(124)은 저항 패턴(124)의 비저항을 조절하기 위한 도펀트(ex, n형 도펀트 또는 p형 도펀트)로 도핑될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 저항 패턴(124)의 전체가 비저항 조절을 위한 도펀트로 실질적으로 균일하게 도핑될 수 있다. 이와는 달리, 저항 패턴(124)은 부분적으로 도핑될 수도 있다. 저항 패턴(124)의 측벽들에서는 절연 스페이서들(126)이 배치될 수 있고, 저항 패턴(124)의 상면에는 보호 절연막이 배치될 수 있다. 절연 스페이서들(126) 및 보호 절연 패턴(128)의 각각은 예컨대, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및/또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 저항 패턴(124)은 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한 제어 저항(Rct)에 해당할 수 있다. The
제1 층간 유전막(130)이 기판(100) 전면 상에 배치될 수 있다. 제1 층간 유전막(130)은, 일 예로, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 소스 라인들(SL)이 제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)의 제1 층간 유전막(130)을 관통하여 기판(100)과 접할 수 있다. 소스 라인들(SL)은 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 소스 라인들(SL)은 제1 방향(D1)을 따라 배열된 제1 불순물 영역들(11)과 전기적으로 접속될 수 있다. 소스 라인들(SL)의 상면은 제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)의 제1 층간 유전막(130)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 소스 라인들(SL)은 도펀트로 도핑된 반도체 물질(ex, 도핑된 실리콘 등), 금속(ex, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄 및/또는 탄탈륨), 도전성 금속 질화물(ex, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물 및/또는 텅스텐 질화물) 및 금속-반도체 화합물(ex, 금속 실리사이드) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 주변 회로 영역(PR1)의 제1 층간 유전막(130)은 제1 주변 트랜지스터를 덮을 수 있고, 제2 주변 회로 영역(PR2)의 제1 층간 유전막(130)은 제2 주변 트랜지스터 및 저항 패턴(124)을 덮을 수 있다.The first
제2 층간 유전막(140)이 제1 층간 유전막(130)의 전면 상에 배치될 수 있다. 제2 층간 유전막(140)은, 일 예로, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및/또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다. 제1 셀 어레이 영역(CR1)에서, 제1 콘택 플러그들(142)이 제2 층간 유전막(140), 및 제1 층간 유전막(130)을 연속적으로 관통할 수 있다. 제1 콘택 플러그들(142)은 제1 셀 어레이 영역(CR1)의 제2 불순물 영역들(112)에 각각 전기적으로 접속될 수 있다. 제2 셀 어레이 영역(CR2)에서, 제2 콘택 플러그들(144)이 제2 층간 유전막(140), 및 제1 층간 유전막(130)을 연속적으로 관통할 수 있다. 제2 콘택 플러그들(144)은 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 제2 불순물 영역들(112)에 각각 전기적으로 접속될 수 있다. 제1 및 제2 콘택 플러그들(144)은 소스 라인과 동일한 도전 물질로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 콘택 플러그들(144)의 상면들은 제2 층간 절연막(140)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다.The second
제1 메모리 소자들(ME1)이 제1 셀 어레이 영역(CR1)의 제2 층간 절연막(140) 상에 배치될 수 있다. 제1 메모리 소자들(ME1)은 각각 제1 콘택 플러그들(142)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 즉, 제1 메모리 소자들(ME1)은 제1 콘택 플러그들(142)에 각각 접속될 수 있다. 제1 메모리 소자들(ME1)은 제1 콘택 플러그들(142)을 통하여 제1 셀 어레이 영역(CR1)의 제2 불순물 영역들(112)에 전기적으로 접속될 수 있다. 제1 메모리 소자들(ME1)은, 평면적 관점에서, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있다. 제1 메모리 소자들(ME1)은 도 2, 도 3, 도 4a, 도 4b 및 도 7a를 참조하여 설명한 제1 메모리 소자들(ME1)에 해당할 수 있다. 즉, 제1 메모리 소자들(ME1)의 각각은 제1 자기터널접합(MTJ1)을 포함할 수 있다. 제1 자기터널접합(MTJ1)은 전술한 바와 같으므로, 구체적인 설명은 생략한다. 제1 메모리 소자들(ME1)의 일부는 전술한 제1 메모리 셀들(MC1)을 구성할 수 있고, 다른 일부는 전술한 제1 기준 셀들(RC1)을 구성할 수 있다. 더하여, 제1 메모리 소자들(ME1)의 각각은 제1 하부 전극(BE1)과 제1 상부 전극(TE1)을 더 포함할 수 있다. 제1 자기터널접합(MTJ1)은 제1 하부 전극(BE1)과 제1 상부 전극(TE1) 사이에 배치된다. 즉, 제1 하부 전극(BE1)은 제1 콘택 플러그(142)와 제1 자기터널접합(MTJ1) 사이에 배치되고, 제1 상부 전극(TE1)은 제1 자기터널접합(MTJ1) 상에 배치될 수 있다. 제1 하부 전극(BE1) 및 제1 상부 전극(TE1)의 각각은 도전성 금속 질화물(일 예로, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물), 전이 금속(일 예로, 티타늄, 탄탈륨 등), 및 희토류 금속(일 예로, 루세늄, 백금 등) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. The first memory devices ME1 may be disposed on the second
제2 메모리 소자들(ME2)이 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 제2 층간 절연막(140) 상에 배치될 수 있다. 제2 메모리 소자들(ME2)은 각각 제2 콘택 플러그들(144)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 즉, 제2 메모리 소자들(ME2)은 제2 콘택 플러그들(144)에 각각 접속될 수 있다. 제2 메모리 소자들(ME2)은 제2 콘택 플러그들(144)을 통하여 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 제2 불순물 영역들(112)에 전기적으로 접속될 수 있다. 제2 메모리 소자들(ME2)은, 평면적 관점에서, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있다. 제2 메모리 소자들(ME2)은 도 2, 도 5a, 도 5b 및 도 7a 및 참조하여 설명한 제2 메모리 소자들(ME2)에 해당할 수 있다. 즉, 제2 메모리 소자들(ME2) 중 일부는 제2 자기터널접합(MTJ2)을 포함할 수 있고, 다른 일부는 제3 자기터널접합(MTJ3)을 포함할 수 있다. 제2 및 제3 자기터널접합들(MTJ2, MTJ3)은 전술한 바와 같으므로, 구체적인 설명은 생략한다. 제2 메모리 소자들(ME2)의 일부는 전술한 제2 메모리 셀들(MC2)을 구성할 수 있고, 다른 일부는 전술한 제2 기준 셀들(RC2)을 구성할 수 있다. 더하여, 제2 메모리 소자들(ME2)의 각각은 제2 하부 전극(BE2)과 제2 상부 전극(TE2)을 더 포함할 수 있다. 제2 및 제3 자기터널접합들(MTJ2, MTJ3)의 각각은 제2 하부 전극(BE2)과 제2 상부 전극(TE2) 사이에 배치된다. 제2 하부 전극(BE2) 및 제2 상부 전극(TE2)은 각각 제1 하부 전극(BE1) 및 제2 상부 전극(TE2)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. The second memory devices ME2 may be disposed on the second
제3 층간 절연막(150)이 제2 층간 절연막(140)의 전면 상에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)의 제3 층간 절연막(150)은 제1 및 제2 메모리 소자들(ME1, ME2)의 측벽들과 접할 수 있다. 더하여, 제1 및 제2 셀 어레이 영역들(CR1, CR2)의 제3 층간 절연막(150)은 제1 및 제2 메모리 소자들(ME1, ME2)의 상면을 노출할 수 있다. 제3 층간 유전막(150)은 일 예로, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및/또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다.A third
제1 주변 회로(PC1) 영역에서, 제1 주변 플러그들(152)이 제1 내지 제3 층간 유전막들(130, 140, 150)을 관통하여 기판(100)과 접할 수 있다. 제1 주변 플러그들(152)은 제1 주변 소스/드레인 영역들(120a)과 전기적으로 접속될 수 있다. 제2 주변 회로 영역(PR2)에서, 제2 주변 플러그들(154)이 제1 내지 제3 층간 유전막들(130, 140, 150)을 관통하여 기판(100)과 접할 수 있다. 제2 주변 플러그들(154)은 제2 주변 소스/드레인 영역들(120b)과 전기적으로 접속될 수 있다. 제3 주변 플러그(156)가 제2 주변 회로 영역(PR2)의 제1 내지 제3 층간 유전막들(130, 140, 150)과 보호 절연 패턴(128)을 관통하여 저항 패턴(124)에 전기적으로 접속될 수 있다. 제1 내지 제3 주변 플러그들(152, 154, 156)은 소스 라인들(SL)과 동일한 도전 물질을 포함할 수 있다. In the first peripheral circuit PC1 region, the first
제1 비트 라인들(BL1)이 제1 셀 어레이 영역(CR1)의 제3 층간 절연막(150) 상에 배치될 수 있다. 제1 비트 라인들(BL1)은 제2 방향(D2)으로 연장할 수 있다. 제1 비트 라인들(BL1)의 각각은 제2 방향(D2)으로 배열된 복수개의 제1 메모리 소자들(ME1)과 공통으로 접촉될 수 있다. 제2 비트 라인들(BL2)이 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 제3 층간 절연막(150) 상에 배치될 수 있다. 제2 비트 라인들(BL2)은 제2 방향(D2)으로 연장할 수 있다. 제2 비트 라인들(BL2)의 각각은 제2 방향(D2)으로 배열된 복수개의 제2 메모리 소자들(ME2)과 공통으로 접촉될 수 있다. 제1 및 제2 비트 라인들(BL1, BL2)은 구리 또는 알루미늄과 같은 금속을 포함할 수 있다.The first bit lines BL1 may be disposed on the third
제1 배선들(L1)이 제1 주변 회로(PC1) 영역의 제3 층간 절연막(150) 상에 배치될 수 있다. 제1 배선들(L1)은 제1 주변 플러그들(152)에 각각 전기적으로 접속될 수 있다. 제2 배선들(L2)이 제2 주변 회로 영역(PR2)의 제3 층간 절연막(150) 상에 배치될 수 있다. 제2 배선들(L2)은 제2 주변 플러그들(154)에 각각 전기적으로 접속될 수 있다. 제3 배선(L3)이 제2 주변 회로 영역(PR2)의 제3 층간 절연막(150) 상에 배치될 수 있다. 제3 배선(L3)은 제3 주변 플러그(156)에 전기적으로 접속될 수 있다. 제1 내지 제3 배선들(L1, L2, L3)은 제1 및 제2 비트 라인들(BL1, BL2)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. The first wirings L1 may be disposed on the third
제1 셀 어레이 영역(CR1)의 셀 트랜지스터 및 제1 메모리 소자(ME1)는 제1 비트 라인(BL1) 및 제1 배선(L1)을 통해 제1 주변 트랜지스터의 제1 주변 소스/드레인 영역들(120a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 셀 트랜지스터 및 제2 메모리 소자(ME2)는 제2 비트 라인(BL2) 및 제2 배선(L2)을 통해 제2 주변 트랜지스터의 제2 주변 소스/드레인 영역들(120b)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 제2 기준 셀(RC2)을 구성하는 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 셀 트랜지스터 및 제2 메모리 소자(ME2)는 제2 비트 라인(BL2) 및 제3 배선(L3)을 통해 저항 패턴(124)과 전기적으로 연결될 수 있다. The cell transistor and the first memory device ME1 of the first cell array region CR1 are connected to the first peripheral source/drain regions of the first peripheral transistor through the first bit line BL1 and the first wiring L1. 120a) and may be electrically connected. The cell transistor and the second memory device ME2 of the second cell array region CR2 are connected to the second peripheral source/drain regions ( ) of the second peripheral transistor through the second bit line BL2 and the second wiring L2 . 120b) and may be electrically connected. In addition, the cell transistor and the second memory device ME2 of the second cell array region CR2 constituting the second reference cell RC2 have a resistance pattern through the second bit line BL2 and the third wiring L3 . It may be electrically connected to (124).
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 자기 메모리 장치를 나타내는 예시적인 평면도이다. 도 9b는 도 9a의 A-A' 및 B-B'선에 따른 단면도이고, 도 9c는 도 9a의 C-C', D-D', 및 E-E'선에 따른 단면도이다. 도 9a 내지 도 9c의 자기 메모리 장치는 제2 메모리 소자들(ME2)의 일부가 제3 콘택 플러그들(146)로 대체된 것을 제외하면, 도 8a 내지 도 8c의 자기 메모리 장치와 동일할 수 있다. 설명의 간소화를 위해, 중복되는 구성의 설명은 생략한다.9A is an exemplary plan view illustrating a magnetic memory device according to embodiments of the present invention. 9B is a cross-sectional view taken along lines A-A' and B-B' of FIG. 9A, and FIG. 9C is a cross-sectional view taken along lines C-C', D-D', and E-E' of FIG. 9A. The magnetic memory device of FIGS. 9A to 9C may be the same as the magnetic memory device of FIGS. 8A to 8C , except that some of the second memory elements ME2 are replaced with third contact plugs 146 . . For simplicity of description, descriptions of overlapping components will be omitted.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 제2 불순물 영역들(112) 중 일부는, 제1 내지 제3 층간 절연막들(130, 140, 150)을 관통하는 제3 콘택 플러그(146)를 통해 제2 비트 라인(BL2)과 연결될 수 있다. 즉, 제2 셀 어레이 영역(CR2)의 셀 트랜지스터들 중 일부는 제2 메모리 소자(ME2)를 거치지 않고 제2 비트 라인(BL2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제3 콘택 플러그(146)를 통해 제2 비트 라인(BL2)과 전기적으로 연결되는 셀 트랜지스터들은 도 7b를 참조하여 설명한 제2 기준 셀들(RC2)에 해당할 수 있다. 도시된 바 같이, 제2 기준 셀(RC2)은 복수 개로 제공될 수 있으며, 복수 개의 제2 기준 셀들(RC2)은 제2 방향(D2)을 따라 배열되어 하나의 제2 비트 라인(BL2)을 공유할 수 있다.Referring to FIGS. 9A to 9C , some of the
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.As mentioned above, although embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can implement the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (20)
상기 워드 라인들과 교차하는 복수의 비트 라인들, 상기 복수의 비트 라인들은 제1 비트 라인들, 및 상기 제1 비트 라인들로부터 상기 워드 라인들의 연장 방향으로 이격되는 제2 비트 라인들을 포함하고;
서로 교차하는 상기 워드 라인들과 상기 제1 비트 라인들 사이에 연결되는 복수의 제1 메모리 셀들, 상기 제1 메모리 셀들의 각각은 제1 메모리 소자 및 이에 연결되는 제1 선택 소자를 포함하고; 및
서로 교차하는 상기 워드 라인들과 상기 제2 비트 라인들 사이에 연결되는 복수의 제2 메모리 셀들, 상기 제2 메모리 셀들의 각각은 제2 메모리 소자 및 이에 연결되는 제2 선택 소자를 포함하되,
상기 제1 및 제2 메모리 소자들의 각각은, 고정층, 자유층 및 이들 사이의 터널 배리어층을 포함하는 자기터널접합을 포함하고, 상기 제2 메모리 소자들 중 일부의 상기 자기터널접합은 상기 터널 배리어층이 절연 파괴되어 비가역적인 저항 상태를 가지고,
상기 제1 메모리 소자들의 상기 자기터널접합은 제1 자기터널접합이고,
상기 제2 메모리 소자들 중 상기 일부의 상기 자기터널접합은 제2 자기터널접합이고,
상기 제1 자기터널접합은 복수의 프로그래밍을 통해 제1 데이터에 상응하는 제1 저항값 또는 제2 데이터에 상응하는 제2 저항값을 갖고,
상기 제2 자기터널접합은 일 회의 프로그래밍을 통해 상기 제1 데이터에 상응하는 제3 저항값을 갖고,
상기 제1 내지 제3 저항값들은 서로 다른 자기 메모리 장치.a plurality of word lines;
a plurality of bit lines intersecting the word lines, the plurality of bit lines comprising first bit lines, and second bit lines spaced apart from the first bit lines in an extension direction of the word lines;
a plurality of first memory cells connected between the word lines crossing each other and the first bit lines, each of the first memory cells including a first memory element and a first selection element connected thereto; and
a plurality of second memory cells connected between the word lines crossing each other and the second bit lines, each of the second memory cells comprising a second memory element and a second selection element connected thereto;
Each of the first and second memory devices includes a magnetic tunnel junction including a pinned layer, a free layer, and a tunnel barrier layer therebetween, and the magnetic tunnel junction of some of the second memory devices is the tunnel barrier The layer is insulated and has an irreversible resistance state,
The magnetic tunnel junction of the first memory elements is a first magnetic tunnel junction;
the magnetic tunnel junction of the part of the second memory elements is a second magnetic tunnel junction;
The first magnetic tunnel junction has a first resistance value corresponding to the first data or a second resistance value corresponding to the second data through a plurality of programming;
The second magnetic tunnel junction has a third resistance value corresponding to the first data through one programming,
The first to third resistance values are different from each other.
상기 제1 메모리 셀들은 복수 회의 프로그래밍이 가능한 노말 메모리 셀 어레이를 구성하고,
상기 제2 메모리 셀들은 일 회의 프로그래밍만이 가능한 OTP 메모리 셀 어레이를 구성하는 자기 메모리 장치.The method of claim 1,
The first memory cells constitute a normal memory cell array that can be programmed a plurality of times,
The second memory cells constitute an OTP memory cell array that can be programmed only once.
상기 제2 메모리 소자들 중 나머지의 상기 자기터널접합은 제3 자기터널접합이되,
상기 제3 자기터널접합은 일 회의 프로그래밍을 통해 상기 제2 데이터에 상응하는 제4 저항값을 갖되,
상기 제1 내지 제4 저항값들은 서로 다른 자기 메모리 장치.The method of claim 1,
The magnetic tunnel junction of the remaining of the second memory elements is a third magnetic tunnel junction,
The third magnetic tunnel junction has a fourth resistance value corresponding to the second data through one programming,
The first to fourth resistance values are different from each other.
상기 제1 저항값은 상기 제2 저항값보다 작고,
상기 제3 저항값은 상기 제1 저항값보다 작고,
상기 제4 저항값은 상기 제1 및 제2 저항값들 사이인 자기 메모리 장치.4. The method of claim 3,
The first resistance value is smaller than the second resistance value,
the third resistance value is smaller than the first resistance value;
The fourth resistance value is between the first and second resistance values.
상기 제1 메모리 셀들 중 일부는 상기 제1 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제1 기준 셀로 이용되고,
상기 제2 메모리 셀들 중 일부는 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제2 기준 셀로 이용되는 자기 메모리 장치. 4. The method of claim 3,
Some of the first memory cells are used as first reference cells for a read operation of the first memory cells,
Some of the second memory cells are used as second reference cells for a read operation of the second memory cells.
상기 제1 기준 셀은 상기 제1 메모리 셀들 중 한 쌍의 제1 메모리 셀들이 하나의 제1 비트 라인을 통해 병렬 연결되도록 구성되는 자기 메모리 장치.6. The method of claim 5,
The first reference cell is a magnetic memory device configured such that a pair of first memory cells of the first memory cells are connected in parallel through one first bit line.
상기 한 쌍의 제1 메모리 셀들 중 어느 하나의 상기 제1 자기터널접합은 상기 제1 저항값을 갖도록 프로그래밍되고, 다른 하나의 상기 제1 자기터널접합은 상기 제2 저항값을 갖도록 프로그래밍 되는 자기 메모리 장치. 7. The method of claim 6,
One of the first magnetic tunnel junctions of the pair of first memory cells is programmed to have the first resistance value, and the other first magnetic tunnel junction is programmed to have the second resistance value. Device.
상기 제2 기준 셀은 상기 제2 메모리 셀들 중 상기 제2 자기터널접합을 포함하는 어느 하나로 구성되는 자기 메모리 장치. 6. The method of claim 5,
The second reference cell is a magnetic memory device including any one of the second memory cells including the second magnetic tunnel junction.
상기 제2 기준 셀과 전기적으로 연결되는 제어 저항을 더 포함하되,
상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 기준 저항은 상기 제2 기준 셀을 구성하는 상기 제2 자기터널접합의 상기 제3 저항값과 상기 제어 저항의 제5 저항값의 합산 값을 이용하는 자기 메모리 장치.9. The method of claim 8,
Further comprising a control resistor electrically connected to the second reference cell,
The reference resistance for the read operation of the second memory cells is a magnetic memory device using the sum of the third resistance value of the second magnetic tunnel junction constituting the second reference cell and the fifth resistance value of the control resistor. .
상기 합산 값은 상기 제3 저항값과 상기 제4 저항값 사이인 자기 메모리 장치.10. The method of claim 9,
The sum value is between the third resistance value and the fourth resistance value.
상기 제1 비트 라인들을 통해 상기 제1 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 제1 주변 회로; 및
상기 제2 비트 라인들을 통해 상기 제2 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 제2 주변 회로를 더 포함하되,
상기 제2 주변 회로는 상기 제1 주변 회로의 제1 주변 트랜지스터보다 높은 전압 하에 구동되는 적어도 하나의 제2 주변 트랜지스터를 포함하는 자기 메모리 장치.The method of claim 1,
a first peripheral circuit electrically connected to the first memory cells through the first bit lines; and
Further comprising a second peripheral circuit electrically connected to the second memory cells through the second bit lines,
and the second peripheral circuit includes at least one second peripheral transistor driven under a higher voltage than the first peripheral transistor of the first peripheral circuit.
상기 제1 주변 트랜지스터는 제1 주변 게이트 유전막 및 제1 주변 게이트 전극을 포함하고,
상기 제2 주변 트랜지스터는 제2 주변 게이트 유전막 및 제2 주변 게이트 전극을 포함하되, 상기 제2 주변 게이트 유전막의 두께는 상기 제1 주변 게이트 유전막의 두께보다 큰 자기 메모리 장치.12. The method of claim 11,
the first peripheral transistor includes a first peripheral gate dielectric layer and a first peripheral gate electrode;
The second peripheral transistor includes a second peripheral gate dielectric layer and a second peripheral gate electrode, wherein a thickness of the second peripheral gate dielectric layer is greater than a thickness of the first peripheral gate dielectric layer.
상기 제2 주변 게이트 전극은 상기 제1 주변 게이트 전극의 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 자기 메모리 장치.13. The method of claim 12,
The second peripheral gate electrode has a second width greater than a first width of the first peripheral gate electrode.
제1 비트 라인들을 통해 상기 노말 셀 어레이와 전기적으로 연결되는 제1 주변 회로; 및
제2 비트 라인들을 통해 상기 OTP 셀 어레이와 전기적으로 연결되는 제2 주변 회로를 포함하고,
상기 노말 셀 어레이는, 제1 자기터널접합 및 이에 연결된 제1 선택 트랜지스터를 포함하는 복수의 제1 메모리 셀들을 포함하고,
상기 OTP 셀 어레이는, 제2 자기터널접합 및 이에 연결된 제2 선택 트랜지스터를 포함하는 복수의 제2 메모리 셀들을 포함하되,
상기 제2 자기터널접합들 중 일부는 비가역적인 저항 상태를 가지고,
상기 제1 주변 회로는 적어도 하나의 제1 주변 트랜지스터를 포함하고,
상기 제2 주변 회로는 적어도 하나의 제2 주변 트랜지스터를 포함하고,
상기 제2 주변 트랜지스터는 상기 제1 주변 트랜지스터보다 높은 전압 하에서 구동되는 자기 메모리 장치. a memory cell array including a normal cell array and an OTP cell array;
a first peripheral circuit electrically connected to the normal cell array through first bit lines; and
a second peripheral circuit electrically connected to the OTP cell array through second bit lines;
The normal cell array includes a plurality of first memory cells including a first magnetic tunnel junction and a first selection transistor connected thereto;
The OTP cell array includes a plurality of second memory cells including a second magnetic tunnel junction and a second selection transistor connected thereto;
Some of the second magnetic tunnel junctions have an irreversible resistance state,
the first peripheral circuit includes at least one first peripheral transistor,
the second peripheral circuit includes at least one second peripheral transistor,
and the second peripheral transistor is driven under a higher voltage than that of the first peripheral transistor.
상기 제2 자기터널접합들 중 상기 일부는 제1 서브 자기터널접합이고,
상기 제2 자기터널접합들 중 다른 일부는 제2 서브 자기터널접합이되,
상기 제1 자기터널접합은 복수의 프로그래밍을 통해 제1 데이터에 상응하는 제1 저항값 또는 제2 데이터에 상응하는 제2 저항값을 갖고,
상기 제1 서브 자기터널접합은 일 회의 프로그래밍을 통해 상기 제1 데이터에 상응하는 제3 저항값을 갖고,
상기 제2 서브 자기터널접합은 일 회의 프로그래밍을 통해 상기 제2 데이터에 상응하는 제4 저항값을 갖고,
상기 제1 저항값은 상기 제2 저항값보다 작고, 상기 제3 저항값은 상기 제1 저항값보다 작고, 상기 제4 저항값은 상기 제1 및 제2 저항값들 사이인 자기 메모리 장치.15. The method of claim 14,
Some of the second magnetic tunnel junctions are first sub magnetic tunnel junctions,
Another part of the second magnetic tunnel junctions is a second sub magnetic tunnel junction,
The first magnetic tunnel junction has a first resistance value corresponding to the first data or a second resistance value corresponding to the second data through a plurality of programming;
The first sub-magnetic tunnel junction has a third resistance value corresponding to the first data through one programming,
the second sub-magnetic tunnel junction has a fourth resistance value corresponding to the second data through one programming;
The first resistance value is smaller than the second resistance value, the third resistance value is smaller than the first resistance value, and the fourth resistance value is between the first and second resistance values.
상기 제1 메모리 셀들 중 일부는 상기 제1 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제1 기준 셀로 이용되고,
상기 제1 서브 자기터널접합을 포함하는 상기 제2 메모리 셀들 중에서 선택된 어느 하나는 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제2 기준 셀로 이용되는 자기 메모리 장치.16. The method of claim 15,
Some of the first memory cells are used as first reference cells for a read operation of the first memory cells,
One selected one of the second memory cells including the first sub-magnetic tunnel junction is used as a second reference cell for a read operation of the second memory cells.
상기 제2 주변 회로는 상기 제2 기준 셀과 전기적으로 연결되는 제어 저항을 포함하되,
상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 기준 저항은 상기 제2 기준 셀을 구성하는 상기 제2 자기터널접합의 상기 제3 저항값과 상기 제어 저항의 제5 저항값의 합산 값을 이용하는 자기 메모리 장치.17. The method of claim 16,
wherein the second peripheral circuit includes a control resistor electrically connected to the second reference cell;
The reference resistance for the read operation of the second memory cells is a magnetic memory device using the sum of the third resistance value of the second magnetic tunnel junction constituting the second reference cell and the fifth resistance value of the control resistor. .
상기 제1 메모리 셀들 중 일부는 상기 제1 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제1 기준 셀로 이용되고,
상기 OTP 셀 어레이는 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제2 기준 셀을 더 포함하되,
상기 제2 기준 셀은 가변 저항 소자를 통하지 않고 상기 제2 비트 라인들 중 하나와 연결되는 제3 선택 트랜지스터를 포함하는 자기 메모리 장치. 16. The method of claim 15,
Some of the first memory cells are used as first reference cells for a read operation of the first memory cells,
The OTP cell array further includes a second reference cell for a read operation of the second memory cells,
and the second reference cell includes a third selection transistor connected to one of the second bit lines without passing through a variable resistance element.
상기 제2 주변 회로는 상기 제2 기준 셀과 전기적으로 연결되는 제어 저항을 포함하되,
상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 기준 저항은 상기 제어 저항의 제5 저항값을 이용하는 자기 메모리 장치. 19. The method of claim 18,
wherein the second peripheral circuit includes a control resistor electrically connected to the second reference cell;
The reference resistance for the read operation of the second memory cells is a magnetic memory device using a fifth resistance value of the control resistance.
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