KR20170045081A - 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 intersecting each other, each of the first memory cells having a first memory element and a first A plurality of second memory cells, each of the second memory cells including a first select element and being coupled between the word lines and the second bit lines crossing each other, Wherein each of the first and second memory elements comprises a magnetic tunnel junction comprising a pinned layer, a free layer and a tunnel barrier layer therebetween, and wherein the magnetic tunnel junction of some of the second memory elements, The junction provides a magnetic memory device in which the tunnel barrier layer is insulated and has an irreversible resistance state.
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 자기 메모리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a magnetic memory device.
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.As the speed of electronic devices is reduced and the power consumption is lowered, a semiconductor memory device embedded therein is also required to have a fast read / write operation and a low operating voltage. A magnetic memory device has been proposed as a semiconductor memory device in order to meet these demands. The magnetic memory element can operate at a high speed and can have nonvolatile characteristics, and has been popular as a next generation memory element.
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 storage element may include a magnetic tunnel junction (MTJ). The magnetic tunnel junction may include two magnetic bodies and a tunnel barrier layer interposed therebetween. The resistance value of the magnetic tunnel junction can be changed according to the magnetization directions of the two magnetic bodies. For example, if the magnetization directions of two magnetic bodies are antiparallel to each other, the magnetic tunnel junction can have a relatively large resistance value, and if the magnetization directions of the two magnetic bodies are parallel, the magnetic tunnel junction can have a relatively small resistance value have. Using the difference in resistance values, the magnetic storage element can write / read data.
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 electronics industry develops, demands for high integration and / or low power consumption of magnetic storage elements are intensifying. Therefore, many studies are under way to meet these demands.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고집적화된 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a highly integrated magnetic memory device.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 우수한 신뢰성을 갖는 자기 메모리 장치를 제공하는 데 있다.Another 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 above-mentioned problems, and other problems not mentioned can 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. According to an aspect of the present invention, there is provided a magnetic memory device comprising: a plurality of word lines; A plurality of bit lines crossing 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 extending direction of the word lines; A plurality of first memory cells coupled between the word lines and the first bit lines intersecting each other, each of the first memory cells including a first memory device and a first select device coupled thereto; And a plurality of second memory cells coupled between the word lines and the second bit lines intersecting each other, each of the second memory cells including a second memory device and a second select device coupled thereto, Wherein each of the first and second memory elements comprises a magnetic tunnel junction comprising a fixed layer, a free layer and a tunnel barrier layer therebetween, and wherein the magnetic tunnel junction of a portion of the second memory elements comprises a tunnel barrier The layer is insulated and can 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 one embodiment, the first memory cells constitute a normal memory cell array which can be programmed a plurality of times, and the second memory cells constitute an OTP memory cell array which 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.According to one embodiment, the magnetic tunnel junction of the first memory devices is a first magnetic tunnel junction, the magnetic tunnel junction of the portion of the second memory devices is a second magnetic tunnel junction, Wherein the magnetic tunnel junction of the remaining of the elements is a third magnetic tunnel junction, the first magnetic tunnel junction having a first resistance value corresponding to the first data or a second resistance corresponding to the second data Wherein said second magnetic tunnel junction has a third resistance value corresponding to said first data through one programming and said third magnetic tunnel junction has a value corresponding to said second data through one programming, 4, 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. According to an embodiment, 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 Lt; / RTI >
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, a part of the first memory cells is used as a first reference cell for a read operation of the first memory cells, and a part of the second memory cells is used as a first reference cell for a read operation of the second memory cells. 2 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 one 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 via 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. According to one 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 other one of the first magnetic tunnel junctions is programmed to have the second resistance value Lt; / RTI >
일 실시예에 따르면, 상기 제2 기준 셀은 상기 제2 메모리 셀들 중 상기 제2 자기터널접합을 포함하는 어느 하나로 구성될 수 있다. According to one embodiment, the second reference cell may be comprised of any 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. According to an embodiment of the present invention, the memory cell further includes a control resistance electrically connected to the second reference cell, wherein a reference resistance for a read operation of the second memory cells includes a second magnetic tunnel junction The sum of the third resistance value of the control resistor 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 one embodiment, the summed 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 via the second bit lines, wherein the second peripheral circuit is at least a first transistor driven at a higher voltage than the first peripheral transistor of the first peripheral circuit And may include one second peripheral transistor.
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. According to one 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, The thickness of the second peripheral gate dielectric layer may be greater than the 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 one embodiment, the second peripheral gate electrode may have a second width greater than the 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; 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 comprises: a plurality of first memory cells including a first magnetic tunnel junction and a first select transistor connected thereto; Cells, wherein the OTP cell array includes a plurality of second memory cells, the second memory cells including a second magnetic tunnel junction and a second select transistor coupled thereto, wherein some of the second magnetic tunnel junctions are in an irreversible resistance state Lt; / RTI >
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 one embodiment, the portion of the second magnetic tunnel junctions is a first sub-magnetic tunnel junction and the other portion of the second magnetic tunnel junctions is a second sub-magnetic tunnel junction, 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, the first sub-magnetic tunnel junction corresponding to the first data through one programming Wherein 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 second resistance value is smaller than the second resistance value, The third resistance value may be less 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 one embodiment, some of the first memory cells are used as a first reference cell for a read operation of the first memory cells, and a selected one of the second memory cells including the first sub- 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 of the present invention, the second peripheral circuit includes a control resistor electrically connected to the second reference cell, and a reference resistor for a read operation of the second memory cells may include a second reference cell, The sum of the third resistance value of the second magnetic tunnel junction and the fifth resistance value of the control resistance 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 one embodiment, some of the first memory cells are used as a first reference cell for a read operation of the first memory cells, and the OTP cell array is used as a second reference cell for a read operation of the second memory cells. And the second reference cell may 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. According to one embodiment, the second peripheral circuit includes a control resistor electrically connected to the second reference cell, and a reference resistor for a read operation of the second memory cells may include a fifth resistor value of the control resistor Can be used.
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 one embodiment, the first peripheral circuit includes at least one first peripheral transistor, and the second peripheral circuit includes at least one second peripheral transistor, It can be driven at a higher voltage than the 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 the embodiments of the present invention, a part of the memory cell array is implemented as an OTP cell array without forming the OTP memory device in a separate area, so that a magnetic memory device optimized for high integration can be provided. In addition, by shorting the magnetic tunnel junction which is the memory element of the memory cells, it is possible to easily implement OTP memory cells. In addition, by separately forming reference cells and peripheral circuits for the OTP memory cells, the write and read operations of the OTP memory cells can be optimized. As a result, a magnetic memory device with improved reliability can be provided.
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 in accordance with 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 in accordance with embodiments of the present invention.
4A and 4B are conceptual diagrams illustrating 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, in accordance with 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.
FIGS. 7A and 7B are simplified circuit diagrams illustrating a read operation of a second memory cell according to embodiments of the present invention.
8A is an exemplary top view showing a magnetic memory device according to embodiments of the present invention. 8B is a cross-sectional view taken along line AA 'and B-B' in FIG. 8A, and FIG. 8C is a cross-sectional view taken along line C-C ', D-D', and E-E 'in FIG. 8A.
9A is an exemplary top view showing a magnetic memory device according to embodiments of the present invention. FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line AA 'and B-B' in FIG. 9A, and FIG. 9C is a cross-sectional view taken along line C-C ', D-D', and E-E 'in 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 structure and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.
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 an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for an effective description of the technical content. The same reference numerals denote the same elements throughout the specification.
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 views and / or plan views that are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective description of the technical content. Thus, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific types of regions of the elements and are not intended to limit the scope of the invention. Although the terms first, second, third, etc. in the various embodiments of the present disclosure are used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. The embodiments described and exemplified herein also include their complementary embodiments.
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 illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail 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 in accordance with 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. 2, a 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 select element SE1. The first memory element ME1 may be coupled between the first bit line BL1 and the first select element SE1 and the first select element SE1 may be coupled between the first memory element ME1 and the word line WL, Respectively. The first memory element ME1 may be a variable resistive element which can be switched into two resistance states by an applied electrical pulse. According to one embodiment, the first memory element ME1 may be formed to have a thin film structure whose electrical resistance can be changed using a spin transfer process by the 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 element ME1 may be a magnetic storage element 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 select element SE1 may be configured to selectively control the flow of charge through the first memory element ME1. For example, the first selection element SE1 may be one of a diode, a bipolar bipolar transistor, an entien bipolar transistor, an emmos field effect transistor, and a pmos field effect transistor. When the first selection element SE1 is composed of a bipolar transistor or a MOS field effect transistor which is a three-terminal element, an additional wiring (for example, 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 or similar form as the first memory cells MC1. For example, each of the second memory cells MC2 includes a second memory element ME2 implemented in the form of a magnetic tunnel junction, and a second selection element SE2 implemented in the same form as the first selection element SE1 can do. At this time, a part of the second memory elements ME2 of the second memory cells MC2 may be in a blown state, and a part of the second memory elements ME2 may be in an un- blown state. Here, the blown state means that two magnetic layers constituting the magnetic tunnel junction are short-circuited to each other. This can be achieved by applying a breakdown voltage across the two magnetic layers through one programming operation to break down the tunnel barrier layer between the magnetic layers. The resistance of the blown magnetic tunnel junction is irreversible and may have a value less than the resistance of the unblown magnetic tunnel junction. Consequently, 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 to the second peripheral circuit PC2. The first peripheral circuit PC1 may include the first column
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 one embodiment, the first reference cell RC1 may be connected between two adjacent word lines WL and one first bit line BL1 intersecting them. That is, the first reference cell RC1 may include first select elements SE1 connected in series to a pair of first memory elements and a pair of first memory elements connected in parallel. However, the 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 connected between two adjacent word lines WL and the first bit lines BL1 intersecting the two word lines WL. The first reference cell RC1 will be described again with reference to FIG.
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.And 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 second memory element ME2 that has been blown. A plurality of second reference cells RC2 may be provided and a plurality of second reference cells RC2 may be arranged in a second direction D2 to form one row. The plurality of second reference cells RC2 forming 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 in accordance with 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 element and a first selection transistor SE1 as a selection element. The gate electrode of the first selection transistor SE1 is connected to the corresponding word line WL and the source of the first selection transistor SE1 is connected to the corresponding source line SL, The drain of SE1 may be connected to the corresponding first bit line BL1 via 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 changeable so as 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 depending on 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 has a low resistance state (for example, a first resistance value = R1 ), And '0' corresponding to the first data can be written. Alternatively, when the magnetization directions of the pinned layer PL and the free layer FL are antiparallel in the first magnetic tunnel junction MTJ1, the first magnetic tunnel junction MTJ1 has a high resistance state (for example, Resistance value = R2), and a '1' corresponding to the second data can be written. For example, the first resistance value Rl may be about 10 kilohms (k [Omega]) and the second resistance value R2 may be about 40 kilohms (k [Omega]).
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 the 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. The first write current Iw1 or the second write current Iw2 may flow through the first magnetic tunnel junction MTJ1 in accordance with the direction of the first write voltage applied to the first magnetic tunnel junction MTJ1. The first write current Iw1 is supplied to the first magnetic tunnel junction MTJ1 in the direction from the first bit line BL1 to the source line SL and the second write current Iw2 is supplied to the source line SL, May be provided to the first magnetic tunnel junction MTJ1 in the direction from the first bit line BL1 to the first bit line BL1. The magnetization direction of the free layer FL can be changed by the spin torque of the electrons in the write current described above. As a result, the first memory cell MC1 can 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, And can 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, 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, however, the embodiments of the present invention are limited thereto It is not. According to another embodiment, unlike the illustrated embodiment, the pinned layer PL may be connected to the first bit line BL1 and the free layer FL may be connected to the first select 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 diagrams illustrating 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 larger when antiparallel to the magnetization directions of the pinned layer PL and the free layer FL, have. 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 the magnetization direction is substantially parallel to the top surface of the tunnel barrier layer (TBL). In this case, the pinned layer PL may comprise a layer comprising an anti-ferromagnetic material and a layer comprising a ferromagnetic material. According to one embodiment, the layer comprising the antiferromagnetic material may comprise at least one of PtMn, IrMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO and Cr. According to another embodiment, the layer comprising the antiferromagnetic material may comprise at least one selected from the precious metals. The rare metal may include ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au) or silver (Ag). At least one of CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO and Y3Fe5O12 .
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 comprise a material having a changeable magnetization direction. The free layer FL may comprise a ferromagnetic material. For example, the free layer FL may comprise 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 . ≪ / RTI >
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 be composed of a plurality of layers. As an example, it may comprise a layer comprising a plurality of ferromagnetic materials and a layer comprising a non-magnetic material interposed between the layers. In this case, the layers including the ferromagnetic material and the layer including the non-magnetic material may constitute a synthetic antiferromagnetic layer. The synthetic antiferromagnetic layer can reduce the critical current density of the magnetic memory element 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 made of an oxide of magnesium (Mg), an oxide of titanium (Ti), an oxide of aluminum (Al), an oxide of magnesium-zinc (MgZn), an oxide of magnesium- And a nitride of vanadium (V). As an example, the tunnel barrier layer (TBL) may be a single layer of magnesium oxide (MgO). Alternatively, the tunnel barrier layer (TBL) may comprise 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 top 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 RE-TM (Rare-Earth Transition Metal) have. In one 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. Alternatively, each of the pinned layer (PL) and the free layer (FL) may have a thickness of 10 to 45 at. Platinum (CoPt) disordered alloy or a Co3Pt ordered alloy having a platinum (Pt) content in the range of 1 to 5%. Alternatively, each of the pinned layer PL and the free layer FL may comprise at least one selected from among iron (Fe), cobalt (Co) and nickel (Ni) and at least one selected from the group consisting of rare earth metals such as terbium (Tb), dysprosium (Dy) and gadolinium Gd). ≪ / RTI >
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 comprise a material having interface perpendicular magnetic anisotropy. The interface perpendicular magnetic anisotropy refers to a phenomenon in which a magnetic layer having an inherent horizontal magnetization property has a perpendicular magnetization direction due to an influence from an interface with another layer adjacent thereto. Herein, the inherent horizontal magnetization characteristic means a characteristic in which, when there is no external factor, the magnetic layer has a magnetization direction parallel to its widest surface. For example, when a magnetic layer having inherent horizontal magnetization characteristics is formed on a substrate and there are no external factors, the magnetization direction of the magnetic layer may be substantially parallel to the top 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.In one 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). Each of the pinned layer PL and the free layer FL may be formed of at least one of boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta) Magnetic material including silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N). In one example, each of the pinned layer PL and the free layer FL includes CoFe or NiFe, and may further include boron (B). In addition, in order to lower the saturation magnetization of the pinned layer PL and the free layer FL, each of the pinned layer PL and the free layer FL is made of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si) (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, in accordance with 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 element and a second selection transistor SE2 as a selection element. The gate electrode of the second selection transistor SE2 is connected to the corresponding word line WL and the source of the second selection transistor SE2 is connected to the corresponding source line SL, The drain of SE2 may be connected to the 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 connected to the pinned layer PL of the first magnetic tunnel junction MTJ1, Layer (TBL). That is, the second magnetic tunnel junction MTJ2 can be realized 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 that it includes a third magnetic tunnel junction MTJ3 as a memory element. 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 connected to the fixed layer PL of the first magnetic tunnel junction MTJ1, Layer may be formed of the same material as 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). At this time, the tunnel barrier layer TBLa1 may be in an insulated 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. OTP memory cell, a second write voltage is applied to a part of the second memory cells MC2 implemented by the first sub-cell MC2-1, and a second write voltage is applied to the second sub-cell MC2- 2 may be applied to another portion of the second memory cells MC2. 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 may be substantially the same magnitude as the first write voltage applied across the first magnetic tunnel junction (MTJ1), while the third write voltage may be much larger than the first write voltage. That is, the third write voltage may be greater than the break down voltage of the third magnetic tunnel junction MTJ3. As a result, the tunnel barrier layer TBLa1 of the third magnetic junction tunnel MTJ3 can be destroyed. On the other hand, programming of the second memory cells MC2 can be performed before packaging of the magnetic memory device. At this time, the second magnetic tunnel junction MTJ2 is set to the first resistance value R1 or the second resistance value R1 or the second resistance value R1 or the second resistance value R1 or the second resistance value R1 or the second resistance value R1 depending on the direction of the second write voltage (in other words, the direction of the write current flowing in the second magnetic tunnel junction MTJ2) And may have a second resistance value R2. However, the resistance value of the second magnetic tunnel junction (MTJ2) may fluctuate through 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 above-described one programming, the second magnetic tunnel junction MTJ2 has the third resistance value R3, and a '1' corresponding to the second data can be written. Here, the third resistance value R3 may be between the first resistance value R1 and the second resistance value R2. Meanwhile, the third magnetic tunnel junction MTJ3 that is blown has a fourth resistance value R4 which is much smaller than the first resistance value R1, and '0' corresponding to the first data can be written. For example, the fourth resistance value R4 may be less than or equal to 1 kilo ohm (k).
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 can be read by discriminating the 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 includes, for example, a pair of first magnetic tunnel junctions MTJ1 and a pair of first magnetic tunnel junctions MTJ1 connected in parallel, 1 select transistors SE1. Although not shown, the source lines SL connected to the first selection transistors SE1 of the first reference cell RC1 may be electrically connected to each other. According to another embodiment, the source of each of the first select 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 performing the read operation, 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. The resistance of the first reference cell RC1 connected in parallel with the pair of first magnetic tunnel junctions MTJ1 is equal to the sum of the sum of the first resistance value R1 and the second resistance value R2 R2) / 2). On the other hand, 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. A turn-on voltage may be applied to the word line (WL) of the selected first memory cell (MC1) for performing a read operation and a turn-on voltage may be applied to the first magnetic tunnel junction (MTJ1) of the selected first memory cell The 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 the second read currents < RTI ID = 0.0 > Ir2_1, Ir2_2) can flow. The first sense amplifier SA1 detects the resistance value of the first memory cell MC1 by the first read current Ir1 and the resistance value of the first reference cell RC1 by the second read currents Ir2_1 and Ir2_2 To detect what is stored in the selected first memory cell MC1. On the other hand, the first sense amplifier SA1 may be a part of the first peripheral circuit PC1 described with reference to Fig.
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.When the magnetization direction of the free layer FL is arranged in parallel with the magnetization direction of the fixed layer PL in the first magnetic tunnel junction MTJ1 of the selected first memory cell MC1, The data of the data MC1 may be read out as '0', for example. Alternatively, in the first magnetic tunnel junction MTJ1 of the selected first memory cell MC1, when the magnetization direction of the free layer FL is anti-parallel to the magnetization direction of the pinned layer PL , The data of the selected first memory cell MC1 may be read as '1', for example.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 제2 메모리 셀의 읽기 동작을 설명하기 위한 간략 회로도들이다.FIGS. 7A and 7B are simplified circuit diagrams illustrating 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 the second sub-cells MC2_2. Accordingly, the second reference cell RC2 may include a third magnetic tunnel junction MTJ3 having a 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 can be read by discriminating the difference between the resistance of the selected second memory cell MC2 and the resistance of the second reference cell RC2. At this time, in order to increase the sensing margin, it is required that the resistance of the second reference cell RC2 has 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 requirement, a second bit line BL2 connected to a second reference cell RC2 and a second bit line BL2 connected to a second reference cell RC2, A control resistor Rct may be provided between the sense amplifiers SA2. That is, the third magnetic tunnel junction MTJ3 of the second reference cell RC2 and the control resistance Rct may be electrically connected. As a result, the resistance of the second reference cell RC2 sensed by the read operation is larger than the fourth resistance value R4 of the third magnetic tunnel junction MTJ3 and the resistance value of the fifth resistance R5 of the control resistor Rct May be a summed value. The summed value may be between the fourth resistance value R4 and the third resistance value R3 (e.g., about 7 kilohms (k?)). Lt; / RTI > On the other hand, 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.
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. A turn-on voltage may be applied to the word line WL of the selected second memory cell MC2 for performing the read operation and the second memory device of the selected second memory cell MC2 Magnetic tunnel junction (MJT) or third magnetic tunnel junction (MTJ3)) can flow through the third read current (Ir3). Also, the 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 resistance Rct of the second reference cell RC2 may be applied 4 read current Ir4 may flow. The second sense amplifier SA2 detects and detects the 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 the data stored in the selected second memory cell MC2 can be determined.
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. If the selected second memory cell MC2 is the first sub cell MC2-1, the data of the selected second memory cell MC2 may be read as '1', for example. Alternatively, when the selected second memory cell MC2 is the second sub-cell MC2-2, the data of the selected second memory cell MC2 may be read as '0', for example.
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 element.
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 be composed only of the second selection transistor SE2. In this case, the fifth resistance value R5 of the control resistance 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 resistance Rct may be about 7 kilohms (k?). A turn-on voltage may be applied to the word line WL of the selected second memory cell MC2 for performing the read operation and the second memory device of the selected second memory cell MC2 Magnetic tunnel junction (MJT) or third magnetic tunnel junction (MTJ3)) can flow through the third read current (Ir3). Also, the turn-on voltage may be applied to the word line WL of the second reference cell RC2, and the control resistance Rct of the second reference cell RC2 and the control resistance Rct of the second reference cell RC2, The fourth read current Ir4 can flow between the two-bit line BL and the source line SL. The second sense amplifier SA2 detects and detects the 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 the data stored in the selected second memory cell MC2 can be determined.
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 have been used to repair semiconductor devices. For example, it is possible to test the semiconductor device, store the characteristics of the semiconductor device according to the test result in the OTP memory inside the semiconductor device, and prevent malfunction of the semiconductor device by operating the semiconductor device based on the information stored in the OTP memory. In addition, the OTP memory device may store other information for controlling the semiconductor device. For example, a semiconductor device may have different characteristics while passing through a semiconductor manufacturing process, and an OTP memory device stores information on different characteristics of such a semiconductor device, and information can be used to control the 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 the embodiments of the present invention, a part of the memory cell array is implemented as an OTP cell array without forming the OTP memory device as described above in a separate area, so that a magnetic memory device optimized for high integration can be provided . In addition, by shorting the magnetic tunnel junction which is the memory element of the memory cells, it is possible to easily implement OTP memory cells. In addition, by separately forming reference cells and peripheral circuits for the OTP memory cells, the write and read operations of the OTP memory cells can be optimized. As a result, a magnetic memory device with improved reliability can be provided.
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 top view showing a magnetic memory device according to embodiments of the present invention. 8B is a cross-sectional view taken along line A-A 'and B-B' in FIG. 8A, and FIG. 8C is a cross-sectional view taken along line C-C ', D-D', and E-E 'in 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 bottom surface 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.Word lines WL may be disposed in each
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 in each
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.In operation of the magnetic memory device, an isolation voltage may be applied to the isolation line IL. The isolation voltage can prevent the channel from being formed below 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 comprise, for example, doped semiconductor material (ex, doped silicon, etc.), metal (ex, tungsten, aluminum, titanium and / or tantalum), conductive metal nitride (ex, titanium nitride, And / or tungsten nitride) and a metal-semiconductor compound (ex, metal silicide). According to one 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.The 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. 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 inventive concept, 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 longer than the channel of the first peripheral transistor so as to withstand a high voltage (i.e., 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 elements 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 elements 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.The 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. 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 interconnects 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 element ME1 of the first cell array region CR1 are connected to the first peripheral source / drain regions of the first peripheral transistor via the first bit line BL1 and the
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 top view showing a magnetic memory device according to embodiments of the present invention. FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line A-A 'and B-B' in FIG. 9A, and FIG. 9C is a cross-sectional view taken along line C-C ', D-D', and E-E 'in FIG. 9A. The magnetic memory device of Figures 9A-9C may be the same as the magnetic memory device of Figures 8A-8C except that a portion of the second memory elements ME2 are replaced by third contact plugs 146 . For the sake of simplicity of description, a description of overlapping configurations is 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.9A to 9C, a part 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.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and not restrictive in every respect.
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 갖는 자기 메모리 장치.A plurality of word lines;
A plurality of bit lines crossing 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 extending direction of the word lines;
A plurality of first memory cells coupled between the word lines and the first bit lines intersecting each other, each of the first memory cells including a first memory device and a first select device coupled thereto; And
A plurality of second memory cells coupled between the word lines and the second bit lines intersecting each other, each of the second memory cells comprising a second memory device and a second select device coupled thereto,
Wherein each of the first and second memory elements comprises a magnetic tunnel junction comprising a fixed layer, a free layer and a tunnel barrier layer therebetween, and wherein the magnetic tunnel junction of a portion of the second memory elements comprises a tunnel barrier Wherein the layer is insulatingly broken and has an irreversible resistance state.
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 according to claim 1,
Wherein the first memory cells constitute a normal memory cell array which can be programmed a plurality of times,
Wherein the second memory cells constitute an OTP memory cell array that can be programmed only once.
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 다른 자기 메모리 장치.The method according to claim 1,
Wherein the magnetic tunnel junction of the first memory elements is a first magnetic tunnel junction,
The magnetic tunnel junction of the portion of the second memory elements is a second magnetic tunnel junction,
The remaining of the second memory elements being a third magnetic tunnel junction,
Wherein 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 having a third resistance value corresponding to the first data through one programming,
Wherein the third magnetic tunnel junction has a fourth resistance value corresponding to the second data through one programming,
Wherein 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.The method of claim 3,
Wherein the first resistance value is smaller than the second resistance value,
Wherein 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 제2 메모리 셀들 중 일부는 상기 제2 메모리 셀들의 읽기 동작을 위한 제2 기준 셀로 이용되는 자기 메모리 장치. The method of claim 3,
Some of the first memory cells are used as a first reference cell for a read operation of the first memory cells,
Wherein some of the second memory cells are used as a second reference cell 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,
Wherein the first reference cell is configured such that a pair of first memory cells of the first memory cells are connected in parallel via a 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. The method according to claim 6,
Wherein 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 other one of the first magnetic tunnel junctions 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,
Wherein the second reference cell comprises the second one of the second memory cells.
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,
And a control resistor electrically connected to the second reference cell,
Wherein the reference resistance for the read operation of the second memory cells is a 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 resistance, .
상기 합산 값은 상기 제3 저항값과 상기 제4 저항값 사이인 자기 메모리 장치.10. The method of claim 9,
Wherein the summed 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 according to claim 1,
A first peripheral circuit electrically connected to the first memory cells via the first bit lines; And
And a second peripheral circuit electrically connected to the second memory cells via 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 게이트 유전막의 두께보다 큰 자기 메모리 장치.12. The method of claim 11,
Wherein the first peripheral transistor includes a first peripheral gate dielectric layer and a first peripheral gate electrode,
Wherein the second peripheral transistor includes a second peripheral gate dielectric layer and a second peripheral gate electrode, wherein the thickness of the second peripheral gate dielectric layer is greater than the thickness of the first 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,
And the second peripheral gate electrode has a second width greater than the 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 갖는 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
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 select transistor connected thereto,
The OTP cell array includes a plurality of second memory cells including a second magnetic tunnel junction and a second select transistor coupled thereto,
Wherein some of the second magnetic tunnel junctions have an irreversible resistance state.
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,
The portion of the second magnetic tunnel junctions being a first sub-magnetic tunnel junction,
A second portion of the second magnetic tunnel junctions being a second sub-magnetic tunnel junction,
Wherein 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,
Wherein the first sub-magnetic tunnel junction has a third resistance value corresponding to the first data through one programming,
Wherein the second sub-magnetic tunnel junction has a fourth resistance value corresponding to the second data through one programming,
Wherein the first resistance value is less than the second resistance value, the third resistance value is less 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 a first reference cell for a read operation of the first memory cells,
Wherein one selected from 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,
Wherein the reference resistance for the read operation of the second memory cells is a 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 resistance, .
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 a first reference cell 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,
Wherein a reference resistance for a read operation of the second memory cells utilizes a fifth resistance value of the control resistor.
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 구동되는 자기 메모리 장치.15. The method of claim 14,
Wherein the first peripheral circuit comprises at least one first peripheral transistor,
Wherein the second peripheral circuit includes at least one second peripheral transistor,
And the second peripheral transistor is driven under a higher voltage than the first peripheral transistor.
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