KR100506447B1

KR100506447B1 - Giant magneto resistance sensor and sensing cell array using the same

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Publication number: KR100506447B1
Application number: KR10-2002-0082039A
Authority: KR
Inventors: 정동윤; 임재형; 강희복; 김창석
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2002-12-21
Filing date: 2002-12-21
Publication date: 2005-08-05
Also published as: KR20040055387A

Abstract

본 발명은 거대 자기저항 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이에 관한 것으로, 각각 다른 복수개의 성분으로 구성된 주변 물질들의 성분을 서로 다른 자기장의 검출에 따라 센싱하여 전기적 성분으로 분리 및 분석하도록 하는 기술을 개시한다. The present invention relates to a giant magnetoresistive sensor and a sensing cell array using the same, and discloses a technique for sensing and separating and analyzing the components of surrounding materials each consisting of a plurality of components according to the detection of different magnetic fields into electrical components. .

본 발명의 센싱 셀 어레이는 GMR(Giant Magneto Resistance;거대 자기 저항) 소자, 스위칭 소자 및 자성물질(또는 포싱 워드라인)로 구성되는 거대 자기저항 센서를 바이오 센서 칩에 복수개의 로오 및 컬럼 형태를 갖는 센싱 셀 어레이로 배치하여, 각각 다른 특성을 띠는 주변물질의 성분에 따라 각각 상이한 자화율을 센싱하여, 주변물질의 전기적 성분을 분석한다. The sensing cell array of the present invention includes a giant magnetoresistive sensor including a giant magneto resistance (GMR) element, a switching element, and a magnetic material (or a forcing word line) having a plurality of rows and columns in a biosensor chip. Arranged in a sensing cell array, the magnetic susceptibility of each of the peripheral materials having different characteristics is sensed, and the electrical components of the peripheral materials are analyzed.

Description

거대 자기저항 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이{Giant magneto resistance sensor and sensing cell array using the same}Giant magneto resistance sensor and sensing cell array using the same}

본 발명은 거대 자기저항 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이에 관한 것으로, 각각 다른 특성을 띠는 거대 자기 저항 센서에 따라 주변 물질의 성분에 대응하는 서로 다른 자화율을 센싱하여 전기적 성분으로 분석하도록 하는 기술이다. The present invention relates to a giant magnetoresistive sensor and a sensing cell array using the same, and is a technology for sensing different magnetization rates corresponding to components of surrounding materials according to giant magnetoresistive sensors having different characteristics and analyzing them as electrical components. .

현재 대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로서, 강자성체 물질을 이용하고 있으며, 특히, MTJ(Magnetic Tunnel Junction;자기 터널 접합) 소자, GMR(Giant Magneto Resistance;거대 자기 저항) 소자 등을 개발하고 있다. Currently, most semiconductor memory manufacturers use ferromagnetic materials as one of the next generation memory devices, and in particular, develop magnetic tunnel junction (MTJ) devices and giant magneto resistance (GMR) devices. Doing.

MTJ 소자는 스핀 자기투과(MTJ) 현상을 이용하는 것으로, 절연층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우가 스핀 방향이 다른 경우보다 전류 투과가 훨씬 잘 일어난다는 원리를 적용한 것이다. The MTJ device uses a spin magnetic permeation (MTJ) phenomenon, and applies the principle that current transmission in the two magnetic layers having an insulating layer is much better than in the case where the spin directions are different.

GMR 소자는 거대자기 저항(GMR) 현상을 이용하는 것으로, 비자성층을 사이에 둔 두 자성층에서의 스핀방향이 다른 경우가, 스핀방향이 같은 경우보다 저항이 크게 달라지는 원리를 적용한 것이다. The GMR element employs a giant magnetoresistance (GMR) phenomenon, which applies a principle in which the resistance in the spin direction of the two magnetic layers having a nonmagnetic layer is different from the spin direction is the same.

도 1a 및 도 1b는 종래의 GMR 소자의 동작 원리를 나타낸다. 1A and 1B show the operating principle of a conventional GMR element.

GMR 소자는 가변 강자성층(Free magnetic layer;1), 도전 저항체(2) 및 고정 강자성층(Fixed magnetic layer;3)으로 형성된다. The GMR element is formed of a variable ferromagnetic layer (1), a conductive resistor (2), and a fixed ferromagnetic layer (3).

GMR 소자는 고정 강자성층(3)의 자력선이 주변 물질을 통해 가변 강자성층(1)으로 전달될 때 중간 주변 물질마다 자화율이 달라진다는 현상을 이용하는 것으로서, 주변 물질에 따라 서로 다른 자기저항의 변화 값을 얻게 된다. 즉, 자속밀도 B=uH(여기서, u;자화율,H;자속)으로 표현되는데 자화율 u에 따라 각각 다른 자속밀도 B의 값을 얻을 수 있다. The GMR element uses a phenomenon that the magnetic susceptibility of each intermediate peripheral material is different when the magnetic lines of the fixed ferromagnetic layer 3 are transferred to the variable ferromagnetic layer 1 through the peripheral material. You get That is, the magnetic flux density B = uH (where u; susceptibility, H; magnetic flux) is expressed, and values of magnetic flux densities B different depending on the susceptibility u can be obtained.

여기서, 도 1a에서와 같이 고정 강자성층(3)과 가변 강자성층(1)의 사이에 큰 자화율 u을 갖는 주변물질이 존재하면 큰 저항의 변화가 나타난다. 따라서, 가변 강자성층(1)의 자속밀도 B는 큰 값을 갖게 된다. 반면에, 도 1b에서와 같이 고정 강자성층(3)과 가변 강자성층(1)의 사이에 작은 자화율 u을 갖는 주변물질이 존재하면 작은 저항의 변화가 나타난다. 따라서, 가변 강자성층(1)의 자속밀도 B는 작은 값을 갖게 된다. Here, as shown in FIG. 1A, when a peripheral material having a large susceptibility u exists between the fixed ferromagnetic layer 3 and the variable ferromagnetic layer 1, a large change in resistance appears. Therefore, the magnetic flux density B of the variable ferromagnetic layer 1 has a large value. On the other hand, if a peripheral material having a small susceptibility u exists between the fixed ferromagnetic layer 3 and the variable ferromagnetic layer 1 as shown in FIG. Therefore, the magnetic flux density B of the variable ferromagnetic layer 1 has a small value.

따라서, 고정 강자성층(3)과 가변 강자성층(1)의 사이에 구비된 주변물질의 자화율 u에 따라 각각 다른 자기 저항의 값을 얻을 수 있게 된다. Accordingly, different magnetoresistance values can be obtained according to the susceptibility u of the peripheral material provided between the fixed ferromagnetic layer 3 and the variable ferromagnetic layer 1.

한편, 생활 여건의 향상으로 인하여 인간의 주변 환경이나 생명 연장에 관한 관심이 날로 증대되고 있다. 그리고, 인간의 생명을 위협하는 질병이 발생한 이후에 이를 치료하기보다는 예상되는 질병을 사전에 예방하고, 환경오염 문제 등을 사전에 방지하려는 노력이 커지고 있다. On the other hand, due to the improvement of living conditions, interest in human surroundings and life extension is increasing day by day. In addition, efforts are being made to prevent an expected disease in advance and to prevent environmental pollution in advance, rather than treating it after a life-threatening disease occurs.

이를 위해, 각종 질병, 공해 및 유해 물질의 원인 요소들을 사전에 감지하는 시스템이 필요하게 되었다. 이러한 추세에 맞추어 바이오 센서 등은 기존의 여타 물리, 화학 센서들과 함께 주변 물질의 분석 방법에서 더 큰 비중을 차지하게 되었다. To this end, a system for detecting the causes of various diseases, pollution and harmful substances in advance is required. In line with this trend, biosensors, along with other physical and chemical sensors, have become a bigger part of the analysis of surrounding materials.

이러한 주변 물질 감지 시스템을 이용하여 사람의 질병을 검진하기 위해서 혈액 속의 성분을 분석하는 센싱 방법, 혼합물 성분을 분석하는 센싱 방법 또는 피부 인식을 위한 센싱 방법이 주로 이용된다. In order to detect human diseases using such a peripheral material detection system, a sensing method for analyzing a component in blood, a sensing method for analyzing a mixture component, or a sensing method for skin recognition is mainly used.

하지만, 상술된 센싱 방법들은 주로 물리적 또는 화학적인 성분 분석 방법에 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 테스트를 위하여 많은 장비 및 비용이 필요할 뿐만 아니라, 테스트를 위한 시간이 오래 걸리게 되어 단시간 안에 다양한 주변 물질의 성분을 분석할 수 없게 되는 문제점이 있다. However, the above-described sensing methods are mainly dependent on physical or chemical component analysis methods. Therefore, not only a lot of equipment and costs are required for the test, but also a long time for the test, there is a problem that it is not possible to analyze the components of various peripheral materials in a short time.

따라서, 단시간에 다양한 주변물질의 성분을 분석하기 위하여 상술된 거대 자기저항 센서를 이용하여 주변 물질의 성분을 정량적으로 분석하는 방법의 필요성이 점점 커지게 되었다. Therefore, the need for a method of quantitatively analyzing the components of the surrounding materials using the above-described giant magnetoresistive sensor in order to analyze the components of the various peripheral materials in a short time has increased.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 각각 다른 특성을 갖는 거대 자기 저항 센서를 복수개 이용하여, 주변 물질의 성분에 따라 다르게 나타나는 자기저항 값을 전기적 성분으로 분리하여 정량적으로 분석할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. The present invention was created to solve the above problems, by using a plurality of giant magnetoresistive sensors each having a different characteristic, it is possible to quantitatively analyze the magnetoresistance values differently depending on the components of the surrounding materials separated into electrical components. The purpose is to make it possible.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 거대 자기저항 센서는, 가변 강자성층과, 가변 강자성층의 하부에 형성되어 연장된 길이를 갖는 도전 저항체, 및 도전 저항체의 하부에 형성된 고정 강자성층을 구비하는 GMR 소자; 가변 강자성층의 상부에 형성되어 가변 강자성층과의 자기 결합에 따라 자기장을 형성하는 자성물질; 도전 저항체의 일측 상부에 형성되어 서로 다른 센스 워드라인 전압이 인가되는 센스 워드라인; 도전 저항체의 다른 일측 하부에 형성되고, GMR 소자에서 센싱된 전류를 출력하는 스위칭 소자; 및 스위칭 소자로부터 인가되는 전류를 센싱하기 위한 센스 비트라인을 구비하여, 자기장에 형성된 주변 물질 성분의 각각의 분극 특성에 따라 다른 자기저항 값을 갖게 되어, 스위칭 소자를 통해 센스 비트라인으로 출력되는 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 한다. 그리고, 본 발명은 가변 강자성층과, 가변 강자성층의 하부에 형성되어 연장된 길이를 갖는 도전 저항체, 및 도전 저항체의 하부에 형성된 고정 강자성층을 구비하는 GMR 소자; 가변 강자성층의 상부에 형성되어 포싱 워드라인 전압이 인가되고, 가변 강자성층과의 자기 결합에 따라 자기장을 형성하는 포싱 워드라인; 도전 저항체의 일측 상부에 형성되어 서로 다른 센스 워드라인 전압이 인가되는 센스 워드라인; 도전 저항체의 다른 일측 하부에 형성되고, GMR 소자에서 센싱된 전류를 출력하는 스위칭 소자; 및 스위칭 소자로부터 인가되는 전류를 센싱하기 위한 센스 비트라인을 구비하여, 자기장에 형성된 주변 물질 성분의 각각의 분극 특성에 따라 다른 자기저항 값을 갖게 되어, 스위칭 소자를 통해 센스 비트라인으로 출력되는 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 서로 다른 센스 워드라인 전압이 인가되는 복수개의 센스 워드라인; 복수개의 센스 워드라인과 평행하게 배치되며, 복수개의 센스 워드라인과 교번적으로 배열되는 복수개의 워드라인; 복수개의 센스 워드라인 및 복수개의 워드라인과 수직으로 배치되는 복수개의 센스 비트라인; 복수개의 센스 워드라인, 복수개의 워드라인 및 복수개의 센스 비트라인 사이의 교차 영역에 연결되고, 자성물질과 GMR 소자의 자기결합에 의해 유도되는 자기장에 형성된 주변물질 성분의 각각의 분극 특성에 따라 각각 서로 다른 자기저항 값을 센싱하여 복수개의 센스 비트라인으로 출력하는 복수개의 거대 자기저항 센서; 복수개의 센스 워드라인에 서로 다른 바이어스 전압값을 갖는 센스 워드라인 전압을 인가하는 복수개의 센스 워드라인 구동부; 및 복수개의 센스 비트라인에 연결되어 복수개의 센스 비트라인에 인가된 센싱 전압을 증폭하는 복수개의 센스앰프를 구비함을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은, 서로 다른 센스 워드라인 전압이 인가되는 복수개의 센스 워드라인; 복수개의 센스 워드라인과 각각 평행하게 배치되어 포싱 워드라인 전압이 인가되는 복수개의 포싱 워드라인; 복수개의 센스 워드라인, 복수개의 포싱 워드라인과 교번적으로 배열되는 복수개의 워드라인; 복수개의 센스 워드라인, 복수개의 워드라인 및 복수개의 포싱 워드라인과 수직으로 배치되는 복수개의 센스 비트라인; 복수개의 센스 워드라인, 복수개의 워드라인, 복수개의 포싱 워드라인 및 복수개의 센스 비트라인 사이의 교차 영역에 연결되고, 포싱 워드라인과 GMR 소자의 자기결합에 의해 유도되는 자기장에 형성된 주변물질 성분의 각각의 분극 특성에 따라 각각 서로 다른 자기저항 값을 센싱하여 복수개의 센스 비트라인으로 출력하는 복수개의 거대 자기저항 센서; 복수개의 센스 워드라인에 서로 다른 바이어스 전압값을 갖는 센스 워드라인 전압을 인가하는 복수개의 센스 워드라인 구동부; 및 복수개의 센스 비트라인에 연결되어 복수개의 센스 비트라인에 인가된 센싱 전압을 증폭하는 복수개의 센스앰프를 구비함을 특징으로 한다. The giant magnetoresistive sensor of the present invention for achieving the above object comprises a variable ferromagnetic layer, a conductive resistor having an extended length formed under the variable ferromagnetic layer, and a fixed ferromagnetic layer formed under the conductive resistor GMR elements; A magnetic material formed on the variable ferromagnetic layer to form a magnetic field according to magnetic coupling with the variable ferromagnetic layer; A sense word line formed on one side of the conductive resistor and configured to receive different sense word line voltages; A switching element formed under the other side of the conductive resistor and outputting a current sensed by the GMR element; And a sense bit line for sensing a current applied from the switching element, wherein the sense bit line has a different magnetoresistance value according to each polarization characteristic of the peripheral material component formed in the magnetic field, thereby outputting the current to the sense bit line through the switching element. Is characterized by having different values. The present invention provides a GMR element comprising a variable ferromagnetic layer, a conductive resistor having an extended length formed under the variable ferromagnetic layer, and a fixed ferromagnetic layer formed under the conductive resistor; A forcing word line formed on the variable ferromagnetic layer to receive a forcing word line voltage and forming a magnetic field according to magnetic coupling with the variable ferromagnetic layer; A sense word line formed on one side of the conductive resistor and configured to receive different sense word line voltages; A switching element formed under the other side of the conductive resistor and outputting a current sensed by the GMR element; And a sense bit line for sensing a current applied from the switching element, wherein the sense bit line has a different magnetoresistance value according to each polarization characteristic of the peripheral material component formed in the magnetic field, thereby outputting the current to the sense bit line through the switching element. Is characterized by having different values. In addition, the present invention includes a plurality of sense word lines to which different sense word line voltages are applied; A plurality of word lines disposed in parallel with the plurality of sense word lines and alternately arranged with the plurality of sense word lines; A plurality of sense word lines and a plurality of sense bit lines disposed perpendicular to the plurality of word lines; Each polarization characteristic of a peripheral material component connected to a plurality of sense word lines, a plurality of word lines, and a plurality of sense bit lines and formed in a magnetic field induced by magnetic coupling of a magnetic material and a GMR element, respectively. A plurality of giant magnetoresistive sensors for sensing different magnetoresistance values and outputting them to a plurality of sense bit lines; A plurality of sense word line drivers for applying sense word line voltages having different bias voltage values to the plurality of sense word lines; And a plurality of sense amplifiers connected to the plurality of sense bit lines to amplify a sensing voltage applied to the plurality of sense bit lines. In addition, the present invention includes a plurality of sense word lines to which different sense word line voltages are applied; A plurality of forcing word lines disposed in parallel with the plurality of sense word lines and to which a forcing word line voltage is applied; A plurality of word lines alternately arranged with a plurality of sense word lines and a plurality of forcing word lines; A plurality of sense bit lines disposed perpendicular to the plurality of sense word lines, the plurality of word lines, and the plurality of forcing word lines; A peripheral component formed in a magnetic field connected to a cross region between the plurality of sense word lines, the plurality of word lines, the plurality of word lines, and the plurality of sense bit lines, and induced by magnetic coupling of the forcing word line and the GMR element. A plurality of giant magnetoresistive sensors for sensing different magnetoresistance values according to polarization characteristics and outputting them to a plurality of sense bit lines; A plurality of sense word line drivers for applying sense word line voltages having different bias voltage values to the plurality of sense word lines; And a plurality of sense amplifiers connected to the plurality of sense bit lines to amplify a sensing voltage applied to the plurality of sense bit lines.

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이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 개념도를 나타낸다. 2 is a conceptual diagram of a sensing cell array using a giant magnetoresistive sensor according to the present invention.

먼저, 복수개의 거대 자기저항 센서를 N개의 컬럼과 M개의 로오로 이루어진 센싱 셀 어레이에 배치하고, 센싱 셀 어레이로 이루어진 바이오 센서 칩을 패키지 혹은 웨이퍼 레벨에서 준비한다. First, a plurality of giant magnetoresistive sensors are placed in a sensing cell array consisting of N columns and M rows, and a biosensor chip consisting of the sensing cell array is prepared at the package or wafer level.

그리고, 주변 물질로 이루어진 성분 측정 데이타들을 각각의 거대 자기저항 센서에 노출시킨다. 이후에, 거대 자기저항 센서의 센싱 셀 어레이에서 각각의 성분 측정 데이타들을 측정하고, 혈액 성분 분석 수단을 이용하여 측정된 성분 데이타들을 전기적으로 분석하게 된다. Then, component measurement data composed of surrounding materials are exposed to each large magnetoresistive sensor. Thereafter, the respective component measurement data are measured in the sensing cell array of the giant magnetoresistive sensor, and the measured component data are electrically analyzed using the blood component analysis means.

여기서, 주변 물질로써는 혈액, 가스 또는 기타 용액이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 혈액 성분을 그 실시예로 설명하기로 한다. Here, blood, gas, or other solutions may be used as the peripheral material, and the blood components will be described in the embodiments of the present invention.

도 3a 내지 도 3c는 자성물질을 이용한 거대 자기저항 센서의 구성도를 나타낸다. 3A to 3C show a configuration of a giant magnetoresistive sensor using a magnetic material.

먼저, 도 3a는 자성물질을 이용한 거대 자기저항 센서의 단면도를 나타낸다. First, Figure 3a shows a cross-sectional view of a giant magnetoresistive sensor using a magnetic material.

본 발명은 하나의 스위칭 소자와, 하나의 GMR 소자(22), 센스 워드라인(23) 및 하나의 자성물질(Forcing magnetic material;18)을 구비한다. The present invention includes one switching element, one GMR element 22, a sense word line 23, and one forcing magnetic material 18.

여기서, GMR 소자(22)는 가변 강자성층(19), 도전 저항체(20) 및 고정 강자성층(21)을 구비한다. Here, the GMR element 22 includes a variable ferromagnetic layer 19, a conductive resistor 20, and a fixed ferromagnetic layer 21.

그리고, 스위칭 소자는 NMOS트랜지스터로 이루어지는데, NMOS트랜지스터의 한쪽 드레인 단자(10)는 콘택라인(13)을 통해 센스 비트라인(16)에 연결된다. NMOS트랜지스터의 게이트 단자(12)는 워드라인(15)과 연결되며, 소스 단자(11)는 콘택라인(14)을 통해 도전 저항체(20)의 일측과 연결된다. 도전 저항체(20)의 다른 일측 상부에는 센스 워드라인(23)이 형성된다. The switching element is composed of an NMOS transistor, and one drain terminal 10 of the NMOS transistor is connected to the sense bit line 16 through the contact line 13. The gate terminal 12 of the NMOS transistor is connected to the word line 15, and the source terminal 11 is connected to one side of the conductive resistor 20 through the contact line 14. The sense word line 23 is formed on the other side of the conductive resistor 20.

또한, 전체 소자들은 옥사이드 보호층(24)에 의해 절연되고, 센스 비트라인(16)의 하부에는 베리어 도전층(17)이 형성된다. In addition, the entire devices are insulated by the oxide protective layer 24, and the barrier conductive layer 17 is formed under the sense bit line 16.

도 3b는 자성물질을 이용한 거대 자기저항 센서의 평면도를 나타낸다. 3B is a plan view of a giant magnetoresistive sensor using a magnetic material.

센스 비트라인(16)의 상부에 GMR 소자(22)가 형성되고, GMR 소자(22)의 상부에 자성물질(18)이 형성된다. The GMR element 22 is formed on the sense bit line 16, and the magnetic material 18 is formed on the GMR element 22.

도 3c는 자성물질을 이용한 거대 자기저항 센서의 기본 단면 구성도를 나타낸다. Figure 3c shows a basic cross-sectional configuration of a giant magnetoresistive sensor using a magnetic material.

도 3c를 보면, GMR 소자(22)의 가변 강자성층(19)과 자성물질(18)이 자기 결합되어 자기장을 형성한다. 그리고, 전체 소자들은 옥사이드 보호층(24)에 의해 절연된다. 3C, the variable ferromagnetic layer 19 and the magnetic material 18 of the GMR element 22 are magnetically coupled to form a magnetic field. And the whole elements are insulated by the oxide protective layer 24.

따라서, 본 발명은 센스 워드라인(23)에 인가되는 전압의 변화에 의해 유도되는 자기장의 크기가 변화된다. Therefore, in the present invention, the magnitude of the magnetic field induced by the change of the voltage applied to the sense word line 23 is changed.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 거대 자기저항 센서는, 영구자석으로 이루어진 자성물질(18)에 의해, 가변 강자성층(19)과 자성물질(18)의 사이에 자기장이 유도된다. 따라서, 자기장에 형성된 자화 매질의 성분에 따라 서로 다르게 나타나는 자기 저항의 값을 측정한다. In the giant magnetoresistive sensor of the present invention having such a configuration, a magnetic field is induced between the variable ferromagnetic layer 19 and the magnetic material 18 by the magnetic material 18 made of permanent magnets. Therefore, the value of the magnetic resistance which is different from each other according to the components of the magnetization medium formed in the magnetic field is measured.

도 4a 및 도 4b는 거대 자기저항 센서의 주변 자화 매질에 따른 동작 특성을 나타낸다. 4A and 4B show operating characteristics according to the peripheral magnetization medium of the giant magnetoresistive sensor.

도 4a에서와 같이 거대 자기저항 센서의 주변 자화 매질이 공기일 경우, 공기의 자화율이 낮으므로 가변 강자성층(19)의 자화밀도도 작아 자기 저항이 작게 나타난다. 반면에, 도 4b에서와 같이 거대 자기저항 센서의 주변 자화 매질이 바이오 물질(혈액)일 경우, 혈액의 자화율이 공기보다 높으므로 가변 강자성층(19)의 자화밀도도 커져 자기 저항이 크게 나타난다. As shown in FIG. 4A, when the peripheral magnetization medium of the giant magnetoresistive sensor is air, the magnetization density of the variable ferromagnetic layer 19 is also small because the magnetization rate of air is low, resulting in small magnetoresistance. On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the surrounding magnetization medium of the giant magnetoresistance sensor is a biomaterial (blood), the magnetization density of the variable ferromagnetic layer 19 also increases due to the higher magnetization rate of blood than air, thereby increasing the magnetoresistance.

도 5a 및 도 5b는 자성물질을 이용한 거대 자기저항 센서의 센스 워드라인 S_WL 전압 변화에 따른 성분 분리를 나타낸다. 5A and 5B illustrate component separation according to a sense word line S_WL voltage change of a giant magnetoresistive sensor using a magnetic material.

먼저, 센스 워드라인(23)에 센싱 전압을 인가하면 혈액 성분의 분극 특성에 의해 도 5a에서와 같이 낮은 센스 워드라인(23) 전압에서부터 서서히 혈액 성분의 분리가 시작된다. 그리고, 도 5b에서와 같이 높은 센스 워드라인(23) 전압에서는 혈액 성분이 더욱 더 큰 스펙트럼으로 분리된다. First, when the sensing voltage is applied to the sense word line 23, the blood component is gradually separated from the low sense word line 23 voltage as shown in FIG. 5A due to the polarization characteristic of the blood component. And, as shown in Figure 5b at a high sense word line 23 voltage blood components are separated into even larger spectra.

따라서, 자성물질(18)과 가변 강자성층(18)의 자기 결합에 따라 형성된 자기장에서, 주변 자화 매질의 자화 밀도가 센스 워드라인(23)의 전압 값에 따라 달라지게 되어 자기저항 값이 다르게 센싱된다. 혈액 성분 분석 수단은 거대 자기저항 센서로부터 이러한 서로 다른 자기 저항 값을 측정하여 혈액 성분을 정량적으로 분석할 수 있게 된다. Therefore, in the magnetic field formed by the magnetic coupling of the magnetic material 18 and the variable ferromagnetic layer 18, the magnetization density of the peripheral magnetization medium is changed depending on the voltage value of the sense word line 23, so that the magnetic resistance value is sensed differently. do. Blood component analysis means can measure these different magnetoresistance values from a giant magnetoresistance sensor to quantitatively analyze blood components.

도 6a 및 도 6b는 포싱 워드라인을 이용한 거대 자기저항 센서의 구성도이다. 6A and 6B are schematic diagrams of a giant magnetoresistive sensor using a force word line.

본 발명은 하나의 스위칭 소자와, 하나의 GMR 소자(42), 센스 워드라인(43) 및 하나의 포싱 워드라인(Forcing wordline;38)을 구비한다. The present invention includes one switching element, one GMR element 42, a sense word line 43, and one forcing word line 38.

여기서, GMR 소자(42)는 가변 강자성층(39), 도전 저항체(40) 및 고정 강자성층(41)을 구비한다. Here, the GMR element 42 includes a variable ferromagnetic layer 39, a conductive resistor 40, and a fixed ferromagnetic layer 41.

그리고, 스위칭 소자는 NMOS트랜지스터로 이루어지는데, NMOS트랜지스터의 한쪽 드레인 단자(30)는 콘택라인(33)을 통해 센스 비트라인(36)에 연결된다. NMOS트랜지스터의 게이트 단자(32)는 워드라인(35)과 연결되며, 소스 단자(31)는 콘택라인(34)을 통해 도전 저항체(40)의 일측과 연결된다. 도전 저항체(40)의 다른 일측 상부에는 센스 워드라인(43)이 형성된다. The switching element is composed of an NMOS transistor, and one drain terminal 30 of the NMOS transistor is connected to the sense bit line 36 through a contact line 33. The gate terminal 32 of the NMOS transistor is connected to the word line 35, and the source terminal 31 is connected to one side of the conductive resistor 40 through the contact line 34. The sense word line 43 is formed on the other side of the conductive resistor 40.

또한, 전체 소자들은 옥사이드 보호층(44)에 의해 절연되고, 센스 비트라인(36)의 하부에는 베리어 도전층(37)이 형성된다. In addition, the entire devices are insulated by the oxide protective layer 44, and a barrier conductive layer 37 is formed under the sense bit line 36.

도 6b는 포싱 워드라인을 이용한 거대 자기저항 센서의 기본 단면 구성도를 나타낸다. 6B shows a basic cross-sectional view of a giant magnetoresistive sensor using a forcing word line.

도 6b를 보면, GMR 소자(42)의 가변 강자성층(39)과 포싱 워드라인(38)이 자기 결합되어 포싱 워드라인(38) 주변에 자기장을 형성한다. 그리고, 전체 소자들은 옥사이드 보호층(44)에 의해 절연된다. Referring to FIG. 6B, the variable ferromagnetic layer 39 of the GMR element 42 and the forcing word line 38 are magnetically coupled to form a magnetic field around the forcing word line 38. The entire devices are insulated by the oxide protective layer 44.

따라서, 본 발명은 포싱 워드라인(38)에 인가되는 전류의 세기에 의해 포싱 워드라인(38) 둘레에 유도되는 자기장의 크기가 변화된다. Accordingly, in the present invention, the magnitude of the magnetic field induced around the forcing word line 38 is changed by the strength of the current applied to the forcing word line 38.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 거대 자기저항 센서는, 전류 소스로 이루어진 포싱 워드라인(38)과 가변 강자성층(39)의 자기결합에 따라 포싱 워드라인(38)의 주변에 자기장이 유도된다. 따라서, 자기장에 형성된 자화 매질의 성분에 따라 서로 다르게 나타나는 자기 저항의 값을 측정한다. In the large magnetoresistive sensor of the present invention having such a configuration, a magnetic field is induced around the forcing word line 38 according to the magnetic coupling of the forcing word line 38 made of the current source and the variable ferromagnetic layer 39. Therefore, the value of the magnetic resistance which is different from each other according to the components of the magnetization medium formed in the magnetic field is measured.

도 7a 및 도 7b는 포싱 워드라인을 이용한 거대 자기저항 센서의 주변 자화 매질에 따른 동작 특성을 나타낸다. 7A and 7B illustrate operation characteristics of a peripheral magnetization medium of a giant magnetoresistive sensor using a force word line.

도 7a에서와 같이 거대 자기저항 센서의 주변 자화 매질이 공기일 경우, 공기의 자화율이 낮으므로 가변 강자성층(39)의 자화밀도도 작아 자기 저항이 작게 나타난다. 반면에, 도 7b에서와 같이 거대 자기저항 센서의 주변 자화 매질이 바이오 물질(혈액)일 경우, 혈액의 자화율이 공기보다 높으므로 가변 강자성층(39)의 자화밀도도 커져 자기 저항이 크게 나타난다. As shown in FIG. 7A, when the peripheral magnetization medium of the giant magnetoresistive sensor is air, the magnetization density of the variable ferromagnetic layer 39 is also small because the magnetization rate of the air is low. On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the peripheral magnetization medium of the giant magnetoresistive sensor is a biomaterial (blood), the magnetization density of the variable ferromagnetic layer 39 also increases due to the higher magnetization rate of the blood than air, thereby increasing the magnetoresistance.

도 8a 및 도 8b는 포싱 워드라인을 이용한 거대 자기저항 센서의 포싱 워드라인 F_WL 전압 변화에 따른 성분 분리를 나타낸다. 8A and 8B illustrate component separation according to a varying force word line F_WL voltage of a giant magnetoresistive sensor using a force word line.

먼저, 포싱 워드라인(38)에 센싱 전압을 인가하면 혈액 성분의 분극 특성에 의해 도 8a에서와 같이 낮은 포싱 워드라인(38) 전압에서부터 서서히 혈액 성분의 분리가 시작된다. 그리고, 도 8b에서와 같이 높은 포싱 워드라인(38) 전압에서는 혈액 성분이 더욱 더 큰 스펙트럼으로 분리된다. First, when a sensing voltage is applied to the forcing word line 38, the blood component is gradually separated from the low forcing word line 38 voltage as shown in FIG. 8A due to the polarization characteristic of the blood component. At high forcing wordline 38 voltages, as in FIG. 8B, blood components are separated into even larger spectra.

따라서, 두 센싱 전극인 포싱 워드라인(38)과 가변 강자성층(39)의 자기결합에 의해 형성된 자기장에서, 주변 자화 매질의 자화 밀도가 포싱 워드라인(38)의 전압 값에 따라 달라지게 되어 자기저항 값이 다르게 센싱된다. 혈액 성분 분석 수단은 거대 자기저항 센서로부터 이러한 서로 다른 자기 저항 값을 측정하여 혈액 성분을 정량적으로 분석할 수 있게 된다. Therefore, in the magnetic field formed by the magnetic coupling of the two sensing electrodes, the forcing word line 38 and the variable ferromagnetic layer 39, the magnetization density of the peripheral magnetization medium varies depending on the voltage value of the forcing word line 38. The resistance value is sensed differently. Blood component analysis means can measure these different magnetoresistance values from a giant magnetoresistance sensor to quantitatively analyze blood components.

한편, 도 9는 자성물질을 이용한 거대 자기저항 센서의 센싱 셀 어레이를 나타낸다. 9 illustrates a sensing cell array of a giant magnetoresistive sensor using a magnetic material.

거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이는 로오 방향으로 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m과 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m이 평행하게 배치된다. 그리고, 컬럼 방향으로는 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m 및 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m과 수직으로 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn이 배치된다. In the sensing cell array using the giant magnetoresistive sensor, a plurality of word lines WL_1 to WL_m and a plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m are arranged in parallel in the row direction. The plurality of sense bit lines S_BL1 to S_BLn are disposed perpendicularly to the plurality of word lines WL_1 to WL_m and the plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m in the column direction.

또한, 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m은 이와 일대일 대응하는 복수개의 센스 워드라인 S_WL 구동부(60)를 구비한다. 복수개의 센스 워드라인 S_WL 구동부(60)는 이와 대응되는 복수개의 센스 워드라인 S_WL에 서로 다른 바이어스 전압을 인가한다. In addition, the plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m include a plurality of sense word lines S_WL driver 60 corresponding to one-to-one. The plurality of sense word lines S_WL drivers 60 apply different bias voltages to the plurality of sense word lines S_WL corresponding thereto.

서로 교차되는 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m과 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m 및 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn 사이에는 복수개의 거대 자기저항 센서(50)가 구비된다. A plurality of giant magnetoresistive sensors 50 are provided between the plurality of word lines WL_1 to WL_m, the sense word lines S_WL_1 to S_WL_m, and the plurality of sense bit lines S_BL1 to S_BLn that cross each other.

하나의 자기저항 센서(50)는 하나의 스위칭 소자 T와 하나의 GMR 소자(22) 및 하나의 자성물질(18)을 구비한다. One magnetoresistive sensor 50 includes one switching element T, one GMR element 22 and one magnetic material 18.

스위칭 소자 T의 드레인 단자는 센스 비트라인 S_BL과 연결되고, 소스 단자는 GMR 소자(22)의 일단과 연결되며, 게이트 단자는 워드라인 WL과 연결된다. 그리고, GMR 소자(22)의 다른 일단은 센스 워드라인 S_WL과 연결된다. 또한, GMR 소자(22)는 자성물질(18)과의 자기 결합에 의해 자기장 M을 형성한다. The drain terminal of the switching element T is connected with the sense bit line S_BL, the source terminal is connected with one end of the GMR element 22, and the gate terminal is connected with the word line WL. The other end of the GMR element 22 is connected to the sense word line S_WL. In addition, the GMR element 22 forms a magnetic field M by magnetic coupling with the magnetic material 18.

또한, 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn은 이와 일대일 대응되는 복수개의 센스앰프 SA1~SAn와 연결된다. 복수개의 센스 앰프 SA1~SAn는 센스앰프 인에이블 신호 SEN의 인가시, 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn의 출력신호와 기준전압 REF 값을 비교 및 증폭하여 센스앰프 출력신호 SA_OUT를 출력한다. In addition, the plurality of sense bit lines S_BL1 to S_BLn are connected to the plurality of sense amplifiers SA1 to SAn corresponding one-to-one. The plurality of sense amplifiers SA1 to SAn output the sense amplifier output signal SA_OUT by comparing and amplifying the output signals of the sense bit lines S_BL1 to S_BLn and the reference voltage REF value when the sense amplifier enable signal SEN is applied.

여기서, 각각의 기준전압 REF은 컬럼들이 서로 다른 레벨의 기준전압 REF에 의해 그 특성이 분리 평가될 수 있도록 하기 위하여 서로 다른 값을 갖는다. Here, each reference voltage REF has a different value so that the characteristics of the columns can be separately evaluated by reference voltages REF of different levels.

즉, 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 각각의 컬럼들은 서로 다른 레벨의 기준전압 REF에 의해 혈액 성분의 특성이 다양하게 분리 및 분석되도록 한다. That is, each column of the sensing cell array using the giant magnetoresistive sensor allows the characteristics of blood components to be variously separated and analyzed by different reference voltages REF.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 센싱 셀 어레이는, 센스 워드라인 S_WL을 통해 GMR 소자(22)에 서로 다른 바이어스 전압이 인가되면 자성물질(18)과의 자기 결합에 의해 자기장이 유도된다. GMR 소자(22)는 주변물질의 자화율에 따라 서로 다른 자기저항의 값을 센싱하고 이에 따라 서로 다른 전류를 출력한다. 스위칭 소자 T는 게이트에 워드라인 WL 전압이 인가되면 턴온되어 GMR 소자(22)를 통해 센싱된 서로 다른 전류를 센스 비트라인 S_BL으로 출력한다. In the sensing cell array of the present invention having such a configuration, when different bias voltages are applied to the GMR element 22 through the sense word line S_WL, a magnetic field is induced by magnetic coupling with the magnetic material 18. The GMR element 22 senses values of different magnetoresistances according to the susceptibility of the surrounding material and accordingly outputs different currents. When the word line WL voltage is applied to the gate, the switching element T is turned on to output different currents sensed through the GMR element 22 to the sense bit line S_BL.

센스앰프 SA는 센스앰프 인에이블 신호 SEN에 따라 센스 비트라인 S_BL으로부터 인가되는 출력신호와 기준전압 REF를 비교 및 증폭하여 센스앰프 출력신호 SA_OUT를 출력한다. The sense amplifier SA outputs the sense amplifier output signal SA_OUT by comparing and amplifying the output signal applied from the sense bit line S_BL and the reference voltage REF according to the sense amplifier enable signal SEN.

따라서, 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 전체적인 각 로오와 각 컬럼들은 각각 다른 성분의 특성을 얻게 된다. Therefore, each row and each column of the sensing cell array using the giant magnetoresistive sensor have different characteristics.

한편, 도 10은 포싱 워드라인을 이용한 거대 자기저항 센서의 센싱 셀 어레이를 나타낸다. 10 illustrates a sensing cell array of a giant magnetoresistive sensor using a forcing word line.

거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이는 로오 방향으로 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m과 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m 및 복수개의 포싱 워드라인 F_WL_1~F_WL_m이 평행하게 배치된다. 그리고, 컬럼 방향으로는 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m과, 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m 및 복수개의 포싱 워드라인 F_WL_1~F_WL_m과 수직으로 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn이 배치된다. In the sensing cell array using the giant magnetoresistive sensor, a plurality of word lines WL_1 to WL_m, a plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m, and a plurality of forcing word lines F_WL_1 to F_WL_m are arranged in a row direction. A plurality of word lines WL_1 to WL_m, a plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m, and a plurality of forcing word lines F_WL_1 to F_WL_m are arranged in the column direction, and a plurality of sense bit lines S_BL1 to S_BLn are disposed.

또한, 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m은 이와 일대일 대응하는 복수개의 센스 워드라인 S_WL 구동부(80)를 구비한다. 복수개의 센스 워드라인 S_WL 구동부(80)는 이와 대응되는 복수개의 센스 워드라인 S_WL에 서로 다른 바이어스 전압을 인가한다. In addition, the plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m include a plurality of sense word lines S_WL drivers 80 corresponding to one-to-one. The plurality of sense word lines S_WL drivers 80 apply different bias voltages to the plurality of sense word lines S_WL corresponding thereto.

서로 교차되는 복수개의 워드라인 WL_1~WL_m과 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m과 복수개의 포싱 워드라인 F_WL_1~F_WL_m 및 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn 사이에는 복수개의 거대 자기저항 센서(70)가 구비된다. A plurality of giant magnetoresistive sensors 70 are provided between the plurality of word lines WL_1 to WL_m, the plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m, the plurality of forcing word lines F_WL_1 to F_WL_m, and the plurality of sense bit lines S_BL1 to S_BLn. do.

하나의 거대 자기저항 센서(70)는 하나의 스위칭 소자 T와 하나의 GMR 소자(42) 및 하나의 포싱 워드라인(38)을 구비한다. One giant magnetoresistive sensor 70 has one switching element T, one GMR element 42 and one forcing word line 38.

스위칭 소자 T의 드레인 단자는 센스 비트라인 S_BL과 연결되고, 소스 단자는 GMR 소자(42)의 일단과 연결되며, 게이트 단자는 워드라인 WL과 연결된다. 그리고, GMR 소자(42)의 다른 일단은 센스 워드라인 S_WL과 연결된다. 또한, GMR 소자(42)는 포싱 워드라인(38)과의 자기 결합에 의해 자기장 M을 형성한다. The drain terminal of the switching element T is connected with the sense bit line S_BL, the source terminal is connected with one end of the GMR element 42, and the gate terminal is connected with the word line WL. The other end of the GMR element 42 is connected to the sense word line S_WL. The GMR element 42 also forms a magnetic field M by magnetic coupling with the forcing word line 38.

여기서, 포싱 워드라인(38)은 자기장을 유도하기 위하여 포싱 워드라인 전압을 제공하는 포싱 워드라인 F_WL 구동부(90) 및 포싱 워드라인(38)의 전류를 제어하기 위한 포싱 워드라인 F_WL 제어부(100)와 연결된다. Here, the forcing word line 38 is a forcing word line F_WL driver 90 which provides a forcing word line voltage to induce a magnetic field, and a forcing word line F_WL controller 100 for controlling current of the forcing word line 38. Connected with

포싱 워드라인(38)의 주변에 자기장을 형성하기 위하여 센스 비트라인 S_BL 전류의 크기를 변화시키고 포싱 워드라인 F_WL 전류의 크기를 고정시키는 방법이나, 센스 비트라인 S_BL 전류의 크기를 고정시키고 포싱 워드라인 F_WL 전류의 크기를 변화시키는 방법을 이용한다. A method of changing the magnitude of the sense bit line S_BL current and fixing the magnitude of the forcing word line F_WL current to form a magnetic field around the forcing word line 38, or fixing the magnitude of the sense bit line S_BL current and the forcing word line A method of changing the magnitude of the F_WL current is used.

이러한 구성을 갖는 본 발명은, 센스 워드라인 S_WL을 통해 GMR 소자(42)에 서로 다른 바이어스 전압이 인가되고, 포싱 워드라인(38)을 통해 포싱 워드라인 전압이 인가되면 자기 결합에 의해 자기장이 유도된다. GMR 소자(42)는 주변물질의 자화율에 따라 서로 다른 자기저항의 값을 센싱하고 이에 따라 서로 다른 전류를 출력한다. 스위칭 소자 T는 게이트에 워드라인 WL 전압이 인가되면 턴온되어 GMR 소자(42)를 통해 센싱된 서로 다른 전류를 센스 비트라인 S_BL으로 출력한다. According to the present invention having such a configuration, when a different bias voltage is applied to the GMR element 42 through the sense word line S_WL, and a forcing word line voltage is applied through the forcing word line 38, the magnetic field is induced by magnetic coupling. do. The GMR element 42 senses different values of magnetoresistance according to the susceptibility of the surrounding material and accordingly outputs different currents. When the word line WL voltage is applied to the gate, the switching element T is turned on to output different currents sensed through the GMR element 42 to the sense bit line S_BL.

한편, 도 11은 자성물질을 이용한 센싱 셀 어레이의 레이아웃 구성도를 나타낸다. 11 is a layout diagram of a sensing cell array using magnetic materials.

센스 비트라인 S_BL과 센스 워드라인 S_WL이 서로 수직으로 교차하여 배치되고, GMR 소자(22)의 상부에 자성물질(18)이 형성된다. The sense bit line S_BL and the sense word line S_WL vertically intersect each other, and the magnetic material 18 is formed on the GMR element 22.

또한, 도 12는 포싱 워드라인을 이용한 센싱 셀 어레이의 레이아웃 구성도를 나타낸다. 12 illustrates a layout diagram of a sensing cell array using a forcing word line.

센스 비트라인 S_BL과 센스 워드라인 S_WL 및 포싱 워드라인 F_WL이 서로 수직으로 교차하여 배치된다. GMR 소자(42)의 상부에는 포싱 워드라인 F_WL이 센스 워드라인 S_WL과 평행하게 배치된다. The sense bit line S_BL, the sense word line S_WL, and the forcing word line F_WL vertically cross each other. The forcing word line F_WL is disposed in parallel with the sense word line S_WL on the GMR element 42.

도 13은 자성물질을 이용한 센싱 셀 어레이의 센싱 출력 값에 따라 얻어지는 성분 분석표를 나타낸다. 13 illustrates a component analysis table obtained according to a sensing output value of a sensing cell array using magnetic materials.

여기서, 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m은 센스 워드라인 S_WL의 바이어스 전압에 의해 각각의 성분이 분리된다. 그리고, 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn은 서로 다른 복수개의 기준전압 REF에 의해 각각의 성분이 분리된다. Here, each of the plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m is separated by a bias voltage of the sense word line S_WL. Each component of the sense bit lines S_BL1 to S_BLn is separated by a plurality of different reference voltages REF.

따라서, 전체 거대 자기저항 센서의 센싱 셀 어레이는 주변 물질의 각각 다른 특성을 분리하여 분석할 수 있게 된다. Therefore, the sensing cell array of the entire large magnetoresistive sensor can separate and analyze different characteristics of surrounding materials.

도 14는 포싱 워드라인을 이용한 센싱 셀 어레이의 센싱 출력 값에 따라 얻어지는 성분 분석표를 나타낸다. 14 illustrates a component analysis table obtained according to a sensing output value of a sensing cell array using a forcing word line.

여기서, 복수개의 센스 워드라인 S_WL_1~S_WL_m은 센스 워드라인 S_WL의 바이어스 전압에 의해 각각의 성분이 분리된다. 또는, 복수개의 포싱 워드라인 F_WL_1~F_WL_m은 포싱 워드라인 F_WL 구동부(90)에 의해 조정된 포싱 워드라인 F_WL 전압에 의해 각각의 성분이 분리된다. 그리고, 복수개의 센스 비트라인 S_BL1~S_BLn은 서로 다른 복수개의 기준전압 REF에 의해 각각의 성분이 분리된다. Here, each of the plurality of sense word lines S_WL_1 to S_WL_m is separated by a bias voltage of the sense word line S_WL. Alternatively, components of the plurality of forcing word lines F_WL_1 to F_WL_m are separated by the forcing word line F_WL voltage adjusted by the forcing word line F_WL driver 90. Each component of the sense bit lines S_BL1 to S_BLn is separated by a plurality of different reference voltages REF.

도 15는 자성물질을 이용한 거대 자기저항 센서의 센싱 셀 어레이에서 리드 동작시 동작 타이밍도이다. 15 is a timing diagram of an operation during a read operation in a sensing cell array of a giant magnetoresistive sensor using magnetic material.

먼저, t1 구간의 진입시 워드라인 WL, 센스 워드라인 S_WL, 센스 비트라인 S_BL 및 기준전압 REF이 활성화된다. 따라서, GMR 센서(22)로부터 센싱된 서로 다른 자기 저항의 값은 센스 비트라인 S_BL을 통해 각각 센스앰프 SA에 출력된다. First, when entering the t1 period, the word line WL, the sense word line S_WL, the sense bit line S_BL, and the reference voltage REF are activated. Accordingly, different magnetic resistance values sensed by the GMR sensor 22 are respectively output to the sense amplifier SA through the sense bit line S_BL.

이후에, t2 구간의 진입시 센스앰프 인에이블 신호 SEN가 활성화되면 센스앰프 SA에서 센싱된 서로 다른 자기 저항 값을 각각 증폭하여 센스앰프 출력신호 SA_OUT가 출력된다. Subsequently, when the sense amplifier enable signal SEN is activated when the t2 period is entered, the sense amplifier output signal SA_OUT is output by amplifying different magnetoresistive values sensed by the sense amplifier SA.

따라서, 혈액 성분 분석 수단은 센싱 셀 어레이로부터 출력된 각각의 센스앰프 출력신호 SA_OUT를 분석하여 주변 물질의 성분을 분석할 수 있게 된다. Therefore, the blood component analyzing means can analyze the components of the peripheral material by analyzing each sense amplifier output signal SA_OUT output from the sensing cell array.

다음에, t2 구간 이후에 t3 구간에 진입하면, 워드라인 WL, 센스 워드라인 S_WL, 센스 비트라인 S_BL 및 기준전압 REF가 비활성화 되고, 센스 앰프 인에이블 신호 SEN가 디스에이블되어 동작을 멈추게 된다. Next, when entering the t3 section after the t2 section, the word line WL, the sense word line S_WL, the sense bit line S_BL, and the reference voltage REF are deactivated, and the sense amplifier enable signal SEN is disabled to stop the operation.

도 16은 포싱 워드라인을 이용한 거대 자기저항 센서의 센싱 셀 어레이에서 리드 동작시 동작 타이밍도이다. 16 is a timing diagram of an operation during a read operation in a sensing cell array of a giant magnetoresistive sensor using a forcing word line.

먼저, t1 구간의 진입시 워드라인 WL, 포싱 워드라인 F_WL, 센스 워드라인 S_WL, 센스 비트라인 S_BL 및 기준전압 REF이 활성화된다. 따라서, GMR 센서(42)로부터 센싱된 서로 다른 자기 저항의 값은 센스 비트라인 S_BL을 통해 각각 센스앰프 SA에 출력된다. First, the word line WL, the forcing word line F_WL, the sense word line S_WL, the sense bit line S_BL, and the reference voltage REF are activated when the t1 period enters. Accordingly, different magnetic resistance values sensed by the GMR sensor 42 are output to the sense amplifiers SA through the sense bit line S_BL, respectively.

다음에, t2 구간 이후에 t3 구간에 진입하면, 워드라인 WL, 포싱 워드라인 F_WL, 센스 워드라인 S_WL, 센스 비트라인 S_BL 및 기준전압 REF가 비활성화 되고, 센스 앰프 인에이블 신호 SEN가 디스에이블되어 동작을 멈추게 된다. Next, after entering the period t3 after the period t2, the word line WL, the forcing word line F_WL, the sense word line S_WL, the sense bit line S_BL, and the reference voltage REF are deactivated, and the sense amplifier enable signal SEN is disabled to operate. Will stop.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 센싱 셀 어레이를 통해 전기적인 특성을 이용하여 주변물질의 성분을 분석할 수 있다. 따라서, 빠른 시간 안에 주변 물질의 다양한 성분을 동시에 분석할 수 있도록 한다. 즉, 바이오 센서, 혼합물 성분 분석 센서, 피부 인식 센서에 적용되어 다양한 주변 물질의 성분을 나노 세컨드의 시간 레벨에서 분석할 수 있게 된다.As described above, the present invention can analyze the components of the peripheral material using the electrical characteristics through the sensing cell array. Therefore, it is possible to simultaneously analyze various components of the surrounding material in a short time. In other words, it is applied to a bio sensor, a mixture component analysis sensor, and a skin recognition sensor to analyze components of various peripheral materials at a nanosecond time level.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 GMR 소자의 동작 원리는 나타낸 도면. 1A and 1B show the principle of operation of a typical GMR element.

도 2는 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서 및 이를 이용한 센싱 셀 어레이의 개념도. 2 is a conceptual diagram of a giant magnetoresistive sensor and a sensing cell array using the same according to the present invention.

도 3a 내지 도 3c는 자성물질을 이용한 본 발명의 거대 자기저항 센서의 구성도. 3a to 3c is a block diagram of a large magnetoresistive sensor of the present invention using a magnetic material.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서의 동작 특성을 나타낸 도면. 4a and 4b are views showing the operating characteristics of the giant magnetoresistive sensor according to the present invention.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서의 센스 워드라인 전압 변화에 따른 성분 분리를 나타낸 도면. 5A and 5B are diagrams illustrating component separation according to changes in sense word line voltage of a giant magnetoresistive sensor according to the present invention.

도 6a 및 도 6b는 포싱 워드라인을 이용한 본 발명의 거대 자기저항 센서의 구성도. 6A and 6B are schematic diagrams of a large magnetoresistive sensor of the present invention using a forcing word line.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서의 동작 특성을 나타낸 도면. 7a and 7b are views showing the operating characteristics of the giant magnetoresistive sensor according to the present invention.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서의 포싱 워드라인 전압 변화에 따른 성분 분리를 나타낸 도면. 8A and 8B illustrate component separation according to varying forcing word line voltages of a giant magnetoresistive sensor according to the present invention.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 실시예들을 나타낸 도면. 9 and 10 illustrate embodiments of a sensing cell array using a giant magnetoresistive sensor according to the present invention.

도 11은 자성물질을 이용한 본 발명의 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 레이아웃도. 11 is a layout diagram of a sensing cell array using a giant magnetoresistive sensor of the present invention using a magnetic material.

도 12는 포싱 워드라인을 이용한 본 발명의 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 레이아웃도. 12 is a layout diagram of a sensing cell array using a giant magnetoresistive sensor of the present invention using a forcing word line.

도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 성분 분석표. 13 and 14 are components analysis table of the sensing cell array using a giant magnetoresistive sensor according to the present invention.

도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이의 리드시 동작 타이밍도. 15 and 16 are timing diagrams of operation of a sensing cell array using a giant magnetoresistive sensor according to the present invention;

Claims

가변 강자성층과, 상기 가변 강자성층의 하부에 형성되어 연장된 길이를 갖는 도전 저항체, 및 상기 도전 저항체의 하부에 형성된 고정 강자성층을 구비하는 GMR 소자;A GMR element having a variable ferromagnetic layer, a conductive resistor having an extended length formed under the variable ferromagnetic layer, and a fixed ferromagnetic layer formed under the conductive resistor;

상기 가변 강자성층의 상부에 형성되어 상기 가변 강자성층과의 자기 결합에 따라 자기장을 형성하는 자성물질; A magnetic material formed on the variable ferromagnetic layer to form a magnetic field according to magnetic coupling with the variable ferromagnetic layer;

상기 도전 저항체의 일측 상부에 형성되어 서로 다른 센스 워드라인 전압이 인가되는 센스 워드라인; A sense word line formed on one side of the conductive resistor and configured to receive different sense word line voltages;

상기 도전 저항체의 다른 일측 하부에 형성되고, 상기 GMR 소자에서 센싱된 전류를 출력하는 스위칭 소자; 및 A switching element formed under the other side of the conductive resistor and outputting a current sensed by the GMR element; And

상기 스위칭 소자로부터 인가되는 전류를 센싱하기 위한 센스 비트라인을 구비하여, A sense bit line for sensing a current applied from the switching element,

상기 자기장에 형성된 주변 물질 성분의 각각의 분극 특성에 따라 다른 자기저항 값을 갖게 되어, 상기 스위칭 소자를 통해 상기 센스 비트라인으로 출력되는 상기 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서. A giant magnetoresistive sensor having a different magnetoresistance value according to the polarization characteristic of each component of the surrounding material formed in the magnetic field, so that the current output to the sense bit line through the switching element has a different value. .

제 1 항에 있어서, The method of claim 1,

상기 센스 비트라인의 하부에 형성된 베리어 도전층을 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서. And a barrier conductive layer formed under the sense bit line.

제 1 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 The method of claim 1, wherein the switching device

상기 센스 비트라인과 연결된 드레인 단자;A drain terminal connected to the sense bit line;

상기 도전 저항체의 다른 일측 하부와 연결된 소스 단자; 및 A source terminal connected to the lower side of the other side of the conductive resistor; And

워드라인과 연결된 게이트 단자를 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서. A giant magnetoresistive sensor comprising a gate terminal connected to a word line.

제 1 항에 있어서,The method of claim 1,

상기 GMR 소자, 상기 센스 워드라인, 상기 스위칭 소자 및 상기 자성물질의 상부에 형성되어 소자들을 절연시키는 옥사이드 보호층을 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서. And a oxide protective layer formed on the GMR element, the sense word line, the switching element, and the magnetic material to insulate the elements.

상기 가변 강자성층의 상부에 형성되어 포싱 워드라인 전압이 인가되고, 상기 가변 강자성층과의 자기 결합에 따라 자기장을 형성하는 포싱 워드라인; A forcing word line formed on the variable ferromagnetic layer to apply a forcing word line voltage to form a magnetic field according to magnetic coupling with the variable ferromagnetic layer;

제 5 항에 있어서, The method of claim 5,

제 5 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 The method of claim 5, wherein the switching device

제 5 항에 있어서,The method of claim 5,

상기 GMR 소자, 상기 센스 워드라인, 상기 스위칭 소자 및 상기 포싱 워드라인의 상부에 형성되어 소자들을 절연시키는 옥사이드 보호층을 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서. And an oxide protective layer formed over the GMR element, the sense word line, the switching element, and the forcing word line to insulate the elements.

서로 다른 센스 워드라인 전압이 인가되는 복수개의 센스 워드라인;A plurality of sense word lines to which different sense word line voltages are applied;

상기 복수개의 센스 워드라인과 평행하게 배치되며, 상기 복수개의 센스 워드라인과 교번적으로 배열되는 복수개의 워드라인;A plurality of word lines disposed in parallel with the plurality of sense word lines and alternately arranged with the plurality of sense word lines;

상기 복수개의 센스 워드라인 및 상기 복수개의 워드라인과 수직으로 배치되는 복수개의 센스 비트라인; A plurality of sense word lines disposed perpendicular to the plurality of sense word lines and the plurality of word lines;

상기 복수개의 센스 워드라인, 상기 복수개의 워드라인 및 상기 복수개의 센스 비트라인 사이의 교차 영역에 연결되고, 자성물질과 GMR 소자의 자기결합에 의해 유도되는 자기장에 형성된 주변물질 성분의 각각의 분극 특성에 따라 각각 서로 다른 자기저항 값을 센싱하여 상기 복수개의 센스 비트라인으로 출력하는 복수개의 거대 자기저항 센서; A polarization characteristic of each component of a peripheral material connected to the intersection between the plurality of sense word lines, the plurality of word lines and the plurality of sense bit lines, and formed in a magnetic field induced by magnetic coupling of a magnetic material and a GMR element A plurality of giant magnetoresistive sensors for sensing different magnetoresistance values according to the plurality of sensing values and outputting them to the plurality of sense bit lines;

상기 복수개의 센스 워드라인에 서로 다른 바이어스 전압값을 갖는 상기 센스 워드라인 전압을 인가하는 복수개의 센스 워드라인 구동부; 및 A plurality of sense word line drivers for applying the sense word line voltages having different bias voltage values to the plurality of sense word lines; And

상기 복수개의 센스 비트라인에 연결되어 상기 복수개의 센스 비트라인에 인가된 센싱 전압을 증폭하는 복수개의 센스앰프를 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And a plurality of sense amplifiers connected to the plurality of sense bit lines to amplify a sensing voltage applied to the plurality of sense bit lines.

제 9 항에 있어서, 상기 복수개의 거대 자기저항 센서는 The method of claim 9, wherein the plurality of giant magnetoresistance sensor

동일한 센스 비트라인과 연결된 복수개의 거대 자기저항 센서들을 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And a plurality of giant magnetoresistive sensors connected to the same sense bit line.

제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 복수개의 거대 자기저항 센서는 The method of claim 9 or 10, wherein the plurality of giant magnetoresistance sensor

센스 비트라인과 드레인 단자가 연결되고, 게이트 단자가 워드라인과 연결된 스위칭 소자; 및 A switching element connected to the sense bit line and the drain terminal and having a gate terminal connected to a word line; And

상기 스위칭 소자의 소스 단자와 일단이 연결되고 센스 워드라인과 다른 일단이 연결된 제 1GMR 소자; 및 A first GMR element having one end connected to a source terminal of the switching element and another end connected to a sense word line; And

상기 제 1GMR 소자와의 자기 결합에 따라 자기장을 형성하는 제 1자성물질을 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And a first magnetic material forming a magnetic field according to magnetic coupling with the first GMR element.

가변 강자성층과, 상기 가변 강자성층의 하부에 형성되어 연장된 길이를 갖는 도전 저항체, 및 상기 도전 저항체의 하부에 형성된 고정 강자성층을 구비하는 제 2GMR 소자;A second GMR element having a variable ferromagnetic layer, a conductive resistor having an extended length formed under the variable ferromagnetic layer, and a fixed ferromagnetic layer formed under the conductive resistor;

상기 가변 강자성층의 상부에 형성되어 상기 가변 강자성층과의 자기 결합에 따라 자기장을 형성하는 제 2자성물질; A second magnetic material formed on the variable ferromagnetic layer to form a magnetic field according to magnetic coupling with the variable ferromagnetic layer;

상기 도전 저항체의 일측 상부에 형성되어 상기 서로 다른 센스 워드라인 전압이 인가되는 센스 워드라인;A sense word line formed on one side of the conductive resistor and configured to receive the different sense word line voltages;

상기 도전 저항체의 다른 일측 하부에 형성되고, 상기 제 2GMR 소자에서 센싱된 전류를 출력하는 제 1스위칭 트랜지스터; 및 A first switching transistor formed under the other side of the conductive resistor and outputting a current sensed by the second GMR element; And

상기 자기장에 형성된 주변 물질 성분의 각각의 분극 특성에 따라 다른 자기저항 값을 갖게 되어, 상기 제 1스위칭 트랜지스터를 통해 상기 센스 비트라인으로 출력되는 상기 전류가 서로 다른 값을 갖게 됨을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. A giant magnetism having different magnetoresistance values according to polarization characteristics of peripheral material components formed in the magnetic field, wherein the current outputted to the sense bit line through the first switching transistor has different values. Sensing cell array using resistance sensor.

제 12 항에 있어서, The method of claim 12,

상기 센스 비트라인의 하부에 형성된 베리어 도전층을 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And a barrier conductive layer formed under the sense bit line.

제 12 항에 있어서, 상기 제 1스위칭 트랜지스터는 The method of claim 12, wherein the first switching transistor is

워드라인과 연결된 게이트 단자를 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. A sensing cell array using a giant magnetoresistive sensor, characterized in that it has a gate terminal connected to a word line.

제 12 항에 있어서,The method of claim 12,

상기 제 2GMR 소자, 상기 센스 워드라인, 상기 제 1스위칭 트랜지스터 및 상기 제 2자성물질의 상부에 형성되어 소자들을 절연시키는 옥사이드 보호층을 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And an oxide protective layer formed on the second GMR element, the sense word line, the first switching transistor, and the second magnetic material to insulate the elements. .

제 9 항에 있어서, 상기 복수개의 센스 앰프는 The method of claim 9, wherein the plurality of sense amplifiers

센스앰프 인에이블 신호의 인에이블시 상기 복수개의 센스 비트라인으로부터 인가되는 출력신호와 복수개의 서로 다른 기준전압을 비교 및 증폭하여 서로 다른 복수개의 센스 앰프 출력신호를 출력함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. When the sense amplifier enable signal is enabled, a large magnetoresistance outputs a plurality of different sense amplifier output signals by comparing and amplifying an output signal applied from the plurality of sense bit lines and a plurality of different reference voltages. Sensing cell array using sensors.

제 9 항에 있어서,The method of claim 9,

상기 복수개의 센스앰프로부터 출력되는 복수개의 센스앰프 출력신호를 분석하여 각각 상이한 성분을 갖는 주변 물질의 성분을 분석하는 성분 분석 수단을 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And a component analyzing means for analyzing a plurality of sense amplifier output signals outputted from the plurality of sense amplifiers to analyze components of a peripheral material having different components, respectively.

상기 복수개의 센스 워드라인과 각각 평행하게 배치되어 포싱 워드라인 전압이 인가되는 복수개의 포싱 워드라인;A plurality of forcing word lines disposed in parallel with the plurality of sense word lines and to which a forcing word line voltage is applied;

상기 복수개의 센스 워드라인, 상기 복수개의 포싱 워드라인과 교번적으로 배열되는 복수개의 워드라인;A plurality of word lines alternately arranged with the plurality of sense word lines and the plurality of forcing word lines;

상기 복수개의 센스 워드라인, 상기 복수개의 워드라인 및 상기 복수개의 포싱 워드라인과 수직으로 배치되는 복수개의 센스 비트라인; A plurality of sense bit lines disposed perpendicular to the plurality of sense word lines, the plurality of word lines, and the plurality of forcing word lines;

상기 복수개의 센스 워드라인, 상기 복수개의 워드라인, 상기 복수개의 포싱 워드라인 및 상기 복수개의 센스 비트라인 사이의 교차 영역에 연결되고, 포싱 워드라인과 GMR 소자의 자기결합에 의해 유도되는 자기장에 형성된 주변물질 성분의 각각의 분극 특성에 따라 각각 서로 다른 자기저항 값을 센싱하여 상기 복수개의 센스 비트라인으로 출력하는 복수개의 거대 자기저항 센서; A magnetic field connected to an intersection region between the plurality of sense word lines, the plurality of word lines, the plurality of word lines, and the plurality of sense bit lines, and formed in a magnetic field induced by magnetic coupling of the forcing word line and the GMR element. A plurality of giant magnetoresistive sensors sensing different magnetoresistance values according to polarization characteristics of peripheral components and outputting them to the plurality of sense bit lines;

제 18 항에 있어서, 상기 복수개의 거대 자기저항 센서는 The method of claim 18, wherein the plurality of giant magnetoresistive sensors

제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 복수개의 거대 자기저항 센서는 The method of claim 18 or 19, wherein the plurality of giant magnetoresistance sensor

상기 제 1GMR 소자와의 자기 결합에 따라 자기장을 형성하는 제 1포싱 워드라인을 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And a first forcing word line for forming a magnetic field in response to magnetic coupling with the first GMR element.

상기 가변 강자성층의 상부에 형성되어 상기 가변 강자성층과의 자기 결합에 따라 자기장을 형성하는 제 2포싱 워드라인; A second forcing word line formed on the variable ferromagnetic layer to form a magnetic field according to magnetic coupling with the variable ferromagnetic layer;

상기 제 1스위칭 트랜지스터로부터 인가되는 전류를 센싱하기 위한 센스 비트라인을 구비하여, And a sense bit line for sensing a current applied from the first switching transistor,

제 21 항에 있어서, The method of claim 21,

제 21 항에 있어서, 상기 제 1스위칭 트랜지스터는 The method of claim 21, wherein the first switching transistor is

제 21 항에 있어서,The method of claim 21,

상기 제 2GMR 소자, 상기 센스 워드라인, 상기 제 1스위칭 트랜지스터 및 상기 제 2포싱 워드라인의 상부에 형성되어 소자들을 절연시키는 옥사이드 보호층을 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And a oxide protection layer formed over the second GMR element, the sense word line, the first switching transistor, and the second forcing word line to insulate the elements. Array.

제 18 항에 있어서, The method of claim 18,

상기 포싱 워드라인에 상기 서로 다른 포싱 워드라인 전압을 제공하는 복수개의 포싱 워드라인 구동부; 및 A plurality of forcing word line drivers to provide the different forcing word line voltages to the forcing word line; And

상기 포싱 워드라인에 제공되는 전류를 제어하기 위한 복수개의 포싱 워드라인 제어부를 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이. And a plurality of force word line controllers for controlling current provided to the force word line.

제 18 항에 있어서, 상기 복수개의 센스 앰프는 19. The method of claim 18, wherein the plurality of sense amplifiers

제 18 항에 있어서,The method of claim 18,

상기 복수개의 센스앰프로부터 출력되는 복수개의 센스앰프 출력신호를 분석하여 각각 상이한 성분을 갖는 주변 물질의 성분을 분석하는 성분 분석 수단을 더 구비함을 특징으로 하는 거대 자기저항 센서를 이용한 센싱 셀 어레이.And a component analyzing means for analyzing a plurality of sense amplifier output signals outputted from the plurality of sense amplifiers to analyze components of a peripheral material having different components, respectively.