STT-MRAM에서 읽기/쓰기 성능 향상을 위한 감지 증폭기와 쓰기 회로 설계

Abstract

높은 집적도, 낮은 누설 전류, 높은 내구성, scaling, 그리고 embedded의 장점으로 차세대 비휘발성 메모리로써 주목받고 있는 STT-MRAM (Spin Torque Transfer Magnetic Random Access Memory)에 적합한 읽기 / 쓰기 회로를 설계할 때 발생가능한 문제점에 대하여 인지하고 해결하는 것이 본 학위 논문의 목적이다. 이를 위하여 향상된 온도 계수를 가지는 기준 전류/전압 발생기, 읽기 마진을 향상시킨 감지 증폭기, 그리고 천이 감지기를 이용하여 쓰기 오류를 감소시킨 쓰기 방법을 제안하였다. STT-MRAM은 소자 특성상 읽기 동작과 쓰기 동작은 MTJ (Magnetic Tunneling Junction) 소자에 흐르는 전류의 크기와 방향에 따라 결정된다. 읽기 동작 시 decision failure를 방지하기 위하여 높은 감지 마진을 필요로 하며 disturbance failure를 방지하기 위해서 가능한 낮은 read 전류를 사용하여 읽기 동작을 수행하여야 한다. 쓰기 동작 시에는 critical current density 이상의 전류량이 필요하지만 barrier 물질인 얇은 MgO 막의 breakdown을 일으키지 않는 크기여야 한다. 따라서 안정적인 전류 또는 전압은 STT-MRAM의 올바른 동작을 위하여 반드시 필요한 요소이다. 제안하는 향상된 온도 계수를 가지는 기준 전류/전압 발생기는 기존의 저전압 베타-곱셈기 기준 전류 회로의 장점을 계승하고 온도 변화에 따른 전류 특성을 개선하였다. 간단한 보상 전류 회로를 추가하여 1차 보상을 하였으며 기존 대비 7~48% 향상된 온도 계수를 가짐을 확인하였다. STT-MRAM의 소자는 현재 다양한 그룹에서 활발하게 연구가 진행되고 있는 소자이다. 그 소자 특성은 연구 그룹별로 각양각색이다. 공통적으로 100% 내외의 TMR (Tunneling Magneto Resistance) 비를 목표로 하고 있다. 기존의 메모리 대비 작은 정보를 가지고 데이터를 판독해야 하기 때문에 높은 읽기 마진을 가지는 감지 증폭기가 요구된다. 본 논문에서는 감지 증폭기의 오프셋 (offset)을 제거 하여 향상된 읽기 마진을 가지는 감지 증폭기와 저장된 정보에 반비례하는 기준 레벨을 이용하는 동적기준 감지 증폭기를 제안하였다. 특히 동적 기준 감지 증폭기의 경우 kickback noise를 구조적으로 방지할 수 있고 2kΩ의 저항 차이에서 일반적인 정귀환 차동 감지 증폭기에 비해 7배 향상된 비교기 입력 전압 차이를 보였다. STT-MTJ를 모의실험에서 사용하기 위하여 macro model을 살펴보았다. STT-MTJ의 중요한 스위칭 특성중 하나는 인가된 쓰기 펄스의 길이에 따라 스위칭 전류가 변화하는 점이다. 쓰기 동작 시, 적절한 길이를 가지는 쓰기 펄스에서 critical current 이하의 전류로 쓰기 동작을 수행하여 MgO 베리어의 항복(breakdown)을 방지하고, 천이 감지기를 통하여 쓰기 동작의 성공여부를 확인하여 쓰기 오류를 감소시킬 수 있는 쓰기 회로를 제안하였다.