차세대 비 휘발성 메모리 STT-MRAM을 위한 감지 증폭기에 대한 연구

Abstract

최근 Spin Transfer Torque Magneto-resistive Random Access Memory (이하 STT-MRAM)은 차세대 유니버설 메모리로써 부각되고 있다. 유니버설 메모리는 비 휘발성과 무한한 write cycle 특징으로 가져야 한다. 이러한 메모리는 빠른 동작 속도와 전원이 꺼지더라도 정보를 기억하기 때문에 디지털 기기의 대폭적인 성능향상을 가져오길 기대하고 있다. 그러나 기존의 DRAM, SRAM 및 Flash Memory의 개발은 태생적 한계로 인해 큰 기대를 하기 어려운 실정이다. 그러나 스핀토크를 이용한 자성기반의 메모리인 STT-MRAM은 높은 집적도 빠른 속도 그리고 비 휘발성과 높은 Retention Time의 장점을 갖고 있어 기존 메모리를 대체할 강력한 차세대 메모리로 최근 빠르게 연구가 진행되고 있다. STT-MRAM은 터널링 자기 저항성 (Tunneling Magneto Resistance: TMR) 소자 또는 자이언트 자기 저항성 소자와 같은 자기 저항성 소자에 기초한다. 전형적인 TMR 소자는 고정층(pinned layer)과 자유층(free layer)이 샌드위치되어 있는 절연 터널 장벽층으로 구성되어 있다. 고정층은 외부 자계에 의해 변화하지 않는 자화 방향성을 갖고, 자유층은 외부 자계에 의해 평행 또는 반 평행으로 회전할 수 있는 자화 방향성을 갖고 있는데 이로써 고정층과 자유층의 자화 방향에 따라 자기 저항이 나타나게 된다. 고정층과 자유층의 자화 방향이 평행일 때 나타나는 자기 저항을 RP(Paralleled Resistance)라 하고 반 평행일 때 나타나는 자기 저항을 RAP(Anti-paralleled Resistance)라 하며 RP < RAP인 값을 갖는다. 즉, STT-MRAM은 자화 방향에 따른 자기 저항특성을 이용하여 데이터 “1”과 “0”의 값을 저장하는 비휘발성 메모리이다. 이때 터널링 자기 저항의 비율 (Tunnel Magneto-resistive Ratio : TMR)이 메모리 소자로서 데이터를 구분하기 위한 중요한 요소가 되는데, 최근 MgO barrier를 이용하여 이론적으로 500%이상의 높은 비를(MR = (RAP-RP)/RP * 100) 갖는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction)에 대한 연구결과가 발표되고 있지만 물질이 갖고 있는 자기이방성 상수(ku)값이 낮아 집적화가 어려운 문제를 갖고 있어 현재까지 실제 상용화 가능한 TMR은 약 100% 내외로 알려져 있다. 따라서 100%의 MR을 가지는 MRAM Cell에 대해 빠르고 안정하게 감지하기 위해서는 낮은 전류와 전압차이를 감지 할 수 있는 고속의 고감도 감지 증폭기가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 고감도를 위해 감지 증폭기를 구성하는 MOS 트랜지스터의 오프셋 노이즈에 따른 오동작을 방지하고 센싱 마진을 확보하기 위해 감지 증폭기의 출력 노드의 임피던스를 낮추어 오프셋 노이즈의 영향을 줄이는 새로운 센싱 알고리즘 및 속도 개선을 위한 정귀환 전류 싱크(Positive Feedback Current Sink)회로 등 차세대 메모리 STT-MRAM의 감지 증폭기에 대해 연구하였다.