KR100543264B1 - Bit line sense amplifier - Google Patents
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Abstract
비트 라인 감지 증폭기가 개시된다. 상기 비트 라인 감지 증폭기는 비트라인의 전압을 수신하는 제1입력단, 상보 비트라인의 전압을 수신하는 제2입력단, 제1출력단과 제2출력단을 갖는 차동 증폭기; 전원전압과 상기 제1출력단에 접속되고 상기 제2출력단에 접속되는 게이트를 갖는 제1PMOS 트랜지스터; 및 상기 전원전압과 상기 제2출력단에 접속되고 상기 제1출력단에 접속되는 게이트를 갖는 제2PMOS 트랜지스터를 구비한다.A bit line sense amplifier is disclosed. The bit line sense amplifier includes: a differential amplifier having a first input terminal for receiving a voltage of a bit line, a second input terminal for receiving a voltage of a complementary bit line, and a first output terminal and a second output terminal; A first PMOS transistor having a power supply voltage and a gate connected to the first output terminal and connected to the second output terminal; And a second PMOS transistor having a gate connected to the power supply voltage and the second output terminal and connected to the first output terminal.
비트 라인 감지 증폭기Bit line sense amplifier
Description
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.The detailed description of each drawing is provided in order to provide a thorough understanding of the drawings cited in the detailed description of the invention.
도 1은 일반적인 비트라인 감지증폭기를 구비하는 반도체 장치의 회로도를 나타낸다.1 is a circuit diagram of a semiconductor device having a general bit line sense amplifier.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 장치의 동작 타이밍도를 나타낸다. FIG. 2 illustrates an operation timing diagram of the semiconductor device shown in FIG. 1.
도 3은 본 발명에 따른 비트라인 감지증폭기를 구비하는 반도체 장치의 회로도를 나타낸다.3 is a circuit diagram of a semiconductor device having a bit line sense amplifier according to the present invention.
도 4는 도 3에 도시된 반도체 장치의 동작 타이밍도를 나타낸다. 4 illustrates an operation timing diagram of the semiconductor device illustrated in FIG. 3.
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비트라인 감지 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a bit line sense amplifier.
MRAM(magnetro-resistive RAM)은 현재 연구 및 개발이 진행중인 비휘발성 메모리로서, 빠른 응답속도, 높은 집적도, 적은 전력소모 등의 특징을 가지고 있다.MRAM (magnetro-resistive RAM) is a non-volatile memory that is currently being researched and developed. It has fast response speed, high integration, and low power consumption.
MRAM에 사용되는 소자로서 PSV(Pseudo Spin Valve), 거대 자기 저항(Giant Magneto-Resistance; GMR), SV(Spin Valve)등 여러 가지 소자들이 개발되었지만, 현재는 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ)을 이용하여 많은 연구가 이루어지고 있다.As devices used in MRAM, various devices such as PSV (Pseudo Spin Valve), Giant Magneto-Resistance (GMR), and Spin Valve (SV) have been developed, but now magnetic tunnel junction (MTJ) Much research has been done using.
MRAM은 DRAM과 달리 MTJ의 자화 방향에 따라 나타나는 저항값(magnetro-resistance)이 다르므로, 이를 이용하여 데이터를 저장하고 읽을 수 있다. DRAM의 경우 비트라인 감지증폭기가 정상적으로 동작할 수 있는 전압차이, 즉 비트 라인쌍사이의 전압차이는 100-200mV정도로 알려져 있지만, MRAM의 경우 비트라인 감지증폭기가 정상적으로 동작할 수 있는 전압차이는 약 50-100mV 정도이다. Unlike DRAM, MRAM has a different magnetro-resistance depending on the magnetization direction of MTJ. Thus, MRAM can store and read data. In the case of DRAM, the voltage difference in which the bit line sense amplifier can operate normally, that is, the voltage difference between the bit line pairs is known to be about 100-200 mV. In the case of MRAM, the voltage difference in which the bit line sense amplifier can operate normally is about 50. It is about -100mV.
따라서 MRAM을 메모리 셀로 사용하는 경우의 비트라인 감지증폭기의 입력단들로 들어오는 전압차이는 DRAM을 메모리 셀로 사용하는 경우의 감지증폭기의 입력단들로 들어오는 전압차이보다 더 작다. 그러므로 비트라인 감지증폭기는 작은 전압차이를 빠른 시간에 증폭할 수 있는 능력을 가져야 한다. Therefore, the voltage difference coming into the input terminals of the bit line sense amplifier when the MRAM is used as the memory cell is smaller than the voltage difference entering the input terminals of the sense amplifier when the DRAM is used as the memory cell. Therefore, the bitline sense amplifiers must have the ability to amplify small voltage differences quickly.
지금까지 알려진 MRAM 구조로는 두 개의 메모리 셀을을 이용하여 서로 다른 정보를 저장하고, 하나의 메모리 셀을 레퍼런스(Reference)로 이용하는 이중 셀(Twin- Cell; 2T-2MTJ) 구조와 레퍼런스 발생기(Reference Generator)를 따로 두는 1T-1MTJ 구조 등이 있다. 이중 셀(Twin Cell)구조는 차지하는 면적이 큰 반면, 두 개의 MTJ가 항상 반대의 값을 저장하고 있기 때문에, 비트라인쌍사이의 전압차이가 다른 구조보다 큰 이점이 있다.The MRAM structure known so far uses two memory cells to store different information, and a double-cell structure using a single memory cell as a reference and a reference generator (Reference) 1T-1MTJ structure that separates generator). While the twin cell structure occupies a large area, since two MTJs always store opposite values, there is an advantage in that the voltage difference between the pairs of bit lines is greater than that of other structures.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 이중 셀 구조를 MRAM들에 저장된 데이터를 감지 증폭할 수 있는 비트 라인 감지 증폭기를 제공하는 것이다.Accordingly, a technical problem of the present invention is to provide a bit line sense amplifier capable of sensing and amplifying data stored in MRAMs in a dual cell structure.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 비트 라인 감지 증폭기는 비트라인의 전압을 수신하는 제1입력단, 상보 비트라인의 전압을 수신하는 제2입력단, 제1출력단과 제2출력단을 구비하는 차동 증폭기; 전원전압과 상기 제1출력단에 접속되고 상기 제2출력단의 전압에 따라 스위칭되는 제1스위칭회로; 및 상기 전원전압과 상기 제2출력단에 접속되고 상기 제1출력단의 전압에 따라 스위칭되는 제2스위칭회로를 구비한다.A bit line sense amplifier for achieving the technical problem is a differential amplifier having a first input terminal for receiving the voltage of the bit line, a second input terminal for receiving the voltage of the complementary bit line, the first output terminal and the second output terminal; A first switching circuit connected to a power supply voltage and the first output terminal and switched according to the voltage of the second output terminal; And a second switching circuit connected to the power supply voltage and the second output terminal and switched according to the voltage of the first output terminal.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 비트 라인 감지 증폭기는 비트라인의 전압을 수신하는 제1입력단, 상보 비트라인의 전압을 수신하는 제2입력단, 제1출력단과 제2출력단을 갖는 차동 증폭기; 전원전압과 상기 제1출력단에 접속되고 상기 제2출력단에 접속되는 게이트를 갖는 제1PMOS 트랜지스터; 및 상기 전원전압과 상기 제2출력단에 접속되고 상기 제1출력단에 접속되는 게이트를 갖는 제2PMOS 트랜지스터를 구비한다.A bit line sense amplifier for achieving the technical problem comprises a differential amplifier having a first input terminal for receiving the voltage of the bit line, a second input terminal for receiving the voltage of the complementary bit line, the first output terminal and the second output terminal; A first PMOS transistor having a power supply voltage and a gate connected to the first output terminal and connected to the second output terminal; And a second PMOS transistor having a gate connected to the power supply voltage and the second output terminal and connected to the first output terminal.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 비트 라인 감지 증폭기는 상기 비트 라인 감지 증폭기의 제1출력단과 공통노드사이에 접속되고 제1전압을 수신하는 게이트를 갖는 제1NMOS트랜지스터; 상기 비트 라인 감지 증폭기의 제2출력단과 상기 공통노드사이에 접속되고 제2전압을 수신하는 게이트를 갖는 제2NMOS트랜지스터; 상기 공통노드와 접지전압사이에 접속되고 인에이블 신호를 수신하는 게이트를 갖는 제3NMOS 트랜지스터; 전원전압과 상기 제1출력단에 접속되고 상기 제2출력단에 접 속되는 게이트를 갖는 제1PMOS 트랜지스터; 및 상기 전원전압과 상기 제2출력단에 접속되고 상기 제1출력단에 접속되는 게이트를 갖는 제2PMOS 트랜지스터를 구비한다.In accordance with an aspect of the present invention, a bit line sense amplifier includes: a first NMOS transistor connected between a first output terminal of the bit line sense amplifier and a common node and having a gate configured to receive a first voltage; A second NMOS transistor having a gate connected between a second output terminal of the bit line sense amplifier and the common node and receiving a second voltage; A third NMOS transistor having a gate connected between the common node and a ground voltage and having an enable signal; A first PMOS transistor having a power supply voltage and a gate connected to the first output terminal and connected to the second output terminal; And a second PMOS transistor having a gate connected to the power supply voltage and the second output terminal and connected to the first output terminal.
상기 비트 라인 감지 증폭기는 상기 제1출력단과 상기 제2출력단사이에 접속되고 상기 인에이블 신호를 수신하는 게이트를 갖는 제3PMOS 트랜지스터를 더 구비한다. The bit line sense amplifier further includes a third PMOS transistor connected between the first output terminal and the second output terminal and having a gate for receiving the enable signal.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
도 1은 일반적인 비트라인 감지증폭기를 구비하는 반도체 장치의 회로도를 나타낸다. 1 is a circuit diagram of a semiconductor device having a general bit line sense amplifier.
도 1을 참조하면 반도체 장치(100)는 메모리 블락(110) 및 비트 라인 감지 증폭기(130)를 구비한다. 메모리 블락(110)은 다수개의 메모리 셀들(111-1. 111-2, 111-3 및 111-4) 및 접속 트랜지스터들(bs1과 bs2)을 구비한다. 다수개의 메모리 셀들(111-1. 111-2, 111-3 및 111-4)각각은 하나의 트랜지스터와 하나의 MTJ 소자를 구비한다. 그러나 다수개의 메모리 셀들(111-1. 111-2, 111-3 및 111-4)은 DRAM으로 구현될 수도 있다. Referring to FIG. 1, the
여기서 두 개의 메모리 셀들(111-1과 111-2, 111-3과 111-4)은 이중 셀(2T-2MTJ)이다. 따라서 비트라인(BL)상의 데이터가 논리 하이(또는 로우)인 경우 상보 비트라인(BLB)상의 데이터는 논리 로우(또는 논리 하이)를 나타낼 수 있다. The two memory cells 111-1 and 111-2, 111-3, and 111-4 are double cells 2T-2MTJ. Therefore, when the data on the bit line BL is logic high (or low), the data on the complementary bit line BLB may represent a logic low (or logic high).
비트 라인 감지 증폭기(130)는 트랜지스터들(M6 내지 M8)로 구성되는 차동 증폭기 및 다수개의 트랜지스터들(M1, M2, M4, 및 M5)로 구성되는 래치로 구성된다.The bit
블락 선택신호(SL_SEL)가 활성화되면, 비트라인(BL)과 상보비트라인(BLB)상의 데이터는 각 트랜지스터(bs1과 bs2)를 통하여 차동 증폭기로 입력되고, 상기 차동 증폭기는 비트라인(BL)과 상보비트라인(BLB)의 전압차이를 증폭하고, 증폭된 전압차이는 래치에 의하여 유지되고 출력된다.When the block select signal SL_SEL is activated, data on the bit line BL and the complementary bit line BLB are input to the differential amplifier through the transistors bs1 and bs2, and the differential amplifier is connected to the bit line BL. The voltage difference of the complementary bit line BLB is amplified, and the amplified voltage difference is held and output by the latch.
각 트랜지스터(M3과 M8)는 비트 라인 감지 증폭기(130)의 동작을 제어한다. 인에이블 신호(SA_EN)가 논리 하이(HIGH)로 되면, 트랜지스터(M8)는 온(on)되고 트랜지스터(M3)는 오프(off)된다. 따라서 비트 라인 감지 증폭기(130)는 정상적으로 동작한다. Each transistor M3 and M8 controls the operation of the bit
그러나, 인에이블 신호(SA_EN)가 논리 로우(LOW)로 되면, 트랜지스터(M3)는 온(on)되므로, 출력단들(Out와 Outb)의 전압은 서로 같게된다. However, when the enable signal SA_EN is logic low, the transistor M3 is turned on, so that the voltages at the output terminals Out and Outb are equal to each other.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 장치의 동작 타이밍도를 나타낸다. 도 2는 Hspice를 이용하여 반도체 장치(100)의 동작을 시뮬레이션(Simulation)한 결과를 나타낸다. 비트라인(BL)과 상보 비트라인(BLB)사이에 소정의 전압차이가 발생되면, 인에이블 신호(SA_EN)는 논리 하이(high)로 되므로, 비트라인 감지증폭기(130)는 상기 전압차이를 증폭하고 증폭된 결과를 래치한다. FIG. 2 illustrates an operation timing diagram of the semiconductor device shown in FIG. 1. 2 illustrates a result of simulating the operation of the
도 3은 본 발명에 따른 비트라인 감지증폭기를 구비하는 반도체 장치의 회로도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 반도체 장치(300)는 메모리 블락(110) 및 비트 라인 감지 증폭기(310)를 구비한다. 3 is a circuit diagram of a semiconductor device having a bit line sense amplifier according to the present invention. Referring to FIG. 3, the
메모리 블락(110)의 구조 및 기능은 도 1에 도시된 메모리 블락(110)의 구조 및 기능과 동일하다.The structure and function of the
비트 라인 감지 증폭기(310)는 차동 증폭기(311), 제1스위칭회로(M11) 및 제2스위칭 회로(M12)를 구비한다. The bit
차동 증폭기(311)는 제1출력단(OUT)과 공통노드(CM)사이에 접속되는 NMOS 트랜지스터(M14), 제2출력단(OUTb)과 노드(CM)사이에 접속되는 NMOS 트랜지스터(M15) 및 공통노드(CM)와 접지전압(VSS)사이에 접속되는 NMOS 트랜지스터(M16)를 구비한다.The
비트라인(BL)의 전압은 NMOS 트랜지스터(M14)의 게이트로 입력되고 상보 비트라인(BLB)의 전압은 NMOS 트랜지스터(M15)의 게이트로 입력된다. 비트라인(BL)의 전압은 메모리 셀(111-1, 또는 111-3)의 MTJ에 의하여 결정되고, 상보 비트라인 (BLB)의 전압은 메모리 셀(111-2, 또는 111-4)의 MTJ에 의하여 결정된다. The voltage of the bit line BL is input to the gate of the NMOS transistor M14 and the voltage of the complementary bit line BLB is input to the gate of the NMOS transistor M15. The voltage of the bit line BL is determined by the MTJ of the memory cells 111-1 or 111-3, and the voltage of the complementary bit line BLB is the MTJ of the memory cells 111-2 or 111-4. Is determined by.
차동 증폭기(311)는 비트라인(BL)의 전압과 상보 비트라인(BLB)의 전압차이를 감지하고 증폭하고, 그 증폭 결과를 제1출력단(OUT)과 제2출력단(OUTb)으로 출력한다.The
제1스위칭회로(M11)는 전원전압(VDD)과 제1출력단(OUT)사이에 접속되고, 제2 출력단(OUTb)의 전압에 응답하여 상기 전원전압(VDD)을 제1출력단(OUT)으로 공급한다. 제1스위칭회로(M11)는 PMOS 트랜지스터로 구현되는 것이 바람직하다. PMOS 트랜지스터(M11)의 게이트는 제2출력단(OUTb)에 접속된다.The first switching circuit M11 is connected between the power supply voltage VDD and the first output terminal OUT, and transmits the power supply voltage VDD to the first output terminal OUT in response to the voltage of the second output terminal OUTb. Supply. The first switching circuit M11 is preferably implemented with a PMOS transistor. The gate of the PMOS transistor M11 is connected to the second output terminal OUTb.
제2스위칭회로(M12)는 전원전압(VDD)과 제2출력단(OUTb)사이에 접속되고, 제1출력단(OUT)의 전압에 응답하여 상기 전원전압(VDD)을 제2출력단(OUTb)으로 공급한다. 제2스위칭회로(M12)는 PMOS 트랜지스터로 구현되는 것이 바람직하다. PMOS 트랜지스터(M12)의 게이트는 제1출력단(OUT)에 접속된다. The second switching circuit M12 is connected between the power supply voltage VDD and the second output terminal OUTb, and transmits the power supply voltage VDD to the second output terminal OUTb in response to the voltage of the first output terminal OUT. Supply. The second switching circuit M12 is preferably implemented with a PMOS transistor. The gate of the PMOS transistor M12 is connected to the first output terminal OUT.
즉, 각 트랜지스터(M11과 M12)는 제1출력단(OUT)의 전압과 제2출력단(OUTb)의 전압차이를 증폭한다.That is, each of the transistors M11 and M12 amplifies the voltage difference between the voltage of the first output terminal OUT and the second output terminal OUTb.
비트 라인 감지 증폭기(310)는 제1출력단(OUT)과 제2출력단(OUTb)사이에 접속되는 등화 트랜지스터(M13)를 더 구비한다. 등화 트랜지스터(M13)는 비트 라인 감지 증폭기(310)의 동작 속도를 증가시키기 위하여 논리 로우를 갖는 인에이블 신호(SA_EN)에 응답하여 각 출력단(OUT와 OUTb)의 전압을 등화시킨다. The bit
도 4는 도 3에 도시된 반도체 장치의 동작 타이밍도를 나타낸다. 도 3 및 도 4를 참조하여 반도체 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.4 illustrates an operation timing diagram of the semiconductor device illustrated in FIG. 3. The operation of the semiconductor device will be described with reference to FIGS. 3 and 4 as follows.
인에이블 신호(SA_EN)가 논리 로우인 경우, 각 출력단(OUT와 OUTb)의 전압은 약 3.0V를 유지한다. When the enable signal SA_EN is logic low, the voltage at each output terminal OUT and OUTb is maintained at about 3.0V.
블락 선택신호(BL_SEL)가 논리 하이로 되고 인에이블 신호(SA_EN)가 논리 하이로 되는 경우, 비트 라인(BL)의 전압은 트랜지스터(bs1)를 통하여 트랜지스터 (M14)의 게이트로 입력되고 상보 비트라인(BLB)의 전압(VBLB)은 트랜지스터(bs2)를 통하여 트랜지스터(M15)의 게이트로 입력된다. 따라서 각 트랜지스터 (M14와 M15)는 턴-온 된다. When the block select signal BL_SEL goes logic high and the enable signal SA_EN goes logic high, the voltage of the bit line BL is input to the gate of the transistor M14 through the transistor bs1 and the complementary bit line. The voltage VBLB of the BLB is input to the gate of the transistor M15 through the transistor bs2. Thus, each transistor M14 and M15 is turned on.
비트라인(BL)의 전압(VBL)이 상보 비트라인(BLB)의 전압(VBLB)보다 높기 때문에, 제1출력단(OUT)의 전압(VOUT)이 제2출력단(OUTb)의 전압(VOUTb)보다 더 빨리 감소한다. 따라서 제1출력단(OUT)의 전압(VOUT)이 PMOS 트랜지스터(M12)의 문턱전압에 도달하면, PMOS 트랜지스터(M12)는 턴-온되므로, 제2출력단(OUTb)의 전압 (VOUTb)은 전원전압(VDD)레벨로 풀-업(pull-up)된다. 이때 PMOS 트랜지스터 (M11)는 제2출력단(OUTb)의 전압에 응답하여 오프 상태를 유지한다.Since the voltage VBL of the bit line BL is higher than the voltage VBLB of the complementary bit line BLB, the voltage VOUT of the first output terminal OUT is greater than the voltage VOUTb of the second output terminal OUTb. Decreases faster. Therefore, when the voltage VOUT of the first output terminal OUT reaches the threshold voltage of the PMOS transistor M12, the PMOS transistor M12 is turned on, so that the voltage VOUTb of the second output terminal OUTb is the power supply voltage. Pull-up to the (VDD) level. At this time, the PMOS transistor M11 maintains the off state in response to the voltage of the second output terminal OUTb.
도 2 및 도 4를 참조하면, 각 감지 증폭기(130과 310)의 동작 성능은 거의 동일한 것을 알 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 감지 증폭기(310)를 구현하기 위한 레이아웃(layout)면적은 종래의 감지 증폭기(130)를 구현한 레이아웃 면적보다 약 15%작다. 2 and 4, it can be seen that the operating performance of each of the
일반적으로 비트 라인 감지 증폭기는 비트 라인 쌍마다 설치해야 하므로, 반도체 메모리 장치에서 상기 비트 라인 감지 증폭기가 차지하는 전체 면적은 상당히 크다.In general, since the bit line sense amplifiers must be installed for each bit line pair, the total area occupied by the bit line sense amplifiers in the semiconductor memory device is quite large.
그러나 본 발명에 따른 비트 라인 감지 증폭기를 사용하는 경우, 종래의 비트 라인 감지 증폭기와 거의 동일한 동작속도를 보이면서 전체 비트 감지 증폭기들이 차지하는 면적을 감소시킬 수 있다.However, when the bit line sense amplifier according to the present invention is used, the area occupied by all the bit sense amplifiers can be reduced while exhibiting almost the same operation speed as the conventional bit line sense amplifier.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 비트라인 감지 증폭기의 레이아웃 면적이 감소되는 효과가 있다. As described above, the layout area of the bit line sense amplifier according to the present invention is reduced.
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