KR102423280B1 - Area-optimized design of sot-mram - Google Patents
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Abstract
SOT-MRAM 면적 최적화 기법이 개시된다. 일 실시예에 따른 메모리 장치는, 자유층, 고정층 및 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 자기 터널 접합; 상기 자기 터널 접합의 자유층의 일측면과 접하는 금속층; 및 상기 금속층의 하단에 구성된 스핀 싱크층(SSL)을 포함하고, 상기 메모리 장치에서 소스 라인을 비트 라인과 수직으로 배치해서 저면적을 성취할 수 있었으며 이 장치에서 읽기 작업 또는 쓰기 작업을 위해 상기 메모리 장치에 구성된 소스 라인을 그라운드로 설정할 수 있다.A SOT-MRAM area optimization technique is disclosed. A memory device according to an embodiment may include a free layer, a pinned layer, and a magnetic tunnel junction between the free layer and the pinned layer; a metal layer in contact with one side of the free layer of the magnetic tunnel junction; and a spin sink layer (SSL) formed under the metal layer, wherein a low area can be achieved by arranging a source line perpendicular to a bit line in the memory device, and the memory device for a read operation or a write operation in the device The source line configured on the device can be set to ground.
Description
아래의 설명은 스핀 궤도 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리에 관한 것이다. The description below relates to spin orbit torque magnetoresistance random access memory.
스핀-이동 토크 자기저항 램(STT-MRAM)은 비볼륨성, 고밀도, CMOS 프로세스와의 호환성 등 바람직한 특성 때문에 온칩 캐시와 임베디드 애플리케이션에 큰 관심을 끌었다. 그러나 STT-MRAM은 읽기 및 쓰기 작업을 위해 자기 터널 접합(junction)을 통과하는 공통 액세스 경로를 갖도록 설계되었다. 이는 읽기 중에 원하지 않는 약간의 플립을 일으키는 원인이 되고, 쓰기 중에 터널 접합부에 높은 스트레스를 주는 것과 같이 신뢰성에 부정적인 영향을 미친다. Spin-shift torque magnetoresistive RAM (STT-MRAM) has attracted great interest in on-chip cache and embedded applications because of desirable characteristics such as non-volume, high density, and compatibility with CMOS processes. However, STT-MRAM is designed to have a common access path through a magnetic tunnel junction for read and write operations. This causes some unwanted flips during reads and negatively affects reliability, such as high stress on the tunnel junction during writes.
최근에는 신뢰성이 강화된 비휘발성 온칩 메모리의 또 다른 후보로 스핀 오빗 토크 자기저항 램(SOT-MRAM)이 제안되었다. SOT-MRAM의 3개의 터미널 구조는 읽기 경로와 쓰기 경로를 분리하므로, 각 경로를 다른 경로를 방해하지 않고 독립적으로 최적화할 수 있다. 또한 SOT-MRAM은 중금속으로부터 스핀 주입에 의해 SOT 유도 스위칭이 수행되기 때문에 터널 접합부에 걸쳐 높은 스트레스 조건이 필요하지 않다. 이러한 장점들로 인해 STT-MRAM을 대신하여 SOT-MRAM이 대두되고 있다. Recently, spin orbit torque magnetoresistive RAM (SOT-MRAM) has been proposed as another candidate for nonvolatile on-chip memory with enhanced reliability. The three-terminal structure of SOT-MRAM separates the read and write paths, so each path can be independently optimized without interfering with the other. In addition, SOT-MRAM does not require high stress conditions across the tunnel junction because SOT-induced switching is performed by spin injection from heavy metals. Due to these advantages, SOT-MRAM is emerging instead of STT-MRAM.
그러나, SOT-MRAM의 주요 단점은 각 셀이 두 개의 액세스 트랜지스터를 필요로 한다는 것이다. 이로 인해 단일 접근 트랜지스터를 사용하는 STT-MRAM보다 비트 셀 면적이 더 커진다. 이에, SOT-MRAM의 장점을 유지하면서 통합 밀도를 향상시키기 위한 기술이 요구된다. However, a major disadvantage of SOT-MRAM is that each cell requires two access transistors. This results in a larger bit cell area than STT-MRAM using single access transistors. Accordingly, there is a need for a technique for improving the integration density while maintaining the advantages of SOT-MRAM.
면적 최적화를 위한 스핀 궤도 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리(SOT-MRAM)의 새로운 구조를 제공할 수 있다. A novel structure of spin orbital torque magnetoresistive random access memory (SOT-MRAM) for area optimization can be provided.
셀의 최소 피치를 완화할 수 있는 비트 라인 층에 수직인 방향으로 소스 라인 층을 라우팅하는 스핀 궤도 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리(SOT-MRAM) 장치를 제공할 수 있다. It is possible to provide a spin orbit torque magnetoresistive random access memory (SOT-MRAM) device that routes the source line layer in a direction perpendicular to the bit line layer that can relax the minimum pitch of the cell.
메모리 장치는, 자유층, 고정층 및 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 자기 터널 접합; 상기 자기 터널 접합의 자유층의 일측면과 접하는 금속층; 및 상기 금속층의 하단에 구성된 스핀 싱크층(SSL)을 포함하고, 상기 메모리 장치에서 소스 라인을 비트 라인과 수직 방향으로 배치하여 비트 셀의 면적을 축소시킬 수 있다. A memory device comprising: a free layer, a pinned layer, and a magnetic tunnel junction between the free layer and the pinned layer; a metal layer in contact with one side of the free layer of the magnetic tunnel junction; and a spin sink layer (SSL) formed under the metal layer, wherein the source line is disposed in a direction perpendicular to the bit line in the memory device to reduce the area of the bit cell.
상기 메모리 장치는, 상기 비트 라인의 수직 방향으로 소스 라인을 배치하고, 읽기 작업 또는 쓰기 작업을 위해 상기 비트 라인의 수직 방향으로 배치된 소스 라인을 그라운드로 설정할 수 있다. The memory device may arrange a source line in a vertical direction of the bit line, and set the source line disposed in a vertical direction of the bit line as a ground for a read operation or a write operation.
상기 메모리 장치는, 상기 자기 터널 접합의 제1 터미널에 연결된 읽기 액세스 트랜지스터와 상기 금속층의 제2 터미널에 연결된 쓰기 액세스 트랜지스터를 포함하는 복수의 트랜지스터를 포함할 수 있다. The memory device may include a plurality of transistors including a read access transistor coupled to a first terminal of the magnetic tunnel junction and a write access transistor coupled to a second terminal of the metal layer.
상기 읽기 액세스 트랜지스터는 게이트 측에서 읽기 워드 라인과 연결되고, 드레인 측에서 비트 라인과 연결되며, 소스 측에서 상기 자기 터널 접합의 고정층과 연결되고, 상기 쓰기 액세스 트랜지스터는 게이트 측에서 쓰기 워드 라인과 연결되고, 드레인 측에서 비트 라인과 연결되며, 소스 측에서 상기 금속층과 연결될 수 있다. The read access transistor is coupled to a read word line at a gate side, a bit line at a drain side, and coupled to a pinned layer of the magnetic tunnel junction at a source side, and the write access transistor is coupled to a write word line at a gate side and may be connected to the bit line at the drain side and may be connected to the metal layer at the source side.
상기 메모리 장치는, 상기 쓰기 작업의 경우, 논리값 0을 쓰기 위하여 비트 라인이 음전압으로 편향되는 조건, 쓰기 작업의 경우, 논리값 1을 쓰기 위하여 읽기 워드 라인이 음전압으로 편향되는 조건, 읽기 작업의 경우, 쓰기 워드 라인이 음전압으로 편향되는 조건을 포함하는 읽기 작업 및 쓰기 작업의 편향 조건을 설정할 수 있다. In the case of the write operation, the condition in which the bit line is deflected to a negative voltage to write the
상기 메모리 장치는, 상기 설정된 편향 조건에 따라 쓰기 전류가 소스 라인에서 비트 라인으로 또는 비트 라인에서 소스 라인으로 금속층을 통해 쓰기 전류가 흐르고, 읽기 전류가 비트 라인에서 자기 터널 접합을 통해 소스 라인으로 읽기 전류가 흐를 수 있다. In the memory device, the write current flows from the source line to the bit line or from the bit line to the source line through the metal layer according to the set deflection condition, and the read current reads from the bit line to the source line through the magnetic tunnel junction. current can flow.
상기 메모리 장치는, 상기 자기 터널 접합의 자유층의 자화를 스위치 하기 위하여 상기 자유층과 접촉하여 상기 금속층에 전하 전류를 인가하는 것을 포함하고, 전하 전류를 가로지르는 스핀 전류가 생성되어 상기 금속층에서 스핀-궤도 상호작용으로 이어질 수 있다. wherein the memory device includes applying a charge current to the metal layer in contact with the free layer to switch magnetization of the free layer of the magnetic tunnel junction, a spin current traversing the charge current is generated to spin in the metal layer - May lead to orbital interactions.
실시예에서 제안된 메모리 장치는 소스 라인 메탈의 배치를 달리 해서 기존의 SOT-MRAM/STT-MRAM에 비해 셀 면적 감소를 달성할 수 있다. The memory device proposed in the embodiment may achieve a reduction in cell area compared to the conventional SOT-MRAM/STT-MRAM by changing the arrangement of the source line metal.
실시예에서 제안된 메모리 장치는 높은 스핀 전류 주입 효율을 이용하여 기존의 STT-MRAM보다 낮은 쓰기 성능을 달성할 수 있다.The memory device proposed in the embodiment may achieve lower write performance than the conventional STT-MRAM by using high spin current injection efficiency.
실시예에서 제안된 메모리 장치는 별도의 읽기 및 쓰기 전류로 인한 각 경로를 독립적으로 최적화할 수 있어 읽기 및 쓰기 작업에 대한 공통 경로를 가진 STT-MRAM에 비해 낮은 읽기 전력과 높은 읽기 실패 마진을 얻을 수 있다.The memory device proposed in the embodiment can independently optimize each path due to separate read and write currents to obtain lower read power and higher read failure margin compared to STT-MRAM with a common path for read and write operations. can
실시예에서 제안된 메모리 장치는 쓰기 작업 동안 MTJ와 관련된 신뢰성 및 에너지 효율 등의 고유한 이점을 유지하면서 집적 밀도를 향상시킬 수 있다. The memory device proposed in the embodiment may improve the integration density while maintaining inherent advantages such as reliability and energy efficiency associated with the MTJ during a write operation.
도 1은 SOT-MRAM의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 SOT-MRAM의 비트 셀과 편향 조건을 나타낸 예이다.
도 3은 SOT-MRAM에서 배치 설계 규칙에 따른 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 SOT-MRAM의 비트 셀과 편향 조건을 나타낸 예이다.
도 5는 일 실시예에 따른 SOT-MRAM에서 트랜지스터 편향의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 SOT-MRAM와 종래의 SOR-MRAM, STT-MRAM을 비교하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining the structure of a SOT-MRAM.
2 is an example showing bit cells and bias conditions of SOT-MRAM.
3 is a diagram for explaining parameters according to a layout design rule in SOT-MRAM.
4 is an example illustrating a bit cell and a bias condition of an SOT-MRAM according to an embodiment.
5 is a diagram for explaining an example of transistor deflection in an SOT-MRAM according to an embodiment.
6 is a diagram for comparing the SOT-MRAM according to an embodiment and the conventional SOR-MRAM and STT-MRAM.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 SOT-MRAM의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining the structure of a SOT-MRAM.
3 터미널 SOT 장치는 도 1과 같이, 자기 터널 접합(MTJ: magnetic tunnel junction), 금속층(HM: heavy metal), 스핀 싱크층(SSL: spin-sink layer)으로 구성될 수 있다. 자기 터널 접합(MTJ)은 자기 터널 접합을 샌드위치하는 고정층(PL: pinned layer)과 자유층(FL: free layer)으로 구성될 수 있다. The three-terminal SOT device may include a magnetic tunnel junction (MTJ), a heavy metal (HM), and a spin-sink layer (SSL) as shown in FIG. 1 . The magnetic tunnel junction MTJ may include a pinned layer (PL) and a free layer (FL) sandwiching the magnetic tunnel junction.
자유층(FL)의 자화(magnetization)는 고정층(PL)의 고정 자화와 관련하여 평행(P) 상태 또는 역평행(AP) 상태 중 하나로 양립할 수 있다. 평행(P) 상태에서 자기 터널 접합(MTJ)의 저항은 AP 상태에서보다 상대적으로 낮기 때문에 자기 터널 접합(MTJ) 터미널 T1을 통해 판독 전류를 전달하고, 자기 터널 접합(MTJ) 저항을 감지하여 비트 정보를 검색할 수 있는 저장 요소로 기능할 수 있다.The magnetization of the free layer FL may be compatible with either a parallel (P) state or an antiparallel (AP) state with respect to the pinned magnetization of the pinned layer PL. In the parallel (P) state, the resistance of the magnetic tunnel junction (MTJ) is relatively lower than in the AP state, so it passes a read current through the magnetic tunnel junction (MTJ) terminal T1 and detects the magnetic tunnel junction (MTJ) resistance to beat the bit. It can function as a storage element from which information can be retrieved.
자유층(FL) 자화를 스위치하기 위해 자유층과 직접 접촉하여 금속층(HM)에 전하 전류를 인가한다. 도 1(b)와 같이 전하 전류를 가로지르는 스핀 전류를 생성하여, 금속층에서 스핀-오빗 상호작용으로 이어진다. 금속층(HM)의 상단 표면에 주입된 스핀 전류가 스핀 전달 토크를 발휘하여 자유층(FL) 자화가 스위치되는 원인이 된다. SOT 유도 스위칭은 산화물 장벽이 고전압 강하에 의해 스트레스를 받지 않기 때문에 자기 터널 접합(MTJ)의 산화물 장벽과 관련된 신뢰성 문제를 제거한다. 또한, 스핀 전류(IS)가 전하 전류(IC)보다 클 수 있다는 점에 유의한다. 즉, 금속층(HM)을 통해 흐르는 하나의 적자가 각 운동량의 여러 단위를 전달하기 때문에 스핀 전류 주입 효율은 100%를 초과할 수 있다. 스핀 싱크 층(SSL)은 금속층(HM)의 하단에 부착되어 금속층(HM), 금속층(HM)의 하단 표면에 스핀 극화 전자로 인한 스핀 전류 역류를 감소시킴으로써 스핀 전류 투입 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. A charge current is applied to the metal layer HM in direct contact with the free layer to switch the free layer FL magnetization. It creates a spin current that crosses the charge current as shown in Fig. 1(b), leading to a spin-orbit interaction in the metal layer. The spin current injected into the upper surface of the metal layer HM exerts a spin transfer torque, causing the magnetization of the free layer FL to be switched. SOT-induced switching eliminates the reliability issues associated with oxide barriers in magnetic tunnel junctions (MTJs) because the oxide barrier is not stressed by high voltage drops. Also note that the spin current IS may be greater than the charge current IC. That is, the spin current injection efficiency can exceed 100% because one deficit flowing through the metal layer HM transfers several units of angular momentum. The spin sink layer (SSL) is attached to the bottom of the metal layer (HM) to further improve the spin current input efficiency by reducing the spin current backflow due to spin polarized electrons on the bottom surface of the metal layer (HM) and the metal layer (HM). .
기존 SOT-MRAM의 비트 셀에는 도 2에서 도시된 바와 같이, 두 가지의 트랜지스터가 필요하다. 터미널 T1에 연결된 읽기 액세스 트랜지스터와 금속층(HM)의 터미널 T2에 연결된 쓰기 액세스 트랜지스터이다. 읽기 경로는 쓰기 경로와 분리되어 있기 때문에 각 경로는 독립적으로 최적화될 수 있다. 비트 셀에서 논리값 1을 쓰기 위해서는 비트 라인(BL)은 양의 값(positive value: VW), 소스 라인(SL)은 그라운드(GND)로 설정되고, 쓰기 워드 라인(WWL)은 높게 되어 비트 라인(BL)에서 중금속(HM)을 통해 소스 라인(SL)으로 흐르는 쓰기 전류(IW)를 발생시킨다. 마찬가지로, 논리값 0은 반대 전압, 즉, 양의 전압(VW)을 소스 라인(SL)에, 그라운드는 비트 라인(BL)에 적용하여 작성할 수 있다. 읽기 작업의 경우, 소스 라인(SL)은 그라운드(GND)로 설정되고, 비트 라인(BL)은 현재 소스에 연결되며, 읽기 워드 라인(RWL)은 읽기 전류(IR)가 비트 라인(BL)에서 소스 라인(SL)으로 흐르도록 높게 지정될 수 있다. 감지 증폭기는 기준 비트 라인(BL)의 기준 전압(VREF)과 비트 라인(BL)의 셀전압(VREAD)을 비교한다. As shown in FIG. 2, the bit cell of the conventional SOT-MRAM requires two types of transistors. A read access transistor coupled to terminal T1 and a write access transistor coupled to terminal T2 of the metal layer (HM). Because the read path is separate from the write path, each path can be optimized independently. To write a
도 3은 SOT-MRAM에서 배치 설계 규칙에 따른 파라미터를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a diagram for explaining parameters according to a layout design rule in SOT-MRAM.
실시예에서는 SOT-MRAM의 장점을 유지하면서 통합 밀도를 향상시키기 위한 메모리 장치를 제공할 수 있다. 다시 말해서, 메모리 장치는 새로운 구조로 설계된 SOT-MRAM를 의미한다. 실시예에서 제안하는 메모리 장치는 복수의 비트라인, 복수의 소스 라인, 복수의 읽기 워드 라인 복수의 쓰기 워드 라인을 포함할 수 있다. 메모리 장치는 비트 라인과 소스 라인 사이에 형성된 자기 터널 접합과 복수의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 자기 터널 접합은 자기 터널 접합을 샌드위치하는 고정층과 자유층을 포함할 수 있다. 복수의 트랜지스터는 자기 터널 접합의 제1 터미널에 연결된 읽기 액세스 트랜지스터와 금속층의 제2 터미널에 연결된 쓰기 액세스 트랜지스터를 포함하는 복수의 트랜지스터로 구성될 수 있다. 읽기 액세스 트랜지스터는 게이트 측에서 읽기 워드 라인과 연결되고, 드레인 측에서 비트 라인과 연결되며, 소스 측에서 자기 터널 접합의 고정층과 연결될 수 있다. 쓰기 액세스 트랜지스터는 게이트 측에서 쓰기 워드 라인과 연결되고, 드레인 측에서 비트 라인과 연결되며, 소스 측에서 금속층과 연결될 수 있다. 다시 말해서, 자기 터널 접합은 복수의 트랜지스터를 통해 비트 라인과 소스 라인, 읽기 워드 라인 및 쓰기 워드 라인에 대하여 한쌍으로 연결될 수 있다. The embodiment may provide a memory device for improving integration density while maintaining the advantages of SOT-MRAM. In other words, the memory device means SOT-MRAM designed with a new structure. The memory device proposed in the embodiment may include a plurality of bit lines, a plurality of source lines, a plurality of read word lines, and a plurality of write word lines. The memory device may include a magnetic tunnel junction formed between a bit line and a source line and a plurality of transistors. The magnetic tunnel junction may include a pinned layer and a free layer sandwiching the magnetic tunnel junction. The plurality of transistors may be comprised of a plurality of transistors including a read access transistor coupled to a first terminal of the magnetic tunnel junction and a write access transistor coupled to a second terminal of the metal layer. The read access transistor may be connected to the read word line at the gate side, the bit line at the drain side, and the pinned layer of the magnetic tunnel junction at the source side. The write access transistor may be coupled to the write word line at the gate side, coupled to the bit line at the drain side, and coupled to the metal layer at the source side. In other words, the magnetic tunnel junction may be connected as a pair with respect to a bit line and a source line, a read word line, and a write word line through a plurality of transistors.
기존의 SOT-MRAM 셀의 레이아웃에는 비트 라인(BL)과 동일한 방향으로 라우팅되는 소스 라인(SL)을 위한 두 개의 금속 라인이 포함되어 비트 셀 영역을 지배한다. 셀의 최소 피치를 완화할 수 있는 비트 라인(BL) 층에 수직인 방향으로 소스 라인(SL) 층을 라우팅하는 구조를 제공하고자 한다. The layout of the conventional SOT-MRAM cell includes two metal lines for the source line SL routed in the same direction as the bit line BL to dominate the bit cell area. An object of the present invention is to provide a structure for routing the source line (SL) layer in a direction perpendicular to the bit line (BL) layer capable of reducing the minimum pitch of the cell.
기반 규칙을 사용하여 SOR-MRAM의 레이아웃이 분석될 수 있다. 여기서, 는 최소 형상 크기의 절반을 가리킨다. 실시예에서는 금속 라인 사이의 최소 피치는 6으로 가정하기로 한다. 배치 설계 규칙에 따른 다른 파라미터는 도 3(a)에 정의되어 있다. 참고로, 접근 트랜지스터의 폭이 작은 경우, 수평 치수는 트랜지스터 폭(WFET)에 의해 결정되지 않는다. 오히려, 도 3(b)와 같이 금속 피치에 의해 제한될 수 있다. 특히, 동일한 칼럼의 셀들 사이에서 비트 라인(BL)과 소스 라인(SL)을 공유하기 위해서는 기존의 SOT-MRAM은 수직 방향으로 두 개의 금속 라인이 배선되어 있어, x-치수로 12가 된다. 반대로, 트랜지스터 폭(WFET)이 9이상으로 증가하면 수평 치수 또한 도 3(c)와 같이 트랜지스터 폭(WFET)에 의해 비례하여 증가한다. The layout of the SOR-MRAM can be analyzed using the base rules. here, denotes half of the minimum feature size. In an embodiment, the minimum pitch between metal lines is 6 to assume that Other parameters according to the layout design rule are defined in Fig. 3(a). For reference, when the width of the access transistor is small, the horizontal dimension is not determined by the transistor width (W FET ). Rather, it may be limited by the metal pitch as shown in Fig. 3(b). In particular, in order to share the bit line BL and the source line SL between cells in the same column, in the conventional SOT-MRAM, two metal lines are wired in the vertical direction, so that the x-dimension is 12 becomes Conversely, if the transistor width (W FET ) is 9 When it increases above the above, the horizontal dimension also increases proportionally with the transistor width (W FET ) as shown in FIG. 3( c ).
실시예에서는 기존의 SOT-MRAM의 트랜지스터 폭(WFET)은 메모리 고밀도에 대해 요구되는 최대값이 9이라고 가정하기로 한다. 이러한 가정은 SOT-MRAM이 100% 초과하는 스핀 전류 투입 효율 덕분에 작은 쓰기 전류로도 10ns 미만의 쓰기 작업을 달성할 수 있다. In the embodiment, the transistor width (W FET ) of the conventional SOT-MRAM is the maximum required for high memory density of 9 to assume that The assumption is that SOT-MRAM can achieve write operations of less than 10ns with a small write current thanks to the spin current input efficiency exceeding 100%.
트랜지스터는 다음과 같이 획득될 수 있다.The transistor can be obtained as follows.
위 식의 값 23은 단일 핑거 액세스 트랜지스터를 사용하는 STT-MRAM의 y치수의 2배라는 점에 유의한다. 이 때문에 기존의 SOT-MRAM은 작은 트랜지스터 폭(WFET)으로도 STT-MRAM과 비교했을 때 비트 셀 면적이 더 커질 수 있다.value of the above expression 23 Note that is twice the y-dimension of STT-MRAM using a single finger access transistor. For this reason, the conventional SOT-MRAM can have a larger bit cell area compared to the STT-MRAM even with a small transistor width (W FET ).
도 4는 일 실시예에 따른 SOT-MRAM의 비트 셀과 편향 조건을 나타낸 예이다.4 is an example illustrating a bit cell and a bias condition of an SOT-MRAM according to an embodiment.
집적 밀도 향상을 위해 셀 면적을 늘리지 않고 수평 방향으로 금속 라인을 추가할 수 있다는 것을 바탕으로 수정된 SOT-MRAM 비트 셀 구조를 제안하기로 한다. 수직 방향이 아닌 수평 방향으로 소스 라인(SL)을 라우트(경로화)하기 위해 제안된 구조는 도 4(a)와 같이 항상 소스 라인을 그라운드(GND)로 설정한다. 읽기 및 쓰기 작업은 도 4(b)에 표시된 편향 조건으로 수행된다. 값 0을 쓸 경우, 비트 라인(BL)은 음전압(negative voltage: VMINUS)에서 편향되어 전류가 소스 라인(SL)에서 금속층(HM)을 통해 비트 라인(BL)로 흐르게 된다. We propose a modified SOT-MRAM bit cell structure based on the fact that metal lines can be added in the horizontal direction without increasing the cell area to improve the integration density. The proposed structure for routing (routing) the source line SL in the horizontal direction instead of the vertical direction always sets the source line to the ground (G ND ) as shown in FIG. 4( a ). Read and write operations are performed under the bias conditions shown in FIG. 4(b). When a value of 0 is written, the bit line BL is biased at a negative voltage (V MINUS ) such that a current flows from the source line SL through the metal layer HM to the bit line BL.
도 4(b)를 참고하면, 편향 조건은 쓰기 작업의 경우, 논리값 0을 쓰기 위하여 비트 라인이 음전압으로 편향되는 조건, 쓰기 작업의 경우, 논리값 1을 쓰기 위하여 읽기 워드 라인이 음전압으로 편향되는 조건, 읽기 작업의 경우, 쓰기 워드 라인이 음전압으로 편향되는 조건을 포함하는 읽기 작업 및 쓰기 작업의 편향 조건으로 설정될 수 있다. 예를 들면, 설정된 편향 조건에 따라 쓰기 전류가 소스 라인에서 비트 라인으로 또는 비트 라인에서 소스 라인으로 금속층을 통해 읽기 전류가 흐르고, 읽기 전류가 비트 라인에서 자기 터널 접합을 통해 소스 라인으로 쓰기 전류가 흐르게 된다. Referring to FIG. 4(b) , the bias condition is a condition in which the bit line is deflected to a negative voltage to write a
도 5는 일 실시예에 따른 SOT-MRAM에서 트랜지스터 편향의 예를 설명하기 위한 도면이다. 5 is a diagram for explaining an example of transistor deflection in an SOT-MRAM according to an embodiment.
비트 라인(BL)에 음전압을 적용하려면 신뢰할 수 있고 에너지 효율적인 작동을 위해 신중한 트랜지스터 편향이 필요하다. 첫째, 값 0을 쓰기 위해 선택된 쓰기 액세스 트랜지스터의 게이트 소스 전압(VGS)은 쓰기 워드 라인(WWL)이 기존 셀과 동일하게 편향된 경우 VDD를 초과할 수 있다(도 5의 셀 A에서 쓰기 액세스 트랜지스터 참조). 과도한 게이트 소스 전압(VGS)은 편향 온도 불안정성과 같은 트랜지스터의 신뢰성 문제를 야기하기 때문에 실시예에서 제안된 구조는 쓰기 워드 라인(WWL)을 주장하기 위해 공칭(nominal) VDD보다 낮지만 양의 VWWL을 적용한다. VDD보다 낮은 VWWL은 값 1을 쓰기 위한 현재의 구동 강도를 주의할 수 있다는 점에 유의한다(도 5(b)). 단, 높은 스핀 전류 투입 효율로 인해 10ns미만의 쓰기 연산을 달성하는 것이 가능하다. 둘째, 제안된 체계에서 일기 워드 라인(RWL)또는 쓰기 워드 라인(WWL)은 관련 트랜지스터가 접근용으로 선택되지 않은 경우, 음전압(VMINUS)으로 편향된다. 비트 라인(BL)의 전압이 음전압이어도 VGS가 0이하임을 확인함으로써 선택되지 않은 트랜지스터가 누출 전류를 통과하지 못하게 한다(도 5의 읽기 액세스 트랜지스터 참조). 셋째, 트랜지스터 바디(body)가 기존 설계에서와 같이 그라운드(GND)로 설정되어 있다면, 바디-소스 전압(VBS)은 양수일 수 있다. 양의 바디-소스 전압(VBS)은 바디오 소스 사이의 전방 편향 PN 접합을 유도함에 따라 선택되지 않은 셀로부터 불필요한 누설 전류가 발생시키기 때문에 바디 전압은 음전압(VMINUS)으로 설정된다. Applying a negative voltage to the bit line (BL) requires careful transistor bias for reliable and energy-efficient operation. First, the gate-source voltage (V GS ) of the write access transistor selected to write the
도 6은 일 실시예에 따른 SOT-MRAM와 종래의 SOR-MRAM, STT-MRAM을 비교하기 위한 도면이다. 6 is a diagram for comparing the SOT-MRAM according to an embodiment and the conventional SOR-MRAM and STT-MRAM.
도 6(a)는 종래의 STT-MRAM, 도 6(b)는 종래의 SOT-MRAM, 도 6(c)는 실시예에서 제안된 SOT-MRAM를 나타낸 것이다. 6(a) shows a conventional STT-MRAM, FIG. 6(b) shows a conventional SOT-MRAM, and FIG. 6(c) shows a SOT-MRAM proposed in the embodiment.
실시예에서 제안된 SOT-MRAM의 셀을 기존의 STT-MRAM/SOT-MRAM의 셀과 비교하기 위하여 다음과 같이 세가지 구성된 시뮬레이션 프레임워크가 사용될 수 있다. 자화 역학을 모델링하는 Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS) 식 해결기(equation solver), 자기 터널 접합(MTJ) 저항을 획득하기 위한 Non-Equilibrium Green's Function(NEGF) 형식주의 및MRAM 비트 셀의 회로를 모델링하기 위한 SPICE 시뮬레이션이 사용될 수 있다.In order to compare the cells of the SOT-MRAM proposed in the embodiment with the cells of the existing STT-MRAM/SOT-MRAM, the following three simulation frameworks can be used. Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski (LLGS) equation solver to model magnetization dynamics, Non-Equilibrium Green's Function (NEGF) formalism to obtain magnetic tunnel junction (MTJ) resistance, and circuitry of MRAM bit cells. SPICE simulation for modeling can be used.
LLGS 식 해결기는 표 1의 마그네틱 장치 파라미터에 기초하여 각 셀의 중요 스위칭 전류를 결정한다. The LLGS equation solver determines the critical switching current of each cell based on the magnetic device parameters in Table 1.
표 1: 스핀 장치의 파라미터 Table 1: Parameters of the spin apparatus
SOT-MRAM 셀의 스핀 전류 투입 효율, 즉 IS 대 IC의 비율은 다음과 같이 계산할 수 있다.The spin current input efficiency of the SOT-MRAM cell, that is, the ratio of IS to IC, can be calculated as follows.
여기서 AMTJ(AHM)는 MTJ(HM)의 단면적이며, 는 실시예에서 0.3으로 가정되는 스핀 홀 각도이다. 표 1에서 AHM(= tHM Х WHM)은 AMTJ(= Х WMTJ Х LMTJ)보다 작게 설계되어 471%의 높은 스핀 전류 투입 효율이 달성한다는 점에 유의한다. SPICE 회로 시뮬레이션의 경우, MTJ와 HM의 저항을 결정해야 한다. AP와 P 상태에서 MTJ의 전압 의존 저항은 NEGF 기반 전자 전송 시뮬레이션에 의해 계산되는 반면, HM의 저항은 기 설정된 실험 저항 값과 표 1의 장치 치수를 사용하여 추정한다. 또한 상용 45nm 트랜지스터 모델을 사용하여 완전한 메모리 셀 구조를 형성하고 읽기 및 쓰기 작업을 평가한다. 비교는 7ns 스위칭 시간의 동일한 조건에서 설계한 3개의 서로 다른 셀 구조, (IW - IC) / IC로 정의되는 20% 쓰기 마진, 그리고 (IC - IR) / IC로 정의된 읽기-장애 마진의 50% 초과 조건에서 수행된다.where A MTJ (A HM ) is the cross-sectional area of MTJ(HM), is the spin Hall angle assumed to be 0.3 in the embodiment. In Table 1, A HM (= t HM Х W HM ) is A MTJ (= Note that it is designed smaller than Х W MTJ Х L MTJ ), achieving a high spin current input efficiency of 471%. For SPICE circuit simulation, the resistances of MTJ and HM need to be determined. The voltage-dependent resistance of the MTJ in the AP and P states is calculated by NEGF-based electron transport simulation, while the resistance of the HM is estimated using the preset experimental resistance values and the device dimensions in Table 1. A commercial 45nm transistor model is also used to form a complete memory cell structure and evaluate read and write operations. A comparison is made of three different cell structures designed under the same conditions of 7 ns switching time, (IW - IC) / 20% write margin defined as IC, and 50 of the read-failure margin defined as (IC - IR) / IC. % excess condition.
시뮬레이션 결과는 표 2에 요약되어 있다. STT-MRAM은 VWRITE가 공칭 VDD(=1V)를 초과하지 않는 상태에서 7ns 스위칭 시간을 달성하려면 20 (=400nm)의 트랜지스터 폭을 요구한다. 이와는 대조적으로, 기존의 SOT-MRAM은 앞에서 언급한 바와 같이 9(=180nm) 폭으로 설계되어 있다. 상대적으로 트랜지스터 폭이 작더라도 SOT-MRAM은 동일한 7ns 스위칭 사양에 대해 VWRITE의 낮은 값을 요구하므로 쓰기 전력도 낮아진다. 그러나 SOT-MRAM 셀 면적은 도 6과 같은 2-트랜지스터 요건 때문에 STT-MRAM 셀 면적보다 크다.The simulation results are summarized in Table 2. STT-MRAM requires 20 ns to achieve 7 ns switching time with V WRITE not exceeding nominal V DD (=1V). It requires a transistor width of (=400 nm). In contrast, conventional SOT-MRAM, as mentioned earlier (=180nm) width is designed. Even with a relatively small transistor width, SOT-MRAM requires a lower value of V WRITE for the same 7ns switching specification, resulting in lower write power. However, the SOT-MRAM cell area is larger than the STT-MRAM cell area due to the two-transistor requirement as in FIG.
SOT-MRAM 셀 면적의 단점을 해결하기 위해, 실시예에서 제안된 셀은 도 6(c)와 같이 SL 금속 라인을 수평 방향으로 이동시켜 y-치수를 유지하면서 최소 x치수를 완화시킨다. 80nm 크기의 트랜지스터로 제안된 셀은 표 2의 편향 조건을 사용하여 7ns 스위칭 시간의 요구사항을 충족할 수 있다. STT-MRAM과 비교하여 실시예에서 제안된 셀은 (최소 x-치원 완화로 인해) 23% 더 작은 비트 셀 면적을 보이며 (높은 스핀 투입 효율성으로 인해) 6.26배 더 낮은 쓰기 전력을 보인다. 또한, 가독성과 쓰기성의 트레이드오프를 가지는 산화물 두께(1.15nm)인 STT 장치와 달리 SOT 장치는 읽기 작업에만 산화물 두께(1.45nm)를 최적화할 수 있다. 두꺼운 산화층은 읽기 중에 동일한 BL 전압을 발생시키기 위해 더 작은 전류를 필요로 하는 더 높은 저항으로 해석되기 때문에, 실시예에서 제안된 셀은 STT-MRAM에 비해 7.69배 낮은 읽기 전력과 1.88배 높은 읽기-실패 마진을 달성한다.In order to solve the disadvantage of the SOT-MRAM cell area, the cell proposed in the embodiment relaxes the minimum x dimension while maintaining the y-dimension by moving the SL metal line in the horizontal direction as shown in FIG. 6(c). The proposed cell with 80nm size transistor can meet the requirement of 7ns switching time using the deflection conditions in Table 2. Compared to STT-MRAM, the cell proposed in the example exhibits 23% smaller bit cell area (due to minimum x-dimension relaxation) and 6.26 times lower write power (due to high spin input efficiency). Also, unlike the STT device, which has an oxide thickness (1.15 nm) that has a tradeoff between readability and writeability, the SOT device can optimize the oxide thickness (1.45 nm) only for read operations. Because the thick oxide layer translates into a higher resistance that requires a smaller current to generate the same BL voltage during read, the cell proposed in the embodiment has 7.69 times lower read power and 1.88 times higher read-power compared to STT-MRAM. Achieving a margin of failure.
시뮬레이션 결과에 따르면 각 비트 셀이 7ns 스위칭 시간, 20% 쓰기 여유 및 50% 초과하는 읽기 실패 마진을 위해 설계되었을 때, 기존 SOT-MRAM과 STT-MRAM보다 각각 42% /23% 더 밀집한 것으로 나타난 것을 확인할 수 있다. Simulation results show that each bit cell is 42%/23% denser than conventional SOT-MRAM and STT-MRAM, respectively, when designed for 7ns switching time, 20% write margin, and greater than 50% read failure margin. can be checked
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA). , a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions, may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that may include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (7)
자유층, 고정층 및 상기 자유층과 상기 고정층 사이에 자기 터널 접합;
상기 자기 터널 접합의 자유층의 일측면과 접하는 금속층; 및
상기 금속층의 하단에 구성된 스핀 싱크층(SSL)
을 포함하고,
상기 메모리 장치에서 비트 라인을 기준으로 소스 라인을 비트 라인과 수직 방향으로 배치하고, 상기 소스 라인을 수평 방향으로 라우팅하여 동일한 수평 방향에 속한 비트 셀과 공유하여 비트 셀의 면적을 축소시키고, 읽기 작업 또는 쓰기 작업을 위해 상기 비트 라인의 수직 방향으로 배치된 소스 라인을 항상 그라운드로 설정하고, 상기 쓰기 작업의 경우, 논리값 0을 쓰기 위하여 비트 라인이 음전압으로 편향되는 조건, 쓰기 작업의 경우, 논리값 1을 쓰기 위하여 읽기 워드 라인이 음전압으로 편향되는 조건, 읽기 작업의 경우, 쓰기 워드 라인이 음전압으로 편향되는 조건을 포함하는 읽기 작업 및 쓰기 작업의 편향 조건을 설정하는 것을 특징으로 하는 메모리 장치. A memory device comprising:
a free layer, a pinned layer, and a magnetic tunnel junction between the free layer and the pinned layer;
a metal layer in contact with one side of the free layer of the magnetic tunnel junction; and
A spin sink layer (SSL) formed under the metal layer
including,
In the memory device, a source line is arranged in a vertical direction with a bit line based on the bit line, and the source line is routed in a horizontal direction to share it with a bit cell belonging to the same horizontal direction to reduce an area of a bit cell, and to perform a read operation Alternatively, for a write operation, the source line arranged in the vertical direction of the bit line is always set to ground, and in the case of the write operation, the bit line is deflected to a negative voltage to write a logic value of 0. In the case of a write operation, Characterized in setting bias conditions for read and write operations, including a condition in which the read word line is deflected to a negative voltage in order to write a logical value 1, and a condition in which the write word line is deflected to a negative voltage in the case of a read operation memory device.
상기 메모리 장치는,
상기 자기 터널 접합의 제1 터미널에 연결된 읽기 액세스 트랜지스터와 상기 금속층의 제2 터미널에 연결된 쓰기 액세스 트랜지스터를 포함하는 복수의 트랜지스터를 포함하는
것을 특징으로 하는 메모리 장치. According to claim 1,
The memory device is
a plurality of transistors comprising a read access transistor coupled to a first terminal of the magnetic tunnel junction and a write access transistor coupled to a second terminal of the metal layer;
A memory device, characterized in that.
상기 읽기 액세스 트랜지스터는 게이트 측에서 읽기 워드 라인과 연결되고, 드레인 측에서 비트 라인과 연결되며, 소스 측에서 상기 자기 터널 접합의 고정층과 연결되고,
상기 쓰기 액세스 트랜지스터는 게이트 측에서 쓰기 워드 라인과 연결되고, 드레인 측에서 비트 라인과 연결되며, 소스 측에서 상기 금속층과 연결되는
것을 특징으로 하는 메모리 장치. 4. The method of claim 3,
the read access transistor is connected to a read word line at a gate side, a bit line at a drain side, and a pinned layer of the magnetic tunnel junction at a source side;
The write access transistor is connected to a write word line at a gate side, a bit line at a drain side, and connected to the metal layer at a source side.
A memory device, characterized in that.
상기 메모리 장치는,
논리값 0을 쓸 경우, 비트 라인이 음전압으로 편향되어 전류가 소스 라인에서 금속층을 통해 비트 라인으로 흐르게 되는
것을 특징으로 하는 메모리 장치. According to claim 1,
The memory device is
Writing a logic value of 0 biases the bit line to a negative voltage, causing current to flow from the source line through the metal layer to the bit line.
A memory device, characterized in that.
상기 메모리 장치는,
상기 자기 터널 접합의 자유층의 자화를 스위치 하기 위하여 상기 자유층과 접촉하여 상기 금속층에 전하 전류를 인가하는 것을 포함하고,
전하 전류를 가로지르는 스핀 전류가 생성되어 상기 금속층에서 스핀-궤도 상호작용으로 이어지는
것을 특징으로 하는 메모리 장치.
According to claim 1,
The memory device is
applying a charge current to the metal layer in contact with the free layer to switch the magnetization of the free layer of the magnetic tunnel junction;
A spin current across the charge current is generated leading to spin-orbit interactions in the metal layer.
A memory device, characterized in that.
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KR1020200171905A KR102423280B1 (en) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | Area-optimized design of sot-mram |
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