KR102522942B1 - Memory device based on self-rectifying ferroelectric tunnel junction element capable of operating in dual mode - Google Patents

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임세희
이영규
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Abstract

The present invention provides a memory device based on a self-rectifying ferroelectric tunnel junction element capable of operating in a dual mode of CAM and PUF and an operating method thereof. The memory device comprises: a plurality of memory cells including two self-rectifying ferroelectric tunnel junction elements (SR-FTJ) each connected between a plurality of match lines extending in a first direction and a plurality of search line pairs extending in a second direction intersecting the first direction; a power supply unit supplying voltage according to an operating state to the plurality of match lines and the plurality of search line pairs; and a PUF response generator, when operating in a PUF mode among content addressable memory (CAM) and physically unclonable function (PUF) modes, detecting and amplifying a voltage change occurring at a selected match line, due to a leakage current generated when a reverse voltage is applied to two SR-FTJs of each of a plurality of memory cells connected to a match line selected according to an address transmitted as a challenge, and generating a response corresponding to the challenge. Accordingly, space efficiency of the memory device can be greatly improved.

Description

듀얼 모드로 동작 가능한 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자 기반 메모리 장치 및 이의 동작 방법{Memory device based on self-rectifying ferroelectric tunnel junction element capable of operating in dual mode}[0001] Memory device based on self-rectifying ferroelectric tunnel junction element capable of operating in dual mode

본 발명은 메모리 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것으로, 내용 주소화 메모리 및 PUF의 듀얼 모드로 동작 가능한 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자 기반 메모리 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a memory device and an operating method thereof, and more particularly, to a memory device based on a self-rectifying ferroelectric tunnel junction element capable of operating in a dual mode of a content addressable memory and a PUF, and an operating method thereof.

내용 주소화 메모리(Content Addressable Memory: 이하 CAM)는 다수의 메모리 셀을 구비하여 데이터를 저장하는 메모리로서, 데이터를 입력으로 인가받아 인가된 데이터가 저장된 어드레스를 출력하도록 구성된 메모리를 의미한다. CAM은 네트워크 라우터에서의 검색 엔진이나 이미지 프로세스, 또는 신경망 등과 같이 고속 검색이 요구되는 다양한 응용 분야에 이용된다.A content addressable memory (CAM) is a memory having a plurality of memory cells to store data, and is a memory configured to receive data as an input and output an address at which the applied data is stored. CAM is used in various application fields requiring high-speed retrieval, such as a search engine in a network router, an image process, or a neural network.

한편, PUF(Physically Unclonable Function)는 회로를 동일한 설계 하에서 동일한 제조 공정에 따라 제조할지라도, 공정 상에서 불가피하게 발생하는 미세한 공정 변화(process variation)에 의해 제조된 회로에서 선로 지연, 게이트 지연과 같은 물리적인 편차가 존재하는 특성을 이용하는 보안 기법을 의미한다.On the other hand, PUF (Physically Unclonable Function) is a physically unclonable function, such as line delay and gate delay, in circuits manufactured by minute process variations that inevitably occur in the process, even if circuits are manufactured according to the same manufacturing process under the same design. It refers to a security technique that uses the characteristic that there is deviation from.

PUF 장치는 동일한 입력이 인가되어도 제조 공정 상황에 따른 물리적인 편차에 의해 랜덤하게 결정된 출력 키(output key)를 출력한다. 공정 상황에 따라 결정되는 출력 키는 회로 설계자도 예측할 수 없으므로, PUF 장치는 높은 보안 수준을 제공할 수 있어 보안이 요구되는 각종 장치에 적용되고 있다.Even if the same input is applied, the PUF device outputs an output key randomly determined by a physical deviation according to manufacturing process conditions. Since an output key determined according to process conditions cannot be predicted even by a circuit designer, the PUF device can provide a high level of security and is applied to various devices requiring security.

PUF 장치는 챌린지(challenge)라고 불리는 입력이 인가되면, 인가된 챌린지에 대응하는 응답(response)이라고 불리는 출력 키를 출력하도록 구성된다. 그리고 PUF 장치의 보안성을 검증하는 인증 서버에는 해당 PUF 장치에 대한 다수의 챌린지와 각 챌린지에 대응하는 응답이 쌍으로 매칭된 다수의 CRP(Challenge-Response Pair)가 미리 저장된다. 이에 PUF 장치를 인증하기 위한 인증 서버는 PUF 장치로 챌린지를 전송하고, PUF 장치에서 회신되는 응답이 미리 저장된 CRP에 부합되는지 여부를 판별함으로써, 응답을 전송한 PUF 장치에 대한 인증을 수행한다.The PUF device is configured to, when an input called a challenge is applied, output an output key called a response corresponding to the challenge applied. In addition, a plurality of challenge-response pairs (CRPs) in which a plurality of challenges for the PUF device and responses corresponding to each challenge are matched in pairs are stored in advance in the authentication server that verifies the security of the PUF device. Accordingly, the authentication server for authenticating the PUF device transmits a challenge to the PUF device and determines whether a response returned from the PUF device conforms to a pre-stored CRP, thereby authenticating the PUF device that has transmitted the response.

최근 사물 인터넷(Internet of Thing: 이하 IoT)의 발달로 인해 각종 IoT 기기의 보안의 중요성이 대두되고 있어 PUF 장치에 대한 요구가 증가되고 있다. 그리고 많은 IoT 기기는 소형 및 저전력 소비 기기로 제작되므로, IoT 기기에 적용되는 PUF 장치는 랜덤성, 독립성 및 안정성과 면적 효율성(area efficiency) 및 저전력 동작이 필수적으로 요구된다.Due to the recent development of the Internet of Things (IoT), the importance of security of various IoT devices is on the rise, so the demand for PUF devices is increasing. In addition, since many IoT devices are manufactured as small and low power consumption devices, randomness, independence, stability, area efficiency, and low power operation are essential for PUF devices applied to IoT devices.

기존의 PUF 장치로는 메모리 구조를 이용하여 랜덤 응답을 생성하는 메모리 PUF 가 주로 이용되었다. 메모리 PUF는 메모리 셀과 유사하게 다수의 PUF 셀이 어레이 구조로 배치되어, PUF 셀에 대한 주소가 챌린지로서 인가된다. 이에 메모리 PUF는 챌린지로서 인가된 주소에 대응하는 PUF 셀을 선택하고, 선택된 PUF 셀에서 저장 또는 생성된 값을 응답으로 출력할 수 있다.As a conventional PUF device, a memory PUF generating a random response using a memory structure has been mainly used. Similar to memory cells, in the memory PUF, a plurality of PUF cells are arranged in an array structure, and an address for a PUF cell is applied as a challenge. Accordingly, the memory PUF may select a PUF cell corresponding to the address applied as a challenge and output a value stored or generated in the selected PUF cell as a response.

CAM과 PUF는 모두 휘발성 또는 비휘발성 메모리로 구현될 수 있으나, 기존에는 CAM과 PUF를 별도의 메모리 장치로 제조하거나, 하나의 메모리 장치로 제조하는 경우에도 CAM으로 동작하는 메모리 셀과 PUF로 동작하는 메모리 셀을 서로 구분하였다. 즉 CAM과 PUF가 서로 다른 메모리 셀을 이용하여 구현되었다. 이로 인해 메모리 장치에 요구되는 용량 및 크기가 크다는 문제가 있다.Both CAM and PUF can be implemented as volatile or non-volatile memory, but in the past, CAM and PUF are manufactured as separate memory devices, or even when manufactured as one memory device, memory cells operating as CAM and PUF operating as The memory cells were separated from each other. That is, CAM and PUF are implemented using different memory cells. As a result, there is a problem that the capacity and size required for the memory device are large.

한국 등록 특허 제10-2179789호 (2020.11.11 등록)Korean Registered Patent No. 10-2179789 (registered on November 11, 2020)

본 발명의 목적은 CAM 및 PUF의 듀얼 모드로 동작할 수 있는 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자 기반 메모리 장치 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a memory device based on a self-rectifying ferroelectric tunnel junction element capable of operating in a dual mode of CAM and PUF and an operating method thereof.

본 발명의 다른 목적은 메모리 셀에 인가되는 전압 레벨에 따라 용이하게 CAM 또는 PUF 로 동작할 수 있는 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자 기반 메모리 장치 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a memory device based on a self-rectifying ferroelectric tunnel junction element that can easily operate as a CAM or PUF according to a voltage level applied to a memory cell and an operating method thereof.

본 발명의 또 다른 목적은 소형으로 제조 가능하고, 랜덤성이 우수한 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자 기반 메모리 장치 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a self-rectifying ferroelectric tunnel junction device-based memory device that can be manufactured in a small size and has excellent randomness, and an operating method thereof.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자 기반 메모리 장치는 제1 방향으로 연장되는 다수의 매치라인과 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 다수의 서치라인쌍 사이에 각각 연결되는 2개의 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자(Self-rectifying Ferroelectric Tunnel Junction Element: 이하 SR-FTJ)로 구성되는 다수의 메모리 셀; 상기 다수의 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로 동작 상태에 따른 전압을 공급하는 전원 공급부; 및 CAM(Content Addressable Memory) 모드와 PUF(Physically Unclonable Function) 모드 중 상기 PUF 모드로 동작 시에 챌린지로서 전송된 주소에 따라 선택되는 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀 각각의 2개의 SR-FTJ에 역방향 전압이 인가되어 발생하는 누설 전류에 의해, 선택된 매치라인에 발생되는 전압 변화를 감지 증폭하여 상기 챌린지에 대응하는 응답을 생성하는 PUF 응답 생성부를 포함한다.In order to achieve the above object, a memory device based on a self-rectifying ferroelectric tunnel junction device according to an embodiment of the present invention includes a plurality of match lines extending in a first direction and a plurality of match lines extending in a second direction crossing the first direction. a plurality of memory cells composed of two self-rectifying ferroelectric tunnel junction elements (hereinafter referred to as SR-FTJ) each connected between a pair of search lines; a power supply unit supplying voltages according to operating states to the plurality of match line pairs and the plurality of search line pairs; And reverse to two SR-FTJs of each of a plurality of memory cells connected to a match line selected according to an address transmitted as a challenge when operating in the PUF mode among CAM (Content Addressable Memory) mode and PUF (Physically Unclonable Function) mode. and a PUF response generating unit generating a response corresponding to the challenge by sensing and amplifying a voltage change generated on a selected match line by a leakage current generated when a voltage is applied.

상기 다수의 메모리 셀 각각은 상기 다수의 매치라인 중 대응하는 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍 중 대응하는 서치라인쌍의 서치라인 사이에 연결되는 제1 SR-FTJ; 및 상기 다수의 매치라인 중 대응하는 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍 중 대응하는 서치라인쌍의 서치라인바 사이에 연결되는 제2 SR-FTJ를 포함할 수 있다.Each of the plurality of memory cells includes a first SR-FTJ connected between a corresponding match line among the plurality of match lines and a search line of a corresponding search line pair among the plurality of search line pairs; and a second SR-FTJ connected between a corresponding match line among the plurality of match lines and a search line bar of a corresponding search line pair among the plurality of search line pairs.

상기 응답 생성부는 상기 다수의 매치라인 중 서로 다른 기지정된 개수의 매치라인과 연결되어 상기 챌린지에 대응하는 매치라인을 선택하는 다수의 먹스; 및 상기 다수의 먹스 중 대응하는 2개의 먹스가 각각 선택한 매치라인 사이의 전압 차를 감지 증폭하여 상기 응답을 생성하는 적어도 하나의 센스 앰프를 포함할 수 있다.The response generating unit includes a plurality of muxes connected to a predetermined number of different match lines among the plurality of match lines and selecting a match line corresponding to the challenge; and at least one sense amplifier generating the response by sensing and amplifying a voltage difference between match lines selected by two corresponding muxes among the multiple muxes.

상기 전원 공급부는 디스차지 단계 및 응답 생성 단계로 구분되어 동작하는 상기 PUF 모드의 상기 디스차지 단계에서 상기 다수의 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍이 디스차지되도록 접지 전압 레벨을 인가하고, 상기 응답 생성 단계에서 상기 다수의 매치라인 중 상기 챌린지에 의해 지정된 주소에 따라 선택된 매치라인에는 인가되는 전압을 차단하여 플로팅시키고, 나머지 매치라인과 상기 서치라인쌍으로는 기지정된 전압 레벨의 전원 전압을 인가하여, 선택된 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀의 2개의 SR-FTJ에 역방향 전압이 인가되도록 할 수 있다.The power supply unit applies a ground voltage level so that the plurality of match lines and the plurality of search line pairs are discharged in the discharge step of the PUF mode, which operates in a discharge step and a response generation step, and generates the response In the step, a voltage applied to a match line selected according to an address designated by the challenge among the plurality of match lines is cut off and floated, and a power supply voltage having a predetermined voltage level is applied to the remaining match lines and the search line pair, A reverse voltage may be applied to two SR-FTJs of a plurality of memory cells connected to the selected matchline.

상기 적어도 하나의 센스 앰프는 상기 응답 생성 단계에서 상기 다수의 먹스 중 대응하는 2개의 먹스가 각각 상기 챌린지에 의해 지정된 주소에 따라 매치라인을 선택하여 연결하면, 선택된 2개의 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀 각각에서 2개의 SR-FTJ에 역방향 전압이 인가되어 발생하는 누설 전류에 의해 변화하는 매치라인 사이의 전압 차를 감지 증폭하여 상기 응답을 생성할 수 있다.The at least one sense amplifier selects and connects a match line according to an address designated by the challenge when two corresponding muxes among the plurality of muxes select and connect a match line in the response generating step, a plurality of memories connected to the selected two match lines. The response may be generated by sensing and amplifying a voltage difference between match lines that changes by a leakage current generated when a reverse voltage is applied to two SR-FTJs in each cell.

상기 다수의 메모리 셀 각각은 라이트 동작과 검색 동작으로 구분되어 동작하는 상기 CAM 모드의 상기 라이트 동작에 의해 데이터 "0"이 저장되는 경우 상기 제1 SR-FTJ는 고저항 상태(High Resistance State: HRS)를 갖고 상기 제2 SR-FTJ는 저저항 상태(Low Resistance State: LRS)를 가지며, 데이터 "1"이 저장되는 경우 상기 제1 SR-FTJ는 저저항 상태 갖고 상기 제2 SR-FTJ는 고저항 상태를가질 수 있다.When data “0” is stored by the write operation of the CAM mode, in which each of the plurality of memory cells operates by being divided into a write operation and a search operation, the first SR-FTJ is in a high resistance state (HRS ) And the second SR-FTJ has a low resistance state (LRS), and when data “1” is stored, the first SR-FTJ has a low resistance state and the second SR-FTJ has a high Can have a resistance state.

상기 전원 공급부는 상기 라이트 동작의 고저항 설정 단계에서 다수의 매치라인 중 인가된 주소에 따라 선택되는 매치라인으로 상기 접지 전압을 인가하고, 나머지 매치라인으로는 기지정된 전압 레벨의 라이트 전압의 1/2 레벨의 전압을 인가하며, 상기 다수의 서치라인쌍 각각에는 대응하는 메모리 셀(MC)에 저장되어야 하는 데이터에 따른 전압을 인가하고, 상기 라이트 동작의 저저항 설정 단계에서는 선택되는 매치라인으로 상기 라이트 전압을 인가하고, 나머지 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로는 상기 고저항 설정 단계에서 인가되는 전압을 유지할 수 있다.The power supply unit applies the ground voltage to a match line selected according to an applied address among a plurality of match lines in the high-resistance setting step of the write operation, and applies 1/1 of the write voltage of a predetermined voltage level to the remaining match lines. A two-level voltage is applied, and a voltage according to data to be stored in the corresponding memory cell MC is applied to each of the plurality of search line pairs, and in the low resistance setting step of the write operation, the match line selected A write voltage may be applied, and the voltage applied in the high resistance setting step may be maintained with the remaining match lines and the plurality of search line pairs.

상기 전원 공급부는 상기 CAM 모드의 라이트 동작 시, 메모리 셀에 저장되어야 하는 데이터가 "0"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 라이트 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 접지 전압을 인가하며, 메모리 셀에 저장되어야 하는 데이터가 "1"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 접지 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 라이트 전압을 인가할 수 있다.When the data to be stored in a memory cell is “0” during a write operation in the CAM mode, the power supply unit applies the write voltage to a search line from a corresponding search line pair and applies the ground voltage to a search line bar. and if the data to be stored in the memory cell is “1”, the ground voltage may be applied to the search line in the corresponding search line pair, and the write voltage may be applied to the search line bar.

상기 전원 공급부는 상기 검색 동작의 프리차지 단계에서 상기 다수의 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로 상기 전원 전압을 인가하여 프리차지하고, 상기 검색 동작의 매치 평가 단계에서는 상기 다수의 매치라인으로 인가되는 전원을 차단하여 플로팅 시키고, 상기 다수의 서치라인쌍으로 검색하고자 하는 데이터에 대응하는 전압을 인가할 수 있다.The power supply unit applies and precharges the power supply voltage to the plurality of match lines and the plurality of search line pairs in the precharging step of the search operation, and applies the power voltage to the plurality of match lines in the match evaluation step of the search operation. The power supply may be cut off to float, and a voltage corresponding to data to be searched may be applied to the plurality of search line pairs.

상기 전원 공급부는 상기 검색 동작 시에 검색되야 하는 데이터가 "0"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 접지 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 전원 전압을 인가하며, 검색되야 하는 데이터가 "1"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 전원 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 접지 전압을 인가할 수 있다.If the data to be searched during the search operation is “0”, the power supply unit applies the ground voltage to the search line in the corresponding search line pair, and applies the power supply voltage to the search line bar. If the data is “1”, the power supply voltage may be applied to the search line in the corresponding search line pair, and the ground voltage may be applied to the search line bar.

상기 다수의 메모리 셀은 상기 다수의 서치라인쌍 각각의 서치라인과 서치라인바가 상기 다수의 매치 라인의 상부 및 하부에 각각 배치되고, 상기 2개의 SR-FTJ는 대응하는 매치라인과 서치라인 사이 및 대응하는 매치라인과 서치라인바 사이에 적층된 3D 구조로 구현될 수 있다.In the plurality of memory cells, search lines and search line bars of each of the plurality of search line pairs are disposed above and below the plurality of match lines, respectively, and the two SR-FTJs are disposed between corresponding match lines and search lines and It can be implemented as a stacked 3D structure between the corresponding match line and search line bar.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자 기반 메모리 장치의 동작 방법은 제1 방향으로 연장되는 다수의 매치라인과 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 다수의 서치라인쌍 사이에 각각 연결되는 2개의 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자(Self-rectifying Ferroelectric Tunnel Junction Element: 이하 SR-FTJ)로 구성되는 다수의 메모리 셀을 포함하는 메모리 장치의 동작 방법에 있어서, 인가되는 명령에 따라 CAM 모드 또는 PUF 모드의 동작 모드를 판별하는 단계; 판별된 동작 모드가 상기 PUF 모드이면, 챌린지로서 전송된 주소에 따라 선택되는 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀 각각의 2개의 SR-FTJ에 역방향 전압이 인가되어 발생하는 누설 전류에 의해, 선택된 매치라인에 발생되는 전압 변화를 감지 증폭하여 상기 챌린지에 대응하는 응답을 생성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method of operating a memory device based on a self-rectifying ferroelectric tunnel junction device according to another embodiment of the present invention includes a plurality of match lines extending in a first direction and extending in a second direction intersecting the first direction. A method of operating a memory device including a plurality of memory cells composed of two self-rectifying ferroelectric tunnel junction elements (SR-FTJ) each connected between a plurality of search line pairs In the method, determining an operation mode of a CAM mode or a PUF mode according to an applied command; If the determined operation mode is the PUF mode, a leakage current generated when a reverse voltage is applied to two SR-FTJs of each of a plurality of memory cells connected to a match line selected according to an address transmitted as a challenge results in the selected match line and generating a response corresponding to the challenge by sensing and amplifying a voltage change generated in .

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자 기반 메모리 장치 및 이의 동작 방법은 2개의 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자로 구현되는 메모리 셀에 인가되는 전압 레벨에 따라 내용 주소화 메모리와 PUF의 듀얼 모드로 동작할 수 있어 메모리 장치의 공간 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 그리고 3D 크로스 포인트 어레이 구조로 구현될 수 있어 더욱 소형으로 제조될 수 있다. 또한 PUF로 동작시에 로우 단위로 비교하는 방식으로 랜덤성이 높아 우수한 보안 성능을 제공할 수 있다.Accordingly, a self-rectifying ferroelectric tunnel junction element-based memory device and method of operation thereof according to an embodiment of the present invention are a content addressable memory and a content addressable memory according to a voltage level applied to a memory cell implemented with two self-rectification ferroelectric tunnel junction elements. Since the PUF can operate in dual mode, the space efficiency of the memory device can be greatly improved. And it can be implemented in a 3D cross point array structure, so it can be manufactured in a smaller size. In addition, when operating as a PUF, it is possible to provide excellent security performance due to high randomness by comparing row by row.

도 1은 강유전체 터널 접합 소자의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자의 역방향 전압에 따른 누설 전류 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치의 메모리 셀 어레이 구조를 나타낸다.
도 5는 도 4의 메모리 셀 어레이의 3D 구조의 일 예를 나타낸다.
도 6 및 도 7은 본 실시예에 따른 메모리 장치의 CAM 모드에서의 라이트 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 실시예에 따른 메모리 장치의 CAM 모드에서의 검색 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 메모리 장치를 PUF 모드로 동작시키기 위한 구성의 일 예를 나타낸다.
도 11 및 도 12는 본 실시예에 따른 메모리 셀의 PUF 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치의 동작 방법을 나타낸다.
1 is a diagram for explaining characteristics of a ferroelectric tunnel junction device.
2 is a diagram for explaining characteristics of a self-rectifying ferroelectric tunnel junction device.
FIG. 3 is a diagram for explaining leakage current characteristics according to reverse voltage of the self-rectifying ferroelectric tunnel junction device of FIG. 2 .
4 illustrates a memory cell array structure of a memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows an example of a 3D structure of the memory cell array of FIG. 4 .
6 and 7 are diagrams for explaining a write operation in a CAM mode of a memory device according to an exemplary embodiment.
8 and 9 are diagrams for explaining a search operation in a CAM mode of a memory device according to an exemplary embodiment.
10 illustrates an example of a configuration for operating a memory device according to the present embodiment in a PUF mode.
11 and 12 are diagrams for explaining an operation of a memory cell in a PUF mode according to an exemplary embodiment.
13 illustrates a method of operating a memory device according to an embodiment of the present invention.

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 and its operational advantages and objectives achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating 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. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the described embodiments. And, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as "... unit", "... unit", "module", and "block" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. And it can be implemented as a combination of software.

도 1은 강유전체 터널 접합 소자의 특성을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining characteristics of a ferroelectric tunnel junction device.

도 1에서 (a)는 강유전체 터널 접합 소자(Ferroelectric Tunnel Junction: 이하 FTJ)의 구조를 나타내고, (b)는 FTJ의 분극에 따른 상태를 나타내고, (c)는 FTJ의 전류 전압 그래프를 나타낸다. 그리고 (d)는 FTJ 소자 특성에 다른 스니크 전류 경로를 설명하기 위한 도면이다.In FIG. 1, (a) shows the structure of a ferroelectric tunnel junction (FTJ), (b) shows a polarization state of the FTJ, and (c) shows a current voltage graph of the FTJ. And (d) is a diagram for explaining a sneak current path different from the characteristics of the FTJ device.

(a)에 도시된 바와 같이, FTJ는 일 예로 반도체층(11) 상에 강유전성 터널층(12), 강유전체층(13) 및 금속층(14)이 순차적으로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 일 예로 반도체층(11)은 P형 실리콘(P type Si)으로 형성될 수 있으며, 강유전성 터널층(12)은 산화 하프늄(HfO2)로 도핑된 지르코늄(Zr)으로 형성될 수 있으며, 강유전체층(13)은 산화 알루미늄(Al2O3)으로 구현되고, 금속층(14)은 티타늄(Ti) 또는 알루미늄(Au)으로 구현될 수 있다.As shown in (a), the FTJ may have a structure in which, for example, a ferroelectric tunnel layer 12, a ferroelectric layer 13, and a metal layer 14 are sequentially stacked on a semiconductor layer 11. For example, the semiconductor layer 11 may be formed of P-type Si, the ferroelectric tunnel layer 12 may be formed of zirconium (Zr) doped with hafnium oxide (HfO 2 ), and the ferroelectric layer may be formed of (13) is implemented with aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and the metal layer 14 may be implemented with titanium (Ti) or aluminum (Au).

이와 같은 FTJ는 (b)의 왼쪽과 같이 역방향 라이트 전압(또는 순방향 네거티브 라이트 전압)(-VW)이 인가되는지 또는 오른쪽과 같이 순방향 라이트 전압(VW)이 인가되는지에 따라 강유전체층(13)의 분극(Polarization)이 상이한 방향으로 형성되어 저저항 상태(Low Resistance State: LRS) 또는 고저항 상태(High Resistance State: HRS)가 된다.Such an FTJ is a ferroelectric layer 13, depending on whether a reverse write voltage (or forward negative write voltage) (-V W ) is applied as shown on the left side of (b) or a forward write voltage (V W ) is applied as shown on the right side. Polarization of is formed in different directions to become a low resistance state (LRS) or a high resistance state (HRS).

이에 역방향 라이트 전압(-VW)이 인가되어 FTJ가 저저항 상태(LRS)를 가지면, (c)의 그래프에서 검은색 선과 같이 라이트 전압(VW)보다 낮은 전압 레벨의 리드 전압에서 전류가 원활하게 흐르게 되어 스위치 온 상태로 볼 수 있다. 반면, 순방향 라이트 전압(또는 포지티브 라이트 전압이라고 함)(VW)이 인가되어 FTJ가 고저항 상태(HRS)를 가지면, 붉은색 선과 같이 포지티브 라이트 전압(VW)이 인가되어 리드 전압에서 전류가 원활하게 흐르지 못하므로 스위치 오프 상태로 볼 수 있다.If the reverse write voltage (-V W ) is applied to the FTJ to have a low resistance state (LRS), the current flows smoothly at the read voltage at a voltage level lower than the write voltage (V W ) as shown in the black line in the graph of (c). and can be seen in the switched-on state. On the other hand, if the forward write voltage (also called positive write voltage) (V W ) is applied and the FTJ has a high resistance state (HRS), the positive write voltage (V W ) is applied as shown in the red line and the current at the read voltage Since it does not flow smoothly, it can be seen as a switched off state.

이와 같은 FTJ는 저저항 상태(LRS)가 로직 "1"(Logic 1)을 나타내고, 고저항 상태(HRS)가 로직 "0"(Logic 0)을 나타내는 스위치 소자 또는 메모리 소자로 사용될 수 있다.Such an FTJ may be used as a switch element or a memory element in which the low resistance state LRS represents logic “1” and the high resistance state HRS represents logic “0”.

상기에서는 반도체층(11)이 P형으로 형성되는 경우를 가정한 경우로서, 만일 반도체층(11)이 N형으로 형성되는 경우에, FTJ는 역방향 라이트 전압(-VW)이 인가되면 로직 "0"의 고저항 상태(HRS)를 갖고, 포지티브 라이트 전압(VW)이 인가되면 로직 "1"의 저저항 상태(LRS)를 가질 수 있다.In the above, it is assumed that the semiconductor layer 11 is formed of a P-type, and if the semiconductor layer 11 is formed of an N-type, the FTJ is applied with a reverse write voltage (-V W ). It may have a high resistance state (HRS) of 0" and a low resistance state (LRS) of logic "1" when a positive write voltage (V W ) is applied.

다만 이러한 FTJ는 양단에 인가되는 전압에 따라 양방향으로 전류가 흐를 수 있는 양방향 스위치 소자이므로, FTJ를 이용하여 메모리 어레이로 구성하는 경우, (d)에 도시된 바와 같이, 리드 동작 시에 의도하지 않은 경로로 전류 경로가 형성되어 스니크 전류(Sneak Current)가 흐를 수 있다는 문제가 있다. 이에 기존에는 FTJ가 메모리 장치나 CAM에 이용되는데 한계가 있었다.However, since this FTJ is a bidirectional switch element in which current can flow in both directions according to the voltage applied to both ends, when configuring a memory array using the FTJ, as shown in (d), unintended during read operation There is a problem that a current path is formed as a path and a sneak current may flow. In the past, FTJs have been limited in their use in memory devices or CAMs.

도 2는 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자의 특성을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining characteristics of a self-rectifying ferroelectric tunnel junction device.

상기한 FTJ의 양방향 특성에 따른 문제를 해소하기 위해, 최근에는 상기한 FTJ가 양방향 특성이 아닌 단방향 특성을 갖도록 조절한 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자(Self-rectifying Ferroelectric Tunnel Junction Element: 이하 SR-FTJ)가 개발되었다. SR-FTJ는 도 1의 (a)에 도시된 FTJ에서 반도체층(11), 강유전성 터널층(12), 강유전체층(13) 및 금속층(14)을 구성하는 원소와 도핑 수준 등을 조절하여 전압에 따른 분극 특성을 변화시킴으로써 구현될 수 있다.In order to solve the problem caused by the bidirectional characteristic of the above-mentioned FTJ, recently, the self-rectifying ferroelectric tunnel junction element (SR-FTJ) adjusted so that the above-described FTJ has a unidirectional characteristic rather than a bidirectional characteristic ) was developed. The SR-FTJ is a semiconductor layer 11, a ferroelectric tunnel layer 12, a ferroelectric layer 13, and a metal layer 14 in the FTJ shown in (a) of FIG. It can be implemented by changing the polarization characteristics according to

도 2의 (a)에서 왼쪽과 오른쪽 그래프는 각각 기존 FTJ와 SR-FTJ의 전압-분극(Voltage-Polarization: V-P) 특성 곡선과 전압-전류(I-V) 특성 곡선을 나타낸다. 기존 FTJ의 경우, 왼쪽에 도시된 바와 같이, 전압(V)에 따른 분극(P)이 순방향 전압뿐만 아니라 역방향 전압에서도 이루어지므로, 전압-전류(I-V) 특성 곡선 또한 양방향 특성을 갖는다. 그에 반해, SR-FTJ의 경우, 오른쪽에 도시된 바와 같이, 전압(V)에 따른 분극(P)이 포지티브 전압에서만 이루어지므로, (c)에 확대된 그래프와 같이 전압-전류(I-V) 특성 곡선이 단방향 특성을 갖는 다는 것을 알 수 있다. 이는 SR-FTJ가 다이오드와 유사하게 정류 특성을 가져 역방향 전류 흐름을 억제할 수 있음을 나타낸다.In (a) of FIG. 2, the left and right graphs represent the voltage-polarization (V-P) characteristic curve and the voltage-current (I-V) characteristic curve of the conventional FTJ and SR-FTJ, respectively. In the case of the existing FTJ, as shown on the left, since the polarization (P) according to the voltage (V) is achieved not only in the forward voltage but also in the reverse voltage, the voltage-current (I-V) characteristic curve also has a bidirectional characteristic. On the other hand, in the case of the SR-FTJ, as shown on the right, since the polarization (P) according to the voltage (V) is made only at the positive voltage, the voltage-current (I-V) characteristic curve as shown in the enlarged graph in (c) It can be seen that this has a one-way characteristic. This indicates that the SR-FTJ can suppress reverse current flow by having rectification characteristics similar to diodes.

도 3은 도 2의 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자의 역방향 전압에 따른 누설 전류 특성을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a diagram for explaining leakage current characteristics according to reverse voltage of the self-rectifying ferroelectric tunnel junction device of FIG. 2 .

도 3에서 (a)는 SR-FTJ의 역방향 전압에 따른 누설 전류 변화를 나타낸다. 상기한 바와 같이, SR-FTJ가 다이오드와 유사하게 정류 특성을 가지며, 이에 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 1V의 포지티브 전압 대비 -1V의 네거티브 전압이 인가될 때, 대략 103 수준의 정류비(Rectifying Ratio: RR)를 나타낸다. 즉 역방향 전압이 인가되면 SR-FTJ는 역방향 전류 흐름을 억제한다. 다만 역방향 전류가 완전하게 억제되지 않으며, 이에 누설 전류(leakage current)가 흐른다.In FIG. 3, (a) shows the leakage current change according to the reverse voltage of the SR-FTJ. As described above, the SR-FTJ has a rectification characteristic similar to that of a diode, and as shown in (a) of FIG . represents the rectifying ratio (RR) of That is, when reverse voltage is applied, SR-FTJ suppresses reverse current flow. However, the reverse current is not completely suppressed, and thus leakage current flows.

도 3의 (b)는 SR-FTJ 소자별 상태에 따른 누설 전류 변화를 나타낸다. 대부분의 메모리 셀과 마찬가지로 SR-FTJ 또한 제조 시에도 미세한 공정 편차에 의해 SR-FTJ 소자 사이에 누설 전류 차이가 발생한다. 즉 (b)의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 2개의 SR-FTJ 소자(A, B)가 모두 고저항 상태(HRS)인 경우, 2개의 SR-FTJ 소자(A, B)에는 동일한 누설 전류가 흐르지 않고, 하나의 SR-FTJ 소자(A)에는 제1 누설 전류(Ileak,A)가 흐르는 반면, 나머지 SR-FTJ 소자(B)에는 제1 누설 전류(Ileak,A)와 상이한 제2 누설 전류(Ileak,B)가 흐르게 된다. 각 SR-FTJ에는 가우시안 분포에 따라 서로 누설 전류(Ileak,A, Ileak,B)가 흐를 수 있으며, 이와 같은 누설 전류(Ileak,A, Ileak,B)는 SR-FTJ 각각의 상태 변화에 따라 크기가 가변되지만 서로 다른 SR-FTJ가 동일하게 상태가 변화하는 경우, 각 SR-FTJ의 누설 전류 사이의 상대적 크기는 동일하게 유지된다.Figure 3 (b) shows the leakage current change according to the state of each SR-FTJ device. Like most memory cells, SR-FTJs also have a leakage current difference between SR-FTJ devices due to slight process deviations during manufacturing. That is, as shown on the left side of (b), when both SR-FTJ elements (A, B) are in a high resistance state (HRS), the same leakage current is present in the two SR-FTJ elements (A, B). While the first leakage current (I leak,A) flows in one SR-FTJ element (A), the second leakage current (I leak,A ) different from the first leakage current (I leak,A ) flows in the remaining SR-FTJ element (B). A leakage current (I leak,B ) flows. In each SR-FTJ, leakage currents (I leak,A , I leak,B ) may flow to each other according to a Gaussian distribution, and such leakage currents (I leak,A , I leak,B ) Although the size varies according to the change, the relative magnitude between the leakage currents of each SR-FTJ remains the same when different SR-FTJs change the same state.

즉 (b)의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 2개의 SR-FTJ 소자(A, B)의 상태가 저저항 상태(LRS)로 변화된 경우, 2개의 SR-FTJ 소자(A, B)의 상태 변화에 따라 누설 전류(Ileak,A, Ileak,B)에 변화(ΔΔIleak)가 발생하지만, 이때 발생되는 누설 전류의 변화(ΔIleak)는 2개의 SR-FTJ 소자(A, B)에 동일한 크기로 발생한다. 따라서 소자별 누설 전류(Ileak,A+ΔIleak, Ileak,B+ΔIleak)의 차이는 SR-FTJ 소자(A, B)의 상태가 변화된 경우에도 동일하게 유지된다. 이는 2개의 SR-FTJ 소자(A, B)의 상태가 동일한 상태이면, 각 SR-FTJ 소자(A, B)의 제조 특성에 따라 역방향 전압이 인가되면 서로 상이한 크기의 누설 전류가 흐르게 된다는 것을 나타낸다. 그러므로 SR-FTJ 소자(A, B)로 구성되는 메모리 장치는 SR-FTJ 소자(A, B)의 누설 전류(Ileak,A, Ileak,B)를 이용하여서도 PUF로 이용될 수 있다. 다만 SR-FTJ 소자(A, B)의 누설 전류(Ileak,A, Ileak,B)를 이용하여서 PUF를 구성하기 위해서는 SR-FTJ 소자(A, B)의 상태에 따른 누설 전류의 변화(ΔIleak)가 반영되지 않도록, 2개의 SR-FTJ 소자(A, B)의 상태가 동일해야만 한다.That is, as shown on the right side of (b), when the state of the two SR-FTJ elements (A, B) is changed to the low resistance state (LRS), the state change of the two SR-FTJ elements (A, B) A change (ΔΔI leak ) occurs in the leakage current ( I leak,A , I leak,B ) according to occurs in size. Therefore, the difference in leakage current (I leak,A +ΔI leak , I leak,B +ΔI leak ) for each device remains the same even when the states of the SR-FTJ devices A and B are changed. This indicates that if the two SR-FTJ elements (A, B) are in the same state, leakage currents of different magnitudes flow when reverse voltage is applied according to the manufacturing characteristics of each SR-FTJ element (A, B) . Therefore, the memory device composed of the SR-FTJ elements A and B can be used as a PUF even by using the leakage currents I leak,A and I leak,B of the SR-FTJ elements A and B. However, in order to construct a PUF using the leakage currents (I leak,A , I leak,B ) of the SR-FTJ elements (A, B), the change in leakage current according to the state of the SR-FTJ elements (A, B) ( The states of the two SR-FTJ devices (A, B) must be the same so that ΔI leak ) is not reflected.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치의 메모리 셀 어레이 구조를 나타낸다.4 illustrates a memory cell array structure of a memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 메모리 장치는 다수의 메모리 셀 어레이를 구비할 수 있으며, 각 메모리 셀 어레이는 제1 방향으로 진행하는 다수의 매치라인(ML)과 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 다수의 서치라인쌍(SL, SLB) 및 다수의 매치라인(ML) 중 대응하는 매치라인과 다수의 서치라인쌍(SL, SLB) 중 대응하는 서치라인쌍 각각 사이에 연결되는 2개의 SR-FTJ(F1, F2)를 포함하는 다수의 메모리 셀(MC)을 포함한다. 본 실시예에서 다수의 메모리 셀(MC)은 각각 CAM에 대한 데이터를 저장하는 CAM 셀로 동작할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the memory device according to the present exemplary embodiment may include a plurality of memory cell arrays, and each memory cell array intersects a plurality of match lines ML extending in a first direction and the first direction. Connection between a corresponding match line among the plurality of search line pairs SL and SLB and the plurality of match lines ML extending in the second direction and a corresponding search line pair among the plurality of search line pairs SL and SLB, respectively. It includes a plurality of memory cells (MC) including two SR-FTJs (F1, F2). In this embodiment, each of the plurality of memory cells MC may operate as a CAM cell for storing CAM data.

그리고 다수의 메모리 셀(MC) 각각은 2개의 SR-FTJ(F1, F2)를 포함하고, 2개의 SR-FTJ(F1, F2) 중 제1 SR-FTJ(F1)는 대응하는 매치라인(ML)과 대응하는 서치라인(SL) 사이에 연결되고, 제2 SR-FTJ(F2)는 대응하는 매치라인(ML)과 대응하는 서치라인바(SLB) 사이에 연결된다. 즉 제1 SR-FTJ(F1)와 제2 SR-FTJ(F2)는 일단이 대응하는 매치라인(ML)에 공통으로 연결되는 반면, 타단은 대응하는 서치라인(SL) 또는 대응하는 서치라인바(SLB)에 구분되어 연결된다.Each of the plurality of memory cells (MC) includes two SR-FTJs (F1, F2), and a first SR-FTJ (F1) among the two SR-FTJs (F1, F2) has a corresponding match line (ML ) and the corresponding search line (SL), and the second SR-FTJ (F2) is connected between the corresponding match line (ML) and the corresponding search line bar (SLB). That is, the first SR-FTJ (F1) and the second SR-FTJ (F2) have one end connected in common to the corresponding match line ML, while the other end has a corresponding search line SL or a corresponding search line bar (SLB) and connected.

따라서 본 실시예에 따른 메모리 장치에서 다수의 메모리 셀(MC) 각각은 단지 매치라인(ML)과 서치라인쌍(SL, SLB) 사이에 연결된 2개의 SR-FTJ(F1, F2)만으로 구성되며, 이로 인해 메모리 장치의 크기를 크게 줄일 수 있다.Therefore, in the memory device according to the present embodiment, each of the plurality of memory cells MC is composed of only two SR-FTJs (F1, F2) connected between the match line (ML) and the search line pair (SL, SLB), As a result, the size of the memory device can be greatly reduced.

여기서는 설명의 편의를 위하여 2개의 매치라인(ML[0], ML[1])과 3개의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) 사이에 연결되어 2 ㅧ 3 형태로 배열되어 배치되는 6개의 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]))만을 도시하였다. 그리고 이하 에서는 6개의 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]))을 배치 위치에 따라 제11 메모리 셀(MC[00]) 내지 제23 메모리 셀(MC[12])이라 한다. 제1 매치라인(ML[0])과 3개의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) 사이에 연결된 3개의 메모리 셀(MC)을 각각 제11 내지 제13 메모리 셀(MC[00], MC[01], MC[02])이라 하고, 제2 매치라인(ML[1])과 3개의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) 사이에 연결된 3개의 메모리 셀(MC)을 각각 제21 내지 제23 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12])이라 한다.Here, for convenience of description, two match lines (ML[0], ML[1]) and three search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]) ), (SL[2], SLB[2])), and 6 memory cells ((MC[00], MC[01], MC[02]), ( Only MC[10], MC[11], and MC[12])) are shown. In the following, 6 memory cells ((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12])) are arranged according to the arrangement position of the eleventh memory. Cells MC[00] through 23rd memory cells MC[12] are referred to. The first match line (ML[0]) and three search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2] ])), the three memory cells MC connected therebetween are referred to as 11th to 13th memory cells MC[00], MC[01], and MC[02], respectively, and the second match line ML[1] ) and three pairs of search lines ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) The cells MC are referred to as 21st to 23rd memory cells MC[10], MC[11], and MC[12], respectively.

도 5는 도 4의 메모리 셀 어레이의 3D 구조의 일 예를 나타낸다.FIG. 5 shows an example of a 3D structure of the memory cell array of FIG. 4 .

도 4에 도시된 본 실시예에 따른 메모리 장치에서 다수의 메모리 셀 어레이 각각은 도 5에 도시된 바와 같이, 3D 구조로 구현될 수 있다. 도 5에서도 설명의 편의를 위하여 2개의 매치라인(ML[0], ML[1])과 3개의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) 사이에 연결된 6개의 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]))만을 도시하였다.Each of a plurality of memory cell arrays in the memory device according to the present embodiment shown in FIG. 4 may be implemented in a 3D structure as shown in FIG. 5 . 5, for convenience of explanation, two match lines (ML[0], ML[1]) and three search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[ 1]), 6 memory cells ((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11] connected between (SL[2], SLB[2])) ], MC[12])) only.

도 5를 참조하면, 3D 구조의 메모리 셀 어레이는 제1 방향으로 연장되는 다수의 매치라인(ML[0], ML[1])을 중심으로 상측에 제1 방향과 수직하는 제2 방향으로 연장되는 다수의 서치라인(SL[0], SL[1], SL[2])이 형성되고, 하측에는 제2 방향으로 연장되는 다수의 서치라인바(SLB[0], SLB[1], SLB[2])가 형성된다. 그리고 다수의 매치라인(ML[0], ML[1]) 중 대응하는 매치라인과 다수의 서치라인(SL[0], SL[1], SL[2]) 중 대응하는 서치라인 사이에는 제1 SR-FTJ(F1)가 형성되고, 다수의 매치라인(ML[0], ML[1]) 중 대응하는 매치라인과 다수의 서치라인바(SLB[0], SLB[1], SLB[2]) 중 대응하는 서치라인바 사이에는 제2 SR-FTJ(F2)가 형성된다.Referring to FIG. 5 , a memory cell array having a 3D structure extends in a second direction perpendicular to the first direction on an upper side centered on a plurality of match lines ML[0] and ML[1] extending in a first direction. A plurality of search lines (SL[0], SL[1], and SL[2]) are formed, and a plurality of search line bars (SLB[0], SLB[1], SLB [2]) is formed. And between the corresponding match line among the plurality of match lines (ML[0], ML[1]) and the corresponding search line among the plurality of search lines (SL[0], SL[1], and SL[2]), 1 SR-FTJ (F1) is formed, and the corresponding match line among a plurality of match lines (ML[0], ML[1]) and a plurality of search line bars (SLB[0], SLB[1], SLB[ 2]), a second SR-FTJ (F2) is formed between the corresponding search line bars.

도 5에 도시된 바와 같이, 다수의 서치라인(SL[0], SL[1], SL[2])과 다수의 서치라인바(SLB[0], SLB[1], SLB[2])가 각각 매치라인(ML[0], ML[1])을 중심으로 상측 및 하층에 위치하여 매치라인(ML[0], ML[1])에 수직 방향으로 연장되도록 형성되면, 각 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]))의 2개의 SR-FTJ(F1, F2)은 적층된 구조로 형성된다. 따라서 메모리 장치의 크기를 더욱 줄일 수 있다.As shown in FIG. 5, a plurality of search lines (SL[0], SL[1], SL[2]) and a plurality of search line bars (SLB[0], SLB[1], SLB[2]) If are formed to extend in the vertical direction to the match lines (ML[0], ML[1]) by being located in the upper and lower layers centered on the matchlines (ML[0], ML[1]), each memory cell ( The two SR-FTJs (F1, F2) of (MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]) have a stacked structure. is formed Accordingly, the size of the memory device can be further reduced.

한편 도시하지 않았으나, 본 실시예의 메모리 장치는 다수의 매치라인(ML)과 다수의 서치라인쌍(SL, SLB) 각각으로 전압을 공급하기 위한 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, although not shown, the memory device of the present embodiment may further include a power supply unit (not shown) for supplying voltages to each of the plurality of match lines ML and the plurality of search line pairs SL and SLB.

도 6 및 도 7은 본 실시예에 따른 메모리 장치의 CAM 모드에서의 라이트 동작을 설명하기 위한 도면이다.6 and 7 are diagrams for explaining a write operation in a CAM mode of a memory device according to an exemplary embodiment.

도 6 및 도 7에서는 제1 매치라인(ML[0])에 연결되는 제1 행의 제11 메모리 셀(MC[00]), 제12 메모리 셀(MC[01]) 및 제13 메모리 셀(MC[02])에 각각 데이터 "0", "1" 및 "1"이 라이트되는 경우를 가정한다. 또한 여기서는 반도체층(11)이 N형으로 형성되는 경우를 가정하여, 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]))의 2개의 SR-FTJ(F1, F2)는 역방향 라이트 전압(-VW)이 인가되면 고저항 상태(HRS)를 갖고, 순방향 라이트 전압(VW)이 인가되면 저저항 상태(LRS)를 갖는 것으로 설명한다.6 and 7 , the 11th memory cell MC[00], the 12th memory cell MC[01], and the 13th memory cell (MC[01]) of the first row connected to the first match line ML[0] Assume that data "0", "1", and "1" are written to MC[02]), respectively. Also, here, assuming that the semiconductor layer 11 is formed in an N-type, memory cells ((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC The two SR-FTJs (F1, F2) of [12]) have a high resistance state (HRS) when a reverse write voltage (-V W ) is applied, and a low resistance state when a forward write voltage (V W ) is applied. (LRS).

그리고 본 실시예에서는 각 메모리 셀(MC)에서 제1 SR-FTJ(F1)가 고저항 상태(HRS)이고, 제2 SR-FTJ(F2)가 저저항 상태(LRS)인 경우에 해당 메모리 셀(MC)이 "0"의 데이터를 저장한 상태인 것으로 가정한다. 따라서 제1 SR-FTJ(F1)가 저저항 상태(LRS)이고, 제2 SR-FTJ(F2)가 고저항 상태(HRS)인 경우는 해당 메모리 셀(MC)이 "1"의 데이터를 저장한 상태라 할 수 있다.In the present embodiment, when the first SR-FTJ (F1) is in a high resistance state (HRS) and the second SR-FTJ (F2) is in a low resistance state (LRS) in each memory cell (MC), the corresponding memory cell It is assumed that (MC) is in a state where data of “0” is stored. Therefore, when the first SR-FTJ (F1) is in a low resistance state (LRS) and the second SR-FTJ (F2) is in a high resistance state (HRS), the corresponding memory cell (MC) stores data of “1” can be said to be in one state.

본 실시예에 따른 메모리 셀의 CAM 모드에서의 라이트 동작은 도 5에 도시된 고저항 설정 단계와 도 6에 도시된 저저항 설정 단계로 구분되어 동작한다. 여기서 고저항 설정 단계는 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]))에 저장되어야 할 데이터에 따라 대응하는 SR-FTJ(F1, F2)가 고저항 상태(HRS)를 갖도록 하고, 저저항 설정 단계는 대응하는 SR-FTJ(F1, F2)가 저저항 상태(LRS)를 갖도록 한다.A write operation in the CAM mode of the memory cell according to the present embodiment is divided into a high resistance setting step shown in FIG. 5 and a low resistance setting step shown in FIG. 6 . Here, the high resistance setting step depends on the data to be stored in the memory cells ((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12])). The corresponding SR-FTJs (F1, F2) have a high resistance state (HRS), and the low resistance setting step causes the corresponding SR-FTJs (F1, F2) to have a low resistance state (LRS).

라이트 동작 시 고저항 설정 단계 및 저저항 설정 단계 모두에서 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로는 대응하는 메모리 셀(MC[00], MC[01], MC[02])에 저장될 데이터에 따른 전압이 인가된다. 여기서는 3개의 메모리 셀(MC[00], MC[01], MC[02])에 각각 "0", "1" 및 "1"이 라이트되는 경우를 가정하였다. 이에 제1 서치라인쌍(SL[0], SLB[0])의 서치라인(SL[0])으로는 기지정된 전압 레벨을 갖는 라이트 전압(VW)이 인가되고, 서치라인바(SLB[0])로는 접지 전압(0V)이 인가된다. 반면 제2 및 제3 서치라인쌍((SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])])의 서치라인(SL[1], SL[2])로는 접지 전압(0V)이 인가되고, 서치라인바(SLB[1], SLB[2])로는 라이트 전압(VW)이 인가된다.During light operation, multiple search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], Voltages according to data to be stored in the corresponding memory cells (MC[00], MC[01], MC[02]) are applied to SLB[2])). Here, it is assumed that “0”, “1”, and “1” are written to three memory cells (MC[00], MC[01], and MC[02]), respectively. Accordingly, the write voltage V W having a predetermined voltage level is applied to the search line SL[0] of the first search line pair SL[0] and SLB[0], and the search line bar SLB[ 0]), a ground voltage (0V) is applied. On the other hand, as the search lines SL[1] and SL[2] of the second and third search line pairs ((SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])] A ground voltage (0V) is applied, and a write voltage (V W ) is applied to the search line bars SLB[1] and SLB[2].

한편 도 5를 참조하면, 라이트 동작의 고저항 설정 단계에서는 데이터가 라이트되어야 하는 메모리 셀(MC[00], MC[01], MC[02])을 행 단위로 선택하기 위해 데이터와 함께 인가되는 어드레스에 대응하는 매치라인(ML[0])이 선택되고, 선택된 매치라인(ML[0])으로 접지 전압(0V)을 인가한다. 그리고 선택되지 않은 나머지 매치라인(ML[1])에는 라이트 전압(VW)의 절반 수준의 VW/2 레벨의 전압이 인가된다.Meanwhile, referring to FIG. 5, in the high-resistance setting step of the write operation, data is applied together with data to select memory cells (MC[00], MC[01], MC[02]) on which data is to be written in units of rows. A match line ML[0] corresponding to the address is selected, and a ground voltage 0V is applied to the selected match line ML[0]. A voltage of V W /2 level, which is half of the write voltage V W , is applied to the remaining unselected match lines ML[1].

따라서 선택된 매치라인(ML[0])에 연결된 3개의 메모리 셀(MC[00], MC[01], MC[02]) 중 제11 메모리 셀(MC[00])의 제1 SR-FTJ(F1)와 제12 및 제13 메모리(MC[01], MC[02])의 제2 SR-FTJ(F2)에는 매치라인(ML[0])으로 인가된 접지 전압(0V)과 서치라인(SL[0]) 및 서치라인바(SLB[1], SLB[2])로 인가된 라이트 전압(VW)에 의해 역방향으로 라이트 전압(VW)이 인가되며, 이는 네거티브 라이트 전압(-VW)이 인가된 것으로 볼 수 있다. 이에 제11 메모리 셀(MC[00])의 제1 SR-FTJ(F1)와 제12 및 제13 메모리(MC[01], MC[02])의 제2 SR-FTJ(F2)는 고저항 상태(HRS)를 갖는다.Therefore, the first SR-FTJ ( The ground voltage (0V) applied as the match line (ML[0]) and the search line ( The write voltage (V W ) is applied in the reverse direction by the write voltage (V W ) applied to the SL[0] ) and the search line bars (SLB[1], SLB[2]), which is the negative write voltage (-V W ) can be seen as approved. Accordingly, the 1st SR-FTJ(F1) of the 11th memory cell MC[00] and the 2nd SR-FTJ(F2) of the 12th and 13th memories MC[01] and MC[02] have high resistance has a status (HRS).

이때, 제11 메모리 셀(MC[00])의 제2 SR-FTJ(F2)와 제12 및 제13 메모리(MC[01], MC[02])의 제1 SR-FTJ(F1)는 매치라인(ML[0])과 서치라인바(SLB[0]) 및 서치라인(SL[1], SL[2])의 전압이 모두 접지 전압(0V)으로 동일하여 전압 차가 발생되지 않으므로, 상태 변화가 발생되지 않는다.At this time, the 2nd SR-FTJ(F2) of the 11th memory cell MC[00] and the 1st SR-FTJ(F1) of the 12th and 13th memories MC[01] and MC[02] are matched. Since the voltages of the line (ML[0]), the search line bar (SLB[0]), and the search lines (SL[1], SL[2]) are all the same as the ground voltage (0V), no voltage difference occurs, change does not occur

그리고 선택되지 않은 매치라인(ML[1])에 연결된 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12])의 경우, 매치라인(ML[1])으로 라이트 전압(VW)의 절반 수준의 VW/2 레벨의 전압이 인가되므로, 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12])의 제1 및 제2 SR-FTJ(F1, F2)의 양단에 걸리는 전압이 VW/2 또는 -VW/2 수준이다. 따라서 선택되지 않은 매치라인(ML[1])에 연결된 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12]) 또한 상태가 변화되지 않는다.And in the case of memory cells (MC[10], MC[11], MC[12]) connected to unselected matchlines (ML[1]), write voltage (V W ) with matchlines (ML[1]) Since a voltage of half of V W /2 level is applied, both ends of the first and second SR-FTJs (F1, F2) of the memory cells (MC[10], MC[11], MC[12]) The applied voltage is V W /2 or -V W /2 level. Accordingly, the states of the memory cells MC[10], MC[11], and MC[12] connected to the non-selected match line ML[1] also do not change.

한편, 도 6을 참조하면, 라이트 동작의 저저항 설정 단계에서는 데이터가 선택된 매치라인(ML[0])으로 라이트 전압(VW)이 인가되고, 선택되지 않은 나머지 매치라인(ML[1])에는 고저항 설정 단계에서 인가된 VW/2 레벨의 전압이 그대로 유지되어 인가된다.Meanwhile, referring to FIG. 6, in the low resistance setting step of the write operation, the write voltage (V W ) is applied to the match line (ML[0]) for which data is selected, and the remaining match lines (ML[1]) that are not selected , the voltage of the V W /2 level applied in the high resistance setting step is maintained and applied.

따라서 제11 메모리 셀(MC[00])의 제2 SR-FTJ(F2)와 제12 및 제13 메모리(MC[01], MC[02])의 제1 SR-FTJ(F1)에는 매치라인(ML[0])으로 인가된 라이트 전압(VW)과 서치라인바(SLB[0]) 및 서치라인(SL[1], SL[2])으로 인가된 접지 전압(0V)에 의해 포지티브 라이트 전압(VW)이 인가된다. 이에 제11 메모리 셀(MC[00])의 제2 SR-FTJ(F2)와 제12 및 제13 메모리(MC[01], MC[02])의 제1 SR-FTJ(F1)는 저저항 상태(LRS)를 갖는다.Therefore, the match line is applied to the 2nd SR-FTJ(F2) of the 11th memory cell MC[00] and the 1st SR-FTJ(F1) of the 12th and 13th memories MC[01] and MC[02]. Positive by the light voltage (V W ) applied to (ML[0]) and the ground voltage (0V) applied to the search line bar (SLB[0]) and search lines (SL[1], SL[2]) A write voltage (V W ) is applied. Accordingly, the 2nd SR-FTJ(F2) of the 11th memory cell MC[00] and the 1st SR-FTJ(F1) of the 12th and 13th memories MC[01] and MC[02] have low resistance state (LRS).

이때, 제11 메모리 셀(MC[00])의 제1 SR-FTJ(F1)와 제12 및 제13 메모리(MC[01], MC[02])의 제2 SR-FTJ(F2)는 매치라인(ML[0])과 서치라인바(SLB[0]) 또는 서치라인(SL[1], SL[2])의 전압이 모두 라이트 전압(VW)으로 동일하여 전압 차가 발생되지 않으므로, 고저항 설정 단계에서 설정된 고저항 상태(HRS)를 유지한다.At this time, the 1st SR-FTJ(F1) of the 11th memory cell MC[00] and the 2nd SR-FTJ(F2) of the 12th and 13th memories MC[01] and MC[02] are matched. Since the voltages of the line (ML[0]) and the search line bar (SLB[0]) or the search lines (SL[1], SL[2]) are all the same as the write voltage (V W ), no voltage difference occurs, The high resistance state (HRS) set in the high resistance setting step is maintained.

그리고 선택되지 않은 매치라인(ML[1])에 연결된 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12])은 매치라인(ML[1])으로 VW/2 레벨의 전압이 그대로 인가되고, 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12])의 제1 및 제2 SR-FTJ(F1, F2)의 양단에 걸리는 전압 또한 VW/2 또는 -VW/2 이다. 따라서 선택되지 않은 매치라인(ML[1])에 연결된 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12]) 또한 상태가 변화되지 않는다.And the memory cells (MC[10], MC[11], MC[12]) connected to the unselected match line (ML[1]) have a voltage of V W /2 level as the match line (ML[1]). It is applied as it is, and the voltage across the first and second SR-FTJs (F1, F2) of the memory cells (MC[10], MC[11], MC[12]) is also V W /2 or -V W /2. Accordingly, the states of the memory cells MC[10], MC[11], and MC[12] connected to the non-selected match line ML[1] also do not change.

결과적으로 라이트 동작 시 고저항 설정 단계 및 저저항 설정 단계에서 선택된 매치라인(ML[1])에 접지 전압(0V) 및 라이트 전압(VW)을 순차적으로 인가하고, 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로는 저장하고자 하는 데이터에 대응하는 전압(VW, 0V)을 인가하여 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12])의 제1 및 제2 SR-FTJ(F1, F2)가 고저항 상태(HRS) 및 저저항 상태(LRS)를 갖도록 한다.As a result, during the write operation, the ground voltage (0V) and the write voltage (V W ) are sequentially applied to the match line (ML[1]) selected in the high resistance setting step and the low resistance setting step, and the search line pair ((SL[ 0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) the voltage (V W , 0V) corresponding to the data to be stored. applied so that the first and second SR-FTJs (F1, F2) of the memory cells (MC[10], MC[11], MC[12]) have a high resistance state (HRS) and a low resistance state (LRS) do.

도 8 및 도 9는 본 실시예에 따른 메모리 장치의 CAM 모드에서의 검색 동작을 설명하기 위한 도면이다.8 and 9 are diagrams for explaining a search operation in a CAM mode of a memory device according to an exemplary embodiment.

본 실시예의 메모리 장치에서는 라이트 동작 시와 마찬가지로 검색 동작 또한 도 8에 도시된 프리차지 단계(Precharge) 와 도 9에 도시된 매치 평가 단계(Match Evaluation)의 2단계로 구성된다.In the memory device of this embodiment, similar to the write operation, the search operation is also composed of two steps: a precharge step shown in FIG. 8 and a match evaluation step shown in FIG. 9 .

도 8을 참조하면, 프리차지 단계에서는 다수의 매치라인(ML[0], ML[1])과 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로 접지 전압(0V)과 라이트 전압(VW) 사이의 기지정된 전압 레벨을 갖는 전원 전압(VDD)을 인가한다. 따라서 다수의 매치라인(ML[0], ML[1])과 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))이 모두 전원 전압(VDD)으로 프리차지 된다.Referring to FIG. 8, in the precharge step, a plurality of match lines (ML[0], ML[1]) and a plurality of search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], A power supply voltage (V DD ) having a predetermined voltage level between the ground voltage (0V) and the write voltage (V W ) is applied to SLB[1]) and (SL[2], SLB[2]). Therefore, multiple match lines (ML[0], ML[1]) and multiple search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[ 2] and SLB[2])) are all precharged with the power supply voltage (V DD ).

여기서 다수의 매치라인(ML[0], ML[1]) 뿐만 아니라 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로도 전원 전압(VDD)을 인가하는 것은, 다수의 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]))의 제1 및 제2 SR-FTJ(F1, F2)의 누설 전류에 의해 다수의 매치라인(ML[0], ML[1])에 프리차지된 전원 전압(VDD)이 강하되는 것을 방지하기 위해서이다.Here, not only multiple match lines (ML[0], ML[1]) but also multiple search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL [2], SLB[2])) also applies the power supply voltage (V DD ) to a plurality of memory cells ((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10] , MC[11], MC[12]) precharged in a plurality of match lines (ML[0], ML[1]) by the leakage currents of the first and second SR-FTJs (F1, F2) This is to prevent the power supply voltage (V DD ) from dropping.

한편, 도 9를 참조하면 매치 평가 단계에서는 다수의 매치라인(ML[0], ML[1])으로 인가되는 전원을 차단하여 플로팅(floating) 시킴으로써 다수의 매치라인(ML[0], ML[1])이 프리차지된 전원 전압(VDD)을 유지하도록 한다.On the other hand, referring to FIG. 9, in the match evaluation step, the power supplied to the plurality of match lines (ML[0], ML[1]) is cut off and floating, thereby making the plurality of match lines (ML[0], ML[1]) 1]) to maintain the precharged power supply voltage (V DD ).

그리고 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로 검색하고자 하는 데이터에 따른 전압을 인가한다. 여기서는 데이터 "011"을 검색하는 경우를 가정하며, 제1 매치라인(ML[0])에 연결된 3개의 메모리 셀(MC[00], MC[01], MC[02])과 제2 매치라인(ML[1])에 연결된 3개의 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12])에는 각각 데이터 "101", "011"이 저장된 것으로 가정한다.And a number of search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) Apply voltage. Here, it is assumed that data “011” is searched, and three memory cells (MC[00], MC[01], MC[02]) connected to the first match line (ML[0]) and the second match line It is assumed that data “101” and “011” are stored in three memory cells (MC[10], MC[11], MC[12]) connected to (ML[1]), respectively.

이에 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))에서 제1 서치라인(SL[0])과 제2 및 제3 서치라인바(SLB[1], SLB[2])로는 접지 전압(0V)을 인가하고, 제1 서치라인바(SLB[0])와 제2 및 제3 서치라인(SL[1], SL[2])으로는 전원 전압(VDD)을 인가한다.Accordingly, in a plurality of search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])), the first search line (SL) [0]) and the second and third search line bars SLB[1] and SLB[2], a ground voltage 0V is applied, and a ground voltage 0V is applied to the first search line bar SLB[0] and the second and third search line bars SLB[0]. 3 Apply the power supply voltage (V DD ) to the search lines (SL[1], SL[2]).

이와 같이 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로 검색하고자 하는 데이터에 따른 전압을 인가하면, 다수의 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12])) 중 제11 및 제12 메모리 셀(MC[00], MC[01])에서 저저항 상태(LRS)를 갖는 제1 및 제2 SR-FTJ(F1, F2)의 양단 사이에 포지티브 전원 전압(VDD)이 걸리게 되므로, 제11 메모리 셀(MC[00])의 제1 SR-FTJ(F1)와 제12 메모리 셀(MC[01])의 제2 SR-FTJ(F2)를 통해 전류 경로가 형성된다. 이때, 제13 메모리 셀(MC[02])의 제2 SR-FTJ(F2)의 양단에도 포지티브 전원 전압(VDD)이 걸리지만, 제2 SR-FTJ(F2)가 고저항 상태(HRS)이므로 전류 경로는 형성되지 않는다. 따라서 제1 매치라인(ML[0])은 서치라인(SL[0]) 및 서치라인바(SLB[1])로 흐르는 전류에 의해 전압 레벨이 접지 전압 레벨(0V)로 강하한다.In this way, the data to be searched with multiple search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) When a voltage according to the voltage is applied, the eleventh and second memory cells ((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12])) Since the positive supply voltage (V DD ) is applied between both ends of the first and second SR-FTJs (F1, F2) having a low resistance state (LRS) in 12 memory cells (MC[00], MC[01]), , a current path is formed through the first SR-FTJ(F1) of the 11th memory cell MC[00] and the second SR-FTJ(F2) of the 12th memory cell MC[01]. At this time, a positive supply voltage (V DD ) is also applied to both ends of the second SR-FTJ(F2) of the 13th memory cell (MC[02]), but the second SR-FTJ(F2) is in a high resistance state (HRS) Therefore, no current path is formed. Accordingly, the voltage level of the first match line ML[0] drops to the ground voltage level 0V by the current flowing through the search line SL[0] and the search line bar SLB[1].

반면, 제2 매치라인(ML[1])에서는 3개의 메모리 셀(MC[10], MC[11], MC[12])에 저장된 데이터 "011"가 검색하고자 하는 데이터 "011"와 매칭된다. 그러므로 양단에 포지티브 전원 전압(VDD)이 걸리는 제21 메모리 셀(MC[10])의 제1 SR-FTJ(F1)와 제22 및 제23 메모리 셀(MC[11], MC[12])의 제2 SR-FTJ(F2)는 모두 고저항 상태(HRS)이다. 따라서 전류 경로가 형성되지 않아 제2 매치라인(ML[1])은 프리차지된 전원 전압(VDD)이 유지된다.On the other hand, in the second match line ML[1], the data "011" stored in the three memory cells (MC[10], MC[11], MC[12]) is matched with the data "011" to be searched for. . Therefore, the first SR-FTJ (F1) of the 21st memory cell (MC[10]) and the 22nd and 23rd memory cells (MC[11], MC[12]) to which the positive supply voltage (V DD ) is applied to both ends The second SR-FTJs (F2) of are all in a high resistance state (HRS). Accordingly, since a current path is not formed, the precharged power supply voltage V DD of the second match line ML[1] is maintained.

결과적으로 검색하고자 하는 데이터 "011"에 매치되는 데이터가 저장된 제2 매치라인(ML[1])은 프리차지된 전원 전압(VDD) 레벨을 유지하는 반면, 나머지 매치라인(ML[0])에서는 전압이 접지 전압(0V) 레벨로 강하되므로, 용이하게 매치되는 데이터가 저장된 매치라인(ML[1])을 판별하여, 대응하는 주소를 획득할 수 있다. 즉 CAM으로 동작할 수 있다.As a result, the second match line (ML[1]) storing the data matching the data “011” to be searched maintains the precharged power supply voltage (V DD ) level, while the remaining match lines (ML[0]) Since the voltage drops to the level of the ground voltage (0V) in , it is possible to easily determine the match line (ML[1]) storing matched data and obtain a corresponding address. That is, it can operate as a CAM.

도 10은 본 실시예에 따른 메모리 장치를 PUF 모드로 동작시키기 위한 구성의 일 예를 나타낸다.10 illustrates an example of a configuration for operating a memory device according to the present embodiment in a PUF mode.

본 실시예에서 메모리 장치는 PUF로 동작하기 위해 도 10에 도시된 바와 같이, 다수의 매치라인(ML)과 다수의 서치라인쌍(SL, SLB) 사이에 연결된 2개의 SR-FTJ(F1, F2)로 구성되는 다수의 메모리 셀(MC)과 각각 기지정된 개수의 매치라인(ML)에 연결되는 다수의 먹스(Mux1, Mux2) 및 적어도 하나의 센스 앰프(SA)를 포함할 수 있다. 여기서는 설명의 편의를 위하여 다수의 메모리 셀(MC)을 기지정된 개수의 매치라인(ML)에 연결되는 다수의 먹스(Mux1, Mux2)에 의해 다수의 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2)로 구분하여 설명한다. 즉 본 실시예에서 다수의 메모리 셀(MC)은 물리적으로 구분되지 않고, 먹스(Mux1, Mux2)에 의해 가성으로 다수의 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2)로 구분되는 것으로 볼 수 있다.In this embodiment, the memory device operates as a PUF by using two SR-FTJs (F1, F2) connected between a plurality of match lines (ML) and a plurality of search line pairs (SL, SLB) as shown in FIG. ), multiple muxes Mux1 and Mux2 each connected to a predetermined number of match lines ML, and at least one sense amplifier SA. Here, for convenience of description, the plurality of memory cells MC are divided into a plurality of memory cell arrays (Array 1 and Array 2) by a plurality of muxes (Mux1 and Mux2) connected to a predetermined number of match lines ML. to explain. That is, in the present embodiment, it can be seen that the plurality of memory cells MC are not physically separated, but are pseudo-divided into a plurality of memory cell arrays Array 1 and Array 2 by muxes Mux1 and Mux2.

PUF 모드로 동작시에 다수의 먹스(Mux1, Mux2)는 각각 챌린지로서 인가된 주소에 따라 다수의 매치라인(ML) 중 하나의 매치라인을 선택하여 적어도 하나의 센스 앰프(SA) 중 대응하는 센스 앰프와 연결한다. 이때, 챌린지로 인가되는 주소는 2개의 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2) 각각에서 독립적으로 하나의 매치라인(ML)을 선택할 수 있도록 2개의 매치라인(ML)에 대한 주소로 인가될 수 있으나, 2개의 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2)에서 하나의 매치라인(ML)에 대한 주소만이 인가될 수도 있다.When operating in the PUF mode, the plurality of muxes Mux1 and Mux2 select one match line among the plurality of match lines ML according to the address applied as a challenge, and the corresponding sense of at least one sense amplifier SA Connect to the amp. At this time, the address applied as the challenge may be applied as an address for two match lines ML so that one match line ML can be independently selected from each of the two memory cell arrays Array 1 and Array 2. , only the address of one match line ML in the two memory cell arrays Array 1 and Array 2 may be applied.

만일 서로 다른 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2)에 배치된 2개의 매치라인(ML)에 대한 주소가 챌린지로서 인가되면, 2개의 먹스(Mux1, Mux2)는 각각 대응하는 주소에 따른 매치라인(ML)을 선택하여 센스 앰프(SA)와 연결한다. 적어도 하나의 센스 앰프(SA) 각각은 다수의 먹스 중 대응하는 2개의 먹스(Mux1, Mux2)에 의해 연결된 2개의 매치라인(ML) 사이의 전압차를 증폭하여 출력한다.If the addresses for the two match lines (ML) disposed in different memory cell arrays (Array 1 and Array 2) are applied as challenges, the two muxes (Mux1 and Mux2) each match the match lines (ML) corresponding to the corresponding addresses. ML) and connect it to the sense amplifier (SA). Each of the at least one sense amplifier SA amplifies and outputs a voltage difference between two match lines ML connected by corresponding two muxes Mux1 and Mux2 among a plurality of muxes.

본 실시예의 메모리 장치가 PUF 동작 시에 서로 다른 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2)에 배치된 2개의 매치라인(ML)을 선택하여 센스 앰프(SA)와 연결하는 것은 해당 선택된 매치라인(ML)에 연결된 메모리 셀(MC)의 제조 특성을 확인하여 응답을 생성할 수 있도록 하기 위함이다.When the memory device of the present embodiment selects two match lines (ML) disposed in different memory cell arrays (Array 1 and Array 2) during a PUF operation and connects them to the sense amplifier (SA), the selected match line (ML) This is to ensure that a response can be generated by checking the manufacturing characteristics of the memory cell MC connected to ).

기존의 PUF에서는 일반적으로 다수의 메모리 셀에 대한 주소가 챌린지로서 인가되면, 개별 메모리 셀의 특성에 따른 응답을 생성하여 출력하고, 출력된 응답과 미리 준비된 CRP를 비교하여 보안 검증을 수행하였다. 즉 다수의 메모리 셀 각각의 개별 제조 특성에 기반하여 응답을 생성하였다. 그러나 이와 같이 각 메모리 셀의 제조 특성에 따른 응답을 생성하도록 구성되는 경우, 해당 메모리 셀은 특정 데이터를 저장하는 저장 장치로서 이용될 수 없다. 이는 각 메모리 셀에 저장된 데이터의 값에 따라 특성에 변화가 발생될 수 있기 때문이다.In a conventional PUF, when an address for a plurality of memory cells is generally applied as a challenge, a response according to the characteristics of each memory cell is generated and output, and security verification is performed by comparing the output response with a previously prepared CRP. That is, a response was generated based on the individual manufacturing characteristics of each of the plurality of memory cells. However, if the memory cell is configured to generate a response according to manufacturing characteristics of each memory cell in this way, the corresponding memory cell cannot be used as a storage device for storing specific data. This is because a change in characteristics may occur according to a value of data stored in each memory cell.

본 실시예에서는 이와 같은 문제를 극복하여 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 각각 2개의 SR-FTJ(F1, F2)로 구성되는 다수의 메모리 셀(MC) 각각을 CAM로 동작시키면서도 동시에 PUF로 사용할 수 있도록, 다른 메모리 셀(MC)과의 제조 특성 차이를 비교 증폭하여 응답을 생성하는 방식을 이용한다.In this embodiment, by overcoming this problem, as shown in FIGS. 6 to 9, each of a plurality of memory cells (MC) composed of two SR-FTJs (F1, F2) is operated as a CAM while simultaneously PUF A method of generating a response by comparing and amplifying a manufacturing characteristic difference with another memory cell MC is used so that the memory cell MC can be used as a memory cell MC.

특히 본 실시예의 메모리 장치에서는 2개의 먹스(Mux1, Mux2)가 각각 매치라인(ML)을 선택하도록 함으로써, 단일 메모리 셀(MC)이 아닌 메모리 셀 로우(row) 단위로 제조 특성 차이를 비교 증폭하여 응답을 생성하는 방식을 이용하도록 한다.In particular, in the memory device of the present embodiment, by allowing two muxes Mux1 and Mux2 to select the match line ML, respectively, differences in manufacturing characteristics are compared and amplified in units of memory cell rows instead of single memory cells MC. Use a method that generates a response.

본 실시예에서는 PUF 모드로 동작 시에 메모리 셀(MC)에 CAM 모드를 위해 저장된 데이터가 변경되지 않도록 2개의 SR-FTJ(F1, F2)로 구성되는 다수의 메모리 셀(MC)에서 발생되는 누설 전류를 제조 특성에 따른 응답으로 획득하여 이용한다. 다만 누설 전류는 2개의 SR-FTJ(F1, F2)에 역방향 전압이 인가된 상태에서 발생되는 미세 전류이다. 따라서 비록 다른 메모리 셀과의 상대적 특성을 비교 증폭하는 방식을 이용할지라도, 개별 메모리 셀(MC) 사이의 누설 전류를 비교하는 방식으로 안정적인 응답을 생성하기는 어렵다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해 본 실시예에서는 각 매치라인(ML)에 연결된 다수의 메모리 셀(MC)에서 발생되는 누설 전류를 합하여 메모리 셀 로우(row) 단위로 상호 비교를 수행함으로써 정확한 응답을 생성할 수 있도록 한다.In this embodiment, leakage generated in a plurality of memory cells MC composed of two SR-FTJs (F1, F2) so that the data stored for the CAM mode in the memory cells MC is not changed when operating in the PUF mode. The current is obtained and used as a response according to manufacturing characteristics. However, the leakage current is a microcurrent generated when reverse voltage is applied to the two SR-FTJs (F1, F2). Therefore, even if a method of comparing and amplifying relative characteristics with other memory cells is used, it is difficult to generate a stable response by comparing leakage currents between individual memory cells MC. In order to solve this problem, in the present embodiment, an accurate response can be generated by summing the leakage currents generated from a plurality of memory cells MC connected to each match line ML and performing mutual comparison in units of memory cell rows. make it possible

상기한 바와 같이, 본 실시예에의 메모리 장치에서 다수의 메모리 셀(MC) 각각은 2개의 SR-FTJ(F1, F2)만으로 구성되고, 메모리 셀(MC)에 저장된 데이터에 무관하게 2개의 SR-FTJ(F1, F2)의 상태는 항상 서로 상이한 상태를 갖는다. 즉 메모리 셀(MC)에 저장되는 데이터가 "0" 인 경우에나 "1"인 경우 모두 2개의 SR-FTJ(F1, F2) 중 하나는 고저항 상태(HRS)를 갖는 반면, 나머지 하나는 저저항 상태(LRS)를 갖는다.As described above, in the memory device of this embodiment, each of the plurality of memory cells MC is composed of only two SR-FTJs (F1 and F2), and regardless of the data stored in the memory cells MC, two SR-FTJs - The states of FTJs (F1, F2) always have different states. That is, when the data stored in the memory cell MC is “0” or “1”, one of the two SR-FTJs (F1, F2) has a high resistance state (HRS), while the other one has a low resistance state (HRS). It has a resistance state (LRS).

따라서 각 매치라인(ML)에 연결된 다수의 메모리 셀(MC)에 서로 다른 데이터가 저장될지라도, 각 매치라인(ML)에 연결된 메모리 셀(MC)의 개수는 동일하며, 결과적으로 저저항 상태(LRS)를 갖는 SR-FTJ의 개수와 고저항 상태(HRS)를 갖는 SR-FTJ의 개수 또한 매치라인(ML)에 연결된 메모리 셀(MC)의 개수와 동일하다.Therefore, even if different data are stored in a plurality of memory cells MC connected to each match line ML, the number of memory cells MC connected to each match line ML is the same, resulting in a low resistance state ( The number of SR-FTJs having LRS and the number of SR-FTJs having high resistance states HRS are also equal to the number of memory cells MC connected to match lines ML.

그리고 도 3의 (b)에서 설명한 바와 같이, 제조 특성에 따른 기본적인 누설 전류(Ileak)의 크기는 동일하고, SR-FTJ는 상태 변화에 따라 발생되는 누설 전류의 변화(ΔIleak)는 모든 SR-FTJ에서 동일하다. 동일한 개수의 메모리 셀(MC)에서 발생된 누설 전류의 크기를 비교하는 경우, 상태 변화에 따라 발생되는 누설 전류의 변화(ΔIleak)가 서로 동등하여 상쇄되므로, 메모리 셀(MC)에 저장된 데이터에 무관하게 제조 특성에 따른 누설 전류(Ileak)의 크기만을 비교하여 응답을 생성할 수 있게 된다.And as described in (b) of FIG. 3, the magnitude of the basic leakage current (I leak ) according to manufacturing characteristics is the same, and the change in leakage current (ΔI leak ) generated according to the state change of the SR-FTJ is all SR -Same in FTJ. When the magnitudes of leakage currents generated from the same number of memory cells MC are compared, the changes in leakage currents (ΔI leak ) generated according to the state change are equal and cancel each other, so that the data stored in the memory cells MC Regardless, a response can be generated by comparing only the magnitude of the leakage current (I leak ) according to manufacturing characteristics.

여기서는 설명의 편의를 위하여 다수의 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2) 각각에 대응하는 먹스(Mux1, Mux2)가 포함되는 것으로 도시하였으나, 먹스(Mux1, Mux2)는 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2)와 별도의 구성으로 볼 수 있다. 특히 먹스(Mux1, Mux2)와 센스 앰프(SA)는 PUF 응답 생성부라고 할 수 있다.Here, for convenience of explanation, it is illustrated that muxes Mux1 and Mux2 corresponding to each of a plurality of memory cell arrays Array 1 and Array 2 are included, but the muxes Mux1 and Mux2 are memory cell arrays Array 1 and Array 1. 2) and can be seen as a separate composition. In particular, the muxes Mux1 and Mux2 and the sense amplifier SA may be referred to as PUF response generators.

도 11 및 도 12는 본 실시예에 따른 메모리 셀의 PUF 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.11 and 12 are diagrams for explaining an operation of a memory cell in a PUF mode according to an exemplary embodiment.

이해의 편의를 위하여 도 11 및 도 12에서도 도 4와 같이 2개의 매치라인(ML[0], ML[1])과 3개의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) 사이에 연결된 6개의 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]))을 포함하는 하나의 메모리 셀 어레이를 도시하였다. 그리고 6개의 메모리 셀((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12])) 각각은 2개의 SR-FTJ(F1, F2)를 포함한다.For convenience of understanding, two match lines (ML[0], ML[1]) and three search line pairs ((SL[0], SLB[0]), ( Six memory cells ((MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[02]) connected between SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) [10], MC[11], MC[12])) is shown as one memory cell array. And each of the six memory cells (MC[00], MC[01], MC[02]), (MC[10], MC[11], MC[12]) has two SR-FTJs (F1, F2) is included.

PUF 모드에서의 동작 또한 CAM 모드의 검색 동작과 유사하게 도 11에 도시된 디스차지 단계와 도 12에 도시된 응답 생성 단계의 2단계로 구성된다.Similar to the search operation in the CAM mode, the operation in the PUF mode also consists of two steps: a discharge step shown in FIG. 11 and a response generation step shown in FIG. 12 .

도 11을 참조하면, 디스차지 단계에서는 도 8의 프리차지 단계와 반대로 다수의 매치라인(ML[0], ML[1])과 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로 접지 전압(0V)을 인가하여 디스차지(discharge) 시킨다.Referring to FIG. 11, in the discharge step, contrary to the precharge step of FIG. 8, a plurality of match lines (ML[0], ML[1]) and a plurality of search line pairs ((SL[0], SLB[0]) ), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) by applying ground voltage (0V) to discharge.

도 12를 참조하면, 응답 생성 단계에서는 다수의 매치라인(ML[0], ML[1]) 중 선택되는 매치라인(여기서는 일 예로 제1 매치라인(ML[0]))은 인가되는 전압을 차단하여 플로팅시키고, 선택된 매치라인(ML[0])을 제외한 나머지 매치라인(ML[1])과 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로 전원 전압(VDD)을 인가한다.Referring to FIG. 12, in the response generation step, a match line (herein, as an example, a first match line ML[0]) selected from among a plurality of match lines ML[0] and ML[1] is an applied voltage. It is blocked and plotted, and the remaining match lines (ML[1]) except for the selected match line (ML[0]) and a number of search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], The power supply voltage (V DD ) is applied to SLB[1]), (SL[2], SLB[2])).

다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))으로 전원 전압(VDD)이 인가되면, 제1 매치라인(ML[0])이 접지 전압(0V) 디스차지되어 플로팅된 상태이므로, 연결된 다수의 메모리 셀(MC[00], MC[01], MC[02]) 각각의 2개의 SR-FTJ(F1, F2)에는 역방향 전압이 인가되어 누설 전류가 발생하고, 이로 인해 제1 매치라인(ML[0])의 전압 레벨이 상승하게 된다.A number of search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2])) supply voltage (V DD ) When applied, since the first match line ML[0] is in a floating state after the ground voltage 0V is discharged, each of the connected memory cells MC[00], MC[01], and MC[02] Reverse voltage is applied to the two SR-FTJs (F1, F2) to generate leakage current, which causes the voltage level of the first match line ML[0] to rise.

반면 선택되지 않은 매치라인(ML[1])은 다수의 서치라인쌍((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB[2]))과 동일하게 전원 전압(VDD)이 인가되고 있는 상태이므로, 전압 변화가 발생되지 않는다.On the other hand, unselected matchlines (ML[1]) are multiple search line pairs ((SL[0], SLB[0]), (SL[1], SLB[1]), (SL[2], SLB Since the power supply voltage (V DD ) is being applied in the same manner as in [2])), voltage change does not occur.

그리고 적어도 하나의 센스 앰프(SA) 각각은 서로 다른 메모리 셀 어레이(Array 1, Array 2)에서 먹스(Mux1, Mux2)에 의해 선택된 2개의 매치라인(ML)의 전압차를 감지 증폭하여 응답으로 생성한다. 여기서 생성되는 응답은 단지 1비트의 데이터이다.Each of the at least one sense amplifier (SA) senses and amplifies the voltage difference between two match lines (ML) selected by the muxes (Mux1, Mux2) in different memory cell arrays (Array 1 and Array 2) and generates a response. do. The response generated here is just one bit of data.

이에 PUF의 보안성을 높이기 위해 다수 비트의 응답을 생성하고자 하는 경우, 챌린지는 서로 다른 다수의 메모리 셀 어레이의 매치라인(ML)에 대한 주소를 포함하고, 먹스(Mux1, Mux2)와 센스 앰프(SA)는 반복적으로 비트별 응답을 생성하도록 구성될 수 있다. 그러나 이 경우 순차적으로 비트별 응답을 생성하여 PUF 동작 속도가 느려지게 되므로, 다수의 먹스가 챌린지에 의해 지정되는 매치라인(ML)을 동시에 선택하여 다수의 센스 앰프(SA) 중 대응하는 센스 앰프와 연결하여 병렬로 동시에 각 비트의 응답을 생성하도록 하여 동작 속도를 개선할 수도 있다.Accordingly, when a multi-bit response is to be generated to increase the security of the PUF, the challenge includes the address of the match line (ML) of a plurality of different memory cell arrays, and the mux (Mux1, Mux2) and sense amplifier ( SA) may be configured to generate a bit-by-bit response iteratively. However, in this case, since the PUF operation speed is slowed down by sequentially generating a response for each bit, a plurality of muxes simultaneously selects the match line (ML) designated by the challenge to match the corresponding sense amplifier among the plurality of sense amplifiers (SA). It is also possible to improve the operation speed by connecting them to generate the response of each bit in parallel and at the same time.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치의 동작 방법을 나타낸다.13 illustrates a method of operating a memory device according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 12를 참조하여 도 13의 메모리 장치의 동작 방법을 설명하면, 우선 CAM 모드로 동작할 지 여부를 판별한다(S10). 본 실시예의 메모리 장치는 CAM 모드 또는 PUF 모드로 동작할 수 있으며, CAM 모드 또는 PUF 모드로의 동작 여부는 인가된 명령에 따라 결정될 수 있다. 일 예로 메모리 장치는 라이트 명령 또는 검색 명령이 인가되면 CAM 모드로 동작하고, 챌린지가 인가되면 PUF로 동작하도록 설정될 수 있다.Referring to the method of operating the memory device of FIG. 13 with reference to FIGS. 1 to 12, first, it is determined whether to operate in the CAM mode (S10). The memory device of this embodiment can operate in either the CAM mode or the PUF mode, and whether to operate in the CAM mode or the PUF mode can be determined according to an applied command. For example, the memory device may be configured to operate in a CAM mode when a write command or a search command is applied, and to operate in a PUF mode when a challenge is applied.

만일 CAM 모드로 동작하는 것으로 판별되면, CAM 단계를 수행한다. CAM 단계에서는 우선 라이트 명령이 인가되었는지 여부를 판별한다(S21). 라이트 명령이 인가되었으면, 라이트 명령과 함께 인가된 주소에 대응하는 매치라인(ML)에 연결된 다수의 메모리 셀(MC)의 2개의 SR-FTJ(F1, F2) 중 하나를 인가된 데이터에 따라 고저항 상태(HRS)로 설정한다(S22).If it is determined to operate in the CAM mode, a CAM step is performed. In the CAM step, it is first determined whether a write command has been applied (S21). If the write command is applied, one of the two SR-FTJs (F1, F2) of the plurality of memory cells (MC) connected to the match line (ML) corresponding to the address applied with the write command is fixed according to the applied data. It is set to the resistance state (HRS) (S22).

고저항 상태로 설정하는 단계(S22)에서는 인가된 주소에 따라 다수의 매치라인 중 하나의 매치라인을 선택하여 접지 전압(0V)을 인가하고, 나머지 매치라인으로는 기지정된 전압 레벨의 라이트 전압(VW)의 절반 수준의 VW/2 레벨의 전압을 인가하며, 다수의 서치라인쌍(SL, SLB) 각각에는 대응하는 메모리 셀(MC)에 저장되어야 하는 데이터에 따른 전압을 인가한다. 이때 메모리 셀(MC)에 저장되어야 하는 데이터가 "0"이면, 서치라인쌍(SL, SLB)에서 서치라인(SL)으로는 라이트 전압(VW)을 인가하고, 서치라인바(SLB)로는 접지 전압(0V)을 인가한다. 반면, 저장되어야 하는 데이터가 "1"이면, 서치라인쌍(SL, SLB)에서 서치라인(SL)으로는 접지 전압(0V)을 인가하고, 서치라인바(SLB)로는 라이트 전압(VW)을 인가한다. 이에 선택된 매치라인(ML)에 연결된 메모리 셀(MC)의 2개의 SR-FTJ(F1, F2) 중 하나에는 역방향의 라이트 전압(VW)이 인가되고, 따라서 고저항 상태(HRS)로 설정된다.In the step of setting the high resistance state (S22), a ground voltage (0V) is applied to one match line among a plurality of match lines according to the applied address, and a write voltage (with a predetermined voltage level) is applied to the remaining match lines. A voltage of V W /2 level, which is half of V W ), is applied, and a voltage according to data to be stored in the corresponding memory cell MC is applied to each of the plurality of search line pairs SL and SLB. At this time, if the data to be stored in the memory cell MC is “0”, the write voltage V W is applied from the search line pair SL and SLB to the search line SL, and to the search line bar SLB. Apply ground voltage (0V). On the other hand, if the data to be stored is “1”, the ground voltage (0V) is applied to the search line (SL) and the write voltage (V W ) is applied to the search line bar (SLB) in the search line pair (SL, SLB). authorize Accordingly, a write voltage (V W ) in the reverse direction is applied to one of the two SR-FTJs (F1, F2) of the memory cell MC connected to the selected match line ML, and thus the high resistance state HRS is set. .

이후, 인가된 주소에 대응하는 매치라인(ML)에 연결된 다수의 메모리 셀(MC)의 2개의 SR-FTJ(F1, F2) 중 나머지 하나를 인가된 데이터에 따라 저저항 상태(LRS)로 설정한다(S23).Thereafter, the other one of the two SR-FTJs (F1, F2) of the plurality of memory cells (MC) connected to the match line (ML) corresponding to the applied address is set to a low resistance state (LRS) according to the applied data Do (S23).

저저항 상태로 설정하는 단계(S23)에서도 다수의 서치라인쌍(SL, SLB) 각각에는 대응하는 메모리 셀(MC)에 저장되어야 하는 데이터에 따른 전압이 그대로 유지되어 인가된다. 그리고 선택되지 않은 매치라인 또한 인가된 VW/2 레벨의 전압이 유지된다. 그러나 인가된 주소에 대응하여 선택된 매치라인으로는 라이트 전압(VW)을 인가한다. 따라서 선택된 매치라인(ML)에 연결된 메모리 셀(MC)의 2개의 SR-FTJ(F1, F2) 중 고저항 상태(HRS)로 설정되지 않은 나머지 하나에는 순방향의 라이트 전압(VW)이 인가되고, 따라서 저저항 상태(LRS)로 설정된다.Even in the step of setting the low resistance state (S23), the voltage according to the data to be stored in the corresponding memory cell MC is maintained and applied to each of the plurality of search line pairs SL and SLB. Also, the voltage of the applied V W /2 level is maintained for the unselected match line. However, a write voltage (V W ) is applied to the selected match line corresponding to the applied address. Therefore, among the two SR-FTJs (F1, F2) of the memory cell (MC) connected to the selected match line (ML), the forward write voltage (V W ) is applied to the other one that is not set to the high resistance state (HRS). , and is thus set to the low resistance state (LRS).

한편, 라이트 명령이 인가되지 않고 검색 명령이 인가되면, 검색 명령에 따라 다수의 매치라인(ML)과 다수의 서치라인쌍(SL, SLB)으로 전원 전압(VDD)을 인가하여 프리차지한다(S24).On the other hand, if a search command is applied without a write command, the power supply voltage (V DD ) is applied to the plurality of match lines (ML) and the plurality of search line pairs (SL, SLB) according to the search command to precharge ( S24).

이후 다수의 매치라인(ML)으로는 인가되는 전원을 차단하여 플로팅 시키고, 다수의 서치라인쌍(SL, SLB)으로 검색하고자 하는 데이터에 대응하는 전압을 인가하여 매치 평가를 수행한다(S25). 이때 검색하고자 하는 데이터가 "0"이면, 서치라인(SL)으로는 접지 전압(0V)을 인가하고, 서치라인바(SLB)로는 전원 전압(VDD)을 인가한다. 반면, 검색하고자 하는 데이터가 "1"이면, 서치라인(SL)으로는 전원 전압(VDD)을 인가하고, 서치라인바(SLB)로는 접지 전압(0V)을 인가한다.Thereafter, power applied to the plurality of match lines (ML) is cut off and floated, and a match evaluation is performed by applying a voltage corresponding to data to be searched to a plurality of search line pairs (SL and SLB) (S25). At this time, if the data to be searched is “0”, the ground voltage (0V) is applied to the search line (SL), and the power supply voltage (V DD ) is applied to the search line bar (SLB). On the other hand, if the data to be searched is “1”, the power supply voltage (V DD ) is applied to the search line (SL), and the ground voltage (0V) is applied to the search line bar (SLB).

이에 다수의 매치라인(ML) 각각에 연결된 다수의 메모리 셀(MC) 중 적어도 하나의 메모리 셀에서 대응하는 서치라인쌍(SL, SLB)를 통해 인가된 전압과 미스매치가 발생되어, 2개의 SR-FTJ(F1, F2) 중 저저항 상태(LRS)의 SR-FTJ에 순방향 전압이 인가되면, 대응하는 매치라인(ML)에 프리차지된 전원 전압(VDD) 레벨이 접지 전압(0V) 레벨로 강하한다. 그에 반해, 매치라인(ML)에 연결된 다수의 메모리 셀(MC)에 저장된 데이터가 각각 대응하는 서치라인쌍(SL, SLB)를 통해 인가된 전압과 모두 매치되면, 모든 메모리 셀(MC)에서 저저항 상태(LRS)의 SR-FTJ에 역방향 전압이 인가되어 해당 매치라인(ML)에 프리차지된 전원 전압(VDD)이 그대로 유지된다. 따라서 다수의 매치라인(ML)의 전압 레벨을 판별하여, 인가된 데이터에 대응하는 데이터가 저장된 주소를 용이하게 검색할 수 있다.Accordingly, a mismatch with a voltage applied through a corresponding search line pair (SL, SLB) occurs in at least one memory cell among a plurality of memory cells (MC) connected to each of a plurality of match lines (ML), resulting in two SRs. -When forward voltage is applied to SR-FTJ in low resistance state (LRS) among FTJs (F1, F2), the level of the power supply voltage (V DD ) precharged in the corresponding match line (ML) is the ground voltage (0V) level descend with On the other hand, if the data stored in the plurality of memory cells MC connected to the match line ML match all the voltages applied through the corresponding search line pairs SL and SLB, all of the memory cells MC have a low voltage. A reverse voltage is applied to the SR-FTJ in the resistance state LRS, so that the precharged power voltage V DD of the corresponding match line ML is maintained. Therefore, by determining the voltage levels of the plurality of match lines ML, it is possible to easily search for an address where data corresponding to the applied data is stored.

한편 CAM 명령이 아닌 챌린지가 인가되면, CAM모드가 아닌 PUF 모드로 동작하는 PUF 단계를 수행한다. PUF 단계에서는 우선 다수의 매치라인(ML)과 다수의 서치라인쌍(SL, SLB)으로 접지 전압(0V)을 인가하여 디스차지시킨다(S31).Meanwhile, if a challenge rather than a CAM command is applied, a PUF step operating in the PUF mode rather than the CAM mode is performed. In the PUF step, first, a ground voltage (0V) is applied to a plurality of match lines (ML) and a plurality of search line pairs (SL, SLB) to discharge them (S31).

이후, 챌린지로 전송된 주소에 따라 선택되는 매치라인(ML)에 연결된 다수의 메모리 셀(MC)의 2개의 SR-FTJ(F1, F2)에 역방향 전압을 인가하여 발생하는 누설 전류에 의한 매치라인(ML)의 변화를 감지 증폭하여 응답을 생성한다(S32).Then, match line due to leakage current generated by applying reverse voltage to two SR-FTJs (F1, F2) of a plurality of memory cells (MC) connected to the match line (ML) selected according to the address transmitted as a challenge. A change in (ML) is sensed and amplified to generate a response (S32).

구체적으로 응답 생성 단계(S32)에서는 챌린지로 전송된 주소에 따라 먹스(Mux)로 구분된 다수의 메모리 셀 어레이 중 서로 다른 2개의 메모리 셀 어레이에서 하나씩의 매치라인(ML)을 선택하고, 선택된 매치라인(ML)은 인가되는 전압을 차단하여 플로팅시키고, 선택된 매치라인(ML)을 제외한 나머지 매치라인(ML)과 다수의 서치라인쌍으로는 전원 전압(VDD)을 인가한다. 즉 선택된 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀(MC)을 구성하는 2개의 SR-FTJ(F1, F2)에 모두 역방향 전압이 인가되도록 한다.Specifically, in the response generating step (S32), one match line (ML) is selected from two different memory cell arrays among a plurality of memory cell arrays divided into muxes according to the address transmitted as the challenge, and the selected match The line ML blocks the applied voltage and makes it float, and the power supply voltage V DD is applied to the match line ML except for the selected match line ML and a plurality of search line pairs. That is, reverse voltages are applied to all of the two SR-FTJs (F1, F2) constituting the plurality of memory cells MC connected to the selected match line.

이에 선택된 매치라인(ML)에 연결된 2개의 SR-FTJ(F1, F2)에는 제조 특성에 따른 크기의 누설 전류가 흐르고, 이에 선택된 매치라인(ML)의 전압 레벨이 상승한다. 따라서 서로 다른 메모리 셀 어레이에서 선택된 각 매치라인(ML)의 전압 레벨은 연결된 메모리 셀(MC)을 구성하는 연결된 2개의 SR-FTJ(F1, F2)에는 제조 특성에 따라 서로 다른 속도로 상승하게 되며, 각 먹스가 선택된 매치라인(ML)을 대응하는 센스 앰프(SA)와 연결하면, 센스 앰프(SA)는 연결된 2개의 매치라인(ML)의 전압 차를 감지 증폭하여 응답을 생성한다.As a result, a leakage current having a magnitude corresponding to manufacturing characteristics flows in the two SR-FTJs F1 and F2 connected to the selected match line ML, and thus the voltage level of the selected match line ML rises. Therefore, the voltage level of each match line (ML) selected from different memory cell arrays rises at different speeds depending on the manufacturing characteristics of the connected two SR-FTJs (F1, F2) constituting the connected memory cell (MC). , When each mux connects the selected match line ML to a corresponding sense amplifier SA, the sense amplifier SA generates a response by sensing and amplifying a voltage difference between the two connected match lines ML.

결과적으로 본 실시예에 따른 메모리 장치는 다수의 메모리 셀(MC)이 각각 2개의 SR-FTJ(F1, F2)만으로 구성될 뿐만 아니라, 3D 적층 구조로 구현될 수 있어 초소형으로 제조될 수 있으며, CAM의 데이터를 저장하면서도 동시에 PUF의 응답을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 즉 듀얼 모드로 동작할 수 있다. 특히 각 메모리 셀(MC)의 2개의 SR-FTJ(F1, F2)가 저장되는 데이터에 무관하게 항상 고저항 상태(HRS)와 저저항 상태(LRS)의 서로 다른 상태를 가지므로, PUF에 요구되는 랜덤성, 독립성 및 안정성과 면적 효율성(area efficiency)을 제공할 수 있다.As a result, the memory device according to the present embodiment not only consists of two SR-FTJs (F1 and F2), but also can be implemented in a 3D stacked structure, so that it can be manufactured in a very small size. It can be used to store the data of the CAM and at the same time generate the response of the PUF. That is, it can operate in dual mode. In particular, since the two SR-FTJs (F1, F2) of each memory cell (MC) always have different states of high resistance state (HRS) and low resistance state (LRS) regardless of stored data, It can provide randomness, independence, stability and area efficiency.

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention may be implemented as a computer program stored in a medium for execution on a computer. Here, computer readable media may be any available media that can be accessed by a computer, and may also include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, including read-only memory (ROM) dedicated memory), random access memory (RAM), compact disk (CD)-ROM, digital video disk (DVD)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, and the like.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

ML: 매치라인 SL: 서치라인
SLB: 서치라인바 MC: 메모리 셀
Mux: 먹스 SA: 센스 앰프
ML: Matchline SL: Searchline
SLB: search line bar MC: memory cell
Mux: Mux SA: Sense Amp

Claims (20)

제1 방향으로 연장되는 다수의 매치라인과 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 다수의 서치라인쌍 사이에 각각 연결되는 2개의 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자(Self-rectifying Ferroelectric Tunnel Junction Element: 이하 SR-FTJ)로 구성되는 다수의 메모리 셀;
상기 다수의 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로 동작 상태에 따른 전압을 공급하는 전원 공급부; 및
CAM(Content Addressable Memory) 모드와 PUF(Physically Unclonable Function) 모드 중 상기 PUF 모드로 동작 시에 챌린지로서 전송된 주소에 따라 선택되는 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀 각각의 2개의 SR-FTJ에 역방향 전압이 인가되어 발생하는 누설 전류에 의해, 선택된 매치라인에 발생되는 전압 변화를 감지 증폭하여 상기 챌린지에 대응하는 응답을 생성하는 PUF 응답 생성부를 포함하는 메모리 장치.
Two self-rectifying ferroelectric tunnel junction elements each connected between a plurality of match lines extending in a first direction and a plurality of search line pairs extending in a second direction crossing the first direction. : a plurality of memory cells composed of SR-FTJ);
a power supply unit supplying voltages according to operating states to the plurality of match line pairs and the plurality of search line pairs; and
When operating in the PUF mode between CAM (Content Addressable Memory) mode and PUF (Physically Unclonable Function) mode, reverse voltage to each of the two SR-FTJs of a plurality of memory cells connected to a match line selected according to the address transmitted as a challenge and a PUF response generation unit configured to sense and amplify a voltage change generated on a selected match line by the leakage current generated by the application of the leakage current and generate a response corresponding to the challenge.
제1항에 있어서, 상기 다수의 메모리 셀 각각은
상기 다수의 매치라인 중 대응하는 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍 중 대응하는 서치라인쌍의 서치라인 사이에 연결되는 제1 SR-FTJ; 및
상기 다수의 매치라인 중 대응하는 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍 중 대응하는 서치라인쌍의 서치라인바 사이에 연결되는 제2 SR-FTJ를 포함하는 메모리 장치.
2. The method of claim 1, wherein each of the plurality of memory cells
a first SR-FTJ connected between a corresponding match line among the plurality of match lines and a search line of a corresponding search line pair among the plurality of search line pairs; and
and a second SR-FTJ connected between a corresponding match line among the plurality of match lines and a search line bar of a corresponding search line pair among the plurality of search line pairs.
제2항에 있어서, 상기 응답 생성부는
상기 다수의 매치라인 중 서로 다른 기지정된 개수의 매치라인과 연결되어 상기 챌린지에 대응하는 매치라인을 선택하는 다수의 먹스; 및
상기 다수의 먹스 중 대응하는 2개의 먹스가 각각 선택한 매치라인 사이의 전압 차를 감지 증폭하여 상기 응답을 생성하는 적어도 하나의 센스 앰프를 포함하는 메모리 장치.
The method of claim 2, wherein the response generator
a plurality of muxes connected to a predetermined number of different match lines among the plurality of match lines to select a match line corresponding to the challenge; and
and at least one sense amplifier configured to generate the response by sensing and amplifying a voltage difference between match lines selected by two corresponding muxes among the plurality of muxes.
제3항에 있어서, 상기 전원 공급부는
디스차지 단계 및 응답 생성 단계로 구분되어 동작하는 상기 PUF 모드의 상기 디스차지 단계에서 상기 다수의 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍이 디스차지되도록 접지 전압 레벨을 인가하고,
상기 응답 생성 단계에서 상기 다수의 매치라인 중 상기 챌린지에 의해 지정된 주소에 따라 선택된 매치라인에는 인가되는 전압을 차단하여 플로팅시키고, 나머지 매치라인과 상기 서치라인쌍으로는 기지정된 전압 레벨의 전원 전압을 인가하는 메모리 장치.
The method of claim 3, wherein the power supply unit
In the discharge step of the PUF mode, which is divided into a discharge step and a response generation step, a ground voltage level is applied so that the plurality of match line pairs and the plurality of search line pairs are discharged;
In the response generation step, a voltage applied to a match line selected according to an address specified by the challenge among the plurality of match lines is cut off and floated, and a power supply voltage of a predetermined voltage level is applied to the remaining match line and the search line pair. Memory device to authorize.
제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센스 앰프는
상기 응답 생성 단계에서 상기 다수의 먹스 중 대응하는 2개의 먹스가 각각 상기 챌린지에 의해 지정된 주소에 따라 매치라인을 선택하여 연결하면, 선택된 2개의 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀 각각에서 2개의 SR-FTJ에 역방향 전압이 인가되어 발생하는 누설 전류에 의해 변화하는 매치라인 사이의 전압 차를 감지 증폭하여 상기 응답을 생성하는 메모리 장치.
5. The method of claim 4, wherein the at least one sense amplifier
In the response generating step, when two corresponding muxes among the plurality of muxes select and connect match lines according to addresses designated by the challenge, two SR- A memory device generating the response by sensing and amplifying a voltage difference between match lines that changes by a leakage current generated when a reverse voltage is applied to the FTJ.
제4항에 있어서, 상기 다수의 메모리 셀 각각은
라이트 동작과 검색 동작으로 구분되어 동작하는 상기 CAM 모드의 상기 라이트 동작에 의해 데이터 "0"이 저장되는 경우 상기 제1 SR-FTJ는 고저항 상태(High Resistance State: HRS)를 갖고 상기 제2 SR-FTJ는 저저항 상태(Low Resistance State: LRS)를 가지며,
데이터 "1"이 저장되는 경우 상기 제1 SR-FTJ는 저저항 상태 갖고 상기 제2 SR-FTJ는 고저항 상태를 갖는 메모리 장치.
5. The method of claim 4, wherein each of the plurality of memory cells
When data “0” is stored by the write operation of the CAM mode, which is divided into a write operation and a search operation, the first SR-FTJ has a high resistance state (HRS), and the second SR -FTJ has a low resistance state (LRS),
When data “1” is stored, the first SR-FTJ has a low resistance state and the second SR-FTJ has a high resistance state.
제6항에 있어서, 상기 전원 공급부는
상기 라이트 동작의 고저항 설정 단계에서 다수의 매치라인 중 인가된 주소에 따라 선택되는 매치라인으로 상기 접지 전압을 인가하고, 나머지 매치라인으로는 기지정된 전압 레벨의 라이트 전압의 1/2 레벨의 전압을 인가하며, 상기 다수의 서치라인쌍 각각에는 대응하는 메모리 셀(MC)에 저장되어야 하는 데이터에 따른 전압을 인가하고,
상기 라이트 동작의 저저항 설정 단계에서는 선택되는 매치라인으로 상기 라이트 전압을 인가하고, 나머지 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로는 상기 고저항 설정 단계에서 인가되는 전압을 유지하는 메모리 장치.
The method of claim 6, wherein the power supply unit
In the high-resistance setting step of the write operation, the ground voltage is applied to a match line selected according to an applied address among a plurality of match lines, and a voltage of 1/2 of the write voltage of a predetermined voltage level is applied to the remaining match lines. and applying a voltage according to data to be stored in a corresponding memory cell MC to each of the plurality of search line pairs,
In the low resistance setting step of the write operation, the write voltage is applied to a selected match line, and the voltage applied in the high resistance setting step is maintained to the remaining match lines and the plurality of search line pairs.
제7항에 있어서, 상기 전원 공급부는
상기 CAM 모드의 라이트 동작 시, 메모리 셀에 저장되어야 하는 데이터가 "0"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 라이트 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 접지 전압을 인가하며,
메모리 셀에 저장되어야 하는 데이터가 "1"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 접지 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 라이트 전압을 인가하는 메모리 장치.
The method of claim 7, wherein the power supply unit
During a write operation in the CAM mode, if data to be stored in a memory cell is “0”, the write voltage is applied to a search line in a corresponding search line pair, and the ground voltage is applied to a search line bar;
If data to be stored in a memory cell is “1”, the memory device applies the ground voltage to a search line and the write voltage to a search line in a corresponding search line pair.
제6항에 있어서, 상기 전원 공급부는
상기 검색 동작의 프리차지 단계에서 상기 다수의 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로 상기 전원 전압을 인가하여 프리차지하고,
상기 검색 동작의 매치 평가 단계에서는 상기 다수의 매치라인으로 인가되는 전원을 차단하여 플로팅 시키고, 상기 다수의 서치라인쌍으로 검색하고자 하는 데이터에 대응하는 전압을 인가하는 메모리 장치.
The method of claim 6, wherein the power supply unit
In the precharging step of the search operation, precharging is performed by applying the power supply voltage to the plurality of match line pairs and the plurality of search line pairs;
In the match evaluation step of the search operation, power supplied to the plurality of match lines is cut off and floated, and a voltage corresponding to data to be searched is applied to the plurality of search line pairs.
제9항에 있어서, 상기 전원 공급부는
상기 검색 동작 시에 검색되야 하는 데이터가 "0"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 접지 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 전원 전압을 인가하며,
검색되야 하는 데이터가 "1"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 전원 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 접지 전압을 인가하는 메모리 장치.
The method of claim 9, wherein the power supply unit
If the data to be searched during the search operation is “0”, the ground voltage is applied to the search line in the corresponding search line pair, and the power supply voltage is applied to the search line bar;
If the data to be searched is “1”, the power voltage is applied to a search line in a corresponding search line pair, and the ground voltage is applied to a search line.
제1항에 있어서, 상기 다수의 메모리 셀은
상기 다수의 서치라인쌍 각각의 서치라인과 서치라인바가 상기 다수의 매치 라인의 상부 및 하부에 각각 배치되고, 상기 2개의 SR-FTJ는 대응하는 매치라인과 서치라인 사이 및 대응하는 매치라인과 서치라인바 사이에 적층된 3D 구조로 구현되는 메모리 장치.
The method of claim 1 , wherein the plurality of memory cells
Search lines and search line bars of each of the plurality of search line pairs are disposed above and below the plurality of match lines, respectively, and the two SR-FTJs search between corresponding match lines and search lines and between corresponding match lines and search lines. A memory device implemented as a 3D structure stacked between line bars.
제1 방향으로 연장되는 다수의 매치라인과 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 다수의 서치라인쌍 사이에 각각 연결되는 2개의 자기-정류 강유전체 터널 접합 소자(Self-rectifying Ferroelectric Tunnel Junction Element: 이하 SR-FTJ)로 구성되는 다수의 메모리 셀을 포함하는 메모리 장치의 동작 방법에 있어서,
인가되는 명령에 따라 CAM 모드 또는 PUF 모드의 동작 모드를 판별하는 단계;
판별된 동작 모드가 상기 PUF 모드이면, 챌린지로서 전송된 주소에 따라 선택되는 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀 각각의 2개의 SR-FTJ에 역방향 전압이 인가되어 발생하는 누설 전류에 의해, 선택된 매치라인에 발생되는 전압 변화를 감지 증폭하여 상기 챌린지에 대응하는 응답을 생성하는 단계를 포함하는 메모리 장치의 동작 방법.
Two self-rectifying ferroelectric tunnel junction elements each connected between a plurality of match lines extending in a first direction and a plurality of search line pairs extending in a second direction crossing the first direction. : In the operating method of a memory device including a plurality of memory cells composed of SR-FTJ),
determining an operation mode of a CAM mode or a PUF mode according to an applied command;
If the determined operation mode is the PUF mode, a leakage current generated when a reverse voltage is applied to two SR-FTJs of each of a plurality of memory cells connected to a match line selected according to an address transmitted as a challenge results in the selected match line and generating a response corresponding to the challenge by sensing and amplifying a voltage change generated in the memory device.
제12항에 있어서, 상기 다수의 메모리 셀 각각은
상기 다수의 매치라인 중 대응하는 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍 중 대응하는 서치라인쌍의 서치라인 사이에 연결되는 제1 SR-FTJ; 및
상기 다수의 매치라인 중 대응하는 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍 중 대응하는 서치라인쌍의 서치라인바 사이에 연결되는 제2 SR-FTJ를 포함하는 메모리 장치의 동작 방법.
13. The method of claim 12, wherein each of the plurality of memory cells
a first SR-FTJ connected between a corresponding match line among the plurality of match lines and a search line of a corresponding search line pair among the plurality of search line pairs; and
A method of operating a memory device comprising a second SR-FTJ connected between a corresponding match line among the plurality of match lines and a search line bar of a corresponding search line pair among the plurality of search line pairs.
제13항에 있어서, 상기 응답을 생성하는 단계는
상기 다수의 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로 접지 전압을 인가하여 디스차지시키는 단계;
상기 다수의 매치라인 중 상기 챌린지에 의해 지정된 주소에 따라 선택된 매치라인에는 인가되는 전압을 차단하여 플로팅시키고, 나머지 매치라인과 상기 서치라인쌍으로는 기지정된 전압 레벨의 전원 전압을 인가하는 단계; 및
상기 챌린지에 의해 지정된 주소에 따라 매치라인을 선택하고, 상기 응답을 생성하기 위해 선택된 2개의 매치라인에 연결된 다수의 메모리 셀 각각에서 2개의 SR-FTJ에서 발생하는 누설 전류에 의해 변화하는 선택된 매치라인 사이의 전압 차를 감지 증폭하는 단계를 포함하는 메모리 장치의 동작 방법.
14. The method of claim 13, wherein generating the response comprises:
discharging a ground voltage by applying a ground voltage to the plurality of match line pairs and the plurality of search line pairs;
blocking and floating a voltage applied to a match line selected from among the plurality of match lines according to an address designated by the challenge, and applying a power supply voltage having a predetermined voltage level to the remaining match lines and the search line pair; and
A selected match line that changes by a leakage current generated in two SR-FTJs in each of a plurality of memory cells connected to the two match lines selected to select a match line according to the address specified by the challenge and generate the response A method of operating a memory device comprising detecting and amplifying a voltage difference between
제13항에 있어서, 상기 다수의 메모리 셀 각각은
데이터 "0"이 저장되는 경우 상기 제1 SR-FTJ는 고저항 상태(High Resistance State: HRS)를 갖고 상기 제2 SR-FTJ는 저저항 상태(Low Resistance State: LRS)를 가지며,
데이터 "1"이 저장되는 경우 상기 제1 SR-FTJ는 저저항 상태 갖고 상기 제2 SR-FTJ는 고저항 상태를 갖는 메모리 장치의 동작 방법.
14. The method of claim 13, wherein each of the plurality of memory cells
When data "0" is stored, the first SR-FTJ has a high resistance state (HRS) and the second SR-FTJ has a low resistance state (LRS),
When data “1” is stored, the first SR-FTJ has a low resistance state and the second SR-FTJ has a high resistance state.
제15항에 있어서, 상기 메모리 장치의 동작 방법은
판별된 동작 모드가 상기 CAM 모드이면, 라이트 명령 또는 검색 명령이 인가되는지 판별하는 단계;
상기 라이트 명령이 인가되면, 상기 다수의 메모리 셀 중 라이트 명령과 함께 인가된 주소에 따른 메모리 셀에 인가된 데이터를 라이트하는 단계; 및
상기 검색 명령이 인가되면, 검색 명령과 함께 인가된 데이터가 저장된 메모리 셀을 검색하는 단계를 포함하는 메모리 장치의 동작 방법.
16. The method of claim 15, wherein the method of operating the memory device
determining whether a write command or a search command is applied if the determined operation mode is the CAM mode;
if the write command is applied, writing the applied data to a memory cell according to an address applied together with the write command among the plurality of memory cells; and
and searching a memory cell storing data applied together with the search command when the search command is applied.
제16항에 있어서, 상기 라이트하는 단계는
다수의 매치라인 중 인가된 주소에 따라 선택되는 매치라인으로 접지 전압을 인가하고, 나머지 매치라인으로는 기지정된 전압 레벨의 라이트 전압의 1/2 레벨의 전압을 인가하며, 상기 다수의 서치라인쌍 각각에는 대응하는 메모리 셀(MC)에 저장되어야 하는 데이터에 따른 전압을 인가하는 고저항 설정 단계; 및
선택되는 매치라인으로 상기 라이트 전압을 인가하고, 나머지 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로는 상기 고저항 설정 단계에서 인가되는 전압을 유지하는 저저항 설정 단계를 포함하는 메모리 장치의 동작 방법.
17. The method of claim 16, wherein the lighting step
A ground voltage is applied to a match line selected according to an applied address among a plurality of match lines, and a voltage of 1/2 level of a write voltage of a predetermined voltage level is applied to the remaining match lines. a high resistance setting step of applying a voltage according to data to be stored in the corresponding memory cell MC to each; and
and a low resistance setting step of applying the write voltage to a selected match line and maintaining the voltage applied in the high resistance setting step to the remaining match lines and the plurality of search line pairs.
제17항에 있어서, 상기 라이트하는 단계는
메모리 셀에 저장되어야 하는 데이터가 "0"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 라이트 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 접지 전압을 인가하며,
메모리 셀에 저장되어야 하는 데이터가 "1"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 접지 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 라이트 전압을 인가하는 메모리 장치의 동작 방법.
18. The method of claim 17, wherein the lighting step
If the data to be stored in the memory cell is “0”, the write voltage is applied to the search line in the corresponding search line pair, and the ground voltage is applied to the search line bar;
If data to be stored in a memory cell is "1", the ground voltage is applied to a search line in a corresponding search line pair, and the write voltage is applied to a search line.
제16항에 있어서, 상기 검색하는 단계는
상기 다수의 매치라인과 상기 다수의 서치라인쌍으로 기지정된 전압 레벨의 전원 전압을 인가하여 프리차지하는 단계; 및
상기 다수의 매치라인으로 인가되는 전원을 차단하여 플로팅 시키고, 상기 다수의 서치라인쌍으로 검색하고자 하는 데이터에 대응하는 전압을 인가하여, 인가된 데이터에 대응하는 데이터가 저장된 메모리 셀이 연결된 매치라인의 전압이 강하되도록 하는 매치 평가 단계를 포함하는 메모리 장치의 동작 방법.
17. The method of claim 16, wherein the searching step
precharging by applying a power supply voltage having a predetermined voltage level to the plurality of match line pairs and the plurality of search line pairs; and
Power supplied to the plurality of match lines is cut off and floated, and a voltage corresponding to data to be searched is applied to the plurality of search line pairs, and a memory cell storing data corresponding to the applied data is connected to the match line. A method of operating a memory device comprising a match evaluation step of causing a voltage to drop.
제19항에 있어서, 상기 검색하는 단계는
검색되야 하는 데이터가 "0"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 접지 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 전원 전압을 인가하며,
검색되야 하는 데이터가 "1"이면, 대응하는 서치라인쌍에서 서치라인으로는 상기 전원 전압을 인가하고, 서치라인바로는 상기 접지 전압을 인가하는 메모리 장치의 동작 방법.
20. The method of claim 19, wherein the searching step
If the data to be searched is “0”, a ground voltage is applied to the search line in the corresponding search line pair, and the power supply voltage is applied to the search line bar;
If the data to be searched is "1", the power supply voltage is applied to a search line in a corresponding search line pair, and the ground voltage is applied to a search line.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190114919A (en) * 2018-03-30 2019-10-10 세종대학교산학협력단 Self-rectifying ferroelectric tunnel junction memory devide and crosspoint array having the same
KR102179789B1 (en) 2017-12-12 2020-11-17 경북대학교 산학협력단 Tcam based physical unclonable function circuit for secure hardware, security device including the same and method for generating secure value using the same

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