KR20150144208A - Magnetoresistive random access memory using negative resistance - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a magnetic resistive memory device capable of preventing a random status conversion of MTJ during reading. The magnetic resistive memory device includes a memory cell having an access transistor and MTJ, a negative resistance connected in a row with the memory cell in reference of a sensing nod, and a reference cell unit for generating a reference voltage. Hereon, an initial voltage of the sensing nod during reading is determined as the reference voltage of the reference cell unit.

Description

부성 저항을 이용한 자기 저항 메모리 장치{MAGNETORESISTIVE RANDOM ACCESS MEMORY USING NEGATIVE RESISTANCE}[0001] MAGNETORESISTIVE RANDOM ACCESS MEMORY USING NEGATIVE RESISTANCE [0002] BACKGROUND OF THE INVENTION [0003]

본 발명은 자기 저항 메모리 장치, 예를 들어 STT-MRAM에 관한 것이다. The present invention relates to a magnetoresistive memory device, for example a STT-MRAM.

랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory, RAM)는 휘발성 또는 비-휘발성일 수 있다. 휘발성 RAM은 전원이 제거될 때마다 휘발성 RAM에 저장된 정보를 잃는 반면에, 비-휘발성 RAM은 전원이 메모리로부터 제거되는 때조차도 비휘발성 RAM의 메모리 콘텐츠들을 유지할 수 있다. Random Access Memory (RAM) may be volatile or non-volatile. Volatile RAM loses information stored in volatile RAM each time power is removed, while non-volatile RAM can retain memory contents in non-volatile RAM even when power is removed from memory.

다만, 비록 비-휘발성 RAM은 전원을 가하지 않고도 정보를 유지할 수 있다는 장점이 있지만, 통상의 비-휘발성 RAM은 휘발성 RAM보다 느린 쓰기/읽기 시간을 가진다. However, while non-volatile RAM has the advantage of being able to retain information without powering up, normal non-volatile RAM has slower write / read times than volatile RAM.

자기 저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 휘발성 메모리에 비교할만한 쓰기/읽기 시간을 가지는 비-휘발성 메모리 기술이다. 전기 전하들 또는 전류 흐름과 같은 데이터를 저장하는 종래의 RAM 기술과 달리, MRAM은 자기 전류들을 사용한다. Magnetoresistive random access memory (MRAM) is a non-volatile memory technology with write / read times comparable to volatile memory. Unlike conventional RAM technology, which stores data such as electrical charges or current flow, the MRAM uses magnetic currents.

도 1은 일반적인 MTJ의 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 일반적인 MRAM의 메모리 셀의 구조를 도시한 도면이다. 도 3은 일반적인 MRAM의 동작 과정을 도시한 도면이다. FIG. 1 is a view showing the structure of a general MTJ, and FIG. 2 is a diagram showing a structure of a memory cell of a general MRAM. 3 is a diagram illustrating an operation process of a general MRAM.

도 2를 참조하면, MRAM의 메모리 셀은 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 및 트랜지스터(MN)를 포함한다. Referring to FIG. 2, the memory cell of the MRAM includes a magnetic tunnel junction (MTJ) and a transistor MN.

MTJ의 일단은 비트 라인(BL)에 연결되고, 트랜지스터(MN)의 게이트는 워드 라인(WL)에 연결되며, 트랜지스터(MN)의 소스는 소스 라인(SL)에 연결된다. One end of the MTJ is connected to the bit line BL, the gate of the transistor MN is connected to the word line WL, and the source of the transistor MN is connected to the source line SL.

MTJ는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 고정층(100), 터널 장벽층(102) 및 자유층(104)을 포함한다. The MTJ comprises a pinned layer 100, a tunnel barrier layer 102 and a free layer 104, as shown in Figures 1 and 2.

고정층(100) 및 자유층(104)은 강자성체 물질로 구성되어 각기 자화 방향을 보유할 수 있으며, 터널 장벽층(102)에 의해 분리된다. The pinned layer 100 and the free layer 104 are made of a ferromagnetic material and can each have a magnetization direction and are separated by a tunnel barrier layer 102.

고정층(100)은 특정한 극성으로 설정되며, 자유층(104)의 극성은 인가될 수 있는 외부 장(field)의 극성과 일치하도록 자유롭게 변화할 수 있다. The pinned layer 100 is set to a specific polarity and the polarity of the free layer 104 can freely change to match the polarity of the external field that can be applied.

자유층(104)의 극성 변화는 MTJ 소자의 저항을 변화시킨다. 예를 들어, MTJ소자는 극성들이 정렬되는 경우, 즉 자화 방향이 일치하는 경우(도 1의 A, 평형 상태) 낮은 저항 상태를 가지며, 극성들이 정렬되지 않는 경우, 즉 자화 방향이 다른 경우(도 1의 B, 반평형 상태) 높은 저항 상태를 가진다. The change in polarity of the free layer 104 changes the resistance of the MTJ element. For example, the MTJ element has a low resistance state when the polarities are aligned, that is, when the magnetization directions coincide with each other (A in FIG. 1), and when the polarities are not aligned, 1, B, half-balanced state).

MRAM 전체의 구조를 살펴보면, MRAM은 복수의 어레이들을 포함하며, 각 어레이들은 복수의 메모리 셀들을 포함한다. 이때, 각 메모리 셀들은 도 2에 도시된 구조를 가진다. As to the structure of the entire MRAM, the MRAM includes a plurality of arrays, and each array includes a plurality of memory cells. At this time, each memory cell has the structure shown in FIG.

읽기 동작을 살펴보면, 비트 라인(BL)으로 인가되는 전압이 소스 라인(SL)으로 인가되는 전압보다 높은 경우, 비트 라인(BL)으로부터 소스 라인(SL) 방향으로 읽기 전류(IREAD)가 흐른다. 반면에, 비트 라인(BL)으로 인가되는 전압이 소스 라인(SL)으로 인가되는 전압보다 작은 경우, 소스 라인(SL)으로부터 비트 라인(BL) 방향으로 읽기 전류(IREAD)가 흐른다. A read current I READ flows from the bit line BL toward the source line SL when the voltage applied to the bit line BL is higher than the voltage applied to the source line SL. On the other hand, when the voltage applied to the bit line BL is smaller than the voltage applied to the source line SL, the read current I READ flows from the source line SL toward the bit line BL.

즉, 읽기 동작을 위하여 읽기 전류(IREAD)가 메모리 셀로 인가되며, 그 결과 MTJ의 저항(RMTJ)이 가변된다. 상기 MRAM은 상기 가변된 MTJ의 저항(RMTJ)을 감지하여 읽기 동작을 판단한다. That is, a read current (I READ ) is applied to the memory cell for a read operation, and as a result, the resistance ( MTJ ) of the MTJ is varied. The MRAM senses the resistance ( MTJ ) of the variable MTJ to determine a read operation.

도 3을 참조하여 읽기 동작을 살펴보면, 읽기 전류(IREAD)는 감지 노도의 전압을 최대화하기 위하여 선택되는 것이 일반적이며, 그 결과 읽기 전류(IREAD)가 MTJ의 스위칭 전류인 IC -로 접근하게 된다. 즉, non-destructive 읽기 마진이 작아지게 되어 읽기 동작시 MTJ의 임의 상태 전환이 발생될 수 있다. 특히, 제조 공정상 스위칭 전류(IC -)가 변화할 수 있는데, 스위칭 전류(IC -)가 도 3에서 우측으로 더 이동하여 위치되는 경우 읽기 마진이 더 작아지게 되어 읽기 오류 발생 확률이 더 높아질 수 있다. Referring to FIG. 3, the read current (I READ ) is generally selected to maximize the voltage at the sensing node. As a result, the read current (I READ ) approaches the switching current I C - . That is, non-destructive read margin becomes small, and arbitrary state conversion of MTJ may occur during a read operation. Particularly, in the manufacturing process, the switching current I C - may change. When the switching current I C - moves further to the right in FIG. 3, the read margin becomes smaller, Can be increased.

한국공개특허공보 제2004-0035850호 (공개일 : 2004년 4월 29일)Korean Patent Publication No. 2004-0035850 (Published on April 29, 2004)

본 발명은 읽기 동작시 MTJ의 임의 상태 전환을 방지할 수 있는 자기 저항 메모리 장치, 특히 STT-MRAM을 제공하는 것이다.The present invention provides a magnetoresistive memory device, particularly a STT-MRAM, capable of preventing arbitrary state transition of the MTJ during a read operation.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 장치는 액세스 트랜지스터 및 MTJ를 가지는 메모리 셀; 감지 노드를 기준으로 하여 상기 메모리 셀에 병렬로 연결된 부성 저항; 및 상기 메모리 셀에 연결되며, 기준 전압을 생성하는 기준 셀부를 포함한다. 여기서, 읽기 동작시 상기 감지 노드의 초기 전압은 상기 기준 셀부의 기준 전압으로 설정된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a magnetoresistive memory device including: a memory cell having an access transistor and an MTJ; A negative resistance connected in parallel to the memory cell with respect to the sense node; And a reference cell unit connected to the memory cell and generating a reference voltage. Here, the initial voltage of the sense node is set to a reference voltage of the reference cell unit during a read operation.

본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 저항 메모리 장치는 MTJ를 가지는 메모리 셀; 상기 메모리 셀에 연결된 감지 노드; 및 상기 MTJ에 연결된 저항 엘리먼트를 포함한다. 여기서, 상기 MTJ와 상기 저항 엘리먼트에 따른 저항은 상기 MTJ의 상태에 따라 다르며, 읽기 동작시 상기 감지 노드의 초기 전압으로 일정 전압이 설정된다. A magnetoresistance memory device according to another embodiment of the present invention includes: a memory cell having an MTJ; A sensing node coupled to the memory cell; And a resistance element coupled to the MTJ. Here, the resistance according to the MTJ and the resistance element varies depending on the state of the MTJ, and a predetermined voltage is set as an initial voltage of the sensing node in a reading operation.

본 발명에 따른 자기 저항 메모리 장치는 부성 저항을 메모리 셀에 병렬로 연결하여 사용하여 읽기 동작시 MTJ의 임의 상태 전환을 방지할 수 있다. The magnetoresistive memory device according to the present invention can prevent the MTJ from being switched to any state during a read operation by connecting a negative resistance to the memory cell in parallel.

또한, 상기 자기 저항 메모리 장치는 감지 노드의 초기 전압을 기준 전압으로 설정하며, 따라서 모델 파라미터와 관계없이 읽기 동작의 오동작을 방지할 수 있다.
In addition, the magnetoresistive memory device sets the initial voltage of the sense node to a reference voltage, thereby preventing erroneous operation of the read operation regardless of the model parameter.

도 1은 일반적인 MTJ의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 MRAM의 메모리 셀의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 일반적인 MRAM의 동작 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 장치의 원리를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 장치의 회로를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 자기 저항 메모리 장치에서의 메모리 셀의 동작을 도시한 도면이다.
1 is a diagram showing a structure of a general MTJ.
2 is a diagram showing a structure of a memory cell of a general MRAM.
3 is a diagram illustrating an operation process of a general MRAM.
4 is a diagram showing a principle of a magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a configuration of a magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a circuit of a magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing the operation of a memory cell in the magnetoresistive memory device of FIG.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 자기 저항 메모리 장치, 예를 들어 스핀 전달 토크 자기 저항 랜덤 액세스 메모리(Spin Torque Transfer Magnetic Random Access Memory, STT-MRAM)에 관한 것으로서, MTJ(Magnetic Tunnel Junction)의 확률적인 상태 전환으로 인한 읽기 오류를 방지할 수 있다. The present invention relates to a magnetoresistive memory device, for example, a spin torque transfer magnetic random access memory (STT-MRAM), and more particularly, Errors can be prevented.

일반적인 STT-MRAM에서는 MTJ와 읽기 회로의 공정 오차(공정 불일치)로 인하여 읽기 동작시 원하지 않는 MTJ의 상태 전환이 발생할 수 있다. 본 발명은 이러한 공정 오차시에도 MTJ의 임의 상태 전환을 방지할 수 있는 자기 저항 메모리 장치를 제안한다. In general STT-MRAM, due to the process error (process mismatch) between MTJ and read circuit, unwanted MTJ state transition may occur during read operation. The present invention proposes a magnetoresistive memory device capable of preventing arbitrary state transition of the MTJ even in such a process error.

일 실시예에 따르면, 본 발명의 자기 저항 메모리 장치는 부성 저항을 이용하여 MTJ의 임의 상태 전환을 방지할 수 있다. According to one embodiment, the magnetoresistive memory device of the present invention can prevent any state transition of the MTJ using a negative resistance.

특히, 상기 자기 저항 메모리 장치는 부성 저항을 이용하되, 감지 노드(Sensing node)의 초기 전압을 기준 셀부의 기준 전압으로 설정하여 모델 파라미터와 관계없이 정상적인 읽기 동작을 가능케 할 수 있다.
In particular, the magnetoresistive memory device may use a negative resistance and set an initial voltage of a sensing node to a reference voltage of a reference cell to enable a normal read operation regardless of a model parameter.

이하, 본 발명의 자기 저항 메모리 장치 및 동작 방법의 다양한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the magnetoresistance memory device and the method of operation of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 장치의 원리를 도시한 도면이다. 도 4에서, RP는 고정층과 자유층의 자화 방향이 동일한 경우(이하, "평형 상태"라 함)의 MTJ의 저항을 의미하며, RAP는 고정층과 자유층의 자화 방향이 다른 경우(이하, "반평형 상태"라 함)의 MTJ의 저항을 나타낸다. 4 is a diagram showing a principle of a magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present invention. 4, R P means the resistance of the MTJ when the magnetization directions of the pinned layer and the free layer are the same (hereinafter referred to as "balanced state"), R AP indicates the case where the magnetization directions of the pinned layer and the free layer are different , "Half-equilibrium state").

도 4를 참조하면, 메모리 셀의 MTJ에 부성 저항이 병렬로 연결될 수 있다. 상기 부성 저항은 읽기 동작시 오동작을 방지하는 역할을 수행한다. Referring to FIG. 4, a negative resistance may be connected in parallel to the MTJ of the memory cell. The negative resistance plays a role of preventing a malfunction in a reading operation.

부성 저항이 없는 일반적인 자기 저항 메모리 장치에서는, 도 3의 그래프와 같이 MTJ의 저항(RMTJ)이 설정된다. 읽기 동작을 위하여 읽기 전류(IREAD)가 메모리 셀로 인가되면 MTJ의 저항(RMTJ)이 가변되며, 상기 자기 저항 메모리 장치는 상기 가변된 MTJ의 저항(RMTJ)을 감지하여 읽기 동작의 완료 여부를 판단한다. In a general magnetoresistive memory device having no negative resistance, the resistance ( MTJ ) of the MTJ is set as shown in the graph of Fig. When a read current I READ is applied to a memory cell for a read operation, the resistance R MTJ of the MTJ is varied, and the magnetoresistive memory device senses the resistance R MTJ of the variable MTJ to determine whether the read operation is completed .

이 때, 읽기 전류(IREAD)는 일반적으로 감지 노드의 전압이 최대화되도록 선택되며, 이로 인하여 읽기 전류(IREAD)가 MTJ의 스위칭 전류인 IC -로 접근하게 된다. 즉, non-destructive 읽기 마진이 작아지게 되어 읽기 동작시 MTJ의 임의 상태 전환이 발생될 수 있다. 특히, 제조 공정상 스위칭 전류(IC -)가 변화할 수 있는데, 스위칭 전류(IC -)가 도 3에서 우측으로 더 이동하여 위치되는 경우 읽기 마진이 더 작아지게 되어 읽기 오류 발생 확률이 더 높아질 수 있다. In this case, the read current (I READ ) is generally selected so that the sense node voltage is maximized, which causes the read current (I READ ) to approach the switching current of the MTJ, I C - . That is, non-destructive read margin becomes small, and arbitrary state conversion of MTJ may occur during a read operation. Particularly, in the manufacturing process, the switching current I C - may change. When the switching current I C - moves further to the right in FIG. 3, the read margin becomes smaller, Can be increased.

반면에, 본 발명의 자기 저항 메모리 장치에서는 도 4에 도시된 바와 같이 메모리 셀에 부성 저항이 병렬로 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 반평형 상태의 MTJ의 저항(RAP)과 상기 부성 저항이 병렬로 연결됨에 따른 저항이 음의 값을 가지고 평형 상태의 MTJ의 저항(RP)과 상기 부성 저항이 병렬로 연결됨에 따른 저항이 양의 값을 가지도록 하는 부성 저항이 상기 자기 저항 메모리 장치에 사용될 수 있다. On the other hand, in the magnetoresistance memory device of the present invention, the negative resistance may be connected in parallel to the memory cell as shown in FIG. According to one embodiment, the resistance (R AP ) of the MTJ in the semi-equilibrium state and the resistance (R P ) of the MTJ in the equilibrium state having the negative value when the negative resistance is connected in parallel are parallel to the negative resistance A negative resistance can be used in the magnetoresistive memory device so that the resistance according to the connection to the positive terminal has a positive value.

센스 라인(Sense-line) 캐패시터(CSL)에 병렬로 연결되는 음의 저항은 불안정 시스템(Unstable system)을 만들고, 캐패시터(CSL)에 병렬로 연결되는 양의 저항은 안정 시스템(Stable system)을 만든다. The negative resistance connected in parallel to the sense line capacitor C SL results in an unstable system and the positive resistance connected in parallel to the capacitor C SL is a stable system, Lt; / RTI >

MTJ의 작은 초기 전압(Vinit)은 불안정 시스템에서는 MTJ의 전압(VMTJ)을 VDD 방향으로 지수 함수적으로 증가시켜 감지 노드의 전압을 상승시킬 수 있으며, 안정 시스템에서는 MTJ의 전압(VMTJ)을 접지 전압 방향으로 감소시켜 상기 감지 노드의 전압을 다운시킬 수 있다. 결과적으로, MTJ의 임의 상태 전환이 발생되지 않을 수 있다. 다른 관점에서는, 상기 자기 저항 메모리 장치는 non-destructive 읽기 동작을 수행할 수 있다.
Small initial voltage (V init) of the MTJ is unstable systems increases exponentially with the voltage (V MTJ) of the MTJ to the V DD direction and may enhance the voltage of the detection node, in a stable system voltage (V MTJ of the MTJ May be reduced in the direction of the ground voltage to lower the voltage of the sense node. As a result, arbitrary state transition of the MTJ may not occur. In another aspect, the magnetoresistive memory device may perform a non-destructive read operation.

일 실시예에 따르면, 상기 자기 저항 메모리 장치는 상기 부성 저항을 이용하되, 모델 파라미터에 민감하지 않으면서 간단한 회로 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 모델 파라미터로서 터널 자기 저항(Tunneling magneto-resistance, TMR)이 예상보다 작게 설정되었을 때에도 읽기 동작의 오동작을 방지할 수 있는 자기 저항 메모리 장치를 제안한다. According to one embodiment, the magnetoresistive memory device may have a simple circuit structure using the negative resistance, but not sensitive to the model parameters. For example, the present invention proposes a magnetoresistive memory device capable of preventing erroneous operation of a read operation even when a tuning magneto-resistance (TMR) as a model parameter is set to be smaller than expected.

다른 실시예에 따르면, 상기 자기 저항 메모리 장치는 감지 노드의 초기 전압이 기준 셀부의 전압을 가지도록 설정하여 읽기 동작시의 오동작을 방지할 수 있다. 상기 감지 노드의 초기 전압이 설정되지 않도록 자기 저항 메모리 장치를 구성하면, 상기 감지 노드의 초기 전압이 전원 전압(VDD)에 가까운 전압에서 시작하게 되며, 이 경우 MTJ에 부성 저항이 병렬로 연결됨에도 불구하고 읽기 동작시 오동작이 발생할 수 있다. According to another embodiment, the magnetoresistive memory device can prevent an erroneous operation during a read operation by setting the initial voltage of the sense node to have the voltage of the reference cell portion. If the magnetoresistive memory device is configured such that the initial voltage of the sense node is not set, the initial voltage of the sense node starts at a voltage close to the power supply voltage (V DD ). In this case, the negative resistance is connected in parallel to the MTJ A malfunction may occur at the time of reading operation.

따라서, 본 발명의 자기 저항 메모리 장치는 상기 감지 노드의 초기 전압을 기준 셀부의 전압으로 설정하여 읽기 동작시의 오동작을 방지할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하겠다.
Therefore, the magnetoresistive memory device of the present invention can prevent the erroneous operation during the read operation by setting the initial voltage of the sense node to the voltage of the reference cell portion. A detailed description thereof will be described later.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 장치의 구성을 도시한 도면이다. 한편, 물론, 상기 자기 저항 메모리 장치는 많은 메모리 셀들 및 기준 셀부들을 포함하지만, 설명의 편의를 위하여 도 5에서는 하나의 메모리 셀 및 기준 셀부만을 표시하였다. 5 is a diagram showing a configuration of a magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present invention. Of course, the magnetoresistive memory device includes many memory cells and reference cell portions, but only one memory cell and reference cell portion are shown in FIG. 5 for convenience of explanation.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 자기 저항 메모리 장치는 메모리 셀(500), 기준 셀부(502), 부성 저항부(504) 및 읽기 동작 판단부(506)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5, the magnetoresistance memory device of the present embodiment may include a memory cell 500, a reference cell portion 502, a negative resistance portion 504, and a read operation determination portion 506.

메모리 셀(500)은 액세스 트랜지스터와 MTJ가 직렬로 연결된 회로를 포함한다. 메모리 셀(500)의 저항에 따라 감지 노드(S)의 전압이 달라진다. 일 실시예에 따르면, 감지 노드(S)의 초기 전압은 기준 셀부(502)의 기준 전압으로 설정될 수 있다. The memory cell 500 includes a circuit in which the access transistor and the MTJ are connected in series. The voltage of the sense node S is changed according to the resistance of the memory cell 500. [ According to one embodiment, the initial voltage of the sense node S may be set to the reference voltage of the reference cell portion 502.

기준 셀부(502)는 읽기 동작의 완료 판단을 위한 기준 전압을 출력하며, 메모리 셀(500)에 연결된다. The reference cell unit 502 outputs a reference voltage for judging the completion of the read operation and is connected to the memory cell 500.

부성 저항부(504)는 메모리 셀(500)의 MTJ와 병렬로 연결되는 부성 저항을 포함할 수 있다. 여기서, 반평형 상태의 MTJ의 저항과 상기 부성 저항에 따른 저항은 음의 값을 가질 수 있고, 평형 상태의 MTJ의 저항과 상기 부성 저항에 따른 저항은 양의 값을 가질 수 있다. 결과적으로, 감지 노드(S)의 전압은 상기 반평형 상태에서는 상승하고 상기 평형 상태에서는 감소한다. The negative resistance portion 504 may include a negative resistance connected in parallel with the MTJ of the memory cell 500. Here, the resistance of the MTJ in the semi-equilibrium state and the resistance due to the negative resistance may have a negative value, and the resistance of the MTJ in the equilibrium state and the resistance according to the negative resistance may have a positive value. As a result, the voltage of the sense node S rises in the half-balanced state and decreases in the balanced state.

한편, 도 5에서는 부성 저항부(504)가 메모리 셀(500)과 별개의 엘리먼트인 것으로 도시하였으나, 부성 저항부(504)는 메모리 셀(500)의 일부일 수도 있다. 5, the negative resistance unit 504 is a separate element from the memory cell 500. However, the negative resistance unit 504 may be a part of the memory cell 500. FIG.

읽기 동작 판단부(506)는 메모리 셀(500)의 전압에 해당하는 감지 노드(S)의 전압과 기준 셀부(502)의 기준 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 읽기 동작이 완료되었는 지의 여부를 판단한다. The read operation determination unit 506 compares the voltage of the sense node S corresponding to the voltage of the memory cell 500 with the reference voltage of the reference cell unit 502 and determines whether or not the read operation is completed .

정리하면, 본 실시예의 자기 저항 메모리 장치는 MTJ의 임의 상태 전환을 방지하도록 메모리 셀(500)에 연결되는 부성 저항부(504)를 사용하되, 감지 노드(S)의 초기 전압을 기준 셀부(502)의 기준 전압으로 설정할 수 있다. In summary, the magnetoresistive memory device of this embodiment uses the negative resistance portion 504 connected to the memory cell 500 to prevent the arbitrary state transition of the MTJ, and the initial voltage of the sense node S to the reference cell portion 502 Of the reference voltage.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 장치의 회로를 도시한 도면이고, 도 7은 도 6의 자기 저항 메모리 장치에서의 메모리 셀의 동작을 도시한 도면이다. FIG. 6 is a diagram showing a circuit of a magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram showing the operation of a memory cell in the magnetoresistive memory device of FIG.

도 6을 참조하면, 메모리 셀(500)은 직렬로 연결된 트랜지스터(MT) 및 MTJ를 포함한다.Referring to FIG. 6, a memory cell 500 includes a transistor MT connected in series and an MTJ.

부성 저항부(504)는 부성 저항을 구성하는 트랜지스터들(M1, M2 및 M3)을 포함할 수 있다. The negative resistance portion 504 may include transistors M1, M2 and M3 constituting a negative resistance.

트랜지스터(M1)는 N-모스 트랜지스터일 수 있다. 여기서, 트랜지스터(M1)의 게이트는 감지 노드(S) 및 메모리 셀(500)의 트랜지스터(MT)의 드레인에 연결될 수 있고 소스는 접지에 연결될 수 있다. Transistor M1 may be an N-MOS transistor. Here, the gate of the transistor M1 may be connected to the drain of the sense node S and the transistor MT of the memory cell 500, and the source may be connected to the ground.

트랜지스터들(M2 및 M3)은 P-모스 트랜지스터로서 미러 구조를 형성할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(M2)의 드레인은 트랜지스터(M1)의 드레인에 연결될 수 있고, 트랜지스터(M3)의 드레인은 메모리 셀(500)의 트랜지스터(MT)의 드레인에 연결될 수 있다. The transistors M2 and M3 may form a mirror structure as a P-MOS transistor. The drain of the transistor M2 may be connected to the drain of the transistor M1 and the drain of the transistor M3 may be connected to the drain of the transistor MT of the memory cell 500. [

기준 셀부(502)는 기준 셀로서 트랜지스터(RT) 및 저항(Rf), 부성 저항(600), 증폭기(A, 602) 및 캐패시터(C)를 포함할 수 있다. The reference cell portion 502 may include a transistor RT and a resistor R f as a reference cell, a negative resistance 600, an amplifier A 602, and a capacitor C.

트랜지스터(RT)는 N-모스 트랜지스터일 수 있다. 이 때, 워드 라인(WL)이 트랜지스터(RT)의 게이트 및 메모리 셀(500)의 트랜지스터(MT)의 게이트에 연결될 수 있다. 결과적으로, 트랜지스터들(MT 및 RT)이 워드 라인(WL)을 통하여 인가되는 워드 라인 신호에 따라 동시에 활성화되거나 비활성화될 수 있다. The transistor RT may be an N-MOS transistor. At this time, the word line WL may be connected to the gate of the transistor RT and the gate of the transistor MT of the memory cell 500. As a result, the transistors MT and RT can be activated or deactivated simultaneously according to the word line signal applied through the word line WL.

저항(Rf)은 트랜지스터(RT)의 소스에 연결될 수 있으며, 예를 들어 반평형 상태의 MTJ의 저항과 평형 상태의 MTJ의 저항이 병렬 연결되었을 때의 저항값으로 설정될 수 있다. The resistor Rf may be connected to the source of the transistor RT and may be set to a resistance value when, for example, the resistance of the MTJ in the anti-parallel state and the resistance of the MTJ in the balanced state are connected in parallel.

부성 저항(600)은 트랜지스터들(MR1, MR2 및 MR3)을 포함할 수 있다. The negative resistance 600 may include transistors MR1, MR2, and MR3.

트랜지스터(MR1)는 N-모스 트랜지스터일 수 있다. 여기서, 트랜지스터(MR1)의 게이트는 증폭기(602)의 입력 단자, 예를 들어 (+) 단자로 연결될 수 있고 소스는 접지에 연결될 수 있다. The transistor MR1 may be an N-MOS transistor. Here, the gate of the transistor MR1 may be connected to the input terminal of the amplifier 602, for example, the (+) terminal, and the source may be connected to the ground.

트랜지스터들(MR2 및 MR3)은 P-모스 트랜지스터로서 미러 구조를 형성할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(MR2)의 드레인은 트랜지스터(MR1)의 드레인에 연결될 수 있고, 트랜지스터(MR3)의 드레인은 기준 셀의 트랜지스터(RT)의 드레인에 연결될 수 있다. The transistors MR2 and MR3 may form a mirror structure as a P-MOS transistor. Here, the drain of the transistor MR2 may be connected to the drain of the transistor MR1, and the drain of the transistor MR3 may be connected to the drain of the transistor RT of the reference cell.

일 실시예에 따르면, 부성 저항(600)의 저항은 부성 저항부(504)의 저항의 절반일 수 있다. According to one embodiment, the resistance of the negative resistance 600 may be half the resistance of the negative resistance portion 504.

증폭기(602)는 트랜지스터(MR1)의 게이트 및 트랜지스터(RT)에 연결되며, 읽기 동작의 완료를 판단할 수 있는 기준 전압을 출력한다. 또한, 증폭기(602)는 기준 셀 및 부성 저항(600)과 함께 감지 노드(S)의 초기 전압을 설정하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 증폭기(602)의 출력 전압이 감지 노드(S)의 초기 전압으로 설정된다. The amplifier 602 is connected to the gate of the transistor MR1 and the transistor RT, and outputs a reference voltage capable of judging completion of the read operation. In addition, the amplifier 602 may serve to set the initial voltage of the sense node S together with the reference cell and the negative resistance 600. That is, the output voltage of the amplifier 602 is set to the initial voltage of the sensing node S.

일 실시예에 따르면, 증폭기(602)는 피드백 구조를 가지며, 증폭기(602)의 출력단은 캐패시터(C), 감지 노드(S) 및 읽기 동작 판단부(506)에 연결될 수 있다. 여기서, 읽기 동작 판단부(506)는 비교기로 이루어질 수 있다. According to one embodiment, the amplifier 602 has a feedback structure and the output terminal of the amplifier 602 can be connected to the capacitor C, the sense node S, and the read operation determination unit 506. Here, the read operation determination unit 506 may comprise a comparator.

또한, 증폭기(602)의 출력단과 감지 노드(S) 사이의 연결은 스위치(SW)에 의해 스위칭될 수 있다.
Further, the connection between the output terminal of the amplifier 602 and the sensing node S can be switched by the switch SW.

이하, 도 6의 자기 저항 메모리 장치의 동작을 도 7을 참조하여 살펴보겠다. 도 7의 (A)는 평형 상태의 동작을 도시하였고, 도 7의 (B)는 불평형 상태의 동작을 도시하였다. Hereinafter, the operation of the magnetoresistive memory device of FIG. 6 will be described with reference to FIG. FIG. 7A shows the operation in the balanced state, and FIG. 7B shows the operation in the unbalanced state.

도 7의 (A)를 참조하면, 스위치(SW)가 오프(OFF)되어 있고 워드 라인(WL)이 활성화되어 있지 않은 경우, 감지 노드(S)의 전압(VS)은 큰 값을 가질 수 있다. 7A, when the switch SW is off and the word line WL is not activated, the voltage V S of the sense node S can have a large value have.

이어서, 스위치(SW)가 턴-온된 후 워드 라인(WL)이 활성화되어 MTJ의 상태가 평형 상태가 되도록 읽기 전류가 메모리 셀(500)로 인가되면, 메모리 셀(500) 및 기준 셀이 동작하게 되며, 그 결과 증폭기(602)의 출력이 감지 노드(S)로 제공된다. 즉, 감지 노드(S)가 기준 셀부(502)의 기준 전압으로 초기화된다. Then, when a read current is applied to the memory cell 500 such that the word line WL is activated after the switch SW is turned on so that the MTJ state is in an equilibrium state, the memory cell 500 and the reference cell are operated So that the output of the amplifier 602 is provided to the sensing node S. That is, the sense node S is initialized to the reference voltage of the reference cell portion 502. [

계속하여, 워드 라인(WL)이 활성화된 상태에서 스위치(SW)가 턴-오프되며, 이 때 MTJ의 상태가 불평형 상태가 되도록 읽기 전류가 메모리 셀(500)로 제공되고 있으므로 감지 노드(S)의 전압(VS)이 감소된다. 이 때, 비교기(506)는 기준 전압과 감지 노드(S)의 전압(VS)을 비교한다. Subsequently, the switch SW is turned off with the word line WL activated. At this time, since the read current is supplied to the memory cell 500 so that the MTJ state becomes an unbalanced state, The voltage V S of the capacitor C is reduced. At this time, the comparator 506 compares the reference voltage with the voltage V S of the sense node S.

이어서, 비교기(506)는 기준 전압과 감지 노드(S)의 전압(VS)의 차이가 기준 이상이 되면, 읽기 동작의 완료를 나타내는 신호를 동작 드라이버(미도시)로 제공한다. 상기 동작 드라이버는 상기 제공된 신호에 따라 워드 라인(WL)을 비활성화하여 읽기 동작을 중지시킬 수 있다. Next, the comparator 506 provides a signal indicating completion of the read operation to the operation driver (not shown) when the difference between the reference voltage and the voltage V S of the sense node S becomes equal to or greater than the reference value. The operation driver may disable the word line WL according to the provided signal to stop the read operation.

도 7의 (B)를 참조하면, 스위치(SW)가 오프되어 있고 워드 라인(WL)이 활성화되지 않은 경우,감지 노드(S)의 전압(VS)은 큰 값을 가질 수 있다. Referring to FIG. 7B, when the switch SW is off and the word line WL is not activated, the voltage V S of the sense node S may have a large value.

이어서, 스위치(SW)가 턴-온된 후 워드 라인(WL)이 활성화되어 MTJ의 상태가 반평형 상태가 되도록 읽기 전류가 메모리 셀(500)로 인가되면, 메모리 셀(500) 및 기준 셀이 동작하게 되며, 그 결과 증폭기(602)의 출력이 감지 노드(S)로 제공된다. 즉, 감지 노드(S)가 기준 셀부(502)의 기준 전압으로 초기화된다. Then, when a read current is applied to the memory cell 500 so that the word line WL is activated after the switch SW is turned on so that the MTJ state is in an anti-parallel state, the memory cell 500 and the reference cell So that the output of the amplifier 602 is provided to the sensing node S. That is, the sense node S is initialized to the reference voltage of the reference cell portion 502. [

계속하여, 워드 라인(WL)이 활성화된 상태에서 스위치(SW)가 턴-오프되며, 이 때 MTJ의 상태가 불평형 상태가 되도록 읽기 전류가 메모리 셀(500)로 제공되고 있으므로 감지 노드(S)의 전압(VS)이 증가한다. 이 때, 비교기(506)는 기준 전압과 감지 노드(S)의 전압(VS)을 비교한다. Subsequently, the switch SW is turned off with the word line WL activated. At this time, since the read current is supplied to the memory cell 500 so that the MTJ state becomes an unbalanced state, The voltage V s of the capacitor C increases. At this time, the comparator 506 compares the reference voltage with the voltage V S of the sense node S.

이어서, 비교기(506)는 기준 전압과 감지 노드(S)의 전압(VS)의 차이가 기준 이상이 되면, 읽기 동작의 완료를 나타내는 신호를 동작 드라이버로 제공한다. 상기 동작 드라이버는 상기 제공된 신호에 따라 워드 라인(WL)을 비활성화하여 읽기 동작을 중지시킬 수 있다. The comparator 506 then provides a signal to the operation driver indicating the completion of the read operation when the difference between the reference voltage and the voltage V S of the sense node S is above the reference. The operation driver may disable the word line WL according to the provided signal to stop the read operation.

정리하면, 감지 노드(S)의 초기 전압으로 기준 셀부(502)의 기준 전압이 설정될 수 있다. 결과적으로, 모델 파라미터에 상관없이 읽기 동작의 오동작이 방지될 수 있으며, 자기 저항 메모리 장치의 회로 구조가 간단하여질 수 있다. In summary, the reference voltage of the reference cell unit 502 can be set as the initial voltage of the sense node S. As a result, a malfunction of the read operation can be prevented irrespective of the model parameters, and the circuit structure of the magnetoresistive memory device can be simplified.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Should be regarded as belonging to the following claims.

500 : 메모리 셀 502 : 기준 셀부
504 : 부성 저항부 506 : 읽기 동작 판단부
600 : 부성 저항 602 : 증폭기
500: memory cell 502: reference cell part
504: Negative Resistance Unit 506: Read Operation Judgment Unit
600: Negative Resistance 602: Amplifier

Claims (12)

액세스 트랜지스터 및 MTJ를 가지는 메모리 셀;
감지 노드를 기준으로 하여 상기 메모리 셀에 병렬로 연결된 부성 저항; 및
상기 메모리 셀에 연결되며, 기준 전압을 생성하는 기준 셀부를 포함하되,
읽기 동작시 상기 감지 노드의 초기 전압은 상기 기준 셀부의 기준 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치.
A memory cell having an access transistor and an MTJ;
A negative resistance connected in parallel to the memory cell with respect to the sense node; And
A reference cell part connected to the memory cell and generating a reference voltage,
Wherein an initial voltage of the sense node is set to a reference voltage of the reference cell unit during a read operation.
제1항에 있어서, 상기 MTJ의 상태가 반평형 상태일 때 상기 부성 저항과 상기 MTJ의 저항에 따른 저항은 음의 값을 가지며, 상기 MTJ의 상태가 평형 상태일 때 상기 부성 저항과 상기 MTJ의 상태에 따른 저항은 양의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치. The MTJ of claim 1, wherein when the state of the MTJ is in an equilibrium state, the negative resistance and the resistance of the MTJ have a negative value, and when the state of the MTJ is in an equilibrium state, And the resistance according to the state has a positive value. 제1항에 있어서,
상기 기준 전압과 상기 감지 노드의 전압을 비교하여 상기 읽기 동작을 판단하는 읽기 동작 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치.
The method according to claim 1,
And a read operation determining unit comparing the reference voltage with the voltage of the sense node to determine the read operation.
제1항에 있어서, 상기 감지 노드와 상기 기준 셀부 사이의 연결은 스위치에 의해 스위칭되되,
상기 스위치가 턴-온됨에 따라 상기 감지 노드의 초기 전압으로 상기 기준 전압이 설정되며, 상기 기준 전압이 상기 감지 노드의 초기 전압으로 설정된 후에는 상기 스위치가 턴-오프되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치.
The method of claim 1, wherein the connection between the sensing node and the reference cell unit is switched by a switch,
Wherein the reference voltage is set to an initial voltage of the sense node as the switch is turned on and the switch is turned off after the reference voltage is set to an initial voltage of the sense node. Device.
제1항에 있어서, 상기 부성 저항은 미러 구조의 제 1 트랜지스터들 및 상기 제 1 트랜지스터들 중 하나에 연결된 제 2 트랜지스터에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치. 2. The magnetoresistive memory device of claim 1, wherein the negative resistance is realized by a first transistor of a mirror structure and a second transistor connected to one of the first transistors. 제1항에 있어서, 상기 기준 셀부는 기준 셀 트랜지스터 및 저항을 가지는 기준 셀, 상기 부성 저항의 절반에 해당하는 부성 저항, 증폭기 및 캐패시터를 포함하되,
상기 증폭기는 피드백 구조를 가지며, 상기 증폭기의 출력은 상기 감지 노드로 제공되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치.
The method of claim 1, wherein the reference cell portion includes a reference cell having a reference cell transistor and a resistor, a negative resistance corresponding to half of the negative resistance, an amplifier, and a capacitor,
Wherein the amplifier has a feedback structure and the output of the amplifier is provided to the sense node.
MTJ를 가지는 메모리 셀;
상기 메모리 셀에 연결된 감지 노드; 및
상기 MTJ에 연결된 저항 엘리먼트를 포함하되,
상기 MTJ와 상기 저항 엘리먼트에 따른 저항은 상기 MTJ의 상태에 따라 다르며, 읽기 동작시 상기 감지 노드의 초기 전압으로 일정 전압이 설정되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치.
A memory cell having an MTJ;
A sensing node coupled to the memory cell; And
A resistance element coupled to the MTJ,
Wherein the resistance according to the MTJ and the resistance element is different according to the state of the MTJ and a constant voltage is set as an initial voltage of the sensing node during a read operation.
제7항에 있어서, 상기 저항 엘리먼트는 부성 저항으로서 상기 감지 노드를 기준으로 하여 상기 메모리 셀에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치. 8. The magnetoresistive memory device of claim 7, wherein the resistive element is connected in parallel to the memory cell with respect to the sense node as a negative resistance. 제7항에 있어서,
상기 메모리 셀에 연결되며, 기준 전압을 생성하는 기준 셀부를 더 포함하되,
상기 일정 전압은 상기 기준 전압이며, 상기 기준 셀부도 부성 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치.
8. The method of claim 7,
Further comprising a reference cell unit coupled to the memory cell and generating a reference voltage,
Wherein the constant voltage is the reference voltage, and the reference cell unit also includes a negative resistance.
제9항에 있어서, 상기 감지 노드와 상기 기준 셀부 사이의 연결은 스위치에 의해 스위칭되되,
상기 스위치가 턴-온됨에 따라 상기 감지 노드의 초기 전압으로 상기 기준 전압이 설정되며, 상기 기준 전압이 상기 감지 노드의 초기 전압으로 설정된 후에는 상기 스위치가 턴-오프되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치.
10. The apparatus of claim 9, wherein the connection between the sense node and the reference cell is switched by a switch,
Wherein the reference voltage is set to an initial voltage of the sense node as the switch is turned on and the switch is turned off after the reference voltage is set to an initial voltage of the sense node. Device.
제7항에 있어서, 상기 MTJ의 상태가 반평형 상태일 때 상기 저항 엘리먼트와상기 MTJ의 저항에 따른 저항은 음의 값을 가지며, 상기 MTJ의 상태가 평형 상태일 때 상기 저항 엘리먼트와 상기 MTJ의 상태에 따른 저항은 양의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치. 8. The method of claim 7, wherein when the state of the MTJ is in an equilibrium state, the resistance of the resistance element and the resistance of the MTJ has a negative value, and when the state of the MTJ is in an equilibrium state, And the resistance according to the state has a positive value. 제7항에 있어서, 상기 저항 엘리먼트는 미러 구조의 제 1 트랜지스터들 및 상기 제 1 트랜지스터들 중 하나에 연결된 제 2 트랜지스터에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 메모리 장치.














8. The magnetoresistive memory device of claim 7, wherein the resistance element is realized by first transistors of a mirror structure and a second transistor connected to one of the first transistors.














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