KR101224259B1 - High speed sense amplifier and Method of operating the high speed sense amplifier - Google Patents
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Abstract
복수의 메모리 셀들을 가지는 메모리 셀 어레이를 구비하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기는 제1 입력 노드의 셀 전류와 제2 입력 노드의 기준 전류간의 차이를 센싱하여 증폭하는 감지 증폭기 회로와, 상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 및 제2 입력 노드에 결합하여 상기 제1 및 제2 입력 노드로 바이어스 전류를 N배-여기서 N은 2이상의 자연수- 증폭시킨 제1 분배 전류 및 제2 분배 전류를 각각 제공하는 전류 미러 회로를 포함한다. 간단한 전류 거울 구조를 통하여 감지 증폭기의 빠른 응답속도를 얻을 수 있고, 비트 라인 노드(Bit-Line Node)와 감지 증폭기의 입력단을 분리하여 감지 증폭기의 읽기 동작 시 높은 민감도(sensitivity)를 제공할 수 있다. A sense amplifier of a semiconductor memory device having a memory cell array having a plurality of memory cells includes a sense amplifier circuit for sensing and amplifying a difference between a cell current of a first input node and a reference current of a second input node, and the sense amplifier circuit. A current coupled to the first and second input nodes of to provide a multiple of N times the bias current to the first and second input nodes, where N is two or more natural number-amplified first and second distributed currents, respectively. It includes a mirror circuit. A simple current mirror structure provides a fast response speed of the sense amplifier and provides high sensitivity during read operation of the sense amplifier by separating the bit line node and the input of the sense amplifier. .
Description
본 발명은 반도체 메모리의 감지 증폭기에 관한 것이다. The present invention relates to a sense amplifier of a semiconductor memory.
Spin-Transfer-Torque MRAM(이하 STT-MRAM)은 최근 차세대 유니버설 메모리로써 활발히 연구 중이다. 유니버설 메모리는 비휘발성과 무한한 쓰기 사이클(write cycle)을 특징으로 가진다. 이러한 유니버설 메모리는 빠른 동작 속도를 가지면 전원이 꺼지더라도 정보를 기억하기 때문에 디지털 기기의 대폭적인 성능향상을 가져올 것으로 기대되고 있다. Spin-Transfer-Torque MRAM (hereinafter STT-MRAM) is being actively researched as the next generation universal memory. Universal memory features nonvolatile and infinite write cycles. Such a universal memory is expected to bring a significant performance improvement in digital devices because it can store information even when the power is turned off when the fast operation speed is high.
그러나 실리콘(Silicon)기반 메모리의 한계와 기존 디램(DRAM), 에스램(SRAM) 및 플래쉬 메모리(Flash Memory)의 개발은 태생적 한계로 인해 각각의 장점은 있으나 단점이 보완되기 쉽지 않다. 반면에, 스핀토크를 이용한 자성기반의 메모리인 STT-MRAM은 높은 집적도, 빠른 속도, 그리고 비휘발성인 장점으로 기존 메모리를 대체할 강력한 차세대 메모리로 최근 빠르게 연구가 진행되고 있다.However, the limitations of silicon-based memory and the development of conventional DRAM, SRAM, and flash memory have their advantages and disadvantages due to their inherent limitations. On the other hand, STT-MRAM, a magnetic-based memory using spin torque, is being researched rapidly as a powerful next-generation memory that can replace existing memory due to its high density, high speed, and non-volatile advantages.
STT-MRAM은 프리층(Free layer), 터널장벽층(Tunnel barrier), 핀드층(Pinned Layer)로 구성되어 있는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction)에 기초한다. 강자성체층으로 구성된 MRAM의 셀(Cell)인 MTJ는 다음과 같은 특징을 갖고 있다. STT-MRAM is based on MTJ (Magnetic Tunnel Junction), which is composed of a free layer, a tunnel barrier, and a pinned layer. MTJ, a cell of MRAM composed of a ferromagnetic layer, has the following characteristics.
첫째로 MTJ는 자화 방향에 따른 메모리 동작으로 인해 비휘발성 특성을 갖는다. 둘째로 MTJ는 소자 사이즈가 작아질수록 임계전류밀도(Critical Current Density)도 같이 감소하는 특성으로 인해 저 전력 및 높은 집적도가 가능하다. 셋째로 MTJ는 스핀 토크로 인한 자화방향의 스위칭 속도가 빨라 이론상으로 DRAM보다 빠른 쓰기 동작이 가능하다.Firstly, MTJ is nonvolatile due to memory operation along the magnetization direction. Secondly, the MTJ has a low power and high integration due to the decrease in critical current density as the device size decreases. Thirdly, the MTJ has a faster switching speed in the magnetization direction due to spin torque, which allows a write operation faster than a DRAM in theory.
위와 같은 장점으로 인해 STT-MRAM은 새로운 차세대 메모리로서의 가능성을 가지고 있다. 그러나 STT-MRAM을 구동하기 위한 방식은 MTJ 셀(Cell)의 데이터를 보장하기 위한 정밀한 전류 및 전압 제어가 필요하고, DRAM보다 빠른 속도를 위해 읽기 및 쓰기 속도를 회로적인 측면에서 개선해야 할 필요가 있다. These advantages make STT-MRAM a new next-generation memory. However, the method for driving STT-MRAM requires precise current and voltage control to guarantee the data of the MTJ cell, and the need to improve the read and write speed in terms of circuitry for faster speed than DRAM. have.
또한 STT-MRAM에서 중요한 특징 중 하나는 MTJ 전압 대비 MR(Magnetoresistance)의 변화율이다. MTJ에 인가된 전압이 증가함에 따라 MR이 낮아진다. 따라서 읽기 동작 시 충분한 센싱 마진(Sensing Margin)을 확보하기 위해서는 정밀한 전압 및 전류 제어가 필요하다. Another important feature of STT-MRAM is the rate of change of magnetoresistance (MR) relative to the MTJ voltage. MR decreases as the voltage applied to the MTJ increases. Therefore, precise voltage and current control is required to ensure sufficient sensing margin during read operation.
도 1은 종래의 전압 방식의 MRAM에 사용되는 감지 증폭기의 개념도이다. 도 1의 셀(Cell) 구조는 기본적인 1T 1MTJ 구조이다. 즉, 좌측의 셀은 1개의 트랜지스터(M01)와 1개의 MTJ(MTJ1)로 이루어지며, 우측의 참조 셀은 1개의 트랜지스터(M02)와 1개의 MTJ(MTJ2)로 이루어진다. MTJ1(10) 및 MTJ2(30)는 각각 저항으로 모델링될 수 있다. 각각의 MTJ1(10) 및 MTJ2(30)에 적절한 바이어스를 인가해주기 위해 각각 전류원 I1(12), I2(32)가 사용된다. 전류원 I1으로 인해 MTJ1의 자기 저항값에 따라 VBL노드의 전압(비트라인 노드 전압)이 결정되며, 전류원 I2으로 인해 MTJ2의 자기 저항값에 따라 VBLB노드의 전압(기준 전압)이 결정되며, 상기 VBL노드의 전압을 감지 증폭기(200)의 입력 단으로 인가해 상기 기준 전압 VBLB과 비교를 통하여 셀의 상태를 읽어낸다. 1 is a conceptual diagram of a sense amplifier used in a conventional voltage-type MRAM. The cell structure of FIG. 1 is a basic 1T 1MTJ structure. That is, the cell on the left consists of one transistor M01 and one MTJ (MTJ1), and the reference cell on the right consists of one transistor M02 and one MTJ (MTJ2). MTJ1 10 and MTJ2 30 may each be modeled as a resistor.
한편, 보다 빠른 응답속도를 위해 감지 증폭기(200)의 입력을 전류로 받는 전류 방식을 사용할 수 있다. 전류 방식의 동작 방식은 전술한 기존 전압 방식과 유사하다. 전류원을 통해 일정한 전류가 발생되고 상기 발생된 일정한 전류는 두 개의 경로를 통해 흐르게 된다. 두 개의 경로 중 하나는 MTJ 셀 쪽으로 통하는 경로이고 다른 하나는 감지 증폭기의 입력단쪽으로 통하는 경로이다. MTJ의 자기 저항의 크기에 따라 전류원으로부터 발생되는 일정한 값의 전류는 분배되며 이와 마찬가지로 기준셀의 값에 따라 기준전류가 결정되고 셀전류와 기준전류의 크기에 따라 비교기를 통해 셀의 상태를 읽어낸다. On the other hand, a current method that receives the input of the
기존의 전압 방식의 경우 전류 방식 보다 응답 속도는 느리지만, VBL노드의 전압(비트라인 노드 전압)이 감지 증폭기(200)의 입력 단-감지 증폭기(200)의 게이트 노드-로 인가된다. 즉, 비트라인 노드 전압이 감지 증폭기(200)의 게이트 노드로 인가되므로 감지 증폭기의 출력이 비트라인 노드에 간섭을 미치지 않게 되어 MTJ 셀에 간섭이 발생하지 않는다. In the case of the conventional voltage method, the response speed is slower than that of the current method, but the voltage of the V BL node (bit line node voltage) is applied to the input node of the sense amplifier 200-the gate node of the
메모리 셀의 집적도가 높아질수록 읽기 전류(read current)는 비례하여 감소하므로 읽기 전류는 수 암페어(ampere) 정도로 매우 낮은 크기를 가져야 한다. As the density of memory cells increases, the read current decreases in proportion, so the read current must be very low, such as several amperes.
따라서, 상기 전류 방식에서는 입력 전류가 작아지므로 감지 증폭기의 센싱 마진(Sensing Margin)과 응답속도에 대한 보상이 필요하다. 또한, 상기 종래의 전류 방식에서는 감지 증폭기의 이득이 매우 크기 때문에 동작 시 감지 증폭기의 출력이 비트라인 노드에 영향을 미치는 킥백 노이즈(Kickback Noise)가 발생할 수 있으며, 그에 따라 읽기 동작시 민감도(sensitivity)가 떨어지게 되는 문제점이 있다. Therefore, in the current method, since the input current is small, compensation for sensing margin and response speed of the sense amplifier is necessary. In addition, in the conventional current method, since the gain of the sense amplifier is very large, kickback noise may occur when the output of the sense amplifier affects the bit line node during operation, and thus sensitivity during read operation. There is a problem that fall.
읽기 동작시 킥백 노이즈에 의한 MTJ의 셀로의 간섭이 없도록 전압 방식을 사용할 경우 읽기 동작시 응답 속도가 상기 전류 방식에 비해 낮아지게 되고, 상기 전류 방식의 경우에는 읽기 동작시 응답 속도는 상기 전압 방식에 비해 높지만 킥백 노이즈에 의한 MTJ의 셀로의 간섭이 발생하여 읽기 동작시 민감도(sensitivity)가 떨어지게 되는 문제점이 있다.When the voltage method is used so that there is no interference to the cell of the MTJ due to the kickback noise during the read operation, the response speed during the read operation is lower than that of the current method. In the case of the current method, the response speed during the read operation is determined by the voltage method. Higher than this, but the interference of the MTJ cell due to the kickback noise occurs, the sensitivity (sensitivity) is reduced during the read operation.
따라서, 본 발명의 목적은 MRAM의 동작 특성을 고려하여 읽기 동작 시 높은 민감도(sensitivity)를 가지면서도 읽기 동작시 응답 속도를 개선하기 위한 감지 증폭기를 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a sense amplifier for improving response speed during a read operation while having high sensitivity in read operation in consideration of an operation characteristic of the MRAM.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 복수의 메모리 셀들을 가지는 메모리 셀 어레이를 구비하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기는 제1 입력 노드의 셀 전류와 제2 입력 노드의 기준 전류간의 차이를 센싱하여 증폭하는 감지 증폭기 회로와, 상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 및 제2 입력 노드에 결합하여 상기 제1 및 제2 입력 노드로 바이어스 전류를 N배-여기서 N은 2이상의 자연수- 증폭시킨 제1 분배 전류 및 제2 분배 전류를 각각 제공하는 전류 미러 회로를 포함한다. The sense amplifier of the semiconductor memory device having a memory cell array having a plurality of memory cells according to an aspect of the present invention for achieving the above object of the present invention is the reference of the cell current of the first input node and the reference of the second input node A sense amplifier circuit that senses and amplifies the difference between the currents and a bias current coupled to the first and second input nodes of the sense amplifier circuit to the first and second input nodes by N times where N is a natural number greater than two A current mirror circuit providing the amplified first and second distributed currents respectively.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 복수의 메모리 셀들을 가지는 메모리 셀 어레이를 구비하는 반도체 메모리 장치에 포함되어 제1 입력 노드의 셀 전류와 제2 입력 노드의 기준 전류간의 차이를 센싱하여 증폭하는 감지 증폭기의 동작 방법은 바이어스 전류를 공급받는 단계와, 상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 및 제2 입력 노드로 바이어스 전류를 N배-여기서 N은 2이상의 자연수- 증폭시킨 제1 분배 전류 및 제2 분배 전류를 각각 제공하는 단계와, 감지 증폭기 인에이블 신호가 활성화되면 상기 N배 증폭된 상기 제1 및 제2 분배 전류를 분배하여 각각 상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 및 제2 입력 노드로 상기 셀 전류 및 기준 전류로서 제공하는 단계를 포함한다. In addition, a semiconductor memory device having a memory cell array having a plurality of memory cells according to another aspect of the present invention for achieving the object of the present invention is included in the cell current of the first input node and the reference current of the second input node A method of operating a sense amplifier that senses and amplifies a difference between the steps of receiving a bias current and N times the bias current to the first and second input nodes of the sense amplifier circuit, where N is a natural number of two or more Providing a first distribution current and a second distribution current, respectively, and distributing the N times amplified first and second distribution currents when the sense amplifier enable signal is activated to respectively divide the first and second distribution currents of the sense amplifier circuit. Providing as a cell current and a reference current to a second input node.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 감지 증폭기에 따르면, 간단한 전류 거울 구조를 이용하여 기존의 전류 방식의 경우 매우 낮은 입력전류로 인한 낮은 센싱 마진(Sensing Margin)을 보상할 수 있으며, 더불어 충분한 센싱 마진(Sensing Margin)의 확보로 인해 기존의 전류 방식보다 빠른 응답속도를 구현할 수 있다. As described above, according to the sense amplifier according to the embodiments of the present invention, a simple current mirror structure may be used to compensate for a low sensing margin due to a very low input current in the conventional current method. In addition, by ensuring sufficient sensing margin, it is possible to realize faster response speed than conventional current methods.
또한, 비트 라인 노드(Bit-Line Node)와 감지 증폭기의 입력단을 분리하여 기존의 전류 방식에서 발생하는 킥백 노이즈(Kickback Noise)를 방지할 수 있으므로 읽기 동작 시 높은 민감도(sensitivity)를 가짐으로써 안정적으로 읽기 동작을 수행할 수 있다. In addition, by separating the bit-line node and the sense amplifier input stage, it is possible to prevent kickback noise generated by the existing current method, so that it has a high sensitivity during read operation. Read operation can be performed.
특히, 자기저항을 이용하는 차세대 메모리인 STT-MRAM에 적용할 경우 낮은 TMR(Tunneling Magnetoresistance)에서도 빠르고 안정적인 동작을 수행할 수 있으며, STT-MRAM의 셀(Cell)의 성능이 높지 않더라도 충분한 성능을 발휘 할 수 있으며 간단한 구조와 단순한 동작방식으로 인해 비용을 절감할 수 있어 높은 효율을 가질 수 있다.In particular, when applied to STT-MRAM, the next-generation memory using magnetoresistance, it can perform fast and stable operation even at low Tunneling Magnetoresistance (TMR), and it will be able to show sufficient performance even if the cell performance of STT-MRAM is not high. In addition, the cost can be reduced due to the simple structure and simple operation method, and thus high efficiency can be achieved.
도 1은 종래의 전압 방식의 MRAM에 사용되는 감지 증폭기의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기를 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 2의 감지 증폭기 회로의 구체 회로도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 동작 타이밍도이다.
도 5는 전류 미러의 증폭율을 변화시켜가면서 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 응답 속도의 변화를 시뮬레이션한 결과 그래프이다.
도 6은 TMR을 변화시켜가면서 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 응답 속도의 변화를 시뮬레이션한 결과 그래프이다. 1 is a conceptual diagram of a sense amplifier used in a conventional voltage-type MRAM.
2 is a conceptual diagram illustrating a sense amplifier according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a detailed circuit diagram of the sense amplifier circuit of FIG. 2.
4 is an operation timing diagram of a sense amplifier according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a simulation result of a change in response speed of a sense amplifier according to an embodiment of the present invention while varying the amplification factor of a current mirror.
6 is a graph showing a simulation result of a change in response speed of a sense amplifier according to an embodiment of the present invention while varying the TMR.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부" 있다거나 "하부" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 형성되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "top" or "bottom" of another component, it should be understood that other components may be present in between, although they may be formed directly on the other component.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate a thorough understanding of the present invention, the same reference numerals are used for the same means regardless of the number of the drawings.
먼저, 비트라인 감지 증폭기의 전체적인 동작을 설명하면 다음과 같다. First, the overall operation of the bit line sense amplifier will be described.
도면에서는 도시하지 않았으나, 반도체 메모리는 복수의 메모리 셀들을 가지는 메모리 셀 어레이를 구비하며, 각각의 메모리 셀은 워드라인(WL) 및 비트라인과 연결되어 비트라인 감지 증폭기에 의해 비트 라인(BL)에 실린 증폭된 데이터가 데이터 버스에 전송되어 데이터가 판독된다. Although not shown in the drawings, the semiconductor memory includes a memory cell array having a plurality of memory cells, each of which is connected to a word line WL and a bit line and is connected to the bit line BL by a bit line sense amplifier. The carried amplified data is transferred to the data bus to read the data.
비트라인(BL)이 프리차지 전압-예를 들어, 내부 전원 전압 VDD의 1/2-으로 프리차지(precharge)되고, 이때 선택된 메모리 셀이 연결된 비트라인(BL)과 그렇지 않은 비트라인(BLB) 사이의 전압차를 없애기 위해 두 비트라인(BL)을 균등화(Equalization)시킨다. 로우 디코더가 외부에서 입력된 로우 어드레스를 분석하여 로우 어드레스에 해당되는 워드라인(WL)을 선택하고, 선택된 워드라인(WL)에 연결된 메모리 셀에 연결된 비트라인(BL)과 연결되지 않은 비트라인(BLB) 간에 전위차가 발생된다. The bit line BL is precharged to a precharge voltage, for example, 1/2 of the internal power supply voltage VDD, wherein the bit line BL and the bit line BLB to which the selected memory cell is connected are not. The two bit lines BL are equalized to eliminate the voltage difference between them. The row decoder analyzes an externally input row address to select a word line WL corresponding to the row address, and the bit line BL connected to the memory cell connected to the selected word line WL and the bit line BL not connected to the row line. A potential difference is generated between the BLBs.
이때 감지 증폭기 제어신호 Ven이 인에이블되면, 감지 증폭기가 동작하여 선택된 메모리 셀이 연결된 비트라인(BL)과 연결되지 않은 비트라인(BLB) 간의 전위 차이를 센싱하여 증폭한다. 예를 들어, 선택된 메모리 셀에 저장된 데이터가 로우 레벨의 데이터라고 가정하면, 선택된 메모리 셀이 연결된 비트 라인(BL)의 전압이 프리차지 전압 보다 낮아지게 되고, 이때 선택된 메모리 셀이 연결되지 않은 비트 라인(BLB)의 전압은 프리차지 전압을 유지하고 있기 때문에 두 비트라인(BL, BLB) 간에 전위 차이가 발생하게 된다. In this case, when the sense amplifier control signal Ven is enabled, the sense amplifier operates to sense and amplify a potential difference between the bit line BL to which the selected memory cell is connected and the bit line BLB to which the selected memory cell is not connected. For example, assuming that the data stored in the selected memory cell is low-level data, the voltage of the bit line BL to which the selected memory cell is connected is lower than the precharge voltage. In this case, the bit line to which the selected memory cell is not connected Since the voltage of the BLB maintains the precharge voltage, a potential difference occurs between the two bit lines BL and BLB.
이어서, 컬럼 디코더에 의해 컬럼 어드레스가 분석되어 컬럼 어드레스에 해당되는 컬럼 제어 신호가 인에이블(enable)되면 비트라인 감지 증폭기에 의해 비트 라인(BL)에 실린 증폭된 데이터가 데이터 버스에 전송된다.Subsequently, when the column address is analyzed by the column decoder and the column control signal corresponding to the column address is enabled, the amplified data carried on the bit line BL is transmitted to the data bus by the bit line sense amplifier.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기에 대해 설명한다. Hereinafter, a sense amplifier according to an embodiment of the present invention will be described.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기를 나타낸 개념도이고, 도 3은 도 2의 감지 증폭기 회로의 구체 회로도를 나타내며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 동작 타이밍도이다. 2 is a conceptual diagram illustrating a sense amplifier according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a detailed circuit diagram of the sense amplifier circuit of FIG. 2, and FIG. 4 is an operation timing diagram of the sense amplifier according to an embodiment of the present invention. to be.
도 2를 참조하면, 선택된 워드라인(WL)에 연결된 메모리 셀(Cell)은 저항으로 모델링되는 MTJ1(110)과 게이트에 워드 라인(WL)이 연결된 M01을 포함한다. 비트라인(BL)은 선택된 워드라인(WL)에 연결된 메모리 셀의 VBL 전압 노드에 연결된다. Referring to FIG. 2, the memory cell Cell connected to the selected word line WL includes
참조 셀(cell)은 저항으로 모델링되는 MTJ2(310)과 게이트에 워드 라인(WL)이 연결된 M02을 포함한다. 비트 라인(BLB)은 참조 셀의 VBLB 전압 노드에 연결된다. The reference cell includes MTJ2 310, which is modeled as a resistor, and M02 having a word line WL connected to a gate thereof. Bit line BLB is V BLB of reference cell Is connected to the voltage node.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기는 감지 증폭기 회로(200) 및 전류 거울(120, 320)을 포함한다. 전류 거울은 제1 전류 거울(120) 및 제2 전류 거울(320)을 포함할 수 있다. 2, a sense amplifier according to an embodiment of the present invention includes a
감지 증폭기 회로(200)는 바람직하게는 래치 타입 감지 증폭기 회로로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 2개의 출력단의 전압 또는 전류를 센싱하여 증폭하는 다른 타입의 감지 증폭기 회로로도 구현이 가능하다. 이하, 감지 증폭 회로(200)로 래치 타입(Latch Type) 감지 증폭기 회로를 사용한 경우를 예를 들어 설명한다. The
전류원 Ibias은 MTJ1(110) 및 MTJ2(310)에 바이어스를 인가해주기 위하여 전류원 Ibias의 전류를 분배하여 MTJ1(110)에 제1 참조 전류 Iref1를 제공하고, MTJ2(310)에 제2 참조 전류 Iref2를 제공한다. The current source I bias is MTJ1 (110) and MTJ2 second reference to provide a first reference current I ref1 to MTJ1 (110) to divide the current of current source I bias, and MTJ2 310 to now applying a bias to the 310 Provide the current I ref2 .
제1 전류 거울(120)은 제1 참조 전류 Iref1를 1:N의 비율로 증폭한 제1 분배 전류 I1을 생성하여 감지 증폭기 회로(200)의 제1 입력 노드(예를 들어, 도 3의 트랜지스터 M07의 드레인에 해당되는 노드 c)로 제공한다. 예를 들어 N은 2, 4, 8, 16, 32, 64등의 2의 거듭제곱 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 2이상의 다른 자연수 값을 가질 수도 있다. The first
제2 전류 거울 (330)은 전류원 Ibias의 전류를 분배한 제2 참조 전류 Iref2를 1:N의 비율로 증폭한 제2 분배 전류 I3를 생성하여 감지 증폭기 회로(200)의 제2 입력 노드(예를 들어, 도 3의 트랜지스터 M08의 드레인에 해당되는 노드 d)로 제공한다. The second
본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기는 상기와 같은 전류 거울 구조를 이용하여 기존의 전류 방식에서 감지 증폭기 회로(200)의 매우 낮은 입력 전류로 인한 낮은 센싱 마진(sensing margin)을 보상하고 충분한 센싱 마진을 확보함으로써 기존 전류 방식의 감지 증폭기보다 빠른 응답 속도를 구현할 수 있다. The sense amplifier according to an embodiment of the present invention compensates for the low sensing margin due to the very low input current of the
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기에서는 메모리 셀에 연결된 비트라인(BL) 노드와 감지 증폭기의 제1 입력노드(도 3의 노드 c)가 분리된 구조를 제공한다. 또한, 상기 메모리 셀에 대응되는 참조 셀에 연결된 비트라인(BLB) 노드와 감지 증폭기의 제2 입력노드(노드 d)가 분리된 구조를 제공한다. 구체적으로, MP01 및 MP02의 PMOS 트랜지스터들로 구성된 전류 미러(130)의 MP01 및 MP02의 게이트로 메모리 셀의 상태에 따라 결정되는 VBL 전압노드(비트 라인 BL 노드)를 연결되도록 구성함으로써 메모리 셀과 감지 증폭기 회로의 입력단을 분리시킬 수 있다. 또한, MP04 및 MP05의 PMOS 트랜지스터들로 구성된 전류 미러(330)의 MP04 및 MP05의 게이트로 VBLB 전압노드(비트 라인 BLB 노드)를 연결되도록 구성함으로써 참조 셀과 감지 증폭기 회로의 제2 입력 노드(노드 d)를 분리시킬 수 있다. In addition, the sense amplifier according to an embodiment of the present invention provides a structure in which a bit line BL node connected to a memory cell and a first input node (node c of FIG. 3) of the sense amplifier are separated. In addition, a bit line (BLB) node connected to a reference cell corresponding to the memory cell and a second input node (node d) of the sense amplifier are provided. Specifically, V BL determined by the state of the memory cell to the gates of MP01 and MP02 of the
따라서, 감지 증폭기 회로(200) 동작시 감지 증폭기 회로(200)의 큰 이득으로 인하여 감지 증폭기 회로(200)의 출력단(예를 들어, 도 3의 트랜지스터 M09의 드레인)이 비트 라인 노드에 영향을 미치는 킥백 노이즈(Kickback Noise)를 방지함으로써 읽기 동작 시 높은 민감도(sensitivity)를 가짐으로써 안정적으로 읽기 동작을 수행할 수 있다. Therefore, due to the large gain of the
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 동작에 대해 설명한다. Hereinafter, an operation of a sense amplifier according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기는 셀 전류 공급부(110), 제1 전류 거울(130), 제2 전류 거울(330), 제1 입력 전류 분배 회로(140), 제2 입력 전류 분배 회로(340), 비교부(220) 및 이퀄라이징부(210)를 포함한다. Referring to FIG. 3, a sense amplifier according to an embodiment of the present invention includes a cell
셀 전류 공급부(110)는 전류원 Ibias을 포함하여 구현할 수 있다. 셀 전류 공급부(110)에서 제공되는 바이어스 전류 Ibias는 좌우로 분배되어, MTJ1(110)에는 제1 참조 전류 Iref1를 제공하여 MTJ1(110)에 바이어스를 인가해주는 역할을 하며, MTJ2(310)에는 제2 참조 전류 Iref2를 제공하여 MTJ2(310)에 바이어스를 인가해주는 역할을 한다. The cell
제1 전류 거울(130)은 상기 제1 참조 전류 Iref1를 1:N의 비율로 증폭하여 제1 분배 전류 I1을 생성하여 감지 증폭기 회로(200)의 제1 입력 노드(노드 c)로 제공한다. 제1 전류 거울(130)은 PMOS 트랜지스터 MP01 및 MP02로 구현될 수 있다. MP01의 소스 및 MP02의 소스는 공통 결합되어 전류원 Ibias의 일단에 결합되고, MP01의 게이트는 MP02의 게이트와 연결되어 MP01의 드레인 및 비트라인 전압 노드(VBL)과 연결되며, MP02의 드레인은 제1 입력 전류 분배 회로(140)내의 M03의 드레인 및 감지 증폭기 회로(200)의 제1 입력 노드(노드 c)에 연결된다. The first
제2 전류 거울(330)은 상기 제2 참조 전류 Iref2를 1:N의 비율로 증폭하여 제2 분배 전류 I3를 생성하여 감지 증폭기 회로(200)의 제2 입력 노드(노드 d)로 제공한다. 제2 전류 거울(330)은 PMOS 트랜지스터 MP04 및 MP05로 구현될 수 있다. MP04의 소스 및 MP05의 소스는 공통 결합되어 전류원 Ibias의 일단에 결합되고, MP04의 게이트는 MP05의 게이트와 연결되어 MP04의 드레인 및 비트라인 전압 노드(VBLB)과 연결되며, MP05의 드레인은 제2 입력 전류 분배 회로(340)내의 M06의 드레인 및 감지 증폭기 회로(200)의 제2 입력 노드(노드 d)에 연결된다. The second
제1 입력 전류 분배 회로(140)는 감지 증폭기 인에이블 신호 VEN가 High가 되면 좌측의 전류 거울(130)에 의해 1:N의 비율로 증폭된 제1 분배 전류를 분배하여 감지 증폭기 회로(200)의 제1 입력 노드(도 3의 노드 c)로 셀 전류 I2를 제공한다. 제1 입력 전류 분배 회로(140)는 NMOS 트랜지스터 M03 및 M07로 구현될 수 있다. 구체적으로, 제1 입력 전류 분배 회로(140)는 감지 증폭기 인에이블 신호 VEN가 High가 되면 M07이 턴온되어 좌측의 전류 거울(130)에 의해 1:N의 비율로 증폭된 제1 분배 전류를 분배하여 감지 증폭기 회로(200)의 제1 입력 노드(도 3의 노드 c)로 셀 전류 I2를 제공한다.When the sense amplifier enable signal V EN becomes High, the first input
제2 입력 전류 분배 회로(340)는 감지 증폭기 인에이블 신호 VEN가 High가 되면 우측의 전류 거울(330)에 의해 1:N의 비율로 증폭된 제2 분배 전류 I3를 분배하여 감지 증폭기 회로(200)의 제2 입력 노드(도 3의 노드 d)로 참조셀의 기준 전류로서 제공한다. 제2 입력 전류 분배 회로(340)는 NMOS 트랜지스터 M06 및 M08로 구현될 수 있다. 구체적으로, 제2 입력 전류 분배 회로(340)는 감지 증폭기 인에이블 신호 VEN가 High가 되면 M08이 턴온되어 우측의 전류 거울(330)에 의해 1:N의 비율로 증폭된 제2 분배 전류를 분배하여 감지 증폭기 회로(200)의 제2 입력 노드(도 3의 노드 d)로 참조셀의 기준 전류로서 제공한다. When the sense amplifier enable signal V EN becomes High, the second input
감지 증폭기 회로(200)는 제1 입력부(142), 제2 입력부(342), 비교부(220) 및 이퀄라이징부(210)를 포함한다. The
제1 입력부(142)는 예를 들어 NMOS 트랜지스터 M07로 구현될 수 있으며, 제2 입력부(342)는 예를 들어 NMOS 트랜지스터 M08로 구현될 수 있다. The
감지 증폭기 인에이블 신호 VEN가 High가 되면 좌측의 전류 거울(130)에 의해 1:N의 비율로 증폭된 전류가 트랜지스터 M03 및 M07로 이루어진 좌측의 입력 전류 분배 회로(140)의 전류 경로에 의해 분배되며, 우측의 전류 거울(330)에 의해 1:N의 비율로 증폭된 전류가 트랜지스터 M06 및 M08로 이루어진 우측의 입력 전류 분배 회로(340)의 전류 경로에 의해 분배된다. When the sense amplifier enable signal V EN becomes High, the current amplified in the ratio of 1: N by the
비교부(220)는 제1 입력 전류 분배회로(140)에 의해 분배된 M07의 드레인에 흐르는 전류와 제2 입력 전류 분배회로(340)에 의해 분배된 M08의 드레인에 흐르는 전류간의 차이를 센싱하여 증폭함으로써 읽기 동작시 데이터가 판독되도록 하는 역할을 수행한다. 비교부(220)는 예를 들어 NMOS 트랜지스터 M09 및 PMOS 트랜지스터 M11로 이루어진 제1 인버터와 NMOS 트랜지스터 M10 및 PMOS 트랜지스터 M12로 이루어진 제2 인버터의 입력과 출력이 도 3과 같이 상호 크로스 커플드 결합(Cross-coupled)되어 구현될 수 있다. PMOS 트랜지스터 M11 및 M12의 소스는 전원 전압 VDD에 결합되도록 구현될 수 있고, PMOS 트랜지스터 M11의 드레인 노드(감지 증폭기의 출력 노드 a)는 이퀄라이저부(210)를 구성하는 스위칭 소자 M14의 일단에 연결되도록 구현될 수 있고, PMOS 트랜지스터 M12의 드레인 노드(감지 증폭기의 출력 노드 b)는 이퀄라이저부(210)를 구성하는 스위칭 소자 M15의 일단에 연결되도록 구현될 수 있다. NMOS 트랜지스터 M09의 소스는 제1 입력단(142)를 구성하는 M07의 드레인과 연결되도록 구현될 수 있으며, NMOS 트랜지스터 M10의 소스는 제2 입력단(342)를 구성하는 M08의 드레인과 연결되도록 구현될 수 있다. The
이퀄라이징부(210)는 감지 증폭기 인에이블 신호 VEN가 High로 활성화 되면 선택된 메모리 셀이 연결된 비트라인(BL)과 그렇지 않은 비트라인(BLB) 사이의 전압차를 없애주기 위한 균등화(Equalization) 동작을 수행한다. 이퀄라이징부(210)는 PMOS 트랜지스터 M13, NMOS 트랜지스터 M14, M15, M16으로 구현될 수 있다. 구체적으로, 이퀄라이징부(210)는 감지 증폭기 인에이블 신호 VEN가 High가 되면, M14 및 M15가 턴온되어 M13 및 M16에 의해 1/2 VDD로 분배된 전압이 감지 증폭기 회로(200)의 출력 노드(노드 a, b)로 제공되도록 하여 감지 증폭기 출력 노드 a, b간의 전압차를 없앰으로써 균등화(Equalization) 동작을 수행함으로써 워드 라인 선택 신호 VWL가 활성화되어 선택된 워드라인(WL)에 연결된 메모리 셀이 연결된 비트라인(BL)과 그렇지 않은 비트라인(BLB) 사이의 전압차를 없애 균등화(Equalization) 시킨다. The
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 동작 메커니즘을 전체적으로 설명한다. Hereinafter, the operating mechanism of the sense amplifier according to the exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기는 먼저, 감지 증폭기의 출력 노드(a, b)의 양단이 프리차지 되어 비트라인(BL)이 프리차지 전압-예를 들어, 내부 전원 전압 VDD의 1/2-로 프리차지(precharge)되고 두 비트라인(BL, BLB)이 균등화(Equalization)된다. 구체적으로, 로우 디코더가 외부에서 입력된 로우 어드레스를 분석하여 로우 어드레스에 해당되는 워드라인(WL)을 선택하면 T1에서 워드 라인 선택 신호 VWL가 High로 활성화 되어 워드라인(WL)에 결합된 트랜지스터 M01가 선택됨과 동시에 셀(Cell)이 로드(Load)되고 감지 증폭기 회로(200)의 비교기(220)의 양단(출력 노드 a, b)은 이퀄라이저부(210)를 구성하는 트랜지스터 M13, M14, M15 및 M16에 의해 균등화(Equalization)되어 감지 증폭기 회로(200)의 제1 입력단(142)을 구성하는 트랜지스터 M07과 감지 증폭기 회로(200)의 제2 입력단(342)을 구성하는 M08에 흐르는 전류를 비교할 준비를 한다. In the sense amplifier according to the exemplary embodiment of the present invention, first, both ends of the output nodes a and b of the sense amplifier are precharged so that the bit line BL is precharged, for example, 1 / time of the internal power supply voltage VDD. It is pre-charged to 2- and the two bit lines BL and BLB are equalized. Specifically, when the row decoder analyzes an externally input row address and selects a word line WL corresponding to the row address, the word line selection signal V WL is activated at high at T1 to be coupled to the word line WL. At the same time as M01 is selected, a cell is loaded and both ends (output nodes a and b) of the
워드라인(WL)에 결합된 트랜지스터 M01가 턴온 되어 셀이 로드되면 MTJ1과 MTJ2(참조셀)의 저항값에 따라 비트라인 전압 VBL과 VBLB이 결정되고, 이에 따라 M01 및 M02로 구성된 제1 전류 미러(130)과 M04 및 M05로 구성된 제2 전류 거울(330)에서 미리 설정된 1:N의 비율로 전류가 증폭된다. When the transistor M01 coupled to the word line WL is turned on and the cell is loaded, the bit line voltages V BL and V BLB are determined according to resistance values of the MTJ1 and MTJ2 (reference cell), and accordingly, a first configured of M01 and M02 The current is amplified by a preset ratio of 1: N in the
그 다음, 워드 라인 선택 신호 VWL가 High로 활성화된 상태에서 T2에서 감지 증폭기를 동작시키기 위해 감지 증폭기 인에이블 신호VEN 신호가 High로 활성화 되면, 상기 전류 미러(130, 330)에 의해 증폭된 전류는 다시 제1 입력 전류 분배 회로(140)을 구성하는 M03 및 M07과 제2 입력 전류 분배 회로(340)를 구성하는 M06 및 M08의 전류경로에 의해 분배되고, 래치 비교기(220)를 구성하는 M09, M10, M11, M12가 동작하여 M07에 흐르는 셀 전류와 M08에 흐르는 참조셀 전류간의 전류 차이를 센싱하여 증폭하며, 그 결과 메모리 셀에 저장된 데이터가 판독된다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이 감지 증폭기 회로(200)의 출력 노드 전압 VOUT와 감지 증폭기 회로(200)의 출력 노드 전압 /VOUT간의 전압 차이가 센싱되어 증폭된다. Then, when the sense amplifier enable signal V EN signal is activated high to operate the sense amplifier at T2 while the word line select signal V WL is activated high, it is amplified by the
이어서, 컬럼 디코더에 의해 컬럼 어드레스가 분석되어 컬럼 어드레스에 해당되는 컬럼 제어 신호가 인에이블되면 비트라인 감지 증폭기에 의해 비트 라인(BL)에 실린 증폭된 데이터가 데이터 버스에 전송된다.Subsequently, when the column address is analyzed by the column decoder and the column control signal corresponding to the column address is enabled, the amplified data carried on the bit line BL is transmitted to the data bus by the bit line sense amplifier.
여기서, 전류 거울의 증폭율은 다음의 간단한 수학식 1 내지 3에 의해 정의된다. Here, the amplification factor of the current mirror is defined by the following simple equations (1) to (3).
[수학식 1] [Equation 1]
Idm01=-1/2upcox(W/L)m01(VGS-VTH)2 I dm 01 = -1 / 2 u p c ox (W / L) m 01 (V GS -V TH ) 2
[수학식 2] &Quot; (2) "
Idm02=-1/2upcox(W/L)m01(VGS-VTH)2 I dm02 = -1 / 2 u p c ox (W / L) m 01 (V GS -V TH ) 2
[수학식 3] &Quot; (3) "
Idm02=Idm01[(W/L)02/(W/L)01]I dm02 = I dm01 [(W / L) 02 / (W / L) 01 ]
(단, PMOS 트랜지스터 MP01, MP02와 MP04, MP05는 모두 포화 영역에서 동작하며, Idm01은 PMOS 트랜지스터 MP01의 포화 영역에서의 드레인 전류, Idm02는 PMOS 트랜지스터 MP02의 포화 영역에서의 드레인 전류, up는 홀의 이동도(mobility), cox는 절연막으로 사용되는 옥사이드(oxide)의 두께, W은 채널 폭(channel width), L은 채널 길이(channel length), W/L은 종횡비(aspect ratio), VGS은 게이트와 소스간 전압차, VTH은 문턱전압(threshold voltage)임)(However, PMOS transistors MP01, MP02 and MP04, MP05 are all operative in the saturation region, I dm01 is a drain current in a saturation region of the PMOS transistor MP01, I dm02 is a drain current in a saturation region of the PMOS transistor MP02, u p Is the mobility of holes, c ox is the thickness of oxide used as the insulating film, W is the channel width, L is the channel length, W / L is the aspect ratio, V GS is the voltage difference between gate and source, and V TH is the threshold voltage.
상기와 같은 방식으로 결국 PMOS 트랜지스터 MP01과 MP02간 W/L의 종횡비에 의해 제1 전류 미러(130)에서 1:N의 비율로 전류가 증폭될 수 있으며, PMOS 트랜지스터 MP04과 MP05간 W/L의 종횡비에 의해 제2 전류 미러(330)에서 1:N의 비율로 전류가 증폭될 수 있다. In the same manner as above, the current may be amplified in the ratio of 1: N in the first
만약 100%의 MR 비율(ratio)를 갖는 MTJ이고, 셀 전류(cell current)를 5uA 이하라고 하면, 셀 전류차(Cell Current Difference)는 약 0.1uA이하이다. 이 전류를 약 10배 증폭하게 되면 감지 증폭기 회로(200)로 들어가는 전류차이는 1uA가 되어 더욱 빠른 동작속도를 가질 수 있다. 이는 MR 비율이 낮아져도 동일하게 적용될 수 있다. 또한 MR 비율이 더욱 낮더라도 전류 미러의 보상 전류에 의해 높은 MR 비율과 거의 큰 차이가 없는 응답속도를 가질 수 있다. If the MTJ has an MR ratio of 100% and the cell current is 5 uA or less, the cell current difference is about 0.1 uA or less. When the current is amplified by about 10 times, the current difference entering the
도 5는 전류 미러의 증폭율을 변화시켜가면서 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 응답 속도의 변화를 시뮬레이션한 결과 그래프이다. 5 is a graph showing a simulation result of a change in response speed of a sense amplifier according to an embodiment of the present invention while varying the amplification factor of a current mirror.
도 5에서는 TMR(Tunneling Magnetoresistance) 비율이 100%이고, MTR에 흐르는 전류가 2uA인 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 전류 미러(130, 330)의 증폭율을 N=8, N=4, N=2, N=1로 변화시켜가면서 감지 증폭기의 응답 특성을 나타낸 것이다. In FIG. 5, when the ratio of Tunneling Magnetoresistance (TMR) is 100% and the current flowing through the MTR is 2 uA, the amplification ratios of the
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 도 3의 전류 미러의 증폭율을 조절함으로써 감지 증폭기의 응답 속도를 개선할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 감지 증폭기의 전류 미러(130, 330)의 증폭율 N이 커질수록 응답 속도가 향상됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that the response speed of the sense amplifier can be improved by adjusting the amplification factor of the current mirror of FIG. 3 according to an embodiment of the present invention. That is, it can be seen that the response speed is improved as the amplification ratio N of the
도 6은 TMR을 변화시켜가면서 본 발명의 일실시예에 따른 감지 증폭기의 응답 속도의 변화를 시뮬레이션한 결과 그래프이다. 6 is a graph showing a simulation result of a change in response speed of a sense amplifier according to an embodiment of the present invention while varying the TMR.
도 6에서는 전류 미러의 증폭율 N=1이고, MTR에 흐르는 전류가 2uA인 경우, TMR을 200%, 100%, 50%, 10%로 변화시켜가면서 감지 증폭기의 응답 특성을 나타낸 것이다. 6 shows the response characteristics of the sense amplifier while changing the TMR to 200%, 100%, 50%, and 10% when the amplification ratio N = 1 of the current mirror and the current flowing through the MTR is 2uA.
도 6을 참조하면, TMR이 클수록 감지 증폭기의 응답 속도는 빨라짐을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, it can be seen that the larger the TMR, the faster the response speed of the sense amplifier.
상용화된 제품의 경우 TMR은 100% 이하값을 가지며, 도 5 및 도 6을 참조하면, 100% 이하의 TMR에 대해서도 전류 미러(130, 330)의 증폭율 N을 증가시킴으로써 감지 증폭기의 응답 속도를 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, TMR이 낮은 경우에도 전류 미러(130, 330)의 증폭율 N을 증가시킴으로써 감지 증폭기의 응답 속도를 증가시킬 수 있다. In the case of commercially available products, the TMR has a value of 100% or less. Referring to FIGS. 5 and 6, the response speed of the sense amplifier is increased by increasing the amplification ratios N of the
본 발명의 실시예들에 따른 감지 증폭기는 MRAM에 국한되는 것이 아니라 차세대 메모리로서 활발히 개발중인 PCRAM(Phase Change RAM)에 대해서도 동일하게 적용되어 감지 증폭기의 읽기 동작시 높은 민감도를 가지며 동작 속도를 개선하는데 적용될 수 있다. PCRAM은 열을 가하면 물질이 결정질 혹은 비결정질로 바뀌는 성격을 이용한 비휘발성 메모리로서, 이러한 PCRAM 역시 물질의 성질변화에 따른 저항성분으로 데이터를 구분하는데 저항성질을 이용하는 MRAM과 감지 방식면에서는 유사하다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 감지 증폭기는 저항성을 이용하는 차세대 메모리 소자인 ReRAM에서도 적용되어 감지 증폭기의 읽기 동작시 높은 민감도를 가지며 동작 속도를 개선하는데 적용될 수 있다. The sense amplifier according to the embodiments of the present invention is not limited to MRAM, but is similarly applied to phase change RAM (PCRAM), which is being actively developed as a next-generation memory, so that the sense amplifier has high sensitivity and improves operation speed during read operation of the sense amplifier. Can be applied. PCRAM is a non-volatile memory that uses heat to change a substance into crystalline or amorphous material. The PCRAM is similar to a sensing method using an MRAM that uses resistivity to classify data into resistance components according to a change in material properties. In addition, the sense amplifier according to the embodiments of the present invention is also applied to ReRAM, which is a next-generation memory device using resistivity, and has high sensitivity during read operation of the sense amplifier and may be applied to improve the operation speed.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. Additions should be considered to be within the scope of the following claims.
130, 330: 전류 미러
140, 340: 입력 전류 분배 회로
200: 감지 증폭기 회로130, 330: current mirror
140, 340: input current distribution circuit
200: sense amplifier circuit
Claims (12)
제1 입력 노드의 셀 전류와 제2 입력 노드의 기준 전류간의 차이를 센싱하여 증폭하는 감지 증폭기 회로; 및
상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 및 제2 입력 노드에 결합하여 상기 제1 및 제2 입력 노드로 바이어스 전류를 N배-여기서 N은 2이상의 자연수- 증폭시킨 제1 분배 전류 및 제2 분배 전류를 각각 제공하는 전류 미러 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기. A sense amplifier of a semiconductor memory device having a memory cell array having a plurality of memory cells,
A sense amplifier circuit for sensing and amplifying a difference between the cell current of the first input node and the reference current of the second input node; And
N times the bias current to the first and second input nodes coupled to the first and second input nodes of the sense amplifier circuit, where N is the two or more natural number-amplified first and second distribution currents. And a current mirror circuit for providing each of the sense amplifiers of the semiconductor memory device.
상기 바이어스 전류를 분배한 제1 참조 전류를 N배 증폭하여 제1 분배 전류 를 생성하여 상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 입력 노드로 제공하는 제1 전류 거울; 및
상기 바이어스 전류를 분배한 제2 참조 전류를 N배 증폭하여 제2 분배 전류를 생성하여 상기 감지 증폭기 회로의 제2 입력 노드로 제공하는 제2 전류 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기. 3. The current mirror circuit of claim 2, wherein the current mirror circuit
A first current mirror which amplifies the first reference current divided by the bias current by N times to generate a first divided current and provides the first divided current to the first input node of the sense amplifier circuit; And
And a second current mirror configured to generate a second distribution current by amplifying the second reference current divided by the bias current by N times to generate a second distribution current and to provide the second input node to the sense amplifier circuit. amplifier.
소스가 상기 바이어스 전류를 공급하는 전류원의 일단에 결합되고, 게이트는 드레인 및 제1 비트라인 노드와 연결되는 제1 PMOS 트랜지스터; 및
게이트는 상기 제1 PMOS 트랜지스터의 게이트와 연결되고, 소오스는 상기 바이어스 전류를 공급하는 전류원의 일단에 결합되고, 드레인은 상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 입력 노드에 연결되는 제2 PMOS 트랜지스터
를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기. The method of claim 3, wherein the first current mirror is
A first PMOS transistor having a source coupled to one end of a current source supplying the bias current, the gate being connected to a drain and a first bit line node; And
A second PMOS transistor having a gate connected to the gate of the first PMOS transistor, a source coupled to one end of a current source supplying the bias current, and a drain connected to the first input node of the sense amplifier circuit
A sense amplifier of a semiconductor memory device comprising a.
소스가 상기 바이어스 전류를 공급하는 전류원의 일단에 결합되고, 게이트는 드레인 및 제2 비트라인 노드와 연결되는 제3 PMOS 트랜지스터; 및
게이트는 상기 제3 PMOS 트랜지스터의 게이트와 연결되고, 소오스는 상기 바이어스 전류를 공급하는 전류원의 일단에 결합되고, 드레인은 상기 감지 증폭기 회로의 상기 제2 입력 노드에 연결되는 제4 PMOS 트랜지스터
를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기. The method of claim 4, wherein the second current mirror is
A third PMOS transistor having a source coupled to one end of a current source supplying the bias current, the gate being connected to a drain and a second bit line node; And
A fourth PMOS transistor having a gate connected to the gate of the third PMOS transistor, a source coupled to one end of a current source supplying the bias current, and a drain connected to the second input node of the sense amplifier circuit
A sense amplifier of a semiconductor memory device comprising a.
감지 증폭기 인에이블 신호가 활성화되면 상기 제1 전류 거울에 의해 N배 증폭된 상기 제1 분배 전류를 분배하여 상기 감지 증폭기 회로의 제1 입력 노드로 셀 전류를 제공하는 제1 입력 전류 분배 회로; 및
상기 감지 증폭기 인에이블 신호가 활성화되면 상기 제2 전류 거울에 의해 N배 증폭된 상기 제2 분배 전류를 분배하여 상기 감지 증폭기 회로의 제2 입력 노드로 기준 전류를 제공하는 제2 입력 전류 분배 회로
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기. The method of claim 5,
A first input current distribution circuit for distributing the first distribution current amplified N times by the first current mirror to provide a cell current to a first input node of the sense amplifier circuit when the sense amplifier enable signal is activated; And
A second input current distribution circuit for distributing the second distribution current amplified N times by the second current mirror to provide a reference current to the second input node of the sense amplifier circuit when the sense amplifier enable signal is activated
The sense amplifier of the semiconductor memory device further comprises.
드레인은 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인 및 상기 감지 증폭기 회로의 제1 입력 노드와 연결되고, 게이트는 소오스와 연결되고, 소오스는 접지에 연결되는 제1 NMOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기. 7. The circuit of claim 6, wherein the first input current distribution circuit is
A drain of the second PMOS transistor and a first input node of the sense amplifier circuit, a gate of which is connected to a source, and a source of which includes a first NMOS transistor connected to ground Sense amplifiers.
드레인은 상기 제4 PMOS 트랜지스터의 드레인 및 상기 감지 증폭기 회로의 제2 입력 노드와 연결되고, 게이트는 소오스와 연결되고, 소오스는 접지에 연결되는 제2 NMOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 감지 증폭기. 7. The circuit of claim 6, wherein the second input current distribution circuit is
A drain of the fourth PMOS transistor and a second input node of the sense amplifier circuit, a gate of which is connected to a source, and a source of which includes a second NMOS transistor connected to ground Sense amplifiers.
바이어스 전류를 공급받는 단계; 및
상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 및 제2 입력 노드로 바이어스 전류를 N배-여기서 N은 2이상의 자연수- 증폭시킨 제1 분배 전류 및 제2 분배 전류를 각각 제공하는 단계; 및
감지 증폭기 인에이블 신호가 활성화되면 상기 N배 증폭된 상기 제1 및 제2 분배 전류를 분배하여 각각 상기 감지 증폭기 회로의 상기 제1 및 제2 입력 노드로 상기 셀 전류 및 기준 전류로서 제공하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 감지 증폭기의 동작 방법.Method of operating a sense amplifier included in a semiconductor memory device having a memory cell array having a plurality of memory cells to sense and amplify the difference between the cell current of the first input node and the reference current of the second input node,
Receiving a bias current; And
Providing a first distribution current and a second distribution current, wherein the bias current is N times the first and second input nodes of the sense amplifier circuit, where N is at least two natural number-amplified first and second distribution currents, respectively; And
Distributing the N and amplified first and second distribution currents when the sense amplifier enable signal is activated and providing them as the cell current and reference current to the first and second input nodes of the sense amplifier circuit, respectively.
Method of operation of a sense amplifier comprising a.
12. The first bit line of claim 11, wherein the first bit line node connected to the memory cell selected by the word line and the first input node of the sense amplifier circuit are electrically separated and connected to the reference cell corresponding to the memory cell. And a node and a second input node of the sense amplifier circuit are electrically separated.
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