128bit MRAM using CMOS Emulation Cell for LFS-MTJ

Abstract

본 논문에서는 새로운 스위칭 방식인 LFS (Local Field Switching)을 이용하여 설계한 128비트 MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory)에 대해 기술하였다. LFS 방식은 MTJ (Magnetic Tunnel Junction)를 직접 통과해 흐르는 전류에 의해 형성되는 국소 자기장을 이용한다. 그리고 쓰고자 하는 data 값에 따라 MTJ를 통과해 흐르는 전류방향을 바꿔준다. 이 방식은 MTJ와 전류의 거리가 가깝기 때문에 작은 전류로도 충분히 큰 자기장을 형성하므로 writing current가 적어도 된다. 또한 Digit Line이 없어도 되므로 half select disturbance가 발생하지 않아 기존 MTJ를 이용한 방식에 비해 cell selectivity가 우수하다. 설계한 MRAM은 1T(트랜지스터)-1MTJ의 메모리 셀 구조를 가지며 bidirectional write driver와 mid-point reference cell block, current mode sense amplifier를 사용한다. 그리고 MTJ 공정 없이 회로 동작을 확인하기 위해 LFS-MTJ cell을 CMOS emulation cell로 대체하였다. 설계한 회로를 HSPICE를 이용해 시뮬레이션하고 6 metal을 사용하는 0.18㎛ CMOS 공정으로 구현하였다. 또한 제작된 MRAM의 function test를 custom board와 ATS2 tester를 이용하여 수행하였다.;In this paper, we describe about the 128bit MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) which is designed using a new switching architecture, Local Field Switching. LFS uses a local magnetic field generated by the current flowing through the MTJ, and it changes the direction of current passing through the MTJ according to the data input. This mode reduces the writing current since small current can induced large magnetic field because of close distance between MTJ and the current. It improves the cell selectivity over using conventional MTJ architecture because LFS does not use Digit Line. The MRAM has 1-Transistor 1-Magnetic Tunnel Junction (1T-1MTJ) memory cell structure and uses a bidirectional write driver, a mid-point reference cell block and a current mode sense amplifier. CMOS emulation cell is adopted as LFS-MTJ cell to verify the operation of the circuit without the MTJ process. Memory circuit is simulated with HSPICE and fabricated using a 0.18 ㎛ CMOS technology with six layers of metal. Function test of the MRAM is conducted using custom board and ATS2 tester.