Development of Macro-Model and Synthesis of Nonvolatile Logic using Magnetic-Tunnel-Junction Elements

Abstract

This thesis is constructed with contents about various designs using magnetic tunnel junction (MTJ) elements, which is divided into two separate parts in substance. The first part indicates the modeling of MTJ element for spin transfer torque random access memory (STT-RAM) cell, and the other part demonstrates the design of a capable application of MTJ element as a nonvolatile logic device. A conventional nonvolatile memory using MTJ element called field-induced magnetic switching (FIMS) magnetic RAM (MRAM) is switched by easy-axis field and hard-axis field, therefore needs large current-induced fields. An STT-RAM using STT-switching based MTJ element has important merits over the conventional FIMS MRAM in avoiding half-select problem, and improving scalability and selectivity, since STT-switching is accomplished by density of current flowing through MTJ element. Design of STT-RAM circuitry using STT-based MTJ elements requires an accurate circuit model which exactly emulates the characteristics of an MTJ in a circuit simulator such as HSPICE. The first part of thesis presents a novel macro-model that fully emulates the important characteristics of STT-based MTJ. New macro-model is realized as a three terminal sub-circuit that reproduces asymmetric resistance versus current (R-I) characteristics and temperature dependent hysteresis of STT-based MTJ element. An MTJ element has been widely studied to store a bit ‘1’ or ‘0’ as a nonvolatile memory cell. This means an MTJ element can store the output of its last operation and also compute Boolean functions, whereby the MTJ element shows potential for a universal logic element to implement sequential logic functions as well as combinational ones. The second part of thesis presents the use of MTJ elements as various logic devices having advantages such as low power consumption, the possibility of high speed operation, and high density. The conventional structure of MTJ element having triple-layer needed to compute Boolean functions is improved into a novel structure similar to memory cell having only a single-layer. The proposed single-layer MTJ element for magneto-logic requires fewer processing steps and provides enhanced functional flexibility and uniformity. The circuitry of current driver and sense amplifier are designed to operate full logic functions. The computational capabilities of magneto-logic are expanded using serially connected single-layer MTJ elements method. To fully exploit various merits of magneto-logic using single-layer MTJ elements, we have designed a reconfigurable counter which can be programmed to operate as a gray counter, an up counter, or a down counter. Furthermore, magneto-logic capable of any-bit arbitrary logic is developed on the fixed structure. It is also shown to be able to realize any-bit arbitrary logic device using single-layer MTJ elements by development of magneto-logic in substitution for Actel synchronous module (S-module).;본 논문은 magnetic tunnel junction (MTJ) 소자를 적용한 다양한 설계 방식을 제안하며, 내용상 크게 두 부분으로 구성된다. 초반부에서는 spin transfer torque (STT) 스위칭 방식의 random access memory (STT-RAM) 셀 특성을 재현할 수 있는 모델을 제안하고, 후반부에서는 비휘발성 논리 소자로서의 MTJ 소자의 응용 가능성을 보여준다. 종전 magnetic RAM (MRAM)은 자성체의 스핀 방향을 정보원으로 하는 비휘발성 메모리로 자석형 저항 물질을 정보 저장 소자로 사용하고, 인가되는 전류에 의해 기인하는 자장으로 자석형 저항 물질에 정보를 쓰는 방식을 사용하며, field-induced magnetization switching (FIMS) MRAM 이라 지칭한다. FIMS MRAM에 정보를 쓰기 위해서는 에너지 장벽을 낮추어 주는 자장과 정보의 값에 따라 자성체의 자화 방향을 스위칭 시키는 자장을 만들어 주기 위한 큰 전류가 필요하고, 이는 고집적 메모리를 구현하는데 있어 장애가 된다. 또한 선택된 셀 이외의 주변 셀들이 스위칭 자장의 간섭을 받게 되는 half-select 문제로 소자가 집적화 되면서 FIMS MRAM은 한계에 도달할 것으로 예상된다. STT-RAM은 MTJ 소자를 통해 흐르는 스핀 분극화된 전자가 자성체에 토크를 가해 스위칭되는 방식을 이용함으로써 스위칭에 필요한 전류를 현저하게 감소시켜 FIMS MRAM의 이러한 선택성과 집적성의 문제를 해결할 차세대 MRAM으로 각광받고 있다. 본 논문의 2장에서는 효과적인 STT-RAM 설계를 위해 STT 스위칭 기반 MTJ의 비대칭한 전류 대비 저항 특성과 온도에 따른 threshold 특성, 그리고 온도에 따른 tunneling magneto-resistance (TMR) 효과를 HSPICE에서 재현할 수 있는 새로운 macro-model을 제안하고 HSPICE에 적용하여 그 정확도를 검증하였다. 기존의 트랜지스터 기반의 논리 연산자를 비휘발성 소자인 MTJ로 대체하는 자기논리 회로는 그 동안 기억 소자 분야에만 국한되어온 MTJ를 스핀전자공학 분야의 새로운 응용으로 논리 회로까지 확장하여 적용 가능하게 한다. 자기논리 회로는 회로 면적 면에서 우수하고 전원이 꺼져도 정보를 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 불 (Boolean) 연산을 수행함에 있어서 유연성을 보여, 단순히 입력을 바꾸는 것만으로도 한 MTJ 소자로 모든 논리 연산자를 구현 가능하게 한다. 이로써 물리적으로 완성된 회로 내에서, 재구성 가능한 자기논리 회로를 설계할 수 있다. 본 논문의 3장에서는 종래의 다층 입력 구조의 MTJ에 비해, 공정이 간단하고, 보다 유연한 함수 구현 능력을 갖는 단층 입력 구조의 새로운 MTJ 소자를 제안하며, 이를 이용하여 조합 논리 회로와 순차 논리 회로, 그리고 프로그램이 가능한 카운터를 설계하여 그 동작을 macro-model을 적용하여 검증함으로써, MRAM 셀로 사용되어 오던 MTJ 소자를 비휘발성 논리 소자로 적용 가능함을 보였다. 또한, Actel 사의 synchronous module (S-module)을 대체 가능한 자기 논리 회로를 개발하여 MTJ를 사용하여 임의의 논리 구현이 가능함을 보였다.