專利名稱：可調(diào)節(jié)電流模式微分放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于存儲(chǔ)器檢測(cè)放大器領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及具有可調(diào)節(jié)檢測(cè)和參考電路的存儲(chǔ)器微分檢測(cè)放大器。
背景技術(shù)：
在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)陣列中，放大器被用作檢測(cè)地址存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)，為陣列的輸出提供表示檢測(cè)狀態(tài)的信號(hào)。依據(jù)RAM陣列的類型，該種檢測(cè)放大器具有多種形式。在靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)陣列或動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)陣列中，存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)常常是易失的，這就是說，當(dāng)陣列斷電時(shí)，不能夠保存數(shù)據(jù)。這種類型的存儲(chǔ)器常常是復(fù)雜而且需要諸如控制(譯碼)電路和時(shí)鐘脈沖、電流模式放大器的復(fù)雜檢測(cè)電路。
與此相反，非易失的存儲(chǔ)器陣列例如交叉點(diǎn)陣列使用非常簡(jiǎn)單的緊湊存儲(chǔ)器單元，例如交叉點(diǎn)型，為具有長(zhǎng)期保留、高密度和快速存取。非易失型陣列可以是在每個(gè)交叉點(diǎn)單元上具有熔斷絲或非熔斷絲的一次寫入型，或具有每個(gè)均可在兩個(gè)或多個(gè)狀態(tài)中變化的多交叉點(diǎn)磁單元如磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)陣列的多次讀寫型。
諸如使用MRAM單元的電阻存儲(chǔ)器陣列存在的一個(gè)問題是非常難于精確地判定存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)。這個(gè)問題的產(chǎn)生是因?yàn)檫@種單元的狀態(tài)不能通過如導(dǎo)通或非導(dǎo)痛的方式來測(cè)量，如在非熔斷存儲(chǔ)器中。而MRAM單元的狀態(tài)是通過由與薄絕緣連接相鄰的鐵磁層的磁化相關(guān)方向引起的嵌入在MRAM存儲(chǔ)器單元中薄絕緣連接層的電導(dǎo)率的細(xì)小差別來判斷的。一般來說，MRAM單元的狀態(tài)是通過具有與固定磁層相關(guān)的磁瞬時(shí)平行或反平行的數(shù)據(jù)磁層進(jìn)行判定的。該狀態(tài)是通過平行或反平行于固定磁層的數(shù)據(jù)層的磁性所形成的電阻差來測(cè)量的。該電阻是通過流經(jīng)絕緣層的電流而測(cè)量，檢測(cè)電流的等級(jí)一般為500nA數(shù)量級(jí)，平行狀態(tài)和反平行狀態(tài)之間的電流差通常為約50nA。
于是，為了精確地判斷單元的邏輯狀態(tài)，仔細(xì)測(cè)量通過選定存儲(chǔ)器單元的檢測(cè)電流的微小變化就是至關(guān)緊要的了。普通的檢測(cè)放大器為存儲(chǔ)器單元電流必須通過取決于作為檢測(cè)放大器一部分的精確電流鏡像的電路進(jìn)行檢測(cè)的電流模式檢測(cè)放大器。所以，對(duì)于電流模式檢測(cè)放大器，提供來自單元的檢測(cè)電流的精確鏡像給檢測(cè)放大器和提供依照可靠的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量檢測(cè)電流的方法來判斷單元狀態(tài)是非常重要的。
此外，也非常需要高密度的存儲(chǔ)器裝置來滿足增長(zhǎng)的復(fù)雜裝置的存儲(chǔ)需要。這一需要導(dǎo)致了前所未有的最小化和更加緊湊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的增加?，F(xiàn)在采用技術(shù)所作的努力使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)達(dá)到了納米至幾十納米的規(guī)模，有些時(shí)候指原子級(jí)的存儲(chǔ)。尺寸的減小和存儲(chǔ)器裝置的緊湊化需要更小的電壓和電流，這導(dǎo)致了更為精確地測(cè)量電壓和電流以精確判定單元數(shù)據(jù)的需要。
處理最小化電路和非常小的電流和電壓，將檢測(cè)功能的干擾減到最小是非常重要的。在檢測(cè)電路中使用的每個(gè)元件都可以產(chǎn)生對(duì)檢測(cè)器測(cè)量精度造成影響的電壓和電流失真或泄漏做出貢獻(xiàn)。相應(yīng)的，高密度存儲(chǔ)器單元的檢測(cè)放大器必須對(duì)被檢測(cè)參數(shù)產(chǎn)生不利影響的存儲(chǔ)器矩陣中的任何干擾減到最小是非常必要的。
電壓模式檢測(cè)放大器有時(shí)需要復(fù)雜電路來獲得精確性。例如，電壓模式微分放大器需要有五個(gè)晶體管的復(fù)雜電路來執(zhí)行必要的測(cè)量，參考于2001年7月17日Perner等人所獲權(quán)的美國(guó)專利號(hào)6,262,625的專利。在這樣的電路中，背面柵極數(shù)字控制電壓被加載到一對(duì)晶體管上，這樣可以遞增式調(diào)節(jié)檢測(cè)放大器的偏置參數(shù)。背面柵極數(shù)字控制值存儲(chǔ)在注冊(cè)表存儲(chǔ)器中用來控制檢測(cè)放大器精確度，進(jìn)一步增加了檢測(cè)電路的復(fù)雜性。
電流模式檢測(cè)放大器有時(shí)被用在高密度，靈敏存儲(chǔ)器矩陣的檢測(cè)中。但是，由于這種電路的動(dòng)態(tài)范圍有限，電流模式檢測(cè)放大器趨向要求高級(jí)別的元件匹配。如果參考單元電流基本上與所檢測(cè)的存儲(chǔ)器單元電流不同，電流模式檢測(cè)放大器可能就不能精確地判定存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)。添加元件，如其它的檢測(cè)電阻器可以補(bǔ)償這個(gè)有限范圍的問題。然且，對(duì)電流檢測(cè)電路添加元件趨向于對(duì)所檢測(cè)的電路產(chǎn)生不利影響。
其它的檢測(cè)放大器使用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)來測(cè)量檢測(cè)和參考電流且使用數(shù)字方法來對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比。這種方法在拓展元件的動(dòng)態(tài)范圍方面是有用的。但是，檢測(cè)電路復(fù)雜性的增加卻是非常不利的。
于是，需要一種以非常低級(jí)別的檢測(cè)電流和電壓測(cè)量存儲(chǔ)器單元矩陣所用的簡(jiǎn)單檢測(cè)放大器。需要精確鏡像檢測(cè)參數(shù)并將其反映到檢測(cè)電路中的檢測(cè)元件。此外，需要使用較少數(shù)量元件的檢測(cè)放大器，這樣使存儲(chǔ)器矩陣中的干擾最小化。最后，非常重要的是檢測(cè)放大器要具有相對(duì)寬的動(dòng)態(tài)范圍用來容納不同等級(jí)的電流和電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種有用且獨(dú)特的具有可調(diào)電流模式微分檢測(cè)放大器特性的檢測(cè)電路。該放大器與選定的存儲(chǔ)器單元和具有預(yù)定值的參考單元連通。放大器能夠檢測(cè)與所選定存儲(chǔ)器單元相關(guān)的電流和電壓的變化，并將它們和與參考單元相關(guān)的電流和電壓的變化進(jìn)行比較。
檢測(cè)放大器的工作點(diǎn)可以通過改變檢測(cè)放大器中的獨(dú)立的晶體管閾值電壓而發(fā)生變化。它通過在獨(dú)立晶體管背面柵極上加載控制電壓以非侵害方式來完成。當(dāng)為使放大器的靈敏度最大而在選定存儲(chǔ)器單元上加載第一偏置電壓時(shí)，這種調(diào)節(jié)能力能夠設(shè)定檢測(cè)放大器的電流或電壓。當(dāng)?shù)诙秒妷杭虞d到存儲(chǔ)器單元和參考單元來判定存儲(chǔ)器單元的值時(shí)，放大器可以檢測(cè)與選定存儲(chǔ)器單元和參考單元相關(guān)的電流或電壓的細(xì)微變化，比較它們來判定存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)。這一提升的靈敏度使得放大器具有實(shí)質(zhì)上增加了的動(dòng)態(tài)范圍，而無(wú)需引入可能不利影響存儲(chǔ)器電路參數(shù)的元件。
本發(fā)明的一個(gè)設(shè)備實(shí)施方案包括在電阻存儲(chǔ)器裝置中判定存儲(chǔ)器單元邏輯狀態(tài)的檢測(cè)電路。該電路包括有預(yù)先選擇邏輯狀態(tài)的參考單元。存儲(chǔ)器單元檢測(cè)電路在第一偏置電壓加載到存儲(chǔ)器單元時(shí)，被用來判定與存儲(chǔ)器單元相關(guān)的第一存儲(chǔ)器單元電壓；在第二偏置電壓加載到存儲(chǔ)器單元時(shí)，被用來判定與存儲(chǔ)器單元相關(guān)的第二存儲(chǔ)器單元電壓。參考單元檢測(cè)電路在第一偏置電壓加載到參考單元時(shí)，被用來判定與參考單元相關(guān)的第一參考單元電壓；在第二偏置電壓加載到參考電壓時(shí)，被用來判定與參考單元相關(guān)的第二參考單元電壓。調(diào)節(jié)電路被用來調(diào)節(jié)第一參考單元電壓或第一存儲(chǔ)器單元電壓，這樣在第一偏置電壓下，第一參考單元電壓就等于第一存儲(chǔ)器單元電壓。狀態(tài)判定電路被用來在第二偏置電壓下檢測(cè)第二存儲(chǔ)器單元電壓和第二參考單元電壓之間的差異，以確定存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)。
與上述設(shè)備實(shí)施方案相似，本發(fā)明的方法實(shí)施方案是一種方法在電阻存儲(chǔ)器裝置中，使用先前已知邏輯狀態(tài)的參考單元判定存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)。該方法包括判定在電阻存儲(chǔ)器裝置中與具有預(yù)先選定的邏輯狀態(tài)的參考單元相關(guān)的存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)。與存儲(chǔ)器單元相關(guān)的第一存儲(chǔ)器單元電壓和與參考單元相關(guān)的第一參考單元電壓在第一偏置電壓加載到存儲(chǔ)器單元和參考單元時(shí)被檢測(cè)。使用非侵害背面柵極控制電壓來調(diào)節(jié)第一存儲(chǔ)器單元電壓或第一參考單元電壓，使第一參考單元電壓和第一存儲(chǔ)器單元電壓近似相等。接著，當(dāng)?shù)诙秒妷杭虞d到存儲(chǔ)器單元和參考單元時(shí)，檢測(cè)與存儲(chǔ)器單元相關(guān)的第二存儲(chǔ)器單元電壓和與參考單元相關(guān)的第二參考單元電壓。然后測(cè)量第二存儲(chǔ)器單元電壓和第二參考單元電壓之間的差異，用以判定存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)。
應(yīng)當(dāng)理解，上述所有的設(shè)備和方法實(shí)施方案，無(wú)論是檢測(cè)和調(diào)節(jié)第一和第二存儲(chǔ)器單元電壓和第一和第二參考單元電壓，還是與存儲(chǔ)器單元和參考單元相關(guān)的其它參數(shù)，如電流和電阻，都可以為判定選定的存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)而被檢測(cè)和調(diào)整。本發(fā)明的范圍包括根據(jù)本發(fā)明選擇檢測(cè)和調(diào)節(jié)與選定的存儲(chǔ)器單元和參考單元相關(guān)的任何參數(shù)。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明的原理范例，由下面結(jié)合


的詳細(xì)敘述而更加清晰明了。

圖1是示出與本發(fā)明有關(guān)的、現(xiàn)有技術(shù)的電阻交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器裝置的示意圖；圖2是示出現(xiàn)有技術(shù)的MRAM存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)及與其連接的導(dǎo)體的示意圖；圖3是說明作為給單元的兩個(gè)不同邏輯狀態(tài)施加偏置電壓的函數(shù)的而測(cè)得的MRAM存儲(chǔ)器單元的電阻值的曲線圖；圖4A、4B和4C是根據(jù)本發(fā)明，說明在各種偏置電壓下，存儲(chǔ)器單元電阻和參考單元電阻的相互關(guān)系的曲線圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明，說明MRAM存儲(chǔ)器單元陣列結(jié)構(gòu)和檢測(cè)元件的示意方塊圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明，說明檢測(cè)放大器一個(gè)實(shí)施方案的示意電路圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明，說明檢測(cè)放大器另外一個(gè)實(shí)施方案的示意電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖1說明的是典型的現(xiàn)有技術(shù)的交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器陣列10。沿一個(gè)方向上的行導(dǎo)線12為字線，通常沿與第一個(gè)方向垂直的第二個(gè)方向上的列導(dǎo)線14為位線。存儲(chǔ)器單元16以正方形或長(zhǎng)方形陣列排列，這樣每個(gè)存儲(chǔ)器單元16可以連接到一條字線12和一條相交的位線14。
在電阻RAM陣列中，每個(gè)存儲(chǔ)器單元的電阻具有多于一個(gè)的狀態(tài)，存儲(chǔ)器單元的數(shù)據(jù)可以通過測(cè)量單元的電阻狀態(tài)來確定。電阻存儲(chǔ)器單元可以包括一個(gè)或多個(gè)磁層、熔斷絲或非熔斷絲，或通過影響單元標(biāo)稱電阻量值而存儲(chǔ)或產(chǎn)生信息的任何元件。在電阻RAM陣列中使用的其它類型電阻元件包括作為只讀存儲(chǔ)器一部分的多晶硅電阻器和作為光存儲(chǔ)器一部分的浮動(dòng)?xùn)啪w管，圖像裝置或浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器裝置。
一種類型的電阻型隨機(jī)存取存儲(chǔ)器為磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，其中每個(gè)存儲(chǔ)器單元由多個(gè)由絕緣層所隔開的磁層構(gòu)成。一個(gè)磁層稱為一個(gè)釘扎層或參考層，其中磁方向是固定的，在有效范圍內(nèi)的應(yīng)用磁場(chǎng)當(dāng)前不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。其它的磁層作為檢測(cè)層或數(shù)據(jù)層，其中磁方向在相關(guān)的釘扎層狀態(tài)和不相關(guān)的釘扎層狀態(tài)之間是可變的。一個(gè)絕緣隧道阻擋層夾在磁釘扎層和磁檢測(cè)層之間。當(dāng)外加檢測(cè)電壓時(shí)，絕緣隧道阻擋層允許量子力學(xué)隧道效應(yīng)電流在檢測(cè)層和釘扎層之間流過。隧道是依靠的電子自旋，使得存儲(chǔ)器單元電阻是與檢測(cè)層和釘扎層的相關(guān)磁化方向的函數(shù)。對(duì)檢測(cè)層的兩個(gè)狀態(tài)的連接電阻的變化確定存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的數(shù)據(jù)。在2001年1月2日授權(quán)給Brug等人的美國(guó)專利6,169,686公開了這樣的磁存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器。
參照?qǐng)D2所示的一個(gè)MRAM存儲(chǔ)器單元。存儲(chǔ)器單元16表示為一個(gè)三層的磁隧道結(jié)(MTJ)存儲(chǔ)器單元20。在每個(gè)單元MTJ20中，根據(jù)單元20可變磁檢測(cè)層22的方向存儲(chǔ)位信息。通常，單元20具有兩個(gè)與邏輯狀態(tài)“1”和“0”相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)。檢測(cè)層22的雙向箭頭15表明了這個(gè)二進(jìn)制狀態(tài)的性能。單元20中的釘扎層24通過薄絕緣體26與檢測(cè)層隔開。MTJ存儲(chǔ)器單元20的電阻由薄絕緣體26的特性和可變磁檢測(cè)層22的方向所決定。
釘扎層24具有固定的磁方向，如層24中的單向箭頭17所示。當(dāng)檢測(cè)層22的磁狀態(tài)取與釘扎層24的磁化方向相同的方向時(shí)，單元磁化被稱為平行的。相似的，當(dāng)檢測(cè)層22的磁狀態(tài)取與釘扎層24的磁化方向相反的方向時(shí)，單元磁化被稱為反平行的。這些方向分別對(duì)應(yīng)于低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)。任意地，平行狀態(tài)可被看作對(duì)應(yīng)于“0”狀態(tài)或存儲(chǔ)器單元的邏輯值，反平行狀態(tài)可被看作對(duì)應(yīng)于“1”狀態(tài)，如果愿意，“0”和“1”的指定可顛倒。
選定存儲(chǔ)器單元20的磁狀態(tài)可以通過在相交于選定存儲(chǔ)器單元的字線12和位線14上加載電流而改變。電流產(chǎn)生兩個(gè)直交的磁場(chǎng)，當(dāng)其組合時(shí)，將在平行和反平行狀態(tài)間轉(zhuǎn)換選定存儲(chǔ)器單元20的檢測(cè)層的磁方向。其它未選定的存儲(chǔ)器單元從相交于未選定存儲(chǔ)器單元上的字線或位線僅接收一個(gè)磁場(chǎng)。單個(gè)磁場(chǎng)不足夠強(qiáng)，以致可以改變未選定單元檢測(cè)層的磁方向，這樣，它們將保持它們的磁方向。
如上面所解釋的那樣，在電阻存儲(chǔ)器單元裝置中，不同的存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)是由存儲(chǔ)器單元的平行狀態(tài)和反平行狀態(tài)中的不同電阻所決定的。圖3中的曲線30所示，電阻型單元的電阻值，特別是MRAM單元，隨著對(duì)單元施加不同電平的偏置電壓而變化。一般情況下，電阻型單元的電阻值隨著偏置電壓的增加而減少。如線32所示的反平行狀態(tài)單元，具有比線34所示的平行狀態(tài)單元更高的電阻值。
對(duì)比線32和線34的斜率，可以發(fā)現(xiàn)，反平行狀態(tài)單元的電阻值通常情況比隨偏置電壓提升的平行狀態(tài)單元的電阻值以更快的速率下降。在本專業(yè)領(lǐng)域眾所周知的，不同偏置電壓下的電阻動(dòng)態(tài)偏差是一個(gè)磁隧道結(jié)(MTJ)存儲(chǔ)器裝置的固有特性，這通常由確定MTJ裝置的隧道磁阻率(TMR)來量化。
反平行和平行狀態(tài)中的單元電阻動(dòng)態(tài)偏差可參用名為“磁隧道結(jié)存儲(chǔ)器裝置中確定存儲(chǔ)器單元邏輯狀態(tài)的系統(tǒng)和方法(HP記錄號(hào)10014201-1)”的懸而未決的專利申請(qǐng)中所附兩個(gè)示例方法。在這種方法中，存儲(chǔ)器單元電流為兩個(gè)不同偏置電壓V1和V2下的采樣，第一和第二電流值36和37(反平行狀態(tài))或者38和39(平行狀態(tài))的比率與預(yù)定義值進(jìn)行對(duì)比以確定存儲(chǔ)器單元邏輯狀態(tài)。預(yù)定義值可以存儲(chǔ)在表中或由具有已知邏輯狀態(tài)的參考單元所決定。
因?yàn)榉雌叫袪顟B(tài)曲線32的斜率或陡度比平行狀態(tài)曲線34的斜率大了許多，在不同偏置電壓下的兩次測(cè)量的相應(yīng)比率將容易地確定存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)。
在本發(fā)明中，參考值是由參考單元所提供的，參考單元有與存儲(chǔ)器單元相同的偏置電壓。檢測(cè)電路通過比較檢測(cè)電路中的檢測(cè)電流和參考電流，來比較在選定偏置電壓下的參考單元和存儲(chǔ)器單元的電流。參考電流和檢測(cè)電流產(chǎn)生了依靠應(yīng)用于參考單元和存儲(chǔ)器單元的偏置電壓而變化的處于檢測(cè)電路輸入節(jié)點(diǎn)的參考電壓和檢測(cè)電壓。在第一偏置電壓下，調(diào)節(jié)檢測(cè)電路，使得第一參考電壓近似有與第一檢測(cè)電壓相同的值。這種調(diào)節(jié)按比例減少了在第一偏置電壓測(cè)量點(diǎn)的第一參考電壓和第一檢測(cè)電壓之間的不同，形成了一個(gè)閉合的電流調(diào)節(jié)。相應(yīng)的，電流采樣的動(dòng)態(tài)范圍通過消除參考存儲(chǔ)器元件和檢測(cè)存儲(chǔ)器元件的共模差異而得到提高。
上述裝置在圖4A、4B和4C中進(jìn)行說明，圖4A、4B和4C表明了不同偏置電壓和不同存儲(chǔ)器單元邏輯狀態(tài)的存儲(chǔ)器單元推算的相應(yīng)電阻和參考單元推算的相應(yīng)電阻之間的關(guān)系。該電阻關(guān)系也表明了在選定的存儲(chǔ)器單元和參考單元相關(guān)聯(lián)的電流和電壓的不同。在這里使用電阻的線性關(guān)系，意在簡(jiǎn)化本發(fā)明應(yīng)用原理的說明。在后文可以看到，更優(yōu)選的是，通過檢測(cè)和調(diào)節(jié)與選定存儲(chǔ)器單元和參考單元相關(guān)聯(lián)的電壓來間接地檢測(cè)和調(diào)節(jié)電流。
更進(jìn)一步地來解釋，圖4A-C被用來說明檢測(cè)已知狀態(tài)的參考元件并將它和所選定的元件進(jìn)行比較的概念。要確定的基本參數(shù)是電阻。然而，在這個(gè)實(shí)施方案中，實(shí)際上由檢測(cè)放大器檢測(cè)的參數(shù)是電壓和電流。在所述的檢測(cè)裝置中，由潛通路改變檢測(cè)電流，所以不可能進(jìn)行絕對(duì)的電阻測(cè)量。取而代之的是對(duì)其它參數(shù)相應(yīng)值的測(cè)量，從中電阻值被推算出來。在圖4A-C中，Y軸是推算出的電阻，它是所加電壓、放大器補(bǔ)償和潛通路電阻的復(fù)合函數(shù)。
如圖4A中線40所示，參考單元電阻RR設(shè)定為平行狀態(tài)RR(P)。在平行狀態(tài)中，MRAM單元的特征幾乎不依賴偏置電壓。這樣，偏置電壓變化時(shí)電阻幾乎不變化，所以線40僅僅有略微一點(diǎn)的斜率。
選定的存儲(chǔ)器單元電阻RM處于如線42所示的平行狀態(tài)RM(P)，或處于如線44所示的反平行狀態(tài)RM(AP)。依從選定單元的電阻RM的電壓將與依從參考單元的電阻RR的電壓相似。因此，線42表示，如果選定的單元處于平行狀態(tài)，電阻RM(P)隨偏置電壓的變化有著非常小的變化，相對(duì)應(yīng)的，線44表示在反平行狀態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)器單元的電阻RM(AP)隨偏置電壓的變化有著很大的斜率或很大變化。優(yōu)選，參考單元在物理上與所選定的存儲(chǔ)器單元相毗鄰，這樣參考單元和存儲(chǔ)器單元共享相同或相似的處理和環(huán)境狀態(tài)。
要說明的是，圖4A-4C中所示的選定存儲(chǔ)器單元和參考單元的電阻的絕對(duì)電阻值并不一定是相同的，事實(shí)上，它們也可以被假定是不同的。絕對(duì)值的差異不會(huì)影響上述比率，這將在下面給予詳細(xì)說明。
圖4B和圖4C說明了在存儲(chǔ)器單元分別處于平行狀態(tài)(線42)或反平行狀態(tài)(線44)時(shí)，相應(yīng)電阻RM和RR的不同。如圖4B和圖4C所示，與在加載第一電壓V1的點(diǎn)處的存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)無(wú)關(guān)，調(diào)節(jié)通過參考單元電阻RR的電流，使之與通過存儲(chǔ)器單元電阻RM的電流近似相同。調(diào)節(jié)通過RR電流的過程調(diào)節(jié)了放大器的偏置參數(shù)，于是表示參考元件的推算的相應(yīng)電阻近似等于表示RM的推算的相應(yīng)電阻。優(yōu)選的，通過RR的電流略小于通過RM的電流，在這些電流值之間和在推算的相應(yīng)電阻值之間都提供了微小的偏差，這在圖4B和圖4C上表示為增量差(delta difference)46。
根據(jù)存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)，加載V1時(shí)的流過參考單元的RR的電流的調(diào)節(jié)導(dǎo)致了在V2下的電流之間的顯著不同。如圖4B所示，如果選定的存儲(chǔ)區(qū)單元處于平行狀態(tài)，推算的電阻RM在V1和V2間幾乎沒有變化，于是在偏置電壓V2下推算的電阻RM和RR之間的增量差48和在偏置電壓V1下的增量差46大致相同。于是，用來測(cè)量這個(gè)差值的檢測(cè)電路的輸出值基本上不會(huì)變化。
相反，如圖4C所示，在加載偏置電壓V2的點(diǎn)處，線44表示的反平行狀態(tài)中選定存儲(chǔ)器單元的推算的相應(yīng)電阻RM基本上降至線40表示的參考單元的推算的電阻RR以下，形成了更大的增量差49。而且，線40和44是相交的，這就改變了增量差49的符號(hào)。
因?yàn)闄z測(cè)電路中的電流變化與推算的相應(yīng)電阻的變化相一致，前述的分析表明了參考單元和存儲(chǔ)器單元的電阻。因此，存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)可以通過比較在第二偏置電壓點(diǎn)處的參考單元和存儲(chǔ)器單元的電流值來確定。如果在第二偏置電壓下的存儲(chǔ)器單元和參考單元的電流值之間的偏差48與在第一偏置電壓下的存儲(chǔ)器單元和參考單元的電流值之間的偏差46大致相同，則存儲(chǔ)器單元的電阻可以認(rèn)為是平行的(其邏輯值可以是0)，如圖4B所示。如果存儲(chǔ)器單元和參考單元的電流值發(fā)生變化，并且已有交叉值，則存儲(chǔ)器單元是反平行的。如果存儲(chǔ)器單元的電流仍高于參考電流，該存儲(chǔ)器單元是平行的。
與存儲(chǔ)器單元和參考單元相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)處電壓可以作相似的分析，這將參考圖6給予討論。
參照?qǐng)D5，電阻存儲(chǔ)器陣列50展示了本發(fā)明檢測(cè)電路的內(nèi)容。行選擇電路53和列譯碼電路54連接到存儲(chǔ)器陣列50，通過在存儲(chǔ)器單元56適當(dāng)?shù)男泻土屑虞d電壓從而選擇存儲(chǔ)器單元56。檢測(cè)放大器52通過列譯碼電路54上的開關(guān)58連接到選定的存儲(chǔ)器單元56的位線60。行選擇電路53加載電壓Vrow到選定存的儲(chǔ)器單元56的字線62，電壓Vread加載到位線60。
相同的位線電壓Vread被加到沿位線60的所有未被選定的單元。但是，未被選定的單元并不接收字線電壓Vrow，這樣它們將不能提供在位線60上的任何實(shí)質(zhì)上的輸出電流。選定存儲(chǔ)器單元后，檢測(cè)放大器52中的放大器(未示出)保持列60為電壓Vread。
存儲(chǔ)控制器64接收讀控制和選擇地址信號(hào)66，在線67和68上分別提供合適的行和列選擇信號(hào)給行選擇電路53和列譯碼電路54。如果需要時(shí)序脈沖時(shí)，將比較器時(shí)鐘信號(hào)69加載到檢測(cè)放大器52，提供時(shí)鐘信號(hào)給運(yùn)算放大器76，如圖6所示。運(yùn)算放大器76控制傳輸門以提供變化的電壓給晶體管73的背面柵極，如將參照?qǐng)D6的電路給予討論的那樣。
如圖5所示，參考元件57連接到字線62和參考列線61。當(dāng)電壓Vrow選擇存儲(chǔ)器單元56時(shí)，同時(shí)也選擇了參考元件57。選定后，檢測(cè)放大器52中的運(yùn)算放大器(未示出)維持參考列61為讀取電壓Vread。這樣，參考元件57具有和加載到選定的存儲(chǔ)器單元56相同的電壓。
檢測(cè)放大器52在S’從表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其中的單元56接收一個(gè)信號(hào)電流。同樣的，在S”來自參考元件57的輸出信號(hào)電流通過開關(guān)59加載到檢測(cè)放大器52上。接下來，檢測(cè)放大器52比較在S’的來自存儲(chǔ)器單元的檢測(cè)電流和在S”的參考電流，提供一個(gè)輸出信號(hào)VO，表示存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元56的數(shù)據(jù)。
參閱圖6，應(yīng)用參照?qǐng)D4A-C討論的上述檢測(cè)和調(diào)節(jié)與選定的存儲(chǔ)器單元和參考單元相關(guān)聯(lián)的電壓的概念來說明檢測(cè)放大器52。檢測(cè)放大器52是一個(gè)具有用于調(diào)節(jié)存儲(chǔ)器單元檢測(cè)電路的閾值電壓的背面柵極偏置控制機(jī)制的可調(diào)電流模式微分放大器(ACMDA)。ACMDA基本上是一個(gè)具有可調(diào)裝置的電流鏡。在本實(shí)施方案中，使用的是P溝道MOSFET晶體管。但是，如后面所示，也可以使用N溝道晶體管。NPN或PNP雙極型晶體管也可以同樣被用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的在圖6所示的ACDMA70中示出的檢測(cè)放大器52的實(shí)施方案，其中“從”晶體管72和“主”晶體管73的柵極連接在一起形成鏡像裝置。調(diào)節(jié)鏡像裝置，這樣，從晶體管72的VDS電壓(漏源電壓，未示出)等于主晶體管的VDS電壓。由于同一電壓VDD加載到晶體管72和73的源極，并且由于這兩個(gè)晶體管的電壓VDS是相等的，所以晶體管72和73各自的漏極節(jié)點(diǎn)處的電壓VR和VS也將是相等的。
主晶體管73的柵極通過連接器75連接到主晶體管73的漏極。這種連接基于等于Isen的漏電流ID的基礎(chǔ)上，在主柵極和主源極之間產(chǎn)生控制電勢(shì)VGS(柵源電壓，未示出)?？刂齐妱?shì)VGS加載到從晶體管72的柵極，從而在從晶體管72形成了所示的與Iref相同的漏電流ID。因?yàn)閂S等于VR，則Isen和Iref將和相應(yīng)晶體管的物理設(shè)計(jì)尺寸成比例。檢測(cè)和參考電流Iref和Isen流過與存儲(chǔ)器單元RM和參考單元RR關(guān)聯(lián)的通用電路80。
應(yīng)當(dāng)理解，主晶體管73的電壓VDS等于從晶體管72的電壓VDS是非常重要的。當(dāng)這些電壓相等時(shí)，相應(yīng)電流Iref和Isen之間的關(guān)系僅由相應(yīng)晶體管73和72的物理參數(shù)所決定。如果電流不平衡，電壓關(guān)系將表示電流的不平衡和電流不平衡的方向。
主晶體管73的漏極連接到具有是運(yùn)算放大器76的負(fù)輸入的電壓VS的節(jié)點(diǎn)。從晶體管72的漏極連接到具有是運(yùn)算放大器76的正輸入的電壓VR的節(jié)點(diǎn)。運(yùn)算放大器76的輸出VO連接到將斜波產(chǎn)生器78選擇連接于主晶體管73背面柵極74的傳輸門77。電容器79并聯(lián)連接到背面柵極74以維持背面柵極的電壓。
檢測(cè)放大器70和合并存儲(chǔ)器單元和參考單元的電路80之間的連接可以有不同的形式。圖6中給出的一般化的形式示出了連接在VS和地之間的檢測(cè)電流發(fā)生器82。相似的，參考電流發(fā)生器84連接在VR和地之間。
選定的存儲(chǔ)器單元RM連接在地和用于偏置電壓VB(1)和VB(2)的輸入節(jié)點(diǎn)86之間。相似的，參考單元RR連接在地和輸入節(jié)點(diǎn)86之間。電流產(chǎn)生器82和84表示響應(yīng)偏置電壓輸入，在各自的檢測(cè)和參考電路中產(chǎn)生電流。要注意的是，圖6中VS和VR的節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于圖5中的位線60和61。相似的，圖6的電阻器RM和RR分別對(duì)應(yīng)于圖5中的存儲(chǔ)器元件56和57。
電路80獨(dú)立于但又與申請(qǐng)人懸而未決的申請(qǐng)“具有可調(diào)電流模式檢測(cè)放大器和等電勢(shì)隔離的多偏置點(diǎn)MRAM”(HP記錄號(hào)100201678-1)和“具有可調(diào)電流模式檢測(cè)放大器和二極管隔離的多偏置點(diǎn)MRAM”(HP記錄號(hào)100201679-1)所公開的發(fā)明有關(guān)。
建立檢測(cè)放大器70的第一步是建立背面柵極偏置連接，用于在給定初始值Isen和Iref時(shí)，設(shè)置VS等于VR，其中N倍的Iref等于Isen。N為物理鏡像比率，定義為N＝(W/Lref)/(W/Lsen)，如果N＝1，當(dāng)VS＝VR，從電流Iref等于主電流Isen。但是，加載到主晶體管73的背面柵極電壓VBG的變化可以需要大于VDD的電勢(shì)以調(diào)節(jié)主晶體管73的閾值，使得Isen等于Iref。原則上，這是可行的，但在實(shí)際中產(chǎn)生高于電源電壓VDD的電壓很困難。
因此，N設(shè)定為大于1，這樣僅需要小于VDD的電壓施加給背面柵極以便獲得VS＝VR的平衡用于施加的Isen和Iref。在一個(gè)實(shí)施方案中，在3.3伏電壓，0.5微米的CMOS技術(shù)中，使用N＝2，其中在從晶體管中W/L為20/1，在主晶體管中W/L為10/1，Isen和Iref約等于500毫微安，背面柵極電壓VBG(未示出)約為3.2伏。相似的關(guān)系和值也可應(yīng)用于N溝道晶體管和雙極型晶體管電路中。
為了建立如上所述的背面柵極偏置連接，一種技術(shù)使用了具有VS和VR作為輸入的基本五CMOS晶體管運(yùn)算放大器76。運(yùn)算放大器76判斷VS何時(shí)大于或小于VR，并加載輸出信號(hào)VO到傳輸門77。這個(gè)輸出信號(hào)打開傳輸門77，將斜波發(fā)生器78連接到主晶體管73的背面柵極，從而調(diào)節(jié)主晶體管73的工作點(diǎn)，使VR近似等于VS。在該點(diǎn)處，輸出信號(hào)VO變化，關(guān)閉傳輸門77，斷開斜波發(fā)生器78和主晶體管73背面柵極的連接。
下面的順序給出了在加載到選定的存儲(chǔ)器單元和參考單元的第一偏置電壓VB(1)條件，調(diào)節(jié)主晶體管73背面柵極電壓更以便設(shè)定VR近似等于VS詳細(xì)的步驟如下(1)開始時(shí)，“主”VBG＝VDD。
(2)Isen(在VBG＝VDD時(shí))大于Isen(在VBG處使得VR等于VS)，所以Isen大于Iref。
(3)建立VBG＝VDD使得VR大于VS，使VO近似等于VDD，即邏輯1。
(4)VO＝邏輯1施加給開通的傳輸門。傳輸門開通使VBG＝Vramp。
(5)背面柵極電壓由VDD線性減少到第二低電壓。(如果VDD為3.3伏，則第二低電壓可以為3.0伏)。
(6)在Vramp加載時(shí)，背面柵極電壓某些時(shí)候可能達(dá)到VS＝VR點(diǎn)。在這點(diǎn)上，運(yùn)算放大器76將轉(zhuǎn)換它的輸出由邏輯1到邏輯0。傳輸門77將關(guān)閉，將背面柵極電壓VBG從Vramp隔斷，在檢測(cè)功能期間通過電容器79存儲(chǔ)主晶體管73背面柵極節(jié)點(diǎn)74上的Vramp值(對(duì)于VR＝VS)。
(7)在該點(diǎn)處完成建立。背面柵極電壓VBG在檢測(cè)步驟中被存儲(chǔ)。在檢測(cè)功能期間，此動(dòng)作基本上保持VR和VS相等，這樣Isen和Iref將分別隨存儲(chǔ)器單元和參考單元的檢測(cè)而各自變化。
ACMDA現(xiàn)在準(zhǔn)備去檢測(cè)存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)。第二偏置電壓VB(2)以比第一偏置電壓VB(1)更高的值被加載。如果Isen發(fā)生變化，使Isen小于Iref，VR將被拉下來，這樣VS就大于VR。在這一點(diǎn)，運(yùn)算放大器76的輸出VO將為邏輯“0”。如果Isen大于Iref，VS將被拉下來，這樣VR就會(huì)大于VS，運(yùn)算放大器76的輸出VO將為邏輯“1”。
上述實(shí)施方案中描述了為了使檢測(cè)電壓和參考電壓彼此相等而調(diào)節(jié)主(檢測(cè))晶體管的背面柵極電壓。可以理解，可以替代的是，調(diào)節(jié)從晶體管(參考晶體管)的背面柵極電壓或可以同時(shí)調(diào)節(jié)這兩個(gè)背面柵極電壓來實(shí)現(xiàn)同樣的目的。
現(xiàn)在來看圖7，P-阱CMOS工藝中的N溝道MOSFET晶體管被用來代替在圖6實(shí)施方案中的P溝道晶體管。相應(yīng)的，電路布局基本上是圖6電路的反向鏡像圖型。主晶體管94和從晶體管92有連接在一起的共同柵極，此共同柵極還同時(shí)通過線96連接到晶體管94的漏極。晶體管94的漏極還連接到具有形成運(yùn)算放大器98的正輸入的電壓VS的節(jié)點(diǎn)上。晶體管92的漏極同時(shí)還連接到具有形成運(yùn)算放大器98的負(fù)輸入的電壓VR的節(jié)點(diǎn)上。運(yùn)算放大器98的輸出控制將斜波發(fā)生器102選擇連接于主晶體管94的背面柵極的傳輸門100。
晶體管94的漏極還接到提供檢測(cè)電壓VS的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)連接電流發(fā)生器112，電流發(fā)生器112的另一側(cè)接到VDD。相似的，晶體管92的漏極接到提供參考電壓VR的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)連接電流發(fā)生器114，電流發(fā)生器114的另一側(cè)接到VDD。輸入節(jié)點(diǎn)116通過存儲(chǔ)器單元RM接到VDD，且通過參考單元RR接到VDD。對(duì)應(yīng)參考圖6給出的描述，檢測(cè)電路90的說明對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講是明顯的。
上述ACMDA電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用背面柵極偏置技術(shù)的簡(jiǎn)單微分電流傳感器電路被用來檢測(cè)應(yīng)用參考單元的選定的存儲(chǔ)器單元，其中流過相應(yīng)的存儲(chǔ)器單元和參考單元的初始電流不相等。當(dāng)存儲(chǔ)器單元和參考單元的電流關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，傳感器電路將檢驗(yàn)這種變化，比較這種變化來判斷選定的存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)。
盡管上述的實(shí)施方案表明了本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，參考這些特例和附屬的權(quán)利要求，或根據(jù)本發(fā)明所公開的實(shí)施方案的實(shí)踐是顯而易見的。這里的特例和實(shí)施方案僅僅被看作示例，本發(fā)明將由權(quán)利要求和它們的等效來限定。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)電路，用來確定在與具有預(yù)先選定邏輯狀態(tài)的參考單元RR相關(guān)的電阻存儲(chǔ)器裝置中的存儲(chǔ)器單元RM的邏輯狀態(tài)，該電路包括(a)存儲(chǔ)器單元檢測(cè)電路70、80，用來當(dāng)在存儲(chǔ)器單元RM上加載第一偏置電壓V1時(shí)，確定與存儲(chǔ)器單元RM關(guān)聯(lián)的第一存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS；和在存儲(chǔ)器單元RM上加載第二偏置電壓V2時(shí)，確定與存儲(chǔ)器單元RM關(guān)聯(lián)的第二存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS；(b)參考單元檢測(cè)電路70、80，用來當(dāng)在參考單元RR上加載第一偏置電壓V1時(shí)，確定與參考單元RR關(guān)聯(lián)的第一參考單元參數(shù)VR；在參考單元RR上加載第二偏置電壓V2時(shí)，確定與參考單元RR關(guān)聯(lián)的第二參考單元參數(shù)VR；(c)調(diào)節(jié)電路76、77、78、79，用來調(diào)節(jié)第一存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS和/或第一參考單元參數(shù)VR以便在第一偏置電壓V1下使第一存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS近似等于第一參考單元參數(shù)VR；和(d)狀態(tài)判定電路76、80，用來確定第二存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS和第二參考單元參數(shù)VR之間的不同，以便在第二偏置電壓V2下確定存儲(chǔ)器單元RM的邏輯狀態(tài)。
2.權(quán)利要求1中的檢測(cè)電路，其中存儲(chǔ)器單元檢測(cè)電路70、80被用來當(dāng)在存儲(chǔ)器單元RM上加載第一偏置電壓V1時(shí)，確定與存儲(chǔ)器單元RM關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器單元節(jié)點(diǎn)上的第一存儲(chǔ)器單元電壓VS；和在存儲(chǔ)器單元RM上加載第二偏置電壓V2時(shí)，確定存儲(chǔ)器單元節(jié)點(diǎn)上的第二存儲(chǔ)器單元電壓VS。
3.權(quán)利要求2中的檢測(cè)電路，其中參考單元檢測(cè)電路被用來當(dāng)在參考單元RR上加載第一偏置電壓V1時(shí)，確定與參考單元RR關(guān)聯(lián)的參考單元節(jié)點(diǎn)上的第一參考單元電壓VR；和在參考單元RR上加載第二偏置電壓V2時(shí)，確定參考單元節(jié)點(diǎn)上的第二參考單元電壓VR。
4.權(quán)利要求1中的檢測(cè)電路，其中狀態(tài)判定電路76、80包括用來將(i)存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS和參考單元參數(shù)VR之間的差異與(ii)閾值進(jìn)行比較以確定存儲(chǔ)器單元RM的邏輯狀態(tài)的裝置76。
5.權(quán)利要求3中的檢測(cè)電路，其中存儲(chǔ)器單元檢測(cè)電路70、80包括檢測(cè)晶體管73，和參考單元檢測(cè)電路70、80包括參考晶體管72，參考晶體管72的柵極與檢測(cè)晶體管73的柵極連接在一起。
6.權(quán)利要求5中的檢測(cè)電路，其中調(diào)節(jié)電路76、77、78、79包括連接到檢測(cè)晶體管73和/或參考晶體管72的背面柵極74的電壓調(diào)節(jié)裝置77、78，用于選擇性的調(diào)節(jié)檢測(cè)晶體管73和/或參考晶體管72的背面柵極74上的電壓以達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，在平衡點(diǎn)處第一參考單元電壓VR近似等于第一存儲(chǔ)器單元電壓VS。
7.一種方法，用來確定在與具有預(yù)先選定邏輯狀態(tài)的參考單元相關(guān)的電阻存儲(chǔ)器裝置中的存儲(chǔ)器單元RM的邏輯狀態(tài)，該方法包括(a)當(dāng)在存儲(chǔ)器單元RM上加載第一偏置電壓時(shí)，檢測(cè)與存儲(chǔ)器單元RM關(guān)聯(lián)的第一存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS；和在存儲(chǔ)器單元RM上加載第二偏置電壓V2時(shí)，檢測(cè)與存儲(chǔ)器單元RM關(guān)聯(lián)的第二存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS；(b)當(dāng)在參考單元RR上加載第一偏置電壓V1時(shí)，檢測(cè)與參考單元RR關(guān)聯(lián)的第一參考單元參數(shù)VR；和在參考單元RR上加載第二偏置電壓V2時(shí)，檢測(cè)與參考單元RR關(guān)聯(lián)的第二參考單元參數(shù)VR；(c)調(diào)節(jié)第一存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS和/或第一參考單元參數(shù)VR使第一存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS近似等于第一參考單元參數(shù)VR；和(d)判定第二存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS和第二參考單元參數(shù)VR之間的不同，以確定存儲(chǔ)器單元RM的邏輯狀態(tài)。
8.權(quán)利要求7中的方法，其中，第一和第二存儲(chǔ)器單元參數(shù)VS為與存儲(chǔ)器單元RM關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器單元節(jié)點(diǎn)上的第一和第二電壓VS，和第一和第二參考單元參數(shù)VS為與參考單元RR關(guān)聯(lián)的第一和第二電壓VR。
9.權(quán)利要求7中的方法，其中，第一和第二存儲(chǔ)器單元參數(shù)為與存儲(chǔ)器單元RM關(guān)聯(lián)的第一和第二電流Isen，和第一和第二參考單元參數(shù)為與參考單元RR關(guān)聯(lián)的第一和第二電流Iref。
10.權(quán)利要求7中的方法，其中，比較步驟包括將第一存儲(chǔ)器單元電壓VS和第一參考單元電壓VR之間的差異與閾值進(jìn)行比較以確定存儲(chǔ)器單元RM的邏輯狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種可調(diào)電流模式微分檢測(cè)放大器70。該放大器70被配置為與選定的存儲(chǔ)器單元R
文檔編號(hào)G11C17/18GK1501401SQ03123820
公開日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月16日
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