应用于存储器的多稳态感测放大器制造技术

本发明专利技术提供一种应用于存储器的多稳态感测放大器，耦接至至少一存储单元以及多个参考单元，其中该存储单元的阻值为可变。该多稳态感测放大器包括：源极跟随器，耦接于该存储单元的输出端与第一输出节点之间，用以限定该存储单元的输出端的电压，进而使该存储单元产生存储单元电流；源极跟随电路，耦接于该等多个参考单元的输出端与多个第二输出节点之间，用以限定该等参考单元的输出端的电压，进而使该等参考单元产生多个参考电流；以及电流镜电路，耦接至该第一输出节点与该等第二输出节点，用以依据该存储单元电流与该等参考电流，分别于该第一输出节点与该等第二输出节点产生存储单元电位与多个参考电位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是有关于存储器，特别是有关于由可变阻值的存储单元组成的存 储器。
技术介绍
磁阻性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory, M謹)为一种 非易失性(non-volatile)存储器。不同于传统的存储器元件中以电流或电荷 方式储存数据，磁阻性随机存取存储器藉磁性储存单元储存数据。由于磁阻 性随机存取存储器具有高密集度(high density)及高读写速度的优点，磁阻 性随机存取存储器即将成为市场未来主流的技术。图1为已知技术的磁阻性随机存取存储器的存储单元100的电路图。存 储单元100包含晶体管102,以及两个磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)元件104及106。磁穿隧接面元件104及106的一端耦接至位线(Read Bit Line, RBL)，另一端耦接至节点108。该等磁穿隧接面元件一般包括多个铁 磁性层(ferromagnetic layer)及穿插其间的纟色缘层(insulating layer)。 由 于外加磁场可改变铁磁性层的极性(polarity),进而改变磁穿隧接面元件的 电阻性存储单元值，因此每一磁穿P逸接面元件可各自变化为两种不同阻值。晶体管102耦接于节点108与地电压之间，其栅极耦接至字地址选择线 (Word Line, WL)。当电压施加于字地址选择线WL时，晶体管102导通，将 两石兹穿隧接面元件104及106并联于位线RBL与地电压之间，而RBL —般接 至感测放大器(sense Ampl ifier)并有固定偏压，因此位线RBL上的电流会依 据两磁穿隧接面元件104及106的阻值大小而改变，进而读取存储单元100 所储存的数据。由于两个磁穿隧接面元件的尺寸不同，两者能变化的阻值亦 不相同。假设磁穿隧接面元件104的阻值可变化为Rlmax与Rlmin,而磁穿 P逸接面元件106的阻值可变化为R2max与R2min，则存储单元100的总电阻 可以包含Rlmax〃R2max、 Rlmax〃R2min、 Rlmin〃R2max、 Rlmin〃R2min等四 种状态。因此存储单元100为四稳态存储单元，可以储存2个位的数据。图2为四稳态存储单元100的总电阻与储存数据的对应表200,其中可见存储单 元IOO共可储存两位的数据，其四种稳态分别对应于00、 01、 10、 ll的数据 状态。由于磁阻性随机存取存储器包含多个存储单元100,必须通过输出级电 路耦接至位线，以检测存储单元100所储存的数据状态。而输出级电路的设 计，严重影响数据的读取时间(access time),进而影响》兹阻性随机存取存储 器的效能。因此，必须为磁阻性随机存取存储器提供输出电路，以减少自存 储单元读取数据的时间。此时若能于输出级电路中加入多稳态感测放大器， 便能有效地缩短读取时间，进而增进磁阻性随机存取存储器的效能。在一个完整的存储器上它有许多的位线及字写入线，所以会有寄生电容， 当存储单元瞬间被打开时，会因为存储单元与四稳态感测放大器形成单一路 径，因为根据电荷守衡定律Q=C*V=I*t，所以当存储单元瞬间被打开时，因 为偏压在MTJ上的压降使得产生电流，也因为电流无法实时的对电容充电时， 使得四稳态感测放大器上面的Ml ~M4会进入三极区，导致输出电压V01、V02、 V03瞬间被拉至快要到VDD的电位，这样将会影响我们读取的时间。本专利技术欲提出一种应用方法，以解决上述问题。此新型四稳态感测放大 器读取架构，差异在于我们在参考单元的输出端(VOl、 V02、 V03)分别加上开 关，此开关只会在存储单元瞬间被打开时而启动，最主要目的在于，将参考 单元的输出端(VOl、 V02、 V03)限制在某一点电压，以防止当存储单元的晶体 管瞬间导通时，不会导致Ml-M4将VOl、 V02、 V03的输出电压瞬间拉高至 VDD的电位，使得V01、 V02、 V03的输出电压限制在某一点电压，而使得我 们的读取时间大大地降低到，只需要原来电路的一半时间就可以完成读取的 时间。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种应用于存储器的多稳态感测放大器(multiple state sense amplifier),耦接至至少一存储单元(memory cell)以及多个参 考单元(reference cell),其中该存储单元的阻值为可变。该多稳态感测放 大器包括源极跟随器(source follower),耦接于该存储单元的输出端与第 一输出节点之间，用以限定该存储单元的输出端的电压，而使跨越过该存储 单元的电位差保持固定，进而使该存储单元产生存储单元电流；源极跟随电路(source follower circuit),耦接于该等多个参考单元的输出端与多个第 二输出节点之间，用以限定该等多个参考单元的输出端的电压，而使跨越过 该等参考单元的电位差与跨越过该存储单元的电位差保持相同，进而使该等 参考单元产生多个参考电流；以及电流镜电路(current mirror circuit), 耦接至该第 一输出节点与该等第二输出节点，用以依据该存储单元电流与该 等参考电流，分别于该第一输出节点与该等第二输出节点产生存储单元电位 与多个参考电位。本专利技术还提供一种可变阻值存储器。该可变阻值存储器包括至少一存 储单元(memory cell)，该存储单元的阻值为可变；多个参考单元(reference cell),该等多个参考单元具有不同的阻值；多稳态感测放大器(multiple state sense Amplifier),耦接至该至少一存储单元与该等多个参考单元， 用以根据该存储单元的阻值与该等多个参考单元的阻值，而产生存储单元电 位以及多个参考电位，其中该多稳态感测放大器包括耦接于该存储单元的输 出端与第一输出节点之间的源极跟随器(source follwer)，耦接于该等多个 参考单元的输出端与多个第二输出节点之间的源极跟随电路(source follower circuit)，以及耦接于电压源与该第一输出节点以及该等第二输出 节点之间的电流镜电路(current mirror circuit);多个比较器，耦接至该 多稳态感测放大器，每一比较器用以将该存储单元电位与该等参考电位其中 之一相比较，而分别产生多个比较结果信号；以及编码器，耦接至该等比较 器，用以将该等比较结果信号解译为该存储单元的阻值所对应的N个位的数 据。为了让本专利技术的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特 举数较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。附图说明图1为已知技术的磁阻性随机存取存储器的存储单元的电路图2为四稳态存储单元的总电阻与储存数据的对应表；图3为根据本专利技术的磁阻性随机存取存储器的部分电路图4为根据本专利技术的磁阻性随机存取存储器所包含的比较器与编码器；图5为根据本专利技术的另一磁阻性随机存取存储器的部分电路图6a为图3的感测放大器所输出的存储单元电位与参考电位对时间的变化图6b为图5的感测放大器所输出的存储单元电位与参考电位对时间的变 化图；以及图7为根据本专利技术的又另一磁阻性随机存取存储器的部分电路图。(图1)100 存储单元； 102~晶体管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储器的多稳态感测放大器，耦接至至少一存储单元以及多个参考单元，该多稳态感测放大器包括：源极跟随器，耦接于该存储单元的输出端与第一输出节点之间，使该存储单元产生存储单元电流；源极跟随电路，耦接于该等多个参考单元的输出端与多个第二输出节点之间，使该等参考单元产生多个参考电流；以及电流镜电路，耦接至该第一输出节点与该等第二输出节点，分别于该第一输出节点与该等第二输出节点产生存储单元电位与多个参考电位。

【技术特征摘要】
1.一种存储器的多稳态感测放大器，耦接至至少一存储单元以及多个参考单元，该多稳态感测放大器包括源极跟随器，耦接于该存储单元的输出端与第一输出节点之间，使该存储单元产生存储单元电流；源极跟随电路，耦接于该等多个参考单元的输出端与多个第二输出节点之间，使该等参考单元产生多个参考电流；以及电流镜电路，耦接至该第一输出节点与该等第二输出节点，分别于该第一输出节点与该等第二输出节点产生存储单元电位与多个参考电位。2. 根据权利要求l所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该存储单元 的阻值为可变，该存储单元电流由该存储单元的电阻性存储单元值决定，而 该等参考电流分别由该等参考单元的电阻性参考单元值决定。3. 根据权利要求l所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该存储单元 电位与该等参考电位的相对大小是反映该存储单元的电阻性存储单元值与该 等参考单元的电阻性参考单元值的相对高低关系。4. 根据权利要求1所述的存储器的多稳态感测放大器，还包括预先充电 电路，耦接至该第一输出节点与该等第二输出节点，根据预充电信号，耦接 该第一输出节点与该等第二输出节点，于读取该存储单元前，使该等参考电 位与该存储单元电位位于相同或接近电平。5. 根据权利要求1所述的存储器的多稳态感测放大器，还包括电压钳位 电路，耦接至该等第二输出节点，根据电压钳位信号，于该存储单元耦接至 该感测放大器时，将该等第二输出节点的电位保持为第一限制电压。6. 根据权利要求1所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该电流镜电 路包括第一晶体管，其源极耦接至电压源，其栅极与漏极皆耦接至该第一输出 节点，于该第一输出节点产生该存储单元电位；以及多个第二晶体管，其源极皆耦接至该电压源，其栅极皆耦接至该第一输出节点，而其漏极分别耦接至该等第二输出节点其中之一，分别于该等第二 输出节点产生该等参考电位。7. 根据权利要求l所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该源极跟随 器包括第三晶体管，或可为其它可实施的限制电压电路，其栅极耦接至第二 限制电压，其漏极耦接至该第一输出节点，其源极耦接至该存储单元的输出端，用以限定跨越过该存储单元的电位差；而该源极跟随电路包括多个第四 晶体管，或可为其它可实施的限制电压电路，其栅极皆耦接至该第二限制电 压，其漏极分别耦接至该等第二输出节点其中之一，其源极分别耦接至该等 参考单元其中之一的输出端。8. 根据权利要求4所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该预先充电 电路包括多个第一开关，分别耦接于该第一输出节点与该等第二输出节点其 中之一之间，而该预充电信号是导通该等第一开关，耦接该第一输出节点与 该等第二输出节点。9. 根据权利要求5所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该电压钳位 电路包括多个第二开关，分别耦接于该第一限制电压与该等第二输出节点其 中之一之间，而该电压钳位信号是导通该等第二开关，以将该等第二输出节 点耦接至该第一限制电压。10. 根据权利要求1所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该存储单 元为具有2W种稳定阻值状态的磁阻性随机存取存储器单元，而该等多个参考 单元的数目为2N-1个且具有不同的阻值，其中N为该存储单元储存的位数。11. 根据权利要求1所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该存储单 元为具有2种稳定阻值状态的电阻性存储器单元，其中N为该存储单元储存 的位数。12. 根据权利要求1所述的存储器的多稳态感测放大器，其中每一该等 形成。13. 根据权利要求1所述的存储器的多稳态感测放大器，其中每一该等 参考单元由多个电阻性存储单元相联于该参考单元的输出端与地电位之间， 或以其它方式形成。14. 根据权利要求1所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该多稳态 感测放大器还耦接至比较器，每一该等比较器将该存储单元电位与该等参考 电位其中之一相比较，而分别产生比较结果信号。15. 根据权利要求14所述的存储器的多稳态感测放大器，其中该等比较 器还耦接至编码器，该编码器将该等比较结果信号解译为该存储单元所对应 位的数据。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏全，林志升，张嘉伯，苏耿立，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]