专利名称：用于读取电阻交点阵列的存储器单元的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据存储装置。更具体地说，本发明涉及包括存储器单元的电阻(resistive)交点阵列的数据存储装置和用于检测在所述阵列中的存储器单元的电阻状态的方法和装置。
背景技术：
磁随机存取存储器(“MRAM”)是一种用于数据存储的非易失薄膜存储器。典型的MRAM装置包括存储器单元的阵列。字线沿着存储器单元的行延伸，位线沿着存储器单元的列延伸。每个存储器单元位于字线和位线的交叉处。
MRAM存储器单元可以基于和旋转有关的隧道(SDT)结。一般的SDT结具有旋转铁磁层，检测铁磁层和被夹在所述铁磁层之间的绝缘的隧道势垒。通过施加磁场可以把逻辑值写入SDT结上，所述磁场把STD结的磁化方向设置为平行的方向(逻辑0)或反平行的方向(逻辑1)。铁磁层的旋转极化的相对方向和幅值决定SDT结的电阻状态(R或R+ΔR)。
聚合物存储器是另一种用于数据存储的非易失薄膜存储器。聚合物存储器装置也包括存储器单元阵列，具有沿存储器单元的行延伸的字线和沿存储器单元的列延伸的位线。聚合物存储器单元包括基于极性导电的聚合物分子的存储器元件。在聚合物分子中，数据作为“永久极化”被存储(和SDT结相对，其中数据作为“永久的磁矩”被存储)。聚合物存储元件可以通过施加电场被写入。聚合物存储元件的电阻状态(R或R+ΔR)取决于聚合物分子极化的方向。
被存储在薄膜存储元件中的逻辑值可以通过检测存储元件的电阻状态被读出。在对选择的存储单元进行读操作的期间内，可以对和选择的存储单元交叉的位线施加操作电位，对和选择的存储单元交叉的字线施加地电位。因而，检测电流流过选择的存储单元的存储元件。所述检测电流便指示存储元件的电阻状态。
不过，在阵列中的存储元件通过许多并联路径被连接在一起。在一个交点看到的电阻等于存储元件在该交点和其它行和列中的存储单元的电阻并联之后的电阻。在这方面，存储单元的阵列可以被表征为一个交点电阻网络。
为了阻止潜行通路的电流影响检测电流，对于未选择的线(例如未选择的位线)的子组施加相等的操作电位。这种“等电位方法”使得检测电流能够可靠地被读出，而不使用二极管或开关切断潜行通路的电流。“等电位”方法在2000，3，3申请的美国专利09/564308中披露了，该专利在此列为参考。
发明内容
本发明的目的在于减少用于检测存储单元的电阻状态的时间的数量。
按照本发明的一个方面，使用检测放大器进行在存储单元的电阻交点阵列中选择的存储单元的读操作。检测放大器的输入端被强制为一个已知的一致的条件；然后使用检测放大器检测存储单元的电阻状态。
本发明的其它的方面和优点从下面结合附图进行的详细说明可以更清楚地看出，下面的说明只是作为例子说明本发明的原理。
附图简介
图1说明按照本发明的信息存储装置；图2a，2b用于读出图1所示的装置中的存储单元的方法；图3说明图1的装置的检测放大器的一个例子；图4说明在由图3的硬件进行的读操作期间产生的信号；图5说明在一系列的读操作期间电容器上的电压和检测放大器的输入电压；以及图6a，6b说明流过图1所示的装置的电阻交点阵列的等效电路的检测电流和潜行通路电流。
发明的优选实施例如附图所示，为了便于说明，用一个信息存储装置实施本发明，其包括存储单元的阵列和至少一个用于可靠地检测选择的存储单元的电阻状态的检测放大器。在对选择的存储单元进行读操作期间，检测放大器对选择的位线施加一个操作电位，并对未选择的字线和位线的子组施加一个相等的电位。在检测选择的存储单元的电阻状态之前，检测放大器的输入端被强制为一个已知的一致的条件。对未选择的线的子组施加相等的电位可以阻止寄生电流妨碍选择的存储单元的读操作。强制检测放大器的输入端为已知的一致的条件可以减少检测选择的存储单元的电阻状态所需的时间。
参见图1，其中示出了信息存储装置8，其包括存储单元12的电阻交点阵列10。存储单元12被排列在行和列中，行沿着x方向延伸，列沿着y方向延伸。为了使装置8的说明简明，图中只示出了少量的存储单元12。实际上，可以使用任何尺寸的阵列。
作为字线14的轨迹在存储单元阵列10的一侧的平面内沿x方向延伸。作为位线16的轨迹在存储单元阵列10的相对侧的平面内沿y方向延伸。阵列10的每一行可以具有一个字线14，每一列可以具有一个位线16。每个存储单元12位于相应的字线14和位线16的交点上。
存储单元12可以包括薄膜存储元件。例如，数据可以作为“永磁矩”(在MRAM技术的情况下)或者作为“永久极化”(在聚合物存储技术的情况下)被存储在存储元件中。磁存储元件可以通过经字线14和位线16施加磁场被写入，而聚合物存储元件可以通过经字线14和位线16施加电场被写入。MRAM存储元件的电阻(R或R+ΔR)取决于自由层的磁化方向，而聚合物存储元件的电阻(R或R+ΔR)取决于聚合物分子的极化方向。
装置8还包括行译码电路18。在读操作期间，行译码电路18可以施加一个恒定的阵列电压(Vs)或施加一个对字线14的地电位。恒定的阵列电压(Vs)可以由外部电路提供。
装置8还包括在读操作期间用于检测选择的存储单元12的电阻状态的读操作电路和写操作期间用于确定选择的存储单元12的磁化方向的写操作电路。读操作电路由标号20表示，为了简明，写操作电路没有示出。
读操作电路20包括多个操纵电路22和检测放大器24。多个位线16和每个操纵电路22相连。每个操纵电路22包括一组开关，其可以使每个位线16和操作电压源或检测放大器24相连。检测放大器24的输出和数据寄存器26相连，数据寄存器又和装置8的I/O端口28相连。
读操作电路20还包括多个上拉晶体管30。在选择的存储单元12的读操作期间，上拉晶体管30上拉检测放大器24的输入电压(Vin)。所述输入电压被上拉到阵列电压(Vs)。然后，检测放大器24检测选择的存储单元12的电阻状态。借助于把检测放大器24的输入电压上拉到阵列电压(Vs)，上拉晶体管30强制检测放大器输入一个已知的一致的条件。如同下面将结合图2a-5说明的，强制检测放大器的输入电压为已知的一致的条件能够减少进行读操作所需的时间。
装置8还包括控制电路32，用于产生地址选通信号(STR)，用于控制读操作的“稳定”与“积分”阶段的积分控制信号(INT)，用于控制检测放大器24的复位、预置、待命中断、和存储的信号(SA)以及用于控制上拉晶体管30相对于检测放大器24的操作的顺序的信号(PU)。控制电路32还产生用于控制读写操作的其它信号。控制电路32可以以靠近存储单元阵列10的状态机来实现。在另一种方案中，外部存储器控制器可以产生控制信号。
图3表示示例的检测放大器24，其包括直接注入电荷放大器52和积分电容器54。使电荷放大器52以及电容器54和选择的位线相连的操纵电路开关56下面被称为第一开关56。第二开关58是检测放大器24的一部分，其使电容器54和提供VDD电压的电源相连。
第一开关56闭合使选择的位线和检测放大器24相连，第二开关58闭合使电容器54充电到VDD电压。当上拉晶体管30导通时，检测放大器的输入端被充电到阵列电压Vs。
参见图2a，2b，其中说明在选择的存储单元读操作期间使用直接注入电荷放大器52和积分电容器54提供等于阵列10的电位的方法。在读操作开始时，借助于使选择的字线14和地电位相连，使选择的位线16和直接注入电荷放大器52的输入端相连，使未选择的线的子组和阵列电压Vs相连选择地址(地址选择选通信号STR设置字线地址)(块100)。施加于未选择的线的电压Vs和施加于选择的位线的电压具有相同的幅值。因而，潜行通路电流不会干扰检测电流。
接着，在块102，借助于使直接注入电荷放大器52的输出端和电压VDD相连开始稳定阶段。在稳定阶段开始之后的一个短的时间间隔内，上拉晶体管30被控制信号PU导通(块104)。因为上拉晶体管30具有低的阻抗，所以选择的位线16和直接注入电荷放大器52的输入电压Vin被快速充电到阵列电压Vs。因而，已知的初始条件被施加到选择的位线16上。
当上拉晶体管30截止时，选择的位线电压衰减到取决于直接注入电荷放大器的偏置参数的操作电压。直接注入电荷放大器52对选择的位线电压16施加调节电压Vs。
强加一个等待时间W1以便使在检测放大器24中的所有的电压和电流瞬变稳定到一个非常低的值(块106)。如果直接注入电荷放大器52是理想的，并且没有偏置，则检测电流立即稳定，因而该电流可以立即被检测。不过，实际上，直接注入电荷放大器52具有偏置。所述偏置引起检测电流的瞬变。这些瞬变应当在对电流检测之前稳定下来。
一旦瞬变稳定，积分阶段就开始。不过，就在积分阶段开始之前，检测放大器24被控制信号SA复位、预置并处于待机状态。
现在参看图4。通过积分电容器以检测电流放电，积分阶段开始(108)。在积分电容器54上的电压Vcap以取决于选择的存储单元12的电阻的速率衰减。如果选择的存储单元12具有较高的电阻(R+ΔR)，则电容器电压下降较慢，如果选择的存储单元12具有较低的电阻(R)，则电容器电压下降较快。
在块110，测量电容器电压衰减到一个参考电压Vt所需的时间，并在块112把测量的时间和门限值比较。第一比较器60比较电容器电压Vcap和门限电压Vt。因此，按照达到门限电压Vt所需的时间，可以确定选择的存储单元12的电阻状态和逻辑值。
例如，第二比较器62可以比较第一比较器60的输出和时钟脉冲CP，所述时钟脉冲在特定的时刻由高变低(或者由低变高)。第二比较器62的输出向数据寄存器32提供数据信号DAT。如果电容器电压Vcap在时钟脉冲CP转换之前下降到门限电压Vt以下，则数据信号DAT表示相应于低的单元电阻R的逻辑值。如果电容器电压在时钟脉冲CP转换之后下降到门限电压Vt以下，则数据信号DAT表示相应于高的单元电阻R+ΔR的逻辑值(用点划线表示)。
门限电压Vt可以是小于电压VDD而大于阵列电压Vs的直流电压。即Vs＜Vt＜VDD。时钟脉冲CP的转换可以发生在高阻状态的第一转换门限时刻T1和低阻状态的第二转换门限时刻T2之间。利用外部参考电路可以产生门限电压Vt和时钟脉冲CP。
图5表示在4个读操作期间电容器电压Vcap和检测放大器的输入电压Vin。在每个读操作期间，上拉晶体管30在检测电流被积分之前导通(通过控制信号PU)。虽然上拉晶体管30在一个有限的时间内导通，但是所述有限的时间小于使瞬变稳定所需的时间。例如，所述有限的时间可以是稳定时间的10％。
对具有高阻状态的选择的存储单元进行第一读操作，对具有低阻状态的选择的存储单元进行第二读操作，在一个短的积分时间内进行第三读操作，以及在一个长的积分时间内进行第四读操作。对于每个读操作，检测放大器输入在相同的电压下开始。
如果没有上拉晶体管30，在稳定阶段开始的初始条件规定稳定阶段的持续时间，短的积分时间和检测高阻值一般导致电荷放大器52工作在线性方式，并且使电荷放大器52的电压在饱和值以上。从而得到较短的稳定阶段。长的积分时间和检测低阻值将导致电荷放大器工作在饱和的初始条件下。从而引起较长的稳定阶段。
不过，在有上拉晶体管30的情况下，所有4个读操作都在检测放大器输入端的同一个电压下开始。结果，4个读操作的每一个都具有短的稳定阶段。
图6a，6b表示等电位方法是如何阻止潜行通路电流干扰读操作的。图6a表示存储单元阵列10的等效电路图。选择的存储单元由第一电阻12a表示，未选择的存储单元由第二、第三和第四电阻12b，12c，12d表示。第二电阻12b表示沿着选择的位线的未选择的存储单元，第三电阻12c表示沿着选择的字线的未选择的存储单元，第四电阻12d表示其余的未选择的存储单元。例如，如果所有的存储单元12都具有大约等于R的常态电阻，并且如果阵列10具有n行和m列，则第二电阻12b的电阻等于R/(n-1)，第三电阻12c的电阻等于R/(m-1)，第四电阻12d的电阻等于R/[(n-1)(m-1)]。
第一电阻12a可以借助于对交叉的位线施加阵列电压Vs，对交叉的字线施加地电位来选择。因而，检测电流Is流过第一电阻12a。不过，第二、第三和第四电阻12b，12c，12d也被连接在阵列电压Vs和地电位之间。
为了减轻在读操作期间潜行通路电流的影响，对未选择的位线施加相同的操作电位Vb＝Vs。如果Vb＝Vs，则潜行通路电流将被阻止通过第二和第四电阻12b，12d，并且流过第三电阻12c的潜行通路电流S3将被引向地电位，因此，不会干扰检测电流Is。
在另一个方案中，潜行通路电流的影响可以借助于对未选择的字线施加相同的操作电位Vb＝Vs来减轻，如图6b所示。潜行通路电流将被阻止流过第二电阻12b。流过第三和第四电阻12c，12d的潜行通路电流S3，S4将被引向地电位，因此，将不会干扰检测电流Is。
因而，对阵列10的未选择的字线施加等电位可以消除或减轻检测电流Is的影响。因而，检测电流Is，因而选择的存储单元的电阻状态被可靠地确定。
因而，本发明披露了一种信息存储装置，其中在读操作期间可以可靠地检测存储单元的电阻状态。潜行通路电流被阻断或者被改向，使得在读操作期间不会影响检测电流。上拉晶体管强迫每个读操作从相同的初始条件开始。达到所述的初始条件，便能快速和独立地检测存储单元的电阻状态。快速上拉检测放大器输入端并总是在相同的初始电压下开始，能够减少等待瞬变稳定的时间，因而减少完成读操作所需的时间。
检测放大器不限于任何具体的形式。不过，图3的检测放大器是优选的。
参考电压和其它的参考信号(例如门限)可以用多种方式产生。例如，参考电压可以借助于虚拟存储单元的简单的电阻网络被确定。其它的产生参考电压的例子在2000，6，20申请的09/598671美国专利中披露了。
电阻交点阵列的存储单元不限于存储元件的任何具体的类型。例如，MRAM元件可以包括巨磁致电阻(GMR)存储元件。
本发明不限于上述的特定的实施例。本发明的范围只由下面的权利要求限制。
权利要求
1.一种信息存储装置(8)，包括存储单元(12)构成的电阻交点阵列(10)；检测放大器(24)，用于检测在阵列(10)中选择的存储单元(12)的电阻状态；以及开关(30)，用于上拉检测放大器(24)的输入端到一个一致的电压。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述电压是阵列电压(Vs)。
3.如权利要求1所述的装置，还包括控制部分(32)，用于使开关(30)上拉检测放大器输入端和检测放大器(24)，以便在一个等待时间间隔之后检测电阻的状态。
4.如权利要求1所述的装置，其中开关(30)具有大大低于检测放大器(24)的阻抗。
5.如权利要求1所述的装置，其中检测放大器(24)包括积分电容器(54)和直接注入电荷放大器(52)。
6.如权利要求5所述的装置，其中检测放大器(24)还包括用于按照电容器积分时间确定选择的存储单元(12)的电阻状态的电路(60，62)。
7.如权利要求1所述的装置，还包括和阵列(10)的存储单元(12)交叉的多个字线和位线(14，16)，每个存储单元(12)位于所述字线(14)和位线(16)的交点；并且其中检测放大器(24)对选择的位线施加一个操作电位，并在阵列(10)的选择的存储单元(12)的读操作期间对未选择的字线和位线的子组施加一个相等的电位。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述装置(8)是磁随机存取存储装置。
全文摘要
在信息存储装置的存储单元的读操作期间检测放大器对选择的位线施加一个操作电位,并对未选择的线的子组施加相等的电位。但是,在选择的存储单元的电阻状态被检测之前,检测放大器的输入被强迫到一个已知的一致的条件。借助于把检测放大器的输入上拉到阵列电压,检测放大器输入端可以被强迫到所述已知的一致的条件。
文档编号G11C11/16GK1345069SQ01132510
公开日2002年4月17日 申请日期2001年8月31日 优先权日2000年8月31日
发明者F·A·佩尔纳 申请人:惠普公司