用于stt mram的差分感测方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于读取存储单元，并且尤其是STT?MRAM的方法和系统。根据本发明的一个方面，一种用于读取存储单元的系统包括读取通路和预充电通路。提供经由所述读取通路的参考电流，并通过所述读取通路中的采样元件来对所述参考电流进行采样。接下来，提供经由同一采样元件和读取通路的来自所述存储单元的电流。然后通过相对所采样的参考电流工作的单元电流来确定所述输出电平。
【专利说明】用于STT MRAM的差分感测方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于读取随机存取存储器单元的方法和系统。更具体而言，本发明涉及用于感测磁存储单元，尤其是用于感测自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STT MRAM)单元的方法和系统。
【背景技术】
[0002]磁阻随机存取存储器(MRAM)是一种非易失随机存取存储器，其中由磁存储元件存储数据。常规MRAM单元包括由薄绝缘层分开的两个铁磁板。两个板中的一个是被设置为特定的极性的永磁体(固定层)，而第二块板(自由层)的场可以被配置为与外部场的情况匹配，以存储数据。这种配置被称为自旋阀门，并且是用于实现MRAM位的最简单的结构。可以将这样的磁存储单元组合来形成存储装置。
[0003]通过测量所述单元的电阻来实现对磁存储单元的感测或读取。通常通过对相关联的晶体管供电来选择特定的单元，所述晶体管将电流从位线经由所述单元切换到接地。单元的电阻由于STT MRAM单元的两个板中的电子的自旋取向而改变。通过测量所引起的电流，能够确定任何特定单元内部的电阻。一般而言，如果两块板具有相同的极性，那么认为该单元为“1”，并且如果两块板具有相反的极性，并且具有更高的电阻，那么认为该单元为“O”。
[0004]图1是用于感测磁存储单元12的现有技术系统10的示范性示意图，磁存储单元12例如是自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STT MRAM)单元。现有技术系统10包括多个晶体管14、16、18和20、用于提供参考电流24的参考电流源22、单元电流26、位线(BL)控制电压28、单元输出节点30、参考输出32和镜像参考电流34。晶体管14和16可以是PMOS晶体管，而其余晶体管18和20可以是NMOS晶体管。
[0005]在操作中，现有技术感测系统10的两对晶体管调整并感测单元电流26和参考电流24，并将这一电流差转化为输出节点30和32之间的电压差。第一对晶体管14和16充当电流反射镜，而晶体管18和20充当用于位线电压调节的箝位装置，可以通过BL控制电压28来对位线电压调节进行调整。在设定BL控制电压28之后，晶体管18和20将参考位线36和单元位线38充电至固定电势，所述固定电势通常大约是NMOS晶体管的一个阈值电压，其低于BL控制电压28。属于电流反射镜的一部分的连接二极管的PMOS晶体管16感测流经NMOS晶体管20的参考电流24。参考电流源22在常规上由具有精确控制的栅极电压的NMOS晶体管或者是由所谓的参考单元(例如,预先调节的STT MRAM单元)所实现。参考电流24通常被设定在对应于高电流STT MRAM单元状态的电流和对应于低电流STT MRAM单元状态的电流之间。由PMOS电流反射镜14、16将这一参考电流24同时镜像到单元参考输出节点30上。单元电流26经由NMOS晶体管18流至单元输出节点30。如果单元电流26高于参考电流24，那么将单元输出电压30驱动至接地。如果单元电流26低于参考电流24，那么单元输出电压30升至VDD。由于连接二极管的PMOS 16，参考输出节点32处的电压在PMOS晶体管16的低于VDD的一个阈值电压处保持固定。比较单元输出节点30和参考输出节点32之间的电压差，并由后续的差分闩锁电路(未示出)将该电压差放大到全CMOS电平。
[0006]如果STT MRAM单元的高电流单元状态和低电流单元状态之间的单元电流差(也被称为读取窗口)较小，那么现有技术感测系统10的两个主要问题在于镜像参考电流Irefmir 34的精确度以及位线电压38和参考位线电压36之间的差。这两个效应通过导致对读取窗口的两个限制因素而减少了感测放大器的精确度，这两个限制因素是:感测放大器中的电流反射镜以及控制位线电压的装置，它们对于STT MRAM存储单元是必要的。
[0007]电流反射镜中的PMOS晶体管14、16的阈值电压Vtp的不匹配导致了镜像参考电流Iref mir 34和参考电流Iref 24的不匹配。NMOS晶体管18、20的阈值电压Vtn的不匹配导致了跨越所选的STT-MRAM单元12的和跨越参考电流源22的不同电压，所述参考电流源22也可以是预先调节的STT-MRAM单元。对于两个通路的相同电阻而言，这一电压差导致了参考电流24和单元电流26之间的电流差，因为STT MRAM单元的电流是与跨越其的电压成正比的。
[0008]因此，存在对于一种用于感测诸如STT MRAM的磁存储单元的方法的需要，所述方法将不具有这些缺点。
【发明内容】
[0009]根据本发明的一个方面，提供了 一种用于感测和读取诸如STT MRAM的存储单元的系统，其包括可以耦合至参考源或者耦合至存储单元的读取通路，和耦合至所述存储单元以便对所述存储单元进行预充电的预充电通路，其中，在参考电流已经流经所述读取通路之后，将所述存储单元从所述预充电通路切换至所述读取通路。在一个实施例中，所述读取通路可以包括用于对参考电流进行采样和保持的连接二极管的采样元件和用于对位线控制电压进行控制的位线控制装置。在将所述参考源连接至读取通路时，通过电容上的跨越采样元件的电压来对所述参考电流进行采样。然后，使所述存储单元与所述预充电通路断开，并且所述存储单元提供流经相同的读取通路的单元电流。通过相对采样参考电流进行工作的单元电流来确定所述感测系统的输出电平。
[0010]根据本发明的进一步方面，提供了 一种用于读取或感测诸如STT MRAM的存储单元的方法。在一个实施例中，所述方法包括以下步骤:提供用于对参考电流进行采样的采样元件，以及使用所述采样元件经由相同的读取通路测量来自所述存储单元的单元电流。可以使用电容上的跨越所述采样元件的栅极的电压来对所述参考电流进行采样。所述方法可以进一步大约在使用所述采样元件测量所述参考电流的同时提供用于所述存储单元的预充电通路。然后，使所述电容与所述采样元件的栅极断开，并且然后可以将所述存储单元从所述预充电通路切换至经由相同采样元件的读取通路。然后通过相对所述采样参考电流工作的单元电流来确定所述输出。
[0011]在另一实施例中，所述方法包括以下步骤:提供用于所述存储单元的感测通路和相关联的参考源，提供经由所述感测通路的参考电流，大约在提供经由所述感测通路的参考电流的同时提供用于所述存储单元的预充电通路，使所述存储单元与所述预充电通路断开，并且提供经由所述感测通路的来自所述存储单元的单元电流。
[0012]在一个实施例中，所述感测通路包括连接二极管的采样晶体管。最初，在参考电流流经所述感测通路时，通过电容上的跨越所述采样晶体管的栅极的电压来对所述参考电流进行采样。在已经对所述参考电流进行采样之后，接着使用所述采样晶体管来测量来自所述存储单元的单元电流。通过相对采样参考电流工作的单元电流来确定所述感测系统的输出。
[0013]根据参考附图所进行的本发明的以下详细描述，本发明的进一步特征、方面和优点将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且将附图并入本说明书并构成其一部分。附图图示了本发明的实施例以及与描述一起用来解释本发明的原理。本发明的其他实施例以及本发明的很多预计的优点将被容易地理解，因为通过参考以下的详细描述，它们
将变得更好理解。
[0015]图1是磁存储单元和感测放大器的常规实施例的示意图。
[0016]图2是根据本发明的一个实施例的用于磁存储单元的感测系统的示范性示意图。
[0017]图3是根据本发明的一个实施例的用于磁存储单元的感测系统的示范性示意图。
[0018]图4是根据本发明的一个实施例的用于磁存储单元的感测系统的示范性示意图。
[0019]图5是根据本发明的一个实施例的用于感测磁存储单元的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]在以下详细描述中，对形成其一部分的附图做出参考，并且附图中通过说明的方式示出了其中可以实践本发明的具体实施例。要理解的是，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下，做出结构或其他改变。因此，不以限制性意义理解以下详细描述，并且本发明的范围由所附权利要求所限定。
[0021]图2是根据本发明的一个实施例的用于感测和读取磁存储单元的系统100的示范性示意图。系统100包括磁存储单元102，例如，自旋转移矩磁阻随机存取存储器(STTMRAM)单元，其将由系统100所感测和读取。系统100进一步包括多个晶体管104、106、108、110、112、114、116和118、电容122、开关124、参考电流源126、位线控制电压128、单元输出130和参考输出132。
[0022]在优选实施例中，晶体管104和106可以是PMOS晶体管，而其余晶体管108、110、112、114、116和118可以是NMOS晶体管。可以将晶体管104称为“采样元件”，因为根据本发明的优选实施例，采样元件104对参考电流进行采样和保持。本领域技术人员将认识到，采样元件104不限于晶体管，而是可以由任何采样元件或者对参考电流进行采样和保持的元件的组合所构成。本领域技术人员还将认识到，本发明不限于单个存储单元的感测和读取，而是可以使用本发明来读取磁存储单元的阵列，并且参照一个存储单元的以下描述只是出于简化的目的。
[0023]本发明的系统100通过消除电流反射镜而克服了不匹配的问题。在本发明的一个实施例中，连续经由相同的晶体管104和108来馈送所述参考电流和单元电流。换言之，首先经由晶体管104和108馈送参考电流，并且然后经由晶体管108和104馈送来自存储单元的电流。用于经由相同的晶体管读取存储单元的此两步骤方法有利地避免了位线控制装置和反射镜晶体管之间的任何不匹配效应。
[0024]图3是根据本发明的一个实施例的用于感测和读取磁存储单元的系统100的示范性示意图。图3图示了系统100的两条通路，即感测或读取通路202和预充电通路204。根据系统100的操作的一个实施例，将参考源126连接至系统100的感测通路202。这可以通过设置适当的位线控制电压128以及启用晶体管116来实现。参考电流经由晶体管108和104流经感测通路202。在优选实施例中，晶体管104是连接二极管的晶体管。在这一阶段期间，数字开关124是接通的，并通过电容122上的如虚线210所图示的采样晶体管104的栅极到源极电压来对参考电流206进行采样。
[0025]基本上同时，通过设置适当的位线控制电压128以及启用晶体管118来将存储单元102连接至预充电通路204。这允许本发明通过在基本上与通过采样晶体管104对参考电流正进行采样的同时对存储单元102进行预充电来有利地避免读取存储单元102时的任何额外的等待时间。本领域技术人员将认识到，使参考电流穿过采样晶体管104和对存储单元102进行预充电可能无法精确地同时发生，但是本发明的目的在于基本上同时执行这两个步骤，从而使对存储单元102的总读取时间的影响最小化。
[0026]图4是根据本发明的一个实施例的用于感测磁存储单元的系统100的示范性示意图。在如上文参考图3所描述的，在已经对存储单元102进行预充电并且已经读取了参考电流信息之后，通过设置适当的位线控制电压128以及启用晶体管112来将存储单元102从预充电通路204切换至读取通路202，如由单元电流线302所图示的。通过设置适当的位线控制电压128以及启用晶体管114来将参考源126从感测通路202切换至预充电通路204，如由线304所图示的。基本上同时，经由开关124使电容122与参考输出节点132断开。然后，通过相对采样参考电流(即采样晶体管104的有效负载)工作的单元电流来确定感测系统100的输出。因而，本发明调整采样晶体管104以匹配参考源126，并且存储单元102的单元电流302流经与参考电流相同的位线控制装置和采样晶体管。因此，本发明有利地避免了位线控制装置和反射镜晶体管之间的任何不匹配效应。
[0027]图5是示出了根据本发明的一个实施例的用于读取诸如STT MRAM的存储单元的示范性感测方法的流程图。为了清晰起见，在图2到图4中所描述的系统100的情境中描述用于感测磁存储单元的方法500。然而，在替代实施例中，可以使用其他配置。此外，其他实施例可以按照不同的顺序执行本文中描述的步骤，和/或其他实施例可以执行附加的步骤和/或与本文中描述的步骤不同的步骤。
[0028]通过步骤502，提供可以被连接至参考电流源或存储单元的感测或读取通路。所述感测通路至少包括采样元件104和位线控制晶体管108。在优选实施例中，采样元件104是连接二极管的MOS晶体管。通过步骤504，提供经由感测通路的来自参考源的参考电流。采样晶体管104对参考电流进行采样和保持。基本上与步骤504同时，通过步骤506，提供用于存储单元102的预充电通路。在对存储单元进行预充电并对参考电流进行采样之后，通过步骤508，将所述存储单元与所述预充电通路断开。然后通过步骤510，将存储单元102连接至所述感测通路，并提供经由感测通路202和采样晶体管104的存储单元电流。然后，通过步骤512确定感测系统100的输出电平。
[0029]本领域技术人员将认识到，本发明不限于如上文所述的对STT MRAM单元进行感测，而是也可以将本发明用于采用电流感测方案并且具有小读取窗口的其他存储器。例如，也可以将本发明与多电平单元，即相变RAM (PCRAM)、导通桥接RAM (CBRAM)等一起使用。本发明的优点在于消除了由电流反射镜不匹配以及位线和参考线电压中的不匹配所引入的误差。
[0030]尽管本文中已经对具体实施例进行了说明和描述，但是本领域普通技术人员将认识到，在不背离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等价实现方式可以代替所示出和描述的具体实施例。本申请意图涵盖本文中所讨论的具体实施例的任何改编或变化。因此，所意图的是，本发明仅由权利要求及其等价方式所限定。
【权利要求】
1.一种用于读取存储单元的方法，所述方法包括以下步骤: 提供用于对参考电流进行采样的采样元件；以及 经由相同的读取通路使用所述采样元件来测量来自所述存储单元的单元电流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括提供参考源的步骤，所述参考源提供经由所述采样元件的参考电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述采样元件是连接二极管的晶体管。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括生成参考电流，并对电容上的跨越所述采样元件的栅极的电压进行采样的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括提供用于所述存储单元的预充电通路的步骤，其中，用于所述存储单元的预充电通路是与所述读取通路不同的通路。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，提供用于所述存储单元的预充电通路的步骤与使用采样元件测量来自所述存储单元的参考电流的步骤大约同时发生。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括将所述存储单元从所述预充电通路切换至经由所述采样元件的读取通路的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括使所述电容与所述采样元件的栅极断开的步骤。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，通过相对所采样的参考电流工作的单元电流来确定所述感测系统的输出。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述存储单元是STTMRAM。
11.一种用于读取存储单元的系统，其包括: 参考源，用于提供用于所述存储单元的参考电流； 采样元件，其被耦合至所述参考源，用于对所述参考电流进行采样和保持；以及 位线控制装置，其被耦合至所述参考源、所述存储单元和所述采样晶体管， 其中，所述参考电流和存储单元电流流经所述位线控制装置和所述采样单元。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述存储单元是STTMRAM。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述采样元件是连接二极管的采样晶体管。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，通过电容上的跨越所述采样元件的电压对所述参考电流进行采样。
15.根据权利要求11所述的系统，还包括预充电通路，其用于基本上在所述参考电流流经所述采样元件的同时对所述存储单元进行充电。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，使所述存储单元与所述预充电通路断开，并且所述存储单元提供流经所述采样元件的单元电流。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，使所述电容与所述采样元件断开。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，通过相对所采样的参考电流工作的单元电流来确定所述存储单元的输出电平。
19.一种用于感测存储单元的系统，所述存储单元具有用于提供参考电流的相关联的参考源，所述系统包括: 读取通路，其可以被耦合至所述参考源或者耦合至所述存储单元；以及 预充电通路，其被耦合至所述存储单元，用于对所述存储单元进行预充电，其中，在所述参考电流已经流经所述读取通路之后，将所述存储单元从所述预充电通路切换至所述读取通路。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述读取通路包括用于对所述参考电流进行采样和保持的连接二极管的采样晶体管。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述读取通路还包括位线控制装置。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，基本上在所述参考电流流经所述读取通路的同时将所述存储单元耦合至所述预充电通路。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，通过电容上的跨越所述采样晶体管的电压对所述参考电流进行采样。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，使所述存储单元与所述预充电通路断开，并且所述存储单元提供流经所述读取通路的单元电流。
25.根据权利要求23所述的系统，其中，使所述电容与所述采样晶体管断开。
26.根据权利要求19所述的系统，其中，通过相对所采样的参考电流工作的单元电流来确定所述感测系统的输出电平。
27.根据权利要求19所述的系统，其中，所述存储单元是STTMRAM。
28.一种用于读取存储单元的方法，所述方法包括以下步骤: 提供用于所述存储单元的感测通路和相关联的参考源； 提供经由所述感测通路的参考电流；` 基本上在提供经由所述感测通路的参考电流的同时提供用于所述存储单元的预充电通路； 使所述存储单元与所述预充电通路断开；以及 提供经由所述感测通路的来自所述存储单元的单元电流。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述存储单元是STTMRAM。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述感测通路包括采样晶体管。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述采样晶体管是连接二极管的采样晶体管。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，在所述参考电流流经所述感测通路时，通过电容上的跨越所述采样晶体管的栅极的电压来对所述参考电流进行采样。
33.根据权利要求30所述的方法，还包括使用所述采样晶体管对来自所述存储单元的单元电流进行测量的步骤。
34.根据权利要求28所述的方法，其中，通过相对所采样的参考电流工作的单元电流来确定所述感测系统的输出。
【文档编号】G11C11/16GK103632706SQ201310371741
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2012年8月23日
【发明者】W.阿勒斯, M.杰弗雷莫夫, T.克恩, J.奥特施特德特, C.彼得斯 申请人:英飞凌科技股份有限公司