专利名称：一种用于mlc闪存的灵敏放大器和电流电压转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路的存储器技术领域，特别是涉及一种用于MLC闪存(MLC Flash Memory，多层单元闪存)的灵敏放大器(Sense amplifier)，以及一种位于灵敏放大 器中的电流电压(I-V)转换电路。
背景技术：
Sense amplifier (灵敏放大器)是存储器器件中非常重要的电路其主要用于将 存储单元(cell)所存储的数据位的状态识别出来，以转换为数字信号；灵敏放大器对存储 器的性能非常关键。具体的，首先由于在存储单元中数据位不同状态之间的差异较小，需要Sense amplifier克服噪声和干扰才能将不同状态差异识别出来，从而完成数据的读取。所以 Sense amplifier能否很好的识别各种状态差异，就会直接影响到存储器的性能。其次， Sense amplifier的速度也会在很大程度上影响存储器的读性能。因此，对存储器器件的改 进，一个很好的角度就是对Senseamplifier的识别能力或者速度进行改进。现有的Flash 存储器可以包括 SLC Flash Memory (Single-Level Cell，单层单元 闪存)和MLC Flash Memory (Multi-Level Cell，多层单元闪存)。它们之间的区别在于 SLC每一个存储单元(cell)，只能存储一位数据(两个状态0或1)，而MLC每一个单元可以 存储两位数据(4个状态，00，01，10或11)或者两位以上的数据，也就是说，MCL的数据密度 要比SLC至少大一倍。而正是由于MLC Flash Memory通过每cell存储2比特数据，提高了存储密度，同 时也导致了不同存储位之间的状态差异大大减小，准确识别这些状态差异的难度也大大增 加了。总之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何改进MLC Flash Memory的Sense amplifier (灵敏放大器)，以使其能够准确识别cell的四种状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种更加优化的电流电压转换电路，以在同等 的电流差异情况下，能够得到更大的电压差异，也就是在MLC的情况下仍然能够很好的读 出阵列存储的数据。相应的，本发明还提供了一种应用上述电流电压转换电路的灵敏放大器，以适合 MLC Flash的需要。为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种电流电压转换电路，用在多层 单元闪存的灵敏放大器中，该电路中用于实现电流电压的转换的阻抗器件包括并联的PMOS 晶体管和ZNMOS晶体管。优选的，所述ZNMOS晶体管的栅极与一偏置电源相连。优选的，所述PMOS晶体管 的栅极与一偏置电路相连。
依据本发明的另一实施例，还公开了一种电流电压转换电路，用在多层单元闪存 的灵敏放大器中，该电路可以包括PMOS晶体管Pl，其源极与电源相连，漏极与一阻抗器件相连，栅极连接控制电流 电压转换电路工作的使能信号；阻抗器件，用于实现电流电压的转换，所述阻抗器件包括并联的PMOS晶体管P2和 ZNMOS晶体管Zl ；所述阻抗器件的一端和PMOS晶体管Pl的漏极相连，另一端与ZNMOS晶体 管Z2的漏极相连；所述ZNMOS晶体管Z2的源极与存储单元的位线相连；反相放大器，其输入端与存储单元的位线相连，输出端与所述ZNMOS晶体管Z2的 栅极相连；电压输出端连接在所述阻抗器件和ZNMOS晶体管Z2的漏极之间。优选的，所述ZNMOS晶体管的栅极与一偏置电源相连。优选的，所述PMOS晶体管 的栅极与一偏置电路相连。依据本发明的另一实施例，还公开了一种用于多层单元闪存的灵敏放大器，具体 可以包括用于对位线充电的位线充电电路；四个电流电压转换电路，通过位线分别连接一存储单元的晶体管源极和三个参考 单元的晶体管源极；所述IV转换电路中用于实现电流电压的转换的阻抗器件包括并联的 PMOS晶体管和ZNMOS晶体管；比较器，用于将电流电压转换电路输出的对应所述存储单元的电压，分别与对应 三个参考单元的电压进行比较，依据比较结果输出数字信号。其中，优选的，所述电流电压转换电路可以包括PMOS晶体管Pl，其源极与电源相连，漏极与一阻抗器件相连，栅极连接控制电流 电压转换电路工作的使能信号；阻抗器件，用于实现电流电压的转换，所述阻抗器件包括并联的PMOS晶体管P2和 ZNMOS晶体管Zl ；所述阻抗器件的一端和PMOS晶体管Pl的漏极相连，另一端与ZNMOS晶体 管Z2的漏极相连；所述ZNMOS晶体管Z2的源极与存储单元的位线相连；反相放大器，其输入端与存储单元的位线相连，输出端与所述ZNMOS晶体管Z2的 栅极相连；电压输出端连接在所述阻抗器件和ZNMOS晶体管Z2的漏极之间。优选的，所述ZNMOS晶体管的栅极与一偏置电源相连。优选的，所述PMOS晶体管 的栅极与一偏置电路相连。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明对现有的I-V转换电阻器件进行了专门的改进，采用ZNMOS晶体管和PMOS 晶体管相结合的方式，并以并联的方式进行组合，保证二者构成的阻抗器件能够形成足够 好的电阻曲线，同时提高了阻抗器件的阻抗，从而能够把cell的不同电荷状态转化成更大 的电压差异，更容易的读取存储单元阵列中的数据。 进一步，本发明为了改善PMOS晶体管随着电源VCC波动的问题，在PMOS晶体管的栅极上设计了偏置电路，保证其稳定性。
图1是本发明的一种电流电压转换电路的实施例的结构示意图；图2是不同晶体管的阻抗值随电流变化的示意图；图3是本发明的另一种电流电压转换电路的实施例的结构示意图；图4是本发明的一种灵敏放大器实施例的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明实施例的核心构思之一在于采用ZNMOS晶体管和PMOS晶体管相并联的方 式组成阻抗器件，以获得比较稳定的、阻抗值较高的性能，从而能够获得较大的电压差异， 正确读取cell中的数据。其中，ZNMOS晶体管是NMOS晶体管的一种，其主要特点是ZNMOS 晶体管的栅极阀值电压低于通常的NMOS晶体管。PMOS管与NMOS管工作原理几乎是相同的，所不同的是PMOS管中沟道的载流子是 空穴，栅电压的极性对沟道的形成起的作用也恰好相反。可以看出，决定PMOS管与NMOS管是否开通和开通电流大小的是加在沟道上的电 场与阀值电压。一般来说，电场强度越大，最大电流可以越大，驱动负载的能力就越强，而这 就要求加在栅极上的电压尽可能强一些。另外，输入电压与阀值电压的比例越大，从起始电 压到阀值电压时间就越短，沟道的形成时间也能更短，晶体管的反应速度就越快。下面给出本发明的一种电流电压转换电路的实施例，本发明中电流电压转换的本 质就在于通过阻抗器件将电流的微小区别转换为较大的电压差异，从而实现对存储单元 (cell)中存储状态的识别，即获得存储信息。本实施例中最大的特点就是，该电路中用于实现电流电压的转换的阻抗器件包括 并联的PMOS晶体管和ZNMOS晶体管，参照图1。本实施例中其他器件和连接关系，完全可以 参照现有的电流电压转换电路，在此不再详述。为了清楚说明本发明的工作过程，现简单介绍灵敏放大器读取cell中数据的过 程如下半导体存储器(Memory) —般由字线(WL)行和位线(BL)列组成，每一行和列的交 叉点是一个存储单元(cell)，存储单元由晶体管和电容组成。存储单元中的数据取决于存 储在电容中的电荷，晶体管的开关控制数据的存取。在MLC Flash Memory中，一个存储单元(cell)包括两个晶体管和两个电容，以存 储四个状态，两位数据。应用灵敏放大器对MLC FlashMemory进行读取操作大致可以包括 以下三步第一步、在存储cell阵列的WL和参考cell的栅极(gate)上施加相同的开启电压Vwl，在存储cell阵列的位线(BL) (BL通过一些YMUX选通管后连接到被选寻址的存储 cell的drain端)和参考cell的漏极(drain)保持相近的电压，如lv。当开始读取数据 时，晶体管打开，而由于阵列cell和参考cell的电荷状态不同，从而会导致产生的电流不同；第二步、将上述阵列cell和参考cell的电流分别通过专门设计的I_V(电流-电 压)转换电路(即将不同的电流通过相同的阻抗器件)，得到不同的电压值，从而将电流差 异转化为了电压差异；例如，对于MLC Flash Memory的存储单元而言，就需要四个I_V(电流-电压) 转换电路，一个I-V转换电路对应阵列cell，得到所需的存储单元相应的电压值，另外三个 I-V转换电路对应参考cell，得到三个参考电压。第三步、通过比较器比较两个电压信号，即可得到存储数据位的状态信息，再转化为数字信号，如，00、01、10、11。例如，将所需的存储单元相应的电压值分别与三个参考电压进行两两比较，从而 可以确定所需的存储单元相应的电压值是落在那个电压范围内，即可以确定该存储单元所 存储的数据位的状态信息。其中，需要说明的是，在通常施加相同的gate和drain电压情况下(source接 地)，得到不同数据位的存储状态两两之间所对应的电流差异只有6uA左右。这样，如果通 过的阻抗器件(例如，电阻)小于17k，则得到的电压差异小于IOOmV ；如果后级的比较器存 在一定失调的情况下，就很难把这个状态分辨出来了，即cell中的数据读取就可能出现错误。现有技术中一般采用带有偏置电源的ZNMOS晶体管作为阻抗器件，但是参照图2， 其中的曲线201示出了 ZNMOS晶体管作为阻抗器件时，其阻抗值随着电流的变化情况，在电 流较小的情况下ZNMOS晶体管可以保持比较高的阻抗值，但是随着电流逐渐增大，ZNMOS晶 体管的阻抗值则会急剧下降，从而有可能导致I-V转换电路得到的电压差异过小，在后续 的比较器中无法准确识别。其改进的方向在于增大阻抗器件的有效阻抗，但是改进的难点在于该阻抗器件 需要在电流值绝对值比较大的范围内都能工作，所以阻抗值又不能太大。参照图2，其中的曲线202示出了 PMOS晶体管作为阻抗器件时，其阻抗值随着电流 的变化情况，在电流较小的情况下PMOS晶体管可以保持比较低的阻抗值，但是随着电流逐 渐增大，ZNMOS晶体管的阻抗值则会急剧上升。正是由于本专利的发明人注意到了这一点，因此，创新性的提出采用并联的PMOS 晶体管和ZNMOS晶体管作为阻抗器件。参照图2，其中的曲线203示出了并联的PMOS晶体 管和ZNMOS晶体管作为阻抗器件时，其阻抗值随着电流的变化情况，首先整体阻抗值随着 电流的变化更加平稳，并且，可以保持在一个较高的阻抗值。例如，可以保证整体阻抗值在 存储单元四种数据位状态所对应的电流情况下都比较大(例如，大于17k)，则就可以保证 I-V转换电路得到的电压差异满足比较器的要求。优选的，在图1所示的实施例1中，ZNMOS晶体管的栅极与一偏置电源相连，该偏 置电源的电压值可以用来确定ZNMOS晶体管的是否开通和开通时的电流大小，从而可以用 来调整ZNMOS晶体管的阻抗曲线，进而调整了整个阻抗器件的阻抗曲线。该偏置如果能够 保持稳定，不随电源电压浮动，则对于保持阻抗恒定很有好处；但是为简化起见，也可以直 接接电源VCC。在本发明的另一优选实施例中，图1所示的实施例1中的PMOS晶体管的栅极与一偏置电路相连。该偏置电路可以改善PMOS晶体管随着电源VCC (加在整个I-V转换电路或 整个灵敏放大器上的工作电压)波动的问题。优选的，将该偏置电路的输出设置为能够随 着电源VCC的波动而变化，例如，该偏置电路的输出IVREFP = VCC-2. 5V，则能够使本阻抗器件在更宽的电源VCC波动范围内都能应用。当然，如果为简单起见，则也可以直接接地GND。参照图3，示出了另一种电流电压转换电路的实施例，用在多层单元闪存的灵敏放大器中，具体可以包括PMOS晶体管Pl，其源极与电源VCC相连，漏极与一阻抗器件301相连，栅极连接控制电流电压转换电路工作的使能信号ENB ；阻抗器件301，用于实现电流电压的转换，所述阻抗器件301包括并联的PMOS晶体管P2和Z匪OS晶体管Zl ；所述阻抗器件301的一端和PMOS晶体管Pl的漏极相连，另一端 与ZNMOS晶体管Z2的漏极相连；所述ZNMOS晶体管Z2的源极与存储单元的位线BL相连； 反相放大器302，其输入端与存储单元的位线BL相连，输出端与所述ZNMOS晶体管Z2的栅极相连；电压输出端SAIN连接在所述阻抗器件301和ZNMOS晶体管Z2的漏极之间。当PMOS晶体管Pl的栅极接收到使能信号ENB时，则接通整个电路。所述ZNMOS晶 体管Z2和反相放大器302可以用于对位线BL进行充电。在BL电压较低时(与所需的充电 电压差距较大时)，通过反相放大器302控制ZNMOS晶体管Z2关断(或者很小的开通)，当 BL电压逐渐接近所需的电压值时(差距逐渐减小时)，逐渐通过反相放大器302控制ZNMOS 晶体管Z2导通。当BL端电压达到所需值时，停止充电，例如BL维持在IV左右。接通eel 1，依据当 前地址指向的cell的电荷状态，得到相应的电流，该电流通过阻抗器件301后得到相应的 电压值，通过电压输出端SAIN输出。后续的比较器接收到当前地址指向的cell相对应的 电压值，然后与参考cell得到的电压进行比较，从而得到被存储的数据值。具体的，由于MLC中每个cell中存放2bit数据，故需要4个不同的Vth区间。贝丨J 需要3个Vth不同的参考cell通过读操作，去区分当前存储cell的Vth。假设，三个参考 cell的Vth依次为Vl = 2. 9v,V2 = 4. 5V，V3 = 6. IV ；则可以通过比较器来区分存储cell 的Vth范围；如果当前存储cell转换得到的Vth为2. 5V，那么相比得知，其Vth低于VI，即 当前存储cell属于最低的阈值范围，也就确定了相应的数据位状态。优选的，所述ZNMOS晶体管的栅极与一偏置电源相连；所述PMOS晶体管的栅极与 一偏置电路相连。参照图4，示出了一种应用了前述电流电压转换电路的，用于多层单元闪存的灵敏 放大器，具体可以包括用于对位线充电的位线充电电路401 ；四个IV转换电路402，通过位线分别连接一存储单元403的晶体管源极和三个参 考单元404的晶体管源极；所述IV转换电路402中用于实现电流电压的转换的阻抗器件包 括并联的PMOS晶体管和ZNMOS晶体管；比较器405，用于将IV转换电路输出的对应所述存储单元403的电压，分别与对应 三个参考单元404的电压进行比较，依据比较结果输出数字信号。
优选的是，位线充电电路401和IV转换电路402可以合并在一个电路中实现；在附图4中采用两个电路的方式进行说明，仅仅是一个示例。在读取数据时，通过位线充电电路401对存储单元403和参考单元404的BL进行 充电，并且在cell阵列的WL(—排cell的gate连接在一起)上施加一个能够把存储阵列 cell和参考cell开启的电压(图4中的WLR表示参考cell的WL)。然后针对四个cell 分别引出四个电流1 、11；1、11；2、11 ，其中，1 表示当前存储(^11的电流，工吣^”‘分别表示 三个参考cell的电流。通过IV转换电路，将上述四个电流转换为四个电压，然后通过比较器比较后，即 可确定当前存储cell相对应的电压值位于哪个区间，进而确定当前存储cell所存储的数 据位的状态，输出相应的数字信号即可。在本发明的一个优选实施例中，所述IV转换电路可以包括(参照图3)PMOS晶体管Pl，其源极与电源相连，漏极与一阻抗器件相连，栅极连接控制电流 电压转换电路工作的使能信号；阻抗器件，用于实现电流电压的转换，所述阻抗器件包括并联的PMOS晶体管P2和 ZNMOS晶体管Zl ；所述阻抗器件的一端和PMOS晶体管Pl的漏极相连，另一端与ZNMOS晶体 管Z2的漏极相连；所述ZNMOS晶体管Z2的源极与存储单元的位线相连；反相放大器，其输入端与存储单元的位线相连，输出端与所述ZNMOS晶体管Z2的 栅极相连；电压输出端连接在所述阻抗器件和ZNMOS晶体管Z2的漏极之间。优选的，所述ZNMOS晶体管的栅极与一偏置电源相连；所述PMOS晶体管的栅极与 一偏置电路相连。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与 其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上对本发明所提供的一种电流电压转换电路以及一种应用上述电流电压转换 电路的灵敏放大器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式 进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于 本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之 处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
一种电流电压转换电路，用在多层单元闪存的灵敏放大器中，其特征在于，该电路中用于实现电流电压的转换的阻抗器件包括并联的PMOS晶体管和ZNMOS晶体管。
2.如权利要求1所述的电流电压转换电路，其特征在于，所述ZNMOS晶体管的栅极与一偏置电源相连。
3.如权利要求1或2所述的电流电压转换电路，其特征在于，所述PMOS晶体管的栅极与一偏置电路相连。
4.一种电流电压转换电路，用在多层单元闪存的灵敏放大器中，其特征在于，包括 PMOS晶体管P1，其源极与电源相连，漏极与一阻抗器件相连，栅极连接控制电流电压转换电路工作的使能信号；阻抗器件，用于实现电流电压的转换，所述阻抗器件包括并联的PMOS晶体管P2和 ZNMOS晶体管Zl ；所述阻抗器件的一端和PMOS晶体管Pl的漏极相连，另一端与ZNMOS晶体 管Z2的漏极相连；所述ZNMOS晶体管Z2的源极与存储单元的位线相连；反相放大器，其输入端与存储单元的位线相连，输出端与所述ZNMOS晶体管Z2的栅极 相连；电压输出端连接在所述阻抗器件和ZNMOS晶体管Z2的漏极之间。
5.如权利要求4所述的电流电压转换电路，其特征在于，所述ZNMOS晶体管的栅极与一 偏置电源相连。
6.如权利要求4或5所述的电流电压转换电路，其特征在于，所述PMOS晶体管的栅极 与一偏置电路相连。
7.一种用于多层单元闪存的灵敏放大器，其特征在于，包括 用于对位线充电的位线充电电路；四个电流电压转换电路，通过位线分别连接一存储单元的晶体管源极和三个参考单元 的晶体管源极；所述IV转换电路中用于实现电流电压的转换的阻抗器件包括并联的PMOS 晶体管和ZNMOS晶体管；比较器，用于将电流电压转换电路输出的对应所述存储单元的电压，分别与对应三个 参考单元的电压进行比较，依据比较结果输出数字信号。
8.如权利要求7所述的灵敏放大器，其特征在于，所述电流电压转换电路包括 PMOS晶体管Pl，其源极与电源相连，漏极与一阻抗器件相连，栅极连接控制电流电压转换电路工作的使能信号；阻抗器件，用于实现电流电压的转换，所述阻抗器件包括并联的PMOS晶体管P2和 ZNMOS晶体管Zl ；所述阻抗器件的一端和PMOS晶体管Pl的漏极相连，另一端与ZNMOS晶体 管Z2的漏极相连；所述ZNMOS晶体管Z2的源极与存储单元的位线相连；反相放大器，其输入端与存储单元的位线相连，输出端与所述ZNMOS晶体管Z2的栅极 相连；电压输出端连接在所述阻抗器件和ZNMOS晶体管Z2的漏极之间。
9.如权利要求8所述的灵敏放大器，其特征在于，所述ZNMOS晶体管的栅极与一偏置电 源相连。
10.如权利要求8或9所述的灵敏放大器，其特征在于，所述PMOS晶体管的栅极与一偏置电路相连。
全文摘要
本发明公开了一种用于MLC闪存的灵敏放大器和电流电压转换电路。其中，电流电压转换电路中用于实现电流电压的转换的阻抗器件包括并联的PMOS晶体管和ZNMOS晶体管。本发明对现有的I-V转换电阻器件进行了专门的改进，采用ZNMOS晶体管和PMOS晶体管相结合的方式，并以并联的方式进行组合，保证二者构成的阻抗器件能够形成足够好的电阻曲线，同时提高了阻抗器件的阻抗，从而能够把cell的不同电荷状态转化成更大的电压差异，更容易的读取存储单元阵列中的数据。
文档编号G11C16/26GK101800082SQ200910077690
公开日2010年8月11日 申请日期2009年2月11日 优先权日2009年2月11日
发明者苏志强 申请人:北京芯技佳易微电子科技有限公司