[發明專利]用于STTMRAM的差分感測方法和系統

有效

• 申請號: 201310371741.6
• 申請日: 2013-08-23
• 公開（公告）號: CN103632706B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: W.阿勒斯;M.杰弗雷莫夫;T.克恩;J.奧特施特德特;C.彼得斯
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技股份有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 蔣駿,劉春元

技術領域

本發明涉及用于讀取隨機存取存儲器單元的方法和系統。更具體而言，本發明涉及用于感測磁存儲單元，尤其是用于感測自旋轉移矩磁阻隨機存取存儲器（STT?MRAM）單元的方法和系統。

背景技術

磁阻隨機存取存儲器（MRAM）是一種非易失隨機存取存儲器，其中由磁存儲元件存儲數據。常規MRAM單元包括由薄絕緣層分開的兩個鐵磁板。兩個板中的一個是被設置為特定的極性的永磁體（固定層），而第二塊板（自由層）的場可以被配置為與外部場的情況匹配，以存儲數據。這種配置被稱為自旋閥門，并且是用于實現MRAM位的最簡單的結構。可以將這樣的磁存儲單元組合來形成存儲裝置。

通過測量所述單元的電阻來實現對磁存儲單元的感測或讀取。通常通過對相關聯的晶體管供電來選擇特定的單元，所述晶體管將電流從位線經由所述單元切換到接地。單元的電阻由于STT?MRAM單元的兩個板中的電子的自旋取向而改變。通過測量所引起的電流，能夠確定任何特定單元內部的電阻。一般而言，如果兩塊板具有相同的極性，那么認為該單元為“1”，并且如果兩塊板具有相反的極性，并且具有更高的電阻，那么認為該單元為“0”。

圖1是用于感測磁存儲單元12的現有技術系統10的示范性示意圖，磁存儲單元12例如是自旋轉移矩磁阻隨機存取存儲器（STT?MRAM）單元。現有技術系統10包括多個晶體管14、16、18和20、用于提供參考電流24的參考電流源22、單元電流26、位線（BL）控制電壓28、單元輸出節點30、參考輸出32和鏡像參考電流34。晶體管14和16可以是PMOS晶體管，而其余晶體管18和20可以是NMOS晶體管。

在操作中，現有技術感測系統10的兩對晶體管調整并感測單元電流26和參考電流24，并將這一電流差轉化為輸出節點30和32之間的電壓差。第一對晶體管14和16充當電流反射鏡，而晶體管18和20充當用于位線電壓調節的箝位裝置，可以通過BL控制電壓28來對位線電壓調節進行調整。在設定BL控制電壓28之后，晶體管18和20將參考位線36和單元位線38充電至固定電勢，所述固定電勢通常大約是NMOS晶體管的一個閾值電壓，其低于BL控制電壓28。屬于電流反射鏡的一部分的連接二極管的PMOS晶體管16感測流經NMOS晶體管20的參考電流24。參考電流源22在常規上由具有精確控制的柵極電壓的NMOS晶體管或者是由所謂的參考單元（例如，預先調節的STT?MRAM單元）所實現。參考電流24通常被設定在對應于高電流STT?MRAM單元狀態的電流和對應于低電流STT?MRAM單元狀態的電流之間。由PMOS電流反射鏡14、16將這一參考電流24同時鏡像到單元參考輸出節點30上。單元電流26經由NMOS晶體管18流至單元輸出節點30。如果單元電流26高于參考電流24，那么將單元輸出電壓30驅動至接地。如果單元電流26低于參考電流24，那么單元輸出電壓30升至VDD。由于連接二極管的PMOS?16，參考輸出節點32處的電壓在PMOS晶體管16的低于VDD的一個閾值電壓處保持固定。比較單元輸出節點30和參考輸出節點32之間的電壓差，并由后續的差分閂鎖電路（未示出）將該電壓差放大到全CMOS電平。

如果STT?MRAM單元的高電流單元狀態和低電流單元狀態之間的單元電流差（也被稱為讀取窗口）較小，那么現有技術感測系統10的兩個主要問題在于鏡像參考電流Iref?mir?34的精確度以及位線電壓38和參考位線電壓36之間的差。這兩個效應通過導致對讀取窗口的兩個限制因素而減少了感測放大器的精確度，這兩個限制因素是：感測放大器中的電流反射鏡以及控制位線電壓的裝置，它們對于STT?MRAM存儲單元是必要的。

電流反射鏡中的PMOS晶體管14、16的閾值電壓Vtp的不匹配導致了鏡像參考電流Iref?mir?34和參考電流Iref?24的不匹配。NMOS晶體管18、20的閾值電壓Vtn的不匹配導致了跨越所選的STT-MRAM單元12的和跨越參考電流源22的不同電壓，所述參考電流源22也可以是預先調節的STT-MRAM單元。對于兩個通路的相同電阻而言，這一電壓差導致了參考電流24和單元電流26之間的電流差，因為STT?MRAM單元的電流是與跨越其的電壓成正比的。

因此，存在對于一種用于感測諸如STT?MRAM的磁存儲單元的方法的需要，所述方法將不具有這些缺點。

發明內容