應用於存儲器的多穩態讀出放大器的製作方法

2023-10-11 02:29:04

專利名稱：應用於存儲器的多穩態讀出放大器的製作方法
技術領域：
本發明有關於存儲器，特別是有關於由可變阻值的存儲單元組成的存儲器。
背景技術：
磁阻性隨機存取存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)為一種 非易失性(non-volatile)存儲器。不同於傳統的存儲器組件中以電流或電荷 方式存儲數據，磁阻性隨機存取存儲器通過磁性存儲單元存儲數據。由於磁 阻性隨機存取存儲器具有高密集度(high density)及高讀寫速度的優點，磁 阻性隨機存取存儲器即將成為市場未來主流的技術。
圖1為公知技術的磁阻性隨機存取存儲器的存儲單元100的電路圖。存 儲單元100包含一電晶體102，以及兩個磁隧道結型(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)組件104及106。》茲隧道結型組件104及106的一端耦接至 位線(Read Bit Line, RBL),另一端耦接至一節點108。該多個磁隧道結型 組件一般包括兩鐵磁性層(ferromagnetic layer)及穿插其間的一絕緣層 (insulating layer)。由於外加磁場可改變兩鐵磁性層的極性(polarity)， 進而改變磁隧道結型組件的電阻值，因此每一磁隧道結型組件可各自變化為 兩種不同阻值。
電晶體102耦接於節點108與地電壓之間，其柵極耦接至一字線(Word Line, WL)。當高電壓施加於字線WL時，電晶體102導通，將兩磁隧道結型 組件104及106並聯於位線RBL與地電壓之間，因此位線RBL上的電流會依 據兩磁隧道結型組件104及106的阻值大小而改變，進而讀取存儲單元100 所存儲的數據。由於兩個磁隧道結型組件的尺寸不同，兩者能變化的阻值亦 不相同。假設磁隧道結型組件104的阻值可變化為Rlmax與Rlmin，而磁隧 道結型組件106的阻值可變化為R2max與R2min,則存儲單元100的電阻性 存卡者器可以包含Rlmax〃R2tnax、 Rlmax〃R2min、 Rlmin〃R2max、 Rlmin〃R2min 等四種狀態。因此存儲單元100為一四穩態存儲單元，可以存儲2位的數據。 圖2為四穩態存儲單元100的總與存儲數據的對應表200，其中可見存儲單 元IOO共可存儲兩位的數據，其四種穩態分別對應於00、 01、 10、 ll的數據狀態。由於一磁阻性隨機存取存儲器包舍多個存儲單元100，必須通過一輸出 級電路耦接至位線，以檢測存儲單元100所存儲的數據狀態。而輸出級電路 的設計，嚴重影響數據的讀取時間(access time),進而影響磁阻性隨機存取 存儲器的效能。因此，必須為磁阻性隨機存取存儲器提供一輸出電路，以減 少自存儲單元讀取數據的時間。此時若能於輸出級電路中加入多穩態讀出放 大器，便能有效的縮短讀取時間，進而增進^i阻性隨扭存取存儲器的效能。傳統的多穩態讀出放大器應用於存儲器時，會因為存儲器上它有許多的 位線及字符寫入線，所以會有寄生電容，當存儲單元瞬間被打開時，因為根 據電荷守衡定律Q=C*V=In,所以當存儲單元瞬間被打開時，因為電流無法 實時的對電容充電時，這樣將會影響我們讀取的時間。本發明欲提出一應用方法，以解決上述問題。此新型四穩態讀出放大器 讀取結構，差異在於我們在參考單元的輸出端(VOl、 V02、 V03)有各自獨立 的單一路徑，減少每一條路徑的負栽，在加上利用電流放大以及電流相減方 式，使得每一條路徑上的電流值差異變大，增加了讀出放大器的判讀範圍， 讀出放大器就不會不夠靈敏而容易受到噪聲的幹擾，也能夠縮減讀取時間。發明內容有鑑於此，本發明提供一種應用於存儲器的多穩態讀出放大器(multiple state sense amplifier )，耦接至至少一存儲單元(memory cell)以及多個參 考單元(reference cell),其中該存儲單元的阻值為可變。該多穩態讀出放 大器包括第一電流鏡像電路，耦接至該存儲單元的輸出端，用以依據通過 該存儲單元的第一存儲單元電流，而於第一節點產生大小為該第一存儲單元 電流的兩倍的第二存儲單元電流；第二電流鏡像電路，耦接至該多個參考單 元的輸出端，用以依據通過該多個參考單元的多個第一參考電流，而分別於 多個第二節點產生大小等於該多個第一參考電流的多個第二參考電流；以及負載電路，耦接至該第一節點與該多個第二節點，用以分別提供該第二存儲單元電流與該多個第二參考電流的相等負載，而分別於該第一節點與該多個 第二節點產生與該第二存儲單元電流以及該多個第二參考電流的大小成比例
的存儲單元電位以及多個參考電^f立。本發明還提供一種應用於存儲器的多穩態讀出放大器，耦接至至少 一存 儲單元以及多個參考單元，其中該存儲單元的阻值為可變。該多穩態讀出放大器包括第一電流鏡像電路，耦接至該存儲單元的輸出端，用以依據通過 該存儲單元的第一存儲單元電流，而分別於至少一第一節點與一第三節點產 生大小等於該第 一存儲單元電流的至少 一第二存儲單元電流與 一第三存儲單 元電流；第二電流鏡像電路，耦接至該多個參考單元的輸出端，用以依據通過該多個參考單元的多個第一參考電流，而於多個第二節點分別產生大小等於該多個第一參考電流的多個第二參考電流；第三電流鏡像電路，耦接至該 第三節點與該多個第二節點，用以自該多個第二節點分別汲取大小等於該第 三存儲單元電流的多個第四存儲單元電流，以形成分別通過該多個第二節點 的多個餘數電流，其中該多個餘數電流的大小分別為該多個第二參考電流減 去該多個第四存儲單元電流；以及負載電路，耦接至該第一節點與該多個第 二節點，用以分別提供該第二存儲單元電流與該多個餘數電流的相等負載， 而分別於該第一節點與該多個第二節點產生與該第二存儲單元電流以及該多 個餘數電流的大小成比例的至少一存儲單元電位以及多個參考電位。為了讓本發明的上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特 舉數較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下


圖1為公知技術的磁阻性隨機存取存儲器的存儲單元的電路圖； 圖2為四穩態存儲單元的電阻性存儲器與存儲數據的對應表； 圖3為根據本發明的磁阻性隨機存取存儲器的部分電路圖； 圖4為圖3的磁阻性隨機存取存儲器所包含的比較器與編碼器； 圖5為圖3的讀出放大器所輸出的存儲單元電位與參考電位對時間的變 化圖；圖6為根據本發明的另一磁阻性隨才聘取存儲器的部分電路圖； 圖7為圖6的讀出放大器所輸出的存儲單元電位與參考電位對時間的變 化圖；圖8為根據本發明的又另一磁阻性隨機存取存儲器的部分電路圖； 圖9為圖8的磁阻性隨才踏取存儲器所包含的比較器與編碼器。
主要組件符號說明 (圖1)
100-存儲單元； 102-電晶體；
104 、 106-》茲隧道結型(MTJ)組件； 108-節點； BL-位線； WL-字線； (圖3)
3 0 0-磁阻性隨機存取存儲器；
302-四穩態讀出放大器；
304-四穩態存儲單元；
306、 308、 310-參考單元;
312-第一電流鏡像電路；
314-第二電流鏡像電路；
316-負載電路；
320-源極跟隨器；
322-源極J艮隨電路；
332、 334、 342、 344、 346、 352、
362、 364、 366、 368-負載組件；
372、 373、 374、 375、 376、 377、
382、 384、 386、 388、 391、 392、
333-第一節點；
335、 337、 339-第二節點；
Vcc-電壓源；
Vc-限制電壓；
RWLEN-讀取字線啟用信號；
VMll-存儲單元電位；
VR1、 VR2、 VR3-參考電位；
I i,-第 一存儲單元電流；
2I ，-第二存儲單元電流；
354、 356-PMOS電晶體；
378、 379-NMOS電晶體；
393、 394、 395、 396-電阻性存儲器;IR1、 IR2、卜3-第一參考電流；lR1， 、 lfu， 、 1"，-第二參考電流；WLll、 WLIO、 WLOl、 WLOO、 WLO、 WL1-字線; (圖4)402、 404、 406-比較器; 408-編碼器； V^-存儲單元電位； VR1、 VR2、 VR3-參考電位； D0、 D1-數據位； (圖6)6 0 0-磁阻性隨機存取存儲器；602-四穩態讀出放大器；604-四穩態存儲單元；606、 608、 610-參考單元;612-第一電流鏡像電路；614-第二電流鏡像電路；616-負栽電路；618-第三電流鏡像電路；620-源極跟隨器；622-源極跟隨電路；曰 曰曰632、634、636、642、644、 646、652、654、662、664、666、668-負栽組件；623、624、625、626、672、 673、674、675、體管；682、684、686、688、691、 692、693、694、633-第一節點；635、 637、 639-第二節點；631-第三節點;Vcc-電壓源；Vc-限制電壓；RWLEN-讀取字線啟用信號；Vcell-存4諸單元電4立； VR1、 VR2、 VR3-參考電位；第一存儲單元電流；IM11，-第二存儲單元電流； Icell*-第三存儲單元電流； Im、 IR2、 IR3—第一參考電流；IlU， 、Ir2， 、Ir3， _第二參考電流；工Rl， -I ll，，、Ir2，-Icell"、Ir3，-Icell"-餘數電流；WLll、 WLIO、 WLOl、 WLOO、 WLO、 WLl-字線； (圖8)8 0 0-磁阻性隨機存取存儲器； 802-四穩態讀出放大器； 804-四穩態存儲單元； 806、 808、 810-參考單元； 812-第一電流鏡像電路； 814-第二電流鏡像電路； 816-負載電路； 818-第三電流鏡像電路； 820-源極跟隨器； 822-源極跟隨電路；832、 834、 836、 837、 838、 842、 844、 846、 852、 854、 856—PMOS電晶體；862、 863、 864、 865、 866、 868-負載組件；823、 824、 825、 826、 872、 873、 874、 875、 876、 877、 878、 879-圃S 電晶體；882、 884、 886、 888、 891、 892、 893、 894、 895、 896-電阻性存儲器;833a、 833b、 833c-第一節點；835、 837、 839-第二節點；831-第三節點；Vcc-電壓源；Vc-限制電壓；
RWLEN-讀取字線啟用信號；Vcelll、 Vcell2、 Vcell3—存儲單元電^f立；VR1、 VR2、 VR3-參考電位；I u-第 一存儲單元電流；Icell，—第二存儲單元電流；I cel, *-第三存儲單元電流；IR1、 Iu、 Iiu-第一參考電流；Im， 、 Ir2， 、 Ir3， -第二參考電流；Iri， -Icell"、Ir2， 、Ir3,-Icell，， -餘數電流.，WLll、 WLIO、 WLOl、 WLOO、 WLO、 WL1-字線; (圖9)902、 904、 906-比較器； 908-編碼器；VceI11、 Veell2、 Veell3—存儲單元電位； VR1、 VR2、 VR3-參考電位； D0、 Dl-數據位具體實施方式
圖3為根據本發明的磁阻性隨機存取存儲器300的部分電路圖。磁阻性 隨才幾存取存卡者器300包4舌一四穩、態讀出方文大器(four state sense ampl if ier) 302，至少一四穩態存儲單元(four state memory cell) 304，參 考單元(reference cell) 306、 308、 310,源極跟隨器320，以及源極跟隨電 路322。存儲器300可包含多個存儲單元304，其中每一存儲單元304的結構 類似於圖1的存儲單元100，該多個存儲單元304耦接於一位線與一地電壓 之間，而該位線經由源極跟隨器320耦接至讀出放大器302。當其中一存儲 單元304經由一字線被選取時，該被選取的存儲單元304的電晶體102導通， 而使被選取存儲單元的磁隧道結型組件106與104耦接於讀出放大器302與 地電壓之間，因此讀出放大器302可檢測被選取存儲單元的總電阻值，進而讀取存儲單元存儲的數據。為了簡化，圖3中僅顯示該被選取的存儲單元304。由於存儲單元304 的阻值為可變並有四種穩定阻值狀態，圖3中以一電阻串聯一電晶體的方式
表示該四種穩定阻值狀態其中之一，而電阻性存儲器382、 384、 386、 388的 值分別對應於Rlmax〃R2max、 Rlmax〃R2min、 Rlmin〃R2max、 Rlmin〃R2min 等四種阻值。電阻性存儲器382、 384、 386、 388所串聯的電晶體的柵極分別 耦接至字線WLll、 10、 01、 00，當其中之一字線被選定時，對應的電晶體導 通，而使電阻性存儲器382、 384、 386、 388其中之一耦接於地電壓與位線之 間。舉例來說，當WL10被選取時，電晶體373導通，而使電阻性存儲器384 耦接於地電位與位線之間。此時表示被選取的存儲單元304的總電阻值為 Rlmax〃R2min的狀態。必須說明的是，此種簡化的電路配置僅為提供說明之 用，真正的存儲單元304的結構如圖1的存儲單元100所示。參考單元306、 308、 310各自包含不同的阻值，該多個電阻性存儲器阻 值可供與存儲單元304的阻值進行比較，而得到存儲單元304所存儲的數據。 每一參考單元包含兩電阻性存儲器，該兩電阻性存儲器分別對應於存儲單元 304的四種穩定阻值的其中之一。舉例來說，參考單元306可包含阻值為 Rlmin〃R2min的電阻性存儲器391，以及阻值為Rlmin〃R2max的電阻性存儲 器392;參考單元308可包含阻值為Rlmin〃R2max的電阻性存儲器393,以 及阻值為Rlmax〃R2min的電阻性存儲器394;而參考單元310可包含阻值為 Rlmax〃R2min的電阻性存儲器395,以及阻值為Rlmax〃R2max的電阻性存儲 器396。由於存儲單元304有四種(22種)阻值狀態，因此參考單元的數目共有 三個(22-1=3)。當字線WLll、 10、 01、 OO其中之一被選取時，耦接至參考單 元的字線WL0與WL1亦同時被選取，而使各參考單元所包含的兩電阻性存儲 器並聯於讀出放大器302與地電位之間。於讀出放大器302與存儲單元304輸出端的位線之間耦接一電晶體373 與一源極跟隨器(source follower) 320。源極跟隨器320包括一 NMOS晶體 管372，其柵極耦接至一限制電壓Ve,其源極經由電晶體373耦接至存儲單 元304的輸出端，其中限制電壓W約為0. 7V。由於NMOS電晶體372的源極 電壓受4冊極電壓Vc大小所控制，因此可將存儲單元304輸出端的電壓限定至 約0. 3V。電晶體373的柵極接收一讀取字線啟用信號RWLEN，該讀取字線啟 用信號RWLEN可導通該電晶體373,以將存儲單元304與讀出放大器302相 耦接。此時由於跨越過存儲單元304的電位差保持一固定值(約0. 3V)，因而 存儲單元304輸出端的位在線的存儲單元電 流 IceU 大小可依據存儲單元304 的電阻性存儲器而決定。 同樣地，於讀出放大器302與參考單元306、 308、 310之間亦耦接一源 極跟隨電路(source follower circuit) 322與電晶體375、 377、 379。源極 跟隨電路322包括NMOS電晶體374、 376、 378，其柵極皆耦接至限制電壓Vc; 由於NM0S電晶體374、 376、 378的源極電壓受衝冊極電壓Vc大小所控制，因此 可將參考單元306、 308、 310輸出端的電壓限定至約0. 3V。電晶體375、 377、 3"則接收該讀取字線啟用信號RWLEN以控制其導通狀態，以分別將參考單 元306、 308、 310耦接至讀出放大器302。此時由於跨越過該多個參考單元 的電位差與跨越過存儲單元304的電位差保持相同(約0. 3V)，因而參考單元 306、 308、 310輸出端的參考電流IR1、 IR2、 IR3的大小可依據各參考單元的電 阻性存儲器而決定。讀出放大器302為四穩態讀出放大器，其依據存儲單元304的阻值與參 考單元306、 308、 310的阻值，而產生存儲單元電位V^及多個參考電位L、 VR2、 VR3。讀出放大器302包括第一電流鏡像電路312、第二電流鏡像電路314、 以及負載電路316。第一電流鏡像電路312可接收存儲單元304產生的第一 存儲單元電流1 ，並產生大小為該第一存儲單元電流的兩倍的第二存儲單 元電流2IMll，。第一電流鏡像電路312包括PMOS電晶體332與334。 PMOS 電晶體332的源極耦接至電壓源Vcc，其柵極與漏極經由源極跟隨器320與 存儲單元304相耦接，以接收第一存儲單元電流IM11。 PMOS電晶體334的源 極亦耦接至電壓源Vcc，其柵極耦接至PMOS電晶體332的柵極，其漏極耦接 至第一節點3B。由於PMOS電晶體332、 334的源極與4冊極的電位相等，而 PMOS電晶體334的寬度約為PMOS電晶體332的兩倍，因此PMOS電晶體334 的漏極產生的第二存儲單元電流2IMI，大小約為PMOS電晶體332的漏極的 第一存儲單元電流1 "的兩倍。第二電流鏡像電路314可接收參考單元306、 308、 310所產生的的第一 參考電流L,、 IR2、 IR3,並產生大小分別等於該多個第一參考電流的第二參考 電流hi， 、 IR2， 、 IR3，。第二電流鏡像電路314包括PMOS電晶體342、 344、 346與352、 354、 356，其中PMOS電晶體342與352、 344與354、 346與356 分別為一對電流鏡，分別用以產生第二參考電流I^' 、 IR2， 、 IR3，。以PMOS 電晶體3"與352組成的電流鏡為例，PMOS電晶體342與352的源極皆耦接 至電壓源Vcc,其柵極相耦接，PMOS電晶體342的漏極耦接至第二節點335, 而PMOS電晶體352的漏極通過源極跟隨電路322耦接至參考單元306的輸出
端，用以接收第一參考電流IR1。由於PMOS電晶體342與352的源極與柵極 的電位相等，因此PMOS電晶體342的漏極產生的第二參考電流IR1，大小約 等於PMOS電晶體352的漏極的第一參考單元電流IR,。同理，PMOS電晶體3" 與346的漏極於第二節點337、 339產生的第二參考電流IR2，與IR3，，其大 小亦約等於PMOS電晶體354與356的漏極的第一參考單元電流1 2與IR3。負栽電路316可分別提供第二存儲單元電流2IMll，與該多個第二參考電 流L， 、 IR2， 、 IR3，的相等負載，而分別於第一節點333及該多個第二節點 335、 337、 339產生與該第二存儲單元電流以及該多個第二參考電流的大小 成比例的存儲單元電位V^,以及參考電位VR1、 VR2、 VR3。由於負栽電路316包 括電阻性存儲器值相等的負載組件362、 264、 366、 368分別耦接於第一節點 333、第二節點335、 337、 339與地電位之間，因此存儲單元電位V 以及參 考電位VR1、 VR2、 Vu分別與第二存儲單元電流2IM11，與該多個第二參考電流IR,， 、 IR2， 、 1"，的大小成比例。當讀出放大器302產生存儲單元電位V^與參考電位V^、 VR2、 Vm後，該 多個電位可以通過比較器與編碼器的處理，而解譯為存儲單元304所存儲的 數據位。圖4為根據本發明的磁阻性隨機存取存儲器300所包含的比較器402、 404、 406與編碼器408。比較器402、 404、 406分別將存儲單元電位VMll與 參考電位L、 VR2、 Vw相比較，而產生比較結果信號D國、D,、 D圖。編碼器 (encoder) 408則將該多個比較結果信號D。UT1、 D。UT2、 D,解譯為存儲單元304 的阻值所對應的2位數據DO與Dl。圖5為讀出放大器302所輸出的存儲單元電位Lu與參考電位VR1、 VR2、 Va3對時間的變化圖500。於時段502、 504、 506、 508中，WL00、 WLOl、 WL10、 WLll分別被啟用，因此存儲單元304的電阻值分別為電阻性存儲器382、 384、 386與388的阻值。由圖5中可見於時段502、 504、 506、 508中，存儲單元 電位V^與參考電位Va,、 Va2、 ^的大小各具有特定的相對關係。由於存儲單 元電位Lu以及參考電位VR1、 VR2、 Vu可反映存儲單元304與參考單元306、 308、 310的相對電阻值，因此可通過比較器與編碼器解譯存儲單元電位V u 以及參考屯位Vr,、 VR2、 Va3的相對關係，以確定存儲單元304的阻值狀態，進 而得到存儲單元304存儲的數據位。另外，由於磁阻性隨機存取存儲器300 運用了讀出放大器302於其輸出電路，因此縮短了存儲單元的讀取時間。圖6為根據本發明的磁阻性隨機存取存儲器600的部分電路圖。除了讀
出放大器602之外，》茲阻性隨機存取存儲器600的模塊均與圖3所示的磁阻 性隨機存取存儲器300相同，相同的模塊以相對應的序號標記。磁阻性隨機 存取存儲器600包括一四穩態讀出放大器602,至少一四穩態存儲單元604， 以及參考單元606、 608、 610。讀出放大器602依據存儲單元604的阻值與 參考單元606、 608、 610的阻值，而產生存儲單元電位V^及多個參考電位 VR1、 VR2、 VR3。磁阻性隨機存取存儲器600還包含圖4所示的比較器402、 404、 406與編碼器408。當讀出放大器602產生存儲單元電位VM 與參考電位VR1、 VR2、 Vm後，該多個電位可以通過比較器402-406與編碼器408的處理，而解 譯為存儲單元604所存儲的數據位DO與Dl。讀出放大器602包括第一電流鏡像電路612、第二電流鏡像電路614、第 三電流鏡像電路618、以及負載電路616。除第一電流鏡像電路612與第三電 流鏡像電路618夕卜，讀出放大器602的模塊配置均與圖3的讀出放大器302 相同。另外，流經負載電路616與負栽電路316的電流亦不相同。首先，第 一電流鏡像電路612較第 一電流鏡像電路312增加了 一 PMOS電晶體6 36。 PMOS 電晶體634、 636的源極均耦接至電壓源Vcc，其柵極均耦接至PMOS電晶體 632的柵極，其中PMOS電晶體634的漏極耦接至第一節點633，而PMOS晶體 管636的漏極耦接至第三節點631。由於PMOS電晶體632、 634的源極與柵 極的電位相等，因此PMOS電晶體634的漏極產生的第二存儲單元電流1^， 大小約等於PMOS電晶體632的漏極的第一存儲單元電流1 。同理，PMOS晶 體管636的漏極產生的第三存儲單元電流1^*大小亦等於PMOS電晶體632 的漏極的第一存儲單元電流Uu。第二電流鏡像電路614的功能與配置均與第二電流鏡像電路314相同。 PMOS電晶體642與652、 644與654、 646與656分別為一對電流鏡，依據通 過參考單元606、 608、 610的第一參考電流L,、 IR2、 IR3，而分別於第二節點 635、 637、 639產生大小等於該多個第一參考電流的第二參考電流L， 、 IR2，、 IR3，。第三電流鏡像電路618包括NMOS電晶體623、 624、 625、 626。 NMOS 電晶體623的源極接地，其柵極與漏極耦接至第三節點631，以接收第三存 儲單元電流I』、醒OS電晶體624、 625、 626的源極均接地，其柵極均耦接 至NMOS電晶體623的柵極，其漏極分別耦接至第二節點635、 637、 639。由 於NMOS電晶體623、 624、 625、 626的源極與柵極的電位相等，因此雨OS晶 體管624、 625、 626的漏極自第二節點635、 637、 639汲取的第四存儲單元
電流Uu，，大小約等於NMOS電晶體623的漏極的第三存儲單元電流I。e^，因 此形成了分別通過第二節點635、 637、 639的餘數電流IR1， -、 IR2， -I "、 IR3， -Icell"，其中該多個餘數電流的大小分別為第二參考電流h,， 、 IR2，、 IR3，減去該多個第四存儲單元電流。負栽電路616可分別提供第二存儲單元電流I ,,，與該多個餘數電流IR1， -Leu" 、 V -Un" 、 IR3， -1』，，的相等負載，而分別於第一節點633及該 多個第二節點635、 637、 639產生與該第二存儲單元電流以及該多個餘數電 流的大小成比例的存儲單元電位V^以及參考電位VR1、 VR2、 VR3。由於負載電 路616包括電阻值相等的負載組件662、 664、 666、 668分別耦接於第一節點 633、第二節點635、 637、 639與地電位之間，因此存儲單元電位V u以及參 考電位VK,、V^Va3分別與第二存儲單元電流I^，與該多個餘數電流L/-I。ell"、IR2，-Ice""、W-Ice""的大小成比例。圖7為讀出放大器602所輸出的存儲單元電位V。"與參考電位VR1、 VR2、 VR3對時間的變化圖700。於時段702、 704、 706、 708中，WLOO、 WLOl、 WLIO、 WL11分別被啟用，因此存儲單元604的電阻值分別為電阻性存儲器688、 686、 684與682的阻值。由圖7中可見於時段702、 704、 706、 708中，存儲單元電位V。。n與參考電位Va,、 VF2、 Va3的大小各具有特定的相對關係，此一相對關 系與圖5所示情況不同。由於存儲單元電位V^以及參考電位Va,、 VR2、 Vr3可反映存儲單元604與參考單元606、 608、 610的相對電阻性存儲器值，因此 可通過比較器與編碼器解譯存儲單元電位V^以及參考電位VR1、 VR2、 Vm的相 對關係，以確定存儲單元604的阻值狀態，進而得到存儲單元604存儲的數 據位。另外，由於磁阻性隨機存取存儲器600運用了讀出放大器602於其輸 出電路，因此縮短了存儲單元的讀取時間。圖8為根據本發明的磁阻性隨機存取存儲器800的部分電路圖。除了讀 出放大器802之外，磁阻性隨機存取存儲器800的模塊均與圖6所示的磁阻 性隨機存取存儲器600相同，相同的模塊以相對應的序號標記。磁阻性隨機 存取存儲器800包括一四穩態讀出放大器802，至少一四穩態存儲單元804, 以及參考單元806、 808、 810。讀出放大器802依據存儲單元804的阻值與 參考單元806、 808、 810的阻值，而產生存儲單元電位V^及多個參考電位 VR1、 VR2、 VR3。磁阻性隨機存取存儲器800還包含圖9所示的比較器902、 904、 906與編碼器908。當讀出放大器802產生存儲單元電位V^與參考電位VR1、VR2、 Vr3後，該多個電位可以通過比較器902-906與編碼器908的處理，而解 譯為存儲單元804所存儲的數據位DO與Dl。讀出放大器802包括第一電流鏡像電路812、第二電流鏡像電路814、第 三電流鏡像電路818、以及負栽電路816。除第一電流鏡像電路812以及負栽 電路816外，讀出放大器802的模塊配置均與圖6的讀出放大器602相同。 第一電流鏡像電路812除了接收第一存儲單元電流Iw的PMOS電晶體832， 以及產生大小等於第一存儲單元電流的第三存儲單元電流1 *的PM0S晶體 管836之外，尚包括三個PMOS電晶體834、 837、 838,分別用以產生一大小 等於第一存儲單元電流1^的第二存儲單元電流I"h，。這是由於PMOS晶體 管834、 837、 838的源極均如同PM0S電晶體832的源極般耦接至電壓源Vcc， 其柵極均耦接至PM0S電晶體832的柵極；由於PM0S電晶體832與834、 837、 838的源極與柵極的電位相等，因此PM0S電晶體834、 837、 838的漏極產生 的第二存儲單元電流U大小約等於PM0S電晶體832的漏極的第一存儲單 元電流I函其中PM0S電晶體834、837、838的漏極分別耦接至第一節點833a、 833b、 833c。負載電路816較負載電路616增加了負載組件862、 863、 865，分別耦 接於第二節點833a、 833b、 833c與地電位之間，因此可於第一節點833a、 833b、833c依據第二存儲單元電流Uu，的大小而分別產生存儲單元電位VMl 、 Vcell2、 V 113,其中Vee川、V 112、 Vc的大小相等。接著，比較器902、 904、 906 分別將存儲單元電位V m、 VM112、 V^,3與參考電位VR1、 VR2、 Vw相比較，而產 生比較結果信號D。UT1、 D國、D,。最後，編碼器908則將該多個比較結果信 號D,、 DQUT2、 D,解譯為存儲單元804的阻值所對應的2位數據DO與Dl。由 於磁阻性隨機存取存儲器800的讀出放大器802產生了三個獨立的存儲單元 電位V^、 VeeI12、 V 3，以分別耦接於比較器902、 904、 906的輸入端，因此 讀取時間較磁阻性隨機存取存儲器600更為縮短。因此，本發明的讀出放大器、參考單元、比較器、以及編碼器可構成存 儲器的輸出級電路。當選取存儲單元後，存儲器可經由讀出放大器、比較器、 以及編碼器，而將存儲單元所存儲的阻值狀態轉變為該阻值狀態對應的2位 數據。該輸出級電路並非僅能運用於磁阻性隨機存取存儲器，任何由可變阻 值的存儲單元所組成的存儲器，例如相變存儲器(Phase Change Memory, PCM)，接可運用本發明的輸出級電路，以增進存儲器的效能。此外，本發明
的輸出級電路不限於運用在四穩態的情形。當存儲單元可存儲N位的數據時， 可運用具有2"個穩態的讀出放大器、2N-1個參考單元及比較器，以實現與本 實施例相同的功效。本發明雖以優選實施例公開如上，然其並非用以限定本發明，任何本領 域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可進行更動與修改， 因此本發明的保護範圍以所提出的權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種應用於存儲器的多穩態讀出放大器，耦接至至少一存儲單元以及多個參考單元，其中該存儲單元的阻值為可變，該多穩態讀出放大器其特徵在於包括第一電流鏡像電路，耦接至該存儲單元的輸出端，用以依據通過該存儲單元的第一存儲單元電流，而於第一節點產生大小為該第一存儲單元電流的兩倍的第二存儲單元電流；第二電流鏡像電路，耦接至該多個參考單元的輸出端，用以依據通過該多個參考單元的多個第一參考電流，而分別於多個第二節點產生大小等於該多個第一參考電流的多個第二參考電流；以及負載電路，耦接至該第一節點與該多個第二節點及一地電位，用以分別提供該第二存儲單元電流與該多個第二參考電流的相等負載，而分別於該第一節點與該多個第二節點產生與該第二存儲單元電流以及該多個第二參考電流的大小成比例的存儲單元電位以及多個參考電位。
2. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於 該第 一 電流鏡像電路包括第一p型電晶體，其源極耦接至一電壓源，其柵極與漏極耦接至該存儲 單元的輸出端，用以接收該第一存儲單元電流；以及第二P型電晶體，其源極耦接至該電壓源，其柵極耦接至該第一P型晶 體管的柵極，其漏極耦接至該第一節點，用以產生該第二存儲單元電流。
3. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於 該第二電流鏡像電路包括多個第三P型電晶體，其源極耦接至一電壓源，其柵極與漏極耦接至該 多個參考單元其中之一的輸出端，用以接收該多個第一參考電流其中之一； 以及多個第四P型電晶體，其源極耦接至該電壓源，其柵極耦接至該多個第 三P型電晶體其中之一的柵極，其漏極分別耦接至該多個第二節點其中之一 ， 用以產生該多個第二參考電流其中之一。
4. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於 該負載電路包括第一負栽組件，耦接於該第一節點與該地電位之間，用以接收該第二存 儲單元電流，以產生該存儲單元電位；以及多個的第二負載組件，分別耦接於該多個第二節點與該地電位之間，用 以接收該多個第二參考電流，以分別產生該多個參考電位。
5. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於 該第一電流鏡像電路與該存儲單元的輸出端之間還耦接一源極跟隨器，以產 生該第一存儲單元電流。
6. 如權利要求5所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於 該第二電流鏡像電路與該多個參考單元的輸出端之間還耦接一源極跟隨電 路，以產生該多個第一參考電流。
7. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於 該存儲單元為具有2"種穩定阻值狀態的磁阻性隨機存取存儲器單元，而該多 個參考單元的數目為2N-1個且具有不同的阻值，其中N為該存儲單元存儲的 位數。
8. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於 該存儲單元為具有2W種穩定阻值狀態的電阻性存儲器單元。
9. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於 每一該多個參考單元可由兩電阻性存儲器相聯於該參考單元的輸出端與一地 電位之間而形成，該兩電阻性存儲器分別對應於該存儲單元的2"種穩定阻值 的其中之一，其中N為該存儲單元存儲的位數。
10. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該多穩態讀出放大器還耦接至至少一比較器，該至少一比較器將該存儲單 元電位與該多個參考電位其中之一相比較，而產生至少一比較結果信號。
11. 如權利要求IO所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該至少 一 比較器還耦接至至少 一編碼器，該至少 一編碼器將該至少 一比較 結果信號解譯為該存儲單元所對應位的數據。
12. 如權利要求1所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該第 一存儲單元電流由該存儲單元的阻值決定，而該多個第 一參考電流分 別由該多個參考單元的阻值決定。
13. —種應用於存儲器的多穩態讀出放大器，耦接至至少一存儲單元以及 多個參考單元，其中該存儲單元的阻值為可變，該多穩態讀出放大器其特徵在於包括第 一電流鏡像電路，耦接至該存儲單元的輸出端，用以依據通過該存儲 單元的第一存儲單元電流，而分別於一第一節點與一第三節點產生大小等於 該第 一存儲單元電流的至少 一第二存儲單元電流與 一第三記單元電流；第二電流4竟^f象電路，耦接至該多個參考單元的輸出端，用以依據通過該 多個參考單元的多個第一參考電流，而於多個第二節點分別產生大小等於該 多個第 一參考電流的多個第二參考電流；第三電流鏡像電路，耦接至該第三節點與該多個第二節點，用以自該多 個第二節點分別汲取大小等於該第三存儲單元電流的多個第四存儲單元電流，以形成分別通過該多個第二節點的多個餘數電流，其中該多個餘數電流 的大小分別為該多個第二參考電流減去該多個第四存儲單元電流；以及負載電路，耦接至該第一節點與該多個第二節點與一地電位，用以分別 提供該第二存儲單元電流與該多個餘數電流的負載，而分別於該第 一節點與 該多個第二節點產生與該第二存儲單元電流以及該多個餘數電流的大小成比 例的至少 一 存儲單元電位以及多個參考電位。
14. 如權利要求13所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該第 一 電流鏡像電路包括第一P型電晶體，其源極耦接至一電壓源，其柵極與漏極耦接至該存儲 單元的輸出端，用以接收該第 一存*者單元電流；第二P型電晶體，其源極耦接至該電壓源，其柵極耦接至該第一P型晶 體管的柵極，其漏極耦接至該第一節點，用以產生該第二存儲單元電流；以 及第三P型電晶體，其源極耦接至該電壓源，其柵極耦接至該該第一P型 電晶體的柵極，其漏極耦接至該第三節點，用以產生該第三存儲單元電流。
15. 如權利要求13所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該第二電流鏡像電路包括多個第四p型電晶體，其源衝及耦接至一電壓源，其柵極與漏極耦接至該多個參考單元其中之一的輸出端，用以接收該多個第一參考電流其中之一； 以及多個第五P型電晶體，其源極耦接至該電壓源，其柵極耦接至該多個第 四P型電晶體其中之一的柵極，其漏極分別耦接至該多個第二節點其中之一 ， 分別用以產生該多個第二參考電流其中之一 。
16. 如權利要求1 3所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在於該第三電流鏡像電路包括第一N型品休營，其源極耦接至一地電位，其柵板與漏極耦接至該第三 節點，用以接收該第三存儲單元電流；以及多個第二N型電晶體，其源極皆耦接至該地電位，其柵極皆耦接至該第一N型電晶體的柵極，其漏極分別耦接至該多個第二節點其中之一，用以分別自該多個第二節點其中之一，汲取大小等於該第三存儲單元電流的該多個 第四存儲單元電流。
17. 如權利要求13所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其中該負 載電路其特徵在於包括第一負載組件，耦接於該第一節點與該地電位之間，用以接收該第二存 儲單元電流，以產生該存儲單元電位；以及第二負載組件，分別耦接於該多個第二節點與該地電位之間，用以接收 該多個餘數電流，以分別產生該多個參考電位。
18. 如權利要求13所述.的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該第一電流鏡像電路與該存儲單元的輸出端之間還耦接一源極跟隨器，以 產生該第 一存儲單元電流。
19. 如權利要求18所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該第二電流鏡像電路與該多個參考單元的輸出端之間還耦接一源極跟隨電 路，用以限定該多個參考單元的輸出端的電壓，而使跨越過該多個參考單元 的電位差與跨越過該存儲單元的電位差保持相同，以產生該多個第一參考電流。
20. 如權利要求13所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該存儲單元為具有2"種穩定阻值狀態的磁阻性隨機存取存儲器單元，而該 多個參考單元的數目為2N-1個且具有不同的阻值，其中N為該存儲單元存儲的位數。
21. 如權利要求13所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該存儲單元為具有2"種穩定阻值狀態的電阻性存儲器單元，而該多個參考 單元的數目為2N-1個且具有不同的阻值，其中N為該存儲單元存儲的位數。
22. 如權利要求13所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 電^立之間而形成。
23.如權利要求1 3所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 千該多穩態讀出放大器還耦接至至少 一比較器，該至少 一比較器將該存儲單 元電位與該多個參考電位其中之一相比較，而產生至少一比較結果信號。
24. 如權利要求23所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該至少一比較器還耦接至至少一編碼器，該至少一編碼器將該至少一比較 結果信號編碼為該存儲單元的阻值所對應的N位的數據。
25. 如權利要求13所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該第 一存儲單元電流由該存儲單元的阻值決定，而該多個第 一參考電流分 別由該多個參考單元的阻值決定。
26. 如權利要求13所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該至少一第一節點為多個第一節點，該至少一第二存儲單元電流為多個第 二存儲單元電流，而至少一存儲單元電位為多個存儲單元電位。
27. 如權利要求26所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該第 一 電流鏡像電路包括第一P型電晶體，其源極耦接至一電壓源，其柵極與漏極耦接至該存儲 單元的輸出端，用以接收該第 一存儲單元電流；多個第二P型電晶體，其源極皆耦接至該電壓源，其柵極皆耦接至該第 一P型電晶體的柵極，其漏極耦接至該多個第一節點其中之一，用以產生該多個第二存儲單元電流其中之一；以及第三P型電晶體，其源極耦接至該電壓源，其柵極耦接至該該第一P型 電晶體的柵極，其漏極耦接至該第三節點，用以產生該第三存儲單元電流。
28. 如權利要求26所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該負載電路包括多個的第一負載組件，耦接於該多個第一節點其中之一與一地電位之間， 用以產生該多個存儲單元電位其中之一；以及多個的第二負載組件，分別耦接於該多個第二節點與該地電位之間，用 以分別產生該多個參考電位。
29. 如權利要求26所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 於該多穩態讀出放大器還耦接至至少 一比較器，該至少 一比較器將該多個存 儲單元電位其中之一與該多個參考電位其中之一相比較，而分別產生至少一 比較結果信號。
30.如權利要求29所述的應用於存儲器的多穩態讀出放大器，其特徵在 子該至少一比較器還耦接至至少一編碼器，該至少一編碼器將該至少一比較 結果信號編碼為該存儲單元所對應的數據。
全文摘要
本發明提供一種應用於存儲器的多穩態讀出放大器，耦接至至少一存儲單元以及多個參考單元，其中該存儲單元的阻值為可變。該多穩態讀出放大器包括第一電流鏡像電路，耦接至該存儲單元的輸出端，用以產生大小為通過該存儲單元的第一存儲單元電流的兩倍的第二存儲單元電流；第二電流鏡像電路，耦接至該多個參考單元的輸出端，用以分別產生大小等於通過該多個參考單元的多個第一參考電流的多個第二參考電流；以及負載電路，耦接至該第一電流鏡像電路與該第二電流鏡像電路，用以分別提供該第二存儲單元電流與該多個第二參考電流的相等負載，而分別產生與該第二存儲單元電流以及該多個第二參考電流的大小成比例的存儲單元電位以及多個參考電位。
文檔編號G11C11/56GK101131865SQ20061012157
公開日2008年2月27日 申請日期2006年8月23日 優先權日2006年8月23日
發明者張嘉伯, 林志升, 王敏全, 蘇耿立 申請人:財團法人工業技術研究院