[发明专利]用于STT MRAM的对称差分感测方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于存储单元的感测放大器的方法和系统。更具体而言，本发明涉及用于改进用于存储单元的的感测放大器的读取能力，尤其是用于自旋转移矩磁随机存取存储器（STT MRAM）单元的感测放大器的读取能力的方法和系统。

背景技术

磁阻随机存取存储器（MRAM）是一种非易失随机存取存储器，其通过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）的场则被配置为与外部场的情况匹配，以存储数据。这种配置为被称为自旋阀门，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。

通过测量所述单元的电阻来实现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，所述晶体管将电流经由所述单元从位线切换到接地。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”，以及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“0”。

现在参考图1，其示出了一种用于感测诸如自旋转移矩磁阻随机存取存储器（STT MRAM）单元的磁存储单元12的常规系统10的示范性示意图。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、来自存储单元12的单元电流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。

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成输出节点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。 属于所述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常规上由具有精确控制的栅极电压的NMOS晶体管或者由所谓的参考单元（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。通过PMOS电流反射镜14、16将这一参考电流24同时镜像到单元输出节点30。 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处的电压大约在低于VDD的PMOS晶体管16的一个阈值电压下保持固定。比较单元输出节点30和参考输出节点32之间的电压差，并通过后续的差分闩锁电路（未示出）将该电压差放大到全CMOS电平。

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的差（也被称为读取窗口）较小，那么现有技术感测系统10的两个主要问题是镜像参考电流Iref mir 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。

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的和参考电流源22的不同电压，其中，所述参考电流源22也可以是预先调节的STT-MRAM单元。对于两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。