專利名稱：讀取方法和感測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有形式為駐極體或鐵電電容器的存儲(chǔ)單元的無(wú)源矩陣可尋址鐵電或駐極體存儲(chǔ)器陣列中存儲(chǔ)單元的讀取方法，其中該存儲(chǔ)單元位于第一和第二組各個(gè)平行電極的交點(diǎn)，該第一組形成字線(WL)，第二組形成位線(BL)，其中該字線和位線連接到驅(qū)動(dòng)裝置，其中該位線連接到用于測(cè)量流過(guò)該位線的電荷的感測(cè)裝置，其中該感測(cè)裝置感測(cè)與通常為二進(jìn)制1或二進(jìn)制0的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的電流響應(yīng)。
本發(fā)明還涉及用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的感測(cè)裝置，其中該感測(cè)裝置用于讀取存儲(chǔ)于包括形式為駐極體或鐵電電容器的存儲(chǔ)單元的無(wú)源矩陣存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，其中該存儲(chǔ)單元位于第一和第二組各個(gè)平行電極的交點(diǎn)，該第一組形成字線(WL)，第二組形成位線(BL)，其中該字線和位線連接到驅(qū)動(dòng)裝置，其中該位線連接到用于測(cè)量流過(guò)該位線的電荷的感測(cè)裝置，其中該感測(cè)裝置感測(cè)與通常為二進(jìn)制1或二進(jìn)制0的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的電流響應(yīng)，其中該感測(cè)裝置包括第一放大器級(jí)(A1)，其具有由第一增益和第一帶寬的第一放大器組成的積分器電路。
近年來(lái)已經(jīng)演示了非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其中各個(gè)信息位以極化態(tài)存儲(chǔ)于電學(xué)可極化材料的局部體積元件內(nèi)。這種類型的材料稱為駐極體或鐵電材料。形式上，鐵電材料是駐極體材料的子類，并能夠自發(fā)極化為正或負(fù)永久極化態(tài)。通過(guò)施加恰當(dāng)極性的電場(chǎng)，還可以誘導(dǎo)該極化態(tài)之間的切換。由于這種材料在無(wú)外部施加電場(chǎng)的情況下仍保持極化，由此實(shí)現(xiàn)非易失性。極化態(tài)之一視為邏輯“1”，另一個(gè)視為邏輯“0”。這被應(yīng)用于存儲(chǔ)單元，其中鐵電或駐極體材料即存儲(chǔ)材料與可以對(duì)存儲(chǔ)材料施加電壓的至少兩個(gè)分離電極連接。
存儲(chǔ)單元通常布置成陣列，其中存儲(chǔ)單元定義于位于兩個(gè)分離電極的交點(diǎn)的存儲(chǔ)材料部分，一個(gè)電極稱為位線，另一個(gè)稱為字線。相互交叉的多個(gè)位線和字線形成沿各個(gè)位線和字線具有多個(gè)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器陣列或存儲(chǔ)器矩陣。這種類型的存儲(chǔ)器矩陣為有源或無(wú)源類型。有源矩陣中存在有源元件，例如連接到各個(gè)存儲(chǔ)單元的晶體管，而無(wú)源矩陣布置的存儲(chǔ)裝置中不存在這種元件。無(wú)源矩陣使制造簡(jiǎn)化且可實(shí)現(xiàn)高的集成度，但是這是以產(chǎn)生與這些單元相關(guān)的不同類型的干擾為代價(jià)，所述這些單元沒(méi)有相互電學(xué)隔離并共享公共電極。在下文中側(cè)重于無(wú)源矩陣存儲(chǔ)器。
在無(wú)源矩陣存儲(chǔ)裝置中，通常存在能夠設(shè)置和控制存儲(chǔ)單元上的電壓的位線和字線。在讀取時(shí)感測(cè)裝置用于檢測(cè)和寄存釋放的電荷，該感測(cè)裝置通常為連接到位線的讀出放大器的形式，即，當(dāng)讀取存儲(chǔ)單元時(shí)，感測(cè)位線電流。由時(shí)序圖定義并給出電極電壓，該時(shí)序圖也稱為脈沖協(xié)議，其給出電極上的電勢(shì)以及電勢(shì)隨時(shí)間的變化，例如在寫(xiě)入和讀取時(shí)。
由于讀取時(shí)從存儲(chǔ)單元釋放的信號(hào)電流相對(duì)較小，過(guò)去主要關(guān)心的是減小也稱為寄生電流的掩蔽電流(masking current)，并改善信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量，從而能夠更好地確定讀出數(shù)值代表哪個(gè)邏輯狀態(tài)。
已經(jīng)提出針對(duì)寄生電流的多種補(bǔ)救，許多這些補(bǔ)救可以組合使用。減小讀取時(shí)的寄生電流的一個(gè)方法為應(yīng)用所謂的“全行讀取”脈沖協(xié)議，其中沿字線的所有單元同時(shí)接收開(kāi)關(guān)電壓，并因此被并行地讀取。這使得可以實(shí)現(xiàn)未被讀取單元即未尋址單元上的零部分電壓。這種情況下的未尋址單元是指其他字線中的單元，這是因?yàn)樵谌凶x取期間不存在未尋址的位線。在本申請(qǐng)人的國(guó)際公開(kāi)專利申請(qǐng)WO03/046923中披露了用于全行讀取的脈沖協(xié)議。
通過(guò)結(jié)合時(shí)序圖布置和操作感測(cè)裝置的不同方法，還解決了該寄生問(wèn)題，從而提供可靠的讀取信號(hào)。一種公知的方法為“雙讀取，雙感測(cè)”，這與合適的感測(cè)裝置一起披露于本申請(qǐng)人的挪威專利No.。通過(guò)使用有效的電荷參考并在感測(cè)裝置中使用讀出放大器，由此可以進(jìn)一步提高信噪比，例如本申請(qǐng)人的國(guó)際專利申請(qǐng)2004/086406中使用贗差分讀出放大器所披露的。
概言之，有各種方法減小來(lái)自相關(guān)類型的無(wú)源矩陣存儲(chǔ)器的讀出數(shù)值中的噪聲，在上文中已經(jīng)提到這些方法中的部分方法?，F(xiàn)有提議中主要側(cè)重于減小寄生電流的影響以及用于寄生電流為讀取期間主要噪聲因素的系統(tǒng)。然而，當(dāng)寄生電流作為主要噪聲貢獻(xiàn)者而消除時(shí)，將必須考慮并相應(yīng)地處理其他噪聲源，特別是當(dāng)進(jìn)一步改善來(lái)自無(wú)源存儲(chǔ)裝置的讀出數(shù)值的信噪比仍很重要時(shí)。
這些其他噪聲源包括，通過(guò)例如施加電壓脈沖協(xié)議從而減小主要由無(wú)源矩陣可尋址鐵電存儲(chǔ)器中寄生耦合引起的寄生電流和雜散電容的影響，特別是當(dāng)其尺寸增大而在陣列內(nèi)包含百萬(wàn)個(gè)存儲(chǔ)單元以及數(shù)千個(gè)所述單元的并行訪問(wèn)時(shí)，所無(wú)法減小的顯著噪聲源。同樣具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)為減小或消除在感測(cè)和采樣裝置內(nèi)產(chǎn)生的噪聲，該感測(cè)和采樣裝置即為用于積分和放大在連接尋址存儲(chǔ)單元和讀出放大器的位線內(nèi)流過(guò)的檢測(cè)電流或電荷的讀出放大器。這種噪聲包括采樣噪聲，即由讀出放大器和關(guān)聯(lián)電路產(chǎn)生的熱噪聲，以及偏移噪聲，即在采樣步驟內(nèi)引入的電壓偏差。在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于由感測(cè)和采樣電路產(chǎn)生的噪聲的認(rèn)知程度非常膚淺。然而，這種噪聲會(huì)顯著地影響來(lái)自鐵電或駐極體存儲(chǔ)器的讀出中的誤碼率。
因此本發(fā)明的主要目標(biāo)是改善來(lái)自無(wú)源矩陣可尋址鐵電或駐極體存儲(chǔ)器的讀出數(shù)值中的信噪比。更具體而言，本發(fā)明主要目標(biāo)是減小采樣噪聲以及感測(cè)裝置的電壓噪聲(偏移噪聲)。最后，本發(fā)明的目標(biāo)為提供一種感測(cè)裝置，其能夠減小或消除特別是感測(cè)和采樣操作中出現(xiàn)的任何噪聲。
通過(guò)根據(jù)本發(fā)明以及由權(quán)利要求1所表征的方法，并通過(guò)根據(jù)本發(fā)明以及由權(quán)利要求4所表征的裝置，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目標(biāo)以及其他特征和優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)在將結(jié)合附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，附圖中

圖1示出了相關(guān)存儲(chǔ)器材料的示意性磁滯曲線；圖2a為布置成矩陣的字線和位線電極的原理圖；圖2b為形式為位于字線和位線電極交點(diǎn)的鐵電或駐極體電容器的存儲(chǔ)單元的原理圖；圖3為典型無(wú)源矩陣可尋址存儲(chǔ)裝置中結(jié)構(gòu)和功能元件的原理方框圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中已知的感測(cè)裝置的電路圖；圖5的曲線圖給出了當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)的感測(cè)裝置根據(jù)已知方法工作時(shí)信號(hào)特性的示例；圖6為根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例的流程圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明的感測(cè)裝置的優(yōu)選實(shí)施例的電路圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明的感測(cè)裝置的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的電路圖；以及圖9的曲線圖給出了當(dāng)感測(cè)裝置根據(jù)本發(fā)明工作時(shí)具有改進(jìn)信噪比的信號(hào)特性的示例。
在參照優(yōu)選實(shí)施例解釋本發(fā)明之前，特別結(jié)合鐵電和駐極體材料的磁滯曲線以及相關(guān)無(wú)源矩陣可尋址存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)，給出一般背景的簡(jiǎn)要概述。
參照?qǐng)D1，具有磁滯曲線100的材料，通常為鐵電或駐極體材料，當(dāng)施加的電場(chǎng)超過(guò)矯頑磁場(chǎng)時(shí)改變其極化方向。為了方便，該磁滯曲線的橫坐標(biāo)示為電壓而非電場(chǎng)。通過(guò)將矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)度EC乘以材料層的厚度，由此計(jì)算矯頑電壓VC。只要交點(diǎn)即存儲(chǔ)單元經(jīng)歷標(biāo)稱切換電壓VS，則出現(xiàn)飽和極化PS。一旦電場(chǎng)撤除，極化將返回到兩個(gè)剩余極化態(tài)PR101和-PR102之一。剩余極化態(tài)之一通常表示存儲(chǔ)邏輯“0”，而另一個(gè)表示存儲(chǔ)邏輯“1”，由此提供了非易失性存儲(chǔ)器功能。
圖2a示出了正交電極線的矩陣。為了符合標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)，因此將水平(行)電極線稱為字線200，簡(jiǎn)寫(xiě)為WL，將垂直(列)電極線稱為位線210，簡(jiǎn)寫(xiě)為BL。相關(guān)類型的存儲(chǔ)器材料設(shè)置于字線和位線的交點(diǎn)，通常設(shè)置為位線和字線電極兩層之間的鐵電或駐極體材料薄膜層。在驅(qū)動(dòng)和感測(cè)操作期間，選定的字線201和位線211被激勵(lì)并設(shè)置為預(yù)定電勢(shì)組，使得差值等于標(biāo)稱切換電壓VS。通過(guò)操作尋址的存儲(chǔ)單元位于有源位線和有源字線的交點(diǎn)。需要足夠高以切換尋址單元的電壓，以用于定義該單元內(nèi)特定的極化方向(寫(xiě)入)，或者用于監(jiān)視該預(yù)設(shè)極化方向(讀取)。同時(shí)，在目前未被尋址的單元220處交叉的許多字線200和位線210的電勢(shì)需要被控制，使得在這些單元220處的干擾電壓保持為最小值。位于電極之間的鐵電材料層的作用類似鐵電電容器221，如圖2b所示。在讀取時(shí)，已知極性的標(biāo)稱切換電壓施加到尋址單元。這導(dǎo)致所涉及的存儲(chǔ)單元的極化切換或“翻轉(zhuǎn)”，取決于該單元內(nèi)先前存儲(chǔ)/設(shè)置的邏輯值，即極化狀態(tài)。極化切換導(dǎo)致多于非切換的電荷釋放，所述非切換用于檢測(cè)在何處感測(cè)和測(cè)量到與該尋址單元相交的位線內(nèi)流動(dòng)的電荷。
如前所述的存儲(chǔ)單元的布置通常稱為無(wú)源矩陣。“無(wú)源”是指沒(méi)有有源元件連接到矩陣內(nèi)的存儲(chǔ)單元。前述類型的無(wú)源結(jié)構(gòu)使得制造簡(jiǎn)化，且實(shí)現(xiàn)高密度的交點(diǎn)即存儲(chǔ)單元。鐵電或駐極體材料的存儲(chǔ)單元的一般性問(wèn)題為，從切換存儲(chǔ)單元釋放的電流相對(duì)較小。這使得信號(hào)對(duì)噪聲敏感。例如，從面積為0.0625μm2的存儲(chǔ)單元釋放的電荷通常約為20fC。由于來(lái)自未尋址存儲(chǔ)單元的影響，相對(duì)小的信號(hào)電流對(duì)于無(wú)源矩陣布置的存儲(chǔ)單元成為顯著問(wèn)題。尋址的存儲(chǔ)單元例如可以與數(shù)千個(gè)其他存儲(chǔ)單元共享位線和字線，這引起干擾和噪聲。未尋址存儲(chǔ)單元在工作期間接收部分電壓和所謂的“干擾電壓”，這反過(guò)來(lái)導(dǎo)致所謂的“寄生電流”，即在位線上累積并可能掩蔽來(lái)自尋址單元的電流響應(yīng)的不期望的延續(xù)電流(lingering current)。
以廣義的方式概述典型無(wú)源矩陣可尋址存儲(chǔ)裝置的總體功能和結(jié)構(gòu)是有用的。
圖3以簡(jiǎn)化方框圖形式示出了與本發(fā)明相關(guān)的典型無(wú)源矩陣可尋址存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)和功能元件。存儲(chǔ)器宏(memory macro)310由存儲(chǔ)器陣列300；行(字線)和列(位線)解碼器302，301；感測(cè)裝置303以及數(shù)據(jù)鎖存器304構(gòu)成。存儲(chǔ)器陣列300包含字線200和位線210的矩陣。行和列解碼器302，301解碼該存儲(chǔ)單元的地址，而由感測(cè)裝置303執(zhí)行感測(cè)。數(shù)據(jù)鎖存器304保持該數(shù)據(jù)，直到部分或所有該數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)控制邏輯320。存儲(chǔ)器控制邏輯可以控制多個(gè)存儲(chǔ)器宏310。存儲(chǔ)器控制邏輯320模塊為存儲(chǔ)器宏310提供數(shù)字接口，并控制存儲(chǔ)器陣列300的讀取和寫(xiě)入。
用于相關(guān)類型無(wú)源矩陣可尋址存儲(chǔ)器的主要讀取方法之一目前主要是基于所謂的雙讀取原理。矩陣內(nèi)位線中存儲(chǔ)單元的雙讀取可以簡(jiǎn)述如下。位線和字線接收無(wú)單元切換能力的所謂的預(yù)充電電壓電平。開(kāi)始感測(cè)電荷，隨后電壓電平從預(yù)充電狀態(tài)轉(zhuǎn)變到讀取狀態(tài)，使得具有切換能力的讀取電壓施加于待讀取的存儲(chǔ)單元上。第一讀取數(shù)值被寄存，通常被采樣。之后，電壓電平通常返回到預(yù)充電狀態(tài)且感測(cè)裝置復(fù)位，隨后該過(guò)程重復(fù)，形成第二讀取數(shù)值。由于第一讀取保證尋址存儲(chǔ)單元已經(jīng)切換到由預(yù)定讀取電壓的極性指定的方向，因此第二讀取數(shù)值將不會(huì)包括從極化切換釋放的電荷。從第一數(shù)值減去第二數(shù)值形成讀出數(shù)值，該數(shù)值隨后用于確定讀取單元的邏輯狀態(tài)。目的當(dāng)然是在該減法中消除該信號(hào)內(nèi)不期望的貢獻(xiàn)，例如在兩次讀取期間相同的寄生電流，使得讀出數(shù)值僅代表從讀取單元釋放的電荷。然而在實(shí)踐中，讀出數(shù)值總是存在某種程度的不確定，例如在兩個(gè)讀取數(shù)值中存在沒(méi)有被徹底消除的寄生電流的貢獻(xiàn)，或者非線性地可能存在源于先前操作的延續(xù)寄生電流。此外，釋放電荷的數(shù)量將通常依賴于存儲(chǔ)器的尋址歷史，因此經(jīng)常需要使用某種可變的參考閾值電平以確定讀出數(shù)值代表的邏輯數(shù)值。
圖4示出了可以用于實(shí)施雙讀取的感測(cè)裝置的主要功能元件。圖4中的讀取裝置包括為積分器電路的第一放大器級(jí)A1，其包括優(yōu)選為讀出放大器的放大器415，反饋電容器414位于反相輸入411和輸出416之間。反饋電容器414具有與其并聯(lián)的開(kāi)關(guān)413，用于將該放大器在積分器模式和電壓跟隨器模式之間切換。位線BL連接到放大器的反相輸入411，預(yù)定參考電壓REF作用于非反相輸入412。來(lái)自積分器的第一和第二讀取數(shù)值分別存儲(chǔ)于第一和第二采樣保持電路421，422。存儲(chǔ)于采樣保持電路421內(nèi)的讀取數(shù)值饋送到比較器電路425的非反相輸入423，而存儲(chǔ)于采樣保持電路422內(nèi)的讀取數(shù)值饋送到比較器的反相輸入424。該比較器比較這兩個(gè)讀取數(shù)值，并產(chǎn)生代表讀出數(shù)值的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)Dout。Dout數(shù)值隨后用于產(chǎn)生邏輯值，該邏輯值通過(guò)鎖存器通常可為存儲(chǔ)裝置的其余部分例如存儲(chǔ)控制器得到。
應(yīng)該注意，圖4中的裝置可以實(shí)施除了雙讀取之外的其他方法，且雙讀取也可以由圖示以外的其他裝置實(shí)施。然而，大多數(shù)公知的相關(guān)類型的讀取裝置利用積分器電路的優(yōu)點(diǎn)，通常為積分器模式中的讀出放大器。該積分器通常使用開(kāi)關(guān)被激勵(lì)/去激勵(lì)，該開(kāi)關(guān)在閉合狀態(tài)下使得反饋電容器旁路并將放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷焊S器。
圖5現(xiàn)在示出了相關(guān)類型無(wú)源矩陣中存儲(chǔ)單元的典型讀取的第一部分期間，積分器/讀出放大器輸出的典型信號(hào)特性。該輸出對(duì)應(yīng)于圖4裝置的節(jié)點(diǎn)416。在雙讀取情形中，圖5中的信號(hào)特性僅示出了直到第一讀取數(shù)值被寄存的時(shí)間點(diǎn)的情形。該信號(hào)電平已經(jīng)被歸一化，使得輸出開(kāi)始于零電壓，隨后由于負(fù)反饋而負(fù)數(shù)增大。在時(shí)間t1之前，例如在t0，施加于電極的電壓電平導(dǎo)致存儲(chǔ)單元上的預(yù)充電電壓，且不存在具有切換能力的單元電壓。在預(yù)充電時(shí)，不被讀取的單元上的單元電壓通常與在稍后施加讀取單元電壓期間相同。在時(shí)間t1開(kāi)始電荷測(cè)量。使用圖4所示裝置，這意味著開(kāi)關(guān)413斷開(kāi)且積分開(kāi)始。由于待檢測(cè)信號(hào)的本質(zhì)和小尺寸，放大器415需要提供相對(duì)高的放大和高的帶寬。由此產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)為放大器415輸入上的噪聲也被放大，導(dǎo)致信噪比退化，如圖5中示為在點(diǎn)t1信號(hào)特性中無(wú)法預(yù)計(jì)的幅值突然變化。經(jīng)常發(fā)生的情況為，來(lái)自開(kāi)關(guān)413的熱噪聲以及來(lái)自放大器415的偏移和熱噪聲一起被位線中的電容采樣，且隨后被放大(也稱為kT/C噪聲)。由于該無(wú)法預(yù)計(jì)的幅值，源于此的噪聲無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)雙讀取方法補(bǔ)償。然而，在采用雙讀取的現(xiàn)有情形中，主要的問(wèn)題為源于寄生電流的噪聲，且在這些情形中，偏移和熱噪聲的所述貢獻(xiàn)被認(rèn)為較小且可忽略。t1和t3(以及隨后在t3之后)之間信號(hào)的斜率代表由于實(shí)踐限制引起的可能的泄漏。在時(shí)間t3，施加讀取電平信號(hào)，即，待讀取單元接收具有切換能力的電壓。這可以通過(guò)“激勵(lì)”字線實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，意味著字線電勢(shì)升高，使得特定字線內(nèi)的所有單元同時(shí)接收切換電壓，即，該特定字線內(nèi)的所有單元按照“全行讀取”的方式被并行地尋址和讀取。當(dāng)耦合到電荷測(cè)量裝置的位線內(nèi)的單元接收具有切換能力的脈沖時(shí)，可能出現(xiàn)兩種情形。具有切換能力的脈沖將單元切換到與其所處方向相反的反相，且結(jié)果為電荷釋放相對(duì)較大，該電荷釋放如圖5中時(shí)間t3之后曲線的下部所示，或者備選的情形為，未切換單元僅具有較小的電荷釋放，如圖5中時(shí)間t3之后曲線的上部所示。為了確定發(fā)生哪種情形，通常在點(diǎn)t3之后，例如在t4采樣該信號(hào)。在雙讀取中，這將代表第一讀取數(shù)值，該第一讀取數(shù)值在圖4中將存儲(chǔ)于采樣保持電路421或422之一內(nèi)。應(yīng)該注意，在點(diǎn)t4的采樣數(shù)值將包含在t1貢獻(xiàn)的噪聲。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在某些情形，讀出數(shù)值中的界定因素為在本申請(qǐng)引言中提到的無(wú)法預(yù)計(jì)采樣和讀出放大器偏移噪聲以及圖5中在t3發(fā)生的結(jié)果信號(hào)變化，如前所述。當(dāng)讀出放大器在圖5中在t1從預(yù)充電轉(zhuǎn)變到積分模式時(shí)，產(chǎn)生采樣噪聲。該采樣噪聲為由讀出放大器本身以及復(fù)位開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的熱噪聲，且被位線電容采樣以形成圖5中在t2所示的噪聲輸出。這里，讀出放大器轉(zhuǎn)變到積分模式，且在t3，反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(switching field)施加于存儲(chǔ)單元。在連接存儲(chǔ)單元和讀出放大器的位線內(nèi)流動(dòng)的電荷被讀出放大器檢測(cè)并積分。積分輸出信號(hào)隨后例如在圖5中在t4鎖存到數(shù)據(jù)線。同樣，當(dāng)沒(méi)有切換電壓施加到存儲(chǔ)單元時(shí)，所謂的偏移噪聲在讀出放大器內(nèi)產(chǎn)生，并在輸出表現(xiàn)為變化的噪聲電壓。也稱為kT/C噪聲的該采樣噪聲，以及偏移同時(shí)使感測(cè)和積分電路的信噪比退化，這反過(guò)來(lái)會(huì)增大存儲(chǔ)裝置的誤碼率(BER)。無(wú)法預(yù)計(jì)的噪聲因此限制了信噪比，由此使得確定讀出數(shù)值代表哪一個(gè)邏輯數(shù)值變得復(fù)雜。在這些情形中，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)利用“雙采樣”方法替代公知的雙讀取方法，可以改善信噪比。在雙采樣中，在電荷測(cè)量開(kāi)始之后進(jìn)行第一采樣，例如在積分開(kāi)始之后，但是在施加具有切換能力的讀取脈沖之前。在施加具有切換能力的讀取電壓之后進(jìn)行第二采樣?；貋?lái)參照?qǐng)D5，這意味著第一采樣在介于t1和t3之間的t2進(jìn)行，第二采樣在t4(位于雙讀取中第一采樣的點(diǎn))進(jìn)行。在雙采樣中，在t2采樣無(wú)法預(yù)計(jì)的偏移的貢獻(xiàn)，隨后從在t3進(jìn)行的采樣中扣除該貢獻(xiàn)，因此形成噪聲減小的讀出數(shù)值。優(yōu)選地在寄生電流貢獻(xiàn)不是主要時(shí)使用雙采樣方法，然而該方法可以與雙讀取組合用于“雙讀取，雙采樣”方法，其中雙采樣應(yīng)用于雙讀取中的各個(gè)讀取，即，雙采樣減小偏移和熱噪聲，而雙讀取主要減小來(lái)自寄生電流的噪聲貢獻(xiàn)。
圖6示出了用于根據(jù)本發(fā)明感測(cè)裝置的雙采樣方法的優(yōu)選實(shí)施例。在第一步驟601，預(yù)充電讀取電平電壓施加到無(wú)源矩陣存儲(chǔ)單元，沒(méi)有單元接收具有切換能力的電壓。之后，在602開(kāi)始電荷測(cè)量，隨后進(jìn)行步驟603，其中執(zhí)行對(duì)來(lái)自該電荷測(cè)量的第一數(shù)值的寄存，即進(jìn)行第一采樣。在隨后步驟604中，電壓電平被平移，使得具有切換能力的讀取電壓施加于待讀取單元上。接著，在步驟605，寄存來(lái)自該電荷測(cè)量的第二數(shù)值，即進(jìn)行第二采樣。隨后通過(guò)從第二寄存數(shù)值中扣除第一寄存數(shù)值，在步驟606內(nèi)形成讀出數(shù)值。該結(jié)果當(dāng)然是具有改進(jìn)信噪比的讀出數(shù)值。
應(yīng)該注意，如圖4所示為放大器級(jí)A1的感測(cè)裝置也可以用于實(shí)施該雙采樣方法。然而，直接采樣來(lái)自單級(jí)的高帶寬和高增益放大器例如圖4中放大器415的輸出，可能會(huì)形成讀出信號(hào)中高電平的噪聲，盡管采用了雙采樣方法。本發(fā)明通過(guò)在第一放大器級(jí)(A1)后引入第二放大器級(jí)(A2)，教導(dǎo)了一種實(shí)施雙采樣方法的更好方式。第二級(jí)內(nèi)的放大器與第一級(jí)內(nèi)的放大器匹配，但是具有低的帶寬和低的增益。通常，如果第一級(jí)增益約為1000，則第二級(jí)增益通常約為10。
圖7以電路圖形式示出了用于實(shí)施雙采樣的讀取裝置的優(yōu)選實(shí)施例。第一放大器級(jí)A1由優(yōu)選地為讀出放大器的放大器715組成，反饋電容器714位于反相輸入711和輸出716之間。反饋電容器714具有并聯(lián)的開(kāi)關(guān)713，用于在積分器模式和電壓跟隨器模式之間切換該放大器。位線BL連接到放大器的反相輸入714，且預(yù)定參考電壓REF施加到非反相輸入713。第一級(jí)的輸出716耦合到第二放大器級(jí)A2。第二放大器的輸入連接到采樣電容器721，該采樣電容器與放大器725的非反相輸入722串聯(lián)。放大器725的增益和帶寬小于第一級(jí)放大器715的增益和帶寬，此外兩個(gè)放大器級(jí)A1和A2優(yōu)選地根據(jù)本領(lǐng)域中已知的方式在設(shè)計(jì)上相互匹配，從而保持低電平的噪聲。第二級(jí)放大器725的反相輸入723連接到放大器725的輸出726。第二級(jí)放大器的非反相輸入722通過(guò)開(kāi)關(guān)724連接到輸出726。當(dāng)開(kāi)關(guān)724閉合，將非反相輸入722與輸出725連接時(shí)，則由此形成代表讀出數(shù)值的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)Dout。
通過(guò)保持第二級(jí)開(kāi)關(guān)724閉合直到第一放大器級(jí)的開(kāi)關(guān)713開(kāi)啟以開(kāi)始積分后，由此通過(guò)采樣電容器721對(duì)前述的無(wú)法預(yù)計(jì)的噪聲偏移進(jìn)行采樣。之后，通過(guò)閉合第二級(jí)開(kāi)關(guān)724，由此消除該無(wú)法預(yù)計(jì)的偏移，這使得第二級(jí)放大器的輸出726，即第二級(jí)A2的輸出上的無(wú)法預(yù)計(jì)的噪聲偏移為零。當(dāng)電壓電平隨后被平移，使得具有切換能力的讀取電壓施加于待讀取的單元上時(shí)，根據(jù)雙采樣方法，所形成的輸出數(shù)值Dout的噪聲將減小。
當(dāng)采用現(xiàn)有技術(shù)中公知的所謂贗差分放大器時(shí)，本發(fā)明尤其適用。在贗差分方法中，形成代表邏輯0和邏輯1的參考單元的平均數(shù)值，該平均數(shù)值構(gòu)造出直接與讀出信號(hào)比較的適應(yīng)參考閾值電平。該比較形成正或負(fù)值，通常通過(guò)具有差分輸出的放大器放大和給出該數(shù)值。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的讀取裝置的優(yōu)選實(shí)施例的另一個(gè)電路圖，這里特別采用現(xiàn)有技術(shù)中公知的贗差分運(yùn)算放大器。第一放大器級(jí)A1由具有差分輸入和輸出的放大器815組成。反饋電容器814連接在反相輸入811和非反相輸出817之間。反饋電容器814具有并行的開(kāi)關(guān)813，用于在積分器模式和電壓跟隨器模式之間切換放大器815。由于差分方法，還存在連接在非反相輸入812和反相輸出818之間的類似開(kāi)關(guān)816。通常與開(kāi)關(guān)813并行地控制和操作開(kāi)關(guān)816。位線BL連接到放大器的反相輸入811，電荷參考信號(hào)CHREF施加到反相輸入812。電荷參考信號(hào)優(yōu)選地包括代表邏輯0和邏輯1的信號(hào)的平均值。根據(jù)用于本類型存儲(chǔ)器的贗差分放大器的現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)，CHREF信號(hào)通常來(lái)源于參考位線，并且是由連接到這些參考位線的參考放大器產(chǎn)生。第一放大器級(jí)A1的非反相輸出817和反相輸出818分別連接到采樣電容器821和822。采樣電容器821還連接到差分放大器826的反相輸入823，電容器822連接到差分放大器826的非反相輸入824。第二級(jí)放大器826具有連接在反相輸入823和非反相輸出828之間的開(kāi)關(guān)825，以及連接在非反相輸入824和反相輸出829之間的另一個(gè)開(kāi)關(guān)827。通常同時(shí)并行地控制和操作該兩個(gè)第二級(jí)開(kāi)關(guān)825，827。這些開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)狀態(tài)下將輸出與輸入分離，而在閉合狀態(tài)下將輸出連接到輸入并產(chǎn)生反饋耦合。分別在正輸出828和負(fù)輸出829上形成數(shù)據(jù)輸出信號(hào)+Dout和-Dout。這些數(shù)值之間的差代表讀出數(shù)值。
第一級(jí)開(kāi)關(guān)814，816和第二級(jí)開(kāi)關(guān)825，827的原因當(dāng)然與圖7中的對(duì)應(yīng)部分713和714相同，其典型用法也是相同的，即，通過(guò)保持第二級(jí)開(kāi)關(guān)825，827閉合直到第一放大器級(jí)的開(kāi)關(guān)813，816開(kāi)啟以開(kāi)始積分，由此通過(guò)采樣電容器821和822對(duì)無(wú)法預(yù)計(jì)的噪聲偏移進(jìn)行采樣。之后，通過(guò)閉合第二級(jí)開(kāi)關(guān)，由此消除該無(wú)法預(yù)計(jì)的偏移，這使得第二級(jí)放大器的輸出828，829，即第二級(jí)A2的輸出上的無(wú)法預(yù)計(jì)的噪聲偏移為零。當(dāng)電壓電平隨后被平移，使得具有切換能力的讀取電壓施加于待讀取的單元上時(shí)，根據(jù)雙采樣原理，輸出數(shù)值+Dout和-Dout的噪聲將減小。
贗差分方法和使用電荷參考將有利于區(qū)分讀出數(shù)值中的邏輯0和邏輯1。一個(gè)邏輯狀態(tài)將由+Dout和-Dout之間的負(fù)差值表示，而另一個(gè)邏輯狀態(tài)將由正差值表示。這例如使得可以簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)鎖存器，所述鎖存器跟隨該讀取裝置以提供穩(wěn)定的邏輯讀出數(shù)值。
出于相似的原因，第一級(jí)中將存在也是來(lái)自第二級(jí)A2的一些無(wú)法預(yù)計(jì)的噪聲貢獻(xiàn)，但是由于第二級(jí)放大器的低增益和帶寬且通過(guò)兩個(gè)放大器級(jí)之間的恰當(dāng)匹配/設(shè)計(jì)，該噪聲可以保持在顯著低于來(lái)自第一級(jí)A1的噪聲的電平。
圖9現(xiàn)在示出了采用雙采樣的情形中信號(hào)特性的示例，該情形應(yīng)往回參照?qǐng)D5與現(xiàn)有情形比較。圖9中的信號(hào)對(duì)應(yīng)于第二放大器級(jí)的輸出，例如圖7中的Dout，或者圖8中+Dout和-Dout之間的差值。該信號(hào)電平已經(jīng)被歸一化，使得輸出開(kāi)始于零電壓，隨后負(fù)數(shù)增大。在時(shí)間t1之前，例如在t0，施加于電極的電壓電平導(dǎo)致存儲(chǔ)單元上的預(yù)充電電壓，且不存在施加的具有切換能力的單元電壓。在預(yù)充電時(shí)，不被讀取的單元上的單元電壓通常與在稍后施加讀取單元電壓期間的情況相同。在時(shí)間t1開(kāi)始感測(cè)。使用圖7所示裝置，這意味著開(kāi)關(guān)713斷開(kāi)且積分開(kāi)始，同時(shí)第二級(jí)開(kāi)關(guān)724繼續(xù)斷開(kāi)。這防止信號(hào)中出現(xiàn)明顯的來(lái)自開(kāi)關(guān)713的熱噪聲以及來(lái)自放大器715的偏移和熱噪聲，相反地由采樣電容器721對(duì)該無(wú)法預(yù)計(jì)的噪聲偏移采樣。當(dāng)電容器721采樣到期望數(shù)量的噪聲時(shí)，第二級(jí)開(kāi)關(guān)724在時(shí)間t2閉合。另一個(gè)無(wú)法預(yù)計(jì)的偏移由此形成，如圖在t2的小信號(hào)降落所示，但是幅值遠(yuǎn)小于圖4中在t1的先前情形。在時(shí)間t4，待讀取單元接收具有切換能力的電壓，且響應(yīng)與圖4的情形相似，即，存在兩種可能的信號(hào)路徑，這取決于在所讀取單元內(nèi)是否存在極化切換。然而，現(xiàn)在信號(hào)輸出中噪聲更小，在時(shí)間t4的讀出數(shù)值將代表邏輯狀態(tài)的更可靠的測(cè)量。
在上文中已經(jīng)給出了實(shí)施例和示例以提供本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)，該實(shí)施例和示例適于本領(lǐng)域技術(shù)人員。不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為具體參考是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求書(shū)定義。
權(quán)利要求
1.一種具有形式為駐極體或鐵電電容器的存儲(chǔ)單元的無(wú)源矩陣可尋址鐵電或駐極體存儲(chǔ)器陣列中存儲(chǔ)單元的讀取方法，其中所述存儲(chǔ)單元位于第一組和第二組各個(gè)平行電極的交點(diǎn)，所述第一組形成字線(WL)，所述第二組形成位線(BL)，其中所述字線和位線連接到驅(qū)動(dòng)裝置，其中所述位線連接到用于測(cè)量流過(guò)該位線的電荷的感測(cè)裝置，其中所述感測(cè)裝置感測(cè)與通常為二進(jìn)制1或二進(jìn)制0的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的電流響應(yīng)，其中所述方法的特征在于包括下面的步驟a)通過(guò)激勵(lì)連接到所述存儲(chǔ)單元的位線的所述感測(cè)裝置，開(kāi)始電荷測(cè)量，b)寄存來(lái)自所述電荷測(cè)量的第一數(shù)值，以及c)通過(guò)使用預(yù)定組的讀取電壓電平驅(qū)動(dòng)所述電極，由此對(duì)所述存儲(chǔ)單元施加具有切換能力的電壓，d)寄存來(lái)自所述電荷測(cè)量的第二數(shù)值，從所述第二寄存數(shù)值中扣除所述第一寄存數(shù)值以形成讀出數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于預(yù)充電所述字線、所述位線和所述感測(cè)裝置同時(shí)使用另一個(gè)預(yù)定組的無(wú)切換能力的讀取電壓電平驅(qū)動(dòng)所述電極的附加步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于將所述讀出數(shù)值與參考數(shù)值比較以確定由所述讀出數(shù)值代表的邏輯狀態(tài)的另一步驟。
4.一種用于執(zhí)行權(quán)利要求1的方法的感測(cè)裝置，其中所述感測(cè)裝置用于讀取存儲(chǔ)于包括形式為駐極體或鐵電電容器的存儲(chǔ)單元的無(wú)源矩陣存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，其中所述存儲(chǔ)單元位于第一組和第二組各個(gè)平行電極的交點(diǎn)，所述第一組形成字線(WL)，所述第二組形成位線(BL)，其中所述字線和位線連接到驅(qū)動(dòng)裝置，其中所述位線連接到用于測(cè)量流過(guò)所述位線的電荷的感測(cè)裝置，其中所述感測(cè)裝置感測(cè)與通常為二進(jìn)制1或二進(jìn)制0的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的電流響應(yīng)，其中所述感測(cè)裝置包括第一放大器級(jí)(A1)，其具有由第一增益和第一帶寬的第一放大器組成的積分器電路，其特征在于所述感測(cè)裝置包括跟隨所述第一放大器級(jí)的第二放大器級(jí)(A2)，其中所述第二放大器級(jí)包括第二增益和第二帶寬的第二放大器，以及采樣電容器，所述采樣電容器連接在所述第一放大器級(jí)的輸出和所述第二放大器的輸入之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的感測(cè)裝置，其特征在于所述第二增益顯著低于所述第一增益。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的感測(cè)裝置，其特征在于所述第二帶寬小于所述第一帶寬。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的感測(cè)裝置，其特征在于所述第一放大器級(jí)和所述第二放大器級(jí)在設(shè)計(jì)上相匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的感測(cè)裝置，其特征在于連接在所述第二放大器的輸出和與采樣電容器連接的所述第二放大器的輸入之間的開(kāi)關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的感測(cè)裝置，其特征在于所述第一放大器級(jí)包括積分器電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的感測(cè)裝置，其特征在于所述無(wú)源矩陣的位線連接到所述第一放大器的反相輸入，具有代表平均邏輯0或邏輯1響應(yīng)的信號(hào)的參考節(jié)點(diǎn)連接到所述第一放大器的非反相輸入。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的感測(cè)裝置，其特征在于所述第一和第二放大器具有差分輸入和輸出。
12.根據(jù)權(quán)利要求4的感測(cè)裝置，其特征在于使用了贗差分放大器。
全文摘要
在具有形式為駐極體或鐵電電容器的存儲(chǔ)單元的無(wú)源矩陣可尋址鐵電或駐極體存儲(chǔ)器陣列中存儲(chǔ)單元的讀取方法中，連接到存儲(chǔ)單元位線的感測(cè)裝置被激勵(lì)，從而開(kāi)始電荷測(cè)量，并寄存第一電荷數(shù)值，之后切換電壓施加到該存儲(chǔ)單元并寄存第二電荷數(shù)值。通過(guò)從第二電荷數(shù)值減去第一電荷數(shù)值，得到讀出數(shù)值。用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的感測(cè)裝置包括第一放大器級(jí)(A1)，其具有積分器電路(715)并與跟隨第一放大器級(jí)的具有積分器電路(725)的第二放大器級(jí)(A2)連接，以及采樣電容器(720)，連接在第一放大器級(jí)(A1)的輸出(716)和第二放大器級(jí)(A2)的輸入(722)之間。
文檔編號(hào)G11C7/06GK101061550SQ200580039895
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2005年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者C·卡爾森, N·洛夫格倫, R·沃莫克 申請(qǐng)人:薄膜電子有限公司