專利名稱：具有一個單側預充電器件的交叉讀出放大器的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及半導體存儲器件，特別涉及一種具有一個單側預充電器件的交叉讀出放大器，這種讀出放大器更為簡單且減小了現有的讀出放大器電路的占用面積，從而縮小了芯片尺寸。
目前，很多動態半導體存儲器件，例如動態隨機存取存儲器(DRAM)都利用折疊式位線和交叉讀出放大器的電路配置，從而(多組位線對中的)兩組位線對能夠耦合于和共用一個讀出放大器。參照
圖1，示出了用于現有的交叉讀出放大器的DRAM配置中的相關部分的電路圖。一般地，每個位線對(“BL”)都包括一個位線真值(“BLt”)和一個位線假值“BLc”)，其中BLt和BLc都與構成DRAM的一個存儲陣列(未示出)中的多個動態存儲單元(未示出)相連接。正如本領域內所公知的，每個存儲單元包括一個用于儲存表示該單元處于邏輯“1”還是邏輯“0”狀態的電荷的電容器(未示出)。當通過與一個給定存儲單元連接的字線尋址時，與該存儲單元相關的電荷可被耦合到其相應位線上。
圖1所示的部分中包括四個位線對，分別標識為BLta(0)-BLca(0)(“左上位線對”)，BLta(2)-BLca(2)(“左下位線對”)，BLtb(0)-BLcb(0)(“右上位線對”)和BLtb(2)-BLcb(2)(“右下位線對”)。左上位線對通過隔離晶體管T4和T5與一個讀出放大器S1的一端耦合。右上位線對通過隔離晶體管T12和T13與讀出放大器S1的另一端耦合。同樣地，左下位線對通過隔離晶體管T23和T24與一個讀出放大器S2的一端耦合。右下位線對通過隔離晶體管T31和T32與讀出放大器S2的另一端耦合。隔離晶體管對T4，T5和T23，T24的柵極與一個MUXa信號線相連接，而隔離晶體管對T12，T13和T31，T32的柵極與一個MUXb信號線相連接。根據一個MUXa信號，隔離晶體管T4和T5被導通以將左上位線對耦合到讀出放大器S1，隔離晶體管T23和T24被導通以將左下位線對耦合到讀出放大器S2。同樣地，一個MUXb信號使隔離晶體管T12和T13將右上位線對耦合到讀出放大器S1，使隔離晶體管T31和T32將右下位線對耦合到讀出放大器S2上。
讀出放大器S1和S2都包括一個N-讀出交叉耦合鎖存器(N-Sensecross-coupled latch)(即，S1中的晶體管T8和T9以及S2中的晶體管T27和T28)和一個P-讀出交叉耦合鎖存器(即，S1中的晶體管T10和T11以及S2中的晶體管T29和T30)。N-讀出鎖存器響應于一個NCS信號而工作，而P-讀出鎖存器響應于一個PCS信號而工作，從而使每個讀出放大器讀出和放大位于一個選定位線對之間(即，讀出放大器S1的結點SAt(0)和SAc(0)以及S2的結點SAt(2)和SAc(2)之間)的電位差。此外，每個讀出放大器包括一個按位開關，即S1的晶體管T6和T7以及S2的晶體管T25和T26，用于響應一個CSL(列選)信號，分別將讀出放大器S1結點耦合到本地數據線LDQt(0)和LDQc(0)以及將讀出放大器S2結點耦合到本地數據線LDQt(2)和LDQc(2)。
圖1所示的電路包括四個預充電器件P1，P2，P3和P4。預充電器件P1(由預充電晶體管T1和T3以及一個均衡晶體管T3構成)被連接在左上位線對(BLta(0)和BLca(0))之間，并通過同時短路左上位線對而工作，然后在一個均衡/預充電操作過程中將該位線對預充電到一個公共電壓。預充電器件P2(由預充電晶體管T14和T15以及一個均衡晶體管T16構成)被連接在右上位線對(BLtb(0)和BLcb(0))之間，并且同樣通過同時短路右上位線對而工作，然后在均衡/預充電操作過程中將該位線對預充電到一個公共電壓。預充電器件P3(晶體管T17，T18和T19)和P4(晶體管T20，T21和T22)分別被連接在左下位線對和右下位線對之間，并以同于上述預充電器件P1和P2的方式工作。均衡晶體管T3和T19響應于均衡信號EQLa而晶體管T16和T20響應于均衡信號EQLb。
一個泄漏限制器器件LL1操作性地耦合于預充電器件P1和P3，用于限制由一個電壓源VBLEQ在均衡/預充電操作過程中提供的預充電電流。同樣，一個泄漏限制器器件LL2操作性地耦合于預充電器件P2和P4，用于限制由一個電壓源VBLEQ在均衡/預充電操作過程中提供的預充電電流。另外，如果發生一次字線-位線短路，從而通過該短路而形成一條從接地字線到位線的電流通路，然后通過一個相應的預充電器件而形成一條從該位線到VBELQ預充電網(即，用于將預充電電壓VBELQ提供給芯片上的所有讀出放大器的線路)的電流通路，該泄漏限制器器件則增加位于相應預充電器件和VBELQ預充電網之間的通路上的電阻。因此，由位于預充電器件和VBELQ預充電網之間的通路上的泄漏限制器器件提供的電阻限制了由每次字線-位線短路所引起的備用狀態的泄漏電流的流通(the flow of standby leakagecurrent)。
通常，圖1所示的電路的工作情況如下所述。假設在一個讀操作過程中，來自存儲陣列(未示出)中的一個選定存儲單元(未示出)的數據被耦合到左上位線對，即BLta(0)和BLca(0)中的一條位線上。在讀操作之前，執行一個均衡/預充電操作以使BLta(0)和BLca(0)位線同時短路并將它們充電到一個公共電壓。預充電電壓VBELQ通過如上所述用于提供電阻以限制由VBELQ網提供的充電電流量的泄漏限制器器件LL1耦合于預充電器件P1以使左上位線對達到公共電壓。接著，在讀操作過程中，來自存儲單元的電荷耦合于相應的位線，使得該位線上的公共電壓被改變。然后讀出放大器S1開始放大位于左上位線對之間的電位差，放大BLta(0)或BLca(0)上的信號(無論存儲單元之間的電荷遷移改變了哪一條位線)，然后在讀操作結束之前將電荷還原到相關的存儲單元。
通常，大容量的DRAM芯片包含有效個需要占用芯片表面空間的讀出放大器。但是，隨著存儲器芯片的容量越來越大的要求，盡可能有效地保留和利用芯片表面可用面積也變得更加重要。如圖1所示，四個位線對中的每一個都具有一個預充電器件和一個與其相關的泄漏限制器器件，因此每個讀出放大器S1和S2具有兩個相關的預充電器件。另外，圖1中的泄漏限制器器件LL1和LL2通常以耗盡型NFET或增強型NFET的形式實現。比較之下，耗盡型NFET比增強型NFET具有更好的電特性和相對較小的設計尺寸，但需要一個額外的使制造成本增加的溝道注入工藝。另外，增強型NFET需要一個較長的溝道以增大電阻，從而導致了較大的設計尺寸。因此，由每個讀出放大器的預充電器件和與其相關的泄漏限制器件所占用的面積對于芯片面積以及增加的DRAM制造成本來說是非常重要的。從而，通過減小讀出放大器及其相關電路的尺寸和/或通過減少讀出放大器的組件或相關元件的數量，可以使芯片尺寸更為有效地變小。
本發明涉及一種具有一個單側預充電器件的交叉讀出放大器，這種讀出放大器比現有的讀出放大器電路更為簡化且減小了讀出放大器電路所占用的面積，從而縮小了芯片尺寸。特別是，本發明涉及只在讀出放大器的一側放置一個預充電器件，用于在一個均衡/預充電操作過程中將耦合到該讀出放大器上的兩組位線對都充電到一個公共電壓。此外，構成預充電器件的晶體管電阻被增大使得預充電晶體管還可用于限制位線對與預充電網之間的電流，從而排除了現有的讀出放大器設計中對額外的泄漏限制器件的需求。這樣，就實現了一種壓縮和簡化的讀出放大器結構。
本發明的這些和其他目的、特征以及有益效果將在后面對實施例結合附圖而進行的詳細描述中變得顯而易見。
圖1是示出了現有的交叉讀出放大器的折疊式位線DRAM結構中的代表部分的電路圖；圖2是示出了依據本發明的一個實施例的交叉讀出放大器的折疊式位線DRAM結構中的代表部分的電路圖；圖3是說明圖2中依據本發明的位線讀出放大器的預充電和數據讀操作的時序圖；圖4a示出了現有的讀出放大器電路的實際布圖的相關部分；以及圖4b示出了依據本發明的讀出放大器電路的實際布圖的相關部分。
參照圖2，示出了依據本發明的一個實施例而具有一個預充電器件的交叉讀出放大器的折疊式位線DRAM結構中的代表部分的電路圖。正如圖1所示的現有電路，讀出放大器S1被共享于左上位線對(即BLta(0)和BLca(0))與右上位線對(即BLtb(0)和BLcb(0))之間，而讀出放大器S2被共享于左下位線對(即BLta(2)和BLca(2))與右下位線對(即BLtb(2)和BLcb(2))之間。另外，左上位線對和右上位線對分別通過隔離晶體管對T4，T5和T12，T13耦合于讀出放大器S1(即，讀出放大器結點SAt(0)和SAc(0))。同樣地，左下位線對和右下位線對分別通過隔離晶體管對T23，T24和T31，T32耦合于讀出放大器S2(即，讀出放大器結點SAt(2)和SAc(2))。
圖2所示的電路不同于現有的讀出放大器電路，它只在交叉讀出放大器的左側或右側利用了一個預充電器件。具體地，提供一個由晶體管T100和T200構成的預充電器件PL1，用以在均衡/預充電操作過程中對左上位線對以及右上位線對充電。另外，提供一個由晶體管T300和T400構成的預充電器件PL2，用以在預充電操作過程中對左下位線對以及右下位線對充電。在讀出放大器S1的兩側提供了均衡晶體管T3和T16，以便象現有電路中一樣迅速均衡左上位線對和右上位線對(即，在均衡/預充電過程中分別連接左上位線對和連接右上位線對)。同樣地，均衡晶體管T19和T20位于讀出放大器S2的兩側以便在均衡/預充電過程中分別連接左下位線對和連接右下位線對。
下面將參照圖3描述圖2所示的電路的工作過程，其中圖3是用于說明依據本發明的讀出放大器的一個預充電和數據讀操作的時序圖。為了讀出左上位線對，進行如下操作。首先，執行均衡/預充電操作，借此將信號EQLa提供給均衡晶體管T3和T19的柵極以使左上位線對同時短路，并將信號EQLb提供給晶體管T16和T20的柵極以使右上位線對同時短路。另外，提供信號MUXa和MUXb以分別接通隔離晶體管對T4，T5和T12，T13，從而導致左上位線對和右上位線對彼此耦合并耦合于讀出放大器結點SAt(0)和SAc(0)。提供電壓源VBELQ以將兩個位線對(以及讀出放大器結點)充電到一個大約為0.75伏的公共中間電壓(common mid-level voltage)(存儲陣列的邏輯“1”狀態大約為1.5伏)。
接著，為了讀出例如與左上位線對相連接的存儲單元(未示出)，切斷MUXb信號，使隔離晶體管T12和T13被截止，從而使右上位線對與讀出放大器S1隔離。右上位線對上的電壓在近似于中間電壓的范圍內漂移。然后切斷均衡信號EQLa，使左上位線對和讀出放大器結點SAt(0)及SAc(0)在中間電壓漂移。接著，當一個字線信號(未示出)被提供給存儲陣列(未示出)時，一個選定存儲單元(未示出)的電荷被耦合于BLta(0)(即位線真值)或BLca(0)(即位線假值)。
選定的存儲單元可以或者將電荷轉到(dump)位線上(如果該單元為邏輯“1”)而使漂移中間電壓稍稍升高，或者從位線吸收電荷(如果該單元為邏輯“0”)而使中間電壓稍稍降低。在任一種情況下，在都處于浮動電壓狀態的位線對之間存在一個很小的電壓差。此時，檢測信號NCS和PCS位于中間電壓。為了最大程度地放大位線信號，以所屬技術領域的技術人員熟知的方式將NCS信號降至地電位以啟動N-設置交叉耦合鎖存器，然后PCS信號使結點(high makingnode)PCS為用于P-設置交叉耦合鎖存器的電源電壓。讀出放大器S1的最后鎖存狀態表示被尋址的存儲單元的邏輯電平。
經過放大之后，信號CSL接通由晶體管T6和T7構成的按位開關，使讀出放大器結點SAt(0)和SAc(0)上的電壓耦合于本地數據線LDQt(0)和LDQc(0)。然后，與相應位線(例如BLta(0)或BLca(0))連接的存儲單元鎖存位線電壓被刷新，并且斷開字線信號。
更為有利的是，本發明的讀出放大器結構大大縮小了均衡器線路ELQa和ELQb上的電容負載，這使增加溝道長度成為可能，并能增加預充電器件PL1的晶體管T100和T200以及預充電器件PL2的晶體管T300和T400的溝道電阻。具體地，由于圖2所示的讀出放大器只利用了圖1所示的現有讀出放大器中的預充電器件的二分之一，所以晶體管T100，T200，T300和T400的晶體管溝道長度增加了一倍而無須增加相應EQL信號上的電容負載，這導致預充電器件的每個預充電晶體管的電阻大約增大了100％。
另外，在現有的讀出放大器電路中，在均衡/預充電過程中由字線-位線短路引起的通過位線的泄漏電流將通過讀出放大器任一側上的兩個預充電器件而流向VBELQ預充電網。例如，在圖1中，在左上位線對和右上位線對的任一條位線中由字線-位線短路而產生的泄漏電流將流過預充電器件P1和P2，這使這些預充電器件的有效電阻減弱了一半(因為它們起并聯電阻的作用)。另一方面，應當理解在圖2所示的依據本發明的讀出放大器電路中，只利用一個預充電器件PL1在均衡/預充電過程中對左上和右上位線對充電。因此，在左上位線對和右上位線對的任一條位線中由字線-位線短路而產生的泄漏電流將只流過預充電器件PL1，從而使有效電阻等于預充電器件PL1的電阻。
更為有利的是，這兩種效果的組合使只利用一個預充電器件而無需單獨的泄漏限制器器件來限制泄漏電流成為可能。具體地，通過從讀出放大器電路中刪除一個預充電器件并使預充電晶體管T100和T200(預充電器件PL1)以及T300和T400(預充電器件PL2)的溝道長度倍增(即，使電阻倍增)，本發明提供了一個大約為現有電路的有效電阻的4倍的有效電阻。因此，可以取消圖1中的泄漏限制晶體管LL1和LL2。
另外，與現有的讀出放大器相比，本發明的讀出放大器結構更為有利地大大縮小了占用面積。參照圖4a，示出了圖1所示的現有讀出放大器電路實際布圖的相關部分。在圖4a中，疏虛線區表示柵極導電區而密虛線區表示一個N-摻雜擴散區(ND)。圖1所示電路的元件表示如下區域A表示與左上位線對接觸的擴散區而區域B表示與左下位線對接觸的擴散區；區域C表示均衡晶體管T3而區域D表示均衡晶體管T19；區域E表示柵極接觸空間；區域F表示與VBLEQ接觸的擴散區；區域G表示泄漏限制器器件LL1；區域H表示一個阱接觸；并且區域I分別表示預充電晶體管T1，T2，T17和T18(從頂到底)。如圖所示，雖然預充電/均衡晶體管按照一種普通的T形柵結構排列以節省面積，但還需要另一個包括預充電器件和阱接觸在內的一整條。
現在參照圖4b，示出了依據本發明一個實施例的圖2所示的讀出放大器實際布圖的相關部分。圖2所示電路的元件表示如下區域A*表示與左上位線對接觸的擴散區而區域B*表示與左下位線對接觸的擴散區；區域C*表示均衡晶體管T3而區域D*表示均衡晶體管T19；區域E*表示柵極接觸空間；區域F*表示與VBLEQ接觸的擴散區；區域H*表示一個阱接觸；并且區域I*分別表示預充電晶體管T100和T200(從頂到底)。
如圖所示，在圖4b中刪除了泄漏限制器器件LL1(圖4a中的區域G)，這就縮小了器件在水平方向所需的面積。另外，通過將阱接觸H*移到一個部分位于均衡晶體管之間(即區域C*和D*)的區域上而另外節省了水平方向的空間。為了防止增大讀出放大器電路在垂直方向上所占用的空間(由圖4b中所示的阱接觸H*區域的移動引起)，預充電器件被置于垂直相鄰的讀出放大器的對側。具體地，如圖2所示，預充電器件PL1被置于讀出放大器S1的左側而預充電器件PL2被置于讀出放大器S2的右側。
從圖4a到圖4b所產生的水平方向上的空間縮小全面縮短了圖2所示的讀出放大器結構的寬度。例如，假設采用光刻精度為0.175μm的技術，讀出放大器寬度的實際減少量為從27.2μm(具有耗盡型泄漏限制器器件LL1和LL2的現有電路)到25.2μm(本發明的讀出放大器電路)，這表示讀出放大器的寬度縮短了7.5％。因此，通過實施本發明的讀出放大器結構，能夠大大縮小讀出放大器陣列在DRAM芯片上的占用面積。
盡管已經參照附圖描述了本發明的實施例，但應當理解本發明并不僅限于這些實施例，并且在不偏離本發明構思和范圍的前提下，所屬技術領域的普通技術人員可對本發明進行各種修改和改進。所有這些改進和修改都被限定在后述權利要求所確定的保護范圍之內。
權利要求
1.一種交叉讀出放大器，包括一個包括電耦合于其上的第一位線對和第二位線對的讀出電路，用于讀出和放大一個位于所述第一位線對和所述第二位線對之一之間的電位差；一個操作性地連接在所述第一位線對和所述第二位線對之一之間的預充電電路，用于在所述讀出和放大過程之前將所述第一位線對、所述第二位線對和所述讀出電路充電到一個公共電壓。
2.如權利要求1所述的讀出放大器，還包括第一隔離電路，用于選擇性地耦合所述第一位線對和所述讀出電路；以及第二隔離電路，用于選擇性地耦合所述第二位線對和所述讀出電路；借此所述第一和第二隔離器同時將所述第一位線對和所述第二位線對耦合到所述讀出電路，使得所述第一位線對、所述第二位線對和所述讀出電路可通過所述預充電電路被充電到所述公共電壓。
3.如權利要求1所述的讀出放大器，其特征在于所述預充電電路限制用于將所述第一位線對、所述第二位線對和所述讀出電路充電到所述公共電壓的充電電流的大小。
4.如權利要求1所述的讀出放大器，其特征在于所述預充電電路限制從所述第一位線對、第二位線對之一或二者通過的泄漏電流的大小。
5.一種位于具有多個位線對的半導體存儲器中的交叉讀出放大器電路，包括一個具有第一讀出結點和第二讀出結點的讀出電路，用于讀出和放大位于所述第一和所述第二讀出結點之間的電位差；所述多個位線對中的一個第一位線對；第一隔離器電路，用于根據第一多路轉接信號，選擇性地將所述第一位線對耦合到所述第一讀出結點和所述第二讀出結點；所述多個位線對中的一個第二位線對；第二隔離器電路，用于根據第二多路轉接信號，選擇性地將所述第二位線對耦合到所述第一讀出結點和所述第二讀出結點；操作性地連接在所述第一位線對之間的第一均衡器電路，用于根據第一均衡信號來連接所述第一位線對；操作性地連接在所述第二位線對之間的第二均衡器電路，用于根據第二均衡信號來連接所述第二位線對；以及一個操作性地連接在所述第一位線對和所述第二位線對之一之間的預充電電路，用于在一個預充電操作過程中根據一個加在所述預充電電路上的充電信號，將所述第一位線對、所述第二位線對、所述第一讀出結點和所述第二讀出結點充電到一個公共電壓，在所述預充電操作過程中，通過同時提供所述第一均衡信號、所述第二均衡信號、所述第一多路轉接信號和所述第二多路轉接信號使所述第一位線對、所述第二位線對、所述第一讀出結點和所述第二讀出結點彼此電耦合。
6.如權利要求5所述的讀出放大器電路，其特征在于在所述預充電操作過程中，所述預充電電路限制由所述充電信號提供的用以將所述第一位線對、所述第二位線對、所述第一讀出結點和所述第二讀出結點充電到所述公共電壓的充電電流的大小。
7.如權利要求5所述的讀出放大器電路，其特征在于所述預充電電路限制從所述第一位線對、第二位線對之一或二者流向所述預充電電路的泄漏電流的大小。
8.一種半導體存儲器，具有由多個如權利要求5所述的讀出放大器構成的讀出放大器陣列，其特征在于所述預充電電路可替換地連接在所述第一位線對和所述第二位線對之間，就象連接在所述陣列中的相鄰讀出放大器之間一樣。
9.在具有一個包括多個存儲單元的存儲陣列的半導體存儲器中，其中每個存儲單元都具有一個表示邏輯狀態的相關電荷，所述存儲器還包括多條與所述多個存儲單元相連接的位線和多條用于訪問相應存儲單元的字線，一個交叉讀出放大器電路，包括一個具有第一讀出結點和第二讀出結點的讀出電路，用于讀出和放大位于所述第一和所述第二讀出結點之間的電位差；所述第一讀出結點選擇性地通過第一隔離晶體管耦合于第一位線而通過第二隔離晶體管耦合于第二位線，所述第二讀出結點選擇性地通過第三隔離晶體管耦合于第三位線而通過第四隔離晶體管耦合于第四位線；連接在所述第一位線和所述第三位線之間的第一均衡晶體管，用于根據第一均衡信號將所述第一位線耦合到所述第三位線；連接在所述第二位線和所述第四位線之間的第二均衡晶體管，用于根據第二均衡信號將所述第二位線耦合到所述第四位線；一個操作性地連接到所述第一均衡晶體管和所述第二均衡晶體管上的預充電電路，用于接收一個充電電壓并在一個預充電操作過程中，將所述第一、第二、第三和第四位線以及所述第一和第二讀出結點充電到一個公共電壓，其中提供所述第一和第二均衡信號以分別耦合所述第一和第三位線以及耦合所述第二和第四位線，并且導通所述第一和第二隔離晶體管以將所述第一和第二位線耦合到所述第一讀出結點，導通所述第三和第四隔離晶體管以將所述第三和第四位線耦合到所述第二讀出結點，所述預充電電路用于在所述預充電操作過程中限制由所述充電電壓提供的電流的大小。
10.如權利要求9所述的讀出放大器，其特征在于所述預充電電路還用于限制由所述第一、第二、第三和第四位線之一與一條相應的字線之間的短路連接而引起的泄漏電流的大小。
全文摘要
一種具有一個單側預充電器件的交叉讀出放大器,比現有的讀出放大器電路更為簡單且縮小了占用面積,從而縮小了芯片尺寸。一個預充電器件只位于讀出放大器的一側,用于在均衡/預充電操作過程中將耦合到讀出放大器的各組位線對充電到一個公共電壓。另外,增大了構成預充電器件的晶體管的電阻,使得預充電晶體管還可用于限制位線對和預充電網之間的電流。因而實現了一種簡化的讀出放大器結構。
文檔編號G11C7/00GK1241002SQ9911003
公開日2000年1月12日 申請日期1999年6月29日 優先權日1998年6月29日
發明者T·沃格爾桑, M·基利安 申請人:西門子公司