三维存储器的参考电流产生电路及其产生参考电流的方法

摘要

本发明公开了一种面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电路，该参考电流产生电路包括电压产生模块和电流产生模块，其中：电压产生模块用来产生温度系数和电压值均可调的第二电压V

说明书

技术领域

本发明属于存储技术领域，尤其三维存储器领域，是一种实现方式简 单、覆盖所有工艺角的面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电路及 其产生参考电流的方法。

背景技术

在存储器电路应用中，参考电流的产生有两种方式，一种是使用存储 器件来产生参考电流，另一种使用专门电路来产生参考电流。对于后一种 形式中，尤其在三维存储器的应用当中，为了读操作的一致性，提高读操 作的裕度，需要一个受温度影响小的、值在一定范围内的参考电流，用其 作为读操作的参考电流。

为了减小温度的影响，现有技术提供了一种不受温度变化影响的稳定 参考电流源，如带隙参考电流源(Bandgap Reference Current Source)。简单 来说，带隙参考电流源是将正温度系数(Proportional to absolute temperature， PTAT)的电流和一个负温度系数的电流(Complementary to absolute  temperature，CTAT)以一定的比例相叠加，从而得到一个零温度系数的电 流。

参考图1，现有技术中带隙参考电流源10包括：启动电路100和带隙 参考电路102。启动电路100在电源电压VDD大于P型晶体管104和106 的源栅极电压差时启动带隙参考电路102工作。如图1所示，在带隙参考 电路102中，功率放大器108的正负输入端电压V_A和V_B相等 (V_A＝V_B＝V_BE1)，通过晶体管Q₁和Q₂的基射极电压差V_BE1－V_BE2及电阻为 R的电阻R₁，可产生电流I_ptat，如公式(1)所示：

其中，晶体管Q₂可视为K个晶体管Q₁并联而成。由于临限电压V_T 是正温度系数，由公式(1)，若电阻为零温度系数，则可知电阻R₁所载 的电流I_ptat是正温度系数电流。

另一方面，通过双载子晶体管Q₁的基射极电压差V_EB1及阻值为L*R 的一电阻R₂，可产生电流Ictat，如式(2)所示：

其中，由于V_BE1具有负温度系数，若电阻R2的温度系数为零，那么 I_ctat就是负温度系数电流。

那么电流I_ref，如式(3)所示：

通过对电流I_ref对温度求导，若电阻的温度系数为零，可得式(4)所 示：

                                                  (5)

其中，基射极电压差V_BE1与临界电压V_T对时间偏微分后，分别为负 温度系数和正温度系数，若电路中使用的是温度系数较好的电阻类型，那 么由公式(5)可得，能通过调节L来获得比较好的温度系数的I_ref。

然而温度系数较好的电阻一般是金属电阻，它在三维存储器中占用的 面积较大。

若采用温度系数不为零的电阻，在面积上就会有优势，其电流的温度 系数如公式(6)所示。其中式(6-1)是电阻的温度系数为正的情况，式 (6-2)是电阻的温度系数为负的情况。

若想得到好的温度系数，就只能调节电阻倍数L、两个双载子晶体管 的倍数K，而不论电阻的温度系数为正还是为负，只通过调节这两个参数， 满足所有工艺角的情况下得到好的温度系数都是比较困难的。

综上所述，现有的参考电流产生电路的存在以下问题：实现方式复杂、 不能满足在所有工艺角下参考电流都能实现较好的温度系数。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明主要目的在于提供一种可以在三维存储器中使用的、 实现方式简单、在不同二工艺角下均能满足参考电流的面向三维存储器的零 温度系数参考电流产生电路及其产生参考电流的方法，以满足三维存储器 中对参考电流温度系数精度高、零温度系数的要求，达到大规模生产中满 足产品良率的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种面向三维存储器的零温度系数参 考电流产生电路，该参考电流产生电路包括电压产生模块和电流产生模块， 其中：电压产生模块用来产生温度系数和电压值均可调的第二电压V₂；电 流产生模块用来产生零温度系数的电流I_ref，其中，电流产生模块由两个均 工作在饱和区的NMOS晶体管并联而成，电压产生模块产生的第二电压 V₂同时连接于两个NMOS晶体管的栅端，其中一个NMOS晶体管在第二 电压V₂的作用下产生正温度系数的电流，另一个NMOS晶体管在第二电 压V₂的作用下产生负温度系数的电流，通过正温度系数的电流与负温度 系数的电流的组合，电流产生模块输出零温度系数的电流I_ref。

为达到上述目的，本发明还提供了一种产生零温度系数参考电流的方 法，该方法包括：电压产生模块产生一个温度系数可调、电压值可调的第 二电压V₂；电压产生模块将该第二电压V₂同时输出至电流产生模块中两 个并联的NMOS晶体管的栅端；以及两个NMOS晶体管中的一个NMOS 晶体管在第二电压V₂的作用下产生正温度系数的电流，另一个NMOS晶 体管在第二电压V₂的作用下产生负温度系数的电流，通过正温度系数的 电流与负温度系数的电流的组合，电流产生模块输出零温度系数的电流I_ref。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电 路及其产生参考电流的方法，利用两个并联的可产生正负温度系数电流的 NMOS晶体管，并且利用NMOS晶体管的温度系数和其栅端所加电压的 温度系数相关的特点，引入栅压的温度系数来弥补两个NMOS晶体管的 温度系数不为零的情况，同时能够在各个工艺角下均能满足产生零温度系 数的参考电流，满足了三维存储器中对参考电流温度系数精度高、零温度 系数的要求，达到了大规模生产中满足产品良率的目的。

2、本发明提供的这种面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电 路及其产生参考电流的方法，实现方式简单，易行，可以使用标准CMOS 工艺实现；

3、本发明提供的这种面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电 路及其产生参考电流的方法，可以在所有工艺角下，实现零温度系数参考 电流。由于本发明中引用了可变温度系数的电压V₂作用在电流产生模块 上，能够弥补由于零温度系数电压作用在电流产生模块上时，电流温度系 数随工艺角变化而变差，导致电流温度系数不满足设计要求。

4、本发明提供的这种面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电 路及其产生参考电流的方法，能够实现在所有工艺角下，参考电流均能保 证在规定电流的±10％的范围内。由于电压产生模块的输出电压V₂是值可 调的电压，所以当其作用在电流产生模块的两个并联管的栅端时，就可以 通过调节电压V₂的大小来调节电流Iref的大小。

附图说明

图1是现有技术中产生参考电流的带隙参考电流源的示意图。

图2是本发明提供的面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电路 的示意图。

图3是图2中调节电压值模块的示意图。

图4是图2中电流产生模块的一种实现方式。

图5(a)、图5(b)是V₂的温度系数不为零时，参考电流会出现的温度系 数不为零的情况。

图5(c)、图5(d)是应对图5(a)、图5(b)中温度系数不为0的情况的解 决方法，通过调整V₂的温度系数，使参考电流最终的温度系数为零。

【附图标记】

V₁～第一电压，即调电压温度系数模块的输出电压；

V₂～第二电压，即调节电压值模块的输出电压；

K～调节电压值模块的输出电压与输入电压的比值；

net<y>～调节电压值模块的输出电压V₂的接入节点；

net<x>～运算放大器正输入端接入的节点，此节点可调；

I₁～MN1晶体管的漏源电流；

I₂～MN2晶体管的漏源电流；

Iref～本发明提供的面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电路 输出的参考电流；

_μ～MOS晶体管的电子迁移率；

C_{ox_n1}～MN1晶体管的栅氧层电容；

C_{ox_n2}～MN2晶体管的栅氧层电容；

(W/L)_n1～MN1晶体管的宽长尺寸比值；

(W/L)_n2～MN2晶体管的宽长尺寸比值；

V_gs～MOS晶体管的栅源电压；

V_{gs_n1}～MN1晶体管的栅源电压；

V_{gs_n2}～MN2晶体管的栅源电压；

V_{th_n1}～MN1晶体管的阈值电压；

V_{th_n2}～MN2晶体管的阈值电压；

电压的温度数为0；

电压的温度系数不为0

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图2所示，图2是本发明提供的面向三维存储器的零温度系数参考 电流产生电路的结构框图，该参考电流产生电路包括电压产生模块和电流 产生模块，其中，电压产生模块用来产生温度系数和电压值均可调的第二 电压V₂；电流产生模块用来产生零温度系数的电流I_ref，电流产生模块由 两个均工作在饱和区的NMOS晶体管并联而成，电压产生模块产生的第 二电压V₂同时连接于两个NMOS晶体管的栅端，其中一个NMOS晶体管 在第二电压V₂的作用下产生正温度系数的电流，另一个NMOS晶体管在 第二电压V₂的作用下产生负温度系数的电流，通过正温度系数的电流与 负温度系数的电流的组合，电流产生模块输出零温度系数的电流I_ref。

图2中，电压产生模块包括调节电压温系模块和调节电压值模块，其 中：调节电压温系模块，用于输出温度系数可调的第一电压V₁至调节电 压值模块；此模块产生的电压的温度系数有可调性。在此模块中，通过调 节器件参数，可以得到不同温度系数的电压。调节电压值模块，用于调节 第一电压V_１的电压值，得到温度系数和电压值均可调的第二电压V₂，并 将第二电压V₂输出至电流产生模块。

调节电压值模块包括一运算放大器和一电阻串，如图3所示，该运算 放大器输出端连接于该电阻串的一端，该电阻串的另一端接地，该电阻串 中各电阻之间形成节点。该电阻串中每个电阻的阻值均相同为r，将该电 阻串中各电阻之间形成的节点命名为net<i>，i∈(1，n)，从节点net<i>到地 的阻值为r×i。

该运算放大器的负输入端连接于该调节电压温系模块输出的第一电 压V₁，正输入端连接于该电阻串中的某一个节点net<x>，且此节点可变 (在net<x>中，x在设计范围内可调)，且此节点是根据第一电压V₁的值 与第二电压V₂的值二者的关系来决定的，即是根据第一电压V₁的值与第 二电压V₂的值二者的关系来决定该运算放大器的正输入端具体连接到该 电阻串中的哪个节点上。

该调节电压值模块的输出端是从该电阻串中某一个选定、固定节点 net<y>引出，y∈(1，n)，该固定节点net<y>是由该调节电压值模块的调节 倍数K决定的，固定，调节倍数K为该调节电压值模块输出电压与输入 电压的比值，通过调节该运算放大器正输入端接入该电阻串中节点的位置 来调节该调节倍数K。调节电压值模块的输出电压与输入电压的温度系数 相同。依据以上设定及图3所示，该调节电压值模块的电压值调节倍数K 为：

图2中，构成电流产生模块的两个NMOS晶体管，即第一NMOS晶 体管MN1和第二NMOS晶体管MN2，其源端均接地，漏端均连接于外 部的电流转换电压模块，该电流转换电压模块用以使两个NMOS晶体管 均工作在饱和区。通过两个NMOS晶体管的不同温度系数的电流组合， 电流产生模块输出零温度系数的电流I_ref。

在存储器电路的参考电流的设计中，要同时保证两个指标：一是参考 电流的温度系数比较好；二是，参考电流的值在一个规定的范围内(例如， 电路设计参考电流的设计值±1u，此设计值由工艺等信息决定)。对于第二 个指标，本发明中是通过改变第二电压V₂的值，来改变电流的大小。而 对于第一个指标的处理上，本发明可以有效覆盖所有工艺角，实现接近零 温度系数的参考电流。

基于图1至图3所示的面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电 路，本发明还提供了一种产生零温度系数参考电流的方法，该方法包括：

步骤1：电压产生模块产生一个温度系数可调、电压值可调的第二电 压V₂；

步骤2：电压产生模块将该第二电压V₂同时输出至电流产生模块中两 个并联的NMOS晶体管的栅端；

步骤3：两个NMOS晶体管中的一个NMOS晶体管在第二电压V₂的 作用下产生正温度系数的电流，另一个NMOS晶体管在第二电压V₂的作 用下产生负温度系数的电流，通过正温度系数的电流与负温度系数的电流 的组合，电流产生模块输出零温度系数的电流I_ref。

在步骤3中，通过调节第二电压V₂的温度系数使并联的两个NMOS 晶体管获得零温度系数的电流I_ref，通过调节第二电压V₂的数值来调节电 流I_ref值的大小以满足需要。

下面结合具体的实施例来说明本发明的具体实现方式。

如图2所示，本发明利用了以下两点来产生零温度系数的电流：第一， 使用在栅端电压(V₂)温度系数为零的情况下，产生正负温度系数的管子 并联，来抵消部分温度系数；第二，如果第一点没有能够得到零温度系数 的电流，还可以通过改变栅端电压的温度系数来调节参考电流的温度系数。 下面将结合这两点来用公式推导的方法来验证本发明的可实现性。以电流 产生方式4(a)为例来说明。

首先假设在第二电压V₂不随温度的变化而变化，如图4(a)所示，电流 产生模块由MN1和MN2组成，其中MN1产生负温度系数的电流I₁，MN2 产生正温度系数的电流I₂，参考电流I_ref为电流I₁与电流I₂之和。

在本实施例中，这晶体管MN1和MN2工作在饱和区，忽略MN1和 MN2的沟道调制作用，并且由图4(a)所示，晶体管MN1和MN2的栅端 电压相同，都等于第二电压V₂，亦即V_{gs_n1}＝V_{gs_n1}＝V₂-V_SS＝V₂-0＝V₂，可得 晶体管MN1和MN2的电流分别为：

参考电流I_ref为：

$I_{\mathrm{ref}}=I_1+I_2=\frac{1}{2}{\mathrm{\mu C}}_{\mathrm{ox}\_n1}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n1}{(V_2-V_{\mathrm{th}\_n1})}^2+\frac{1}{2}{\mathrm{\mu C}}_{\mathrm{ox}\_n2}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n2}{(V_2-V_{\mathrm{th}\_n2})}^2---\left(9\right)$

若晶体管MN1和MN2的栅端电压V₂不随温度变化，对晶体管MN1 和MN2的电流对温度分别求导，假设，则晶体管MN1和MN2的电流温 度系数为：

$\left(\begin{array}{c}{\left(\frac{{\partial I}_1}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}=0}\approx \frac{1}{2}{C}_{\mathrm{ox}\_n1}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n1}{(V_2-V_{\mathrm{th}\_n1})}^2·\frac{\partial \mu }{\partial T}-{\mathrm{\mu C}}_{\mathrm{ox}\_n1}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n1}·V_{\mathrm{th}\_n1}·\frac{\partial V_{\mathrm{th}\_n1}}{\partial T}\\ {\left(\frac{{\partial I}_2}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}=0}\approx \frac{1}{2}{C}_{\mathrm{ox}\_n2}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n2}{(V_2-V_{\mathrm{th}\_n2})}^2·\frac{\partial \mu }{\partial T}-{\mathrm{\mu C}}_{\mathrm{ox}\_n2}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n2}·V_{\mathrm{th}\_n2}·\frac{\partial V_{\mathrm{th}\_n2}}{\partial T}\end{array}\right)$

$\Rightarrow \left(\begin{array}{c}{\left(\frac{{\partial I}_1}{\partial T}\right)}_{\frac{\partial V_2}{\partial T}=0}\approx A_1·\frac{\partial \mu }{\partial T}-B_1·\frac{{\partial V}_{\mathrm{th}\_n1}}{\partial T}\\ {\left(\frac{{\partial I}_2}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}=0}\approx A_2·\frac{\partial \mu }{\partial T}-B_2·\frac{{\partial V}_{\mathrm{th}\_n2}}{\partial T}\end{array}\right)---\left(10\right)$

其中$\left(\begin{array}{c}{A}_1=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{ox}\_n1}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n1}{(V_2-V_{\mathrm{th}\_n1})}^2,B_1={\mathrm{\mu C}}_{\mathrm{ox}\_n1}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n1}·V_{\mathrm{th}\_n1}\\ A_2=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{ox}\_n2}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n2}{(V_2-V_{\mathrm{th}\_n2})}^2,B_2={\mathrm{\mu C}}_{\mathrm{ox}\_n2}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{n2}·V_{\mathrm{th}\_n2}\end{array}\right)$

公式(4)中A₁、A₂、B₁、B₂都为非负。工艺参数迁移率μ的温度系 数是负的、管子的阈V_th的温度系数是负的，亦即随温度升高，V_th的值变 小。对μ、V_th的温度系数取绝对值可得，I₁和I₂电流的温度系数为：

∴$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial \mu }{\partial T}<0\Rightarrow \frac{\partial \mu }{\partial T}=-\left|\frac{\partial \mu }{\partial T}\right|\\ \frac{{\partial V}_{\mathrm{th}\_\mathrm{ni}}}{\partial T}<0\Rightarrow \frac{{\partial V}_{\mathrm{th}}}{\partial T}=-\left|\frac{{\partial V}_{\mathrm{th}}}{\partial T}\right|\end{array}\right)(i=\mathrm{1,2})$

                                                     (11)

∵$\left(\begin{array}{c}{\left(\frac{{\partial I}_1}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}=0}\approx -A_1·\left|\frac{\partial \mu }{\partial T}\right|+B_1·\left|\frac{{\partial V}_{\mathrm{th}\_n1}}{\partial T}\right|\\ {\left(\frac{{\partial I}_2}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}=0}\approx -A_2·\left|\frac{\partial \mu }{\partial T}\right|+B_2·\left|\frac{\partial V_{\mathrm{th}\_n2}}{\partial T}\right|\end{array}\right)$

参考电流的温度系数为：

${\left(\frac{{\partial I}_{\mathrm{ref}}}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}=0}\approx -A_1·\left|\frac{\partial \mu }{\partial T}\right|+B_1·\left|\frac{{\partial V}_{\mathrm{th}\_n1}}{\partial T}\right|-A_2·\left|\frac{\partial \mu }{\partial T}\right|+B_2·\left|\frac{{\partial V}_{\mathrm{th}\_n2}}{\partial T}\right|---\left(12\right)$

如公式(12)，即便是选用了温度系数正负不同的两个管子，在所有 的工艺角下，使参考电流的温度系数接近于零，也是不可能的。那么输 出电流的温度系数就有三个可能的情况，为正、零、负。第二电压V₂的 温度系数不变时，有可能出现的温度不为零的情况如图5(a)、图5(b)所示。

若改变第二电压V₂的温度系数，如图5(c)、图5(d)就分别解决了第二 电压V₂的温度系数不变时，参考电流不为零的问题(如图5(a)、图5(b))。 对公式(9)的参考电流对温度求导可得：

$\left(\begin{array}{c}{\left(\frac{{\partial I}_{\mathrm{ref}}}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}\ne 0}\approx -A_1·\left|\frac{\partial \mu }{\partial T}\right|+B_1·\left|\frac{{\partial V}_{\mathrm{th}\_n1}}{\partial T}\right|-A_2·\left|\frac{\partial \mu }{\partial T}\right|+B_2·\left|\frac{{\partial V}_{\mathrm{th}\_n2}}{\partial T}\right|+B_1·\frac{{\partial V}_2}{\partial T}+B_2·\frac{{\partial V}_2}{\partial T}\\ {\left(\frac{{\partial I}_{\mathrm{ref}}}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}\ne 0}\approx {\left(\frac{{\partial I}_{\mathrm{ref}}}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}=0}+(B_1+B_2)·\frac{{\partial V}_2}{\partial T}\end{array}\right)---\left(13\right)$

由公式(13)可知，本发明的参考电流的温度系数可以分为电流产生 模块自身在第二电压V₂栅端电压不变情况下引入的温度系数和第二电压 V₂的温度系数项引入的温度系数。通过公式(13)可知，通过调整电流产 生模块中晶体管MN1和MN2的尺寸、适当的调整第二电压V₂的温度系 数，可以使参考电流的温度系数趋近于0。进一步来讲，通过调整第二电 压V₂的温度系数，在各个工艺角下均能够获得好的温度系数。

当$\frac{{\partial V}_2}{\partial T}=-\frac{{\left(\frac{{\partial I}_{\mathrm{ref}}}{\partial T}\right)}_{\frac{\partial V_2}{\partial T}=0}}{B_1+B_2}$时，${\left(\frac{{\partial I}_{\mathrm{ref}}}{\partial T}\right)}_{\frac{{\partial V}_2}{\partial T}\ne 0}\approx 0---\left(14\right)$

综上所述，通过对参考电流的温度系数的分析，我们可以得出，通过 对电流产生模块适当的设计，并通过调节其第二电压V₂的温度系数，在 所有工艺角下，均可以实现输出电流的随温度变化小，并且保证电流值在 相应的范围。

另外，在本发明提供的面向三维存储器的零温度系数参考电流产生电 路中，电流产生模块的实现可以有多种形式，如图4(a)、图4(b)、图4(c) 等，思路是使用在恒栅压下温度系数能够相互抵消的多个支路来产生参考 电流，本发明以图4(a)为例介绍，其中电流产生模块包括工作在饱和区时 产生正温度系数电流的管子和负温度系数电流的管子各一个并联(栅端、 源端、漏端、衬底均相连)，栅端连接到电压产生模块的输出电压V₂。通 过晶体管产生不同温度系数的电流、管子的栅端电压的温度系数变化影响 管子产生电流的温度系数两个因素结合，产生零温度系数的电流I_ref。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。