CN1604212A - 使用探针技术将数据写入存储装置的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种使用探针技术在存储装置上写入数据的方法。在将数据写入到存储装置上的方法中，该存储装置包括一用于读写数据的阻性探针，一通过阻性探针将数据写到上面的铁电写介质和一个安置在铁电写介质下表面上的降低电极，通过在阻性探针和降低电极上施加一电压，同时将热量和电场施加到铁电写介质上用于写数据的区域。

Description

使用探针技术将数据写入存储装置的方法

技术领域

本发明涉及一种写数据的方法，特别是涉及一种使用阻性探针将数据写到铁电层上的方法。

背景技术

随着互联网相关技术的发展，能够写入包括运动图像的大量数据的写介质(在下文中称之为“高密度写介质”)和用于将数据写到写介质上并读取已写数据的便携装置，作为写介质市场上的重要产品已经在近阶段受到了相当的重视。

便携非易失性数据写入装置，能够归为像闪存一样的固态存储装置，也可以归为像硬盘一样的磁盘类型存储装置。

可以预计几年内，对手持装置的基本容量的需求将达到几十千兆字节容量的水平。对于固态存储装置来说，可能由于光刻技术的限制，让固态存储装置像高密度数据写入装置那样发挥作用，是具有可以想象的困难的。因此，当磁盘类型存储装置仍将用来作为主要的存储装置时，固态存储装置只是被用于像当前的个人计算机(PC)那样的需要高速操作的装置。

可以预计，在不远的将来，采用普通磁写类型的硬盘的容量将达到10千兆字节的水平。然而，由于超顺磁效应的影响，要得到具有比10-GB硬盘更高的磁写密度的硬盘是不太可能的。

由于这个原因，提出了一种作为用来写/读数据的装置的扫描探针，以及一种作为写介质的由铁电层组成的存储装置。

在使用扫描探针的技术中，比如，一种扫描探针显微镜(SPM)，通过使用探针可以操作和探测从几个纳米(nm)到几十个纳米范围的区域。

在近些年来，通过微电子机械系统(MEMS)，已经将探针加工成阵列的形式，以便能够并行读写从而克服读写速度的限制。

在使用SPM的存储装置中，能够通过电荷极性来识别写入的数据，其中，根据铁电层中的剩余极化强度，在铁电层的表面，或在剩余极化强度的方向上产生所述电荷。根据剩余极化强度在铁电层表面产生的电荷，在其周围产生电场。这个电场在探针的末端构建了一个耗尽区或存储区。存储装置的电容或电阻根据形成的是耗尽区(depletion region)还是存储区(accumulation region)以及根据探针的类型而发生变化。使用SPM的存储装置通过检测电容或电阻的变化来读取数据。

该存储装置，通过SPM来进行操作，并借助铁电层作为写介质，允许比使用磁写介质的存储装置更高密度的写数据操作。然而，使用SPM的存储装置存在以下问题。

即，在铁电层上的数据写入，包括通过对探针的两端施加相同的电压，来切换铁电层中一个区域的极化方向。这样，当采用大的矫顽场来保证热稳定性时，随着用于高密度存储装置的区域减少，施加到探针两端的电压，可能导致一个超过探针与介质表面之间的气隙的介电强度的电场。

因此，当施加到探针两端的电压过高时，因为探针与铁电层之间的间隔非常小，所以可能在间隔中间发生像电晕放电一样的电击穿。

同时，热辅助磁写技术(HAMR)作为下一代磁写技术中的一种，近来引起公众的注意。HAMR已经被用于在磁写介质上写入数据的方法和装置。在使用HAMR的存储装置中，在写入数据操作之前，用激光对磁写介质上用来写数据的预定区域进行加热。此后，对加热过的区域施加一磁场，从而将数据写到磁写介质上。

加热步骤和施加磁场的步骤是分开进行的。这样，写数据就需要大量的时间。因此，为了缩短时间，加热步骤和施加磁场的步骤应该同时进行。然而，用于产生磁场的线圈和用来加热的激光二极管无法被安置在同一空间中。此外，由于磁写头与写介质之间的间隙太窄，同时进行施加磁场和加热几乎是不太可能的。

发明内容

本发明提出一种使用SPM将数据写入存储装置的方法。该方法允许通过对铁电层施加较低的电压，而在具有高矫顽场的铁电层上写数据。

根据本发明的一个方面，提供一种在存储装置上写数据的方法，该装置包括一个用于读写数据的阻性探针，一个用阻性探针将数据写到上面的铁电写介质和一个安置在铁电写介质下表面上的降低电极。该方法包括，通过对阻性探针和降低电极施加电压，对铁电写介质中用于写入数据的区域同时施加热量和电场。

将一预定电压Vr施加到阻性探针上最接近铁电写介质的部分，且将另一预定电压V3施加到降低电极。这里，电压Vr和电压V3的关系可以通过公式3来表示。

|V3-Vr|＞Vc……(3)

通过将第一电压V1和第二电压V2施加给阻性探针，可以将预定电压Vr施加到阻性探针上离铁电写介质最近的部分。第一电压V1不同于第二电压V2。

尽管铁电写介质最好是由PZT层组成，但是也可以使用BTO层、TGS层或TGSe层来代替。

铁电写介质可以由在写数据区域具有高矫顽场的电介质层来组成。

根据本发明的另一方面，提供一种将数据写入存储装置的方法，该装置包括一个用于读写数据的阻性探针，一个用阻性探针将数据写到其上的铁电写介质和一个安置在铁电写介质下表面上的降低电极。该方法包括(a)降低铁电写介质中将写入数据的区域的矫顽场，以及(b)将数据写到铁电写介质上具有低矫顽场的区域。

步骤(a)和(b)可以同时进行。

在步骤(a)中，通过加热铁电写介质中将写入数据的区域可以降低矫顽场。

可以利用在阻性探针上最接近铁电写介质的部分产生的热量，对铁电写介质上用于写数据的区域进行加热。

通过对阻性探针施加第一电压V1和第二电压V2，使阻性探针上离铁电写介质最接近的部分产生热量。第一电压V1不同于第二电压V2。

在步骤(b)中，通过给铁电写介质的区域施加电场来进行写数据。

一预定电压Vr可以被施加到阻性探针上最接近铁电写介质的部分，且另一预定电压V3可以被施加到降低电极。这里，电压Vr和电压V3的关系能够用下面的公式3来表示。

|V3-Vr|＞Vc……(3)

在本发明中，为了写入数据，热量和电场是同时施加到铁电层上用于写数据的区域上的。施加到铁电层的热量能够降低铁电层的矫顽场，以便借助低电压切换到该区域。同样，通过同时施加热量和电场，可以高速地执行写操作。另外，具有高矫顽场的写介质可以用来提高热稳定性。这样，在探针和层表面之间不发生电击穿的情况下，有效的切换具有高矫顽场的铁电层上的区域。

附图说明

通过结合附图对典型实施例的具体描述，可以使本发明的上述目的和有益效果更加清楚。其中：

图1是根据本发明一个实施例的利用阻性探针将数据写到铁电层上的写数据方法的截面图；

图2A到图2D是根据图1所示的铁电层中的温度，磁回线发生变化的曲线图；

图3和图4是根据图1所示的铁电层中的温度，矫顽场发生变化的曲线图；

图5是根据施加到一常规阻性探针的电压，得到的电流和电阻特性曲线图；

图6是如图1所示的阻性探针的电流特性曲线图。

具体实施方式

现在，将参考附图，对本发明作更全面的描述，附图中显示的是本发明的一个典型实施例。在附图中，为了更清楚，层或区域的厚度可以被放大。

参照附图1，附图标记48表示一个用来作为数据写介质的铁电层。尽管该铁电层48优选为一个PZT层，但是也可以使用其它铁电层来实现，如，一BaTiO₃(BTO)层，一三甘氨酸硫酸盐(TGS)层，或者一三甘氨酸硒酸盐(TGSe)层。将降低电极50安置在铁电层48的下表面上。为了写数据，将第三电压V3施加到降低电极50上。将探针40安置在铁电层48的上方。探针40的位置处于一个连接到电源(未示出)的悬臂(未示出)的末端。探针40包括一个连接到悬臂的平板部分42，和一个连接到平板部分42的底部向铁电层48突出的突出部分44。突出部分44成为从平板部分42指向铁电层48的指针。一包括突出部分44的顶点的尖端46接近将数据写到上面的铁电层的表面。尖端46被涂上N型导电杂质，并具有比其后描述的一第一区域A1和一第二区域A2更高的电阻。平板部分42同突出部分44是对称的。将第一区域A1和第二区域A2安置在突出部分44的两边的平板部分42上。第一区域A1和第二区域A2被涂上N⁺型导电杂质。第一区域A1和第二区域A2，沿着突出部分44的表面延伸到尖端46。在写数据时，将第一电压V1施加到第一区域A1，同时将第二电压V2施加到第二区域A2。第三区域A3安置在探针40的内部。该第三区域被放置在第一区域A1和第二区域A2之间。第三区域A3被涂上P型导电杂质。第一到第三区域A1，A2，A3和尖端46的掺杂物的浓度，取决于写数据的条件。

以下，将参照图1来描述在铁电层48上写数据的方法。

将第一电压V1和第二电压V2分别施加到探针40的第一区域A1和第二区域A2。同时，将第三电压V3施加到降低电极50。这里，第二电压V2高于第一电压V1。当第一电压V1和第二电压V2施加到第一区域A1和第二区域A2时，在尖端46中产生焦耳热。该焦耳热(Q)可以通过公式1来表示。

Q＝I²Rt……(1)

在公式1中，I表示流进尖端46的电流，R是尖端46的电阻，t表示时间周期。

例如，当对于周期为100ns，1mA的电流流进尖端46，尖端46的电阻为2KΩ时，(1mA)²×2KΩ×100ns＝0.2nJ的热量产生出来使尖端46的温度增加。

当第一电压V1和第二电压V2被分别施加到第一区域A1和第二区域A2时，就像尖端46中产生的焦耳热一样，一满足下面的公式2的电压Vr被施加到尖端46上。

Vr＝(V2-V1)/2……(2)

被施加到尖端46上的电压Vr和被施加到降低电极50上的第三电压V3之间的关系能够用下面的公式3来表示。

|V3-Vr|＞Vc……(3)

在公式3中，Vc表示强制电压，强制电压Vc是铁电层48中使剩余极化强度转向所需的最小电压，比如，一个临界电压。

相应的，公式3表明了尖端46和降低电极50之间的电压差应该比铁电层48中被安置在尖端46的正下方的的一区域的该临界电压大。

如上所述，第一电压V1和与第一电压V1不同的第二电压V2被施加到第一区域A1和第二区域A2，并且满足公式3的第三电压V3被施加到降低电极50。这样，因为(|V3-Vr|)之间有电压差，因此在尖端46中产生了焦耳热，在尖端46和降低电极50之间出现了电场E。这样，安置在尖端46正下方的铁电层48的区域HA，接收产生于尖端46的焦耳热H，并处于电场E之中。具有预定宽度W的区域D，通过电场E，与处于尖端46正下方的铁电层48的区域HA对准。附图标记P表示通过电场E对准的区域D中的剩余极化强度。区域D的宽度W可以通过控制尖端46和降低电极50之间的电压差或施加电压脉冲所需的时间而变得更宽或更窄。

同时，如果焦耳热被从尖端46施加到包括铁电层48的区域D的区域HA，则用于使区域D中的剩余极化强度转向所需的矫顽场将被降低。相应的，用于使被加热的铁电层48的区域D中的剩余极化强度P转向所需的电场E的强度，可能要低于用于使未被加热的区域D中的剩余极化强度P转向所需的电场的强度。即，如果在加热铁电层48的时候，将电场E施加给铁电层48，则区域D中的剩余极化强度，能够在比常规方法更低的电压条件下被转向。换句话说，如果剩余极化强度的方向代表数据“0”或“1”，那么意味着，降低电压而把数据写到铁电层48上是可能的。

铁电层48的矫顽场能够通过对铁电层48加热而被降低，这些将通过参照图2到图4来更详细的描述。

图2A到2D是根据图1中所示的铁电层中的温度，磁回线(后面称之为回线)发生变化的曲线。图2A是在铁电层48的温度为-5.5℃条件下的回线，图2B是在铁电层48的温度为0℃条件下的回线，图2C是在铁电层48的温度为60℃条件下的回线，图2D是在铁电层48的温度为120℃条件下的回线。

参照图2A到2D，随着温度升高，当电压为0时得到的回线的垂直宽度和当剩余极化强度为0时得到的回线的水平宽度都变小。这是因为由于温度升高，剩余极化强度的幅度变小，同时使剩余极化强度转向所需的电压变低。从图2A到2D可以看出，这个趋势同样适用于铁电层48的温度高于120℃的情况。

同样，如果随着铁电层48的温度升高，剩余极化强度变小、以及使剩余极化强度转向所需的电压变低，那么矫顽电压或矫顽场的强度可能下降。这些将通过参照图3和附图4来进行更详细的描述。

图3是根据由TGS组成的铁电层中的温度，矫顽场Ec发生的变化，图4是根据由TGSe组成的铁电层中的温度，矫顽场Ec发生的变化。

图3中的附图标记G1和图4中的附图标记G2，分别代表反映矫顽场Ec变化的第一曲线和第二曲线。

参照第一曲线G1和第二曲线G2，当铁电层的温度T逐渐升高到居里温度Tc时，铁电层的电场的矫顽场Ec降低。

如第一、二曲线G1、G2中所示矫顽场的特性，同样适用于其它铁电层，例如，PZT层或BTO层。

根据图2到图4的以上的描述，由于铁电层的温度升高，铁电层的剩余极化强度变小和使剩余极化强度反向所需的电压变低。结果，矫顽场变低。

以下，将描述根据第一电压V1和第二电压V2，尖端46温度的变化。

图5表示的是在常规写数据方法中，根据施加到阻性探针的电压，得到的电流和电阻特性的曲线。

在图5中，附图标记G3、G4分别指的是表示电流特性的第三曲线和表示电阻特性的第四曲线。在第四曲线G4的顶部G4-V，常规阻性探针的尖端(未示出)能够被加热到500℃至700℃。

图6中的附图标记G5表示的是在本发明的写数据方法中，根据施加到如图1所示的探针的电流，得到的电压特性的第五曲线。

通过比较图5中的第三曲线G3和图6中的第五曲线G5，可以看出第三曲线G3和第五曲线G5非常相似。相应的，在本发明的写数据方法中，根据施加到探针的电流得到的电阻特性与图5中的第四曲线G4是一样的。

因此，在本发明的写数据方法中，图1中所示的探针40的尖端46能够被加热到500℃至700℃。

该电阻特性或电流特性依赖于第一区域A1、第二区域A2和探针40的尖端46的杂质浓度。相应的，在探针40的制造过程中，通过控制第一区域A1、第二区域A2和尖端46的杂质浓度，可以使尖端46的温度得到适当的控制。

如上所述，在本发明的写数据方法中，探针的二极被施加了两个不同的电压。这样，在探针的尖端产生焦耳热，同时，将等于施加到探针两个电极的电压之间的差值的一半的电压，施加到尖端。同样，将一个预定电压，施加到安置在为一写介质的铁电层下表面的降低电极上，以便使预定电压和施加到尖端的电压之间的差值不小于一矫顽电压。这样，当安置在该尖端正下方的铁电层的区域由从探针尖端产生的焦耳热加热时，将一电场施加到该加热的区域，以使加热区域中的剩余极化强度反向。因此，将数据写到铁电层上。

在本发明中，热量和电场都施加给用于写数据的铁电层上的给定区域。因为施加到铁电层的热量降低了铁电层的矫顽场，所以该区域能够在更低的电压下被切换。同样，热量和电场能够同时施加，因此能够高速的进行写数据操作。同样，即使用具有高矫顽场的写介质来提高热稳定性，也不会有电击穿发生，并且铁电层上的区域能够被有效的切换。

尽管已参考本发明的典型实施例，对本发明进行了详细的说明和描述，本领域普通技术人员，能够理解在不脱离通过随后的权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上做出的各种变化。

Claims (13)

1.一种将数据写到存储装置上的方法，该存储装置包括一用于读写数据的阻性探针，一通过阻性探针将数据写到上面的铁电写介质和一个安置在铁电写介质下表面上的降低电极，该方法包括：

通过在阻性探针和降低电极上施加一电压，对铁电写介质上的将写入数据的一区域同时施加热量和电场。

2.如权利要求1所述的方法，其中，将一预定电压Vr施加到该阻性探针中最接近铁电写介质的部分，将另一预定电压V3施加到降低电极上，

其中，电压Vr和电压V3的关系通过下面的公式来表示：

|V3-Vr|＞Vc

其中，Vc表示使该铁电层剩余极化强度转向所需的临界电压。

3.如权利要求2所述的方法，其中，通过将彼此不同的的第一电压V1和第二电压V2施加到该阻性探针，使该预定电压Vr被施加到阻性探针中最接近铁电写介质的部分。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该铁电层由从PZT层、BTO层、TGS层和TGSe层构成的组中选择的一层构成。

5.如权利要求1所述的方法，其中，该铁电层由在写数据区域中具有高矫顽场的一电介质层构成。

6.一种将数据写到存储装置上的方法，该存储装置包括一用于读写数据的阻性探针，一通过阻性探针将数据写到上面的铁电写介质和一个安置在铁电写介质下表面上的降低电极，该方法包括：

(a)降低铁电写介质中将写入数据的一区域的矫顽场；以及

(a)将数据写到铁电写介质中具有低矫顽场的区域。

7.如权利要求6所述的方法，其中，步骤(a)、(b)同时进行。

8.如权利要求6所述的方法，其中，在步骤(a)中，加热铁电写介质中将写入数据的区域。

9.如权利要求6所述的方法，其中，在步骤(b)中，将一电场施加到铁电写介质中的该区域。

10.如权利要求8所述的方法，其中，利用在阻性探针中最接近铁电写介质的部分产生的热量对铁电写介质上将写入数据的区域进行加热。

11.如权利要求10所述的方法，其中，通过对阻性探针施加第一电压V1和第二电压V2，使得阻性探针中最接近铁电写介质的部分产生热量。

12.如权利要求9所述的方法，其中，将一预定电压Vr施加到阻性探针上最接近铁电写介质的部分，将另一预定电压V3施加到该降低电极上，其中，电压Vr和电压V3的关系通过下面的公式来表示：

|V3-Vr|＞Vc

其中，Vc表示使该铁电层剩余极化强度转向所需的临界电压。

13.如权利要求6所述的方法，其中，该铁电写介质由从PZT层、BTO层、TGS层和TGSe层构成的组中选择一层来构成。

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