CN1670850B

CN1670850B - 接触探针存储fet传感器及写加热器装置

Info

Publication number: CN1670850B
Application number: CN2004100818308A
Authority: CN
Inventors: R·G·梅希亚; R·L·希尔顿
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: CN1670850A; EP1544859A1

Abstract

一种用于接触探针存储装置等的读/写装置，具有设置有介质(108)的悬臂(100)，该介质相对于悬臂(100)可移动。将与悬臂和介质其中之一相关联的器件(114)设置为，响应于对介质和悬臂之间的电场变化，该电场变化是通过介质和悬臂之间距离的变化产生的。在悬臂上设置加热器(116)用于加热介质，并用于引起表示数据位的局部形态的变化。一个电路电互连该器件和该加热器。

Description

接触探针存储FET传感器及写加热器装置

相关申请的交叉参考

本申请是2003年12月7日以Robert G.Mejia和Richard LeeHilton的名义提交的美国专利申请序列号No.10/736,600(代理编号No.200310973-1)的延续部分，在此并入其全部内容以作参考。

技术领域

本发明涉及一种用于接触探针存储(CPS)装置等的读/写装置，其中加热器用于加热介质并改变其形态，以便将数据位写入其中，且其中基于FET(场效应晶体管)的读传感器装置响应于与支撑该介质的衬底距离的变化，并发射由该改变的形态诱发的电场。

背景技术

目前，可以通过用于接触可移动介质的悬臂上所支撑的探针来读出写入到可移动介质上的数据。在最接近探针的悬臂中提供加热元件(加热器)。通过使电流流经其中来加热该加热器。通过利用可移动介质和探针(或其中形成加热元件的悬臂的一部分)之间的热传递特性，可以确定可移动介质与其上带有探针的悬臂之间的距离的微小变化，并利用其作为用于读出存储在可移动介质上的数据的手段。

悬臂中的加热器可以用于读和写。读功能使用热读回(readback)传感器装置，该装置利用依赖于温度的电阻函数。在该装置中，电阻(R)随加热功率/温度从室温非线性地增大到500-700℃的峰值(写)。该峰值温度由加热器平台中的掺杂浓度决定，该掺杂浓度的范围从1×10¹⁷到2×10¹⁸。在峰值温度之上，由于热激励，电阻随着本征载流子的数量增加而下降。

在读出期间，电阻器工作在约200℃。该温度不够高到足以将聚合物介质软化到写入所需的程度。但是，该温度高到了足以使分子能量在其上带有探针的悬臂和移动介质之间传递。这种传递除去了热量，并因此提供了参数，其可以测量其上带有探针的悬臂与探针在其上运转的介质之间的距离。

也就是说，这种热传感基于这样一个事实，即，加热器平台与存储衬底之间的热导率根据它们之间的距离而改变。在这种情况下，悬臂和存储衬底之间的介质将热量从加热器/悬臂的一侧传送到存储介质/衬底的另一侧。当随着探针移动到位刻痕(bit indentation)中而使加热器和介质之间的距离减小时，热量更有效地通过空气被传送，加热器的温度以及因此其电阻减小。因此，在悬臂在数据位上扫描的同时，对被持续加热的电阻器的温度变化进行监控，提供了一种检测位的手段。

在通常的工作条件下，由于半导体中的热效应比应变效应更强，因此热力学传感的灵敏度甚至比压阻应变传感更好。通过40nm大小的位刻痕的图像表示了约10^-4/nm的ΔR/R灵敏度。这比使用压阻应变技术获得的结果要好。

然而，已经发现热响应比期望的慢，并且比悬臂机械地遵循写入到介质中的数据图案的能力明显更慢。这导致系统的读取性能慢于假设其不受传感系统的热响应所限制的情况。

附图说明

图1是可应用本发明实施例、并具有探针的悬臂(介质面向上)的示意性透视图；

图2A和2B分别是表示设置有介质的悬臂以及距离变化的示意性侧视图，其中已经通过结合到本发明实施例中的加热器将数据位写入到该介质中，而该距离变化是当悬臂上的探针与衬底的平坦表面啮合/进入或定位于表示数据的形态变化时所诱发的。

图3是表示根据本发明第一实施例的加热器/FET装置的悬臂的探针侧示意性平坦表面图。

图4是表示根据本发明第二实施例的加热器/FET装置的悬臂的示意性下侧平坦表面图。

图5是表示根据本发明第三实施例的加热器/FET装置的悬臂的示意性下侧平坦表面图。

图6是表示根据本发明第四实施例的加热器/FET装置的悬臂的示意性下侧平坦表面图。

图7是表示加热器与本发明实施例中使用的FET之间的基本连接的电路图。

图8是根据本发明第五实施例的悬臂的示意性顶部平坦表面图。

图9是表示如何将加热器元件与图8所述装置中的FET串联的电路图。

图10是表示提供了控制开关(选择FET)的电路图，该控制开关离开悬臂，并与传感FET和加热电阻器串联地设置。

图11是表示如何在阵列中使用选择FET的电路示例，其中水平行是用于启动沿着行的任一传感器的选择线，并且其中于是操纵在不同列线上的电压以便选择一列。

图12是设置为偏置FET传感器用于读取的电路的示意图，从信号中消除了不需要的DC并便于传感器FET的开关。

图13是本发明第六实施例的示意性顶部平坦表面图。

图14是本发明第七实施例的示意性顶部平坦表面图。

具体实施方式

图1、2A和2B示出了可应用本发明实施例的一种类型的悬臂装置。悬臂100在其内侧端部支撑在基座部件102上，并在其外侧端部形成有探针104。在所示的装置中，悬臂100包括两个臂100A、100B，通过端部桥部件100C将两个臂的外侧端部互连。

探针104形成在端部桥部件100C上。使用合适的掩模和蚀刻等类型的制造技术形成探针104，可以使其形成为至少部分不导电。

活化材料层106设置在悬臂100的臂上，以便控制悬臂向介质108的弯曲，该介质108相对于悬臂100是可移动的，反之亦然。然而，活化材料106不限于使用本征地应变的材料，如果需要，可选择地由压电材料形成。

例如，介质108由诸如聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的可热形变材料层构成，其形成在适当的支撑衬底的表面之上。在这种情况下介质108是不导电的，可以局部加热介质108，以通过熔丝和将介质形态改变到使用探针104以图2A和2B所述的方式能够检测到该变化的程度，从而写入数据。介质108支撑在衬底110上，在该示例中，该衬底是导电的且电连接到传感器电路112，该传感器电路适于向衬底110施加偏压并产生可以用于选通PET的电场。

因此，当介质108或悬臂100相对于另一个移动而呈现精确的坐标关系时，可以将悬臂向着介质移动。在以图2A所示的方式凹坑108A(或隔离的隆起)位于探针104下方的情况下，探针104进入凹坑(或与隆起的顶部啮合)表示数据位的存在。如果探针未找到凹坑或隆起，并处在诸如图2A所描述的介质的平坦表面上，则表示没有数据位。

此外，可以将位进行编码，以便使从一种状态(凹坑、隆起或平坦表面)到另一种状态的特定改变将表示一位，且其它状态或改变表示没有位。本发明可以使用在接触存储器件检测模式中采用的其它编码技术，或在传感器介质系统的响应中占主导地位的其它响应。

介质108的形态使得在介质108和其上形成探针104的悬臂100之间的距离或间隙发生变化。该距离的变化使FET(场效应晶体管)114对衬底110和悬臂100之间产生的电场的变化作出响应，该FET 114形成在悬臂100中接近探针处。该距离的变化根据介质108和悬臂100之间的间隙量来调整以通过FET 114的电流形式的信号。

此外将传感器电路112设置为对通过FET 114的电流的变化作出响应，并由此检测悬臂100与衬底110之间距离的变化。在本发明的实施例中，加热器116与FET 114形成电路，并设置为通过导电轨迹或线来供电，其中该导电轨迹或线诸如通过掺杂(离子注入等)形成在悬臂100中，且对于加热器116和FET 114是共有的。

图3中示意性地说明了本发明的第一实施例。但是应注意到，图3-6中所示的悬臂100的部分仅仅是能够朝向并离开介质108移动的悬臂100的端部部分。如所示的，在位于最接近于探针104的悬臂100的部分中，加热器116形成为具有适当电阻的导电区。

通过相对于任一侧上轨迹的掺杂浓度控制掺杂浓度，可以控制加热器116的电阻，该任一侧上的轨迹掺杂浓度更重且因此能更好地导电。可以理解，探针104本身可以形成加热器的一部分以促进介质108的局部化加热和熔化。

在本实施例中，悬臂100由硅形成，其已经以公知方式进行了掩模、蚀刻和掺杂，以产生所示的结构和导电线或轨迹114A、114B、114C和114D。这些轨迹限定了FET 114的源极、漏极和沟道，以及加热器116借助其进行工作的电路。

除了写入之外，加热器116还可以用于加热并诱发介质的局部区域的软化和回流，以便使表示数据的凹槽或隆起平滑并将其擦除。不用说，加热器必须保持接近介质的该部分，但使得探针104与其不接触。

其中形成FET 114的悬臂100的该部分与以图2A和2B中所示的方式出现的介质之间距离的改变足以改变FET沟道区中的电场强度。这诱发了如下情况，其中悬臂100对衬底108接近度的变化改变了FET 114的选通，并调整了可以通过沟道114C从漏极114A流到源极114B和114D的电流，该沟道114C插入在漏极和源极二者之间。

FET 114形成得仅有悬臂100的下半部分那么长，且仅形成在实际上响应于探针遇到的形态变化而进行移动的悬臂100的部分中。在悬臂的下表面上形成FET 114促进了产量，提供了更大的W/L比率及更大的传感器面积和增益。避免了不经历大量移动的悬臂的部分上FET 114的形成，以避免对DC电流和噪声的贡献。

由于探针104在不导电的介质108之上移动并与其接触，因此流经FET 114的电流的调制仅仅是由于在悬臂100和衬底110之间产生的电场变化，当然该衬底110必须足够导电以便建立所需的电场。

在读模式操作期间，沿着腿100A、100B并跨越端部桥100C连续延伸的轨迹114A作为公共漏极，而轨迹114B和114D作为源极，它们基本上是FET的两个等分。在本实施例中，部件114C形成了分隔FET装置的漏极和源极的沟道。

施加到衬底110的偏置选通了FET，使电流通过所形成的两个沟道部分114C。公共漏极和两个源极等分之间的电流用于导出读信号。由于在该期间轨迹114B和114D都用作“源极”，因此不会产生通过加热器116的电流。

在加热/写入工作模式期间，衬底110的偏置降低到不会产生FET选通的点。在该时间处，轨迹114B和114D的职责改变，以便一个作为用于加热器116的正极端，而另一个作为负极端。因此产生了电流流经加热器116。

能够在读取和写入工作模式之间产生这种变化的开关装置也在电控制领域技术人员的范围内，因此为了简明起见不再给出进一步的论述。

图3中所示的FET 114是耗尽型N沟道型FET。但是，本实施例不限于这种类型的FET，且如果需要可以用P沟道型替换。在耗尽型FET中，通过在沟道区掺杂形成沟道。在栅极电压的调制下，FET将以不同的量导电。如果使栅极电压足够负，则载流子将从沟道中驱动，引起FET停止导电。

如图2A和2B所示，将介质108和悬臂100有效地(机械地)互连，以便介质108经由元件118(在图2中示意地描述)所表示的驱动机构相对于悬臂100可选择性地移动。该机构被设置为以使两个元件(即，悬臂100和介质108)彼此相对移动，以便呈现所选的坐标关系并定位探针104，以便其能够检测在该坐标系统中是否存在或不存在表示数据的形态改变(例如凹坑108A)。

采用本实施例，由于电场响应与悬臂的移动一样快，因此可以期望良好的传感器带宽。由此，FET可以很快地对场强的变化作出响应，并具有使悬臂的力学性成为带宽中的限制因数的潜在可能。与上述热动式传感器相比，可以期望该装置的信噪比(SNR)提高，由于在前者中更多的有用信号被热低通函数滤出。

由于FET能够产生增益，因此可以期望本实施例的传感方面产生对于各种噪声源的相对大的输出信号，并因此由于这些噪声而减少了信号的退化。

虽然已经公开了图3的实施例为包括耗尽型FET，但是在本发明的本实施例和其它实施例中能够使用感应沟道型FET。感应沟道或增强型FET是这样的，其没有本征的沟道且漏极和源极的导电性非常低直到施加栅极电压为止。当栅极电压超过给定的阈值时，将足够的载流子拉入到沟道区中，器件开始导通。在N沟道增强型FET中，沟道是P型材料，当施加足够正的栅极电压时该材料形成导带。当导通时，沟道具有n型材料的性质。

图4示出了本发明的第二实施例。在本实施例中，简化了形成FET 214的左手和右手侧部分的掺杂轨迹。该结构使悬臂200的端部桥200C变得狭窄，且向悬臂200中接近探针204的区域增加最小的热质量。同时限制了向外到悬臂的腿中的导热性。

采用以所描述方式插入的加热器216，在读取模式期间外侧轨迹均用作FET 214的漏极而内侧轨迹均用作源极，并如与图3所示的第一实施例有关的公开以相同的方式进行切换。

图5示出了本发明的第三实施例。在本实施例中，在加热模式期间FET 314’也用作加热器，且使得该FET元件的几何尺寸将探针104邻近区域中的FET的宽度最大化。因此，本实施例仅具有一个源极314B和一个漏极314A。

通过在使FET部分导通的电压下操作源极和漏极，来实现读取和写入模式之间的转换。这使沟道处于介质传导性的状态，其中跨越其存在有大量电压降。假设衬底的电位固定，可以将源极电压设置为一个值以便建立FET“开态电阻”，且可以将漏极电压设置为一个电压以便产生所期望的耗散功率量。

但是采用这种技术，沟道中的功率密度会趋于太高，且FET的控制需要精确控制的电压等。

图6示出了本发明的第四实施例。在本实施例中，悬臂400包括两个桥部分400C和400D。第二桥部分400D形成在其上形成有探针和加热器的端部桥的内侧。FET 414形成在第二桥上且因此与加热器416隔离。形成FET 414使其具有交叉指型的漏极和源极部分414A、414B，同时沟道414C以所说明的方式插入其间。FET源极和漏极结构的交叉指型或交错提供了更高的W/L比率且因此改善了性能。当然本实施例需要改变悬臂的结构。但是，使用常规蚀刻技术容易实现这种改变，因此认为没有必要进一步对其披露。

图7以电路图的形式示出了图6中形成的装置。从该图中可以理解，施加到衬底110的偏压选通了形成在悬臂400的第二桥部分400D中的FET结构414。在写入阶段期间，可以将施加到衬底110的偏压调整到一个电平，其中使FET 414不导电且(以示例方式)呈现出大于10,000Ω的电阻。这能够通过腿414A1和414A2将足够的电流提供给加热器416，以升高悬臂中环绕(和/或包括)探针404的部分的温度，如果引起探针相对介质108的表面向下按压时，则足以熔化并改变介质108的形态。

相反地，在感测阶段期间，将衬底110的偏压升高到一个电平，其中FET可以被选通且因此使其导电(例如因此表现出1000Ω的电阻)。在此时间内，加热器的高电阻(例如，约3500Ω)有效地引导流经FET 414的大部分电流，且加热器的温度基本上降到周围环境的水平。

图8示出了本发明的第五实施例。设置该装置使FET 514的沟道514C在源极和漏极514B、514A之间以一个角度不对称地形成，并使得将其设置在加热器516的一侧并与之串联。

图9以电路图的形式示出了FET 514和加热器516。将读传感器FET上的栅极描述为“可移动栅极”，表明将它位于介质中，而不是悬臂中。

为了便于连接到这些悬臂的阵列，以图10所示意性说明的方式，添加选择FET 550与传感器FET 514和写加热器(电阻器)516串联。该选择FET 550未形成在悬臂500上，相反，其位于悬臂基座部件102上或与悬臂关联的管芯上。

当悬臂不处于使用中时，将选择FET 550的栅极上的电压降低到小于在Vc1和Vc2之上的Vt。这使悬臂选择FET 550截止。

对于读取，Vr取相对高的电压以导通悬臂选择FET 550。然后Vc1取相对高的电压(例如Vcc-0.5V)。Vc2相对于Vm设置，以使期望的DC电流流动(Vm-Vt)。

对于写入，Vr取相对高的电压以导通悬臂选择FET 550。Vc1取相对高的电压(Vcc)。Vc2取相对低的电压以便使传感器FET 514难以开启(gnd)。

在图11中示出了如何在阵列中使用选择FET 550的示例。在该装置中，使用水平行选择线以启动沿一行的任意传感器。然后操纵不同列线上的电压以便选择一列。同样可以将悬臂选择FET实现为P沟道器件，或者将其设置在读取传感器FET和Vc2端之间。读取或传感器FET 514的操作是相同的，唯一的不同在于，Vc2端可以偏置到略微更低的电压，以便调节悬臂选择FET 550的开态电阻。

为了适当地偏置传感器FET 514用于读取，从信号中消除不需要的dc并有助于传感器FET 514的切换，可以采用图12所示的电路。该电路与串联组合电路或并联组合电路一起工作。在操作中主要的差别在于写入机制，其不通过该电路寻址。

如图12所示，使用电流源(B)，电路将固定的dc电流施加到串联连接的传感器FET和写加热器(通常用A表示)。使用电压源(C&D)以设置跨越传感器FET和加热器的电压。该电压通过互阻抗放大器(E)的虚拟短路(virtual short)传递到传感器端。

电压源C可以是固定的或者可以与电压源D对称地工作。使源C固定可以便于悬臂选择FET的操作。源D根据互阻抗放大器的差分输出而变化。通过对于单端转换器(F)的差分，将差分输出转换成单端响应。然后将其过滤并馈入电压源D。这形成反馈回路，其将电压从FET传感器“栅极”(Vm)调整到FET传感器源极(Vgs)，以便其产生流经传感器FET的电流，其等于来自固定源(B)的电流。这通过调整漏极处的电压达到期望的Vgs。由于在无需主动控制介质上的电压(Vm)的情况下就能调整电流，因此这是有用的。

介质电压在多个悬臂之间共用，因此其不能以每个悬臂为基础进行调节。由于通过偏置FET传感器使互阻抗放大器的差分输出最小化，因此该电路消除了来自读取沟道电子残留部分中不需要的dc。

如果在固定电流源(B)中存在不平衡，则结果将是在输出处的共模电压。为了校正固定电流源中的不平衡，使用由对于单端缓冲器(G)共模、放大器、滤波器和压控电流源(H)组成的反馈电路。

图13示出了本发明的第六实施例。该装置基本上与图6中所示的装置相似，主要的不同在于，FET 614和加热器616的配置分别设置在第一和第二桥600C和600D上。这使FET 614响应于探针604进入凹坑而经历更大量的移动，并因此与介质更接近，且成为通过衬底110的电气化而产生的电场源。

图14示出了本发明的第七实施例。该装置在布局上与第六实施例相似，其不同在于加热器704提供有分离的正和负轨迹或端714P和714N。但这使得来自FET 714的信号通过与限定加热器电路的轨迹电分离轨迹而被馈送。

注意到，在本实施例和前述实施例中，虽然公开了两个连接桥，但是在认为这种结构有利的情况下，合并该两个及仅具有一个桥部件也在本发明的范围之内。

虽然已经参考有限数量的实施例公开了本发明，但是不言而喻，对于在原子分辨率存储(ARS)和接触探针存储(CPS)技术领域的技术人员很明显的是，在不脱离本发明范围的情况下可以作出各种更改和变化，本发明的范围仅通过所附权利要求来限定。例如，虽然图4-6中所示的第二-四实施例中使用耗尽型FET，但它们可以适用感应沟道或增强型FET。

Claims

1.一种读/写装置，包括：

悬臂(100)和相对于该悬臂(100)可移动的介质(108)；

与该悬臂相关联的器件(114)，该器件配置为响应于该介质(108)和该悬臂(100)之间电场的变化，该电场的变化由该介质和该悬臂之间距离的变化产生的；

设置在该悬臂上的加热器(116)，用于选择性地加热该介质并用于引发表示数据位的局部形态的变化；以及

电互连该器件(114)和该加热器(116)的电路。

2.如权利要求1所述的读/写装置，其中该电路至少形成该器件的一部分。

3.如权利要求1所述的读/写装置，其中该电路具有对于该器件和该加热器共有的部分。

4.如权利要求1所述的读/写装置，还包括选择开关(550)，其与该加热器(516)和该器件(514)串联形成电路，并控制通过该加热器和该器件的电流通过。

5.如权利要求4所述的读/写装置，其中电互连该器件和该加热器的电路是第一电路，还包括第二电路，该第二电路与串联连接的该选择开关(550)、加热器(516)和该器件(514)连接，该第二电路配置为使用第一和第二电流源以及第一和第二电压源施加固定的dc电流给串联连接的选择开关、加热器和器件，其中该第一和第二电压源跨越串联连接的选择开关、加热器和器件而施加电压。

6.如权利要求1所述的读/写装置，其中该悬臂包括探针(104)，该探针从该悬臂(100)延伸，且配置为与该介质(108)的表面可接触，并响应于该介质的形态以使该悬臂与该介质之间的距离变化。

7.如权利要求1所述的读/写装置，其中该器件(114)是FET。

8.如权利要求7所述的读/写装置，其中该电路包括形成在该悬臂(100)中的多个导电轨迹，该导电轨迹包括FET的源极和漏极，且其中该FET的源极或漏极形成向该加热器(116)提供电流的电路的一部分。

9.一种制造读/写装置的方法，包括：

通过在硅悬臂的选定表面中掺杂导电的源区和漏区，从而在硅悬臂(100)中形成FET(114)，该FET配置为通过电场来选通，该电场是通过向与该硅悬臂分离的衬底施加偏压而产生的；

在该硅悬臂(100)的选定表面上形成探针(104)；以及

在硅悬臂中接近于该探针形成加热器。