CN1921010A - 光电存储器装置及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种结构及用于操作该结构的方法。该方法包括在衬底上提供电阻/反射区，其中所述电阻/反射区包括一种材料，所述材料具有由于其吸收热而改变其反射系数的特性；通过所述电阻/反射区发送电流，以使所述电阻/反射区的反射系数从第一反射系数值变为不同于所述第一反射系数值的第二反射系数值；以及光学地读出所述电阻/反射区的反射系数变化。
Description
技术领域
本发明涉及存储器装置，更具体地说，涉及光电存储器装置。
背景技术
在典型的半导体存储器装置中，存储单元通常包括一个或多个晶体管，并且能够根据该存储单元的某个节点的电压电位存储两个可能值中的一个。例如，如果该节点电压为5v，那么该存储单元可以被认为存储1，如果该节点电压为0v，那么存储0。因此，该存储单元是一种电子存储器单元。为了写入该电子存储器单元，合适的电压电位被施加到该电子存储器单元的节点(或另一节点)。为了读取该电子存储器单元的内容，可以通过传感放大器(sense-amp)电路感测并随后放大该电子存储器单元的节点(或另一节点)的电压电位。但是，电数字信号的传输通常比光数字信号的传播慢。因此，如果可以光学地执行写和读周期的一种或两种，那么存储单元的写和读周期的速度将增加。由此，需要一种光电存储器装置，(a)能够光学地(即，通过光)或电学地(通过施加电压)写入和/或(b)能够光学地(即，通过光)或电学地(通过感测电压)读出。
发明内容
本发明提供一种方法，包括在衬底上提供电阻/反射区，其中所述电阻/反射区包括一种材料，所述材料具有由于其相变而改变其反射系数的特性；通过所述电阻/反射区发送电流，以使所述电阻/反射区的反射系数从第一反射系数值变为不同于所述第一反射系数值的第二反射系数值；以及光学地读出所述电阻/反射区的反射系数变化。
本发明还提供一种方法，包括在衬底上提供电阻/反射区，其中所述电阻/反射区包括一种材料，所述材料具有由于其吸收热量而改变其电阻的特性；将激光束投射在所述电阻/反射区上，以使所述电阻/反射区的电阻从第一电阻值变为不同于所述第一电阻值的第二电阻值；以及电读出所述电阻/反射区的电阻变化。
本发明还提供一种结构，包括(a)衬底上的N个正常电阻/反射区，N是正整数，其中所述N个正常电阻/反射区包括一种材料，所述材料具有由于其吸收热量改变其电阻和反射系数的特性；(b)一对一地电耦合到所述N个正常电阻/反射区的N个传感放大器电路，其中，所述N个传感放大器电路的每个传感放大器电路适于识别相关的正常电阻/反射区的电阻变化；以及(c)与所述N个正常电阻/反射区光学地耦合的光源/光探测器件，其中所述光源/光探测器件适于识别所述N个正常电阻/反射区的每个正常电阻/反射区的反射系数变化。
本发明提供一种光电存储器装置，(a)能够光学地(即，通过光)或电学地(通过施加电压)写入和/或(b)能够光学地(即，通过光)或电学地(通过感测电压)读出。
附图说明
图1图示了根据本发明的实施例的光电存储器装置。
图2图示了根据本发明的实施例的图1中的光电存储器装置的光电存储单元的一个实施例。
图3图示了根据本发明的实施例，施加的电压脉冲怎样影响图2中光电存储单元的电阻。
图4图示了根据本发明的实施例，施加的电压怎样影响图2中光电存储单元的电阻。
具体实施方式
图1图示了根据本发明的实施例的光电存储器装置100。更具体地，该光电存储器装置100包括，说明性地，两个光电存储单元(OEMC)110a和110r。该光电存储器装置100还包括开关120，用于以通过控制信号Va和Vr(下面进一步详细论述)控制的方式施加电压电位VCC和VWR到OEMC110a和110r。
该光电存储器装置100还包括开关130、传感放大器(sense-amp)电路140以及光源/光探测器件150。开关130以通过控制信号Vr控制的方式将OEMC 110a和110r电耦合到传感放大器电路140，而光源/光探测器件150被光学地耦合到OEMC 110a和110r(下面将进一步详细论述)。
图2示出了根据本发明实施例的图1的OEMC 110a的一个实施例。更具体地说，该OEMC 110a包括嵌入介质层240中的电阻/反射区210(在一个实施例中，包括氮化钽TaN)。在半导体(例如，硅)层250上形成介质层240(在一个实施例中，包括二氧化硅SiO2)。
在一个实施例中，TaN电阻/反射区210通过两个过孔230a和230b分别电耦合到两个导线220a和220b。说明性地，导线220a和220b包括铝(Al)或铜(Cu)或任意其它金属，而过孔230a和230b包括钨(W)或铜(Cu)或任意其它金属。在一个实施例中，OEMC 110a的Al线230a被耦合到开关120(图1)，而OEMC 110a的Al线230b被耦合到地线(图1)。
在一个实施例中，OEMC 110a的制造可以由硅层250开始。接下来，在一个实施例中，通过SiO2的CVD(化学汽相淀积)，在硅层250的顶上形成SiO2层240a(二氧化硅层240的下部)。
接下来，在一个实施例中，在SiO2层240a的顶上形成TaN电阻/反射区210。说明性地，通过(i)在SiO2层240a的顶上覆盖淀积TaN层(未示出)，然后(ii)方向性和选择性刻蚀该淀积的TaN层，以便使该淀积的TaN层的剩下部分是TaN电阻/反射区210，在SiO2层240a的顶上形成TaN电阻/反射区210。
接下来，在一个实施例中，通过SiO2的说明性CVD，在SiO2层240a和TaN电阻/反射区210的顶上形成SiO2层240b(二氧化硅层240的上部)。结果，TaN电阻/反射区210被嵌入SiO2层240中。
接下来，在一个实施例中，(i)在SiO2层240b中和(ii)与TaN电阻/反射区210电接触形成两个钨过孔230a和230b。说明性地，两个钨过孔230a和230b的形成是通过(a)通过任何常规光刻工艺产生两个孔230a和230b，以致TaN电阻/反射区210通过孔230a和230b被暴露于周围环境，然后(b)覆盖淀积钨层(未示出)，以便用钨填充该两个孔230a和230b，然后(c)平整该淀积的钨层，直到SiO2层240b的上表面242被暴露于周围环境。
接下来，在一个实施例中，(i)在SiO2层240b的顶上和(ii)分别与两个钨过孔230a和230b电接触形成两条铝线220a和220b。说明性地，形成两条铝线220a和220b是通过(a)在SiO2层240b和两个钨过孔230a和230b的顶上覆盖淀积铝层(未示出)，然后(b)方向性和选择性刻蚀该淀积的铝层，以便该淀积的铝层的剩下部分是两条铝线220a和220b。
在一个实施例中，OEMC 110r的结构类似于上述OEMC 110a的结构。而且，OEMC 110r以类似于OEMC 110a被耦合到开关120和地线(图1)的方式耦合到开关120和地线(图1)。
图3示出了曲线300，说明根据本发明实施例，施加的电压脉冲怎样影响图2中光电存储单元110a的TaN电阻/反射区210的电阻。更具体地说，本发明的发明人已经发现横跨TaN电阻/反射区210(图2)施加的电压脉冲改变TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数。该反射系数被定义为被表面反射的光子通量与该表面上入射的光子通量的比率。在一个实施例中，施加的电压脉冲可以具有三角形形状。更具体地，施加的电压脉冲包括从0V增加到峰值电压然后电压降回到0V。
本发明的发明人已经发现，对于特定尺寸的TaN电阻/反射区210(图2)，如果施加的电压脉冲的峰值电压在V1和V2(例如，VI和V2分别可以是3V和4V，可用曲线300的B-C段表示)之间，那么由于该施加的电压脉冲，TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数改变。更具体地说，在曲线300的B-C段中，施加的电压脉冲的峰值电压越高，TaN电阻/反射区210(图2)的所得电阻和反射系数越高。例如，假定TaN电阻/反射区210(图2)的电阻最初是R0，并且横跨TaN电阻/反射区210(图2)施加具有V2的峰值电压的(即，在上面的例子中为4V)的电压脉冲。在除去该脉冲之后，TaN电阻/反射区210(图2)的电阻是R1。还在除去该脉冲之后，TaN电阻/反射区210(图2)具有更高的反射系数。
应当注意，在以上例子中，TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数的改变相对于曲线300的B-C段是不可逆的。例如，假定上述脉冲被除去之后，横跨TaN电阻/反射区210(图2)施加具有V1的峰值电压(即，在上面例子中是3V)的另一电压脉冲。TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数不会变回到初始值，而是基本上保持不变(即，电阻为R1)。
图4A示出了曲线400，说明根据本发明实施例，施加的电压怎样影响图2中光电存储单元的电阻。更具体地说，本发明的发明人已经发现TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数都响应于0V和V1(在一个例子中，V1＝3V)之间的施加电压可逆地改变。例如，当施加电压从0V改变为V1时，TaN的电阻/反射区210(图2)的电阻从R0增加到R3。此外，尽管未示出，但是TaN电阻/反射区210(图2)的反射系数增加(即，不是很明显)。但是，当施加电压从V1回到0V时，TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数变回到原始值(即，可逆的)。
参照图1-4A，在一个实施例中，光电存储器装置100的操作如下，假定OEMC 110a和110r是在曲线300(图3)的B-C段中操作。
在一个实施例中，OEMC 110a可以被电写入。假定在OEMC 110a中写入1，那么Va和Vr可以被调整，以便开关120将OEMC 110a电耦合到信号VWR，以致横跨OEMC 110a施加具有V2的峰值电压(即，在上面例子中为4V)的信号VWR的电压脉冲。由于该脉冲，TaN电阻/反射区210(图2)的电阻从R0(初始电阻)变成并保持R1。由于该脉冲，TaN电阻/反射区210(图2)的反射系数增加(即使在该脉冲被去除之后仍保持高值)。
在一个实施例中，OEMC 110a的内容可以被电学地读出。更具体地说，Va和Vr可以被调整，以便开关120将OEMC 110a和110r电耦合到Vcc，以及开关130将OEMC 110a和110r电耦合到该传感放大器电路140。因为OEMC 110a的电阻(R1)较高，同时OEMC 110r的电阻保持R0，所以传感放大器电路140可以识别这种差异(通过比较横跨OEMC 110a和110r的电压降)并且由此在其输出端Vout处产生1，表示OEMC 110a存储1。应当注意，这里OEMC 110r被用作用于读出OEMC 110a的内容的参考存储单元。
在一个选择性实施例中，OEMC 110a的内容可以被光学地读出。更具体地，光源/光探测器件150可以分别产生相同的入射光束162a和162r(例如，激光)到OEMC 110a和110b，并且可以分别从OEMC 110a和110r接收反射光束164a和164r。在一个实施例中，利用15ns的激光脉冲持续时间和0.035至0.095uj范围内的激光能量，入射激光束162a和162r具有1.3μm波长。因为OEMC 110a比OEMC 110r更反光(由于上述写周期过程中施加的电压脉冲)，光源/光探测器件150可以识别分别来自OEMC 110a和110r的反射光束164a和164r的强度差，并且由此产生1，表示OEMC 110a存储1。应当注意这里的OEMC 110r被用作用于读出OEMC 110a内容的参考存储单元。
本发明的发明人已发现入射光束(例如，激光)可以具有与相对于改变TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数的电压脉冲一样的效应。这是因为激光束和电压脉冲都具有在TaN电阻/反射区210(图2)中产生热量的相同效果，引起电阻/反射区210(图2)的材料的相变，从而导致如上所述的TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数改变。在电压脉冲的情况下，该电压脉冲产生穿过TaN电阻/反射区210的电流并由此在TaN电阻/反射区210中产生热量(图2)。在激光的情况下，在TaN电阻/反射区210(图2)中激光的能量转变成热量。
结果，在一个选择性实施例中，代替上述电写入，OEMC 110a可以被光学地写入。具体地，假定在OEMC 110a中写入1，那么光源/光探测器件150在足够强度下可以产生到OEMC 110a的入射光束162a(例如，激光)，以便横跨OEMC 110a施加具有V2的峰值电压(即，在上面例子中为4V)的电压脉冲。在一个实施例中，利用15ns的激光脉冲持续时间和0.6μj至1.5μj范围内的激光能量，入射激光束162a和162r具有1.3μm波长。结果，TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数都增加。随后可以如上述电和光学地探测TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数的增加。
在一个选择性实施例中，代替如上所述的曲线300的B-C段的操作，OEMC 110a在曲线400(图4)X-Y段操作。在曲线400(图4)X-Y段中操作，OEMC 110a可以被同时电写入和光学地读出，由此可用来将电信号转变成光信号。
更具体地说，在一个实施例中，当施加的电压是0V(0用于电信号)时，OEMC 110a的TaN电阻/反射区210(图2)具有第一反射系数。光源/光探测器件150可以探测OEMC110a和110r的反射系数，并由此产生0用于光信号。更具体地说，当施加电压是VI(1用于电信号)时，OEMC 110a的TaN电阻/反射区210(图2)具有比第一反射系数更高的第二反射系数。光源/光探测器件150可以探测OEMC 110a和110r的反射系数之间的差异，并由此产生1用于光信号。换句话说，OEMC 110a可用来将电信号转变成光信号。在一个实施例中，532nm、1064nm或1340nm的激光波长可以用作用于读出OEMC 110a的内容的入射激光束162a和162r，同时OEMC110a在曲线400的X-Y段中操作(图4)。
类似地，在曲线400(图4)的X-Y段中操作，OEMC 110a可以同时光学地写入和电读出，结果，可以用来将光信号转变成电信号。在一个实施例中，考虑到入射激光束162a和162r，OEMC 110a在曲线400(图4)的X-Y段中操作时用于光学地写入OEMC 110a的激光能量比OEMC 110a在曲线300(图3)的B-C段中操作时光学地读出OEMC 110a的激光能量更高，但是低于OEMC 110a在曲线300(图3)的B-C段中操作时用于光学地写入OEMC 110a的激光能量。
更具体地说，在一个实施例中，当入射激光束162a的强度是零(0用于光信号)时，OEMC 110a的TaN电阻/反射区210(图2)具有第一电阻。传感放大器电路140可以为OEMC 110a和110r探测相同的电阻，由此产生0用于电信号。当入射激光束162a的强度处于较高水平(1用于光信号)时，OEMC 110a的TaN电阻/反射区210(图2)具有比第一电阻更高的第二电阻。传感放大器电路140可以探测OEMC 110a电阻和110r之间的电阻差异，并由此产生1用于电信号。换句话说，OEMC 110a可用来将光信号转变成电信号。
应当注意，因为OEMC 110a在曲线400的X-Y段中操作时TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数的变化小于OEMC 110a在曲线300的B-C段中操作时的变化，所以传感放大器电路140和光源/光探测器件150需要更灵敏，以便探测TaN电阻/反射区210(图2)的电阻和反射系数的微小变化。
总之，在曲线300的B-C段中操作，OEMC 110a可以用作一次写光电存储单元，在写入之后，该光电存储单元可以被多次电读出或光学地读出。相反，在曲线400的X-Y段中操作，OEMC 110a可以用作电-光转换器以用于在电数字信号和光数字信号之间来回转变。
在一个实施例中，参照图1，该光电存储器装置100可以包括基本上与OEMC 110a相同的N个OEMC(没有示出)，每个OEMC一样可以存储一位信息(N是正整数)。对于这些N个OEMC的每一个，需要(i)写开关(未示出，但是与开关120类似)，(ii)读开关(未示出，但是与开关130类似)，以及(iii)传感放大器电路(未示出，但是与传感放大器电路140类似)。此外，这些N个OEMC的每个以类似于OEMC 110a的方式被光学地耦合光源/光探测器件150。这些N个OEMC的每个的操作类似于OEMC110a的操作。在一个实施例中，光电存储器装置100的所有N个OEMC共享相同的参考OEMC 110r。另外，光电存储器装置100的N个OEMC的每个可以具有自己的参考OEMC。
应当注意，以上实施例的描述是充分的，以便本领域的普通技术人员不用过多的试验就能够实际操作本发明。
回来参照图2，在如上所述的实施例中，电阻/反射区210包括氮化钽TaN。通常，电阻/反射区210可以是包括多个层(未示出)的TaN复合叠层。在一个实施例中，电阻/反射区210可以是SiN/TaN/SiO2/SiN复合叠层、SiN/TaN/SiN复合叠层、SiN/SiO2/TaN/SiN复合叠层或包括TaN芯层的其它任意复合叠层。此外，在如上所述的实施例中，介质层240包括二氧化硅SiO2。选择性地，介质层240可以包括诸如SiCOH、SiLK以及聚合物等的低K材料。
在如上所述的实施例中，当电阻/反射区210(图2)吸收来自电压源或者低能激光器的少量热量时，电阻/反射区210(图2)的电阻增加。图4A示出电阻/反射区210(图2)的材料具有正电阻温度系数(TCR)的情况。另外，当电阻/反射区210(图2)吸收来自电压源或者低能激光器的少量热量时，电阻/反射区210(图2)的电阻可能减小。图4B示出了电阻/反射区210(图2)的材料具有负TCR的情况。
应当注意，根据TaN膜制造工艺，TaN可以具有正的或者负的TCR。但是，不论电阻/反射区210(图2)的材料具有正的还是负的TCR，光源/光探测器件150都可以识别来自OEMC 110a和110r的反射光束中的差异(如果有的话)，并且据此操作。
还应注意，图3和图4中的电压值仅用于说明。因此，权利要求的范围无论如何不能局限于这些值。
同样，在如上所述的实施例中，当电阻/反射区210(图2)吸收来自电压源或者低能激光器的少量热量时，电阻/反射区210(图2)的反射系数增加。另外，当电阻/反射区210(图2)吸收来自电压源或者低能激光器的少量热量时，电阻/反射区210(图2)的反射系数可以减小。
还应注意，在可逆或者不可逆的情况下，电阻的增加未必与反射系数的增加并进发生。类似地，在可逆或者不可逆的情况下，电阻的减小未必与反射系数的减小并进发生。例如，本发明的发明人已经发现，对于特定的电阻/反射区210(图2)，在某些热吸收水平下，样品210的电阻增加至初始阻抗值以上，同时该反射系数降至初始反射系数以下。但是在某个更高的热吸收水平下，样品210的电阻降至初始阻抗值以下，而同时该反射系数增加至初始反射系数以上。
尽管为了说明，在此已描述了本发明特定的实施例，但是对于所属领域的技术人员来说许多改进和变化的明显的。因此，附加权利要求旨在覆盖属于发明的真正精神和范围内的所有改进和改变。
Claims (20)
1.一种方法，包括以下步骤：
在衬底上提供电阻/反射区，其中所述电阻/反射区包括一种材料，所述材料具有由于其相变而改变其反射系数的特性；
通过所述电阻/反射区发送电流，以使所述电阻/反射区的反射系数从第一反射系数值变为不同于所述第一反射系数值的第二反射系数值；以及
光学地读出所述电阻/反射区的反射系数变化。
2.根据权利要求1的方法，其中所述材料包括TaN。
3.根据权利要求1的方法，其中所述通过所述电阻/反射区发送电流的步骤包括横跨所述电阻/反射区施加电压。
4.根据权利要求3的方法，其中所述电压为使在除去所述电压之后所述电阻/反射区的反射系数仍保持在所述第二反射系数值。
5.根据权利要求3的方法，其中在除去所述电压之后执行所述光学地读出所述电阻/反射区的反射系数变化的步骤。
6.根据权利要求1的方法，
其中所述通过所述电阻/反射区发送电流的步骤包括保持横跨所述电阻/反射区的电压电位，以引起所述反射系数变化，
其中横跨所述电阻/反射区保持所述第一反射系数值，所述值对应于没有电压电位，以及
其中横跨所述电阻/反射区保持所述第二反射系数值，所述值对应于所述电压电位。
7.根据权利要求6的方法，其中所述电压电位为使所述电阻/反射区的反射系数变化是可逆的。
8.根据权利要求6的方法，其中在横跨所述电阻/反射区施加所述电压电位的同时，执行所述光学地读出所述电阻/反射区的反射系数变化的步骤。
9.根据权利要求1的方法，其中所述光学地读出所述电阻/反射区的反射系数变化的步骤包括以下步骤：
发送第一入射激光束到所述电阻/反射区；
接收来自所述电阻/反射区的第一反射光束，其中所述第一反射光束是所述第一入射激光束反射离开所述电阻/反射区的结果；
发送第二入射激光束到另一参考电阻/反射区，其中所述另一参考电阻/反射区与所述电阻/反射区基本上相同；
接收来自所述另一参考电阻/反射区的第二反射光束，其中所述第二反射光束是所述第二入射激光束反射离开所述另一参考电阻/反射区的结果；以及
比较所述第一反射光束和所述第二反射光束的光束强度。
10.一种方法，包括以下步骤：
在衬底上提供电阻/反射区，其中所述电阻/反射区包括一种材料，所述材料具有由于其吸收热量而改变其电阻的特性；
将激光束投射在所述电阻/反射区上，以使所述电阻/反射区的电阻从第一电阻值变为不同于所述第一电阻值的第二电阻值；以及
电读出所述电阻/反射区的电阻变化。
11.根据权利要求10的方法，其中所述材料包括TaN。
12.根据权利要求10的方法，其中所述激光束的强度为使所述电阻/反射区的电阻变化是不可逆的。
13.根据权利要求10的方法，其中所述激光束的强度为使所述电阻/反射区的电阻变化是可逆的。
14.根据权利要求10的方法，其中在执行所述电读出所述电阻/反射区的电阻变化的步骤的同时，保持将所述激光束投射在所述电阻/反射区上。
15.根据权利要求10的方法，其中所述电读出所述电阻/反射区的电阻变化的步骤包括比较横跨所述电阻/反射区的第一电压降和横跨另一参考电阻/反射区的第二电压降，其中所述另一参考电阻/反射区基本上与所述电阻/反射区相同。
16.一种结构，包括：
(a)衬底上的N个正常电阻/反射区，N是正整数，其中所述N个正常电阻/反射区包括一种材料，所述材料具有由于其吸收热量改变其电阻和反射系数的特性；
(b)一对一地电耦合到所述N个正常电阻/反射区的N个传感放大器电路，其中，所述N个传感放大器电路的每个传感放大器电路适于识别相关的正常电阻/反射区的电阻变化；以及
(c)与所述N个正常电阻/反射区光学地耦合的光源/光探测器件，其中所述光源/光探测器件适于识别所述N个正常电阻/反射区的每个正常电阻/反射区的反射系数变化。
17.根据权利要求16的结构，其中所述材料包括TaN。
18.根据权利要求16的结构，还包括与所述N个正常电阻/反射区一一对应的N个参考电阻/反射区，
其中对于i＝1，...，N，所述N个传感放大器电路的第i个传感放大器电路适于识别所述N个正常电阻/反射区的第i个正常电阻/反射区和所述N个参考电阻/反射区的第i个参考电阻/反射区之间的第i个电阻差。
19.根据权利要求18的结构，
其中对于j＝1，...，N，所述光源/光探测器件适于识别所述N个正常电阻/反射区的第j个正常电阻/反射区和所述N个参考电阻/反射区的第j个参考电阻/反射区之间的第j个反射系数差。
20.根据权利要求16的结构，其中对于k＝1，...，N，所述光源/光探测器件适于：
发送第k个正常入射光束到所述N个正常电阻/反射区的第k个正常电阻/反射区，
接收来自所述第k个正常电阻/反射区的第k个正常反射光束，
其中所述第k个正常反射光束是所述第k个正常入射光束反射离开所述第k个正常电阻/反射区的结果，
发送第k个参考入射光束到所述N个参考电阻/反射区的第k个参考电阻/反射区，
接收来自所述第k个参考电阻/反射区的第k个参考反射光束，
其中所述第k个参考反射光束是所述第k个参考入射光束反射离开所述第k个参考电阻/反射区的结果，以及
比较所述第k个正常反射光束和所述第k个参考反射光束的光束强度。
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