запоминающее устройство с электрическим зондовым считыванием

Формула изобретения

Запоминающее устройство с электрическим зондовым считыванием, содержащее запоминающую среду, покрывающую полупроводниковую подложку и содержащую локальные запоминающие области нанометровых размеров, проводящие зонды и средства их перемещения параллельно поверхности запоминающей среды, и схемы детектирования токов, протекающих по зондам при считывании информации, отличающееся тем, что схемы детектирования выполнены в полупроводниковой подложке под запоминающей средой в виде интегральной матрицы зарядочувствительных усилителей с микронными размерами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в устройствах хранения информации, особенно в портативных устройствах, когда требуются компактность, высокая плотность и большой объем информации.

Известны конструкции запоминающих устройств с зондовым считыванием [1]. Они обеспечивают высокую плотность хранения информации, но содержат вращающийся диск, имеют сравнительно большие размеры и не позволяют строить портативные, компактные устройства.

Известно запоминающее устройство с электрическим зондовым считыванием [2], содержащее запоминающую среду, покрывающую полупроводниковую подложку и содержащую локальные запоминающие области нанометровых размеров, проводящие зонды и средства их перемещения параллельно поверхности запоминающей среды, и схемы детектирования токов, протекающих по зондам при считывании информации. Существенным недостатком такого запоминающего устройства является низкая скорость считывания схем детектирования, которые подсоединяются к проводящим зондам и поэтому значительно удалены от локальных запоминающих областей. Поэтому время считывания информации в известной конструкции запоминающего устройства с зондовым считыванием составляет единицы микросекунд. В результате для получения высоких скоростей считывания информации (необходимых, например, при передаче видеоизображений 100 Мбит/с - 1 Гбит/с) требуется одновременная согласованная работа очень большого количества зондов. Кроме того, в таких случаях на сами запоминающие среды налагаются очень жесткие требования по надежности.

Предлагается в известной конструкции [2] запоминающего устройства с электрическим зондовым считыванием, содержащей запоминающую среду, покрывающую полупроводниковую подложку и содержащую локальные запоминающие области нанометровых размеров, проводящие зонды и средства их перемещения параллельно поверхности запоминающей среды, и схемы детектирования токов, протекающих по зондам при считывании информации, сами схемы детектирования тока выполнить в полупроводниковой подложке под запоминающей средой в виде интегральной матрицы зарядочувствительных усилителей с микронными размерами.

Существенным отличием предлагаемой конструкции от прототипа является то, что схемы детектирования токов размещены не над поверхностью запоминающей среды, покрывающей полупроводниковую подложку, а под поверхностью запоминающей среды и непосредственно в полупроводниковой подложке. За счет этого удается во много раз уменьшить размеры входной цепи детектора тока - зарядочувствительного усилителя, а значит, во много раз повысить его чувствительность и быстродействие, а также улучшить помехозащищенность. Действительно, в таком варианте входным чувствительным узлом детектора тока является электрод, на котором размещены запоминающие области. Размеры этого электрода, а значит, и количество связанных с ним запоминающих областей оптимизированы по критерию максимального быстродействия всего запоминающего устройства и составляют единицы мкм. Таким образом, на каждом электроде разместятся тысячи - десятки тысяч запоминающих областей, а каждый зонд при перемещениях (порядка 100 мкм) будет способен выбирать один из нескольких тысяч электродов. При микронных размерах электрода его емкость составит всего единицы - десятки фемтофарад, что при регистрации считываемых токов (порядка десятков - сотен наноампер) обеспечит работу на частотах в десятки мегагерц.

На чертеже схематично представлен разрез части предлагаемой конструкции запоминающего устройства с зондовым считыванием, иллюстрирующий принцип его работы.

Зонд 1 размещен над запоминающей средой 2, которая представляет собой тонкий слой диэлектрика, например диоксида кремния, с локальными отверстиями 3 нанометровых размеров (скажем, 10 нм). Отверстия заполнены проводящим 4 или непроводящим 5 материалом, образуя, таким образом, локальные запоминающие области (проводящее состояние соответствует хранению единичного кода, а непроводящее состояние - нулевому коду). В качестве проводящего материала могут использоваться металлы (алюминий, титан, молибден и др.), легированный кремний или его проводящие соединения. В качестве непроводящего материала могут использоваться непроводящие соединения кремния (диоксид кремния, нитрид кремния) или оксиды вышеперечисленных металлов. Толщина слоя диэлектрика и заполняющих материалов составляет единицы нанометров (например, 5 нм), так что при прохождении зонда над диэлектриком или непроводящим материалом ток по зонду отсутствует (или, скажем, меньше одного пикоампера). Слой 2 покрывает полупроводниковую подложку 6, например, из кремния р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 1 Е 15 см^-3. В верхней части полупроводниковой подложки выполнена матрица входных электродов 7 зарядочувствительных усилителей с микронными линейными размерами. Материал электродов определяется местом размещения самих усилителей. В одном случае это могут быть легированные области самой монокристаллической подложки и тогда усилители должны размещаться в зазорах 8 между электродами. В этом случае зазоры будут иметь размеры порядка размеров электродов, т.е. степень заполнения поверхности запоминающими областями будет низкой (зато их поверхность будет ровной, как исходная поверхность кремниевой пластины). В другом случае усилители могут размещаться под электродами, в области 9. В этом случае зазоры между электродами будут минимальны, а сами электроды должны выполняться из тугоплавкого металла (например, из вольфрама). В этом случае плотность заполнения будет максимальной, но перед нанесением электрода требуется дополнительное выравнивание поверхности подложки со сформированными в ней усилителями. Толщина электродов в обоих случаях не превышает десятых долей микрона, а шаг электродов в матрице составляет единицы мкм и согласован с шагом в зондовой матрице, который должен быть кратен шагу электродов.

Работа предлагаемого запоминающего устройства происходит следующим образом. В процессе считывания зонды перемещаются параллельно поверхности запоминающей среды над локальными запоминающими областями. На зонды подано напряжение питания. При прохождении зонда над областью, где хранится единичный код, на вход схемы зарядочувствительного усилителя через проводящую область и электрод начинает протекать ток считывания. При токе считывания 0,1 мкА он изменит заряд на входной емкости зарядочувствительного усилителя (величиной порядка 10 фФ) до порогового изменения напряжения 0,1 В за 10 нс. За время движения зонда до следующей запоминающей области заряд на входной емкости будет восстановлен и зарядочувствительный усилитель будет готов к считыванию информации со следующей запоминающей области. При прохождении зонда над непроводящей областью ток по нему не протекает и изменение потенциала на входе усилителя будет мало.

Таким образом, предлагаемое запоминающее устройство с зондовым считыванием обеспечивает высокие скорости считывания (десятки мегабит в секунду в расчете на один зонд) и интеграцию схем считывания и передачи информации с подложкой-носителем запоминающей среды, что позволяет строить на его основе компактные запоминающие устройства большого объема.

Источники информации

1. Proceedings of IEEE, Vol.87, N 6, June 1999, p.1014.

2. Патент США N 5835477, класс G 11 В 7/00 (прототип).