DE69525637T2

DE69525637T2 - Speichervorrichtung

Info

Publication number: DE69525637T2
Application number: DE69525637T
Authority: DE
Inventors: Mitsuchika Saito; You-Wen Yi
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2015-10-07
Also published as: WO1996011472A2; DE69525637D1; EP0784847A2; JPH08115600A; JP3686109B2; WO1996011472A3; CN1171855A; EP0784847B1; CN1091925C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Speichervorrichtung, in der Informationen mittels einer Mehrzahl von kleinen Sonden ("minute probes") gelesen und geschrieben werden, und insbesondere bezieht sie sich auf eine Speichervorrichtung des Typs, in dem die Streukapazität der Verdrahtung bzw. Leitungsführung zwischen den Sonden und den Schreib/Lese- Schaltungen (im folgenden als W/R-Schaltungen bezeichnet) klein ist, wobei die Vorrichtung relativ unempfindlich gegen die Wirkungen von Rauschen ist, wobei die Kosten zum Herstellen der Vorrichtung gering sind, und wobei die Aufzeichnungsdichte bzw. Speicherdichte der Vorrichtung hoch ist.
Herkömmliche Beispiele von Speichervorrichtungen, die das Lesen und Schreiben von Informationen mittels einer Mehrzahl von kleinen Sonden durchführen, weisen derartige Vorrichtungen auf, wie sie in J. Sliwa, Jr., "Microvibratory Memory Device", Japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 4- 289580, und U.S.-Patent Nr. 5.216.631 (1. Juni 1993), offenbart sind. In derartigen Vorrichtungen werden Techniken zum Steuern des Abstands zwischen Nadeln und den Oberflächen des erfaßten Objekts in STM (scanning tunnel microscopes = Rastertunnelmikroskopen) und in AFM (atomic force microscopes = Atomkraftmikroskopen), die in einem Nichtkontaktmodus betrieben werden, verwendet, um den Abstand zwischen Nadeln und Speichermedien in der Speichervorrichtung zu steuern. Das Lesen und Schreiben von Daten bei derartigen Speichervorrichtungen wird durchgeführt, während der Abstand zwischen der Oberfläche des Speichermediums und den Spitzen der Nadeln eingestellt wird. Diese Abstandseinstellung wird durchgeführt, indem der Abstand zwischen der Oberfläche des Speichermediums und den Spitzen der Nadeln erfaßt wird.
Ferner wird in dem Fall von Speichervorrichtungen, die in Übereinstimmung mit Sliwa (siehe oben) hergestellt werden, der Abstand zwischen der Oberfläche des Speichermediums und den Spitzen der Nadeln mittels eines Tunnelstroms oder einer Kraft erfaßt. Folglich muß bei derartigen Speichervorrichtungen, Erfassungsschaltungen und Signalverarbeitungsschaltungen, die für die Abstandserfassung und den Abstand verwendet werden, eine Steuerung für jede Sonde zusätzlich zu den W/R-Schaltungen vorgesehen werden. Diese Schaltungen, wie beispielsweise W/R-Schaltungen, Erfassungsschaltungen und Signalverarbeitungsschaltungen bewirken eine Gesamtzunahme bezüglich des dafür bestimmten Oberflächenbereichs. Als Folge tragen in den Fällen, bei denen die Sonden und die oben erwähnten Schaltungen auf dem gleichen Substrat installiert bzw. vorgesehen sind, die Schaltungen zu der Schwierigkeit bei, eine hohe Sondendichte zu erreichen.
Wegen der oben genannten Gründe ist es bei Speichervorrichtungen, die in Übereinstimmung mit Sliwa (siehe oben) hergestellt werden, notwendig, die oben erwähnten W/R- Schaltungen, die Erfassungsschaltungen und die Signalverarbeitungsschaltungen auf einem anderen Substrat anzuordnen, das verschieden von dem Substrat ist, auf dem die oben erwähnten Sonden ausgebildet sind. Als Folge davon werden die Teile, auf denen die oben erwähnten Nadeln ausgebildet sind, und die oben erwähnten Schaltungen natürlicherweise an separaten Orten durch separate Herstellungsverfahren ausgebildet.
Bei Vorrichtungen, die in Übereinstimmung mit Sliwa (siehe oben) hergestellt werden, werden die jeweiligen Sonden durch ein Hybridhalbleiterverfahren hergestellt. Genauer gesagt werden in dem Fall der Vorrichtungen, die in Übereinstimmung mit Sliwa (siehe oben) hergestellt werden, die jeweiligen Sonden und die verschiedenen Schaltungen, die den Sonden zugeordnet sind, wie beispielsweise die W/R- Schaltungen, die Erfassungsschaltungen und die Signalverarbeitungsschaltungen, nicht auf dem gleichen Substrat installiert bzw. vorgesehen, d. h. sie werden an separaten Orten installiert. Folglich werden die Sonden und Schaltungen durch relativ lange Drähte bzw. Leitungen verbunden. Als Folge davon variiert der Abstand zwischen den Sonden und den den Sonden entsprechenden verschiedenen Schaltungen von Sonde zu Sonde, wodurch eine Asymmetrie bezüglich der Sonden hervorgerufen wird, so daß eine hohe Parallelität nicht erreicht werden kann. Dies führt zu Problemen, wie beispielsweise einer Differenz bezüglich der elektrischen Charakteristika bzw. elektrischen Eigenschaften der Bereiche zwischen den Sonden und den jeweiligen den Sonden entsprechenden Schaltungen. Als Folge davon gehen Leistungswerte, die bei einer Speichervorrichtung wichtig sind, wie beispielsweise eine Datenübertragungsrate, eine Sicherheit bezüglich Redundanz, und Fehlerkorrekturfunktionen, verloren. Wegen einer Zunahme bezüglich einer Streukapazität und eines Rauschens zwischen den Sonden und den W/R-Schaltungen wird ferner eine Zunahme bezüglich der Bitgröße des Speichermediums unvermeidlich.
In Speichervorrichtungen dieses Typs steigt der Betrag bzw. die Menge an Daten, die bei einem Zugriff gelesen oder geschrieben werden, natürlicherweise mit einer Zunahme der Sondendichte an. Bei der Verdrahtung bzw. Leitungsführung, die für die Übertragung von derartigen Lese- oder Schreibsignalen verwendet wird, ist zumindest eine Leitung für jede Sonde erforderlich. Als Folge davon wirkt sich eine große Anzahl von Leitungen, die erforderlich ist, störend auf die Schaffung einer hohen Sondendichte aus.
Die US-A-5.216.631 bezieht sich auf eine Speichervorrichtung, deren Medienabtastung vibrationsmäßig oder trägheitsmäßig gesteuert wird. Die Vorrichtung umfaßt Ausleger bzw. freitragende Arme ("cantilevers"), die an einem Ende befestigt sind und in der Lage sind, zu vibrieren, wobei an dem entgegengesetzten Ende jedes freitragenden Arms eine Anordnung bzw. ein Array von Speicherbits angeordnet ist. Entgegengesetzt zur Oberfläche des freitragenden Arms ist ein Schreib/Lese-Kopf vorgesehen, der in der Art ähnlich zu einer Abtastspitze für eine Rastertunnelmikroskopie oder Atomkraftmikroskopie ist.
Die US-A-5.235.187 bezieht sich auf selbstausrichtende, integrierte Tunnelspitzen im Nanometerbereich zur Verwendung in Sensoren und analytischen Instrumenten. Die Spitzen und Träger, an denen selbige befestigt sind, sind aus einem Einkristallsiliziumsubstrat hergestellt und die Spitzen sind von dem Substrat elektrisch isoliert, indem isolierende Segmente an der Trägerstruktur ausgebildet sind.
Die JP-A-6044618 offenbart eine Speichervorrichtung bzw. Aufzeichnungsvorrichtung, die eine elektrische Sonde an der Spitze eines freitragenden Arms benachbart zu oder in Kontakt mit der Aufzeichnungsoberfläche hat.
In "Applied Physics Letters", Vol. 61, 19. November 1992, Seite 2293 bis 2295 wird eine Lithographie im Nanometerbereich unter Verwendung eines Atomkraftmikroskops beschrieben. Wenn das Atomkraftmikroskop für eine Lithographie im Nanometerbereich bezüglich ultradünner Filme verwendet wird, wird die scharfe Spitze des Atomkraftmikroskops, die an einem freitragenden Arm angebracht ist, sehr nahe zu oder in Kontakt mit einer Substratoberfläche durch piezoelektrische Aktuatoren bzw. Betätigungsglieder gebracht.
In dem "Journal of Vacuum Science and Technology", A 7 (1989), Nr. 4, Seiten 2906 bis 2913, wird die Messung von nanomechanischen Eigenschaften und Oberflächenkräften von Materialien unter Verwendung eines Atomkraftmikroskops beschrieben, wobei die Wechselwirkung bezüglich der Spitzenoberfläche nur auf Oberflächenkräften beruht, wobei der Träger des freien Arms bzw. der Cantilever-Träger, der die Spitze hält, keine externe oder angewandte Last bzw. Belastung beiträgt.
Es ist die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, eine verbesserte Speichervorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Speichervorrichtung gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 5 gelöst.
Die Erfindung schafft eine Speichervorrichtung: (a) in der eine geringe Streukapazität bei der Verdrahtung bzw. Leitungsführung zwischen den Sonden und den W/R-Schaltkreisen vorhanden ist, so daß die Vorrichtung relativ unanfällig gegen die Wirkungen von Rauschen ist; (b) in der eine hohe Parallelität bezüglich der jeweiligen Sonden beibehalten wird; (c) in der die Kosten der Herstellung gering sind; und (d) in der die Aufzeichnungsdichte bzw. Speicherdichte hoch ist.
Die Erfindung basiert unter anderem auf den folgenden Tatsachen:
- Wenn die Sonden und verschiedene Schaltungen, wie beispielsweise die W/R-Schaltungen und die Sondenantriebsschaltungen, die den Sonden entsprechen, durch eine Reihe von Bildungsverfahren auf dem gleichen Substrat ausgebildet werden, können die Sonden und Schaltungen in einer geringen Nähe zueinander installiert bzw. ausgeführt werden, so daß die hohe Parallelität der Sonden nicht verloren wird.
- Wenn der Austausch von Signalen zwischen einer Mehrzahl von W/R-Schaltungen und peripheren Schaltungen unter Verwendung eines einzigen Busses erreicht wird, dann geht die hohe Dichte der Sonden nicht verloren.
- Durch Auswählen eines geeigneten Mechanismusses zur Verwendung als der Sondenbetätigungsmechanismus ist es möglich, die Schaltungen, die benachbart zu den Sonden installiert werden, wie beispielsweise W/R-Schaltungen und Sondenantriebsschaltungen, wobei Erfassungsschaltkreise weggelassen werden, zu vereinfachen, so daß die Sondendichte sogar weiter erhöht werden kann.
Genauer gesagt ist die Speichervorrichtung hierin durch die Tatsache, daß die Speichervorrichtung mit einem Speichersubstrat ausgestattet ist, das ein Speichermedium aufweist, welches auf dessen Oberfläche ausgebildet ist, und durch eine Sondenvorrichtung gekennzeichnet, die die folgenden Elemente aufweist:
(a) eine Mehrzahl von Sonden mit leitfähigen bzw. leitenden Nadeln, die verwendet werden, um Informationen in dem vorerwähnten Speichermedium zu lesen und zu schreiben;
(b) eine Positionierungsvorrichtung, die verwendet wird, um die vorerwähnten leitenden Nadeln bei vorgeschriebenen bzw. vorbestimmten Positionen auf der Oberfläche des vorerwähnten Speichermediums zu positionieren, wobei all die Nadeln zur gleichen Zeit positioniert werden;
(c) W/R-Schaltungen, die verwendet werden, um Informationen in dem vorerwähnten Speichermedium über die vorerwähnten leitenden Nadeln zu lesen und zu schreiben; und
(d) Sondensteuerungsschaltungen, die für jede der vorerwähnten leitenden Nadeln vorgesehen sind, und die dazu verwendet werden, um die Oberfläche des vorerwähnten Speichermediums und die Spitzen der vorerwähnten leitenden Nadeln in einem Zustand eines Kontakts anzuordnen.
Die vorerwähnten Sonden, die W/R-Schaltungen und die Sondensteuerungsschaltungen werden in geringer Nähe zueinander auf der vorerwähnten Sondenvorrichtung mittels eines monolithischen Halbleiterverfahrens ausgebildet. Anordnungen von Sonden, W/R-Schaltungen und Sondensteuerungsschaltungen, die auf diese Weise in geringer Nähe zueinander installiert bzw. ausgeführt sind, werden im folgenden als Sondenzellen bezeichnet.
Bei der Erfindung sind eine Mehrzahl von Sondenzellen in einer Speichervorrichtung installiert, vorzugsweise eine große Anzahl, wie beispielsweise 100.000 Sondenzellen pro Speichervorrichtung. Durch Installieren einer derartig großen Anzahl von Sondenzellen ist es möglich, eine große Steigerung bezüglich des Betrags bzw. der Menge an Informationen zu erreichen, die pro Zeiteinheit gelesen oder geschrieben wird. Die Sondenzellen können in entweder einer eindimensionalen Anordnung oder einer zweidimensionalen Anordnung installiert werden. Gewöhnlicherweise jedoch ist eine zweidimensionale Anordnung von dem Standpunkt, eine hohe Aufzeichnungs- bzw. Speicherdichte zu erzielen, bevorzugt.
Bei der Erfindung werden die Sondenzellen durch eine Reihe von Verfahren auf der Grundlage von monolithischen Halbleiterverfahren und Mikrobearbeitungsverfahren hergestellt. Folglich ist das Herstellungsverfahren zum Herstellen der jeweiligen Sonden und Schaltungen, die den Sonden zugeordnet sind, in großem Maße vereinfacht im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren, so daß die Kosten der Speichervorrichtung als Ganzes reduziert sind.
Insbesondere, weil die W/R-Schaltungen und Sonden in dichter bzw. geringer Nähe zueinander ausgebildet sind, ist ferner eine hohe Parallelität für die jeweiligen Sonden gewährleistet. Weil ferner der Abstand zwischen jeder Sonde und der entsprechenden W/R-Schaltung für alle Sonden gleich gemacht werden kann, ist die Streukapazität der Verdrahtung viel kleiner als bei herkömmlichen Vorrichtungen, so daß die Wirkung bzw. der Effekt von Rauschen in großem Maße verringert werden kann. Weil die Sondenzellen, wie oben beschrieben, durch eine Reihe von Verfahren auf der Grundlage von monolithischen Halbleiterverfahren und Mikrobearbeitungsverfahren hergestellt werden, kann ferner bei der Erfindung eine Variation bzw. Abänderung bezüglich der Sondenzellen und der Schaltungen, die die Zellen bilden, verringert werden.
Ein herkömmliches Busleitungssystem wird für die Übertragung von Signalen zwischen den W/R-Schaltungen und peripheren Schaltungen verwendet. Die Rate, bei der Informationen gelesen oder geschrieben werden, ist gering im Vergleich zu der Datentransmissionsrate einer herkömmlichen Busleitung. Folglich kann eine einzige Busleitung für 100 oder mehr Sondenzellen verwendet werden. Somit besteht kein Problem bezüglich der hohen Sondendichte, die durch die Verwendung einer Busleitung erschwert wird.
Bei der Erfindung können die Sonden, die verwendet werden, Sonden sein, die durch eine elektrostatische Kraft betätigt werden, oder können Sonden sein, die durch eine piezoelektrische Kraft (Zweielementkristalltyp bzw. Bimorph-Typ) betätigt werden. Sonden, die durch eine elektrostatische Kraft betätigt werden, haben eine einfachere Struktur als Sonden, die auf bimorphe Art und Weise betätigt werden. In dem Fall von Sonden, die durch eine elektrostatische Kraft betätigt werden, kann das Speichersubstrat als eine Elektrode verwendet werden, um die Sonden zu steuern bzw. anzutreiben. Genauer gesagt wird eine elektrostatische Kraft zwischen der Elektrode und den Sonden erzeugt und die Sonden werden durch diese elektrostatische Kraft betätigt. Sonden, die auf diese Weise durch eine elektrostatische Kraft betätigt werden, haben einen Mikroaktuator- Mechanismus bzw. Mikrobetätigungsmechanismus und sind im wesentlichen Sonden in der Ausführung eines Auslegertyps bzw. Typs mit freitragendem Arm ("cantilever type"). In dem Fall derartiger Sonden eines Auslegertyps kann die Steuerung der leitenden Nadeln wirksamer durch eine Anziehungskraftsteuerung als durch eine Abstoßungskraftsteuerung erreicht werden.
Halbleiterscheiben bzw. Wafer mit Mehrschichtstrukturen können verwendet werden, um die in der Erfindung verwendete Sondenvorrichtung herzustellen. Gewöhnlicherweise sind die Wafer, die in diesem Fall verwendet werden, Wafer, die aus einer Oberflächenschicht aus Silizium (Si), einer Zwischenschicht aus Siliziumoxid (SiO&sub2;) und einer Unterseitenschicht aus Silizium bestehen, was von Waferherstellern leicht geschaffen werden kann. Unter Verwendung von Wafern dieses Typs ist es möglich, die Siliziumoberflächenschicht zu verwenden, um die Hauptkörperteile (Brückenteile) der Sonden auszubilden.
Ferner kann die in der Erfindung verwendete Sondenvorrichtung auch unter Verwendung von Siliziumvolumenwafern ("bulk silicon wafers") hergestellt werden. In einem derartigen Fall werden die Hauptkörperteile der Sonden gewöhnlicherweise unter Verwendung von Polysilizium ausgebildet, das auf der Oberfläche einer Siliziumoxidschicht aufgebracht wird, die auf der Siliziumschicht ausgebildet ist.
Ferner können in der Speichervorrichtung der Erfindung Hilfselektroden vorgesehen sein, die Rippen aufweisen, welche parallel zu dem Speichersubstrat sind (hierin auch als Elektrodenrippen bezeichnet). In dem Fall derartiger Sonden sind die Elektrodenrippen gewöhnlicherweise bei einer vorgeschriebenen bzw. vorbestimmten Höhe ausgebildet und sind dem Speichersubstrat zugewandt. Als Folge davon können die Sonden leicht gesteuert bzw. angetrieben werden, ungeachtet von Vorsprüngen oder Vertiefungen in den Schaltungen, die an der Sondenvorrichtung ausgebildet sind.
In Fällen, bei denen die Sonden und verschiedene Schaltungen, wie beispielsweise die W/R-Schaltungen, auf dem gleichen Substrat ausgebildet sind, sind Schaltungselemente, wie beispielsweise Transistoren, derart ausgebildet, daß die genannten Elemente eine Dicke an der Oberfläche des Substrats der Sondenvorrichtung, wie beispielsweise an der Originaloberflächenschicht des Wafers, haben.
In Fällen, bei denen die Sonden unter Verwendung der vorerwähnten Siliziumoberflächenschicht oder Polysilizium ausgebildet werden, muß folglich ein großer Raum bzw. Platz zwischen dem Speichermedium und den Sonden belassen werden. Als Folge davon entsteht das folgende Problem: d. h. in Fällen, bei denen eine elektrostatische Kraft zwischen den Sonden und dem Speichersubstrat erzeugt wird und die Sonden durch eine Anziehungskraftsteuerung gesteuert werden, ist die Antriebskraft verringert, so daß eine gute Steuerung nicht erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch Ausbilden von Hilfselektroden mit Rippen gelöst, d. h. Elektrodenrippen, an bzw. auf den Sonden und durch Treiben bzw. Antreiben der Sonden durch Anlegen einer Spannung über die Elektrodenrippen und das Speichersubstrat.
Leitende Nadeln, die verwendet werden, um Informationen in das Speichermedium zu schreiben oder in dem Speichermedium aufgezeichnete Informationen zu lesen, sind an den Spitzen der Sonden installiert bzw. angebracht, so daß diese Nadeln dem Speichermedium zugewandt sind. Bei der Erfindung sind die Spitzen dieser leitenden Nadeln aus stangenartigen bzw. säulenartigen Teilen ausgebildet die einen gleichmäßigen Querschnitt aufweisen. In einem derartigen Fall ändert sich der Bereich der Spitzen der leitenden Nadeln, die das Aufzeichnungsmedium kontaktieren nicht, sogar, wenn die leitenden Nadeln durch Abrieb bzw. Verschleiß verbraucht sein sollten. Folglich ist die Möglichkeit von Fehlern, die während eines Lesens oder Schreibens auftreten, in großem Maße verringert.
Bei der Speichervorrichtung hierin ist das Speichersubstrat aus einem laminierten Körper ausgebildet, der beispielsweise aus einer Substratschicht und einer Speichermediumschicht besteht. Hier ist beispielsweise Silizium als die Substratschicht verwendet. Die Speichermediumschicht kann aus einem beliebigen von verschiedenen Materialien bestehen, die ein Schreiben durch eine elektrische Stimulierung bzw. Anregung von den leitenden Nadeln her erlauben, und die die elektrische Erfassung von geschriebenen Informationen erlauben. Beispielsweise kann ein Material, das Elektronen an der Speichermediumoberfläche fängt bzw. einfängt, wenn Elektronen auf die Speichermediumoberfläche durch die leitenden Nadeln angewendet bzw. aufgebracht werden, verwendet werden. Alternativ dazu kann ein Material verwendet werden, in dem das Speichermedium durch das Potential polarisiert wird, das an die leitenden Nadeln angelegt ist. Genauer gesagt können Materialien, wie beispielsweise dielektrische Substanzen oder ferroelektrische Substanzen als das Speichermedium verwendet werden.
Bei dem Herstellungsverfahren kann ein Krümmen bzw. Verziehen des Speichersubstrats als Folge einer thermischen Expansion oder thermischen Kontraktion auftreten. In Fällen, bei denen ein derartiges Verziehen bei dem Speichersubstrat auftritt, variiert der Abstand zwischen dem Speichermedium und den Spitzen der Nadeln von Sonde zu Sonde. In derartigen Fällen wird die Steuerung der Sonden kompliziert. Beispielsweise muß die Steuerung des Abstands zwischen dem Speichermedium und den Spitzen der Nadeln und die Steuerung des Kontaktdrucks in Übereinstimmung mit dem Grad des Verziehens des Speichermediums durchgeführt werden. Ferner stellt in den meisten Fällen ein derartiges Verziehen einen fatalen Defekt bezüglich des Speichersubstrats dar.
Ein derartiges Verziehen des Speichersubstrats kann verhindert oder verringert werden, indem die Dicke des Speichersubstrats erhöht wird. In einem derartigen Fall wird jedoch das Gewicht des Speichersubstrats erhöht. Als Folge davon entsteht das folgende Problem: d. h. in Speichervorrichtungen, die einen Mechanismus haben, der die Sonden durch Bewegen des Speichermediums positioniert, kann das Lesen und Schreiben von Informationen nicht mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden.
Bei der Speichervorrichtung hierin kann das Verziehen des vorerwähnten Speichersubstrats in großem Maße verringert werden, indem eine Mehrzahl von gitterförmigen Trenneinkerbungen bzw. Trennuten ("separating grooves") in dem Speichersubstrat ausgebildet werden. Eine Mehrzahl von Speichergebieten, d. h. bei denen der Bereich, auf den von einer leitenden Nadel zugegriffen wird, einem Aufzeichnungsgebiet bzw. Speichergebiet entspricht, sind auf der Oberfläche des Speichermediums ausgebildet. Gewöhnlicherweise sind die vorerwähnten Trennuten ausgebildet, so daß sie sich an den Grenzen der vorerwähnten Aufzeichnungsgebiete befinden. In dem Fall eines Speichersubstrats, in dem die Trennuten gemäß der Erfindung ausgebildet sind, besteht nicht der Bedarf, die Dicke des Speichersubstrats zu vergrößern. Folglich kann das Gewicht des Speichersubstrats verringert werden. Somit sind beispielsweise ein Lesen und Schreiben von Daten mit hoher Geschwindigkeit möglich, sogar in Fällen, bei denen das Positionieren der Sonden durch Bewegen des Speichermediums erreicht wird.
Wie es oben beschrieben wurde, schreiben die leitenden Nadeln Informationen durch Anwenden bzw. Aufbringen einer elektrischen Anregung auf vorbestimmte Aufzeichnungsgebiete auf der Oberfläche des Speichermediums. Ferner dienen die Nadeln auch dazu, Informationen zu erfassen, die in den vorerwähnten Aufzeichnungsgebieten geschrieben sind. Gewöhnlicherweise wird dies durch eine elektrische Erfassung durchgeführt. In Fällen, bei denen das Speichermedium ein ferroelektrisches Material ist, kontaktieren die leitenden Nadeln die Oberfläche des ferroelektrischen Speichermediums und erfassen somit die Polarität der vorerwähnten Oberfläche (gewöhnlicherweise werden Informationen durch zerstörendes Lesen erfaßt) oder bewirken eine Polarisation der Oberfläche des Speichermediums zu einer vorbestimmten Polarität, d. h. Aufzeichnungsinformationen.
Um Informationen zu lesen oder zu schreiben, werden die leitenden Nadeln der jeweiligen Sonden, die die Sondenvorrichtung bilden, alle zur gleichen Zeit an vorbestimmten Positionen an der Oberfläche des Speichermediums mittels einer Positionierungsvorrichtung angeordnet. Diese Positionierungsvorrichtung umfaßt einen Steuerungsmechanismus, der im folgenden als der X-Y-Steuerungsmechanismus bezeichnet wird, der eine Bewegung in der X- und Y-Richtung, d. h. in der Ebene parallel zu der Oberfläche des Speichermediums, steuert. Die Bewegung der Sonden entlang der Oberfläche des Speichermediums wird durch diesen X-Y-Steuerungsmechanismus gesteuert.
Hier ist es ausreichend, wenn die Positionierungsvorrichtung in der Lage ist, eine relative Bewegung der leitenden Nadeln der Sonden in den X- und Y-Richtungen mit Bezug auf das Speichersubstrat zu bewirken. Beispielsweise kann das Speichersubstrat in einem statischen Zustand gehalten werden und es kann bewirkt werden, daß sich die Sonden bewegen, oder entgegengesetzt, die Sonden können in einem statischen Zustand gehalten werden und es kann bewirkt werden, daß sich das Speichersubstrat bewegt. Ferner würde es auch möglich sein, zu bewirken, daß sich das Speichersubstrat in der X-Richtung bewegt, und zu bewirken, daß sich die Sonden in der Y-Richtung bewegen. Die X-Y-Steuerung der vorerwähnten Sonden oder alternativ die Z-Steuerung, die bei dem vorerwähnten Positionieren vorgesehen ist, kann mittels allgemein bekannter Steuerungstechniken unter Verwendung von piezoelektrischen Materialien (piezoelektrischen Elementen bzw. Piezoelementen) erreicht werden.
In Fällen, bei denen das Lesen und Schreiben von Informationen durchgeführt wird, wobei die leitenden Nadeln der Sonden das Speichermedium kontaktieren, ist es nicht nötig, den Abstand zwischen der Oberfläche des Speichermediums und den Spitzen der leitenden Nadeln zu erfassen und zu steuern. In derartigen Fällen sind die Sondensteuerungsschaltungen in der Lage, die Sonden zu steuern, so daß die Abstoßungskraft, die auf die Spitzen der vorerwähnten leitenden Nadeln aufgebracht wird, nicht die atomare Bindungskraft der Spitzen der Nadeln übersteigt. Als Folge wird ein Verschleiß und eine Beschädigung bezüglich der leitenden Nadeln verhindert. In derartigen Fällen kann ferner ein Verschleiß und eine Beschädigung bezüglich der leitenden Nadeln verhindert werden, indem die Abstoßungskraft, die auf die leitenden Nadeln aufgebracht wird, auf einen kleineren Wert als die oben erwähnte Bindungskraft während des Lesens oder Schreibens von Informationen eingestellt wird.
Weil ferner die Spitzen der leitenden Nadeln als stangenartige bzw. säulenartige Teile ausgebildet sind, die einen gleichmäßigen Querschnitt aufweisen, gibt es keine Änderung in dem Kontaktbereich mit dem Speichermedium, sogar, wenn die leitenden Nadeln verschlissen sein sollten. Folglich treten keine Probleme, wie Lesefehler, auf. Beispielsweise wird in Fällen, bei denen das Speichermedium ein ferroelektrisches Material ist, die Polarität des Materials erfaßt. Genauer gesagt wird dies gewöhnlicherweise durch Anlegen bzw. Aufbringen einer geeigneten positiven und negativen Spannung an die leitenden Nadeln und durch Erfassen des Stroms ansprechend auf das Anlegen der Spannung, wie beispielsweise die Änderung bezüglich des Stromwerts oder des integrierten Werts des Stroms, unter Verwendung einer geeigneten Erfassungseinrichtung, wie beispielsweise einem Abtastverstärker, erreicht. Auf diese Weise kann es bestimmt werden, ob die vorerwähnte Stromantwort bzw. Stromreaktion von einer Polaritätsumkehr begleitet wird, die durch das vorerwähnte Anlegen einer Spannung bewirkt wird. In Fällen, bei denen ein derartiges zerstörendes Lesen durchgeführt wird, können die zerstörten Daten im Anschluß an das Lesen erneut geschrieben werden.
Weil die Abstoßungskraft, die auf die leitenden Nadeln aufgebracht wird, durch mehr als ein Atom in den Spitzen der leitenden Nadeln verteilt wird, erleiden die leitenden Nadeln nicht notwendigerweise irgend einen Verschleiß bzw. eine Abnutzung oder einen Schaden, sogar, wenn die zwischenatomare Bindungskraft der Spitzen der leitenden Nadeln kleiner als die oben erwähnte Abstoßungskraft sein sollte. In Fällen beispielsweise, in denen das Material der Spitzen der leitenden Nadeln SiC ist, kann das Eintreten von Verschleiß bzw. Abnutzung oder Schaden in den leitenden Nadeln in großem Maße verringert werden, indem die Abstoßungskraft auf beispielsweise ungefähr 6 nN oder weniger eingestellt wird. In Fällen, bei denen der Wert der Abstoßungskraft auf beispielsweise ungefähr 1 nN oder weniger eingestellt wird, kann das Eintreten eines Verschleißes oder Schadens auf ein praktisches Niveau eingestellt werden, ungeachtet des Materials der Spitzen der leitenden Nadeln.
Ferner können die leitenden Nadeln gesteuert werden, so daß der Kontakt zwischen der Oberfläche des Speichermediums und der leitenden Nadeln kontinuierlich bzw. stetig ist, d. h. so daß die Teile auch während einer Positionierungsbewegung in Kontakt sind. Anders ausgedrückt kann das System derart ausgelegt werden, daß das Lesen und Schreiben von Informationen durch die W/R-Schaltungen durchgeführt wird, wenn die Sonden in den X- und Y-Richtungen bewegt werden, wobei die leitenden Nadeln die Oberfläche des Speichermediums berühren, so daß die leitenden Nadeln bei vorbestimmten Punkten in den Aufzeichnungsgebieten positioniert werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, das Speichermedium oder die leitenden Nadeln derart zu steuern, so daß der Kontakt zwischen der Oberfläche des Speichermediums und den leitenden Nadeln intermittierend bzw. diskontinuierlich ist. Ferner können die Sonden auch auf andere Vorrichtungen als Speichervorrichtungen angewendet werden, die leitende Nadeln aufweisen, wie beispielsweise Rastersondenmikroskope.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Abbildung, die ein Ausführungsbeispiel der Speichervorrichtung der Erfindung veranschaulicht, in dem die Sonden Sonden in der Ausführung eines Auslegertyps bzw. Cantilever-Typs sind, welche die Form von langen flachen plattenförmigen Brückenteilen aufweisen;
Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung von einer der Sonden in Fig. 1;
Fig. 3(A) zeigt eine Verdrahtungsabbildung bzw. Leitungsführungsabbildung, die die Verdrahtung der Elektroden und der Sondensteuerungsschaltung von jeder Sonde in einem Fall darstellt, bei dem die Sonden durch eine Abstoßungskraftsteuerung gesteuert werden;
Fig. 3(B) zeigt eine Verdrahtungsabbildung, die die Verdrahtung der Elektrodenrippen (PF) und der Elektrode (PM) von jeder Sonde in einem Fall darstellt, bei dem die Sonden durch eine Anziehungskraftsteuerung gesteuert werden;
Fig. 4 zeigt einen Umriß der Speichervorrichtung der Erfindung;
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektrodenrippen an der in Fig. 2 gezeigten Sonde installiert sind;
Fig. 6 zeigt eine Sondenvorrichtung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bei der L- förmige Brückenteile als Sonden verwendet werden;
Fig. 7 zeigt eine Vergrößerung von einer der in Fig. 6 gezeigten Sonden;
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem Elektrodenrippen an der in Fig. 7 gezeigten Sonde installiert sind;
Fig. 9 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Sondenherstellungsverfahren (1-1) und (1-2) bei der Erfindung;
Fig. 10 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an das Sondenherstellungsverfahren (1-3) bei der Erfindung;
Fig. 11 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Sondenherstellungsverfahren (1-5) und (1-6) bei der Erfindung;
Fig. 12 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Sondenherstellungsverfahren (1-7) und (1-8) bei der Erfindung;
Fig. 13 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Sondenherstellungsverfahren (1-9) und (1-10) bei der Erfindung;
Fig. 14 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Sondenherstellungsverfahren (1-11) und (1-12) bei der Erfindung;
Fig. 15 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Sondenherstellungsverfahren (1-13) bis (1-16) bei der Erfindung;
Fig. 16(A) bis 16(D) zeigen beispielhafte Abbildungen, die das Lift- Off-Verfahren bzw. Abhebe-Verfahren in (1-18) darstellen;
Fig. 17 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Sondenherstellungsverfahren (1-17) und (1-18) bei der Erfindung;
Fig. 18 zeigt ein Problem, auf das man in dem Fall von herkömmlichen Sonden stößt;
Fig. 19 zeigt eine Sonde, die bei der Erfindung verwendet wird und die die Form eines Brückenteils mit einer gegenläufigen Krümmung aufweist;
Fig. 20 zeigt einen Fall, bei dem Elektrodenrippen (PF) an einem der Arme der in Fig. 19 gezeigten Sonde installiert ist;
Fig. 21 zeigt eine Sonde, die ausgebildet ist, indem die Spitzenenden der jeweiligen Arme eines Paars der Sonden, die aus Brückenteilen mit einer gegenläufigen Krümmung bestehen, wie es in Fig. 19 gezeigt ist, verbunden werden;
Fig. 22 zeigt eine Sonde mit Elektrodenrippen, die ausgebildet ist, indem die NPN-Isolierungsstruktur der in Fig. 8 gezeigten Sonde auf die Sonde mit einer eine gegenläufige Krümmung aufweisenden Struktur, die in Fig. 21 gezeigt ist, angewendet wird;
Fig. 23 zeigt die Betätigung der Sonden in einem Fall, bei dem Sonden, die die Form eines Brückenteils mit einer gegenläufigen Krümmung aufweisen, verwendet werden; und
Fig. 24 zeigt ein Beispiel eines Speichersubstrats, das gitterförmige Nuten bzw. Einkerbungen aufweist, die in dessen Oberfläche ausgebildet sind, und das in der Speichervorrichtung der Erfindung verwendet wird, und wobei Fig. 24(A) eine Modellschnittansicht ist und Fig. 24(B) eine Modelldraufsicht ist.
Die folgenden Bezeichnungen werden in Verbindung mit den Figuren und in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung übereinstimmend angewendet:
1 Sondenvorrichtung, 1A Halbleiteroberflächenschicht, 1B isolierende Zwischenschicht, 1C Halbleiterunterseitenschicht, 2 Sonde, 21 Sondenhauptkörper, a Halbleiterschicht, b isolierende Schicht, c Metallverdrahtungsschicht bzw. Metalleitungsführungsschicht, 21A erster Arm einer L- förmigen Brücke, 21B zweiter Arm einer L-förmigen Brücke, 211-214 Arme einer Brücke mit gegenläufiger Krümmung, 23 Nut bzw. Einkerbung, 22 leitende Nadel, 22a Spitze einer leitenden Nadel, 31 W/R-Schaltung, 32 Sondensteuerungsschaltung, 4 Sondenzelle, 5 Busleitung, 7 Speichersubstrat, 71 Speichermedium, 72 Speichersubstrat, 73 Trennuten bzw. Trenneinkerbungen, 91 Positionierungsvorrichtung, P1, P2 Sondenantriebselektroden bzw. Sondensteuerungselektroden, P3 Sondensteuerungshilfselektroden, PF Elektrodenrippen, PM auf einem Speichersubstrat ausgebildete Elektrode, S Substratoberfläche einer Sondenvorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Sondenvorrichtung. In Fig. 1 sind Sonden 2 in einem Array bzw. einer Anordnung auf der Sondenvorrichtung 1 ausgebildet und sind W/R-Schaltungen 31 sowie Sondensteuerungsschaltungen 32 entsprechend den Sonden 2 in dichter bzw. geringer Nähe zu den Sonden 2 ausgebildet. Hier bilden die jeweiligen Sonden 2, die W/R- Schaltungen 31 und die Sondensteuerungsschaltungen 32 Sondenzellen 4. Busleitungen 5 sind auf der Oberfläche der Sondenvorrichtung 1 ausgebildet. Die W/R-Schaltungen 31 und die Sondensteuerungsschaltungen 32 tauschen Signale mit Schaltungen, die am Rand bzw. der Peripherie der Sondenvorrichtung 1 installiert bzw. ausgeführt sind, über die Busleitungen 5 und Anschlüsse (in den Figuren nicht dargestellt) aus, die auf bzw. an der Sondenvorrichtung 1 ausgebildet sind. In der Speichervorrichtung der Erfindung sind, wie es unten beschrieben wird, die Sonden 2, die W/R- Schaltungen 31, die Sondensteuerungsschaltungen 32 und die Busleitungen 5 durch ein monolithisches Halbleiterverfahren ausgebildet.
In Fig. 2 ist eine der Sonden 2, die in Fig. 1 gezeigt ist, im Detail dargestellt. Die in Fig. 2 gezeigte Sondenvorrichtung 1 kann beispielsweise von bzw. aus einem Wafer hergestellt werden, der aus einer Halbleiteroberflächenschicht 1A, einer isolierenden Zwischenschicht 1B und einer Halbleiterunterseitenschicht 1C besteht.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der Hauptkörper 21 von jeder Sonde 2 aus einem Ausleger bzw. Cantilever, d. h. einem langen plattenförmigen Teil, und ist der Sondenhauptkörper 21 ausgebildet, so daß er von der Substratoberfläche S hervorsteht bzw. hervorragt, die die Oberfläche der isolierenden Zwischenschicht 1B ist. Eine leitende Nadel 22 ist an der Spitze bzw. am Ende des Sondenhauptkörpers 21 ausgebildet, und die Spitze 22a der leitenden Nadel 22 ist als ein stangenartiger bzw. säulenartiger Teil ausgebildet, der einen gleichförmigen Querschnitt aufweist. Der Sondenhauptkörper 21 hat eine Halbleiterschicht a, die aus der Halbleiteroberflächenschicht 1A gebildet wird, die mit der entsprechenden Sondensteuerungsschaltung 32 (siehe Fig. 1) verbunden ist, und hat eine isolierende Schicht b, die an der Oberfläche dieser Halbleiterschicht a ausgebildet ist. Eine Metalleitungsführungsschicht bzw. Metallverdrahtungsschicht c ist auf der Oberfläche der isolierenden Schicht b ausgebildet. Die leitende Nadel 22 und die entsprechende W/R-Schaltung 31 (siehe Fig. 1 und 2) sind durch diese Metallverdrahtungsschicht c elektrisch verbunden.
Der Sondenhauptkörper 21 ist ausgebildet, so daß er über einer Ausnehmung bzw. Nut 23 vorsteht, und die Halbleiterunterseitenschicht 1C ist am Boden der Nut 23 freigelegt. Diese Halbleiterunterseitenschicht 1C und die Halbleiterelektrodenschicht a sind durch die isolierende Zwischenschicht 1B voneinander isoliert. Die Halbleiterschicht a bildet eine Steuerungselektrode P1, während die Bodenoberfläche der Nut 23, d. h. die freigelegte Oberfläche der Halbleiterunterseitenschicht 1C, eine Steuerungselektrode P2 bildet.
Ein Paar von Hilfselektroden P3, P3, die aus der Halbleiteroberflächenschicht 1A ausgebildet sind, sind auf der Substratoberfläche entlang der Längsseiten der Nut 23 ausgebildet. Wie es in Fig. 3(A) gezeigt ist, sind die Elektroden P1, P2, P3 mit der Sondensteuerungsschaltung 32 elektrisch verbunden. In der gleichen Figur ist die Sondensteuerungsschaltung 32 verschaltet bzw. verdrahtet, so daß die Elektroden P1 und P2 Minuspole sind und die Hilfselektroden P3 Pluspole sind. Folglich kann eine gewünschte Steuerung durchgeführt werden, indem eine geeignete Spannung V über P1, P2 und P3 angelegt wird.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Abbildung, die die Speichervorrichtung der Erfindung darstellt. Die Sondenvorrichtung 1, die oben beschrieben wurde, oder eine Sondenvorrichtung 1, die später beschrieben wird, in Verbindung mit den Sondenzellen 4, die auf dem Substrat 1 ausgebildet sind, ist in Fig. 4 zusammen mit einem Speichersubstrat 7 gezeigt. Ein Abschnitt des Speichersubstrats 7 ist in der Figur weggenommen. In Fig. 4 sind die leitenden Nadeln (siehe 22 in den Fig. 1 und 2) der jeweiligen Sonden, siehe 2 beispielsweise in den Fig. 1 und 2, alle zur gleichen Zeit in den gewünschten Positionen auf dem Speichermedium 71, das die Oberflächenschicht des Speichersubstrats 7 darstellt, mittels einer Positionierungsvorrichtung 91 positioniert. Es ist ausreichend, wenn der Abstand einer Relativbewegung zwischen der Sondenvorrichtung 1 und dem Speichersubstrat 7 höchstens gleich dem Abstand der leitenden Nadeln 22 ist.
Fig. 4 zeigt einen Fall, bei dem die Bewegung des Speichersubstrats 7 in der X- und Y-Richtung mittels der Positionierungsvorrichtung 91 während einem Positionieren gesteuert wird. Es wäre jedoch auch möglich, die Bewegung der Sondenvorrichtung 1 in der X- und Y-Richtung zu steuern. Alternativ wäre es auch möglich, beispielsweise die Bewegung des Speichersubstrats 7 in der X-Richtung zu steuern, und die Bewegung der Sondenvorrichtung 1 in der Y-Richtung zu steuern. Ferner ist in Fig. 4 die Positionierungsvorrichtung 91 begriffsmäßig gezeigt und unterscheidet sich von einer tatsächlichen Positionierungsvorrichtung.
Bei der Speichervorrichtung der Erfindung kann das Speichersubstrat 7 zu einer Elektrode ausgebildet werden, die mit den Sonden mittels einer elektrostatischen Kraft wechselwirkt. In diesem Fall werden die Sonden einer Anziehungskraftsteuerung mittels der elektrostatischen Kraft zwischen den Sonden und dem Speichersubstrat 7 unterworfen. Gewöhnlicherweise erlaubt in dem Fall einer derartigen Sondensteuerung die Anziehungskraftsteuerung, daß die Sonden mittels einer kleineren Spannung als bei der Abstoßungskraftsteuerung gesteuert werden. In Fällen jedoch, bei denen der Hauptkörper 21 von jeder Sonde von dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Typ ist, sind die W/R-Schaltung 31 und die Sondensteuerungsschaltung 32 von jeder Sonde gewöhnlicherweise derart ausgebildet, daß sie nach oben von der Substratoberfläche S (siehe Fig. 2) der Sondenvorrichtung 1 vorstehen. Als Folge davon ist der Abstand zwischen den Sondenhauptkörpern 21 und dem Speichersubstrat 7 vergrößert, so daß eine günstige Sondensteuerung manchmal nicht durchgeführt werden kann, wenn die Sonden 2 unter Verwendung der oben erwähnten Anziehungskraftsteuerung gesteuert bzw. angetrieben werden.
Bei derartigen Fällen können Hilfselektroden, wie beispielsweise Elektrodenrippen PF, die Rippen parallel zu dem Speichersubstrat 7 aufweisen, bei einer vorbestimmten Höhe auf der Speichersubstratseite der Spitzen der Sondenhauptkörper 21 ausgebildet sein, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. In diesem Fall sind die Hilfselektroden P3, die in Fig. 2 gezeigt sind, nicht installiert bzw. vorgesehen. Statt dessen wird die Anziehungskraftsteuerung zwischen den Elektrodenrippen PF und einer Elektrode PM (siehe Fig. 4), die auf dem Speichersubstrat 7 ausgebildet ist, durchgeführt. Durch Installieren derartiger Elektrodenrippen PF ist es möglich, die Sonden 2 mit einer kleinen Spannung zu steuern. In Fig. 5, wie in Fig. 2, besteht der Hauptkörper 21 von jeder Sonde aus einer Halbleiterschicht a, einer isolierenden Schicht b und einer Metallverdrahtungsschicht c, die auf der oberen Oberfläche der isolierenden Schicht b ausgebildet ist. Die Halbleiterschicht a ist mit den Elektrodenrippen PF und der entsprechenden Sondensteuerungsschaltung 32 verbunden. Ferner ist die Metallverdrahtungsschicht c mit der leitenden Nadel 22 und der W/R-Schaltung 31 elektrisch verbunden.
Fig. 3(B) zeigt die Polarität der Elektrodenrippen PF und der Elektrode PM in Fällen, bei denen die Sonden 2 durch eine Anziehungskraftsteuerung gesteuert werden. In jeder Sondenzelle sind PF und PM mit der Sondensteuerungsschaltung 32 elektrisch verbunden. In der gleichen Figur ist die Sondensteuerungsschaltung 32 verdrahtet, so daß PM ein Minuspol ist und PF einen Pluspol bildet. Die gewünschte Steuerung kann durch Anlegen einer geeigneten Spannung V über PM und PF durchgeführt werden.
In der Speichervorrichtung der Erfindung sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, die W/R-Schaltungen 31 und die Sondensteuerungsschaltungen 32 in dichter bzw. geringer Nähe zu den Sonden 2 installiert bzw. vorgesehen. Folglich ist die Länge der Leitungen bzw. der Verdrahtung zwischen diesen Schaltungen, insbesondere den W/R-Schaltungen 9, und den Sonden außerordentlich kurz, so daß die Effekte bzw. Wirkungen einer Streukapazität und von Rauschen fast vernachlässigbar sind. Weil jedoch die langen plattenförmigen Sonden 2, die in den Fig. 1, 2 und 5 gezeigt sind, bei einem Punkt gehalten bzw. gestützt werden und somit von der Substratoberfläche S (siehe Fig. 2 und 5) der Sondenvorrichtung 1 hervorstehen, können diese Sonden 2 sich in der Richtung parallel zu der Substratoberfläche S biegen, so daß die Positionen der leitenden Nadeln 22 gegenüber den Haltepunkten der Sonden 2 verschoben werden.
Dieses Problem kann unter Verwendung einer Sondenvorrichtung 1 beseitigt werden, bei der L-förmige Brückenteile, wie beispielsweise jene, die in Fig. 6 gezeigt sind, als Sonden verwendet werden. In der in Fig. 6 gezeigten Sondenvorrichtung 1 sind die W/R-Schaltungen 31, die Sondensteuerungsschaltungen 32, die Sondenzellen 4 und die Busleitungen 5 ähnlich zu jenen in der in Fig. 1 gezeigten Sondenvorrichtung 1, außer der Tatsache, daß die Sonden 2 aus L- förmigen Teilen bestehen. Wie in dem Fall der in Fig. 1 gezeigten Sondenvorrichtung 1 sind diese Teile mittels eines monolithischen Halbleiterverfahrens ausgebildet.
Fig. 7 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Beispiels von einer der Sonden 2, die in Fig. 6 gezeigt ist. Der Hauptkörper 21 der Sonde 2 wird von einem L-förmigen Brückenteil gebildet, das aus einem ersten und einem zweiten Arm 21A und 21B besteht und von der Sondenvorrichtung 1 vorsteht. Die Haltepunkte des Sondenhauptkörpers 21 sind in Fig. 7 nicht gezeigt.
Der Sondenhauptkörper 21 ist ausgebildet, so daß er über eine Ausnehmung bzw. Nut 23 vorsteht, und die Halbleiterunterseitenschicht 1C ist am Boden dieser Nut 23 freigelegt. Die zwei Arme 21A und 21B sind aus der Halbleiteroberflächenschicht 1A ausgebildet. Hier bestehen sowohl der erste als auch der zweite Arm 21A und 21B aus einem N-Typ- Halbleiter. Ein P-Typ-Gebiet 210 ist in dem Grenzbereich des ersten und des zweiten Arms 21A und 21B ausgebildet, so daß sich der erste und der zweite Arm 21A und 21B einander in einem isolierten Zustand über das P-Typ-Gebiet 210 kontaktieren bzw. berühren.
Die Unterseite bzw. die untere Oberfläche des ersten Arms 21A bildet eine Steuerungselektrode P1 für die Sonde 2. Eine leitende Nadel 22 ist an der Spitze bzw. dem Ende des zweiten Arms 21B ausgebildet. Die Spitze 22a der leitenden Nadel 22 ist als ein stangenförmiger bzw. säulenförmiger Teil mit einem gleichförmigen Querschnitt ausgebildet. Diese Spitze 22a wird verwendet, um einen Kontakt mit dem Speichermedium 71 (siehe Fig. 4) zu schaffen.
In Fig. 7 bildet der Abschnitt der freigelegten Oberfläche der Halbleiterunterseitenschicht 1C, die dem ersten Arm 21A zugewandt ist, eine zweite Elektrode P2. Ein Paar von Hilfselektroden P3, P3, die aus der Halbleiteroberflächenschicht 1A ausgebildet sind, sind auf der Substratoberfläche S entlang den Seiten der Nut 23, bei der der erste Arm 21A angeordnet ist, ausgebildet. Diese Elektroden P1, P2, P3 sind durch eine Verdrahtung bzw. Leitungsführung mit der Sondensteuerungsschaltung 32 (siehe Fig. 6) verbunden, wie es schon in Fig. 3(A) bezüglich der in Fig. 2 gezeigten Sonde 2 dargestellt ist.
Die leitende Nadel 22 ist mit der W/R-Schaltung 31 (siehe Fig. 6) über den zweiten Arm 21B, der selbst als eine Verdrahtung wirkt, und eine Verdrahtung, die in der Figur nicht dargestellt ist, verbunden. Wenn der Sondenhauptkörper eine laminierte bzw. geschichtete Struktur aufweist, wie beispielsweise die in den Fig. 2 und 5 gezeigte, kann ein Verformen bzw. Verziehen des Sondenhauptkörpers während der Herstellung auftreten, so daß die praktische Verwendung unmöglich wird. Jedoch hat der Sondenhauptkörper bei der in Fig. 7 gezeigten Struktur eine Einschichtstruktur. Folglich gibt es kein Verziehen, das irgend welche Probleme bezüglich einer praktischen Verwendung verursachen würde.
Die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Sonden 2 sind mittels einer Positionierungsvorrichtung 91 bei vorbestimmten Positionen positioniert bzw. angeordnet, wie beispielsweise denjenigen, die in Fig. 4 gezeigt sind, und werden einer Abstoßungskraftsteuerung mittels der Sondensteuerungsschaltungen 32 unterzogen. Ferner arbeitet in den Sonden 2, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt sind, der Spitzenabschnitt des L-förmigen Brückenteils, wobei die Halteteile bzw. Stützteile der zwei Arme 21A und 21B als Haltepunkte bzw. Stützpunkte verwendet werden. Genauer gesagt bewegt sich die leitende Nadel 22 von jeder Sonde vertikal bezüglich der Oberfläche des Speichermediums 71, sie bewegt sich jedoch nicht horizontal bezüglich dieser Oberfläche. Folglich besteht kein Problem bezüglich der Position der leitenden Nadel 22, die als Folge eines Biegens des Sondenhauptkörpers 21 in der Richtung parallel zu der Substratoberfläche S verschoben wird. Somit kann das Positionieren der jeweiligen leitenden Nadeln 22 genau durchgeführt werden.
In dem Fall der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Sonden 2 kann auch eine Anziehungskraftsteuerung zwischen den Sonden und dem Speichersubstrat 7 (siehe Fig. 4) durch Verwendung von Elektrodenrippen PF des in Fig. 5 gezeigten Typs durchgeführt werden. In diesem Fall werden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, die Elektrodenrippen PF auf dem ersten Arm 21A installiert bzw. vorgesehen. In diesem Fall werden die Hilfselektroden P3, die in Fig. 7 gezeigt sind, nicht installiert. Statt dessen wird eine Anziehungskraftsteuerung zwischen den Elektrodenrippen PF und einer Elektrode PM, die an dem Speichersubstrat 7 ausgebildet ist, mittels einer Verdrahtung bzw. Leitungsführung, die ähnlich der in Fig. 3(B) gezeigten ist, durchgeführt.
Bei einer Speichervorrichtung, die die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Sonden 2 verwendet, sind die W/R-Schaltungen 31 und die Sondensteuerungsschaltungen 32 wie in der Speichervorrichtung, die die in den Fig. 2 und 5 gezeigten Sonden 2 verwendet, in dichter bzw. geringer Nähe zu den Sonden 2 installiert. Folglich sind die Effekte bzw. Wirkungen einer Streukapazität und ein Rauschen fast vernachlässigbar.
Bei der Speichervorrichtung, die die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Sonden 2 verwendet, ist der zweite Arm 21B von jeder Sonde räumlich von dem ersten Arm 21A getrennt. Folglich kann die Streukapazität, die in dem zweiten Arm 21B (der als Verdrahtung bzw. Leitungsführung dient) im Grunde genommen ignoriert werden.
Im folgenden wird ein Beispiel des Herstellungsverfahrens der in Fig. 8 gezeigten Sonden 2 mit Bezug auf die Fig. 9 bis 18 beschrieben werden.
(1-1) Es wird ein Silizium-auf-Isolator- (SOI-) Wafer hergestellt, der aus einer Halbleiteroberflächenschicht 1A, einer isolierenden Zwischenschicht 1B und einer Halbleiterunterseitenschicht 1C besteht. Dieser SOI-Wafer ist beispielsweise ein Wafer, der unter Verwendung von allgemein bekannten SOI-Techniken, wie beispielsweise Waferkontaktierungstechniken, hergestellt wird, und ist somit kein spezieller Typ von Wafer.
(1-2) Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, werden Abschnitte 21A' und 21B', die den ersten und zweiten Arm 21A und 21B des Sondenhauptkörpers 21 bilden, Abschnitte, die Anschlüsse TpA und TpB bilden, welche mit dem ersten und zweiten Abschnitt 21A' und 21B' verbunden sind, eine Verdrahtung bzw. Leitungsführung LA, die den ersten Abschnitt 21A' und den Anschluß TpA verbindet, eine Verdrahtung LB, die den zweiten Abschnitt 21B' und den Anschluß TpB verbindet, und Abschnitte, die das Siliziumsubstrat M sowie Anschlüsse Td und Ts der Sondensteuerungsschaltung (wie es später beschrieben wird, sind die Sondensteuerungsschaltungen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung CMOSFETs) bilden, durch eine Musterausbildung bzw. Strukturierung der Halbleiteroberflächenschicht 1A ausgebildet.
(1-3) N- und P-Typ-Gebiete, wobei das P-Typ-Gebiet das P- Typ-Gebiet 210 in Fig. 10 ist, werden in dem ersten und zweiten Abschnitt 21A' und 21B' mittels Dotierung durch Ionenimplantation ausgebildet. Ferner ist die Sondensteuerungsschaltung bei der gleichen Figur weggelassen. Der Betrag an Ionenimplantation, der verwendet wird, um die N- Typ-Gebiete auszubilden, ist ein Betrag, der ausreichend ist, um die nötige Leitfähigkeit als Verdrahtung bzw. Leitungsführung sicherzustellen. Gewöhnlicherweise liegt dieser Betrag bei ungefähr 1017 bis 1018 cm&supmin;³.
Der Betrag an Ionenimplantation, der verwendet wird, um das P-Typ-Gebiet auszubilden, ist ein Betrag, der eine ausreichende elektrische Isolierung mittels eines PNP-Übergangs erzeugt. Gewöhnlicherweise liegt dieser Betrag bei ungefähr 1018 cm&supmin;³. Wenn die Dotierungskonzentrationen der jeweiligen Gebiete auf höhere Werte eingestellt werden, kann ein Verziehen in dem Sondenhauptkörper auftreten. Jedoch kann ein Verziehen des Sondenhauptkörpers durch Einstellen der Dotierungskonzentrationen bei ungefähr den oben beschriebenen Werten ausreichend gesteuert werden. Fig. 10 zeigt den Zustand im Anschluß an diese Ionenimplantation.
(1-4) Die CMOSFET-Gate-Oxid-Filme werden ausgebildet.
(1-5) Beispielsweise wird eine Polysiliziumschicht durch eine chemische Niederdruckabscheidung aus der Gasphase (LPCVD = low pressure chemical vapor deposition) abgeschieden und es wird eine Dotierung in den CMOSFET- Siliziumsubstratabschnitten M durchgeführt.
(1-6) Es wird ein Strukturieren der Polysiliziumschicht durchgeführt. Es werden die CMOSFET-Gate-Elektroden G und die Gate-Anschlüsse Tg der Elektroden G durch dieses Strukturieren ausgebildet. Es wird die gesamte Polysiliziumschicht bis auf diese Elektroden G und Anschlüsse Tg entfernt. Wenn das N&spplus;-Diffusionsgebiet von jedem MOSFET ausgebildet wird, werden die Verdrahtungsabschnitte LA und LB auch in die N&spplus;-Diffusionsgebiete umgewandelt. Als Folge davon wird ein guter Kontakt zwischen dem Sondenhauptkörper 21 und der Metallverdrahtung bzw. Metalleitungsführung erreicht, was später beschrieben wird (siehe (1-20)). Fig. 11(A) zeigt die Zustände einer Dotierung des Sondenhauptkörpers 21 im Anschluß an die N&spplus;-Diffusion. Fig. 11(B) zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 11(A), und Fig. 11(C) zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B' in Fig. 11(A).
(1-7) Eine SiO&sub2;-Schicht d wird zu einer Dicke von beispielsweise ungefähr 0,4 Mikrometer abgeschieden.
(1-8) Ein Loch bzw. eine Ausnehmung Hf mit einer Breite von beispielsweise ungefähr 0,44 Mikrometer wird in dem Bereich geöffnet bzw. vorgesehen, in dem die Elektrodenrippen PF ausgebildet werden sollen. Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie, die der Linie A-A' in Fig. 11(A) entspricht, der Sonde im Anschluß an das Vorsehen des Lochs Hf, das verwendet wird, um die Elektrodenrippen PF auszubilden.
(1-9) Es wird eine N-Typ-Polysiliziumschicht e zu einer Dicke von beispielsweise ungefähr 0,1 Mikrometer abgeschieden.
(1-10) Die Elektrodenrippen PF werden durch Strukturieren der N-Typ-Polysiliziumschicht e ausgebildet. Fig. 13 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie, die der oben erwähnten Linie A-A' entspricht, im Anschluß an das Strukturieren der Elektrodenrippen PF.
(1-11) Eine SiO&sub2;-Schicht f wird zu einer Dicke von beispielsweise ungefähr 0,2 Mikrometer abgeschieden.
(1-12) Ein Loch bzw. eine Ausnehmung Hn mit einem Durchmesser von beispielsweise ungefähr 0,2 Mikrometer wird in dem Bereich ausgebildet, in dem die leitende Nadel 22 ausgebildet werden soll. Fig. 14 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie, die der oben erwähnten Linie A-A' entspricht, im Anschluß an das Vorsehen des Lochs Hn.
(1-13) Es wird eine N-Typ-Polysiliziumschicht zu einer Dicke von beispielsweise ungefähr 0,15 Mikrometer abgeschieden.
(1-14) Diese N-Typ-Polysiliziumschicht wird durch Ätzen auf eine Tiefe von beispielsweise geringfügig mehr als 0,15 Mikrometer entfernt. Als Folge davon wird der Hauptkörperabschnitt der leitenden Nadel 22 ausgebildet.
(1-15) Eine Schutzschicht ("resist layer") g wird zu einer Dicke von beispielsweise ungefähr 0,1 Mikrometer abgeschieden.
(1-16) Es wird eine Ausnehmung bzw. ein Loch Ht mit einem Durchmesser, beispielsweise von ungefähr 30 nm in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, durch beispielsweise eine Elektronenstrahllithographie, eine Ionenstrahllithographie oder eine Röntgenlithographie in dem Abschnitt der Schutzschicht g vorgesehen, bei dem der Spitzenteil 22a der leitenden Nadel 22 ausgebildet werden soll. Zur gleichen Zeit wird zusätzlich zu diesem Loch Ht zumindest ein Scheinloch bzw. Blindloch Hdum in einem geeigneten Abschnitt des Wafers ausgebildet, um das gewöhnliche Lift- Off-Verfahren bzw. Abhebeverfahren zu erleichtern. Fig. 15 zeigt eine Schnittansicht des Zustands der Sonde im Anschluß an das Vorsehen dieser Löcher Ht und Hdum.
(1-17) Es wird eine Schicht bestehend aus dem Material des Spitzenabschnitts 22a der leitenden Nadel 22, insbesondere eine Schicht, die aus einem Material besteht, das während dem Ätzen des SiO&sub2; in dem Verfahren (1-21) nicht angegriffen wird, und die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Ir-Schicht h ist, zu einer Dicke von ungefähr 50 nm ausgebildet. Das Ausbilden dieser Ir-Schicht h wird mittels eines anisotropen Filmabscheidungsverfahrens durchgeführt. Als Folge davon wird die leitende Nadel 22 ausgebildet.
(1-18) Die Schutzschicht g wird mittels eines Lift-Off- Verfahrens abgestreift bzw. abgezogen. Die Fig. 16(A) bis 16(D) zeigen beispielhafte Abbildungen, die dieses Lift- Off-Verfahren darstellen. Fig. 16(A) zeigt die Umgebung des Blindlochs Hdum, das in der Schutzschicht g (siehe Schritt (1-16) oben) vorgesehen ist, und Fig. 16(B) zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Abscheidung der Ir- Schicht h (siehe Schritt (1-17) oben). Es wird ein isotropes Ätzen, wie beispielsweise das in Fig. 16(C) gezeigte, bezüglich der Ir-Schicht h, die in Fig. 16 (B) gezeigt ist, durchgeführt. Als Folge davon wird die Schutzschicht g herausgelöst bzw. eluiert und der Ir-Film h, der auf der Schutzschicht g ausgebildet ist, wird abgestreift bzw. abgezogen, wie es in Fig. 16(D) gezeigt ist. Fig. 17 zeigt den Zustand der Sonde im Anschluß an die Vollendung des Lift-Off-Verfahrens.
(1-19) Es wird eine SiO&sub2;-Schicht zu einer Dicke von beispielsweise ungefähr 0,1 Mikrometer abgeschieden.
(1-20) Eine Metallverdrahtung bzw. Metalleitungsführung wird bei den erforderlichen Bereichen durch ein gewöhnliches Metallisierungsverfahren ausgebildet.
(1-21) Die Schutzschicht g und die isolierende Zwischenschicht 1B (SiO&sub2;) auf der Unterseite der Sonde 2 wird durch isotropes Ätzen entfernt. Als Folge davon wird eine Sonde 2, wie beispielsweise die in Fig. 18 gezeigte, hergestellt.
Bei dem Herstellungsverfahren, das in den Fig. 9 bis 17 dargestellt ist, wurde eine Sonde 2 mit einem L-förmigen Brückenteil aus einem SOI-Wafer bestehend aus einer Halbleiteroberflächenschicht 1A, einer isolierenden Zwischenschicht 1B und einer Halbleiteroberflächenschicht 1C hergestellt. Wie es jedoch im folgenden gezeigt wird, ist es auch möglich, eine derartige Sonde 2 mit einem L-förmigen Brückenteil unter Verwendung eines Volumenwafers ("bulk wafer") herzustellen.
(2-1) Das Herstellen bis zu und einschließlich der Bildung der MOSFET-Gate-Elektroden der W/R-Schaltung und der Sondensteuerungsschaltung wird mittels eines herkömmlichen CMOS-Verfahrens durchgeführt. Es wird hier das Sondengebiet als das trennende Gebiet zwischen Elementen belassen.
(2-2) Es wird ein zweiter Polysiliziumfilm, der als der Sondenhauptkörper 21 verwendet wird, abgeschieden.
(2-3) Verfahren ähnlich zu den Schritten (1-3) bis (1-6) werden bezüglich des zweiten Polysiliziumfilms durchgeführt. In diesem Fall werden jeweilige Verbindungen zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt, die den ersten und zweiten Arm 21A und 21B des Sondenhauptkörpers 21 bilden, und der W/R-Schaltung 31 und der Sondensteuerungsschaltung 32 auf geeignete Weise durch ein allgemein bekanntes Verfahren ausgebildet. Beispielsweise können der zweite Polysiliziumfilm und die MOSFET-Gate-Elektroden-Verdrahtung oder die N&spplus;-Diffusionsgebiete durch Direktkontaktlöcher verbunden werden, oder können über ein Metall in einem folgenden Verfahren verdrahtet bzw. leitungsmäßig verbunden werden.
(2-4) Verfahren ähnlich zu den Schritten (1-7) und folgende Verfahren werden durchgeführt. Als Folge davon wird eine Sonde 2 mit einem L-förmigen Brückenteil hergestellt.
In den oben erwähnten Verfahrensschritten (1-1) bis (1-21) und (2-1) bis (2-4) wurde die Diskussion auf das Verfahren gerichtet, das verwendet wurde, um die Sonden und die Sondensteuerungsschaltungen auszubilden, und es wurde keine Beschreibung gegeben, die das Verfahren betrifft, das zum Ausbilden der W/R-Schaltungen oder Busse verwendet wird. Ferner wurden verschiedene Verfahren, wie beispielsweise eine Kanalioneninjektion ("channel ion injection"), von der Beschreibung weggelassen. Es ist jedoch selbstverständlich, daß ein Fachmann die Schritte des Herstellungsverfahrens verstehen würde und in der Lage sein würde, Verfahren, wie beispielsweise Ausbildungsverfahren für eine W/R-Schaltung und einen Bus und eine Ionenimplantation, zu den Verfahrensschritten hinzuzufügen. Ferner ist es auch selbstverständlich, daß ein Fachmann in der Lage sein würde, die Sondenvorrichtung 1 der Erfindung auf der Grundlage der obigen Beschreibung herzustellen, indem er geeignete monolithische Halbleiterverfahren und Mikrobearbeitungsverfahren verwendet.
Bei den in den Fig. 2, 5, 7 und 8 gezeigten Sonden 2 kann es Fälle geben, bei denen eine Verschiebung bezüglich der Position der Spitze 22a der leitenden Nadel in einer Richtung parallel zu der Substratoberfläche S der Sondenvorrichtung 1 auftritt, wenn die Sonde 2 betätigt wird, wie es in den Fig. 18(A) und (B) gezeigt ist. Fig. 18(A) zeigt den Zustand der Sonde 2 in Fig. 2 oder 7 vor einem Ansteuern bzw. Antreiben, während Fig. 18(B) den Zustand der Sonde 2 nach dem Ansteuern bzw. Antreiben zeigt. In Fällen, bei denen diese positionsmäßige Verschiebung ein Problem darstellt, kann der Hauptkörper 21 von jeder Sonde aus einem Brückenteil konstruiert bzw. ausgeführt werden, das eine gegenläufige Krümmung aufweist, welche aus Armen 211 und 212 besteht, wie es in Fig. 19 gezeigt ist.
In Fig. 19 ist der Endabschnitt des Arms 211 an dem Substrat der Sondenvorrichtung 1 befestigt. Die leitende Nadel 22 ist an der Spitze des anderen Endabschnitts des gebogenen bzw. gekrümmten Brückenteils angebracht, das dem Speichersubstrat 7 (siehe Fig. 4) zugewandt ist. Es ist eine Elektrode P1 an der Unterseite der Arme 211 und 212 installiert bzw. vorgesehen. Die in Fig. 19 gezeigte Sonde 2 hat ungefähr den gleichen Aufbau wie die in Fig. 2 gezeigte Sonde 2, außer der Tatsache, daß die in Fig. 19 gezeigte Sonde 2 mit einer gegenläufigen Krümmung ausgebildet ist.
Fig. 20 zeigt einen Fall, bei dem Elektrodenrippen PF auf dem Arm 212 des in Fig. 19 gezeigten Sondenhauptkörpers 21 ausgebildet sind. Die in Fig. 20 gezeigte Sonde 2 hat ungefähr den gleichen Aufbau wie die in Fig. 5 gezeigte Sonde 2, außer der Tatsache, daß die in Fig. 20 gezeigte Sonde 2 mit einer gegenläufigen Krümmung ausgebildet ist.
Fig. 21 zeigt eine Sonde 2 mit einer Form, die durch Verbinden der spitzen Enden der jeweiligen Arme eines Paars von Brückenteilen mit gegenläufigen Krümmungen des in Fig. 20 gezeigten Typs ausgebildet ist. Die Brückenteile, die hier verwendet werden, haben eine Links-Rechts-Symmetrie. Der Sondenhauptkörper 21 besteht aus Armen 211, 212, 213 und 214, die parallel zu der Substratoberfläche S der Sondenvorrichtung 1 vorstehen. Die Arme 211 und 212 sind parallel zueinander und die Arme 213 und 214 sind parallel zueinander. Der Sondenhauptkörper 21 ist aus diesen jeweiligen Armen 211 bis 214 aufgebaut. Ferner ist der Scheitel bzw. Scheitelpunkt des L-förmigen Brückenteils, der von den Armen 211 und 213 gebildet wird, an dem Substrat der Sondenvorrichtung 1 befestigt.
Die leitende Nadel 22 ist an dem Scheitel bzw. Scheitelpunkt des L-förmigen Brückenteils, das von den Armen 212 und 214 gebildet wird, angebracht. Es ist eine Elektrode P1 an den Unterseiten der jeweiligen Arme 211 bis 214 ausgebildet. Eine Metallverdrahtungsschicht bzw. Metalleitungsführungsschicht c, die verwendet wird, um die leitende Nadel 22 und die W/R-Schaltung zu verbinden, ist an den jeweiligen Armen 211 bis 214 ausgebildet.
Fig. 22 zeigt eine Sonde 2, die mit Elektrodenrippen versehen ist, und die durch Anwenden der NPN-Isolierungsstruktur der in Fig. 8 gezeigten Sonde auf die in Fig. 21 gezeigte Sonde mit der Struktur einer gegenläufigen Krümmung ausgebildet ist. Diese Elektrodenrippen PF werden verwendet, um eine Anziehungskraftsteuerung mittels der elektrostatischen Kraft zwischen den Rippen und dem Speichersubstrat 7 (siehe Fig. 4) durchzuführen. In Fällen, bei denen ein Sondenhauptkörper mit einer laminierten bzw. geschichteten Struktur, wie beispielsweise einer, die in Fig. 20 oder Fig. 21 gezeigt ist, verwendet wird, kann es Fälle geben, wie in dem Fall der Fig. 2 und 5, bei denen ein Verziehen während der Herstellung auftritt, so daß eine praktische Verwendung unmöglich wird. Der Sondenhauptkörper 21 jedoch, dessen Struktur in Fig. 22 gezeigt ist, hat eine Einschichtstruktur. Folglich tritt, wie in dem Fall der in Fig. 8 gezeigten Sonde, kein Verziehen auf, das irgend ein Problem bezüglich einer praktischen Verwendung bewirken würde.
Durch Ausbilden jeder Sonde als ein Brückenteil mit einer gegenläufigen Krümmung, wie es in den Fig. 19 bis 22 gezeigt ist, ist es möglich, das System derart auszulegen, daß fast keine positionsmäßige Verschiebung bezüglich der leitenden Nadelspitze 22a auftritt, ungeachtet des Grads bzw. des Umfangs der Betätigung des Sondenhauptkörpers 21 (wie es in den Fig. 23(A) und (B) gezeigt ist). Fig. 23(A) zeigt den Zustand der Sonde 2 in Fig. 19 vor dem Ansteuern bzw. Antreiben, während Fig. 23(B) den Zustand der Sonde 2 zeigt, nachdem die Sonde angesteuert bzw. angetrieben worden ist.
Das Speichersubstrat 7 kann ein flaches plattenförmiges bzw. scheibenförmiges Substrat sein, auf dessen Oberfläche ein Speichermedium ausgebildet ist, oder kann ein Substrat sein, bei dem gitterförmige Nuten bzw. Einkerbungen in dem vorerwähnten flachen plattenförmigen Speichermedium ausgebildet sind. Somit können verschiedenartige Konstruktionen bzw. Ausführungen verwendet werden.
Die Fig. 24(A) und (B) zeigen eine Modellschnittansicht und eine Modelldraufsicht, die ein Beispiel eines Speichersubstrats 7 mit auf dessen Oberfläche ausgebildeten gitterförmigen Nuten bzw. Einkerbungen darstellen, das in der Speichervorrichtung der Erfindung verwendet werden kann. Das Speichersubstrat 7 (Si-Substrat) hat die Form einer quadratischen Platte, die ungefähr 1 cm an einer Seite aufweist, und eine Dicke von ungefähr 10 bis 100 Mikrometer hat. Dieses Speichersubstrat 7 ist durch Schichten eines Substrats 72 und eines Speichermediums 71 ausgebildet. Trennuten bzw. Trenneinkerbungen 73 sind über die gesamte Oberfläche des Speichersubstrats 7 ausgebildet.
Im allgemeinen neigt ein Verziehen bzw. ein Verformen, das durch die thermische Expansion oder thermische Kontraktion bewirkt wird, dazu, während der Herstellung des Substrats aufzutreten, wenn das Speichersubstrat zu dünn ist. Da jedoch das Speichersubstrat 7, das in den Fig. 24(A) und (B) gezeigt ist, Trennuten 73 hat, die auf dessen Oberfläche ausgebildet sind, tritt kein Verziehen auf, das ein Problem bezüglich einer praktischen Verwendung verursachen würde, sogar, wenn das Speichersubstrat 7 dünn ist. Folglich ist in Fällen, bei denen die Positionierungsvorrichtung 91 (siehe Fig. 4) als eine Vorrichtung ausgeführt ist, die das Speichersubstrat 7 bewegt, eine Bewegung mit hoher Geschwindigkeit des Speichersubstrats 7 als Folge der Verringerung bezüglich eines erreichten Gewichts möglich. Die Trennuten 73 können durch derartige Techniken, wie Photolithographie oder Ätzen, ausgebildet werden.
Es ist gewöhnlicherweise wünschenswert, die Trennuten 73 derart auszubilden, daß die Nuten bei den Grenzen zwischen benachbarten Aufzeichnungsgebieten des Speichermediums 71 angeordnet sind, wobei ein Aufzeichnungsgebiet der Bereich ist, auf den von einer Sonde zugegriffen wird. Wenn der Abstand der Trennuten 73 zu groß ist, kann ein Verziehen nicht bis zu einem gewünschten Niveau verringert werden. Die Trennuten 73 werden gewöhnlicherweise an den Grenzen von allen Aufzeichnungsgebieten ausgebildet. Wenn der Abstand der Trennuten 73 zu klein ist, wird es unmöglich, die Nuten bei den Grenzen von benachbarten Aufzeichnungsgebieten zu positionieren bzw. vorzusehen. In Fällen, bei denen ein Verziehen, das durch eine thermische Expansion oder thermische Kontraktion während der Herstellung hervorgerufen wird, ein Problem darstellt, kann die Tiefe der Trennuten 73 bei einem Wert eingestellt werden, der gleich einer Hälfte oder mehr der Dicke des Speichersubstrats 7 ist.
Wie es oben beschrieben ist, sieht die Speichervorrichtung der Erfindung wie folgt aus:
Eine Speichervorrichtung, die ein Speichersubstrat, das ein Speichermedium hat, welches auf dessen Oberfläche ausgebildet ist, und eine Sondenvorrichtung aufweist, wobei die Sondenvorrichtung umfaßt:
(a) eine Mehrzahl von Sonden mit leitenden Nadeln, die verwendet werden, um Informationen in dem Speichermedium zu lesen und zu schreiben;
(b) eine Positionierungsvorrichtung, die verwendet wird, um die leitenden Nadeln in vorbestimmten Positionen auf der Oberfläche des Speichermediums zu positionieren, wobei alle Nadeln zur gleichen Zeit positioniert werden;
(c) Schreib-Lese-Schaltungen, die verwendet werden, um Informationen in dem Speichermedium über die leitenden Nadeln zu lesen und zu schreiben; und
(d) Sondensteuerungsschaltungen, die für jede der leitenden Nadeln vorgesehen sind und die verwendet werden, um die Oberfläche des Speichermediums und die Spitzen der leitenden Nadeln in einem Zustand eines Kontakts anzuordnen, wobei die Sonden, Schreib-Lese- Schaltungen und Sondensteuerungsschaltungen in dichter bzw. geringer Nähe zueinander auf der Sondenvorrichtung mittels eines monolithischen Halbleiterverfahrens ausgebildet werden.
Die Erfindung hat unter anderem die folgenden wünschenswerten Betriebskonfigurationen:
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß die Sonden durch eine elektrostatische Kraft betätigt werden.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß das Speichersubstrat eine Elektrode ist, die mit den Sonden durch eine elektrostatische Kraft wechselwirkt.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß Hilfselektroden, d. h. Elektrodenrippen, die Rippen haben, welche parallel zu dem Speichersubstrat sind, bei einer vorbestimmten Höhe auf der Speichersubstratseite der Sonden ausgebildet sind.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß die Sondenvorrichtung aus einem Wafer hergestellt ist, der aus einer Siliziumoberflächenschicht, einer isolierenden Zwischenschicht und einer Siliziumunterseitenschicht hergestellt ist, und daß die Sonden aus der Siliziumoberflächenschicht des Wafers ausgebildet sind.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß die Sonden von einer piezoelektrischen Kraft betätigt werden, d. h. einer Kraft, die durch eine bimorphe piezoelektrische Struktur oder eine elektrostatische Kraft erzeugt wird.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß die Spitzen der leitenden Nadeln aus stangenartigen bzw. säulenartigen Körpern bestehen, die einen gleichförmigen Querschnitt haben.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß die W/R- Schaltungen das Lesen oder Schreiben von Informationen mit Bezug auf die Aufzeichnungsgebiete nur durchführen, wenn die Oberfläche des Speichermediums und die Spitzen der leitenden Nadeln in Kontakt miteinander sind.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß das Speichersubstrat eine Mehrzahl von gitterförmigen Trennuten hat.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß das Speichermedium aus einer dielektrischen oder ferroelektrischen Substanz besteht.
- Eine Speichervorrichtung, wie oben definiert, die durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß die Sondensteuerungsschaltkreise derart gesteuert werden, daß, wenn die Oberfläche des Speichermediums und die Spitzen der leitenden Nadeln in einem Zustand eines Kontakts sind, die Abstoßungskraft, die auf die Spitzen der leitenden Nadeln angewendet wird, nicht die zwischenatomare Bindungskraft des Materials der leitenden Nadeln übersteigt.
Die Erfindung ist, wie oben beschrieben, ausgeführt und schafft zumindest die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
Weil die Sonden, W/R-Schaltungen und Sondensteuerungsschaltungen durch ein monolithisches Halbleiterverfahren hergestellt werden, können die Herstellungskosten der Sonden verringert werden. Weil ferner die Sonden in geringer bzw. dichter Nähe zueinander auf der Sondenvorrichtung installiert bzw. vorgesehen sind, wird eine hohe Parallelität für die jeweiligen Sonden sichergestellt.
Weil ferner die Sonden, die W/R-Schaltungen und die Sondensteuerungsschaltungen in dichter bzw. geringer Nähe zueinander auf der Sondenvorrichtung installiert sind, kann eine hohe Parallelität für die jeweiligen Sonden erreicht werden. Als Folge davon kann der periphere Schaltkreis vereinfacht werden, und es besteht beispielsweise kein Bedarf für Schaltungen, um eine Parallelität sicherzustellen.
Durch Installieren der Sonden, W/R-Schaltungen und Sondensteuerungsschaltungen in geringer Nähe zueinander ist es möglich, die gleichen Busleitungen für eine Mehrzahl von Sondenzellen zu verwenden. Folglich kann die Dichte der Sonden erhöht werden und es kann eine Busleitung für eine Mehrzahl von Sondenzellen verwendet werden.
Weil sowohl Sonden, die durch eine elektrostatische Kraft betätigt werden, oder Sonden, die durch eine piezoelektrische Kraft betätigt werden, als die Sonden verwendet werden können, ist der Freiheitsgrad beim Entwerfen bzw. Auslegen der Sondenvorrichtungen erweitert.
In Fällen, bei denen die Sonden, die verwendet werden, Sonden sind, die durch eine elektrostatische Kraft betätigt werden, können die Sonden durch eine elektrostatische Kraft zwischen den Sonden und dem Speichersubstrat betätigt werden. Folglich kann die Sondenansteuerungskraft bzw. Sondenantriebskraft vergrößert werden. Insbesondere dadurch, daß Elektrodenrippen auf bzw. an den Sonden installiert werden, ist es möglich, eine ausreichende Antriebskraft sicherzustellen, sogar in Fällen, bei denen die W/R-Schaltungen und die Sondensteuerungsschaltungen von der Substratoberfläche der Sondenvorrichtung vorstehen.
Weil die Spitzen der leitenden Nadeln 22 als säulenartige Körper ausgebildet sind, die einen gleichförmigen Querschnitt aufweisen, besteht keine Änderung bezüglich der Form der Teile, die mit dem Speichermedium in Kontakt treten, sogar, wenn die Spitzen der leitenden Nadeln als Folge eines Kontakts mit dem Speichermedium verschlissen oder abgenutzt werden sollten.
Weil das Speichermedium, das beispielsweise aus einer dielektrischen oder ferroelektrischen Substanz besteht, eine Mehrzahl von Trennuten hat, ist ein Verziehen bzw. Verformen des Speichersubstrats aufgrund einer thermischen Expansion beseitigt. Als Folge davon können Materialkosten verringert werden und kann das Gewicht des Speichersubstrats im Vergleich zu herkömmlichen Speichersubstraten verringert werden. Folglich sind ein Lesen und Schreiben von Informationen mit hoher Geschwindigkeit möglich, sogar in Fällen, bei denen das Positionieren der Sonden durch Bewegen des Speichersubstrats erreicht wird.
In Fällen, bei denen L-förmige Brückenteile bestehend aus einem ersten und einem zweiten Arm als Sonden verwendet werden, können die Sonden derart ausgeführt werden, daß die Verdrahtung bzw. Leitungsführung (zweiter Arm), die die Übertragung von Daten durchführt, und der erste Arm, der eine Steuerungselektrode hat, räumlich voneinander getrennt sind. In derartigen Fällen kann die Streukapazität, die zwischen der vorerwähnten Elektrode und der Verdrahtung bzw. Leitungsführung, welche zum Lesen und Schreiben von Informationen verwendet wird, erzeugt wird, in großem Maße verringert werden.
Die Abstoßungskraft, die auf die Atome in den Spitzen der leitenden Nadeln angewendet wird, wenn die Sonden die Aufzeichnungsgebiete kontaktieren, kann derart gesteuert werden, daß die erwähnte Kraft nicht die Bindungskraft der Atome in den Spitzen der leitenden Nadeln übersteigt. Folglich kann eine Abnutzung bzw. ein Verschleiß und ein Schaden der leitenden Nadeln im wesentlichen beseitigt werden, so daß die Haltbarkeit der Sonden im Vergleich zu herkömmlichen Sonden in großem Maße erhöht werden kann.

Claims

1. Speichervorrichtung mit folgenden Merkmalen:

einem Substrat (7), das ein Speichermedium (71) aufweist, welches auf einer Substratoberfläche ausgebildet ist;

einer Sondenvorrichtung (1), die eine Mehrzahl von Sondenzellen (4) und ein Substrat (1A, 1B, 1C), das eine Substratoberfläche (S) aufweist, umfaßt; und

einer Positionierungsvorrichtung (91), die das Speichermedium (71) gegenüber der Substratoberfläche (S) anordnet, und die entweder das Speichermedium (71) oder die Substratoberfläche (S) relativ zu dem anderen in einer Richtung parallel zu dem Speichermedium (71) bewegt;

wobei jede der Mehrzahl von Sondenzellen (4) folgende Merkmale aufweist:

eine Sonde (2), die in dem Substrat (1A, 1B, 1C) ausgebildet ist und einen Teil der Substratoberfläche (S) umfaßt, wobei die Sonde (2) eine leitende Nadel (22) zum Lesen und Schreiben von Informationen in dem Speichermedium (71) aufweist, wobei die leitende Nadel (22) in Richtung des Speichermediums (71) vorsteht, wobei die leitende Nadel (22) eine Nadelspitze (22a) benachbart zu dem Speichermedium (71) umfaßt,

eine Schreib-Lese-Schaltung (31) zum Lesen und Schreiben von Informationen in dem Speichermedium (71) über die leitende Nadel (22), wobei die Schreib-Lese-Schaltung (31) in dem Substrat (1A, 1B, 1C) ausgebildet ist und von der Substratoberfläche (5) in Richtung des Speichermediums (71) vorsteht, wobei die Schreib-Lese-Schaltung (31) mit der leitenden Nadel (22) elektrisch verbunden ist,

eine Hilfselektrode (PF), die an der Sonde (2) angeordnet ist, wobei die Hilfselektrode (PF) sich zwischen der Sonde (2) und dem Speichermedium (71) befindet, wobei die Hilfselektrode (PF) im wesentlichen parallel zu der Substratoberfläche (S) und von dieser beabstandet angeordnet ist; und

eine Sondensteuerungsschaltung (32) zum Anordnen einer Oberfläche des Speichermediums (71) in Kontakt mit der Spitze der leitenden Nadel (22), wobei die Sondensteuerungsschaltung (32) in dem Substrat (1A, 1B, 1C) ausgebildet ist und von der Substratoberfläche (S) in Richtung des Speichermediums (71) vorsteht, wobei die Sondensteuerungsschaltung (32) einen Ausgang aufweist, der elektrisch zwischen die Hilfselektrode (PF) und das Speichermedium (71) geschaltet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Nadelspitze (22a) eine Länge in einer Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche (S) aufweist; und

die Nadelspitze (22a) einen konstanten Querschnitt entlang ihrer Länge in einer Ebene parallel zu der Substratoberfläche (S) aufweist.

2. Speichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der:

das Substrat eine Oberflächenschicht (1A) aus Silizium, eine Zwischenschicht (1B) aus Siliziumoxid und eine Unterseitenschicht (1C) aus Silizium umfaßt; und

die Sonde (2) in der Oberflächenschicht (1A) aus Silizium ausgebildet ist.

3. Speichervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Schreib-Lese-Schaltung (31) Informationen in dem Speichermedium (71) nur liest oder schreibt, wenn die Nadelspitze (22a) sich in Kontakt mit dem Speichermedium (71) befindet.

4. Speichervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der:

die Nadelspitzen (22a) aus einem Material ausgebildet sind;

eine Mehrzahl von Atomen des Materials der Nadelspitzen (22a) die Oberfläche des Speichermediums (71) berühren, wenn die Nadelspitzen (22a) die Oberfläche des Speichermediums (71) berühren; und

die Sondensteuerungsschaltung (31) derart gesteuert wird, daß eine Abstoßungskraft, die auf die Nadelspitzen ausgeübt wird, wenn sich die Oberfläche des Speichermediums (71) und die Nadelspitzen berühren, eine zwischenatomare Bindungskraft des Materials der Nadelspitzen (22a) nicht übersteigt.

5. Speichervorrichtung mit folgenden Merkmalen:

einem ebenen Speichermedium (71);

einer Sondenvorrichtung (1), die folgende Merkmale umfaßt:

ein Substrat (1A, 1B, 1C), das eine Substratoberfläche (5) und Sonden (2), die auf der Substratoberfläche (S) angeordnet sind, aufweist, wobei die Sonden (2) eine leitende Nadel (22) umfassen, die von der Sonde (2) hervorsteht und in einer Nadelspitze (22a) endet, wobei die Sonden (2) Informationen in dem Speichermedium (71) nur lesen oder schreiben, wenn die Nadelspitze (22a) sich in Kontakt mit dem Speichermedium (71) befindet; und

einer Positionierungsvorrichtung (91), die das Speichermedium (71) gegenüber der Substratoberfläche (S) anordnet, wobei die Nadelspitzen (22a) benachbart zu dem Speichermedium (71) sind, und die entweder das Speichermedium (71) oder die Substratoberfläche (S) relativ zu dem anderen in einer Richtung parallel zu dem Speichermedium (71) bewegt;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Nadelspitze (22a) eine Länge in einer Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche (5) aufweist und einen konstanten Querschnitt entlang ihrer Länge in einer Ebene parallel zu der Substratoberfläche (S) aufweist.

6. Speichervorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der:

die Sonden (2) in der Oberflächenschicht (1A) aus Silizium ausgebildet sind.

7. Speichervorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der:

die Nadelspitzen (22a) aus einem Material ausgebildet sind; und wenn die Nadelspitzen (22a) die Oberfläche des Speichermediums (71) berühren:

eine Mehrzahl von Atomen des Materials der Nadelspitzen (22a) die Oberfläche des Speichermediums berühren, und

die Sonden (2) eine Kraft auf die Nadelspitzen (22a) aufbringen, die eine zwischenatomare Bindungskraft der Materialien der Nadelspitzen (22a) nicht übersteigt, wenn diese auf die Mehrzahl von Atomen des Materials der Nadelspitzen (22a), die die Oberfläche des Speichermediums (71) berühren, verteilt wird.