JP4405451B2

JP4405451B2 - 情報記録装置

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Publication number: JP4405451B2
Application number: JP2005256466A
Authority: JP
Inventors: 純一秋山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2025-09-05
Also published as: JP2007073095A; US7602693B2; US20070053101A1

Description

本発明は、情報記録装置に関するものであり、特に、不揮発性の半導体ベースの記録媒体を用いて、該記録媒体に信号を記録する情報記録装置に関する。

従来、情報記録ストレージ・メモリとして光ディスクや磁気ディスク、そしてフラッシュメモリなどの半導体メモリが用いられている。しかしながら、いずれのストレージ、メモリにおいても今後の大容量化・高速化は困難度が増しており、これらに代わる小型で大容量・高速、しかも安価なストレージ、メモリの実用化が求められている。

このような背景の下、将来の大容量・高速の情報メモリの一候補として、記録・再生・消去が可能であり、しかも記録情報の長時間保持が可能なＭＮＯＳ（Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor)構造を基本とする半導体ベースの記録媒体を利用した情報記録装置の実用化が期待されている。このような情報記録装置としては、たとえば、半導体基板上に第１の絶縁膜を形成し、その上に電荷蓄積機能を有する第２の絶縁膜を形成してなる半導体ディスクメモリ上において、記録信号電圧が印加された記録電極を相対的に移動させ、記録信号電圧に対応した電荷を第１の絶縁膜を通して第２の絶縁膜に蓄積することにより信号の記録を行う半導体ディスクメモリ装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このような情報記録装置の具体的な構成と機能について以下において簡単に説明する。このＭＮＯＳ媒体を利用した従来の情報記録装置は、たとえばｎ型のシリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板と、該半導体基板の一面上に形成された厚さ数ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）と、該シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）上に形成された厚さ数十ｎｍ程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）と、該シリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）上に形成されたカーボンなどからなる保護膜と、該保護膜上にフォンブリン系の潤滑剤を極薄に塗布した記録媒体と、シリコン（Ｓｉ）半導体板の他面に形成されたアルミ電極と、を有してなる記録媒体を備える。

また、該記録媒体に対して浮上または接触しながら相対的に移動し、サファイア等からなる絶縁性の支持体と、該支持体の一面に被着されたタングステン等の金属膜と、を有してなる電極針と、電極針に接続された記録消去制御回路と、を備えて構成される。

このような情報記録装置においては、記録消去制御回路を用いて該電極針と該半導体基板との間に該半導体基板の裏面に形成されたアルミ電極を介して記録信号に相当する電圧を加える。そして、このときに、トンネル効果により記録信号に相当する電荷がシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）を通過してシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）に蓄積されて、情報が記録さる。

また、この蓄積電荷に応じて該半導体基板に空乏層が形成されることになり、記録信号を再生する時には、該電極針を静電容量検出用の電極として用いることにより、上記空乏層の有無すなわち記録情報の有無を高感度に再生することが可能となる。

そして、この情報記録装置においては、パルス幅が数ナノ秒〜数十ナノ秒以下、数ボルト〜３０ボルト程度の正のパルス電圧を電極針に印加することにより高速の情報記録が実現することができる。また、通常の放置状態では最低１０年間の安定した記録保持と読み出しが保障される。

特開昭５５−１５０２６８号公報

しかしながら、上記のような従来の情報記録装置においては、既に書き込まれた記録信号の消去に関しては、記録時よりも大きな振幅（たとえば、５０ボルト以上）とパルス幅（たとえば、２００ナノ秒以上）の負のパルス電圧を電極針に印加しても十分な消去ができないという問題がある。

このように上記従来の情報記録装置においては、消去特性は記録特性よりもスピードの面において圧倒的に遅く、特にパルス幅が短い場合には消去電圧をいくら大きくしても完全に消去することが困難である。この問題が、従来からこの情報記録装置を実用化する上で大きな障害となっており、これを解決できる技術の確立が待ち望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、記録時と同等の低い電圧値により高速で効率的な消去を行うことが可能であり、高密度、大容量で且つ記録保持時間の長い情報記録装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる情報記録装置は、半導体基板と、半導体基板の一面上に形成された第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成された電荷蓄積機能を有する第２の絶縁層と、半導体基板の他面上に形成された電極層と、第１、第２の絶縁層を貫通し半導体基板中にその底部が配置される絶縁領域と、を備えてなる記録媒体と、記録媒体に対して浮上または接触した状態で該記録媒体に対して電圧を印加するための電極と、を備え、半導体基板と第１の絶縁層との界面から前記絶縁領域の底部までの深さが、

で表される空乏層の最大深さＷ_maxよりも深いことを特徴とする。

この発明によれば、情報の消去時に半導体基板に発生する空乏層の記録媒体の面方向への広がりを防止することにより、印加された消去電圧のうち空乏層の部分に分圧される電圧を抑制し、電荷蓄積機能を有する絶縁層部分に十分な消去電圧が分圧される。これにより、半導体基板からホール（正孔）がトンネル効果により電荷蓄積機能を有する絶縁層中に確実に蓄積されるため、情報の消去が確実に行われる。

したがって、この発明によれば、消去に必要な電極針への印加電圧と消去時間とを、情報の記録時並みに大幅に低減することができ、記録時と遜色のない電圧値により高速で効率的な消去を行うことが可能な、高密度、大容量で且つ記録保持時間の長い情報記録装置を安価に提供することができる、という効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる情報記録装置の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述により限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下の添付図面においては、理解の容易のため、図面の縮尺、部材の縮尺は、各図面により異なることがある。

（第１の実施の形態）
図１−１は、本発明の第１の実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。本実施の形態にかかる情報記録装置は、大容量および高速での記録・再生・消去が可能であり、記録情報の長時間保持が可能なＭＮＯＳ（Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor)構造を基本とする半導体ベースの記録媒体を利用した情報記録装置である。このようなＭＮＯＳ構造を有する記録媒体においては、酸化膜（二酸化シリコン膜）と窒化膜（ナイトライド膜）からなる２層の絶縁膜の界面トラップに電荷を蓄積する構造になっている。

以下、このような本実施の形態にかかる情報記録装置について説明する。ＭＮＯＳ媒体を利用した本実施の形態にかかる情報記録装置は、図１−１に示すように、ＭＮＯＳ構造を有する記録媒体１０と、記録再生用プローブ４０と、記録消去用制御装置（回路）５０と、を備えて構成される。

また、記録媒体１０は、半導体基板１１と、該半導体基板１１の一面上に形成された第１の絶縁層１２と、該第１の絶縁層１２上に形成された電荷蓄積機能を有する第２の絶縁層１３と、該第２の絶縁層１３上に形成された媒体保護層１４と、該媒体保護層１４上に塗布された潤滑剤（図示せず）と、該半導体基板１１の他面に形成された電極層１５と、
該第２の絶縁層１３の表面から半導体基板１１の所定の深さまで達して形成された第３の絶縁層１６と、を備えて構成される。

ここで、半導体基板１１は、たとえばｎ型あるいはｐ型のシリコン単結晶基板またはシリコン多結晶基板からなる。第１の絶縁層１２は、たとえば厚さ数ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）からなる。第２の絶縁層１３は、たとえば厚さ数十ｎｍ程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる。媒体保護層１４は、たとえば数原始層以下の厚みのカーボンなどからなる。

また、潤滑剤は、たとえばフォンブリン系の潤滑剤からなり、媒体保護膜上に極薄に、第２の絶縁層１３上において一原子層程度の膜厚に形成される。電極層１５は、たとえばアルミ膜等の導電性膜により構成される。

第３の絶縁層１６は、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、有機高分子材料などの絶縁材料からなり、該第３の絶縁層１６の表面高さは、第２の絶縁層１３の表面高さと同等とされている。また、この第３の絶縁層１６は、第２の絶縁層１３の表面から半導体基板１１の所定の深さまで達して形成された溝部に上記の絶縁材料が埋設されて形成されたものである。

ここで、第３の絶縁層１６に用いる絶縁材料は、誘電率が第１の絶縁層１２および第２の絶縁層１３よりも低いことが好ましい。第３の絶縁層１６の誘電率を第１の絶縁層１２および第２の絶縁層１３よりも低くすることにより、第３の絶縁層１６と記録ビット領域１７との誘電率の差異を大きくし、情報再生時の感度を向上させて良好な感度で情報再生を行うことができる。

また、本実施の形態にかかる情報記録装置では、この第３の絶縁層１６により記録ビット領域１７が記録媒体１０表面において規定されて規則的にパターン化して配列されている。図１−２は、図１−１に示した記録媒体１０を上から見た要部上面図である。図１−ｆ２に示すように、本実施の形態にかかる記録媒体１０においては、該記録媒体１０表面において記録ビット領域１７と、該記録ビット領域１７以外の領域、すなわち記録ビット領域を分離する分離領域（第３の絶縁層１６）と、を有する。そして、記録媒体１０表面において、各記録ビット領域１７が分離領域により個々の記録ビット領域１７に分離されて規則的に配列されている。なお、図１−２においては、媒体保護層１４を透過して見た場合を示している。

また、記録ビット領域１７のピッチＡと、該記録ビット領域１７以外の領域、すなわち記録ビット領域を分離する分離領域（第３の絶縁層１６）のピッチＢとは、たとえば、略１：１とすることが好ましい。これは、再生時の読み出しマージンの確保と寄生容量の低減の要請から要求されるものである。

そして、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、第３の絶縁層１６は、半導体基板１１と第１の絶縁層１２との界面から第３の絶縁層１６の底部までの深さ（距離）Ｗ１が、以下の数式（１）により算出されるＷ_maxよりも深く（長く）形成されている。ここでＷ_maxとは、信号記録時に第２の絶縁層１３に蓄積された電荷１８に応じて半導体基板１１に形成される空乏層１９の最大深さ（距離）である。

上記数式（１）において、ε₀は真空の誘電率、ε_iは半導体基板の比誘電率、｜φ_f｜
は半導体基板のフェルミ電位の絶対値、ｑは電子の電荷、Ｎｄは半導体基板の不純物濃度である。

なお、第３の絶縁層１６の深さは、製造コストや製造プロセスの観点からその上限が上記のＷ_maxの２倍〜３倍程度の深さとされる。

一方、記録再生用プローブ４０は、電極針支持体４１と、該電極針支持体４１の一面に形成された記録再生用電極針４２と、を備えて構成される。ここで、電極針支持体４１は、サファイア等の絶縁材料からなる絶縁体である。また、記録再生用電極針４２は、電極針支持体４１の一面にタングステン等の金属膜が形成されてなる。

また、記録再生用電極針４２の媒体対抗面における縦方向および横方向の幅がそれぞれ記録媒体１０の記録ビット領域１７の縦方向および横方向の幅よりも大きく、記録ビット領域１７のパターンの縦方向配列および横方向配列のピッチよりも小さくしてもよい。

記録消去用制御装置（回路）５０は、記録再生用電極針４２へ印加する記録信号電圧、読み出し信号電圧および消去信号電圧の制御を行う。

以上のような本実施の形態にかかる情報記録装置では、記録信号電圧（正のパルス電圧）が印加された記録再生用電極針４２が記録媒体１０上に対して浮上または接触しながら相対的に移動し、記録信号電圧に対応した電荷を第１の絶縁層１２を通して第２の絶縁層に蓄積することにより信号の記録を行う。

すなわち、情報の記録を行う場合には、記録媒体１０にパターン化して設けられた記録ビット領域１７の列に沿って記録媒体１０上において記録再生用電極針４２を浮上または接触させながら走査し、記録消去用制御装置（回路）５０を経由して該記録再生用電極針４２と半導体基板１１との間に、該半導体基板１１の裏面に形成された電極層１５を介して記録信号に相当する正の電圧パルスを印加する。このときに、トンネル効果により記録信号に相当する電荷（電子）が第１の絶縁層１２を通過して第２の絶縁層１３に蓄積され情報が記録される。

一方、記録された情報を消去する場合には、上述の情報の記録を行う場合と同様に、記録媒体１０にパターン化して設けられた記録ビット領域１７の列に沿って記録再生用電極針４２を浮上または接触させながら走査し、記録消去用制御装置（回路）５０を経由して該記録再生用電極針４２と半導体基板１１との間に電極層１５を介して負のパルス電圧を印加する。このときに、半導体基板１１からホール（正孔）がトンネル効果により第１の絶縁層１２を通過して第２の絶縁層１３中に蓄積され、情報が消去される。また、消去用の負のパルス電圧を印加した場合に、半導体基板１１の表面に空乏層１９が発生する。

以上のように構成された本実施の形態にかかる情報記録装置においては、第３の絶縁層１６における半導体基板１１と第１の絶縁層１２との界面から第３の絶縁層１６の底部までの深さ（距離）Ｗ１が上述した深さ（距離）に規定されているため、情報の消去時に空乏層１９が記録媒体１０の記録ビット領域１７から半導体基板１１の面方向に２次元的に広がることがない。

従来の情報記録装置においては、図２に示すように、情報の消去時には記録再生用電極針１４２に記録時(正のパルス電圧を印加)とは逆に、負のパルス電圧を印加する。消去プロセスは、記録プロセスとは反対の経過を経て、半導体基板１１１からホール（正孔）がトンネル効果により第１の絶縁層１１２を通過して第２の絶縁層１１３中に蓄積されるものであるが、図２に示すように消去用の負のパルス電圧を印加した場合には、半導体基板１１１の表面に空乏層１１９が発生することが記録プロセスと異なる。

さらに、負のパルス電圧を大きくしていくと、図示するように空乏層１１９の深さは増加し、上記の数式（１）により示される最大深さ（文献１：柳井久義他著「半導体デバイスの物理（II）」、コロナ社、文献２：S.M.SZE, "Physics of Semiconductor Devices", WILEY-INTERSCIENCE Jhon Wiley & Sons, Inc., New York, 1969、参照）まで達するとともに、記録再生用電極針１４２から発生する電界強度の２次元的広がりによって半導体基板１１１の面方向に２次元的に広がってしまうことが記録プロセスと大きく異なる。

この空乏層１１９の静電容量はかなり小さい（インピーダンス的に高い）ため、印加された消去電圧のうち、かなりの電圧がこの空乏層１１９の部分に分圧され、第２の絶縁層１１３部分には十分な消去電圧が分圧されなくなるため、ホール（正孔）のトンネル効果が起こりにくくなる。この傾向は、消去電圧を増加させると、空乏層１１９の２次元的広がりに伴って空乏層部位のインピーダンスが増加するため、より顕著になる。これが、従来の技術において効率的な消去ができなかった主因と考えられる。

そこで、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、消去時の現象に注目し、上記の問題を解決するために図１−３に示すように記録媒体１０において微細な記録ビット領域１７と、記録ビット領域以外の領域、すなわち記録ビット領域を分離する分離領域（第３の絶縁層１６）と、を形成し、分離領域（第３の絶縁層１６）により個々の記録ビット領域１７を分離して規則的に配列している。

そして、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、この分離領域（第３の絶縁層１６）の半導体基板１１における深さを上記の数式（１）にて表現される情報の消去時の空乏層の最大深さＷ_maxよりも大きく（深く）形成している。このように、分離領域（第３の絶縁層１６）の半導体基板１１における深さを消去時の空乏層の最大深さＷ_maxよりも大きく（深く）形成することにより、情報の消去時に発生する空乏層１９は記録媒体１０の面方向に広がることが防止されるため、上記の問題点を解消することができる。

すなわち、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、空乏層１９の記録媒体１０の面方向への広がりを防止することにより、印加された消去電圧のうち空乏層１９の部分に分圧される電圧を抑制し、第２の絶縁層１３部分に十分な消去電圧が分圧されるようにしている。これにより、半導体基板１１からホール（正孔）がトンネル効果により第１の絶縁層１２を通過して第２の絶縁層１３中に確実に蓄積されるため、情報の消去が確実に行われる。

また、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、分離領域（第３の絶縁層１６）を形成して空乏層１９の記録媒体１０への面方向への広がりを物理的に防止しているため、消去電圧を増加させた場合においても、空乏層１９の２次元的広がりに伴って空乏層１９のインピーダンスが増加することがない。

したがって、記録媒体１０において第３の絶縁層１６により記録ビット領域１７を分離してパターン化していない従来技術と比べて、情報の消去に必要な電極針への印加電圧（パルス電圧の大きさとパルス幅）と、消去時間と、を情報の記録時並に大幅に低減することができる。これにより、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、記録時と遜色のない電圧値により高速で効率的な消去を行うことが可能な、高密度、大容量で且つ記録保持時間の長い情報記録装置を安価に提供することが可能になる、という効果を奏する。

つぎに、上記のように構成された本実施の形態にかかる情報記録装置の製造方法について説明する。まず記録媒体１０を作製するには、たとえばｎ型あるいはｐ型のシリコン単結晶基板またはシリコン多結晶基板からなる半導体基板１１上に、第１の絶縁層１２として、たとえばサブｎｍ〜２ｎｍ程度の膜厚のシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）を熱酸化により形成する。つぎに、該第１の絶縁層１２であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）上に、電荷蓄積機能を有する第２の絶縁層１３として、たとえば数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の膜厚のシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）をＣＶＤ法等により形成する。

その後、インプリント技術とエッチング技術とを用いて、規則的に配列される記録ビット領域と、該記録ビット領域以外の領域、すなわち記録ビット領域を分離する分離領域と、とをパターニングする。ここで、分離領域には第２の絶縁層１３の表面から半導体基板１１に所定の深さまで達する溝部を形成する。ここで、該溝部を形成する際には、半導体基板１１と第１の絶縁層１２との界面から溝部の底部までの深さ（距離）Ｗ１が、以下の数式（１）により算出されるＷ_maxよりも深く（長く）なるように形成される。

上記数式（１）において、ε₀は真空の誘電率、ε_iは半導体基板の比誘電率、｜φ_f｜は半導体基板のフェルミ電位の絶対値、ｑは電子の電荷、Ｎｄは半導体基板の不純物濃度である。

そして、このパターニングにより第２の絶縁層１３の表面から半導体基板１１にかけて作製した溝部（記録ビット領域以外の領域）に、第３の絶縁層１６として、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、有機高分子材料などの絶縁材料をリフトオフ法などにより形成する。その後、基板の表面を平坦化し、その上に媒体保護層１４としてたとえばカーボン層を数原始層以下の厚みでＣＶＤ法等により形成し、最後に図示していない潤滑油を極薄に塗布することにより記録媒体１０が完成する。

一方、記録用電極針３２を製造するには、アルミナ、セラミックス、サファイア等の絶縁材料からなる電極針支持体４１の上に、たとえばスパッタリング法や蒸着法などの手法によりタングステン等の金属膜を成膜することにより作製することができる。その後、エッチング工程および図示していない保護膜の成膜等の工程を経ることによって記録再生用プローブ４０が完成する。

そして、記録再生用プローブ４０の記録用電極針３２に記録消去用制御装置（回路）５０を接続することにより本実施の形態にかかる情報記録装置を作製することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、上述した第１の実施の形態にかかる情報記録装置の変形例を説明する。図３は、本実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。本実施の形態にかかる情報記録装置は、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同様に大容量および高速での記録・再生・消去が可能であり、記録情報の長時間保持が可能なＭＮＯＳ（Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor)構造を基本とする半導体ベースの記録媒体を利用した情報記録装置である。

本実施の形態にかかる情報記録装置の基本的な構成は、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同じである。したがって、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同じ部材については図１−１と同じ符号を付し、第１の実施の形態における説明を参照することとし、ここでは詳細な説明は省略する。

本実施の形態にかかる情報記録装置が、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と異なる点は、第３の絶縁層１６の代わりに、図３に示すように第１の絶縁層１２の表面から半導体基板１１の所定の深さまで達して形成された第３の絶縁層２１を備えることである。すなわち、本実施の形態にかかる情報記録装置は、図３に示すように、ＭＮＯＳ構造を有する記録媒体２０と、記録再生用プローブ４０と、記録消去用制御装置（回路）５０と、を備えて構成される。

そして、記録媒体２０は、半導体基板１１と、該半導体基板１１の一面上に形成された第１の絶縁層１２と、該第１の絶縁層１２上に形成された電荷蓄積機能を有する第２の絶縁層１３と、該第２の絶縁層１３上に形成された媒体保護層１４と、該媒体保護層１４上に塗布された潤滑剤（図示せず）と、該半導体基板１１の他面に形成された電極層１５と、該第１の絶縁層１２の表面から半導体基板１１の所定の深さまで達して形成された第３の絶縁層２１と、を備えて構成される。

本実施の形態にかかる情報記録装置では、この第３の絶縁層２１により記録ビット領域１７が半導体基板１１表面において規定されて規則的にパターン化して配列されている。本実施の形態にかかる記録媒体２０においては、該半導体基板１１表面において記録ビット領域と、該記録ビット領域以外の領域、すなわち記録ビット領域を分離する分離領域（第３の絶縁層２１）と、を有する。そして、半導体基板１１表面において、各記録ビット領域１７が分離領域（第３の絶縁層２１）により個々の記録ビット領域１７に分離されて規則的に配列されている。

そして、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、第３の絶縁層２１は、半導体基板１１と第１の絶縁層１２との界面から第３の絶縁層２１の底部までの深さ（距離）Ｗ２が、以下の数式（１）により算出されるＷ_maxよりも深く（長く）形成されている。ここでＷ_maxとは、信号記録時に第２の絶縁層１３に蓄積された電荷１８に応じて半導体基板１１に形成される空乏層１９の最大深さ（距離）である。

一方、第３の絶縁層２１の深さは、製造コストや製造プロセスの観点からその上限が上記のＷ_maxの２倍〜３倍程度の深さとされる。

以上のように構成された本実施の形態にかかる情報記録装置においては、第３の絶縁層２１における半導体基板１１と第１の絶縁層１２との界面から第３の絶縁層２１の底部までの深さ（距離）Ｗ２が上述した深さ（距離）に規定されているため、情報の消去時に空乏層１９が記録媒体２０の記録ビット領域１７から半導体基板１１の面方向に２次元的に広がることがない。

すなわち、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、第３の絶縁層２１の半導体基板１１における深さを上記の数式（１）にて表現される情報の消去時の空乏層の最大深さＷ_maxよりも深く形成している。このように、分離領域（第３の絶縁層２１）の半導体基板１１における深さを消去時の空乏層の最大深さＷ_maxよりも深く形成することにより、情報の消去時に発生する空乏層１９は記録媒体２０の面方向に広がることが防止される。

そして、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、空乏層１９の記録媒体２０の面方向への広がりを防止することにより、印加された消去電圧のうち空乏層１９の部分に分圧される電圧を抑制し、第２の絶縁層１３部分に十分な消去電圧が分圧されるようにしている。これにより、半導体基板１１からホール（正孔）がトンネル効果により第１の絶縁層１２を通過して第２の絶縁層１３中に確実に蓄積されるため、低い消去電圧（パルス電圧の大きさとパルス幅）で、情報の消去が確実に且つ効率的に高速で行われる。

また、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、分離領域（第３の絶縁層２１）を形成して空乏層１９の記録媒体２０への面方向への広がりを物理的に防止しているため、消去電圧を増加させた場合においても、空乏層１９の２次元的広がりに伴って空乏層１９のインピーダンスが増加することがない。

したがって、この情報記録装置においては、記録媒体２０において第３の絶縁層２１により記録ビット領域１７を分離してパターン化していない従来技術と比べて、情報の消去に必要な電極針への印加電圧（パルス電圧の大きさとパルス幅）と、消去時間と、を情報の記録時並に大幅に低減することができる。これにより、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、記録時と遜色のない電圧値により高速で効率的な消去を行うことが可能な、高密度、大容量で且つ記録保持時間の長い情報記録装置を安価に提供することが可能になる、という効果を奏する。

また、本実施の形態にかかる情報記録装置は、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同様にして作製することができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、上述した第１の実施の形態にかかる情報記録装置の他の変形例を説明する。図４は、本実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。本実施の形態にかかる情報記録装置は、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同様に大容量および高速での記録・再生・消去が可能であり、記録情報の長時間保持が可能なＭＮＯＳ（Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor)構造を基本とする半導体ベースの記録媒体を利用した情報記録装置である。

本実施の形態にかかる情報記録装置が、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と異なる点は、第３の絶縁層１６の代わりに、図４に示すように媒体保護層１４の表面から半導体基板１１の所定の深さまで達して形成された溝部３１を備えることである。すなわち、本実施の形態にかかる情報記録装置２は、図３に示すように、ＭＮＯＳ構造を有する記録媒体３０と、記録再生用プローブ４０と、記録消去用制御装置（回路）５０と、を備えて構成される。

そして、記録媒体３０は、半導体基板１１と、該半導体基板１１の一面上に形成された第１の絶縁層１２と、該第１の絶縁層１２上に形成された電荷蓄積機能を有する第２の絶縁層１３と、該第２の絶縁層１３上に形成された媒体保護層１４と、該媒体保護層１４上に塗布された潤滑剤（図示せず）と、該半導体基板１１の他面に形成された電極層１５と、該媒体保護層１４の表面から半導体基板１１の所定の深さまで達して形成された溝部３１と、を備えて構成される。

本実施の形態にかかる情報記録装置では、この溝部３１により記録ビット領域１７が記録媒体１０表面において規定されて規則的にパターン化して配列されている。本実施の形態にかかる記録媒体１０においては、該記録媒体１０表面において記録ビット領域と、該記録ビット領域以外の領域、すなわち記録ビット領域を分離する分離領域（溝部３１）と、を有する。そして、記録媒体３０表面において、各記録ビット領域１７が分離領域（溝部３１）により個々の記録ビット領域１７に分離されて規則的に配列されている。

そして、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、溝部３１は、半導体基板１１と第１の絶縁層１２との界面から溝部３１の底部までの深さ（距離）Ｗ３が、以下の数式（１）により算出されるＷ_maxよりも深く（長く）形成されている。ここでＷ_maxとは、信号記録時に第２の絶縁層１３に蓄積された電荷１８に応じて半導体基板１１に形成される空乏層１９の最大深さ（距離）である。

一方、溝部３１の深さは、製造コストや製造プロセスの観点からその上限が上記のＷ_maxの２倍〜３倍程度の深さとされる。

また、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、記録媒体３０表面において溝部３１により記録ビット領域１７が規定されている。そして、溝部３１の領域の誘電率は空気の誘電率であるため、上記の第３の絶縁層１６の誘電率よりもさらに低くなる。これにより、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、第１の実施の形態にかかる情報記録装置よりもさらに良好な感度で情報の再生を行うことができる。

以上のように構成された本実施の形態にかかる情報記録装置においては、溝部３１における半導体基板１１と第１の絶縁層１２との界面から溝部３１の底部までの深さ（距離）Ｗ３が上述した深さ（距離）に規定されているため、情報の消去時に空乏層１９が記録媒体３０の記録ビット領域１７から半導体基板１１の面方向に２次元的に広がることがない。

すなわち、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、溝部３１の半導体基板１１における深さを上記の数式（１）にて表現される情報の消去時の空乏層の最大深さＷ_maxよりも深く形成している。このように、分離領域（溝部３１）の半導体基板１１における深さを消去時の空乏層の最大深さＷ_maxよりも大きく（深く）形成することにより、情報の消去時に発生する空乏層１９は記録媒体１０の面方向に広がることが防止される。

そして、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、空乏層１９の記録媒体３０の面方向への広がりを防止することにより、印加された消去電圧のうち空乏層１９の部分に分圧される電圧を抑制し、第２の絶縁層１３部分に十分な消去電圧が分圧されるようにしている。これにより、半導体基板１１からホール（正孔）がトンネル効果により第１の絶縁層１２を通過して第２の絶縁層１３中に確実に蓄積されるため、低い消去電圧（パルス電圧の大きさとパルス幅）で、情報の消去が確実に且つ効率的に高速で行われる。

また、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、分離領域（溝部３１）を形成して空乏層１９の記録媒体３０への面方向への広がりを物理的に防止しているため、消去電圧を増加させた場合においても、空乏層１９の２次元的広がりに伴って空乏層１９のインピーダンスが増加することがない。

したがって、この情報記録装置においては、記録媒体３０において溝部３１により記録ビット領域１７を分離してパターン化していない従来技術と比べて、情報の消去に必要な電極針への印加電圧（パルス電圧の大きさとパルス幅）と、消去時間と、を情報の記録時並に大幅に低減することができる。これにより、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、記録時と遜色のない電圧値により高速で効率的な消去を行うことが可能な、高密度、大容量で且つ記録保持時間の長い情報記録装置を安価に提供することが可能になる、という効果を奏する。

なお、第１の実施の形態にかかる情報記録装置においては、この溝部３１にたとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、有機高分子材料などの絶縁材料が埋設されて第３の絶縁層１６が構成されている。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、本発明にかかる情報記録装置に静電容量方式再生を組み合わせた場合について説明する。図５は、本実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。

本実施の形態にかかる情報記録装置は、上述した第１の実施の形態にかかる情報記録装置に静電容量方式再生を組み合わせたものであり、本実施の形態にかかる情報記録装置の基本的な構成は、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同じである。したがって、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同じ部材については図１−１と同じ符号を付し、第１の実施の形態における説明を参照することとし、ここでは詳細な説明は省略する。

本実施の形態にかかる情報記録装置が、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と異なる点は、記録信号の再生用のセンサとして静電容量方式の再生用プローブ４３と静電容量変化検出装置（回路）５１を備える点である。すなわち、本実施の形態にかかる情報記録装置は、図５に示すように、記録媒体１０と、静電容量方式の再生用プローブ４３と、静電容量変化検出装置（回路）５１と、を備えて構成される。静電容量方式の再生用プローブ４３は、電極針支持体４４と、該電極針支持体４４の一面に形成された再生用電極針４５と、を備えて構成される。

このように、第１の実施の形態にかかる情報記録装置に、再生方式として静電容量方式を採用することにより、検出感度の高く良好な情報再生が可能な情報記録装置を安価に、且つ簡略な構成で実現することが可能である。

本実施の形態のように第１の実施の形態にかかる情報記録装置に静電容量方式再生を組み合わせる場合には、上記の第３の絶縁層１６の構成材料を誘電率の低い材料により構成することが好ましい。これにより、検出感度を向上させることができる。

また、本実施の形態においては、静電容量方式用としての再生用電極針４５を個別に備える構成について説明したが、本発明においては記録消去用電極針と再生用電極針とを兼用する構成とすることも可能である。

また、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、上述した第１の実施の形態にかかる情報記録装置が有する、記録時と遜色のない電圧値により高速で効率的な消去を行うことが可能な、高密度、大容量で且つ記録保持時間の長い情報記録装置を安価に実現可能である、という効果を備えることはいうまでもない。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、本発明にかかる情報記録装置にＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）センサによる記録信号の再生を組み合わせた場合について説明する。図６は、本実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。

本実施の形態にかかる情報記録装置は、上述した第１の実施の形態にかかる情報記録装置にＦＥＴセンサによる記録信号の再生を組み合わせたものであり、本実施の形態にかかる情報記録装置の基本的な構成は、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同じである。したがって、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と同じ部材については図１−１と同じ符号を付し、第１の実施の形態における説明を参照することとし、ここでは詳細な説明は省略する。

本実施の形態にかかる情報記録装置が、第１の実施の形態にかかる情報記録装置と異なる点は、記録信号の再生用のセンサとして従来公知のＦＥＴセンサを備える点である。すなわち、本実施の形態にかかる情報記録装置は、図６に示すように、記録媒体１０と、ＦＥＴセンサと、を備えて構成される。ＦＥＴセンサは、ソース（ｎ＋領域）と、ドレイン（ｎ＋領域）と、Ｐ型シリコン層と、絶縁膜と、反転層と、を備えて構成される。

ＦＥＴセンサを用いた記録信号の再生においては、記録媒体１０の第２の絶縁層１３に蓄積記録された電荷１８による電界をＦＥＴセンサのソースとドレインとの間の電流の変化を検出することで直接読み出す。なお、図６においては、電極の記載を省略している。電界の変化により反転層の深さが変化するため、ソース−ドレイン間の電気抵抗が変化して上記の電流が変化する。

近年のＦＥＴプローブ技術を利用することで、ナノメータオーダーの超微小領域の電荷も検出できることが示されており、この効果により本実施の形態においても数十ナノメータ領域の超微小領域に記録された蓄積電荷を記録情報として、高感度・高ＳＮ比をもって早い応答速度で再生することが可能である。

（第６の実施の形態）
第６の実施の形態では、上述した第１の実施の形態にかかる記録媒体１０をディスク状に形成した情報記録装置（ディスクメモリ）について説明する。図７−１は、本実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための斜視図である。本実施の形態にかかる情報記録装置は、図７−１に示すようにディスク状に形成されたディスク状記録媒体７０と、記録再生用電極針４２を備えた記録再生用プローブ４０と、記録消去用制御装置（図示せず）と、を備えて構成される。

ここで、ディスク状記録媒体７０は、図７−２に示すように、該ディスク状記録媒体７０表面において、各記録ビット領域１７が分離領域（第３の絶縁層１６）により個々の記録ビット領域１７に分離されて規則的に配列されている。なお、図７−２は、図７−１における領域Ａを拡大して示す図である。

この情報記録装置においては、ディスク状記録媒体７０を回転させることにより該ディスク状記録媒体７０を記録再生用電極針４２に対して相対的に運動させてトラック方向の記録ビット領域１７の列７２に従って情報の記録・消去・再生を行うことを特徴する。このように第１の実施の形態にかかる情報記録装置の記録媒体１０をディスク状の形状に形成することにより、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、より大容量且つ高速での記録・再生・消去が可能である。

なお、本実施の形態にかかる情報記録装置においては、上述した第１の実施の形態にかかる情報記録装置が有する、記録時と遜色のない電圧値により高速で効率的な消去を行うことが可能な、高密度、大容量で且つ記録保持時間の長い情報記録装置を安価に実現可能である、という効果を備えることはいうまでもない。

また、本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態にかかる情報記録装置の記録媒体１０をディスク状の形状に形成して情報記録装置を構成した場合について説明したが、第２の実施の形態および第３の実施の形態にかかる情報記録装置の記録媒体２０および記録媒体３０をディスク状の形状に形成して情報記録装置を構成することも可能である。

（第７の実施の形態）
第７の実施の形態では、上述した第１の実施の形態にかかる記録媒体１０に対して、複数の記録再生用プローブを配列した２次元プローブ・アレーを備えた情報記録装置（マルチプローブメモリ）について説明する。図８−１は、本実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための斜視図である。本実施の形態にかかる情報記録装置は、図８−１に示すように記録媒体１０と、複数の記録再生用プローブ４０を備えた２次元プローブ・アレー８１と、マルチプレクサ・ドライバ８２と、記録消去用制御装置（図示せず）と、を備えて構成される。

ここで、２次元プローブ・アレー８１の各記録再生用プローブ４０は、図８−２に示すように、所定の領域（たとえば図８−２に示す領域Ｃ）に含まれる複数の記録ビット領域１７に対して記録・消去・再生を行うことを特徴する。なお、図８−２は、図８−１における領域Ｂを拡大して示す図である。

この情報記録装置においては、上記のように記録再生用電極針（記録再生用プローブ４０）を複数設けて、これらの記録再生用電極針をパラレル動作させることにより記録媒体１０に対して多チャンネルの記録または消去を行うことを特徴とする。以上のような本実施の形態にかかる情報記録装置においては、より小型な装置において、より高密度での記録・消去が可能である。

また、本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態にかかる情報記録装置の記録媒体１０を用いて情報記録装置を構成した場合について説明したが、第２の実施の形態および第３の実施の形態にかかる情報記録装置の記録媒体２０および記録媒体３０を用いて上記と同様の情報記録装置を構成することも可能である。

以上のように、本発明にかかる情報記録装置は、小型で大容量・高速、且つ安価な記録装置に有用であり、特に、携帯機器等に適している。

本発明の第１の実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。図１−１に示した記録媒体１０を上から見た要部上面図である。本発明の第１の実施の形態にかかる情報記録装置における消去メカニズムを説明する断面図である。従来の情報記録装置における消去メカニズムを説明する断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。本発明の第３の実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。本発明の第４の実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。本発明の第５の実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための図である。本発明の第６の実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための斜視図である。図７−１における領域Ａを拡大して示す図である。本発明の第７の実施の形態にかかる情報記録装置の主要構成を説明するための斜視図である。図８−１における領域Ｂを拡大して示す図である。

符号の説明

１０記録媒体
１１半導体基板
１２絶縁層
１３絶縁層
１４媒体保護層
１５電極層
１６絶縁層
１７記録ビット領域
１８電荷
１９空乏層
２０記録媒体
２１絶縁層
３０記録媒体
３１溝部
３２記録用電極針
４０記録再生用プローブ
４１電極針支持体
４２記録再生用電極針
４３再生用プローブ
４４電極針支持体
４５再生用電極針
７０ディスク状記録媒体
８１２次元プローブ・アレー
８２マルチプレクサ・ドライバ
１１１半導体基板
１１２絶縁層
１１３絶縁層
１１９空乏層
１４２記録再生用電極針

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の一面上に形成された第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に形成された電荷蓄積機能を有する第２の絶縁層と、
前記半導体基板の他面上に形成された電極層と、
前記第１、第２の絶縁層を貫通し、前記半導体基板中にその底部が配置される絶縁領域と、
を備えてなる記録媒体と、
前記記録媒体に対して浮上または接触した状態で該記録媒体に対して電圧を印加するための電極と、
を備え、
前記半導体基板と前記第１の絶縁層との界面から前記絶縁領域の底部までの深さが、

で表される空乏層の最大深さＷ_maxよりも深いこと
を特徴とする情報記録装置。
前記絶縁領域が、前記半導体基板に設けられた溝部であること
を特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記絶縁領域が、前記溝部に絶縁材料が埋設されてなる第３の絶縁層であること
を特徴とする請求項２に記載の情報記録装置。
前記絶縁領域の誘電率が、前記第１の絶縁層および第２の絶縁層の誘電率よりも低いこと
を特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記電極が、情報の記録・消去用の電極、および情報の再生用の電極として兼用可能であり、該電極を用いて情報の再生が可能であること
を特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
電界効果型トランジスタ電極を用いて前記第２の絶縁層に蓄積された記録電荷による電界を検出することにより情報を再生すること
を特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記記録媒体が、ディスク状に形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記電極を複数備え、前記複数の記録領域に対して同時に情報の多チャンネル記録または消去または再生を行うこと
を特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。