JPH04502084A

JPH04502084A - ディジタル情報を記憶された電荷の形態で記憶する方法および装置

Info

Publication number: JPH04502084A
Application number: JP2510093A
Authority: JP
Inventors: クウェート　カルヴィン　エフ; バーレット　ロバート　シー
Original assignee: ザボードオブトラスティーズオブザリーランドスタンフォードジュニアユニバーシティ
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-14
Publication date: 1992-04-09
Anticipated expiration: 2012-07-09
Also published as: JP2628790B2; WO1991000592A2; DE69029478T2; EP0560757A1; US5132934A; EP0560757A4; EP0560757B1; WO1991000592A3; DE69029478D1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】該先端部を前記電荷記憶媒体の表面から間隔を隔てて位置決めし、そして記憶された電荷に起因する前記の可撓性片持ばり状アームの先端部の撓みを測定して前記電荷記憶領域により記憶された情報を指示することにより前記電荷記憶領域において記憶された電荷の存在を検出することにより前記電荷記憶領域から情報を読み取る諸段階を含む方法。

２　前記先端部と前記電荷記憶媒体との間に電界を印加して電荷を前記電荷記憶領域において記憶させる段階を含む請求の範囲第１項に記載の方法。

３、片持ばり状アームの撓みが記憶された電荷と先端部上の電荷との間に作用する力によりひき起こされる請求の範囲第１項に記載の方法。

４、　薄い第１誘電体層が形成された表面を有する基板を準備することを含み、前記の薄い第１誘電体層上には情報を記憶しかつ検索する電荷記憶媒体を構成するための第２誘電体層が形成されており、前記第２誘電体層に情報を書き込む段階が前記片持ばり状アームの先端部を前記第２誘電体層においてまたは第２誘電体層に極めて接近して位置決めし、かつ前記片持ばり状アームの先端部と前記半導体基板との間に電界を印加して、それにより電荷を基板から薄い第１誘電体層を通して第２誘電体層まで通過させて、前記電荷を第２誘電体層によたり捕獲された電荷として記憶させることを含む請求の範囲第１項に記載の方法。

５、前記基板が半導体材料から形成された請求の範囲第４項に記載の方法。

６、　前記半導体基板がシリコンであり、前記の薄い第１誘導体層が二酸化珪素であり、かつ前記第２誘電体層が窒化珪素である請求の範囲第５項に記載の方法。

７、　記憶された電荷を前記第２誘電体層により構成された電荷記憶領域に封じ込めることを助けるために前記第２誘電体層上に形成された第３誘電体層を準備する段階を含む請求の範囲第６項に記載の方法。

８、所定の極性と反対の極性の電界を印加して前記電荷記憶媒体の反対の極性の電荷により前記電荷記憶媒体に予め記憶されかつ書き込まれた電荷を取り消すことにより情報が前記電荷記憶媒体から消去される請求の範囲第４項に記載の方法。

９、　前記第２誘電体層に記憶された情報を読み取る段階が片持ばり状アームの先端部と前記半導体基板との間に電荷を印加し、そして第２誘電体層の電荷により半導体基板に形成された空乏領域により生ずる容量性の力の変化を測定する段階を含む請求の範囲第５項に記載の方法。

１０、前記電界が交流電界である請求の範囲第９項に記載の方法。

１１、前記電荷記憶媒体が導電性基板を含む請求の範囲第２項に記載の方法。

１２．前記導電性基板が金属である請求の範囲第１１項に記載の方法。

１３、前記導電性基板が半金属である請求の範囲第１１項に記載の方法。

１４、前記片持ばり状アームが圧電バイモルフ片持ばり状アームである請求の範囲第１項に記載の方法。

１５、前記圧電片持ばり状アームの撓みが前記アームの撓みにより誘起された圧電電圧を測定することにより検知される請求の範囲第１４項に記載の方法。

１６、前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体における複数個の対応した電荷記憶領域の各々にアクセスするために前記電荷記憶媒体上の複数個の位置において位置決めする段階を含む請求の範囲第１項に記載の方法。

１７、ディジタル情報を記憶された電界の形態で記憶しかつ検索する装置において、自由端部に導電性の先端部が固定された可撓性の片持ばり状アームと、情報を記憶しかつ検索するための電荷記憶領域を有する電荷記憶媒体であって、前記先端部により走査される表面を有する電荷記憶媒体と、前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体の表面に極めて接近して位置決めして電荷を前記電荷記憶媒体により記憶させる手段を含む前記記憶媒体に情報を書き込む手段と、該先端部を前記電荷記憶媒体の表面から間隔を隔てて位置決めする手段と、記憶された電荷に起因する前記片持ばり状アームの先端部の撓みを測定して前記電荷記憶領域により記憶された情報を指示する手段を含む前記電荷記憶領域において記憶された電荷の存在を検出する手段とを含む前記電荷記憶媒体から情報を読み取る手段とを備えた装置。

１８、前記先端部と前記電荷記憶媒体との間に電界を印加して電荷を前記電荷記憶領域において記憶させる手段を含む請求の範囲第１８項に記載の装置。

１９、片持ばり状アームの撓みが記憶された電荷と先端部上の電荷との間に作用する力によりひき起こされる請求の範囲第１７項に記載の装置。

２０、薄い第１誘導体層が形成された表面を有する基板を含み、前記の薄い第１誘電体層上には情報を記憶しかつ検索する電荷記憶媒体を構成する第２誘電体層が形成されており、前記第２誘電体層に情報を書き込む手段が前記片持ばり状アームの先端部を前記第２誘電体層においてまたは該第２誘電体層に極めて接近して位置決めする手段を含みかつ前記片持ばり状アームの先端部と前記半導体基板との間に電界を印加して、それにより電荷を基板から薄い第１誘電体層を通して第２誘電体層まで通過させて、前記電荷を第２誘電体層により捕獲された電荷として記憶させる手段を含む請求の範囲第１９項に記載の装置。

２１、前記基板が半導体材料から形成された請求の範囲第２０項に記載の装置。

２２、前記半導体基板がシリコンであり、前記の薄い第１誘電体層が二酸化珪素であり、かつ前記第２誘電体層が窒化珪素である請求の範囲第２１項に記載の装置。

２３、記憶された電荷を前記第２誘電体層により構成された電荷記憶領域に封じ込めることを助けるために前記第２誘電体層上に形２４、前記電荷記憶媒体における反射の極性の電荷により前記電荷記憶媒体に予め記憶されかつ書き込まれた電荷を取り消す手段を含む前記電荷記憶媒体から情報を消去する手段を含む請求の範囲第１９項に記載の装置。

２５、前記第２誘電体層に記憶された情報を読み取る手段が片持ばり状アームの先端部と前記半導体基板との間に電荷を印加する手段と、前記第２誘電体層の電荷により半導体基板に形成された空乏領域により発生する容量性の力の変化を測定する手段とを含む請求の範囲第２１項に記載の装置。

２６、前記電界が交流電界である請求の範囲第２５項に記載の装置。

２７、前記電荷記憶媒体が導電性基板を含む請求の範囲第２０項に記載の装置。

２Ｂ。前記導電性基板が金属である請求の範囲第２７項に記載の装置。

２９、前記導電性基板が半金属である請求の範囲第２７項に記載の装置。

３０、前記片持ばり状アームが圧電バイモルフ片持ばり状アームである請求の範囲第１９項に記載の装置。

３１、前記圧電片持ばり状アームの撓みにより誘起された圧電電圧を測定することにより前記アームの撓みを検知する手段を含む請求の範囲第３０項に記載の装置。

３２、前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体の複数個の対応した電荷記憶領域の各々にアクセスさせるために前記電荷記憶媒体上の複数の位置において位置決めする手段を含む請求の範囲第１９項に記載の装置。

３３、ディジタル情報を記憶された電荷の形態で記憶しかつ検索する装置において、自由端部に導電性の先端部が固定された可撓性の片持ばり状アームと、複数個の情報ビットに相当する電荷を記憶するための複数個の記憶場所を構成する複数個の電荷記憶領域を有する電荷記憶媒体であって、前記先端部により走査される表面を有する電荷記憶媒体と、前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体の表面に極めて接近して位置決めして電荷を前記電荷記憶媒体により記憶させる手段を含む前記記憶媒体に情報を書き込む手段と、該先端部を前記電荷記憶媒体の表面から間隔を隔てて位置決めする手段と、記憶された電荷に起因する前記の可撓性片持ばり状アームの先端部の撓みを測定して前記電荷記憶媒体により記憶された情報を指示する手段を含む電荷の存在を検知する手段とを含む前記電荷記憶媒体から情報を読み取る手段とを備えた装置。

３４、前記電荷記憶媒体がトラックの形態に構成された請求の範囲第３３項に記載の装置。

３５、前記トラックが整列して形成されたトラックである請求の範囲第３４項に記載の装置。

３６、前記電荷記憶媒体が円形の経路の形態に形成され、かつ前記電荷記憶媒体が前記電荷記憶領域を前記片持ばり状アームの先端部に対して移動させて、それにより該先端部を前記円形経路の前記電荷記憶領域の各々にアクセスさせるために一つの軸線のまわりに回転するようになっている請求の範囲第３３項に記載の装置。

３７、前記電荷記憶媒体上に形成された複数個の同心円経路と、前記先端部を軸線に対して半径方向に移動して前記先端部を前記同心円経路の各々に隣接して選択的に位置決めする手段とを含む請求の範囲第３５項に記載の装置。

３８、基板材料からなる複数個のストリップが形成された半導体基板を含み、前記ストリップがトラックを規定しかつ第１導電率を有する隔置されたストリップの第１グループを含み、かつ前記ストリップが前記第１グループのストリップの間に装置されかつ前記第１グループのストリップよりも低い導電率を有する隔置されたストリップの第２グループを含んでおり、さらに、前記ストリップ上に形成された誘電体材料からなる第ｉｓと、前記第１層上に形成されてそれにより前記の第１グループの隔置されたストリップにより規定されたトラックに沿って電荷を記憶する電荷記憶領域゛を構成する別の誘電体材料からなる第２層とを含む請求の範囲第３３項に記載の装置。

３９、半導体基板がシリコンであり、かつ誘電体材料からなる第１層が二酸化珪素であり、か−）誘電体材料からなる第２Ｎが窒化珪素である請求の範囲第３８項に記載の装置。

４０、！荷記憶媒体の表面に形成されたみそにより形成された複数１１のトラックを含む請求の範囲第３３項に記載の装置。

４１、複数個のトラックが電荷記憶媒体の表面上に金属を付着させることにより電荷記憶媒体に形成された請求の範囲第３３項に記載の装置。

明　細　書ディジタル情報を記憶された電荷の形態で記憶する方法および装置発明の背景米国政府は本発明に関して支払済みの認可を得ておりかつ限定された情況において特許権者に対して米国海軍省により付与された契約第Ｎ０００１４−８４−に −０６２４の条件により規定された妥当な条件で第三者に特許の使用を許可することを要求する権利を有している。

１、発明の分野　本発明は記憶装置に関し、そしてさらに特定すると、半導体加工技術により製造された記憶構造から情報を読み取りかつ該記憶構造に情報を書き込むために片持ばり状アームを利用する記憶装置に関する。

２従来の技術　誘電体層に電荷を捕獲することによる情報のち１　よう密な記憶は、従来技術においては、電気的に消去可能でありかつプログラム可能な読取り専用記憶装！’　（ＥＥＰＲＯＭＳ）の形態で実施されてきた。シリコン基板の表面上には、酸化物の薄膜が形成される。その後、酸化物の薄膜上には、窒化珪素の薄膜が形成される。窒化珪素の薄膜の外面とシリコン基板との間には、比較的に強い電荷が印加される。電子はシリコン基板から酸化物の薄膜を通して窒化珪素の層まで通過して、窒化珪素の層において、電子か窒化珪素の薄膜内に捕獲される。捕獲された電荷は窒化珪素上に付着した金属電極と基板との間のキャパシタンスを検知することにより読み取られる。記憶装置の配列を構成するために、各々の記憶セルは、窒化珪素の層に配置去されかつ基板上に形成された好適な導体の回路網によりその他の記憶セルと相互に接続された別個の金属電極を存している。

１９８６年３月１１日に許可され、そして本発明の鐘受入に譲渡された「トンネル電流データの読出しを使用してデータを記憶する方法および装置」と題するクエー）　（Ｑｕａｔｅ）氏の米国特許第４．５７５，８２２号明細畜には、基板の表面の摂動を確保することによりデータが記憶されるディジタル記憶装置が記載されている。

摂動の識別、すなわち、読取りは基板の「摂動１面と可動プローブどの間にトンネル電子流れを確保することにより達成される。

摂動はトンネル電子流れが摂動により影響をうけるような物理的な、電気的なまたは磁気的な性質を有している。その場合に、このトノネル電流は種々のデータ要素を決定するために測定される。

１９８８年３月２８日に発行された「応用物理学報文」の５２巻、１３号の１１０３頁ないし１１０５頁に掲載されたマーチン（Ｍａｒｔｊｎ）氏その他による［原子力検鏡による高解像度キャパシタンス測定および電位差測定」と題する論文は原子力検鏡および絶縁体の表面の空間的なプロファイルを付与するその能力に関する発明について言及している。このマーチン氏の論文はプローブの先端部に電圧を印加し、その後先端部と測定される表面との間に作用する先端部およびサンプル間の容量性の力を測定することによる静電力の原子力検鏡（ＡＦＭ）測定について述べている。

１９８１年７月に発行された「電子デバイスに関するＩＥＥＥ会報ノのＥＤ−２８巻、７号の８５４頁ないし８６０頁に掲載された岩村氏その他による「回転ＭＮＯ３記憶装置」と題する論文には、固定電極針および回転ＮＯＳディスクが記載されている。

この回転ＳＯＳディスクは薄い絶縁酸化物薄膜および電荷記憶用の窒化珪素薄膜が形成されたシリコン基板である。電子は酸化物薄膜を通して入射されて窒化珪素薄膜中に射出されて、捕獲される。チタンカーバイドで被覆されたタングステンカーバイドが電極針の先端部として使用される。

１９８８年１２月２６日に発行された「応用物理学報文」の５３巻、２６号の２７１７頁ないし２７１９頁に掲載されたスターン（Ｓｔｅｒｎ）氏その他による「力検鏡の使用による絶縁体の表面に対する電荷の局部的な付与および分布」と題する論文には、絶縁体層に表面電荷を付与する技術が記載されている。電荷は２５ミリ秒、１００ボルトのパルスを力検鏡の先端部に印加することにより絶縁材料に付与される。使用された絶縁体はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）　、単結晶サファイア、へき関した雲母および融解石英を含んでいた。

発明の要約それ故に、本発明の一つの目的は情報を非常にちょう密な配列に記憶させることである。

本発明の別の一つの目的は、慣用の半導体記憶装置を製造するために使用される技術と類似の半導体集積回路製造技術を使用して製造された配列に情報を記憶させることである。

本発明のこれらの目的およびその他の目的によれば、半導体基板上に薄い第１誘電体の絶縁薄膜、すなわち、絶縁層を形成することを含むディジタル情報を記憶しかつ検索する方法が提供される。この薄い絶縁皮膜、すなわち、絶縁層上には、情報を記憶しかつ検索するための少なくとも一つの電荷記憶領域を構成する第２誘電体暖か形成される。本発明の特定の一実施例においては、基板がシリコンであり、絶縁薄膜が二酸化珪素であり、かつ電荷記憶薄膜が窒化珪素である。

記憶領域は自由端部に先端部が固定された片持ばり状アームを使用してアクセスされる。電荷記憶領域への情報の書込みは片持ばり状アームの先端部を第２電荷記憶層の表面上にまたは該表面に極めて接近して位置決めすることにより行われる。そのときに、片持ばり状アームの先端部と基板との間に電界が印加されて電荷を薄い絶縁層を通して第２電荷記憶層まで通過させて、第２電界記憶層において、電荷が捕獲された電荷として記憶される。

電荷記憶領域からの情報の読取りは片持ばり状アームの先端部を第２誘電体層の表面に極めて接近して位置決めし、そして先端部と基板との間に電界を印加することにより行われる。先端部は第２誘電体層の表面から所望される解像度により５オングストロームから２０００オングストロームまでの範囲内の距離を隔てて位置決めされる。基板に対して先端部をさらに接近して位置決めすることにより、記憶された電荷記憶場所の解像度がさらに大きくなる。各々の電荷記憶領域、すなわち、記憶場所は一つの記憶場所の役目をする。本発明の特定の実施例における各々の電荷記憶領域は、代表的には、５０オングストローム以下の値から２０００オングストロームを超える値までの範囲内の直径を有する領域を包含することができる。それ故に、非常にちょう密な記憶構造を得ることができる。

アームの先端部と基板との間に電界を印加することにより、容量性の力が生じ、片持ばり状アームの先端部に作用して、該アームを撓ませる。そのときに、片持ばり状アームの撓みが検知されて、特定の電荷記憶領域に記憶された電荷の量に相当する記憶された情報を指示する。

本発明の方法は、特に、複数個の記憶場所に相当する複数個の電荷記憶領域を設けることにより記憶配列を構成することに適用することができる。

本発明の一実施例においては、阻止層として作用する例えば二酸化珪素で構成された第３誘電体層が電荷が電界により電荷記憶層から引き出されることを阻止するために電荷記憶層上に形成されている。この構成により、電荷記憶層をより薄く形成することができる。

ディジタル情報を記憶しかつ検索する装置は、前述したように、基板と、薄い絶縁層と、電荷記憶層と、片持ばり状アームとを含む。本発明の別の実施例においては、複数個の記憶場所が基板上の円形経路の形態で構成されている。基板は記憶場所を片持ばり状アームの先端部に対して移動して該先端部を前記記憶場所の各々にアクセスさせるために一つの軸線のまわりに回転するようになっている。

より大きい記憶構造を構成するために、複数個の同心円状トラックがアームの先端部を基板の回転軸線に対して半径方向に移動して該先端部を同心円状経路の各々に隣接して選択的に位置決めする手段と共に設けられている。

また、情報を複数個のトラックに記憶する装置も設けられている。基板には、ドープされた導電性の基板材料のストライブのグループが形成されている。これらの導電性ストライブは第２組の絶縁ストライブにより隔置されている。第２組の絶縁ストライブは導電性ストライブの間に挿置されかつ低い導電率を存している。これらのストライブ上には、絶縁誘電体層が形成されている。

この絶縁誘電体層上には、第２誘電体層が形成され、それにより導電性ストライブの隔置されたストライブの第１グループにより構成されたトラックに沿って電荷を記憶する電荷記憶領域を構成している。情報は、自由端部に先端部を有する圧電バイモルフ片持ばり状アームを使用してアームの先端部が第２誘電体層の表面と接触するように位置決めされ、そして先端部と基板との間に電界が印加されるときに、これらのトラックに記憶される。この電界は電荷を基板から絶縁層を通して電荷記憶層まで通過させる。

アームの先端部を電荷記憶層の表面から隔置しかつ先端部と基板との間に電界を印加することにより、これらのトラックから読み取られる。その結果、アームの先端上に容量性の力が発生して片持ばり状アームを撓ませる。このアームの撓みの量は特定の電荷記憶場所に記憶された電荷の量により左右される。この撓みは記憶場所に記憶された情報を指示するために測定される。

多重データ記憶トラックを形成するその他の方法は、先端部が特定のトラックから逸脱していることを検知するために使用される電荷記憶媒体の表面上に金属製ストリップまたはみぞを形成することを含む。

図面の簡単な説明この明細書に包含されかつその一部分を構成する添付図面は本発明の実施例を例示し、かつ以下の説明と共に本発明の詳細な説明するものである。

第１Ａ図は二酸化珪素の層および電荷記憶領域を構成する窒化珪素の層が形成された基板から形成された記憶装置に情報を書き込むために配置された片持ばり状アームの先端部の横断面図、第１Ｂ図は第１Ａ図の窒化珪素の層の上に形成された付加的な二酸化珪素の阻止層を使用して形成された記憶装置の断面図、第２図は以前に記憶された情報を読み取るために配置された片持ばり状アームの先端部の横断面図、第３図は第１図に示した横断面図の一部分をさらに詳細に示した図、第４図は電荷記憶領域が配置された複数個のトラックを有する回転ディスクの図解的な平面図、第５図はより低い導電率を有する別の１組のストライブにより隔置された１組の導電性ストライブを構成するように交互にドープされた複数個のストライブを有し、両方の組のストライブ上に二酸化珪素の層および窒化珪素の層が配置されて下方の導電性ストライブ上に記憶領域のトラックが形成された半導体基板の横断面図、第６図は第５図の基板を裁断線６−６に沿って裁った断面図、第７図は窒化珪素の層の表面上に付着した金属により規定された一連のトラックを有する窒化珪素の記憶層の横断面図、第８図は窒化珪素の層の表面に切り込まれたみそにより規定された一連のトラックを有する窒化珪素の記憶層の横断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明さて、添付図面に例示した本発明の好ましい実施例について以下に詳細に説明する。本発明を好ましい実施例について説明するが、本発明をこれらの実施例に限定するために意図したものではないことは理解されよう。その反対に、本発明は請求の範囲により規定された本発明の精神および範囲内に包含することができる別の態様、変型および同等の態様をｍ羅するように意図しである。

本発明は情報を非常にちょう密な配列内に電荷の形態で、しかも半導体基板の空乏領域によりひき起こされるキャパシタンスの変化として記憶する方法および装置に関する。空乏領域は電圧が印加され、かつ電荷が存在するときに形成される。本発明は走査トンネル顕微鏡検査法および原子力顕微鏡検査法に類似の技術と組み合わされたシリコン半導体製作技術を使用する技術およびそれにより製造された構造に基づくものである。

第１Ａ図はディジタル情報を記憶する装置ｌＯの横断面を示す。

導体、例えば、金属または半金属、または半導体、例えば、ドープされたシリコンの基板１２が設けられている。この基板１２の上面には、第１誘導体層１４が形成されている。この第１層１４は、例えば、２０オングストロームの厚さを有する二酸化珪素の層である。第１１ｉｉ１４上には、第２誘電体層１６が形成されている。この第２層１６は、例えば、数百オングストロームまたはそれよりも薄い程度の代表的な厚さを育する窒化珪素の層である。

窒化珪素の層Ｉ６は情報を内部に捕獲された電荷の形態で記憶するための電荷記憶領域を構成する（、窒化珪素の層１６は二酸化珪素の比較的に薄い第１層を通過する電荷が窒化珪素の層内に捕獲されないで珪素窒化物の層を完全に通過することを阻止するための十分な厚さに形成されている。より薄い窒化珪素の層は印加された電界をより小さい領域に封じ込めて隣接した電荷記憶領域間の解像度を高める傾向を生ずる。

第１Ｂ図はディジタル情報を記憶する装置２０のさらに別の構成を示す。第１Ａ図の実施例に関する以下の説明はこのさらに別の構成にも適用される。ドープされた基板２２の上面には、２０オングストロームの厚さの二酸化珪素の薄い第１誘電体層２４が形成されている。この実施例においては、第１誘電体層２４上には、４０オングストロームの厚さの窒化珪素のさらに薄い誘電体層２６が形成されている。本発明のこの実施例においては、第３誘電体ｒｆｉ２８が窒化珪素上に形成されるので、第２層２６は第１Ａ図に示した実施例よりも薄く形成することができる。この第３層２８は例えば、二酸化珪素で形成され、そして捕獲された電荷が第２電荷捕獲層２６から逃出することを阻止する阻止酸化物と呼ばれている。

再び、第１Ａ図について述べると、一端部が支持基台３１に固定された圧電バイモルフ片持ばり状アーム３０を示しである。圧電バイモルフ片持ばり状アーム３０の自由端部には、とがった先端部３２が固定されている。圧電バイモルフ片持ばり状アーム３０は、１９８８年１月２７日に米国特許出願第１４９．２３６号により出願され、そして１９９０年３月６日に許可され、本発明と同じ譲受人に請渡された米国特許第４，９０６．８４０号に開示されている。圧電バイモルフ片持ばり状アーム３０は、支持薄膜と、既知の製造技術を使用して例えば酸化亜鉛で形成された一つまたはそれ以上の圧電性薄膜とを含む可撓性の部材である。

圧電性薄膜を有する片持ばり状アームは二つの動作モードで使用される。

片持ばり状アーム構造体上の圧電性薄膜に好適な制御電圧を印加することにより、とがった先端部を有するアームの自由端部は、アーム上の圧電性薄膜の設計および位置により、とがった先端部を垂直方向に、そして、水平方向にも位置決めするように撓まされる。アームの先端部が外力により撓まされたときに発生する圧を電圧を監視することにより、先端部の撓みの量が測定される。

情報を窒化珪素の層１６に記憶させるために、基板１２と先端部３２との間に強い電界が印加される。この電界は電子をシリコンの基板１２から薄い二酸化珪素の層１４を通して窒化珪素の層１６まで通過させて、それにより電荷が窒化珪素の層１６に捕獲される。電子トンネル機構を使用する従来の記憶装置、例えば、電気的に消去可能でありかつプログラム可能な読出し専用記憶装置においては、各々の記憶セルに捕獲された電荷が実際には記憶セルのキャパシタンスを測定することにより読み取られる。従来技術においては、各々の記憶セルは窒化珪素の層上に直接に付着した金属からなる別個の電極を有している。本発明は付着した金属電極を二つの異なるモードで動作する圧電片持ばり状アームの自由端部と置き換えている。電荷の形態の情報を窒化珪素の層１６の記憶場所に書き込むために、片持ばり状アームの先端部３２が窒化珪素の層１６の表面と接触しまたは近接して配置され、電荷が窒化珪素の百１６に記憶される。記憶された電荷の形態の清Ｉ２を読み取るために、端部にとがった先端部を有する圧電アームは原子力１］１ｆｉ鏡（ＡＦＭ）として作用し、先端部の撓みが測定される。

情報を電荷の形態で窒化珪素の１１６に書き込むために、先端部３２の端部が窒化珪素の層１６の表面と接触しまたは接近して配置され、そして電圧が先端部３２と基板１２との間に接続されて、それらの間に電界が発生する。もしも電界が十分に大きければ、電子が酸化物の９１４を通過するが、出願人は窒化珪素の層に電荷を記憶することに関心をもっているので、走査トンネル顧微鏡（ＳＴＭ）の場合のように、これらの電子を窒化珪素の層を通過させることは不必要である。必要なことは、電子が窒化珪素の層１６の記憶場所に捕獲されるように十分に進行して、窒化珪素の［１６が電荷捕獲層の役目をすることである。この前述した層の構成においては、電荷が窒化珪素の層全体にわたって窒化珪素の層１６自体に記憶されると考えられているが、その層内の電荷の分布は知られていない。

電荷は窒化珪素の層の少なくともある欠陥において部分的に記憶されると考えられている。記憶される電荷は電子に限定されるものではなく、ホールをも含むものと考えられている。本発明においては、電荷という用語は電子およびホールの両方を包含している。

片持ばり状アーム３０の先端部３２は窒化珪素の層１６の表面と接触する。先端部３２の半径は非常に小さいので、電界の作用をうける、すなわち、電界により範囲が定められた窒化珪素の層もまた非常に小さい。そのために、情報の各々の「ビットＪのための記憶場所もまた非常に小さくすることができ、代表的には、５０オングストロームよりも小さい値から２０００オングストロームを超える値までの範囲内の直径を有している。その結果、非常にちょう密な記憶装置が得られる。窒化珪素の層に記憶された電荷の形態の情報の消去は、逆の極性の電圧を先端部に印加して電荷を窒化珪素の層から追い出すことにより、電荷を窒化珪素の層外に通過させ、そして珪素基板中にもどすことにより行われる。

第２図は読取り動作モードのために、窒化珪素の層上６内に捕獲された電界の存在を読み取り、すなわち、検知する装置１０の横断面を示す。この動作モードにおいては、先端部を有する圧電片持ばり状アーム３０は原子力顛徴鏡として作用する。先端部３２は窒化珪素の層１６の表面から約５オングストロームから２０００オングストロームまでの範囲内の距離ｄだけ後方に移動される。先端部３２を窒化珪素の層１６の表面から移動する距離ｄが大きい程、先端部３２により範囲が定められる有効面積が増大するので、情報を読み取るシステムの解像度が低くなる。

先端部３２と基板１２との間に電界を確立するために、例えば、１ミリボルトないし１ボルトの発振電圧を印加してもよい。これにより、先端部３２上に容量性の力が発生する。この容量性の力は電圧がコンデンサのプレートを介して印加されたときにプレートの間に作用する力と同じ型式の力である。この力はコンデンサの２枚のプレート上に誘起される反対の符号の電荷の間のクーロンの引力から発生する。先端部３２と基板１２との間に発生した電界は、同様に、先端部３２および層上に反対の符号の電荷を誘起する。その結果、引力が発生し、この引力は先端部を担持した片持ばり状アームの撓みを検知することにより測定される。

窒化珪素の層１６に記憶された情報を読み取るために、先端部３２上の電圧が印加され、そして先端部３２が窒化珪素の層１６の表面上を走査する。先端部３２が窒化珪素の層の表面上を走査するときに、もしも窒化珪素の層１６および先端部３２上の電荷が変化すれば、先端部３２に作用する力が変化する。その結果、片持ばり状アーム３０の自由端部の撓みが変化する。この撓みは慣用の手段により検知され、窒化珪素の層１６に捕獲された電荷の量に関する情報が得られる。

また、片持ばり状アーム３０の撓みは、往復動装置である圧電アームを使用して検知してもよい。

この圧電アームを介して印加された電圧は圧電アームを撓ませる。

その逆に、圧電アームの撓みは圧電アーム上に電圧を発生する。

この電圧は圧電アームの撓みを検知するために監視することができる。

先端部３２が基板の表面上を走査するときに、先端部と基板との間の電荷が変化して、情報として検知される。データを読み取る技術は、窒化珪素の層１６に捕獲された電荷と、（捕獲された電荷により誘起されるかまたはそれにより電圧を先端部に印加することにより配置された）先端部上の電荷との間のクーロン力を検知することである。

本発明によるシステムにおいては、電圧が印加されたときに、先端部と基板との間に効果的に形成されたキャパシタンスの値は窒化珪素の層１６に記憶された電荷により形成された空乏領域３７（第３Ａ図）のために変化する。走査先端部が記憶された電荷に極めて近い位置に配置されたときに、先端部と基板との間の実効キャパシタンスが変化する。また、このキャパシタンスは片持ばり状アームに作用する容量性の力として原子力顕微鏡により検知される。第３Ａ図は窒化珪素の層１６に記憶された数個の負の電荷３４のグループを示す。空乏領域３７は正の電荷３６の相応したグループを含む。空乏領域３７のキャパシタンス３８は前述したように検知される。

第３Ｂ図は縮尺に合わせないで第１図の拡大部分をさらに詳細に示している。負の電荷を有する複数個の電荷記憶領域を代表的に表わした三つのグループ４０．４２．４４を窒化珪素の層１６内に相互に隣接した状態で示しである。片持ばり状アームの先端部３２はこれらの領域の各々に隣接して配置され、事実上、各々の領域において電荷の形態で記憶された情報にアクセスするようになっている。

第４図は複数個の電荷記憶場所が基板５２上に同心円のトラックとして配置され、そして説明の目的のためにトラック０−３として示した装置５０を示す。実際問題として、情報をちょう密に記憶可能にするために、数千の単位の多数の同心円トラックが形成されている。基板５２はディスクの形態に製造されており、そして種々の電荷を記憶する場所、すなわち、領域を第１図に示したような可動支持台３１に固定された片持ばり状アーム組立体の先端部に対して移動させるために円形のトラックの軸線のまわりに回転する。精密位置決め装置５４は先端部３２を前記トラックのうちの選択された一つのトラックに隣接して位置決めするために支持台３１に装着された片持ばり状アーム組立体を半径方向に位置決めする慣用の手段を使用している。本発明により情報を記憶しかつ検索するための高密度の記憶装置を提供するために、各々のトラック上に多数の電荷記憶場所が得られ、そして各々のディスク上にいくつかのトラックが得られる。

第５図および第６図はドープされた半導体材料の垂直方向に積み重ねられた導電性の層６２の第１グループが形成された半導体基板６０の横断面を示す。垂直方向に積み重ねられた導電性の層６２は低い導電率を有する層６４の別のグループにより隔置されている。層６４は、隣接した導電性の層６２の間を電気的に絶縁するために、隣接したドープされた層６２よりもかなり低い導電率を育している。低い導電率を有する層６４の厚さは１００オングストローム程度である。各々の型式の層６２．６４は、例えば、この技術分野に知られている分子線エピタキシ技術を使用して、基板としての役目をするシリコンウェーハ上に連続した原子の層を形成することにより形成される。基板６０およびその上に形成された層６２．６４は表面６６を備えている。表面６６は、図示したように、基板６０の端縁および積み重ねられた層６２．６４に沿って形成されている。この表面６６上には、二酸化珪素の層６８および窒化珪素のＮ７０が形成されている。その結果、導電性の層６２上には、電荷記憶領域のトラックが形成されている。

低い導電率を有する層６４上の窒化珪素の層７０の部分は電荷を記憶せず、したがって、導電性の層６２上に形成された電荷記憶トラックの間の電気的な絶縁領域の役目をする。これらのトラックは第６図に二方向矢印６２により示した方向に横方向に延びている。先端部３２を備えた片持ばり状アーム３０が図示したように基台部分３１に装着されている。この片持ばり状アーム組立体は図５に示した通路７６に沿って二方向矢印７４で示したようにトラックからトラックまで移動する。片持ばり状アーム３０およびその先端部３２を二方向矢印で示した方向に横方向に移動する手段が設けられている。

第７図は種々の形状、例えば、線形または円形の電荷記憶トラックを形成するための構成の別の例の横断面を示す。珪素の基板１２の頂面には、二酸化珪素の層１４が形成されている。二酸化珪素の層１４上には、窒化珪素の層１６が形成されている。図の表面に垂直な方向に、しかも窒化珪素の層１６の頂面に沿って、横断面で示した一連の平行な薄い金属、すなわち、導電性の薄膜ストリップ７０が延びている。これらのストリップ７０は一連の電荷記憶トラック７２のための表面境界マーカの役目をする。各々のトラック７２は２個のストリップ７０の間の窒化珪素の層１６に配置されている。ストリップ７０は窒化珪素の層１６と異なる特性を育しているので、ストリップ７０はＳＴＭシステムまたはＡＦＭシステムにより検出され、すなわち、検知されて、先端部３２がトラックから離れていることを指示する。ストリップ７０はＸ線平版印刷法を含む既知の製造技術を使用して形成される。

第８図は種々の形状の電荷記憶トラックを設けるための構成のさらに別の例の横断面を示す。この場合には、窒化珪素のＮ１６は図示したようにその表面に形成された一連のみぞ８０を含む。

これらのみぞ８０は慣用の技術を使用したエツチングを含む種々の方法で形成される。窒化珪素の層１６の表面をＳＴＭシステムまたはＡＦＭシステムの先端部により機械的に刻むこともこのようなみぞを形成する別の方法である。みぞ８０の特性もまたこれらのみその間に形成された電荷記憶領域８２と比較して片持ばり状アームの先端部３２をトラック上に配置するためのＳＴＭシステムまたはＡＦＭシステムにより検知される。

本発明の特定の実施例に関する前記の説明は例示および説明の目的のために記載したものである。前記の説明は本発明を開示した形態に正確に限定するものではなく、前記の教旨に基づいて多数の変型および変更を実施できることは明らかである。これらの実施例は本発明の原理およびその実際の応用を最良に説明してそれにより当業者が本発明および種々の実施例を企図された特定の用途に適合した種々の変更を行うことにより最良に利用できるようにするために選択されかつ記載したものである。本発明の範囲は添付の請求の範囲およびそれらと同等の態様により規定されるように意図しである。

ＦＩＧ、７ＦＩｏ、８手続補正書

Claims

【特許請求の範囲】

１．ディジタル情報を記憶された電荷の形態で記憶しかつ検索する方法において、自由端部に導電性の先端部が固定された可撓性の片持ばり状アームを準備し、情報を記憶しかつ検索するための電荷記憶領域を有する電荷記憶媒体であって、前記先端部により走査される表面を有する電荷記憶媒体を準備し、前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体の表面においてまたは該表面に極めて接近して位置決めして、電荷を前記電荷記憶領域において記憶させることにより前記電荷記憶媒体に情報を書き込み、該先端部を前記電荷記憶媒体の表面から間隔を隔てて位置決めし、そして記憶された電荷に起因する前記の可撓性片持ばり状アームの先端部の撓みを測定して前記電荷記憶領域により記憶された情報を指示することにより前記電荷記憶領域において記憶された電荷の存在を検出することにより前記電荷記憶領域から情報を読み取る諸段階を含む方法。
２．前記先端部と前記電荷記憶媒体との間に電界を印加して電荷を前記電荷記憶領域において記憶させる段階を含む請求の範囲第１項に記載の方法。
３．片持ばり伏アームの撓みが記憶された電荷と先端部上の電荷との間に作用する力によりひき起こされる請求の範囲第１項に記載の方法。
４．薄い第１誘電体層が形成された表面を有する基板を準備することを含み、前記の薄い第１誘電体層上には情報を記憶しかつ検索する電荷記憶媒体を構成するための第２誘電体層が形成されており、前記第２誘電体層に情報を書き込む段階が前記片持ばり伏アームの先端部を前記第２誘電体層においてまたは第２誘電体層に極めて接近して位置決めし、かつ前記片持ばり状アームの先端部と前記半導体基板との間に電界を印加して、それにより電荷を基板から薄い第１誘電体層を通して第２誘電体層まで通過させて、前記電荷を第２誘電体層によたり捕獲された電荷として記憶させることを含む請求の範囲第１項に記載の方法。
５．前記基板が半導体材料から形成された請求の範囲第４項に記載の方法。
６．前記半導体基板がシリコンであり、前記の薄い第１誘導体層が二酸化珪素であり、かつ前記第２誘電体層が窒化珪素である請求の範囲第５項に記載の方法。
７．記憶された電荷を前記第２誘電体層により構成された電荷記憶領域に封じ込めることを助けるために前記第２誘電体層上に形成された第３誘電体層を準備する段階を含む請求の範囲第６項に記載の方法。
８．所定の極性と反対の極性の電界を印加して前記電荷記憶媒体の反対の極性の電荷により前記電荷記憶媒体に予め記憶されかつ書き込まれた電荷を取り消すことにより情報が前記電荷記憶媒体から消去される請求の範囲第４項に記載の方法。
９．前記第２誘電体層に記憶された情報を読み取る段階が片持ばり状アームの先端部と前記半導体基板との間に電荷を印加し、そして第２誘電体層の電荷により半導体基板に形成された空乏領域により生ずる容量性の力の変化を測定する段階を含む請求の範囲第５項に記載の方法。
１０．前記電界が交流電界である請求の範囲第９項に記載の方法。
１１．前記電荷記憶媒体が導電性基板を含む請求の範囲第２項に記載の方法。
１２．前記導電性基板が金属である請求の範囲第１１項に記載の方法。
１３．前記導電性基板が半金属である請求の範囲第１１項に記載の方法。
１４．前記片持はり状アームが圧電バイモルフ片持ばり状アームである請求の範囲第１項に記載の方法。
１５．前記圧電片持ばり状アームの撓みが前記アームの撓みにより誘起された圧電電圧を測定することにより検知される請求の範囲第１４項に記載の方法。
１６．前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体における複数個の対応した電荷記憶領域の各々にアクセスするために前記電荷記憶媒体上の複数個の位置において位置決めする段階を含む請求の範囲第１項に記載の方法。
１７．ディジタル情報を記憶された電界の形態で記憶しかつ検索する装置において、自由端部に導電性の先端部が固定された可撓性の片持ばり状アームと、情報を記憶しかつ検索するための電荷記憶領域を有する電荷記憶媒体であって、前記先端部により走査される表面を有する電荷記憶媒体と、前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体の表面に極めて接近して位置決めして電荷を前記電荷記憶媒体により記憶させる手段を含む前記記憶媒体に情報を書き込む手段と、該先端部を前記電荷記憶媒体の表面から間隔を隔てて位置決めする手段と、記憶された電荷に起因する前記片持ばり伏アームの先端部の撓みを測定して前記電荷記憶領域により記憶された情報を指示する手段を含む前記電荷記憶領域において記憶された電荷の存在を検出する手段とを含む前記電荷記憶媒体から情報を読み取る手段とを備えた装置。
１８．前記先残部と前記電荷記憶媒体との間に電界を印加して電荷を前記電荷記憶領域において記憶させる手段を含む請求の範囲第１８項に記載の装置。
１９．片持ばり状アームの撓みが記憶された電荷と先端部上の電荷との間に作用する力によりひき起こされる請求の範囲第１７項に記載の装置。
２０．薄い第１誘導体層が形成された表面を有する基板を含み、前記の薄い第１誘電体層上には情報を記憶しかつ検索する電荷記憶媒体を構成する第２誘電体層が形成されており、前記第２誘電体層に情報を書き込む手段が前記片持ばり状アームの先端部を前記第２誘電体層においてまたは該第２誘電体層に極めて接近して位置決めする手段を含みかつ前記片持ばり状アームの先端部と前記半導体基板との間に電界を印加して、それにより電荷を基板から薄い第１誘電体層を通して第２誘電体層まで通過させて、前記電荷を第２誘電体層により捕獲された電荷として記憶させる手段を含む請求の範囲第１９項に記載の装置。
２１．前記基板が半導体材料から形成された請求の範囲第２０項に記載の装置。
２２．前記半導体基板がシリコンであり、前記の薄い第１誘電体層が二酸化珪素であり、かつ前記第２誘電体層が窒化珪素である請求の範囲第２１項に記載の装置。
２３．記憶された電荷を前記第２誘電体層により構成された電荷記憶領域に封じ込めることを助けるために前記第２誘電体層上に形成された第３誘電体層を含む請求の範囲第２２項に記載の装置。
２４．前記電荷記憶媒体における反射の極性の電荷により前記電荷記憶媒体に予め記憶されかつ書き込まれた電荷を取り消す手段を含む前記電荷記憶媒体から情報を消去する手段を含む請求の範囲第１９項に記載の装置。
２５．前記第２誘電体層に記憶された情報を読み取る手段が片持ばり状アームの先端部と前記半導体基板との間に電荷を印加する手段と、前記第２誘電体層の電荷により半導体基板に形成された空乏領域により発生する容量性の力の変化を測定する手段とを含む請求の範囲第２１項に記載の装置。
２６．前記電界が交流電界である請求の範囲第２５項に記載の装置。
２７．前記電荷記憶媒体が導電性基板を含む請求の範囲第２０項に記載の装置。
２８．前記導電性基板が金属である請求の範囲第２７項に記載の装置。
２９．前記導電性基板が半金属である請求の範囲第２７項に記載の装置。
３０．前記片持ばり伏アームが圧電バイモルフ片持ばり状アームである請求の範囲第１９項に記載の装置。
３１．前記圧電片持ばり状アームの撓みにより誘起された圧電電圧を測定することにより前記アームの撓みを検知する手段を含む請求の範囲第３０項に記載の装置。
３２．前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体の複数個の対応した電荷記憶領域の各々にアクセスさせるために前記電荷記憶媒体上の複数の位置において位置決めする手段を含む請求の範囲第１９項に記載の装置。
３３．ディジタル情報を記憶された電荷の形態で記憶しかつ検索する装置において、自由端部に導電性の先端部が固定された可撓性の片持ばり状アームと、複数個の情報ビットに相当する電荷を記憶するための複数個の記憶場所を構成する複数個の電荷記憶領域を有する電荷記憶媒体であって、前記先端部により走査される表面を有する電荷記憶媒体と、前記片持ばり状アームの先端部を前記電荷記憶媒体の表面に極めて接近して位置決めして電荷を前記電荷記憶媒体により記憶させる手段を含む前記記憶媒体に情報を書き込む手段と、該先端部を前記電荷記憶媒体の表面から間隔を隔てて位置決めする手段と、記憶された電荷に起因する前記の可撓性片持ばり状アームの先端部の撓みを測定して前記電荷記憶媒体により記憶された情報を指示する手段を含む電荷の存在を検知する手段とを含む前記電荷記憶媒体から情報を読み取る手段とを備えた装置。
３４．前記電荷記憶媒体がトラックの形態に構成された請求の範囲第３３項に記載の装置。
３５．前記トラックが整列して形成されたトラックである請求の範囲第３４項に記載の装置。
３６．前記電荷記憶媒体が円形の経路の形態に形成され、かつ前記電荷記憶媒体が前記電荷記憶領域を前記片持ばり状アームの先端部に対して移動させて、それにより該先端部を前記円形経路の前記電荷記憶領域の各々にアクセスさせるために一つの軸線のまわりに回転するようになっている請求の範囲第３３項に記載の装置。
３７．前記電荷記憶媒体上に形成された複数個の同心円経路と、前記先端部を軸線に対して半径方向に移動して前記先端部を前記同心円経路の各々に隣接して選択的に位置決めする手段とを含む請求の範囲第３５項に記載の装置。
３８．基板材料からなる複数個のストリップが形成された半導体基板を含み、前記ストリップがトラックを規定しかつ第１導電率を有する隔置されたストリップの第１グループを含み、かつ前記ストリップが前記第１グループのストリップの間に装置されかつ前記第１グループのストリップよりも低い導電率を有する隔置されたストリップの第２グループを含んでおり、さらに、前記ストリップ上に形成された誘電体材料からなる第１層と、前記第１層上に形成されてそれにより前記の第１グループの隔置されたストリップにより規定されたトラックに沿って電荷を記憶する電荷記憶領域を構成する別の誘電体材料からなる第２層とを含む請求の範囲第３３項に記載の装置。
３９．半導体基板がシリコンであり、かつ誘電体材料からなる第１層が二酸化珪素であり、かつ誘電体材料からなる第２層が窒化珪素である請求の範囲第３８項に記載の装置。
４０．電荷記憶媒体の表面に形成されたみぞにより形成された複数個のトラックを含む請求の範囲第３３項に記載の装置。
４１．複数個のトラックが電荷記憶媒体の表面上に金属を付着させることにより電荷記憶媒体に形成された請求の範囲第３３項に記載の装置。