JPS5938655B2 - 半導体デイスクメモリ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は情報記録媒体として半導体ディスクメモリを
用い、これに情報を記録再生する半導体ディスクメモリ
装置に関する。

従来、ディスクメモリ装置として各種のビデオディスク
方式が発表されている。

これらの記録および再生スタイラスの種類、最短記録波
長その他については電気学会雑誌５３年１０月中ミニ解
説「ビデオディスク」（文献１）に述べられているが、
これらのビデオディスクと現用の磁気ディスクとには次
のような得失がある。すなわち現用磁気ディスク（たと
えばＨＳ一１００型）は磁気記録の特徴として記録（情
報書込み）、消去（情報書替え）、再生（情報の非破壊
読出し）が電磁気的に行え、書込んだ後何らの化学的処
理あるいは物理的プロセスを経ないで直ちに読出せる利
点があり、消去も同様である。

しかし直径４０儂のディスク−面当り７．５秒間しか映
像信号の記録ができない欠点がある。これに対して光学
式ビデオディスクではレーザビームを書込み及び読出し
用スタイラスとして使つているので、極めて高密度記録
ができ、３０（１７７１径のデイスク一面当り３０分乃
至６０分の映像信号を収録できるが、書込み後読出し可
能なデイスクを得るまでに物理的あるいは化学的プロセ
スが本質的に必要である。

またマスタ盤作成でアルゴンレーザによる書込み直後に
ヘリウム・ネオンレーザによる同時モニタを行つている
が、物理的な不可逆記録のために、書替えに化学的、物
理的プロセスを要し、書込み直後の書替えあるいは情報
の一部分書替えが不可能である。静電容量式ビデオデイ
スクも光学式ビデオデイスクと同様の利点と欠点をもつ
ている。また文献１の３．３項（Ｐ４２）に述べられて
いる光学式ビデオデイスクは書込みと読出しスタイラス
を兼用させ書込み後直ちにレーザ光量を書込時のビーム
エネルギ１５ｍＷを２ｍＷに減するだけで読出す方式で
あるが、現在まだ消去、書替え可能段階には達していな
い。

書替え可能な光学式ビデオデイスクとしては文献１の３
．４項に述べられているものがある。

しかしこれは書込みスタイラスのビーム径１μφに対し
、消去用にはＹＡＧレーザ（１．５Ｗ）による熱消去を
使つているため実効スポツト径は１０μφになり、部分
消去ができない。一方半導体を記録媒体とし、書込み、
読出しおよび消去スタイラスに電子ビームを使つた方式
にＢＥＡＭＯＳメモリがある。

これは電子ビームを水平、垂直偏向させてメモリ面にア
クセスするのでアクセスタイムは１μＳ以下であるが、
記録容量が小さく、特に読出しが完全な非破壊読出しで
ないため１０〜２０回読出すたびに再書込み（リフレツ
シユ）を行う必要があり、静止画再生を多用する用途に
は適しない。この発明は上記のような点に鑑みてなされ
たもので、書込み、消去、非破壊読出しができ、磁気記
録再生の場合と同様に書込みと読出し間に何らの化学的
、物理的プロセスを必要とせず直ち非破壊読出しができ
、かつビデオデイスクの場合と同様に高密度記録ができ
る半導体デイスクメモリ装置を提供することを目的とす
るものである。

すなわちこの発明は記録媒体としてシリコンなどの単結
晶または多結晶基板に数十人程度の薄い酸化膜を生成さ
せ、更にその上に１０００Å以下の膜厚の例えば窒化膜
の如き電荷蓄積機能を有する絶縁膜を生成させた構成の
ものを用い、一方書込み、消去、読出しスタイラスとし
て硬質絶縁体例えばサファイア針の側面に電極を蒸着さ
せ、記録媒体表面に接触する構造のものを用い、このス
タイラスを記録媒体面に接触しながら移動させ同時に電
極に数十の正および負電圧をかけることによりトンネル
効果で酸化膜を透して電荷を窒化膜内に順次充、放電さ
せて書込みおよび消去を行い、トンネル効果による電荷
充放電のヒステリシス特性を利用して書込みスタイラス
またはそれとは別個の読出しスタイラスに高周波信号を
加え、窒化膜内の帯電状況に対応し、窒化膜に接して生
ずる空乏層の有無を容量変化として読出すようにした半
導体デイスクメモリ装置を提供まるものである。以下こ
の発明を図面を参照して詳細に説明する。

第１図はこの発明の半導体デイスクメモリ装置の基本構
成を示す図である。すなわちこの発明においては記録媒
体としてのデイスクメモリは例えばｎ型またはｐ型シリ
コンウエーハ１１上に約２０人のＳｌＯ２ｌ２を形成し
、その上に約５００人のＳｉ３Ｎ４層１３をＣＶＤ（Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌａｐａＯｕｒＤｅｐＯｓｉｔｉＯｎ）で
形成した、いわばフル・ウエーハのＮＯＳ（Ｎｉｔｒｉ
ｄｅ−０ｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃＯｎｄｕｃｔＯｒ）構造
を有する。そしてこれに情報の書込み、消去、読出しを
行うスタイラスとして金属電極１４を用意し、これを記
録媒体表面に接触させる。この金属電極１４には情報の
書込み、消去、読出しにそれぞれ応じた信号電圧１５が
印加され、この信号電圧が印加された状態で金属電極１
４は記録媒体上を相対的に移動する。ここで注目すべき
ことは、金属（Ｍｅｔａｌ）電極１４を接触させた状態
においてＮＯＳ構成の記録媒体は実質的に第２図に示す
ＭＮＯＳキヤパシタと等価な構造となることである。周
知のようにＭＮＯＳキヤパシタは電極電圧Ｇを横軸にと
り、窒化膜内に蓄積される電荷密度Ｑを縦軸として表示
すると第３図のようなヒステリシス特性を示すことが知
られている。即ちメモリとしての機能を有する。この発
明では金属電極１４がＮＯＳ記録媒体上を移動するため
実質的にＭＮＯＳキヤパシタが連続的に多数形成される
と等価であるとみなすことができるわけである。次に上
記構成の半導体デイスクメモリ装置の記録および非破壊
読出し動作について説明する。

先ず記録は第１図に示すようにシリコン基板１１と金属
電極１４との間に電圧ＶＧを印加することによつて行う
。金属電極１４に電圧ＶＧを印加するとＳｉＯ２膜１２
を電子（またはホーノ（へ）がトンネル効果で抜けてＳ
ｉ３Ｎ４膜１３内に達しそこに保持される。その電荷密
度（電荷数／（１−JモV１）をＱ／ｑとすると、一般に
第３図に示すヒステリシス曲線を描く。今、第４図に示
すように金属電極１４を移動しながら、その電圧を例え
ば＋３０から−３０まで変化させると、それに対応して
負電荷および正電荷が帯電する。この電荷密度は１０１
１〜１０１２／Ｃｌｌに達する。従つて記録信号に対応
した電圧ＶＧを印加すれば、電荷を情報和体とする記録
を行うことができる。一般に映像信号を記録する場合に
はＦＭ記録が用いられる。このようなＦＭ記録の場合は
、電荷の大小よりも電荷のある場所とない場所というこ
とで情報の記録が行われる。デイジタル信号記録の場合
も同様である。次にこの帯電電荷を情報として読出す方
法について述べる。

今Ｓｉ３Ｎ４膜１３中の負の帯電電荷によりシリコン界
面が反転しているとすると、そのとき単位面積当りのＳ
ｉ３Ｎ４膜容量ＣＯ、空乏層Ｃｖについては次式で与え
られる。ＣＯ＋εＮεｏ／ＤＴ？Ｃｖ＝ε８１εｏ／Ｔ
ｍ但しＤＴはＳｉ３Ｎ４膜厚、Ｔｍはシリコン空乏層厚
、εＮ，ε８１はＳｉ３Ｎ４，Ｓｉの比誘電率とする。

上式においてＳｉ３Ｎ４膜容量ＣＯは常に一定であるが
、空乏層容量Ｃｖはシリコン空乏層厚ＴｍがＳｉ３Ｎ４
膜内の電荷の蓄積状態、即ち記録状態に応じて変化する
ため、これに伴なつて変化する。従つてこの空乏層容量
Ｃｖの変化を検出することによつて帯電電荷の状態の検
出、即ち情報の読出しが可能となる。この具体的な容量
変化の検出方式としては、例えば第５図に示すように読
出しスタイラスとして金属電極５１を記録媒体１１に接
触させ、交流信号（例えば１ＭＨｚ，０．５ｒｍｓ）５
２を加えて記録トラツク上を相対的に移動せしめ、この
ときの記録媒体１１の容量値を測ることによつて行うこ
とができる。また記録信号の読出しにおいては、空乏層
容量の値そのものがわからなくても、容量の変化が検出
できれば充分である。

従つて文献ＲＣＡＲｅｖ−Ｉｅｗ（ＶＯｌ．３９Ｍａｒ
ｃｈｌ９７８，Ｐ３９）に記載されているように容量の
変化分を発振回路を組合せた検出回路で周波数の変化分
として読出す方式を用いて読出すこともできる。ちなみ
に上記文献では９１５ＭＨｚ，１０Ｖｐｐの交流信号を
使つているが、この程度の信号振幅ではメモリ電荷の破
壊をおこすことはない。なお、読出信号のＣＮ比（キヤ
リヤ対ノイズ比）は接触電極アパーチヤサイズ内に存在
するメモリ電荷量、つまり電子の数Ｎによる揺ぎによつ
て決まる。

Ｓｉ３Ｎ４膜中の帯電電子密度ＱＴは１０１２／（１７
７１に達するので、例えば今上記アパーチヤサイズを１
．５μＸＯ．２μとすると、このアパーチヤ内に３×１
０３個の電子が存在することになり、そのゆらぎ量δは
δ＝？＝０．０１８となり、ＣＮ比にして３５ｄＢが得
られる。すなわち現状の磁気記録再生装置のＣＮ比とほ
ぼ同等のＣＮ比が得られる。またＮＴＳＣ信号直接ＦＭ
記録ではキヤリア信号帯域として１５ＭＨｚ以上必要で
あり、少くとも２０ｎｓ以内に情報を書込む必要がある
。このためにはＳｌＯ２膜厚が２０Ａ，Ｓｉ３Ｎ４膜厚
が５５０への典型的な場合において書込み電圧として約
５０Ｖを必要とし、これによつて約１０１１／ｄの帯電
電子密度が得られる。しかしこの時Ｓｌ３Ｎ４膜に流れ
る電流は、印加電圧の指数函数特性を示し、同じ厚さの
酸化膜に比べて大きな値になるので安定した記憶特性を
得るには書込み電圧を減少させた方が良い。このとき同
程度のメモリ帯電電子密度はＳｉＯ２膜をより薄くする
ことにより得られる。またＳｌＯ２膜とＳｌ３Ｎ４膜と
の境界にタングステン等の高融点金属を島状に付着させ
ることにより意識的に電荷トラツプを設け、より低電圧
でより高速の書込みを可能とすることもできる。以上こ
の発明の基本構造および記録再生原理について説明した
が、次に各構成要素について具体的に説明する。

まず記録媒体の形成方法について説明すると、Ｓ１半導
体基板１１上に形成される極めて薄い酸化膜１２はＡｒ
などの不活性ガスによつて希釈された０２雰囲気で約８
００℃に約３０分置くことにより形成される。

また約６００℃で水蒸気酸化によつても可能である。こ
れらの高温酸化の他に沸騰した熱濃硝酸による低温酸化
を使うこともできる。酸化後、この上に形成されるシリ
コン窒化膜１３についてもいくつかの方法によつて形成
することができる。その一例として気相成長法があるが
、この場合反応ガス系としては（ＳｉＨ４ＮＨ３），（
ＳｉＨ２Ｃｌ２，ＮＨ３），（ＳｉＨＣ２３，ＮＨ３）
などの組合せが使用できる。また最近ではＳｉＨ４とＮ
Ｈ３の混合気体中でプラズマを発生させ、シリコン窒化
膜を得る方法もおこなわれている。いずれの方法でも本
発明の目的を達成することができる。なお変形例として
外部より強制的に電荷トラツプを導入する場合には、以
上に述べた製造方法に加えてＳｌＯ２膜１２とＳｉ３Ｎ
４膜１３の境界にたとえばタングステンやモリブデンの
ような高融点金属を単厚子層またはそれに準する厚みに
形成する。これは低速度での真空蒸着法や分子線エビタ
キ一による方法がある。この他に化学反応による方法を
使つてもよい。また工程の最後に必要とされる記憶特性
によつては適当な条件での熱処理を加えることもこの構
造をより有効に活かすことになる。次に情報の書込み、
消去、読出しを行うスタイラスについて説明すると、こ
れは第６図に示すようにサファイアあるいはダイヤモン
ドなどの硬質の絶縁体６１の側面にタンタルあるいはチ
タンなどの金属電極６２を蒸着させて構成する。この場
合記録媒体に接触している金属電極６２部分の接触面積
が記録性能に最も主要な影響を及ぼす。つまり金属電極
６２の幅（通常１〜２μ）は記録トラツク幅を決め、蒸
着金属の厚み（通常０．１〜０．２μ）は最短記録波長
を決める一つの要素である。サファイアあるいはダイヤ
モンドなどの絶縁体６１はこの電極６２の支持体であり
、ＮＯＳ面と電極底面との接触をとるための圧力、つま
り針圧をかけるが、この圧力はサファイアの底面に全面
一様にかかるようにすることが望ましい。一例としてサ
ファイア底面積を７０μ２程度、針圧を４０ｍｇ前後と
すれば電極とＮＯＳ面どの接触は略充分とれ、圧力にし
て６０ｋｇ／ｄとなる（ＬＰレコードの針圧は底面で１
０００ｋｇ／（１７７ｉ）。なお、電極形状を図に示す
ように短棚型にしておけば、サファイアなど支持体の底
面が摩耗により削れ図の一点鎖線レベルまで達しても記
録トラツク幅および記録波長に変化を起さないので上記
針圧で針が例えば４万―走行しても平均秒速１０ｍ／ｓ
として走行時間にして約１０００時間記録あるいは再生
機能の劣化をきたさない。なお記録媒体表面に潤滑済と
してシリコンオイルを塗布することにより金属電極とＳ
ｉ３Ｎ４膜との接触が充分とれると同時に比誘電率の低
い空気層が入り込まないようにすることができる。以上
説明したようにこの発明は磁気気録に対応する電子記録
であり、書込み、消去、非破壊読出しができ、磁気記録
と同様に書込み、読出し間で何らの化学的プロセスある
いは物理的プロセスを必要とせず直ちに非破壊読出しが
できる利点がある。

この発明装置が有する最大の利点は高密度記録ができる
ことである。つまり電極接触面サイズが１．５μＸＯ．
２μ、即ち記録トラツクピッチ１．５μ、最短記録波長
０．４μでも充分記録再生できる点である。また最短記
録波長をきめる他の要素としてＳｌ３Ｎ４膜および空乏
層の深さがあるが、これらの値は０．１μ以下に設計す
ることができる。従つて現用の磁気デイスクに比べ、記
録波長で約１桁、トラツクピッチで約２桁、計３桁の高
密度化が可能となり、デイスク直径が同じとすれば一面
で１〜２時間の映像信号記録が可能となる。この狭トラ
ツク化に伴いデイスク回転機構の面ぶれ、軸ぶれ精度が
要求されてくるが、これらは光学式ビデオデイスクのマ
スター盤記録機構よりやや精度が高い程度で技術的に容
易に解決できる。またこの発明によると情報の読出しが
静電容量の変化として行われるので、靜電容量方式のビ
デオデイスクプレーヤを用いて情報の読出しを行うこと
ができる。特に記録媒体に第７図に示す如くトラツク溝
７１を設け、この溝中を情報書込み、消去、読出しスタ
イラス７２をトレースせしめるようにすればトラツキン
グサーボが不要となり、また既存の溝トラツク型静電容
量方式ビデオデイスクプレーヤを用いてそのまま再生す
ることができる。一方、この発明においては記録媒体と
して半導体を用いており、これにはシリコン単結晶が取
扱い上便利であるが、デイスク化する場合その大口径化
に問題がある。

しかし研究室段階では３０（１７７１φが開発されてお
り、長さ５０ｃｍの単結晶インゴツトがとれれば厚さ５
７！Ｌｎのシリコンデイスクが１００枚近く得られる。
単結晶の大口径デイスクの実用化にまで時間がかかると
すれば、ガラス面に多結晶シリコンをＣＶＤ処理で蒸着
させ、更にＳｉＯ２，Ｓｌ３Ｎ（を積層したデイスクで
も単結晶デイスクと同様の作用と効果が得られる。さら
にデイスク表面の研摩方法も確立されていて化学的研磨
を使えば面の粗さは１０λ程度は得られよう。またＳｌ
Ｏ２膜生成およびＳｌ３Ｎ４膜ＣＶＤ処理もすでに確立
した技術できわめて容易に製造できる。特にＳｉ３Ｎ４
層は極めて硬く保護層もかねている。一方磁気デイスク
盤のようにアルミ盤の上に硬質（下引き）層、磁性メツ
キ層、保護層などを精度よく積層していく工程がなく、
磁気デイスク盤よりも低コストで作れる可能性がある。
また単結晶シリコンの欠陥密度は現在ｄ当り１個程度に
達しており、ビデオデイスク原盤が１ｍＩＬ当り１個と
発表されているのに比べ２桁も低い、従つてこれらの欠
陥もドロツプアウトキヤンセラ一で充分補償できる。書
込み、消去、読出し用のスタイラスは磁気記録のヘツド
と同様に原理的には書込み、消去、読出しで兼用可能で
ある。

つまり１個のスタイラスでよく、またその構成も第６図
のようにサファイアなどの硬質の絶縁物を支持体として
その側面に短棚状に電極を蒸着したものであり、磁気ヘ
ツドに比べ簡単である上、サファイア底面が摩耗で削れ
同時に電極が削れてもその幅が変化しない限り記録再生
動作に影響を及ぼすことはない。また不揮発性メモリと
してＭＮＯＳＲＡＭが開発されているが、書込み、消去
を多数回反覆した場合の特性劣化が現在問題点の一つと
されている。

一例として１が回で劣化が始まることを示す文献がある
が、その通りとしてもビデオデイスクとして使用する場
合、書込み、消去を１日１０回繰り返したとしても３年
程度は特性劣化はない。特に後述するような番組編集と
して使用する場合、そのような頻繁な書込み、消去は通
常の作業では例外である。一方読出回数は１０９回まで
非破壊で読出せることが知られている。これは静止画再
生で同一画面を１０９回（１０９フレーム）、つまり一
年間ぶつ通しで再生してもまだ画質劣化を起さない。こ
のようにこの発明のデイスクメモリ装置は高密度記録が
でき、かつ記録後何ら化学的、物理的処理を必要としな
いで即座に再生できることから、種々の用途が考えられ
るが特にテレビ番組編集用としてきわめて有用であり番
組制作面からの要望を充分満すものである。すなわちテ
レビ番組制作編集においては、映像信号の１フレーム時
系列信号（ＮＴＳＣ信号の１つの垂直同期信号から次の
垂直同期信号までの３３ｍＳ）を基本単位（ワード）と
し、このワードの配列の仕方によつてさまざまな特殊効
果再生が簡便に行えることが要求されている。従来この
編集にはＴＲが用いられており、その具体的な編集方式
としては、収録テープを物理的にスプライスし必要な部
分を継き合わせるスプライス方式と２台のＴＲを併走さ
せて一方から他方へ１カツトづつ写し替えながら継げて
いくダピング方式とがある。前者はテープを物理的にス
プライスし継き合わせるという作業が必要であり、また
後者は物理的なスプライスは行わない代り、転写時間の
ほかオリジナルテープとマスターテープの頭出しと助走
、つぎのカツトまでの早送りなど編集ずみマスターテー
プを仕上げるまでに多くの時間がかかり（実質ダピング
時間の１０倍を必要とする）、いずれも多くの労力と時
間が費やされる。特に最近カラーテレビカメラおよびＴ
Ｒが小型化してきたため、野外のＶＴＲ収録が激増して
きているが、その編集作業はきわめて頻繁であり、編集
業務の自動化が切望されている。このような要望に対し
てこの発明のデイスク装置はきわめて有用である。すな
わちデイスク１周に１フレームの記録を行えば、画像１
コマ分の信号は記録トラツクピッチ（通常１〜２μ）を
隔てて隣接しているので、垂直帰線期間の１ｍＳのアク
セスタイム内に再生スタイラスを数十μ動かすことがで
き、数十コマ以内なら必要とする情報にアクセスするこ
とは容易である。またデイスク回転中心をはさんで２個
の再生スタイラスを点対称に配置し、交互に１カツトづ
つ読出す方式をとり、一方が再生している期間に他方が
次のカツトを１〜２秒以内にアクセスできるとし、すべ
てのカツトの長さがその最大アクセスタイムより長いと
すれば、デイスク上に各カツトがランダムに収録されて
いてもすべてのカツトを任意の順序に時間系列信号とし
てつなげていくことができる。つまり物理的にスプライ
スしたり、ダピングしたりしなくても同様の効果がデイ
スク編集で得られる。しかもこの発明のデイスク装置に
よれば従来のビデオデイスタに比べて、簡単に映像信号
の記録ができ、記録後は化学的、物理的な処理を経るこ
となく再生することができ、また任意に書替えたり、消
去したりすることができるので、編集作業の労力と時間
は大幅に減少され、かつ編集の自由度も大幅に拡大され
る。一方この発明のデイスクメモリ装置は、映像信号の
記録再生用だけでなく、計算機のメモリとしてもきわめ
て有用である。

つまり現在大口径シリコンのフルウエーハメモリとして
他の半導体メモリに比べきわめて高密度である１チツプ
１ＭビツトのＲＡＭがあるが、６ｍｎ角チツプに１Ｍビ
ツト入るので１ビツトの占める広さは６μ角である上半
導体の配線などを要し、歩留りも低い。これに対してこ
の発明によるメモリ装置は半導体の電極配線が不要であ
り、かつ３０Ｃ７ｒＬφデイスクで最内径を１５ＣＴ！
ｌφとして、その径での最短ビツト長を０．２μとしト
ラツクピッチ１．５μで記録するとその記録容量は１０
１１ビツトに達する。直径を４０？とし、記録ピッチお
よび１ビツト記録長をさらに短かくすることにより１兆
ビツト記録も可能である。一方結晶欠陥密度をｄ当り１
個として３０？φデイスクで５３０個所にすぎず、この
欠陥部分についてそのアドレスを覚えておいて使用しな
いようにできる。つまり計算機用大容量メモリとしても
きわめてコンパクトに構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の半導体デイスクメモリ装置の基本構
成を示す図、第２図は公知のＭＮＯＳキヤパシタ構造を
示す図、第３図はＭＮＯＳキヤパシタの電極電圧に対す
る電荷密度の関係を示す特性図、第４図はこの発明によ
る情報書込み動作を説明するための図、第５図は情報の
読出し方式の一例を示す図、第６図はこの発明で用いる
書込み、消去、読出しスタイラスの構造の一例を示す図
、第７図はデイスクにトラツク溝を形成したこの発明の
実施例を示す図である。 １１・・・・・・Ｓｉ半導体基板、１２・・・・・・シ
リコン酸化膜、１３・・・・・・シリコン窒化膜、１４
・・・・・・記録電極、１５・・・・・・記録信号電圧
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 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
   ィスクメモリ上を記録信号電圧が印加された記録電極を
   相対的に移動せしめ、記録信号電圧に対応した電荷を前
   記第１の絶縁膜を通して前記第２の絶縁膜に蓄積するこ
   とにより信号の記録を行うことを特徴とする半導体ディ
   スクメモリ装置。 ２ 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
   ィスクメモリ上を記録信号電圧が印加された記録電極を
   相対的に移動せしめ記録信号電圧に対応した電荷を前記
   第１の絶縁膜を通して前記第２の絶縁膜に蓄積すること
   により信号の記録を行い、この記録トラック上を再生電
   極を相対的に移動せしめ前記第２の絶縁膜内の帯電状態
   に対応して前記半導体基板内に生じた空乏層の状態を容
   量変化として読出すことを特徴とする半導体ディスクメ
   モリ装置。