JPS60117435A

JPS60117435A - 情報記録媒体

Info

Publication number: JPS60117435A
Application number: JP22407183A
Authority: JP
Inventors: Riichi Matsui; 松井　利一
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1985-06-24
Also published as: EP0143470A3; EP0143470A2

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】［発明の技術分野］この発明は半導体基板上に絶縁体膜を形成して構成され
、情報信号を電荷蓄積の形で記録する情報記録媒体に関
する。

［発明の技術的背景とその問題点］従来、ディスク型記録媒体には磁気ディスク、光学式デ
ィスクおよび静電容量式ディスクがある。

磁気ディスクは磁気記録方式の特徴として、記録。

再生および消去を電磁気的に行なうことが可能であり、
また記録後直ちに再生できるという利点を持っているが
、トラック幅が広くないと十分な再生出力を得ることが
困難であることから、記録容量があまりとれない欠点が
ある。

これに対して、光学式ディスクはレーザービームを記録
、再生に使用するためトラック幅を細くすることが可能
で、極めて高密度の記録ができるが、記録後、再生可能
なディスクを得るまでにいくつかの化学的および物理的
プロセスを本質的に必要とするのが欠点である。また、
この方式は現状では不可逆記録のため消去、再記録を行
なうことができない。

一方、半導体基板上に第１の絶縁体膜として薄い酸化膜
を形成し、さらにその上に電荷蓄積機能を有する第２の
絶縁体膜として例えば窒化膜を形成した構造の記録媒体
を用い、これに記録媒体上を相対的に移動する記録電極
を介して情報信号に応じた記録電圧を印加することによ
り窒化膜中に、電荷を蓄積して情報信号の記録を行ない
、記録された信号の再生は窒化膜の蓄積電荷に対応して
半導体基板内に生じる空乏層による静電客員の変化を記
録媒体上を相対的に移動する再生電極を介して検出する
ことによって行なう新しい信号記録再生装置が提供され
ている。この方式は光ディスクと同様に極めて高密度の
記録が可能であり、しかも消去、再記録も比較的簡単に
行なえるというすぐれた特徴を持っている。

しかしながら、この方式では記録、消去の特性を向上さ
せるには窒化膜をある程度厚くした方が望ましいが、そ
の場合は記録および消去に必要な電圧が高くなるため、
かなりの電流が流れ、また放電の発生等により、電極の
寿命が低下する。また、記録電圧、消去電圧を低くする
ために窒化膜を薄くすると、窒化膜の膜質の悪化により
記録。

再生および消去特性が悪化する。一方、窒化膜の膜質を
良くすると、今後は電荷のトラップ密度が減少するため
十分な電荷を蓄積させることが困難となり、必ずしも記
録、再生および消去特性の向上は期待できないという問
題があった。

［発明の目的］この発明の目的は、半導体基板上に第１の絶縁体膜およ
び電荷蓄積機能を有する第２の絶縁体膜を形成した構造
の情報記録媒体であって、記録。

再生および消去特性が良好であるとともに、記録。

消去に必要な電圧が低く、記録、消去に使用する電極の
寿命を著しく向上させることができる情報記録媒体を提
供することにある。

［発明の概要］この発明に係る情報記録媒体は、半導体基板上に第１の
絶縁体膜を介して形成される電荷蓄積機能を有する第２
の絶縁体膜を、同一の材質でありながら製造条件等の違
いに起因して膜質の異なる層、すなわち電流密度および
電荷トラップ密度が大きい第１種の層と、電流密度およ
び電荷］・ラップ密度がこれより小さい第２種の層とを
組合わせて多層構造としたことを特徴としている。但し
、第２種の層は第１種の層に対し少なくとも第１の絶縁
体膜と反対側に位置するものとする。

［発明の効果］この発明によれば、記録密度が高く、また記録。

再生および消去が可能であるばかりでなく、特に第２の
絶縁体膜を電流密度および電荷トラップ密度の異なる多
層構造にしたことによって、単層構造の場合に比べ、よ
り薄い膜厚で良好な記録、再生および消去特性を得るこ
とができるので、記録および消去に必要な電圧を低減さ
せて、記録、消去に使用する電極の長寿命化を図ること
ができる。

５− ［発明の実施例］第１図は、この発明の一実施例に係る情報記録媒体を用
いた記録再生装置の基本構成を示す図である。

図において、情報記録媒体１０は、例えばｐ型あるいは
ｐ型のシリコン単結晶または多結晶基板等の半導体基板
１１上に、第１の絶縁体膜１２として例えば２０人程度
のシリコン酸化膜（８１０２）を熱酸化により形成し、
その上に電荷蓄積機能を有する第２の絶縁体膜１３とし
て例えばシリコン窒化１１（Ｓｉ３Ｎ＋）をＣＶＤ法等
により形成した構造である。ＣＶＤ法を用いた場合、シ
リコン窒化膜は高温炉中でアンモニア（ＮＨ３）とシラ
ン（８１Ｈ４）が化学反応を起こすことにより形成され
るが、その際アンモニアとシランの混合比や化学反応を
おこさせる炉の温度等により、形成されるシリコン窒化
膜の膜質が大きく変化することが知られている。例えば
アンモニアとシランの混合比が大きい程（アンモニアが
多い程）、シリコン窒化膜の膜質は良好となる。すなわ
ち、同一６− 電圧を印加した場合に流れる電流の電流密度は、アンモ
ニア／シラン混合比の大きい方が小さく、電荷のトラッ
プ密度もアンモニア／シラン混合比の大きい方が小さい
。

ここで、第２の絶縁体１１１１１３は材質は同じシリコ
ン窒化膜でありながら、このような製造条件の違いを利
用して膜厚を異ならせた第１種の層１３ａと第２種の層
１３ｂとの２層構造としている。すなわち、１層目の第
１種の層１３ａとしてはアンモニア／シラン混合比が小
さい条件で形成させたシリコン窒化膜を用い、２層目の
第２種の１ｉ１３ｂはアンモニア／シラン混合比が大き
い条件で形成させたシリコン窒化膜を用いる。但し、各
層１３ａ。

１３ｂの層厚はいずれも数百人程度とする。

なお、各５１３８．１３１１６）ｌｉｌ質を異ならせる
方法としては、化学反応を起こさせる温度を変えてもよ
いし、これとアンモニア／シランの混合比の両方を変え
てもよい。また、第２の絶縁体膜１３はシリコン窒化膜
に限らず、アルミナ（Ａｌ２Ｏ２）、酸化タンタル（Ｔ
ａ　２０ｓ　）または酸化チタン（Ｔｉ　０２　）等で
あっても同様の情報記録媒体を構成できる。

信号記録を行なう場合には、サファイヤ針のような針状
の電極支持体１４の側面に薄く付着させた記録電極１５
を記録媒体１０の表面に接触させ、この記録媒体１０を
回転させることにより記録電極１５を相対的に移動させ
ると同時に、記録すべき情報信号（例えばビデオ信号）
をＦＭ変調器１６によりＦＭ変調波に変換し、この信号
をパルス増幅器１７により数十Ｖ程度のパルス状の信号
電圧にして記録電極１５に印加する。このとき、半導体
基板１１からトンネル効果により第１の絶縁体膜１２を
電荷が透過して、第２の絶縁体膜１３の第１種の層１３
ａに主にトラップされる。

第２の絶縁体膜１３は製造条件の違いにより第１種の層
１３ａの方がトラップ密度が大きいため電荷は主に第１
種の層１３ａに蓄積され、第２種の層１３ｂにはほとん
ど蓄積されない。このようにして情報信号が第２の絶縁
体膜１３のうち第１種のｌｉｌ　３ａへの蓄積電荷１８
の形で記録される。

そして、この蓄積電荷１８によって半導体基板１１に空
乏層１９が生じる。

次に、この実施例における記録機構についてさらに詳し
く説明する。第２図（ａ　）は半導体基板（ｎ型Ｓｉ）
上に第１の絶縁体膜としてのシリコン酸化膜（Ｓｉ　０
２　）と、単層構造つまり膜質の均一な第２の絶縁体膜
としてのシリコン窒化膜（Ｓｉ　３Ｎ４　）を形成した
従来の情報記録媒体の記録時における様子を示した図で
ある。信号の記録を行なう場合は、電極に正電圧＋■を
印加することにより第２図（ａ）のように酸化膜と窒化
膜に各々Ｊ１．Ｊ２なる電流が流れ、酸化膜中の電流Ｊ
！と窒化膜中の電流Ｊ２との差が蓄積電荷となって窒化
膜中に蓄積される機構となる。なお、Ｊｌ　＞Ｊ２のと
きは蓄積電荷として電子が、またＪｌ　＜Ｊ２のときは
ホールがそれぞれ蓄積される。

窒化膜の膜厚を厚くしてゆくと、記録特性が良好となり
、また消去も比較的し易くなるが、記録。

消去に必要な電圧が大きくなるため、充放電電流や放電
等により電極の寿命が低下し、逆に膜厚を９− 薄くしてゆくと記録電圧は小さくなるが、窒化膜の膜質
が悪くなり、トラップ密度も減るため、記録、消去特性
は悪化し、さらに窒化膜の製造条件を変えて膜質を向上
させると、トラップ密度が減少するため、十分な再生感
度を実現するだけの電荷を蓄積することができにくい傾
向になることが実験により確かめられている。このよう
に、従来の情報記録媒体では、記録、再生、消去の総合
的特性という面で満足できる結果が得られない。

これに対し、第１図に示すこの発明の実施例の情報記録
媒体に信号を記録する場合は、電極に正電圧を印加する
ことにより第２図（ｂ）に示すように、酸化１１１２と
窒化膜１３の２つの層１３ａ。

１３ｂに各々電流Ｊｌ　、Ｊ２　、Ｊ３が流れ、Ｊｌと
Ｊ２の差が蓄積電荷となって窒化膜１３の第１種の層１
３ａ中に蓄えられ、またＪ２とＪ３の差も蓄積電荷とな
ってこの層１３ａ中に蓄えられる。

このように、この発明の実施例の情報記録媒体では、電
流Ｊ１とＪ２の差が蓄積電荷として窒化膜中に蓄積され
るだけでなく窒化膜１３の第１種１０− の層１３ａを電流密度が大きくトラップ密度も大きい膜
質に、第２種の層１３ｂを電流密度およびトラップ密度
の小さい良好な膜質というように、製造条件を異にして
形成させた２層構造となっているため、窒化膜１３内で
もその各層１３ａ。

１３ｂの電流Ｊ２．Ｊ３に差が生じ蓄積電荷に寄与する
ことから、電荷のトラップ効率が従来の記録媒体に比べ
著しく向上する。従って、窒化膜１３の膜厚（層１３ａ
、１３ｂの層厚の和）を従来の記録媒体の窒化膜厚より
薄くしても、十分な蓄積電荷を蓄えることが可能となり
、しかも記録電圧や消去電圧も小さくて済むため、充放
電電流、放電等によって電極を損傷させるおそれが少な
くなり、その寿命を長くすることができる。

一方、上記のようにして記録された信号の再生を行なう
場合は第３図に示した如く蓄積電荷１８の真下の半導体
基板１１表面部分に生じている空乏層１９の存在によっ
て、この部分の媒体厚み方向の静電容量が小さくなり、
電荷の蓄積されていない部分との間に静電容量の差が生
じるので、この静電容量変化を記録電極と同様な再生電
極を介して検出すればよい。例えば第３図に示すように
再生電極２０を介してこの再生電極２０に接する記録媒
体１０の部分を共振回路２２の一部に含む再生回路２１
を構成し、共振回路２２に９００ＭＨ２程度の高周波信
号２３を印加し、記録媒体１１の静電容量変化を共振回
路２２の共振周波数の変化に変換してＡＭ変調波の形で
取り出し、さらにこのＡＭ変調波の信号を検波回路２４
で包絡線検波する。この検波出力を前置増幅器２５で増
幅した後、ＦＭｉ調器２６で復調して元の情報信号、例
えばビデオ信号を再生出力として得る。このようにして
、従来の静電容一方式ビデオディスクプレーヤと同様の
方法により、簡単に信号の再生を行なうことができる。

次に、配録された信号の消去動作を従来の記録媒体の消
去動作と比較しながら説明する。消去の・ためには、記
録に用いる電圧と逆極性の電圧を印加する必要があるが
、従来の記録媒体の場合、効率良く消去するためには、
前述のように窒化膜をある程度厚くする必要があること
が実験により確かめられている。これは消去する場合、
窒化膜の膜質が良くなければならないということを意味
し、そのためには窒化膜が厚くなければならないという
ことになるが、窒化膜厚を厚くすると記録、消去に必要
な電圧が高くなるという欠点が生じる。

窒化膜厚が薄い場合は、窒化膜の膜質が悪くなるため窒
化膜が厚い媒体よりも消去特性は悪くなる。

また、窒化膜の膜質を良くしようとすると、電荷を蓄積
するトラップ密度が小さくなってしまう。

これに対し、この発明による記録媒体の場合、窒化膜１
３はトラップ密度の大きい第１種の層１３ａの上に、ト
ラップ密度は小さいが膜質の良い第２種の層１３ｂを重
ねた構造なので、消去電圧が低くて済み、消去効率が良
く、しかもｉ・ラップ密度が従来の記録媒体と同程度の
記録媒体を実現することが可能となる。

第４図はこの発明の他の実施例を示すもので、第１の絶
縁体膜１２と、第２の絶縁体１１１３の第１種の層１３
ａとの間に、この層１３８の上の第１３− ２種の層１３ｂと同様に電流密度が小さく、かつ電荷ト
ラップ密度の小さい、膜質の良い第２種の層１３Ｃを設
けた構造となっている。この層１３ｃは記録時に電荷が
第２の絶縁体膜１３ヘトンネルした時、トンネルした電
荷の一部が再び半導体基板１１へ戻る。いわゆるバツク
トンネリング（Ｂ　ａｃｋ　Ｔ　ｕｎｎｅｌｉｎｇ）現
象を少なりシテ、電荷蓄積効率を高める働きをするもの
で、その層厚は１３ａ、１３ｂの数百人に対し、約５０
程度度と薄くてよい。このようにバツクトンネリング現
象が緩和されると消去、再生特性はそのままで電荷の蓄
積効率をさらに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】第１図はこの発明の一実施例に係る情報記録媒体および
記録装置の構成を示す図、第２図（ａ）。（ｂ）は従来の情報記録媒体およびこの発明による情報
記録媒体の記録メカニズムを比較して示す図、第３図は
この発明の一実施例に係る再生装置の構成を示す図、第
４図はこの発明の他の実施例に係る情報記録媒体の構成
を示す図である。１４− １１・・・半導体基板、１２・・・第１の絶縁体膜、１
３・・・第２の絶縁体膜、１３ａ・・・第１種の層、１
３ｂ・・・第２種の層、１３０・・・第１種の層、１４
・・・電極支持体、１５・・・電極、１６・・・Ｆ’Ｍ
変調器、１７・・・パルス増幅器、１８・・・蓄積電荷
、１９・・・空乏層、２０・・・再生電極、２１・・・
再生回路、２５・・・前置増幅器、２６・・・ＦＭ復調
器。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦１５− 　Ｎ　１コ１コ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に第１の絶縁膜および電荷蓄積機能
を有する第２の絶縁体膜を積層形成して構成され、第２
の絶縁膜に情報信号に応じて電荷を、蓄積して情報信号
を記録する情報記録媒体において１．前記第２の絶縁体
膜は電流密度が大きくかつ電荷トラップ密度が大きい第
１種の層と、この第１種の層と同一材料でありながらこ
れより電流密度が小さくかつ電荷トラップ密度が小さい
第２種の層とを、第２種の層が第１種の層に対し少なく
とも前記第１の絶縁体膜と反対側に位置するように積層
して構成されていることを特徴とする情報記録媒体。
（２）第２の絶縁体膜は第２種の層が第１種の層に対し
第１の絶縁体膜と反対側および第１の絶縁体膜側の両方
に位置するように第１種の層と第２種の層とを積層して
構成されたものであることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の情報記録媒体。