JPS6043244A - 情報記録媒体 - Google Patents

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
係り、特に記録された信号の消去が容易な情報記録媒体
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るが、トラック幅が広
くないと十分に再生を行なうことができず、記録時間が
短かい欠点がある。これに対し、光学式ディスクはレー
デ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、再
生可能なディスクを得るまでに化学的および物理的ゾロ
セスを本質的に必要とする欠点がある。また、この方式
は現状では不可逆記録のため、消去、記録を行なうこと
が非常に困難である。

一方、半導体基板上に酸化膜を形成し、さらに、電荷蓄
積機能を有する絶縁体膜として例えば窒化膜を形成した
構造の情報記録媒体を用い、この記録媒体上を相対的に
移動する記録電極を介して記録信号電圧を印加し、窒化
膜中に電荷を蓄積して信号記録を行ない、一方、記録さ
れた信号の再生は、窒化膜の蓄積電荷に対応して生じる
半導体基板表面の空乏層による静電容量の変化を記録媒
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
によシ行なう新しい信号記録再生装置が提案されている
。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、再記録も行なえるというす
ぐれた特長を持っている。

しかしながら、記録は非常に短時間で行なわれ、実時間
記録が可能であるのに対し、消去に際しては逆電圧を加
えた瞬間に空乏層が広がって印加電圧が９乏層容量でか
なシミ圧降下するためと、半導体基板中での消去に必要
な電荷が少数キャリアであるために、消去するの姉長い
時間が必要となる。この問題を第１図を用いて詳しく説
明する。

まず、第１図（ａ）に示すように半導体基板２、例えば
ｎ型シリコン基板上忙第１の絶縁体膜３として２０１程
度の酸化膜（Ｓｉ０２）、第２の絶縁体膜４として、数
百Ｘ程度の窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）を形成した情報記録媒
体Ｊを用い、記録？！極６を介して正の記録信号電圧４
奢印加すると、第２の絶縁体膜４に蓄積電荷８が生じ、
これに対応して半導体基板２中に空乏層９が生じる。゛
また空乏層９の表面には、ホールの蓄積している反転層
１０が形成される。

この状態で第１図ｆｂ）に示すように、記録時とは逆極
性の電圧（この場合、負電圧）を消去電圧１３として印
加すると、瞬間的に空乏層９が広がる現象が発生する。

空乏層９が広がらないよう圧するには、半導体基板２が
Ｎ型の場合、少数キャリアであるホールを多く必要とす
るのであるが、Ｎ型半導体基板中ではホールの発生速度
が遅く数も限られるので、ホールの供給不足によシ空乏
層９が広がってしまう。また空乏層９が広がると、その
静電容量がさらに小さくなることで外部印加電圧の空乏
層９の部分での分圧電圧は大きくなる。このため絶縁体
膜３，４にかかる電圧が小さくなって１、第２の絶縁体
膜４へのホールの移動が生じにくくなシ、消去はされな
い。

ところが第１図（ｃ）に示すように時間の経過に伴ない
ホールが発生し、反転層１０を大きくするので、空乏層
９が小さくなシ始め、空乏層９にかかる電圧は減少し、
絶縁体膜３，４Ｋかかる電圧は増加する。これによシ反
転層１０のホールが第２の絶縁体膜４中へ移動して、負
の蓄積電荷８を打ち消して行き、最終的に第２図ｃｄ）
に示すように、第２の絶縁体膜４中の蓄積電荷を全部打
ち消し、空乏層も消滅するので、記録された信号は消去
される。

この間の消去に要する時間はおよそｍＪｅｅのオーダー
であることを考えるとかなシ長い。従って２度目以降の
記録速度は消去時間によって制限されてしまうという不
都合が生じる。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、半導体基板上に絶縁体膜を形成した
情報記録媒体であって、高密度の信号記録および再生と
、消去、再生記録を可能にするとともに１特に消去に要
する時間を大幅に短縮できる情報記録媒体を提供すると
とＫある。

〔発明の概要〕

この発明に係る情報記録媒体は、第１導電型半導体層の
上に第２導電型半導体層を形成してなる半導体基板上に
情報信号に応じて電荷を蓄積する絶縁体膜を形成した構
造を有する。

この情報記録媒体に信号を記録するには、記録電極を情
報記録媒体に接触させ、相対的に移動させると同時忙、
記録電極を介して記録信号電圧を印加することによシ、
トンネル効果テ絶縁体膜中に電荷を蓄積させる。再生時
には、再生電極を介して絶縁体膜中の電荷の蓄積状態に
応じて生じる半導体基板中の空乏層による静電容量の変
化を検出することで、信号を丹生する。

一方、消去時には記録時と逆極性の消去電圧を消去電極
を介して印加する。この場合、消去電圧による空乏層の
広がりは、第２導電型半導体層の厚みより広がらないよ
うに制限され、これにより空乏層での電圧降下が少なく
なる６また、第１導電型半導体層から消去に必要な少数
キャリアが供給される。これらのことにより、消去速度
が著しく向上する。

〔発明の効果〕

この発明によれば、記録密度が高く、記録。

再生、消去が可能であるばかりでなく、特に消去速度を
向上させることができるため、再記録、つまり２度目以
降の記録においても消去速度により制限されることなく
高速の記録が可能となり、実時間記録も容易となる。

〔発明の実施例〕

第２図は、この発明の一実施例に係る情報記録媒体を用
いた信号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２θは、第１導電型、この例で
はＰ型半導体層２１の上に、第２導電型であるＮ型半導
体層２２を形成した２層構造のシリコン単結晶または多
結晶半導体基板上に１第１の絶縁体膜２３として、例え
ば２０Ｘ程度のシリコン酸化膜（ｓｉｏ２）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２４として、例えば数百Ｘ程度のシリコン窒化膜（
ＳＩ３Ｎ４）、あるいはアルミナ（Ａｌ２Ｏ２）、酸化
タンクｋ　（Ｔａ２０５）、酸化チタｙ　（Ｔｉ０２）
等をＣＶＤ法等により形成したものである・ 半導体基板はＮ型半導体層の上にＰ型半導体層を形成し
た構造であっても良い。また、半導体基板上の絶縁体膜
は、第２の絶縁体膜上に第３の絶縁体膜として例えば酸
化膜（Ｓｉ２０）、さらに第４の絶縁体膜として第２の
絶縁体膜と同じ膜を形成したような多層膜構造であって
も良い。

情報信号を記録する場合には、サファイヤ等の誘電体か
らなる針状の電極支持体２５の側面上に薄く付着させた
記録電極２６を記録媒体り表面に接触させ、記録媒体２
−０を回転させることによって、矢印のように相対的に
移動させると同時に、ノクルス状の記録信号電圧２７を
記録電極２６に印加する。このとき第２導電型半導体層
２２から、トンネル効果によシ第１の絶縁体膜２３を電
荷が透過して、第２の絶縁体膜２４中にトラップされる
。これによって、信号が第２の絶縁体膜２４中の蓄積電
荷２８の形で記録される。そして、この蓄積電荷２８に
よって８ｉ￥２導電型半導体層２２に空乏層２９が生じ
る。

また、こうして記録された信号の再生を行なう場合は、
第２図中に示したように、蓄積電荷２８の直下の第２導
電型半導体層２２に生じている空乏層２９の存在により
、この部分の静電容量が空乏層のない部分と比べて小さ
くなって、結局、電荷蓄積部分と蓄積されてない部分と
の間に静電容量の変化が生じているので、との零敗変化
を記録電極と同様な再生電極を介して検出すれば良い。

例えば、再生電極を介して９００ＭＨｚ程度の高周波信
号を印加し、静電容量変化を記録媒体を含めた共振回路
の共振周波数の変化に変換した後、Ａ　Ｍ変調波の形で
信号を取シ出すことにより、従来の静電容量方式ビデオ
ディスクゾレーヤと全く同様にして、簡単に信号の再生
を行なうことができる。

次に、上述のようにして記録された信号の消去メカニズ
ムを第３図を参照して説明する。

まず、信号が記録された状態においては第３図（ａ）に
示すように蓄積電荷２８の存在によυ第２導電型半導体
層２２表面に空乏層２９が生じ、また空乏層２９の表面
に反転層３０が生じている。この状態において、針状基
体３１の側面に好ましくは記録電極２６より厚く被着し
た済−去電極３２を記録媒体すの表面に接触させ、この
消去電極３２に記録の場合と逆極性の電圧（負・ぐルス
）を消去電圧３３として印加すると、第３図ｆｂｌに示
したように第１図ｆｂｌと同様にホールの供給不足のた
めに空乏１嘱２９は下の方へ広がるが、第３図（ｂ）の
場合、空乏層２９の生じている第２の導電型半導体層２
２の下の第１導電型半導体層２１がＰｍ特性であるため
に、空乏層２９は第１導電型半導体層２１までは広がる
ことはなく、最も広がった場合でも第２導電型半導体層
２２の厚みで制限される。従って、従来の記録媒体と比
較して空乏層２９の広がシは小さくなり、その静電容量
もあまシ小さくならないので、絶縁体膜２３．２４の方
へ消去電圧３３がかかりゃすくなる。

また、消去速度を高めるためにはボールの供給量を増や
すことが必要となるが、この発明に係る情報記録媒体り
では、空乏層２９が第２導電型半導体層２２の厚みいっ
ばいに広がった時、空乏層２９の下端が第１導電型半導
体層２１に接触するので、この瞬間にホールが矢印３４
で示す如く第１導電型半導体層２１から第２導電型半導
体層２２中の空乏層２９へと流れ込み反転層３ｏを広げ
ることにょシ、短時間でホールの供給を行なうことがで
きる。従って空乏層２９が広がらないことと相俟って、
消去速度を大幅に向上させることができる。

次に第２の導電型半導体層２２の最適な厚さについて説
明する。空乏層２９の厚みＷはＷ−ビー１■ｂ］紅々輸 と表現できる。ε０は真空誘電率、εｓｉはシリコンの
比誘電率、ｑは電−子の電荷量、ＮＤはドナー濃度（Ｎ
型の場合）、φは半導体基板の表面電位である。

普通、空乏層は定常状態において、半導体基板の濃度毎
に最大厚さＷ□ａｘが決まっている。第２導電型半導体
層２２の厚みがこの最大空乏層厚ＷｍａＸよシかなり厚
い場合は、第１図の場合と同様、空乏層２９の厚さは制
限されないため、消去速度向上の効果はさほど期待でき
ない・これに対し、最大空乏層厚Ｗ□ａｚの方が第２導
電型半導体２２の厚さより厚い場合は、空乏層２９が第
２導電型半導体層２２の厚さ方向全体にわたシ生じ、負
の消去電圧を加えてもこれ以上空乏層は広がらず、しか
も第１導電型半導体層２１からホールが十分供給される
ので、消去速度は極めて速くなる。但し、この場合に生
じる空乏層２９の厚みは本来の最大空乏層厚ＷｒｎａＸ
よシも小さいため、静電容量変化１：が小さくなシ、再
生時の検出感度が若干低下する。従って、検出感度忙余
裕がある場合には大変有効である。

一方、第２導電型半導体層２２の厚みが最大空乏層厚Ｗ
１ｎａｘと同じか、または多少厚目の場合は、第３図で
説明したように消去速度の向上が期待できると同時に、
最大空乏層厚Ｗ、ａｒを静電容量変化量に利用できるの
で、最大検出感度を利用できる。このように、この発明
に係る情報記録媒体の消去速度よシ効果的に向上させる
には、第２導電型半導体層２２の厚さを最大空乏層厚ｗ
ｍａｘ以下とするのが望ましい。

次に、この発明に係る情報記録媒体の製造方法を、特に
半導体基板の製造工程に重点をおいて説明する。第４図
（ａ）はＰ型半導体基板であり、これを第１導電型半導
体層とする。この第１導ｍ型半導体層上へのＮ型である
第２導電型半導体層の形成は、半導体製造技術でＰＮ接
合を作る技術を利用して比較的簡単に行なうことができ
る。例えば第４図１ｂ）に示すように、熱拡散あるいは
イオンインシランチージョン技術を用いて、Ｎ型不純物
、例えば燐（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）のような第Ｖ族に
属する元素を第１導電型半導体層であるＰ型半導体基板
の表面に、前述したように第２導電型半導体層の厚さが
最大空乏層厚ｗｍＩＬＸ以下となるように入れてやれば
良い。第２導電型半導体層の厚みが１μｍ以下になるよ
うであれば、イオンインプランテーションの方が簡単に
作れるが、この場合には、第４図ｔｅｌに示すように打
ち込み層を活性化させるためにアニールを行なって第２
導電型半導体層を形成する必要がある。また、熱拡散で
第２導電型半導体層を少し厚目にしておいて、その後再
び表面を鏡面研磨して所望の厚みにしても良い。このよ
うにして第１導電型半導体層２ノの上に形成した第２導
電型半導体層２２上に、第４図ｆｄｌ　ＩＣ示す如く第
１．第２の絶縁体膜２　、？　、　２４として例えば酸
化膜、窒化膜を従来のｔｆｆ報記録ｌ１ｌｉ体と同様に
形成することで、この発明の情報記録媒体が完成される
。

次に、他の２層半導体層の作ｐ方について氾５図を用い
て説明する。第４図の方法では、Ｐ型半導体基板の表面
をＮ型に変換させることになるが、この時Ｎ型半導体層
の不純物濃度はＰ型半導体層の不純物濃度より濃くなる
のが普通１あり、ｐ型半導体層とＮ型半導体層の不純物
濃度を自由に設定することは困難である。第５図の方法
によれば、Ｐ型半導体層の濃度をＮ型半導体層の不純物
濃度よシ濃くすることができる。

まず、第５図ｆａ）のようなかなシ濃度の高い（例えば
１０　〜ｌＯ程度）瞠Ｐ型半導体基板の上に、濃度の低
い例えば１０１３〜１０１５程度のＰ型半導体層を第５
図（ｂｌの゛如くエピタキシャル成長させる。成長させ
る厚さは、前に説明した通り、最大空乏層幅ｗｒｒ１ａ
Ｘ以下にする。少し厚目に成長させておいて、表面を鏡
面研磨してもよい。

次に、第４図に示したのと同様の方法で第５図ｒＣ１に
示す如くエピタキシャル成長させたＰ型半導体層だけを
ｎ型半導体層に変えてやればよいｃ以下、第２．第３絶
縁体膜２３．２４を同様に形成することで、この発明に
よる情報記録媒体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の情報記録媒体の消去過程を示す図、第２
図はこの発明の一実施例に係る情報記録媒体を用いた信
号記録再生装置の構成を示す図、第３図はこの発明に係
る情報記録媒体を用いた場合の消去過程を示す図、第４
図および第５図はそれぞれこの発明に係る情報記録媒体
の製作工程の例を示す図である。 ２０・・・情報記録媒体、２１・・・第１導電型半導体
層、２２・・・第２導電型半導体層、２３・・・第１の
絶縁体膜、２４・・・第２の絶縁体膜、２５・・電極支
持体、２６・・・記録電極、２７・・・記録信号電圧、
２８・・蓄積電荷、２９・・・空乏層、３０・・・反転
層、３１・・・電極支持体、３２・・・消去電極、３３
・・・消去電圧。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　２第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に絶縁体膜を形成して構成され、絶
   縁体膜に情報信号に応じて電荷を蓄積する情報記録媒体
   において、前記半導体基板は第１導電型半導体層上に第
   ２導電型半導体層を形成したものであることを特徴とす
   る情報記録媒体。 （２１第２導電型半導体層の厚みが絶縁体膜中の蓄積電
   荷に対応して第２導電型半導体層中に生じる空乏層の最
   大厚み以下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０