DE3018529A1

DE3018529A1 - Informations-aufzeichnungsmedium sowie aufzeichnungs- und wiedergabevorrichtung unter verwendung eines solchen aufzeichnungsmediums

Info

Publication number: DE3018529A1
Application number: DE19803018529
Authority: DE
Inventors: Norio Endo; Soichi Iwamura; Yoshio Nishi; Yasuaki Nishida; Norikazu Sawazaki; Masaharu Watanabe; Toshimi Yamato
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1979-05-14
Filing date: 1980-05-14
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE3018529C2; GB2051456B; FR2456988B1; JPS5938655B2; GB2051456A; FR2456988A1; US4340953A; JPS55150268A

Description

Hehkel, Kern, Ftfer fr Hinz·! Patentanwalt·

^ Registered Representative·

before the t European Patent Office

Nippon Hoso Kyokai und MöhtetraBe37

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, D-8000 München 80

Tokio bzw. Kawasaki-shi, Japan Te)Όθθ/θβ2085-67

Telex: 0529802 hnM d Telegramme: ellipsoid

TI-55P344-3

11», M^t 1980

Informations-Aufzeichnungsmedium sowie Aufzeichnungsund Wiedergabevorrichtung unjber Verwendung eines solchen Aufzeichnungsmediums

Die Erfindung betrifft ein Informations-Aufzeichnungsmedium mit einem Halbleiterelement in Form von z.B. einer Scheibe oder Platte sowie eine Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung unter Verwendung eines solchen Aufzeichnungsmediums.

Als Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabesysteme mit plattenförmigem Aufzeichnungsmedium sind solche Systeme bekannt, die magnetische, optische und elekstrostatische Kapazitäts-Video- bzw. -Bildplatten verwenden. Eine magnetische Videoplatte ermöglicht dabei nur eine sehr geringe Informationsaufzeichnungsdichte; im Fall einer Magnetplatte mit einem Durchmesser von 40 cm beträgt die Aufzeichnungsdauer für das Videosignal auf jeder Seite nur 7,5s.

Andererseits ermöglicht die optische Video- bzw. Bildplatte eine Aufzeichnung mit hoher Dichte, da hierfür eine Scheibe oder Platte aus einem Kunststoff verwendet und als Aufzeichnungs- und Auslese-

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element ein Laserstrahl benutzt wird. Bei einem Plattendurchmesser von 30cm läßt sich dabei bespielsweise eine 30- bis 60-minütige Videosignalaufzeichnung unterbringen. Bei diesem optischen System ist jedoch eine physikalische oder chemische Behandlung erforderlich, um eine Platte zu erhalten, aus welcher das aufgezeichnete Signal nach dem Einschreiben ausgelesen werden kann; dies bedeutet, daß das Aufzeichnungssignal nicht unmittelbar nach der Einschreibung (Aufnahme) ausgelesen werden kann. Sobald eine Information einmal aufgezeichnet worden ist, läßt sie sich zudem nicht ohne weiteres ändern. Für die Neuaufzeichnung oder Neueinschreibung von Informationen ist eine ähnliche chemische oder physikalische Behandlung wie nach der (Erst-)Aufzeichnung erforderlich, und eine Umschreibung aller Informationen oder eines Teils derselben unmittelbar nach der Aufzeichnung ist nicht möglich.

Die mit elektrostatischer Kapazität arbeitende Bildplatte besitzt ähnliche Vor- und Nächteile wie die optische Bildplatte.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines verbesserten Informations-Aufzeichnungsmediums und einer dieses verwendenden Aufzeichnungs/Wiedergabevorrichtung, die ein Auslesen, d.h. Wiedergeben, der Informationen unmittelbar nach dem Einschreiben, d.h. Aufzeichnen, zulassen und wobei zudem ein Teil der aufgezeichneten Informationen oder alle Informationen ohne weiteres und ohne die Notwendigkeit für eine physikalische oder chemische Behandlung umschreibbar bzw. änderbar sind, während gleichzeitig auch die Informationsaufzeichnung mit hoher Aufzeichnungsdichte möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst. 'W. ■ ^ ·..'■> ... ⁱ ·^ι

Das erfindungsgemäße Aufzeichnungsmedium besteht aus einem Halbleiterelement mit einem Aufbau, der dadurch erhalten wird, daß zunächst ein erster Isolierfilm in Form einer dünnen Oxidschicht

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mit einer Dicke entsprechend einem Mehrfachen von 10 Ä auf einem Halbleitersubstrat aus z.B. mono- oder polykristallinem Silizium ausgebildet und sodann auf der Oxidschicht ein zweiter Isolierfilm mit Ladungsspeicherfunktion, z.B. ein Siliziumnitridfilm, mit einer Dicke von nicht mehr als 1000 X geformt wird. Als "Schreibstift" bzw. Stichel oder Nadel (stylus) für die Aufzeichnung, das Löschen und das Auslesen von Informationen kann beispielsweise eine durch Aufbringen einer Metallelektrode auf die eine Seitenfläche eines harten, isolierenden Körpers hergestellte Saphirnadel benutzt werden, die in Berührung mit der Oberfläche der Halbleiterplatte eine in dieser Fläche ausgebildete Aufzeichnungsspur abläuft. Dabei wird eine Signalspannung entsprechend einem Mehrfachen von 10 V zwischen der Elektrode der Nadel und dem Halbleitersubstrat angelegt, und eine elektrische Ladung wird durch den Oxidfilm hindurch entsprechend dem Signal in im Nitridfilm geformte Haftstellen (traps) injiziert, um die Einschreibung oder Aufzeichnung durchzuführen.

Bei dieser Einschreibung wird eine Verarmungsschicht-Kapazität, die sich entsprechend der Größe der injizierten elektrischen Ladung ändert, in einem mit dem Nitridfilm in Berührung stehenden Bereich gebildet. Die aufgezeichnete Information kann somit durch Abtastung oder Abgreifen der Änderungen der Verarmungsschicht-Kapazität bei der Bewegung der Nadel ausgelesen werden. Beispielsweise kann eine zerstörungsfreie Auslesung dadurch erfolgen, daß der Nadelelektrode ein Hochfrequenzsignal aufgeprägt wird und die Änderungen der genannten Verarmungsschicht-Kapazität mittels der Bewegung der Nadelelektrode abgegriffen werden. Zum Löschen einer aufgezeichneten Information kann die in die Haftstellen des Nitridfilms injizierte elektrische Ladung durch Entladung beseitigt werden, indem zwischen Nadelelektrode und Halbleitersubstrat eine Spannung der entgegengesetzten Polarität wie beim Aufzeichnen angelegt wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Halbleiter-Speicherplattenvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines an sich bekannten leistungslosen MNOS-Halbleiterspeicher,

Fig. 3 ein graphische Darstellung der Beziehung zwischen der an den MNOS-Speicher angelegten Spannung und seiner Ladungsspeicherdichte,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Informationsaufzeichnung auf einer Halbleiter-Speicherplatte gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung zur Veranschaulichung des Vorgangs der Informationsauslesung aus der Speicherplatte,

Fig. 6 eine in stark vergrößertem Maßstab gehaltene perspektivische Darstellung des Spitzenteils eines Stichels bzw. einer Nadel, der bzw. die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufzeichnen, Löschen und Auslesen von Informationen benutzt wird,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Zustands, in welchem die Nadel in eine Aufzeichnungsspur in der Oberfläche der Halbleiter-Speicherplatte eingreift, und

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau eigner Halbleiter-Speicherplatte gemäß der Erfindung. Ein Teil 10 der Speicherplatte dient dabei als Informations-Aufzeichnungsmedium, welches den sogenannten "Massiv"- oder "Vollplatten"-NOS- bzw. Nitrid-Oxid Halbleiter-Aufbau besitzt, der beispielsweise dadurch erhalten wird, daß ein etwa 2Q-X dicker SiO₃-FiIm 12 auf einem scheiben- oder plattenförmigen n- oder p-Typ-Siliziumsubstrat 11 und auf dem SiO-FiIm ein etwa 500 A* dicker Si-N-FiIm 13 geformt wird.

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Als "Schreibstift" bzw. Nadel für das Aufzeichnen, Löschen und Auslesen von Informationen aus diesem Aufzeichnungsmedium 10 wird eine mit dessen Oberfläche in Berührung stehende Metallelektrode 14 benutzt. Beim Aufzeichnen, Löschen und Auslesen von Informationen wird eine entsprechende Signalspannung V_

zwischen die Metallelektrode 14 und das Siliziumsubstrat 11 angelegt, und die Metallelektrode 14 wird, während das Signal an ihr anliegt, relativ zum Aufzeichnungsmedium 10 über dieses bewegt. Im praktischen Gebrauch ist das Siliziumsubstrat 11 unmittelbar auf einen aus Metall bestehenden Dreh- bzw. Plattenteller aufgelegt, wobei das Spannungssignal V zwischen der Metallelektrode 14 und dem nicht dargestellten Plattenteller anliegt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das Aufzeichnungsmedium 10 mit_ dem NOS-Aufbau in seinem mit der Metallelektrode 14 in Berührung stehenden Zustand praktisch der Konstruktion eines an sich bekannten MNOS-Kondensators 10a äquivalent ist, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 sind die den Teilen von Fig. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern, zuzüglich eines angehängten Buchstabens "a" bezeichnet. Der MNOS-Kondensator 10a besitzt bekanntlich eine Hysterese-Kennlinie gemäß Fig. 3, in welcher auf der Ordinate die Dichte der im Nitridfilm 13a gespeicherten Ladung und auf der Abszisse die Elektrodenspannung V_ aufgetragen sind. Mit anderen Worten:

(ja

Dieser Kondensator wirkt als Speicher. Erfindungsgemäß kann die Konstruktion, bei welcher die Metallelektrode 14 über das NOS-Aufzeichnungsmedium 10 bewegt wird, als effektiv einer Konstruktion äquivalent angesehen werden, bei welcher eine Vielzahl von MNOS-Kondensatoren 10a fortlaufend (aufeinanderfolgend) vorgesehen sind.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Halbleiter-Speicherplatte bei der Aufzeichnung und zerstörungsfreien Auslesung von Informationen erläutert.

Das Aufzeichnen erfolgt zunächst durch Anlegung der Spannung V_

zwischen das Siliziumsubstrat 11 und die Metallelektrode 14.

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Wenn die Spannung V_r an die Metallelektrode 14 angelegt wird, können sich Elektronen (oder Elektronenmangelstellen) aufgrund des Tunneleffekts durch den SiO₂-FiIm 12 verlagern bzw. bewegen, um die, Haftstellen in der Si_N .-Schicht 13 zu erreichen und in diesen festgehalten zu werden. Wenn die Ladungsdichte (Zahl der Ladungseinheiten pro cm ) mit Q/q bezeichnet wird, erhalt man im allgemeinen die Hysteresekurve gemäß Fig. 3. Wenn sich die Metallelektrode 14 in Richtung des gestrichelten Pfeils gemäß Fig. 4 aus der in ausgezogenen Linien eingezeichneten Stellung in die gestrichelt eingezeichnete Stellung bewegt, während gleichzeitig die Spannung V_Q von + 30 V auf - 30 V geändert wird,, wird die Si-O.-Schicht 13 entsprechend aufgeladen, d.h. zunächst negativ und sodann positiv. Tatsächlich dreht sich die Halbleiter-Speicherplatte 10 in Richtung des ausgezogen eingezeichneten Pfeils (Fig. 4) relativ zu der als Schreibstichel und Abtastnadel wirkenden Metallelektrode 14, zur Vereinfachung der Beschreibung sei jedoch angenommen, daß sich die Metallelektrode bzw. Nadel 14 relativ zur Speicherplatte bewegt. Die Ladungs-

. 2.1 12

dichte erreicht zu diesem Zeitpunkt eine Größe von 10 bis 10 /cm Durch Anlegung einer Spannung V_ entsprechend einem Aufzeichnungssignal kann mithin eine Aufzeichnung vorgenommen werden, bei welcher die Ladung als Informationsträger dient. Bei der Aufzeichnung eines Fernseh- bzw. Videosignals wird im allgemeinen ein frequenzmoduliertes (FM) Videosignal aufgezeichnet. In diesem Fall erfolgt die Informationsaufzeichnung in Form von Bereichen vorhandener und fehlender Ladung anstelle von Ladungsgrößenänderungen. Dasselbe gilt auch für die digitale Signalaufzeichnung.

Nachstehend ist das Verfahren zum Auslesen der Informationen, die in Form der entsprechenden Ladung aufgezeichnet sind, im einzelnen erläutert. Gemäß Fig. 4 sei angenommen, daß bei der negativen Aufladung des Si₃N₄-FiImS 13 eine Verarmungsschicht lld im η Siliziunisubstrat 11 entsteht. In diesem Fall lassen sich die Kapazität C_ des Si^N.-Films 13 und die Kapazität C der Verarmungsschicht lld pro Flächeneinheit wie folgt ausdrücken:

Λ ^co * *n V^dT

- 10 -

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^cv -. si o^/tm ■

dahin bedeutend: d = Dicke des Si^N -Films 13, tm = Dicke der Verarmungsschicht lld im Siliziumsubstrat und y und y . _

spezifische induktive Kapazität von Si_N bzw. Si. In obigen Gleichungen ist die Kapazität C des Si N.-Films konstant, während sich die Kapazität C der Verarmungsschicht lld ändert, weil sich die Dicke tm der Verarmungsschicht lld entsprechend dem Ladungsspeicherzustand des Si N.-Films 13, d.'h. entsprechend dem Aufzeichnungszustand ändert. Die Feststellung bzw. Abgreifung des Ladungszustands, d.h. die Auslesung der aufgezeichneten Information, kann somit durch Erfassung der Änderungen der Kapazität C in der Verarmungsschicht lld erfolgen. Fig. 5 veranschaulicht ein spezielles Beispiel für eine Möglichkeit zur Erfassung der Kapazitätsänderungen. Dabei wird eine als Lese- bzw. Abtastnadel dienende, mit der Oberfläche des Nitridfilms 13 des Aufzeichnungsmediums 10 in Berührung stehende Metallelektrode 51 mit einem Wechselspannungssignal von z.B. 1 MHz - 0,5 V (Mittelwert) gespeist und längs einer im Aufzeichnungsmedium 10 ausgebildeten Spur relativ "zu diesem Medium über dieses bewegt, wobei die Kapazitäten der im Aufzeichnungsmedium 10 vorhandenen Verarmungsschichten lld - 1, lld - 2 usw. gemessen werden. Zur Nachführung der Abtastnadel über die Informationsaufzeichnungsspur kann ein Nachführmechanismus verwendet werden wie er auf Seiten 43-47 von NIKKEI ELECTRONICS vom 30. Oktober 1978 beschrieben ist.

Beim Auslesen des aufgezeichneten Signals müssen die Änderungen der Kapazität C der Verarmungsschicht gemessen bzw. erfaßt werden, während es nicht nötig ist, die tatsächliche Größe der Kapazität zu ermitteln. Für die Informationsauslesung kann somit ein System verwendet werden, welches die Kapazitätsänderungen als entsprechende Frequenzänderungen mittels einer Detektor- oder Meßfühlerschaltung in einer Oszillatorschaltung ausliest, wie dies in RCA .Review

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(VoI. 39,.-März- 1978, Seite 39) beschrieben ist. Diese Literaturstelle beschreibt die Anwendung eines Wechselspannungsignals von 915 MHz, 10V als Lesesignal. Bei einer Signalamplitude dieser Größe erfolgt keine Zerstörung der Speieherladung.

Das CN- bzw. Träger/Rauschen-Verhältnis des ausgelesenen bzw. abgetasteten Signals bestimmt sich durch Schwankungen der Quantität der Speicherladung, d.h. der Zahl N von Elektronen, die in der Kontaktelektroden-Öffnungsgröße vorhanden sind, nämlich in der Fläche, auf welcher die Spitze der Nadel 14 mit dem Film 13 in Berührung steht. Da die Lädungselektronendichte Q im

12 2 T

Si ..N -Film 13 einen Wert von 10 /cm erreicht, sind bei einer

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Apertur- bzw. Offnungsgröße von (1,5 χ 0,2) 3 χ 10 Elektronen in der Öffnungsfläche enthalten. In diesem Fall beträgt die Schwankung oder Fluktuation b = 1/ <^W = 0,018, so daß ein CN-Verhältnis bzw. Rauschabstand von 35 dB erreicht werden kann. Dies entspricht praktisch dem Rauschabstand, der bei den derzeit verfügbaren magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabesystemen gegeben ist. Bei einem System, bei welchem ein nach dem NTSC-System geformtes Fernsehsignal mittels Frequenzmod 1ation aufgezeichnet wird, ist ein Trägersignalband von mindestens 15 MHz erforderlich, wobei die informationen in einer Zeitspanne von höchstens 20 ns eingeschrieben werden müssen. Zu diesem Zweck wird typischerweise eine Einschreib- bzw. Aufzeichnungsspannung von etwa 50 V benötigt; hierbei beträgt die Dicke des Si0„-Films 12 20 %, während der

Si_N.-Film 13 eine Dicke von 550 Ä besitzt. In diesem Fall wird 3 4 11 2

im Nitridfilm 13 eine Lädungselektronendichte von etwa 10 /cm erreicht. Der durch den Si-N.-Film 13 fließende Strom ändert sich

3 4

dabei jedoch exponentiell mit der anliegenden Spannung, wobei dieser Strom im Vergleich zu einem durch einen Oxidfilm derselben Dicke fließenden Strom groß ist, so daß vorteilhaft die Einschreibspannung zur Erzielung einer stabilisierten SDeichercharakteristik reduziert wird. Durch Verkleinerung der Dicke des Si0„-Films 12 kann praktisch eine Speicher-Lädungselektronendichte derselben Größenordnung erreicht werden. Zur Gewährleistung einer Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung mit niedrigerer Spannung können weiter-

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hin beabsichtigt Ladungshaftstellen vorgesehen werden, indem ein Metall hohen Schmelzpunkts, wie Wolfram, längs der Grenzschicht zwischen SiO„-Film 12 und Si_N.-Film 13 angeordnet wird.

Nach der allgemeinen Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus und des Grundprinzips der Aufzeichnung und Wiedergabe bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im folgenden deren einzelne Bauteile näher beschrieben.

Zunächst ist ein Verfahren zur Herstellung des Aufzeichnungsmediums erläutert. Der sehr dünne Oxidfilm 12, der auf dem Halbleitersubstrat 11 (z.B. vom η-Typ) vorgesehen ist, wird dadurch geformt, daß das Substrat bei einer Temperatur von 800°C etwa 30 Minuten lang ι in einer mit einem Inertgas, wie Argon (Ar), verdünnten Sauers-toff— bzw. 0 -Atmosphäre belassen wird. Außerdem kann dieser dünne

· ο Film durch Wasserdampfoxidation bei etwa 600 C hergestellt werden.

Neben diesen Hochteaperatur-Oxidationsverfahren ist es auch möglich, ein Niedertemperatur-Oxidationsverfahren unter Verwendung von siedend heißer, konzentrierter Salpetersäure anzuwenden. Nach der Ausbildung des Oxidfilms 12 kann auf diesem der Siliziumnitridfilm 13 nach einem beliebigen Verfahren hergestellt werden. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist ein Aufdampfverfahren. Bei diesem Verfahren können als Reaktionsgas Gaskombinationen wie (SiH., NH₃) (SiH Cl , NH-) und (SiHCl₃, NH ) verwendet werden. In jüngster Zeit ist auch ein Verfahren entwickelt worden, bei dem zur Herstellung eines Siliziumnitridfilms 13 ein Plasma in einem Gasgemisch aus SiH NH erzeugt wird. Der Siliziumnitridfilm 13 kann nach einem dieser Verfahren hergestellt werden. Wenn in Abwandlung zwangsweise Ladungshaftstellen von außen her in das Aufzeichnungsmedium 10 eingeführt werden, wird zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Behandlung ein hochschmelzendes Metall, wie Wolfram oder Molybdän, in Form einer Schicht mit einer Dicke entsprechend einem Einzelatom oder einer anderen entsprechenden Dicke zwischen dem SiO₀-FiIm 12 Und dem Si₃N₄-FiIm vorgesehen. Zu diesem Zweck kann ein langsam durchgeführtes Vakuumaufdampfverfahren oder Molekülstrahl-Epitaxie-Verfahren angewandt werden. Ebenso ist die Anwendung eines auf chemischen Reaktionen basierenden Verfahrens möglich. Je nach dem zu speichernden Informationsgehalt kann die erfindungsgemäße Konstruktion noch wirk-

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samer gestaltet werden, wenn als letzter Verfahrensschritt bei der Herstellung eine Wärmebehandlung unter geeigneten Bedingungen angewandt wird.

Im folgenden ist der Schreibstift bzw. die Nadel 14 zum Einschreiben, Löschen und Auslesen von Informationen erläutert. Gemäß Fig. 6 besitzt diese Nadel 14 eine Konstruktion, bei welcher eine Metallelektrode 62 aus Tantal oder Titan auf die eine Seite eines harten Isolators 61, wie Saphir oder Diamant, aufgebracht ist. In Fig. 6 ist nur der Spitzenteil der Nadel 14 veranschaulicht. Dabei hat die mit dem Aufzeichnungsmedium in Berührung stehende Kontaktfläche der Metallelektrode 62 den größten Einfluß auf die Aufzeichnungsleistung. Insbesondere bestimmt die Breite W der Metallelektrode 62 (üblicherweise 1-2 pm) die Breite der Aufzeichnungsspur, und die Dicke T der aufgetragenen Metallelektrode 62 (normalerweise ·0,1 - 0,2 μτα) stellt einen der Faktoren dar, welcher die kürzeste Aufzeichnungswellenlänge bestimmt. Der Isolator 61 aus Saphir oder Diamant dient lediglich als Träger für die Elektrode 62. Zur Gewährleistung eines zufriedenstellenden Kontakts zwischen der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 10 mit NOS-Struktur und der Spitzenflache der Elektrode wird ein sogenannter Auflagedruck ausgeübt, der vorzugsweise mög-

2 liehst gleichmäßig über die gesamte Spitzenfläche von 70 um kann mit einem Auflagedruck von etwa 40 mg in der Praxis ein zufriedenstellender Kontakt zwischen der Elektrode 62 und der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 10 erzielt werden; der Flächendruck beträgt

dabei 60 kg/cm . Bei einer Langspielschallplatte beträgt zum

'2 Vergleich der Nadelauflagedruck 1000 kg/cm . Wenn die Elektrode die rechteckige Form gemäß Fig. 6 besitzt, bleiben Aufzeichnungsspurbreite und Aufzeichnungswellenlänge auch dann unverändert, wenn der Saphir oder dergleichen bestehende Träger 61 bis zu der durch die strichpunktierte Linie 63 in Fig. 6 angedeuteten Höhe abgenützt ist. Wenn somit die Abtastnadel nach einer (linearen) Laufstrecke von z.B. 40000 km unter dem angegebenen Auflagedruck bis zur Höhe der strichpunktierten Linie 63 abgenützt ist, tritt während einer Betriebszeit von etwa 1000 Stunden bei einer mittleren Geschwindigkeit von 10 m/s keine Verschlechterung der Aufzeich-

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nungs- oder Wiedergabeleistung auf. Wenn Siliconöl als Schmiermittel auf die Fläche des Aufzeichnungsmediums 10 aufgetragen wird, kann ein zufriedenstellender Kontakt zwischen der Metallelektrode 62 und dem Si^N₄-FiIm 13 gewährleistet und außerdem das Eindringen von Luft verhindert werden, die eine niedrige spezifische induktive Kapazität besitzt.

Bei der beschriebenen Vorrichtung gemäß der Erfindung erfolgt also die Aufzeichnung nicht auf magnetischem Wege, sondern elektronisch, wodurch ein zerstörungsfreies Einschreiben, Löschen und Auslesen bzw. Abtasten möglich wird. Wie im Fall der magnetischen Aufzeichnung ist außerdem keine chemische oder physikalische Behandlung zwischen dem Einschreiben und dem anschließenden Auslesen erforderlich, vielmehr kann die Aufzeichnung unmittelbar nach dem Einschreiben zerstörungsfrei ausgelesen bzw. abgetastet werden. Der wichtigste Vorteil der erfindüngsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß sie eine Aufzeichnung mit hoher Dichte zuläßt. Mit anderen Worten: eine zufriedenstellende Aufnahme- und Wiedergabeleistung läßt sich auch dann erzielen, wenn die Elektroden-Kontaktfläche (W χ T beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6) 1,5 χ 0,2 /im beträgt, d.h. mit einem Aufzeichnungsspurabstand von 1,5 Jim und einer kürzesten Aufzeichnungswellenlänge von 0,4 um.Die anderen Faktoren, welche die kürzeste Aufzeichnungswellenlänge, d.h. die Aufzeichnungsdichte, bestimmen, sind die Dicke des Si-N -Films 13 und die Dicke der Verarmungsschicht lld (Fig. 4). Diese Größen können mit weniger als 0,1 pm. festgelegt werden.im Vergleich zur derzeit im Handel erhältlichen Magnetplatte kann somit die Aufzeichnungsdichte um drei Größenordnungen (d.h. um ein mehrfaches von 1,000) erhöht werden, während sich die Aufzeichnungswellenlänge um etwa eine Größenordnung vergrößert und der Spurabstand um etwa zwei Größenordnungen kleiner wird. Dies bedeutet, daß bei gleichem Plattendurchmesser auf einer Plattenseite ein Videosignal einer Dauer von mehreren Stunden aufgezeichnet werden kann. Während zur Verhinderung unerwünschter Schwingungen der Plattenoberfläche oder der Plattenachse im Hinblick auf die Verkleinerung der Spurbreite sehr hohe Präzisionsanforderungen an den Platten-Drehmechanismus zu stellen sind,

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ist die hierbei erforderliche Präzision nur geringfügig höher als für ein Mutterplatten-Aufzeichnungsgerät für herkömmliche optische Videoplatten, so daß eine derartige Präzision technisch ohne weiteres realisiert werden kann.

Da erfindungsgemäß weiterhin die Informationsauslesung durch Erfassung von Änderungen der elektrostatischen Kapazität erfolgt, kann für die Informationsauslesung bzw. -wiedergabe ein elektrostatisches Kapazitäts-Videoplattengerät benutzt werden. Insbesondere ist bei der Anordnung gemäß Fig. 7, bei welcher im Aufzeichnungsmediüm10 eine bei Einschreibung, Löschung und Auslesung von Informationen durch die Nadel 14 in Richtung des Pfeils abgetastete Spurrille 71 ausgebildet ist, kein Servo-Nachführmechanismus er- . forderlich, so daß zur Wiedergabe ein übliches, mit elektrostatischer Kapazität arbeitendes RiI1enabtast-Videoplattenabspielgerät ohne weitere Abwandlung benutzt werden kann.

Als Halbleitersubstrat für das erfindungsgenäße Aufzeichnungsmedium bietet sich vom Standpunkt der Handhabung eine Siliziumkristall-Plätte bzw. -Scheibe als zweckmäßig an. Bei der Herstellung z.B. einer Videoplatte aus einer solchen Scheibe sind jedoch dem größtem Plattendurchmesser Grenzen gesetzt. In der Entwicklungsstufe wurden jedoch bereits Platten mit 30 cm Durchmesser hergestellt, und bei Verwendung eines Einkristallblocks mit einer Länge von 30 cm und einem Durchmesser von 30 cm können aus diesem Block nahezu 100 Siiiziumscheiben mit einer Dicke von 5 mm und einem Durchmesser von 30 cm hergestellt werden. Ähnliche Vorteile wie mit einer Einkristalischeibe werden auch mit einer Scheibe oder Platte 10a mit dem Aufbau gemäß Fig". 8 erzielt, die dadurch hergestellt worden ist, daß durch chemisches Aufdampfen polykristallines Silizium 11p in Form einer Schicht oder Scheibe auf die Oberfläche einer Glasplatte 81 aufgebracht wird und sodann auf dieser Schicht 11p der . Si-Qy-Fiim. 12 und der Si-N-FiIm 13 ausgebildet werden. Nach einem herkömmllcheh chemischen Polierverfahren kann weiterhin auf der Plattenoberfläche ein Rauheitsgrad Von etwa 10 A erzielt werden,. Der SiOy-FiIm 12 und der durch chemisches Aufdampfen hergestellte

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Si N -Film lassen sich sehr einfach nach üblichen Verfahren ausbilden. Da der Si,N.-Film sehr hart ist, dient er gleichzeitig auch als Schutzschicht. Im Gegensatz zur Herstellung von Magnetplatten ist es dabei auch nicht nötig, eine harte (Grund-) Schicht, eine magnetische Metallisierungsschicht und eine Schutzschicht auf eine Aluminiumplatte aufzulaminieren, so daß die Fertigungskosten im Vergleich zu einer Magnetplatte verhältnismäßig niedrig sind. Die Defektstellendichte von monokristallinem Silizium beträgt derzeit etwa eine Defektstelle pro cm und ist damit um zwei Größenordnungen niedriger als die angekündigte

Defektstellendichte von einer Defektstelle pro 1 mm bei Videomasterplatten. Diese Defektstellen lassen sich somit mit Hilfe eines gewöhnlichen Signalausfallunterdrückers ausreichend unterdrücken.

Als Aufnahme-, Lösch- und Wiedergabenadel läßt sich prinzipiell, ähnlich wie ein Magnetkopf für Magnetaufzeichnung, ein und dieselbe Nadel verwenden, so daß nur eine einzige Nadel erforderlich ist. Diese Nadel besitzt jedoch aufgrund ihres in Verbindung mit Fig. beschriebenen Aufbaus im Vergleich zu einem Magnetkopf eine einfache Konstruktion. Dabei ist die Nadel außerdem so ausgebildet, daß bei einer Abnützung der Spitzenfläche des Isolators 61 aus Saphir oder Diamant zusammen mit der Elektrode Breite und Dicke der Nadel unverändert bleiben, so daß eine derartige Abnützung keinerlei ungünstigen Einfluß auf Aufnahme und Wiedergabe hat.

Als leistungslose Speicher sind MNOS-Randomspeicher entwickelt worden; die Verschlechterung der Eigenschaften derartiger Speicher bei wiederholtem Einschreiben und Löschen stellt jedoch eines der derzeit noch zu lösenden Probleme dar. Aus der Literatur geht beispielsweise hervor, daß die Verschlechterung der Eigenschaften

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nach 10 —maliger Wiederholung einsetzt. Auch wenn dies der Fall ist, tritt dann, wenn das Aufzeichnungsmedium beispielsweise als Videoplatte benutzt wird, bei welcher Aufzeichnung und Löschen pro Tag 10 mal wiederholt werden, während einer Zeitspanne von mindestens drei Jahren keine Verschlechterung der Eigenschaften auf. Speziell bei Verwendung der Platte für die Zusammenstellung

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von Fernsehübertragungsprogrammen sind derart häufige Einschreib- und Löschvorgänge im normalen Arbeitsverlauf die Ausnahme. Andererseits ist bekannt, daß die zerstörungsfreie bzw. löschfreie Wieder-

gäbe bis zu 10 mal möglich ist. Dies bedeutet, daß keine Verschlechterung der Bildqualität auftritt, auch wenn ein und dasselbe Bild

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10 -mal in Stehbildwiedergabe reproduziert worden ist, d.h. auch dann nicht, wenn die Bildwiedergabe ein Jahr lang ununterbrochen durchgeführt wird.

Da die erfindungsgemäße Speicherplattenvorrichtung die Aufzeichnung mit hoher Dichte und eine Wiedergabe unmittelbar nach der Aufzeichnung oder Aufnahme und ohne die Notwendigkeit für irgendeine chemische oder physikalische Behandlung zuläßt, besitzt sie einen weiten Anwendungsbereich. Insbesondere eignet sie sich für die Zusammenstellung oder Aufzeichnung von Fernsehprogrammen, wobei sie die auf diesem Gebiet an sie zu stellenden Anforderungen erfüllt. Bei der Herstellung und Zusammenstellung von Fernsehprogrammen müssen sich verschiedene Spezialeffekt-Wiedergaben einfach durch unterschiedliche Anordnung von Grundwörtern erreichen lassen, von denen jedes durch ein Reihensignal für ein Videosignalfeld (von 33 m/s von einem Vertikalsynchronsignal beim NTSC-System bis zum nächsten) gebildet wird. Bisher erfolgte diese Programmzusammenstellung mittels eines Video-Magnetbandgeräts. Dabei sind eine Schneideinrichtung, in welcher das bespielte Band geschnitten wird und die gewünschten Bandabschnitte miteinander verbunden werden, sowie eine Dupliziereinrichtung vorgesehen, bei welcher zwei Videomagnetbandgeräte gleichzeitig laufen und das aufgezeichnete Material nach jedem Schnitt von einem Gerät auf das andere überspielt wird, um auf diese Weise das endgültige Programmband herzustellen. In der Schneidstation ist für das Schneiden und Spleißen des Bands ein ziemlich großer Arbeitsaufwand erforderlich. Das Duplizieren bzw. Kopieren nimmt ebenfalls viel Zeit in Anspruch, weil dabei der Anfangspunkt eines aufgezeichneten Programms festgestellt werden muß und außerdem das Originalband und das Masterbzw. Kopieband zusätzlich transportiert und bei jedem Schnitt im Schnellvorlauf bis zur nächsten Schnittstelle bewegt werden müssen,

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bis das Programmband fertiggestellt ist. Die für die zusätzlichen Arbeiten nötige Zeit beträgt das Zehnfache der eigentlichen Kopierzeit. In jedem Fall ist eine derartige Bearbeitung umständlich und zeitraubend. Im Zuge der Miniaturisierung von Farbfernsehkameras und Videomagnetbandgeräten werden zunehmend entsprechende Videomagnetbandaufnahmen im Freien durchgeführt,wobei jedoch die Arbeit der Programmzusammenstellung sehr mühsam ist und daher eine Automatisierung dieser Programmzusammenstellungsarbeit angestrebt wird. Die erfindungsgemäße Speicherplatte ist für diesen Zweck außerordentlich vorteilhaft. Wenn nämlich die Speicherplatte so ausgelegt wird, daß bei einer Umdrehung jeweils ein Bildfeld aufgezeichnet wird, sind die Signale benachbarter Bildfelder im Aufzeichnungsspurabstand (üblicherweise 1-2 iim) voneinander entfernt, so daß die Abtastnadel innerhalb der Zugriffzeit (d.h. der Vertikal-Austastperiode) von 1 ms über ein Mehrfaches von 10 um bewegt werden kann und 'somit, innerhalb dieser Zeitspanne eine weiteres ein Zugriff zu den in mehr als 10 Bildfeldern enthaltenen Informationen möglich ist. Weiterhin können zwei Wiedergabenadeln symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Drehmittelpunkts der Platte für die abwechselnde Abtastung je eines Schnitts angeordnet sein, so daß jeweils eine Nadel innerhalb weniger Sekunden an den nächsten Schnitt herangeführt werden kann, während mit der anderen Nadel eine Wiedergabeabtastung durchgeführt wird. Wenn dabei sämtliche Schnitte länger sind als die maximale Zugriffzeit., können diese Schnitte unter Erzeugung eines Reihensignals in der gewünschten Reihenfolge zusammengestellt werden, auch wenn sie an willkürlichen oder beliebigen Stellen auf der Platte aufgezeichnet sind. Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe der Speicherplatte ohne Bandschnitt oder Kopieren entsprechende Programme zusammenstellen. Gegenüber der bisherigen Video- oder Bildplatte ist es weiterhin mit Hilfe der erfindunqsgemäßen Speicherplatte möglich, ein Videosignal einfach aufzuzeichnen,das Signal ohne Notwendigkeit für eine Zwischenbehandlung wiederzugeben oder nach Belieben zu überspielen oder zu löschen. Infolgedessen kann der Arbeits- und Zeitaufwand bei der Programmzusammenstellung erheblich verringert werden, während

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sich auch der Freiheitsgrad bei der Programmzusammenstellung erweitern läßt.

Neben den genannten Zwecken eignet sich die erfindungsgemäße Speicherplatte auch als Speicher für einen elektronischen Rechner. Derzeit steht als Silizium-Vollplattenspeiche.r großen Durchmessers ein aus einem Chip bestehender 1-Megabit-Randomspeicher zur Verfügung, der im Vergleich zu anderen Halbleiterspeichern eine sehr hohe Aufzeichnungs- bzw. Speicherdichte besitzt^Dabei kann ein Megabit

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in einem Chip von 6 mm untergebracht werden, so daß 1 Bit eine

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Fläche von 6 um einnimmt.Dieser bisherige Speicher erfordert dabei eine Verdrahtung am Halbleiterelement, und sein Produktionsausbringen, ist gering. Im Gegensatz dazu benötigt die erfindungsgemäße Halbleiter-Speicherplatte keine Elektrodenverdrahtungen oder -anschlüsse am Halbleiterelement. Bei einer Platte mit 30 cm Durchmesser und mit einem Innendurchmesser von 15 cm, wobei die kleinste Bit Länge 0,2 um und der Spurabstand 1,5 um betragen, wird außerdem

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eine große Speicher- bzw. Aufzeichnungskapazität von 10 Bits gewährleistet* Wenn weiterhin der Durchmesser auf 40 cm vergrößert wird und Spurabstand sowie Aufzeichnungslänge für 1 Bit weiter verkleinert werden, läßt sich eine Aufzeichnungskapazität von einer Trillion Bits erzielen. Bei einer Kristall-Defektstellendichte

von 1/em besitzt eine Platte mit 30 cm Durchmesser nur 530 Defektstellen, wobei es möglich ist, die Adressen dieser Defektstellen in einer Speichervorrichtung abzuspeichern, so daß diese Stellen unbelegt bleiben. Die erfindungsgemäße Speicherplatte kann somit aufgrund ihrer sehr kompakten Konstruktion auch als Speichervorrichtung großer Kapazität für einen elektronischen Rechner eingesetzt werden.

Obgleich die Erfindung vorstehend anhand von scheiben- oder plattenförmigen Speichervorrichtungen beschrieben ist, ist sie auch auf band- oder folienförmige Halbleiter-Speichervorrichtungen anwendbar.

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Claims

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Tokyo Shibaura Denk! Kabushiki Kaisha, D-8000München 80

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; ■" . TI-55P344-3

14. Ma! 1980

Informations-Aufzeichnungsmedium sowie Aufzeichnungsund Wiedergabevorrichtung unter Verwendung eines sol-.-V-,-chen Aufzeichnungsmediums

Patentansprüche

J Informations-Aufzeichnungsmedium, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat, durch einen auf dessen einer Hauptfläche ausgebildeten ersten Isolierfilm und durch einen auf letzterem ausgebildeten zweiten Isolierfilm mit Ladungsspeicherfunktion, wobei eine als Aufzeichnungselektrode dienende Nadel (stylus) auf der Oberfläche des zweiten Isolierfilms relativ zu diesem bewegbar ist,- während zwischen Elektroden-Nadel und Halbleitersubstrat eine Aufzeichnungssignalspannung anlegbar ist, so daß aufgrund des Tunneleffekts der AufZeichnungssignalspannung entsprechende Ladungen durch den ersten Isolierfilm übertragen und im zweiten Isolierfilm gespeichert werden und damit eine Informations-Aufzeichnungsspur gebildet wird.
2. Informations-Aufzeichnungs- und -Wiedergabevorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat, durch einen auf dessen

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einer Hauptfläche ausgebildeten ersten Isolierfilm, durch einen auf letzterem ausgebildeten zweiten Isolierfilm mit einer Ladungsspeicherfunktion und durch ein Mittel zur Anlegung einer vorbestimmten Signalspannung zwischen eine Elektroden-Nadel und das Halbleitersubstrat, während sich die Elektroden-Nadel zur Aufzeichnung, Wiedergabe oder Löschung eines Signals auf der Oberfläche des zweiten Isolierfilms relativ zu diesem bewegt, wobei bei der Aufzeichnung eine Aufzeichnungsspannung zwischen der Elektroden-Nadel und dem Halbleitersubstrat längs einer Informations-AufZeichnungsspur angelegt wird, um dieser Spannung entsprechende Ladungen in einem Grenzschichtbereich des zweiten Insolierfilms zu speichern, welcher sich unmittelbar über dem ersten Isolierfilm und in Berührung mit der Spitze der Elektroden-Nadel befindet, und wobei bei der Informationswiedergabe eine Wiedergabespannung zwischen Elektroden-Nadel und Halbleitersubstrat angelegt wird, während sich die Elektroden-Nadel längs der Aufzeichnungsspur bewegt und dabei Änderungen der Größe einer im Halbleitersubstrat entsprechend dem Ladungsspeicherzustand des zweiten Isolierfilms gebildeten Verarmungsschicht in Form entsprechender Kapazitätsänderungen ausliest bzw. abgreift.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat eine monokristalline Silizium-Scheibe oder -Platte (wafer) ist und daß erster und zweiter Isolierfilm aus Siliziumdioxid (SiO_) bzw. Siliziumnitrid (Si-N.) bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat eine auf ein Glassubstrat aufgebrachte polykristalline Siliziumschicht ist und daß erster und zweiter Isolierfilm aus Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid bestehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche des Halbleitersubstrats eine Spiralrille entsprechend einer zu formenden Informations-Aufzeichnungsspur ausgebildet ist und daß die nacheinander auf dem Halbleitersubstrat ausgebil-

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deten ersten und zweiten Isolierfilme eine ähnliche Oberflächenkonfiguration besitzen wie die die Spiralrille aufweisende Substratoberfläche.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden-Nadel einen Nadelkörper aus einem harten, isolierenden Material und eine auf der einen Seitenfläche des Nadelkörpers ausgebildete rechteckige Metallelektrode aufweist.

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