DE69029478T2

DE69029478T2 - Verfahren und vorrichtung zum speichern numerischer informationen in form gespeicherter ladungen

Info

Publication number: DE69029478T2
Application number: DE69029478T
Authority: DE
Inventors: Robert Barrett; Calvin Quate
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-14
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2010-06-15
Also published as: EP0560757B1; JPH04502084A; WO1991000592A2; EP0560757A1; WO1991000592A3; DE69029478D1; JP2628790B2; EP0560757A4; US5132934A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Speichervorrichtung und insbesondere auf Speichervorrichtungen, die zum Lesen und Schreiben von Information in mit Halbleiterherstellungsverfahren hergestellten Speicherstrukturen Auslegerarme verwenden.
Das dichte Speichern von Information durch in dielektrischen Schichten gespeicherte Ladung wurde bisher in der Form elektrisch löschbarer programmierbarer Festspeicher (electrically erasable programmable read only memory 1 EEPROM) bewerkstelligt. Eine dünne Oxidschicht wird auf der Oberfläche eines Silziumsubstrats gebildet. Ein Siliziumnitridfilm wird dann über der Oxidschicht gebildet. Ein relativ starkes elektrisches Feld wird zwischen der Außenoberfläche des Nitridfilms und dem Siliziumsubstrat angelegt. Elektronen werden vom Siliziumsubstrat durch den dünnen Oxidfilm in die Nitridschicht getunnelt, wo die Elektronen in Fallen in der Nitridschicht gelangen. Die gefangene Ladung wird durch Erfassen der Kapazität zwischen einer auf dem Nitrid abgelagerten Metallelektrode und dem Substrat gelesen. Zur Bildung eines Felds von Speichervorrichtungen hat jede Speicherzelle eine eigene Metallelektrode, die in der Nitridschicht angeordnet ist und über ein geeignetes, auf dem Substrat ausgebildetes Leiternetz mit anderen Speicherzellen verbunden ist.
Im am 11. März 1986 erteilten und dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragenen US-Patent 4,575,822 von Quate mit dem Titel "Method and Means for Data Storage Using Tunnel Current Data Readout" ("Verfahren und Vorrichtung zur Datenspeicherung unter Verwendung des Lesens von Tunnelstromdaten") ist eine digitale Speichervorrichtung beschrieben, in der Daten dadurch gespeichert sind, daß Störungen an der Oberfläche des Substrats erzeugt werden. Eine Identifikation oder ein Lesen der Störungen wird dadurch bewerkstelligt, daß ein Tunnelelektronenstrom zwischen der "gestörten" Oberfläche des Substrats und einer beweglichen Sonde gemessen wird. Die Störungen sind struktureller, elektrischer oder magnetischer Art, so daß der Tunnelelektronenstrom durch die Störungen beeinflußt wird. Der Tunnelstrom wird dann zum Bestimmen der verschiedenen Datenelemente gemessen.
Ein Artikel von Martin et al. in Applied Physics Letters, Vol 52, Nr. 13, S. 1103-1105, 28. März 1988, mit dem Titel "High-resolution capacitance measurement and potentiometry by force microscopy" ("Hochauflösende Kapazitätsmessung und Potentiometrie durch Kraftmikroskopie") bezieht sich auf die Erfindung des atomaren Kraftmikroskops (AFM) und seine Fähigkeit räumliche Profile der Oberfläche von Isolatoren zu erstellen. Im Artikel von Martin werden EFM-Messungen elektrostatischer Kräfte durch Anlegen einer Spannung an eine Sondenspitze und die folgende Messung der kapazitiven Spitzen-Proben-Kräfte zwischen der Spitze und der zu messenden Oberfläche erörtert.
In einem Artikel von Iwamura et al. in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol ED-28, Nr. 7, Juli 1981, S. 854-860, mit dem Titel "Rotating NMOS Memory Device" ("Drehende NMOS- Speichervorrichtung") ist ein stationärer Elektrodenstift und eine sich drehende NOS-Scheibe beschrieben, die ein Siliziumsubstrat ist, auf dem eine dünne Oxid-Isolierschicht und ein Siliziumnitridfilm zur Ladungsspeicherung ausgebildet sind. Elektronen werden durch die Oxidschicht in Fallen im Nitridfilm injiziert. Als Spitze für den Stift wird mit Titankarbid beschichtetes Wolframkarbid verwendet.
In einem Artikel von Stern et al. in Applied Physics Letters, Vol 53, Nr. 26, S. 2717-2719, 26. Dezember 1988, mit dem Titel "Deposition and Imaging of Localized Charge on Insulator Surfaces using a Force Microscope" ("Ablagern und Abbilden lokaler Ladung auf Isolatoroberflächen unter Verwendung eines Kraftmikroskops") ist ein Verfahren zum Ablagern von Oberflächenladung auf einer Isolatorschicht beschrieben. Eine Ladung wird auf ein isolierendes Material abgelagert, indem über 25 Millisekunden ein Impuls mit einer Spannung von 100 V an eine Kraftmikroskopspitze angelegt wird. Die dabei verwendeten Isolatoren sind unter anderen Polymethylmethacrylat (PMMA), Einkristallsaphir, gespaltener Glimmer und geschmolzener Quarz.
In EP-A-0143470 ist eine Informationsaufzeichnungsmediumstruktur beschrieben, auf die Information geschrieben und von der Information gelesen werden kann. Das Medium weist ein Siliziumsubstrat auf, auf dem eine Siliziumoxidschicht ausgebildet ist. Auf der Siliziumschicht ist eine Silziumnitridschicht ausgebildet, wodurch ein Ladungsspeichermedium zum Speichern der Information in der Form gespeichert Ladung entsteht. Die Siliziumnitridschicht besteht aus zwei oder drei Unterschichten aus Siliziumnitrid unterschiedlicher Qualität. Eine der Schichten ist aus Material niedrigerer Qualität, das eine höhere Fallendichte aufweist als die vom Siliziumsubstrat am entferntesten liegende Schicht, die aus einem Material hoher Qualität gefertigt ist. Die Siliziumnitrid-Unterschichten haben eine Dicke in der Größenordnung von mehreren hundert Angström, wodurch sie ausreichend elektrische Ladung aufnehmen können, während die zum Aufzeichnen und Löschen benötigte Spannung niedrig gehalten und ein Nachlassen der Aufzeichnungs-, Wiedergabe- und Löschungseigenschaften verhindert wird.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, Informationsspeicherung in einem sehr dichten Feld vorzusehen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Informationsspeicherung in einem Feld vorzusehen, das unter Verwendung von Halbleiterspeichervorrichtungen hergestellt wurde.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Speichern und Abrufen digitaler Information in der Form gespeicherter Ladungen vorgesehen, das die Schritte vgn Anspruch 1 aufweist.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Speichern und Abrufen digitaler Information in der Form gespeicherter Ladungen nach Anspruch 5 vorgesehen.
Die dritte dielektrische Schicht aus zum Beispiel Siliziumdioxid, die als Blockierungsschicht dient, ist über der Ladungsspeicherungsschicht ausgebildet, wodurch Ladungen daran gehindert werden, durch das elektrische Feld aus der Ladungsspeicherungsschicht abgezogen zu werden. Dadurch kann die Ladungsspeicherungsschicht dünner gestaltet werden.
Die Speicherbereiche werden unter Verwendung eines Auslegerarms abgerufen, der ein freies Ende hat, an dem eine Spitze befestigt ist. Das Schreiben von Information in einen Ladungsspeicherungsbereich wird dadurch bewerkstelligt, daß die Spitze des Auslegerarms an die Oberfläche der zweiten Ladungsspeicherungsschicht oder in unmittelbare Nähe dazu gebracht wird. Günstigerweise kann dann ein elektrisches Feld zwischen der Auslegerspitze und dem Substrat angelegt werden, wodurch Ladungen dazu gebracht werden, durch die dünne Isolierschicht in die zweite Ladungsspeicherungsschicht zu tunneln, wo die Ladungen als gefangene Ladungen gespeichert werden.
Das Lesen von Information aus einem Ladungsspeicherungsbereich wird dadurch bewerkstelligt, daß die Spitze des Auslegerarms in unmittelbare Nähe zur Oberfläche der zweiten Isolierschicht gebracht und ein elektrisches Feld zwischen der Spitze und dem Substrat angelegt wird. Die Spitze wird je nach dem erwünschten Grad der Auflösung von der Oberfläche in einem Abstand zwischen 5 und 2000 Angström entfernt positioniert. Ein geringerer Abstand zwischen der Spitze und dem Substrat führt zu einer höheren Auflösung für die Speicherplätze der gespeicherten Ladungen. Jeder Speicherbereich bzw. -ort dient als ein Speicherplatz. Jeder Ladungsspeicherbereich kann in bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen eine Fläche umfassen, die einen Durchmesser von weniger als 50 bis über 2000 Angström hat. Daher ist es möglich, eine sehr dichte Speicherstruktur vorzusehen.
Das Anlegen eines elektrischen Felds zwischen der Spitze und dem Substrat erzeugt eine kapazitive Kraft, die auf die Spitze ausgeübt wird, was den Auslegerarm zu einer Ablenkung veranlaßt. Die Ablenkung des Auslegerarms wird dann erfaßt, wodurch eine Anzeige für die gespeicherte Information erhalten wird, die der Menge der gespeicherten Ladung in einem bestimmten Ladungsspeicherbereich entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zum Herstellen eines Speicherfelds durch Vorsehen von vielen einer Vielzahl von Speicherplätzen entsprechenden Ladungsspeicherbereichen geeignet.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden eine Anzahl von Speicherplätzen auf einer Kreisbahn auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat ist so beschaffen, daß es um eine Achse rotierbar ist, wodurch die Speicherplätze gegenüber der Spitze des Auslegerarms zum Zugreifen der Spitze auf die Speicherpläte bewegt werden können. Zum Erhalten einer größeren Speicherstruktur werden mehrere konzentrische Kreisbahnen zusammen mit einer Vorrichtung zum Bewegen der Spitze in einer radialen Richtung zur Rotationsachse des Substrats vorgesehen, wodurch die Spitze gegenüber jeder der Kreisbahnen angeordnet werden kann.
Nach einer Ausführungsform ist auch eine Vorrichtung zum Speichern von Information in mehreren Bahnen vorgesehen. Eine Gruppe von Streifen aus dotiertem, leitfähigem Substratmaterial werden in einem Substrat gebildet. Diese leitfähigen Streifen werden durch eine Gruppe isolierender Streifen voneinander getrennt, die sich zwischen den leitfähigen Streifen befinden und deren Leitfähigkeit gering ist. Eine isolierende, dielektrische Schicht wird über den Streifen gebildet. Eine zweite dielektrische Schicht wird über der Isolierschicht gebildet, wodurch Ladungsspeicherbereiche zum Speichern von Ladung entlang der durch die erste Gruppe von voneinander entfernten Streifen aus leitfähigen Streifen gebildet werden. Information wird unter Verwendung eines piezoelektrischen bimorphen Auslegerarms mit einer Spitze an dessen freiem Ende in diese Spuren hineingeschrieben, wenn die Spitze mit der Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht in Berührung gebracht wird und ein elektrisches Feld zwischen der Spitze und dem Substrat angelegt wird. Das elektrische Feld bringt Ladungen dazu, vom Substrat durch die Isolierschicht in die Ladungsspeicherungsschicht zu tunneln. Information wird von diesen Spuren gelesen, indem die Spitze von der Oberfläche der Ladungsspeicherungsschicht wegbewegt wird und eine elektrische Spannung zwischen der Spitze und dem Substrat angelegt wird. Dadurch wird eine kapazitive Kraft an der Spitze erzeugt, was zu einer Ablenkung des Auslegers führt. Der Grad der Ablenkung hängt von der Menge der an einem bestimmten Speicherplatz gespeicherten Ladung ab. Diese Ablenkung wird gemessen, wodurch eine Anzeige der an diesem Platz gespeicherten Information erstellt wird.
Andere Verfahren zum Bilden mehrfacher Datenspeicherspuren sind unter anderem die Bildung von Metallstreifen oder Rillen auf der Oberfläche eines Ladungsspeichermediums, die dazu verwendet werden, ein Abwandern der Spitze aus einer bestimmten Spur zu erfassen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1A einen Schnitt durch eine Auslegerspitze, die zum Schreiben von Information in eine Speichervorrichtung positioniert ist, wobei die Speichervorrichtung aus einem Substrat hergestellt wurde, auf dem eine Siliziumdioxidschicht und eine Siliziumnitridschicht ausgebildet sind, wodurch ein Ladungsspeicherbereich erzeugt wurde,
Fig. 1B einen Schnitt durch eine Speichervorrichtung, die unter Verwendung einer zusätzlichen über der Siliziumnitridschicht von Fig. 1A nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gebildete Siliziumdioxid-Blockierschicht erzeugt wurde,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Auslegerspitze, die zum Lesen zuvor gespeicherter Information positioniert ist,
Fig. 3 eine detailliertere Ansicht eines Teils des Schnitts von Fig. 1,
Fig. 4 eine schematische Draufsicht einer rotierenden Scheibe mit einer Anzahl von Spuren, in denen Ladungsspeicherbereiche angeordnet sind,
Fig. 5 einen Schnitt durch ein Halbleitersubstrat mit einer Anzahl von Streifen, von denen jeder zweite dotiert ist, wodurch eine Gruppe leitfähiger Streifen gebildet wird, die von einer weiteren Gruppe nicht so leitfähiger Streifen voneinander getrennt wird, wobei beide Gruppen von Streifen mit einer Schicht aus Siliziumdioxid und mit einer Schicht aus Siliziumnitrid überdeckt werden, wodurch Speicherbereiche über den darunter liegenden leitfähigen Streifen gebildet werden,
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 6-6 des Substrats von Fig. 5,
Fig. 7 einen Schnitt durch eine Nitridspeicherschicht mit einer Reihe von Spuren, die durch Metallablagerungen auf der Oberfläche der Nitridschicht definiert sind, und
Fig. 8 einen Schnitt durch eine Nitridspeicherschicht mit einer Reihe von Spuren, die durch in die Oberfläche der Nitridschicht geritzte Rillen definiert sind.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Speichern von Information in einem sehr dichten Feld in der Form von Ladungen in Kapazitanzen, die durch Verarmungsbereiche im Halbleitersubstrat erzeugt werden. Die vorliegende Erfindung basiert auf Verfahren und Strukturen, die unter Verwendung von Siliziumhalbleiterherstellungsverfahren hergestellt werden, in Kombination mit einer Technik, die Rasterkraftmikroskopie und atomarer Kraftmikroskopie ähnlich ist.
Fig. 1A zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung 10 zum Speichern digitaler Information. Ein Substrat 12 aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Metall, oder Halbmetall oder aus einem Halbleiter, wie zum Beispiel Silizium ist vorgesehen. Auf der oberen Oberfläche des Substrats 12 ist eine dünne erste dielektrische Schicht 14 ausgebildet. Diese erste Schicht 14 ist zum Beispiel eine Schicht aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 20 Angström. Eine zweite dielektrische Schicht 16 wird auf der ersten Schicht 14 gebildet. Diese zweite Schicht 16 ist zum Beispiel eine Schicht aus Siliziumnitrid mit einer typische Dicke in der Größenordnung von einigen hundert Angström oder weniger. Die Siliziumnitridschicht 16 bildet einen Ladungsspeicherbereich zum Speichern von Information in der Form darin gefangener Ladungen. Die Nitridschicht 16 wird so dick gemacht, daß Ladungen, die durch die relativ dünne erste Schicht aus Silizuimdioxid tunneln, nicht ganz durch die Nitridschicht gelangen, ohne darin gefangen zu bleiben. Eine dünnere Nitridschicht führt dazu, daß ein angelegtes elektrisches Feld auf einen kleineren Bereich beschränkt bleibt, so daß zwischen benachbarten Ladungsspeicherbereichen die Auflösung erhöht wird.
Fig. 1B zeigt eine weitere alternative Anordnung der Anordnung 20 zum Speichern digitaler Information nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform Die folgende Erörterung bezüglich Fig. 1A gilt auch für diese alternative Anordnung. Auf der oberen Oberfläche eines dotierten Substrats 22 wird eine erste dünne dielektrische Schicht 24 aus Siliziumoxid mit einer Dicke von 20 Angström gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird eine dünnere zweite dielektrische Schicht 26 aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von 40 Angström über der ersten dielektrischen Schicht 24 gebildet. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die zweite Schicht 26 dünner sein als in der ersten in Fig. 1A gezeigten Ausführungsform, da eine dritte dielektrische Schicht 28 über dem Siliziumnitrid gebildet wird. Diese dritte Schicht 28 wird zum Beispiel aus Siliziumdioxid gebildet und als Blockierungsoxid bezeichnet, da es gefangene Ladungen daran hindert, aus der zweiten Ladungsspeicherschicht 26 zu entkommen.
In Fig. 1A ist ein piezoelektrischer bimorpher Auslegerarm 30 gezeigt, der an einem Ende an einer Trägerbasis 31 befestigt ist. Auf dem freien Ende des piezoelektrischen Auslegerarms 30 ist eine scharfe Spitze 32 angebracht. Der piezoelektrische bimorphe Auslegerarm 30 ist in der am 27. Januar 1988 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 149,236, die am 6. März 1990 als US-Patent Nr. 4,906,840 erteilt und dem gleichen Rechtsnachfolger wie der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, beschrieben. Der piezoelektrische bimorphe Auslegerarm 30 ist ein flexibles Element, das eine Trägerschicht und eine oder mehrere piezoelektrische Schichten aufweist, die zum Beispiel aus Zinkoxid unter Verwendung bekannter Herstellungsverfahren gebildet wurden. Auslegerarme mit piezoelektrischen Schichten werden in zwei Betriebsarten eingesetzt. Durch Anlegen geeigneter Steuerspannungen an die piezoelektrischen Schichten einer Auslegerarmstruktur wird das freie Ende des Arms mit der darauf angebrachten Spitze abgelenkt, so daß die Spitze je nach Konstruktionsweise und Lage der piezoelektrischen Schichten des Arms vertikal und sogar horizontal positioniert werden kann. Durch Überwachen der beim Ablenken der Spitze durch Kräfte von außen enstehenden piezoelektrischen Spannungen kann der Grad der Ablenkung der Spitze gemessen werden.
Zum Speichern von Information in der Siliziumnitridschicht 16 wird zwischen dem Substrat 12 und der Spitze 32 ein starkes elektrisches Feld angelegt. Dadurch werden Elektronen zum Tunneln vom Siliziumsubstrat 12 durch die dünne Siliziumdioxidschicht 14 in die Nitridschicht 16 veranlaßt, wo sie in der Nitirdschicht 16 gefangen werden. Bei bekannten Speichervorrichtungen, wie zum Beispiel bei elektrisch löschbaren programmierbaren Festspeichervorrichtungen (electricallyerasable programmable read-only memory devices / EEPROMs), die den Elektronen-Tunnelmechanismus verwenden, wird die gefangene Ladung der jeweiligen Speicherzelle dadurch gelesen, daß die Kapazität einer Speicherzelle gemessen wird. Beim Stand der Technik ist in jeder Zelle eine eigene Metallelektrode, die direkt auf der Nitridschicht abgelagert ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die abgelagerte Metallelektrode durch eine Spitze am freien Ende des piezoelektrischen Auslegerarms ersetzt, die in zwei verschiedenen Betriebsarten arbeitet: Zum Schreiben von Information in der Form von Ladungen in Speicherplätze in der Nitridschicht 16 tritt die Auslegerspitze 32 mit der Oberfläche der Nitridschicht 16 in Kontakt oder kommt sehr nahe an diese heran, und eine Ladung wird in der Nitridschicht gespeichert. Zum Lesen von Information in der Form gespeicherter Ladungen wird der piezoelektrische Arm mit der am Ende angebrachten Spitze als ein atomares Kraftmikroskop (AFM) betrieben, wobei die Ablenkung der Spitze gemessen wird.
Zum Schreiben von Information in der Form von Ladung in die Nitridschicht 16 kommt das Ende der Spitze 32 mit der Oberfläche der Nitridschicht 16 in Kontakt oder in deren unmittelbare Nähe, und zum Erzeugen eines elektrischen Felds wird zwischen der Spitze und dem Substrat 12 eine Spannung angelegt. Wenn das Feld stark genug ist, tunneln Elektronen durch die Oxidschicht 15, jedoch ist es nicht nötig, daß diese Elektronen wie in einem Rastertunnelmikroskop STM durch die Nitridschicht hindurch gelangen, da man hier an einem Speichern dieser Ladungen in der Nitridschicht interessiert ist. Dabei ist nur nötig, daß die Elektronen so weit gelangen, daß sie an den Speicherplätzen in der Nitridschicht 16 gespeichert werden, wobei die Nitridschicht 16 als eine Ladungsspeicherungsschicht dient. Bei dieser beschriebenen Anordnung von Schichten wird davon ausgegangen, daß die Ladung über die gesamte Nitridschicht hinweg in der Nitridschicht 16 selbst gespeichert ist, döch ist die Verteilung von Ladung in dieser Schicht nicht bekannt. Man geht davon aus, daß die Ladung jedenfalls zum Teil bei bestimmten Defekten in der Nitridschicht gespeichert ist. Die gespeicherte Ladung ist nicht auf Elektronen beschränkt, sondern besteht manchmal wahrscheinlich auch aus Löchern. Bei dieser Erfindung bezieht sich Ladung sowohl auf Elektronen als auch auf Löcher.
Die Spitze 32 des Auslegerarms berührt die Oberfläche der Nitridschicht 16. Der Radius der Spitze ist sehr klein, so daß der Bereich der Nitridschicht, der vom elektrischen Feld beeinflußt wird bzw. diesem gegenüberliegt, auch sehr klein ist. Dadurch können die Speicherplätze für jedes "Bit" Information auch sehr klein gehalten werden, mit einem Durchmesser, der typischerweise von weniger als 50 bis über 2000 Angström reicht. Dadurch wird die Speichervorrichtung sehr dicht. Das Löschen von Information in der Form in der Nitridschicht gespeicherter Ladung wird durch Tunneln von Ladung aus der Nitridschicht wieder zurück in das Siliziumsubstrat bewerkstelligt, indem an die Spitze eine Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird und dadurch Ladungen aus der Nitridschicht herausgetrieben werden.
Für die Lesebetriebsart zeigt Fig. 2 einen Schnitt der Vorrichtung 10 zum Lesen bzw. Erfassen der Anwesenheit von in der Nitridschicht 16 gespeicherter Ladung. Bei dieser Betriebsart wird der piezoelektrische Auslegerarm 30 mit seiner Spitze als ein atomares Kraftmikroskop betrieben. Die Spitze wird von der Oberfläche der Nitridschicht 16 um einen Abstand d von ungefähr 5 bis 2000 Angström entfernt. Je größer der Abstand ist, den die Spitze von der Oberfläche der Nitridschicht 16 entfernt ist, desto geringer ist die Auflösung des Systems beim Lesen von Information, da die der Spitze gegenüberliegende Fläche vergrößert wird.
Eine wechselspannung von zum Beispiel 1 mV bis zu 1 V kann außerdem angelegt werden, wodurch eine elektrisches Feld zwischen der Spitze 32 und dem Substrat 12 angelegt wird. Dadurch wird eine zusätzliche kapazitive Kraft an der Spitze erzeugt, die die gleiche Art Kraft ist, die zwischen den Platten eines Kondensators herrscht, wenn an die Platten eine Spannung angelegt wird. Diese Kraft kommt von der Coulomb- Anziehung zwischen Ladungen mit unterschiedlichem Vorzeichen, die an den zwei Platten des Kondensators induziert werden. Auf ähnliche Weise induziert das zwischen der Spitze und dem Substrat erzeugte Feld Ladungen mit verschiedenen Vorzeichen an der Spitze und an den Schichten. Dadurch wird eine Anziehungskraft erzeugt, die durch Erfassen der Ablenkung des die Spitze tragenden Auslegers gemessen wird.
Zum Lesen der in der Nitridschicht 16 gespeicherten Information wird die Spannung an der Spitze 32 angelegt, und die Spitze 32 wird über die Oberfläche der Nitridschicht 16 geführt. Während die Spitze 32 über die Oberfläche geführt wird, ändert sich die auf die Spitze wirkende Kraft, wenn sich die Ladung in der Nitridschicht 16 und an der Spitze 32 ändert. Dadurch wird eine Veränderung der Ablenkung des freien Endes des Auslegerarms verursacht. Diese Ablenkung wird durch herkömmliche Einrichtungen erfaßt, wodurch Information über die Menge in der Nitridschicht 16 gespeicherter Ladung gegeben wird. Eine Ablenkung des Auslegerarms kann auch dadurch erfaßt werden, daß ein piezoelektrischer Arm verwendet wird, der eine wechselwirkende Vorrichtung ist. Eine an den piezoelektrischen Arm angelegte Spannung führt zu einer Ablenkung des Arms. Folglich führt auch eine eine Ablenkung des Arms zu einer Spannung am piezoelektrischen Arm. Die Spannung kann zum Erfassen der Ablenkung des Arms überwacht werden.
Beim Führen der Spitze 32 über die Substratoberfläche kann sich die Ladung zwischen der Spitze und dem Substrat verändern und als Information erfaßt werden. Ein Verfahren zum Lesen der Daten ist das Erfassen der Coulomb-Kraft zwischen der in der Nitridschicht gespeicherten Ladung und der Ladung an der Spitze (die entweder durch die gespeicherte Ladung induziert wurde oder durch Anlegen einer Spannung an die Spitze dort erzeugt wurde).
Wenn bei dem System eine Spannung angelegt wird, ändert sich der Wert der effektiv zwischen der Spitze und dem Substrat erzeugten Kapazität aufgrund des Verarmungsbereichs 37 (Fig. 3A), der durch die in der Nitridschicht 16 gespeicherte Ladung gebildet wird. Wenn die Abtastspitze sich in unmittelbarer Nähe gespeicherter Ladungen befindet, ändert sich die zwischen der Spitze und dem Substrat wirksame Kapazität. Dies wird außerdem durch das atomare Kraftmikroskop als eine kapazitive Kraft am Auslegerarm erfaßt. Fig. 3A zeigt eine Gruppe von mehreren negativen Ladungen 34, die in der Nitridschicht 16 gespeichert sind. Der Verarmungsbereich 37 enthält eine entsprechende Gruppe positiver Ladungen 36. Die Kapazität 38 des Verarmungsbereichs wird, wie oben beschrieben, erfaßt.
Fig. 3B zeigt detaillierter einen nicht maßstabsgetreu vergrößerten Teil von Fig. 1. Drei Gruppen 40, 42, 44, die typischerweise mehrere Ladungsspeicherbereiche negativer Ladung repräsentieren, sind nebeneinander in der Nitridschicht 16 liegend dargestellt. Die Auslegerspitze 32 wird an den jeweiligen Bereich herangebracht, damit so auf die im jeweiligen Bereich als Ladung gespeicherte Information zugegriffen werden kann.
Fig. 4 zeigt Vorrichtungen 50, bei denen mehrere Ladungsspeicherplätze auf einem Substrat 52 in konzentrischen kreisförmigen Spuren angeordnet sind, die zur Verdeutlichung als Spuren 0-3 bezeichnet sind. In der Praxis werden eine große Anzahl - in der Größenordnung von Tausenden - konzentrischer Spuren erzeugt, um eine dichte Datenspeicherung zu erzielen. Das Substrat wird in Scheibenform hergestellt und dreht sich um die Achse der kreisförmigen Bahnen, wodurch die verschiedenen Ladungsspeicherplätze bzw. -bereiche im Verhältnis zur Spitze einer fest auf einer beweglichen Trägerbases 31 angebrachten Auslegerarmanordnung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, bewegt werden. Eine Präzisionspositionierungsvorrichtung 54 verwendet herkömmliche Einrichtungen zum Positionieren der auf der Basis 31 angebrachten Auslegeranordnung in einer radialen Richtung zum selektiven Positionieren der Spitze bei einer ausgewählten Spur. Eine große Zahl von Ladungsspeicherplätzen sind in jeder Spur vorhanden, und eine Anzahl von Spuren sind auf jeder Scheibe vorgesehen, wodurch eine erfindungsgemäße hochdichte Speichervorrichtung zum Speichern und Abrufen von Information vorgesehen wird.
Fig. 5 und 6 zeigen einen Schnitt durch ein Halbleitersubstrat 60 mit einer ersten darauf ausgebildeten Gruppe vertikal gestapelter leitfähiger Schichten 62 aus dotiertem Halbleitermaterial. Die vertikal gestapelten leitfähigen Schichten 62 sind durch eine weitere Gruppe von Schichten 64 mit niedriger Leitfähigkeit voneinander getrennt, deren Leitfähigkeit wesentlich geringer ist als die der danebenliegenden dotierten Schichten 62, wodurch eine elektrische Isolation zwischen nebeneinanderliegenden leitfähigen Schichten 62 vorgesehen wird. Die Dicke der niedrigleitenden Schichten 64 ist in der Größenordnung von 100 Angström. Jeder Schichttyp 62, 64 wird zum Beispiel dadurch hergestellt, daß aufeinanderfolgende Atomschichten auf einem als Substrat dienenden Siliziumwafer aufgebaut werden, wobei bekannte epitaxiale Molekülstrahlverfahren verwendet werden. Das Substrat und die darauf ausgebildeten Schichten werden mit einer Oberfläche 66 versehen, die entlang einer Kante des Substrats 60 und der gestapelten Schichten 62, 64, wie in den Zeichnungen angegeben, gebildet wird. Auf dieser Oberfläche 66 werden eine Schicht aus Siliziumdioxid 68 und eine Schicht aus Siliziumnitrid 70 gebildet. Darauf werden Spuren von Ladungsspeicherbereichen über den leitfähigen Schichten 62 gebildet. Die Teile der Nitridschicht 70 über der niedrigen Leitfähigkeit speichern keine Ladung und dienen als Isolationszonen zwischen den über den leitfähigen Schichten 62 gebildeten Ladungsspeicherungsspuren. Diese Spuren dehnen sich seitlich in Richtungen aus, die durch die Doppelpfeile 72 in Fig. 6 angegeben sind. Ein Auslegerarm 30 mit einer Spitze 32 ist an einem Teil 31 der Basis, wie gezeigt, befestigt. Die Auslegerarmanordnung bewegt sich von Spur zu Spur, wie durch den Doppelpfeil 74 gezeigt, entlang eines Pfads 76, wie in Fig. 5 dargestellt. Es sind Einrichtungen zum seitlichen Bewegen des Auslegerarms 30 und seiner Spitze 32 in Richtungen vorgesehen, die durch den Doppeipfeil 72 angezeigt sind.
Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Beispiel einer Anordnung zum Vorsehen von Ladungsspeicherspuren in verschiedenen Konfigurationen, wie zum Beispiel in linearer oder kreisförmiger Konfiguration. Auf der oberen Oberfläche eines Siliziumsubstrats 12 ist eine Siliziumdioxidschicht 14 gebildet. Über der Oxidschicht 14 wird eine Siliziumnitridschicht 16 gebildet. Über die obere Oberfläche der Nitridschicht 16 in einer Richtung, die senkrecht zu Ebene der Figur verläuft, erstrecken sich eine Reihe dünner Filmstreifen 70 aus Metall oder aus anderem leitfähigem Material, die im Schnitt dargestellt sind. Diese Streifen 70 dienen als Oberflächenbegrenzungsmarkierungen für eine Reihe von Ladungsspeicherspuren 72. Jede Spur 72 ist in der Nitridschicht 16 zwischen zwei Streifen 70 angeordnet. Da die Streifen 70 andere Eigenschaften haben als die Siliziumnitridschicht 16, werden die Streifen 70 durch ein STM- oder AFM-System erfaßt, wodurch angegeben wird, daß die Spitze 32 aus der Spur gelaufen ist. Die Streifen 70 werden unter Verwendung bekannten Herstellungsverfahren, zum Beispiel durch Röntgenlithographie, hergestellt.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Beispiel einer Anordnung zum Vorsehen von Ladungsspeicherspuren in verschiedenen Konfigurationen. Die Nitridschicht 16 weist nun eine Reihe von Rillen 80 auf, die in ihrer Oberfläche, wie in der Zeichnung zu sehen, ausgebildet sind. Die Rillen werden durch verschiedene Verfahren erzeugt, wie zum Beispiel durch Ätzen unter Verwendung herkömmlicher Verfahren. Ein mechanisches Einritzen der Oberfläche der Nitridschicht 16 mit einer Spitze eines STM oder AFM ist eine weitere Möglichkeit zum Erzeugen solcher Rillen. Die Eigenschaften der Rillen 80 im Vergleich zu den dazwischen liegenden Ladungsspeicherbereichen 82 werden auch durch ein STM- oder AFM-System erfaßt und dadurch die Auslegerspitze 32 in der Spur gehalten.
Die obigen Beschreibungen spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Illustration und Beschreibung angeführt. Sie sind nicht als erschöpfend oder die Erfindung auf genau die beschriebenen Ausführungsformen einschränkend zu verstehen. Die Ausführungsformen wurden so ausgewählt und beschrieben, daß dadurch die Prizipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten beschrieben werden konnten, wodurch Fachleuten auf diesem Gebiet ein optimales Anwenden der Erfindung und verschiedener Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, wie sie der bestimmten angestrebten Anwendung am besten zugute kommen, ermöglicht werden soll. Der Umfang der Erfindung soll durch die Patentansprüche definiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Speichern und Abrufen digitaler Information in der Form gespeicherter Ladungen mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines Ladungsspeichermediums (22, 24, 26, 28) mit einem Ladungsspeicherbereich (40, 42, 44) zum Speichern und Abrufen von Information, wobei das Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) eine von einer elektrisch leitenden Spitze (32) abgetastete Oberfläche hat und das Ladungsspeichermedium ein Halbleitersubstrat (22) mit einer Oberfläche, auf der eine erste dünne isolierende dielektrische Schicht (24) ausgebildet ist, eine auf der ersten dielektrischen Schicht (24) ausgebildete zweite dielektrische Schicht (26) zum Bereitstellen eines Ladungsspeicherbereiches (40, 42, 44) zum Speichern und Abrufen von Information in Form gefangener Ladung und eine dritte dielektrische Schicht (28), die auf der zweiten dielektrischen Schicht (26) ausgebildet ist und aus einem isolierenden Material besteht, aufweist, wobei die dritte dielektrische Schicht (28) als eine Sperrschicht zum Verhindern, daß Ladung durch das elektrische Feld von der das Ladungsspeicherbereich (40, 42, 44) bereitstellenden zweiten dielektrischen Schicht (26) abgezogen wird, dient,

- Schreiben von Information in das Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) durch Positionieren der elektrisch leitenden Spitze (32) an der oder in nächster Nähe zur Oberfläche des Ladungsspeichermediums (22, 24, 26, 28) und Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen die elektrisch leitende Spitze (32) und das Halbleitersubstrat (22), um Ladungen zu veranlassen, aus dem Substrat (22) durch die erste dünne dielektrische Schicht (24) in die zweite dielektrische Schicht (26), wo die Ladungen als gefangene Ladungen gespeichert werden, zu tunneln, und

- Information aus dem Ladungsspeicherbereich (40, 42, 44) mit der elektrisch leitenden Spitze (32) lesen, dadurch gekennzeichnet, daß

die elektrisch leitende Spitze (32) auf dem freien Ende eines flexiblen Auslegerarms (30) angeordnet ist und Information aus dem Ladungsspeicherbereich (40, 42, 44) gelesen wird durch Positionieren der elektrisch leitenden Spitze (32) beabstandet von der Oberfläche des Ladungsspeichermediums (22, 24, 26, 28) und Erfassen der Anwesenheit von im Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) gespeicherter Ladung durch Messen der Ablenkung des flexiblen Auslegerarms (30), die durch Ladung hervorgerufen wird, die im Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) gespeichert ist, um eine Anzeige der darin gespeicherten Information zu liefern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (22) aus Silizium gebildet ist und die zweite dielektrische Schicht (26) aus Siliziumnitrid gebildet ist und eine Dicke von weniger als einige hundert Angström hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte dielektrische Schicht (24, 28) aus Siliziumdioxid gebildet sind und die zweite dielektrische Schicht (26) aus Siliziumnitrid gebildet ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens mehrerer untereinander beabstandeter Spuren in dem Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28), um so darin Positionen zu definieren, an denen Information gespeichert ist.

5. Vorrichtung zum Speichern und Abrufen digitaler Information in der Form gespeicherter Ladungen mit

- einer elektrisch leitenden Spitze (32),

- einem Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) mit einem Ladungsspeicherbereich (40, 42, 44) zum Speichern und Abrufen von Information, wobei das Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) eine von der elektrisch leitenden Spitze (32) abgetastete Oberfläche hat und das Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) ein Halbleitersubstrat (22) mit einer Oberfläche, auf der eine erste dünne isolierende dielektrische Schicht (24) ausgebildet ist, eine auf der ersten dielektrischen Schicht (24) ausgebildete zweite dielektrischen Schicht (26) zum Bereitstellen eines Ladungsspeicherbereiches (40, 42, 44) zum Speichern und Abrufen von Information in Form gefangener Ladung und eine dritte dielektrische Schicht (28), die auf der zweiten dielektrischen Schicht (26) ausgebildet ist und aus einem isolierenden Material besteht, aufweist, wobei die dritte dielektrische Schicht (28) so ausgebildet ist, daß sie als Sperrschicht dient, die verhindert, daß Ladung von der das Ladungsspeicherbereich (40, 42, 44) bereitstellenden zweiten dielektrischen Schicht (26) abgezogen wird,

- einer ersten Einrichtung (54) zum Schreiben von Information in das Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) durch Positionieren der elektrisch leitenden Spitze (32) an der oder in nächster Nähe zur Oberfläche des Ladungsspeichermediums (22, 24, 26, 28) mit Einrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen die elektrisch leitende Spitze (32) und das Halbleitersubstrat (22), um Ladungen zu veranlassen, aus dem Substrat (22) durch die erste dünne dielektrische Schicht (24) in die zweite dielektrische Schicht (26), wo die Ladungen als gefangene Ladungen gespeichert werden, zu tunneln, und

- einer zweiten Einrichtung (54) zum Lesen von Information aus dem Ladungsspeicherbereich (40, 42, 44) unter Benutzung der elektrisch leitenden Spitze (32), dadurch gekennzeichnet, daß

- die elektrisch leitende Spitze (32) auf dem freien Ende eines flexiblen Auslegerarms (30) angeordnet ist und

- die zweite Einrichtung (54) zum Positionieren der elektrisch leitenden Spitze (32) beabstandet von der Oberfläche des Ladungsspeichermediums (22, 24, 26, 28) eingerichtet ist und Einrichtungen zum Messen der Ablenkung des flexiblen Auslegerarms (30), die durch Ladung hervorgerufen wird, die im Ladungsspeicherbereich (40, 42, 44) gespeichert ist, um eine Anzeige der darin gespeicherten Information zu liefern, aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (22) aus Silizium gebildet ist und die zweite dielektrische Schicht (26) aus Siliziumnitrid gebildet ist und eine Dicke von weniger als einige hundert Angström hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte dielektrische Schicht (24, 28) aus Siliziumdioxid gebildet sind und die zweite dielektrische Schicht (26) aus Siliziumnitrid gebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (22) eine Anzahl Streifen (70) von darin geformtern Substratmaterial aufweist, wobei die Substratmaterialstreifen eine erste Gruppe untereinander beabstandeter Streifen, die Spuren definieren und eine erste Leitfähigkeit haben, aufweisen und wobei die Streifen des Materials des Substrats (22) eine zweite Gruppe untereinander beabstandeter Streifen aufweisen, die mit der ersten Gruppe untereinander beabstandeter Streifen verschachtelt sind und eine Leitfähigkeit haben, die geringer ist als die Leitfähigkeit der ersten Gruppe untereinander beabstandeter Streifen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch mehrere untereinander beabstandete Spuren (72) in dem Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28), die darin Positionen definieren, an denen Information gespeichert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren untereinander beabstandeten Spuren in dem Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) in der Oberfläche des Ladungsspeichermediums (22, 24, 26, 28) ausgebildete Rillen aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren untereinander beabstandeten Spuren in dem Ladungsspeichermedium (22, 24, 26, 28) untereinander beabstandete Metallstreifen (70) auf der Oberfläche des Ladungsspeichermediums (22, 24, 26, 28) aufweisen.