JP2002359351A - データ記憶装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の1つ以上の問題を回避する電子エミッタを用
いたテ゛ータ記憶装置の提供。 【解決手段】本発明は、電子ヒ゛ーム流を生成して電子ヒ゛ーム
を放出するように適合され、平坦な放出表面(718)を有
する電子エミッタ(108)と、電子エミッタに近接して配置され、
データを表す少なくとも2つの異なる状態を可能にする
記憶領域(400)を有する記憶媒体とからなるテ゛ータ記憶装
置(100)に関し、記憶領域の状態は、電子エミッタによって
放出される電子ヒ゛ームによるホ゛ンハ゛ート゛に応じて変更可能で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はデータ記憶装置に関
する。より詳細には、本発明は、バリスティック（ball
istic）または準バリスティック電子エミッタを組み込
むデータ記憶装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】研究者達は、磁気ハードドライブ、光ド
ライブおよびダイナミックランダムアクセスメモリ（Ｄ
ＲＡＭ）のようなデータ記憶装置の記憶密度を高めると
ともに、コストを削減する試みを続けている。しかしな
がら、それより下では室温で磁気ビットが安定しない、
超常磁性限界のような基本的な限界に起因して、記憶密
度を高めることはますます難しくなってきている。

【０００３】記憶装置の記憶密度を高めるために、いく
つかのアプローチが用いられている。１つのアプローチ
は走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）技術に基づく。その
ようなアプローチでは、プローブが記憶媒体に非常に近
接して配置される。一例が原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で
あり、原子間力顕微鏡では、プローブが記憶媒体と物理
的に接触する。別の例は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）であり、走査型トンネル顕微鏡では、プローブが記
憶媒体から数ｎｍ（ナノメートル）内に配置され、プロ
ーブが確実に媒体のトンネル効果範囲内に入るようにす
る。これらのアプローチを通して、ある程度の成果が収
められているが、プローブおよび／または媒体の表面に
最後まで損傷を与えることなく、記憶媒体と接触する、
または記憶媒体に非常に接近しているプローブを有する
記憶装置を安価に形成することは容易ではない。さら
に、ＳＴＭにおいては、間隔が精密に調整されなければ
ならない。当業者には知られているように、そのような
調整を達成するのは困難である。

【０００４】ＳＰＭに関連する問題に鑑みて、他の研究
者達は、非常に接近させる必要性のない方法を開発して
いる。１つのそのような技術は、近視野走査型光学顕微
鏡（ＮＳＯＭ）に基づく。近接性の問題は回避される
が、この技術は、横方向分解能および帯域幅を制限し、
それゆえ応用性が制限される。非接触ＳＦＭに基づく他
の技術も開発されているが、これらの技術は典型的に
は、分解能が不十分であり、信号対雑音比が小さい。

【０００５】高記憶密度を達成できる場合であっても、
有効に実施するには障害がある。１つのそのような障害
は、記憶装置に格納されたデータにアクセスするのに必
要な時間である。具体的には、格納されたデータを検索
するのに長い時間を要する場合には、その記憶装置の有
用性が制限される。したがって、高記憶密度の他に、デ
ータに高速にアクセスできなければならない。

【０００６】最近では、記憶装置に用いることができ、
かつ上記の問題を回避することができる、半導体による
電子源が開発されている。そのようなデータ記憶装置の
一例が、米国特許第５，５５７，５９６号に記載され
る。その特許に記載された装置は、記憶媒体に面する電
子放出表面を有する多数の電子源を含む。書込み動作
中、電子源は、比較的高い密度の電子ビームで記憶媒体
に衝撃を加える。読出し動作中、電子源は、比較的低い
密度の電子ビームで記憶媒体に衝撃を加える。そのよう
な装置は有利な結果をもたらす。たとえば、そのような
装置内の記憶ビットのサイズは、電子ビームの直径を小
さくすることにより低減され、それにより記憶密度およ
び容量が増加し、記憶コストが削減される。

【０００７】米国特許第５，５５７，５９６号に記載さ
れた１つのタイプの電子源は、「Spindt」エミッタであ
る。その特許に記載されたように、そのようなエミッタ
は、結果的に電子ビームを放出することができる先端部
になる円錐形状を有する。典型的には、その先端部は、
動作電圧を低減し、非常に集束された電子ビーム径を達
成するために、できる限り鋭くなるように形成される。
残念ながら、Spindtエミッタを利用することにより、他
の問題が生じるようになる。第１に、鋭いエミッタ先端
部を製造するのは難しく、コストが高くつく。さらに、
Spindt先端部からの電子ビームを、時間的および空間的
に安定した態様で集束することは難しい。さらに、その
ような集束をもたらす電子光学系は、複雑になる可能性
がある。さらに、Spindtエミッタは、不十分な真空状態
で良好に動作しない。これらの問題は特に、電子ビーム
径が１００ｎｍ未満に小さくされると顕著になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のことから、理解
されるように、電子エミッタを利用するが、上記の認識
されている１つ以上の問題を回避するデータ記憶装置を
得ることが望まれる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、電子ビームを
放出するように適合され、それぞれ平坦な放出表面を有
する複数の電子エミッタと、電子エミッタに近接して配
置され、データを表す少なくとも２つの異なる状態を可
能にする複数の記憶領域を有する記憶媒体とからなるデ
ータ記憶装置に関し、記憶領域の状態は、電子エミッタ
によって放出される電子ビームによるボンバード（衝
撃）に応じて変更可能であり、データは、記憶領域の状
態を変更することにより装置に書き込まれ、その記憶領
域に関連する現象を観測することにより装置から読み出
される。

【００１０】さらに、本発明はデータを格納するための
方法に関し、その方法は、平坦な放出表面を含む電子エ
ミッタから電子ビームを放出するステップと、その電子
ビームを複数の記憶領域からなる記憶媒体に向けるステ
ップと、記憶領域の状態を変更するように、電子を含む
記憶領域の１つに電子ビームで衝撃を加えるステップと
からなる。典型的には、必ずというわけではないが、そ
の方法は、電子を含む記憶領域の１つに低電子ビーム流
で衝撃を加えるステップと、記憶領域においてその作用
を観測するステップとをさらに含む。

【００１１】本発明の特徴および利点は、添付の図面に
関連して参酌した場合に、以下の明細書を読むことによ
り明らかになるであろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、添付の図面を参照する
ことにより、より良く理解され得る。図面の構成要素
は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではなく、
代わりに本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれ
ている。

【００１３】ここで、図面をより詳細に参照すると、図
１〜図３は例示的なデータ記憶装置１００を示す。な
お、いくつかの図面を通して、同様の参照番号は対応す
る部品を示す。この装置１００は、米国特許第５，５５
７，５９６号に記載された構成に類似していることに留
意されたい。その特許は参照により本明細書に組み込ま
れる。

【００１４】図１〜図３に示されるように、データ記憶
装置１００は一般に、その内部に内側空間１０４を形成
する外側ケーシング１０２を含む。一例として、ケーシ
ング１０２は、内側空間１０４を画定する複数の壁１０
６を含むことができる。典型的には、ケーシング１０２
の壁１０６は、内側空間１０４内の真空状態を保持でき
るように、互いに封止される。一例として、ケーシング
１０２は、その内側空間１０４を、少なくとも約１３．
３Ｐａ（１０^−３トル）の真空状態に保持する。そのケ
ーシング１０２のための特定の構成が示されるが、その
ケーシングは、当業者には容易に明らかとなるような多
くの種々の形態をとることができることは理解されるべ
きである。

【００１５】内側空間１０４内には、記憶媒体１１０に
面する複数の電子エミッタ１０８がある。図４に関連し
て説明されるように、記憶媒体１１０は複数の記憶領域
（図１〜図３には示されない）を含む。好適な実施形態
において、記憶媒体１１０の各記憶領域は、１つあるい
は複数のデータのビットを格納する役割を果たす。

【００１６】電子エミッタ１０８は、所定の電位差が電
子エミッタに印加される際に、記憶媒体１１０の記憶領
域に向けて電子ビーム流を放出するように構成される。
エミッタ１０８と記憶媒体１１０との間の距離、エミッ
タのタイプ、および必要とされるスポットサイズ（すな
わち、ビットサイズ）によっては、電子ビームを集束す
る際に、電子光学系が有用となる場合がある。そのよう
な光学系の一例が以下に与えられる（図９）。放出され
た電子を加速または減速するために、および／または放
出された電子を集束することを助けるために、記憶媒体
１１０にも電圧が印加される。

【００１７】各電子エミッタ１０８は、記憶媒体１１０
に対するデータの書込みおよび読出しを行うために、多
くの異なる記憶領域に使用できる。各電子エミッタ１０
８と、関連する記憶領域との間の位置合わせを容易にす
るために、電子エミッタおよび記憶媒体は、図２に示さ
れるＸおよびＹ方向に互いに対して移動することができ
る。この相対的な移動を可能にするために、データ記憶
装置１００は、電子エミッタ１０８に対して記憶媒体１
１０を走査するマイクロムーバ（micromover）１１２を
含むことができる。図１および図３に示されるように、
マイクロムーバ１１２は、記憶媒体１１０に接続される
ロータ１１４と、ロータに面するステータ１１６と、記
憶媒体１１０の側面に配置される１つあるいは複数のば
ね１１８とを含むことができる。当分野において知られ
ているように、ロータ１１４、それゆえ記憶媒体１１０
の移動は、ロータ１１４を所望の態様で移動させる電界
を生成するように、ステータ１１６の電極１１７に適切
な電位を印加することにより、行うことができる。

【００１８】このようにしてマイクロムーバ１１２が移
動するとき、マイクロムーバは、記憶媒体１１０をＸ−
Ｙ平面内の種々の場所に走査し、各エミッタ１０８が特
定の記憶領域上に配置されるようにする。好適なマイク
ロムーバ１１２は、記憶領域１１０を電子エミッタ１０
８の下側に高い精度で配置するのに十分な範囲および分
解能を有することが好ましい。一例として、マイクロム
ーバ１１２は、半導体微細加工プロセスを通して製造さ
れ得る。電子エミッタ１０８と記憶媒体１１０との間の
相対的な移動は、記憶媒体の移動を通して達成されるも
のとして説明されているが、代案では、そのような相対
的な移動は、電子エミッタを移動させることにより、あ
るいは電子エミッタと記憶媒体との両方を移動させるこ
とにより達成できることは理解されるであろう。さら
に、本明細書において、特定のマイクロムーバ１１２が
図示および説明されるが、代わりの移動手段を用いて、
そのような相対的な移動を達成できることは当業者には
理解されるであろう。

【００１９】放出されるビームと記憶領域との位置合わ
せは、デフレクタ（図示せず）を用いてさらに容易にす
ることができる。一例として、電子ビームは、たとえ
ば、エミッタ１０８に隣接して配置される静電および／
または電磁デフレクタを用いて、電子ビームを静電的ま
たは電磁的に偏向させることにより、記憶媒体１１０の
表面にわたってラスター化することができる。電子ビー
ムを偏向するための多くの異なるアプローチを、走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）に関する文献に見いだすことがで
きる。

【００２０】電子エミッタ１０８は、自らが生成する電
子ビームで、記憶媒体の記憶領域から情報を読出し、記
憶領域上に情報を書き込む役割を果たす。したがって、
電子エミッタ１０８は、その記憶媒体１１０のために望
ましいビット密度を達成し、媒体からの読出しおよび媒
体への書込みのために必要とされる種々の電力密度を供
給するのに十分に狭い電子ビームを生成することが好ま
しい。電子エミッタ１０８に関する特定の例示的な実施
形態が後に提供される。

【００２１】図１および図２に示されるように、データ
記憶装置１１０は、内側空間１０４内の所定位置に記憶
媒体１１０を支持する１つあるいは複数の支持体１２０
をさらに含む。支持体を設ける場合、その支持体１２０
は典型的には、記憶媒体１１０がＸ方向および／または
Ｙ方向に移動する際に撓む、薄壁形に微細加工された梁
を含む。図１および図２にさらに示されるように、支持
体１２０は、ケーシング１０２の壁１０６にそれぞれ接
続され得る。

【００２２】好適な実施形態では、電子エミッタ１０８
は、複数のエミッタを含む２次元のアレイ内に収容され
る。一例として、１００×１００の電子エミッタ１０８
のアレイは、ＸおよびＹの両方向において約５〜１００
μｍのエミッタのピッチを提供できる。上記のように、
各エミッタ１０８は典型的には、記憶媒体１１０の複数
の記憶領域にアクセスするために用いられる。図４は、
この関係の概略的な図を提供する。特に、この図は、記
憶媒体１１０の複数の記憶領域４００上に配置される１
つの電子エミッタ１０８を示す。図４に示されるよう
に、記憶領域４００は、電子エミッタ１０８のように、
二次元のアレイに包含される。特に、記憶領域４００
は、記憶媒体１１０の表面上に、個別の行４０２および
列４０４で配列される。好適な実施形態では、各エミッ
タ１０８は、所定の数の行４０２の全長の一部のみに対
して役割を果たす。したがって、各エミッタ１０８は通
常、特定の行４０２および列４０４からなる記憶領域４
００のマトリクスにアクセスすることができる。１つの
電子エミッタ１０８によってアクセスされる各行４０２
は、１つの外部回路に接続されることが好ましい。

【００２３】記憶領域４００をアドレス指定するため
に、マイクロムーバ１１２が起動され、記憶媒体１１０
（および／または電子エミッタ１０８）を移動させ、そ
の記憶領域と特定の電子エミッタとが位置合わせされ
る。このようにして、典型的には、各エミッタ１０８
は、数万〜数億の記憶領域４００にアクセスすることが
できる。記憶媒体１１０は、任意の２つの記憶領域４０
０間で約１〜１００ｎｍの周期性を有し、マイクロムー
バ１１２の範囲は約５〜１００μｍにすることができ
る。当業者には理解されるように、電子エミッタ１０８
のそれぞれは、同時にまたは多重化された態様でアドレ
ス指定されることができる。並列アクセス方式を用い
て、記憶装置１００のデータ速度を著しく高めることが
できる。

【００２４】データ記憶装置１００による書込みは、電
子エミッタ１０８によって生成される電子ビームの電力
密度を一時的に高め、記憶媒体１１０の記憶領域４００
の表面状態を変更することにより達成される。たとえ
ば、変更された状態はビット「１」を表すことができ、
一方、変更されない状態はビット「０」を表すことがで
きる。さらに、記憶領域は、所望により、３つ以上のビ
ットを表すように、種々の度合いに変更することができ
る。好適な実施形態では、記憶媒体１１０は、電子ビー
ムによってその構造状態が結晶状態からアモルファス状
態に変化することができる材料から構成される。材料の
一例には、テルル化ゲルマニウム（ＧｅＴｅ）、および
ＧｅＴｅを基にした３成分の合金がある。アモルファス
状態から結晶状態に変化させるために、ビーム電力密度
を増加し、そしてゆっくりと減少させることができる。
この増加／減少には、アモルファス領域を加熱し、その
後ゆっくりと冷却して、その領域が、アニールされて結
晶状態になるだけの時間をかけるようにする。結晶状態
からアモルファス状態に変化させるために、ビーム電力
密度を高いレベルまで増加し、その後急速に減少させ
る。本明細書では、記憶媒体１１０の一時的な変更が説
明されるが、追記型（write-once-read-many：ＷＯＲ
Ｍ）機能が望まれる場合には、永続的な変更が可能であ
ることは理解されるであろう。

【００２５】読出しは、記憶領域４００に対する電子ビ
ームの作用を観測することにより、または電子ビームに
対する記憶領域の作用を観測することにより達成され
る。読出し中、電子ビームの電力密度は、さらなる書込
みが生じないように、十分に低いレベルに維持される。
第１の読出しのアプローチでは、読出しは、比較的低い
（すなわち、書込みに必要とされるレベルより低い）電
力密度を有する電子ビームを記憶媒体１１０に加える際
に、二次電子および／または後方散乱電子を収集するこ
とにより達成される。アモルファス状態が、結晶状態と
は異なる二次電子放出係数（ＳＥＥＣ）および後方散乱
電子係数（ＢＥＣ）を有するため、読出し電子ビームで
衝撃が加えられる際に、記憶領域４００から異なる数の
二次電子および後方散乱電子が放出される。二次電子お
よび後方散乱電子の数を測定することにより、記憶領域
１０６の状態を判定することができる。

【００２６】図５は、第１の読出しアプローチによる読
出しのための例示的な装置を示す。より詳細には、図５
は、記憶媒体１１０の記憶領域５００および５０２から
読出しを行う電子エミッタ１０８を概略的に示す。この
図では、記憶領域５００の状態が変更されており、一
方、記憶領域５０２の状態は変更されていない。電子の
ビーム５０４が記憶領域５００、５０２に衝撃を加える
とき、二次電子および後方散乱電子の両方が電子コレク
タ５０６によって収集される。当業者には理解されるよ
うに、変更された記憶領域５００は、変更されていない
記憶領域５０２と比べて、異なる数の二次電子および後
方散乱電子を生成するであろう。その数は、材料のタイ
プおよび変更モードのタイプによって多い場合も、少な
い場合もある。電子コレクタ５０６によって収集される
信号電流の大きさをモニタすることにより、記憶領域５
００および５０２の状態、さらにはそれらの領域に格納
されるビットを識別することができる。

【００２７】別の読出しアプローチでは、ダイオード構
造を用いて、記憶領域４００の状態を判定する。このア
プローチによれば、記憶媒体１１０はダイオードとして
構成され、そのダイオードは、たとえば、ｐ−ｎ接合、
ショットキーバリア、または実質的にあらゆる他のタイ
プの電子管（electronic valve）からなる。図６は、そ
のような記憶媒体１１０の例示的な構成を示す。別のダ
イオード構成（米国特許第５，５５７，５９６号に示さ
れる構成のような）も実現可能であることは理解される
であろう。この図に示されるように、記憶媒体１１０
は、２つの層６００および６０２を有するダイオードと
して構成される。一例として、層のうちの一方はｐ型で
あり、他方はｎ型である。記憶媒体１１０は、記憶媒体
に逆方向バイアスをかける外部回路６０４に接続され
る。この構成を用いて、変更された領域６０８によって
生成される少数キャリアの収集効率が、変更されない領
域６０６の収集効率とは異なるように記憶媒体１１０を
局所的に変更することにより、ビットが格納される。少
数キャリアの収集効率は、媒体が外部回路６０４によっ
てバイアスをかけられ、信号電流６１２が外部回路を流
れるとき、記憶媒体１１０のダイオード接合部６１０を
横切って移動する、その瞬間の電子によって生成される
少数キャリアの関数として定義されることができる。

【００２８】使用時に、電子エミッタ１０８は、記憶媒
体１１０の表面上へ電子の狭いビーム６１４を放射し、
媒体の表面付近の電子−正孔対が励起される。媒体１１
０には、外部回路６０４によって逆方向バイアスがかけ
られているので、入射する電子によって生成される少数
キャリアは、ダイオード接合部６１０に向かって移動す
る。接合部６１０に達した電子は、その後接合部を横切
って移動する。したがって、接合部６１０に到達する前
に、多数キャリアと再結合しない少数キャリアは、その
接合を横切って移動し、外部回路６０４において電流が
生成される。

【００２９】上記のように、書込みは、電子ビームの電
力密度を、記憶媒体１１０の物理的な特性を局所的に変
更するのに十分に増加させることにより達成される。媒
体１１０が図６に示される媒体のように構成される場
合、この変更は、その同じ領域が低い電力密度の読出し
電子ビームを照射されるときに、接合部６１０を横切っ
て移動する少数キャリアの数に影響を与える。たとえ
ば、書き込まれた（すなわち、変更された）領域６０８
の再結合の割合は、未書込みの（すなわち、変更されて
いない）領域６０６に対して増加することになり、書き
込まれた領域内で生成される少数キャリアは、接合部６
１０に到達し、それを横切る機会を得る前に、少数キャ
リアと再結合する確率が高くなる。したがって、読出し
電子ビームが未書込みの領域６０６に入射するときより
も、書き込まれた領域６０８に入射する際に、外部回路
６０４に流れる電流が小さくなる。逆に、高い再結合の
割合を有するダイオード構造で開始し、再結合の割合を
局所的に低減することによりビットを書き込むこともで
きる。少数キャリアに起因する電流の大きさは、特定の
記憶領域の状態に依存し、電流は、格納されたビットを
示すために出力信号６１２を流し続ける。

【００３０】上記のように、Spindt（すなわち、先端
部）電子エミッタを利用するためには、種々の障害が存
在する。したがって、代替のエミッタ構成が企図され
る。一般的に言うと、これらの代替の電子エミッタは、
バリスティックまたは準バリスティックの電子エミッタ
を含む。より具体的には、その電子エミッタは平坦なエ
ミッタ（フラット電子エミッタ）として構成される。図
７は、ターゲット７０２（たとえば、記憶媒体１１０）
に衝撃を加えるために、データ記憶装置１００において
用いることができる第１の例示的なフラット電子エミッ
タ７００を示す。この図に示されるように、エミッタ７
００は、たとえばシリコンから形成することができるｎ
＋＋半導体基板７０４を含む。典型的には、基板の厚み
は、基板を形成するために用いられるウェーハのサイズ
に依存する。一例として、基板７０４は、約４００〜１
０００μｍ厚にすることができる。基板７０４は、火山
状、じょうご状、またはノズル状の活性領域７０６を含
むように製造される。言い換えると、活性領域７０６は
一般に、頸状部７０８へと急激に狭くなった幅広の底部
を有する。

【００３１】活性領域７０６は、活性領域が電子を放出
することができる領域を制限するために、活性領域７０
６の幾何学的形状を制限する絶縁領域７１０によって包
囲される。一例として、絶縁領域７１０は、酸化プロセ
ス（たとえば、ウエット酸化またはドライ酸化）を通し
て形成される二酸化シリコンからなる。活性領域７０６
の幾何学的形状を制限することに加えて、絶縁領域７１
０は、隣接する活性領域（図示せず）から活性領域７０
６を絶縁する。しかしながら、連続した電子エミッタ７
００の活性領域７０６の底部は、互いに接続され得るこ
とは理解されるであろう。

【００３２】基板７０４上には半導体層７１２が形成さ
れる。一例として、半導体層７１２は、ポリシリコンま
たは炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成され、約０．０１〜
２μｍの厚みを有する。好適な構成では、半導体層７１
２は、平坦な外側表面７１４と、多孔性領域７１６とを
含む。図７に示されるように、多孔性領域７１６の大き
さは、活性領域７０６の頸状部７０８と位置合わせされ
るように制限される。このようにして多孔性領域を制限
することにより、熱エネルギー散逸の増加に起因して、
より高い電流密度が可能になる。多孔性領域７１６は、
外側表面７１４において終了し、放出表面７１８を画定
する。表面７１４が平坦であることが好ましいため、放
出表面７１８も同様に平坦であることが好ましい。この
構成によって、エミッタ７００から放出される電子ビー
ムは良好に集束することができる。一例として、放出表
面７１８の面積は、半導体層７１２の外側表面７１４の
全面積の約１０％未満に制限され得る。放出表面７１８
の面積は、表面７１４の全面積の約１％未満に制限され
ることが最も好ましい。

【００３３】電子エミッタ７００は、半導体層７１２に
電圧を供給するために用いられる、半導体層７１２上に
形成される放出電極７２０をさらに含む。放出電極７２
０は、典型的にはクロムのような高い導電性の材料から
なり、約０．１〜１μｍの厚みを有することができる。
放出電極７２０の他に、エミッタ７００は、放出表面７
１８を含む半導体層７１２の外側表面７１４の一部と放
出電極７２０とを覆う導電層７２２を含む。この層７２
２は薄いことが好ましく、たとえば、約１０ｎｍ以下の
厚みを有することができる。導電層７２２は、放出表面
７１８にわたって電気的接触を提供し、放出表面７１８
にわたって電界がかけられることを可能にする。導電層
７２２は、電子エミッタ７００の効率に悪影響を及ぼす
ことになるトンネル障壁の形成を回避するために、その
表面上に絶縁性の酸化物または窒化物を形成しない合金
からなることが好ましい。

【００３４】例として、導電層７２２は、金、炭素（た
とえば、グラファイト、導電性ダイヤモンドまたはそれ
らの組み合わせ）、プラチナ、イリジウム、ロジウム、
導電性窒化ホウ素、あるいは他の導体または半導体のよ
うな薄い金属または導電性材料から形成され得る。一般
的に言うと、大きな原子番号を有する材料ほどまで電子
を散乱させる（放出効率を低下させる）ことがないた
め、導電層７２２のために金の原子番号より実質的に小
さな原子番号を有する材料も用いることができる。小さ
な原子番号の元素として、炭素は、非常に低い電子散乱
確率を示す。導電層７２２は、全ての導電領域が電気的
に接続されるように多孔性に、または部分的に高密度に
することができる。たとえば、導電層７２２は、電気的
に相互接続された導電性アイランド、相互接続されたフ
ィラメントのメッシュ、またはそれらの組み合わせを含
むことができる。代替の実施形態では、導電層７２２
は、図８の詳細図に示されるように、金属からなる多数
の薄い層８００からなることができる。

【００３５】電子エミッタ７００は、半導体層７１２が
形成されるのと反対側の基板７０４上に形成される背面
コンタクト７２４をさらに含むことができる。背面コン
タクト７２４が設けられる場合、その背面コンタクト
は、半導体基板７０４および多孔性領域７１６内の内部
電界のための等電位面を確立する。背面コンタクト７２
４は、基板７０４が高濃度にドーピングされている場合
には、なくすことができ、その場合には、既知の手段を
用いて、前面コンタクトを介して基板に対する接触を行
うことができることは理解されるべきである。

【００３６】動作中に、基板７０４、放出電極７１２お
よび背面コンタクト７２４に種々の電位が印加される
（たとえば、オンチップまたはオフチップドライバを用
いて）。結果として生じた放出電極電圧によって、電子
は、基板７０４の活性領域７０６から半導体層７１２の
多孔性領域７１６へ注入され、放出表面７１８から導電
層７２２を介して放出される。この放出の結果として、
電子ビーム７２６がターゲット７０２に当たる。

【００３７】当業者には理解されるように、ターゲット
７０２上にビーム７２６を集束するために、集束手段が
必要とされる場合がある。そのような集束手段の一例が
図９に示されており、第２の例示的なフラット電子エミ
ッタ９００が示される。この図に示されるように、エミ
ッタ９００は、図７に示されるエミッタ７００に、いく
つかの態様において類似している。したがって、エミッ
タ９００は、活性領域７０６および絶縁領域７１０を含
む基板７０４と、多孔性領域７１６を含む半導体層７１
２と、放出電極７２０と、導電層７２２と、背面コンタ
クト７２４とを備える。さらに、電子エミッタ９００
は、エミッタ９００から放出される電子ビームを集束す
るために用いられる集束構造９０２を含む。

【００３８】図９に示されるように、集束構造９０２
は、絶縁層９０４と、レンズ電極９０６と、第２の導電
層９０８とからなる。絶縁層９０４は、レンズ電極９０
６から放出電極７２０を絶縁する。導電層７２２と同様
に、導電層９０８は、電界がレンズ電極９０６にかけら
れるように、レンズ電極９０６にわたるコンタクトを提
供する。図９に示されるように、レンズ電極９０６およ
び導電層９０８は、電子ビームが通過できるアパーチャ
９１０を画定するように形成される。使用時に、レンズ
電極９０６に電位がかけられる。レンズ電極電圧に起因
する、アパーチャ９１０における電界は、放出された電
子を集束させる。典型的には、この集束は、レンズ電極
９０６にかけられる電位を変更することにより調整され
得る。電子ビームは、ターゲット（図示せず）上で、た
とえば直径１ｎｍ未満の非常に小さなスポットサイズま
で集束させることができる。特定の集束構造が図示およ
び説明されたが、多くの異なる集束構造が実現可能であ
り、他の構造がさらに好ましい場合もあることは、当業
者には理解されるであろう。

【００３９】図１０は、データ記憶装置１００において
用いることができる第３の例示的なフラット電子エミッ
タ１０００を示す。電子エミッタ１０００は、ｎ^＋＋半
導体基板１００２と、基板上に形成された半導体層１０
０４とを含む。一例として、基板１００２はシリコンか
らなることができ、層はポリシリコンからなることがで
きる。さらに、エミッタ１０００は、絶縁層１００６
と、パターニングマスク１００８と、導電層１０１０と
を含む。パターニングマスク１００８は、半導体層１０
０４および絶縁層１００６上に堆積される。同じように
して、導電層１０１０は、パターニングマスク１００８
および半導体層１００４上に堆積される。半導体層１０
０４は多孔性領域１０１２を含む。パターニングマスク
１００８内の開口部１０１４は、エミッタ１０００の放
出領域１０１６を画定する。

【００４０】電子放出は、上記のものとは異なるエミッ
タ構造を用いて達成され得る。たとえば、電子源は、室
温以下で、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）および金属−
絶縁体−シリコン（ＭＩＳ）の構造の表面から電子を放
出するように適合され得る。このタイプの電子放出は、
Wade & J. Briggs著、 「Low noise Beams from Tunnel
Cathodes」（Journal of Applied Physics 33, No. 3,
pp. 836-840, 1962）、Julius Cohen著、「Tunnel Emi
ssion into Vacuum」（Applied Physics Letters 1, N
o.3, pp. 61-62, 1962）およびYokoo他著、「Emission
characteristicsof metal-oxide-semiconductor electr
on tunneling cathode」（Journal of Vacuum Science
and Technology, pp. 429-432, 1993）に記載されてい
る。ＭＩＭおよびＭＩＳ構造からの電子は、R. Hrach
著、Thin Solid Films 15、pp.15、1973に記載されるよ
うに、小さな発散角で真空中に放出される。小さな発散
角によって、放出された電子は、小径の電子ビームに集
束されることが可能になる。

【００４１】図１１は、ＭＩＭを用いる電子放出構造を
含むフラット電子エミッタ１１００を示す。この図に示
されるように、エミッタ１１００は、活性領域１１０４
および絶縁領域１１０６を含む基板１１０２と、絶縁層
１１０８と、放出電極１１１０と、導電層１１１２と、
背面コンタクト１１１４とを含む。絶縁層１１０８に隣
接する基板１１０２の活性領域１１０４には、薄い金属
層１１１６が含まれる。したがって、金属−絶縁体−金
属の構成は、導電層１１１２と、絶縁層１１０８と、金
属層１１１６とによって得られる。特定のＭＩＭの構成
が図示および説明されたが、別の構成も実現可能である
ことは、当業者には理解されるであろう。

【００４２】図１２は、ＭＩＳを用いる電子放出構造を
含むフラット電子エミッタ１２００を示す。この図に示
されるように、エミッタ１２００は、活性領域１２０４
および絶縁領域１２０６を含むシリコン基板１２０２
と、絶縁層１２０８と、放出電極１２１０と、導電層１
２１２と、背面コンタクト１２１４とを含む。金属−絶
縁体−シリコンの構成は、導電層１２１２と、絶縁層１
２０８と、基板１２０２とによって得られる。特定のＭ
ＩＳの構成が図示および説明されたが、別の構成も実現
可能であることは、当業者には理解されるであろう。

【００４３】本発明の特定の実施形態が、例示のため
に、上記の説明および図面において詳細に開示されてき
たが、添付の特許請求の範囲に記載されるような、本発
明の範囲から逸脱することなく、その実施形態に対して
変形および修正を行うことができることは、当業者には
理解されるであろう。

【００４４】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。 １．データ記憶装置（100）であって、電子ビーム流を
生成し、電子ビームを放出するように適合され、平坦な
放出表面（718）を有する、電子エミッタ（108）と、及
び前記電子エミッタに近接して配置される記憶媒体（11
0）であって、その記憶媒体が、データを表す少なくと
も２つの異なる状態を可能にする記憶領域（400）を有
し、その記憶領域の状態が、前記電子エミッタによって
放出される電子ビームによるボンバードに応じて変更可
能である、記憶媒体（110）とを含み、前記記憶領域の
状態を変更することにより前記装置にデータが書き込ま
れ、前記記憶領域に関連した現象を観測することにより
前記装置によってデータが読み出される、データ記憶装
置。 ２．前記電子エミッタが、前記放出表面を形成する外側
表面（714）を有する半導体層（712）を含む、上記１に
記載の装置。 ３．前記放出表面が、前記外側表面の全面積のうちの小
さな部分からなる面積を占める、上記２に記載の装置。 ４．前記半導体層が、前記半導体層を通って前記放出表
面まで延びる多孔性領域（716）を含む、上記４に記載
の装置。 ５．前記半導体層が形成される基板（704）をさらに含
み、その基板が頸状部（708）まで狭くなる活性領域（7
06）を有し、その頸状部が、前記多孔性領域の断面積に
近い断面積を有する、上記４に記載の装置。 ６．前記平坦な放出表面上に形成された導電層（722）
をさらに含む、上記１に記載の装置。 ７．前記導電層が、多数の金属層（800）からなる、上
記６に記載の装置。 ８．前記電子エミッタが、金属−絶縁体−金属（ＭＩ
Ｍ）の電子放出構造である、上記１に記載の装置。 ９．前記電子エミッタが、金属−絶縁体−シリコン（Ｍ
ＩＳ）の電子放出構造である、上記１に記載の装置。 １０．データ記憶装置（100）であって、平坦な放出表
面を含み、電子ビームを放出するための手段と、及びデ
ータを表す少なくとも２つの異なる状態を可能にする記
憶領域を有する、データを格納するための手段であっ
て、前記記憶領域の状態が、前記電子ビームを放出する
ための手段によって放出された電子ビームによるボンバ
ードに応じて変更可能である、データを格納するための
手段とを含み、前記記憶領域の状態を変更することによ
り、前記装置にデータが書き込まれ、前記記憶領域に関
連する現象を観測することにより前記装置によってデー
タが読み出される、データ記憶装置。

【００４５】

【発明の効果】上記のように、本発明によれば、従来の
問題点の１つ以上の問題を回避する、電子エミッタを用
いたデータ記憶装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】例示的なデータ記憶装置の概略的な側面図であ
る。

【図２】線２−２に沿って見た、図１のデータ記憶装置
の概略的な断面図である。

【図３】線３−３に沿って見た、図１および図２のデー
タ記憶装置の概略的な断面斜視図である。

【図４】図１〜図３に示されるデータ記憶装置の記憶媒
体の部分概略図である。

【図５】図１〜図４のデータ記憶装置の場合の第１の例
示的な読出し構成の概略的な側面図である。

【図６】図１〜図４のデータ記憶装置の場合の第２の例
示的な読出し構成の概略的な側面図である。

【図７】図１〜図４のデータ記憶装置に用いるのに適し
た第１の電子エミッタの概略的な側面図である。

【図８】図７に示される第１の電子エミッタの導電層の
詳細図である。

【図９】図１〜図４のデータ記憶装置に用いるのに適し
た第２の電子エミッタの概略的な側面図である。

【図１０】図１〜図４のデータ記憶装置に用いるのに適
した第３の電子エミッタの概略的な側面図である。

【図１１】図１〜図４のデータ記憶装置に用いるのに適
した第４の電子エミッタの概略的な側面図である。

【図１２】図１〜図４のデータ記憶装置に用いるのに適
した第５の電子エミッタの概略的な側面図である。

【符号の説明】

100 データ記憶装置 108、700 電子エミッタ 110 記憶媒体 400、500、502 記憶領域 704 基板 706 活性領域 708 頸状部 712 半導体層 714 外側表面 716 多孔性領域 718 平坦な放出表面 722 導電層 800 多数の金属層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・エル・ナバルイス アメリカ合衆国カリフォルニア州94536, フレモント，ブレア・プレイス・35923 (72)発明者 フエイ−ペイ・クオ アメリカ合衆国カリフォルニア州95014, クパチーノ，オールド・タウン・コート・ 924 (72)発明者 シ−タイ・ラム アメリカ合衆国カリフォルニア州94588, プレザントン，カンプ・ドライブ・3861 (72)発明者 ヘンリク・ビレッキ アメリカ合衆国カリフォルニア州94303, パロアルト，ロス・ロード・3001 Ｆターム(参考） 5F083 FZ10

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 データ記憶装置（100）であって、 電子ビーム流を生成し、電子ビームを放出するように適
   合され、平坦な放出表面（718）を有する、電子エミッ
   タ（108）と、及び前記電子エミッタに近接して配置さ
   れる記憶媒体（110）であって、その記憶媒体が、デー
   タを表す少なくとも２つの異なる状態を可能にする記憶
   領域（400）を有し、その記憶領域の状態が、前記電子
   エミッタによって放出される電子ビームによるボンバー
   ドに応じて変更可能である、記憶媒体（110）とを含
   み、 前記記憶領域の状態を変更することにより前記装置にデ
   ータが書き込まれ、前記記憶領域に関連した現象を観測
   することにより前記装置によってデータが読み出され
   る、データ記憶装置。