JP5773491B2 - ナノ接合素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、コバルト薄膜およびその形成方法ならびにナノ接合素子およびその製造方法ならびに配線およびその形成方法に関し、例えば、ナノ接合を用いた不揮発性メモリ、磁気抵抗効果素子、磁気センサーなどに適用して好適なものである。
極端紫外光（ＥＵＶ）リソグラフィー技術や液浸光リソグラフィー技術の発展により、半導体集積回路の高集積化・微細化は進展の一途をたどり、ついには２２ｎｍ線幅の微細加工技術が確立するまでに至った（非特許文献１、２参照。）。
しかしながら、光リソグラフィー技術には光の回折限界による制限があるため、極細線幅の微細構造の作製にもいよいよ限界が見え始めてきた。すなわち、国際半導体ロードマップ（ＩＴＲＳ）で要求されているサブ１０ｎｍ時代を実現させるには、光リソグラフィー技術の限界を超える新たな微細構造作製技術が必要となる。
そこで、近年、金属薄膜のエッジとエッジとを互いに交差するように貼り合わせることで光リソグラフィー技術の限界を超えようとする、新たな手法が提案された（特許文献１、２参照。）。
Microelectronic Engineering, 86,448(2009)
New York Times, Intel,2011/5/4
Nature Mater.8707(2009)
特許文献１、２で提案された手法では、真空蒸着装置により有機膜上に金属薄膜（例えば、厚さ１〜２０ｎｍ）を成膜し、その金属薄膜の厚さを線幅（＝１〜２０ｎｍ）とすることで、光リソグラフィー技術の限界を超えようとすることを目的としていた。実際に、特許文献２では、基板としてポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ；polyethylene naphtalate)有機膜を用い、その上にニッケル（Ｎｉ）薄膜（例えば、厚さ２０ｎｍ）を成膜することで、２０ｎｍ程度の微細線幅の実現が可能になった。
しかしながら、将来の超高密度メモリ、例えば記録再生可能な磁気メモリへの応用を考えた場合、ＰＥＮ有機膜上のＮｉ薄膜、鉄（Ｆｅ）薄膜あるいはＮｉＦｅ合金薄膜では、厚さが減少するに従って保磁力が減少し、厚さ３５ｎｍ以下、特に２０ｎｍ以下、さらには１０ｎｍ以下において保磁力が大幅に減少し、磁性が消失する問題が生じていた。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、厚さが３５ｎｍ以下でも十分に高い保磁力および角型比を有する磁性のコバルト薄膜を得ることができるコバルト薄膜の形成方法およびこの方法により形成されるコバルト薄膜を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、不揮発性メモリ、磁気抵抗効果素子、磁気センサーなどの素子を極めて容易に実現することができるナノ接合素子の製造方法およびこの方法により製造されるナノ接合素子を提供することである。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、極微細幅の配線を容易に形成することができる配線の形成方法およびこの方法により形成される配線を提供することである。
上記課題および他の課題は、添付図面を参照した本明細書の記述によって明らかとなるであろう。
上記課題および他の課題は、添付図面を参照した本明細書の記述によって明らかとなるであろう。
本発明者らは、従来技術が有する上記の課題を解決すべく鋭意研究を行う過程で、全く偶然に、有機材料からなる基板の一種であるポリエチレンナフタレート基板を金属薄膜成膜用の基板として用いたところ、その上にコバルト薄膜を成膜した場合には、Ｎｉ薄膜、Ｆｅ薄膜、ＮｉＦｅ合金薄膜などを成膜した場合には、厚さが減少するに従って保磁力や角型比が減少するのと顕著に異なり、厚さが減少しても保磁力や角型比が減少せず、むしろコバルト薄膜の厚さが３５ｎｍ以下であるときには、厚さが減少するに従って保磁力や角型比が増加するという極めて特異な現象を見出した。一方、無機材料からなる基板の一種である石英基板（組成はＳｉＯ2 ）上にコバルト薄膜を成膜した場合にも、コバルト薄膜の厚さが３５ｎｍ以下に減少しても、十分に高い保磁力および角型比を得ることができることも見出した。
この発明は、本発明者らが独自に得た上記の知見に基づいて鋭意検討を行った結果、案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
ポリエチレンナフタレート基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜するようにしたことを特徴とするコバルト薄膜の形成方法である。
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
ポリエチレンナフタレート基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜するようにしたことを特徴とするコバルト薄膜の形成方法である。
また、この発明は、
ポリエチレンナフタレート基板上に３５ｎｍ以下の厚さに成膜されたことを特徴とするコバルト薄膜である。
ポリエチレンナフタレート基板上に３５ｎｍ以下の厚さに成膜されたことを特徴とするコバルト薄膜である。
また、この発明は、
ポリエチレンナフタレート基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合するようにしたことを特徴とするナノ接合素子の製造方法である。
ポリエチレンナフタレート基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合するようにしたことを特徴とするナノ接合素子の製造方法である。
また、この発明は、
ポリエチレンナフタレート基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合したことを特徴とするナノ接合素子である。
ポリエチレンナフタレート基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合したことを特徴とするナノ接合素子である。
また、この発明は、
ポリエチレンナフタレート基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜するようにしたことを特徴とする配線の形成方法である。
ポリエチレンナフタレート基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜するようにしたことを特徴とする配線の形成方法である。
また、この発明は、
ポリエチレンナフタレート基板上に３５ｎｍ以下の厚さに成膜されたコバルト薄膜からなることを特徴とする配線である。
ポリエチレンナフタレート基板上に３５ｎｍ以下の厚さに成膜されたコバルト薄膜からなることを特徴とする配線である。
上記の各発明において、コバルト薄膜の厚さは、３５ｎｍを超えない範囲で、用途などに応じて適宜選ばれるが、より高い保磁力および角型比を得る観点からは、好適には２０ｎｍ以下、より好適には４ｎｍ以上２０ｎｍ以下、さらに好適には４ｎｍ以上１０ｎｍ以下、最も好適には５ｎｍ以上８ｎｍ以下に選ばれる。コバルト薄膜は、好適には真空蒸着法により成膜するが、他の成膜法、例えばスパッタリング法により成膜するようにしてもよい。ポリエチレンナフタレート基板の表面粗さは、例えば１．６ｎｍ以下あるいは１．３±０．３ｎｍであるが、これに限定されるものではない。ポリエチレンナフタレート基板の形態は特に限定されず、フィルム状であってもシート状であってもバルク基板であってもよい。コバルト薄膜の成膜温度は、ポリエチレンナフタレート基板のガラス転移温度以下であれば特に限定されないが、室温とすることにより基板加熱が不要となるため、成膜に必要な電力の低減を図ることができる。また、コバルト薄膜の成膜速度は特に限定されず、適宜選ばれるが、例えば０．５〜３．０ｎｍ／分程度に選ばれる。
ナノ接合素子およびその製造方法の発明においては、必要に応じて、二つの積層体を、コバルト薄膜のエッジ同士が有機分子を挟んで互いに対向するように交差させて接合するようにする。コバルト薄膜のエッジ同士の間に挟む有機分子は、ナノ接合素子に持たせる機能や用途などに応じて適宜選ばれる。ナノ接合素子は、コバルト薄膜の磁性を積極的に利用する場合には、磁性ナノ接合素子あるいは強磁性ナノ接合素子と言い換えることもできる。
また、この発明は、
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜するようにしたことを特徴とするコバルト薄膜の形成方法である。
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜するようにしたことを特徴とするコバルト薄膜の形成方法である。
また、この発明は、
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に３５ｎｍ以下の厚さに成膜されたことを特徴とするコバルト薄膜である。
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に３５ｎｍ以下の厚さに成膜されたことを特徴とするコバルト薄膜である。
また、この発明は、
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合するようにしたことを特徴とするナノ接合素子の製造方法である。
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合するようにしたことを特徴とするナノ接合素子の製造方法である。
また、この発明は、
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合したことを特徴とするナノ接合素子である。
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合したことを特徴とするナノ接合素子である。
また、この発明は、
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜するようにしたことを特徴とする配線の形成方法である。
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜するようにしたことを特徴とする配線の形成方法である。
また、この発明は、
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に３５ｎｍ以下の厚さに成膜されたコバルト薄膜からなることを特徴とする配線である。
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に３５ｎｍ以下の厚さに成膜されたコバルト薄膜からなることを特徴とする配線である。
少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板を用いる上記の各発明において、コバルト薄膜の厚さは、３５ｎｍを超えない範囲で、用途などに応じて適宜選ばれる。コバルト薄膜は、好適には真空蒸着法により成膜するが、他の成膜法、例えばスパッタリング法により成膜するようにしてもよい。少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板は、最も好適には石英基板であるが、例えばシリコン基板の一主面にＳｉＯ2 膜を形成したものであってもよい。少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板の形態は特に限定されず、フィルム状であってもシート状であってもバルク基板であってもよい。コバルト薄膜の成膜温度は、少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板の融点以下であれば特に限定されないが、室温とすることにより基板加熱が不要となるため、成膜に必要な電力の低減を図ることができる。また、コバルト薄膜の成膜速度は特に限定されず、適宜選ばれるが、例えば０．５〜３．０ｎｍ／分程度に選ばれる。
ナノ接合素子の製造方法の発明においては、好適には、少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上にコバルト薄膜を成膜し、コバルト薄膜上に他の基板、例えば、少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる他の基板をそのＳｉＯ2 側がコバルト薄膜と接合するように貼り合わせて積層体を形成した後、この積層体の接合される端面（あるいは側面）を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing,ＣＭＰ）法により研磨し、さらにアルゴン（Ａｒ）などを用いたプラズマソフトエッチング（Plasama Soft Etching）法によりエッチングする。こうすることで、エッチング後の端面にコバルト薄膜の細線状のエッジを明確に現すことができる。
上記以外のことは、その性質に反しない限り、ポリエチレンナフタレート基板を用いた上記の各発明に関連して説明したことが成立する。
この発明によれば、ポリエチレンナフタレート基板または少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜することにより、厚さが３５ｎｍ以下と極めて小さいにもかかわらず、保磁力および角型比が十分に高いコバルト薄膜を得ることができる。そして、このコバルト薄膜を有する二つの積層体をエッジ同士が互いに対向するように交差させて接合することにより、例えば、室温で巨大な磁気抵抗効果を示し、磁気センサーなどに用いて好適な磁気抵抗効果素子を極めて容易に実現することができる。また、コバルト薄膜のエッジ同士が有機分子を挟んで互いに対向するように交差させて接合することにより、例えば、不揮発性メモリを極めて容易に実現することができる。
以下、発明を実施するための形態（以下、発明の実施の形態という）について図面を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
第１の実施の形態によるコバルト薄膜の形成方法について説明する。
図１に示すように、このコバルト薄膜の形成方法においては、ポリエチレンナフタレート基板１１上に厚さ３５ｎｍ以下のコバルト薄膜１２を成膜する。ポリエチレンナフタレート基板１１の形態は問わず、フィルム状であってもシート状であってもバルク基板であってもよい。コバルト薄膜１２の成膜には真空蒸着法などを用いる。成膜温度は必要に応じて選ばれるが、例えば室温とする。
第１の実施の形態によるコバルト薄膜の形成方法について説明する。
図１に示すように、このコバルト薄膜の形成方法においては、ポリエチレンナフタレート基板１１上に厚さ３５ｎｍ以下のコバルト薄膜１２を成膜する。ポリエチレンナフタレート基板１１の形態は問わず、フィルム状であってもシート状であってもバルク基板であってもよい。コバルト薄膜１２の成膜には真空蒸着法などを用いる。成膜温度は必要に応じて選ばれるが、例えば室温とする。
［実施例１］
ポリエチレンナフタレート基板１１として帝人デュポン株式会社製の幅５ｍｍ、厚さ２５μｍのＰＥＮフィルム（商品名：ＴＥＯＮＥＸ Ｑ６５）をクリーンな環境下でフィルムロールシステムによりスリッターを用いて切断して幅を２ｍｍとした。こうして作製した幅２ｍｍ、厚さ２５μｍのＰＥＮフィルム上に真空蒸着法によりコバルト薄膜１２を成膜した。このＰＥＮフィルムのガラス転移温度Ｔg は１２０℃である。
ポリエチレンナフタレート基板１１として帝人デュポン株式会社製の幅５ｍｍ、厚さ２５μｍのＰＥＮフィルム（商品名：ＴＥＯＮＥＸ Ｑ６５）をクリーンな環境下でフィルムロールシステムによりスリッターを用いて切断して幅を２ｍｍとした。こうして作製した幅２ｍｍ、厚さ２５μｍのＰＥＮフィルム上に真空蒸着法によりコバルト薄膜１２を成膜した。このＰＥＮフィルムのガラス転移温度Ｔg は１２０℃である。
コバルト薄膜１２の成膜に用いた抵抗加熱式の真空蒸着装置を図２に示す。図２に示すように、この真空蒸着装置においては、真空チェンバー２１の下部にロータリーポンプ（ＲＰ）２２およびターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）２３が接続されており、これらのロータリーポンプ２２およびターボ分子ポンプ２３により真空チェンバー２１内をベース圧力〜１０-8Ｔｏｒｒに排気することができるようになっている。ターボ分子ポンプ２３と真空チェンバー２１との間にはゲートバルブ２４が取り付けられている。このゲートバルブ２４の上流側には圧力測定用の冷陰極ゲージ２５が取り付けられている。
真空チェンバー２１内の上部にＰＥＮフィルム２６が巻き付けられたロール２７および巻き取り用のロール２８が、図示省略した支持具により真空チェンバー２１の内壁に固定されて取り付けられている。巻き取り用のロール２８は真空チェンバー２１の外部に設けられたモータコントローラ２９により制御される回転機構３０により所定の回転速度で回転させることができるようになっている。真空チェンバー２１の上面には圧力測定用のイオンゲージ３１およびＰＥＮフィルム２６の温度測定用の熱電対３２が取り付けられている。
真空チェンバー２１内の下部に一対の電流導入端子３３、３４が取り付けられている。これらの電流導入端子３３、３４の先端部にはそれぞれステンレス鋼製のパッド３５、３６が取り付けられており、これらのパッド３５、３６の間にタングステンフィラメント３７が取り付けられている。このタングステンフィラメント３７の中央部はらせん状に巻かれており、この部分に窒化ホウ素（ＢＮ）製のるつぼ３８が取り付けられている。タングステンフィラメント３７の直径は例えば７ｍｍである。るつぼ３８内に蒸着源となるコバルトが装填される。真空チェンバー２１の外部において電流導入端子３３、３４間に電源３９が接続されており、この電源３９により電流導入端子３３、３４、パッド３５、３６およびタングステンフィラメント３７からなる回路に電流を流し、タングステンフィラメント３７のらせん状の部分を加熱してるつぼ３８を加熱することができるようになっている。
真空チェンバー２１内の上部と下部との間には遮熱板４０が設けられている。この遮熱板４０にはるつぼ３８の上方の部分に孔４１が設けられている。るつぼ３８からのコバルトのビームはこの孔４１を通ってＰＥＮフィルム２６に到達するようになっている。このコバルトのビームの径はＰＥＮフィルム２６の幅より少し大きく選ばれる。このコバルトのビームの径は、るつぼ３８と孔４１との間の距離とこの孔４１の大きさとによって決まる。
この真空蒸着装置を用いて次のようにしてＰＥＮフィルム２６上にコバルト薄膜１２を成膜した。まず、真空チェンバー２１内をロータリーポンプ２２およびターボ分子ポンプ２３により、ベース圧力〜１０-8Ｔｏｒｒに到達するまで排気する。次に、電源３９により電流導入端子３３、３４、パッド３５、３６およびタングステンフィラメント３７からなる回路に電流を流すことによりタングステンフィラメント３７のらせん状の部分を加熱してるつぼ３８をコバルトが蒸発する温度、例えば１７００℃に加熱する。一例を挙げると、電源３９により電圧７．５Ｖ、電流５４Ａに設定する。このときの蒸着パワーは４０５Ｗであり、コバルト薄膜１２の成膜速度は１．８ｎｍ／分であった。蒸着中の真空チェンバー２１内の圧力は１０-5Ｔｏｒｒであった。るつぼ３８から蒸発するコバルトは遮熱板４０の孔４１を通って細いビームとなり、このコバルトのビームがＰＥＮフィルム２６に到達する。この蒸着中は、ＰＥＮフィルム２６を、巻き取り用のロール２８を回転機構３０により所定の回転速度で回転させることにより、図２中、矢印方向に移動させる。ＰＥＮフィルム２６は、るつぼ３８やタングステンフィラメント３７などからの放射熱により加熱されるが、遮熱板４０を設けていることに加えて、るつぼ３８とＰＥＮフィルム２６との間の距離を十分に大きく選ぶことにより、ガラス転移温度Ｔg ＝１２０℃より十分に低い温度、例えば６２℃に保つことができる。るつぼ３８とＰＥＮフィルム２６との間の距離は例えば１８ｃｍとする。
［比較例１］
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上に鉄（Ｆｅ）薄膜を成膜した試料を鉄薄膜の厚さを種々に変えて作製した。
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上に鉄（Ｆｅ）薄膜を成膜した試料を鉄薄膜の厚さを種々に変えて作製した。
［比較例２］
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上にＮｉ75Ｆｅ25薄膜を成膜した試料をＮｉ75Ｆｅ25薄膜の厚さを種々に変えて作製した。
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上にＮｉ75Ｆｅ25薄膜を成膜した試料をＮｉ75Ｆｅ25薄膜の厚さを種々に変えて作製した。
［比較例３］
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上にニッケル薄膜を成膜した試料をニッケル薄膜の厚さを種々に変えて作製した。
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上にニッケル薄膜を成膜した試料をニッケル薄膜の厚さを種々に変えて作製した。
［比較例４］
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上に金（Ａｕ）薄膜を成膜した試料を金薄膜の厚さを種々に変えて作製した。
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上に金（Ａｕ）薄膜を成膜した試料を金薄膜の厚さを種々に変えて作製した。
実施例１においてＰＥＮフィルム２６上に成膜されたコバルト薄膜１２の保磁力（Ｈc ）および角型比（Ｍr ／Ｍs ）を測定した。図３Ａは保磁力の測定結果、図３Ｂは角型比の測定結果を示す。図３ＡおよびＢに示すように、コバルト薄膜１２の厚さｄが３５ｎｍ以下でも、保磁力および角型比のいずれも、厚さが３５ｎｍより大きい場合と比べてほとんど変わらず、むしろ厚さが約１３ｎｍより小さくなるに従って保磁力および角型比とも急激に増加する。特に保磁力に関しては、コバルト薄膜１２の厚さが５ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲内では、厚さがこの範囲外である場合と顕著に相違しており、極めて大きいことが分かる。
図４ＡおよびＢならびに図５ＡおよびＢは、ＰＥＮフィルム２６上に成膜したそれぞれ厚さｄが５．３ｎｍ、６．９ｎｍ、１２．２ｎｍおよび２０．６ｎｍのコバルト薄膜１２の磁化容易軸方向に磁場を印加したときのカー回転角の磁場の強さに対する依存性を測定した結果を示す。測定は、コバルト薄膜１２の長手方向に垂直な二等分線上において、コバルト薄膜１２の表面の左端、中心および右端の３点で行った。図４ＡおよびＢならびに図５ＡおよびＢより、コバルト薄膜１２の厚さｄが５．３ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝７７Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．８４、厚さｄが６．９ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝５７Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．７９、厚さｄが１２．２ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝２５Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．４８、厚さｄが２０．６ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝２６Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．３７である。
ＰＥＮフィルム２６上に成膜したコバルト薄膜１２の表面粗さＲa を測定した。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）Nanonavi IIsにより、コバルト薄膜１２の表面状態およびＡＦＭ像に基づくコバルト薄膜１２の表面粗さＲa の解析を行った。
図６Ａ、Ｂ、ＣおよびＤはそれぞれ、ＰＥＮフィルム２６、ＰＥＮフィルム２６上に成膜した厚さｄが６．１ｎｍのコバルト薄膜１２、ＰＥＮフィルム２６上に成膜した厚さｄが１９．７ｎｍのコバルト薄膜１２およびＰＥＮフィルム２６上に成膜した厚さｄが３４．３ｎｍのコバルト薄膜１２の表面状態をＡＦＭにより観察した結果を示す。それぞれのスキャン領域の大きさは１×１μｍ2 である。図６Ｂ〜Ｄより、コバルト薄膜１２はほとんどの場合、表面粗さおよび円形の結晶粒により特徴付けられ、クラスター構造を示すことが分かる。ＰＥＮフィルム２６の表面粗さＲa は１．３ｎｍ、コバルト薄膜１２の表面粗さＲa は厚さｄが６．１ｎｍ、１９．７ｎｍおよび３４．３ｎｍであるときにそれぞれ１．１ｎｍ、０．８３ｎｍおよび０．６９ｎｍである。
図７はＰＥＮフィルム２６上のコバルト薄膜１２のＡＦＭにより得られた表面粗さＲa の厚さ依存性を示す。図７から分かるように、コバルト薄膜１２の表面粗さＲa は、コバルト薄膜１２の厚さｄが大きくなるに従って、４ｎｍを境として、急激に減少することが分かる。また、図８に示すように、観察領域の大きさＬがコバルト薄膜１２の厚さｄと同じときは、コバルト薄膜１２の表面粗さＲa は０．０９ｎｍとなり、コバルト薄膜１２の表面は原子レベルで平坦であることが分かる。
図３ＡおよびＢには、比較例１においてＰＥＮフィルム２６上に成膜した鉄薄膜、比較例２においてＰＥＮフィルム２６上に成膜したＮｉ75Ｆｅ25薄膜および比較例３においてＰＥＮフィルム２６上に成膜したニッケル薄膜の保磁力および角型比を測定した結果も示す。図３ＡおよびＢに示すように、ＰＥＮフィルム２６上に成膜した鉄薄膜およびＮｉ75Ｆｅ25薄膜とも、保磁力および角型比は、厚さが減少するに従って減少する傾向があり、特にＮｉ75Ｆｅ25薄膜では厚さが２０ｎｍ以下になると磁性がほとんど消失してしまうことが分かる。
図７には、比較例１においてＰＥＮフィルム２６上に成膜した鉄薄膜、比較例２においてＰＥＮフィルム２６上に成膜したＮｉ75Ｆｅ25薄膜、比較例３においてＰＥＮフィルム２６上に成膜したニッケル薄膜、比較例４においてＰＥＮフィルム２６上に成膜した金薄膜の表面粗さＲa を測定した結果も示す。図７に示すように、金薄膜では厚さが増加するに従って表面粗さＲa は急激に増加するのに対し、鉄薄膜、Ｎｉ75Ｆｅ25薄膜およびニッケル薄膜の表面粗さＲa は厚さが減少するに従って減少する傾向がある。
図９ＡおよびＢならびに図１０ＡおよびＢは、ＰＥＮフィルム２６上に成膜したそれぞれ厚さｄが７．８ｎｍ、９．２ｎｍ、１２．３ｎｍおよび２２．２ｎｍの鉄薄膜の磁化容易軸方向に磁場を印加したときのカー回転角の磁場の強さに対する依存性を測定した結果を示す。図９ＡおよびＢならびに図１０ＡおよびＢより、鉄薄膜の厚さｄが７．８ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝７．２Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．６６、厚さｄが９．２ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝２０Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．６８、厚さｄが１２．３ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝４４Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．８１、厚さｄが２２．２ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝７６Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．９６である。
図１１Ａ、Ｂ、ＣおよびＤはそれぞれ、ＰＥＮフィルム２６、ＰＥＮフィルム２６上に成膜した厚さ７．８ｎｍの鉄薄膜、ＰＥＮフィルム２６上に成膜した厚さ１３．７ｎｍの鉄薄膜およびＰＥＮフィルム２６上に成膜した厚さ２７．７ｎｍの鉄薄膜の表面状態をＡＦＭにより観察した結果を示す。それぞれのスキャン領域の大きさは１×１μｍ2 である。図１１Ｂ〜Ｄより、鉄薄膜はほとんどの場合、表面粗さおよび円形の結晶粒により特徴付けられ、クラスター構造を示すことが分かる。ＰＥＮフィルム２６の表面粗さＲa は１．３ｎｍ、鉄薄膜の表面粗さＲa は厚さｄが７．８ｎｍ、１３．７ｎｍおよび２７．７ｎｍであるときにそれぞれ１．１ｎｍ、０．８３ｎｍおよび０．６９ｎｍである。
図１２は、コバルト薄膜１２からなる配線の線幅Ｗ（コバルト薄膜１２の厚さｄ）に対するコバルト薄膜１２の配線抵抗の変化を示す。ただし、コバルト薄膜１２の高さ（幅）は２ｍｍ、長さは１０ｍｍである。図１２には、比較のために、従来のリソグラフィー技術を用いた微細加工技術により形成される配線の線幅に対する配線抵抗の変化を示す。図１２に示すように、従来の微細加工技術により形成される配線に比べて、ＰＥＮフィルム２６上に成膜したコバルト薄膜１２からなる配線では、線幅Ｗが３５ｎｍ以下でも配線抵抗は３桁以上低いことが分かる。
以上のように、この第１の実施の形態によれば、ポリエチレンナフタレート基板１１上に真空蒸着法などにより厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜１２を成膜するようにしていることにより、有機材料からなる基板であるポリエチレンナフタレート基板１１上に保磁力および角型比とも大きく、しかも極めて平坦な表面を有するコバルト薄膜１２を極めて容易に形成することができる。また、このコバルト薄膜１２を配線として用いることにより、配線幅が３５ｎｍ以下であっても十分に低い配線抵抗を得ることができる。
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態による記録再生可能な不揮発性メモリについて説明する。この不揮発性メモリは、コバルト薄膜１２によるナノ接合を用いたものである。
第２の実施の形態による記録再生可能な不揮発性メモリについて説明する。この不揮発性メモリは、コバルト薄膜１２によるナノ接合を用いたものである。
図１３はこの不揮発性メモリを示す。図１３に示すように、この不揮発性メモリは、第１の実施の形態と同様な方法によりポリエチレンナフタレート基板１１上にコバルト薄膜１２を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体をそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間に有機分子１３を挟んで互いに対向するように交差させて接合したものである。コバルト薄膜１２の厚さは３５ｎｍ以下、好適には例えば４ｎｍ以上２０ｎｍ以下、より好適には４ｎｍ以上１０ｎｍ以下、最も好適には５ｎｍ以上８ｎｍ以下である。交差角は必要に応じて選ばれるが、例えば９０°とする。この有機分子１３としては、電圧により状態が変化し、その状態が保持される性質（ヒステリシス）を有するものが用いられる。この有機分子１３としては、具体的には、例えば、Ａｌｑ3 （トリス（８−キノリノラト）アルミニウム）、ロタキサン、カテナン、アゾベンゼンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
この不揮発性メモリに対するデータの書き込みは、図１３に示すように、一方の積層体のコバルト薄膜１２と他方の積層体のコバルト薄膜１２との間に、書き込むべきデータに応じた電圧Ｖを印加し、有機分子１３にデータを書き込む。この不揮発性メモリのデータの読み出しは、一方の積層体のコバルト薄膜１２と他方の積層体のコバルト薄膜１２との間に所定の電圧Ｖを印加したときにコバルト薄膜１２間に流れる電流Ｉを測定することにより行うことができる。
［実施例２］
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上にコバルト薄膜１２を成膜した積層体を二つ形成した。コバルト薄膜１２の厚さは１９ｎｍである。これらの二つの積層体をそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間に有機分子１３としてＡｌｑ3 を挟んで互いに対向するように交差させて接合し、不揮発性メモリを作製した。有機分子１３の厚さは２０ｎｍである。ナノ接合部の面積は１９×１９＝３６１ｎｍ2 である。
実施例１と同様にして、ＰＥＮフィルム２６上にコバルト薄膜１２を成膜した積層体を二つ形成した。コバルト薄膜１２の厚さは１９ｎｍである。これらの二つの積層体をそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間に有機分子１３としてＡｌｑ3 を挟んで互いに対向するように交差させて接合し、不揮発性メモリを作製した。有機分子１３の厚さは２０ｎｍである。ナノ接合部の面積は１９×１９＝３６１ｎｍ2 である。
この第２の実施の形態によれば、ポリエチレンナフタレート基板１１上に成膜したコバルト薄膜１２を用いて記録再生可能な不揮発性メモリを実現することができる。
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態による集積型不揮発性メモリについて説明する。
図１４はこの集積型不揮発性メモリを示す。
図１４に示すように、この集積型不揮発性メモリにおいては、絶縁性基板６１上に複数のメモリセルブロック６２が設置されている。各メモリセルブロック６２は、ポリエチレンナフタレート基板１１およびコバルト薄膜１２が交互に積層された下層の積層体と、同じくポリエチレンナフタレート基板１１およびコバルト薄膜１２が交互に積層された上層の積層体とが、間に薄膜状の有機分子１３を挟んで、下層の積層体および上層の積層体のコバルト薄膜１２のエッジ同士が互いに対向するように、かつ互いに直交するように接合した多数のナノ接合が二次元マトリックス状に配置されたものである。各メモリセルブロック６２においては、下層の積層体の側面のコバルト薄膜１２と接続された配線６３が、絶縁性基板６１上に形成されたＸデコーダ６４と接続され、上層の積層体の側面のコバルト薄膜１２と接続された配線６５が、絶縁性基板６１上に形成されたブロック６６上に形成されたＹデコーダ６７と接続されている。Ｘデコーダ６４により下層の積層体のコバルト薄膜１２の一つが選択され、Ｙデコーダ６７により上層の積層体のコバルト薄膜１２の一つが選択されることにより、メモリセルが選択される。
第３の実施の形態による集積型不揮発性メモリについて説明する。
図１４はこの集積型不揮発性メモリを示す。
図１４に示すように、この集積型不揮発性メモリにおいては、絶縁性基板６１上に複数のメモリセルブロック６２が設置されている。各メモリセルブロック６２は、ポリエチレンナフタレート基板１１およびコバルト薄膜１２が交互に積層された下層の積層体と、同じくポリエチレンナフタレート基板１１およびコバルト薄膜１２が交互に積層された上層の積層体とが、間に薄膜状の有機分子１３を挟んで、下層の積層体および上層の積層体のコバルト薄膜１２のエッジ同士が互いに対向するように、かつ互いに直交するように接合した多数のナノ接合が二次元マトリックス状に配置されたものである。各メモリセルブロック６２においては、下層の積層体の側面のコバルト薄膜１２と接続された配線６３が、絶縁性基板６１上に形成されたＸデコーダ６４と接続され、上層の積層体の側面のコバルト薄膜１２と接続された配線６５が、絶縁性基板６１上に形成されたブロック６６上に形成されたＹデコーダ６７と接続されている。Ｘデコーダ６４により下層の積層体のコバルト薄膜１２の一つが選択され、Ｙデコーダ６７により上層の積層体のコバルト薄膜１２の一つが選択されることにより、メモリセルが選択される。
メモリセルブロック６２は、例えば次のようにして製造することができる。すなわち、図２に示す真空蒸着装置を用いてＰＥＮフィルム２６上にコバルト薄膜１２を成膜しながら巻き取り用のロール２８により巻き取る。次に、コバルト薄膜１２を成膜したＰＥＮフィルム２６を巻き取ったロール２８から、四角形の形状の薄片状の積層体を切り出す。次に、こうして切り出した二つの積層体をそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間に薄膜状の有機分子１３を挟んで、互いに対向するように直角に交差させて貼り合わせ、コバルト薄膜１２のエッジ同士を接合する。こうして、メモリセルブロック６２が製造される。
この第３の実施の形態によれば、コバルト薄膜１２を用いた不揮発性メモリからなる集積型不揮発性メモリを容易に実現することができる。
〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態による磁気抵抗効果素子について説明する。この磁気抵抗効果素子は、コバルト薄膜１２による強磁性ナノ接合を用いたものである。
第４の実施の形態による磁気抵抗効果素子について説明する。この磁気抵抗効果素子は、コバルト薄膜１２による強磁性ナノ接合を用いたものである。
第２の実施の形態による不揮発性メモリにおいては、ポリエチレンナフタレート基板１１上にコバルト薄膜１２を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体をそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間に有機分子１３を挟んで互いに対向するように交差させて接合したのに対し、この磁気抵抗効果素子においては、ポリエチレンナフタレート基板１１上にコバルト薄膜１２を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体をそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間に有機分子１３を挟むことなく、互いに対向するように交差させて接合する。その他のことは第２の実施の形態と同様である。
この第４の実施の形態によれば、室温で巨大磁気抵抗効果を示す優れた磁気抵抗効果素子を実現することができる。特に、強磁性ナノ接合部の面積を５×５＝２５ｎｍ2 以下とすることにより、巨大磁気抵抗効果を示す優れたナノコンタクト磁気抵抗効果素子を実現することができる。加えて、コバルト薄膜１２の平均結晶粒径ｌg ＞ｄとすることができることにより、電磁場によって引き起こされる表面増強効果のような表面構造に起因する余分な量子効果を排除することができ、巨大磁気抵抗効果だけを用いた優れた磁気センサーを実現することができる。
〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態によるコバルト薄膜の形成方法について説明する。
図１５に示すように、このコバルト薄膜の形成方法においては、少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板７１上に厚さ３５ｎｍ以下のコバルト薄膜１２を成膜する。基板７１の形態は問わず、フィルム状であってもシート状であってもバルク基板であってもよい。コバルト薄膜１２の成膜には真空蒸着法などを用いる。成膜温度は必要に応じて選ばれるが、例えば室温とする。
第５の実施の形態によるコバルト薄膜の形成方法について説明する。
図１５に示すように、このコバルト薄膜の形成方法においては、少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板７１上に厚さ３５ｎｍ以下のコバルト薄膜１２を成膜する。基板７１の形態は問わず、フィルム状であってもシート状であってもバルク基板であってもよい。コバルト薄膜１２の成膜には真空蒸着法などを用いる。成膜温度は必要に応じて選ばれるが、例えば室温とする。
［実施例３］
基板７１として大きさが３ｍｍ×３ｍｍ×１２ｍｍの直方体状の石英基板の３ｍｍ×１２ｍｍの長方形の一側面上に真空蒸着法によりコバルト薄膜１２を成膜した。
基板７１として大きさが３ｍｍ×３ｍｍ×１２ｍｍの直方体状の石英基板の３ｍｍ×１２ｍｍの長方形の一側面上に真空蒸着法によりコバルト薄膜１２を成膜した。
実施例３において石英基板上に成膜されたコバルト薄膜１２の保磁力（Ｈc ）および角型比（Ｍr ／Ｍs ）を測定した。測定結果を図３ＡおよびＢに示す。図３ＡおよびＢに示すように、コバルト薄膜１２の厚さｄが減少するに従って保磁力および角型比のいずれも直線的に減少するが、減少量は少なく、厚さが３５ｎｍ以下でも、保磁力および角型比のいずれも、非常に高い値を維持している。
図１６Ａ、ＢおよびＣは、石英基板上に成膜したそれぞれ厚さｄが５．９ｎｍ、１１ｎｍおよび２７ｎｍのコバルト薄膜１２の磁化容易軸方向に磁場を印加したときのカー回転角の磁場の強さに対する依存性を測定した結果を示す。図１６Ａ、ＢおよびＣより、コバルト薄膜１２の厚さｄが５．９ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝６７Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．９１、厚さｄが１１ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝７５Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．９５、厚さｄが２７ｎｍであるときは、保磁力ＨC ＝８２Ｏｅ、角型比Ｍr ／Ｍs ＝０．９１である。
石英基板およびその上に成膜したコバルト薄膜１２の表面粗さＲa を測定した。測定結果を図７に示す。石英基板の表面粗さＲa は０．３ｎｍである。コバルト薄膜１２の表面粗さＲa は、厚さｄが３５ｎｍ以下では、観察領域の大きさがＬ＝１μｍの場合、厚さによらず０．３ｎｍ程度と小さく、コバルト薄膜１２の表面は平坦であることが分かる。図８に示すように、観察領域の大きさＬがコバルト薄膜１２の厚さｄと同じときは、コバルト薄膜１２の表面粗さＲa は０．０３ｎｍとなり、コバルト薄膜１２の表面は原子レベルで平坦であることが分かる。
この第５の実施の形態によれば、コバルト薄膜１２を成膜する基板として、少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板７１、好適には石英基板を用いて、第１の実施の形態と同様な種々の利点を得ることができる。
〈第６の実施の形態〉
第６の実施の形態による記録再生可能な不揮発性メモリについて説明する。この不揮発性メモリは、コバルト薄膜１２によるナノ接合を用いたものである。
第６の実施の形態による記録再生可能な不揮発性メモリについて説明する。この不揮発性メモリは、コバルト薄膜１２によるナノ接合を用いたものである。
図１７はこの不揮発性メモリを示す。図１７に示すように、この不揮発性メモリは、第５の実施の形態と同様な方法により基板７１上にコバルト薄膜１２を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体をそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間に有機分子１３を挟んで互いに対向するように交差させて接合したものである。コバルト薄膜１２の厚さは３５ｎｍ以下である。
この不揮発性メモリの上記以外のことは第２の実施の形態と同様である。
この不揮発性メモリの上記以外のことは第２の実施の形態と同様である。
［実施例４］
図１８Ａに示すように、実施例３と同様にして、石英基板８１上にコバルト薄膜１２を成膜した積層体を二つ形成した。コバルト薄膜１２の厚さは１９ｎｍである。図１８Ｂに示すように、第１の積層体のコバルト薄膜１２上にこのコバルト薄膜１２を間に挟むように石英基板８２を貼り合わせる。このとき、こうして石英基板８１と石英基板８２との間にコバルト薄膜１２が挟まれた第１のブロックの表面（接合される面）および裏面において、石英基板８１の端面と石英基板８２の端面とが互いにほぼ一致するようにする。次に、図１８Ｃに示すように、この第１のブロックの裏面をＣＭＰ法により研磨する。このＣＭＰ法による研磨は三段階で行う。第１段階では、粒子径１６．０μｍのＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 エメリーを用いて３０分間研磨を行う。第２段階では、粒子径９．４μｍのＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 エメリーを用いて１０分間研磨を行う。第３段階では、粒子径１．０μｍのコロイダルＣｅＯ2 、硬質クロスを用いて２０分間研磨を行う。同様に、この第１のブロックの表面をＣＭＰ法により研磨する。このＣＭＰ法による研磨は三段階で行う。第１段階では、粒子径１６．０μｍのＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 エメリーを用いて５０分間研磨を行う。第２段階では、粒子径９．４μｍのＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 エメリーを用いて１０分間研磨を行う。第３段階では、粒子径１．０μｍのコロイダルＣｅＯ2 、硬質クロスを用いて２０分間研磨を行う。この第１のブロックの表面については、上述のようにしてＣＭＰ法により研磨を行った後、この表面をＡｒプラズマソフトエッチング法により３０分間エッチングする。こうしてＣＭＰ法により研磨およびプラズマソフトエッチングを行った状態を図１８Ｄに示す。一方、図１８Ｅに示すように、第２の積層体のコバルト薄膜１２上にこのコバルト薄膜１２を間に挟むように石英基板８２を貼り合わせる。このとき、こうして石英基板８１と石英基板８２との間にコバルト薄膜１２が挟まれた第２のブロックの表面（接合される面）および裏面において、石英基板８１の端面と石英基板８２の端面とが互いにほぼ一致するようにする。次に、図１８Ｆに示すように、この第２のブロックの裏面を上述のようにしてＣＭＰ法により研磨するとともに、この第２のブロックの表面を上述のようにしてＣＭＰ法により研磨し、さらにＡｒプラズマソフトエッチング法により３０分間エッチングする。次に、図１８Ｇに示すように、ＣＭＰ法による研磨およびソフトエッチングを行った第２のブロックの表面にＡｌｑ3 薄膜８３をスピンコーティングや真空蒸着などにより形成する。次に、第２のブロックのＡｌｑ3 薄膜８３上に第１のブロックの表面側を貼り合わせる。こうして、第１のブロックおよび第２のブロックをそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間にＡｌｑ3 薄膜８３を挟んで互いに対向するように交差させて接合し、不揮発性メモリを作製した。Ａｌｑ3 薄膜８３の厚さは２０ｎｍである。ナノ接合部の面積は１９×１９＝３６１ｎｍ2 である。
図１８Ａに示すように、実施例３と同様にして、石英基板８１上にコバルト薄膜１２を成膜した積層体を二つ形成した。コバルト薄膜１２の厚さは１９ｎｍである。図１８Ｂに示すように、第１の積層体のコバルト薄膜１２上にこのコバルト薄膜１２を間に挟むように石英基板８２を貼り合わせる。このとき、こうして石英基板８１と石英基板８２との間にコバルト薄膜１２が挟まれた第１のブロックの表面（接合される面）および裏面において、石英基板８１の端面と石英基板８２の端面とが互いにほぼ一致するようにする。次に、図１８Ｃに示すように、この第１のブロックの裏面をＣＭＰ法により研磨する。このＣＭＰ法による研磨は三段階で行う。第１段階では、粒子径１６．０μｍのＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 エメリーを用いて３０分間研磨を行う。第２段階では、粒子径９．４μｍのＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 エメリーを用いて１０分間研磨を行う。第３段階では、粒子径１．０μｍのコロイダルＣｅＯ2 、硬質クロスを用いて２０分間研磨を行う。同様に、この第１のブロックの表面をＣＭＰ法により研磨する。このＣＭＰ法による研磨は三段階で行う。第１段階では、粒子径１６．０μｍのＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 エメリーを用いて５０分間研磨を行う。第２段階では、粒子径９．４μｍのＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 エメリーを用いて１０分間研磨を行う。第３段階では、粒子径１．０μｍのコロイダルＣｅＯ2 、硬質クロスを用いて２０分間研磨を行う。この第１のブロックの表面については、上述のようにしてＣＭＰ法により研磨を行った後、この表面をＡｒプラズマソフトエッチング法により３０分間エッチングする。こうしてＣＭＰ法により研磨およびプラズマソフトエッチングを行った状態を図１８Ｄに示す。一方、図１８Ｅに示すように、第２の積層体のコバルト薄膜１２上にこのコバルト薄膜１２を間に挟むように石英基板８２を貼り合わせる。このとき、こうして石英基板８１と石英基板８２との間にコバルト薄膜１２が挟まれた第２のブロックの表面（接合される面）および裏面において、石英基板８１の端面と石英基板８２の端面とが互いにほぼ一致するようにする。次に、図１８Ｆに示すように、この第２のブロックの裏面を上述のようにしてＣＭＰ法により研磨するとともに、この第２のブロックの表面を上述のようにしてＣＭＰ法により研磨し、さらにＡｒプラズマソフトエッチング法により３０分間エッチングする。次に、図１８Ｇに示すように、ＣＭＰ法による研磨およびソフトエッチングを行った第２のブロックの表面にＡｌｑ3 薄膜８３をスピンコーティングや真空蒸着などにより形成する。次に、第２のブロックのＡｌｑ3 薄膜８３上に第１のブロックの表面側を貼り合わせる。こうして、第１のブロックおよび第２のブロックをそれらのコバルト薄膜１２のエッジ同士が、間にＡｌｑ3 薄膜８３を挟んで互いに対向するように交差させて接合し、不揮発性メモリを作製した。Ａｌｑ3 薄膜８３の厚さは２０ｎｍである。ナノ接合部の面積は１９×１９＝３６１ｎｍ2 である。
図１９〜図２３は、コバルト薄膜１２の厚さｄがそれぞれ１７ｎｍ、１２ｎｍ、１０ｎｍ、６．６ｎｍおよび５．５ｎｍである第２のブロックの表面に対してＣＭＰ法による研磨およびソフトエッチングを行った後のこの表面の走査型プローブ顕微鏡による電流マッピング像を示し、上図は二次元（２Ｄ）マッピング像、下図は三次元（３Ｄ）マッピング像を示す。図１９〜図２３に示すように、いずれの試料でも、コバルト薄膜１２のエッジ面の輪郭が明確に観察される。一方、図２４は、ＣＭＰ法による研磨だけを行い、Ａｒプラズマソフトエッチングを行わなかったブロックの表面の走査型プローブ顕微鏡による電流マッピング像（二次元マッピング像）を示す。図２４より、ＣＭＰ法による研磨だけでは、コバルト薄膜１２のエッジ面を現すことはできなかった。
この不揮発性メモリの電圧−電流特性の測定結果を図２５Ａに示す。図２５Ｂは図２５Ａの原点付近の領域（一点鎖線で囲んだ領域）の拡大図である。また、この不揮発性メモリの抵抗−電圧特性の測定結果を図２６に示す。図２５Ａおよび図２６より、この不揮発性メモリは確かに不揮発性を有していることが分かる。また、図２６より、この不揮発性メモリの抵抗の変化率ΔＲ／Ｒを求めると、Ｒ＝Ｒ0 ＝０．９３ｋΩ（Ｒ0 はＲの最小値）、ΔＲ＝ＲM −Ｒ0 ＝１．８−０．９３＝０．８７ｋΩ（ＲM はＲの最大値）として、ΔＲ／Ｒ＝０．８７／０．９３＝０．９３５＝９３．５％と大きい。電流密度はｉ＝１．０×１０8 Ａ／ｃｍ2 である。
ここで、この不揮発性メモリにおける電子の移動度μn および電子濃度ｎを調べるために、図２７に示すような試料を作製し、電流−電圧特性を測定した。すなわち、図２７に示すように、絶縁性基板９１上に、両端に幅広のパッド部を有し、中央部が所定幅の線状パターンからなるコバルト薄膜９２を形成し、このコバルト薄膜９２の中央部の上にＡｌｑ3 分子からなるＡｌｑ3 薄膜９３を形成する。そして、コバルト薄膜９２と同様な形状を有し、このコバルト薄膜９２に対して直角方向に延在するコバルト薄膜９４を、その中央部がＡｌｑ3 薄膜９３を介してコバルト薄膜９２の中央部と重なるように形成する。コバルト薄膜９２とコバルト薄膜９４との接合部の大きさは２００μｍ×２００μｍであり、面積は２００×２００μｍ2 である。コバルト薄膜９２の一端とコバルト薄膜９４の一端との間に電圧Ｖを印加し、コバルト薄膜９２の他端とコバルト薄膜９４の他端との間に流れる電流Ｉを測定した。測定は室温（Ｒ．Ｔ．）で行った。こうして測定された電流−電圧特性を図２８Ａに示す。図２８Ｂは図２８Ａの原点付近の領域の拡大図である。図２８ＡおよびＢに示すように、この試料の電流−電圧特性は、電圧が１０-2〜２Ｖの範囲ではほぼ直線的であり、Ｉ∝Ｖであるが、電圧が２Ｖを超える範囲では傾きが急になり、Ｉ∝Ｖ2 の関係を有する。この電流−電圧特性は空間電荷制限電流（Space Charge Limited Current, ＳＣＬＣ）モデルで説明され、ＳＣＬＣフィッティングを行った結果、μn ＝１．５×１０-5ｃｍ2 ／Ｖｓ、ｎ＝４．４×１０16ｃｍ-3が得られた。Ａｌｑ3 の移動度はμn ＝〜１０-5ｃｍ2 ／Ｖｓと報告されているから（非特許文献３）、μn ＝１．５×１０-5ｃｍ2 ／Ｖｓの値はＡｌｑ3 の移動度とほぼ一致している。
［比較例５］
実施例３と同様にして、石英基板上にニッケル薄膜を成膜した積層体を二つ形成した。一つの積層体のニッケル薄膜の厚さは５．６ｎｍ、もう一つの積層体のニッケル薄膜の厚さは５．３ｎｍである。これらの二つの積層体をそれらのニッケル薄膜のエッジ同士が、間にＡｌｑ3 分子を挟んで互いに対向するように交差させて接合し、メモリを作製した。Ａｌｑ3 分子の厚さは２０ｎｍである。強磁性ナノ接合部の面積は５．６×５．３＝２９．６８ｎｍ2 である。
実施例３と同様にして、石英基板上にニッケル薄膜を成膜した積層体を二つ形成した。一つの積層体のニッケル薄膜の厚さは５．６ｎｍ、もう一つの積層体のニッケル薄膜の厚さは５．３ｎｍである。これらの二つの積層体をそれらのニッケル薄膜のエッジ同士が、間にＡｌｑ3 分子を挟んで互いに対向するように交差させて接合し、メモリを作製した。Ａｌｑ3 分子の厚さは２０ｎｍである。強磁性ナノ接合部の面積は５．６×５．３＝２９．６８ｎｍ2 である。
このメモリの電圧−電流特性の測定結果を図２９に示す。また、このメモリの抵抗−電圧特性の測定結果を図３０に示す。図２９および図３０より、このメモリは不揮発性を有していないことが分かる。また、図３０より、このメモリの抵抗の変化率ΔＲ／Ｒを求めると、ΔＲ／Ｒ＝（１０−４．７）／４．７＝１．１３＝１１３％である。電流密度はｉ＝８．４×１０4 Ａ／ｃｍ2 である。
第６の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
１１…ポリエチレンナフタレート基板、１２…コバルト薄膜、１３…有機分子、２１…真空チェンバー、２６…ＰＥＮフィルム、３７…タングステンフィラメント、３８…るつぼ、４０…遮熱板、７１…少なくとも一主面がＳｉＯ2 からなる基板、８１…石英基板、８２…石英基板
Claims (3)
- 少なくとも一主面がＳｉＯ 2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が有機分子を挟んで互いに対向するように交差させて接合するようにしたことを特徴とするナノ接合素子の製造方法。
- 上記基板上に上記コバルト薄膜を成膜し、上記コバルト薄膜上に少なくとも一主面がＳｉＯ 2 からなる他の基板をそのＳｉＯ 2 側が上記コバルト薄膜と接合するように貼り合わせて上記積層体を形成した後、上記積層体の接合される端面を化学機械研磨法により研磨し、さらにプラズマソフトエッチング法によりエッチングすることを特徴とする請求項１記載のナノ接合素子の製造方法。
- 少なくとも一主面がＳｉＯ 2 からなる基板上に厚さが３５ｎｍ以下のコバルト薄膜を成膜した積層体を二つ用い、これらの二つの積層体を、上記コバルト薄膜のエッジ同士が有機分子を挟んで互いに対向するように交差させて接合したことを特徴とするナノ接合素子。
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