JPH08297871A

JPH08297871A - 高密度記録媒体及び大容量記録装置

Info

Publication number: JPH08297871A
Application number: JP12057895A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Sakai; 郁夫坂井; Mitsuchika Saito; 光親斉藤
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 1996-11-12
Also published as: EP0739004A1

Abstract

(57)【要約】【目的】高密度記憶装置。【構成】シリコン基板上に絶縁膜を積層して記憶媒体
（１０）を構成し、該絶縁膜に電圧印加して低抵抗微小
領域を形成することで情報の書き込みをおこなう。読み
だしは、絶縁膜の低下した抵抗を検出器（３０）で検出
しておこなう。該電圧印加による電荷注入を調整して、
絶縁膜の平坦性を劣化させない様にし、プローブ（２
０）による読み書き走査を容易にし高密度記憶装置がじ
つげんされた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、STM(Scannig Tunnelin
g Microscope：走査型トンネル顕微鏡)やAFM(Atomic Fo
rce Microscope：原子間力顕微鏡)等の走査プローブ技
術を用いて記録再生を行う大容量記録装置およびその装
置に用いられる記録媒体に関するものである。

【０００２】

【従来技術】原子オーダの分解能を有する STM や AFM
の技術を用いた大容量記録装は、種々の記録材料を記憶
媒体として用いている。たとえば、チタン酸バリウムや
チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等のペロブスカイト構造を
有する無機の強誘電体材料を記録媒体とする例が特開平
06-270297 に記載されている。また、記録媒体として高
分子ポリイミド（Polyimide)のラングミュア-ブロジェ
ット（Langmuir-Blodgett(LB))膜を用いた例が Applied
Physical Letters Vol.61, no.25, p3032-3034 に記
載の構成が知られている。

【０００３】第３図は従来の大容量記録装置において、
記録再生用プローブ素子により、記録媒体に記録および
再生をする方法を説明するための概念図である。同図に
おいて記録媒体５０はその断面構造が示されている。第
３図において、51はチタン酸バリウムやチタン酸ジルコ
ン酸鉛等の無機の強誘電体材料かまたはポリイミドのLB
膜等を記録材料とする記録層である。記録層51はその下
層の下部電極層52とともに支持基板53の上に形成されて
いる。記録再生用プローブ素子の先端プローブティップ
６１を記録層51表面の所定位置に近接或は接触させ、プ
ローブティップ６１と下部電極層５２との間に電圧を印
加して記録再生を行う。

【０００４】記録層51に無機の強誘電体材料を用いた場
合には、記録時にはプローブ素子60を記録層51表面に接
近或は接触させ、さらにプローブティップ6１と下部電
極層52の間に電圧を印加し、分極反転領域を形成し情報
の記録を行う。また、再生時には、情報が記録された記
録層51表面の所定位置までプローブティップ6１を移動
させ、プローブティップ6１により、記録層51に残留し
ている分極の方向を検出することにより情報の読み出し
を行う。

【０００５】記録層51の記録材料としてポリイミドのLB
膜を用いた場合には、プローブティップ6１と下部電極
層52の間に電圧を印加し電流を流すことにより記録を行
う。電流を流すことにより、記録層51の電気抵抗が変化
する。再生時にはプローブティップ6１と下部電極層52
の間に書き込み時より小さい電圧を印加し、流れる電流
や電気抵抗の大きさを測定することにより、情報の読み
出しを行っている。また、基板上に分子や原子を堆積し
たり、あるいは逆に基板から分子や原子を引き抜いて、
基板表面に凹凸を形成して該凹凸を読み取る方法もあ
る。さらに、ＧｅＳｂＴｅ等の化合物半導体のアモルフ
ァス薄膜に電圧を印加し、それによって起こる抵抗変化
を利用して情報を記録する方法も知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】この様な従来の大
容量記録装置における記録層51は、表面粗さ数nm以下
で、材料組成や膜厚の均一性が極めて良好でかつ廉価で
なければならず、高い成膜技術が要求される。しかし、
そのような成膜技術はまだみあたらない。

【０００７】即ち、PZT 等の強誘電体材料の成膜には M
OCVD（有機金属CVD）法、スパッタリング法,レーザ・ア
ブレーション法,ゾル・ゲル法、真空蒸着法等の多くの
方法が提案されている。しかし、いずれの方法において
も、均質な結晶膜を形成することは容易ではなく、高度
な制御技術を必要とする。しかし、そのような高度な制
御技術はまだ開発されていない。

【０００８】また、記録層51の記録材料としてポリイミ
ドのLB膜を用いた場合にも、下部電極層52上に欠陥な
く薄膜形成することは困難であり、さらに製造に際し、
LB膜の製造行程と大容量メモリーの他の構成要素との製
造方法のが大きくことなり、大量に生産するには不向き
な製造方法であった。また、ＬＢ膜の耐久性も十分とは
いえない。

【０００９】基板上に分子や原子を堆積したり、逆にそ
れらを除去して、基板表面に凹凸を形成して該凹凸を読
み取る方法では、それら分子や原子の供給の困難性及び
凹凸のある面を走査しておこなう読み取りの困難性があ
り、構成が極めて困難で高価である。またアモルファス
薄膜の結晶化に伴う抵抗変化を用いる方法では、書き込
み時の電気エネルギーが比較的大きく、信頼性の確保が
難しい。さらに、該薄膜材料がＧｅＳｂＴｅ等の化合物
半導体であるため、高価な成膜装置を要するなどの問題
をかかえている。

【００１０】したがって、製造容易で高品質な高密度記
録媒体により廉価な大容量の記憶装置を提供することが
本発明の目的である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の大容量記録装置
は、p型あるいは n型のシリコン基板上にシリコン酸化
膜やシリコン窒化膜等のシリコン化合物やその他の絶縁
膜からなる本発明の記録層を有し、この記録層に記録再
生を行うための導電性ブローブ素子と、導電性ブローブ
素子が記録層の表面を接触あるいは非接触で走査するよ
うに一方を他方にたいして駆動する駆動装置を具備し、
再生時に前記ブローブ素子からの電流値の大きさ、或は
その電気抵抗値から記録情報を読みだす装置を備えたこ
とを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明において、記録層として p型あるいは n
型のシリコン基板上に形成された絶縁膜を用いている。
シリコン基板の反対側に載置したプローブとシリコン基
板を電極としてこの絶縁膜に電圧を印加するとＦｏｗｌ
ｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ電流がながれ、これにより、電
子及びまたは正孔が絶縁膜中に注入される。これらの電
子及びまたは正孔の作用により、該絶縁膜中の化学結合
が切れてダングリングボンドが生成する。その結果、こ
のダングリングボンドに対応する電子状態を介する電流
パスが形成されて、局所的に低抵抗化する。この局所的
低抵抗化作用を用いて絶縁膜に情報が書き込まれる。

【００１３】シリコン基板がｐ型かｎ型かに従って、プ
ローブを負極あるいは正極とするのが好ましい。これ
は、プローブの下のシリコン基板表面に空乏層が生じる
と、絶縁膜にかかる電解が弱くなるためである。また、
電子より正孔のほうが効率がよいので、先鋭なプローブ
ティップを有し電界が強いプローブ側を正極とする方が
低い電圧で書き込みをおこなう事ができる。曲率半径の
非常に小さい先端を有するプローブにより局所的に電界
を印加し、その部分を前記の方法により低抵抗化し、以
って、絶縁膜に低抵抗微小領域を形成して、その部分に
情報を記録することが出来る。再生時には、プローブと
基板間の電気抵抗値の前記記録による変化を検出して、
その変化から情報の読み出しを行うものである。以上の
説明においては、説明を簡単にするために、書き込みの
ためには単にプローブに電圧を印加するとした。しか
し、実際は、先に述べた抵抗変化が起こった直後に電圧
を下げる必要がある。さもないと、ジュール熱により絶
縁膜が破壊される。抵抗変化後直ちに電圧を下げる方法
としては、プローブを駆動する回路に電流制限機能を持
たせておくのが簡便である。

【００１４】

【実施例】本発明の大容量記録装置の一実施例を図面を
参照し説明する。図１は、本発明の一実施例の構成の概
要を示す概略図、また第２図は記録媒体(断面図)とプロ
ーブ素子が接触し記録再生を実行している時の状態を示
す概略図である。第１図において、10は記録媒体、20は
記録媒体10の表面にその先端がちょうど接するように配
置されたプローブ素子、30は記録時には記録の為の信号
をプローブ素子20に送り、再生時は記録媒体10の情報を
再生する為に用いられる記録再生回路、40はプローブ素
子を駆動走査し、記録媒体10の記録再生位置に正確に位
置決めする位置制御装置である。このような駆動装置と
して日本特許出願公告：特公平６−７０５６１号公報に
記載の装置等を使用することができる。本発明を適用で
きる大容量記憶装置としては、本願出願人の出願による
特許出願：特願平昭６−２７０２９７号に開示された装
置などがある。本実施例では記録媒体の絶縁膜として二
酸化シリコン膜を使用しているが、他の絶縁膜を使用し
た場合も、必要に応じて対応する設計パラメータを変更
することにより本発明を適用できるものである。

【００１５】図１の記録媒体10は、好もしくは図２に示
すようにｎ型のシリコン基板11とその上に形成された二
酸化シリコン膜からなる記録層12とから構成されてい
る。プローブ素子20の先端に配置されたプローブティッ
プ21が数分の１乃至数nN の接触圧で記録層１２に接触
している。この様な記録媒体10はシリコン基板11を酸素
雰囲気中で熱酸化させることにより容易に、しかも所望
の厚みで、極めて広い範囲に均一に得ることが出来る。
その上、極めて平滑な表面を得ることが出来る。以下で
はシリコン基板11にｎ型のシリコンを用いた例で説明す
るが、ｐ型のシリコンを用いても同様のの効果が得られ
る。

【００１６】絶縁膜の形成はＣＶＤ（化学的気相成長
法）等の他の方法でも可能であるが、本実施例では厚さ
500μm で抵抗率０．０１−０．１Ω・ｃｍ程度ののご
くありふれたｎ型シリコンを 900℃、５分間酸素雰囲気
中で熱酸化させ、膜厚３nmのシリコン酸化膜を形成した
ものを記録媒体10とした。記録/再生する際の印加電圧
は膜厚の増減に伴って増減する。本実施例では５Ｖとし
た。膜厚が０．５ー３．５nmの範囲では、プローブティ
ップ２１の曲率半径にもよるが、おおむね５Ｖでよい。
この記録媒体10の表面に、プローブ素子２０の導電性プ
ローブティップ21を接触圧約 1nNで接触させた。プロー
ブティップの先端曲率半径は約 20〜100nmである。この
状態において、プローブ素子20とシリコン基板11の間に
5Vの電圧をして書き込みをおこなった。このとき、制限
電流は１μＡとし、電流制限状態にはいったことを検出
して直ちに印加電圧をほぼ０Ｖに復帰させた。

【００１７】この書き込み操作により、プローブ素子２
０とシリコン基板１１との間の抵抗は１０ー１００ＭΩ
になる。また、低抵抗化した領域の寸法はおよそ１０ｎ
ｍとなる。書き込み電圧や電流制限のパラメータは絶縁
膜とプローブに熱的変化を生じさせないように選べばよ
い。このようにすれば書き込みによる絶縁層の平坦さの
劣化が極めて少なく、高密度記憶装置に最適である。上
記低抵抗化した領域即ち記憶セルは記録媒体１０上に間
隔１５nmで配置される。情報の再生時にはプローブ素子
20とシリコン基板11間に、記録時の電圧より小さい電圧
１Ｖを印加し、その時流れる所定値以上の電流を検出し
て記録情報の読み出しを行うことが出来る。

【００１８】この様なシリコン酸化膜を記録層12として
用いる記録媒体10は、非常に簡単に、大面積にわたり均
一にしかも表面を極めて平坦に形成することが可能で、
高密度大容量の記憶装置が容易にえられる。本実施例の
場合はシリコン基板の面積を１．５ｃｍ×１．５ｃｍと
すると記憶セル数（ビット容量）１Ｔビットの記憶装置
が得られる。

【００１９】なお、前述の通り実施例の説明ではシリコ
ン基板11にｎ型のシリコンを用いた例で説明したが、
ｐ型のシリコンを用いることも可能である。また、本
実施例ではプローブ素子20の先端に配置されたプローブ
ティップ21は接触した状態で説明したが、必ずしも接触
する必要はなく、トンネル電流が流れる程度の間隔を開
けた状態でもほぼ同様の効果を得ることが出来るが、こ
の場合にはプローブティップ21先端と記録層12表面の正
確な間隔制御が必要である。

【００２０】また、記憶セルをどのように配置するかは
全く任意であり、設計の自由度が高く取れる。さらに、
情報の再生時に電圧を印加して電流を検出するほかに、
抵抗を検出したり、電流駆動によって電圧を検出するよ
うにすることもできる。ただし、この場合、書き込み誤
りを防ぐため、電圧を１Ｖ程度以下に制限する必要があ
る。そして、判定の基準値と記録前の値との関係も検出
手段の性能に合わせて種々選択できる。電圧を印加して
書き込む方法も、容量に一定電荷を充電してそれを記録
層をとおして放電する方法などの他の方法を採用するこ
ともできる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は p型あるいは n型のシリコン基
板と該基板上に確立された技術により平坦度の高い高品
質なシリコン酸化膜からなる記録層を有する、簡単な構
成で製造も容易な記録媒体を用いる。この記録層は書き
込みによる平坦度の劣化がほとんど無く、記録再生を行
うための導電性ブローブ素子とその駆動走査の為の駆動
装置も容易に構成される。したがって、高密度かつ廉価
な大容量記録媒体と大容量記録装置が容易に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の大容量記録装置において、その実施例
の構成の概要を示す概略図である。

【図２】図１の大容量記録装置において使用する記録媒
体(断面図)とプローブ素子が接触し記録再生を実行して
いる時の状態を示す概略図である。

【図３】従来の大容量記録装置を説明するための記録
媒体(断面図)とプローブ素子が接触し記録再生を実行し
ている時の状態を示す概略図である。

【符号の説明】

１０、５０記録媒体１２、５１記録層１１、５３シリコン基板２０プローブ素子２１、６１プローブティップ３０記録再生回路４０駆動走査装置５２下部電極層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性のシリコン基板上に絶縁膜を積層形
成してなる記録媒体であって、該絶縁膜の微小領域を低
抵抗化することにより情報を記録する高密度記録媒体。
【請求項２】前記微小領域の形成が前記絶縁膜に電圧を
印加しておこなうものである請求項１に記載の高密度記
録媒体。
【請求項３】前記電圧の印加は、前記シリコン基板がｐ
型の場合は該シリコン基板からパルス電流が流出し、前
記シリコン基板がｎ型の場合は該シリコン基板に前記パ
ルス電流が流入するようにした請求項２に記載の高密度
記録媒体。
【請求項４】前記絶縁膜が二酸化シリコン絶縁膜である
請求項１、２あるいは３に記載の高密度記録媒体。
【請求項５】前記前記シリコン基板がｎ型である請求項
１、２、３あるいは４に記載の高密度記録媒体。
【請求項６】前記電圧の印加による前記絶縁膜の抵抗率
の低下が前記微小領域におけるダングリングボンドの生
成によるものである請求項２、３、４あるいは５に記載
の高密度記録媒体。
【請求項７】前記電圧の印加により前記絶縁膜にかかる
電圧を５ボルト以下とした請求項４、５あるいは６に記
載の高密度記録媒体。
【請求項８】導電性シリコン基板に絶縁膜から成る記録
層を形成して成る記録媒体と、前記記録層に結合された
ブローブ素子と、前記記録層を前記ブローブ素子が走査
するようにその一方を他方にたいして駆動する為の駆動
装置と、前記プローブ素子と前記導電性シリコン基板に
接続されて、前記記録層に情報の書き込みと読みだしを
おこなうための記録・再生回路とを備えた大容量記録装
置。
【請求項９】前記記録・再生回路が前記記録層に電圧を
印加して情報の書き込みと読みだしをおこなうものであ
る請求項８に記載の大容量記録装置。
【請求項１０】前記電圧の印加は、前記シリコン基板が
ｐ型の場合は該シリコン基板から電流が流出し、前記シ
リコン基板がｎ型の場合は該シリコン基板に前記電流が
流入するようにした請求項９に記載の大容量記録装置。
【請求項１１】前記絶縁膜が二酸化シリコン絶縁膜で前
記前記シリコン基板がｎ型である請求項８、９あるいは
１０に記載の大容量記録装置。