JPS62281138A - 記憶装置 - Google Patents

記憶装置

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JPS62281138A
JPS62281138A JP62100218A JP10021887A JPS62281138A JP S62281138 A JPS62281138 A JP S62281138A JP 62100218 A JP62100218 A JP 62100218A JP 10021887 A JP10021887 A JP 10021887A JP S62281138 A JPS62281138 A JP S62281138A
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tunnel
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ヴォルフガンク・ディーテル・ポール
ウルス・セオドア・デューリッグ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明はダイレクトアクセス記憶装置に係り、更に詳し
くは、数１０ギガバイトの水準の記憶容量を有し、記憶
媒体と協働し且記憶媒体との間の間隔が変位する書き込
み／読み出しヘットを有するダイレクトアクセス記憶装
置に関する。
Ｂ、従来技術 今日、運動型のダイレクトアクセス記憶装置は通常、磁
気ディスク記憶技法を用いており、そこでは、磁化可能
な記録媒体が固定された磁気変換器に対応して配置され
ている。変換器、即ち、磁気ヘッドは典型的には磁化可
能なコアを備え、このコアはコアに巻かれたコイル中を
流れる電流により発生する磁束経路を生じさせ又コアの
ギャップを横切る磁界を生じさせる。ギャップは好まし
くは非常に小さく且つ一定の間隔をもって記録媒体表面
に向けられている。磁界が変化すると、これら変化が記
録媒体中に書き込まれる。これとは反対に、読み出すた
めには、磁気コアのギャップの磁極光を通過する記録媒
体上に記録された磁気が変化するので、磁束がコイルの
巻線に作用し、これを適当な電子回路により読み出せば
よい。
当然ながら、ある与えられた容積の記憶装置内にはでき
るだけ多くの情報が記憶されることが望ましい。しかし
ながら、たとえ記録媒体自体には望み通りの密度で記憶
することができるとしても、書き込み／読み出し変換器
の大きさには限界があり、特にそのギャップの大きさに
は限界があり、また、記録媒体からの距離についても限
界があり、これらが記憶密度の主たる制限要因であると
思われる。現在の市販されているダイレクトアクセス記
憶装置の限界は１ｄ当り１２０万ビツトであり、これは
１ビット当り８０μＭの記憶面積を要するということで
ある。この密度を達するにはギャップが１μｍで記録媒
体表面からの変換器の浮動高さが２５０μｍより小さく
なければならない。従来、この種の変換器は記録媒体が
回転すると自動的に成立される圧縮空気ベアリング上を
滑動するようになっている（例えば、”Ｄｉｓｋ　Ｓｔ
ｏｒａｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”、　Ｌｎｔａｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ　ＢｕｓｉｎｅｓｓＭａｃｈｉｎｅｓ　Ｃ
ｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、　　１９８０、ＧＡ２６−１６
６５−０参照）。
変換器と記録媒体との間の距離を大幅に減らす技法が欧
州特許出願筒８５１１４６６８．８号に示されている。
同出願によれば、変換器と記録媒体との間のギャップを
横切って流れるトンネル電流を利用した帰還ループ構成
により変換器の浮動高さが制御されている。これにより
ギャップは数１０ナノメータ程度に小さくなり、従って
、浮動高さを一定位置に配していた場合と比較して少な
くとも１０倍の記憶密度にすることができる。
このように、記録密度は信号の大きさ、領域の大きさ、
及びその他の要因の他に、変換器の大きさ、即ち、磁気
ヘッドのギャップの大きさに依存している。既に１μｍ
幅の小さなギャップが薄膜ヘッドにより達せられている
。フォトリソグラフィー技術によりヘッドの寸法は数パ
ーセントに減らされ１巻き線配置はマイクロメータの正
確さである。依然として、１μｍ幅のギャップを従来技
術で減らすことはほとんどできない。それゆえ、ビット
サイズを更に減少させるような他の解決方法が必要であ
る。
Ｃ１発明の概要 本発明はそのような新たな解決方法を示しており、従来
の磁気記憶方式とは異なる新たな記憶媒体及び新たな変
換器（トランスジューサ）ヘッドを用いている。より詳
しくは１本発明は金属−真空一金ｍ　（ＭＶＭ）間のト
ンネル作用に関連する現象に着目しており、この現象に
ついては既に走査型１−ンネル顕微鏡の分野において幅
広く研究開発されてる（例えば、Ｂ１ｎｎ１ｇその他の
Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｏ。
Ｌｅｔｔ、　４０　（１９８２）、Ｐ、１７８参照）。
ただし、本発明に利用できるのはトンネル現象に限られ
ず、トランスジューサ位置と浮動高さを十分に制御でき
るような他の技術を利用してもよい。
本発明の記憶装置でも従来の運動型ディスク記憶装置と
同様に、情報を書き込んだり読み出したり消去したりす
る記憶媒体は、記憶媒体上の全ての記憶場所についてア
ドレス指定することができる状態で、変換器（トランス
ジューサ）に対して配置されている。しかしながら、従
来の記憶装置では唯一の共通中心点の周りの同心円上に
沿って記憶場所が配列されているのに対して１本発明の
記憶装置では記憶位置は複数のグループに分かれ、各グ
ループ内の全ての記憶場所はそのグループ毎の中心点の
周りの同心円上に沿って配列されている。また、全ての
中心点は記憶媒体の１つの表面上に配列されている。各
グループの同心円の記憶場所はいわば「マイクロディス
ク」を構成しておリ、この「マイクロディスク」の直径
はＯ，ｌａｗより小さい。したがって、たとえ１つの記
憶表面当りに数１００のｒマイクロディスク」がある場
合でも、要求される面積は従来装置よりもずっと少ない
。
トランジューサはトンネルチップの７レイであり、１つ
のトンネルチップは１つのマイクロディスクに対応して
いる。記憶媒体はトンネル電流に対して敏感な物質から
構成されている。
本発明は記憶媒体それ自身に関するものではないが、ト
ンネル電流の変化を記録することのできる記憶媒体につ
いて簡単に述べる。この記録媒体は例えばシリコン基板
上の２酸化シリコンの薄膜である。酸化物は約２．４ｅ
Ｖの深さの複数のトラップ位置を有することができる。
トンネルチップから放射した電子はそのようなトラップ
位置に室温下で安定的にトラップされ得る（例えば、Ｄ
。
Ｊ、　Ｄｉｍａｒｉａの’Ｔｈｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏ
ｆ　５ｉｎ２ａｎｄ　１ｔｓＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ”、
Ｐｅｒｇａｍｏｎ　１９７８、Ｐ、１６０ｆｆ参照）、
このような機構が書き込み及び読み出しに利用される。
また、読み出し専用記憶装置への応用としては。
記憶表面上に吸着されている炭化水素の炭化という化学
的変化の利用が挙げられる。化学的に変化した記憶場所
はその周囲とは異なる仕事関数を有し、この変化はトン
ネル電流及び距離の特性を観察することにより検知され
得る（Ｂｉｎｎｉｇその他のＰｈｙｓｉｃａ　１２７６
　（１９８４）、Ｐ、３７参照）。
新しい概念の記憶媒体及びトランスジューサにはこれら
の間の変位（トランスジューサに対する記憶媒体の回転
運動）のための新しい機構が必要である。本発明の一実
施例では高速度回転動作を行うための圧電素子が用いら
れ、従来装置で利用されているような電気モータは用い
られていない。
本発明の目的は従来のダイレクトアクセス記憶装置と比
べてより小さい寸法でありながら記憶容量が劇的に増加
したダイレクトアクセス記憶装置を提供することである
。
本発明の更なる目的は従来装置よりも高いビット伝送速
度を有し、そのため、より短いアクセス時間の記憶装置
を提供することである。
本発明の別の目的は記憶媒体及びトランスジューサの相
互変位（相対運動）を行うために電気モータ等の回転部
品を必要とすることのない記憶装置を提供することであ
る。
前記目的を達成するための本発明においては、長尺形の
屈曲体の自由端に記憶媒体を取付は他端は堅固に固定し
、トランスジューサを複数のトンネル電流検知器として
構成し、この検知器はトンネルチップと記憶媒体表面と
の距離が調整できるように記憶媒体表面に向けられた状
態で片持ちビームに取り付けられたトンネルチップを有
し、また、記憶媒体表面とトンネルチップとの間の周期
的な運動を行なわせるための運動手段を設け、この運動
手段は前に屈曲体に固定された複数の電極を周期的且つ
個別的に付勢する制御手段を含み。
前記トンネルチップと記憶媒体表面との間の距離がナノ
メータ範囲であり、また、記憶媒体とのデジタル情報の
書き込み及び読み出しはトンネルチップ及び記憶媒体表
面間のギャップを横切って流れるトンネル電流の変化に
よってなされる。
Ｄ、実施例 第１図には、２酸化シリコン２の薄膜で被われた直径約
３−のシリコンチップから成る基板１を備えた実施例が
示されている。酸化物層２は約２乃至約３ナノメータの
厚さである。その表面全体は１００Ｘ１００μ耐という
ほぼ原子的レベルで平坦に仕上げられている。そのよう
な仕上り程度は研摩技術により達することができる。エ
ピタキシャル成長された半導体の表面や割られた結晶の
どちらが用いられてもよい。基板１は不純物の導入等の
通常の方法で導電性を与えられ、２′Ｎｉ化シリコン）
ｒＩ２をはさんで、この基板１と後述のチップ１３との
間にトンネル電流が流されるようになっている。
基板１は圧電セラミックチューブ３に取付けられ、チュ
ーブ３の外周面には電極４乃至７（第２図）が保持され
ている。チューブ３の一端側はフレーム８に固定され、
チューブ３の円周面の直径方向反対側の領域に配置され
ているＩｔｌｉに即ち、互いに向い合っている電極に反
対電位が印加されるとチューブ３は中心軸から横方向に
傾くことができる。
チューブ３の自由端、即ち、基板１を保持する端部は、
１極４乃至７に正弦電圧を印加することにより回転運動
を行う。この際に正弦電圧は、電極５及び７に印加され
る電圧の位相に対して電極４及び６に印加される電圧の
位相が９０°シフトしている。この結果、第３図の環９
として示されるように、静止観察者から見ると酸化物層
２上の各点は円周経路に沿って回っている。チューブ３
の曲げ共振周波数で動作させることにより環９の回転半
径を大きくすることができる。
半径と共振周波数との積は圧電チューブの特性を表わす
数値である。これは物質の各定数に依存し、即ち、圧電
係数１弾性係数、密度、キュー、形状係数、及び印加さ
れる電界等に依存する。５にＨｚの２０Ｖ交流１回転半
径が５０μｍ、キューが５０のとき、外径約６Ｉで壁の
厚さ約０．４ｗｍの圧電セラミックチューブを市場から
入手できる。。
したがって、酸化物層２上の各周回経路（環９）は５ｏ
μｍの半径で、毎秒間に５０００回だけ静止観察者を通
過し、これは毎分３００，０００回転に担当する（従来
のディスクは毎分３，６００回転である。）。
もちろん、電圧セラミックの代りに他の圧電素子や磁気
ひずみ素子、例えば、ＩＢＭ　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉ
ｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　Ｖｏｌ、　２７
、ＮＱｌｏＢ、ＰＰ。
５９７６／７及びＶｏｌ、２７、ＮＱＩＩ、Ｐｐ、６３
７３の各々に記載されている三脚のようなものが用いら
れてもよい。
前述のように、２酸化シリコン層２が記憶媒体として用
いられ、情報はトラップされた電荷という形で記憶され
る。これらの電荷は、トランスジューサで発生した電子
の特定の記憶場所への放射による結果から生ずる。第４
図及び第５図は変換器（トランスジューサ）・アレイ１
０の一部を示し、第６図は第５図のＡ−Ａ線に従う断面
図である。これらの図において、各変換器（トランスジ
ューサ）１１は片持ちビーム１２を備え、片持ちビーム
１２の自由端にはトンネル電流発生用チップ１３が保持
されている。アレイ１ｏ内の全てのトランスジューサ１
２はキャビティ１４内を延存し、キャビティ１４は基板
１５中に型づくられ、基板１５の上にアレイ１０が設け
られている。基板１５は好ましくはシリコンあるいはガ
リウムヒ素である。基板１５上でのキャビティ１４及び
片持ちビーム１２の製法は、例えば、Ｋ、　Ｅ。
ｒ’ｅｔｅｒｓｏｎによる“Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｉｃｒ
ｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｎＳｉｌｉｃｏｎ　：　Ｆｈ
ｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｎｄ　Ｌｅｏｉｃｅｓ”、ＩＥ
ＥＥＴｒａｎｓ、　Ｅｌ、　Ｄａｖ、、　Ｖｏｌ、　Ｅ
Ｄ２５、Ｎａ　Ｌ　０１１９７８、ｐｐ、１２４１−１
２４９、及びヨーロッパ特許出願第８５１０２５５４．
４中に記載されているような既知のマイクロメカニカル
技術に従うものでよい。なお、トンネル電流発生用チッ
プ１３はタングステン等の金属でもよいし、これら金属
が表面に被覆された非導電物質の結晶体であってもよい
。
各月持ちビーム１２は、静電作用に基づくたわみ現象を
利用することにより、記録用の２酸化シリコン層２上の
関連する記憶領域上にトンネル電流の届く距離内におい
て配置されるように操作できる。このため、各月持ちビ
ーム１２は電極１６を保持し、電極１６は基板１５上に
配置された導体１７に接続されている。対向電極１８は
各キャビティ１４の底部に置かれている。電極１６及び
１８に電圧を印加すると片持ちビーム１２がたわみ、ト
ンネルチップ１３と記録層２の表面との間の距離を変化
させる。
片持ちビーム１２の好ましい形態は次のとおりである： 物質：　　　Ｓ　ｉｏ。
長さ：　　１００μｍ程度 幅　：　　１０〜２０μｍ程度 厚さ：　　０．５μｍ程度 電極間隔＝６μｍ６μ ｍ程電圧：２０Ｖ以下 これらのパラメータであるとき、片持ちビーム１２は約
５０ＫＩ（ｚの曲げ共振周波数を有し、最大たわみ量は
２００ｎｍとなる。基板１５上のトランスジューサ・ア
レイ１ｏはモノリシックな性質を有するので、全てのト
ンネルチップ１３は製造工程を通じて決定される同様な
距離関係に配置されることになる。
既に簡単に述べたように１本発明は前述のトンネル効果
を情報記憶に用いようとするものである。
各記憶場所をより小さくすることができ、情報の書き込
み／読み出しのための物理的手段をより集中させて高密
度とすることができれば、記憶密度は改良される。この
ような要請に応するためには、トランスジューサと記録
表面との間の非常に小さな距離についての厳しい制御を
必要とする。トンネル電流は、記録層２内にデータを書
き込む以外に、チップ１３と記録表面との間の距離につ
いての厳しい制御にも用いられる。即ち、トンネル電流
は電極１６．１８に印加される制御信号を生じさせるフ
ィードバーグループ中に用いられる。この結果、チップ
１３と表面とは所定の位置関係に厳密に設定され得るこ
ととなる。
真空中あるいは空気中（問題となる間隔では真空と同等
である。）での電子トンネル作用（及び電界放射）は０
．１から１０μｍというレンジでトンネルチップ１３と
記憶表面との間の間隔を制御するのに優れて適している
ＣＧ、　Ｂｉｎｎｉｎｇ、　）Ｉ。
Ｒｏｈｒｅｒ、　Ｃｈ、　ｇｅｒｂｅｒ及びＥ、　Ｗｅ
ｉｂａｌによるＡｐｐｌ。
Ｐｈｙｓ、　Ｌｓｔｔ、　４０　（１９８２）　　１７
８を参照、）６制御の仕組みは、２つの導電体間のギャ
ップの大きさに応じて指数関数的に変化するトンネル電
流に基づいている。
頂点の曲率半径が３μｍ程度の妥当な形状をしたトンネ
ルチップ１３を用いると、トンネル電流はほぼｌｎｍ２
程度の範囲内に収まるように横方向の拡がりが制限され
る。したがって、例えば１ｎＡのトンネル電流では１０
’Ａ／ｍｍ２であるように、電流密度は非常に高い値に
達する。チップ１３から記録層２へと通過する電子ビー
ムを適切に絞り込むことができれば、ビットサイズを約
１０ｎｍ２程度にすることができる。最大回転たわみ址
が５０μｍの圧電セラミックチューブ２を用いると。
アレイ１ｏ中の４００の各トンネルチップ１３と関連す
る酸化物層２上の環状の記憶領域９の外径は、もちろん
、１００μｍである。内径が３０μｍであれば、環体９
の１つ当りのトラック数は３゜ＯＯＯであり、環体当り
の記憶容量は従って１００Ｍビットであり、トンネルチ
ップ１３を４００個備える記憶装置では総じて４０Ｇビ
ツトの記憶容量となる。
記憶媒体とトンネルチップ・アレイとの組合せについて
の好ましい実施例が第７図に示されている。その全体的
な大きさは約３０Ｘ３０Ｘ６０■３である。トンネルチ
ップ・アレイ１０は記憶層２と平行で且つ記憶層２に向
けて装備され、記憶層２は圧電セラミックチューブ３の
自由端の基板１に支持されている。チューブ３の他端は
フレーム８にしっかりと固定されている。トンネルチッ
プ・アレイ１０を記憶層２から１−ンネル距離（即ち、
１μｍ以下）以内に配置するために、アレイ１０は粗調
整取付装置２０に取付けられている。
第８図には粗調整取付装置２０の簡単な実施例が示され
、装置２０はバーρスプリング２２とソフトスプリング
２３との組の間に装着されたチップアレイホルダ２１を
有している。スクリュー２４及び２５はスプリング２２
及び２３と底板２６と組み合わされ、これらにより記憶
層２に対するチップアレイ１ｏのマニュアルによる十分
高精度な微調整が行なわれるようになっている。環状プ
レー１−２７はスクリュー２４及び２５を受けるととも
に、フレーム８の装着ベースともなっている。
粗調整が手動操作により完了したとき、条片持ちビーム
１２は記憶層２の表面からのトンネルチップ１３の距離
を個々に調整している。この［１は、＃Ｌ極１６及び１
８に電荷を与えて片持ちビーム１２を静電作用により曲
げてトンネルチップ１３を記憶層２から遠ざけたり近づ
けたりして行なわれる。この調整に必要な制御回路はト
ンネルチップアレイ１０と同一の基板１５上に集積され
てもよい。距離は１ビツト毎の各記憶場所毎に調整され
なくともよく、例えば、６０．０００ビット分の記憶場
所を含む環９　（環９が１０個程度）に対して調整する
程度でよい。極めて小さな距離の変動については、無視
できる。
記憶媒体２の表面に対するトンネルチップ１３の微調整
が完了すると、情報は、トンネル電流が適当に変化する
ことにより、記憶環９の領域に書込まれ得ることになる
。１つの実施例では適当な大きさの電圧パルスを印加す
ることにより電荷が２酸化シリコン層２上にトラップさ
れ、他の実施例では記憶された情報の１ビツトは記憶媒
体２の表面での炭化水素の炭化現象を通じての記憶媒体
の化学的変化によって表わされる。いずれの場合も記憶
層２の表面の仕事関数に変化を生じさせる。
バイト、ワード、ライン等を複数の記憶環９上に平行に
書き込むことができる。それは、トンネルチップ・アレ
イ１０と対応する記憶環９との両者間の距離が、ビーム
１２のたわみ景を調整することにより、極めて厳密に一
定の値に調整されているからである。
記憶装置として極めて小さいにもかかわらず。
通常のダイレクトアクセス記憶装置と同様に、特定の記
憶環９が、アドレス指定の目的で予約されているような
用いられ方をしてもよい。
記憶された情報は、関連する記憶場所における仕事関数
の変化に対応するトンネル電流の変化によって表わされ
る。書き込み／読み出し信号を操作するために必要な電
子回路はトンネルチップ・アレイを保持するチップ上に
集積することができ、そのようにしても、サイクル時間
を増加させ過ぎることはない。
温度の変動による影響は適当な安定化手段、例えば低温
環境にする等によって十分に小さくできる。また、装置
全体を真空中若しくは不活性ガス中に保持することが有
利である。
最後に、記憶層２内にディジタル情報を書き込むための
操作について更に説明する。書き込みに際しては、トン
ネルチップ１３が情報を書き込もうとする記憶層２の場
所の上に位置したとき、トンネルチップ１３と導電体と
しての基板１との間を流れるトンネル電流を通常の値よ
りも増大させて、電荷を非導電体である記憶層２中にト
ラップさせる。なお、このような操作の前にビーム１２
尋 のたわみ量を調整し、チップ１３と記憶表面との距離を
厳密に調整しておく。電荷がトラップされた場所の記憶
表面は仕事関数が変化するので、この場所を通過する際
のチップ１３のトンネル電流か増大する。したがって、
チップ１３のトンネル電流の検知すれば、記憶情報の読
み出しもできることになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は圧電セラミック屈曲体上に支持された記憶媒体
を示す斜視図、第２図は第１図の圧電セラミック屈曲体
を示す断面図、第３図は圧電セラミンク屈曲体の動きを
示す斜視図、第４図はトランスジューサ・アレイの一部
を示す上面図、第５図は第４図のトランスジューサ・ア
レイの一部を拡大して示す上面図、第６は第５図のＡ−
Ａ線に従う断面図、第７図はトランスジューサ・アレイ
に対する記憶媒体の組み立て例を示す正面図、第８図は
トランスジューサ・アレイと記憶媒体との粗調整取付装
置を示す断面図。 １・・・・半導体基板、２・・・・酸化物層（記憶層）
、３・・・・圧電セラミック（屈曲体）、４．５．６．
７・・・・電極、９・・・・記憶環、１０・・・・変換
器（トランスジューサ）・アレイ、１１・・・・変換器
（トランスジューサ）、１２・・・・片持ちビーム、１
３・・・・トンネルチップ、１４・・・・キャビティ、
１５・・・・基板、１６．１８・・・・電極、１７・・
・・導体、２０・・・・精調整取付装置、２１・・・・
チップアレイホルダ、２２．２３・・・・スプリング、
２６・・・・底板、２７・・・・環状プレート。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　岡　　１）　次　　生（外１名）

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）記憶媒体と、変換器と、変換器に対して記憶媒体
    を変位させて変換器を記憶媒体中の複数の記憶位置に対
    応させる変位手段と、を備えた記憶装置であつて、 前記変換器は、前記記憶媒体との間隔が微調整可能な片
    持ちビーム上に前記記憶媒体に向けて取付けられたトン
    ネル電流発生用チップを有し、前記トンネル電流発生用
    チップから発生して前記記憶媒体を通過するトンネル電
    流により前記記憶媒体表面の仕事関数を変化させること
    により情報を書き込み、仕事関数の変化が前記トンネル
    電流発生用チップから発生するトンネル電流の大きさに
    対して与える影響を検知することにより情報を読み出す
    ことを特徴とする記憶装置。
  2. （２）特許請求の範囲第（１）項記載の記憶装置におい
    て、前記記憶媒体は、トンネル電流が通過すると内部に
    電子をトラップすることにより表面の仕事関数を変化さ
    せる非導電体であることを特徴とする記憶装置。
  3. （３）特許請求の範囲第（１）又は第（２）項記載の記
    憶装置において、前記変位手段は、一端側が固定された
    他方の自由端側に前記記憶媒体が取付けられた圧電屈曲
    体と、位相ずれした電圧が順次印加されることにより前
    記圧電屈曲体の屈曲方向を回転させるよう前記圧電屈曲
    体の周面に配置された複数の電極と、を有することを特
    徴とする記憶装置。
JP62100218A 1986-05-27 1987-04-24 記憶装置 Pending JPS62281138A (ja)

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