(57)【要約】  【課題】  半導体プロセスでよく利用されているAl、Si、Geを用いて電流書き込み型もしくは光書き込み型などの高密度記録可能なメモリデバイスを提供する。  【解決手段】  基板１４の表面上に厚み1μm以下のAl(Si,Ge)混合膜１１が形成されており、Al(Si,Ge)混合膜１１はSi及び／またはGeを主成分とするアモルファス状態のマトリックス１２にAlを主成分とし且つ基板１４の表面に対し垂直の方向に延びている複数のシリンダー１３が埋め込まれたものであり、Al(Si,Ge)混合膜１１の少なくとも一部に熱を加えてシリンダー１３の構造を破壊することで情報の記録がなされるメモリデバイス。シリンダー１３の径が20nm以下であり、互いに隣接するシリンダー１３同士の中心間の距離が30nm以下である。Al(Si,Ge)混合膜１１中の(Al+Si+Ge)量に対する(Si＋Ge)量の比率が20atomic%以上且つ70atomic%以下である。【選択図】  図１
2005064137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面上にAl(Si,Ge)混合膜が形成されており、該Al(Si,Ge)混合膜はSi及び／またはGeを主成分とするマトリックスにAlを主成分とする複数のシリンダーが埋め込まれたものであり、前記Al(Si,Ge)混合膜の少なくとも一部に熱を加えて前記シリンダーの構造を破壊することで情報の記録がなされることを特徴とするメモリデバイス。
【請求項２】
請求項１において、前記シリンダーの径が20nm以下であり、互いに隣接する前記シリンダー同士の中心間の距離が30nm以下であるメモリデバイス。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれかにおいて、前記マトリックスがSiを主成分としAlを含有してなるメモリデバイス。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記Al(Si,Ge)混合膜の厚みが1μm以下であるメモリデバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記熱は電流により前記Al(Si,Ge)混合膜の少なくとも一部に加えられるメモリデバイス。
【請求項６】
請求項５において、前記Al(Si,Ge)混合膜に接して該Al(Si,Ge)混合膜に前記電流を流すための対をなす電極が配置されているメモリデバイス。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記熱は光照射により前記Al(Si,Ge)混合膜の少なくとも一部に加えられるメモリデバイス。
【請求項８】
請求項５〜６のいずれかに記載のメモリデバイスに対して情報の記録再生を行う情報記録再生装置であって、前記Al(Si,Ge)混合膜に前記電流を流すための電気回路を備えることを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項９】
請求項７に記載のメモリデバイスに対して情報の記録再生を行う情報記録再生装置であって、前記Al(Si,Ge)混合膜に前記光照射を行うための光照射手段を備えることを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項１０】
請求項９において、更に前記光照射手段による前記メモリデバイス上の光照射位置を前記メモリデバイス上で走査する走査手段を備える情報記録再生装置。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれかに記載の情報記録再生装置と、該情報記録再生装置により前記メモリデバイスから再生された情報を用いて演算を行い及び／または結果が前記情報記録再生装置により前記メモリデバイスに記録される演算を行う演算部とを備えることを特徴とする情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メモリデバイスとくに一回書き込み型のメモリデバイス、更にはそれを用いる情報記録再生装置及び情報処理装置に関するものである。本発明のメモリデバイスは、例えばチップ状またはディスク状のメモリとして利用される。
【背景技術】
【０００２】
記録状態が保持できるメモリデバイスとしては、従来、強誘電体メモリやフラッシュメモリが利用されており、そして最近では磁性体を用いたMRAMが開発されている。これらの素子では、電子の蓄えられる状態の変化や磁性体の磁化方向の変化を利用して、情報を記録している。
【０００３】
また光ディスクとしては、磁性体を用いた光磁気ディスクや、一回書き込み型のCD-R、繰り返し書き込めるタイプのCD-RWなどが利用されている。CD-Rにおいては光記録は色素を利用しているのに対し、CR-RWでは結晶―アモルファス転移を利用している。
【０００４】
一方、メモリデバイスの項記録密度化即ちメモリセル配置の更なる高密度化が求められており、そのための手法の１つとして、フォトリソグラフィー等の微細パターン形成技術とは別に、材料の自己組織化（self-organization）現象或いは自己形成化現象を利用することが考えられる。即ち、自然に形成される規則的な構造をベースに、新規な微細構造体を実現しようというものである。この自己組織化現象或いは自己形成化現象を利用する手法では、ミクロンオーダーはもちろん、ナノオーダーの構造体を実現できる可能性があるため、多くの研究が行われ始めている。例えば、微粒子金属がお互いの電気的或いは磁気的な相互作用により、自己組織的に分離することを利用して、ワイヤ状の金属微粒子集合体を形成する方法が、特開平１０−３２１８３４号公報（特許文献１）に開示されている。
【特許文献１】特開平１０−３２１８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、微細構造体に関して研究が行われているものの、メモリデバイスの高記録密度化に好適な、よりサイズが小さく且つ制御された新規な微細構造体が求められている。
【０００６】
そこで、本発明は、サイズが小さく且つ制御された新規な微細構造体を用いた高記録密度の可能なメモリデバイスを提供するものである。とくに、本発明は、半導体プロセスで最も利用されている元素であるAl、Si、Geを用いて電流書き込み型もしくは光書き込み型などのメモリデバイス、及びそれを記録媒体として用いる情報記録再生装置及び情報処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、基板の表面上にAl(Si,Ge)混合膜が形成されており、該Al(Si,Ge)混合膜はSi及び／またはGeを主成分とするマトリックスにAlを主成分とする複数のシリンダーが埋め込まれたものであり、前記Al(Si,Ge)混合膜の少なくとも一部に熱を加えて前記シリンダーの構造を破壊することで情報の記録がなされることを特徴とするメモリデバイス、が提供される。
【０００８】
好ましくは、前記シリンダーは前記基板の表面に対しほぼ垂直の方向に延びている。好ましくは、前記シリンダーの径が20nm以下であり、互いに隣接する前記シリンダー同士の中心間の距離が30nm以下である。
【０００９】
好ましくは、前記Al(Si,Ge)混合膜中の(Al+Si+Ge)量に対する(Si＋Ge)量の比率が20atomic%以上且つ70atomic%以下である。好ましくは、前記マトリックスがSiを主成分としAlを含有してなる。好ましくは、前記マトリックスがアモルファス状態であり特にAlを含有するモルファスシリコンからなる。好ましくは、前記Al(Si,Ge)混合膜の厚みが1μm以下である。
【００１０】
前記熱は、例えば電流により前記Al(Si,Ge)混合膜の少なくとも一部に加えられる。好ましくは、前記Al(Si,Ge)混合膜に接して該Al(Si,Ge)混合膜に前記電流を流すための対をなす電極が配置されている。
【００１１】
また、前記熱は、例えば光照射により前記Al(Si,Ge)混合膜の少なくとも一部に加えられる。
【００１２】
本発明によれば、上記電流により熱を加えるメモリデバイスに対して情報の記録再生を行う情報記録再生装置であって、前記Al(Si,Ge)混合膜に前記電流を流すための電気回路を備えることを特徴とする情報記録再生装置、が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、上記光照射により熱を加えるメモリデバイスに対して情報の記録再生を行う情報記録再生装置であって、前記Al(Si,Ge)混合膜に前記光照射を行うための光照射手段を備えることを特徴とする情報記録再生装置、が提供される。この情報記録再生装置は、好ましくは、更に前記光照射手段による前記メモリデバイス上の光照射位置を前記メモリデバイス上で走査する走査手段を備える。
【００１４】
また、本発明によれば、以上のような情報記録再生装置と、該情報記録再生装置により前記メモリデバイスから再生された情報を用いて演算を行い及び／または結果が前記情報記録再生装置により前記メモリデバイスに記録される演算を行う演算部とを備えることを特徴とする情報処理装置、が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、Al(Si,Ge)混合膜を用いた高密度記録の可能なメモリデバイスが提供される。この様なメモリデバイスは、固体デバイスとして利用できるばかりでなく、光記録媒体としても利用可能であり、これらを記録媒体とする情報記録再生装置や情報処理装置にも適用可能である。本発明のメモリデバイスはAl、Si、Geなど従来プロセスで加工がし易い材料を用いているため、応用上非常に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
先ず、本発明のメモリデバイスを構成するAl(Si,Ge)混合膜について説明する。
【００１８】
図１は、Al(Si,Ge)混合膜を有する本発明のメモリデバイスの一部を示す図であり、（ａ）が断面図であり、（ｂ）が平面図である。図1において、14は基板であり、11はAl(Si,Ge)混合膜であり、12は（Si,Ge）即ちＳｉ及び／またはＧｅを主成分とするマトリックス、13はAlを主成分とするシリンダーである。Al(Si,Ge)混合膜１２は、基板１４の表面上に形成されており、マトリックス中１２中に複数のシリンダー１３が分散して埋め込まれて配置された形態をなしている。シリンダー１３は、典型的には基板１４の表面の法線方向に垂直な方向に延びている微細構造体（ナノ構造体）である。
【００１９】
シリンダー13の組成は、Alを主成分とする（即ち、構成成分中でAlの組成比が最大）が、柱状または台状等の微細構造体としてのシリンダー１３が得られるならば、Si、Ge、酸素、アルゴン、窒素、水素などの他の元素を含有していてもよい。また、シリンダー13の周囲を取り囲んでいるマトリックス１２の組成は、SiやGeを主成分とする（即ち、構成成分中で（Si,Ge）の組成比が最大）が、シリンダー１３の周囲を囲んで膜が形成されるならば、Al、酸素、アルゴン、窒素、水素などの他の元素を含有していてもよい。
【００２０】
なお、マトリックス12は、非晶質、あるいは微（多）結晶のものを用いることができる。但し、マトリックス12が非晶質(Si,Ge)である方が絶縁性と言う観点からは好ましい。その理由は、マトリックス12を非晶質(Si,Ge)とすることで、結晶質のSi、Geに比べてバンドギャップが増加し、シリンダー間の電気的な絶縁性が向上するからである。また、絶縁性や耐薬品性を考慮すると、マトリックス１２はSiもしくはAlを含んだSiであることが有効である。
【００２１】
Alを含むシリンダー13は、膜上面上から見た平面形状が典型的には円形あるいは楕円形である。しかし、マトリックス12中にシリンダー13が適度に分散していれば、シリンダー13の平面形状は任意の形状であってもよい。
【００２２】
本発明に係るナノ構造体におけるシリンダー１３は、径が20ｎｍ以下、好ましくは10ｎｍ以下、さらに好ましくは8ｎｍ以下であるのがよい。シリンダー１３の径の下限は例えば１ｎｍである。なお、シリンダー１３の平面形状が楕円等の非円形の場合は、長径などの最も長い外径が、上記範囲内であればよい。
【００２３】
尚、シリンダー１３の平均径（複数のシリンダーの径の平均）は、Al(Si,Ge)混合膜１１中の(Si,Ge)の組成比が大きいほど小さくなる傾向があり、また(Si,Ge)の組成比が同じ場合にはSiの組成比が大きい方が微細になる傾向がある。したがって、(Si,Ge)の組成比又はマトリックスとしてSi及びGeからなるものを用いる場合にはSiの組成比を制御することでシリンダー１３の直径を制御することが可能である。
【００２４】
また、互いに隣接するシリンダー13同士の間隔（即ち、互いに隣接するシリンダー13の中心同士の間の距離）は、30nm以下、好ましくは15nm以下、より好ましくは10nmであるのがよい。もちろん、この間隔は、シリンダー１３どうしが接触しないようなものとされる。
【００２５】
また、シリンダー13の縦断面形状（基板１４の表面の法線の方向を含む断面の形状）は、図1（ａ）のように長方形形状でも良いし、正方形や台形などでもよい。シリンダー１３の長さは、例えば1nm〜1μｍの範囲である。シリンダー13は、特定方向に整列しているのがよい。図1（ａ）に示すように特に基板１４に対して垂直方向に整列しているのがよいが、これから若干傾いていてもよい。
【００２６】
シリンダー１３としては、たとえば、柱状構造の径が1〜20ｎｍであり、かつ、間隔が5〜30ｎｍであり、かつ、径に対する高さの比すなわちアスペクト比が0.1〜1000であり、かつ、基板に対してほぼ垂直である微細構造体が、典型的なものとして挙げられる。
【００２７】
Al(Si,Ge)混合膜１１は、その構成中の(Al+Si+Ge)量に対する(Si＋Ge)量の比率（モル比で［（Si＋Ge）量／（Si＋Ge＋Al）量］×100で表される値）が20atomic%以上且つ70atomic%以下、好ましくは25atomic%以上65atomic%以下、さらに好ましくは30atomic%以上60atomic%以下である場合に形成される。なお、（Si＋Ge）量の割合（組成比）が上記範囲内であれば、マトリックス12内にシリンダー13が高密度に分散したAl(Si,Ge)混合膜１１が得られる。
【００２８】
上記の比率または割合（atomic%）は、例えば誘導結合型プラズマ発光分析法でAl(Si,Ge)混合膜１１中のSi、GeとAlの量を定量分析することで得られる。ｗｔ％を単位として用いる場合には、例えば、Geを含まない場合には、上記の20atomic%以上且つ70atomic%以下の範囲は、20．65ｗｔ％以上且つ70．84ｗｔ％以下となる（Alの原子量を26．982、Siの原子量を28．086として換算している）。
【００２９】
基板14としては、特に限定されるものではないが、石英ガラス基板やプラスチック基板などの絶縁性基板、シリコン基板、ゲルマニウム基板、ガリウム砒素基板あるいはインジウム燐基板などの半導体基板を用いることができる。基板１４としては、その上に混合膜が形成できるのであれば、フレキシブルな基板（例えばポリイミド樹脂からなる基板など）も用いることができる。さらには、基板１４として、以上のような基板の表面上に一層以上の膜が形成されているものを使用してもかまわない。なお、混合膜とくにシリンダーの形成に不都合がなければ、基板などの基体の材質、厚さ、機械的強度などは特に限定されるものではない。また、基板の形状は、平滑な板状のものに限らず、曲面を有するもの、表面にある程度の凹凸や段差を有するものなどが挙げられ、混合膜とくにシリンダーの形成に不都合がなければ、特に限定されるものではない。
【００３０】
Al(Si,Ge)混合膜１１は、非平衡状態で形成する成膜法であるマグネトロンスパッタリング法により形成することができる。
【００３１】
原料としてのターゲットは、Alターゲット基板上にSiチップやGeチップを配したものを用いることができる。SiチップあるいはGeチップは、複数に分けて配置出来るが、勿論これに限定されるものではない。また、所定量のAlと(Si,Ge)との粉末を焼成して作製したAl(Si,Ge)焼成物をターゲットとして用いることもできる。このようなターゲットを用いることにより、組成のばらつきの少ない均質な膜を形成することが可能となる。また、Alターゲット、Siターゲット、Geターゲットを別々に用意し、同時に各々のターゲットをスパッタリングする方法を用いても良い。
【００３２】
形成される膜中の(Si,Ge)の合計量は、Al及び(Si,Ge)の全量に対して20atomic%以上70atomic%以下であり、好ましくは25atomic%以上65atomic%以下、さらに好ましくは30atomic%以上60atomic%以下であり、このような組成比の膜が得られるようにターゲットの面積または組成などを選定する。
【００３３】
また、スパッタリングの際の基板温度は、300℃以下、好ましくは200℃以下であるのがよい。また、基板温度は室温あるいはそれ以下でも構わない。斯かる温度範囲内で作製されれば、(Si,Ge)マトリックス内にシリンダーが分散したナノ構造体が得られる。300℃以下の基板温度でAl(Si,Ge)を非平衡状態で形成することにより、作製されたAl(Si,Ge)混合膜１１は、Alと(Si,Ge)とが共晶型組織と類似の組織となり、Alが数ｎｍレベルのナノシリンダーを形成し、(Si,Ge)マトリックスの領域と自己形成的に分離する。ここで共晶と類似の述べたのは、(Si,Ge)はアモルファスである場合が多く、結晶として存在しているとは限らないからである。また、いわゆる共晶点より、組成において(Si,Ge)が多く含まれていることも本発明には重要である。また、300℃を超える試料温度でAl(Si,Ge)混合膜を成膜すると、作製されたAl(Si,Ge)混合膜は、300℃以下で形成される構造に比べて、安定な界面の面積がより少ない大きな結晶へと成長を始め、数ｎｍレベルのナノシリンダーを形成しない。
【００３４】
Al(Si,Ge)混合膜１１中の(Si,Ge)の組成比は、例えばAlターゲット上に置くSiチップあるいはGeチップの量を変えることや、Alと(Si,Ge)の粉末の混合量を変えて焼成したターゲットを用いることにより制御できる。
【００３５】
非平衡状態で成膜を行う場合、特にスパッタリング法の場合は、アルゴンガスを流したときの反応装置内の圧力は、0．2〜1Pa程度がよい。しかし、特に、これに限定されるものではなく、アルゴンプラズマが安定に形成される圧力であればよい。
【００３６】
非平衡状態で物質を形成する成膜法は、スパッタリング法が好ましいが蒸着法（抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着等）、イオンプレーティング法をはじめとする任意の非平衡状態で物質を形成する成膜法が適用可能である。また、成膜のやり方としては、Al(Si,Ge)混合膜を同時に形成する同時成膜プロセスを用いても良いし、Al(Si,Ge)を数原子層づつ積層する積層成膜プロセスを用いてもかまわない。
【００３７】
次に、図２を用いて、本発明に係るメモリデバイスの一実施形態についてその製造方法と共に説明する。図中、21は電極、22はシリンダー構造破壊部、23はAl凝集部、24はSi凝集部である。図中、（ａ），（ｂ）は部分断面図であり、（ａ’），（ｂ’）は部分平面図である。この実施形態は、電流により情報の書き込み及び読み出しを行うものである。
【００３８】
このメモリデバイスは、上記のようにして基板１４の表面上にAl(Si,Ge)混合膜１１を形成し、該混合膜をリソグラフィー技術を用いて多数の細線状（例えば長さ０．１〜１０μｍで、幅０．０１〜１μｍ）に形成し、そして各細線状混合膜１１の両端部上に対をなす電極21を形成することで得られる。対をなす電極間の距離は、例えば０．１〜１０μｍである。図２では１つの細線状混合膜１１に対応する１つのメモリセル部分のみ示されている。各メモリセルの対をなす電極２１は、情報記録再生装置の電圧可変電源、電流センサＳ及び開閉スイッチを含む電気回路（図２（ａ’）参照）に接続されている。この電気回路は書き込み手段及び読み出し手段を構成している。これらの電圧可変電源、電流センサＳ及び開閉スイッチは、全メモリセルについての不図示の制御部に接続されており、該制御部により動作が制御され、後述の書き込み動作及び読み出し動作が実行される。尚、実際には、メモリセルを二次元的に配列し、各メモリセルに対する一方の電極に接続される配線と他方の電極に接続される配線とをマトリクス配線となし、シフトレジスタなどを用いて電源、電流センサ及び開閉スイッチを共通化することができる。
【００３９】
情報の書き込み時には、書き込み手段を構成する開閉スイッチを閉じて、電源により対をなす電極２１間にある程度以上の電圧を印加すると、Al(Si,Ge)混合膜１１は電極２１より抵抗値が高いため発熱する。そして、Al(Si,Ge)混合膜１１中のAlと（Si,Ge）とが各々凝集を開始し、図2(b)のようにシリンダー構造が破壊されてシリンダー構造破壊部22が形成される。この破壊された部分は、図2(b')に示すように、Al凝集部23とSi凝集部（混合膜のＧｅ組成比は零であるものとした）24とに分かれている。この凝集領域の大きさは、流す電流の電流密度、電流印加時間、Al(Si,Ge)混合膜１１の組成、Al(Si,Ge)混合膜の厚み、細線状Al(Si,Ge)混合膜の幅に大きく依存するが、概ね数10nmから１μｍのサイズである。また、電流密度が大きいほど、電流印加時間が長いほど、Al(Si,Ge)混合膜中のAlの比率が高いほど、凝集領域は大きくなる傾向がある。また、SiとGeを比較すると、Geの方が凝集領域は大きくなる傾向がある。この凝集には単なる加熱だけではなく、エレクトロマイグレーションの作用も加わっていると考えられるが、本発明ではこれも加熱凝集の一部として取り扱う。
【００４０】
この様に凝集した膜の電気抵抗は、その凝集の仕方や細線幅にも依存するが、概ね見かけ上の抵抗率が下がる傾向にある。それは分離していたAlシリンダー同士が凝集して電流のパスを形成するからである。ただし、細線幅などが極端に小さい場合にはSiの凝集部分が電流パスを遮断することになり、逆に見かけ上の抵抗率は大きくなる。
【００４１】
情報の読み出し時には、読み出し手段を構成する開閉スイッチを閉じて、電源により対をなす電極２１間にある程度の電圧（書き込み時の電圧より低い電圧）を印加し、電流センサＳにより電気回路を流れる電流値を検知する。この電流値は、上記書き込みを行ったメモリセルと書き込みを行っていないメモリセルとでは、大きく異なる。これにより、上記制御部にて、適宜の閾値を超える電流値が検知されたメモリセルと閾値以下の電流値が検知されたメモリセルとで異なる情報として検知することができる。
【００４２】
電流印加の方法としては、図２に挙げた形態以外のものもある。それを図３により説明する。図３（ａ）は図２の形態である。図３（ｂ）の形態では、電極２１は、基板１４の表面上に直接形成されており、その端面が細線状Al(Si,Ge)混合膜１１の端面と接触している。また、図４（ｃ）の形態では、Al(Si,Ge)混合膜１１の上下に対をなす上部電極４１及び下部電極４２を配置し、これらの間に電流を流す。尚、特にAlやSiの凝集を精密にコントロールする場合には、Al(Si,Ge)混合膜１１に隣接してAlやSiなどからなる凝集制御用の膜を形成しておくことも有効である。
【００４３】
次に、図４及び図５を用いて、本発明に係るメモリデバイスの他の実施形態について説明する。図中、31はレーザー光、32はレーザー光照射領域、51は読み取り照射光、52は読み取り透過光、53は記録マーク部、54は読み取り反射光である。このメモリデバイスは、上記のようにして基板１４の表面上にAl(Si,Ge)混合膜を形成することで得られる。
【００４４】
情報の書き込み時には、Al(Si,Ge)混合膜１１に対してある程度以上のエネルギー密度を有するレーザー光31を照射してレーザー光照射領域32を形成すると、該領域のAl(Si,Ge)混合膜は発熱する。そして、Al(Si,Ge)混合膜中のAlと（Si,Ge）とが各々凝集を開始し、図４（ｂ）のようにシリンダー構造が破壊されてシリンダー構造破壊部22が形成される。この破壊された部分は、図３（ｂ’）に示すようにAl凝集部23とSi凝集部（混合膜のＧｅ組成比は零であるものとした）24に分かれている。この凝集領域の大きさはレーザー光３１の波長、強度及び照射時間、Al(Si,Ge)混合膜の組成、Al(Si,Ge)混合膜の厚み、Al(Si,Ge)混合膜に隣接する素材などに依存するが、概ね数10nmから１μｍのサイズである。また、レーザー光の強度が大ききほど、レーザー光の照射時間が長いほど、Al(Si,Ge)混合膜中のAlの組成比率が高いほど、凝集領域は大きくなる傾向がある。また、SiとGeを比較すると、Geの方が凝集領域は大きくなる傾向がある。この様に凝集した膜の反射率や透過率は、その凝集の仕方や入射する光にも依存するが、概ね見かけ反射率は下がり、透過率は上がる傾向にある。
【００４５】
情報の読み出し時には、図５（ａ）に示した様に、Al(Si,Ge)混合膜１１の上方から読み取り照射光51を記録マーク部（情報ビットが形成されているAl(Si,Ge)混合膜１１の部分）53に当て、読み取り透過光52を検知する方式や、図5(b)に示した様にAl(Si,Ge)混合膜１１の片側だけを用いて読み取り反射光54を検知する方式がある。これらの光書き込み読み出し方式の場合には、Al(Si,Ge)混合膜１１の表面等に反射防止膜などを形成しておくことも有効である。
【００４６】
このように光による書き込みや読み出しを行う場合には、メモリデバイスの基板としてはガラスやプラスティックなどの透光性を有するものが有利である。
【００４７】
図６は、本発明のメモリデバイスを記録媒体として用いる情報記録再生装置の一実施形態を説明するための模式図である。本実施形態では、メモリデバイスはディスク状の記録媒体６１として利用される。記録媒体６１は、モーターなどの記録媒体駆動部６２により駆動回転せしめられる。記録媒体６１の上方または／及び下方には、上記読み取り照射光５１を照射し及び上記読み取り透過光５２または読み取り反射光５４を検知する光ヘッド６３が配置されている。該光ヘッド６３は光照射手段を構成している。光ヘッド６３はヘッド駆動部６４により記録媒体６１の半径方向に往復駆動せしめられる。上記記録媒体駆動部６２及びヘッド駆動部６４は走査手段を構成している。記録媒体６１のAl(Si,Ge)混合膜には、円周方向に沿って上記記録マーク部がとびとびに配列された情報トラックが形成され、記録媒体駆動部６２により記録媒体６１を回転させながら、ヘッド駆動部６４により光ヘッド６３を所望の情報トラックの記録マーク部へとアクセスして、そこで上記のような情報の書き込み及び読み出しを行う。信号処理部は、このような動作により光ヘッド６３から得られる信号を適宜処理する。記録再生装置は記録媒体に対する塵埃の付着防止のための防塵ケース等を備えるのが好ましい。
【００４８】
また、本発明の情報記録再生装置としては、上記図２に関し説明したような電源及び電流センサなどからなる電気回路を備えたものが例示される。この場合、SiのLSIメモリチップ内の一部にメモリデバイスを形成し、該ＬＳＩメモリチップ内にシフトレジスタその他の周辺回路を形成しておくことができる。
【００４９】
図７は、本発明のメモリデバイスを記録媒体として用いる情報記録再生装置を備えた情報処理装置の一実施形態を説明するための模式図である。本実施形態では、上記のような情報記録再生装置としての記録再生装置部７２と、演算部７３と、メモリ部７４と、電源７５とを、配線７７で適宜接続し、これを格納容器７１に格納している。この情報処理装置は、外部入出力部７６を備える。演算部７３は、記録再生装置部７２により上記メモリデバイスから再生された情報を用いて演算を行い、また、上記記録再生装置部７２により結果が上記メモリデバイスに記録されることになる演算を行う。この演算に際しては、演算結果をメモリ部７４に記憶し外部へと出力させることができ、また、メモリ部７４に記憶された外部入力情報を利用して演算をすることができる。
【実施例】
【００５０】
以下に実施例をあげて、本発明を説明する。
【００５１】
「実施例１」
本実施例では、シリンダーがＡｌからなりマトリックスがＳｉからなるAl(Si,Ge)混合膜（Ｇｅ組成比０）を作製した。この混合膜においては、シリコンに周囲を囲まれたアルミニウムシリンダーは、円柱状構造をなしており、その直径が３ｎｍであり、長さが２００ｎｍであり、隣接するもの同士の中心間隔が７ｎｍであった。
【００５２】
ガラス基板上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して５５ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムシリコン混合膜を約２００ｎｍ厚に形成する。ターゲットには、４インチのアルミニウムターゲット上に１５ｍｍ角のシリコンチップ１３を８枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：０．７Ｐａ、投入電力：１ｋＷとした。また、基板温度は室温とした。
【００５３】
なお、ここではターゲットとして、アルミニウムターゲット上にシリコンチップを８枚置いたものを用いたが、シリコンチップの枚数はこれに限定されるものではなく、スパッタ条件により変化し、アルミニウムシリコン混合膜のシリコン組成比が約５５ａｔｏｍｉｃ％近辺になれば良い。また、ターゲットはアルミニウムターゲット上にシリコンチップを置いたものに限定されるものではなく、シリコンターゲット上にアルミニウムチップを置いたものでも良いし、シリコンとアルミニウムの粉末を焼結したターゲットを用いても良い。
【００５４】
次に、このようにして得られたアルミニウムシリコン混合膜をＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量（ａｔｏｍｉｃ％）を分析した。その結果、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量は約５５ａｔｏｍｉｃ％であった。なお、ここでは測定の都合上、基板として、カーボン基板上に堆積したアルミニウムシリコン混合膜を用いた。
【００５５】
ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、アルミニウムシリコン混合膜を観察した。基板真上方向から見た表面の形状は、シリコンに囲まれた円形のアルミニウムナノ構造体（シリンダー）が二次元的に配列していた。アルミニウムナノ構造体部分の直径は３ｎｍであり、その平均中心間間隔は７ｎｍであった。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察した所、高さは２００ｎｍであり、それぞれのアルミニウムナノ構造体部分はお互いに独立していた。
【００５６】
また、Ｘ線回折法でこの試料を観察した所、結晶性を示すシリコンのピークは確認できず、シリコンは非晶質であった。
【００５７】
従って、シリコンに周囲を囲まれた中心間隔が７ｎｍ、外径が３ｎｍ、高さが２００ｎｍのアルミニウムシリンダーを含んだアルミニウムシリコン混合膜からなるナノ構造体を作製することができた。
【００５８】
また、シリコンチップの枚数の条件のみを変え、アルミニウムシリコン混合膜のシリコン組成比が、２０ａｔｏｍｉｃ％、２５ａｔｏｍｉｃ％、３５ａｔｏｍｉｃ％、５０ａｔｏｍｉｃ％、６０ａｔｏｍｉｃ％、６５ａｔｏｍｉｃ％、７０ａｔｏｍｉｃ％であるアルミニウムシリコン混合膜を作製した。
【００５９】
「比較例」
また、比較試料Ａとして、ガラス基板上に、スパッタ法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して１５ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムシリコン混合膜を約２００ｎｍ厚に形成した。ターゲットには、４インチのアルミニウムターゲット上に１５ｍｍ角のシリコンチップ１３を２枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：０．７Ｐａ、投入電力：１ｋＷとした。また、基板温度は室温とした。
【００６０】
ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、比較試料Ａを観察した。基板真上方向から見た表面の形状は、アルミニウム部分は円形状にはなっておらず、縄状になっていた。即ち、アルミニウムの柱状構造体がシリコン領域内に均質に分散した微細構造体となっていなかった。さらに、その大きさは１０ｎｍを遥かに超えていた。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察した所、アルミニウム部分の幅は１５ｎｍを超えていた。なお、このようにして得られたアルミニウムシリコン混合膜をＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量（ａｔｏｍｉｃ％）を分析した。その結果、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量は約１５ａｔｏｍｉｃ％であった。
【００６１】
さらに、比較試料Ｂとして、ガラス基板上に、スパッタ法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して７５ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムシリコン混合膜を約２００ｎｍ厚に形成した。ターゲットには、４インチのアルミニウムターゲット上に１５ｍｍ角のシリコンチップ１３を１４枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：０．７Ｐａ、投入電力：１ｋＷとした。また、基板温度は室温とした。
【００６２】
ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、比較試料Ｂを観察した。基板真上方向から見た試料表面には、アルミニウム部分を観察することができなかった。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察しても、明確にアルミニウム部分を観察することができなかった。なお、このようにして得られたアルミニウムシリコン混合膜をＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量（ａｔｏｍｉｃ％）を分析した。その結果、シリコンのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量は約７５ａｔｏｍｉｃ％であった。
【００６３】
以上のような比較試料Ａ、比較試料Ｂ及びアルミニウムシリコン混合膜のシリコン組成比が２０〜７０ａｔｏｍｉｃ％である実施例１の混合膜試料について、アルミニウムの柱状構造体がシリコンマトリックス領域内に均質に分散した微細構造体となっている場合を○、なっていない場合を×として判定した結果を以下の表１に示す。
【００６４】
【表１】
2005064137.tif 000003
このように、アルミニウムとシリコンの全量に対するシリコン含有量を、２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下に調整することで、作製されたアルミニウムナノ構造体の外径の制御が可能であり、また、直線性に優れたアルミニウムシリンダーの作製が可能になる。なお、構造の確認には、ＳＥＭの他にもＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）等を利用するのがよい。
【００６５】
なお、上記シリンダー成分の含有量に関しては、シリコンに代えてゲルマニウム或いはシリコンとゲルマニウムとの混合物を用いても同様な結果が得られた。
【００６６】
「実施例２」
本実施例においては、図２に関し説明したようなAl(Si,Ge)混合膜を用いた電流書き込み読み出し型のメモリデバイスを作製した。
【００６７】
基板として表面酸化Siウェハーを用い、その上にAl0.6(Si1-xGex)0.4においてx = 0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0の組成比の膜を成膜した。ここでターゲットにはAlを用い、その上にSiとGeのチップを置いて組成を変化させた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：0.7Ｐａ、投入電力：３００Ｗととし、基板温度は室温として、膜厚を約50nmにした。
【００６８】
その結果、図1に示したようにAl(Si,Ge)混合膜11にはアモルファス(Si,Ge)を主成分とするマトリックス12とマトリックス12中に基板表面に対して垂直の方向に成長したAlを主成分とするシリンダー13が成長した。シリンダーの直径は約3 nm〜20nmであり、シリンダーの間隔は約6nm〜30nmであった。ここでシリンダーの直径はSiとGeの比に依存し、Siの組成比が大きいほどシリンダーの直径は小さくなる傾向があった。
【００６９】
なお、ここではターゲットとしてはチップを載せたターゲットでなくても、混合ターゲットやAl、Si、Geの各ターゲットを用いて同時スパッタリングをしても組成比が所望の値になれば良い。
【００７０】
さらに、ここではスパッタリング法としてＲＦスパッタリング法を用いたが、これに限定されるものではなく、ＥＣＲスパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法でよい。さらに、スパッタリング条件は装置に依存しており、これに限定されるものではない。
【００７１】
そして、得られたAl(Si,Ge)混合膜11を一般的なリソグラフィー技術により幅1μm及び長さ１０μmに加工して、その両端部のそれぞれ長さ２μmの部分の上に電極21を付けた。
【００７２】
得られたメモリデバイスに電流をパルス状に印加した。印加する電流を徐々に上げていったところ、約1mAを境に抵抗値（臨界電流）に減少が見られた。これは約１MA/cm2を越えた値に相当する。抵抗値が変化する電流値はSiとGeの比に依存し、Geの組成比が大ききほどその電流値は小さくなる傾向が見られた。書き込まれたデバイスのAl(Si,Ge)混合膜11を走査型電子顕微鏡で観察した結果、Alのシリンダー構造は破壊されてシリンダー構造破壊部22が形成されていた。その部分はAl凝集部23とSi凝集部24からなっていた。また、極端に大きな電流を印加した場合には逆に抵抗値は大きくなった。
【００７３】
また、Al(Si,Ge)混合膜11の膜厚が1μmを越えると、抵抗変化に必要な電流値が10A/cm2を越える場合があり、固体デバイスとしては不都合になる場合もあること示唆された。
【００７４】
このデバイスを安定に駆動するには、前記臨界電流値より十分大きな電流値で書き込みを行い、読み出しには臨界電流値より十分小さな電流値で抵抗を読み取れば良い。
【００７５】
「実施例３」
本実施例においては、図３（ｃ）に関し説明したようなAl(Si,Ge)混合膜を用いた電流書き込み読み出し型のメモリデバイスを作製した。本実施例のデバイスでは、電流書き込みをAl(Si,Ge)混合膜の膜面と直交する方向に行った。ここでAl(Si,Ge)混合膜１１にはAl1-xSix組成のものを用いた。
【００７６】
まず実施例２と同様に表面酸化Siを基板として用い、その表面に下部電極42としてCuを50nm厚に成膜した。その上にSiを約3nm厚に凝集制御膜として成膜し、その上にAl(Si,Ge)混合膜１１としてAl0.6Si0.4組成の膜を100nm厚に成膜した。そしてリソグラフィー法により0.5μｍ幅の細線とした後、その細線に直交するようにその上にCu電極を50nm厚に形成して上部電極41とした。
【００７７】
実施例１と同様にして、得られたデバイスに電流をパルス状に印加した。印加する電流を徐々に上げていったところ、約10mAを境に抵抗値に減少が見られた。これは約１MA/cm2を越えた値に相当する。抵抗値が変化する電流値はｘの値に依存し、十分な抵抗変化が得られたのはｘが0.2〜0.7の範囲であった。また、この範囲では電流印加前にはAlを主成分とするシリンダーがSiを主成分とし且つAlを含有するアモルファスSiのマトリックス中に埋め込まれた構造をしていることが観測された。
【００７８】
「実施例４」
本実施例においては、図４に関し説明したようなAl(Si,Ge)混合膜を用いた光書き込み読み出し型のメモリデバイスを作製した。本実施例では、実施例３と同様にAl(Si,Ge)混合膜１１としてAl0.6Si0.4組成の膜を成膜して用いた。このとき膜厚を50nmとした。
【００７９】
得られた膜にHeNeレーザー光を集光して図４（ａ）の様に照射した。レーザー光照射領域32の部分を走査型電子顕微鏡で観測した結果、Ａｌのシリンダー構造は破壊されてシリンダー構造破壊部22が形成されていた。この部分はAl凝集部23とSi凝集部24からなっていた。
【００８０】
図５に示した様にして読み取り照射光51を記録マーク部53に当てて反射率と透過率を測定したところ、記録マーク部53が無い部分と比較して反射率は低減し、透過率は増大していた。以上のことから、本発明のメモリデバイスは光ディスクとして利用可能であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】Al(Si,Ge)混合膜を有する本発明のメモリデバイスの一部を示す模式図である。
【図２】本発明の電流書き込み読み出し型のメモリデバイスを示す模式図である。
【図３】本発明の電流書き込み読み出し型のメモリデバイスを示す模式図である。
【図４】本発明の光書き込み読み出し型のメモリデバイスを示す模式図である。
【図５】本発明の光書き込み読み出し型のメモリデバイスの読み出しを説明するための模式図である。
【図６】本発明のメモリデバイスを用いた情報記録再生装置を示す模式図である。
【図７】本発明の情報記録再生装置を用いた情報処理装置の概念図である。
【符号の説明】
【００８２】
11  Al（Si,Ge）混合膜
12  マトリックス
13  シリンダー
14  基板
21  電極
22  シリンダー構造破壊部
23  Al凝集部
24  Si凝集部
31  レーザー光
32  レーザー光照射領域
41  上部電極
42  下部電極
51  読み取り照射光
52  読み取り透過光
53  記録マーク部
54  読み取り反射光
61  記録媒体
62  記録媒体駆動部
63  光ヘッド
64  ヘッド駆動部
65  信号処理部
71  格納容器
72  記録再生装置部
73  演算部
74  メモリ部
75  電源
76  外部入出力部
77  配線
【図１】
2005064137.tif 000004
【図２】
2005064137.tif 000005
【図３】
2005064137.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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