CN101430900A - 铁电记录载体、其制造方法和包含该铁电记录载体的微尖记录系统 - Google Patents

铁电记录载体、其制造方法和包含该铁电记录载体的微尖记录系统 Download PDF

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CN101430900A CNA2008101747844A CN200810174784A CN101430900A CN 101430900 A CN101430900 A CN 101430900A CN A2008101747844 A CNA2008101747844 A CN A2008101747844A CN 200810174784 A CN200810174784 A CN 200810174784A CN 101430900 A CN101430900 A CN 101430900A
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Abstract

本发明涉及具有铁电存储层的数据记录载体、其制造方法和包含该数据记录载体的记录系统。本发明特别应用于需要高存储容量的计算机应用或多媒体应用。本发明的数据记录载体(1)包括衬底(2)、在所述衬底上沉积而成并与用于读取和/或写入数据的设备的电极配合工作的反电极(3)和至少能够存储数据并具有与所述反电极紧密接触的第一面(4a)的一个铁电存储层(4)。根据本发明，所述反电极由含碳材料组成的物质制成，该含碳材料选自石墨形态的碳、非晶金刚石形态的碳、除离子碳化物之外的金属或非金属碳化物及其混合物。

Description

铁电记录载体、其制造方法和包含该铁电记录载体的微尖记录系统
技术领域
本发明涉及具有铁电存储层的数据记录载体、其制造方法和包含该数据记录载体的记录系统。本发明特别适用于需要高存储容量的计算机应用或多媒体应用。
背景技术
一般将各种数据记录技术分为“海量存储器”(例如硬盘、光盘)和“动态存储器”(例如动态随机存储器“DRAM”、闪存等)，由于在动态存储器中不使用任何机械元件，其也被称为“固态存储器”。在该领域的边缘还存在另一种所谓微尖型的存储器，其利用集成的微机械元件工作。这种微尖存储器的表面密度和存储方式的并行性使其适合于小体积中实现大容量，而这正是“漫游”设备以及大容量固定设备所需要的。
这种微尖存储器利用纳米级微尖将信息写在记录载体上，其中该纳米级微尖使得载体的表面特性能够被局部地改变。因而希望借此获得等于或甚至大于0.15Terabits/cm2的存储密度。如文献[1]所述，IBM集团研发了一种等离子介质，其中加热的微尖能够产生具有0.15Terabits/cm2量级密度的纳米孔。而这种加热的技术的主要缺陷是其高能耗。
有些已知的电记录技术使用相变材料(参考文献[2])，这种技术表现出能耗方面的有利性能，但是尚未证明其擦除过程。在这种情况下，焦耳效应(电模式)在由微尖指定的记录载体区域上改变存储材料的结晶化状态。通过检测其局部导电性，该材料的表面结晶状态得以读取。
为了持久和可逆地存储纳米领域形式的信息而使用基于铁电材料的数据记录介质也是已知的。这种在存储密度和“可圈性”方面非常有前途的技术利用电铁材料的自然双稳定性从而能够在电场消失后仍保持电极化状态。目前有一些方法用于(重新)读取铁电存储器的状态。
最初在文献[3]中描述的第一种方法包括通过压电反应，即通过分析存储域对电激励的机械反应来检测存储器的状态。存储器的状态会根据该存储器所谓的“上”或“下”状态表现出与干扰电载荷同相或反相。该方法利用了在例如化学式为Pb(Zrx，Ti1-x)O3的PZT陶瓷、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸锂(LiNbO3)中发现的铁电材料的压电性。
如文献[4]所述，第二种方法包括检测微尖下电容的变化，该变化与铁电状态的变化相关联。该方法是有利的，因为其可能产生典型的1.5Terabits/cm2量级的最高存储密度。
为了实现在铁电载体中记录、(重新)读取和写入信息，无论是压电检测模式还是电容检测模式，都需要将导电的反电极直接置于铁电存储层下。
然而已知的这些使用铁电存储层的记录技术具有以下主要缺陷。
这些使用铁电存储层的技术的第一个缺陷在于通常在铁电存储层下的金属反电极一般典型地基于铝或铬，从而在与铁电材料尽可能紧密接触的接触面上可能会出现“污染”。具体地，这些金属的氧化状态会导致出现与铁电层(例如基于铌酸锂或钽酸锂)接触的接触层，与(双极和离子极化型)铁电材料相比，该接触层的电敏感性较低。该接触层屏蔽了微尖产生的电场因而限制了微尖动作(读和写)的效果，这就迫使操作者使用微尖与反电极间更大的电压来克服反电极与存储层接触面的上述损伤的影响。
这些使用铁电存储层的技术的第二个缺陷在于(如通过文献[6]所述的“智能切割”法释放的或者通过抛光获得的)存储层自由表面可能会尤其被水化学污染(参见文献[4])，这种污染会导致微尖与铁电层之间的不良静电接触。另外，这些存储层通常是相对早期的机械磨损的中心。
发明内容
本发明的目的是提供一种数据记录载体，其包括衬底、在所述衬底上沉积而成的反电极和至少一个铁电存储层，所述反电极由含碳材料组成的物质制成并与用于读取和/或写入数据的设备的电极配合工作，所述铁电存储层能够存储数据并具有与所述反电极紧密接触的第一面，这样就能够克服前述缺陷，尤其是反电极与存储层间接触面损伤而产生的缺陷。
为了实现该目的，所述含碳材料选自石墨形态的碳、非晶金刚石(“DLC”)形态的碳、除离子碳化物之外的金属或非金属碳化物及其混合物。
需要注意的是，本发明的用于记录载体反电极的含碳材料可以避免该反电极和铁电存储层之间的接触面的前述损伤或“污染”，从而不会影响由读取和/写入设备的微尖施加的电场。因而就可以在微尖和该记录载体之间相对低的电压下进行工作。
优选地，所述反电极主要包括所述含碳材料，并且更优选地，其仅包括这种含碳材料。
有利地，包含该含碳材料的所述反电极的电导率能够在0.1S/m和100S/m之间。
要注意的是，反电极的如上述相对小的电导率使得该反电极的电导不会很高，但是根据本发明，这不会对在记录载体上进行数据的记录、读和写产生负面的影响，因为这些功能必须在静电条件下实现。
根据本发明的第一示例性实施方式，所述含碳材料由所有化学键形态(即，sp2或sp3杂化)的碳组成。
所使用的碳能够是例如通过气相物理沉积(“PVD”：“物理气相沉积”)被沉积而成的石墨形态的碳，或者例如通过气相化学沉积(“CVD”：化学气相沉积)或者等离子增强气相化学沉积(“PECVD”：“等离子增强化学气相沉积”)被沉积而成的非晶金刚石(“DLC”：类金刚石)形态的碳。如果所述碳满载有还原形式的导电元素，例如镍、铬、银、硅或硼，则能具有更好的导电性。
根据本发明的第二示例性实施方式，所述含碳材料由优选地所述含碳材料由至少一种金属碳化物组成，该金属碳化物的金属元素优选地选自钛、锆、钨和铪，或者由至少一种非金属碳化物组成，该非金属碳化物的非金属元素优选地是硅或硼。
根据本发明的另一个特征，所述反电极的厚度能够有利地在10nm和500nm之间，优选地基本等于100nm。
根据本发明的另一个特征，所述铁电存储层基于至少一种铁电化合物，该铁电化合物选自化学式为Pb(Zrx，Ti1-x)O3的PZT陶瓷、钽酸锂(LiTaO3)、钽酸钾(KTaO3)、钌酸锶(SrRuO3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸锶(SrTiO3)、铌酸锂(LiNbO3)及其混合物。但是要注意的是，使用任何其它已知的铁电质材料来形成该存储层也是可能的。
有利地，记录载体还能包括保护层，该保护层保护相对所述第一面的所述铁电存储层的第二面从而使其尤其不受到与所述读取和/或写入设备有关的外部污染和机械磨损，所述保护层的电导率小于1S/m且优选地小于10-4S/m，并且取决于所述存储层的泄漏电流。
要注意的是，本发明的该保护层可以避免存储层的自由表面受到(尤其由外部的水产生的)化学污染，并可以不破坏读取/写入设备和本发明记录载体之间的静电接触。除了保护存储层不受化学侵蚀，该保护层还被设计成延迟铁电质层的机械磨损，并有助于其与微尖的静电接触。
根据本发明的另一个特征，所述保护层能够由纯净的碳组成，该碳通过例如气相化学沉积、气相物理沉积或者等离子增强气相化学沉积沉积而成，而且有利地，该保护层由非晶金刚石形态的碳组成，并可选地由等离子增强气相化学沉积被沉积而成。
同样有利地，所述保护层的厚度能够小于5nm。要注意的是，该极度减小的厚度使得不破坏相应设备进行的读/写记录载体操作成为可能。
本发明的数据记录系统，其包括数据记录载体和数据读取和/或写入设备，该类型的数据读取和/或写入设备包括能够局部地修改所述载体的至少一个铁电存储层特性的微尖阵列，其特征在于，该记录载体如前述权利要求中的任一项所述所定义。
要注意的是，根据本发明通常在微尖和反电极之间施加电场(会引起铁电质域的翻转)。因此，微尖和反电极必须在铁电质材料侧尽可能地彼此靠近，这样才能使电场强到(即能够高于矫顽磁场)足以写入信息。
根据本发明的另一个特征，所述铁电存储层根据所述电极和所述反电极传送的所述设备的电负荷而产生反向压电效应(参见前述文献[3])，从而通过检测对所述负荷的机械响应来检测所述存储层的状态。
作为一种变型，本发明的铁电存储层的电容响应于由所述设备的谐振电路产生的激励而变化，从而通过检测所述变化来检测所述存储层的状态(参见前述文献[4])。
一般地，要注意的是本发明的记录载体并不限于与微尖型的读取和/或写入设备一起使用，并且本发明的该载体可应用于形成例如动态随机存储器(“DRAM”)或闪存的固态或动态存储器类型的数据记录系统。
本发明用于制造如上述记录载体的方法包括通过气相化学沉积、气相物理沉积或等离子增强气相化学沉积在存储层的所述第一面上沉积形成反电极的材料。
根据本发明的另一特征，该方法还包括通过气相化学沉积、气相物理沉积或等离子增强气相化学沉积在与所述第一面相对的所述存储层的第二面上继续沉积保护层，该保护层尤其用于保护该第二面不受与读取和/或写入设备有关的外部污染和机械磨损，而且其导电率小于1S/m且优选地小于10-4S/m。
有利地，通过高频等离子增强的气相化学沉积在所述保护层上沉积优选的非晶形态的碳。
根据本发明的其它特征，在所述两次沉积之前，通过以下方式制备存储层的所述第一面和/或第二面，即，先进行机械抛光(例如通过“CMP”技术：“化学机械抛光”，即机械-化学平整或抛光)从而确保附着面的平面度，接着通过化学腐蚀或侵蚀(例如根据“RIE”技术，即“反应离子侵蚀”，即化学地反应离子增强侵蚀，另外或者“RF”侵蚀，即无线射频侵蚀)从附着面中抽取出被有机污染的子层。
根据本发明的第一实施方式，该制造方法大致包括以下步骤：
-在优选为硅的衬底上沉积用于形成所述反电极的材料，
-在覆盖有反电极的衬底上添加所述铁电存储层的轮廓，
-根据例如小于100nm的厚度，减少所述轮廓的厚度以获得所述存储层，接着，
-在存储层上沉积保护层。
根据本发明的第二实施方式，该制造方法基本包括以下步骤：
a)在组成所述存储层的铁电载体层中注入氢离子和/或氦离子，
b)在该载体层的表面上沉积用于形成反电极的材料从而使反电极附着在存储层的所述第一面上，
c)将由反电极覆盖的所述载体层压靠在优选为硅的所述衬底上从而使反电极附着在所述衬底上，
d)沿着阻止离子的势垒面通过膨胀断开所述载体层，从而获得终止于所述第二面的、具有减少的厚度的存储层，所述减少的厚度例如小于50nm，接着，
e)在该第二面上沉积所述保护层沉积从而获得本发明的记录载体。
有利地，本发明第二实施方式所述的方法能够进一步包括，该二氧化硅层的厚度在10nm和100nm之间。为了改善步骤c)中所述反电极对所述衬底的附着，预先通过“PECVD”或“CVD”在该反电极上沉积二氧化硅层(SiO2)。该二氧化硅层的厚度优选地在10nm和100nm之间。
附图说明
通过阅读以下本发明的几个示例性实施方式会更好地理解本发明的前述以及其它特征，其中以下示例性实施方式通过非限制的方式并结合以下附图进行描述：
图1是示出根据本发明的第二实施方式的记录载体的制造方法的步骤的示意图，其中示出了通过在铁电载体层覆盖反电极形成的组件的横截面；
图2是示出由图1的组装步骤获得的中间叠层的横截面示意图；
图3是示出在图2的中间叠层上实施的、根据本发明的第二实施方式的方法的后续步骤结果的横截面示意图，以及
图4是示出通过在图3的叠层上实施沉积保护层的后续步骤，由本发明的第二实施方式最终获得的记录载体的横截面图。
具体实施方式
如图4所示，本发明的数据记录载体1尤其与包括微尖的读取和/或写入设备(未示出)配合工作，并且数据记录载体1优选地通过堆叠以下层形成：
-例如硅的衬底2；
-反电极3，其优选地通过气相化学沉积、气相物理沉积或者等离子增强气相化学沉积在衬底2上沉积而成，并与读取和/或写入设备配合工作，该反电极3的厚度例如是100nm量级，其电导率在0.1S/m和100S/m之间，并且优选地由(石墨或非晶金刚石形态的)碳或如钛、锆、钨、铪、硅或硼的碳化物的非离子碳化物组成。
-铁电存储层4，其能够存储这些数据并具有与反电极3紧密接触的第一面4a，该铁电存储层4由例如PZT陶瓷、钽酸锂或钽酸钾、钌酸锶、钛酸钡或钛酸锶、或者铌酸锂形成；以及
-保护层5，其优选地通过由高频等离子增强的气相化学沉积将碳(有利地是“DLC”碳，即非晶金刚石形态的碳)沉积而成，并保护与第一面4a相对的存储层4的第二面4b，使其不受与读取和/或写入设备有关的外部污染或机械磨损，该保护层5优选地厚度小于5nm，且其电导率小于10-4S/m，并由有利地为非晶金刚石形态的纯碳形成。
要注意，这种等离子增强气相化学沉积(“PECVD”)能够尤其包含通过高频等离子对如甲烷的含碳反应剂的裂化，从而释放活性碳，而该活性碳会自己沉积在铁电层4的自由表面上。
也要注意，可能采用其它的碳沉积法来沉积该保护层5，这些方法非限制性地包括气相物理沉积(“PVD”)或者气相化学沉积(“CVD”)。
参考文献[5]，根据本发明的第一实施方式，能够通过以下连续步骤获得图4所示的记录载体1：
-在衬底2上沉积用于形成反电极3的材料，
-在覆盖有反电极3的衬底2上添加铁电存储层4的轮廓，
-根据例如小于100nm的厚度，减少该轮廓的厚度以获得存储层4，接着，
-在存储层4上沉积保护层5。
参考文献[6]，根据本发明的第二实施方式，通过以下连续步骤能够获得图4所示的记录载体1：
-在组成存储层4的铁电载体层4′中预先注入氢离子和氦离子(图1未示出该离子注入步骤)
-如图1所示，在载体层4′的表面上沉积用于形成反电极3的材料从而使反电极3附着在该载体层4′的第一面4a′上；
-将覆盖有反电极3的载体层4压靠(见图1的箭头A)在衬底2上，从而如图2所示那样使反电极3附着在衬底2上，另外，有利地，在反电极3上预先沉积厚度在10到100nm之间的二氧化硅层，从而改善反电极3对衬底2的附着；
-沿着阻止注入的离子的势垒面断开载体层4′(见图3)，从而获得终止于第二面4b的、厚度例如为50nm的存储层4；接着，
-在第二面4b上沉积保护层5从而获得图4所示的记录载体。
要注意的是，无论使用第一种还是第二种制造方法来制造本发明的记录载体1，在前述的沉积反电极3和保护层5之前优选地通过以下方式制备存储层4的第一面4a和第二面4b，即，先进行机械抛光以确保附着面的平面度，接着通过化学腐蚀或蚀刻从附着面中抽取出被有机污染的子层。
引用的参考文献
[1]“千足虫”——对未来AFM数据存储的一千多个建议(The“Millipede”-More than one thousand tips for future AFM data storage)，P.Vettiger，M.Despont，U.Drechsler，U.Durig，W.Haberle，M.I.Lutwyche，H.E Rothuizen，R.Stutuz，R.Widmer，G.K.Binnig，IBM J.Res.Develop.Vol.44(3)May2000，pp.323-340。
[2]利用相变材料的焦耳效应的电探针存储，S.Gidon，O.Lemonnier，B.Rolland，O.Bichet和C.Dressler，Y.Samson，AppliedPhysics Letters，Vol.85，(26)，December 2004。
[3]扫描力显微术产生的局部极化，P.Güthner和K.Dransfeld，Appl.Phys.Lett.61(9)，p.1137，1992。
[4]利用温控非线性介电显微术观察表面极化分布，KoyaOHARA，Yasuo CHO，Jpn.J.Appl.Phys.p.4630，vol.43，No.7B(2004)。
[5]基于扫描非线性介电显微术的Tbit/inch2铁电存储，Yasuo Cho，Kenjiro Fujimoto，Yoshiomi Hiranaga，Yasuo Wagatsuma，AppliedPhysics Letters，Vol.81，232002。
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Claims (23)

1.一种数据记录载体(1)，包括衬底(2)、在所述衬底上沉积的反电极(3)和至少一个铁电存储层(4)，其中，所述反电极(3)由含碳材料的物质制成并与用于读取和/或写入数据的设备的电极配合工作，所述铁电存储层(4)能够存储数据并具有与所述反电极紧密接触的第一面(4a)，其特征在于，所述含碳材料选自石墨形态的碳、非晶金刚石(“DLC”)形态的碳、除离子碳化物之外的金属或非金属元素的碳化物及其混合物。
2.权利要求1所述的记录载体(1)，其特征在于，所述反电极(3)的电导率在0.1S/m与100S/m之间。
3.如权利要求1或2所述的记录载体(1)，其特征在于，所述反电极(3)仅由所述含碳材料组成。
4.如权利要求1到3中任一项所述的记录载体(1)，其特征在于，所述含碳材料由通过例如气相物理沉积而沉积成的石墨形态的碳组成。
5.如权利要求1到3中任一项所述的记录载体(1)，其特征在于，所述含碳材料由通过例如气相化学沉积或等离子增强气相化学沉积(“PECVD”)而沉积成的非晶金刚石(“DLC”)形态的碳组成。
6.如权利要求1到3中任一项所述的记录载体(1)，其特征在于，所述含碳材料由至少一种金属碳化物组成，所述金属优选地选自钛、锆、钨和铪。
7.如权利要求1到3中任一项所述的记录载体(1)，其特征在于，所述含碳材料由至少一种非金属碳化物组成，所述非金属优选地是硅或硼。
8.如前述权利要求中任一项所述的记录载体(1)，其特征在于，所述反电极(3)的厚度在10nm到500nm之间，优选地基本等于100nm。
9.如前述权利要求中任一项所述的记录载体(1)，其特征在于，所述铁电存储层(4)基于至少一种铁电化合物，该铁电化合物选自化学式为Pb(Zrx，Ti1-x)O3的PZT陶瓷、钽酸锂(LiTaO3)、钽酸钾(KTaO3)、钌酸锶(SrRuO3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸锶(SrTiO3)、铌酸锂(LiNbO3)及其混合物。
10.如前述权利要求中任一项所述的记录载体(1)，其特征在于，所述记录载体(1)还包括保护层(5)，所述保护层(5)用于保护与所述第一面(4a)相对的所述铁电存储层(4)的第二面(4b)，使其不受到与所述读取和/或写入设备有关的外部污染和机械磨损，所述保护层的电导率小于1S/m且优选地小于10-4S/m，并且取决于所述存储层的泄漏电流。
11.如权利要求10所述的记录载体(1)，其特征在于，所述保护层(5)由例如通过气相化学沉积、气相物理沉积或等离子增强气相化学沉积而沉积成的碳组成。
12.如权利要求11所述的记录载体(1)，其特征在于，所述保护层(5)由优选地通过等离子增强气相化学沉积而沉积成的单晶金刚石形态的碳组成。
13.如权利要求10到12中任一项所述的记录载体(1)，其特征在于，所述保护层(5)的厚度小于5nm。
14.一种记录系统，包括数据记录载体(1)和数据读取和/或写入设备，所述数据读取和/或写入设备包括能够局部地修改所述载体的至少一个铁电存储层(4)的特性的微针阵列，其特征在于，所述数据记录载体为如前述权利要求中任一项所述的数据记录载体。
15.如权利要求14所述的记录系统，其特征在于，所述铁电存储层(4)响应于由所述电极和所述反电极(3)传送的所述设备的电负荷而产生反向压电效应，从而通过检测对所述负荷的机械响应来检测所述存储层的状态。
16.如权利要求14所述的记录系统，其特征在于，所述铁电存储层(4)的电容响应于由所述设备的谐振电路产生的激励而变化，从而通过检测所述变化来检测所述存储层的状态。
17.一种制造如权利要求1到13中任一项所述的记录载体(1)的方法，其特征在于，该方法包括通过气相化学沉积、气相物理沉积或等离子增强气相化学沉积在所述存储层(4)的所述第一面(4a)上沉积用于形成所述反电极(3)的材料。
18.如权利要求17所述的制造方法，其特征在于，还包括通过气相化学沉积、气相物理沉积或等离子增强气相化学沉积在与所述第一面(4a)相对的所述存储层(4)的第二面(4b)上继续沉积保护层(5)，所述保护层(5)尤其用于保护所述第二面(4b)不受与读取和/或写入设备有关的外部污染和机械磨损，而且其导电率小于1S/m且优选地小于10-4S/m。
19.如权利要求18所述的制造方法，其特征在于，通过高频等离子增强的气相化学沉积在所述保护层(5)上沉积优选为非晶形态的碳。
20.如权利要求18或19所述的制造方法，其特征在于，在每次沉积之前，通过以下方式制备所述存储层(4)的所述第一面(4a)和/或第二面(4b)，即，先进行机械抛光以确保附着面的平面度，然后通过化学腐蚀或蚀刻从所述附着面中抽取出被有机污染的子层。
21.如权利要求20所述的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
-在优选为硅的衬底(2)上沉积用于形成所述反电极(3)的材料，
-将所述铁电存储层(4)的轮廓添加至覆盖有所述反电极的衬底上，
-根据例如小于100nm的厚度，减少所述轮廓的厚度以获得所述存储层，然后，
-在所述存储层上沉积保护层(5)。
22.如权利要求20所述的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
a)在组成存储层(4)的铁电载体层(4′)中注入氢离子和/或氦离子，
b)在所述载体层的表面沉积用于形成所述反电极(3)的材料，从而使所述反电极附着在所述存储层的所述第一面(4a′)上，
c)以使所述反电极附着在所述衬底上的方式，将覆盖有反电极的所述载体层压靠在优选地为硅的衬底(2)上，
d)沿着阻止离子的势垒面通过膨胀断开所述载体层(4′)，从而获得终止于所述第二面(4b)的、具有减少的厚度的存储层(4)，所述减少的厚度例如小于50nm，接着，
e)在所述第二面上沉积所述保护层(5)以获得所述记录载体(1)。
23.如权利要求22所述的制造方法，其特征在于，为了改善步骤c)中所述反电极(3)对所述衬底(2)的附着，预先在所述反电极上沉积厚度在10nm和100nm之间的二氧化硅层。
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