JP4381964B2 - 電荷−双極子の結合された情報保存媒体 - Google Patents

Description

本発明は、情報保存媒体に係り、さらに詳細には強誘電現象を利用した電気双極子と電荷トラップ現象による電荷とを結合して保存媒体の保存特性を向上させた電荷−双極子の結合された情報保存媒体に関する。

従来の情報保存媒体は、電荷トラップ現象を利用するか、または強誘電体を利用してその特性である自発分極現象を利用したものである。電荷トラップ現象を利用した情報保存媒体は、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄またはＯＮＯ（Ｏｘｉｄｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｏｘｉｄｅ）などの絶縁物質または誘電物質の薄膜に電荷を閉じ込めうるという原理によって情報を記録する。一般的に、前述した絶縁、誘電物質は、その内部に電荷が自由に移動できない特性を有しており、外部エネルギーによって電荷が注入されれば、その電荷は誘電物質の内部のトラップサイトに縛られるが、これを電荷トラップ現象とし、これを利用して情報を記録する。しかし、誘電物質、すなわち絶縁物質の内部に閉じ込められた電荷は外部との電気的な接触によって容易に放出されうる。したがって、長時間電荷を閉じ込め難く、これは電荷トラップ現象を利用した媒体の短所となる。

強誘電体を使用した情報保存媒体では、強誘電体固有の特性を利用する。これを説明すれば、物質に電場を加えることによって、その影響により、一般的に電気双極子が生じて電気分極が起こる。しかし、ある特定の物質は、電場を加えずとも自発的に電気分極が起こる。このような物質が強誘電体である。すなわち、強誘電体は、自発的な電気分極をするという特徴を有しており、自発的な電気分極が電場によって逆転される現象があらわれる物性を有している。最も代表的な強誘電物質としては、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｋｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）がある。ＰＺＴは、Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ₃という式で表記されるが、ＡＢＯ₃のぺロブスカイト結晶構造でＰｂ金属イオンがＡ−ｓｉｔｅを占め、ＺｒとＴｉとが適当な割合でＢ−ｓｉｔｅを分けて占める。一般的に、強誘電体は、多量の分極、分極疲労に対する良好な耐性及び高速の分極転換などの特性が要求される。

このような従来の情報保存媒体の情報の記録及び再生は、電荷トラップまたは電気双極子の特性を利用してなされている。
図１Ａ及び図１Ｂは、従来の技術によるトラップメディア及び強誘電体を利用した情報保存媒体を示す図面である。
図１Ａは、従来の技術によるトラップメディアを利用した情報保存媒体を示す断面図である。これを参照すれば、基板１１上に電荷をトラップさせる電荷トラップ層１２が形成されている。このような電荷トラップ層１２は絶縁性物質よりなり、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄またはＯＮＯなどを使用できる。このような電荷トラップ層１２に電位（電圧）を印加して電荷を注入すれば、図１Ａのように−電荷と＋電荷とがトラップされて分布されうる。すなわち、−電荷と＋電荷とによって、長い射程の電場を形成する。したがって、情報保存媒体への情報の記録及び情報の再生に用いられるプローブと、情報保存媒体とを接触させることなく、電荷を感知することが可能となる。しかし、たとえ長い射程の電場を形成させても、維持期間が短いので、情報保存媒体の情報維持時間が非常に短いという短所がある。

図１Ｂは、電気双極子を利用した強誘電体情報保存媒体を示す断面図である。図１Ｂを参照すれば、基板１１上に電気双極子を生成させる強誘電層１３が形成されている。一般的に、前記強誘電層１３は強誘電体であるＰＺＴを含んで形成されている。その作動を説明すれば、次の通りである。強誘電層１３に電位を印加すれば、図１Ｂのように電気分極が発生する。電気分極は、前記図１Ａの電荷トラップによる電場に比べて短い射程の電場を形成する。したがって、図１Ｂのような情報保存媒体に情報を記録及び再生するためには、プローブと情報保存媒体との距離を非常に短くしなければならない。すなわち、図１Ｂに示すような強誘電体情報保存媒体に保存された情報の維持時間が長いという長所があるが、電気双極子自体が生成させる電場の強度を測定しなければならないので、プローブと情報保存媒体とがほとんど接触して動作しなければならない。したがって、プローブと情報保存媒体がお互いに接触することによる摩耗問題が発生するおそれがある。また、強誘電層１３の表面に埃または水分によって発生するスクリーニング電荷の影響を調節し難いという問題がある。

本発明では前記従来の技術の問題点を解決するために、強誘電体を用いた情報保存媒体において、情報を長時間保有でき、かつ、保存された情報を容易に認識することができる新しい情報保存媒体の構造を提供することを目的とする。

本発明では、前記目的を達成するために情報保存媒体において、基板と、前記基板上に形成された電極層と、前記電極層上に形成された強誘電層と、前記強誘電層上に形成された絶縁層と、前記絶縁層は、電位印加時に電荷をトラップできる物質を含んで形成され、前記絶縁層は、ＳｉＯ _２ 、ＯＮＯ構造体およびＩｒＯのうち少なくとも何れか一つを含んで形成されたことを特徴とする。
本発明において、前記強誘電層はＰＺＴを含んで形成されたことを特徴とする。
また、本発明では情報保存媒体の製造方法において、（ａ）基板上に電極層を形成させる段階と、（ｂ）前記電極層上に強誘電層を形成させる段階と、（ｃ）前記強誘電層上に電荷をトラップすることができる絶縁層を形成させる段階と、を含み、前記（ｃ）段階は、前記強誘電層上にＳｉＯ _２ およびＩｒＯのうち少なくとも何れか一つを含んで形成させることを特徴とする情報保存媒体の製造方法を提供する。
本発明において、前記（ｂ）段階は、前記電極層上にＰＺＴを含む強誘電体を形成することを特徴とする。
また、本願発明に係る情報保存媒体の使用方法において、プローブを用いて前記絶縁層に電位が印加されることによって、前記絶縁層に電荷がトラップされ、トラップされた前記電荷によって前記強誘電体層の電子双極子が整列することを特徴とする。

本発明によれば、強誘電層と電荷トラップ層である絶縁層とを連続的に形成させることにより、安定して情報を記録できる情報保存媒体を提供することができる。また、比較的長い射程の電場を形成するので、情報の再生時にプローブと情報保存媒体とを互いに接触させずとも、良好に情報を再生することができる。そのため、プローブと情報保存媒体間の接触によって発生する摩耗問題を解決することができる。そして、電荷トラップ層である絶縁層を強誘電層の上部に形成させることによって、強誘電層を保護する役割を行わせつつ、強誘電層のみ存在する場合に発生するスクリーニング電荷の問題を防止できる効果が得られる。さらに、＋電圧によって記録された領域と−電圧によって記録された領域との境界幅がさらに狭いため、小さな領域に情報を保存することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る情報保存媒体の一実施例についてさらに詳細に説明する。
図２は、本発明による情報保存媒体の一実施例を示す図面である。図２を参照すれば、本発明による情報保存媒体は、基板２１と、基板２１上に形成された強誘電層２２と、強誘電層２２上に形成された絶縁層２３と、を含んでなる。前記基板２１は、一般的に用いられる基板であれば、特に限定されるものではない。

強誘電層２２は、ＰＺＴ（ｌｅａｄ Ｚｉｒｋｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）、ＰＺＬＴ（ｌｅａｄ Ｚｉｒｋｏｎａｔｅ Ｌａｔｈａｎｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ）をはじめとする一般的な強誘電体を、ゾルゲル法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはスパッタリングなどによって形成することが可能である。このような強誘電層２２を形成する物質は、電場を加えずとも自発的に電気分極を起こすことができる。また、強誘電層２２を形成する物質は、電場が印加されることによって逆転することができる自発的な電気分極を有している。この強誘電層２２は、約１０〜５００ｎｍの厚さで形成するのがよい。

強誘電層２２上に形成させる絶縁層２３は、例えば、ＤＬＣ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＯＮＯ構造体、Ａｌ₂Ｏ₃またはＩｒＯのような電荷をトラップするための物質を、ＣＶＤまたはスパッタリングのような工程を用いることで形成させうる。この絶縁層２３は、約５〜３６００ｎｍの厚さで形成するのがよい。

以下、図２及び図３を参照して本発明による強誘電体を用いた情報保存媒体の動作原理についてさらに詳細に説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る情報保存媒体に情報を記録及び再生することを示す断面図である。図３を参照すると、基板２１上に強誘電層２２及び絶縁層２３が順次に積層されている。情報保存媒体の動作のための電位を印加するために、前記基板２１及び前記強誘電層２２間に図３に示したような電極層２５をさらに含みうる。また、図３に示すように、プローブ２４は、情報保存媒体に対して情報を記録及び再生するため、前記絶縁層２３の上に位置する。前記プローブ２４は、ＳＣＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）またはＥＦＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などで使われるような種々の伝導性プローブを利用できる。

プローブ２４を用いて情報保存媒体に電位を印加すると、絶縁層２３に電荷がトラップされる。図３のように、プローブ２４を用いて絶縁層２３に＋電位を印加した場合を仮定すると、前記プローブ２４のチップ位置に対応する絶縁層２３の領域には−電荷がトラップされる。この場合、図３に示すように、絶縁層２３の下部の強誘電層２２には、上方には＋電荷、下方には−電荷を有する電気双極子が整列される。このような原理で、情報保存媒体の全領域にわたって絶縁層２３のトラップ電荷と強誘電層２２の電気双極子とがプローブ２４から印加される電位によって所定形態に整列する。このような方法で本発明による情報保存媒体に所望の情報を記録できる。

また、所定形態に整列された情報保存媒体の電荷配列、すなわち記録された情報を再生する過程の一例を説明すれば、次の通りである。絶縁層２３のトラップ電荷と強誘電層２２の電気双極子は、一定の情報を有した長い射程の電場を形成して整列されている。電場の変化は、ＥＦＭやＳＣＭによって測定することができる。これに関しては、韓国特許出願Ｐ２００２−００２５４００号に、電場が変化したときの抵抗プローブの抵抗値の変化を測定することによって情報保存媒体から情報を再生する方法が開示されている。すなわち、所望の情報は、抵抗値の位置（アドレス）で情報を再生することによって得ることが可能である。

本発明及び従来の技術による情報保存媒体と従来の技術による情報保存媒体とを製作して電気的な特性値を分析した。まず、図１Ｂのような構造を有する従来の技術による強誘電体を用いた情報保存媒体を製作した。このとき、図１Ｂの基板１１と強誘電層１３の間に下部電極（電極層；図示せず）をさらに含むように形成させた。すなわち、基板１１上に下部電極（電極層）を形成し、下部電極（電極層）の上部に強誘電層１３を形成した。ここで、基板１１は、Ｓｉ（ケイ素）を用いて形成した。基板１１上の下部電極（電極層）は、Ｐｔ／Ｔｉをスパッタリングによりそれぞれ約１５０ｎｍ／１０ｎｍの厚さで形成した。強誘電層１３は、ＰＺＴを用いてゾルゲル法によって下部電極上に約１５０ｎｍの厚さで形成した。

次に、図３のような構造の本発明による情報保存媒体を製作した。基板２１上に下部電極（電極層２５）を形成し、電極層２５上に強誘電層２２及び絶縁層２３を順次に形成した。基板２１はＳｉ基板を用いた。電極層２５は、Ｐｔ／Ｔｉを約１５０ｎｍ／１０ｎｍで形成した。強誘電層２２は、ＰＺＴを用いて約１５０ｎｍの厚さに形成し、絶縁層２３は、Ａｌ₂Ｏ₃を用いて約１０ｎｍの厚さで形成した。

次に、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、従来の情報保存媒体と本発明に係る情報保存媒体の縦横５×５μｍのテストサンプル領域について、ＥＦＭを用いて電気的な特性を調べた（なお、図４Ａ及び図４Ｂに示す数字「２」および「４」は、マイクロメートル（μｍ）を表す）。まず、プローブを用いて、これらのテストサンプル領域の縦横３×３μｍの大きさの第１領域に、一様な電荷分布となるように電位を印加した。そして、縦横３×３μｍの大きさの第１領域の内側に、縦横１×１μｍの大きさの第２領域を前記第１領域と反対極性の電荷分布を有するように電位を印加した。縦横３×３μｍの領域（第１領域）は、中心領域となる縦横１×１μｍの領域（第２領域）の周囲を占める領域である。第１領域は、図４Ａ及び図４Ｂの横軸及び縦軸方向の約１〜４μｍの領域であり、第２領域は２〜３μｍの領域である。このとき、プローブを用いて中心領域及び周辺領域（第２領域と第１領域）に、±１０Ｖの電位を印加した。

図４Ａの従来の情報保存媒体と比べると、図４Ｂの本発明の情報保存媒体の第１領域及び第２領域の境界線は、図４Ａの第１領域及び第２領域の境界線に比べて明確に識別することができる。すなわち、この実験から、本発明の情報保存媒体は、従来の情報保存媒体よりも記録安定性が極めて優秀であることが分かる。言い換えると、本発明の情報保存媒体でデータを記録するときのノイズは、従来の情報保存媒体でデータを記録するときのノイズよりもはるかに小さいことが分かる。また、本発明の情報保存媒体における中心領域と周辺領域の間は、従来の情報保存媒体の中心領域と周辺領域の間よりも小さい。これはすなわち、第１領域と第２領域との境界が明確に区別できるということは、情報記録領域を減少させうるということを意味し、結局、記録密度を向上させうる。

前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは本発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施例の例示として解釈されなければならない。本発明の範囲は、説明された実施例によって決定されず、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されなければならない。

本発明は、強誘電現象を利用した情報保存媒体に係り、高密度の情報保存媒体に関連した産業分野で広く使用されうる。

従来の技術による情報保存媒体を示す断面図である。 従来の技術による情報保存媒体を示す断面図である。 本発明による情報保存媒体を示す断面図である。 本発明による情報保存媒体に情報を記録及び再生することを示す断面図である。 ＥＦＭで観察した従来の情報保存媒体の一部を示す図である。 ＥＦＭで観察した本発明の実施形態に係る情報保存媒体の一部を示す図である。

符号の説明

２１ 基板
２２ 強誘電層
２３ 絶縁層
２４ プローブ
２５ 電極層

Claims (7)

1. 情報保存媒体において、
   基板と、
   前記基板上に形成された電極層と、
   前記電極層上に形成された強誘電層と、
   前記強誘電層上に形成された絶縁層と、を備えてなり、
   前記絶縁層は、電位印加時に電荷をトラップできる物質を含んで形成され、
   前記絶縁層は、ＳｉＯ _２ 、ＯＮＯ構造体およびＩｒＯのうち少なくとも何れか一つを含んで形成されたことを特徴とする情報保存媒体。
2. 前記強誘電層は、ＰＺＴを含んで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の情報保存媒体。
3. 前記強誘電層は、厚さ１０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の情報保存媒体。
4. 前記絶縁層は、厚さ５〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の情報保存媒体。
5. 情報保存媒体の製造方法において、
   （ａ）基板上に電極層を形成させる段階と、
   （ｂ）前記電極層上に強誘電層を形成させる段階と、
   （ｃ）前記強誘電層上に電荷をトラップすることができる絶縁層を形成させる段階と、
   を含み、
   前記（ｃ）段階は、前記強誘電層上にＳｉＯ _２ およびＩｒＯのうち少なくとも何れか一つを含んで形成させることを特徴とする情報保存媒体の製造方法。
6. 前記（ｂ）段階は、前記電極層上にＰＺＴを含む強誘電体を形成することを特徴とする請求項５に記載の情報保存媒体の製造方法。
7. 請求項１から請求項４のいずれかひとつに記載の情報保存媒体に情報を保存する情報保存方法であって、
   プローブを用いて前記絶縁層に電位が印加されることによって、前記絶縁層に電荷がトラップされ、トラップされた前記電荷によって前記強誘電体層の電子双極子が整列することを特徴とする情報保存方法。