KR100379415B1 - 강유전체 기록 매체 및 그 제조 방법 - Google Patents

강유전체 기록 매체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

정보 저장용 강유전체 기록 매체에 관한 것으로, 기판 위에 버퍼층, 하부 전극, 강유전체층, 상부 전극을 순차적으로 형성하고, 상부 전극의 소정영역들을 식각하여 강유전체층을 노출시킨 다음, 상부 전극을 포함한 전면에 절연층을 형성하고 상부 전극이 노출될 때까지 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 절연층을 식각하여 표면을 평탄화시킨다. 여기서, 절연층 형성 전에, TiO2또는 Al2O3버퍼층을 형성할 수도 있고, 절연층 형성 후에, 약 600℃ 이상의 온도에서 열처리할 수도 있다. 이와 같이 제작되는 본 발명은 강유전체 기록 매체 위에 상부 전극을 형성하여 기록 유지 특성을 향상시키고, 상부 전극이 형성된 강유전체 기록 매체 위에 절연층을 증착하고 CMP를 이용하여 평탄한 표면을 형성함으로써, AFM 팁의 스캔(scan) 속도를 증가시켜 읽기/쓰기 속도를 향상시킬 수 있다.

Description

강유전체 기록 매체 및 그 제조 방법{ferroelectric recording media and method for fabricating the same}
본 발명은 정보 저장용 강유전체 기록 매체에 관한 것이다.
최근, 하드 디스크(hard disk), 광 디스크(optical disk)와 같은 정보 저장(data storage) 장치 기술의 급격한 발달로 1 Gbit/in2이상의 기록 밀도를 갖는 정보 저장 장치를 개발하게 되었으며, 디지털 기술의 급격한 발달은 더욱 고용량의 정보 저장 장치를 요구하게 되었다.
그러나, 기존의 정보 저장 장치는 하드 디스크의 수퍼-파라마그네틱(super-paramagnetic) 한계나 또는 광 디스크의 레이저의 회절 한계 등으로 인하여 기록 밀도가 제한된다.
최근, 근접장 광학(near-field optics) 기술을 이용하여 광의 회절 한계를 극복하여 100 Gbit/in2이상의 기록 밀도를 갖는 정보 저장 장치를 개발하려는 연구가 이루어지고 있다.
한편, 기존의 정보 저장 장치와는 전혀 다른 방법으로 AFM(Atomic Force Microscopy) 팁(tip)을 이용하여 고용량 정보 저장 장치를 제작하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
ATM 팁은 수 nm 크기까지 작게 할 수 있기 때문에 AFM을 이용하여 원자 레벨의 표면 미세 구조도 관찰할 수 있게 되었다.
이러한 특성을 갖는 AFM 팁을 이용하면 이론적으로 테라 비트(tera bit)급의 정보 저장 장치도 가능하리라 예상된다.
AFM을 이용한 정보 저장 장치에서 중요한 것 중의 하나는 정보 저장 장치에 사용되는 기록 매체의 종류와 기록 방법이다.
대표적인 것으로는 강유전체 기록 매체를 이용하는 것이 활발히 연구되고 있다.
도 1a는 일반적인 강유전체 기록 매체를 보여주는 구조단면도이고, 도 1b 및 도 1c는 강유전체 기록 매체에 정보를 읽고 쓰는 방법을 보여주는 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 강유전체 기록 매체는 실리콘 웨이퍼(Si wafer)위에 실리콘과 강유전체층과의 확산 방지를 위하여 SiO2버퍼층을 증착한 후, 하부전극을 증착한다.
그리고, 하부전극 위에 기록 매체로 사용할 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 또는 SBT(SrBi2Ta2O9) 등의 강유전체 박막을 증착하여 제작한다.
이와 같이, 제작된 강유전체 기록 매체는 도 1b에 도시된 바와 같이, 하부전극과 AFM 팁 사이에 직류(DC) 전압을 인가하여 강유전체 박막의 도메인(domain)이 특정한 방향으로 배열하게 함으로써 데이터를 쓰게 된다.
또한, 도 1c에 도시된 바와 같이 하부 전극과 AFM 팁 사이에 미소한 AC 전압을 인가하면 강유전체 박막과 AFM 팁 사이에 미소한 힘이 형성되게 되며, 이러한 힘의 크기는 강유전체 박막의 도메인의 방향에 따라 달라지게 된다.
따라서, 이러한 힘의 크기는 강유전체 박막의 도메인 방향에 따라 달라지게 되므로 이를 검출하여 데이터를 읽을 수 있게 된다.
강유전체 박막을 기록 매체로 이용하면 데이터의 쓰기 속도가 빠르고, 전력 소모가 극히 작으며, 반복 쓰기가 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 강유전체 기록 매체는 데이터 유지 특성이 나쁘다는 것이 큰 문제점으로 지적되고 있다.
이는 도메인의 방향을 조절하여 데이터를 저장한 후, 시간이 지남에 따라 잔류 분극 값이 급격히 감소하여 데이터를 잃어버리는 현상으로 실용화에 치명적인 문제점이라 생각된다.
이 외에도 강유전체 박막은 다결정이기 때문에 결정 입계(grain boundary)로 인하여 표면 평탄도가 나쁘다는 문제점이 있다.
기록 매체의 표면 평탄도가 나쁘면, AFM 팁과 기록 매체와의 거리를 일정하게 조절하는 데 소요되는 시간으로 인하여 데이터의 읽기/쓰기 속도가 느려지게 되며 팁의 마모를 가져올 수도 있다.
본 발명의 목적은 기록 유지 특성 및 읽기/쓰기 속도를 향상시킬 수 있는 강유전체 기록 매체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1a는 일반적인 강유전체 기록 매체를 보여주는 구조단면도
도 1b 및 도 1c는 일반적인 강유전체 기록 매체에 정보를 읽고 쓰는 방법을 보여주는 도면
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 강유전체 기록 매체의 제조공정을 보여주는 공정단면도
본 발명에 따른 강유전체 기록 매체는 기판 위에 버퍼층을 형성한 후, 형성되는 하부 전극과, 하부 전극 위에 형성되는 강유전체층과, 강유전체층의 소정영역 위에 형성되는 상부 전극들과, 각 상부 전극 사이의 강유전체층 위에 형성되는 절연층으로 구성된다.
여기서, 상부 전극들은 하부 전극과 동일한 물질로 형성되며, 상부 전극들과 절연층의 표면 높이는 동일하게 형성된다.
본 발명에 따른 강유전체 기록 매체 제조방법은 기판 위에 버퍼층, 하부 전극, 강유전체층, 상부 전극을 순차적으로 형성하는 단계와, 상부 전극의 소정영역들을 식각하여 강유전체층을 노출시키는 단계와, 상부 전극을 포함한 전면에 절연층을 형성하고 CMP(Chemical Mechanical Polishing)을 이용하여 상부 전극이 노출될 때까지 절연층을 식각하여 표면을 평탄화시키는 단계로 이루어진다.
여기서, 절연층 형성 전에, TiO2또는 Al2O3버퍼층을 형성할 수도 있고, 절연층 형성 후에, 약 600℃ 이상의 온도에서 열처리할 수도 있다.
그리고, 절연층은 SiO2로 이루어지고, 저압화학기상증착법(LPCVD)으로 증착되며, 절연층 식각은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법으로 식각하여 표면을 평탄화시킨다.
이와 같이 제작되는 본 발명은 강유전체 기록 매체 위에 상부 전극을 형성하여 기록 유지 특성을 향상시키고, 상부 전극이 형성된 강유전체 기록 매체 위에 절연층을 증착하고 CMP를 이용하여 평탄한 표면을 형성함으로써, AFM 팁의 스캔(scan) 속도를 증가시켜 읽기/쓰기 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 종래의 강유전체 기록 매체가 상부 전극을 형성하지 않은 것과는 달리 강유전체 박막 위에 전극의 증착 및 식각을 행하여 상부 전극을 형성함으로써, 강유전체의 상, 하부에 동일한 계면을 형성하여 기록 유지 특성을 향상시킨 것이다.
그리고, 본 발명은 상부 전극과 강유전체 박막 사이의 단차와 강유전체 박막 및 전극의 표면 굴곡으로 인하여 AFM 팁의 스캔(scan) 속도가 감소하고, 팁이 마모되는 문제점을 해결하기 위하여, 강유전체 박막과 상부 전극 위에 절연층을 증착하고, CMP(Chemical Mechanical Polishing)를 이용하여 평탄한 표면을 형성함으로써, AFM 팁의 스캔 속도를 증가시켜 읽기/쓰기 속도를 향상 시키고, 팁의 마모를 방지한 것이다.
즉, 본 발명의 핵심은 상부 전극을 사용하여 기록 유지 특성을 향상시키는 것과 절연층의 증착과 CMP 방법을 사용하여 평탄한 표면을 형성하는 것이다.
일반적으로, 강유전체 기록 매체가 기록 유지 특성이 나쁜 원인은 강유전체에 탈분극 필드(depolarization field)가 존재하여 강유전체의 잔류 분극이 시간이 경과함에 따라 감소하기 때문이다.
탈분극 필드(depolarization field)는 강유전체 도메인(domain)과 반대방향으로 존재하는 전기장으로, 강유전체가 서로 다른 상/하부 계면을 갖는 것과 관계 있는 것으로 알려져 있다.
종래의 강유전체 기록 매체의 하부 계면은 Pt 등의 하부 전극과 접촉하고 있는 반면에, 상부 계면은 전극을 따로 형성하지 않았다.
이로 인해, 종래는 탈분극 필드가 크게 나타나는 것으로 생각된다.
본 발명에서는 이러한 탈분극 필드를 최소화하기 위하여 상부전극을 형성하였다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 강유전체 기록 매체의 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 강유전체 박막의 형성까지는 종래의 강유전체 기록 매체와 동일하다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼 위에 Si와 강유전체층과의 확산 방지를 위하여 SiO2와 Si3N4와 같은 버퍼층을 증착하고, 버퍼층 위에 하부 전극을 증착한다.
여기서, 하부 전극으로는 주로 Pt/Ti 박막이 주로 사용되지만 RuO2, IrO2, (La,Sr)CoO3, LaNiO3, SrRuO3등의 산화물 전극이 사용될 수도 있다.
이어, 하부 전극 위에 기록 매체로 사용할 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 또는 SBT(SrBi2Ta2O9) 등의 강유전체 박막을 형성한다.
그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이 강유전체 박막 위에 기록 유지 특성을 향상시키기 위하여 상부 전극을 증착하고, 각 비트(bit)를 정의하기 위하여 상부 전극을 식각한다.
여기서, 상부전극은 일반적으로 Pt가 사용되지만 하부 전극이 Pt 이외의 다른 전극이 사용될 때, 하부 전극과 동일한 물질을 상부 전극으로 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 방법으로 강유전체 기록 매체를 제조하면, 기록 유지 특성은 크게 개선되지만, 상부 전극과 강유전체 박막사이에 큰 단차가 생성되어 AFM 팁의 스캔 속도가 크게 감소하며 이는 읽기/쓰기 속도가 크게 감소하는 원인이 된다.
따라서, 본 발명에서는 이를 개선하기 위하여 절연층의 증착과 CMP를 사용하였다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 상부 전극을 형성한 후, 그 위에 절연층을 형성하였다.
여기서, 절연층은 일반적으로 저압화학기상증차(LPCVD) 법으로 증착된 SiO2가 사용되지만, 수소 열화 방지 등을 위하여 SiO2를 증착하기 전에 TiO2나 Al2O3와 같은 버퍼층을 증착할 수도 있다.
그리고, 절연층 형성 후에 절연층 형성으로 인한 열화를 회복하기 위하여 약 600℃ 이상의 고온 산소 분위기에서 열처리한다.
하지만, 절연층 형성 후에도 여전히 표면에 단차가 존재하므로 도 2d에 도시된 바와 같이 CMP를 이용하여 상부 전극이 드러날 때까지 SiO2로 이루어진 절연층을 식각 연마하여 평탄한 표면을 얻을 수 있도록 하였다.
이와 같은 방법으로 제조된 강유전체 기록 매체는 기록 유지 특성을 크게 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, CMP를 이용하여 평탄한 표면을 형성함으로써 읽기/쓰기 속도도 크게 향상시킬 수 있었다.
본 발명에 따른 강유전체 기록 매체 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 강유전체 기록 매체 위에 상부 전극을 형성하여 기록 유지 특성을 향상시키고, 상부 전극이 형성된 강유전체 기록 매체 위에 절연층을 증착하고 CMP를 이용하여 평탄한 표면을 형성함으로써, AFM 팁의 스캔(scan) 속도를 증가시켜읽기/쓰기 속도를 향상시킬 수 있고 팁의 마모를 방지할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 기판 위에 버퍼층이 형성된 후, 형성되는 하부 전극;
    상기 하부 전극 위에 형성되는 강유전체층;
    상기 강유전체층의 소정영역 위에 형성되는 상부 전극들; 그리고,
    상기 각 상부 전극 사이의 강유전체층 위에 형성되는 절연층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 기록 매체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 전극들은 하부 전극과 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 강유전체 기록 매체.
  4. 기판 위에 버퍼층, 하부 전극, 강유전체층, 상부 전극을 순차적으로 형성하는 제 1 단계;
    상기 상부 전극의 소정영역들을 식각하여 상기 강유전체층을 노출시키는 제 2 단계; 그리고,
    상기 상부 전극을 포함한 전면에 절연층을 형성하고, 상기 상부 전극이 노출될 때까지 상기 절연층을 식각하여 표면을 평탄화시키는 제 3 단계로 이루어지는것을 특징으로 하는 강유전체 기록 매체 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 3 단계는
    상기 상부 전극을 포함한 전면에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 위에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층이 형성된 기판을 열처리하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 강유전체 기록 매체 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 버퍼층은 TiO2, Al2O3중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 강유전체 기록 매체 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 열처리 온도는 600℃ 인것을 특징으로 하는 강유전체 기록 매체 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 절연층은 SiO2로 이루어지고, 저압화학기상증착법(LPCVD)으로 증착되는 것을 특징으로 하는 강유전체 기록 매체 제조방법.
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