KR100561858B1 - Recording material comprising ferroelectric layer, nonvolatile memory device comprising the same, and methods of writing and reading data for the memory device - Google Patents
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Abstract
강유전막을 포함하는 기록매체, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 소자, 이러한 메모리 소자의 데이터 기록 및 재생방법에 관해 개시되어 있다. 여기서, 본 발명은 순차적으로 적층된 하부전극, 상기 하부전극 상에 형성되어 있고 데이터가 기록되는 강유전막, 상기 강유전막 상에 형성된 장벽층 및 상기 장벽층 상에 형성된 반도체층을 포함하는 기록매체를 제공한다. 그리고 이러한 기록매체와 함께 데이터 기록 및 재생에 사용되는 탐침을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 기록매체를 제공한다. 또한, 반도체층에 접촉된 탐침과 상기 하부전극에 기록전압을 인가하는 데이터 기록방법을 제공하고, 상기 탐침과 상기 반도체층에 읽기전압을 인가하여 상기 강유전막의 잔류분극상태를 판별하는 데이터 재생방법을 제공한다.Disclosed are a recording medium including a ferroelectric film, a nonvolatile memory device including the same, and a method of recording and reproducing data of the memory device. The present invention provides a recording medium including a lower electrode sequentially stacked, a ferroelectric film formed on the lower electrode and recording data, a barrier layer formed on the ferroelectric film, and a semiconductor layer formed on the barrier layer. to provide. In addition, the present invention provides a recording medium of a nonvolatile memory device including a probe used for recording and reproducing data. In addition, the present invention provides a data recording method for applying a recording voltage to the probe and the lower electrode in contact with the semiconductor layer, and a data reproducing method for determining a residual polarization state of the ferroelectric film by applying a read voltage to the probe and the semiconductor layer. to provide.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 기록매체의 구성을 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the configuration of a recording medium according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시한 기록매체에 데이터를 기록하는 과정을 보여주는 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a process of recording data on the recording medium shown in FIG. 1.
도 3 및 도 4는 분극량이 작은 강유전막을 포함하는 본 발명의 기록매체에 데이터를 기록하였을 때, 장벽층과 탐침사이에 구비된 반도체층의 에너지 밴드 변화를 나타낸 도면들이다.3 and 4 show changes in energy band of a semiconductor layer provided between a barrier layer and a probe when data is recorded on a recording medium of the present invention including a ferroelectric film having a small polarization amount.
도 5 및 도 6은 도 1에 도시한 기록매체의 강유전막이 분극량이 큰 물질일 때, 장벽층과 탐침사이에 구비된 반도체층의 에너지 밴드 변화를 나타낸 도면이다.5 and 6 illustrate changes in energy bands of the semiconductor layer provided between the barrier layer and the probe when the ferroelectric film of the recording medium shown in FIG. 1 is a material having a large polarization amount.
도 7은 도 1에 도시한 기록매체의 강유전막이 분극량이 큰 물질일 때, 강유전막의 분극방향에 따른 반도체층과 탐침사이의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing current-voltage characteristics between the semiconductor layer and the probe along the polarization direction of the ferroelectric film when the ferroelectric film of the recording medium shown in FIG. 1 is a material having a large polarization amount.
도 8은 도 2의 데이터가 기록된 기록매체와 등가인 기록매체와 이로부터 데이터를 읽는 과정을 보여주는 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a recording medium equivalent to the recording medium on which the data of FIG. 2 is recorded and a process of reading data therefrom.
도 9는 도 1에 도시한 기록매체의 강유전막이 분극량이 작은 물질일 때, 강유전막의 분극방향에 따른 반도체층과 탐침사이의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing current-voltage characteristics between the semiconductor layer and the probe along the polarization direction of the ferroelectric film when the ferroelectric film of the recording medium shown in FIG. 1 is a material having a small polarization amount.
도 10은 도 8에 도시한 등가기록매체가 분극량이 작은 강유전막을 포함하는 기록매체와 동등한 경우에 게이트 전압(Vg)에 따른 제2 반도체층과 백금탐침사이의 전류-전압특성을 실측한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 10 shows the result of measuring current-voltage characteristics between the second semiconductor layer and the platinum probe according to the gate voltage Vg when the equivalent recording medium shown in FIG. 8 is equivalent to the recording medium including the ferroelectric film having a small polarization amount. The graph shown.
도 11은 강유전막 도메인의 분극방향에 따른 전도성 산화막층의 저항 변화를 보여주는 그래프이다.FIG. 11 is a graph illustrating a change in resistance of a conductive oxide layer according to the polarization direction of the ferroelectric layer domain. FIG.
도 12는 도 8에 도시한 등가기록매체가 분극량이 큰 강유전막을 포함하는 기록매체와 동등한 할 때, 상기 등가기록매체의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing the current-voltage characteristics of the equivalent recording medium when the equivalent recording medium shown in FIG. 8 is equivalent to the recording medium including the ferroelectric film having a large polarization amount.
도 13은 도 8에 도시한 등가기록매체가 분극량이 큰 강유전막을 포함하는 기록매체와 동등한 경우에 게이트 전압(Vg)에 따른 제2 반도체층과 백금탐침사이의 전류-전압특성을 실측한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 13 shows the result of measuring the current-voltage characteristic between the second semiconductor layer and the platinum probe according to the gate voltage Vg when the equivalent recording medium shown in FIG. 8 is equivalent to the recording medium including a ferroelectric film having a large polarization amount. FIG. The graph shown.
도 14는 도 2에 도시한 방법으로 데이터가 기록된 기록매체로부터 데이터를 읽는 과정을 보여주는 단면도이다.14 is a cross-sectional view showing a process of reading data from a recording medium on which data is recorded by the method shown in FIG.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10:하부전극 12:강유전막10: lower electrode 12: ferroelectric film
12a, 12b:제1 및 제2 강유전막 14:장벽층12a, 12b: first and second ferroelectric films 14: barrier layer
15, 15a, 17a:공핍층 16, 34:제1 및 제2 반도체 층15, 15a, 17a:
17:과밀층 20:탐침17: dense layer 20: probe
30:반도체 기판 32:절연막30: semiconductor substrate 32: insulating film
Da, Db, Dc:제1 내지 제3 도메인Da, Db, Dc: first to third domain
D:도메인 E:전기장D: Domain E: Electric Field
P:분극방향 S1, S2, S3:제1 내지 제3 쉬프트P: polarization directions S1, S2, S3: first to third shifts
A, B, C:제1 내지 제3 도메인의 잔류분극A, B, C: residual polarization of the first to third domains
G1 내지 G13:제1 내지 제13 그래프G1 to G13: first to thirteenth graphs
1. 발명의 분야1. Field of Invention
본 발명은 기록매체와 이를 포함하는 메모리 소자, 상기 메모리 소자의 데이터 쓰기 및 읽기방법에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 강유전막을 포함하는 기록매체, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 소자, 이러한 비휘발성 메모리 소자의 데이터 기록 및 재생방법에 관한 것이다.The present invention relates to a recording medium and a memory device including the same, a method of writing and reading data of the memory device, and more particularly, to a recording medium including a ferroelectric film, a nonvolatile memory device including the same, and a nonvolatile memory device. A data recording and reproducing method.
2. 관련 기술의 설명2. Description of related technology
휴대용 통신기, 전자수첩 등 소형 전자 제품에 대한 수요가 증가함에 따라 초소형 고집적 비휘발성 메모리 소자의 필요성이 증대되고 있다. 그런데, 기존의 데이터 저장 매체인 하드디스크는 크기를 줄이는데 한계가 있어 소형화가 어렵다. 플래쉬 메모리가 하드디스크의 대안이 될 수 있으나, 플래쉬 메모리의 집적도는 현 실적으로 높이기 어렵다. 이에 따라 새로운 초소형 고집적도 비휘발성 메모리 소자의 필요성이 높아지고 있다. 이러한 가운데, 상기 새로운 초소형 고집적도 비휘발성 메모리 소자로써, 주사 탐침(Scanning Probe)(이하, 탐침이라 함)을 이용한 메모리 소자에 대한 관심이 높아지고 있다.As the demand for small electronic products such as portable communication devices and electronic notebooks increases, the necessity of ultra-small, highly integrated nonvolatile memory devices is increasing. However, the conventional hard disk, which is a data storage medium, has a limitation in reducing its size, making it difficult to miniaturize. Flash memory may be an alternative to hard disks, but the density of flash memory is difficult to achieve. As a result, there is a growing need for new ultra-high density non-volatile memory devices. Among these, interest in memory devices using scanning probes (hereinafter, referred to as probes) is increasing as the new ultra-high density nonvolatile memory devices.
데이터를 읽는데 탐침을 이용하는 초소형 고집적 메모리 소자의 경우, 강유전막, 강자성막, 열가소성 수지, 열경화성 수지 등이 데이터 기록매체로써 검토되고 있다.In the case of an ultra-small high-density memory device using a probe for reading data, ferroelectric films, ferromagnetic films, thermoplastic resins, thermosetting resins, and the like have been considered as data recording media.
상기 열거된 기록매체로부터 데이터를 읽는 방법에는 정전기력, 정자기력, 압전력 등과 같은 탐침에 작용하는 힘을 감지하는 방법, 전기전도도 차이 혹은 열전도도 차이 등과 같은 기록매체의 전기적 특성 변화를 감지하는 방법 등이 있다.The method of reading data from the recording media listed above includes a method of detecting a force acting on a probe such as electrostatic force, magnetostatic force, piezoelectric force, and the like, a method of detecting a change in electrical characteristics of a recording medium such as a difference in electrical conductivity or a difference in thermal conductivity, and the like. There is this.
압전력을 이용하여 강유전막의 도메인 분극상태를 감지하는 메모리 소자는 록인 증폭기(lock-in amplifier)를 사용한다. 따라서 소형화가 어렵다.The memory device that detects the domain polarization state of the ferroelectric film using piezoelectric power uses a lock-in amplifier. Therefore, miniaturization is difficult.
상기 열거된 기록매체에 데이터를 쓰는 방법에는 탐침을 이용하여 강유전막의 도메인 혹은 강자성막의 도메인을 반전시키는 방법, 기록매체의 데이터가 기록될 영역에 열을 가해서 상기 영역을 상전이시키거나 상기 영역을 손상시키는 방법 등이 있다.The method of writing data to the above-described recording media includes a method of inverting the domain of the ferroelectric film or the domain of the ferromagnetic film by using a probe, and applying heat to an area in which data of the recording medium is to be recorded to phase change or damage the area. It is a method to make it.
후자의 방법은 쓰는 속도가 느리고, 읽기 및 쓰기를 반복하기 어려운 단점을 지니고 있다. The latter method is slow in writing and difficult to read and write repeatedly.
한편, 상기 열거한 방법들을 조합한 초소형 고집적 메모리 소자들도 소개되고 있다. 이들 메모리 소자들은 탐침을 기록매체와 접촉시키는 경우와 접촉시키지 않는 경우로 나눌 수 있다. On the other hand, miniature highly integrated memory devices combining the above-listed methods are also introduced. These memory elements can be divided into a case in which the probe is not in contact with the recording medium and a case in which the probe is not in contact.
탐침과 기록매체가 접촉되지 않는 상태로 데이터를 읽는 경우, 탐침과 기록매체사이의 거리를 일정하게 유지하기 위해 별도의 피드백(feed back) 회로가 필요하다. 따라서 휴대하기 간편할 정도로 메모리 소자를 소형화시키는 것은 실질적으로 어렵게 된다.When reading data without contact between the probe and the recording medium, a separate feedback back circuit is required to keep the distance between the probe and the recording medium constant. Therefore, it is practically difficult to miniaturize the memory element so that it is easy to carry.
반면, 탐침을 기록매체와 접촉시키는 경우, 탐침과 기록매체의 마모가 문제로 대두되는데, 특히 기록매체의 마모가 큰 문제점으로 대두되고 있다. 또한, 탐침을 기록매체와 접촉시키는 경우, 탐침을 지지하는 캔틸레버(cantilever)의 공명주파수(통상 1MHz 이하)에 의해 데이터의 읽기 속도가 제한되는 단점이 있다.On the other hand, when the probe is in contact with the recording medium, the wear of the probe and the recording medium is a problem, especially the wear of the recording medium is a big problem. In addition, when the probe is in contact with the recording medium, the reading speed of the data is limited by the resonance frequency (usually 1 MHz or less) of the cantilever supporting the probe.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 메모리 소자를 소형화하는데 적합하고, 기록매체의 마모를 방지하면서 읽기 속도를 빠르게 할 수 있는 비휘발성 메모리 소자에 사용되는 기록매체를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to improve the above-described problems of the prior art, and is suitable for miniaturizing a memory device, and is used for a nonvolatile memory device capable of speeding up reading while preventing wear of a recording medium. In providing a medium.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 기록매체를 구비하는 비휘발성 메모리 소자를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device having the recording medium.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 비휘발성 메모리 소자에서 상기 기록매체에 데이터를 쓰는 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of writing data to the recording medium in the nonvolatile memory device.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 비휘발성 메모리 소자에서 상기 기록매체로부터 데이터를 읽는 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of reading data from the recording medium in the nonvolatile memory device.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하부전극, 상기 하부전극 상에 형성되어 있고 데이터가 기록되는 강유전막, 상기 강유전막 상에 형성된 장벽층 및 상기 장벽층 상에 형성된 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 기록매체를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention includes a lower electrode, a ferroelectric film formed on the lower electrode and the data is recorded, a barrier layer formed on the ferroelectric film and a semiconductor layer formed on the barrier layer A recording medium of a nonvolatile memory device is provided.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 강유전막은 PZT막, STO막, BTO막 또는 PTO막일 수 있다. 그리고 상기 장벽층은 주어진 두께의 이트륨 산화막(Y203) 또는 알루미늄 산화막(Al203)일 수 있다. 또한, 상기 반도체층은 탐침 부분의 금속과 쇼트키 접합(Schottkey junction)을 이루는 반도체 층일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ferroelectric film may be a PZT film, an STO film, a BTO film, or a PTO film. The barrier layer may be a yttrium
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 데이터가 기록되는 기록매체와 상기 기록매체에 데이터를 기록하는데 그리고 상기 기록매체로부터 데이터를 읽는데 사용되는 탐침(probe)을 구비하는 비휘발성 메모리 소자에 있어서,In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a non-volatile memory device having a recording medium on which data is recorded, and a probe used to write data to and read data from the recording medium. ,
상기 기록매체가 하부전극, 상기 하부전극 상에 형성되어 있고 데이터가 기록되는 강유전막, 상기 강유전막 상에 형성된 장벽층; 및 상기 장벽층 상에 형성된 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자를 제공한다.A recording layer is formed on the lower electrode, the ferroelectric film on which the data is recorded, and the barrier layer formed on the ferroelectric film; And it provides a non-volatile memory device comprising a semiconductor layer formed on the barrier layer.
이때, 상기 강유전막, 상기 장벽층 및 상기 반도체층은 상기한 바와 같다.In this case, the ferroelectric film, the barrier layer and the semiconductor layer are as described above.
상기 탐침은 상기 반도체층과 쇼트키 접합을 이루는 금속으로 된 것일 수 있다.The probe may be made of a metal forming a Schottky junction with the semiconductor layer.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하부전극, 강유전막, 장벽층 및 반도체층이 순차적으로 적층된 기록매체와, 상기 기록매체에 데이터 를 기록하는데 그리고 상기 기록매체로부터 데이터를 읽는데 사용되는 탐침을 구비하는 비휘발성 메모리 소자의 데이터 쓰기방법에 있어서,In order to achieve the above another technical problem, the present invention is used to record data on the recording medium, and to read data from and to the recording medium in which a lower electrode, a ferroelectric film, a barrier layer and a semiconductor layer are sequentially stacked. In the data writing method of a nonvolatile memory device having a probe,
상기 탐침을 상기 반도체층의 표면에 접촉시키면서 상기 하부전극 및 상기 탐침에 쓰기전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 데이터 쓰기방법을 제공한다.A write voltage is applied to the lower electrode and the probe while the probe is in contact with the surface of the semiconductor layer.
이때, 상기 강유전막, 상기 장벽층, 상기 반도체층 및 상기 탐침은 상기한 바와 같다.In this case, the ferroelectric film, the barrier layer, the semiconductor layer and the probe are as described above.
본 발명은 또한 상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 하부전극, 강유전막, 장벽층 및 반도체층이 순차적으로 적층된 기록매체와, 상기 기록매체에 데이터를 기록하는데 그리고 상기 기록매체로부터 데이터를 읽는데 사용되는 탐침을 구비하는 비휘발성 메모리 소자의 데이터 읽기방법에 있어서, 상기 탐침을 상기 반도체층의 표면에 접촉시키면서 상기 탐침과 상기 반도체층사이에 읽기전압을 인가하는 제1 단계 및 상기 탐침과 상기 반도체층사이의 전류(저항)를 측정하여 상기 강유전막의 잔류분극 상태를 판별하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 데이터 읽기방법을 제공한다.The present invention also provides a recording medium in which a lower electrode, a ferroelectric film, a barrier layer, and a semiconductor layer are sequentially stacked, for recording data on and reading data from the recording medium. A data reading method of a nonvolatile memory device having a probe, the method comprising: a first step of applying a read voltage between the probe and the semiconductor layer while contacting the probe with a surface of the semiconductor layer; and the probe and the semiconductor And a second step of determining a residual polarization state of the ferroelectric film by measuring a current (resistance) between the layers.
이때, 상기 강유전막, 상기 장벽층 및 상기 반도체층은 상기한 바와 같다.In this case, the ferroelectric film, the barrier layer and the semiconductor layer are as described above.
상기 제1 단계는 상기 탐침과 상기 반도체층사이에 서로 다른 제1 및 제2 읽기 전압을 순차적으로 인가하는 단계를 포함할 수 있다.The first step may include sequentially applying different first and second read voltages between the probe and the semiconductor layer.
상기 제2 단계는 상기 제1 읽기 전압에 기인한, 상기 탐침과 상기 반도체층사이의 제1 전류(제1 저항)를 측정하는 단계, 상기 제2 읽기 전압에 기인한, 상기 탐침과 상기 반도체층사이의 제2 전류(제2 저항)를 측정하는 단계 및 상기 제1 및 제2 전류(제1 및 제2 저항)의 차를 구하여 상기 강유전막의 잔류분극 상태를 판별하는 단계를 포함할 수 있다. 그리고 상기 탐침은 상기 반도체층과 쇼트키 접합을 이루는 금속으로 된 것을 사용할 수 있다.The second step includes measuring a first current (first resistance) between the probe and the semiconductor layer due to the first read voltage, and the probe and the semiconductor layer due to the second read voltage. The method may include measuring a second current (second resistance) therebetween and determining a difference between the first and second currents (first and second resistances) to determine a residual polarization state of the ferroelectric film. The probe may be made of a metal forming a Schottky junction with the semiconductor layer.
이러한 본 발명의 기록매체를 이용하면, 탐침과 강유전막이 직접 접촉되지 않기 때문에, 강유전막의 마모를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 읽기 방법을 이용하면, 읽는 과정이 간단하기 때문에, 데이터의 고밀도 저장 능력은 그대로 유지하면서 읽는 속도는 빠르게 할 수 있다. 또한, 데이터를 읽고 쓰는데 별도의 부가 장비가 필요하지 않으므로 메모리 소자를 소형화할 수 있다.By using the recording medium of the present invention, since the probe and the ferroelectric film do not directly contact each other, wear of the ferroelectric film can be prevented. In addition, using the reading method of the present invention, since the reading process is simple, the reading speed can be increased while maintaining the high density storage capacity of the data. In addition, since no additional equipment is required to read and write data, the memory device can be miniaturized.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 강유전막을 포함하는 기록매체, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 소자, 이러한 메모리 소자의 데이터 기록 및 재생방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.Hereinafter, a recording medium including a ferroelectric film according to an exemplary embodiment of the present invention, a nonvolatile memory device including the same, and a data recording and reproducing method of the memory device will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for clarity.
먼저, 본 발명의 실시예에 의한 비휘발성 메모리 장치의 강유전막을 포함하는 기록매체(이하, 본 발명의 기록매체라 함)에 대해 설명한다.First, a recording medium including a ferroelectric film of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as the recording medium of the present invention) will be described.
도 1을 참조하면, 본 발명의 기록매체는 데이터를 기록할 때, 소정의 전압이 인가되는 하부전극(10), 데이터가 기록되는 강유전막(12), 강유전막(12)에 기록된 데이터를 읽을 때, 소정의 전압이 인가되는 제1 반도체층(16)을 구비하고, 강유전막(12)과 제1 반도체층(16)사이에 장벽층(14)을 구비한다. 장벽층(14)은 본 발명의 기록매체의 제조 과정에서 제1 반도체층(16)과 강유전막(12)의 반응을 방지하면서 게이트 산화막의 역할을 하기 위한 것이다. 강유전막(12)은 막에 수직한 방향의 분극특성이 우수한 강유전 물질일 수 있다. 또한, 강유전막(12)은 전압이 인가되었을 때, 제1 분극량을 갖는 제1 강유전막 또는 분극량이 상기 제1 분극량보다 큰 제2 분극량을 갖는 제2 강유전막일 수 있다. 강유전막(12)의 분극량이 클 때와 작을 때, 강유전막(12)이 강유전막(12) 상에 구비된 제1 반도체층(16)의 전류-전압 특성에 미치는 영향이 달라지는데, 이에 대해서는 후술된다. Referring to FIG. 1, when recording data, the recording medium of the present invention records data recorded in the
한편, 상기 제1 및 제2 강유전막은 동일 물질 또는 다른 물질일 수 있다. 상기 제1 및 제2 강유전막이 동일 물질인 경우, 두께를 다르게 하여 각각의 분극량을 다르게 할 수 있으나, 두께가 동일한 경우에도 제조 공정의 조건을 다르게 하여 각각의 분극량을 다르게 할 수도 있다.The first and second ferroelectric films may be the same material or different materials. When the first and second ferroelectric films are the same material, the polarization amounts may be different by different thicknesses, but the polarization amounts may be different by varying the conditions of the manufacturing process even when the thicknesses are the same.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 강유전막이 동일한 두께의 PZT막인 경우, 상기 제1 강유전막은 Ti에 대한 Zr의 비가 큰 조성 조건하에서 형성할 수 있다. 그리고 상기 제2 강유전막은 Ti에 대한 Zr의 비가 작은 조성 조건하에서 형성할 수 있다. 이렇게 형성함으로써, 상기 제1 및 제2 강유전막의 분극량을 다르게 할 수 있다. 또한 상기 제1 강유전막이 PZT막일 때, 그 분극량은 도 3에 도시한 바와 같이 공핍층(15)을 형성할 정도이고, 상기 제2 강유전막이 PZT막일 때, 그 분극량은 도 5에 도시한 바와 같이 과밀층(17)을 형성할 정도이다.For example, when the first and second ferroelectric films are PZT films having the same thickness, the first ferroelectric film may be formed under a composition condition having a large ratio of Zr to Ti. The second ferroelectric film may be formed under a compositional condition in which the ratio of Zr to Ti is small. By forming in this way, the polarization amounts of the first and second ferroelectric films can be varied. In addition, when the first ferroelectric film is a PZT film, its polarization amount is enough to form a
이러한 강유전막(12)은 PZT(Pb(Zr,Ti)O3)막이 바람직하나, 기타 다른 강유전막, 예를 들면 STO(SrTiO3)막, BTO(BaTiO3)막 또는 PTO(PbTiO3)막일 수 있다. 강유전막(12)은 박막, 후막 혹은 벌크(bulk) 상태로 구비될 수 있다. 장벽층(14)은 100nm보다 작은 두께를 갖는 이트륨 산화막(Y203) 또는 알루미늄 산화막(Al203)일 수 있다. 그러나 제1 반도체층(16)과 강유전막(12)의 반응을 방지하면서 강유전막(12)의 분극특성과 상기 분극특성에 따른 제1 반도체층(16)의 저항특성 혹은 전류특성에 영향을 주지 않는 물질층이면 어느 것이나 모두 장벽층(14)이 될 수 있다. 상부전극으로 사용되는 제1 반도체층(16)은 n형 실리콘층이 바람직하나, 탐침과 쇼트키 접합(Schottkey junction)을 이루는 모든 형태의 반도체층일 수 있다. 제1 반도체층(16)의 표면은 도 2 및 도 14에 도시한 바와 같이 데이터를 기록할 때와 재생할 때, 탐침(20)과 접촉된다.The
다음, 도 2를 참조하여 도 1에 도시한 기록매체에 데이터를 기록하는 방법에 대해 설명한다.Next, a method of recording data on the recording medium shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 기록매체에 데이터를 기록하는데는 제1 반도체층(16)과 접촉되는 탐침(20)이 사용된다. 탐침(20)은 제1 반도체층(16)의 표면과 접촉되는 제1 부분(20a)과 제1 부분(20a)을 지지하기 위한 제2 부분(20b)을 포함한다. 제1 부분(20a)은 백금(Pt)으로 형성된 바람직하나, 제1 반도체층(16)과 쇼트키 접합(Schottky junction)을 이룰 수 있는 금속이면 어느 것이나 무방하다. 예를 들면 제1 부분(20a)은 금(Au)으로 형성된 것일 수 있다. 제2 부분(20b)은 실리콘(Si) 또는 질화막(Si3N4)으로 형성된 것이다.As shown in Fig. 2, a
이러한 탐침(20)을 이용하여 본 발명의 기록매체에 데이터를 기록하는 구체적인 과정은 다음과 같다.The specific process of recording data on the recording medium of the present invention using the
먼저, 탐침(20)을 제1 반도체층(16) 표면에 접촉시키면서 탐침(20)과 하부 전극(10)사이에 전압을 인가한다. 이러한 전압인가에 의해 탐침(20)과 하부전극(10)사이에 하부전극(10)을 향하는 전기장(E)이 존재하게 된다. 탐침(20)이 뾰족하므로, 전기장(E)은 탐침(20) 아래쪽으로 집중된다. 이러한 전기장(E)에 의해 강유전막(12)의 소정영역에 도메인(D)이 형성된다. 참조부호 P는 도메인(D)의 잔류분극의 방향을 나타낸다. 잔류분극의 방향(P)은 탐침(20)과 하부전극(10)에 인가되는 전압에 따라 반대로 될 수 있다. 잔류분극의 방향(P)에 따라 강유전막(12)에 기록되는 데이터의 종류가 달라진다. 예컨대, 잔류분극의 방향(P)이 도면에 도시한 바와 같이 탐침(20)을 향하는 경우를 데이터 1이 기록된 것으로 간주할 수 있고, 잔류분극의 방향(P)이 하부전극(10)을 향하는 경우를 데이터 0이 기록된 것으로 간주할 수 있다. 물론, 반대의 경우도 가능하다.First, a voltage is applied between the
한편, 도 2에 도시한 바와 같은 데이터 기록 과정에서, 강유전막(12)이 상기 제1 분극량을 갖는 상기 제1 강유전막이냐, 분극량이 상기 제1 분극량보다 큰 상기 제2 분극량을 갖는 상기 제2 강유전막이냐에 따라 탐침(20)과 접촉되는 제1 반도체 층(16)의 에너지 밴드가 변하게 되고, 강유전막(12)이 상기 제1 및 제2 강유전막 중 어느 하나인 경우에도, 해당 강유전막의 분극방향에 따라 제1 반도체층(16)의 에너지 밴드가 달라지게 된다.On the other hand, in the data recording process as shown in Fig. 2, is the
이에 따라 기록매체로부터 데이터를 읽는 과정에서 제1 반도체층(16)의 전류-전압 특성은 강유전막(12)의 분극량과 분극방향에 따라 달라지게 된다.Accordingly, in the process of reading data from the recording medium, the current-voltage characteristic of the
구체적으로, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 하부전극(10)과 장벽층(14)사이에 상기 제1 분극량을 갖는 제1 강유전막(12a)이 구비된 경우, 제1 강유전막(12a)의 분극방향에 따라 제1 반도체층(16)에 나타나는 공핍층(depletion layer)(15)의 폭이 달라진다.Specifically, as shown in FIGS. 3 and 4, when the first
도 3 및 도 4를 비교하면, 제1 강유전막(12a)의 분극방향이 장벽층(14)을 향할 때(도 3)의 공핍층(15)의 폭보다 분극방향이 하부전극(10)을 향할 때(도 4)의 공핍층(15a) 폭이 더 넓은 것을 알 수 있다. 이것은 곧 제1 강유전막(12a)의 분극방향이 하부전극(10)을 향할 때, 제1 반도체층(16)의 저항이 증가됨을 의미한다. 제1 반도체층(16)의 전도대 에너지 준위(Ec)의 변화 또한 이러한 결과를 반영한다. 곧, 도 3과 도 4에 도시된 제1 반도체층(16)의 전도대 에너지 준위(Ec)를 비교하면, 제1 강유전막(12a)의 분극방향이 장벽층(14)을 향할 때(도 3)보다 하부전극(10)을 향할 때(도 4) 전도대의 에너지 준위(Ec)가 더 높아지는 것을 알 수 있다.3 and 4, when the polarization direction of the first
도 3 및 도 4에서 참조부호 EF 및 Ev는 각각 제1 반도체층(16)의 페르미 준위와 가전자 밴드의 변화를 나타낸다.3 and 4, reference numerals E F and Ev denote changes in Fermi levels and valence bands of the
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 하부전극(10)과 장벽층(14)사이에 상기 제2 분극량을 갖는 제2 강유전막(12b)이 구비된 경우, 제2 강유전막(12b)의 분극방향에 따라 제1 반도체층(16)의 특성은 달라지게 된다.5 and 6, when the second
곧, 도 5에 도시한 바와 같이, 제2 강유전막(12b)의 분극방향이 장벽층(14)을 향하는 경우, 큰 분극량에 의해 제1 반도체층(16)에 과밀층(accumulation layer)(17)이 형성된다. 제1 반도체층(16)의 전도대 에너지 준위(Ec) 변화를 참조 하면, 이러한 과밀층(17)에 의해 제1 반도체층(16)의 저항은 낮아지지만, 제1 반도체층(16)과 탐침(20)사이의 퍼텐셜 장벽은 증가되는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, when the polarization direction of the second
이에 따라 제2 강유전막(12b)이 구비되어 있고, 그 분극방향이 장벽층(14)을 향하는 기록매체로부터 데이터를 읽을 때, 상기 기록매체의 전류-전압 특성, 곧 제1 반도체층(16)과 백금 탐침(20)사이의 전류-전압특성은 도 7에 도시한 바와 같이 제1 그래프(G1)에서 제2 그래프(G2)로 이동된다.Accordingly, when the second
이와 반대로, 도 6에 도시한 바와 같이, 제2 강유전막(12b)의 분극방향이 하부전극(10)을 향하는 경우, 큰 분극량에 의해 제1 반도체층(16)에 넓은 공핍층(17a)이 형성된다. 제1 반도체층(16)의 전도대 에너지 준위(Ec')를 참조하면, 이러한 공핍층(17a)에 의해 제2 강유전막(12b)의 분극방향이 장벽층(14)을 향할 때보다 제1 반도체층(16)의 저항은 높아지지만, 제1 반도체층(16)과 백금 탐침(20)사이의 퍼텐셜 장벽은 낮아짐을 알 수 있다.On the contrary, as shown in FIG. 6, when the polarization direction of the second
이에 따라 제2 강유전막(12b)이 구비되어 있고, 그 분극방향이 하부전극(10)을 향하는 기록매체로부터 데이터를 읽을 때, 상기 기록매체의 전류-전압 특성은 도 7에 도시한 바와 같이 제2 그래프(G2)에서 제3 그래프(G3)로 이동된다.Accordingly, when the second
도 7의 제2 그래프(G2)와 제3 그래프(G3)를 비교하면, 제2 강유전막(12b)의 분극방향이 하부전극(10)을 향할 때, 제1 반도체층(16)과 백금 탐침(20)(또는 제1 반도체층(16)과 쇼트키 접합을 이룰 수 있는 금속층)사이에 흐르는 전류는 전압의 증가에 비례하여 증가하고, 제2 강유전막(12b)의 분극방향이 장벽층(14)을 향할 때 흐르는 전류는 전압에 따라 급격히 증가함을 알 수 있다. 이는 곧 저항과 퍼텐셜 장벽의 변화를 의미한다.When the second graph G2 and the third graph G3 of FIG. 7 are compared, when the polarization direction of the second
상술한 바와 같이, 도 1에 도시한 바와 같은 기록매체의 강유전막(12)의 분극량의 대소와 분극방향에 따라 상기 기록매체의 백금탑침(20)과 접촉된 제1 반도체층(16)의 전류-전압 특성, 곧 저항 특성이 달라지므로, 이를 이용하여 도 1에 도시한 기록매체로부터 데이터를 읽을 수 있다.As described above, the
도 1에 도시한 기록매체에서 데이터를 읽는 과정은 바로 상기 기록매체의 제1 반도체층(16)과 백금탐침(20)사이의 전류-전압특성(저항특성)을 측정하는 과정이다.The process of reading data from the recording medium shown in FIG. 1 is a process of measuring current-voltage characteristics (resistance characteristics) between the
본 발명자는 상기 기록매체의 제1 반도체층(16)과 백금탐침(20)사이의 전류-전압특성(저항특성)을 측정하는 과정을 구현하기 위해, 도 1에 도시한 기록매체에 데이터가 기록된 것과 동등한 기록매체(이하, 등가기록매체라 함)를 만들고, 상기 등가기록매체의 전류-전압 특성을 측정하였다. 상기 등가기록매체는 도 8에 도시하였다.In order to implement the process of measuring the current-voltage characteristic (resistance characteristic) between the
도 8을 참조하면, 상기 등가기록매체는 게이트 전압(Vg)이 인가되는 반도체 기판(30)을 포함한다. 그리고 반도체 기판(30) 상에 절연막(32)을 구비하고, 절연막(32) 상에 제2 반도체층(34)을 구비한다.Referring to FIG. 8, the equivalent recording medium includes a
본 발명자는 반도체 기판(30)으로 도전성 불순물이 도핑된 실리콘 기판을 사용하였고, 절연막(32)으로는 실리콘 산화막(SiO2)을 사용하였다. 그리고 제2 반도체층(34)으로 n형 실리콘층을 사용하였다.The inventor used a silicon substrate doped with conductive impurities as the
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 기록매체에 데이터가 기록된 경우, 강유전 막(12)의 도메인(D)에 잔류분극이 존재하게 된다. 따라서 제1 반도체층(16)의 장벽층(14)과 접촉되는 면(이하, 접촉면이라 함)에 잔류분극에 기인한 전하분포가 형성된다. 예컨대, 잔류분극의 방향(P)이 백금 탐침(20)을 향하는 경우, 제1 반도체층(16)의 상기 접촉면에 음(-)의 전하가 형성되고, 잔류분극의 방향(P)이 하부전극(10)을 향하는 경우, 제1 반도체층(16)의 상기 접촉면에 양(+)의 전하가 형성된다.On the other hand, as shown in FIG. 2, when data is recorded on the recording medium, residual polarization exists in the domain D of the
본 발명자는 강유전막(12)이 상기 제1 분극량의 제1 강유전막을 갖는 기록매체(이하, 제1 기록매체) 또는 강유전막(12)이 상기 제2 분극량의 제2 강유전막을 갖는 기록매체(이하, 제2 기록매체)와 동등한 상태로 상기 등가기록매체를 만들기 위해, 반도체 기판(30)에 게이트 전압(Vg)을 인가하였다.The inventors have described a recording medium having a
먼저, 상기 등가기록매체가 상기 제1 기록매체와 동등한 상태로 만들어진 경우에 대해 설명한다.First, the case where the equivalent recording medium is made to be equal to the first recording medium will be described.
반도체 기판(30)에 양(+)의 게이트 전압(Vg), 예컨대 +2V가 인가되는 경우(이하, 제1 경우라 함), 제2 반도체층(34)의 절연막(32)과 접촉되는 면에 음(-)의 전하가 유도된다. 따라서 상기 제1 경우의 제2 반도체층(34)의 상태는 도 2에 도시한 기록매체에서 강유전막(12)의 도메인(D)에 탐침(20)을 향하는 잔류분극(P)이 존재할 때의 제1 반도체층(16)의 상태와 동등하게 된다. 그러므로 상기 제1 경우에서 제2 반도체층(34)의 에너지 밴드의 변화는 도 3에 도시한 제1 반도체층(16)의 에너지 밴드(Ec 또는 Ev)의 변화와 동일한 경향을 볼 수 있다.When a positive gate voltage Vg, for example, + 2V is applied to the semiconductor substrate 30 (hereinafter, referred to as a first case), the surface is in contact with the insulating
또, 반도체 기판(30)에 음(-)의 게이트 전압(Vg), 예컨대 -2V가 인가되는 경 우(이하, 제2 경우라 함), 제2 반도체 층(34)의 절연막(32)과 접촉되는 면에 양(+)의 전하가 유도된다. 따라서, 상기 제2 경우의 제2 반도체 층(34)의 상태는 도 2에 도시한 기록매체에서 강유전막(12)의 도메인(D)에 하부전극(10)을 향하는 잔류분극(P)이 존재할 때의 제1 반도체 층(16)의 상태와 동등하게 된다. 그러므로 상기 제2 경우에서 제2 반도체층(34)의 에너지 밴드의 변화는 도 4에 도시한 제1 반도체층(16)의 에너지 밴드(Ec 또는 Ev)의 변화와 동일한 경향을 볼 수 있다.In addition, when a negative gate voltage Vg, for example, -2V is applied to the semiconductor substrate 30 (hereinafter, referred to as a second case), the insulating
본 발명자는 상기 제1 및 제2 경우에서 백금 탐침(20)과 절연막(32)사이의 제2 반도체 층(34)에 흐르는 전류를 측정하기 위해, 백금 탐침(20)을 제2 반도체 층(34)의 표면에 접촉하고, 반도체 기판(30)에 상기 제1 또는 제2 경우에 따른 게이트 전압(Vg)을 인가한 상태에서 제2 반도체 층(34)과 백금 탐침(20)에 소정의 전압(V)을 인가하였다.In order to measure the current flowing in the
도 9는 상기 등가기록매체가 상기 제1 강유전막이 구비된 기록매체와 등가일 때, 상기 등가기록매체에 대해 측정한 전압-전류특성, 곧 제2 반도체층(34)의 전압-전류 특성을 보여준다.FIG. 9 shows voltage-current characteristics measured for the equivalent recording medium, that is, voltage-current characteristics of the
도 9에서 참조부호 G5는 상기 제1 경우에서 측정한 결과를 보여주는 제5 그래프를, G6는 상기 제2 경우에서 측정한 결과를 보여주는 제6 그래프이다. 그리고 참조부호 G4는 반도체 기판(30)에 게이트 전압(Vg)을 인가하지 않았을 때를 보여주는 기준 그래프로써, 제4 그래프이다.In FIG. 9, reference numeral G5 denotes a fifth graph showing the result measured in the first case, and G6 denotes the sixth graph showing the result measured in the second case. In addition, reference numeral G4 is a reference graph showing when the gate voltage Vg is not applied to the
도 9의 제5 및 제6 그래프들(G5, G6)을 참조하면, 제2 반도체 층(34)에 인가하는 전압(V)이 증가함에 따라, 상기 제1 및 제2 경우에서 탐침(20)과 제2 반도체 층(34)사이에 흐르는 전류도 증가하는 것을 알 수 있다.Referring to the fifth and sixth graphs G5 and G6 of FIG. 9, as the voltage V applied to the
그러나, 제2 반도체 층(34)에 흐르는 전류가 증가하는 양은 상기 제1 경우와 제2 경우에서 달랐다. 곧, 탐침(20)과 제2 반도체 층(34)에 인가하는 전압(V)이 센싱 전압(Vs)에서 상기 제1 경우에서 제2 반도체 층(34)에 제2 전류(I2)가 흐른 반면, 상기 제2 경우에서 제2 반도체 층(34)에 제2 전류(I2)보다 훨씬 적은 제1 전류(I1)가 흘렀다.However, the amount by which the current flowing in the
상기 제1 및 제2 경우와 등가인 도 3 및 도 4에 도시한 기록매체의 제1 반도체층(16)에 형성되는 공핍층(15, 15a)의 비교를 통해서 상기 제2 경우에 제2 반도체층(34)에 형성되는 공핍층의 넓이는 상기 제1 경우에 제2 반도체층(34)에 형성되는 공핍층보다 훨씬 넓을 것이므로, 제2 전류(I2)가 제1 전류(I1)보다 훨씬 큰 것은 당연한 결과이다.Second semiconductor in the second case through comparison of the depletion layers 15 and 15a formed in the
이와 같이 상기 제1 및 제2 경우에 따른 상기 제1 및 제2 전류(I1, I2) 값의 차이가 크므로, 제2 반도체 층(34)으로부터 전류를 측정하는 경우, 상기 전류가 상기 제1 및 제2 경우 중 어느 경우에서 측정된 것인지를 쉽게 알 수 있다.As described above, since the difference between the values of the first and second currents I1 and I2 in the first and second cases is large, when the current is measured from the
곧, 반도체 기판(30)에 게이터 전압(Vg)을 인가하는 대신, 제2 반도체 층(34) 아래에 강유전막을 구비한 경우, 제2 반도체 층(34)에 흐르는 전류를 측정하여 상기 강유전막의 잔류분극방향(강유전막에 기록된 데이터 값)(P)을 알 수 있다.In other words, when the ferroelectric film is provided under the
또한, 상기 제1 및 제2 경우에 따라 제2 반도체 층(34)에 흐르는 전류가 크게 차이가 난다는 것은 상기 제1 및 제2 경우에서 제2 반도체층(34)의 저항도 크게 차이가 난다는 것을 의미한다. 그러므로 제2 반도체 층(34)으로부터 센싱 전압(Vs)에서의 저항을 측정하는 경우도, 상기 저항이 상기 제1 및 제2 경우 중 어느 경우에서 측정된 것인지를 쉽게 알 수 있다.In addition, a large difference in the current flowing through the
도 2에 도시한 기록매체와 도 8에 도시한 기록매체는 등가이므로, 제2 반도체 층(34)에 대한 상기 측정 결과들은 도 2에 도시한 기록매체의 제1 반도체 층(16)에도 그대로 적용될 수 있다.Since the recording medium shown in FIG. 2 and the recording medium shown in FIG. 8 are equivalent, the measurement results of the
도 10은 도 9에 도시한 결과에 대한 실험예로써, 상기 등가기록매체의 반도체 기판(30)에 인가되는 게이트 전압(Vg)을 +2V, 0V 및 -2V로 고정한 상태에서 제2 반도체 층(34)에 인가되는 전압(V)을 증가하였을 때, 제2 반도체 층(34)에 흐르는 전류 변화를 보여준다.FIG. 10 is an experimental example of the results shown in FIG. 9, wherein the second semiconductor layer (with the gate voltage Vg applied to the
도 10에서 참조부호 G7은 게이트 전압(Vg)을 -2V로 고정하였을 때, 제2 반도체 층(34)에 흐르는 전류 변화를 보여주는 제7 그래프를 나타내고, G8은 게이트 전압(Vg)을 0V로 고정하였을 때의 전류 변화를 보여주는 제8 그래프를 나타낸다. 그리고 G9는 게이트 전압(Vg)을 +2V로 고정하였을 때의 전류 변화를 보여주는 제9 그래프를 나타낸다.In FIG. 10, reference numeral G7 denotes a seventh graph showing a change in current flowing through the
도 10의 제7 내지 제9 그래프들(G7, G8, G9)을 비교하면, 제2 반도체 층(34)에 인가되는 전압(V)이 증가하면서 제7 내지 제9 그래프(G7, G8, G9) 모두 증가 상태를 유지하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 제2 반도체 층(34)에 인가되는 전압(V)이 2V를 넘어서면서 제7 그래프(G7)와 제9 그래프(G9)사이가 크게 벌어진다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 도 9에서 예측된 결과와 정확히 일치함을 나타낸다.Comparing the seventh to ninth graphs G7, G8, and G9 of FIG. 10, the seventh to ninth graphs G7, G8, and G9 while the voltage V applied to the
도 11은 강유전막의 도메인의 잔류분극 방향에 따라 상기 강유전막 아랫쪽에 위치한 전도성 산화막층의 저항 변화를 보여준다.FIG. 11 shows a change in the resistance of the conductive oxide layer under the ferroelectric layer according to the direction of residual polarization of the domain of the ferroelectric layer.
도 11에서 참조부호 Da, Db 및 Dc는 각각 상기 강유전막의 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)을 나타낸다. 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)은 인접되어 있다. 그리고 참조부호 A, B, C는 각각 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)의 잔류분극을 나타낸다. 또한, 참조 도형 "+"와 "-"는 각각 잔류분극들(A, B, C)의 방향을 나타낸다. +는 잔류분극들(A, B, C)이 지면에서 들어가는 방향으로 배열된 것을 나타내고, -는 잔류분극들(A, B, C)이 지면으로 나오는 방향으로 배열된 것을 나타낸다. 예를 들어 도면의 아래쪽에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)이 모두 +인 경우는 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)의 잔류분극 방향이 모두 지면에서 들어가는 방향인 것을 나타낸다.In FIG. 11, reference numerals Da, Db, and Dc denote first to third domains Da, Db, and Dc of the ferroelectric film, respectively. The first to third domains Da, Db, and Dc are adjacent to each other. Reference numerals A, B, and C denote residual polarizations of the first to third domains Da, Db, and Dc, respectively. Further, reference figures "+" and "-" respectively indicate directions of residual polarizations A, B, and C. FIG. + Indicates that the residual polarizations A, B, and C are arranged in the direction entering from the ground, and − indicates that the residual polarizations A, B, and C are arranged in the direction coming out to the ground. For example, when the first to third domains Da, Db, and Dc are all +, as shown in the lower part of the figure, the residual polarization direction of the first to third domains Da, Db, and Dc is All of them indicate the direction from the ground.
한편, 참조부호 S1 내지 S3은 각각 제1 내지 제3 쉬프트(shift)를 나타낸다.In the meantime, reference numerals S1 to S3 denote first to third shifts, respectively.
제1 쉬프트(S1)는 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)의 잔류분극들(A, B, C)의 방향이 모두 "+"인 상태에서 제1 도메인(Da)의 잔류분극(A)의 방향만 "-"로 쉬프트되는 경우이다.The first shift S1 remains in the first domain Da while the directions of the residual polarizations A, B, and C of the first to third domains Da, Db, and Dc are all “+”. Only the direction of polarization A is shifted to "-".
제2 쉬프트(S2)는 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)의 잔류분극들(A, B, C)의 방향이 각각 "-", "-" 및 "+"인 상태에서 제2 도메인(Db)의 잔류분극(B)의 방향만 "+"로 쉬프트되는 경우이다.The second shift S2 is in a state where the directions of the residual polarizations A, B, and C of the first to third domains Da, Db, and Dc are “−”, “−”, and “+”, respectively. Only the direction of the residual polarization B of the second domain Db is shifted to "+".
제3 쉬프트(S3)는 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc) 중에서 제1 및 제3 도메인들(Da, Dc)의 잔류분극들(A, C)의 방향이 고정된 상태에서 제2 도메인(Db)의 잔류분극(B)의 방향만, "+"에서 "-" 또는 그 반대로 쉬프트되는 경우이다.The third shift S3 is obtained when the directions of the residual polarizations A and C of the first and third domains Da and Dc are fixed among the first to third domains Da, Db and Dc. Only the direction of the residual polarization B of the second domain Db is shifted from "+" to "-" or vice versa.
도 11을 참조하면, 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)의 잔류분극들(A, B, C)의 방향이 모두 +일 때(이하, 제3 경우라 함), 상기 강유전막 아랫쪽에 위치한, 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc)에 대응되는 상기 전도성 산화막의 저항이 가장 낮고, 잔류분극들(A, B, C)의 방향이 모두 -일 때(이하, 제4 경우라 함), 상기 전도성 산화막의 저항은 가장 높다. 그리고 상기 제3 경우에서 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc) 중 어느 하나의 잔류분극 방향이 반대 방향으로 쉬프트될 때, 상기 반도체 층의 저항은 증가된다. 반면, 상기 제4 경우에서 제1 내지 제3 도메인들(Da, Db, Dc) 중 어느 하나의 잔류분극 방향이 반대 방향으로 쉬프트 될 때는 상기 전도성 산화막의 저항은 감소된다.Referring to FIG. 11, when the directions of the residual polarizations A, B, and C of the first to third domains Da, Db, and Dc are all positive (hereinafter, referred to as a third case), the ferroelectric When the resistance of the conductive oxide film corresponding to the first to third domains Da, Db, and Dc, which are located under the film, is the lowest, and the directions of the residual polarizations A, B, and C are all − , The fourth case), the resistance of the conductive oxide film is the highest. In the third case, when the residual polarization direction of any one of the first to third domains Da, Db, and Dc is shifted in the opposite direction, the resistance of the semiconductor layer is increased. On the other hand, when the residual polarization direction of any one of the first to third domains Da, Db, and Dc is shifted in the opposite direction in the fourth case, the resistance of the conductive oxide film is reduced.
전체적으로 잔류분극 방향이 +인 도메인이 많아질수록 상기 전도성 산화막의 저항은 낮아지고, 잔류분극 방향이 -인 도메인이 많아질수록 상기 전도성 산화막의 저항은 높아진다.As a whole, the more domains with a positive polarization direction, the lower the resistance of the conductive oxide film, and the more domains with a negative -polarization direction, the higher the resistance of the conductive oxide film.
다음에는 상기 등가기록매체가 분극량이 큰 제2 강유전막을 포함하는 상기 제2 기록매체와 동등한 상태로 만들어진 경우에 대해 설명한다.Next, the case where the equivalent recording medium is made in the same state as the second recording medium including the second ferroelectric film having a large polarization amount will be described.
이 경우에 있어서, 반도체 기판(30)에는 +25V와 -25V의 게이트 전압(Vg)을 인가하는데, 각각의 경우를 이하, 제5 및 제6 경우라 한다. 상기 제5 및 제6 경우에서 제2 반도체층(34)의 절연막(32)과 접촉되는 면에 유도되는 전하는 유도되는 전하의 양이 많아지는 것을 제외하고, 상기 제1 및 제2 경우와 동일하다.In this case, the gate voltages Vg of + 25V and -25V are applied to the
상기 제5 경우는 상기 제2 기록매체에 구비된 상기 제2 강유전막의 분극방향 이 탐침과 접촉된 반도체층을 향하므로, 상기 제5 경우에서 상기 등가기록매체의 제2 반도체층(34)의 에너지 밴드 변화는 도 5에 도시한 제1 반도체층(16)의 에너지 밴드(Ec 또는 Ev)의 변화와 동일하게 볼 수 있다.In the fifth case, since the polarization direction of the second ferroelectric film provided in the second recording medium faces the semiconductor layer in contact with the probe, the energy of the
또한, 상기 제6 경우는 상기 제2 기록매체에 구비된 상기 제2 강유전막의 분극방향이 하부전극을 향하므로, 상기 제6 경우에서 상기 등가기록매체의 제2 반도체층(34)의 에너지 밴드 변화는 도 6에 도시한 제1 반도체층(16)의 에너지 밴드(Ec' 또는 Ev')의 변화와 동일하게 볼 수 있다.Further, in the sixth case, since the polarization direction of the second ferroelectric film provided in the second recording medium faces the lower electrode, in the sixth case, the energy band of the
본 발명자는 상기 제5 및 제6 경우에서 상기 등가기록매체의 백금 탐침(20)과 제2 반도체층(34)사이의 전류-전압 특성을 측정하기 위해, 백금 탐침(20)을 제2 반도체층(34)의 표면에 접촉하고, 반도체 기판(30)에 상기 제5 또는 제6 경우에 따른 게이트 전압(Vg)을 인가한 상태에서 제2 반도체 층(34)과 백금 탐침(20)에 소정의 전압(V)을 인가하였다.In order to measure the current-voltage characteristic between the
이러한 방법으로 측정한 상기 등가기록매체의 전압-전류특성, 곧 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이의 전압-전류 특성(저항 특성)은 도 12에 도시한 바와 같다.The voltage-current characteristic of the equivalent recording medium measured in this manner, that is, the voltage-current characteristic (resistance characteristic) between the
도 12에서 참조부호 G10은 도 8에 도시한 상기 등가기록매체의 반도체 기판(30)에 양(+)의 게이트 전압(Vg)을 인가한 상태에서 제2 반도체 층(34)과 백금 탐침(20)에 소정의 전압(V)을 인가하였을 때의 제2 반도체 층(34)과 백금 탐침(20)사이의 전류-전압특성을 보여주는 제10 그래프를 나타낸다. 그리고 참조부호 G11은 반도체 기판(30)에 음(-)의 게이트 전압(Vg)을 인가한 상태에서 제2 반도체 층(34) 과 백금 탐침(20)사이에 소정의 전압(V)을 인가하였을 때의 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이의 전류-전압특성을 보여주는 제11 그래프를 나타낸다. 그리고 Vg(+)는 반도체 기판(30)에 인가되는 게이트 전압(Vg)이 양(+)의 전압임을 나타내고, Vg(-)는 게이트 전압(Vg)이 음(-)의 전압임을 나타낸다.In FIG. 12, reference numeral G10 denotes the
도 12의 제10 및 제11 그래프들(G10, G11)을 참조하면, 상기 제2 강유전막의 분극방향이 장벽층을 향하는 경우와 동등한 상기 제5 경우(제10 그래프)에 상기 등가기록매체의 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이에 인가되는 센싱 전압이 증가하면서 전류가 급격히 증가하는 반면, 상기 제2 강유전막의 분극방향이 하부전극을 향하는 경우와 동등한 상기 제6 경우(제11 그래프)에 전류는 센싱전압의 증가에 비례하여 증가한다.Referring to the tenth and eleventh graphs G10 and G11 of FIG. 12, in the fifth case (the tenth graph) equivalent to the case where the polarization direction of the second ferroelectric film faces the barrier layer, While the current rapidly increases as the sensing voltage applied between the
따라서 도 12에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 센싱 전압(Vs1, Vs2)에서 저항을 측정하고, 각 센싱 전압에서 측정된 저항을 제1 저항(RVs1), 제2 저항(RVs2)이라 하면, 상기 제5 경우에서 제1 저항(RVs1)과 제2 저항(RVs2)은 전혀 다른 값이 되나, 상기 제6 경우에서는 거의 같게된다.Therefore, as shown in FIG. 12, if the resistance is measured at the first and second sensing voltages Vs1 and Vs2, and the resistances measured at the sensing voltages are referred to as the first resistor RVs1 and the second resistor RVs2. In the fifth case, the first resistor RVs1 and the second resistor RVs2 have different values, but in the sixth case, they are substantially the same.
이와 같이 상기 제5 및 제6 경우, 서로 다른 센싱 전압에서 측정된 저항값이 다르므로, 서로 다른 센싱 전압에서 저항의 변화가 나타나는가를 측정하여 제2 강유전막의 분극 방향을 읽어 낼 수 있다. 제2 강유전막의 분극 방향은 곧 기록매체에 기록된 데이터를 나타내므로, 서로 다른 센싱 전압에서의 저항 변화 여부를 측정하여 상기 기록메체에 기록된 데이터가 "1"인지 혹은 "0"인지를 알 수 있다.As described above, since the resistance values measured at different sensing voltages are different from each other, the polarization direction of the second ferroelectric layer may be read by measuring whether the resistance changes at different sensing voltages. Since the polarization direction of the second ferroelectric film indicates data recorded on the recording medium, it is possible to determine whether the data recorded on the recording medium is "1" or "0" by measuring the resistance change at different sensing voltages. have.
도 13은 도 8에 도시한 상기 등가기록매체의 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이의 전류-전압특성에 대한 실측 결과를 보여준다.FIG. 13 shows measurement results of current-voltage characteristics between the
본 발명자는 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이의 전류-전압특성에 대한 실측을 위해, 상기 등가기록매체의 반도체 기판(30)에 +25V와 -25V의 게이트 전압(Vg)을 인가한 상태에서 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이에 인가되는 전압(V)을 증가시키면서 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이에 흐르는 전류를 측정하였다.In order to measure the current-voltage characteristics between the
도 13에서 제12 그래프(G12)는 상기 등가기록매체의 반도체 기판(30)에 -25V의 게이트 전압(Vg)을 인가한 상태에서 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이에 인가되는 전압(V)을 증가시키면서 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이에 흐르는 전류를 측정한 결과를 나타낸다(제6 경우에 해당). 그리고 제13 그래프(G13)는 상기 등가기록매체의 반도체 기판(30)에 +25V의 게이트 전압(Vg)을 인가한 상태에서 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이에 인가되는 전압(V)을 증가시키면서 제2 반도체층(34)과 백금탐침(20)사이에 흐르는 전류를 측정한 결과를 나타낸다(제5 경우에 해당).In FIG. 13, a twelfth graph G12 is applied between the
도 13의 제12 및 제13 그래프(G12, G13)를 비교하면, 제2 반도체 층(34)에 인가되는 전압(V)이 4V가 될 때까지는 제12 및 제13 그래프(G12, G13)의 기울기는 모두 변화하지 않는 것을 알 수 있다. 그러나, 제2 반도체 층(34)에 인가되는 전압(V)이 4V를 넘어서면서 제13 그래프(G13)의 기울기가 급격히 증가함을 알 수 있다. 이러한 결과는 도 12에서 예측된 결과와 정확히 일치함을 나타낸다.Comparing the twelfth and thirteenth graphs G12 and G13 of FIG. 13, the twelfth and thirteenth graphs G12 and G13 are applied until the voltage V applied to the
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1에 도시한 기록매체를 이중으로 형성할 수 있을 것이다. 예를 들면, 하부전극(10)아래에도 강유전막, 장벽층 및 반도체층으로 사용될 반도체 층을 구비할 수 있을 것이다. 그리고 상기 하부전극 아래에 구비된 강유전막에 데이터를 기록하고, 기록된 데이터를 재생 위한 탐침을 더 구비할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of preferred embodiments, rather than to limit the scope of the invention. For example, those skilled in the art may form the recording medium shown in FIG. 1 in duplicate. For example, the
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 기록매체는 데이터가 저장되는 강유전막을 중심으로 상하에 각각 반도체층과 하부전극을 구비하고, 반도체층과 강유전막사이에 장벽층을 구비한다. 이에 따라 강유전막에 데이터를 기록할 때와 강유전막에 기록된 데이터를 읽을 때, 탐침과 강유전막은 직접 접촉되지 않는다. 따라서 강유전막의 마모가 방지될 수 있다.As described above, the recording medium according to the present invention includes a semiconductor layer and a lower electrode respectively above and below the ferroelectric film on which data is stored, and a barrier layer between the semiconductor layer and the ferroelectric film. As a result, the probe and the ferroelectric film do not directly contact each other when writing data to the ferroelectric film and reading data recorded on the ferroelectric film. Therefore, wear of the ferroelectric film can be prevented.
또한, 본 발명은 단순히 반도체층과 탐침사이에 읽기 전압을 인가하여 강유전막에 기록된 데이터를 읽는데, 이러한 읽기 과정은 종래에 비해 훨씬 간단하다. 따라서 본 발명에 의한 데이터 기록매체 및 데이터 읽기 방법을 이용하면, 데이터의 고밀도 저장 능력은 그대로 유지하면서 데이터를 읽는 속도를 보다 빠르게 할 수 있다.In addition, the present invention simply reads the data recorded in the ferroelectric film by applying a read voltage between the semiconductor layer and the probe, which is much simpler than in the prior art. Therefore, by using the data recording medium and the data reading method of the present invention, the data reading speed can be made faster while maintaining the high density storage capacity of the data.
또한, 데이터를 읽고 쓰는데 있어 별도의 부가 장비가 필요하지 않으므로 메 모리 소자를 소형화할 수 있다.In addition, memory devices can be miniaturized because no additional equipment is required for reading and writing data.
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