KR20010067296A - 데이터 저장용 강유전성 드라이브 - Google Patents

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Abstract

강유전성 박막은 실온에서 30nm까지 축소된 비트 크기를 갖는 비활성 메모리를 보유할 수 있다. 본 발명은, 바람직하게는 동심 레코딩 트랙을 따라 기입 및 판독할 수 있는 저장 셀을 포함한 강유전성 저장층을 갖춘 전기적으로 전도성인 회전가능한 하드 디스크 기판, 및 레코딩 트랙을 가로질러 이동하기 위한 자유단을 갖춘 피벗된(pivoted) 서보 암을 포함한 데이터 저장 시스템을 제공한다. 서보 암의 자유단은 전기적으로 전도성인 팁(tip)으로 구성된 기입 헤드 및 디스크 표면에 근접해 유지되는 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구성된 판독 헤드를 모두 포함한다. FET는 게이트 전극을 갖으며, 데이터 저장 시스템의 판독 동작중 디스크의 강유전성 표면에 근접해 유지되는 게이트 전극을 갖춘 서보 암상에 위치된다. 판독 및 기입 동작은 표준 반도체 기술을 현존 자기 하드 디스크 서보 제어 구조와 조합하여 수행될 수 있다. 이러한 강유전성 하드 디스크 데이터 저장 시스템은 40GB/in2정도의 초상자성체 제한을 넘어서 하드 디스크의 면적 저장 밀도를 증가시킬 것으로 기대된다.

Description

데이터 저장용 강유전성 드라이브{FERROELECTRIC DRIVE FOR DATA STORAGE}
본 발명은 데이터 저장 시스템에 관한 것으로서, 특히 강유전성 물질을 이용하는 데이터 저장 시스템에 관한 것이다.
PbTiO3같은 강유전체는 "Introduction to Solid State Physics" (C. Kittel, 6th Ed., John Wiley & Sons(1986))의 376쪽에 개시된 바와 같이 표면 전하 밀도를 실온에서 50 microcoulombs/cm2까지 유지할 수 있다. 강자성체와 같이, 강유전성 물질은 또한 대전된 영역을 갖는 도메인을 형성할 수 있다. 그러나, 강자성체와는 달리, 강유전성 도메인 벽은 통상적으로 원자적 스케일면에서 가파르고, 반면 자기 도메인 벽은 종종 100nm 이상으로 전개된다. 이것은 강유전체가 자기 교체 에너지의 연속성을 갖지 않기 때문이다("Physics of Crystalline Dielectrics"(I.S. Zheludev, Plenum Press)의 193쪽을 참조함). 전기적 및 이온적 분극화에 있어서, 주된 상호작용은 분극화된 이온들간의 정전기력의 상호작용이다. 유전체에서의 쌍극자의 평행 및 비평행 어레이에 대한 상호작용 에너지는 매우 유사하며, 따라서 강유전체에서의 도메인 벽은 자기 도메인 벽보다 훨씬 더 얇다. 강한 이방성 강유전체 결정에서, 분극 벡터는 도메인 벽 내에서 회전되지 않지만, 간단히 절대값을 감소시킬 수 있고, 부호를 변화시킬 수 있으며, 대향 방향에서 그 본래의 값을 회복할 수 있다. 매우 약한 이방성 강유전성 물질에서만 분극 벡터가 도메인 벽 내에서 실제로 회전할 수 있다.
강자성체의 크기가 축소되면, 자기 이방성 에너지는 비례적으로 감소하며, 반면 자기 모멘트는 회전적인 자유도를 갖는 하나의 단일 벡터로 교체 결합된다. 이것은 소위 초상자성체 제한으로 나타난다. 이 제한 량보다 낮은 강자성체에 대하여, 자기 모멘트에서의 열 에너지는 자기 이방성(양이 감소함에 따라 감소함)을극복하기에 충분히 크지만, 강자성체는 열 변동으로 인해 그 평균 자기 모멘트를 잃을 수 있다. 이러한 현상은 초상자성화로 불리운다. 이러한 강자성체의 제한 량은 자기 저장 매체의 최대 레코딩 밀도를 설정하기 위한 것으로 여겨진다.
강유전체 순서화에 있어서, 특성 순서화 에너지는 기본적으로 집중된 양을 뜻한다. 이것은 강유전성 물질에서의 인접 이온 분극 위치를 결속하기 위한 어떠한 교체 결합도 없기 때문에 발생하는 것으로 여겨진다(『I. S. Zheludev, supra』 를 참조함). 따라서, 전기적 분극화를 위한 에너지 스케일은 이온 위치의 원자적 자유도와 직접 관련된다. 따라서, 강유전체 순서는 초상자성체 제한과 같은 것을 받기 위해 나타나는 것이 아니다. 따라서, 원칙적으로는 강유전성 도메인을 레코딩 비트로서 이용하는 것이 가능하여, 자기 매체에서 가능한 것들 훨씬 이상의 레코딩 밀도를 얻을 수 있다.
지난 십년동안, 산화물 박막에서의 고강도 물질 연구가 원자적으로 스무드한 에피텍셜 산화물, 특히 페로브스카이트(perovskite) 박막을 형성함에 있어서 지식 및 능력에 큰 발전이 있어왔다. 또한, 상기 박막에 적합한 단결정 기판 물질에서의 큰 진보가 있는 것으로 보여진다. 최근, 에피텍셜, 원자적으로 스무드한 페로브스카이트 산화물 박막은 통상적으로 소수의 동작을 위해 적합한 가격(2-인치 크기의 웨이퍼에 대하여 $500 미만이 충분히 가능함)을 갖는 2-3 인치 직경의 기판상에 성장될 수 있다.
동시에, CMOS 회로의 지속적인 소형화는 고밀도 판독 동작에 필요한 각 비트의 치수와 일치하는 낮은 입력 캐패시턴스를 갖는 소형 FET 감지 소자를 조립하는것이 가능하여, 1㎛(마이크로미터) 미만의 게이트 치수 웰을 갖는 FET 구조를 형성하는 것이 가능하다.
이러한 발전이 본 발명의 기술에 따라 결합될 때, 새로운 저장 개념의 가능성, 즉 강유전성 기초 하드 데이터 저장 시스템을 개발할 수 있는 유일한 기회를 제공할 수 있다. 사실상, 최근 30nm의 강유전체 비트 크기가 PZT/SrRuO3의 박막 시스템에서 실험적으로 증명되었다(『C.H. Ahn et al, Science 276, 1100(1997)』과 함께 『Tybell et al, Appl. Phys. Lett. 72, 1454(1998)』를 참조함)(PZT=Pb(ZrxTi1-x)O3, 여기서 0＜x＜1).
도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 데이터 저장 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 데이터 저장 시스템의 개략적인 단면도이다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
1: 강유전성 하드 디스크 2: 판독 기입 헤드
3: 소스 전극 4: 드레인 전극
5: 게이트 전극 6: 신장암
7: 전도성 부재
본 발명은 강유전성 물질의 상기와 같은 특별한 속성을 이용하는 것을 제안한다. 현존 자기 하드 디스크의 서보 제어 기계 기술과 전자 기술을 조합하면, 상기 방식은 자기 저장에 맞는 준비를 제공할 수 있으며, 최근에 존재하는 장치 및 시스템 기술을 이용하는 것 보다는 많은 배수로 저장 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명은,
a) 그 상부에 강유전층을 구비한 전기적으로 전도성인 기판을 포함한 저장 매체로서, 상기 강유전층은 그 표면에 다수의 셀들을 포함하고, 상기 각 셀은 적어도 하나의 도메인을 포함하며, 상기 상호 인접한 도메인들은 서로 대향하는 정전 전하들을 저장할 수 있는, 상기 저장 매체와,
b) 상기 강유전층에 근접해 위치한 인접부에 있으며, 이에 대하여 횡적인 이동을 위한 돌출부(또는, 팁(tip))를 갖춘 전기적으로 전도성인 부재를 포함한 기입 헤드로서, 상기 돌출부는 셀보다 횡적으로 작은, 상기 기입 헤드와,
c) 상기 강유전층에 근접해 위치한 인접부에 배치되며, 이에 대하여 횡적인 이동을 위한 게이트 전극을 갖춘 전계 효과 트랜지스터(예컨대, MOS FET)를 포함한 판독 헤드로서, 상기 게이트 전극은 셀보다 횡적으로 작은, 상기 판독 헤드, 및
d) 기입 헤드 및 상기 판독 헤드에 근접해 위치한 인접부에서 횡적으로 저장 매체를 이동시키기 위해 적응된 전기 모터를 포함할 수 있는 드라이브를 포함한 데이터 저장 시스템을 폭넓게 제공한다.
바람직하게, 기판은 상기 드라이브에 의해 횡적으로 회전가능한 디스크이며, 강유전층은 상기 셀들로 규정된 다수의 동심 레코딩 트랙을 포함한다. 저장 시스템은 바람직하게 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖춘 신장암을 포함하고, 신장암은 다수의 동심 레코딩 트랙들을 가로질러 상기 제 2 단부의 이동을 허용하도록 제 1 단부에 인접하여 피벗되고, 기입 헤드 및 상기 판독 헤드는 그 제 2 단부에 인접한 상기 신장암에 의해 지지된다.
양호한 실시예에 따르면, 전기 전도성 기판은 결정성 기판을 포함하고, 전도층은 그 표면에 배치되며, 반면 강유전층은 PZT, 바륨 티타네이트(barium titanate), 납 티타네이트를 함유하고, 전도층은 La0.67Sr0.33MnO3및 SrRuO3같은 전도성 산화물을 포함한다.
또한, 각 강유전성 저장 셀은 0.3㎛ 보다 작은 횡적 셀 치수를 갖는 것이 바람직하다.
새로운 데이터 저장 시스템으로 이용하기 위한 강유전성 하드 디스크 드라이브의 일 실시예의 개략도가 도 1 및 도 2에 도시된다. 도 1 및 도 2에 도시된 새로운 데이터 저장 시스템의 실시예는 판독-기입 헤드(2) 및 강유전성 하드 디스크(1)로 도시된 저장 매체를 포함한다. 도 1의 실시예는 강유전성 박막(1a)이 고속으로 회전하는 디스크(1c)상에 코팅되고, 반면 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)로 이루어진 특수 감지 소자가 강유전성 매체(1a)로부터 데이터를 판독하는 플라잉 판독 헤드(2)를 형성하는, 강유전성 하드 디스크 설계를 개략적으로 도시한다.
매체 물질:-- 강유전성 물질(1a)은 예를 들어 약 2-인치의 직경으로 된 원자적으로 스무드한 결정성 디스크 형상의 기판(1c)상에 두께가 h인 박막 형태로 증착된다. 강유전성 막은 물질 PZT, 또는 예컨대 시스템 최적화를 위해 필요에 따라 달라지는 BaTiO3(바륨 티타네이트) 또는 PbTiO3(납 티타네이트) 같은 다른 강유전성 화합물로 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 강유전성 막은 기판(1c)상에 증착된 전도성 하층(1b)의 상부에 증착된다. 전도성 하층(1b)은 판독-기입 동작중 전계에 대한 리턴 경로를 형성한다. 바람직하게, 하층(1b)은 예컨대 도프된 망간산염 페로브사카이트(manganite perovskite) La0.67Sr0.33MnO3또는 SrRuO3같은 전도성 산화물일 수 있다.
막(1b,1a)은 모두 공지된 에피텍셜 성장 기술을 이용하여 최적의 성능을 제공하기 위하여 단결정 기판 웨이퍼(1c)상에 에피텍셜적으로 증착될 수 있다. 신호 대 잡음비 또는 최대 저장 밀도 같은 가치들의 성능 총계에 있어서의 약간의 절충으로, 다결정은 형태의 막이 보다 저가의 기판상에 이용될 수 있음이 가능하다.
판독 기입 헤드:-- 공지된 자기 헤드 드라이브에서 이용되는 자기 판독-기입 헤드와 같은 종류의 전자-기계적 서보 암상에 탑재된 판독 기입 헤드(2)가 회전하고 있는 강유전성 박막 매체로부터 데이터를 판독 및 기입하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 판독 기입 헤드(2)의 판독부는 소스 전극(3), 드레인 전극(4), 및 기록 트랙을 따라 횡방향으로 플라잉하며 기록 매체(1)의 강유전성 막(1) 위에 근접하여 위치된 게이트 전극(5)을 구비한 MOS FET로 구성된다. 바람직하게, 헤드 매체 거리는 100Å이며, 다수의 최신 자기 하드 디스크 시스템에서, 게이트 전극(5)의 횡적인 크기 w는 최신 리소그라피 처리로 구현될 수 있는 0.3㎛로 된다. 이것은 CF= 0.0885 × 10-12∈ (w2/d) ≒ 10-15F의 게이트 캐패시턴스에 대응한다. 전하 결합 효율을 η=10%로 및 게이트 전압 감도를 Vs=100mV로 보수적으로 가정한 경우, Qc = Vs CF/η≒ 10-15C의 표면 전하의 총량을 갖는 강유전체 비트 B를 감지할 수 있다. 20μC/cm2의 표면 분극에 대하여, 이것은 130GB/in2의 저장 밀도에 대응하는 AB= 5.0×10-11cm2의 비트 영역으로 트랜슬레이트한다.
현재의 실질적 제한 요인은 비트 크기(이 경우, 비트 밀도가 130GB/in2으로 확장되면 대략 700옹스트롬임)에 대응하는 정면 감지 필러(게이트 전극; 5) 규정의 어려움과 더불어, 트래킹 안정도(현재 자기 디스크는 약 2 마이크로미터(2㎛)의 트랙 폭을 갖고 약 0.2㎛의 횡적 안정도를 갖음) 유지의 어려움으로 나타난다. 트랙폭은 약간의 추가 작업으로 1㎛ 이하로 충분히 축소될 수 있다.
따라서, 현재의 강유전성 데이터 저장 시스템 설계는 근본적으로 저장 밀도에 대한 제한 요인에 따라 매체 및 판독을 배제할 가능성이 있다. 이러한 가능성으로, 실질적 저장 밀도는 매개막(1)과 관련하여 판독-기입 암의 기계적 안정도에 의해서만 제한된다.
기입 동작:-- 기입 동작은 작은 "팁", 즉 상기 매개막을 플라잉하는 전기적으로 전도성인 부재(7)의 돌출부(7a)를 통해 매체에 전계를 공급하는 단계를 수반한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전도성 부재(7)는 FET 판독 헤드(2)를 지지하는 동일 신장암(6)에 의해 간단히 지지될 수 있다. 강유전성 매개막(1a)이 두께 d=300Å(옹스트롬), 상기 매체에서의 팁 플라잉 t=100Å, 및 매체 보자계 Ec=3×105V/cm라고 가정하면, Vc=Ec(d+t)≒1.2V 의 기입 전압을 소비해야 한다. 실질적으로는 더 큰 여진 전압이 필요할 수 있다. 『C. B. Ahn et al.(Science 276,1100(1997))』의 연구에서는, 4V의 기입 전압이 비트 반전에 효과적인 것으로 도시되었지만, 이러한 전압 레벨에서는 진공 전계 방출이 일어날 수 있으며, 따라서 강유전 도메인 반전의 실질적인 처리시 강유전성 매체(1)의 표면과 기입 팁 사이에 효과적인 전하 배포를 수반하게 된다. 바로 전의 참조문헌은 이것이 동작의 수용가능 모드임을 나타낸다.
표면 전하 축적을 피하기 위하여, 당기술에 숙련된 지식을 가진 자들에게 자명한 바와 같이, 강유전성 분극이 강유전체 비트의 표면에서 수시간의 주기에 걸쳐 전하의 축적이 나타날 수 있는 환경에서 자유 전하를 흡인할 수 있어서, 표면 전계를 무효화시킬 수 있다. 표면 전계가 없으면, 상술된 판독 방법론은 어려움에 직면할 수 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 이동 표면 전하를 제거하고, 강유전체 분극과 연관된 표면 전계를 회복하기 위한 다수의 방법이 있다. 한 가지 방법으로는 가시광선 또는 자외선 조사에 강유전성 디스크(1)의 표면을 노출시키는 것이 있다. 강유전체 도메인의 양극(positive pole)에 결속한 전자는 음극(negative pole)에 결속한 전자와는 다른 효과적인 작업 기능을 갖을 수 있기 때문에, 다른 외부 광전자 방출 전류가 나타나서, 상술된 바와 같이 FET 판독 헤드(2)에 의해 검출될 수 있는 표면상의 전하의 재균형화를 유도할 수 있다. 디스크 표면의 간단한 기계적 브러싱은 또한 상기 처리가 연마로 인해 소모된 수명 같은 물질과 관련한 곤란한 사정이 있더라도 과잉 표면 전하를 제거시에 같은 효과를 갖을 수 있다.
요컨대, 본 발명은 고밀도 저장시 새로운 기회를 부여하는 강유전성 박막 기술에서의 새로운 발전을 나타낸다. 강유전성 박막 물질 노하우와, 현존 MOSFET 기술 및 자기 하드 디스크의 현재 전자-기계적 서보 시스템의 기술적인 상태를 조합함으로써, 새로운 타입의 대량 저장 장치, 즉 자기 저장 매체에서 현재 이루어질 수 있는 것 보다 많은 배수의 높은 면적의 저장 밀도를 취할 수 있는 강유전성 하드 디스크를 생성하는 것이 가능하다. 이러한 강유전성 매체는 초상자성화 밀도 제한을 받지 않으며, 따라서 리소그라피 및 전자-기계적 서보 시스템 기술이 지속적으로 향상됨에 따라 더 많이 규모가 축소화될 수 있다.
강유전성 박막은 실온에서 30nm까지 축소된 비트 크기를 갖는 비휘발성 메모리를 보유할 수 있다. 본 발명은, 바람직하게는 동심 레코딩 트랙을 따라 횡적으로 기입 및 판독할 수 있는 저장 셀을 포함한 강유전성 저장층을 갖춘 전기적으로 전도성인 회전가능한 하드 디스크 기판, 및 레코딩 트랙을 (도 1에서의 방향 D, D'로)가로질러 이동하기 위한 자유단을 갖춘 피벗된 서보 암을 포함한 데이터 저장 시스템을 제공한다. 서보 암의 자유단은 전기적으로 전도성인 팁으로 구성된 기입 헤드 및 디스크 표면에 근접해 유지되는 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구성된 판독 헤드를 모두 포함한다. FET는 게이트 전극을 갖으며, 데이터 저장 시스템의 판독 동작중 디스크의 강유전성 표면에 근접해 유지되는 게이트 전극을 갖춘 서보 암상에 위치된다. 판독 및 기입 동작은 표준 반도체 기술을 현존 자기 하드 디스크 서보 제어 구조와 조합하여 수행될 수 있다. 이러한 강유전성 하드 디스크 데이터저장 시스템은 40GB/in2정도의 초상자성체 제한을 넘어서 하드 디스크의 면적 저장 밀도를 증가시킬 것으로 기대된다.
본 발명은 본 발명의 이해를 보다 촉진시키기 위하여 양호한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당기술에 숙련된 지식을 가진 자들은 본 발명이 첨부된 청구항들에서 설명된 바와 같은 본 발명의 범주 및 사상을 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 데이터 저장 시스템에 있어서,
    a) 그 상부에 강유전층을 구비한 전기적으로 전도성인 기판을 포함한 저장 매체로서, 상기 강유전층은 그 표면에 다수의 셀들을 포함하고, 상기 각 셀은 적어도 하나의 도메인을 포함하며, 상호 인접한 도메인들은 서로 대향하는 정전 전하들을 저장할 수 있는, 상기 저장 매체와,
    b) 상기 강유전층에 근접해 위치한 인접부에 돌출부 ━상기 돌출부는 셀보다 횡적으로 작음━ 를 갖춘 전기적으로 전도성인 부재를 포함한 기입 헤드와,
    c) 상기 강유전층에 근접해 위치한 인접부에 배치된 게이트 전극 ━상기 게이트 전극은 셀보다 횡적으로 작음━ 을 갖춘 전계 효과 트랜지스터를 포함한 판독 헤드, 및
    d) 상기 기입 헤드 및 상기 판독 헤드에 근접해 위치한 인접부에서 횡적으로 상기 저장 매체를 이동시키기 위해 적응된 드라이브
    를 포함하는 데이터 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 상기 드라이브에 의해 횡적으로 회전가능한 디스크이고, 상기 강유전층은 상기 셀들로 규정된 다수의 동심 레코딩 트랙들을 포함하는 데이터 저장 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖춘 신장암을 더 포함하고, 상기 신장암은 다수의 상기 동심 레코딩 트랙들을 가로질러 상기 제 2 단부의 이동을 허용하도록 상기 제 1 단부에 인접하여 피벗되고(pivoted), 상기 기입 헤드 및 상기 판독 헤드는 그 상기 제 2 단부에 인접한 상기 신장암에 의해 지지되는 데이터 저장 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 전도성 기판은 결정성 기판을 포함하고, 전도층은 그 표면상에 배치되는 데이터 저장 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 강유전층은 PZT, 바륨 티타네이트(barium titanate) 및 납 티타네이트로 구성된 그룹으로부터 선택된 부재를 포함하고, 상기 전도층은 전도성 산화물을 포함하는 데이터 저장 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전도성 산화물은 La0.67Sr0.33MnO3및 SrRuO3으로 구성된 전도성 산화물들로 된 그룹으로부터 선택된 부재를 포함하는 데이터 저장 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 각 셀은 0.3㎛ 보다 작은 횡적 셀 치수를 갖는 데이터 저장 시스템.
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