KR20080090932A - 강유전체 하드디스크 장치 - Google Patents

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KR20080090932A
KR20080090932A KR1020070034413A KR20070034413A KR20080090932A KR 20080090932 A KR20080090932 A KR 20080090932A KR 1020070034413 A KR1020070034413 A KR 1020070034413A KR 20070034413 A KR20070034413 A KR 20070034413A KR 20080090932 A KR20080090932 A KR 20080090932A
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좌성훈
정주환
고형수
김용관
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    • G—PHYSICS
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    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
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Abstract

본 발명은 강유전체 하드 디스크 장치에 관한 것이다. 강유전체 하드디스크 장치에 있어서, 하부 전극 및 상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체층을 포함하는 미디어; 및 상기 강유전체 미디어 상방에 형성된 것으로, 상기 강유전체층에 정보를 기록 및 재생하는 헤드;를 포함하는 강유전체 하드디스크 장치를 제공한다.

Description

강유전체 하드디스크 장치{Ferroelectric Hard Disk System}
도 1은 종래 기술에 의한 일반적인 하드디스크 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 미디어를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 헤드의 ABS면(Air Bearing Surface)을 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 정보 저장 원리를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 정보 재생 원리를 나타낸 도면이다.
도 7에서는 형성된 미디어 시편의 XRD 그래프를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110... 기록 매체 111... 기판
112... 자성층 113... 보호층
120... 기록 헤드 121... 보조용 폴
130... 재생 헤드 131... 자기 저항 소자
20... 미디어 21... 헤드
201... 하부 전극 202... 강유전체층
21... 헤드 211... 절연층
212... 읽기 헤드 212a... 소스
212b... 드레인 212c... 채널 영역
213... 쓰기 헤드
본 발명은 강유전체 하드디스크 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 하드디스크 미디어를 강유전체를 포함하도록 형성하여 강유전체 다이폴(dipole)의 스위칭 원리를 이용하여 정보를 저장 및 재생하는 강유전체 하드디스크 장치에 관한 것이다.
산업화 및 정보화가 이루어지면서 개인 또는 단체가 취급하는 정보의 양이 급격히 증가하고 있다. 다양한 정보를 얻을 수 있는 인터넷 공간으로의 접속이 가능하고 데이터 처리 속도가 빠르며 데이터 저장능력이 큰 컴퓨터는 이미 대중적으로 널리 보급되어있다. 컴퓨터의 데이터 처리 속도를 증가시키기 위하여 CPU 칩과 컴퓨터 주변장치의 개선이 이루어지고 있고, 데이터 저장 능력을 향상시키기 위해 다양한 형태의 정보 저장 매체, 예컨대 하드 디스크의 고밀도화가 시도되고 있다.
대표적인 정보 저장 장치인 하드디스크 드라이브(Hard Disk Drive : HDD) 장치는 통상적으로 자성층이 형성된 원형 디스크형 미디어 상에 정보를 쓰거나 읽기 위한 자기 헤드를 형성시켜 사용해왔다. 자기 헤드는 스윙 암의 일단부에 마련된 서스펜션에 설치되며, 스윙 암의 동작에 따라 미디어 상의 원하는 트랙 위치로 이동하여 기록(writing) 및 재생(reading) 작업을 수행한다. 자기 헤드는 미디어에 저장된 정보를 출력하는 읽기 헤드와 정보를 저장하는 쓰기 헤드를 포함한다. 최근의 HDD 장치는 정보의 기록 밀도를 향상시키기 위하여 수평 자기 기록 방식에서 수직 자기 기록 방식으로 발전해왔다.
도 1은 일반적인 HDD 장치의 헤드 및 미디어를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 일반적인 수직 자기 기록 장치는 기록 매체(110)와 기록 메체(110)에 데이타를 기록하는 기록 헤드(120) 및 기록 매체(110)의 데이타를 재생하는 재생 헤드(130)를 포함한다.
기록 매체(110)는 통상적으로 기판(111), 정보가 기록되는 자성층(112) 및 보호층(113)을 포함하는 구조를 지니고 있다. 기록 헤드(120)는 메인 폴(P1), 리턴 폴(P2) 및 코일(C)을 포함한다. 메인 폴(P1) 및 리턴 폴(P2)은 예를 들어, 니켈 철(NiFe)과 같은 자성 물질로 만들 수 있으며, 각각의 성분 비를 다르게 함으로써 보자력 값(Bs)을 다르게 형성시키는 것이 바람직하다. 메인 폴(P1) 및 리턴 폴(P2)은 수직 자기 기록 매체(110)의 기록층(113)에 데이터를 기록하는데 직접 사용된다. 메인 폴(P1) 측면에는 보조용 폴(121)을 더 형성시켜, 데이터를 기록하는 과정에서 메인 폴(P1)에서 발생되는 자기장을 수직 자기 기록 매체(110)의 선택된 영역 에 모아주는 역할을 하도록 할 수 있다. 코일(C)은 메인 폴(P1)을 둘러싸는 형태로 형성되어 있으며, 자기장을 발생시키는 역할을 한다. 기록 헤드(110)는 제 1 및 제 2자기 차폐(magnetic shield)층(S1, S2)을 포함하고, 제 1 및 제 2 자기 차폐층(S1, S2)사이에 형성된 데이타 재생용 자기 저항 소자(131)를 포함한다. 제 1 및 제 2 자기 차폐층(S1, S2)은 선택된 트랙의 소정 영역의 데이터를 읽는 동안, 상기 영역 둘레의 자기적 요소로부터 발생하는 자기장이 상기 영역에 도달되는 것을 차단한다. 데이타 재생 헤드(130)는 GMR 또는 TMR 구조체 등의 자기 저항 소자로 형성할 수 있다.
상술한 바와 같은 자기 저항 소자는 수직 자기 기록 방식을 사용함으로써 정보 저장 밀도를 향상시킬 수 있었으나, 그 기록밀도가 500 내지 600 Gb/in2 가 한계인 것으로 알려져 있다. 따라서, 새로운 개념의 고밀도 정보 저장 장치가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 하드디스크 장치에 있어서, 미디어의 기록층으로 강유전체를 사용하며, 강유전층에 정보를 용이하게 저장 및 재생할 수 있는 헤드를 포함하는 강유전체 하드디스크 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
강유전체 하드디스크 장치에 있어서,
하부 전극 및 상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체층을 포함하는 미디어; 및
상기 강유전체 미디어 상방에 형성된 것으로, 상기 강유전체층에 정보를 기록 및 재생하는 헤드;를 포함하는 강유전체 하드디스크 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 미디어는,
기판;
상기 기판 상에 형성된 시드층;
상기 시드층 상에 형성된 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 강유전체층 상에 형성된 보호층;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 보호층은 DLC(diamond like carbon)과 통상적인 하드디스크의 표면에 사용하는 윤활제(lubricant) 등을 함께 사용하여 형성하거나 DLC 또는 윤활제 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 Si 또는 Glass를 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 전극은 Pt, Al, Au, Ag, Cu 등의 금속 또는 금속 산화물로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 강유전체층은 PZT(PbZrxTi1 - xO3), PbTiO3,PbZrO3, PbTiO3, CdZnTe, CdMnTe, CdMnS, CdMnSe, ZnCdS 또는 ZnCdSe으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 헤드는,
기판;
상기 기판 상에 형성된 절연층;
상기 절연층 상에 형성된 것으로 소스, 드레인 및 채널 영역을 포함하는 읽기 헤드;
상기 읽기 헤드 상에 형성된 분리층; 및
상기 분리층 상에 형성된 쓰기 헤드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 소스 및 드레인은 상기 절연층의 양측부에 형성되며, 상기 소스 및 드레인 사이에 채널 영역이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 쓰기 헤드는 상기 절연층의 양측상부에 형성된 소스 및 드레인;
상기 소스 및 드레인 사이에 형성된 채널 영역;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치에 대해 상세히 설명하고자 한다. 여기서, 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 보다 상세한 설명을 위하여 과장된 것임을 명심하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치를 나타낸 단면도 이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치는 강유전체 미디어(20) 및 강유전체 미디어에 저장된 정보를 기록 또는 재생하기 위한 헤드(21)를 포함하는 구성을 지닌다. 미디어(20)는 하부 전극(201) 상에 형성된 강유전체층(202)을 포함하는 구조를 지닌다.
강유전 물질은 자발 분극(spontaneous polarization) 특성을 가지고 있으며 외부의 전기장에 의해 다이폴의 분극 방향이 역전되는 특성을 지니고 있다. 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치에서는 미디어(20)의 강유전체층(202)의 정보 단위인 도메인(D)의 다이폴이 상방 또는 하방의 분극 방향을 지니도록 정보를 기록하며, 분극 방향을 검출하여 정보를 재생하는 것을 특징으로 한다. 헤드(21)는 절연층(211)의 일면에 형성된 읽기 헤드(212) 및 쓰기 헤드(213)을 포함하는 구조를 지닌다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 미디어를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 미디어(20)는 기판(31)과 기판(31) 상에 순차적으로 형성된 시드층(32), 하부 전극(201), 강유전체층(202)을 포함한다. 강유전체층(202) 상에는 보호층(33)이 더 형성될 수 있다.
기판(31)은 Si, Glass 등으로 형성될 수 있다. 하부 전극(201)은 통상적인 반도체 메모리 소자에 사용되는 전극 물질을 사용할 수 있으며, Pt, Al, Au, Ag, Cu 등의 금속 또는 SrRuO3, (La,Sr)CoO 등의 금속 산화물 등으로 형성될 수 있다. 강유전체층(202)은 PZT(PbZrxTi1- xO3), PbTiO3,PbZrO3, PbTiO3, SrBi2Ta2O9 (SBT), KNbO3, LiTaO3, LiNbO3 등의 강유전 물질로 형성할 수 있다. 보호층(33)은 DLC(diamond like carbon)과 통상적인 하드디스크의 표면에 사용하는 윤활제(lubricant) 등을 함께 사용하여 형성하거나 DLC 또는 윤활제 중 어느 하나로 형성할 수 있다.
본 발명자는 Glass 기판 상에 약 20nm의 Pt로 하부 전극(201)을 형성하고, 약 40nm의 두께의 PbTiO3으로 강유전체층(202)을 형성하였다. 도 7에서는 형성된 시편의 XRD(X-ray diffraction) 그래프를 나타내었으며, 이 때 강유전체층에 형성된 단위 정보 영역인 도메인은 약 38nm의 폭을 지닌 것을 확인하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 헤드의 ABS면(Air Bearing Surface)을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 기판(41) 상에 절연층(211)이 형성되어 있으며, 절연층(211) 상에는 읽기 헤드(212)가 형성되어 있다. 읽기 헤드(212)는 절연층(211)의 양측부에 각각 형성된 소스(212a) 및 드레인(212b)와 소스(212a) 및 드레인(212b) 사이에 형성된 채널 영역(212c)를 포함하는 구조를 지니고 있다. 읽기 헤드(212) 상에는 쓰기 헤드(213)가 형성되어 있다.
기판(41)은 Si 등의 통상적인 반도체 소자에 사용되는 기판을 이용할 수 있으며, 절연층(211)은 SiO2 등의 물질로 형성될 수 있다. 소스(212a) 및 드레인(212b)는 채널 영역(212c)보다 높은 전도도를 지닌 물질로 형성한다.
읽기 헤드(212)의 제조 방법을 예를 들면 다음과 같다. 절연층 (211)이 중간 에 존재하는 Silicon on Insulator (SOI) 기판을 준비한 상태에서 채널 영역(212c) 양측에 As 또는 P를 약 1020/cm3 이상의 농도로 도핑하여 소스(212a) 및 드레인(212b)을 형성하고, 채널 영역(212c)에는 약 1017/cm3의 농도로 도핑하여 읽기 헤드(212)를 제조한다. 읽기 헤드(212) 상에는 SiO2 등의 절연 물질을 도포하여 분리층(43)을 형성한다. 분리층(43)은 읽기 헤드(212) 및 쓰기 헤드(213)를 전기적으로 분리하기 위하여 형성된다. 분리층(43) 상에는 금속 등의 전도성 물질을 도포하여 쓰기 헤드(213)를 형성한다. 쓰기 헤드(213)은 폴리 실리콘, Al, Au, Ag, Pt, Cu 등의 물질로 형성될 수 있다.
도 4에서는 쓰기 헤드(213)의 폭이 채널(212c)의 폭과 유사하도록 도시되어 있으나 임의로 설정 가능하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 정보 쓰기 및 읽기 원리를 상세히 설명하도록 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 정보 쓰기 원리를 나타낸 도면이다. 도 5a를 참조하여 강유전체층(202)의 정보 단위 영역인 도메인이 하방의 분극 방향을 지닌 다이폴을 형성하여 정보를 기록하는 방법을 설명한다. 하부 전극(201)에는 음의 전위를 인가하고, 쓰기 헤드(213)에는 양의 전위를 인가한다. 이 경우, 쓰기 헤드(213) 하부의 강유전체층(202)은 하방의 분극 방향을 지닌 다이폴이 형성된다.
상방의 분극 방향을 지닌 다이폴을 형성하기 위해서는 도 5b에 나타낸 바와 같이, 하부 전극(201)에는 양의 전위를 인가하고, 쓰기 헤드(213)에는 음의 전위를 인가한다. 이 경우, 쓰기 헤드(213) 하부의 강유전체층(202)은 상방의 분극 방향을 지닌 다이폴이 형성된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시에에 의한 강유전체 하드디스크 장치의 정보 읽기 원리를 나타낸 도면이다. 도 6a를 참조하면 읽기 헤드(212) 하부의 강유전체층(202)이 하방의 분극 방향을 지닌 다이폴이 존재하는 경우에는, 읽기 헤드(212)의 채널 영역(212c)에는 전자 공핍(electron depletion) 현상이 발생하여 소스(212a) 및 드레인(212b) 사이에는 낮은 전류가 흐르게 된다.
반대로 도 6b에 나타낸 바와 같이 읽기 헤드 하부의 강유전체층(202)이 상방의 분극 방향을 지닌 다이폴이 존재하는 경우에는, 읽기 헤드(212)의 채널 영역(212c)에는 전자 축적(electron accumulation) 현상이 발생하여 소스(212a) 및 드레인(212b) 사이에는 높은 전류가 흐르게 된다. 즉, 강유전체층(202)의 단위 정보 영역인 도메인에 존재하는 다이폴의 분극 방향에 따라 읽기 헤드(212)의 소스(212a) 및 드레인(212b) 사이에 흐르는 드레인 전류 값(Id)은 상대적으로 큰 차이가 나게 된다. 따라서, 전류 값의 차이에 의해 강유전체층(202)의 다이폴의 분극 방향을 검출함으로써 정보를 재생하게 된다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면, 하드디스크 장치의 미디어의 정보 기록 영역을 강유전체로 형성하여 강유전체 내의 도메인을 단위 정보 영역으로 설정하여 다이폴의 분극 방향을 제어하여 정보를 기록하고, 다이폴의 분극 방향을 검출함으로써 정보를 재생한다. 도메인의 크기를 최소화함으로써 정보 저장 밀도를 종래의 자기 기록 방식을 이용한 HDD 장치에 비해 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 강유전체 하드디스크 장치에 있어서,
    하부 전극 및 상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체층을 포함하는 미디어; 및
    상기 강유전체 미디어 상방에 형성된 것으로, 상기 강유전체층에 정보를 기록 및 재생하는 헤드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 미디어는,
    기판;
    상기 기판 상에 형성된 시드층;
    상기 시드층 상에 형성된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성된 강유전체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 강유전체층 상에 형성된 보호층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 보호층은 DLC(diamond like carbon)과 통상적인 하드디스크의 표면에 사용하는 윤활제(lubricant) 등을 함께 사용하여 형성하거나 DLC 또는 윤활제 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 기판은 Si 또는 Glass로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 하부 전극은 Pt, Al, Au, Ag, Cu 등의 금속 또는 SrRuO3, (La,Sr)CoO 등의 금속 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 강유전체층은 PZT(PbZrxTi1 - xO3), PbTiO3,PbZrO3, PbTiO3, SrBi2Ta2O9 (SBT), KNbO3, LiTaO3, LiNbO3 등으로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 헤드는,
    기판;
    상기 기판 상에 형성된 절연층;
    상기 절연층 상에 형성된 것으로 소스, 드레인 및 채널 영역을 포함하는 읽기 헤드;
    상기 읽기 헤드 상에 형성된 분리층; 및
    상기 분리층 상에 형성된 쓰기 헤드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 소스 및 드레인은 상기 절연층의 양측부에 형성되며, 상기 소스 및 드레인 사이에 채널 영역이 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 하드디스크 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 쓰기 헤드는 상기 절연층의 양측상부에 형성된 소스 및 드레인;
    상기 소스 및 드레인 사이에 형성된 채널 영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하드디스크 장치.
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