专利名称：包括铁电层的数据记录介质及制造该数据记录介质的方法
技术领域：
本发明涉及一种记录介质以及制造该记录介质的方法，更具体地讲，涉及一种包括铁电层的数据记录介质以及制造该数据记录介质的方法。
背景技术：
随着因特网相关技术的发展，对能够存储如运动画面的高容量数据的记录介质的需求日益增加。此外，对想要自由使用存储在记录介质中的数据的需求也在增加。这些需求的增加是引导下一代数据记录介质市场的多个重要因素之一。
能够存储高容量数据的记录介质和能够将数据写到所述记录介质上并能够读取记录的数据的设备是数据记录介质市场的核心。
便携的永久性的数据记录介质可分为固态存储器(例如，闪速存储器)和盘式存储器(例如，硬盘)。
由于只期望固态存储器在不远的将来能够达到几十亿字节(GB)的容量，所以它们不适于作为大量数据存储设备。因此，期望固态存储器用于象个人计算机(PC)中的高速操作。此外，期望盘式存储器将用作主要的存储设备。
期望硬盘安装在便携式设备中并使用磁记录系统的硬盘在不远的将来可达10GB的容量。然而，由于超顺磁性效应，难以实现大于10GB的磁记录密度。
因为这些原因，最近已经将扫描探针用作记录和再现设备，采用使用铁电层的存储器作为记录介质。
扫描探针的使用，即，扫描探针显微镜(SPM)技术使探测区域的范围从几个纳米到几十纳米。此外，与磁记录介质不同，因为使用铁电层作为记录介质，所以这些存储器不受超顺磁性效应的影响。因此，与磁记录介质相比，可增加记录密度。
然而，直到目前为止，采用的数据记录介质，尤其是使用铁电层作为数据记录材料层的介质，具有大的比特尺寸(即，铁电层中的比特数据区域)偏差。这一事实可在图1中观察到。如果比特尺寸偏差大，则比特尺寸不均匀。因此，难以增加记录密度。
图1是使用铁电层作为数据记录材料层的传统数据记录介质8的照片。在图1中，标号10表示记录比特数据1的区域(暗区域)，标号20表示记录比特数据0的区域。
参照图1，当比较记录比特数据1的区域10的尺寸时，用肉眼可观察到区域10的尺寸偏差大。在图1中，区域10的平均尺寸约为33nm，偏差约为14nm。
发明内容
本发明提供一种通过减小比特尺寸的偏差能够增大数据记录密度的数据记录介质。
本发明还提供一种制造该数据记录介质的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种数据记录介质，该记录介质包括基板、堆叠在所述基板上的阻挡层、堆叠在所述阻挡层上的导电层、在所述导电层上形成的种子层、在所述种子层上形成的数据记录层，所述数据记录层具有竖直的剩余极化。
所述种子层的厚度可以是5nm或者更小，所述种子层可以是TiO2层、Bi2O3层和PbTiO3层中的一种。
所述数据记录层的厚度可以是50nm或者更小。
所述数据记录层可以是PZT(锆钛酸铅)层、BST(钛酸锶钡)层、SBT(钽酸锶铋)层和BLT(钛酸铋镧)层中的一种。
所述数据记录层可具有10nm或者更小的晶粒尺寸。
当数据记录层由PZT层形成时，锆和钛的组成比(Zr/Ti)可以是25/75和40/60中的一个。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造数据记录介质的方法，所述方法包括依次在基板上堆叠阻挡层和导电层；在所述导电层上形成种子层；在所述种子层上形成铁电层。
种子层的形成可包括在所述导电层上旋转涂覆种子层的材料层；干燥旋转涂覆的材料层；退火已干燥的材料层。
所述种子层的厚度可以是5nm或者更小，所述种子层是TiO2层、Bi2O3层和PbTiO3层中的一种。
铁电层的形成可包括在所述种子层上旋转涂覆铁电层的材料层；干燥旋转涂覆的材料层；以预定次数重复旋转涂覆和干燥；退火已干燥的材料层。
所述退火可使用快速热退火工艺在550℃-650℃下进行110秒。
所述铁电层的厚度可以是50nm或者更小，所述铁电层可以是PZT层、BST层、SBT层和BLT层中的一种。
因此，本发明的记录介质可均匀地记录比特数据并增大记录密度。
通过参照附图对本发明的示例性实施例进行详细的描述，本发明的上述和其它特点和优点将会变得更加清楚，其中图1是在使用铁电层作为数据记录层的传统数据记录介质中记录比特数据值1的区域的照片；图2是根据本发明实施例的数据记录介质的截面图；图3是示出当在图2的数据记录介质中铁电层是PZT层时，根据铁电层中的锆(Zr)和钛(Ti)的组成比(Zr/Ti)的表面电势的曲线图；图4是示出根据铁电层中的单位比特数据区域尺寸与铁电层的晶粒尺寸的比率(比特尺寸/晶粒尺寸)的图2的铁电层中的比特数据区域的尺寸偏差；图5至图7是示出制造图2中示出的数据记录介质的方法的流程图；图8是当在没有任何种子层的情况下铁电层直接形成在导电层上时，由PZT形成的铁电层的晶粒尺寸的照片；图9是图8中示出的PZT层的局部放大的照片；图10是使用图5至图7中示出的方法在导电层上形成种子层之后，在种子层上形成由PZT形成的铁电层的晶粒尺寸的照片；图11是图10中示出的PZT层的局部放大的照片；图12是图10中的PZT层的X射线衍射图案的曲线图；图13是示出在根据本发明的实施例的记录介质中记录的比特数据1的照片；图14是图13中示出的记录介质的读取操作中的信号特性的曲线图。
具体实施例方式
以下，将参照附图来详细说明包括铁电层的数据记录介质以及制造该数据记录介质的方法。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。
首先，将描述根据本发明实施例的数据记录介质。
图2是示出记录介质40的构成的截面图。参照图2，阻挡层44和导电层46依次布置在基板42上。种子层48布置在导电层46上，铁电层50布置在种子层48上。在铁电层50中记录比特数据。基板42可以是氧化的硅基板。阻挡层44防止载流子在导电层46和基板42之间运动。阻挡层44可以由钛氧化物(TiO2)形成。导电层46可以是依次堆叠的铂和钛(Pt/Ti)层。此外，导电层46可以是单个层。种子层48增加了成核位置。由于种子层48，所以铁电层50的晶粒尺寸减小。例如，当铁电层50由PZT形成时，种子层48可以由钛氧化物形成。铁电层50被用作数据记录层。用作种子层48的材料可根据用作铁电层50的材料而不同。例如，当铁电层50由SBT形成时，种子层48可以由铋氧化物(Bi2O3)形成。此外，种子层48可以由PbTiO3形成。种子层48具有预定的被最优化的厚度，以增加成核位置。例如，当种子层48由钛氧化物形成时，种子层48的厚度可以是5nm或者更小。除了PZT之外，铁电层50还可以由BST、SBT或者BLT形成。
铁电层50的晶粒尺寸最好比在铁电层50中记录的比特数据的尺寸小。然而，晶粒尺寸也可以大于比特数据的尺寸。当铁电层50由PZT形成时，铁电层50的晶粒尺寸可以是10nm或者更小。当铁电层50由PZT形成时，铁电层50的厚度可以是50nm或者更小。根据用于形成铁电层的铁电材料，铁电层50的厚度可以不同。
同时，当改变铁电层50的组成的同时测量铁电层50的表面电势，以发现铁电层50的组成和表面电势之间的相互关系。图3是示出当铁电层由PZT形成时，根据铁电层50中的锆(Zr)和钛(Ti)的组成比(Zr/Ti)的铁电层50的表面电势的曲线图。表面电势通过使用开尔文力显微镜(KFM，Kelvinforce microscope)来测量。
参照图3，当Zr/Ti比率是25/75(以下，被指定为第一种情况)时，铁电层50具有最高的表面电势。当Zr/Ti比率是52/48(以下，被指定为第二种情况)时，铁电层50具有第二高的表面电势。当Zr/Ti比率是40/60(以下，被指定为第三种情况)时，铁电层50具有第三高的表面电势。尽管第二种情况具有比第三种情况高的表面电势，但是劣化了除表面电势之外的结构特性(例如，优选的取向性)且表现出显示在铁电层50中存在非铁电部分的焦绿石相(pyrochlore phase)。由于这个原因，第二种情况比第三种情况差。因此，如果选择三种情况中的一种，期望选择第一种情况。如果选择两种情况，则期望选择第一种情况和第三种情况。
根据图3的结果，当图2的铁电层50由PZT形成时，期望铁电层50由Zr/Ti比率为25/75的PZT(Pb(Zr0.25Ti0.75)O3)或者由Zr/Ti比率为40/60的PZT(Pb(Zr0.40Ti0.60)O3)形成。
图4是示出根据在铁电层50中记录的单位比特数据尺寸与铁电层50的晶粒尺寸的比率(以下，比特尺寸/晶粒尺寸)的铁电层50中的比特数据的尺寸偏差的曲线图。
参照图4，当比特尺寸/晶粒尺寸比率大于或者小于1时的比特数据的尺寸偏差小于当比特尺寸/晶粒尺寸比率等于1时的比特数据的尺寸偏差。这一结果得自于铁电层50的畴和晶粒之间的相互作用。从图3中的曲线可看到，根据本发明的当前实施例的记录介质40中的铁电层50的比特数据的尺寸偏差非常小。例如，因为记录介质40中的铁电层50的晶粒尺寸是大约10nm，所以当比特数据区域是30nm时，铁电层50中的比特尺寸/晶粒尺寸比率是大约3。因此，根据图4中的曲线，比特数据区域的尺寸偏差接近1％。当该尺寸偏差被转换为比特数据的尺寸时，比特数据的尺寸为大约30nm，且比特数据的尺寸偏差为大约0.3nm。这远小于传统的尺寸偏差14nm。因此，根据本发明的当前实施例的记录介质40中的铁电层50的比特数据的尺寸非常均匀，这是现有技术不可相比的。
现在将参照图2及图5至图7描述制造图2中的记录介质的方法。
参照图2和图5，在操作S1中，阻挡层44堆叠在基板40上。基板40可以是硅基板，其表面被氧化。阻挡层44可以由钛氧化物形成。在操作S2中，导电层46在阻挡层44上形成。导电层可以是单层或者多层。对于后者，导电层46可以是依次堆叠的铂和钛(Pt/Ti)层。阻挡层44和导电层46形成为它们可独立于彼此执行功能的厚度。然后，在操作S3中，种子层48在导电层46上形成。在操作S4，铁电层50在种子层48上形成。用于形成种子层48的材料及其厚度可根据铁电层50而不同。例如，当铁电层50由PZT形成时，种子层48可以由钛氧化物形成。这样，种子层48的厚度可以是5nm或者更小。当铁电层50由BST、SBT或者BLT形成时，种子层48可以由铋氧化物(Bi2O3)形成。此外，种子层48可以由PbTiO3形成。种子层48可以形成为不同于5nm的厚度。当铁电层50由PZT层形成时，铁电层50可以形成50nm或者更薄的厚度。当铁电层50由除了PZT之外的材料形成时，铁电层50的厚度可以不同于50nm。在操作S4中，铁电层50的晶粒尺寸可以是大约10nm或者更小。此外，铁电层50可以形成为具有使表面电势高的组成比。例如，当铁电层50由PZT形成时，形成使Zr/Ti比率为25/75或者40/60的铁电层50。
当铁电层50由PZT形成时，可以通过根据6和图7的流程图分别形成种子层48和铁电层50来减小铁电层50的晶粒尺寸。
参照图6，种子层48通过操作S31、S32和S33形成。在操作S31中，种子层的原材料被旋转涂覆在导电层46上。在此，旋转涂覆可在4000rpm下进行20秒。此外，种子层材料可被涂覆合适的厚度。在操作S32中，干燥被旋转涂覆的材料层。干燥操作可在300℃下进行5分钟。在操作S33中，退火已干燥的材料层。退火可使用快速热退火(RTA)工艺在550℃-650℃下进行110秒。
参照图7，铁电层50通过操作S41、S42和S43形成。操作S41和S42被重复两次以上，也可被重复四次，然后进行S43的操作。
在操作S41中，PZT原材料被旋转涂覆在种子层48上。此时，旋转涂覆可在4000rpm下进行20秒。PZT原材料可被涂覆合适的厚度。
在操作S42中，干燥被旋转涂覆的材料层。干燥操作可在300℃下进行5分钟。
在操作S43中，退火已干燥的材料层。退火操作可使用RTA设备在550℃-650℃下进行110秒。在该操作期间，铁电层50晶化。
因为种子层48形成在导电层46和铁电层50之间，所以铁电层50可保持结晶状态，同时具有纳米尺寸的晶粒。
从图8和图9将更全面地理解种子层48的作用。
图8是在没有种子层48的情况下形成在导电层46上的PZT层的晶粒尺寸的照片。将这个PZT层称为第一PZT层。图9是图8中的PZT层的局部放大的照片，以便于测量晶粒尺寸。在图9中，晶粒G的平均尺寸为大约151.71nm。图8中的第一PZT层具有25/75的Zr/Ti比率，并且在650℃下对第一PZT层执行RTA工艺。
图10是在导电层46上形成种子层48之后在种子层48上形成的PZT层的晶粒尺寸的照片。这个PZT层被称为第二PZT层。图11是图10中的PZT层的局部放大的照片，以便于测量晶粒尺寸。由于晶粒非常小，所以难以从图11中看到晶粒。作为测量结果，晶粒的平均尺寸是10nm。在550℃下对第二PZT层执行RTA工艺，并且第二PZT层的组成比等于第一PZT层的组成比。
对比图8和图10及图9和图11，当种子层48在导电层46和铁电层50之间形成时，铁电层50的晶粒尺寸变得非常小。
图12是第二PZT层的X射线衍射图案的曲线图。
参照图12，第一峰P1显示存在铂(PT)，对应晶面为(111)；第二峰P2显示存在钙钛矿晶体，对应晶面为(111)。
第三峰P3显示存在硅，第四峰P4显示存在钙钛矿晶体，对应晶面为(100)。此外，第五峰P5平面显示存在钙钛矿晶体，对应晶面为(200)；第六峰P6显示存在具有β晶体结构的铂，对应晶面为(111)。此外，第七峰P7显示存在钙钛矿晶体，对应晶面为(110)。从第一峰P1和第二峰P2以及第四峰P4至第七峰P7，可看到第二PZT层是结晶状态。图10和图12的结果显示根据本发明实施例的记录介质的铁电层具有纳米晶粒尺寸并处于结晶状态，且铁电层具有沿着(111)方向的取向性。因此，尽管铁电层具有纳米晶粒尺寸，但是它具有极性特征。
图13是示出记录在根据本发明实施例的记录介质中的比特数据值1的照片，图14是当读取图13中示出的记录介质时的信号特征的曲线图。
在图13中，参考标记B1表示在铁电层中记录比特数据值1的第一区域，参考标记B0表示在铁电层中记录比特数据值0的第二区域。
参照图14，当使用探针从左向右读取图13中的记录介质时，第一输出信号OS1表示在记录比特数据值0的第二区域B0处出现的信号变化。第二输出信号OS2表示在记录比特数据值1的第一区域B1处出现的信号变化。此外，在图14中，“0.035”表示从第一输出信号OS1到第二输出信号OS2的转换宽度(transition width)。此时，宽度的单位是μm。
考虑到记录介质中的读取速度和记录密度的增加，在探针读取记录比特数据0的第二区域B0之后，最好使识别记录比特数据值1的第一区域B1存在的时间变短。因此，应该使转换宽度尽可能短。第一输出信号OS1和第二输出信号OS2之间的转换宽度(0.035μm(35nm))是与探针的半径对应的距离，并接近于探针的最大分辨率。
根据本发明的实施例，可形成薄的钝化层以防止在铁电层50的表面上的铁电层50和探针的物理接触，但是允许它们的电接触。此外，考虑到目前正在使用水平记录介质，因此可将图5至图7的制造方法应用于水平记录介质。此外，根据本发明的实施例的制造方法可应用于铁电层设置在基板之上和之下的双层数据存储介质。
如上所述，根据本发明的记录介质，因为铁电层的晶粒尺寸远小于比特尺寸(即，铁电层中的比特数据区域)，所以可减小比特尺寸的偏差(即，铁电层中的比特数据区域的偏差)。另外，根据本发明的记录介质，记录比特数据值0的区域和记录比特数据值1的区域之间的转换宽度可被减小为接近探针的最大分辨率。因此，当使用本发明的记录介质时，可均匀地记录比特数据，并且可增大记录密度。
尽管已经参考本发明的示例性实施例具体地显示和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上做出各种改变。
权利要求
1.一种数据记录介质，包括基板；堆叠在所述基板上的阻挡层；堆叠在所述阻挡层上的导电层；在所述导电层上形成的种子层；在所述种子层上形成的数据记录层，所述数据记录层具有竖直的剩余极化。
2.如权利要求1所述的数据记录介质，其中，所述种子层的厚度是5nm或者更小。
3.如权利要求2所述的数据记录介质，其中，所述种子层是TiO2层、Bi2O3层和PbTiO3层中的一种。
4.如权利要求1所述的数据记录介质，其中，所述数据记录层的厚度是50nm或者更小。
5.如权利要求1所述的数据记录介质，其中，所述数据记录层是PZT层、BST层、SBT层和BLT层中的一种。
6.如权利要求1所述的数据记录介质，其中，所述数据记录层具有10nm或者更小的晶粒尺寸。
7.如权利要求5所述的数据记录介质，其中，当数据记录层由PZT层形成时，锆和钛的组成比(Zr/Ti)是25/75和40/60中的一个。
8.一种制造数据记录介质的方法，所述方法包括依次在基板上堆叠阻挡层和导电层；在所述导电层上形成种子层；在所述种子层上形成铁电层。
9.如权利要求8所述的方法，其中，种子层的形成包括在所述导电层上旋转涂覆种子层的材料层；干燥旋转涂覆的材料层；退火已干燥的材料层。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述旋转涂覆在4000rpm下进行20秒。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述干燥在300℃下进行5分钟。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述退火使用快速热退火工艺在550℃-650℃下进行110秒。
13.如权利要求8所述的方法，其中，所述种子层的厚度是5nm或者更小。
14.如权利要求9所述的方法，其中，所述种子层的厚度是5nm或者更小。
15.如权利要求8所述的方法，其中，所述种子层是TiO2层、Bi2O3层和PbTiO3层中的一种。
16.如权利要求9所述的方法，其中，所述种子层是TiO2层、Bi2O3层和PbTiO3层中的一种。
17.如权利要求8所述的方法，其中，铁电层的形成包括在所述种子层上旋转涂覆铁电层的材料层；干燥旋转涂覆的材料层；以预定次数重复所述旋转涂覆和所述干燥；退火已干燥的材料层。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述旋转涂覆在4000rpm下进行20秒。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述干燥在300℃下进行5分钟。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述退火使用快速热退火工艺在550℃-650℃下进行110秒。
21.如权利要求8所述的方法，其中，所述铁电层的厚度是50nm或者更小。
22.如权利要求8所述的方法，其中，所述铁电层是PZT层、BST层、SBT层和BLT层中的一种。
23.如权利要求8所述的方法，其中，所述铁电层具有10nm或者更小的晶粒尺寸。
24.如权利要求17所述的方法，其中，所述铁电层的厚度是50nm或者更小。
25.如权利要求17所述的方法，其中，所述铁电层是PZT层、BST层、SBT层和BLT层中的一种。
26.如权利要求17所述的方法，其中，所述铁电层具有10nm或者更小的晶粒尺寸。
27.如权利要求22所述的方法，其中，当数据记录层由PZT层形成时，锆和钛的组成比(Zr/Ti)是25/75和40/60中的一个。
全文摘要
本发明提供一种包括铁电层的数据记录介质以及制造该数据记录介质的方法。在所述数据记录介质中，阻挡层、导电层和种子层依次堆叠在基板上。数据记录层在种子层上形成并具有竖直的剩余极化。
文档编号H01L21/70GK1822221SQ200610007698
公开日2006年8月23日 申请日期2006年2月17日 优先权日2005年2月17日
发明者洪承范, 金允锡, 金承贤, 卢光洙 申请人:三星电子株式会社