KR100493155B1 - 열적으로 안정한 강유전성 메모리 장치 - Google Patents

열적으로 안정한 강유전성 메모리 장치 Download PDF

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KR100493155B1 KR10-2002-0028656A KR20020028656A KR100493155B1 KR 100493155 B1 KR100493155 B1 KR 100493155B1 KR 20020028656 A KR20020028656 A KR 20020028656A KR 100493155 B1 KR100493155 B1 KR 100493155B1
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Abstract

열적으로 안정한 강유전성 정보 저장 매체를 포함하는 강유전성 메모리 장치가 개시된다. 개시된 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체는 정보 저장 매체 및 상기 정보 저장 매체에 데이타를 저장하거나 재생하는 탐침을 포함하는 메모리 장치에 있어서, 상기 정보 저장 매체는, 하부전극; 및 상기 하부전극의 상면에 적층되는 강유전체막;을 구비하며, 상기 강유전체막에 형성되는 유전 분극 도메인은 메모리 소자의 비트로 작용되도록 하고, 상기 강유전체막의 두께는 상기 비트의 지름보다 크지 않은 것을 특징으로 한다. 열적으로 안정한 비휘발성 강유전체 메모리 장치를 제공하여 고속으로 고밀도로 정보를 저장할 수 있으며 정보 보유력을 향상시켜 신뢰성 있는 정보 저장 매체를 구현할 수 있다.

Description

열적으로 안정한 강유전성 메모리 장치{Thermally stable ferroelectric information storage apparatus}
본 발명은 열적으로 안정한 강유전성 탐침형 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열적으로 안정한 강유전성 정보 저장 매체를 포함하는 고밀도 탐침형 메모리 장치에 관한 것이다.
강유전체를 이용한 메모리는 도메인의 크기가 작고 분극방향을 빠르게 변화시킬 수 있어서 최근 차세대 메모리로 주목받고 있다. 종래에 강유전체를 메모리에 이용한 예로서 FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)이 있다.
FeRAM은 소정 온도이하에서 자발분극이 일어나며 분극의 크기와 방향을 외부의 자기장으로 반전시킬 수 있는 성질을 가지는 강유전체 물질을 이용한 축전기를 이용하여 정보를 저장한다. 이러한 강유전체 축전기는 마이크론 단위의 크기를 가지므로 유전분극이 일어나는 도메인의 열적 안정성이 크게 문제되지 않지만 메모리의 크기, 정보 기록 및 재생 속도와 정보집적도등에 있어 한계를 나타낸다.
따라서, 메모리를 소형화하고 고집적화함과 동시에 정보기록 및 재생속도를 향상시키기 위해, 탐침(probe)을 이용하여 정보를 기록하고 재생할 수 있는 메모리를 개발하려는 연구가 진행되고 있다. 대한민국 공개 특허 2001-0019871호에는 탐침형 강유전체 정보 저장 장치가 개시되어 있다. 이는 하부 전극 상에 강유전체층이 형성되어 있으며, 강유전체층 상방에 마이크로 탐침이 위치하여 정보를 기록 및 재생할 수 있다. 강유전체는 하부 전극 및 탐침을 통하여 소정의 펄스를 인가하여 분극 방향이 일정한 도메인(domain) 영역을 형성할 수 있다. 이와 같은 도메인 영역의 분극 방향에 따라 이를 0 또는 1의 정보 단위(비트 : bit)로 지정하여 정보를 기록 및 재생할 수 있다. 종래의 강유전체를 이용한 탐침형 정보 저장 장치는 기록 및 재생 회수(read/ write cycle)가 특정 수 이상 반복되면 정보를 저장할 수 있는 능력이 떨어지는 퍼티그(fatigue) 현상과, 분극이 시간이 지남에 따라 사라지는 에이징(aging) 현상이 있다. 강유전체 메모리가 스위칭없이 정보를 저장할 수 있는 시간을 보유 시간 (retention time)이라 하는데 분극의 에이징(aging)에 대한 저항력이 증가할수록 이 보유시간도 향상된다.
삭제
강유전체를 이용하는 메모리에서 정보저장의 신뢰성을 높이기 위해서는, 상기 퍼티그를 감소시키고 보유시간을 향상시킬 필요가 있다. 따라서 메모리의 정보를 보유하는 비트의 열적 안정성을 높일 근본적인 대책이 요구된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 정보 단위인 비트(bit)의 열적 안정성을 높여 정보저장의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 강유전성 정보 저장 매체를 포함하는 탐침형 메모리 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
하부전극; 및
상기 하부전극의 상면에 적층되는 강유전체막;을 구비하며,
상기 강유전체막에 형성되는 유전분극 도메인은 메모리 소자의 비트로 작용되도록 하고,상기 강유전체막의 두께는 상기 비트의 크기보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 강유전성 정보 저장 매체를 제공한다.
여기서, 상기 강유전체막의 두께(d)는 상기 비트의 면적(A)에 대해 수학식 1을 만족한다.
본 발명에서 제공하는 강유전성 정보 저장 매체는 나노크기의 강유전성 도메인이 메모리의 강유전체막을 통과하도록 하여 비트의 열적 안정성을 높임으로써 정보저장의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 강유전체 정보 저장 매체를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 메모리를 이루는 강유전체막 및 하부전극의 두께는 설명을 위해 과장되게 도시되었음에 유의해야 한다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 강유전체 정보 저장 매체를 간략히 나타낸 사시도, 평면도 및 측단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 정보 저장 매체(10)는 하부전극(11)과, 하부전극(11)의 상면에 적층되는 강유전체막(13)을 구비한다.
하부전극(11)과 나노미터 크기의 팁(미도시)사이에 DC 펄스를 인가하면, 강유전체막(13)에 국부적으로 유전분극이 발생한다. 분극방향은 각각 "0" 또는 "1"을 나타내는 업(up) 및 다운(down) 방향이 있고 이 분극 방향은 메모리 소자에서 비트로 작용한다.
여기서, 비트의 크기, 즉 지름(Φ)은 수학식 2와 같이 유전체막(13)의 두께(d)보다 크거나 같은 조건을 만족한다.
특히 도시된 바와 같이, 도메인이 원형인 경우 비트의 면적을 A라고 하면 수학식 1과 같은 관계식을 만족하게 된다. 수학식 1은 비트의 면적(A)에 관한 수학식 3로부터 유추되었음을 알 수 있다.
본 발명의 메모리 소자에서 가장 큰 장점은 대략 100Gbit/in2이상의 높은 정보저장 밀도(memory density)와 70년이상의 긴 보유시간(retention time)이므로, 비휘발성 초고밀도 메모리 소자에서 요구되는 작은 비트 크기, 빠른 동작 속도, 긴 정보 보유시간의 조건을 모두 만족시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체에서 비트의 열적 안정성을 알아보는 실험 결과가 도 2 내지 도 5에 도시되어 있다.
도 2는 비트 크기와 펄스 전압 사이의 관계(상부 그래프) 및 비트 깊이와 펄스 전압사이의 관계(하부 그래프)를 도시하고 있다.
전압 변화에 따른 영역을 Ⅰ, Ⅱ 및 Ⅲ 영역으로 각각 나누었을 경우, 전압 변화에 따라 비트 크기 및 깊이가 달라지는 것을 볼 수 있다.
전압이 증가함에 따라 비트 크기는 비례적으로 증가하는 것을 볼 수 있으며, 비트 깊이는 Ⅰ 및 Ⅱ영역까지 전압의 증가에 따라 증가하는 비례관계가 있음을 볼 수 있다. 다만, 비트 깊이는 Ⅲ영역에서는 전압의 변화에 관계없이 일정함을 알 수 있다.
정보저장밀도를 높이기 위해서는 비트의 크기를 감소시켜야 하므로 펄스의 높이와 폭을 모두 감소시켜 전압을 낮추어야 한다. 하지만, 전압을 낮출수록 비트의 깊이도 낮아지고 이에 따라 비트의 열적 안정성에 문제가 생길 수 있다. 따라서, 비트의 열적 안정성과 고저장밀도의 두 조건을 모두 만족시킬 수 있도록 비트의 크기와 깊이의 적절한 치수의 조건을 찾아야 한다.
펄스 전압에 따라 비트의 크기 및 깊이가 달라지고, 강유전체막의 두께에 따라 비트의 진폭의 이미지가 달라진다. 진폭의 이미지에 따른 비트의 구조는 도트(dot)구조, 에그(egg) 구조 및 링(ring) 구조로 나뉜다.
도 3a 내지 도 3c는 Ⅰ내지 Ⅲ 영역에서 강유전체막에 형성되는 도메인의 모양과 진폭 및 위상 이미지를 간략히 보이고 있다.
도 3a는 도 2에서 펄스 전압이 0~6V 정도로 변하는 경우 형성되는 (a)도트 구조의 단면도와 (b)진폭 및 (c)위상의 평면도를 보인다.
(a)를 참조하면, 도트 구조에서 비트(15a)는 유전체막(13a)의 두께의 절반보다 작은 깊이로 형성되는데, 그 깊이는 도 2로부터 0~120nm 정도의 범위를 가짐을 알 수 있다. 이 때 진폭은 (b)에 도시된 바와 같이 유전분극이 형성된 곳의 진폭이 주변 영역의 진폭보다 낮아 어두운 도트 모양을 보이고 있다. 위상은 (c)에 도시된 바와 같이 주변 영역과 차이가 없으므로 동일하게 검게 나타난다.
도 3b는 도 2에서 펄스 전압이 6~13V 정도로 변하는 경우 형성되는 (a)에그 구조의 단면도와 (b)진폭 및 (c)위상의 평면도를 보인다.
(a)를 참조하면, 에그 구조에서 비트(15b)는 유전체막(13b)의 두께의 절반보다 더 깊게 형성되는데, 그 깊이는 도 2로부터 120~270nm 정도의 범위를 가짐을 알 수 있다. 이 때 진폭은 (b)에 도시된 바와 같이 유전분극이 형성된 곳은 진폭이 주변보다 작은 검은 환형으로 나타나는 테두리 부분과 테두리 부분보다 진폭이 높고 주변 영역보다 진폭이 낮은 내부의 어두운 도트로 구성된 에그형의 이미지를 보이고 있다. 위상은 (c)에 도시된 바와 같이 비트 부분이 부분적으로 역전되어 환하게 나타난다. 여기서, 비트의 크기는 (b)에 도시된 에그형의 도메인 크기보다 작다.
도 3c는 도 2에서 펄스 전압이 13~30V 정도로 변하는 경우 형성되는 링 구조의 (a)단면도와 (b)진폭 및 (c)위상의 평면도를 보인다.
(a)를 참조하면, 링 구조에서 비트(15c)는 유전체막(13c)을 통과하여 바닥까지 형성되어 있는데, 그 깊이는 도 2를 참조하면 275nm 정도임을 알 수 있다. 이 때 진폭은 (b)에 도시된 바와 같이, 링의 내부와 외부는 유사한 진폭을 나타내어 링형으로 나타나고 진폭이 주변보다 작은 경계부분만이 검게 나타난다. 위상은 (c)에 도시된 바와 같이, 비트에서 반전되어 비트 부분이 환하게 보인다.
도 4a는 에이징 전에 유전체막에 도트 구조, 에그 구조 및 링 구조를 형성한 경우 각각의 표면형상(topography), 진폭 및 위상을 보이는 PFM(Piezoelectric Force Microscopy)사진이며, 도 4b는 100℃에서 30분 동안 에이징을 행한 경우 도트 구조, 에그 구조 및 링 구조, 각각의 표면형상, 진폭 및 위상의 변화를 나타낸 PFM 사진이다.
먼저 1ms의 펄스에 의해 형성되는 도트 구조의 경우, 에이징 전과 후의 도 4a의 (b)와 도 4b의 (b)에 나타난 진폭 이미지를 비교하면, 도트 모양의 비트의 규칙적인 배열이 불규칙적인 배열로 변화하고, 도 4a의 (c)와 도 4b의 (c)에 나타난 위상을 비교하면 에이징 전과 후에 비트의 개수가 많이 감소하고 있는 것을 볼 수 있다.
3ms의 펄스에 의해 형성되는 에그 구조의 경우, 에이징 전 도 4a의 (e)에서 에그 형태의 진폭이미지가 에이징 후 도 4b의 (e)에서 도시된 바와 같이 도트 형태로 변화되고, 위상 이미지는 도 4a의 (f)에서 나타난 비트의 수에 비해 도 4b의 (f)에서 많은 수가 감소되고 있음을 볼 수 있다.
5ms의 펄스에 의해 형성되는 링 구조의 경우, 진폭 이미지인 도 4a의 (h)와 도 4b의 (h)를 비교하면 거의 변화가 없으며, 위상 이미지의 경우에도 도 4a의 (i)와 도 4b의 (i)를 비교하면 그 개수의 변화없이 일정하게 비트 수가 유지되는 것을 볼 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 그래프는, 상이한 구조간의 열적 안정성과 보유 손실 특성의 경향을 비교하기 위해, 잔류 도메인의 수와 크기 변화를 측정하여 온도에 대한 그래프로 나타낸 것이다. 여기서, 잔류 비트는 위상 이미지의 선 프로파일(line profile)에서 FWHM(Full Width Half Maximum)가 제로가 아닌 도메인을 의미한다. 잔류 비트의 수는 위상 이미지에서 산출된다.
도 5는 도트 구조(1ms), 에그 구조(3ms) 및 링 구조(5ms)에 있어서 온도에 따른 잔류 비트의 수를 나타낸 그래프이다. 여기서, 그래프의 기울기는 비트 보유 손실율(bit retention loss rate)을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 온도가 증가할수록 잔류 비트의 수가 감소하는데, 도트 구조의 경우 비트 보유 손실율이 가장 높으며 링 구조의 경우 비트 보유 손실율이 낮은 것을 알 수 있다.
도 6은 도트 구조(1ms), 에그 구조(3ms) 및 링 구조(5ms)에 있어서 온도에 따른 비트의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 3ms의 펄스에 의해 형성된 에그 구조(3ms)와 5ms의 펄스에 의해 형성된 링 구조(5ms)는 온도가 증가함에 따라 비트 크기가 감소하는 반면, 1ms의 펄스에 의해 형성된 도트 구조는 온도에 대한 의존성을 보이지 않는다.
여기서, 비트 크기는 잔류 비트의 크기를 의미하는데, 강유전체막 두께의 절반보다 작은 깊이의 비트는 위상 이미지에서 사라진다. 이러한 비트들은 강유전체막 두께의 50%~60% 정도의 깊이를 가지며, 위상 이미지에서는 최소 비트 크기를 75-90nm 정도가 되게 한다. 이것은 도 6의 도트 구조의 그래프에서 최소 비트 크기와 일치함을 알 수 있다. 즉, 75nm 보다 작은 크기의 비트는 위상 이미지에서 사라지고 비트 수의 감소에 산입되게 된다.
따라서, 도트 구조(1ms)의 비트 중 75nm 정도의 크기를 가지는 비트는 온도가 증가할수록 위상 이미지에서 쉽게 사라지게 되고, 이것은 도 5에서 도트 구조의 비트의 수가 현저히 감소하는 것으로부터 설명될 수 있다.
에그 구조(3ms)의 비트 배열은 온도가 25℃에서 160℃로 변하는 경우 비트 크기가 148nm에서 78nm로 감소되며, 도 4a의 (d) 및 도 4b의 (d)로부터 비트 크기가 감소함에 따라 에그 구조에서 도트 구조로 변형되는 것을 볼 수 있다.
링 구조(5ms)의 비트 배열은 온도가 25℃에서 160℃로 변하는 경우 비트 크기가 250nm에서 180nm로 감소되며, 도 4a의 (g) 및 도 4b의 (g)로부터 비트 크기의 감소로 인해 링 구조에서 에그 구조로 변형되는 것을 볼 수 있다. 하지만, 도 5로부터 비트 수의 감소는 가장 적은 것을 알 수 있다.
도 4a 내지 도 6으로부터 비트의 구조가 정보 보유 손실 특성에 큰 영향을 미치는 것을 볼 수 있다. 완전히 강유전체막을 통과하여 도메인이 형성되는 링 구조의 비트 배열은 강유전체막을 통과하지 않는 도메인이 형성되는 에그 또는 도트 구조에 비해 열적으로 훨씬 안정한 것을 알 수 있다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 강유전체막의 두께가 비트의 지름보다 크지 않도록 형성하여 유전 분극이 형성되는 도메인이 강유전체의 상부 표면에서 강유전체가 하부 전극과 만나는 계면까지 형성되도록 유전체막을 완전히 통과(penetrate)하도록 함으로써 열적으로 안정한 강유전성 정보 저장 매체를 제공한다.
본 발명은 열적으로 안정한 비휘발성 강유전성 정보 저장 매체를 제공하여 고속으로 고밀도로 정보를 저장할 수 있으며 정보 보유력을 향상시켜 신뢰성 있는 정보 저장 매체를 구현할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 비트의 형상을 변형할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 강유전성 정보 저장 매체의 장점은 강유전체막을 통과하여 도메인이 형성되는 링구조의 비트 배열을 가짐으로써 열적으로 안정하고 정보 보유 시간이 향상된다는 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 탐침형 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체의 사시도,
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 탐침형 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체의 평면도,
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 탐침형 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압에 대한 비트 크기(상부 도면)와 비트 깊이(하부 도면)를 나타낸 그래프,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 메모리에서 도트 구조를 나타낸 (a)단면도, (b)진폭의 평면도 및 (c)위상의 평면도,
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 탐침형 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체에서 에그 구조를 나타낸 (a)단면도, (b)진폭의 평면도 및 (c)위상의 평면도,
도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 탐침형 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체에서 링 구조를 나타낸 (a)단면도, (b)진폭의 평면도 및 (c)위상의 평면도,
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 탐침형 메모리 장치의 강유전성 정보 저장 매체에서, 에이징 전, 도트 구조의 (a)토포그라피, (b)진폭 및, (c)위상과, 에그 구조의 (d)토포그라피, (e)진폭 및, (f)위상과, 링 구조의 (g)토포그라피, (h)진폭 및, (i)위상을 나타낸 PFM 사진,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 탐침형 메모리 장치의 강유전체 정보 저장 매체에서, 에이징 후, 도트 구조의 (a)토포그라피, (b)진폭 및, (c)위상과, 에그 구조의 (d)토포그라피, (e)진폭 및, (f)위상과, 링 구조의 (g)토포그라피, (h)진폭 및, (i)위상을 나타낸 PFM 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 ; 강유전성 정보 저장 매체 11 ; 하부 전극
13, 13a, 13b, 13c ; 강유전체막
15, 15a, 15b, 15c ; 도메인

Claims (2)

  1. 정보 저장 매체 및 상기 정보 저장 매체에 데이타를 저장하거나 재생하는 탐침을 포함하는 메모리 장치에 있어서, 상기 정보 저장 매체는,
    하부전극; 및
    상기 하부전극의 상면에 적층되는 강유전체막;을 구비하며,
    상기 강유전체막에 형성되는 유전 분극 도메인은 메모리 소자의 비트로 작용되도록 하고,
    상기 강유전체막의 두께는 상기 비트의 지름보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 강유전성 메모리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전체막의 두께(d)는 상기 비트의 면적(A)에 대해 다음의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 강유전성 메모리 장치.
KR10-2002-0028656A 2002-05-23 2002-05-23 열적으로 안정한 강유전성 메모리 장치 KR100493155B1 (ko)

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