JP5202000B2

JP5202000B2 - 磁壁移動を利用した情報記録媒体

Info

Publication number: JP5202000B2
Application number: JP2008000183A
Authority: JP
Inventors: 志慶林
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-01-02
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-01-04
Also published as: CN101982894B; JP2008172231A; KR101274203B1; KR20080063653A; US8231987B2; US20080160349A1; EP1942504A1; CN101982894A; EP1942504B1; CN101217181A; CN101217181B

Description

本発明は、情報記録媒体に係り、さらに詳細には、磁性物質の磁壁移動原理を利用して情報を記録、保存及び消去できる磁壁移動を利用した情報保存装置において、磁性物質内で磁壁の移動がさらに円滑になされるように構成した磁壁移動原理を利用した情報記録媒体に関する。

情報産業の発達によって大容量の情報処理が要求されてきた。したがって、高容量の情報を保存できる情報記録媒体に関する需要は、持続的に高まってきた。需要の高まりによって、情報保存速度が速くかつ小型の情報記録媒体に関する研究が進められており、結果的に多様な種類の情報保存装置が開発された。一般的に、情報記録媒体として広く使われるＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）は、読み取り／書き込みヘッド及び情報の記録される回転媒体を備えており、１００ＧＢ以上の高容量情報が保存される。しかし、ＨＤＤのように、回転する部分を有する保存装置は、磨耗される傾向があり、動作時にフェイル（ｆａｉｌ）が発生する可能性が大きいため、信頼性が劣るという短所がある。

最近は、磁性物質の磁壁の移動原理を利用する新たなデータ保存装置に関する研究及び開発がなされている。

図１Ａ及び図１Ｂは、磁壁の移動原理を示す図面である。図１Ａを参照すれば、第１磁区１１、第２磁区１２及び第１磁区１１と第２磁区１２との境界である磁壁１３を備える磁性ワイヤが開示されている。

一般的に、磁性体を構成する磁気的な微小領域を磁区という。磁区内では、電子のスピン、すなわち、磁気モーメントの方向が同一であるという特徴を有している。このような磁区のサイズ及び磁化方向は、磁性材料の形、サイズ及び外部のエネルギーによって適切に制御される。磁壁は、異なる磁化方向を有する磁区の境界部分を表す。このような磁壁は、磁性材料に印加される磁場または電流によって移動される特徴がある。

図１Ａに示したように、所定の幅及び厚さを有する磁性層内に特定方向を有する多数の磁区を設けた後、外部から磁場または電流を印加した場合、磁壁を移動させうる。

図１Ｂを参照すれば、第１磁区１１から第２磁区１２へ外部から電流を印加すれば、磁壁１３は、第２磁区１２から第１磁区１１へ移動する。電流を印加する場合電子は反対方向に流れ、磁壁１３は電子の移動方向に共に移動する。すなわち、磁壁は外部電流の印加方向と反対方向に移動するということが分かる。同じ原理で、第２磁区１１から第１磁区１２へ電流を印加する場合、磁壁１３は第１磁区１１から第２磁区１２へ移動する。結果的に、磁壁は外部磁場や電流の印加を通じて移動され、これは、すなわち、磁区の移動を意味する。

磁壁の移動原理は、ＨＤＤや不揮発性ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）のような情報保存装置に適用される。すなわち、特定方向に磁化した磁区及びそれらの境界である磁壁を有する磁性物質で、磁壁が移動するにつれて磁性物質内の電圧が変化する原理を利用して、‘０’または‘１’のデータを読み取り／書き込みできる不揮発性メモリ素子を具現しうる。この場合、ライン状の磁性物質内に特定電流を流して磁壁の位置を変化させつつ、データを読み取り／書き込みできるため、非常に簡単な構造を有する高集積素子の具現が可能である。したがって、磁壁の移動原理を利用する場合、従来のＦＲＡＭ、ＭＲＡＭ及びＰＲＡＭに比べて非常に大きい保存容量を有するメモリの製造が可能である。

現在具現された磁壁移動を利用した情報保存装置の場合、高い磁気異方性定数（ｈｉｇｈ−Ｋｕ）を有する物質をワイヤ状の磁性層に形成させて情報保存トラックとして使用している。スパッタリングなどの一般的な蒸着工程を経て形成される磁性層は、図１Ｃに示したように、表面に屈曲が自然に形成される。激しい場合には、エッジＥ領域が形成される。エッジ領域では、磁壁１３を移動させる過程で磁壁移動速度が顕著に低下するピニング現象が発生する問題点がある。磁壁の移動速度が低下する場合、情報記録及び消去速度が大きく低下する問題点がある。

本発明は、前記従来の技術を解決するためのものであって、情報保存トラックとして使用する磁性層のエッチ領域によるピニング現象を防止できる構成を有する磁壁移動を利用した情報保存装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明では、磁壁移動を利用した情報記録媒体において、磁化方向を有する磁区を含んで第１方向に形成された磁性層と、前記磁性層の下面に形成された軟磁性層と、を備える磁壁移動を利用した情報記録媒体を提供する。

本発明において、前記軟磁性層は、前記磁性層の側面にさらに形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記軟磁性層は、前記磁性層の上面にさらに形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記磁性層は、１０^５Ｊ／ｍ^３ないし１０^７Ｊ／ｍ^３の磁気異方性エネルギー定数を有する物質で形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記磁性層は、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｔ、ＳｍＣｏ、ＴｂＣｏＦｅまたはこれらを含む合金で形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記軟磁性層は、１０ないし１０^３Ｊ／ｍ^３の磁気異方性エネルギー定数を有する磁性物質で形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記軟磁性層は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＴａＺｒまたはこれらを含む合金で形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記磁性層は、１ないし１００ｎｍの厚さに形成されたことを特徴とする。

本発明において、前記軟磁性層は、１ないし５０ｎｍの厚さに形成されたことを特徴とする。

また、本発明では、磁化方向を有する磁区を含んで第１方向に形成された磁性層及び前記磁性層の下面に形成された軟磁性層を備える磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法において、（ａ）基板上にポリマーを塗布し、パターンの形成されたマスターモールドで前記ポリマーを圧着させ、前記ポリマーを硬化させる工程と、ｂ）前記マスターモールドを分離した後、前記ポリマー上に軟磁性層及び磁性層を塗布する工程と、（ｃ）前記磁性層上にポリマーを塗布した後、パターンの形成されたマスターモールドで圧着した後に前記磁性層及び前記ポリマー上にキャップ層を形成する工程と、（ｄ）前記キャップ層及び前記磁性層の上部領域をエッチングによって除去する工程と、を含む磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を提供する。

本発明において、前記ポリマーは、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−１−プロパノン、テトラヒドロフルフリルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、ポリエーテルアクリレートプレポリマーまたはアクリル化エポキシプレポリマーであることを特徴とする。

本発明によれば、次のような長所がある。

第一に、情報記録媒体として使用する磁性層の形成時に自然に発生する屈曲領域で磁壁の移動速度が低下することを防止しうる。

第二に、磁性層を軟磁性層と共に形成した情報記録媒体を含む情報保存装置の駆動時、ＨＤＤとは異なり、機構的に移動または接触させず、情報の保存及び再生が可能であるので、超小型化が可能でテラビット／ｉｎ^２の高密度の情報保存装置を提供しうる。

第三に、構造が非常に簡単で量産に有利であり、かつ再現性確保に有利である。

以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体及びその製造方法を詳細に説明する。参考までに、図面に表した各層の厚さ及び幅は、説明のために多少誇張されている。

図２Ａは、本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体を示す図面である。図２Ａを参照すれば、本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体は、一つ以上の磁区を有する磁性層２１及び磁性層２１の周辺に形成された軟磁性層２２を備える構造を有している。

図２Ｂは、図２Ａに示した本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体を長手方向に示す平面図である。図２Ｂを参照すれば、磁性層２１の両側面には、軟磁性層２２が形成されており、磁性層２１内には、一つ以上の磁区Ｄ１，Ｄ２が形成されており、磁区Ｄ１，Ｄ２の間には、磁壁ＤＷが形成されているということが分かる。要約すれば、本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体は、中心領域に情報記録のための磁性層２１が形成されており、磁性層２１の周辺には、軟磁性層２２が形成されている。図２Ａ及び図２Ｂでは、磁性層２１の周辺の３面に軟磁性層２２が形成された構造を示した。しかし、本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体は、軟磁性層を磁性層の一面、例えば、下面にのみ形成するか、または下面及び上面に形成した構造及び磁性層の外部を軟磁性層で密封した形態の構造も可能である。

磁性層２１は、高い磁気異方性定数を有する物質、例えば、１０^５Ｊ／ｍ^３ないし１０^７Ｊ／ｍ^３の磁気異方性エネルギー定数を有する物質で形成されることが望ましく、磁気記録密度の向上のために垂直磁化特性を有する物質で形成されたことが望ましい。具体的には、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｔ、ＳｍＣｏまたはＴｂＣｏＦｅなどの物質で形成させうる。磁性層２１は、約１ないし１００ｎｍの厚さに形成されることが望ましい。

軟磁性層２２は、磁性層２１より低い磁気異方性定数を有する物質で形成されることが望ましい。軟磁性層２２は磁気異方性エネルギー定数が１０^３Ｊ／ｍ^３より小さい物質で形成し、１０ないし１０^３Ｊ／ｍ^３の磁気異方性エネルギー定数を有する物質で形成することが望ましい。具体的に、例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＺｒＮｄまたはＣｏＴａＺｒのような物質で形成させうる。軟磁性層２２は、約１ないし５０ｎｍの厚さに形成されることが望ましい。

図３は、本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体を含む情報保存装置を示す図面である。

図３を参照すれば、第１磁性層３１、第２磁性層３２及び第３磁性層３３が形成されている。第１磁性層３１と第２磁性層３２との間には、第１連結層３４ａが形成されており、第２磁性層３２と第３磁性層３３との間には、第２連結層３４ｂが形成されている。

第１磁性層３１は、情報を記録するためのものであって、異なる磁化方向を有する２個以上の磁区を備えており、書き込み用トラック３１ともいう。第２磁性層３２の左側領域は、記録された情報を呼び出して読み取るための領域であって、バッファトラック３２ａともいう。情報を読み取るためには、磁区の磁化方向を読み出さねばならないので、バッファトラック３２ａには、磁気抵抗素子３５が形成されている。磁気抵抗素子３５は、強磁性物質で形成された固定層、ＣｕまたはＡｌ_２Ｏ_３などの非磁性物質で形成された非磁性層及び強磁性物質で形成された自由層の構成であって、一般的に知られたＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子またはＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子でありうる。第２磁性層３２の右側領域は、情報を保存するための保存用トラック３２ｂである。第３磁性層３３は、何れも保存用トラック３３ａ，３３ｂである。図３では、バッファトラック３２ａが書き込み用トラック３１と別に形成された構造を示したが、書き込み用トラック３１の長さを第２磁性層３２と同一かまたは長く形成して、書き込み用トラック３１をバッファトラックとして使用しうる。記録密度を向上させるために、第３磁性層３３ａ，３３ｂ上に磁性層をさらに形成して使用しうる。

図３に表した情報保存装置の情報記録及び読み取り方法について説明すれば、次の通りである。

まず、情報記録方法について説明する。磁化方向が上向きである磁区の情報値を“１”とし、磁化方向が下向きである磁区の情報値を“０”と仮定する。書き込み用トラックの第１磁性層３１には、異なる磁化方向を有する磁区が存在し、磁区間には磁壁が形成されている。“１”の情報値を保存用トラック３２ｂに保存させる場合を説明すれば、次の通りである。第１磁性層３１の右側端部から左側端部へ電子が流れるように電流を印加すれば、磁壁は、電子の移動方向によって磁化方向が上向きである磁区は、第１連結層３４ａの下部に移動する。そして、書き込み用トラック３１の右側端部から保存用トラック３２ｂへ電子が移動できるように電流を印加する。この場合、第１連結層３４ａの下部に存在する磁区は、第１連結層３４ａを通じて保存用トラック３２ｂへ移動する。結果的に、“１”の情報値を有する磁区を保存用トラック３２ｂに保存する。

次いで、情報の読み取り方法について説明する。磁区の磁化方向を読むためには、磁気抵抗素子３５が位置するバッファトラック３２ａに磁区を移動させねばならない。したがって、バッファトラック３２ａと保存用トラック３２ｂとの両端部を通じて電流を印加する。電子が保存用トラック３２ｂからバッファトラック３２ａへ移動するためには、電流を反対方向に印加する。書き込み用トラック３２ｂに存在する磁区がバッファトラック３２ａに形成された磁気抵抗素子３５を通過しつつ、磁気抵抗素子３５は、保存用トラック３２ｂの領域別磁区の磁化方向を読み取る。これを通じて、保存用トラック３２ｂに保存された情報値を読み取れる。

以下、図４Ａないし図４Ｉを参照して、本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法について詳細に説明する。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した磁気記録媒体の形成工程は、色々な工程方法を利用できるが、ここでは、ナノインプリント工程で形成する方法について説明する。

まず、図４Ａを参照すれば、基板４１上にポリマー４２を塗布する。基板４１は、通常的な半導体素子工程に使われる基板を利用しうる。ポリマー４２は、例えば、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−１−プロパノン、テトラヒドロフルフリルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、ポリエーテルアクリレートプレポリマーまたはアクリル化エポキシプレポリマーを利用しうる。そして、ポリマー４２上にマスターモールド４３を装着する。マスターモールド４３の表面には、凹凸形状のパターンが形成されている。

図４Ｂを参照して、マスターモールド４３をポリマー４２に接触させた後、マスターモールド４３に圧力を加えてマスターモールド４３の表面に形成されたパターンをポリマー４２に転写する。したがって、ポリマー４２は、マスターモールド４３のパターンと反対のパターンを有する。そして、ポリマー４２に熱を加えるか、またはＵＶを照射してポリマー４２を硬化させる。次いで、図４Ｃを参照すれば、ポリマー４２の硬化後、マスターモールド４３を分離させる。

図４Ｄを参照すれば、スパッタリングによって基板４１及びポリマー４２上にＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＺｒＮｂまたはＣｏＴａＺｒなどの軟磁性物質を約１ないし５０ｎｍの厚さに塗布して軟磁性層４４を形成する。

図４Ｅを参照すれば、軟磁性層４４上にスパッタリング工程によって高い磁気異方性定数（ｈｉｇｈ−Ｋｕ）を有するＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｔ、ＳｍＣｏまたはＴｂＣｏＦｅのような物質を約１ないし１００ｎｍの厚さに塗布して磁性層４５を形成する。

図４Ｆを参照すれば、再び磁性層４５上に２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−１−プロパノン、テトラヒドロフルフリルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、ポリエーテルアクリレートプレポリマーまたはアクリル化エポキシプレポリマーなどのポリマー４６を塗布した後、マスターモールド４３を利用してポリマー４６に接触させて圧力を加える。このとき、図４Ｇに示したように、磁性層４５の上部領域Ａのポリマーは残し、下部領域Ｂの表面は露出させる。そして、ナノインプリント工程を利用してポリマー４６を硬化させる。

図４Ｈを参照すれば、磁性層４５及びポリマー４６上に非磁性物質、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌなどの物質を電気メッキしてキャップ層４７を形成する。非磁性物質でキャップ層４７を形成する主目的は、今後エッチング工程時に下部領域Ｂの磁性層４５を保護するためである。最後に、図４Ｉを参照すれば、エッチング工程によって下部領域Ｂの磁性層４５を露出させる。結果的に、磁性層４５の側部及び下部が軟磁性層４４によって取り囲まれた構造を形成しうる。

図５は、ＦｅＰｔの単層構造の情報記録媒体及び本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体のように、ＦｅＰｔ磁性層及びＣｏＺｒＮｄ軟磁性層の多層構造である情報記録媒体をそれぞれ４００ｎｍの長さに形成した後、磁壁移動速度を比較したシミュレーショングラフである。

図５を参照すれば、ＦｅＰｔ単層で形成した従来の技術による情報記録媒体に比べて、本発明の実施形態による情報記録媒体の単位時間ｎｓ当たりの磁壁移動距離がはるかに長いということが分かる。

前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体は、軟磁性層を磁性層の一面に形成するか、または両面に形成した構造でもあり、磁性層の外面を軟磁性層で覆い包む構造でありうる。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されねばならない。

本発明は、情報記録媒体関連の技術分野に適用可能である。

磁壁移動に関する基本原理を示す図面である。磁壁移動に関する基本原理を示す図面である。磁壁移動を利用した情報記録媒体でエッジが形成されたところを示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体を示す断面図である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体を示す平面図である。本発明の実施形態に磁壁移動を利用した情報記録媒体を含む情報保存装置を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体の製造方法を示す図面である。ＦｅＰｔの単層構造である情報記録媒体、及び本発明の実施形態による磁壁移動を利用した情報記録媒体のように、ＦｅＰｔ磁性層及びＣｏＺｒＮｄ軟磁性層の多層構造である情報記録媒体をそれぞれ４００ｎｍの長さに形成した後、磁壁の移動速度を比較したシミュレーショングラフである。

符号の説明

１１第１磁区
１２第２磁区
１３磁壁
２１磁性層
２２軟磁性層
３１第１磁性層
３２第２磁性層
３２ａバッファトラック
３２ｂ，３３ａ，３３ｂ保存用トラック
３３第３磁性層
３４ａ第１連結層
３４ｂ第２連結層
４１基板
４２，４６ポリマー
４３マスターモールド
４４軟磁性層
４５磁性層
４７キャップ層

Claims

磁壁移動を利用した情報記録媒体において、
磁化方向を有する磁区を含んで第１方向に形成された磁性層と、
前記磁性層の下面に形成された軟磁性層と、を備え、
前記軟磁性層は、前記磁性層の側面にさらに形成された
ことを特徴とする磁壁移動を利用した情報記録媒体。
前記軟磁性層は、前記磁性層の上面にさらに形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の磁壁移動を利用した情報記録媒体。
前記磁性層は、１０^５Ｊ／ｍ^３ないし１０^７Ｊ／ｍ^３の磁気異方性エネルギー定数を有する物質で形成された
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁壁移動を利用した情報記録媒体。
前記磁性層は、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｔ、ＳｍＣｏ、ＴｂＣｏＦｅまたはこれらを含む合金で形成された
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁壁移動を利用した情報記録媒体。
前記軟磁性層は、１０ないし１０^３Ｊ／ｍ^３の磁気異方性エネルギー定数を有する磁性物質で形成された
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁壁移動を利用した情報記録媒体。
前記軟磁性層は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＴａＺｒまたはこれらを含む合金で形成された
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁壁移動を利用した情報記録媒体。
前記磁性層は、１ないし１００ｎｍの厚さに形成された
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁壁移動を利用した情報記録媒体。
前記軟磁性層は、１ないし５０ｎｍの厚さに形成された
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁壁移動を利用した情報記録媒体。