KR100829576B1 - 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것이다. 개시된 본 발명의 데이터 저장 장치는 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 적어도 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 데이터 저장 장치는 상기 제1 자성층의 양단 및 상기 제1 자성층과 인접하지 않는 상기 제2 자성층의 일단에 연결된 데이터 기록 소자와, 상기 제2 자성층의 일단으로부터 소정 거리에 형성된 읽기 헤드, 및 상기 읽기 헤드 및 상기 데이터 기록 소자와 연결된 전류 검출기를 더 포함할 수 있다.

Description

자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법{Data storage device using magnetic domain wall moving and method of operating the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 저장 장치의 부분 사시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 데이터 저장 장치의 쓰기 동작 방법을 단계별로 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 데이터 저장 장치의 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 데이터 저장 장치의 읽기 동작 방법을 단계별로 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 데이터 저장 장치의 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5에 도시된 데이터 저장 장치의 읽기 동작 방법을 단계별로 보여주는 사시도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 데이터 저장 장치의 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법을 단계별로 보여주는 평면도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법을 보여주는 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
1 : 절연층 2 : 전극층
3, 6 : 강자성 자유층 4, 7 : 분리층
5, 8 : 강자성 고정층 10, 20 : 제1 및 제2 콘택플러그
30, 40 : 제3 및 제4 콘택플러그 50, 60 : 제5 및 제6 콘택플러그
100 : 제1 자성층 200 : 제2 자성층
300 : 데이터 기록 소자 400a, 400b : 읽기 헤드
500 : 전류 검출기 M1, M2 : 제1 및 제2 방향
E1 : 제1 자성층의 일단 E2 : 제1 자성층의 타단
E3 : 제2 자성층의 일단 E4 : 제2 자성층의 타단
D : 자구 D1, D2 : 제1 및 제2 자구
본 발명은 데이터 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 자성 재료의 자구벽(magnetic domain wall) 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법 에 관한 것이다.
강자성체를 구성하는 자기적인 미소영역을 자기 구역(magnetic domain ; 이하, 자구라 함)이라 한다. 이러한 자구 내에서는 전자의 자전, 즉 자기 모멘트의 방향이 동일하다. 자구의 크기 및 자화 방향은 자성 재료의 물성, 모양, 크기 및 외부의 에너지에 의해 적절히 제어될 수 있다.
자구벽(magnetic domain wall)은 서로 다른 자화 방향을 갖는 자구들의 경계 영역으로서, 자성 재료에 인가되는 자기장 또는 전류에 의해 이동될 수 있다. 즉, 소정의 폭 및 두께를 갖는 자성층(magnetic layer) 내에 특정 방향을 갖는 다수의 자구들을 만들 수 있고, 적절한 강도를 갖는 자기장 또는 전류를 이용해서 상기 자구 및 자구벽을 이동시킬 수 있다.
상기 자구벽 이동 원리는 데이터 저장 장치에 적용될 수 있다. 데이터 저장 장치에 자구벽 이동 원리를 적용하면, 자구벽 이동에 의해 자구들이 읽기/쓰기 헤드를 통과하도록 함으로써, 데이터의 읽기/쓰기가 가능하다. 그러므로 자구벽 이동 원리가 적용된 데이터 저장 장치는 일반적인 RAM(random access memory)과 달리 데이터를 읽고자(또는 쓰고자) 하는 셀의 지정을 위한 워드 라인(word line)을 요구하지 않으며, 또한 HDD(hard disk drive)와 달리 기록 매체의 회전을 요구하지도 않는다. 이러한 자구벽 이동 원리가 적용된 데이터 저장 장치는 비교적 단순한 구조 및 작은 비트 사이즈를 가져 Tbit 급의 높은 기록 밀도를 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
그러나, 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치는 아직 개발 초기단계에 있 고, 그의 실용화를 위해서는 몇몇 문제점들이 해결되어야 한다. 특히, 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치의 실용화를 위해서는 데이터를 기록하는 방법의 개선이 요구된다. 이하에서는 종래의 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치에서의 쓰기 방법(이하, 종래의 쓰기 방법)의 문제점을 간략히 설명한다.
종래의 쓰기 방법은 외부 자장을 이용한 방법과 전자의 스핀 토크(spin torque) 현상을 이용한 방법으로 나눌 수 있고, 전자의 스핀 토크 현상을 이용한 쓰기 방법은 거대 자기 저항(Giant Magneto Resistance : 이하, GMR) 효과를 이용한 방법과 터널 자기 저항(Tunnel Magneto Resistance : 이하, TMR) 효과를 이용한 방법으로 구분된다.
상기 외부 자장을 이용한 쓰기 방법은 자기 이방성 에너지(magnetic anisotropic energy)가 큰 자성층을 사용하는 경우에는 적용이 불가능하다는 한계가 있다. 이것은 상기 외부 자장을 이용한 쓰기 방법으로는 우수한 특성 및 높은 기록 밀도를 갖는 데이터 저장 장치의 구현이 어렵다는 것을 의미한다.
한편, 상기 전자의 스핀 토크 현상을 이용한 쓰기 방법에서는 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 두께가 소정 두께, 약 3nm 이상으로 두꺼워지면 쓰기 작업이 곤란해진다. 때문에, 약 100nm 이상의 두께를 갖는 자성층이 요구되는 수직 자기 기록 방식에 상기 전자의 스핀 토크 현상을 이용한 쓰기 방법을 적용하는 것은 현실적으로 거의 불가능하다. 또한, TMR 또는 GMR 쓰기 헤드는 강자성층(고정층 : pinned layer)과 분리층(절연층 또는 도전층) 및 데이터를 기록하고자 하는 자성층이 차례로 적층된 구조를 갖는데, 이들의 적층 과정에서 상기 분리층의 표면이 식 각에 의해 손상(damage)되기 때문에 쓰기 동작 특성이 열화되는 문제가 있다. 부가해서, 상기 TMR 또는 GMR 쓰기 헤드는 다층 박막 공정을 요구하므로 제조가 어렵다.
그러므로, 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 두께 등으로 인한 제약으로부터 자유롭고, 아울러 손상된 분리층에 의한 동작 특성의 열화 문제가 원천적으로 방지된 새로운 쓰기 방법의 개발이 요구된다.
또한, 상기 새로운 쓰기 방법과 연계하여 적절한 읽기 동작을 수행할 수 있는 읽기 헤드 및 자구벽 이동 수단을 갖는 데이터 저장 장치의 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 치수(dimension)로 인한 제약으로부터 자유롭고, 식각 손상에 의한 동작 특성의 열화 문제가 원천적으로 방지된 쓰기 수단을 포함하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 데이터 저장 장치의 동작 방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층; 및 상기 제1 자성층의 적어도 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장 치를 제공한다.
상기 데이터 저장 장치는 상기 제1 자성층의 양단 및 상기 제1 자성층과 인접하지 않는 상기 제2 자성층의 일단에 연결된 데이터 기록 소자; 상기 제2 자성층의 일단으로부터 소정 거리에 형성된 읽기 헤드; 및 상기 읽기 헤드 및 상기 데이터 기록 소자와 연결된 전류 검출기;를 더 포함할 수 있다.
상기 읽기 헤드는 상기 제2 자성층의 일단과 이웃한 위치에 형성될 수 있다.
상기 읽기 헤드는 상기 제2 자성층 하면에 차례로 형성된 절연층, 전극층, 강자성 자유층, 분리층 및 강자성 고정층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 전극층과 상기 강자성 고정층은 상기 전류 검출기와 연결될 수 있다.
상기 읽기 헤드는 상기 제2 자성층 하면에 차례로 형성된 강자성 자유층, 분리층 및 강자성 고정층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 강자성 고정층과 상기 제2 자성층의 일단은 상기 전류 검출기와 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 자성층의 일단과 상기 전류 검출기 사이 및 상기 제2 자성층의 일단과 상기 데이터 기록 소자 사이 각각에 스위칭 소자가 구비될 수 있다.
상기 데이터 기록 소자는 전류 조절 소자 및 전압 조절 소자 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제2 자성층은 복수이고, 등간격으로 형성될 수 있다.
상기 제1 자성층은 복수이고 적층 구조로 형성되며, 상기 제1 자성층 각각에 복수의 상기 제2 자성층이 구비될 수 있다.
상기 제1 및 제2 자성층은 동일한 재질일 수 있다.
상기 제1 자성층의 일단 및 타단 중 적어도 하나는 상기 제1 자성층의 중앙에서 멀어질수록 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 제1 자성층의 일단 및 타단 중 적어도 하나는 상기 제1 자성층의 일단 및 타단을 제외한 나머지 영역보다 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 제1 자성층의 일단 및 타단은 서로 다른 크기로 형성될 수 있다.
상기 제1 자성층의 일단 상에 반강자성층이 더 구비될 수 있다.
상기 제1 자성층의 일단 및 타단 상에 서로 다른 닐 온도(Neel Temperature : TN)를 갖는 제1 및 제2 반강자성층이 더 구비될 수 있다.
상기 제1 자성층의 일단 상에 비자성층, 강자성 고정층 및 제1 반강자성층이 차례로 더 구비되고, 상기 제1 자성층의 타단 상에 제2 반강자성층이 더 구비될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층이 마련된 상태에서, 상기 자구 중 어느 하나를 상기 제2 자성층과 인접한 상기 제1 자성층 부분까지 확장시키는 제1 단계; 및 상기 제2 자성층과 인접한 상기 제1 자성층 부분의 자구를 상기 제2 자성층으로 1 비트 만큼 이동시키는 제2 단계;를 포함하는 데이터 저장 장치의 동작 방법을 제공한다.
여기서, 상기 제1 단계는 상기 제1 자성층의 양단 사이에 전류를 흘려줌으로써 수행할 수 있고, 상기 제2 단계는 상기 제2 자성층에서 상기 제1 자성층으로 전류를 흘려줌으로써 수행할 수 있다.
또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층의 양단 및 상기 제1 자성층과 인접하지 않는 상기 제2 자성층의 일단에 연결된 데이터 기록 소자와, 상기 제2 자성층의 일단으로부터 소정 거리에 형성된 읽기 헤드와, 상기 읽기 헤드 및 상기 데이터 기록 소자와 연결된 전류 검출기가 마련된 상태에서, 상기 읽기 헤드 및 상기 전류 검출기를 사용해서 상기 제2 자성층의 일단에 기록된 데이터를 읽는 제1 단계; 및 상기 데이터 기록 소자를 사용해서 상기 제1 단계에서 읽은 데이터를 상기 제2 자성층의 타단에 기록하는 제2 단계;를 포함하는 데이터 저장 장치의 동작 방법을 제공한다.
여기서, 상기 제2 단계는 상기 자구 중 어느 하나를 상기 제2 자성층과 인접한 상기 제1 자성층 부분까지 확장시키는 단계; 및 상기 제2 자성층과 인접한 상기 제1 자성층 부분의 자구를 상기 제2 자성층으로 1 비트 만큼 이동시키는 단계;를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치와 그의 동작 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면 에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 저장 장치(이하, 본 발명의 데이터 저장 장치)의 부분 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 데이터 저장 장치는 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구, 즉, 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 포함하는 쓰기용 제1 자성층(100)을 포함한다. 도면에서
Figure 112006081170108-pat00001
는 제1 방향(M1)으로 자화되었음을 의미하고,
Figure 112006081170108-pat00002
는 상기 제1 방향(M1)과 반대인 제2 방향(M2)으로 자화되었음을 의미한다. 이러한 표시는 다른 도면들에서도 같은 의미로 사용된다.
제1 자성층(100)의 일단 및 타단(E1, E2) 하면에는 하부구조물(미도시)과의 전기적 연결을 위한 제1 및 제2 콘택 플러그(10, 20)가 형성되어 있다.
제1 및 제2 콘택 플러그(10, 20)를 통해 제1 자성층(100)에 전류를 인가하면, 제1 자성층(100) 내에서 제1 및 제2 자구(D1, D2)의 경계인 자구벽(W)을 이동시킬 수 있다. 자구벽(W)의 이동 방향에 따라 제1 및 제2 자구(D1, D2)의 크기가 달라진다. 만약 상기 전류가 제1 자성층(100)의 일단(E1)에서 타단(E2)으로 흐르면, 전자는 그와 반대 방향으로 이동하므로, 자구벽(W)은 상기 전자의 이동 방향과 동일한 방향으로 이동한다. 도면에는 자구벽(W)을 제1 자성층(100)의 타단(E2)에 가깝도록 이동시킨 상태가 도시되어 있다.
제1 자성층(100)의 적어도 일측면에는 제1 자성층(100)에 수직하고, 다수의 자구(D)를 포함하는 데이터 저장용 제2 자성층(200)이 구비된다. 자구(D) 영역은 소정의 데이터가 저장되는 단위 비트(bit) 영역이다.
제1 및 제2 자성층(100, 200)은 동일한 재질, 예컨대, Ni, Fe, Co 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 동시에 형성된다. 제1 자성층(100)과 인접하지 않은 제2 자성층(200)의 일단(E3) 하부에는 다른 하부구조물(미도시)과의 전기적 연결을 위한 제3 콘택 플러그(30)가 형성되어 있다.
제1 및 제2 콘택 플러그(10, 20) 중 어느 하나와 제3 콘택 플러그(30)를 통해, 제1 및 제2 자성층(100, 200) 사이에 전류를 인가하면, 예컨대, 제3 콘택플러그(30)에서 제1 콘택플러그(10) 방향으로 전류를 흘려주면, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구를 제2 자성층(200)으로 이동시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구가 제1 자구(D1)이면, 제1 자구(D1)에 대응하는 데이터가 제2 자성층(200)의 타단(E4)에 기록된다. 만약 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구가 제2 자구(D2)이면 제2 자구(D2)에 대응하는 데이터가 제2 자성층(200)의 타단(E4)에 기록된다. 이때, 상기 전류는 펄스 전류이고, 자구는 비트 단위로 이동된다.
이하에서는 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 도 1에 도시된 본 발명의 데이터 저장 장치의 쓰기 동작 방법을 보다 자세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 본 발명의 데이터 저장 장치의 쓰기 동작 방법을 단계별로 보여준다.
도 2a를 참조하면, 도 1에 도시된 본 발명의 데이터 저장 장치의 제1 자성층(100)의 일단(E1)에서 타단(E2)으로 전류를 흘려주어, 자구벽(W)을 제1 자성 층(100)의 타단(E2)에서 일단(E1) 방향으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분까지 제2 자구(D2)가 확장된다.
도 2b를 참조하면, 제2 자성층(200)의 일단(E3)에서 제1 자성층(100)의 타단(E2)으로 펄스 전류를 흘려주어, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구를 제2 자성층(200)의 타단(E4)으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)의 타단(E4)에 제2 자구(D2)에 대응하는 데이터, 예컨대, '1'에 대응하는 데이터가 기록된다.
도 2c를 참조하면, 본 발명의 데이터 저장 장치의 제1 자성층(100)의 타단(E2)에서 일단(E1)으로 전류를 흘려주어, 자구벽(W)을 제1 자성층(100)의 일단(E1)에서 타단(E2) 방향으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분까지 제1 자구(D1)가 확장된다.
도 2d를 참조하면, 제2 자성층(200)의 일단(E3)에서 제1 자성층(100)의 타단(E2)으로 펄스 전류를 흘려주어, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구를 제2 자성층(200)의 타단(E4)으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)의 타단(E4)에 제1 자구(D1)에 대응하는 데이터, 예컨대, '0'에 대응하는 데이터가 기록된다.
이와 같이, 본 발명의 데이터 저장 장치에서는 데이터를 저장하고자 하는 제2 자성층(200) 및 상기 제2 자성층(200)과 동일한 층에 형성된 쓰기용 제1 자성층(100) 내에서 자구벽을 적절히 이동시키는 방법으로 데이터를 기록한다. 이러한 자구벽 이동을 이용한 쓰기는 동일층 내에서 이루어지고 전류의 흐름을 적절히 제 어하는 비교적 단순한 방법으로 이루어진다. 그러므로, 상기 본 발명의 데이터 저장 장치의 쓰기 동작은 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 치수(dimension) 등으로 인한 제약으로부터 자유롭고, 아울러 식각 손상에 의한 동작 특성의 열화 문제가 원천적으로 방지된다.
한편, 본 발명의 데이터 저장 장치는 상기 자구벽 이동을 이용한 쓰기 방법과 연계하여 적절한 읽기 동작을 수행할 수 있는 읽기 헤드와, 상기 읽기 헤드와 제1 자성층(100) 사이에 구비되는 데이터 기록 소자(data writing element) 등을 더 포함할 수 있다. 즉, 도 1과 같은 기본 구조에 여러 가지 구성 요소들이 다양한 형태로 부가될 수 있다. 도 1에 도시된 기본 구조에 다른 구성 요소들이 부가된 데이터 저장 장치의 일예가 도 3에 제시되어 있다.
도 3은 읽기 헤드와 데이터 기록 소자 등을 더 포함하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 데이터 저장 장치(이하, 본 발명의 제1 데이터 저장 장치)를 보여주는 사시도이다. 도 3에 도시된 데이터 저장 장치는 도 1에 도시된 데이터 저장 장치에 몇 가지 구성 요소들이 부가된 것으로서, 도 1과 도 3에서 동일한 도면부호는 동일한 구성 요소를 나타내므로 그들에 대한 반복 설명은 배제한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 데이터 저장 장치는 제1 자성층(100)의 양단(E1, E2) 및 제2 자성층(200)의 일단(E3)에 연결된 데이터 기록 소자(300)를 포함한다. 데이터 기록 소자(300)는 전류 조절 소자(current controller) 또는 전압 조절 소자(voltage controller)일 수 있다. 제2 자성층(200)의 일단(E3)과 인접한 위치에 읽기 헤드(400a)가 구비된다. 읽기 헤드(400a)는 제2 자성층(200) 하면에 차례로 형성된 절연층(1), 전극층(2), 강자성 자유층(3), 분리층(4) 및 강자성 고정층(5)을 포함하는 구조일 수 있다. 분리층(4)은 절연층 또는 도전층일 수 있으나, 절연층인 것이 바람직하다. 강자성 자유층(3), 분리층(4) 및 강자성 고정층(5)의 적층 구조물은 제2 자성층(200)의 단위 자구와 동일한 폭을 갖도록 형성하고, 전극층(2)은 전기적 콘택을 위해 상기 적층 구조물의 외측으로 연장된 형태로 형성하고, 상기 절연층(1)은 전극층(2)과 동일한 크기 또는 상기 적층 구조물과 동일한 크기로 형성할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 강자성 고정층(5) 하면에는 반강자성층(antiferromagnetic layer : AFM layer) 및 전극층이 차례로 구비되거나 비자성층, 강자성 고정층, 반강자성층 및 전극층이 차례로 구비될 수도 있다. 여기서, 상기 반강자성층은 강자성 고정층(5)의 자화 방향을 고정시키는 역할을 한다.
상기 본 발명의 제1 데이터 저장 장치는 데이터 기록 소자(300)와 읽기 헤드(400a) 사이에 그들을 서로 연결시키는 전류 검출기(500)를 더 포함한다. 읽기 헤드(400a)의 전극층(2)과 강자성 고정층(5)이 전류 검출기(500)와 연결되는데, 이러한 연결은 전극층(2) 및 강자성 고정층(5) 하면에 구비된 제4 및 제5 콘택 플러그(40, 50)에 의해 이루어진다. 전류 검출기(500)는 센스 엠프(sense amplifier : S/A)와 같은 증폭 소자를 포함하는 장치로서, 제2 자성층(200)에 기록된 데이터를 읽고, 상기 읽혀진 데이터에 관한 정보를 데이터 기록 소자(300)에 전달하는 역할을 한다.
이하에서는, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 도 3에 도시된 데이터 저장 장치 의 읽기 동작 방법을 설명한다.
도 4a를 참조하면, 제2 자성층(200)에 소정의 데이터가 기록된 상태에서, 읽기 헤드(400a) 및 전류 검출기(500)를 사용하여 제2 자성층(200)의 자구에 기록된 데이터, 예컨대, 제2 자구(D2)와 동일한 자화 방향을 갖는 데이터를 읽는다. 상기 읽혀진 데이터에 관한 정보는 데이터 기록 소자(300)에 입력된다.
도 4b를 참조하면, 상기 읽혀진 데이터에 관한 정보를 받은 데이터 기록 소자(300)를 이용해서, 먼저 제1 자성층(100)의 양단에 전류를 인가하여 제1 자성층(100)의 자구벽(W)을 소정 방향, 예컨대, 제1 자성층(100)의 타단(E2)에서 일단(E1) 방향으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자화 방향은 제2 자구(D2)와 동일해진다.
도 4c를 참조하면, 계속해서 상기 읽혀진 데이터에 관한 정보를 받은 데이터 기록 소자(300)를 이용해서, 제1 자성층(100)의 양단 중 어느 하나, 예컨대, 제1 자성층의 타단(E2)과 제2 자성층(200)의 일단(E3) 사이에 전류를 인가하여 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구를 제2 자성층(200)의 타단(E4)으로 1 비트 만큼 이동시킨다.
이와 같이, 읽기 헤드(400a)에서 읽혀진 데이터가 제2 자성층(200)의 타단(E4)에 전사되고, 이 과정에서 제2 자성층(200)의 자구벽은 제2 자성층(200)의 타단(E4)에서 일단(E3) 방향으로 1 비트 만큼 이동한다. 이러한 읽기 및 전사를 반복하면 제2 자성층(200)의 자구벽을 타단(E4)에서 일단(E3) 방향으로 이동시키면서 제2 자성층(200)에 기록된 데이터를 모두 읽을 수 있다. 그리고 상기 읽기 동작 전 후의 제2 자성층(200)에 기록된 데이터는 동일하다.
도시하지는 않았지만, 상기 본 발명의 제1 실시예에 따른 데이터 저장 장치에 새로운 데이터를 기록하는 쓰기 동작 방법은 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한 쓰기 방법과 기본적으로 동일하다. 이때, 상기 읽기 동작을 수행하지 않는 상태에서 데이터 기록 소자(300)를 이용해서 제1 및 제2 자성층(100, 200)의 자구벽을 이동시키면서 소정의 데이터를 제2 자성층(200)에 기록한다.
도 1에 도시된 기본 구조에 다른 구성 요소들이 부가된 데이터 저장 장치의 다른 예가 도 5에 제시되어 있다.
도 5는 읽기 헤드와 데이터 기록 소자 등을 더 포함하는 본 발명의 제2 실시예에 따른 데이터 저장 장치(이하, 본 발명의 제2 데이터 저장 장치)를 보여주는 개략적인 사시도이다. 도 5에 도시된 데이터 저장 장치는 도 1에 도시된 데이터 저장 장치에 몇 가지 구성 요소들이 부가된 것이고, 도 3에 도시된 데이터 저장 장치를 개량한 것이다. 도 1, 도 3 및 도 5에서 동일한 도면부호는 동일한 구성 요소를 나타내므로 그들에 대한 반복 설명은 배제한다. 도 3 및 도 5에 도시한 데이터 저장 장치들의 가장 큰 차이는 읽기 헤드의 구조에 있다.
도 5를 참조하면, 상기 본 발명의 제2 데이터 저장 장치의 읽기 헤드(400b)는 제2 자성층(200) 하면에 차례로 형성된 강자성 자유층(6), 분리층(7) 및 강자성 고정층(8)을 포함한다. 강자성 고정층(8)의 하면에는 제6 콘택 플러그(60)가 형성된다. 분리층(7)은 절연층 또는 도전층일 수 있으나, 절연층인 것이 바람직하다. 강자성 자유층(6), 분리층(7) 및 강자성 고정층(8)의 적층 구조물은 제2 자성 층(200)의 단위 자구와 동일한 폭을 갖도록 형성한다. 도시하지는 않았지만, 강자성 고정층(8) 하면에는 반강자성층 및 전극층이 차례로 구비되거나 비자성층, 강자성 고정층, 반강자성층 및 전극층이 차례로 구비될 수도 있다.
강자성 고정층(8)과 제2 자성층(200)의 일단(E3)이 전류 검출기(500)와 연결되고, 제2 자성층(200)의 일단(E3)과 전류 검출기(500) 사이 및 제2 자성층(200)의 일단(E3)과 데이터 기록 소자(300) 사이 각각에는 스위칭 소자, 예컨대, 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2)가 구비될 수 있다.
이하에서는, 도 6a 내지 도 6c를 참조하여, 도 5에 도시된 데이터 저장 장치의 읽기 동작 방법을 설명한다.
도 6a를 참조하면, 제2 자성층(200)에 소정의 데이터가 기록된 상태에서, 읽기 헤드(400b) 및 전류 검출기(500)를 사용하여 제2 자성층(200)의 자구에 기록된 데이터, 예컨대, 제2 자구(D2)와 동일한 자화 방향을 갖는 데이터를 읽는다. 이러한 읽기는 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2) 중 제1 트랜지스터(T1)만 턴-온(turn-on)된 상태에서 진행한다. 상기 읽혀진 데이터에 관한 정보는 데이터 기록 소자(300)에 입력된다.
도 6b를 참조하면, 제1 트랜지스터(T1)를 턴-오프(turn-off) 시키고 제2 트랜지스터(T2)를 턴-온(turn-on) 시킨 상태에서, 상기 읽혀진 데이터에 관한 정보를 받은 데이터 기록 소자(300)를 이용해서, 먼저 제1 자성층(100)의 양단에 전류를 인가하여 제1 자성층(100)의 자구벽(W)을 소정 방향, 예컨대, 제1 자성층(100)의 타단(E2)에서 일단(E1) 방향으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자화 방향은 제2 자구(D2)와 동일해진다.
도 6c를 참조하면, 계속해서 상기 읽혀진 데이터에 관한 정보를 받은 데이터 기록 소자(300)를 이용해서, 제1 자성층(100)의 양단 중 어느 하나, 예컨대, 제1 자성층의 타단(E2)과 제2 자성층(200)의 일단(E3) 사이에 전류를 인가하여 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구를 제2 자성층(200)의 타단(E4)으로 1 비트 만큼 이동시킨다.
이와 같이, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명한 방법과 유사하게, 읽기 헤드(400b)에서 읽혀진 데이터가 제2 자성층(200)의 타단(E4)에 전사되고, 이 과정에서 제2 자성층(200)의 자구벽은 제2 자성층(200)의 타단(E4)에서 일단(E3) 방향으로 1 비트 만큼 이동한다. 이러한 읽기 및 전사를 반복하면 제2 자성층(200)의 자구벽을 타단(E4)에서 일단(E3) 방향으로 이동시키면서 제2 자성층(200)에 기록된 데이터를 모두 읽을 수 있고, 상기 읽기 동작 전의 제2 자성층(200)에 기록된 데이터를 그대로 보존할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 본 발명의 제2 데이터 저장 장치에 새로운 데이터를 기록하는 쓰기 동작 방법은 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명한 쓰기 방법과 기본적으로 동일하다. 이때, 상기 읽기 동작을 수행하지 않는 상태에서 제1 및 제2 트랜지스터(T1, T2) 중 제2 트랜지스터(T2)만 턴-온(turn-on) 시키고, 데이터 기록 소자(300)를 이용해서 제1 및 제2 자성층(100, 200)의 자구벽을 이동시키면서 소정의 데이터를 제2 자성층(200)에 기록한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에서는 설명의 편의상 제2 자성층(200) 이 하나인 경우에 대해 도시하고 설명하였지만, 제1 자성층(100)의 적어도 일측에 동일 간격으로 이격된 다수의 제2 자성층(200)이 형성됨이 보다 바람직하다. 다수의 제2 자성층을 형성시킨 경우가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 8은 제1 자성층(100)과 다수의 제2 자성층(200)을 포함하는 제1 및 제2 구조물(S1, S2)을 제2 구조물(S2)의 제2 자성층(200)이 제1 구조물(S1)의 제2 자성층(200)들 사이의 상부에 배치되도록 적층한 형태이다. 이 경우 집적도 향상의 효과를 얻을 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시한 데이터 저장 장치에도 도 3 및 도 5에 도시한 데이터 저장 장치와 같이 데이터 기록 소자(300), 읽기 헤드(400a, 400b) 및 전류 검출기(500) 등이 더 구비될 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시한 데이터 저장 장치에서는 제1 자성층(100)이 다수의 제2 자성층(200)에 데이터를 기록하기 위한 공통적인 쓰기 수단이다. 즉, 제1 자성층(100)의 일단(E1) 및 타단(E2)에 소정의 전류를 인가하여 자구벽(W)을 원하는 위치로 이동시킴으로써, 다수의 제2 자성층(200) 중 특정한 어느 하나의 제2 자성층에 원하는 데이터를 기록할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 데이터 저장 장치에서는 쓰기 수단으로써 종래의 GMR 쓰기 헤드 또는 TMR 쓰기 헤드를 사용하지 않고, 데이터를 저장하고자 하는 제2 자성층(200)과 동일한 층에 형성된 제1 자성층(100)을 사용하며, 제1 및 제2 자성층(100, 200) 내에서 자구벽을 적절히 이동시키는 방법으로 데이터를 기록한다. 따라서, 본 발명의 데이터 저장 장치는 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 치수(dimension) 등으로 인한 제약으로부터 자유롭고, 아울러 종래의 GMR 쓰기 헤드 또는 TMR 쓰기 헤드에서의 손상된 분리층에 의한 동작 특성 의 열화 문제가 원천적으로 방지된다. 특히, 본 발명의 데이터 저장 장치에서는 제1 및 제2 자성층(100, 200)이 동일층에 함께 형성되고, 제1 자성층(100)이 공통 쓰기 수단으로 이용되기 때문에, 쓰기 수단의 제조 공정이 종래 보다 매우 용이하다.
또한, 비록 본 발명의 데이터 저장 장치의 읽기 헤드(400a, 400b)는 TMR 또는 GMR 효과를 이용한 적층 구조물이지만, 읽기 헤드(400a, 400b)의 경우 종래의 쓰기 헤드와 달리 분리층의 상하면 각각에 강자성 자유층과 강자성 고정층이 존재하므로 식각시 분리층의 표면이 손상될 우려가 없다. 그리고 만약 분리층이 손상된다 하더라도, 손상된 분리층은 읽기 동작시에는 거의 영향을 끼치지 않기 때문에 문제가 되지 않는다.
이하에서는, 부가적으로 제1 자성층(100)의 형성 방법에 대해 설명한다.
전술한 본 발명의 실시예에서는 제1 자성층(100)을 단순하게 표현하였지만, 제1 자성층(100) 내에 제1 및 제2 자구(D1, D2)을 형성하기 위해서는 제1 자성층(100)의 구조를 다소 변형하거나 또는 제1 자성층(100)의 구성 요소를 다소 다양화시킬 필요가 있다. 예컨대, 제1 자성층(100)의 일단(E1) 및 타단(E2) 중 적어도 하나는 일단(E1) 및 타단(E2)을 제외한 나머지 영역 보다 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있고, 일단(E1) 및 타단(E2)은 제1 자성층(100)의 중앙에서 멀어질수록 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 아울러, 일단(E1) 및 타단(E2)은 서로 다른 크기로 형성될 수 있다. 또한, 일단(E1) 상에 반강자성층이 더 구비되거나, 일단(E1) 및 타단(E2) 상에 서로 다른 닐 온도(Neel Temperature : 이하, TN)를 갖는 제1 및 제2 반강자성 층이 더 구비되거나, 일단(E1) 상에는 비자성층, 강자성 고정층 및 제1 반강자성층이 차례로 더 구비되고 타단(E2) 상에는 제2 반강자성층이 더 구비될 수도 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법을 단계별로 보여주는 평면도이다.
도 9a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 자성층을 형성하기 위한 기본 재료인 자성층(90a)의 일단(E1) 및 타단(E2)은 일단(E1) 및 타단(E2)을 제외한 나머지 영역 보다 큰 폭을 갖도록 형성되고, 제1 자성층(100)의 중앙에서 멀어질수록 큰 폭을 갖도록 형성된다. 그리고 타단(E2)이 일단(E1)보다 큰 크기를 갖는다. 이러한 자성층(90a)이 마련된 상태에서, 자성층(90a)에 제1 외부 자기장(F1)을 인가하여 자성층(90a) 내에 제1 방향으로 자화된 제1 자구(D1)를 만든다.
도 9b를 참조하면, 제1 외부 자기장(F1)과 반대 방향을 갖고, 제1 외부 자기장(F1)보다 작은 강도를 갖는 제2 외부 자기장(F2)을 자성층(90a)에 인가하여, 타단(E2) 내에 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 자화된 제2 자구(D2)를 만든다. 제1 및 제2 자구(D1, D2) 사이에는 자구벽(W)이 존재한다. 이에, 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 포함하는 제1 자성층(100a)이 형성된다. 이때, 타단(E) 내에만 제2 자구(D2)가 만들어지는 이유는 타단(E2)이 일단(E1)보다 커서 타단(E2)에서의 자화 반전이 일단(E1)에서의 그것보다 용이하기 때문이다.
타단(E2)에서 일단(E1) 방향으로 자구벽(W)을 이동시킬 때, 자구벽(W)의 이동 거리는 제1 자성층(100a)에 인가하는 전류의 크기에 의해 조절될 수 있는데, 자구벽(W)은 일단(E1) 내부로 침투되지 않는다. 이것은 일단(E1)이 상기 나머지 영역 보다 크고, 제1 자성층(100a)의 중앙에서 멀어질수록 큰 폭을 갖도록 형성되어 있어서, 일단(E1) 내에서의 전류 밀도가 낮아지기 때문이다. 동일한 이유로, 일단(E1)에서 타단(E2) 방향으로 자구벽(W)을 이동시킬 때, 타단(E2)으로의 자구벽(W) 침투가 방지된다. 그러므로, 제1 및 제2 자구(D1, D2)의 소멸은 방지된다.
상기 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 자성층(100a)의 형성 방법에서는, 일단(E1) 및 타단(E2)의 형상만 조절할 뿐 부가적인 층이 요구되지 않으므로, 제1 및 제2 자성층(100a, 200)은 단일 박막 공정으로 형성할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 10a를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 자성층을 형성하기 위한 기본 재료인 자성층(90b)의 일단(E1) 상에 반강자성층(96)이 구비된다. 자성층(90b) 및 반강자성층(96)을 반강자성층(96)의 TN 이상으로 가열한 상태에서, 자성층(90b)에 제1 외부 자기장(F1)을 인가하여, 자성층(90b) 내부에 제1 방향을 갖는 제1 자구(D1)를 만든다. 이때, 반강자성층(96) 하부, 즉, 일단(E1)의 자화 방향은 반강자성층(96)에 의해 고정된 상태이다.
도 10b를 참조하면, 자성층(90b) 및 반강자성층(96)을 냉각시키고, 제1 외부 자기장(F1)과 반대 방향인 제2 외부 자기장(F2)을 자성층(90b)에 인가한다. 이에, 자성층(90b)의 일단(E1)을 제외한 부분 내에 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 자화된 제2 자구(D2)가 만들어진다. 제1 및 제2 자구(D1, D2) 사이에는 자구벽(W) 이 존재하고, 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 포함하는 제1 자성층(100b)이 형성된다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 11a를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 자성층을 형성하기 위한 기본 재료인 자성층(90c)의 일단(E1) 및 타단(E2) 상에 서로 다른 TN을 갖는 제1 및 제2 반강자성층(96a, 96b)이 구비된다. 예컨대, 제1 반강자성층(96a)의 TN은 300℃이고, 제2 반강자성층(96b)의 TN은 200℃일 수 있다. 먼저, 자성층(90c)과 제1 및 제2 반강자성층(96a, 96b)을 300℃ 이상으로 가열한 상태에서, 자성층(90c)에 제1 외부 자기장(F1)을 인가하여 자성층(90c) 내부에 제1 방향을 갖는 제1 자구(D1)를 만든다.
도 11b를 참조하면, 자성층(90b)과 제1 및 제2 반강자성층(96a, 96b)의 온도가 200∼300℃가 되도록 조절한 상태에서, 제1 외부 자기장(F1)과 반대 방향인 제2 외부 자기장(F2)을 자성층(90c)에 인가한다. 이에, 자성층(90c)의 일단(E1)을 제외한 부분 내에 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 자화된 제2 자구(D2)가 만들어진다. 제1 및 제2 자구(D1, D2) 사이에는 자구벽(W)이 존재한다. 이때, 제1 반강자성층(96a) 아래의 일단(E1)의 자화 방향이 바뀌지 않는 이유는 가열 온도가 300℃를 넘지 않았기 때문이고, 제2 반강자성층(96b) 아래의 타단(E2)의 자화 방향이 바뀐 이유는 가열 온도가 200℃를 넘었기 때문이다. 이에, 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 포함하는 제1 자성층(100c)이 형성된다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법을 보여주는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 제1 자성층을 형성하기 위한 기본 재료인 자성층(90d)의 일단(E1) 상에는 비자성층(92), 강자성 고정층(94) 및 제1 반강자성층(96a)이 차례로 구비되고, 타단(E2) 상에는 제2 반강자성층(96b)이 구비된다. 제1 및 제2 반강자성층(96a, 96b)의 TN은 같을 수 있다. 먼저, 자성층(90d)과 제1 및 제2 반강자성층(96a, 96b) 등을 TN 이상의 온도로 가열한 상태에서, 자성층(90d)에 제2 외부 자기장(F2)을 인가하여 자성층(90d)에서 일단(E1)을 제외한 부분 내에 제2 방향을 갖는 제2 자구(D2)를 만든다. 이때, 제1 반강자성층(96a) 아래의 강자성 고정층(94)의 자화 방향은 상기 제2 방향으로 고정되고, 일단(E1)의 자화 방향은 상기 제2 방향과 반대인 제1 방향으로 고정된다. 즉, 일단(E1) 내에는 상기 제1 방향으로 자화된 제1 자구(D1)가 만들어진다. 이에, 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 포함하는 제1 자성층(100d)이 형성된다.
상기 본 발명의 제2 내지 제4 실시예에 따른 제1 자성층의 형성 방법에서는, 상기 제1 자성층의 양단 혹은 일단에 부가적인 층을 형성해주어야 하지만, 상기 부가적인 층들은 상기 제1 자성층의 특정 자화 방향의 고정에만 관여할 뿐 쓰기 동작 특성을 열화시키지는 않는다. 또한, 상기 제1 자성층은 공통 쓰기 수단으로 사용되고, 상기 부가적인 층은 상기 제1 자성층의 양단 혹은 일단에만 형성되므로, 상기 부가적인 층으로 인한 공정적인 부담은 크지 않다.
이상의 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 데어터 저장 장치의 구성 요소가 보다 다양화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 특히, 본 발명의 데어터 저장 장치의 읽기 헤드는 다양한 형태의 CPP(curren perpendicular to plane)-TMR, CPP-GMR 및 CIP(current in plane)-GMR 구조를 가질 수 있고, 그 밖의 다른 형태를 가질 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 전술한 실시예는 제1 및 제2 자성층(100, 200)이 수직 자기 이방성을 갖는 경우에 대한 것이지만, 본 발명은 제1 및 제2 자성층(100, 200)이 수직 자기 이방성을 갖는 경우에도 동일하게 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 데이터 저장 장치에서는 쓰기 수단으로써 데이터를 저장하고자 하는 제2 자성층(200)과 동일한 층에 형성된 제1 자성층(100)을 사용하며, 제1 및 제2 자성층(100, 200) 내에서 자구벽을 적절히 이동시키는 방법으로 데이터를 기록한다. 따라서, 본 발명의 데이터 저장 장치는 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 치수(dimension) 등으로 인한 제약으로부터 자유롭고, 아울러 종래의 GMR 쓰기 헤드 또는 TMR 쓰기 헤드에서의 손상된 분리층에 의한 동작 특성의 열화 문제가 원천적으로 방지된다.
또한, 본 발명의 데이터 저장 장치에서는 제1 및 제2 자성층(100, 200)이 동일층에 함께 형성되고, 제1 자성층(100)이 공통 쓰기 수단으로 이용되기 때문에, 쓰기 수단의 제조 공정이 종래 보다 매우 용이하고, 쓰기 수단과 연결되도록 형성되는 콘택 플러그 및 소자의 개수가 종래 보다 감소한다. 그러므로, 본 발명의 데이터 저장 장치는 종래의 데이터 저장 장치에 비해 고집적화 및 대용량화에 유리하다.

Claims (22)

  1. 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층; 및
    상기 제1 자성층의 적어도 일측면에 접촉된 데이터 저장용 제2 자성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자성층의 양단 및 상기 제1 자성층과 인접하지 않는 상기 제2 자성층의 일단에 연결된 데이터 기록 소자;
    상기 제2 자성층의 일단으로부터 소정 거리에 형성된 읽기 헤드; 및
    상기 읽기 헤드 및 상기 데이터 기록 소자와 연결된 전류 검출기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 읽기 헤드는 상기 제2 자성층 하면에 차례로 형성된 절연층, 전극층, 강자성 자유층, 분리층 및 강자성 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전극층과 상기 강자성 고정층은 상기 전류 검출기와 연결된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 읽기 헤드는 상기 제2 자성층 하면에 차례로 형성된 강자성 자유층, 분리층 및 강자성 고정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 강자성 고정층과 상기 제2 자성층의 일단은 상기 전류 검출기와 연결된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 자성층의 일단과 상기 전류 검출기 사이 및 상기 제2 자성층의 일단과 상기 데이터 기록 소자 사이 각각에 스위칭 소자가 구비된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 데이터 기록 소자는 전류 조절 소자인 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 데이터 기록 소자는 전압 조절 소자인 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 자성층은 복수이고, 등간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자성층은 복수이고 적층 구조로 형성되며, 상기 제1 자성층 각각에 복수의 상기 제2 자성층이 구비되는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성층은 동일한 재질인 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자성층의 일단 및 타단 중 적어도 하나는 상기 제1 자성층의 중앙에서 멀어질수록 큰 폭을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자성층의 일단 및 타단 중 적어도 하나는 상기 제1 자성층의 일단 및 타단을 제외한 나머지 영역보다 큰 폭을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  15. 제 13 항 및 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 자성층의 일단 및 타단은 서로 다른 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자성층의 일단 상에 반강자성층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자성층의 일단 및 타단 상에 서로 다른 닐 온도(Neel Temperature : TN)를 갖는 제1 및 제2 반강자성층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자성층의 일단 상에 비자성층, 강자성 고정층 및 제1 반강자성층이 차례로 더 구비되고, 상기 제1 자성층의 타단 상에 제2 반강자성층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치.
  19. 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층이 마련된 상태에서, 상기 자구 중 어느 하나를 상기 제2 자성층과 인접한 상기 제1 자성층 부분까지 확장시키는 제1 단계; 및
    상기 제2 자성층과 인접한 상기 제1 자성층 부분의 자구를 상기 제2 자성층으로 1 비트 만큼 이동시키는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제1 단계는 상기 제1 자성층의 양단 사이에 전류를 흘려줌으로써 수행하고, 상기 제2 단계는 상기 제2 자성층에서 상기 제1 자성층으로 전류를 흘려줌으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방 법.
  21. 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층의 양단 및 상기 제1 자성층과 인접하지 않는 상기 제2 자성층의 일단에 연결된 데이터 기록 소자와, 상기 제2 자성층의 일단으로부터 소정 거리에 형성된 읽기 헤드와, 상기 읽기 헤드 및 상기 데이터 기록 소자와 연결된 전류 검출기가 마련된 상태에서, 상기 읽기 헤드 및 상기 전류 검출기를 사용해서 상기 제2 자성층의 일단에 기록된 데이터를 읽는 제1 단계; 및
    상기 데이터 기록 소자를 사용해서 상기 제1 단계에서 읽은 데이터를 상기 제2 자성층의 타단에 기록하는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 제2 단계는
    상기 자구 중 어느 하나를 상기 제2 자성층과 인접한 상기 제1 자성층 부분까지 확장시키는 단계; 및
    상기 제2 자성층과 인접한 상기 제1 자성층 부분의 자구를 상기 제2 자성층으로 1 비트 만큼 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법.
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US11/764,432 US7952905B2 (en) 2006-11-06 2007-06-18 Data storage device using magnetic domain wall movement and method of operating the same
EP07114970A EP1918936B1 (en) 2006-11-06 2007-08-24 Data storage device using magnetic domain wall movement and method of operating the same
CN2007101478716A CN101178929B (zh) 2006-11-06 2007-08-31 利用磁畴壁移动的数据存储装置及其操作方法
JP2007255886A JP5154184B2 (ja) 2006-11-06 2007-09-28 磁区壁移動を利用したデータ保存装置及びその動作方法

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101488832B1 (ko) * 2008-12-01 2015-02-06 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치 및 그의 동작방법
KR101844128B1 (ko) 2016-01-29 2018-04-02 서울대학교산학협력단 스핀궤도 토크 변조에 의한 자구벽 이동 소자
KR20220014971A (ko) 2020-07-30 2022-02-08 한국과학기술연구원 스핀 싱커를 포함하는 자기 소자

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100829576B1 (ko) * 2006-11-06 2008-05-14 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법
KR100837411B1 (ko) * 2006-12-06 2008-06-12 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법
JP5445133B2 (ja) * 2007-09-19 2014-03-19 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ、その書き込み方法、及び磁気抵抗効果素子
KR101438147B1 (ko) * 2008-01-16 2014-09-17 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치와 그의 동작 및제조방법
KR101466237B1 (ko) * 2008-07-14 2014-12-01 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치 및 그 동작방법
JP4640489B2 (ja) * 2008-10-20 2011-03-02 ソニー株式会社 情報記憶素子、及び、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法
GB2465369B (en) * 2008-11-13 2011-01-12 Ingenia Holdings Magnetic data storage device and method
US8559214B2 (en) * 2008-12-25 2013-10-15 Nec Corporation Magnetic memory device and magnetic random access memory
JP5459227B2 (ja) 2008-12-25 2014-04-02 日本電気株式会社 磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
US7551469B1 (en) * 2009-01-05 2009-06-23 Internationa Business Machines Corporation Unidirectional racetrack memory device
KR101535461B1 (ko) 2009-01-06 2015-07-10 삼성전자주식회사 자성구조체를 포함하는 정보저장장치와 그의 제조 및 동작방법
US8406029B2 (en) 2009-02-17 2013-03-26 Samsung Electronics Co., Ltd. Identification of data positions in magnetic packet memory storage devices, memory systems including such devices, and methods of controlling such devices
US8050074B2 (en) * 2009-02-17 2011-11-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic packet memory storage devices, memory systems including such devices, and methods of controlling such devices
US8279667B2 (en) * 2009-05-08 2012-10-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Integrated circuit memory systems and program methods thereof including a magnetic track memory array using magnetic domain wall movement
TWI424433B (zh) * 2009-06-23 2014-01-21 Ind Tech Res Inst 磁性移位暫存記憶體與讀取方法
US8164940B2 (en) * 2009-12-15 2012-04-24 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands, B.V. Read/write structures for a three dimensional memory
US9123878B2 (en) 2013-09-09 2015-09-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic memory device utilizing magnetic domain wall motion
JP6204769B2 (ja) 2013-09-18 2017-09-27 東芝メモリ株式会社 磁気記憶装置及びその駆動方法
JP6104774B2 (ja) 2013-09-19 2017-03-29 株式会社東芝 磁壁移動型メモリおよびその書き込み方法
JP6220292B2 (ja) * 2014-03-11 2017-10-25 株式会社東芝 磁気メモリ、磁気メモリの再生方法、および磁気メモリの記録方法
CN105096963B (zh) * 2014-04-25 2018-06-26 华为技术有限公司 写装置及磁性存储器
JP6271370B2 (ja) * 2014-08-25 2018-01-31 株式会社東芝 磁気メモリ、磁気メモリ装置、及び磁気メモリの製造方法
JP6193190B2 (ja) * 2014-08-25 2017-09-06 株式会社東芝 磁気記憶素子および磁気メモリ
JP6523666B2 (ja) * 2014-12-02 2019-06-05 東芝メモリ株式会社 磁気記憶素子および磁気メモリ
JP6545493B2 (ja) 2015-03-19 2019-07-17 東芝メモリ株式会社 磁気メモリ素子および磁気メモリ
JP2018157019A (ja) 2017-03-16 2018-10-04 東芝メモリ株式会社 磁気記憶装置
JP2019057545A (ja) * 2017-09-19 2019-04-11 東芝メモリ株式会社 磁気記憶装置
US11610940B2 (en) 2019-08-09 2023-03-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory devices having a first magnetic pattern and multiple second magnetic patterns thereon
KR20210021225A (ko) 2019-08-16 2021-02-25 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060120132A1 (en) * 2004-12-04 2006-06-08 International Business Machines Corporation System and method for transferring data to and from a magnetic shift register with a shiftable data column

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6834005B1 (en) * 2003-06-10 2004-12-21 International Business Machines Corporation Shiftable magnetic shift register and method of using the same
US6970379B2 (en) * 2003-10-14 2005-11-29 International Business Machines Corporation System and method for storing data in an unpatterned, continuous magnetic layer
US6955926B2 (en) * 2004-02-25 2005-10-18 International Business Machines Corporation Method of fabricating data tracks for use in a magnetic shift register memory device
US7450327B2 (en) * 2004-09-30 2008-11-11 Intematix Corporation Coherent spin valve and related devices
JP2006237183A (ja) * 2005-02-24 2006-09-07 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスにおいて用いるデータ・トラックの製造方法
JP2006303159A (ja) * 2005-04-20 2006-11-02 Fuji Electric Holdings Co Ltd スピン注入磁区移動素子およびこれを用いた装置
US7416905B2 (en) * 2005-10-17 2008-08-26 International Busniess Machines Corporation Method of fabricating a magnetic shift register
KR100813270B1 (ko) * 2006-09-29 2008-03-13 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법
KR100829576B1 (ko) * 2006-11-06 2008-05-14 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법
KR100785033B1 (ko) * 2006-12-06 2007-12-12 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법
KR100837411B1 (ko) * 2006-12-06 2008-06-12 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법
KR101435516B1 (ko) * 2008-02-14 2014-08-29 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치 및 그 동작방법
US8050074B2 (en) * 2009-02-17 2011-11-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic packet memory storage devices, memory systems including such devices, and methods of controlling such devices
US8406029B2 (en) * 2009-02-17 2013-03-26 Samsung Electronics Co., Ltd. Identification of data positions in magnetic packet memory storage devices, memory systems including such devices, and methods of controlling such devices

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060120132A1 (en) * 2004-12-04 2006-06-08 International Business Machines Corporation System and method for transferring data to and from a magnetic shift register with a shiftable data column

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101488832B1 (ko) * 2008-12-01 2015-02-06 삼성전자주식회사 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치 및 그의 동작방법
KR101844128B1 (ko) 2016-01-29 2018-04-02 서울대학교산학협력단 스핀궤도 토크 변조에 의한 자구벽 이동 소자
KR20220014971A (ko) 2020-07-30 2022-02-08 한국과학기술연구원 스핀 싱커를 포함하는 자기 소자

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