KR101023498B1

KR101023498B1 - 레이스트랙 메모리 제조방법

Info

Publication number: KR101023498B1
Application number: KR1020090072411A
Authority: KR
Inventors: 김기범; 김현미; 위정섭
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2011-03-21
Also published as: KR20110014845A

Abstract

본 발명은 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치를 이용함으로써, 노치(notch)가 규칙적으로 형성된 마그네틱 나노선(magnetic nanowire)을 용이하게 형성할 수 있는 레이스트랙 메모리(racetrack memory)의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 레이스트랙 메모리 제조방법은 격자이미지가 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 나노선 패턴인 대상물질을 챔버에 위치시킨 후, 대상물질에 전자빔을 조사한다. 그리고 자성물질과 전자빔 레지스트가 순차적으로 적층되어 있는 기판에 대상물질을 통과한 전자빔을 조사한 후, 현상 및 식각하여 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 마그네틱 나노선을 형성한다.

Description

레이스트랙 메모리 제조방법{Method of manufacturing racetrack memory}

본 발명은 레이스트랙 메모리를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치를 이용하여 레이스트랙 메모리를 제조하는 방법에 관한 것이다.

정보 산업이 발달함에 따라 대용량의 정보 처리가 요구되며, 고용량의 정보를 저장할 수 있는 정보 저장매체에 관한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 일반적으로 정보 저장매체로 널리 사용되는 HDD는 읽기/쓰기 헤드와 정보가 기록되는 회전하는 매체를 포함하고 있으며, 100 GB 이상의 고용량 정보가 저장될 수 있다. 그러나 HDD와 같이 회전하는 부분을 갖는 저장장치는 마모되는 경향이 있고, 동작시 오류가 발생할 가능성이 크기 때문에 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

최근에는 자성 물질의 자구벽(magnetic domain wall) 이동 원리를 이용하는 새로운 데이터 저장 장치에 관한 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 일반적으로 자성체를 구성하는 자기적인 미소 영역을 자구(magnetic domain)라 한다. 하나의 자구 내에서는 전자의 자전, 즉 자기 모멘트의 방향이 동일한 특징을 지니고 있다. 자구의 크기 및 자화 방향은 자성 재료의 모양, 크기 및 외부의 에너지에 의해 적 절히 제어될 수 있다. 자구벽은 서로 다른 자화 방향을 갖는 자구들의 경계 부분을 나타내는 것이다. 자구벽은 자성 재료에 인가되는 자기장 또는 전류에 의해 이동될 수 있는 특징이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 자구벽 이동 원리를 나타낸 도면이다. 도 1a를 참조하면 제1자구(11), 제2자구(12) 및 제1자구(11)와 제2자구(12)의 경계인 자구벽(13)을 포함하는 자성층이 개시되어 있다.

도 1b를 참조하면, 제2자구(12)에서 제1자구(11) 방향으로 외부에서 자장을 가하면 자구벽(13)은 제2자구(12)에서 제1자구(11) 방향, 즉 외부 자장의 인가 방향과 동일한 방향으로 이동한다. 동일한 원리로 제1자구(11)에서 제2자구(12) 방향으로 자장을 인가하는 경우 자구벽(13)은 제1자구(11)에서 제2자구(12) 방향으로 이동한다.

도 1c를 참조하면, 제1자구(11)에서 제2자구(12) 방향으로 외부에서 전류를 인가하면 자구벽(13)은 제2자구(12)에서 제1자구(11) 방향으로 이동한다. 전류를 인가하는 경우, 전자는 반대 방향으로 흐르게 되며 자구벽(13)은 전자의 이동 방향으로 함께 이동한다. 결과적으로 자구벽은 외부 전류의 인가 방향과 반대 방향으로 이동함을 알 수 있다. 동일한 원리로 제2자구(11)에서 제1자구(12) 방향으로 전류를 인가하는 경우 자구벽(13)은 제1자구(11)에서 제2자구(12) 방향으로 이동한다.

자구벽 이동 원리는 HDD나 비휘발성 RAM과 같은 정보 저장 장치에 적용될 수 있다. 즉, 특정 방향으로 자화된 자구들 및 그들의 경계인 자구벽을 갖는 자성 물질에서 자구벽이 이동됨에 따라 자성 물질 내의 전압이 변화되는 원리를 이용하여 '0' 또는 '1'의 데이터를 쓰고 읽을 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 구현할 수 있다. 이 경우, 라인 형태의 자성 물질 내에 특정 전류를 흘려주어 자구벽의 위치를 변화시키면서 데이터를 쓰고 읽을 수 있기 때문에, 매우 간단한 구조를 갖는 고집적 소자 구현이 가능하다. 이러한 형태의 비휘발성 메모리 소자는 마치 자동차 경주로처럼, 자성물질이 연결된 순서대로 데이터를 저장한다고 하여 레이스트랙 메모리(racetrack memory)라고 한다.

레이스트랙 메모리를 구현하기 위해서는 자구벽의 비트 단위 이동의 안정성을 확보해야 하는데, 이를 위해 도 2에 도시된 바와 같이 마그네틱 나노선(magnetic nanowire)(100)에 노치(notch)와 같은 기하학적인 피닝지점(pinning site)(110)을 규칙적으로 형성해야 한다. 따라서 마그네틱 나노선(100)에 노치와 같은 기하학적인 피닝지점(110)을 규칙적으로 패터닝하는 기술이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 마그네틱 나노선을 용이하게 형성하는 방법을 포함하는 레이스트랙 메모리 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 레이스트랙 메모리(racetrack memory) 제조방법은, 챔버에 위치한 결정구조를 갖는 대상물질에 전자빔을 조사시킴으로써, 상기 대상물질을 통과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭에 의해 형성된 격자이미지로부터 패턴을 형성하는 패턴 형성장치를 이용하여 레이스트랙 메모리(racetrack memory)를 제조하는 방법으로, 상기 격자이미지가 노치(notch)가 규칙적으로 형성되어 있는 나노선(nanowire) 패턴인 대상물질을 상기 챔버에 위치시키는 단계; 상기 대상물질에 전자빔을 조사하는 단계; 자성물질과 전자빔 레지스트가 순차적으로 적층되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 전자빔에 노출시키는 단계; 상기 대상물질을 통과한 전자빔에 노출된 전자빔 레지스트를 현상하여, 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 전자빔 레지스트 나노선 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 전자빔 레지스트 나노선 패턴을 이용하여 상기 자성물질을 식각함으로써, 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 마그네틱 나노선(magnetic nanowire)을 형성하는 단계;를 갖는다.

본 발명에 따른 레이스트랙 메모리 제조방법에 있어서, 상기 대상물질은 상 기 대상물질은 결정질 Si₃N₄이고, 상기 결정질 Si₃N₄의 (124)면이 전자빔이 조사되는 방향으로 위치할 수 있다.

본 발명에 따르면, 레이스트랙 메모리를 제조함에 있어 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치를 이용함으로써 노치가 규칙적으로 형성된 마그네틱 나노선을 용이하게 형성할 수 있다.

본 발명은 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치를 이용하여 레이스트랙 메모리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명에 이용되는 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치에 대해서 설명한다.

우선, 본 발명에 이용되는 패턴 형성장치의 이해를 돕기 위하여 일반 재료의 결정 격자 구조와 그 다양한 모식도에 대하여 설명한다.

지구상에 존재하는 거의 모든 물질은 원자와 이들 몇 원자들의 조합인 분자에 의하여 구성되어 있음은 주지의 사실이며, 특히 고상(solid)을 이루고 있는 물질은 "원자, 이온 또는 분자가 주기적으로 배열되어 있는 상태" 즉 결정질 (crystalline)과 이러한 원자들의 무질서한 결합에 의하여 이루어진 비정질(amorphous)로 구분하여 볼 수 있다. 이러한 원자들의 규칙적인 배열에 대한 연구는 1912년 Max von Laue가 X-선 회절을 발견함으로써 시작되었다. 뒤이어 1913년 Bragg 부자가 다이아몬드, 소금들의 간단한 결정 구조를 X-선에 의하여 해석하였고 뒤이어 1920년 Ewald가 역격자 이론을 발표하였다. 현재까지 지구상에 존재하는 10만개 이상의 유기 및 무기화학물의 결정 구조(원자들의 주기적 배열)가 밝혀졌다.

어느 한 점을 일정한 방향으로 특정한 거리 a 만큼 평행 이동하면 두번째 점이 되고 이를 다시 같은 방향으로 같은 거리 만큼 이동하면 세 번째 점이 생긴다. 이와 같이 한 점을 되풀이하여 평행 이동시키면 도 3a에 도시된 바와 같은 점열이 생기게 된다. 여기에서 한점을 일정한 방향으로 특정한 거리만큼 이동하는 동작의 중복에 의하여 생기는 점열을 격자선이라 한다. 이때, 일정한 방향으로 특정한 거리만큼 이동하는 동작을 병진(translation)이라 하며 이를 벡터를 사용하여 a로 표시할 수 있다. 여기서 특정한 거리 즉, 벡터의 절대치 a를 주기 또는 단위 주기라 한다. 이 점열에서 각점들은 서로 같으며 한점을 원점으로 잡으면 다른 점들은 원점으로부터의 위치벡터로써 표시할 수 있다.

즉, r = ma

여기서 m은 -∞로부터 +∞까지의 정수이다.

이 점열을 다른 방향으로 병진시키면 도 3b에 도시된 바와 같이 점망면이 생기고, 이 점망면을 격자면(lattice plane)이라 한다. 격자면을 다시 이면에 평행하지 않은 제3의 방향으로의 병진 c에 의하여 평행 이동시키면 3차원의 점망이 형성되고 이를 공간 격자라 한다. 공간 격자에서 각 격자점은 어느 한 원점으로부터 위치 벡터 r 에 의하여 정의되고

r = ma + nb + pc

로 표시된다. 여기에서 m, n, p는 -∞로부터 +∞ 사이의 정수이다. 즉 공간 격자는 도 3c에 도시된 바와 같이 무한한 공간상에 무한히 펼쳐져 있다.

결정이 거시적으로 균일하다고 하는 것은 결정내의 어느 부분의 성질이 이 부분으로부터 임의의 거리만큼 떨어져 있는 부분과 같기 때문이다. 도 4는 임의의 가상적인 결정 구조를 나타낸 것이며, 여기서 보는 바와 같이 결정내의 임의의 점 P는 원점으로부터의 위치벡터로 정의되고 이 벡터를 L이라 하고, 이 결정을 이루고 있는 격자의 단위 병진 벡터를 a, b, c라고 하면

L = Xa + Yb + Zc

= (m+x)a + (n+y)b + (p+z)c = (ma+nb+pc) + (xa+yb+zc)

= r_l + r

로 표시되며 여기서 X, Y, Z는 실수이고 x, y, z는 0에서 1까지의 소수이다.즉 공간상의 임의의 점은 결정 격자를 나타내는 r_l 과 격자내의 위치 벡터를 나타내는 r로써 표현된다. 여기에서 3개의 병진 벡터에 의하여 정의되는 단위 격자를 단위 셀(unit cell)이라고 할 수 있다.

여기에서 결정 내의 임의의 점을 원점 (0,0,0)으로 정하면 이 점으로부터 엮어지는 격자에서 모든 원점과 동일한 점 즉, 격자점은 서로 그들이 갖고 있는 성질이 같다. 다시 말해서 결정내의 어느 점을 원점으로 정하더라도 이 점의 병진에 의하여 생겼다고 볼 수 있는 각 격자점들은 서로 같으며, 여기서 같다고 하는 것은 이 점을 둘러싼 주위 환경의 기하학적 형태나, 이 점 부근에 위치한 원자들의 종류 등의 화학적인 성질이나 전자 밀도, 전위차등과 같은 물리적인 모든 성질이 같다는 것을 의미한다. 즉 격자점들은 서로 모든 기하학적, 화학적, 물리적 성질이 동일하다.

단위 셀을 결정하는 세 개의 벡터, 즉 a, b, c의 상호 관계에 의하여 모든 결정질은 아래에 서술한 7개의 결정축계중 하나에 속하게 된다. 아래의 표 1은 세 축을 정의하는 격자 상수(lattice parameter)의 관계를 나타낸다.

또한 모든 결정질은 도 5에 도시된 바와 같은 14개의 bravais 격자 중 하나를 갖는다. 이것은 단위 셀 내에 하나의 격자점을 갖는 단순 셀(P:primitive cell), 한 면의 중심에 하나의 격자점이 있는 단위 셀을 갖는 저심격자(A, B 또는 C), 각 면의 중심에 격자점을 갖는 면심격자(F), 그리고 단위 셀의 중심에 하나의 격자점을 갖는 체심격자(I)와 같은 단위 셀내의 격자점의 수에 따라 분류된다.

현재까지 알려져 있는 10 만개가 넘는 유기 및 무기 화학물의 결정 구조는 위에 열거한 7개의 결정축계, 그리고 14개의 Bravais 공간 격자의 하나로 구분되며, 실제로 구성되는 결정 구조는 위에 정의된 14개의 Bravais 공간 격자를 표시하는 격자점에 한 개 또는 한 개 이상의 동일한 또는 서로 다른 원자들의 배열에 의하여 이루어진다.

다음으로 이러한 결정 구조의 몇 가지 예를 들고, 이러한 결정 구조를 어떤 특정한 결정 방향으로 투사했을 때 나타나는 원자들의 배열에 의한 형태를 설명한다.

일례를 들면, Al은 입방(cubic) 결정축계(a=b=c)에 해당되며 Bravais 격자의 면심 셀이므로, 하나의 단위 셀내에 4개의 격자점을 갖는다. Al의 결정 구조는 이 격자점에 하나의 Al 원자를 배열함으로써 이루어지며, 이때 격자 상수 a=b=c=0.404 nm 이다. 따라서 Al의 단위 셀의 구조를 그려보면 도 6a와 같다. 이러한 Al을 [100], [110] 그리고 [111]방향으로 투과하여 원자들의 배열이 나타내는 패턴을 보면 도 6b, 도 6c, 그리고 도 6d와 같다.

또 하나의 예는 다이아몬드 결정 구조를 갖는 Si의 경우이다. Si은 입방정계(cubic)의 결정축계를 갖으며 Al과 마찬가지로 면심 격자에 해당하는 Bravais 공간격자를 갖는다(face centered cubic). 따라서, 하나의 단위 셀 내에 4개의 격자점을 갖게 되는 데, 단순한 면심 입방정계와는 달리 하나의 격자점에 두개의 Si원자가 배열되어있다(격자 상수 a=b=c=0.543 nm). 따라서, 하나의 단위 셀 내에 8개의 원자가 배열되어 있다. 도 7a는 이러한 Si의 단위 셀을 보여준다. 또한 도 7b, 도 7c, 도 7d는 위와 같은 방법으로 Si 결정 격자를 [100], [110], [111] 방향으로 투과하여 보았을 때의 Si 원자에 의하여 나타나는 2차원의 패턴(pattern)를 보여 준다. 도 7e는 도 7b를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시켰을 때의 형상이다. 도 7c에서 보이는 이미지가 마치 여러 개의 선(line)과 같은 형상을 이루고 있음을 볼 수 있다. 이는 Si 단결정을 가공하기에 따라서는 나노선(nanowire) 형태로도 충분히 응용이 가능함을 보여주는 예라고 할 수 있다.

또 하나의 예는 GaAs의 결정 구조이다. GaAs는 Al, 그리고 Si과 마찬가지로 입방정계의 결정축계를 갖으며 역시 Al, Si과 마찬가지로 면심격자에 해당하는 Bravais 공간 격자를 갖는다. 그러나 단순입방 격자를 갖는 Al, Si과는 달리, 하나의 격자점에 하나의 Ga과 하나의 As원자가 배열되어 있는 결정 구조이다(격자상수 a=b=c=0.565nm). 이러한 GaAs 결정 구조의 단위 셀을 도 8a에 도시하였고, 역시 같은 방법으로 GaAs의 결정 구조를 [100], [110], 그리고 [111] 방향에서 투과하여 보았을 때 나타나는 2차원의 패턴을 도 8b, 도 8c, 도 8d에 각각 도시하였다. 도 8e는 도 7e와 마찬가지로 도 8c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시켰을 때의 형상이다. Si과 마찬가지로, GaAs 단결정 역시 나노선 형태로도 충분히 응용이 가능함을 보여주는 예이다.

앞에서 설명한 Al, Si, 그리고 GaAs는 결정 구조에 있어서 원자들의 배열이 나타내는 몇가지의 예에 불과하며, 알려진 10 만개 이상의 결정 구조를 특정한 결정 방향에 따라 2차원상에 투과하여 그 원자들이 나타내는 패턴을 보면 매우 다양한 패턴이 나타날 수 있음을 예시하는 일부분에 지나지 않는다. 물론 이러한 패턴들은 결정 방향 및 결정 구조에 따라 다르게 된다.

위에서 설명한 결정질에 있어서의 원자들의 배열은 고분해능 투과 전자현미경의 위상 콘트라스트(phase constrast) 영상법을 사용하여 관찰할 수 있다. 지금까지의 전자현미경의 발달에 의하여 200 내지 300kV의 가속 전압에서 0.14 nm 내지는 0.20 nm의 영역에서 원자들의 배열 상태를 관찰하는 것이 가능하다. 위상 콘트라스트 영상법은 결정질 시료에 의하여 발생하는 한 개 이상의 회절빔과 투과빔 사이의 경로차를 이용하여 영상을 얻는 방법으로 전자현미경을 이용하여 영상을 얻는 여타의 방법(예를 들면 회절 콘트라스트나 흡수 콘트라스트)에 비하여 월등한 분해능을 얻을 수 있다.

도 9는 시료에 의하여 회절된 전자 빔들과 투과 빔을 영상면에서 재결합하여 이들의 위상차에 의한 간섭 무늬가 생기는 모식도이다.

전자빔(210)이 투과하도록 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는대상물질(220)은 챔버에 놓여진다. 전자빔(210)은 수십 나노미터 두께로 가공된 결정구조를 갖는 대상물질(220)에 의해 투과전자빔과 회절전자빔으로 나뉘어진다. 결정구조를 갖는 대상물질(220)을 투과하면서 나뉘어진 투과전자빔과 회절전자빔은 대물렌즈(230) 및 대물렌즈 어퍼추어(240)를 통과한 다음, 서로 간섭하여 공간상에 결정구조를 갖는 물질의 격자이미지를 형성한다. 본 발명에서 이미지 평면은 대상물질(220)을 투과하면서 나뉘어진 투과전자빔과 회절전자빔이 간섭하여 결정구조를 갖는 물질의 격자이미지가 형성되는 공간상의 평면을 의미한다. 이미지 평면(250)에 형성된 상을 중간렌즈로 확대하거나 축소하여 또는 그대로 사용하여 패턴을 형성한다.

여기에서 형성된 간섭 무늬의 간격은 결과적으로 시료 내에 존재하는 회절 격자, 즉 원자면 간격에 비례하게 되어, 이 간섭 무늬를 이용하면 원자면에 있어서 원자들의 배열을 관찰할 수 있게 된다. 실제의 고분해능 전자현미경의 사용에 있어서는 대물렌즈에 의하여 형성된 일차 간섭 무늬를 대물렌즈의 후방에 있는 몇 개의 렌즈를 통하여 점차적으로 확대(최종 배율은 수십만 배에 해당)를 하여 우리가 직접적으로 관찰을 할 수 있게 된다. 일반적으로 사용되는 대물 렌즈의 배율은 수십 배에서 수백 배에 이르게 되어, 일례로 0.3 nm의 간격을 갖는 원자들의 배열은 일차 영상면에서 대물렌즈의 배율을 100 배로 가정하였을 때 30 nm의 간격을 갖는 간섭 무늬로써 나타나게 된다. 이렇게 생성된 간섭 무늬를 또 몇 개의 후방 렌즈를 사용하여 확대 또는 축소를 하면 수 nm에서 수십 nm의 원자 영상 또는 원자선의 영상을 얻게 된다.

본 발명에 이용되는 패턴 형성장치는 상술한 방법을 통해 물질의 결정구조를 이용하여 패턴을 형성하게 된다. 즉 결정 구조를 갖는 대상물질을 투과 전자현미경의 챔버에 위치시키고, 전자빔을 조사하고, 대상물질을 투과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭을 이용하여 피조사 물질의 표면에 대상물질의 격자이미지를 위상 콘트라스트 영상법을 이용하여 형성함으로써, 물질의 격자이미지 패턴을 형성할 수 있다. 물질의 결정구조를 이용하여 형성되는 패턴은 사용된 물질의 결정구조의 형태에 따라 결정된다. 따라서, 물질의 결정 구조에서 각 원자들의 배치 및 각 원자들간의 거리는 최종적으로 형성된 패턴에도 비례하여 그대로 구현된다.

이때, 이미지 평면에 형성된 물질의 격자이미지를 소망하는 크기에 따라 확대하거나 축소한 다음, 기판 상에 형성된 전자빔 레지스트를 감광시킬 수 있다. 이때 전자빔 레지스트에 형성되는 이미지는 전자현미경의 챔버에 위치하는 물질의 격자이미지 중 일부일 수 있다. 여기서, 전자빔 레지스트는 HSQ(hydrogen silsesquioxane)가 이용될 수 있다.

본 발명에 이용되는 패턴 형성장치의 전자빔의 가속전압은 물질의 원자면 간격, 전자빔의 정렬, 투과 전자현미경 컬럼 내의 진공도, 전자빔을 편향시키는 전자 렌즈의 비점수자(astigmatism)의 교정 정도, 전자 총의 휘도 등에 따라 결정된다. 일반적으로 가속 전압은 100 keV ~ 1 MeV 정도의 가속 전압이 사용되는데, 3 Å 이상의 원자면 간격을 가지고 있는 물질이라면 100 keV 정도의 가속전압이, 2 Å 정도의 원자면 간격을 갖는 물질이라면 200 keV 정도의 가속전압이 요구된다.

도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 투과 전자현미경을 이용한 패턴 형성 장치를 도시한 구성도이고, 도 10b는 도 10a의 모식도이다.

도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명에 이용되는 패턴 형성 장치(300)는 투과 전자현미경(310)과, 상기 투과 전자현미경(310)에 의해 형성되는 물질의 결정 구조를 패턴화시키기 위하여 적절한 위치에 설치되는 다수의 기판(332)이 실장되는 기판 카세트(331)를 구비한 기판 이동장치(330)로 구성된다.

투과 전자현미경(310)은 대상물질을 통과하기에 충분한 고에너지로 전자빔을 가속시켜 상기 가속된 전자빔을 조사하는 전자총(311)과, 전자총(311)에서 조사된 전자빔을 집속시키는 집속장치와, 전자빔을 일정한 스포트에 집속시키는 부가적 집속장치와, 전자빔이 통과되는 대상물질을 탑재하는 탑재 수단(315)과, 대상물질을 투과하면서 나뉘어지는 투과전자빔과 회절전자빔에 의해 격자이미지를 형성하기 위한 대물렌즈(316)와, 대물렌즈(316)에 의해 형성된 격자이미지를 확대 또는 축소하기 위하여 설치되는 다수의 렌즈군(321, 322, 323) 및 렌즈군(321, 322, 323) 사이에 개재됨으로써 원하는 크기의 격자이미지를 패턴을 형성할 수 있는 기판(332)을 구비한 기판 이동장치(330)로 구성된다.

집속장치로는 콘덴서 렌즈(312)가 이용될 수 있으며, 부가적 집속장치로는 대물렌즈(objective lens)(314)가 이용될 수 있다. 다수의 렌즈군(321, 322, 323)은 패턴렌즈(pattern lens)(321), 중간렌즈(intermediate lens)(322) 및 프로젝터 렌즈(323)가 교대로 또는 순서대로 이용될 수 있다.

또한, 기판 이동장치(330)는 다수의 기판(332)이 실장된 기판 카세트(331) 상에서 렌즈군(321, 322, 323) 사이로 순차적으로 개재(장입)될 수 있다. 개재되는 기판(332) 상에는 자성물질과 전자빔 레지스트가 순차적으로 적층되어 있다.

도 10a 및 도 10b는 상대적으로 작은 패턴을 기판상에 형성하는 구성을 도시한 것으로, 대물렌즈(315)에 의하여 얻어진 상(대물렌즈에 의하여 예를 들어 20배로 확대된 상을 생각하였을 때)을 소정의 패턴렌즈(321)를 사용하여 원하는 배율로 조정한 다음 적어도 하나 이상의 중간렌즈(322)를 사용하여 10만 배로 확대한 상을 만드는 개념을 나타낸다. 예를 들어, 10배에서 100배, 즉 원하는 상의 배율이 10 배인 경우 대물렌즈(315)의 이미지 평면에 형성된 상을 패턴렌즈(321)를 사용하여 1/2 배 축소하여야 하며, 원하는 상의 배율의 100 배인 경우, 대물렌즈(315)의 이미지 평면에 형성된 상을 패턴렌즈(321)를 사용하여 5배 확대하여야 하는 것이다.

즉, 상의 초점 등은 10만 배로 확대된 상에서 조정한 후, 패턴렌즈(321)의 이미지 평면에 기판 이동장치(330)를 이용하여 기판(332)을 개재시킴으로써 패턴을 형성시킬 수 있다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 레이스트랙 메모리 제조방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 11은 레이스트랙 메모리의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 11을 참조하면, 레이스트랙 메모리는 노치(420)가 규칙적으로 형성되어 있는 마그네틱 나노선(400)을 구비한다. 마그네틱 나노선(400)은 정보가 저장되는 다수의 자구(magnetic domain)(410)과 자구 사이에 자구벽(magnetic domain wall)(420)을 갖는 저장트랙이다. 마그네틱 나노선(400)은 Fe, Co, Ni, Gd, Ho, Tb, Mn 및 Pd 중 적어도 하나를 포함하는 물질, 예컨대, NiFe, CoFe, Co₂MnSi 등으로 형성될 수 있다.

마그네틱 나노선(400)의 일단과 타단은 도전선(450, 460)과 연결된다. 그리고 각 도전선(450, 460)은 트랜지스터 또는 다이오드와 같은 구동소자(미도시)와 연결되어 있을 수 있다. 각 도전선(450, 460)을 통해 마그네틱 나노선(400)에 자구벽 이동을 위한 소정의 에너지, 즉 전류를 인가할 수 있는데, 이 전류의 방향에 따라 자구벽의 이동 방향이 결정된다. 자구벽은 전자의 이동 방향으로 이동하기 때문에, 자구벽의 이동 방향은 전류 방향과 반대 방향이 된다.

마그네틱 나노선(400)의 소정 영역 상에는 데이터 재생을 위한 판독수단(430)과 데이터 기록을 위한 기록수단(440)이 구비되어 있다. 판독수단(430)은 거대자기저항(giant magneto resistance, GMR) 효과를 이용한 GMR 센서 또는 터널자기저항(tunnel magneto resistance, TMR) 효과를 이용한 TMR 센서일 수 있다. GMR 센서와 TMR 센서는 주지인 바, 상세한 설명은 생략한다. 기록수단(440)은 전자의 스핀 토크(spin torque) 현상을 이용한 GMR 또는 TMR 쓰기장치이거나, 외부 자장을 이용하여 쓰기를 수행하는 장치일 수 있다. 기록수단(440)이 외부 자장을 이용하여 쓰기를 수행하는 장치인 경우, 마그네틱 나노선(400)과 기록수단(440)은 이격되어 있을 수 있다. 한편, 여기서 도시하지는 않았지만, 마그네틱 나노선(400) 상에 판독수단(430)과 기록수단(440)을 덮는 캡핑층(capping layer)이 더 형성될 수 있다.

이러한 레이스트랙 메모리는 도전선(450, 460)을 통해 마그네틱 나노선(400)에 소정의 펄스 전류를 인가하여 자구벽을 비트 단위로 이동시키면서, 기록수단(440)에 기록전류를 인가하여 마그네틱 나노선(400)에 데이터를 기록하거나, 판독수단(430)에 판독전류를 인가하여 마그네틱 나노선(400)에 기록된 데이터를 재생한다.

도 12는 본 발명에 따른 레이스트랙 메모리의 제조방법의 수행과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 12를 참조하면, 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 기판(510) 상에 자성물질(520)과 전자빔 레지스트(530)이 순차적으로 적층된 적층구조물에 전자빔(500)을 노출시킨다. 이때 전자빔(500)은 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 나노선 패턴 정보를 담고 있다. 전자빔(500)이 이러한 정보를 담기 위해서, 상술한 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치를 이용한다. 즉, 도 10의 패턴 형성장치(300)의 탑재 수단(315)에 격자이미지가 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 나노선 패턴인 대상물질을 탑재한 후, 대상물질에 전자빔을 조사하여, 대상물질을 통과한 전자빔이 도 12(a)에 도시된 전자빔(500)에 해당한다.

이러한 대상물질에 전자빔을 조사하면, 대상물질을 통과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭에 의해 격자이미지가 형성되는데, 이 격자이미지가 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 나노선 패턴 정보를 갖는다. 결정구조를 갖는 많은 대상물질의 특정한 면의 격자이미지가 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 나노선 패턴 정보를 가질 수 있다. 일 예를 도 13에 나타내었다.

도 13은 Si₃N₄의 (124)면의 격자이미지를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다. 도 13에 도시한 바와 같이, Si₃N₄의 (124)면에 수직한 방향으로 전자빔을 조사하게 되면, 격자이미지가 노치가 규칙적으로 형성된 나노선 패턴이 된다.

이와 같이, 격자이미지가 노치가 규칙적으로 형성된 나노선 패턴인 대상물질에 전자빔을 조사한 후, 대상물질을 통과한 전자빔을 전자빔 레지스트(530)에 노출시키면, 격자이미지 그대로 또는 확대, 축소되어 전자빔 레지스트(530)가 감광된다. 이때, 전자빔 레지스트(530)는 HSQ(hydrogen silsesquioxane)가 이용될 수 있다. 감광된 전자빔 레지스트(530)를 현상(development)하게 되면, 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 전자빔 레지스트 패턴(540)이 형성된다. 이 전자빔 레지스트 패턴(540)은 노치가 규칙적으로 형성된 나노선 패턴을 갖는 격자이미지에 의해 형성되므로, 격자이미지와 마찬가지로 노치가 규칙적으로 형성된 나노선 패턴을 갖는다.

그리고 노치가 규칙적으로 형성된 전자빔 레지스트 나노선 패턴(540)을 이용하여 아래의 자성물질(520)을 식각하면, 도 12(c)에 도시된 바와 같이, 노치가 규칙적으로 형성된 마그네틱 나노선(550)을 형성할 수 있게 된다. 이때, 자성물질은 Fe, Co, Ni, Gd, Ho, Tb, Mn 및 Pd 중에서 선택된 1종 이상의 물질으로 이루어질 수 있다. 이러한 방법으로 형성된 마그네틱 나노선(550)의 일 예를 도 14에 나타내었다.

도 14는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마그네틱 나노선의 전자현미경 사진이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치를 이용하면, 노치가 규칙적으로 형성된 마그네틱 나노선(550)이 용이하게 형성됨을 알 수 있다. 여기서 노치가 형성된 지점이 자구벽이 된다.

이후, 도시하지는 않았지만, 마그네틱 나노선(550)에 소정의 전류 인가수단을 연결시킬 수 있고, 마그네틱 나노선(550)의 소정 영역 상에 판독수단 및 기록수단을 형성할 수 있다. 그리고 판독수단 및 기록수단을 덮는 캡핑층을 형성할 수 있다. 이로써 도 11에 도시된 바와 같은 레이스트랙 메모리를 제조할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1a 내지 도 1c는 자구벽 이동 원리를 나타낸 도면이다.

도 2는 노치가 형성되어 있는 마그네틱 나노선을 나타낸 도면이다.

도 3a는 격자점을 1차원적으로 병진시킨 모식도이다.

도 3b는 격자점을 2차원적으로 병진시킨 모식도이다.

도 3c는 격자점을 3차원적으로 병진시킨 모식도이다.

도 4는 격자점 주위의 원자들의 배열을 나타내는 모식도이다.

도 5는 물질의 결정축계와 Bravais격자를 나타내는 설명도이다.

도 6a는 Al의 결정구조의 단위 셀을 나타내는 도면이다.

도 6b는 Al의 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 6c는 Al의 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 6d는 Al의 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 7a는 Si의 결정구조의 단위 셀의 구조를 나타내는 도면이다.

도 7b는 Si의 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 7c는 Si의 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 7d는 Si의 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 7e는 도 7c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시킨 도면이다.

도 8a는 GaAs 결정구조의 단위 셀을 나타내는 도면이다.

도 8b는 GaAs 결정구조를 [100] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 8c는 GaAs 결정구조를 [110] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 8d는 GaAs 결정구조를 [111] 방향으로 투과하여 본 도면이다.

도 8e는 도 8c를 시계방향으로 56도 및 방위각 15도로 회전시킨 도면이다.

도 9는 본 발명에 이용되는 패턴 형성장치의 패턴 형성방법에 사용되는 투과 전자 현미경의 모식도이다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명에 이용되는 패턴 형성 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 13은 Si₃N₄의 (124)면의 격자이미지를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.

도 14는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마그네틱 나노선의 전자현미경 사진이다.

Claims

챔버에 위치한 결정구조를 갖는 대상물질에 전자빔을 조사시킴으로써, 상기 대상물질을 통과한 투과전자빔과 회절전자빔의 간섭에 의해 형성된 격자이미지로부터 패턴을 형성하는 패턴 형성장치를 이용하여 레이스트랙 메모리(racetrack memory)를 제조하는 방법으로,

상기 격자이미지가 노치(notch)가 규칙적으로 형성되어 있는 나노선(nanowire) 패턴인 대상물질을 상기 챔버에 위치시키는 단계;

상기 대상물질에 전자빔을 조사하는 단계;

자성물질과 전자빔 레지스트가 순차적으로 적층되어 있는 기판을 상기 대상물질을 통과한 전자빔에 노출시키는 단계;

상기 대상물질을 통과한 전자빔에 노출된 전자빔 레지스트를 현상하여, 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 전자빔 레지스트 나노선 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 전자빔 레지스트 나노선 패턴을 이용하여 상기 자성물질을 식각함으로써, 노치가 규칙적으로 형성되어 있는 마그네틱 나노선(magnetic nanowire)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이스트랙 메모리 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 대상물질은 결정질 Si₃N₄이고,

상기 결정질 Si₃N₄의 (124)면이 전자빔이 조사되는 방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 레이스트랙 메모리 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 자성물질은 Fe, Co, Ni, Gd, Ho, Tb, Mn 및 Pd 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 화합물인 것을 특징으로 하는 레이스트랙 메모리 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전자빔 레지스트는 HSQ(hydrogen silsesquioxane)인 것을 특징으로 하는 레이스트랙 메모리 제조방법.