KR101168284B1 - 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 개시된 본 발명의 정보 저장 장치는 기판 상에 형성된 것으로서, 자구벽을 갖는 쓰기용 자성층; 상기 쓰기용 자성층 상에 형성된 연결용 자성층; 상기 연결용 자성층의 측면 상단에 형성된 정보 저장용 자성층; 및 상기 정보 저장용 자성층에 저장된 정보를 읽기 위한 읽기 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 정보 저장용 자성층은 상기 연결용 자성층의 제1 측면의 상단 및 상기 제1 측면과 평행한 제2 측면의 상단에 형성될 수 있다. 그리고 상기 정보 저장용 자성층은 상기 연결용 자성층의 측면 상단을 덮는 제1 영역과 상기 제1 영역의 양측 가장자리에 상기 제1 영역과 수직하게 형성된 제2 영역을 포함할 수 있다.

Description

자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법{Information storage device using magnetic domain wall moving and method of manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 보여주는 사시도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 쓰기 방법을 단계별로 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 보여주는 사시도이다.
도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 4b, 도 5b, 도 6b, 도 7b, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12b는 각각 도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a의 b-b'선에 따른 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100 : 쓰기용 자성층 200 : 연결용 자성층
200a : 제1 연결용 자성층 200b : 제2 연결용 자성층
300 : 정보 저장용 자성층 400 : 자기 저항 센서
C1～C6 : 제1 내지 제6 도전선 D1～D4 : 제1 내지 제4 자구
DW1～DW4 : 제1 내지 제4 자구벽 E1 : 쓰기용 자성층의 일단
E2 : 쓰기용 자성층의 타단 M1, M2 : 제1 및 제2 방향
본 발명은 정보 저장 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 자구벽(magnetic domain wall) 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 HDD(Hard disk drive)는 디스크 형태의 자기 기록 매체를 회전시키면서 그 위에 읽기/쓰기(reading/writing) 헤드를 부상시켜 정보를 읽고 쓰는 장치이다. 이러한 HDD는 100GB(gigabite) 이상의 많은 데이터를 저장할 수 있는 비휘발성 정보 저장 장치로서, 주로 컴퓨터의 주 저장 장치로 이용되어왔다.
그러나 HDD는 그 내부에 많은 수의 움직이는 기계 시스템을 포함한다. 이들은 HDD가 이동되거나 충격을 받으면 다양한 기계적인 고장(trouble)을 유발할 수 있고, 그러므로 HDD의 이동성(mobility) 및 신뢰성(reliability)을 저하시킨다. 또한, 상기 기계 시스템들은 HDD의 제조 복잡성과 제조 비용을 증가시키고, 소비 전력을 증가시키며, 소음을 유발한다. 특히, HDD를 소형화할 때 상기 제조 복잡성과 제조 비용의 증가 문제는 더욱 커진다.
이에, 최근에는 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않으면서 HDD와 같이 대량의 데이터를 저장할 수 있는 새로운 저장 장치의 개발을 위한 연구가 이루어지고 있다. 상기 새로운 저장 장치의 일례로, 자성 물질의 자구벽(magnetic domain wall) 이동 원리를 이용한 정보 저장 장치가 제안되었다.
자성체를 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 부분이고, 자성 재료에 인가되는 전류 또는 자기장에 의해 이동될 수 있다.
상기 자구벽의 이동 원리를 정보 저장 장치에 적용하면, 읽기/쓰기 헤드 및 기록 매체의 회전 없이 읽기/쓰기가 가능하다. 이러한 자구벽 이동 원리가 적용된 정보 저장 장치는 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않아 이동성(mobility) 및 신뢰성(reliability)이 우수하고, 소비 전력이 적다는 이점이 있다.
그러나 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치는 아직 개발 초기단계에 있고, 특히, 대량의 데이터를 저장할 수 있는 최적화된 구조를 갖는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법은 구체화되지 못하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 대량의 데이터를 저장할 수 있는 구조를 갖고, 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않아 이동성(mobility) 및 신뢰성(reliability)이 우수한 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 정보 저장 장치의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 형성된 것으로서, 자구벽을 갖는 쓰기용 자성층; 상기 쓰기용 자성층 상에 형성된 연결용 자성층; 상기 연결용 자성층의 측면 상단에 형성된 정보 저장용 자성층; 및 상기 정보 저장용 자성층에 저장된 정보를 읽기 위한 읽기 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 제공한다.
여기서, 상기 정보 저장용 자성층은 상기 연결용 자성층의 제1 측면의 상단 및 상기 제1 측면과 평행한 제2 측면의 상단에 형성될 수 있다.
상기 정보 저장용 자성층은 상기 연결용 자성층의 측면 상단을 덮는 제1 영역과 상기 제1 영역의 양측 가장자리에 상기 제1 영역과 수직하게 형성된 제2 영역을 포함할 수 있다.
상기 정보 저장용 자성층의 상기 제2 영역은 상기 기판과 경사지게 형성될 수 있다.
상기 정보 저장용 자성층의 상기 제2 영역은 상기 기판과 수직하게 형성될 수 있다.
상기 정보 저장용 자성층의 높이는 상기 정보 저장용 자성층의 두께보다 클 수 있다.
상기 연결용 자성층은 상기 기판과 수직한 방향으로 복수 개로 형성되며, 상기 각 연결용 자성층의 적어도 두 측면에 상기 정보 저장용 자성층이 형성될 수 있다.
상기 쓰기용 자성층은 복수이고 상기 기판과 평행한 방향으로 이격 배치되며, 상기 각 쓰기용 자성층을 따라서 상기 연결용 자성층이 복수 개로 형성될 수 있다.
상기 쓰기용 자성층과 상기 정보 저장용 자성층은 수직 또는 평행할 수 있다.
상기 쓰기용 자성층의 자기 이방성 에너지는 2×103～107 J/m3일 수 있다.
상기 연결용 자성층은 제1 연결용 자성층과 제2 연결용 자성층의 적층 구조일 수 있다.
상기 제1 연결용 자성층의 자기 이방성 에너지는 10～103 J/m3일 수 있다.
상기 제2 연결용 자성층의 자기 이방성 에너지는 10～107 J/m3일 수 있다.
상기 정보 저장용 자성층의 자기 이방성 에너지는 2×103～107 J/m3일 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 자구벽 이동을 이용한 정보 저장용 자성층을 포함하는 정보 저장 장치의 제조방법에 있어서, 기판 상에 쓰기용 자성층을 형성하는 단계; 상기 쓰기용 자성층을 덮도록 상기 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 단계; 상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 쓰기용 자성층을 노출시키는 제1 홈 및 상기 제1 홈 상에 상기 제1 홈보다 큰 제2 홈을 포함하는 개구부를 형성하는 단계; 상기 제1 홈 내에 제1 연결용 자성층을 형성하는 단계; 상기 제1 연결용 자성층 상에 제2 연결용 자성층을 형성하는 단계; 상기 제2 연결용 자성층의 측면 및 상기 제2 홈의 측벽을 덮는 링(ring) 타입 자성층을 형성하는 단계; 및 상기 링 타입 자성층의 끝부분을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 개구부는 다중 단차(multi-step) 구조를 갖는 마스터 스탬프를 사용하여 나노 임프린트(nano-imprint) 공정으로 형성할 수 있다.
상기 제2 홈의 측벽은 상기 기판과 경사질 수 있다.
상기 제2 홈의 측벽은 상기 기판과 수직할 수 있다.
상기 제2 홈의 측벽이 상기 기판과 경사진 경우, 상기 링(ring) 타입 자성층을 형성하는 단계는, 상기 제1 절연층의 상면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 측면, 상기 제2 홈의 저면 및 측벽에 자성층을 형성하는 단계; 상기 제2 연결용 자성층의 측면 및 상기 제2 홈의 측벽에 형성된 상기 자성층을 덮는 보호층을 형성하는 단계; 및 상기 보호층을 식각 마스크로 이용해서 상기 자성층을 식각하여 상기 제2 홈의 저면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 상기 제1 절연층의 상면 상에 형성된 상기 자성층을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 보호층을 형성하는 단계는, 상기 자성층 상에 제2 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 절연층을 패터닝하여 상기 제2 홈의 저면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 상기 제1 절연층의 상면에 형성된 상기 제2 절연층을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제2 절연층은 나노 임프린트(nano-imprint) 공정으로 패터닝할 수 있다.
상기 제2 홈의 측벽이 상기 기판과 경사진 경우, 상기 링(ring) 타입 자성층을 형성하는 단계는, 상기 제1 절연층의 상면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 측면, 상기 제2 홈의 저면 및 측벽에 자성층을 형성하는 단계; 및 상기 자성층을 이방성 식각하여 상기 제2 홈의 저면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 상기 제1 절연층의 상면 상에 형성된 상기 자성층을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 연결용 자성층은 전해도금 방법으로 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 연결용 자성층은 다른 물질로 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 연결용 자성층은 같은 물질로 형성할 수 있다.
또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 자구벽 이동을 이용한 정보 저장용 자성층을 포함하는 정보 저장 장치의 제조방법에 있어서, 기판 상에 쓰기용 자성층을 형성하는 단계; 상기 쓰기용 자성층을 덮도록 상기 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 단계; 상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 쓰기용 자성층을 노출시키는 제1 홈을 형성하는 단계; 상기 제1 홈 내에 제1 연결용 자성층을 형성하는 단계; 상기 제1 연결용 자성층 및 상기 제1 절연층 상에 제2 절연층을 형 성하는 단계; 상기 제2 절연층을 패터닝하여 상기 제1 연결용 자성층 및 상기 제1 절연층을 함께 노출시키는 제2 홈을 형성하는 단계; 상기 노출된 제1 연결용 자성층 상에 제2 연결용 자성층을 형성하는 단계; 상기 제2 연결용 자성층의 측면 및 상기 제2 홈의 측벽을 덮는 링(ring) 타입 자성층을 형성하는 단계; 및 상기 링 타입 자성층의 끝부분을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 나노 임프린트(nano-imprint) 공정으로 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치와 그 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치(이하, 본 발명의 정보 저장 장치)를 보여준다.
도 1을 참조하면, 기판(미도시) 상에 자구벽 이동 특성을 갖는 쓰기용 자성층(100)이 형성되어 있다. 도시되지는 않았지만, 쓰기용 자성층(100)은 두 개 이상의 자구를 포함한다. 쓰기용 자성층(100)의 소정 영역 상에 연결용 자성층(200)이 형성되어 있다. 연결용 자성층(200)은 제1 및 제2 연결용 자성층(200a, 200b)이 차례로 적층된 구조일 수 있다. 제1 및 제2 연결용 자성층(200a, 200b)의 측면은 상 기 기판과 경사질 수 있고, 수직할 수도 있다. 연결용 자성층(200)의 측면 상단, 즉 제2 연결용 자성층(200b)의 평행한 두 측면에 정보 저장용 자성층(300)이 형성되어 있다. 제2 연결용 자성층(200b)에서 정보 저장용 자성층(300)이 형성되는 면은 달라질 수 있다. 정보 저장용 자성층(300)이 어느 면에 형성되느냐에 따라 쓰기용 자성층(100)과 정보 저장용 자성층(300)은 수직할 수도 있고, 평행할 수도 있다. 정보 저장용 자성층(300)은 제2 연결용 자성층(200b)의 측면을 덮는 제1 영역(230)과 제1 영역(230)의 양측 가장자리에 제1 영역(230)과 수직하게 형성된 제2 영역(260)을 포함한다. 따라서 하나의 연결용 자성층(200)에 4개의 제2 영역(260)이 형성되어 있다.
정보 저장용 자성층(300)의 높이(H) 및 두께(T)는 1nm～100nm 정도일 수 있지만, 높이(H)가 두께(T)보다 큰 것이 바람직하다. 예컨대 높이(H)는 50nm 정도이고, 두께(T)는 10nm 정도일 수 있다. 서로 다른 평면 상에 형성된 제2 영역(260)들 간의 간격은 10nm 이상일 수 있지만, 10nm～100nm인 것이 바람직하다. 제2 영역(260)은 상기 기판과 소정 각도를 갖고 경사지게 형성되거나, 수직하게 형성될 수 있다.
쓰기용 자성층(100) 및 정보 저장용 자성층(300)의 자기 이방성 에너지는 2×103～107 J/m3 정도이고, 제1 연결용 자성층(200a)의 자기 이방성 에너지는 10～103 J/m3 정도이고, 제2 연결용 자성층(200b)의 자기 이방성 에너지는 10～107 J/m3 정도일 수 있다. 다시 말해, 쓰기용 자성층(100)과 정보 저장용 자성층(300)은 강 자성층이고, 제1 연결용 자성층(200a)은 연자성층이며, 제2 연결용 자성층(200b)은 연자성층이거나 강자성층일 수 있다.
쓰기용 자성층(100)과 정보 저장용 자성층(300)은 CoPt, FePt 및 이들의 합금 중 어느 하나로 형성될 수 있고, 제1 연결용 자성층(200a)은 Ni, Co, NiCo, NiFe, CoFe, CoZrNb 및 CoZrCr 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 한편, 제2 연결용 자성층(200b)은 Ni, Co, NiCo, NiFe, CoFe, CoZrNb 및 CoZrCr 중 어느 하나로 형성되거나, 또는 CoPt, FePt 및 이들의 합금 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
정보 저장용 자성층(300)에 저장된 정보를 읽기 위한 자기 저항 센서(400)가 정보 저장용 자성층(300)의 소정 영역 상에 형성되어 있다. 자기 저항 센서(400)는 잘 알려진 TMR(Tunnel Magneto Resistance) 센서 또는 GMR(Giant Magneto Resistance) 센서일 수 있고, 정보 저장용 자성층(300)의 하면 또는 측면에 형성되거나, 쓰기용 자성층(100)의 상면 또는 하면에 형성될 수도 있다.
쓰기용 자성층(100)의 양단(E1, E2)에 전류 인가를 위한 제1 및 제2 도전선(C1, C2)이 형성되어 있다. 제2 영역(260) 각각의 끝부분에도 전류 인가를 위한 제3 내지 제6 도전선(C3～C6)이 형성되어 있다. 제1 내지 제6 도전선(C1～C6)은 트랜지스터와 같은 구동 소자와 개별적으로 연결되어 있을 수 있다. 제1 및 제2 도전선(C1, C2)을 통해 쓰기용 자성층(100)에 소정 방향의 전류를 인가하여 쓰기용 자성층(100) 내에서 자구벽을 소정 방향으로 이동할 수 있다. 자구벽은 전자의 방향으로 이동하기 때문에, 전류의 방향과 자구벽의 이동 방향은 반대이다. 또한 제1 및 제2 도전선(C1, C2) 중 어느 하나와 제3 내지 제6 도전선(C3～C6) 중 어느 하나 사이에 자구벽 이동을 위한 전류를 인가할 수 있고, 제3 내지 제6 도전선(C3～C6) 중 어느 두 개에 자구벽 이동을 위한 전류를 인가할 수 있다.
쓰기용 자성층(100)과 연결용 자성층(200) 및 정보 저장 자성층(300) 내에서 자구벽을 적절히 이동시킴으로써 정보 저장 자성층(300)에 소정의 데이터를 기록할 수 있다. 이하에서는 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명의 정보 저장 장치의 쓰기 동작 방법을 보다 자세하게 설명한다. 도 2a 내지 도 2e와 도 1에서 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 쓰기용 자성층(100)은 두 개의 자구(D1, D2) 및 그들 사이에 한 개의 자구벽(이하, 제1 자구벽)(DW1)을 갖는다. 쓰기용 자성층(100) 내에 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 형성하는 방법은 다양하다. 예를 들면, 쓰기용 자성층(100)이 될 강자성층의 일단 상에 연자성층을 형성한 후, 상기 강자성층과 상기 연자성층에 소정의 외부 자장을 인가하면, 상기 연자성층과 접한 강자성층은 나머지 부분과 다른 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 연자성층의 개수 및 형성 위치에 따라 쓰기용 자성층(100)에 형성되는 자구의 개수가 달라질 수 있다. 도 2a에서 제1 자구벽(DW1)은 쓰기용 자성층(100)의 타단(E2)에 가깝게 위치하고, 제1 자구(D1), 연결용 자성층(200) 및 정보 저장 자성층(300)은 제1 방향(M1)으로 자화되어 있으며, 제2 자구(D2)는 제2 방향(M2)으로 자화되어 있다.
도 2b는 도 2a의 정보 저장 장치의 제1 자구벽(DW1)을 이동시킨 결과를 보여준다. 이러한 제1 자구벽(DW1)의 이동은 제1 도전선(C1)에서 제2 도전선(C2)으로 전류를 인가한 결과이다.
도 2b를 참조하면, 제1 자구벽(DW1)의 이동에 의해 제2 자구(D2)가 제1 연결용 자성층(200a) 하부까지 확장되고, 그 결과, 제1 연결용 자성층(200a)의 자화 방향이 제2 방향(M2)으로 반전된다. 이것은 제1 연결용 자성층(200a)이 자화 반전되기 용이한 연자성층이기 때문이다. 제1 연결용 자성층(200a)의 자화 방향이 반전되면, 그에 따라 제2 연결용 자성층(200b)의 자화 방향이 반전된다. 이것은 제2 연결용 자성층(200b)이 제1 연결용 자성층(200a)과 동일한 자화 방향을 가지는 것이 그렇지 않은 것보다 에너지적으로 안정하기 때문이다. 제2 연결용 자성층(200b)의 자기 이방성 에너지가 쓰기용 자성층(100)의 자기 이방성 에너지보다 작으면, 제2 연결용 자성층(200b)의 자화 반전이 더욱 용이하다. 이러한 자화 반전은 연쇄적으로 일어난다. 만약 복수의 연결용 자성층(200)이 수직으로 적층되어 있다면, 최하층의 연결용 자성층(200)에서 최상층의 연결용 자성층(200)까지 연쇄적으로 자화 반전된다.
이러한 자화 반전에 따라 정보 저장용 자성층(300)과 제2 연결용 자성층(200) 사이에 제2 및 제3 자구벽(DW2, DW3)이 형성된다.
도 2c를 참조하면, 제5 도전선(C5)에서 제2 도전선(C2)으로 전류를 흘려주어 제5 도전선(C5)과 연결된 제2 영역(260) 내부로 제2 자구벽(DW2)을 1 비트만큼 이동시킨다. 이에 제5 도전선(C5)과 연결된 제2 영역(260) 내에 제3 자구(D3)가 형성된다. 제3 자구(D3)에 대응하는 데이터는 '0'일 수 있다.
도 2d를 참조하면, 제2 도전선(C2)에서 제1 도전선(C1)으로 전류를 흘려주어 제1 자구벽(DW1)을 일단(E1)에서 타단(E2) 방향으로 이동시킨다. 이에 제1 자 구(D1)가 제1 연결용 자성층(200a) 하부까지 확장된다. 이러한 제1 자구벽(DW1)의 이동에 따라, 제1 및 제2 연결용 자성층(200a, 200b)의 자화 방향이 제1 방향(M1)으로 반전된다. 그 결과, 제5 도전선(C5)과 연결된 제2 영역(260)과 제2 연결용 자성층(200b)의 경계에 제4 자구벽(DW4)이 형성된다.
도 2e를 참조하면, 제5 도전선(C5)에서 제1 도전선(C1)으로 전류를 흘려주어 제4 자구벽(DW4)을 제5 도전선(C5)과 연결된 제2 영역(260) 내부로 1 비트만큼 이동시킨다. 이에 제5 도전선(C5)과 연결된 제2 영역(260) 내부에 제4 자구(D4)가 형성된다. 제4 자구(D4)에 대응하는 데이터는 '1'일 수 있다. 이때 제3 자구(D3)도 1 비트만큼 이동한다. 결과적으로 제2 영역(260)에 '0' 및 '1'에 대응하는 데이터가 저장된다. 이러한 방법으로 정보 저장용 자성층(300)의 소정 영역에 2진(binary) 데이터를 저장할 수 있다.
도 2a 내지 도 2e에서는 쓰기용 자성층(100), 연결용 자성층(200) 및 정보 저장용 자성층(300)이 수직 자기 이방성을 갖는 경우에 대해 도시하였지만, 쓰기용 자성층(100), 연결용 자성층(200) 및 정보 저장용 자성층(300)이 수평 자기 이방성을 갖는 경우에도 상기 쓰기 방법은 동일하게 적용될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 정보 저장 장치에서는 쓰기용 자성층(100), 연결용 자성층(200) 및 정보 저장용 자성층(300) 내에서 자구벽을 이동시키는 방법으로 데이터를 기록한다. 그러므로 본 발명의 정보 저장 장치에서는 움직이는 기계 시스템이 요구되지 않는다.
한편, 도시하지는 않았지만, 소정의 데이터가 저장된 자구를 자기 저항 센 서(400) 하부로 이동시키고, 자기 저항 센서(400)에 소정의 읽기 전류를 인가하면, 상기 소정의 데이터를 읽을 수 있다. 상기 읽기/쓰기 동작시 정보 저장용 자성층(300)의 일부 또는 쓰기용 자성층(100)은 데이터의 임시 보관을 위한 버퍼 영역으로 사용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 정보 저장 장치는 복수의 쓰기용 자성층(100), 복수의 연결용 자성층(200) 및 복수의 정보 저장용 자성층(300)을 포함할 수 있다. 예컨대, 복수의 연결용 자성층(200)이 상기 기판과 수직한 방향으로 적층되고, 상기 각 연결용 자성층(200)의 적어도 두 측면에 정보 저장용 자성층(300)이 구비될 수 있다. 또한 복수의 쓰기용 자성층(100)이 상기 기판 상에 이격 배치되며, 상기 각 쓰기용 자성층(100)을 따라서 복수의 연결용 자성층(200)이 형성되고, 상기 각 연결용 자성층(200)의 적어도 두 측면에 정보 저장용 자성층(300)이 구비될 수 있다. 즉 하나의 연결용 자성층(200)과 그와 연결된 두 개의 정보 저장용 자성층(300)을 하나의 칼럼 구조물이라하면, 상기 칼럼 구조물은 다수의 열 및/또는 행을 갖고 수직으로 적층될 수 있다. 이러한 멀티 스택(multi-stack) 구조를 갖는 본 발명의 정보 저장 장치의 일례가 도 3에 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 정보 저장용 자성층(300)이 다층 구조를 갖는 경우, 정보 저장용 자성층(300)의 제2 영역(260)은 위로 갈수록 길어질 수 있는데, 이것은 제2 영역(260)과 구동 소자(미도시)와의 연결을 위한 도전선(미도시)을 형성하는 공정을 용이하게 하기 위함이다. 도 3과 같은 구조물이 X축 및/또는 Y축 방향으로 평행하게 여러 번 반복될 수 있다. 여기서, X축 및 Y축 방향은 도 1을 따른다.
이와 같이 멀티 스택 구조를 갖는 본 발명의 정보 저장 장치는 대용량의 정보를 저장할 수 있다. 특히 본 발명의 정보 저장 장치는 하나의 연결용 자성층(200)에 4개의 제2 영역(260)이 연결되어 있기 때문에, 연결용 자성층(200)과 그와 연결되는 정보 저장 트랙의 개수비가 1:1 또는 1:2인 경우보다 월등히 많은 정보를 저장할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법(이하, 본 발명의 제조방법)을 설명한다.
도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a는 본 발명의 제조방법을 단계별로 보여주는 제1 선에 따라 절단한 단면도이다.
도 4b, 도 5b, 도 6b, 도 7b, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b 및 도 12b는 각각 도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a에 대응하는 것으로서 제2 선에 따라 절단한 단면도이다. 상기 제1 선은 도 1에서의 a-a'선과 동일하고, 상기 제2 선은 도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a 및 도 12a에서의 b-b'선이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 기판(10) 상에 쓰기용 자성층(100)을 형성한다. 쓰기용 자성층(100)은 도 1을 참조하여 설명한 쓰기용 자성층(100)과 동일하다. 그런 후, 쓰기용 자성층(100)을 덮도록 기판(10) 상에 제1 절연층(20)을 형성한다. 제1 절연층(20)은 수지층(resin layer)일 수 있다.
그 다음, 제1 절연층(20) 위쪽에 다중 단차(multi-step) 구조를 갖는 제1 마스터 스탬프(master stamp)(50)를 위치시킨다. 제1 마스터 스탬프(50)는 전자빔 리 소그라피(E-beam lithography)와 같은 나노 패터닝 방법으로 제작된 것이다. 제1 마스터 스탬프(50)는 제1 돌출부(P1)와 제1 돌출부(P1) 중앙에 제2 돌출부(P2)를 갖는다. 제1 및 제2 돌출부(P1, P2)의 측벽은 경사면일 수 있는데, 이는 경사 식각에 기인한 것이다. 제1 및 제2 돌출부(P1, P2)의 측벽과 기판(10)과의 각도(예각)는 제1 각도라 한다. 상기 제1 각도는 제1 마스터 스탬프(50)의 제조시 식각 조건에 따라 달라질 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제1 마스터 스탬프(50)로 제1 절연층(20)을 찍어(imprint) 제1 절연층(20)을 패터닝한다.
그런 다음, 제1 마스터 스탬프(50)를 제1 절연층(20)으로부터 제거한다. 제1 마스터 스탬프(50)는 반복적으로 사용할 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 제1 마스터 스탬프(50)를 제거한 이후의 상태를 보여준다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1 마스터 스탬프(50)를 이용한 임프린트 공정에 의해 쓰기용 자성층(100)의 일부를 노출시키는 개구부(1)가 형성된다. 개구부(1)는 제1 홈(H1) 및 제1 홈(H1) 상에 제1 홈(H1)보다 큰 제2 홈(H2)을 포함한다. 제1 및 제2 홈(H1, H2)의 측벽은 경사면일 수 있다. 제1 홈(H1) 바닥에 제1 절연층(20)의 일부가 잔류될 수 있는데, 잔류된 제1 절연층(20)은 RIE(reactive ion etching) 또는 플라즈마 에싱(plasma ashing) 방법으로 제거할 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제1 홈(H1) 내에 도 1의 제1 연결용 자성층(200a)과 동일한 제1 연결용 자성층(200a)을 형성한다. 제1 연결용 자성층(200a)은 전해도금 방법으로 형성할 수 있는데, 그 두께는 상기 전해도금시 반응 조건 및 반응 시간을 조절함으로써 제어할 수 있다. 그러므로 제1 연결용 자성층(200a)의 높이와 제1 홈(H1)의 높이를 맞출 수 있다.
다음으로, 제1 연결용 자성층(200a) 상에 도 1의 제2 연결용 자성층(200b)과 동일한 제2 연결용 자성층(200b)을 형성한다. 제2 연결용 자성층(200b)은 전기도금 방법으로 형성할 수 있으며, 제2 홈(H2)과 유사한 높이로 형성할 수도 있다. 제2 연결용 자성층(200b)의 X축 방향으로의 폭은 제1 연결용 자성층(200a)의 X축 방향으로의 폭보다 다소 클 수 있다. 여기서, 상기 X축 방향은 도 1을 따른다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제2 홈(H2)의 노출면, 제1 절연층(20)의 상면 및 제2 연결용 자성층(200b)의 노출면 상에 자성층(290)을 컨포멀(conformal)하게 형성한다. 이어서, 자성층(290) 상에 제2 절연층(30)을 형성한다. 제2 절연층(30)은 수지층일 수 있다. 그 다음, 제2 절연층(30) 위쪽에 제2 마스터 스탬프(master stamp)(60)를 위치시킨다. 제2 마스터 스탬프(60)는 제1 마스터 스탬프(50)와 유사하게 전자빔 리소그라피 같은 나노 패터닝 방법으로 제작할 수 있다. 제2 마스터 스탬프(60)는 이격된 제3 및 제4 돌출부(P3, P4)를 갖는다. 제3 및 제4 돌출부(P3, P4)는 제2 연결용 자성층(200b) 양측의 제2 홈(H2) 내에 들어갈 수 있는 모양 및 크기를 갖는다. 공정 마진을 고려하여 제3 및 제4 돌출부(P3, P4)는 제2 홈(H2)보다 작게 디자인된다. 제3 및 제4 돌출부(P3, P4)의 측벽은 경사면일 수 있는데, 제3 및 제4 돌출부(P3, P4)의 측벽과 기판(10)과의 각도(예각)를 제2 각도라 하면, 상기 제2 각도는 상기 제1 각도보다 큰 것이 바람직하다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제2 마스터 스탬프(60)로 제2 절연층(30)을 찍 어(imprint) 제2 절연층(30)을 패터닝한다. 상기 패터닝에 의해 제2 연결용 자성층(200b)의 측면 및 제2 홈(H2)의 측벽에 형성된 자성층(290)을 덮는 제2 절연층(30)이 잔류되는데, 이하에서는 상기 잔류된 제2 자성층(30)을 측벽 보호층(30')이라 한다.
그런 다음, 제2 마스터 스탬프(60)를 측벽 보호층(30') 및 자성층(290)으로부터 제거한다. 제2 마스터 스탬프(60)는 반복적으로 사용할 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 제2 마스터 스탬프(60)를 제거한 이후의 상태를 보여준다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 제2 마스터 스탬프(60)를 이용한 임프린트 공정에 의해 제2 홈(H2)의 저면, 제2 연결용 자성층(200b)의 상면 및 제1 절연층(20)의 상면에 형성된 자성층(290)이 노출된다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 측벽 보호층(30')을 식각 마스크로 이용해서 자성층(290)을 식각하여 제2 홈(H2)의 저면, 제2 연결용 자성층(200b)의 상면 및 제2 절연층(20)의 상면 상에 형성된 자성층(290)을 제거한다. 그 결과, 제2 연결용 자성층(200b)의 측면 및 제2 홈(H2)의 측면을 덮는 자성층(290)이 잔류되는데, 이하에서는 상기 잔류된 자성층(290)을 링 타입 자성층(290')이라 한다. 링 타입 자성층(290')이 형성된 후, 잔류된 측벽 보호층(30')을 제거한다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 링 타입 자성층(290')의 끝부분을 제거한다. 링 타입 자성층(290')의 끝부분은 일반적인 포토 리소그라피 방법으로 제거할 수 있다. 즉, 링 타입 자성층(290')의 끝부분을 노출시키는 개구부를 갖는 감광층을 형성한 후, 상기 감광층을 식각 마스크로 사용해서 링 타입 자성층(290')의 끝부분 을 선택적으로 제거할 수 있다. 끝부분이 절단된 링 타입 자성층(290')은 정보 저장용 자성층(300)이라 한다. 그 다음, 정보 저장용 자성층(300)의 소정 영역 상에 자기 저항 센서(미도시)를 형성한다.
도 4a 내지 도 12b에서는 도 1과 같은 구조를 형성하는 방법에 대해 도시하고 설명하였지만, 이와 같은 방법은 도 3과 같은 멀티 스택 구조를 갖는 본 발명의 정보 저장 장치를 제조하는데도 적용될 수 있다.
본 발명의 제조방법에서는 다중 단차 마스터 스탬프(multi-step master stamp)를 사용하여 한 번의 임프린트(imprint) 공정으로 두 개의 홈을 형성한다. 그리고 하나의 연결용 자성층(200)과 연결되는 네 개의 제2 영역(260)을 한 번에 형성시킨다. 그러므로 본 발명의 제조방법을 이용하면 적은 수의 공정으로 대용량의 정보 저장 장치를 용이하게 구현할 수 있다.
본 발명의 제조방법은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 제1 마스터 스탬프(50)의 제1 및 제2 돌출부(P1, P2)의 측벽이 기판(10)과 수직하다면, 제2 절연층(30)을 형성하지 않고, 자성층(290)을 이방성 식각함으로써 링 타입 자성층(290')을 얻을 수 있다. 이 경우 제2 마스터 스탬프(60)를 사용하지 않아도 되므로 공정이 용이해진다. 한편, 다중 단차 구조를 갖는 제1 마스터 스탬프(50) 대신에 단일 단차 구조를 갖는 마스터 스탬프를 두 개 사용한다면 제1 절연층(50)을 두 번에 나눠 형성해야 하고, 제1 홈(H1)과 제2 홈(H2)을 따로 형성해주어야 한다.
이상의 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예 들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 쓰기용 자성층(100), 연결용 자성층(200) 및 정보 저장용 자성층(300) 간의 위치 관계를 다양하게 변형할 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 발명을 이용하면 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않아 이동성(mobility) 및 신뢰성(reliability)이 우수하고 대용량의 정보를 저장할 수 있는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 비교적 적은 수의 공정으로 용이하게 구현할 수 있다.

Claims (28)

  1. 기판 상에 형성된 것으로서, 자구벽을 갖는 쓰기용 자성층;
    상기 쓰기용 자성층 상에 형성된 연결용 자성층;
    상기 연결용 자성층의 측면 상단에 형성된 정보 저장용 자성층; 및
    상기 정보 저장용 자성층에 저장된 정보를 읽기 위한 읽기 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층은 상기 연결용 자성층의 제1 측면의 상단 및 상기 제1 측면과 평행한 제2 측면의 상단에 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층은 상기 연결용 자성층의 측면 상단을 덮는 제1 영역과 상기 제1 영역의 양측 가장자리에 상기 제1 영역과 수직하게 형성된 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층의 상기 제2 영역은 상기 기판과 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층의 상기 제2 영역은 상기 기판과 수직하게 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층의 높이는 상기 정보 저장용 자성층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 연결용 자성층은 상기 기판과 수직한 방향으로 복수 개로 형성되며, 상기 각 연결용 자성층의 적어도 두 측면에 상기 정보 저장용 자성층이 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쓰기용 자성층은 복수이고 상기 기판과 평행한 방향으로 이격 배치되며, 상기 각 쓰기용 자성층을 따라서 상기 연결용 자성층이 복수 개로 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 쓰기용 자성층과 상기 정보 저장용 자성층은 수직 또는 평행한 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 쓰기용 자성층의 자기 이방성 에너지는 2×103～107 J/m3인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 연결용 자성층은 제1 연결용 자성층과 제2 연결용 자성층의 적층 구조인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제1 연결용 자성층의 자기 이방성 에너지는 10～103 J/m3인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제2 연결용 자성층의 자기 이방성 에너지는 10～107 J/m3인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층의 자기 이방성 에너지는 2×103～107 J/m3인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  15. 자구벽 이동을 이용한 정보 저장용 자성층을 포함하는 정보 저장 장치의 제조방법에 있어서,
    기판 상에 쓰기용 자성층을 형성하는 단계;
    상기 쓰기용 자성층을 덮도록 상기 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 단계;
    상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 쓰기용 자성층을 노출시키는 제1 홈 및 상기 제1 홈 상에 상기 제1 홈보다 큰 제2 홈을 포함하는 개구부를 형성하는 단계;
    상기 제1 홈 내에 제1 연결용 자성층을 형성하는 단계;
    상기 제1 연결용 자성층 상에 제2 연결용 자성층을 형성하는 단계;
    상기 제2 연결용 자성층의 측면 및 상기 제2 홈의 측벽을 덮는 링(ring) 타입 자성층을 형성하는 단계; 및
    상기 링 타입 자성층의 끝부분을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 개구부는 다중 단차(multi-step) 구조를 갖는 마스터 스탬프를 사용하여 나노 임프린트(nano-imprint) 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 제2 홈의 측벽은 상기 기판과 경사진 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 제2 홈의 측벽은 상기 기판과 수직한 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 링(ring) 타입 자성층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 절연층의 상면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 측면, 상기 제2 홈의 저면 및 측벽에 자성층을 형성하는 단계;
    상기 제2 연결용 자성층의 측면 및 상기 제2 홈의 측벽에 형성된 상기 자성층을 덮는 보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 보호층을 식각 마스크로 이용해서 상기 자성층을 식각하여 상기 제2 홈의 저면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 상기 제1 절연층의 상면 상에 형성된 상기 자성층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 보호층을 형성하는 단계는,
    상기 자성층 상에 제2 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 절연층을 패터닝하여 상기 제2 홈의 저면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 상기 제1 절연층의 상면에 형성된 상기 제2 절연층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제2 절연층은 나노 임프린트(nano-imprint) 공정으로 패터닝하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 링(ring) 타입 자성층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 절연층의 상면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 측면, 상기 제2 홈의 저면 및 측벽에 자성층을 형성하는 단계; 및
    상기 자성층을 이방성 식각하여 상기 제2 홈의 저면, 상기 제2 연결용 자성층의 상면 및 상기 제1 절연층의 상면 상에 형성된 상기 자성층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  23. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연결용 자성층은 전해도금 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  24. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연결용 자성층은 다른 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  25. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연결용 자성층은 같은 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  26. 자구벽 이동을 이용한 정보 저장용 자성층을 포함하는 정보 저장 장치의 제조방법에 있어서,
    기판 상에 쓰기용 자성층을 형성하는 단계;
    상기 쓰기용 자성층을 덮도록 상기 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 단계;
    상기 제1 절연층을 패터닝하여 상기 쓰기용 자성층을 노출시키는 제1 홈을 형성하는 단계;
    상기 제1 홈 내에 제1 연결용 자성층을 형성하는 단계;
    상기 제1 연결용 자성층 및 상기 제1 절연층 상에 제2 절연층을 형성하는 단계;
    상기 제2 절연층을 패터닝하여 상기 제1 연결용 자성층 및 상기 제1 절연층을 함께 노출시키는 제2 홈을 형성하는 단계;
    상기 노출된 제1 연결용 자성층 상에 제2 연결용 자성층을 형성하는 단계;
    상기 제2 연결용 자성층의 측면 및 상기 제2 홈의 측벽을 덮는 링(ring) 타입 자성층을 형성하는 단계; 및
    상기 링 타입 자성층의 끝부분을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 제1 홈은 나노 임프린트(nano-imprint) 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 제2 홈은 나노 임프린트(nano-imprint) 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
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