KR20050048667A - 판독전용 자기 메모리장치 엠알오엠 - Google Patents

Abstract

저장장치는 정보 매체부(10)와 판독부(30)를 가진다. 정보 매체부(10)에는 비트 위치들(11)의 어레이를 구성하는 전자기 물질의 패턴이 구비되어 있고, 정보 평면에서의 상기 물질의 존재 또는 부재는 논리값을 나타낸다. 판독부는 근접장 작용 거리에서의 상기 전자기 물질의 존재를 감지하는 전자기 센서 소자들의 2차원 어레이(31)를 가진다. 제조되는 동안, 센서 소자들과 대향하도록 비트 위치들을 배치시키기 위해, 각 부들은 고정적으로 결합 및 정렬된다.

Description

판독전용 자기 메모리장치 엠알오엠{READ-ONLY MAGNETIC MEMORY DEVICE MROM}

본 발명은 저장장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 저장장치를 조립하는 방법에 관한 것이다.

디지털 데이터의 저장을 위해, RAM, ROM 또는 EPROM 형의 반도체 메모리 회로들 등의 여러 종류의 고체 상태 장치들이 공지되어 있다. 유망한 새로운 종류의 저장장치는 자기 물질을 기반으로 하는 자기 랜덤 액세스 메모리, 소위 MRAM(magnetic random access memory)과, 상기 물질의 비트 위치들의 자기 상태를 설정 및 검출하기 위한 전자회로이다.

자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 이하의 논문으로부터 공지되어 있다:"A 256kb 3.0V ITIMTJ Nonvolatile Magnetoresistive RAM by Peter K. Naji et al, as published for the 2001 IEEE International Solid-State Circuits Conference 0-7803-76608-5, ISSCC2001/Session7/Technology directions:Advanced Technologies/7.6". MRAM 장치는 정보 저장을 위한 자유 자기층을 가진다. 상기 장치에는, 자유 자기층 상에 전자 센서 소자 및 비트 위치를 가지고 있는 비트 셀들의 어레이가 구비되어 있다. 자유 자기층의 물질의 자기 상태는 그 비트 위치의 논리값을 나타낸다. 판독 모드에서, 센서 소자는 특히, 터널링 자기-저항(TMR : tunneling magneto-resistive) 효과를 통해 자기 상태를 검출하도록 구성되어 있다. 전류는 자기 상태에 의해 터널 확률이 영향받는 터널링 장벽을 통해 안내되어, 센서 소자의 저항 변화를 일으킨다. 프로그램(또는 기록) 모드에서, 강한 프로그램 전류는 프로그래밍 회로를 통해 안내되어, 프로그램 전류에 따라 각각의 비트 위치에 자기 상태를 설정할 정도로 충분히 강한 자기장을 발생시킨다. 이 때, 이러한 MRAM은 비휘발성이며, 바꾸어 말하면, 상기 장치에서의 동작 전원 유무에 관계없이, 비트 위치들의 논리값들이 변하지 않는다. 이에 따라, MRAM 장치는 전원-온 직후에 활성화될 필요가 있는 장치용으로 적당하다. 공지된 장치의 문제점은, 각각의 개별 비트 셀에 프로그램 전류를 적용함으로써 비트 위치들의 값이 프로그램되어야 하고, 이것은 어드레싱 전자회로 이외에 각 비트 셀에 상대적으로 복잡한 회로를 필요로 한다는 것이다.

그러므로, 본 발명의 목적은 비트 위치들의 논리값을 제공하는 효과적인 방식을 갖는 저장 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1국면에 의하면, 서두에서 정의된 것과 같은 저장장치에 의해 상기 목적이 달성되며, 상기 저장장치는 정보 매체부와 판독부를 구비하고, 상기 정보 매체부는 비트 위치들의 어레이를 구성하는 전자기 물질의 패턴이 구비되어 있는 정보 평면을 가지며, 상기 정보 평면에서의 상기 물질의 존재 또는 부재는 비트 위치의 값을 나타내고, 상기 판독부는 정보 평면과 함께 동작하기 위한 계면을 가지며, 상기 계면에는, 근접장 작용 거리에서의 상기 전자기 물질의 존재를 감지하는 전자기 센서 소자들의 2차원 어레이가 구비되어 있고, 상기 각 부들은, 비트 위치와 그에 대응하는 센서 소자 사이의 대략 근접장 작용 거리에 있는 센서 소자들과 대향하도록 비트 위치들을 배치시키기 위하여 고정적으로 결합 및 정렬되어 있다.

본 발명의 제2국면에 의하면, 서두에서 정의된 것과 같은 저장장치를 조립하는 방법에 의해 상기 목적이 달성되며, 상기 장치는 정보 매체부와 판독부를 구비하고, 상기 정보 매체부는 비트 위치들의 어레이를 구성하는 전자기 물질의 패턴이 구비되어 있는 정보 평면을 가지며, 상기 정보 평면에서의 상기 물질의 존재 또는 부재는 비트 위치의 값을 나타내고, 상기 판독부는 정보 평면과 함께 동작하기 위한 계면을 가지며, 상기 계면에는, 근접장 작용 거리에서의 상기 전자기 물질의 존재를 감지하는 전자기 센서 소자들의 2차원 어레이가 구비되어 있고, 상기 방법은, 비트 위치와 그에 대응하는 센서 소자 사이의 대략 근접장 작용 거리에 있는 센서 소자들과 대향하도록 비트 위치들을 배치시키기 위하여, 정보 매체부와 판독부를 정렬시키는 단계와, 정렬되는 동안, 상기 정보 매체부와 상기 판독부를 물리적으로 부착하는 단계를 포함한다.

그 효과는 소정의 용량을 갖는 저장장치가 비교적 낮은 원가로 생산될 수 있다는 점이다. 정보 매체 상의 비트 위치들의 값들은 물질의 존재 또는 부재에 의해 만들어진다. 상기 정보 매체부는 엠보싱(embossing) 또는 프레싱(pressing) 등의 기계적 기술들에 의해 제조될 수 있다. 상기 판독부는 상이한 정보 매체부와 결합되도록 다수 제작된 표준화부일 수 있다. 상기 센서 소자들은, 자기장 또는 전기장을 발생하여 상기 물질의 존재를 검출하고, 상기 물질에 의해 발생되는 그 교란을 감지한다는 점에서, MRAM 셀들과는 상이하다. 또한, 기록용 회로가 필요하지 않으므로, 상기 센서 소자들은 MRAM 장치의 보통의 비트 셀 소자들보다 덜 복잡하다. 정보 매체부를 판독부에 부착하는 최종 단계 동안에만 정렬이 요구된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 장치의 전체 원가는 동일한 데이터 저장 용량의 MRAM 장치보다 대략 더 낮을 것이다. 판독부와 조합하여 고정된 정보 매체를 갖는 이점은, 사용자를 위해, 상기 장치의 내용물들이 즉시 입수 가능하고, 광 디스크 등에 대해서는 필요한 어떠한 주사 처리 없이도 고속으로 액세스(access)될 수 있다는 것이다. 상기 장치는 염가의 복제 가능한 고체-상태 메모리를 제공한다. 상기 개념은 비휘발성 고체-상태 저장의 몇 가지 이점(급속 랜덤 액세스, 높은 데이터율, 저전력, 가동부의 부재로 인한 충격에 대한 견고성 및 둔감)과, 광 저장의 이점들(디지털 콘텐츠의 배포에 적합한 염가의 복재 가능한 메모리 매체의 유용성)을 결합한 것이다. 또한, 사용자는 기록형의 유사한 저장장치를 액세스하지 않을 것이기 때문에, 내용물을 복제하는 것에 대비한 고유의 방지대책이 존재한다.

또한, 본 발명은 아래의 인식을 기반으로 하고 있다. 공지된 자기 저장장치는 정보 평면을 포함하는 고체 상태 장치이다. 이러한 고체 상태 장치에서는, 정보 평면이 액세스 가능하지 않으며, 센서 소자들과 함께 제조된다. 비트 위치들의 내용물들을 프로그래밍하는 것은 비트 셀 센서 소자 자체에 의해 수행되어야 한다. 본 발명자들은 정보 평면이 별도로 제조될 수 있음을 알게 되었다. 제조하는 동안, 판독 기능과 저장 기능을 2개의 물리적으로 별개의 부분들로 분리함으로써 상기 효과가 달성된다. 제조 종료시에, 정보 매체부는 고체-상태 판독기에 부착, 즉, 정렬 및 고정된다. 이것은 클린룸에서 발생하므로, 계면의 오염은 낮게 제어될 수 있다. MRAM형 장치들에서는, 자화의 2개의 준안정 상태들을 가질 정도로 효과적으로 견고한 자기 물질의 자기 상태에 의해 데이터가 저장된다. 본 발명자들은, 판독 소자에 의해 발생된 전기장 및/또는 자기장(바이어스 필드라고도 함)을 통해 그 존재 또는 부재가 검출 가능하기 때문에, 본 문서에서 전자기라고 부르는 물질을 사용하였다. 이 때, 비트 위치의 값의 검출은 상기 물질의 자기 상태가 아니라, 상기 물질 자체의 존재 또는 부재에 의존한다. 전자기 센서 소자는 바이어스 필드를 발생시킬 수 있고, 실제로 비트 위치의 최소 치수들과 동일한 정도의 크기인 소정의 근접장 작용 거리 이상으로 연장되는 상기 필드에서의 교란들을 검출할 수 있다. 소자들이 근접장 작용 거리 내의 비트 위치들과 대향하고 그것에 접근하도록 하기 위하여 정렬이 요구된다. 또한, 전자기장, 예를 들어, 광, 정전기, 또는 정자기 등을 기반으로 하고 있는 근접장 결합의 어떠한 원리도 사용될 수 있다.

상기 장치의 실시예에서, 정보 평면의 패턴은 기판 상의 전자기 물질의 층으로 구성되고, 상기 기판은 상기 층의 전자기 물질이 근접장 작용 거리의 외부 또는 내부의 어느 한 쪽으로 내보내는 돌출부 또는 오목부를 가진다. 이것은 스탬핑(stamping)을 이용하여 기판이 용이하게 제조될 수 있고 연속층이 전면을 덮도록 도포될 수 있다는 이점을 가진다.

본 발명에 따른 장치의 보다 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에서 나타낸다.

본 발명의 이러한 국면들과 그 밖의 국면들은 첨부한 도면을 참조하고, 아래의 설명에서 예로서 설명된 실시예들을 참조하여 명백해지고 명확하게 된다.

도 1은 정보 매체부(평면도)를 도시한 것이고,

도 2a는 패터닝된 정보 매체부를 도시한 것이고,

도 2b는 엠보싱된 정보 매체부를 도시한 것이고,

도 2c는 내장된 입자들을 갖는 정보 매체부를 도시한 것이고,

도 3은 판독부를 도시한 것이고,

도 4는 저장장치를 도시한 것이고,

도 5는 정보 평면의 근접장 작용 거리에 있는 센서 소자들을 도시한 것이고,

도 6은 센서 소자를 상세하게 도시한 것이다.

도면들에서, 이미 설명된 소자들에 대응하는 소자들은 동일한 참조 번호를 가진다.

도 1은 정보 매체부(평면도)를 도시한 것이다. 정보 매체부(10)는 비트 위치들의 어레이(11)를 구성하는 전자기 물질(12)의 패턴이 구비된 정보 평면을 가진다. 상기 정보 평면에서의 상기 물질(12)의 존재 또는 부재는 비트 위치의 값을 나타내는 물리 파라미터를 제공한다. 이 때, 정보 평면은 정보 매체부(10)의 상부면(13) 상에 놓여져 있다. 정보 매체부의 상부면(13)은 판독부의 계면과 결합되도록 하기 위한 것이다. 정보 평면은 기계적인 상부층, 예를 들어, 정보 매체부의 외부층을 구성하여 정보 평면을 보호하는 얇은 보호층으로부터 유효 거리에 존재하는 것으로 간주된다. 또한, 상부면(13)으로부터 멀어져서 의도된 판독부의 근접장 작용 거리 외부의 물질은 정보 평면의 일부로 간주되지 않음에 유의해야 한다. 상기 판독부의 센서 소자들은 정보 평면 근처에 놓여지지만, 결합 물질이나 불순물과 같은 일부 중간 물질은 그 사이에 존재할 수 있다. 이에 따라, 상기 유효 거리는 계면으로부터 정보 평면을 향해 밖으로 연장되는 근접장 작용 거리를 갖는 상기 의도된 판독 센서 소자들과 중간 물질에 의해 결정된다. 정보를 판독하기 위한 정보 평면에서의 물질의 존재 또는 부재의 물리적 효과에 대해서는 도 5를 참조하여 아래에서 설명한다.

도 2a는 패터닝된 정보 매체부를 단면도로 도시한 것이다. 정보 매체는 기판(21)을 가진다. 정보 평면은 비트 위치들의 어레이를 구성하는 전자기 물질의 패턴에 의해 기판(21)의 상부측 상에 구성된다. 첫 번째 비트 위치(22)에서, 물질이 존재하여 예를 들어, 논리값 1을 나타내고, 두 번째 비트 위치(23)에서, 물질이 부재하여 예를 들어, 논리값 0을 나타낸다. 상기 물질은 상기 센서 소자들에 의해 검출 가능하도록 하기 위하여 부드러운 자기 특성을 가진다. 영구 자석들이 요구되지 않는다는 점은 유의해야 하지만, 물질의 패턴은 패터닝된 자기 매체의 잘 알려진 제조방법에 의해 도포될 수 있다. 적당한 방법들은 스퍼터링 및 국소 에칭과, 마스크를 이용한 이온 빔 패터닝이나 프레싱이다.

도 2b는 엠보싱된 정보 매체부를 단면도로 도시한 것이다. 정보 매체는 기판(25)을 가진다. 정보 평면은 돌출부 및 오목부를 갖는 전자기 물질의 연속층에 의해 기판(25)의 상부측 상에 구성된다. 상기 층의 형상은 비트 위치들의 어레이를 구성한다. 첫 번째 비트 위치(26)에서는, 의도된 판독부의 근접장 작용 거리 내의 돌출부에 의해 물질이 존재하여, 예를 들어, 논리값 1을 나타낸다. 두 번째 비트 위치(27)에서는, 물질을 근접장 작용 거리 외부로 내보내는 오목부에 의해 물질이 정보 평면에 부재하여, 예를 들어, 논리값 0을 나타낸다. CD형의 광 디스크들을 생산하는 것과 유사한 스탬프(stamp)를 이용한 프레싱과 같은 잘 알려진 제조방법들에 의해 엠보싱된 패턴이 기판(또는 층 자체)에 도포될 수 있다. 예를 들어, 생산을 위하여, 먼저, 전자빔 리소그래피(lithography)에 의해 노출된 Si 웨이퍼 상에 레지스트 마스크를 만들고, 그것을 마스터로서 사용한다. 원한다면, 정보를 2D 홀 패턴(hole pattern)에 저장하기 위하여 홀들이 Si에서 에칭된다. 그 다음, 마스터를 이용하여, 사출 성형이나, 엠보싱이나, 2P를 통해 금속 박편 상에 패턴을 복제한다. 그 다음, 상기 복제물 상에 얇은 자기층을 적층(예를 들어, 스퍼터링을 통해)하고, 선택적으로, 균일한 외부 자기장에 의해 상기 물질을 자화시킨다. 정확한 동작 원리에 대한 여러 가능성들이 존재함을 유의해야 한다. 정보 평면은 자속 안내자로서만 기능하고(부드러운 자기 물질을 이용하므로, 자화 단계가 요구되지 않음); 정보 평면은 형상 이방성을 사용하여, 예를 들어, 반전된 홀들의 수직 자화로 되고; 또는 정보 평면이 균일하게 자화되어, 홀들의 에지에서 표유 장(stray field)이 된다. 도 5에 의해 더욱 설명된 것과 같이, 첫 번째 원리는 구현하는 것이 가장 단순하고, 초상자성(super paramagnetic) 한계에 의해 가해진 비트 크기에 대한 제한을 회피하는 이점을 가진다는 것이다.

도 2c는 내장된 입자들을 갖는 정보 매체부를 단면도로 도시한 것이다. 정보 매체는 기판(28)을 가진다. 정보 평면은 내장된 입자들(29)에 의해 기판(28)의 상부측에 구성된다. 비트 위치에서는, 내장된 물질의 입자가 존재하거나 입자가 전혀 존재하지 않게 되어, 논리값을 나타낸다. 상기 입자들은 물질을 의도된 판독부의 근접장 작용 거리 내에 존재하게 한다. 명백히, 단일 입자를 비트 위치에 내장하는 대신에, 다수의 더 작은 입자들이 사용될 수도 있다. 구슬(bead)들의 패턴을 기판에 병합하거나, 접착제 마스크를 이용하여 구슬들을 기판에 부착함으로써 정보 매체가 제조된다. 이와 달리, 공간적으로 변조된 자기장들을 인가함으로써 구슬들이 위치될 수 있다.

도 3은 판독부를 도시한 것이다. 판독부(30)는 전술한 정보 매체부와 함께 동작하도록 하기 위한 것이다. 또한, 판독부는 계면(32)을 가진다. 계면(32)에는 센서 소자들의 어레이(31)가 구비되어 있다. 상기 어레이는 근접장 작용 거리에서의 상기 전자기 물질의 존재를 감지하는 전자기 센서부의 2차원 배치이다.

전자기 물질과 센서 소자의 몇 개의 조합들이 선택될 수 있음을 유의해야 한다. 일 실시예에서, 센서 소자들에는, 자기장을 발생시키고 부드러운 자기 특성을 갖는 물질의 존재 또는 부재에 의해 영향받는 자기장을 검출하는 회로가 구비되어 있다. 또 다른 실시예에서, 센서 소자들에는, 전기장을 발생시키고, 예를 들어, 용량성 결합(capacitive coupling)을 통해 전자기 물질의 존재 또는 부재에 의해 영향받는 전기장을 검출하는 회로가 구비되어 있다. 또 다른 실시예에서, 센서 소자들에는, 변동하는 자기장을 발생시키고, 와전류(eddy current)를 통해 전도성 물질의 존재 또는 부재에 의해 영향받는 자기장을 검출하는 회로가 구비되어 있다. 또 다른 실시예에서, 센서 소자들은, 전자기장인 광을 방출하고, 광원으로부터 근접장 작용 거리에서의 물질의 작용을 검출하도록 구성된다. 아래에 설명된 또 다른 실시예들은 자기 물질의 사용을 기반으로 하고 있다. 적당한 물질은 약한 자기 물질이고, 적당한 센서 소자는 자기저항 효과를 기반으로 하고 있다. 그 예에 대해서는 도 6을 참조하여 아래에서 설명한다.

도 4는 저장장치를 도시한 것이다. 저장장치는 정보 매체부(10)와 판독부(30)를 포함하는 하우징(41)을 가진다. 전기 커넥터(42)들은 저장장치를 외부에 접속하기 위해 하우징(41)으로부터 연장되어 있다. 도시된 것과 같이, 부품들은 하우징 내부에 고정적으로 결합되어 있다. 제조하는 동안, 비트 위치와 이에 대응하는 센서 소자 사이의 대략 근접장 작용 거리에 있는 센서 소자들과 대향하도록 비트 위치들을 배치시키기 위하여, 양쪽 부품들이 정렬된다. 정렬 상태에서, 예를 들어, 접착제 도포나, 하우징을 형성하는 캡슐화 처리에 의해, 상기 부품들이 함께 부착된다. 메모리층은 최종 단계로서 추가되고, 판독기 장치는 다수 개로 제조될 수 있으므로, 새로운 장치의 제조는 규모의 경제에 도달하게 된다는 점을 유의해야 한다. 메모리층은 별도의 생산 라인에서 원하는 갯수가 복제될 수 있고, 따라서, 예를 들어, 웨이퍼 부착 처리를 이용하여 판독기 칩들에 부착될 수 있다.

도 5는 정보 평면의 근접장 작용 거리에 있는 센서 소자들을 도시한 것이다. 어레이의 2개의 센서 소자들 54, 56이 도시되어 있다. 센서 소자들 54, 56 위에는, 기판(51)과, 자기 물질(52)의 층을 갖는 정보 매체부가 도시되어 있다. 비트 위치(53)에서, 돌출부는 상기 물질이 센서 소자(56)에 접근하여 그 근접장 작용 거리 속으로 들어가게 한다. 인접 비트 위치에서, 상기 물질은 다음 센서 소자(54)의 근접장 작용 거리 외부에 존재한다. 센서 소자들은, 예를 들어, 도시된 것과 같이, 소자(56) 아래의 리드선(58)을 통해 전류를 안내함으로써 자기장들 55, 57을 발생시키도록 구성되어 있다. 자기장은 결과적으로 얻어진 자기장들 55, 57에서 도시된 것과 같이, 자기 물질의 존재 또는 부재에 의해 영향받게 되고, 센서 소자의 상부층에서 자기 방향이 상이하게 된다. 상기 방향은, 예를 들어, GMR, AMR 또는 TMR 등의 자기-저항 효과를 이용함으로써, 다층 또는 단층 적층체를 갖는 센서 소자들에서 검출된다. TMR형 센서는 저항 정합의 이유로 본 발명의 판독전용 센서 소자용으로 바람직하다.

도면에 도시된 것과 같이, 정보 매체 상의 자기층 근처의 부분은 바이어스 필드의 필드 라인들이 TMR-소자로부터 멀어지게 강제한다. 상기 물질은 자속 안내자로서 작용하고; 상기 필드 라인들은 스핀-터널 접합의 자유층을 지나는 것이 아니라 상기 물질을 지난다. 층간 정자기 결합이 외부 자기장이 전혀 인가되지 않는 반평행(antiparallel) 자화 구성으로 되도록 스핀-터널 접합의 적층체가 설계될 경우, 자기층의 돌출부 근처는 높은 저항으로 되지만, 그렇지 않으면, 바이어스 필드가 낮은 저항 상태를 발생시킬 것이다. 일 실시예에서는, 전류 전달 도전체가 바이어스 필드를 위한 필드 발생 스트랩(strap)으로 사용된다. 혹은, 이것은 영구 자석일 수도 있다. 당업자에게 자명한 것과 같이, 바이어스 필드들을 위한 많은 변형들이 가능하고, 또한 표유 장(stray field)이 사용될 수도 있다. 매체의 바이어스 필드는 (도면에 도시된 것과 같이) 기판의 평면에 존재할 수 있지만, 이와 달리, 기판에 수직인 바이어스 필드를 고려하여, 스핀-터널 접합들의 층들의 평면에서 성분들을 갖는 자기층으로부터의 표유 장들이 될 수도 있다. 주어진 예들은 평면내 민감도를 갖는 자기저항성 소자들을 사용하지만, 수직인 필드들을 감지하는 소자들을 사용하는 것도 가능하다. 자기저항성 효과를 이용한 센서들의 또 다른 설명을 위하여, "Magnetoresistive sensors and memory" by K.-M.H. Lenssen, as published in "Frontiers of Multifunctional Nanosystems", page 431-452, ISBN 1-4020-0560-1(HB) or 1-4020-0561-X(PB)를 참조한다.

저장 시스템에서는, 정보 평면 상의 센서와 대향하는 비트 위치로 인해 센서 소자에서 발생하는 자화 방향들에 의해 데이터가 표현된다. 판독은 다층 적층체에서 검출되는 자기저항(MR : magnetoresistance) 현상에 의존하는 저항 측정에 의해 행해진다. 센서들은 박막에서의 이방성 자기저항(AMR : anisotropic magnetoresistance) 효과를 기반으로 할 수 있다. 박막에서의 AMR 효과의 지높ㄱ은 대표적으로 3% 미만이므로, AMR의 사용은 민감한 전자장비를 필요로 한다. 보다 큰 거대 자기저항(GMR : giant magnetoresistance) 효과는 더 큰 MR 효과(5 내지 15%)를 가지므로, 더 높은 출력신호가 발생한다. 자기 터널 접합들은 큰 터널 자기저항(TMR : tunnel magnetoresistance) 효과를 사용하며, 도시된 것과 같이, 저항은 50%에 이를 정도로 변화한다. 바이어스 전압에 대한 TMR 효과의 강한 의존성 때문에, 실제 적용시에 사용 가능한 저항 변화는 35% 근처에 존재한다. 일반적으로, 자성체들이 반평행으로 배향되어 있으면, 다층 적층체에서의 자화 방향들이 평행이고 높은 저항일 경우, GMR과 TMR 양쪽은 낮은 저항으로 된다. TMR 다층들에서는, 전자들이 장벽층을 통해 터널을 만들어야 하므로, 감지 전류가 층 평면들(CPP)에 수직으로 인가되어야 하고; GMR 장치들에서는, CPP 구성이 더 큰 MR 효과를 제공하더라도, 감지 전류는 보통 층들의 평면(CIP)에서 흐르며, 이들 모두 금속인 다층들의 평면들에 수직인 저항은 매우 작다. 그럼에도 불구하고, 보다 소형화를 이용하는, CPP와 GMR을 기반으로 한 센서들이 가능하다.

도 6은 센서 소자를 상세하게 도시한 것이다. 상기 센서는, 자유 자기층(62), 터널링 장벽(63) 및 고정 자기층(64)의 층들로 된 다층 적층체에 판독 전류(67)를 안내하는 전기 전도성 물질의 비트 라인(61)을 가진다. 상기 적층체는 선택 라인(68)을 통해 선택 트랜지스터(66)에 접속된 또 다른 도전체(65) 상에 만들어진다. 선택 트랜지스터(66)는 그 게이트 상의 제어 전압에 의해 활성화될 경우에 각각의 비트 셀을 판독하기 위하여 상기 판독 전류(67)를 접지 레벨로 연결한다. 고정된 자기층(핀 고정 층이라고도 함)과 자유 자기층(62)에 존재하는 자화 방향(69)은 MRAM 메모리의 비트 셀 소자들과 유사한 터널링 장벽(63)의 저항을 결정한다. 자유 자기층에서의 자화는, 도 5에서 전술한 것과 센서와 대향하는 비트 위치에 있는 물질이 화살표(60)로 표시된 근접장 작용 거리 내에 있을 경우, 상기 물질에 의해 결정된다.

일 실시예에서는, 바이어스 필드를 발생시키기 위하여 추가적인 수단이 필요하지 않지만, 바이어스 필드는 스핀-터널 접합 내에 효과적으로 내장된다. 이것은, 예를 들어, 아래의 방식으로 달성될 수 있다. 스핀-터널 접합의 아래 또는 위의 추가적인 단단한 자기층에 의해, 또는, 예를 들어, 교환 바이어스층 등의 "과도-규모(over-dimensioned)" 핀 고정층, 또는, MR-소자와 같은 "가짜-스핀 밸브(pseudo-spin valve)"의 경우의 단단한 자기층에 의해 내장 영구 자석이 얻어진다. 일반적으로, 스핀-터널 접합에 대한 경우와 같이, 결과적으로 얻어지는 정자기 결합은 핀 고정층과 자유층 사이에 임의의 직접 교환 결합을 지배한다는 점이 중요하다. 정보 매체의 약한 자기층이 소자에 접근할 경우, 즉, 근접장 작용 거리 내부에 오는 경우, 자유층 상의 정자기 결합의 효과는 가파르게 감소되어야 한다. 이것은 상기 거리를 충분히 작게 하고, 이 층의 두께를 충분히 크게 함으로써 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 정보 평면의 물질은 센서 소자에서의 자유층의 자화 방향과 평행한 방향으로 영구적으로 자화된다. 정보 매체에서의 자속 폐쇄 돌출부로 인해, 매체에 대한 결합이 MR 소자 내에서의 다른 층들과의 결합보다 더 강하면, 자유층의 자화의 반전이 유도된다.

센서 소자들에 대해, MRAM용의 센서 소자들에 비해 상이한 요건들로 인해, 스핀-터널 접합들의 조성 및 특성들은 MRAM용으로 사용되는 것들과 대조되도록 채택된다. MRAM에 대해서는, 2개의 안정된 자화 구성들(즉, 평행 및 반평행)이 저장을 위해 필수적이지만, 이것은 제안된 센서 소자에 대한 경우에도 그러할 필요가 없다. 여기서, 판독 민감도는 중요하지만, 쌍안정 자화 구성이 일반적으로 적절하지는 않다. 물론, 예를 들어, 핀 고정층 또는 교환-바이어스층에서의 기준 자화의 방향은 불변이어야 한다. 이에 따라, 검출층으로서 작용하는 자유층에 대해, 낮은 보자력을 갖는 물질들이 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 다수의 센서 소자들이 동시에 판독된다. 비트 셀들의 어드레싱은 교차선들의 어레이에 의해 행해진다. 판독방법은 센서의 종류에 의존한다. 가짜-스핀 밸브의 경우, 이러한 완전 금속성 셀들의 저항은 상대적으로 낮으므로, 다수의 셀들(N)이 워드 라인에서 직렬로 접속될 수 있다. 이것은 N개의 셀들마다 오직 하나의 스위칭 소자(보통 트랜지스터)가 필요하다는 흥미있는 이점을 제공한다. 이와 관련된 단점은 상대적인 저항 변화가 N개로 분할된다는 점이다. 워드 라인(직렬 셀들을 가짐)의 저항을 측정함으로써 판독이 행해지지만, 작은 양 플러스 음의 전류 펄스가 순차적으로 원하는 비트 라인에 인가된다. 동반된 자기장 펄스들은 2개의 강자성층의 스위칭 필드들 사이에 존재하고; 이에 따라, 더 높은 스위칭 필드를 갖는 층(감지층)은 변화되지 않고 유지되지만, 다른 층의 자화는 규정된 방향으로 설정된 다음, 반전될 것이다. 결과적으로 얻어지는 워드 라인에서의 저항 변화의 부호로부터, 워드 라인과 비트 라인의 교차점에 있는 셀에 '0' 또는 '1'이 저장되어 있는지를 알 수 있다. 일 실시예에서는, 고정된 자화 방향을 갖는 스핀 밸브들이 사용되고, 데이터는 다른, 자유 자기층에서 검출된다. 이 경우, 셀의 절대 저항이 측정된다. 일 실시예에서는, 기준 셀에 대한 것과 다르게 저항이 측정된다. 이 셀은 스위칭 소자(보통 트랜지스터)에 의해 선택되고, 이 경우에는 하나의 셀마다 하나의 트랜지스터가 필요하다는 것을 의미한다. 셀 당 하나의 트랜지스터를 갖는 센서들 외에, 다른 방안으로서, 셀 내부에 트랜지스터를 갖지 않는 센서가 고려된다. 교차점 구조에서 셀에 트랜지스터가 없는 센서 소자는 더 높은 밀도를 제공하지만, 다소 더 긴 판독 시간을 가진다.

본 발명에 따른 메모리장치는 아래의 응용에 대해 특히 적합하다. 첫 번째 응용은, 예를 들어, 랩톱 컴퓨터나 휴대용 음악 플레이어와 같이 교환 가능한 메모리를 필요로 하는 휴대용장치이다. 상기 장치는 콘텐츠 배포를 위한 저장 매체로서도 사용될 수 있다. 또 다른 응용은 스마트 카드이다. 또한, 상기 장치는 생산 이후에 재기록이 불가능한 시큐어 메모리(secure memory)로서 응용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 장치는 새로운 메모리 셀들과 함께 통상의 RAM 메모리를 가진다. 상기 메모리장치의 새로운 메모리 어레이부는 오퍼레이팅 시스템, 프로그램 코드 등을 포함하는 메모리로서 응용된다. 또 다른 응용은 저작권이 아주 잘 보호되는 메모리이다. 상기 보호는, 정보 저장장치의 기록형/재기록형 장치가 존재하지 않고, 소비자는 부착된 판독전용 정보 매체를 정당하게 복사할 수 없다는 사실로부터 유용하다. 예를 들어, 이러한 종류의 메모리는 게임 배포용으로 적합하다. 현존하는 해결책과 대조해 볼 때, 아래의 특성을 모두 가지고 있다: 용이하게 복제 가능함, 복사-방지, 인스턴트-온(instant-on), 급속 액세스 시간, 견고함, 가동부 없음, 낮은 전력 소비 등.

본 발명은 약한 자기 물질과 자속 안내를 이용한 실시예들에 의해 주로 설명되었지만, 예를 들어, 용량성 결합과 같은 어떠한 종류의 근접장 상호작용도 사용될 수 있다. 본 명세서에서, 동사 '포함한다'와 그 활용형은 열거된 것 이외의 다른 소자들이나 단계들의 존재를 제외하지 않으며, 소자에 선행하는 단어 'a' 또는 'an'은 이러한 복수의 소자들의 존재를 제외하지 않으며, 어떠한 참조 부호도 청구항들의 범위를 제한하지 않으며, 본 발명은 하드웨어 및 소프트웨어 양자에 의해 구현될 수 있고, 몇 개의 '수단' 또는 '부'는 동일한 물품의 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 표현될 수 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 범위는 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명은 전술한 신규한 모든 특징 또는 특징들의 조합의 각각에 존재한다.

Claims (9)

1. 정보 매체부와 판독부를 구비하는 저장장치에 있어서,

   상기 정보 매체부는 비트 위치들의 어레이를 구성하는 전자기 물질의 패턴이 구비되어 있는 정보 평면을 가지며, 상기 정보 평면에서의 상기 물질의 존재 또는 부재는 비트 위치의 값을 나타내고,

   상기 판독부는 정보 평면과 함께 동작하기 위한 계면을 가지며, 상기 계면에는, 근접장 작용 거리에서의 상기 전자기 물질의 존재를 감지하는 전자기 센서 소자들의 2차원 어레이가 구비되어 있으며,

   상기 각 부들은, 비트 위치와 그에 대응하는 센서 소자 사이의 대략 근접장 작용 거리에 있는 센서 소자들과 대향하도록 비트 위치들을 배치시키기 위하여, 고정적으로 결합 및 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 저장장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 정보 평면에서의 패턴은, 층의 전자기 물질을 근접장 작용 거리 외부 또는 내부에 보내는 돌출부 또는 오목부를 갖는 기판 상의 상기 전자기 물질의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저장장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 정보 평면에서의 패턴은, 상기 전상기 전자기 물질의 영역들의 패턴이나, 기판에 내장된 전자기 입자들의 존재 또는 부재에 의해 덮여 있는 기판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저장장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전자기 물질은 상기 센서 소자들에 의해 검출 가능한 약한 자기 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 저장장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 전자기 물질은 상기 센서 소자들에 의해 검출 가능한 전기 도전 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 저장장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 센서 소자들은 전자기장을 발생하고, 아래 방식 중 적어도 하나에 의해 상기 전자기 물질의 존재를 검출하도록 구성되고:

   자기장을 발생하고, 약한 자기 특성을 통해 전자기 물질의 존재 또는 부재에 의해 영향받는 자기장을 검출하는 방식; 또는,

   전기장을 발생하고, 용량성 결합을 통해 전자기 물질의 존재 또는 부재에 의해 영향받는 전기장을 검출하는 방식; 또는,

   변동하는 자기장을 발생하고, 와전류를 통해 전자기 물질의 존재 또는 부재에 의해 영향받는 자기장을 검출하는 방식인 것을 특징으로 하는 저장장치.
7. 청구항 1에 기재된 장치에 사용하기 위한 정보 매체부에 있어서,

   비트 위치들의 어레이를 구성하는 전자기 물질의 패턴이 정보 평면에 구비되어 있고, 상기 정보 평면에서의 상기 물질의 존재 또는 부재는 비트 위치의 값을 나타내도록 되어 있는 정보 평면을 구비하는 것을 특징으로 하는 정보 매체부.
8. 청구항 1에 기재된 장치에 사용하기 위한 판독부에 있어서,

   상기 판독부는, 근접장 작용 거리에서의 상기 전자기 물질의 존재를 감지하는 전자기 센서 소자들의 2차원 어레이가 구비되어 있는 계면으로서, 정보 평면과 함께 동작하는 계면을 가지는 것을 특징으로 하는 판독부.
9. 청구항 1에 기재된 정보 매체부와 판독부를 구비한 저장장치의 조립방법에 있어서,

   상기 정보 매체부는 비트 위치들의 어레이를 구성하는 전자기 물질의 패턴이 구비되어 있는 정보 평면을 가지며, 상기 정보 평면에서의 상기 물질의 존재 또는 부재는 비트 위치의 값을 나타내고,

   상기 판독부는 정보 평면과 함께 동작하기 위한 계면을 가지며, 상기 계면에는, 근접장 작용 거리에서의 상기 전자기 물질의 존재를 감지하는 전자기 센서 소자들의 2차원 어레이가 구비되어 있으며,

   상기 방법은,

   비트 위치와 그에 대응하는 센서 소자 사이의 대략 근접장 작용 거리에 있는 센서 소자들과 대향하도록 비트 위치들을 배치시키기 위하여, 정보 매체부와 판독부를 정렬시키는 단계와,

   정렬되는 동안, 상기 정보 매체부와 상기 판독부를 물리적으로 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저장장치의 조립방법.