KR100846509B1 - 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 개시된 본 발명의 정보 저장 장치는 자구벽을 갖는 쓰기용 자성층; 상기 쓰기용 자성층 상에 형성된 것으로서, 연결용 자성층과 정보 저장용 자성층이 차례로 적층된 적층 구조물; 및 상기 정보 저장용 자성층에 저장된 정보를 읽기 위한 읽기 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

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 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 보여주는 사시도 및 측면도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 보여주는 사시도이다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 쓰기방법을 단계별로 보여주는 사시도이다.

도 4a 내지 도 4j는 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *

100 : 쓰기용 자성층 200 : 연결용 자성층

300 : 정보 저장용 자성층 400 : 자기 저항 센서

A : 제1 영역 B : 제2 영역

C1∼C6 : 제1 내지 제6 도전선 D1∼D5 : 제1 내지 제5 자구

DW1, DW2 : 제1 및 제2 자구벽 E1 : 쓰기용 자성층의 일단

E2 : 쓰기용 자성층의 타단 M1, M2 : 제1 및 제2 방향

본 발명은 정보 저장 장치에 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.

이하에서는, 먼저 자성 물질의 자구 및 자구벽에 대해 설명한 후, 그를 이용한 정보 저장 장치에 대해 설명한다.

자성체를 구성하는 자기적인 미소영역을 자기 구역(magnetic domain ; 이하, 자구라 함)이라 한다. 이러한 자구 내에서는 전자의 자전, 즉 자기 모멘트의 방향이 동일하다. 이러한 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, 이러한 자구벽은 자성 재료에 인가되는 전류 또는 자기장에 의해 이동될 수 있다. 즉, 소정의 폭 및 두께를 갖는 자성층(magnetic layer) 내에 특정 자화 방향을 갖는 다수의 자구들을 만들 수 있고, 적절한 강도를 갖는 전류 또는 자기장을 이용해서 상기 자구 및 자구벽을 이동시킬 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 자구벽을 갖는 쓰기용 자성층; 상기 쓰기용 자성층 상에 형성된 것으로서, 연결용 자성층과 정보 저장용 자성층이 차례로 적층된 적층 구조물; 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 쓰기용 자성층 및 상기 정보 저장용 자성층은 바(bar) 형상이고, 상기 쓰기용 자성층은 상기 정보 저장용 자성층과 수직 또는 평행할 수 있다.

상기 적층 구조물은 상기 쓰기용 자성층을 따라 복수 개로 형성될 수 있다.

상기 적층 구조물은 상기 쓰기용 자성층과 수직한 방향으로 복수 개로 형성될 수 있다. 이때, 상기 적층 구조물에서 상기 정보 저장용 자성층들의 길이는 상기 쓰기용 자성층 방향으로 갈수록 짧아질 수 있다.

상기 쓰기용 자성층의 자기 이방성 에너지는 2×10³∼10⁷ J/m³일 수 있다.

상기 쓰기용 자성층은 CoPt 또는 FePt로 형성되거나, CoPt와 FePt의 합금으로 형성될 수 있다.

상기 연결용 자성층의 자기 이방성 에너지는 10∼10³ J/m³일 수 있다.

상기 연결용 자성층은 Ni, Co, NiCo, NiFe, CoFe, CoZrNb 및 CoZrCr 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

상기 정보 저장용 자성층의 자기 이방성 에너지는 2×10³∼10⁷ J/m³일 수 있다.

상기 정보 저장용 자성층은 CoPt 또는 FePt로 형성되거나, CoPt와 FePt의 합금으로 형성될 수 있다.

상기 정보 저장용 자성층에서 상기 연결용 자성층과 접한 제1 영역의 자기 이방성 에너지는 상기 정보 저장용 자성층에서 상기 제1 영역을 제외한 나머지 영역의 자기 이방성 에너지보다 작을 수 있다.

상기 정보 저장용 자성층에서 상기 연결용 자성층과 접한 제1 영역의 자기 이방성 에너지(K1)는 0≤K1＜10⁷ J/m³이고, 상기 정보 저장용 자성층에서 상기 제1 영역을 제외한 나머지 영역의 자기 이방성 에너지(K2)는 2×10³≤K2≤10⁷ J/m³일 수 있다.

상기 제1 영역은 불순물 이온이 도핑된 부분일 수 있다.

상기 불순물 이온은 He⁺ 및 Ga⁺중 적어도 어느 하나일 수 있다.

상기 읽기 수단은 상기 쓰기용 자성층 또는 상기 정보 저장용 자성층에 형성된 자기 저항 센서일 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 자구벽 이동을 이용한 제1 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 개구부를 형성하는 단계; 및 상기 제1 개구부 내에 제1 연결용 자성층과 상기 제1 정보 저장용 자성층을 차례로 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 제1 개구부는 제1 홈 및 상기 제1 홈 상에 상기 제1 홈보다 큰 제2 홈을 포함할 수 있다.

상기 제1 개구부는 나노 임프린트(nano-imprint) 방식으로 형성할 수 있다.

상기 제1 연결용 자성층은 상기 제1 홈 내에 형성할 수 있다.

상기 제1 정보 저장용 자성층은 상기 제2 홈 내에 형성할 수 있다.

상기 본 발명의 정보 저장 장치의 제조방법은 상기 제1 개구부 내에 제1 연결용 자성층과 제1 정보 저장용 자성층을 형성하는 단계 후, 상기 제1 정보 저장용 자성층 및 상기 제1 절연층 상에 제2 절연층을 형성하는 단계; 상기 제2 절연층을 패터닝하여 상기 제1 정보 저장용 자성층을 노출시키는 제2 개구부를 형성하는 단계; 및 상기 제2 개구부 내에 제2 연결용 자성층과 제2 정보 저장용 자성층을 차례로 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 연결용 자성층과 제2 정보 저장용 자성층을 형성하는 단계 전, 상기 제2 개구부에 의해 노출된 제1 정보 저장용 자성층에 불순물 이온을 도핑하는 단계를 더 수행할 수 있다.

상기 불순물 이온은 He⁺ 및 Ga⁺중 적어도 어느 하나일 수 있다.

상기 제2 개구부는 제3 홈 및 상기 제3 홈 상에 상기 제3 홈보다 큰 제4 홈을 포함할 수 있다.

상기 제2 개구부는 나노 임프린트(nano-imprint) 방식으로 형성할 수 있다.

상기 제2 연결용 자성층은 상기 제3 홈 내에 형성할 수 있다.

상기 제3 정보 저장용 자성층은 상기 제4 홈 내에 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 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치(이하, 본 발명의 제1 정보 저장 장치)를 보여준다. 도 1a는 사시도이고, 도 1b는 측면도이다.

도 1a를 참조하면, 자구벽 이동 특성을 갖는 쓰기용 자성층(100) 및 쓰기용 자성층(100)과 교차하며 다층 구조를 갖는 다수의 정보 저장용 자성층(300)이 형성 되어 있다. 쓰기용 자성층(100)과 정보 저장용 자성층(300) 사이 및 정보 저장용 자성층(300)들 사이에 연결용 자성층(200)이 형성되어 있다. 그리고 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 하부에 형성되거나, 쓰기용 자성층(100)의 상부 또는 하부에 형성될 수도 있다.

정보 저장용 자성층(300)의 길이는 아래로 갈수록 짧아지는 것이 바람직하고, 각 정보 저장용 자성층(300)의 양단 하부에는 구동 소자(미도시)와의 전기적 연결을 위한 도전선(미도시)이 형성된다.

쓰기용 자성층(100)은 CoPt 또는 FePt로 형성되거나, CoPt와 FePt의 합금으로 형성된 강자성층이고, 그의 자기 이방성 에너지는 2×10³∼10⁷ J/m³ 정도일 수 있다. 연결용 자성층(200)은 Ni, Co, NiCo, NiFe, CoFe, CoZrNb 및 CoZrCr 중 어느 하나로 형성된 연자성층이고, 그의 자기 이방성 에너지는 10∼10³ J/m³ 정도일 수 있다. 정보 저장용 자성층(300)에서 연결용 자성층(200)과 접한 제1 영역(A)의 자기 이방성 에너지는 상기 제1 영역(A)을 제외한 나머지 영역, 즉 제2 영역(B)의 자기 이방성 에너지보다 작은 것이 바람직하다. 그러나 정보 저장용 자성층(300)은 전 영역에서 동일한 자기 이방성 에너지를 가질 수도 있다. 제1 영역(A)의 자기 이방성 에너지(K1)는 0≤K1≤10⁷ J/m³ 정도일 수 있고, 제2 영역(B)의 자기 이방성 에 너지(K2)는 2×10³≤K2≤10⁷ J/m³ 정도일 수 있다. 이러한 정보 저장용 자성층(300)은 CoPt 또는 FePt로 형성되거나, CoPt와 FePt의 합금으로 형성될 수 있는데, 제1 영역(A)은 He⁺나 Ga⁺와 같은 불순물 이온이 도핑된 영역일 수 있다. 상기 불순물 이온이 도핑됨에 따라, 제1 영역(A)의 자기 이방성 에너지가 제2 영역(B)의 그것보다 낮아진다.

도 1b를 참조하면, 쓰기용 자성층(100)은 적어도 두 개의 자구 및 적어도 한 개의 자구벽을 포함한다. 도 1b에는 쓰기용 자성층(100)이 제1 내지 제3 자구(D1∼D3)와 제1 및 제2 자구벽(DW1, DW2)을 갖는 경우가 도시되어 있다. 쓰기용 자성층(100) 내에 제1 내지 제3 자구(D1∼D3)를 형성하는 방법은 다양하다. 예를 들면, 쓰기용 자성층(100)이 될 강자성층의 중앙부 상에 연자성층을 형성한 후, 상기 강자성층과 상기 연자성층에 소정의 외부 자장을 인가하면, 상기 연자성층과 접한 강자성층은 그 양측의 강자성층과 다른 자화 방향을 가질 수 있다. 이 밖에도 다양한 방법으로 제1 내지 제3 자구(D1∼D3)를 형성할 수 있다. 쓰기용 자성층(100)의 양단 및 중앙은 전류 인가를 위한 제1 내지 제3 도전선(C1∼C3)과 연결되어 있다. 제1 및 제2 도전선(C1, C2) 사이 또는 제2 및 제3 도전선(C2, C3) 사이에 인가되는 전류에 따라, 제1 또는 제2 자구벽(DW1, DW2)이 이동한다. 예컨대, 제1 도전선(C1)에서 제2 도전선(C2)으로 전류를 흘려주면 제1 자구벽(DW1)은 제1 도전선(C1) 쪽으로 이동한다. 전류의 방향과 자구벽의 이동 방향은 반대인데, 이것은 자구벽이 전자의 이동 방향으로 이동하기 때문이다.

제1 및 제2 자구벽(DW1, DW2)의 위치에 따라, 연결용 자성층(200)의 자화 방향이 달라질 수 있다. 다시 말해, 연결용 자성층(200)의 자화 방향은 연결용 자성층(200)과 접한 쓰기용 자성층(100)의 자화 방향을 따른다. 이것은 연결용 자성층(200)이 자화 반전되기 용이한 연자성층이기 때문이다. 연결용 자성층(200)의 자화 방향이 반전되면, 그에 따라 제1 영역(A)의 자화 방향이 연결용 자성층(200)의 그것과 동일해진다. 이것은 연결용 자성층(200) 및 제1 영역(A)이 동일한 자화 방향을 가지는 것이 그렇지 않은 것보다 에너지적으로 안정하기 때문이다. 이러한 자화 반전은 최하층의 연결용 자성층(200)부터 최상층의 제1 영역(A)까지 연쇄적으로 일어난다. 제1 영역(A)의 자기 이방성 에너지(K1)가 제2 영역(B)의 자기 이방성 에너지(K2)보다 작으면, 제1 영역(A)의 자화 반전이 용이하다.

제1 영역(A)의 자화 방향을 원하는 상태로 반전시킨 후, 제1 영역(A)에서 제2 영역(B) 방향으로 자구벽을 1 비트만큼 이동시키면, 제2 영역(B)에 소정의 정보를 저장할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치(이하, 본 발명의 제2 정보 저장 장치)를 보여주는 사시도이다. 본 발명의 제2 정보 저장 장치는 본 발명의 제1 정보 저장 장치가 변형된 것으로서, 둘 간의 차이는 정보 저장용 자성층(300)에 있다. 본 발명의 제1 정보 저장 장치에서는 제1 영역(A) 양측에 제2 영역(B)이 존재하지만, 본 발명의 제2 정보 저장 장치에서는 제1 영역(A) 일측에 제2 영역(B)이 존재한다. 이러한 본 발명의 제2 정보 저장 장치에서는 정보 저장용 자성층(300)의 일단 하부에 전류 인가를 위한 도전선(미도시)이 형성된다.

쓰기용 자성층(100)과 정보 저장용 자성층(300)은 평행하게 형성될 수도 있다. 이 경우에도 쓰기용 자성층(100) 상에 연결용 자성층(200)과 정보 저장용 자성층(300)을 포함하는 적층 구조물이 다수 적층되는데, 동일 평면 상에 다수의 쓰기용 자성층(100)이 소정 간격을 두고 규칙적으로 배열될 수 있다. 상기 소정 간격은 쓰기용 자성층(100)의 폭과 유사할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 제1 정보 저장 장치의 쓰기방법을 보다 자세히 설명한다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제1 정보 저장 장치의 쓰기방법을 설명하기 위한 사시도이다. 도 3a 내지 도 3e에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 제1 정보 저장 장치의 일부만 보여준다.

도 3a를 참조하면, 쓰기용 자성층(100)의 제1 자구(D1), 연결용 자성층(200) 및 정보 저장 자성층(300)은 제1 방향(M1)으로 자화되어 있고, 쓰기용 자성층(100)의 제2 자구(D2)는 제2 방향(M2)으로 자화되어 있다. 도 3a에서 연결용 자성층(200)은 제1 및 제2 연결용 자성층(200a, 200b)으로 구분할 수 있고, 정보 저장 자성층(300)은 제1 및 제2 정보 저장 자성층(300a, 300b)으로 구분할 수 있다. 제1 정보 저장 자성층(300a)의 양단에 제4 및 제5 도전선(C4, C5)이 형성되어 있고, 제2 정보 저장 자성층(300b)의 양단에 제6 및 제7 도전선(C6, E7)이 형성되어 있다. 도면부호 C1 및 C2는 쓰기용 자성층(300a)의 일단(E1) 및 타단(E2)에 형성된 제1 및 제2 도전선을 나타낸다.

도 3b는 도 3a의 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 3b를 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. 이어서 제1 연결용 자성층(200a)과 접한 제1 영역(A1)의 자화 방향도 제2 방향(M2)으로 반전된다. 이러한 자화 반전은 제1 연결용 자성층(200a)에서 제2 정보 저장 자성층(300b)의 제1 영역(A2)까지 연쇄적으로 일어난다. 이러한 자화 반전에 따라 정보 저장용 자성층(300)에 다른 자구(이하, 제4 자구)(D4)가 형성된다.

도 3c를 참조하면, 제6 도전선(C6)에서 제2 도전선(C2)으로 전류를 흘려주어 제2 정보 저장용 자성층(300b) 내에서 제4 자구(D4)를 제2 정보 저장용 자성층(300)의 일단 방향으로 1 비트만큼 확장시킨다. 제4 자구(D4)에 대응하는 데이터는, 예컨대, '0'일 수 있다.

도 3d를 참조하면, 제2 도전선(C2)에서 제1 도전선(C1)으로 전류를 흘려주어 제1 자구벽(DW1)을 일단(E1)에서 타단(E2) 방향으로 이동시킨다. 이에 제1 자구(D1)가 제1 연결용 자성층(200a) 하부까지 확장된다. 이러한 제1 자구벽(DW1)의 이동에 따라, 제1 연결용 자성층(200)에서 제2 정보 저장 자성층(300b)의 제1 영역(A2)까지 자화 방향이 제1 방향(M1)으로 반전된다. 이때 제1 영역(A1, A2)에 형성된 자구를 제5 자구(D5)라 칭한다. 제5 자구(D5)에 대응하는 데이터는, 예컨대 '1'일 수 있다.

도 3e를 참조하면, 제6 도전선(C6)에서 제1 도전선(C1)으로 전류를 흘려주어 제4 및 제5 자구(D4, D5)를 제2 정보 저장용 자성층(300b)의 일단 방향으로 1 비트만큼 이동시킨다.

결과적으로 제2 정보 저장용 자성층(300b)의 제2 영역(B)에 '0' 및 '1'에 대응하는 데이터가 저장된다. 이러한 방법으로 정보 저장용 자성층(300)의 소정 영역에 2진(binary) 데이터를 저장할 수 있다.

도 3a 내지 도 3e에서는 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 쓰기방법은 동일하게 적용될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 정보 저장 장치에서는 쓰기용 자성층(100) 및 정보 저장용 자성층(300) 내에서 자구벽을 이동시키는 방법으로 데이터를 기록한다. 그러므로 본 발명의 정보 저장 장치에서는 움직이는 기계 시스템이 요구되지 않는다. 또한 본 발명의 정보 저장 장치는 도 1a 및 도 2에 도시한 바와 같은 멀티 스택(multi-stack) 정보 저장 장치이기 때문에, 대용량의 정보를 저장할 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만, 소정의 데이터가 저장된 자구를 자기 저항 센서(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 사용된다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법(이하, 본 발명의 제조방법)을 설명한다.

도 4a 내지 도 4j는 본 발명의 제조방법을 단계별로 보여준다.

도 4a를 참조하면, 기판(10) 상에 쓰기용 자성층(100)을 형성한다. 쓰기용 자성층(100)은 도 1a를 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 레진층(resin layer)일 수 있다.

그 다음, 제1 절연층(20) 위쪽에 다중 단차(multi-step) 구조를 갖는 제1 마스터 스탬프(master stamp)(50)를 정렬시킨다. 제1 마스터 스탬프(50)은 전자빔 리소그라피(E-beam lithography)와 같은 나노 패터닝 방법으로 제작된 것으로서, 반복적으로 사용할 수 있다.

도 4b를 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. 도 4c는 제1 마스터 스탬프(50)를 제거한 이후의 상태를 보여준다.

도 4c를 참조하면, 제1 마스터 스탬프(50)를 이용한 임프린트 공정에 의해 쓰기용 자성층(100)의 일부를 노출시키는 제1 개구부(1)가 형성된다. 제1 개구부(1)는 제1 홈(H1) 및 제1 홈(H1) 상에 제1 홈(H1)보다 큰 제2 홈(H2)을 포함한다. 제1 홈(H1) 바닥에 상기 레진층의 일부가 잔류될 수 있는데, 잔류된 레진층은 RIE(reactive ion etching) 또는 플라즈마 에싱(plasma ashing) 방법으로 제거될 수 있다.

도 4d를 참조하면, 제1 홈(H1) 내에 도 1a의 연결용 자성층(200)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 제어될 수 있다. 그러므로 제1 연결용 자성층(200a)의 높이와 제1 홈(H1)의 높이를 맞출 수 있다. 비록 제1 연결용 자성층(200a)의 높이가 제1 홈(H1)의 높이와 정확히 일치하지 않는다 하더라도, 그로 인해 후속 공정 진행 및 장치의 동작시 문제가 발생되지는 않는다.

다음으로, 제2 홈(H2) 내에 도 1a의 정보 저장용 자성층(300)과 동일한 제1 정보 저장용 자성층(300a)을 형성한다. 제1 정보 저장용 자성층(300a)은 제1 연결용 자성층(200a) 및 제1 절연층(20) 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 자성층을 증착한 후, 상기 자성층을 CMP(chemical mechanical polishing)함으로써 형성할 수 있다.

도 4e를 참조하면, 상기 제1 정보 저장용 자성층(300a) 및 제1 절연층(20) 상에 제2 절연층(30)을 형성한다. 제2 절연층(30)은 제1 절연층(20)과 동일 물질로 형성할 수 있다. 그런 후, 제2 절연층(30) 위쪽에 다중 단차(multi-step) 구조를 갖는 제2 마스터 스탬프(60)을 위치시킨다.

앞서 언급한 제1 마스터 스탬프(50)로 제1 절연층(20)을 패터닝한 방법과 유사하게 제2 마스터 스탬프(60)로 제2 절연층(30)을 패터닝한다. 도 4f는 제2 절연층(30)을 패터닝하고, 제2 마스터 스탬프(60)를 제거한 상태를 보여준다.

도 4f를 참조하면, 제2 마스터 스탬프(60)를 이용한 임프린트 공정에 의해 제1 정보 저장용 자성층(300a)의 일부를 노출시키는 제2 개구부(2)가 형성된다. 제2 개구부(2)는 제3 홈(H3) 및 제3 홈(H3) 상에 제3 홈(H3)보다 큰 제4 홈(H4)을 포함한다. 제3 홈(H3)의 크기는 도 4c의 제1 홈(H1)의 크기와 같고, 제4 홈(H4)의 크기는 도 4c의 제2 홈(H2)의 크기보다 클 수 있다.

도 4g를 참조하면, 제2 개구부(2)를 갖는 제2 절연층(30)을 이온주입 마스크로 이용해서, 제2 개구부(2)에 의해 노출된 제1 정보 저장용 자성층(300a)에 불순물 이온을 도핑한다. 상기 불순물 이온은 He⁺ 및/또는 Ga⁺일 수 있다. 상기 He⁺ 및 Ga⁺와 같은 불순물 이온이 자성 물질에 도핑되면, 상기 불순물 이온에 의해 자성 물질의 자기 이방성 에너지가 감소한다. 이것은 상기 불순물 이온이 상기 자성 물질을 구성하는 자성 입자간 자기적 커플링(coupling) 효과를 떨어뜨리기 때문이다. 도핑되는 불순물 이온의 양에 따라 상기 자성 물질의 자기 이방성 에너지는 0까지 감소할 수 있다. 도면부호 A1은 제1 정보 저장용 자성층(300a)에서 상기 불순물 이온이 도핑된 부분을 나타낸다. 상기 불순물 이온의 도핑 공정은 선택적인(optional) 공정이다.

도 4h를 참조하면, 제1 개구부(1) 내에 제1 연결용 자성층(200a)과 제1 정보 저장용 자성층(300a)을 형성한 것과 동일한 방법으로, 제2 개구부(2) 내에 제2 연결용 자성층(200b)과 제2 정보 저장용 자성층(300b)을 형성한다.

도 4i를 참조하면, 상기 제2 정보 저장용 자성층(300b) 및 제2 절연층(30) 상에 제3 절연층(40)을 형성한다. 제3 절연층(40)은 제1 절연층(20)과 동일 물질로 형성할 수 있다. 그런 후, 앞서 언급한 제1 및 제2 절연층(20, 30)을 패터닝한 방법과 유사하게 제3 절연층(40)을 패터닝한다. 그 결과, 제2 정보 저장용 자성층(300b)의 일부를 노출시키는 제3 개구부(3)가 형성된다. 제3 개구부(3)는 제5 홈(H5) 및 제5 홈(H5) 상에 제5 홈(H5)보다 큰 제6 홈(H6)을 포함한다.

도 4j를 참조하면, 제3 개구부(3)를 갖는 제3 절연층(40)을 이온주입 마스크로 이용해서, 제3 개구부(3)에 의해 노출된 제2 정보 저장용 자성층(300b)에 He⁺ 및 Ga⁺와 같은 불순물 이온을 도핑한다. 도면부호 A2은 제2 정보 저장용 자성층(300b)에서 상기 불순물 이온이 도핑된 부분을 나타낸다. 상기 불순물 이온의 도핑 공정은 선택적인(optional) 공정이다.

이후, 도시하지는 않았지만, 제1 개구부(1) 내에 제1 연결용 자성층(200a)과 제1 정보 저장용 자성층(300a)을 형성한 것과 동일한 방법으로, 제3 개구부(3) 내에 제3 연결용 자성층과 제3 정보 저장용 자성층을 형성할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 제조방법은 도 1a의 정보 저장 장치를 제조하는 방법에 관한 것이지만, 상기 본 발명의 제조방법에서 제1 및 제2 마스터 스탬프(50, 60) 및 제1 및 제2 개구부(1, 2)의 형태를 변형하면 도 2의 정보 저장 장치를 제조할 수 있다.

본 발명의 제조방법에서는 다중 단차 마스터 스탬프(multi-step master stamp)를 사용하여 한 번의 임프린트(imprint) 공정으로 두 개의 홈을 형성한다. 그러므로 본 발명의 방법을 이용하면 적은 수의 공정으로 대용량의 정보 저장 장치를 용이하게 구현할 수 있다.

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, 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. 자구벽을 갖는 쓰기용 자성층;

   상기 쓰기용 자성층 상에 형성된 것으로서, 연결용 자성층과 정보 저장용 자성층이 차례로 적층된 적층 구조물; 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 쓰기용 자성층 및 상기 정보 저장용 자성층은 바(bar) 형상이고, 상기 쓰기용 자성층은 상기 정보 저장용 자성층과 수직 또는 평행한 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 적층 구조물은 상기 쓰기용 자성층을 따라 복수 개로 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 적층 구조물은 상기 쓰기용 자성층과 수직한 방향으로 복수 개로 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 적층 구조물에서 상기 정보 저장용 자성층들의 길이는 상기 쓰기용 자성층 방향으로 갈수록 짧아지는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동 을 이용한 정보 저장 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 쓰기용 자성층의 자기 이방성 에너지는 2×10³∼10⁷ J/m³인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 쓰기용 자성층은 CoPt 또는 FePt로 형성되거나, CoPt와 FePt의 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 연결용 자성층의 자기 이방성 에너지는 10∼10³ J/m³인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 연결용 자성층은 Ni, Co, NiCo, NiFe, CoFe, CoZrNb 및 CoZrCr 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
10. 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.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층은 CoPt 또는 FePt로 형성되거나, CoPt와 FePt의 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층에서 상기 연결용 자성층과 접한 제1 영역의 자기 이방성 에너지는 상기 정보 저장용 자성층에서 상기 제1 영역을 제외한 나머지 영역의 자기 이방성 에너지보다 작은 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 정보 저장용 자성층에서 상기 연결용 자성층과 접한 제1 영역의 자기 이방성 에너지(K1)는 0≤K1＜10⁷ J/m³이고, 상기 정보 저장용 자성층에서 상기 제1 영역을 제외한 나머지 영역의 자기 이방성 에너지(K2)는 2×10³≤K2≤10⁷ J/m³인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 영역은 불순물 이온이 도핑된 부분인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 불순물 이온은 He⁺ 및 Ga⁺중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 읽기 수단은 상기 쓰기용 자성층 또는 상기 정보 저장용 자성층에 형성된 자기 저항 센서인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
17. 자구벽 이동을 이용한 제1 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 개구부를 형성하는 단계; 및

    상기 제1 개구부 내에 제1 연결용 자성층과 상기 제1 정보 저장용 자성층을 차례로 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 개구부는 제1 홈 및 상기 제1 홈 상에 상기 제1 홈보다 큰 제2 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
19. 제 17 항 및 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 개구부는 나노 임프린트(nano-imprint) 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
20. 제 18 항에 있어서, 상기 제1 연결용 자성층은 상기 제1 홈 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
21. 제 19 항에 있어서, 상기 제1 정보 저장용 자성층은 상기 제2 홈 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
22. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 개구부 내에 제1 연결용 자성층과 제1 정보 저장용 자성층을 형성하는 단계 후,

    상기 제1 정보 저장용 자성층 및 상기 제1 절연층 상에 제2 절연층을 형성하는 단계;

    상기 제2 절연층을 패터닝하여 상기 제1 정보 저장용 자성층을 노출시키는 제2 개구부를 형성하는 단계; 및

    상기 제2 개구부 내에 제2 연결용 자성층과 제2 정보 저장용 자성층을 차례로 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 제2 연결용 자성층과 제2 정보 저장용 자성층을 형성하는 단계 전, 상기 제2 개구부에 의해 노출된 제1 정보 저장용 자성층에 불순물 이온을 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 불순물 이온은 He⁺ 및 Ga⁺중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
25. 제 22 항에 있어서, 상기 제2 개구부는 제3 홈 및 상기 제3 홈 상에 상기 제3 홈보다 큰 제4 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
26. 제 22 항 및 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 개구부는 나노 임프린트(nano-imprint) 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
27. 제 25 항에 있어서, 상기 제2 연결용 자성층은 상기 제3 홈 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.
28. 제 25 항에 있어서, 상기 제3 정보 저장용 자성층은 상기 제4 홈 내에 형성 하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치의 제조방법.

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