KR100790886B1 - 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 - Google Patents

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임지경
김은식
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치에 관한 것이다. 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치에 있어서, 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치에 있어서, 자화 방향을 지닌 자구가 형성된 단층 또는 다층 구조의 쓰기 트랙; 및 상기 쓰기 트랙 상에 형성되며, 중간층 및 단층 또는 다층 구조의 정보 저장 트랙을 포함하는 칼럼 구조체;를 포함하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 제공한다.

Description

자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치{Memory device using magnetic domain wall moving}
도 1a 내지 도 1c는 자구 벽 이동에 관한 기본 원리를 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 제 1실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2b는 도 2a에 나타낸 본 발명의 제 1실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 측단면도이다.
도 3a는 본 발명의 제 2실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3b는 도 3a에 나타낸 본 발명의 제 2실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 측단면도이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 정보 쓰기 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 정보 읽기 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 정보 쓰기 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 설계상의 일례를 나타낸 평면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 제 1자구 12... 제 2자구
13... 자구 벽
21... 쓰기 트랙 22... 정보 저장 트랙
23... 중간층 24... 자기 저항 소자
E1, E2, E3, E4, E5... 전극
본 발명은 정보 저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성 물질의 자구벽(magnetic domain wall) 이동 원리를 이용하여 정보를 기록, 저장 및 소거를 할 수 있는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치에 관한 것이다.
정보 산업이 발달함에 따라 대용량의 정보 처리가 요구됨에 따라 고용량의 정보를 저장할 수 있는 정보 저장 매체에 관한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 수요의 증가에 따라 정보 저장 속도가 빠르면서 소형의 정보 저장 매체에 관한 연구가 진행되고 있으며 결과적으로 다양한 종류의 정보 저장 장치가 개발되었다. 일반적으로 정보 저장 매체로 널리 사용되는 HDD는 읽기/쓰기 헤드와 정보가 기록되는 회전하는 매체를 포함하고 있으며, 100GB (gigabyte) 이상의 고용량 정보가 저 장될 수 있다. 그러나, HDD와 같이 회전하는 부분을 갖는 저장 장치는 마모되는 경향이 있고, 동작시 페일(fail)이 발생할 가능성이 크기 때문에 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.
최근에는 자성 물질의 자구 벽(magnetic domain wall) 이동 원리를 이용하는 새로운 데이터 저장 장치에 관한 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
도 1a 내지 도 1c는 자구 벽 이동 원리를 나타낸 도면이다. 도 1a를 참조하면 제 1자구(11), 제 2자구(12) 및 제 1자구(11)와 제 2자구(12)의 경계인 자구 벽(13)을 포함하는 자성 와이어가 개시되어 있다.
일반적으로 자성체를 구성하는 자기적인 미소 영역을 자구(magnetic domain)이라 한다. 자구 내에서는 전자의 자전, 즉 자기 모멘트의 방향이 동일한 특징을 지니고 있다. 이러한 자구의 크기 및 자화 방향은 자성 재료의 모양, 크기 및 외부의 에너지에 의해 적절히 제어될 수 있다. 자구 벽(magnetic domain wall)은 서로 다른 자화 방향을 갖는 자구들의 경계 부분을 나타내는 것이다. 이러한 자구 벽은 자성 재료에 인가되는 자기장 또는 전류에 의해 이동될 수 있는 특징이 있다.
도 1a에 나타낸 바와 같이, 소정의 폭 및 두께를 갖는 자성층 내에 특정 방향을 갖는 다수의 자구들을 만든 후, 외부에서 자장(magnetic field) 또는 전류(current)를 인가한 경우, 자구 벽을 이동시킬 수 있다.
도 1b를 참조하면, 제 2자구(12)에서 제 1자구(11) 방향으로 외부에서 자장을 가하면 자구 벽(13)은 제 2자구(12)에서 제 1자구(11) 방향, 즉 외부 자장의 인가 방향과 동일한 방향으로 이동함을 알 수 있다. 동일한 원리로 제 1자구(11)에서 제 2자구(12) 방향으로 자장을 인가하는 경우 자구 벽(13)은 제 1자구(11)에서 제 2자구(12) 방향으로 이동한다.
도 1c를 참조하면, 제 1자구(11)에서 제 2자구(12) 방향으로 외부에서 전류를 인가하면 자구 벽(13)은 제 2자구(12)에서 제 1자구(11) 방향으로 이동한다. 전류를 인가하는 경우, 전자는 반대 방향으로 흐르게 되며, 자구 벽(13)은 전자의 이동 방향으로 함께 이동하는 것이다. 즉 자구 벽은 외부 전류의 인가 방향과 반대 방향으로 이동함을 알 수 있다. 동일한 원리로 제 2자구(11)에서 제 1자구(12) 방향으로 전류을 인가하는 경우 자구 벽(13)은 제 1자구(11)에서 제 2자구(12) 방향으로 이동한다.
결과적으로 자구 벽은 외부 자장이나 전류의 인가를 통하여 이동시킬 수 있으며, 이는 곧 자구의 이동을 의미한다.
자구 벽 이동 원리는 HDD나 비휘발성 RAM과 같은 정보 저장 장치에 적용될 수 있다. 즉, 특정 방향으로 자화된 자구들 및 그들의 경계인 자구 벽을 갖는 자성 물질에서 자구 벽이 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 자구 벽의 위치를 변화시키면서 데이터를 쓰고 읽을 수 있기 때문에, 매우 간단한 구조를 갖는 고집적 소자 구현이 가능하다. 그러므로, 자구 벽 이동 원리를 이용하는 경우 종래 FRAM, MRAM 및 PRAM 등에 비해 매우 큰 저장 용량을 갖는 메모리의 제조가 가능하다. 그러나, 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치들은 아직 개발 초기단계에 있 으며, 대체로 정보 저장 밀도가 낮은 단점이 있다. 따라서, 고밀도의 최적화된 구조를 지닌 자구 벽 이동을 이용한 메모리 장치가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 정보 저장 밀도를 지니며 구조적으로 안정하며, 기록 매체를 회전시키는 등의 물리적 이동이 필요없어 마모 및 페일 현상을 방지할 수 있는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,
자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치에 있어서,
자화 방향을 지닌 자구가 형성된 단층 또는 다층 구조의 쓰기 트랙; 및
상기 쓰기 트랙 상에 형성되며, 중간층 및 단층 또는 다층 구조의 정보 저장 트랙을 포함하는 칼럼 구조체;를 포함하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 칼럼 구조체는 중간층 및 정보 저장 트랙이 교대로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 정보 저장 트랙은 방향은 상기 쓰기 트랙의 방향과 평행, 직교 또는 교차하는 방향인 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에 있어서, 상기 정보 저장 트랙의 길이는 상기 쓰기 트랙의 길이보 다 짧은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 쓰기 트랙 및 상기 정보 저장 트랙은 105 J/m3 내지 107 J/m3의 자기 이방성 상수 값을 지닌 자성 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 쓰기용 트랙 및 상기 정보 저장용 트랙은 CoPt 또는 FePt 중 적어도 어느 한 물질을 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 쓰기 트랙 및 상기 정보 저장 트랙은 1 내지 100nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 쓰기용 트랙 및 상기 정보 저장용 트랙은 10 내지 500nm의 폭으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 중간층은 단층 또는 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 중간층은 102 내지 103 J/m3의 자기 이방성 상수를 지닌 자성 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 중간층은 10 내지 100nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 중간층은 NiFe 또는 CoFe 중 어느 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 칼럼 구조체는 중간층 및 정보 저장 트랙이 교대로 형성되며, 상기 정보 저장 트랙은 상부에 형성된 정보 저장 트랙의 길이가 하부에 형성된 정보 저장 트랙의 길이보다 긴 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 칼럼 구조체의 상부 정보 저장 트랙의 길이는 하부의 정보 저장 트랙의 길이보다 긴 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 자세하게 설명하도록 한다. 도면에 나타낸 각 층의 두께 및 폭은 설명을 위하여 다소 과장된 것임을 명심하여야 한다.
본 발명에서는 제 1방향으로 형성된 쓰기 트랙과 제 2방향으로 형성된 정보 저장 트랙들 및 상기 쓰기 트랙과 상기 정보 저장 트랙 사이 및 상기 정보 저장 트랙들 사이에 형성된 연자성 중간층을 포함하는 정보 저장 장치를 제공한다.
도 2a는 본 발명의 제 1실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 메모리 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2a를 참조하면, 제 1방향으로 형성된 쓰기 트랙(writing track)(21)과 쓰기 트랙(21)과 직교하며, 제 2방향으로 형성된 다수의 정보 저장 트랙(storage track)(22)들 및 쓰기 트랙(21)과 정보 저장 트랙(22) 사이 및 정보 저장 트랙(22)들 사이에 중간층(soft magnetic interconnecting layer)(23)이 형성되어 있다. 그리고, 자기 저항 센서(24)가 쓰기 트랙(21) 하부에 형성되어 있다. 자기 저항 센서(24)는 쓰기 트랙(21)의 상부에 형성될 수 있다. 정보 저장 트랙(22)들은 쓰기 트랙(21) 상에 다층 구조로 형성되는데, 쓰기 트랙(21)의 동일한 영역 상에 형성된 중간층(23) 및 정보 저장 트랙(22)들을 단위 칼럼(column) 구조체라 정의한다.
도 2a에서는 쓰기 트랙(21) 상에 10개의 칼럼들이 형성되어 있으며, 하나의 칼럼에는 5개의 정보 저장 트랙(22)이 다층 구조로 형성된 것을 나타내고 있다. 그러나, 쓰기 트랙(21) 상에 형성되는 칼럼 수는 제한되지 아니한다. 또한 단위 칼럼에 포함되는 정보 저장 트랙(22)의 개수도 제한되지 않는다.
도 2b는 도 2a에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 메모리 장치의 측면도이다. 도 2b를 참조하면, 쓰기 트랙(21) 상에 중간층(23)과 정보 저장 트랙(22) 들이 교대로 형성되어 있음을 알 수 있다. 정보 저장 트랙(22)은 모두 5개가 형성되어 있으며, 상방으로 갈수록 그 길이가 길어짐을 알 수 있다. 이는 정보 저장 트랙(22)들의 단부에 전류를 인가하는 전극(미도시)들을 형성하기 용이하게 할 목적으로 정보 저장 트랙(22)들의 길이를 조절한 것이다. 만일, 정보 저장 트랙(22)들의 측방으로 전극을 형성하는 경우에는 정보 저장 트랙(22)들의 길이는 제한되지 않는다. 본 발명에 있어서, 정보 저장 트랙(22)들의 길이는 쓰기 트랙(21)의 길이보다 짧은 것이 바람직하다. 그 이유는 정보 저장 트랙(22)의 정보는 자구의 스핀 방향에 따라 0 또는 1로 기록되며, 정보를 읽기 위해서 정보 저장 트랙(22)의 자구들을 쓰기 트랙(21)으로 이동시켜 자기 저항 소자(24)에서 읽어내기 때문이다.
도 3a는 본 발명의 제 2실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 메모리 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3a를 참조하면, 제 1방향으로 형성된 쓰기 트랙(21)과 쓰기 트랙(21)과 교차하며, 제 2방향으로 형성된 다수의 정보 저장 트랙(22)들 및 쓰기 트랙(21)과 정보 저장 트랙(22) 사이 및 정보 저장 트랙(22)들 사이에 중간층(23)이 형성되어 있다. 그리고, 자기 저항 센서(24)는 쓰기 트랙(21) 하부에 형성되어 있다. 자기 저항 센서(24)는 쓰기 트랙(21)의 상부에 형성될 수 있다. 도 2a와 마찬가지로 정보 저장 트랙(22)들은 쓰기 트랙(21) 상에 다층 구조로 형성되는데, 쓰기 트랙(21)의 동일한 영역 상에 형성된 중간층(23) 및 정보 저장 트랙(22)을 칼럼(column)이라 한다. 도 2a에서는 정보 저장 트랙(22)이 쓰기 트랙(21)에 대해 직교(orthogonal)하는 구조로 형성된 실시예를 나타냈으나, 도 3a에서는 정보 저장 트랙(22)이 쓰기 트랙(21)과 교차(cross)하는 구조의 실시예를 나타낸 것이다. 또한, 정보 저장 트랙(22)은 쓰기 트랙(21)과 평행한 방향으로 형성시키는 것도 가능하다.
도 3b는 도 3a에 나타낸 본 발명의 제 2실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 메모리 장치의 측면도이다. 도 3b를 참조하면, 중간층(23)은 쓰기 트랙(21)과 정보 저장 트랙(22) 사이 및 정보 저장 트랙(22) 들 사이에 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 2b에 나타낸 구조와 같이, 도 3b에 나타낸 구조에서도 정보 저장 트랙(22)이 상방으로 갈수록 길게 형성된 것을 알 수 있다. 정보 저장 트랙(22)들의 단부에 전류를 인가하는 전극(미도시)들을 형성하기 용이하게 할 목적으로 정보 저장 트랙(22)들의 길이를 조절한 것이며, 만일, 정보 저장 트랙(22)들의 측방으로 전극을 형성하는 경우에는 정보 저장 트랙(22)들의 길이는 제한되지 않는다. 정보 저장 트랙(22)들의 길이는 쓰기 트랙(21)의 길이보다 짧은 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 정보 저장 장치의 각층을 형성하는 물질에 대해 상세하게 살펴보도록 한다.
쓰기 트랙(21) 및 정보 저장 트랙(22)은 정보 저장 밀도를 높이기 위해 높은 자기 이방성 에너지 특성을 지닌 물질을 사용하여 형성시킨다. 예를 들어, 자기 이방성 상수(magnetic anisotropy constant)는 105 J/m3 이상인 물질로, 105 J/m3 내지 107 J/m3의 자기 이방성 에너지 상수를 지닌 물질(High Ku)을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 수직 자화 특성을 지닌 CoPt, FePt 또는 이들을 포함하는 합금 물질이 있다. 쓰기 트랙(21) 및 정보 저장 트랙(23)은 단층 또는 다층 구조로 형성시킬 수 있다. 다층 구조로 형성하는 경우를 예로 들면, MgO, B2O3, Ag 또는 C로 제 1층을 형성하고, 그 상부에 CoPt 또는 FePt로 제 2층을 형성한 뒤, 다시 제 1층과 제 2층을 교대로 적층한다. 쓰기 트랙(21) 및 정보 저장 트랙(22)의 폭 및 두께는 사용환경에 따라 조절 가능하며 크게 제한되지 않으나, 폭은 10 내지 500nm인 것이 바람직하며, 두께는 1 내지 100nm인 것이 바람직하다.
중간층(23)은 쓰기 트랙(21) 및 정보 저장 트랙(22)보다 낮은 자기 이방성 상수를 지닌 물질(Low Ku)로 형성시킨 것으로 단층 또는 다층 구조로 형성시킬 수 있다. 중간층(23)의 자기 이방성 에너지 상수는 103 J/m3 보다 작은 물질로 형성시키며, 102 내지 103 J/m3의 자기 이방성 에너지 상수를 지닌 물질로 형성시키는 것이 바람직하다. 구체적으로 NiFe 또는 CoFe와 같은 물질로 형성시킬 수 있다. 중간층(23)의 두께는 10nm 이상으로 형성시키며, 10 내지 100nm의 두께로 형성시키는 것이 바람직하다.
자기 저항 센서(24)는 통상적으로 HDD와 같은 자기 메모리 장치에 사용되는 자기 저항 센서와 같이 GMR 소자 (giant magnetoresistance device) 또는 TMR 소자 (tunneling magnetoresistance device)를 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 작동 원리, 즉 정보 쓰기 및 읽기 과정에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 정보 쓰기 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 쓰기 트랙(21) 상에 쓰기 트랙(21)과 교차하는 방향으로 형성된 정보 저장 트랙(22)들이 형성되어 있으며, 쓰기 트랙(21)과 정보 저장 트랙(22) 및 정보 저장 트랙(22)들 사이에 중간층(23)이 형성되어 있다. 정보 저장 트랙은 2개의 칼럼이 형성되어 있으며, 각 칼럼에는 쓰기 트랙(21)과 교차하는 2개의 정보 저장 트랙(22)들이 형성되어 있음을 알 수 있다. 쓰기 트랙의 양측 단부와 정보 저장 트랙(22)들의 단부에는 전류를 인가할 수 있는 전극(E)들이 형성되어 있다. 쓰기 트랙(21)은 기본적으로 자화 방향이 다른 제 1자구(21a) 및 제 2자구(21b)가 존재하며 제 1자구(21a) 및 제 2자구(21b)의 경계에는 자구 벽이 존재한다. 제 1자구(21a)의 자화 방향이 상방이면 제 2자구(21b)의 자화 방향은 하방이며, 각각 "0" 또는 "1"의 정보로 인식된다.
도 4b를 참조하면, 정보 저장 트랙(22) 중 정보를 기록할 특정 트랙을 선택한다. 예를 들어, 부재 번호 22a로 표시된 정보 저장 트랙을 선택하여, 이하 제 1정보 저장 트랙(22a)이라 한다. 제 1정보 저장 트랙(22a)에 대해 제 1자구(21a)와 동일한 자화 방향을 지닌 자구를 형성하기 위해 먼저, 쓰기 트랙(21) 양측부의 전극 E1 및 E2를 ON으로 설정한다. 제 1정보 저장 트랙(22a)의 전극 E3은 OFF로 설정한다.
도 4c를 참조하면, 전극 E1 방향에서 전극 E2 방향으로 전류를 인가하면, 전자는 전극 E2에서 전극 E1 방향으로 흐르게 된다. 따라서, 제 1자구(21a) 및 제 2자구(21b) 사이의 자구 벽은 전자의 흐름에 따라 전극 E2에서 전극 E1 방향으로 이동하게 된다.
도 4d를 참조하면, 쓰기 트랙(21)의 제 1자구(21a) 및 제 2자구(21b) 사이의 자구 벽이 제 1정보 저장 트랙(22a)과 쓰기 트랙(21) 사이의 중간층(23a)을 통과할 때까지 전극 E1 및 전극 E2를 통하여 전류를 인가한다. 그러면 제 1자구(21a)가 중간층(23a) 하부에 위치하게 된다. 제 1자구(21a)가 중간층(23a) 하부에 위치하면, 중간층(23a)은 제 1자구(21a)의 영향에 의해 제 1자구(21a)와 동일한 자화 방향을 지니게 된다.
도 4e를 참조하면, 전극 E1을 OFF로 설정하고, 전극 E2 및 전극 E3를 ON으로 설정한다. 도 4f를 참조하면, 전극 E3에서 전극 E2 방향으로 전류를 인가한다. 전자는 전극 E2에서 전극 E3 방향으로 흐르게 되며, 따라서, 제 1자구(21a)가 중간층(23a)를 통하여 제 1정보 저장 트랙(22a)으로 확장된다.
다음으로, 쓰기 트랙(21)의 제 2자구(21b)와 동일한 자화 방향을 지닌 자구를 제 1정보 저장 트랙(22a)에 형성하는 과정을 설명한다.
도 4g를 참조하면, 전극 E2 및 전극 E2를 ON으로 설정하고 전극 E3에서 전극 E2 방향으로 전류를 인가한다. 그러면 전극 E2에서 전극 E3 방향으로 전자가 흐르게 되며, 쓰기 트랙(21)의 제 2자구(21b)와 제 1자구(21a) 사이의 자구 벽이 전극 E3 방향으로 이동하게 된다. 제 2자구(21b) 영역이 중간층(23a) 하부에 위치할 때까지 전류를 인가한다. 제 2자구(21b)가 중간층(23a)하부에 위치하게 되므로, 중간층(23a)는 제 2자구(21b)와 동일한 방향의 자화 방향을 지니게 된다.
도 4h를 참조하면, 전극 E1 및 전극 E3를 ON으로 설정하고 전극 E2는 OFF로 설정한다. 그리고, 전극 E3에서 전극 E1 방향으로 전류를 인가하면, 전자는 전극 E1에서 전극 E3 방향으로 이동하며 결과적으로 쓰기 트랙(21)의 제 2자구(21b)는 중간층(23a)를 통하여 제 1정보 저장 트랙(22a)으로 영역이 확장된다. 결과적으로 제 1정보 저장 트랙(22a)에 제 2자구(21b)와 동일한 자화 방향을 지닌 자구가 형성된다.
상술한 방법에 의하여 정보 저장 트랙(22)의 원하는 영역에는 소정의 자화 방향을 지닌 자구를 형성할 수 있으며, 이는 곧 정보를 저장하는 것을 의미한다.
도 5a 내지 도 5g를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 정보 읽기 원리에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 5a를 참조하면, 쓰기 트랙(21) 상에 쓰기 트랙(21)과 교차하는 방향으로 형성된 정보 저장 트랙(22)들이 형성되어 있으며, 쓰기 트랙(21)과 정보 저장 트랙(22) 및 정보 저장 트랙(22)들 사이에는 중간층(23)이 형성되어 있다. 쓰기 트랙(21) 하부에는 자기 저항 소자(24)가 형성되어 있다. 도 5a에서는 도 2a에 나타낸 바와 같이 10개의 칼럼이 형성되어 있으며, 각각의 칼럼에는 5개의 정보 저장 트랙(22)이 형성되어 있다. 자기 저항 센서(24)에는 자기 저항 센서(24)의 저항 값을 읽어내기 위한 전극 S1이 형성되어 있으며, 자기 저항 소자(24) 양쪽에는 쓰기 트랙(21)에 전류를 인가할 수 있는 전극 S2 및 S3가 형성되어 있다.
먼저 정보를 읽고자 하는 정보 저장 트랙(22)을 선택한다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 자기 저항 소자(24)가 형성된 쓰기 트랙(21)의 우측 영역에 있는 제 2정보 저장 트랙(22b)을 선택하는 경우, 전극 E1에서 전극 E2 방향으로 전류를 인가한다. 쓰기 트랙(21)에는 서로 다른 자화 방향을 지닌 2개의 자구가 형성되어 있으며, 이들의 자구 벽이 전극 S2 좌측으로 이동할 때까지 전극 E1에서 전극 E2 방향으로 전류를 인가한다. 자구 벽을 전극 S2 좌측으로 이동시키는 이유는 읽기 과정에서 쓰기 트랙(21) 내에 서로 다른 자화 방향을 지닌 자구들을 보존하기 위해서이다.
도 5b 내지 도 5d를 참조하면, 전극 S2와 제 2정보 저장 트랙(22b)의 단부에 형성된 전극 E4를 ON으로 설정한다. 그리고, 전극 S2에서 전극 E4 방향으로 전류를 인가한다. 전류가 전극 S2에서 전극 E4 방향으로 흐르게 되므로, 전자는 전극 E4에서 전극 S2 방향으로 이동하게 된다. 이에 따라 제 2정보 저장 트랙(22b)의 자구들이 중간층(23)을 거쳐 쓰기 트랙(21)으로 이동하게 된다. 참고로, 쓰기 트랙의 전극 E1에서 전극 S2 사이에는 전류가 흐르지 않기 때문에 전극 E1과 전극 S2 사이의 자구들의 위치 변화는 없음을 알 수 있다. 따라서, 도 5a의 쓰기 트랙(21)의 자구 벽 W의 위치는 변함이 없는 것을 알 수 있다.
도 5e 및 도 5f를 참조하면, 제 2정보 저장 트랙(22b)의 자구가 자기 저항 센서(24)위치에 도달하게 되면, 전극 S2를 OFF로 설정하고 전극 E1을 ON으로 설정한다. 그리고, 전극 E1에서 전극 E4 방향으로 전류를 인가한다. 그러면 전자는 전극 E4에서 전극 E1 방향으로 흐르게 되며, 전극 E1과 전극 E4 사이의 자구들이 전극 E1 방향으로 이동하게 된다. 자구들이 자기 저항 센서(24)를 지나가면서 자구들의 자화 방향에 따른 자기 저항 센서(24)의 저항 변화를 전극 S1 통하여 읽어냄으로써 제 2정보 저장 트랙(22b)의 정보를 읽어낸다.
마지막으로, 도 5g를 참조하면 전극 E4에서 전극 E1 방향으로 전류를 인가함으로써 자구들을 쓰기 트랙(21)에서 제 2정보 저장 트랙(22b)으로 이동시킨다. 또는 도 5a 내지 도 5f와 반대 과정으로 전류를 인가함으로써 원상태로 복귀시킴으로써 정보 읽기 과정을 끝낸다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 정보 읽기 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 5a 내지 도 5g에서는 쓰기 트랙(21)의 자기 저항 센서(24)의 우측에 위치한 정보 저장 트랙(22)의 정보를 읽는 과정을 나타내었으나, 여기서는 좌측에 위치한 정보 저장 트랙(22)의 정보를 읽는 과정을 나타낸 것이다.
도 6a를 참조하면, 쓰기 트랙(21)의 자기 저항 소자(24) 좌측에 형성된 제 3정보 저장 트랙(22c)의 정보를 읽고자 하는 경우, 전극 E1 및 전극 E2를 ON으로 설정한 뒤, 전극 E2에서 전극 E1 방향으로 전류를 인가한다. 쓰기 트랙(21)에 형성된 서로 다른 자화 방향을 지닌 2개의 자구들 사이의 자구 벽(W)은 전극 E2 방향으로 이동하며, 자구 벽(W)이 전극 S3 우측으로 이동할 때까지 전류를 인가한다.
도 6b 및 도 6c를 참조하면, 전극 S3와 제 3정보 저장 트랙(22c)의 단부에 형성된 전극 E5를 ON으로 설정한다. 그리고, 전극 S3에서 전극 E5 방향으로 전류를 인가한다. 전극 S3에서 전극 E5 방향으로 전류를 인가하면, 전자는 전극 E5에서 전극 S3 방향으로 흐르게 된다. 이에 따라 제 3정보 저장 트랙(22c)의 자구들이 중간층(23)을 거쳐 쓰기 트랙(21)으로 이동하게 된다. 쓰기 트랙(21)의 전극 S3에서 전극 E2 사이에는 전류가 흐르지 않기 때문에 전극 S3와 전극 E2 사이의 자구들의 위치 변화는 없으며, 쓰기 트랙(21)의 자구 벽 W의 위치는 변함이 없는 것을 알 수 있다.
도 6d를 참조하면, 제 3정보 저장 트랙(22c)의 자구가 자기 저항 센서(24)위치에 도달하게 되면, 전극 S3를 OFF로 설정하고 전극 E2를 ON으로 설정한다. 그리고, 전극 E2에서 전극 E5 방향으로 전류를 인가한다. 그러면 전자는 전극 E5에서 전극 E2 방향으로 흐르게 되며, 전극 E5와 전극 E2 사이의 자구들이 전극 E2 방향으로 이동하게 된다. 제 3정보 저장 트랙(22c)의 자구들이 자기 저항 센서(24) 상부의 쓰기 트랙(21)을 이동하면서 자구들의 자화 방향에 따른 자기 저항 센서(24)의 저항 변화를 전극 S1 통하여 읽어낸다.
마지막으로, 도 6e를 참조하면 전극 E5에서 전극 E2 방향으로 전류를 인가함으로써 자구들을 쓰기 트랙(21)에서 제 3정보 저장 트랙(22c)으로 이동시킨다. 또는 도 6a 내지 도 6d와 반대 과정으로 전류를 인가함으로써 자구들을 원래의 위치로 복귀시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저 장 장치의 경우 정보의 기록 및 소거 시 물리적으로 이동하는 구성 요소가 없이 단순히 전류의 인가에 의해 구동함을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 경우 종래의 자기 헤드처럼 부품들의 물리적인 마모 현상을 원천적으로 방지할 수 있는 구조이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 설계상의 일례를 나타낸 평면도이다. 도 7을 참조하면, 자기 저항 센서(24)는 쓰기 트랙(21)의 중심부에 형성되어 있으며, 자기 저항 센서(24)의 위치를 중심으로 정보 저장 트랙(22)들이 대칭 구조로 형성되어 있다. 이와 같은 구조는 설계 상의 일례를 나타낸 것으로 이에 한정되지 않으며, 상술한 바와 같이 쓰기 트랙(21) 상의 칼럼의 위치 및 개수와 하나의 칼럼에 형성된 정보 저장 트랙(22)의 개수는 제한되지 않는다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명의 반도체 장치는 읽기/쓰기 헤드를 더 포함하는 HDD와 같은 스토리지 장치일 수 있고, 읽기/쓰기 전극을 더 포함하는 RAM과 같은 메모리 소자일 수도 있으며, 경우에 따라서는 로직(Logic) 소자로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 정보 저장 장치의 구동 시 HDD 등과는 달리 기구적으로 이동시키거나 접촉시키지 않고 정보를 저장 및 재생이 가능하므로 기구적 마모가 없어 모바일 용으로 사용할 수 있으며, 초소형화가 가능하여 테라비트/in2의 고밀도의 정보 저장 장치를 제공할 수 있다.
둘째, 구조가 매우 간단하여 대량 생산에 유리하고 재현성 확보에 유리한 장점이 있다.

Claims (15)

  1. 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치에 있어서,
    자화 방향을 지닌 자구가 형성된 단층 또는 다층 구조의 쓰기 트랙; 및
    상기 쓰기 트랙 상에 형성되며, 중간층 및 단층 또는 다층 구조의 정보 저장 트랙을 포함하는 칼럼 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 칼럼 구조체는 중간층 및 정보 저장 트랙이 교대로 형성된 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보 저장 트랙은 방향은 상기 쓰기 트랙의 방향과 평행, 직교 또는 교차하는 방향인 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보 저장 트랙의 길이는 상기 쓰기 트랙의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰기 트랙 및 상기 정보 저장 트랙은 105 J/m3 내지 107 J/m3의 자기 이방성 에너지 상수 값을 지닌 자성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰기 트랙 및 상기 정보 저장 트랙은 CoPt 또는 FePt 중 적어도 어느 한 물질을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  8. 제 1항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰기 트랙 및 상기 정보 저장 트랙은 1 내지 100nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  9. 제 1항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰기 트랙 및 상기 정보 저장 트랙은 10 내지 500nm의 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층은 단층 또는 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층은 102 내지 103 J/m3의 자기 이방성 에너지 상수를 지닌 자성 물질로 형성된 것을 특징으로 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층은 10 내지 100nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층은 NiFe 또는 CoFe 중 어느 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰기 트랙에 형성된 자기 저항 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 칼럼 구조체는 중간층 및 정보 저장 트랙이 교대로 형성되며, 상기 정보 저장 트랙은 상부에 형성된 정보 저장 트랙의 길이가 하부에 형성된 정보 저장 트랙의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 자구 벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
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