KR101323719B1 - 자성층, 자성층의 형성방법, 자성층을 포함하는정보저장장치 및 정보저장장치의 제조방법 - Google Patents

자성층, 자성층의 형성방법, 자성층을 포함하는정보저장장치 및 정보저장장치의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자성층, 자성층의 형성방법, 자성층을 포함하는 정보저장장치 및 정보저장장치의 제조방법에 관한 것이다. 개시된 본 발명의 정보저장장치는 다수의 자구를 갖는 자성트랙, 상기 자성트랙에 연결된 전류 인가수단, 및 읽기/쓰기수단을 포함하되, 상기 자성트랙은 경자성(hard magnetic) 트랙을 포함하고, 상기 경자성트랙은 그의 폭방향과 평행한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

자성층, 자성층의 형성방법, 자성층을 포함하는 정보저장장치 및 정보저장장치의 제조방법{Magnetic layer, method of forming magnetic layer, information storage device comprising magnetic layer and method of manufacturing information storage device}
본 발명은 자성층 및 그의 형성방법과 정보저장장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 기록 밀도를 높일 수 있는 자성층 및 그의 형성방법과 상기 자성층을 포함하는 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치 및 상기 정보저장장치의 제조방법에 관한 것이다.
플래시 메모리는 대표적인 비휘발성 메모리로서 현재 널리 사용되고 있지만, 동작 속도가 느리고 수명이 짧다는 단점이 있다. 이러한 플래시 메모리의 단점을 극복하기 위해 MRAM(magnetic random access memory), FRAM(ferroelectric random access memory), PRAM(phase-change random access memory) 및 RRAM(resistive random access memory) 등과 같은 새로운 메모리들이 제안되었다. 그러나 이들은 각 메모리 셀(cell)에 연결된 스위칭 소자를 포함하기 때문에, 집적도를 높이기 어려운 문제가 있다.
이에, 최근에는 메모리 셀에 스위칭 소자를 연결시킬 필요가 없는 새로운 비휘발성 정보저장장치로서, 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치가 소개되었다.
자성체를 구성하는 자기적인 미소영역을 자구(magnetic domain)라 한다. 하나의 자구 내에서 자기 모멘트의 방향은 동일하다. 자구벽은 서로 다른 자화방향을 갖는 자구들의 경계 부분으로 소정의 부피를 갖는다. 이러한 자구 및 자구벽은 자성체에 인가되는 전류 또는 자기장에 의해 자성체 내에서 이동될 수 있다. 자구 및 자구벽 이동 원리를 이용하면, 메모리 셀로의 접근(access)을 제어하기 위한 스위칭 소자가 필요 없는 비휘발성 정보저장장치를 구현할 수 있다.
자구벽 이동 원리를 정보저장장치에 적용한 일례가 미국공개특허 2006/0120132호에 소개되어 있다.
미국공개특허 2006/0120132호에 소개된 정보저장장치(이하, 종래의 저장장치)는 기판에 수직한 자성트랙을 갖는다. 상기 자성트랙은 저장트랙 및 그와 유사한 길이의 버퍼트랙으로 구분되고, 상기 자성트랙의 중앙부에 인접하게 쓰기수단과 읽기수단이 구비된다. 상기 자성트랙 내에 연속적으로 배열된 다수의 자구가 있고, 그들 사이에 자구벽이 존재한다. 상기 자구 및 자구벽을 이동시키면서 상기 쓰기수단 또는 읽기수단을 이용해서 쓰기 또는 읽기를 수행한다.
그러나 종래의 저장장치에서 상기 자성트랙은 NiFe와 같은 연자성(soft magnetic) 물질로 형성되는데, 이러한 연자성 물질 내에 존재하는 자구벽의 두께는 수백 나노미터(nm) 정도로 두껍다. 따라서 종래의 저장장치의 기록 밀도를 높이는 것은 용이하지 않다. 또한 연자성층의 자구벽을 이동시키기 위해서는 1012A/㎡ 정도의 큰 전류가 요구되므로, 종래의 저장장치의 소비 전력은 클 수 있다. 게다가, 종래의 저장장치는 자성트랙의 1/2 정도만 정보를 저장하는 유효 저장트랙으로 사용하기 때문에, 대량의 정보를 저장하기 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기록 밀도를 높일 수 있는 자성층 및 그의 형성방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 기록 밀도가 높고, 소비 전력이 적으며, 저장 용량이 큰 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는 경자성(hard magnetic) 물질로 형성되고, 폭 및 길이를 갖는 트랙 형상을 가지며, 폭방향과 평행한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 갖고, 상기 폭방향에 수직한 길이방향으로 배열된 복수의 자구를 구비하는 자성층을 제공한다.
상기 자성층은 기판과 수직한 수직자성층을 포함할 수 있다.
상기 자성층은 기판과 평행한 수평자성층을 포함할 수 있다.
상기 자성층의 자기이방성 에너지밀도(Ku)는 103≤Ku≤107 J/m3 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 기판 상에 씨드층을 형성하는 단계; 및 상기 씨드층 상에 경자성 물질을 포함하는 자성층을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 자성층을 형성하는 동안, 상기 자성층에 상기 기판과 평행한 제1 방향의 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 자성층의 형성방법을 제공한다.
상기 경자성 물질의 자기이방성 에너지밀도(Ku)는 103≤Ku≤107 J/m3 일 수 있다.
상기 자성층은 라인 형태일 수 있고, 상기 제1 방향은 상기 자성층의 폭방향과 평행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 기판 상에 씨드층을 형성하는 단계; 상기 씨드층 상에 경자성 물질을 포함하는 자성층을 형성하는 단계; 및 상기 자성층을 어닐링하는 단계;를 포함하고, 상기 씨드층은 상기 어닐링시에 상기 자성층의 자화 용이축이 상기 기판과 평행한 제1 방향이 되도록 상기 자성층을 결정화시키는 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자성층의 형성방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 다수의 자구를 갖는 자성트랙, 상기 자성트랙에 연결된 전류 인가수단, 및 읽기/쓰기수단을 포함하는 정보저장장치의 제조방법에 있어서, 상기 자성트랙을 형성하는 단계는 경자성 물질을 포함하는 자성층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 자성층은 전술한 본 발명의 실시예들에 따른 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 정보저장장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 다수의 자구를 갖는 자성트랙, 상기 자성트랙에 연결된 전류 인가수단, 및 읽기/쓰기수단을 포함하되, 상기 자성트랙은 경자성(hard magnetic) 트랙을 포함하고, 상기 경자성트랙은 그의 폭방향과 평행한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 갖는 것을 특징으로 하는 정보저장장치를 제공한다.
상기 경자성트랙은 기판과 수직한 수직자성층을 포함할 수 있다.
상기 경자성트랙은 기판과 평행한 수평자성층을 포함할 수 있다.
상기 수직자성층은 다수이고, 상기 다수의 수직자성층을 연결하는 적어도 하 나의 수평자성층을 포함할 수 있고, 상기 수직자성층과 상기 수평자성층은 서로 평행한 자화 용이축을 가질 수 있다.
상기 다수의 수직자성층 중 적어도 하나는 버퍼층일 수 있다.
상기 수직자성층과 상기 수평자성층 사이에 저항성 자성층이 개재될 수 있고, 상기 저항성 자성층의 전기 저항은 상기 수직자성층 및 수평자성층의 전기 저항보다 높을 수 있다.
상기 저항성 자성층은 연자성층 또는 경자성층일 수 있다.
상기 경자성트랙의 자기이방성 에너지밀도(Ku)는 103≤Ku≤107 J/m3일 수 있다.
상기 전류 인가수단은 상기 수직자성층의 일단에 연결된 트랜지스터일 수 있다.
상기 읽기/쓰기수단은 싱글유닛 또는 더블유닛을 가질 수 있다.
상기 싱글유닛은, 상기 자성트랙의 하면 및 상면에 형성되고, 서로 반대의 자화방향을 갖는 제1 및 제2 강자성 핀드층; 및 상기 제1 및 제2 강자성 핀드층과 상기 자성트랙 사이 각각에 개재된 제1 및 제2 절연층;을 포함할 수 있다.
상기 더블유닛은 읽기유닛과 쓰기유닛을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자성층, 자성층의 형성방법, 자성층을 포함하는 정보저장장치 및 정보저장장치의 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세 서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 자성트랙을 보여준다. 도 1a의 구조는 수직자성트랙(100)이고, 도 1b의 구조는 수평자성트랙(200)이다.
도 1a의 수직자성트랙(100)과 도 1b의 수평자성트랙(200)은 모두 경자성(hard magnetic) 트랙으로서, 연속적으로 배열된 다수의 자구(D)와 그들 사이에 자구벽(DW)을 갖는다. 예컨대, 수직자성트랙(100)과 수평자성트랙(200)은 CoCrPt, CoCrTaPt, CoCrTa와 같은 Co 합금으로 형성된 트랙이거나 L10 결정구조를 갖는 FePt로 형성된 트랙일 수 있고, 103≤Ku≤107 J/m3 정도의 자기이방성 에너지밀도(Ku)를 가질 수 있다. 경자성물질은 연자성물질보다 큰 이방성 자기장(Hk) 값을 갖는 물질인데, 이방성 자기장(Hk) 값은 자기이방성 에너지밀도(Ku)에 비례하고 포화 자화(saturation magnetization)(Ms)에 반비례한다. 따라서, 자기이방성 에너지밀도(Ku)가 크고 포화 자화(saturation magnetization)(Ms)가 작은 물질이 경자성 특성을 가질 수 있다. 또한 비록 자기이방성 에너지밀도(Ku)가 작더라도 포화 자화(Ms)가 작은 물질이면 경자성 특성을 가질 수 있다.
수직자성트랙(100)과 수평자성트랙(200)은 각각 그의 폭방향과 평행한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 갖는다. 도 1a 및 도 1b에서 상기 자화 용이축은 Y축이다. 즉, 수직자성트랙(100)과 수평자성트랙(200) 각각의 자구(D)는 Y축 방향 또는 그의 역방향으로 자화될 수 있다. 도 1a 및 도 1b에서 화살표는 자구(D)의 자화방향을 나타낸다. 여기서, 도시하지는 않았지만, 수직자성트랙(100)과 수평자성트랙(200) 각각의 하면에는 씨드층(seed layer)이 구비될 수 있다. 상기 씨드층은 Cr층 또는 Mn3Si층일 수 있지만, 그 밖의 다른 물질층일 수도 있다.
경자성트랙의 자구벽의 두께는 수 내지 수십 나노미터(nm) 정도로 작고, 경자성트랙의 자구벽을 이동시키기 위해 요구되는 전류 밀도(1011A/㎡ 이하)는 연자성트랙의 자구벽을 이동시키기 위해 요구되는 전류 밀도(약 1012A/㎡)보다 작다. 또한 경자성트랙에 기록된 데이터는 연자성트랙에 기록된 데이터에 비해 열적 자극에 안정적이다. 따라서 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 경자성트랙을 이용하면, 기록 밀도가 높고 소비 전력이 적으며 신뢰성이 우수한 정보저장장치를 구현할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예와 비교되는 비교예들에 따른 자성트랙을 보여준다. 본 비교예들과 전술한 본 발명의 실시예들의 차이점은 자구의 자화방향에 있다. 도 2a에 도시된 비교예에서 자구(D')의 자화 용이축은 Z축이고, 도 2b에 도시된 비교예에서 자구(D")의 자화 용이축은 X축이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 경자성 물질로 이루어진 수직자성트랙(100')의 자구(D')가 Z축 방향의 자화 용이축을 가질 때, 즉, 수직자기이방성(perpendicular magnetic anisotropy)을 가질 때, 자화방향을 나타내는 화살표의 시작점들(또는 끝점들)끼리 마주보게 된다. 이 경우, 자구(D')는 에너지적으로 매우 불안정하다. 다시 말해, 자구(D')의 정자기 에너지(magnetostatic energy) 및 자기 교환 에너 지(magnetic exchange energy)가 증가하여 자구벽(DW')이 붕괴될 수 있다. 이러한 문제는 자구(D')의 크기가 작을수록 커질 수 있다. 도 2b의 수평자성트랙(200')에서도 화살표의 시작점들(또는 끝점들)끼리 마주보고 있으므로, 자구(D") 및 자구벽(DW")는 에너지적으로 매우 불안정하다. 따라서 도 2a와 같은 수직자성트랙(100')과 도 2b와 같은 수평자성트랙(200')을 저장트랙으로 적용한 고밀도 정보저장장치를 구현하기는 어렵다.
본 발명의 실시예에서는 도 1a의 구조 및/또는 도 1b의 구조를 정보저장장치의 자성트랙으로 적용한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치를 보여준다.
도 3을 참조하면, 다수의 수직자성트랙(100a~100e) 및 그들을 연결하는 수평자성트랙(200)이 존재한다. 여기서, 수직자성트랙(100a~100e) 및 수평자성트랙(200)은 각각 도 1a의 수직자성트랙(100) 및 도 1b의 수평자성트랙(200)과 등가할 수 있다. 다수의 수직자성트랙(100a~100e)은 일렬로 등간격을 갖고 배열될 수 있다. 다수의 수직자성트랙(100a~100e) 중 적어도 어느 하나, 예컨대, 중앙의 수직자성트랙(100c)은 버퍼트랙일 수 있다. 수평자성트랙(200)은 수직자성트랙(100a~100e)의 상면 상에 그들을 연결하도록 구비될 수 있다. 수직자성트랙(100a~100e)과 수평자성트랙(200) 사이에는 그들보다 전기 저항이 높은 저항성 자성층(150)이 구비될 수 있다. 저항성 자성층(150)의 역할에 대해서는 후술한다.
수직자성트랙(100a~100e) 또는 수평자성트랙(200)의 소정 영역에 읽기/쓰기유닛(300)이 구비될 수 있다. 예컨대, 버퍼트랙으로 사용될 수 있는 중앙의 수직자 성트랙(100c) 양측의 수평자성트랙(200)에 읽기/쓰기유닛(300)이 구비될 수 있다. 읽기/쓰기유닛(300)은 중앙의 수직자성트랙(100c)에서 소정 간격 이격될 수 있다. 읽기/쓰기유닛(300)의 형성 위치와 개수는 달라질 수 있다. 읽기/쓰기유닛(300)의 구조에 대해서는 후술한다.
각 수직자성트랙(100a~100e)의 하면은 트랜지스터(50a~50e)에 연결될 수 있다. 트랜지스터(50a~50e)는 수직자성트랙(100a~100e) 및 수평자성트랙(200) 내에서 자구(D) 및 자구벽(DW)을 이동시키기 위한 구동 소자의 일례로서, 기판(미도시)에 형성된 것일 수 있다. 트랜지스터(50a~50e) 중 어느 두 개를 턴-온(turn-on)시켜 그들 사이의 트랙에 전류를 흘려주면, 상기 전류에 의해 상기 트랙 내에서 자구(D) 및 자구벽(DW)을 이동시킬 수 있다. 전류의 방향은 전자의 방향과 반대이므로, 자구(D) 및 자구벽(DW)은 전류의 방향과 반대로 이동한다. 예를 들어, 중앙의 수직자성트랙(100c)의 하면에서 가장 좌측의 수직자성트랙(이하, 제1 수직자성트랙)(100a)의 하면으로 전류를 흘려주면, 제1 수직자성트랙(100a)에서 중앙의 수직자성트랙(100c)으로 자구(D)들을 이동시킬 수 있다. 이렇게 제1 수직자성트랙(100a)의 자구(D)들을 중앙의 수직자성트랙(100c)으로 이동시키면서, 읽기/쓰기유닛(300)을 사용해서 상기 자구(D)들에 데이터를 기록하거나, 상기 자구(D)들에 기록된 데이터를 읽을 수 있다. 그 다음, 중앙의 수직자성트랙(100c)으로 옮겨진 자구(D)들을 다시 제1 수직자성트랙(100a)으로 복귀시킬 수 있다. 이러한 과정을 통해, 제1 수직자성트랙(100a)에 데이터를 기록하거나, 그에 기록된 데이터를 재생할 수 있다. 이러한 읽기/쓰기 과정에서, 중앙의 수직자성트랙(100c)은 데이터를 임시로 보 관하는 버퍼트랙으로 사용될 수 있다.
저항성 자성층(150)의 비저항은 수직자성트랙(100a~100e)과 수평자성트랙(200)의 비저항의 500∼10000배 정도일 수 있지만, 1000∼3000배 정도인 것이 바람직하다. 이러한 비저항차를 위해, 저항성 자성층(150)은 비정질의 CoZrNb 및 CoFeB 중 어느 하나로 형성하거나 Si, B 등의 불순물을 포함하여 높은 비저항을 갖는 자성물질로 형성할 수 있다. 트랜지스터(50a~50e) 중 어느 두 개를 턴-온(turn-on)시켜 그들 사이의 트랙에 전류를 흘려주어 자구(D) 및 자구벽(DW)을 이동시킬 때, 저항성 자성층(150)은 상기 전류가 원치 않는 곳으로 누설되는 것을 방지하는 역할을 한다. 저항성 자성층(150)은 비교적 낮은 전기적 문턱 처럼 작용하므로, 전류 경로 내에 존재하는 저항성 자성층(150)은 전류 흐름을 거의 방해하지 않지만, 전류 경로의 하면에 존재하는 저항성 자성층(150)은 전류가 원치 않는 곳으로 누설되는 것을 방지한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 정보저장장치에서 전류에 의한 자구(D) 및 자구벽(DW)의 이동은 원활할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수평자성트랙(200)에 다수의 수직자성트랙(100a~100e)을 연결시키고, 다수의 수직자성트랙(100a~100e) 중 어느 하나를 버퍼트랙으로 사용하기 때문에, 대량의 정보를 저장할 수 있는 정보저장장치를 구현할 수 있다. 특히, 앞서 언급한 바와 같이, 수직자성트랙(100a~100e) 및 수평자성트랙(200)이 경자성트랙이기 때문에, 기록 밀도가 높고 소비 전력이 적은 정보저장장치의 구현이 가능하다.
읽기/쓰기유닛(300)은 수평자성트랙(200)의 하면 및 상면에 형성된 제1 및 제2 강자성층(4a, 4b)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 강자성층(4a, 4b)은 서로 반대의 자화방향을 갖는 고정층(pinned layer)이다. 제1 및 제2 강자성층(4a, 4b)에 도시된 화살표는 그들 각각의 자화방향을 나타낸다. 제1 및 제2 강자성층(4a, 4b)과 수평자성트랙(200) 사이 각각에는 제1 및 제2 절연층(2a, 2b)이 개재(interposed)된다. 제1 및 제2 절연층(2a, 2b)은 산화물층일 수 있고, 그들을 통해 전자의 터널링(tunneling)이 발생될 수 있도록 얇은 두께로 형성된다.
이하에서는, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 정보저장장치에 구비될 수 있는 읽기/쓰기유닛(300)을 이용한 쓰기 원리를 설명한다. 도 4a 및 도 4b에서
Figure 112007073368626-pat00001
는 제1 방향(M1)으로 자화되었음을 의미하고,
Figure 112007073368626-pat00002
는 상기 제1 방향(M1)과 반대인 제2 방향(M2)으로 자화되었음을 의미한다. 제2 방향(M2)은 도 3의 Y축 방향과 동일하고, 제1 방향(M1)은 도 3의 Y축의 역방향과 동일하다.
도 4a를 참조하면, 제1 강자성층(4a)에서 제2 강자성층(4b)으로 전자가 이동하는 경우, 즉, 도면의 A에서 B 방향으로 전자가 이동하는 경우, 제1 강자성층(4a)의 자화방향과 동일한 자화방향(제1 방향)(M1)을 갖는 전자들(E1)이 수평자성트랙(200)으로 이동한다. 이러한 전자들(E1)이 수평자성트랙(200)을 제1 방향(M1)으로 자화시키는 역할을 한다. 이것을 스핀 전이 토크(spin transfer torque) 효과라 부를 수 있다.
한편, 제2 강자성층(4b) 부분에서는, 제2 강자성층(4b)의 자화방향과 동일한 자화방향(제2 방향)(M2)을 갖는 전자들은 제2 강자성층(4b)을 통해 빠져나가지만, 제2 강자성층(4b)의 자화방향과 반대의 자화방향을 갖는 전자들(E2)은 제2 강자성 층(4b)을 통해 빠져나가지 못하고 수평자성트랙(200)으로 되돌아와 쌓이게 된다. 이러한 전자들(E2)이 수평자성트랙(200)을 제1 방향(M1)으로 자화시키는 역할을 한다. 이것을 스핀 축적(spin accumulation) 효과라 부를 수 있다.
이와 같이, 스핀 전이 토크(spin transfer torque) 효과 및 스핀 축적(spin accumulation) 효과에 의해 수평자성트랙(200)에 제1 데이터가 기록될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제2 강자성층(4b)에서 제1 강자성층(4a)으로 전자가 이동하는 경우, 즉, 도면의 B에서 A 방향으로 전자가 이동하는 경우, 제2 방향(M2)으로 자화된 전자들(E3)이 수평자성트랙(200)으로 이동한다. 이러한 전자들(E3)이 수평자성트랙(200)을 제2 방향(M2)으로 자화시키는 역할을 한다. 한편, 제1 강자성층(4a) 부분에서는, 제1 방향(M1)으로 자화된 전자들은 제1 강자성층(4a)을 통해 빠져나가지만, 제2 방향(M2)으로 자화된 전자들(E4)은 제1 강자성층(4a)을 통해 빠져나가지 못하고 수평자성트랙(200)으로 되돌아와 쌓이게 된다. 이러한 전자들(E4)이 수평자성트랙(200)을 제2 방향(M2)으로 자화시키는 역할을 한다. 이에 따라, 수평자성트랙(200)에 제2 데이터가 기록될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 정보저장장치에서는 수평자성트랙(200)의 하부 및 상면에 서로 반대 방향으로 자화된 제1 및 제2 강자성층(4a, 4b)이 있기 때문에, 스핀 전이 토크(spin transfer torque) 효과 및 스핀 축적(spin accumulation) 효과에 의한 기록이 이루어진다. 그러므로 하나의 강자성 핀드층을 사용하는 경우에 비해 쓰기 전류 밀도가 감소된다. 이러한 쓰기 원리를 이용해서 자구(D) 및 자구벽(DW)을 비트 단위로 이동시키면서 자구(D)에 소정의 데이터를 기 록할 수 있다.
한편, 읽기/쓰기유닛(300)을 이용한 읽기 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. 도 3에서 제1 강자성층(4a)과 제2 강자성층(4b) 중 어느 하나와 수평자성트랙(200)의 일단과 타단 중 어느 하나 사이의 전기 저항을 측정한다. 읽기/쓰기유닛(300)이 형성된 수평자성트랙(200)에 기록된 데이터에 따라 상기 전기 저항이 달라진다. 따라서, 상기 전기 저항을 측정함으로써 읽기/쓰기유닛(300)이 형성된 수평자성트랙(200)에 기록된 정보를 판별할 수 있다. 이러한 데이터의 재생은 자구(D)를 비트 단위로 이동시키면서 실시할 수 있다. 자구(D) 및 자구벽(DW)을 이동시키기 위해, 수평자성트랙(200)에 전류를 흘려줄 때, 제1 및 제2 절연층(2a, 2b)이 전기적 베리어(barrier)로 작용하므로, 상기 전류는 제1 및 제2 강자성층(4a, 4b)으로 누설되지 않을 수 있다.
여기서는, 읽기 기능과 쓰기 기능을 겸하는 일체형의 읽기/쓰기유닛(300)(싱글유닛)을 도시하고 설명하였지만, 읽기유닛과 쓰기유닛이 개별적으로 구비될 수도 있다. 이 경우, 상기 읽기유닛은 거대 자기 저항(giant magneto resistance)(이하, GMR) 효과를 이용한 GMR 센서 또는 터널 자기 저항(tunnel magneto resistance)(이하, TMR) 효과를 이용한 TMR 센서일 수 있다. 상기 쓰기유닛은 하나의 강자성 핀드층을 포함하는 GMR 또는 TMR 쓰기유닛이거나, 외부 자장을 이용하여 쓰기를 수행하는 유닛일 수 있다. 또한 읽기/쓰기유닛(300)을 쓰기용으로만 사용하고, 별도의 읽기유닛을 구비시킬 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 자성층의 형성방법을 설명하도록 한 다. 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 자성층의 형성방법을 보여준다.
도 5a를 참조하면, 기판(10) 상에 씨드층(20)을 형성한다. 씨드층(20)은 Cr층 또는 Mn3Si층일 수 있지만, 그 밖의 다른 물질층일 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 씨드층(20) 상에 자성층(30)을 형성한다. 자성층(30)은 자기이방성 에너지밀도(Ku)가 103≤Ku≤107 J/m3 정도인 경자성 물질층일 수 있는데, 예컨대, CoCrPt층, CoCrTaPt층 및 CoCrTa층과 같은 Co 합금층이거나 L10 결정구조를 갖는 FePt층일 수 있다. 자성층(30)을 형성하는 동안, 자성층(30)에 소정 방향의 자기장(F1)을 인가한다. 자기장(F1)의 방향은 기판(10)과 평행한 방향, 예컨대, 도 4a의 제1 방향(M1)과 동일한 방향일 수 있다. 자기장(F1)을 인가하면서 씨드층(20) 상에 자성층(30)을 형성하기 때문에, 자성층(30)은 자기장(F1)의 방향과 동일한 방향의 자화 용이축을 가질 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 씨드층(20)이 Cr층이고 자성층(30)이 CoCrPt층인 경우, FCC(face centered cubic) 구조를 갖는 Cr층 상에 형성되는 HCP(hexagonal close packed) 구조의 CoCrPt층은 기판(10)과 평행한 면으로 (11
Figure 112007073368626-pat00003
0)면을 갖도록 형성될 수 있다. 이는 상기 (11
Figure 112007073368626-pat00004
0)면이 Cr층과의 격자 부정합(lattice mismatch)이 적기 때문이다. CoCrPt층은 (11
Figure 112007073368626-pat00005
0)면과 수직한 (0001)면 방향으로 자화 용이축을 갖는다. 그러므로 CoCrPt층은 기판(10)과 평행한 자화 용이축을 가질 수 있다. 그런데 CoCrPt층은 다결정체로서 다수의 결정 입자(grain)들을 포함할 수 있는데, CoCrPt층을 형성할 때 특정 방향의 자기장(F1)을 인가하지 않으면, 상기 각 결정 입자들은 기판(10)과 평행하지만 서로 다른 방향의 자화 용이축을 가질 수 있다. 때문에, 상기 각 결정 입자들의 자화 용이축 방향이 동일하게 되도록, 특정 방향의 자기장(F1)을 인가하면서 CoCrPt층을 형성하는 것이 바람직하다. 자성층(30)이 CoCrTaPt층인 경우에도 씨드층(20)으로 Cr층을 사용할 수 있고, 자성층(30)이 CoCrTa층인 경우에는 씨드층(20)으로 DO3 구조를 갖는 Mn3Si층을 사용하는 것이 바람직하다.
다음, 자성층(30)과 씨드층(20)을 적당한 모양으로 패터닝한다. 상기 패터닝의 결과가 도 5c에 도시되어 있다. 도 5c의 자성층(30)은 도 1b의 수평자성트랙(200)과 등가할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 자성층의 형성방법은 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 기판에 육면체 모양의 수직한 홈(groove)을 형성한 후, 상기 홈 내에 본 발명의 실시예에 따른 자성층을 형성하면, 도 1a에 도시된 수직자성트랙(100)을 얻을 수 있을 것이다. 또한, 도 5b의 자성층(30)이 FePt층인 경우, FePt층을 증착한 후, 증착된 FePt층을 어닐링하여 그의 결정 구조를 특정 방향으로 배향시킬 수 있다. 이러한 결정 구조의 배향은 씨드층(20)에 의해 이루어질 수 있다. 이를 위해, 씨드층(20)은 상기 어닐링시에 FePt층의 자화 용이축이 상기 기판과 평행한 제1 방향이 되도록 FePt층을 결정화시키는 결정 구조 및 격자 상수를 갖는 것을 바람직하다. 이 경우, 자기장(F1)을 인가하지 않고도 폭방향으로 자화 용이축을 갖는 자성트랙을 얻을 수 있다. 부가적으로, 도 5b의 자성층(30)이 다결정이 아닌 단결정인 경우, 자기장(F1)을 사용하지 않고도 폭방향으로 자화 용이축을 갖는 자성트랙을 얻을 수 있을 것이다. 상기 단결정의 자성층의 일례로 GaAs 내에 Mn이 도핑되어 있는 GaMnAs을 들 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 자성트랙의 형성방법들은 도 3과 같은 정보저장장치의 수직자성트랙(100a~100e) 및 수평자성트랙(200)을 형성하는데 적용될 수 있다.
상기한 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, 도 3의 구조는 다양하게 변형될 수 있고, 읽기/쓰기유닛(300)의 위치 및 구조도 다양하게 변경될 수 있으며, 자성트랙에 연결된 전류 인가수단도 달라질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 자성트랙의 측면에 자구벽의 핀닝 사이트(pinning site)로서 노치(notch)가 형성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 자성트랙을 보여주는 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예와 비교되는 비교예들에 따른 자성트랙을 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보저장장치를 보여주는 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 읽기/쓰기수단을 이용한 쓰기 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 자성트랙의 형성방법을 보여주는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
2a, 2b : 제1 및 제2 절연층 4a, 4b : 제1 및 제2 강자성층
10 : 기판 20 : 씨드층
30 : 자성층 50a∼50e : 트랜지스터
100, 100a∼100e, 100' : 수직자성트랙 150 : 저항성 자성층
200, 200' : 수평자성트랙 300 : 읽기/쓰기유닛
D, D', D" : 자구 DW, DW', DW" : 자구벽
E1∼E4 : 전자들

Claims (20)

  1. 경자성(hard magnetic) 물질로 형성되고, 폭 및 길이를 갖는 트랙 형상을 가지며, 폭방향과 평행한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 갖고, 상기 폭방향에 수직한 길이방향으로 배열된 복수의 자구를 구비하는 자성층.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자성층은 기판과 수직한 수직자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성층.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자성층은 기판과 평행한 수평자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성층.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 자성층의 자기이방성 에너지밀도(Ku)는 103≤Ku≤107 J/m3 인 것을 특징으로 하는 자성층.
  5. 청구항 1항의 자성층을 형성하는 방법에 있어서,
    기판 상에 씨드층을 형성하는 단계; 및
    상기 씨드층 상에 경자성 물질을 포함하는 자성층을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 자성층을 형성하는 동안, 상기 자성층에 상기 기판과 평행한 제1 방향 의 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 자성층의 형성방법.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 5 항에 있어서, 상기 경자성 물질의 자기이방성 에너지밀도(Ku)는 103≤Ku≤107 J/m3 인 것을 특징으로 하는 자성층의 형성방법.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 5 항에 있어서, 상기 자성층은 라인 형태이고, 상기 제1 방향은 상기 자성층의 폭방향과 평행한 것을 특징으로 하는 자성층의 형성방법.
  8. 다수의 자구를 갖는 자성트랙, 상기 자성트랙에 연결된 전류 인가수단, 및 읽기/쓰기수단을 포함하되,
    상기 자성트랙은 경자성(hard magnetic) 트랙을 포함하고,
    상기 경자성트랙은 그의 폭방향과 평행한 자화 용이축(magnetization easy axis)을 갖는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 경자성트랙은 기판과 수직한 수직자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 경자성트랙은 기판과 평행한 수평자성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 수직자성층은 다수이고, 상기 다수의 수직자성층을 연결하는 적어도 하나의 수평자성층을 포함하되, 상기 수직자성층과 상기 수평자성층은 서로 평행한 자화 용이축을 갖는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 11 항에 있어서, 상기 다수의 수직자성층 중 적어도 하나는 버퍼층인 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 11 항에 있어서, 상기 수직자성층과 상기 수평자성층 사이에 저항성 자성층이 개재되고, 상기 저항성 자성층의 전기 저항은 상기 수직자성층 및 수평자성층의 전기 저항보다 높은 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 13 항에 있어서, 상기 저항성 자성층은 연자성층 또는 경자성층인 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 8 항에 있어서, 상기 경자성트랙의 자기이방성 에너지밀도(Ku)는 103≤Ku≤107 J/m3 인 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  16. 청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 11 항에 있어서, 상기 전류 인가수단은 상기 수직자성층 각각의 일단에 연결된 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  17. 청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 8 항에 있어서, 상기 읽기/쓰기수단은 싱글유닛 또는 더블유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  18. 청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 17 항에 있어서, 상기 싱글유닛은,
    상기 자성트랙의 하면 및 상면에 형성되고, 서로 반대의 자화방향을 갖는 제1 및 제2 강자성 핀드층; 및
    상기 제1 및 제2 강자성 핀드층과 상기 자성트랙 사이 각각에 개재된 제1 및 제2 절연층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  19. 청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 17 항에 있어서, 상기 더블유닛은 읽기유닛과 쓰기유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  20. 다수의 자구를 갖는 자성트랙, 상기 자성트랙에 연결된 전류 인가수단, 및 읽기/쓰기수단을 포함하는 정보저장장치의 제조방법에 있어서,
    상기 자성트랙을 형성하는 단계는 경자성 물질을 포함하는 자성층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 자성층은 청구항 5 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 정보저장장치의 제조방법.
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