KR20080062769A - 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 자구벽을 갖는 쓰기 트랙; 상기 쓰기 트랙과 연결된 것으로서, 자구벽을 갖는 저장 트랙; 및 상기 저장 트랙에 기록된 데이터를 읽기 위한 읽기 수단;을 포함하고, 상기 쓰기 트랙과 상기 저장 트랙 사이의 연결부의 폭은 상기 쓰기 트랙에서 상기 저장 트랙으로 갈수록 좁아지는 것은 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 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 보여주는 사시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 쓰기 방법을 단계별로 보여주는 사시도이다.
도 3a 내지 도 3k는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 보여주는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100 : 쓰기 트랙 200, 200a, 200b : 중간층
300, 300a, 300b : 저장 트랙 C1∼C6 : 제1 내지 제6 도전선
D1∼D4 : 제1 내지 제4 자구 DW : 자구벽
E1 : 쓰기 트랙의 일단 E2 : 쓰기 트랙의 타단
M1, M2 : 제1 및 제2 방향
1. 발명의 분야
본 발명은 정보 저장 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
2. 관련 기술의 설명
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, 자구벽 이동에 의해 자구들이 고정된 읽기/쓰기 헤드를 통과하도록 함으로써, 기록 매체의 회전 없이 읽기/쓰기가 가능하다. 이러한 자구벽 이동 원리가 적용된 정보 저장 장치는 대량의 데이터를 저장할 수 있으면서도 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않아 이동성(mobility) 및 신뢰성(reliability)이 우수하고, 제조가 용이하며, 소비 전력이 적다는 이점이 있다.
그러나 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치는 아직 개발 초기단계에 있고, 그의 실용화를 위해서는 몇몇 문제점들이 해결되어야 한다. 특히, 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 실용화를 위해서는 데이터를 기록하는 방법의 개선이 요구된다. 이하에서는 종래의 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치에서의 쓰기 방법(이하, 종래의 쓰기 방법)의 문제점을 간략히 설명한다.
종래의 쓰기 방법은 외부 자장을 이용한 방법과 전자의 스핀 토크(spin torque) 현상을 이용한 방법으로 나눌 수 있다. 상기 외부 자장을 이용한 쓰기 방법은 자기 이방성 에너지(magnetic anisotropic energy)가 큰 자성층을 저장 매체 로 사용하는 경우에는 적용이 불가능하다는 한계가 있다. 저장 매체로 NiFe와 같은 연자성층을 사용하면, 자구벽 이동의 안정성을 확보하기 어렵고, 높은 기록 밀도를 구현하기 어렵다. 한편, 상기 전자의 스핀 토크 현상을 이용한 쓰기 방법은 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 두께가 소정 두께, 약 3nm 이상으로 두꺼워지면 적용하기가 곤란해진다. 때문에 약 100nm 이상의 두께를 갖는 자성층이 요구되는 수직 자기 기록 방식의 저장 장치에 상기 전자의 스핀 토크 현상을 이용한 쓰기 방법을 적용하기 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 치수(dimension)로 인한 제약으로부터 자유로운 쓰기 수단을 포함하는 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 쓰기 트랙; 상기 쓰기 트랙과 연결된 것으로서, 자구벽을 갖는 저장 트랙; 및 상기 저장 트랙에 기록된 데이터를 읽기 위한 읽기 수단;을 포함하고, 상기 쓰기 트랙과 상기 저장 트랙 사이의 연결부의 폭은 상기 쓰기 트랙에서 상기 저장 트랙으로 갈수록 좁아지는 것은 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치를 제공한다.
여기서, 상기 연결부의 적어도 두 측벽과 상기 쓰기 트랙 사이의 각도(θ)는 10°≤θ＜90°일 수 있다.
상기 쓰기 트랙은 강자성층이고, 상기 연결부는 상기 쓰기 트랙 상에 형성된 연자성층이고, 상기 저장 트랙은 상기 연결부 상에 형성될 수 있다.
상기 저장 트랙은 강자성층일 수 있다.
상기 저장 트랙에서 상기 연결부와 접하는 부분은 연자성층 또는 강자성층이고, 상기 저장 트랙에서 상기 연결부와 접하는 부분을 제외한 나머지 부분은 강자성층일 수 있다.
상기 쓰기 트랙은 강자성층이고, 상기 연결부는 상기 쓰기 트랙 상에 형성된 연자성층이고, 상기 저장 트랙은 상기 연결부 상에 형성된 경우, 상기 저장 트랙 상에 연자성 물질로 형성된 중간층과 다른 저장 트랙이 교대로 적층될 수 있다. 상기 중간층은 연자성층일 수 있고, 상기 다른 저장 트랙은 강자성층일 수 있다. 상기 다른 저장 트랙에서 상기 중간층과 접하는 부분은 연자성층 또는 강자성층이고, 상기 다른 저장 트랙에서 상기 중간층과 접하는 부분을 제외한 나머지 부분은 강자성층일 수 있다.
상기 쓰기 트랙은 강자성층이고, 상기 저장 트랙은 상기 쓰기 트랙의 측면에 형성된 강자성층이며, 상기 연결부는 강자성층 또는 연자성층일 수 있다. 이 경우, 상기 쓰기 트랙, 상기 연결부 및 상기 저장 트랙은 동일한 물질로 동일층에 형성될 수 있다. 또한, 상기 저장 트랙은 복수일 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 자구벽 이동 특성을 갖는 쓰기 트랙 및 저장 트랙을 포함하는 정보 저장 장치의 제조방법에 있어서, 쓰기 트랙을 형성하는 단계; 상기 쓰기 트랙 상에 위로 갈수록 폭이 좁아지는 연결층을 형성하는 단계; 및 상기 연결층 상에 저장 트랙을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법을 제공한다.
상기 쓰기 트랙 상에 상기 연결층을 형성하는 단계는, 상기 쓰기 트랙 상에 위로 갈수록 폭이 좁아지는 개구부를 갖는 절연층을 형성하는 단계; 상기 개구부에 의해 노출된 상기 쓰기 트랙 상에 상기 연결층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 쓰기 트랙 상에 상기 개구부를 갖는 상기 절연층을 형성하는 단계는, 상기 쓰기 트랙 상에 위로 갈수록 폭이 좁아지는 수지층 패턴을 형성하는 단계; 상기 수지층 패턴을 덮도록 상기 쓰기 트랙 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층을 상기 수지층 패턴이 노출될 때까지 CMP하는 단계; 및 상기 수지층 패턴을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 연결층은 전해 도금 방법으로 형성할 수 있다.
상기 쓰기 트랙 상에 상기 수지층 패턴을 형성하는 단계는, 상기 쓰기 트랙 상에 수지층을 형성하는 단계; 상기 수지층을 위로 갈수록 폭이 좁아지는 홈을 갖는 마스터 스탬프로 찍어(imprint) 패터닝하는 단계; 및 상기 마스터 스탬프를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치 및 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 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치(이하, 본 발명의 제1 정보 저장 장치)를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 정보 저장 장치는 데이터 저장을 위한 저장 트랙(300)과 저장 트랙(300)에 데이터를 기록하기 위한 쓰기 트랙(100)을 포함한다. 쓰기 트랙(100)과 저장 트랙(300)은 모두 자구벽 이동 특성을 갖는다. 도 1에는 쓰기 트랙(100)과 저장 트랙(300)이 평행한 경우가 도시되어 있지만, 그들은 수직 교차하게 형성될 수도 있다. 쓰기 트랙(100)과 저장 트랙(300)이 수직 교차하는 경우, 쓰기 트랙(100)을 따라 다수의 저장 트랙(300)이 형성될 수 있다. 저장 트랙(300)은 다수가 수직으로 적층될 수 있는데, 아래로부터 번호를 부여하여, 제1 및 제2 저장 트랙(300a, 300b)이라 칭한다. 제1 및 제2 저장 트랙(300a, 300b)의 길이는 서로 다를 수 있다. 예컨대, 저장 트랙(300)의 길이는 상부로 갈수록 길어질 수 있다.
쓰기 트랙(100)과 저장 트랙(300) 사이 및 저장 트랙(300)들 사이에는 연자성 물질로 형성된 중간층(200)이 구비된다. 쓰기 트랙(100)과 제1 저장 트랙(300a) 사이의 중간층(200)을 제1 중간층(200a)이라 하고, 제1 및 제2 저장 트랙(300) 사이의 중간층(200)을 제2 중간층(200b)이라 한다. 제1 중간층(200a)의 폭은 쓰기 트랙(100)에서 제1 저장 트랙(300a)으로 갈수록 좁아진다.
저장 트랙(300)에 기록된 정보를 읽기 위한 자기 저항 센서(400)가 저장 트랙(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, 저장 트랙(300)의 하부에 형성되거나, 쓰기 트랙(100)의 상부 또는 하부에 형성될 수도 있다.
쓰기 트랙(100)의 양단(E1, E2)에 제1 및 제2 도전선(C1, C2)이 형성되어 있고, 각 저장 트랙(300)의 양단에 제3 내지 제6 도전선(C3∼C6)이 형성되어 있다. 제1 내지 제6 도전선(C1∼C6)은 쓰기 트랙(100) 및 저장 트랙(300)에 전류를 인가하기 위한 수단으로서, 각각 트랜지스터와 같은 구동 소자(미도시)와 연결되어 있을 수 있다.
쓰기 트랙(100)은 CoPt 또는 FePt로 형성되거나, CoPt와 FePt의 합금으로 형성된 강자성층이고, 그의 자기 이방성 에너지는 2×103∼107 J/m3 정도일 수 있다. 중간층(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. 저장 트랙(300)에서 중간층(200)과 접한 부분(이하, 제1 부분)의 자기 이방성 에너지는 상기 제1 부분을 제외한 나머지 부분(이하, 제2 부분)의 자기 이방성 에너지보다 작은 것이 바람직하다. 그러나 저장 트랙(300)은 전 영역에서 동일한 자기 이방성 에너지를 가질 수도 있다. 상기 제1 부분의 자기 이방성 에너지(K1)는 0≤K1≤107 J/m3 정도일 수 있고, 상기 제2 부분의 자기 이방성 에너지(K2)는 2×103≤K2≤107 J/m3 정도일 수 있다. 이러한 저장 트랙(300)은 CoPt 또는 FePt로 형성되거나, CoPt와 FePt의 합금으로 형성될 수 있는데, 상기 제1 부분은 He+나 Ga+와 같은 불순물 이온이 도핑된 영역일 수 있다. 상기 불순물 이온이 도핑됨에 따라, 상기 제1 부분의 자기 이방성 에너지가 상기 제2 부분의 그것보다 낮아진다.
쓰기 트랙(100)은 적어도 두 개의 자구 및 적어도 한 개의 자구벽을 포함한다. 도 1에는 쓰기 트랙(100)이 제1 및 제2 자구(D1, D2)와 그들 사이에 하나의 자구벽(DW)을 갖는 경우가 도시되어 있다. 쓰기 트랙(100) 내에 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 형성하는 방법은 다양하다. 예를 들면, 쓰기 트랙(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. 이 밖에도 다양한 방법으로 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 형성할 수 있다.
도 1에는 제1 자구(D1), 중간층(200) 및 저장 트랙(300)은 제1 방향(M1)으로 자화되고, 제2 자구(D2)는 제2 방향(M2)으로 자화된 경우에 대해 도시되어 있다. 쓰기 트랙(100)의 양단(E1, E2) 사이에 전류를 흘려줌으로써, 자구벽(DW)을 쓰기 트랙(100) 내에서 이동시킬 수 있다. 전류 방향과 전자의 이동 방향은 반대이므로, 자구벽(DW)은 전류 방향과 반대 방향으로 이동한다. 예컨대, 제1 도전선(C1)에서 제2 도전선(C2)으로 전류를 흘려주면 자구벽(DW)은 제1 도전선(C1) 쪽으로 이동한 다. 자구벽(DW)의 위치에 따라, 제1 중간층(200a)의 자화 방향이 달라질 수 있다. 다시 말해, 제1 중간층(200a)의 자화 방향은 제1 중간층(200a)과 접한 쓰기 트랙(100)의 자화 방향을 따른다. 이것은 중간층(200)이 자화 반전되기 용이한 연자성층이기 때문이다. 제1 중간층(200a)의 자화 방향이 반전되면, 그에 따라 제1 중간층(200a) 상의 제1 저장 트랙(300a)에서 제1 중간층(200a)과 접한 부분, 즉 상기 제1 부분의 자화 방향이 제1 중간층(200a)의 그것과 동일해진다. 이것은 제1 중간층(200a) 및 제1 저장 트랙(300a)의 상기 제1 부분이 동일한 자화 방향을 가지는 것이 그렇지 않은 것보다 에너지적으로 안정하기 때문이다. 이러한 자화 반전은 최하층의 중간층(200), 즉 제1 중간층(200a)부터 최상층의 제1 부분, 즉 제2 저장 트랙(300b)에서 제2 중간층(200b)과 접한 부분까지 연쇄적으로 일어난다. 상기 제1 부분의 자기 이방성 에너지(K1)가 상기 제2 부분의 자기 이방성 에너지(K2)보다 작으면, 상기 제1 부분의 자화 반전이 더욱 용이하다.
상기 제1 부분의 자화 방향을 원하는 상태로 반전시킨 후, 상기 제1 부분에서 상기 제2 부분 방향으로 자구벽을 1 비트만큼 이동시키면, 상기 제2 부분에 소정의 정보를 기록할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제1 정보 저장 장치의 쓰기 방법을 보다 자세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1 정보 저장 장치의 쓰기 방법을 단계별로 보여준다.
도 2a는 도 1에 도시한 정보 저장 장치의 자구벽(DW)을 이동시킨 결과를 보 여준다. 쓰기 트랙(100)의 일단(E1)에서 타단(E2)으로 전류를 흘려주어 자구벽(DW)을 타단(E2)에서 일단(E1) 방향으로 이동시킴에 따라, 제2 자구(D2)가 제1 중간층(200a) 하부까지 확장된다. 이러한 자구벽(DW)의 이동에 따라, 제1 중간층(200a)부터 제2 저장 트랙(300b)의 상기 제1 부분까지 자화 방향이 제2 방향(M2)으로 반전된다. 그 결과, 저장 트랙(300)에 다른 자구(이하, 제3 자구)(D3)가 형성된다. 제3 자구(D3)에 대응하는 데이터는 '0'일 수 있다. 도면부호 E3 및 E4는 제2 저장 트랙(300b)의 일단 및 타단을 나타낸다.
도 2b를 참조하면, 제2 저장 트랙(300b)의 일단(E3)에서 쓰기 트랙(100)으로 전류를 흘려주어 제3 자구(D3)를 제2 저장 트랙(300b)의 일단(E3) 방향으로 1 비트만큼 확장시킨다.
도 2c를 참조하면, 쓰기 트랙(100)의 타단(E2)에서 일단(E1)으로 전류를 흘려주어 자구벽(DW)을 일단(E1)에서 타단(E2) 방향으로 이동시킨다. 이에 제2 자구(D1)가 제1 중간층(200a) 하부까지 확장된다. 이러한 자구벽(DW)의 이동에 따라, 제1 중간층(200a)부터 제2 저장 트랙(300b)의 상기 제1 부분까지 자화 방향이 제1 방향(M1)으로 반전된다. 제2 중간층(200b)과 접한 제2 저장 트랙(300b) 부분에 형성된 자구를 제4 자구(D4)라 칭한다. 제4 자구(D4)에 대응하는 데이터는 '1'일 수 있다.
도 2d를 참조하면, 제2 저장 트랙(300)의 일단(E3)에서 쓰기 트랙(100)으로 전류를 흘려주어 제3 및 제4 자구(D3, D4)를 제2 저장 트랙(300)의 일단(E3) 방향으로 1 비트만큼 이동시킨다.
이와 같이 본 발명의 제1 정보 저장 장치에서는 쓰기 트랙(100) 및 저장 트랙(300) 내에서 자구벽을 적절히 이동시키는 방법으로 2진(binary) 데이터를 기록한다. 이러한 자구벽 이동을 이용한 쓰기는 전류의 흐름을 제어하는 방법으로 이루어진다. 그러므로 본 발명의 실시예에 따른 정보 저장 장치의 쓰기 동작은 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 치수(dimension) 등으로 인한 제약으로부터 자유롭다.
특히, 본 발명의 제1 정보 저장 장치에서는 제1 중간층(200a)의 폭이 쓰기 트랙(100)에서 저장 트랙(300)으로 갈수록 좁아진다. 다시 말해, 제1 중간층(200a)의 두 개 혹은 네 개의 측벽은 쓰기 트랙(100)과 90°미만의 각도, 바람직하게는 10°∼60°정도의 각도를 이루고 있다. 여기서, 제1 중간층(200a)의 상기 두 개의 측벽은 네 개의 측벽 중 모서리를 공유하지 않는 두 개의 측벽이다.
이와 같은 제1 중간층(200a)의 형상으로 인하여, 쓰기 트랙(100) 내에서 자구벽(DW)이 원활하게 이동할 수 있다. 만약 제1 중간층(200a)의 네 개의 측벽이 쓰기 트랙(100)과 수직하면, 자구벽(DW)은 제1 중간층(200a)과 쓰기 트랙(100)의 접합부(junction)를 원활하게 이동하기 어렵다. 이것은 제1 중간층(200a)의 측벽이 수직할 때, 상기 접합부의 끝부분에서 자구벽(DW) 이동을 위한 전류의 밀도가 급격히 감소하기 때문이다. 자구벽(DW)은 전류의 밀도가 급격히 감소하는 지점을 원활하게 통과하기 어렵다. 따라서 자구벽(DW)은 상기 접합부를 순조롭게(smoothly) 통과할 수 없고, 자구벽(DW)이 상기 접합부를 통과하기 위해서는 큰 전류가 요구된다. 반면 본 발명에서와 같이 제1 중간층(200a)의 측벽이 쓰기 트랙(100)과 경사져 있으면, 제1 중간층(200a)과 쓰기 트랙(100)의 접합부에서 전류 밀도의 변화가 점진적(gradual)이다. 그러므로 자구벽(DW)은 쓰기 트랙(100) 내에서 원활하게 이동될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법(이하, 본 발명의 제조방법)을 설명한다.
도 3a 내지 도 3k는 본 발명의 제조방법을 단계별로 보여준다.
도 3a를 참조하면, 기판(10) 상에 쓰기 트랙(100)을 형성한다. 그런 후, 쓰기 트랙(100)을 덮도록 기판(10) 상에 제1 절연층(20)을 형성하고, 제1 절연층(20)을 쓰기 트랙(100)이 노출되도록 CMP(chemical mechanical polishing)한다.
도 3b를 참조하면, 쓰기 트랙(100) 및 제1 절연층(20) 상에 수지층(resin layer)(30)을 형성한다. 그 다음, 수지층(30) 위쪽에 제1 홈(H1)을 갖는 제1 마스터 스탬프(master stamp)(80)를 정렬시킨다. 제1 홈(H1)의 폭은 상부로 갈수록 좁아진다. 제1 마스터 스탬프(80)는 전자빔 리소그라피(E-beam lithography)와 같은 나노 패터닝 방법으로 제작된 것이고, 제1 홈(H1)의 측벽의 경사각은 제1 마스터 스탬프(80) 제작시 식각 조건에 따라 달라질 수 있다. 이러한 제1 마스터 스탬프(80)는 반복적으로 사용할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 제1 마스터 스탬프(80)로 수지층(30)을 찍어(imprint) 수지층(30)을 패터닝한다. 이에 쓰기 트랙(100) 상에 수지층 패턴(30a)이 형성된다.
그런 다음, 제1 마스터 스탬프(80)를 수지층 패턴(30a), 쓰기 트랙(100) 및 제1 절연층(20)으로부터 제거한다. 도 3d는 제1 마스터 스탬프(80)를 제거한 이후 의 상태를 보여준다.
도 3d를 참조하면, 앞서 언급한 바와 같이, 제1 마스터 스탬프(80)를 이용한 임프린트 공정에 의해 쓰기 트랙(100) 상에 수지층 패턴(30a)이 형성된다. 이때 수지층 패턴(30a)이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역에 수지층(30) 일부가 잔류될 수 있는데, 잔류 수지층은 RIE(reactive ion etching) 또는 플라즈마 에싱(plasma ashing) 방법으로 제거할 수 있다. 상기 잔류 수지층 제거시 수지층 패턴(30a)도 미소 식각되지만, 수지층 패턴(30a)의 형상은 거의 변화되지 않는다. 수지층 패턴(30a)의 모양은 제1 홈(H1)의 모양을 따르므로, 그의 폭은 상부로 갈수록 좁아진다.
도 3e를 참조하면, 수지층 패턴(30a)을 덮도록 쓰기 트랙(100) 및 제1 절연층(20) 상에 제2 절연층(40)을 형성하고, 제2 절연층(40)을 수지층 패턴(30a)이 노출되도록 CMP한다. 제2 절연층(40)은 실리콘 산화물층일 수 있다.
도 3f를 참조하면, 수지층 패턴(30a)을 습식 및/또는 건식 식각으로 제거한다. 그에 따라, 쓰기 트랙(100)을 노출시키는 제2 홈(H2)이 형성된다. 수지층 패턴(30a)과 제2 절연층(40)간 식각 선택비 차이로 인해 수지층 패턴(30a)의 선택적 제거가 가능하다.
도 3g를 참조하면, 제2 홈(H2) 내에 전해 도금 방법으로 제1 중간층(200a)을 형성한다. 제1 중간층(200a)의 두께는 상기 전해 도금시 반응 조건 및 반응 시간을 조절함으로써 제어될 수 있다. 그러므로 제1 중간층(200a)의 높이와 제2 홈(H2)의 높이를 맞출 수 있다. 그런 후, 제1 중간층(200a) 및 제2 절연층(40) 상에 제1 저 장 트랙(300a)을 형성한다.
도 3h를 참조하면, 제1 저장 트랙(300a)을 덮도록 제2 절연층(40) 상에 다른 수지층(이하, 제2 수지층)(50)을 형성한다.
그 다음, 제2 수지층(50) 위쪽에 다중 단차(multi-step) 구조를 갖는 제2 마스터 스탬프(90)를 정렬시킨다. 제2 마스터 스탬프(90)도 전자빔 리소그라피와 같은 나노 패터닝 방법으로 제작된 것으로서, 반복적으로 사용할 수 있다.
도 3i를 참조하면, 제2 마스터 스탬프(90)로 제2 수지층(50)을 찍어(imprint) 제2 수지층(50)을 패터닝한다.
그런 다음, 제2 마스터 스탬프(90)를 제2 수지층(50)으로부터 제거한다. 도 3j는 제2 마스터 스탬프(90)를 제거한 이후의 상태를 보여준다.
도 3j를 참조하면, 제2 마스터 스탬프(90)를 이용한 임프린트 공정에 의해 제1 중간층(200a)을 노출시키는 이중 홈(D)이 형성된다. 이중 홈(D)는 중앙부의 제3 홈(H3) 및 제3 홈(H3) 상에 제3 홈(H3)보다 큰 제4 홈(H4)을 포함한다. 제3 홈(H3) 바닥에 제2 수지층(50)의 일부가 잔류될 수 있는데, 상기 잔류된 제2 수지층은 RIE 또는 플라즈마 에싱(plasma ashing) 방법으로 제거할 수 있다.
이중 홈(D)를 갖는 제2 수지층(50)을 이온주입 마스크로 이용해서, 이중 홈(D)에 의해 노출된 제1 저장 트랙(300a)에 He+ 또는 Ga+와 같은 불순물 이온을 도핑할 수도 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. 상기 불순물 이온의 도핑 공정은 선택적(optional) 공정이다.
도 3k를 참조하면, 제3 홈(H3) 내에 제2 중간층(200b)을 형성한다. 제2 중간층(200b)은 전해 도금 방법으로 형성할 수 있다. 다음으로, 제4 홈(H4) 내에 제2 저장 트랙(300b)을 형성한다. 제2 저장 트랙(300b)은 제4 홈(H4)을 갖는 제2 수지층(50) 및 제2 중간층(200b) 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 자성층을 증착한 후, 상기 자성층을 CMP함으로써 형성할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제2 저장 트랙(300b) 상에 다른 중간층과 다른 저장 트랙을 반복해서 적층할 수 있다. 그리고 상기 본 발명의 제조방법에서 저장 트랙(300) 또는 쓰기 트랙(100)의 소정 영역 상에 TMR 또는 GMR 효과를 이용한 자기 저항 센서를 형성할 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.
본 발명의 정보 저장 장치의 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 정보 저장 장치는 도 4에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정보 저장 장치(이하, 본 발명의 제2 정보 저장 장치)를 보여준다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 정보 저장 장치는 쓰기 트랙(100')과 쓰기 트랙(100') 측면과 연결되도록 형성된 저장 트랙(300')을 포함한다. 하나의 쓰기 트랙(100') 측면에 다수의 저장 트랙(300')이 형성될 수 있다. 쓰기 트랙(100')과 저장 트랙(300')은 자구벽 이동 특성을 갖는 강자성층인 것이 바람직하다. 쓰기 트랙(100')과 저장 트랙(300') 사이에는 그들의 연결을 위한 중간층(200')이 형성되어 있다. 중간층(200')의 폭은 쓰기 트랙(100')에서 저장 트랙(300')으로 갈수록 좁아진다. 이러한 중간층(200')의 형상 때문에 쓰기 트랙(100') 내에서 자구벽(DW)이 원활하게 이동할 수 있다.
쓰기 트랙(100'), 중간층(200') 및 저장 트랙(300')은 동일한 물질로 동일한 층에 형성할 수 있다. 중간층(200')은 강자성층 또는 연자성층일 수 있으나, 제조 공정 측면에서 강자성층인 것이 바람직하다.
쓰기 트랙(100')은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구, 즉 제5 및 제6 자구(D5, D6)를 포함할 수 있다. 도 1에서
Figure 112006098537631-PAT00001
는 제1 방향(M1)으로 자화되었음을 의미하고,
Figure 112006098537631-PAT00002
Figure 112006098537631-PAT00003
는 상기 제1 방향(M1)과 반대인 제2 방향(M2)으로 자화되었음을 의미한다. 도면부호 D는 저장 트랙(300') 내의 자구를 나타낸다.
쓰기 트랙(100')의 일단(E1) 및 타단(E2)에 제7 및 제8 도전선(C7, C8)이 형성되어 있고, 저장 트랙(300')의 일단(E3)에 제9 도전선(C9)이 형성되어 있다. 제7 및 제8 도전선(C7, C8)을 통해 쓰기 트랙(100')에 전류를 인가하면, 제5 및 제6 자구(D5, D6)의 경계인 자구벽(DW)을 이동시킬 수 있다. 자구벽(DW)의 이동에 따라 제5 및 제6 자구(D5, D6)의 크기가 달라진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제5 자구(D5)가 저장 트랙(300')과 접한 쓰기 트랙(100') 부분까지 확장된 상태에서, 저장 트랙(300')의 일단(E3)에서 쓰기 트랙(100')의 일단(E1)으로 전류를 흘려주면, 제5 자구(D5)가 저장 트랙(300')의 타단(E4)까지 확장될 수 있다. 이것은 저장 트랙(300')의 타단(E4)에 제1 방향(M1)에 대응하는 데이터, 예컨대 '0'이 기록된 것이다. 만약 제6 자구(D6)가 저장 트랙(300')과 접한 쓰기 트랙(100') 부분까지 확장된 상태에서, 저장 트랙(300')의 일단(E3)에서 쓰기 트랙(100')의 타단(E2)으로 전류를 흘려주면, 제6 자구(D6)가 저장 트랙(300')의 타단(E4)까지 확장된다. 이것은 저장 트랙(300')의 타단(E4)에 제2 방향(M2)에 대응하는 데이터, 예컨대 '1'이 기록된 것이다. 이와 같이, 본 발명의 제2 정보 저장 장치에서는 쓰기 트랙(100') 및 저장 트랙(300') 내에서 자구 및 자구벽을 비트 단위로 이동시킴으로써, 저장 트랙(300')에 소정의 데이터를 기록할 수 있다.
저장 트랙(300')의 소정 영역에 저장 트랙(300')에 기록된 데이터를 읽기 위한 자기 저항 센서(400')가 형성되어 있다. 저장 트랙(300')의 일단(E3)과 자기 저항 센서(400') 사이에 읽기 전류를 인가할 수 있다. 이 경우, 자기 저항 센서(400') 아래에 위치한 저장 트랙(300')의 자화 방향에 따라 저장 트랙(300')의 일단(E3)과 자기 저항 센서(400') 사이의 전기 저항이 달라진다.
본 발명의 원리는 쓰기 트랙(100, 100') 및 저장 트랙(300, 300')이 수직 자기 이방성이 아닌 수평 자기 이방성을 갖는 경우에도 동일하게 적용될 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, 쓰기 트랙(100, 100'), 중간층(200, 200') 및 저장 트랙(300, 300')의 구조 및 그들 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 쓰기 트랙(100, 100') 및 저장 트랙(300, 300') 내에서 자구벽을 적절히 이동하는 방법으로, 저장 트랙(300) 내에 소정의 데이터를 용이하게 기록할 수 있다. 이러한 쓰기 방식은 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 치수(dimension) 등으로 인한 제약으로부터 자유롭다.
특히, 본 발명의 실시예들에 따른 정보 저장 장치에서는 쓰기 트랙(100, 100')과 저장 트랙(300, 300') 사이의 중간층(200)의 폭이 쓰기 트랙(100, 100')에서 저장 트랙(300, 300')으로 갈수록 점차로 감소하기 때문에, 쓰기 트랙(100, 100') 내에서 자구벽의 이동이 원활하다. 그러므로 본 발명은 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 쓰기 동작의 신뢰성을 개선할 수 있고, 쓰기 동작시 요구되는 전류의 크기를 감소시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 자구벽을 갖는 쓰기 트랙;
    상기 쓰기 트랙과 연결된 것으로서, 자구벽을 갖는 저장 트랙; 및
    상기 저장 트랙에 기록된 데이터를 읽기 위한 읽기 수단;을 포함하고,
    상기 쓰기 트랙과 상기 저장 트랙 사이의 연결부의 폭은 상기 쓰기 트랙에서 상기 저장 트랙으로 갈수록 좁아지는 것은 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부의 적어도 두 측벽과 상기 쓰기 트랙 사이의 각도(θ)는 10°≤θ＜90°인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 쓰기 트랙은 강자성층이고, 상기 연결부는 상기 쓰기 트랙 상에 형성된 연자성층이고, 상기 저장 트랙은 상기 연결부 상에 형성된 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 저장 트랙은 강자성층인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 저장 트랙에서 상기 연결부와 접하는 부분은 연자성 층 또는 강자성층이고, 상기 저장 트랙에서 상기 연결부와 접하는 부분을 제외한 나머지 부분은 강자성층인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 저장 트랙 상에 연자성 물질로 형성된 중간층과 다른 저장 트랙이 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 중간층은 연자성층인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 다른 저장 트랙은 강자성층인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 다른 저장 트랙에서 상기 중간층과 접하는 부분은 연자성층 또는 강자성층이고, 상기 다른 저장 트랙에서 상기 중간층과 접하는 부분을 제외한 나머지 부분은 강자성층인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 쓰기 트랙은 강자성층이고, 상기 저장 트랙은 상기 쓰기 트랙의 측면에 형성된 강자성층이며, 상기 연결부는 강자성층 또는 연자성층인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 저장 트랙은 복수인 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 쓰기 트랙, 상기 연결부 및 상기 저장 트랙은 동일한 물질로 동일층에 형성된 것을 특징으로 하는 정보 저장 장치.
  13. 자구벽 이동 특성을 갖는 쓰기 트랙 및 저장 트랙을 포함하는 정보 저장 장치의 제조방법에 있어서,
    쓰기 트랙을 형성하는 단계;
    상기 쓰기 트랙 상에 위로 갈수록 폭이 좁아지는 연결층을 형성하는 단계; 및
    상기 연결층 상에 저장 트랙을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 쓰기 트랙 상에 상기 연결층을 형성하는 단계는,
    상기 쓰기 트랙 상에 위로 갈수록 폭이 좁아지는 개구부를 갖는 절연층을 형성하는 단계;
    상기 개구부에 의해 노출된 상기 쓰기 트랙 상에 상기 연결층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 쓰기 트랙 상에 상기 개구부를 갖는 상기 절연층을 형성하는 단계는,
    상기 쓰기 트랙 상에 위로 갈수록 폭이 좁아지는 수지층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 수지층 패턴을 덮도록 상기 쓰기 트랙 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층을 상기 수지층 패턴이 노출될 때까지 CMP하는 단계; 및
    상기 수지층 패턴을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 연결층은 전해 도금 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 쓰기 트랙 상에 상기 수지층 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 쓰기 트랙 상에 수지층을 형성하는 단계;
    상기 수지층을 위로 갈수록 폭이 좁아지는 홈을 갖는 마스터 스탬프로 찍어(imprint) 패터닝하는 단계; 및
    상기 마스터 스탬프를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 정보 저장 장치의 제조방법.
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