JP2002064189A - マグネティック・ランダム・アクセス・メモリ - Google Patents

マグネティック・ランダム・アクセス・メモリ

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JP2002064189A
JP2002064189A JP2000249452A JP2000249452A JP2002064189A JP 2002064189 A JP2002064189 A JP 2002064189A JP 2000249452 A JP2000249452 A JP 2000249452A JP 2000249452 A JP2000249452 A JP 2000249452A JP 2002064189 A JP2002064189 A JP 2002064189A
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裕司 小野
Eikichi Yoshida
栄吉 吉田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノイズ発生が少なく、同時にノイズ耐性が高
く、実質的に高速のデータ読み出し及び書き込みが可能
な、大容量の不揮発性メモリを提供すること。 【解決手段】 グラニュラー磁性薄膜などから成る高周
波電流抑制体をマグネティック・ランダム・アクセス・
メモリ(MRAM)の内部構造として、あるいはモール
ド体の少なくとも一部に含ませる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主としてメモリ・
デバイスに関し、特に不揮発性磁気メモリ・セルを用い
る高速の大容量メモリに関する。
【0002】
【従来の技術】現在、高速の読み出し及び書き込みが可
能な、大容量の不揮発性メモリであるマグネティック・
ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)の開発が進ん
でいる。このメモリは記憶素子として磁性体を用いてお
り、トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子を使用する
構成が有力である。即ち、非磁性の膜を隔てた2層の磁
性体の間のトンネル接合において、2層の磁性層のスピ
ンが平行であるか、反平行であるかによって電気抵抗が
異なることを利用するものである。また、書き込み・読
み出しのために特定のメモリ・セルを選択するための素
子として半導体素子であるトランジスタが用いられる。
【0003】図7、図8を参照して、従来のマグネティ
ック・ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)の説明
を行う。
【0004】図7は、メモリ・セルの記憶素子部を示す
断面図である。73は基板、74は第1の導体、75は
第1の絶縁層、76は第2の絶縁層、77は第1の強磁
性体、78は第2の強磁性体、79は第3の絶縁層、7
0aと70bは第4の絶縁層、72は第2の導体であ
る。
【0005】 第1の強磁性体77、第2の絶縁層7
6、及び第2の強磁性体78によって、記憶素子部であ
る磁気的トンネル接合素子が形成されている。また、第
1の導体74と第2の導体72は、第2の強磁性体78
に磁界を印加するように配置される。
【0006】第1及び第2の導体の両方に電流が流れた
場合に、その合成磁界によって、第2の強磁性体の磁化
が反転するようになっている。他方、第1の強磁性体
は、例えば、高い飽和磁化を持つ強磁性体とすることに
より磁化方向が固定されている。
【0007】第1の強磁性体にはCoPt合金、第2の強
磁性体にはNiFe合金、第2の絶縁層としてはAl
などが用いられて記憶素子部が構成される。
【0008】なお、書き込み・読み出しのために特定の
メモリ・セルを選択するためのトランジスタ部は、図7
には示されていないが、記憶素子部とともに同一の基板
上に形成される。
【0009】図8は、従来例としての、モールド後のマ
グネティック・ランダム・アクセス・メモリ(MRA
M)を示す断面図である。81は基板、82はトランジ
スタや図7で示した記憶素子部を集積してなる集積素子
部、83はモールド体、84a、84bはリード線、8
5a、85bはリードである。
【0010】上述のようなマグネティック・ランダム・
アクセス・メモリ(MRAM)は、不揮発性の高速、大
容量メモリとして開発が進められている。
【0011】ところで、マグネティック・ランダム・ア
クセス・メモリ(MRAM)の他にも、高速動作の高集
積化半導体素子がある。その例として、ダイナミック・
ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)、リード・オ
ンリ・メモリ(ROM)、マイクロプロセッサ(MP
U)、あるいは画像プロセッサ算術論理演算装置(IP
ALU)などがある。これらの素子における演算速度や
信号処理速度の高速化はめざましく、一方で、回路を伝
搬する電気信号は、電流の急激な変化による誘導性の高
周波ノイズの主要因となっている。
【0012】一方、電子部品や電子機器の軽量化、薄型
化、小型化も急速に進行している。それに伴い、半導体
素子の集積度や、プリント配線基板への実装密度が上が
っている。その結果、高密度に集積あるいは実装された
電子部品においては、信号線が互いに極めて接近するこ
とになり、前述した信号処理速度の高速化と併せて、高
周波放射ノイズが誘発され易い状況となっている。
【0013】このような電子回路においては、配線基板
上の各部品の配置やその間の配線を最適に設計すること
により、ノイズを低減したり、電源ラインにデカップリ
ング・コンデンサなどの集中定数部品を挿入するなどの
対策がとられてきた。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高速化
された電子集積素子あるいは配線基板においては、発生
するノイズが高調波成分を含むために、信号の経路が分
布定数的な振る舞いをするようになり、従来の集中定数
回路を前提にしたノイズ対策が効果的でない状況が発生
していた。また、電子部品の配置と配線を最適化するこ
とによるノイズの低減にも限界があった。
【0015】上述のマグネティック・ランダム・アクセ
ス・メモリの動作においては、他の半導体のランダム・
アクセス・メモリ(RAM)と同様に、電流が高速で変
化するときに生じる高調波歪が高周波放射ノイズの主要
因となる。一方、書き込み電流や磁性層に加えられるノ
イズは、磁性層の磁化の大きさをばらつかせる。その結
果、書き込みの際に余分な操作が必要となる。また、読
み出しの際に信号にノイズが混入すると、読み出し動作
を繰り返すなどの余分な処理が必要となる。即ち、ノイ
ズ対策が効果的でないと、データの書き込み及び読み出
しの実質的な速度が低下する。
【0016】従って、マグネティック・ランダム・アク
セス・メモリの動作においては、他にノイズをもたらさ
ないだけでなく、ノイズによる書き込み及び読み出しの
実質的な速度の低下を起こさないことが重要である。
【0017】そこで、本発明はノイズの発生が少なく、
同時にノイズ耐性が高く、実質的に高速の読み出し及び
書き込みが可能な、大容量の不揮発性メモリを提供する
ことを課題とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】発明者らは、以前に高周
波での磁気損失の大きな複合磁性体を発明し、これを不
要放射源の近傍に配置する事で、半導体素子や電子回路
から発生する不要放射を効果的に抑制しうる方法を見出
している。このような磁気損失を利用した不要放射減衰
の作用機構については、最近の研究から、不要放射源と
なっている電子回路に対して等価的な抵抗成分が付加さ
れることによることが分かっている。ここで、等価的な
抵抗成分の大きさは、磁性体の磁気損失項μ″の大きさ
に依存している。より詳しくは、電子回路に等価的に挿
入される抵抗成分の大きさは、磁性体の面積が一定の場
合には、μ″と磁性体の厚さに略比例する。従って、よ
り小さな、あるいは、より薄い磁性体で所望の不要放射
減衰を得るためには、より大きなμ″が必要になってく
る。例えば、半導体素子のモールド内部のような微小領
域において磁気損失体を用いた不要放射対策を行う為に
は、磁気損失項μ″が極めて大きな値である必要があ
る。
【0019】発明者らは、スパッタ法あるいは蒸着法に
よる軟磁性体の研究過程において、微小な磁性金属粒子
が、セラミックスのような非磁性体中に均質に分散され
たグラニュラー磁性体の優れた透磁率特性に着目し、磁
性金属粒子とそれを囲む非磁性体の微細構造を研究した
結果、グラニュラー磁性体中に占める磁性金属粒子の濃
度が特定の範囲にある場合に、高周波帯域において優れ
た磁気損失特性が得られる事を見出した。
【0020】ここで、グラニュラー磁性薄膜とは、磁性
を担う粒子の大きさが数nm〜数十nmと極めて小さ
く、各々の粒子がセラミックス成分からなる粒界にて区
切られた微細構造を有し、数十MHz〜数GHzの高周波
帯域において非常に大きな磁気的損失を示す磁性薄膜の
ことを言い、微結晶薄膜とも呼ばれている。
【0021】M-X-Y(Mは磁性金属元素、Yは酸素、
窒素、あるいはフッ素のいずれかの元素、XはM、Y以
外の元素)なる組成を有するグラニュラー磁性について
は、これまでに多くの研究がなされ、低損失で大きな飽
和磁化を有する事が知られている。このM-X-Yグラニ
ュラー磁性体において、大きな飽和磁化を得るために
は、M成分の比率を高くする必要がある。そのため、高
周波インダクタ素子あるいはトランス等の磁心として用
いるような一般的な用途にはM-X-Yグラニュラー磁性
体中のM成分の割合は、M成分のみから成るバルク金属
磁性体の飽和磁化の約80%以上の飽和磁化が得られる
範囲に限られていた。
【0022】本発明者らは、M-X-Y(Mは磁性金属元
素、Yは酸素、窒素、あるいはフッ素のいずれかの元
素、XはM、Y以外の元素)なる組成を有するグラニュ
ラー磁性体において、M成分の占める割合を広い範囲で
検討した結果、いずれの組成系でも磁性金属Mが特定の
濃度範囲にある場合に、高周波帯域で大きな磁気損失を
示すことを見出した。
【0023】M成分の比率が、M成分のみから成るバル
ク金属磁性体の飽和磁化に対して80%以上の飽和磁化
を示すような最も高い領域は、従来より盛んに研究され
ている高飽和磁化で低損失なM-X-Yグラニュラー磁性
体の領域である。この領域にある材料は、実数部透磁率
μ′と飽和磁化の値が共に大きいため、前述した高周波
インダクタのような高周波マイクロ磁気デバイスに用い
られるが、電気抵抗を左右するX、Y成分の占める割合
が少ないので、電気抵抗が小さい。そのために膜厚が厚
くなると高周波帯域でのうず電流損失の発生に伴って高
周波での透磁率が劣化するので、ノイズ対策に用いるよ
うな磁性膜には不向きである。
【0024】M成分の比率が、M成分のみから成るバル
ク金属磁性体の飽和磁化の80%以下で60%以上とな
る飽和磁化を示す領域は、電気抵抗率が約100μΩ・
cm以上と比較的大きいために、材料の厚さが数μm程
度あっても、うず電流による損失が少なく、磁気損失は
ほとんど自然共鳴による損失となる。そのため、磁気損
失項μ″の周波数分散幅が狭くなるので、狭帯域な周波
数範囲でのノイズ対策(高周波電流抑制)に適してい
る。
【0025】M成分の比率が、M成分のみから成るバル
ク金属磁性体の飽和磁化の60%以下で35%以上とな
る飽和磁化を示す領域は、電気抵抗率が約500μΩ・
cm以上と更に大きいために、うず電流による損失は極
めて小さく、M成分間の磁気的な相互作用が小さくなる
ことで、スピンの熱攪乱が大きくなり、自然共鳴の生じ
る周波数に揺らぎが生じ、その結果、磁気損失項μ″は
広い周波数範囲で大きな値を示すようになる。従って、
この組成領域は広帯域な高周波電流の抑制に適してい
る。
【0026】一方、M成分の比率が更に小さい組成領域
は、M成分間の磁気的相互作用がほとんど生じなくなる
ので超磁性となる。
【0027】ノイズ放射部の間近に磁気損失材料を配設
して高周波電流を抑制する際の材料設計の目安は、磁気
損失項μ″のと磁気損失材料の厚さδの積μ″・δで与
えられ、数100MHzの周波数の高周波電流に対して
効果的な抑制を得るには、約μ″・δ≧1000(μ
m)が必要となる。
【0028】即ち、μ″=1000の磁気損失材料で
は、1μm以上の厚さが必要になり、うず電流の発生し
易い低電気抵抗な材料は好ましくなく、電気抵抗率が1
00μΩ・cm以上となるような組成、即ち本発明で用
いた組成系では、M成分の比率が、M成分のみから成る
バルク金属磁性体の飽和磁化の80%以下となる飽和磁
化を示し、かつ超磁性の発現しない領域、即ちM成分の
みから成るバルク金属磁性体の飽和磁化に対して35%
以上の飽和磁化を示す領域が適している。
【0029】本発明者は、上述のような磁性材料をマグ
ネティック・ランダム・アクセス・メモリに適用し、本
発明をなすに至ったものである。
【0030】本発明によれば、磁性体の記憶素子と半導
体素子によってメモリ・セルを構成するマグネティック
・ランダム・アクセス・メモリにおいて、その内部構造
に高周波電流抑制体を付加して成るメモリが得られる。
【0031】また、本発明によれば、磁性体の記憶素子
と半導体素子によってメモリ・セルを構成するマグネテ
ィック・ランダム・アクセス・メモリであって、そのモ
ールド体の少なくとも一部に高周波電流抑制体を付加し
て成ることを特徴とするメモリが得られる。
【0032】また、本発明によれば、前記高周波電流抑
制体がグラニュラー磁性体薄膜であるメモリが得られ
る。
【0033】また、本発明によれば、前記グラニュラー
磁性体薄膜が、M-X-Y(Mは磁性金属元素、Yは酸
素、窒素、あるいはフッ素のいずれかの元素、XはM、
Y以外の元素)なる組成を有するグラニュラー磁性体で
あって、M成分のみから成るバルク金属磁性体の飽和磁
化の35%以上となる飽和磁化を有するメモリが得られ
る。
【0034】更に、本発明によれば、前記グラニュラー
磁性体薄膜が、M-X-Y(Mは磁性金属元素、Yは酸
素、窒素、あるいはフッ素のいずれかの元素、XはM、
Y以外の元素)なる組成を有するグラニュラー磁性体で
あって、電気抵抗率が約100μΩ・cm以上であるメ
モリが得られる。
【0035】
【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)本発明の第
1の実施の形態について、図面を参照して説明する。図
1は、高周波電流抑制体を含むマグネティック・ランダ
ム・アクセス・メモリのセルの一部を示す模式的な断面
図である。1と2は第1及び第2の高周波電流抑制体、
3は基板、4は第1の導体、5は第1の絶縁層、6は第
2の絶縁層、7は第1の強磁性体、8は第2の強磁性
体、9は第3の絶縁層、10aと10bは第4の絶縁
層、11は第2の導体である。
【0036】 第1の強磁性体7、第2の絶縁層6、及
び第2の強磁性体8によって、記憶素子部である磁気的
トンネル接合素子を形成している。また、第1の導体4
と第2の導体11は、第1の強磁性体7に磁界を印加す
るように配置される。
【0037】第1及び第2の導体の両方に電流が流れた
場合に、その合成磁界によって、第2の強磁性体の磁化
が反転するようにする。他方、第1の強磁性体は、例え
ばより高い飽和磁化を持つ強磁性体とすることにより磁
化方向を固定する。
【0038】第1の強磁性体にはCoPt合金、第2の強
磁性体にはNiFe合金、第2の絶縁層としてはAl
などを用いて記憶素子部を構成することができる。
【0039】第1の導体4あるいは第2の導体11に流
れるパルス電流の高調波歪を抑制するように、あるいは
高周波の放射ノイズを抑制するように、更には、第1の
強磁性体7と第2の強磁性体8の間に流す読みとり電流
にノイズが重畳されないように基板3の下側に第1の高
周波電流抑制体1が配置され、第2の導体11の上側に
第2の高周波電流抑制体2が配置されている。
【0040】なお、記憶素子部と基板の間の層に配置さ
れるトランジスタは図1には示されていない。
【0041】図2は、モールド後のマグネティック・ラ
ンダム・アクセス・メモリを示す断面図である。21は
第1の高周波電流抑制体、22は基板、23はトランジ
スタや記憶素子部から成る集積素子部、25a、25bは
リード、26a、26bはリード線、24は第2の高周波
電流抑制体である。
【0042】次に、第1及び第2の高周波電流抑制体の
成膜方法を説明する。ここで用いた高周波電流抑制体
は、Fe、Al、Oから成るグラニュラー磁性体薄膜であ
る。
【0043】酸素ガス供給装置を備えた真空チャンバー
内で、蒸着法によりポリイミド板上に成膜した。蒸着母
材はFe70Al30合金であり、成膜前の真空度は1.
33×10−4Pa以下であり、成膜時の酸素ガス流量
は3.0sccmである。蒸着後、300℃で、2時間、真
空磁場中で熱処理を行い、グラニュラー磁性体薄膜を得
た。
【0044】膜厚は2.0μm、直流抵抗率は530μ
Ω・cm、異方性磁界Hは18Oe(1422A/
m)、飽和磁化Mは16800Gauss(1.68T)、
中心周波数で規格化した磁気損失項μ″の半値幅である
μ″50は148%であった。また、得られた膜の飽和
磁化と磁性体金属のみから成るバルク磁性体の飽和磁化
の比は72.2%であった。図5には、磁気損失項μ″
の周波数特性を示す。横軸には周波数が、縦軸には磁気
損失項である複素透磁率の虚数部μ″がとられている。
【0045】得られたグラニュラー磁性体薄膜の高周波
電流抑制効果を調べるために、これを線路長75mm、
特性インピーダンス50Ωのマイクロストリップ線路の
直上に配置し、ネットワークアナライザを用いて、伝送
特性を測定した。その結果を図6に示す。グラニュラー
磁性体薄膜の配置により、S21特性は100MHz付
近から単調に減少し、約3GHzで−10dBを示した。
これらの結果は、S 伝送特性がμ″の分散に依存す
るとともに、抑制効果の大きさがμ″と厚さδの積に依
存することを示している。
【0046】本実施の形態では、真空蒸着法による成膜
の例を示したが、スパッタ法、イオンビーム蒸着やガス
・デポジション法などの製造方法でもよく、磁気損失材
料が均一に実現できる方法であれば、製法に限定されな
い。
【0047】(第2の実施の形態)次に、図3を参照し
て、本発明の第2の実施の形態について説明する。図3
は、本形態の構成を示す断面図であって、31はグラニ
ュラー磁性体薄膜からなる高周波電流抑制体、32は基
板、33はトランジスタや記憶素子部から成る集積素子
部、34はモールド体、35a,35bはリード線、3
6a,36bはリードである。
【0048】基板32の上面にトランジスタや記憶素子
部から成る集積素子部33を作製するとともに基板32
の下面にグラニュラー磁性体薄膜31を成膜している。
グラニュラー磁性体薄膜31の製法は、第1の実施の形
態における場合と、ほぼ同様であるが、蒸着などによる
成膜後に熱処理を必要としない膜の材質や組成が好まし
い。
【0049】(第3の実施の形態)図4を参照して、本
発明の第3の実施の形態について説明する。モールド体
の一部に高周波電流抑制体を含む構成となっている。
【0050】図4は、その構成を示す断面図であって、
41は基板、42はトランジスタや記憶素子部から成る
集積素子部、44は高周波電流抑制体、45はモールド
体である。
【0051】高周波電流抑制体44の作製は、例えば、
ポリイミド板の上に、第1の実施の形態の場合と同様に
して、作製することができる。このようにして得た高周
波電流抑制体44を集積素子部42の上に配置するよう
に、ポリイミドなどのモールド体45によってモールド
を行う。
【0052】以上、第1から第3の実施の形態におい
て、本発明のマグネティック・ランダム・アクセス・メ
モリにおいては、信号パルス電流の高調波歪が低減さ
れ、それに伴い不要な放射も低減することができた。結
果として、実質的なデータの書き込み速度の低下と実質
的なデータの読み出し速度の低下を避けることができ
る。
【0053】ところで、第1の実施の形態においては、
ノイズの抑制効果が最も強く、第2の実施の形態におい
ては、基板を共用して、高周波電流抑制体を作製できる
利点があり、第3の実施の形態においてはマグネティッ
ク・ランダム・アクセス・メモリの上側へのノイズ放射
を抑制するのに効果的である。
【0054】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、信号の高調波歪が低減され、ノイズ発生が少なく、
同時にノイズ耐性が高く、実質的に高速の読み出し及び
書き込みが可能な、大容量の不揮発性メモリを提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態におけるマグネティ
ック・ランダム・アクセス・メモリのセルの一部を示す
断面図。
【図2】本発明の第1の実施の形態におけるマグネティ
ック・ランダム・アクセス・メモリを示す断面図。
【図3】本発明の第2の実施の形態におけるマグネティ
ック・ランダム・アクセス・メモリを示す断面図。
【図4】本発明の第3の実施の形態におけるマグネティ
ック・ランダム・アクセス・メモリを示す断面図。
【図5】本発明に用いたグラニュラー磁性体薄膜の磁気
損失項μ″の周波数特性を示す図。
【図6】本発明に用いたグラニュラー磁性体薄膜を間近
に配置したマイクロストリップ線路における伝送特性S
21の周波数特性を示す図。
【図7】従来のマグネティック・ランダム・アクセス・
メモリの一例におけるセルの一部を示す断面図。
【図8】従来のマグネティック・ランダム・アクセス・
メモリの一例を示す断面図。
【符号の説明】
1,2,21,24,31,44 高周波電流抑制体 3,22,32,41,73,81 基板 4,11,72,74 導体 5,6,9,10a,10b,70a,70b,75,
76,79 絶縁層 7,8,77,78 強磁性体 23,33,42,82 集積素子部 25a,25b,36a,36b,85a,85b
リード 26a,26b,35a,35b,84a,84b
リード線 27,34,45,83 モールド体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 43/08 H01L 27/10 447 Fターム(参考) 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC05 BA06 BA27 CB02 5F083 FZ10 GA01 GA13 ZA23

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁性体の記憶素子と半導体素子によって
    メモリ・セルを構成するマグネティック・ランダム・ア
    クセス・メモリ(MRAM)において、その内部構造に
    高周波電流抑制体を付加して成ることを特徴とするメモ
    リ。
  2. 【請求項2】 磁性体の記憶素子と半導体素子によって
    メモリ・セルを構成するマグネティック・ランダム・ア
    クセス・メモリ(MRAM)において、そのモールド体
    の少なくとも一部に高周波電流抑制体を付加して成るこ
    とを特徴とするメモリ。
  3. 【請求項3】 前記高周波電流抑制体はグラニュラー磁
    性体薄膜であることを特徴とする請求項1または2記載
    のメモリ。
  4. 【請求項4】 前記グラニュラー磁性体薄膜が、M-X-
    Y(Mは磁性金属元素、Yは酸素、窒素、あるいはフッ
    素のいずれかの元素、XはM、Y以外の元素)なる組成
    を有するグラニュラー磁性体であって、M成分のみから
    成るバルク金属磁性体の飽和磁化の35%以上となる飽
    和磁化を有することを特徴とする請求項3記載のメモ
    リ。
  5. 【請求項5】 前記グラニュラー磁性体薄膜が、M-X-
    Y(Mは磁性金属元素、Yは酸素、窒素、あるいはフッ
    素のいずれかの元素、XはM、Y以外の元素)なる組成
    を有するグラニュラー磁性体であって、電気抵抗率が約
    100μΩ・cm以上であることを特徴とする請求項3
    記載のメモリ。
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