JP2004193247A - Magnetic memory device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic memory device in which an MRAM element is sufficiently and magnetically shielded against a large outer magnetic field, an operation having no problem for the magnetic field from an environment to which the MRAM element is applied is guaranteed and an electronic unit can be miniaturized and lightened. <P>SOLUTION: The magnetic memory device composed as a magnetic random access memory (MRAM) 30 is formed of a TMR element 10 where magnetization fixing layers 4 and 6 in which magnetization directions are fixed and a magnetic layer (storage layer) 2 whose magnetization direction can be changed are laminated. The TMR element 10 is magnetically shielded by high saturation magnetization material layers 33 and 34 showing a high saturation magnetization of not less than 1.8 tesla (T). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁化方向が固定された磁化固定層と、磁化方向の変化が可能な磁性層とが積層されてなるメモリ素子からなる磁気ランダムアクセスメモリ、いわゆる不揮発性メモリであるMRAM(Magnetic Random Access Memory)として構成された磁気メモリ装置、又は磁化可能な磁性層を有するメモリ素子からなる磁気メモリ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低電力化など、一層の高性能化が要求されている。
【0003】
特に不揮発性メモリは、ユビキタス時代に必要不可欠であると考えられている。電源の消耗やトラブルが生じた場合や、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリは、個人情報を含めた重要な情報を保護することができる。また、最近の携帯機器は、不要の回路ブロックをスタンバイ状態にしてできるだけ消費電力を抑えるように設計されているが、高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。また、高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば、電源を入れると瞬時に起動できる“インスタント・オン”機能も可能になってくる。
【0004】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferroelectric Random Access Memory )なども挙げられる。
【0005】
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いという欠点がある。一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が1012〜1014であり、完全にSRAM(Static Random Access Memory)やDRAM(Dynamic Random Access Memory)に置き換えるには持久力(Endurance)が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。
【0006】
これらの欠点を有さず、高速、大容量(高集積化)、低消費電力の不揮発性メモリとして注目されているのが、例えばWang et al., IEEE Trans. Magn. 33 (1997), 4498に記載されているような、MRAM(Magnetic Random Access Memory )と称される磁気メモリであり、近年のTMR(Tunnel Magnetoresistance)材料の特性向上により、注目を集めるようになってきている。
【0007】
MRAMは、ナノ磁性体特有のスピン依存伝導現象に基づく磁気抵抗効果を利用した半導体磁気メモリであり、外部から電力を供給することなしに記憶を保持できる不揮発性メモリである。
【0008】
しかも、MRAMは、構造が単純であるために高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記録を行うために書き換え可能回数が大であり、アクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既に100MHzで動作可能であることがR.Scheuerlein et al, ISSCC Digest of Technical Papers,pp.128−129,Feb.2000で報告されている。
【0009】
こうしたMRAMについて更に詳細に説明すると、図11に例示するように、MRAMのメモリセルの記憶素子となるTMR素子10は、支持基板9上に設けられた、磁化が比較的容易に回転する記憶層2と磁化固定層4、6とを含む。
【0010】
磁化固定層は第1の磁化固定層4と第2の磁化固定層6の二つの磁化固定層を持ち、これらの間には、これらの磁性層が反強磁性的に結合するような導体層5が配置されている。記憶層2と磁化固定層4、6には、ニッケル、鉄又はコバルト、或いはこれらの合金からなる強磁性体が用いられ、また導体層5の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀などが使用可能である。第2の磁化固定層6は反強磁性体層7と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第2の磁化固定層6は強い一方向の磁気異方性を持つことになる。反強磁性体層7の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウムなどのマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物などを使用できる。
【0011】
また、磁性層である記憶層2と第1の磁化固定層4との間には、アルミニウム、マグネシウム、シリコン等の酸化物又は窒化物等からなる絶縁体によるトンネルバリア層3が挟持されており、記憶層2と磁化固定層4との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。これらの磁性層及び導体層は主にスパッタリング法により形成されるが、トンネルバリア層3は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化もしくは窒化させることにより得ることができる。トップコート層1は、TMR素子10とこのTMR素子に接続される配線との相互拡散防止、接触抵抗低減及び記憶層2の酸化防止という役割があり、通常は、Cu、Ta、TiN等の材料を使用できる。下地電極層8は、TMR素子と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用いられる。この下地層8は反強磁性体層7を兼ねてもよい。
【0012】
このように構成されたメモリセルにおいては、後述するように、磁気抵抗効果によるトンネル電流変化を検出して情報を読み出すが、その効果は記憶層と磁化固定層との相対磁化方向に依存する。
【0013】
図12は、一般的なMRAMの一部を簡略化して示す拡大斜視図である。ここでは、簡略化のために読み出し回路部分は省略してあるが、例えば9個のメモリセルを含み、相互に交差するビット線11及び書き込み用ワード線12を有する。これらの交点には、TMR素子10が配置されていて、TMR素子10への書き込みは、ビット線11及び書き込み用ワード線12に電流を流し、これらから発生する磁界の合成磁界によって、ビット線11と書き込み用ワード線12との交点にあるTMR素子10の記憶層2の磁化方向を磁化固定層に対して平行又は反平行にして書き込みを行う。
【0014】
図13は、メモリセルの断面を模式的に示していて、例えばp型シリコン半導体基板13内に形成されたp型ウェル領域14内に形成されたゲート絶縁膜15、ゲート電極16、ソース領域17、ドレイン領域18よりなるn型の読み出し用電界効果型トランジスタ19が配置され、その上部に、書き込み用ワード線12、TMR素子10、ビット線11が配置されている。ソース領域17には、ソース電極20を介してセンスライン21が接続されている。電界効果トランジスタ19は、読み出しのためのスイッチング素子として機能し、ワード線12とTMR素子10との間から引き出された読み出し用配線22がドレイン電極23を介してドレイン領域18に接続されている。なお、トランジスタ19は、n型又はp型電界効果トランジスタであってよいが、その他、ダイオード、バイポーラトランジスタ、MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)等、各種のスイッチング素子が使える。
【0015】
図14は、MRAMの等価回路図を示すが、例えば6個のメモリセルを含み、相互に交差するビット線11及び書き込み用ワード線12を有し、これらの書き込み線の交点には、記憶素子10と共に、記憶素子10に接続されて読み出しの際に素子選択を行う電界効果トランジスタ19及びセンスライン21を有する。センスライン21は、センスアンプ23に接続され、記憶された情報を検出する。なお、図中の24は双方向の書き込み用ワード線電流駆動回路、25はビット線電流駆動回路である。
【0016】
図15は、MRAMの書き込み条件を示すアステロイド曲線であって、印加された磁化容易軸方向磁界HEA及び磁化困難軸方向磁界HHAによる記憶層磁化方向の反転しきい値を示している。このアステロイド曲線の外部に、相当する合成磁界ベクトルが発生すると、磁界反転を生じるが、アステロイド曲線の内部の合成磁界ベクトルは、その電流双安定状態の一方からセルを反転させることはない。また、電流を流しているワード線及びビット線の交点以外のセルにおいても、ワード線又はビット線単独で発生する磁界が印加されるため、それらの大きさが一方向反転磁界H以上の場合は、交点以外のセルの磁化方向も反転してしまうため、合成磁界が図中の灰色の領域にある場合のみに、選択されたセルを選択書き込みが可能となるようにしておく。
【0017】
このように、MRAMでは、ビット線とワード線の2本の書き込み線を使用することにより、アステロイド磁化反転特性を利用して、指定されたメモリセルだけが磁性スピンの反転により選択的に書き込むことが一般的である。単一記憶領域における合成磁化は、それに印加された磁化容易軸方向磁界HEAと磁化困難軸方向磁界HHAとのベクトル合成によって決まる。ビット線を流れる書き込み電流は、セルに磁化容易軸方向の磁界HEAを印加し、またワード線を流れる電流は、セルに磁化困難軸方向の磁界HHAを印加する。
【0018】
図16は、MRAMの読み出し動作を説明するものである。ここでは、TMR素子10の層構成を概略図示しており、上記した磁化固定層を単一層26として示し、記憶層2及びトンネルバリア層3以外は図示省略している。
【0019】
即ち、上記したように、情報の書き込みは、マトリックス状に配線したビット線11とワード線12との交点の合成磁場によりセルの磁性スピンを反転させて、その向きを“1”、“0”の情報として記録する。また、読み出しは、磁気抵抗効果を応用したTMR効果を利用して行なうが、TMR効果とは、磁性スピンの向きによって抵抗値が変化する現象であり、磁性スピンが反平行の抵抗の高い状態と、磁性スピンが平行の抵抗の低い状態により、情報の“1”、“0”を検出する。この読み出しは、ワード線12とビット線11の間に読み出し電流(トンネル電流)を流し、上記の抵抗の高低に応じた出力を上記した読み出し用電界効果トランジスタ19を介してセンスライン21に読み出すことによって行う。
【0020】
上記したように、MRAMは、高速かつ不揮発性の大容量メモリとして期待されるが、記憶の保持に磁性体を用いているため、外部磁界の影響によって情報が消去されたり、或いは書きかえられてしまうという問題がある。図15で述べた磁化容易軸方向の反転磁界及び磁化困難軸方向の反転磁界HSWは、材料にもよるが20〜200エルステッド(Oe)であり、電流に換算すると数mA(R.H.Koch et al.,Phys.Rev.Lett.84,5419(2000), J.Z.Sun et al.,2001 8th Joint Magnetism and Magnetic Material参照)と小さいからである。しかも、書き込み時の保磁力(Hc)は例えば数Oe〜10Oe程度であるため、それ以上の外部磁界による内部漏洩磁界が作用すれば、所定のメモリセルに選択的に書き込みを行うことが不可能となることがある。
【0021】
従って、MRAMの実用化へのステップとして、外部磁気対策、即ち素子を外部の電磁波からシールドする磁気シールド構造の確立が切望されている。
【0022】
MRAMが実装されて使用される環境は、主として高密度実装基板上であり、電子機器内部である。電子機器の種類にもよるが、近年の高密度実装の発達により、高密度実装基板上は半導体素子や通信用素子、超小型モータなどが高密度に実装されており、また、電子機器内部にはアンテナ素子や各種メカニカル部品、電源などが高密度実装され、1つの機器を構成している。
【0023】
このように混載が可能であることは、不揮発性メモリとしてのMRAMの特長の1つであるが、MRAMの周囲には直流、低周波数から高周波数に亘る広い周波数範囲の磁界成分が混在する環境となっているので、MRAMの記録保持の信頼性確保のためには、MRAM自身の実装方法やシールド構造を工夫することにより外部磁界からの耐性を向上させることが求められている。
【0024】
こうした外部磁界の大きさとしては、例えばクレジットカードや銀行のキャッシュカードのような磁気カードでは、500〜600Oeの磁界に対して耐性を持たせることが規定されている。このため、磁気カードの分野ではCo被覆γ−FeやBaフェライトなどの保磁力の大きな磁性材料を用いて対応している。また、プリペイドカードの分野でも350〜600Oeのような磁界に対して耐性を持つ必要がある。MRAM素子は電子機器筐体内に実装され、持ち運ぶことも想定されるデバイスであるので、磁気カード類と同等の強い外部磁界からの耐性を持たせる必要があり、特に上記した理由から内部(漏洩)磁界の大きさを20Oe以下、望ましくは10Oe以下に抑える必要がある。
【0025】
MRAMの磁気シールド構造としては、MRAM素子のパシベーション膜に絶縁性のフェライト(MnZn及びNiZnフェライト)層を使うことにより磁気シールド特性を持たせる提案がなされている(後述の特許文献1参照)。また、パーマロイのような高透磁率磁性体をパッケージの上及び下から取り付けることにより磁気シールド効果をもたせ、内部素子への磁束の侵入を防ぐ提案がなされている(後述の特許文献2参照)。更に、軟鉄等の磁性材料により素子にシールド蓋を被せる構造が開示されている(後述の特許文献3参照)。
【0026】
【特許文献1】
米国特許第5,902,690号明細書及び図面(第5欄、FIG.1及びFIG.3)
【特許文献2】
米国特許第5,939,772号明細書及び図面(第2欄、Fig.1及びFig.2)
【特許文献3】
特開2001−250206号公報(第5頁右欄、図6)
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
MRAMのメモリセルへの外部磁束の侵入を防ぐためには、高い透磁率を持つ磁性材料を素子の周囲に巡らせ、磁束を内部へ侵入させない磁路を設けることが最も重要である。
【0028】
しかしながら、特許文献1(米国特許第5,902,690号)のように素子のパッシベーション膜をフェライトで形成すると、フェライト自身の飽和磁化が低い(一般的なフェライト材料で0.2〜0.5テスラ(T))ため、外部磁界の侵入を完全に防ぐことが不可能である。フェライト自身の飽和磁化はNiZnフェライトで0.2〜0.35T、MnZnフェライトでは0.35〜0.47T程度であるが、MRAM素子へ侵入する外部磁界の大きさは数100Oeと大きいため、フェライト程度の飽和磁化ではフェライトの磁気飽和により透磁率はほぼ1となり、機能しなくなる。また、特許文献1には、膜厚の記述はないが、通常パッシベーション膜では高々0.1μm程度であるため、磁気シールド層としては薄すぎることからも、効果はほとんど期待できない。しかも、フェライトをパッシベーション膜に用いる場合、フェライトは酸化物磁性体であるため、スパッタ法により成膜するときには酸素欠損が生じ易く、完全なフェライトをパッシベーション膜として用いることは困難である。
【0029】
また、特許文献2(米国特許第5,939,772号)では、パッケージの上下をパーマロイ層で覆う構造が記述されており、パーマロイを用いることによりフェライトパッシベーション膜よりも高いシールド性能が得られる。しかしながら、特許文献2に開示されているミューメタル(Mu Metal)の透磁率はμi=100,000程度と極めて高いものの、飽和磁化は0.7〜0.8Tと低く、容易に外部磁界に対し飽和してμ=1となってしまうため、完全な磁気遮蔽効果を得るためにはシールド層の厚さはかなり厚くなければならないという欠点がある。従って、実用上、数100Oeの磁界を侵入させないための構造としては、パーマロイの飽和磁化が小さすぎること、並びにその厚さが薄すぎることの両面から、磁気シールド層として不完全である。
【0030】
また、特許文献3(特開2001−250206号)では、軟鉄などを用いた磁気シールド構造が開示されているが、これは素子上部を覆うのみであるために磁気シールドが不完全となると共に、軟鉄の飽和磁化は1.7T、透磁率はμiで300程度と、磁気特性が不十分である。従って、特許文献3に記述されている構造にて磁気シールドを行ったとしても、外部磁界の侵入を完全に防ぐことは極めて困難である。
【0031】
本発明は、上記の如き実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、大きな外部磁界に対しても十二分にMRAM素子を磁気的にシールドし、MRAM素子が適用される環境からの磁界に対して問題のない動作を保証することを可能とし、電子機器の小型化、軽量化にも貢献することにある。
【0032】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、磁化方向が固定された磁化固定層と、磁化方向の変化が可能な磁性層とが積層されてなるメモリ素子からなる磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)として構成された磁気メモリ装置において、前記メモリ素子が、1.8テスラ(T)以上の高飽和磁化を示す高飽和磁化材料層によって磁気シールドされていることを特徴とする磁気メモリ装置に係り、また、磁化可能な磁性層を有するメモリ素子からなる磁気メモリ装置において、前記メモリ素子が、1.8テスラ(T)以上の高飽和磁化を示す高飽和磁化材料層によって磁気シールドされていることを特徴とする磁気メモリ装置も提供するものである。
【0033】
本発明者は、鋭意検討を行った結果、磁気メモリ装置、特にMRAMにおいて、磁気シールド層の飽和磁化に着目し、1.8T以上と特定の高飽和磁化としてはじめて、外部印加磁界に対しメモリ素子に作用する磁界(内部磁界)を10Oe以下と著しく減少させ得ることを見出したのである。このような磁気シールド層の透磁率は磁気シールド層が外部印加磁界に対して磁化される程度の値であるが、飽和磁化は磁気シールド層の磁気飽和を回避するために、1.8T以上の高い値でなければならない。本発明は、このような磁気シールド層をMRAM素子に適用することによって、外部印加磁界に対し特に影響を受け易い(特に書き込み時の保磁力が10Oe以下の)MRAMにとって極めて有用で高性能な磁気遮蔽効果を実現したものである。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気メモリ装置においては、1.8T以上の高飽和磁化を示す前記高飽和磁化材料層が、Si2〜3重量%、Fe残部;Co47〜50重量%、Fe残部;Co35〜40重量%、Fe残部;Co23〜27重量%、Fe残部;及びCo48〜50重量%、V1〜3重量%、Fe残部;からなる群より選ばれた少なくとも1種からなる軟磁性材料によって形成されていることが望ましい。
【0035】
そして、前記高飽和磁化材料層が、その磁気シールド効果を有効に発揮するには、パッケージ中における前記メモリ素子の上部及び/又は下部、或いは/並びに、前記パッケージ外面における前記メモリ素子のパッケージの上部及び/又は下部に配置されているのが望ましい。
【0036】
また、前記高飽和磁化材料層は、平坦な膜状又は板状をなしている以外に、その磁気飽和を更に効果的に抑制するには、凹凸のある膜状又は板状、或いは網目又はスリット等の貫通孔のある形状をなしているのがよい。
【0037】
本発明はMRAMに好適であるが、このようなMRAMは、前記磁化固定層と前記磁性層との間に絶縁体層又は導電体層が挟持され、前記メモリ素子の上面及び下面に設けられたビット線及びワード線としての配線にそれぞれ電流を流すことによって誘起される磁界で前記磁性層を所定方向に磁化して情報を書き込み、この書き込み情報を前記配線間でのトンネル磁気抵抗効果(TMR効果)によって読み出すように構成されるのがよい。
【0038】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。
【0039】
図1〜図3は、本実施の形態による各種の磁気シールド構造を有するMRAMのパッケージをそれぞれ例示するものである。
【0040】
これらの例では、図11〜図13に示したMRAM素子(メモリセル部及び周辺回路部も含めたチップ)30がダイパッド40上に設けられ、実装基板(図示せず)に接続される外部リード31を除いてモールド樹脂(例えばエポキシ樹脂)等の封止材32によって封止されている(ここでは、MRAM素子30は、既述したMRAMと同様の構造及び動作原理を有するので、その説明は省略し、またダイパッド40を含むリードフレームは簡略図示する)。そして、本発明に基づく1.8T以上の高飽和磁化の磁気シールド層33、34が封止材32中においてMRAM素子30の上部とダイパッド40の下部にそれぞれ接して埋設された例(図1)或いはそれぞれ非接触に埋設された例(図2)、及び磁気シールド層33、34が封止材32の上面及び下面にそれぞれ配置された例(図3)を示す。
【0041】
磁気シールド層33、34は、封止材32による封止時に予めMRAM素子30上及びダイパッド40下に接着しておくか或いは金型内に配置したり、或いは封止後に封止材32の上面及び下面に接着すればよい。いずれの場合も、MRAM素子30が磁気シールド層33、34間に配置されたサンドウィッチ構造をなし、磁気シールド層33、34がMRAMのパッケージと一体化されているが、これは実装基板(回路基板)への実装を考慮すると最も望ましい構造である。
【0042】
図1〜3に示したいずれの磁気シールド構造も、MRAM素子30を外部印加磁界から十二分に磁気シールドする効果を有する。この場合、磁気シールド層33、34は、外部との間で閉じた磁気回路を形成していないが、これでも外部印加磁界を効果的に集めて磁気シールドできる。また、磁気シールド層33、34はMRAM素子30の上、下にそれぞれ存在するのがよいが、少なくとも一方(特にMRAM素子の表面側)に存在していてもシールド効果は発揮される。
【0043】
図1〜図3に示した磁気シールド層33、34は、平坦な膜又は箔又は平板からなっているが、これに限らず、図4(A)に示すように凹凸35を設けた形状や、図4(B)に示すように網状、スリット状等の貫通孔36を設けた形状としてもよい。図4の形状の磁気シールド層は、その周辺端部のみならず凹凸や貫通孔の部分での形状異方性によって、外部印加磁界に対する反磁界が発生し、磁気飽和し難く、高特性のシールド効果を有するものとなる。
【0044】
図1〜図4に示した磁気シールド構造はいずれも、磁気シールド層33、34の飽和磁化が1.8T以上であって従来のフェライトやパーマロイ等よりもずっと大きく、また封止材中又は封止材上の所定位置に容易かつ高精度に配置することができるため、300Oe〜500Oeの外部印加磁界が作用しても、MRAM素子30に対する内部磁界を常に10Oe以下に抑え、正常動作条件を十二分に満たすことができる。
【0045】
そこで、本発明者は、MRAM素子の正常な動作を保証するために、300Oeから最大500Oeの大きな直流外部磁界が印加されても、内部(MRAM素子部)へは10Oe以下になるような性能を得ることを目的として実験を行った。図5には、その実験時の概略図を示すが、例えば10mm×10mmの2枚の磁気シールド層33、34を0.4mmの間隔で配置し、その中心部(空洞部)にガウスメータ37を配置して、300Oe及び500Oeの直流磁界を磁気シールド層と平行に印加し、ガウスメータ37を磁気シールド層と平行に移動させることにより、端部から中心部までの内部磁界強度(磁気シールド層からの漏洩磁界強度)を測定し、効果的な磁気シールド材料を検討した。
【0046】
この実験において使用した多種にわたる磁気シールド材料のうち、代表的な材料として最も高透磁率の軟磁性材料であるFe−10Si−6Al(センダスト)、及び最も高飽和磁化の軟磁性材料であるFe−49Co−2V(パーメンジュール)の諸物性の代表値を図6に示す。Fe−10Si−6Alは初透磁率μi=40,000、最大透磁率μm=100,000と高い透磁率を有するのに対し、飽和磁化Ms=0.85Tと飽和磁化値は低い。一方、Fe−49Co−2Vはμi=1,200、最大透磁率μm=11,000とFe−10Si−6Alと比較して10分の1程度の透磁率であるのに対し、Ms=2.3Tと高い飽和磁化を有する。
【0047】
図7には、外部印加磁界が300Oe及び500Oeの場合における内部磁界強度の分布を各磁気シールド材料毎に示す。ここでは、厚さ100μmの磁気シールド層(シールド箔)を用い、内部磁界強度はシールド長さ、つまり端から端までの10mm以内での分布を示している。
【0048】
この結果によれば、内部磁界強度は、シールド端及び中心部にて大きな値を示しており、印加磁界が大きくなるに従ってその値も増加している。中心部にて内部磁界強度が大きくなるのは、材料の磁気飽和のためである。印加磁界が300Oeのとき、高透磁率を有するFe−10Si−6Alを磁気シールド材料として用いた場合、内部の中心部磁界強度は185.5Oeであるのに対し、高飽和磁化を有するFe−49Co−2Vの場合の中心部磁界強度は7.5Oeと優れた磁気シールド効果を示す。印加磁界が500Oeのときも同様に、Fe−10Si−6Alの場合の中心部磁界強度は389.9Oeであるのに対し、Fe−49Co−2Vの場合の中心部磁界強度は154.3Oeと小さくなる。
【0049】
次に、図8及び図9に、それぞれの材料における磁気シールド層の厚さに対して、サンドウィッチシールド構造内部の中心部磁界強度を測定した結果を示す。図8は、外部印加磁界が300Oeの場合であり、図9は外部印加磁界が500Oeの場合である。
【0050】
図8より、300Oeの磁界が印加された場合、内部に侵入する磁界強度を10Oe以下に抑えるには、高透磁率を有するFe−10Si−6Alでは300μmのシールド厚さを要するのに対し、高飽和磁化を有するFe−49Co−2Vでは80μmのシールド厚さで十分に対処できることが分かった。また、図9より、500Oeの磁界が印加された場合も同様に、高透磁率を有するFe−10Si−6Alでは500μmのシールド厚さを要するのに対し、高飽和磁化を有するFe−49Co−2Vでは150μmのシールド厚さで十分に対処できることが分かった。
【0051】
以上の結果から、磁気シールド効果は、透磁率よりも飽和磁化に大きく依存していることが分かり、1.8T以上の高飽和磁化材料を磁気シールド材として用いることにより、ずっと優れた効果を有する磁気シールド構造を設計、作製でき、実装可能であることが分かった。
【0052】
図10には、外部印加磁界500Oeのときに磁気シールド層厚200μmでの飽和磁化値Msに対する内部磁界強度の関係を示す。ここで用いた材料は、Fe−45Ni:Ms=1.45T(μm=70,000)、Fe−50Ni:Ms=1.55T(μm=100,000)、Fe−49Co−2V:Ms=2.3T(μm=11,000)、Fe:Ms=1.7T(μm=8,000)、Fe−3Si:Ms=1.9T(μm=30,000)、Fe−10Si−6Al:Ms=0.85T(μm=100,000)である。
【0053】
図10より、飽和磁化が高い材料ほどシールド効果に優れており、内部磁界強度は小さくなる。中でも飽和磁化が1.8T以上の材料では、内部磁界強度を10Oe未満に確実に抑えることが可能である。これに反し、1.8T未満の飽和磁化材料では、内部磁界強度が急激に上昇し、10Oeを超えてMRAMの動作保証が不可能となってしまう。
【0054】
高飽和磁化材料としては、1.8T以上の材料、特にSi2〜3重量%、Fe残部;Co47〜50重量%、Fe残部;Co35〜40重量%、Fe残部;Co23〜27重量%、Fe残部;及びCo48〜50重量%、V1〜3重量%、Fe残部;からなる群より選ばれた少なくとも1種からなる軟磁性材料を選択することが望ましい。
【0055】
こうした本発明に基づく高飽和磁化材料を磁気シールドに用いることにより、センダストのような高透磁率材料や、上述した特許文献2(米国特許第5,939,772号)のようにパーマロイ(Ni−Fe系)からなる高透磁率材料を磁気シールド材として用いる場合に比べて、シールド厚さは半分以下に設計することが可能となり、電子機器の小型化、軽量化にも大きく貢献できる。
【0056】
また、本発明に基づく磁気シールド構造を用いることにより、高透磁率材料では磁気シールドしきれなかった大きい印加磁界に対しても良好な磁気シールド効果を発揮し、MRAM素子の動作保証のできる環境を作ることができる。
【0057】
以上に説明した実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【0058】
例えば、上述の高飽和磁化材料の組成、種類、磁気シールド層の厚さや配置、MRAMの構造等は様々に変化させてよい。磁気シールド層はMRAM素子又はパッケージの上部及び下部の双方だけでなく、MRAM素子の上部及び/又は下部、或いは/並びに、MRAM素子のパッケージの上部及び/又は下部に配置されてよい。
【0059】
また、本発明はMRAMに好適であるが、磁化可能な磁性層を有するメモリ素子からなる他の磁気メモリ装置にも適用可能である。
【0060】
【発明の作用効果】
本発明は、上述したように、磁気メモリ装置、特にMRAMにおいて、磁気シールド層の飽和磁化を1.8以上と特定の高飽和磁化としているので、外部印加磁界に対しメモリ素子に作用する磁界(内部磁界)を10Oe以下と著しく減少させることができ、外部印加磁界に対し特に影響を受け易いMRAMにとって極めて有用となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態によるMRAMパッケージの概略断面図である。
【図2】同、実施の形態による他のMRAMパッケージの概略断面図である。
【図3】同、実施の形態による他のMRAMパッケージの概略断面図である。
【図4】同、実施の形態による更に他のMRAMパッケージの概略断面図である。
【図5】同、磁気シールド層間の内部磁界強度測定時の概略断面図である。
【図6】同、高透磁率材料であるFe−10Si−6Al及び高飽和磁化材料であるFe−49Co−2Vの諸物性値を示す表である。
【図7】同、厚さ100μmの磁気シールド層(シールド箔)を用いた際の、外部印加磁界が300Oe及び500Oeの場合における内部磁界強度の分布図である。
【図8】同、外部印加磁界が300Oeの場合における、磁気シールド層の厚さに対する中心部磁界強度を示す表である。
【図9】同、外部印加磁界が500Oeの場合における、磁気シールド層の厚さに対する中心部磁界強度を示す表である。
【図10】同、飽和磁化値に対する内部磁界強度の変化を示すグラフである。
【図11】MRAMのTMR素子の概略斜視図である。
【図12】MRAMのメモリセル部の一部の概略斜視図である。
【図13】MRAMのメモリセルの概略断面図である。
【図14】MRAMの等価回路図である。
【図15】MRAMの書き込み時の磁界応答特性図である。
【図16】MRAMの読み出し動作原理図である。
【符号の説明】
1…トップコート層、2…記憶層、3…トンネルバリア層、
4…第1の磁化固定層、5…反強磁性結合層、6…第2の磁化固定層、
7…反強磁性体層、8…下地層、9…支持基板、
10…メモリセル(TMR素子)、11…ビット線、
12…書き込み用ワード線、13…シリコン基板、14…ウェル領域、
15…ゲート絶縁膜、16…ゲート電極、17…ソース領域、
18…ドレイン領域、
19…読み出し用電界効果トランジスタ(選択用トランジスタ)、
20…ソース電極、21…センスライン、22…読み出し用配線、
23…ドレイン電極、26…磁化固定層、
30…MRAM素子(TMR素子内蔵)、31…外部リード、32…封止材、
33、34…高飽和磁化磁気シールド層、37…ガウスメータ、
40…ダイパッド
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides an MRAM (Magnetic Random Access), which is a magnetic random access memory composed of a memory element in which a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed and a magnetic layer whose magnetization direction can be changed are stacked. (Memory) or a magnetic memory device including a memory element having a magnetizable magnetic layer.
[0002]
[Prior art]
With the rapid spread of information and communication devices, especially small personal devices such as mobile terminals, devices such as memories and logics have higher performance such as higher integration, higher speed and lower power consumption. Is required.
[0003]
In particular, nonvolatile memories are considered to be indispensable in the ubiquitous era. The nonvolatile memory can protect important information including personal information even when power consumption or trouble occurs, or when the server and the network are disconnected due to some kind of failure. Also, recent portable devices are designed to minimize power consumption by placing unnecessary circuit blocks in standby mode. However, if a non-volatile memory that can serve as both high-speed work memory and large-capacity storage memory can be realized, In addition, power consumption and waste of memory can be eliminated. Also, if a high-speed, large-capacity nonvolatile memory can be realized, an “instant-on” function that can be started immediately when the power is turned on will be possible.
[0004]
Examples of the nonvolatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric.
[0005]
However, the flash memory has a drawback that the writing speed is as slow as the order of microsecond. On the other hand, in the FRAM, the number of rewritable times is 10 12 to 10 14 , so that the endurance (Endurance) is small and the ferroelectricity is small to completely replace the SRAM with a Static Random Access Memory (SRAM) or a Dynamic Random Access Memory (DRAM). It has been pointed out that the fine processing of the body capacitor is difficult.
[0006]
Non-volatile memories that do not have these drawbacks and that have high speed, large capacity (high integration), and low power consumption have attracted attention, for example, Wang et al. , IEEE Trans. Magn. 33 (1997), 4498, which is a magnetic memory called an MRAM (Magnetic Random Access Memory), which has attracted attention due to recent improvements in the characteristics of TMR (Tunnel Magnetoresistance) materials. ing.
[0007]
An MRAM is a semiconductor magnetic memory that uses a magnetoresistance effect based on a spin-dependent conduction phenomenon peculiar to a nanomagnetic material, and is a nonvolatile memory that can hold data without supplying power from the outside.
[0008]
In addition, the MRAM has a simple structure, so that high integration is easy. In addition, since recording is performed by rotating a magnetic moment, the number of rewritable times is large, and the access time is very high. It is expected that R.O. Schuerlein et al, ISSCC Digest of Technical Papers, pp. 128-129, Feb. 2000 reported.
[0009]
The MRAM will be described in further detail. As shown in FIG. 11, a TMR element 10 serving as a storage element of a memory cell of the MRAM is provided on a support substrate 9 and has a magnetization layer which rotates relatively easily. 2 and fixed magnetization layers 4 and 6.
[0010]
The magnetization fixed layer has two magnetization fixed layers, a first magnetization fixed layer 4 and a second magnetization fixed layer 6, and a conductive layer between which these magnetic layers are antiferromagnetically coupled. 5 are arranged. For the storage layer 2 and the magnetization fixed layers 4 and 6, a ferromagnetic material made of nickel, iron or cobalt, or an alloy thereof is used. As a material of the conductor layer 5, ruthenium, copper, chromium, gold, silver Etc. can be used. The second magnetization fixed layer 6 is in contact with the antiferromagnetic layer 7, and the second magnetization fixed layer 6 has strong unidirectional magnetic anisotropy due to the exchange interaction acting between these layers. . As a material of the antiferromagnetic layer 7, a manganese alloy such as iron, nickel, platinum, iridium, and rhodium, cobalt, and nickel oxide can be used.
[0011]
A tunnel barrier layer 3 made of an insulator made of an oxide or a nitride of aluminum, magnesium, silicon, or the like is sandwiched between the storage layer 2 as a magnetic layer and the first magnetization fixed layer 4. In addition, it plays a role of cutting magnetic coupling between the storage layer 2 and the magnetization fixed layer 4 and flowing a tunnel current. These magnetic layers and conductor layers are mainly formed by a sputtering method. The tunnel barrier layer 3 can be obtained by oxidizing or nitriding a metal film formed by sputtering. The top coat layer 1 has a role of preventing interdiffusion between the TMR element 10 and a wiring connected to the TMR element, reducing contact resistance, and preventing oxidation of the storage layer 2, and is usually made of a material such as Cu, Ta, or TiN. Can be used. The base electrode layer 8 is used for connection with a switching element connected in series with the TMR element. The underlayer 8 may also serve as the antiferromagnetic layer 7.
[0012]
In the memory cell configured as described above, information is read out by detecting a change in tunnel current due to the magnetoresistance effect, as described later. The effect depends on the relative magnetization direction between the storage layer and the magnetization fixed layer.
[0013]
FIG. 12 is an enlarged perspective view showing a part of a general MRAM in a simplified manner. Here, the read circuit portion is omitted for simplicity, but includes, for example, nine memory cells, and has a bit line 11 and a write word line 12 that intersect each other. At these intersections, a TMR element 10 is arranged. To write to the TMR element 10, a current flows through the bit line 11 and the write word line 12, and the bit line 11 The writing is performed with the magnetization direction of the storage layer 2 of the TMR element 10 at the intersection of the write word line 12 and the magnetization direction parallel or anti-parallel to the fixed magnetization layer.
[0014]
FIG. 13 schematically shows a cross section of the memory cell, for example, a gate insulating film 15, a gate electrode 16, and a source region 17 formed in a p-type well region 14 formed in a p-type silicon semiconductor substrate 13. An n-type read field effect transistor 19 comprising a drain region 18 is disposed, and a write word line 12, a TMR element 10, and a bit line 11 are disposed thereon. A sense line 21 is connected to the source region 17 via a source electrode 20. The field effect transistor 19 functions as a switching element for reading, and a read wiring 22 drawn out between the word line 12 and the TMR element 10 is connected to the drain region 18 via a drain electrode 23. Note that the transistor 19 may be an n-type or p-type field-effect transistor, but various switching elements such as a diode, a bipolar transistor, and an MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) can be used.
[0015]
FIG. 14 shows an equivalent circuit diagram of the MRAM, which includes, for example, six memory cells, and has a bit line 11 and a write word line 12 that intersect each other. 10, a field effect transistor 19 connected to the storage element 10 to select an element at the time of reading, and a sense line 21. The sense line 21 is connected to the sense amplifier 23 and detects stored information. In the drawing, reference numeral 24 denotes a bidirectional write word line current drive circuit, and reference numeral 25 denotes a bit line current drive circuit.
[0016]
Figure 15 is a asteroid curve indicating the write condition of MRAM, shows inversion threshold of the memory layer magnetization direction of the applied easy axis field H EA and hard axis direction magnetic field H HA. When a corresponding resultant magnetic field vector is generated outside this asteroid curve, a magnetic field reversal occurs, but the resultant magnetic field vector inside the asteroid curve does not reverse the cell from one of its current bistable states. Also in cells other than the intersections of word lines and bit lines are a current flows, a magnetic field generated by the word line or bit line alone is applied, if their size is more than one direction reversal magnetic field H K Since the magnetization direction of the cell other than the intersection is also reversed, the selected cell can be selectively written only when the combined magnetic field is in the gray area in the figure.
[0017]
As described above, in the MRAM, by using the two write lines of the bit line and the word line, only the designated memory cell is selectively written by reversing the magnetic spin using the asteroid magnetization reversal characteristic. That is common. The resultant magnetization in the single storage area is determined by the vector composition of the magnetic field H EA in the easy axis direction and the magnetic field H HA in the hard axis direction applied thereto. A write current flowing through the bit line applies a magnetic field H EA in the easy axis direction to the cell, and a current flowing through the word line applies a magnetic field H HA in the hard axis direction to the cell.
[0018]
FIG. 16 illustrates the read operation of the MRAM. Here, the layer configuration of the TMR element 10 is schematically illustrated, the above-described magnetization fixed layer is illustrated as a single layer 26, and illustrations other than the storage layer 2 and the tunnel barrier layer 3 are omitted.
[0019]
That is, as described above, the information is written by reversing the magnetic spin of the cell by the synthetic magnetic field at the intersection of the bit line 11 and the word line 12 wired in a matrix, and changing the direction to “1” or “0”. Record as information. Reading is performed using the TMR effect that applies the magnetoresistance effect. The TMR effect is a phenomenon in which the resistance value changes depending on the direction of the magnetic spin. The information "1" and "0" are detected based on the low resistance state in which the magnetic spins are parallel. In this read operation, a read current (tunnel current) flows between the word line 12 and the bit line 11, and an output corresponding to the level of the resistance is read to the sense line 21 via the read field effect transistor 19 described above. Done by
[0020]
As described above, the MRAM is expected to be a high-speed and nonvolatile large-capacity memory. However, since a magnetic material is used for holding data, information is erased or rewritten due to an external magnetic field. Problem. Switching field H SW switching field and hard axis direction of the easy magnetization axis direction described in FIG. 15, depending on the material is 20 to 200 oersteds (Oe), few mA in terms of current (R.H.. Koch et al., Phys.Rev.Lett.84,5419 (2000 ), J.Z.Sun et al., since 2001 8 th Joint Magnetism and Magnetic Material reference) and small. In addition, since the coercive force (Hc) at the time of writing is, for example, about several Oe to 10 Oe, it is impossible to selectively write into a predetermined memory cell if an internal leakage magnetic field due to an external magnetic field exceeding that value acts. It may be.
[0021]
Therefore, as a step toward practical use of the MRAM, there is a long-awaited need for measures against external magnetism, that is, establishment of a magnetic shield structure for shielding the element from external electromagnetic waves.
[0022]
The environment in which the MRAM is mounted and used is mainly on a high-density mounting substrate and inside an electronic device. Depending on the type of electronic equipment, due to the recent development of high-density mounting, semiconductor elements, communication elements, micro motors, etc. are densely mounted on high-density mounting boards. , An antenna element, various mechanical components, a power supply, and the like are mounted at a high density to constitute one device.
[0023]
The fact that the mixed mounting is possible is one of the features of the MRAM as a nonvolatile memory. However, in an environment where a magnetic field component in a wide frequency range from DC to a low frequency to a high frequency is mixed around the MRAM. Therefore, in order to ensure the reliability of recording and holding of the MRAM, it is required to improve the resistance to an external magnetic field by devising a mounting method of the MRAM itself and a shield structure.
[0024]
As the magnitude of such an external magnetic field, for example, it is specified that a magnetic card such as a credit card or a bank cash card has resistance to a magnetic field of 500 to 600 Oe. For this reason, in the field of magnetic cards, a magnetic material having a large coercive force, such as Co-coated γ-Fe 2 O 3 or Ba ferrite, is used. Also, in the field of prepaid cards, it is necessary to have resistance to a magnetic field such as 350 to 600 Oe. Since the MRAM element is a device that is mounted in an electronic device housing and is also assumed to be carried, it is necessary to have resistance to a strong external magnetic field equivalent to that of magnetic cards. The magnitude of the magnetic field needs to be suppressed to 20 Oe or less, preferably 10 Oe or less.
[0025]
As a magnetic shield structure of an MRAM, it has been proposed to use an insulating ferrite (MnZn and NiZn ferrite) layer for a passivation film of an MRAM element to provide magnetic shield characteristics (see Patent Document 1 described later). A proposal has been made to attach a high-permeability magnetic material such as permalloy from above and below the package to provide a magnetic shielding effect and prevent magnetic flux from entering an internal element (see Patent Document 2 described later). Further, there is disclosed a structure in which a shield lid is placed on an element with a magnetic material such as soft iron (see Patent Document 3 described later).
[0026]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,902,690 and drawings (column 5, FIG. 1 and FIG. 3)
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 5,939,772 and drawings (column 2, FIGS. 1 and 2).
[Patent Document 3]
JP 2001-250206 A (page 5, right column, FIG. 6)
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
In order to prevent the external magnetic flux from entering the memory cell of the MRAM, it is most important to provide a magnetic path having a high magnetic permeability around the element to prevent the magnetic flux from entering inside.
[0028]
However, when the passivation film of the element is formed of ferrite as in Patent Document 1 (US Pat. No. 5,902,690), the saturation magnetization of ferrite itself is low (0.2 to 0.5 in a general ferrite material). Tesla (T)), it is impossible to completely prevent the invasion of an external magnetic field. The saturation magnetization of the ferrite itself is about 0.2 to 0.35 T for NiZn ferrite and about 0.35 to 0.47 T for MnZn ferrite. However, since the magnitude of the external magnetic field penetrating the MRAM element is as large as several hundred Oe, At a degree of saturation magnetization, the magnetic permeability of the ferrite becomes almost 1 due to the magnetic saturation of the ferrite, and the ferrite does not function. Although there is no description of the film thickness in Patent Document 1, the effect is hardly expected because the passivation film is usually at most about 0.1 μm, which is too thin for a magnetic shield layer. Moreover, when ferrite is used for the passivation film, since the ferrite is an oxide magnetic material, oxygen deficiency is likely to occur when the film is formed by the sputtering method, and it is difficult to use complete ferrite as the passivation film.
[0029]
Patent Document 2 (U.S. Pat. No. 5,939,772) describes a structure in which the upper and lower portions of a package are covered with a permalloy layer. By using permalloy, a higher shielding performance than a ferrite passivation film can be obtained. However, although the permeability of Mu Metal disclosed in Patent Document 2 is as high as about μi = 100,000, the saturation magnetization is as low as 0.7 to 0.8 T, and is easily affected by an external magnetic field. Since the saturation occurs and μ = 1, there is a disadvantage that the thickness of the shield layer must be considerably large in order to obtain a complete magnetic shielding effect. Therefore, in practice, the structure for preventing the penetration of a magnetic field of several hundred Oe is incomplete as a magnetic shield layer because the saturation magnetization of permalloy is too small and its thickness is too thin.
[0030]
Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-250206) discloses a magnetic shield structure using soft iron or the like. However, since this only covers the upper part of the element, the magnetic shield becomes incomplete and Soft iron has a saturation magnetization of 1.7 T and a magnetic permeability of about 300 μi, which is insufficient magnetic properties. Therefore, even if the magnetic shield is performed by the structure described in Patent Document 3, it is extremely difficult to completely prevent the invasion of the external magnetic field.
[0031]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to sufficiently shield an MRAM element magnetically even against a large external magnetic field and to provide an environment in which the MRAM element is applied. It is possible to guarantee a trouble-free operation with respect to the magnetic field of the electronic device, and to contribute to a reduction in size and weight of the electronic device.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention provides a magnetic memory device configured as a magnetic random access memory (MRAM) including a memory element in which a magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction and a magnetic layer capable of changing the magnetization direction are stacked. 3. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the memory element is magnetically shielded by a high saturation magnetization material layer having a high saturation magnetization of 1.8 Tesla (T) or more. Wherein the memory element is magnetically shielded by a high saturation magnetization material layer having a high saturation magnetization of 1.8 Tesla (T) or more. To provide.
[0033]
As a result of intensive studies, the present inventor has focused on the saturation magnetization of the magnetic shield layer in a magnetic memory device, particularly an MRAM, and has set the memory element to an externally applied magnetic field for the first time as a specific high saturation magnetization of 1.8 T or more. It has been found that the magnetic field (internal magnetic field) acting on the surface can be significantly reduced to 10 Oe or less. The magnetic permeability of such a magnetic shield layer is such a value that the magnetic shield layer is magnetized by an externally applied magnetic field, but the saturation magnetization is 1.8 T or more to avoid magnetic saturation of the magnetic shield layer. Must be high. By applying such a magnetic shield layer to an MRAM element, the present invention provides an extremely useful and high-performance magnetic memory for an MRAM which is particularly susceptible to an externally applied magnetic field (in particular, a coercive force at the time of writing is 10 Oe or less). This achieves a shielding effect.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the magnetic memory device of the present invention, the high saturation magnetization material layer exhibiting a high saturation magnetization of 1.8 T or more is composed of 2 to 3% by weight of Si, the balance of Fe: 47 to 50% by weight of Co, and the balance of Fe: 35 to 40% by weight of Co. 23 to 27% by weight of Co, Fe balance; and 48 to 50% by weight of Co, V1 to 3% by weight, and the balance of Fe; and at least one soft magnetic material selected from the group consisting of: Is desirable.
[0035]
In order for the high saturation magnetization material layer to effectively exhibit its magnetic shield effect, the upper and / or lower portions of the memory element in the package or / and the upper part of the package of the memory element on the outer surface of the package And / or desirably at the bottom.
[0036]
In addition, the high-saturation magnetic material layer has a flat film shape or a plate shape, and in order to more effectively suppress its magnetic saturation, a film or plate shape with irregularities, or a mesh or a slit is used. It is good to have a shape with a through hole.
[0037]
Although the present invention is suitable for an MRAM, such an MRAM has an insulator layer or a conductor layer sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetic layer, and is provided on an upper surface and a lower surface of the memory element. Information is written by magnetizing the magnetic layer in a predetermined direction with a magnetic field induced by flowing a current through each of wirings as a bit line and a word line, and the written information is written in the tunnel magnetoresistance effect (TMR effect) between the wirings. ).
[0038]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0039]
1 to 3 exemplify MRAM packages having various magnetic shield structures according to the present embodiment.
[0040]
In these examples, the MRAM element (chip including the memory cell section and the peripheral circuit section) 30 shown in FIGS. 11 to 13 is provided on the die pad 40 and external leads connected to a mounting board (not shown). Except for the MRAM 31, it is sealed with a sealing material 32 such as a mold resin (for example, epoxy resin). (Here, the MRAM element 30 has the same structure and operation principle as the MRAM described above. It is omitted, and a lead frame including the die pad 40 is shown in a simplified manner). Then, the magnetic shield layers 33 and 34 having a high saturation magnetization of 1.8 T or more according to the present invention are embedded in the sealing material 32 in contact with the upper part of the MRAM element 30 and the lower part of the die pad 40, respectively (FIG. 1). Alternatively, an example in which each is buried in a non-contact manner (FIG. 2) and an example in which the magnetic shield layers 33 and 34 are disposed on the upper surface and the lower surface of the sealing material 32 (FIG. 3) are shown.
[0041]
The magnetic shield layers 33 and 34 are previously adhered on the MRAM element 30 and below the die pad 40 at the time of sealing with the sealing material 32, or are arranged in a mold, or the upper surface of the sealing material 32 after sealing. And the lower surface. In any case, the MRAM element 30 has a sandwich structure arranged between the magnetic shield layers 33 and 34, and the magnetic shield layers 33 and 34 are integrated with the MRAM package. This is the most desirable structure considering the implementation of
[0042]
Each of the magnetic shield structures shown in FIGS. 1 to 3 has an effect of magnetically shielding the MRAM element 30 more than an externally applied magnetic field. In this case, although the magnetic shield layers 33 and 34 do not form a closed magnetic circuit with the outside, the magnetic shield layers 33 and 34 can effectively collect an externally applied magnetic field and magnetically shield the magnetic field. The magnetic shield layers 33 and 34 are preferably provided above and below the MRAM element 30, respectively. However, even if they exist on at least one of them (especially on the surface side of the MRAM element), the shielding effect is exhibited.
[0043]
The magnetic shield layers 33 and 34 shown in FIGS. 1 to 3 are made of a flat film, a foil, or a flat plate, but are not limited to this. For example, as shown in FIG. As shown in FIG. 4B, a shape having a through-hole 36 such as a net shape or a slit shape may be used. The magnetic shield layer having the shape shown in FIG. 4 generates a demagnetizing field with respect to an externally applied magnetic field due to the shape anisotropy not only at its peripheral end but also at the irregularities and through-hole portions, and is hardly magnetically saturated. It has an effect.
[0044]
In each of the magnetic shield structures shown in FIGS. 1 to 4, the saturation magnetization of the magnetic shield layers 33 and 34 is 1.8 T or more, which is much larger than that of conventional ferrite, permalloy, or the like. Since it can be easily and accurately arranged at a predetermined position on the stopper, even if an externally applied magnetic field of 300 Oe to 500 Oe acts, the internal magnetic field with respect to the MRAM element 30 is always suppressed to 10 Oe or less, and sufficient normal operating conditions are obtained. Can be filled in half.
[0045]
Therefore, the inventor of the present invention has proposed a performance such that even if a large DC external magnetic field from 300 Oe to a maximum of 500 Oe is applied, the internal (MRAM element portion) has a performance of 10 Oe or less in order to guarantee the normal operation of the MRAM element. An experiment was performed for the purpose of obtaining. FIG. 5 shows a schematic diagram of the experiment. For example, two magnetic shield layers 33 and 34 each having a size of 10 mm × 10 mm are arranged at an interval of 0.4 mm, and a Gauss meter 37 is provided at the center (cavity). By disposing the DC magnetic field of 300 Oe and 500 Oe in parallel with the magnetic shield layer and moving the Gauss meter 37 in parallel with the magnetic shield layer, the internal magnetic field strength from the end to the center (from the magnetic shield layer) Leakage magnetic field strength) was measured, and an effective magnetic shield material was examined.
[0046]
Among the various types of magnetic shield materials used in this experiment, Fe-10Si-6Al (Sendust), which is a soft magnetic material having the highest magnetic permeability, and Fe-, which is a soft magnetic material having the highest saturation magnetization, are typical materials. FIG. 6 shows representative values of various physical properties of 49Co-2V (Permendur). Fe-10Si-6Al has a high initial permeability μi = 40,000 and a maximum permeability μm = 100,000, whereas the saturation magnetization Ms = 0.85T and a low saturation magnetization value. On the other hand, Fe-49Co-2V has μi = 1,200 and a maximum magnetic permeability μm = 11,000, which is about 1/10 that of Fe-10Si-6Al, whereas Ms = 2. It has a high saturation magnetization of 3T.
[0047]
FIG. 7 shows the distribution of the internal magnetic field strength when the external applied magnetic field is 300 Oe and 500 Oe for each magnetic shield material. Here, a magnetic shield layer (shield foil) having a thickness of 100 μm is used, and the internal magnetic field strength shows the shield length, that is, distribution within 10 mm from one end to the other.
[0048]
According to the result, the internal magnetic field strength shows a large value at the shield end and the center, and the value increases as the applied magnetic field increases. The increase in the internal magnetic field strength at the center is due to the magnetic saturation of the material. When Fe-10Si-6Al having a high magnetic permeability is used as a magnetic shielding material when the applied magnetic field is 300 Oe, the internal central magnetic field strength is 185.5 Oe, while the Fe-49Co having a high saturation magnetization is used. The central magnetic field intensity at -2 V is 7.5 Oe, which indicates an excellent magnetic shielding effect. Similarly, when the applied magnetic field is 500 Oe, the central magnetic field intensity in the case of Fe-10Si-6Al is 389.9 Oe, whereas the central magnetic field intensity in the case of Fe-49Co-2V is as small as 154.3 Oe. Become.
[0049]
Next, FIGS. 8 and 9 show the results of measuring the central magnetic field strength inside the sandwich shield structure with respect to the thickness of the magnetic shield layer of each material. FIG. 8 shows the case where the externally applied magnetic field is 300 Oe, and FIG. 9 shows the case where the externally applied magnetic field is 500 Oe.
[0050]
From FIG. 8, when a magnetic field of 300 Oe is applied, in order to suppress the magnetic field strength penetrating into the inside to 10 Oe or less, Fe-10Si-6Al having a high magnetic permeability requires a shield thickness of 300 μm, It has been found that a shield thickness of 80 μm can sufficiently cope with Fe-49Co-2V having a saturation magnetization. FIG. 9 also shows that when a magnetic field of 500 Oe is applied, a shield thickness of 500 μm is required for Fe-10Si-6Al having a high magnetic permeability, whereas Fe-49Co-2V having a high saturation magnetization is required. It was found that a shield thickness of 150 μm could sufficiently cope with the problem.
[0051]
From the above results, it can be seen that the magnetic shielding effect depends more on the saturation magnetization than on the magnetic permeability, and the use of a high saturation magnetization material of 1.8 T or more as the magnetic shielding material has a much better effect. It was found that the magnetic shield structure could be designed, manufactured, and mounted.
[0052]
FIG. 10 shows the relationship between the internal magnetic field strength and the saturation magnetization value Ms at a magnetic shield layer thickness of 200 μm when the externally applied magnetic field is 500 Oe. The materials used here were Fe-45Ni: Ms = 1.45T (μm = 70,000), Fe-50Ni: Ms = 1.55T (μm = 100,000), Fe-49Co-2V: Ms = 2 0.3T (μm = 11,000), Fe: Ms = 1.7T (μm = 8,000), Fe-3Si: Ms = 1.9T (μm = 30,000), Fe-10Si-6Al: Ms = 0.85T (μm = 100,000).
[0053]
As shown in FIG. 10, the higher the saturation magnetization, the better the shielding effect and the lower the internal magnetic field strength. In particular, in a material having a saturation magnetization of 1.8 T or more, the internal magnetic field strength can be reliably suppressed to less than 10 Oe. On the other hand, with a saturation magnetization material of less than 1.8 T, the internal magnetic field intensity sharply increases and exceeds 10 Oe, making it impossible to guarantee the operation of the MRAM.
[0054]
As the high saturation magnetization material, a material of 1.8 T or more, in particular, Si 2 to 3% by weight, Fe balance: Co 47 to 50% by weight, Fe balance: Co 35 to 40% by weight, Fe balance: Co 23 to 27% by weight, Fe balance And at least one soft magnetic material selected from the group consisting of 48 to 50% by weight of Co, 1 to 3% by weight of V, and the balance of Fe.
[0055]
By using such a highly saturated magnetized material according to the present invention for a magnetic shield, a high magnetic permeability material such as Sendust or a permalloy (Ni-Ni-Ni) as described in the above-mentioned Patent Document 2 (US Patent No. 5,939,772). The shield thickness can be designed to be less than half as compared with the case where a high magnetic permeability material made of Fe-based material is used as the magnetic shield material, which can greatly contribute to the reduction in size and weight of electronic devices.
[0056]
In addition, by using the magnetic shield structure according to the present invention, a good magnetic shield effect is exhibited even with a large applied magnetic field that cannot be completely shielded with a high magnetic permeability material, and an environment in which the operation of the MRAM element can be guaranteed. Can be made.
[0057]
The embodiments described above can be variously modified based on the technical idea of the present invention.
[0058]
For example, the composition and type of the above-described high saturation magnetization material, the thickness and arrangement of the magnetic shield layer, the structure of the MRAM, and the like may be variously changed. The magnetic shield layer may be located on both the top and / or bottom of the MRAM device or package, as well as on the top and / or bottom of the MRAM device, and / or on the top and / or bottom of the package of the MRAM device.
[0059]
Although the present invention is suitable for an MRAM, it is also applicable to other magnetic memory devices including a memory element having a magnetizable magnetic layer.
[0060]
Effects of the Invention
According to the present invention, as described above, in a magnetic memory device, particularly an MRAM, the saturation magnetization of the magnetic shield layer is set to a specific high saturation magnetization of 1.8 or more. The internal magnetic field can be significantly reduced to 10 Oe or less, which is extremely useful for an MRAM which is particularly susceptible to an externally applied magnetic field.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of an MRAM package according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of another MRAM package according to the embodiment;
FIG. 3 is a schematic sectional view of another MRAM package according to the embodiment;
FIG. 4 is a schematic sectional view of still another MRAM package according to the embodiment;
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view when the internal magnetic field strength between the magnetic shield layers is measured.
FIG. 6 is a table showing various physical property values of Fe-10Si-6Al as a high magnetic permeability material and Fe-49Co-2V as a high saturation magnetization material.
FIG. 7 is a distribution diagram of an internal magnetic field intensity when an externally applied magnetic field is 300 Oe and 500 Oe when a magnetic shield layer (shield foil) having a thickness of 100 μm is used.
FIG. 8 is a table showing the central magnetic field strength with respect to the thickness of the magnetic shield layer when the externally applied magnetic field is 300 Oe.
FIG. 9 is a table showing the central magnetic field strength with respect to the thickness of the magnetic shield layer when the externally applied magnetic field is 500 Oe.
FIG. 10 is a graph showing a change in internal magnetic field strength with respect to a saturation magnetization value.
FIG. 11 is a schematic perspective view of a TMR element of the MRAM.
FIG. 12 is a schematic perspective view of a part of a memory cell unit of the MRAM.
FIG. 13 is a schematic sectional view of a memory cell of the MRAM.
FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of the MRAM.
FIG. 15 is a diagram showing a magnetic field response characteristic during writing in the MRAM.
FIG. 16 is a diagram illustrating a read operation principle of the MRAM.
[Explanation of symbols]
1 top coat layer, 2 storage layer, 3 tunnel barrier layer,
4 a first magnetization fixed layer, 5 an antiferromagnetic coupling layer, 6 a second magnetization fixed layer,
7: antiferromagnetic layer, 8: underlayer, 9: support substrate,
10: memory cell (TMR element), 11: bit line,
12 write word line, 13 silicon substrate, 14 well region,
15 gate insulating film, 16 gate electrode, 17 source region,
18 ... Drain region,
19: Field effect transistor for reading (transistor for selection),
20 ... source electrode, 21 ... sense line, 22 ... readout wiring,
23: drain electrode, 26: magnetization fixed layer,
30: MRAM element (with built-in TMR element), 31: external lead, 32: sealing material,
33, 34: High saturation magnetization magnetic shield layer, 37: Gauss meter,
40 ... Die pad

Claims (6)

磁化方向が固定された磁化固定層と、磁化方向の変化が可能な磁性層とが積層されてなるメモリ素子からなる磁気ランダムアクセスメモリとして構成された磁気メモリ装置において、前記メモリ素子が、1.8テスラ以上の高飽和磁化を示す高飽和磁化材料層によって磁気シールドされていることを特徴とする磁気メモリ装置。In a magnetic memory device configured as a magnetic random access memory including a memory element in which a magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction and a magnetic layer capable of changing the magnetization direction are stacked, the memory element includes: A magnetic memory device characterized by being magnetically shielded by a high saturation magnetization material layer having a high saturation magnetization of 8 Tesla or more. 磁化可能な磁性層を有するメモリ素子からなる磁気メモリ装置において、前記メモリ素子が、1.8テスラ以上の高飽和磁化を示す高飽和磁化材料層によって磁気シールドされていることを特徴とする磁気メモリ装置。A magnetic memory device comprising a memory element having a magnetizable magnetic layer, wherein the memory element is magnetically shielded by a high saturation magnetization material layer exhibiting a high saturation magnetization of 1.8 Tesla or more. apparatus. 前記高飽和磁化材料層が、Si2〜3重量%、Fe残部;Co47〜50重量%、Fe残部;Co35〜40重量%、Fe残部;Co23〜27重量%、Fe残部;及びCo48〜50重量%、V1〜3重量%、Fe残部;からなる群より選ばれた少なくとも1種からなる軟磁性材料によって形成されている、請求項1又は2に記載した磁気メモリ装置。The high saturation magnetization material layer contains 2 to 3% by weight of Si, the balance of Fe; 47 to 50% by weight of Co, the balance of Fe; 35 to 40% by weight of Co, the balance of Fe; 23 to 27% by weight of Co, the balance of Fe; and 48 to 50% by weight of Co. 3. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the magnetic memory device is formed of at least one soft magnetic material selected from the group consisting of V, 1 to 3% by weight, and the balance of Fe. 前記高飽和磁化材料層が、パッケージ中における前記メモリ素子の上部及び/又は下部、或いは/並びに、前記パッケージ外面における前記メモリ素子の上部及び/又は下部に配置されている、請求項1又は2に記載した磁気メモリ装置。3. The method according to claim 1, wherein the high saturation magnetization material layer is disposed above and / or below the memory element in a package and / or above and / or below the memory element on the outer surface of the package. 4. A magnetic memory device as described. 前記高飽和磁化材料層が、平坦な若しくは凹凸のある膜状又は板状、或いは網目又はスリット等の貫通孔のある形状をなしている、請求項1又は2に記載した磁気メモリ装置。3. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the high saturation magnetization material layer has a flat or uneven film or plate shape, or a shape having a through hole such as a mesh or a slit. 前記磁化固定層と前記磁性層との間に絶縁体層又は導電体層が挟持され、前記メモリ素子の上面及び下面に設けられた配線にそれぞれ電流を流すことによって誘起される磁界で前記磁性層を所定方向に磁化して情報を書き込み、この書き込み情報を前記配線間でのトンネル磁気抵抗効果によって読み出すように構成された、請求項1に記載した磁気メモリ装置。An insulator layer or a conductor layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetic layer, and the magnetic layer is generated by a magnetic field induced by flowing a current through wirings provided on an upper surface and a lower surface of the memory element, respectively. 2. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the information is written by magnetizing the data in a predetermined direction, and the written information is read out by a tunnel magnetoresistance effect between the wirings.
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