JP2004221463A - Magnetic memory - Google Patents

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JP2004221463A JP2003009623A JP2003009623A JP2004221463A JP 2004221463 A JP2004221463 A JP 2004221463A JP 2003009623 A JP2003009623 A JP 2003009623A JP 2003009623 A JP2003009623 A JP 2003009623A JP 2004221463 A JP2004221463 A JP 2004221463A
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克巳 岡山
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義寛 加藤
Kaoru Kobayashi
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Tetsuya Yamamoto
哲也 山元
Minoru Igarashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic memory wherein an MRAM element is shielded magnetically more than enough from a large external magnetic field too, and the operation of the MRAM element can be ensured without any trouble for the magnetic field effected from the applied environment thereof, and further, its contributions to miniaturizing and lightening are made possible too. <P>SOLUTION: This magnetic storage comprises a TMR element 60 wherein magnetization fastening layers 54, 56 having fastened magnetizing directions and a magnetic layer (storage layer) 2 having a variable magnetizing direction are laminated, and it is constituted as a magnetic random access memory (MRAM) 30 wherein this memory element 60 is shielded magnetically by a magnetic shield layer. Further, the magnetic shield layer 48 so comprises a lamination structure including at least two soft-magnetic body layers that this lamination structure includes a high-permeability material layer 41 and a highly saturated magnetization material layer 33. <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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
上記のような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。
【0007】
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。
【0008】
そこで、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。
【0009】
特に、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。
【0010】
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。
【0011】
こうしたMRAMについて更に詳細に説明すると、図21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60は、支持基板59上に設けられた、磁化が比較的容易に回転する記憶層52と磁化固定層54、56とを含んでいる。
【0012】
磁化固定層は第1の磁化固定層54と第2の磁化固定層56との2つの磁化固定層を持ち、これらの間には、これらの磁性固定層が反強磁性的に結合するような導体結合層55が配置されている。記憶層52と磁化固定層54、56とには、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材質として用いられる。
【0013】
また、導体結合層55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56は反強磁性体層57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56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57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。
【0014】
また、磁性層である記憶層52と第1の磁化固定層54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52と第1の磁化固定層54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53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。
【0015】
トップコート層51は、TMR素子60とこのTMR素子60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52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58は、TMR素子60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。この下地電極層58は反強磁性体層57を兼ねてもよい。
【0016】
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。
【0017】
図22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等は省略してあるが、例えば9個のTMR素子(メモリセル)60を含み、相互に交差するビット線61及び書き込み用ワード線62を有する。これらの交点には、TMR素子60が配置されていて、このTMR素子60への書き込みは、ビット線61及び書き込み用ワード線62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61と書き込み用ワード線62との交点にあるTMR素子60の記憶層52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。
【0018】
図23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63内に形成されたp型ウェル領域64内に形成されたゲート絶縁膜65、ゲート電極66、ソース領域67、ドレイン領域68よりなるn型の読み出し用電界効果型トランジスタ(選択用トランジスタ)69が配置され、その上部に、書き込み用ワード線62、TMR素子60、ビット線61が配置されている。
【0019】
ソース領域67には、ソース電極70を介してセンスライン71が接続されている。電界効果トランジスタ69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62とTMR素子60との間から引き出された読み出し用配線72がドレイン電極73を介してドレイン領域68に接続されている。なお、トランジスタ69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。
【0020】
図24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61及び書き込み用ワード線62を有し、これらの書き込み線の交点には、記憶素子60と共に、記憶素子60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69及びセンスライン71を有する。センスライン71は、センスアンプ73に接続され、記憶された情報を検出する。なお、図中の74は双方向の書き込み用ワード線電流駆動回路、75はビット線電流駆動回路である。
【0021】
図25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。
【0022】
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。
【0023】
図26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60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76として示し、記憶層52及びトンネルバリア層53以外は図示省略している。
【0024】
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61とワード線62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62とビット線61と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69を介してセンスライン71に読み出すことによって行う。
【0025】
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25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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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30Oe以下、望ましくは20Oe以下に抑える必要がある。
【0030】
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)。
【0031】
【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)
【0032】
【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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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素子等を磁気的にシールドし、MRAM素子等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、小型化、軽量化にも貢献することにある。
【0039】
【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として構成され、前記メモリ素子が磁気シールド層によって磁気シールドされている磁気メモリ装置、又は、磁化可能な磁性層を有するメモリ素子が磁気シールド層によって磁気シールドされている磁気メモリ装置において、前記磁気シールド層が、少なくとも2層の軟磁性体層を含む積層構造からなり、この積層構造が高透磁率材料層と高飽和磁化材料層とを含むことを特徴とする磁気メモリ装置に係わるものである。
【0040】
本発明者は、本発明を案出する過程において、高感度磁気測定器やMRI(Magnetic Resonance Image)等を数百Oe程度の大きな外部磁界から遮蔽するための磁気シールド構造として、図27に示すようなシールド構造が知られていることに着目した。これは、作業空間80をまず高透磁率材料層78で覆い、この外側を更に高飽和磁化材料層77で覆う構造体である(例えば、太田恵造、「磁性材料選択のポイント」日本規格協会出版を参照)。
【0041】
通常のシールド構造であれば、外部から数100Oeの大きな磁界が掛かる際には、飽和磁化が小さい磁性体を使用しているために、この磁性体が容易に磁気飽和して内部に大きな磁界が侵入してしまう。ところが、図27の構造では、まず飽和磁化の大きな磁性体である高飽和磁化材料層77を配置して外部磁界を吸収して弱め、更に、この弱められた外部磁界をその内側にて透磁率の高い高透磁率材料層78により外部へ透過させることによって、内部磁界強度を下げ、磁気シールド効果を高めることができる。
【0042】
本発明は、こうした磁気シールド構造を、非常に小さい内部磁界強度が要求されるMRAM等に効果的に応用したものである。即ち、MRAMにおいて、前記磁気シールド層を少なくとも2層の前記軟磁性体層を含む前記積層構造によって形成しているので、外部磁界を前記高飽和磁化材料層によって吸収して弱め、かつ弱められた外部磁界を更に前記高透磁率材料層によって外部へ透過させて十二分に減少させることができるために、磁気メモリ装置の内部磁界強度を特に30Oe以下に低下させることができ、MRAMにとって好適な磁気シールド効果を得ることができる。従って、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することができる。
【0043】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気メモリ装置においては、磁気シールド効果を発揮するために、前記メモリ素子の側から順に、前記高透磁率材料層と前記高飽和磁化材料層とが配置されているのが望ましいが、この順序は逆であっても差支えない。
【0044】
また、前記高透磁率材料層及び前記高飽和磁化材料層を含む前記積層構造が、その磁気シールド効果を有効に発揮し、実装基板への実装も考慮すれば、前記メモリ素子を封止してなるパッケージの上部及び/又は下部、或いは/並びに、前記パッケージ中における前記メモリ素子の上部及び/又は下部に配置されているのが望ましい。
【0045】
また、磁気シールド効果を効果的に発揮するために、前記高飽和磁化材料層と前記高透磁率材料層との厚さの比が4:1〜3:7であるのが望ましい。
【0046】
また、直流の外部磁界又は/及び交流の外部磁界に対する磁気遮断効果を有するように構成するのが望ましい。
【0047】
また、前記高透磁率材料層が、Ni75〜78重量%、Cr2〜3重量%、Cu4〜6重量%、Fe残部;Ni75〜80重量%、Mo3〜5重量%、Cu1〜6重量%、Fe残部;Ni79〜82重量%、Mo3.5〜6重量%、Fe残部;及びNi75〜78重量%、Mo3〜4.5重量%、Cu4〜6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のが望ましい。
【0048】
また、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のが望ましい。
【0049】
また、前記高飽和磁化材料層が、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望ましい。
【0050】
また、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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
これらの例では、図21〜図23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を含めたリードフレームは簡略に図示している)。
【0054】
図1(a)は、高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33を順次積層してなる磁気シールド層48を封止材32の上面及び下面にそれぞれ配置する例、図1(b)は、高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33との積層順を入れ替えた例、及び図1(c)は、高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33との間に中透磁率材料層27と中飽和磁化材料層26とを形成して4層からなる磁気シールド層48とした例をそれぞれ示す。
【0055】
図2は、封止材32中において高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33との積層体を、MRAM素子30の上部とダイパッド40の下部にそれぞれ非接触に埋設した例、及び図3は、封止材32中において高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33との積層体を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した例を示す。
【0056】
ここで、高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33とからなる磁気シールド層48を固定するには、例えば、封止材32による封止後に封止材32の上面及び下面に接着するか、或いは封止時に予めMRAM素子30の上及びダイパッド40下において金型内に配置するか或いは接着しておけばよい。
【0057】
いずれの場合でも、MRAM素子30が、磁気シールド層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り、図1〜3に示したいずれの磁気シールド構造においても、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。
【0058】
上記の何れの例においても、磁気シールド層は外部との間で閉じた磁気回路を形成していないが、この状態であっても外部印加磁界を効果的に集めて磁気シールドをすることができる。また、磁気シールド層はMRAM素子30の上部及び下部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30の表面側)に存在していても、磁気シールド効果を発揮することができる。
【0059】
また、図1〜図3に示した磁気シールド層48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、高飽和磁化材料層33に凹凸35を設けた形状や、図4(b)に示すように、高飽和磁化材料層33に網状又はスリット状等の貫通孔36を設けた形状としてもよい。
【0060】
このように、図4(a)及び(b)の形状の高飽和磁化材料層33を有する磁気シールド層においては、その周辺端部のみならず凹凸35や貫通孔36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。
【0061】
図1〜図4に示した磁気シールド構造はいずれも、高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33とからなる磁気シールド層48を有していて、これらの層のうち、高飽和磁化材料層33(更には中飽和磁化材料層26)によって外部磁界が吸収されて弱められ、この弱められた外部磁界が更に高透磁率材料層41(更には中透磁率材料層27)によって外部へ透過させることができるので、MRAM素子30に作用する内部磁界強度を十二分に低下させることができ、磁気シールド効果が十分に発揮される。
【0062】
また、磁気シールド層48は封止材32中又は封止材32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、例えば、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30Oe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。
【0063】
また、MRAM素子が適用される環境からの磁界に対して問題なく動作保証の出来る製品を供給することが可能となり、また薄型に出来るために高密度実装に適する構造となる。更に、直流磁界だけではなく交流磁界に対しても磁気シールド効果を有することができる。
【0064】
次に、本発明者は上記のMRAM素子30の正常な動作を保証するために、例えば、MRAM素子30の内部へ100Oe以上の大きな外部磁界が印加されたとしても、MRAM素子30の内部磁界が30Oe以下になるような性能を目的として実験し、検討を行った。
【0065】
図5には、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28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。
【0066】
この実験においては、まず、高透磁率合金として知られるFe−Ni系合金であるパーマロイを用いて、高透磁率材料層41のみの単層からなる磁気シールド層28を構成した。
【0067】
実用上、MRAM素子30は、多ピン型のQFPパッケージ(Quad Flat Package)等に組み立てられて用いられる。そして、そのパッケージの厚みは、外部リード31が160pinQFPタイプで約3.45mm、208pinQFPタイプで約3.6mmであり、何れもパッケージの長さが28mm、パッケージ下面と基板との間の距離が約300μmである。従って、実用上、磁気シールド層の厚さとしては最大で300μm程度になるが、実装工程上のハンドリングのし易さを考慮すると150μm以下に抑えることが望ましい。
【0068】
このような実際条件の制約から、最も薄くかつ磁気シールドが効果的な磁気シールド構造を種々検討した。
【0069】
例えば、図6(a)及び図6(b)に示すように、高透磁率材料層41としてNi79重量%、Fe残部のパーマロイ箔(厚み200μm)をパッケージの上部及び下部へ実装した際の正面図を示す。ここで、図6(a)においては、高透磁率材料層41は省略してあるが正面側の外部リード31は示し、また、図6(b)のおいては、高透磁率磁性材料層41は示しているが正面側の外部リード31は省略している。
【0070】
図7には、内部磁界強度(Oe)と測定距離(シールド長さmm)との特性を表すグラフを示すが、これは、磁気シールド層として上記のFe−Ni系の高透磁率材料層41(高μ材)のみを用いたMRAMパッケージを用いて、外部印加磁界を500Oeとした時のMRAMパッケージ内部の磁界強度分布を示すものである。
【0071】
そして、外部から500Oeの強い磁界が印加された場合に、Ni79重量%、Fe残部のパーマロイ箔(厚み200μm)からなる高透磁率材料層41は、磁気的な飽和に至るために外部磁界を吸収しきれなくなり、MRAMパッケージの中央部において内部磁界強度が400Oe以上となってしまい、内部の磁気シールド効果がほとんど消滅することが分かった。
【0072】
従って、例えば、特許文献2(米国特許第5,939,772号)に示すようなMu Metal層を高透磁率材料層41の材質として配置する構造をとったとしても、実用上は磁気シールド効果を期待することは困難であった。
【0073】
一方、図8には、磁気的な飽和を防ぐため、飽和磁化の高い材料である高飽和磁化材料(高Ms材:Co49%、V2%、Fe残部)33のみにて、MRAMパッケージを磁気シールドした場合のパッケージ内部の磁界分布を示した。ここで、外部印加磁界の強度は300Oe、500Oe及び700Oeの3種類とした。
【0074】
高飽和磁化材料層33には、Co49%、V2%、Fe残部のパーメンジュール合金(厚さ200μm)を用いたので、磁気的な飽和状態は若干防げるものの、MRAM素子30の内部では、300Oe印加時であっても47Oeとなり、500Oeの外部磁界印加時には磁気的に飽和してしまって282Oeとなり、700Oe印加時には488Oeとなって、いずれも目標値である30Oeよりも大きい磁界強度がMRAM素子30内部に印加されてしまう。
【0075】
そこで、より効果的なシールド構造とするために、図9(a)及び図9(b)に示すように、本発明に基づいて、2層構造の磁気シールド層を作製した。図9(a)においては、高飽和磁化材料層33及び高透磁率材料層41は省略してあるが正面側の外部リード31は示し、また、図9(b)においては、高飽和磁化材料層33及び高透磁率材料層41は示しているが正面側の外部リード31は省略している。
【0076】
最外層には高飽和磁化材料層33として、Co49%、V2%、Fe残部のパーメンジュール合金(飽和磁化Ms=2.3T)を用い、内側には高透磁率材料層41として、Ni75%、Mo5%、Cu1%、Fe残部のスーパーマロイ合金(初透磁率μi=100,000)を用いた。
【0077】
ここで、実際の作製工程は下記のようになる。まず、高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33とからなる磁気シールド層48を形成するために、所定の厚さに整えられた各磁気シールド箔同士を、例えば、重ね合わせてプレス工程等により圧接するか、或いは、薄い接着フィルム(厚さ10μm程度)を用いて接着した後に、これを所定の大きさに切断加工しておく。
【0078】
続いて、QFP160pinタイプパッケージの磁気シールド層形成の場合には、通常の封止材32の作製工程に従って、モールドパッケージを形成した。そして、この上下面に、上記の高透磁率材料層41と高飽和磁化材料層33とからなる磁気シールド層を薄い接着フィルム(例えば、厚さ10μm程度)により接合した。
【0079】
ここで、磁気シールド層の上下の間隔が多少変動しても磁気シールド効果にはほとんど影響はないために、接着層の厚みによる磁気シールド効果への影響は無視することができる。
【0080】
このようにして作製された磁気シールド層付のMRAMパッケージは、通常の実装機器によって回路基板等に実装された後に、リフロー工程等を経て回路基板に半田付けした。このリフロー工程における加熱は通常260℃程度であるために磁気シールド材料の磁気特性を劣化させるものではない。
【0081】
図10には、磁気シールド層の外層を形成するCo49%、V2%、Fe残部のパーメンジュール合金層33、及び、内層を形成するNi75%、Mo5%、Cu1%、Fe残部のスーパーマロイ合金層41の厚さをそれぞれ100μmとし、磁気シールド層の全体厚さを200μmとした時のMRAMパッケージ内部の内部磁界強度を示す。そして、外部印加磁界強度は300Oeとした。
【0082】
この結果、内部磁界強度は17.2Oeとなり、目標値である30Oeよりも低い値となり、各磁性材料層41又は33を単独で磁気シールド層とした図7や図8の結果と比較して、磁気シールド効果が大きく向上することが判明した。
【0083】
図11には、磁気シールド層の内層をCo49%、V2%、Fe残部のパーメンジュール合金層33で形成し、外層をNi75%、Mo5%、Cu1%、Fe残部のスーパーマロイ合金層41で形成し、厚さをそれぞれ100μmとし、磁気シールド層の全体厚さを200μmとした時のMRAMパッケージ内部の内部磁界強度を示す。そして、外部磁界印加強度は300Oeとした。
【0084】
この結果、内部磁界強度は19.4Oeとなり、図10に示した内部磁界強度(17.2Oe)と比較すると、若干、磁気シールド性能は劣るものの、目標値である30Oeよりも低い値となる。この例においても、各磁性材料層41又は33を単独で磁気シールド層とした図7や図8の結果と比較して、磁気シールド効果が大きく向上することが判明した。
【0085】
続いて、より効果的な磁気シールド構造を調べるために、材料については、外層をCo49%、V2%、Fe残部のパーメンジュール合金層33(飽和磁化Ms=2.3T)とし、内層をNi75%、Mo5%、Cu1%、Fe残部のスーパーマロイ合金層41のスーパーマロイ合金(初透磁率μi=100,000)に固定して、これらの合計厚さを200μmと固定し、2層の厚さのみをそれぞれ変化させて実験を行った。その時のパッケージ中央部での内部磁界強度(以下、同様)を図12の表1にまとめた。
【0086】
この結果から、内側の高透磁率材料層41の厚さが増加すると、一旦磁気シールド効果は高くなるが、磁気シールド層のほとんどを高透磁率材料層41に置き換えてしまうと、外側の高飽和磁化材料層33が殆ど存在しなくなってしまうために、飽和磁化が低下し、内部磁界強度が30Oeを超えてしまって、磁気シールド効果が劣化することが判明した。
【0087】
なお、本例では、内部磁界強度を30Oe以下とすることが目標であるために、これを実現するには、高飽和磁化材料層33と高透磁率材料層41との厚さの比率は、4:1(160μm:40μm、30Oe)〜3:7(60μm:140μm、30Oe)であるのが好ましく、更には、3:2(120μm:80μm、15Oe)付近が最も好ましいということが分かった。
【0088】
続いて、高飽和磁化材料層33と高透磁率材料層41との厚さの比率を各々一定に保ちつつ、これら2層の合計厚さを変化させて薄くしていった時の内部の磁界強度を測定した。この結果を図13の表2に示す。
【0089】
この結果から、300Oeの外部印加磁界時では、合計厚みがより厚くなるに従って磁気シールド効果が良くなる傾向があるが、例えば、高飽和磁化材料層33の厚さを100μmとし、高透磁率材料層41の厚さを67μmとして合計厚さを167μmとしても内部磁界強度が19Oeとなり、比較的良好な磁気シールド効果を確保できることが分かった。
【0090】
そして、この結果から、2層構造の磁気シールド層の外側に高飽和磁化のCo49%、V2%、Fe残部のパーメンジュール合金を用い、内側にNi75%、Mo5%、Cu1%、Fe残部のスーパーマロイ合金を用いた場合、厚さをそれぞれ100μm及び67μmとし、合計厚さを200μm以下としても磁気シールド効果を発揮できることが分かった。
【0091】
続いて、この磁気シールド構造を保ったまま、パッケージサイズが種々変化したときの効果について測定を行った。
【0092】
近年の高密度実装の進展により、パッケージ構造はQFPだけでなく、SOP(Single Outline Package)、LQFP(Low Profile Quad Flat Package)、BGA(Ball Grid Array Package)、LFBGA(Low Profile Fine Pitch Ball Grid Array Package)、LFLGA(Low Profile Fine Pitch Land Grid Array Package)等のように高密度化及び多ピン化してきている。
【0093】
また、各種パッケージの大きさについても、例えば、一辺が10mmのものから最大40mm程度のものまで、様々なパッケージ形態が実用化されている。そして、MRAM素子の応用形態に併せてこれらのパッケージが種々適用されるが、その際に、パッケージ寸法によって磁気シールド性能が劣化しないように配慮する必要がある。
【0094】
通常、図8に示すように、パッケージの端部から中心部へ至るまでの磁界の様子は、パッケージの両端部が最も磁界の強度が大きく、内部へ進むにつれて小さくなる傾向がある。しかし、磁気シールド層が磁気的に飽和している状態では、ある距離から再び磁界強度が大きくなり、パッケージの中心部で極大値を示すことになる。このようなプロファイルが存在するため、実際には、磁気シールド層の一辺の長さにより内部磁界強度は様々に変化すると考えられる。
【0095】
これまでの実験及び検討は、QFP160pinパッケージを想定し、磁気シールド層の一辺の長さを28mmとし、上下の磁気シールド層間の距離を3.45mmに固定して行ってきた。その結果、最外層に高飽和磁化特性を有するCo49%、V2%、Fe残部のパーメンジュール合金層を用い、内側にNi75%、Mo5%、Cu1%、Fe残部のスーパーマロイ合金をそれぞれ100μm及び67μmの厚さで配置する構造がシールド性能がよく、しかも薄くすることができることが分かった。
【0096】
次に、それぞれの磁性材料層33及び41の厚さを保ちつつ、その一辺の長さを10mm〜40mmに変化させたときのパッケージ中心部の磁界強度分布を図14の表3に示した。
【0097】
この結果、磁気シールド層の一辺の長さが30mm以下の場合は内部磁界強度が30Oe以下となり、ほぼ有効な磁気シールド特性を保つことができるが、40mm以上になると100Oeを超えてしまい、磁気シールド層の中央部の磁気飽和に伴って外部磁界が内部に侵入してしまうということが判明した。
【0098】
従って、本例の磁気シールド構造を用いることによって、通常のパッケージにおいて、厚さが高飽和磁化材料層33を100μm、高透磁率材料層41を67μmとする条件下では、一辺が30mmを超えない範囲であれば、ほぼ全てのパッケージ構造に適応可能であるということが明らかになった。
【0099】
即ち、従来のSOP、QFP、LQFP、BGA、LFBGA及びLFLGA等のパッケージ全般に問題なく適応される。しかし、パッケージの条件が変化すると、一辺の長さの許容長さ等の条件も変化するために、全ての状況で30mm以下でなければならないというわけではない。
【0100】
一方、パッケージの厚みは近年著しく低背化してきており、厚いものでも3.5mm〜4mmであり、薄いものでは1mm〜1.5mmのものが実用に供されている。従って、磁気シールド層間の間隔も1mm〜4mmに変化する可能性がある。
【0101】
そこで、通常のパッケージにおいて、厚さが高飽和磁化材料層33を100μm、高透磁率材料層41を67mmとして最も良い磁気シールド特性が得られた構造条件において、磁気シールド層の一辺の長さが10mmで一定値の場合の内部磁界強度と磁気シールド層間の間隔(1mm〜4mm)との関係を調べた。その結果を図15の表4に示す。
【0102】
この結果、磁気シールド層の間隔が4mmから1mmへと狭くなっていっても、パッケージの中心部の磁界強度は、例えば、外部印加磁界強度が300Oeの場合には14Oe〜9Oeとなって、30Oe以下となると共に、あまり変化がないということが明らかになった。
【0103】
このうち、図16に示すように、磁気シールド層間の間隔が例え4mmであっても、外部磁界強度が300Oeの場合のパッケージ端部からの磁界強度プロファイルにおいては、内部磁界強度を14Oeまで低下させることができた。
【0104】
また、図17に示すように、磁気シールド層の間隔が1mmであれば、外部磁界強度が300Oeの場合のパッケージ端部からの磁界強度プロファイルにおいては、内部磁界を9Oeまで低下させることができた。
【0105】
これらの図16の結果と図17の結果とを比較すると、磁気シールド層の間隔が狭まると、内部磁界強度を更に低下させやすくなると共に、磁界が磁気シールドされる部分の有効長さがやや大きくなるという利点があるということが判明した。
【0106】
以上の結果から、構造的には磁気シールドを2層で構成し、その外側には高飽和磁化材料層33を配置し、内側には高透磁率材料層33を配置するのが効果的であることが明らかになった。
【0107】
ここで、この磁気シールド層の実用化を念頭においた場合に、材料の選定においては、コスト、加工のし易さ、熱処理加工の有無及び熱膨張係数等の諸特性が影響すると考えられる。各層に用いる材料を種々検討した結果を示すと、まず、内側の層をNi75%、Mo5%、Cu1%、Fe残部のスーパーマロイ合金で一定とし、外側の層を飽和磁化の高い純鉄、FeSiB又はケイ素鋼板等とし、用いた材料の特性及び結果を図18の表5に示した。
【0108】
続いて、外側の高飽和磁化材料層33の材質をCo49%、V2%、Fe残部のパーメンジュール合金で固定し、内側の高透磁率材料層41の材質をパーマロイ又はCo系アモルファス等とし、用いた材料の特性及び結果を図19の表6に示した。
【0109】
この結果、図18の表5によれば、外側の層を飽和磁化の高い純鉄、FeSiB又はケイ素鋼板等にした場合に、何れの例でも、内部磁界強度が30Oe以下となるので、材質としてふさわしいと言える。
【0110】
また、図19の表6によれば、パーマロイでも内部磁界強度が30Oe以下となって十分特性が得られるが、上記のCo系アモルファスのみならず、センダスト、ファインメット(登録商標)等でも、内部磁界強度が30Oe以下となり、同等の効果が十分に得られることが判明した。
【0111】
次に、パーマロイの透磁率(任意単位)と周波数(Hz)との特性を図20に示すが、有効な透磁率の最低値を2×10と仮定すると、直流〜数kHz付近までは良好な透磁率を示すので、パーマロイを用いた本例の磁気シールド構造の適応周波数は、直流磁界のみならず交流磁界にも適応可能である。
【0112】
なお、外側に高飽和磁化材料層33を配置することが有効であるが、これに限らず、高透磁率材料層41が外層に、高飽和磁化材料層33が内側に配置されていても、磁気シールド効果を十分に有することは、図11に示した結果から理解することができる。
【0113】
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。
【0114】
例えば、磁気シールド層を構成する各磁性材料層の数は2層に限らなくてもよく、図1(c)に示したように、3層以上(例えば4層)と更に多層構造にしてもよい。
【0115】
本発明は、MRAM素子へ数百Oeの大きな磁界が作用しても内部侵入磁界を十二分に低減するためのMRAMシールド構造を提供することを目的とし、このために高飽和磁化の磁性材料層と高透磁率の磁性材料層とを含む積層体を配置する構造としている。従って、用いられる磁性材料は、上記の材料に限定されるものではなく、組成や組織等は異なるが同様の磁気特性を示す磁性材料であれば、適用は可能である。
【0116】
また、上記の高飽和磁化材料及び高透磁率材料の組成、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、パッケージ外面でのMRAM素子の上部及び/又は下部、或いは/並びに、パッケージ中でのMRAM素子の上部及び/又は下部に配置されてよい。
【0117】
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。
【0118】
【発明の作用効果】
上述したように、本発明によれば、磁気シールド層が少なくとも2層の軟磁性体層を含む積層構造からなり、この積層構造が高飽和磁化材料層と高透磁率材料層とを含むので、これらの層によって外部磁界が効果的に弱められて外部へと透過し、磁気メモリ装置の内部磁界強度を低下させることができ、磁気シールド効果が十分に発揮される。そして、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することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による各種MRAMパッケージの概略断面図である。
【図2】同、他のMRAMパッケージの概略断面図である。
【図3】同、他のMRAMパッケージの概略断面図である。
【図4】同、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】単層の磁気シールド層を有するMRAMパッケージの具体例の正面図(a)及び(b)である。
【図7】厚さ200μmの高透磁率材を磁気シールド層(シールド箔)に用いた際の、外部印加磁界が500Oeの場合における内部磁界強度の分布図である。
【図8】厚さ200μmの高飽和磁化材を磁気シールド層(シールド箔)に用いた際の、外部印加磁界が300Oe、500Oe及び700Oeの場合における内部磁界強度の分布図である。
【図9】本発明の実施の形態によるMRAMパッケージの具体例の概略正面図(a)及び(b)である。
【図10】同、それぞれの厚さが100μmの高透磁率材及び高飽和磁化材からなる磁気シールド層(シールド箔)を用いた際に、高透磁率材を内側に、高飽和磁化材を外側に配置し、外部印加磁界が300Oeの場合における内部磁界強度の分布図である。
【図11】同、それぞれの厚さが100μmの高透磁率材及び高飽和磁化材からなる磁気シールド層(シールド箔)を用いた際に、高透磁率材を外側に及び高飽和磁化材を内側に配置し、外部印加磁界が300Oeの場合における内部磁界強度の分布図である。
【図12】同、高透磁率材及び高飽和磁化材の合計厚さを固定した際の、高透磁率材及び高飽和磁化材の厚さと内部磁界強度との関係を各種外部印加磁界強度毎に示す表である。
【図13】同、高透磁率材及び高飽和磁化材の合計厚さと内部磁界強度との関係を各種外部印加磁界強度毎に示す表である。
【図14】同、高透磁率材及び高飽和磁化材の合計厚さを固定した際の、磁気シールド層の長さと内部磁界強度との関係を各種外部印加磁界強度毎に示す表である。
【図15】同、高透磁率材及び高飽和磁化材の合計厚さ並びに磁気シールド層の長さを固定した際の、磁気シールド層の間隔と内部磁界強度との関係を各種外部印加磁界強度毎に示す表である。
【図16】同、磁気シールド層の間隔が4mm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の場合における内部磁界強度の分布図である。
【図17】同、磁気シールド層の間隔が1mm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の場合における内部磁界強度の分布図である。
【図18】同、高透磁率材の材質を固定した際の、高飽和磁化材の材質と内部磁界強度との関係を各種外部印加磁界強度毎に示す表である。
【図19】同、高飽和磁化材の材質を固定した際の、高透磁率材の材質と内部磁界強度との関係を各種外部印加磁界強度毎に示す表である。
【図20】同、周波数と透磁率との相関特性を示すグラフである。
【図21】従来例によるMRAMのTMR素子の概略斜視図である。
【図22】同、MRAMのメモリセル部の一部の概略斜視図である。
【図23】同、MRAMのメモリセルの概略断面図である。
【図24】同、MRAMの等価回路図である。
【図25】同、MRAMの書き込み時の磁界応答特性図である。
【図26】同、MRAMの読み出し動作原理図である。
【図27】同、高透磁率材と高飽和磁化材とで覆われたシールド構造の概略断面図である。
【符号の説明】
28、48…磁気シールド層、30、60…MRAM素子(TMR素子内蔵)、31…外部リード、32…封止材、33…高飽和磁化材料層、35…凹凸、
36…貫通孔、37…ガウスメータ、40…ダイパッド、
41…高透磁率材料層、51…トップコート層、52…記憶層、
53…トンネルバリア層、54…第1の磁化固定層、55…反強磁性結合層、
56…第2の磁化固定層、57…反強磁性体層、58…下地層、
59…支持基板、60…メモリセル(TMR素子)、61…ビット線、
62…書き込み用ワード線、63…シリコン基板、64…ウェル領域、
65…ゲート絶縁膜、66…ゲート電極、67…ソース領域、
68…ドレイン領域、
69…読み出し用電界効果トランジスタ(選択用トランジスタ)、
70…ソース電極、71…センスライン、72…読み出し用配線、
73…ドレイン電極、76…磁化固定層
[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.
[0004]
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.
[0005]
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.
[0006]
Examples of the non-volatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric.
[0007]
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 -10 14 However, it has been pointed out that the endurance is small and it is difficult to finely process the ferroelectric capacitor in order to completely replace the SRAM (Static Random Access Memory) or the DRAM (Dynamic Random Access Memory) with a static random access memory.
[0008]
Therefore, high-speed, large-capacity (high-integration), low-power-consumption non-volatile memories that do not have these drawbacks have been noted, for example, in 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.
[0009]
In particular, the MRAM is a semiconductor magnetic memory using a magnetoresistance effect based on a spin-dependent conduction phenomenon peculiar to a nanomagnetic material, and is a non-volatile memory capable of holding data without supplying power from the outside.
[0010]
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.
[0011]
The MRAM will be described in more detail. As illustrated in FIG. 21, a TMR element 60 serving as a storage element of a memory cell of the MRAM is provided on a support substrate 59 and has a magnetization layer that rotates relatively easily. 52 and fixed magnetization layers 54 and 56.
[0012]
The fixed magnetization layer has two fixed magnetization layers, a first fixed magnetization layer 54 and a second fixed magnetization layer 56, between which the fixed magnetic layers are antiferromagnetically coupled. A conductor coupling layer 55 is provided. For the storage layer 52 and the magnetization fixed layers 54 and 56, a ferromagnetic material made of nickel, iron, cobalt, or an alloy thereof is used as a material.
[0013]
Further, as a material of the conductor coupling layer 55, ruthenium, copper, chromium, gold, silver, or the like can be used. The second magnetization fixed layer 56 is in contact with the antiferromagnetic material layer 57, and the second magnetization fixed layer 56 has strong unidirectional magnetic anisotropy due to exchange interaction acting between these layers. . As a material of the antiferromagnetic layer 57, a manganese alloy such as iron, nickel, platinum, iridium, and rhodium, cobalt, and nickel oxide can be used.
[0014]
The 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 52, which is a magnetic layer, and the first magnetization fixed layer 54. In addition, it plays a role of cutting magnetic coupling between the storage layer 52 and the first magnetization fixed layer 54 and flowing a tunnel current. These magnetic layers and conductor layers are mainly formed by a sputtering method. The tunnel barrier layer 53 can be obtained by oxidizing or nitriding a metal film formed by sputtering.
[0015]
The top coat layer 51 has a role of preventing interdiffusion between the TMR element 60 and a wiring connected to the TMR element 60, reducing contact resistance, and preventing oxidation of the storage layer 52, and is usually made of Cu, Ta, TiN, or the like. Material can be used. The base electrode layer 58 is used for connection with a switching element connected in series with the TMR element 60. The base electrode layer 58 may also serve as the antiferromagnetic layer 57.
[0016]
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.
[0017]
FIG. 22 is an enlarged perspective view showing a part of a general MRAM in a simplified manner. Here, a read circuit portion and the like are omitted for simplicity, but include, for example, nine TMR elements (memory cells) 60, and have a bit line 61 and a write word line 62 that cross each other. At these intersections, a TMR element 60 is arranged, and when writing to this TMR element 60, a current flows through the bit line 61 and the write word line 62, and a bit line is generated by a combined magnetic field generated from these. Writing is performed with the magnetization direction of the storage layer 52 of the TMR element 60 at the intersection of the write word line 61 and the write word line 62 being parallel or anti-parallel to the magnetization fixed layer.
[0018]
FIG. 23 schematically shows a cross section of the memory cell, for example, a gate insulating film 65, a gate electrode 66, and a source region 67 formed in a p-type well region 64 formed in a p-type silicon semiconductor substrate 63. An n-type read field effect transistor (selection transistor) 69 comprising a drain region 68 and a write word line 62, a TMR element 60, and a bit line 61 are disposed thereon.
[0019]
A sense line 71 is connected to the source region 67 via a source electrode 70. The field effect transistor 69 functions as a switching element for reading, and a read wiring 72 drawn out between the word line 62 and the TMR element 60 is connected to a drain region 68 via a drain electrode 73. Note that the transistor 69 may be an n-type or p-type field-effect transistor, but various switching elements such as a diode, a bipolar transistor, and a MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) can be used.
[0020]
FIG. 24 shows an equivalent circuit diagram of the MRAM, which includes, for example, six memory cells, and has a bit line 61 and a write word line 62 that intersect each other. Along with 60, a field effect transistor 69 and a sense line 71 connected to the storage element 60 and performing element selection at the time of reading are provided. The sense line 71 is connected to the sense amplifier 73 and detects stored information. In the figure, 74 is a bidirectional write word line current drive circuit, and 75 is a bit line current drive circuit.
[0021]
FIG. 25 is an asteroid curve showing the write condition of the MRAM, showing the applied magnetic field H in the easy axis direction. EA And the hard magnetic field H HA Of the magnetization direction of the storage layer is shown in FIG. 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. Further, even in cells other than the intersection of the word line and the bit line through which a current flows, a magnetic field generated by the word line or the bit line alone is applied, and thus the magnitude of the magnetic field generated by the unidirectional switching magnetic field H K In the above case, since the magnetization directions of the cells other than the intersections are also reversed, the selected cells can be selectively written only when the combined magnetic field is in the gray area in the figure.
[0022]
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 a single storage area is determined by the magnetic field H EA And the magnetic field in the hard axis direction H HA Is determined by the vector composition with The write current flowing through the bit line applies a magnetic field H in the easy axis direction to the cell. EA And a current flowing through the word line is applied to the cell by a magnetic field H in the hard axis direction. HA Is applied.
[0023]
FIG. 26 illustrates the read operation of the MRAM. Here, the layer configuration of the TMR element 60 is schematically illustrated, the above-described magnetization fixed layer is illustrated as a single layer 76, and illustrations other than the storage layer 52 and the tunnel barrier layer 53 are omitted.
[0024]
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 61 and the word line 62 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 reading, a reading current (tunnel current) flows between the word line 62 and the bit line 61, and an output corresponding to the level of the resistance is read out to the sense line 71 via the reading field effect transistor 69 described above. By doing.
[0025]
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. The switching field in the easy axis direction and the switching field H in the hard axis direction described in FIG. SW Is 20 to 200 Oe (Oe), depending on the material, and is converted into a current of several mA (RH Koch et al., Phys. Rev. Lett. 84, 5419 (2000), JZ. Sun et al., 2001 8 th This is because it is as small as Joint Magnetics and Magnetic Material. 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.
[0026]
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.
[0027]
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.
[0028]
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.
[0029]
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, Co-coated γ-Fe 2 O 3 And a magnetic material having a large coercive force such as Ba ferrite. 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 30 Oe or less, preferably 20 Oe or less.
[0030]
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).
[0031]
[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)
[0032]
[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.
[0033]
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.
[0034]
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.
[0035]
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.
[0036]
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.
[0037]
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.
[0038]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has as its object to magnetically shield an MRAM element or the like more than sufficiently even with a large external magnetic field, and to apply the MRAM element or the like. An object of the present invention is to make it possible to guarantee operation that does not cause a problem with respect to a magnetic field from the environment, and to contribute to miniaturization and weight reduction.
[0039]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention is 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, wherein the memory element is a magnetic shield. A magnetic memory device magnetically shielded by a layer, or a magnetic memory device in which a memory element having a magnetizable magnetic layer is magnetically shielded by a magnetic shield layer, wherein the magnetic shield layer has at least two soft magnetic materials. The present invention relates to a magnetic memory device comprising a laminated structure including layers, wherein the laminated structure includes a high magnetic permeability material layer and a high saturation magnetization material layer.
[0040]
In the process of devising the present invention, the present inventor has shown in FIG. 27 a magnetic shield structure for shielding a high-sensitivity magnetometer, MRI (Magnetic Resonance Image), etc. from a large external magnetic field of about several hundred Oe. We noticed that such a shield structure is known. This is a structure in which the working space 80 is first covered with a high magnetic permeability material layer 78, and the outside thereof is further covered with a high saturation magnetization material layer 77 (for example, Keizo Ota, "Points for Selecting Magnetic Materials", published by the Japan Standards Association). See).
[0041]
With a normal shield structure, when a large magnetic field of several hundred Oe is applied from the outside, a magnetic material having a small saturation magnetization is used. Therefore, the magnetic material is easily magnetically saturated and a large magnetic field is generated inside. Invade. However, in the structure of FIG. 27, first, a high saturation magnetization material layer 77, which is a magnetic material having a large saturation magnetization, is arranged to absorb and weaken an external magnetic field. With the high permeability material layer 78 having a high magnetic permeability, the internal magnetic field strength can be reduced and the magnetic shielding effect can be enhanced.
[0042]
The present invention effectively applies such a magnetic shield structure to an MRAM or the like that requires an extremely low internal magnetic field strength. That is, in the MRAM, since the magnetic shield layer is formed by the laminated structure including at least two soft magnetic layers, the external magnetic field is weakened by being absorbed by the high saturation magnetization material layer and weakened. Since the external magnetic field can be further reduced by transmitting the external magnetic field to the outside by the high magnetic permeability material layer, the internal magnetic field strength of the magnetic memory device can be particularly reduced to 30 Oe or less, which is suitable for MRAM. A magnetic shielding effect can be obtained. Therefore, by applying such a magnetic shield layer to an MRAM element, an extremely useful and high-performance magnetic shield effect can be obtained 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). Can be realized.
[0043]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the magnetic memory device of the present invention, in order to exhibit a magnetic shielding effect, it is preferable that the high magnetic permeability material layer and the high saturation magnetization material layer are arranged in order from the memory element side, This order can be reversed.
[0044]
Further, the laminated structure including the high magnetic permeability material layer and the high saturation magnetization material layer effectively exerts its magnetic shielding effect, and considering the mounting on a mounting substrate, seals the memory element. Preferably, it is arranged on the upper and / or lower part of the package, and / or on the upper and / or lower part of the memory element in the package.
[0045]
In order to effectively exhibit the magnetic shielding effect, it is preferable that the thickness ratio between the high saturation magnetization material layer and the high magnetic permeability material layer is 4: 1 to 3: 7.
[0046]
In addition, it is desirable to have a magnetic shielding effect against a DC external magnetic field and / or an AC external magnetic field.
[0047]
The high permeability material layer is composed of 75 to 78% by weight of Ni, 2 to 3% by weight of Cr, 4 to 6% by weight of Cu, and the balance of Fe; 75 to 80% by weight of Ni, 3 to 5% by weight of Mo, 1 to 6% by weight of Cu, Balance: 79 to 82% by weight of Ni, 3.5 to 6% by weight of Mo, the balance of Fe; and 75 to 78% by weight of Ni, 3 to 4.5% by weight of Mo, 4 to 6% by weight of Cu, and the balance of Fe. Desirably, it is formed of at least one kind of soft magnetic material.
[0048]
Further, the high saturation magnetization material layer is composed of 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; % By weight, V1 to 3% by weight, and the balance of Fe; desirably formed of at least one soft magnetic material selected from the group consisting of:
[0049]
Further, in addition to the high-saturation magnetic material layer having a flat film shape or plate shape, in order to more effectively suppress the magnetic saturation, a film or plate shape with irregularities, or a mesh or slit It is desirable to have a shape with through holes such as.
[0050]
Further, the present invention is suitable for an MRAM. In such an MRAM, an insulator layer or a conductor layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetic layer, and provided on the upper and lower surfaces 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 the wirings serving as the bit line and the word line, and the written information is written in the tunnel magnetoresistance effect between the wirings ( It may be configured to read out by the TMR effect).
[0051]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0052]
1 to 3 exemplify MRAM packages having various magnetic shield structures according to the present embodiment.
[0053]
In these examples, the MRAM elements (chips including the memory cell section and the peripheral circuit section) 30 shown in FIGS. 21 to 23 are 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. (Abbreviated and the lead frame including the die pad 40 is simply illustrated).
[0054]
FIG. 1A shows an example in which a magnetic shield layer 48 in which a high magnetic permeability material layer 41 and a high saturation magnetization material layer 33 are sequentially laminated is disposed on the upper surface and the lower surface of the sealing material 32, respectively, and FIG. FIG. 1C shows an example in which the stacking order of the high magnetic permeability material layer 41 and the high saturation magnetization material layer 33 is exchanged, and FIG. 1C shows the middle between the high magnetic permeability material layer 41 and the high saturation magnetization material layer 33. An example in which the magnetic permeability material layer 27 and the medium saturation magnetization material layer 26 are formed into a magnetic shield layer 48 composed of four layers will be described.
[0055]
FIG. 2 shows an example in which a laminate of a high magnetic permeability material layer 41 and a high saturation magnetization material layer 33 is embedded in an upper portion of an MRAM element 30 and a lower portion of a die pad 40 in a sealing material 32 in a non-contact manner. 3 shows an example in which a laminated body of a high magnetic permeability material layer 41 and a high saturation magnetization material layer 33 is 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.
[0056]
Here, in order to fix the magnetic shield layer 48 including the high magnetic permeability material layer 41 and the high saturation magnetization material layer 33, for example, the magnetic shield layer 48 is bonded to the upper surface and the lower surface of the sealing material 32 after sealing with the sealing material 32. Alternatively, at the time of sealing, it may be arranged in a mold above the MRAM element 30 and below the die pad 40 or bonded in advance.
[0057]
In any case, the MRAM element 30 has a sandwich structure arranged between the magnetic shield layers, and the magnetic shield layer is integrated with the MRAM package. This takes into consideration the mounting on the mounting board (circuit board). This is the most desirable structure, and any 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.
[0058]
In any of the above examples, the magnetic shield layer does not form a closed magnetic circuit between itself and the outside, but even in this state, the magnetic field can be effectively shielded by effectively collecting the externally applied magnetic field. . The magnetic shield layer is preferably provided above and below the MRAM element 30, respectively. However, even if it exists on at least one (particularly, on the surface side of the MRAM element 30), the magnetic shield effect can be exhibited.
[0059]
Further, the magnetic shield layer 48 shown in FIGS. 1 to 3 is made of a flat film, foil, or flat plate, but is not limited thereto. As shown in FIG. 4B, or a shape in which a through hole 36 such as a mesh or a slit is provided in the high saturation magnetization material layer 33 as shown in FIG. 4B.
[0060]
As described above, in the magnetic shield layer having the highly-saturated magnetic material layer 33 having the shape shown in FIGS. 4A and 4B, the shape anisotropy not only at the peripheral end but also at the irregularities 35 and the through holes 36. Due to the nature, a demagnetizing field with respect to an externally applied magnetic field is generated, magnetic saturation is unlikely to occur, and a high-performance shielding effect is obtained.
[0061]
Each of the magnetic shield structures shown in FIGS. 1 to 4 has a magnetic shield layer 48 composed of a high magnetic permeability material layer 41 and a high saturation magnetization material layer 33. Of these layers, the high saturation magnetization The external magnetic field is absorbed and weakened by the material layer 33 (further, the medium-saturated magnetic material layer 26), and the weakened external magnetic field is further outwardly transmitted by the high-permeability material layer 41 (further, the medium-permeability material layer 27). Since the light can be transmitted, the intensity of the internal magnetic field acting on the MRAM element 30 can be sufficiently reduced, and the magnetic shield effect can be sufficiently exhibited.
[0062]
In addition, since the magnetic shield layer 48 can be easily and accurately arranged in the sealing material 32 or at a predetermined position on the sealing material 32, even if an externally applied magnetic field of 300 Oe to 500 Oe acts, for example, the MRAM The internal magnetic field with respect to the element 30 is always suppressed to 30 Oe or less, and the normal operation condition can be sufficiently satisfied.
[0063]
Further, it is possible to supply a product whose operation can be guaranteed without any problem with respect to a magnetic field from an environment to which the MRAM element is applied. Further, since the product can be made thin, the structure is suitable for high-density mounting. Further, a magnetic shielding effect can be provided not only for a DC magnetic field but also for an AC magnetic field.
[0064]
Next, in order to guarantee the normal operation of the above-mentioned MRAM element 30, the present inventor, for example, even if a large external magnetic field of 100 Oe or more is applied to the inside of the MRAM element 30, the internal magnetic field of the MRAM element 30 is reduced. An experiment was conducted for the purpose of achieving a performance of 30 Oe or less, and was studied.
[0065]
FIG. 5 shows a schematic diagram during the experiment. For example, two magnetic shield layers 28 of 10 mm × 10 mm are arranged at an interval of 0.4 mm, and a Gauss meter 37 is arranged at the center (cavity). By applying a 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 (leakage magnetic field from the magnetic shield layer) Strength) was measured, and an effective magnetic shield material was examined.
[0066]
In this experiment, first, a magnetic shield layer 28 composed of a single layer of only the high magnetic permeability material layer 41 was formed using permalloy, which is an Fe—Ni alloy known as a high magnetic permeability alloy.
[0067]
In practice, the MRAM element 30 is used by being assembled into a multi-pin type QFP package (Quad Flat Package) or the like. The package has a thickness of about 3.45 mm for the 160-pin QFP type and about 3.6 mm for the 208-pin QFP type, and the package has a length of 28 mm and a distance between the package lower surface and the substrate of about 30 mm. It is 300 μm. Therefore, in practice, the thickness of the magnetic shield layer is about 300 μm at the maximum, but it is preferable to suppress the thickness to 150 μm or less in consideration of easy handling in the mounting process.
[0068]
From the constraints of such actual conditions, various studies have been made on a magnetic shield structure that is the thinnest and the magnetic shield is effective.
[0069]
For example, as shown in FIG. 6A and FIG. 6B, the front surface when mounting 79% by weight of Ni as the high magnetic permeability material layer 41 and a permalloy foil (thickness of 200 μm) of the remaining Fe on the upper and lower parts of the package. The figure is shown. Here, in FIG. 6A, the high magnetic permeability material layer 41 is omitted, but the external leads 31 on the front side are shown, and in FIG. 6B, the high magnetic permeability material layer is shown. Although 41 is shown, the external lead 31 on the front side is omitted.
[0070]
FIG. 7 is a graph showing the characteristics of the internal magnetic field strength (Oe) and the measurement distance (shield length mm). The graph shows the Fe—Ni-based high permeability material layer 41 as the magnetic shield layer. 5 shows a magnetic field intensity distribution inside the MRAM package when an externally applied magnetic field is set to 500 Oe using an MRAM package using only (high μ material).
[0071]
When a strong magnetic field of 500 Oe is applied from the outside, the high magnetic permeability material layer 41 made of permalloy foil (thickness: 200 μm) with 79% by weight of Ni and the balance of Fe absorbs the external magnetic field to reach magnetic saturation. It was found that the internal magnetic field strength became 400 Oe or more at the center of the MRAM package, and the internal magnetic shielding effect almost disappeared.
[0072]
Therefore, for example, even if a structure in which a Mu Metal layer is disposed as a material of the high magnetic permeability material layer 41 as shown in Patent Document 2 (US Pat. No. 5,939,772), a magnetic shielding effect is practically used. It was difficult to expect.
[0073]
On the other hand, FIG. 8 shows that the MRAM package is magnetically shielded only with a high saturation magnetization material (high Ms material: Co49%, V2%, Fe balance) 33 which is a material having high saturation magnetization to prevent magnetic saturation. The distribution of the magnetic field inside the package in the case of the above is shown. Here, the intensity of the externally applied magnetic field was 300 Oe, 500 Oe, and 700 Oe.
[0074]
Since the high saturation magnetization material layer 33 is made of a permendur alloy (200 μm in thickness) of Co 49%, V 2%, and the balance of Fe, the magnetic saturation state can be slightly prevented, but 300 Oe inside the MRAM element 30. Even at the time of application, the magnetic field intensity is 47 Oe, becomes magnetically saturated when an external magnetic field of 500 Oe is applied, becomes 282 Oe, and becomes 488 Oe when 700 Oe is applied. It is applied inside.
[0075]
Therefore, in order to obtain a more effective shield structure, as shown in FIGS. 9A and 9B, a magnetic shield layer having a two-layer structure was manufactured based on the present invention. In FIG. 9A, the high saturation magnetization material layer 33 and the high magnetic permeability material layer 41 are omitted, but the external leads 31 on the front side are shown. In FIG. 9B, the high saturation magnetization material layer is shown. Although the layer 33 and the high magnetic permeability material layer 41 are shown, the external leads 31 on the front side are omitted.
[0076]
For the outermost layer, a 49% Co, V2%, Fe-permendur alloy (saturation magnetization Ms = 2.3T) is used as the high saturation magnetization material layer 33, and the high magnetic permeability material layer 41 is Ni 75% inside. , Mo 5%, Cu 1%, and the balance of Fe were used as a supermalloy alloy (initial magnetic permeability μi = 100,000).
[0077]
Here, the actual manufacturing process is as follows. First, in order to form a magnetic shield layer 48 composed of the high magnetic permeability material layer 41 and the high saturation magnetization material layer 33, the respective magnetic shield foils adjusted to a predetermined thickness are overlapped with each other by, for example, a pressing step. After being pressed by, for example, or bonded using a thin adhesive film (thickness: about 10 μm), this is cut into a predetermined size.
[0078]
Subsequently, in the case of forming a magnetic shield layer of a QFP 160 pin type package, a mold package was formed in accordance with a normal manufacturing process of the sealing material 32. Then, a magnetic shield layer including the high magnetic permeability material layer 41 and the high saturation magnetization material layer 33 was bonded to the upper and lower surfaces with a thin adhesive film (for example, about 10 μm thick).
[0079]
Here, even if the distance between the upper and lower portions of the magnetic shield layer fluctuates slightly, the magnetic shield effect is hardly affected, so that the influence of the thickness of the adhesive layer on the magnetic shield effect can be neglected.
[0080]
The MRAM package with the magnetic shield layer manufactured in this manner was mounted on a circuit board or the like by a normal mounting device, and then soldered to the circuit board through a reflow process or the like. Since the heating in this reflow step is usually about 260 ° C., it does not deteriorate the magnetic properties of the magnetic shield material.
[0081]
FIG. 10 shows 49% Co, V2% forming the outer layer of the magnetic shield layer, and the permendur alloy layer 33 of the remaining Fe, and Ni75%, Mo5%, Cu1% forming the inner layer, and the supermalloy alloy of the remaining Fe. The internal magnetic field strength inside the MRAM package when the thickness of the layer 41 is 100 μm and the total thickness of the magnetic shield layer is 200 μm is shown. The externally applied magnetic field strength was 300 Oe.
[0082]
As a result, the internal magnetic field intensity is 17.2 Oe, which is lower than the target value of 30 Oe. Compared with the results of FIGS. 7 and 8 in which each magnetic material layer 41 or 33 is a magnetic shield layer alone, It was found that the magnetic shielding effect was greatly improved.
[0083]
In FIG. 11, the inner layer of the magnetic shield layer is formed of 49% of Co, 2% of V, and the permendur alloy layer 33 of the balance of Fe, and the outer layer is formed of 75% of Ni, 5% of Mo, 1% of Cu, and the supermalloy alloy layer 41 of the balance of Fe. The figure shows the internal magnetic field strength inside the MRAM package when the thickness is 100 μm and the total thickness of the magnetic shield layer is 200 μm. The external magnetic field application strength was set to 300 Oe.
[0084]
As a result, the internal magnetic field strength is 19.4 Oe, which is slightly lower than the target value of 30 Oe, although the magnetic shield performance is slightly inferior to the internal magnetic field strength (17.2 Oe) shown in FIG. Also in this example, it was found that the magnetic shielding effect was greatly improved as compared with the results shown in FIGS. 7 and 8 in which each magnetic material layer 41 or 33 was used alone as a magnetic shielding layer.
[0085]
Subsequently, in order to investigate a more effective magnetic shield structure, the outer layer was made of 49% Co, 2% V, a permendur alloy layer 33 of the remaining Fe (saturation magnetization Ms = 2.3T), and the inner layer was made of Ni75. %, Mo 5%, Cu 1%, and the balance of superalloy in the superalloy alloy layer 41 (initial magnetic permeability μi = 100,000), and the total thickness of these is fixed at 200 μm, and the thickness of the two layers is fixed. The experiment was performed while changing only the amount. Table 1 in FIG. 12 shows the internal magnetic field strength at the package center at that time (hereinafter the same).
[0086]
From this result, when the thickness of the inner high-permeability material layer 41 increases, the magnetic shielding effect increases once. However, when most of the magnetic shield layer is replaced with the high-permeability material layer 41, the outer high-permeability material layer 41 has a high saturation. It has been found that since the magnetic material layer 33 is almost eliminated, the saturation magnetization decreases, the internal magnetic field intensity exceeds 30 Oe, and the magnetic shielding effect deteriorates.
[0087]
In this example, since the target is to reduce the internal magnetic field strength to 30 Oe or less, in order to realize this, the thickness ratio between the high saturation magnetization material layer 33 and the high magnetic permeability material layer 41 must be: It was found that the ratio was preferably from 4: 1 (160 μm: 40 μm, 30 Oe) to 3: 7 (60 μm: 140 μm, 30 Oe), and more preferably around 3: 2 (120 μm: 80 μm, 15 Oe).
[0088]
Subsequently, while keeping the thickness ratio between the high saturation magnetization material layer 33 and the high magnetic permeability material layer 41 constant, the internal magnetic field when the total thickness of these two layers is changed and reduced. The strength was measured. The results are shown in Table 2 of FIG.
[0089]
From this result, when the external applied magnetic field is 300 Oe, the magnetic shielding effect tends to be improved as the total thickness increases. For example, the thickness of the high saturation magnetization material layer 33 is set to 100 μm, and the thickness of the high magnetic permeability material layer is increased. Even when the thickness of 41 was 67 μm and the total thickness was 167 μm, the internal magnetic field strength was 19 Oe, indicating that a relatively good magnetic shielding effect could be secured.
[0090]
From the results, a 49% high saturation magnetization Co2%, V2%, Fe-remaining permendur alloy was used on the outside of the magnetic shield layer having the two-layer structure, and Ni75%, Mo5%, Cu1%, and Fe remaining on the inside. It was found that when a supermalloy alloy was used, the magnetic shielding effect could be exhibited even when the thickness was 100 μm and 67 μm, respectively, and the total thickness was 200 μm or less.
[0091]
Subsequently, while maintaining the magnetic shield structure, the effect when the package size was variously changed was measured.
[0092]
With the recent development of high-density packaging, package structures include not only QFPs but also SOPs (Single Outline Packages), LQFPs (Low Profile Quad Flat Packages), BGAs (Ball Grid Array Packages), and LFBGAs (Low Profile Packages). The density and the number of pins have been increased as in the case of LPG (Package) and LFLGA (Low Profile Fine Pitch Land Grid Array Package).
[0093]
Regarding the size of various packages, various package forms, for example, from 10 mm on one side to 40 mm at the maximum, have been put to practical use. These packages are variously applied according to the application form of the MRAM element. At this time, it is necessary to take care that the magnetic shield performance is not deteriorated by the package size.
[0094]
Normally, as shown in FIG. 8, the state of the magnetic field from the end to the center of the package tends to be highest at both ends of the package, and tends to decrease toward the inside. However, when the magnetic shield layer is magnetically saturated, the magnetic field intensity increases again from a certain distance, and reaches a maximum value at the center of the package. Since such a profile exists, it is considered that the internal magnetic field intensity actually varies variously depending on the length of one side of the magnetic shield layer.
[0095]
The experiments and examinations so far have been carried out by assuming a QFP160 pin package, fixing the length of one side of the magnetic shield layer to 28 mm, and fixing the distance between the upper and lower magnetic shield layers to 3.45 mm. As a result, the outermost layer was made of a 49% Co, V2% having a high saturation magnetization property, a permendur alloy layer of the balance of Fe, and a 75% Ni, 5% of Mo, 1% of Cu, and a supermalloy of 100% each of the balance of Fe, respectively. It was found that the structure having a thickness of 67 μm has good shielding performance and can be made thin.
[0096]
Next, Table 3 in FIG. 14 shows the magnetic field intensity distribution at the center of the package when the length of one side is changed from 10 mm to 40 mm while the thickness of each of the magnetic material layers 33 and 41 is maintained.
[0097]
As a result, when the length of one side of the magnetic shield layer is 30 mm or less, the internal magnetic field strength is 30 Oe or less, and almost effective magnetic shield characteristics can be maintained. However, when the length is 40 mm or more, the magnetic field exceeds 100 Oe. It has been found that an external magnetic field penetrates inside due to magnetic saturation at the center of the layer.
[0098]
Therefore, by using the magnetic shield structure of this example, in a normal package, under the condition that the thickness of the high saturation magnetization material layer 33 is 100 μm and the thickness of the high magnetic permeability material layer 41 is 67 μm, one side does not exceed 30 mm. It has been found that the range is applicable to almost all package structures.
[0099]
That is, the present invention can be applied to all conventional packages such as SOP, QFP, LQFP, BGA, LFBGA, and LFLGA without any problem. However, when the condition of the package changes, the condition such as the allowable length of one side also changes, so that it is not necessary to be 30 mm or less in all situations.
[0100]
On the other hand, the thickness of the package has been remarkably reduced in recent years. The thickness of the package is 3.5 mm to 4 mm, and the thickness of the package is 1 mm to 1.5 mm. Therefore, the distance between the magnetic shield layers may also vary from 1 mm to 4 mm.
[0101]
Therefore, in a normal package, under the condition where the thickness of the high saturation magnetization material layer 33 is 100 μm and the high magnetic permeability material layer 41 is 67 mm and the best magnetic shield characteristics are obtained, the length of one side of the magnetic shield layer is small. The relationship between the internal magnetic field strength and the distance between the magnetic shield layers (1 mm to 4 mm) at a constant value of 10 mm was examined. The results are shown in Table 4 of FIG.
[0102]
As a result, even if the distance between the magnetic shield layers is reduced from 4 mm to 1 mm, the magnetic field intensity at the center of the package becomes, for example, 14 Oe to 9 Oe when the externally applied magnetic field intensity is 300 Oe, and becomes 30 Oe. With the following, it became clear that there was not much change.
[0103]
Among them, as shown in FIG. 16, even if the distance between the magnetic shield layers is 4 mm, the internal magnetic field strength is reduced to 14 Oe in the magnetic field strength profile from the package end when the external magnetic field strength is 300 Oe. I was able to.
[0104]
Further, as shown in FIG. 17, if the distance between the magnetic shield layers was 1 mm, the internal magnetic field could be reduced to 9 Oe in the magnetic field intensity profile from the package end when the external magnetic field intensity was 300 Oe. .
[0105]
A comparison between the results of FIG. 16 and the results of FIG. 17 shows that when the distance between the magnetic shield layers is reduced, the internal magnetic field strength is more likely to be further reduced, and the effective length of the portion where the magnetic field is magnetically shielded is slightly longer. It turned out to be an advantage.
[0106]
From the above results, it is effective to structurally configure the magnetic shield with two layers, arrange the high saturation magnetization material layer 33 on the outside, and arrange the high magnetic permeability material layer 33 on the inside. It became clear.
[0107]
Here, in consideration of the practical use of the magnetic shield layer, various characteristics such as cost, ease of processing, presence / absence of heat treatment, and coefficient of thermal expansion are considered to influence the selection of the material. The results of various examinations of the materials used for each layer are as follows. First, the inner layer is made of Ni75%, Mo5%, Cu1%, and the super-alloy alloy of the balance of Fe, and the outer layer is made of pure iron with high saturation magnetization, FeSiB. Alternatively, the characteristics and results of the materials used are shown in Table 5 in FIG.
[0108]
Subsequently, the material of the outer high-saturation magnetization material layer 33 is fixed with Co49%, V2%, and the remainder of Fe with a permendur alloy, and the material of the inner high-permeability material layer 41 is made of permalloy or Co-based amorphous. The properties and results of the materials used are shown in Table 6 in FIG.
[0109]
As a result, according to Table 5 in FIG. 18, when the outer layer is made of pure iron, FeSiB, silicon steel plate, or the like having a high saturation magnetization, the internal magnetic field strength is 30 Oe or less in any of the examples. It can be said that it is appropriate.
[0110]
According to Table 6 in FIG. 19, even with permalloy, the internal magnetic field strength is 30 Oe or less, and sufficient characteristics can be obtained. However, not only the above Co-based amorphous but also Sendust, Finemet (registered trademark), etc. It was found that the magnetic field strength was 30 Oe or less, and the same effect was sufficiently obtained.
[0111]
Next, FIG. 20 shows the characteristics of the permeability (arbitrary unit) and the frequency (Hz) of Permalloy. 4 Assuming that the magnetic permeability is good from DC to around several kHz, the adaptive frequency of the magnetic shield structure of this example using permalloy can be applied not only to DC magnetic fields but also to AC magnetic fields.
[0112]
It is effective to dispose the high saturation magnetization material layer 33 on the outside, but the present invention is not limited to this. Having a sufficient magnetic shielding effect can be understood from the results shown in FIG.
[0113]
The embodiments described above can be variously modified based on the technical idea of the present invention.
[0114]
For example, the number of each magnetic material layer constituting the magnetic shield layer may not be limited to two layers, but may be three or more layers (for example, four layers) as shown in FIG. Good.
[0115]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an MRAM shield structure for sufficiently reducing an internal invasion magnetic field even when a large magnetic field of several hundred Oe acts on an MRAM element. It has a structure in which a laminate including a layer and a magnetic material layer having high magnetic permeability is arranged. Therefore, the magnetic material to be used is not limited to the above-mentioned materials, and any magnetic material having a different magnetic composition but a similar composition can be used.
[0116]
Further, the composition and type of the high saturation magnetization material and the high magnetic permeability 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 is located not only at the top and bottom of the MRAM device or package, but also at the top and / or bottom of the MRAM device on the outer surface of the package, and / or at the top and / or bottom of the MRAM device in the package. May be.
[0117]
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.
[0118]
Effects of the Invention
As described above, according to the present invention, the magnetic shield layer has a laminated structure including at least two soft magnetic layers, and the laminated structure includes the high saturation magnetization material layer and the high magnetic permeability material layer. By these layers, the external magnetic field is effectively weakened and transmitted to the outside, the internal magnetic field intensity of the magnetic memory device can be reduced, and the magnetic shielding effect is sufficiently exhibited. By applying such a magnetic shield layer to an MRAM element, an extremely useful and high-performance magnetic shield is particularly effective 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). The effect can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of various MRAM packages according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of another MRAM package.
FIG. 3 is a schematic sectional view of another MRAM package.
FIG. 4 is a schematic sectional view of still another MRAM package.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view when the internal magnetic field strength between the magnetic shield layers is measured.
6A and 6B are front views (a) and (b) of a specific example of an MRAM package having a single magnetic shield layer.
FIG. 7 is a distribution diagram of an internal magnetic field intensity when an externally applied magnetic field is 500 Oe when a high magnetic permeability material having a thickness of 200 μm is used for a magnetic shield layer (shield foil).
FIG. 8 is a distribution diagram of an internal magnetic field intensity when an externally applied magnetic field is 300 Oe, 500 Oe, and 700 Oe when a high saturation magnetization material having a thickness of 200 μm is used for a magnetic shield layer (shield foil).
FIGS. 9A and 9B are schematic front views (a) and (b) of a specific example of the MRAM package according to the embodiment of the present invention;
FIG. 10 shows a case where a magnetic shield layer (shield foil) made of a high magnetic permeability material and a high saturation magnetic material having a thickness of 100 μm is used. It is arrange | positioned outside and is a distribution diagram of the internal magnetic field intensity in case the external applied magnetic field is 300 Oe.
FIG. 11 shows that when a magnetic shield layer (shield foil) made of a high magnetic permeability material and a high saturation magnetic material having a thickness of 100 μm is used, the high magnetic permeability material is applied outside and the high saturation magnetic material is used. FIG. 9 is a distribution diagram of the internal magnetic field intensity when the externally applied magnetic field is set to 300 Oe and arranged inside.
FIG. 12 shows the relationship between the thickness of the high magnetic permeability material and the high saturation magnetization material and the internal magnetic field strength for each externally applied magnetic field strength when the total thickness of the high magnetic permeability material and the high saturation magnetization material is fixed. It is a table shown in FIG.
FIG. 13 is a table showing the relationship between the total thickness of the high magnetic permeability material and the high saturation magnetization material and the internal magnetic field strength for each externally applied magnetic field strength.
FIG. 14 is a table showing the relationship between the length of the magnetic shield layer and the internal magnetic field strength for each externally applied magnetic field strength when the total thickness of the high magnetic permeability material and the high saturation magnetization material is fixed.
FIG. 15 shows the relationship between the distance between the magnetic shield layers and the internal magnetic field strength when the total thickness of the high magnetic permeability material and the high saturation magnetization material and the length of the magnetic shield layer are fixed. It is a table shown for each.
FIG. 16 is a distribution diagram of an internal magnetic field intensity when an externally applied magnetic field is 300 Oe when a magnetic shield layer (shield foil) in which the distance between the magnetic shield layers is 4 mm is used.
FIG. 17 is a distribution diagram of internal magnetic field strength when an externally applied magnetic field is 300 Oe when a magnetic shield layer (shield foil) having a magnetic shield layer spacing of 1 mm is used.
FIG. 18 is a table showing the relationship between the material of the high saturation magnetization material and the internal magnetic field strength for each externally applied magnetic field strength when the material of the high magnetic permeability material is fixed.
FIG. 19 is a table showing the relationship between the material of the high magnetic permeability material and the internal magnetic field strength for each externally applied magnetic field strength when the material of the high saturation magnetization material is fixed.
FIG. 20 is a graph showing a correlation characteristic between frequency and magnetic permeability.
FIG. 21 is a schematic perspective view of a TMR element of an MRAM according to a conventional example.
FIG. 22 is a schematic perspective view of a part of the memory cell unit of the MRAM.
FIG. 23 is a schematic sectional view of a memory cell of the MRAM.
FIG. 24 is an equivalent circuit diagram of the MRAM.
FIG. 25 is a magnetic field response characteristic diagram of the MRAM at the time of writing.
FIG. 26 is a diagram illustrating the principle of a read operation of the MRAM.
FIG. 27 is a schematic sectional view of a shield structure covered with a high magnetic permeability material and a high saturation magnetization material.
[Explanation of symbols]
28, 48: magnetic shield layer, 30, 60: MRAM element (with built-in TMR element), 31: external lead, 32: sealing material, 33: high saturation magnetization material layer, 35: unevenness,
36: through hole, 37: Gauss meter, 40: die pad,
41: high magnetic permeability material layer, 51: top coat layer, 52: storage layer,
53: tunnel barrier layer, 54: first magnetization fixed layer, 55: antiferromagnetic coupling layer,
56: second magnetization fixed layer, 57: antiferromagnetic layer, 58: underlayer,
59: support substrate, 60: memory cell (TMR element), 61: bit line,
62: write word line, 63: silicon substrate, 64: well region,
65: gate insulating film, 66: gate electrode, 67: source region,
68 ... Drain region,
69 ... read-out field effect transistor (selection transistor),
70 ... source electrode, 71 ... sense line, 72 ... readout wiring,
73: drain electrode, 76: fixed magnetization layer

Claims (10)

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、前記メモリ素子が磁気シールド層によって磁気シールドされている磁気メモリ装置において、前記磁気シールド層が、少なくとも2層の軟磁性体層を含む積層構造からなり、この積層構造が高透磁率材料層と高飽和磁化材料層とを含むことを特徴とする磁気メモリ装置。It is 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, and the memory element is magnetically shielded by a magnetic shield layer. Wherein the magnetic shield layer has a laminated structure including at least two soft magnetic layers, and the laminated structure includes a high magnetic permeability material layer and a high saturation magnetization material layer. Magnetic memory device. 磁化可能な磁性層を有するメモリ素子が磁気シールド層によって磁気シールドされている磁気メモリ装置において、前記磁気シールド層が、少なくとも2層の軟磁性体層を含む積層構造からなり、この積層構造が高透磁率材料層と高飽和磁化材料層とを含むことを特徴とする磁気メモリ装置。In a magnetic memory device in which a memory element having a magnetizable magnetic layer is magnetically shielded by a magnetic shield layer, the magnetic shield layer has a laminated structure including at least two soft magnetic layers. A magnetic memory device comprising a magnetic permeability material layer and a high saturation magnetization material layer. 前記メモリ素子の側から順に、前記高透磁率材料層と前記高飽和磁化材料層とが配置されている、請求項1又は2に記載の磁気メモリ装置。3. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the high magnetic permeability material layer and the high saturation magnetization material layer are arranged in order from the side of the memory element. 前記高透磁率材料層及び前記高飽和磁化材料層を含む前記積層構造が、前記メモリ素子を封止してなるパッケージの上部及び/又は下部、或いは/並びに、前記パッケージ中における前記メモリ素子の上部及び/又は下部に配置されている、請求項1又は2に記載の磁気メモリ装置。The stacked structure including the high magnetic permeability material layer and the high saturation magnetization material layer includes an upper part and / or a lower part of a package enclosing the memory element, and / or an upper part of the memory element in the package The magnetic memory device according to claim 1, wherein the magnetic memory device is disposed at a lower portion of the magnetic memory device. 前記高飽和磁化材料層と前記高透磁率材料層との厚さの比が4:1〜3:7である、請求項1又は2に記載の磁気メモリ装置。3. The magnetic memory device according to claim 1, wherein a thickness ratio between the high saturation magnetization material layer and the high magnetic permeability material layer is 4: 1 to 3: 7. 前記磁気メモリ装置内の内部磁界が30Oe以下である、請求項5に記載の磁気メモリ装置。The magnetic memory device according to claim 5, wherein an internal magnetic field in the magnetic memory device is equal to or less than 30 Oe. 直流の外部磁界又は/及び交流の外部磁界に対する磁気遮断効果を有する、請求項1又は2に記載の磁気メモリ装置。3. The magnetic memory device according to claim 1, wherein the magnetic memory device has a magnetic shielding effect against a DC external magnetic field and / or an AC external magnetic field. 前記高透磁率材料層が、
Ni75〜78重量%、Cr2〜3重量%、Cu4〜6重量%、Fe残部;
Ni75〜80重量%、Mo3〜5重量%、Cu1〜6重量%、Fe残部;
Ni79〜82重量%、Mo3.5〜6重量%、Fe残部;及び
Ni75〜78重量%、Mo3〜4.5重量%、Cu4〜6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おり、かつ、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に記載の磁気メモリ装置。
The high magnetic permeability material layer,
Ni 75 to 78% by weight, Cr 2 to 3% by weight, Cu 4 to 6% by weight, Fe balance;
Ni 75 to 80% by weight, Mo 3 to 5% by weight, Cu 1 to 6% by weight, Fe balance;
79 to 82% by weight of Ni, 3.5 to 6% by weight of Mo, and the balance of Fe; and 75 to 78% by weight of Ni, 3 to 4.5% by weight of Mo, 4 to 6% by weight of Cu and the balance of Fe;
Wherein the high saturation magnetization material layer is formed of at least one soft magnetic material selected from the group consisting of
2-3% by weight of Si, balance of Fe;
47-50% by weight of Co, balance of Fe;
35-40% by weight of Co, balance of Fe;
Co 23 to 27% by weight, Fe balance; and Co 48 to 50% by weight, V1 to 3% by weight, Fe balance;
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:
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に記載の磁気メモリ装置。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. 4. 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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