JP2005236169A - 磁気シールド体、磁気シールド構造及び磁気メモリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気飽和を緩和させ、ＭＲＡＭを始めとする磁気デバイスにとって好適な高性能な磁気シールド効果を実現すること。
【解決手段】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（記憶層）とがトンネルバリア層を介して積層されてなるＴＭＲ素子からなる磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）３０が樹脂等の封止材３２によって封止されている磁気メモリ装置に好適であって、ＭＲＡＭ３０を磁気シールドするために封止材３２上に設けた磁気シールド板６２Ａ、６２Ｂの平面形状又は断面形状が、外部磁界の方向とほぼ垂直な辺とほぼ平行な辺とが直交しない形状、特に円形、多角形等であることによって、磁気シールド板の磁気飽和を緩和して磁気シールド効果を保持できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、外部磁界の侵入を避ける手段としての磁気シールド体と、この磁気シールド体を用いた磁気シールド構造及び磁気メモリ装置に関するものである。

近年、ますます悪化する電磁環境の中で、静磁界の分野においても磁気障害が増加し、高性能でしかも簡略的かつ安価な磁気シールド方法が要求されている。

超伝導応用機器からの漏洩磁界から電子機器を保護するためや、電子線を利用した装置において磁界により電子線が偏向することを避ける目的として、十分な磁気シールドが重要である。また、特に磁気記録の分野において、磁気シールドはより重視されている。パーマロイなどの高透磁率材料が用いられているオーディオ用磁気ヘッドは、磁気シールドなしには使用することができない。さらには、フレキシブルディスク、ハードディスクなどの磁気記録ディスクや、キャッシュカード、クレジットカードなどの磁気記録カードといった磁気記録媒体の普及に伴い、外部磁界からの情報の保護を目的として磁気シールドが必要とされている。

また、高速、大容量（高集積化）、低消費電力、小型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る。これは、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。

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。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。

こうしたＭＲＡＭについて更に詳細に説明すると、図２０に概略的に示すように、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子となるＴＭＲ素子１０は、磁化方向が固定された磁化固定層２６と、磁化が比較的容易に回転する記憶層２とがトンネルバリア層３を介して積層された構造からなるメモリ素子である。

記憶層２と磁化固定層２６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、またトンネルバリア層３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の絶縁体からなっていて、記憶層２と磁化固定層２６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。

図示省略したが、磁化固定層２６は第１の磁化固定層と第２の磁化固定層とを有し、これらが反強磁性的に結合するようなルテニウム、銅、クロム、金、銀などの導体層が両磁化固定層間に挟持されていてよく、また第２の磁化固定層は、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の反強磁性体層と接していて、これらの層間に働く交換相互作用によって、第２の磁化固定層は強い一方向の磁気異方性を持つことになる。

メモリセルにおいては、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。ＴＭＲ素子１０は、最上層の導電層を介してビット線１１に接続され、また下部では絶縁層を介してワード線１２が設けられている。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。

図２１は、ＭＲＡＭの等価回路図を示すが、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。

図２２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Ｈ_ＥＡ及び磁化困難軸方向磁界Ｈ_ＨＡ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_K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。

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Ｈ_ＥＡと磁化困難軸方向磁界Ｈ_ＨＡ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Ｈ_ＥＡ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Ｈ_ＨＡを印加する。

図２３は、ＭＲＡＭの読み出し動作を説明するものである。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って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。

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。即ち、磁性スピンの向きを１８０°回転させることにより“０”、“１”を書き込み、スピンの向きで生じる抵抗差によりそれを読み出しているが、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。

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。

磁気シールド手段の形状および構造は、主に被磁界をさける空間を高透磁率材料、高飽和磁化材料で覆い囲むといった方法が一般的である。また、被磁界をさける空間が小さい場合は、２枚の磁気シールド板でその空間を挟む構造（サンドウィッチ構造）も考えられる。

ＭＲＡＭの磁気シールド構造としては、ＭＲＡＭ素子のパッ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）。

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。そのためには、素子を磁気シールド層で完全に覆ってしまうことが最良の手段であるが、実際のシールド構造の作製が困難であり、容易に作製することができる磁気シールドが望まれる。

そこで、本出願人は、簡易に磁気シールド層を設け、高性能な磁気遮蔽効果を実現できるＭＲＡＭを特願２００２−３５７８０６として既に提起した。これを以下、先願発明と称する。

この先願発明によれば、図２４に示すように、上述したと同様に磁化方向が固定された磁化固定層２６と、磁化方向の変化が可能な磁性層２とがトンネルバリア層３を介して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）３０が樹脂等の封止材３２によって封止されたパッケージにおいて、ＭＲＡＭ３０を磁気シールドするための平面形状が直方体形状の磁気シールド層（磁気シールド板）５２Ａ、５２Ｂが、封止材３２の一方の外面及び／又は他方の外面に接して（或いは、封止材３２の内部においてＭＲＡＭ３０とは非接触状態でその少なくとも一方の側に）設けられている。なお、図中の４１は、ＭＲＡＭ３０を固定するためのダイパッド、３１は外部リードであるが、ＭＲＡＭ３０と外部リード３１とを接続するための例えばワイヤボンディングは図示省略している。

従って、先願発明の磁気メモリ装置によれば、ＭＲＡＭ３０が樹脂等の封止材３２でモールド処理したパッケージとして主に用いられることに着目して、磁気シールド層５２Ａ、５２Ｂをモールドされたパッケージ封止材３２の一方の外面（例えばメモリ素子のチップ表面側のパッケージ上面）やその他方の面（例えばメモリ素子のチップ裏面側のパッケージ下面）に、粘着剤等によってＭＲＡＭ３０又は外部磁界（磁力線）とほぼ平行に貼り付ける構造にすることにより、磁気シールドにとって効果的な形状に加工した磁気シールド層５２Ａ、５２Ｂを容易に装着若しくは脱着することができ、或いは、モールド時に金型内に磁気シールド層５２Ａ、５２Ｂを配置するだけでメモリ素子３０の少なくとも一方の側において封止材３２中の所定位置に容易に埋設することができる。このため、ＭＲＡＭにとって高性能な磁気シールドを簡易に実現することができ、磁気シールドに関する実装作業を簡易化することができ、また、このパッケージは回路基板に実装する場合にも好適な構造及び形状となる。

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） 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） 特開2001-250206号公報（第５頁右欄、図６）

磁性材料を使用した磁気シールド効果は、図２５に示すように考えると理解し易い。図２５（Ａ）は、外部磁界Ｈ_O中に、内部に空洞５０を設けた断面リング状の磁性体５１を置いた状態を示したものである。磁性体５１は、磁界の影響を受けて磁化され、磁極を持つようになり、この磁性体に発生した磁極は、周囲の外部磁界と逆方向の磁界を発生させる。この逆方向磁界と周囲の磁界とを合成すると、図２５（Ｂ）に示すように、磁性体５１に囲まれた内部の空間は、内部磁界Ｈｉを持つ微小磁界空間になり、磁性体５１がシールド効果を生じたことになる。

しかしながら、主に被磁界をさける空間を上記の如き高透磁率材料、高飽和磁化材料からなる磁性体５１で覆い囲むといった構造では、小型化、軽量化の傾向にある機器の実装には好ましくない。また、被磁界を避ける空間が小さい場合は、２枚の磁気シールド板でその空間を挟む構造（サンドウィッチ構造）が考えられるが、機器の実装やその重量も考慮すると、より少ない体積で、より大きいシールド効率を実現する磁気シールド板の形状や構造とすることが不可欠である。

特に、外部磁界Ｈ_Oが大きくなり、磁気シールド材料の飽和磁束密度の限界に近づくに従って磁気飽和が始まる。磁気シールド体の内部にて磁力線が集中する部分から磁気飽和が始まり、透磁率の減少が生じ、この結果、磁気シールド効果が低下する。このためにも、磁気シールド体の内部における磁気飽和を緩和することが必要である。

一般に、磁力線は空気と高透磁率材料との境界において高透磁率材料の表面に対しほぼ垂直になり、磁性体中の磁力線密度（磁束密度）が密になり、磁性体で囲まれた空間は疎になる、という認識がある。これを考慮すると、図２６に示すような直方形状（例えば正方形）の平面形状の磁気シールド板５２の場合、外部磁界方向と垂直な端面部分ａ（図２（ａ））と、平行な端面部分ｂから侵入してくる磁界によって、磁性体中に磁力線が集中する部分ｃが生じてしまい、この結果、磁気飽和を生じ易くなり、磁気シールド効果が低下する。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであって、その目的は、磁気シールド体の形状や構造の改良により磁気飽和を緩和させ、ＭＲＡＭを始めとする磁気デバイスにとって好適で高性能な磁気シールドを実現することにある。

即ち、本発明は、平面形状又は／及び断面形状において、外部磁界の侵入側及び放出側の各辺とその隣接辺とのなす角度が、それぞれ鈍角である、磁気シールド体に係り、また前記平面形状又は／及び断面形状がｍ角形（但し、ｍは、ｍ≧４の条件を満たす整数である。）であり、前記各辺と前記隣接辺とがなす角部が外向きの曲線状をなしている、磁気シールド体にも係るものである。

また、本発明は、平面形状又は／及び断面形状が、その全域で連続した面を形成していると共に、その外周辺のうち、少なくとも外部磁界の侵入側及び放出側が外向きの曲線状をなしている、磁気シールド体を提供するものである。

また、本発明は、本発明の磁気シールド体の少なくとも１つが設置されてなる、磁気シールド構造も提供するものである。

更に、本発明は、磁気メモリ部を有し、この磁気メモリ部に対向して、本発明の磁気シールド体を有する、磁気メモリ装置も提供するものである。

なお、本発明において、上記した「外部磁界の侵入側及び放出側の各辺とその隣接辺」とは、外部磁界の侵入又は放出側において外部磁界方向と交差する（特に、垂直又は実質的に垂直の）各辺に隣接する（若しくは連続する）辺を意味し、更にこれらの辺が上記した「角度」又は「角部」をなしている。

本発明によれば、磁気シールド体の平面形状又は／及び断面形状として、外部磁界の侵入側及び放出側の各辺とその隣接辺とのなす角度が、それぞれ鈍角であること、ｍ角形（但し、ｍは、ｍ≧４の条件を満たす整数である。）であって前記各辺と前記隣接辺とがなす角部が外向きの曲線状をなしていること、或いは、全域で連続した面を形成していると共に、外周辺のうち、少なくとも外部磁界の侵入側及び放出側が外向きの曲線状をなしていること、といった磁気シールド体形状としているので、外部磁界の侵入側及び放出側における磁気シールド体の各辺とその隣接辺とが直交しない（若しくは実質的に直交しない）ことになり、これら両辺から侵入し又は放出される磁界が磁気シールド体中で集中することを低減することができ、これによって磁気飽和を緩和して磁気シールド効果を十分に保持することができる。

本発明においては、本発明の効果を確実かつ十二分に奏するためには、前記各辺と前記隣接辺とのなす角度が、それぞれ９０°を超える大きさ（即ち、鈍角）とすべきであるが、特にこの角度は１０８°以上、１８０°未満とするのが望ましい。これが１０８°未満であると、磁気シールド体内での磁界の集中が増大し、また１８０°以上であると、これによって生じる角部での磁界の集中が生じ易くなる。

この場合、前記外部磁界の方向又は前記メモリ部とほぼ平行（完全に平行か或いは実質的に平行）な面内における前記平面形状又は／及び前記断面形状がｎ角形（但し、ｎは、ｎ≧５、更には∞＞ｎ≧５の条件を満たす整数である。）であるのがよい。

また、前記平面形状又は／及び前記断面形状がｍ角形である場合、∞＞ｍ≧４とするのがよく、このｍ角形における外向き曲線状の前記角部が、直線状の両辺間に存在しているのがよいが、この角部の外部磁界方向の長さ（特に角部の半径）ｒと、これに隣接する直線状の辺の長さ（特に外部磁界方向の長さ）Ｌとの比は、前記平面形状ではｒ／Ｌ≧１／４、前記断面形状ではｒ／Ｌ≧１／３とするのが望ましい。この範囲を外れてこの比が小さくなると、曲線状の角部が小さくなりすぎて上記した磁気シールド体内での磁界の集中が増大し易い。また、前記断面形状において、長手方向（前記メモリ部とほぼ平行な方向）の長さＤ₁と短辺（前記メモリ部とほぼ垂直方向）の長さＤ₂との比は、Ｄ₁／Ｄ₂≧５とするのが望ましい。

また、前記平面形状又は／及び前記断面形状がその全域で連続した面を形成していて、その外周辺の少なくとも外部磁界侵入側及び放出側が外向きの曲線状をなしている場合、特に、前記平面形状又は／及び前記断面形状が円形又は楕円形であるのが望ましい。

また、本発明の磁気シールド体（特に板状の磁気シールド板）は、その少なくとも１つが外部磁界とほぼ平行に設置された磁気シールド構造とするのがよく、これは磁気メモリ装置に適用する場合も同様としてよいが、磁気メモリ部又は磁気ランダムアクセスメモリに対向してこれとほぼ平行に配置されるのがよい。特に、本発明の磁気シールド体は、小さいサイズにも拘らず磁気シールド効果に優れているので、磁気ランダムアクセスメモリに好適であるが、他の磁気メモリ等の磁気デバイスにも適用してよい。

この場合、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）として前記磁気メモリ部が構成され、前記磁気ランダムアクセスメモリに対向して、磁気シールド体を有するのがよい。そして、前記磁気シールド体の一対が平行に設置され、これらの磁気シールド体間に、前記磁気メモリ部又は磁気ランダムアクセスメモリが配置されているのがよい。

なお、本発明において、前記磁気シールド体を形成するためのシールド材料としては、純鉄、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｃｏ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系及びフェライト系等が挙げられる。その中でも、ある程度の透磁率を有することは勿論であるが、外部磁界に対して容易に飽和することのない高飽和磁化を有する材料が望ましい。このような材料としては、１．８テスラ（Ｔ）以上の飽和磁化を有する材料、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が望ましい。

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。

図１及び図２は、本実施の形態による各種の磁気シールド板６２の平面形状をそれぞれ例示するものである。

図１は、磁気シールド板の平面方向での磁気飽和を緩和するための理想的な平面形状、即ち円形の磁気シールド板６２を示すものである。この円形の磁気シールド板６２は、図２６に示したような外部磁界の侵入及び放出方向と垂直な端面部分ａ及び平行な端面部分ｂは殆ど存在していないから、これらが直交する領域が存在しないことになるので、外部磁界による磁界（磁力線）が磁気シールド板６２内で集中することがない。この結果、磁気飽和を十二分に緩和でき、磁気シールド効果を大きく向上させることができる。

図２（Ａ）には、多角形（ｎ角形：∞＞ｎ≧５、例えばｎ＝８）の平面形状の磁気シールド板６２を示す。図１と同様に図面下部を外部磁界侵入側、上部を外部磁界放出側としたとき、外部磁界侵入側（外部磁界方向と垂直）の一辺６２ａとこれに隣接する隣接辺６２ｂとのなす角度θは、鈍角：∞＞θ＞９０°、特に１８０°＞θ≧１０８°、例えば１３５°とする。この角度が１０８°未満であると、磁気シールド板６２内での磁界の集中が増大し、また１８０°以上になると、多角形を形成できないか、或いは仮想線のようないびつな角部が生じてこの角部での磁界の集中が生じ易くなる。

図２（Ａ）の磁気シールド板６２は、両辺６２ａと６２ｂとが直交せず、直交状態から大きくずれるために、両辺から侵入する磁界の集中を低減することができる。これは、外部磁界放出側の両辺６２ｃ、６２ｄについても同様である。

図２（Ｂ）は、多角形（ｍ角形：∞＞ｍ≧４、例えばｍ＝４）の平面形状の磁気シールド板６２を示す。外部磁界侵入側（外部磁界方向と垂直）の一辺６２ａと、これに隣接する隣接辺６２ｅとのなす角部６０を外向き円弧状に丸めて（アールをつけて）いる。これによって、辺６２ａと角部６０の辺とが直交せず、直交状態から大きくずれるために、図１に示したと同様に、侵入する磁界の集中を低減することができる。これは、外部磁界放出側についても同様である。

但し、外向き円弧状の角部６０は、直線状の両辺６２ａ、６２ｅ間に存在しているのがよいが、この角部の外部磁界方向の長さ（角部の半径）ｒと、これに隣接する直線状の辺６２ｅの長さ(外部磁界方向の長さ)Ｌとの比は、ｒ／Ｌ≧１／４とするのが望ましい。この範囲を外れてこの比が小さくなると、円弧状の角部６０が小さくなりすぎて磁気シールド体内での磁界の集中が増大し易い。

図２（Ｃ）は、楕円形の平面形状の磁気シールド板６２を示す。これは、図１に示した円形の磁気シールド板と同様に磁気飽和の緩和作用に優れ、磁気シールド効果が良好である。

図３は、磁気シールド板に対しその厚み（断面）方向へも外部磁界が侵入及び放出することを考慮して、厚み方向での磁気飽和を緩和するための理想的な断面形状、即ち断面円形の磁気シールド板７２を示すものである。この断面円形の磁気シールド板７２は、外部磁界の侵入及び放出方向と垂直な端面部分及び平行な端面部分は殆ど存在していないから、これらが直交する領域が存在しないことになるので、外部磁界による磁界（磁力線）が磁気シールド板７２内で集中することがない。この結果、磁気飽和を十二分に緩和でき、磁気シールド効果を大きく向上させることができる。

図４（Ａ）には、多角形（ｎ角形：∞＞ｎ≧５、例えばｎ＝８）の断面形状の磁気シールド板７２を示す。図３と同様に、図面下部を外部磁界侵入側、上部を外部磁界放出側としたとき、外部磁界侵入側（外部磁界方向と垂直）の一辺７２ａとこれに隣接する隣接辺７２ｂとのなす角度θは、鈍角：∞＞θ＞９０°、特に１８０°＞θ≧１０８°、例えば１３５°とする。この角度が１０８°未満であると、磁気シールド板７２内での磁界の集中が増大し、また１８０°以上になると、多角形を形成できないか、或いは図２（Ａ）で仮想線で示したと同様のいびつな角部が生じてこの角部での磁界の集中が生じ易くなる。

図４（Ａ）の磁気シールド板７２は、両辺７２ａと７２ｂとが直交せず、直交状態から大きくずれるために、両辺から侵入する磁界の集中を低減することができる。これは、外部磁界放出側の両辺７２ｃ、７２ｄについても同様である。

但し、図４（Ａ）の右側に示すように、実際には、磁気シールド板７２の断面形状において、長手方向（後述のメモリ部とほぼ平行な方向又は図面水平方向）の長さＤ₁と短辺（後述のメモリ部とほぼ垂直方向）の長さＤ₂との比は、Ｄ₁／Ｄ₂≧５とするのが望ましい（以下、同様）。この断面は、図２（Ａ）のIV−IV線に沿う断面に相当するものである（以下、同様）。

図４（Ｂ）は、多角形（ｍ角形：∞＞ｍ≧４、例えばｍ＝４）の断面形状の磁気シールド板７２を示す。外部磁界侵入側（外部磁界方向と垂直）の一辺７２ａと、これに隣接する隣接辺７２ｅとのなす角部７０を外向き円弧状に丸めて（アールを付けて）いる。これによって、辺７２ａと角部７０の辺とが直交せず、直交状態から大きくずれるために、図３に示したと同様に、侵入する磁界の集中を低減することができる。これは、外部磁界放出側についても同様である。

但し、外向き円弧状の角部７０は、直線状の両辺７２ａ、７２ｅ間に存在しているのがよいが、この角部の外部磁界方向の長さ（角部の半径）ｒと、これに隣接する直線状の辺７２ｅの長さ（外部磁界方向の長さ）Ｌとの比は、ｒ／Ｌ≧１／３とするのが望ましい。この範囲を外れてこの比が小さくなると、円弧状の角部７０が小さくなりすぎて磁気シールド体内での磁界の集中が増大し易い。

図４（Ｃ）は、楕円形の断面形状の磁気シールド板７２を示す。これは、図３に示した断面円形の磁気シールド板と同様に磁気飽和の緩和作用に優れ、磁気シールド効果が良好である。

図５には、図２４に示したと同様に、磁化方向が固定された磁化固定層２６と、磁化方向の変化が可能な磁性層２とがトンネルバリア層３を介して積層されてなるメモリ素子から磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）３０が樹脂等の封止材３２によって封止されたパッケージを示し、ＭＲＡＭ３０を磁気シールドするための磁気シールド層、例えば平面形状が円形の磁気シールド板６２Ａ、６２Ｂが、封止材３２の一方の外面及び／又は他方の外面に接して（或いは、封止材３２の内部においてＭＲＡＭ３０とは非接触状態でその少なくとも一方の側に）設けられている。なお、図中の４１はＭＲＡＭ３０を固定するためのダイパッド、３１は外部リードであるが、ＭＲＡＭ３０と外部リード３１とを接続するための例えばワイヤボンディングは図示省略している。

この磁気メモリ装置は、外部磁界の影響を受け易いＭＲＡＭ３０を内蔵しているが、例えばＭＲＡＭ３０を両側からサンドウィッチする如くに封止材３２上に設けた一対の磁気シールド板６２Ａ、６２Ｂが例えば図１に示した円形の平面形状を有しているので、ＭＲＡＭ３０に対してほぼ平行の外部磁界がＭＲＡＭ３０とほぼ平行に配した磁気シールド板６２Ａ、６２Ｂに侵入しても容易には磁気飽和せず、小型であるにも拘らず磁気シールド効果を十分に保持してＭＲＡＭ３０の性能、特に書き込み特性を向上させることができる。

また、この磁気メモリ装置は、上述した先願発明と同様に、ＭＲＡＭ３０が樹脂等の封止材３２でモールド処理したパッケージとして主に用いられることに着目して、磁気シールド板６２Ａ、６２Ｂをモールドされたパッケージ封止材３２の一方の外面（例えばメモリ素子のチップ表面側のパッケージ上面）やその他の面（例えばメモリ素子のチップ裏面側のパッケージ下面）に、粘着剤等によってＭＲＡＭ３０又は外部磁界（磁力線）とほぼ平行に貼り付ける構造にすることにより、磁気シールドにとって効果的な形状に加工した磁気シールド板６２Ａ、６２Ｂを容易に装着若しくは脱着することができ、或いは、モールド時に金型内に磁気シールド層６２Ａ、６２Ｂを配置するだけでメモリ素子３０の少なくとも一方の側において封止材３２中の所定位置に容易に埋設することができる。このため、ＭＲＡＭにとって高性能な磁気シールドを簡易に実現することができ、磁気シールドに関する実装作業を簡易化することができ、また、このパッケージは回路基板に実装する場合にも好適な構造及び形状となる。

また、上述した形状・構造の磁気シールド板を用いて、その磁気飽和の緩和現象について確認するため、シミュレーションによる磁気シールド効果の解析を行った。

シミュレータには公知のＡＮＳＹＳを用い、解析構造は正方形の磁気シールド平板２枚によるシールド構造、及び円形の磁気シールド平板２枚によるシールド構造とし、両者の比較を行った。なお、ＡＮＳＹＳは、Ｊｏｈｎ Ａ．Ｓｗａｎｓｏｎ博士により開発され、電気、熱、構造解析など、あらゆる有限要素法解析の要求を満たしているシミュレーションプログラムである。解析機能は線形・非線形構造解析、定常・非定常伝熱解析、熱流体解析、電磁場解析、圧電解析、音響解析、衝撃／落下問題まで幅広く用意されており、その豊富な解析機能と、特にマルチフィジックスと呼ばれる柔軟な連成解析機能が広範囲のユーザの要求を満たし、世界中で最も高く評価されるＣＥＡプログラムに発展している（http://www.cybernet.co.jp/ansys/information/ansys.html より）。

図６には、本解析に用いた磁気シールド構造について示す。従来の正方形の磁気シールド平板５２Ａ、５２Ｂは１４×１４×０．２５ｍｍであり、２枚の磁気シールド平板５２Ａ、５２Ｂの間隔は３．４５ｍｍとした。また、本発明に基づく円形の磁気シールド平板６２Ａ、６２Ｂはφ１５．８×０．２５ｍｍであり、２枚の磁気シールド平板６２Ａ、６２Ｂの間隔は３．４５ｍｍとした。なお、これらの正方形シールド（モデル１）及び円形シールド（モデル２）の体積は両者とも等しく、外部磁界として印加する磁界強度は、７９５７．７５Ａ／ｍ（１００Ｏｅ）および２３８７３．２４Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）とした。

本解析で用いた磁気シールド板はＦｅ−Ｓｉ系とし、その材料特性は図７に示す。図７は、印加磁界に対する磁束密度の関係（ＨＢ曲線）を示している。

図８及び図９、図１０及び図１１には、それぞれ正方形シールド及び円形シールドの８分の１（図６に示す測定用の単位領域５２Ａ’、６２Ａ’）の解析モデルを示す。解析境界を対象条件とすることにより、８分の１モデルでの解析が可能となる。図８、図１０には、それぞれの概念図を示すが、外部磁界は、図中に示すような外部磁場駆動コイルをモデル作成し、そのコイルに電流を流すことにより生じる磁界を印加した。図９、図１１には、正方形シールド及び円形シールドをそれぞれ解析した細区分をメッシュの状態で示し、図９（Ａ）及び図１１（Ａ）は全体像を示し、図９（Ｂ）及び図１１（Ｂ）は磁気シールド板部分を拡大して示しており、磁気シールド板５２Ａ’６２Ａ’の位置も示している。

図１２、図１３には、正方形磁気シールド板５２Ａ’（モデル１）に７９５７．７５Ａ／ｍ（１００Ｏｅ）及び２３８７３．２４Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）の磁界を印加した場合における磁気シールド板５２Ａ’の断面方向（Ａ）と平面方向（Ｂ）での解析結果をそれぞれ示す。（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、磁気シールド板断面、平面を２次元で見た磁気シールド板周りの空間面における解析結果である。印加磁界方向は矢印で示し、それぞれの磁界強度［Ａ／ｍ］に応じた磁気シールド板周りの磁界の向きを細かい矢印で示している。

図１２及び図１３より、磁気シールド板周りには磁界が集中し（このモデル１では磁気シールド板からの放出磁界を示すが、この磁界集中状態は磁気シールド板への侵入磁界を受ける他の単位領域についても同様である：以下、同様）、特に図１２中のＡで示した外部磁界方向と垂直な端面部分の磁界強度は大きくなっていることが分かる。一方、図１２中のＢ（図１３でも同様）で示した磁気シールド板の内側（図面では磁気シールド板の下方）の磁界強度は小さな値となっている。これより、外部磁界が磁気シールド板によって集められ、２枚の磁気シールド板によって挟まれた内部空間への外部磁界の漏洩をシールドしていることが分かる。また、図１２（Ｂ）に示した平面解析結果から、外部磁界は、図１２（Ｂ）中のＣ（図１３（Ｂ）でも同様）で示した外部磁界方向と平行な端面部分からも磁気シールド板外へ放出（或いは、磁気シールド板内へ侵入）し、特に図中の下部右側角部に集中していることが分かる。

図１４には、モデル１において磁気シールド板内部での磁化状態の平面解析結果を示す。外部磁界方向は矢印で示した。また、濃淡で表わされている領域は、それぞれの磁気シールド板内部における磁束密度量［Ｔ］を示しており、濃い領域ほど磁束密度量が大きく、薄い領域に近づくほど磁束密度量が小さいことを示している（以下、同様）。なお、図１４（Ｂ）中に示されている白っぽい部分は１．６Ｔ以上、つまり磁気シールド板の磁気飽和が生じている（つまり飽和磁束密度に達している）ことを示す。

図１４より、モデル１では、外部磁界が大きくなるに従い、外部磁界方向と平行な端面の中心部分（図１４（Ａ）中のＡ）から飽和し始めることが分かる。このことは、図１２（Ｂ）による結果と照らし合わせると、外部磁界方向と垂直な端面部分から放出（又は侵入）する磁界と、平行な端面部分から放出（又は侵入）する磁界とが最も重なり合う部分（磁束が最も密になる部分）に相当している。そして、２３８７３．２４Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）の磁界を印加した場合、図１４（Ｂ）に示すように、正方形磁気シールド板では磁気飽和が生じている。このように、磁気飽和過程は、外部磁界方向と平行な端面の中心部分から磁気シールド板中心部へ向けて進行していくことが分かる。

図１５及び図１６には、円形磁気シールド板６２Ａ（モデル２）に７９５７．７５Ａ／ｍ（１００Ｏｅ）及び２３８７３．２４Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）の磁界を印加した場合における磁気シールド板６２Ａ’の断面方向（Ａ）と平面方向（Ｂ）での解析結果をそれぞれ示す。（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、磁気シールド板断面、平面を２次元で見た磁気シールド板周りの空間面における解析結果である。印加磁界方向は矢印で示し、それぞれの磁界強度［Ａ／ｍ］に応じた磁気シールド板周りの磁界の向きを細かい矢印で示している。

図１５及び図１６より、磁気シールド板周りには磁界が集中し、特に図１５中のＡで示した部分の磁界強度は大きくなっていることが分かる。一方、図１５中のＢ（図１６でも同様）で示した磁気シールド板の内側（図面では磁気シールド板の下方）の磁界強度は小さい値となっている。これより、外部磁界が磁気シールド板によって集められ、２枚の磁気シールド板によって挟まれた内部空間への外部磁界の漏洩をシールドしていることが分かる。また、図１５（Ｂ）及び図１６（Ｂ）に示した平面解析結果から、外部磁界は、端面に対してほぼ垂直に磁気シールド板から放出（又は磁気シールド板内へ侵入）していることが分かる。

ここで、図１５及び図１６の平面解析結果と、図１２及び図１３の平面解析結果とにおける磁界強度は異なっている。これは、正方形と円形の２種の磁気シールド板において、磁気シールド板平面の面積および体積は等しいが、それぞれの側面積及び平面形状が異なるために、面方向で見た際の磁界強度は異なり、磁界の集中状態が異なる、ということを示しており、円形の磁気シールド板の効果が優れていることが分かる。

図１７には、モデル２において磁気シールド板内部での磁化状態の平面解析結果を示す。外部磁界方向は矢印で示した。また、濃淡で示されている領域は、それぞれの磁気シールド板内部における磁束密度量［Ｔ］を示しており、濃い領域ほど磁束密度量が大きく、薄い領域に近づくほど磁束密度量が小さいことを示している。

図１７より、モデル２では、外部磁界が大きくなるに従い、円形磁気シールド板の中心部分（図１７（Ａ）中のＡ）から磁気飽和し始めることが分かる。これは、正方形磁気シールド板とは異なる結果であるが、形状を円形とすることによって、端部における磁束密度量が均一に分散され、端部での磁気飽和が緩和されたことを示している。また、２３８７３．２４Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）の磁界を印加した場合においても、図１７（Ｂ）に示すように、１．６Ｔ以上の磁束密度を示す部分は観察されず、円形磁気シールド板では磁気飽和が生じていないことが分かる。

図１８は、正方形磁気シールド板（モデル１）に７９５７．７５Ａ／ｍ（１００Ｏｅ）及び２３８７３．２４Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）の磁界を印加した場合における、２枚の磁気シールド板に挟まれた内部中間面の磁界強度分布を中心点からの距離に対する磁界強度で各方向について示している。

また、同様に、図１９は、円形磁気シールド板（モデル２）に７９５７．７５Ａ／ｍ（１００Ｏｅ）および２３８７３．２４Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）の磁界を印加した場合における、２枚の磁気シールド板に挟まれた内部中間面の磁界強度分布を中心点からの距離に対する磁界強度で各方向について示している

図１８（Ａ）及び図１９（Ａ）より、それぞれの磁気シールド板が磁気飽和していない状態のとき、つまり７９５７．７５Ａ／ｍ（１００Ｏｅ）の外部磁界を印加した場合、中心部の磁界強度は両者とも大差なく２００Ａ／ｍ程度となっており、良好な磁気シールドとして利用可能であることが分かる。しかしながら、２３８７３．２４Ａ／ｍ（３００Ｏｅ）の磁界を印加した場合、図１８（Ｂ）及び図１９（Ｂ）に示すように、正方形磁気シールド板の中心部の磁界強度は１７０２．４Ａ／ｍであるのに対し、円形磁気シールド板では５５４．０５Ａ／ｍと、円形シールドのほうが３倍以上のシールド効果を有していることが分かる。これは、磁気シールド板内部の磁気飽和の有無に起因しているためである。

以上より、外部磁界方向も考慮し、本発明に基づいて、磁気シールド板内部において磁力線が集中しないような、つまり磁束密度量が飽和しないような磁気シールド板形状・構造にすることにより、磁気シールド効果を向上させることができることが分る。

なお、上記の例は、磁気シールド板の平面形状を円形にした場合を示したが、図２に示した他の各種形状の磁気シールド板を用いても同様の結果が得られる。また、図３及び図４に示した断面形状の磁気シールド板も、断面方向への外部磁界の侵入・放出に対して磁気飽和を緩和させ得ることも、上記の結果から理解できる。そして、図１及び図２の平面形状と図３及び図４の断面形状とをそれぞれ選択して併用すると、磁気シールド効果は一層向上する。

本発明の実施の形態による磁気シールド板の平面図である。 同、他の磁気シールド板の平面図である。 同、他の磁気シールド板の断面図である。 同、他の磁気シールド板の断面図である。 同、磁気シールド板を有するＭＲＡＭパッケージの概略断面図（Ａ）とその平面図（Ｂ）である。 同、磁気シールド効果の解析に用いるモデル１及びモデル２の磁気シールド板の斜視図である。 同、磁気シールド板の材料特性を示すグラフである。 同、モデル１の概念図である。 同、モデル１の測定用の単位領域を示す概念図である。 同、モデル２の概念図である。 同、モデル２の測定用の単位領域を示す概念図である。 同、モデル１の外部磁界印加時の解析図である。 同、モデル１の外部磁界印加時の解析図である。 同、モデル１の磁気シールド板中の磁化強度を示す解析図である。 同、モデル２の外部磁界印加時の解析図である。 同、モデル２の外部磁界印加時の解析図である。 同、モデル２の磁気シールド板中の磁化強度を示す解析図である。 同、モデル１の磁気シールド板の中心からの距離に対する漏洩磁界を示すグラフである。 同、モデル２の磁気シールド板の中心からの距離に対する漏洩磁界を示すグラフである。 ＭＲＡＭのメモリセルの概略断面図である。 ＭＲＡＭの等価回路図である。 ＭＲＡＭの書き込み時の磁界応答特性図である。 ＭＲＡＭの読み出し動作原理図である。 先願発明によるＭＲＡＭパッケージの概略断面図（Ａ）とその平面図（Ｂ）である。 磁気シールド時の磁極の発生と外部磁界遮蔽効果を説明するための概念図である。 従来の磁気シールド板を用いたときの外部磁界による磁束の状態を示す平面図である。

符号の説明

３０…ＭＲＡＭ、３１…外部リード、３２…封止材、４１…ダイパッド、
５２、５２Ａ、５２Ｂ、６２、６２Ａ、６２Ｂ、７２…磁気シールド板、
６０、７０…角部、５２Ａ’、６２Ａ’…磁気シールド板の８分の１モデル、
６２ａ〜６２ｅ、７２ａ〜７２ｅ…辺

Claims (10)

1. 平面形状又は／及び断面形状において、外部磁界の侵入側及び放出側の各辺とその隣接辺とのなす角度が、それぞれ鈍角である、磁気シールド体。
2. 前記平面形状又は／及び前記断面形状がｎ角形（但し、ｎは、ｎ≧５の条件を満たす整数である。）である、請求項１に記載した磁気シールド体。
3. 平面形状又は／及び断面形状がｍ角形（但し、ｍは、ｍ≧４の条件を満たす整数である。）であり、外部磁界の侵入側及び放出側の各辺とその隣接辺とのなす角部が外向きの曲線状をなしている、磁気シールド体。
4. 前記角部が、直線状の両辺間に存在している、請求項３に記載した磁気シールド体。
5. 平面形状又は／及び断面形状が、その全域で連続した面を形成していると共に、その外周辺のうち、少なくとも外部磁界の侵入側及び放出側が外向きの曲線状をなしている、磁気シールド体。
6. 前記平面形状又は／及び前記断面形状が円形又は楕円形である、請求項５に記載した磁気シールド体。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載した磁気シールド体の少なくとも１つが設置されてなる、磁気シールド構造。
8. 磁気メモリ部を有し、この磁気メモリ部に対向して、請求項１〜６のいずれか１項に記載した磁気シールド体を有する、磁気メモリ装置。
9. 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前記磁気メモリ部が構成され、前記磁気ランダムアクセスメモリに対向して前記磁気シールド体を有する、請求項８に記載した磁気メモリ装置。
10. 前記磁気シールド体の一対が平行に設置され、これらの磁気シールド体間に、前記磁気メモリ部が配置されている、請求項８又は９に記載した磁気メモリ装置。