TW495969B - MRAM with an effective noise countermeasure - Google Patents

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TW495969B
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TW090120078A
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Hiroshi Ono
Shigeyoshi Yoshida
Toshiaki Masumoto
Original Assignee
Tokin Corp
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Description

495969 五、發明説明（1 ) 發明背景 本發明係關於一種記憶體裝置，特別是關於使用一種 非揮發性磁性記憶體單元之磁性隨機存取記憶體（此後 簡稱爲M R A Μ ) '。 目前，MR AM正以能夠實現快速讀取及寫入作業之大 容量記憶體裝置而快速發展。作爲MR AM，主要是使用 包含數個記憶體單元及使用所謂隧道接面（tunnel junction)之結構。隧道接面利用以下事實：在具有非磁 性膜於其間之兩個磁性層之間之電阻係根據此技術中之 旋轉爲平行或逆平行而有所不同。此種M R A Μ包括用於 選擇欲被存取之特定記憶體單元之電晶體。 參考第1圖，將描述一現有的MRAM。第1圖之 MRAM包含一基片1及在基片丨上之積體裝置部份2。 積體裝置部份2係經由引線3而連接到引線終端4。基 片1、積體裝置部份2、引線3、及引線終端4係由樹脂 模制5來塑模。 積體裝置部份2包括數個電晶體部份及數個記憶體裝 置部份。每一個記憶體裝置部份作爲一記憶體單元。每 一個電晶體部份用來選擇一特定的記憶體單元。 參考第2圖，將描述積體裝置部份2之結構。積體裝 置部份2包含一在基片1上之第一導體1 1，在第一導體 1 1上之第一絕緣層1 2 ’在第一絕緣層1 2上之第一鐵磁 組件或層13，覆蓋第一鐵磁層13之第二絕緣層14，在 第二絕緣層1 4上之第二鐵磁組件1 5，覆蓋第二鐵磁組 495969 五、發明説明（2 ) 件1 5之第三絕緣層1 6，及形成於第三絕緣層1 6上之第 四絕緣層1 7及第二導體1 8。第一鐵磁組件1 3，第二絕 緣層1 4，及第二鐵磁組件1 5之結合形成一磁性隧道功 能裝置，作爲記憶體裝置部份之一。 第一及第二導體1 1及1 8被排置成使第二鐵磁組件15 在供應電流於其上時被施加以一磁場。當第一及第二導 體1 1及1 8被供應電流時，電流會產生磁場，且會結合 成爲一複合磁場。在複合磁場之下，第二鐵磁組件1 5 之Η場化被旋轉及反轉◦另一方面，第一鐵磁組件} 3 之磁場化爲固定的，例如，藉由使用具有高飽和磁場化 之鐵磁材料。 第一鐵磁組件13係由C〇Pt合金製成，而第二鐵磁組 件1 5係由N1F e合金製成。第二絕緣層1 4係由A12〇3或 其相似物製成。 同時’能夠實現高速作業之高積體半導體裝置不僅包 括M R A Μ，還包括動態隨機存取記憶體（D R A Μ )，唯讀記 憶體（ROM)，微處理器單元（MPU)，及一影像處理算術邏 輯單元（IPALU)等等。最近，這些裝置在計算速度及信 號處理速度上可觀地增加。這種增加造成在這些裝置中 流動之電流很快地改變。這個電流之快速改變係引起高 頻電感雜訊之主要因素。 另一方面，電子組件及電子裝置在重量、厚度及大小 上的減少亦快速的發展。因此，做爲電子組件之半導體 裝置之積體程序及其安裝於'印刷電路板上之密度亦增加 -4- 495969 五、發明説明（3 ) 。結果，假使電子組件高度積體或是電子組件以高密度 安裝，則信號線彼此非常靠近。連同上述信號處理速度 之增加’高頻幅射雜訊快速地被感應發生。 在上述的電子電路中’壓抑上述之雜訊可藉由最佳化 在印刷電路板上之組件及其間之引線之排置設計來嚐試 ’或藉由插入如去耦合電容之集總常數組件進入電源供 應線來嚐試。 、 然而’在作業速度增加之半導體裝置或印刷線路板中 ，所產生的雜訊包含諧波成份，使得信號路徑之表現與 散佈常數電路表現相似。在此情況下，假設集總常數電 路之現有雜訊防範措施不再有效。此外，藉由最佳化電 子組件及其佈線之配置，限制係加在雜訊之減少上。 在上述MR AM之作業中，由於電流之高速改變而產生 之諧波扭曲爲引起高頻幅射雜訊之主要因素，如同半導 體隨機存取§5憶體（R A Μ)之其他型式。另一*方面，疊加 在寫入電流或磁性層上之雜訊會引起磁性層之磁化大小 之振Μ。結果’在易入時需要額外的作業。假使在讀取 時’雜訊與信號混合，則需要如重複讀取作業之額外程 序。換言之，假使雜訊防範措施不有效，則在寫入及讀 取資料時減少寫入及讀取速度。因此，在MR AM之作業 中，重要的是避免雜訊傳播到其他組件或部份，且要避 免由於雜訊而造成之實質寫入及讀取速度之減少。 發明槪述 因此’本發明之一*目的係提供一^種大容量，非揮發性 495969 五、發明説明（4) · 之記憶體’其抑制雜訊之產生，且在雜訊之抗阻上很強 ，以使以高速實現寫入及讀取作業。 本發明之其他目的會隨著以下的描述而更明顯。 本發明之發明者發明--種合成磁性材料，其具有在高 頻之磁性漏失，並且發現藉由將合成磁性材料置放於外 部里射j原附近而能有效抑制自半導體裝置或電子電路產 生之外部發射或不需要之幅射之方法。從最近的硏究可 知，衰減使用磁性漏失之外部發射之效應係根據下列機 制：一等效電阻組件被加入電子電路做爲外部發射源， 在此，等效電阻組件之大小係依據磁性材料之磁性漏失 項//"之大小。特別是，祇要磁性材料之面積是固定的 ，則等效插入電子電路中之電阻組件之大小係與磁性材 料之// π及厚度成正比。注意：磁性漏失項v "爲磁性材 料之相對磁導率之虛數部份。因此，爲了利用更小或更 薄之磁性材料而達到外部發射之想要程度之衰減，〆" 値必須較大。例如，爲了避免外部發射在如半導體裝置 之模制內部之小區域中使用磁性漏失材料，磁性漏失項 "必須有大値。 在硏究由噴濺或蒸氣澱積產生之軟磁性材料期間，本 發明之發明者集中精力在與細磁性金屬粒子或顆粒均勻 散佈在如陶瓷之非磁性材料之顆粒磁性材料之優良磁導 率特性。硏究由非磁性材料包圍之磁性金屬粒子之細結 構的結果是：本發明之發明者發現，當磁性金屬粒子在 粒狀磁性材料中之比例落在一特定範圍內時，可在高頻 -6- 495969 五、發明説明（f 帶 中 達 到 優 良 的磁漏失特性。 注 思 在 、『/丄 狀磁性薄膜中，磁性粒子之大小小到數毫 微 米 至 數 十 毫 微米’且每個粒子具有由包含陶瓷組件之 顆 \[，丄 間 界 包 圍 之細結構，且在數十Μ Η ζ至數G Η ζ之間 之 局 頻 中 展 示 很大的磁漏失。粒狀磁性薄膜可被稱爲細 晶 薄 膜 〇 關 於 具 有 由 Μ-Χ-Υ代表之組合之粒狀磁性材料（Μ爲 磁性 金 屬 元 素 、Υ爲氧、氮及氟中之一、X爲非Μ及Υ 之 元 素 ) 有 數個硏究。已發現的是，粒狀磁性材料具 有 低 磁 漏 失 及 大飽和磁化。爲了在Μ-Χ-Υ粒狀磁性材料 中 達 到 大 飽 和 石炫化’需要增加Μ成份之比例◦因此，在 一 般 m 用 中 5 如高頻電感裝置或變壓器之磁心中，成份 Μ 在 Μ -X -Υ 粒狀磁性材料中之比例被限制在一範圍中， 使 得 飽 和 磁 化 等於祇包含成份Μ之大塊金屬磁性材料之 飽 和 磁 化 的 8 0 %或更多。 本 發 明 之 發 明者調查在具有由Μ-Χ-Υ代表之組合之粒 狀 磁 性 材 料 中 之Μ成份之比例範圍（Μ爲一磁性金屬元 素 Λ Υ 爲 氧 氮及氟、X爲非Μ及Υ之元素）。結果發 現 在 任 一 個 組合系統中，假使磁性金屬Μ之濃度落在 - 特 定 範 圍 內 ，則在高頻帶中展現大的磁漏失。 成 份 Μ :之比例的最高區域爲飽和磁化爲祇包含成份Μ 之 大 _Li±| 塊 金 屬 磁 性材料之飽和磁化的8 0 %或更多。此區域 對 應 到 具 有 高 飽和磁化及低漏失之Μ-Χ-Υ粒狀磁性材料 7 且 已 被 硏 究 及發展。在上述區域內之材料具有大的實 -7- 495969 五、發明説明（6 ) 數部份磁導率//'及飽和磁化，因此被用在高頻微磁裝置 ，如上述提及之高頻電感器。然时，決定電阻之成份X 及Y之比例很小，使得電阻亦小。因此，假使膜之厚度 增加，則高頻處之磁導率亦隨著渦流電流在高頻帶的發 生而降低。因此，這些材料不適於做爲雜訊防範圍措施 之磁性膜。 成份Μ之比例的下個區域爲飽和磁化不大於80%亦不 小於60%之祇包含Μ成份之大金屬磁性材料之飽和磁化 ◦在這個區域中，電阻大約等於100 // Ω · cm，其係相 當大。因此，即使材料厚度爲數// m，渦流電流漏失小 且大部份的磁性漏失自自然共振得來。結果，磁性漏失 項//"具有窄的頻率散佈。因此，這個區域適於在窄頻 帶中之雜訊防範措施（高頻電流抑制）。 成份Μ之比例的第三區域爲飽和磁化不大於60%亦不 小於3 5 %之祇包含Μ成份之大金屬磁性材料之飽和磁化 。在此區域中，電阻大約等於500 // Ω · Cm，較上述大 很多。因此，渦流電流漏失很小，且在成份Μ之粒子之 間之磁性互動亦小。因此，旋轉之熱攪動增加，且導致 自然共振的頻率振盪。因此，磁性漏失項//"在寬頻率範 圍上顯示一大値。因此，這個比例區適用於高頻電流在 一寬頻帶上之抑制。 另一方面，成份Μ之比例較小的區域提供超磁特徵 ，因爲沒有成份Μ之粒子之間之磁互動發生。 在磁漏失材料被排置在雜訊幅射部份之附近以抑制高 495969 五、發明説明（7) 頻電流時’材料設計之標準爲磁性漏失項v "及磁性漏 失材料之厚度δ之乘積// π · (5。爲了有效抑制數百 MHz之高頻電流，下列關係式必須成立： //，，· 5 g 約 1 000(// m) 特別是’假使磁性漏失材料具有磁性漏失項V "=丨〇〇〇 ’則厚度必須是1// m或更多。具有低電阻及容易引起 渦流電流之材料是不討喜的。最好的是電阻爲丨⑽V Ω • cm或更多之組合。在用於本發明之組合系統中，最 好的是，成份Μ之比例落在一範圍內，使飽和磁化下大 於80%亦不小於35 %之祇包含Μ成份之大塊金屬磁性材 料之g包和磁化◦飽和磁化等於3 5 %或更多之飽和之區中 沒有超磁性。 本發明之發明者係藉由施加上述磁性材料至MR AM而 製成本發明。 根據本發明，提供一種磁性隨機存取記憶體，其包含 使用磁性材料之記憶體裝置部份及排置在磁性材料附近 之高頻電流抑制器，用以抑制在記憶體裝置部份中流動 之高頻電流。 式之簡單說明 第1圖係相關技術中之MR AM之切面圖； 第2圖係第1圖中之MRAM之特徵部份之放大切面 圖； 第3圖係根據本發明之第一實施例之MR AM之切面 圖； -9- 495969 五、發明説明（8 ) 第4圖係第3圖中之MR AM之特徵部份之放大切面 圖； 第5圖顯示粒狀磁性材料之磁漏失項v ”之頻率特 性； 第6圖顯示具有粒狀磁性薄膜排置在其附近之微條線 中之傳輸特性S 2 !之頻率特性； 第7圖係根據本發明之第二實施例之μ R A Μ之切面 圖； 第3圖係根據本發明之第三實施例之μ R A Μ之切面 圖。 霞佳實施例之說明 首先參考第3圖，根據本發明之第一實施例來描述 MRAM。 第3圖之MRAM包含一基片21及安裝於其上之積體 裝置部份22。積體裝置部份22係經由引線23連接到引 線終端24。基片21、積體裝置部份22、引線23、及引 線終端係在塑膠樹脂製成之塑模體2 5中模制。在模制 時’一高頻電流抑制器26係排列在基片2 1之下表面。 努一高頻電流抑制器27係排置在積體裝置部份22上方 ’並與其相距一間隔。高頻電流抑制器26及27會在後 爾予以詳述。 積體裝置部份22具有數個記憶體裝置部份。每一個 s己憶體裝置部份做爲一記憶體單元。積體裝置部份2 2 具有一電晶體部份（未示）排置在每一個記憶體裝置部 -10- 495969 五、發明説明（9 ) 份及基片2 1之間以選擇一特定之記憶體單元。 參考第4圖，以下將描述積體裝置部份22之結構。 積體裝置部份22包含第一導體31於基片21上，在第 一導體3 1上之第一絕緣層3 2，在第一絕緣層3 2上之第 一鐵磁組件3 3，覆蓋第一鐵磁組件3 3之第：：絕緣層3 4 ，在第二絕緣層34上之第二鐵磁組件35，覆蓋第二鐵 磁組件35之第三絕緣層36，形成在第三絕緣層36上之第 四絕緣層3 7及第二導體3 8。第一鐵磁組件3 3，第二絕 緣層3 4及第二鐵磁組件3 5之結合形成一磁隧道功能裝 置，做爲上述記憶體裝置部份之一。 第一及第二導體31及38被排置成使第二鐵磁組件35 在電流供應到該處時被施以一磁場。當第一及第二導體 31及3 8被供應有電流時，磁場由電流產生並結合成爲 一組合磁場◦在組合磁場之下，第二鐵磁組件3 5之磁 化被旋轉及反轉。另一方面，第一鐵磁組件3 3之磁化 爲固定的，例如，藉由使用具有高飽和磁化之鐵磁材料 〇 第一鐵磁組件33由C〇Pt合金製成，而第二鐵磁組件 3 5由N1F e合金製成。第二絕緣層3 4由A12〇3或其相似 物製成。 第--及弟一局頻電流抑制器2 6及2 7用來抑制i%經弟 一或第一導體3 1或3 7之脈衝電流之諧波扭曲’以抑制 高頻放射雜訊，並避免雜訊疊加在流經第一及第二鐵磁 組件3 3及3 5之間之讀取電流上。 495969 五、發明説明（°) 接著，將描述高頻電流抑制器2 6及2 7之形成。每一 個高頻電流抑制器26及27包含含有Fe、A1及◦之粒 狀磁性薄膜。 在具有氧氣供應源之真空室中’ 一膜係藉由蒸氣澱積 ，使用Fe7〇Al;〇合金做爲澱積材料’而澱積在一 poly i nude之盤上。澱積前之真空程度爲1.33x1 (T4Pa或 更少◦在澱積期間之氧氣流動率爲3 · 0 s c c m ◦在蒸氣澱 積之後，在一真空磁場中實行2小時3 00 °C之熱處理。 因此，獲得粒狀磁性薄膜。 薄膜具有2.0//m之厚度，530// Ω . cm之d.c·電阻， 18 0e(1422A/m)之各向異性磁場 Hk，16800Gauss(1.68T) 之飽和磁化M s，及1 4 8 %相對頻寬b w r ◦相對頻寬b w r 係藉由擷取"爲最大V "…値之5 0 %之兩個頻率之間之 頻寬並在中央頻率標準化該頻寬而獲得。薄膜之飽和磁 化爲祇包含磁性金屬之大塊材料之飽和紐化之7 2.2 %。 參考第5圖，其顯示磁性漏失項V "之頻率特性。橫 座標及縱座標代表頻率及爲複數磁導率之虛數部份A π 之磁性漏失項。 薄膜之高頻電流抑制效應被調查。特別是，薄膜係直 接置放在具有75mm之長度及50Ω之特徵阻抗之微波帶 狀線之上。藉由網路分析儀，測量傳輸特性。測量結果 顯示在第6圖上。藉由使用粒狀磁性薄膜，S21傳輸特性 自100MHz周圍之頻率單調地下降，並在3GHz處展現 -10dB。其結果顯示S21傳輸特性係根據"之散佈，且抑 -12- 495969 五、發明説明（n) 制效應的程度會根據v π及厚度6之乘積。 前面已描述藉由真空蒸氣澱積而形成膜。另外也可使 用噴濺，離子束澱積及氣體澱積。祇要磁性漏失材料被 均勻澱積，並不限制形成薄膜的技術。 參考第7圖，以下將根據本發明之第二實施例來描述
MRAM 第7圖中之MRAM包含一基片41及安裝於其上之積 體裝置部份42。積體裝置部份42係經由引線43連接到 引線終端44 ◦基片41、積體裝置部份42、引線43及引 線終端由樹脂塑模45來塑模。在塑模時，.一高頻電流 抑制器46係排置在基片4 1之下表面。積體裝置部份42 在結構上與第4圖的積體裝置部份2 2相似。 局頻電流抑制器4 6包含粒狀磁性材料之薄膜。薄膜 口 J以與在第3及4圖中描述之μ R A Μ中之高頻電流抑制 器26之相似方式形成。最好是，薄膜係由一材料製成 且具有-組合，使得在由蒸氣澱積或相似物澱積之後， 並不需要熱處理。 參考第8圖，以下將根據本發明之第三實施例來描述 MRAM。 不於第8圖之MRAM包含一基片η及安裝於其上之 積體裝置部份5 2 ◦ 積體裝置部份52係經由引線
電流抑制器5 6係以 53而連 π Μ、檟體裝置部份52、引線53 脂塑模5 5來塑膜。塑模時，高頻 間隔排置在積體裝置部份52上方 -13- 495969 五、發明説明（12 ) 。積體裝置部份5 2之結構與第4圖中之積體裝置部份 22之結構相似。高頻電流抑制器56包含一粒狀磁性材 料薄膜。例如，薄膜可以與在第3及4圖中描述之 MR AM中之高頻電流抑制器27者相似的方法形成在 polyinude盤上。如此獲得之高頻電流抑制器56係藉由 以如ρ ο 1 y 1 m 1 d e之樹脂模制5 5來塑模而排置在積體裝置 部份5 2之上方。 在上述中之任何一個MRAM中，信號脈衝電流之諧波 扭曲被減少，且不想要之放射或幅射亦可被減少。因此 ，可以避免資料爲入速度及資料讅取速度變慢。 符號說明 1…基片 2…積體裝置部份 3…引線 4…引線終端 5…樹脂模制 1 1…第一導體 1 2…第一絕緣層 13…鐵磁組件/層 14…第二絕緣層 15…第二鐵磁組件 16···第三絕緣層 17…第四絕緣層 18…第二導體 -14- 495969 五、發明説明（13 ) 21… 基 片 22… 積 體裝置部份 23… 引 線 24… 引 線終端 25… 塑 模體 26、 27 …高頻電流抑制器 3 1··· 第 一導體 32··· 第 一絕緣層 33… 第 一鐵磁組件 3 4"· 第 二絕緣層 35… 第 二鐵磁組件 36··· 第 二絕緣層 37… 第 四絕緣層 38"· 第 二導體 41/5 1… •基片 42/52·· •積體裝置部份 43/5 3·· •引線 44/54·* •引線終端 4 5 /5 5 ·· •樹脂塑模 4 6/5 6·· •高頻電流抑制器 -15 -

Claims (1)

  1. 495969 六、申請專利範圍 1. 一種磁性隨機存取記憶體，包含： •-記憶體裝置部份，π使Π]磁11:付料：反 -一高頻電流抑制器，排置在磁性材料附近，用以抑 制流經記憶體裝置部份之高頻電流。 2. 如申請專利範圍第1項之磁性隨機存取記憶體，更進 一步包含·-模制體，使得該記憶體裝置郃份及該高频 電流抑制器在其中塑模。 3. 如申請專利範圍第1項之磁性隨機存取記憶體，其中 高頻電流抑制器包含粒狀磁性材料之薄膜。 4. 如申請專利範圍第3項之磁性隨機存取記憶體，其中 粒狀磁性材料具有由Μ-Χ-Υ代表之組合，Μ爲· ·磁性 金屬元素，Υ爲氧、氮及氟其中之一個，而X則爲非 Μ及Υ之元素。 5. 如申請專利範圍第4項之磁性隨機存取記憶體，jPP 粒狀磁性材料之飽和磁化爲祇包含Μ之大塊材料之飽 和磁化之35%或更多。 6. 如申請專利範圍第4項之磁性隨機存取記憶體，其中 粒狀磁性材料之電阻爲1 00 // Ω · cm或更大。 -16-
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