(57)【要約】【課題】  磁気メモリ素子を外部磁界から磁気的に遮蔽して、大きな外部磁界が作用した場合でもメモリ素子を十分に保護する磁気シールド層と、放熱効率を高めてメモリ素子の過熱を防止する放熱手段とを簡易に装着した、ＭＲＡＭ素子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、並びに放熱効率を向上させる磁気メモリ装置の実装構造を提供すること。【解決手段】  磁化方向が固定された磁化固定層４、６と、磁化方向の変化が可能な磁性層（記憶層）２とが積層されてなるＴＭＲ素子１０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３３によって封止されており、ＭＲＡＭ３０を磁気シールドするための磁気シールド層３４が、封止材３３の上面（及び下面）に接して粘着剤等によって固定され、その磁気シールド層３４に接合して放熱手段であるヒートスプレッダ４１が設けられている。【選択図】          図１
2005078693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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が封止材によって封止されており、
前記メモリ素子を磁気シールドするための磁気シールド層と、少なくとも前記メモリ  素子が発する熱を放散する放熱手段との接合体を有し、
前記接合体が前記封止材の表面に接して設けられている、
磁気メモリ装置。
【請求項２】
磁化可能な磁性層を有するメモリ素子が封止材によって封止されており、
前記メモリ素子を磁気シールドするための磁気シールド層と、少なくとも前記メモリ  素子が発する熱を放散する放熱手段との接合体を有し、
前記接合体が前記封止材の表面に接して設けられている、
磁気メモリ装置。
【請求項３】
前記接合体が前記封止材の上面及び／又は下面に接して設けられている、請求項１又は２に記載した磁気メモリ装置。
【請求項４】
前記磁気ランダムアクセスメモリ又は磁気メモリが他の素子と共に基体上に混載されて封止されており、前記メモリ素子が占める面積領域の上部及び／又は下部に少なくとも前記磁気シールド層が設けられている、請求項１又は２に記載した磁気メモリ装置。
【請求項５】
前記放熱手段は、前記封止材の上面及び／又は下面の略全面に設けられている、請求項４に記載した磁気メモリ装置。
【請求項６】
前記磁気シールド層の形状が、その対向辺間の距離が１５ｍｍ以下の形状である、請求項１又は２に記載した磁気メモリ装置。
【請求項７】
前記放熱手段は、熱伝導、対流伝熱、放射伝熱およびこれらの組み合わせの少なくとも１つによる熱の放散を促進する材料及び／又は形状からなる、請求項１又は２に記載した磁気メモリ装置。
【請求項８】
前記放熱手段は、金属又は高熱伝導性セラミックス又は熱輻射塗料からなる、請求項７に記載した磁気メモリ装置。
【請求項９】
前記磁気シールド層を形成する軟磁性材料が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうち少なくとも１種を含む高飽和磁化、高透磁率の軟磁性体からなる、請求項１又は２に記載した磁気メモリ装置。
【請求項１０】
前記磁気シールド層が、平坦な若しくは凹凸のある膜状又は板状、或いは網目又はスリット等の貫通孔のある形状をなしている、請求項１又は２に記載した磁気メモリ装置。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載した磁気メモリ装置が実装基板に実装された構造であって、前記磁気シールド層及び／又は前記放熱手段が前記実装基板に接触している、磁気メモリ装置の実装構造。
【請求項１３】
前記実装基板を貫通して設けられたサーマルビアに、前記磁気シールド層及び／又は前記放熱手段が接触している、請求項１２に記載した磁気メモリ装置の実装構造。
【請求項１４】
前記磁気メモリ装置とは反対側の前記実装基板の面に、前記サーマルビアに接続された放熱手段が設けられている、請求項１３に記載した磁気メモリ装置の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、即ち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、及びその実装構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。
【０００３】
特に不揮発性メモリは、ユビキタス時代に必要不可欠であると考えられている。電源の消耗やトラブルが生じた場合や、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリは、個人情報を含めた重要な情報を保護することができる。また、最近の携帯機器は、不要の回路ブロックをスタンバイ状態にしてできるだけ消費電力を抑えるように設計されているが、高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。また、高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば、電源を入れると瞬時に起動できる“インスタント・オン”機能も可能になってくる。
【０００４】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory ）なども挙げられる。
【０００５】
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０12〜１０14であり、完全にＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）やＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）に置き換えるには持久力（Endurance）が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。
【０００６】
これらの欠点を有さず、高速、大容量（高集積化）、低消費電力の不揮発性メモリとして注目されているのが、例えばWang et al., IEEE Trans. Magn., 33, 4498(1997)に記載されているような、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory ）と称される磁気メモリであり、近年のＴＭＲ(Tunnel Magnetoresistance)材料の特性向上により、注目を集めるようになってきている。
【０００７】
ＭＲＡＭは、ナノ磁性体特有のスピン依存伝導現象に基づく磁気抵抗効果を利用した半導体磁気メモリであり、外部から電力を供給することなしに記憶を保持できる不揮発性メモリである。
【０００８】
しかも、ＭＲＡＭは、構造が単純であるために高集積化が容易であり、また磁気モーメントの反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, p.128-129, Feb.2000で報告されている。
【０００９】
こうしたＭＲＡＭについて更に詳細に説明すると、図１５に例示するように、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子となるＴＭＲ素子１０は、支持基板９上に設けられた、磁化が比較的容易に反転する記憶層２と磁化固定層４、６とを含む。
【００１０】
磁化固定層は第１の磁化固定層４と第２の磁化固定層６の２つの磁化固定層を持ち、これらの間には、これらの磁性層が反強磁性的に結合するような導体層５が配置されている。記憶層２と磁化固定層４、６には、ニッケル、鉄又はコバルト、或いはこれらの合金からなる強磁性体が用いられ、また導体層５の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀などが使用可能である。第２の磁化固定層６は反強磁性体層７と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第２の磁化固定層６は強い一方向の磁気異方性を持つことになる。反強磁性体層７の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウムなどのマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物などを使用できる。
【００１１】
また、磁性層である記憶層２と第１の磁化固定層４との間には、アルミニウム、マグネシウム、シリコン等の酸化物又は窒化物等からなる絶縁体によるトンネルバリア層３が挟持されており、記憶層２と磁化固定層４との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。これらの磁性層及び導体層は主にスパッタリング法により形成されるが、トンネルバリア層３は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化もしくは窒化させることにより得ることができる。トップコート層１は、ＴＭＲ素子１０とこのＴＭＲ素子に接続される配線との相互拡散防止、接触抵抗低減及び記憶層２の酸化防止という役割があり、通常は、Ｃｕ、Ｔａ、ＴｉＮ等の材料を使用できる。下地電極層８は、ＴＭＲ素子と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用いられる。この下地層８は反強磁性体層７を兼ねてもよい。
【００１２】
このように構成されたメモリセルにおいては、後述するように、磁気抵抗効果によるトンネル電流変化を検出して情報を読み出すが、その効果は記憶層と磁化固定層との相対磁化方向に依存する。
【００１３】
図１６は、一般的なＭＲＡＭの一部を簡略化して示す拡大斜視図である。ここでは、簡略化のために読み出し回路部分は省略してあるが、例えば９個のメモリセルを含み、相互に交差するビット線１１及び書き込み用ワード線１２を有する。これらの交点には、ＴＭＲ素子１０が配置されていて、ＴＭＲ素子１０への書き込みは、ビット線１１及び書き込み用ワード線１２に電流を流し、これらから発生する磁界の合成磁界によって、ビット線１１と書き込み用ワード線１２との交点にあるＴＭＲ素子１０の記憶層２の磁化方向を磁化固定層に対して平行又は反平行にして書き込みを行う。
【００１４】
図１７は、メモリセルの断面を模式的に示していて、例えばｐ型シリコン半導体基板１３内に形成されたｐ型ウェル領域内に形成されたゲート絶縁膜１５、ゲート電極１６、ソース領域１７、ドレイン領域１８よりなるｎ型の読み出し用電界効果型トランジスタ１９が配置され、その上部に、書き込み用ワード線１２、ＴＭＲ素子１０、ビット線１１が配置されている。ソース領域１７には、ソース電極２０を介してセンスライン２１が接続されている。電界効果トランジスタ１９は、読み出しのためのスイッチング素子として機能し、ワード線１２とＴＭＲ素子１０との間から引き出された読み出し用配線２２がドレイン電極２３を介してドレイン領域１８に接続されている。なお、トランジスタ１９は、ｎ型又はｐ型電界効果トランジスタであってよいが、その他、ダイオード、バイポーラトランジスタ、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Transistor）等、各種のスイッチング素子が使える。
【００１５】
図１８は、ＭＲＡＭの等価回路図を示すが、例えば６個のメモリセルを含み、相互に交差するビット線１１及び書き込み用ワード線１２を有し、これらの書き込み線の交点には、記憶素子１０と共に、記憶素子１０に接続されて読み出しの際に素子選択を行う電界効果トランジスタ１９及びセンスライン２１を有する。センスライン２１は、センスアンプ２１ｂに接続され、記憶された情報を検出する。なお、図中の２４は双方向の書き込み用ワード線電流駆動回路、２５はビット線電流駆動回路である。
【００１６】
図１９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ＨK以上の場合は、交点以外のセルの磁化方向も反転してしまうため、合成磁界が図中の灰色の領域にある場合のみに、選択されたセルを選択書き込みが可能となるようにしておく。
【００１７】
このように、ＭＲＡＭでは、ビット線とワード線の２本の書き込み線を使用することにより、アステロイド磁化反転特性を利用して、指定されたメモリセルだけが磁性スピンの反転により書き込むことが一般的である。単一記憶領域における合成磁化は、それに印加された磁化容易軸方向磁界ＨEAと磁化困難軸方向磁界ＨHAとのベクトル合成によって決まる。ビット線を流れる書き込み電流は、セルに磁化容易軸方向の磁界ＨEAを印加し、またワード線を流れる電流は、セルに磁化困難軸方向の磁界ＨHAを印加する。
【００１８】
図２０は、ＭＲＡＭの読み出し動作を説明するものである。ここでは、ＴＭＲ素子１０の層構成を概略図示しており、上記した磁化固定層を単一層２６として示し、記憶層２及びトンネルバリア層３以外は図示省略している。
【００１９】
即ち、上記したように、情報の書き込みは、マトリックス状に配線したビット線１１とワード線１２との交点の合成磁場によ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。
【００２０】
上記したように、ＭＲＡＭは、高速かつ不揮発性の大容量メモリとして期待されるが、記憶の保持に磁性体を用いているため、外部磁界の影響によって情報が消去されたり、或いは書きかえられてしまうという問題がある。図１９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., 8th Joint Magnetism and Magnetic Material(2001)参照)と小さいからである。しかも、書き込み時の保磁力（Ｈｃ）は例えば数Ｏｅ〜１０Ｏｅ程度であるため、それ以上の外部磁界による内部漏洩磁界が作用すれば、所定のメモリセルに選択的に書き込みを行うことが不可能となることがある。
【００２１】
また、ＭＲＡＭの実用化への課題として、書き込み電流を低減することが求められている。１０ｍＡ、より好ましくは１ｍＡ程度の小さな書き込み電流による書き込みを可能にするためにも、素子に作用する外部磁界は小さいほどよい。
【００２２】
従って、ＭＲＡＭの実用化へのステップとして、外部磁気対策、即ち素子を外部磁界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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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−Ｆｅ2Ｏ3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気に対する耐性を持たせる必要があり、特に上記した理由から内部（漏洩）磁界の大きさを２０Ｏｅ以下、望ましくは１０Ｏｅ以下に抑える必要がある。
【００２６】
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。）。
【００２７】
【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）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
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構造が望まれる。
【００２９】
しかしながら、特許文献１（米国特許第5,902,690号）のように素子のパッシベーション膜をフェライトで形成すると、フェライト自身の飽和磁化が低い（一般的なフェライト材料で０．２〜０．５テスラ（Ｔ））ため、外部磁界の侵入を完全に防ぐことが不可能である。フェライト自身の飽和磁化はＮｉＺｎフェライトで０．２〜０．３５Ｔ、ＭｎＺｎフェライトでは０．３５〜０．４７Ｔ程度であるが、ＭＲＡＭ素子へ侵入する外部磁界の大きさは数１００Ｏｅと大きいため、フェライト程度の飽和磁化ではフェライトの磁気飽和により透磁率はほぼ１となり、機能しなくなる。また、特許文献１には、膜厚の記述はないが、通常パッシベーション膜では高々０．１μｍ程度であるため、磁気シールド層としては薄すぎることからも、効果はほとんど期待できない。しかも、フェライトをパッシベーション膜に用いる場合、フェライトは酸化物磁性体であるため、スパッタ法により成膜するときには酸素欠損が生じ易く、完全なフェライトをパッシベーション膜として用いることは困難である。
【００３０】
また、特許文献２（米国特許第5,939,772号）では、パッケージの上下をパーマロイ層で覆う構造が記述されており、パーマロイを用いることによりフェライトパッシベーション膜よりも高いシールド性能が得られる。しかしながら、特許文献２に開示されているミューメタル（Mu Metal）の透磁率はμi＝１００，０００程度と極めて高いものの、飽和磁化は0．７〜０．８Ｔと低く、容易に外部磁界に対し飽和してμ＝１となってしまうため、完全な磁気遮蔽効果を得るためにはシールド層の厚さはかなり厚くなければならないという欠点がある。従って、実用上、数１００Ｏｅの磁界を侵入させないための構造としては、パーマロイの飽和磁化が小さすぎること、並びにその厚さが薄すぎることの両面から、磁気シールド層として不完全である。
【００３１】
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。
【００３２】
また、ＭＲＡＭは、原理的には前述した機構によってメモリの書き換えを低消費電力で行うことが可能であるが、現状ではメモリ書き換えの低消費電力化が十分実現されているとは言えない。また、将来的には、各ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＭＲＡＭなどのメモリなどが１チップに集積されるＳＩＰ（System In Package）やＳＯＣ（System On Chip）などの高集積化が進み、そのためパッケージからの発熱密度およびチップ自体の発熱密度は総合的に増大することが予想される。これに反してＭＲＡＭの大容量化に伴い磁気メモリ素子のサイズは小さくせざるを得ないため、熱ゆらぎによる磁気余効により記憶の保持ができなくなることが懸念されるため、メモリ素子の過熱を防止する高効率の放熱手段が必要である。
【００３３】
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、磁気メモリ素子を外部磁界から磁気的に遮蔽して、大きな外部磁界が作用した場合でもメモリ素子を十分に保護する磁気シールド層と、放熱効率を高めてメモリ素子の過熱を防止する放熱手段とを簡易に装着した、ＭＲＡＭ素子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、並びに放熱効率を向上させる磁気メモリ装置の実装構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
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が封止材によって封止されており、
前記メモリ素子を磁気シールドするための磁気シールド層と、少なくとも前記メモリ  素子が発する熱を放散する放熱手段との接合体を有し、
前記接合体が前記封止材の表面に接して設けられている、
磁気メモリ装置に係わるものであり、また、磁化可能な磁性層を有するメモリ素子が封止材によって封止されており、
前記メモリ素子を磁気シールドするための磁気シールド層と、少なくとも前記メモリ  素子が発する熱を放散する放熱手段との接合体を有し、
前記接合体が前記封止材の表面に接して設けられている、
磁気メモリ装置に係わるものでもある。
【００３５】
更に、前記磁気メモリ装置が実装基板に実装された構造であって、前記磁気シールド層及び／又は前記放熱手段が前記実装基板に接触している、磁気メモリ装置の実装構造に係わるものでもある。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の磁気メモリ装置によれば、前記磁気シールド層と前記放熱手段とを一体的に接合して装着することで、簡易な工程で前記磁気シールド層と前記放熱手段とを共に設けることができ、低コスト化をはかることができる。ここで、前記磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等が樹脂等の前記封止材でモールド処理されたパッケージとして主に用いられることに着目して、前記磁気シールド層及び／又は前記放熱手段をモールドされたパッケージの表面に粘着材によって貼り付けること等によって、前記磁気シールド層と前記放熱手段とを容易に装着可能であり、また、装脱着可能にすることもできる。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。
【００３７】
その際、前記磁気シールド層は、磁気シールドにとって効果的な形状に加工したものを所定の位置に固定して、高性能な磁気シールドを容易に実現することができる。また、前記磁気シールド層を構成する材料が熱伝導性にも比較的優れた材料であることに留意し、前記磁気シールド層を放熱手段の一部として活用することで、熱伝達効率を向上させ、熱の放散を促進することができる。また、最小限の部材で前記放熱手段を構成することができ、小型化や低コスト化に有利である。
【００３８】
通常、前記封止材で封止された前記メモリ素子等で発生した熱は、主として２つの経路で放散される。第１の経路は、熱伝導によって、前記メモリ素子が搭載されたダイパッド等からリード部を経て前記実装基板の配線部等へ放熱される経路である。第２の経路は、前記メモリ素子の周囲の前記封止材を経てパッケージの表面に伝えられた熱が、パッケージ周囲の空気の対流伝熱或いはパッケージ表面からの放射伝熱によって放散される経路である。前記磁気シールド層は、前記メモリ素子に接近してパッケージ表面に設けられているから、前記磁気シールド層と一体的に接合して設けられる前記放熱手段は、前記メモリ素子から前記磁気シールド層への熱の流れ又は／及び前記磁気シールド層から外部へ放散される熱の流れを促進し、前記第２の経路による熱の放散効率を効果的に高めることができる。
【００３９】
更に、本発明の磁気メモリ装置の実装構造は、前記メモリ素子から前記実装基板への新たな熱の放散経路を生み出すものであり、前記磁気メモリ装置からの熱の放散を効果的に補助できる実装構造である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明において、前記磁気シールド層がその磁気シールド効果を有効に発揮するためには、前記接合体が前記封止材の上面及び／又は下面に接して設けられているのがよく、前記メモリ素子が前記磁気シールド層によって上下から挟まれたサンドウィッチ構造をなしているのが特に好ましい。
【００４１】
また、前記磁気シールド層が磁気飽和を起こしにくいための条件として、前記磁気シールド層の形状が、その対向辺間の距離が１５ｍｍ以下の形状であるのがよい。
【００４２】
前記磁気ランダムアクセスメモリ又は磁気メモリが他の素子と共に基体上に混載されて封止されている場合には、前記磁気シールド層の磁気飽和を抑えるために、前記メモリ素子が占める面積領域の上部及び／又は下部にのみ前記磁気シールド層を設けるのがよい。このような場合でも、パッケージ表面からの熱の放散が最大限に行われるように、前記放熱手段は、前記封止材の上面及び／又は下面の略全面に設けられているのがよい。
【００４３】
物体からの熱の移動機構を大別すると、熱伝導、対流伝熱、放射伝熱およびこれらの組み合わせとなる。ヒートシンク等の特別な放熱手段が存在しない場合、前記封止材で封止された前記ＭＲＡＭ等のメモリ装置で発生した熱は、通常、主として前述した２つの経路で放散される。
【００４４】
前記第１の経路は、配線等の素子の基本構造に関わる経路であり、手を加えることは難しい。他方、前記第２の経路は比較的容易に改善でき、熱伝導性に優れた材料及び／又は形状からなる前記放熱手段によってできるだけパッケージ表面全体に均等に熱を分散させ、その熱を対流伝熱又は放射伝熱に優れた材料及び／又は形状からなる前記放熱手段によって効率よく放散するのがよい。
【００４５】
熱伝導性に優れた材料として、金属又は高熱伝導性セラミックスを挙げることができる。例えば、アルミニウム(Ａｌ)、銅(Ｃｕ)、銅タングステン(Ｃｕ-Ｗ)合金などの金属や、酸化アルミニウム(アルミナ、Ａｌ2Ｏ3)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、窒化ホウ素(ＢＮ)、窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)、炭化珪素(ＳｉＣ)などの高熱伝導性セラミックスや、Ｃｕ(又はＡｌ)-SｉＣ合金、Ｃｕ(又はＡｌ)-炭素(Ｃ)合金などを挙げることができる。但し、これらに限定されるものではない。
【００４６】
また、前記放熱手段又は前記磁気シールド層の表面の形状は、空気との接触面積を増やし、空気層の対流を促して、空気層へ放散される熱を増やす上で好都合な形状であるのが望ましく、例えば、表面に多数の溝が平行或いは格子状に形成されているものや、多数の凹凸や孔が形成された多孔質状の表面を有するもの等がよい。
【００４７】
また、前記放熱手段又は前記磁気シールド層の表面は、放射率を高める加工がなされているのが望ましい。例えば、前記放熱手段がアルミニウムからなる場合には、表面を黒アルマイト処理することにより放射率を高めることができる。また、また、容易に設けられ、放射伝熱に優れた材料として、カーボンブラックや酸化物や炭化物などのセラミックスなどが含有されている０．８〜０．９６程度の高放射率を持つ塗料（以下、熱輻射塗料と呼ぶ。）を挙げることができる（特開２００２−２２６７８３号公報並びに特公平６−７５０８号公報参照。）。前記放熱手段又は前記磁気シールド層の表面にこの熱輻射塗料を塗布することにより、表面からの放射率を高めることができる。なお、市販のスプレー塗料などにも放射率が高いセラミックス材料等が含まれていることが多く、これらの塗料を用いてもよい。この際、色は、黒だけではなく、白、赤、青などでもよく、限定されるものではない。
【００４８】
また、前記磁気シールド層を形成する軟磁性材料が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうち少なくとも１種を含む高飽和磁化、高透磁率の軟磁性体からなるのがよい。より具体的には、前記磁気シールド層を形成する材料としては、純鉄、Ｆｅ-Ｎｉ系、Ｆｅ-Ｃｏ系、Ｆｅ-Ｎｉ-Ｃｏ系、Ｆｅ-Ｓｉ系、Ｆｅ-Ａｌ-Ｓｉ系、およ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。
【００４９】
このような材料としては、特願２００２−３５７８０７号に開示されているような１．８テスラ（Ｔ）以上の飽和磁化を有する材料、特に、Ｓｉ：２〜４質量％、Ｆｅ：残部の合金、Ｃｏ：４７〜５０質量％、Ｆｅ：残部の合金、Ｃｏ：３５〜４０質量％、Ｆｅ：残部の合金、Ｃｏ：２３〜２７質量％、Ｆｅ：残部の合金、及びＣｏ：４８〜５０質量％、Ｖ：１〜３質量％、Ｆｅ：残部の合金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。
【００５０】
また、前記磁気シールド層が、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よい。これらの形状は、空気との接触面積を増やし、空気へ放散される熱を増やす上でも好都合である。
【００５１】
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。
【００５２】
また、前記実装基板への実装構造において、前記実装基板を貫通してサーマルビアが設けられ、これに前記磁気シールド層及び／又は前記放熱手段が接触しているのがよく、更に、前記磁気メモリ装置とは反対側の前記実装基板の面（裏面）に、前記サーマルビアに接続された放熱手段が設けられているのがよい。このようなサーマルビアとそれに接続された前記放熱手段によって、前記実装基板への熱の流れが促進されると共に、前記実装基板を越えた裏面側への放熱を効果的に行うことが可能になる。
【００５３】
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。
【００５４】
実施の形態１
図１は、実施の形態１に基づく、封止材３３の上面に磁気シールド層３４が貼り付けられ、更にその全面に放熱手段としてヒートスプレッダ４１が接合されているＭＲＡＭ素子含有半導体パッケージを例示する概略断面図である。ここで、ヒートスプレッダとは、高熱伝導性の材料からなり、熱を分散させることによりＩＣ（Integrated Circuit）などの発熱体の温度を低下させる部材のことである。
【００５５】
図１に示したＭＲＡＭパッケージでは、図１５〜図１７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３２の上に設けられ、実装基板３８に接続される外部リード３１を除いた部分全体が、モールド樹脂（例えばエポキシ樹脂）等の封止材３３によって封止されてパッケージ化されている（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、その説明は省略する。また、ダイパッド３２を含むリードフレームは簡略化して図示している。なお、これらのことは、後述の実施の形態２〜４でも同様である。）。
【００５６】
そして、磁気シールド層３４及びヒートスプレッダ４１は、封止材３３による封止後（モールド後）に、封止材３３の上面の所定位置に粘着材等によって固定される。磁気シールド層３４の厚さは、１００〜５００μｍ程度、ヒートスプレッダ４１の厚さは、２０〜１０００μｍ程度である。このように、パッケージ作製後に後工程によって磁気シールド層３４やヒートスプレッダ４１を簡易装着することで、その構造にとって最も効果的な形状の磁気シールド層３４及びヒートスプレッダ４１を容易に設けることができる。
【００５７】
図１のパッケージは、磁気シールド層３４及びヒートスプレッダ４１がＭＲＡＭのパッケージと一体化されており、実装基板（回路基板）３８へ実装する上でも望ましい構造である。また、磁気シールド層３４及びヒートスプレッダ４１を容易に装着、脱着できるようにしてもよい。
【００５８】
パッケージの下面側には、空気への放熱のため、アンダーフィル材は設けられていない。図示は省略したが、パッケージの下面側にスペースがあれば、封止材３３の下面にも磁気シールド層及びヒートスプレッダを設け、ＭＲＡＭパッケージの上下を磁気シールド層及びヒートスプレッダで挟む構造（サンドウィッチ構造）とするのがよい。これにより、より確実な磁気シールド効果と改善された放熱効果が達成される。
【００５９】
磁気シールド層をパッケージの上下両面に設けた場合と、図１のように上面にのみ設けた場合とのいずれの構造においても、ＭＲＡＭ素子３０を外部印加磁界から十分に磁気シールドする効果が発揮される。例えば、磁気シールド層３４は、外部との間で閉じた磁気回路を形成していないが、これでも外部印加磁界を効果的に集めて、ＭＲＡＭ素子３０に対する磁気シールドとして機能する。
【００６０】
本実施の形態におけるヒートスプレッダ４１の役割は、磁気シールド層３４の熱伝導性を補助してできるだけ均一に熱を分散させ、放熱効率をよくすると共に、ＭＲＡＭ素子３０の一部が局所的に高温になるのを防止することにある。
【００６１】
従って、ヒートスプレッダ４１の材料としては、熱伝導性に優れた材料、即ち、アルミニウム(Ａｌ)、銅(Ｃｕ)、銅タングステン(Ｃｕ-Ｗ)合金などの金属や、酸化アルミニウム(アルミナ、Ａｌ2Ｏ3)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、窒化ホウ素(ＢＮ)、窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)、炭化珪素(ＳｉＣ)などの高熱伝導性セラミックスや、Ｃｕ(又はＡｌ)-SｉＣ合金、Ｃｕ(又はＡｌ)-炭素(Ｃ)合金などがよい。
【００６２】
また、ヒートスプレッダ４１の表面形状は、空気との接触面積を増やし、空気層の対流を促して、空気層へ放散される熱を増やす上で好都合な形状であるのが望ましく、例えば、表面に多数の溝が平行或いは格子状に形成されているものや、多数の凹凸や孔が形成された多孔質状の表面を有するもの等がよい。また、後述するように、表面に放射伝熱に優れた熱輻射塗料等が塗布されているのもよい。
【００６３】
実施の形態２
図２は、実施の形態２に基づくＭＲＡＭパッケージの実装構造を例示する概略断面図である。本実施の形態では、ＭＲＡＭパッケージは、パッケージの上下両面に磁気シールド層３４と３５を有し、磁気シールド層３５に達した熱が実装基板３８を通じて放熱され得るように構成されている。図２（ａ）は、下側の磁気シールド層３５が、直接、実装基板３８と接触する例を示し、図２（ｂ）は、下側の磁気シールド層３５が、ヒートスプレッダ４２を介して実装基板３８と熱的に結合している例を示す。なお、上側の磁気シールド層３４には、実施の形態１と同様にヒートスプレッダ４１が設けられている。
【００６４】
図２（ａ）のように、単に磁気シールド層３５が実装基板３８に接触しているだけでも、ＭＲＡＭパッケージの熱は実装基板３８に逃げやすくなる。このとき、磁気シールド層３５の材料がパッケージの封止材３３の材料である樹脂等に比べて熱伝導率が高い材料であるため、磁気シールド層３５が磁気シールドのみならず熱伝導材の役割も兼ね、実装基板３８に熱が逃げやすくなる。
【００６５】
図２（ｂ）は、磁気シールド層３５の熱伝導性をヒートスプレッダ４２で補い、更なる放熱効果の向上を目指した例である。
【００６６】
図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図２（ａ）と（ｂ）に示した実装構造に、実装基板３８を貫通するサーマルビア４３を形成し、サーマルビア４３を介してＭＲＡＭパッケージと熱的に結合するヒートスプレッダ４４を実装基板３８の下側に追加した例である。
【００６７】
図３（ａ）および（ｂ）に示した実装構造では、サーマルビア４３とヒートスプレッダ４４とによって、実装基板３８への熱の流れが促進されると共に、実装基板３８を越えた裏面側への放熱を効果的に行うことが可能になる。
【００６８】
ヒートスプレッダ４２や４４、及びサーマルビア４３の材料は、ヒートスプレッダ４１と同様、熱伝導性に優れた金属や高熱伝導性セラミックスがよく、具体的には実施の形態１に挙げた材料、即ち、アルミニウム(Ａｌ)、銅(Ｃｕ)、銅タングステン(Ｃｕ-Ｗ)合金などの金属や、酸化アルミニウム(アルミナ、Ａｌ2Ｏ3)、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、窒化ホウ素(ＢＮ)、窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)、炭化珪素(ＳｉＣ)などの高熱伝導性セラミックスや、Ｃｕ(又はＡｌ)-ＳｉＣ合金、Ｃｕ(又はＡｌ)-炭素(Ｃ)合金などがよい。
【００６９】
また、ヒートスプレッダ４１や４４の表面は、実施の形態１に前述したと同様に、空気との接触面積を増やし、空気層の対流を促して、空気層へ放散される熱を増やす上で好都合な形状であるのが望ましく、例えば、表面に多数の溝が平行或いは格子状に形成されているものや、多数の凹凸や孔が形成された多孔質状の表面を有するもの等がよい。また、後述するように、表面に放射伝熱に優れた熱輻射塗料等が塗布されているのもよい。
【００７０】
サーマルビア４３は、スルーホールめっき、又は銅或いは銀ペーストの塗布によって形成するのがよい。
【００７１】
実施の形態３
図４と図５は、それぞれ、実施の形態３に基づくＭＲＡＭパッケージの例を示す平面図（図４）と、そのＡ−Ａ線概略断面図（図５）である（但し、図４では、構造をわかりやすく示すため、上面全面に設けられているヒートスプレッダは、図示を省略した。）。本実施の形態に基づくＭＲＡＭパッケージは、ＭＲＡＭ素子３０の他に、ＤＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ(Erasable and Programmable Read Only Memory)、ＭＰＵ(Micro Processing Unit)、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)、ＲＦ（Radio Frequency）素子等の他の素子３９がダイパッド３２の上に混載され、封止材３３によって封止されたＳＩＰ（System In Package）である。これは、同一基板の上に各素子が作りつけられるＳＯＣ（System On Chip）であってもよい。
【００７２】
ＭＲＡＭ素子３０は通常、ＱＦＰ(Quad Flat Package)、ＳＯＰ(Small Outline Package)などのパッケージに樹脂封止されてから基板上へ実装され、実用に供される。その大きさはピン数によりほぼ規格で決まっており、例えばピン数が４８本あるものではＱＦＰ−４８ＰＩＮなどと称している。ＭＲＡＭ素子は不揮発性メモリ素子であり、多ピンのパッケージが必要とされ、１Ｍｂｉｔクラスの記憶容量を持つＭＲＡＭ素子の場合、パッケージとしてはＱＦＰ１６０ＰＩＮあるいはＱＦＰ２０８ＰＩＮ程度のパッケージを用いる必要がある。図４は、ＱＦＰパッケージの例を示している。
【００７３】
特願２００２−３６３１９９号で開示されているように、半導体パッケージ内の一部の領域にＭＲＡＭ素子が搭載されているＭＲＡＭ素子混載パッケージでは、パッケージの上部及び／又は下部全面に磁気シールド層を設けるより、ＭＲＡＭ素子が搭載されている領域の上部及び／又は下部にのみ部分的に磁気シールド層を設けた方が効果的であることが明らかとなっている。以下、その理由を説明する。
【００７４】
ＭＲＡＭ素子の正常な動作を保証するためには、最大５００Ｏｅの大きな直流外部磁界が印加されても、少なくともＭＲＡＭ素子部において１０〜２０Ｏｅ以下の磁界強度に低減させることが必要である。そのような磁気シールド性能を得ることを目的として、次の実験を行った。
【００７５】
図６（ａ）は、その概略断面図である。実験では、磁気シールド材料からなる２枚のシート（１辺の長さＬｍｍ、厚さｔ＝２００μｍ）を磁気シールド層５１及び５２として３．４５ｍｍの間隔ｄで平行に配置し、２枚の磁気シールド層５１と５２とによって挟まれた内部空間５３の上下方向中心部にガウスメータ５４を配置する。そして、５００Ｏｅの外部直流磁界を磁気シールド層５１と５２に平行に印加しながら、ガウスメータ５４の測定位置をシート端部からシートの面方向中心部まで移動させ、内部磁界強度（内部空間５３に侵入した磁界強度）を測定し、効果的な磁気シールド層の材料及び形状を検討した。
【００７６】
例えば、磁気シールド材料として、飽和磁化Ｍｓ＝２．３Ｔ、初透磁率μｉ＝１０００のＦｅＣｏＶを用い、磁気シールド層５１及び５２の一辺の長さＬを１０、１５、２０及び２８ｍｍとした４種の試料について、外部印加磁界強度５００Ｏｅの下での内部磁界強度を測定した。図６（ｂ）に、端部からの距離に対して内部磁界強度をプロットしたグラフを示す。
【００７７】
図６（ｂ）のグラフによると、１辺の長さが２８ｍｍまたは２０ｍｍの試料では、中心部での磁界強度が大きくなっている。これは、磁気シールド層５１（或いは５２）の中心付近で磁気飽和が起こり、遮蔽効果が十分発揮されなくなるためである。これに対し、１辺の長さが１５ｍｍまたは１０ｍｍの試料では、磁界強度は、中心部まで十分低く抑えられ、１０〜２０Ｏｅ以下である。
【００７８】
このように、磁気シールド層の磁気飽和は、面方向中心部ほど起こりやすく、磁気シールド層のシールド効果が有効に作用する領域は、磁気シールド層の磁気飽和現象によって制限され、磁性材料の特性、厚み、１辺の長さで定まることが明らかとなった。
【００７９】
例えば、磁気シールド層としてＦｅＣｏＶを用いて５００Ｏｅ以上の高い磁界強度を遮蔽するには、その厚さが２００μｍである場合、磁気シールド層５１及び５２の１辺の長さ（又は対向辺間の距離）を１５ｍｍ以下とすれば、面方向中心部においてもシールド効果が有効に作用し、ＭＲＡＭ素子の磁気シールド層として利用できる。また、その厚さが１５０μｍである場合には、磁気シールド層の１辺の長さを１０ｍｍ以下とすれば、同様の効果を期待することができる。
【００８０】
但し、磁気シールド層の１辺の長さが短すぎても、開口部から内部空間５３に侵入する外部磁場が増加し、磁気シールド効果が乏しくなる。従って、磁気シールド層の１辺の長さ（又は対向辺間の距離）は、ＭＲＡＭ素子のサイズも勘案して、３ｍｍ以上、更には５ｍｍ以上とするのがよい。
【００８１】
開口部から内部空間５３に侵入する外部磁場を考慮すると、磁気シールド層の１辺の長さが１０ｍｍであれば、その有効な磁気シールド領域は１辺の長さ約８ｍｍの領域となる。ＭＲＡＭ素子は１Ｍビットクラスのものでも通常数ｍｍ角サイズであることが多いから、１辺の長さが１０ｍｍの磁気シールド層であれば、上記の領域内に配置することによって、問題なくＭＲＡＭ素子を外部磁界から磁気シールドすることができる。
【００８２】
このように、半導体パッケージ内の一部の領域にＭＲＡＭ素子が搭載されているＭＲＡＭ素子混載パッケージでは、ＭＲＡＭ素子３０の占有面積領域のみに磁気シールド層を設けると、磁気シールド層のサイズを１辺が１５ｍｍ以下、望ましくは１０ｍｍ以下とすることができ、磁気シールド層の磁気飽和を効果的に抑制して、十分な磁気シールド効果を発揮させることができる。一方、前述した特許文献２（米国特許第5,939,772号）に示されているように、パッケージの上部及び／又は下部全面に磁気シールド層を設けると、そのサイズが１辺１５ｍｍを越え、磁気シールド層中央部の磁気飽和現象によって磁気シールド性能が劣化する。従って、磁気シールド層は、ＭＲＡＭ素子３０の占有面積領域のみに必要十分な最小限の大きさで設けるのが望ましい。
【００８３】
一方、放熱の観点から考慮すると、ＭＲＡＭ素子において発生した熱は、すみやかにＭＲＡＭパッケージの表面全体に均一に分散させ、放熱面積を増やすことで効率よくパッケージから放散させることが必要になる。
【００８４】
そこで、ＭＲＡＭ素子混載パッケージでは、図５（ａ）のように、磁気シールド層３４及び３５は、ＭＲＡＭ素子３０の占有面積領域のみに設ける一方、ヒートスプレッダ４５及び４６は、モールドしたＭＲＡＭパッケージの上面及び下面の略全面に設けるのがよい。
【００８５】
また、全体の厚さを抑えるには、図５（ｂ）に示すように、ＭＲＡＭ素子３０の占有面積領域のみを覆う磁気シールド層３４とヒートスプレッダ４７とを予め板状に一体成形した成形体を用意し、これをパッケージに貼り付けてもよい。なお、この成形体において、磁気シールド層３４の表面は、露出していてもよいし、図５（ｂ）に示すようにヒートスプレッダ４７によって被覆されていてもよい。例えば、ヒートスプレッダ４７がセラミックスである場合、磁気シールド層３４の放射率が約０．２以下であるのに対し、ヒートスプレッダ４７の放射率は０．６〜０．７でずっと大きいので、磁気シールド層３４の表面を薄く覆うだけで、放射伝熱特性を改善することができる。
【００８６】
ここでヒートスプレッダ４５〜４７がはたすべき第１の役割は、ＭＲＡＭ素子において発生した熱をすみやかにＭＲＡＭパッケージの表面全体に均一に分散させることであるから、その材料は、熱伝導性に優れた金属や高熱伝導性セラミックスがよく、具体的には実施の形態１に挙げた材料がよい。また、ヒートスプレッダ４５〜４７の表面は、実施の形態１に前述したと同様に、空気との接触面積を増やし、空気層の対流を促して、空気層へ放散される熱を増やす上で好都合な形状であるのが望ましく、例えば、表面に多数の溝が平行或いは格子状に形成されているものや、多数の凹凸や孔が形成された多孔質状の表面を有するもの等がよい。また、後述するように、表面に放射伝熱に優れた熱輻射塗料等が塗布されているのもよい。
【００８７】
ＭＲＡＭ素子混載パッケージは、上記のような構造を取ることにより、良好な磁気シールド性能と放熱性能を共に実現することができる。
【００８８】
実施の形態４
図７（ａ）は、実施の形態４に基づくＭＲＡＭパッケージを例示する概略断面図である。このＭＲＡＭパッケージでは、磁気シールド層３４と３５がパッケージの上下両面に設けられ、上側の磁気シールド層３４には、実施の形態１と同様にヒートスプレッダ４１が設けられ、更に、その表面に熱輻射塗料の塗布によって熱輻射材コーティング層４８が形成されている。
【００８９】
前述したように、パッケージの表面からは、パッケージ表面に接している空気層に伝えられた熱が空気の対流によって運び去られる対流伝熱による放熱と、パッケージの表面から輻射される赤外線の形で熱が放出される放射伝熱による放熱とが行われる。パッケージの表面温度が室温に比べてそれほど高くない場合は、対流伝熱による放熱が支配的であるが、熱輻射による放熱量は、環境温度との温度差が大きくなるほど急激に大きくなるため、温度が高くなるにつれて放射伝熱の寄与が大きくなる。
【００９０】
熱輻射による放熱量は、温度のほかに、放熱面積と放射率に比例して大きくなる。しかし、金属のような光沢を持つ材料は、放射率が０．０２〜０．３程度とかなり小さい。そこで、本実施の形態では、磁気シールド層３４やヒートスプレッダ４１の表面の放射率を高めてやることにより、放射伝熱による放熱を促進する。
【００９１】
図７（ａ）には、ヒートスプレッダ４１の表面に熱輻射塗料を塗布して熱輻射材コーティング層４８を形成した例を示した。これ以外の方法として、例えば、ヒートスプレッダがアルミニウムからなる場合には、黒アルマイト処理をすることにより放射率を高めることができる。また、市販のスプレー塗料などを熱輻射塗料の代わりに用いてもよい。
【００９２】
なお、熱輻射塗料の塗膜が厚くなりすぎると、熱輻射塗料は熱伝導率が低いため、かえって熱の放散が低下する可能性がある。従って、塗膜の厚さは１０μｍ〜１００μｍの範囲内とすることが望ましい。これは、下記の例でも同様である。
【００９３】
図７（ｂ）は、磁気シールド層３４と３５をパッケージの上下両面に設け、上側の磁気シールド層３４にヒートスプレッダ４１を設けず、直接、磁気シールド層３４の表面に熱輻射塗料を塗布して熱輻射材コーティング層４８を設けた例である。これは、パッケージが厚くなりすぎるなどの理由でヒートスプレッダ４１を設けない場合に適用できる構造である。この処理によって、磁気シールド層３４の放射率を０．２程度から０．９程度まで改善することができる。磁気シールド層３４の熱伝導率は、１４〜４０Ｗ／ｍｋ程度と樹脂パッケージの熱伝導率より高いため，磁気シールド層３４はヒートスプレッダの役割を果たしつつ、放射率が改善されることによって優れた放射伝熱材の役割をも果たし、総合的に放熱効率が高まることになる。
【００９４】
図示は省略するが、実施の形態１〜３で説明した、ヒートスプレッダ４１、４５〜４７や、磁気シールド層３４、３５の表面に熱輻射塗料を塗布して熱輻射材コーティング層４８を設けてもよい。
【００９５】
図８は、実施の形態４に基づくＭＲＡＭパッケージの他の例を示す概略断面図である。このＭＲＡＭパッケージでは、磁気シールド層がパッケージの上下両面に設けられているが、磁気シールド層が表面に凹凸をもつ磁気シールド層３６である場合（ａ）、又は網状、スリット状等の貫通孔をもつ磁気シールド層３７である場合（ｂ）であり、共にその表面に熱輻射塗料が塗布され、熱輻射材コーティング層４８が形成されている。
【００９６】
このような形状の磁気シールド層３６又は３７は、その周辺端部のみならず凹凸や貫通孔の部分での形状異方性によって、外部印加磁界に対する反磁界が発生し、磁気飽和し難く、高特性のシールド効果を有するものとなる。このような形状の磁気シールド層は、磁気シールドにとって最も効果的な形状、サイズに作製しておき、これをパッケージに粘着材等で容易に固定することができる。
【００９７】
また、表面積が大きくなることから、対流伝熱及び放射伝熱による放熱の効果も高まることになる。更に、その表面に熱輻射材コーティング層４８が形成されているため、放射率を０．２程度から０．９程度まで改善することができ、放射伝熱による放熱が改善される。
【００９８】
実施の形態５
上述した実施の形態１〜４では、パッケージの表面に接して磁気シールド層を設け、その外側にヒートスプレッダを設けているが、本実施の形態では、逆に、パッケージの表面に接してヒートスプレッダを設け、その外側に磁気シールド層を設ける例を説明する。
【００９９】
このように配置すると、熱伝導性に優れたヒートスプレッダが熱の発生源により近い位置に設けられるため、熱を分散させるヒートスプレッダの作用がより有効に発揮される利点がある。また、実施の形態３で前述したように、磁気シールド層の大きさは、磁気シールド効果を高めるために制限されることがあるが、ヒートスプレッダにはそのような制限がないため、上記のように配置すると、より作製しやすい形状になる場合がある。
【０１００】
図９は、実施の形態３で説明したＭＲＡＭ素子３０が他の素子３９と混載されたＳＩＰに本実施の形態を適用し、パッケージの上下両面の略全面にヒートスプレッダ４５及び４６を設け、その上のＭＲＡＭ素子３０が搭載されている領域の上部および下部にのみ磁気シールド層３４及び３５を設けた例である。
【０１０１】
ヒートスプレッダ４５及び４６の材料としては、前述の例と同様、熱伝導性に優れた金属や高熱伝導性セラミックスがよいが、銅やアルミニウムを用いて作製する場合には、めっきや蒸着等の方法を用いて形成することもできる。
【０１０２】
ヒートスプレッダの厚さは、厚ければ厚いほど熱を分散させる効果は優れるものの、磁気シールド層のシールド効果に悪影響を与えない範囲に抑えなければならない。そこで、適切な磁気シールド層の間隔を明らかにするため、下記のような検討を行った。
【０１０３】
即ち、既に図６（ａ）を用いて説明したように、１組の磁気シールド層５１と５２を対向させて配置し、外部磁界を印加して、内部空間５３に侵入する磁界強度を測定した。この際、１辺の長さを１５ｍｍに固定したまま、磁気シールド層の間隔ｄを変化させ、そのときの磁界強度の変化を測定し、図１０に示す結果を得た。実験は、磁気シールド層５１と５２はＦｅ-Ｃｏ-Ｖ合金で形成し、磁気シールド層の厚さは２００μｍ、外部印加磁界強度は５００Ｏｅとして行った。
【０１０４】
図１０に示す結果から、パッケージの上下両面に配置する２つの磁気シールド層３４−３５間の間隔が３．０ｍｍを超えると、内部に侵入する磁界強度が急激に大きくなり、ＭＲＡＭの許容磁界強度である２０Ｏｅを超えてしまうこと、従って、１辺が１５ｍｍの磁気シールド層を形成する場合には、１組の磁気シールド層の間隔を３ｍｍ以下に抑えることが必要であることがわかる。
【０１０５】
以上から、ヒートスプレッダ４５及び４６を磁気シールド層３４及び３５の内側に装着する際には、ヒートスプレッダの厚さを、磁気シールド層の間隔が３ｍｍを超えないようにすることが望ましい。
【０１０６】
図１１は、磁気シールド層が表面に凹凸をもつ磁気シールド層３６である場合（ａ）、又は網状、スリット状等の貫通孔をもつ磁気シールド層３７である場合（ｂ）に本実施の形態を適用したＭＲＡＭパッケージの概略断面図である。図示は省略したが、実施の形態４と同様、磁気シールド層３６及び３７の表面には、熱輻射塗料を塗布して熱輻射材コーティング層４８を形成するのもよい。
【実施例】
【０１０７】
以下、本発明の好ましい実施例として、図１２（Ｃ）に示すように、ＭＲＡＭ素子を含むＳＩＰのようなマルチチップモジュール（ＭＣＭ）に磁気シールド層３４及び３５と熱輻射材コーティング層４８とを設け、放熱効果および磁気遮蔽効果を調べた例を説明する。
【０１０８】
ＭＣＭの大きさは、縦横各３０ｍｍ、厚さ３．５ｍｍであり、内部中央位置にＭＲＡＭを設けた。その上面と下面の中央に、ＭＲＡＭをサンドウィッチ状に挟むように、Ｆｅ-Ｓｉからなる磁気シールド層３４及び３５を設けた。その大きさは、縦横各１４ｍｍ、厚さ３５０μｍである。磁気シールド層３４及び３５の表面には、熱輻射塗料を塗布し、熱輻射材コーティング層４８を形成した。図１２（Ａ）、（Ｂ）には比較試料を示した。
【０１０９】
図１２には、ＭＣＭにおけるＭＲＡＭの消費電力と室温からの温度上昇度との関係をグラフで示す。測定は、Ａ．ＭＣＭのみの場合、Ｂ．ＭＣＭの上下の面に磁気シールド層３４及び３５を設けた場合、Ｃ．Ｂの磁気シールド層３４及び３５の表面に熱輻射材コーティング層４８を形成した場合の３つの状態で行った。温度測定位置６０は、ＡではＭＣＭの上面の中心部、Ｂでは磁気シールド層３４の上面の中心部、Ｃでは熱輻射材コーティング層４８が形成された磁気シールド層３４の上面の中心部である。
【０１１０】
図１２に示すように、消費電力が同じであれば、室温からの温度上昇度は、いずれの消費電力でもＡ＞Ｂ＞Ｃであった。Ａに比べＢの温度上昇度が低い一因は、ＭＲＡＭからの熱が、熱伝導性のよいＦｅ-Ｓｉ磁気シールド層３４によって分散されたためと考えられ、磁気シールド層自体が放熱手段の一部として機能し得ることを示している。Ｂに比べＣの温度上昇度が低い原因は、熱輻射材コーティング層４８によって放射伝熱による放熱が促進された結果であると考えられる。
【０１１１】
図１３は、消費電力を１．０Ｗに固定して種々の放熱手段を組み合わせた場合の温度上昇度を相互に比較したものである。図１３から、磁気シールド層と、ヒートスプレッダや熱輻射材コーティング層等の放熱手段とを組み合わせることで、十分な放熱効果を期待できることがわかった。特に、放熱手段の採用によって、磁気シールド層を常にキュリー温度以下に維持して、その磁気特性を保持することができる。
【０１１２】
図１４は、ＭＣＭにおける内部磁界の実測値を示すグラフである。Ｆｅ-Ｓｉ磁気シールド層３４及び３５の大きさは、縦横各１４ｍｍ、厚さ１３５μｍ（図１４（ａ））または２７０μｍ（図１４（ｂ））であり、外部印加磁界は１００Ｏｅである。いずれの場合でも、外部磁界は、端部から４ｍｍほど内部に入ったところまでは侵入するが、左端からの距離４〜１０ｍｍの領域では磁界は十分小さく抑えられており、通常のＭＲＡＭ素子の大きさが縦横各５ｍｍ程度であることを考慮すると、十分良好なシールド特性が得られたと考えられる。なお、磁気シールド層の両端には磁束が集中するため、両端部では１００Ｏｅ以上の磁界が測定される。
【０１１３】
上述した本発明の実施の形態並びに実施例によれば、大きな外部磁界に対してＭＲＡＭ素子を磁気的に遮蔽して保護しつつ、放熱効率を高めることができる。本発明を用いることにより、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障のできる環境を提供することが可能であり、また、磁気シールド層および放熱手段の装着・設置が容易であることから、シールドおよび放熱材に関する実装過程を簡易化することが可能となる。また、ＳＩＰ或いはＳＯＣなどの実装形態にも適用できるため、ＭＲＡＭの使用される環境下の大部分で応用可能な技術である。
【０１１４】
以上、本発明を実施の形態並びに実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【０１１５】
例えば、上述の高飽和磁化材料の組成、種類、磁気シールド層の厚さや配置、ＭＲＡＭの構造等は様々に変化させてよい。
【０１１６】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
ＭＲＡＭは、高速かつ不揮発性の大容量メモリとしてユビキタス時代に必要不可欠なものであると考えられており、あらゆる電子装置、とりわけ、高速化、低消費電力化、高集積化などの、一層の高性能化が要求されている情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器に好適である。
【０１１８】
本発明は、ＭＲＡＭ素子等の磁化可能な磁性層を有するメモリ素子を外部磁界から磁気的に遮蔽して保護する磁気シールド層と、放熱効率を高めた放熱手段とを簡易に設置することを可能にする、ＭＲＡＭ素子等の実用化に欠かせない技術の発明である。また、ＳＩＰやＳＯＣなどの実装形態にも適用できるため、ＭＲＡＭの使用される環境下の大部分で応用可能な技術であり、電子機器の小型化や軽量化にも貢献する。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく、ＭＲＡＭパッケージの概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に基づく、ＭＲＡＭパッケージの実装形態を示す概略断面図である。
【図３】同、ＭＲＡＭパッケージの他の実装形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３に基づく、ＭＲＡＭパッケージの平面図である。
【図５】同、ＭＲＡＭパッケージの概略断面図である。
【図６】同、２つの磁気シールド層で挟まれた内部空間の磁界強度を測定する際の概略断面図（ａ）と、磁気シールド層の大きさと、外部印加磁界の侵入によって生じる内部磁界強度との関係を示すグラフ（ｂ）である。
【図７】本発明の実施の形態４に基づく、ＭＲＡＭパッケージの概略断面図である。
【図８】同、ＭＲＡＭパッケージの他の例を示す概略断面図である。
【図９】本発明の実施の形態５に基づく、ＭＲＡＭパッケージの概略断面図である。
【図１０】同、磁気シールド層間の間隔の大きさと、外部印加磁界の侵入によって生じた内部磁界強度との関係を示すグラフである。
【図１１】同、ＭＲＡＭパッケージの他の例を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の実施例のＭＣＭにおける、消費電力と温度上昇度との関係を示すグラフである。
【図１３】同、放熱手段の組み合わせと温度上昇度との関係を示すグラフである。
【図１４】同、外部印加磁界の侵入によって生じた内部磁界強度の実測値を示すグラフである。
【図１５】ＭＲＡＭのＴＭＲ素子の概略斜視図である。
【図１６】ＭＲＡＭのメモリセル部の一部の概略斜視図である。
【図１７】ＭＲＡＭのメモリセルの概略断面図である。
【図１８】ＭＲＡＭの等価回路図である。
【図１９】ＭＲＡＭの書き込み時の磁界応答特性図である。
【図２０】ＭＲＡＭの読み出し動作原理図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１…トップコート層、２…記憶層、３…トンネルバリア層、４…第１の磁化固定層、
５…反強磁性結合層、６…第２の磁化固定層、７…反強磁性体層、８…下地層、
９…支持基板、１０…メモリセル（ＴＭＲ素子）、１１…ビット線、
１２…書き込み用ワード線、１３…シリコン基板、１４…ウェル領域、
１５…ゲート絶縁膜、１６…ゲート電極、１７…ソース領域、１８…ドレイン領域、
１９…読み出し用電界効果トランジスタ（選択用トランジスタ）、２０…ソース電極、
２１…センスライン、２１ｂ…センスアンプ、２２…読み出し用配線、
２３…ドレイン電極、２４…ワード線電流駆動回路、２５…ビット線電流駆動回路、
２６…磁化固定層、３０…ＭＲＡＭ素子（ＴＭＲ素子内蔵）、３１…外部リード、
３２…ダイパッド、３３…封止材、３４、３５…磁気シールド層、
３６…凹凸をもつ磁気シールド層、３７…貫通孔をもつ磁気シールド層、
３８…実装基板、３９…他の素子、
４１、４２、４４〜４７…ヒートスプレッダ、４３…サーマルビア、
４８…熱輻射材コーティング層、５１、５２…磁気シールド層、
５３…内部空間、５４…ガウスメータ、６０…温度測定位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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