JP2003115578A - Nonvolatile solid magnetic memory, its manufacturing method and multichip package - Google Patents
Nonvolatile solid magnetic memory, its manufacturing method and multichip packageInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果を用
いた不揮発の固体メモリ素子、およびメモリとそれらの
磁気シールドパッケージ及びその製法に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile solid-state memory device using a magnetoresistive effect, a memory, a magnetic shield package for them, and a manufacturing method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】昨今では、携帯電話、PDAを中心として
モバイル端末の開発が盛んになっている。モバイル機器
においては格納用メモリとして、大容量の不揮発性高速
アクセスメモリの必要性が叫ばれている。近年、非磁性
層を強磁性層の間にはさみ込んだ磁気抵抗膜で巨大磁気
抵抗効果(Giant Magnet Regista
nce)が発見され、この現象を利用した磁気センサ
ー、磁気メモリ素子(以下、「MRAM」という)が注目を
集めている。強磁性層/非磁性絶縁層/強磁性層と積層
された薄膜の膜垂直方向に電流を流したときの電気抵抗
の変化は、強磁性層のスピン分極率の差により、非磁性
絶縁層をトンネルバリア層としたトンネル電流の変化と
して検知され、トンネル磁気抵抗効果(TMR効果)と呼ば
れている。TMR素子では高い磁気抵抗比が得られること
から、MRAMや磁気ヘッドの実用化に向け開発が加速して
いる。2. Description of the Related Art Recently, mobile terminals, such as mobile phones and PDAs, have been actively developed. The need for a large-capacity non-volatile high-speed access memory as a storage memory in mobile devices is being emphasized. In recent years, a magnetoresistive film having a nonmagnetic layer sandwiched between ferromagnetic layers has a giant magnetoresistive effect.
nc) was discovered, and magnetic sensors and magnetic memory devices (hereinafter referred to as “MRAM”) that utilize this phenomenon have been attracting attention. The change in electric resistance when a current is passed in the direction perpendicular to the film of a ferromagnetic layer / non-magnetic insulating layer / ferromagnetic layer is due to the difference in spin polarizability of the ferromagnetic layer. It is detected as a change in the tunnel current used as the tunnel barrier layer and is called the tunnel magnetoresistance effect (TMR effect). Since a high magnetoresistive ratio can be obtained in the TMR element, development is accelerating toward practical application of MRAM and magnetic head.
【0003】MRAMでは2つの強磁性層とその間に挟んだ
薄い非磁性層が情報を記憶する基本構造となる。非磁性
層をはさみ込んだ強磁性層の磁化方向がそろっている場
合と反平行な場合とで抵抗値が異なる現象を利用して、
“0”、“1”の状態を記憶する。In MRAM, two ferromagnetic layers and a thin non-magnetic layer sandwiched between them serve as a basic structure for storing information. Utilizing the phenomenon that the resistance value is different between when the magnetization directions of the ferromagnetic layers sandwiching the nonmagnetic layer are aligned and when they are antiparallel,
The states of "0" and "1" are stored.
【0004】情報の読み出しは、抵抗の絶対値で判断す
る絶対検出方式と、書き込みの際より弱い磁場を印加し
て、保磁力が低い方の強磁性層だけ磁化反転させて
“0”、“1”の状態を読み出す差動検出方式が知られ
ている。Information is read by an absolute detection method in which the absolute value of resistance is used for judgment, and a weaker magnetic field is applied during writing to reverse the magnetization of only the ferromagnetic layer having a lower coercive force to "0" or "0". A differential detection method for reading the 1 "state is known.
【0005】情報の書き込みは、絶対検出方式では、2
つの強磁性層のうち、保磁力が低い一方の磁化方向を外
部磁界で変化させることで行う。差動検出方式では2つ
の強磁性層のうち、保磁力が高い一方の磁化方向を外部
磁界で変化させることで行う。磁気抵抗素子の近傍に配
置した配線に電流を流し、発生する磁界を利用する方法
が知られている。Information is written in two by the absolute detection method.
This is done by changing the magnetization direction of one of the two ferromagnetic layers, which has a lower coercive force, by an external magnetic field. The differential detection method is performed by changing the magnetization direction of one of the two ferromagnetic layers, which has a higher coercive force, by an external magnetic field. A method is known in which a current is caused to flow in a wiring arranged near a magnetoresistive element and a generated magnetic field is used.
【0006】MRAMは磁気的に記憶されるため放射線耐性
に優れ、原理的に不揮発であり高速で書き込み回数の制
限がない利点がある。既存の半導体技術を流用する事で
高密度記録が容易に行えるので、将来的にはDRAMの置き
換えが期待される。Since the MRAM is magnetically stored, it has excellent radiation resistance, is non-volatile in principle, has a high speed, and has no limitation on the number of times of writing. High-density recording can be easily done by diverting existing semiconductor technology, so DRAM replacement is expected in the future.
【0007】磁気メモリにおいては、外部からの磁界に
よって記録情報が乱される恐れがある。格納された情報
は、メモリセル近傍に配した配線の電流磁界で書き換え
が行われるが、書き換えに要する磁界の大きさは10〜50
[Oe](790〜3950[A/m])程度に設定される。
従って、これを超える磁界が想定外の要因で印加される
と誤記録や誤動作の原因となり、メモリの信頼性を著し
く損なうことになる。In the magnetic memory, the recorded information may be disturbed by an external magnetic field. The stored information is rewritten by the current magnetic field of the wiring arranged near the memory cell, but the magnitude of the magnetic field required for rewriting is 10 to 50.
It is set to about [Oe] (790 to 3950 [A / m]).
Therefore, if a magnetic field exceeding this is applied due to an unexpected factor, erroneous recording or malfunction will occur, and the reliability of the memory will be significantly impaired.
【0008】特に近年では、携帯電話やノート型パソコ
ン、PDA等、より高密度に高い機能を有するデバイスを
実装する機器が爆発的に増加している。これらの機器に
おいては、基板上にデバイスを並べる従来の方式と比べ
飛躍的に集積度があがる技術としてチップ・サイズ・パ
ッケージあるいはシステム・イン・パッケージといっ
た、チップの裏面を利用して表面実装を実現する、ある
いは、複数の異種プロセスチップを1パッケージ化して
実装密度を低減する方法が採用されている。In recent years, in particular, the number of devices mounting devices having higher functions with higher density, such as mobile phones, notebook personal computers, and PDAs, has increased explosively. In these devices, surface mounting is realized by using the backside of the chip, such as chip size package or system in package, as a technology that dramatically increases the degree of integration compared to the conventional method of arranging devices on the substrate. Alternatively, a method of reducing the mounting density by packaging a plurality of different process chips into one package is adopted.
【0009】入力/出力(I/O)点数の増加に伴い、実装
技術はワイヤボンディングの時代からバンプと呼ばれる
厚膜メタル突起による表面実装の時代へと進化してお
り、300mmウエハ以降においては、広くこうしたウ
エハ・レベル・パッケージ(WLP)技術が浸透していく
ことが予測されている。With the increase in the number of input / output (I / O) points, the mounting technology has evolved from the era of wire bonding to the era of surface mounting using thick film metal protrusions called bumps. It is expected that such wafer-level packaging (WLP) technology will spread widely.
【0010】さらに今後の展開として、システム・オン
・チップと呼ばれ複数の機能デバイスを同一ウエハ上に
混載する技術が研究開発されている。MRAMも高密度なパ
ッケージが要求される上記の用途に組み込んで使用され
る。Further, as a future development, a technique called system-on-chip in which a plurality of functional devices are mixedly mounted on the same wafer is being researched and developed. MRAM is also used by incorporating it in the above-mentioned applications where a high-density package is required.
【0011】中でも外部からの磁界が大きいケースとし
ては携帯電話が考えられる。携帯電話では電話の着信
や、機器の動作状態を使用者に振動によって知らせるバ
イブレーション機能が普及している。バイブレーターと
しては、偏心分銅を配した電磁モーターが広く用いられ
ており、コアの有無を含め多様な種類が使用されてい
る。このモーター周辺では通常より高い数10[Oe](79
0[A/m])程度の磁界が存在するため、高密度に実装を
行った場合にはパッケージ内部に対しても大きく変動す
る磁界が加わることになる。Among them, a mobile phone is considered as a case where a magnetic field from the outside is large. A vibration function is widely used in mobile phones to notify the user of incoming calls and device operating states by vibration. As a vibrator, an electromagnetic motor with an eccentric weight is widely used, and various types including a core or not are used. Higher than usual around this motor 10 [Oe] (79
Since a magnetic field of about 0 [A / m] exists, a highly fluctuating magnetic field is applied to the inside of the package when the packaging is performed at high density.
【0012】図19は異種プロセスチップを1パッケー
ジ化するスタックMCP(マルチ・チップ・パッケージ)
の構造例を示すものである。同図において符号110は半
導体実装基板、符号111は第1デバイス、符号112は第2デ
バイスを示す。第1デバイス111と第2デバイス112はそれ
ぞれダイ接続層113、114を介して重畳してある。第1デ
バイス111と第2デバイス112の間はボンディングワイヤ
ー116でコンタクトパッド同士が接続されている。第1デ
バイス111と半導体実装基板110の間はボンディングワイ
ヤー117でコンタクトパッド同士が接続されている。半
導体実装基板110にはインターポーザ(相互接続部)119
が形成されており、裏面の半田ボール120を介して外部
回路と接続する。全体は樹脂パッケージ115で封止され
ている。このような構造においては従来とは比べ物にな
らない程、非常に過酷な電磁波環境にさらされる。換言
すれば、パッケージ外部からのEMI環境だけでなく、他
チップから発生するEMIにも耐性を持つ構造とする必要
がある。FIG. 19 shows a stack MCP (multi-chip package) for packaging different process chips into one package.
FIG. In the figure, reference numeral 110 indicates a semiconductor mounting substrate, reference numeral 111 indicates a first device, and reference numeral 112 indicates a second device. The first device 111 and the second device 112 are overlaid via the die connection layers 113 and 114, respectively. Bonding wires 116 connect the contact pads between the first device 111 and the second device 112. Bonding wires 117 connect the contact pads between the first device 111 and the semiconductor mounting substrate 110. The semiconductor mounting board 110 has an interposer 119.
Are formed, and are connected to an external circuit through the solder balls 120 on the back surface. The whole is sealed with a resin package 115. In such a structure, it is exposed to a very harsh electromagnetic environment, which is incomparable to the conventional one. In other words, it is necessary to have a structure that can withstand not only the EMI environment from the outside of the package but also the EMI generated from other chips.
【0013】ここで提案されている磁気遮蔽構造に関し
て俯瞰する。An overview of the magnetic shield structure proposed here will be given.
【0014】磁気抵抗効果膜をもちいた磁気ディスクの
ヘッドにおいて、特開2000-188435号公報には図20に
見られるように磁気ディスクのヘッド部には書き込み磁
界の影響を回避するための磁気シールドが読み取り部を
囲むように設置される構造をとる。In a magnetic disk head using a magnetoresistive film, as shown in FIG. 20 of Japanese Patent Laid-Open No. 2000-188435, a magnetic shield for avoiding the influence of a write magnetic field is applied to the head part of the magnetic disk. Is installed so as to surround the reading unit.
【0015】また、局部的な磁気遮蔽を利用して電流磁
界の利用効率を高めようという提案も数多く存在する。
例えば、特開平09-204770号公報では、磁性体を利用し
て磁場を磁気メモリ・セル素子内に集中させ、記録・再
生時に必要な電流を減少させることが開示されている。
図21に示すようにメモリ素子の近傍に高透磁率材料か
らなる磁性体を配置することで、書き込み線による発生
磁界を該当メモリセルに集中させる構造とするものであ
る。There are also many proposals for increasing the utilization efficiency of the current magnetic field by utilizing local magnetic shielding.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-204770 discloses that a magnetic material is used to concentrate a magnetic field in a magnetic memory cell element to reduce the current required for recording / reproducing.
As shown in FIG. 21, a magnetic body made of a high magnetic permeability material is arranged in the vicinity of the memory element so that the magnetic field generated by the write line is concentrated in the corresponding memory cell.
【0016】[0016]
【発明が解決しようとする課題】今後MRAMを製品と
して実施していくためには,省電力化を図る必要があ
る。一般にMRAMにおける情報の記録再生には配線に
流す電流により誘起される磁界を用いる場合が多い。し
たがって、省電力化を図るためには流す電流値を小さく
するのが好ましい。In order to implement the MRAM as a product in the future, it is necessary to save power. Generally, a magnetic field induced by a current flowing in a wiring is often used for recording / reproducing information in / from the MRAM. Therefore, in order to save power, it is preferable to reduce the value of the flowing current.
【0017】しかしながら、これを達成するためには、
磁気抵抗素子の磁性膜の保磁力を小さくする必要があ
る。それによって外部からの磁界による誤書き込みなど
の誤動作を誘発する恐れがあり、またこれは複数の回路
を近接して設けるマルチパッケージなどの場合において
は、特に顕著に現れる恐れがある。However, in order to achieve this,
It is necessary to reduce the coercive force of the magnetic film of the magnetoresistive element. As a result, a malfunction such as erroneous writing due to a magnetic field from the outside may be induced, and this may be particularly remarkable in the case of a multi-package in which a plurality of circuits are provided close to each other.
【0018】そこで、本発明が解決しようとする第1の
課題(目的)は、WLP時代に相応しいMRAMを外部磁界か
ら守り、外部磁界による誤動作を防止することである。Therefore, a first problem (objective) to be solved by the present invention is to protect an MRAM suitable for the WLP era from an external magnetic field and prevent malfunction due to the external magnetic field.
【0019】また、第2の課題(目的)はメモリ素子の
記録再生動作の安定性を高め、高速に記録再生可能な不
揮発固体磁気メモリを実現することである。A second problem (objective) is to improve the stability of the recording / reproducing operation of the memory element and to realize a nonvolatile solid-state magnetic memory capable of high-speed recording / reproducing.
【0020】[0020]
【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意検討の結
果、以下の手段が課題を解決できることを見出した。As a result of intensive studies, the present inventor has found that the following means can solve the problems.
【0021】すなわち、基板上に積層された第1磁性層
と第2磁性層と前記磁性層間に積層された非磁性層とか
らなる磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子の上部に設け
られたビット線と、前記第1磁性層または第2磁性層の
磁化方向を電流によって発生する磁界により変化させる
書き込み線と、電界効果トランジスタからなるメモリ素
子を、マトリクス状に設けたMRAMチップにおいて、MRAM
チップ近傍に高透磁率材料を配したことを特徴とする磁
気遮蔽構造である。That is, a magnetoresistive element including a first magnetic layer, a second magnetic layer, and a nonmagnetic layer laminated between the magnetic layers laminated on a substrate, and a bit provided above the magnetoresistive element. An MRAM chip in which a line, a write line for changing the magnetization direction of the first magnetic layer or the second magnetic layer by a magnetic field generated by an electric current, and a memory element including a field effect transistor are provided in a matrix.
The magnetic shield structure is characterized in that a high magnetic permeability material is arranged in the vicinity of the chip.
【0022】ここで、前記高透磁率材料が、MRAMチップ
と外部回路とのインターフェースとなる電極パッドの部
分を除いたMRAMチップの周囲を覆っていることが好まし
い。Here, it is preferable that the high-permeability material covers the periphery of the MRAM chip except for the electrode pad portion that serves as an interface between the MRAM chip and an external circuit.
【0023】前記高透磁率材料を、前記メモリ素子がマ
トリクス状に配置されている領域に配することが好まし
い。It is preferable that the high magnetic permeability material is arranged in a region where the memory elements are arranged in a matrix.
【0024】前記高透磁率材料を、前記メモリ素子がマ
トリクス状に配置されている領域を上下に挟む位置に配
することが好ましい。It is preferable that the high-permeability material is arranged at positions vertically sandwiching a region where the memory elements are arranged in a matrix.
【0025】前記高透磁率材料が接地回路に接続されて
いることが好ましい。It is preferable that the high magnetic permeability material is connected to a ground circuit.
【0026】前記高透磁率材料の周囲が絶縁層で覆われ
ていることが好ましい。The periphery of the high magnetic permeability material is preferably covered with an insulating layer.
【0027】前記高透磁率材料がNi、Fe、Coのうち少な
くとも一つの元素を含み、比透磁率が5000以上であるこ
とが好ましい。The high magnetic permeability material preferably contains at least one element of Ni, Fe and Co and has a relative magnetic permeability of 5000 or more.
【0028】前記MRAMチップの一辺の幅をc、厚さを
p、高透磁率材料の厚さをチップ面に水平方向をd、垂
直方向をqとした場合に、c / (c+d) もしくは p /
(p+q)が0.9997以下であることが好ましい。The width of one side of the MRAM chip is c, and the thickness is
where p is the thickness of the high-permeability material and d is the horizontal direction and q is the vertical direction on the chip surface, then c / (c + d) or p /
It is preferable that (p + q) is 0.9997 or less.
【0029】前記非磁性層が絶縁体であることが好まし
い。The nonmagnetic layer is preferably an insulator.
【0030】前記第1磁性層と第2磁性層の磁化容易軸
が膜面垂直方向であることが好ましい。The axes of easy magnetization of the first magnetic layer and the second magnetic layer are preferably perpendicular to the film surface.
【0031】前記第1磁性層と第2磁性層の磁化容易軸
が膜面水平方向であることが好ましい。It is preferable that the axes of easy magnetization of the first magnetic layer and the second magnetic layer are horizontal to the film surface.
【0032】前記第1磁性層もしくは第2磁性層が、希
土類鉄族合金からなることが好ましい。It is preferable that the first magnetic layer or the second magnetic layer is made of a rare earth iron group alloy.
【0033】前記希土類鉄族合金のうち、希土類元素が
Gd, Tb, Dyの少なくとも1種の元素を含み、鉄族元素が
Fe, Coのうち、少なくとも1種の元素を含むことが好ま
しい。Among the rare earth iron group alloys, the rare earth element is
Contains at least one element of Gd, Tb, Dy,
It is preferable to contain at least one element of Fe and Co.
【0034】前記第1磁性層と前記非磁性層間と、前記
第2磁性層と前記非磁性層間の少なくとも一方に、Fe,
Coのうち、少なくとも一つの元素を含む磁性層が設けら
れていることが好ましい。At least one of the first magnetic layer and the non-magnetic layer and the second magnetic layer and the non-magnetic layer has Fe,
It is preferable that a magnetic layer containing at least one element of Co is provided.
【0035】さらに、前記磁気遮蔽構造を有するMRAMチ
ップと、1つ以上の他チップと、チップ間を電気的に接
続する接続手段と、チップ間を固定するダイ接続層と、
半導体実装基板と、半導体実装基板と外部回路との電気
的接続を行う端子と、外部回路との電気的接続を行う端
子と、半導体実装基板との接続を行うインターポーザ
と、封止材料とからなるマルチ・チップ・パッケージに
おいて、前記磁気遮蔽構造を有するMRAMチップと、1つ
以上の他チップとを半導体実装基板に対して重畳して1
パッケージ化したことを特徴とするマルチ・チップ・パ
ッケージも本発明に包含する。Further, an MRAM chip having the magnetic shielding structure, one or more other chips, a connecting means for electrically connecting the chips, and a die connection layer for fixing the chips,
It is composed of a semiconductor mounting board, a terminal for electrically connecting the semiconductor mounting board and an external circuit, a terminal for electrically connecting the external circuit, an interposer for connecting with the semiconductor mounting board, and a sealing material. In a multi-chip package, an MRAM chip having the magnetic shielding structure and one or more other chips are superposed on a semiconductor mounting substrate to
The present invention also includes a multi-chip package characterized by being packaged.
【0036】ここで、前記マルチ・チップ・パッケージ
において、前記1つ以上の他チップが前記磁気遮蔽構造
を有するMRAMチップより半導体実装基板側に位置してい
ることが好ましい。In the multi-chip package, it is preferable that the one or more other chips are located closer to the semiconductor mounting substrate than the MRAM chip having the magnetic shield structure.
【0037】前記マルチ・チップ・パッケージにおい
て、チップ間を電気的に接続する接続手段がワイヤーボ
ンディングであることが好ましい。In the multi-chip package, the connecting means for electrically connecting the chips is preferably wire bonding.
【0038】前記マルチ・チップ・パッケージにおい
て、チップ間を電気的に接続する接続手段が半田ボール
で接続されていることを特徴とする。In the multi-chip package, the connecting means for electrically connecting the chips are connected by solder balls.
【0039】前記マルチ・チップ・パッケージにおい
て、チップ間を電気的に接続する接続手段がフリップチ
ップボンディングであることが好ましい。In the multi-chip package, the connecting means for electrically connecting the chips is preferably flip chip bonding.
【0040】前記マルチ・チップ・パッケージにおい
て、半導体実装基板と外部回路との電気的接続を行う端
子が半田ボールであることが好ましい。In the multi-chip package, the terminals for electrically connecting the semiconductor mounting board and the external circuit are preferably solder balls.
【0041】さらに、基板上に積層された第1磁性層と
第2磁性層と前記磁性層間に積層された非磁性層とから
なる磁気抵抗効果素子、前記磁気抵抗効果素子の上部に
設けられたビット線、前記第1磁性層または第2磁性層
の磁化方向を電流によって発生する磁界により変化させ
る書き込み線、および電界効果トランジスタからなるメ
モリ素子をマトリクス状に設けたMRAMチップを有する不
揮発固体磁気メモリ装置の製造方法において、MRAMチッ
プと外部回路とのインターフェースとなる電極パッドの
部分を除きMRAMチップの周囲を外部散乱磁界を遮蔽する
磁気遮蔽構造を設けることを特徴とする不揮発固体磁気
メモリ装置の製造方法も本発明は包含する。Further, a magnetoresistive effect element comprising a first magnetic layer and a second magnetic layer laminated on a substrate and a nonmagnetic layer laminated between the magnetic layers, and provided on the magnetoresistive effect element. Non-volatile solid-state magnetic memory having a bit line, a write line for changing the magnetization direction of the first magnetic layer or the second magnetic layer by a magnetic field generated by an electric current, and an MRAM chip in which memory elements including field effect transistors are arranged in a matrix. A method of manufacturing a device, wherein a magnetic shield structure for shielding an external scattered magnetic field is provided around the MRAM chip except for a portion of an electrode pad serving as an interface between the MRAM chip and an external circuit. The present invention also includes methods.
【0042】[0042]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0043】図1は、本発明の磁気遮蔽構造の実施形態
を示す断面図である。図1(a)おいて、MRAMチップ10
0は、絶縁層101で覆われている。さらに外部とのインタ
ーフェースとなる電極パッド103a,103bの部分を除き磁
気遮蔽構造102で周囲を覆われた構造となっている。上
記の構造とすることでMRAMチップ単体を外部磁界から遮
蔽することが可能になる。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the magnetic shield structure of the present invention. In FIG. 1A, the MRAM chip 10
0 is covered with an insulating layer 101. Further, it has a structure in which the periphery is covered by a magnetic shield structure 102 except for the electrode pads 103a and 103b which are interfaces with the outside. With the above structure, it becomes possible to shield the single MRAM chip from the external magnetic field.
【0044】また図1(a)に示した基本的な構造は図
1(b)に示すスタックMCPに適用することで、パッケ
ージ外部からの磁界だけでなく、他チップから発生する
EMIにも耐性を持つ構造とすることが可能になる。By applying the basic structure shown in FIG. 1A to the stack MCP shown in FIG. 1B, not only the magnetic field from the outside of the package but also the other chip generates.
It is possible to make the structure resistant to EMI.
【0045】図1(b)において、符号110は半導体実
装基板、符号111は磁気遮蔽構造を有するMRAMチップ、
符号112は第2デバイスを示す。MRAMチップ111と第2デバ
イス112はそれぞれダイ接続層113、114を介して重畳し
てある。MRAMチップ111とデバイス112の間はボンディ
ングワイヤー116でコンタクトパッド同士が接続されて
いる。MRAMチップ111と半導体実装基板110の間はボンデ
ィングワイヤー117でコンタクトパッド同士が接続され
ている。半導体実装基板110にはインターポーザ(相互
接続部)119が形成されており、裏面の半田ボール120を
介して外部回路と接続する。全体は樹脂パッケージ115
で封止されている。In FIG. 1B, reference numeral 110 is a semiconductor mounting substrate, reference numeral 111 is an MRAM chip having a magnetic shield structure,
Reference numeral 112 indicates the second device. The MRAM chip 111 and the second device 112 are overlaid via the die connection layers 113 and 114, respectively. Bonding wires 116 connect the contact pads between the MRAM chip 111 and the device 112. Bonding wires 117 connect the contact pads between the MRAM chip 111 and the semiconductor mounting substrate 110. An interposer (interconnect portion) 119 is formed on the semiconductor mounting substrate 110, and is connected to an external circuit via the solder balls 120 on the back surface. The whole is resin package 115
It is sealed with.
【0046】ここで、MRAMチップ111は図1(a)と同
様に周囲を磁気遮蔽構造で覆われた構造となっている。
磁気遮蔽構造としては高透磁率材料が好適である。図1
(b)では高透磁率材料で覆われたイメージを太線で表
記した。従って、MRAMチップ単体を外部磁界から遮蔽す
る構造としたことで、隣接する第2デバイス112や他の周
辺回路から生じるEMI環境に対して著しく強い耐性を得
ることが可能になった。Here, the MRAM chip 111 has a structure in which the periphery is covered with a magnetic shield structure as in FIG. 1A.
A high magnetic permeability material is suitable for the magnetic shield structure. Figure 1
In (b), the image covered with the high magnetic permeability material is indicated by a thick line. Therefore, the structure in which the single MRAM chip is shielded from the external magnetic field makes it possible to obtain a remarkably strong resistance to the EMI environment generated from the adjacent second device 112 and other peripheral circuits.
【0047】MRAMチップとはメモリセルとなる磁気抵抗
効果膜が搭載された基板を指す。選択トランジスタと接
続して形成された磁気抵抗効果膜、センス線やワード線
といったメモリ素子としての基本構成を含む。また情報
の記録再生用の周辺回路も1チップ化して設けてもよ
い。The MRAM chip refers to a substrate on which a magnetoresistive effect film serving as a memory cell is mounted. It includes a basic structure as a memory element such as a magnetoresistive film formed by connecting to a select transistor, a sense line and a word line. Further, a peripheral circuit for recording / reproducing information may be provided in one chip.
【0048】また図1(a)に示す高透磁率材料102が
周囲の露出した形態では、高透磁率材料102が導電性を
示すため他のデバイス間とで絶縁不良を引き起こす可能
性がある。例えば、図1(b)に示すスタックMCPのダ
イ接続層103,104の材質によっては他のデバイス112や実
装回路基板110との間でショートを起こして回路を破壊
する危険性がある。Further, in the form in which the periphery of the high magnetic permeability material 102 shown in FIG. 1 (a) is exposed, the high magnetic permeability material 102 exhibits conductivity, which may cause insulation failure between other devices. For example, depending on the material of the die connection layers 103 and 104 of the stack MCP shown in FIG. 1B, there is a risk of causing a short circuit with another device 112 or the mounted circuit board 110 to destroy the circuit.
【0049】図3に示すように高透磁率材料102の周囲
をさらに絶縁層104で覆う構造とすることが出来る。逆
に高透磁率材料102が十分な絶縁性を保つのであれば図
4に示すように電極パッド103a,103bの部分を除き高透
磁率材料102で周囲を覆われた構造としても良い。As shown in FIG. 3, it is possible to adopt a structure in which the periphery of the high magnetic permeability material 102 is further covered with an insulating layer 104. On the contrary, if the high magnetic permeability material 102 maintains a sufficient insulating property, the high magnetic permeability material 102 may be covered around the periphery except the electrode pads 103a and 103b as shown in FIG.
【0050】図1(a)において電極パッド103a,103b
の部分を除き高透磁率材料102で覆う構造とした理由
は、理想的な磁気遮蔽構造に近づけるためである。しか
しながら、実際には、図5に示すようにチップの端部を
省略し、メモリ素子がマトリクス状に多数配置されてい
る領域を中心に高透磁率材料を配置するだけでも効果が
認められる。もしくは、図6に示すように、高透磁率材
料102を用い、メモリ素子がマトリクス状に配置されて
いる領域を上下に挟む形にするだけでも良い。特に、垂
直磁化膜を利用したMRAMチップの場合には、基板面に対
し垂直方向に磁化が記録されているため、効果が高い。In FIG. 1A, electrode pads 103a and 103b are provided.
The reason why the structure is covered with the high magnetic permeability material 102 except for the part is to make it close to the ideal magnetic shield structure. However, in practice, as shown in FIG. 5, the effect can be recognized even by omitting the end portion of the chip and arranging the high magnetic permeability material around the region where a large number of memory elements are arranged in a matrix. Alternatively, as shown in FIG. 6, the high-permeability material 102 may be used, and the regions where the memory elements are arranged in a matrix may be sandwiched vertically. In particular, in the case of an MRAM chip using a perpendicular magnetization film, the effect is high because the magnetization is recorded in the direction perpendicular to the substrate surface.
【0051】磁気遮蔽構造に使用する高透磁率材料とし
ては、パーマロイやフェライト、Co系非晶質材料,セ
ンダスト(Fe−Al−Si合金)、Fe−Co−Bの
3元系等、各種の磁性体が用いられる。リードフレーム
材料として従来から知られている42Ni-Fe系材料も強磁
性体で比較的透磁率の高いNiを含むため適用可能であ
る。形態としては薄膜をなし、複数層からなる複合体で
あっても良い。高透磁率材料の作成方法はドライ成膜、
メッキなど各種方法を取ることが出来る。また、高透磁
率材料とは比透磁率μsが5000以上のものを高透磁
率材料と定義する。As the high magnetic permeability material used for the magnetic shielding structure, various materials such as permalloy, ferrite, Co type amorphous material, sendust (Fe-Al-Si alloy), and Fe-Co-B ternary system are used. A magnetic material is used. The 42Ni-Fe-based material that has been conventionally known as a lead frame material is also applicable because it is a ferromagnetic material and contains Ni having a relatively high magnetic permeability. As a form, it may be a composite having a thin film and a plurality of layers. The method of making high permeability material is dry film formation,
Various methods such as plating can be used. A high magnetic permeability material is defined as a material having a relative magnetic permeability μ s of 5000 or more.
【0052】Ni−Fe合金のめっきは、異常共析型に属
し、Niに比べてFeが析出し易やすい。Fe2+およびNi
2+のイオン濃度を管理しないと、組成や膜質にバラツキ
を生じる。また、Fe2+イオンは空気酸化によりFe3+
イオンとなるので、Fe2+イオンと全鉄イオンを管理
しなければならない。パーマロイの場合はサッカリンの
添加により容易に粒子の微細化が実現する。また再現性
よくウエハ表面上に均一な流れを作り、電流密度の制御
を行うことで良質の高透磁率材料を均質に作ることが可
能になる。なお、膜厚に関する詳細は後述する。The Ni-Fe alloy plating belongs to the abnormal eutectoid type, and Fe is more likely to precipitate than Ni. Fe 2+ and Ni
If the 2+ ion concentration is not controlled, the composition and film quality will vary. Further, Fe 2+ ions are converted into Fe 3+ by air oxidation.
Since they become ions, it is necessary to control Fe 2+ ions and total iron ions. In the case of permalloy, the addition of saccharin makes it possible to easily make the particles finer. Further, it becomes possible to make a high-quality high-permeability material homogeneously by making a uniform flow on the wafer surface with good reproducibility and controlling the current density. The details regarding the film thickness will be described later.
【0053】図1(a)に示す高透磁率材料102は磁性
材料であり導電性を有する場合が多い。従って、図2に
示すように接地回路105と高透磁率材料102を接続するこ
とで所謂ベタアースを形成することが出来る。大きな接
地面積をMRAMチップ周囲に得ることで電磁波ノイズシー
ルドとして機能させることも可能である。The high magnetic permeability material 102 shown in FIG. 1A is a magnetic material and often has conductivity. Therefore, a so-called solid earth can be formed by connecting the ground circuit 105 and the high magnetic permeability material 102 as shown in FIG. It is also possible to function as an electromagnetic wave noise shield by obtaining a large ground area around the MRAM chip.
【0054】図1(a)に示す本発明の構造は断面構造
のイメージを示すもので、電極パッド103a,103bの構造
次第では上下を逆転させることも可能である。具体的に
は電極パッドを半田ボール、もしくはバンプとすること
でMRAMチップを対象物に押し付けて約250℃の半田リフ
ロー工程を行うことによりチップ・サイズ・パッケージ
となる接合を得ることが出来る。この場合は、図1
(b)に示すボンディングワイヤーの電極パッドスペー
スを減らし、第2デバイス112のサイズを拡大することが
可能になる。ただし、BGA(ボール・グリッド・アレ
イ)構造に用いる半田ボールのピッチは0.4mm程度が限
界のため、ボンディングワイヤーを用いる場合と比べ配
線ピッチが広くなる点は配慮が必要である。The structure of the present invention shown in FIG. 1 (a) is an image of a sectional structure, and it is possible to turn it upside down depending on the structure of the electrode pads 103a and 103b. Specifically, by using the solder pads or bumps as the electrode pads, the MRAM chip is pressed against the target object and the solder reflow process at about 250 ° C. is performed to obtain a bond that becomes a chip size package. In this case,
It is possible to reduce the electrode pad space of the bonding wire shown in (b) and increase the size of the second device 112. However, since the pitch of solder balls used in BGA (ball grid array) structure is limited to about 0.4 mm, it is necessary to consider that the wiring pitch will be wider than when using bonding wires.
【0055】また、図1(b)は本発明の適用例に過ぎ
ず、MCP構造やチップ間の接続方式によって限定される
ものではない。ワイヤーボンディング方式以外の高周波
に対応可能なフリップチップ方式や、他のMCP構造にお
いても成立する。Further, FIG. 1B is only an application example of the present invention, and is not limited by the MCP structure or the connection method between chips. It is also applicable to flip chip methods that can handle high frequencies other than wire bonding methods and other MCP structures.
【0056】磁気遮蔽構造に用いる高透磁率材料に必要
な膜厚は、MRAMが膜面に平行な磁化成分を持つ面内磁化
膜型か、膜面に垂直な磁化成分を持つ垂直磁化膜型かで
大きく異なる。NiFe,Co等の強磁性体は、磁化方
向が膜面に平行な面内磁化膜型であり、TbFe,Tb
FeCo,GdFe等の希土類−遷移金属からなるフェ
リ磁性体を用いる場合は垂直磁化膜型である。磁気遮蔽
の原理から、必要となる高透磁率材料の膜厚を算定する
ことが可能である。The film thickness required for the high magnetic permeability material used for the magnetic shield structure is the in-plane magnetization film type in which the MRAM has a magnetization component parallel to the film surface or the perpendicular magnetization film type in which the MRAM has a magnetization component perpendicular to the film surface. It is very different. Ferromagnetic materials such as NiFe and Co are in-plane magnetized film types in which the magnetization direction is parallel to the film surface, and are TbFe and Tb.
When a ferrimagnetic material made of a rare earth-transition metal such as FeCo or GdFe is used, it is of a perpendicular magnetization film type. From the principle of magnetic shielding, it is possible to calculate the required film thickness of the high magnetic permeability material.
【0057】磁気遮蔽に関しては「詳解 電磁気学演
習」(後藤憲一、山崎修一郎 共編、共立出版株式会社
ISBN4-320-03022-2)に記載されているように、内半径
a、外半径bの、比透磁率μsの中空球を、一様な磁界H0
の中に置く時、球内の中空部に生じる磁界を求めること
によって説明すると、外球表面の任意の点Bでの両側の
磁界の接線成分と磁束密度の法線成分の連続より式
(1)と式(2)が得られる(図7)。また、内球面の
任意の点Aでの同様の連続条件よりより式(3)と式
(4)が得られる(図7)。この4式からH1,H2,M1,M2
が求められ、球内の中空部に生じる磁界H2は式(5)で
表される(図7)。要するに、比透磁率μsを大きくす
れば、球内の中空部に生じる磁界H2は外部磁界H0に比べ
て非常に小さくなる。このとき、a/bが小さいほど効果
が高いことを表している。つまり、磁気的に遮蔽したい
空間を比透磁率μsが大きい材料で作った厚い壁で覆う
ことが望ましい。[Detailed explanation on magnetic shielding] "Electromagnetics exercise" (edited by Kenichi Goto and Shuichiro Yamazaki, Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.)
Inner radius as described in ISBN4-320-03022-2)
a, a hollow sphere with an outer radius b and a relative permeability μ s , and a uniform magnetic field H0
When the magnetic field is generated in the hollow part of the sphere when it is placed in the inside of the sphere, it is explained by the formula (1 ) And equation (2) are obtained (FIG. 7). Further, from the same continuous condition at any point A on the inner spherical surface, equations (3) and (4) are obtained (FIG. 7). From these 4 formulas, H1, H2, M1, M2
Is calculated, and the magnetic field H2 generated in the hollow portion inside the sphere is expressed by the equation (5) (FIG. 7). In short, if the relative permeability μ s is increased, the magnetic field H2 generated in the hollow portion inside the sphere becomes much smaller than the external magnetic field H0. At this time, the smaller a / b, the higher the effect. That is, it is desirable to cover the space to be magnetically shielded with a thick wall made of a material having a large relative magnetic permeability μ s .
【0058】図8は、上記のa/bとH2/H0の関係を示すグ
ラフである。比透磁率μsとしては、高透磁率材料とし
て知られるpermendur (μs=5000)、78permalloy (μs
=10000)、sendust (μs=120000)の場合を示した。a/b
=1すなわち、高透磁率材料の膜厚がゼロの場合には球内
の中空部に生じる磁界H2は外部磁界H0と等しくなるた
め、全ての曲線はH2/H0=1に収束する。収束の仕方は、
先述の通りμsが大きい材料ほどa/bが1に近くなってか
ら急激に収束する形である。つまり、高透磁率材料の膜
厚が薄くて良いことを示している。FIG. 8 is a graph showing the relationship between a / b and H2 / H0. The relative permeability μ s is permendur (μ s = 5000), 78permalloy (μ s ), which are known as high permeability materials.
= 10000) and sendust (μ s = 120000). a / b
= 1, that is, when the film thickness of the high-permeability material is zero, the magnetic field H2 generated in the hollow portion inside the sphere becomes equal to the external magnetic field H0, so all the curves converge to H2 / H0 = 1. The method of convergence is
As described above, the larger the value of μ s, the more rapidly a / b approaches 1 and then the more rapidly converges. That is, it indicates that the film thickness of the high magnetic permeability material may be small.
【0059】図8の関係においてH2/H0をどこまで下げる
必要があるかは外部磁界と磁気抵抗素子を形成する磁性
膜の保磁力に依存する。内部磁界H2は先に述べた書き換
えに要する磁界の大きさ(10〜50[Oe](790〜395
0[A/m])程度)としても、外部磁界H0は環境によるた
め一概に定義できない。しかしながら、例えば携帯電話
において電話の着信や、機器の動作状態を使用者に振動
によって知らせるバイブレーション機能に使用される電
磁モーター周辺では通常より高い数10[Oe](790[A/
m])程度の磁界が周囲に存在する場合が予想される。従
って、H2/H0は0.5、すなわち外部磁界の50%とするの
が妥当である。In the relationship of FIG. 8, how much H2 / H0 must be lowered depends on the external magnetic field and the coercive force of the magnetic film forming the magnetoresistive element. The internal magnetic field H2 is the magnitude of the magnetic field (10 to 50 [Oe] (790 to 395) required for rewriting described above.
0 [A / m])), the external magnetic field H0 cannot be unconditionally defined because it depends on the environment. However, for example, in the vicinity of an electromagnetic motor used in a mobile phone for an incoming call or a vibration function for notifying the user of the operating state of the device by vibration, the number is higher than usual by several tens [Oe] (790 [A /
It is expected that a magnetic field of around m]) is present in the surroundings. Therefore, it is appropriate that H2 / H0 is 0.5, that is, 50% of the external magnetic field.
【0060】上記のμs>5000とH2/H0 <0. 5の範囲を
満足するa/bに関して、理想的な球形の磁気遮蔽構造に
対して検討した結果、a/b<0.9997以下とすることで、
外部磁界の影響を取り除く上では十分な性能を持つこと
を見出した。これは、半径1mmの球形磁気遮蔽構造で
は、厚さ0.3μmの高透磁率材料で覆うことを意味する。
さらに外部磁界の影響を下げる上ではH2/H0 <0. 2とし
てa/b<0.9988以下が望ましい。これは、前記と同様な
表現によれば半径1mmの球形磁気遮蔽構造では、厚さ1.2
μmの高透磁率材料で覆うことを意味する。Regarding a / b satisfying the above-mentioned μ s > 5000 and H2 / H0 <0.5, a result of examination on an ideal spherical magnetic shield structure shows that a / b <0.9997 or less. By that,
It was found that it has sufficient performance to remove the influence of the external magnetic field. This means that a spherical magnetic shield structure with a radius of 1 mm is covered with a high magnetic permeability material having a thickness of 0.3 μm.
Furthermore, in order to reduce the influence of the external magnetic field, H2 / H0 <0.2 and a / b <0.9988 or less are desirable. According to the same expression as above, this is 1.2 mm for a spherical magnetic shield structure with a radius of 1 mm.
Means covering with a high permeability material of μm.
【0061】以上のように、理想的な球形における磁気
遮蔽構造に関する検討から、十分な磁気遮蔽構造を得る
上ではa/b<0.9997以下とすることを見出した。次にデ
バイスチップ等のより具体的な形状において、どの程度
の膜厚が必要になるかを検討した結果を示す。As described above, from the study on the magnetic shield structure in the ideal spherical shape, it was found that a / b <0.9997 or less is required to obtain a sufficient magnetic shield structure. Next, the results of studying how much film thickness is required for more specific shapes such as device chips are shown.
【0062】図9は、本発明の磁気遮蔽構造で必要な高
透磁率材料の膜厚を算定するための形状断面図である。
同図において符号100はMRAMチップ、符号102は高透磁率
材料を示めす。ここでは仮にMRAMチップは平面的に正方
形として、MRAMチップの幅と厚さをそれぞれc,d、高
透磁率材料の幅と厚さをそれぞれp,qとしている。簡略
化のため、図1(a)に見られた絶縁体101が省略され
ており、図9においてはMRAMチップ100に内包されている
と見なす。FIG. 9 is a sectional view of a shape for calculating the film thickness of the high magnetic permeability material required for the magnetic shield structure of the present invention.
In the figure, reference numeral 100 indicates an MRAM chip, and reference numeral 102 indicates a high magnetic permeability material. Here, it is assumed that the MRAM chip is square in plan view, the width and thickness of the MRAM chip are c and d, and the width and thickness of the high magnetic permeability material are p and q, respectively. For simplification, the insulator 101 shown in FIG. 1A is omitted, and in FIG. 9, it is considered to be included in the MRAM chip 100.
【0063】面内磁化膜を用いたMRAMチップに対して磁
気遮蔽構造を取るためには、前述の通り面内方向への磁
界の侵入を抑制する必要がある。従って、MRAMチップの
幅(寸法c)に合わせて横方向に高透磁率材料の幅(寸法p)
を確保することが要求される。In order to provide the magnetic shield structure for the MRAM chip using the in-plane magnetized film, it is necessary to suppress the invasion of the magnetic field in the in-plane direction as described above. Therefore, the width (dimension p) of the high-permeability material is laterally aligned with the width (dimension c) of the MRAM chip.
Is required to be secured.
【0064】一方、垂直磁化膜を用いた磁気メモリの場
合には、基板と垂直方向にかかる磁界に対処する必要が
ある。しかし、この場合は図9で明らかなようにMRAMチ
ップの幅(寸法c)と比べて十分薄いMRAMチップの厚さ(寸
法d)に合わせて縦方向に高透磁率材料の厚さ(寸法q)を
決めるため、厚膜とする必要が無い。On the other hand, in the case of the magnetic memory using the perpendicular magnetization film, it is necessary to deal with the magnetic field applied in the direction perpendicular to the substrate. However, in this case, as is clear from FIG. 9, the thickness of the high magnetic permeability material (dimension q) is aligned with the thickness (dimension d) of the MRAM chip sufficiently thinner than the width (dimension c) of the MRAM chip. ) Is determined, it is not necessary to use a thick film.
【0065】図10を用いて本発明の効果を具体的に検証
する。図10は前出の式(5)を用いて、外部磁界H0と磁
気遮蔽構造の内部磁界H2の比を対象物の幅Wと高透磁率
材料の膜厚をパラメータに計算したものである。高透磁
率材料としてはμs=5000とした。対象物の幅Wが1mmの
場合には外部磁界は急激に減衰し、高透磁率材料の厚さ
が0.15μmで透過量が50%以下(H2/H0が0.5以下)となる。
一方、対象物の幅Wが25mm,50mmと大きくなるにつれ、外
部磁界は容易に減衰しなくなり、必要な高透磁率材料の
厚さは厚くなる。対象物の幅Wが50mmの場合は高透磁率
材料の厚さが8μmとしてようやくH2/H0が0.5以下とな
る。The effect of the present invention will be specifically verified with reference to FIG. FIG. 10 is a graph in which the ratio of the external magnetic field H0 to the internal magnetic field H2 of the magnetic shield structure is calculated by using the above-described equation (5) with the width W of the object and the film thickness of the high magnetic permeability material as parameters. As the high magnetic permeability material, μ s = 5000 was set. When the width W of the object is 1 mm, the external magnetic field is rapidly attenuated, and the thickness of the high-permeability material is 0.15 μm and the transmission amount is 50% or less (H2 / H0 is 0.5 or less).
On the other hand, as the width W of the object increases to 25 mm and 50 mm, the external magnetic field is not easily attenuated, and the required thickness of the high magnetic permeability material increases. When the width W of the object is 50 mm, H2 / H0 becomes 0.5 or less at last when the thickness of the high magnetic permeability material is 8 μm.
【0066】上記の計算は球形に対するもので実際のチ
ップ形状とは異なる。しかしながら、この計算は、チッ
プに対し面内方向の磁界を抑制するための高透磁率材料
の厚さと比べ、膜面垂直方向の磁界を抑制するための高
透磁率材料の厚さは薄く出来うることを示している。The above calculation is for a spherical shape and differs from the actual chip shape. However, this calculation shows that the thickness of the high magnetic permeability material for suppressing the magnetic field in the direction perpendicular to the film surface can be made smaller than the thickness of the high magnetic permeability material for suppressing the magnetic field in the in-plane direction with respect to the chip. It is shown that.
【0067】MRAMチップの幅は、製造に用いる微細加工
装置によって変化する。高密度を実現するために最新鋭
の露光装置を用いると仮定すると、ワンショットで露光
できるフィールドサイズは縮小光学系が5対1のステッパ
ーの場合で概ね25mm角である。最近の集積回路は大規模
化しており、周辺回路まで含めて接続露光を行ったり、
露光面積が大きい他の露光装置と組み合わせてミックス
&マッチで製造するケースが多いことから、チップ面積
としては50mm角程度まで拡大している。The width of the MRAM chip varies depending on the microfabrication device used for manufacturing. Assuming that a state-of-the-art exposure device is used to achieve high density, the field size that can be exposed in one shot is approximately 25 mm square when the reduction optical system is a 5: 1 stepper. Recent integrated circuits have become large in scale, and connection exposure is performed including peripheral circuits,
Since it is often manufactured by mix & match in combination with other exposure equipment that has a large exposure area, the chip area has expanded to about 50 mm square.
【0068】一方、MRAMチップの厚さは、製造に使用す
るウエハの厚さに依存する。8インチ(200mm)ウエハの規
格はJEIDA,SEMIいずれも0.725mmであり、300mmウエハに
おいても1mmを切る寸法である。On the other hand, the thickness of the MRAM chip depends on the thickness of the wafer used for manufacturing. The standard for 8-inch (200 mm) wafers is 0.725 mm for both JEIDA and SEMI, and the size is less than 1 mm for 300 mm wafers.
【0069】前述の通り、磁気メモリに格納された情報
の書き換えに要する磁界の大きさは10〜50[Oe](790
〜3950[A/m])程度であり、隣接デバイスや外界か
らの磁界がどの程度MRAMに印加されるかは設計による。
しかしながら、H2/H0が0.5以下という一つの基準を設け
ると、面内磁化膜を用いたMRAMチップの場合には、十分
に外部磁界を下げるためには50mm角に対し8μmの高透磁
率材料で覆う必要がある。しかし、膜厚がここまで厚く
なると、ドライ成膜ではタクトタイムがかかりすぎる。
また、電着やメッキを用いることになるが大量の原材料
が必要であるだけでなく、液濃度の管理や電流密度の制
御が困難であることから、膜自体や基板等との熱膨張率
の差に起因する応力の制御や剥離などに対する耐久性の
確保、膜厚均一性の保証が困難である。As described above, the magnitude of the magnetic field required to rewrite the information stored in the magnetic memory is 10 to 50 [Oe] (790
˜3950 [A / m]), and it depends on the design how much the magnetic field from the adjacent device or the external field is applied to the MRAM.
However, if one criterion that H2 / H0 is 0.5 or less is set, in the case of an MRAM chip using an in-plane magnetized film, in order to sufficiently reduce the external magnetic field, a high permeability material of 8 μm per 50 mm square is used. Need to cover. However, when the film thickness is so thick, the tact time is too long in the dry film formation.
Also, although electrodeposition and plating are used, a large amount of raw materials are required, and it is difficult to control the liquid concentration and control the current density. It is difficult to control the stress caused by the difference, ensure the durability against peeling, and ensure the film thickness uniformity.
【0070】一方、垂直方向の外部磁界を遮蔽する観点
では膜厚方向の厚さを気にすればよいことになるため、
面内膜と同じ条件下において0.15μmで十分な効果が得
られる。つまり、垂直磁化膜を用いたMRAMは磁気遮蔽構
造をとる上で非常に有利なことが明らかである。両者の
差は概ね50倍である。On the other hand, from the viewpoint of shielding the external magnetic field in the vertical direction, it suffices to consider the thickness in the film thickness direction.
A sufficient effect can be obtained at 0.15 μm under the same conditions as the in-plane film. In other words, it is clear that the MRAM using the perpendicular magnetization film is very advantageous in forming the magnetic shield structure. The difference between the two is about 50 times.
【0071】従って、MRAMのパッケージとして必要な高
透磁率材料の厚さとしては、垂直磁化膜を利用したMRAM
に対しては0.2μm、面内磁化膜を利用したMRAMに対して
は10μmを目安とするのが適当である。Therefore, as the thickness of the high magnetic permeability material required for the MRAM package, the MRAM using the perpendicular magnetization film is used.
Is about 0.2 μm, and about 10 μm for MRAM using an in-plane magnetized film.
【0072】磁気抵抗膜の構成要素である第1磁性層と
第2磁性層の組み合わせは軟磁性材料と硬磁性材料から
なり、第1磁性層が軟磁性層、第2磁性層が硬磁性層と
する組み合わせのみでなく、第1磁性層が硬磁性層、第
2磁性層が軟磁性層とする組み合わせを用いても良い。
差動検出方式において、軟磁性材料は容易に磁化が反転
するため再生層として機能する。硬磁性材料は軟磁性材
料と比べ、磁化が反転しにくいためメモリ層として機能
する。なお、本発明において、軟磁性材料と硬磁性材料
の区別は2つの強磁性層間における保磁力の大小関係で
定義されるもので、相対的に保磁力が大きいものを硬磁
性材料とする。The combination of the first magnetic layer and the second magnetic layer, which is a constituent element of the magnetoresistive film, is made of a soft magnetic material and a hard magnetic material. The first magnetic layer is the soft magnetic layer and the second magnetic layer is the hard magnetic layer. In addition to the above combination, a combination in which the first magnetic layer is a hard magnetic layer and the second magnetic layer is a soft magnetic layer may be used.
In the differential detection method, the soft magnetic material easily reverses the magnetization and thus functions as a reproducing layer. The hard magnetic material functions as a memory layer because the magnetization is less likely to be reversed than the soft magnetic material. In the present invention, the distinction between the soft magnetic material and the hard magnetic material is defined by the magnitude relationship of the coercive force between the two ferromagnetic layers, and the material having a relatively large coercive force is defined as the hard magnetic material.
【0073】また、第1磁性層、第2磁性層とは機能を示
すもので、各磁性層自体は単一元素から成る単層の場合
もあるが各種合金の多層構造でも良い。例えば、硬磁性
材料として機能させるために第1(あるいは第2)磁性
層として、厚さ5nmのCoと厚さ30nmのFeMn
の二層構造としてピン止めしたものを用いることができ
る。第1磁性層および第2磁性層としては、TbFe、
TbFeCo、GdFe等のフェリ磁性体が用いられ
る。これら二磁性層の組成は、その保磁力が異なるよう
適宜調整される。第1磁性層、第2磁性層の膜厚は、2
〜100nmの範囲に選択するのが好適である。The first magnetic layer and the second magnetic layer have a function, and each magnetic layer itself may be a single layer made of a single element, but may have a multilayer structure of various alloys. For example, as the first (or second) magnetic layer for functioning as a hard magnetic material, Co having a thickness of 5 nm and FeMn having a thickness of 30 nm are used.
The two-layered structure may be pinned. As the first magnetic layer and the second magnetic layer, TbFe,
A ferrimagnetic material such as TbFeCo or GdFe is used. The composition of these two magnetic layers is appropriately adjusted so that their coercive forces are different. The thickness of the first magnetic layer and the second magnetic layer is 2
It is preferable to select in the range of -100 nm.
【0074】垂直磁化膜の場合には、磁化の方向は、形
状的に最も反磁界が大きい膜面垂直方向を向いており、
垂直磁気異方性を示す時点で既に最大の反磁界係数に打
ち勝っている。そのため、素子を微細化した場合でもカ
ーリングは発生しにくい。また、面内磁化膜のように、
カーリングを防止するため平面的な形状を長方形とする
必要もないため、メモリセル部の集積度を向上する上で
は、垂直磁化膜は面内磁化膜と比べ有利である。In the case of a perpendicularly magnetized film, the direction of magnetization is in the direction perpendicular to the film surface, which has the largest demagnetizing field in terms of shape,
The maximum diamagnetic field coefficient is already overcome when the perpendicular magnetic anisotropy is exhibited. Therefore, curling does not easily occur even when the element is miniaturized. Also, like an in-plane magnetized film,
Since it is not necessary to make the planar shape rectangular so as to prevent curling, the perpendicular magnetization film is more advantageous than the in-plane magnetization film in improving the integration degree of the memory cell portion.
【0075】上述したように磁気抵抗膜の積層方向の抵
抗は、第1磁性層と第2磁性層の磁化の相対角度によって
決まる。両者が平行な場合には抵抗が低くなり、反平行
な場合には抵抗は高くなる。アップスピンとダウンスピ
ンの状態密度の差が大きい方が磁気抵抗が大きくなり、
再生信号が大きくなるため、第1磁性層と第2磁性層の
間の絶縁層の界面近傍にはスピン分極率の高い磁性材料
を用いることが望ましい。具体的には、FeやCo等でこれ
らを主成分とする磁性材料を界面近傍にはさむことで理
論上は50%に到達する抵抗変化が得られる。As described above, the resistance of the magnetoresistive film in the stacking direction is determined by the relative angle of magnetization of the first magnetic layer and the second magnetic layer. When both are parallel, the resistance is low, and when antiparallel, the resistance is high. The larger the difference between the state densities of up-spin and down-spin, the greater the magnetic resistance,
Since the reproduction signal becomes large, it is desirable to use a magnetic material having a high spin polarizability in the vicinity of the interface of the insulating layer between the first magnetic layer and the second magnetic layer. Specifically, by sandwiching a magnetic material containing Fe, Co, or the like as a main component in the vicinity of the interface, a theoretical resistance change of 50% can be obtained.
【0076】FeとCoを含むこれらの磁性材料は面内磁化
膜であるものが多いが、膜厚を数nm程度以下と薄くする
ことで垂直磁化膜からなる第1磁性層及び第2磁性層と
交換結合して垂直磁化膜として機能する。従って、磁化
の方向は膜面垂直方向で統一されることになり、信号が
小さくなることはない。Many of these magnetic materials containing Fe and Co are in-plane magnetized films, but the first magnetic layer and the second magnetic layer made of perpendicularly magnetized films can be formed by reducing the film thickness to several nm or less. It exchange-couples with and functions as a perpendicular magnetization film. Therefore, the direction of magnetization is unified in the direction perpendicular to the film surface, and the signal does not decrease.
【0077】[0077]
【実施例】さらに、本発明について、より具体的な実施
例を挙げて説明する。EXAMPLES The present invention will be further described with reference to more specific examples.
【0078】(実施例1)図1(b)は本発明の実施例
を示すもので、垂直磁化膜を用いたMRAMチップとロジッ
クデバイスを1チップ化した断面構造を示す。図1
(b)において、符号110は半導体実装基板、符号111は
MRAMチップ、符号112はロジックデバイスを示す。MRAM
チップ111とロジックデバイス112はそれぞれダイ接続層
113、114を介して重畳してある。MRAMチップ111とロジ
ックデバイス112の間はボンディングワイヤー116でコン
タクトパッド同士が接続されている。MRAMチップ111と
半導体実装基板110の間はボンディングワイヤー117でコ
ンタクトパッド同士が接続されている。半導体実装基板
110にはインターポーザ(相互接続部)119が形成されて
おり、裏面の半田ボール120を介して外部回路と接続す
る。全体は樹脂パッケージ115で封止されている。(Embodiment 1) FIG. 1B shows an embodiment of the present invention and shows a sectional structure in which an MRAM chip using a perpendicular magnetization film and a logic device are integrated into one chip. Figure 1
In (b), reference numeral 110 is a semiconductor mounting substrate, and reference numeral 111 is
MRAM chip, reference numeral 112 indicates a logic device. MRAM
Chip 111 and logic device 112 are die connection layers
Overlapping via 113 and 114. Bonding wires 116 connect the contact pads between the MRAM chip 111 and the logic device 112. Bonding wires 117 connect the contact pads between the MRAM chip 111 and the semiconductor mounting substrate 110. Semiconductor mounting board
An interposer (interconnection portion) 119 is formed on the 110, and is connected to an external circuit via the solder ball 120 on the back surface. The whole is sealed with a resin package 115.
【0079】垂直磁化膜を用いたMRAMチップ111は図1
(a)に示すように周囲を高透磁率材料102で覆われた
構造となっている。ここで、図15に垂直磁化膜を用い
たMRAMのメモリ素子の断面構造を示す。本実施例では、
隣接するメモリセルと書き込み線を共用化している。な
お、記号の記載のない部分は基本的に絶縁体を示す。図
ではメモリ素子2つ分を表示しており、機能が同一でそ
れぞれに固有な部分についてはa,bと分けて表示して
いる。半導体基板1には、ドレイン領域2a,2b、ソース
領域3a,3bが形成され、さらに絶縁膜を介してゲート電
極4a,4bが形成され、これらでMOSFET(電界効果型トラ
ンジスタ)が構成されている。各電界効果トランジスタ
間はLOCOSフィールド酸化膜21によって絶縁されてい
る。The MRAM chip 111 using the perpendicular magnetization film is shown in FIG.
As shown in (a), the structure is such that the periphery is covered with the high magnetic permeability material 102. Here, FIG. 15 shows a sectional structure of an MRAM memory element using a perpendicular magnetization film. In this embodiment,
The write line is shared with the adjacent memory cell. The parts without symbols are basically insulators. In the figure, two memory elements are shown, and portions having the same function and unique to each are shown separately as a and b. Drain regions 2a and 2b and source regions 3a and 3b are formed on the semiconductor substrate 1, and gate electrodes 4a and 4b are further formed via an insulating film, which form a MOSFET (field effect transistor). . The field effect transistors are insulated from each other by a LOCOS field oxide film 21.
【0080】電界効果トランジスタのドレイン領域2a,
2b には、プラグ電極5a,5bを介して、ドレイン領域2
a,2b の直上の位置に、膜面垂直方向に磁化した磁気抵
抗膜9a,9bが接続され、さらにビット線6に接続されて
いる。ソース電極22a,22bには、図示していないが接地
配線が設けられている。また、磁気抵抗膜9a(9b)の側部
下方には、絶縁体を介して書き込み線10,11(10,15)が磁
気抵抗膜9a(9b)の両脇に設けられている。書き込み線1
0,11,15、ゲート線4、ソース電極に接続された接地配線
は、紙面の垂直方向に伸びている。ビット線6は紙面平
行方向に伸びている。The drain region 2a of the field effect transistor,
2b is connected to the drain region 2 via the plug electrodes 5a and 5b.
Magnetoresistive films 9a and 9b magnetized in the direction perpendicular to the film surface are connected to positions directly above a and 2b, and further connected to the bit line 6. Although not shown, the source electrodes 22a and 22b are provided with ground wiring. Further, the write lines 10, 11 (10, 15) are provided on both sides of the magnetoresistive film 9a (9b) below the side portion of the magnetoresistive film 9a (9b) via an insulator. Writing line 1
The ground wirings connected to 0, 11, 15 and the gate line 4 and the source electrode extend in the direction perpendicular to the paper surface. The bit line 6 extends in the direction parallel to the paper surface.
【0081】書き込み線10は、左側の磁気抵抗膜9aと右
側の磁気抵抗膜9bの両者に対して使える構造となってい
る。従って、磁気抵抗膜9aに対し情報を記録する場合に
は書き込み線10,11を使用し、磁気抵抗膜9bに対し情報
を記録する場合には書き込み線10,15を使用する。The write line 10 has a structure that can be used for both the left magnetoresistive film 9a and the right magnetoresistive film 9b. Therefore, the write lines 10 and 11 are used to record information on the magnetoresistive film 9a, and the write lines 10 and 15 are used to record information on the magnetoresistive film 9b.
【0082】図15を参照すると、磁気抵抗膜9a,9bと
電界効果トランジスタのドレイン領域2a,2bとはプラグ
5a,5bのみで接続されている。図15のメモリ素子にお
いては、用いられている磁気抵抗膜が垂直磁化膜である
ため、書き込み線10の発生磁界の膜面に対し垂直な成
分を利用して記録や再生を行っている。面内磁化膜を利
用したメモリ素子の場合は、磁性層の上か下に書き込み
線を配して面内方向の電流磁界を印加する必要があるた
め、プラグから横方向にオフセットした位置に磁気抵抗
膜を配置する必要があった。垂直磁化膜を利用したメモ
リ素子の場合には、その必要が無いため、よりシンプル
でプロセス加工マージンの広がる設計が可能である。Referring to FIG. 15, the magnetoresistive films 9a and 9b and the drain regions 2a and 2b of the field effect transistor are plugged.
Connected only with 5a and 5b. In the memory element of FIG. 15, since the magnetoresistive film used is a perpendicular magnetization film, recording and reproduction are performed by using the component perpendicular to the film surface of the magnetic field generated by the write line 10. In the case of a memory element that uses an in-plane magnetized film, it is necessary to place a write line above or below the magnetic layer to apply a current magnetic field in the in-plane direction, so the magnetic field is offset laterally from the plug. It was necessary to arrange a resistive film. In the case of a memory element using a perpendicular magnetization film, this is not necessary, and therefore a simpler design with a wider process processing margin is possible.
【0083】また、垂直磁化膜を用いることによって、
メモリ素子のサイズを小さくしても反磁界の影響によっ
て、スピンがカーリングすることがなく、安定に磁化を
保つことが出来るため、面内磁化膜を利用したメモリ素
子と比較して、磁気抵抗膜の幅/長さの比が1にでき、
メモリセル面積が小さく出来、集積度を高めることが出
来る。加工におけるフィーチャーサイズをFとするとセ
ル面積は最小4F×2F=8F2まで小さくすることが出来
る。By using a perpendicular magnetization film,
Even when the size of the memory element is reduced, spin does not curl due to the influence of the demagnetizing field, and the magnetization can be stably maintained. Therefore, compared with the memory element using the in-plane magnetized film, the magnetoresistive film The width / length ratio of can be set to 1,
The memory cell area can be reduced and the degree of integration can be increased. If the feature size in processing is F, the cell area can be reduced to a minimum of 4F x 2F = 8F 2 .
【0084】図11から図14は図15に示す実施例1
のメモリ素子を作成するまでのプロセス工程図である。11 to 14 show the first embodiment shown in FIG.
FIG. 6 is a process step diagram until the memory element of FIG.
【0085】まず始めに図11に示すMOSFETを半
導体プロセスを用いて作成する。半導体基板1には、ド
レイン領域2a,2b、ソース領域3a,3bが形成され、さら
に絶縁膜を介してゲート電極4a,4bが形成され、これら
でMOSFET(電界効果型トランジスタ)が構成されてい
る。各電界効果トランジスタ間はLOCOSフィールド酸化
膜21によって絶縁されている。First, the MOSFET shown in FIG. 11 is formed by using a semiconductor process. Drain regions 2a and 2b and source regions 3a and 3b are formed on the semiconductor substrate 1, and gate electrodes 4a and 4b are further formed via an insulating film, which form a MOSFET (field effect transistor). . The field effect transistors are insulated from each other by a LOCOS field oxide film 21.
【0086】電界効果トランジスタのドレイン領域2a,
2bには、プラグ電極5a,5bが形成され、また、その側部
下方には、絶縁体を介して書き込み線10,11,15がプラグ
電極5a,5bの両脇に設けられている。The drain region 2a of the field effect transistor,
Plug electrodes 5a and 5b are formed on 2b, and write lines 10, 11 and 15 are provided on both sides of the plug electrodes 5a and 5b via an insulator below the side portions thereof.
【0087】次にマグネトロンスパッタを用いて磁気抵
抗膜9を成膜する(図12)。途中、非磁性層であるAl2
O3はプラズマ酸化を行って調質する。磁気抵抗膜(垂直
磁化膜)の層構成は表1に示す。Next, the magnetoresistive film 9 is formed by using magnetron sputtering (FIG. 12). On the way, Al 2 which is a non-magnetic layer
O 3 undergoes plasma oxidation to be tempered. Table 1 shows the layer structure of the magnetoresistive film (perpendicular magnetization film).
【0088】[0088]
【表1】 [Table 1]
【0089】さらに、プラグ電極と接続するメモリセル
となる領域を規定する加工を行い、周囲を絶縁層で電気
的に隔離する(図13)。磁気抵抗膜9a,9bと接続するよ
うに紙面平行方向にビット線6を形成し、絶縁層で埋め
込む(図14)。Further, processing is performed to define a region to be a memory cell connected to the plug electrode, and the periphery is electrically isolated by an insulating layer (FIG. 13). Bit lines 6 are formed in the direction parallel to the paper surface so as to be connected to the magnetoresistive films 9a and 9b, and embedded with an insulating layer (FIG. 14).
【0090】最後にコンタクトパッド(不図示)の部分
を除いて本発明である高透磁率材料30として NiFeを0.2
μmスパッタリングで基板の両面に対して成膜する(図1
5)。以上でMRAMチップが完成する。Finally, NiFe is 0.2 as the high magnetic permeability material 30 of the present invention except for the contact pad (not shown).
Film formation on both sides of the substrate by μm sputtering (Fig. 1
5). This completes the MRAM chip.
【0091】これを図1(b)に示すスタックMCPとす
るプロセスは次の通りである。図1(b)を参照する
と、まずロジックチップ112の裏面にダイ接続層114を圧
着し、ロジックデバイス112とMRAMチップ111を接続す
る。次にMRAMチップ裏面にダイ接続層113を圧着し、イ
ンターポーザ119と半導体実装基板110に接続する。次に
ワイヤーボンディング工程を行い、MRAMチップ111とロ
ジックデバイス112の間はボンディングワイヤー116で、
MRAMチップ111と半導体実装基板110の間はボンディング
ワイヤー117で結線する。さらに、洗浄工程やヒートス
プレッダー(不図示)取り付けなどを経てからトランス
ファーモールドを行い樹脂パッケージ115を形成する。
最終的にBGAアレイ用の半田ボール120を形成して完成で
ある。The process for making this a stack MCP shown in FIG. 1B is as follows. Referring to FIG. 1B, the die connection layer 114 is first pressure-bonded to the back surface of the logic chip 112 to connect the logic device 112 and the MRAM chip 111. Next, the die connection layer 113 is pressure-bonded to the back surface of the MRAM chip to connect the interposer 119 and the semiconductor mounting substrate 110. Next, a wire bonding process is performed, and a bonding wire 116 is provided between the MRAM chip 111 and the logic device 112.
A bonding wire 117 connects the MRAM chip 111 and the semiconductor mounting substrate 110. Further, after undergoing a cleaning step, attachment of a heat spreader (not shown), etc., transfer molding is performed to form a resin package 115.
Finally, the solder balls 120 for the BGA array are formed and completed.
【0092】本発明の構造とすることで、磁気的な錯乱
に強いEMI耐性に優れたMRAMとすることが出来た。By adopting the structure of the present invention, it was possible to obtain an MRAM which is strong against magnetic confusion and excellent in EMI resistance.
【0093】(実施例2)図1(b)は本発明の実施例
を示すもので、面内磁化膜を用いたMRAMチップとロジッ
クデバイスを1チップ化した断面構造を示す。実施例1
との主な違いはMRAMチップに面内磁化膜を使用した点
で、MRAMチップの作成プロセス、スタックMCP化の手法
などは実施例1と同じである。表2に面内磁化膜の層構
成を示す。(Embodiment 2) FIG. 1B shows an embodiment of the present invention and shows a sectional structure in which an MRAM chip using an in-plane magnetized film and a logic device are integrated into one chip. Example 1
The main difference is that the in-plane magnetized film is used for the MRAM chip, and the manufacturing process of the MRAM chip, the method of stacking MCP, and the like are the same as those in the first embodiment. Table 2 shows the layer structure of the in-plane magnetized film.
【0094】[0094]
【表2】 [Table 2]
【0095】また、MRAMチップに面内磁化膜を使用して
いるため実施例1と比べ、高透磁率材料102を厚く成膜
する必要があった。厚さは10umで、無電解メッキ工程に
よりNiFeを形成した。Further, since the in-plane magnetized film is used for the MRAM chip, the high permeability material 102 needs to be formed thicker than in the first embodiment. The thickness was 10 μm, and NiFe was formed by an electroless plating process.
【0096】本発明の構造とすることで、磁気的な錯乱
に強いEMI耐性に優れたMRAMとすることが出来た。By adopting the structure of the present invention, it was possible to obtain an MRAM which is strong against magnetic confusion and excellent in EMI resistance.
【0097】(実施例3)図1(b)は本発明の実施例
を示すもので、垂直磁化膜を用いたMRAMチップとロジッ
クデバイスを1チップ化した断面構造を示す。実施例1
との主な違いは、垂直磁化膜を用いたMRAMチップ111が
図3に示すように高透磁率材料102の周囲に絶縁体を配
した構造となっている点である。MRAMチップの作成プロ
セス、スタックMCP化の手法などは実施例1と同じであ
る。表1に垂直磁化膜の層構成を示した。(Embodiment 3) FIG. 1B shows an embodiment of the present invention and shows a sectional structure in which an MRAM chip using a perpendicular magnetization film and a logic device are integrated into one chip. Example 1
The main difference is that the MRAM chip 111 using a perpendicular magnetization film has a structure in which an insulator is arranged around the high magnetic permeability material 102 as shown in FIG. The manufacturing process of the MRAM chip, the method of forming the stack MCP, and the like are the same as those in the first embodiment. Table 1 shows the layer structure of the perpendicular magnetization film.
【0098】本発明の構造とすることで、実施例1と遜
色ないレベルで磁気的な錯乱に強いEMI耐性に優れたMRA
Mとすることが出来た。By adopting the structure of the present invention, the MRA excellent in EMI resistance that is strong against magnetic confusion at a level comparable to that of the first embodiment.
I was able to call it M.
【0099】(実施例4)図1(b)は本発明の実施例
を示すもので、垂直磁化膜を用いたMRAMチップとロジッ
クデバイスを1チップ化した断面構造を示す。実施例1
との主な違いは、垂直磁化膜を用いたMRAMチップ111が
図5に示すようにチップ端部を除き高透磁率材料102で
覆われた構造となっている点である。MRAMチップの作成
プロセス、スタックMCP化の手法などは実施例1と同じ
である。表1に垂直磁化膜の層構成を示した。(Embodiment 4) FIG. 1B shows an embodiment of the present invention and shows a sectional structure in which an MRAM chip using a perpendicular magnetization film and a logic device are integrated into one chip. Example 1
The main difference between the MRAM chip 111 and the MRAM chip 111 is that the MRAM chip 111 using a perpendicular magnetization film is covered with the high magnetic permeability material 102 except for the chip end portion as shown in FIG. The manufacturing process of the MRAM chip, the method of forming the stack MCP, and the like are the same as those in the first embodiment. Table 1 shows the layer structure of the perpendicular magnetization film.
【0100】本発明の構造とすることで、実施例1と遜
色ないレベルで磁気的な錯乱に強いEMI耐性に優れたMRA
Mとすることが出来た。By adopting the structure of the present invention, the MRA excellent in EMI resistance that is strong against magnetic confusion at a level comparable to that of the first embodiment.
I was able to call it M.
【0101】(実施例5)図1(b)は本発明の実施例
を示すもので、垂直磁化膜を用いたMRAMチップとロジッ
クデバイスを1チップ化した断面構造を示す。実施例1
との主な違いは、垂直磁化膜を用いたMRAMチップ111が
図6に示すようにメモリ素子がマトリクス状に配置され
る領域に対し上下に挟む位置に高透磁率材料102を配し
た構造となっている点である。MRAMチップの作成プロセ
ス、スタックMCP化の手法などは実施例1と同じであ
る。表1に垂直磁化膜の層構成を示した。(Embodiment 5) FIG. 1B shows an embodiment of the present invention and shows a sectional structure in which an MRAM chip using a perpendicular magnetization film and a logic device are integrated into one chip. Example 1
The main difference with the structure is that the MRAM chip 111 using the perpendicular magnetization film has a structure in which the high magnetic permeability material 102 is arranged at a position sandwiched above and below a region where memory elements are arranged in a matrix as shown in FIG. That is the point. The manufacturing process of the MRAM chip, the method of forming the stack MCP, and the like are the same as those in the first embodiment. Table 1 shows the layer structure of the perpendicular magnetization film.
【0102】本発明の構造とすることで、実施例1と遜
色ないレベルで磁気的な錯乱に強いEMI耐性に優れたMRA
Mとすることが出来た。By adopting the structure of the present invention, the MRA excellent in EMI resistance that is strong against magnetic confusion at a level comparable to that of the first embodiment.
I was able to call it M.
【0103】(実施例6)図16は本発明の実施例を示す
もので、垂直磁化膜を用いたMRAMチップとDRAMチップを
1チップ化した断面構造を示す。本例は垂直磁化膜を用
いたMRAMチップをDRAMチップの上に重畳する構成となっ
ている。図16において、符号110は半導体実装基板、符
号111はDRAMチップ、符号112はMRAMチップを示す。DRAM
チップ111とMRAMチップ112はそれぞれダイ接続層113、1
14を介して重畳してある。DRAMチップ111とMRAMチップ1
12の間はボンディングワイヤー116でコンタクトパッド
同士が接続されている。DRAMチップ111と半導体実装基
板110の間はボンディングワイヤー117でコンタクトパッ
ド同士が接続されている。半導体実装基板110にはイン
ターポーザ(相互接続)119が形成されており、裏面の
半田ボール120を介して外部回路と接続する。全体は樹
脂パッケージ115で封止されている。高透磁率材料はNiF
eを用いて0.2μmスパッタリングで形成した。(Embodiment 6) FIG. 16 shows an embodiment of the present invention and shows a sectional structure in which an MRAM chip and a DRAM chip using a perpendicular magnetization film are integrated into one chip. In this example, the MRAM chip using the perpendicular magnetization film is superposed on the DRAM chip. In FIG. 16, reference numeral 110 is a semiconductor mounting substrate, reference numeral 111 is a DRAM chip, and reference numeral 112 is an MRAM chip. DRAM
Chip 111 and MRAM chip 112 have die connection layers 113, 1 respectively.
Superimposed through 14. DRAM chip 111 and MRAM chip 1
Contact pads are connected to each other by a bonding wire 116 between the contact pads 12. Bonding wires 117 connect the contact pads between the DRAM chip 111 and the semiconductor mounting substrate 110. An interposer (interconnection) 119 is formed on the semiconductor mounting substrate 110, and is connected to an external circuit via the solder balls 120 on the back surface. The whole is sealed with a resin package 115. High permeability material is NiF
It was formed by 0.2 μm sputtering using e.
【0104】実施例1との主な違いはMRAMチップをDRAM
チップの上に重畳する構成とした点で、MRAMチップの作
成プロセス、スタックMCP化の手法などは実施例1と同
じである。The main difference from the first embodiment is that the MRAM chip is a DRAM
The manufacturing process of the MRAM chip, the method of stacking the MCP, and the like are the same as those of the first embodiment in that the structure is superimposed on the chip.
【0105】本発明の構造とすることで、磁気的な錯乱
に強いEMI耐性に優れたMRAMとすることが出来た。By adopting the structure of the present invention, it was possible to obtain an MRAM which is strong against magnetic confusion and excellent in EMI resistance.
【0106】(実施例7)図17は本発明の実施例を示す
もので、垂直磁化膜を用いたMRAMチップとDRAMを1チッ
プ化した断面構造を示す。本例は垂直磁化膜を用いたMR
AMチップをDRAMチップの上に重畳する構成となってい
る。また、MRAMチップの電極パッドは半田ボールとした
ため表面実装が可能になりDRAMチップとほぼ同じサイズ
となっている。つまり、図1(b)において上下逆転さ
せた形でDRAMチップに搭載できるようにしたということ
である。図17において、符号110は半導体実装基板、符
号111はDRAMチップ、符号112はMRAMチップを示す。DRAM
チップ111とMRAMチップ112はそれぞれダイ接続層113、1
14を介して重畳してある。DRAMチップ111とMRAMチップ1
12の間は半田ボール(不図示)で接続されている。DRAM
チップ111と半導体実装基板110の間はボンディングワイ
ヤー117でコンタクトパッド同士が接続されている。半
導体実装基板110にはインターポーザ(相互接続部)119
が形成されており、裏面の半田ボール120を介して外部
回路と接続する。全体は樹脂パッケージ115で封止され
ている。高透磁率材料はNiFeを用いて0.2μmスパッタリ
ングで形成した。(Embodiment 7) FIG. 17 shows an embodiment of the present invention and shows a sectional structure in which an MRAM chip using a perpendicular magnetization film and a DRAM are integrated into one chip. This example is an MR using a perpendicular magnetization film.
It has a structure in which the AM chip is superimposed on the DRAM chip. Moreover, since the electrode pads of the MRAM chip are solder balls, surface mounting is possible, and the size is almost the same as the DRAM chip. That is, it can be mounted on the DRAM chip in a vertically inverted form in FIG. In FIG. 17, reference numeral 110 indicates a semiconductor mounting substrate, reference numeral 111 indicates a DRAM chip, and reference numeral 112 indicates an MRAM chip. DRAM
Chip 111 and MRAM chip 112 have die connection layers 113, 1 respectively.
Superimposed through 14. DRAM chip 111 and MRAM chip 1
The 12's are connected by solder balls (not shown). DRAM
Bonding wires 117 connect the contact pads between the chip 111 and the semiconductor mounting substrate 110. The semiconductor mounting board 110 has an interposer 119.
Are formed, and are connected to an external circuit through the solder balls 120 on the back surface. The whole is sealed with a resin package 115. The high-permeability material was formed by NiFe using 0.2 μm sputtering.
【0107】実施例1との主な違いはMRAMチップをDRAM
チップの上に重畳する構成とした点と、MRAMチップの電
極パッドは半田ボールとしたため表面実装が可能になり
DRAMチップとほぼ同じサイズとなっている点である。MR
AMチップの作成プロセスは電極パッドの作成方法が異な
るのみで、それ以外は実施例1と同じである。また、ス
タックMCP化の手法はDRAMチップとMRAMチップの間の接
続方法が半田ボール(不図示)でコンタクトパッド同士
を繋ぐ方式に変えている点が異なるのみで、それ以外は
実施例1と同じである。The main difference from the first embodiment is that the MRAM chip is a DRAM
Since the structure is such that it is superimposed on the chip and the electrode pads of the MRAM chip are solder balls, surface mounting is possible.
It is about the same size as a DRAM chip. MR
The AM chip manufacturing process is the same as that of the first embodiment except that the electrode pad manufacturing method is different. Further, the stack MCP method is the same as that of the first embodiment except that the connection method between the DRAM chip and the MRAM chip is changed to a method of connecting contact pads with solder balls (not shown). Is.
【0108】本発明の構造とすることで、磁気的な錯乱
に強いEMI耐性に優れたMRAMとすることが出来た。By adopting the structure of the present invention, it was possible to obtain an MRAM excellent in EMI resistance which is strong against magnetic confusion.
【0109】(実施例8)図18は本発明の実施例を示す
もので、垂直磁化膜を用いたMRAMチップとDRAMを1チッ
プ化した断面構造を示す。実施例1との主な違いはMRAM
チップをDRAMチップの上に重畳する構成とした点と、MR
AMチップの高透磁率材料はベタアースとしてDRAMチップ
と接続されている点である。アース線121はMRAMチップ1
12の高透磁率材料とDRAMチップ111で共通化されてい
る。MRAMチップの作成プロセス、スタックMCP化の手法
などは実施例1と同じである。(Embodiment 8) FIG. 18 shows an embodiment of the present invention and shows a sectional structure in which an MRAM chip using a perpendicular magnetization film and a DRAM are integrated into one chip. The main difference from the first embodiment is MRAM
The point that the chip is superposed on the DRAM chip and MR
The high permeability material of the AM chip is connected to the DRAM chip as a solid earth. Ground wire 121 is MRAM chip 1
The 12 high-permeability materials and the DRAM chip 111 are commonly used. The manufacturing process of the MRAM chip, the method of forming the stack MCP, and the like are the same as those in the first embodiment.
【0110】本発明の構造とすることで、磁気的な錯乱
に強いEMI耐性に優れたMRAMとすることが出来た。By adopting the structure of the present invention, it was possible to obtain an MRAM which is strong against magnetic confusion and excellent in EMI resistance.
【0111】[0111]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、WL
P時代に相応しいMRAMチップを有する不揮発固定磁気メ
モリ装置において、MRAMチップを外部散乱磁界から遮蔽
する磁気遮蔽構造を有するものとし、該磁気遮蔽構造を
高透磁率材料により構成したり、MRAMチップ周辺に設け
られたパッケージを前記磁気遮蔽構造で構成することに
より、磁気抵抗効果を用いた不揮発固体メモリ装置を低
コストで実現することができる。さらには、省電力化の
ために磁気抵抗素子の磁性膜の保磁力を小さくして省電
力化を図る場合にも、メモリ素子の記録再生動作の安定
性を高め、高速に記録再生可能な不揮発固体磁気メモリ
を実現することができる。As described above, according to the present invention, the WL
In a non-volatile fixed magnetic memory device having an MRAM chip suitable for the P era, it is assumed that the MRAM chip has a magnetic shielding structure for shielding it from an external scattered magnetic field, and the magnetic shielding structure is made of a high magnetic permeability material or is provided around the MRAM chip. By configuring the provided package with the magnetic shield structure, a nonvolatile solid-state memory device using the magnetoresistive effect can be realized at low cost. Further, even when the coercive force of the magnetic film of the magnetoresistive element is reduced to save power, the stability of the recording / reproducing operation of the memory element is enhanced and the nonvolatile memory capable of high-speed recording / reproducing is also used. A solid-state magnetic memory can be realized.
【図1】(a)は本発明の磁気遮蔽構造を示す断面図、
(b)は本発明の磁気遮蔽構造の使用例としてスタック
MCP構造とした断面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view showing a magnetic shield structure of the present invention,
(B) is a stack as an example of use of the magnetic shielding structure of the present invention
It is sectional drawing which set it as the MCP structure.
【図2】本発明の1形態として高透磁率材料を接地した
磁気遮蔽構造の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a magnetic shield structure in which a high-permeability material is grounded as one form of the present invention.
【図3】本発明の1形態として高透磁率材料の外側を絶
縁層で被覆した構造の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a structure in which an outer side of a high magnetic permeability material is covered with an insulating layer as one embodiment of the present invention.
【図4】本発明の1形態として高透磁率材料の絶縁性が
高い場合の構造断面図である。FIG. 4 is a structural cross-sectional view in the case where a high magnetic permeability material has a high insulating property as one embodiment of the present invention.
【図5】本発明の1形態として高透磁率材料をMRAMチッ
プ端部では省略した磁気遮蔽構造の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a magnetic shield structure in which a high magnetic permeability material is omitted at an end portion of an MRAM chip as one embodiment of the present invention.
【図6】本発明の1形態として高透磁率材料をメモリ素
子がマトリクス上に並ぶ領域のみ配した磁気遮蔽構造の
断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a magnetic shield structure in which a high-permeability material is arranged only in a region where memory elements are arranged in a matrix as one embodiment of the present invention.
【図7】磁気遮蔽構造の理論計算のための挿入図であ
る。FIG. 7 is an inset for theoretical calculation of a magnetic shield structure.
【図8】理論計算より高透磁率材料の膜厚と磁界の相関
を無次元量で示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the correlation between the film thickness of a high-permeability material and a magnetic field in a dimensionless amount by theoretical calculation.
【図9】チップ構造と高透磁率材料の寸法を定義するた
めの断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view for defining the dimensions of the chip structure and the high-permeability material.
【図10】理論計算より高透磁率材料の膜厚と磁界の透
過率の相関を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing a correlation between a film thickness of a high magnetic permeability material and a magnetic field transmittance based on theoretical calculation.
【図11】本発明の実施例に記載されているMRAMチップ
のプロセス図である。FIG. 11 is a process diagram of an MRAM chip described in an embodiment of the present invention.
【図12】本発明の実施例に記載されているMRAMチップ
のプロセス図である。FIG. 12 is a process diagram of an MRAM chip described in an embodiment of the present invention.
【図13】本発明の実施例に記載されているMRAMチップ
のプロセス図である。FIG. 13 is a process diagram of an MRAM chip described in an embodiment of the present invention.
【図14】本発明の実施例に記載されているMRAMチップ
のプロセス図である。FIG. 14 is a process diagram of an MRAM chip described in an embodiment of the present invention.
【図15】本発明の実施例に記載されているMRAMチップ
のプロセス図である。FIG. 15 is a process diagram of an MRAM chip described in an embodiment of the present invention.
【図16】本発明の実施例であるスタックMCP構造を示
す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a stack MCP structure which is an embodiment of the present invention.
【図17】本発明の実施例であるスタックMCP構造を示
す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing a stacked MCP structure which is an embodiment of the present invention.
【図18】本発明の実施例であるスタックMCP構造を示
す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a stack MCP structure which is an embodiment of the present invention.
【図19】従来例であるスタックMCP構造を示す断面図
である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing a conventional stacked MCP structure.
【図20】従来例である特開2000-188435の磁気遮蔽構
造を示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view showing a magnetic shield structure of JP 2000-188435 A as a conventional example.
【図21】従来例である特開平09-204770の磁場集中構
造を示す断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view showing a magnetic field concentration structure of JP-A-09-204770, which is a conventional example.
1 半導体基板
2a、2b ドレイン領域
3a、3b ソース領域
4a、4b ゲート電極
5a、5b プラグ電極
6 ビット線
9、9a、9b 磁気抵抗膜
10 書き込み線
21 LOCOSフィールド酸化膜
22a、22b ソース電極
25 絶縁層
30 高透磁率材料
100 MRAMチップ
101 絶縁層
102 高透磁率材料
103a、103b 電極パッド
110 半導体実装基板
111 第1デバイス(MRAMチップ、DRAMチップ)
112 第2デバイス(ロジックデバイス、MRAMチッ
プ)
113、114 ダイ接続層
115 樹脂パッケージ
116、117 ボンディングワイヤー
119 インターポーザ(相互接続部)
120 半田ボール
121 アース線1 semiconductor substrate 2a, 2b drain region 3a, 3b source region 4a, 4b gate electrode 5a, 5b plug electrode 6 bit line 9, 9a, 9b magnetoresistive film 10 write line 21 LOCOS field oxide film 22a, 22b source electrode 25 insulating layer 30 high magnetic permeability material 100 MRAM chip 101 insulating layer 102 high magnetic permeability material 103a, 103b electrode pad 110 semiconductor mounting substrate 111 first device (MRAM chip, DRAM chip) 112 second device (logic device, MRAM chip) 113, 114 Die connection layer 115 Resin package 116, 117 Bonding wire 119 Interposer (interconnecting part) 120 Solder ball 121 Ground wire
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 43/08 H05K 9/00 Q H05K 9/00 H01L 27/10 447 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 43/08 H05K 9/00 Q H05K 9/00 H01L 27/10 447
Claims (21)
気抵抗素子、該磁気抵抗素子に接続されたビット線、前
記磁気抵抗素子に磁界を印加するための書き込み線、お
よび電界効果トランジスタからなる複数のメモリ素子を
有するMRAMチップと、 前記MRAMチップの周辺に設けられたパッケージと、を有
する不揮発固体磁気メモリ装置において、 前記MRAMチップを外部散乱磁界から遮蔽する磁気遮蔽構
造を有することを特徴とする不揮発固体磁気メモリ装
置。1. A plurality of magnetoresistive elements arranged in a matrix on a substrate, bit lines connected to the magnetoresistive elements, write lines for applying a magnetic field to the magnetoresistive elements, and field effect transistors. In a non-volatile solid-state magnetic memory device having an MRAM chip having a memory element of, and a package provided around the MRAM chip, a magnetic shielding structure for shielding the MRAM chip from an external scattered magnetic field is characterized. Nonvolatile solid-state magnetic memory device.
る請求項1に記載の不揮発固体磁気メモリ装置。2. The non-volatile solid-state magnetic memory device according to claim 1, wherein the magnetic shield structure is made of a high magnetic permeability material.
ねている請求項1に記載の不揮発固体磁気メモリ装置。3. The nonvolatile solid-state magnetic memory device according to claim 1, wherein the magnetic shield structure also serves as the package.
外部回路とのインターフェースとなる電極パッドの部分
を除いたMRAMチップの周囲全体を覆っている請求項2記
載の不揮発固体磁気メモリ装置。4. The nonvolatile solid-state magnetic memory device according to claim 2, wherein the high-permeability material covers the entire periphery of the MRAM chip except for electrode pad portions which serve as an interface between the MRAM chip and an external circuit.
配置されている領域に配した請求項2記載の不揮発固体
磁気メモリ装置。5. The non-volatile solid-state magnetic memory device according to claim 2, wherein the high magnetic permeability material is arranged in a region where the memory element is arranged.
配置されている領域を上下に挟む位置に配した請求項2
記載の不揮発固体磁気メモリ装置。6. The high-permeability material is arranged at positions vertically sandwiching a region where the memory element is arranged.
A nonvolatile solid-state magnetic memory device as described.
項2記載の不揮発固体磁気メモリ装置。7. The non-volatile solid-state magnetic memory device according to claim 2, wherein the high magnetic permeability material is grounded.
れている請求項2記載の不揮発固体磁気メモリ装置。8. The non-volatile solid-state magnetic memory device according to claim 2, wherein the periphery of the high magnetic permeability material is covered with an insulating layer.
なくとも一つの元素を含み、比透磁率が5000以上である
請求項1記載の不揮発固体磁気メモリ装置。9. The nonvolatile solid-state magnetic memory device according to claim 1, wherein the high magnetic permeability material contains at least one element of Ni, Fe and Co and has a relative magnetic permeability of 5000 or more.
をp、高透磁率材料の厚さをチップ面に水平方向をd、
垂直方向をqとした場合に、c / (c+d)もしくは p /
(p+q) が0.9997以下である請求項2記載の不揮発固体
磁気メモリ装置。10. The width of one side of the MRAM chip is c, the thickness is p, the thickness of the high-permeability material is d in the horizontal direction with respect to the chip surface,
C / (c + d) or p / when the vertical direction is q
The nonvolatile solid-state magnetic memory device according to claim 2, wherein (p + q) is 0.9997 or less.
第2磁性層と該磁性層間に絶縁体を有する構造である請
求項1記載の不揮発固体磁気メモリ装置。11. The non-volatile solid-state magnetic memory device according to claim 1, wherein the magnetoresistive element has a structure having a first magnetic layer, a second magnetic layer, and an insulator between the magnetic layers.
易軸が膜面垂直方向である請求項11記載の不揮発固体
磁気メモリ装置。12. The nonvolatile solid-state magnetic memory device according to claim 11, wherein easy axes of magnetization of the first magnetic layer and the second magnetic layer are perpendicular to the film surface.
易軸が膜面水平方向である請求項11記載の不揮発固体
磁気メモリ装置。13. The non-volatile solid-state magnetic memory device according to claim 11, wherein easy axes of magnetization of the first magnetic layer and the second magnetic layer are parallel to a film surface.
が、希土類鉄族合金からなる請求項12記載の不揮発固
体磁気メモリ装置。14. The non-volatile solid-state magnetic memory device according to claim 12, wherein the first magnetic layer or the second magnetic layer is made of a rare earth iron group alloy.
素がGd, Tb, Dyの少なくとも1種の元素を含み、鉄族元
素がFe, Coのうち、少なくとも1種の元素を含む請求項
14記載の不揮発固体磁気メモリ装置。15. The rare earth iron group alloy contains at least one element selected from Gd, Tb, and Dy, and the iron group element contains at least one element selected from Fe and Co. A nonvolatile solid-state magnetic memory device as described.
前記第2磁性層と前記非磁性層間の少なくとも一方に、
Fe, Coのうち、少なくとも一つの元素を含む磁性層が設
けられている請求項11記載の不揮発固体磁気メモリ装
置。16. The first magnetic layer and the non-magnetic layer,
At least one of the second magnetic layer and the non-magnetic layer,
The nonvolatile solid-state magnetic memory device according to claim 11, wherein a magnetic layer containing at least one element of Fe and Co is provided.
を電気的に接続する接続手段と、チップ間を固定するダ
イ接続層と、半導体実装基板と、半導体実装基板と外部
回路との電気的接続を行う端子と、外部回路との電気的
接続を行う端子と、半導体実装基板との接続を行うイン
ターポーザと、封止材料とからなるマルチ・チップ・パ
ッケージにおいて、 前記MRAMチップと、1つ以上の他チップとを半導体実装
基板に対して重畳したことを特徴とするマルチ・チップ
・パッケージ。17. An MRAM chip, another chip, a connecting means for electrically connecting the chips, a die connection layer for fixing the chips, a semiconductor mounting substrate, and an electrical connection between the semiconductor mounting substrate and an external circuit. A multi-chip package comprising a terminal for connection, a terminal for electrical connection with an external circuit, an interposer for connection with a semiconductor mounting board, and a sealing material, wherein the MRAM chip and one or more A multi-chip package, characterized in that another chip is superposed on a semiconductor mounting substrate.
ップより半導体実装基板側に位置している請求項17記
載のマルチ・チップ・パッケージ。18. The multi-chip package according to claim 17, wherein the one or more other chips are located closer to the semiconductor mounting substrate than the MRAM chip.
手段がワイヤーボンディングである請求項17記載のマ
ルチ・チップ・パッケージ。19. The multi-chip package according to claim 17, wherein the connecting means for electrically connecting the chips is wire bonding.
の電気的接続を行う端子が半田ボールである請求項17
記載のマルチ・チップ・パッケージ。20. The terminal for electrically connecting the semiconductor mounting substrate and the external circuit is a solder ball.
The described multi-chip package.
磁性層と前記磁性層間に積層された非磁性層とからなる
磁気抵抗効果素子、前記磁気抵抗効果素子の上部に設け
られたビット線、前記第1磁性層または第2磁性層の磁
化方向を電流によって発生する磁界により変化させる書
き込み線、および電界効果トランジスタからなるメモリ
素子をマトリクス状に設けたMRAMチップを有する不揮発
固体磁気メモリ装置の製造方法において、 MRAMチップと外部回路とのインターフェースとなる電極
パッドの部分を除きMRAMチップの周囲を外部散乱磁界を
遮蔽する磁気遮蔽構造を設けることを特徴とする不揮発
固体磁気メモリ装置の製造方法。21. A first magnetic layer and a second layer laminated on a substrate.
A magnetoresistive effect element including a magnetic layer and a non-magnetic layer laminated between the magnetic layers, a bit line provided on the magnetoresistive effect element, a magnetization direction of the first magnetic layer or the second magnetic layer is changed to a current. In a method for manufacturing a non-volatile solid-state magnetic memory device having a MRAM chip in which a memory element composed of a field effect transistor and a write line which is changed by a magnetic field generated by the MRAM chip are provided, an electrode pad serving as an interface between the MRAM chip and an external circuit is provided. A method for manufacturing a non-volatile solid-state magnetic memory device, characterized in that a magnetic shield structure for shielding an external scattered magnetic field is provided around the MRAM chip except for the portion.
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