JP2007266407A - Non-volatile memory and method of manufacturing same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-volatile memory that suppresses the leakage current of a ferroelectric substance and can be used stably, and to provide a method of manufacturing the non-volatile memory. <P>SOLUTION: The memory cell of the non-volatile memory 1 comprises: a cell selection transistor 5, and a ferroelectric capacitor 2 connected to the cell selection transistor 5 electrically. The ferroelectric capacitor 2 comprises: a lower electrode 15; a ferroelectric film 17 that is formed on the lower electrode 15, and contains a magnetic element; and an upper electrode 19 formed on the ferroelectric film 17. The non-volatile memory 1 is formed by applying a magnetic field of 10 kOe in a direction vertical to the surface of the ferroelectric film 17 and heating to 400°C. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性メモリ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory and a manufacturing method thereof.

自発分極をもつ強誘電体をキャパシタ部分に用いた不揮発性メモリ(FeRAM)は、次世代のメモリとして、非接触のICカード等への応用が期待されている。現在使われている強誘電体キャパシタ材料は、ペロブスカイト酸化物Pb(Zr,Ti)O系である。ペロブスカイト酸化物Pb(Zr,Ti)O系の自発分極量Prは約50μC/cmである。この自発分極量が2倍以上になるとさらに高密度な不揮発性メモリを作製することが可能となる。 Nonvolatile memory (FeRAM) using a ferroelectric material having spontaneous polarization in the capacitor portion is expected to be applied to a non-contact IC card or the like as a next-generation memory. The ferroelectric capacitor material currently used is a perovskite oxide Pb (Zr, Ti) O 3 system. The amount of spontaneous polarization Pr of the perovskite oxide Pb (Zr, Ti) O 3 system is about 50 μC / cm 2 . When the amount of spontaneous polarization is twice or more, a higher-density nonvolatile memory can be manufactured.

近年、磁性元素を含むペロブスカイト酸化物において巨大な自発分極量を示す結果が報告されている。例えば非特許文献1には、酸化ビスマス鉄(BiFeO)薄膜の自発分極量Prは100〜150μC/cmの値を示すことが報告されている。また、強誘電性の理論計算の進展もあり、電子構造から強誘電性が計算されている。例えば非特許文献2には、BiCoOの自発分極量Prは179μC/cmになることが予言されている。磁性元素を含む材料は強誘電性によい影響を及ぼさないと考えられてきたが、重要な働きをする可能性のあることが分かってきた。
K.Y.YUNet.al.,Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.43,No.5A(2004) Y.Uratani,et.al.,Japanese Journal of Applied Physics,Vol.44,No.9B,2005,pp.7130−7133
In recent years, a result showing a huge amount of spontaneous polarization in a perovskite oxide containing a magnetic element has been reported. For example, Non-Patent Document 1 reports that the amount of spontaneous polarization Pr of a bismuth iron oxide (BiFeO 3 ) thin film exhibits a value of 100 to 150 μC / cm 2 . There is also progress in the theoretical calculation of ferroelectricity, and ferroelectricity is calculated from the electronic structure. For example, Non-Patent Document 2 predicts that the spontaneous polarization amount Pr of BiCoO 3 is 179 μC / cm 2 . Although it has been thought that materials containing magnetic elements do not have a positive effect on ferroelectricity, it has been found that they can play an important role.
K. Y. YUNet. al. , Jpn. J. et al. Appl. Phys. , Vol. 43, no. 5A (2004) Y. Uratani, et. al. , Japan Journal of Applied Physics, Vol. 44, no. 9B, 2005, pp. 7130-7133

しかし、磁性元素を含む強誘電体はリーク電流が大きいため、実際にデバイスへと組み込むことが困難であった。   However, since a ferroelectric material containing a magnetic element has a large leakage current, it has been difficult to actually incorporate it into a device.

本発明の目的は、強誘電体のリーク電流を抑制し、安定して使用することができる不揮発性メモリ及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory that can suppress the leakage current of a ferroelectric and can be used stably, and a method for manufacturing the same.

上記目的は、半導体基板上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成されて磁性元素を含む強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された第2の電極とを備えた強誘電体キャパシタと、前記強誘電体膜に磁場を印加する磁場印加部とを有することを特徴とする不揮発性メモリによって達成される。   The object is to provide a first electrode formed on a semiconductor substrate, a ferroelectric film formed on the first electrode and containing a magnetic element, and a second electrode formed on the ferroelectric film. This is achieved by a non-volatile memory having a ferroelectric capacitor including an electrode and a magnetic field applying unit that applies a magnetic field to the ferroelectric film.

また、上記目的は、半導体基板上に形成され、磁性元素を含む強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成されたゲート電極と、前記強誘電体膜下方の前記半導体基板界面のチャネル領域を挟んだ両側に形成されたソース/ドレイン領域と、前記強誘電体膜に磁場を印加する磁場印加部とを有することを特徴とする不揮発性メモリによって達成される。   Also, the object is to form a ferroelectric film containing a magnetic element formed on a semiconductor substrate, a gate electrode formed on the ferroelectric film, and a channel at the interface of the semiconductor substrate below the ferroelectric film. This is achieved by a non-volatile memory having source / drain regions formed on both sides of the region and a magnetic field applying unit for applying a magnetic field to the ferroelectric film.

また、上記目的は、基板上に第1の電極を形成し、前記第1の電極上に磁性元素を含む強誘電体膜を形成し、前記強誘電体膜上に第2の電極を形成して強誘電体キャパシタを形成し、前記強誘電体膜に磁場又は磁場及び電場を印加すると共に加熱し、前記強誘電体膜を冷却することを特徴とする不揮発性メモリの製造方法によって達成される。   Also, the object is to form a first electrode on a substrate, form a ferroelectric film containing a magnetic element on the first electrode, and form a second electrode on the ferroelectric film. A ferroelectric capacitor is formed, and a magnetic field or a magnetic field and an electric field are applied to the ferroelectric film and heated, and the ferroelectric film is cooled. .

また、上記目的は、磁性元素を含む強誘電体膜を半導体基板上に形成し、前記強誘電体膜上にゲート電極を形成し、前記強誘電体膜下方の前記半導体基板界面のチャネル領域を挟んだ両側にソース/ドレイン領域を形成し、前記強誘電体膜に磁場又は磁場及び電場を印加すると共に加熱し、前記強誘電体膜を冷却することを特徴とする不揮発性メモリの製造方法によって達成される。   Further, the object is to form a ferroelectric film containing a magnetic element on a semiconductor substrate, to form a gate electrode on the ferroelectric film, and to form a channel region at the interface of the semiconductor substrate below the ferroelectric film. According to a non-volatile memory manufacturing method, source / drain regions are formed on both sides sandwiched, a magnetic field or a magnetic field and an electric field are applied to the ferroelectric film and heated, and the ferroelectric film is cooled. Achieved.

本発明によれば、強誘電体のリーク電流を抑制し、安定して使用することができる不揮発性メモリが実現できる。   According to the present invention, it is possible to realize a nonvolatile memory that can suppress the leakage current of the ferroelectric and can be used stably.

以下で説明する第1乃至第4の実施の形態は本発明の例示であり、本発明の範囲を制限しない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることはいうまでもない。   The first to fourth embodiments described below are examples of the present invention and do not limit the scope of the present invention. It goes without saying that other embodiments may belong to the category of the present invention as long as they match the gist of the present invention.

〔第1の実施の形態〕
本発明の第1の実施の形態による不揮発性メモリ及びその製造方法について図1乃至図6を用いて説明する。まず、磁性元素を含む強誘電体材料について図1を用いて説明する。図1は、磁性元素を含む強誘電体材料としてのBiFeOの結晶構造を示している。図1に示すように、BiFeOはABOで表される単純ペロブスカイト構造を有している。BiがAサイト、FeがBサイトに該当する。Bi3+及びFe3+の組み合わせが標準である。Bi3+及びFe3+の少なくとも一方がプラス三価以外の価数を取ると、結晶中に格子欠陥が増え、リーク電流が増加し易い。特にBサイトの価数は変動し易い。さらに酸化ビスマスは融点が817℃と低く、加熱により蒸発し易い。このため、Biは結晶化プロセス中にペロブスカイト構造のサイトから欠損しやすい。Biの欠損量が多くなると強誘電性を有しない異相が生成されてリーク電流が増大する。上記BiFeOの形成方法は特に制限はないが、MOCVD法、パルスレーザ蒸着法(PLD法)又は化学溶液堆積法(CSD法)等が好ましい。
[First Embodiment]
A nonvolatile memory and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, a ferroelectric material containing a magnetic element will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows the crystal structure of BiFeO 3 as a ferroelectric material containing a magnetic element. As shown in FIG. 1, BiFeO 3 has a simple perovskite structure represented by ABO 3 . Bi corresponds to the A site and Fe corresponds to the B site. A combination of Bi 3+ and Fe 3+ is standard. When at least one of Bi 3+ and Fe 3+ has a valence other than plus trivalent, lattice defects increase in the crystal and leakage current tends to increase. In particular, the valence of the B site is likely to fluctuate. Furthermore, bismuth oxide has a low melting point of 817 ° C. and is easily evaporated by heating. For this reason, Bi is easily lost from the site of the perovskite structure during the crystallization process. When the amount of Bi loss increases, a heterogeneous phase having no ferroelectricity is generated and the leakage current increases. The formation method of the BiFeO 3 is not particularly limited, but MOCVD method, pulse laser deposition method (PLD method), chemical solution deposition method (CSD method) and the like are preferable.

以上のようなBiFeOを誘電体に用いた容量素子は例えばFeRAMの一部として使用できる。当該FeRAMはトランジスタ等の能動素子と、抵抗及びコンデンサ等の受動素子と、多層配線等とを組み合わせた集積回路に好適に使用することができる。FeRAMはパーソナルコンピュータ、スマートカード、セキュリティカード、RFICタグ、携帯電話及びPDA等の電子装置に好適に使用することができる。 Such a capacitive element using BiFeO 3 as a dielectric can be used as a part of FeRAM, for example. The FeRAM can be suitably used for an integrated circuit in which an active element such as a transistor, a passive element such as a resistor and a capacitor, and a multilayer wiring are combined. FeRAM can be suitably used for electronic devices such as personal computers, smart cards, security cards, RFIC tags, mobile phones, and PDAs.

次に、本実施の形態による不揮発性メモリ1の概略の構成について図2を用いて説明する。図2は、本実施の形態の不揮発性メモリ1のアレイ状に形成されたメモリセルアレイのうちの1個のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示している。図2に示すように、不揮発性メモリ1のメモリセルは、例えばn型シリコン半導体基板3に形成された素子分離絶縁膜7で画定された素子領域内に形成されている。不揮発性メモリ1のメモリセルは、セル選択トランジスタ5と、セル選択トランジスタ5に電気的に接続された強誘電体キャパシタ2とを有している。不揮発性メモリ1のメモリセルは1トランジスタ1キャパシタ(1T1C)型の構造を有している。   Next, a schematic configuration of the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of one memory cell in the memory cell array formed in an array of the nonvolatile memory 1 of the present embodiment. As shown in FIG. 2, the memory cell of the nonvolatile memory 1 is formed in an element region defined by an element isolation insulating film 7 formed on, for example, an n-type silicon semiconductor substrate 3. The memory cell of the nonvolatile memory 1 has a cell selection transistor 5 and a ferroelectric capacitor 2 electrically connected to the cell selection transistor 5. The memory cell of the nonvolatile memory 1 has a 1-transistor 1-capacitor (1T1C) type structure.

セル選択トランジスタ5は、半導体基板3上に形成されたゲート絶縁膜4と、ゲート絶縁膜4上に形成された例えばポリシリコン膜のゲート電極Gとを有している。ゲート電極Gには、メモリセルの選択に用いられるセル選択信号が入力されるワード線(不図示)が接続されている。セル選択トランジスタ5は、ゲート絶縁膜4下層の半導体基板3に形成されるチャネル領域を挟んだ両側に形成されたp型不純物拡散層のソース領域S及びドレイン領域Dを有している。半導体基板3の全面には、例えば二酸化シリコン(SiO)の層間絶縁膜9が形成されている。層間絶縁膜9表面は平坦化されている。セル選択トランジスタ5のソース領域Sの上層部の層間絶縁膜9は開口されてコンタクトホールが形成されている。コンタクトホールには例えばタングステンが埋め込まれてタングステン・プラグ11が形成されている。ドレイン領域Dは、メモリセルに書込まれるデータに対応した電圧が印加されるビット線(不図示)に接続されている。 The cell selection transistor 5 includes a gate insulating film 4 formed on the semiconductor substrate 3 and a gate electrode G made of, for example, a polysilicon film formed on the gate insulating film 4. The gate electrode G is connected to a word line (not shown) to which a cell selection signal used for selecting a memory cell is input. The cell selection transistor 5 has a source region S and a drain region D of a p-type impurity diffusion layer formed on both sides of a channel region formed in the semiconductor substrate 3 under the gate insulating film 4. An interlayer insulating film 9 made of, for example, silicon dioxide (SiO 2 ) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 3. The surface of the interlayer insulating film 9 is flattened. The interlayer insulating film 9 in the upper layer portion of the source region S of the cell selection transistor 5 is opened to form a contact hole. For example, tungsten is buried in the contact hole to form a tungsten plug 11. The drain region D is connected to a bit line (not shown) to which a voltage corresponding to data written to the memory cell is applied.

素子分離絶縁膜7側の層間絶縁膜9上に形成されたシリコン酸化膜13上には、強誘電体キャパシタ2が形成されている。強誘電体キャパシタ2は、プレート線(不図示)に接続された下部電極(第1の電極)15と、下部電極15上に形成されて磁性元素を含む強誘電体膜17と、強誘電体膜17上に形成された上部電極(第2の電極)19とを有している。強誘電体膜17は、例えばBiFeO材料で形成されている。 On the silicon oxide film 13 formed on the interlayer insulating film 9 on the element isolation insulating film 7 side, the ferroelectric capacitor 2 is formed. The ferroelectric capacitor 2 includes a lower electrode (first electrode) 15 connected to a plate line (not shown), a ferroelectric film 17 formed on the lower electrode 15 and containing a magnetic element, and a ferroelectric material. And an upper electrode (second electrode) 19 formed on the film 17. The ferroelectric film 17 is made of, for example, a BiFeO 3 material.

強誘電体膜17の形成材料はBiFeOに限られず、磁性元素を含む強誘電体材料であればよい。強誘電体膜17の形成材料は、例えば組成式がABOの結晶格子を有するペロブスカイト材料であり、結晶格子のAサイトがPbイオン又はBiイオン及び少なくとも1種の希土類陽イオンを含み、結晶格子のBサイトが陽イオンであって磁性イオンを含んでいればよい。さらに、当該磁性イオンは、Vイオン、Crイオン、Mnイオン、Feイオン、Coイオン、Niイオン又はCuイオンであることが望ましい。 The material for forming the ferroelectric film 17 is not limited to BiFeO 3 and may be any ferroelectric material containing a magnetic element. The material for forming the ferroelectric film 17 is, for example, a perovskite material having a crystal lattice with a composition formula of ABO 3 , and the A site of the crystal lattice includes Pb ions or Bi ions and at least one rare earth cation, The B site may be a cation and contain a magnetic ion. Furthermore, the magnetic ions are preferably V ions, Cr ions, Mn ions, Fe ions, Co ions, Ni ions, or Cu ions.

酸化シリコンで形成された絶縁膜21は強誘電体キャパシタ2を覆って形成されている。絶縁膜21には、上部電極19表面の一部を露出するコンタクトホールCHが形成されている。絶縁膜21上には、コンタクトホールCHに埋め込まれてセル選択トランジスタ5側まで延びる配線23が形成されている。配線23はコンタクトホールCHに露出した上部電極19と層間絶縁膜9表面に露出したタングステン・プラグ11とを電気的に接続している。   An insulating film 21 made of silicon oxide is formed so as to cover the ferroelectric capacitor 2. A contact hole CH that exposes a part of the surface of the upper electrode 19 is formed in the insulating film 21. On the insulating film 21, a wiring 23 is formed which is buried in the contact hole CH and extends to the cell selection transistor 5 side. The wiring 23 electrically connects the upper electrode 19 exposed in the contact hole CH and the tungsten plug 11 exposed on the surface of the interlayer insulating film 9.

後程説明するように、不揮発性メモリ1は、強誘電体膜17の面垂直方向(膜厚方向)に10kOeの磁場を印加すると共に400℃に加熱して形成されている。これにより、強誘電体膜17のリーク電流が抑制されるので、不揮発性メモリ1のリテンション特性及びインプリント特性等の記憶保持特性が向上し、不揮発性メモリ1を安定して使用することが可能になる。   As will be described later, the nonvolatile memory 1 is formed by applying a magnetic field of 10 kOe in the surface vertical direction (film thickness direction) of the ferroelectric film 17 and heating to 400 ° C. Thereby, since the leakage current of the ferroelectric film 17 is suppressed, the retention characteristics and the imprint characteristics of the nonvolatile memory 1 are improved, and the nonvolatile memory 1 can be used stably. become.

次に、本実施の形態による不揮発性メモリ1のデータの書込み/読出し動作について図2を用いて簡単に説明する。まず、本実施の形態による不揮発性メモリ1のデータ書込み動作について説明する。ワード線を介してセル選択トランジスタ5のゲート電極Gに例えば−Vg(V)の電圧を印加してデータを書込むメモリセルを選択する。次いで、「1」のデータ書込み時には、例えばビット線の電圧Vbがプレート線の電圧Vpより電圧値が高くなるように各配線に電圧を印加する。これにより、強誘電体膜17には、上部電極19側が下部電極15側より高電位の電圧が印加される。従って、強誘電体膜17は上部電極19から下部電極15に向かう方向に分極が生じる。当該分極方向を「1」に対応付ける。   Next, the data write / read operation of the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment will be briefly described with reference to FIG. First, the data write operation of the nonvolatile memory 1 according to this embodiment will be described. For example, a voltage of -Vg (V) is applied to the gate electrode G of the cell selection transistor 5 through the word line to select a memory cell in which data is written. Next, when data “1” is written, for example, the voltage is applied to each wiring so that the voltage Vb of the bit line is higher than the voltage Vp of the plate line. Thereby, a voltage having a higher potential is applied to the ferroelectric film 17 on the upper electrode 19 side than on the lower electrode 15 side. Therefore, the ferroelectric film 17 is polarized in the direction from the upper electrode 19 to the lower electrode 15. The polarization direction is associated with “1”.

一方、「0」のデータ書込み時には、例えばビット線の電圧Vbがプレート線の電圧Vpより電圧値が低くなるように各配線に電圧を印加する。これにより、強誘電体膜17には、上部電極19側が下部電極15側より低電位の電圧が印加される。従って、強誘電体膜17は下部電極15から上部電極19に向かう方向に分極が生じる。当該分極方向を「0」に対応付ける。このように、不揮発性メモリ1は、書込まれるデータと強誘電体膜17の分極方向とを対応付けることにより、「1」又は「0」のデータを書込むことができる。   On the other hand, when data “0” is written, a voltage is applied to each wiring so that the voltage Vb of the bit line is lower than the voltage Vp of the plate line, for example. As a result, a voltage having a lower potential is applied to the ferroelectric film 17 on the upper electrode 19 side than on the lower electrode 15 side. Therefore, the ferroelectric film 17 is polarized in the direction from the lower electrode 15 to the upper electrode 19. The polarization direction is associated with “0”. Thus, the nonvolatile memory 1 can write “1” or “0” data by associating the data to be written with the polarization direction of the ferroelectric film 17.

次に、本実施の形態による不揮発性メモリ1のデータ読出し動作について説明する。まず、ワード線を介してセル選択トランジスタ5のゲート電極Gに例えば−Vg(V)の電圧を印加してデータを読出すメモリセルを選択する。次いで、例えばビット線の電圧Vbがプレート線の電圧Vpより電圧値が高くなるように各配線に電圧を印加する。これにより、上部電極19が下部電極15より高電位の電圧が印加される。メモリセルに「1」が記憶されている場合には、強誘電体膜17の分極が反転しないので、強誘電体キャパシタ2の電荷分布に大きな変化が生じず、例えばビット線にはほとんど電流が流れない。これに対し、メモリセルに「0」が記憶されている場合には、強誘電体膜17の分極が反転するので、強誘電体キャパシタ2の電荷分布に大きな変化が生じ、例えばビット線に相対的に大きな電流が流れる。このように、不揮発性メモリ1はメモリセルに記憶されたデータによってビット線を流れる電流の大きさが異なるので、この電流値の大小によって読出されたデータの値を判別することができる。   Next, the data read operation of the nonvolatile memory 1 according to this embodiment will be described. First, a memory cell from which data is read is selected by applying a voltage of, for example, -Vg (V) to the gate electrode G of the cell selection transistor 5 through the word line. Next, for example, a voltage is applied to each wiring so that the voltage Vb of the bit line is higher than the voltage Vp of the plate line. As a result, a voltage having a higher potential is applied to the upper electrode 19 than to the lower electrode 15. When “1” is stored in the memory cell, the polarization of the ferroelectric film 17 is not reversed, so that the charge distribution of the ferroelectric capacitor 2 does not change greatly. For example, almost no current flows in the bit line. Not flowing. On the other hand, when “0” is stored in the memory cell, the polarization of the ferroelectric film 17 is inverted, so that a large change occurs in the charge distribution of the ferroelectric capacitor 2, for example, relative to the bit line. Large current flows. As described above, since the magnitude of the current flowing through the bit line differs depending on the data stored in the memory cell, the nonvolatile memory 1 can determine the value of the read data based on the magnitude of the current value.

磁性元素を含み自発分極の大きい強誘電体を用いた従来の不揮発性メモリは、強誘電体膜に流れるリーク電流が比較的大きいので時間の経過と共に自発分極が失われ易く、記憶データが消失されてしまうという問題を有している。これに対し、本実施の形態による不揮発性メモリ1は、強誘電体膜17の膜厚方向に10kOeの磁場を印加すると共に400℃に加熱して形成することにより強誘電体膜17のリーク電流が抑制されている。これにより、不揮発性メモリ1は、磁性元素を含み自発分極の大きい強誘電体を用いても時間の経過と共に自発分極が失われ難く記憶データの消失を防止できる。従って、不揮発性メモリ1を安定して使用することが可能になる。   The conventional nonvolatile memory using a ferroelectric material containing a magnetic element and a large spontaneous polarization has a relatively large leakage current flowing in the ferroelectric film, so that the spontaneous polarization is easily lost over time, and the stored data is lost. Have the problem of On the other hand, the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment is formed by applying a magnetic field of 10 kOe in the film thickness direction of the ferroelectric film 17 and heating it to 400 ° C. to thereby form a leakage current of the ferroelectric film 17. Is suppressed. As a result, the nonvolatile memory 1 can prevent the loss of stored data because the spontaneous polarization is unlikely to be lost over time even when a ferroelectric material containing a magnetic element and having a large spontaneous polarization is used. Therefore, the nonvolatile memory 1 can be used stably.

次に、本実施の形態による不揮発性メモリ1の製造方法について図3乃至図6を用いて説明する。図3乃至図6は、本実施の形態による不揮発性メモリ1の製造方法を示す工程断面図である。まず、図3(a)に示すように、素子分離絶縁膜7で画定された素子領域内に例えばp型のセル選択トランジスタ5が形成されたn型シリコン半導体基板3の全面に例えばSiOの層間絶縁膜9を形成する。層間絶縁膜9はTEOSガスを用いるプラズマCVD法を用いて形成される。続いて、層間絶縁膜9を化学的機械研磨(CMP;Chemical Mechanical Polishing)法により研磨してその表面を平坦化する。次に、ソース領域S表面の一部を開口するコンタクトホールを層間絶縁膜9に形成する。次いで、コンタクトホールを埋め込んでタングステン・プラグ11を形成する。 Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 6 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment. First, as shown in FIG. 3A, for example, SiO 2 is formed on the entire surface of the n-type silicon semiconductor substrate 3 in which the p-type cell selection transistor 5 is formed in the element region defined by the element isolation insulating film 7. An interlayer insulating film 9 is formed. The interlayer insulating film 9 is formed using a plasma CVD method using TEOS gas. Subsequently, the interlayer insulating film 9 is polished by a chemical mechanical polishing (CMP) method to planarize the surface. Next, a contact hole that opens a part of the surface of the source region S is formed in the interlayer insulating film 9. Next, a tungsten plug 11 is formed by filling the contact hole.

次に、図3(b)に示すように、層間絶縁膜9の全面にシリコン酸化膜63を形成する。次いで、シリコン酸化膜63の全面に密着層として酸化チタン層(不図示)を形成し、次いで、例えばスパッタリング法を用いて酸化チタン層の全面に下部電極となる白金(Pt)層65を形成する。次に、例えばMOCVD法を用いてPt層65の全面にBiFeO層67を形成し、次いで、例えば真空蒸着法を用いてBiFeO層67の全面に上部電極となるPt層69を形成する。 Next, as shown in FIG. 3B, a silicon oxide film 63 is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 9. Next, a titanium oxide layer (not shown) is formed as an adhesion layer on the entire surface of the silicon oxide film 63, and then a platinum (Pt) layer 65 serving as a lower electrode is formed on the entire surface of the titanium oxide layer by using, for example, a sputtering method. . Then, for example, by MOCVD to form the BiFeO 3 layer 67 on the entire surface of the Pt layer 65 and then a Pt layer 69 made of, for example, an upper electrode on the entire surface of the BiFeO 3 layer 67 by vacuum evaporation.

次に、図4(a)に示すように、レジストを塗布してパターニングし、素子分離絶縁膜7側にレジスト層60を形成する。次に、塩素系のエッチングガスを用いてレジスト層60をエッチングマスクとして半導体基板3上をエッチングし、図4(a)に示すように露出部のPt層69及びBiFeO層67を順次除去して、Pt層65が露出するまでエッチング処理を行う。最後にエッチングマスクとして用いていたレジスト層60を除去する。 Next, as shown in FIG. 4A, a resist is applied and patterned to form a resist layer 60 on the element isolation insulating film 7 side. Next, the top of the semiconductor substrate 3 is etched using a chlorine-based etching gas using the resist layer 60 as an etching mask, and the exposed Pt layer 69 and BiFeO 3 layer 67 are sequentially removed as shown in FIG. Etching is performed until the Pt layer 65 is exposed. Finally, the resist layer 60 used as an etching mask is removed.

次に、図4(b)に示すように、レジストを塗布してパターニングし、素子分離絶縁膜7側のPt層69及びBiFeO層67を覆うようにレジスト層62を形成する。次に、塩素系のエッチングガスを用いてレジスト層62をエッチングマスクとして半導体基板3上をエッチングし、図4(b)に示すように露出部のPt層65を除去して、シリコン酸化膜63が露出するまでエッチング処理を行う。最後にエッチングマスクとして用いていたレジスト層62を除去する。 Next, as shown in FIG. 4B, a resist is applied and patterned, and a resist layer 62 is formed so as to cover the Pt layer 69 and the BiFeO 3 layer 67 on the element isolation insulating film 7 side. Next, the top of the semiconductor substrate 3 is etched using a chlorine-based etching gas using the resist layer 62 as an etching mask, and the exposed Pt layer 65 is removed as shown in FIG. Etching is carried out until is exposed. Finally, the resist layer 62 used as an etching mask is removed.

次に、図5(a)に示すように、レジストを塗布してパターニングし、セル選択トランジスタ5のソース領域S上を開口するレジスト層64を形成する。次に、塩素系のエッチングガスを用いてレジスト層64をエッチングマスクとして半導体基板3上をエッチングし、露出部のシリコン酸化膜63を除去して、タングステン・プラグ11が露出するまでエッチング処理を行う。最後にエッチングマスクとして用いていたレジスト層64を除去する。   Next, as shown in FIG. 5A, a resist is applied and patterned to form a resist layer 64 that opens on the source region S of the cell selection transistor 5. Next, the top surface of the semiconductor substrate 3 is etched using a chlorine-based etching gas using the resist layer 64 as an etching mask, the silicon oxide film 63 in the exposed portion is removed, and etching is performed until the tungsten plug 11 is exposed. . Finally, the resist layer 64 used as an etching mask is removed.

こうして、図5(b)に示すように、シリコン酸化膜13上に形成されたPtの下部電極15と、下部電極15上に形成されたBiFeOの強誘電体膜17と、強誘電体膜17上に形成されたPtの上部電極19とを有する強誘電体キャパシタ2が完成する。次に、図5(b)に示すように、全面にシリコン酸化膜71を形成する。次いで、レジストを塗布してパターニングし、強誘電体キャパシタ2を覆うレジスト層(不図示)を形成する。当該レジスト層には、将来的にコンタクトホールCHが形成される領域が開口されている。 Thus, as shown in FIG. 5B, the Pt lower electrode 15 formed on the silicon oxide film 13, the BiFeO 3 ferroelectric film 17 formed on the lower electrode 15, and the ferroelectric film. The ferroelectric capacitor 2 having the Pt upper electrode 19 formed on the capacitor 17 is completed. Next, as shown in FIG. 5B, a silicon oxide film 71 is formed on the entire surface. Next, a resist is applied and patterned to form a resist layer (not shown) that covers the ferroelectric capacitor 2. A region where a contact hole CH will be formed in the future is opened in the resist layer.

次に、図6(a)に示すように、塩素系のエッチングガスを用いてレジスト層をエッチングマスクとして半導体基板3上をエッチングし、露出部のシリコン酸化膜71を除去して、上部電極19及びタングステン・プラグ11が露出するまでエッチング処理を行う。最後にエッチングマスクとして用いていたレジスト層を除去する。これにより、コンタクトホールCHを有する絶縁膜21が形成される。次に、全面にアルミニウム(Al)又は銅(Cu)を用いて金属層(不図示)を形成して所定形状にパターニングし、図6(b)に示すように、コンタクトホールCHに埋め込まれてセル選択トランジスタ5側まで延びる配線23を形成する。これにより、配線23及びタングステン・プラグ11を介して上部電極19とソース領域Sとが電気的に接続される。   Next, as shown in FIG. 6A, the top surface of the semiconductor substrate 3 is etched by etching the semiconductor substrate 3 using a chlorine-based etching gas using the resist layer as an etching mask, and removing the exposed silicon oxide film 71. Etching is performed until the tungsten plug 11 is exposed. Finally, the resist layer used as an etching mask is removed. Thereby, the insulating film 21 having the contact hole CH is formed. Next, a metal layer (not shown) is formed on the entire surface using aluminum (Al) or copper (Cu) and patterned into a predetermined shape, and is embedded in the contact hole CH as shown in FIG. A wiring 23 extending to the cell selection transistor 5 side is formed. As a result, the upper electrode 19 and the source region S are electrically connected via the wiring 23 and the tungsten plug 11.

次に、10kOeの磁場Hを強誘電体膜17の膜厚方向に印加すると共に例えば400℃まで1℃/秒で加熱する。次に、400℃で30分保持した後、1℃/秒で冷却する。次いで、磁場Hの印加を終了する。こうして、1T1C型の不揮発性メモリ1が完成する。   Next, a magnetic field H of 10 kOe is applied in the film thickness direction of the ferroelectric film 17 and heated to 400 ° C. at 1 ° C./second, for example. Next, after hold | maintaining for 30 minutes at 400 degreeC, it cools at 1 degree-C / sec. Next, the application of the magnetic field H is terminated. Thus, the 1T1C type nonvolatile memory 1 is completed.

以上説明したように、本実施の形態による不揮発性メモリの製造方法は、強誘電体膜17への磁場印加工程及び加熱工程を有する点を除いて、従来の不揮発性メモリと同様の製造方法を用いることができる。本実施の形態による不揮発性メモリの製造方法によれば、強誘電体膜17のリーク電流が抑制されて記憶保持特性に優れる1T1C型の不揮発性メモリ1を製造できる。さらに、強誘電体キャパシタ2に磁性元素を含む強誘電体材料を用いることができ、強誘電体キャパシタ2の自発分極量が向上するので、不揮発性メモリ1の高密度化及び大容量化を図ることができる。   As described above, the manufacturing method of the nonvolatile memory according to the present embodiment is the same manufacturing method as that of the conventional nonvolatile memory except that it includes a magnetic field application process and a heating process to the ferroelectric film 17. Can be used. According to the method for manufacturing the nonvolatile memory according to the present embodiment, the 1T1C type nonvolatile memory 1 having excellent memory retention characteristics by suppressing the leakage current of the ferroelectric film 17 can be manufactured. Further, a ferroelectric material containing a magnetic element can be used for the ferroelectric capacitor 2 and the amount of spontaneous polarization of the ferroelectric capacitor 2 is improved, so that the non-volatile memory 1 is increased in density and capacity. be able to.

〔第2の実施の形態〕
本発明の第2の実施の形態による不揮発性メモリ及びその製造方法について図7乃至図10を用いて説明する。まず、本実施の形態の不揮発性メモリにおける強誘電体膜のリーク電流の抑制原理について図7を用いて説明する。図7は、温度及び磁場に対するBiFeOエピタキシャル膜のリーク電流を示す図である。図中の上段、中段及び下段のそれぞれ横軸は、時間Time(sec)を表し、上段の縦軸は、温度Temp(℃)を表し、中段の縦軸は、磁場H(kOe)を表し、下段の縦軸は、リーク電流I(A)を表している。
[Second Embodiment]
A non-volatile memory and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the principle of suppressing the leakage current of the ferroelectric film in the nonvolatile memory of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing the leakage current of the BiFeO 3 epitaxial film with respect to temperature and magnetic field. In the figure, the horizontal axis of each of the upper, middle and lower stages represents time Time (sec), the vertical axis of the upper stage represents temperature Temp (° C.), and the vertical axis of the middle stage represents magnetic field H (kOe). The lower vertical axis represents the leakage current I (A).

図7の0(sec)から300(sec)までの範囲に示すように、BiFeO膜に磁場Hを印加せずに60℃まで加熱して、60℃で約30秒間維持して、その後室温まで冷却すると、BiFeO膜のリーク電流Iは温度上昇とともに増加して室温に戻ると元の値に戻る。次に、図7の300(sec)から1000(sec)までの範囲に示すように、BiFeO膜を60℃まで加熱して、60℃で約30秒間維持して、その後10(kOe)の磁場Hを印加する。この場合、BiFeO膜のリーク電流Iは磁場Hの印加と共に減少する。BiFeO膜のリーク電流Iは磁場Hが印加されていると室温に戻っても加熱及び磁場印加前より電流値が低下している。磁場Hの印加を終了すると、BiFeO膜のリーク電流Iは加熱及び磁場印加前の電流値に戻る。 As shown in the range from 0 (sec) to 300 (sec) in FIG. 7, the BiFeO 3 film is heated to 60 ° C. without applying the magnetic field H, maintained at 60 ° C. for about 30 seconds, and then at room temperature. When the temperature is cooled down, the leakage current I of the BiFeO 3 film increases as the temperature rises and returns to the original value when it returns to room temperature. Next, as shown in the range from 300 (sec) to 1000 (sec) in FIG. 7, the BiFeO 3 film is heated to 60 ° C. and maintained at 60 ° C. for about 30 seconds, and then 10 (kOe). A magnetic field H is applied. In this case, the leakage current I of the BiFeO 3 film decreases as the magnetic field H is applied. When the magnetic field H is applied to the leakage current I of the BiFeO 3 film, the current value is lower than that before heating and application of the magnetic field even when the temperature returns to room temperature. When the application of the magnetic field H is finished, the leakage current I of the BiFeO 3 film returns to the current value before heating and magnetic field application.

上記第1の実施の形態による不揮発性メモリ1は、製造時に400℃という高温状態で磁場が印加される。このため、上記第1の実施の形態による不揮発性メモリ1は、周囲温度が室温程度の環境下で磁場が印加されていなくても、強誘電体膜17のリーク電流を抑制することができる。しかし、不揮発性メモリに磁場を印加しながら400℃まで加熱できる製造装置は高価であるため、不揮発性メモリの製造コストの高コスト化に繋がる可能性がある。   The nonvolatile memory 1 according to the first embodiment is applied with a magnetic field at a high temperature of 400 ° C. during manufacture. Therefore, the nonvolatile memory 1 according to the first embodiment can suppress the leakage current of the ferroelectric film 17 even when no magnetic field is applied in an environment where the ambient temperature is about room temperature. However, since a manufacturing apparatus capable of heating up to 400 ° C. while applying a magnetic field to the nonvolatile memory is expensive, it may lead to an increase in the manufacturing cost of the nonvolatile memory.

そこで、本実施の形態による不揮発性メモリは、リーク電流を抑制するために常に磁場を印加できるように磁場印加部を備えた点に特徴を有している。さらに、本実施の形態による不揮発性メモリの製造方法は、60℃程度の低温状態で磁場を印加することにより製造コストの低コスト化を図ることができる点に特徴を有している。以下、本実施の形態による不揮発性メモリ及びその製造方法を実施例を用いてより具体的に説明する。本実施の形態の不揮発性メモリ1の構成要素のうち第1の実施の形態の不揮発性メモリ1と同様の機能/作用を有する構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。また、以下の実施例による不揮発性メモリ1のデータ書込み/読出し方法は、第1の実施の形態の不揮発性メモリ1と同様であるため、説明は省略する。   Therefore, the nonvolatile memory according to the present embodiment is characterized in that a magnetic field application unit is provided so that a magnetic field can be always applied in order to suppress leakage current. Furthermore, the manufacturing method of the nonvolatile memory according to the present embodiment is characterized in that the manufacturing cost can be reduced by applying a magnetic field at a low temperature of about 60 ° C. Hereinafter, the nonvolatile memory and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described more specifically with reference to examples. Of the constituent elements of the nonvolatile memory 1 of the present embodiment, constituent elements having the same functions / actions as those of the nonvolatile memory 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In addition, since the data writing / reading method of the nonvolatile memory 1 according to the following examples is the same as that of the nonvolatile memory 1 of the first embodiment, the description thereof is omitted.

(実施例2−1)
本実施の形態の実施例2−1による不揮発性メモリ1について図8を用いて説明する。図8(a)は、本実施例による不揮発性メモリ1の1個のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示している。図8(b)は、本実施例の変形例による不揮発性メモリ1の1個のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示している。図8(a)に示すように、不揮発性メモリ1は、上部電極19上に形成された磁場印加部としての強磁性層25を有している。強磁性層25はCoCrPt系合金で形成されている。強磁性層25はCoCrPt系合金に限られず、他のCo系合金、例えばCoCr系合金、CoPt系合金又はCoCrTa系合金のいずれで形成されていてもよい。さらに、強磁性層25はCo系合金の他、Ni系合金又はFe系合金で形成されていてももちろんよい。さらに、強磁性層25は、La1−xSrMnO(x=0.0〜1.0)酸化物で形成されていてもよい。
(Example 2-1)
The non-volatile memory 1 according to Example 2-1 of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8A shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of one memory cell of the nonvolatile memory 1 according to this embodiment. FIG. 8B shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of one memory cell of the nonvolatile memory 1 according to the modification of the present embodiment. As shown in FIG. 8A, the nonvolatile memory 1 has a ferromagnetic layer 25 as a magnetic field application unit formed on the upper electrode 19. The ferromagnetic layer 25 is made of a CoCrPt alloy. The ferromagnetic layer 25 is not limited to a CoCrPt alloy, and may be formed of any other Co alloy such as a CoCr alloy, a CoPt alloy, or a CoCrTa alloy. Further, it goes without saying that the ferromagnetic layer 25 may be formed of a Ni alloy or a Fe alloy in addition to the Co alloy. Furthermore, the ferromagnetic layer 25 may be formed of La 1-x Sr x MnO 3 (x = 0.0 to 1.0) oxide.

強磁性層25は強誘電体膜17の膜厚方向に磁場を印加できるようになっている。本実施例では、強磁性層25は上部電極19の強誘電体膜17との対向面の裏面側に形成されている。しかし、強磁性層25は強誘電体膜17の膜厚方向に磁場を印加できれば、下部電極15の強誘電体膜17との対向面の裏面側(下部電極15の下層)に形成されていてももちろんよい。   The ferromagnetic layer 25 can apply a magnetic field in the film thickness direction of the ferroelectric film 17. In this embodiment, the ferromagnetic layer 25 is formed on the back side of the surface of the upper electrode 19 facing the ferroelectric film 17. However, the ferromagnetic layer 25 is formed on the back surface side (the lower layer of the lower electrode 15) of the lower electrode 15 facing the ferroelectric film 17 if a magnetic field can be applied in the film thickness direction of the ferroelectric film 17. Of course it is good.

図8(a)に示すように、絶縁膜21には、強磁性層25のほぼ中央部を露出させるコンタクトホールCHが形成されている。コンタクトホールCHには、配線23が埋め込まれて形成されている。これにより、上部電極19は、強磁性層25、配線23及びタングステン・プラグ11を介してセル選択トランジスタ5のソース領域Sに電気的に接続される。   As shown in FIG. 8A, the insulating film 21 is formed with a contact hole CH that exposes a substantially central portion of the ferromagnetic layer 25. A wiring 23 is embedded in the contact hole CH. As a result, the upper electrode 19 is electrically connected to the source region S of the cell selection transistor 5 via the ferromagnetic layer 25, the wiring 23 and the tungsten plug 11.

後程説明するように、本実施例による不揮発性メモリ1は、製造時に強磁性層25による15kOeの磁場が強誘電体膜17の膜厚方向に印加されると共に60℃に加熱して形成される。本実施例による不揮発性メモリ1は上記第1の実施の形態による不揮発性メモリ1より製造段階の加熱温度が低い。しかし、本実施例による不揮発性メモリ1は、記憶装置として実際に使用される際に、強磁性層25による磁場を強誘電体膜17に常時印加することができる。これにより、室温又は高温の環境下で不揮発性メモリ1が使用されても、強誘電体膜17のリーク電流を抑制することができる。これにより、本実施例による不揮発性メモリ1は上記第1の実施の形態による不揮発性メモリ1と同様の効果が得られる。   As will be described later, the nonvolatile memory 1 according to this embodiment is formed by applying a magnetic field of 15 kOe by the ferromagnetic layer 25 in the film thickness direction of the ferroelectric film 17 and heating to 60 ° C. during manufacture. . The non-volatile memory 1 according to this example has a lower heating temperature in the manufacturing stage than the non-volatile memory 1 according to the first embodiment. However, the nonvolatile memory 1 according to this embodiment can always apply a magnetic field from the ferromagnetic layer 25 to the ferroelectric film 17 when actually used as a storage device. Thereby, even if the nonvolatile memory 1 is used in a room temperature or high temperature environment, the leakage current of the ferroelectric film 17 can be suppressed. Thereby, the non-volatile memory 1 according to the present example can obtain the same effect as the non-volatile memory 1 according to the first embodiment.

次に、本実施例による不揮発性メモリ1の製造方法について簡単に説明する。本実施例の製造方法は、第1の実施の形態とほぼ同様であるので差異のある工程についてのみ簡述する。図3(b)に示すPt層69の形成後に、スパッタリング法を用いてCoCrPt系合金の磁性層を形成し、次いで、図4(a)に示すレジスト層60を形成する。次に、塩素系のエッチングガスを用いてレジスト層60をエッチングマスクとして半導体基板3上をエッチングし、露出部のCoCrPt系合金の磁性層、Pt層69及びBiFeO層67を順次除去して、Pt層65が露出するまでエッチング処理を行う。これにより、上部電極19となるPt層69上にCoCrPt系合金の磁性層が形成される。 Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory 1 according to this embodiment will be briefly described. Since the manufacturing method of this example is almost the same as that of the first embodiment, only the steps having differences will be described briefly. After the Pt layer 69 shown in FIG. 3B is formed, a CoCrPt alloy magnetic layer is formed by sputtering, and then a resist layer 60 shown in FIG. 4A is formed. Next, etching is performed on the semiconductor substrate 3 using the chlorine-based etching gas using the resist layer 60 as an etching mask, and the exposed CoCrPt alloy magnetic layer, the Pt layer 69 and the BiFeO 3 layer 67 are sequentially removed. Etching is performed until the Pt layer 65 is exposed. Thus, a CoCrPt alloy magnetic layer is formed on the Pt layer 69 to be the upper electrode 19.

その後、絶縁膜21となるシリコン酸化膜71にコンタクトホールCHを形成して磁性層をコンタクトホールCH内に露出させる。これにより、強磁性層25が完成する。その後、図8(a)に示す不揮発性メモリ1を形成して60℃まで加熱し、60℃で約30秒間維持した後、1℃/秒で冷却する。加熱の前後において、強誘電体膜17には、強磁性層25により約15kOeの磁場Hが印加されている。こうして、本実施例の不揮発性メモリ1が完成する。   Thereafter, a contact hole CH is formed in the silicon oxide film 71 to be the insulating film 21, and the magnetic layer is exposed in the contact hole CH. Thereby, the ferromagnetic layer 25 is completed. Thereafter, the nonvolatile memory 1 shown in FIG. 8A is formed, heated to 60 ° C., maintained at 60 ° C. for about 30 seconds, and then cooled at 1 ° C./second. A magnetic field H of about 15 kOe is applied to the ferroelectric film 17 by the ferromagnetic layer 25 before and after heating. Thus, the nonvolatile memory 1 of this embodiment is completed.

以上説明したように、本実施例による不揮発性メモリ1の製造方法は、第1の実施の形態の製造方法に対して強磁性層25の形成工程が増えるものの加熱温度を下げることができ、さらに加熱時間の短縮化も図れる。これにより、本実施例による不揮発性メモリ1は比較的安価な製造装置により製造できるので、製造コストの低コスト化を図ることができる。   As described above, the manufacturing method of the nonvolatile memory 1 according to the present example can lower the heating temperature although the formation process of the ferromagnetic layer 25 is increased as compared with the manufacturing method of the first embodiment. The heating time can be shortened. Thereby, since the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment can be manufactured by a relatively inexpensive manufacturing apparatus, the manufacturing cost can be reduced.

次に、本実施例の変形例による不揮発性メモリ1について図8(b)を用いて説明する。図8(b)に示すように、本変形例の不揮発性メモリ1は、強磁性層25の端部側を露出させるようにコンタクトホールCHが形成されている点に特徴を有している。本変形例の不揮発性メモリ1は、コンタクトホールCHの形成位置が異なる点を除いて、図8(a)に示す不揮発性メモリ1と同様の構造を有し、また同様の製造方法によって製造される。これにより、本変形例の不揮発性メモリ1は、図8(a)に示す不揮発性メモリ1と同様の効果が得られる。   Next, a nonvolatile memory 1 according to a modification of the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8B, the nonvolatile memory 1 of the present modification is characterized in that a contact hole CH is formed so as to expose the end portion side of the ferromagnetic layer 25. The non-volatile memory 1 of the present modification has the same structure as that of the non-volatile memory 1 shown in FIG. 8A except that the contact hole CH is formed at a different position, and is manufactured by the same manufacturing method. The Thereby, the nonvolatile memory 1 of the present modification can obtain the same effect as the nonvolatile memory 1 shown in FIG.

(実施例2−2)
本実施の形態の実施例2−2による不揮発性メモリ1について図9を用いて説明する。図9は、本実施例による不揮発性メモリ1の1個のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示している。図9に示すように、本実施例による不揮発性メモリ1は上記実施例2−1の強磁性層25に代えて、磁場印加部としての一対の永久磁石27a、27bを備えた点に特徴を有している。一対の永久磁石27a、27bは強誘電体膜17の膜厚方向に磁場を印加できるようにメモリセルを挟んで対向配置されている。本実施例による不揮発性メモリ1は第1の実施の形態の不揮発性メモリ1と同じメモリセルの構成を有している。
(Example 2-2)
The non-volatile memory 1 according to Example 2-2 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of one memory cell of the nonvolatile memory 1 according to this embodiment. As shown in FIG. 9, the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment is characterized in that it includes a pair of permanent magnets 27a and 27b as magnetic field application units instead of the ferromagnetic layer 25 of the embodiment 2-1. Have. The pair of permanent magnets 27a and 27b are arranged to face each other with the memory cell interposed therebetween so that a magnetic field can be applied in the film thickness direction of the ferroelectric film 17. The nonvolatile memory 1 according to the present example has the same memory cell configuration as the nonvolatile memory 1 of the first embodiment.

永久磁石27aは、上部電極19の強誘電体膜17との対向面の裏面側であって、強誘電体キャパシタ2を覆う絶縁膜29上に形成されている。永久磁石27bは、下部電極15の強誘電体膜17との対向面の裏面側であって、半導体基板3の膜形成面の裏面側に形成されている。一対の永久磁石27a、27bは強誘電体膜17の膜厚方向に磁場を印加できるように、強誘電体膜17の膜面側の永久磁石27a、27b表面は異なる磁極にそれぞれ着磁されている。例えば、強誘電体膜17膜面側の永久磁石27a表面はN極に着磁され、強誘電体膜17膜面側の永久磁石27b表面はS極に着磁されている。これにより、強誘電体膜17には、上部電極19側から下部電極15側に向かう磁場が印加される。磁場印加部としての永久磁石は必ずしも一対である必要はなく、強誘電体膜17に所定の強さの磁場が印加できれば、不揮発性メモリ1は永久磁石27a、27bのいずれか一方のみを有していればよい。   The permanent magnet 27 a is formed on the back surface of the upper electrode 19 facing the ferroelectric film 17 and on the insulating film 29 that covers the ferroelectric capacitor 2. The permanent magnet 27 b is formed on the back side of the surface of the lower electrode 15 facing the ferroelectric film 17 and on the back side of the film forming surface of the semiconductor substrate 3. The surfaces of the permanent magnets 27a and 27b on the film surface side of the ferroelectric film 17 are magnetized by different magnetic poles so that the pair of permanent magnets 27a and 27b can apply a magnetic field in the film thickness direction of the ferroelectric film 17. Yes. For example, the surface of the permanent magnet 27a on the side of the ferroelectric film 17 is magnetized to the N pole, and the surface of the permanent magnet 27b on the side of the ferroelectric film 17 is magnetized to the S pole. Thereby, a magnetic field directed from the upper electrode 19 side to the lower electrode 15 side is applied to the ferroelectric film 17. The pair of permanent magnets as the magnetic field applying unit is not necessarily a pair, and the nonvolatile memory 1 has only one of the permanent magnets 27a and 27b as long as a magnetic field having a predetermined strength can be applied to the ferroelectric film 17. It only has to be.

後程説明するように、本実施例による不揮発性メモリ1は、製造時に永久磁石27a、27bによる15kOeの磁場が強誘電体膜17の膜厚方向に印加されると共に60℃に加熱して形成される。これにより、本実施例による不揮発性メモリ1は実施例2−1による不揮発性メモリ1と同様の効果が得られる。   As will be described later, the nonvolatile memory 1 according to this embodiment is formed by applying a 15 kOe magnetic field by the permanent magnets 27a and 27b in the film thickness direction of the ferroelectric film 17 and heating it to 60 ° C. during manufacture. The Thereby, the non-volatile memory 1 according to the present embodiment can obtain the same effects as the non-volatile memory 1 according to the embodiment 2-1.

次に、本実施例による不揮発性メモリ1の製造方法について簡単に説明する。本実施例の製造方法は、第1の実施の形態とほぼ同様であるので差異のある工程についてのみ簡述する。第1の実施の形態と同様の製造方法により半導体基板3上に配線23までを形成する。次に、図9に示すように、必要に応じて半導体基板3の全面に絶縁膜29を形成する。その後、絶縁膜29をCMP法により研磨してその表面を平坦化する。次いで、例えばN極側を絶縁膜29表面に対向させて永久磁石27aを貼付し、S極側を半導体基板3裏面に対向させて永久磁石27bを貼付する。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory 1 according to this embodiment will be briefly described. Since the manufacturing method of this example is almost the same as that of the first embodiment, only the steps having differences will be described briefly. The wirings 23 are formed on the semiconductor substrate 3 by the same manufacturing method as in the first embodiment. Next, as shown in FIG. 9, an insulating film 29 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 3 as necessary. Thereafter, the insulating film 29 is polished by CMP to flatten the surface. Next, for example, the permanent magnet 27 a is attached with the N pole side facing the surface of the insulating film 29, and the permanent magnet 27 b is attached with the S pole side facing the back surface of the semiconductor substrate 3.

次に、実施例2−1と同様の温度プロファイルで半導体基板3を加熱及び冷却する。加熱の前後において、強誘電体膜17には、永久磁石27a、27bにより約15kOeの磁場Hが印加されている。こうして、本実施例の不揮発性メモリ1が完成する。   Next, the semiconductor substrate 3 is heated and cooled with the same temperature profile as in Example 2-1. Before and after heating, a magnetic field H of about 15 kOe is applied to the ferroelectric film 17 by the permanent magnets 27a and 27b. Thus, the nonvolatile memory 1 of this embodiment is completed.

以上説明したように、本実施例による不揮発性メモリ1の製造方法は、第1の実施の形態の製造方法に対して永久磁石27a、27bの貼付工程が増えるものの加熱温度を下げることができ、さらに加熱時間の短縮化も図れる。これにより、本実施例による不揮発性メモリ1は、実施例2−1と同様の効果が得られる。   As described above, the manufacturing method of the nonvolatile memory 1 according to the present example can lower the heating temperature although the attaching process of the permanent magnets 27a and 27b is increased compared to the manufacturing method of the first embodiment. In addition, the heating time can be shortened. Thereby, the non-volatile memory 1 according to the present embodiment can obtain the same effects as those of the embodiment 2-1.

(実施例2−3)
本実施の形態の実施例2−3による不揮発性メモリ1について図10を用いて説明する。図10は、本実施例による不揮発性メモリ1のメモリセルアレイの基板面に垂直な断面構造を示している。図10に示すように、本実施例による不揮発性メモリ1は上記実施例2−2と同様に磁場印加部としての一対の永久磁石27a、27bを備えた点に特徴を有している。一対の永久磁石27a、27bは強誘電体膜17の膜面方向に磁場を印加できるようにメモリセルアレイを挟んで対向配置されている。本実施例による不揮発性メモリ1は第1の実施の形態の不揮発性メモリ1と同じメモリセルの構成を有している。
(Example 2-3)
The nonvolatile memory 1 according to Example 2-3 of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of the memory cell array of the nonvolatile memory 1 according to this embodiment. As shown in FIG. 10, the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment is characterized in that it includes a pair of permanent magnets 27a and 27b as a magnetic field application unit, as in the case of the embodiment 2-2. The pair of permanent magnets 27a and 27b are arranged to face each other with the memory cell array interposed therebetween so that a magnetic field can be applied in the film surface direction of the ferroelectric film 17. The nonvolatile memory 1 according to the present example has the same memory cell configuration as the nonvolatile memory 1 of the first embodiment.

一対の永久磁石27a、27bは、例えばメモリセルアレイの外周部にメモリアレイを挟んで対向配置されている。一対の永久磁石27a、27bは強誘電体膜17の膜面にほぼ直交させて配置されている。一対の永久磁石27a、27bは強誘電体膜17の膜面方向に磁場を印加できるように、メモリセルアレイ側の表面が異なる磁極に着磁されている。例えば、永久磁石27a表面はN極に着磁され、永久磁石27b表面はS極に着磁されている。これにより、メモリセルにそれぞれ備えられた強誘電体膜17には、永久磁石27aから永久磁石27bに向かう磁場が印加される。磁場印加部としての永久磁石は必ずしも一対である必要はなく、強誘電体膜17に所定の強さの磁場が印加できれば、不揮発性メモリ1は永久磁石27a、27bのいずれか一方のみを有していればよい。   For example, the pair of permanent magnets 27a and 27b are disposed opposite to each other on the outer periphery of the memory cell array with the memory array interposed therebetween. The pair of permanent magnets 27 a and 27 b are disposed so as to be substantially orthogonal to the film surface of the ferroelectric film 17. The pair of permanent magnets 27a and 27b are magnetized with different magnetic poles on the surface on the memory cell array side so that a magnetic field can be applied in the film surface direction of the ferroelectric film 17. For example, the surface of the permanent magnet 27a is magnetized to the N pole, and the surface of the permanent magnet 27b is magnetized to the S pole. Thereby, a magnetic field directed from the permanent magnet 27a to the permanent magnet 27b is applied to the ferroelectric film 17 provided in each memory cell. The pair of permanent magnets as the magnetic field applying unit is not necessarily a pair, and the nonvolatile memory 1 has only one of the permanent magnets 27a and 27b as long as a magnetic field having a predetermined strength can be applied to the ferroelectric film 17. It only has to be.

本実施例による不揮発性メモリ1は、製造時に永久磁石27a、27bによる15kOeの磁場が強誘電体膜17の膜面方向に印加されると共に60℃に加熱して形成される。これにより、本実施例による不揮発性メモリ1は実施例2−2による不揮発性メモリ1と同様の効果が得られる。   The nonvolatile memory 1 according to the present embodiment is formed by applying a 15 kOe magnetic field by the permanent magnets 27a and 27b in the direction of the film surface of the ferroelectric film 17 and heating to 60 ° C. at the time of manufacture. Thereby, the non-volatile memory 1 according to the present embodiment can obtain the same effects as the non-volatile memory 1 according to the embodiment 2-2.

ところで、BiFeOのバルクは周期が約60nmのスパイラルスピン構造を有していることがI.Sosnowskaらにより報告されている(I.Sosnowska,et.al.Solid State Phys(1982))。このため、BiFeO材料を(100)のエピタキシャル膜に形成すると、面内で磁化がばらついていることになる。一方、BiFeO材料の電気磁気効果の存在がKadomtsevaらにより報告されている(A.M. Kadomtseva,et.al.,Physica B(1995))。この結果から磁化及び分極が相互作用していることがわかる。薄膜の場合、面垂直方向に電圧を印加して使用するため、面内で磁化がばらつく働きはリーク電流に繋がると考えられる。従って、面内の磁化のばらつきを抑える必要がある。以上のことからBiFeO膜の場合には、薄膜の面垂直方向に印加した磁場により、BiFeO膜のリーク電流が低下したと考えられる。 By the way, the bulk of BiFeO 3 has a spiral spin structure with a period of about 60 nm. Reported by Sosnowska et al. (I. Sosnowska, et.al. Solid State Phys (1982)). For this reason, when the BiFeO 3 material is formed on the (100) epitaxial film, the magnetization varies in the plane. On the other hand, the existence of the electromagnetic effect of BiFeO 3 material has been reported by Kadomtseva et al. (AM Kadomtseva, et.al., Physica B (1995)). From this result, it can be seen that magnetization and polarization interact. In the case of a thin film, since a voltage is applied in the direction perpendicular to the plane, it is considered that the function of magnetization variation in the plane leads to leakage current. Therefore, it is necessary to suppress variations in in-plane magnetization. In the case of BiFeO 3 film from the above, the magnetic field was applied perpendicular to the plane of the film, believed to leakage current of the BiFeO 3 film is lowered.

本実施例及び実施例2−2のいずれも強誘電体膜17のリーク電流の抑制効果が得られる。しかし、上記の理由により実施例2−2のように永久磁石27a、27bを配置した方が強誘電体膜17のリーク電流を効果的に抑制できる。   In both the present embodiment and the embodiment 2-2, the effect of suppressing the leakage current of the ferroelectric film 17 can be obtained. However, for the above reason, the leakage current of the ferroelectric film 17 can be effectively suppressed when the permanent magnets 27a and 27b are arranged as in the embodiment 2-2.

本実施例による不揮発性メモリ1の製造方法は、永久磁石27a、27bの貼付位置が異なる点を除いて、実施例2−2による不揮発性メモリ1の製造方法と同様であるため説明は省略する。   Since the manufacturing method of the non-volatile memory 1 according to the present embodiment is the same as the manufacturing method of the non-volatile memory 1 according to the embodiment 2-2 except that the attaching positions of the permanent magnets 27a and 27b are different, the description thereof is omitted. .

〔第3の実施の形態〕
本発明の第3の実施の形態による不揮発性メモリ及びその製造方法について図11乃至図13を用いて説明する。まず、本実施の形態による不揮発性メモリ10の概略の構成について図11を用いて説明する。図11は、本実施の形態の不揮発性メモリ10のアレイ状に形成されたメモリセルアレイのうちの1個のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を模式的に示している。図11に示すように、不揮発性メモリ10のメモリセルは、例えばn型シリコン半導体基板3に形成された素子分離絶縁膜(不図示)で画定された素子領域内に形成されている。不揮発性メモリ10のゲート部39は、半導体基板3上に形成された例えば膜厚5nmのYSZ(Yttrium Stabilzed Zirconia)膜31及び膜厚10nmのチタン酸ストロンチウム膜(STO膜)33で構成されるゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30上に形成されて例えば膜厚200nmのBiFeOの強誘電体膜35と、強誘電体膜35上に形成された例えば膜厚200nmのPtのゲート電極Gとを有している。
[Third Embodiment]
A nonvolatile memory and a method for manufacturing the same according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, a schematic configuration of the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 schematically shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of one memory cell in the memory cell array formed in the array shape of the nonvolatile memory 10 of the present embodiment. As shown in FIG. 11, the memory cell of the nonvolatile memory 10 is formed in an element region defined by an element isolation insulating film (not shown) formed on the n-type silicon semiconductor substrate 3, for example. The gate portion 39 of the nonvolatile memory 10 is a gate formed of, for example, a 5 nm thick YSZ (Yttrium Stabilized Zirconia) film 31 and a 10 nm thick strontium titanate film (STO film) 33 formed on the semiconductor substrate 3. An insulating film 30; a BiFeO 3 ferroelectric film 35 of, eg, a 200 nm-thickness formed on the gate insulating film 30; and a Pt gate electrode G, eg, of 200 nm-thickness, formed on the ferroelectric film 35; have.

強誘電体膜35の形成材料はBiFeOに限られず、第1の実施の形態における強誘電体膜17と同様の形成材料を用いることができる。また、ゲート絶縁膜30は、YSZ膜31及びSTO膜33に代わる他の絶縁性材料を用いて形成されてもよい。なお、キャリアトラップ準位等の少ない良好な界面が得られる場合には、ゲート絶縁膜30を形成せずに、半導体基板3上に強誘電体膜35を直接形成してもよい。 The material for forming the ferroelectric film 35 is not limited to BiFeO 3 , and the same material as that for the ferroelectric film 17 in the first embodiment can be used. Further, the gate insulating film 30 may be formed using another insulating material instead of the YSZ film 31 and the STO film 33. If a good interface with few carrier trap levels is obtained, the ferroelectric film 35 may be formed directly on the semiconductor substrate 3 without forming the gate insulating film 30.

ゲート絶縁膜30下方の半導体基板3の表層部はチャネル領域37となっている。チャネル領域37を挟んだ両側には、p型不純物活性化領域であるソース領域Sとドレイン領域Dとが形成されている。ソース領域S及びドレイン領域Dの端部はゲート絶縁膜30の下方にまで延びて形成されている。   A surface layer portion of the semiconductor substrate 3 below the gate insulating film 30 is a channel region 37. On both sides of the channel region 37, a source region S and a drain region D which are p-type impurity activation regions are formed. End portions of the source region S and the drain region D are formed so as to extend below the gate insulating film 30.

このように、不揮発性メモリ10は、ゲート絶縁膜30と、強誘電体膜35と、ゲート電極Gとがこの順に積層されたゲート部39と、ゲート部39下層のチャネル領域37と、チャネル領域37の両側に形成されたソース/ドレイン領域S、Dとを備えたpチャネルMFIS(金属(METAL)−強誘電体(FERROMAGNETIC)−絶縁層(INSULATOR)−半導体(SEMICONDUCTOR))型FETの構造を有している。本実施の形態では、ゲート電極Gの形成材料Ptが「M」であり、強誘電体膜35の形成材料であるBiFeOが「F」であり、ゲート絶縁膜30を構成するSTO膜33/YSZ膜31が「I」である。 As described above, the nonvolatile memory 10 includes the gate portion 39 in which the gate insulating film 30, the ferroelectric film 35, and the gate electrode G are stacked in this order, the channel region 37 under the gate portion 39, and the channel region. The structure of a p-channel MFIS (metal (METAL) -ferroelectric (FERROMAGNETIC) -insulating layer (INSULATOR) -semiconductor (SEMICONDUCTOR)) type FET having source / drain regions S and D formed on both sides of 37 is shown. Have. In the present embodiment, the formation material Pt of the gate electrode G is “M”, BiFeO 3 as the formation material of the ferroelectric film 35 is “F”, and the STO film 33 / The YSZ film 31 is “I”.

半導体基板3全面には酸窒化シリコン(SiON)のカバー膜及びその上に二酸化シリコン(SiO)の層間絶縁膜(共に不図示)が形成されて、ゲート部39を覆っている。ソース/ドレイン領域S、D及びゲート電極G上には、層間絶縁膜を開口したコンタクトホールにタングステン(W)を埋め込んだタングステン・プラグ41、43、45がそれぞれ形成されている。ソース領域Sはタングステン・プラグ41を介してプレート線PLに接続され、ドレイン領域Dはタングステン・プラグ43を介してビット線BLに接続され、ゲート電極Gはタングステン・プラグ45を介してワード線WLに接続されている。 A silicon oxynitride (SiON) cover film and a silicon dioxide (SiO 2 ) interlayer insulating film (both not shown) are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 3 to cover the gate portion 39. On the source / drain regions S and D and the gate electrode G, tungsten plugs 41, 43 and 45 are formed by burying tungsten (W) in contact holes having an interlayer insulating film opened. The source region S is connected to the plate line PL via the tungsten plug 41, the drain region D is connected to the bit line BL via the tungsten plug 43, and the gate electrode G is connected to the word line WL via the tungsten plug 45. It is connected to the.

本実施の形態の不揮発性メモリ10は強誘電体膜35の自発分極の向きによりデータを記憶する。後程説明するように、不揮発性メモリ10は、強誘電体膜35の面垂直方向(膜厚方向)に10kOeの磁場を印加すると共に400℃に加熱して形成されている。これにより、不揮発性メモリ10は強誘電体膜35のリーク電流が抑制されるので、時間経過と共に自発分極が失われ難い。従って、不揮発性メモリ10はリテンション特性及びインプリント特性等の記憶保持特性が向上し、安定して使用することが可能になる。   The nonvolatile memory 10 of the present embodiment stores data according to the direction of spontaneous polarization of the ferroelectric film 35. As will be described later, the nonvolatile memory 10 is formed by applying a magnetic field of 10 kOe in the surface vertical direction (film thickness direction) of the ferroelectric film 35 and heating to 400 ° C. Thereby, since the leakage current of the ferroelectric film 35 is suppressed in the nonvolatile memory 10, the spontaneous polarization is not easily lost over time. Therefore, the nonvolatile memory 10 has improved retention characteristics such as retention characteristics and imprint characteristics, and can be used stably.

次に、本実施の形態による不揮発性メモリ10のデータの書込み/読出し動作について図11を用いて簡単に説明する。まず、本実施の形態による不揮発性メモリ10のデータ書込み動作について説明する。ワード線WLを介してゲート電極Gに例えば−Vg(V)の電圧を印加してデータを書込むメモリセルを選択する。次いで、「1」のデータ書込み時には、例えばビット線BLに0(V)の電圧を印加する。これにより、強誘電体膜35には、ゲート電極G側が半導体基板3側より低電位の電圧が印加される。従って、強誘電体膜35は半導体基板3からゲート電極Gに向かう方向に分極が生じる。この分極の向きを「1」のデータに対応付ける。   Next, the data write / read operation of the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment will be briefly described with reference to FIG. First, the data write operation of the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment will be described. For example, a voltage of −Vg (V) is applied to the gate electrode G through the word line WL to select a memory cell in which data is written. Next, when data “1” is written, for example, a voltage of 0 (V) is applied to the bit line BL. As a result, a voltage having a lower potential on the gate electrode G side than on the semiconductor substrate 3 side is applied to the ferroelectric film 35. Therefore, the ferroelectric film 35 is polarized in the direction from the semiconductor substrate 3 toward the gate electrode G. The direction of this polarization is associated with the data “1”.

一方、「0」のデータ書込み時には、例えばビット線BLに−2Vg(V)の電圧を印加する。これにより、強誘電体膜35には、ゲート電極G側が半導体基板3側より高電位の電圧が印加される。従って、強誘電体膜35にはゲート電極Gから半導体基板3に向かう方向に分極が生じる。この分極の向きを「0」のデータに対応付ける。   On the other hand, when writing “0” data, for example, a voltage of −2 Vg (V) is applied to the bit line BL. As a result, a voltage having a higher potential is applied to the ferroelectric film 35 on the gate electrode G side than on the semiconductor substrate 3 side. Accordingly, the ferroelectric film 35 is polarized in the direction from the gate electrode G to the semiconductor substrate 3. This polarization direction is associated with data “0”.

次に、本実施の形態による不揮発性メモリ10のデータ読出し動作について説明する。「1」及び「0」のデータ読出しのいずれの場合にも、データ読出し対象のメモリセルのゲート電極Gにワード線WLを介して例えば0(V)の電圧を印加し、ビット線BLに例えば読出し電圧+Vr(V)を印加し、プレート線PLを例えばGNDに接続する。メモリセルに「1」のデータが記憶されている場合には、強誘電体膜35に生じている半導体基板3からゲート電極Gに向かう方向の分極により、チャネル領域37には正孔が集まる。これにより、チャネル領域37に反転層が形成されるので、例えばビット線BLに電流が流れる。これに対し、「0」のデータが記憶されている場合には、強誘電体膜35に生じているゲート電極Gから半導体基板3に向かう方向の分極により、チャネル領域37には電子が集まる。これにより、チャネル領域37に反転層が形成されないので、例えばビット線BLには0と看做せる極めて小さな電流しか流れない。このように、不揮発性メモリ10はメモリセルに記憶されたデータによってビット線BLを流れる電流の大きさが異なるので、この電流値の大小によって読出されたデータの値を判別することができる。   Next, the data read operation of the nonvolatile memory 10 according to this embodiment will be described. In both cases of data reading of “1” and “0”, for example, a voltage of 0 (V) is applied to the gate electrode G of the memory cell to be read through the word line WL, and the bit line BL is applied, for example. A read voltage + Vr (V) is applied, and the plate line PL is connected to GND, for example. When data “1” is stored in the memory cell, holes are collected in the channel region 37 due to polarization in the direction from the semiconductor substrate 3 to the gate electrode G generated in the ferroelectric film 35. As a result, an inversion layer is formed in the channel region 37, so that a current flows through the bit line BL, for example. On the other hand, when “0” data is stored, electrons are collected in the channel region 37 due to polarization in the direction from the gate electrode G generated in the ferroelectric film 35 toward the semiconductor substrate 3. Thereby, since the inversion layer is not formed in the channel region 37, only a very small current that can be regarded as 0 flows through the bit line BL, for example. Thus, since the magnitude of the current flowing through the bit line BL differs depending on the data stored in the memory cell, the nonvolatile memory 10 can determine the value of the read data based on the magnitude of the current value.

本実施の形態の不揮発性メモリ10は、上記第1の実施の形態の不揮発性メモリ1と同様に、強誘電体膜35の膜厚方向に10kOeの磁場を印加すると共に400℃に加熱して形成されているので、強誘電体膜35のリーク電流が抑制されている。これにより、不揮発性メモリ10は、時間の経過と共に自発分極が失われ難く記憶データが消滅してしまうことがほとんどないので、安定して使用することが可能になる。   The nonvolatile memory 10 according to the present embodiment applies a magnetic field of 10 kOe in the film thickness direction of the ferroelectric film 35 and is heated to 400 ° C. as in the nonvolatile memory 1 according to the first embodiment. As a result, the leakage current of the ferroelectric film 35 is suppressed. Thereby, since the non-volatile memory 10 is less likely to lose its spontaneous polarization with the passage of time and the stored data is hardly lost, the nonvolatile memory 10 can be used stably.

次に、本実施の形態による不揮発性メモリ10の製造方法について図11乃至図13を用いて説明する。図12及び図13は、本実施の形態による不揮発性メモリ10の製造方法を示す工程断面図である。まず、(001)方位を持つ2インチのn型シリコン単結晶の半導体基板3を洗浄後、9重量%の希ふっ酸に浸して基板表面のSiOx層を除去する。次に、図12(a)に示すように、半導体基板3を成膜チャンバ内にセットして実基板温度550℃に保持し、成膜チャンバ内の圧力を7×10−2(Pa)にする。その後、成膜チャンバ内に12sccm(20℃、1気圧における1分間あたりの気体の流量(mL/分))の酸素を流しながら、YSZターゲットにKrFエキシマレーザを照射して、パルスレーザ蒸着法により半導体基板3の全面に膜厚5nmのYSZ層81をエピタキシャル成長する。 Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 12 and 13 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment. First, a 2-inch n-type silicon single crystal semiconductor substrate 3 having a (001) orientation is washed and then immersed in 9 wt% dilute hydrofluoric acid to remove the SiOx layer on the substrate surface. Next, as shown in FIG. 12A, the semiconductor substrate 3 is set in the film forming chamber and held at an actual substrate temperature of 550 ° C., and the pressure in the film forming chamber is set to 7 × 10 −2 (Pa). To do. Then, while flowing 12 sccm (gas flow rate per minute at 20 ° C. and 1 atm (mL / min)) into the film forming chamber, the YSZ target was irradiated with a KrF excimer laser, and pulsed laser deposition was used. A YSZ layer 81 having a thickness of 5 nm is epitaxially grown on the entire surface of the semiconductor substrate 3.

YSZ層81上に強誘電体層の結晶構造を直接形成することもできるが、配向が(101)になり分極量が低下するので他の配向を用いるのが好ましい。そこで、成膜チャンバ内のYSZターゲットを炭酸ストロンチウムターゲットに変更する。その後、成膜チャンバ内の圧力を1.3Paとして、成膜チャンバ内に6sccmの流量で酸素を流しながら、実基板温度650℃に保持し、KrFエキシマレーザを炭酸ストロンチウムターゲットに照射して、YSZ層81の全面に膜厚2nmのSrO層(不図示)をエピタキシャル成長する。   Although the crystal structure of the ferroelectric layer can be directly formed on the YSZ layer 81, it is preferable to use another orientation because the orientation becomes (101) and the amount of polarization decreases. Therefore, the YSZ target in the film forming chamber is changed to a strontium carbonate target. Thereafter, the pressure in the deposition chamber is set to 1.3 Pa, the oxygen is supplied into the deposition chamber at a flow rate of 6 sccm, the actual substrate temperature is maintained at 650 ° C., a KrF excimer laser is irradiated to the strontium carbonate target, and YSZ An SrO layer (not shown) having a thickness of 2 nm is epitaxially grown on the entire surface of the layer 81.

次に、成膜チャンバ内の炭酸ストロンチウムターゲットをチタン酸ストロンチウムターゲットに変更する。次いで、成膜チャンバ内の圧力を27Paとし、成膜チャンバ内に6sccmの流量で酸素を流しながら、KrFエキシマレーザを照射してSTO層83をSrO/YSZ層81の全面に10nmの厚さで(001)方向にエピタキシャル成長する。SrO層は薄いので、チタン酸ストロンチウム膜の成膜中に、STO層83内に取り込まれる。こうして、半導体基板3上にYSZ層81とSTO層83とが積層される。これらの膜は、絶縁層としての役割と、この後成膜される強誘電体層の結晶エピタキシャル成長を可能とする役割と、半導体基板3と強誘電体層との間を遮断して、強誘電体層とSiとの化学反応を防止する役割とを有する。   Next, the strontium carbonate target in the deposition chamber is changed to a strontium titanate target. Next, the pressure in the film forming chamber is set to 27 Pa, and oxygen is supplied into the film forming chamber at a flow rate of 6 sccm while irradiating a KrF excimer laser to form the STO layer 83 on the entire surface of the SrO / YSZ layer 81 with a thickness of 10 nm. Epitaxial growth in the (001) direction. Since the SrO layer is thin, it is taken into the STO layer 83 during the formation of the strontium titanate film. Thus, the YSZ layer 81 and the STO layer 83 are stacked on the semiconductor substrate 3. These films serve as an insulating layer, a role that enables crystal epitaxial growth of a ferroelectric layer to be formed later, and a barrier between the semiconductor substrate 3 and the ferroelectric layer, thereby forming a ferroelectric layer. It has a role of preventing a chemical reaction between the body layer and Si.

次に、成膜チャンバ内のチタン酸ストロンチウムターゲットを、BiFeOターゲットに変更する。次いで、図12(b)に示すように、成膜チャンバ内の圧力を0.1Paとし、成膜チャンバ内に1sccmの流量で酸素を流しながら、KrFエキシマレーザをBiFeOターゲットに照射してSTO層83/YSZ層81の全面にBiFeOからなる強誘電体層85を200nmの厚さで(001)方向にエピタキシャル成長する。次に、電子線蒸着法を用いて強誘電体層85の全面にPt層87を形成する。 Next, the strontium titanate target in the film forming chamber is changed to a BiFeO 3 target. Next, as shown in FIG. 12B, the pressure in the film formation chamber is set to 0.1 Pa, and a BiFeO 3 target is irradiated with a KrF excimer laser while oxygen is supplied into the film formation chamber at a flow rate of 1 sccm. A ferroelectric layer 85 made of BiFeO 3 is epitaxially grown in the (001) direction with a thickness of 200 nm on the entire surface of the layer 83 / YSZ layer 81. Next, a Pt layer 87 is formed on the entire surface of the ferroelectric layer 85 by using an electron beam evaporation method.

次に、図12(b)に示すように、10kOeの磁場Hを強誘電体層85の面垂直方向に印加すると共に半導体基板3を400℃まで1℃/秒で加熱する。半導体基板3を400℃で30分間保持した後、1℃/秒で冷却する。その後、磁場Hの印加を終了する。   Next, as shown in FIG. 12B, a magnetic field H of 10 kOe is applied in the direction perpendicular to the surface of the ferroelectric layer 85 and the semiconductor substrate 3 is heated to 400 ° C. at 1 ° C./second. The semiconductor substrate 3 is held at 400 ° C. for 30 minutes and then cooled at 1 ° C./second. Thereafter, the application of the magnetic field H is terminated.

次に、図13(a)に示すように、レジストを塗布してパターニングし、将来的にゲート部39が形成される領域上にレジスト層80を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術を用いてPt層87からYSZ層81までの4層を所定形状にパターニングする。エッチングガスとしてアルゴンと塩素との混合ガスを用いてレジスト層80をエッチングマスクとして半導体基板3上をエッチングし、露出部のPt層87、強誘電体層85、STO層83及びYSZ層81を順次除去して、半導体基板3が露出するまでエッチング処理を行う。その後、レジスト層80を除去する。このように、Pt層87からYSZ層81までの4層を一括してエッチングすることができる。こうして、図13(b)に示すゲート部39が完成する。   Next, as shown in FIG. 13A, a resist is applied and patterned to form a resist layer 80 on a region where a gate portion 39 will be formed in the future. Next, the four layers from the Pt layer 87 to the YSZ layer 81 are patterned into a predetermined shape using a photolithography technique. Etching is performed on the semiconductor substrate 3 using a mixed gas of argon and chlorine as an etching gas using the resist layer 80 as an etching mask, and an exposed Pt layer 87, a ferroelectric layer 85, an STO layer 83, and a YSZ layer 81 are sequentially formed. Etching is performed until the semiconductor substrate 3 is removed. Thereafter, the resist layer 80 is removed. Thus, the four layers from the Pt layer 87 to the YSZ layer 81 can be etched at once. Thus, the gate part 39 shown in FIG. 13B is completed.

次に、図13(b)に示すように、ゲート電極Gをマスクとして例えばイオン注入法を用いてB(ボロン)等のp型不純物を半導体基板3内の領域に導入して、将来的にソース領域S及びドレイン領域Dが形成される位置にp型不純物領域91、93を形成する。例えばBの注入条件は加速エネルギー20keV〜60keV、ドーズ量2×1015cm−2〜2×1016cm−2であり、好適には加速エネルギー40keV、ドーズ量8×1015cm−2で、イオン注入される。 Next, as shown in FIG. 13B, a p-type impurity such as B (boron) is introduced into a region in the semiconductor substrate 3 by using, for example, an ion implantation method using the gate electrode G as a mask. P-type impurity regions 91 and 93 are formed at positions where the source region S and the drain region D are formed. For example, the implantation conditions of B are acceleration energy of 20 keV to 60 keV and a dose of 2 × 10 15 cm −2 to 2 × 10 16 cm −2 , preferably an acceleration energy of 40 keV and a dose of 8 × 10 15 cm −2 . Ion implanted.

次に、急速ランプ加熱装置等を用いてアニール処理を施し、注入した不純物を活性化する。このアニール処理は、例えば加熱温度(到達温度)700℃以上1000℃以下、加熱時間20s以上120s以下で行われる。これにより、p型不純物領域91、93が活性化されて、図11に示すように、ゲート部39の両側にソース領域S及びドレイン領域Dが形成される。   Next, annealing is performed using a rapid lamp heating device or the like to activate the implanted impurities. This annealing treatment is performed, for example, at a heating temperature (attainment temperature) of 700 ° C. to 1000 ° C. and a heating time of 20 s to 120 s. As a result, the p-type impurity regions 91 and 93 are activated, and a source region S and a drain region D are formed on both sides of the gate portion 39 as shown in FIG.

その後、TEOSガスを用いるプラズマCVD法により、二酸化シリコン(SiO)の層間絶縁膜(不図示)をカバー膜上に約1.0μmの厚さに成長する。続いて、層間絶縁膜をCMP法により研磨してその表面を平坦化する。次に、ソース領域S、ドレイン領域D及びゲート電極Gの表面の一部をそれぞれ露出するコンタクトホールを層間絶縁膜に形成する。次いで、各コンタクトホールを埋め込んでタングステン・プラグ41、43、45をそれぞれ形成する。次いで、タングステン・プラグ41、43、45に電気的にそれぞれ接続された配線(不図示)を形成し、当該配線を埋め込むほどに層間絶縁膜(不図示)を形成する。回路構成に応じてこの配線工程が複数回繰り返される。その後、タングステン・プラグ41、43、45に電気的にそれぞれ接続されたプレート線PL、ビット線BL及びワード線WLを形成する。以上の工程を経て、図11に示すような構造の本実施形態による不揮発性メモリ10が完成する。 Thereafter, an interlayer insulating film (not shown) of silicon dioxide (SiO 2 ) is grown on the cover film to a thickness of about 1.0 μm by plasma CVD using TEOS gas. Subsequently, the interlayer insulating film is polished by CMP to planarize the surface. Next, contact holes that expose portions of the surfaces of the source region S, the drain region D, and the gate electrode G are formed in the interlayer insulating film. Next, tungsten plugs 41, 43, and 45 are formed by filling each contact hole. Next, wirings (not shown) electrically connected to the tungsten plugs 41, 43, and 45 are formed, and an interlayer insulating film (not shown) is formed so as to embed the wirings. This wiring process is repeated a plurality of times depending on the circuit configuration. Thereafter, plate lines PL, bit lines BL, and word lines WL electrically connected to the tungsten plugs 41, 43, 45 are formed. Through the above steps, the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment having a structure as shown in FIG. 11 is completed.

以上説明したように、本実施の形態による不揮発性メモリの製造方法は、強誘電体膜35への磁場印加工程及び加熱工程を有する点を除いて、従来のMFIS型FET構造の不揮発性メモリと同様の製造方法を用いることができる。本実施の形態による不揮発性メモリの製造方法によれば、強誘電体膜35のリーク電流が抑制されるので、不揮発性メモリ10は、上記第1の実施の形態の不揮発性メモリ1と同様の効果が得られる。   As described above, the manufacturing method of the nonvolatile memory according to the present embodiment includes the conventional MFIS FET structure nonvolatile memory except that it includes a magnetic field application step and a heating step to the ferroelectric film 35. Similar manufacturing methods can be used. According to the method for manufacturing the nonvolatile memory according to the present embodiment, since the leakage current of the ferroelectric film 35 is suppressed, the nonvolatile memory 10 is the same as the nonvolatile memory 1 of the first embodiment. An effect is obtained.

〔第4の実施の形態〕
本発明の第4の実施の形態による不揮発性メモリ及びその製造方法について図14乃至図16を用いて説明する。本実施の形態の不揮発性メモリはMFIS型FET構造のメモリセルを有し、上記第2の実施の形態と同様の原理に基づいて強誘電体膜のリーク電流を抑制する点に特徴を有している。以下、本実施の形態による不揮発性メモリ及びその製造方法を実施例を用いてより具体的に説明する。本実施の形態の不揮発性メモリ10の構成要素のうち第3の実施の形態の不揮発性メモリ10と同様の機能/作用を有する構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。また、以下の実施例による不揮発性メモリ10のデータ書込み/読出し方法は、第3の実施の形態の不揮発性メモリ10と同様であるため、説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
A nonvolatile memory and a method for manufacturing the same according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The nonvolatile memory according to the present embodiment has a memory cell having an MFIS type FET structure, and is characterized in that the leakage current of the ferroelectric film is suppressed based on the same principle as in the second embodiment. ing. Hereinafter, the nonvolatile memory and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described more specifically with reference to examples. Of the components of the nonvolatile memory 10 of the present embodiment, components having the same functions / actions as those of the nonvolatile memory 10 of the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Further, the data writing / reading method of the nonvolatile memory 10 according to the following example is the same as that of the nonvolatile memory 10 of the third embodiment, and thus the description thereof is omitted.

(実施例4−1)
本実施の形態の実施例4−1による不揮発性メモリ10について図14を用いて説明する。図14は、本実施例による不揮発性メモリ10の1個のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を模式的に示している。図14に示すように、不揮発性メモリ10は、ゲート電極G上に形成された磁場印加部としての強磁性層47を有している。強磁性層47はCoCrPt系合金で形成されている。強磁性層47はCoCrPt系合金に限られず、実施例2−1において示した強磁性層25と同様の形成材料を用いることができる。
(Example 4-1)
The nonvolatile memory 10 according to Example 4-1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 14 schematically shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of one memory cell of the nonvolatile memory 10 according to this embodiment. As shown in FIG. 14, the nonvolatile memory 10 includes a ferromagnetic layer 47 formed on the gate electrode G as a magnetic field application unit. The ferromagnetic layer 47 is made of a CoCrPt alloy. The ferromagnetic layer 47 is not limited to a CoCrPt alloy, and the same material as that of the ferromagnetic layer 25 shown in Example 2-1 can be used.

強磁性層47は強誘電体膜35の膜厚方向に磁場を印加できるようになっている。本実施例では、強磁性層47はゲート電極Gの強誘電体膜35との対向面の裏面側に形成されている。しかし、強磁性層47は強誘電体膜35の膜厚方向に磁場を印加できれば、ゲート電極Gの強誘電体膜35との対向面側(ゲート電極Gの下層)に形成されていてももちろんよい。   The ferromagnetic layer 47 can apply a magnetic field in the film thickness direction of the ferroelectric film 35. In this embodiment, the ferromagnetic layer 47 is formed on the back side of the surface of the gate electrode G facing the ferroelectric film 35. However, the ferromagnetic layer 47 may be formed on the side facing the ferroelectric film 35 of the gate electrode G (under the gate electrode G) as long as a magnetic field can be applied in the film thickness direction of the ferroelectric film 35. Good.

強磁性層47は、ゲート電極Gに電気的に接続されるタングステン・プラグ45を埋め込むためのコンタクトホール(不図示)を有している。これにより、ゲート電極Gはタングステン・プラグ45を介してワード線WLと電気的に接続される。   The ferromagnetic layer 47 has a contact hole (not shown) for embedding a tungsten plug 45 electrically connected to the gate electrode G. As a result, the gate electrode G is electrically connected to the word line WL via the tungsten plug 45.

後程説明するように、本実施例による不揮発性メモリ10は、製造時に強磁性層47による15kOeの磁場が強誘電体膜35の膜厚方向に印加されると共に60℃に加熱して形成される。また、本実施例による不揮発性メモリ10は、記憶装置として実際に使用される際に、強磁性層47による磁場を強誘電体膜35に常時印加することができる。従って、本実施例による不揮発性メモリ10は、実施例2−1による不揮発性メモリ1と同様の効果が得られる。   As will be described later, the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment is formed by applying a 15 kOe magnetic field by the ferromagnetic layer 47 in the film thickness direction of the ferroelectric film 35 and heating it to 60 ° C. during manufacture. . Further, when the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment is actually used as a storage device, a magnetic field generated by the ferromagnetic layer 47 can be constantly applied to the ferroelectric film 35. Therefore, the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment can obtain the same effects as those of the nonvolatile memory 1 according to the embodiment 2-1.

次に、本実施例による不揮発性メモリ10の製造方法について簡単に説明する。本実施例の製造方法は、第3の実施の形態とほぼ同様であるので差異のある工程についてのみ簡述する。図12(b)に示すPt層87の形成後に、スパッタリング法を用いてCoCrPt系合金の磁性層を形成する。その後、半導体基板3を60℃まで加熱し、60℃で約30秒間維持した後、1℃/秒で冷却する。加熱の前後において、強誘電体層85には、強磁性層により約15kOeの磁場が印加される。その後、層間絶縁膜や配線等を形成する配線工程において、強磁性層47にコンタクトホールを形成して当該コンタクトホールにタングステン・プラグ45を埋め込み形成する。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory 10 according to this embodiment will be briefly described. Since the manufacturing method of this example is almost the same as that of the third embodiment, only the steps having differences will be described briefly. After the formation of the Pt layer 87 shown in FIG. 12B, a magnetic layer of CoCrPt alloy is formed by sputtering. Thereafter, the semiconductor substrate 3 is heated to 60 ° C., maintained at 60 ° C. for about 30 seconds, and then cooled at 1 ° C./second. Before and after the heating, a magnetic field of about 15 kOe is applied to the ferroelectric layer 85 by the ferromagnetic layer. Thereafter, in a wiring process for forming an interlayer insulating film, wiring, and the like, a contact hole is formed in the ferromagnetic layer 47, and a tungsten plug 45 is embedded in the contact hole.

以上説明したように、本実施例による不揮発性メモリ10の製造方法は、第3の実施の形態の製造方法に対して強磁性層47の形成工程が増えるものの加熱温度を下げることができ、さらに加熱時間の短縮化を図れる。これにより、本実施例による不揮発性メモリ10は比較的安価な製造装置により製造できるので、製造コストの低コスト化を図ることができる。   As described above, the manufacturing method of the nonvolatile memory 10 according to this example can lower the heating temperature although the number of steps of forming the ferromagnetic layer 47 is increased as compared with the manufacturing method of the third embodiment. The heating time can be shortened. Thereby, since the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment can be manufactured by a relatively inexpensive manufacturing apparatus, the manufacturing cost can be reduced.

(実施例4−2)
本実施の形態の実施例4−2による不揮発性メモリ10について図15を用いて説明する。図15は、本実施例による不揮発性メモリ10の1個のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を模式的に示している。図15に示すように、本実施例による不揮発性メモリ10は上記実施例4−1の強磁性層47に代えて、磁場印加部としての一対の永久磁石49a、49bを備えた点に特徴を有している。一対の永久磁石49a、49bは強誘電体膜35の膜厚方向に磁場を印加できるようにメモリセルを挟んで対向配置されている。本実施例による不揮発性メモリ10は第3の実施の形態の不揮発性メモリ10と同じメモリセルの構成を有している。
(Example 4-2)
The non-volatile memory 10 according to Example 4-2 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 15 schematically shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of one memory cell of the nonvolatile memory 10 according to this embodiment. As shown in FIG. 15, the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment is characterized in that it includes a pair of permanent magnets 49 a and 49 b as magnetic field application units instead of the ferromagnetic layer 47 of the embodiment 4-1. Have. The pair of permanent magnets 49a and 49b are arranged to face each other with the memory cell interposed therebetween so that a magnetic field can be applied in the film thickness direction of the ferroelectric film 35. The nonvolatile memory 10 according to the present example has the same memory cell configuration as the nonvolatile memory 10 of the third embodiment.

永久磁石29aは、ゲート電極Gの強誘電体膜35との対向面の裏面側であって、ゲート部39を覆う絶縁膜51上に形成されている。永久磁石49bは、ゲート電極Gの強誘電体膜35との対向面側であって、半導体基板3の膜形成面の裏面側に形成されている。一対の永久磁石49a、49bは強誘電体膜35の膜厚方向に磁場を印加できるように、強誘電体膜35の膜面側の永久磁石49a、49b表面は異なる磁極にそれぞれ着磁されている。例えば、強誘電体膜35膜面側の永久磁石49a表面はN極に着磁され、強誘電体膜35膜面側の永久磁石49b表面はS極に着磁されている。これにより、強誘電体膜35には、ゲート電極G側から半導体基板3側に向かう磁場が印加される。磁場印加部としての永久磁石は必ずしも一対である必要はなく、強誘電体膜35に所定の強さの磁場を印加できれば、不揮発性メモリ10は永久磁石49a、49bのいずれか一方のみを有していればよい。   The permanent magnet 29 a is formed on the back surface side of the surface of the gate electrode G facing the ferroelectric film 35 and on the insulating film 51 covering the gate portion 39. The permanent magnet 49 b is formed on the side facing the ferroelectric film 35 of the gate electrode G and on the back side of the film forming surface of the semiconductor substrate 3. The surfaces of the permanent magnets 49a and 49b on the film surface side of the ferroelectric film 35 are magnetized by different magnetic poles so that the pair of permanent magnets 49a and 49b can apply a magnetic field in the film thickness direction of the ferroelectric film 35. Yes. For example, the surface of the permanent magnet 49a on the side of the ferroelectric film 35 is magnetized to the N pole, and the surface of the permanent magnet 49b on the side of the ferroelectric film 35 is magnetized to the S pole. Thereby, a magnetic field directed from the gate electrode G side to the semiconductor substrate 3 side is applied to the ferroelectric film 35. The pair of permanent magnets as the magnetic field applying unit is not necessarily a pair, and the nonvolatile memory 10 has only one of the permanent magnets 49a and 49b as long as a magnetic field having a predetermined strength can be applied to the ferroelectric film 35. It only has to be.

後程説明するように、本実施例による不揮発性メモリ10は、製造時に永久磁石49a、49bによる15kOeの磁場が強誘電体膜35の膜厚方向に印加されると共に60℃に加熱して形成される。これにより、本実施例による不揮発性メモリ10は実施例4−1による不揮発性メモリ10と同様の効果が得られる。   As will be described later, the non-volatile memory 10 according to the present embodiment is formed by applying a magnetic field of 15 kOe by the permanent magnets 49a and 49b in the film thickness direction of the ferroelectric film 35 and heating to 60 ° C. during manufacture. The Thereby, the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment can obtain the same effects as the nonvolatile memory 10 according to the embodiment 4-1.

次に、本実施例による不揮発性メモリ10の製造方法について簡単に説明する。本実施例の製造方法は、第3の実施の形態とほぼ同様であるので差異のある工程についてのみ簡述する。第3の実施の形態と同様の製造方法により半導体基板3上にワード線WL、ビット線BL及びプレート線PL並びに絶縁膜51まで形成する。その後、絶縁膜51をCMP法により研磨してその表面を平坦化する。次いで、例えばN極側を絶縁膜51表面に対向させて永久磁石49aを貼付し、S極側を半導体基板3裏面に対向させて永久磁石49bを貼付する。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory 10 according to this embodiment will be briefly described. Since the manufacturing method of this example is almost the same as that of the third embodiment, only the steps having differences will be described briefly. The word line WL, the bit line BL, the plate line PL, and the insulating film 51 are formed on the semiconductor substrate 3 by the same manufacturing method as in the third embodiment. Thereafter, the insulating film 51 is polished by a CMP method to flatten the surface. Next, for example, the permanent magnet 49a is pasted with the N pole side facing the surface of the insulating film 51, and the permanent magnet 49b is stuck with the S pole side facing the back surface of the semiconductor substrate 3.

次に、実施例4−1と同様の温度プロファイルで半導体基板3を加熱及び冷却する。加熱の前後において、強誘電体膜35には、永久磁石49a、49bにより約15kOeの磁場が印加されている。こうして、本実施例の不揮発性メモリ10が完成する。   Next, the semiconductor substrate 3 is heated and cooled with the same temperature profile as in Example 4-1. Before and after heating, a magnetic field of about 15 kOe is applied to the ferroelectric film 35 by the permanent magnets 49a and 49b. Thus, the nonvolatile memory 10 of this embodiment is completed.

以上説明したように、本実施例による不揮発性メモリ10の製造方法は、第3の実施の形態の製造方法に対して永久磁石49a、49bの貼付工程が増えるものの加熱温度を下げることができ、さらに加熱時間の短縮化を図れる。これにより、本実施例による不揮発性メモリ10は、実施例4−1と同様の効果が得られる。   As described above, the manufacturing method of the nonvolatile memory 10 according to the present example can lower the heating temperature although the attaching process of the permanent magnets 49a and 49b is increased compared to the manufacturing method of the third embodiment. Furthermore, the heating time can be shortened. Thereby, the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment can obtain the same effects as those of the embodiment 4-1.

(実施例4−3)
本実施の形態の実施例4−3による不揮発性メモリ10について図16を用いて説明する。図16は、本実施例による不揮発性メモリ10のメモリセルアレイの基板面に垂直な断面構造を模式的に示している。図16に示すように、本実施例による不揮発性メモリ10は上記実施例4−2と同様に磁場印加部としての一対の永久磁石49a、49bを備えた点に特徴を有している。一対の永久磁石49a、49bは強誘電体膜35の膜面方向に磁場を印加できるようにメモリセルアレイを挟んで対向配置されている。本実施例による不揮発性メモリ10は第3の実施の形態の不揮発性メモリ10と同じメモリセルの構成を有している。
(Example 4-3)
The nonvolatile memory 10 according to Example 4-3 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 16 schematically shows a cross-sectional structure perpendicular to the substrate surface of the memory cell array of the nonvolatile memory 10 according to this embodiment. As shown in FIG. 16, the non-volatile memory 10 according to the present embodiment is characterized in that it includes a pair of permanent magnets 49a and 49b as magnetic field application units, as in the case of the embodiment 4-2. The pair of permanent magnets 49a and 49b are arranged opposite to each other with the memory cell array interposed therebetween so that a magnetic field can be applied in the film surface direction of the ferroelectric film 35. The nonvolatile memory 10 according to the present example has the same memory cell configuration as the nonvolatile memory 10 of the third embodiment.

一対の永久磁石49a、49bは、例えばメモリセルアレイの外周部にメモリアレイを挟んで対向配置されている。一対の永久磁石49a、49bは強誘電体膜35の膜面にほぼ直交させて配置されている。一対の永久磁石49a、49bは強誘電体膜35の膜面方向に磁場を印加できるように、メモリセルアレイ側の表面が異なる磁極に着磁されている。例えば、永久磁石49a表面はN極に着磁され、永久磁石49b表面はS極に着磁されている。これにより、メモリセルにそれぞれ備えられた強誘電体膜35には、永久磁石49aから永久磁石49bに向かう磁場が印加される。磁場印加部としての永久磁石は必ずしも一対である必要はなく、強誘電体膜35に所定の強さの磁場が印加できれば、不揮発性メモリ10は永久磁石49a、49bのいずれか一方のみを有していればよい。   The pair of permanent magnets 49a and 49b are disposed to face each other, for example, on the outer periphery of the memory cell array with the memory array interposed therebetween. The pair of permanent magnets 49a and 49b is disposed substantially orthogonal to the film surface of the ferroelectric film 35. The pair of permanent magnets 49a and 49b are magnetized with different magnetic poles on the memory cell array side so that a magnetic field can be applied in the direction of the film surface of the ferroelectric film 35. For example, the surface of the permanent magnet 49a is magnetized to the N pole, and the surface of the permanent magnet 49b is magnetized to the S pole. As a result, a magnetic field directed from the permanent magnet 49a to the permanent magnet 49b is applied to the ferroelectric film 35 provided in each memory cell. The pair of permanent magnets as the magnetic field application unit is not necessarily a pair, and the nonvolatile memory 10 has only one of the permanent magnets 49a and 49b as long as a magnetic field having a predetermined strength can be applied to the ferroelectric film 35. It only has to be.

本実施例による不揮発性メモリ1は、製造時に永久磁石49a、49bによる15kOeの磁場が強誘電体膜35の膜面方向に印加されると共に60℃に加熱して形成される。これにより、本実施例による不揮発性メモリ10は実施例4−2による不揮発性メモリ10と同様の効果が得られる。   The nonvolatile memory 1 according to the present embodiment is formed by applying a 15 kOe magnetic field by the permanent magnets 49a and 49b in the direction of the film surface of the ferroelectric film 35 and heating to 60 ° C. during manufacture. Thereby, the nonvolatile memory 10 according to the present embodiment can obtain the same effects as the nonvolatile memory 10 according to the embodiment 4-2.

本実施の形態における強誘電体膜35のリーク電流をより効果的に抑制するためには、第2の実施の形態と同様の理由により、永久磁石49a、49bは実施例4−2のように配置することが望ましい。   In order to more effectively suppress the leakage current of the ferroelectric film 35 in the present embodiment, the permanent magnets 49a and 49b are configured as in Example 4-2 for the same reason as in the second embodiment. It is desirable to arrange.

本実施例による不揮発性メモリ10の製造方法は、永久磁石49a、49bの貼付位置が異なる点を除いて、実施例4−2による不揮発性メモリ10の製造方法と同様であるため説明は省略する。   Since the manufacturing method of the non-volatile memory 10 according to the present embodiment is the same as the manufacturing method of the non-volatile memory 10 according to the embodiment 4-2 except that the attaching positions of the permanent magnets 49a and 49b are different, the description thereof is omitted. .

本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
上記第1乃至第4の実施の形態では、製造工程において強誘電体膜17、35には磁場のみが印加されているが、本発明はこれに限られない。例えば、強誘電体膜17、35に磁場及び電場を印加すると共に所定の温度に加熱しても、上記実施の形態と同様の効果が得られる。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
In the first to fourth embodiments, only the magnetic field is applied to the ferroelectric films 17 and 35 in the manufacturing process, but the present invention is not limited to this. For example, even when a magnetic field and an electric field are applied to the ferroelectric films 17 and 35 and heated to a predetermined temperature, the same effect as in the above embodiment can be obtained.

上記第2及び第4の実施の形態では、不揮発性メモリ1、10は、磁場印加部として強磁性層25、47及び永久磁石27a、27b、49a、49bのいずれか一方のみを有しているが、本発明はこれに限られない。例えば、不揮発性メモリ1、10は、磁場印加部として強磁性層及び永久磁石の双方を有していても、上記第2及び第4の実施の形態と同様の効果が得られる。   In the second and fourth embodiments, the nonvolatile memories 1 and 10 have only one of the ferromagnetic layers 25 and 47 and the permanent magnets 27a, 27b, 49a, and 49b as a magnetic field application unit. However, the present invention is not limited to this. For example, even if the nonvolatile memories 1 and 10 have both a ferromagnetic layer and a permanent magnet as the magnetic field application unit, the same effects as those of the second and fourth embodiments can be obtained.

上記第2及び第4の実施の形態では、製造工程において強磁性層25、47又は永久磁石27a、27b、49a、49bを用いて強誘電体膜17、35に磁場を印加しているが、本発明はこれに限られない。例えば、強磁性層25、47又は永久磁石27a、27b、49a、49bに加えて製造装置の磁場印加部からも強誘電体膜17、35に磁場を印加しても、上記第2及び第4の実施の形態と同様の効果が得られる。   In the second and fourth embodiments, a magnetic field is applied to the ferroelectric films 17 and 35 using the ferromagnetic layers 25 and 47 or the permanent magnets 27a, 27b, 49a, and 49b in the manufacturing process. The present invention is not limited to this. For example, in addition to the ferromagnetic layers 25 and 47 or the permanent magnets 27a, 27b, 49a, and 49b, even if a magnetic field is applied to the ferroelectric films 17 and 35 from the magnetic field applying unit of the manufacturing apparatus, The same effects as those of the embodiment can be obtained.

以上説明した本実施の形態による不揮発性メモリ及びその製造方法は、以下のようにまとめられる。
(付記1)
半導体基板上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成されて磁性元素を含む強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された第2の電極とを備えた強誘電体キャパシタと、
前記強誘電体膜に磁場を印加する磁場印加部と
を有することを特徴とする不揮発性メモリ。
(付記2)
付記1記載の不揮発性メモリにおいて、
前記磁場印加部は、前記第1の電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側及び前記第2の電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側の少なくとも一方に形成された強磁性層であること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記3)
付記1記載の不揮発性メモリにおいて、
前記磁場印加部は、前記第1の電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側及び前記第2の電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側の少なくとも一方に配置された永久磁石であること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記4)
付記1記載の不揮発性メモリにおいて、
前記磁場印加部は、前記強誘電体膜の膜面にほぼ直交させて配置された永久磁石であること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記5)
半導体基板上に形成され、磁性元素を含む強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成されたゲート電極と、
前記強誘電体膜下方の前記半導体基板界面のチャネル領域を挟んだ両側に形成されたソース/ドレイン領域と、
前記強誘電体膜に磁場を印加する磁場印加部と
を有することを特徴とする不揮発性メモリ。
(付記6)
付記5記載の不揮発性メモリにおいて、
前記チャネル領域と前記強誘電体膜との間にゲート絶縁膜が形成されていること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記7)
付記5又は6に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記磁場印加部は、前記ゲート電極の前記強誘電体膜との対向面側及び前記ゲート電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側の少なくとも一方に形成された強磁性層であること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記8)
付記5又は6に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記磁場印加部は、前記ゲート電極の前記強誘電体膜との対向面側及び前記ゲート電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側の少なくとも一方に配置された永久磁石であること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記9)
付記5又は6に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記磁場印加部は、前記強誘電体膜の膜面にほぼ直交させて配置された永久磁石であること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記10)
付記1乃至9のいずれか1項に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記磁場印加部は、前記強誘電体膜の膜厚方向又は膜面方向に磁場を印加できるように配置されていること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記11)
付記1乃至10のいずれか1項に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記強誘電体膜は、磁場又は磁場及び電場を印加すると共に加熱して形成されていること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記12)
付記1乃至11のいずれか1項に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記強誘電体材料は、組成式がABOの結晶格子を有するペロブスカイト材料であり、
前記結晶格子のAサイトは、Pbイオン又はBiイオン及び少なくとも1種の希土類陽イオンを含み、前記結晶格子のBサイトは、陽イオンであって磁性イオンを含み、
前記磁性イオンは、Vイオン、Crイオン、Mnイオン、Feイオン、Coイオン、Niイオン又はCuイオンであること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記13)
付記2又は7に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記強磁性層は、Ni系合金、Fe系合金又はCo系合金のいずれか1種類の材料で形成されており、
前記Co系合金は、CoCr系合金、CoPt系合金、CoCrTa系合金又はCoCrPt系合金であること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記14)
付記2又は7に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記強磁性層は、La1−xSrMnO(x=0.0〜1.0)酸化物で形成されていること
を特徴とする不揮発性メモリ。
(付記15)
基板上に第1の電極を形成し、前記第1の電極上に磁性元素を含む強誘電体膜を形成し、前記強誘電体膜上に第2の電極を形成して強誘電体キャパシタを形成し、
前記強誘電体膜に磁場又は磁場及び電場を印加すると共に加熱し、
前記強誘電体膜を冷却すること
を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
(付記16)
付記15記載の不揮発性メモリの製造法において、
前記第1の電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側及び前記第2の電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側の少なくとも一方に強磁性層を形成し、
前記強磁性層を用いて前記磁場を前記強誘電体膜に印加すること
を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
(付記17)
付記15記載の不揮発性メモリの製造法において、
前記第1の電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側及び前記第2の電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側の少なくとも一方又は前記強誘電体膜の膜面にほぼ直交させて永久磁石を配置し、
前記永久磁石を用いて前記磁場を前記強誘電体膜に印加すること
を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
(付記18)
磁性元素を含む強誘電体膜を半導体基板上に形成し、
前記強誘電体膜上にゲート電極を形成し、
前記強誘電体膜下方の前記半導体基板界面のチャネル領域を挟んだ両側にソース/ドレイン領域を形成し、
前記強誘電体膜に磁場又は磁場及び電場を印加すると共に加熱し、
前記強誘電体膜を冷却すること
を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
(付記19)
付記18記載の不揮発性メモリの製造法において、
前記ゲート電極の前記強誘電体膜との対向面側及び前記ゲート電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側の少なくとも一方に強磁性層を形成し、
前記強磁性層を用いて前記磁場を前記強誘電体膜に印加すること
を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
(付記20)
付記18記載の不揮発性メモリの製造法において、
前記ゲート電極の前記強誘電体膜との対向面側及び前記ゲート電極の前記強誘電体膜との対向面の裏面側の少なくとも一方又は前記強誘電体膜の膜面にほぼ直交させて永久磁石を配置し、
前記永久磁石を用いて前記磁場を前記強誘電体膜に印加すること
を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
The nonvolatile memory and the manufacturing method thereof according to the present embodiment described above can be summarized as follows.
(Appendix 1)
A first electrode formed on a semiconductor substrate; a ferroelectric film formed on the first electrode and including a magnetic element; and a second electrode formed on the ferroelectric film. Ferroelectric capacitors,
A non-volatile memory comprising: a magnetic field applying unit that applies a magnetic field to the ferroelectric film.
(Appendix 2)
In the nonvolatile memory according to appendix 1,
The magnetic field application unit is formed on at least one of a back surface side of the surface facing the ferroelectric film of the first electrode and a back surface side of the surface facing the ferroelectric film of the second electrode. A non-volatile memory characterized by being a ferromagnetic layer.
(Appendix 3)
In the nonvolatile memory according to appendix 1,
The magnetic field application unit is disposed on at least one of a back surface side of the surface facing the ferroelectric film of the first electrode and a back surface side of the surface facing the ferroelectric film of the second electrode. A nonvolatile memory characterized by being a permanent magnet.
(Appendix 4)
In the nonvolatile memory according to appendix 1,
The non-volatile memory according to claim 1, wherein the magnetic field application unit is a permanent magnet disposed substantially orthogonal to the film surface of the ferroelectric film.
(Appendix 5)
A ferroelectric film formed on a semiconductor substrate and containing a magnetic element;
A gate electrode formed on the ferroelectric film;
Source / drain regions formed on both sides of the channel region at the interface of the semiconductor substrate below the ferroelectric film;
A non-volatile memory comprising: a magnetic field applying unit that applies a magnetic field to the ferroelectric film.
(Appendix 6)
In the nonvolatile memory according to appendix 5,
A non-volatile memory, wherein a gate insulating film is formed between the channel region and the ferroelectric film.
(Appendix 7)
In the nonvolatile memory according to appendix 5 or 6,
The magnetic field applying unit is a ferromagnetic layer formed on at least one of a surface of the gate electrode facing the ferroelectric film and a back surface of the gate electrode facing the ferroelectric film. Nonvolatile memory characterized by.
(Appendix 8)
In the nonvolatile memory according to appendix 5 or 6,
The magnetic field application unit is a permanent magnet disposed on at least one of a surface of the gate electrode facing the ferroelectric film and a back surface of the gate electrode facing the ferroelectric film. Features non-volatile memory.
(Appendix 9)
In the nonvolatile memory according to appendix 5 or 6,
The non-volatile memory according to claim 1, wherein the magnetic field application unit is a permanent magnet disposed substantially orthogonal to the film surface of the ferroelectric film.
(Appendix 10)
The nonvolatile memory according to any one of appendices 1 to 9,
The nonvolatile memory according to claim 1, wherein the magnetic field application unit is arranged so that a magnetic field can be applied in a film thickness direction or a film surface direction of the ferroelectric film.
(Appendix 11)
The nonvolatile memory according to any one of appendices 1 to 10,
The non-volatile memory, wherein the ferroelectric film is formed by applying a magnetic field or a magnetic field and an electric field and heating.
(Appendix 12)
The nonvolatile memory according to any one of appendices 1 to 11,
The ferroelectric material is a perovskite material having a crystal lattice with a composition formula of ABO 3 ;
The A site of the crystal lattice includes Pb ions or Bi ions and at least one rare earth cation, and the B site of the crystal lattice is a cation and includes magnetic ions.
The non-volatile memory, wherein the magnetic ions are V ions, Cr ions, Mn ions, Fe ions, Co ions, Ni ions, or Cu ions.
(Appendix 13)
In the nonvolatile memory according to appendix 2 or 7,
The ferromagnetic layer is formed of any one material of Ni-based alloy, Fe-based alloy or Co-based alloy,
The Co-based alloy is a CoCr-based alloy, a CoPt-based alloy, a CoCrTa-based alloy, or a CoCrPt-based alloy.
(Appendix 14)
In the nonvolatile memory according to appendix 2 or 7,
The ferromagnetic layers, La 1-x Sr x MnO 3 (x = 0.0~1.0) non-volatile memory, characterized in that it is formed of an oxide.
(Appendix 15)
A first electrode is formed on a substrate, a ferroelectric film containing a magnetic element is formed on the first electrode, and a second electrode is formed on the ferroelectric film to form a ferroelectric capacitor. Forming,
Applying a magnetic field or a magnetic field and an electric field to the ferroelectric film and heating the ferroelectric film;
A method for manufacturing a nonvolatile memory, comprising cooling the ferroelectric film.
(Appendix 16)
In the method for manufacturing a nonvolatile memory according to appendix 15,
Forming a ferromagnetic layer on at least one of a back surface side of the first electrode facing the ferroelectric film and a back surface side of the second electrode facing the ferroelectric film;
A method for manufacturing a nonvolatile memory, wherein the magnetic field is applied to the ferroelectric film using the ferromagnetic layer.
(Appendix 17)
In the method for manufacturing a nonvolatile memory according to appendix 15,
At least one of the back surface side of the surface of the first electrode facing the ferroelectric film and the back surface side of the surface of the second electrode facing the ferroelectric film, or the film surface of the ferroelectric film Place permanent magnets almost orthogonally,
A method for manufacturing a nonvolatile memory, wherein the magnetic field is applied to the ferroelectric film using the permanent magnet.
(Appendix 18)
Forming a ferroelectric film containing a magnetic element on a semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the ferroelectric film;
Forming source / drain regions on both sides of the channel region at the interface of the semiconductor substrate below the ferroelectric film;
Applying a magnetic field or a magnetic field and an electric field to the ferroelectric film and heating the ferroelectric film;
A method for manufacturing a nonvolatile memory, comprising cooling the ferroelectric film.
(Appendix 19)
In the method for manufacturing a nonvolatile memory according to appendix 18,
Forming a ferromagnetic layer on at least one of a side of the gate electrode facing the ferroelectric film and a back side of the gate electrode facing the ferroelectric film;
A method for manufacturing a nonvolatile memory, wherein the magnetic field is applied to the ferroelectric film using the ferromagnetic layer.
(Appendix 20)
In the method for manufacturing a nonvolatile memory according to appendix 18,
Permanent magnet substantially orthogonal to the surface of the gate electrode facing the ferroelectric film and at least one of the back surface of the gate electrode facing the ferroelectric film or the film surface of the ferroelectric film And place
A method for manufacturing a nonvolatile memory, wherein the magnetic field is applied to the ferroelectric film using the permanent magnet.

本発明の第1の実施の形態による不揮発性メモリ1の強誘電体膜17の形成材料に用いられるBiFeOの結晶構造を示す図である。 3 is a diagram showing a crystal structure of BiFeO 3 used as a material for forming a ferroelectric film 17 of the nonvolatile memory 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の第1の実施の形態による不揮発性メモリ1のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示す図である。1 is a diagram showing a cross-sectional structure perpendicular to a substrate surface of a memory cell of a nonvolatile memory 1 according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態による不揮発性メモリ1の製造方法を示す工程断面図(その1)である。It is process sectional drawing (the 1) which shows the manufacturing method of the non-volatile memory 1 by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態による不揮発性メモリ1の製造方法を示す工程断面図(その2)である。FIG. 6 is a process cross-sectional view (No. 2) illustrating the method for manufacturing the nonvolatile memory 1 according to the first embodiment of the invention. 本発明の第1の実施の形態による不揮発性メモリ1の製造方法を示す工程断面図(その3)である。FIG. 6 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the nonvolatile memory 1 according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態による不揮発性メモリ1の製造方法を示す工程断面図(その4)である。FIG. 6 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the nonvolatile memory 1 according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態による不揮発性メモリ1における強誘電体膜17のリーク電流の抑制原理を説明するための図であって、温度及び磁場に対するBiFeOエピタキシャル膜のリーク電流を示す図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of suppressing leakage current of the ferroelectric film 17 in the nonvolatile memory 1 according to the second embodiment of the present invention, and showing leakage current of the BiFeO 3 epitaxial film with respect to temperature and magnetic field. It is. 本発明の第2の実施の形態の実施例2−1による不揮発性メモリ1のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the substrate surface of the memory cell of the non-volatile memory 1 by Example 2-1 of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態の実施例2−2による不揮発性メモリ1のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the substrate surface of the memory cell of the non-volatile memory 1 by Example 2-2 of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態の実施例2−3による不揮発性メモリ1のメモリセルアレイの基板面に垂直な断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the substrate surface of the memory cell array of the non-volatile memory 1 by Example 2-3 of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態による不揮発性メモリ10のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the substrate surface of the memory cell of the non-volatile memory 10 by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態による不揮発性メモリ10の製造方法を示す工程断面図(その1)である。It is process sectional drawing (the 1) which shows the manufacturing method of the non-volatile memory 10 by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態による不揮発性メモリ10の製造方法を示す工程断面図(その2)である。It is process sectional drawing (the 2) which shows the manufacturing method of the non-volatile memory 10 by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態の実施例4−1による不揮発性メモリ10のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the substrate surface of the memory cell of the non-volatile memory 10 by Example 4-1 of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態の実施例4−2による不揮発性メモリ10のメモリセルの基板面に垂直な断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the substrate surface of the memory cell of the non-volatile memory 10 by Example 4-2 of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態の実施例4−3による不揮発性メモリ10のメモリセルアレイの基板面に垂直な断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure perpendicular | vertical to the substrate surface of the memory cell array of the non-volatile memory 10 by Example 4-3 of the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、10 不揮発性メモリ
2 強誘電体キャパシタ
3 n型シリコン半導体基板
4、30 ゲート絶縁膜
5 セル選択トラジスタ
7 素子分離絶縁膜
9 層間絶縁膜
11、41、43、45 タングステン・プラグ
13、71、63 シリコン酸化膜
15 下部電極
17、35 強誘電体膜
19 上部電極
21 絶縁膜
23 配線
25、47 強磁性層
27a、27b、49a、49b 永久磁石
31 YSZ膜
33 STO膜
37 チャネル領域
39 ゲート部
60、62、64、80 レジスト層
65、69、87 白金層
67 BiFeO
81 YSZ層
83 STO層
85 強誘電体層
91、93 p型不純物領域
CH コンタクトホール
D ドレイン領域
G ゲート電極
S ソース領域
H 磁場
BL ビット線
PL プレート線
WL ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 10 Nonvolatile memory 2 Ferroelectric capacitor 3 N-type silicon semiconductor substrate 4, 30 Gate insulating film 5 Cell selection transistor 7 Element isolation insulating film 9 Interlayer insulating films 11, 41, 43, 45 Tungsten plugs 13, 71, 63 Silicon oxide film 15 Lower electrode 17, 35 Ferroelectric film 19 Upper electrode 21 Insulating film 23 Wiring 25, 47 Ferromagnetic layers 27a, 27b, 49a, 49b Permanent magnet 31 YSZ film 33 STO film 37 Channel region 39 Gate part 60 , 62, 64, 80 Resist layers 65, 69, 87 Platinum layer 67 BiFeO 3 layer 81 YSZ layer 83 STO layer 85 Ferroelectric layer 91, 93 p-type impurity region CH Contact hole D Drain region G Gate electrode S Source region H Magnetic field BL Bit line PL Plate line WL Word line

Claims (5)

半導体基板上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成されて磁性元素を含む強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に形成された第2の電極とを備えた強誘電体キャパシタと、
前記強誘電体膜に磁場を印加する磁場印加部と
を有することを特徴とする不揮発性メモリ。
A first electrode formed on a semiconductor substrate; a ferroelectric film formed on the first electrode and including a magnetic element; and a second electrode formed on the ferroelectric film. Ferroelectric capacitors,
A non-volatile memory comprising: a magnetic field applying unit that applies a magnetic field to the ferroelectric film.
半導体基板上に形成され、磁性元素を含む強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成されたゲート電極と、
前記強誘電体膜下方のチャネル領域を挟んだ両側に形成されたソース/ドレイン領域と、
前記強誘電体膜に磁場を印加する磁場印加部と
を有することを特徴とする不揮発性メモリ。
A ferroelectric film formed on a semiconductor substrate and containing a magnetic element;
A gate electrode formed on the ferroelectric film;
Source / drain regions formed on both sides of the channel region below the ferroelectric film;
A non-volatile memory comprising: a magnetic field applying unit that applies a magnetic field to the ferroelectric film.
請求項1又は2に記載の不揮発性メモリにおいて、
前記磁場印加部は、前記強誘電体膜の膜厚方向又は膜面方向に磁場を印加できるように配置されていること
を特徴とする不揮発性メモリ。
The nonvolatile memory according to claim 1 or 2,
The nonvolatile memory according to claim 1, wherein the magnetic field application unit is arranged so that a magnetic field can be applied in a film thickness direction or a film surface direction of the ferroelectric film.
基板上に第1の電極を形成し、前記第1の電極上に磁性元素を含む強誘電体膜を形成し、前記強誘電体膜上に第2の電極を形成して強誘電体キャパシタを形成し、
前記強誘電体膜に磁場又は磁場及び電場を印加すると共に加熱し、
前記強誘電体膜を冷却すること
を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
A first electrode is formed on a substrate, a ferroelectric film containing a magnetic element is formed on the first electrode, and a second electrode is formed on the ferroelectric film to form a ferroelectric capacitor. Forming,
Applying a magnetic field or a magnetic field and an electric field to the ferroelectric film and heating the ferroelectric film;
A method for manufacturing a nonvolatile memory, comprising cooling the ferroelectric film.
磁性元素を含む強誘電体膜を半導体基板上に形成し、
前記強誘電体膜上にゲート電極を形成し、
前記強誘電体膜下方のチャネル領域を挟んだ両側にソース/ドレイン領域を形成し、
前記強誘電体膜に磁場又は磁場及び電場を印加すると共に加熱し、
前記強誘電体膜を冷却すること
を特徴とする不揮発性メモリの製造方法。
Forming a ferroelectric film containing a magnetic element on a semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the ferroelectric film;
Forming source / drain regions on both sides of the channel region below the ferroelectric film;
Applying a magnetic field or a magnetic field and an electric field to the ferroelectric film and heating the ferroelectric film;
A method for manufacturing a nonvolatile memory, comprising cooling the ferroelectric film.
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