JPH04362550A - 強誘電体メモリ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体メモリ及びそ
の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】コンピューターなどの
情報記憶素子として、最近、強誘電体材料のＤ−Ｅヒス
テリシス特性に着目した強誘電体メモリが注目されてい
る。即ち、図１に示すような角型のＤ−Ｅヒステリシス
曲線を持つ強誘電体材料において、残留分極（Ｐｒ）を
デジタル値０に、残留分極（−Ｐｒ）　をデジタル値１
に対応させる。強誘電体に、正方向の読み出し電界Ｅを
印加した場合、この状態において強誘電体のデジタル記
憶値が１である場合には、Ｄ−Ｅヒステリシス曲線上を
電気分極が状態Ａｒから状態Ｂｒを経てＣｒの方向に変
化する。この部分におけるヒステリシスループの傾斜は
急峻であり、静電容量が急激に変化する。したがってこ
の静電容量の変化を電流変化として取り出すことにより
、デジタル値１の記憶を読みだすことができる。一方、
強誘電体のデジタル記憶値が０であった場合、正方向の
読み出し電界Ｅに対して、Ｄ−Ｅヒステリシス曲線上を
電気分極が状態Ｄｒから状態Ｂｒ’　を経てＣｒの方向
に変化する。この部分におけるヒステリシスループの傾
斜は緩やかであり、静電容量の変化値は小さいために、
小さな電流変化しか取り出せない。したがって、デジタ
ル値１　から区別して、デジタル値０を読み取ることが
できる。この強誘電体メモリの利点は、従来の代表的な
情報記憶媒体であるハードディスク、フロッピーディス
クと異なり、外界からの磁気的影響を受けないこと、情
報の記憶、読み出しに伴う電力消費量が小さいこと、さ
らに、メモリアクセス時間が１マイクロ秒以下と小さい
こと、１ビット当たりの記憶面積が小さくなることなど
の利点があり、小型大容量かつ高信頼性のデータ記憶装
置が得られる可能性があるものとして期待されている。 しかし、従来検討された強誘電体メモリは、特開平２−
２２９４７２号公報に述べられているように１記憶単位
はＭＯＳ−ＦＥＴ　と情報記憶を行なう強誘電体材料を
用いたコンデンサーから構成され、この１構成単位にお
いて情報の１ビット分を記憶できるだけであり、データ
記憶密度の向上と言う点においては、十分なものとは言
えなかった。

【０００３】このような問題に対して特開昭５７−１１
７１８６　号公報においては、ヒステリシス特性を有す
るＢａＴｉＯ３多結晶強誘電体薄膜片面を透光性の導電
性薄膜でコートし、ＢａＴｉＯ３多結晶強誘電体薄膜の
もう片方の面に絶縁膜を介し導電性の基板を配したメモ
リーが提案されている。このメモリ構成において非常に
微細な光束径に絞られたレーザービームを透光性の導電
性薄膜側から照射し、このとき同時に透光性の導電性薄
膜と導電性の基板間に電圧を印加し、ＢａＴｉＯ３多結
晶強誘電体薄膜に同薄膜の抗電界よりも小さい電界を印
加しておく。レーザー光に照射された領域は加熱され抗
電界が低下するために分極方向が印加電界の方向に伴っ
て反転する。また読み出しに於いては反転電流の大きさ
により書き込まれているデジタル情報値の判別が可能で
ある。この方法により、記憶容量の大きい、高速アクセ
スの可能なさらに、不揮発性の強誘電体メモリーが構成
可能であることについて述べられている。しかしながら
、特開昭５７−１１７１８６　号公報に述べられている
多結晶性強誘電体薄膜は特開５５−５６６２１号公報に
述べられている作製法で形成されている。同公報によれ
ば、ＢａＴｉＯ３からなるヒステリシスを有する強誘電
体材料を得るために１３００〜１４００℃にも達する高
温の熱処理温度が必要なことが述べられている。従って
、強誘電体薄膜の形成にこのような高温プロセスが伴う
ために同多結晶薄膜の導電性基板には耐熱性があり、さ
らに、高温において拡散の生じない例えばＰｔ基板など
を用いる必要があり、高価な基板材料を用いなければな
らない。又、絶縁性を確保するための絶縁層が必要であ
り、同強誘電体メモリーを形成するにはコスト、時間を
要し低廉なメモリーを供給することにおいて問題があっ
た。 さらに、同メモリーにおいては強誘電体メモリー層の表
面に透光性導電体薄膜を形成したのみの構成のため、メ
モリー表面に付着したミクロンメートルオーダーの異物
によってレーザー光が散乱され、デジタル値の書き込み
、読み出し動作において誤りが多々発生すると考えられ
る。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、前記問題点を解決し、情報記
憶層になる強誘電性ヒステリシス特性を有する強誘電体
薄膜を、製膜時の下地温度、あるいは製膜後の熱処理温
度が５００℃以下の低温で作製することができ、また、
安価で、情報記憶密度が高く、メモリー表面に付着する
異物によっても情報の書き込み読み出し動作の乱されな
い強誘電体メモリ及びその駆動方法を提供することを目
的とする。

【０００５】

【問題点を解決するための手段】本発明は、電気分極の
電界依存性においてヒステリシス特性を有するアモルフ
ァス強誘電体薄膜からなる情報記憶層と、該情報記憶層
の両面に形成された電極と、電極の片側に接する厚さ０
．１ｍｍ　以上の透光性基板とからなることを特徴とす
る強誘電体メモリに関する。また、本発明は、電気分極
の電界依存性においてヒステリシス特性を有するアモル
ファス強誘電体薄膜からなる情報記憶層と、該情報記憶
層の片面に形成された電極と、もう一方の面に形成され
た厚さ０．１ｍｍ　以上の導電性の透光性基板とからな
ることを特徴とする強誘電体メモリに関する。本発明に
おいては、情報記憶を行なう強誘電体層に誘電性ヒステ
リシス特性を有するアモルファス強誘電体薄膜を用いる
。このアモルファス強誘電体薄膜は、真空蒸着法、スパ
ッタリング法などの製膜手段を用いて基板上に、基板温
度を５００℃以下に保持しながら非晶質の薄膜として作
製し、作製したそのままの状態か、あるいは５００℃以
下の温度で熱処理を施すことによって得られる。このよ
うにして得られるアモルファス強誘電体薄膜は、電気分
極の電界依存性においてヒステリシス特性を有する。ア
モルファス強誘電体薄膜としては、前記製法により得ら
れるものであれば、特に制限はないが、例えば、Ｆｅ２
Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＡＢＯ３（ペロブスカイト型化合物
）を主成分とした三元酸化物系薄膜が挙げられる。ＡＢ
Ｏ３はＰｂＴｉＯ３，　ＰｂＺｒＯ３，　ＢａＴｉＯ３
などの強誘電体、反強誘電体材料である。

【０００６】本発明の強誘電体メモリの構成を図２に示
す。２は透光性基板材料である。この基板の厚さは０．
１ｍｍ　以上であることが望ましい。レーザー光に対し
て透過率が高ければ基板材料の制限はないがアモルファ
ス強誘電体薄膜の形成時における下地温度、薄膜形成後
の薄膜の熱処理温度によって基板を使い分ける。アモル
ファス強誘電体薄膜形成時における下地温度が１２０℃
以下で、薄膜形成後に熱処理を要しない場合には基板材
料としてはポリカーボネート樹脂基板が適している。一
方、下地基板温度ならびに製膜後の熱処理温度が１２０
℃を越えるような場合には基板材料としてガラスが適し
ている。３ならびに４はアモルファス強誘電体薄膜に電
界を印加するための導電性電極薄膜である。電極３は特
に透光性である必要はないが、透光性でない場合にはレ
ーザー光の光吸収率が高いことが望ましい。又、基板２
に導電性の材料を使用する場合には電極３は特に必要と
しない。電極４は導電性の材料で、アモルファス強誘電
体薄膜に対して付着強度が確保されれば特に材質に対す
る制限はない。又、電極４は薄膜である必要もない。５
はレーザー光の光束であり、レンズ６によってアモルフ
ァス強誘電体薄膜１や薄膜電極３付近に直径１μｍ程度
の光束に集光される。ここにおいてレーザーによるアモ
ルファス強誘電体薄膜への情報書き込み領域を狭い領域
に保つために、導電性薄膜とアモルファス強誘電体薄膜
の夫々の膜厚の合計がレーザーの集光光束径以下である
ことが望ましい。即ち、この場合、膜厚の合計が１μｍ
以下であることが望ましい。また、レーザー光は透光性
基板に入射する際に透光性基板のレーザー光入射側の表
面におけるレーザー光の光束径は透光性基板を厚くすれ
ば、例えば１ｍｍ程度に厚さを選べば基板表面における
レーザー光の光束径は０．５ｍｍ　程度になり、基板表
面に付着する微少な異物によって情報の書き込み、読み
出しが乱されることがない。さらに、広い領域に亘って
デジタル情報の書き込みを行なうには基板とレーザー光
源７を相対的に移動させることによって可能である。た
とえば光磁気ディスクのようにメモリー基板を回転させ
情報を同一周上に記録する方法をとることにより情報の
高密度記録が可能である。

【０００７】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳述する。メモ
リーの構成を図２に示した。基板には厚さ１ｍｍのポリ
カーボネート基板を使用した。さらに導電性の薄膜層３
にはスパッタリング蒸着法によって作製した透光性のＩ
ＴＯ　膜を形成した。ここにおいてＩＴＯ　膜の膜厚は
凡そ１００ｎｍ　とした。さらに、ＩＴＯ　薄膜の上に
、Ｆｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系薄膜などを
ＲＦスパッタリング法等により形成した。このアモルフ
ァス強誘電体薄膜はＦｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉ
Ｏ３系薄膜のみならず、ＰｂＴｉＯ３にかえてＰｂＺｒ
Ｏ３，　ＢａＴｉＯ３などの種々の強誘電性、反強誘電
性ペロブスカイト材料を用いてもよい。本例に引用した
アモルファス強誘電体薄膜は以下に述べる方法で作製し
た。即ち、薄膜作製にはＲＦマグネトロンスパッタリン
グ装置を用い、スパッタガスはＡｒ：Ｏ２＝７：３　の
混合ガスとした。スパッタリング中はＩＴＯ　膜を形成
したポリカーボネート基板を固定している銅製のアノー
ドを水冷し、製膜中の基板温度を２０〜２５℃に維持し
た。このようにして得られた薄膜は製膜後熱処理を施す
ことなく電気分極の電界依存性においてヒステリシス特
性を有するアモルファス強誘電体膜となった。このアモ
ルファス強誘電体薄膜により、電気絶縁性が高くなるた
めに多結晶強誘電体膜の場合に必要とした絶縁層の形成
が不要なる。さらに、多結晶強誘電体薄膜において発生
する表面電荷の結晶粒界に添って生じるリークなどがな
く長時間に亘って情報の安定的な保持が可能な強誘電体
メモリの形成が可能となる。さらに、このようにして形
成したアモルファス強誘電体薄膜の表面に電極４として
膜厚２００ｎｍ　のＡｌ薄膜を真空蒸着法によって形成
した。さらにレーザー光源７としては波長８３０ｎｍ　
、出力１０ｍＷの半導体レーザーを使用した。

【０００８】次に上記構成の強誘電体メモリに於ける情
報の書き込み及び読み出し動作について説明する。まず
、情報の書き込みについて説明する。光透過電極３から
電極４に向かう電界の方向を順方向とし、この方向が、
図１のヒステリシス曲線のグラフ軸に一致しているもの
とする。光透過電極３と電極４の間に順方向の電界を印
加し、分極を同一方向に揃えて飽和させた後、印加電界
を除去すると、図１のヒステリシスループは状態Ｄｒと
なり、デジタル値０が残留分極Ｐｒとして書き込まれる
。デジタル値１を書き込むには、分極が反転する電界強
度をＥｃとしたときに、絶対値がＥｃ以下で、反対方向
の電界−Ｅｍ　を印加し、レーザー光を光透過電極３の
一点に照射する。これにより、レーザー光の照射された
一点の分極がレーザー光による温度上昇により、印加電
界の方向を向き、ヒステリシスループが状態Ｄｒ’　（
電界−Ｅｍに対応する。）から状態Ｅｒに変化する。こ
こで電界−Ｅｍ　、レーザー光照射がなくなると、ヒス
テリシスループが状態Ｅｒから状態Ａｒに変化するから
、デジタル値１が残留分極（−Ｐｒ　）として書き込ま
れる。次に、情報を読みだす場合には、光透過電極３と
電極４との間に、抗電界Ｅｃよりは小さい順方向の電界
Ｅｍを印加し、読み出したい情報の書き込まれている部
分に集光されたレーザー光を照射する。この場合、レー
ザー光の照射点のデジタル記憶値が０である場合には、
Ｄ−Ｅヒステリシスループは状態Ｄｒから状態Ｃｒに変
化する。この部分におけるヒステリシスループの傾斜は
緩やかであり、静電容量の変化は非常に小さいから、小
さな電流変化しか取り出せない。一方、レーザー光の照
射点のデジタル記憶値が１である場合には、Ｄ−Ｅヒス
テリシスループは状態Ａｒから状態Ｂｒを経て状態Ｃｒ
に変化する。この状態変化は分極の反転をもたらすので
、静電容量が急激に変化するから光透過電極３ならびに
電極４から大きな電流変化が取り出せる。 従って、この電流変化を検出することにより、デジタル
記憶値１をデジタル記憶値０から区別して読み取ること
ができる。ただし、この場合、情報を読み取った際に記
憶値が１から０に反転しているので、先に述べたデジタ
ル値１を書き込む方法により、情報の再書き込みを行う
必要がある。この場合、光透過電極３上でレーザー光を
例えば透光性基板平面内で移動させることによって一個
の強誘電体メモリで非常に高密度の情報の書き込み、読
みだしを行なうことができる。したがって、小型かつ薄
型で、記憶容量の非常に大きい強誘電体メモリが実現で
きる。又、光透過電極３と電極４との間に印加される電
界Ｅｍ，　−Ｅｍ　は抗電界Ｅｃよりも小さいから、高
周波電界とすることが可能であり、動作速度の高速化が
可能である。例えば、電界Ｅｍ，　−Ｅｍ　を１ＭＨｚ
の高周波電界とした場合には、１マイクロ秒の動作時間
となる。

【０００９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、強
誘電体メモリーの情報記憶層に室温又は５００℃以下の
低温で強誘電性ヒステリシス特性を有するアモルファス
強誘電体材料を用い、また従来の導電性透光性薄膜層に
変えて透光性の基板を使用することにより、安価で、情
報記憶密度が高く、情報の書き込み読み出しの高速化が
可能で、メモリー表面に付着する異物によっても情報の
書き込み読み出し動作の乱されない強誘電体メモリーを
供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、強誘電体メモリーの情報の書き込み、
読み出し方法を説明するための強誘電体ヒステリシスル
ープを示す図である。

【図２】図２は、本発明の一実施例を説明する強誘電体
メモリーの構成図である。

【符号の説明】

１　　　　　　アモルファス強誘電体薄膜２　　　　　
　透光性基板 ３，４　　導電性電極 ５　　　　　　レーザー光 ６　　　　　　レンズ ７　　　　　　レーザー光源

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電気分極の電界依存性においてヒステ
   リシス特性を有するアモルファス強誘電体薄膜からなる
   情報記憶層と、該情報記憶層の両面に形成された電極と
   、電極の片側に接する厚さ０．１ｍｍ　以上の透光性基
   板とからなることを特徴とする強誘電体メモリ。
2. 【請求項２】　　電気分極の電界依存性においてヒステ
   リシス特性を有するアモルファス強誘電体薄膜からなる
   情報記憶層と、該情報記憶層の片面に形成された電極と
   、もう一方の面に形成された厚さ０．１ｍｍ　以上の導
   電性の透光性基板とからなることを特徴とする強誘電体
   メモリ。
3. 【請求項３】　　アモルファス強誘電体薄膜が、製膜手
   段を用いて基板上に、基板温度を５００℃以下に保持し
   ながら非晶質の薄膜として作製し、作製したそのままの
   状態か、あるいは５００℃以下の温度で熱処理すること
   によって得られたものであることを特徴とする請求項１
   又は請求項２の強誘電体メモリ。
4. 【請求項４】　　アモルファス強誘電体薄膜が、Ｆｅ２
   Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＡＢＯ３（ペロブスカイト型化合物
   ）を主成分とした三元酸化物系薄膜からなることを特徴
   とする請求項１又は請求項２の強誘電体メモリ。
5. 【請求項５】　　アモルファス強誘電体薄膜にその抗電
   界より絶対値の小さい電界を印加した状態で、アモルフ
   ァス強誘電体薄膜上にレーザー光を照射することにより
   、情報の書き込み及び読み出しを行なうことを特徴とす
   る請求項１又は請求項２の強誘電体メモリの駆動方法。