JP2009123336A - 強誘電体微細構造体及びその製造方法、並びに記録再生方式 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 下部電極1の上に、細孔3を有する細孔構造体2を形成し、細孔3の中に強誘電体材料を充填し、強誘電体材料の微細なドットを形成する。このドットは、例えば、直径が100nm以下、配列間隔が100nm以下の2次元の周期的なナノ構造を有し、各ナノドットが強誘電体特有の電荷の蓄積によるP-Eヒステリシス特性を示し、メモリとして用いることができる。細孔構造体2は、ブロックコポリマーのポリマー鎖の一部がドット状に凝集したミクロ相分離構造体のドット部分をエッチング除去して形成する。上記メモリへの書き込みと読み出しは、カンチレバー探針を上部電極とする電圧の印加と電位等の検出によって行う。
【選択図】 図4
Description
ブロックコポリマーがドット状に凝集した部分と他の凝集部分とに相分離してなるミ クロ相分離構造体において、前記ドット状に凝集した部分の少なくとも一部を除去する ことによって、前記細孔構造体が形成されている、
強誘電体微細構造体に係わるものである。
この例では、シリコン基板11の上に下部電極として形成した白金層14の上に金属アルミニウム層15を形成し、これを陽極酸化して陽極酸化アルミナ層16を形成し、アルミナ層16中のナノホール18に液相法によってPZTを充填して強誘電体ナノドット19を作製し、メモリ素子として書き込み動作と読み出し動作を行わせた例について説明する。
まず、シリコンSi基板11を熱酸化して、その表面に絶縁層として酸化シリコンSiO2層12を形成した。次に、そのシリコン基板(Si/SiO2)の上に、白金層14との密着性を高めるためにチタンTiもしくは酸化チタンTiO2層13を形成し、更にその上に白金層14を形成した。
次に、図3(e)に示すように、強誘電体のゾルゲル溶液を用いて液相法によってナノホール18へPZT(Pb(TixZr1-x)O3)を充填した。本実施例においては、エタノールとアセチルアセトンとの混合溶媒に、Pb(TixZr1-x)O3の組成がx=0.7となるようにPbOとTiO2とZrO2とを分散させた市販のゾルゲル溶液を用いた。
次に、得られた強誘電体PZTの個々のナノドット19に対し、SPM(Scanning Probe Microscope)を用いて、カンチレバー探針を上部電極として自発分極の反転を誘起しドメイン反転を行い、メモリ素子として書き込み動作と読み出し動作を行わせた。
この例では、例1と同様に、下部電極として形成した白金層の上に金属アルミニウム層を形成し、これを陽極酸化して陽極酸化アルミナ層を形成し、アルミナ層中のナノホールに強誘電体を充填するが、気相法である有機金属化学的気相成長法(MOCVD法)を用いて、SBT(SrBi2Ta2O9)を充填して強誘電体ナノドットを作製し、メモリ素子として書き込み動作と読み出し動作を行わせた例について説明する。
まず、例1と同様の方法により、シリコン基板上に陽極酸化によるアルミナナノホール構造体を形成した。
次に、アルミナナノホール構造体のナノホール18へMOCVD法により強誘電体材料SBTを充填した。その成膜条件は、
気化器温度:140℃
キャリヤガス(アルゴン)ガス流量:200cc
酸素ガス(酸化剤)流量:200cc
リアクタ内に配置された基板の温度:400℃、
リアクタ内部の圧力:1Torr
成長速度:約10nm/min
であった。
例1と同様の方法により、強誘電体ナノドットを記録ビットした書き込みと読み出しが可能であった。
この例は本発明に基づく実施例であって、シリコン基板11の上の下部電極である白金層14の上にブロックコポリマー層21を形成し、ブロックコポリマーのミクロ相分離構造体22をエッチング処理してナノサイズの細孔23を形成し、このナノホール23に気相法であるPLD(Pulsed Laser Deposition)法によってPZTを充填して強誘電体ナノドット24を作製し、メモリ素子として書き込み動作と読み出し動作を行わせた例について説明する。
まず、例1と同様に、シリコン基板11を熱酸化して酸化シリコン層12を形成し、その上に、チタンもしくは酸化チタン層13を形成し、更にその上に下部電極となる白金層14を形成した。次に、ポリスチレン(PS)鎖とポリメタクリル酸メチル(PMMA)鎖とからなり、PMMA鎖の分率が約20体積%である、平均分子量約65000のブロックコポリマーをトルエンに溶解させ、溶液の濃度を1〜10質量%に調整し、この溶液を上述の基板上にスピンコート法により塗布して、図4(a)に示すように、ブロックコポリマー層21を形成した。この際、膜厚は、ブロックコポリマー溶液の濃度やスピンコートの回転数によって制御することができる。典型的には、溶液濃度を2質量%、回転数を3000rpmとして成膜すると、厚さ約200nmの高分子層21を形成することができる。
次に、ナノホール構造体24のナノホール23にPZT(Pb(TixZr1-x)O3)をPLD法によって気相充填した方法について説明する。
この例は本発明の他の実施例であって、シリコン基板11の上の下部電極である白金層14の上に酸化シリコン層31とブロックコポリマー層32を積層して形成し、例3と同様にしてブロックコポリマー層32から第1のナノホール構造体35を形成し、これをマスクとして酸化シリコン層31にドライエッチングを施すことによって下部の酸化シリコン層31に第2のナノホール36を転写し、この第2のナノホール36の中に強誘電体材料を充填して強誘電体ナノドット38を作製し、メモリ素子として書き込み動作と読み出し動作を行わせた例について説明する。
まず、例1と同様に、シリコン基板11を熱酸化して酸化シリコン層12を形成し、その上に、チタンもしくは酸化チタン層13を形成し、更にその上に下部電極となる白金層14を形成した。更にその上に、酸化シリコン層31を約200nmの厚さに形成する。酸化シリコン層31の形成は、SiH4、Si2H6等を用いるCVD法、TEOS(Tetraethyl-ortho-silicate)を用いる有機金属CVD法、及びスピンオングラス(SOG)法等により作製する。
次に、第1のナノホール構造体35をマスクとして、図7(d)に示すように、その細孔構造を酸化シリコン層31に転写して第2のナノホール構造体37を形成した。エッチングガスとしてトリフルオロメタンCHF3(20sccm)を用い、RF出力200W、圧力15mTの条件下にて行った。エッチング時間は、酸化シリコン膜31の製法に関わる膜質に依存するが、およそ、数分で200nmの膜厚をすべてエッチング除去でき、下層の白金層14に到達した。
この例は本発明の他の実施例であって、シリコン基板11の上の下部電極である白金層14の上に強誘電体SBT層41とブロックコポリマー層42を積層して形成し、ブロックコポリマー層42から第1のナノドット構造体45を形成し、これをマスクとして強誘電体SBT層41を選択的にドライエッチングして、強誘電体のナノドット46を作製し、メモリ素子として書き込み動作と読み出し動作を行わせた例について説明する。
次に上記の強誘電体SBT層41の上に、ブロックコポリマー層42を形成した。ポリスチレン鎖とポリメタクリル酸メチル鎖とからなり、PMMA鎖の分率が約80体積%である、平均分子量約65000のブロックコポリマーをトルエンに溶解させ、溶液の濃度を1〜10質量%に調整し、この溶液を上述の基板上にスピンコート法により塗布して、図8(a)に示すように、ブロックコポリマー層42を形成した。この際、膜厚は、ブロックコポリマー溶液の濃度やスピンコートの回転数によって制御することができる。典型的には、溶液濃度を2wt%、回転数を3000rpmとして成膜すると、厚さ約200nmの高分子膜を形成することができる。
次に、第1のナノドット構造体45をマスクとして下層の強誘電体SBT層41をドライエッチングして、図8(d)に示すように、マスクした部分以外のSBT層41をエッチング除去し、ドット形状のSBT層を強誘電体ナノドット46として形成し、第2のナノドットを形成した。
この例では、例1と同様に、下部電極として形成した白金層の上に金属アルミニウム層を形成し、これを陽極酸化して陽極酸化アルミナ層を形成し、アルミナ層中のナノホールに強誘電体を充填するが、ここでは強誘電体材料のナノ微粒子を充填して強誘電体ナノドットを作製し、メモリ素子として書き込み動作と読み出し動作を行わせた例について説明する。
例1と同様の方法により、シリコン基板上に陽極酸化によるアルミナナノホール構造体を形成した。
次に、ナノホールテンプレートへの強誘電体BaTiO3微粒子充填方法について説明する。
11…シリコン基板、12…酸化シリコン層、13…チタンもしくは酸化チタン層、
14…白金層、15…アルミニウム層、16…陽極酸化アルミナ、
17…陽極酸化によるナノホール、18…エッチングで拡幅されたナノホール、
19…強誘電体ナノドット、21…ブロックコポリマー層、22…ミクロ相分離構造体、
22a…ポリスチレン鎖凝集部、22b…PMMA鎖凝集部、
23…PMMA鎖凝集部に形成されたナノホール、24…ナノホール構造体、
25…強誘電体ナノドット、31…酸化シリコン層、32…ブロックコポリマー層、
33…ミクロ相分離構造体、33a…ポリスチレン鎖凝集部、
33b…PMMA鎖凝集部、34…PMMA鎖凝集部に形成されたナノホール、
35…第1のナノホール構造体、36…転写されたナノホール、
37…酸化シリコンからなる第2のナノホール構造体、38…強誘電体ナノドット、
41…強誘電体SBT層、42…ブロックコポリマー層、43…ミクロ相分離構造体、
43a…ポリスチレンポリスチレン鎖凝集部、43b…PMMA鎖凝集部、
44…第1のナノドット、45…第1のナノドット構造体、46…強誘電体ナノドット
Claims (14)
- 電極に接して形成された細孔構造体の細孔内に強誘電体材料が存在して、微細なドットを形成している、強誘電体微細構造体であって、
ブロックコポリマーがドット状に凝集した部分と他の凝集部分とに相分離してなるミ クロ相分離構造体において、前記ドット状に凝集した部分の少なくとも一部を除去する ことによって、前記細孔構造体が形成されている、
強誘電体微細構造体。 - 前記ドット又は細孔の直径が5〜200nmである、請求項1に記載した強誘電体微細構造体。
- 前記細孔の配列が周期性を有する、請求項1に記載した強誘電体微細構造体。
- 前記強誘電体材料が、無機酸化物又は有機高分子強誘電体材料である、請求項1に記載した強誘電体微細構造体。
- 前記細孔に前記強誘電体材料のナノ微粒子が充填されている、請求項1に記載した強誘電体微細構造体。
- 電極に接して絶縁層が形成され、ブロックコポリマーがドット状に凝集した部分と他の凝集部分とに相分離してなるミクロ層分離構造体が前記絶縁層に接して形成され、前記ミクロ相分子構造体の前記ドット状に行住した部分の少なくとも一部を除去して第1の細孔構造体が形成され、この第1の細孔構造体をマスクとして前記絶縁層をエッチングして第2の細孔構造体が形成され、この第2の細孔構造体の細孔に強誘電体材料が充填されている、強誘電体微細構造体。
- 電極に接して強誘電体層が形成され、ブロックコポリマーがドット状に凝集した部分と他の凝集部分に相分離してなるミクロ相分離構造体が前記強誘電体層に接して形成され、前記ミクロ相分離構造体の前記他の凝集部分を除去してブロックコポリマーのドット状構造体が形成され、このブロックコポリマーのドット状構造体をマスクとして前記強誘電体層をエッチングして強誘電体材料のドット状構造体が形成されている、強誘電体微細構造体。
- ブロックコポリマーがドット状に凝集した部分と他の凝集部分とに相分離してなるミクロ相分離構造体を電極に接して形成する工程と、前記ミクロ相分離構造体の前記ドット状に凝集した部分の少なくとも一部を除去して細孔構造体を形成する工程と、この細孔構造体の細孔に強誘電体材料を充填する工程とを行う、強誘電体微細構造体の製造方法。
- 電極に接して絶縁層を形成する工程と、ブロックコポリマーがドット状に凝集した部分と他の凝集部分とに相分離してなるミクロ相分離構造体を前記絶縁層に接して形成する工程と、前記ミクロ相分離構造体の前記ドット状に凝集した部分の少なくとも一部を除去して第1の細孔構造体を形成する工程と、この第1の細孔構造体をマスクとして前記絶縁層をエッチングして第2の細孔構造体を形成する工程と、この第2の細孔構造体の細孔に強誘電体材料を充填する工程とを行う、強誘電体微細構造体の製造方法。
- 電極に接して強誘電体層を形成する工程と、ブロックコポリマーがドット状に凝集した部分と他の凝集部分に相分離してなるミクロ相分離構造体を前記強誘電体層に接して形成する工程と、前記ミクロ相分離構造体の前記他の凝集部分を除去してブロックコポリマーのドット状構造体を形成する工程と、このブロックコポリマーのドット状構造体をマスクとして前記強誘電体層をエッチングして強誘電体材料のドット状構造体を形成する工程とを行う、強誘電体微細構造体の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載した強誘電体微細構造体の個々の強誘電体ドットに対して、探針と前記電極との間に電圧を印加し、前記強誘電体ドットの自発分極の反転を起こし、これを記録ビットとする、記録方式。
- 前記探針としてカンチレバー探針電極を用いる、請求項11に記載した記録方式。
- 請求項11に記載した強誘電体ドットに対して、前記探針によってその表面電位又は静電容量の変化を検出して、前記記録ビットを再生する、再生方式。
- 前記探針としてのカンチレバー探針電極を前記強誘電体ドットに対して接触又は非接触状態で相対移動させる、請求項11又は13に記載した方式。
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WO2001070873A2 (en) * | 2000-03-22 | 2001-09-27 | University Of Massachusetts | Nanocylinder arrays |
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