JP2010016360A - 強誘電体ポリマー - Google Patents
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Abstract
【課題】単純な方法で製造でき、残留磁気も良好な強誘電体膜およびその製造方法を提供する。
【解決手段】強誘電体として、ポリアミノジフルオロボラン(PADFB)を含む、強誘電体膜。さらに、PADFBと混合された強誘電体ポリマー膜であり、強誘電体ポリマーは、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリビニリデンフルオライドとトリフルオロエチレン(P(VDF/TrFE))との共重合体、及びポリウンデカンアミド(Nylon11)から成るグループから選択される、強誘電体膜。また、当該強誘電体膜を用いる記憶装置、強誘電体ポリマーの製造方法、強誘電体溶液。
【選択図】図3
【解決手段】強誘電体として、ポリアミノジフルオロボラン(PADFB)を含む、強誘電体膜。さらに、PADFBと混合された強誘電体ポリマー膜であり、強誘電体ポリマーは、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリビニリデンフルオライドとトリフルオロエチレン(P(VDF/TrFE))との共重合体、及びポリウンデカンアミド(Nylon11)から成るグループから選択される、強誘電体膜。また、当該強誘電体膜を用いる記憶装置、強誘電体ポリマーの製造方法、強誘電体溶液。
【選択図】図3
Description
本発明は、強誘電体ポリマー膜及び強誘電体ポリマーの製造方法に関する。
強誘電体ポリマーは、電子デバイスとして将来性のある材料である。強誘電体ポリマーは、例えば、不揮発性メモリに適している。薄膜は、スピンコーティング、金型コーティング、スクリーンプリンティング、又は他のコーティング方法のような単純な方法によって溶液から形成されることが可能であるため、強誘電体ポリマーを用いる上記装置の製造費用は、極めて安くなるものと期待される。しかしながら、外部電界が加えられない場合、残留磁気は最大の自発分極であり、有機材料の残留磁気は、一般的に無機強誘電体材料の残留磁気よりも低い。残留磁気は、強誘電体材料にとって最も重要な特性の1つである。強誘電体材料が記憶装置に用いられる場合、外部出力信号の大きさは、残留磁気に比例する。そのため、改善された残留磁気を有する強誘電体材料に対する大きな需要がある。
概括的には、本発明の一側面は、ポリアミノジフルオロボラン(PADFB)を備える強誘電体ポリマーを提案する。これにより、残留磁気が増加する利点を有してもよい。
本発明の第1の特定の表現によれば、請求項1に記載された強誘電体膜が提供される。
本発明の第2の特定の表現によれば、請求項8に記載された強誘電体ポリマーの製造方法が提供される。
本発明の第3の特定の表現によれば、請求項12に記載された強誘電体溶液が提供される。
本発明の1又は2以上の実施形態について、以下の図面を参照しながら説明する。
PVDFの分子構造である。
PADBFの分子構造である。
残留磁気とPADFBの濃度との関係である。
1T1C型メモリの装置構造である。
1T型メモリの装置構造である。
クロスポイント型(cross point type)メモリの装置構造である。
強誘電体ポリマーの一例が、図1に示される。ポリビニリデンフルオライド(PVDF)分子100は、H−C結合102及びF−C結合104を含む。ポリマーの強誘電体特性は、水素106及びフッ素108原子の間に生じた双極子モーメントに関連していてよい。これは、上記分子の極性にも関連している。
上記双極子モーメントの測定方法は、上記分子間の原子の電気陰性度を比較することによる。上記電気陰性度は、共有結合において、自身に対して電子(又は電子密度)を引き付ける原子の力に関連する。フッ素原子の電気陰性度は4.0であり、炭素の電気陰性度は2.5であるので、F−C結合において、フッ素原子は、炭素原子よりもより負に帯電しやすい。一方で、水素原子の電気陰性度は、わずか2.2である。そのため、炭素原子は、H−C結合において、水素原子よりもより負に帯電しやすい。これらの特性は、電子分布の不均衡を引き起こし、そのことが、水素とフッ素原子間の強い双極子モーメントをもたらす。
強誘電体ポリマーの追加例が、図2に示されている。ポリアミノジフルオロボラン(PADFB)分子200は、B−F結合202及びN−H結合204を含む。ホウ素206の電気陰性度は、2.0であり、窒素208は、3.0であり、そのため、B−F202及びN−H204結合の双方の電気陰性度の大きな違いにより、PADFBは、PVDFの2倍の大きさの双極子モーメントを有していてもよい。外部電界が加えられない場合、残留磁気は最大の双極子モーメントに比例するので、大きい双極子モーメントほど、残留磁気が高まる利点を有していてもよい。
PADFBは、前駆体(BF3NH3)の熱分解によって合成され、冷却トラップによって収集されてもよい。収集されたPADFBは、ジメチルホルムアミド(DMF)内で溶解されて、ガラス基板上にスピンコートされてもよい。
PADFBは、吸湿性で脆い材料であるので、間断なく、空気中で安定した膜を得ることは難しいことであるかもしれない。高い残留磁気を得ながら、改良した相分離、低吸湿性、及び/又は改良された空気中での膜安定性を有した強誘電体ポリマーを準備することは望ましいことであるかもしれない。
特定の強誘電体ポリマーは、膜の均一性及び安定性を向上させた。例えば、P(VDF/TrFE)、PVDF、又はナイロン11のような強誘電体ポリマーは、PADFBよりも、空気中で安定であり、吸湿性を有さない。好適な実施形態によると、膜の均一性及び安定性を改良するために、PADFBは、例えば、異なる強誘電体ポリマーのように別の材料と混合されてもよい。
図3は、P(VDF/TrFE)及びPVDFの混合物の範囲に対する残留磁気を示している。このことは、PADFBはP(VDF/TrFE)に比べて高い残留磁気を有しているので、PADFBの濃度が高くなるに従い、残留磁気が増加することを示している。図3に示すように、残留磁気はPADFBの濃度が10%〜20%の間で飽和する傾向にある。
少なくとも20%の濃度までは、PADFB分子の多くは、空気中で安定したP(VDF/TrFE)分子によって取り囲まれる。この範囲内で、上記膜は、空気中で極めて安定であり、著しい水の吸収は観測されなかった。PADFBが、PVDFやナイロン11のような様々な強誘電体ポリマーと混合された場合、類似した効果が観測された。
PADFB及びP(VDF/TrFE)の混合物は、窒素ガスで充填されたグローブボックス内で、8wt%の脱水したP(VDF/TrFE)のペレットを脱水したDMFに溶解して、次いで、0.8wt%のPADFBを上記の溶液に溶解することによって生成されてもよい。上記の溶液は、中間生成物であってもよい。次いで、上記の溶液を、水の吸収を避けるためにグローブボックス内で、ガラス基板上にスピンコーティングして、150℃で3時間焼きなますことができる。大量生産のためには、代わりに、ロール状にした2つのシートの間で作動しているシート状の基板上で製造が行われるロールトゥロールプロセスが用いられてもよい。例えば、上述したように生成された10%のPADFBの濃縮した膜は、良好な残留磁気を示す。
記憶装置で高い残留磁気の強誘電体ポリマーを用いることで、装置は小型化されてもよく、又は同一の領域でより多くの情報が記録されることができる。図4a〜図4cは、様々な構造の記憶装置を図示している。図4aで示される構造は、トランジスタ400及び誘電体のように好適な実施形態にかかる強誘電体ポリマーを有するキャパシタ402から成る1T1C型と呼ばれる。トランジスタの閾値よりも十分に大きい、例えば、1.5Vの電圧をWLに加えることによって、トランジスタ400がオンにされながら、このメモリセルに情報を書き込むために、強誘電体材料の保磁力(coerciveness)より高い電界がBLとPLとの間に加えられる。BLとPLとの間の電界の分極に依存して、データ“0”又はデータ“1”が強誘電体層に記録される。読み込む操作で、適切な電界がWLに加えられる一方で、ある分極の電界がBL及びPLの間に加えられる。記録された分極が反転するならば、BL及びPLの間に変位電流が流れる。一方で、分極の反転が発生しないのならば、BL及びPLの間に変位電流は流れない。従って、変位電流を検出することによって、記録された情報は“0”又は“1”を有していると決定することができる。
図4bは、1T型のメモリセルの概略図である。1T型のメモリセルに対する書き込む操作は、1T1C型によるものと同じである。適切な電界をWLに加えことによって、トランジスタ406がオンにされながら、好適な実施形態にかかる強誘電体材料404の保磁力(coerciveness)より高い電界がBL及びPLの間に加えられる。セル内の記録された情報を読み込むために、保磁力(coerciveness)より小さい、ある大きさの電界が電界のBL及びPLの間に加えられながら、WLに例えば1.5Vの電圧が加えられる。BL及びPLの間の電流は、記録された分極の方向に依存して変わるので、記録された情報は“0”又は“1”を有していると決定することができる。
図4cは、いわゆるクロスポイント型(cross point type)メモリの構造を示している。それは、トップ電極408、ボトム電極410、及び好適な実施形態にかかる強誘電体層412から成る。トップ408及びボトム410の電極はマトリクスを形成して、強誘電体層412は、これらの電極によって間に挟まれる。一対のトップ408及びボトム410が選択されて、電圧が、例えば、30V加えられる場合、保磁力(coerciveness)を超える電界が対応するクロスポイントで発生する。このように、書く又は読むという操作が、1T1Cと同じ原理で実行される。
本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、当業者にとって明らかに本発明の範囲内にあるものについて、多くの変更例が可能である。
Claims (13)
- ポリアミノジフルオロボラン(PADFB)を含む、強誘電体膜。
- PADFBと混合された強誘電体ポリマーを更に含み、
前記強誘電体ポリマーは、PADFBとは異なる、請求項1に記載の強誘電体膜。 - 前記強誘電体ポリマーは、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリビニリデンフルオライドとトリフルオロエチレン(P(VDF/TrFE))との共重合体、及びポリウンデカンアミド(Nylon11)から成るグループから選択される、請求項1又は2に記載の強誘電体膜。
- 前記PADFBの濃度は、2wt%〜20wt%である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の強誘電体膜。
- 1又は2以上のキャパシタのようなメモリセルを備え、
各セルは、一対の電極、及び当該電極間に位置する請求項1〜4のいずれか1項に記載の強誘電体膜を有する、記憶装置。 - 1又は2以上の電界効果トランジスタ(FET)を備え、
各トランジスタは、請求項1〜4のいずれか1項に記載の強誘電体膜で形成されたゲート絶縁膜を有する、記憶装置。 - 前記電極の一つに電圧を加えるように構成されるスイッチングトランジスタ(switching transistor)を更に備える、請求項5に記載の記憶装置。
- 所定量のPADFBを溶剤と混合することを含む、強誘電体ポリマーの製造方法。
- 前記PADFB及び前記溶剤に、別の異なる強誘電体ポリマーを所定量混合することを更に含む、請求項8に記載の方法。
- 前記溶液で膜を形成することを更に含む、請求項8又は9に記載の方法。
- 前記膜を焼きなます(annealing)ことを更に含む、請求項10に記載の方法。
- ポリアミノジフルオロボラン(PADFB)及び溶剤を含有する、強誘電体溶液。
- 前記PADFB及び前記溶剤と混合された強誘電体ポリマーを更に含み、
前記強誘電体ポリマーは、PADFBとは異なる、請求項12に記載の強誘電体溶液。
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