JP2010135661A - 強誘電体及び記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】数ｎｍ程度のセルサイズを実現可能な強誘電体及び記憶装置を提供すること。
【解決手段】強誘電体２は、分子内で正に帯電された水素原子群（第一原子群）１５と負に帯電された酸素原子群（第二原子群）１６とが結合された水分子（極性分子）１７同士が、さらに水素原子群１５又は酸素原子群１６が一端２ａ又は他端２ｂに配されるよう一方向に交互に配列された５本の一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅを有するアイスナノチューブ１１Ａと、アイスナノチューブ１１Ａを内包するカーボンナノチューブ（ナノチューブ）１１Ｂと、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、強誘電体及び記憶装置に関する。

コンピュータの高速化要求、データ量の増加に伴い、より高密度、高速のメモリが求められている。また、携帯型情報機器の普及に伴い、より小型軽量で省電力な大容量データ記憶装置へのニーズが高まっている。そのため、メモリのセルサイズの縮小化が種々検討されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、従来型のフラッシュメモリのメモリセルの場合、微細化を進めるにつれて隣接するメモリセルの浮遊ゲート間の容量結合ノイズ等が大きくなってしまうことから、３０ｎｍでセルサイズの微細化限界となるといわれている。

そこで、次世代の強誘電体メモリとして、例えば、セルサイズが１０ｎｍ、２０ｎｍのＮＡＮＤ型強誘電体電界効果トランジスタの可能性について議論されている。ここで、強誘電体メモリのセルサイズは、配線の太さをＦとすると１５Ｆ^２となる。磁気記録方式では、１平方インチ当たり１Ｔｂｉｔ（セルサイズ２５ｎｍ相当）に向かっている。
特開２００８−２７７８２７号公報

しかしながら、上記メモリ構成であっても、セルサイズをさらに１０ｎｍ以下にするためには、構造的に様々な限界がある。本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、数ｎｍ程度のセルサイズを実現可能な強誘電体及び記憶装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る強誘電体は、分子内で正に帯電された第一原子群と負に帯電された第二原子群とが結合された極性分子同士が、さらに前記第一原子群又は前記第二原子群が一端又は他端に配されるよう一方向に交互に配列された少なくとも一つの一次元鎖と、前記一次元鎖を内包するナノチューブと、を備えていることを特徴とする。

この発明は、第一原子群が正電荷、第二原子群が負電荷を有するので、一次元鎖が電気双極子モーメントを備えることができ、一次元鎖の極性に応じた電気双極子モーメントを有することができる。また、ナノチューブ内に一次元鎖を閉じ込めることにより、一次元鎖の特性を好適に維持することができる。

また、本発明に係る強誘電体は、前記強誘電体であって、前記一次元鎖を３以上の奇数本備え、隣接する前記一次元鎖同士の電気双極子モーメントが互いに逆方向に向いていることを特徴とする。

この発明は、隣接する一次元鎖同士では電気双極子モーメントが打ち消しあうものの、全体では一次元鎖が一つ余る。この一次元鎖の電気双極子モーメントにて強誘電性を維持することができる。

また、本発明に係る強誘電体は、前記強誘電体であって、前記一次元鎖及び前記ナノチューブを冷却する冷却部を備え、前記第一原子群が水素原子、前記第二原子群が酸素原子、前記極性分子が水分子であることを特徴とする。

また、本発明に係る強誘電体は、前記強誘電体であって、前記ナノチューブが、炭素原子、又はボロン原子及び窒素原子が結合されてなることを特徴とする。

これらの発明は、安価な材料によって構成されるので、安定的に供給されることができる。

また、本発明に係る強誘電体は、前記強誘電体であって、複数の前記一次元鎖がチューブ状に連結されていることを特徴とする。

この発明は、各一次元鎖が電気双極子モーメントを備えることができ、一次元鎖の極性に応じた電気双極子モーメントを有することができる。

本発明に係る記憶装置は、本発明に係る強誘電体と、前記一次元鎖及び前記ナノチューブの一端と絶縁層を挟んで接続された半導体基板と、前記一次元鎖及び前記ナノチューブの他端に接続されたゲート電極と、前記絶縁層を挟んで前記基板に配されたソース電極及びドレイン電極と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、ゲート電極に電圧を印加した際、その大きさによって各一次元鎖の電気双極子モーメントの極性を１本ずつ反転させることができ、その際に１ビット単位での書き込みをすることができる。

また、本発明に係る記憶装置は、本発明に係る強誘電体と、前記一次元鎖及び前記ナノチューブと並行に配された絶縁基板と、前記一次元鎖及び前記ナノチューブの一端又は他端に接続されたソース電極と、前記一次元鎖及び前記ナノチューブの他端又は一端に接続されたドレイン電極と、前記絶縁基板に配されたゲート電極と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る記憶装置は、本発明に係る強誘電体と、前記一次元鎖及び前記ナノチューブの一端と接続されたソース電極と、前記一次元鎖及び前記ナノチューブの他端と接続されたドレイン電極と、を備えている。

これらの発明は、ソース電極及びドレイン電極間に電圧を印加した際、その大きさによって一次元鎖の電気双極子モーメントの極性を反転させることができ、反転の際に１ビット単位での書き込みをすることができる。

本発明によれば、数ｎｍ程度の大きさの強誘電体セルサイズを安定的に実現することができる。

本発明に係る第１の実施形態について図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係る誘電体メモリ（記憶装置）１は、図１に示すように、強誘電体２と、強誘電体２の一端２ａと絶縁層３を挟んで接続された半導体基板５と、強誘電体２の他端２ｂに接続されたゲート電極６と、絶縁層３を挟んで半導体基板５に配されたソース電極７及びドレイン電極８と、少なくとも強誘電体２を冷却する冷却部１０と、を備えている。

強誘電体２は、図２及び図３に示すように、水の多員環氷であるアイスナノチューブ１１Ａと、中心軸線Ｃを共有するようにアイスナノチューブ１１Ａを内包するカーボンナノチューブ（ナノチューブ）１１Ｂと、を有する一対のチューブ体１１を複数備えている。各チューブ体１１は、中心軸線Ｃが強誘電体２の一端２ａから他端２ｂに向かう方向に延びるとともに、互いに略平行となるように配されている。

アイスナノチューブ１１Ａは、例えば、特開２００６−１６２２４号公報に記載された方法によって製造される。このアイスナノチューブ１１Ａは、複数の５員環部１２と、５本の一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅと、を備えている。アイスナノチューブ１１Ａの外径は約０．５ｎｍ、各一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅにおける酸素原子群１６間の距離は、約０．３ｎｍとなっている。

５員環部１２は、分子内で正に帯電された水素原子群（第一原子群）１５と、負に帯電された酸素原子群（第二原子群）１６と、が結合されてなる水分子（極性分子）１７同士がさらに水素結合されて構成されている。

各一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅは、水素原子群１５と酸素原子群１６とが一方向に交互に配列されて、５員環部１２を繋ぎながら中心軸線Ｃ方向に延びるように形成されている。ここで、一次元鎖１３Ａ，１３Ｃ，１３Ｅは、強誘電体２の一端２ａが水素原子群１５となるように配列されている。一方、一次元鎖１３Ｂ，１３Ｄは、強誘電体２の他端２ｂが水素原子群１５となるように配列されている。すなわち、隣接する一次元鎖同士で電気双極子モーメントが互いに逆方向に向いている。そのため、電界のない状態では、余った１本の一次元鎖の影響によって強誘電性が維持されている。

アイスナノチューブ１１Ａは、図４に示すように、外部電界の大きさ及び方向によって、各一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅにおける電気双極子モーメントの向きがＡ〜Ｅの間で変化する。すなわち、外部電界の大きさ及び方向に応じて、一次元鎖の極性が１本ずつ反転していく。この際、周囲の温度が低いほど、各一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅの極性反転に要する電界の大きさが大きくなる。そのため、周囲の温度が上昇するにつれて僅かな電界の変化で極性が反転する。

カーボンナノチューブ１１Ｂは、炭素原子１８が結合されてなる半導体型で、外径は１．５ｎｍとなっている。すなわち、セルサイズが１．５ｎｍ（記録密度が２．８×１０^１４／ｉｎ^２＝２８０Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２相当）となっている。

ゲート電極６、ソース電極７及びドレイン電極８については、公知の電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）型である、ゲート積層構造となるように配されている。

冷却部１０は、熱揺らぎにより一次元鎖の電気双極子モーメントが反転しないように、少なくとも強誘電体２の温度を２００Ｋ以下に維持するように配されている。

次に、本実施形態に係る誘電体メモリ１の作用について説明する。
誘電体メモリ１に書き込む際には、まず、冷却部１０による強誘電体２の冷却を一時停止する。そして、ゲート電極６にしきい値電圧以上の電圧を印加する。これにより、強誘電体２が分極され、電界効果トランジスタとしての導通または非導通状態が制御される。なお、過電流を流して強誘電体２を所定温度まで上昇させてから上記電圧を印加してもよい。この際、図示しない加熱部により強誘電体２を温度上昇させてもよい。また、冷却状態を維持したまま、しきい値電圧以上の高電圧を印加してもよい。

このとき、５つの一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅのうち、例えば、一次元鎖１３Ｂ，１３Ｄについてはゲート電圧の大きさに応じて、図４に示すように順次分極反転が生じる。この一次元鎖１本の分極反転によって１ビット分の書き込みが行われる。この状態でゲート電極６からの電圧印加を停止しても、各一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅの極性が保持される。ゲート電極６への電圧印加を停止して書き込み終了後は、冷却部１０により強誘電体２を所定温度に冷却して熱揺らぎによる分極反転を抑えておく。

この誘電体メモリ１及び強誘電体２によれば、水素原子群１５が正電荷、酸素原子群１６が負電荷を有するので、各一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅが電気双極子モーメントを備えることができ、水分子１７が結合してなるアイスナノチューブ１１Ａ全体で、大きな電気双極子モーメントを有することができる。また、カーボンナノチューブ１１Ｂ内にアイスナノチューブ１１Ａが閉じ込められることにより、アイスナノチューブ１１Ａの特性を好適に維持することができる。

したがって、この強誘電体２を備えることにより、誘電体メモリ１の限界セルサイズをカーボンナノチューブ１１Ｂの外径によって決定されるようにすることができ、また、軸方向には水分子数個分、すなわち１ｎｍ程度の長さにすることができ、数ｎｍのメモリセルサイズを実現することができる。

特に、アイスナノチューブ１１Ａが５員環氷なので、余った一次元鎖１本分の電気双極子によって強誘電性が維持され、この極性変化をメモリとして利用することができる。

また、アイスナノチューブ１１Ａが水分子１７、及びカーボンナノチューブ１１Ｂが炭素原子１８といった、安価な材料によって構成されるので、安定的に供給されることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について、図５を参照して説明する。
本実施形態に係る誘電体メモリ２０と、第１の実施形態に係る誘電体メモリ１との違いは、本実施形態に係る誘電体メモリ２０のカーボンナノチューブ１１Ｂが、半導体基板の機能も兼ねたものであるとした点である。

すなわち、誘電体メモリ２０は、強誘電体２と、強誘電体２と並行に配された絶縁基板２１と、強誘電体２の一端２ａと接続されたソース電極２２と、強誘電体２の他端２ｂと接続されたドレイン電極２３と、カーボンナノチューブ１１Ｂの側面に接続されたゲート電極２５と、を備えている。強誘電体２の周囲には図示しない冷却部が配されている。なお、図６に示すように、カーボンナノチューブ１１Ｂをさらにキャパシタ又は非対称電流素子として機能させた誘電体メモリ３０でもよい。

この誘電体メモリ２０の作用について説明する。
この誘電体メモリ２０に書き込む際には、冷却部１０による冷却を一時停止する。そして、ソース電極２２及びドレイン電極２３間にしきい値電圧以上の電圧を印加する。これにより中心軸線Ｃ方向に分極Ｐを発生させる。一方、読み取り時には、一次元鎖の分極が壊れない程度のバイアス電圧をゲート電極２５に印加し、ソース電極２２及びドレイン電極２３間の電流を読む。

このとき、５つの一次元鎖１３Ａ〜１３Ｅのうち、例えば、一次元鎖１３Ｂ，１３Ｄについてはソース〜ドレイン電圧の大きさに応じて、１本ずつ順次分極反転が生じる。この一次元鎖１本の分極反転の際に１ビット分の書き込みが行われる。

この誘電体メモリ２０及び強誘電体２においても、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態に係るアイスナノチューブ１１Ａは５員環氷としているが、これに限らず、図７（ａ）に示すように、７つの水分子が結合された７員環部４１を有するアイスナノチューブ４０でも構わない。この場合、７つの一次元鎖４２Ａ〜４２Ｇをさらに備える。このアイスナノチューブ４０の外径は約０．６５ｎｍ、一次元鎖４２Ａ〜４２Ｇにおける酸素原子群１６間の距離は、約０．３ｎｍとなっている。

また、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、偶数個の水分子が結合された６員環氷のアイスナノチューブ５０及び８員環氷のアイスナノチューブ６０であっても構わない。このような偶数員環氷の場合、通常は、隣接する一次元鎖同士によって極性が打ち消しあうため、チューブ体全体としては電気双極子をもたない。

しかし、図４に示すように、アイスナノチューブ５０，６０は、電界の大きさ及び方向に応じて一次元鎖の極性方向が変化するとともに、低温では電界がなくなった状態でも極性が保持される特性を有する。そのため、偶数員環氷であっても強誘電体として使用することができる。

さらに、上記実施形態では、アイスナノチューブの周囲にカーボンナノチューブ１１Ｂが配されているとしているが、ボロン原子及び窒素原子が交互に結合されてなるＢＮナノチューブでも構わない。また、水分子１７は１分子当たり１．８デバイ（６．１９×１０^−３０Ｃ・ｍ）の永久双極子モーメントを有するが、水分子１７の代わりに、１×１０^−３０Ｃ・ｍ以上の電気双極子をもつ分子、例えば、エタノール、ニトロベンゼン、アセトン、エーテル、酢酸、などでもよい。

本発明の第１の実施形態に係る誘電体メモリを示す構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る強誘電体を構成するチューブ体における分子又は原子の結合状態を示す（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る強誘電体を構成するチューブ体を示す（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る強誘電体のアイスナノチューブにおける電界に応じた極性変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る誘電体メモリを示す構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る誘電体メモリの変形例を示す構成図である。 本発明の第１及び第２の実施形態に係る強誘電体における（ａ）７員環氷、（ｂ）６員環氷、（ｃ）８員環氷のアイスナノチューブにおける水分子の結合状態を示す斜視図である。

符号の説明

１，２０，３０ 誘電体メモリ（記憶装置）
２ 強誘電体
３ 絶縁層
５ 半導体基板
６，２５ ゲート電極
７，２２ ソース電極
８，２３ ドレイン電極
１１Ｂ カーボンナノチューブ（ナノチューブ）
１３Ａ〜１３Ｅ，４２Ａ〜４２Ｇ 一次元鎖
１５ 水素原子（第一原子群）
１６ 酸素原子（第二原子群）
１７ 水分子（極性分子）
１８ 炭素原子
２１ 絶縁基板

Claims (8)

1. 分子内で正に帯電された第一原子群と負に帯電された第二原子群とが結合された極性分子同士が、さらに前記第一原子群又は前記第二原子群が一端又は他端に配されるよう一方向に交互に配列された少なくとも一つの一次元鎖と、
   前記一次元鎖を内包するナノチューブと、
   を備えていることを特徴とする強誘電体。
2. 前記一次元鎖を３以上の奇数本備え、
   隣接する前記一次元鎖同士の電気双極子モーメントが互いに逆方向に向いていることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体。
3. 前記一次元鎖及び前記ナノチューブを冷却する冷却部を備え、
   前記第一原子群が水素原子、前記第二原子群が酸素原子、前記極性分子が水分子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の強誘電体。
4. 前記ナノチューブが、炭素原子、又はボロン原子及び窒素原子が結合されてなることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の強誘電体。
5. 複数の前記一次元鎖がチューブ状に連結されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の強誘電体。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載の強誘電体と、
   前記一次元鎖及び前記ナノチューブの一端と絶縁層を挟んで接続された半導体基板と、
   前記一次元鎖及び前記ナノチューブの他端に接続されたゲート電極と、
   前記絶縁層を挟んで前記基板に配されたソース電極及びドレイン電極と、
   を備えていることを特徴とする記憶装置。
7. 請求項１から５の何れか一つに記載の強誘電体と、
   前記一次元鎖及び前記ナノチューブと並行に配された絶縁基板と、
   前記一次元鎖及び前記ナノチューブの一端又は他端に接続されたソース電極と、
   前記一次元鎖及び前記ナノチューブの他端又は一端に接続されたドレイン電極と、
   前記絶縁基板に配されたゲート電極と、
   を備えていることを特徴とする記憶装置。
8. 請求項１から５の何れか一つに記載の強誘電体と、
   前記一次元鎖及び前記ナノチューブの一端と接続されたソース電極と、
   前記一次元鎖及び前記ナノチューブの他端と接続されたドレイン電極と、
   を備えていることを特徴とする記憶装置。
   

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