JP4102345B2 - 強誘電膜を含む記録媒体、それを用いた不揮発性メモリ素子、および、その不揮発性メモリ素子のデータ記録／再生方法 - Google Patents

Description

本発明は記録媒体とそれを含むメモリ素子、このメモリ素子のデータ書込み／読出し方法に係り、さらに詳細には強誘電膜を含む記録媒体、それを用いた不揮発性メモリ素子、および、その不揮発性メモリ素子のデータ記録／再生方法に関する。

携帯用通信機、電子手帳など小型電子製品に対する需要が増加するにつれて超小型高集積不揮発性メモリ素子の必要性が増大している。しかし、既存のデータ保存媒体のハードディスクは、サイズの縮小に限界があって小型化が難しい。また、フラッシュメモリは、ハードディスクの代替になりうるが、フラッシュメモリの集積度を現実的に高めることは難しい。したがって、新たな超小型高集積度不揮発性メモリ素子の必要性が高まっている。このような中で、新しい超小型高集積度不揮発性メモリ素子として、走査探針（以下、探針という）を利用したメモリ素子に関心が高まっている。
データの再生に探針を利用する超小型高集積メモリ素子の場合、強誘電膜、強磁性膜、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などがデータの記録媒体として検討されている。

前記した記録媒体に記録されたデータは、静電気力、電磁気力、圧電力のような探針に作用する力を感知する方法または電気伝導度の差あるいは熱伝導度の差のような記録媒体の電気的な特性変化を感知する方法を利用して再生できる。
このうち、圧電力を利用して強誘電膜のドメイン分極状態を感知するメモリ素子は、ロックイン増幅器を使用するため小型化が難しい。

前記した記録媒体にデータを書き込む方法としては、探針を利用して強誘電膜のドメインあるいは強磁性膜のドメインを反転させる方法、記録媒体のデータが記録される領域に熱を加えてこの領域を相転移、またはこの領域を損傷させる方法などがある。

このデータが記録される領域に熱を加えて相転移、または損傷させる方法は、書き込み速度が遅く、読出し／書込みを反復し難いという短所がある。

また、前記した方法を組み合わせた超小型高集積メモリ素子も提案されている。これらメモリ素子は、探針を記録媒体と接触させる場合と接触させない場合とに区分できる。

探針と記録媒体とが接触しない状態でデータを再生する場合、探針と記録媒体との間の距離を一定に維持するために、別途フィードバック回路が必要となる。したがって、携帯に適するようにメモリ素子を小型化させることは実質的に難しくなる。

一方、探針を記録媒体と接触させる場合、探針および記録媒体の摩耗、特に記録媒体の摩耗が問題となり、探針を支持するカンチレバーの共鳴周波数（通常、１ＭＨｚ以下）によってデータの再生速度が制限されてしまう。

本発明が解決しようとする技術的課題は、前記した従来の技術の問題点を改善し、メモリ素子の小型化に適し、記録媒体の摩耗を防止しつつ再生速度を向上できる不揮発性メモリ素子に使われる記録媒体を提供することである。

また、本発明が解決しようとする他の技術的課題は、この記録媒体を用いた不揮発性メモリ素子を提供することである。

また、本発明が解決しようとするさらに他の技術的課題は、前記した不揮発性メモリ素子の記録媒体にデータを記録する方法を提供することである。

さらに、本発明が解決しようとする他の技術的課題は、前記した不揮発性メモリ素子の記録媒体からデータを再生する方法を提供することである。

前記した課題を達成するために本発明は、下部電極、この下部電極上に形成され、データが記録される強誘電膜、この強誘電膜上に形成された障壁層およびこの障壁層上に形成された半導体層を含むことを特徴とする不揮発性メモリ素子に用いる記録媒体を提供する。
この強誘電膜には、ＰＺＴ膜、ＳＴＯ膜、ＢＴＯ膜またはＰＴＯ膜のいずれかを用いることができる。また、障壁層には、所定厚さのイットリウム酸化膜またはアルミニウム酸化膜を用いることができる。さらに、半導体層は、探針部分の金属とショットキー接合してもよい。

前記した他の課題を達成するために本発明は、データが記録される記録媒体とこの記録媒体に／からデータを記録／再生するために使われる探針とを備える不揮発性メモリ素子において、この記録媒体が、下部電極と、この下部電極上に形成されており、データが記録される強誘電膜と、この強誘電膜上に形成された障壁層と、この障壁層上に形成された半導体層とを含むことを特徴とする不揮発性メモリ素子を提供する。
このとき、強誘電膜、障壁層および半導体層には、前記の物質を用いることができる。また、探針には、半導体層とショットキー接合する金属を用いることができる。

さらに、前記した他の課題を達成するために本発明は、下部電極、強誘電膜、障壁層および半導体層が順次に積層された記録媒体と、この記録媒体に／からデータを記録／再生するために使われる探針とを備える不揮発性メモリ素子のデータ記録方法において、この探針を半導体層の表面に接触させつつ、下部電極および探針に記録電圧を印加することを特徴とする不揮発性メモリ素子のデータ記録方法を提供する。
このとき、強誘電膜、障壁層、半導体層および探針には、前記の物質を用いることができる。

また、本発明は、前記した他の課題を達成するために、下部電極、強誘電膜、障壁層および半導体層が順次に積層された記録媒体と、この記録媒体に／からデータを記録／再生するために使われる探針とを備える不揮発性メモリ素子のデータ再生方法において、この探針を半導体層の表面に接触させつつ、探針と半導体層との間に再生電圧を印加する第１段階と、探針と半導体層との間の電流または抵抗を測定して強誘電膜の残留分極状態を判別する第２段階とを含むことを特徴とする不揮発性メモリ素子のデータ再生方法を提供する。
このとき、強誘電膜、障壁層および半導体層には、前記の物質を用いることができる。

また、この第１段階は、探針と半導体層との間に相異なる第１再生電圧および第２再生電圧を順次に印加する段階を含むこともできる。
さらに、この第２段階は、この第１再生電圧に起因した探針と半導体層との間の第１電流または第１抵抗を測定する段階と、この第２再生電圧に起因した探針と半導体層との間の第２電流または第２抵抗を測定する段階と、第１電流と第２電流または第１抵抗と第２抵抗との差を求めて強誘電膜の残留分極の状態を判別する段階とを含むこともできる。そして、この探針は、半導体層とショットキー接合する金属を用いることができる。

本発明による記録媒体は、データが保存される強誘電膜を中心として上下側にそれぞれ半導体層と下部電極とを備え、さらに、半導体層と強誘電膜との間に障壁層を備える。これにより、強誘電膜に／からデータを記録／再生するときに、探針と強誘電膜とは直接接触していない。したがって、強誘電膜の摩耗を防止することができる。

また、本発明による不揮発性メモリ素子は、図１４に示したように、単純に半導体層１６と探針２０との間に再生電圧を印加して強誘電膜１２に記録されたデータを再生するため、従来技術と比べて非常に簡単である。したがって、本発明による不揮発性メモリ素子およびそのデータ再生方法を利用すれば、データの高密度記録性能を維持しつつデータの再生速度をさらに速くすることができる。

また、データの再生／記録において、別途の付加装置が不要であるため、本発明による不揮発性メモリ素子は小型化することができる。

以下、本発明の実施形態による強誘電膜を含む記録媒体、これを含む不揮発性メモリ素子、このような不揮発性メモリ素子のデータ記録／再生方法を添付した図面を参照して詳細に説明する。この過程において、各図面に示された層や領域の厚さなどは、説明のために誇張して示してある。

はじめに、本発明の実施形態による不揮発性メモリ装置の強誘電膜を含む記録媒体（以下、記録媒体という）について説明する。

図１を参照して、本実施形態の記録媒体は、データを記録するときに所定の電圧が印加される下部電極１０、データが記録される強誘電膜１２、および強誘電膜１２に記録されたデータを再生するときに所定の電圧が印加される第１半導体層１６を備え、さらに強誘電膜１２と第１半導体層１６との間に障壁層１４を備える。
障壁層１４は、この記録媒体の製造過程で第１半導体層１６と強誘電膜１２との反応を防止しつつ、ゲート酸化膜の役割を行うためのものである。強誘電膜１２は、膜に垂直な方向の分極特性の優秀な物質を用いることができる。また、強誘電膜１２は、電圧が印加されたときに、分極量が第１分極量を有する第１強誘電膜または分極量が第１分極量より大きい第２分極量を有する第２強誘電膜を用いることができる。強誘電膜１２の分極量の違いにより、強誘電膜１２が強誘電膜１２上に配置された第１半導体層１６の電流−電圧特性に及ぼす影響が変わるが、これについては後記する。

また、第１強誘電膜および第２強誘電膜は、同じ物質または相異なる物質を用いることができる。第１強誘電膜および第２強誘電膜が同じ物質である場合には、その厚さを変えることでそれぞれの分極量を調製できるが、厚さが同じである場合でも製造工程の条件を変えることでそれぞれの分極量を調製することもできる。
例えば、第１強誘電膜および第２強誘電膜が同じ厚さのＰＺＴ膜である場合、第１強誘電膜は、Ｔｉに対するＺｒの比が大きい組成条件下で形成し、第２強誘電膜は、Ｔｉに対するＺｒの比が小さい組成条件下で形成する。これにより、第１強誘電膜および第２強誘電膜の分極量を異なる値とすることができる。
また、第１強誘電膜がＰＺＴ膜である場合、その分極量により図３に示した程度の空乏層１５を形成し、第２強誘電膜がＰＺＴ膜である場合、その分極量により図５に示した程度の過密層１７を形成する。

このような強誘電膜１２は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ₃）膜を用いることが望ましいが、その他の強誘電膜、例えば、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ₃）膜、ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ₃）膜またはＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ₃）のいずれかを用いることもできる。強誘電膜１２は、薄膜、厚膜あるいはバルク状態であってもよい。
障壁層１４は、１００ｎｍより薄いイットリウム酸化膜またはアルミニウム酸化膜を用いることができる。しかし、第１半導体層１６と強誘電膜１２との反応を防止しつつ強誘電膜１２の分極特性とこの分極特性による第１半導体層１６の抵抗特性あるいは電流特性とに影響を与えない物質層であれば、これらに限定することなく障壁層１４として用いることができる。
上部電極として使われる第１半導体層１６は、ｎ型シリコン層が望ましいが、探針とショットキー接合する半導体層を用いることができる。なお、第１半導体層１６の表面は、図２および図１４に示したようにデータを記録および再生するときに、探針２０と接触する。

次に、図２を参照して図１に示された記録媒体にデータを記録する方法について説明する。
図２に示したように、本実施形態の記録媒体へのデータの記録には第１半導体層１６と接触する探針２０が使われる。探針２０は、第１半導体層１６の表面と接触する第１部分２０ａと第１部分２０ａを支持する第２部分２０ｂとを含む。第１部分２０ａは、白金よりなることが望ましいが、第１半導体層１６とショットキー接合できる金属であれば、何れであっても良い。例えば、第１部分２０ａに、金を用いることもできる。
また、第２部分２０ｂは、シリコンまたはシリコン窒化膜が用いられる。

このような探針２０を利用して本実施形態の記録媒体にデータを記録する具体的な過程は、次の通りである。
まず、探針２０を第１半導体層１６の表面に接触させつつ探針２０と下部電極１０との間に電圧を印加する。このような電圧印加によって探針２０と下部電極１０との間に下部電極１０に向かう電場Ｅが発生する。探針２０が接触する先端は尖っているので、電場Ｅは探針２０の下側に集中する。このような電場Ｅによって強誘電膜１２の所定領域にドメインＤが形成される。図中のＰで示した方向は、ドメインＤの残留分極の方向を表す。残留分極の方向Ｐは、探針２０と下部電極１０とに印加される電圧によって逆にすることができる。
この残留分極の方向Ｐによって強誘電膜１２に記録されるデータの種類を変えることができる。例えば、残留分極の方向Ｐが図２に示したように探針２０に向かう場合をデータ“１”が記録されたと見なすことができ、逆に、残留分極の方向Ｐが下部電極１０に向かう場合をデータ“０”が記録されたと見なすことができる。もちろん、その反対と見なしてもよい。

一方、図２に示したデータ記録過程において、強誘電膜１２が前記した第１分極量を有する第１強誘電膜か、分極量が第１分極量より大きい第２分極量を有する第２強誘電膜かによって探針２０と接触する第１半導体層１６のエネルギー準位が変わり、また、強誘電膜１２の分極方向によっても第１半導体層１６のエネルギー準位が変わる。
このように、記録媒体からデータを再生する過程で、第１半導体層１６の電流−電圧特性は、強誘電膜１２の分極量と分極方向とによって変わる。

具体的に、図３および図４に示したように、下部電極１０と障壁層１４との間に第１分極量を有する第１強誘電膜１２ａが配置される場合、第１強誘電膜１２ａの分極方向によって第１半導体層１６に現れる空乏層１５，１５ａの幅が変わる。
図３および図４を比較すると、図３に示した第１強誘電膜１２ａの分極方向が障壁層１４側に向かうときの空乏層１５の幅よりも、図４に示した分極方向が下部電極１０側に向かうときの空乏層１５ａの幅の方が広いことが分かる。これは、すなわち第１強誘電膜１２ａの分極方向が下部電極１０側に向かうときに、第１半導体層１６の抵抗が高まることを意味する。第１半導体層１６の伝導帯エネルギー準位“Ｅ_C”の変化もこのような結果を反映する。すなわち、図３および図４に示された第１半導体層１６の伝導帯エネルギー準位“Ｅ_C”を比較すると、図３に示した第１強誘電膜１２ａの分極方向が障壁層１４側に向かうときよりも、図４に示した下部電極１０側に向かうときの方が、伝導帯エネルギー準位“Ｅ_C”が高いことが分かる。
なお、図３および図４において、“Ｅ_F”および“Ｅ_V”はそれぞれ第１半導体層１６のフェルミ準位と価電子バンドの変化とを表す。

また、図５および図６に示したように、下部電極１０と障壁層１４との間に第２分極量を有する第２強誘電膜１２ｂが配置される場合、同様に第２強誘電膜１２ｂの分極方向によって第１半導体層１６の特性は変わる。
すなわち、図５に示したように、第２強誘電膜１２ｂの分極方向が障壁層１４側に向かう場合、大きな分極量によって第１半導体層１６に過密層１７が形成される。第１半導体層１６の伝導帯エネルギー準位“Ｅ_C”の変化を参照すると、このような過密層１７によって第１半導体層１６の抵抗は低くなるが、第１半導体層１６と探針２０との間のポテンシャル障壁は高まることが分かる。
これにより、第２強誘電膜１２ｂが配置され、その分極方向が障壁層１４側に向かう記録媒体からデータを再生するとき、この記録媒体の電流−電圧特性、すなわち第１半導体層１６と探針２０との間の電流−電圧特性は、図７に示した第１グラフＧ１から第２グラフＧ２に移動する。

一方、図６に示したように、第２強誘電膜１２ｂの分極方向が下部電極１０側に向かう場合、大きな分極量によって第１半導体層１６に広い空乏層１７ａが形成される。第１半導体層１６の伝導帯エネルギー準位“Ｅ_C’”を参照すると、このような空乏層１７ａによって第２強誘電膜１２ｂの分極方向が障壁層１４側に向かうときよりも、第１半導体層１６の抵抗は高まるが、第１半導体層１６と探針２０との間のポテンシャル障壁は低くなることが分かる。
これにより、第２強誘電膜１２ｂが配置され、その分極方向が下部電極１０側に向かう記録媒体からデータを再生するとき、この記録媒体の電流−電圧特性は、図７に示した第２グラフＧ２から第３グラフＧ３に移動する。

図７の第２グラフＧ２と第３グラフＧ３とを比較すると、第２強誘電膜１２ｂの分極方向が下部電極１０側に向かうとき、第１半導体層１６と探針２０（または第１半導体層１６とショットキー接合できる金属層）との間に流れる電流は、電圧の増加に比例して増加し、第２強誘電膜１２ｂの分極方向が障壁層１４側に向かうときに流れる電流は電圧によって急増することが分かる。これは、すなわち抵抗およびポテンシャル障壁の変化を意味する。
前記したように、図１に示した記録媒体の強誘電膜１２の分極量の大小と分極方向とによって記録媒体の探針２０と接触した第１半導体層１６の電流−電圧特性、すなわち抵抗特性が変わるので、これを利用して図１に示した記録媒体からデータを再生できる。
図１に示した記録媒体からデータを再生する過程は、すなわち、記録媒体の第１半導体層１６と探針２０との間の電流−電圧特性（抵抗特性）を測定する過程である。

本発明の発明者（以下、本発明者）は、記録媒体の第１半導体層１６と探針２０との間の電流−電圧特性（抵抗特性）を測定する過程を具現化するために、図１に示した記録媒体にデータが記録されたものと同等な記録媒体（以下、等価記録媒体という）を作り、この等価記録媒体の電流−電圧特性を測定した。
この等価記録媒体の構成を図８に示す。
図８を参照すると、等価記録媒体は、ゲート電圧Ｖｇが印加される半導体基板３０を含み、この半導体基板３０上に絶縁膜３２を備え、さらに、この絶縁膜３２上に第２半導体層３４を備える。

本発明者は、半導体基板３０として導電性不純物がドーピングされたシリコン基板を使用し、絶縁膜３２としてはシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）を使用した。そして、第２半導体層３４としてｎ型シリコン層を使用した。

一方、図２に示したように、記録媒体にデータが記録された場合、強誘電膜１２のドメインＤに残留分極が存在する。したがって、第１半導体層１６の障壁層１４と接触する面（以下、接触面という）に残留分極に起因した電荷分布が形成される。例えば、残留分極の方向Ｐが探針２０側に向かう場合、第１半導体層１６の接触面に負（−）の電荷が形成され、残留分極の方向Ｐが下部電極１０側に向かう場合、第１半導体層１６の接触面に正（＋）の電荷が形成される。

本発明者は、強誘電膜１２が第１分極量の第１強誘電膜１２ａを有する記録媒体（以下、第１記録媒体）または強誘電膜１２が第２分極量の第２強誘電膜１２ｂを有する記録媒体（以下、第２記録媒体）と同等な状態となるように等価記録媒体を調整するために、半導体基板３０にゲート電圧Ｖｇを印加した。

まず、等価記録媒体が第１記録媒体と同等な状態に調整した場合について説明する。
半導体基板３０に正（＋）のゲート電圧Ｖｇ、例えば＋２Ｖが印加される場合（以下、第１ケースという）、第２半導体層３４の絶縁膜３２と接触する面に負（−）の電荷が誘導される。したがって、第１ケースにおいて第２半導体層３４の状態は、図２に示した記録媒体で強誘電膜１２のドメインＤに探針２０に向かう残留分極が存在するときの第１半導体層１６の状態と同等になる。したがって、第１ケースで第２半導体層３４のエネルギー準位の変化は、図３に示した第１半導体層１６のエネルギー準位（Ｅ_CまたはＥ_V）の変化と同じ傾向を示す。
また、半導体基板３０に負（−）のゲート電圧Ｖｇ、例えば−２Ｖが印加される場合（以下、第２ケースという）、第２半導体層３４の絶縁膜３２と接触する面に正（＋）の電荷が誘導される。したがって、第２ケースにおいて第２半導体層３４の状態は、図２に示した記録媒体で強誘電膜１２のドメインＤに下部電極１０に向かう残留分極が存在するときの第１半導体層１６の状態と同等になる。したがって、第２ケースで第２半導体層３４のエネルギー準位の変化は、図４に示した第１半導体層１６のエネルギー準位Ｅ_CまたはＥ_Vの変化と同じ傾向を示す。

本発明者は、第１ケースおよび第２ケースにおいて、探針２０と絶縁膜３２との間の第２半導体層３４に流れる電流を測定するために、探針２０を第２半導体層３４の表面に接触し、半導体基板３０に第１ケースまたは第２ケースによるゲート電圧Ｖｇを印加した状態で第２半導体層３４と探針２０とに所定のセンシング電圧Ｖを印加した。

図９は、等価記録媒体が、第１強誘電膜１２ａを備えた記録媒体と等価であるときの、等価記録媒体に対して測定した電圧−電流特性、すなわち第２半導体層３４の電圧−電流特性を表す。
図９において、Ｇ５は第１ケースで測定した結果を示す第５グラフであり、Ｇ６は第２ケースで測定した結果を示す第６グラフである。そして、Ｇ４は半導体基板３０にゲート電圧Ｖｇを印加しなかった場合を示す基準グラフとなる第４グラフである。
図９の第５グラフＧ５および第６グラフＧ６を参照すると、第２半導体層３４に印加するセンシング電圧Ｖが増加するにつれて、第１ケースおよび第２ケースで探針２０と第２半導体層３４との間に流れる電流も増加することが分かる。

しかし、第２半導体層３４に流れる電流の増加する量は、第１ケースと第２ケースとにおいて相異なるものとなった。例えば、探針２０と第２半導体層３４とにセンシング電圧“Ｖ_S”を印加したとき、第１ケースで第２半導体層３４に第２電流Ｉ₂が流れ、第２ケースで第２半導体層３４に第２電流Ｉ₂より過度に少ない第１電流Ｉ₁が流れた。

第１ケースおよび第２ケースと等価である図３および図４に示した記録媒体の第１半導体層１６に形成される空乏層１５，１５ａの比較を通じて、第２ケースで第２半導体層３４に形成される空乏層の広さは第１ケースで第２半導体層３４に形成される空乏層より過度に広いため、第２電流Ｉ₂が第１電流Ｉ₁より過度に大きいことは当然の結果である。
このように第１ケースおよび第２ケースにおける第１電流Ｉ₁および第２電流Ｉ₂の値の差が大きいので、第２半導体層３４から電流を測定する場合、電流の測定値が第１ケースまたは第２ケースのいずれかで測定されたかを容易に判別できる。
すなわち、半導体基板３０にゲート電圧Ｖｇを印加する代わりに、第２半導体層３４下に強誘電膜１２を備えた場合、第２半導体層３４に流れる電流を測定してこの強誘電膜１２の残留分極方向（強誘電膜１２に記録されたデータ値）Ｐが分かる。

また、第１ケースまたは第２ケースによって第２半導体層３４に流れる電流に大きい差が出るということは、第１ケースまたは第２ケースで第２半導体層３４の抵抗にも大きい差が出るということを意味する。したがって、第２半導体層３４からセンシング電圧“Ｖｓ”での抵抗を測定する場合も、抵抗の測定値が第１ケースまたは第２ケースのいずれかで測定されたかを容易に判別できる。
図２に示した記録媒体と図８に示した等価記録媒体とは等価であるので、第２半導体層３４に対する測定結果は、図２に示した記録媒体の第１半導体層１６にもそのまま適用することができる。

図１０は、図９に示した結果に対する実験例であって、前記した等価記録媒体の半導体基板３０に印加されるゲート電圧Ｖｇを＋２Ｖ、０Ｖまたは−２Ｖに固定した状態で、第２半導体層３４に印加されるセンシング電圧Ｖを増加させたときの第２半導体層３４に流れる電流変化を表す。
図１０において、Ｇ７はゲート電圧Ｖｇを−２Ｖに固定したときの第２半導体層３４に流れる電流変化を示す第７グラフを表し、Ｇ８はゲート電圧Ｖｇを０Ｖに固定したときの電流変化を示す第８グラフを表す。そして、Ｇ９はゲート電圧Ｖｇを＋２Ｖに固定したときの電流変化を示す第９グラフを表す。
図１０の第７ないし第９グラフＧ７，Ｇ８，Ｇ９を比較すると、第２半導体層３４に印加されるセンシング電圧Ｖが増加するにつれて第７ないし第９グラフＧ７，Ｇ８，Ｇ９何れも増加状態を保持することが分かる。しかし、第２半導体層３４に印加されるセンシング電圧Ｖが２Ｖを超過すると、第７グラフＧ７と第９グラフＧ９との間が大きく離隔されることが分かる。このような結果は、図９で予測された結果と正確に一致する。

図１１は、強誘電膜１２のドメインの残留分極方向によって強誘電膜１２の下側に位置した伝導性酸化膜層、例えば下部電極１０の抵抗変化を表す。
図１１において、Ｄａ、ＤｂおよびＤｃは、それぞれ強誘電膜１２の第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃを表す。第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃは隣接している。そして、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃの残留分極を表す。また、参照図形“＋”と“−”とはそれぞれ残留分極Ａ，Ｂ，Ｃの方向を表す。＋は残留分極Ａ，Ｂ，Ｃが下方に配列されたことを表し、−は残留分極Ａ，Ｂ，Ｃが上方に配列されたことを表す。例えば、図面の下側に示されたように、第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃが何れも＋である場合は、第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃの残留分極方向が何れも下方に配列されたことを表す。

一方、Ｓ１ないしＳ３はそれぞれ第１ないし第３シフトを表す。
第１シフトＳ１は、第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃの残留分極Ａ，Ｂ，Ｃの方向が何れも“＋”である状態で、第１ドメインＤａの残留分極Ａの方向だけ“−”にシフトされる場合である。
第２シフトＳ２は、第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃの残留分極Ａ，Ｂ，Ｃの方向がそれぞれ“−”、“−”および“＋”である状態で第２ドメインＤｂの残留分極Ｂの方向だけが“＋”にシフトされる場合である。
第３シフトＳ３は、第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃのうち第１ドメインＤａおよび第３ドメインＤｃの残留分極Ａ，Ｃの方向が固定された状態で第２ドメインＤｂの残留分極Ｂの方向だけが、“＋”から“−”またはその逆にシフトされる場合である。

図１１を参照すれば、第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃの残留分極Ａ，Ｂ，Ｃの方向がすべて＋である場合（以下、第３ケースという）、強誘電膜１２の下側に位置した、第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃに対応する前記伝導性酸化膜の抵抗が最も低く、残留分極Ａ，Ｂ，Ｃの方向がすべて−である場合（以下、第４ケースという）、前記伝導性酸化膜の抵抗は最も高い。そして、第３ケースで第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃのうち何れか一つの残留分極方向が逆方向にシフトされるとき、第１半導体層１６の抵抗は高まる。一方、第４ケースで第１ないし第３ドメインＤａ，Ｄｂ，Ｄｃのうち何れか一つの残留分極方向が逆方向にシフトされるときは前記伝導性酸化膜の抵抗は低くなる。
全体的に残留分極方向が＋であるドメインが多くなるほど前記伝導性酸化膜の抵抗は低くなり、残留分極方向が−であるドメインが多くなるほど前記伝導性酸化膜の抵抗は高まる。このような結果を用いて強誘電膜１２の下方でも、強誘電膜１２に記録されたデータを読み込める。

次に、前記した等価記録媒体が分極量の大きい第２強誘電膜１２ｂを含む第２記録媒体と同等な状態に調整した場合について説明する。
この場合において、半導体基板３０には＋２５Ｖと−２５Ｖとのゲート電圧Ｖｇを印加するが、それぞれのケースを以下、第５ケースおよび第６ケースという。第５ケースおよび第６ケースにおいて、第２半導体層３４の絶縁膜３２と接触する面に誘導される電荷は誘導される電荷の量が多くなることを除いて、第１ケースおよび第２ケースと同じである。

第５ケースでは、第２記録媒体に配置された第２強誘電膜１２ｂの分極方向が探針２０と接触した第１半導体層１６側に向かうので、第５ケースにおいて等価記録媒体の第２半導体層３４のエネルギー準位変化は、図５に示した第１半導体層１６のエネルギー準位“Ｅ_C”または“Ｅ_V”の変化と同じであることが分かる。
また、第６ケースでは、第２記録媒体に備わった第２強誘電膜１２ｂの分極方向が下部電極１０側に向かうので、第６ケースにおいて等価記録媒体の第２半導体層３４のエネルギー準位の変化は、図６に示した第１半導体層１６のエネルギー準位“Ｅ_C’”または“Ｅ_V’”の変化と同じであることが分かる。

本発明者は、第５ケースおよび第６ケースにおいて、図８に示した等価記録媒体の探針２０と第２半導体層３４との間の電流−電圧特性を測定するために、探針２０を第２半導体層３４の表面に接触し、半導体基板３０に第５ケースまたは第６ケースによるゲート電圧Ｖｇを印加した状態で第２半導体層３４と探針２０とに所定のセンシング電圧Ｖを印加した。

このような方法で測定した等価記録媒体の電圧−電流特性、すなわち第２半導体層３４と探針２０との間の電圧−電流特性（抵抗特性）を図１２に示す。
図１２において、Ｇ１０は、図８に示した等価記録媒体の半導体基板３０に正（＋）のゲート電圧Ｖｇを印加した状態で第２半導体層３４と探針２０とに所定のセンシング電圧Ｖを印加したときの第２半導体層３４と探針２０との間の電流−電圧特性を示す第１０グラフを表す。そして、Ｇ１１は、半導体基板３０に負（−）のゲート電圧Ｖｇを印加した状態で第２半導体層３４と探針２０との間に所定のセンシング電圧Ｖを印加したときの第２半導体層３４と探針２０との間の電流−電圧特性を示す第１１グラフを表す。そして、Ｖｇ（＋）は半導体基板３０に印加されるゲート電圧Ｖｇが正（＋）の電圧であることを表し、Ｖｇ（−）はゲート電圧Ｖｇが負（−）の電圧であることを表す。
図１２の第１０グラフＧ１０および第１１グラフＧ１１を参照すると、第２強誘電膜１２ｂの分極方向が障壁層１４側に向かう場合と同等な第５ケース（第１０グラフ）において、等価記録媒体の第２半導体層３４と探針２０との間に印加されるセンシング電圧Ｖが増加すると電流が急増し、一方、第２強誘電膜１２ｂの分極方向が下部電極１０側に向かう場合と同等な第６ケース（第１１グラフ）では、電流はセンシング電圧Ｖの増加に比例して増加する。
したがって、図１２に示したように第１センシング電圧“Ｖｓ１”および第２センシング電圧“Ｖｓ２”で抵抗を測定し、各センシング電圧Ｖで測定された抵抗を第１抵抗ＲＶｓ１、第２抵抗ＲＶｓ２とすれば、第５ケースでは、第１抵抗ＲＶｓ１と第２抵抗ＲＶｓ２とはまったく異なる値となるが、第６ケースでは、ほぼ同一になる。

このように、第５ケースおよび第６ケースにおいて、相異なるセンシング電圧Ｖで測定された抵抗値が異なるので、相異なるセンシング電圧Ｖで抵抗の変化が現れるかを測定して第２強誘電膜１２ｂの分極方向を判別できる。第２強誘電膜１２ｂの分極方向は、すなわち記録媒体に記録されたデータを表すので、相異なるセンシング電圧Ｖでの抵抗変化の有無を測定して記録媒体に記録されたデータが“１”であるか、あるいは“０”であるかが分かる。

図１３は、図８に示した等価記録媒体の第２半導体層３４と探針２０との間の電流−電圧特性に対する実験例ぼ結果を表す。
本発明者は、第２半導体層３４と探針２０との間の電流−電圧特性に対する実測のために、等価記録媒体の半導体基板３０に＋２５Ｖまたは−２５Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加した状態で、第２半導体層３４と探針２０との間に印加されるセンシング電圧Ｖを増加させつつ第２半導体層３４と探針２０との間に流れる電流を測定した。
図１３で、第１２グラフＧ１２は、等価記録媒体の半導体基板３０に−２５Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加した状態で、第２半導体層３４と探針２０との間に印加されるセンシング電圧Ｖを増加させつつ第２半導体層３４と探針２０との間に流れる電流を測定した結果を表す（第６ケースに相当する）。そして、第１３グラフＧ１３は、等価記録媒体の半導体基板３０に＋２５Ｖのゲート電圧Ｖｇを印加した状態で、第２半導体層３４と探針２０との間に印加されるセンシング電圧Ｖを増加させつつ第２半導体層３４と探針２０との間に流れる電流を測定した結果を表す（第５ケースに相当する）。
図１３の第１２グラフＧ１２および第１３グラフＧ１３を比較すると、第２半導体層３４に印加されるセンシング電圧Ｖが４Ｖとなるまでは第１２グラフＧ１２および第１３グラフＧ１３の傾きは何れも変化しないことが分かる。しかし、第２半導体層３４に印加されるセンシング電圧Ｖが４Ｖを超えると第１３グラフＧ１３の傾斜度が急激に大きくなることが分かる。このような結果は、図１２で予測された結果と正確に一致する。

前記した本発明の実施形態の説明において多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものではなく、本発明の望ましい一実施形態の例示として解釈されなければならない。例えば、当業者ならば、図１に示された記録媒体を二重に形成することもできる。また、下部電極下にも強誘電膜、障壁層および半導体層を備えることができる。さらに、下部電極下に備わった強誘電膜に／からデータを記録／再生するための探針をさらに備えることもできる。したがって、本発明の範囲は、前記した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されなければならない。

本発明は、不揮発性メモリ素子が使用される全ての装置、例えば、コンピュータ、携帯電話や一般電話機、無電機のような各種の通信装備、ＧＰＳ、ゲーム機器、映像表示装置、家電製品、カムコーダ、デジタルカメラ、各種のビデオ再生および記録機器などに使用することができる。

記録媒体の構成を示す断面図である。 記録媒体にデータを記録する過程を説明する図面である。 分極量の小さな強誘電膜を含む記録媒体にデータを記録したときの半導体層のエネルギー準位変化を説明する図面である。 分極量の小さな強誘電膜を含む記録媒体に別のデータを記録したときの半導体層のエネルギー準位変化を示す図面である。 分極量の大きな強誘電膜を含む記録媒体にデータを記録したときの半導体層のエネルギー準位変化を説明する図面である。 分極量の大きな強誘電膜を含む記録媒体に別のデータを記録したときの半導体層のエネルギー準位変化を説明する図面である。 分極量の大きな強誘電膜の分極方向ごとの半導体層と探針との間の電流−電圧特性を表すグラフである。 図２示した記録媒体と等価の記録媒体からデータを再生する過程を説明する図面である。 分極量の大きな強誘電膜の分極方向ごとの半導体層と探針との間の電流−電圧特性を表すグラフである。 分極量の小さな強誘電膜を含む記録媒体の等価記録媒体における、ゲート電圧Ｖｇごとの第２半導体層と探針との間の電流−電圧特性を実測した結果を表すグラフである。 強誘電膜ドメインの分極方向による伝導性酸化膜層の抵抗変化を表すグラフである。 分極量の大きな強誘電膜を含む記録媒体の等価記録媒体における、電流−電圧特性を表すグラフである。 分極量の大きな強誘電膜を含む記録媒体の等価記録媒体における、ゲート電圧Ｖｇごとの第２半導体層と探針との間の電流−電圧特性を実測した結果を表すグラフである。 図２に示した方法でデータが記録された記録媒体からデータを再生する過程を示す断面図である。

符号の説明

１０ 下部電極
１２ 強誘電膜
１４ 障壁層
１６ 第１半導体層
２０ 探針

Claims (17)

1. データが記録される記録媒体と、前記記録媒体に／からデータを記録／再生するために使われる探針とを備える不揮発性メモリ素子において、
   前記記録媒体は、
   下部電極と、
   前記下部電極上に形成され、データが記録される強誘電膜と、
   前記強誘電膜上に形成された障壁層と、
   前記障壁層上に形成された半導体層とを含むこと、
   を特徴とする不揮発性メモリ素子。
2. 前記強誘電膜は、ＰＺＴ膜、ＳＴＯ膜、ＢＴＯ膜またはＰＴＯ膜のいずれかであること、
   を特徴とする請求項１に記載の不揮発性メモリ素子。
3. 前記障壁層は、イットリウム酸化膜またはアルミニウム酸化膜であること、
   を特徴とする請求項１に記載の不揮発性メモリ素子。
4. 前記半導体層は、前記探針部分の金属とショットキー接合すること、
   を特徴とする請求項１に記載の不揮発性メモリ素子。
5. 前記探針は、前記半導体層とショットキー接合する金属よりなること、
   を特徴とする請求項１に記載の不揮発性メモリ素子。
6. 下部電極、前記下部電極上に形成され、データが記録される強誘電膜、前記強誘電膜上に形成された障壁層および前記障壁層上に形成された半導体層を含む記録媒体と、前記記録媒体に／からデータを記録／再生するために使われる探針と、を備える不揮発性メモリ素子のデータ記録方法において、
   前記探針を前記半導体層の表面に接触させつつ前記下部電極と前記探針との間に記録電圧を印加すること、
   を特徴とする不揮発性メモリ素子のデータ記録方法。
7. 前記強誘電膜は、ＰＺＴ膜、ＳＴＯ膜、ＢＴＯ膜またはＰＴＯ膜のいずれかであること、
   を特徴とする請求項６に記載の不揮発性メモリ素子のデータ記録方法。
8. 前記障壁層は、イットリウム酸化膜またはアルミニウム酸化膜であること、
   を特徴とする請求項６に記載の不揮発性メモリ素子のデータ記録方法。
9. 前記半導体層は、前記探針部分の金属とショットキー接合すること、
   を特徴とする請求項６に記載の不揮発性メモリ素子のデータ記録方法。
10. 前記探針は、前記半導体層とショットキー接合する金属よりなること、
    を特徴とする請求項６に記載の不揮発性メモリ素子のデータ記録方法。
11. 下部電極、前記下部電極上に形成され、データが記録される強誘電膜、前記強誘電膜上に形成された障壁層および前記障壁層上に形成された半導体層を含む記録媒体と、前記記録媒体に／からデータを記録／再生するために使われる探針と、を備える不揮発性メモリ素子のデータ再生方法において、
    前記探針を前記半導体層の表面に接触させつつ、前記探針と前記半導体層との間に再生電圧を印加する第１段階と、
    前記探針と前記半導体層との間の電流または抵抗を測定して前記強誘電膜の残留分極状態を判別する第２段階とを含むこと、
    を特徴とする不揮発性メモリ素子のデータ再生方法。
12. 前記強誘電膜は、ＰＺＴ膜、ＳＴＯ膜、ＢＴＯ膜またはＰＴＯ膜のいずれかであること、
    を特徴とする請求項１１に記載の不揮発性メモリ素子のデータ再生方法。
13. 前記障壁層は、イットリウム酸化膜またはアルミニウム酸化膜であること、
    を特徴とする請求項１１に記載の不揮発性メモリ素子のデータ再生方法。
14. 前記半導体層は、前記探針部分の金属とショットキー接合すること、
    を特徴とする請求項１１に記載の不揮発性メモリ素子のデータ再生方法。
15. 前記第１段階は、前記探針と前記半導体層との間に相異なる第１再生電圧および第２再生電圧を順次に印加する段階を含むこと、
    を特徴とする請求項１１に記載の不揮発性メモリ素子のデータ再生方法。
16. 前記第２段階は、
    前記第１再生電圧に起因した前記探針と前記半導体層との間の第１電流または第１抵抗を測定する段階と、
    前記第２再生電圧に起因した前記探針と前記半導体層との間の第２電流または第２抵抗を測定する段階と、
    前記第１電流と前記第２電流または前記第１抵抗と前記第２抵抗との差を求めて前記強誘電膜の残留分極の状態を判別する段階とを含むこと、
    を特徴とする請求項１５に記載の不揮発性メモリ素子のデータ再生方法。
17. 前記探針は、前記半導体層とショットキー接合する金属よりなること、
    を特徴とする請求項１１または請求項１６に記載の不揮発性メモリ素子のデータ再生方法。

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