JP4632018B2 - 強誘電体膜、強誘電体膜の製造方法、および強誘電体キャパシタ、ならびに強誘電体メモリ - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体膜、強誘電体膜の製造方法、および強誘電体キャパシタ、ならびに強誘電体メモリに関する。
現在、半導体装置、たとえば、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）における強誘電体膜を形成する際には、まずは必要な部分より大きな面積に強誘電体膜を成膜し、その後、リソグラフィ技術を用いて、必要な部分を残すパターニングが行われている。この場合、パターニングの際に行われるエッチングにより、強誘電体膜にダメージが加わりやすい。その結果、強誘電体膜の結晶品質が悪化し、たとえばリーク電流の発生などの不具合が生じることがある。
本発明の目的は、良好な結晶品質を有する強誘電体膜の製造方法、およびこの製造方法により得られる強誘電体膜を提供することにある。また、本発明の他の目的は、本発明の強誘電体膜が適用された強誘電体キャパシタならびに強誘電体メモリを提供することにある。
本発明にかかる強誘電体膜の製造方法は、
第１強誘電体原料の粒子を、水熱電着法により電極に電着させて強誘電体初期核層を形成する工程と、
第２強誘電体原料の粒子を帯電させる工程と、
帯電させた前記第２強誘電体原料の粒子を、泳動電着法により前記強誘電体初期核層の上に電着させて強誘電体材料膜を形成する工程と、
前記強誘電体材料膜を熱処理する工程と、を含む。
第１強誘電体原料の粒子を、水熱電着法により電極に電着させて強誘電体初期核層を形成する工程と、
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前記強誘電体材料膜を熱処理する工程と、を含む。
前記第２強誘電体原料の粒子を帯電させることとは、前記第２強誘電体原料の粒子自体を帯電させる場合（直接的帯電）、あるいは前記第２強誘電体原料の粒子とは異なる物質を用いて、間接的に前記第２強誘電体原料の粒子を帯電させる場合（間接的帯電）がある。
この強誘電体膜の製造方法によれば、まず、水熱電着法を用いて、結晶性および配向性の良好な前記強誘電体初期核層を形成する。次に、泳動電着法を用いて前記強誘電体材料膜を形成する。その後、熱処理を行う際に、結晶性および配向性の良好な前記強誘電体初期核層の存在によって、その結晶性および配向性を前記強誘電体材料膜も引き継いで結晶化する。その結果、結晶性および配向性に優れた強誘電体膜を得ることができる。
本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、前記強誘電体初期核層は島状に形成されることができる。
本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、前記第２強誘電体原料は、アモルファス状であることができる。
本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、前記第２強誘電体原料の粒子を帯電させる工程は、
前記第２強誘電体原料の粒子の表面が多孔質層で覆われたコーティング粒子を形成する工程と、
前記多孔質層にイオンを吸着させる工程と、を含むことができる。
前記第２強誘電体原料の粒子の表面が多孔質層で覆われたコーティング粒子を形成する工程と、
前記多孔質層にイオンを吸着させる工程と、を含むことができる。
本発明にかかる強誘電体膜の製造方法において、前記多孔質層は、シリケートであることができる。
本発明にかかる強誘電体膜は、上述の強誘電体膜の製造方法により製造されることができる。
本発明の強誘電体キャパシタは、上述の強誘電体膜を有することができる。
本発明の強誘電体メモリは、上述の強誘電体膜を有することができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
１．強誘電体膜の製造方法
本実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法について説明する。図１〜５は、実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法を模式的に示す図である。強誘電体膜としては、特に限定されず、たとえば、ペロブスカイト構造を有する強誘電体膜（たとえば、ＰｂＺｒＴｉＯ系）や層状ペロブスカイト構造を有する強誘電体膜（たとえば、ＢｉＬａＴｉＯ系、ＢｉＴｉＯ系、ＳｒＢｉＴａＯ系）などがあげられる。
本実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法について説明する。図１〜５は、実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法を模式的に示す図である。強誘電体膜としては、特に限定されず、たとえば、ペロブスカイト構造を有する強誘電体膜（たとえば、ＰｂＺｒＴｉＯ系）や層状ペロブスカイト構造を有する強誘電体膜（たとえば、ＢｉＬａＴｉＯ系、ＢｉＴｉＯ系、ＳｒＢｉＴａＯ系）などがあげられる。
（ａ）まず、水熱電着法により、強誘電体初期核層を形成する。具体的には、以下のとおりである。
まず、水熱電着法に用いる強誘電体原料（以下、「第１強誘電体原料」という）の粒子を少なくとも含む水溶液３４を形成する。具体的には、原料水溶液に第１強誘電体原料を溶解させる。第１強誘電体原料は、水溶液３４中でイオン化する。第１強誘電体原料としては、ＰｂＺｒＴｉＯ系の場合には、たとえば、Ｐｂ（ＯＨ）２、ＺｒＯＣｌ２、およびＴｉＯ２などを用いることができる。この場合、水溶液３４は、Ｐｂ２＋、Ｚｒ４＋、およびＴｉ４＋のイオンを含む。これらのイオン濃度は、たとえば、Ｐｂ２＋は、０．５ｍｏｌ／Ｌ程度であり、Ｚｒ４＋は、０．２ｍｏｌ／Ｌ程度であり、Ｔｉ４＋は、０．３ｍｏｌ／Ｌ程度である。
第１強誘電体原料としては、ＢｉＬａＴｉＯ系の場合には、たとえば、Ｂｉ原料としては、Ｂｉ２Ｏ３、Ｃ３Ｈ９Ｂｉ、Ｃ２４Ｈ４５ＢｉＯ６、Ｌａ原料としては、Ｌａ２Ｏ３、Ｃ９Ｈ２１Ｏ６Ｌａ、Ｃ１８Ｈ５４Ｎ３ＬａＳｉ６、Ｔｉ原料としては、ＴｉＯ２、Ｃ１６Ｈ３０Ｏ６Ｔｉ、Ｃ８Ｈ２４Ｎ４Ｔｉなどを用いることができる。この場合、水溶液３４は、Ｂｉ３＋、Ｌａ３＋、およびＴｉ４＋のイオンを含む。ＢｉＴｉＯ系の場合には、たとえば、Ｂｉ原料としては、Ｂｉ２Ｏ３、Ｃ３Ｈ９Ｂｉ、Ｃ２４Ｈ４５ＢｉＯ６、Ｔｉ原料としては、ＴｉＯ２、Ｃ１６Ｈ３０Ｏ６Ｔｉ、Ｃ８Ｈ２４Ｎ４Ｔｉなどを用いることができる。この場合、水溶液３４は、Ｂｉ３＋およびＴｉ４＋のイオンを含む。ＳｒＢｉＴａＯ系の場合には、たとえば、Ｓｒ原料としては、Ｓｒ２Ｏ３、Ｃ６Ｈ１４Ｏ２Ｓｒ、Ｃ８Ｈ１８Ｏ４Ｓｒ、Ｃ２２Ｈ３８Ｏ４Ｓｒ、Ｂｉ原料としては、Ｂｉ２Ｏ３、Ｃ３Ｈ９Ｂｉ、Ｃ２４Ｈ４５ＢｉＯ６、およびＴａ原料としては、Ｔａ２Ｏ５、Ｃ２０Ｈ４５Ｏ５Ｔａ、Ｃ１０Ｈ２５Ｏ５Ｔａなどを用いることができる。この場合、水溶液３４は、Ｓｒ３＋、Ｂｉ３＋およびＴａ５＋のイオンを含む。
原料水溶液としては、たとえば、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液などを用いることができる。たとえば、原料水溶液として、水酸化カリウム水溶液を用いる場合には、そのｐＨ値は、強誘電体膜の種類によって異なるが、形成される強誘電体初期核層の組成などを考慮すると、たとえば、１０〜１２程度である。
次に、図１に示すように、水熱電着装置１０００における第１電極４０と第２電極４４とを水溶液３４中に浸す。第１電極４０としては、たとえば、白金、銀、ニッケル、ＳＲＯ(ＳｒＲｕＯ３)などを用いることができる。第１電極４０は、基体１００上に形成されている。基体１００としては、たとえば、ガラス、プラスチック、シリコンなどを用いることができる。第２電極４４としては、たとえば、白金、銀、ニッケルなどを用いることができる。
次に、水溶液３４を所望の温度となるよう加熱する。たとえば、原料水溶液として、水酸化カリウム水溶液を用いる場合には、所望の温度とは、強誘電体膜の種類によって異なるが、形成される強誘電体初期核層の組成などを考慮すると、たとえば、５０〜１８０℃程度である。
水熱電着法において、強誘電体初期核層５４の組成比は、上述の原料水溶液のｐＨと、水溶液３４の温度などを調整することによって制御することができる。たとえば、ＰｂＺｒＴｉＯ系の強誘電体初期核層５４を形成する場合、原料水溶液として、ｐＨ１２の水酸化カリウム水溶液を用いて、水溶液３４の温度を１１０℃とするのが好ましい。このようにすることで、強誘電体初期核層５４の組成を、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１０：２：８とすることができる。
次に、第１電極４０と第２電極４４との間に電源３６を用いて所望の電圧を印加する。所望の電圧とは、強誘電体初期核層５４の結晶性および配向性の点を考慮すると、たとえば、０．５〜２Ｖである。この程度の電圧にすることによって、強誘電体初期核層５４は、結晶性および配向性が良好となるのに十分な時間を費やして形成される。
この工程では、イオン化した第１強誘電体原料の粒子が泳動によって第１電極４０の表面に析出する。そして、強誘電体初期核層５４が第１電極４０の表面に形成される。強誘電体初期核層５４は、島状に散在するように形成する。島状に散在するように形成することによって、絶縁体である強誘電体初期核層５４が第１電極４０の表面をすべて覆うことがない。したがって、後述する泳動電着法を用いる際に、泳動電着装置における電極板間に電界を生じさせることができ、泳動電着を行うことができる。強誘電体初期核層５４の厚さは、強誘電体初期核層５４が島状になる程度の厚さであり、たとえば、数ｎｍ〜２０ｎｍ程度である。
上述の水熱電着法では、強誘電体初期核層５４は、結晶性および配向性が良好となるのに十分な時間を費やして形成される。すなわち、良好な結晶性および配向性を有する強誘電体初期核層５４を形成することができる。
（ｂ）次に、後述する泳動電着法に用いる強誘電体原料（以下、第２強誘電体原料という）を準備する。第２強誘電体原料は、アモルファス状であることが好ましい。アモルファス状であることにより、第２強誘電体原料を低温で形成することができる。第２強誘電体原料は、たとえばゾルゲル法や固相法などによって形成することができる。次に、第２強誘電体原料を粉砕することによって、第２強誘電体原料の粒子を形成する。第２強誘電体原料の粒子の粒径は、主として後述する工程（ｃ）における分散性などを考慮すると、たとえば、１０〜１００ｎｍ程度が好ましい。
（ｃ）次に、第２強誘電体原料の粒子の表面に多孔質層を形成し、コーティング粒子を形成する。多孔質層は、後述する工程（ｄ）において、イオンを取り込む孔を有する構造であれば、特に限定されない。多孔質層は、ゾルゲル溶液を用いて形成することができる。具体的には、以下のとおりである。
第２強誘電体原料の粒子を多孔質層形成用のゾルゲル溶液に浸漬する。次に、該粒子を乾燥させ、その後、熱処理を行い、多孔質層を固化させる。その結果、図２に示すように、第２強誘電体原料の粒子１０の表面が多孔質層１２で覆われたコーティング粒子１４が形成される。
多孔質層１２のための材料としては、たとえば、シリケート、ゲルマネートなどを用いることができる。シリケートとしては、たとえば、ランタンシリケート（Ｌａ２ＳｉＯ５）や、ビスマスシリケート（Ｂｉ２ＳｉＯ５）、鉛シリケート（ＰｂＳｉＯ３）などを用いることができる。ゲルマネートとしては、たとえば、ランタンゲルマネート（Ｌａ２ＧｅＯ５）や、ビスマスゲルマネート（Ｂｉ２ＧｅＯ５）、鉛ゲルマネート（ＰｂＧｅＯ３）などを用いることができる。
多孔質層１２のための材料としてシリケートを用いる場合、熱処理の温度が４００℃程度でシリケートを結晶化することができる。特にシリケートは、最終的には強誘電体膜の構成原子の一部となることができる。たとえば、ＰｂＺｒＴｉＯ系の強誘電体膜の場合には、強誘電体膜の構成原子であるＴｉと、シリケートの構成原子であるＳｉとが、原子半径が近いため、強誘電体膜の一部において置換されることができる。この場合には、強誘電体膜の特性を阻害することがないので、多孔質層１２のための材料としてシリケートを用いることが好ましい。
このように形成された多孔質層１２は、図３に示すように、結晶構造１６が互い違いに配列されており、多数の孔部１８を有する。たとえば、多孔質層１２がビスマスシリケートの場合、結晶構造１６は、図３に示すように、２層のビスマス層２２と複数の四面体状の酸化シリコン２４で構成される。
（ｄ）次に、コーティング粒子を帯電させる。具体的には、以下のとおりである。
コーティング粒子１４を、所望のイオンを含む溶媒中に分散させる。その結果、図３に示すように、孔部１８に溶媒中に含まれるイオン２０が入り込む。その結果、コーティング粒子１４を帯電させることができる。
溶媒中に含まれるイオンとしては、陽イオンまたは陰イオンを用いることができる。陽イオンとしては、たとえば、Ｈ＋、ＮＨ４＋などを用いることができる。陰イオンとしては、たとえば、ＯＨ−、Ｃｌ−などを用いることができる。
第２強誘電体原料の粒子１０を分散させるための溶媒としては、多孔質層１２にイオン２０が吸着し、第２強誘電体原料の粒子１０を帯電させることができるものならば、特に限定されない。かかる溶媒としては、たとえば、ケトン、アルコールなどの有機溶媒、あるいは水などの無機溶媒を用いることができる。ケトンを用いた場合、多孔質層１２には、Ｈ＋が吸着する。また、アルコールを用いた場合、多孔質層１２には、ＯＨ−が吸着する。
ケトン系溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、メチルイソプロピルケトン、ジエチルケトン、アセチルアセトン、アセト酢酸エチル、ヘキサノンなどが挙げられ、特にアセトンが好ましい。アセトンが好ましい理由は、強い極性を有するからである。アルコール系溶媒としては、メタノール、エタノールなどが挙げられる。水を溶媒とした水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水溶液などが挙げられる。
（ｅ）次に、泳動電着法により、強誘電体材料膜を形成する。具体的には、以下のとおりである。
まず、泳動電着装置２０００における第１電極４０と第３電極４２とを、図４に示すように、コーティング粒子１４が分散された溶液３０中に浸す。第１電極４０の上には、上述工程（ａ）によって、強誘電体初期核層５４が形成されている。次に、第１電極４０と第３電極４２との間に電源３２を用いて電圧を印加すると、帯電したコーティング粒子１４は泳動によって第１電極４０の表面に析出する。その結果、強誘電体材料膜５０が第１電極４０の表面に形成される。そして、強誘電体材料膜５０は、強誘電体初期核層５４を覆うように形成される。
上述の泳動電着法は、表面がイオン化した粒子を堆積するため、成膜速度が速く、強誘電体材料膜５０の厚膜を短時間で形成することができる。
泳動電着法において、第１電極４０は、たとえば多孔質層１２に吸着させるイオン２０が陽イオンである場合には、陰極とする。逆に、多孔質層１２に吸着させるイオン２０が陰イオンである場合には、第１電極４０は陽極とする。第３電極４２としては、たとえば、白金、銀、ニッケルなどを用いることができる。
（ｆ）次に、強誘電体材料膜を熱処理することにより、結晶化した強誘電体膜が得られる。この熱処理は、アモルファス状の強誘電体材料膜を結晶化するために行う。また、上述工程（ｃ）において、多孔質層のための材料としてシリケートを用いた場合に、この熱処理によって、大部分のシリケートは強誘電体膜の外部に放出される。
強誘電体材料膜を結晶化する際に、図５に示すように、第１電極４０上に形成された結晶性および配向性の良好な強誘電体初期核層５４の存在によって、その結晶性および配向性を強誘電体材料膜５０も引き継いで結晶化する。その結果、結晶性および配向性に優れた強誘電体膜を得ることができる。図５における矢印は、強誘電体材料膜５０が結晶化する際に、強誘電体初期核層５４から結晶性および配向性を引き継ぐ様子を模式的に示している。
また、強誘電体材料膜がアモルファス状であるため、強誘電体材料膜が多結晶状である場合に比べ、熱処理の温度を低温にしても、結晶性および配向性の良好な強誘電体材料膜５０を得ることができる。強誘電体材料膜が多結晶状である場合には、結晶の配向を揃えるのに高温を要する。強誘電体材料膜がアモルファス状である場合における熱処理の温度は、強誘電体膜の種類によって異なるが、たとえば、４５０〜６５０℃である。熱処理は、たとえば、ＲＴＡなどによって行う。
以上の工程によって、強誘電体膜を製造することができる。この強誘電体膜の製造方法によれば、以下の特徴を有する。
本実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法によれば、まず、水熱電着法を用いて、結晶性および配向性の良好な強誘電体初期核層５４を形成する。次に、泳動電着法を用いて強誘電体材料膜５０を形成する。その後、熱処理を行う際に、結晶性および配向性の良好な強誘電体初期核層５４の存在によって、その結晶性および配向性を強誘電体材料膜５０も引き継いで結晶化する。その結果、結晶性および配向性に優れた強誘電体膜を得ることができる。
また、本実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法によれば、成膜速度の速い泳動電着法を用いているため、短時間で厚膜の強誘電体膜を形成することができる。
また、本実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法によれば、水熱電着法および泳動電着法を用いているため、強誘電体材料膜５０は、第１電極４０に電着して形成されていく。すなわち、第１電極４０の表面のみに強誘電体材料膜５０を形成することができる。したがって、強誘電体材料膜５０の選択成長が可能である。そして、熱処理によって、強誘電体材料膜５０を結晶化することで、強誘電体膜を選択的に形成できる。
このように強誘電体膜の選択的形成が可能であることから、たとえば、強誘電体キャパシタなどを形成する場合には、従来必要であったパターニング工程が不要となる。その結果、パターニング工程で生じるダメージが強誘電体膜に加わることがなくなり、結晶品質の良好な強誘電体膜を提供することができ、たとえば優れた特性の強誘電体キャパシタなどを実現することができる。また、パターニング工程が不要であることから、簡易なプロセスで、たとえば強誘電体キャパシタなどを形成することができる。強誘電体キャパシタは、具体的には以下のように形成される。
まず、基体１００の上に公知の方法により第１電極４０を形成する。第１電極４０は、強誘電体キャパシタにおける下部電極を構成する。次に、本発明の製造方法を適用して、第１電極４０の表面に強誘電体膜を形成する。次に、公知の方法により、強誘電体膜の上に強誘電体キャパシタにおける上部電極を形成する。下部電極と上部電極の対向面と、その間に配置された強誘電体膜とによって、強誘電体キャパシタが構成される。
以下に、本実施の形態にかかる製造方法のさらに詳細な実施例を説明する。
２．実施例
本実施例では、ＰｂＺｒＴｉＯ系（以下、ＰＺＴ系という）強誘電体膜を作製した。
本実施例では、ＰｂＺｒＴｉＯ系（以下、ＰＺＴ系という）強誘電体膜を作製した。
まず、ＰＺＴ系の第1強誘電体原料である、Ｐｂ（ＯＨ）２、ＺｒＯＣｌ２、およびＴｉＯ２を水酸化カリウム水溶液に溶解させた。水酸化カリウム水溶液は、ｐＨ１２となるように調整した。次に、水熱電着装置を用いて、第１強誘電体原料の溶解した水酸化カリウム水溶液を約１１０℃に加熱し、電極間に約１Ｖの電圧を印加した。そして、陰極板上に、約２０ｎｍの膜厚の島状のＰＺＴ系強誘電体初期核層を形成した。このときの成膜速度は、約２０ｎｍ／１ｄａｙであった。陰極板としては、ＳＲＯを用いた。陽極板としては、白金を用いた。
次に、ＰＺＴ系の第２強誘電体原料を固相法によって形成した。具体的には、以下のとおりである。
ＰＺＴ系の第２強誘電体原料の出発原料である、Ｐｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２を、所望の組成（Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１：０．２：０．８）になるように調合した。直示天秤で秤量した各原料は、ポリエチレンポットにめのう石とアセトンと共に入れ、約１０時間、ボールミルによって混合した。十分混合した後、ホーロー引きバットへ取り出し、乾燥器にて乾燥させた。次に、金型を用いて約８００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で円柱状に成型した。この成型物をアルミナルツボに入れ８５０℃で２時間の仮焼きを行った。その結果、アモルファス状の第２強誘電体原料が作製された。
次に、アルミナ乳鉢を用いて、上記第２強誘電体原料を粉砕して、第２強誘電体原料の粒子を形成した。次に、上記第２強誘電体原料の粒子をＬａ２ＳｉＯ５シリケート形成用のゾルゲル溶液に浸漬した。その後、１５０℃で乾燥させ、酸化炉中にて４００℃で２時間の熱処理を行った。その結果、ＰＺＴ系の第２強誘電体原料の粒子の周囲がＬａ２ＳｉＯ５シリケートで覆われたコーティング粒子が形成された。
上記コーティング粒子を、アセトン中に分散させることにより、多孔質シリケートにＨ＋を吸着させ、該粒子を帯電させた。次に、泳動電着装置を用いて、電極間に約４００Ｖの電圧を印加し、上記強誘電体初期核層の形成された陰極板上に、約１μｍの膜厚のアモルファス状のＰＺＴ系強誘電体材料膜を形成した。このときの成膜速度は、約１μｍ／１０ｓｅｃであった。次に、アモルファス状のＰＺＴ系強誘電体材料膜を酸素雰囲気中で６００℃、１５分間の焼成を行うことによって、結晶化したＰＺＴ系強誘電体膜が得られた。
本実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法は、この強誘電体膜を用いた強誘電体メモリや圧電素子の製造方法に適用することができる。以下では、一例として本実施の形態にかかる強誘電体膜の製造方法を単純マトリクス型（クロスポイント型）の強誘電体メモリの製造方法へ適用した場合について説明する。
３． 強誘電体メモリ
図６は、強誘電体メモリを模式的に示す図であり、図７は、メモリセルアレイの一部を拡大して示す平面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ線に沿った断面図である。平面図において、（ ）内の数字は最上層より下の層を示す。
図６は、強誘電体メモリを模式的に示す図であり、図７は、メモリセルアレイの一部を拡大して示す平面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ線に沿った断面図である。平面図において、（ ）内の数字は最上層より下の層を示す。
この例の強誘電体メモリ３０００は、図６に示すように、メモリセル１２０が単純マトリクス状に配列されたメモリセルアレイ１００Ａと、メモリセル（強誘電体キャパシタＣ１００）１２０に対して選択的に情報の書き込みもしくは読み出しを行うための各種回路、例えば、第１信号電極（第１電極）４０を選択的に制御するための第１駆動回路１５０と、第２信号電極６０を選択的に制御するための第２駆動回路１５２と、センスアンプなどの信号検出回路（図示せず）とを含む。
メモリセルアレイ１００Ａは、行選択のための第１信号電極（ワード線）４０と、列選択のための第２信号電極（ビット線）６０とが直交するように配列されている。すなわち、Ｘ方向に沿って第１信号電極４０が所定ピッチで配列され、Ｘ方向と直交するＹ方向に沿って第２信号電極６０が所定ピッチで配列されている。なお、信号電極は、上記の逆でもよく、第１信号電極がビット線、第２信号電極がワード線でもよい。
本実施の形態に係るメモリセルアレイ１００Ａは、図７および図８に示すように、絶縁性の基体１００上に、第１信号電極４０、本発明の製造方法を適用して製造された強誘電体膜５２、および第２信号電極６０が積層され、第１信号電極４０、強誘電体膜５２、および第２信号電極６０によって強誘電体キャパシタ１２０が構成される。具体的には、本発明の製造方法を適用して、以下のように第１電極（第１信号電極）４０の上に強誘電体膜５２を形成する。
まず、基体１００の上に第１電極（第１信号電極）４０をＸ方向に平行なストライプ状に形成する。第１電極４０は、強誘電体メモリにおける第１信号電極４０を構成する。次に、第１信号電極４０の上に、水熱電着法および泳動電着法を用いて強誘電体膜５２を形成する。次に、公知の方法により、強誘電体膜５２の上に第２信号電極６０をＹ方向に平行なストライプ状に形成する。第１信号電極４０と第２信号電極６０との交差領域において、それぞれ強誘電体キャパシタ１２０からなるメモリセルが構成されている。
また、強誘電体膜５２と第２信号電極６０とからなる積層体の相互には、基体１００および第１信号電極４０の露出面を覆うように、誘電体層７０が形成されている。この誘電体層７０は、強誘電体膜５２に比べて小さい誘電率を有することが望ましい。このように強誘電体膜５２および第２信号電極６０からなる積層体の相互間に、強誘電体膜５２より誘電率の小さい誘電体層７０を介在させることにより、第１，第２信号電極４０，６０の浮遊容量を小さくすることができる。その結果、強誘電体メモリ３０００における書き込みおよび読み出しの動作をより高速に行うことが可能となる。
次に、強誘電体メモリ３０００における書き込み，読み出し動作の一例について述べる。
まず、読み出し動作においては、選択セルのキャパシタに読み出し電圧「Ｖ０」が印加される。これは、同時に‘０’の書き込み動作を兼ねている。このとき、選択されたビット線を流れる電流またはビット線をハイインピーダンスにしたときの電位をセンスアンプにて読み出す。さらにこのとき、非選択セルのキャパシタには、読み出し時のクロストークを防ぐため、所定の電圧が印加される。
書き込み動作においては、‘１’の書き込みの場合は、選択セルのキャパシタに「−Ｖ０」の電圧が印加される。‘０’の書き込みの場合は、選択セルのキャパシタに、該選択セルの分極を反転させない電圧が印加され、読み出し動作時に書き込まれた‘０’状態を保持する。このとき、非選択セルのキャパシタには、書き込み時のクロストークを防ぐため、所定の電圧が印加される。
本発明の強誘電体メモリによれば、良好な結晶構造の強誘電体膜を含む強誘電体キャパシタを有するため、信頼性の高い強誘電体メモリを提供することができる。
以上、単純マトリクス型の強誘電体メモリの例について述べたが、本発明の強誘電体メモリはこれらに限定されず、他のタイプのメモリトランジスタにも適用できる。なお、本実施の形態の強誘電体キャパシタは、上述の強誘電体メモリの他に、焦電型センサー、バイモルフ型圧電アクチュエーターなどに適用することができる。
以上、本発明の実施の形態の一例について述べたが、本発明はこれらに限定されず、その要旨の範囲内で各種の態様を取りうる。たとえば、本実施の形態においては、アモルファス状の第２強誘電体原料を用いる例について述べたが、結晶状の第２強誘電体原料を用いることもできる。この場合、上述の強誘電体膜の製造方法における工程（ｆ）にて行われる熱処理は、結晶の配向を特定のものにするために行うことができる。
１０ 強誘電体原料の粒子、１２ 多孔質層、１４ コーティング粒子、１６ 結晶構造、１８ 孔部、 ２０イオン、２２ ビスマス層、２４ 酸化シリコン、３０ 溶液、３２ 電源、３４ 水溶液、３６ 電源、４０ 第１電極（第１信号電極）、４２ 第３電極、４４ 第２電極、５０ 強誘電体材料膜、５２ 強誘電体膜、５４ 強誘電体初期核層、６０ 第２信号電極、７０ 誘電体層、１００ 基体、１００Ａ メモリセルアレイ、Ｃ１００ 強誘電体キャパシタ、１２０ メモリセル、１５０ 第１駆動回路、１５２ 第２駆動回路、１０００ 水熱電着装置、２０００ 泳動電着装置、３０００ 強誘電体メモリ
Claims (8)
- 第１強誘電体原料の溶液を用いて、水熱電着法により電極に電着させて強誘電体初期核層を形成する工程と、
第２強誘電体原料の粒子を帯電させる工程と、
帯電させた前記第２強誘電体原料の粒子を、泳動電着法により前記強誘電体初期核層の上に電着させて強誘電体材料膜を形成する工程と、
前記強誘電体材料膜を熱処理することにより、結晶化する工程と、を含む、強誘電体膜の製造方法。 - 請求項１において、
前記強誘電体初期核層は島状に形成される、強誘電体膜の製造方法。 - 請求項１または２において、
前記第２強誘電体原料はアモルファス状である、強誘電体膜の製造方法。 - 請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第２強誘電体原料の粒子を帯電させる工程は、
前記第２強誘電体原料の粒子の表面が多孔質層で覆われたコーティング粒子を形成する工程と、
前記多孔質層にイオンを吸着させる工程と、を含む、強誘電体膜の製造方法。 - 請求項４において、
前記多孔質層はシリケートである、強誘電体膜の製造方法。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の強誘電体膜の製造方法により形成された、強誘電体膜。
- 請求項６に記載の強誘電体膜を有する、強誘電体キャパシタ。
- 請求項６に記載の強誘電体膜を有する、強誘電体メモリ。
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