JP4671037B2

JP4671037B2 - 記憶装置

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Publication number: JP4671037B2
Application number: JP2005366925A
Authority: JP
Inventors: 健木島; 泰彰 ▲濱▼田; 達也下田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: US20070138522A1; US7428162B2; JP2007173395A

Description

本発明は、新規な構造と動作原理を有する記憶装置に関する。

強誘電体を利用した強誘電体メモリとしては、１Ｔ（トランジスタ）型ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）や１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（キャパシタ）型
，２Ｔ２Ｃ型のＦｅＲＡＭが知られている。
１Ｔ型ＦｅＲＡＭとしては、ＭＦＳ（Metal Ferroelectric Semiconductor）構造、Ｍ
ＦＩＳ（Metal Ferroelectric Insulator Semiconductor）構造およびＭＦＭＩＳ（Metal Ferroelectric Metal Insulator Semiconductor）構造が知られている。これら
の構造を有するＦｅＲＡＭでは、ゲート絶縁膜を構成する強誘電体の分極状態がトランジスタのしきい値電圧を変化させるので、あるゲート電圧でのドレイン電流の大小を記憶情報として利用する。しかしながら、これらのいずれの１Ｔ型ＦｅＲＡＭも、多くの課題を有する。たとえば、ＭＦＳ構造の場合、シリコンあるいはゲルマニウムからなるIV族半導体基板の表面が酸化されやすいため、該基板の表面上に酸化物強誘電体層を形成することが非常に困難であり、実用化に至っていない。ＭＦＩＳ構造およびＭＦＭＩＳ構造のＦｅＲＡＭにおいても、同様の問題を有する。

１Ｔ１Ｃ型，２Ｔ２Ｃ型などのＦｅＲＡＭでは、強誘電体が有する分極反転のヒステリシス特性における残留分極点を記憶情報として利用したものである。しかしながら、これらのＦｅＲＡＭでは、強誘電体膜や電極の疲労、ヒステリシスループの歪みによるデータ保持特性の劣化などの問題がある。

本発明は、上述したＦｅＲＡＭと全く異なる原理を用いた新規な記憶装置を提供する。

本発明にかかる記憶装置は、
下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層の上方に形成され、前記強誘電体層と異なる組成の酸化物からなる電荷補償層と、
前記電荷補償層の上方に形成された上部電極と、を含み、
前記上部電極は、
前記強誘電体層の所定領域に、所定の方向に飽和分極したドメインを形成するための飽和分極形成電極と、
前記飽和分極形成電極と離れて配置される書込み電極と、
前記書込み電極と離れて配置される読出し電極と、
を含む。

かかる本発明の記憶装置によれば、以下の特徴を有する。すなわち、飽和分極形成電極に所定の電界を印加することにより、該飽和分極形成電極を有するキャパシタに飽和した残留分極を起こさせる。そして、本発明の記憶装置においては、電荷補償層を有することにより、前記飽和分極は強誘電体層で伝搬することができるので、他の領域、例えば読出し電極によって誘起電流を検出することで情報を読み出すことができる。また、情報の書き込みは、書込み電極に電界を印加することよって前記飽和分極の状態を変化させることで行うことができる。

本発明において、特定のＡ層（以下、「Ａ層」という。）の上方に設けられた特定のＢ層（以下、「Ｂ層」という。）というとき、Ａ層の上に直接Ｂ層が設けられた場合と、Ａ層の上に他の層を介してＢ層が設けられた場合とを含む意味である。

本発明の記憶装置は、以下の態様をとることができる。

本発明の記憶装置において、前記電荷補償層の上方に、前記飽和分極形成電極、前記書込み電極および前記読出し電極と離れた状態でこれらを取り囲んで配置される終端電極を有することができる。

本発明の記憶装置において、前記書込み電極と前記読出し電極とは兼用することができる。

本発明の記憶装置において、前記飽和分極形成電極、前記書込み電極および前記読出し電極は、ストライプ状に配置されることができる。

１．記憶装置
まず、本発明の原理を分かりやすくするために、従来の強誘電体メモリの原理について説明する。

図３Ａ〜図３Ｃは、強誘電体が有する分極反転のヒステリシス特性を利用した従来の強誘電体メモリの動作原理を示す概念図である。

図３Ａ〜図３Ｃにおいて、強誘電体メモリは、下部電極１と、該下部電極１上に形成された強誘電体層２と、該強誘電体層２上に形成された複数（図示の例では２つ）の上部電極３ａ，３ｂを有する。図示の例では、キャパシタを構成する下部電極１は共通電極である。下部電極１，強誘電体層２および上部電極３ａで第1キャパシタＣ１が構成される。
また、下部電極１，強誘電体層２および上部電極３ｂで第２キャパシタＣ２が構成される。これらのキャパシタＣ１，Ｃ２がそれぞれメモリセルを構成する。

たとえば、図３Ａに示すように、強誘電体層２に上向きの自発分極が生じている場合、強誘電体層２の下部にはマイナスの電荷があり、強誘電体層２の上部にはプラスの電荷がある。そして、強誘電体層２の下側表面（下部電極１）にはプラスの表面電荷が誘起され、強誘電体層２の上側表面にはマイナスの表面電荷が誘起される。

次いで、図３Ａの状態で分極している強誘電体キャパシタＣ１，Ｃ２のうち左側の第１キャパシタＣ１に分極が反転するような電圧を印加すると、図３Ｂに示すように、左側の第１キャパシタＣ１では、強誘電体層２における分極が反転する。しかし、キャパシタＣ１以外の領域では、強誘電体層２の表面にある表面空間電荷４の影響で強誘電体層２の分極反転が抑えられる。そのため、図３Ｃに示すように分極反転の拡がりがキャパシタＣ１に止まる。この分極反転の広がりが止まる、分極の境界を分極壁９という。

強誘電体が有する分極反転のヒステリシスにおける残留分極点を記憶情報として用いる従来の１Ｔ１Ｃ，２Ｔ２Ｃ型のＦｅＲＡＭでは、キャパシタ毎に情報を保持する必要があることから、上記分極壁９の存在が必要となる。

次に、本発明の記憶装置の動作原理を説明する。

図１Ａ〜図１Ｃおよび図２Ａ〜図２Ｃは、本発明における記憶装置の動作原理を示す概念図である。図３Ａ〜図３Ｃに示す強誘電体メモリとの違いは、上部電極と強誘電体層の間に電荷補償層があることである。すなわち、本発明の記憶装置は、下部電極１と、該下部電極１上に形成された強誘電体層２と、該強誘電体層２上に形成された電荷補償層７と、該電荷補償層７上に形成された複数（図示の例では２つ）の上部電極３ａ，３ｂを有する。図示の例では、キャパシタを構成する下部電極１は共通電極である。

下部電極１，強誘電体層２，電荷補償層７および上部電極３ａで第1キャパシタＣ１が
構成される。また、下部電極１，強誘電体層２，電荷補償層７および上部電極３ｂで第２キャパシタＣ２が構成される。

まず、図１Ａ〜図１Ｃを参照して、分極反転が拡がることを説明する。

たとえば、図１Ａに示すように、強誘電体層２に上向きの自発分極が生じている場合、強誘電体層２の下部にはマイナスの電荷があり、強誘電体層２の上部にはプラスの電荷がある。そして、強誘電体層２の下側表面（下部電極１）にはプラスの表面電荷が誘起され、強誘電体層２の上側表面（電荷補償層７）にはマイナスの表面電荷が誘起される。

次いで、図１Ａの状態に自発分極しているキャパシタＣ１，Ｃ２のうち左側の第１キャパシタＣ１に分極が反転する電圧を印加すると、図１Ｂに示すように、まず第1キャパシ
タＣ１で分極が反転する。そして、図１Ｃに示すように、強誘電体層２上に上部電極３ａ，３ｂが形成されていない領域においても分極反転が伝播する。さらに、図１Ｃに示すように、分極反転が強誘電体層２の全域に拡がり、右側の第２キャパシタＣ２においても、分極反転が生じる。つまり、図１Ａ〜図１Ｃに示したメモリセルでは、電荷補償層７を有することにより、分極壁を生じることがなく、第１キャパシタＣ１で形成されたドメインの分極状態が隣の第２キャパシタＣ２に伝搬する。この点は、図３Ａ〜図3Ｃに示す強誘
電体メモリの場合と全く異なる。

すなわち、本願発明者によれば、強誘電体層2上に電荷補償層７を形成することにより
、第1キャパシタＣ１で生じた特定方向の分極を強誘電体層2内に伝搬させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。電荷補償層７を設けることにより、このような分極の伝搬（分極壁の移動）が行われる理由は、現在のところ解明されていない。

次いで、図２Ａ〜図２Ｃを参照して、分極反転の広がりを制御することについて説明する。

図２Ａ〜図２Ｃは、図１Ａ〜図１Ｃに示すメモリセルと同様の構成であるが、左右のキャパシタＣ１，Ｃ２をそれぞれ独立に電圧制御ができる点で相違する。

たとえば、図２Ａに示すように、強誘電体層２に上向きの自発分極が生じている場合、強誘電体層２の下部にはマイナスの電荷があり、強誘電体層２の上部にはプラスの電荷がある。そして、強誘電体層２の下側表面（下部電極１）にはプラスの表面電荷が誘起され、強誘電体層２の上側表面（電荷補償層７）にはマイナスの表面電荷が誘起される。

次いで、図２Ｂに示すように、左側の第１キャパシタＣ１においては、下部電極１にマイナスの電圧を印加し、上部電極３ａにプラスの電圧を印加する。同時に、右側の第２キャパシタＣ２においては、下部電極１にプラスの電圧を印加し、上部電極３ｂにマイナスの電圧を印加する。この状態では、図２Ｂに示すように、左側のキャパシタＣ１で分極が反転する。そして、図２Ｃに示すように、強誘電体層２上に上部電極３ａ，３ｂが形成されていない領域においても、図１Ｃで示したと同様に、分極反転が伝播する。しかし、図２Ｃに示すように、右側の第２キャパシタＣ２では、左側の第１キャパシタＣ１と逆の電圧が印加されているので、キャパシタＣ２には分極反転が拡がらない。つまり、図２Ａ〜図２Ｃに示したメモリセルでは、キャパシタＣ２に分極壁９を生じる。

すなわち、図２Ａ〜図2Ｃに示すメモリセルでは、第１キャパシタＣ１の分極を反転さ
せると、この分極反転は強誘電体層２に拡がる。しかし、この分極反転は、第１キャパシタＣ１と逆極性の電圧が印加されている第２キャパシタＣ２で止められる。つまり、本発明の記憶装置では、キャパシタに印加する電界で、分極の拡がりを制御できる。

図４および図５に、本発明を適用した実施形態の記憶装置の第１例を示す。図４は、記憶装置を模式的に示す断面図であり、図５は記憶装置の平面図である。図４は、図５のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

本実施形態の記憶装置は、基体（図示せず）上に形成された下部電極１０と、下部電極１０上に形成された強誘電体層１２と、強誘電体層１２上に形成された電荷補償層１４と、電荷補償層１４上に形成された上部電極とを含む。

図示の例では、上部電極としては、飽和分極形成電極２２と、書込み電極２４と、読出し電極２６と、終端電極２０とを有する。本実施形態では、下部電極１０は各キャパシタの共通電極である。飽和分極形成電極２２、書込み電極２４および読出し電極２６は、図５に示すように、互いに離れた状態でストライプ状に形成されている。終端電極２０は、図５に示すように、飽和分極形成電極２２，書込み電極２４および読出し電極２６を取り囲むように形成されている。

図示の例では、図４に示す断面図において５個のキャパシタＣ１〜Ｃ５を有する。すなわち、本例の記憶装置では、飽和分極形成電極２２を有する第１キャパシタＣ１、書込み電極２４を有する第２キャパシタＣ２、読出し電極２６を有する第３キャパシタＣ３、および終端電極２０を有する第４キャパシタＣ４，Ｃ５を有する。

飽和分極形成電極２２は、第1キャパシタＣ１において、飽和した残留分極を起こし、
特定の方向に分極したドメインを形成するための電極である。この第１キャパシタＣ１では、飽和分極が起きていれば良く、そのヒステリシスは開いた状態でなくてもよい。したがって、飽和分極形成電極２２には、第１キャパシタＣ１の分極を完全に飽和させるのに必要な電界が印加される。このような電界は、パルス信号によって印加することができる。

飽和分極形成電極２２を有する第1キャパシタＣ１（図１Ａおよび図２Ａにおける第1キャパシタＣ１に相当）で形成された飽和分極は、前述したように、強誘電体層１２を伝搬して書込み電極２４を有する第２キャパシタＣ２、読出し電極２６を有する第３キャパシタＣ３における分極を反転させる。そして、かかる分極反転は、終端電極２０を有するキャパシタＣ４，Ｃ５で伝搬が抑止される。終端電極２０を有するキャパシタＣ４，Ｃ５は、強誘電体層１２における飽和分極の拡がりを抑えるためのキャパシタである。つまり、終端電極２０を有するキャパシタＣ４，Ｃ５は、図２Ｃに示すキャパシタＣ２と同様の機能を有する。

書込み電極２４は、第２キャパシタＣ２での分極を反転させない程度の小さい電界を印加することより、“０”または“1”の信号を書き込むための電極である。すなわち、書
込み電極２４にパルス信号によって分極反転を起こさない程度の電界をかけると、読出し電極２６を有する第３キャパシタＣ３での分極量が変化する。この変化量を分極量や誘起電流量として検出することで、情報を読み出すことができる。この動作については、後の実験例で詳細に説明する。

本発明における最も重要な特徴ある電荷補償層１４は、理由は明かではないが、飽和分極形成電極２２を有する第１キャパシタＣ１での飽和分極を強誘電体層１２内に伝搬させる機能を有する。すなわち、本実施形態では、電荷補償層１４を有することにより、飽和分極形成電極２２を有するキャパシタＣ１で形成された飽和分極を強誘電体層１２における所望の領域のドメインに伝搬させることができ、該ドメインに分極情報を書き込むことができる。

電荷補償層１４は、強誘電体層１２と異なる組成を有する酸化物により構成される。電荷補償層１４に用いられる材料としては、常誘電体、酸化物半導体、強誘電体などを例示できる。

本実施の形態の記憶装置によれば、以下の特徴を有する。

飽和分極形成電極２２に所定の電界を印加することにより、第１キャパシタＣ１に飽和した残留分極を起こさせる。この飽和分極は強誘電体層１２で伝搬することができ、他の領域、例えば読出し電極２６のキャパシタＣ３で誘起電流に変換することで情報を読み出すことができる。情報の書き込みは、書込み電極２４によってキャパシタＣ２に、分極反転を起こさない程度の小さい電界を印加することで飽和分極の状態を変化させることで行うことができる。

かかる記憶装置においては、従来の強誘電体メモリのように、強誘電体の抗電ヒステリシスのしきい値（残留分極Ｐｒ）を利用するのでなく、飽和分極を利用するのでヒステリシス特性、例えばヒステリシスの角形性は要求されず、角形性の良くないヒステリシスであってもよい。このことは、強誘電体層の薄膜化が可能であることを意味する。また、分極壁の移動は、例えばピコ秒（ｐsec.）という非常に速い移動速度で可能であるため、高速動作が期待される。さらに、強誘電体層１２は膜状であって、公知のＦｅＲＡＭのようにセル毎に微細な加工を必要としないため、強誘電体の特性が劣化することを防止できる。

次に、図６および図７に示す実施形態の記憶装置の第２例について説明する。

本実施形態の記憶装置は、基体（図示せず）上に形成された下部電極１０と、下部電極１０上に形成された強誘電体層１２と、強誘電体層１２上に形成された電荷補償層１４と、電荷補償層１４上に形成された上部電極とを含む。図示の例では、上部電極としては、飽和分極形成電極２２，書込み／読出し電極３０（図示の例では４つの書込み／読出し電極３２，３４，３６，３８）および終端電極２０を有することができる。本実施形態では、下部電極１０は各キャパシタの共通電極である。

図示の例では、図６に示す断面図において７個のキャパシタＣ１〜Ｃ７を有する。飽和分極形成電極２２および４つの書込み／読出し電極３２，３４，３６，３８は、図７に示すように、ストライプ状に形成されている。終端電極２０は、図７に示すように、飽和分極形成電極２２および書込み／読出し電極３２，３４，４６，３８を取り囲むように形成されている。

飽和分極形成電極２２は、第１例で述べたように、キャパシタＣ２において、飽和した残留分極を起こし、特定の方向に分極したドメインを形成するための電極である。

書込み／読出し電極３２，３４，４６，３８は、第１例で述べたように、書込みと読み出しを行うのための電極である。すなわち、キャパシタＣ３〜Ｃ６での分極を反転させない程度の小さい電界を書込み／読出し電極３２，３４，３６，３８に印加することより、“０”または“1”の信号を書き込むことができる。また、キャパシタＣ３〜Ｃ６での分
極量を誘起電流量として検出することで、情報を読み出すことができる。

終端電極２０は、第１例で述べたように、分極反転の拡がりを抑えるための電極である。

電荷補償層１４は、第1例で述べたように、飽和分極形成電極２２を有する第１キャパ
シタＣ１での飽和分極を強誘電体層１２内に伝搬させる機能を有する。

次いで、本実施形態の第2例にかかる記憶装置の制御方法について説明する。

まず、図８Ａ〜図８Ｆを参照して、書込み方法について説明する。図８Ａ〜図８Ｆにおいて、＋あるいは−は、印加電圧の極性を示す。なお、下部電極１０はアースした状態である。

図８Ａに示すように、いずれの電極にも電圧を印加しない状態では、強誘電体の自発分極によって、強誘電体層１２には所定方向（図示の例では上向き）の分極が生じる。

次いで、図８Ｂに示すように、飽和分極形成電極２２に分極反転を引き起こす電圧を印加する。このとき、終端電極２０には、飽和分極形成電極２２による分極反転が伝播しないような終端電圧が印加されている。図８Ｂに示す例では、飽和分極形成電極２２にプラスの電圧が印加され、終端電極２０にはマイナスの電圧が印加されている。

次いで、図８Ｃに示すように、飽和分極形成電極２２への電圧の印加によって引き起こされたキャパシタＣ２の分極反転は、書込み／読出し電極３０（図示の例では４つの書込み／読出し電極３２，３４，３６，３８）を有するキャパシタＣ３〜Ｃ６に拡がり、これらのキャパシタＣ３〜Ｃ６において順次分極反転が生じる。このような分極反転の伝播は、上述したとおりである（図１Ａ〜図１Ｃ参照）。そして、最も右側の書込み／読出し電極３８を有するキャパシタＣ６まで分極反転が伝播すると、この分極反転は終端電極２０を有するキャパシタＣ７によって止まる。このような分極反転の伝播の停止は、上述したとおりである（図２Ａ〜図２Ｃ参照）。

次いで、図８Ｄに示すように、終端電極２０に隣接した書込み／読出し電極３８に、プラスの制御電圧Ｃを印加する。同時に、飽和分極形成電極２２には、マイナスの電圧を印加し、終端電極２０にはプラスの終端電圧Ｔを印加する。このときの制御電圧Ｃによって、書込み／読出し電極３８を有するキャパシタＣ６以外のキャパシタＣ２〜Ｃ５の分極が反転し、キャパシタＣ６への情報の記録（書込み）が行われる。図示の例では、キャパシタＣ２〜Ｃ５に上向きの分極が生じる。

さらに、図８Ｅに示すように、飽和分極形成電極２２にプラスの電圧を印加し、終端電極２０にマイナスの終端電圧Ｔを印加する。これと同時に、右から３つめのキャパシタＣ５の書込み／読出し電極３６にマイナスの制御電圧Ｃを印加する。これによって、飽和分極形成電極２２を有するキャパシタＣ２、該飽和分極形成電極２２に隣接した２つの書込み／読出し電極３２，３４を有するキャパシタＣ３，Ｃ４において分極反転が生じる。また、右から３つめのキャパシタＣ５に情報を記録できる。

このような動作を繰り返すことにより、図８Ｆに示すように、終端電極２０を有するキャパシタＣ１，Ｃ７を除く各キャパシタＣ２〜Ｃ６にデータを記録することができる。

以上のようにして、各書込み／読出し電極３０（３２，３４，３６，３８）を有するキャパシタＣ３〜Ｃ６にデータを書き込むことができる。また、これらのキャパシタＣ３〜Ｃ６の読み出しは、書込み／読出し電極３０を介して行われる。

本発明の記憶装置は、例えば以下の製造方法（図６を参照）によって得ることができる。

まず、図示しない基体上に下部電極１０を形成する。基体は、特に限定されず、絶縁性基体などを用いることができる。下部電極１０は、特に限定されず、白金族などの金属、導電性酸化物などを用いることができる。下部電極１０は、キャパシタの一方の電極を構成し、共通電極であってもよく、パターニングされていてもよい。

次いで、下部電極１０上に強誘電体層１２を形成する。強誘電体層１２の材質は特に限定されない。強誘電体層１２の成膜方法も特に限定されず、ゾル・ゲル法などの液相法、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザアブレーション法などの気相法などを用いることができる。

次いで、強誘電体層１２上に電荷補償層１４を形成する。電荷補償層１４の材質しては前述したものを用いることができる。電荷補償層１４の成膜方法も特に限定されず、ゾル・ゲル法などの液相法、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザアブレーション法などの気相法などを用いることができる。

次いで、電荷補償層１４上に、所定のパターンを有する上部電極を形成する。上部電極としては、飽和分極形成電極２２，書込み／読出し電極３０（図６では、書込み／読出し電極３２，３４，３６，３８）、終端電極２０を形成する。上部電極は、特に限定されず、白金族、アルミニウムなどの金属、導電性酸化物などを用いることができる。上部電極の成膜方法も特に限定されず、ゾル・ゲル法などの液相法、ＣＶＤ法、スパッタ法、レーザアブレーション法などの気相法などを用いることができる。上部電極のパターニングも公知のリソグラフィーおよびエッチング技術などを用いることができる。

以上のようにして、本実施形態の記憶装置を製造できる。

２．実験例
２．２．第１の実験例
図９および図１０Ａ，図１０Ｂに、本発明の記憶装置に関する実験例の結果を示す。

実験の目的は、第１キャパシタの分極反転が隣接する第２キャパシタに伝播することを明らかにすることにある。

実験に用いたサンプルは、図９に示すように、白金からなる下部電極１と、下部電極１上に形成されたＰＺＴＮ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）からなる強誘電体層２と、酸化ニッケルからなる電荷補償層７と、電荷補償層７上に形成された白金からなる２つの上部電極３ａ，３ｂとを有する。このサンプルをサンプル１とする。サンプル１は、上部電極（飽和分極形成電極）３ａを有するキャパシタＣ１と上部電極（読出し電極）３ｂを有するキャパシタＣ２とが並列に接続されている。上部電極３ａ，３ｂの幅は２５０μｍであり、上部電極３ａと上部電極３ｂとの間隔は２５０μｍである。

一方、電荷補償層７を有さない以外は上記サンプル１と同じ構成を有する比較用のサンプル２を形成した。

これらのサンプル１，２について、読み出し時の保持容量を測定した。その結果を図１０Ａおよび図１０Ｂに示す。図１０Ａ、図１０Ｂにおいて、横軸は時間を、縦軸はキャパシタの保持容量を示す。保持容量の測定は、上部電極３ａを有する第１キャパシタＣ１に飽和分極を起こすのに充分な電圧（この例では＋６Ｖ（＋Ｐｒ）または−６Ｖ（−Ｐｒ））を印加した。上部電極３ｂを有する第２キャパシタＣ２で、読み出しおよび再書き込みを行った。

図１０Ａから、本発明のサンプル１では、第１キャパシタＣ１への印加電圧が＋Ｐｒおよび−Ｐｒのときに、第２キャパシタで、第１キャパシタへの印加電圧に応じた、異なる極性の保持容量が得られた。これに対して、図１０Ｂから、比較用のサンプル２では、第１キャパシタＣ１への印加電圧が＋Ｐｒおよび−Ｐｒのときに、第２キャパシタでは、第１キャパシタへの印加電圧に依存せず、保持容量はほぼ同じであった。このことから、以下のことが確認された。

本発明にかかるサンプル１では、第１キャパシタで形成された飽和分極状態が隣の第２キャパシタに伝搬し、第１キャパシタと同じ極性の保持容量が安定して得られることが確認された。これに対し、電荷補償層を有さない比較用サンプル２では、上述したサンプル１のような分極状態の伝搬現象は確認されなかった。

２．３．第２の実験例
図１１は、本実験例に用いたサンプルを示す図である。実験に用いたサンプルは、白金からなる下部電極１０と、下部電極１０上に形成されたＰＺＴＮ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）からなる強誘電体層２と、酸化ニッケルからなる電荷補償層１４と、電荷補償層１４上に形成された白金からなる上部電極（飽和分極形成電極２２，書込み電極２４および読出し電極２６）を有する。強誘電体層２の膜厚は１５０ｎｍ、電荷補償層１４の膜厚は２０ｎｍであった。また、各上部電極２２，２４，２６は、１００μｍ角であり、各上部電極の間隔は２０μｍであった。

飽和分極形成電極２２を有するキャパシタを第１キャパシタＣ１とする。書込み電極２４を有するキャパシタを第２キャパシタＣ２とする。読出し電極２６を有するキャパシタを第３キャパシタＣ３とする。

まず、キャパシタＣ１の飽和分極形成電極２２に、１００ｋＨｚで＋６Ｖのパルス（１パルス）を印加した。このときのキャパシタＣ１におけるヒステリシスの分極値（初期値）は、＋Ｐｒ＝２４．５μＣ／ｃｍ^２であり、−Ｐｒ＝−２７．６μＣ／ｃｍ^２であった。

次ぎに、飽和分極形成電極２２に１００ｋＨｚで＋６Ｖのパルス（１パルス）を印加した後、書込み電極２４に１００ｋＨｚで＋０．５Ｖのパルス（１パルス）を印加した。その後、読出し電極２６を有する第３キャパシタの分極値を求めたところ、＋Ｐｒ＝２１．３μＣ／ｃｍ^２であり、−Ｐｒ＝−２２．７μＣ／ｃｍ^２であった。

次ぎに、飽和分極形成電極２２に１００ｋＨｚで＋６Ｖのパルス（１パルス）を印加した後、書込み電極２４に１００ｋＨｚで−０．５Ｖのパルス（１パルス）を印加した。次いで、読出し電極２６を有する第３キャパシタの分極値を求めたところ、＋Ｐｒ＝９．８μＣ／ｃｍ^２であり、−Ｐｒ＝−３５．７μＣ／ｃｍ^２であった。

以上のことから、第１キャパシタＣ１を飽和分極の状態にした後、書込み電極２４によって分極が反転しない程度の小さい電圧（＋または−）をキャパシタＣ２に印加すると、読出し電極２６を有する第３キャパシタＣ３での分極量が大きくシフトすることが確認された。例えば、＋の分極値に着目すると、書込み電極２４に＋０．５Ｖを印加したときの読出し電極２６からの分極値は＋Ｐｒ＝２１．３μＣ／ｃｍ^２であり、書込み電極２４に−０．５Ｖを印加したときの読出し電極２６からの分極値は＋Ｐｒ＝９．８μＣ／ｃｍ^２であるから、両者は大きく異なる値を有する。このような分極値のシフトから、所定のしきい値に対して“０”と“１”の情報を書き込むことができることが確認された。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

本発明の動作原理を示す概念図。本発明の動作原理を示す概念図。本発明の動作原理を示す概念図。本発明の動作原理を示す概念図。本発明の動作原理を示す概念図。本発明の動作原理を示す概念図。従来の強誘電体メモリの動作原理を示す概念図。従来の強誘電体メモリの動作原理を示す概念図。従来の強誘電体メモリの動作原理を示す概念図。本発明の実施形態にかかる第１の記憶装置を模式的に示す断面図。本発明の実施形態にかかる第１の記憶装置を模式的に示す平面図。本発明の実施形態にかかる第２の記憶装置を模式的に示す断面図。本発明の実施形態にかかる第２の記憶装置を模式的に示す平面図。本発明の実施形態にかかる第２の記憶装置の動作を示す断面図。本発明の実施形態にかかる第２の記憶装置の動作を示す断面図。本発明の実施形態にかかる第２の記憶装置の動作を示す断面図。本発明の実施形態にかかる第２の記憶装置の動作を示す断面図。本発明の実施形態にかかる第２の記憶装置の動作を示す断面図。本発明の実施形態にかかる第２の記憶装置の動作を示す断面図。本発明の第１実験例に用いたサンプルを模式的に示す断面図。本発明の第１実験例のサンプル１によって得られた実験結果を示す図。比較用のサンプル２によって得られた実験結果を示す図。本発明の第２実験例のサンプルを模式的に示す断面図。

符号の説明

１，１０下部電極、２，１２強誘電体層、３ａ，３ｂ上部電極、７，１４電荷補償層、９分極壁、２０終端電極、２２書込み電極、２４，２６読出し電極、３０，３２，３４，３６，３８書込み／読出し電極、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７キャパシタ。

Claims

下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層の上方に形成され、前記強誘電体層と異なる組成の酸化物であって酸化ニッケルからなる電荷補償層と、
前記電荷補償層の上方に形成された上部電極と、を含み、
前記上部電極は、
前記強誘電体層の所定領域に、所定の方向に飽和分極したドメインを形成するための飽和分極形成電極と、
前記飽和分極形成電極と離れて配置される書込み電極と、
前記書込み電極と離れて配置される読出し電極と、
を含み、
前記電荷補償層を有することにより、前記強誘電体層に分極壁を生じることなく、前記飽和分極形成電極を有する第１キャパシタによって形成された分極状態が、前記書込電極を有する第２キャパシタに伝搬可能な記憶装置。
請求項１において、
前記電荷補償層の上方に、前記飽和分極形成電極、前記書込み電極および前記読出し電極と離れた状態でこれらを取り囲んで配置される終端電極を有する、記憶装置。
請求項１または２において、
前記書込み電極と前記読出し電極とは兼用できる、記憶装置。
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記飽和分極形成電極、前記書込み電極および前記読出し電極は、ストライプ状に配置される、記憶装置。