JPH02198094A - 強誘電体メモリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、強誘電体メモリに関し、詳しくは電気的に消
去可能な不揮発性の強誘電体メモリに係わる。

（従来の技術） 近年、電気的に消去可能な不揮発性メモリに関する技術
が急速に進歩し、様々な用途が見い出されている。不揮
発性メモリのうちＥＥＦＲＯＭは、電気的に消去でき、
読み出し時間が速い等の特徴を有する。しかしながら、
かかるＥＥＦＲＯＭは書き込み時間が遅く、書き込み／
消去の回数に制限がある等の問題があった。

このようなことから、最近、強誘電体メモリの開発が進
められている。強誘電体メモリでは、強誘電体を誘電体
としたコンデンサを備えた複数のメモリセルが形成され
、前記強誘電体の残留分極の向きを“０”と“１゛に対
応させて各セルに情報を記憶させるものである。かかる
強誘電体メモリに情報を書み込む時には、各メモリセル
に形成された強誘電体コンデンサに書み込みたい情報に
対応する向きに抗電界よりも充分高い電圧を印加する。

この電圧の印加により、その方向に強誘電体が分極し、
その分極の一部は電圧を除いた後も残留分極して保持さ
れる。また、前記メモリセルの読み出しを行なう時には
該セルの強誘電体コンデンサに特定の向きで抗電界より
も充分に高い電圧を印加する。こうした電圧の印加にお
いて、電圧の向きが書き込みの時と同じ方向であれば、
分極の変化が小さく、強誘電体コンデンサには僅かな充
電電流しか流れない。これに対し、電圧の向きが書き込
み時と反対の方向であれば残留分極の反転を伴うために
分極の変化は大きく、大きな充電電流が流れる。このよ
うに電流の量を読取ることによって、書き込まれていた
各セルの情報が０”か１”かが判別される。強誘電体メ
モリは、読み出し／書き込み時間とも数＋ｎ　Ｓｅｅと
速いという特徴を有することが報告されている。

しかし、上述した従来の強誘電体メモリにあっては次の
ような問題があった。

■１強誘電体メモリの動作方法は、既述したように一度
読み出しの動作を行なうと書き込みによる強誘電体コン
デンサの残留分極はその方向に関係なく読み出しのため
に印加された電圧と同方向に向く。これによって、書き
込まれていた情報を判別するが、これに伴って蓄積され
ていた情報も失われる。かかる読み出し方法は、破壊読
み出しと呼ばれている。−度破壊された情報をメモリセ
ルに残しておくためには、読み出された情報を判別した
後、再び同じ情報をメモリセルの強誘電体コンデンサに
書き込む必要がある。これに対し、前述したＥ　Ｅ　Ｆ
　ＲＯＭでは読み出しても情報が失われない非破壊読み
出しである。従来の強誘電体メモリのような破壊読み出
しは、非破壊読み出しに比べて再書き込みという動作が
加わる分だけ回路的に複雑になるという問題がある。

■、上記■で説明したように読み出し後の再書き込みが
必要なため、強誘電体コンデンサの分極の反転が繰返さ
れることになる。分極の反転を繰返すと、次第に強誘電
体の強誘電性が劣化し、残留分極が小さくなるという現
象を生じる。この現象は、ウェア・アウトと呼ばれてい
る。強誘電体のウェア・アウトは、強誘電体の自発分極
反転をｔ　ｏ　１２回以上繰返すと現われてくると考え
られている。こうした残留分極が小さくなるウェア・ア
ウトが起こると、残留分極の大きさに依存する読み出し
時の“０°と“１°の情報間での充電電流差が小さくな
り、情報の判別が困難となる。従って、強誘電体メモリ
ではその寿命がウェア・アウトで規定されるため、読み
出し後の再書き込みが必要で、分極の反転が繰返される
従来の強誘電体メモリでは高寿命化が困難となるという
問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、自発分極を反転させることなく、非破壊で読み出
しを行なうことが可能な強誘電体メモリを提供しようと
するものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、基板上に金属薄膜からなる第１、第２の電極
で挟まれた非対称の分極−電界（Ｄ−Ｅ）ヒステリシス
特性を持つ強誘電体薄膜を設けた構造の強誘電体コンデ
ンサを有する複数のメモリセルと、これらメモリセルの
コンデンサの強誘電体薄膜に抗電界より大きい電圧を印
加するための書き込み動作用回路と、書き込み動作がな
された各メモリセルのコンデンサの強誘電体薄膜に抗電
界より小さい電圧を印加するための読み出し動作用回路
とを具備したことを特徴とする強誘電体メモリである。

上記基板としては、例えばシリコン基板、シリコン基板
上に絶縁層が成膜されたもの等を挙げることができる。

上記金属薄膜としては、例えばＡｕ薄膜、Ｐｔ薄膜、Ｐ
ｄ薄膜等を挙げることができる。

上記非対称のＤ−Ｅヒステリシス特性を持つ強誘電体薄
膜とは、バイアス電圧を加えていない状態で、あたかも
バイアス電圧をかけているようなり−Ｅヒステリシス特
性を示すものである。かかる強誘電体薄膜としては、例
えばＰｂ　　（ＺｒｘＴｌ、ｘ）　０３　　［０，３≦
Ｘ　Ｏ，７］を主成分とするようなｐｂ系のペロブスカ
イト構造を有する強誘電体セラミックスからなるターゲ
ットを用いてスパッタリング等で成膜し、成膜後におい
てキュリー温度以上の温度から使用電圧よりも大きな電
圧を印加しながらゆっくり冷却することにより非対称な
り−Ｅヒステリシス特性を付与されたもの等を挙げるこ
とができる。また、非対称なり−Ｅヒステリシス特性を
示す強誘電体薄膜に使用時にバイフス電界を印加し、非
対称なり−Ｅヒステリシス特性を示す状態の下で使用す
ることもできる。なお、前記強誘電体薄膜の成膜に際し
、Ｐｂ　　（ＺｒｘＴ＋１．、ｘ）　０３　　［０，３
≦Ｘ　Ｏ，７］にＭｎを添加したり、ｐｂの一部をＣａ
で置換することにより非対称性がより助長された強誘電
体薄膜の形成が可能となる。また、第１、第２の電極の
材質を変えることにより、強誘電体薄膜の非対称を助長
することが可能となる。

上記基板上に金属薄膜からなる第１、第２の電極で挟ま
れた非対称のＤ−Ｅヒステリシス特性を持つ強誘電体薄
膜を設ける際には、強誘７ｉ体薄膜の成膜時に該強誘電
体中の構成成分であるｐｂ等が第１の電極を通して基板
に拡散するのを防止して再現性の良好な非対称な強誘電
体薄膜を得る観点から、第１の電極の下地層（拡散バリ
ア層）としてＭｇＯやＺｒＯ２の酸化物層を介在させる
ことが望ましい。

上記読み出し動作用回路による読み出し動作は、各メモ
リセルのコンデンサの強誘電体薄膜に抗電界より小さい
電圧、つまり該コンデンサの強誘電体薄膜において分極
の極性がいずれかであってもその残留分極が反転しない
範囲の抗電界より充分小さい電圧を選択する必要がある
。

（作用） 本発明によれば、メモリセルの強誘電体コンデンサを構
成する非対称のＤ−Ｅヒステリシス特性を持つ強誘電体
薄膜に書き込み動作用回路により抗電界より大きい、つ
まり分極が充分にｉｔられるような抗電界より大きい電
圧を印加することによって、電圧の極性と同じ方向の残
留分極がメモリセルの強誘電体コンデンサに蓄積される
。これは、対称のＤ−Ｅヒステリシス特性を持つ強誘電
体薄膜に書き込みを行なう場合と同様である。

次に、書き込み動作がなされた各メモリセルのコンデン
サの強誘電体薄膜に読み出し動作用回路により抗電界よ
り充分に小さい電圧を印加する。

前記強誘電体薄膜の非対称のＤ−Ｅヒステリシス特性は
、例えば第３図に示すように小電圧に対する誘電率が残
留分極の極性（＋極性、−極性）によって異なる。この
ため、同じ大きさの読み出し電圧を印加した場合、十極
性か一極性かによって分極の変化率が異なり、充電電流
の大きさも異なる。かかる充電電流の差、又はいずれか
一方（例えば充電電流が小さい方）を基準とし、この基
準充電電流と測定した各セルの充電電流との差、を検出
して分極の状態を検出することによって、書き込まれた
情報が“０”か“１“かを判別し、読み出しを行なうこ
とができる。こうした読み出し動作において、印加する
電圧が抗電界より充分に低いため、強誘電体薄膜の残留
分極の向きは読み出し電圧により反転するのを防止でき
る。つまり、強誘電体コンデンサに蓄積された情報が読
み出し動作時に失われることなく、非破壊読み出しが可
能となる。従って、従来に比べて読み出し後の再書き込
み動作のための複雑な回路が不要となるばかりか、ウェ
ア・アウトによる情報の判別性の困難を招くことなく、
簡素な構造で高寿命、高性能の強誘電体メモリを得るこ
とができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

まず、半導体素子や配線が既に形成されたシリコン基板
上に直径５インチのＭｇ　Ｏセラミックスをターゲット
として用いるＲＦマグネトロンスパッタリングにより厚
さ約１０００人のＭｇ　Ｏ薄膜を形成した。更に、前記
Ｍｇ　Ｏ薄膜上にＲＦマグネトロンスパッタリングによ
り厚さ約２００人のｐｔ膜を成膜した後、Ｐｔ膜をイオ
ンミリングによりバターニングして第１の電極を形成し
た。つづいて、前記第１の電極を含むＭｇＯ薄膜上にＰ
ｂ　　（Ｚｒｏ、ｓｇ　ＴＩＬｌ、４２　）　０３にＭ
ｎＯをｌ　ｍｏ１％添加し、焼成した直径５インチのタ
ーゲットを用いてＲＦマグネトロンスパッタリングを行
なった。この時のスパッタリング条件は、基板温度を２
５℃、電力を２００Ｗ、ターゲットと基板間の距離を１
００ｍｍ、ガスをＡ　ｒ　／　０２−１／２の混合ガス
、ガス圧を０．８Ｐａとした。かかるスパッタリング後
の基板表面をＸ線回折像で調べたところ、非晶質であっ
たが、６５０℃で１０時間のアニール処理により（１１
１）方向に配向したペロブスカイト単相の強誘電体薄膜
が得られた。なお、この薄膜の厚さは５０００人であっ
た。ひきつづき、前記薄膜上に写真蝕刻法によりレジス
トパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとし
て薄膜を選択的にエツチングしてパターン状の強誘電体
薄膜とした。この後、真空蒸着法により全面に厚さ約５
００人のＡｕ薄膜を形成し、これをバターニングして第
２の電極を形成した。この状態でシリコン基板に形成さ
れた強誘電体コンデンサのＤ−Ｅヒステリシスをハ１定
したところ、第４図に示すように原点に対してほぼ対称
な特性が得られた。

次いで、前記強誘電体コンデンサに２ＱＶ電圧を印加し
ながら、４００℃から２０℃／ｈｒの速度で室温まで冷
却し、更に電圧を印加した状態で２４時間放置した。こ
の後、強誘電体コンデンサのＤ−Ｅヒステ・リシスを４
ｐｊ定したところ、第３図に示すように原点に対して非
対称な特性が得られた。なお、前記強誘電体コンデンサ
に電圧を印加せずに８０℃で１２０時間放置した後、再
度、Ｄ−Ｅヒステリシスを測定したところ、同第３図に
示すように原点に対して非対称な特性は変わらなかった
。このようなシリコン基板に強誘電体コンデンサ（面積
；５０μｍ×５０μｍ）を形成した構造を第１図に示す
。

シリコン基板１上には、Ｍｇ　Ｏ薄膜２が被覆され、か
つＰｔ薄膜からなるの第１の電極３が前記Ｍｇ　Ｏ薄膜
２上に形成されており、（１１１）方向に配向されたパ
ターン状の強誘電体薄膜４が前記第１の電極の一部を含
む前記Ｍｇ　Ｏ薄膜２上に形成されており、更にＡｕ薄
膜からなる第２の電極５が該強誘電体薄膜４上から前記
Ｍｇ　Ｏ薄膜２上に延在されている。

第２図は、前記強誘電体コンデンサが形成されたシリコ
ン基板に書き込み動作用回路、読み出し動作用回路及び
検出回路を設けた強誘電体メモリを模式的に示す回路図
である。第２図中の１１は、前記第１図に示す構造の強
誘電体コンデンサである。このコンデンサ１１の第１の
電極は、第１のスイッチ１２を介して書き込み動作用回
路１３、読み出し動作用回路１４及び接地線（Ｇ）１５
のいずれかに接続されるようになっている。前記書き込
み動作用回路１３は、前記第１のスイッチ１２に接続さ
れる書き込み線（Ｗ）　１８と、この書き込み線１Ｂに
第２のスイッチ１７を介して接続される例えば９ｖの直
流電源１８を有する“０”情報書き込み回路部１９と、
前記書き込み線１６に前記第２のスイッチ１７を介して
接続され、前記直流電源１８と逆極性で同じ大きさの直
流電源２０を有する“１”情報書き込み回路部２！とか
ら構成されている。前記読み出し動作用回路１４は、前
記第１のスイッチ１２に接続される読み出し線（Ｒ）２
２と、この読み出し線２２に介装され、前記書き込み用
の直流電源より充分小さい、例えば１．５　Ｖの直流電
源２３とから構成されている。

また、前記コンデンサ１１の第２の電極は例えば１００
Ωの抵抗２４を介して接地されている。前記強誘電体コ
ンデンサ１１と抵抗２４の間には、該コンデンサ１１に
充電される電荷を検出するための検出回路としてのアン
プ２５が接続されており、かつ該アンプ２５の出力側は
図示しないオシロスコープに接続されている。

上述した強誘電体メモリの書き込み／読み出し動作を説
明する。

〔書き込み動作〕

最初に、第２のスイッチ１７を“０″情報書き込み回路
部１９、“１”情報書き込み回路部２１のいずれかに切
換えて書込むべき情報が“０°であるか“１′であるか
を選択した。つづいて、第１のスイッチ１２を接地線１
５から書き込み線１６に切換え、一定時間後に再び書き
込み線１６から接地線１５に戻し、書き込み動作を終了
させた。この時、第２図図示の回路中の点Ａでの“０”
情報書き込み又は“１″情報書き込みの電位変化は第５
図に示すようになった。

〔読み出し動作〕

第１のスイッチ１２を接地線１５から書き込み線２２に
切換え、一定時間後に再び読み出し線２２から接地線１
５に戻した。この時の第２図図示の回路中の点Ａにおけ
る電位変化は第６図（ａ）に示すようになった。読み出
し動作時に、強誘電体コンデンサ１１に充電される電流
をアンプ２５で検出し、このアンプ２５から図示しない
オシロスコープに出力した。オシロスコープで検出され
た電流は、第６図（ｂ）のようになった。即ち、第２図
図示の回路中の点Ａの電位がＯＶから１．５　Ｖに立ち
上がるに伴い、充Ｙ５電流が流れるが、電流の値は時間
と共に減少し、ついにはゼロに戻った。また、点Ａの電
位が１．５　ＶからＯｖに落ちるに伴い、今度は放電電
流が流れるが、これもまた時間と共に減少し、ついには
ゼロに戻った。この時の充電電流舎放電電流は、強誘電
体コンデンサ１１に予め書き込まれていた情報が“０″
であるか“１“であるかによって第７図に示すように違
いが見られた。つまり、１°が書き込まれていた時より
も、“０”が書き込まれていた場合の方が流れる電流が
大きくなる。この電流差は、ピークの値で約２０％に達
しており、書き込まれた情報が“０°であるか“１”で
あるかの判別が比較的容品であることがわかる。

また、これにより本実施例で示した回路が電気的に消去
可能な強誘電体メモリとして動作することが確認された
。

前記書き込み動作を行なった後、少なくとも２０時間以
上第１のスイッチ１２を接地線１５に固定して放置し、
その後に読み出し動作を行なう実験を行なったところ、
はぼ前述した第７図と同様な結果が得られた。これによ
り、本実施例の強誘電体メモリが不揮発性であることが
確認された。

また、−度書き込み動作を行なった後、読み出し動作を
繰返し行なったところ、少なくとも１０３回の読み出し
動作を施しても、書き込まれた情報が保存されていた。

これにより、この読み出し方式が非破壊であることが確
認された。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明の強誘電体メモリによれば強
誘電体コンデンサに書き込まれたデジタル情報を非破壊
で読み出すことができ、ひいては破壊読み出しで必要で
あった再書き込み動作を省略して回路的に簡単な構成を
実現でき、しかも読み出し動作の度に自発分極の反転を
繰返す必要がなく、消去・書き込みの時にのみ反転すれ
ばよいことからウェア・アウトによって制限されていた
寿命を著しく向上できる等顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における強誘電体メモリの要部
断面図、第２図は本実施例の強誘電体メモリを模式的に
示す回路図、第３図は本実施例１１・・・強誘電体コン
デンサ、１２．１７・・・スイッチ、１３・・・書き込
み動作回路、１４・・・読み出し動作回路、１５・・・
接地線、ｔｅ・・・書き込み線、２２・・・読み出し線
、２４・・・抵抗、２５・・・アンプ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 す特性図、第５図は書き込み動作時の前記第２図におけ
る回路の点Ａの電位の時間変化を示す特性図、第６図は
読み出し動作時の電圧電流の変化を示す特性図、第７図
は読み出し動作時の強誘電体コンデンサの充′＃１電流
・放電電流の変化を示す特性図である。 ｌ・・・シリコン基板、２・・・ＭｇＯ薄膜、３・・・
第１の電極、４・・・強誘電体薄膜、５・・・第２の電
極、第３図 ＷＩｋ４図 第５図 （ａ） 第６１！ｌ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に金属薄膜からなる第１、第２の電極で挟まれた
   非対称の分極−電界ヒステリシス特性を持つ強誘電体薄
   膜を設けた構造の強誘電体コンデンサを有する複数のメ
   モリセルと、これらメモリセルのコンデンサの強誘電体
   薄膜に抗電界より大きい電圧を印加するための書き込み
   動作用回路と、書き込み動作がなされた各メモリセルの
   コンデンサの強誘電体薄膜に抗電界より小さい電圧を印
   加するための読み出し動作用回路とを具備したことを特
   徴とする強誘電体メモリ。