JPH03108759A

JPH03108759A - 強誘電体素子

Info

Publication number: JPH03108759A
Application number: JP1245258A
Authority: JP
Inventors: Hideo Adachi; 日出夫安達; Hitoshi Watanabe; 均渡辺; Hiroyuki Yoshimori; 由森　博之; Yoshinori Ota; 好紀太田; Jun Funazaki; 純船崎; Atsushi Yusa; 遊佐　厚
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-09-22
Filing date: 1989-09-22
Publication date: 1991-05-08
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: JP2948836B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、強誘電体の特性を利用した電子素子に関する
。特に、不揮発性かつ非破壊性のメモリーとして、或い
は安定な動作をするセンサー　トランスデユーサ及びア
クチュエータ等としての応用か可能な強誘電体素子に係
る。

〔従来の技術〕

周知のように、強誘電体は極性の異なる二つの残留分極
状態をとり得る。この性質を利用して、大容量、不揮発
、且つ高速の強誘電体メモリを実現させる試みが従来か
ら行われている。

例えば、第１０図に示す様な単純マトリックス電極構造
を用いた強誘電体メモリーが比較的古くから提案されて
いる。同図において、１・・・はＸ方向アドレス線であ
る。これらのアドレス線１・・・はＸ方向アドレス回路
２に接続されている。また、３・・・はＹ方向アドレス
線で、Ｙ方向アドレス回路４に接続されている。Ｘ方向
アドレス線１・・・とＸ方向アドレス線３・・・とて囲
まれた個々の領域はメモリーセルである。夫々のメモリ
ーセルには、図示のように強誘電体メモリー素子が形成
されている。このような強誘電体メモリーは大容量化、
不揮発化および高速化を実現することができるが、次の
ような問題がある。

■記憶の保持状態が不安定である（耐久性が悪い）。

■読み出し時に、目的とするセル以外のセルまで破壊さ
れる（クロストークの問題）。

■読み出されたセルは非書き込み状態に遷移するため（
メモリーの破壊）、読み出し後に再書き込みが必要とな
る。

以下、上記三つの問題について説明する。

く耐久性〉 ■の問題は強誘電体メモリに特徴的な現象で、未だに充
分解決しきれていない。その１つの理由は、原電界によ
る減極である。即ち、分極で強誘電体薄膜内部に発生し
た電荷分布（空間電荷分極電界）は、分極とは逆方向の
原電界を生じる。この原電界の影響により、残留分極Ｐ
、及び抗電圧■ｃの両者共に劣化する。第１１図は、こ
の減極を説明するための図である。図示のように、分極
初期のヒステリシス曲線５は、減極によって曲線６に変
化してしまう。

別の理由としては、空間電荷分極電界か外部印加電界に
バイアスされるため、印加電界の極性に対する対称性が
悪くなることが考えられる。その結果、第１２図に示し
たように、Ｏｖ印加時の残留分極Ｐｒが実質的に変化す
ることになる。同図において、７は変化前のヒステリシ
ス曲線、８は変化後のヒステリシス曲線である。

更に他の１つの理由としては、分域壁移動時の内部歪み
により、内部の構造欠陥が増加すること等が考えられて
いる。

但し、現在のところ、記憶保持状態の不安定性が上記の
何れの理由によるものが、或いは更に別の理由によるも
のかについての立証は得られていない。しかし、反電界
を小さくすること、分域壁移動時に内部構造欠陥が発生
しにくい理想的な結晶とすることと、成る閣内部電界（
空間電荷分極電界）程度では減極しないような硬い強誘
電体材料を用いることを同時に実施すれば、改善の道が
開かれることは容易に推測しうる。しかし、今迄この具
体的手段の実現は困難とされていた。

くクロストーク〉 ■の問題について、本出願人等はダイアック等のスイッ
チ素子を併用することにより、クロスト−りの問題を回
避できる構造を提案した（特願昭６３−１７０４７１号
）。この構造により疑似的な方形ヒステリシスカーブが
得られ、ｌ／２Ｖｃ程度の電圧で、目的以外のセルを破
壊することなく読み出しが可能となる。しかし、構造か
極めて複雑になるという製造上の問題点が新たに発生す
る。

■のクロストークの問題のもう一つの改善方法は、第１
３図に示す様なＳＲＡＭ構造を取ることである。この構
造におけるメモリーセルは、フリップフロップ回路つと
、二つの強誘電体素子１０゜１］と、二つのトランジス
タ１２．１３で構成されている。強誘電体素子１．０．
１１はトランジスタ１２．１３を介してＸ、Ｙアドレス
線に接続されるので、クロスト−りの問題は発生せず、
安定に動作させ易い。しかしこの方法も大容量メモリ化
しにくいし、又製造工程も複雑になるという欠点を有し
ている。

く読み出しによるメモリー破壊〉従来の読み出しにおいては、完全に残留分極の極性を反
転させ、この時流れる電流値で記録状態を読み出す方法
が用いられている。この読み出し方法では、読み出され
たメモリーセルは必然的に破壊メモリとり、■の問題を
回避できない。なお、電流値の大きい時には再書き込み
をするという方法が一般的であるが、その分読み出し時
間が長くなるという欠点を有している。

以上、従来の強誘電体メモリーの問題点について述べた
が、このうち■の問題はメモリーに限らず、強誘電体を
用いた圧電センサ、トランスデユーサ、焦電センサ等の
デバイスにおいて共通の問題点である。即ち、これらメ
モリー以外のデバイスについても、■の問題は特性の経
時変化につながる要因であるため改善が望まれている。

〔発明が解決しよデとする課題〕

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その課題は
、従来例の有していた問題点■、■、■を同時に改善し
得る強誘電体素子を提供することである。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明による
強誘電体素子は、基板上に下部型極、強誘電体薄膜、上
部電極を順次積層した強誘電体素子において、前記強誘電体薄膜の分極軸が前記両型極面に垂直な方向
に対して傾斜していること特徴する。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明者は前記問題点を解決するために、強誘電体の分
極現象について次のような考察を行ない、この考察に基
づいて上記の発明に到達した。

第１図（Ａ）のヒステリシス曲線に示されるように、強
誘電体には正負の残留分極値（±Ｐｒ）が存在する。こ
の二つの残留分極値は、第１図（Ｂ）のポテンシャル図
に示すように、二つの安定な分極状態（結晶の変位状態
）ＴＩ、Ｔ２に対応する。この二つの分極状態Ｔ、、Ｔ
２間の遷移は、外部電界によって誘起される。

分極量Ｐは、単位格子内に存在する永久双極子の電界方
向における余弦値の体積積分である。この値は単結晶で
あるか又は多結晶であるかに依存して決まり、また結晶
の対称性配向方向および分極軸方向等によって決定され
る。分極量の変化の　０しかたも、同様にこれらの状況によって変わってく　る
。

そこで、一つの永久双極子に電界が印加された場合につ
いて考察する。第２図（Ａ）は、印加された電界２２の
方向が分極（永久双極子）２１の方向に一致している場
合である。図示のように、分極は＋Ｚ力方向、印加電界
２２の方向は−Ｚ力方向ある。このように印加電界２２
が双極子２１の方向と逆向きであれば、双極子は１８０
°逆向きに反転して電界方向に揃う（２１’）。

これに対して第２図（Ｂ）は、分極２１の方向と印加電
界２２の方向とが一致せず、傾きθを有している場合を
示している。この場合、双極子はθ＝０に近づく様に他
の安定な方向をさがし、その方向になる様に回転する（
２１’）。この図では９０°回転する場合を示している
が、結晶の対称性や配向性によっては、９０°以外の回
転もありうることは容易に推察される。このように、印
加電界２２の方向にいかなる分極軸をも持たない場合に
は、遷移後の分極２１′の方向が電界方向に揃１っていることがない。

上記のように、双極子の複数の安定状態間の遷移は、反
転によるが、回転によるかの二通りあることがわかる。

この二通りの遷移のしかたを比較すると、反転による場
合は遷移の前後で対称性が保持されるから、周囲に生じ
る歪は小さい。これに対して回転の場合は、遷移によっ
て対称性が破壊されるから、周囲に大きな歪を誘起する
という大きな差がある。また、反転による分極は急に起
るのに対して、回転による分極は比較的ゆるやかに起る
と言える。これを別の観点から見ると、振幅およびパル
ス幅が同一である電界印加においては、反転遷移よりも
回転遷移の方が復元性が大きいという考え方につながる
。本発明者等はこの点に着眼した。

即ち、分極状態間の遷移が回転のみによって起るように
すれば、一定の振幅ＥＡとパルス幅Ｔ　。

を有する電界を印加することにより僅かに分極回転を生
じさせ、且つ該電界パルスを除去することにより再び元
の安定点に戻るはずである。そして、２分極軸が電界方向に一致せず、電界方向に対しである角
度を持って配向していれば、分極回転のみを利用するこ
とが出来ると考えた。より具体的にいえば、上部電極と
下部電極との間に、電極面と垂直な方向に対して分極軸
が一定の角度を持つように配向した強誘電体層を設ける
。そして、両電極間にある値以上の電圧Ｖ、２を印加す
れば、そのの極性に応じて＋Ｐｒ又は−Ｐｒの何れかの
分極状態に設定できる。また、Ｖａｐよりかなり小さい
１、／２ＶＣ程度の電圧を印加すれば、分極回転に伴な
って変位電流が流れて読み出しができ、その後に電圧を
解除すれば再び元の状態に戻る。即ち、非破壊読み出し
が可能になる。これによってクロストークの問題は解決
され、また耐久性を向上させることにもつながるから、
既述した従来の問題点は全て解決されることになる。

なお、上記のように分極軸が電界方向に一致せず、電界
方向に対して一定の角度をもつように分極軸を配向させ
るためには二つの手段が可能である。

　３１つの方法は、分極軸が結晶軸（１００）。

（０１，０）、（００１）に合致している結晶において
、結晶軸（１００）、（０１０）、（００１）が電極面
に垂直な方向に対して一定の角度を有するように、例え
ば（１，１０）或いは（１−１１，）結晶配向させる方
法である。他の１つの方法は、分極軸が結晶軸とズして
いる結晶を、結晶軸に沿って配向させる方法である。

これらの何れの方法においても、＋Ｐｒ、−Ｐｒに対応
した２つ分極安定状態だけか存在し、その中間的な安定
状態が無い方が、読出し電圧を解除した後に元の状態に
戻り易い。中間的な安定状態は分極軸の数が多かったり
、結晶の配向性がランダム（多結晶）であるときに惹起
され易い。従って、分極軸の少なく、少くとも一定の方
向に対しては配向性が良好な単結晶を用いるのが望まし
い。

このような条件を満足し得るのは、Ａ、　Ｂ　Ｏ３型ペ
ロブスカイト構造を有する（　Ｐ　ｂ　＋＋−ｘ　Ａｘ
　）（Ｚ　ｒ＋−ｙ−ｚ　Ｔ　！ｙ　Ｂｚ　）　０３＋
βＭ　ｅ　Ｏ系の化合物を正方品で用いる場合と、］４（Ｂ　ｉ　２Ｏ２　）　”　（Ａｍ−＋　Ｂｆｆ１０３
ｍ＋１）　２−で表わされる化合物をＣ軸配向させて用
いる場合とに相当する。

２５３図（Ａ）は、ＡＢＯ３ペロブスカイト構造の単位
格子を示している。図中のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、夫々の
（１００）、（０１０）、（００１）方向に対応する。

キュリー点（Ｔｃ　）以上の温度では、Ｂ４“イオンは
６個の０２−イオンの重心位置（図ではＸ印で示す）に
在る。しかしＴｃ未満の温度では、Ｂ４４イオンは重心
かられずかにズした６箇所の安定点の何れかに位置する
ようになる。

第３図（Ａ）は、Ｂ４＋イオンが＋Ｚ力方向安定点に位
置している場合を示しており、このＢ４＋イオンは×位
置に在るマイナスの仮想イオンとの間でで永久双極子を
形成している。第３図（Ｂ）に示したように、この状態
に−ＺＺｎＯ電界２２を加えると、Ｂ４＋イオンは−Ｚ
ＺｎＯ他の安定点に遷移し、双極子２３は１８０°反転
する。また、第３図（Ｃ）に示したように＋Ｙ力方向電
界２２を印加すると、Ｂ４＋イオンは＋Ｙ力方向他の安
定点に５移り、双極子２３は９０°回転する。

一方、第３図（Ａ）の（１１１）方向に電界をかけると
、永久双極子はα０＜９０°だけ回転する。

第４図（Ａ）（Ｂ）を参照してこの事情を説明する。同
図（Ａ）において、２４は上部電極、２５は下部電極で
ある。図示のように両電極の間には、（１１，１）軸が
電極面に垂直になるように配向したペロブスカイト構造
の強誘電体が設けられている。両電極２４．２５により
　−（１１１）方向の電界を印加すると、第４図（Ｂ）
に示したように、十Ｚ方向に向いていた双極子２３は＋
Ｙ力方向回転する。この回転は、双極子回転面内では９
０°の回転である。しかし、（１１１）に投影した回転
角度α°は９０°よりも小さい。このように、電界方向
と分極軸方向との関係を第３図のように設定することに
より、α°＜９０°の双極子回転のみを起こし得ること
がわかる。

なお、上記では双極子について説明したが、分極はこれ
ら双極子をひとまとめにした表現であり、考え方に本質
的な差は無い。一方、（１１０）方６向に電界をかけた場合には、（１１０）軸に投影した双
極子の安定方向が３ケ所存在することになる。このため
、（１，００）方向に電界印加するよりは良いものの、
（１１，１）方向に電界を印加する場合に比べて復帰性
が小さくなることは否めない。

次に、第５図（Ａ）（Ｂ）及び第６図を参照し、（Ｂ　
１２Ｏ２　）　２＋（Ａｍ−＋　Ｂｍ　０３ｍ＋１）　
２−で表わされる化合物をＣ軸配向させて用いる場合に
ついて説明する。この化合物は、第５図（Ａ）（Ｂ）に
示したような結晶構造を有している。その分極軸は、ａ
軸およびａ軸を含む面内において、ａ軸から士数度傾向
いた方向にある。従って、第６図に示したように、Ｃ軸
配向させた結晶に対してＣ軸方向に電界を印加すること
により、分極回転を促すことができる。

以上が本発明の根拠となる考え方である。要約すると、
本発明では書き込み及び読み出しの何れにおいても、分
極の反転を利用するのでなく回転を利用する。しかも、
電界印加方向に投影したと７きに、回転による安定方向の数が少いほど望ましく、よ
り好ましくは、この安定方向が２つのみというのが良い
。これを実現する為には、正方晶ペロブスカイト型結晶
を（１１，１）配向させ、この方向に電界を印加する。

或いは、分極方向が結晶軸からズした結晶を、結晶軸方
向に配向させる方法を取る。これらの分極状態を検出す
るには、抗電界よりも小さい電圧を印加した時の電流の
大きさを見れば良い。この検出電界が抗電界よりかなり
小さい場合は、強誘電体を小信号で利用する他の場合に
似ている。従って、本発明は微小信号で用いるセンサー
　トランスデューザ、通信用部品等の安定性を改善する
のにも役立つと言える。本発明においては、非破壊読出
しが可能なこと、安定性が良いこと、クリスト−りを回
避できることの何れの特徴も、上記のように分極回転の
復帰性が強いことに起因している〔実施例〕実施例１第７図を参照し、本発明による第１実施例を］　８説明する。

例えば石英ガラス、ＮＡ−４０（ノンアルカリ高耐熱性
ガラス：　ＨＯＹＡ製）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）
、サファイア、チタン酸ストロンチウム（Ｓ　ｒ　Ｔ　
ｉＯ３）　、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ　）　、ガリウムアルミニウム砒素（ＧａＡｌ
Ａｓ）等からなる基板３１を用いる。

該基板３１が導電性である場合（Ｓｔ、ＧａＡｓＧａＡ
　ＩＡｓ）は、例えば酸化硅素（Ｓｉ０３）、窒化硅素
（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁層３２をスパッタ、ＣＶ
Ｄ等の手段でコートシた後、その」二に下部電極３Ｂを
スパッタ、ＣＶＤ、真空蒸着、イオンブレーティング等
の手段でイＮ１着させる。

方、基板３］が導電性を有さない場合（石英ガラス、Ｎ
　Ａ−４０、ＭｇＯ，サファイア、５ｒＴｉＯ３）には
、該基板上に下部電極６５を直接付着させる。

この実施例では、基板３１に［１，００］面Ｓｔを用い
、これを表面酸化してＳｉＯ２膜３２膜形２し、更に　
３００°Ｃに加熱しながら白金（Ｐｔ）をスパッタする
ことにより（１１１）配向したＰｔ９下部電極３３を形成した。この」二に、金属アルコキシ
ド溶液をスピンコートシた。この溶液は、コティング後
の熱処理により、（Ｐ　ｂ　＋、−ｘ　Ａｘ　）（Ｚ　
ｒ　＋−ｙ−ｚ　Ｔ　ｉ　ｙ　Ｂｚ　）　０３＋βＭｅ
Ｏの化学式で表されるものになるように、これらの元素
を含んだ組成を有している。但し、上記の化学式におい
て、 α　＝　０〜０．２　、Ａ：Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの何れが、ｘ＝０〜０４３　、ｙ　≧０．５８、Ｂ：Ｈｆ、Ｓｎの何れが、ｚ＝０　〜０．３　、Ｍｅ　　：Ｌａ、　　Ｙ、　　Ｓｍ、　　Ｄｙ、　　Ｃ
ｅ、　　Ｂ１Ｓｂ、　　Ｎｂ、　　Ｔａ、　　Ｗ、　　
Ｍｏ、　　Ｃｒ。

Ｃｏ、　　Ｎｉ、　　Ｆｅ、　　Ｃｕ、　　Ｔｈ、　　
Ｕ。

Ｓｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａ、Ｑのうちの何れが、又は複数の
組合わせ、 β−＝０〜０．０５である。

０上記の金属アルコキシド溶液をスピンコードした後、２
５０℃で乾燥した。更に、２５０℃で加熱しながら１０
秒間隔で赤外線照射することにより、空気中または酸素
ガス中において、４５０°Ｃ〜８００℃で１０分〜１２
Ｏ分熱処理した。これを１サイクルとし、該サイクルを
５〜１０回繰り返すことにより、厚さ約１μｍの強誘電
薄膜３４を得た。得られた強誘電体薄膜３４はペロブス
カイト構造を有し、且つ第４図（Ａ）に示したように、
（］−１１）軸が下部電極面に対して垂直な結晶配向を
有していた。

なお、上記の化学式に於いて、α−０でも良いが、αを
０〜０．２になる様な組成にすると、熱処理時に液相焼
結が起り易くなり、ピンホールのない緻密な膜を比較的
低い熱処理温度で得られるようにになる。α〉０．２で
は遊離した酸化鉛が析出し、良好な特性が得られなくな
る。

Ａとして用いるＣａ、Ｓｒ、Ｂａは誘電率を大きくし、
ｐｂの蒸発を問題にしなくても済むようになる。更に、
Ｚ　ｒ　／　Ｔ　ｉ比が比較的大きくても、１Ａで置換することにより正方品にすることができ、特性
（特に誘電率や、残留分極値、及びこれらの温度特性）
を広い範囲で変化させることが可能である。

ｘ＞０．３以上では、キュリー点Ｔｃが１００℃以下と
なる。このため、かえって温度特性が悪くなり、又減極
しやすくなる。

ｙ≧０．５８の条件は、Ｘとの兼ね合いにより異なる。

即ち、ｘ−０ではｙ≧０．５　、ｘ−０，１５〜０．３
ではｙ≧０．５８となる。

Ｂ　（Ｓｎ　　Ｈｆ）は、Ａと同じ＜Ｚｒ、Ｔｉサイト
を置換することによって、より大きな特性のバリエーシ
ョンを得ることを目的としている。

２の値はＸ、ｙとの兼ね合いで決める。特に、ｘ　＋　
ｚ　＜　０．３となる様にし、Ｔｃが低くなりすぎない
様にする。

Ｍｅは添加物で、ソフト化（Ｐｒ増大、Ｖｃ減少）を目
的とする場合にはＬａ、Ｙ、Ｓｒｎ、Ｄｙ。

Ｃｅ、Ｂ　ｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｈを用
いる。また、ハード化（Ｐｒ減少、Ｖｃ増加）２を目的とする場合にはＣｒ、Ｃａ、Ｎｉ、Ｃ。

Ｆｅ、Ｕ　　Ｃｕ、Ｓｃを用いる。面方向の結晶粒径を
制御することを目的として、またｐｂと共に液相焼結を
加速し、緻密な膜を得ることを目的として、Ｓｉ、Ａｇ
、Ｇｅを添加する場合もある。

ソフト化添加物とハード化添加物を適当に混合すると、
分極回転時の分域発生過程を制御でき易くなる。

β≧０．０５では、分離相の発生で好ましい特性が得ら
れなくなる。

この実施例ではスピンコード用出発液として金属アルコ
キシドを用いたが、アセチルアセトン金属塩や、ナフテ
ン酸またはオクチル酸金属石鹸を出発液としてスピンコ
ードしても、同様に強誘電体薄膜３４を成膜することが
できる。

上記のように、こうして得た強誘電体薄膜３４はスピン
コード、乾燥、熱処理の全工程を工夫することにより、
Ｐｔ電極と同じ＜（１１１）方向に配向させることがで
きる。但し、面方向には多結晶である。

　３この配向した強誘電体薄膜３４の上に、密着性を良くす
る為にＴｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗの何れかを真空蒸着、スパ
ッタ等で下地コー！−した後、その上にＡｕ、Ｐｔ、Ａ
ｇ、Ｎｉ、Ａ、Ｑの何れかを真空蒸着スパッタ等でイ」
着させ上部電極３５とする。

尚ここで、上部電極３５の密着性を問題にしないのであ
れば、下地コートは省略してもよい。

以上の様にして得られた強誘電体セル領域３６には、下
部電極３３及び上部電極３５の間に印加する電圧によっ
て、分極軸３７．３８に対して一定の角度で電界を及ぼ
すことができる。例えば、上部電極３５から下部電極３
３へ向かう抗電圧以上の電圧をかけると、３７（破線）
の向きに向いた残留分極が得られる。また、下部電極３
Ｂから上部電極３５に向かう抗電圧以上の電圧を印加す
ると、７０（実線）の向きに向いた残留分極が得られる
。この２つの状態を夫々“１”、“○“の状態に対応さ
せることにより、メモリーの書き込みかできることにな
る。一方、抗電圧ＶＣよりかなり小さい電圧を印加して
残留分極を回転させ、４回転によって生ずる変位電流の大きさを検出することに
より、０１″の状態か“０”の状態かの検出、即ち読み
出しを行なうことができる。

実施例２第８図を参照し、本発明の第２実施例を説明する。

例えば石英ガラス、ＮＡ−４０（ノンアルカリ高耐熱性
ガラス：Ｈ’ＯＹＡ製）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）
、サファイア、チタン酸ストロンチウム（Ｓ　ｒ　Ｔ　
ｉＯ３）　、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ　）　、ガリウムアルミニウム砒素（ＧａＡｌ
Ａｓ）等からなる基板４１を用いる。

該基板４１が導電性である場合（Ｓ　ｉ、ＧａＡｓ。

ＱａＡＩＡＳ）は、例えば酸化硅素（ＳｉＯ３）、窒化
硅素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁層４２をスパッタ、
ＣＶＤ等の手段でコートした後、その上に下部電極４３
をスパッタ、ＣＶＤ、真空蒸着、イオンブレーティング
等の手段で付着させる。

方、基板４１か導電性をもたない場合（石英ガラス、Ｎ
　Ａ−４０、ＭｇＯ，サファイア、５ｒＴｉＯ，）５には、該基板上に下部電極４３を直接付着させる。

この実施例では、基板に［］、　００１面Ｓｉを用い、
これを表面酸化して５ｉ０２膜４２を形成し、更に７０
０°Ｃに加熱しながら白金（Ｐｔ）をスパッタすること
により（１００）配向したＰｔ下部電極４３を形成した
。この上に、金属アルコキシド溶液をスピンコードした
。この溶液は、コーテイング後に熱処理を施すことによ
って、下記化学式で表されるものになる組成を有してい
る。

（Ｂｉ２Ｏ□）”　（Ａ−＋　８□０３ｆｆ、＋１）２
但し、上記の化学式において、Ａ：Ｂｉ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｎａ。

Ｋの何れが、Ｂ　：Ｔ　ｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ。

Ｃｒの何れが、ｍ＋Ａ、Ｂの価数によってｍ　＝　１．．２，３．４．
５上記の金属アルコキシド溶液をスピンコードした後、
２５０℃で乾燥した。更に、空気中又は酸素ガス中にお
いて、４５０℃〜８００℃で１０分〜１２Ｏ分熱処理を
行なった。これを１サイクルとし、該処６理サイクルを５〜１０回繰り返すことにより、厚さ約１
μｍの強誘電薄膜を得た。

なお、この実施例ではスピンコード用出発液として金属
アルコキシドを用いたが、アセチルアセトン金属塩や、
ナフテン酸またはオクチル酸金属石鹸を出発液としてス
ピンコードしても、同様に強誘電体薄膜４４を成膜する
ことができる。

このようにして得られた強誘電体薄膜４４は、スピンコ
ード、乾燥、熱処理の全工程を工夫することによって、
Ｐｔ電極と同方向にＣ軸配向させることができる。しか
し、面方向には多結晶である。

この配向した強誘電体薄膜４４の上に、密着性を良くす
る為にＴ　ｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗの何れかを真空蒸着、ス
パッタ等で下地コートした後、その」二にＡｕ、Ｐｔ、
Ａｇ、Ｎｉ、Ａｇの何れかを真空蒸着またはスパッタ等
で付着させることにより、上部電極４５を形成する。上
部電極４５の密着性を問題にしないのであれば、下地コ
ートは省略してもよい。

　７以上のようにして得られた強誘電体セル４６は、下部電
極４３及び上部電極４５の間に印加する電圧によって、
分極軸４７．４８に対して一定の角度で電界を及ぼすこ
とができる。上部電極４５から下部電極４３へ向かう抗
電圧以上の電圧をかけると、４７（破線）の向きに向い
た残留分極が得られる。また、下部電極４３から上部電
極４５に向かう抗電圧以上の電圧を印加すると、７０（
実線）の向きに向いた残留分極が得られる。この２つの
状態をそれぞれ“１″、００″の状態に対応させること
により、メモリーの書き込みができる。

一方、抗電圧■。よりかなり小さい電圧を印加して残留
分極を回転させ、回転によって生ずる変位電流の大きさ
を検出することにより、“１”の状態か“Ｏ”の状態か
の検出、即ち読み出しを行なうことかできる。

実施例３第９図を参照し、本発明による第３実施例を説明する。

この実施例では、実施例１又は実施例２の単一８セルが２次元に配列する様に、下部ストライプ状電極５
３．．５３２・・・と、上部ストライプ状電極５５１　
５５２・・・を直交する様に配置したものである。５１
は基板、５２は絶縁膜、５４は強誘電体層である。強誘
電体層５４の分極回転を書き込み及び読み出しに利用す
るために、強誘電体薄膜層は実施例１または実施例２て
説明したように配向している。

なお、上記第９図に示した強誘電体メモリのための制御
回路としては、本出願人が先に出願済みの発明（特願昭
６３−３２１６３９号）に記載したもの（第２３図〜第
２８図）を利用する。

基本的には、アクセス回路を用いて下部ストライプ状電
極群５３１，５３２・・・のうちの１本と、上部ストラ
イプ状電極群５５．．５５２・・・のうちの１本とを選
択することにより、強誘電体２次元配列素子のうちの１
つのセルを選択する。この選択されたセルに対し、該セ
ルが正負何れかの残留分極状態になるような極性と大き
さを有する電圧■１を印加する。即ち、選択された一組
のストラ２つイブ状電極の夫々に、＋Ｖ　、、／　２　、　−Ｖ　、
ｐ／　２、或いは−Ｖ　、、／　２　、　　＋Ｖ　、ｐ
／　２を印加することにより、２値のいずれかの状態に
なる様に設定（書込み）する。また、何れの状態にある
かを検出するために、書込み時と同様にアクセス回路を
用い、ｌ」的としたセルを選択し、該セルに抗電圧ＶＣ
以下の電圧を印加する。即ち、選択された一組のストラ
イプ状電極の夫々に対して、＋　Ｖ　ｃ　／　２以下。

−Ｖ。／２以下の電圧を印加する。そのときに両ストラ
イプ電極間に流れる電流の大きさをモニターすることに
より、読出しを行なう。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の強誘電体素子は、強誘電
体薄膜の分極軸を上下の両電極面に垂直な方向に対して
傾斜させ、且つ分極軸に対して一定の角度で電界を印加
し、分極の回転によって書込み及び読み出しを行なう。

これにより、■記憶保持状態が不安定（耐久性が悪い）
■クロストークの問題 ■破壊メモリとなる。

０といった強誘電体メモリの実用化を妨げてきた問題を解
決でき、耐久性が良好で、非破壊、不揮発性、大容量、
且つ高速スイッチング性の強誘電体メモリを実現できる
。

加えて、上記■についての改善は単にメモリー素子にと
どまらず、通常の小信号を利用するセンサー　トランス
デユーサ、通信部品における耐久性（経時変化）の改善
にもつながる。

２１．２１’・・・分極、２２・・・外部電界、２３・
・・永久双極子、２４・・・上部電極、２５・・・下部
電極、３１．４１．５１・・・基板、３２，４２．５２
・・・絶縁膜、３３．４３．５３・・・下部電極、３４
，４４゜５４・・・強誘電体薄膜、３５，４５．５５・
・・上部電極、３６．４６・・・強誘電体メモリーセル
、３７゜３８．４７．４８・・・分極軸

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明における技術思想を説明するた
めの図、第７図は本発明の一実施例になる強誘電体メモ
リーを示す断面図、第８図は本発明の他の実施例になる
強誘電体メモリーを示す断面図、第９図は本発明の更に
別の実施例になる強誘電体２次元配列メモリーを一部断
面で示す斜視図、第１０図は従来の強誘電体メモリーを
示す回路図であり、第１１図および第１２図はその問題
点を説明するための図、第１３図は従来の他の強誘電体
メモリーを示す回路図である。３］

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に下部電極、強誘電体薄膜、上部電極を順
次積層した強誘電体素子において、前記強誘電体薄膜を、その分極軸が前記両電極面に垂直
な方向に対して傾斜するように結晶配向させたこと特徴
する強誘電体素子。
（２）前記下部電極が、前記強誘電体薄膜の結晶配向方
向と同一の結晶配向方向を有していることを特徴とする
請求項１に記載の強誘電体素子。
（３）前記基板が、ガラス、酸化マグネシウム単結晶（
ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム単結晶（ＳｒＴｉＯ
＿３）、シリコン単結晶（Ｓｉ）、ガリウム砒素単結晶
（ＧａＡｓ）ガリウムアルミ砒素単結晶（ＧａＡｌＡｓ
）及び表面酸化したシリコン（ＳｉＯ＿２／Ｓｉ）から
なる群から選択されることと、前記下部電極が、（１１１）方向に配向した白金（Ｐｔ
）からなることと、前記強誘電体薄膜が、（Ｐｂ＿１＿＋＿α＿−＿ＸＡ＿
Ｘ）（Ｚｒ＿１＿−＿Ｙ＿−＿ＺＴｉ＿ＹＢ＿Ｚ）Ｏ＿
３＋βＭｅＯα＝０〜０．２、ｙ≧０．５８、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの何れか、ｘ＝０〜０．３、Ｂ：Ｈｆ，Ｓｎの何れか、ｚ＝０〜０．３、Ｍｅ：Ｌａ，Ｙ，Ｓｍ，Ｄｙ，Ｃｅ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｎｂ
，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｕ，Ｓｃ，Ｔｈ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ａｌのうちの何れか、又は、複数の組合わせ、 β＝０〜０．０５という化学式を有し、かつ結晶構造が正方晶系で（１１
１）配向していることと、前記上部電極が、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉの何れかから
なる単層構造、又はＣｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗの何れかから
なる下地層及びＰｔ，Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉの何れかからな
る上層の２層構造を有していることとを特徴とする請求
項１に記載の強誘電体素子。
（４）前記基板が、ガラス、酸化マグネシウム単結晶（
ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム単結晶（ＳｒＴｉＯ
＿３）、シリコン単結晶（Ｓｉ）、ガリウム砒素単結晶
（ＧａＡｓ）ガリウムアルミ砒素単結晶（ＧａＡｌＡｓ
）及び表面酸化したシリコン（ＳｉＯ＿２／Ｓｉ）から
なる群から選択されることと、前記下部電極が、（１００）配向したＰｔからなること
と前記強誘電体薄膜が、（Ｂｉ＿２Ｏ＿２）＾２＾＋（Ａ＿ｍ＿−＿１Ｂ＿ｍＯ
＿３＿ｍ＿＋＿１）＾２＾−Ａ＝Ｂｉ，Ｐｂ，Ｂａ，Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｎａ，Ｋ，希土類元素Ｂ＝Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｒｍ＝１，２，３，４，５なる化学構造式を有し、かつｃ軸配向していることと前記上部電極が、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉの何れかから
なる単層構造、又はＣｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗの何れかから
なる下地層及びＰｔ，Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉの何れかからな
る上層の２層構造を有していることとを特徴とする請求
項１に記載の強誘電体素子。
（５）前記下部電極および上部電極の両者が複数のスト
ライプ状電極からなり、且つ下部電極および上部電極が
互いに直交して配列された構造を有することを特徴とす
る請求項１に記載の強誘電体２次元配列素子。