JPH08340087A

JPH08340087A - 強誘電体不揮発性メモリ

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Publication number: JPH08340087A
Application number: JP7169266A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Suzuki; 真之鈴木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 1996-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】プレーナ型の強誘電体不揮発性メモリを最適
構造で実現する。【構成】Ｓｉ基板１上にバッファ層であるＭｇＡｌ₂
Ｏ₄薄膜２を介して所定形状のＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄
膜３を設け、その両側の部分のＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜２上
にＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３の側壁に接してＳｒＲｕ
Ｏ₃薄膜４、５を設けて強誘電体不揮発性メモリを構成
する。Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３は強誘電体薄膜を構
成し、ＳｒＲｕＯ₃薄膜４、５は電極を構成する。Ｂｉ
₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３およびＳｒＲｕＯ₃薄膜４、５
上には保護膜として絶縁キャップ層６を設ける。Ｓｉ基
板１、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜２およびＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ
₉薄膜３が相互にほぼ格子整合し、ＳｒＲｕＯ₃薄膜
４、５がＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜２とほぼ格子整合するよう
にそれらの面方位を選ぶ。他の例では、Ｂｉ₂ＳｒＴａ
₂Ｏ₉薄膜３の代わりに（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂｉ₂
Ｏ₃）_m超格子を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、強誘電体不揮発性メ
モリに関する。

【０００２】

【従来の技術】酸化物薄膜材料は、１９８６年に報告さ
れた高温超伝導酸化物に端を発し((1)Z. Phys. B.,64,1
89-193(1986)) 、この数年で驚異的に発展してきている
ことは周知の事実である。

【０００３】そのような状況下、１９５０年代の一時期
に精力的に研究されながら、強誘電体薄膜の界面制御の
難しさなどにより産業に浸透しなかった、強誘電体を用
いたメモリデバイス（例えば、(2)Electrical Engineer
ing,71,916-922(1952)、(3)Bell Labs. Record,33,335-
342(1955))が、最近、強誘電体不揮発性メモリとして新
たに脚光を浴びるようになり、その研究開発が急速に展
開されてきている（例えば、(4)Appl. Phys. Lett.,48,
1439-1440(1986) 、(5) 米国特許第４７１３１５７号、
(6)IEDM Tech. Dig.,850-851(1987)、(7)IEEE J. Solid
State Circuits,23,1171-1175(1988)、(8)Tech. Dig.
ISSCC 88,130-131(1988)) 。この強誘電体不揮発性メモ
リの現状については、詳細に報告されている（例えば、
(9) 応用物理、第62巻、第12号、1212-1215(1993) 、(1
0)エレクトロニク・セラミクス、第24巻、７月号、6-10
(1993)、(11)電子材料、第33巻、第８号（1994)(「強誘
電体薄膜の不揮発性メモリへの応用」特集号) 、(12)セ
ラミックス、第27巻、720-727(1992))。

【０００４】さて、強誘電体不揮発性メモリとしては、
ペロブスカイト型結晶構造を有する強誘電体酸化物薄膜
を一対の白金（Ｐｔ）電極間にはさんだ構造を有するも
のが多く報告されている（例えば、(13)J. Appl. Phy
s.,70,382-388(1991))。その代表例に、ＰＺＴ薄膜を一
対のＰｔ電極間にはさんだ構造を有する強誘電体不揮発
性メモリがあるが、Ｐｔ電極のはがれが起きやすかった
り、経時変化を示すいわゆるファティーグ特性が悪いも
のが多かった。これは、Ｐｔ電極との界面の近傍におけ
るＰＺＴ薄膜の酸素欠損や、ＰＺＴの自発分極値が大き
いこと、すなわち格子変位量が大きいことに由来する結
合力の疲労などの因子が複雑に絡んで起こるものと考え
られている（例えば、(14)J. Appl. Phys.,70,382-388
(1991))。

【０００５】最近、上述のファティーグ特性を改善する
ために、ビスマス（Ｂｉ）系層状強誘電体酸化物薄膜を
強誘電体薄膜に用いた強誘電体不揮発性メモリが提案さ
れている（例えば、(15)国際公開番号ＷＯ９３／１２５
３８、(16)国際公開番号ＷＯ９３／１２５４２）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者の知見によれば、これまでに提案された強誘電体不揮
発性メモリは、構造の最適化の点に関しては、不十分で
あると考えられる。

【０００７】したがって、この発明の目的は、構造の最
適化を図ることができる強誘電体不揮発性メモリを提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく、強誘電体不揮発性メモリの実現に最適な材
料系その他について詳細な検討を行った。以下にその概
要を述べる。

【０００９】まず、基板としては、安価かつ入手容易で
結晶性にも優れた単結晶のシリコン基板が、最も有力な
候補として挙げられる。

【００１０】次に、電極材料に関しては、電極材料にＰ
ｔを用いた従来の強誘電体不揮発性メモリにおける問題
を回避することができるものとして、導電性酸化物、特
にペロブスカイト型結晶構造を有するものが、優れてい
ると考えられる。この導電性酸化物のうち、一般式ＡＢ
Ｏ₃で表される単純ペロブスカイト型酸化物の具体例を
挙げると、下記の通りである。

【００１１】

【化１】

【００１２】

【化２】

【００１３】

【化３】

【００１４】

【化４】

【００１５】

【化５】

【００１６】

【化６】

【００１７】

【化７】

【００１８】また、導電性酸化物のうち層状ペロブスカ
イト型酸化物としては、

【化８】が挙げられる。その具体例をいくつか挙げると、ＳｒＲ
ｕＯ₃、ＳｒＩｒＯ₃、Ｓｒ₂ＲｕＯ₄、Ｓｒ₂ＩｒＯ
₄などである。

【００１９】層状ペロブスカイト型酸化物としては、こ
れらのほかに例えばＢａ₂ＲｕＯ₄などもある。

【００２０】電極材料としては、上に挙げたもののほか
に、いわゆる高温超伝導酸化物も候補と考えられる。そ
の具体例をいくつか挙げると、下記の通りである。

【００２１】

【化９】

【００２２】

【化１０】

【００２３】

【化１１】

【００２４】

【化１２】

【００２５】

【化１３】

【００２６】さて、電極材料として上述のような導電性
酸化物を用いる場合、この導電性酸化物をシリコン基板
上に直接エピタキシャル成長させることは一般には難し
い。そこで、シリコン基板上にまず、このシリコン基板
と格子整合する材料からなるバッファ層をエピタキシャ
ル成長させ、その上にこのバッファ層と格子整合する導
電性酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることを考え
る。このようにすることにより、広範囲の導電性酸化物
の中から、最適な電極材料を選択することができる。こ
のバッファ層は、その上に導電性酸化物薄膜をエピタキ
シャル成長させることができるようにするためには、酸
化物からなるものが好ましい。ここで、この酸化物から
なるバッファ層は、シリコン基板上に直接エピタキシャ
ル成長させることができることが必要である。

【００２７】酸化物材料としては、表１に示すように、
極めて多種類のものがあるが、このうちシリコン基板上
に直接エピタキシャル成長可能なものは、現在、酸化マ
グネシウム（ＭｇＯ）、酸化セリウム（セリア）（Ｃｅ
Ｏ₂）、α構造アルミナ（α−Ａｌ₂Ｏ₃）、イットリ
ウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）およびマグネシウム
・アルミニウム・スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）の五種類
に限られている。もちろん、これ以外の酸化物がシリコ
ン基板上に直接エピタキシャル成長しないことが明らか
となっているわけではなく、これ以外に直接エピタキシ
ャル成長可能なものがある可能性はある。表１には、酸
化物結晶の格子定数（ａ、ｃ）および熱膨張率（α）を
示してある。なお、Ｓｉの格子定数および熱膨張率は、
それぞれａ＝０．５４３０８８４ｎｍおよびα＝３．０
×１０^-6／Ｋである。

【００２８】

【表１】

【００２９】強誘電体不揮発性メモリを製造するには、
上述の導電性酸化物薄膜上に強誘電体薄膜を積層する
が、この強誘電体薄膜材料としては、ファティーグ特性
に優れていることや、この強誘電体薄膜上へのエピタキ
シャル成長の容易さなどの見地から、オリビリウス族
（Aurivillius Family）と呼ばれるＢｉ系層状強誘電体
酸化物群が優れていると考えられる。このオリビリウス
族Ｂｉ系層状強誘電体酸化物は、次の一般式で表され
る。

【００３０】［Ｂｉ₂Ｏ₂］²⁺［Ｍｅ_m-1Ｒ_mＯ_3m+1］
^2- ただし、ｍ＝２、３、４、５、６、７、８Ｍｅ＝Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｐｂ、ＢｉＲ＝Ｆｅ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ

【００３１】このオリビリウス族Ｂｉ系層状強誘電体酸
化物の具体例を、実用性の高いｍ＝２、３、４、５の場
合について示すと、下記の通りである。

【００３２】（ａ）ｍ＝２

【化１４】

【００３３】（ｂ）ｍ＝３

【化１５】

【００３４】（ｃ）ｍ＝４

【化１６】

【００３５】（ｄ）ｍ＝５

【化１７】

【００３６】強誘電体薄膜としては、上述のＢｉ系層状
強誘電体酸化物薄膜のほかに、例えばマルチペロブスカ
イト型強誘電体酸化物超格子も優れている。これは、少
なくとも強誘電体酸化物薄膜を含む二種類以上の酸化物
薄膜により構成され、全体として強誘電体薄膜として機
能するものであり、強誘電体酸化物薄膜とこれと異なる
強誘電体酸化物薄膜または常誘電体酸化物薄膜とを交互
に積層したものが例として挙げられる。

【００３７】今、この強誘電体酸化物超格子が強誘電体
酸化物薄膜（薄膜Ｉ）と他の強誘電体酸化物薄膜または
常誘電体酸化物薄膜（薄膜ＩＩ）とを交互に積層したも
のであるとする。この場合、薄膜Ｉの材料としては、上
述のｍ＝２、３、４、５のオリビリウス族Ｂｉ系層状強
誘電体酸化物のほかに、例えば、

【化１８】

【化１９】が挙げられる。

【００３８】また、薄膜ＩＩの材料としては、

【化２０】

【化２１】などのほか、Ｂｉ−Ｏ、ＭｇＯ、ＣｅＯ₂、ＭｇＡｌ₂
Ｏ₄、ＹＳＺ、α−Ａｌ₂Ｏ₃などが挙げられる。ここ
で、特に、薄膜ＩＩが常誘電体酸化物薄膜であり、これ
を強誘電性のブロッキング層として用いる場合、この常
誘電体酸化物薄膜としては、Ｂｉ−Ｏ層、Ｇａ−Ｏ層、
Ａｌ−Ｏ層、Ｂ−Ｏ層、Ｌｎ−Ｏ層（ただし、Ｌｎはラ
ンタノイド系列の元素）、Ｐｂ−Ｏ層、Ｙ−Ｏ層、Ｓｃ
−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層、Ｔｌ−Ｏ層、Ｈｇ−Ｏ層などを用
いることができる。

【００３９】この強誘電体酸化物超格子の具体例を挙げ
ると、同じペロブスカイト型結晶構造を有する強誘電体
酸化物薄膜および常誘電体酸化物薄膜により構成された
ものとしては、例えば（ＢａＴｉＯ₃）_n／（ＳｒＴｉ
Ｏ₃）_m超格子が挙げられ、異なる結晶構造を有する強
誘電体酸化物薄膜および常誘電体酸化物薄膜により構成
されたものとしては、例えば（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂ
ｉ₂Ｏ₃）_m超格子が挙げられる。

【００４０】強誘電体酸化物超格子としては、上に挙げ
たものに加えて、強誘電体酸化物薄膜としてＢｉ系層状
強誘電体酸化物薄膜を用いたものを用いることもでき
る。

【００４１】このような強誘電体酸化物超格子は、一般
には、いわゆるひずみ超格子と類似のものになってい
る。すなわち、この強誘電体酸化物超格子を構成する酸
化物薄膜間に存在する格子不整合により、これらの酸化
物薄膜間の界面にそれぞれ例えば数十ＭＰａ〜数ＧＰａ
の圧縮力と張力とが働き、これがこの強誘電体酸化物超
格子の強誘電性を大きく改善すると考えられる。また、
いわゆる強誘電体のサイズ効果の問題を回避することも
できる。

【００４２】ところで、強誘電体不揮発性メモリとして
は、強誘電体薄膜上に導電層を積層し、この導電層およ
び強誘電体薄膜の下層の導電性酸化物薄膜をそれぞれ上
部電極および下部電極として用い、これらの上部電極お
よび下部電極間に電圧を印加することにより基板表面に
対して垂直方向（縦方向）の電界を印加するものも考え
られるが、パターン化された強誘電体薄膜の両側にそれ
ぞれ電極を配置し、これらの電極間に電圧を印加するこ
とにより基板表面に対して平行な方向（横方向）に電界
を印加するものも考えられる。後者の横方向電界印加型
あるいはプレーナ型の強誘電体不揮発性メモリは、強誘
電体薄膜の分極容易軸が基板表面に平行な方向にある場
合に高い強誘電性を得ることができ、有効である。ま
た、プレーナ型の強誘電体不揮発性メモリは、集積化に
も有利である。

【００４３】この発明は、本発明者による上記考察に基
づいて、案出されたものである。

【００４４】すなわち、上記目的を達成するために、こ
の発明の第１の発明による強誘電体不揮発性メモリは、
シリコン基板と、シリコン基板上の酸化物からなるバッ
ファ層と、バッファ層上のビスマス系層状強誘電体酸化
物薄膜と、ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜の両側の
部分におけるバッファ層上にビスマス系層状強誘電体酸
化物薄膜の側壁にそれぞれ接して設けられた第１の導電
性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜とを有する
ことを特徴とするものである。

【００４５】この発明の第１の発明においては、好適に
は、バッファ層はシリコン基板とほぼ格子整合し、ビス
マス系層状強誘電体酸化物薄膜はバッファ層とほぼ格子
整合し、第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸
化物薄膜はバッファ層とほぼ格子整合している。これら
のバッファ層、ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜、第
１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜
は、好適には、シリコン基板上にエピタキシャル成長さ
れたものである。

【００４６】第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電
性酸化物薄膜は、典型的には、ペロブスカイト型結晶構
造を有する。このペロブスカイト型結晶構造を有する導
電性酸化物は、上に挙げたものから必要に応じて選ばれ
る。その一例を挙げると、ＳｒＲｕＯ₃である。このＳ
ｒＲｕＯ₃は、バルクでは通常のペロブスカイト型結晶
構造の格子定数（ａ、ｂ）の２^1/2倍のサイズの単位胞
（ａ＝０．５５６７０ｎｍ、ｂ＝０．５５３０４ｎｍ、
ｃ＝０．７８４４６ｎｍ）を有しているが、薄膜ではそ
の１／２^1/2倍のサイズに戻ることがあり（ａ＝ｂ＝
０．３９３ｎｍ）、種々の下地酸化物層と格子整合しや
すい。

【００４７】第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電
性酸化物薄膜はまた、層状ペロブスカイト型結晶構造を
有するものでもよい。この層状ペロブスカイト型結晶構
造を有する導電性酸化物は、上に挙げたものから必要に
応じて選ばれる。その一例を挙げると、Ｓｒ₂ＲｕＯ₄
である。

【００４８】この発明の第１の発明の一実施形態におい
ては、バッファ層として、マグネシウム・アルミニウム
・スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）からなるものが用いられ
る。

【００４９】この発明の第１の発明において、バッファ
層がマグネシウム・アルミニウム・スピネルからなり、
第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜
がペロブスカイト型結晶構造を有する導電性酸化物、例
えばＳｒＲｕＯ₃からなる場合には、例えば、シリコン
基板、バッファ層、第１の導電性酸化物薄膜および第２
の導電性酸化物薄膜は（１００）面方位を有し、ビスマ
ス系層状強誘電体酸化物薄膜は（００１）面方位を有す
る。また、バッファ層がマグネシウム・アルミニウム・
スピネルからなり、第１の導電性酸化物薄膜および第２
の導電性酸化物薄膜が層状ペロブスカイト型結晶構造を
有する導電性酸化物、例えばＳｒ₂ＲｕＯ₄からなる場
合には、例えば、シリコン基板およびバッファ層は（１
００）面方位を有し、ビスマス系層状強誘電体酸化物薄
膜、第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物
薄膜は（００１）面方位を有する。

【００５０】この発明の第１の発明の他の一実施形態に
おいては、バッファ層として、酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ₂）からなるものが用いられる。

【００５１】この発明の第１の発明において、バッファ
層が酸化セリウムからなり、第１の導電性酸化物薄膜お
よび第２の導電性酸化物薄膜がペロブスカイト型結晶構
造を有する導電性酸化物、例えばＳｒＲｕＯ₃からなる
場合には、例えば、シリコン基板は（１００）面方位を
有し、バッファ層は（１１０）面方位を有し、ビスマス
系層状強誘電体酸化物薄膜は（００１）面方位を有し、
第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜
は（１００）面方位を有する。また、バッファ層が酸化
セリウムからなり、第１の導電性酸化物薄膜および第２
の導電性酸化物薄膜が層状ペロブスカイト型結晶構造を
有する導電性酸化物、例えばＳｒ₂ＲｕＯ₄からなる場
合には、例えば、シリコン基板は（１００）面方位を有
し、バッファ層は（１１０）面方位を有し、ビスマス系
層状強誘電体酸化物薄膜、第１の導電性酸化物薄膜およ
び第２の導電性酸化物薄膜は（００１）面方位を有す
る。

【００５２】この発明の第１の発明の好適な一実施形態
においては、ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜、第１
の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜上の
絶縁キャップ層をさらに有する。この絶縁キャップ層は
保護膜として用いられる。この絶縁キャップ層の材料
は、下地のビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜、第１の
導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜との熱
膨張係数の差があまり大きくない絶縁材料であれば、基
本的にはどのようなものでもよい。具体的には、この絶
縁キャップ層の材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃ
ｅＯ₂、ＹＳＺなどが用いられる。

【００５３】この発明の第２の発明による強誘電体不揮
発性メモリは、シリコン基板と、シリコン基板上の酸化
物からなるバッファ層と、バッファ層上の少なくとも強
誘電体酸化物薄膜を含む酸化物超格子と、酸化物超格子
の両側の部分におけるバッファ層上に酸化物超格子の側
壁にそれぞれ接して設けられた第１の導電性酸化物薄膜
および第２の導電性酸化物薄膜とを有することを特徴と
するものである。

【００５４】この発明の第２の発明において、好適に
は、酸化物超格子は強誘電体酸化物薄膜と常誘電体酸化
物薄膜とからなる。この場合、常誘電体酸化物薄膜は、
上に挙げたものから必要に応じて選ばれ、例えばＢｉ−
Ｏ層である。

【００５５】ここで、強誘電体酸化物薄膜は、ペロブス
カイト型結晶構造を有するもののほか、ビスマス系層状
強誘電体酸化物薄膜であってよい。

【００５６】酸化物超格子はまた、第１のＢｉ−Ｏ原子
層と第２のＢｉ−Ｏ原子層との間に少なくともＭｅ−Ｔ
ｉ−Ｏ原子層（ただし、Ｍｅ＝Ｂａ、Ｐｂ、Ｓｒ）を中
間原子層として挿入した構造を有する人工結晶をその厚
さ方向の１単位の結晶層とするものであってもよい。こ
の場合、必要に応じて、第１のＢｉ−Ｏ原子層および第
２のＢｉ−Ｏ原子層のうちの一方とＭｅ−Ｔｉ−Ｏ原子
層との間に、さらに例えばＳｒ−Ｔａ−Ｏ原子層やＳｒ
−Ｎｂ−Ｏ原子層などが挿入される。

【００５７】この発明の第２の発明において、好適に
は、バッファ層は、シリコン基板とほぼ格子整合し、酸
化物超格子はバッファ層とほぼ格子整合し、第１の導電
性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜はバッファ
層とほぼ格子整合している。これらのバッファ層、酸化
物超格子、第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性
酸化物薄膜は、好適には、シリコン基板上にエピタキシ
ャル成長されたものである。

【００５８】第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電
性酸化物薄膜は、典型的には、ペロブスカイト型結晶構
造を有する。このペロブスカイト型結晶構造を有する導
電性酸化物は、上に挙げたものから必要に応じて選ば
れ、例えばＳｒＲｕＯ₃である。

【００５９】第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電
性酸化物薄膜はまた、層状ペロブスカイト型結晶構造を
有するものでもよい。この層状ペロブスカイト型結晶構
造を有する導電性酸化物は、上に挙げたものから必要に
応じて選ばれ、例えばＳｒ₂ＲｕＯ₄である。

【００６０】この発明の第２の発明の一実施形態におい
ては、バッファ層として、マグネシウム・アルミニウム
・スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）からなるものが用いられ
る。

【００６１】この発明の第２の発明において、バッファ
層がマグネシウム・アルミニウム・スピネルからなり、
第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜
がペロブスカイト型結晶構造を有する導電性酸化物、例
えばＳｒＲｕＯ₃からなる場合には、例えば、シリコン
基板、バッファ層、第１の導電性酸化物薄膜および第２
の導電性酸化物薄膜は（１００）面方位を有する。この
とき、酸化物超格子を構成する強誘電体酸化物薄膜がペ
ロブスカイト型結晶構造を有する場合、この強誘電体酸
化物薄膜は（００１）面方位を有する。また、酸化物超
格子を構成する強誘電体酸化物薄膜がビスマス系層状強
誘電体酸化物薄膜である場合、このビスマス系層状強誘
電体酸化物薄膜は（００１）面方位を有する。

【００６２】この発明の第２の発明において、バッファ
層がマグネシウム・アルミニウム・スピネルからなり、
第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜
が層状ペロブスカイト型結晶構造を有する導電性酸化
物、例えばＳｒ₂ＲｕＯ₄からなる場合には、例えば、
シリコン基板およびバッファ層は（１００）面方位を有
し、第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物
薄膜は（００１）面方位を有する。このとき、酸化物超
格子を構成する強誘電体酸化物薄膜がペロブスカイト型
結晶構造を有する場合、この強誘電体酸化物薄膜は（０
０１）面方位を有する。また、酸化物超格子を構成する
強誘電体酸化物薄膜がビスマス系層状強誘電体酸化物薄
膜である場合、このビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜
は（００１）面方位を有する。

【００６３】この発明の第２の発明の他の一実施形態に
おいては、バッファ層として、酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ₂）からなるものが用いられる。

【００６４】この発明の第２の発明において、バッファ
層が酸化セリウムからなり、第１の導電性酸化物薄膜お
よび第２の導電性酸化物薄膜がペロブスカイト型結晶構
造を有する導電性酸化物、例えばＳｒＲｕＯ₃からなる
場合には、例えば、シリコン基板は（１００）面方位を
有し、バッファ層は（１１０）面方位を有し、第１の導
電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜は（１０
０）面方位を有する。このとき、酸化物超格子を構成す
る強誘電体酸化物薄膜がペロブスカイト型結晶構造を有
する場合、この強誘電体酸化物薄膜は（００１）面方位
を有する。また、酸化物超格子を構成する強誘電体酸化
物薄膜がビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜である場
合、このビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜は（００
１）面方位を有する。

【００６５】この発明の第２の発明において、バッファ
層が酸化セリウムからなり、第１の導電性酸化物薄膜お
よび第２の導電性酸化物薄膜が層状ペロブスカイト型結
晶構造を有する導電性酸化物、例えばＳｒ₂ＲｕＯ₄か
らなる場合には、例えば、シリコン基板は（１００）面
方位を有し、バッファ層は（１１０）面方位を有し、第
１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜は
（００１）面方位を有する。このとき、酸化物超格子を
構成する強誘電体酸化物薄膜がペロブスカイト型結晶構
造を有する場合、この強誘電体酸化物薄膜は（００１）
面方位を有する。また、酸化物超格子を構成する強誘電
体酸化物薄膜がビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜であ
る場合、このビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜は（０
０１）面方位を有する。

【００６６】この発明の第２の発明の好適な一実施形態
においては、酸化物超格子、第１の導電性酸化物薄膜お
よび第２の導電性酸化物薄膜上の絶縁キャップ層をさら
に有する。この絶縁キャップ層は保護膜として用いられ
る。この絶縁キャップ層の材料としては、第２の発明と
同様に、下地の酸化物超格子、第１の導電性酸化物薄膜
および第２の導電性酸化物薄膜との熱膨張係数の差があ
まり大きくない絶縁材料、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ
₂、ＹＳＺなどが用いられる。

【００６７】

【作用】この発明の第１の発明による強誘電体不揮発性
メモリにおいては、シリコン基板の面方位、バッファ層
の材料や面方位、ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜の
面方位、第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸
化物薄膜の材料や面方位などの組み合わせにより、バッ
ファ層をシリコン基板とほぼ格子整合させることがで
き、ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜をバッファ層と
ほぼ格子整合させることができ、さらに第１の導電性酸
化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜をバッファ層と
ほぼ格子整合させることができる。この場合、第１の導
電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜は電界印
加用の電極として用いられるが、これらの電極のバッフ
ァ層およびビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜に対する
密着性は良好であるので、はがれの問題がない。また、
良好なファティーグ特性を得ることもできる。さらに、
ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜をその分極容易軸が
基板表面に平行になるように配向させる場合、その分極
容易軸の方向に電界を印加することができるため、ビス
マス系層状強誘電体酸化物薄膜の強誘電性を有効に利用
することができる。

【００６８】この発明の第２の発明による強誘電体不揮
発性メモリにおいては、シリコン基板の面方位、バッフ
ァ層の材料や面方位、酸化物超格子の面方位、第１の導
電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜の材料や
面方位などの組み合わせにより、バッファ層をシリコン
基板とほぼ格子整合させることができ、酸化物超格子を
バッファ層とほぼ格子整合させることができ、さらに第
１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜を
バッファ層とほぼ格子整合させることができる。この場
合、第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物
薄膜は電界印加用の電極として用いられるが、これらの
電極のバッファ層および酸化物超格子に対する密着性は
良好であるので、はがれの問題がない。また、良好なフ
ァティーグ特性を得ることもできる。さらに、酸化物超
格子に含まれる強誘電体酸化物薄膜をそ分極容易軸が基
板表面に平行になるように配向させる場合、その分極容
易軸の方向に電界を印加することができるため、その強
誘電性を有効に利用することができる。また、特に、酸
化物超格子が強誘電体酸化物薄膜と常誘電体酸化物薄膜
とからなる場合には、常誘電体酸化物薄膜が強誘電性の
ブロッキング層として機能することによりその面内異方
性が高くなるため、酸化物超格子の強誘電性をより有効
に利用することができる。さらに、酸化物超格子が、第
１のＢｉ−Ｏ原子層と第２のＢｉ−Ｏ原子層との間に少
なくともＭｅ−Ｔｉ−Ｏ原子層（ただし、Ｍｅ＝Ｂａ、
Ｐｂ、Ｓｒ）を中間原子層として挿入した構造を有する
人工結晶をその厚さ方向の１単位の結晶層とし、必要に
応じてさらに第１のＢｉ−Ｏ原子層および第２のＢｉ−
Ｏ原子層のうちの一方とＭｅ−Ｔｉ−Ｏ原子層との間に
例えばＳｒ−Ｔａ−Ｏ原子層やＳｒ−Ｎｂ−Ｏ原子層な
どが挿入された構造を有するものである場合には、面内
異方性がより一層高くなるため、酸化物超格子の強誘電
性をより一層有効に利用することができる。さらにま
た、この酸化物超格子はひずみ超格子として機能するこ
とにより、強誘電体薄膜の強誘電性が改善され、サイズ
効果の問題もなくなる。

【００６９】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。

【００７０】図１は、この発明の第１実施例による強誘
電体不揮発性メモリを示す断面図である。

【００７１】図１に示すように、この強誘電体不揮発性
メモリにおいては、Ｓｉ基板１上にＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜
２が積層され、このＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜２上に所定形状
のＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３が積層されている。この
Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３は強誘電体薄膜を構成す
る。このＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３の両側の部分にお
けるＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜２上には、ＳｒＲｕＯ₃薄膜４
およびＳｒＲｕＯ₃薄膜５がこのＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉
薄膜３の側壁にそれぞれ接して積層されている。これら
のＳｒＲｕＯ₃薄膜４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜５はそれ
ぞれ電極を構成する。これらのＳｒＲｕＯ₃薄膜４およ
びＳｒＲｕＯ₃薄膜５の比抵抗値は２〜３００μΩ・ｃ
ｍであり、電極として用いるのに十分に低い値である。
さらに、Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３、ＳｒＲｕＯ₃薄
膜４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜５の上には、絶縁キャップ
層６が積層されている。

【００７２】ここで、Ｓｉ基板１およびＭｇＡｌ₂Ｏ₄
薄膜２は、いずれも（１００）面方位を有する。また、
Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３は（００１）面方位を有す
る。ＳｒＲｕＯ₃薄膜４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜５は、
いずれも（１００）面方位を有する。なお、Ｓｉ基板１
は、不純物をドープしたものであっても、ノンドープの
ものであってもよい。

【００７３】この場合、Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３
は、上述のように（００１）面方位を有することから、
このＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３のｃ軸は基板表面に対
して垂直である。ここで、符号３ａはこのＢｉ₂ＳｒＴ
ａ₂Ｏ₉薄膜３のサブユニットであるＳｒＴａＯ₃層を
示し、符号３ｂはブロッキング層であるＢｉ−Ｏ層を示
す。

【００７４】この強誘電体不揮発性メモリにおいては、
ＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜２はＳｉ基板１とほぼ完全に格子整
合しており、Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３、ＳｒＲｕＯ
₃薄膜４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜５はＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄
膜２とほぼ完全に格子整合している。

【００７５】絶縁キャップ層６の材料としては、例え
ば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＹＳＺなどを用いることが
できる。

【００７６】層状強誘電体酸化物薄膜であるＢｉ₂Ｓｒ
Ｔａ₂Ｏ₉薄膜３の結晶構造におけるｃ軸長の半分の部
分を図２に示す。図２に示すように、このＢｉ₂ＳｒＴ
ａ₂Ｏ₉薄膜３は、ペロブスカイト型結晶構造を有する
ＳｒＴａＯ₃層３ａの上下がＢｉ−Ｏ層３ｂによりはさ
まれた構造を有している。このＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄
膜３においては、ＳｒＴａＯ₃層３ａにおけるＴａ−Ｏ
八面体が作るｃ軸方向への誘電分極波を、Ｂｉ−Ｏ層３
ｂというブロッキング層が遮断していると考えることが
でき、実際にこれが誘電性などの物性異方性の原因とな
っていると考えられる。

【００７７】ところで、強誘電体不揮発性メモリは、当
然ではあるが、できるだけ効率的な強誘電性ヒステリシ
ス曲線を有することが望まれている。そのためには、い
わゆる角型比（＝残留分極（Ｐ_r）／自発分極
（Ｐ_s））が高いこと、および、抗電界（Ｅ_c）が適度
に低いことの二つの条件を満たす必要がある。したがっ
て、角型比を高くするためには、Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉
薄膜３の結晶軸異方性、すなわち分極異方性を有効に活
用することができるようにすることが重要である。

【００７８】そこで、この第１実施例においては、Ｂｉ
₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３には［ブロッキング層／ペロブ
スカイト層／ブロッキング層］というｃ軸方向の内部積
層構造があるため、そのｃ軸が基板表面に対して垂直に
なり、さらにａ軸またはｂ軸が電界方向に平行になるよ
うに、このＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３の配向が決めら
れている。このときのＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３の配
向をその結晶骨格を用いて図３に示す。図３において、
電界（Ｅ）方向に強誘電分極するサブユニット（ＳｒＴ
ａＯ₃層３ａ）が、原子層単位で見たときにブロッキン
グ層（Ｂｉ−Ｏ層３ｂ）と適度な形状比で存在している
ことが、反電界係数の因子からも理想的である。

【００７９】次に、上述のように構成されたこの第１実
施例による強誘電体不揮発性メモリの製造方法について
説明する。

【００８０】まず、Ｓｉ基板１上に、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄
膜２およびＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３を順次エピタキ
シャル成長させる。このエピタキシャル成長には、反応
性蒸着法、スパッタリング法、レーザアブレーション法
などを用いることができる。このうち反応性蒸着法は、
抵抗加熱および電子ビーム加熱の併用により基板付近に
酸化力の強いオゾンや活性酸素ガスなどの雰囲気を作っ
て蒸着を行う蒸着法の一種であり、活性化反応性蒸着法
とも呼ばれる（例えば、(17)日本セラミックス学会誌、
第98巻、749-753(1990))。この反応性蒸着法による成膜
時には、１単位胞毎の原子レベルでの膜厚制御が、いわ
ゆるＲＨＥＥＤ（反射高速電子回折）振動をモニタする
ことにより可能である。

【００８１】次に、Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３をエッ
チングにより所定形状にパターニングする。

【００８２】次に、ＳｒＲｕＯ₃薄膜（図示せず）を全
面にエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成
長にも、反応性蒸着法、スパッタリング法、レーザアブ
レーション法などを用いる。ここで、このＳｒＲｕＯ₃
薄膜の厚さは、少なくともＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３
の厚さよりも大きく選ぶ。

【００８３】次に、このＳｒＲｕＯ₃薄膜上にレジスト
（図示せず）を塗布して表面を平坦化した後、異方性エ
ッチングにより基板表面に対して垂直方向にこれらのレ
ジストおよびＳｒＲｕＯ₃薄膜をエッチバックする。こ
のエッチバックは、Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３の上面
が露出した時点で停止する。これによって、Ｂｉ₂Ｓｒ
Ｔａ₂Ｏ₉薄膜３の両側の部分におけるＭｇＡｌ₂Ｏ₄
薄膜２上にこのＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３の側壁に接
触してＳｒＲｕＯ₃薄膜４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜５が
形成される。

【００８４】次に、Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３、Ｓｒ
ＲｕＯ₃薄膜４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜５上に絶縁キャ
ップ層６を成長させる。この絶縁キャップ層６の成長に
も、反応蒸着法、スパッタリング法、レーザアブレーシ
ョン法などを用いる。

【００８５】以上により、目的とする強誘電体不揮発性
メモリが製造される。

【００８６】ここで、強誘電体不揮発性メモリにおける
強誘電体薄膜の厚さが減少したときのリーク電流（ある
いは絶縁破壊）およびいわゆるサイズ効果の問題につい
て論じておく。

【００８７】リーク電流を防止するため、電極間にはさ
まれた強誘電体薄膜には、その厚さ方向に１０個以上の
結晶粒が存在するようにすることが望まれている。これ
は、電極間に入っている結晶粒の数が少なくなると、リ
ーク電流が著しく増大するためである。このときの強誘
電体薄膜（厚さ１μｍ程度）の様子を図４に模式的に示
し、そのときの強誘電体不揮発性メモリの電流−電圧
（Ｉ−Ｖ）特性を図５に示す。

【００８８】厚さが１００ｎｍ程度に減少したときの強
誘電体薄膜の様子を図６に模式的に示す。このとき、こ
の強誘電体薄膜の厚さ方向に存在する結晶粒の数は１０
よりも少ない。このときの強誘電体不揮発性メモリのＩ
−Ｖ特性を図７に示す。図７を図５と比較すると明らか
なように、電極間に入っている結晶粒の数が１０よりも
少ないときのリーク電流は、電極間に入っている結晶粒
の数が１０個以上であるときのリーク電流よりも多くな
っている。

【００８９】厚さがさらに減少して５０ｎｍ以下になっ
たときの強誘電体薄膜の様子を図８に模式的に示す。こ
のとき、この強誘電体薄膜は単結晶である。このときの
強誘電体不揮発性メモリのＩ−Ｖ特性を図９に示す。図
９を図５および図７と比較すると明らかなように、強誘
電体薄膜が単結晶であるときのリーク電流は、強誘電体
薄膜が多結晶であるときのリーク電流に比べて大幅に減
少している。

【００９０】次に、強誘電体のサイズ効果について説明
する。このサイズ効果とは、強誘電体薄膜の厚さを減少
させたとき、この強誘電体薄膜は強誘電性を保持するこ
とができるか、というものである。これは、室温で正方
晶（強誘電性）が安定である物質の粒径が非常に小さく
なると、ある値を境にしてそれ以下の粒径で急に立方晶
に変化して強誘電性を失う現象で、従来はもっぱら微粒
子に対して議論されてきた。つまり、三次元的なサイズ
縮小による物性変化と言える。このサイズ効果は、具体
的には、例えばＢａＴｉＯ₃の場合は０．１μｍ以下で
ある。ＰＺＴ薄膜の場合も、同様な結果が得られてい
る。

【００９１】以上のようなリーク電流およびサイズ効果
の問題を考慮すると、この第１実施例において強誘電体
薄膜として単結晶のＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３を用い
ることは、強誘電体薄膜の厚さが１００〜２００ｎｍ程
度に減少したときに有利になると考えられる。

【００９２】この第１実施例による強誘電体不揮発性メ
モリによれば、以下のような種々の利点を得ることがで
きる。すなわち、電極として用いられるＳｒＲｕＯ₃薄
膜３およびＳｒＲｕＯ₃薄膜４は、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜
２と良好に格子整合しているので、これらの電極のはが
れの問題がない。また、ファティーグ特性も良好であ
る。さらに、単結晶のＢｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜３を用
いることにより、電極間距離、すなわちＢｉ₂ＳｒＴａ
₂Ｏ₉薄膜３の厚さが減少しても、リーク電流が極めて
少なく、また、三次元サイズ効果によるＢｉ₂ＳｒＴａ
₂Ｏ₉薄膜３の強誘電性の劣化を防止することができ、
強誘電性物質の最高の分極値付近の値を用いることがで
きる。

【００９３】以上のように、この第１実施例によれば、
構造の最適化により、優れた特性を有し、かつ信頼性の
高い全酸化物型かつプレーナ型の強誘電体不揮発性メモ
リを実現することができる。この強誘電体不揮発性メモ
リは、プレーナ型であることにより、集積化にも適して
いる。

【００９４】図１０は、この発明の第２実施例による強
誘電体不揮発性メモリを示す断面図である。

【００９５】図１０に示すように、この強誘電体不揮発
性メモリにおいては、Ｓｉ基板１１上にＭｇＡｌ₂Ｏ₄
薄膜１２が積層され、このＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜１２上に
所定形状の（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂｉ₂Ｏ₃）_m超格
子１３が積層されている。この（ＰｂＴｉＯ₃）_n／
（Ｂｉ₂Ｏ₃）_m超格子１３は、強誘電体薄膜を構成す
る。この（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂｉ₂Ｏ₃）_m超格子
１３の両側の部分におけるＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜１２上に
はＳｒＲｕＯ₃薄膜１４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜１５
が、（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂｉ₂Ｏ₃）_m超格子１３
の側壁に接して積層されている。これらのＳｒＲｕＯ₃
薄膜１４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜１５は、それぞれ電極
を構成する。さらに、（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂｉ₂Ｏ
₃）_m超格子１３、ＳｒＲｕＯ₃薄膜１４およびＳｒＲ
ｕＯ₃薄膜１５の上には、絶縁キャップ層１６が積層さ
れている。

【００９６】ここで、Ｓｉ基板１１およびＭｇＡｌ₂Ｏ
₄薄膜１２は、いずれも（１００）面方位を有する。Ｓ
ｒＲｕＯ₃薄膜１４およびＳｒＲｕＯ₃薄膜１５は、い
ずれも（１００）面方位を有する。なお、Ｓｉ基板１１
は、不純物をドープしたものであっても、ノンドープの
ものであってもよい。

【００９７】この強誘電体不揮発性メモリにおいては、
ＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜１２はＳｉ基板１１とほぼ完全に格
子整合しており、（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂｉ₂Ｏ₃）
_m超格子１３、ＳｒＲｕＯ₃薄膜１４およびＳｒＲｕＯ
₃薄膜１５はＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜１２とほぼ完全に格子
整合している。

【００９８】絶縁キャップ層１６の材料としては、例え
ば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＹＳＺなどを用いることが
できる。

【００９９】（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂｉ₂Ｏ₃）_m超
格子１３は、常誘電体酸化物薄膜であるＢｉ₂Ｏ₃薄膜
１３ａおよび強誘電体酸化物薄膜であるＰｂＴｉＯ₃薄
膜１３ｂを交互に積層したものである。ここで、Ｂｉ₂
Ｏ₃薄膜１３ａは強誘電性のブロッキング層として機能
する。この場合、強誘電性を担うＰｂＴｉＯ₃薄膜１３
ｂは、成膜直後は（００１）面方位を有し、そのｃ軸は
基板表面に対して垂直であるが、強誘電体不揮発性メモ
リが１回でも動作した後は（１００）面方位に変化し、
そのｃ軸は基板表面に対して平行になる（厳密には、
（１００）面方位を有する部分の割合が相当増加するだ
けで、完全に（１００）面方位にはならない）。これ
は、反電界を考慮すると、有利である。

【０１００】上述のように構成されたこの第２実施例に
よる強誘電体不揮発性メモリの製造方法は、Ｂｉ₂Ｓｒ
Ｔａ₂Ｏ₉薄膜１４の代わりに（ＰｂＴｉＯ₃）_n／
（Ｂｉ₂Ｏ₃）_m超格子１３を成長させることを除い
て、第１実施例による強誘電体不揮発性メモリの製造方
法と同様であるので、説明を省略する。

【０１０１】この第２実施例によれば、第１実施例と同
様に、優れた特性を有し、かつ信頼性の高い全酸化物型
かつプレーナ型の強誘電体不揮発性メモリを実現するこ
とができる。特に、この場合、（ＰｂＴｉＯ₃）_n／
（Ｂｉ₂Ｏ₃）_m超格子１３に含まれる常誘電体酸化物
薄膜であるＢｉ₂Ｏ₃層１３ａが強誘電性のブロッキン
グ層として機能することにより、強誘電体酸化物薄膜で
あるＰｂＴｉＯ₃層１３ｂの強誘電性を大幅に改善する
ことができる。また、この強誘電体不揮発性メモリは、
プレーナ型であることにより、集積化にも適している。

【０１０２】以上、この発明の実施例につき具体的に説
明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるもの
でなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可
能である。

【０１０３】例えば、上述の第１実施例および第２実施
例においては、電極としてＳｒＲｕＯ₃薄膜４、５、１
４、１５を用いているが、電極としてはこれらの代わり
に例えばＳｒ₂ＲｕＯ₄薄膜を用いてもよい。

【０１０４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の第１の
発明によれば、シリコン基板と、そのシリコン基板上の
酸化物からなるバッファ層と、そのバッファ層上のビス
マス系層状強誘電体酸化物薄膜と、そのビスマス系層状
強誘電体酸化物薄膜の両側の部分におけるバッファ層上
にビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜の側壁にそれぞれ
接して設けられた第１の導電性酸化物薄膜および第２の
導電性酸化物薄膜とを有することにより、最適構造のプ
レーナ型の強誘電体不揮発性メモリを実現することがで
きる。

【０１０５】この発明の第２の発明によれば、シリコン
基板と、そのシリコン基板上の酸化物からなるバッファ
層と、そのバッファ層上の少なくとも強誘電体酸化物薄
膜を含む酸化物超格子と、その酸化物超格子の両側の部
分におけるバッファ層上に酸化物超格子の側壁にそれぞ
れ接して設けられた第１の導電性酸化物薄膜および第２
の導電性酸化物薄膜とを有することにより、最適構造の
プレーナ型の強誘電体不揮発性メモリを実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例による強誘電体不揮発性
メモリを示す断面図である。

【図２】この発明の第１実施例による強誘電体不揮発性
メモリにおいて強誘電体薄膜の材料として用いられるＢ
ｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉の結晶構造を示す略線図である。

【図３】この発明の第１実施例による強誘電体不揮発性
メモリにおいて強誘電体薄膜として用いられるＢｉ₂Ｓ
ｒＴａ₂Ｏ₉薄膜の配向状態を説明するための略線図で
ある。

【図４】強誘電体不揮発性メモリにおける強誘電体薄膜
の厚さの減少に伴うリーク電流の問題を説明するための
断面図である。

【図５】図４に示す強誘電体不揮発性メモリの電流−電
圧特性を示すグラフである。

【図６】強誘電体不揮発性メモリにおける強誘電体薄膜
の厚さの減少に伴うリーク電流の問題を説明するための
断面図である。

【図７】図６に示す強誘電体不揮発性メモリの電流−電
圧特性を示すグラフである。

【図８】強誘電体不揮発性メモリにおける強誘電体薄膜
の厚さの減少に伴うリーク電流の問題を説明するための
断面図である。

【図９】図８に示す強誘電体不揮発性メモリの電流−電
圧特性を示すグラフである。

【図１０】この発明の第２実施例による強誘電体不揮発
性メモリを示す断面図である。

【符号の説明】

１、１１Ｓｉ基板２、１２ＭｇＡｌ₂Ｏ₄薄膜３Ｂｉ₂ＳｒＴａ₂Ｏ₉薄膜４、５、１４、１５ＳｒＲｕＯ₃薄膜６、１６絶縁キャップ層１３（ＰｂＴｉＯ₃）_n／（Ｂｉ₂Ｏ₃）_m超格子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板と、上記シリコン基板上の酸化物からなるバッファ層と、上記バッファ層上のビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜
と、上記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜の両側の部分に
おける上記バッファ層上に上記ビスマス系層状強誘電体
酸化物薄膜の側壁にそれぞれ接して設けられた第１の導
電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄膜とを有す
ることを特徴とする強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項２】上記バッファ層は上記シリコン基板とほ
ぼ格子整合し、上記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜
は上記バッファ層とほぼ格子整合し、上記第１の導電性
酸化物薄膜および上記第２の導電性酸化物薄膜は上記バ
ッファ層とほぼ格子整合していることを特徴とする請求
項１記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項３】上記バッファ層、上記ビスマス系層状強
誘電体酸化物薄膜、上記第１の導電性酸化物薄膜および
上記第２の導電性酸化物薄膜は上記シリコン基板上にエ
ピタキシャル成長されたものであることを特徴とする請
求項１記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項４】上記第１の導電性酸化物薄膜および上記
第２の導電性酸化物薄膜はペロブスカイト型結晶構造を
有することを特徴とする請求項１記載の強誘電体不揮発
性メモリ。
【請求項５】上記第１の導電性酸化物薄膜および上記
第２の導電性酸化物薄膜はＳｒＲｕＯ₃からなることを
特徴とする請求項４記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項６】上記第１の導電性酸化物薄膜および上記
第２の導電性酸化物薄膜は層状ペロブスカイト型結晶構
造を有することを特徴とする請求項１記載の強誘電体不
揮発性メモリ。
【請求項７】上記第１の導電性酸化物薄膜および上記
第２の導電性酸化物薄膜はＳｒ₂ＲｕＯ₄からなること
を特徴とする請求項６記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項８】上記バッファ層はマグネシウム・アルミ
ニウム・スピネルからなることを特徴とする請求項４記
載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項９】上記バッファ層はマグネシウム・アルミ
ニウム・スピネルからなることを特徴とする請求項６記
載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項１０】上記シリコン基板、上記バッファ層、
上記第１の導電性酸化物薄膜および上記第２の導電性酸
化物薄膜は（１００）面方位を有し、上記ビスマス系層
状強誘電体酸化物薄膜は（００１）面方位を有すること
を特徴とする請求項８記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項１１】上記シリコン基板および上記バッファ
層は（１００）面方位を有し、上記ビスマス系層状強誘
電体酸化物薄膜、上記第１の導電性酸化物薄膜および上
記第２の導電性酸化物薄膜は（００１）面方位を有する
ことを特徴とする請求項９記載の強誘電体不揮発性メモ
リ。
【請求項１２】上記バッファ層は酸化セリウムからな
ることを特徴とする請求項４記載の強誘電体不揮発性メ
モリ。
【請求項１３】上記バッファ層は酸化セリウムからな
ることを特徴とする請求項６記載の強誘電体不揮発性メ
モリ。
【請求項１４】上記シリコン基板は（１００）面方位
を有し、上記バッファ層は（１１０）面方位を有し、上
記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜は（００１）面方
位を有し、上記第１の導電性酸化物薄膜および上記第２
の導電性酸化物薄膜は（１００）面方位を有することを
特徴とする請求項１２記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項１５】上記シリコン基板は（１００）面方位
を有し、上記バッファ層は（１１０）面方位を有し、上
記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜、上記第１の導電
性酸化物薄膜および上記第２の導電性酸化物薄膜は（０
０１）面方位を有することを特徴とする請求項１３記載
の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項１６】上記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄
膜、上記第１の導電性酸化物薄膜および上記第２の導電
性酸化物薄膜上の絶縁キャップ層をさらに有することを
特徴とする請求項１記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項１７】シリコン基板と、上記シリコン基板上の酸化物からなるバッファ層と、上記バッファ層上の少なくとも強誘電体酸化物薄膜を含
む酸化物超格子と、上記酸化物超格子の両側の部分における上記バッファ層
上に上記酸化物超格子の側壁にそれぞれ接して設けられ
た第１の導電性酸化物薄膜および第２の導電性酸化物薄
膜とを有することを特徴とする強誘電体不揮発性メモ
リ。
【請求項１８】上記酸化物超格子は強誘電体酸化物薄
膜と常誘電体酸化物薄膜とからなることを特徴とする請
求項１７記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項１９】上記強誘電体酸化物薄膜はペロブスカ
イト型結晶構造を有することを特徴とする請求項１７記
載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項２０】上記強誘電体酸化物薄膜はビスマス系
層状強誘電体酸化物薄膜であることを特徴とする請求項
１７記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項２１】上記酸化物超格子は、第１のＢｉ−Ｏ
原子層と第２のＢｉ−Ｏ原子層との間に少なくともＭｅ
−Ｔｉ−Ｏ原子層（ただし、Ｍｅ＝Ｂａ、Ｐｂ、Ｓｒ）
を中間原子層として挿入した構造を有する人工結晶をそ
の厚さ方向の１単位の結晶層とすることを特徴とする請
求項１７記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項２２】上記バッファ層は上記シリコン基板と
ほぼ格子整合し、上記酸化物超格子は上記バッファ層と
ほぼ格子整合し、上記第１の導電性酸化物薄膜および上
記第２の導電性酸化物薄膜は上記バッファ層とほぼ格子
整合していることを特徴とする請求項１７記載の強誘電
体不揮発性メモリ。
【請求項２３】上記バッファ層、上記酸化物超格子、
上記第１の導電性酸化物薄膜および上記第２の導電性酸
化物薄膜は上記シリコン基板上にエピタキシャル成長さ
れたものであることを特徴とする請求項１７記載の強誘
電体不揮発性メモリ。
【請求項２４】上記第１の導電性酸化物薄膜および上
記第２の導電性酸化物薄膜はペロブスカイト型結晶構造
を有することを特徴とする請求項１７記載の強誘電体不
揮発性メモリ。
【請求項２５】上記第１の導電性酸化物薄膜および上
記第２の導電性酸化物薄膜はＳｒＲｕＯ₃からなること
を特徴とする請求項２４記載の強誘電体不揮発性メモ
リ。
【請求項２６】上記第１の導電性酸化物薄膜および上
記第２の導電性酸化物薄膜は層状ペロブスカイト型結晶
構造を有することを特徴とする請求項１７記載の強誘電
体不揮発性メモリ。
【請求項２７】上記第１の導電性酸化物薄膜および上
記第２の導電性酸化物薄膜はＳｒ₂ＲｕＯ₄からなるこ
とを特徴とする請求項２６記載の強誘電体不揮発性メモ
リ。
【請求項２８】上記バッファ層はマグネシウム・アル
ミニウム・スピネルからなることを特徴とする請求項２
４記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項２９】上記バッファ層はマグネシウム・アル
ミニウム・スピネルからなることを特徴とする請求項２
６記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項３０】上記シリコン基板、上記バッファ層、
上記第１の導電性酸化物薄膜および上記第２の導電性酸
化物薄膜は（１００）面方位を有することを特徴とする
請求項２８記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項３１】上記酸化物超格子を構成する上記強誘
電体酸化物薄膜はペロブスカイト型結晶構造を有し、か
つ、（００１）面方位を有することを特徴とする請求項
３０記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項３２】上記酸化物超格子を構成する上記強誘
電体酸化物薄膜はビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜で
あり、かつ、上記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜は
（００１）面方位を有することを特徴とする請求項３０
記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項３３】上記シリコン基板および上記バッファ
層は（１００）面方位を有し、上記第１の導電性酸化物
薄膜および上記第２の導電性酸化物薄膜は（００１）面
方位を有することを特徴とする請求項２９記載の強誘電
体不揮発性メモリ。
【請求項３４】上記酸化物超格子を構成する上記強誘
電体酸化物薄膜はペロブスカイト型結晶構造を有し、か
つ、（００１）面方位を有することを特徴とする請求項
３３記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項３５】上記酸化物超格子を構成する上記強誘
電体酸化物薄膜はビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜で
あり、かつ、上記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜は
（００１）面方位を有することを特徴とする請求項３３
記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項３６】上記バッファ層は酸化セリウムからな
ることを特徴とする請求項２４記載の強誘電体不揮発性
メモリ。
【請求項３７】上記バッファ層は酸化セリウムからな
ることを特徴とする請求項２６記載の強誘電体不揮発性
メモリ。
【請求項３８】上記シリコン基板は（１００）面方位
を有し、上記バッファ層は（１１０）面方位を有し、上
記第１の導電性酸化物薄膜および上記第２の導電性酸化
物薄膜は（１００）面方位を有することを特徴とする請
求項３６記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項３９】上記酸化物超格子を構成する上記強誘
電体酸化物薄膜はペロブスカイト型結晶構造を有し、か
つ、（００１）面方位を有することを特徴とする請求項
３８記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項４０】上記酸化物超格子を構成する上記強誘
電体酸化物薄膜はビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜で
あり、かつ、上記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜は
（００１）面方位を有することを特徴とする請求項３８
記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項４１】上記シリコン基板は（１００）面方位
を有し、上記バッファ層は（１１０）面方位を有し、上
記第１の導電性酸化物薄膜および上記第２の導電性酸化
物薄膜は（００１）面方位を有することを特徴とする請
求項３７記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項４２】上記酸化物超格子を構成する上記強誘
電体酸化物薄膜はペロブスカイト型結晶構造を有し、か
つ、（００１）面方位を有することを特徴とする請求項
３９記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項４３】上記酸化物超格子を構成する上記強誘
電体酸化物薄膜はビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜で
あり、かつ、上記ビスマス系層状強誘電体酸化物薄膜は
（００１）面方位を有することを特徴とする請求項３９
記載の強誘電体不揮発性メモリ。
【請求項４４】上記酸化物超格子、上記第１の導電性
酸化物薄膜および上記第２の導電性酸化物薄膜上の絶縁
キャップ層をさらに有することを特徴とする請求項１７
記載の強誘電体不揮発性メモリ。