JPH0991776A - 強誘電体メモリ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】情報の記録密度が大きく増大するとともに、記
録された情報を簡単な方法で安定にかつ高速に読み出す
ことができる強誘電体メモリ装置を提供する。 【解決手段】強誘電体薄膜１１０と、この強誘電体薄膜
１１０に対して所定の距離をおいて配置され、針状の先
端形状を持つ探針１１１と、この探針１１１に第１のパ
ルスを印加して、強誘電体薄膜１１０を自発分極の２つ
の状態のうち第１の状態に分極させるとともに、第１の
パルスとは逆極性の電圧を有する第２のパルスを探針１
１１に印加して、強誘電体薄膜１１０を第１の状態とは
逆の第２の状態に分極させる書き込みパルス発生回路１
２１とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は強誘電体メモリ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】IEEE Transactions on Electron Device
s ED−２８巻７号１９８１年８５４頁（S.Iwamura,Y.Ni
shida,and K.Hashimoto ）は、図２３に示すごとく、Ｐ
型シリコン１２１０上に積層された強誘電体１２００の
近傍にカンチレバー１１２の先端に取り付けられた探針
１１１を保持し、探針１１１とＰ型シリコン１２１０と
の間に電圧を印加することによって強誘電体１２００内
に自発分極を誘起させることによって電気信号を記録す
る方法を開示している。

【０００３】すなわち、探針１１１に正の電圧を印加し
た場合、強誘電体１２００中には矢印で示した方向の自
発分極が生じ、それから生じる電界によって強誘電体１
２００に隣接した領域のＰ型シリコン中には空乏層１２
２０ができる。その結果、その領域では探針１１１とＰ
型シリコン１２１０との間の電気容量が減少する。これ
により、空乏層１２２０が存在しない状態での容量を
“０”状態、空乏層１２２０が存在する状態での容量を
“１”状態と区別することによって電気的に２値の信号
（デジタル信号）を記録することができる。

【０００４】一方、Journal of Applied Physics, ７０
巻，５号，（１９９１年）２７２５頁（R.C.Barret and
C.F.Quate) は、図２４に示したように、Ｐ型シリコン
１２１０上に極めて薄い酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）１２
４０と、窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）１２３０とを積層
し、そのＳｉ₃ Ｎ₄ 層１２３０の近傍にカンチレバー１
１２の先端に取り付けられた探針１１１を保持し、探針
１１１とＰ型シリコン１２１０との間に電圧を印加する
ことによってＳｉＯ₂ １２４０との界面近傍のＳｉ₃ Ｎ
₄ １２３０中に存在する電子トラップ準位に電子をトラ
ップさせていた。この場合、極薄のＳｉＯ₂ 膜１２４０
はトンネルスイッチング膜として作用し、十分に高い電
圧が印加された時のみトンネル電流が流れ（ＯＮ状
態）、電子を上記トラップ準位に導く。その後、電圧の
印加をやめるとＳｉＯ₂ 膜１２４０は高抵抗状態（ＯＦ
Ｆ状態）になり、トラップ電子を長期間にわたって保持
する。

【０００５】また、図２３の場合と同様、このトラップ
電子から生じる電界によってそこに隣接した領域のＰ型
シリコン中には空乏層１２２０ができる。この空乏層１
２２０の寄与によって生じる容量の変化から、“０”状
態と、“１”状態を区別して記録することは図２３で述
べたことと同様である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例では、
“０”状態及び“１”状態の判別にはいずれもＰ型シリ
コン１２１０中にできる空乏層１２２０に起因する容量
変化を利用していた。この空乏層１２２０は自発分極あ
るいはトラップ電荷から広がっている電界によって誘起
される。この際、電界は離れた距離ｒに対してｌ／ｒの
割合で減少するので実際に自発分極、あるいはトラップ
電荷の存在する領域よりも広い領域に空乏層が形成され
る。

【０００７】例えば探針１１１先端の曲率半径が１００
０オングストロームの場合、自発分極あるいはトラップ
電荷の占める領域は直径１０００オングストローム程度
になる。しかし、不純物としてホウ素を１×１０¹⁷ｃｍ
^-3だけドーピングしたＰ型シリコン１２１０を基板に用
いた場合、空乏層領域の大きさは約３倍の３０００オン
グストロームになる。これにより、情報ビットの占める
面積を十分に小さくすることができずメモリの高密度化
に対する妨げになっていた。

【０００８】さらに、強誘電体の比誘電率は通常１００
０程度であるが、シリコンの比誘電率は１１．９である
からこれらは約２桁違う。従って、強誘電体中に自発分
極を誘起させて情報を記録する場合、仮に前記空乏層の
厚みが強誘電体の厚みと同じだとしても容量の変化は数
％にとどまる。そのため信号量が大きくとれず、Ｓ／Ｎ
が低くなって信頼度を向上させることができなかった。
また、信頼度を上げるためには情報ビットを大きくする
必要があり、そのために高密度化を犠牲にしなければな
らなかった。

【０００９】本発明はこのような課題に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、情報の記録密
度を大きく増大させるとともに、記録された情報を簡単
な方法で安定にかつ高速に読み出すことができる強誘電
体メモリ装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の発明に係る強誘電体メモリ装置は、強誘電
体メモリと、この強誘電体メモリに対して所定の距離を
おいて配置され、針状の先端形状を持つ探針と、この探
針に第１のパルスを印加して、前記強誘電体メモリを自
発分極の２つの状態のうち第１の状態に分極させる第１
のパルス印加手段と、前記第１のパルスとは逆極性の電
圧を有する第２のパルスを前記探針に印加して、前記強
誘電体メモリを前記第１の状態とは逆の第２の状態に分
極させる第２のパルス印加手段とを具備する。

【００１１】また、第２の発明に係る強誘電体メモリ装
置は、強誘電体メモリと、この強誘電体メモリに対して
所定の距離をおいて配置され、針状の先端形状を持つ探
針と、この探針に前記強誘電体メモリの抗電圧よりも大
きい電圧を有する第１のパルスを印加して、前記強誘電
体メモリを自発分極の２つの状態のうち第１の状態に分
極させる第１のパルス印加手段と、前記第１のパルスと
は逆極性の電圧を有する第２のパルスを前記探針に印加
して、前記第１の分極状態を有する領域と、前記第１の
分極状態とは逆の第２の分極状態を有する領域とが混合
した部分分極状態を形成する第２のパルス印加手段とを
具備する。

【００１２】すなわち、第１の発明に係る強誘電体メモ
リ装置は、強誘電体メモリに対して所定の距離をおいて
配置され、針状の先端形状を持つ探針に第１のパルスを
印加して、前記強誘電体メモリを自発分極の２つの状態
のうち第１の状態に分極させるとともに、前記第１のパ
ルスとは逆極性の電圧を有する第２のパルスを前記探針
に印加して、前記強誘電体メモリを前記第１の状態とは
逆の第２の状態に分極させる。

【００１３】また、第２の発明に係る強誘電体メモリ装
置は、強誘電体メモリに対して所定の距離をおいて配置
され、針状の先端形状を持つ探針に前記強誘電体メモリ
の抗電圧よりも大きい電圧を有する第１のパルスを印加
して、前記強誘電体メモリを自発分極の２つの状態のう
ち第１の状態に分極させるとともに、前記第１のパルス
とは逆極性の電圧を有する第２のパルスを前記探針に印
加して、前記第１の分極状態を有する領域と、前記第１
の分極状態とは逆の第２の分極状態を有する領域とが混
合した部分分極状態を形成する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００１５】図１は第１実施形態に係る強誘電体メモリ
装置の基本構成を示す図である。情報担体となる強誘電
体薄膜１１０が導電体からなる白金電極１００の上に形
成されている。さらにカンチレバー（片持ち梁）１１２
の先端に取り付けられた導電体から成る探針１１１をわ
ずかな間隙を介して強誘電体薄膜１１０に近接させる。
ここで探針１１１に電圧Ｖが印加されると、強誘電体薄
膜１１０中に誘起される分極量は、電圧Ｖに対して非線
形的に応答して図２（ａ）に示す様なヒステリシス特性
を示す。

【００１６】この様なヒステリシス特性は通常周波数１
ｋＨｚ程度のサイン波、又は三角波を用いて測定され
る。図２（ａ）に示すように、電圧が上昇するときと下
降するときとで分極量の変化が異なるヒステリシス特性
は、強誘電体に特有のものであり、常誘電分極の他に、
常温では反転することの無い自発分極を持っていること
に起因する。ここで、正の方向に分極した自発分極をデ
ータ“１”、負の方向に分極した自発分極をデータ
“０”と定義すると、データ“１”とデータ“０”から
成る２値の信号を記憶する強誘電体メモリ装置を作成す
ることができる。なお、ここでは図２（ａ）に示すよう
な分極状態を完全分極と呼ぶことにする。

【００１７】また、強誘電体薄膜１１０に電圧Ｖを印加
した時に流れる変位電流を、図２（ｂ）に示す。同図か
らわかるように上記分極量のヒステリシス特性の大きく
変化する位置に対応した２つのピークが見られる。

【００１８】以下、図１にもとづき強誘電体薄膜１１０
にデータを書き込み、および読み出しする動作の説明を
する。カンチレバー１１２と切替スイッチ１２０を介し
て書き込みパルス発生回路１２１又は読み出しパルス発
生回路１２２が接続される。また、白金電極１００には
切替スイッチ１３０を介して読み出し時以外の負荷容量
１３１、又は読み出し時の負荷容量１３２が接続され、
さらに読み出し時の負荷容量１３２にはセンス回路１３
３が接続される。

【００１９】データ書き込み時には、切替スイッチ１２
０は書き込みパルス発生回路１２１側に、さらに切替ス
イッチ１３０は読み出し時以外の負荷容量１３１側に倒
される。この状態で書き込みパルス発生回路１２１から
書き込みパルスを発生させる。この書き込みパルスは正
負いずれの極性でも良いが、例えば正のパルスだとする
と強誘電体薄膜１１０にはデータ“１”が書き込まれ
る。

【００２０】データ読み出し時には、切替スイッチ１２
０は読み出しパルス発生回路１２２側に、さらに切替ス
イッチ１３０は読み出し時の負荷容量１３２側に倒され
る。この状態で読み出しパルス発生回路１２２から読み
出しパルスを発生させる。この読み出しパルスの極性は
正負いずれでも良い。例えば、読み出しパルスを正とし
た場合、書き込まれているデータが“１”の場合、回路
には常誘電分極の誘起に伴う変位電流のみが流れる。

【００２１】一方、書き込まれているデータが“０”の
場合、回路には常誘電分極の誘起に伴う変位電流に加え
て、自発分極の反転に伴う変位電流が流れる。従って読
み出しパルスを印加した際回路に流れる電流を検知する
ことによって、強誘電体薄膜１１０にデータ“１”、
“０”のいずれが書き込まれていたかを知ることができ
る。また、読み出しパルスを負とした場合も同様の作用
でデータ“１”、“０”の判別をすることが可能であ
る。

【００２２】上記した第１実施形態によれば、書き込み
時に書き込みパルスを印加することで極めて安定した自
発分極を作り出すことができ、この自発分極は熱力学的
に安定なため、外部からそれを維持するための動作、あ
るいはエネルギーの供給をおこなわなくても長時間にわ
たって記憶データを保持し続けることができる。

【００２３】また、読み出し時には書き込みパルスとは
逆極性の読み出しパルスを印加することにより、自発分
極を書き込まれていた時とは逆の極性に反転される。こ
の時の変位電流は常誘電分極の変位電流に比べて大きい
ので、ノイズの影響の小さなＳ／Ｎの良い読み出しが可
能になる。

【００２４】また、書き込みパルスによって作られる自
発分極状態の領域の大きさは、探針１１１の先端の曲率
半径程度に小さくすることが可能であり、情報密度、す
なわちメモリ容量を増大させることが可能である。

【００２５】以下に本発明の第２実施形態を説明する。

【００２６】図３に第２実施形態の強誘電体メモリ装置
を示す。これは第１実施形態で示した図１の強誘電体メ
モリ装置のカンチレバー１１２をｘ方向ピエゾスタック
３０およびｙ方向ピエゾスタック３１に固定したもので
ある。ｘ方向及びｙ方向は図３の中に記入したごとく定
義する。ｘ方向ピエゾスタック３０およびｙ方向ピエゾ
スタック３１はそれぞれ独立した制御回路（図示せず）
により駆動され、探針１１１をｘ方向およびｙ方向に独
立に微少移動させる。強誘電体薄膜１１０上の適当な場
所に書き込みパルスを探針１１１によって印加したあ
と、ｘ方向ピエゾスタック３０およびｙ方向ピエゾスタ
ック３１に制御信号を印加して探針１１１を別の場所に
移動させた後、さらにそこで書き込みパルスを印加す
る。この動作を繰り返すことにより、前記自発分極領域
を強誘電体薄膜１１０上に独立に複数箇所作り込むこと
ができる。

【００２７】第２実施形態によれば強誘電体薄膜１１０
の上に、記憶ビットである自発分極状態を複数箇所、所
定の順番で並べることができる。そのため、“０”と
“１”を基本単位として、それらを複数単位組み合わせ
たデジタル信号の記憶、読み出しが可能となる。

【００２８】また、上記複数の自発分極状態の領域は、
お互いになんら電気的な接続を持たない。そのため、通
常金属ストライプをマトリックス状に組み合わせたｘｙ
マトリックス型メモリで問題となるクロストークが生じ
ない。クロストークとは、ある位置に自発分極状態を作
成する動作で、他の位置に自発分極状態が出来たりある
いはある位置の自発分極状態を読み出す動作で他の位置
の自発分極状態が読み出されてしまう現象を言う。

【００２９】すなわち第２実施形態によればＳ／Ｎの良
い書き込みおよび読み出しの可能な強誘電体メモリが具
現できる。勿論、上記作用、効果と同等の作用、効果を
生じる変形例としては、白金電極１００及びその上に形
成された強誘電体薄膜１１０をｘ方向ピエゾスタック３
０およびｙ方向ピエゾスタック３１に固定する構成も挙
げられる。

【００３０】以下に本発明の第３実施形態を説明する。

【００３１】図４に第３実施形態の強誘電体メモリ装置
を示す。これは第１実施形態で示した強誘電体メモリ装
置（図１）のカンチレバー１１２を直径方向ピエゾスタ
ック４０に固定し、さらに白金電極１００と強誘電体薄
膜１１０とから成る記録担体は回転軸４１に固定され
る。この回転軸４１を介してモーター４２の駆動力によ
って回転させられる直径方向ピエゾスタック４０に適当
な制御信号を印加することにより、探針１１１は白金電
極１００と強誘電体薄膜１１０とから成る記録担体の直
径方向の任意の位置に移動させられる。強誘電体薄膜１
１０上の適当な場所に、前述書き込みパルスを探針１１
１によって印加した後、直径方向ピエゾスタック４０に
制御信号を印加して探針１１１を別の場所に移動させた
後、さらにそこで書き込みパルスを印加する。この動作
を繰り返すことにより、前記自発分極領域を強誘電体薄
膜１１０上に独立に複数箇所作り込むことができる。

【００３２】第３実施形態によれば、強誘電体薄膜１１
０の上に、記憶ビットである自発分極を複数箇所、所定
の順番で並べることができる。そのため、“０”と
“１”を基本単位として、それらを複数単位組み合わせ
たデジタル信号の記憶、読み出しが可能となる。

【００３３】また、上記複数の自発分極状態の領域は、
お互いになんら電気的な接続を持たない。そのため、通
常は金属ストライプをマトリックス状に組み合わせたｘ
ｙマトリックス型メモリで問題となるクロストークが生
じない。クロストークとは、ある位置に自発分極状態を
作成する動作で、他の位置に自発分極状態が出来たりあ
るいはある位置の自発分極状態を読み出す動作で他の位
置の自発分極状態が読み出されてしまう現象を言う。す
なわち第３実施形態によればＳ／Ｎの良い書き込みおよ
び読み出しの可能な強誘電体メモリ装置が具現できる。

【００３４】以下に本発明の第４実施形態を説明する。

【００３５】図５に第４実施形態の強誘電体メモリ装置
を示す。これは第１実施形態で示した強誘電体メモリ装
置（図１）にレーザー光源５０とポジションセンシティ
ブディテクター（以下ＰＳＤと呼ぶ）５１を付け加えた
ものである。レーザー光源５０は、それから発せられた
レーザー光が丁度カンチレバー１１２に照射される様な
位置に固定されており、同時にＰＳＤ５１はカンチレバ
ー１１２から反射されたレーザー光を受光できる位置に
固定されている。このＰＳＤ５１はレーザー光スポット
の入射した位置に依存した大きさの信号を出力する機構
を持つ受光素子である。

【００３６】第４実施形態はレーザー光源５０、および
ＰＳＤ５１共に位置が固定されているので、ＰＳＤ５１
の出力信号からレーザー光の反射角の変化、すなわちカ
ンチレバー１１２の傾いた角度を知ることができる。

【００３７】データの書き込みは第１実施形態と同様、
探針１１１に書き込みパルスを印加することにより行
う。読み出しは、読み出しパルスを印加し、その時のカ
ンチレバー１１２にかかる力学的応答を検出することで
行う。前述のように、正の方向の自発分極をデータ
“１”とし、負の方向の自発分極をデータ“０”と定義
する。負の読み出しパルスが印加された瞬間、強誘電体
薄膜１１０に蓄えられる分極エネルギーＥは、データ
“１”の領域ではＥ＝Ｅp ＋Ｅs であり、データ“０”
の領域では、Ｅ＝Ｅp となる。ここでＥp は常誘電分極
の誘起によって蓄えられたエネルギー、Ｅs は自発分極
の誘起によって蓄えられたエネルギーである。

【００３８】この時、探針１１１は静電的な力Ｆを受
け、 Ｆ＝ｄＥ／ｄＬ （１）式 と書ける。ここではＬは探針１１１と白金電極１００と
の間の距離である。探針１１１に静電的な力Ｆが働くと
カンチレバー１１２がたわんで傾く。その結果、上記レ
ーザー光の反射角が変わりＰＳＤ５１の出力が変化す
る。さらに読み出しパルスの印加された領域がデータ
“１”であったか、データ“０”であったかによって上
記エネルギーＥが異なるため上記静電的な力Ｆ、すなわ
ちＰＳＤ５１の出力が異なり両者の判別ができる。

【００３９】第４実施形態によれば、読み出しパルスを
印加した時に強誘電体薄膜１１０に蓄えられるエネルギ
ーがデータ“１”とデータ“０”の領域で異なるため、
カンチレバー１１２へ働く力を検知することによりデー
タの読み出し動作ができる。またカンチレバー１１２の
バネ定数をきわめて小さくしておけば、読み出しパルス
を印加した際に探針１１１にかかる力によってカンチレ
バー１１２が傾く角度がより大きくなる。さらに、この
カンチレバー１１２の傾いた角度はレーザー光の反射角
度によって検出しているため、この検出動作によって検
出値への誤差は生じない。すなわち、本実施形態によれ
ば極めて高感度、かつＳ／Ｎの良い読み出し動作の可能
な強誘電体メモリ装置が具現できる。

【００４０】上記作用、効果と同等の作用、効果を生じ
る変形例として、光干渉計、走査型トンネル顕微鏡（Ｓ
ＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、圧電素子、あるい
はバイモルフ等によってカンチレバー１１２の傾き角を
検出する方法が挙げられる。以下に本発明の第５実施形
態を説明する。

【００４１】第５実施形態の強誘電体メモリ装置は、第
２実施形態（図３）、あるいは第３実施形態（図４）で
示した強誘電体メモリ装置に、さらに第４実施形態（図
５）で示したレーザー光源５０およびＰＳＤ５１を加え
た構成を持つ。データの書き込みは、強誘電体薄膜１１
０上の適当な場所に前述書き込みパルスを探針１１１に
よって印加した後、ｘ方向ピエゾスタック３０、又はｙ
方向ピエゾスタック３１、または直径方向ピエゾスタッ
ク４０に制御信号を印加して探針１１１を別の場所に移
動させた後、さらにそこで書き込みパルスを印加するこ
とによって行う。

【００４２】データの読み出しは、探針１１１に直流電
圧を印加しながら、上記ｘ方向ピエゾスタック３０、又
はｙ方向ピエゾスタック３１、又は直径方向ピエゾスタ
ック４０に制御信号を印加して探針１１１を別の場所に
移動させるか、あるいはモーター４２の動力によって白
金電極１００および強誘電体薄膜１１０を回転させる動
作を行いながら、前記ＰＳＤ５１の出力信号をモニター
することによって、カンチレバー１１２の傾き角の変化
を検出する。すなわち第４実施実施形態と同様に、デー
タ“１”の状態（正の書き込みパルスにより設定された
自発分極状態）と、データ“０”の状態（負の書き込み
パルスにより設定された自発分極状態）とでは読み出し
パルスが印加された時に強誘電体薄膜１１０に蓄えられ
るエネルギーが異なるので、直流電圧の印加された探針
１１１が各々のデータ領域上に移動して来た瞬間に探針
１１１の受ける静電的な力Ｆ（（１）式）が異なる。

【００４３】その結果カンチレバー１１１の傾き角が変
わりＰＳＤ５１の出力信号が変化し、探針１１１がデー
タ“１”の上を通過したのか、データ“０”の上を通過
したのかが判別できる上記した第５実施形態によれば、
読み出しパルスを印加した時に強誘電体薄膜１１０に蓄
えられるエネルギーがデータ“１”とデータ“０”の領
域で異なるため、カンチレバー１１２へ働く力を検知す
ることによりデータの読み出し動作ができる。また、カ
ンチレバー１１２のバネ定数をきわめて小さくしておけ
ば、読み出しパルスを印加した際に探針１１１にかかる
力によってカンチレバー１１２が傾く角度がより大きく
なる。さらに、このカンチレバー１１２の傾いた角度は
レーザー光の反射角度によって検出しているため、この
検出動作によって検出値への誤差は生じない。すなわ
ち、第５実施形態によれば極めて高感度、かつＳ／Ｎの
良い読み出し動作の可能な強誘電体メモリ装置が具現で
きる。

【００４４】また、データ読み出し時には、探針１１１
には直流電圧を印加するだけで良い。したがって、探針
１１１がデータ“１”の領域、あるいはデータ“０”の
領域の上を通過する度に読み出しパルスを同期させて発
生させる手段を必要とせず、構成が簡略化される。さら
に上記読み出しパルスの同期がずれることによって生じ
るノイズも本質的に生じないのでＳ／Ｎの良い読み出し
動作が可能となる。

【００４５】以下に本発明の第６実施形態を説明する。

【００４６】第６実施形態における強誘電体メモリ装置
は、図６に示す様に記録担体である強誘電体薄膜１１０
の上にこの強誘電体薄膜１１０の面積よりも小さいパッ
ド６０を複数箇所に設けることを特徴とする。従来、探
針１１１に書き込みパルスを印加して強誘電体薄膜１１
０にデータ書き込み領域である自発分極領域を作成した
際、充電電荷としての電子は、上記自発分極状態にある
強誘電体薄膜１１０と大気との界面近傍に局在してい
る。この界面近傍では、面内方向における電子の易動
度、すなわち電気伝導度が大きい。そのため上記手段に
よって極めて微小領域に自発分極状態を作成しても、上
記充電電荷としての電子が拡散によって面内方向に広が
ってゆく。その結果、上記自発分極領域の大きさは広が
ってしまい、隣の自発分極領域との区別がつかなくな
り、読み出しエラーが生じる。

【００４７】第６実施形態で設けたパッド６０を用いる
とこの読み出しエラーを極力低減することができる。パ
ッド６０は、各種導電体、例えば金属、あるいは不純物
をドーピングした半導体で作成することが望ましい。図
６（ａ）は上部から見た図、図６（ｂ）は断面図であ
る。データ書き込み時に前記探針１１１をパッド６０の
上部に設定して書き込みパルスを印加すると、該パッド
６０の下部に当たる領域のみが自発分極状態になる。こ
の時、上記充電電荷としての電子は該パッド６０内に均
一に分布している。パッド６０には厚みがあるため、上
記充電電荷としての電子の大部分は大気にはばまれて面
内方向に拡散することができない。言い換えれば上記自
発分極領域は、パッド６０の下部領域のみに限られて作
成されその後その領域が広がることはない。

【００４８】第６実施形態によれば、自発分極状態を作
成する領域の上にパッド６０が設置されているために作
成された自発分極状態の領域が広がることがない。その
結果、常に隣接している自発分極状態の領域との区別が
明確につけられるのでＳ／Ｎの良いデータ読み出し動作
が常に可能となる。

【００４９】以下に本発明の第７実施形態を説明する。

【００５０】第７実施形態における強誘電体メモリ装置
は、図７に示すように、強誘電体薄膜１１０の上に半導
体層７０が設けられていることを特徴とする。この半導
体層７０は、ケミカルベイパーデポジション法（ＣＶ
Ｄ）で作成したアモルファスシリコン、あるいは多結晶
シリコンなどが望ましい。ここで探針１１１をわずかな
間隙を介して半導体層７０に近接させ、第１実施形態で
述べたごとく書き込みパルスを印加する。すると第６実
施形態で述べた充電電荷としての電子は半導体層７０の
内部に分布する。

【００５１】半導体の電気伝導度は通常、強誘電体薄膜
１１０の表面における面内電気伝導度に比べて小さい。
そのため上記充電電荷としての電子は面内に拡散してゆ
くことは無い。そのため第６実施形態で述べたごとく、
データを書き込んだ後、自発分極領域の大きさが大きく
なることは無い。

【００５２】第７実施形態によれば、強誘電体薄膜１１
０の上に半導体層７０が設置されているため、作成され
た自発分極状態の領域が広がることが無い。その結果、
常に隣接している自発分極状態の領域との区別が明確に
つけられるのでＳ／Ｎの良いデータ読み出し動作が常に
可能になる。

【００５３】以下に本発明の第８実施形態を説明する。

【００５４】第８実施形態では、第１実施形態（図１）
で述べた強誘電体メモリ装置において、強誘電体薄膜１
１０の大気との界面近傍領域の化学量論比（ストイキオ
メトリー）を通常の値から遠ざけることを特徴とする。
例えば強誘電体薄膜１１０を、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃ と
ＰｂＴｉＯ₃ との固溶体）で作った場合、白金電極１０
０の上に形成した状態で熱処理を行うと実現される。熱
処理の条件は、Ｎ₂ 等の活性の低いガス中、あるいはＡ
ｒ等の不活性ガス中、あるいは真空中で７００℃で１時
間放置することが望ましい。この熱処理の結果、ＰＺＴ
薄膜の大気との界面近傍のＰｂ原子が蒸発して抜けだ
し、化学量論比が通常の値から大きくずれる。

【００５５】その結果、その部分のみ強誘電体的性質が
消え、半導体的性質が発現する。したがって、第８実施
形態によって強誘電体薄膜１１０を処理すると、結果的
には第７実施形態（図７）で述べたように、強誘電体薄
膜１１０の表面に半導体層７０を形成したものと等価的
な構造の強誘電体メモリ装置が具現できる。その結果、
データを書き込んだ後、充電電荷としての電子が面内方
向に拡散してゆく事が無い。

【００５６】第８実施形態によれば、強誘電体薄膜１１
０表面を熱処理により、通常の化学量論比の値から遠ざ
けて、半導体化することによって、作成された自発分極
状態の領域が広がることを防いでいる。その結果、常に
隣接している自発分極状態の領域との区別が明確につけ
られるのでＳ／Ｎの良いデータ読み出し動作が常に可能
になる。

【００５７】以下に本発明の第９実施形態を説明する。

【００５８】第９実施形態の強誘電体メモリ装置は、図
８に示すごとく第１実施形態（図１）におけるカンチレ
バー１２２に探針Ａ（８０）、探針Ｂ（８１）、および
探針Ｃ（８２）が設置されていることを特徴とする。さ
らにこれらの探針Ａ、Ｂ、Ｃ（８０，８１，８２）は切
替スイッチ８３を介して切替スイッチ１２０に接続され
ている。切替スイッチ８３を探針Ａ（８０）の側に固定
し、かつ切替スイッチ１２０を書き込みパルス発生回路
１２１の側に固定し、探針Ａ（８０）に書き込みパルス
を印加すると、第１実施形態で述べたことと同様の作用
により、探針Ａ（８０）によって設定された強誘電体薄
膜１１０の領域が自発分極状態になり、データが書き込
まれる。

【００５９】引き続いて切替スイッチ８３を探針Ｂ（８
１）の側に固定し、前述と同様に探針Ｂ（８１）に書き
込みパルスを印加すると、探針Ｂ（８１）によって設定
された強誘電体薄膜１１０の領域が自発分極状態にな
り、データが書き込まれる。さらに切替スイッチ８３を
探針Ｃ（８２）の側に固定することによって同様に、探
針８２によって設定された強誘電体薄膜１１０の領域が
自発分極状態になり、データがかきこまれる。

【００６０】この操作を繰り返すことにより、強誘電体
薄膜１１０にはそれぞれの探針の位置に対応した位置に
自発分極領域が作成される。また、それぞれの自発分極
領域からデータを読み出す際は、切替スイッチ１２０を
読み出しパルス発生回路１２２の側に固定し、さらに切
替スイッチ８３を探針Ａ（８０）、探針Ｂ（８１）、あ
るいは探針Ｃ（８２）のいずれかの側に固定した状態で
読み出しパルスを印加することにより、第１実施形態で
述べた作用と同様の作用で読み出し動作が行われる。

【００６１】第９実施形態によれば、電気的な作用で切
替スイッチ８３、および切替スイッチ１２０を切り替え
ることのみにより、すなわち、カンチレバー１１２なる
質量のある物体の位置を強誘電体薄膜１１０に対して相
対的に移動させることなしに複数の位置に自発分極（デ
ータ）を書き込む事が可能となる。半導体による電気的
なスイッチ作用の速度は、質量のある物体の移動速度に
比べて極めて高速であるため、データの書き込み、およ
び読み出し速度が大幅に向上する。

【００６２】また第９実施形態によれば、作成された複
数の自発分極状態（データ）の相対的位置が複数の探針
Ａ（８０）、Ｂ（８１）、Ｃ（８２）の相対的位置と厳
密に等しい。そのためそれぞれの自発分極状態（デー
タ）を読み出す際にカンチレバー１１２の位置調整をす
る手段を必要とせず、強誘電体メモリ装置が簡略化、お
よび小型化される。さらに上記位置調整動作の誤差から
生じるノイズを除去することができるので、Ｓ／Ｎの良
い読み出し動作が可能となる。

【００６３】以下に本発明の第１０実施形態を説明す
る。

【００６４】第１０実施形態の強誘電体メモリ装置（図
９）は、第９実施形態（図８）の複数の探針のうち、い
ずれか１つの探針を参照探針９０として作動させること
を特徴とする。すなわち、参照探針９０には参照パルス
発生回路９２が接続されていて、かつ参照探針９０は参
照センス回路９１を介して差動回路９３の一方の入力端
子に接続されている。

【００６５】一方、他の探針に読み出しパルスを印加し
た際に読み出し信号を出力するためのセンス回路１３３
は、出力端子が上記差動回路９３のもう一方の入力端子
に接続されている。参照パルス発生回路９２からは、他
の探針に印加する読み出しパルスに同期して規格化され
た参照パルスを発生させる。参照探針９０に参照パルス
が印加された時の参照探針９０の電圧は、参照探針９０
と白金電極１００との間のインピーダンスに依存する。
このインピーダンスは、参照探針９０と白金電極１００
との間の相対的振動に伴って変化する。したがって参照
探針９０の電圧は強誘電体メモリ装置が振動することに
よって生じたノイズ成分と見なすことができる。したが
って各探針によって読み出されて、センス回路１３３か
ら出力された読み出し信号を、差動回路９３の一方の入
力端子に入力すると、該差動回路９３からは、該読み出
し信号から前記振動によって生じたノイズ成分を差し引
いた信号が出力される。

【００６６】第１０実施形態によれば、複数の探針のう
ち１つの探針を参照探針として作動させ、振動により生
じるノイズ信号をモニターすることによって、読み出し
信号から振動により生じるノイズ成分を除去することが
可能となり、Ｓ／Ｎが良く、読み出しエラーの無い強誘
電体メモリ装置が具現できる。

【００６７】なお、第１０実施形態では複数の探針のう
ちいずれか１つの探針を参照探針９０として作動させる
ようにしたが、複数の探針のうち２つ以上の探針を参照
探針として作動させるようにしてもよい。

【００６８】以下に本発明の第１１実施形態を説明す
る。

【００６９】第１１実施形態では第９実施形態（図８）
および第１０実施形態（図９）で用いた複数の探針を均
一に作る方法を提供するものである。図１０に第１１実
施形態で作成した複数の探針の断面図を示す。基板とし
てシリコンウェハー１０００を用い、その表面を熱酸化
処理によって絶縁膜であるＳｉＯ₂ 膜１０１０を作る。
さらにその上にケミカルベイパーデポジション（ＣＶ
Ｄ）法によってポリシリコン膜１０２０を形成する。

【００７０】このポリシリコン膜１０２０の厚さは１０
００オングストローム〜１μｍ程度が望ましい。さらに
このポリシリコン膜１０２０の１部分に不純物をドーピ
ングする。不純物をドーピングする領域の選択はフォト
リソグラフィーの手法を用いる。不純物を含まないポリ
シリコン膜１０２０は絶縁体なので、探針としては機能
しない。一方、ドープ領域のポリシリコン膜１０３０は
電気伝導性を持つので、この領域のみが探針として機能
する。図１０に示した様にドープ領域１０３０を複数適
当な間隔をおいて設置することによって各々電気的に独
立な複数の探針が作成できる。ドープ領域１０３０の巾
は数ミクロンである。隣接する領域間での記録密度をこ
の巾よりも大きくしたいときは、斜めにカットすればよ
い。

【００７１】第１１実施形態の方法によれば、探針の形
状、あるいはお互いの間隔の精度はフォトリソグラフィ
ーの際のフォトマスクの作成精度で決まる。フォトマス
クの精度は一般にμｍオーダーの機械工作精度に比べて
極めて高いため、各探針の形状、および間隔が極めて均
一な複数の探針の作成方法が提供される。

【００７２】以下に本発明の第１２実施形態を説明す
る。

【００７３】第１２実施形態では第９実施形態（図８）
および第１０実施形態（図９）で用いた複数の探針を均
一に作る方法を提供する。図１１に本実施形態の探針作
成法の手順を示す。まず、図１１（ａ）に示すように基
板１１００の上にアルミニウム１１１０と酸化アルミニ
ウム１１２０を交互に積層する。基板１１００は金属、
半導体あるいはセラミックス等いずれでも良い。またア
ルミニウム１１１０および酸化アルミニウム１１２０は
蒸着法、あるいはスパッタリング法等で作成し、厚さは
１０オングストローム〜１μｍが望ましい。その後、機
械的研磨法、ウェットエッチング法、あるいはリアクテ
ィブイオンエッチング（ＲＩＥ）法によって図１１
（ｂ）に示すような形状に加工する。酸化アルミニウム
１１２０は絶縁体なので、探針としては機能しない。一
方、アルミニウム１１１０は電気伝導性を持つので、こ
の領域のみが探針として機能する。

【００７４】図１１（ｂ）に示した様にアルミニウム１
１１０と酸化アルミニウム１１２０とが交互に並ぶこと
によって各々電気的に独立な複数の探針が作成できる。
さらに酸化アルミニウム１１２０はアルミニウム１１１
０の１部を酸化処理によって作成する方法もある。すな
わち、基板１１００上に第１層目のアルミニウム１１１
０の蒸着を行い、さらにそのアルミニウム１１１０の表
面を熱酸化処理して第１層目の酸化アルミニウム層１１
２０を形成する。引き続き第２層目のアルミニウム１１
１０の蒸着を行い、さらに熱酸化処理を行い第２層目の
酸化アルミニウム１１２０を形成する。

【００７５】この作業を繰り返して図１１（ａ）に示し
たアルミニウム１１１０と酸化アルミニウム１１２０の
交互構造を作成する。この方法によれば、基板１１００
上への蒸着物質が１種類であるため、蒸着装置が簡略化
され、かつ作業工程が単純化される。

【００７６】第１２実施形態の方法によれば各探針の間
隔の制御はアルミニウム１１１０と酸化アルミニウム１
１２０の蒸着条件、あるいはアルミニウム１１１０の酸
化条件によって行われる。これらの方法による制御精度
は機械工作やフォトマスクの精度よりもさらに高い。そ
の結果、各探針の形状、および間隔が極めて均一な複数
の探針の作成方法が提供される。

【００７７】上記した実施形態では強誘電体メモリの完
全分極作用を利用して情報の記録を行ったが、以下に述
べる実施形態では強誘電体メモリの部分分極作用を利用
して情報の記録を行なう。

【００７８】図１２は第１３実施形態に係る強誘電体メ
モリ装置の基本的構成を示す図である。情報記録担体と
なる強誘電体薄膜１１が白金電極１０の上に形成されて
いる。さらにカンチレバー（片持ち梁）１３の先端に取
り付けられた導電体から成る探針１２をわずかな間隙を
介して強誘電体薄膜１１に近接させる。ここで該探針１
２に電圧Ｖが印加させると、該強誘電体薄膜１１中に誘
起される分極量は、その電圧Ｖに対して非線形的に変化
して図１３（ａ）に示すようなヒステリシス特性を示
す。

【００７９】図１３（ｂ）はこのようなヒステリシス特
性と印加電圧に対する分極量の関係を示す。ヒステリシ
ス特性は通常１ｋＨｚ程度の連続サイン波、または三角
波を用いて測定される。Ｐr を残留分極量、Ｐs を飽和
分極量と称し、またＰs とＰr の差をバックスイッチン
グと称する。Ｖc ′はヒステリシス特性から求められる
抗電圧、Ｖc はＰr −Ｖ特性から求められる抗電圧であ
り、これら２つは必ずしも一致しない。

【００８０】ここで（Ｉ）の領域は連続波の印加では、
第１のパルスにて第１の方向に分極設定された分極状態
から、分極反転、つまり分極の変化が起こらない領域で
あり、（III ）の領域は第１の方向に分極設定された分
極を、ほぼ第２の方向に反転させた分極状態を有する領
域である。（II）は部分分極状態である。部分分極とは
第１の方向と第２の方向の分極との混合状態を有する分
極状態である。

【００８１】図１４（ａ）、（ｂ）はこの部分分極を単
一パルスを用いて作る方法を説明するための図である。
まず、図１４（ａ）に示すように、パルス幅ｔe 、パル
ス高Ｖe を有する第１のパルスにより強誘電体薄膜１１
を十分負に分極させた後、強誘電体薄膜１１のスイッチ
ング時間ｔs の５倍以上のパルス幅ｔw を持つ高さＶw
の第２のパルスを印加し、その時の分極反転量を評価し
たものが図１４（ｂ）である。

【００８２】図１４（ｂ）において、（Ｉ）、（II）、
(III）は図１３（ｂ）と同様の領域である。この場合、
（II）の領域はパルス幅ｔw を有する第２のパルス印加
後も極めて安定に存在することを示している。

【００８３】図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示すよう
に、第１、第２のパルスを印加した後に高さＶr を有す
る第３のパルスを印加して得られた電荷量と印加パルス
数との関係をパルス高Ｖw をパラメータとして示したも
のであり、パルス高Ｖw を強誘電体薄膜１１の抗電圧Ｖ
c の０．３〜１．５倍、パルス数を１〜１０⁴ 回まで変
化させた場合の結果である。ここで斜線部の領域は部分
分極の領域である。パルス高Ｖw が抗電圧Ｖc 程度の大
きさの場合、パルス幅ｔw をスイッチング時間ｔs の１
／３とすると、３〜３０回程度のパルス印加で部分分極
を起こすことができる。

【００８４】図１６は上記のことをパルスの高さＶw と
パルス幅ｔw で整理して示すものである。同図中、斜線
部で示されるパルス幅ｔw とパルス高Ｖw を有する第２
のパルスにより強誘電体薄膜１１の分極を部分分極状態
とすることができる。

【００８５】以上により、白金電極１０の上に形成され
た強誘電体薄膜１１を記憶セルとして、探針１２を介し
てまず、強誘電体薄膜１１の抗電圧Ｖthよりも大きい電
圧を有する第１のパルスを印加して、自発分極の２つの
状態のうち第１の方向に分極させ、次に前記第１のパル
スとは逆極性の電圧を有する第２のパルスを印加する。
これによって、前記第１の方向の分極状態を有する領域
と、前記第１の方向とは逆方向の第２の方向の分極状態
を有する領域とが混合した部分分極状態を安定して形成
することができる。

【００８６】なお、部分分極については本出願人による
特願平６−２２５４１５号に詳細に述べられている。

【００８７】以下に図１７にもとずき部分分極を発生す
るための強誘電体メモリ装置の構成および動作を説明す
る。図１７は回路図であり、６１′は第１のパルスを発
生する第１のパルス発生回路であり、６２′は第２のパ
ルスを発生する第２のパルス発生回路であり、６３′は
第３のパルスを発生する第３のパルス発生回路であり、
６５および６６は切り替えスイッチ、１０は白金電極、
１１は強誘電体薄膜、１２は探針、１３はカンチレバ
ー、６７は読み出し時以外の負荷容量、６８は読み出し
時の負荷容量、そして６９はセンス回路である。

【００８８】図１８にパルストレインを示す。６１は第
１のパルス、６２は第２のパルス、６３は第３のパルス
を示す。これらのパルスは切り替えスイッチ６５を切り
替えることにより選択される。強誘電体薄膜１１は第１
のパルス６１により第１の方向（負の方向）に分極設定
され、その後、第２のパルス６２により部分分極状態に
設定される。この時のパルス高Ｖw とパルス幅ｔw の関
係は、上記部分分極作成条件（図１６）を満たす必要が
ある。

【００８９】好ましくは第２のパルス６２の大きさＶw
（絶対値）が、前記強誘電体薄膜１１の抗電圧の０．３
〜２倍であるかあるいは前記第１のパルス６１の大きさ
Ｖe（絶対値）と、前記第２のパルス６２の大きさＶw
（絶対値）が、Ｖw ≦Ｖe であり、さらに第２のパルス
６２のパルス幅ｔw が第１のパルス６１のパルス幅ｔe
の１％〜１００％、好ましくはｔw ≦ｔe とすることで
分極量が第１の分極状態の分極量の１０％〜９０％であ
る安定した部分分極状態を作り出すことができる。

【００９０】読み出しは、第３のパルス６３を印加し、
その応答を検出することで行う。第３のパルス６３は基
本的に第２のパルス６２と同一か、もしくはパルス幅と
高さが異なっていても図１６中の斜線部で規定された値
を持ったパルスとする。切り替えスイッチ６６は分極設
定時と書き込み時は、負荷容量６７、又は低インピーダ
ンスに固定され、かつ、読み出し時においては比較的大
きい負荷容量６８に固定される。この負荷容量６８は強
誘電体薄膜１１の容量の５〜１００倍が望ましい。すな
わち、このセンス回路６９に流入する信号の流動量をで
きるだけ抑えて、かつ、信号検出に十分なものである必
要がある。勿論、センス回路６９はどのようなもので構
成されていても良く、オペアンプ、あるいはエミッター
フォロアー、カソードフォロアー等を用いた低インピー
ダンスアンプでも良い。

【００９１】ここで第１のパルス発生回路６１′により
設定される分極状態をデータ“０”とし、第２のパルス
発生回路６２′で形成された部分分極状態をデータ
“１”に定義する。すると、第３のパルス６３を印加す
ることにより、分極の変化分が異なるため、得られる電
荷量も異なる。従って、その差を判別することでデータ
“１”、および“０”が識別でき、前記第１の方向、お
よび部分分極の分極状態によりデータ“１”、および
“０”の２値を記憶できる。このようにして読み出しの
できる強誘電体メモリを具現することができる。

【００９２】上記した第１３実施形態によれば、書き込
み時に第１のパルス６１とは逆極性の第２のパルスを印
加することで、完全分極ではなく、極めて安定した部分
分極の状態を作り出すことができ、この部分分極状態は
電圧がゼロでも部分分極状態“０”と“１”とで容量値
が異なるため、これを完全なゼロバイアス状態で読み出
しが行えることから完全な非破壊状態で読み出し動作が
できる。

【００９３】また、書き込み時に第１のパルス６１とは
逆極性の、しかも、抗電圧の０．３〜２倍のパルス高を
有する第２のパルス６２を印加することで、第１の方向
の分極を完全反転させることなく、第２の方向の分極状
態を混在させた部分分極状態を安定して形成できる。

【００９４】また、書き込み時に第１のパルス６１とは
逆極性の、しかも大きさ（絶対値）が前記印加電圧Ｖe
の大きさより小さい電圧Ｖw を有する第２のパルス６２
を印加することで、第１の方向の分極を完全反転させる
ことなく第２の方向の分極状態を安定して形成できる。

【００９５】また、書き込み時に第１のパルス６１とは
逆極性の、しかも第１のパルス幅の１％〜３００％のパ
ルス幅を有する第２のパルス６２を印加することで、第
１の方向の分極を完全反転させることなく、第２の方向
の分極状態を混在させた部分分極状態を安定して形成で
きる。

【００９６】さらに、第１の分極状態の分極量の１０％
〜９０％の分極量を有する部分分極状態とすることで、
電圧がゼロであっても部分分極状態“１”と“０”を識
別することができる。

【００９７】また、第１の分極状態と部分分極の差を容
量値の差として検出することで、第３のパルスの振幅は
小さくて良く、すなわち、強誘電体薄膜１１への印加電
圧は小さくてよく、分極状態の破壊を防ぐことができ
る。

【００９８】また、第１のパルス６１および第２のパル
ス６２によってつくられる部分分極状態の領域の大きさ
は探針１２の先端の曲率半径程度に小さくすることが可
能であり、情報密度、すなわちメモリ容量を増大させる
ことが可能である。

【００９９】以下に本発明の第１４実施形態を説明す
る。

【０１００】第１４実施形態における第３のパルス６３
は、第１のパルス６１と同極性でもよいが、第２のパル
ス６２とは極性が逆である第３のパルス６３を印加して
読み出しを行えば分極の変化率が大きくなり、従って得
られる電荷量が大きくなるため、読み出しのＳ／Ｎがよ
くなる。さらに読み出し信号検出のためのセンス回路６
９が定常動作するまでに必要なセット時間よりも長いパ
ルス幅を有する第３のパルス６３を使用することで、セ
ンス回路６９の定常動作領域で読み出し動作を行うこと
ができるため、読み出し動作のエラーを防止することが
できる。

【０１０１】また、強誘電体薄膜１１の抗電圧の０．３
倍以下のパルス高を有するかあるいは、パルス高または
パルス幅が第２のパルス６２のパルス高、パルス幅に比
べて小さい第３のパルス６３を用いることで、読み出し
の動作による分極の破壊は起こらない。すなわち、読み
出し動作後、分極は元の状態のままであり記憶状態がそ
のまま維持されている非破壊読み出しのできる強誘電体
メモリが提供できる。

【０１０２】上記した第１４実施形態によれば、第２の
パルス６２とは極性が逆である第３のパルス６３により
情報を読み出すことで、記憶情報の“１”、“０”をＳ
／Ｎ良く読み出す事ができる。

【０１０３】またパルス幅がセンス回路６９のセット時
間よりも長い第３のパルス６３で情報を読み出すこと
で、センス回路６９が定常動作状態で読み出しができる
ため、読み出しエラーを防止できる。すなわち、Ｓ／Ｎ
の良い読み出しが可能となる強誘電体メモリが具現でき
る。

【０１０４】また、パルス高が強誘電体薄膜１１の抗電
圧Ｖc の０．３倍以下である第３のパルス６３で情報を
読み出すことで、強誘電体薄膜１１の分極状態を読み出
し動作により破壊することがない。

【０１０５】また、読み出し時に、前記第２のパルス６
２に比べてパルス高、あるいはパルス幅が小さい第３の
パルス６３を印加することで、強誘電体薄膜１１の分極
状態を破壊することが無い。

【０１０６】さらに、読み出し時に第３のパルス６３を
印加した際、応答する領域の大きさは、探針１２の先端
の曲率半径程度に小さくすることが可能であり、情報密
度、すなわちメモリ容量を増大させることが可能であ
る。

【０１０７】以下に本発明の第１５実施形態を説明す
る。

【０１０８】第１５実施形態では、第３のパルスをゼロ
バイアスにベースラインを有する交流信号として、第１
の分極状態と部分分極状態の差を容量値の差として検知
する。こうすることにより、従来の様にＤＣバイアスに
交流波形を重畳する方法と異なり、強誘電体薄膜１１に
印加される電圧の最大値がＤＣバイアス分だけ減少する
ため、強誘電体薄膜１１の分極、すなわち、記憶状態を
破壊することがなくなる。好ましくは振幅の最大値を強
誘電体薄膜１１の抗電圧Ｖc の０．３倍以下とすること
で、さらに非破壊性は高まる。

【０１０９】ここで図１５に、ＳｒＢｉ₂ Ｔａ₂ Ｏ₉ か
ら成る強誘電体薄膜の印加電圧に対する分極の変化を実
測した結果が示されているが、この強誘電体薄膜の場
合、ヒステリシスカーブから求められる抗電圧は膜厚に
依存するが、第１５実施形態の場合、２００ｎｍの厚み
で０．６〜０．８Ｖ程度である。この膜に対して、０．
２Ｖ以下の電圧では１０¹⁰回のパルス印加後、分極は維
持される。つまり抗電圧の０．３倍以下の電圧であれば
少なくとも１０¹⁰回のパルスを印加しても分極は破壊さ
れない。

【０１１０】逆に言えば、１０¹⁰回のパルス印加を想定
した場合には、０．２Ｖ印加で読み出しを行う必要があ
り、容量を読み出すための交流波形の励振電圧に加え
て、ＤＣバイアスを印加するといった従来の方法では強
誘電体薄膜の分極を非破壊で読み出すことは不可能であ
る。

【０１１１】また、第３のパルス６３は前記センス回路
６９のセット時間より長い立ち上がり時間ｔr を持たせ
ることで、該センス回路６９の定常動作領域で読み出し
動作を行うことができるため、読み出し動作のエラーを
防止することができる。

【０１１２】上記した第１５実施形態によれば、ゼロバ
イアス状態にベースラインを有する交流信号である第３
のパルス６３により情報を読み出すことで、強誘電体薄
膜１１の分極状態を破壊することがない。

【０１１３】また、ゼロバイアス状態にベースラインを
有し、振幅の最大値が抗電圧の０．３倍以下である交流
信号である第３のパルス６３により情報を読み出すこと
で、強誘電体薄膜１１の分極状態を破壊することがな
い。

【０１１４】以下に本発明の第１６実施形態を説明す
る。

【０１１５】図１９に第１６実施形態の強誘電体メモリ
装置を示す。これは、第１３〜第１５実施形態で示した
強誘電体メモリ装置（図１７）のカンチレバー１３をピ
エゾスタック７０に固定したものである。ピエゾスタッ
クとは圧電体物質を積層して作ったアクチュエータ素子
であり、電圧パルスを複数回印加することによりその電
圧パルスの回数に応じた微小な距離だけ物体を移動させ
ることができる。所定の距離を移動させるだけの回数の
電圧パルスは、ピエゾスタック制御回路７１によって作
成されピエゾスタック７０に印加される。

【０１１６】図２０は記録担体となる強誘電体薄膜１１
に電圧パルスを印加する手順を示す図である。まず、直
流電源７２によって探針１２には一定の電圧を印加して
おく。この時点では探針１２には強誘電体薄膜１１の分
極を変化させるに十分な電圧は分配されない。ここで、
ピエゾスタック７０に適当な制御パルスを印加して、図
２０に示すように、探針１２と強誘電体薄膜１１との距
離を時間τの間だけパルス的に近接させる。その結果こ
の近接されている時間τの間だけ強誘電体薄膜１１には
十分に高い電圧が分配される。すなわち探針１２の位置
を変化させることによって結果的に強誘電体薄膜１１に
はパルス電圧がかかる。

【０１１７】さらにこの時間τの間、探針１２を強誘電
体薄膜１１にどれだけの距離近づけるかによって、直流
電源７２の電圧を変化させることなしに強誘電体薄膜１
１にかかる電圧パルスの大きさを微妙に変化させること
ができる。

【０１１８】上記した第１６実施形態によれば強誘電体
薄膜１１にパルス電圧を印加するためにパルス電源、す
なわち電圧を時間的に変動させる手段を必要としない。
そのため直流電源７２とカンチレバー１３とを接続する
リード線、カンチレバー１３、あるいは探針１２自身の
もっている浮遊容量によって強誘電体薄膜１１にかかる
パルス波形がなまる、すなわち、高周波成分が減衰する
ことがない。そのため、強誘電体薄膜１１が応答する限
り十分に高速のパルス電圧を印加することが可能となり
書き込み、あるいは、読み出し時間が短縮される。

【０１１９】また、本発明の記録書き込み、および読み
出し法では、記誘電体薄膜１１に印加する第１のパル
ス、第２のパルス、および第３のパルスの相対的な大き
さを微妙に変化、調整する必要があるが、第１６実施形
態では探針１２の移動距離の調整のみによってそれが可
能となる。すなわち、多種類の定電圧源を用意する必要
が無く強誘電体メモリ装置の構成が概略化および小型化
される。

【０１２０】以下に本発明の第１７実施形態を説明す
る。

【０１２１】第１７実施形態は図１７の強誘電体メモリ
装置のカンチレバー１３をｘ方向ピエゾスタック及びｙ
方向ピエゾスタックに固定するものである。このｘ，ｙ
方向ピエゾスタックとして、第２実施形態の図３に示す
ｘ方向ピエゾスタック３０、ｙ方向ピエゾスタック３１
と同等のものを用いることができる。また、第１７実施
形態の作用もほぼ第２実施形態と同様であるが、第１７
実施形態では自発分極領域ではなく部分分極領域が強誘
電体薄膜１１０上に複数箇所作成される点が異なる。

【０１２２】以下に本発明の第１８実施形態を説明す
る。

【０１２３】第１８実施形態は図１７の強誘電体メモリ
装置のカンチレバー１３を直径方向ピエゾスタックに固
定し、さらに白金電極１０と強誘電体薄膜１１からなる
記録媒体は回転軸に固定され、この回転軸を介してモー
ターの駆動力によって回転させられる。直径方向ピエゾ
スタック、回転軸、は第３実施形態の図４に示す直径方
向ピエゾスタック４０、回転軸４１、モーター４２と同
等のもので実現できる。また、第１８実施形態の作用も
第３実施形態とほぼ同様であるが、第１８実施形態では
自発分極ではなく部分分極領域が強誘電体薄膜１１０上
に複数箇所形成される点が異なる。

【０１２４】なお、第１７、第１８実施形態において、
ピエゾスタックはさらにリニヤモーターに固定されてい
てもよい。該リニヤモーターはピエゾスタックより大き
な範囲で探針を粗動させることができるので、第１７実
施形態の方法で情報を記録できる領域を広げることがで
きる。

【０１２５】以下に本発明の第１９実施形態を説明す
る。

【０１２６】図２１に第１９実施形態の強誘電体メモリ
装置を示す。これは第１３〜第１５実施形態で示した強
誘電体メモリ装置（図１７）にレーザー光源１００とＰ
ＳＤ１０１をつけ加えたものである。レーザー光源１０
０は、それから発せられたレーザー光が丁度カンチレバ
ー１３に照射される様な位置に固定されており、同時に
ＰＳＤ１０１はカンチレバー１３から反射されたレーザ
ー光を丁度受光できる位置に固定されている。このＰＳ
Ｄ１０１はレーザー光スポットの入射した位置に依存し
た大きさの信号を出力する機構を持つ受光素子である。
本実施形態はレーザー光源１００、およびＰＳＤ１０１
共に位置が固定されているので、ＰＳＤ１０１の出力信
号から、レーザー光の反射角の変化、すなわちカンチレ
バー１３の傾いた角度を知ることができる。

【０１２７】以下に図２１に基づき第１９実施形態の構
成で部分分極を発生、および読み出す動作について説明
する。強誘電体薄膜１１は第１のパルス６１により第１
の方向（負の方向）に分極設定され、その後、第２のパ
ルス６２により部分分極状態に設定される。この時のパ
ルス高Ｖw とパルス幅ｔw の関係は前記部分分極作成条
件（図１３）を満たす必要がある。

【０１２８】読み出しは、第３のパルス６３を印加し、
その時のカンチレバー１３にかかる力学的応答を検出す
ることで行う。第３のパルス６３は基本的に第２のパル
ス６２と同一か、もしくはパルス幅と高さが異なってい
ても、図１３中の斜線部で規定された値を持ったパルス
とする。ここで第１のパルス６１により設定された分極
状態をデータ“０”とし、第２のパルス６２により形成
された部分分極状態をデータ“１”と定義する。

【０１２９】すると、前述のようにデータ“０”とデー
タ“１”の状態では容量値が異なり、各々、Ｃ0 および
Ｃ1 と定義する。第３のパルス６３（高さＶ）が印加さ
れた瞬間、強誘電体薄膜１１に蓄えられる分極エネルギ
ーＥは、データ“０”（Ｃ＝Ｃ0 ）の領域ではＥ＝（１
／２）Ｃ0 Ｖ² であり、データ“１”（Ｃ＝Ｃ1 ）の領
域では、Ｅ＝（１／２）Ｃ1 Ｖ² となる。この時、探針
１２は静電的な力Ｆを受け、前記した（１）式で表され
る。ここでＬは探針１２と白金電極１０との間の距離で
ある。上記の様に分極エネルギーＥは容量Ｃの関数だか
ら、探針１２に静電的な力Ｆが働くとカンチレバー１３
がたわんで傾く。その結果、上記レーザー光の反射角が
変わりＰＳＤ１０１の出力の違いより判別することがで
きる。

【０１３０】上記した第１９実施形態によれば、データ
書き込み時に第１のパルス６１とは逆極性のパルスを印
加することで、完全分極ではなく、極めて安定した部分
分極の状態を作り出すことができ、この完全分極状態
“０”と部分分極状態“１”とでは容量値が異なるた
め、第２のデータ書き込みパルスと同等の分極状態を変
化させることのない第３のデータ読み出しパルスを印加
した際のカンチレバー１３へ働く力を検知することによ
り、完全に非破壊状態でデータの読み出し動作ができ
る。

【０１３１】また、カンチレバー１３のバネ定数をきわ
めて小さくしておけば、第３のデータ読み出しパルスを
印加した際に探針１２にかかる力によってカンチレバー
１３が傾く角度がより大きくなる。さらに、このカンチ
レバー１３の傾いた角度はレーザー光の反射角度によっ
て検出しているため、この検出動作によって検出値への
誤差は生じない。すなわち、本実験例によれば極めて高
感度、かつＳ／Ｎの良い読み出し動作の可能な強誘電体
メモリ装置が具現できる。

【０１３２】上記作用、効果と同等の作用、効果を生じ
る変形例として、光干渉計、走査型トンネル顕微鏡（Ｓ
ＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、圧電素子、あるい
はバイモルフ等によってカンチレバー１３の傾き角を検
出する方法が挙げられる。

【０１３３】以下に本発明の第２０実施形態を説明す
る。

【０１３４】第２０実施形態の強誘電体メモリ装置は、
第１７実施形態、あるいは第１８実施形態で示した強誘
電体メモリ装置に、さらに第１９実施形態で示したレー
ザー光源１００及びＰＳＤ１０１を加えた構成を持つ。
データの書き込みは、強誘電体薄膜１１上の適当な場所
に前述第１のパルスおよび第２のパルスを探針１２によ
って印加した後、ｘ方向ピエゾスタック（図３のｘ方向
ピエゾスタック３０と同等のもの）、又はｙ方向ピエゾ
スタック（図３のｙ方向ピエゾスタック３１と同等のも
の）、または直径方向ピエゾスタック（図４の直径方向
ピエゾスタック４０と同等のもの）に制御信号を印加し
て探針１２を別の場所に移動させた後、さらにそこで第
１のパルスおよび第２のパルスを印加することによって
行う。

【０１３５】データの読み探針１２に直流電圧を印加し
ながら、上記ｘ方向ピエゾスタック（図３のｘ方向ピエ
ゾスタック３０と同等のもの）、又はｙ方向ピエゾスタ
ック（図３のｙ方向ピエゾスタック３１と同等のも
の）、又は直径方向ピエゾスタック（図４の直径方向ピ
エゾスタック４０と同等のもの）に制御信号を印加して
探針１２を別の場所に移動させるか、あるいはモーター
（図４のモーター４２と同等のもの）の動力によって白
金電極１０および強誘電体薄膜１１を回転させる動作を
行いながら、前記ＰＳＤ１０１の出力信号をモニターす
ることによって、カンチレバー１３の傾き角の変化を検
出する。すなわちデータ“０”の状態（第１のパルスに
より設定された分極状態）と、データ“１”の状態（第
２のパルスにより形成された部分分極状態）とでは容量
値が異なるので、直流電圧の印加された探針１２が各々
の領域上に移動して来た瞬間に探針１２の受ける静電的
な力Ｆ（（１）式）が異なる。その結果カンチレバー１
３の傾き角が変わりＰＳＤ１０１の出力信号が変化し、
探針１２がデータ“０”の上を通過したのか、データ
“１”の上を通過したのかが判別できる。

【０１３６】上記した第２０実施形態によれば、データ
書き込み時に第１のパルス６１とは逆極性のパルスを印
加することで、完全分極では無く、極めて安定した部分
分極の状態を作り出すことができ、この完全分極状態
“０”と、部分分極状態“１”とでは容量値が異なるた
め、第２のデータ書き込みパルスと同等の分極状態を変
化させることの無い直流電圧を印加した探針１２に働く
力を検知することにより、完全に非破壊状態でデータの
読み出し動作ができる。

【０１３７】また、データ読み出し時には、探針１２に
は直流電圧を印加するだけで良い。したがって、探針１
２がデータ“０”の領域、あるいはデータ“１”の領域
の上を通過する度に読み出しのための第３のパルスを同
期させて発生させる手段を必要とせず、構成が簡略化さ
れる。さらに上記第３のパルスの同期がずれることによ
って生じるノイズも本質的に生じないのでＳ／Ｎの良い
読み出し動作が可能となる。

【０１３８】以下に本発明の第２１実施形態を説明す
る。

【０１３９】第２１実施形態の強誘電体メモリ装置を図
２２に示す。これは信号処理および制御を行う回路１１
１と、上記した実施形態で述べた白金電極１０と強誘電
体薄膜１１とから成る記録部１１２と、上記した実施形
態で述べた探針１２とカンチレバー１３と、必要ならば
カンチレバー１３の傾き角を検出するためのレーザー光
源１００と、ＰＳＤ１０１を含むヘッド１１３と、上記
した実施形態で述べたｘ方向ピエゾスタック（図３のｘ
方向ピエゾスタック３０と同等のもの）、あるいはｙ方
向ピエゾスタック（図３のｙ方向ピエゾスタック３１と
同等のもの）、あるいは直径方向ピエゾスタック（図４
の直径方向ピエゾスタックと同等のもの）から成るアク
チュエータ１１４とが同一の基板１１０の上に固定され
ている。さらにもう１つの溝を設けた形状の基板を上か
ら覆って、上記溝の中に、回路１１１、記録部１１２、
ヘッド１１３、およびアクチュエータ１１４を納めても
良い。

【０１４０】第２１実施形態によれば、回路１１１、記
録部１１２、ヘッド１１３、およびアクチュエータ１１
４が同一の基板１１０上にあるため、お互いの相対的な
振動は起きない。そのため上記相対的な振動に伴う機械
的振動ノイズ、あるいは静電容量の振動に伴う電気的な
ノイズを除去することができる。

【０１４１】また、前記溝を設けた形状の基板を覆う
と、回路１１１、記録部１１２、ヘッド１１３、および
アクチュエータ１１４が外界から遮断されるので、ほこ
り等によるノイズ発生が抑えられる。また、機械的な強
度が強いので、手で持って運ぶ、といった携帯性に優れ
た強誘電体メモリ装置が実現できる。

【０１４２】なお、上記した実施形態には以下の発明が
含まれる。

【０１４３】（構成１）導電体１００の上に形成された
強誘電体１１０と、導電性物質から成り、針状の先端形
状を持つ探針１１１と、その探針１１１を支持する支持
部材１１２とから成る強誘電体メモリ装置であって、第
１のパルスを印加して、自発分極の２つの状態のうち第
１の方向の状態に分極させる第１のパルス印加手段１２
１と、前記第１のパルスとは逆極性の電圧を有する第２
のパルスを印加して前記第１の方向とは逆の第２の方向
に自発分極を分極させる第２のパルス印加手段１２２
と、を具備したことを特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０１４４】この構成には第１実施形態（図１、２）が
該当する。導電体には白金電極１００が、支持部材には
カンチレバー１１２が、第１のパルス印加手段には書き
込みパルス発生手段１２１が、第２のパルス印加手段に
は読み出しパルス発生回路１２２が該当する。導電体と
してはこの他に導電性のある各種金属、あるいは不純物
を添加した半導体が用いられる。また、支持部材は弾性
を持つ材料をたんざく状、棒状、あるいは薄膜状に加工
したものである。

【０１４５】（作用） 強誘電体１１０中に自発分極を
誘起するための電圧パルスを、探針１１１によって極め
て微小な領域に印加することによって、自発分極状態の
しめる面積を極めて小さくすることができる。また、こ
のことと自発分極を反転することによってデータを読み
出す方法を組み合わせることにより、情報ビットの大き
さは上記自発分極領域の大きさに等しくなる。

【０１４６】（効果）強誘電体中の自発分極の極性の違
いによってデータを記録すると、記録密度は大幅に向上
する。また自発分極の反転に伴う変位電流は、常誘電分
極の反転に伴う変位電流に比べて非常に大きいので、信
号量が増加しＳ／Ｎが向上する。例えば３．５インチの
ディスク状媒体に情報を記録すると約５ギガバイトの容
量が実現できる。

【０１４７】（構成２）構成１において、探針１１１を
支持する支持部材１１２は、第１の方向に対する微少移
動手段３０と、第２の方向に対する微少移動手段３１と
に固定されている事を特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０１４８】この構成には第２実施形態（図３）が該当
する。支持部材にはカンチレバー１１２が、第１の方向
に対する微少移動手段にはｘ方向ピエゾスタック３０
が、第２の方向に対する微少移動手段にはｙ方向ピエゾ
スタック３１が該当する。

【０１４９】（作用） 第１の方向に対する微少移動手
段、および第２の方向に対する微少移動手段によって探
針１１１を移動させることにより、強誘電体１１０上に
複数箇所前記自発分極状態の領域を作成する。

【０１５０】（効果）“０”と“１”を基本単位とし、
それらを複数単位組み合わせたデジタル信号の記憶、読
み出しが行える。また、それぞれの自発分極状態を書き
込み、および読み出しする際のクロストークによるノイ
ズを除去することができ、Ｓ／Ｎの良い強誘電体メモリ
装置が具現できる。

【０１５１】（構成３）構成１において、探針１１１を
支持する支持部材１１２が微少移動手段４０に固定され
ていて、かつ、強誘電体１１０が回転動力源４２によっ
て回転運動している事を特徴とする強誘電体メモリ装
置。

【０１５２】この構成には第３実施形態（図４）が該当
する。支持部材にはカンチレバー１１２が、微少移動手
段には直径方向ピエゾスタック４０が、回転動力源には
モーター４２が該当する。

【０１５３】（作用） 微少移動手段によって探針１１
１を移動させながら、回転動力源によって強誘電体１１
０を回転させることにより、強誘電体１１０上に複数箇
所前記自発分極状態の領域を作成する。

【０１５４】（効果）“０”と“１”を基本単位とし、
それらを複数単位組み合わせたデジタル信号の記憶、読
み出しが行える。また、それぞれの自発分極状態を書き
込み、および読み出しする際のクロストークによるノイ
ズを除去することができ、Ｓ／Ｎの良い強誘電体メモリ
装置が具現できる。

【０１５５】（構成４）構成１、２および３において、
支持部材１１２の偏角を検知する手段５０，５１を具備
することを特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０１５６】この構成には第４実施形態（図５）が該当
する。支持部材にはカンチレバー１１２が、支持部材の
偏角を検知する手段には、レーザー光源５０およびポジ
ションセンシティブディテクター（ＰＳＤ）５１が該当
する。

【０１５７】（作用） 探針１１１に読み出しパルスが
印加された際、強誘電体１１０に蓄えられるエネルギー
に応じた量だけの支持部材の偏角を検知する。

【０１５８】（効果） 強誘電体１１０の正の方向の自
発分極領域と負の方向の自発分極領域での、読み出しパ
ルスが印加された時に蓄えられるエネルギーの違いを前
記支持部材の偏角の違いによって読み出すことにより、
データの読み出しを行うことができる。また前記支持部
材の偏角信号は電荷（電流）信号に比べて大きくとるこ
とができるため、高感度、かつＳ／Ｎの良い強誘電体メ
モリ装置が具現できる。

【０１５９】（構成５）構成４において、探針１１２に
直流電圧を印加して前記部分分極状態を読み出す事を特
徴とする強誘電体メモリ装置。

【０１６０】この構成には第５実施形態が該当する。

【０１６１】（作用）探針１１１に直流電圧を印加した
状態で前記正の自発分極領域、あるいは前記負の自発分
極領域上を通過した時の前記支持部材の偏角を検知す
る。

【０１６２】（効果）強誘電体１１０の正の方向の自発
分極領域と負の方向の自発分極領域での、読み出しパル
スが印加された時に蓄えられるエネルギーの違いを前記
支持部材の偏角の違いによって読み出すことにより、デ
ータの読み出しを行うことができる。また前記支持部材
の偏角信号は電荷（電流）信号に比べて大きくとること
ができるため、高感度な強誘電体メモリ装置が具現でき
る。また読み出しパルスと前記自発分極領域上探針１１
１が通過するタイミングのずれから生じるノイズを除去
することができるためＳ／Ｎの良い強誘電体メモリ装置
が具現できる。

【０１６３】（構成６）構成１において、強誘電体１１
０の上に導電体、あるいは半導体から成り該強誘電体１
１０の面積より小さい領域が複数箇所、お互いに距離を
隔てて形成されていることを特徴とする強誘電体メモリ
装置。

【０１６４】この構成には第６実施形態（図６）が該当
する。導電体、あるいは半導体から成る領域にはパッド
６０が該当する。

【０１６５】（作用） 書き込みパルスによって充電さ
れた電子はそれぞれのパッド６０の上に局在する。

【０１６６】（効果）書き込みパルスによって充電され
た電子はそれぞれのパッド６０の大きさより広がること
が無い。その結果隣り合った自発分極状態の区別が明確
につけられるので、Ｓ／Ｎの良いデータ読み出し動作が
常に可能となる。

【０１６７】（構成７）構成１において、強誘電体１１
０の上に半導体層が形成されていることを特徴とする強
誘電体メモリ装置。

【０１６８】この構成には第７実施形態（図７）が該当
する。

【０１６９】（作用）書き込みパルスによって充電され
た電子は拡散によってその分布領域を広げることが無
い。

【０１７０】（効果）書き込みパルスによって作成され
た自発分極領域の大きさは、その後広がることが無い。
その結果隣り合った自発分極状態の区別が明確につけら
れるので、Ｓ／Ｎの良いデータ読み出し動作が常に可能
となる。

【０１７１】（構成８）構成１において、強誘電体１１
０の大気との界面近傍の化学量論比（ストイキオメトリ
ー）が強誘電体相のものからはずれていることを特徴と
する強誘電体メモリ装置。

【０１７２】この構成には第８実施形態が該当する。

【０１７３】（作用）強誘電体薄膜１１０の大気との界
面近傍領域が半導体化する。そのため、書き込みパルス
によって充電された電子は拡散によってその分布領域を
広げることが無い。

【０１７４】（効果）書き込みパルスによって作成され
た自発分極領域の大きさは、その後広がることが無い。
その結果となり合った自発分極状態の区別が明確につけ
られるので、Ｓ／Ｎの良いデータ読み出し動作が常に可
能となる。

【０１７５】（構成９）構成１において、支持部材１１
２に複数の探針（８０，８１，８２）が設置されている
ことを特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０１７６】この構成には第９実施形態（図８）が該当
する。

【０１７７】（作用）探針（８０，８１，８２）を動か
すこと無しに複数の位置に自発分極（データを書き込む
ことができる。

【０１７８】（効果）データの書き込み、読み出し速度
が向上する。また、探針支持部材の位置調整機構が不要
になるので、装置の小型化がはかれる。また上記位置調
整動作の誤差から生じるノイズを除去できるのでＳ／Ｎ
の良い読み出し動作が可能となる。

【０１７９】（構成１０）構成９において、複数の探針
のうち少なくとも１つに参照パルス印加手段９２が接続
されており、該参照パルス印加手段９２からは、第１の
パルスもしくは第２のパルスの印加と同期してパルス高
とパルス幅が規格化された参照パルスが出力されること
を特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０１８０】この構成には第１０実施形態（図９）が該
当する。参照パルス印加手段には参照パルス発生回路９
２が該当する。

【０１８１】（作用）強誘電体メモリ装置の機械的振動
に伴うノイズを見積もることができる。

【０１８２】（効果）読み出し信号からノイズを除去す
ることができるので、Ｓ／Ｎが良く、読み出しエラーの
無い強誘電体メモリ装置が具現できる。

【０１８３】（構成１１）構成９における複数の探針
（８０，８１，８２）は基板１０００の上に半導体１０
２０を形成し、その一部分に選択的に不純物を添加する
ことによって作成することを特徴とする強誘電体メモリ
装置。

【０１８４】この構成には第１１実施形態（図１０）が
該当する。基板にはシリコンウェハー１０００が、半導
体にはポリシリコン膜１０２０が該当する。

【０１８５】（作用）半導体上の不純物が添加された領
域のみが探針として作用する。

【０１８６】（効果）各探針の形状、および間隔が極め
て均一な複数の探針の作成方法が提供される。

【０１８７】（構成１２）構成９における複数の探針
（８０，８１，８２）は基板１１００の上に絶縁性物質
１１２０と導電性物質１１１０とを交互に形成して作成
することを特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０１８８】この構成には第１２実施形態（図１１）が
該当する。絶縁性物質には酸化アルミニウム１１２０
が、導電性物質にはアルミニウム１１１０が該当する。

【０１８９】（作用）それぞれの導電性物質が独立の探
針として作用する。

【０１９０】（効果）各探針の形状、および間隔が極め
て均一な複数の探針の作成方法が提供される。

【０１９１】（構成１３）導電体１０の上に形成された
強誘電体１１と、導電性物質から成り、針状の先端形状
を持つ探針１２と、その探針を支持する支持部材１３と
から成る強誘電体メモリであって、前記強誘電体の抗電
圧Ｖthよりも大きい電圧Ｖe を有する第１のパルス６１
を印加して、自発分極の２つの状態のうち第１の方向の
分極状態に分極させる第１のパルス印加手段と、前記第
１のパルス６１とは逆極性の電圧Ｖw を有する第２のパ
ルス６２を印加して、前記第１の方向の分極状態を有す
る領域と、前記第１の方向とは逆方向の第２の方向の分
極状態を有する領域とが混合した部分分極状態を形成す
る第２のパルス印加手段と、を具備したことを特徴とす
る強誘電体メモリ装置。

【０１９２】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。導電体には白金電極１０
が、強誘電体には強誘電体薄膜１１が、支持部材にはカ
ンチレバー１３が該当する。導電体としてはこの他に導
電性のある各種金属、あるいは不純物をドープした半導
体が用いられる。支持部材は弾性を持つ材料をたんざく
状、棒状、薄膜状に加工したものである。

【０１９３】また、第１のパルス印加手段には第１のパ
ルス発生回路６１′が、第２のパルス印加手段には第２
のパルス発生回路６２′が該当する。

【０１９４】（作用）強誘電体中に部分分極状態を作成
するための電圧パルスを、探針によって極めて微小な領
域に印加すると、部分分極状態が占める面積が極めて小
さくなる。

【０１９５】（効果）強誘電体が完全分極状態にある
か、部分分極状態にあるかの違いによってデータを記録
すると、多大な記録密度を有する強誘電体メモリ装置が
具現でき、かつ何回データを読み出してもそのデータが
消失することはない。

【０１９６】（構成１４）構成１３において、第２のパ
ルス６２の大きさＶw （絶対値）が、前記強誘電体１１
の抗電圧の０．３倍〜２倍であることを特徴とする強誘
電体メモリ装置。

【０１９７】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。

【０１９８】（作用）自発分極（分極）の２つの状態の
うち第１の分極状態に前記強誘電体薄膜１１の抗電圧Ｖ
thよりも大きい電圧Ｖe を有する第１のパルス６１を印
加して分極し次に前記印加電圧Ｖe とは逆極性の抗電圧
の０．３〜２倍であるパルス高を有する第２のパルス６
２を印加し、前記第１の方向の分極を有する領域と、前
記第１の方向とは逆極性の第２の分極を有する領域の混
合した部分分極状態にて情報の記憶を行う。

【０１９９】（効果）書き込み時に、第１のパルス６１
とは逆極性の、しかも抗電圧の０．３〜２倍のパルス高
を有する第２のパルス６２を印加することで、第１の方
向の分極を反転させること無く、第２の方向の分極を混
在させた部分分極状態を安定して形成できる。

【０２００】（構成１５）構成１３あるいは１４におい
て、前記第１のパルス６１の大きさＶe （絶対値）と、
前記第２のパルス６２の大きさＶw （絶対値）が、Ｖw
≦Ｖe であることを特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２０１】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
〜６）が該当している。

【０２０２】（作用）自発分極（分極）の２つの状態の
うち第１の分極状態に前記強誘電体１１の抗電圧Ｖthよ
りも大きい電圧Ｖe を有する第１のパルス６１を印加し
て分極し、次に、前記印加電圧Ｖe とは逆極性の、しか
も大きさ（絶対値）が、前記印加電圧Ｖe の大きさより
小さい電圧Ｖw を有する第２のパルス６２を印加し、前
記第１の方向の分極を有する領域と、前記第１の方向と
は逆極性の第２の分極を有する領域の混在した部分分極
状態にて情報の記憶を行う。

【０２０３】（効果）書き込み時に、第１のパルス６１
とは逆極性の、しかも大きさ（絶対値）が、前記印加電
圧Ｖe の大きさより小さい電圧Ｖw を有する第２のパル
ス６２を印加することで、第１の方向の分極を完全反転
させることなく、第２の方向の分極状態を混在させた部
分分極状態を安定して形成できる。

【０２０４】（構成１６）構成１３において、第２のパ
ルス６２のパルス幅ｔw が、第１のパルス６１のパルス
幅ｔe の１％〜３００％である事を特徴とする強誘電体
メモリ装置。

【０２０５】この構成には第１〜３実施形態（図１〜
６）が該当している。

【０２０６】（作用）自発分極（分極）の２つの状態の
うち第１の分極状態に前記強誘電体１１の抗電圧Ｖthよ
りも大きい電圧Ｖe を有する第１のパルス６１を印加し
て分極し、次に、前記印加電圧Ｖe とは逆極性の、第１
のパルス幅の１％〜３００％のパルス幅を有する第２の
パルス６２を印加し、前記第１の方向の分極を有する領
域と、前記第１の方向とは逆方向の第２の分極を有する
領域の混在した部分分極状態にて情報の記憶を行う。

【０２０７】（効果）書き込み時に、第１のパルス６１
とは逆極性の、しかも第１のパルス幅の１％〜３００％
のパルス幅を有する第２のパルス６２を印加すること
で、第１の方向の分極を完全反転させることなく、第２
の方向の分極を混在させた部分分極状態を安定して形成
できる。

【０２０８】（構成１７）構成１６において、前記第１
のパルス６１のパルス幅ｔe と、前記第２のパルス６２
のパルス幅ｔw が、ｔw ≦ｔe であることを特徴とする
強誘電体メモリ装置。

【０２０９】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。

【０２１０】（作用）自発分極（分極）の２つの状態の
うち第１の分極状態に前記強誘電体１１の抗電圧Ｖthよ
りも大きい電圧Ｖe を有する第１のパルス６１を印加し
て分極し、次に、前記印加電圧Ｖe とは逆極性の、しか
も、パルス幅がｔw ≦ｔe を満足する第２のパルス６２
を印加し、前記第１の方向の分極を有する領域と、前記
第１の方向とは逆方向の第２の分極を有する領域の混在
した部分分極状態にて情報の記憶を行う。

【０２１１】（効果）書き込み時に、第１のパルス６１
とは逆極性の、しかも第１のパルス幅がｔw≦ｔe を満
足する第２のパルス６２を印加することで、第１の方向
の分極を完全反転させることなく、第２の方向の分極状
態を混在させた部分分極状態を安定して形成できる。

【０２１２】（構成１８）構成１３において、前記第１
の分極状態と前記部分分極状態の差を容量値の差として
検出する事を特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２１３】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。

【０２１４】（作用）第１の分極状態と部分分極の差を
容量値の差として検出する。

【０２１５】（効果）第１の分極状態と部分分極の差を
容量値の差として検出することで、第３のパルス幅は小
さくて良く、すなわち、強誘電体１１への印加電圧は小
さくても良く分極状態の破壊を防ぐ事ができる。

【０２１６】（構成１９）構成１８において前記第２の
パルス６２と同じかより小さな第３のパルス６３を印加
して、前記部分分極状態の分極状態の読み出しを行うこ
とを特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２１７】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。

【０２１８】（作用）第２のパルス６２とは極性が逆で
ある第３のパルス６３により情報を読み出す。

【０２１９】（効果）第２のパルス６２とは極性が逆で
ある第３のパルス６３により情報を読み出すことで、記
憶情報の“１”、“０”をＳ／Ｎ良く読み出すことがで
きる。

【０２２０】（構成２０）構成１９において、第３のパ
ルス６３が、前記強誘電体１１の抗電圧の０．３倍以下
のパルス高を有することを特徴とする強誘電体メモリ装
置。

【０２２１】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。

【０２２２】（作用）パルス高が強誘電体１１の抗電圧
Ｖc の０．３倍以下である第３のパルス６３で読み出
す。

【０２２３】（効果）パルス高が強誘電体１１の抗電圧
Ｖc の０．３倍以下である第３のパルス６３で情報を読
み出す事で、強誘電体１１の分極状態を読み出し動作に
より破壊することが無い。

【０２２４】（構成２１）構成１９において、第３のパ
ルス６３のパルス高、あるいはパルス幅が、前記第２の
パルス６２のパルス高、パルス幅に比べて小さい事を特
徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２２５】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。

【０２２６】（作用）読み出し時に、前記第２のパルス
６２に比べてパルス高、あるいはパルス幅が小さい第３
のパルス６３を印加する。

【０２２７】（効果）読み出し時に、前記第２のパルス
６２に比べてパルス高、あるいはパルス幅が小さい第３
のパルス６３を印加する事で、強誘電体１１の分極状態
を破壊することが無い。

【０２２８】（構成２２）構成１９において、第３のパ
ルス６３がゼロバイアス状態にベースラインを有する交
流信号である事を特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２２９】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。

【０２３０】（作用）ゼロバイアス状態にベースライン
を有する交流信号である第３のパルス６３により情報を
読み出す。

【０２３１】（効果）ゼロバイアス状態にベースライン
を有する交流信号である第３のパルス６３により情報を
読み出すことで、強誘電体１１の分極状態を破壊するこ
とがない。

【０２３２】（構成２３）構成２２において、第３のパ
ルス６３の振幅の最大値が、前記強誘電体１１の抗電圧
の０．３倍以下である事を特徴とする強誘電体メモリ装
置。

【０２３３】この構成には第１３〜１５実施形態（図１
２〜１８）が該当している。

【０２３４】（作用）ゼロバイアス状態にベースライン
を有し、振幅の最大値が抗電圧の０．３倍以下である交
流信号である第３のパルス６３により情報を読み出す。

【０２３５】（効果）ゼロバイアス状態にベースライン
を有し、振幅の最大値が抗電圧の０．３倍以下の交流信
号である第３のパルス６３により情報を読み出す事で、
強誘電体１１の分極状態を破壊することがない。

【０２３６】（構成２４）構成１３において、探針１２
を支持する支持部材１３が微少移動手段７０に固定され
ている事を特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２３７】この構成には第１６実施形態（図１９、２
０）が該当する。支持部材にはカンチレバー１３が、微
少移動手段にはピエゾスタック７０が該当する。

【０２３８】（作用）微少移動手段によって探針１２と
強誘電体１１との距離を変化させることにより、強誘電
体１１に所定の電圧値のパルスを印加する。

【０２３９】（効果）探針１２にパルス電圧を印加する
必要が無いために、浮遊容量によるなまりが無くなる。
また、第１、２、および３のパルス（６１，６２，６
３）を用いるのでそれぞれ異なった電圧値の電圧源を用
意する必要が無く、強誘電体メモリ装置の構成が簡略
化、および小型化される。

【０２４０】（構成２５）構成１３において、探針１２
を支持する支持部材１３が、第１の方向に対する微少移
動手段３０と、第２の方向に対する微少移動手段３１と
に固定されている事を特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２４１】この構成には第１７実施形態（図３、図１
７）が該当する。支持部材にはカンチレバー１３が、第
１の方向に対する微少移動手段にはｘ方向ピエゾスタッ
ク３０が、第２の方向に対する微少移動手段にはｙ方向
ピエゾスタック３１が該当する。

【０２４２】（作用）第１の方向に対する微少移動手
段、および第２の方向に対する微少移動手段によって探
針１２を移動させることにより、強誘電体１１上に複数
箇所前記部分分極状態の領域を作成する。

【０２４３】（効果）“０”と“１”を基本単位とし、
それらを複数単位組み合わせたデジタル信号の記憶、読
み出しが行える。また、それぞれの部分分極状態を書き
込み、および読み出しする際のクロストークによるノイ
ズを除去することができ、Ｓ／Ｎの良い強誘電体メモリ
装置が具現できる。

【０２４４】（構成２６）構成１３において、探針１２
を支持する支持部材１３が微少移動手段９０に固定され
ていて、かつ、強誘電体１１が回転動力源９２によって
回転運動している事を特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２４５】この構成には第１８実施形態（図４、図１
７）が該当する。支持部材にはカンチレバー１３が、微
少移動手段には直径方向ピエゾスタック４０が、回転動
力源にはモーター４２が該当する。

【０２４６】（作用）微少移動手段によって探針１２を
移動させながら、回転動力源によって強誘電体１１を回
転させることにより、強誘電体１１上に複数箇所前記部
分分極状態の領域を作成する。

【０２４７】（効果）“０”と“１”を基本単位とし、
それらを複数単位組み合わせたデジタル信号の記憶、読
み出しが行える。また、それぞれの部分分極状態を書き
込み、および読み出しする際のクロストークによるノイ
ズを除去することができ、Ｓ／Ｎの良い強誘電体メモリ
装置が具現できる。

【０２４８】（構成２７）構成２３、２４、２５におい
て、支持部材１３の偏角を検知する手段１００，１０１
を具備することを特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２４９】この構成には第１９実施形態（図２１）が
該当する。支持部材にはカンチレバー１３が、支持部材
の偏角を検知する手段にはレーザー光源１００およびポ
ジションセンシティブディテクター（ＰＳＤ）１０１が
該当する。

【０２５０】（作用）探針１２に第３の読み出しパルス
が印加された際、強誘電体１１の容量値に応じた量だけ
の支持部材の偏角を検知する。

【０２５１】（効果）強誘電体１１の前記完全分極領域
と、前記部分分極領域の容量値の違いを前記支持部材の
偏角の違いによって読み出すことにより記憶状態を破壊
すること無く読み出し動作を行うことができる。また前
記支持部材の偏角信号は電荷（電流）信号に比べて大き
くとることができるため、高感度、かつＳ／Ｎの良い強
誘電体メモリ装置が具現できる。

【０２５２】（構成２８）構成２６において、探針１２
に直流電圧を印加して前記部分分極状態を読み出す事を
特徴とする強誘電体メモリ装置。

【０２５３】この構成には第２０実施形態が該当する。

【０２５４】（作用）探針１２に直流電圧を印加した状
態で前記完全分極領域、あるいは前記部分分極領域上を
通過した時の前記支持部材の偏角を検知する。

【０２５５】（効果）強誘電体１１の前記完全分極領域
と、前記部分分極領域の容量値の違いを前記支持部材の
偏角の違いによって読み出すことにより記憶状態を破壊
すること無く読み出し動作を行うことができる。また前
記支持部材の偏角信号は電荷（電流）信号に比べて大き
くとることができるため、高感度な強誘電体メモリ装置
が具現できるまた第３の読み出しパルス６３と前記部分
分極領域上を探針１２が通過するタイミングのずれから
生じるノイズを除去することができるためＳ／Ｎの良い
強誘電体メモリ装置が具現できる。

【０２５６】（構成２９）構成１３、２３、２４、２５
において、情報処理、あるいは制御を行うための回路１
１１と導電体と強誘電体とから成る記録部１１２と、探
針１２と支持部材１３とから成るヘッド１１３と、ヘッ
ドを駆動するためのアクチュエーター１１４が同一の基
板上に固定されていることを特徴とする強誘電体メモリ
装置。

【０２５７】この構成には第２１実施形態（図２２）が
該当する。

【０２５８】（作用）上記回路１１１と記録部１１２と
ヘッド１１３とアクチュエーター１１４とが同一の基板
上に固定される。

【０２５９】（効果）回路１１１と記録部１１２とヘッ
ド１１３とアクチュエーター１１４との相対的な振動を
除去することができるので、機械的振動ノイズ、あるい
はそれに伴う電気的ノイズが除去されてＳ／Ｎが向上す
る。また、装置全体の機械的強度が上昇するため、携帯
性の優れた強誘電体メモリ装置が具現できる。さらに、
ほこり等の侵入を抑えることができる。

【０２６０】

【発明の効果】本発明によれば、情報の記録密度が大き
く増大するとともに、記録された情報を簡単な方法で安
定にかつ高速に読み出すことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る強誘電体メモリ装置の基本
構成を示す図である。

【図２】ヒステリシス特性について説明するための図で
ある。

【図３】第２実施形態の強誘電体メモリ装置の構成を示
す図である。

【図４】第３実施形態の強誘電体メモリ装置の構成を示
す図である。

【図５】第４実施形態の強誘電体メモリ装置の構成を示
す図である。

【図６】第６実施形態の構成を説明するための図であ
る。

【図７】第７実施形態の構成を説明するための図であ
る。

【図８】第９実施形態の強誘電体メモリの構成を示す図
である。

【図９】第１０実施形態の強誘電体メモリ装置の構成を
示す図である。

【図１０】第１１実施形態の構成を説明するための図で
ある。

【図１１】第１２実施形態の構成を説明するための図で
ある。

【図１２】第１３実施形態に係る強誘電体メモリ装置の
基本的構成を示す図である。

【図１３】（ａ）は強誘電体メモリのヒステリシス特性
を示す図であり、（ｂ）はこのようなヒステリシス特性
と印加電圧に対する分極量の関係を示す図である。

【図１４】部分分極を単一パルスを用いて作る方法を説
明するための図である。

【図１５】第１、第２のパルスを印加した後に高さＶr
を有する第３のパルスを印加して得られた電荷量と印加
パルス数との関係をパルス高Ｖw をパラメータとして示
した図である。

【図１６】図１５に示す内容をパルスの高さＶw とパル
ス幅ｔw で整理して示す図である。

【図１７】部分分極を発生するための強誘電体メモリ装
置の構成を示す図である。

【図１８】パルストレインを示す図である。

【図１９】第１６実施形態の強誘電体メモリ装置の構成
を示す図である。

【図２０】記録担体となる強誘電体薄膜に電圧パルスを
印加する手順を示す図である。

【図２１】第１９実施形態の強誘電体メモリ装置の構成
を示す図である。

【図２２】第２１実施形態の強誘電体メモリ装置の構成
を示す図である。

【図２３】従来の強誘電体メモリ装置の記録方法を説明
するための図である。

【図２４】従来の他の強誘電体メモリ装置の記録方法を
説明するための図である。

【符号の説明】

１００…白金電極、１１０…強誘電体薄膜、１１１…探
針、１１２…カンチレバー、１２０…切替スイッチ、１
２１…書き込みパルス発生回路、１２２…読み出しパル
ス発生回路、１３０…センス回路、１３１…読み出し時
以外の負荷容量、１３２…読み出し時の負荷容量、１３
３…センス回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強誘電体メモリと、 この強誘電体メモリに対して所定の距離をおいて配置さ
   れ、針状の先端形状を持つ探針と、 この探針に第１のパルスを印加して、前記強誘電体メモ
   リを自発分極の２つの状態のうち第１の状態に分極させ
   る第１のパルス印加手段と、 前記第１のパルスとは逆極性の電圧を有する第２のパル
   スを前記探針に印加して、前記強誘電体メモリを前記第
   １の状態とは逆の第２の状態に分極させる第２のパルス
   印加手段と、 を具備したことを特徴とする強誘電体メモリ装置。
2. 【請求項２】 強誘電体メモリと、 この強誘電体メモリに対して所定の距離をおいて配置さ
   れ、針状の先端形状を持つ探針と、 この探針に前記強誘電体メモリの抗電圧よりも大きい電
   圧を有する第１のパルスを印加して、前記強誘電体メモ
   リを自発分極の２つの状態のうち第１の状態に分極させ
   る第１のパルス印加手段と、 前記第１のパルスとは逆極性の電圧を有する第２のパル
   スを前記探針に印加して、前記第１の分極状態を有する
   領域と、前記第１の分極状態とは逆の第２の分極状態を
   有する領域とが混合した部分分極状態を形成する第２の
   パルス印加手段と、 を具備したことを特徴とする強誘電体メモリ装置。
3. 【請求項３】 前記強誘電体メモリが強誘電体薄膜を具
   備し、この強誘電体薄膜上にはその面積よりも小さい導
   電体又は半導体からなる複数の領域が互いに所定の距離
   を持って設けられていることを特徴とする請求項１記載
   の強誘電体メモリ装置。