(57)【要約】【課題】強誘電体材料の組成や構造等によることなく、抗電界を簡便に制御することができる強誘電体キャパシタを提供する。【解決手段】下部電極２と、下部電極２上に設けられた強誘電体層３と、強誘電体層３上に設けられた上部電極４とを有する強誘電体キャパシタにおいて、下部電極２と上部電極４とが異なる導電性材料からなる、あるいはまた、少なくとも一方の電極と強誘電体層３との界面における導電性材料が表面修飾処理され、下部電極２と上部電極４の仕事関数が異なるものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、該下部電極上に設けられた強誘電体層と、該強誘電体層上に設けられた上部電極とを有する強誘電体キャパシタであって、前記下部電極と前記上部電極が異なる導電性材料からなることを特徴とする強誘電体キャパシタ。
【請求項２】
下部電極と、該下部電極上に設けられた強誘電体層と、該強誘電体層上に設けられた上部電極とを有する強誘電体キャパシタであって、前記下部電極と前記上部電極が同一又は異なる導電性材料からなり、少なくとも一方の電極と前記強誘電体層との界面における導電性材料が表面修飾処理され、前記下部電極と前記上部電極の仕事関数が異なることを特徴とする強誘電体キャパシタ。
【請求項３】
前記下部電極と前記上部電極に印加する電界の正負によって抗電界強度が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の強誘電体キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体メモリ素子のキャパシタの電極構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体材料は、電圧を印加することにより分極が反転する特徴を有しており、メモリ素子としての応用が期待される重要な材料の一つである。このような材料としては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3等の無機材料（特許文献１参照）、また、ポリビニリデンフルオライドとトリフルオロエチレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））等の有機材料（特許文献２，３参照）が挙げられる。
【０００３】
しかしながら、上記のような強誘電体材料は、いずれも、分極が反転する電界である抗電界は材料に固有の値を有しており、このため、強誘電体メモリ素子の駆動電圧を制御することは難しい。
【０００４】
従来は、駆動電圧を制御するためには、例えば、強誘電体材料に熱処理を施して、強誘電体材料の結晶性や分子構造の異方性を調整したり（特許文献４、非特許文献１参照）、また、駆動電圧を低減させる手法として、強誘電体材料による薄膜の膜厚を小さくすること等が行われていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１５５２７１号公報
【特許文献２】特開２０１２−１７８５６６号公報
【特許文献３】特開２０１０−１６３６０号公報
【特許文献４】特開２００５−２１３０６６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. Zaitsuet al., J. Appl. Phys. 107, 114506 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような強誘電体材料の物性や膜厚の調整は、作製プロセス上の技術的制約を受けるものであり、容易であるとは言えないものであった。
したがって、本発明者らは、駆動電圧の制御のために、抗電界が材料に依存する強誘電体材料ではなく、電極材料に着目して研究検討を重ねた。その結果、強誘電体キャパシタの抗電界を制御可能な電極の構成を見出した。
【０００８】
本発明は、上記知見に基づくものであり、強誘電体材料の組成や構造等によることなく、抗電界を簡便に制御することができる強誘電体キャパシタを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る強誘電体キャパシタは、下部電極と、該下部電極上に設けられた強誘電体層と、該強誘電体層上に設けられた上部電極とを有する強誘電体キャパシタであって、前記下部電極と前記上部電極が異なる導電性材料からなることを特徴とする。
このように、両電極を異なる導電性材料で構成することにより、強誘電体キャパシタの抗電界を制御することが可能となる。
【００１０】
また、本発明に係る他の態様の強誘電体キャパシタは、下部電極と、該下部電極上に設けられた強誘電体層と、該強誘電体層上に設けられた上部電極とを有する強誘電体キャパシタであって、前記下部電極と前記上部電極が同一又は異なる導電性材料からなり、少なくとも一方の電極と前記強誘電体層との界面における導電性材料が表面修飾処理され、前記下部電極と前記上部電極の仕事関数が異なることを特徴とする。
このように、両電極に同一の導電性材料を用いた場合においても、一方の電極を表面修飾処理し、互いに異なる電極構成とすることにより、上記の場合と同様に、強誘電体キャパシタの抗電界を制御することができる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記下部電極と前記上部電極に印加する電界の正負によって抗電界強度が異なることを特徴とする強誘電体キャパシタを提供することができる。
上記のような電極構成により、抗電界が正負で非対称である強誘電体キャパシタを得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、強誘電体材料の組成や構造等によることなく、抗電界を簡便に制御することができ、特に、抗電界が正負で非対称である強誘電体キャパシタを得ることができる。
したがって、本発明に係る強誘電体キャパシタを用いることにより、メモリ素子応用の際の駆動電圧の低減や保持時間の向上が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る強誘電体キャパシタの層構造の一例を模式的に示した概略断面図である。
【図２】本発明に係る強誘電体キャパシタの層構造の他の一例を模式的に示した概略断面図である。
【図３】実施例１に係る強誘電体キャパシタ素子について、電界強度を変化させた場合の変位電流に対する抗電界の測定値を示したグラフである。
【図４】比較例１，２に係る強誘電体キャパシタ素子について、電界強度を変化させた場合の変位電流に対する抗電界の測定値を示したグラフである。
【図５】実施例２に係る強誘電体キャパシタ素子について、電界強度を変化させた場合の変位電流に対する抗電界の測定値を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本発明に係る強誘電体キャパシタの積層構造の一態様を示す。図１に示した強誘電体キャパシタは、ガラス基板１上に配置された下部電極２と、その上に設けられた強誘電体層３と、その上に設けられた上部電極４とを有するものである。すなわち、２つの電極２，４間に強誘電体層３が積層された構造からなる。
そして、本発明においては、下部電極２と上部電極４が異なる導電性材料からなることを特徴とする。
【００１５】
従来の強誘電体キャパシタは、下部電極２と上部電極４がともに同一の金属材料等により構成されており、抗電界は、強誘電体層３の材料組成や構造等に依存し、電極材料には依存しないものであった。
これに対して、本発明においては、電極の仕事関数に着目し、上記のように、両電極を異なる導電性材料で構成することとした。これにより、強誘電体層３の材料組成や構造等に依存することなく、強誘電体キャパシタの抗電界を簡便に制御することが可能となる。
【００１６】
下部電極２と上部電極４に用いられる導電性材料は、互いに異なる材料であれば、特に限定されるものではない。
また、強誘電体層３を構成する強誘電体材料も特に限定されるものではなく、無機材料でも有機材料でもよく、公知の材料を用いることができる。
【００１７】
図２に、本発明に係る強誘電体キャパシタの積層構造の他の一態様を示す。図２に示した強誘電体キャパシタは、ガラス基板１上に配置された下部電極２と、その上に設けられた強誘電体層３と、その上に設けられた表面修飾層５と、その上に設けられた上部電極４とを有するものである。すなわち、図１に示す強誘電体キャパシタにおいて、上部電極４と強誘電体層３との界面において、上部電極４が表面修飾処理されているものである。
【００１８】
この場合は、下部電極２と上部電極４に用いられる導電性材料は、互いに異なっていても、あるいはまた、同一の材料であってもよい。両電極が、同一の導電性材料からなる場合であっても、上部電極４が表面修飾処理されていることにより、下部電極２と上部電極４の仕事関数を異なるものとすることができるため、上記のような下部電極２と上部電極４とを互いに異なる導電性材料で構成した場合と同様の抗電界に対する効果を得ることができる。
【００１９】
上記のような電極の表面修飾処理は、上部電極に施す場合に限られず、下部電極に施してもよい。具体的には、下部電極と、その上に設けられた表面修飾層と、その上に設けられた強誘電体層と、その上に設けられた上部電極とを有する構成でもよい。すなわち、少なくとも一方の電極と強誘電体層との界面における導電性材料が表面修飾処理されることにより、修飾電極と非修飾電極との仕事関数が異なるものとなっていればいよい。
【００２０】
前記表面修飾処理は、具体的には、電極と強誘電体層との界面に、酸化モリブデンやペンタフルオロベンゼンチオール、ホスホン酸等の表面修飾層を、蒸着法や塗布法で成膜することにより行うことができる。また、表面修飾材料を溶液に溶かし、その溶液を蒸発させて電極表面を修飾する気相法により行うこともできる。
【００２１】
また、上記のような電極構成とすることにより、下部電極２と上部電極４に印加する電界の正負によって抗電界強度が異なる強誘電体キャパシタを得ることができる。
なお、本発明において、抗電界強度とは、抗電界の絶対値を意味するものとする。
両電極の仕事関数差に応じた電位差がキャパシタ内部に発生し、これにより、電極間に印加される電界が正電界の場合と負電界の場合とで、非対称な抗電界となると考えられる。
このような強誘電体キャパシタは、メモリ素子における駆動電圧の変動を抑制し得るものである。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］異なる材料による電極
以下に示す工程により、図１に示すような層構造からなる強誘電体キャパシタ素子を作製した。
まず、ガラス基板１上にアルミニウムを膜厚３０ｎｍで真空蒸着し、下部電極２とした。その上に、強誘電体材料としてポリビニリデンフルオライド−トリフルオロエチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））を用いた強誘電体層３を膜厚３５０ｎｍでスピンコート法により成膜した。その上に、金を膜厚３０ｎｍで真空蒸着し、上部電極４とした。
【００２３】
上記により得られた強誘電体キャパシタ素子について、上部電極４側の電圧を正とした場合と負とした場合において、それぞれ電界強度を増加させたときの抗電界を測定した。この測定結果を図３に示す。
【００２４】
図３に示したように、上部電極４（金電極）側の電圧を正とした場合は、抗電界強度が６８ＭＶ／ｍであり、負とした場合の抗電界強度は５５ＭＶ／ｍであった。すなわち、下部電極１と上部電極２が異なる導電性材料からなる場合において、印加する電界の正負によって抗電界が非対称であることが確認された。
【００２５】
［比較例１］同一の材料（アルミニウム）による電極
実施例１において、下部電極２と上部電極４をいずれもアルミニウム電極とし、それ以外は実施例１同様にして、強誘電体キャパシタ素子を作製した。
【００２６】
［比較例２］同一の材料（金）による電極
実施例１において、下部電極２と上部電極４をいずれも金電極とし、それ以外は実施例１同様にして、強誘電体キャパシタ素子を作製した。
【００２７】
上記比較例において得られた強誘電体キャパシタ素子について、上部電極４側の電圧を正とした場合と負とした場合において、それぞれ電界強度を増加させたときの抗電界を測定した。これらの測定結果を図４に示す。
【００２８】
図４に示したように、下部電極２及び上部電極４がアルミニウム電極の場合（比較例１）も、金電極の場合（比較例２）も、印加する電界の正負に関係なく、抗電界強度はいずれも約６０ＭＶ／ｍであった。すなわち、下部電極１と上部電極２が同一の導電性材料からなる場合は、抗電界は強誘電体に依存し、電極には依存しないことが確認された。
【００２９】
［実施例２］表面修飾上部電極
以下に示す工程により、図２に示すような層構造からなる強誘電体キャパシタ素子を作製した。
まず、ガラス基板１上にアルミニウムを膜厚３０ｎｍで真空蒸着し、下部電極２とした。その上に、強誘電体材料としてＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を用いた強誘電体層３を膜厚３５０ｎｍでスピンコート法により成膜した。その上に、酸化モリブデンを膜厚２ｎｍで真空蒸着し、電極の表面修飾層５とした。さらに、その上に、アルミニウムを膜厚３０ｎｍで真空蒸着し、上部電極４とした。
【００３０】
上記により得られた強誘電体キャパシタ素子について、上部電極４側の電圧を正とした場合と負とした場合において、それぞれ電界強度を増加させたときの抗電界を測定した。この測定結果を図５に示す。
【００３１】
図５に示したように、上部電極４（表面修飾アルミニウム電極）側の電圧を正とした場合は、抗電界強度が６２ＭＶ／ｍであり、負とした場合の抗電界強度は５７ＭＶ／ｍであった。すなわち、下部電極１と上部電極２が同一の導電性材料からなる場合であっても、一方の電極を表面修飾処理することにより、印加する電界の正負によって抗電界が非対称であることが確認された。
【符号の説明】
【００３２】
１  ガラス基板
２  下部電極
３  強誘電体層
４  上部電極
５  表面修飾層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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