(57)【要約】【課題】優れた電気特性を得ることが可能な強誘電記憶装置を提供する。【解決手段】強誘電記憶装置は、（Ａ）蛍石型の結晶構造を有し、（Ｂ）長さ（ｎｍ）が厚さ（ｎｍ）よりも大きい板状の結晶子を含み、（Ｃ）厚さが１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、（Ｄ）厚さに対する長さの比が２以上１００未満である強誘電体膜と、その強誘電体膜に接続された一対の電極とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）蛍石型の結晶構造を有し、（Ｂ）長さ（ｎｍ）が厚さ（ｎｍ）よりも大きい板状の結晶子を含み、（Ｃ）前記厚さが１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、（Ｄ）前記厚さに対する前記長さの比が２以上１００未満である、強誘電体膜と、
前記強誘電体膜に接続された一対の電極と
を備えた、強誘電記憶装置。
【請求項２】
前記厚さに対する前記長さの比は、５以上５０以下である、
請求項１記載の強誘電記憶装置。
【請求項３】
前記強誘電体膜は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化セリウムおよびそれらの２種類以上の固溶体のうちの少なくとも１種を含み、
前記固溶体は、下記の式（１）で表されるジルコニウムハフニウム化合物を含む、
請求項１記載の強誘電記憶装置。
Ｈｆx Ｚｒ1-x Ｏ2   ・・・（１）
（ｘは、０＜ｘ＜１を満たす。）
【請求項４】
前記強誘電体膜の結晶相は、斜方晶相を含む、
請求項１記載の強誘電記憶装置。
【請求項５】
前記一対の電極のそれぞれは、ケイ素、白金、ルテニウム、金属酸化物および金属窒化物のうちの少なくとも１種を含み、
前記金属酸化物は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムスズ、酸化インジウム亜鉛およびそれらの２種類の以上の固溶体のうちの少なくとも１種を含み、
前記金属窒化物は、窒化チタンおよび窒化タンタルのうちの少なくとも１種を含む、
請求項１記載の強誘電記憶装置。
【請求項６】
強誘電キャパシタ、強誘電電界効果トランジスタおよび強誘電トンネル接合メモリのうちのいずれかである、
請求項１記載の強誘電記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、蛍石型の結晶構造を有する強誘電体膜を備えた強誘電記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
記憶装置の分野において、強誘電体膜を用いた記憶装置（強誘電記憶装置）に関する開発が行われている。強誘電体膜は、分極方向が反転可能である自発分極を有するため、その分極方向の反転を利用した様々な記憶装置への適用が期待されるからである。
【０００３】
具体的には、強誘電体膜をゲート絶縁膜（酸化ハフニウム膜）として用いた強誘電電界効果トランジスタが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。この強誘電電界効果トランジスタでは、強誘電体膜の自発分極の分極方向に応じて、電圧の閾値（閾値電圧）が変化する。このため、ゲート電圧を固定することにより、ドレイン電流が高い状態（オン状態）とドレイン電流が低い状態（オフ状態）とが交互に切り替えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】”Ferroelectricity in HfO2 enables nonvolatile data storage in 28 nm HKMG ”，J.Muller等，2012 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers，25頁および26頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
強誘電記憶装置に関する様々な提案がなされているが、その強誘電記憶装置の電気特性は未だ十分でないため、改善の余地がある。
【０００６】
本技術はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、優れた電気特性を得ることが可能な強誘電記憶装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本技術の強誘電記憶装置は、（Ａ）蛍石型の結晶構造を有し、（Ｂ）長さ（ｎｍ）が厚さ（ｎｍ）よりも大きい板状の結晶子を含み、（Ｃ）厚さが１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、（Ｄ）厚さに対する長さの比が２以上１００未満である強誘電体膜と、その強誘電体膜に接続された一対の電極とを備えたものである。
【０００８】
ここで、「結晶子」とは、同一組成を有する単結晶とみなせる微結晶である。なお、板状の結晶子の詳細な定義および特定方法などに関しては、後述する。
【０００９】
板状の結晶子の「厚さ」とは、成膜方法を用いて強誘電体膜が成膜される場合に、その強誘電体膜の成膜方向の寸法であると共に、その板状の結晶子の「長さ」とは、上記した厚さと交差する方向の寸法である。より具体的には、厚さは、強誘電記憶装置に電圧（電界）が印加される方向の寸法であると共に、長さは、上記した電圧の印加方向と交差する方向の寸法である。
【発明の効果】
【００１０】
本技術の強誘電記憶装置によれば、蛍石型の結晶構造を有する強誘電体膜が板状の結晶子を含んでおり、その板状の結晶子の形状（厚さおよび厚さに対する長さの比）に関して上記した条件が満たされているので、優れた電気特性を得ることができる。
【００１１】
なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるわけではなく、本技術中に記載されたいずれの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本技術の一実施形態の強誘電記憶装置の構成を模式的に表す平面図である。
【図２】結晶子の構成（形状）を模式的に表す斜視図である。
【図３】強誘電体膜（多結晶膜）の構成を模式的に表す断面図である。
【図４】強誘電体膜（結晶粒）の構成を模式的に表す断面図である。
【図５】結晶子の構成（結晶相）を模式的に表す平面図である。
【図６】強誘電体膜の形成方法を説明するための平面図である。
【図７】強誘電体膜の他の形成方法を説明するための平面図である。
【図８】強誘電記憶装置の適用例である強誘電キャパシタの構成を表す断面図である。
【図９】強誘電記憶装置の適用例である強誘電電界効果トランジスタの構成を表す断面図である。
【図１０】強誘電記憶装置の適用例である強誘電トンネル接合メモリの構成を表す断面図である。
【図１１】本発明（実験例１−４）の強誘電キャパシタの分極−電界特性を表す図である。
【図１２】比較例（実験例１−１）の強誘電キャパシタの分極−電界特性を表す図である。
【図１３】強誘電電界効果トランジスタに関するドレイン電流の経時変化を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本技術の一実施形態に関して、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。
１．強誘電記憶装置
１−１．全体構成
１−２．強誘電体膜の詳細な構成
１−３．動作
１−４．製造方法
１−５．作用および効果
２．強誘電記憶装置の適用例
２−１．強誘電キャパシタ
２−２．強誘電電界効果トランジスタ
２−３．強誘電トンネル接合メモリ
２−４．その他
【００１４】
＜１．強誘電記憶装置＞
まず、本技術の一実施形態の強誘電記憶装置に関して説明する。
【００１５】
この強誘電記憶装置は、後述する強誘電体膜１０（図１参照）の分極状態（自発分極の分極方向）の変化（反転）を利用して信号を記憶する装置であり、様々な記憶装置として利用可能である。具体的な強誘電記憶装置の適用例に関しては、後述する。
【００１６】
＜１−１．全体構成＞
図１は、強誘電記憶装置の平面構成を模式的に表している。この強誘電記憶装置は、図１に示したように、強誘電体膜１０と、上部電極２０と、下部電極３０とを備えている。ただし、図１では、強誘電体膜１０に網掛けを施している。
【００１７】
［強誘電体膜］
強誘電体膜１０は、上記したように、信号を記憶可能とするために分極状態が変化可能である強誘電記憶装置の主要部である。この強誘電体膜１０は、蛍石型の結晶構造を有しており、いわゆる蛍石型強誘電薄膜である。また、強誘電体膜１０は、結晶構造を形成する結晶子として、板状の結晶子を含んでいる。なお、強誘電体膜１０の詳細な構成（板状の結晶子の定義などを含む。）に関しては、後述する。
【００１８】
この強誘電体膜１０は、強誘電体材料のうちのいずれか１種類または２種類以上を含んでいる。具体的には、強誘電体材料は、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）および酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）などである。ただし、強誘電体材料は、例えば、上記した一連の材料のうちの２種類以上の固溶体でもよい。この固溶体は、例えば、下記の式（１）で表されるジルコニウムハフニウム化合物などを含んでいる。強誘電体膜１０において十分な強誘電性が得られると共に、その強誘電体膜１０の形成工程において板状の結晶子が形成されやすくなるからである。
【００１９】
Ｈｆx Ｚｒ1-x Ｏ2   ・・・（１）
（ｘは、０＜ｘ＜１を満たす。）
【００２０】
ジルコニウムハフニウム化合物は、式（１）で表される化合物であれば、特に限定されない。具体的には、ジルコニウムハフニウム化合物は、例えば、Ｈｆ0.5 Ｚｒ0.5 Ｏ2 およびＨｆ0.25Ｚｒ0.75Ｏ2 などである。
【００２１】
中でも、強誘電体材料は、酸化ジルコニウムおよびジルコニウムハフニウム化合物などが好ましく、酸化ジルコニウムなどがより好ましい。強誘電体膜１０の強誘電性がより向上するからである。
【００２２】
［上部電極および下部電極］
上部電極２０および下部電極３０は、強誘電体膜１０に電圧を印加するための一対の電極である。この上部電極２０および下部電極３０は、互いに離間されていると共に、いずれも強誘電体膜１０に接続されている。
【００２３】
上部電極２０および下部電極３０のそれぞれは、導電性材料のうちのいずれか１種類または２種類以上を含んでいる。具体的には、導電性材料は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、金属酸化物および金属窒化物などである。金属酸化物は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ2 Ｏ3 ）、酸化ガリウム（Ｇａ2 Ｏ3 ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）および酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などである。金属窒化物は、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）および窒化タンタル（ＴａＮ）などである。ただし、導電性材料は、例えば、上記した一連の材料のうちの２種類以上の固溶体でもよい。強誘電体膜１０に電圧を安定に印加可能になるからである。
【００２４】
なお、上部電極２０および下部電極３０のそれぞれが互いに離間されながら強誘電体膜１０に接続されていれば、その強誘電体膜１０に対する上部電極２０および下部電極３０のそれぞれの接続位置は、特に限定されない。このため、上部電極２０および下部電極３０のそれぞれの接続位置は、強誘電記憶装置の用途などの条件に応じて、任意に設定可能である。
【００２５】
詳細には、例えば、図１では、上部電極２０と下部電極３０との間に強誘電体膜１０が配置されているため、上部電極２０および下部電極３０が強誘電体膜１０を介して互いに対向している場合を示している。すなわち、例えば、強誘電体膜１０が互いに反対側を向いた２つの面を有している場合において、その２つの面のうちの一方の面（例えば、上面）に上部電極２０が配置されていると共に、他方の面（例えば、下面）に下部電極３０が配置されている。しかしながら、強誘電体膜１０に対する上部電極２０および下部電極３０の設置位置は、任意に変更可能である。以下では、随時、上記した強誘電体膜１０の上面および下面を引用する。
【００２６】
具体的には、例えば、上部電極２０および下部電極３０の間に強誘電体膜１０が配置されているが、上部電極２０および下部電極３０が強誘電体膜１０を介して互いに対向していなくてもよい。すなわち、例えば、強誘電体膜１０の上面に上部電極２０が配置されていると共に、その強誘電体膜１０の下面に下部電極３０が配置されているが、上部電極２０および下部電極３０が互いに対向していなくてもよい。この場合には、強誘電体膜１０の上面（または下面）に沿った方向において、上部電極２０の位置と下部電極３０の位置とが互いにずれている。
【００２７】
また、例えば、強誘電体膜１０の上面（または下面）に上部電極２０および下部電極３０の双方が配置されていてもよい。
【００２８】
＜１−２．強誘電体膜の詳細な構成＞
以下では、板状の結晶子の基本構成および定義に関して説明したのち、その板状の結晶子の形状および結晶相に関して説明すると共に、その結晶子の形状の特定方法に関して説明する。
【００２９】
［板状の結晶子の基本構成］
図２は、結晶子１Ｃの構成（形状）を説明するために、その結晶子１Ｃの斜視構成を模式的に表している。図３および図４のそれぞれは、強誘電体膜１０の断面構成を模式的に表している。具体的には、図３では、多結晶膜１の断面構成を示していると共に、図４では、結晶粒１Ｇの断面構成を示している。
【００３０】
強誘電体膜１０は、上記したように、板状の結晶子を含んでいる。この「結晶子」とは、上記したように、同一組成を有する単結晶とみなせる微結晶である。
【００３１】
具体的には、結晶子１Ｃは、図１に示したように、厚さＴ（ｎｍ）および長さＬ（ｎｍ）を有する板状の形状を有しているため、その長さＬは、厚さＴよりも大きくなっている。
【００３２】
ここで、「厚さＴ」とは、上記したように、成膜方法を用いて強誘電体膜１０が成膜される場合に、その強誘電体膜１０の成膜方向の寸法であると共に、「長さＬ」とは、上記したように、上記した強誘電体膜１０の成膜方向と交差する方向の寸法である。なお、成膜方法の詳細に関しては、後述する。より具体的には、後述するように、厚さＴは、強誘電記憶装置に電圧（電界）が印加される方向の寸法であると共に、長さＬは、上記した電圧の印加方向と交差する方向の寸法である。
【００３３】
長さＬを規定するための方向は、厚さＴと交差する方向であれば、特に限定されないため、任意の方向でよい。図２では、例えば、厚さＴが上下方向の寸法であるのに対して、長さＬが左右方向の寸法である場合を示している。
【００３４】
なお、図２では、例えば、結晶子１Ｃが平坦な板状である場合を示している。この場合には、結晶子１Ｃが平坦面を有しているため、その平坦面に沿うように長さＬが規定される。しかしながら、結晶子１Ｃは、例えば、平坦な板状に限らずに、歪んだ板状、すなわち湾曲した板状でもよい。この場合には、結晶子１Ｃが湾曲面を有しているため、その湾曲面に沿うように長さＬが規定される。
【００３５】
結晶子１Ｃが平坦な板状である場合には、上記したように、厚さＴは、原則として、強誘電記憶装置に電圧が印加される方向の寸法である。しかしながら、結晶子１Ｃが湾曲した板状である場合には、厚さＴは、厳密には、強誘電記憶装置に電圧が印加される方向から僅かにずれた方向の寸法になる場合もある。
【００３６】
強誘電体膜１０を形成する結晶子１Ｃの形状が板状であり、すなわち長さＬが厚さＴよりも大きくなっているのは、長さＬが厚さＴに等しい場合と比較して、その強誘電体膜１０の分極状態（自発分極の分極方向）が保持されやすくなるからである。これにより、強誘電記憶装置に記録された信号が消去されずに維持されやすくなる。なお、上記した長さＬが厚さＴに等しい結晶子１Ｃは、いわゆる球状の結晶子１Ｃである。
【００３７】
［板状の結晶子の定義］
強誘電体膜１０を形成するために、成膜方法を用いて強誘電体材料を成膜させると、例えば、図３に示したように、多結晶膜１（厚さＴ）が形成される。強誘電体材料の成膜量（厚さＴ）は、特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ前後である。
【００３８】
この多結晶膜１は、複数の結晶粒１Ｇを含んでおり、その結晶粒１Ｇは、いわゆる結晶の固まりである。複数の結晶粒１Ｇは、互いに隣接されており、その互いに隣接された結晶粒１Ｇ間の境界には、隙間１Ｓ（窪み）が形成されている。電子顕微鏡を用いて多結晶膜１を観察すると、複数の隙間１Ｓを有する凹凸構造が観察されるため、その隙間１Ｓに基づいて各結晶粒１Ｇを識別することができる。すなわち、１個の結晶粒１Ｇは、隙間１Ｓを介して他の結晶粒１Ｇから視覚的に区別可能である。なお、電子顕微鏡の種類は、特に限定されないが、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などである。
【００３９】
強誘電体膜１０が多結晶膜１であると共に、その多結晶膜１が複数の結晶粒１Ｇを含んでいる場合には、例えば、図３に示したように、各結晶粒１Ｇが結晶子１Ｃである場合もある。すなわち、各結晶粒１Ｇが単結晶であるため、その結晶粒１Ｇ自体が結晶子１Ｃである場合である。
【００４０】
ただし、複数の結晶粒１Ｇのうちの一部の結晶粒１Ｇだけが結晶子１Ｃであってもよい。この場合には、複数の結晶粒１Ｇのうちの残りの結晶粒１Ｇは、例えば、後述するように、複数の結晶子１Ｃを含んでいる（図４参照）。
【００４１】
また、強誘電体膜１０が多結晶膜１であると共に、その多結晶膜１が複数の結晶粒１Ｇを含んでいる場合には、例えば、図４に示したように、１個の結晶粒１Ｇが複数の結晶子１Ｃを含んでいる場合もある。１個の結晶粒１Ｇ中において、例えば、小傾角粒界、積層欠陥および双晶などのうちのいずれか１種類または２種類以上が形成されているからである。
【００４２】
［板状の結晶子の形状］
板状の結晶子１Ｃでは、上記したように、長さＬが厚さＴよりも大きくなっている。ただし、厚さＴは、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であると共に、その厚さＴに対する長さＬの比Ｌ／Ｔは、２以上１００未満である。蛍石型の結晶構造を有する強誘電体膜１０において、板状の結晶子１Ｃの形状が適正化されるため、その強誘電体膜１０の分極状態（自発分極の分極方向）が変化せずに保持されやすくなるからである。これにより、強誘電記憶装置に信号が記憶されると、その信号が消去されずに維持されやすくなる。
【００４３】
中でも、比Ｌ／Ｔは、５以上５０以下であることが好ましい。強誘電体膜１０の分極状態がより保持されやすくなるため、強誘電記憶装置に記憶された信号がより維持されやすくなるからである。
【００４４】
なお、図２〜図４のそれぞれでは、厚さＴと交差する方向（紙面の手前側）から見た結晶子１Ｃの形状、より具体的には厚さＴと交差する方向に投影された結晶子１Ｃの外縁（輪郭）により形成される形状（投影形状）が略矩形である場合を示している。しかしながら、結晶子１Ｃの投影形状は、厚さＴおよび比Ｌ／Ｔのそれぞれに関して上記した条件が満たされていれば、特に限定されない。
【００４５】
具体的には、結晶子１Ｃの投影形状は、例えば、略楕円形および多角形などでもよいし、それら以外の他の形状でもよい。他の形状は、特に限定されないが、例えば、後述する器状の形状などである（図７参照）。ただし、厚さＴが場所に応じて変化する場合には、その厚さＴは最大厚さとすると共に、長さＬが場所に応じて変化する場合には、その長さＬは最大長さとする。
【００４６】
［板状の結晶子の結晶相］
図５は、結晶子１Ｃの平面構成（結晶相）を模式的に表している。蛍石型の結晶構造を有する強誘電体膜１０（多結晶膜１）において、その多結晶膜１を形成する各結晶子１Ｃは、例えば、図５に示したように、複数の結晶相１Ｐを含んでいる。
【００４７】
具体的には、結晶子１Ｃは、例えば、３種類の結晶相１Ｐを含んでいる。「ｍ」が付された結晶相１Ｐは、単斜晶（monoclinic crystal）相である。「ｔ」が付された結晶相１Ｐは、正方晶（tetragonal crystal）相である。「ｏ」が付された結晶相１Ｐは、斜方晶（orthorhombic crystal）相である。
【００４８】
この３種類の結晶相１Ｐ（単斜晶相、正方晶相および斜方晶相）のうち、強誘電性を発現しやすい結晶相１Ｐは、斜方晶相である。このため、結晶子１Ｃの結晶相は、斜方晶相を含んでいることが好ましい。強誘電体膜１０において十分な強誘電性が得られるからである。
【００４９】
［板状の結晶子の特定方法］
ここでは、結晶子１Ｃの存在範囲を特定する方法および結晶子１Ｃの形状を特定する方法に関して説明する。
【００５０】
（結晶子の存在範囲の特定方法）
結晶子１Ｃの存在範囲を特定する場合には、例えば、成膜方法を用いて強誘電体材料を成膜することにより、強誘電体膜１０（多結晶膜１）を形成したのち、上記したように、電子顕微鏡を用いて強誘電体膜１０を観察する。これにより、各結晶子１Ｃでは結晶構造（結晶の配向方向）の違いに起因してコントラストが変化するため、そのコントラストの違いに基づいて各結晶子１Ｃの存在範囲を特定することができる。すなわち、ほぼ均一なコントラストを有している領域が１個の結晶子１Ｃの存在範囲である。
【００５１】
この場合には、上記した複数の隙間１Ｓを有する凹凸構造に着目することが好ましい。隙間１Ｓは、複数の結晶粒１Ｇ間の境界を特定するための目印になるため、その隙間１Ｓの存在に基づいて、互いに隣り合う結晶粒１Ｇ同士を視覚的に区別することができるからである。このように隙間１Ｓの存在に基づいて結晶粒１Ｇの存在範囲を特定した場合には、さらに、その結晶粒１Ｇの内部におけるコントラストの均一性に着目することにより、結晶子１Ｃの存在範囲を特定することができる。具体的には、結晶粒１Ｇのコントラストがほぼ均一である場合には、その結晶粒１Ｇ中に複数の結晶子１Ｃが含まれていないため、その結晶粒１Ｇ自体が結晶子１Ｃである。一方、結晶粒１Ｇのコントラストが不均一であり、より具体的には結晶粒１Ｇの内部に互いにコントラストが異なる複数の領域が観察される場合には、その結晶粒１Ｇ中に複数の結晶子１Ｃが含まれている。この場合には、互いに異なるコントラストを有する各領域が結晶子１Ｃである。
【００５２】
なお、強誘電体膜１０が互い異なる２種類以上の強誘電体材料を含んでいる場合には、多結晶膜１中において、ある強誘電体材料により形成された単結晶の結晶相と他の強誘電体材料により形成された単結晶の結晶層との間に界面が形成される場合がある。この場合には、いずれかの強誘電体材料により形成された単結晶の結晶相を結晶子１Ｃとする。
【００５３】
（結晶子の形状の特定方法）
結晶子１Ｃの形状を特定する場合には、例えば、上記した手順により、結晶子１Ｃの存在範囲を特定したのち、その結晶子１Ｃの形状を確認する。この場合には、例えば、結晶子１Ｃの形状を目視で確認してもよい。または、例えば、結晶子１Ｃの長さＬおよび厚さＴを測定したのち、その長さＬと厚さＴとの大小関係を調べてもよい。
【００５４】
これにより、長さＬが厚さＴよりも大きい場合には、その長さＬおよび厚さＴを有する結晶子１Ｃが板状であると判定することができる。一方、長さＬが厚さＴに等しい場合には、その長さＬおよび厚さＴを有する結晶子１Ｃが板状でないと判定することができる。前者の場合には、特に、長さＬおよび厚さＴに基づいて、その厚さＴおよび比Ｌ／Ｔのそれぞれが上記した条件を満たしているかどうかを判定することができる。
【００５５】
＜１−３．動作＞
この強誘電記憶装置では、上部電極２０と下部電極３０との間に電圧が印加される。この場合には、上記したように、電圧の印加に応じて強誘電体膜１０の分極状態（自発分極の分極方向）が変化（反転）する。よって、強誘電記憶装置に信号が記憶されると共に、その強誘電記憶装置に記憶された信号が消去される。
【００５６】
＜１−４．製造方法＞
図６および図７のそれぞれは、強誘電体膜１０の形成方法を説明するために、図１に対応する平面構成を示している。
【００５７】
ここでは、強誘電記憶装置の製造方法のうち、その強誘電記憶装置の主要部である強誘電体膜１０の形成方法に関して説明する。この強誘電体膜１０は、以下で説明する手順により、板状の結晶子１Ｃを含むように形成される。
【００５８】
［強誘電体膜の形成方法１］
強誘電体膜１０を形成する場合には、例えば、図６に示したように、成膜方法を用いて基体４０の表面に強誘電体材料を成膜させる。ここで説明する基体４０は、強誘電体膜１０を形成する際の支持体であり、例えば、平坦な表面を有している。
【００５９】
この場合には、成膜方法の種類、成膜時の速度（成膜速度）、基体４０の材質および基体４０の温度などを制御することにより、板状の結晶子１Ｃを含むように強誘電体膜１０を形成することができる。
【００６０】
具体的には、成膜方法は、例えば、スパッタリング法、原子層堆積層、化学気相成長法および塗布法などのうちのいずれか１種類または２種類以上である。
【００６１】
基体４０の材質は、板状となるように結晶子１Ｃの形状（長さＬと厚さＴとの関係）を制御する観点において、強誘電体材料との相性が良好である材質である。具体的には、基体４０の形成材料は、例えば、ケイ素、ゲルマニウム、白金、ルテニウム、金、銀、銅、アルミニウム、イリジウム、チタン、タンタル、インジウム、亜鉛、スズ、ガリウム、炭素、モリブデンおよびタングステンなどのうちのいずれか１種類または２種類以上である。また、基体４０の形成材料は、例えば、上記した一連の材料の酸化物、窒化物、硫化物およびセレン化物などの化合物のうちのいずれか１種類または２種類以上でもよい。
【００６２】
ただし、基体４０は、例えば、剛性を有する基板でもよいし、柔軟性（可撓性）を有するフィルムおよび箔などでもよい。
【００６３】
成膜速度は、速いよりも遅いことが好ましい。成膜速度が遅いほど、結晶子１Ｃの形状が板状になりやすい傾向にあるからである。詳細には、成膜速度が速いほど、長さＬが厚さＴに対して相対的に小さくなると共に、成膜速度が遅いほど、長さＬが厚さＴに対して相対的に大きくなる。
【００６４】
基体４０の温度は、低いよりも高いことが好ましい。基体４０の温度が高いほど、結晶子１の形状が板状になりやすい傾向にあるからである。詳細には、基体４０の温度が低いほど、長さＬが厚さＴに対して相対的に小さくなると共に、基体４０の温度が高いほど、長さＬが厚さＴに対して相対的に大きくなる。
【００６５】
［強誘電体膜の形成方法２］
なお、強誘電体膜１０を形成する場合には、その強誘電体膜１０の投影形状を任意に変更可能である。具体的には、例えば、図７に示したように、窪み５０Ｕを有する基体５０を用いることにより、その窪み５０Ｕの内部に強誘電体材料を成膜させてもよい。成膜方法の種類、成膜速度、基体５０の材質および基体５０の温度などに関する詳細は、上記した通りである。
【００６６】
この場合には、窪み５０Ｕの内部において、底面および内壁面のそれぞれを被覆するように強誘電体材料が成膜されるため、器状の投影形状を有する強誘電体膜１０が形成される。この強誘電体膜１０は、例えば、底面を被覆する底部１０Ｂと、内壁面を被覆すると共に底部１０Ｂを周囲から囲む壁部１０Ｗとを含んでいる。底部１０Ｂおよび壁部１０Ｗが形成される場合には、その底部１０Ｂと壁部１０Ｗとの間に粒界が形成される。これにより、底部１０Ｂおよび壁部１０Ｗのそれぞれにおいて、板状の結晶子１Ｃを含むように強誘電体材料が成膜される。
【００６７】
＜１−５．作用および効果＞
この強誘電記憶装置によれば、蛍石型の結晶構造を有する強誘電体膜１０が板状の結晶子１Ｃを含んでおり、その板状の結晶子１Ｃの形状（厚さＴおよび比Ｌ／Ｔ）に関して上記した条件（Ｔ＝１ｎｍ以上３０ｎｍ以下およびＬ／Ｔ＝２以上１００未満）が満たされている。この場合には、上記したように、長さＬが厚さＴに等しい場合（球状の結晶子１Ｃ）と比較して、強誘電体膜１０の分極状態（自発分極の分極方向）が変化せずに保持されやすくなる。よって、強誘電記憶装置に記憶された信号が消去されずに維持されやすくなるため、優れた電気特性を得ることができる。
【００６８】
特に、比Ｌ／Ｔが５以上５０以下であれば、強誘電体膜１０の分極状態がより保持されやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
【００６９】
また、強誘電体膜１０が酸化ジルコニウムなどを含んでいれば、強誘電体膜１０において十分な強誘電性が得られると共に、その強誘電体膜１０の形成工程において板状の結晶子１Ｃが形成されやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
【００７０】
また、強誘電体膜１０の結晶相１Ｐが斜方晶相を含んでいれば、強誘電体膜１０において十分な強誘電性が得られるため、より高い効果を得ることができる。
【００７１】
また、上部電極２０および下部電極３０のそれぞれがケイ素、金属酸化物および金属窒化物などを含んでいれば、強誘電体膜１０に電圧を安定に印加可能になるため、より高い効果を得ることができる。
【００７２】
＜２．強誘電記憶装置の適用例＞
次に、上記した強誘電記憶装置の適用例に関して説明する。以下では、随時、既に説明した強誘電記憶装置の構成要素を引用する。
【００７３】
強誘電記憶装置の適用例は、上記したように、強誘電体膜１０の分極状態の変化を利用して信号を記憶または消去することができる装置であれば、特に限定されない。ここでは、例えば、強誘電記憶装置の具体的な３種類の適用例に関して説明する。
【００７４】
＜２−１．強誘電キャパシタ＞
図８は、強誘電キャパシタの断面構成を表している。この強誘電キャパシタは、例えば、図８に示したように、絶縁膜１１０と、上部電極１２０と、下部電極１３０とを備えている。絶縁膜１１０、上部電極１２０および下部電極１３０のそれぞれは、強誘電体膜１０、上部電極２０および下部電極３０のそれぞれに対応している。
【００７５】
絶縁膜１１０は、強誘電体膜１０と同様の構成を有している。すなわち、絶縁膜１１０は、酸化ジルコニウムなどの強誘電体材料を含んでいる。また、絶縁膜１１０は、板状の結晶子１Ｃを含んでいると共に、その板状の結晶子１Ｃの形状（厚さＴおよび比Ｌ／Ｔ）に関して上記した条件が満たされている。
【００７６】
上部電極１２０および下部電極１３０のそれぞれは、上部電極２０および下部電極３０のそれぞれの構成と同様の構成を有している。ただし、上部電極１２０の形成材料と下部電極１３０の形成材料とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。
【００７７】
上部電極１２０の形成材料と下部電極１３０の形成材料とが互いに同じである場合には、上部電極１２０の形成材料および下部電極１３０の形成材料のそれぞれは、例えば、白金および酸化インジウムスズなどである。一方、上部電極１２０の形成材料と下部電極１３０の形成材料とが互いに異なる場合には、上部電極１２０の形成材料は、例えば、窒化チタンなどであると共に、下部電極１３０の形成材料は、例えば、酸化インジウムスズなどである。
【００７８】
この強誘電キャパシタでは、上部電極１２０と下部電極１３０との間に電圧が印加されると、その電圧の印加方向および印加量に応じて絶縁膜１１０の分極方向および分極量が変化する。よって、絶縁膜１１０の分極状態の変化を利用して、上部電極１２０と下部電極１３０との間に信号が記憶されると共に、その信号が消去される。
【００７９】
＜２−２．強誘電電界効果トランジスタ＞
図９は、強誘電電界効果トランジスタ（ＦｅＦＥＴ：Ferroelectric Field Effect Transistor ）の断面構成を表している。この強誘電電界効果トランジスタは、例えば、図９に示したように、基体２１０と、分離絶縁膜２２０と、ソース電極２３０およびドレイン電極２４０と、半導体膜２５０と、ゲート絶縁膜２６０と、ゲート電極２７０とを備えている。ゲート絶縁膜２６０は、強誘電体膜１０に対応している。ゲート電極２７０は、上部電極２０に対応している。ソース電極２３０およびドレイン電極２４０は、下部電極３０に対応している。
【００８０】
ソース電極２３０およびドレイン電極２４０は、基体２１０の上に分離絶縁膜２２０を介して形成されていると共に、互いに離間されている。半導体膜２５０は、分離絶縁膜２２０、ソース電極２３０およびドレイン電極２４０の上に、一端部がソース電極２３０に連結されると共に他端部がドレイン電極２４０に連結されるように形成されている。ゲート電極２７０は、半導体膜２５０の上にゲート絶縁膜２６０を介して形成されている。なお、ゲート絶縁膜２６０は、半導体膜２５０の上だけでなく、その半導体膜２５０の周囲にも形成されている。
【００８１】
基体２１０は、例えば、ケイ素などを含んでいる。ただし、基体２１０は、例えば、剛性を有する基板でもよいし、柔軟性（可撓性）を有するフィルムおよび箔などでもよい。分離絶縁膜２２０は、例えば、酸化ケイ素などの絶縁性材料を含んでいる。半導体膜２５０は、例えば、酸化インジウムなどの半導体材料を含んでいる。
【００８２】
ゲート絶縁膜２６０は、強誘電体膜１０の構成と同様の構成を有している。すなわち、ゲート絶縁膜２６０は、酸化ジルコニウムなどの強誘電体材料を含んでいる。また、ゲート絶縁膜２６０膜は、板状の結晶子１Ｃを含んでいると共に、その板状の結晶子１Ｃの形状（厚さＴおよび比Ｌ／Ｔ）に関して上記した条件が満たされている。
【００８３】
ソース電極２３０、ドレイン電極２４０およびゲート電極２７０のそれぞれは、上部電極２０および下部電極３０のそれぞれと同様の構成を有している。ただし、ソース電極２３０の形成材料とゲート電極２７０の形成材料とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよいと共に、ドレイン電極２４０の形成材料とゲート電極２７０の形成材料とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。このように形成材料が互いに同じでも異なってもよいことは、ソース電極２３０の形成材料およびドレイン電極２４０の形成材料に関しても同様である。
【００８４】
ソース電極２３０の形成材料とドレイン電極２４０の形成材料とが互いに同じであると共に、ソース電極２３０の形成材料およびドレイン電極２４０の形成材料のそれぞれとゲート電極２７０の形成材料とが互いに異なる場合には、ソース電極２３０の形成材料およびドレイン電極２４０の形成材料のそれぞれは、例えば、窒化チタンなどであると共に、ゲート電極２７０の形成材料は、例えば、酸化インジウムスズなどである。
【００８５】
この強誘電電界効果トランジスタでは、ソース電極２３０とゲート電極２７０との間に電圧（ゲート電圧）が印加されると、ゲート絶縁膜２６０の分極状態（自発分極の分極方向）が変化する。これにより、ゲート絶縁膜２６０の分極状態の変化に応じて閾値電圧が変化するため、ソース電極２３０からドレイン電極２４０に流れる電流（ドレイン電流）が変化する。
【００８６】
具体的には、例えば、半導体膜２５０がＮ型の半導体材料を含んでいる場合には、閾値電圧が負の方向に変化すると、ゲート電圧＝０におけるドレイン電流が増加すると共に、閾値電圧が正の方向に変化すると、ゲート電圧＝０におけるドレイン電流が減少する。これにより、強誘電電界効果トランジスタでは、ドレイン電流が高い状態（オン状態）とドレイン電流が低い状態（オフ状態）とが交互に切り替えられる。
【００８７】
よって、ゲート絶縁膜２６０の分極状態の変化を利用して、オン状態とオフ状態とが交互に切り替えられるため、ソース電極２３０およびドレイン電極２４０とゲート電極２７０との間に信号が記憶されると共に、その信号が消去される。
【００８８】
＜２−３．強誘電トンネル接合メモリ＞
図１０は、強誘電トンネル接合メモリ（ＦＴＪ：Ferroelectric Tunnel Junction ）の断面構成を表している。この強誘電接合メモリは、例えば、図１０に示したように、トンネル絶縁膜３１０と、上部電極３２０と、下部電極３３０とを備えている。トンネル絶縁膜３１０、上部電極３２０および下部電極３３０のそれぞれは、強誘電体膜１０、上部電極２０および下部電極３０のそれぞれに対応している。
【００８９】
トンネル絶縁膜３１０は、強誘電体膜１０と同様の構成を有している。すなわち、トンネル絶縁膜３１０は、酸化ジルコニウムなどの強誘電体材料を含んでいる。また、トンネル絶縁膜３１０は、板状の結晶子１Ｃを含んでいると共に、その板状の結晶子１Ｃの形状（厚さＴおよび比Ｌ／Ｔ）に関して上記した条件が満たされている。
【００９０】
このトンネル絶縁膜３１０は、正極３２０と負極３３０との間に電流が流れるか否かを制御するためのトンネル障壁として機能する。このため、トンネル絶縁膜３１０の厚さは、いわゆるトンネル効果が発現される程度に薄いことが好ましい。具体的には、トンネル絶縁膜３１０の厚さは、特に限定されないが、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
【００９１】
上部電極３２０および下部電極３３０のそれぞれは、上部電極２０および下部電極３０のそれぞれと同様の構成を有している。ただし、上部電極３２０の形成材料と下部電極３３０の形成材料とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。なお、上部電極３２０の形成材料および下部電極３３０の形成材料のそれぞれは、例えば、半導体材料でもよい。
【００９２】
一例を挙げると、上部電極３２０の形成材料と下部電極３３０の形成材料とが互いに異なる場合には、上部電極３２０の形成材料は、例えば、窒化チタンなどであると共に、下部電極３３０の形成材料は、例えば、酸化インジウムスズなどである。
【００９３】
この強誘電トンネル接合メモリでは、上部電極３２０と下部電極３３０との間に電圧が印加されると、その電圧の印加に応じてトンネル絶縁膜３１０の分極状態（自発分極の分極方向）が変化するため、そのトンネル絶縁膜３１０の電気抵抗が変化する。よって、トンネル絶縁膜３１０の分極状態の変化を利用して、正極３２０と負極３３０との間に信号が記憶されると共に、その信号が消去される。
【００９４】
＜２−４．その他＞
もちろん、強誘電記憶装置の適用例は、上記した３種類の適用例（強誘電キャパシタ、強誘電電界効果トランジスタおよび強誘電トンネル接合メモリ）に限られない。他の適用例は、特に限定されないが、例えば、強誘電ダイオードなどである。
【実施例】
【００９５】
以下では、本技術の実施例に関して説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。
１．強誘電キャパシタ
２．強誘電電界効果トランジスタ
３．強誘電トンネル接合メモリ
４．まとめ
【００９６】
＜１．強誘電キャパシタ＞
（実施例１−１〜１−１０）
まず、図８に示した強誘電キャパシタを製造したのち、その強誘電キャパシタの性能を評価した
【００９７】
［強誘電キャパシタの製造］
絶縁膜１１０（強誘電体材料＝酸化ジルコニウム，厚さ＝１０ｎｍ）と、上部電極１２０（導電性材料＝酸化インジウムスズ，直径＝１００μｍ）と、下部電極１３０（導電性材料＝酸化インジウムスズ，直径＞１００μｍ）とを備えた誘電体キャパシタを製造した。
【００９８】
絶縁膜１１０を形成する場合には、スパッタリング法を用いて下部電極１３０の表面に強誘電体材料（酸化ジルコニウム）を堆積させることにより、その下部電極１３０の上に絶縁膜１１０を形成した。続いて、スパッタリング法を用いて絶縁膜１１０の表面に導電性材料（酸化インジウムスズ）を堆積させることにより、その絶縁膜１１０の上に上部電極１２０を形成した。
【００９９】
なお、絶縁膜１１０を形成する場合には、強誘電体材料の成膜速度を変更することにより、その絶縁膜１１０に含まれる結晶子１Ｃの形状（厚さＴ（ｎｍ）、長さＬ（ｎｍ）および比Ｌ／Ｔ）を変化させた。強誘電体材料の成膜速度と結晶子１Ｃの形状との関係は、上記した通りであると共に、厚さＴ、長さＬおよび比Ｌ／Ｔに関する詳細は、表１に示した通りである。
【０１００】
［強誘電キャパシタの性能評価］
強誘電キャパシタの性能として、分極特性および保持特性を調べた。
【０１０１】
（分極特性）
分極特性を調べる場合には、強誘電キャパシタ（絶縁膜１１０）に電圧（電界）を印加することにより、その強誘電キャパシタの分極量を測定したところ、図１１および図１２に示した結果が得られた。
【０１０２】
図１１および図１２のそれぞれは、強誘電キャパシタの分極−電界特性（横軸：電界Ｅ（ＭＶ／ｃｍ）および縦軸：分極Ｐ（μＣ／ｃｍ2 ））を表している。なお、図１１では、結晶子１Ｃの形状が板状である場合を代表して実験例１−４に関する測定結果を示していると共に、図１２では、結晶子１Ｃの形状が球状である実験例１−１に関する測定結果を示している。なお、図１１および図１２のそれぞれでは、分極Ｐがゼロになる電界Ｅ（抗電界Ｅｃ，−Ｅｃ）と、電界Ｅがゼロである場合の分極Ｐ（残留分極Ｐｒ，−Ｐｒ）とを示している。
【０１０３】
（保持特性）
保持特性を調べる場合には、２Ｐｒ（μＣ／ｃｍ2 ）および比Ｐ２／Ｐ１を算出した。
【０１０４】
２Ｐｒを算出する場合には、図１１および図１２のそれぞれに基づいて残留分極Ｐｒを特定したのち、その残留分極Ｐｒを２倍した。
【０１０５】
比Ｐ２／Ｐ１を算出する場合には、最初に、図１１および図１２に基づいて、抗電界Ｅｃを特定した。続いて、強誘電キャパシタ（絶縁膜１１０）に電界を印加することにより、その絶縁膜１１０を自発分極させた。続いて、自発分極時の印加方向と反対の方向に電界を印加することにより、１０秒経過後の残留分極量Ｐ１（μＣ／ｃｍ2 ）と、１０5 秒経過後の残留分極量Ｐ２（μＣ／ｃｍ2 ）とを測定した。この場合には、抗電界Ｅｃの約４倍に相当する電界（＝６ＭＶ／ｃｍ）を印加すると共に、印加時間を１ｍ秒とした。最後に、残留分極量Ｐ１に対する残留分極量Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１を算出した。比Ｐ２／Ｐ１の値が１に近いほど、残留分極量が時間経過に応じて減少しにくいため、保持特性が優れていることを表している。
【０１０６】
【表１】
2019212793.tif 000003
【０１０７】
［考察］
強誘電キャパシタの性能に関しては、以下で説明する傾向が確認された。
【０１０８】
まず、分極特性に関しては、図１１および図１２のそれぞれに示したように、板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例１−４）には、球状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例１−１）と比較して、ほぼ同等の抗電界Ｅｃが得られたと共に、ほぼ同等の残留分極Ｐｒが得られた。このため、表１に示したように、前者の場合には、後者の場合とほぼ同等の２Ｐｒが得られた。
【０１０９】
ただし、板状の結晶子１Ｃを用いた場合には、球状の結晶子１Ｃを用いた場合とは異なり、抗電界Ｅｃの近傍において分極Ｐが急峻に変化した。このため、前者の場合には、後者の場合と比較して、電界Ｅ＝０ＭＶ／ｃｍの近傍における分極Ｐの変化量が減少した。
【０１１０】
よって、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合には、絶縁膜１１０の分極状態が外乱の影響を受けにくいため、その絶縁膜１１０の分極状態が長時間に渡って安定に保持されると考えられる。
【０１１１】
また、保持特性に関しては、表１に示したように、板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例１−２〜１−１０）には、その板状の結晶子１Ｃの形状に応じて比Ｐ２／Ｐ１が変化した。具体的には、板状の結晶子１Ｃの形状に関して適正な条件（Ｔ＝１ｎｍ以上３０ｎｍ以下およびＬ／Ｔ＝２以上１００未満）が満たされている場合（実験例１−２〜１−６，１−８，１−９）には、球状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例１−１）と比較して、比Ｐ２／Ｐ１が大幅に増加した。よって、絶縁膜１１０の分極状態が長時間に渡って安定に保持された。なお、板状の結晶子１Ｃの形状に関して適正な条件が満たされていない場合（実験例１−７，１−１０）には、強誘電キャパシタが根本的に動作しなかった。
【０１１２】
特に、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合には、比Ｌ／Ｔが５以上５０以下であると（実験例１−３〜１−５）、比Ｐ２／Ｐ１がより増加した。
【０１１３】
＜２．強誘電電界効果トランジスタ＞
（実施例２−１〜２−１０）
次に、図９に示した強誘電電界効果トランジスタを製造したのち、その強誘電電界効果トランジスタの性能を評価した
【０１１４】
［強誘電電界効果トランジスタの製造］
基体２１０（ケイ素，厚さ＝３８０μｍ）と、分離絶縁膜２２０（絶縁性材料＝酸化ケイ素，厚さ＝０．５μｍ）と、ソース電極２３０（導電性材料＝窒化チタン，厚さ＝０．０２μｍ）と、ドレイン電極２４０（導電性材料＝窒化チタン，厚さ＝０．０２μｍ）と、半導体膜２５０（Ｎ型の半導体材料＝酸化インジウム，厚さ＝３０ｎｍ）と、ゲート絶縁膜２６０（強誘電体材料＝酸化ジルコニウム，厚さ＝０．００８μｍ）と、ゲート電極２７０（導電性材料＝酸化インジウムスズ，厚さ＝０．１μｍ）とを備えた強誘電体電界効果トランジスタ（チャネル幅＝１μｍ，ゲート長＝１μｍ）を製造した。
【０１１５】
ゲート絶縁膜２６０を形成する場合には、上記した強誘電キャパシタ（絶縁膜１１０）を形成した場合と同様の手順により、表２に示したように、そのゲート絶縁膜２６０に含まれる結晶子１Ｃの形状（厚さＴ（ｎｍ）、長さＬ（ｎｍ）および比Ｌ／Ｔ）を変化させた。
【０１１６】
［強誘電電界効果トランジスタの性能評価］
強誘電電界効果トランジスタの性能として、電圧変化特性および保持特性を調べた。
【０１１７】
（電圧変化特性）
電圧変化特性を調べる場合には、強誘電電界効果トランジスタにおいて、ゲート電圧Ｖｇ（＝６Ｖ）を印加（印加時間＝１ｍ秒）した場合とゲート電圧Ｖｇ（＝−６Ｖ）を印加（印加時間＝１ｍ秒）した場合とにおける閾値電圧Ｖｔの変化量の絶対値（電圧変化ΔＶｔ（Ｖ））を測定した。
【０１１８】
（保持特性）
保持特性を調べる場合には、強誘電電界効果トランジスタにゲート電圧Ｖｇ（＝６Ｖ）を印加（印加時間＝１ｍ秒）したのち、ゲート電圧Ｖｇ＝０Ｖにおけるドレイン電流Ｉｄを経時的に測定した。図１３は、ドレイン電流Ｉｄの経時変化（横軸：時間Ｔ（秒）および縦軸：ドレイン電流Ｉｄ（μＡ））を表している。なお、図１３では、結晶子１Ｃの形状が板状である場合を代表して実験例２−４（比Ｌ／Ｔ＝１０）に関する測定結果（○）を示していると共に、結晶子１Ｃの形状が球状である実験例２−１（比Ｌ／Ｔ＝１）に関する測定結果（□）を示している。
【０１１９】
また、ドレイン電流Ｉｄを経時的に測定する場合には、１０秒経過後におけるドレイン電流Ｉｄ１（μＡ）の測定結果と、１０5 秒経過後におけるドレイン電流Ｉｄ２（μＡ）の測定結果とに基づいて、比Ｉｄ２／Ｉｄ１を算出した。比Ｉｄ２／Ｉｄ１が大きいほど、ドレイン電流Ｉｄが時間経過に応じて減少しにくいため、保持特性が優れていることを表している。
【０１２０】
【表２】
2019212793.tif 000004
【０１２１】
［考察］
強誘電電界効果トランジスタの性能に関しては、以下で説明するように、上記した強誘電キャパシタの性能と同様の傾向が確認された。
【０１２２】
まず、電圧変化特性に関しては、表２に示したように、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例２−２〜２−６，２−８，２−９）には、球状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例２−１）と比較して、ほぼ同等の電圧変化ΔＶｔが得られた。なお、板状の結晶子１Ｃを用いても、形状に関して適正な条件が満たされていない場合（実験例２−７，２−１０）には、電圧変化ΔＶｔが著しく減少した。
【０１２３】
よって、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合には、ゲート絶縁膜２６０における自発分極の分極方向の反転に応じて閾時電圧Ｖｔが十分に変化するため、強誘電電界効果トランジスタが強誘電記憶装置の１種として機能し得ると考えられる。
【０１２４】
また、保持特性に関しては、表２に示したように、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例２−２〜２−６，２−８，２−９）には、球状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例２−１）と比較して、比Ｉｄ２／Ｉｄ１が大幅に増加した。よって、ドレイン電流Ｉｄが時間経過に応じて減少しにくくなったため、ゲート絶縁膜２６０の分極状態が長時間に渡って安定に保持された。なお、適正な形状を有しない板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例２−７，２−１０）には、比Ｉｄ２／Ｉｄ１が大幅に減少し、または強誘電電界効果トランジスタが根本的に動作しなかった。
【０１２５】
より具体的には、図１３に示したように、球状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例２−１）には、ドレイン電流Ｉｄが時間経過に応じて急激に減少したのに対して、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例２−４）には、ドレイン電流Ｉｄが時間経過に応じてほとんど減少しなかった。
【０１２６】
特に、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合には、比Ｌ／Ｔが５以上５０以下であると（実験例２−３〜２−５）、比Ｉｄ２／Ｉｄ１がより増加した。
【０１２７】
＜３．強誘電トンネル接合メモリ＞
（実施例３−１〜３−１０）
次に、図１０に示した強誘電トンネル接合メモリを製造したのち、その強誘電トンネル接合メモリの性能を評価した
【０１２８】
［強誘電トンネル接合メモリ］
トンネル絶縁膜３１０（強誘電体材料＝酸化ジルコニウム，厚さ＝３ｎｍ）と、正極３２０（導電性材料＝窒化チタン，直径＝１００μｍ）と、負極３３０（導電性材料＝酸化インジウムスズ，直径＞１００μｍ）とを備えた強誘電トンネル接合メモリを製造した。
【０１２９】
トンネル絶縁膜３１０を形成する場合には、上記した強誘電キャパシタ（絶縁膜１１０）を形成した場合と同様の手順により、表３に示したように、そのトンネル絶縁膜３１０に含まれる結晶子１Ｃの形状（厚さＴ（ｎｍ）、長さＬ（ｎｍ）および比Ｌ／Ｔ）を変化させた。
【０１３０】
［強誘電トンネル接合メモリの性能評価］
強誘電トンネル接合メモリの性能として、抵抗変化特性および保持特性を調べた。
【０１３１】
（抵抗変化特性）
抵抗変化特性を調べる場合には、最初に、強誘電トンネル接合メモリに電圧（＝−２．５Ｖ）を印加（印加時間＝１ｍ秒）することにより、トンネル絶縁膜３１０を分極させたのち、その強誘電トンネル接合メモリに電圧（＝−０．２Ｖ）を印加（印加時間＝１ｍ秒）することにより、高抵抗側における強誘電トンネル接合メモリ（トンネル絶縁膜３１０）の電気抵抗ＲＨを測定した。続いて、強誘電トンネル接合メモリに電圧（＝２．５Ｖ）を印加（印加時間＝１ｍ秒）することにより、トンネル絶縁膜３１０の自発分極の分極方向を反転させたのち、その強誘電トンネル接合メモリに電圧（＝−０．２Ｖ）を印加（印加時間＝１ｍ秒）することにより、低抵抗側における強誘電トンネル接合メモリ（トンネル絶縁膜３１０）の電気抵抗ＲＬを測定した。最後に、高抵抗側の電気抵抗ＲＨの測定結果と、低抵抗側の電気抵抗ＲＬの測定結果とに基づいて、比ＲＨ／ＲＬを算出した。
【０１３２】
（保持特性）
保持特性を調べる場合には、強誘電トンネル接合メモリ（正極３２０）に電圧（＝−２．５Ｖ）を印加（印加時間＝１ｍ秒）したのち、その強誘電トンネル接合メモリ（トンネル絶縁膜３１０）の電気抵抗Ｒを測定した。この場合には、正極３２０に電圧（＝−０．２Ｖ）を印加した際の電流を測定することにより、その電流に基づいて電気抵抗Ｒを求めた。これにより、１０秒経過後における電気抵抗Ｒ１の測定結果と、１０5 秒経過後における電気抵抗Ｒ２の測定結果とに基づいて、比Ｒ２／Ｒ１を算出した。比Ｒ２／Ｒ１が大きいほど、電気抵抗Ｒが時間経過に応じて減少しにくいため、保持特性が優れていることを表している。
【０１３３】
【表３】
2019212793.tif 000005
【０１３４】
［考察］
強誘電トンネル接合メモリの性能に関しては、以下で説明するように、上記した強誘電キャパシタの性能と同様の傾向が確認された。
【０１３５】
まず、抵抗変化特性に関しては、表３に示したように、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例３−２〜３−６，３−９，３−１０）には、球状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例３−１）および適正な形状を有しない板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例３−７，３−８）と比較して、比ＲＨ／ＲＬが大幅に増加した。
【０１３６】
よって、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合には、トンネル絶縁膜３１０における自発分極の分極方向の反転に応じて電気抵抗Ｒが十分に変化するため、強誘電トンネル接合メモリが強誘電記憶装置の１種として機能し得ると考えられる。特に、上記したように、比ＲＨ／ＲＬが十分に大きくなるため、ニューラルネットワークのシナプスとして強誘電トンネル接合メモリを利用することができる。
【０１３７】
また、保持特性に関しては、表３に示したように、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例３−２〜３−６，３−９，３−１０）には、球状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験３−１）および適正な形状を有しない板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例３−７）と比較して、比Ｒ２／Ｒ１が大幅に増加した。よって、電気抵抗Ｒが時間経過に応じて減少しにくくなったため、トンネル絶縁膜３１０の分極状態が長時間に渡って安定に保持された。なお、適正な形状を有しない板状の結晶子１Ｃを用いた場合（実験例３−８）には、強誘電電界効果トランジスタが根本的に動作しなかった。
【０１３８】
特に、適正な形状を有する板状の結晶子１Ｃを用いた場合には、比Ｌ／Ｔが５以上５０以下であると（実験例３−３〜３−５）、比Ｒ２／Ｒ１がより増加した。
【０１３９】
＜４．まとめ＞
表１〜表３に示した結果から、蛍石型の結晶構造を有する強誘電体膜を備えた強誘電記憶装置において、その強誘電体膜が板状の結晶子を含んでいると共に、その板状の結晶子の形状（厚さＴおよび比Ｌ／Ｔ）に関して適正な条件が満たされていると、保持特性などが改善された。よって、強誘電記憶装置において優れた電気特性が得られた。
【０１４０】
以上、一実施形態および実施例を挙げながら本技術に関して説明したが、その本技術に関しては、実施形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。また、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示であって限定されるものではないため、他の効果が得られてもよい。
【０１４１】
なお、本技術は、以下のような構成を取ることも可能である。
（１）
（Ａ）蛍石型の結晶構造を有し、（Ｂ）長さ（ｎｍ）が厚さ（ｎｍ）よりも大きい板状の結晶子を含み、（Ｃ）前記厚さが１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、（Ｄ）前記厚さに対する前記長さの比が２以上１００未満である、強誘電体膜と、
前記強誘電体膜に接続された一対の電極と
を備えた、強誘電記憶装置。
（２）
前記厚さに対する前記長さの比は、５以上５０以下である、
上記した（１）に記載の強誘電記憶装置。
（３）
前記強誘電体膜は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化セリウムおよびそれらの２種類以上の固溶体のうちの少なくとも１種を含み、
前記固溶体は、下記の式（１）で表されるジルコニウムハフニウム化合物を含む、
上記した（１）または（２）に記載の強誘電記憶装置。
Ｈｆx Ｚｒ1-x Ｏ2   ・・・（１）
（ｘは、０＜ｘ＜１を満たす。）
（４）
前記強誘電体膜の結晶相は、斜方晶相を含む、
上記した（１）ないし（３）のいずれかに記載の強誘電記憶装置。
（５）
前記一対の電極のそれぞれは、ケイ素、白金、ルテニウム、金属酸化物および金属窒化物のうちの少なくとも１種を含み、
前記金属酸化物は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムスズ、酸化インジウム亜鉛およびそれらの２種類の以上の固溶体のうちの少なくとも１種を含み、
前記金属窒化物は、窒化チタンおよび窒化タンタルのうちの少なくとも１種を含む、
上記した（１）ないし（４）のいずれかに記載の強誘電記憶装置。
（６）
強誘電キャパシタ、強誘電電界効果トランジスタおよび強誘電トンネル接合メモリのうちのいずれかである、
上記した（１）ないし（５）のいずれかに記載の強誘電記憶装置。
【符号の説明】
【０１４２】
１０…強誘電体膜、２０…上部電極、３０…下部電極。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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