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JP2948836B2 - Ferroelectric element - Google Patents

Ferroelectric element

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Publication number
JP2948836B2
JP2948836B2 JP1245258A JP24525889A JP2948836B2 JP 2948836 B2 JP2948836 B2 JP 2948836B2 JP 1245258 A JP1245258 A JP 1245258A JP 24525889 A JP24525889 A JP 24525889A JP 2948836 B2 JP2948836 B2 JP 2948836B2
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JP
Japan
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ferroelectric
polarization
single crystal
crystal
lower electrode
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JP1245258A
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日出夫 安達
均 渡辺
博之 由森
好紀 太田
純 船崎
厚 遊佐
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
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Publication date
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  • Non-Volatile Memory (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、強誘電体の特性を利用した電子素子に関す
る。特に、不揮発性かつ非破壊性のメモリーとして、或
いは安定な動作をするセンサー、トランスデューサ及び
アクチュエータ等としての応用が可能な強誘電体素子に
係る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to an electronic device utilizing characteristics of a ferroelectric. In particular, the present invention relates to a ferroelectric element which can be applied as a non-volatile and non-destructive memory or as a sensor, transducer, actuator, or the like which operates stably.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

周知のように、強誘電体は極性の異なる二つの残留分
極状態をとり得る。この性質を利用して、大容量、不揮
発、且つ高速の強誘電体メモリを実現させる試みが従来
から行われている。
As is well known, a ferroelectric can take two remanent polarization states having different polarities. Attempts have been made to realize a large-capacity, non-volatile, high-speed ferroelectric memory utilizing this property.

例えば、第10図に示す様な単純マトリックス電極構造
を用いた強誘電体メモリーが比較的古くから提案されて
いる。同図において、1…はX方向アドレス線である。
これらのアドレス線1…はX方向アドレス回路2に接続
されている。また、3…はY方向アドレス線で、Y方向
アドレス回路4に接続されている。X方向アドレス線1
…とY方向アドレス線3…とで囲まれた個々の領域はメ
モリーセルである。夫々のメモリーセルには、図示のよ
うに強誘電体メモリー素子が形成されている。このよう
な強誘電体メモリーは大容量化、不揮発化および高速化
を実現することができるが、次のような問題がある。
For example, a ferroelectric memory using a simple matrix electrode structure as shown in FIG. 10 has been proposed for a relatively long time. In the figure, 1... Are X-direction address lines.
These address lines 1 are connected to an X-direction address circuit 2. Reference numeral 3 denotes a Y-direction address line, which is connected to the Y-direction address circuit 4. X direction address line 1
.. And Y-direction address lines 3 are memory cells. A ferroelectric memory element is formed in each memory cell as shown. Such a ferroelectric memory can achieve a large capacity, non-volatility and high speed, but has the following problems.

記憶の保持状態が不安定である(耐久性が悪い)。Memory retention is unstable (poor durability).

読み出し時に、目的とするセル以外のセルまで破壊さ
れる(クロストークの問題)。
At the time of reading, even cells other than the target cell are destroyed (crosstalk problem).

読み出されたセルは非書き込み状態に遷移するため
(メモリーの破壊)、読み出し後に再書き込みが必要と
なる。
Since the read cell changes to the non-write state (destruction of the memory), rewrite is required after the read.

以下、上記三つの問題について説明する。 Hereinafter, the above three problems will be described.

<耐久性> の問題は強誘電体メモリに特徴的な現象で、未だに
充分解決しきれていない。その1つの理由は、反電界に
よる減極である。即ち、分極で強誘電体薄膜内部に発生
した電荷分布(空間電荷分極電界)は、分極とは逆方向
の反電界を生じる。この反電界の影響により、残留分極
Pr及び抗電圧Vcの両者共に劣化する。第11図は、この減
極を説明するための図である。図示のように、分極初期
のヒステリシス曲線5は、減極によって曲線6に変化し
てしまう。
The problem of <durability> is a phenomenon characteristic of ferroelectric memories, and has not yet been sufficiently solved. One of the reasons is depolarization due to a demagnetizing electric field. That is, the charge distribution (space charge polarization electric field) generated inside the ferroelectric thin film by polarization generates a reverse electric field in the direction opposite to the polarization. Due to the effect of this anti-electric field, remanent polarization
Degrades Both the P r and the coercive voltage V c. FIG. 11 is a diagram for explaining this depolarization. As shown in the figure, the hysteresis curve 5 at the beginning of polarization changes to a curve 6 due to depolarization.

別の理由としては、空間電荷分極電界が外部印加電界
にバイアスされるため、印加電界の極性に対する対称性
が悪くなることが考えられる。その結果、第12図に示し
たように、0V印加時の残留分極Prが実質的に変化するこ
とになる。同図において、7は変化前のヒステリシス曲
線、8は変化後のヒステリシス曲線である。
Another reason may be that the space charge polarization electric field is biased by the externally applied electric field, so that the symmetry with respect to the polarity of the applied electric field is deteriorated. As a result, as shown in FIG. 12, the residual polarization Pr when 0 V is applied substantially changes. In the figure, 7 is a hysteresis curve before the change, and 8 is a hysteresis curve after the change.

更に他の1つの理由としては、分域壁移動時の内部歪
みにより、内部の構造欠陥が増加すること等が考えられ
ている。
Still another reason is considered to be that internal structural defects increase due to internal distortion when the domain wall moves.

但し、現在のところ、記憶保持状態の不安定性が上記
の何れの理由によるものか、或いは更に別の理由による
ものかについての立証は得られていない。しかし、反電
界を小さくすること、分域壁移動時に内部構造欠陥が発
生しにくい理想的な結晶とすることと、或る閾内部電界
(空間電荷分極電界)程度では減極しないような硬い強
誘電体材料を用いることを同時に実施すれば、改善の道
が開かれることは容易に推測しうる。しかし、今迄この
具体的手段の実現は困難とされていた。
However, at present, no proof has been obtained as to whether the instability of the memory holding state is due to any of the above-mentioned reasons or to another reason. However, an anti-electric field should be reduced, an ideal crystal in which internal structural defects are unlikely to be generated during the movement of the domain wall, and a hard strong enough not to be depolarized by a certain threshold internal electric field (space charge polarization electric field). It can be easily inferred that if the use of the dielectric material is performed at the same time, an improvement path is opened. However, until now, it has been considered difficult to realize this concrete means.

<クロストーク> の問題について、本出願人等はダイアック等のスイ
ッチ素子を併用することにより、クロストークの問題を
回避できる構造を提案した(特願昭63−170471号)。こ
の構造により疑似的な方形ヒステリシスカーブが得ら
れ、1/2Vc程度の電圧で、目的以外のセルを破壊するこ
となく読み出しが可能となる。しかし、構造が極めて複
雑になるという構造上の問題点が新たに発生する。
Regarding the problem of <Crosstalk>, the present applicant has proposed a structure capable of avoiding the problem of crosstalk by using a switch element such as diac (Japanese Patent Application No. 63-170471). With this structure, a pseudo-square hysteresis curve can be obtained, and reading can be performed with a voltage of about 1/2 Vc without destroying cells other than the intended cells. However, there is a new structural problem that the structure becomes extremely complicated.

のクロストークの問題のもう一つの改善方法は、第
13図に示す様なSRAM構造を取ることである。この構造に
おけるメモリーセルは、フリップフロップ回路9と、二
つの強誘電体素子10,11と、二つのトランジスタ12,13で
構成されている。強誘電体素子10,11はトランジスタ12,
13を介してX,Yアドレス線に接続されるので、クロスト
ークの問題は発生せず、安定に動作させ易い。しかしこ
の方法も大容量メモリ化しにくいし、又製造工程も複雑
になるという欠点を有している。
Another solution to the crosstalk problem in
This is to take the SRAM structure as shown in FIG. The memory cell in this structure includes a flip-flop circuit 9, two ferroelectric elements 10 and 11, and two transistors 12 and 13. The ferroelectric elements 10 and 11 are transistors 12,
Since they are connected to the X and Y address lines via 13, no problem of crosstalk occurs and it is easy to operate stably. However, this method also has the disadvantage that it is difficult to increase the memory capacity and that the manufacturing process is complicated.

<読み出しによるメモリー破壊> 従来の読み出しにおいては、完全に残留分極の極性を
反転させ、この時流れる電流値で記録状態を読み出す方
法が用いられている。この読み出し方法では、読み出さ
れたメモリーセルは必然的に破壊メモリとり、の問題
を回避できない。なお、電流値の大きい時には再書き込
みをするという方法が一般的であるが、その分読み出し
時間が長くなるという欠点を有している。
<Memory Destruction by Reading> In conventional reading, a method of completely reversing the polarity of the remanent polarization and reading the recording state with the current value flowing at this time is used. In this read method, the read memory cell is inevitably a destructive memory, and the problem of inevitably being avoided. It is to be noted that a method of performing rewriting when the current value is large is generally used, but has a drawback that the reading time is lengthened correspondingly.

以上、従来の強誘電体メモリーの問題点について述べ
たが、このうちの問題はメモリーに限らず、強誘電体
を用いた圧電センサ、トランスデューサ、焦電センサ等
のデバイスにおいて共通の問題点である。即ち、これら
メモリー以外のデバイスについても、の問題は特性の
経時変化につながる要因であるため改善が望まれてい
る。
As described above, the problems of the conventional ferroelectric memory have been described, but the problem is not limited to the memory, and is a common problem in devices such as a piezoelectric sensor, a transducer, and a pyroelectric sensor using a ferroelectric. . That is, with respect to devices other than these memories, the problem is a factor leading to a change in characteristics over time, and thus improvement is desired.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その課題
は、従来例の有していた問題点,,を同時に改善
し得る強誘電体素子を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a ferroelectric element capable of simultaneously solving the problems of the conventional example.

〔課題を解決するための手段および作用〕[Means and actions for solving the problem]

本発明による強誘電体素子は、基板上に下部電極、強
誘電体薄膜、上部電極を順次積層した強誘電体素子にお
いて、 前記強誘電体薄膜の分極軸が前記両電極面に垂直な方
向に対して傾斜していること特徴する。
A ferroelectric element according to the present invention is a ferroelectric element in which a lower electrode, a ferroelectric thin film, and an upper electrode are sequentially stacked on a substrate, wherein a polarization axis of the ferroelectric thin film is in a direction perpendicular to the two electrode surfaces. It is characterized by being inclined with respect to it.

以下、本発明の詳細を説明する。 Hereinafter, details of the present invention will be described.

本発明者は前記問題点を解決するために、強誘電体の
分極現象について次のような考察を行ない、この考察に
基づいて上記の発明に到達した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made the following study on the polarization phenomenon of a ferroelectric substance, and has arrived at the above-mentioned invention based on this study.

第1図(A)のヒステリシス曲線に示されるように、
強誘電体には正負の残留分極値(±Pr)が存在する。こ
の二つの残留分極値は、第1図(B)のポテンシャル図
に示すように、二つの安定な分極状態(結晶の変位状
態)T1,T2に対応する。この二つの分極状態T1,T2間の
遷移は、外部電界によって誘起される。
As shown in the hysteresis curve of FIG.
A ferroelectric has a positive and negative remanent polarization value (± Pr). These two remanent polarization values correspond to two stable polarization states (crystal displacement states) T 1 and T 2 as shown in the potential diagram of FIG. 1 (B). The transition between the two polarization states T 1 and T 2 is induced by an external electric field.

分極量Pは、単位格子内に存在する永久双極子の電界
方向における余弦値の体積積分である。この値は単結晶
であるか又は多結晶であるかに依存して決まり、また結
晶の対称性配向方向および分極軸方向等によって決定さ
れる。分極量の変化のしかたも、同様にこれらの状況に
よって変わってくる。
The amount of polarization P is the volume integral of the cosine value in the direction of the electric field of the permanent dipole existing in the unit cell. This value depends on whether the crystal is a single crystal or a polycrystal, and is determined by the symmetric orientation direction of the crystal, the polarization axis direction, and the like. How to change the amount of polarization also depends on these situations.

そこで、一つの永久双極子に電界が印加された場合に
ついて考察する。第2図(A)は、印加された電界22の
方向が分極(永久双極子)21の方向に一致している場合
である。図示のように、分極は+Z方向で、印加電界22
の方向は、−Z方向である。このように印加電界22が双
極子21の方向と逆向きであれば、双極子は180°逆向き
に反転して電界方向に揃う(21′)。
Therefore, a case where an electric field is applied to one permanent dipole will be considered. FIG. 2A shows a case where the direction of the applied electric field 22 matches the direction of the polarization (permanent dipole) 21. As shown, the polarization is in the + Z direction and the applied electric field 22
Is the -Z direction. If the applied electric field 22 is in the opposite direction to the direction of the dipole 21 in this way, the dipole is inverted by 180 ° in the opposite direction and aligned in the electric field direction (21 ′).

これに対して第2図(B)は、分極21の方向と印加電
界22の方向とが一致せず、傾きθを有している場合を示
している。この場合、双極子はθ=0に近づく様に他の
安定な方向をさがし、その方向になる様に回転する(2
1′)。この図では90°回転する場合を示しているが、
結晶の対称性や配向性によっては、90°以外の回転もあ
りうることは容易に推察される。このように、印加電界
22の方向にいかなる分極軸をも持たない場合には、遷移
後の分極21′の方向が電界方向に揃っていることがな
い。
On the other hand, FIG. 2B shows a case where the direction of the polarization 21 and the direction of the applied electric field 22 do not match, and have a gradient θ. In this case, the dipole looks for another stable direction to approach θ = 0, and rotates to that direction (2
1 '). This figure shows the case of rotating 90 °,
It is easily presumed that rotations other than 90 ° may occur depending on the symmetry and orientation of the crystal. Thus, the applied electric field
When there is no polarization axis in the direction of 22, the direction of the polarization 21 'after the transition is not aligned with the electric field direction.

上記のように、双極子の複数の安定状態間の遷移は、
反転によるか、回転によるかの二通りあることがわか
る。この二通りの遷移のしかたを比較すると、反転によ
る場合は遷移の前後で対称性が保持されるから、周囲に
生じる歪は小さい。これに対して回転の場合は、遷移に
よって対称性が破壊されるから、周囲に大きな歪みを誘
起するという大きな差がある。また、反転による分極は
急に起るのに対して、回転による分極は比較的ゆるやか
に起ると言える。これを別の観点から見ると、振幅およ
びパルス幅が同一である電界印加においては、反転遷移
よりも回転遷移の方が復元性が大きいという考え方につ
ながる。本発明者等はこの点に着眼した。
As mentioned above, the transition between the stable states of the dipole is
It can be seen that there are two ways, either by inversion or by rotation. Comparing these two types of transition, in the case of inversion, since the symmetry is maintained before and after the transition, distortion generated around the transition is small. On the other hand, in the case of rotation, since the symmetry is broken by the transition, there is a large difference that a large distortion is induced in the periphery. Also, it can be said that polarization due to inversion occurs abruptly, whereas polarization due to rotation occurs relatively slowly. From another viewpoint, when applying an electric field having the same amplitude and the same pulse width, it leads to the idea that the rotational transition has a greater resilience than the inversion transition. The present inventors have focused on this point.

即ち、分極状態間の遷移が回転のみによって起るよう
にすれば、一定の振幅EAとパルス幅TPを有する電界を印
加することにより僅かに分極回転を生じさせ、且つ該電
界パルスを除去することにより再び元の安定点に戻るは
ずである。そして、分極軸が電界方向に一致せず、電界
方向に対してある角度を持って配向していれば、分極回
転のみを利用することが出来ると考えた。より具体的に
いえば、上部電極と下部電極との間に、電極面と垂直な
方向に対して分極軸が一定の角度を持つように配向した
強誘電体層を設ける。そして、両電極間にある値以上の
電圧Vapを印加すれば、そのの極性に応じて+Pr又は−P
rの何れかの分極状態に設定できる。また、Vapよりかな
り小さい1/2Vc程度の電圧を印加すれば、分極回転に伴
なって変位電流が流れて読み出しができ、その後に電圧
を解除すれば再び元の状態に戻る。即ち、非破壊読み出
しが可能になる。これによってクロストークの問題は解
決され、また耐久性を向上させることにもつながるか
ら、既述した従来の問題点は全て解決されることにな
る。
That is, if such a transition between the polarization state takes place only by the rotation causes a slight polarization rotates by applying an electric field having a constant amplitude E A and the pulse width T P, and removal of the electric field pulse This should return you to the original stable point again. Then, it was considered that only the polarization rotation could be used if the polarization axis did not coincide with the direction of the electric field and was oriented with a certain angle with respect to the direction of the electric field. More specifically, a ferroelectric layer oriented between the upper electrode and the lower electrode such that the polarization axis has a certain angle with respect to the direction perpendicular to the electrode surface is provided. Then, if a voltage Vap of a certain value or more is applied between both electrodes, + Pr or -P
r can be set to any of the polarization states. Further, by applying a considerably smaller 1 / 2Vc voltage of about from V ap, can be read by the displacement current is accompanied polarization rotation flows, then returns to its original state when released voltage. That is, non-destructive reading becomes possible. As a result, the problem of crosstalk is solved and the durability is improved, so that all the conventional problems described above are solved.

なお、上記のように分極軸が電界方向に一致せず、電
界方向に対して一定の角度をもつように分極軸を配向さ
せるためには二つの手段が可能である。
As described above, two means are available for orienting the polarization axis so that the polarization axis does not coincide with the direction of the electric field and has a certain angle with respect to the direction of the electric field.

1つの方法は、分極軸が結晶軸(100),(010),
(001)に合致している結晶において、結晶軸(100),
(010),(001)が電極面に垂直な方向に対して一定の
角度を有するように、例えば、(110)或いは(111)結
晶配向させる方法である。他の1つの方法は、分極軸が
結晶軸とズレている結晶を、結晶軸に沿って配向させる
方法である。
One method is that the polarization axis is the crystal axis (100), (010),
In the crystal that matches (001), the crystal axis (100),
This is a method of (110) or (111) crystal orientation, for example, so that (010) and (001) have a certain angle with respect to the direction perpendicular to the electrode surface. Another method is to orient a crystal whose polarization axis deviates from the crystal axis along the crystal axis.

これらの何れの方法においても、+Pr,−Prに対応し
た2つ分極安定状態だけが存在し、その中間的な安定状
態が無い方が、読出し電圧を解除した後に元の状態に戻
り易い。中間的な安定状態は分極軸の数が多かったり、
結晶の配向性がランダム(多結晶)であるときに惹起さ
れ易い。従って、分極軸の少なく、少くとも一定の方向
に対しては配向性が良好な単結晶を用いるのが望まし
い。このような条件を満足し得るのは、ABO3型ペロブス
カイト構造を有する(Pb1+α−xAx)(Zr1-Y-zTi
YBZ)O3+βMeO系の化合物を正方晶で用いる場合と、(B
i2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-で表わされる化合物をc軸配向
させて用いる場合とに相当する。
In any of these methods, there are only two polarization stable states corresponding to + Pr and -Pr, and if there is no intermediate stable state, it is easy to return to the original state after releasing the read voltage. An intermediate stable state has a large number of polarization axes,
It is easily caused when the crystal orientation is random (polycrystalline). Therefore, it is desirable to use a single crystal having a small polarization axis and good orientation in at least a certain direction. Such a condition can be satisfied by having an ABO 3 type perovskite structure (Pb 1 + α-x A x ) (Zr 1-Yz Ti
In the case of using the Y B Z) O 3 + βMeO based compounds with tetragonal, (B
This corresponds to the case where the compound represented by i 2 O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2- is used with its c-axis oriented.

第3図(A)は、ABO3ペロブスカイト構造の単位格子
を示している。図中のX軸、Y軸、Z軸は、夫々の(10
0),(010),(001)方向に対応する。キュリー点(T
c)以上の温度では、B4+イオンは6個のO2-イオンの重
心位置(図では×印で示す)に在る。しかしTc未満の温
度では、B4+イオンは重心からわずかにズレた6箇所の
安定点の何れかに位置するようになる。第3図(A)
は、B4+イオンが+Z方向の安定点に位置している場合
を示しており、このB4+イオンは×位置に在るマイナス
の仮想イオンとの間でで永久双極子を形成している。第
3図(B)に示したように、この状態に−Z方向の電界
22を加えると、B4+イオンは−Z方向の他の安定点に遷
移し、双極子23は180°反転する。また、第3図(C)
に示したように+Y方向の電界22を印加すると、B4+
オンは+Y方向の他の安定点に移り、双極子23は90°回
転する。
FIG. 3A shows a unit cell having an ABO 3 perovskite structure. The X-axis, Y-axis, and Z-axis in FIG.
0), (010), and (001) directions. Curie point (T
c) At the above temperatures, the B 4+ ion is located at the center of gravity of the six O 2− ions (indicated by a cross in the figure). However, at temperatures below Tc, the B 4+ ions are located at any of the six stable points slightly offset from the center of gravity. Fig. 3 (A)
Shows a case where the B 4+ ion is located at a stable point in the + Z direction. The B 4+ ion forms a permanent dipole with the negative virtual ion at the X position. I have. As shown in FIG. 3B, the electric field in the −Z direction is in this state.
When 22 is added, the B 4+ ion transitions to another stable point in the −Z direction, and the dipole 23 is inverted by 180 °. FIG. 3 (C)
When an electric field 22 in the + Y direction is applied as shown in (1), the B 4+ ions move to another stable point in the + Y direction, and the dipole 23 rotates 90 °.

一方、第3図(A)の(111)方向に電界をかける
と、永久双極子はα°<90°だけ回転する。第4図
(A)(B)を参照してこの事情を説明する。同図
(A)において、24は上部電極、25は下部電極である。
図示のように両電極の間には、(111)軸が電極面に垂
直になるように配向したペロブスカイト構造の強誘電体
が設けられている。両電極24,25により−(111)方向の
電界を印加すると、第4図(B)に示したように、+Z
方向に向いていた双極子23は+Y方向に回転する。この
回転は、双極子回転面内では90°の回転である。しか
し、(111)に投影した回転角度α°は90°よりも小さ
い。このように、電界方向と分極軸方向との関係を第3
図のように設定することにより、α°<90°の双極子回
転のみを起こし得ることがわかる。
On the other hand, when an electric field is applied in the (111) direction in FIG. 3 (A), the permanent dipole rotates by α ° <90 °. This situation will be described with reference to FIGS. In FIG. 1A, reference numeral 24 denotes an upper electrode, and 25 denotes a lower electrode.
As shown in the figure, a ferroelectric substance having a perovskite structure oriented so that the (111) axis is perpendicular to the electrode surface is provided between the two electrodes. When an electric field in the − (111) direction is applied by both electrodes 24 and 25, as shown in FIG.
The dipole 23 facing in the direction rotates in the + Y direction. This rotation is 90 ° in the dipole plane of rotation. However, the rotation angle α ° projected on (111) is smaller than 90 °. As described above, the relationship between the direction of the electric field and the direction of the polarization axis is the third.
It is understood that by setting as shown in the figure, only dipole rotation of α ° <90 ° can be caused.

なお、上記では双極子について説明したが、分極はこ
れら双極子をひとまとめにした表現であり、考え方に本
質的な差は無い。一方、(110)方向に電界をかけた場
合には、(110)軸に投影した双極子の安定方向が3ヶ
所存在することになる。このため、(100)方向に電界
印加するよりは良いものの、(111)方向に電界を印加
する場合に比べて復帰性が小さくなることは否めない。
Although dipoles have been described above, polarization is a collective expression of these dipoles, and there is no essential difference in concept. On the other hand, when an electric field is applied in the (110) direction, there are three stable directions of the dipole projected on the (110) axis. For this reason, although it is better than applying an electric field in the (100) direction, it cannot be denied that the resilience is smaller than when an electric field is applied in the (111) direction.

次に、第5図(A)(B)及び第6図を参照し、(Bi
2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-で表わされる化合物をc軸配向
させて用いる場合について説明する。この化合物は、第
5図(A)(B)に示したような結晶構造を有してい
る。その分極軸は、a軸およびc軸を含む面内におい
て、a軸から±数度傾向いた方向にある。従って、第6
図に示したように、c軸配向させた結晶に対してc軸方
向に電界を印加することにより、分極回転を促すことが
できる。
Next, referring to FIGS. 5A, 6B and 6, (Bi
The case where the compound represented by 2 O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2- is used with its c-axis oriented is used. This compound has a crystal structure as shown in FIGS. 5 (A) and (B). The polarization axis is in a direction ± several degrees from the a axis in a plane including the a axis and the c axis. Therefore, the sixth
As shown in the figure, polarization rotation can be promoted by applying an electric field to the c-axis oriented crystal in the c-axis direction.

以上が本発明の根拠となる考え方である。要約する
と、本発明では書き込み及び読み出しの何れにおいて
も、分極の反転を利用するのでなく回転を利用する。し
かも、電界印加方向に投影したときに、回転による安定
方向の数が少いほど望ましく、より好ましくは、この安
定方向が2つのみというのが良い。これを実現する為に
は、正方晶ペロブスカイト型結晶を(111)配向させ、
この方向に電界を印加する。或いは、分極方向が結晶軸
からズレた結晶を、結晶軸方向に配向させる方法を取
る。これらの分極状態を検出するには、抗電界よりも小
さい電圧を印加した時の電流の大きさを見れば良い。こ
の検出電界が抗電界よりかなり小さい場合は、強誘電体
を小信号で利用する他の場合に似ている。従って、本発
明は微小信号で用いるセンサー、トランスデューサ、通
信用部品等の安定性を改善するのにも役立つと言える。
本発明においては、非破壊読出しが可能なこと、安定性
が良いこと、クリストークを回避できることの何れの特
徴も、上記のように分極回転の復帰性が強いことに起因
している 〔実施例〕 実施例1 第7図を参照し、本発明による第1実施例を説明す
る。
The above is the concept on which the present invention is based. In summary, the present invention utilizes rotation instead of polarization reversal for both writing and reading. In addition, when the projection is performed in the direction in which the electric field is applied, the smaller the number of stable directions due to rotation, the better. More preferably, the number of stable directions is only two. To achieve this, the tetragonal perovskite crystal is oriented (111),
An electric field is applied in this direction. Alternatively, a method is employed in which a crystal whose polarization direction is shifted from the crystal axis is oriented in the crystal axis direction. In order to detect these polarization states, the magnitude of the current when a voltage smaller than the coercive electric field is applied may be checked. If the detected electric field is much smaller than the coercive electric field, it is similar to the other case where the ferroelectric is used for a small signal. Therefore, it can be said that the present invention is also useful for improving the stability of sensors, transducers, communication components, and the like used for small signals.
In the present invention, the non-destructive readout is possible, the stability is good, and any of the features of avoiding Christoke are caused by the strong reversion of the polarization rotation as described above. Embodiment 1 A first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.

例えば石英ガラス、NA−40(ノンアルカリ高耐熱性ガ
ラス:HOYA製)、酸化マグネシウム(MgO)、サファイ
ア、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、シリコン(S
i)、ガリウム砒素(GaAs)、ガリウムアルミニウム砒
素(GaAlAs)等からなる基板31を用いる。該基板31が導
電性である場合(Si,GaAs,GaAlAs)は、例えば酸化硅素
(SiO2)、窒化硅素(Si3N4)等からなる絶縁層32をス
パッタ、CVD等の手段でコートした後、その上に下部電
極33をスパッタ、CVD、真空蒸着、イオンプレーティン
グ等の手段で付着させる。一方、基板31が導電性を有さ
ない場合(石英ガラス、NA−40、MgO、サファイア、SrT
iO3)には、該基板上に下部電極65を直接付着させる。
For example, quartz glass, NA-40 (non-alkali high heat-resistant glass: manufactured by HOYA), magnesium oxide (MgO), sapphire, strontium titanate (SrTiO 3 ), silicon (S
i), a substrate 31 made of gallium arsenide (GaAs), gallium aluminum arsenide (GaAlAs) or the like is used. When the substrate 31 is conductive (Si, GaAs, GaAlAs), an insulating layer 32 made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) is coated by means such as sputtering or CVD. After that, the lower electrode 33 is attached thereon by means such as sputtering, CVD, vacuum deposition, ion plating and the like. On the other hand, when the substrate 31 has no conductivity (quartz glass, NA-40, MgO, sapphire, SrT
On iO 3 ), a lower electrode 65 is directly attached on the substrate.

この実施例では、基板31に[100]面Siを用い、これ
を表面酸化してSiO2膜32を形成し、更に300℃に加熱し
ながら白金(Pt)をスパッタすることにより(111)配
向したPt下部電極33を形成した。この上に、金属アルコ
キシド溶液をスピンコートした。この溶液は、コーティ
ング後の熱処理により、(Pb1+α−xAx)(Zr1-Y-zT
iYBz)O3+βMeOの化学式で表されるものになるように、
これらの元素を含んだ組成を有している。但し、上記の
化学式において、 α=0〜0.2、 A:Ca,Sr,Baの何れか、 x=0〜0.3、 y≧0.58、 B:Hf,Snの何れか、 z=0〜0.3、 Me:La,Y,Sm,Dy,Ce,Bi,Sb,Nb,Ta,W,Mo,Cr,Co,Ni,Fe,Cu,T
h,U,Sc,Si,Ge,Alのうちの何れか、又は、複数の組合わ
せ、 β=0〜0.05 である。
In this embodiment, [100] plane Si is used for the substrate 31, and the surface is oxidized to form a SiO 2 film 32, and platinum (Pt) is sputtered while heating to 300 ° C. to form a (111) orientation. The formed Pt lower electrode 33 was formed. A metal alkoxide solution was spin-coated thereon. This solution is treated with (Pb 1 + α-x A x ) (Zr 1-Yz T
i Y B z ) O 3 + βMeO
It has a composition containing these elements. However, in the above chemical formula, α = 0 to 0.2, A: any of Ca, Sr, Ba, x = 0 to 0.3, y ≧ 0.58, B: any of Hf, Sn, z = 0 to 0.3, Me : La, Y, Sm, Dy, Ce, Bi, Sb, Nb, Ta, W, Mo, Cr, Co, Ni, Fe, Cu, T
Any one of h, U, Sc, Si, Ge, and Al, or a combination of a plurality of them, β = 0 to 0.05.

上記の金属アルコキシド溶液をスピンコートした後、
250℃で乾燥した。更に、250℃で加熱しながら10秒間隔
で赤外線照射することにより、空気中または酸素ガス中
において、450℃〜800℃で10分〜120分熱処理した。こ
れを1サイクルとし、該サイクルを5〜10回繰り返すこ
とにより、厚さ約1μmの強誘電薄膜34を得た。得られ
た強誘電体薄膜34はペロブスカイト構造を有し、且つ第
4図(A)に示したように、(111)軸が下部電極面に
対して垂直な結晶配向を有していた。
After spin coating the above metal alkoxide solution,
Dried at 250 ° C. Further, by irradiating infrared rays at intervals of 10 seconds while heating at 250 ° C., heat treatment was performed at 450 ° C. to 800 ° C. for 10 minutes to 120 minutes in air or oxygen gas. This was defined as one cycle, and the cycle was repeated 5 to 10 times to obtain a ferroelectric thin film 34 having a thickness of about 1 μm. The obtained ferroelectric thin film 34 had a perovskite structure and, as shown in FIG. 4A, had a crystal orientation in which the (111) axis was perpendicular to the lower electrode surface.

なお、上記の化学式に於いて、α=0でも良いが、α
を0〜0.2になる様な組成にすると、熱処理時に液相焼
結が起り易くなり、ピンホールのない緻密な膜を比較的
低い熱処理温度で得られるようになる。α>0.2では遊
離した酸化鉛が析出し、良好な特性が得られなくなる。
In the above chemical formula, α = 0 may be used.
When the composition is set to be 0 to 0.2, liquid phase sintering easily occurs during heat treatment, and a dense film without pinholes can be obtained at a relatively low heat treatment temperature. When α> 0.2, free lead oxide is precipitated, and good characteristics cannot be obtained.

Aとして用いるCa,Sr,Baは誘電率を大きくし、Pbの蒸
発を問題にしなくても済むようになる。更に、Zr/Ti比
が比較的大きくても、Aで置換することにより正方晶に
することができ、特性(特に誘電率や、残留分極値、及
びこれらの温度特性)を広い範囲で変化させることが可
能である。
Ca, Sr, and Ba used as A increase the dielectric constant so that evaporation of Pb does not have to be a problem. Furthermore, even if the Zr / Ti ratio is relatively large, it can be made tetragonal by substituting with A, and the characteristics (particularly the dielectric constant, remanent polarization value, and temperature characteristics thereof) can be changed in a wide range. It is possible.

x>0.3以上では、キュリー点Tcが100℃以下となる。
このため、かえって温度特性が悪くなり、又減極しやす
くなる。
When x> 0.3 or more, the Curie point Tc is 100 ° C. or less.
For this reason, the temperature characteristic is rather deteriorated, and depolarization is liable to occur.

y≧0.58の条件は、xとの兼ね合いにより異なる。即
ち、x=0ではy≧0.5、x=0.15〜0.3ではy≧0.58と
なる。
The condition of y ≧ 0.58 differs depending on the balance with x. That is, when x = 0, y ≧ 0.5, and when x = 0.15 to 0.3, y ≧ 0.58.

B(Sn,Hf)は、Aと同じくZr,Tiサイトを置換するこ
とによって、より大きな特性のバリエーションを得るこ
とを目的としている。
B (Sn, Hf) is intended to obtain a larger variation in characteristics by replacing the Zr and Ti sites as in A.

zの値はx,yとの兼ね合いで決める。特に、x+z<
0.3となる様にし、Tcが低くなりすぎない様にする。
The value of z is determined in consideration of x and y. In particular, x + z <
0.3 so that Tc does not become too low.

Meは添加物で、ソフト化(Pr増大、Vc減少)を目的と
する場合にはLa,Y,Sm,Dy,Ce,Bi,Sb,Nb,Ta,W,Mo,Thを用
いる。また、ハード化(Pr減少、Vc増加)を目的とする
場合にはCr,Ca,Ni,Co,Fe,U,Cu,Scを用いる。面方向の結
晶粒径を制御することを目的として、またPbと共に液相
焼結を加速し、緻密な膜を得ることを目的として、Si,A
l,Geを添加する場合もある。ソフト化添加物とハード化
添加物を適当に混合すると、分極回転時の分域発生過程
を制御でき易くなる。
Me is an additive, and La, Y, Sm, Dy, Ce, Bi, Sb, Nb, Ta, W, Mo, and Th are used for the purpose of softening (Pr increase, Vc decrease). If the purpose is to harden (Pr decrease, Vc increase), Cr, Ca, Ni, Co, Fe, U, Cu, Sc are used. In order to control the crystal grain size in the plane direction, and to accelerate liquid phase sintering with Pb to obtain a dense film, Si, A
l, Ge may be added. If the softening additive and the hardening additive are appropriately mixed, it becomes easier to control the domain generation process during polarization rotation.

β≧0.05では、分離相の発生で好ましい特性が得られ
なくなる。
When β ≧ 0.05, favorable characteristics cannot be obtained due to generation of a separated phase.

この実施例ではスピンコート用出発液として金属アル
コキシドを用いたが、アセチルアセトン金属塩や、ナフ
テン酸またはオクチル酸金属石鹸を出発液としてスピン
コートしても、同様に強誘電体薄膜34を成膜することが
できる。
In this example, a metal alkoxide was used as a spin-coating starting solution. However, a ferroelectric thin film 34 is similarly formed by spin coating using an acetylacetone metal salt or a naphthenic acid or octylate metal soap as a starting solution. be able to.

上記のように、こうして得た強誘電体薄膜34はスピン
コート、乾燥、熱処理の全工程を工夫することにより、
Pt電極と同じく(111)方向に配向させることができ
る。但し、面方向には多結晶である。
As described above, the ferroelectric thin film 34 thus obtained is spin-coated, dried, by devising all steps of heat treatment,
Like the Pt electrode, it can be oriented in the (111) direction. However, it is polycrystalline in the plane direction.

この配向した強誘電体薄膜34の上に、密着性を良くす
る為にTi,Mo,Cr,Wの何れかを真空蒸着、スパッタ等で下
地コートした後、その上にAu,Pt,Ag,Ni,Alの何れかを真
空蒸着スパッタ等で付着させ上部電極35とする。尚ここ
で、上部電極35の密着性を問題にしないのであれば、下
地コートは省略してもよい。
On this oriented ferroelectric thin film 34, any one of Ti, Mo, Cr, W is vacuum-deposited to improve adhesion, and after undercoating by sputtering, Au, Pt, Ag, Either Ni or Al is deposited by vacuum evaporation sputtering or the like to form the upper electrode 35. Here, the base coat may be omitted if the adhesion of the upper electrode 35 does not matter.

以上の様にして得られた強誘電体セル領域36には、下
部電極33及び上部電極35の間に印加する電圧によって、
分極軸37,38に対して一定の角度で電界を及ぼすことが
できる。例えば、上部電極35から下部電極33へ向かう抗
電圧以上の電圧をかけると、37(破線)の向きに向いた
残留分極が得られる。また、下部電極33から上部電極35
に向かう抗電圧以上の電圧を印加すると、70(実線)の
向きに向いた残留分極が得られる。この2つの状態を夫
々“1",“0"の状態に対応させることにより、メモリー
の書き込みができることになる。一方、抗電圧Vcよりか
なり小さい電圧を印加して残留分極を回転させ、回転に
よって生ずる変位電流の大きさを検出することにより、
“1"の状態か“0"の状態かの検出、即ち読み出しを行な
うことができる。
In the ferroelectric cell region 36 obtained as described above, by applying a voltage between the lower electrode 33 and the upper electrode 35,
An electric field can be applied at a fixed angle with respect to the polarization axes 37 and 38. For example, when a voltage higher than the coercive voltage from the upper electrode 35 to the lower electrode 33 is applied, remanent polarization in the direction of 37 (broken line) is obtained. Also, the lower electrode 33 is connected to the upper electrode 35.
When a voltage equal to or higher than the coercive voltage is applied, remanent polarization oriented in the direction of 70 (solid line) is obtained. By associating these two states with the “1” and “0” states, respectively, the memory can be written. On the other hand, by applying a voltage considerably smaller than the coercive voltage Vc to rotate the remanent polarization and detecting the magnitude of the displacement current generated by the rotation,
It is possible to detect whether the state is "1" or "0", that is, read out.

実施例2 第8図を参照し、本発明の第2実施例を説明する。Embodiment 2 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

例えば石英ガラス、NA−40(ノンアルカリ高耐熱性ガ
ラス:HOYA製)、酸化マグネシウム(MgO)、サファイ
ア、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、シリコン(S
i)、ガリウム砒素(GaAs)、ガリウムアルミニウム砒
素(GaAlAs)等からなる基板41を用いる。該基板41が導
電性である場合(Si,GaAs,GaAlAs)は、例えば酸化硅素
(SiO2)、窒化硅素(Si3N4)等からなる絶縁層42をス
パッタ、CVD等の手段でコートした後、その上に下部電
極43をスパッタ、CVD、真空蒸着、イオンプレーティン
グ等の手段で付着させる。一方、基板41が導電性をもた
ない場合(石英ガラス、NA−40、MgO、サファイア、SrT
iO3)には、該基板上に下部電極43を直接付着させる。
For example, quartz glass, NA-40 (non-alkali high heat-resistant glass: manufactured by HOYA), magnesium oxide (MgO), sapphire, strontium titanate (SrTiO 3 ), silicon (S
i), a substrate 41 made of gallium arsenide (GaAs), gallium aluminum arsenide (GaAlAs) or the like is used. When the substrate 41 is conductive (Si, GaAs, GaAlAs), an insulating layer 42 made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) is coated by means such as sputtering or CVD. After that, the lower electrode 43 is adhered thereon by means such as sputtering, CVD, vacuum deposition, ion plating and the like. On the other hand, when the substrate 41 has no conductivity (quartz glass, NA-40, MgO, sapphire, SrT
On iO 3 ), the lower electrode 43 is directly attached on the substrate.

この実施例では、基板に[100]面Siを用い、これを
表面酸化してSiO2膜42を形成し、更に700℃に加熱しな
がら白金(Pt)をスパッタすることにより(100)配向
したPt下部電極43を形成した。この上に、金属アルコキ
シド溶液をスピンコートした。この溶液は、コーティン
グ後に熱処理を施すことによって、下記化学式で表され
るものになる組成を有している。
In this embodiment, a [100] plane Si is used as a substrate, and the surface is oxidized to form a SiO 2 film 42, and furthermore, platinum (Pt) is sputtered while being heated to 700 ° C. to be (100) oriented. A Pt lower electrode 43 was formed. A metal alkoxide solution was spin-coated thereon. This solution has a composition represented by the following chemical formula by heat treatment after coating.

(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-但し、上記の化学式におい
て、 A:Bi,Pb,Ba,Sr,Ca,Na,Kの何れか、 B:Ti,Nb,Ta,W,Mo,Fe,Co,Crの何れか、 m:A,Bの価数によってm=1,2,3,4,5 上記の金属アルコキシド溶液をスピンコートした後、
250℃で乾燥した。更に、空気中又は酸素ガス中におい
て、450℃〜800℃で10分〜120分熱処理を行なった。こ
れを1サイクルとし、該処理サイクルを5〜10回繰り返
すことにより、厚さ約1μmの強誘電薄膜を得た。
(Bi 2 O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2- However, in the above chemical formula, A: Any of Bi, Pb, Ba, Sr, Ca, Na, K, B: Any of Ti, Nb, Ta, W, Mo, Fe, Co, Cr, m: A, 1, 2, 3, 4, 5 according to the valence of B, after spin coating the above metal alkoxide solution,
Dried at 250 ° C. Further, heat treatment was performed at 450 ° C. to 800 ° C. for 10 to 120 minutes in air or oxygen gas. This process was defined as one cycle, and the treatment cycle was repeated 5 to 10 times to obtain a ferroelectric thin film having a thickness of about 1 μm.

なお、この実施例ではスピンコート用出発液として金
属アルコキシドを用いたが、アセチルアセトン金属塩
や、ナフテン酸またはオクチル酸金属石鹸を出発液とし
てスピンコートしても、同様に強誘電体薄膜44を成膜す
ることができる。
Although a metal alkoxide was used as a starting solution for spin coating in this example, the ferroelectric thin film 44 was similarly formed by spin coating using a metal salt of acetylacetone or a metal soap of naphthenic acid or octylic acid. Can be membrane.

このようにして得られた強誘電体薄膜44は、スピンコ
ート、乾燥、熱処理の全工程を工夫することによって、
Pr電極と同方向にc軸配向させることができる。しか
し、面方向には多結晶である。
The ferroelectric thin film 44 obtained in this manner is spin-coated, dried,
The c-axis can be oriented in the same direction as the Pr electrode. However, it is polycrystalline in the plane direction.

この配向した強誘電体薄膜44の上に、密着性を良くす
る為にTi,Mo,Cr,Wの何れかを真空蒸着、スパッタ等で下
地コートした後、その上にAu,Pt,Ag,Ni,Alの何れかを真
空蒸着またはスパッタ等で付着させることにより、上部
電極45を形成する。上部電極45の密着性を問題にしない
のであれば、下地コートは省略してもよい。
On the oriented ferroelectric thin film 44, any one of Ti, Mo, Cr, W is vacuum-deposited to improve adhesion, and after undercoating by sputtering or the like, Au, Pt, Ag, The upper electrode 45 is formed by depositing either Ni or Al by vacuum evaporation or sputtering. If the adhesion of the upper electrode 45 does not matter, the base coat may be omitted.

以上のようにして得られた強誘電体セル46は、下部電
極43及び上部電極45の間に印加する電圧によって、分極
軸47,48に対して一定の角度で電界を及ぼすことができ
る。上部電極45から下部電極43へ向かう抗電圧以上の電
圧をかけると、47(破線)の向きに向いた残留分極が得
られる。また、下部電極43から上部電極45に向かう抗電
圧以上の電圧を印加すると、70(実線)の向きに向いた
残留分極が得られる。この2つの状態をそれぞれ“1",
“0"の状態に対応させることにより、メモリーの書き込
みができる。一方、抗電圧Vcよりかなり小さい電圧を印
加して残留分極を回転させ、回転によって生ずる変位電
流の大きさを検出することにより、“1"の状態か“0"の
状態かの検出、即ち読み出しを行なうことができる。
The ferroelectric cell 46 obtained as described above can apply an electric field at a fixed angle to the polarization axes 47 and 48 by the voltage applied between the lower electrode 43 and the upper electrode 45. When a voltage higher than the coercive voltage from the upper electrode 45 to the lower electrode 43 is applied, remanent polarization in the direction of 47 (broken line) is obtained. When a voltage equal to or higher than the coercive voltage from the lower electrode 43 to the upper electrode 45 is applied, remanent polarization in the direction of 70 (solid line) is obtained. Each of these two states is “1”,
By associating with the state of “0”, writing to the memory can be performed. On the other hand, by applying a voltage considerably smaller than the coercive voltage Vc to rotate the remanent polarization and detecting the magnitude of the displacement current generated by the rotation, it is possible to detect whether the state is "1" or "0", that is, read out. Can be performed.

実施例3 第9図を参照し、本発明による第3実施例を説明す
る。
Embodiment 3 A third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.

この実施例では、実施例1又は実施例2の単一セルが
2次元に配列する様に、下部ストライプ状電極531,532
…と、上部ストライプ状電極551,552…を直交する様に
配置したものである。51は基板、52は絶縁膜、54は強誘
電体層である。強誘電体層54の分極回転を書き込み及び
読み出しに利用するために、強誘電体薄膜層は実施例1
または実施例2で説明したように配向している。
In this embodiment, the lower striped electrodes 53 1 , 53 2 are arranged such that the single cells of the embodiment 1 or 2 are two-dimensionally arranged.
, And upper stripe-shaped electrodes 55 1 , 55 2, ... 51 is a substrate, 52 is an insulating film, and 54 is a ferroelectric layer. In order to use the polarization rotation of the ferroelectric layer 54 for writing and reading, the ferroelectric thin film layer was used in Example 1.
Or they are oriented as described in the second embodiment.

なお、上記第9図に示した強誘電体メモリのための制
御回路としては、本出願人が先に出願済みの発明(特願
昭63−321639号)に記載したもの(第23図〜第28図)を
利用する。
The control circuit for the ferroelectric memory shown in FIG. 9 is the same as that described in the invention (Japanese Patent Application No. 63-321639) filed by the present applicant (FIG. 23 to FIG. 23). (Figure 28).

基本的には、アクセス回路を用いて下部ストライプ状
電極群531,532…のうちの1本と、上部ストライプ状電
極群551,552…のうちの1本とを選択することにより、
強誘電体2次元配列素子のうちの1つのセルを選択す
る。この選択されたセルに対し、該セルが正負何れかの
残留分極状態になるような極性と大きさを有する電圧V
apを印加する。即ち、選択的された一組のストライプ状
電極の夫々に、+Vap/2,-Vap/2、或いは-Vap/2,+Vap/2を
印加することにより、2値のいずれかの状態になる様に
設定(書込み)する。また、何れの状態にあるかを検出
するために、書込み時と同様にアクセス回路を用い、目
的としたセルを選択し、該セル抗電圧Vc以下の電圧を印
加する。即ち、選択された一組のストライプ状電極の夫
々に対して、+Vc/2以下,-Vc/2以下の電圧を印加する。
そのときに両ストライプ電極間に流れる電流の大きさを
モニターすることにより、読出しを行なう。
Basically, an access circuit is used to select one of the lower striped electrode groups 53 1 , 53 2 ... And one of the upper striped electrode groups 55 1 , 55 2 . ,
One cell is selected from the ferroelectric two-dimensional array elements. For this selected cell, a voltage V having a polarity and magnitude such that the cell is in either a positive or negative remanent polarization state.
Apply ap . That is, by applying + V ap / 2, -V ap / 2, or -V ap / 2, + V ap / 2 to each of a selected set of stripe-shaped electrodes, any of two values can be obtained. Set (write) in such a way. In addition, in order to detect the state, the access circuit is used as in the case of writing, a target cell is selected, and a voltage lower than the cell coercive voltage Vc is applied. That is, for each of a pair of stripe-shaped electrodes that are selected, + V c / 2 or less, applying a -V c / 2 or less voltage.
At this time, reading is performed by monitoring the magnitude of the current flowing between both stripe electrodes.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上詳述したように、本発明の強誘電体素子は、強誘
電体薄膜の分極軸を上下の両電極面に垂直な方向に対し
て傾斜させ、且つ分極軸に対して一定の角度で電界を印
加し、分極の回転によって書込み及び読み出しを行な
う。これにより、 記憶保持状態が不安定(耐久性が悪い) クロストークの問題 破壊メモリとなる。
As described in detail above, in the ferroelectric element of the present invention, the polarization axis of the ferroelectric thin film is inclined with respect to the direction perpendicular to the upper and lower electrode surfaces, and the electric field is applied at a fixed angle with respect to the polarization axis. And writing and reading are performed by rotation of polarization. As a result, the storage state is unstable (poor in durability). The problem of crosstalk becomes a destructive memory.

といった強誘電体メモリの実用化を妨げてきた問題を解
決でき、耐久性が良好で、非破壊、不揮発性、大容量、
且つ高速スイッチング性の強誘電体メモリを実現でき
る。
Problems that have hindered the practical use of ferroelectric memories, such as non-destructive, non-volatile, large capacity,
In addition, a high-speed switching ferroelectric memory can be realized.

加えて、上記についての改善は単にメモリー素子に
とどまらず、通常の小信号を利用するセンサー、トラン
スデューサ、通信部品における耐久性(経時変化)の改
善にもつながる。
In addition, the improvement described above is not limited to a memory element, but also leads to an improvement in durability (aging) of sensors, transducers, and communication components using ordinary small signals.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図〜第6図は本発明における技術思想を説明するた
めの図、第7図は本発明の一実施例になる強誘電体メモ
リーを示す断面図、第8図は本発明の他の実施例になる
強誘電体メモリーを示す断面図、第9図は本発明の更に
別の実施例になる強誘電体2次元配列メモリーを一部断
面で示す斜視図、第10図は従来の強誘電体メモリーを示
す回路図であり、第11図および第12図はその問題点を説
明するための図、第13図は従来の他の強誘電体メモリー
を示す回路図である。 21,21′…分極、22…外部電界、23…永久双極子、24…
上部電極、25…下部電極、31,41,51…基板、32,42,52…
絶縁膜、33,43,53…下部電極、34,44,54…強誘電体薄
膜、35,45,55…上部電極、36,46…強誘電体メモリーセ
ル、37,38,47,48…分極軸
1 to 6 are views for explaining the technical concept of the present invention, FIG. 7 is a sectional view showing a ferroelectric memory according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 9 is a sectional view showing a ferroelectric memory according to an embodiment, FIG. 9 is a perspective view showing a partial cross section of a ferroelectric two-dimensional array memory according to still another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 11 is a circuit diagram showing a dielectric memory, FIGS. 11 and 12 are diagrams for explaining the problem, and FIG. 13 is a circuit diagram showing another conventional ferroelectric memory. 21,21 '… Polarization, 22… External electric field, 23… Permanent dipole, 24…
Upper electrode, 25 ... Lower electrode, 31, 41, 51 ... Substrate, 32, 42, 52 ...
Insulating film, 33, 43, 53 ... lower electrode, 34, 44, 54 ... ferroelectric thin film, 35, 45, 55 ... upper electrode, 36, 46 ... ferroelectric memory cell, 37, 38, 47, 48 ... Polarization axis

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 好紀 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 船崎 純 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 遊佐 厚 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭48−88500(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/10 451 H01L 29/788 H01L 29/792 H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 41/187 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Yoshiki Ota 2-43-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Inside O-Limpus Optical Industry Co., Ltd. (72) Inventor Jun Funasaki 2-34-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo No. Olympus Optical Co., Ltd. (72) Inventor Atsushi Yusa 2-43-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo In Olympus Optical Co., Ltd. (56) References JP-A-48-88500 (JP, A) ( 58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 27/10 451 H01L 29/788 H01L 29/792 H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 41/187

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に下部電極、強誘電体薄膜、上部電
極を順次積層した強誘電体素子において、 前記強誘電体薄膜を、その分極軸が前記両電極面に垂直
な方向に対して傾斜するように結晶配向させたこと特徴
する強誘電体素子。
1. A ferroelectric device comprising a substrate, on which a lower electrode, a ferroelectric thin film and an upper electrode are sequentially laminated, wherein the ferroelectric thin film is arranged such that its polarization axis is perpendicular to the two electrode surfaces. A ferroelectric element characterized in that the crystal is oriented so as to be inclined.
【請求項2】前記下部電極が、前記強誘電体薄膜の結晶
配向方向と同一の結晶配向方向を有していることを特徴
とする請求項1に記載の強誘電体素子。
2. The ferroelectric device according to claim 1, wherein the lower electrode has the same crystal orientation direction as the crystal orientation direction of the ferroelectric thin film.
【請求項3】前記基板が、ガラス、酸化マグネシウム単
結晶(MgO)、チタン酸ストロンチウム単結晶(SrTi
O3)、シリコン単結晶(Si)、ガリウム砒素単結晶(Ga
As)ガリウムアルミ砒素単結晶(GaAlAs)及び表面酸化
したシリコン(SiO2/Si)からなる群から選択されるこ
とと、 前記下部電極が、(111)方向に配向した白金(Pt)か
らなることと、 前記強誘電体薄膜が、(Pb1+α−xAx)(Zr1-Y-zTiY
Bz)O3+βMeO α=0〜0.2、 y≧0.58、 A:Ca,Sr,Baの何れか、 x=0〜0.3、 B:Hf,Snの何れか、 z=0〜0.3、 Me:La,Y,Sm,Dy,Ce,Bi,Sb,Nb,Ta,W,Mo,Cr,Co,Ni,Fe,U,S
c,Th,Cu,Si,Ge,Alのうちの何れか、又は、複数の組合わ
せ、 β=0〜0.05 という化学式を有し、かつ結晶構造が正方晶系で(11
1)配向していることと、 前記上部電極が、Pt,Au,Al,Niの何れかからなる単層構
造、又はCr,Ti,Mo,Wの何れかからなる下地層及びPt,Au,
Al,Niの何れかからなる上層の2層構造を有しているこ
ととを特徴とする請求項1に記載の強誘電体素子。
3. The substrate is made of glass, single crystal of magnesium oxide (MgO), single crystal of strontium titanate (SrTi
O 3 ), silicon single crystal (Si), gallium arsenide single crystal (Ga
As) selected from the group consisting of gallium aluminum arsenide single crystal (GaAlAs) and surface-oxidized silicon (SiO 2 / Si), and the lower electrode is made of platinum (Pt) oriented in the (111) direction And the ferroelectric thin film is (Pb 1 + α-x A x ) (Zr 1 -Yz Ti Y
B z ) O 3 + βMeO α = 0-0.2, y ≧ 0.58, A: Any of Ca, Sr, Ba, x = 0-0.3, B: Any of Hf, Sn, z = 0-0.3, Me: La, Y, Sm, Dy, Ce, Bi, Sb, Nb, Ta, W, Mo, Cr, Co, Ni, Fe, U, S
Any one of c, Th, Cu, Si, Ge, and Al or a combination of a plurality thereof, has a chemical formula of β = 0 to 0.05, and has a tetragonal crystal structure (11
1) that it is oriented, the upper electrode is a single-layer structure made of any of Pt, Au, Al, Ni, or an underlayer made of any of Cr, Ti, Mo, W and Pt, Au,
2. The ferroelectric element according to claim 1, wherein the ferroelectric element has an upper two-layer structure made of any of Al and Ni.
【請求項4】前記基板が、ガラス、酸化マグネシウム単
結晶(MgO)、チタン酸ストロンチウム単結晶(SrTi
O3)、シリコン単結晶(Si)、ガリウム砒素単結晶(Ga
As)ガリウムアルミ砒素単結晶(GaAlAs)及び表面酸化
したシリコン(SiO2/Si)からなる群から選択されるこ
とと、 前記下部電極が、(100)配向したPtからなることと 前記強誘電体薄膜が、 (Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2- A=Bi,Pb,Ba,Sr,Ca,Na,K,希士類元素 B=Ti,Nb,Ta,W,Mo,Fe,Co,Cr m=1,2,3,4,5 なる化学構造式を有し、かつc軸配向していることと 前記上部電極が、Pt,Au,Al,Niの何れかからなる単層構
造、又はCr,Ti,Mo,Wの何れかからなる下地層及びPt,Au,
Al,Niの何れかからなる上層の2層構造を有しているこ
ととを特徴とする請求項1に記載の強誘電体素子。
4. The substrate is made of glass, single crystal of magnesium oxide (MgO), single crystal of strontium titanate (SrTi
O 3 ), silicon single crystal (Si), gallium arsenide single crystal (Ga
As) being selected from the group consisting of gallium aluminum arsenide single crystal (GaAlAs) and surface oxidized silicon (SiO 2 / Si); the lower electrode being made of (100) oriented Pt; The thin film is (Bi 2 O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2- A = Bi, Pb, Ba, Sr, Ca, Na, K, Rare element B = Ti, Nb , Ta, W, Mo, Fe, Co, Cr m = 1,2,3,4,5 and has c-axis orientation, and the upper electrode is composed of Pt, Au, Al , Ni, a single layer structure, or Cr, Ti, Mo, W underlayer and Pt, Au,
2. The ferroelectric element according to claim 1, wherein the ferroelectric element has an upper two-layer structure made of any of Al and Ni.
【請求項5】前記下部電極および上部電極の両者が複数
のストライプ状電極からなり、且つ下部電極および上部
電極が互いに直交して配列された構造を有することを特
徴とする請求項1に記載の強誘電体2次元配列素子。
5. The device according to claim 1, wherein both the lower electrode and the upper electrode are composed of a plurality of stripe-shaped electrodes, and have a structure in which the lower electrode and the upper electrode are arranged orthogonal to each other. Ferroelectric two-dimensional array element.
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