特許 7612177 強誘電体膜、および電子部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-27

(45)【発行日】2025-01-14

(54)【発明の名称】強誘電体膜、および電子部品

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/316 20060101AFI20250106BHJP

   H10B 51/30 20230101ALI20250106BHJP

   H10B 53/30 20230101ALI20250106BHJP

【ＦＩ】

H01L21/316 G

H10B51/30

H10B53/30

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023548503

(86)(22)【出願日】2022-09-15

(86)【国際出願番号】 JP2022034579

(87)【国際公開番号】W WO2023042882

(87)【国際公開日】2023-03-23

【審査請求日】2024-02-16

(31)【優先権主張番号】P 2021152238

(32)【優先日】2021-09-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】304024430

【氏名又は名称】国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】米田 真吾

(72)【発明者】

【氏名】宮迫 毅明

(72)【発明者】

【氏名】細倉 匡

(72)【発明者】

【氏名】▲徳▼光 永輔

【審査官】長谷川 直也

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／２０８３４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／２１８６１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０３５９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１３３００２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

Ｈ１０Ｂ ５１／３０

Ｈ１０Ｂ ５３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蛍石構造を有する酸化ハフニウムと、
Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉの中から選ばれた、１種類または複数種類の元素を有する金属酸化物と、
含有される量が５ｍｏｌ％未満である炭素と、を含み、
平均粒子径が１０ｎｍ未満の多結晶体である、強誘電体膜。

【請求項2】

前記金属酸化物は、含有される量が１ｍｏｌ％以上、１５ｍｏｌ％以下である、請求項１に記載の強誘電体膜。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の強誘電体膜と、
前記強誘電体膜の表面に形成される電極と、を備える、電子部品。

【請求項4】

前記電極は、前記強誘電体膜の一方の主面に形成される第１電極と、前記強誘電体膜の他方の主面に形成される第２電極と、を含み、
前記第１電極と、前記強誘電体膜と、前記第２電極とでキャパシタを構成する、請求項３に記載の電子部品。

【請求項5】

前記電極は、ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、を含み、
前記強誘電体膜は、強誘電体ゲートトランジスタのゲート絶縁膜として前記ゲート電極の上に形成される、請求項３に記載の電子部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、強誘電体膜、および電子部品に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩＣ（Integrated Circuit）カードのメモリ素子などに、強誘電体をゲート絶縁膜に用いた強誘電体ゲートトランジスタ（Ｆｅ－ＦＥＴ：Ferroelectric Field-Effect Transistor）が応用されている。一般に、強誘電体は、微細化して薄くするほど強誘電性が弱まる性質が知られており、メモリ素子に強誘電体ゲートトランジスタを応用する場合、当該性質によりメモリ素子としての微細化、高集積化が困難であった。

【0003】

近年、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の薄膜が強誘電性を示すことが報告され、酸化ハフニウムの薄膜について様々な研究や開発が行われている。具体的に、特許文献１には、酸化ハフニウムの薄膜を用いたキャパシタが開示されている。さらに、非特許文献１には、酸化ハフニウムの薄膜を真空中で熱処理することで強誘電体ゲートトランジスタに応用できる強誘電体が得られたと報告されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１９／２０８３４０号

【非特許文献】

【0005】

【文献】Mohit, et al. "Indium oxide and indium-tin-oxide channel ferroelectric gate thin film transistors with yttrium doped hafnium-zirconium dioxide gate insulator prepared by chemical solution process", Japanese Journal of Applied Physics, Japan, 15 January 2021. Volume 60, Number SBBM02.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、強誘電体ゲートトランジスタなどの電子部品に酸化ハフニウムの薄膜を用いる場合、強誘電性を示すとともに、高い絶縁性を有する必要がある。例えば、強誘電体ゲートトランジスタのゲート絶縁膜に酸化ハフニウムの薄膜を用いる場合に、当該酸化ハフニウムの薄膜に漏れ電流が生じると信頼性の高いトランジスタ動作を得ることができない。

【0007】

そこで、本開示の目的は、強誘電性を示すとともに、高い絶縁性を有する強誘電体膜、および電子部品を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一形態に係る強誘電体膜は、蛍石構造を有する酸化ハフニウムと、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉの中から選ばれた、１種類または複数種類の元素を有する金属酸化物と、含有される量が５ｍｏｌ％未満である炭素と、を含み、
平均粒子径が１０ｎｍ未満の多結晶体である。

【0009】

本開示の一形態に係る電子部品は、上記の強誘電体膜と、強誘電体膜の表面に形成される電極と、を備える。

【0010】

本開示の一形態に係る製造方法は、酸化ハフニウムを含む強誘電体膜を製造する製造方法である。当該製造方法は、成膜対象物を用意する工程と、強誘電体膜の原料となる化学溶液を用意する工程と、化学溶液を前記成膜対象物上にスピンコートする工程と、酸素雰囲気下の熱処理により、成膜対象物上にスピンコートされた化学溶液から、蛍石構造を有する酸化ハフニウムを析出させる工程と、を含む。化学溶液は、Ｈｆを有する金属アルコキシド塩と、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉの中から選ばれた、１種類または複数種類の元素を有する金属アルコキシド塩とを原料塩として含む。

【発明の効果】

【0011】

本開示の一形態によれば、含有される炭素量が５ｍｏｌ％未満にすることで、強誘電性を示すとともに、高い絶縁性を有する強誘電体膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態に係る強誘電体膜のＸ線回折スペクトルである。

【図2】実施の形態に係る強誘電体膜の分極―電界曲線である。

【図3】実施の形態に係る強誘電体膜の漏れ電流―電界曲線である。

【図4】比較対象の強誘電体膜の分極－電界曲線である。

【図5】実施の形態に係る強誘電体膜を用いたキャパシタを示す図である。

【図6】実施の形態に係る強誘電体膜を用いたトランジスタを示す図である。

【図7】実施の形態に係る強誘電体膜を用いたトランジスタの電気特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（実施の形態）
以下に、本実施の形態に係る強誘電体膜、その製造方法、および電子部品について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0014】

［強誘電体膜］
まず、実施の形態に係る強誘電体膜について説明する。強誘電体膜は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の薄膜であり、強誘電性を示すため当該酸化ハフニウムが蛍石構造を有している。図１は、実施の形態に係る強誘電体膜のＸ線回折スペクトルである。図１において、横軸は角度、縦軸は強度である。図１に示す３０°および３５°付近に現れる回折線は立方晶、正方晶または直方晶の蛍石構造に帰属できるので、本実施の形態に係る強誘電体膜が、蛍石構造を有する酸化ハフニウムを含むことが分かる。

【0015】

純粋なＨｆＯ_２膜では強誘電性が発現しないため、元素置換した金属酸化物を含む必要がある。その中でもハフニウムイオン（Ｈｆ^４＋）よりも大きなイオンでの置換した金属酸化物が望ましく、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉといった元素に置換した金属酸化物を含むことが有効である。本実施の形態に係る強誘電体膜では、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉの中から選ばれた、１種類または複数種類の元素を有する金属酸化物を含んでいる。図１に示すＸ線回折スペクトルから、Ｃｅを置換した蛍石構造のＨｆＯ_２膜が形成されていることが確認できる。なお、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉといった元素に置換した金属酸化物が含有される量は１ｍｏｌ％以上、１５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。

【0016】

また、本実施の形態に係る強誘電体膜の分極の電界特性について説明する。図２は、実施の形態に係る強誘電体膜の分極―電界曲線である。図２において、横軸は電界、縦軸は分極である。一般的に、電界に対し分極の履歴が生じるように分極―電界曲線が変化する場合、その絶縁膜は強誘電性を有すると判断できる。具体的に、図２では、電界を０ＭＶ／ｃｍから３ＭＶ／ｃｍ程度まで変化させ、再び０ＭＶ／ｃｍにしたときの分極（残留分極）が自発分極Ｐｓに相当し、約１０μＣ／ｃｍ２の分極が膜に生じている。つまり、図２より、本実施の形態に係る強誘電体膜が強誘電性を有することが分かる。

【0017】

さらに、本実施の形態に係る強誘電体膜では、含有される炭素量が５ｍｏｌ％未満にすることで、漏れ電流を減らすことができる。これまで、強誘電体膜の漏れ電流が大きくなる原因が不明であったが、本開示では、新たに含有される炭素量に着目し、含有される炭素量が強誘電体膜の漏れ電流に影響を与えることを見出した。つまり、本実施の形態に係る強誘電体膜では、含有される炭素量を減らすことで、強誘電体膜の漏れ電流を所望の電流量以下に抑えていることを実現している。

【0018】

強誘電体膜に含有される炭素量は、例えば二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ ; Secondary Ion Mass Spectrometry）で測定することができる。本実施の形態に係る強誘電体膜は、後述するように化学溶液の原料塩として金属アルコキシド塩のみを用いて溶液法で形成し、酸素雰囲気下で焼成している。このように形成した強誘電体膜に含有される炭素量を二次イオン質量分析法で測定すると約１．４ｍｏｌ％と２．０ｍｏｌ％以下の低い炭素量であった。つまり、本実施の形態に係る強誘電体膜では、焼成後に炭素が膜中に残りにくい原料を用いること、さらに酸素雰囲気で長時間焼成することで絶縁性が向上できているものと考えられる。なお、本実施の形態に係る強誘電体膜は、溶液法で形成されるため平均粒子径が約１０ｎｍ未満の多結晶体となる。

【0019】

含有される炭素量が約１．４ｍｏｌ％である強誘電体膜について、漏れ電流を測定した。図３は、実施の形態に係る強誘電体膜の漏れ電流―電界曲線である。図３において、横軸は電界、縦軸は漏れ電流である。図３に示す漏れ電流―電界曲線では、電界が約１ＭＶ／ｃｍにおいて漏れ電流が約９．７×１０－８Ａ／ｃｍ２以下と大幅に減らせることが分かる。そのため、本実施の形態に係る強誘電体膜は、十分な絶縁性を有している。なお、約１ＭＶ／ｃｍの電界が強誘電体膜に加わる状態は、図２に示すように強誘電体膜の分極の方向が切り替わる強誘電スイッチの状態である。

【0020】

ここで、比較のために、化学溶液の原料塩として金属アセチルアセトナート塩を用いて溶液法で形成し、真空中で焼成した強誘電体膜（比較対象）について、分極－電界曲線および漏れ電流を測定した。なお、具体的に、金属アセチルアセトナート塩としてハフニウムアセチルアセトナート、およびセリウムアセチルアセトナートを用い、溶媒としてプロピオン酸を用いた。

【0021】

図４は、比較対象の強誘電体膜の分極－電界曲線である。図４において、横軸は電界、縦軸は分極である。比較対象の強誘電体膜は、図４に示すように０ＭＶ／ｃｍの電界において自発分極Ｐｓが約４μＣ／ｃｍ^２の値を示している。しかし、比較対象の強誘電体膜は、絶縁破壊のために３ＭＶ／ｃｍの電界まで印加できていない。さらに、比較対象の強誘電体膜の分極－電界曲線は、少し丸みを帯びた曲線となっている。

【0022】

一方、本実施の形態に係る強誘電体膜は、図２に示すように０ＭＶ／ｃｍの電界において自発分極Ｐｓが約１０μＣ／ｃｍ^２の値を示している。３ＭＶ／ｃｍの電界を印加することで分極値が飽和し、分極が約２０μＣ／ｃｍ^２の値を示している。さらに、本実施の形態に係る強誘電体膜の分極－電界曲線は、理想的な履歴曲線となっている。

【0023】

比較対象の強誘電体膜について漏れ電流を測定すると、漏れ電流が約１．０×１０^－６Ａ／ｃｍ^２以上となり、本実施の形態に係る強誘電体膜に比べて非常に大きい値となっている。また、比較対象の強誘電体膜に含有される炭素量は約５．０ｍｏｌ％以上と大きく、比較対象の強誘電体膜の絶縁性を悪くしている要因であると思われる。このことから、強誘電体膜に含有される炭素量を少なくとも約５ｍｏｌ％未満とすることで、強誘電体膜の漏れ電流を改善できる。

【0024】

比較対象の強誘電体膜では、化学溶液の原料塩として金属アセチルアセトナート塩を用いており、金属アルコキシド塩に比べ分解し難い。そのため、比較対象の強誘電体膜では、原料の分解が不十分で行われずに膜中の炭素量が多く残ることになり、絶縁性を悪くしていると考えられる。

【0025】

一方、本実施の形態に係る強誘電体膜では、化学溶液の原料塩として金属アルコキシド塩を用いており、比較的低温でも分解しやすい。そのため、本実施の形態に係る強誘電体膜では、金属アルコキシド塩が低温で分解が進み、微粒の多結晶体となり含有する炭素量も低くなったと考えられる。本実施の形態に係る強誘電体膜は、原料塩として金属アルコキシド塩を用いることで、酸素雰囲気下で焼成しても良好な強誘電性を有する酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の薄膜となっている。

【0026】

以上のように、本実施の形態に係る強誘電体膜は、蛍石構造を有する酸化ハフニウムと、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉの中から選ばれた、１種類または複数種類の元素を有する金属酸化物と、含有される量が５ｍｏｌ％未満である炭素と、を含む。このように、本実施の形態に係る強誘電体膜は、含有される炭素量が５ｍｏｌ％未満にすることで、強誘電性を示すとともに、高い絶縁性を有する強誘電体膜を得ることができる。なお、強誘電体膜に含有される炭素量をさらに２ｍｏｌ％未満となることが好ましい。これにより、強誘電体膜の漏れ電流をさらに減らせることができ、より高い絶縁性を有する強誘電体膜を得ることができる。

【0027】

平均粒子径が１０ｎｍ未満の多結晶体であることが好ましい。これにより、スパッタ法やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法で形成した柱状の粒子の酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の薄膜に比べて、より強い強誘電性を示す強誘電体膜を得ることができる。

【0028】

金属酸化物は、含有される量が１ｍｏｌ％以上、１５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。これにより、ＨｆＯ_２膜に対して、元素置換した金属酸化物を適切な量を含むことができ、より強い強誘電性を示す強誘電体膜を得ることができる。

【0029】

本実施の形態に係る製造方法は、酸化ハフニウムを含む強誘電体膜を製造する製造方法である。当該製造方法は、成膜対象物を用意する工程と、強誘電体膜の原料となる化学溶液を用意する工程と、化学溶液を前記成膜対象物上にスピンコートする工程と、酸素雰囲気下の熱処理により、成膜対象物上にスピンコートされた化学溶液から、蛍石構造を有する酸化ハフニウムを析出させる工程と、を含む。化学溶液は、Ｈｆを有する金属アルコキシド塩と、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉの中から選ばれた、１種類または複数種類の元素を有する金属アルコキシド塩とを原料塩として含む。これにより、本実施の形態に係る製造方法は、強誘電性を示すとともに、高い絶縁性を有する強誘電体膜を製造することができる。

【0030】

［強誘電体膜を用いたキャパシタ］
次に、本実施の形態に係る強誘電体膜を用いたキャパシタの構成およびその製造方法について説明する。図５は、本実施の形態に係る強誘電体膜を用いたキャパシタ１００を示す図である。ただし、図５では、キャパシタ１００の断面図を示している。

【0031】

キャパシタ１００は、基板１、第１電極２、誘電体層３、第２電極４を備える。基板１の材質、特性、厚みなどは任意である。本実施の形態では、例えば、厚み５００μｍのＳｉ（１００）基板を基板１に使用した。

【0032】

第１電極２は、基板１の上に形成されている。第１電極２の材質、特性、厚みなどは任意である。本実施の形態では、例えば、厚み１００ｎｍのＰｔ膜を第１電極２に使用した。

【0033】

誘電体層３は、第１電極２の上に形成されている。誘電体層３には、本実施の形態に係る強誘電体膜を使用した。つまり、誘電体層３は、蛍石構造を有する酸化ハフニウムと、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉの中から選ばれた、１種類または複数種類の元素を有する金属酸化物と、含有される量が５ｍｏｌ％未満である炭素と、を含む。本実施の形態では、例えば、厚み６０ｎｍの強誘電体膜を誘電体層３に使用した。

【0034】

誘電体層３は、強誘電性を備えている。したがって、誘電体層３は、電界を印加することによって、分極状態（自発分極の分極方向）を制御することができ信号を記憶することができる。

【0035】

第２電極４は、誘電体層３の上に形成されている。第２電極４の材質、特性、厚みなどは任意である。本実施形態では、例えば、厚み１００ｎｍのＰｔ膜を第２電極４に使用した。

【0036】

以上の構造からなるキャパシタ１００は、電界を印加することによって分極状態を制御でき、記憶装置として使用することができる。

【0037】

次に、キャパシタ１００の製造方法について説明する。まず、基板１を用意する。また、基板１の用意と並行して、化学溶液を作製する。

【0038】

化学溶液の原料塩として、金属アルコキシド塩であるハフニウムイソプロポキシドを０．６４２ｇ、セリウムイソプロポキシドを０．０８０ｇ用意する。

【0039】

また、化学溶液の溶媒として、酢酸を２ｍｌと、２－メトキシエタノールを４ｍｌと用意する。

【0040】

容器に、酢酸と、２－メトキシエタノールとを入れて撹拌する。さらに、容器に各原料塩を追加し、撹拌して化学溶液を得る。

【0041】

次に、基板１の上に、スパッタリング法により、Ｐｔ膜からなる第１電極２を形成する。

【0042】

次に、第１電極２の上に、スピンコート法により、化学溶液をコーティングする。
具体的には、第１回目のコーティングとして、第１電極２の形成された基板１を回転台に取付け、回転台を３０００回転／秒で回転させた状態で、第１電極２上に化学溶液を滴下し、第１電極２上に厚み２０ｎｍの化学溶液の膜をコーティングする。なお、滴下する化学溶液は、用意した化学溶液の１／３の量とする。続いて、第１電極２上に化学溶液の膜が形成された基板１を、酸素流量が２００ｍｌ／分の酸素雰囲気下で、３００℃／分の昇温速度で５００℃まで加熱し、１０分間保持する。この結果、第１電極２上に、第１のＨｆＯ_２膜が形成される。

【0043】

続いて、第１のＨｆＯ_２膜上に、第２回目のコーティングとして、第１回目と同一の条件で、スピンコート法により化学溶液をコーティングし、加熱して、第２のＨｆＯ_２膜を形成する。なお、滴下する化学溶液は、用意した化学溶液の１／３の量とする。

【0044】

続いて、第２のＨｆＯ_２膜上に、第３回目のコーティングとして、第１回目および第２回目と同一の条件で、スピンコート法により化学溶液をコーティングし、加熱して、第３のＨｆＯ_２膜を形成する。なお、滴下する化学溶液は、用意した化学溶液の１／３の量とする。

【0045】

この結果、第１電極２の上に、同じ厚みの、第１のＨｆＯ_２膜、第２のＨｆＯ_２膜、第３のＨｆＯ_２膜が積層された、誘電体層３が形成される。

【0046】

次に、誘電体層３上に、スパッタリング法により、Ｐｔ膜からなる第２電極４を形成する。

【0047】

次に、誘電体層３（ＨｆＯ_２膜）の結晶性を向上させるために、熱処理をおこなう。具体的には、第１電極２、誘電体層３、第２電極４が形成された基板１を、酸素流量が２００ｍｌ／分の酸素雰囲気下で、３００℃／分の昇温速度で８００℃まで加熱し、１０分間保持する。以上により、キャパシタ１００が完成する。

【0048】

以上のように、本実施の形態に係る強誘電体膜と、強誘電体膜の表面に形成される電極と、を備える、電子部品の一例として、キャパシタ１００が考えられる。キャパシタ１００は、強誘電体膜である誘電体層３の一方の主面に形成される第１電極２と、強誘電体膜である誘電体層３の他方の主面に形成される第２電極４と、を含み、第１電極２と、強誘電体膜である誘電体層３と、第２電極４とで構成される。これにより、電界の印加によって分極状態を制御できるキャパシタ１００を実現することができ、当該キャパシタ１００を記憶装置として使用することができる。

【0049】

［強誘電体膜を用いたトランジスタ］
次に、本実施の形態に係る強誘電体膜を用いたトランジスタの構成およびその製造方法について説明する。図６は、本実施の形態に係る強誘電体膜を用いたトランジスタ２００を示す図である。ただし、図６では、トランジスタ２００の断面図を示している。

【0050】

トランジスタ２００は、強誘電体ゲートトランジスタであって、記憶素子として機能する。トランジスタ２００は、基板１、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜３０、チャネル形成膜４０、ソース電極５０、ドレイン電極６０を備える。基板１の材質、特性、厚みなどは任意である。本実施の形態では、例えば、厚み５００μｍのＳｉ（１００）基板を基板１に使用した。

【0051】

ゲート電極２０は、基板１の上に形成されている。ゲート電極２０の材質、特性、厚みなどは任意である。本実施の形態では、例えば、厚み８０ｎｍのＰｔ膜をゲート電極２０に使用した。

【0052】

ゲート絶縁膜３０は、基板１およびゲート電極２０の上に形成されている。ゲート絶縁膜３０には、本実施の形態に係る強誘電体膜を使用した。つまり、ゲート絶縁膜３０は、蛍石構造を有する酸化ハフニウムと、Ｌａ，Ｃｅ，Ｂｉの中から選ばれた、１種類または複数種類の元素を有する金属酸化物と、含有される量が５ｍｏｌ％未満である炭素と、を含む。本実施の形態では、例えば、厚み６０ｎｍの強誘電体膜をゲート絶縁膜３０に使用した。

【0053】

ゲート絶縁膜３０は、強誘電性を備えている。したがって、強誘電体膜をゲート絶縁膜３０に使用したトランジスタ２００は、強誘電体ゲートトランジスタであり、ゲート電極２０に印加する電界によって、分極状態（自発分極の分極方向）を制御することができ信号を記憶する記憶素子として機能させることができる。

【0054】

チャネル形成膜４０は、ゲート絶縁膜３０の上に形成されている。チャネル形成膜４０の材質、特性、厚みなどは任意である。本実施の形態では、例えば、厚み１０ｎｍのＩＴＯ膜をチャネル形成膜４０に使用した。

【0055】

ソース電極５０およびドレイン電極６０は、チャネル形成膜４０の上に形成されている。ソース電極５０およびドレイン電極６０の材質、特性、厚みなどは任意である。本実施の形態では、例えば、厚み８０ｎｍのＰｔ膜をソース電極５０およびドレイン電極６０に使用した。ソース電極５０およびドレイン電極６０は、トランジスタ２００の積層方向から平面視した場合に、ゲート電極２０を跨ぐ位置に形成されている。

【0056】

次に、トランジスタ２００の製造方法について説明する。まず、基板１を用意する。また、基板１の用意と並行して、化学溶液を作製する。なお、化学溶液の原料塩、化学溶液の溶媒、および化学溶液を得る方法は、キャパシタ１００の場合と同じであるため詳細な説明を繰り返さない。

【0057】

次に、基板１に、膜厚８０ｎｍの白金（Ｐｔ）のゲート電極２０を形成する。具体的に、ゲート電極２０は、基板１にフォトリソグラフィ技術を用いて所定のパターンのフォトレジストを形成し、その後、高周波（ＲＦ）スパッタリングで白金（Ｐｔ）を成膜して、リフトオフでフォトレジストを取り去ることで形成される。

【0058】

次に、ゲート電極２０を形成した基板１の面に重ねて膜厚６０ｎｍのゲート絶縁膜３０を形成する。具体的に、ゲート絶縁膜３０は、化学溶液堆積法（ＣＳＤ：Chemical Solution Deposition）を用いゲート電極２０を形成した基板１の面に用意した化学溶液をスピンコートして成膜し、１５０℃で乾燥させた後、酸素雰囲気下、８００℃で焼成して結晶化することで形成される。

【0059】

次に、ゲート絶縁膜３０に重ねて膜厚１０ｎｍのチャネル形成膜４０を形成する。具体的に、チャネル形成膜４０は、化学溶液堆積法（ＣＳＤ）を用い、ゲート絶縁膜３０に重ねてＩＴＯ溶液をスピンコートして成膜し、１５０℃で乾燥させた後、酸素雰囲気下、５００℃で焼成して結晶化することで形成される。

【0060】

次に、チャネル形成膜４０の上に、膜厚８０ｎｍの白金（Ｐｔ）のソース電極５０およびドレイン電極６０を形成する。具体的に、ソース電極５０およびドレイン電極６０は、チャネル形成膜４０の上にフォトリソグラフィ技術を用いて所定のパターンのフォトレジストを形成し、その後、高周波（ＲＦ）スパッタリングで白金（Ｐｔ）を成膜して、リフトオフでフォトレジストを取り去ることで形成される。

【0061】

トランジスタ２００は、ＭＦＳ（Metal-Ferroelectric-Semiconductor）型のゲート絶縁膜３０を強誘電体膜とした構造を有する。これにより、トランジスタ２００は、ゲート絶縁膜３０に不揮発な電荷を蓄え、蓄えた電荷によってチャネル形成膜４０の抵抗値を高抵抗状態と低抵抗状態とに切り替えることができる記憶素子として機能させることができる。なお、本実施の形態に係るトランジスタ２００には、必ずしもＭＦＳ型構造を採用する必要はない。

【0062】

具体的に、トランジスタ２００を記憶素子として機能させる場合の動作について説明する。例えば、トランジスタ２００への書き込み時に、ソース電極５０とゲート電極２０との間に電圧を印加して、ゲート絶縁膜３０の分極方向を変化させる。記憶素子のキャパシタ電極として機能するゲート電極２０およびチャネル形成膜４０に蓄えられる電荷は、ゲート絶縁膜３０の分極方向に応じて変化する。これにより、ゲート絶縁膜３０の分極状態の変化に応じて閾値電圧が変化することになるため、ソース電極５０からドレイン電極６０に流れる電流（ドレイン電流）が変化する。

【0063】

トランジスタ２００は、例えば、チャネル形成膜４０がＮ型の半導体材料を含んでいる場合、閾値電圧が負の方向に変化すると、ゲート電極２０に印加する電圧（ゲート電圧）が０（ゼロ）Ｖのときにドレイン電流が増加する。一方、トランジスタ２００は、閾値電圧が正の方向に変化すると、ゲート電圧が０（ゼロ）Ｖのときにドレイン電流が減少する。これにより、トランジスタ２００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）との２つの状態を交互に切り替えることができる。

【0064】

よって、トランジスタ２００は、ゲート絶縁膜３０の分極状態の変化を利用してオン状態とオフ状態とを交互に切り替え、ソース電極５０およびドレイン電極６０とゲート電極２０との間で信号の記憶または消去を実現している。

【0065】

図７は、実施の形態に係る強誘電体膜を用いたトランジスタ２００の電気特性を示す図である。図７では、トランジスタ２００のゲート電極２０に印加する電圧（ゲート電圧）を走査したときのドレイン電流の変化（伝達特性）を、半導体パラメータアナライザーを用いて測定した。なお、図７に示す伝達特性の測定では、ドレイン電圧を１Ｖに固定した状態でゲート電圧ＶＧを－１０Ｖ～＋１０Ｖの範囲で走査した。

【0066】

トランジスタ２００の伝達特性は、図７に示すようにドレイン電流がゲート絶縁膜３０の分極反転に伴い急激に増減して、ゲート電圧に対してドレイン電流が履歴を示している。

【0067】

以上のように、本実施の形態に係る強誘電体膜と、強誘電体膜の表面に形成される電極と、を備える、電子部品の一例として、トランジスタ２００が考えられる。トランジスタ２００は、ゲート電極２０と、ソース電極５０と、ドレイン電極６０と、を含み、強誘電体膜は、強誘電体ゲートトランジスタのゲート絶縁膜３０としてゲート電極２０の上に形成される。これにより、電界の印加によって分極状態を制御できるトランジスタ２００を実現することができ、当該トランジスタ２００を記憶素子として使用することができる。

【0068】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0069】

１ 基板、２ 第１電極、３ 誘電体層、４ 第２電極、２０ ゲート電極、３０ ゲート絶縁膜、４０ チャネル形成膜、５０ ソース電極、６０ ドレイン電極、１００ キャパシタ、２００ トランジスタ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】