JP2000214065A - 強誘電体薄膜の特性解析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロメータあるいはサブマイクロメータ
スケールで、強誘電体薄膜の分極の均一性をチェック
し、強誘電体薄膜をメモリとして用いる際のスイッチン
グ挙動を解析することが可能な強誘電体薄膜の特性解析
方法の実現を課題とする。 【解決手段】 強誘電体薄膜の測定領域を直流バイアス
をかけた導電プローブチップで走査して分極し、分極前
後のヒストグラム解析によって分極領域の圧電応答イメ
ージを求め、同じ領域の相対する方向への分極とその結
果の圧電応答イメージの前後の差分解析を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体薄膜の特
性解析方法に関し、特に走査型フォース顕微鏡を用いた
強誘電体薄膜の特性解析方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、強誘電体薄膜薄膜が、長時間の記
憶の耐久性と高速のアクセスが可能な新世代の不揮発性
メモリとして強力に研究されている。しかしながら、メ
モリとして用いる場合、自発分極の不均一性がグレイン
（ｇｒａｉｎ：結晶粒）の配向に依存しているため、グ
レインからグレインに移ることよって強誘電特性の大き
な変動を引き起こす点に問題がある。

【０００３】高集積メモリ素子において、強誘電材料の
わずか２ないし３のグレインの集まりで個々の各記憶素
子が構成されているような場合、グレイン特性の変動は
サブマイクロメータサイズの記憶単位のスイッチング挙
動に少なからずの差異を引き起こす。言い換えると、ナ
ノスケールレベルでの強誘電体薄膜のスイッチング特性
の空間的な均一性が重要な問題点になる。

【０００４】この問題を解明する最も直接でかつ有益な
方法は、強誘電性ドメイン構成と外部電圧下でのその変
化の様子を高解像度で映像化することである。強誘電性
ドメイン構成の映像化の方法として幾つかの方法が開発
されている。分極顕微鏡による方法が最も簡単で有益な
方法であるが、しかしこの方法は光学的にアクチブすな
わち、複屈折性の物質にしか適用できないし、１μｍの
分解能しか有していない。また、光学的方法とデコレー
ションすなわちエッチング技術の組み合わせによる方法
はさらに分解能が悪く分解能は〜１０μｍ程度で、試料
の表面を乱す虞があるという問題がある。ＳＥＭやＴＥ
Ｍなどの電子顕微鏡による方法は、高い空間的な分解能
を提供するがエレクトロンビームによる帯電効果をもた
らす虞がある。

【０００５】近年、強誘電体における分極状態と、ドメ
イン構成が走査型フォース顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ
Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＦＭ）法によっ
て確実に制御できるという事実が実証された。この方法
は、高い空間分解能と、周囲環境中の試料の解析からデ
ータを生み出すことができ、そのために特別な試料への
事前の準備作業をしなくても良いという利点を合せ持っ
ている。この方法は、成長しているドメイン構成を視覚
化するだけでなく、局部的に電圧バイアスを印加するこ
とによって起きるイメージの変化によってこの構成を制
御して見せることも可能なために、強誘電体薄膜に対し
て、ことに有効であることが明らかになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、従来の
強誘電体薄膜の特性解析方法では分解能が不十分であっ
たり、測定中に試料に影響が及んだり、対象が限られて
いたり、特定の環境下で測定を行わなくてはいけないと
いう問題があった。本発明は、この点を解決して、走査
型フォース顕微鏡を用い、マイクロメータあるいはサブ
マイクロメータスケールで、強誘電体薄膜の分極の均一
性をチェックし、強誘電体薄膜をメモリとして用いる際
のスイッチング挙動を解析することが可能な強誘電体薄
膜の特性解析方法の実現を課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明は、走査型フォース顕微鏡を用いた強誘電体
薄膜の特性解析方法において、強誘電体薄膜表面の所定
の領域を、この領域に強誘電スイッチングを発生させる
ような０．５Ｖないし２０Ｖの正または負の直流バイア
スを保持する導電性探針チップで走査して行うことを特
徴とする。

【０００８】また、強誘電体薄膜表面の所定の領域を、
導電性探針チップに、第１の走査では０．５Ｖないし２
０Ｖの直流バイアスを保持させて走査し、続いて行う第
２の走査では０．５Ｖないし２０Ｖの前記第１の走査の
場合の逆の極性の直流バイアスを保持させて走査し、各
走査の後に得られる圧電応答イメージの連続するヒスト
グラム解析を行う圧電応答モードを用いて領域のイメー
ジングを行うことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる強誘電体薄
膜の特性解析方法を添付図面を参照にして詳細に説明す
る。

【００１０】強誘電体メモリ素子で、情報のビットは、
空間的な分極の相対する分極方向に対応する＋または−
の極性で符号化される。特定の分極状態にある個々の強
誘電体の記憶単位が情報の１ビットを表す。この様な記
憶単位の動作の信頼性は２つの分極状態間の差異に依存
する。すなわち、２つの分極状態を識別できるようにす
るため、この記憶単位中の強誘電体薄膜は容易に識別可
能な分極状態間をスイッチできなくてはならない。

【００１１】マイクロメータ、サブマイクロメータスケ
ールの記憶単位で、グレインからグレインへのスイッチ
ングパラメータの変動は重要な問題要素になる。グレイ
ンのスイッチ能力、したがって、薄膜のスイッチングパ
ラメータの均一性と、記憶単位の動作の確実性が、薄膜
表面の選ばれた面積に直流電圧を印加した結果を直接観
測することによって、すなわち、ドメイン構成の変化を
観測することによって、評価することができる。

【００１２】比較的低いポテンシャルにある導電性プロ
ーブＳＦＭチップは、強く且つ充分に局所的な電界を発
生する。これにより、マイクロメータまたはサブマイク
ロメータスケールの面積の分極反転と結果的にうまれる
ドメイン構成の時間的に連続的な映像化（イメージン
グ）を可能にする。かくして、ＳＦＭ法は、強誘電体薄
膜での空間的なスイッチングの均一性のナノスケールで
の特性を記述するための道具として用いることができ
る。

【００１３】ＳＦＭによるドメインのイメージングの方
法は、導電性プローブチップを介して印加される外部交
流電界によって引き起こされる圧電効果による薄膜の振
動の検出に基づいている。一般に、強誘電体薄膜の圧電
応答のイメージは、強誘電体薄膜でのドメインの複雑な
配列を反映したコントラストの変動を示す。ドメインの
コントラストが発生する主な理由の１つは、グレイン中
の分極ベクトルが薄膜表面に垂直な方向から偏ることに
起因するグレインの結晶配向方向の差異にある。

【００１４】圧電応答のディジタルイメージは、各点の
光の明暗が薄膜振動の振幅、すなわち、圧電応答信号
（Ｐｉｅｚｏ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｓｉｇｎａｌ）に比
例するような、明暗のコントラストの２次元マップで表
現される。圧電応答イメージの各点、すなわち、各ピク
セルでの、明暗のコントラストは、０ないし２５５のグ
レイレベル値に割り当てられる。言い換えれば、圧電応
答信号は、圧電定数ｄ３３に比例する。一般的にいえ
ば、圧電定数ｄ３３は次のように表すことができる。

【００１５】

【数１】ｄ３３＝２Ｑ１１εε０Ｐ

【００１６】ここでＱ１１は電気歪み定数であってほと
んど外部のパラメータに影響されない値であり、εは比
誘電率、Ｐは分極である。したがって、圧電応答イメー
ジの明るさは、分極Ｐに比例するといえる。ここでは、
これを、強誘電体薄膜のスイッチングの空間的な均一性
の特性表示へのアプローチに用いた。

【００１７】図１（ａ）および図１（ｂ）に、同時に得
られたＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）薄膜の表面形態
のイメージと圧電応答のイメージを示す。直流バイアス
を与えたチップで走査した領域を図１（ａ）では白い正
方形で示した。図１（ｂ）の圧電応答のイメージでの明
るい（白の）領域と暗い（黒の）領域は圧電定数ｄ３３
と分極ベクトルの負および正の極性の領域を示してい
る。

【００１８】圧電応答信号の位相をモニタリングするこ
とによって、暗い領域が正のドメイン（分極が下部電極
に対する方向である）を示し、明るい領域が分極ベクト
ルが上方向に向かっている負のドメインに対応している
ことが分かる。同時に、あるグレインは、圧電応答イメ
ージで０か弱く、ドメインコントラストの灰色の領域と
して示される。灰色コントラストの基準の明るさについ
ては、他のところで議論することとする。ＴＥＭおよび
ＸＲＤを用いた方法による薄膜の特性の分析によって、
図１（ｂ）中の大きな灰色コントラストのグレインは、
主として、グレインの結晶配向、すなわち薄膜の表面に
垂直な方向からの分極ベクトルの偏りよる。

【００１９】グレインの軸ずれおよび構造の不完全さ
が、マイクロメータスケールの記憶単位のスイッチング
動作に影響を与える度合いを決定するために、ＳＢＴ薄
膜表面のいくつかの領域のスイッチ能力を調べて見た。

【００２０】各領域は、選択された領域の上をプロービ
ングチップで走査し、薄膜の抗電圧以上の直流バイアス
を印加することによって、分極される。分極の後、分極
された領域の圧電応答信号の変動のヒストグラム分析が
実施された。

【００２１】薄膜の図１（ａ）に示された領域での、−
１２Ｖ直流バイアスによる分極した後での圧電応答イメ
ージを図１（ｃ）に示す。図から分極した領域がまった
く不均質なコントラストを示していることが分かる。こ
れはグレイン配向の異なりとスイッチングパラメータの
少なからぬ変動を意味している。実際に、測定領域内の
いくつかの場所での局所的な圧電応答の計測では、図１
（ｄ）に示すようなそれぞれ非常に異なったヒステリシ
スループが得られた。図１（ｄ）での各ヒステリシスル
ープの数字は図１（ａ）に示したポイントに対応してい
る。強い垂直シフトが見られる１のヒステリシスは後述
するピンドドメインに対応している。

【００２２】図１（ａ）の右の圧電応答イメージの灰色
コントラストの部分に見られる小さなグレイン（１００
ｎｍ以下の）の房状の部分も同じようにみえるがヒステ
リシスの挙動はこの部分では観測されないことに注目し
たい。ＴＥＭ解析からは、この房状部分は非層状構造の
ＳＢＴとは異なる結晶構造を示すことが示されている。

【００２３】図２は、ＳＢＴ薄膜の分極後の圧電応答イ
メージのヒストグラム解析を示す。図２（ａ）は、図１
（ａ）の中央の正方形で囲まれた直流バイアスで分極さ
れた領域の圧電応答イメージであり、図２（ｂ）は、分
極領域の圧電応答信号に対する対応するピクセルの数を
示した標準ヒストグラムである。また、図２（ｃ）は、
圧電応答信号のある値に等しいかそれ以下のピクセルの
パーセンテージを示す積分ヒストグラムである。図１
（ｃ）で分極して行った測定領域のヒストグラム解析か
ら、この領域の圧電応答信号ＰＲＳについてのＳＣＵＴ
／Ｓｔ比はその最大値（飽和値）の０．９（０．９最大
ＰＲＳ）以上の値は５３％であることが示される。

【００２４】図３（ａ）は、薄膜の測定領域の圧電応答
イメージから測定したＳＣＵＴ／Ｓｔ比の統計分布を示
している。ＳＣＵＴ／Ｓｔ比は圧電応答信号の最大値の
９０％を越える圧電応答信号を示す分極領域のパーセン
テージを示す。ＳＣＵＴ／Ｓｔ比の標準偏差は約９％
で、平均値は約６１％と見られる。最大ＰＲＳの９０％
のカットオフは薄膜の良好なスイッチングのパラメータ
として選ばれる。さらに重要な問題は、強誘電体層とし
ての現在のＳＢＴ薄膜のマイクロスケールの記憶単位か
らの積分電気信号（たとえばスイッチ可能な分極など）
に関するものである。

【００２５】ここでは、薄膜の全部の場所がスイッチ可
能で、各部分の分極信号への貢献の度合いが分極後のＰ
ＲＳに比例すると仮定して、ヒストグラムデータを積分
することで、期待される分極信号を評価した。その最大
論理値（完全にａ軸に配向した一様の薄膜を想定した）
に関する評価した分極信号の統計分布を図３（ｂ）に示
した。

【００２６】しかしながら、実際には、分極信号の最大
値の約４７％であることが分かっている、平均の分極信
号は、薄膜のある領域でスイッチングが不可能であるの
で、より小さいものと思われる。このスイッチングが不
可能な領域は、高いドメインコントラストを示すが、外
部電界によって変化しない。また、この領域のヒステリ
シスループは、垂直方向にシフトして、ピンドドメイン
の存在を表している。このピンニングメカニズムは、明
らかでなく、一層の研究が必要である。

【００２７】強誘電体薄膜のスイッチング挙動の評価方
法の改善のために、ＳＢＴ薄膜表面の同じ場所に、相反
する電圧バイアスを印加することで、相反する方向への
分極処理を、薄膜の正または負の分極領域の圧電応答イ
メージの時間的に前後した差分解析により、実行した。

【００２８】図４に、ＳＢＴ薄膜の分極後の差分解析結
果を示す。図４（ａ）は正の直流バイアスで分極された
中央領域の圧電応答イメージであり、図４（ｂ）は負の
直流バイアスで分極された場合のそれである。図４
（ｃ）は薄膜表面の表面形態イメージであり、図４
（ｄ）は図４（ａ）と図４（ｂ）の差分解析結果であ
る。差分解析のために、正および負に分極された薄膜
の、同じ領域の２つのイメージ（図４（ａ）、図４
（ｂ））は、相互に差し引かれ、その結果、スイッチン
グが良好の領域は最大の明るさで、スイッチできない領
域は暗く示されるような差分イメージが得られる（図４
（ｄ））。この方法によると、積分分極信号の評価か
ら、ピンドドメイン領域を除外するすることができる。

【００２９】以上述べたようにして、走査型フォース顕
微鏡によって、強誘電体薄膜でのスイッチングの空間的
な均一性の特性評価の新しい方法が提案された。この方
法では、まず、強誘電体薄膜の領域が直流バイアスをか
けた導電プローブチップで走査されて分極される。分極
の結果は、分極前後のヒストグラム解析によって分極領
域の圧電応答イメージを求めることで、チェックされ
る。同じ領域の相対する正逆方向への分極とその結果の
圧電応答イメージの前後の差分解析は、積分分極信号の
評価からピンドドメイン領域を除外することができて、
この方法を一層改善することになる。

【００３０】この方法は、ＳＦＭ圧電応答モードの分解
能によって決定される高い横方向分解能を示し、マイク
ロメータおよびサブマイクロメータスケールの記憶単体
のスイッチング挙動の評価を可能にする。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１の
発明は、走査型フォース顕微鏡を用いた強誘電体薄膜の
特性解析方法において、強誘電体薄膜表面の所定の領域
を、この領域に強誘電スイッチングを発生させるような
０．５Ｖないし２０Ｖの正または負の直流バイアスを保
持する導電性探針チップで走査して行うことを特徴とす
る。これにより、強誘電体薄膜表面の所定の領域を分極
させて、十分な分解能で特性解析を行うことができる。

【００３２】本発明の請求項２の発明は、直流バイアス
を保持する導電性探針チップで走査した結果、得られる
圧電応答イメージの連続するヒストグラム解析を行う圧
電応答モードを用いて薄膜表面のイメージングを行うこ
とを特徴とする。これにより、強誘電体薄膜表面の所定
の領域の圧電応答イメージとその応答のヒストグラム解
析を十分な分解能で行うことができる。

【００３３】本発明の請求項３の発明は、走査型フォー
ス顕微鏡を用いた強誘電体薄膜の特性解析方法におい
て、強誘電体薄膜表面の所定の領域を、導電性探針チッ
プに、第１の走査では０．５Ｖないし２０Ｖの直流バイ
アスを保持させて走査し、続いて行う第２の走査では
０．５Ｖないし２０Ｖの第１の走査の場合の逆の極性の
直流バイアスを保持させて走査し、各走査の後に得られ
る圧電応答イメージの連続するヒストグラム解析を行う
圧電応答モードを用いて領域のイメージングを行うこと
を特徴とする。これにより、強誘電体薄膜表面の所定の
領域の正または負の分極に対する圧電応答イメージとそ
の応答のヒストグラム解析を十分な分解能で行うことが
できる。

【００３４】本発明の請求項４の発明は、第１の走査お
よび第２の走査で得られた圧電応答イメージの差分ヒス
トグラム解析を行って強誘電体薄膜表面の所定の領域の
圧電応答イメージの差分解析を行う。これにより、強誘
電体薄膜表面の所定の領域の正または負の分極に対する
圧電応答イメージとその応答のヒストグラム解析の差分
解析を十分な分解能で行うことができる。

【００３５】本発明の請求項５の発明は、強誘電体薄膜
表面の１０ないし１００の異なった領域に対して、連続
した統計的解析ヒストグラムデータを得て解析を行う。
これにより、マイクロメータあるいはサブマイクロメー
タスケールで、強誘電体薄膜の分極の均一性をチェック
し、強誘電体薄膜をメモリとして用いる際のスイッチン
グ挙動を解析することができる。

【００３６】本発明の請求項６の発明は、強誘電体薄膜
がＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂ
ａＴｉＯ３Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２などのエピタキシアルお
よび多結晶体強誘電体薄膜であることを特徴とする。こ
れにより、高集積の不揮発性メモリ素子の開発に結び付
く強誘電体薄膜の特性解析が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】強誘電体薄膜（ＳＢＴ）の表面地勢図、圧電応
答イメージ、分極後の圧電応答イメージおよび特定点で
のヒステリシスループを示す写真。

【図２】ＳＢＴ薄膜の分極後の圧電応答イメージのヒス
トグラム解析結果を示す写真。

【図３】ＳＣＵＴ／Ｓｔ比の統計分布および評価分極信
号の統計分布を示す図。

【図４】ＳＢＴ薄膜の分極後の差分解析結果を示す写
真。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査型フォース顕微鏡を用いた強誘電体
   薄膜の特性解析方法において、 強誘電体薄膜表面の所定の領域を、この領域に強誘電ス
   イッチングを発生させるような０．５Ｖないし２０Ｖの
   正または負の直流バイアスを保持する導電性探針チップ
   で走査して行うことを特徴とする強誘電体薄膜の特性解
   析方法。
2. 【請求項２】 前記直流バイアスを保持する導電性探針
   チップで走査した結果、得られる圧電応答イメージの連
   続するヒストグラム解析を行う圧電応答モードを用いて
   薄膜表面のイメージングを行うことを特徴とする請求項
   １に記載の強誘電体薄膜の特性解析方法。
3. 【請求項３】 走査型フォース顕微鏡を用いた強誘電体
   薄膜の特性解析方法において、 強誘電体薄膜表面の所定の領域を、導電性探針チップ
   に、第１の走査では０．５Ｖないし２０Ｖの直流バイア
   スを保持させて走査し、続いて行う第２の走査では０．
   ５Ｖないし２０Ｖの前記第１の走査の場合の逆の極性の
   直流バイアスを保持させて走査し、各走査の後に得られ
   る圧電応答イメージの連続するヒストグラム解析を行う
   圧電応答モードを用いて領域のイメージングを行うこと
   を特徴とする強誘電体薄膜の特性解析方法。
4. 【請求項４】 前記第１の走査および前記第２の走査で
   得られた圧電応答イメージの差分ヒストグラム解析を行
   って前記強誘電体薄膜表面の所定の領域の圧電応答イメ
   ージの差分解析を行うことを特徴とする請求項３に記載
   の強誘電体薄膜の特性解析方法。
5. 【請求項５】 強誘電体薄膜表面の１０ないし１００の
   異なった領域に対して、連続した統計的解析ヒストグラ
   ムデータを得て解析を行う請求項１ないし請求項４のい
   ずれかに記載の強誘電体薄膜の特性解析方法。
6. 【請求項６】 前記強誘電体薄膜がＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
   Ｏ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＢａＴｉＯ３Ｂｉ４Ｔｉ
   ３Ｏ１２などのエピタキシアルおよび多結晶体強誘電体
   薄膜であることを特徴とする請求項１または請求項３に
   記載の強誘電体薄膜の特性解析方法。