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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023105817
(43)【公開日】2023-07-31
(54)【発明の名称】キャパシタ及びそれを含む半導体装置
(51)【国際特許分類】
H10B 53/00 20230101AFI20230724BHJP
H01G 4/008 20060101ALI20230724BHJP
H01G 4/12 20060101ALI20230724BHJP
【ＦＩ】
H10B53/00
H01G4/008
H01G4/12
【審査請求】未請求
【請求項の数】25
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023006068
(22)【出願日】2023-01-18
(31)【優先権主張番号】10-2022-0008131
(32)【優先日】2022-01-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(71)【出願人】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100154922
【弁理士】
【氏名又は名称】崔 允辰
(72)【発明者】
【氏名】羅 炳勲
(72)【発明者】
【氏名】李 周浩
【テーマコード（参考）】
5E001
5E082
5F083
【Ｆターム（参考）】
5E001AB01
5E082AB01
5E082EE02
5E082EE18
5E082FF05
5E082FG26
5F083AD25
5F083AD60
5F083FR02
5F083GA06
5F083GA09
5F083JA14
5F083JA15
5F083JA16
5F083JA31
5F083JA36
5F083JA37
5F083JA38
5F083JA39
5F083JA40
5F083JA43
5F083NA01
5F083PR03
5F083PR05
(57)【要約】
【課題】キャパシタ及びそれを含む半導体装置を提供する。
【解決手段】キャパシタは、ペロブスカイト結晶構造を有する誘電体層と、誘電体層を挟んで離隔配置される第１及び第２電極と、を含み、第１及び第２電極のうち少なくとも１つは、ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層、イオン特性を有する第１イオン化層及び半導体層を含む。
【選択図】図１
【解決手段】キャパシタは、ペロブスカイト結晶構造を有する誘電体層と、誘電体層を挟んで離隔配置される第１及び第２電極と、を含み、第１及び第２電極のうち少なくとも１つは、ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層、イオン特性を有する第１イオン化層及び半導体層を含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ペロブスカイト結晶構造を有する誘電体層と、
前記誘電体層を挟んで離隔配置される第１及び第２電極と、を含み、
前記第１及び第２電極のうち少なくとも１つは、
ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層と、
イオン特性を有する第１イオン化層と、
半導体層と、を含み、
前記誘電体層から遠くなる方向に、前記金属性層、前記第１イオン化層及び前記半導体層が順次に配列された、キャパシタ。
前記誘電体層を挟んで離隔配置される第１及び第２電極と、を含み、
前記第１及び第２電極のうち少なくとも１つは、
ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層と、
イオン特性を有する第１イオン化層と、
半導体層と、を含み、
前記誘電体層から遠くなる方向に、前記金属性層、前記第１イオン化層及び前記半導体層が順次に配列された、キャパシタ。
【請求項2】
前記金属性層は、Ａ１Ｂ１Ｏ３（Ｏ：酸素）組成を有し、Ｂ１が金属である、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項3】
前記金属性層は、ＢａＲｕＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＢａＩｒＯ３、ＢａＶＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＳｒＩｒＯ３及びＳｒＶＯ３のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項4】
前記金属性層の厚みは、５０Å以下である、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項5】
前記半導体層は、ペロブスカイト結晶構造を有する誘電性物質に金属物質がドーピングされた、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項6】
前記誘電性物質は、前記誘電体層に含まれた物質と同一である、請求項５に記載のキャパシタ。
【請求項7】
前記金属物質は、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｃｏ及びＳｃのうち少なくとも１つを含む、請求項５に記載のキャパシタ。
【請求項8】
前記半導体層の厚みは、前記金属性層の厚みより大きい、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項9】
前記半導体層の厚みは、前記金属性層の厚みの５倍以上である、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項10】
前記半導体層の厚みは、１００Åないし３００Åである、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項11】
前記第１イオン化層は、陽イオン特性を有する、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項12】
前記第１イオン化層は、ペロブスカイト結晶構造を有する、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項13】
前記第１イオン化層は、陽イオン特性を有する陽イオン化層と、中性特性を有する第１中性層とを含む、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項14】
前記第１イオン化層は、Ａ３Ｂ３Ｏ３（Ｏ：酸素）組成を含み、
Ａ３は３価以上の陽イオンであり、Ｂ３は４価陽イオンである、請求項１に記載のキャパシタ。
Ａ３は３価以上の陽イオンであり、Ｂ３は４価陽イオンである、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項15】
前記第１イオン化層に含まれた陽イオンのうち１つは、前記半導体層及び前記金属性層のうち少なくとも１層に含まれた陽イオンと同一である、請求項１３に記載のキャパシタ。
【請求項16】
前記第１イオン化層は、ＬａＴｉＯ３、ＳｍＴｉＯ３、ＹＴｉＯ３、ＤｙＴｉＯ３及びＳｍＴｉＯ３のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項17】
前記第１電極と前記誘電体層との間、及び前記第２電極と前記誘電体層との間に、前記第１イオン化層とイオン特性が異なる第２イオン化層をさらに含む、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項18】
前記第２イオン化層は、ペロブスカイト結晶構造を有する、請求項１７に記載のキャパシタ。
【請求項19】
前記第２イオン化層は、陰イオン特性を有する陰イオン化層と、中性特性を有する第２中性層とを含む、請求項１７に記載のキャパシタ。
【請求項20】
前記第２イオン化層は、Ａ４Ｂ４Ｏ３（Ｏ：酸素）組成を含み、
Ａ４は１価以上の陽イオンであり、Ｂ４は４価陽イオンである、請求項１７に記載のキャパシタ。
Ａ４は１価以上の陽イオンであり、Ｂ４は４価陽イオンである、請求項１７に記載のキャパシタ。
【請求項21】
前記第２イオン化層は、ＬｉＴｉＯ３、ＮａＴｉＯ３、ＫＴｉＯ３、ＲｂＴｉＯ３、ＬｉＺｒＯ３、ＮａＺｒＯ３、ＫＺｒＯ３、ＲｂＺｒＯ３、ＬｉＨｆＯ３、ＮａＨｆＯ３、ＫＨｆＯ３及びＲｂＨｆＯ３のうち少なくとも１つを含む、請求項１７に記載のキャパシタ。
【請求項22】
前記誘電体層は、ＢａＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＨｆＯ３及びＳｒＺｒＯ３のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項23】
前記誘電体層は、相異なる誘電特性を有する２以上の誘電性物質が原子単位で反復積層された超格子構造を有する、請求項１に記載のキャパシタ。
【請求項24】
請求項１ないし２３のうちいずれか１項に記載のキャパシタを含む、半導体装置。
【請求項25】
トランジスタをさらに含み、
前記キャパシタは、前記トランジスタと電気的に連結された、請求項２４に記載の半導体装置。
前記キャパシタは、前記トランジスタと電気的に連結された、請求項２４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、キャパシタ及びそれを含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
多様な家庭用機器及び産業用機器に、メモリ及びトランジスタのような半導体素子が使用される。家庭用機器及び産業用機器の高性能化によって、半導体素子の高集積化及び微細化が進められる。
【0003】
半導体素子の高集積化及び微細化によって、半導体素子の大きさが減少する。例えば、キャパシタの小型化によって、キャパシタの容量が減少し、漏れ電流が増大するので、そのような問題を解決するために多様な方法が提案される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、ペロブスカイト結晶構造を安定して維持する電極を提供することである。
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、ペロブスカイト結晶構造を安定して維持する誘電体層を提供することである。
【0006】
本発明が解決しようとする課題は、高い誘電率を有する誘電体層を提供することである。
【0007】
本発明が解決しようとする課題は、向上したキャパシタンス特性を有するキャパシタを提供することである。
【0008】
本発明が解決しようとする課題は、向上したキャパシタンス特性を有するキャパシタを含む半導体装置を提供することである。
【0009】
但し、本発明が解決しようとする課題は、前記開示に限定されない。
【課題を解決するための手段】
【0010】
一実施形態によるキャパシタは、ペロブスカイト結晶構造を有する誘電体層と、前記誘電体層を挟んで離隔配置される第１及び第２電極と、を含み、前記第１及び第２電極のうち少なくとも１つは、ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｌａｙｅｒ）と、イオン特性を有する第１イオン化層（ｆｉｒｓｔ ｉｏｎｉｃ ｌａｙｅｒ）と、半導体層と、を含み、前記誘電体層から遠くなる方向に、前記金属性層、前記第１イオン化層及び前記半導体層が順次に配列される。
【0011】
そして、前記金属性層は、Ａ１Ｂ１Ｏ３（Ｏ：酸素）組成を有し、Ｂ１が金属でもある。
【0012】
また、前記金属性層は、ＢａＲｕＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＢａＩｒＯ３、ＢａＶＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＳｒＩｒＯ３及びＳｒＶＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0013】
そして、前記金属性層の厚みは、５０Å以下でもある。
【0014】
また、前記半導体層は、ペロブスカイト結晶構造を有する誘電性物質に金属物質がドーピングされうる。
【0015】
そして、前記誘電性物質は、前記誘電体層に含まれた物質と同一である。
【0016】
また、前記金属物質は、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｃｏ及びＳｃのうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0017】
そして、前記半導体層の厚みは、前記金属性層の厚みよりも大きい。
【0018】
また、前記半導体層の厚みは、前記金属性層の厚みの５倍以上でもある。
【0019】
そして、前記半導体層の厚みは、１００Åないし３００Åでもある。
【0020】
また、前記第１イオン化層は、陽イオン特性を有することができる。
【0021】
そして、前記第１イオン化層は、ペロブスカイト結晶構造を有することができる。
【0022】
また、前記第１イオン化層は、陽イオン特性を有する陽イオン化層と、中性特性を有する第１中性層とを含むものでもある。
【0023】
そして、前記第１イオン化層は、Ａ３Ｂ３Ｏ３（Ｏ：酸素）組成を含み、Ａ３は３価以上の陽イオンであり、Ｂ３は４価陽イオンでもある。
【0024】
また、前記第１イオン化層に含まれた陽イオンのうち１つは、前記半導体層及び前記金属性層のうち少なくとも１つに含まれた陽イオンと同一である。
【0025】
そして、前記第１イオン化層は、ＬａＴｉＯ３、ＳｍＴｉＯ３、ＹＴｉＯ３、ＤｙＴｉＯ３及びＳｍＴｉＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0026】
また、前記第１電極と前記誘電体層との間、及び前記第２電極と前記誘電体層との間に、前記第１イオン化層とイオン特性が異なる第２イオン化層をさらに含んでもよい。
【0027】
そして、前記第２イオン化層は、ペロブスカイト結晶構造を有することができる。
【0028】
また、前記第２イオン化層は、陰イオン特性を有する陰イオン化層と、中性特性を有する第２中性層とを含むものでもある。
【0029】
そして、前記第２イオン化層は、Ａ４Ｂ４Ｏ３（Ｏ：酸素）組成を含み、Ａ４は１価以上の陽イオンであり、Ｂ４は４価陽イオンでもある。
【0030】
また、前記第２イオン化層は、ＬｉＴｉＯ３、ＮａＴｉＯ３、ＫＴｉＯ３、ＲｂＴｉＯ３、ＬｉＺｒＯ３、ＮａＺｒＯ３、ＫＺｒＯ３、ＲｂＺｒＯ３、ＬｉＨｆＯ３、ＮａＨｆＯ３、ＫＨｆＯ３及びＲｂＨｆＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0031】
そして、前記誘電体層は、ＢａＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＨｆＯ３及びＳｒＺｒＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0032】
また、前記誘電体層は、相異なる誘電特性を有する２以上の誘電性物質が原子単位で反復積層された超格子構造を有することができる。
【0033】
一方、一実施形態による半導体装置は、前述のキャパシタを含む。
【0034】
そして、トランジスタをさらに含み、前記キャパシタは、前記トランジスタと電気的に連結されうる。
【発明の効果】
【0035】
本発明は、ペロブスカイト結晶構造を安定して維持する電極を提供することができる。
【0036】
本発明は、ペロブスカイト結晶構造を安定して維持する誘電体層を提供することができる。
【0037】
本発明は、高い誘電率を有する誘電体層を提供することができる。
【0038】
本発明は、向上したキャパシタンス特性を有するキャパシタを提供することができる。
【0039】
本発明は、向上したキャパシタンス特性を有するキャパシタを含む半導体装置を提供することができる。
【0040】
但し、発明の効果は、前記開示に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】一実施形態によるペロブスカイト結晶構造を有するキャパシタを示す図面である。
【図2】一実施形態による半導体層の母材と金属性層との静電位（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を示すグラフである。
【図3】一実施形態による半導体層／第１イオン化層／金属性層の構造体に対するＩＶ特性を示すグラフである。
【図4】一実施形態によるキャパシタの誘電定数を測定した結果を示す図面である。
【図5】一実施形態によるキャパシタのＩＶ特性を測定した結果を示す図面である。
【図6】他の実施形態による第２イオン化層を含むキャパシタを示す図面である。
【図7】他の実施形態によるキャパシタを示す図面である。
【図8】例示的な実施形態によるキャパシタを示す図面である。
【図9】例示的な実施形態による半導体装置の断面図である。
【図10】例示的な実施形態によるメモリ要素の断面図である。
【図11】実施形態によるキャパシタを採用した電子装置の概略的な回路図である。
【図12】さらに他の例示的な実施形態による電子装置を示す平面図である。
【図14】さらに他の例示的な実施形態による電子装置を示す断面図である。
【図15】例示的な実施形態による装置に適用可能な素子アーキテクチャを概略的に示す概念図である。
【図16】例示的な実施形態による装置に適用可能な素子アーキテクチャを概略的に示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【0042】
以下、添付された図面を参照して、例示的な実施形態について詳細に説明する。以下の図面において、同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜上、誇張されうる。以下に述べられる実施形態は、単に例示的なものであり、それらの実施形態から多様な変形が可能である。
【0043】
一方、以下において、「上部」や「上」と記載されたものは、接触してすぐ上にあるものだけでなく、非接触で上にあるものも含む。単数の表現は、文脈上明白に取り立てて意味しない限り、複数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、それは、特に逆の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。「前記」の用語及びそれと類似した指示用語の使用は、単数及び複数の両方に該当するものである。
【0044】
図１は、一実施形態によるペロブスカイト結晶構造を有するキャパシタ１００を示す図面である。図１を参照すれば、一実施形態によるキャパシタ１００は、ペロブスカイト結晶構造を有する誘電体層１１０と、誘電体層１１０を挟んで離隔配置される第１及び第２電極１３０、１５０とを含むものでもある。
【0045】
誘電体層１１０の厚みは、例えば、５ｎｍないし１００ｎｍ、または１０ｎｍないし１００ｎｍでもある。誘電体層１１０の厚みが厚すぎれば、キャパシタ１００の単位体積当たり容量が減少する。また、誘電体層１１０の厚みが薄すぎれば、界面の誘電率低下領域の割合が高くなるので、キャパシタ１００の単位体積当たり容量が減少する。
【0046】
誘電体層１１０は、ペロブスカイト結晶構造（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する誘電性物質を含んでもよい。ペロブスカイト結晶構造は、Ａ１Ｂ１Ｏ３組成を有することができる。ペロブスカイト構造を有する前記組成において、Ａ１は、１２個の酸素原子に配位される立方八面体サイト（ｃｕｂｏｃｔａｈｅｄｒａｌ ｓｉｔｅ）に配置され、Ｂ１は、６個の酸素原子に配位される八面体サイト（ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ ｓｉｔｅ）に配置されうる。誘電体層１１０は、２価陽イオンであるＡ１と、４価陽イオンであるＢ１とで構成されたペロブスカイト結晶構造の３元系酸化物（ＡＢＯ３）を含んでもよい。
【0047】
誘電体層１１０は、強誘電特性または常誘電特性を有することができる。誘電体層１１０が強誘電特性を有する場合、例えば、誘電体層１１０は、ＢａＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３またはＰｂＺｒＯ３を含んでもよい。誘電体層１１０が常誘電特性を有する場合、例えば、誘電体層１１０は、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＨｆＯ３またはＳｒＺｒＯ３を含んでもよい。誘電体層１１０に含まれる酸化物は、それらに限定されず、他の陽イオンを含むペロブスカイト３元系酸化物も可能である。
【0048】
Ａ１Ｂ１Ｏ３（Ｏ：酸素）組成のペロブスカイト結晶構造を有する物質は、Ａ１物質とＢ１物質との組成比、Ａ１－Ｏ、Ｏ－Ｂ１－Ｏ結合状態（ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｔａｔｅ）など結晶性状態によっても誘電特性が大きく左右される。例えば、誘電体層１１０の結晶性が低ければ、誘電特性が劣化する。
【0049】
誘電体層１１０の結晶性は、誘電体層１１０に隣接する第１及び第２電極１３０、１５０の結晶性から影響を受けることができる。例えば、第１及び第２電極１３０、１５０の結晶性が低ければ、誘電体層１１０の結晶性も低くなり、第１及び第２電極１３０、１５０の結晶性が高ければ、誘電体層１１０の結晶性も高くなる。従って、誘電体層１１０の高い誘電率が安定して維持されるために、第１及び第２電極１３０、１５０の結晶性が高いことが好ましい。
【0050】
一方、電極としてＲｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕなど貴金属（ｎｏｂｌｅ ｍｅｔａｌ）が使用される場合、貴金属はペロブスカイト結晶構造を有していないので、誘電体層１１０がペロブスカイト結晶構造を維持することができず、誘電体層１１０の誘電特性が劣化する。
【0051】
一実施形態による第１電極１３０は、ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層１３２を含むものでもある。金属性層１３２は、Ａ２Ｂ２Ｏ３組成を有することができる。Ａ２Ｂ２Ｏ３組成のうち、Ｂ２サイトにＲｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｖなど金属物質を含んでもよい。例えば、金属性層１３２は、ＢａＲｕＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＢａＩｒＯ３、ＢａＶＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＳｒＩｒＯ３及びＳｒＶＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。金属性層１３２は、比抵抗が低く、かつ高い伝導性の金属特性を有するところ、キャパシタ１００の電極の役割を行うことができる。
【0052】
一方、３元系の金属性層１３２に含まれた金属物質は、多様な価数を有することができ、酸化力が弱く、安定したペロブスカイト結晶構造を維持しがたい。例えば、Ｒｕの場合、電気的抵抗が低く、かつ仕事関数（ｗｏｒｋ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が大きく、キャパシタ１００の電極として適している。しかしながら、Ｒｕ物質自体の酸化及び還元の反応性が高く、ペロブスカイト結晶構造以外の他の結晶に容易に変形されうる。さらに、Ｒｕを含む金属性層１３２がペロブスカイト結晶構造を形成するとしても、真空、高温、酸素分圧などを含む工程環境によってペロブスカイト結晶構造が容易に崩壊されうる。これにより、誘電体層１１０と金属性層１３２との界面及び誘電体層１１０の結晶性を劣化させうる。
【0053】
金属性層１３２の不安定性のため、金属性層１３２の厚みは薄いことが好ましい。金属性層１３２は、単一層であるが、それに限定されない。金属性層１３２は、複数の層にも形成される。金属性層１３２が複数層であるとしても、金属性層１３２の厚みは、約５０Å以下でもある。一方、金属性層１３２の厚みが薄くなれば、金属性層１３２の比抵抗が高くなることもある。
【0054】
一実施形態による第１電極１３０は、半導体層１３４をさらに含んでもよい。半導体層１３４は、誘電性物質の母材に金属物質がドーピングされた形態でもある。半導体層１３４の母材は、金属性層１３２と同一な結晶構造を有する誘電性物質でもある。半導体層１３４の母材は、金属性層１３２の結晶構造と同一なペロブスカイト結晶構造を有することにより、金属性層１３２の結晶性を安定化させることができる。半導体層１３４の母材は、誘電体層１１０に含まれた誘電性物質と同一である。例えば、半導体層１３４は、ＢａＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＨｆＯ３またはＳｒＺｒＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0055】
半導体層１３４にドーピングされたドーパントは、金属物質でもある。例えば、ドーパントは、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｃｏ及びＳｃのうち少なくとも１つを含んでもよい。半導体層１３４は、厚みが薄い金属性層１３２によって第１電極１３０の比抵抗が高くなることを防止することができる。また、半導体層１３４により、第１電極１３０の仕事関数も大きくなる。
【0056】
半導体層１３４は、薄い金属性層１３２の比抵抗が高くなることを防止するところ、半導体層１３４の厚みは、金属性層１３２の厚みよりも大きい。半導体層１３４の厚みは、金属性層１３２の厚みの５倍以上でもある。例えば、半導体層１３４の厚みは、１００Åないし３００Åでもある。
【0057】
半導体層１３４は、金属性層１３２に比べて補充的な電極の役割を行うところ、半導体層１３４は、金属性層１３２に比べて誘電体層１１０から遠く配置されうる。例えば、半導体層１３４と誘電体層１１０との間に金属性層１３２が配置されてもよい。
【0058】
一方、半導体層１３４と金属性層１３２とが直接接合することになれば、半導体層１３４と金属性層１３２との間に空乏層が形成されうる。空乏層は、寄生キャパシタンスを形成し、キャパシタ１００の全体キャパシタンスを低下させることができる。
【0059】
一実施形態による第１電極１３０は、半導体層１３４と金属性層１３２とのオーミックコンタクト（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）を形成する第１イオン化層１３６をさらに含んでもよい。
【0060】
第１イオン化層も、誘電体層１１０及び第１電極１３０の結晶性を安定化させるためにペロブスカイト結晶構造を有することができる。ペロブスカイト結晶構造は、Ａ３Ｂ３Ｏ３（Ｏ：酸素）組成を有することができる。ペロブスカイト構造を有する前記組成において、Ａ３は、１２個の酸素原子に配位される立方八面体サイトに配置され、Ｂ３は、６個の酸素原子に配位される八面体サイトに配置されうる。
【0061】
第１イオン化層１３６は、全体として陽イオン特性を有することができる。例えば、第１イオン化層１３６は、［Ａ３Ｏ］ｎ＋で表される陽イオン化層（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｉｏｎｉｃ ｌａｙｅｒ）と、［Ｂ３Ｏ２］で表される中性層とを含んでもよい。Ａ３は３価以上の陽イオンであり、Ｂ３は４価陽イオンでもある。または、第１イオン化層１３６は、［Ａ３Ｏ］で表される中性層と、［Ｂ３Ｏ２］ｎ＋で表される陽イオン化層とを含んでもよい。Ａ３は２価陽イオンであり、Ｂ３は５価陽イオンでもある。
【0062】
第１イオン化層１３６に含まれた陽イオンのうち少なくとも１つは、隣接した半導体層１３４または金属性層１３２に含まれた陽イオンと同一である。第１イオン化層１３６の格子サイズは、半導体層１３４または金属性層１３２の格子サイズと類似していることにより、第１電極１３０の結晶性を高めることができる。例えば、第１イオン化層１３６は、ＬａＴｉＯ３、ＳｍＴｉＯ３、ＹＴｉＯ３、ＤｙＴｉＯ３及びＳｍＴｉＯ３のうち少なくとも１つを含むが、それらに限定されない。イオン化層は、全体として陽イオン特性を有しつつ、ペロブスカイト構造を有する物質であれば十分である。
【0063】
金属性層１３２と半導体層１３４との間に第１イオン化層１３６が挿入されることにより、金属性層１３２と半導体層１３４との間にインターフェースダイポール（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｉｐｏｌｅ）が生成され、スクリーニング電荷（ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ）が誘導されうる。特に、第１イオン化層１３６は、陽イオン特性を有するところ、負のスクリーニング電荷が誘導され、半導体層１３４と金属性層１３２との間のショットキーバリア（ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ）が減少しうる。
【0064】
半導体層１３４と金属性層１３２との接合によるショットキーバリアは、第１イオン化層１３６によって減少するところ、半導体層１３４と金属性層１３２とのオーミックコンタクトを形成することができる。オーミックコンタクトにより、金属性層１３２の厚み減少による金属性層１３２の伝導性低下を防止することができる。また、半導体層１３４は、金属性層１３２に含まれた金属物質が誘電体層１１０に拡散することを減らすことができ、誘電体層１１０の結晶低下を防止することができる。従って、誘電体層１１０の誘電特性を向上させることができる。
【0065】
第１イオン化層１３６は、半導体層１３４と金属性層１３２とのオーミックコンタクトを形成するためのものであるところ、第１イオン化層１３６の厚みは薄いことが好ましい。第１イオン化層１３６は、単一層でもある。例えば、第１イオン化層１３６は、１層の陽イオン化層と１層の中性層とが立体的に結合された単一層であるが、それに限定されない。第１イオン化層１３６は、複数の層にも形成される。第１イオン化層１３６が複数層であるとしても、第１イオン化層１３６の厚みは、金属性層１３２及び半導体層１３４の厚みよりも小さい。例えば、第１イオン化層１３６の厚みは、約１０Å以下でもある。
【0066】
一実施形態による第２電極１５０も、第１電極１３０と同様に、ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層１５２、半導体層１５４及びイオン特性を有する第１イオン化層１５６を含むものでもある。金属性層１５２、第１イオン化層１５６及び半導体層１５４は、誘電体層１１０から遠くなる方向に順次に配置されうる。第２電極１５０に含まれた金属性層１５２、第１イオン化層１５６及び半導体層１５４は、第１電極１３０に含まれた金属性層１３２、第１イオン化層１３６及び半導体層１３４と同一である。
【0067】
具体的には、金属性層１５２は、Ａ２Ｂ２Ｏ３組成を有することができる。Ａ２Ｂ２Ｏ３組成のうち、Ｂ２サイトにＲｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｖなど金属物質を含んでもよい。例えば、金属性層１５２は、ＢａＲｕＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＢａＩｒＯ３、ＢａＶＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＳｒＩｒＯ３及びＳｒＶＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。金属性層１５２は、比抵抗が低く、かつ高い伝導性の金属特性を有するところ、キャパシタ１００の電極の役割を行うことができる。
【0068】
半導体層１５４は、誘電性物質の母材に金属物質がドーピングされた形態でもある。半導体層１５４の母材は、金属性層１５２と同一な結晶構造を有する誘電性物質でもある。半導体層１５４の母材は、金属性層１５２の結晶構造と同一なペロブスカイト結晶構造を有することにより、金属性層１５２の結晶性を安定化させることができる。半導体層１５４の母材は、誘電体層１１０に含まれた誘電性物質と同一である。例えば、半導体層１５４は、ＢａＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＨｆＯ３またはＳｒＺｒＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0069】
半導体層１５４にドーピングされたドーパントは、金属物質でもある。例えば、ドーパントは、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｃｏ及びＳｃのうち少なくとも１つを含んでもよい。半導体層１５４の厚みは、金属性層１５２の厚みよりも大きい。半導体層１５４の厚みは、金属性層１５２の厚みの５倍以上でもある。例えば、半導体層１５４の厚みは、１００Åないし３００Åでもある。
【0070】
第１イオン化層１５６も、誘電体層１１０及び第２電極１５０の結晶性を安定化させるためにペロブスカイト結晶構造を有することができる。ペロブスカイト結晶構造は、Ａ３Ｂ３Ｏ３（Ｏ：酸素）組成を有することができる。
【0071】
第１イオン化層１５６は、全体として陽イオン特性を有することができる。例えば、第１イオン化層１５６は、［Ａ３Ｏ］ｎ＋で表される陽イオン化層と、［Ｂ３Ｏ２］で表される中性層とを含んでもよい。Ａ３は３価以上の陽イオンであり、Ｂ３は４価陽イオンでもある。または、第１イオン化層１５６は、［Ａ３Ｏ］で表される中性層と、［Ｂ３Ｏ２］ｎ＋で表される陽イオン化層とを含んでもよい。Ａ３は２価陽イオンであり、Ｂ３は５価陽イオンでもある。
【0072】
第１イオン化層１５６に含まれた陽イオンのうち少なくとも１つは、隣接した半導体層１５４または金属性層１５２に含まれた陽イオンと同一である。第１イオン化層１５６の格子サイズは、半導体層１５４または金属性層１５２の格子サイズと類似していることにより、第２電極１５０の結晶性を高めることができる。例えば、イオン化層は、ＬａＴｉＯ３、ＳｍＴｉＯ３、ＹＴｉＯ３、ＤｙＴｉＯ３及びＳｍＴｉＯ３のうち少なくとも１つを含むが、それらに限定されない。イオン化層は、全体として陽イオン特性を有しつつ、ペロブスカイト構造を有する物質であれば十分である。
【0073】
第１イオン化層１５６は、単一層でもある。例えば、第１イオン化層１５６は、１層の陽イオン化層と１層の中性層とが立体的に結合された単一層であるが、それに限定されない。第１イオン化層１５６は、複数の層にも形成される。第１イオン化層１５６が複数層であるとしても、第１イオン化層１５６の厚みは、金属性層１５２及び半導体層１３４の厚みよりも小さい。例えば、第１イオン化層１５６の厚みは、約１０Å以下でもある。
【0074】
図２は、一実施形態による半導体層の母材と金属性層との静電位（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を示すグラフである。ＳｒＴｉＯ３を半導体層の母材として形成し、ＳｒＴｉＯ３を金属性層として形成した。半導体層の母材と金属性層との間に［ＬａＯ］＋を含む陽イオン化層を配置させた実施例、半導体層の母材と金属性層との間に［ＡｌＯ２］－を含む陰イオン化層を配置させた比較例１、及び半導体層の母材と金属性層との間にイオン特性がない中性層を配置させた比較例２に対する静電位を測定した。
【0075】
その結果、図２に示されたように、半導体層の母材と金属性層との静電位差は、半導体層の母材と金属性層との間に陽イオン特性を有するイオン化層を配置させるときに最も小さいことを確認した。半導体層の母材に金属物質がドーピングされた場合、静電位差はさらに減少するものと予想される。半導体層と金属性層との間に陽イオン特性を有するイオン化層が配置されることにより、半導体層と金属性層との間のショットキーバリアを減らすことができる。
【0076】
図３は、一実施形態による半導体層／第１イオン化層／金属性層の構造体に対するＩＶ特性を示すグラフである。基板上に、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、ＣｏまたはＳｃでドーピングされたＳｒＴｉＯ３の半導体層、ＬａＴｉＯ３の第１イオン化層、及びＳｒＲｕＯ３またはＢａＲｕＯ３の金属性層を形成し、ＩＶ特性を測定した。図３に示されたように、測定された電流は、印加された電圧に線形的に比例することを確認することができる。それは、半導体層／第１イオン化層／金属性層の構造体が電極特性を有することを意味する。
【0077】
図４は、一実施形態によるキャパシタの誘電定数を測定した結果を示す図面である。ＬａがドーピングされたＳｒＴｉＯ３の半導体層、ＬａＴｉＯ３の第１イオン化層、及びＢａＲｕＯ３の金属性層が形成された第１及び第２電極を形成し、第１及び第２電極間にＳｒＴｉＯ３の誘電体層を形成した。図４を参照すれば、キャパシタの誘電定数は、約１９０まで上がることを確認することができる。それは、誘電体層が高誘電定数を有することを予想することができる。
【0078】
図５は、一実施形態によるキャパシタのＩＶ特性を測定した結果を示す図面である。ＬａがドーピングされたＳｒＴｉＯ３の半導体層、ＬａＴｉＯ３の第１イオン化層、及びＢａＲｕＯ３の金属性層が形成された第１及び第２電極を形成し、第１及び第２電極間にＳｒＴｉＯ３の誘電体層を形成した。図５に示されたように、一実施形態によるキャパシタのＩＶ特性は、典型的なキャパシタ特性を有することを確認することができる。そして、漏れ電流がほとんど発生しないことを確認することができる。
【0079】
図６は、他の実施形態による第２イオン化層１７０を含むキャパシタ１００ａを示す図面である。図１及び図６を参照すれば、図６のキャパシタ１００ａは、第１電極１３０と誘電体層１１０との間、及び第２電極１５０と誘電体層１１０との間のうち少なくとも１つに、第２イオン化層１７０がさらに配置されうる。図６の誘電体層１１０、第１及び第２電極１３０、１５０は、図１を参照して説明される誘電体層１１０、第１及び第２電極１３０、１５０と実質的に同一である。
【0080】
第２イオン化層１７０は、誘電体層１１０と同一な結晶構造を有し、陰イオン特性を有することができる。例えば、第２イオン化層１７０は、ペロブスカイト結晶構造を有することができる。ペロブスカイト結晶構造は、Ａ４Ｂ４Ｏ３組成を有することができる。例えば、第２イオン化層１７０は、［Ａ４Ｏ］ｎ－で表される陰イオン化層（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｉｏｎｉｃｅ ｌａｙｅｒ）と、［Ｂ４Ｏ２］で表される中性層とを含んでもよい。Ａ４は１価陽イオンであり、Ｂ４は４価陽イオンでもある。または、第２イオン化層１７０は、［Ａ４Ｏ］で表される中性層と、［Ｂ４Ｏ２］ｎ－で表される陰イオン化層とを含んでもよい。Ａ４は２価陽イオンであり、Ｂ４は１価ないし３価陽イオンでもある。
【0081】
第２イオン化層１７０は、例えば、ＬｉＴｉＯ３、ＮａＴｉＯ３、ＫＴｉＯ３、ＲｂＴｉＯ３、ＬｉＺｒＯ３、ＮａＺｒＯ３、ＫＺｒＯ３、ＲｂＺｒＯ３、ＬｉＨｆＯ３、ＮａＨｆＯ３、ＫＨｆＯ３及びＲｂＨｆＯ３のうち少なくとも１つを含むが、それらに限定されない。イオン化層は、全体として陰イオン特性を有しつつ、ペロブスカイト構造を有する物質であれば十分である。
【0082】
第２イオン化層１７０は、単一層でもある。すなわち、１層の陰イオン化層と１層の中性層とが立体的に結合された単一層でもある。
【0083】
誘電体層１１０と金属性層１３２との間に第２イオン化層１７０が挿入されることにより、誘電体層１１０と金属性層１３２との間にインターフェースダイポールが生成され、スクリーニング電荷が誘導されうる。特に、第２イオン化層１７０は、陰イオン特性を有するところ、正のスクリーニング電荷が誘導され、誘電体層１１０と金属性層１３２との間のショットキーバリアを増加させることができる。ショットキーバリアの増加により、金属性層１３２の電荷が誘電体層１１０に拡散することを防止し、電極と誘電体層１１０との間の漏れ電流を抑制することができる。
【0084】
図７は、他の実施形態によるキャパシタ１００ｂを示す図面である。図１及び図７を参照すれば、図７の第２電極１５０ａは、ペロブスカイト結晶構造を有していない。図７の誘電体層１１０及び第１電極１３０は、図１を参照して説明された誘電体層１１０及び第１電極１３０と実質的に同一である。
【0085】
誘電体層１１０は、下部電極である第１電極１３０上に形成されうる。従って、誘電体層１１０の結晶性は、下部電極である第１電極１３０の結晶性によって影響を多く受ける。第１電極１３０は、誘電体層１１０と同一なペロブスカイト結晶構造で形成するが、誘電体層１１０の結晶性に相対的に影響をさらに及ぼす上部電極である第２電極１５０ａは、ペロブスカイト結晶構造を有していなくても構わない。
【0086】
第２電極１５０ａは、少なくとも１つがペロブスカイト結晶構造を有していない金属、金属酸化物、ドーピングされた金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物のうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0087】
第２電極１５０ａは、金属を含むものでもある。第２電極１５０ａは、例えば、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ及びＲｕのうち１つを含んでもよい。第２電極１５０ａに含まれた金属は、それらに限定されず、当該技術分野において電極に使用する金属であれば、いずれも使用可能である。
【0088】
第２電極１５０ａは、金属酸化物を含むものでもある。例えば、第２電極１５０ａは、ＲｕＯ２、ＩｒＯ２、ＰｔＯ２、ＳｎＯ２、ＭｎＯ２、Ｓｂ２Ｏ３及びＩｎ２Ｏ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。第２電極１５０ａに含まれた金属酸化物は、それらに限定されず、当該技術分野において電極に使用する金属の酸化物であれば、いずれも使用可能である。
【0089】
第２電極１５０ａは、ドーピングされた金属酸化物を含むものでもある。例えば、第２電極１５０ａは、ＴａドーピングされたＳｎＯ２、ＴｉドーピングされたＩｎ２Ｏ３、ＮｉドーピングされたＳｎＯ２、ＳｂドーピングされたＳｎＯ２及びＡｌドーピングされたＺｎＯのうち１つ以上を含んでもよい。第２電極１５０ａに含まれたドーピングされた金属酸化物は、それらに限定されず、当該技術分野において電極に使用するドーピングされた金属の酸化物であれば、いずれも使用可能である。ドーピングされる金属、すなわち、ドーパントの種類は、特に限定されず、金属酸化物の伝導度を向上させるものであれば、いずれも使用可能である。
【0090】
第２電極１５０ａは、金属窒化物を含むものでもある。例えば、第２電極１５０ａは、ＴｉＮ、ＷＮ、ＴａＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴａＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＷＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＲｕＣＮ及びＲｕＴｉＮのうち少なくとも１つを含んでもよい。第２電極１５０ａに含まれた金属窒化物は、それらに限定されず、当該技術分野において電極に使用する金属窒化物であれば、いずれも使用可能である。金属窒化物は、金属の炭素含有窒化物を含むものでもある。
【0091】
図８は、例示的な実施形態によるキャパシタ１００ｃを示す図面である。図１及び図８を比較すれば、誘電体層１１０ａは、交互に積層される第１単位層及び第２単位層を含む超格子構造を有することができる。第１単位層及び第２単位層は、相異なる誘電特性を有し、原子単位の厚みを有することができる。例えば、第１単位層は、ペロブスカイト結晶構造を有する強誘電物質を含んでもよい。例えば、第２単位層は、ペロブスカイト結晶構造を有する常誘電物質を含んでもよい。
【0092】
【0093】
図９を参照すれば、基板２１０、ゲート電極ＧＥ、ゲート絶縁膜ＧＩ、層間絶縁膜２２０、コンタクトＣＴ及びキャパシタＣＥを含む半導体装置２００が提供されうる。基板２１０は、半導体基板を含むものでもある。例えば、基板２１０は、シリコン基板、ゲルマニウム基板またはシリコン・ゲルマニウム基板を含んでもよい。
【0094】
基板２１０の上部に、第１ソース／ドレイン領域ＳＤ１及び第２ソース／ドレイン領域ＳＤ２が提供されうる。第１及び第２ソース／ドレイン領域ＳＤ１、ＳＤ２は、基板２１０の上面に平行な方向に沿って互いに離隔されうる。第１及び第２ソース／ドレイン領域ＳＤ１、ＳＤ２は、基板２１０に不純物が注入されて形成されうる。
【0095】
ゲート電極ＧＥは、基板２１０上に提供されうる。ゲート電極ＧＥは、第１及び第２ソース／ドレイン領域ＳＤ１、ＳＤ２間に提供されうる。ゲート電極ＧＥは、伝導性物質を含むものでもある。例えば、ゲート電極ＧＥは、金属またはポリシリコンを含んでもよい。
【0096】
ゲート絶縁膜ＧＩは、ゲート電極ＧＥと基板２１０との間に提供されうる。ゲート絶縁膜ＧＩは、ゲート電極ＧＥと基板２１０との間に配置されうる。ゲート絶縁膜ＧＩは、絶縁物質を含むものでもある。例えば、ゲート絶縁膜ＧＩは、Ｓｉ酸化物（例えば、ＳｉＯ２）、Ａｌ酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、または高誘電物質（例えば、ＨｆＯ２）を含んでもよい。
【0097】
層間絶縁膜２２０は、基板２１０上に提供されうる。層間絶縁膜２２０は、ゲート電極ＧＥとゲート絶縁膜ＧＩとを覆うことができる。層間絶縁膜２２０は、絶縁物質を含むものでもある。例えば、層間絶縁膜２２０は、Ｓｉ酸化物（例えば、ＳｉＯ２）、Ａｌ酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、または高誘電物質（例えば、ＨｆＯ２）を含んでもよい。
【0098】
層間絶縁膜２２０上にキャパシタＣＥが提供されうる。キャパシタＣＥは、図１、図６ないし図８を参照して説明されるキャパシタ１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃのうちいずれか１つを含むものでもある。但し、キャパシタＣＥの形状は、図１、図６ないし図８に示されたものに限定されない。キャパシタＣＥの形状は、図１、図６ないし図８に示された技術的思想を含む範囲において必要に応じて選択可能である。
【0099】
本発明のキャパシタＣＥは、ペロブスカイト結晶構造を有するが、高い結晶性を有する電極を含むものでもある。これにより、キャパシタＣＥの誘電膜は、ペロブスカイト結晶構造を有するが、高い結晶性及び高い誘電率を有することができる。キャパシタＣＥは、向上したキャパシタンス特性を有することができる。結果として、本発明は、向上したキャパシタンス特性を有するキャパシタＣＥを含む半導体装置２００を提供することができる。
【0100】
【0101】
図１０を参照すれば、メモリ要素２００ａが提供されうる。メモリ要素２００ａは、抵抗変化メモリ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ： ＲＲＡＭ）で情報を保存する要素でもある。メモリ要素２００ａは、基板２１０、下部電極ＬＥ、抵抗変化膜ＲＣ及び上部電極ＵＥを含むものでもある。下部電極ＬＥ、抵抗変化膜ＲＣ及び上部電極ＵＥは、情報を保存するメモリ要素でもある。基板２１０は、図８を参照して説明された基板２１０と実質的に同一である。一実施形態において、基板２１０に配線、受動素子及び／または能動素子が提供されうる。下部電極ＬＥは、前述の第１電極１３０と実質的に同一である。上部電極ＵＥは、前述の第２電極１５０、１５０ａと同一である。また、下部電極ＬＥと抵抗変化膜ＲＣとの間、及び上部電極ＵＥと抵抗変化膜ＲＣとの間のうち少なくとも１つに第２イオン化層がさらに配置されることも可能である。
【0102】
抵抗変化膜ＲＣは、下部電極ＬＥ上に提供されうる。抵抗変化膜ＲＣは、抵抗変化物質を含むものでもある。抵抗変化物質は、印加される電圧によってその抵抗が変わる物質を指称する。例えば、抵抗変化膜ＲＣは、ペロブスカイト結晶構造を有する絶縁膜でもある。例えば、抵抗変化膜ＲＣは、ＰｂＺｒＴｉＯ３、ＰｒＣａＭｎＯ３、またはカルシウムがドーピングされた（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３を含んでもよい。
【0103】
ペロブスカイト結晶構造を有する抵抗変化膜ＲＣの抵抗変化特性は、抵抗変化膜ＲＣの結晶性によっても変わる。例えば、抵抗変化膜ＲＣの結晶性が低ければ、抵抗変化特性が劣化し、抵抗変化膜ＲＣの結晶性が高ければ、抵抗変化特性が維持される。抵抗変化膜ＲＣの結晶性は、ペロブスカイト結晶構造を有する下部電極ＬＥと上部電極ＵＥの結晶性から影響を受けることができる。従って、抵抗変化膜ＲＣの抵抗変化特性が安定して維持されるために、下部電極ＬＥ及び上部電極ＵＥの結晶性が高いことが要求される。
【0104】
本発明の下部電極ＬＥは、第１電極１３０と同一な構造を有することができる。例えば、下部電極は、ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層１３２、金属性の比抵抗の増加を制御する半導体層１３４、及び金属性層１３２と半導体層１３４とのオーミックコンタクトを形成する第１イオン化層１３６を含むものでもある。
【0105】
金属性層１３２は、Ａ２Ｂ２Ｏ３組成を有することができる。Ａ２Ｂ２Ｏ３組成のうち、Ｂ２サイトにＲｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｖなど金属物質を含んでもよい。例えば、金属性層１３２は、ＢａＲｕＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＢａＩｒＯ３、ＢａＶＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＳｒＩｒＯ３及びＳｒＶＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0106】
半導体層１３４は、誘電性物質の母材に金属物質がドーピングされた形態でもある。半導体層１３４の母材は、ペロブスカイト結晶構造を有することができる。例えば、半導体層１３４は、ＢａＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＨｆＯ３またはＳｒＺｒＯ３のうち少なくとも１つを含んでもよい。半導体層１３４にドーピングされたドーパントは、金属物質でもある。例えば、ドーパントは、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｃｏ及びＳｃのうち少なくとも１つを含んでもよい。
【0107】
第１イオン化層１３６は、全体として陽イオン特性を有することができる。例えば、第１イオン化層１３６は、［Ａ３Ｏ］ｎ＋で表される陽イオン化層と、［Ｂ３Ｏ２］で表される中性層とを含んでもよい。Ａ３は３価以上の陽イオンであり、Ｂ３は４価陽イオンでもある。または、第１イオン化層１３６は、［Ａ３Ｏ］で表される中性層と、［Ｂ３Ｏ２］ｎ＋で表される陽イオン化層とを含んでもよい。Ａ３は２価陽イオンであり、Ｂ３は５価陽イオンでもある。例えば、第１イオン化層１３６は、ＬａＴｉＯ３、ＳｍＴｉＯ３、ＹＴｉＯ３、ＤｙＴｉＯ３及びＳｍＴｉＯ３のうち少なくとも１つを含むが、それらに限定されない。イオン化層は、全体として陽イオン特性を有しつつ、ペロブスカイト構造を有する物質であれば十分である。
【0108】
上部電極ＵＥは、第２電極１５０と実質的に同一である。例えば、上部電極ＵＥは、ペロブスカイト結晶構造を有する金属性層１３２、金属性の比抵抗の増加を制御する半導体層１３４、及び金属性層１３２と半導体層１３４とのオーミックコンタクトを形成する第１イオン化層１３６を含むが、それに限定されない。上部電極ＵＥは、ペロブスカイト結晶構造を有していない金属または金属合金で形成されることも可能である。
【0109】
本発明は、高い結晶性を有する抵抗変化膜ＲＣを含むメモリ要素２００ａを提供することができる。
【0110】
図１１は、実施形態によるキャパシタを採用した電子装置の概略的な回路図である。
【0111】
電子装置１０００の回路図は、ＤＲＡＭ（ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）素子の一セルに係わるものであり、１つのトランジスタＴＲ、１つのキャパシタＣＡ、ワードラインＷＬ及びビットラインＢＬを含む。キャパシタＣＡは、前述のキャパシタでもある。
【0112】
ＤＲＡＭにデータを書き込む方法は以下の通りである。ワードラインＷＬを介してトランジスタＴＲを「オン」状態にするゲート電圧（ハイ）をゲート電極に印加した後、ビットラインＢＬに入力しようとするデータ電圧値であるＶＤＤ（ハイ）や０（ロー）を印加する。ワードラインとビットラインにハイ電圧が印加されれば、キャパシタＣＡが充電され、データ「１」が記録され、ワードラインにハイ電圧が印加され、ビットラインにロー電圧が印加されれば、キャパシタＣＡが放電され、データ「０」が記録される。
【0113】
データを読み取るときは、ＤＲＡＭのトランジスタＴＲをオンにするためにワードラインＷＬにハイ電圧を印加した後、ビットラインＢＬにＶＤＤ／２の電圧を印加する。ＤＲＡＭのデータが「１」であれば、すなわち、キャパシタＣＡの電圧がＶＤＤである場合、キャパシタＣＡにある電荷がビットラインＢＬに徐々に移動しつつ、ビットラインＢＬの電圧はＶＤＤ／２より若干高くなる。逆にキャパシタＣＡのデータが「０」の状態であれば、ビットラインＢＬの電荷がキャパシタＣＡに移動し、ビットラインＢＬの電圧はＶＤＤ／２より若干低くなる。このように発生するビットラインの電位差をセンス増幅器（ｓｅｎｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で感知し、値を増幅させ、当該データが「０」であるか「１」であるかを判断することができる。
【0114】
図１２は、さらに他の例示的な実施形態による電子装置を示す平面図である。
【0115】
図１２を参照すれば、電子装置１００１は、複数個のキャパシタと複数個の電界効果トランジスタとが反復的に配列された構造体を含むものでもある。電子装置１００１は、電界効果トランジスタ、コンタクト構造物２０’及びキャパシタＣＡ３を含むものでもある。電界効果トランジスタは、ソース、ドレイン及びチャネルを含む。電界効果トランジスタは、半導体基板１１’及びゲートスタック１２を含む。コンタクト構造物２０’は、ゲートスタック１２と重畳されないように半導体基板１１’上に配置される。キャパシタＣＡ３は、コンタクト構造物２０’上に配列される。電子装置１００１は、複数個の電界効果トランジスタを電気的に連結するビットライン構造物１３をさらに含んでもよい。キャパシタＣＡ３、ゲートスタック１２及び／またはコンタクト構造物２０’それぞれは、図９に示されたように、キャパシタＣＥ、ゲート構造体及び／またはコンタクトＣＴと実質的に類似している。
【0116】
図１２は、コンタクト構造物２０’とキャパシタＣＡ３とがいずれもＸ方向及びＹ方向に沿って反復的に配列される形態を例示的に示しているが、それに限定されない。例えば、コンタクト構造物２０’は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って配列され、キャパシタＣＡ３は、ハニカム（ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）構造のような六角形状に配列されることも可能である。
【0117】
【0118】
図１３を参照すれば、半導体基板１１’は、素子分離膜１４を含むＳＴＩ（ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を有することができる。素子分離膜１４は、１種の絶縁膜からなる単一層、または２種以上の絶縁膜の組み合わせからなる多重層でもある。素子分離膜１４は、半導体基板１１’内に素子分離トレンチ１４Ｔを含んでもよく、素子分離トレンチ１４Ｔは、絶縁物質でも満たされる。絶縁物質は、ＦＳＧ（ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）、ＵＳＧ（ｕｎｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（ｂｏｒｏ－ｐｈｏｓｐｈｏ－ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）、ＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｏ－ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）、ＦＯＸ（ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ）、ＰＥ－ＴＥＯＳ（ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔｅｔｒａ－ｅｔｈｙｌ－ｏｒｔｈｏ－ｓｉｌｉｃａｔｅ）及びＴＯＳＺ（ｔｏｎｅｎ ｓｉｌａｚｅｎｅ）のうち少なくとも１つを含むが、それらに限定されるものではない。
【0119】
半導体基板１１’は、素子分離膜１４によって定義されるチャネル領域ＣＨと、半導体基板１１’の上面と平行であり、Ｘ方向に沿って延びるように配置されるゲートライントレンチ１２Ｔとをさらに含んでもよい。チャネル領域ＣＨは、短軸及び長軸を有する比較的長いアイランド状を有することができる。チャネル領域ＣＨの長軸は、図１５に例示的に示されたように、半導体基板１１’の上面に平行なＤ３方向に沿って配列されうる。
【0120】
ゲートライントレンチ１２Ｔは、半導体基板１１’の上面から所定の深さにチャネル領域ＣＨと交差するように、またはチャネル領域ＣＨ内に配置されうる。ゲートライントレンチ１２Ｔは、素子分離トレンチ１４Ｔの内部にも配置され、素子分離トレンチ１４Ｔの内部のゲートライントレンチ１２Ｔは、チャネル領域ＣＨのゲートライントレンチ１２Ｔより低い底面を有することができる。第１ソース／ドレイン１１’ａｂ及び第２ソース／ドレイン１１’’ａｂは、ゲートライントレンチ１２Ｔの両側に位置するチャネル領域ＣＨの上部（ｕｐｐｅｒ ｐｏｒｔｉｏｎ）に配置されうる。
【0121】
ゲートライントレンチ１２Ｔの内部には、ゲートスタック１２が配置されうる。具体的には、ゲート絶縁層１２ａ、ゲート電極１２ｂ及びゲートキャッピング層１２ｃがゲートライントレンチ１２Ｔの内部に順次に配置されうる。ゲート絶縁層１２ａとゲート電極１２ｂは、前述の内容を参照し、ゲートキャッピング層１２ｃは、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物及びシリコン窒化物のうち少なくとも１つを含んでもよい。ゲートキャッピング層１２ｃは、ゲートライントレンチ１２Ｔの残余部分を満たすようにゲート電極１２ｂ上に配置されうる。
【0122】
第１ソース／ドレイン１１’ａｂ上にビットライン構造物１３が配置されうる。ビットライン構造物１３は、半導体基板１１’の上面に平行であり、Ｙ方向に沿って延びるように配置されうる。ビットライン構造物１３は、第１ソース／ドレイン１１’ａｂと電気的に連結され、ビットラインコンタクト１３ａ、ビットライン１３ｂ及びビットラインキャッピング層１３ｃを基板上に順次に含むものでもある。例えば、ビットラインコンタクト１３ａは、ポリシリコンを含んでもよく、ビットライン１３ｂは、金属物質を含んでもよく、ビットラインキャッピング層１３ｃは、シリコン窒化物またはシリコン酸窒化物などの絶縁物質を含んでもよい。
【0123】
図１３は、ビットラインコンタクト１３ａが半導体基板１１’の上面と同じレベルの底面を有する場合を示しているが、それは例示的なものであり、それに限定されない。例えば、他の実施形態において、半導体基板１１’の上面から所定の深さに形成されたリセスがさらに具備され、ビットラインコンタクト１３ａがリセス内部まで延び、ビットラインコンタクト１３ａの底面が半導体基板１１’の上面より低く形成されることも可能である。
【0124】
ビットライン構造物１３は、ビットラインコンタクト１３ａとビットライン１３ｂとの間にビットライン中間層（図示せず）をさらに含むこともできる。ビットライン中間層は、タングステンシリサイドのような金属シリサイド、またはタングステン窒化物のような金属窒化物を含んでもよい。また、ビットラインスペーサ（図示せず）がビットライン構造物１３の側壁上にさらに形成されることも可能である。ビットラインスペーサは、単一層構造または多重層構造を有することができ、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物またはシリコン窒化物のような絶縁物質を含んでもよい。また、ビットラインスペーサは、エアスペース（図示せず）をさらに含むこともできる。
【0125】
コンタクト構造物２０’は、第２ソース／ドレイン１１’’ａｂ上に配置されうる。コンタクト構造物２０’とビットライン構造物１３は、基板上のそれぞれ異なるソース／ドレイン上に配置されうる。コンタクト構造物２０’は、下部コンタクトパターン（図示せず）、金属シリサイド層（図示せず）及び上部コンタクトパターン（図示せず）が第２ソース／ドレイン１１’’ａｂ上に順次に積層された構造でもある。コンタクト構造物２０’は、上部コンタクトパターンの側面と底面とを取り囲むバリア層（図示せず）をさらに含むこともできる。例えば、下部コンタクトパターンは、ポリシリコンを含み、上部コンタクトパターンは、金属物質を含み、バリア層は、導電性を有する金属窒化物を含んでもよい。
【0126】
キャパシタＣＡ３は、コンタクト構造物２０’と電気的に連結され、半導体基板１１’上に配置されうる。具体的には、キャパシタＣＡ３は、コンタクト構造物２０’と電気的に連結される下部電極１３０、下部電極１３０と離隔配置される上部電極１５０、及び下部電極１３０と上部電極１５０との間に配置される誘電体薄膜１１０を含む。下部電極１３０は、有底の内部空間を有するシリンダ状またはコップ状を有することができる。上部電極１５０は、下部電極１３０が形成する内部空間及び隣接した下部電極１３０間の領域に延びた櫛目を有するコーム（ｃｏｍｂ）状を有することができる。誘電体薄膜１１０は、下部電極１３０と上部電極１５０との間に、それら表面と平行に配置されうる。
【0127】
キャパシタＣＡ３をなす下部電極１３０、誘電体薄膜１１０及び上部電極１５０の材質は、前述のキャパシタ１００、１０１と実質的に同一であるので、それに係わる説明は省略する。
【0128】
層間絶縁膜１５がキャパシタＣＡ３と半導体基板１１’との間にさらに配置されうる。層間絶縁膜１５は、他の構造物が配置されないキャパシタＣＡ３と半導体基板１１’との空間に配置されうる。具体的には、層間絶縁膜１５は、基板上のビットライン構造物１３、コンタクト構造物２０’、ゲートスタック１２などの配線及び／または電極構造をカバーするように配置されうる。例えば、層間絶縁膜１５は、コンタクト構造物２０’の壁を取り囲むことができる。層間絶縁膜１５は、ビットラインコンタクト１３ａを取り囲む第１層間絶縁膜１５ａと、ビットライン１３ｂ及びビットラインキャッピング層１３ｃの側面及び／または上面をカバーする第２層間絶縁膜１５ｂとを含むものでもある。
【0129】
複数個のキャパシタＣＡ３が配置される場合、複数個の下部電極１３０は、エッチング停止層１６によって底面が分離されることも可能である。すなわち、エッチング停止層１６は、開口部１６Ｔを含み、当該開口部１６Ｔ内にキャパシタＣＡ３の下部電極１３０の底面が配置されうる。下部電極１３０は、図示されたように、有底の内部空間を有するシリンダ状またはコップ状を有することができる。キャパシタＣＡ３は、下部電極１３０の傾きまたは倒れを防止する支持部（図示せず）をさらに含んでもよく、支持部は、下部電極１３０の側壁上に配置されることも可能である。
【0130】
図１４は、さらに他の例示的な実施形態による電子装置を示す断面図である。
【0131】
本実施形態の電子装置１００２は、図１２のＡ－Ａ’断面図に対応する断面図で示され、キャパシタＣＡ４の形状のみで図１３と差がある。キャパシタＣＡ４は、コンタクト構造物２０’と電気的に連結され、半導体基板１１’上に配置され、コンタクト構造物２０’と電気的に連結される下部電極２０４、下部電極２０４と離隔配置される上部電極１５０、及び下部電極２０４と上部電極１５０との間に配置される誘電体薄膜３０４を含む。下部電極２０４、誘電体薄膜３０４及び上部電極１５０の材質は、前述のキャパシタと実質的に同一である。
【0132】
下部電極２０４は、垂直方向（Ｚ方向）に沿って延びる円柱、四角柱または多角柱のようなピラー状を有することができる。上部電極１５０は、隣接した下部電極２０４間の領域に延びた櫛目を有するコーム状を有することができる。誘電体薄膜３０４は、下部電極２０４と上部電極１５０との間に、それら表面と平行に配置されうる。
【0133】
前述の実施形態によるキャパシタ及び電子装置は、多様な応用分野に適用可能である。例えば、実施形態による電子装置は、論理素子またはメモリ素子としても適用される。実施形態による電子装置は、モバイルデバイス、コンピュータ、ノート型パソコン、センサ、ネットワーク装置、ニューロモルフィック素子（ｎｅｕｒｏｍｏｒｐｈｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）のような装置において算術演算、プログラム実行、一時的データ維持などのためにも使用される。また、実施形態による電子素子及び電子装置は、データ伝送量が大きく、データ伝送が連続して行われる装置に有用である。
【0134】
【0135】
図１５を参照すれば、電子素子アーキテクチャ１１００は、メモリユニット（ｍｅｍｏｒｙ ｕｎｉｔ）１０１０、ＡＬＵ（ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）１０２０及び制御ユニット（ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）１０３０を含むものでもある。メモリユニット１０１０、ＡＬＵ １０２０及び制御ユニット１０３０は、電気的に連結されうる。例えば、電子素子アーキテクチャ１１００は、メモリユニット１０１０、ＡＬＵ １０２０及び制御ユニット１０３０を含む１つのチップにも具現される。
【0136】
メモリユニット１０１０、ＡＬＵ １０２０及び制御ユニット１０３０は、オン・チップ（ｏｎ－ｃｈｉｐ）でメタルライン（ｍｅｔａｌ ｌｉｎｅ）で相互連結され、直接通信することができる。メモリユニット１０１０、ＡＬＵ １０２０及び制御ユニット１０３０は、１つの基板上にモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）集積され、１つのチップを構成することもできる。電子素子アーキテクチャ（チップ）１１００には、入出力素子２０００が連結されうる。また、メモリユニット１０１０は、メインメモリ及びキャッシュメモリの両方を含むものでもある。当該電子素子アーキテクチャ（チップ）１１００は、オン・チップメモリプロセッシングユニットでもある。メモリユニット１０１０は、前述のキャパシタ、それを活用する電子装置を含むものでもある。ＡＬＵ １０２０または制御ユニット１０３０も、それぞれ前述のキャパシタを含むものでもある。
【0137】
図１６を参照すれば、キャッシュメモリ１５１０、ＡＬＵ １５２０及び制御ユニット１５３０がＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１５００を構成することができ、キャッシュメモリ１５１０は、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）からなる。ＣＰＵ １５００と別途に、メインメモリ１６００及び補助ストレージ１７００が具備されることも可能である。メインメモリ１６００はＤＲＡＭであり、前述のキャパシタを含むものでもある。場合によって、電子素子アーキテクチャは、サブユニット（ｓｕｂ－ｕｎｉｔｓ）の区分なしに、１つのチップでコンピューティング（ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）単位素子とメモリ単位素子とが相互隣接する形態にも具現される。
【0138】
以上、ペロブスカイト結晶構造を有するキャパシタ及びそれを含む半導体装置について図示して説明したが、本実施形態は、前述の特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であることはいうまでもなく、そのような変形実施は、本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されてはならない。
【符号の説明】
【0139】
１００ キャパシタ
１１０ 誘電体層
１３０ 第１電極
１３２ 金属性層
１３４ 半導体層
１３６ 第１イオン化層
１５０ 第２電極
１５２ 金属性層
１５４ 半導体層
１５６ 第１イオン化層
１１０ 誘電体層
１３０ 第１電極
１３２ 金属性層
１３４ 半導体層
１３６ 第１イオン化層
１５０ 第２電極
１５２ 金属性層
１５４ 半導体層
１５６ 第１イオン化層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
