DE112020001902T5 - Dotierte polare Schichten und Halbleitervorrichtung enthaltend dieselben - Google Patents

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Ramesh Ramamoorthy
Sasikanth Manipatruni
Gaurav Thareja
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Abstract

Die offenbarte Technologie bezieht sich im Allgemeinen auf ferroelektrische Materialien und Halbleitervorrichtungen und insbesondere auf Halbleiterspeichervorrichtungen, die dotierte polare Materialien enthalten. In einem Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der wiederum eine polare Schicht umfasst, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst. Das polare Basismaterial enthält ein oder mehrere Metallelemente und Sauerstoff und/oder Stickstoff. Das Dotierungsmittel umfasst ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline, leitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/831,044 , eingereicht am 8. April 2019, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Gebiet
  • Die offenbarte Technologie bezieht sich im Allgemeinen auf ferroelektrische Materialien und Halbleitervorrichtungen, die diese enthalten, und insbesondere auf Halbleiterspeichervorrichtungen, die ferroelektrische Kondensatoren enthalten.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Speichervorrichtungen können flüchtig oder nicht flüchtig sein. Im Allgemeinen können flüchtige Speichervorrichtungen bestimmte Vorteile aufweisen, während nicht flüchtige Speichervorrichtungen bestimmte andere Vorteile aufweisen können. Während zum Beispiel einige nicht flüchtige Speichervorrichtungen wie Speichervorrichtungen auf Floating-Gate-Basis (z. B. Flash-Speichervorrichtungen) vorteilhafterweise Daten ohne Strom speichern können, können solche Vorrichtungen relativ langsame Zugriffszeiten und eine begrenzte Zyklenbeständigkeit aufweisen. Umgekehrt, während einige flüchtige Speichervorrichtungen wie zum Beispiel ein dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM, Dynamic Random Access Memory) vorteilhafterweise relativ Zugriffszeiten und eine höhere Zyklenbeständigkeit aufweisen können, verlieren solche Vorrichtungen Daten, wenn sie ausgeschaltet werden.
  • Bei einigen DRAM-Technologien sind Speicherzellen in einer Vorrichtungsarchitektur angeordnet, die einen Zellenkondensator umfasst, der mit dem Drain eines Zugriffstransistors verbunden ist. Bei diesen Technologien werden Speicherzustände im Zellenkondensator gespeichert. Beispielsweise kann eine gespeicherte Ladung im Zellenkondensator einen logischen Zustand von „1“ darstellen, während ein Mangel an gespeicherter Ladung im Kondensator einen logischen Zustand von „0“ darstellen kann. Das Schreiben kann durch Aktivieren des Zugriffstransistors und Entleeren der Ladung des Zellenkondensators zum Schreiben einer „0“ oder durch Laden des Zellenkondensators zum Schreiben einer „1“ erfolgen. Das Lesen kann auf ähnliche Weise durch Erfassen des Ladungszustands des Zellenkondensators unter Verwendung eines Erfassungsverstärkers erfolgen, um den Speicherzustand zu bestimmen.
  • Wenn durch den Verstärker ein Ladungsimpuls erfasst wird, hält die Zelle eine Ladung und zeigt somit „1“ an, während das Fehlen eines solchen Impulses eine „0“ anzeigt. Im DRAM ist der Leseprozess destruktiv, denn wenn der Kondensator im Zustand „1“ geladen war, muss er erneut geladen werden, um den Zustand wiederherzustellen. Da der Platzbedarf der Vorrichtung mit fortschreitenden Technologieknoten skaliert, besteht darüber hinaus ein zunehmender Bedarf, die Dielektrizitätskonstante zu erhöhen und gleichzeitig den Leckstrom des Dielektrikums des Kondensators zu reduzieren. Außerdem wird eine DRAM-Zelle, selbst wenn sie mit Strom versorgt wird, in Intervallen aktiv aufgefrischt, um den Speicherzustand wiederherzustellen, da der Kondensator nach einiger Zeit seine Ladung aufgrund von Leckagen verliert. Es besteht ein Bedarf an einer Speichervorrichtung, die einen Vorteil gegenüber herkömmlichen flüchtigen und nicht flüchtigen Speichertechnologien bietet.
  • ÜBERBLICK
  • In einem ersten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der eine polare Schicht umfasst, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, und wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht. Der Kondensatorstapel umfasst ferner erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht.
  • In einem zweiten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensatorstapel, der eine polare Schicht umfasst, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, und wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst ferner erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht. Die Halbleitervorrichtung umfasst ferner erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht.
  • In einem dritten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der eine polare Schicht umfasst, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht. Der Kondensatorstapel umfasst ferner erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht.
  • In einem vierten Aspekt umfasst ein Kondensator eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist. Das polare Basismaterial umfasst ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff. Das Dotierungsmittel umfasst ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet, so dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
  • In einem fünften Aspekt umfasst ein Kondensator eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist. Das polare Basismaterial umfasst ein Basismetalloxid mit einer chemischen Formel ABO3, wobei A und B jeweils ein oder mehrere Metallelemente darstellen, die austauschbare Atompositionen einer Kristallstruktur des polaren Basismaterials einnehmen. Das Dotierungsmittel umfasst ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen des polaren Basismaterials unterscheidet. Der Kondensator umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht. Die kristalline polare Schicht weist eine Perowskit-Struktur, eine hexagonale Kristallstruktur oder eine Übergitterstruktur auf.
  • In einem sechsten Aspekt umfasst ein Kondensator eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist. Das polare Basismaterial umfasst ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff. Das Dotierungsmittel umfasst ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, so dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet.
  • In einem siebten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der wiederum eine polare Schicht umfasst, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes kristallines polares Basismaterial umfasst. Das polare Basismaterial schließt ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff ein, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht, wobei die polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode angepasst ist. Die erste kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode als Schablone zum Aufwachsen der polaren Schicht darauf dient, so dass mindestens ein Abschnitt der polaren Schicht pseudomorph auf der ersten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode gebildet wird.
  • In einem achten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der wiederum eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial umfasst, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist. Das polare Basismaterial umfasst ein Metalloxid mit einer Perowskit-Struktur oder einer hexagonalen Kristallstruktur. Das Dotierungsmittel ein Metall der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, dass sich von sich von dem Metall bzw. den Metallen unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst ferner erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der kristallinen polaren Schicht, wobei die kristalline polare Schicht die selbe Kristallstruktur wie die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode aufweist.
  • In einem neunten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der wiederum eine polare Schicht umfasst, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes kristallines polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet, Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht, wobei die polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode angepasst ist. Die erste kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode als Schablone zum Aufwachsen der polaren Schicht darauf dient, so dass mindestens ein Abschnitt der polaren Schicht pseudomorph auf der ersten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode gebildet wird.
  • In einem zehnten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Transistor, der auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist und einen Transistor, der durch eine leitfähige Durchkontaktierung elektrisch mit dem Transistor verbunden ist. Der Kondensator umfasst obere und untere leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer polaren Schicht, wobei die untere leitfähige Oxidelektrode elektrisch mit einem Drain des Transistors verbunden ist. Der Kondensator umfasst zusätzlich eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet. Die Halbleitervorrichtung umfasst zusätzlich eine untere Sperrschicht, die ein hochschmelzendes Metall oder eine intermetallische Verbindung zwischen der unteren leitfähigen Oxidelektrode und der leitfähigen Durchkontaktierung umfasst.
  • In einem elften Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Transistor, der auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist und einen Kondensator, der durch eine leitfähige Durchkontaktierung elektrisch mit dem Transistor verbunden ist. Der Kondensator umfasst obere und untere leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer polaren Schicht, wobei die untere leitfähige Oxidelektrode elektrisch mit einem Drain des Transistors verbunden ist. Der Kondensator umfasst zusätzlich die polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, und wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem Metall bzw. den Metallen des Metalloxids unterscheidet, das in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel unterscheidet. Die Halbleitervorrichtung umfasst zusätzlich eine Sperrdichtmittelschicht, die auf einer oder beiden Seitenflächen der polaren Schicht, der oberen leitfähigen Oxidelektrodenschicht und/oder der unteren leitfähigen Oxidelektrodenschicht ausgebildet ist.
  • In einem zwölften Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der eine ferroelektrische Oxidschicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst, das mit einem Dotierungsmittel dotiert ist, wobei das Dotierungsmittel eine Restpolarisation des ferroelektrischen Basisoxids relativ zu einem undotierten ferroelektrischen Basisoxid um mindestens 5 % verringert.
  • In einem dreizehnten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung eine ferroelektrische Oxidschicht, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht eingebracht ist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten Oxidelektrodenschicht angepasst ist.
  • In einem vierzehnten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der eine ferroelektrische Oxidschicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht einen ferroelektrischen Übergang bei einer Spannung von weniger als etwa 600 mV am Kondensator durchläuft.
  • In einem fünfzehnten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensator, der eine ferroelektrische Oxidschicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Dicke von weniger als etwa 50 nm aufweist.
  • In einem sechzehnten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung eine ferroelektrische Oxidschicht, die eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht mit einem Lanthanoidelement in einer Konzentration von mehr als etwa 5,0 % dotiert ist, auf der Grundlage der Gesamtzahl der Atomplätze eines Metalls der ferroelektrischen Oxidschicht.
  • Figurenliste
    • 1A ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Kondensators gemäß verschiedenen Ausführungsformen, der eine polare Schicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht eingebracht ist.
    • 1B ist eine schematische Darstellung einer Polarisationsfeld- (P-E) - Schleife eines ferroelektrischen Kondensators mit einer ferroelektrischen Schicht, die Polarisationsänderungen anzeigt, die mit Nicht-Schalten und Schalten verbunden sind.
    • 1C ist eine schematische Darstellung einer zeitlichen Stromantwort eines ferroelektrischen Kondensators, die mit Nicht-Schalten und Schalten verbunden ist.
    • 2A ist eine schematische Darstellung einer Perowskit-Kristallstruktur einer polaren Schicht eines Kondensators gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2B ist eine schematische Darstellung einer hexagonalen Kristallstruktur und mit dem Schalten einer polaren Schicht verbundener atomarer Verschiebungen, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2C ist eine schematische Darstellung einer Übergitterkristallstruktur und mit dem Schalten einer polaren Schicht verbundener atomarer Verschiebungen, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 3 ist eine schematische Darstellung von Kristallstrukturen von Schichten eines Kondensators, der gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine erste und eine zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht sowie eine dazwischen eingebrachte polare Schicht mit passenden Kristallstrukturen umfasst.
    • 4A ist eine schematische Darstellung einer Polarisationsfeld- (P-E) - Schleife mit einer Hysterese, einer zugeordneten Doppelmulde einer Kurve der freien Energie, und verbundenen atomaren Verschiebungen, die ferroelektrischen Übergängen zwischen Polarisationszuständen eines ferroelektrischen Materials entsprechen.
    • 4B ist eine schematische Darstellung einer Kurve der freien Energie mit einer Doppelmulde einer Kurve der freien Energie und verbundenen atomaren Verschiebungen, die ferroelektrischen Übergängen in einem ferroelektrischen Material mit einer Perowskit-Kristallstruktur entsprechen.
    • 4C ist ein Graph, der Berechnungen einer Kurve der freien Energie einer ferroelektrischen Schicht zeigt, die gemäß einigen Ausführungsformen durch Dotieren eines ferroelektrischen Basismaterials mit variierenden Mengen eines Dotierungsmittels gebildet wird, wodurch die Doppelmulde der Kurve der freien Energie abgestimmt wird.
    • 5 ist eine schematische Darstellung von Energiebetrachtungen des Schaltens und der nichtflüchtigen Speicherung in einer ferroelektrischen Speichervorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 6 ist eine schematische Darstellung einer Perowskit-Kristallstruktur einer polaren Schicht die mit einem Dotierungsmittel A' dotiert ist, das Atome des Metalls A ersetzen kann, die Eckpositionen in einem polaren Basismaterial mit einer chemischen Formel ABO3 einnehmen kann, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 7 ist eine schematische Darstellung einer Perowskit-Kristallstruktur einer polaren Schicht, die mit einem Dotierungsmittel B' dotiert ist, das Atome des Metalls B ersetzen kann, die die Mittenposition in einem polaren Basismaterial mit einer chemischen Formel ABO3 einnehmen, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 8A ist eine Darstellung einer Seitenansicht eines Kondensators gemäß verschiedenen Ausführungsformen, der eine polare Schicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht eingebracht ist.
    • 8B ist eine Darstellung einer Seitenansicht eines Kondensators, der eine polare Schicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, sowie eine erste und eine zweite Sperrschicht, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 8C ist eine Darstellung einer Seitenansicht eines Kondensators, der eine polare Schicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, sowie eine erste und eine zweite Sperrschicht und Sperrdichtmittelschichte, die auf vertikalen Seitenwänden des Kondensator gebildet sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 9 ist eine Querschnittsansicht einer Speichervorrichtung umfassend einen transistor, der mit einem Kondensator gekoppelt ist, der eine polare Schicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 10 ist eine perspektivische Ansicht einer Speichervorrichtung umfassend einen finFET-Transistor, der mit einem Kondensator gekoppelt ist, der eine polare Schicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, gemäß einigen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die Nachfrage nach höherer Leistung und niedrigeren Preisen für Halbleiterspeicher wächst für verschiedene Anwendungen weiter, einschließlich Hochleistungs-Computervorrichtungen, Computervorrichtungen mit hoher Zuverlässigkeit und/oder tragbarer Computervorrichtungen. Für Speicheranwendungen haben Festkörperspeichervorrichtungen Festplattenlaufwerke für verschiedene Anwendungen ersetzt aufgrund von Überlegungen einschließlich Energieverbrauch, Größe sowie Stoß- und Vibrationstoleranzfähigkeit.
  • Die Nachfrage nach Speichern mit niedrigerer Energie, schnellerer Zugriffsgeschwindigkeit und steigender Speicherkapazität spiegelt sich in der steigenden Nachfrage nach eingebetteten Speichern wider. Ein eingebetteter Speicher ist auf dem Chip mit anderen Einheiten wie Mikroprozessoren integriert. Einige eingebettete Speicher haben das Potenzial als Niedrigenergie- und Hochleistungsvorrichtung, da der Speicher über einen On-Chip-Bus direkt in die Logikschaltungen und analogen Komponenten integriert ist, was eine verbesserte Parallelverarbeitung ermöglichen kann. Ein weiterer Vorteil einiger eingebetteter Speicher ist die Reduzierung der Anzahl von Chips, die durch einen höheren Integrationsgrad ermöglicht wird, was zu niedrigeren Gehäusekosten und einer geringeren Anzahl von Pins pro Chip führt.
  • Für nichtflüchtige Speicher einschließlich eingebetteter nichtflüchtiger Speicher umfassen die wünschenswerten Eigenschaften einen energiesparenden Betrieb, schnelle Schreib-/Lesezeiten, eine nahezu unendliche Anzahl von Schreib-/Lesezyklen, Kompatibilität mit Si-Herstellungsprozessen, Nichtflüchtigkeit und niedrigere zusätzliche Prozesskosten für ein Hinzufügen von Speicherzellen zu Logikschaltungen.
  • Die Nichtflüchtigkeit ist besonders hilfreich beim Reduzieren der Standby-Speicherleistung. Für einige Anwendungen, wie z. B. eigenständige Speicheranwendungen mit hoher Dichte, ist eine kleinere Zellengröße wünschenswert, um die Kosten zu reduzieren. Für einige andere Anwendungen, wie z. B. eingebettete Speicher, kann es wichtiger sein, wünschenswerte elektrische Eigenschaften zu erzielen, als eine hohe Dichte der Speicherzellen zu realisieren.
  • Herkömmliche nichtflüchtige Speicher wie Flash-Speicher oder elektrisch löschbare programmierbare Festwertspeicher (EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) erfüllen diese Anforderungen nur teilweise. Obwohl sie nichtflüchtig sind, sind die Schreib-/Löschzyklen typischerweise auf etwa eine Million Zyklen begrenzt. Darüber hinaus übersteigen Schreib-/Löschzeiten, Spannung, Energie- und Stromverbrauch die von Direktzugriffsspeichern wie beispielsweise statischen Direktzugriffsspeichern (SRAM, Static Random Access Memory) und dynamischen Direktzugriffsspeichern (DRAM, Dynamic Random Access Memory) wesentlich.
  • Einige eingebettete Speicher basieren auf SRAM. Während zusätzliche Prozesskosten relativ gering sind, ist SRAM ein flüchtiger Speicher mit einer relativ großen Zellengröße und verbraucht relativ viel Standby-Energie. Einige andere eingebettete Speicher basieren auf DRAM. Während DRAM eine kleinere Zellengröße als SRAM bietet, sind die zusätzlichen Prozesskosten höher und es wird auch relativ viel Standby-Energie verbraucht.
  • Vorteilhafte Merkmale sowohl von flüchtigen als auch von nichtflüchtigen Speichertechnologien können realisiert werden, indem ein Kondensator mit einer ferroelektrischen Schicht in einer Halbleiterspeichervorrichtung, z B. einem ferroelektrischen Direktzugriffsspeicher (FeRAM, Ferroelectric Random Access Memory), verwendet wird. 1A ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Kondensators 100 mit einer Speicherschicht 104, z. B. einer ferroelektrischen Schicht, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht 108, 112 angeordnet ist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Im Gegensatz zu einem DRAM-Zellenkondensator, bei dem ein Dielektrikum mit einer linearen Polarisationsfeld- (P-E) -Antwort verwendet werden kann, enthält der Kondensator 100 eine ferroelektrische Schicht, die eine nichtlineare P-E-Antwort aufweist. Wie hierin beschrieben, bezieht sich ein ferroelektrisches Phänomen auf ein Phänomen, bei dem ein Kristall eine spontane elektrische Polarisation zeigt, bei der die Polarisationsrichtung zwischen kristallographisch definierten Zuständen unter einem externen elektrischen Feld neu ausgerichtet werden kann. Wenn ein externes elektrisches Feld über das ferroelektrische Material angelegt wird, neigen Dipole, die durch kleine Verschiebungen der Positionen von Atomen oder Molekülen erzeugt werden, dazu, sich mit der Feldrichtung auszurichten. Nachdem die Ladung entfernt wurde, behalten die Dipole ihren Polarisationszustand bei, wodurch sie eine Restpolarisation (manchmal auch als remanente Polarisation bezeichnet) aufweisen.
  • 1B ist eine schematische Darstellung einer Polarisationsfeld- (P-E) - Schleife 120 eines Kondensators, wie etwa des in Bezug auf 1A veranschaulichten Kondensators 100, mit einer Speicherschicht 104 dar, z. B. einer ferroelektrischen Schicht. Die P-E-Schleife 120 kann diejenige der ferroelektrischen Schicht darstellen, die ein ferroelektrisches Polydomänenmaterial umfasst. In der dargestellten P-E-Schleife 120 kann vor der erstmaligen Polarisation anfänglich eine statistische Verteilung der ferroelektrischen Domänen vorliegen, so dass die Nettopolarisation bei Feld Null ungefähr Null ist. Die anfängliche Polarisation (P) kann durch einen P-E-Kurvenabschnitt 122 dargestellt werden. Beim erstmaligen Polarisieren der ferroelektrischen Schicht durch Anlegen eines positiven elektrischen Feldes, beginnend mit einer Polarisation P=0, nimmt die Polarisation mit zunehmendem Feld zu, bis sie bei +Pmax ihre Sättigung erreicht. Nachdem die Sättigung bei +Pmax erreicht ist, wenn das elektrische Feld anschließend gemäß einem P-E-Kurvenabschnitt 124 bei E=0 reduziert wird, kann eine Polarisation verbleiben. Die verbleibende Polarisation wird hierin als Restpolarisation (+Pr) bezeichnet. Um die Polarisation zurück auf Null zu bringen, kann ein negatives elektrisches Feld angelegt werden. Ein ausreichendes elektrisches Feld zum Reduzieren der Polarisation zurück auf Null wird hier als Koerzitivfeld (Ec) bezeichnet. Gemäß dem P-E-Kurvenabschnitt 124 kann ein negatives Koerzitivfeld (-Ec) angelegt werden, um die Polarisation von +Pr auf Null zu reduzieren. Wird die negative Spannung oder das negative Feld weiter vergrößert, dann verhält sich die Hystereseschleife ähnlich wie unter einer positiven Spannung bzw. einem positiven Feld, aber im umgekehrten Sinne. Das heißt, das negative P vergrößert sich mit zunehmendem negativem elektrischem Feld, bis es bei -Pmax seine Sättigung erreicht. Wenn anschließend die Größe des elektrischen Felds entlang eines P-E-Kurvenabschnitts 126 bei E=0 nachfolgend verringert wird, kann eine Restpolarisation -Pr verbleiben. Somit weist die ferroelektrische Schicht eine Eigenschaft einer Restpolarisation +/-Pr auf, die durch ein angelegtes elektrisches Feld in umgekehrter Richtung umgekehrt werden kann, was in ferroelektrischen Kondensatoren zu einer hysteretischen P-E-Schleife führt.
  • Durch die Verwendung von Dünnfilmtechnologien können Operationsfelder oder Spannungen auf ein Niveau unter Standard-Chipversorgungsspannungen reduziert werden. FeRAM verwendet die P-E-Eigenschaft, um Daten in einem nichtflüchtigen Zustand zu halten und ermöglicht ein schnelles und häufiges Umschreiben von Daten. Somit weist ein FeRAM die vorteilhaften Merkmale sowohl von flüchtigen als auch von nichtflüchtigen Speichertechnologien auf.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf 1B werden in verschiedenen FeRAM-Vorrichtungen Spannungsimpulse verwendet, um die digitalen Informationen zu schreiben und zu lesen. Wenn ein elektrischer Feldimpuls in der gleichen Richtung wie die Restpolarisation angelegt wird, kann kein Schalten erfolgen. Aufgrund der dielektrischen Reaktion des ferroelektrischen Materials kann eine Polarisationsänderung ΔPNS zwischen Pmax und Pr vorliegen. Auf der anderen Seite, wenn ein elektrischer Feldimpuls in der entgegengesetzten Richtung als die Restpolarisation angelegt wird, kann ein Schalten erfolgen. Wenn beispielsweise die anfängliche Polarisation in der entgegengesetzten Richtung wie das angelegte elektrische Feld ist, kehrt sich die Polarisation der ferroelektrischen Schicht um, was zu einer erhöhten Schaltpolarisationsänderung ΔPs führt.
  • FIG.IC ist eine schematische Darstellung von zeitlichen Stromantwortkurven 144 und 140, die jeweils mit Nicht-Schalten und Schalten verbunden sind, eines ferroelektrischen Kondensators wie etwa des Kondensators 100 mit einer ferroelektrischen Schicht als Speicherschicht 104 in 1A.
  • Die unterschiedlichen Zustände der Restpolarisation (+Pr und -Pr), die oben mit Bezug auf 2 dargestellt wurden, können ein unterschiedliches Übergangsstromverhalten des ferroelektrischen Kondensators zu einem angelegten Spannungsimpuls bewirken. Basierend auf einer Differenz der Strom-Zeit-Antworten, z. B. Momentanstrom, integrierter Strom, Stromänderungsrate usw., können die verschiedenen Parameter, die dem Umschalten zwischen Zuständen zugeordnet sind, die den Restpolarisationen +P und -P entsprechen, bestimmt werden. Zum Beispiel können die geschaltete Ladung ΔQS und die Nicht-Schaltladung ΔQNS durch Integrieren der Stromantwortkurven 140 bzw. 144 bestimmt werden. Ein Ladungsunterschied ΔQ = AΔP (wobei es sich bei A um die Fläche des Kondensators handelt) ermöglicht die Unterscheidung der beiden logischen Zustände.
  • Unter Verwendung der Zustände mit der Restpolarisation (Pr und -Pr) kann FeRAM als nichtflüchtiger Speicher implementiert werden, was einen Vorteil gegenüber einem DRAM darstellt. Die Nichtflüchtigkeit der gespeicherten Informationen kann wiederum den Energieverbrauch reduzieren, z. B. durch Reduzieren oder Eliminieren der Auffrischung. FeRAM bietet auch Vorteile gegenüber einigen nichtflüchtigen Speichertechnologien wie zum Beispiel Flash-Speichern. So kann FeRAM zum Beispiel im Vergleich zu Flash-Speichern eine um mehrere Größenordnungen höhere Zyklenfestigkeit bieten. FeRAM kann im Vergleich zu Flash-Speichern auch um mehrere Größenordnungen schnellere Schreibzeiten (wenige bis zehn Nanosekunden) bieten. FeRAM kann auch Schreib- und Lesespannungen bieten, die nur Bruchteile von denen von Flash-Speichern betragen.
  • Für eine verbesserte Zuverlässigkeit als nichtflüchtiger Speicher sollte die Restpolarisation der ferroelektrischen Schicht in geeigneter Weise hoch sein, da sie proportional zur Schaltladung ist. Bei Knoten unter 100 nm beispielsweise, wenn die Schaltladung eines ferroelektrischen Kondensators, die als ΔQ=AΔP ausgedrückt werden kann, wobei A die Fläche des Kondensators ist und ΔP die Schaltpolarisation ist, unter einen Schwellenwert von etwa 30 fC, 25 fC, 20 fC, 15fC, 10 fC, 5 fC oder einen Wert in einem Bereich zwischen beliebigen dieser Werte fällt, kann ein Lesefehler auftreten. Für nichtflüchtige Speichervorrichtungen in Knoten unter 100 nm gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Schaltpolarisation ΔP, die einer Schaltladung entspricht, ungefähr 0-60 µC/cm2, 60-100 µC/cm2, 50-140 µC/cm2, 140-180 µC/cm2, 180-220 µC/cm2, 220-260 µC/cm2 oder einen Wert in einem Bereich zwischen beliebigen dieser Werte betragen, entsprechend der Restpolarisation Pr > 10 µC/cm2, z. B. 10-30 µC/cm2, 30-50 µC/cm2, 50-70 µC/cm2, 70-90 µC/cm2, 90-110 µC/cm2, 110-130 µC/cm2 oder einem Wert in einem Bereich zwischen beliebigen dieser Werte.
  • Für nichtflüchtige Speichervorrichtungen mit niedrigem Energieverbrauch gemäß Ausführungsformen ist eine niedrige Koerzitivspannung für das Schalten des ferroelektrischen Kondensators mit niedriger Leistung und/oder Energie vorteilhaft. Zum Beispiel kann die Koerzitivspannung (EC) für verschiedene Systeme mit niedriger Energie, z. B. Systeme mit darin integriertem FeRAM als eingebetteten Speicher, ungefähr 1200 mV, 1100 mV, 1000 mV, 900 mV, 800 mV, 700 mV, 600 mV, 500 mV, 400 mV, 300 mV, 200 mV oder ein Wert in einem Bereich zwischen beliebigen dieser Werte betragen.
  • Trotz dieser Vorteile wird für die kleinen Zellgrößen in Knoten mit fortschrittlicher Technologie (z. B. Knoten unter 100 nm) war für einige Anwendungen das Erreichen einer relativ hohen Restpolarisation (z. B. 10 µC/cm2 für ein ausreichendes EIN-/AUS-Verhältnis, Lesefenster und Nichtflüchtigkeit) und einer relativ niedrigen Koerzitivspannung (z. B. niedriger als etwa 1200 mV) für einen Ultra-Niederspannungsbetrieb (z. B. niedriger als etwa 1200 mV) und Nichtflüchtigkeit (z. B. ausreichendes Lesefenster nach 10 Jahren bei Raumtemperatur) schwierig. Während beispielsweise eine niedrigere Koerzitivspannung durch Reduzieren der Filmdicke für einige Materialien bis zu einem gewissen Grad erreicht werden kann, kann das Verringern der Filmdicke unter eine bestimmte Dicke das Koerzitivfeld in vielen ferroelektrischen Materialien erhöhen, wodurch die Koerzitivspannung nicht gesenkt werden kann. Somit kann die Dickenskalierung für jeden Einzelfall möglicherweise nicht ausreichend sein. Um diesen und anderen Bedürfnissen gerecht zu werden, wird in der offenbarten Technologie ein ferroelektrischer Kondensator für Speicheranwendungen offenbart, der bei ultraniedrigen Spannungen (z. B. <1200 mV) schalten kann, während er gleichzeitig eine relativ hohe Restpolarisation (z. B. >10 µC/cm2) aufweist.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, dass, um diese und andere wünschenswerte Leistungsparameter für nichtflüchtige Speicheranwendungen, z. B. einen FeRAM, zu erreichen, eine Kombination verschiedener Kondensatorelemente zusammen konstruiert werden muss. Insbesondere unter Bezugnahme auf 1A umfasst der Kondensator 100 eine Speicherschicht 104, die zwischen einer oberen oder ersten leitfähigen Oxidelektrodenschicht 108 und einer unteren oder zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht 112 eingebracht ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Speicherschicht 104 eine konstruierte polare Schicht. Die polare Schicht wird konstruiert, indem ein polares Basismaterial bereitgestellt wird und das polare Basismaterial mit einem Dotierungsmittel dotiert wird. Das polare Basismaterial schließt ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff ein. In einigen Ausführungsformen umfasst das ein Metallelement, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet. In einigen anderen Ausführungsformen umfasst das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und das in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel unterscheidet. In einigen Ausführungsformen umfasst das Dotierungsmittel ein Metallelement, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und das in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich eine erste und eine zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht 108, 112, die zusammen mit der Speicherschicht 104 konstruiert werden und zwar zum Beispiel in Bezug auf die Kristallstruktur, Zusammensetzung, Dicke und Stapelung mit einer weiteren Elektrodendicke. In einigen Ausführungsformen umfasst der Kondensator 100 ferner erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht.
  • Das polare Basismaterial kann ein dielektrisches Material, ein paraelektrisches Material oder ein ferroelektrisches Material sein, wie hierin beschrieben.
  • Wie hierin beschrieben beziehen sich Dielektrika auf elektrische Isolatoren, die im Wesentlichen keine Elektrizität leiten da sie keine oder nur sehr wenige freie Elektronen zum Leiten von Elektrizität aufweisen. Ein Dielektrikum kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes polarisiert werden. Dielektrika können in polare Dielektrika und unpolare Dielektrika eingeteilt werden.
  • Wie hierin beschrieben bezieht sich ein polarer Isolator oder ein polares Material auf ein elektrisch isolierendes Material mit Elementarzellen oder molekularen Einheiten, die ein permanentes elektrisches Dipolmoment aufweisen. In diesen Materialien sind die polaren Moleküleinheiten in Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes zufällig orientiert. Als Ergebnis zeigt das Fehlen eines externen Feldes im Wesentlichen kein Nettodipolmoment an. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, können sich die Dipole auf das externe elektrische Feld ausrichten, so dass ein Nettodipolmoment erzeugt wird.
  • Wie hierin beschrieben bezieht sich ein unpolarer Isolator oder ein unpolares Material auf ein elektrisch isolierendes Material mit Elementarzellen oder molekularen Einheiten, die kein permanentes elektrisches Dipolmoment aufweisen. Bei diesen Materialien fällt in Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes das Zentrum der positiven Ladung mit dem Zentrum der negativen Ladung in den Elementarzellen zusammen, so dass die Moleküle im Wesentlichen kein Nettodipolmoment aufweisen. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, erfährt die positive Ladung eine Kraft in Richtung des elektrischen Feldes und die negative Ladung eine Kraft entgegengesetzt zum Feld, so dass die Elementarzellen Dipole enthalten, die als induzierte Dipole bezeichnet werden.
  • Wie hierin beschrieben bezieht sich ein Material, das einer dielektrischen Polarisation unterliegt, oder ein dielektrisches Material auf ein isolierendes Material, bei dem, wenn es polarisiert ist, die induzierte Polarisation im Wesentlichen linear proportional zum angelegten externen elektrischen Feld variiert. Das heißt, anders als bei der P-E-Kurve, die oben mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, dasst ein dielektrisches Material eine im Wesentlichen lineare P-E-Antwort zeigt. Somit kann die elektrische Permittivität, entsprechend der Steigung der Polarisationskurve, eine Konstante als Funktion des äußeren elektrischen Feldes sein.
  • Wie hierin beschrieben bezieht sich ein Material, das einer paraelektrischen Polarisation unterliegt, oder ein paraelektrisches Material auf ein isolierendes Material, bei dem, wenn es polarisiert ist, die induzierte Polarisation im Wesentlichen nichtlinear mit E variiert. Dies bedeutet, dass das Material eine im Wesentlichen nichtlineare P-E-Kurve zeigt. Somit ist die der Steigung der Polarisationskurve entsprechende elektrische Permittivität keine Konstante wie bei einem paraelektrischen Material, sondern variiert als Funktion des äußeren elektrischen Feldes. Im Gegensatz zu der oben mit Bezug auf 1B beschriebenen P-E-Kurve zeigt ein paraelektrisches Material jedoch keine Hysterese.
  • Wie hierin beschrieben bezieht sich ein Material, das einer ferroelektrischen Polarisation unterliegt, oder ein Ferroelektrikum, auf ein isolierendes Material, bei dem, wenn es polarisiert ist, die induzierte Polarisation im Wesentlichen nichtlinear mit E variiert. Zusätzlich zur Anzeige einer nichtlinearen P-E-Kurve wie in einem paraelektrischen Material, wie oben in Bezug auf 1B beschrieben, bezieht sich ein Material, das einer ferroelektrischen Polarisation unterliegt, oder ein ferroelektrisches Material, auf ein isolierendes Material, das eine Restpolarisation ungleich Null zeigt, selbst wenn E Null ist. Somit zeigt das Material eine im Wesentlichen nichtlineare P-E-Kurve mit einer Hysterese, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben. Ein charakteristisches Merkmal eines ferroelektrischen Materials ist die Umpolung der Restpolarisation durch ein entsprechend starkes angelegtes E in entgegengesetzter Richtung. Somit hängt die Polarisation daher nicht nur von dem aktuellen elektrischen Feld ab, sondern auch von seiner Vorgeschichte, wodurch eine Hystereseschleife angezeigt wird, wie oben mit Bezug auf 1B erörtert.
  • Einige ferroelektrische Materialien zeigen unterhalb einer bestimmten Phasenübergangstemperatur, die als Curie-Temperatur (TC) bezeichnet wird, eine wesentliche Ferroelektrizität, während sie oberhalb dieser Temperatur eine Paraelektrizität zeigen. Oberhalb der TCverschwindet die Restpolarisation und das ferroelektrische Material wandelt sich in ein paraelektrisches Material um. Viele Ferroelektrika verlieren oberhalb von TC ihre piezoelektrischen Eigenschaften vollständig, weil ihre paraelektrische Phase eine zentrosymmetrische Kristallstruktur aufweist. Dementsprechend bezieht sich, wie hierin beschrieben, sofern nicht anders beschrieben, ein Material, das als eine Restpolarisation aufweisend beschrieben wird, z. B. ein ferroelektrisches Material, auf das Material unterhalb der TC.
  • Dotierte polare Schichten für Halbleitervorrichtungen
  • Um die obigen Leistungsparameter eines Kondensators zu erreichen, umfasst gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein Halbleitervorrichtung, z. B. eine Speichervorrichtung, einen Kondensator, z. B. einen Kondensator 100, der wie in 1A dargestellt angeordnet ist. Der Kondensator umfasst eine Speicherschicht 104, die wiederum eine kristalline polare Schicht umfasst, die ein polares Basismaterial umfasst, das mit einem Dotierungsmittel z. B. substitutiv dotiert ist. In einigen Ausführungsformen schließt das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff ein. Das Dotierungsmittel umfasst ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet. Das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet. In einigen anderen Ausführungsformen, das polare Basismaterial umfasst ein Basismetalloxid mit einer chemischen Formel ABO3, wobei A und B jeweils ein oder mehrere Metallelemente darstellen, die austauschbare Atompositionen einer Kristallstruktur des polaren Basismaterials einnehmen. Das Dotierungsmittel umfasst ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet. Der Kondensator umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht. Die kristalline polare Schicht weist eine Perowskit-Struktur, eine hexagonale Kristallstruktur oder eine Übergitterstruktur auf. Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich eine erste und eine zweite kristalline leitfähige Oxidelektrode 108, 112, die zusammen mit der Speicherschicht 104 konstruiert werden und zwar zum Beispiel in Bezug auf die Kristallstruktur und/oder die Zusammensetzung.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial, ein paraelektrisches Basismaterial, ein dielektrisches Material oder eine Kombination davon. Das Dotieren des polaren Basismaterials gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen ändert die ferroelektrischen Eigenschaften des polaren Basismaterials.
  • In einigen Ausführungsformen, wenn das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst, verringert eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials. In diesen Ausführungsformen ist die polare Schicht eine ferroelektrische Schicht, weist jedoch eine Restpolarisation auf, die niedriger ist, als sie es ohne das Vorhandensein des Dotierungsmittels wäre. Zum Beispiel kann die Konzentration des Dotierungsmittels in einer solchen Konzentration vorliegen, dass die polare Schicht eine paraelektrische Schicht mit im Wesentlichen null Restpolarisation ist. Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf beschränkt, und in anderen Ausführungsformen, wenn das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst, erhöht eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials. In diesen Ausführungsformen ist die polare Schicht eine ferroelektrische Schicht, weist jedoch eine Restpolarisation auf, die höher ist, als sie ohne das Vorhandensein des Dotierungsmittels wäre.
  • In einigen Ausführungsformen, wenn das polare Basismaterial ein paraelektrisches Basismaterial oder ein dielektrisches Basismaterial umfasst, erhöht das Erhöhen der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des paraelektrischen Basismaterials oder des dielektrischen Basismaterials. In diesen Ausführungsformen umfasst das Dotierungsmittel ein Element und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass das paraelektrische Basismaterial oder das dielektrische Basismaterial in ein ferroelektrisches Material umgewandelt wird und die resultierende polare Schicht eine ferroelektrische Schicht ist. Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf beschränkt und in anderen Ausführungsformen, wenn das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst, kann eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels nicht zu einer Erhöhung der Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials führen. In diesen Ausführungsformen umfasst das Dotierungsmittel ein Element und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass das paraelektrische Basismaterial oder das dielektrische Basismaterial nicht in ein ferroelektrisches Material umgewandelt wird, so dass die resultierende polare Schicht eine paraelektrische oder dielektrische Schicht ist.
  • Aus der Sicht der Vorrichtung kann es für die Speicherschicht 104 wichtig sein, im Wesentlichen vollständig zwischen stabilen Zuständen umzuschalten, z. B. zwischen +Pr- und -Pr-Zuständen, um eindeutige digitale Informationen zu erhalten. Das im Wesentlichen vollständige Schalten kann durch ein ausreichend hohes Feld und eine ausreichend lange Impulsbreite erreicht werden. Die Schaltzeit hängt von vielen Faktoren ab, z. B. Domänenstruktur, Keimbildungsrate energetisch günstiger ferroelektrischer Domänen, der Beweglichkeit der ferroelektrischen Domänenwände, um nur einige zu nennen. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann eine untere Grenze für die Schaltzeit (t0) unter der Annahme, dass ein ausreichendes Feld größer als das Koerzitivfeld angelegt wird, auf die Zeit bezogen werden, die eine ferroelektrische Domänenwand benötigt, um sich in einem Kondensatorfilm mit einer Dicke (d) von einer Elektrode zur anderen auszubreiten, und zwar durch: t 0 = d / c ,
    Figure DE112020001902T5_0001
    wobei es sich bei c um die Geschwindigkeit der Domänenwand handelt. Die Geschwindigkeit der Domänenwand kann der Schallgeschwindigkeit (~4000 m/s) entsprechen. Zum Beispiel kann t0 für eine 200 nm dicke polare Schicht etwa 50 ps betragen. Herkömmliche ferroelektrische Stapel, z. B. unter Verwendung von Pt-Elektroden, können allerdings einen Dickeneffekt aufweisen, wobei eine Verringerung der Dicke d die Schaltzeit nur bis zu einem gewissen Grad verkürzen kann, während eine weitere Verringerung möglicherweise nicht zu einer Verringerung der Schaltgeschwindigkeit führt. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann ein solcher Effekt einer Vielzahl von Faktoren zugeschrieben werden, einschließlich einer Erhöhung des effektiven Koerzitivfeldes mit abnehmender Dicke d, was wiederum durch eine dielektrische Grenzflächenschicht verursacht werden kann, die sich zwischen der polaren Schicht und der/den Elektrode(n) bildet. Eine solche Grenzschicht kann zu Ladungsinjektionseffekten in die Grenzschichten führen, was zu Abschirmeffekten führt, die das effektive Koerzitivfeld erhöhen. Um ein schnelles (z. B. <20 ns) und Niederspannungs- (z. B. <1200 mV) Schalten eines ferroelektrischen Kondensators gemäß verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen zu ermöglichen, haben die Erfinder somit die Dicke, die Zusammensetzung der dotierten polaren Schicht und die Oxidelektroden (z. B. mit einer Kristallstruktur, die der dotierten polaren Schicht entspricht) optimiert, wie hierin beschrieben.
  • Um diese und andere Vorteile zu ermöglichen, ist in verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen die Speicherschicht 104 (1A) eine ferroelektrische Schicht, wie sie dotiert ist, und erfährt vorteilhafterweise einen ferroelektrischen Übergang bei einer Spannung über der Speicherschicht 104, die der Koerzitivspannung entsprechen kann, d. h. niedriger als etwa 1200 mV, 1100 mV, 1000 mV, 900 mV, 800 mV, 700 mV, 600 mV, 500 mV, 400 mV, 300 mV, 200 mV, 100 mV, oder einer Spannung in einem Bereich, der durch eine dieser Spannungen definiert ist. In einigen Ausführungsformen können diese niedrigen Spannungen erreicht werden, während gleichzeitig eine relativ hohe Restpolarisation (z. B. >10 µC/cm2) gezeigt wird. Die Kombination des ferroelektrischen Übergangs mit relativ niedriger Spannung und der relativ hohen Restpolarisation wird durch verschiedene Kombinationen von hierin beschriebenen Merkmalen erreicht.
  • In verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen ist die Speicherschicht 104 (1A) eine ferroelektrische Schicht und wird aus einem mit einem Dotierungsmittel dotierten ferroelektrischen Basismaterial mit einer relativ hohen Startrestpolarisation von z. B. >10 µC/cm2 gebildet, wobei das Dotierungsmittel eine Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials relativ zu einem undotierten ferroelektrischen Basismaterial um mindestens 5 % verringert.
  • In verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen weist die Speicherschicht 104 (1A), die eine an die polare Schicht angepasste Kristallstruktur aufweisen kann, eine Gitterkonstante auf, die innerhalb von etwa 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 5 %, 2 %, 1 % oder einen Prozentsatz in einem durch einen dieser Werte definierten Bereich einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschichten 108, 112 angepasst wird. Zumindest Abschnitte der Speicherschicht 104 sowie die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht 108, 112 können pseudomorph sein.
  • Dementsprechend weist gemäß verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen die Speicherschicht 104 eine Dicke von weniger als ungefähr 200 nm, 150 nm, 100 nm, 50 nm, 20 nm, 10 nm, 5 nm, 2 nm oder eine Dicke in einem Bereich, der durch einen dieser Werte definiert ist, auf, um schnelles und Niederspannungsschalten zu ermöglichen. Bei einigen Implementierungen kann die Dicke ein kritischer Parameter sein, so dass, wenn die Dicke außerhalb dieser Werte liegt, die gewünschte Schaltspannung und/oder Schaltzeit möglicherweise nicht erreicht wird.
  • Darüber hinaus ist die Speicherschicht 104 in verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen mit einem Dotierungsmittel mit einer Konzentration von mehr als etwa 5,0% auf der Grundlage einer Gesamtzahl von Metallatomen der ferroelektrischen Oxidschicht dotiert. Die dotierte Speicherschicht 104 weist eine Restpolarisation auf, die sich von derjenigen der Speicherschicht 104 mit der gleichen Zusammensetzung ohne das Dotierungsmittel um mehr als ungefähr 5 µC/cm2, unterscheidet, und mit einer endgültigen Restpolarisation, die mehr als ungefähr 10 µC/cm2 beträgt.
  • Wie oben beschrieben kann das polare Basismaterial ein dielektrisches Material, ein paraelektrisches Material oder ein ferroelektrisches Material sein, wie oben beschrieben. Wie beschrieben können Dotierungsmittel in einigen Ausführungsformen die Restpolarisation eines polaren Basismaterials, das ein ferroelektrisches Material ist, verringern, während ein Doppelmuldenpotential der Kurve der freien Energie verringert wird. In einigen anderen Ausführungsformen können Dotierungsmittel eine Restpolarisation durch Dotieren eines polaren Basismaterials einführen, das ein paraelektrisches Material ist, was von einem Doppelmuldenpotential der Kurve der freien Energie begleitet sein kann. In noch einigen anderen Ausführungsformen können Dotierungsmittel eine Restpolarisation durch Dotieren eines polaren Basismaterials einführen, das ein dielektrisches Material ist, was von einem Doppelmuldenpotential der Kurve der freien Energie begleitet sein kann. In diesen Ausführungsformen umfasst das polare Basismaterial ein dielektrisches Material und das Dotierungsmittel die Ferroelektrizität des dielektrischen Materials erhöht, so dass die polare Schicht eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist. In einigen Ausführungsformen umfasst das dielektrische Material eines oder mehrere eines Oxids von Hf, Zr, Al, Si oder einer Mischung davon. In einigen Ausführungsformen weist das dielektrische Material eine chemische Formel auf, die durch Hf1-xExOy dargestellt wird, wobei x und y jeweils größer als Null sind und wobei E ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, Ca, Ce, Dy, Er, Gd, Ge, La, Sc, Si, Sr, Sn oder Y. In einigen Ausführungsformen weist das dielektrische Material eine chemische Formel auf, die durch Al1-xRxN, Ga1-xRxN oder Al1-x-yMgxNbyN dargestellt wird, wobei x und y jeweils größer als Null sind, und wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, Ca, Ce, Dy, Er, Gd, Ge, La, Sc, Si, Sr, Sn oder Y.
  • Kristallstrukturen und Zusammensetzungen der polaren Schichten für ferroelektrische Kondensatoren
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Speicherschicht 104 (1A) eine kristalline polare Schicht mit einer Perowskit-Kristallgitterstruktur, einer hexagonalen Kristallgitterstruktur oder einer Übergitterstruktur.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid mit einer chemischen Formel, die durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellt wird, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind. A und A' sind Metalle, die austauschbare Atompositionen in der Kristallstruktur einnehmen und B und B' sind Metalle, die austauschbare Atompositionen in der Kristallstruktur einnehmen. A' und/oder B' können Dotierungsmittel sein. Somit umfasst das ferroelektrische Oxid in diesen Ausführungsformen ein polares Grundmaterial, das durch eine chemische Basisformel AmBnOz dargestellt werden kann, das mit einem oder mehreren Dotierungsmitteln A' und/oder B' dotiert ist, um die chemische Formel A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz zu haben.
  • In der oben durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellten chemischen Formel können A und B mehr als ein Atom darstellen, so dass das ferroelektrische Oxid eine dotierte feste Dies bedeutet, dass in einigen Ausführungsformen das ferroelektrische Oxid durch eine verallgemeinerte Formel für eine feste Lösung dargestellt werden kann, die durch (A1, A2,...AN)(m-x)A'x(B1, B2,...BM)(n-y)B'yOz, dargestellt ist, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind. A1, A2, ..AN sowie A' nehmen austauschbare Atompositionen in der Kristallstruktur ein und B1, B2,...BM sowie B' nehmen austauschbare Atompositionen in der Kristallstruktur ein. A' und/oder B' können Dotierungsmittel sein, während A1, A2, ..AN und B1, B2,...BM Legierungselemente sind. Somit umfasst das ferroelektrische Oxid in diesen Ausführungsformen ein basisches polares Material, das durch eine chemische Basisformel (A1A2,..AN)m(B1, B2,...BM)nOz dargestellt werden kann, das mit einem oder mehreren Dotierungsmitteln A' und/oder B' dotiert ist, um die chemische Formel (A1, A2,...AN)(m-x)A'x(B1, B2,...BM)(n-y)B'yOz zu haben. In analoger Weise, können A' und B' in der durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellten chemischen Formel mehr als ein Atom darstellen, so dass das ferroelektrische Oxid mit mehreren Dotierungsmitteln dotiert ist, z.B. (A'1, A'2, ..A'N)x, die austauschbare atomare Positionen einnehmen, und (B'1, B'2,...B'M)y, die austauschbare atomare Positionen einnehmen, wobei A'1, A'2, ..A'N und B'1, B'2,...B'M jeweils ein Dotierungsmittel darstellen können. Zur Vereinfachung der Darstellung, wie hierin beschrieben, können einige chemische Verbindungen ohne einen oder mehrere der Indizes x, y, z, m, n, M und N dargestellt werden, wobei es sich um Verbindungen handelt, die geeignete Werte der Indizes haben, um die Ladungsneutralität und Stöchiometrie u. a. zu erfüllen. Zum Beispiel kann eine durch (A1, A2,...AN)(m-x)(A'1, A'2, ..A'N)x(B1, B2,...BM)(n-y)(B'1, B'2,...B'M)yOz dargestellte dotierte Legierung als (A1, A2,...AN)(A'1, A'2, ..A'N)(B1, B2,...BM)(B'1, B'2,...B'M)O ohne Einschränkung dargestellt werden.
  • Während der/die Dotierungsmittel A' und die Legierungselemente A1, A2,..AN und der/die Dotierungsmittel B' und die Legierungselemente B1, B2,..BN jeweils austauschbare Atompositionen in den Kristallstrukturen einnehmen können, der/die Dotierungsmittel beziehen sich auf substituierte Elemente mit besonderen Attributen und technischen Effekten, z.B. ferroelektrischen Eigenschaften, auf die resultierende polare Schicht. Insbesondere bezieht sich ein Dotierungsmittel, wie hierin beschrieben, auf ein Element, das ein Atom im Basismaterial ersetzt, z. B. substitutiv, wobei das Dotierungsmittel einen Oxidationszustand hat, der sich von dem Atom, das es ersetzt, unterscheidet. Außerdem liegt das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vor, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet, wobei die effektive Konzentration zu einer Restpolarisation der dotierten polaren Schicht führt, die größer als etwa 5 µC/cm2 ist, neben anderen ferroelektrischen Eigenschaften. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe sein. In einigen Ausführungsformen umfasst das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob. Außerdem sind die Dotierungsmittel A' und/oder B' und ihre Konzentrationen so, dass die Metallatome eine spontane Verzerrung der Atomlage im Bereich von 0,3-2 % auf Basis einer Gitterkonstante einer paraelektrischen Phase des polaren Basismaterials. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Dotierungsmittel mit den obigen Eigenschaften in einer effektiven Konzentration von mehr als 0,1 Prozent und weniger als 25 Prozent auf der Grundlage der Gesamtzahl der Metallatome in der polaren Schichtvorhanden, und wobei die polare Schicht einen ferroelektrischen Übergang bei einer Spannung von weniger als etwa 1200 mV durchläuft. Weitere Einzelheiten der Konstruktion der Kristallstruktur mit Dotierungsmittel(n), um diese und andere Eigenschaften der polaren Schicht zu erreichen, werden weiter unten diskutiert.
  • Unter Bezugnahme auf 2A weist die kristalline polare Schicht gemäß einigen Ausführungsformen eine Perowskit-Struktur 204A auf. Die dargestellte Perowskit-Struktur 204A stellt ein kristallines Oxid in einem paraelektrischen Zustand dar, das eine chemische Formel ABO3 aufweisen kann, wobei A und B jeweils ein oder mehrere Metallkationen darstellen und O ein Sauerstoffanion darstellt. Die kristalline polare Schicht kann mehr als ein durch A dargestelltes Element (z. B A1, A2,..AN) und/oder mehr als ein durch B dargestelltes Element (z. B B1, B2,..BN) aufweisen und kann mit einem oder mehreren durch A' (z. B. A'1, A'2,..A'N) dargestellten Dotierungsmitteln und/oder einem oder mehreren durch B' (z. B. B'1, B'2,.. B'N) dargestellten Dotierungsmitteln dotiert sein, wie oben beschrieben. Wie herkömmlich dargestellt, besetzen Kationen der A-Stelle die Ecken, während Kationen der B-Stelle im Körperzentrum der Perowskit-Struktur 204A sitzen. Drei Sauerstoffatome pro Elementarzelle ruhen auf den Flächen der Perowskitstruktur 204A Verschiedene Perowskitstrukturen haben ohne Einschränkung eine Gitterkonstante nahe etwa 4 Å aufgrund der Starrheit des Sauerstoffoktaedernetzwerks und des wohldefinierten Sauerstoffionenradius von 1,35 Ä. Vorteilhafterweise können viele verschiedene Kationen sowohl an den A- als auch an den B-Stellen als Dotierungsmittel substituiert werden, um die verschiedenen hierin beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften zu erreichen, während die Gesamtkristallstruktur beibehalten wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Dotiermittelatom A- oder B-Stellen besetzen, um eine substitutiv dotierte feste Lösung zu bilden. Es versteht sich, dass ein Dotierungsmittel, das die A-Stellen besetzt, eine sehr unterschiedliche Wirkung auf das polare Basismaterial haben kann als ein Dotierungsmittel, das die B-Stellen besetzt.
  • Weiterhin Bezug nehmend auf 2A sind in einem veranschaulichenden Beispiel einer polaren Schicht, die Bariumtitanat (BaTiO3) umfasst, das ein paraelektrisches Material mit einer kubischen Perowskitstruktur sein kann, die A-Stellen durch Ba-Atome besetzt, während Ti-Atome die B-Stellen besetzen und von Oktaedern von O-Atomen umgeben sind, und die O-Atome sich im Zentrum jeder Seite der Elementarzelle befinden. Oberhalb einer Curie-Temperatur, die für BaTiO3 etwa 130 °C betragen kann, kann die Perowskitstruktur 204A in der paraelektrischen Phase kubisch oder tetragonal sein. In der paraelektrischen Phase können die O-Atome eine mittlere Position in Bezug auf jedes Paar von O-Atomen auf gegenüberliegenden Seiten der Elementarzelle einnehmen. Unterhalb der Curie-Temperatur kann in der ferroelektrischen Phase die Perowskitstruktur 204A eine tetragonale Struktur aufweisen, in der sich das B-Untergitter (z.B. das Ti-Untergitter in BaTiO3) und die O-Atome in Bezug auf die Ba-Atome als Referenz in entgegengesetzter Richtung verschieben können. Diese Atomverschiebungen können von einer kleinen Relaxation der Elementarzelle begleitet sein, die tetragonal wird (wenn die paraelektrische Phase kubisch ist) oder weiter tetragonal verlängert wird (wenn die paraelektrische Phase tetragonal ist) und eine stabile Polarisation (z. B. etwa 26 µC/cm2) erzeugen. In der tetragonalen Phase wird die kubische Symmetrie gebrochen, was zu sechs symmetrieäquivalenten Varianten mit Polarisation entlang der Richtungen [100], [010] und [001] führt.
  • Unter Bezugnahme auf 2B weist die kristalline polare Schicht gemäß einigen Ausführungsformen eine Kristallstruktur von 204B-1/204-B-2 auf. Die hexagonale Kristallstruktur 204-B1 repräsentiert eine Seitenansicht, während die hexagonale Kristallstruktur 204-B2 eine Draufsicht repräsentiert. Die hexagonale Kristallstruktur 204B-1/204-B-2 stellt ein kristallines Oxid in einem ferroelektrischen Zustand dar und kann durch eine chemische Formel RMnO3 dargestellt werden, wobei R ein Metallkation darstellt, Mn ein Mangankation darstellt und O ein Sauerstoffanion darstellt In diesen Ausführungsformen kann die kristalline Polare Schicht mehr als ein Element aufweisen, das durch R dargestellt wird (z. B. A1, A2, ..AN), das austauschbare Atompositionen einnimmt, und/oder mehr als ein Element zusätzlich zu Mn (z. B. B1, B2, ..BN), das austauschbare Atompositionen einnimmt, und kann mit einem oder mehreren durch A' dargestellten Dotierungsmitteln (zB A'1, A'2, ...A'N) und/oder einem oder mehreren durch B' dargestellten Dotierungsmitteln dotiert werden, (z.B B'1, B'2,..B'N), wie oben beschrieben. In einigen Ausführungsformen ist R ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cer (Ce), Dysprosium (Dy), Erbium (Er), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho), Lanthan (La), Lutetium (Lu), Neodym (Nd), Praseodym (Pr), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Scandium (Sc), Terbium (Tb), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Yttrium (Y). Die hexagonale Kristallstruktur 204B-1 zeigt zwei Schichten von trigonalen MnO5-Bipyramiden und zwei Schichten von R3+-Ionen. Die kristalline polare Schichtmit der hexagonalen Kristallstruktur gemäß Ausführungsbeispielen kann eine relativ große Restpolarisation und eine relativ hohe TC im Bereich zwischen 600 und 1000 K aufweisen. Die kristallinen Polarschichten mit der dargestellten hexagonalen Struktur umfassen dicht gepackte Schichten aus MnO5-Bipyramiden, die Ecken in den ab-Ebenen (xy-Ebene in 2B) teilen. Entlang der hexagonalen c-Achse (z-Richtung in 2B) sind die MnO5-Schichten durch die R3+-Ionen gut getrennt. Eine kooperative Neigung der bipyramidalen Zentren unterhalb des TC verdrängt die R3+-Ionen entlang der c-Achse in zwei nichtäquivalente Zentren. Zwei der R3+-Ionen innerhalb der Elementarzelle bewegen sich nach oben (unten) und eines nach unten (oben), wodurch ein ferroelektrischer Zustand entsteht. Auch die Sauerstoffionen werden in der ab-Ebene verdrängt. Sowohl Verschiebungen von R3+-Ionen als auch von Sauerstoffionen tragen zur ferroelektrischen Polarisation bei, wie in der Pyramidenstruktur 204B-3 veranschaulicht.
  • Unter Bezugnahme auf 2C weist die kristalline polare Schicht gemäß einigen Ausführungsformen eine Übergitter-Struktur 204C-1 auf. Die dargestellte Übergitter-Struktur 204C-1 stellt ein kristallines Oxid in einem paraelektrischen Zustand dar, das eine chemische Formel ABO3 aufweisen kann, wobei A und B jeweils ein oder mehrere Metallkationen darstellen und O ein Sauerstoffanion darstellt. Zum Beispiel kann A1, A2,..ANc darstellen und/oder B kann A1, A2,..AN darstellen, und die polare Schicht kann mit einem oder mehreren durch A' dargestellten Dotierungsmitteln (z. B. A'1, A'2, A'N) und/oder einem oder mehreren durch B' dargestellten Dotierungsmitteln (z.B B'1, B'2,..B'N) dotiert werden, wie oben beschrieben.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können die Übergitterstrukturen eine oder mehrere A1B1O3-Schichten umfassen, die sich mit einer oder mehreren A2B2O3-Schichten abwechseln, und können als eine Übergitterstruktur [A1B1O3/A2B2O3]n dargestellt werden, wobei n die Anzahl der abwechselnden Paare von Schichten ist, die 1 bis 100 sein können. Die Übergitterstrukturen können geordnete Verbindungen sein, wobei jede der A1B1O3-Schichten und A2B2O3-Schichten zwei oder mehr atomare Monolagen, aber nur zwei atomare Monolagen aufweisen kann. In der veranschaulichten Ausführungsform kann eine Elementarzelle durch fünf parallele Ebenen definiert sein, die durch x- oder [100]- und y- oder [010]-Richtungen definiert sind. In der veranschaulichten Ausführungsform sind B1 und B2 gleich und die Elementarzelle hat eine obere Hälfte, die durch die Formel A1BO3 dargestellt wird, und eine untere Hälfte, die durch die Formel A2BO3 in der z- oder [001]-Richtung dargestellt wird, wobei jede Hälfte in Bezug auf die oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Atompositionen zu einer Perowskitstruktur 204A analogisiert werden kann. In der oberen Hälfte der Elementarzelle nimmt ein erstes Kation A1 die von einer oberen Fläche geschnittenen Ecken ein, während ein zweites Kation A2 die von einer unteren Fläche geschnittenen Ecken einnimmt. B-Stellen-Kationen sitzen im Körperzentrum und drei Sauerstoffatome pro Elementarzelle ruhen auf den Flächen, in ähnlicher Weise wie bei der oben mit Bezug auf 2A beschriebenen Perowskitstruktur 204A. Die untere Hälfte der Elementarzelle ist ein Spiegelbild der oberen Hälfte, wobei eine Symmetrieebene die untere Fläche der oberen Hälfte ist, so dass die obere Fläche der unteren Hälfte durch die untere Fläche der oberen Hälfte definiert wird. Somit besetzt in der unteren Hälfte der Elementarzelle das zweite Kation A2 die von einer oberen Fläche geschnittenen Ecken, während das erste Kation A1 die von einer unteren Fläche geschnittenen Ecken einnimmt. B-Stellen-Kationen sitzen im Körperzentrum und drei Sauerstoffatome pro Elementarzelle ruhen auf den Flächen, in ähnlicher Weise wie bei der oben mit Bezug auf 2A beschriebenen Perowskitstruktur 204A. Somit wechseln sich in der [001]-Richtung A1/O-Ebenen mit den A1-Kationen und die O-Anionen wechseln sich mit A2/O-Ebenen mit A2-Kationen und O-Anionen ab, wobei eine Ebene mit den B-Kationen und den O-Anionen zwischen jedem Paar abwechselnder A1/O- und A2/O-Ebenen eingefügt ist, wodurch ein A1BO3/A2BO3-Übergitter gebildet wird, das auf atomarer Schichtebene durch abwechselnde A1BO3-Schichten und A2BO3-Schichten gebildet wird. Die Pfeile zeigen verschiedene Atombewegungen an, die mit unterschiedlichen energiesenkenden Verzerrungen im A1BO3/A2BO3-Übergitter verbunden sind. In der Übergitterstruktur 204C-1 zeigen die auf den A1- und A2-Kationen, B-Kationen und O-Anionen angegebenen Pfeile nach oben und unten die Richtungen der atomaren Verschiebungen an, die in einigen Übergitterstrukturen als Reaktion auf ein elektrisches Feld auftreten, wenn die polare Schichteinen ferroelektrischen Phasenübergang durchläuft, wodurch eine Polarisation (PS) entsteht. In den Übergitterstrukturen 204C-2 und 240C-3 sind je nach Material Drehungen von Sauerstoffatomen in den angegebenen Richtungen dargestellt, um alternative Polarisationszustände zu erzeugen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird eine der alternierenden Schichten der Übergitterstruktur, die SrTiO3-Schichten umfasst, und die andere der alternierenden Oxidschichten durch A2TiO3 oder A2B2O3 dargestellt. Immer noch unter Bezugnahme auf 2C umfasst das veranschaulichende Beispiel einer polaren Schicht mit einer Übergitterstruktur eine geordnete Legierung, die ein Übergitter umfasst, das erste Schichten umfasst, die SrTiO3 umfassen, abwechselnd mit zweiten Schichten, die PbTiO3 umfassen. In diesem Beispiel gilt mit Bezug auf 2C: A1-Kationen, A2-Kationen und B-Kationen stellen Pb-Kationen, Sr-Kationen bzw. Ti-Kationen dar, so dass die Übergitterstruktur SrTiO3-Schichten (z. B. die untere Hälfte der Elementarzelle in 2C) abwechselnd mit PbTiO3 (z. B, die obere Hälfte der Elementarzelle in 2C), dargestellt durch [SrTiO3 /PbTiO3]n, umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst die Übergitterstruktur SrTiO3-Schichten, die sich mit LaAlO3 abwechseln, dargestellt durch [SrTiO3/LaAlO3]n.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 und PbZrTiO3.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3, PbLaZrTiO3, Pb(Sc,Nb)O3, BaTiO3-Bi(Zn(Nb,Ta))O3 und BaTiO3-BaSrTiO3.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiNbO3, LiTaO3, LiFeTaOF, SrBaNbO, BaNaNbO, KNaSrBaNbO.
  • In einigen Ausführungsformen weist das ferroelektrische Basismaterial eine hexagonale Kristallstruktur auf, wobei das ferroelektrische Basismaterial LuFeO3 umfasst oder eine durch RMnO3 dargestellte chemische Formel aufweist, und wobei es sich bei R um ein Metall der Seltenen Erden handelt.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die polare Schicht Pb(Ti1-yZry)O3 oder Pb(Ti1-y-zZryNbz)O3, wobei y und z jeweils größer als Null sind.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die polare Schicht (Bi1-xLax)FeO3, (Bi1-xCex)FeO3 und/oder BiFe1-yCoyO3.
  • Mit Speicherschicht integrierte Leitfähige Oxidelektroden
  • Die Wahl von Materialien zum Integrieren verschiedener hierin beschriebener polarer Schichten mit Oxidelektroden, um Kondensatoren zu bilden, und ihre Abscheidungsprozesse können von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, einschließlich der Bauelementarchitektur, des thermischen Budgets, der Leistung, der Zuverlässigkeit, der Schwierigkeit der Integration, Umweltprobleme, Kosten und andere Materialien des Kondensators. Die Integration der polaren Schichten zwischen oberen und unteren Elektroden, um Kondensatoren für hierin offenbarte Speichervorrichtungen zu bilden, steht vor vielen Herausforderungen. Beispielsweise werden einige polare Schichten wie ferroelektrische Oxide in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei relativ hohen Temperaturen (z. B. 300 °C bis 800 °C) abgeschieden, und mindestens eine der Elektroden (z. B. die untere Elektrode, auf der die polare Schicht gebildet wird) sollten unter diesen Bedingungen oxidationsbeständig sein und den Verarbeitungsbedingungen des polaren Oxids standhalten können. Aus diesem Grund wurden einige polare Schichten in der Industrie mit oxidationsbeständigen Edelmetallen wie Pt und Pd integriert. Da Edelmetalle jedoch schwer zu ätzen sind und eine schlechte Haftung aufweisen, war ihre Integration in der Industrie begrenzt. Darüber hinaus können Edelmetalle tiefe Ebenen im darunterliegenden Si-Substrat bilden, wenn sie darin diffundieren und die Transistorleistung stark verschlechtern. Außerdem können einige Elektroden die ferroelektrischen Eigenschaften der polaren Schicht nachteilig beeinflussen, z. B. die Restpolarisation reduzieren.
  • Darüber hinaus haben die Erfinder entdeckt, dass durch Konstruktion der Materialzusammensetzung und der Kristallstruktur der oberen und unteren Elektroden, die leitfähige Oxide gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen, verschiedene ferroelektrische Eigenschaften des ferroelektrischen Kondensators beibehalten oder verbessert werden können, einschließlich: Schaltspannung, Schaltzeit, Restpolarisation, Sättigungspolarisation, Koerzitivfeld, ferroelektrische Übergangstemperatur, elektrische Leitfähigkeit der Elektroden und Leckstrom, um nur einige zu nennen. Beispielsweise können, wie oben beschrieben, herkömmliche ferroelektrische Kondensatoren, z. B. solche mit Pt-Elektroden, eine Grenzflächenschicht zwischen der polaren Schicht und der/den Elektrode(n) bilden, was zu Ladungsinjektions- und Abschirmeffekten führen kann, wodurch das effektive Koerzitivfeld der polaren Schicht erhöht wird. Im Gegensatz zu den herkömmlichen ferroelektrischen Stapeln können die konstruierten Elektroden gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen diese Effekte reduzieren oder eliminieren. Darüber hinaus können die oberen und unteren Elektroden, die leitfähige Oxide gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen, als Diffusionsbarriere dienen und die Integration verschiedener oben beschriebener polarer Schichten ermöglichen, ohne Edelmetalle wie Pt oder Pd zu verwenden, die schwer zu integrieren sind.
  • Um diese und andere Ziele anzugehen, umfasst ein Kondensatorstapel gemäß verschiedenen Ausführungsformen erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer polaren Schicht, wobei die polare Schicht eine beliebige der hierin offenbarten Polarschichten sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die polare Schicht ein beliebiges kristallines polares Basismaterial, das mit einem wie hierin beschriebenen Dotierungsmittel dotiert ist. Das polare Basismaterial schließt ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff ein, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, so dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht, wobei die polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode angepasst ist. In einigen anderen Ausführungsformen umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Kondensatorstapel, der wiederum eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial umfasst, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist. Das polare Basismaterial ein Metalloxid mit einer Perowskit-Struktur, einer hexagonalen Kristallstruktur oder einer Übergitterstruktur umfasst. Das Dotierungsmittel umfasst ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe, das sich von dem Metall bzw. den Metallen des Metalloxids unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst ferner erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der kristallinen polaren Schicht, wobei die kristalline polare Schicht die selbe Kristallstruktur wie die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode aufweist. Ein beispielhafter Kondensatorstapel, der diese wünschenswerten Effekte erzielen kann, ist mit Bezug auf 3 dargestellt.
  • 3 ist eine schematische Darstellung von Kristallstrukturen der Schichten eines Kondensatorstapels 312 umfassend erste (untere) und zweite (obere) leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden 304, 300 und eine dazwischen angeordnete polare Schicht 308 und mit einer passenden Kristallstruktur, gemäß einigen Ausführungsformen. In der dargestellten Ausführungsform ist die passende Kristallstruktur eine Perowskit-Struktur, wie oben mit Bezug auf 2A beschrieben. In dieser Ausführungsform umfasst die polare Schicht 308 ein ferroelektrisches Oxid mit einer chemischen Formel, die durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellt wird, wobei A und A' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei B und B' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei es sich bei A' und/oder B' um Dotierungsmittel handelt, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind. Wie oben beschrieben, kann A ein oder mehrere Legierungselemente darstellen, die eine feste Lösung bilden, kann A ein oder mehrere Legierungselemente darstellen, die eine feste Lösung bilden, und jedes von A' und B' kann einen oder mehrere Dotierungsmittel darstellen. Die erste und/oder die zweite leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode 304, 300 umfassen ein Oxid mit einer chemischen Formel dargestellt durch C(p-u)C'uD(q-v)D'vOw, wobei C und C' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei D und D' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei p, q und w ganze Zahlen sind, und wobei u und/oder v größer als Null sind. Zusätzliche Elemente (z.B., C'', C''', etc.) können austauschbare Atompositionen mit C und C' einnehmen, und zusätzliche Elemente (z.B., D'', D''', etc.) können austauschbare Atompositionen einnehmen mit D und D', um feste Lösungen zu bilden. Die verschiedenen Elemente und ihre Atomanteile können abgestimmt werden, um neben anderen Parametern die Gitterkonstante so abzustimmen, dass sie der der polaren Schicht 308 besser entspricht, und/oder um den spezifischen Widerstand abzustimmen.
  • In verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen können die Zusammensetzungen der polaren Schicht 308 und der ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 so abgestimmt werden, dass die polare Schicht 308 eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 25 %, 20 %, 15 %, 10 %, 5 %, 2 %, 1 %, 0,5 %, 0,2 %, 0,1 % oder einem Prozentsatz in einem Bereich, der durch einen dieser Werte definiert wird, einer Gitterkonstante von einem oder beiden des ersten und zweiten leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden 304, 300, die die polare Schicht 308' kontaktieren.
  • Zumindest Abschnitte der polaren Schicht 308 sowie die erste und/oder die zweite leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode 304, 300 können pseudomorph oder pseudomorph gespannt sein. Beispielsweise weist die polare Schicht 308 gemäß Ausführungsformen einen Bereich mit einer seitlichen Abmessung zwischen etwa 10 nm und 500 nm auf, der mit der ersten und der zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode 304, 300 pseudomorph ist. Der pseudomorphe Bereich kann z. B. einem Korn der polaren Schicht 308 entsprechen. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, würde ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass, ob Pseudomorphizität erreicht wird oder nicht, unter anderem von der Dicke der Schichten und der Gitterfehlanpassung abhängt, wobei zumindest eine teilweise Pseudomorphizität erreicht werden kann, solange die Dehnungsenergie unter einer kritischen Energie für die Bildung von Fehlanpassungsversetzungen liegt. Die Erfinder haben erkannt, dass die relativ geringe Gitterfehlanpassung und die zumindest teilweise pseudomorphe Bildung der Schichten den Kontaktwiderstand verringern können, wodurch sie dazu beitragen, ein Schalten bei niedriger Spannung (z. B. < 600 meV) eines ferroelektrischen Kondensators, wie hierin beschrieben, zu ermöglichen. Darüber hinaus kann durch Konstruktion der Materialzusammensetzung und der Kristallstruktur einer unteren Elektrode, auf der die kristalline polare Schicht gebildet wird, mindestens ein Teil der kristallinen polaren Schicht, wie beispielsweise ein oder mehrere Körner, epitaktisch gezüchtet werden, so dass das Innenmaterial der darauf gebildeten kristallinen polaren Schicht eine ebene Gitterkonstante und/oder Kristallsymmetrie der unteren Elektrode auferlegt werden kann. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann die aus der Gitterfehlanpassung zwischen der polaren Schicht und der ersten und/oder zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode resultierende epitaktische Spannung stark mit der polare Schicht koppeln. Unter bestimmten Umständen können neue Phase(n), die im Volumenphasendiagramm der polaren Schicht nicht vorhanden sind, epitaktisch stabilisiert werden, Dehnungs-Engineering kann möglich sein, um bestimmte ferroelektrische Eigenschaften auf gewünschte Werte abzustimmen, und/oder Fehlanpassungsversetzungen können die Spannung teilweise oder vollständig abbauen, um die ferroelektrischen Eigenschaften abzustimmen.
  • Um diese und andere Vorteile abzuleiten, weist gemäß verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen eine oder beide der ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 eine Dicke zwischen ungefähr 0,5 und 5 nm, 5 und 10 nm, 10 und 15 nm, 15 und 20 nm, 20 und 25 nm, 25 und 30 nm, 30 und 35 nm, 35 und 40 nm, 40 und 45 nm, 45 und 50 nm auf, oder eine Dicke in einem Bereich definiert durch und einschließlich alle dieser Werte. Darüber hinaus kann die Dicke auch optimiert werden, um die Reihenspannung zu reduzieren, die der Schaltspannung durch den Volumenwiderstand der Elektroden hinzugefügt wird.
  • In einigen Ausführungsformen, in denen die polare Schicht 308 eine Perowskit-Struktur wie oben offenbart aufweist, umfassen die erste und/oder die zweite leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode 304, 300 ein Oxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (La,Sr)CoO3, SrRuO3, (La,Sr)MnO3, YBa2Cu3O7, Bi2Sr2CaCu2O8, LaNiO3, SrRuO3, LaMnO3, SrMnO3, LaCoO3 SrCoO3 oder IrO3.
  • In einigen Ausführungsformen kann eine dünne Schicht (z. B. 5 nm-15 nm) einer oder beider der ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 mit einer Perowskit-Struktur als Schablone dienen, auf der die polare Schicht 308 mit einer Perowskit-Struktur gebildet oder gezüchtet wird, um verschiedene Vorteile zu erzielen, einschließlich Dehnungstechnik, niedriger Kontaktwiderstand und Erhaltung oder Verbesserung der ferroelektrischen Eigenschaften der polaren Schicht 308, wie oben beschrieben. Eine weitere Verbesserung der Gesamtleistung der Elektroden kann jedoch durch Bilden eines Stapels mit einer weiteren Elektrode erreicht werden. Zum Beispiel kann die weitere Elektrode eine höhere elektrische Leitfähigkeit bereitstellen, so dass ein erster Elektrodenstapel, der die erste leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode 304 und eine darauf gebildete erste weitere Elektrode umfasst, einen niedrigeren gesamten spezifischen elektrischen Widerstand relativ zu der ersten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode 304 mit vergleichbarer oder gleicher Dicke bereitstellen kann. In ähnlicher Weise kann ein zweiter Elektrodenstapel, der die zweite leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode 300 und eine darauf gebildete zweite weitere Elektrode enthält, einen niedrigeren elektrischen Gesamtwiderstand relativ zu der zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode 300 mit einer vergleichbaren oder gleichen Dicke bereitstellen. Darüber hinaus kann die weitere Elektrode als Diffusionsbarriere dienen, z. B. zur Sauerstoffdiffusion. Die Erfinder haben entdeckt, dass diese und andere Vorteile unter Verwendung einer weiteren Elektrode erzielt werden können, die ein leitfähiges binäres Oxid umfasst. In diesen Ausführungsformen kontaktiert die polare Schicht 308 direkt eine oder beide der ersten und zweiten leitenden oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300, und der Kondensator umfasst ferner eine weitere Elektrode, die auf einer oder beiden der ersten und zweiten leitenden oder halbleitenden Oxidelektroden 304', 300 gebildet ist, wobei die weitere Elektrode ein leitfähiges binäres Metalloxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Iridium- (Ir) -Oxid, einem Ruthenium- (Ru) -Oxid, einem Telluroxid, einem Palladium- (Pd) -Oxid, einem Osmium- (Os) -Oxid oder einem Rhenium- (Re) -Oxid. Während die binären Oxide eine Nicht-Perowskit-Struktur aufweisen, stellen sie eine höhere Leitfähigkeit bereit, und eine leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode mit einer darauf gebildeten Perowskit-Struktur kann einen Keim oder eine Schablone für das Wachstum, z. B. epitaktisches Wachstum, der polaren Schicht 308 mit einer Perowskitstruktur bei relativ niedrigen Temperaturen bereitstellen.
  • Wie hierin beschrieben, weisen eine oder beide der ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 oder einer oder beide der ersten und zweiten Elektrodenstapel, die die ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304 bzw. 300 umfassen eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit auf, so dass sie als leitfähige Elektrode dienen können, die für das Niederspannungsschalten geeignet ist, z. B. < 1200 meV. Dementsprechend haben in verschiedenen Ausführungsformen eine oder beide der ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 oder einer oder beide der ersten und zweiten Elektrodenstapel, die die ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304 bzw. 300 umfassen, einen spezifischen Widerstand von weniger als etwa 0,1, 0,05, 0,02, 0,01, 0,005, 0,002, 0,001, 0,0005 Ohm-cm oder einen spezifischen Widerstand in einem Bereich, der durch einen dieser Werte definiert ist.
  • Während in der obigen Beschreibung mit Bezug auf 3 das veranschaulichte Beispiel einer passenden Kristallstruktur zwischen der Polarschicht 308 und einer oder beiden der ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 eine Perowskitstruktur ist, sind Ausführungsformen nicht darauf beschränkt, und es versteht sich, dass die verschiedenen Materialien und Stapelkombinationen, die hierin für die ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 mit einer Perowskitstruktur beschrieben sind, mit einer polaren Schicht 308 mit einer Übergitterstruktur, die oben mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, integriert werden können, in Bezug auf 2C, gemäß einigen anderen Ausführungsformen.
  • In noch einigen anderen Ausführungsformen kann die passende Kristallstruktur zwischen der polaren Schicht 308 und der ersten und/oder der zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode 304, 300 eine hexagonale Struktur sein, wie oben mit Bezug auf 2B beschrieben.
  • In noch einigen anderen Ausführungsformen kann die Kristallstruktur einer oder beider der ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 eine Delaffositstruktur, eine Spinellstruktur oder eine kubische Struktur sein. In diesen Ausführungsformen können eine oder beide der ersten und zweiten leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektroden 304, 300 eines oder mehrere von PtCoO2 und PdCoO2, Aldotiertem ZnO und anderen leitfähigen Oxiden mit einer Delafossitstruktur umfassen, die mit polaren Schichten mit einer hexagonalen Kristallstruktur; und Fe3O4, LiV2O4 und anderen Oxiden mit Spinellstruktur und/oder Sn-dotiertem In2O3 mit kubischer Struktur, die unter anderem mit polaren Schichten mit Perowskit- oder Übergitterstruktur integriert werden können.
  • Polarschichtdesign für Niederspannungsschalten und Nichtflüchtigkeit von ferroelektrischen Kondensatoren durch Dotieren eines polaren Basismaterials
  • Wie oben erörtert, war es schwierig, einen ferroelektrischen Kondensator für eine Halbleitervorrichtung, z. B. eine FeRAM-Vorrichtung, bei der die polare Schicht eine relativ hohe Restpolarisation aufweist, während sie eine relativ niedrige ferroelektrische Übergangsspannung für Anwendungen mit ultraniedriger Spannung hat, zu erreichen.
  • Darüber hinaus stand die Gestaltung der Polarschicht für nichtflüchtige Speicheranwendungen, z. B. so, dass Daten nach mindestens 10 Jahren bei Raumtemperatur gelesen werden können, vor noch größeren Herausforderungen. Um diesen und anderen Bedürfnissen gerecht zu werden, wird im Folgenden ein Designansatz für einen ferroelektrischen Kondensator, z. B. für einen FeRAM, der bei ultraniedrigen Spannungen (z. B. < 1200 mV) geschaltet werden kann und gleichzeitig eine relativ hohe Restpolarisation zeigt (z. B. >10 µC/cm2) für nichtflüchtige Speicheranwendungen, offenbart. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Kondensator eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes kristallines polares Basismaterial umfasst wie hierin beschrieben. Das polare Basismaterial schließt ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff ein, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators oder die polare Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet, und/oder dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet. Der Kondensatorstapel umfasst zusätzlich erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht, wobei die polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode angepasst ist
  • Unter Verwendung des hierin beschriebenen Entwurfsansatzes weist ein Kondensator oder die darin enthaltene Speicherschicht 104 (1A) eine Schaltspannung auf, die niedriger als 1200 mV, 1100 mV, 1000 mV, 900 mV. 800 mV, 700 mV, 600 mV, 500 mV, 400 mV, 300 mV, 200 mV, 100 mV oder eine Spannung in einem Bereich ist, der durch einen dieser Werte unterhalb der ferroelektrischen Übergangstemperatur definiert wird. Außerdem kann die Speicherschicht 104 (1A) eine Restpolarisation von 5-30 µC/cm2, 30-50 µC/cm2, 50-70 µC/cm2, 70-90 µC/cm2, 90-110 µC/cm2, 110-130 µC/cm2, 130-150 µC/cm2 oder ein Wert in einem durch einen dieser Werte definierten Bereich aufweisen.
  • 4A ist eine schematische Darstellung einer Polarisationsfeld- (P-E) - Schleife 400A, die mit einer Hysterese verbunden ist, die durch eine Potentialbarriere zwischen zwei Wannen einer Doppelmulden-Kurve verursacht wird, die einem Umschalten durch ferroelektrische Übergänge zwischen stabilen Restpolarisationszuständen und den zugehörigen atomaren Verschiebungen entspricht. Wie oben mit Bezug auf die 2A und 1B beschrieben ist die PE-Schleife 400A gekennzeichnet durch, beginnend mit einer Polarisation P = 0, bei der sich die polare Schicht in einer paraelektrischen Phase mit der paraelektrischen Perowskitstruktur 204A (2A) befindet, eine zunehmende Polarisation mit zunehmendem Feld, bis sie ihre Sättigung bei +Pmax erreicht. Nach Erreichen der Sättigung bei +Pmax bleibt bei anschließendem Abbau des elektrischen Feldes bei E = 0 eine Restpolarisation +Pr übrig und die Polarschicht befindet sich in einer ersten ferroelektrischen Phase. Unterhalb der Curie-Temperatur kann in der ersten ferroelektrischen Phase die Perowskitstruktur 204A-1 eine tetragonale Struktur aufweisen, in der sich das B-Untergitter und die O-Atome in Bezug auf die als Referenz genommenen A-Atome in entgegengesetzter Richtung verschieben können. Beim Anlegen eines zunehmenden negativen elektrischen Felds bis zum Erreichen der Sättigung bei -Pmax und anschließender Verringerung des elektrischen Felds zurück auf E=0 bleibt eine Restpolarisation -Pr zurück, und die polare Schicht befindet sich in einer zweiten ferroelektrischen Phase. Unterhalb der Curie-Temperatur, in der zweiten ferroelektrischen Phase, kann die Perowskitstruktur 204A-2 eine tetragonale Struktur aufweisen, in der sich das B-Untergitter und die O-Atome in Bezug auf die als Referenz genommenen A-Atome in entgegengesetzte Richtungen verschieben können, und in entgegengesetzte Richtungen bezüglich der ersten ferroelektrischen Phase verschiebene.
  • 4B ist eine schematische Darstellung einer Kurve 400B der freien Energie, die ein Doppelmuldenpotential zeigt, das einem Umschalten durch ferromagnetische Übergänge zwischen Restpolarisationszuständen und den zugehörigen atomaren Verschiebungen für eine ferroelektrische Schicht mit einer Perowskit-Kristallstruktur entspricht. Nur zu illustrativen Zwecken und ohne Beschränkung auf die Kristallstruktur der polaren Schicht wird das ferroelektrische Schaltphänomen in einer polaren Schicht hier in Bezug auf eine polare Schicht mit einer Perowskitstruktur beschrieben. Wie dargestellt, repräsentieren zwei lokale Minima in der Doppelmuldenpotentialfreien Energiekurve 400B erste und zweite ferroelektrische Zustände mit Restpolarisationen +Pr und -Pr, dargestellt durch die tetragonalen Perowskitstrukturen 204A-1 bzw. 204A-2. Die beiden ferroelektrischen Zustände sind durch eine Doppelmulden-Energiebarriere ΔE getrennt. Die Erfinder haben erkannt, dass durch Senken dieser Energiebarriere der Kurve der freien Energie unter Beibehaltung relativ großer Polarisationswerte die ferroelektrischen Kondensatoren mit ultraniedrigen Übergangsspannungen und nichtflüchtigen Speicherzuständen erhalten werden können.
  • 4C ist ein Graph 400C, der Berechnungen des Doppelmuldenpotentials der Kurve der freien Energie einer ferroelektrischen Oxidschicht zeigt, die durch Dotieren einer ferroelektrischen Basisoxidschicht mit unterschiedlichen Mengen eines Dotierungsmittels gebildet wird, wodurch die Energiebarriere zwischen stabilen Restpolarisationszuständen abgestimmt wird, um eine ferroelektrische Übergangsspannung mit ultraniedrigem Übergang gemäß Ausführungsformen zu erreichen. In dem veranschaulichten Beispiel ist das für die Berechnung verwendete ferroelektrische Grundoxid PbZrTiO3, und das Dotierungsmittel ist La, das austauschbar A-Stellen der Perowskitstruktur besetzt, so dass die polare Schicht PbLaZrTiO 3 umfasst. In dem dargestellten Beispiel hat das ferroelektrische Grundoxid eine Startrestpolarisation von etwa 90 µC/cm2 und ein Start-Doppelmuldenpotential von etwa 290 meV. Bei Zugabe von bis zu 25 % von La hat sich die Doppelmulden-Energiebarriere um etwa 100 meV auf etwa 190 meV verringert, begleitet von einer Verringerung der Restpolarisation um etwa 15 µC/cm2. Die Beispielrechnung demonstriert Zusammensetzungen, die eine für nichtflüchtige Speicher geeignete polare Schicht erfüllen, die bei ultraniedrigen Spannungen von nur etwa 200 mV geschaltet werden kann, während sie gleichzeitig eine relativ hohe Restpolarisation von etwa 75 µC/cm2 für die Nichtflüchtigkeit zeigt.
  • Die Erfinder haben entdeckt, dass der Ansatz in dem veranschaulichten Beispiel auf verschiedene hierin beschriebene polare Basismaterialien und Dotierungsmittel verallgemeinert werden kann, abhängig von den anwendungsabhängigen Parametern, z. B. der Übergangs- (z. B. Schalt-) -Spannung und/oder der Restpolarisation. Gemäß Ausführungsformen weist das ferroelektrische Ausgangsoxid auf der Basis eine relativ hohe Restpolarisation auf, z. B. um der Reduktion derselben beim Dotieren Rechnung zu tragen, wie mit Bezug auf 4C veranschaulicht, und für den gewünschten Grad an Nicht-Volatilität. Gemäß Ausführungsformen wird, wenn das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial ist, die Zusammensetzung des ferroelektrischen Basismaterials so ausgewählt oder abgestimmt, dass die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials und die Restpolarisation des dotierten polaren Materials ungefähr 5-30 µC/cm2, 30-50 µC/cm2, 50-70 µC/cm2, 70-90 µC/cm2, 90-110 µC/cm2, 110-130 µC/cm2, 130-150 µC/cm2oder ein Wert in ein Bereich beträgt, der durch einen dieser Werte definiert wird. Wenn das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial ist, wird die Zusammensetzung des ferroelektrischen Basismaterials je nach Anwendung so ausgewählt oder abgestimmt, dass die Doppelwannen-Energiebarriere des ferroelektrischen Basismaterials und die Doppelwannenbarriere des dotierten polaren Materials 200-300 meV, 300-400 meV, 400-500 meV, 500-600 meV, 600-700 meV, 700-800 meV, 900-1000 meV oder ein Wert in einem durch einen dieser Werte definierten Bereich beträgt. Zu dem ferroelektrischen Ausgangsmaterial mit relativ hoher Restpolarisation und relativ hoher Doppelmulden-Energiebarriere wird ein hier beschriebenes Dotierungsmittel zugegeben. Das hinzugefügte Dotierungsmittel kann die Doppelwannen-Energiebarriere um 0-100 meV, 100-200 meV, 200-300 meV, 300-400 meV, 400-500 meV oder einen Wert in einem durch einen dieser Werte definierten Bereich senken. Das zugesetzte Dotierungsmittel kann die Restpolarisation um etwa 5 %, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % oder einen Wert in einem durch einen dieser Werte definierten Bereich erniedrigen.
  • Die Erfinder haben entdeckt, dass der Ansatz zur Abstimmung des Doppelmuldenpotentials auch das Abstimmen des ferroelektrischen Kondensators für eine hohe Datenerhaltungsleistung ermöglichen kann. Nach dem Einrichten einer Restpolarisation kann der ferroelektrische Zustand seine Restpolarisation aufgrund verschiedener Effekte, die ein Zurückschalten verursachen können, nicht auf unbestimmte Zeit im Idealfall beibehalten. Die Polarisation nimmt mit der Zeit leicht ab, was als Retentionsverlust bezeichnet werden kann, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Unterschied zwischen schaltender und nicht schaltender Ladung mit der Zeit kleiner wird. Der Retentionsverlust wird als langfristige Relaxation der Restpolarisation der Hysterese beobachtet, die durch Messung der Retentionsladung, z.B. mittels eines Leseimpulses, nach einer bestimmten Zeitdauer, wenn der Zustand durch einen Schreibimpuls gespeichert wurde.
  • Für viele nichtflüchtige Speicheranwendungen sollte der ferroelektrische Kondensator die digitalen Informationen länger als 10 Jahre speichern, z. B. zumindest bei Raumtemperatur. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann die Polarisation einem logarithmischen Zerfall folgen, der bei t0 mit der Zerfallsrate m beginnt, was allgemein ausgedrückt werden kann durch den Ausdruck: P ( t ) = P ( t 0 ) − m log ( t / t 0 ) ,
    Figure DE112020001902T5_0002
    wobei: m ∝ exp ( − W / kT ) ,
    Figure DE112020001902T5_0003
    wobei W eine Aktivierungsenergie und k die Boltzmann-Konstante ist, die auf das oben beschriebene Doppeltopfpotential bezogen werden kann. Wenn die Restpolarisation bei t = tC einen kritischen Schwellenwert PC unterschreitet, kann ein Leseverstärker möglicherweise nicht mehr zwischen den Speicherzuständen unterscheiden. Der Retentionsverlust kann statistisch analysiert werden mit dem Ausdruck: log log ( t C / t 0 ) ∝ ( W / kT ) .
    Figure DE112020001902T5_0004
  • Die Erfinder haben entdeckt, dass, wenn das Doppelwannenpotential und die Restpolarisation eines ferroelektrischen Kondensators gemäß verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen sind, der Retentionsverlust nach mindestens 10 Jahren bei Raumtemperatur oder einer Temperatur von über Raumtemperatur möglicherweise nicht zu einem Datenaufbewahrungsfehler führen kann.
  • 5 veranschaulicht schematisch, ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, Energiebetrachtungen des Schaltens und der nichtflüchtigen Speicherung in Halbleiterbauelementen, die einen ferroelektrischen Kondensator umfassen, gemäß Ausführungsformen. Die Erfinder haben entdeckt, dass, wie oben beschrieben, die Energiebarriere für Datenerhaltungsverlust mit dem Doppelmuldenpotential der oben mit Bezug auf die 4A-4C beschriebenen freien Energiekurve verbunden sein kann, z.B. proportional zu dieser sein kann. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann die Energiebarriere E(P) für die Datenspeicherung einem Ordnungsparameter P zugeordnet werden, wie er durch die Ginzburg-Landau-Theorie ausgedrückt wird als: F ( P , T ) = g 2 P 2 / 2 + g 4 P 4 / 4 + g 6 P 6 / 6 − PE / 2
    Figure DE112020001902T5_0005
    wobei g2, g4 und g6 Koeffizienten sind und PE die potentielle Energie ist. Die Minima der ersten und zweiten Ableitungen von F(P,T) definieren die Phasenübergänge. Auf Grundlage der oben beschriebenen Doppelmulden-Potentialbarrieren für ferroelektrische Kondensatoren gemäß Ausführungsformen kann ein Verhältnis (1) der Schaltenergie ESWITCH und der Energiebarriere zur Beibehaltung für Speichervorrichtungen vorteilhafterweise in der Ordnung der Einheit liegen. Ein ähnliches Verhältnis für einige andere Speichertechnologien kann viel höher sein, z. B. zwei Größenordnungen höher, für einige Spin-Torque-Transfer-Speichertechnologien.
  • Dotiermittel-Engineering für polare Schichten für ferroelektrische Kondensatoren
  • Wie oben beschrieben wird in verschiedenen Ausführungsformen, um einen ferroelektrischen Kondensator gemäß Ausführungsformen für eine Halbleitervorrichtung, z. B. eine FeRAM-Vorrichtung, zu erzielen, bei der die ferroelektrische Oxidschicht eine relativ hohe Restpolarisation aufweist, während sie eine relativ niedrige ferroelektrische Übergangsspannung aufweist, ein ferroelektrischer Kondensator durch Dotieren eines polaren Basismaterials mit einer relativ hohen Restpolarisation gebildet, um die Doppelwannen-Energiebarriere der Kurve der freien Energie abzustimmen, z. B. zu senken (z.B. 4B). Im Folgenden wird das Engineering der Dotierungsmittel, um diese und andere Ziele zu erreichen, beschrieben.
  • Wie oben beschrieben umfasst die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid mit einer chemischen Formel dargestellt durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz, wobei m, n und z ganze Zahlen sind und wobei x und/oder y größer als Null sind. A und A' sind Metalle, die austauschbare Atompositionen in der Kristallstruktur einnehmen, und B und B' sind Metalle, die austauschbare Atompositionen in der Kristallstruktur einnehmen. A' und/oder B' können Dotierungsmittel sein. Wie oben beschrieben, kann ein A'-Ion einen anderen Oxidationszustand relativ zu dem A-Ion haben, das es ersetzt, und/oder ein B'-Ion kann einen anderen Oxidationszustand relativ zu dem B-Ion haben, das es ersetzt. Somit umfasst das ferroelektrische Oxid in diesen Ausführungsformen ein polares Grundmaterial, das cdurch eine chemische Grundformel AmBnOz dargestellt werden kann, das mit einem oder mehreren Dotierungsmitteln A' und/oder B' dotiert ist, um die chemische Formel AmBnOz aufzuweisen. Im Folgenden werden das Engineering der Dotierungsmittel A' und B', die unterschiedliche Atomplätze innerhalb der Kristallstruktur besetzen, und ihre vorteilhaften Wirkungen beschrieben. In FIG. werden A' entsprechende Dotierungsmittel beschrieben, und in 7 werden B' entsprechende Dotierungsmittel beschrieben.
  • 6 ist eine schematische Darstellung einer Perowskit-Kristallstruktur 600 einer polaren Schicht die mit einem Dotierungsmittel A' 600 dotiert ist, das Atome des Metalls A ersetzen kann, die Eckpositionen in einem polaren Basismaterial mit einer chemischen Formel ABO3 einnehmen, gemäß einigen Ausführungsformen. Zur Veranschaulichung wird das Dotiermittel-Engineering für eine polare Schicht mit einer Perowskit-Struktur beschrieben. Die hierin beschriebenen erfinderischen Konzepte können jedoch in ähnlicher Weise auf polare Schichten mit anderen Kristallstrukturen einschließlich hexagonaler Kristallstrukturen und Übergitterstrukturen angewendet werden.
  • Wie oben beschrieben, besetzen die A'-Dotiermittel Eckpositionen einer Elementarzelle einer Perowskit-Struktur. A' kann eine andere Oxidationsstufe haben als das A-Atom, das es ersetzt. A'-Dotiermittel und ihre Konzentration können ausgewählt werden, um neben anderen Parametern und ohne Einschränkung Schaltparameter wie die Schaltspannung und/oder die Restpolarisation abzustimmen. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, können die Schaltparameter abgestimmt werden, indem beispielsweise das Doppelmuldenpotential der Kurve der freien Energie, wie oben diskutiert (beispielsweise 4B), angepasst wird. In polaren Schichten mit einer Übergitterstruktur, wie oben mit Bezug auf FIG. In 2C können die Schaltparameter durch Variieren des Modus oder des Grads von Atombewegungen, die mit der Polarisation verbunden sind, wie oben mit Bezug auf 2C beschrieben, abgestimmt werden. Die A'-Dotiermittel können unter anderem basierend auf der Fähigkeit ausgewählt werden, die A-Atome substituierend zu ersetzen, z und ein Unterschied in der atomaren Polarisierbarkeit (a) von A'-Dotierungsmitteln relativ zu den A-Atomen in der Kristallstruktur. In verschiedenen Ausführungsformen kann die a des Dotierungsmittels A' ungefähr 2 %, 5 %, 10 %, 20 %, 50 %, 100 %, 200 %, 500 %, 1000 %, 2000 % betragen oder einen Prozentsatz in einem von diesen Werten definierten Bereich, relativ zur a des A-Atoms zum Abstimmen der Schaltspannung.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann A' ein Metall der 4d-Reihe, der 5d-Reihe, der 4f-Reihe oder der 5f-Reihe sein. Zum Beispiel kann A' ein Lanthanoidelement sein, wie etwa La der 4f-Reihe in der veranschaulichten beispielhaften Implementierung in 4C oder Nb in der 4d- oder 5d-Reihe.
  • Gemäß Ausführungsformen kann die Menge von A' 0,1-5 Atom-%, 5-10 Atom-%, 10-15 Atom-%, 15-20 Atom-%, 20-25 Atom-% betragen oder einen Atom-% in einem von diesen Werten definierten Bereich, z.B. 0.1-20 Atom-%.
  • 7 ist eine schematische Darstellung einer Perowskit-Kristallstruktur einer polaren Schicht, die mit einem Dotierungsmittel B' dotiert ist, das Atome des Metalls B ersetzen kann, die die Mittenposition in einem polaren Basismaterial mit einer chemischen Formel ABO3 einnehmen, gemäß einigen Ausführungsformen. Wie oben beschrieben besetzen die B'-Dotierungsmittel zentrale Positionen einer Elementarzelle einer Perowskit-Struktur. B'-Dotierungsmittel und ihre Konzentration können ausgewählt werden, um neben anderen Parametern und ohne Einschränkung Ladungsübertragungseigenschaften, wie zum Beispiel Leckstrom, abzustimmen. Die B'-Dotierungsmittel können unter anderem auf der Grundlage der Fähigkeit ausgewählt werden, die B-Atome substituierend zu ersetzen, z. B., während sie andere Oxidationsstufen aufweisen als die B-Atome, was wiederum unter anderem von der Wertigkeit und den Atomradien abhängen kann. Die Erfinder haben entdeckt, dass Übergangsmetalle der 3d-Reihe besonders vorteilhaft sein können, um den Ladungstransfer unter Feld in der polaren Schicht zu reduzieren.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen ist B' ein Übergangsmetallelement mit einer relativ niedrigen Ordnungszahl. B' kann beispielsweise ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mn, Sc, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn oder anderen Metallen der 4d-Reihe besteht.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Menge von B' 0,1-5 Atom-%, 5-10 Atom-%, 10-15 Atom-%, 15-20 Atom-%, 20-25 Atom-% betragen oder einen Atom-% in einem von diesen Werten definierten Bereich, z.B. 0.1-20 Atom-%.
  • Diffusionsbarrieren
  • Wie oben beschrieben umfassen verschiedene hierin beschriebene Schichten von ferroelektrischen Kondensatoren verschiedene chemische Elemente in spezifischen Konzentrationen, die ihrerseits für Vorrichtungseigenschaften wie beispielsweise Niederspannungsbetrieb und hohe Restpolarisation wichtig sein können. Um die Vorrichtungseigenschaften während der Herstellung und Verwendung nach der Herstellung aufrechtzuerhalten, sollten die chemischen Zusammensetzungen und Grenzflächen der Schichten der ferroelektrischen Kondensatoren durch verschiedene Verarbeitungsschritte beibehalten werden. Außerdem können einige Elemente in den ferroelektrischen Kondensatoren andere Schaltungen der integrierten Schaltung nachteilig beeinflussen. Insbesondere werden die ferroelektrischen Kondensatoren gemäß einigen Ausführungsformen als Teil des BEOL (back end of the line) gebildet, nachdem CMOS-Bauelemente wie Transistoren im FEOL (front end of the line) gebildet wurden. Als Ergebnis kann eine Diffusion chemischer Elemente vom ferroelektrischen Kondensator zu den umgebenden Merkmalen, die mit der CMOS-Schaltung verbunden sind, verschiedene Fehler verursachen. Umgekehrt Diffusion chemischer Elemente von den ferroelektrischen Kondensatoren zu den umgebenden Merkmalen, die mit der CMOS-Schaltung verbunden sind. Zum Beispiel können, wie oben in Bezug auf die Integration von Elektroden beschrieben, nachfolgende Herstellungsprozesse, z. B. zum Bilden einer polaren Schicht, die ein Oxid umfasst, in einer oxidierenden Umgebung bei relativ hohen Temperaturen (z. B. 500 °C-800 °C) stattfinden. Somit kann eine Diffusionssperrschicht erforderlich sein, um die Diffusion von Sauerstoff aus dem ferroelektrischen Kondensatorbereich zu den mit der CMOS-Schaltung verbundenen Merkmalen zu unterdrücken. Zum Beispiel kann der ferroelektrische Kondensator auf einer Kontaktdurchkontaktierung oder einem Stecker gebildet sein, der elektrisch mit einem Transistor verbunden ist, zB ein Drain des Transistors. Das Kontaktloch oder der Stecker kann beispielsweise aus polykristallinem Si, W oder WSix gebildet sein. Als Ergebnis kann eine Sauerstoffbarriere dazu dienen, den elektrischen Kontakt zwischen dem Transistor und der unteren Elektrode des ferroelektrischen Kondensators aufrechtzuerhalten, indem die Oxidation des Kontaktdurchgangs und/oder eine Reaktion zwischen der unteren Elektrode und dem Kontaktdurchgang unterdrückt wird. Außerdem müssen Reaktionen zwischen der Barriere selbst und entweder dem Kontaktdurchgang und der unteren Elektrode unterdrückt werden. Um diese und andere Bedürfnisse zu erfüllen, können ferroelektrische Kondensatoren gemäß Ausführungsformen vertikale Diffusionsbarrieren enthalten.
  • 8A, 8B und 8C sind jeweilige schematische Darstellungen von Seitenansichten von Kondensatorstapeln 800A, 800B und 800C, die jeweils eine Speicherschicht 804 umfassen, die zwischen ersten und zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschichten 808, 812 angeordnet ist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Speicherschicht 804, die obere oder eine erste leitfähige Oxidelektrodenschicht 808 und die untere oder eine zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht 812 können gemäß verschiedenen oben offenbarten Ausführungsformen konfiguriert sein, deren detaillierte Beschreibungen der Kürze halber weggelassen werden. Die Speicherschicht 804 umfasst eine polare Schicht, die eine Oxidschicht umfasst, die unter einer oxidierenden Umgebung und/oder relativ hohen Temperaturen, wie oben beschrieben, abgeschieden wird.
  • Unter Bezugnahme auf den Kondensatorstapel 800B haben in einigen Ausführungsformen eine oder beide der ersten und zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschichten 808, 812 darauf eine obere bzw. untere Sperrschicht 816, 820 auf gegenüberliegenden Seiten der Speicherschicht 804 gebilde. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst eine oder beide der oberen und unteren Sperrschichten 816, 820 ein leitfähiges Sperrschichtmaterial wie etwa ein Metall oder eine intermetallische Verbindung, z.B., hochschmelzendes Metall oder eine hochschmelzende intermetallische Verbindung, die die Diffusion unterdrücken kann und gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit bietet.
  • In einigen Ausführungsformen, die obere und die untere Sperrschicht 816, 820 umfassen eine Ti-Al-Legierung, eine Ni-Al-Legierung, eine Ni-Ti-Legierung, eine Ni-Ga-Legierung, eine Ni-Mn-Ga-Legierung, eine Fe-Ga-Legierung, ein Metallborid, ein Metallcarbid, ein Metallnitrid, Ta-Metall, W-Metall und/oder Co-Metall.
  • In einigen Ausführungsformen, die obere und die untere Sperrschicht 816, 820 umfassen eine intermetallische Verbindung wie Ti3Al, TiAl, TiAl3, Ni3Al, NiAl3 NiAl, Ni2MnGa, FeGa und Fe3Ga. In einigen Ausführungsformen, die obere und die untere Sperrschicht 816, 820 umfassen IrOx, wobei x=0 bis 2. Vorteilhafterweise kann IrOx, wie oben beschrieben, auch die Funktion einer weiteren Elektrode mit geringem elektrischem Widerstand erfüllen. Somit können diese Ausführungsformen die Anzahl der Schichten über dem Kondensatorstapel.
  • Wie oben beschrieben wird gemäß Ausführungsformen die Diffusion von Atomen zu und von dem ferroelektrischen Kondensator unter Verwendung der oberen und unteren Sperrschichten 816, 820 unterdrückt, um die Vorrichtungseigenschaften durch die Herstellung und die Verwendung nach der Herstellung aufrechtzuerhalten. Zusätzlich zum vertikalen Unterdrücken der Diffusion muss bei ähnlichen Integrationsschemata möglicherweise auch die horizontale Diffusion von Atomen zu und von dem ferroelektrischen Kondensator unterdrückt werden. Zum Beispiel können horizontale Diffusionsbarrieren gemäß Ausführungsformen z. B. dazu dienen, die Wasserstoffdiffusion zu unterdrücken. Wasserstoff wird in vielen Halbleiter-Backend-Prozessen zur Passivierung von Oberflächen und Grenzflächen während des abschließenden Formiergases (H2/N2)-Glühens verwendet. Wasserstoff kann jedoch die ferroelektrischen Eigenschaften einiger ferroelektrischer Kondensatoren erheblich beschädigen oder sogar zerstören. Somit besteht ein Bedarf an wirksamen Seitenwandsperrschichten, um zu verhindern, dass eine oder mehrere Schichten des ferroelektrischen Kondensators während nachfolgender thermischer Schritte Wasserstoff ausgesetzt werden.
  • Bezugnehmend auf den Kondensatorstapel 800C können in einigen Ausführungsformen die Kondensatorstapel 800A oder 800B darauf eine Sperrdichtmittelschicht 824 auf einer oder beiden Seitenflächen einer oder mehrerer der Speicherschicht 104, der ersten Oxidelektrodenschicht 808, der zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht 812, die obere Sperrschicht 816 und die untere Sperrschicht 820. Im Gegensatz zu den oberen und unteren Sperrschichten 816, 820 ist die Sperrversiegelungsschicht(en) 824 elektrisch isolierend, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den ersten und zweite Oxidelektrodenschichten 808, 812. In einigen Ausführungsformen umfasst die Sperrdichtmittelschicht(en) 824 ein Metalloxid, zB ein Mghaltiges Oxid oder ein Al-haltiges Oxid. Das Metalloxid kann beispielsweise eines oder mehrere von MgO, TiAlO und LaAlO umfassen. In einigen Ausführungsformen ist/sind die Sperrdichtmittelschicht(en) 824 eine konform abgeschiedene Schicht und/oder wird als Abstandshalterstruktur durch isotropes Ätzen nach dem Abscheiden gebildet.
  • Alternative Sperrdichtmittelschichten 824 sind möglich. Zum Beispiel umfassen in einigen Ausführungsformen eine oder beide der Sperrschichten 824 Seitenwände einer oder mehrerer der ersten und zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschichten 808, 812 und der Speicherschicht 804 die durch Oxidation, Fluorierung und/oder Chlorierung gebildet werden.
  • Alternative polare Schichten und Konfigurationen
  • Oben wurden verschiedene Zusammensetzungen der Speicherschicht beschrieben. Alternative Anordnungen sind möglich.
  • Einige Materialien, die als paraelektrische Materialien bezeichnet werden, zeigen eine nichtlineare Polarisation in Abhängigkeit des angelegten elektrischen Felds, ähnlich den oben beschriebenen ferroelektrischen Materialien. Im Gegensatz zu ferroelektrischen Materialien zeigen paraelektrische Materialien jedoch keine Restpolarisation, wenn das elektrische Feld entfernt wird. In einigen Ausführungsformen ist anstelle oder zusätzlich zu einer ferroelektrischen Oxidschicht eine paraelektrische Oxidschicht in dem Kondensatorstapel enthalten. Der resultierende Kondensator kann beispielsweise für flüchtige Speicheranwendungen verwendet werden.
  • In diesen Ausführungsformen umfasst ein ähnlich wie die Kondensatoren 800A, 800B und 800C (8A - 8C) angeordneter Kondensator eine kristalline polare Schicht, die ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst, das substitutiv mit einem Dotierungsmittel dotiert ist. Das ferroelektrische Basismaterial umfasst ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff. Das Dotierungsmittel umfasst ein Metallelement, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass eine Restpolarisation des ferroelektrische Basismaterials anfangs größer ist als etwa 5 µC/cm2 bis etwa Null. In einigen Ausführungsformen ist ein Kondensator ähnlich wie die Kondensatoren 800A, 800B und 800C (8A - 8C) angeordnet, außer dass die Speicherschicht 804, die erste leitfähige Oxidelektrodenschicht 808 und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht 812 eine ungleichmäßige Zusammensetzung aufweisen, z.B. eine abgestufte Zusammensetzung, die in der einen oder anderen vertikalen Richtung von jedem Punkt innerhalb der Dicke zunimmt oder abnimmt.
  • Speicherzelle mit ferroelektrischem Kondensator
  • 9 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften FeRAM-Zelle 900, die gemäß Ausführungsformen mit verschiedenen oben beschriebenen Kondensatorkonfigurationen implementiert werden kann. Die FeRAM-Zelle 900 beinhaltet einen Zugriffs- oder einen ausgewählten Metalloxid-Halbleiter- (MOS) -Transistor, der ein Gate-Dielektrikum 936 und eine Gate-Elektrode 938 beinhaltet, die über einem Kanalgebiet zwischen einer Quelle 932 und einem Drain 934 gebildet sind. Leistungs- oder Erfassungsschaltungen (nicht gezeigt) können elektrisch mit der Quelle 932 und/oder dem Drain 934 verbunden und durch die Gate-Elektrode 938 gegatet sein. Der Transistor ist mit einer dielektrischen Schicht 940 der ersten Ebene bedeckt, z. B. SiO2. Ein Drain-Kontakt 942, z. B. ein Siliziumstopfen, kann gebildet werden, um den Drain 934 zu kontaktieren, um den Transistor elektrisch mit einem ferroelektrischen Kondensator zu verbinden.
  • Über dem Drain-Kontakt 942 kann ein ferroelektrischer Kondensator gebildet werden. Der Kondensator umfasst gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Speicherschicht 804, die zwischen einer ersten/oberen Elektrode (Stapel) 808A/808B und einer zweiten/unteren Elektrode (Stapel) 812A/812B angeordnet ist. Wie oben beschrieben, die erste/obere Elektrodenschicht 808A/808B und/oder die zweite/untere Elektrode 812A/812B mehr als eine Schicht umfassen. Zum Beispiel kann die erste Elektrode 808A/808B ein erstes leitfähiges Oxid 808A umfassen, das eine Kristallstruktur aufweisen kann, die der der Speicherschicht 804 entspricht, und eine weitere Elektrode 808B, die ein binäres leitfähiges Metalloxid umfasst. In ähnlicher Weise kann die zweite Elektrode 812A/812B ein zweites leitfähiges Oxid 812A umfassen, das eine Kristallstruktur aufweisen kann, die der der Speicherschicht 804 entspricht, und eine weitere Elektrode 812B, die ein binäres leitfähiges Metalloxid umfasst. Die zweite Elektrode 812A/812B des ferroelektrischen Kondensators ist über den Drain-Kontakt 942 elektrisch mit dem Drain 934 des Transistors verbunden.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf 9, wie oben mit Bezug auf 8B beschrieben, kann eine untere Sperrschicht 820 zwischen der zweiten Elektrode 812A/812B gebildet werden, um als eine Diffusionssperre zu dienen, um eine unerwünschte Diffusion zu und von einer der Schichten des Kondensators zu unterdrücken, einschließlich z. B.
  • Sauerstoffdiffusion in den Drain-Kontakt 942 während der Abscheidung und/oder ein Nachglühen der Speicherschicht 804. Ähnlich kann, obwohl nicht gezeigt, eine obere Sperrschicht auf der ersten Elektrode 808A/808B gebildet werden, um eine Diffusion durch diese hindurch zu unterdrücken. Die Diffusionssperrschichten können jede der oben beschriebenen Zusammensetzungen und Konfigurationen aufweisen, z. B. in Bezug auf 8B.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf 9 kann der ferroelektrische Kondensator ferner eine oder mehrere Sperrdichtmittelschichten darauf gebildet haben, um eine laterale Diffusion zu unterdrücken. In 9 sind beispielsweise auch verbleibende Abschnitte 812 einer Opfersperrschicht gezeigt. Die Opfersperre kann als Deckschicht vor dem Abscheiden der Speicherschicht 804 gebildet werden, um die Diffusion von Atomen zu und von der Speicherschicht 804 während des Abscheidens oder während eines Nachglühens nach der Abscheidung zu unterdrücken. Die Opfersperrschicht wird anschließend entfernt, um die darunterliegende zweite Elektrode 812A/812B freizulegen und die dielektrische Schicht 940 der ersten Ebene freizulegen, wodurch die dargestellten verbleibenden Abschnitte 812 der Opferschicht entstehen. Die verbleibenden Abschnitte 812 dienen als permanente Sperrdichtmittelschicht zum Unterdrücken einer seitlichen Diffusion zu und von und/oder durch die zweite Elektrode 812A/812B. Außerdem kann, obwohl nicht gezeigt, eine weitere Sperrdichtmittelschicht auf einer oder beiden Seitenwandoberflächen des ferroelektrischen Kondensators gebildet werden, um Seitenoberfläche(n) der Speicherschicht 804 und/oder der ersten Elektrode 808A zu bedecken. Jede der Sperrversiegelungsschichten kann jede der oben beschriebenen Zusammensetzungen und Konfigurationen aufweisen, z. B. in Bezug auf 8C.
  • Obwohl nicht gezeigt können mehrere Transistoren und Kondensatoren konfiguriert sein, um ein Speicherarray zu bilden. Jedes der Transistorgates 938, Sources 932 und die obere Elektrode 808A/808B der Kondensatoren können einzeln kontaktiert und separat durch Metallisierungsebenen (nicht gezeigt) gesteuert werden, um ein Schreiben, nichtflüchtiges Speichern und Lesen der ferroelektrischen Speicherzelle zu ermöglichen.
  • Im Betrieb kann das Schreiben in die FeRAM-Zelle 900 durch Anlegen eines Feldes über die Speicherschicht 804 des Zellenkondensators erreicht werden, wodurch ein ferroelektrischer Übergang induziert wird, wie oben beschrieben z. B. in 1B und 1C. Wenn zum Beispiel die Speicherschicht 804 ein Perowskitoxid umfasst, kann das Feld einige Metallatome in eine „Auf‟- oder „Ab“-Orientierung (je nach Polarität der Ladung) induzieren, wodurch eine logische „1“ oder „0“ gespeichert wird. In einigen Ausführungsformen kann eine Leseoperation durchgeführt werden, indem der Zellenkondensator unter Verwendung des Zugriffstransistors in einen bestimmten Zustand gezwungen wird, z. B. einen „0“-Zustand. Wenn der Zellenkondensator bereits einen „0“-Zustand hat, kann ein relativ geringer oder kein detektierbarer Strom durch die Ausgangsleitungen fließen. Auf der anderen Seite, wenn die Zelle einen „1“-Zustand hat, können die Metallatome neu ausgerichtet werden, was von einem Stromimpuls am Ausgang begleitet sein kann, wenn sie Elektronen aus dem Metall mit der „unten“ Seite herausdrücken. Das Vorhandensein dieses Impulses kann anzeigen, dass die Zelle eine „1“ hat. Da dieser Prozess die Zelle überschreibt, kann das Lesen der FeRAM-Zelle 1200 ein zerstörender Prozess sein, und die Zelle kann neu geschrieben werden, wenn sie geändert wurde.
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung umfassend eine FeRAM-Zelle 1000 gemäß Ausführungsformen. Die FeRAM-Zelle 1000 ähnelt der FeRAM-Zelle 900 (9) und enthält einen ferroelektrischen Kondensator 800, der im hinteren Ende der Leitung (Verbindungs-/Metallisierungsebenen) integriert ist, außer dass der Transistor im vorderen Ende der Leitung implementiert ist als Fin-Feldeffekttransistor (FinFET) für Knoten mit fortgeschrittener Technologie, z.B. Knoten unter 100 nm. Der FinFET-Transistor umfasst einen flossenförmigen Kanal, der sich horizontal zwischen einer Source 932 und einem Drain 934 erstreckt, und eine Gateelektrode 938, die obere und seitliche Oberflächen des flossenförmigen Kanals umhüllt. Das Gate 938 kann elektrisch mit einer Wortleitung verbunden sein und das Drain 934 kann durch den ferroelektrischen Kondensator 800 elektrisch mit einer Bitleitung verbunden sein.
  • Die FeRAM-Zellen 900 (9) und 1000 (10) können elektrisch mit einem integrierten Prozessor (CPU) verbunden und zusätzlich zu oder zumindest teilweise anstelle von SRAM- und/oder DRAM-Zellen integriert sein, um L2- und/oder L3-Cache-Speicher in der dargestellten beispielhaften Rechenarchitektur zu bilden.
  • Zusätzliche Beispiele
    1. 1. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensator, der Folgendes umfasst:
        • eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, und wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet,
        • erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht, und
        • erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht.
    2. 2. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1, wobei das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die ferroelektrische Schaltspannung verringert.
    3. 3. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
    4. 4. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1, wobei sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet.
    5. 5. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei die polare Schicht eine Perowskit-Kristallstruktur aufweist und ein ferroelektrisches Oxid mit einer chemischen Formel umfasst, die durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellt wird, wobei A und A' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei B und B' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei es sich bei A' und/oder B' um Dotierungsmittel handelt, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind.
    6. 6. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 oder PbZrTiO3.
    7. 7. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3, PbLaZrTiO3, Pb(Sc,Nb)O3 BaTiO3-Bi(Zn(Nb,Ta))O3, BaTiO3-BaSrTiO3, Bi1-xLaxFeO3, Bi1-xCexFeO3 oder BiFe1-yCoyO3.
    8. 8. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiNbO3, LiTa03, LiFeTaOF, SrBaNbO, BaNaNbO oder KNaSrBaNbO.
    9. 9. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
    10. 10. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei das ferroelektrische Basismaterial eine hexagonale Kristallstruktur aufweist, wobei das ferroelektrische Basismaterial LuFeO3 umfasst oder eine durch RMnO3 dargestellte chemische Formel aufweist, und wobei es sich bei R um ein Metall der Seltenen Erden handelt.
    11. 11. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei das ferroelektrische Basismaterial ein Übergitter umfasst, das eine erste Schicht umfasst, die sich mit einer zweiten Schicht abwechselt, welche sich von der ersten Schicht unterscheidet, wobei die erste Schicht eine durch ABO3 dargestellte chemische Formel und die zweite Schicht eine durch CDO3 dargestellte chemische Formel aufweist, wobei es sich bei A und B um unterschiedliche Metallelemente handelt sowie bei C und D um unterschiedliche Metallelemente handelt, und wobei sich C und D jeweils von A und/oder B unterscheiden.
    12. 12. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 11, wobei die erste Schicht SrTiO3 umfasst und wobei die zweite Schicht PbTiO3 und/oder LaAlO3 umfasst.
    13. 13. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei die polare Schicht ferroelektrisch ist und eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist.
    14. 14. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1, wobei die polare Schicht eine Dicke von weniger als etwa 50 nm aufweist.
    15. 15. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass die polare Schicht paraelektrisch ist und im Wesentlichen keine Restpolarisation aufweist.
    16. 16. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1, wobei das polare Basismaterial ein dielektrisches Material umfasst, das eines oder mehrere von Hf, Zr, Al, Si oder Ga umfasst, wobei das Dotierungsmittel die Ferroelektrizität erhöht, so dass die polare Schicht eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist.
    17. 17. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1, wobei die erste und/oder die zweite Metallschicht ein hochschmelzendes Metall umfassen, das als Diffusionsbarriere dient.
    18. 18. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1, die ferner einen Transistor umfasst, wobei der Kondensator elektrisch mit einem Drain des Transistors verbunden ist.
    19. 19. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 18, wobei die polare Schicht eine Restpolarisation aufweist, die für mindestens einen Tag beständig ist, so dass es sich bei der Halbleitervorrichtung um eine nicht flüchtige Speichervorrichtung handelt.
    20. 20. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensator, der Folgendes umfasst:
        • eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, und wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel unterscheidet, und
        • erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht; und
      • erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht.
    21. 21. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 20, wobei sich die Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet.
    22. 22. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 20, wobei sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
    23. 23. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 22, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
    24. 24. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 20, wobei die polare Schicht eine Perowskit-Struktur oder eine hexagonale Kristallstruktur aufweist.
    25. 25. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 24, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
    26. 26. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 20, wobei die polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode angepasst ist.
    27. 27. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensator, der Folgendes umfasst:
        • eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet,
        • erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht, und
        • erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht.
    28. 28. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 27, wobei das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials verringert.
    29. 29. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 27, wobei sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
    30. 30. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 29, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
    31. 31. Kondensator, der Folgendes umfasst:
      • eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist;
      • wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst; und
      • wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet, so dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
    32. 32. Kondensator nach Ausführungsform 31, wobei das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die ferroelektrische Schaltspannung verringert.
    33. 33. Kondensator nach Ausführungsform 32, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
    34. 34. Kondensator nach Ausführungsform 31, wobei das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials verringert.
    35. 35. Kondensator nach Ausführungsform 32, wobei die polare Schicht eine Perowskit-Kristallstruktur aufweist und ein ferroelektrisches Oxid mit einer chemischen Formel umfasst, die durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellt wird, wobei A und A' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei B und B' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei es sich bei A' und/oder B' um Dotierungsmittel handelt, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind.
    36. 36. Kondensator nach Ausführungsform 32, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 und PbZrTiO3.
    37. 37. Kondensator nach Ausführungsform 32, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3, PbLaZrTiO3, Pb(Sc,Nb)O3 BaTiO3-Bi(Zn(Nb,Ta))O3 und BaTiO3-BaSrTiO3, Bi1-xLaxFeO3, Bi1-xCexFeO3 oder BiFe1-yCoyO3.
    38. 38. Kondensator nach Ausführungsform 32, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiNbO3, LiTaO3, LiFeTaOF, SrBaNbO, BaNaNbO oder KNaSrBaNbO.
    39. 39. Kondensator nach Ausführungsform 38, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
    40. 40. Kondensator nach Ausführungsform 32, wobei das ferroelektrische Basismaterial eine hexagonale Kristallstruktur aufweist, wobei das ferroelektrische Basismaterial LuFeO3 umfasst oder eine durch RMnO3 dargestellte chemische Formel aufweist, und wobei es sich bei R um ein Metall der Seltenen Erden handelt.
    41. 41. Kondensator nach Ausführungsform 32, wobei das ferroelektrische Basismaterial ein Übergitter umfasst, das eine erste Schicht umfasst, die sich mit einer zweiten Schicht abwechselt, welche sich von der ersten Schicht unterscheidet, wobei die erste Schicht eine durch ABO3 dargestellte chemische Formel und die zweite Schicht eine durch CDO3 dargestellte chemische Formel aufweist, wobei es sich bei A und B um unterschiedliche Metallelemente handelt sowie bei C und D um unterschiedliche Metallelemente handelt, und wobei sich C und D jeweils von A und/oder B unterscheiden.
    42. 42. Kondensator nach Ausführungsform 41, wobei die erste Schicht SrTiO3 umfasst und wobei die zweite Schicht PbTiO3 und/oder LaAlO3 umfasst.
    43. 43. Kondensator nach Ausführungsform 32, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass die polare Schicht paraelektrisch ist und im Wesentlichen keine Restpolarisation aufweist.
    44. 44. Kondensator nach Ausführungsform 31, wobei das polare Basismaterial ein dielektrisches Material umfasst, wobei das Dotierungsmittel die Ferroelektrizität des dielektrischen Materials erhöht, so dass die polare Schicht eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist.
    45. 45. Kondensator nach Ausführungsform 44, wobei das dielektrische Material eines oder mehrere eines Oxids von Hf, Zr, Al, Si oder einer Mischung davon umfasst.
    46. 46. Kondensator nach Ausführungsform 44, wobei das dielektrische Material eine chemische Formel aufweist, die durch Hf1-xExOy dargestellt wird, wobei x und y jeweils größer als Null sind und wobei E ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, Ca, Ce, Dy, Er, Gd, Ge, La, Sc, Si, Sr, Sn oder Y.
    47. 47. Kondensator nach Ausführungsform 44, wobei das dielektrische Material eine chemische Formel aufweist, die durch Al1-xRxN, Ga1-xRxN oder Al1-x-yMgxNbyN dargestellt wird, wobei x und y jeweils größer als Null sind, und wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Al, Ca, Ce, Dy, Er, Gd, Ge, La, Sc, Si, Sr, Sn oder Y.
    48. 48. Kondensator nach Ausführungsform 31, wobei das polare Basismaterial ein paraelektrisches Basismaterial umfasst und wobei das Erhöhen der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des paraelektrischen Basismaterials erhöht.
    49. 49. Kondensator nach Ausführungsform 31, wobei die Konzentration des Dotierungsmittels in einer Schichtnormalenrichtung der polaren Schicht abgestuft ist.
    50. 50. Kondensator, der Folgendes umfasst:
      • eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist;
      • wobei das polare Basismaterial ein Basismetalloxid mit einer chemischen Formel ABO3 umfasst, wobei A und B jeweils ein oder mehrere Metallelemente darstellen, die austauschbare Atompositionen einer Kristallstruktur des polaren Basismaterials einnehmen;
      • wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen des polaren Basismaterials unterscheidet; und
      • erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht,
      • wobei die kristalline polare Schicht eine Perowskit-Struktur, eine hexagonale Kristallstruktur oder eine Übergitterstruktur aufweist.
    51. 51. Kondensator nach Ausführungsform 50, wobei das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials verringert.
    52. 52. Kondensator nach Ausführungsform 50, wobei sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet.
    53. 53. Kondensator nach Ausführungsform 50, wobei sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
    54. 54. Kondensator nach Ausführungsform 53, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
    55. 55. Kondensator nach Ausführungsform 50, wobei das Basismetalloxid ein ferroelektrisches Basismetalloxid umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismetalloxids verringert.
    56. 56. Kondensator nach Ausführungsform 55, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
    57. 57. Kondensator nach Ausführungsform 56, wobei das Dotierungsmittel in einer Konzentration von mehr als 0 Prozent und weniger als 25 Prozent vorhanden ist und wobei die polare Schicht einen ferroelektrischen Übergang bei einer Spannung von weniger als etwa 1200 mV durchläuft.
    58. 58. Kondensator nach Ausführungsform 50, wobei es sich bei der polaren Schicht um eine Einkristallschicht handelt.
    59. 59. Kondensator nach Ausführungsform 51, wobei die polare Schicht mit einem Metall endet, das eine Körpermittenposition der Perowskit-Struktur an einer oder beiden Grenzflächen einnimmt, die mit der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrode gebildet sind.
    60. 60. Kondensator nach Ausführungsform 51, wobei die polare Schicht mit einem Metall endet, das Eckpositionen der Perowskit-Struktur an einer oder beiden Grenzflächen einnimmt, die mit der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrode gebildet sind.
    61. 61. Kondensator, der Folgendes umfasst:
      • eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist;
      • wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst; und
      • wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, so dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet.
    62. 62. Kondensator nach Ausführungsform 61, wobei sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
    63. 63. Kondensator nach Ausführungsform 61, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
    64. 64. Kondensator nach Ausführungsform 61, wobei das Basismetalloxid ein ferroelektrisches Basismetalloxid umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismetalloxids verringert.
    65. 65. Kondensator nach Ausführungsform 61, wobei die kristalline polare Schicht eine Perowskit-Struktur, eine hexagonale Kristallstruktur oder eine Übergitterstruktur aufweist.
    66. 66. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensator, der Folgendes umfasst:
        • eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes kristallines polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet, und
        • erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht, wobei die polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode angepasst ist,
        • wobei die erste kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode als Schablone zum Aufwachsen der polaren Schicht darauf dient, so dass mindestens ein Abschnitt der polaren Schicht pseudomorph auf der ersten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode gebildet wird.
    67. 67. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 66, wobei sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
    68. 68. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 67, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
    69. 69. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 66, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode eine Dicke zwischen 1 nm und 5 nm aufweist.
    70. 70. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 67, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 0,01 Ohm-cm aufweist.
    71. 71. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 66, wobei die polare Schicht und die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode die selbe Kristallstruktur aufweisen.
    72. 72. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 71, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
    73. 73. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 72, wobei die polare Schicht einen Bereich mit einer seitlichen Abmessung zwischen ungefähr 10 nm und 500 nm umfasst, bei dem die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode pseudomorph darauf gebildet sind.
    74. 74. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 71, wobei es sich bei der selben Kristallstruktur um eine Perowskit-Kristallstruktur handelt, und wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 PbZrTiO3, Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3, PbLaZrTiO3, Pb(Sc,Nb)O3 BaTiO3-Bi(Zn(Nb,Ta))O3, BaTiO3-BaSrTiO3, LiNbO3, LiTaO3, LiFeTaOF, SrBaNbO, BaNaNbO, KNaSrBaNbO, Bi1-xLaxFeO3, Bi1-xCexFeO3 und BiFe1-yCOyO3 .
    75. 75. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 74, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (La,Sr)CoO3, SrRuO3, (La,Sr)MnO3, YBa2Cu3O7, Bi2Sr2CaCu2O8, LaNiO3, SrRuO3, LaMnO3, SrMnO3, LaCoO3 oder SrCoO3.
    76. 76. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 75, wobei die polare Schicht direkt die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode kontaktiert, und wobei die Halbleitervorrichtung ferner eine weitere Elektrode umfasst, die auf der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode gebildet ist, und ein leitfähiges binäres Metalloxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Iridium- (Ir) -Oxid, einem Ruthenium- (Ru) -Oxid, einem Palladium-(Pd) -Oxid, einem Osmium- (Os) -Oxid oder einem Rhenium- (Re) -Oxid.
    77. 77. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 71, wobei es sich bei der selben Kristallstruktur um eine hexagonale Kristallstruktur handelt, wobei die polare Schicht LuFeO3 umfasst oder eine durch RMnO3 dargestellte chemische Formel aufweist, und wobei es sich bei R um ein Metall der Seltenen Erden handelt.
    78. 78. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 66, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode eine hexagonale Struktur, eine Delaffositstruktur, eine Spinellstruktur oder eine kubische Struktur aufweist.
    79. 79. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 78, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode eines oder mehrere der Folgenden umfasst: PtCoO2, PdCoO2, Al-dotiertes ZnO, Fe3O4, LiV2O4 oder Sn-dotiertes In2O3.
    80. 80. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 66, die ferner einen Transistor umfasst, wobei der Kondensator elektrisch mit einem Drain des Transistors verbunden ist.
    81. 81. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensatorstapel, der Folgendes umfasst:
        • eine kristalline polare Schicht mit einem polaren Basismaterial, das mit einem Dotierungsmittel substitutiv dotiert ist;
        • wobei das polare Basismaterial ein Metalloxid mit einer Perowskit-struktur oder einer hexagonalen Kristallstruktur umfasst;
        • wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem Metall bzw. den Metallen des Metalloxids unterscheidet; und
        • erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der kristallinen polaren Schicht, wobei die kristalline polare Schicht die selbe Kristallstruktur wie die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode aufweist.
    82. 82. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 81, wobei die kristalline polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode angepasst ist.
    83. 83. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 82, wobei es sich bei der selben Kristallstruktur um eine Perowskit-Kristallstruktur handelt, und die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid mit einer chemischen Formel umfasst, die durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellt wird, wobei A und A' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei B und B' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei es sich bei A' und/oder B' um Dotierungsmittel handelt, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind.
    84. 84. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 83, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode ein Oxid mit einer chemischen Formel umfasst, die durch C(p-u)C'uD(q-v)D'vOw dargestellt wird, wobei C und C' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei D und D' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei p, q und w ganze Zahlen sind, und wobei u und/oder v größer als Null sind.
    85. 85. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 84, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid mit einer Perowskit-Kristallstruktur umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 PbZrTiO3, Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3, PbLaZrTiO3, Pb(Sc,Nb)O3 BaTiO3-Bi(Zn(Nb,Ta))O3, BaTiO3-BaSrTiO3, LiNbO3, LiTaO3, LiFeTaOF, SrBaNbO, BaNaNbO, KNaSrBaNbO, Bi1-xLaxFeO3, Bi1-xCexFeO3 und BiFe1-yCoyO3.
    86. 86. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 85, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (La,Sr)CoO3, SrRuO3, (La,Sr)MnO3, YBa2Cu3O7, Bi2Sr2CaCu2O8, LaNiO3, SrRuO3, LaMnO3, SrMnO3, LaCoO3 oder SrCoO3.
    87. 87. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 86, wobei die polare Schicht direkt die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode kontaktiert, und wobei die Halbleitervorrichtung ferner eine weitere Elektrode umfasst, die auf der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode gebildet ist, und ein leitfähiges binäres Metalloxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Iridium- (Ir) -Oxid, einem Ruthenium- (Ru) -Oxid, einem Palladium-(Pd) -Oxid, einem Osmium- (Os) -Oxid oder einem Rhenium- (Re) -Oxid.
    88. 88. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 82, wobei es sich bei der selben Kristallstruktur um eine hexagonale Kristallstruktur handelt, wobei die polare Schicht LuFeO3 umfasst oder eine durch RMnO3 dargestellte chemische Formel aufweist, und wobei es sich bei R um ein Metall der Seltenen Erden handelt.
    89. 89. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 82, die ferner einen Transistor umfasst, wobei der Kondensator elektrisch mit einem Drain des Transistors verbunden ist.
    90. 90. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 89, wobei die polare Schicht eine Restpolarisation aufweist, die für mindestens einen Tag beständig ist, so dass es sich bei der Halbleitervorrichtung um eine nicht flüchtige Speichervorrichtung handelt.
    91. 91. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensator, der Folgendes umfasst:
        • eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes kristallines polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet, und
        • erste und zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht, wobei die polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode angepasst ist,
        • wobei die erste kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode als Schablone zum Aufwachsen der polaren Schicht darauf dient, so dass mindestens ein Abschnitt der polaren Schicht kohärent auf der ersten kristallinen leitfähigen oder halbleitenden Oxidelektrode gespannt wird.
    92. 92. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 91, wobei das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials verringert.
    93. 93. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 91, wobei sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
    94. 94. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 93, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
    95. 95. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 91, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (La,Sr)CoO3, SrRuO3, (La,Sr)MnO3, YBa2Cu3O7, Bi2Sr2CaCu2O8, LaNiO3, SrRuO3, LaMnO3, SrMnO3, LaCoO3 oder SrCoO3.
    96. 96. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Transistor, der auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist; und
      • einen Kondensator, der durch eine leitfähige Durchkontaktierung elektrisch mit dem Transistor verbunden ist, wobei der Kondensator Folgendes umfasst:
        • obere und untere leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer polaren Schicht, wobei die untere leitfähige Oxidelektrode elektrisch mit einem Drain des Transistors verbunden ist, und
      • eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet; und
      • eine untere Sperrschicht, die ein hochschmelzendes Metall oder eine intermetallische Verbindung zwischen der unteren leitfähigen Oxidelektrode und der leitfähigen Durchkontaktierung umfasst.
    97. 97. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, wobei die polare Schicht ein Metalloxid umfasst, das in einer oxidierenden Umgebung bei einer Temperatur von mehr als 300 °C gebildet wird.
    98. 98. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, die ferner eine obere Sperrschicht umfasst, die ein hochschmelzendes Metall oder eine intermetallische Verbindung über der oberen leitfähigen Oxidelektrode umfasst.
    99. 99. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, wobei die obere und/oder die untere Sperrschicht eines oder mehrere der Folgenden umfassen: eine Ti-Al-Legierung, eine Ni-Al-Legierung, eine Ni-Ti-Legierung, eine Ni-Ga-Legierung, eine Ni-Mn-Ga-Legierung, eine Fe-Ga-Legierung, ein Metallborid, ein Metallcarbid, ein Metallnitrid, Ta-Metall, W-Metall und Co-Metall.
    100. 100. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, wobei die obere und/oder die untere Sperrschicht eines oder mehrere der Folgenden umfassen: Ti3Al, TiAl, TiAl3, Ni3Al, NiAl3 NiAl, Ni2MnGa, FeGa und Fe3Ga.
    101. 101. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, ferner umfassend eine Sperrdichtmittelschicht, die auf einer oder beiden Seitenflächen der dielektrischen Schicht, der oberen Oxidelektrodenschicht und/oder der unteren leitfähigen Oxidelektrodenschicht ausgebildet ist.
    102. 102. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, wobei die Sperrdichtmittelschicht ein Metalloxid umfasst, das Al oder Mg umfasst.
    103. 103. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 PbZrTiO3, Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3, PbLaZrTiO3, Pb(Sc,Nb)O3 BaTiO3-Bi(Zn(Nb,Ta))O3, BaTiO3-BaSrTiO3, LiNbO3, LiTaO3, LiFeTaOF, SrBaNbO, BaNaNbO, KNaSrBaNbO, Bi1-xLaxFeO3, Bi1-xCexFeO3 und BiFe1-yCoyO3.
    104. 104. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, die ferner eine isolierende Dichtmittelschicht umfasst, die eine der beiden Seitenflächen der Polarschicht, der oberen leitfähigen Oxidelektrode und/oder der unteren leitfähigen Oxidelektrode kontaktiert.
    105. 105. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
    106. 106. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 96, wobei das ferroelektrische Basismaterial eine hexagonale Kristallstruktur aufweist, wobei das ferroelektrische Basismaterial LuFeO3 umfasst oder eine durch RMnO3 dargestellte chemische Formel aufweist, und wobei es sich bei R um ein Metall der Seltenen Erden handelt.
    107. 107. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Transistor, der auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist;
      • einen Kondensator, der durch eine leitfähige Durchkontaktierung elektrisch mit dem Transistor verbunden ist, wobei der Kondensator Folgendes umfasst:
        • obere und untere leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten einer polaren Schicht, wobei die untere leitfähige Oxidelektrode elektrisch mit einem Drain des Transistors verbunden ist, und
        • die polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff umfasst, und wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem Metall bzw. den Metallen des Metalloxids unterscheidet, das in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel unterscheidet; und
        • eine Sperrdichtmittelschicht, die auf einer oder beiden Seitenflächen der polaren Schicht, der oberen leitfähigen Oxidelektrodenschicht und/oder der unteren leitfähigen Oxidelektrodenschicht ausgebildet ist.
    108. 108. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 107, wobei die polare Schicht ein Metalloxid umfasst, das in einer oxidierenden Umgebung bei einer Temperatur von mehr als 500 °C gebildet wird.
    109. 109. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, wobei die Sperrdichtmittelschicht ein Metalloxid umfasst.
    110. 110. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 109, wobei die Sperrdichtmittelschicht ein Metalloxid aus Al oder Mg umfasst.
    111. 111. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 110, wobei die Sperrdichtmittelschicht ein Oxid umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus MgO, TiAlO oder LaAlO ausgewählt ist.
    112. 112. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, wobei die Sperrdichtmittelschicht oxidierte, fluorierte und/oder chlorierte Abschnitte einer oder mehrerer der oberen und unteren leitfähigen Oxidelektrodenschichten und der polaren Schicht umfasst.
    113. 113. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, ferner umfassend eine untere Sperrschicht zwischen der unteren leitfähigen Oxidelektrode und der leitfähigen Durchkontaktierung und/oder eine obere Sperrschicht über der oberen leitfähigen Oxidelektrode, wobei die untere und/oder die obere Sperrschicht ein hochschmelzendes Metall oder eine intermetallische Verbindung umfassen.
    114. 114. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 113, wobei die obere und/oder die untere Sperrschicht eines oder mehrere der Folgenden umfassen: eine Ti-Al-Legierung, eine Ni-Al-Legierung, eine Ni-Ti-Legierung, eine Ni-Ga-Legierung, eine Ni-Mn-Ga-Legierung, eine Fe-Ga-Legierung, ein Metallborid, ein Metallcarbid, ein Metallnitrid, Ta-Metall, W-Metall und Co-Metall.
    115. 115. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 und PbZrTiO3.
    116. 116. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, die ferner eine isolierende Dichtmittelschicht umfasst, die eine der beiden Seitenflächen der Polarschicht, der oberen leitfähigen Oxidelektrode und/oder der unteren leitfähigen Oxidelektrode kontaktiert.
    117. 117. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 PbZrTiO3, Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3, PbLaZrTiO3, Pb(Sc,Nb)O3 BaTiO3-Bi(Zn(Nb,Ta))O3, BaTiO3-BaSrTiO3, LiNbO3, LiTaO3, LiFeTaOF, SrBaNbO, BaNaNbO, KNaSrBaNbO, Bi1-xLaxFeO3, Bi1-xCexFeO3 und BiFe1-yCoyO3.
    118. 118. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
    119. 119. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, wobei das ferroelektrische Basismaterial eine hexagonale Kristallstruktur aufweist, wobei das ferroelektrische Basismaterial LuFeO3 umfasst oder eine durch RMnO3 dargestellte chemische Formel aufweist, und wobei es sich bei R um ein Metall der Seltenen Erden handelt.
    120. 120. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 108, wobei die obere und/oder die untere leitfähige Oxidelektrode ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (La,Sr)CoO3, SrRuO3, (La,Sr)MnO3, YBa2Cu3O7, Bi2Sr2CaCu2O8, LaNiO3, SrRuO3, LaMnO3, SrMnO3, LaCoO3 oder SrCoO3.
    121. 121. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensator, der eine ferroelektrische Oxidschicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst, das mit einem Dotierungsmittel dotiert ist, wobei das Dotierungsmittel eine Restpolarisation des ferroelektrischen Basisoxids relativ zu einem undotierten ferroelektrischen Basisoxid um mindestens 5 % verringert.
    122. 122. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • eine ferroelektrische Oxidschicht, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht eingebracht ist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten Oxidelektrodenschicht angepasst ist.
    123. 123. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensator, der eine ferroelektrische Oxidschicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht einen ferroelektrischen Übergang bei einer Spannung von weniger als etwa 600 mV durchläuft.
    124. 124. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • einen Kondensator, der eine ferroelektrische Oxidschicht umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten leitfähigen Oxidelektrode eingebracht ist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Dicke von weniger als etwa 50 nm aufweist.
    125. 125. Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst:
      • eine ferroelektrische Oxidschicht, die eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht mit einem Lanthanoidelement in einer Konzentration von mehr als etwa 5,0 % dotiert ist, auf der Grundlage der Gesamtzahl der Atomplätze eines Metalls der ferroelektrischen Oxidschicht.
    126. 126. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 121, wobei das ferroelektrische Basisoxid eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist.
    127. 127. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-126, wobei die ferroelektrische Oxidschicht einen ferroelektrischen Phasenübergang bei einer Spannung von weniger als etwa 200 mV durchläuft.
    128. 128. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-127, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Dicke zwischen etwa 2 nm und 200 nm aufweist.
    129. 129. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-128, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Kristallgitterstruktur aufweist, die dieselbe ist wie eine Kristallgitterstruktur der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht.
    130. 130. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-129, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 10 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht angepasst ist.
    131. 131. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-130, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellte chemische Formel aufweist, wobei A und A' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei B und B' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei es sich bei A' und/oder B' um Dotierungsmittel handelt, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind.
    132. 132. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 131, wobei es sich bei A' um ein Element der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe handelt.
    133. 133. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 131 oder 132, wobei es sich bei A' um ein Lanthanoidelement handelt.
    134. 134. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 131-133, wobei das Dotierungsmittel La umfasst.
    135. 135. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 131-134, wobei die Menge von A' zwischen etwa 0,1 Atom-% und 20 Atom-% auf der Grundlage der Menge von A und A' beträgt.
    136. 136. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 131-135, wobei es sich bei B' um ein Element handelt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mn, Sc, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu und Zn.
    137. 137. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-136, wobei die erste und/oder die zweite kristalline leitfähige oder halbleitende Oxidelektrode ein Oxid mit einer chemischen Formel umfasst, die durch C(p-u)C'uD(q-v)D'vOw dargestellt wird, wobei C und C' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei D und D' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei p, q und w ganze Zahlen sind, und wobei u und/oder v größer als Null sind.
    138. 138. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-137, wobei die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht eine Dicke zwischen 1 nm und 5 nm aufweist.
    139. 139. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-138, wobei die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht einen spezifischen Widerstand von weniger als 0,01 Ohm-cm aufweist.
    140. 140. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-139, wobei die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht eines oder mehrere der Folgenden umfasst: ein Iridium- (Ir) -Oxid, ein Ruthenium- (Ru) -Oxid, ein Palladium- (Pd) -Oxid, ein Osmium- (Os) -Oxid, ein Rhenium- (Re) -Oxid, (La,Sr)CoO3, SrRuO3, (La,Sr)MnO3, YBa2Cu3O7, Bi2Sr2CaCu2O8, LaNiO3 und SrTiO3.
    141. 141. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-140, wobei die ferroelektrische Oxidschicht einen Bereich mit einer seitlichen Abmessung zwischen ungefähr 10 nm und 500 nm hat, bei dem die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht darauf pseudomorphe Schichten bilden.
    142. 142. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-140, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Perowskit-Struktur aufweist.
    143. 143. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 142, wobei das ferroelektrische Basisoxid Bi umfasst.
    144. 144. Halbleitervorrichtung nach den Ausführungsformen 142 oder 143, wobei das ferroelektrische Basisoxid BiFeO3 umfasst.
    145. 145. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 142-144, wobei die ferroelektrische Oxidschicht Bi1-xLaxFeO3, Bi1-xCexFeO3 oder BiFe1-yCoyO3 umfasst.
    146. 146. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 142, wobei das ferroelektrische Basisoxid Pb umfasst.
    147. 147. Halbleitervorrichtung nach den Ausführungsformen 142 oder 146, wobei das ferroelektrische Basisoxid PbTiO3 umfasst.
    148. 148. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 142, 146 und 147, wobei die ferroelektrische Oxidschicht PbTi1-yZryO3 oder PbTi1-y-zZryNbzO3 umfasst, wobei y und z jeweils größer als Null sind.
    149. 149. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 142-148, wobei die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht eines oder mehrere der Folgenden umfasst: SrRuO3, (La,Sr)MnO3 und Nb-dotiertes SrTiO3.
    150. 150. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 142-149, wobei die ferroelektrische Oxidschicht mit einem Metall endet, das eine Körpermittenposition der Perowskit-Struktur an einer oder beiden Grenzflächen einnimmt, die mit der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht gebildet sind.
    151. 151. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 142-149, wobei die ferroelektrische Oxidschicht mit einem Metall endet, das Eckpositionen der Perowskit-Struktur an einer oder beiden Grenzflächen einnimmt, die mit der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht gebildet sind.
    152. 152. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 141-141, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine hexagonale Struktur aufweist.
    153. 153. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 152, wobei das ferroelektrische Basisoxid Mn umfasst.
    154. 154. Halbleitervorrichtung nach den Ausführungsformen 152 oder 153, wobei das ferroelektrische Basisoxid AMnO3 umfasst, wobei es sich bei A um ein Element handelt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cer (Ce), Dysprosium (Dy), Erbium (Er), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho), Lanthan (La), Lutetium (Lu), Neodym (Nd), Praseodym (Pr), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Scandium (Sc), Terbium (Tb), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Yttrium (Y).
    155. 155. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 152-154, wobei die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht Ir2O3 oder IrO2 umfasst.
    156. 156. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-141, wobei die ferroelektrische Oxidschicht ein ungeeignetes ferroelektrisches Material umfasst, in dem eine spontane Polarisation von einem strukturellen Phasenübergang begleitet wird.
    157. 157. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 156, wobei die ferroelektrische Basisoxidschicht Lu umfasst.
    158. 158. Halbleitervorrichtung nach den Ausführungsformen 156 oder 157, wobei das ferroelektrische Basisoxid ein Übergitter umfasst, das SrTiO3 umfasst, das sich mit einem anderen Oxid abwechselt.
    159. 159. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 156-158, wobei das ferroelektrische Basisoxid ein Übergitter umfasst, das SrTiO3 umfasst, das sich mit PbTiO3 abwechselt.
    160. 160. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 156-158, wobei das ferroelektrische Basisoxid ein Übergitter umfasst, das SrTiO3 umfasst, das sich mit LaAlO3 abwechselt.
    161. 161. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-160, wobei beim Anlegen eines elektrischen Felds die ferroelektrische Oxidschicht energetisch zwischen lokalen Minima einer durch eine Energiebarriere von weniger als etwa 250 mV getrennten Doppelpotentialmulde schwankt.
    162. 162. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-161, wobei auf der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht ist eine Sperrschicht gebildet, die auf einer Seite gegenüber der ferroelektrischen Oxidschicht gebildet ist.
    163. 163. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 162, wobei die Sperrschicht ein hochschmelzendes Metall oder eine intermetallische Verbindung umfasst.
    164. 164. Halbleitervorrichtung nach den Ausführungsformen 162 oder 163, wobei die Sperrschicht eines oder mehrere der Folgenden umfasst: eine Ti-Al-Legierung, eine Ni-Al-Legierung, eine Ni-Ti-Legierung, eine Ni-Ga-Legierung, eine Ni-Mn-Ga-Legierung, eine Fe-Ga-Legierung, ein Metallborid, ein Metallcarbid, ein Metallnitrid, Ta-Metall, W-Metall und Co-Metall.
    165. 165. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-165, ferner umfassend eine Seitensperrschicht, die eine der beiden Seitenflächen der ferroelektrischen Oxidschicht, der ersten Oxidelektrodenschicht und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht kontaktiert.
    166. 166. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 165, wobei die Seitensperrschicht ein Metalloxid umfasst.
    167. 167. Halbleitervorrichtung nach den Ausführungsformen 165 oder 166, wobei die Seitensperrschicht ein Metalloxid umfasst, das Al oder Mg umfasst.
    168. 168. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-167, wobei eine Restpolarisation der ferroelektrischen Oxidschicht nichtflüchtig ist.
    169. 169. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-168, wobei eine Restpolarisation der ferroelektrischen Oxidschicht flüchtig ist, so dass die ferroelektrische Oxidschicht paraelektrisch ist.
    170. 170. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-169, wobei die ferroelektrische Oxidschicht, die erste Oxidelektrodenschicht und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht eine abgestufte Zusammensetzung in einer vertikalen Richtung senkrecht zu einer Stapelrichtung aufweisen.
    171. 171. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 121-170, die ferner einen Transistor umfasst, wobei der Kondensator elektrisch mit einem Drain des Transistors verbunden ist.
    172. 172. Stoffzusammensetzung, umfassend:
      • eine ferroelektrische Oxidschicht, die eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist, wobei die ferroelektrische Oxidschicht ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst, das mit einem Dotierungsmittel dotiert ist, das ein Lanthanoidelement in einer Konzentration von mehr als etwa 5,0 % umfasst, auf der Grundlage der Gesamtzahl der Atomplätze eines Metalls der ferroelektrischen Oxidschicht.
    173. 173. Zusammensetzung nach Ausführungsform 172, wobei die ferroelektrische Oxidschicht einen ferroelektrischen Phasenübergang bei einer Spannung von weniger als etwa 200 mV durchläuft.
    174. 174. Zusammensetzung nach den Ausführungsformen 172 oder 173, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Dicke zwischen etwa 2 nm und 200 nm aufweist.
    175. 175. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 172-174, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellte chemische Formel aufweist, wobei A und A' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei B und B' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei es sich bei A' und/oder B' um Dotierungsmittel handelt, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind.
    176. 176. Zusammensetzung nach Ausführungsform 175, wobei es sich bei A' um das Lanthanoidelement handelt.
    177. 177. Zusammensetzung nach Ausführungsform 176, wobei es sich bei A' um La handelt.
    178. 178. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 175-177, wobei die Menge von A' zwischen etwa 0,1 Atom-% und 20 Atom-% auf der Grundlage der Menge von A beträgt.
    179. 179. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 175-177, wobei es sich bei B' um ein Element handelt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mn, Sc, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu und Zn.
    180. 180. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 172-179, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine Perowskit-Struktur aufweist.
    181. 181. Zusammensetzung nach Ausführungsform 180, wobei das ferroelektrische Basisoxid Bi umfasst.
    182. 182. Zusammensetzung nach den Ausführungsformen 180 oder 181, wobei das ferroelektrische Basisoxid BiFeO3 umfasst.
    183. 183. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 180-182, wobei die ferroelektrische Oxidschicht Bi1-xLaXFeO3, Bi1-xCexFeO3 oder BiFe1-yCoyO3 umfasst.
    184. 184. Zusammensetzung nach Ausführungsform 180, wobei das ferroelektrische Basisoxid Pb umfasst.
    185. 185. Zusammensetzung nach Ausführungsform 184, wobei das ferroelektrische Basisoxid PbTiO3 umfasst.
    186. 186. Zusammensetzung nach den Ausführungsformen 184 oder 185, wobei die ferroelektrische Oxidschicht PbTi1-yZryO3 oder PbTi1-y-zZryNbzO3 umfasst, wobei y und z jeweils größer als Null sind.
    187. 187. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 172-179, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine hexagonale Struktur aufweist.
    188. 188. Zusammensetzung nach Ausführungsform 187, wobei das ferroelektrische Basisoxid Mn umfasst.
    189. 189. Zusammensetzung nach den Ausführungsformen 187 oder 188, wobei das ferroelektrische Basisoxid Yi1-xMnxO3 umfasst.
    190. 190. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 172-179, wobei die ferroelektrische Oxidschicht ein ungeeignetes ferroelektrisches Material umfasst, in dem eine spontane Polarisation von einem strukturellen Phasenübergang begleitet wird.
    191. 191. Zusammensetzung nach Ausführungsform 190, wobei die ferroelektrische Basisoxidschicht Lu umfasst.
    192. 192. Zusammensetzung nach den Ausführungsformen 190 oder 191, wobei das ferroelektrische Basisoxid ein Übergitter umfasst, das SrTiO3 umfasst, das sich mit einem anderen Oxid abwechselt.
    193. 193. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 190-192, wobei das ferroelektrische Basisoxid ein Übergitter umfasst, das SrTiO3 umfasst, das sich mit PbTiO3 abwechselt.
    194. 194. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 190-192, wobei das ferroelektrische Basisoxid ein Übergitter umfasst, das SrTiO3 umfasst, das sich mit LaAlO3 abwechselt.
    195. 195. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 172-194, wobei beim Anlegen eines elektrischen Felds die ferroelektrische Oxidschicht energetisch zwischen lokalen Minima einer durch eine Energiebarriere von weniger als etwa 250 mV getrennten Doppelpotentialmulde schwankt.
    196. 196. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 172-195, wobei eine Restpolarisation der ferroelektrischen Oxidschicht nichtflüchtig ist.
    197. 197. Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 172-196, wobei eine Restpolarisation der ferroelektrischen Oxidschicht flüchtig ist, so dass die ferroelektrische Oxidschicht paraelektrisch ist.
    198. 198. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 149, wobei die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht ferner ein leitfähiges binäres Oxid umfasst, wobei das SrRuO3, (La,Sr)MnO3 und/oder Nb-dotierte SrTiO3 zwischen dem binären Oxid und der ferroelektrischen Oxidschicht eingebracht ist.
    199. 199. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 198, wobei das binäre Oxid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Iridium- (Ir) -Oxid, einem Ruthenium-(Ru) -Oxid, einem Palladium- (Pd) -Oxid, einem Osmium- (Os) -Oxid und einem Rhenium-(Re) -Oxid.
    200. 200. Halbleitervorrichtung nach einer der Ausführungsformen 152-154, wobei die erste und/oder die zweite leitfähige Oxidelektrodenschicht ein hexagonales leitfähiges Oxid mit einer Delafossitstruktur umfasst.
    201. 201. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 200, wobei das hexagonale leitfähige Oxid mit der Delafossitstruktur eines oder mehrere der Folgenden umfasst: PtCoO2, PdCoO2 und Al-dotiertes ZnO.
    202. 202. Halbleitervorrichtung nach den Ausführungsformen 164, wobei die Sperrschicht eines oder mehrere der Folgenden umfasst: Ti3Al, TiAl, TiAl3, Ni3Al, NiAl3 NiAl, Ni2MnGa, FeGa und Fe3Ga.
    203. 203. Halbleitervorrichtung nach den Ausführungsformen 165 oder 166, wobei die Seitensperrschicht ein Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus MgO, TiAlO und LaAlO.
    204. 204. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 165, wobei die Seitensperrschicht eine oder beide Seitenwände der ersten und/oder der zweiten leitfähigen Oxidelektrodenschicht und die ferroelektrische Oxidschicht umfasst, die durch Oxidation, Fluorierung und/oder Chlorierung passiviert sind.
    205. 205. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 125 oder Stoffzusammensetzung nach Ausführungsform 172, wobei die ferroelektrische Oxidschicht eine durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellte chemische Formel, wobei A und A' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei B und B' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei es sich bei A' und/oder B' um Dotierungsmittel handelt, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind.
    206. 206. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 205 oder Stoffzusammensetzung nach Ausführungsform 85, wobei das Dotierungsmittelelement in einer Konzentration von mehr als etwa 12,5% auf der Grundlage der Gesamtzahl der Atomplätze des Metalls der ferroelektrischen Oxidschicht vorhanden ist.
    207. 207. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 205 oder Stoffzusammensetzung nach Ausführungsform 85, wobei es sich bei dem Metall der ferroelektrischen Oxidschicht um Bi handelt.
    208. 208. Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 205 oder Stoffzusammensetzung nach Ausführungsform 85, wobei es sich bei der ferroelektrischen Oxidschicht um BiFeO3 handelt.
    209. 209. Halbleitervorrichtung, Kondensator oder Zusammensetzung nach einer der Ausführungsformen 1-120, wobei das Dotierungsmittel eine Atomgitterposition einnimmt, die mit einem Metall des polaren Basismaterials austauschbar ist, und wobei das Dotierungsmittel in der polaren Schicht einen Oxidationszustand aufweist, der sich von einem Oxidationszustand des Metalls in dem polaren Basismaterial.
  • Aspekte dieser Offenbarung können in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen implementiert werden. Beispiele der elektronischen Vorrichtungen können Folgendes beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Unterhaltungselektronikprodukte, Teile der Unterhaltungselektronikprodukte, elektronische Testausrüstung, Mobilfunkinfrastruktur wie eine Basisstation usw. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können Folgendes umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt: ein Mobiltelefon wie ein Smartphone, eine am Körper tragbare Computervorrichtung wie eine Smartwatch oder ein Ohrstück, ein Telefon, ein Fernseher, ein Computermonitor, ein Computer, ein Modem, ein Handheld-Computer, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), eine Mikrowelle, ein Kühlschrank, ein Fahrzeug-Elektroniksystem wie ein Automobil-Elektroniksystem, eine Stereoanlage, ein DVD-Player, ein CD-Player, ein digitaler Musikplayer wie ein MP3-Player, ein Radio, ein Camcorder, eine Kamera wie eine Digitalkamera, ein tragbarer Speicherchip, eine Waschmaschine, ein Trockner, eine Waschmaschinen-/Trockner-Kombination, ein Peripheriegerät, eine Uhr usw. Ferner können die elektronischen Vorrichtungen unfertige Produkte umfassen. Aspekte dieser Offenbarung können insbesondere in verschiedenen drahtlosen Telekommunikationstechnologien implementiert werden, in denen hohe Leistung, Hochfrequenzbänder, verbesserte Linearität und/oder verbesserte Effizienz erwünscht sind, einschließlich Militär- und Weltraumanwendungen wie Radare, Gemeinschaftsantennenfernsehen (CATV), Radarstörsender und drahtlose Telekommunikationsbasisstationen, um nur einige zu nennen.
  • Sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes erfordert, sind in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „einschließen“, „einschließlich“ und dergleichen in einem einschließenden Sinne auszulegen, im Gegensatz zu einem ausschließenden oder erschöpfenden Sinne; das heißt im Sinne von „einschließlich, aber nicht beschränkt auf. Der Begriff „gekoppelt“, wie er hier im Allgemeinen verwendet wird, bezieht sich auf zwei oder mehr Elemente, die entweder direkt oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden sein können. Ebenso bezieht sich der Begriff „verbunden“, wie er hier im Allgemeinen verwendet wird, auf zwei oder mehr Elemente, die entweder direkt oder über ein oder mehrere Zwischenelemente verbunden sein können. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe „hierin“, „obige“, „unten“ und Wörter von ähnlicher Bedeutung, wenn sie in dieser Anmeldung verwendet werden, auf diese Anmeldung als Ganzes und nicht auf bestimmte Abschnitte dieser Anmeldung. Wo der Kontext es zulässt, können Begriffe in der obigen ausführlichen Beschreibung, die die Singular- oder Pluralzahl verwenden, auch jeweils die Plural- bzw. Singularzahl einschließen. Der Begriff „oder“ in Bezug auf eine Liste von zwei oder mehr Elementen, umfasst alle der folgenden Interpretationen des Begriffes: ein beliebiges der Elemente in der Liste, alle Elemente in der Liste und eine beliebige Kombination der Elemente in der Liste.
  • Darüber hinaus soll hierin verwendete bedingte Sprache, wie unter anderem „kann“, „könnte“, „usw.“, „beispielsweise“, „zum Beispiel“, „wie“ und dergleichen, im Allgemeinen vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Zustände umfassen, während andere Ausführungsformen diese nicht umfassen, es sei denn, dies ist spezifisch anders angegeben oder anderweitig im verwendeten Kontext zu verstehen. Somit soll eine solche bedingte Sprache im Allgemeinen nicht implizieren, dass Merkmale, Elemente und/oder Zustände in irgendeiner Weise für eine oder mehrere Ausführungsformen erforderlich sind, oder ob diese Merkmale, Elemente und/oder Zustände in einer bestimmten Ausführungsform enthalten sind oder ausgeführt werden sollen.
  • Während bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen nur beispielhaft präsentiert und sollen den Umfang der Offenbarung nicht einschränken. Tatsächlich können die hierin beschriebenen neuartigen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme in einer Vielzahl anderer Formen ausgeführt werden; darüber hinaus können verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen in der Form der hierin beschriebenen Verfahren und Systeme vorgenommen werden, ohne vom Geist der Offenbarung abzuweichen. Während beispielsweise Blöcke in einer gegebenen Anordnung präsentiert werden, können alternative Ausführungsformen ähnliche Funktionalitäten mit unterschiedlichen Komponenten und/oder Schaltungstopologien ausführen, und einige Blöcke können gelöscht, verschoben, hinzugefügt, unterteilt, kombiniert und/oder modifiziert werden. Jeder dieser Blöcke kann auf vielfältige Weise implementiert werden. Jede geeignete Kombination der Elemente und Handlungen der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen kann kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Die verschiedenen oben beschriebenen Merkmale und Prozesse können unabhängig voneinander implementiert oder auf verschiedene Weise kombiniert werden. Alle möglichen Kombinationen und Unterkombinationen von Merkmalen dieser Offenbarung sollen in den Umfang dieser Offenbarung fallen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62/831044 [0001]

Claims (33)

  1. Halbleitervorrichtung umfassend: einen Kondensator umfassend: eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält und wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet, erste und zweite kristalline, leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht, und erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen, leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die ferroelektrische Schaltspannung verringert.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die polare Schicht eine Perowskit-Kristallstruktur aufweist und ein ferroelektrisches Oxid mit einer chemischen Formel umfasst, die durch A(m-x)A'xB(n-y)B'yOz dargestellt wird, wobei A und A' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei B und B' austauschbare Atompositionen in der Perowskit-Kristallstruktur einnehmen, wobei es sich bei A' und/oder B' um Dotierungsmittel handelt, wobei es sich bei m, n und z um ganze Zahlen handelt, und wobei x und/oder y größer als Null sind/ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, PbTiO3, KNbO3, NaTaO3, BiFeO3 und PbZrTiO3.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3, PbLaZrTiO3, Pb(Sc,Nb)O3, BaTiO3-Bi(Zn(Nb,Ta))O3, BaTiO3-BaSrTiO3, Bi1-xLaxFeO3, Bi1-xCexFeO3 und BiFe1-yCoyO3.
  8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die polare Schicht ein ferroelektrisches Oxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus LiNbO3, LiTaO3, LiFeTaOF, SrBaNbO, BaNaNbO, KNaSrBaNbO.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
  10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das ferroelektrische Basismaterial eine hexagonale Kristallstruktur aufweist, wobei das ferroelektrische Basismaterial LuFeO3 umfasst oder eine durch RMnO3 dargestellte chemische Formel aufweist, und wobei es sich bei R um ein Element der Seltenen Erden handelt.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das ferroelektrische Basismaterial ein Übergitter umfasst, das eine erste Schicht umfasst, die sich mit einer zweiten Schicht abwechselt, welche sich von der ersten Schicht unterscheidet, wobei die erste Schicht eine durch ABO3 dargestellte chemische Formel und die zweite Schicht eine durch CDO3 dargestellte chemische Formel aufweist, wobei es sich bei A und B um unterschiedliche Metallelemente handelt und bei C und D um unterschiedliche Metallelemente handelt und wobei sich C und D jeweils von A und/oder B unterscheiden.
  12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Schicht SrTiO3 umfasst und wobei die zweite Schicht PbTiO3 und/oder LaAlO3 umfasst.
  13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die polare Schicht ferroelektrisch ist und eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist.
  14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die polare Schicht eine Dicke von weniger als etwa 50 nm aufweist.
  15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass die polare Schicht paraelektrisch ist und im Wesentlichen keine Restpolarisation aufweist.
  16. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das polare Basismaterial ein dielektrisches Material umfasst, das eines oder mehrere von Hf, Zr, Al, Si oder Ga umfasst, wobei das Dotierungsmittel die Ferroelektrizität erhöht, so dass die polare Schicht eine Restpolarisation von mehr als etwa 10 µC/cm2 aufweist.
  17. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und/oder die zweite Metallschicht ein hochschmelzendes Metall umfassen/umfasst, das als Diffusionsbarriere dient.
  18. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Transistor umfasst, wobei der Kondensator elektrisch mit einer Drainelektrode des Transistors verbunden ist.
  19. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, wobei die polare Schicht eine Restpolarisation aufweist, die für mindestens einen Tag beständig ist, so dass es sich bei der Halbleitervorrichtung um eine nicht-flüchtige Speichervorrichtung handelt.
  20. Halbleitervorrichtung umfassend: einen Kondensator umfassend: eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente und Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält, und wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement der 4d-Reihe, 5d-Reihe, 4f-Reihe oder 5f-Reihe umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet, wobei das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel unterscheidet, und erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht; und erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht.
  21. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 20, wobei sich die Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet.
  22. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 20, wobei sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100 mV unterscheidet.
  23. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 22, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
  24. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 20, wobei die polare Schicht eine Perowskit-Struktur oder eine hexagonale Kristallstruktur aufweist.
  25. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 24, wobei das Dotierungsmittel ein Lanthanoidelement oder Niob umfasst.
  26. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 20, wobei die polare Schicht eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb von etwa 20 % einer Gitterkonstante der ersten und/oder der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode angepasst ist.
  27. Halbleitervorrichtung umfassend: einen Kondensator umfassend: eine polare Schicht, die ein mit einem Dotierungsmittel dotiertes polares Basismaterial umfasst, wobei das polare Basismaterial ein oder mehrere Metallelemente sowie Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält, wobei das Dotierungsmittel ein Metallelement umfasst, das sich von dem einen oder den mehreren Metallelementen unterscheidet und das Dotierungsmittel in einer solchen Konzentration vorhanden ist, dass sich eine Restpolarisation der polaren Schicht von der des polaren Basismaterials ohne das Dotierungsmittel um mehr als etwa 5 µC/cm2 unterscheidet, erste und zweite kristalline leitfähige Oxidelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Polarschicht und erste und zweite Sperrmetallschichten jeweils auf der ersten und der zweiten kristallinen leitfähigen Oxidelektrode auf gegenüberliegenden Seiten der polaren Schicht.
  28. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 27, wobei das polare Basismaterial ein ferroelektrisches Basismaterial umfasst und wobei eine Erhöhung der Konzentration des Dotierungsmittels die Restpolarisation des ferroelektrischen Basismaterials verringert.
  29. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 27, wobei sich eine ferroelektrische Schaltspannung des Kondensators von der des Kondensators mit dem polaren Basismaterial ohne Dotierung mit dem Dotierungsmittel um mehr als etwa 100°mV unterscheidet.
  30. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 29, wobei die ferroelektrische Schaltspannung niedriger als etwa 1200 mV ist.
  31. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Dotierungsmittel eine Atomgitterposition einnimmt, die mit einem Metallelement des polaren Basismaterials austauschbar ist und wobei das Dotierungsmittel in der polaren Schicht einen Oxidationszustand aufweist, der sich von einem Oxidationszustand des Metalls in dem polaren Basismaterial unterscheidet.
  32. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Dotierungsmittel eine Atomgitterposition einnimmt, die mit einem Metallelement des polaren Basismaterials austauschbar ist und wobei das Dotierungsmittel in der polaren Schicht einen Oxidationszustand aufweist, der sich von einem Oxidationszustand des Metalls in dem polaren Basismaterial unterscheidet.
  33. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 27, wobei das Dotierungsmittel eine Atomgitterposition einnimmt, die mit einem Metallelement des polaren Basismaterials austauschbar ist und wobei das Dotierungsmittel in der polaren Schicht einen Oxidationszustand aufweist, der sich von einem Oxidationszustand des Metalls in dem polaren Basismaterial unterscheidet.
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