JP7177574B2 - テクスチャ形成されたイリジウム底部電極を有する酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムベースの強誘電性デバイス - Google Patents

テクスチャ形成されたイリジウム底部電極を有する酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムベースの強誘電性デバイス Download PDF

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Description

本発明は一般的に、金属電極の規定された結晶面の上に強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ：ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ／ａｎｔｉｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）層を形成することに関し、より具体的にはプラチナまたはイリジウム電極上のハフニウムおよびジルコニウムベースのＦＥ／ＡＦＥ層からＦＥ／ＡＦＥデバイスを形成することに関する。
強誘電性材料は、ヒステリシス・ループを示すこうした材料の分極に基づく調節可能なキャパシタンスを有するコンデンサを形成するために用いられ得る。強誘電性材料は、自発的な非ゼロ分極を示し、こうした分極ヒステリシスはメモリ機能を提供できる。
材料は、その材料の調製および処理に依存して、強誘電性または反強誘電性の相を有し得る。しかし、多結晶材料は、より巨視的規模において乏しい強誘電性および反強誘電性の特徴を生じさせる、ランダムに配向された材料結晶粒を有し得る。強誘電性材料は、隣接する双極子が同一方向（平行）に配向される、（材料のイオンおよび電子からの）電気双極子の規則的配列から構成され得る。反強誘電性材料は、隣接する双極子が交互に対向する方向（反平行）に配向される、（材料のイオンおよび電子からの）電気双極子の規則的配列から構成され得る。
トランジスタおよびコンデンサは、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ：ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）セル（すなわち、「１Ｔ－１Ｃ」デバイス）を形成し得る。ＤＲＡＭデータ・ストレージは、コンデンサにおける電荷の存在または欠乏に基づいている。ＤＲＡＭセル内のコンデンサの電荷は、データ・ストレージを維持するために周期的にリフレッシュする必要がある。２つの電極の間に挟まれた強誘電性の容量性材料を含むチューナブル・コンデンサは、ＤＲＡＭセル内の線形誘電体を有する典型的なコンデンサに置き換わって、コンデンサおよび抵抗器を含む強誘電性ＲＡＭ（ＦｅＲＡＭ：ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ＲＡＭ）「１Ｔ－１Ｃ」デバイスを形成できる。１Ｔ－１Ｃ ＦｅＲＡＭは、面積が小さいために大きいメモリ密度に対して好適であり得る。
ＦｅＲＡＭは、強誘電性（ＦＥ）材料の分極状態として情報を保存することによって、不揮発性メモリとして機能する。ＦｅＲＡＭメモリ・セルを読取ることは、コンデンサの強誘電性材料の分極を変化させて、検出および増幅可能な電気パルスを生成することを伴い得る。ＦｅＲＡＭは、典型的なＤＲＡＭセルよりも長くデータ・ストレージ状態（すなわち、「１」または「０」）を維持でき、そこでは、ＦｅＲＡＭセルのリフレッシュは、セルの読取りまたは書込みを実際に行うときにのみ必要とされる。
合理的な信頼性および性能を有するＦｅＲＡＭが市販されているが、それよりもかなり高い密度／スケーラビリティおよび信頼性を有するＦｅＲＡＭが、コストを低減させ、かつ商業的有用性および速度を増加させるために必要とされている。
したがって当該技術分野において、前述の問題に対処することが必要とされている。
第１の態様からみて、本発明は、強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ）誘電層を形成する方法を提供し、この方法は、基板上に金属電極層を形成するステップであって、金属電極層は、少なくとも８０％の｛１１１｝結晶面を有する露出表面を有する、ステップと、金属電極層の露出表面上にＦＥ／ＡＦＥ誘電層を形成するステップであって、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、４族遷移金属酸化物である、ステップとを含む。
さらなる態様からみて、本発明は、強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ）誘電層を有する可変コンデンサを形成する方法を提供し、この方法は、基板上にプラチナまたはイリジウムの金属電極層を形成するステップであって、金属電極層は、少なくとも８０％の｛１１１｝結晶面を有する露出表面を有する、ステップと、金属電極層の露出表面上にＦＥ／ＡＦＥ誘電層を形成するステップであって、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、４族遷移金属酸化物である、ステップと、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層の上に第２の金属電極層を形成するステップと、金属電極層、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層および第２の金属電極層をパターン形成して約２０ｎｍから約１００ｎｍの範囲の幅を有する可変コンデンサを形成するステップとを含む。
さらなる態様からみて、本発明は強誘電性／反強誘電性デバイスを提供し、この強誘電性／反強誘電性デバイスは、基板上のプラチナまたはイリジウムの金属電極層であって、金属電極層は、少なくとも８０％の｛１１１｝結晶面を有する露出表面を有する、金属電極層と、金属電極層の露出表面上のＦＥ／ＡＦＥ誘電層であって、このＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、４族遷移金属酸化物である、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層と、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層の上の第２の金属電極層と、金属電極層に対する第１の電気リードおよび第２の金属電極層に対する第２の電気リードとを含む。
本発明の実施形態によると、強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ）誘電層を形成する方法が提供される。この方法は、基板上に金属電極層を形成するステップであって、金属電極層は、少なくとも８０％の｛１１１｝結晶面を有する露出表面を有するステップと、金属電極層の露出表面上にＦＥ／ＡＦＥ誘電層を形成するステップであって、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、４族遷移金属酸化物であるステップとを含む。
本発明の別の実施形態によると、強誘電性／反強誘電性誘電層を有する可変コンデンサを形成する方法が提供される。この方法は、基板上にプラチナまたはイリジウムの金属電極層を形成するステップを含み、この金属電極層は、８０％より大きい｛１１１｝結晶面を有する露出表面を有する。この方法はさらに、金属電極層の露出表面上にＦＥ／ＡＦＥ誘電層を形成するステップを含み、このＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、４族遷移金属酸化物である。この方法はさらに、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層の上に第２の金属電極層を形成するステップと、金属電極層、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層および第２の金属電極層をパターン形成して約２０ｎｍから約１００ｎｍの範囲の幅を有する可変コンデンサを形成するステップとを含む。
本発明のさらに別の実施形態によると、強誘電性／反強誘電性デバイスが提供される。この強誘電性／反強誘電性デバイスは、基板上のプラチナまたはイリジウムの金属電極層を含み、この金属電極層は、８０％より大きい｛１１１｝結晶面を有する表面を有する。このデバイスはさらに、金属電極層の露出表面上のＦＥ／ＡＦＥ誘電層を含み、このＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、４族遷移金属酸化物である。このデバイスはさらに、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層の上の第２の金属電極層を含む。このデバイスはさらに、金属電極層に対する第１の電気リードおよび第２の金属電極層に対する第２の電気リードを含む。
これらおよびその他の特徴および利点は、添付の図面に関連して読まれるべきその例示的実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
以下の説明は、以下の図面を参照しながら好ましい実施形態の詳細を提供することとなる。
本発明の実施形態による、基板上の金属電極層を示す断面側面図である。 本発明の実施形態による、金属電極層上の強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ）層を示す断面側面図である。 本発明の実施形態による、強誘電性／反強誘電性層上の第２の金属電極層を示す断面側面図である。 本発明の実施形態による、基板上の第１の金属電極層と、強誘電性／反強誘電性層と、第２の金属電極層とのパターン形成された積層を示す断面側面図である。 本発明の実施形態による、ＨｆＯ２ ＦＥ／ＡＦＥ誘電層に対する直方晶－ＩＩＩ結晶構造を示す図である。 本発明の実施形態による、ＦｅＲＡＭセルを示す回路図である。
本発明の実施形態は一般的に、堆積材料において生成される強誘電性または反強誘電性相の程度を、下部の金属電極の結晶化度および結晶配向を変動させることによって制御することに関する。強誘電性材料の内部電気双極子は、材料の格子に結合されるため、格子の変化によって双極子の配置が変化することとなる。
本発明の実施形態は、一般的に、高度にテクスチャ形成された（すなわち、高いパーセンテージで予め定められた方向に配向された結晶粒を有する）金属電極であって、この電極は、高度に配向されたイリジウム（Ｉｒ）またはプラチナ（Ｐｔ）であり得る、金属電極と、強誘電性および／または反強誘電性の特性を有する電極上のｈｉｇｈ－Ｋ金属酸化物容量性層とを形成することに関する。この電極は、＜１１１＞－配向イリジウム（Ｉｒ）金属または＜１１１＞－配向プラチナ（Ｐｔ）金属であってもよく、ｈｉｇｈ－Ｋ金属酸化物容量性層は、強誘電性および／または反強誘電性の特性を有する酸化ハフニウム（ＨｆＯ）または酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）であってもよい。金属電極結晶の配向は、ｈｉｇｈ－Ｋ金属酸化物容量性層の結晶配向に影響する可能性があり、たとえばドープＨｆＯ２などにおける強誘電性には構造的相転移が付随する。ｈｉｇｈ－Ｋ金属酸化物容量性層によって形成されたデバイスは、ｈｉｇｈ－Ｋ金属酸化物材料の分極ヒステリシスに起因して可逆性の双安定分極状態を有し得る。
本発明の実施形態は、一般的に、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（ＰＺＴ））ＦＥ／ＡＦＥデバイスの形成の際の鉛（Ｐｂ）の使用によって引き起こされる毒物学的な問題および環境問題を回避することにも関する。
本発明の実施形態は、一般的に、立方最密（ＣＣＰ：ｃｕｂｉｃ ｃｌｏｓｅ ｐａｃｋｅｄ）構造を有する遷移金属と、非中心対称結晶相を有するｈｉｇｈーＫ遷移金属酸化物（例、Ｉｒ／ＦＥ－ＨｆＯ２／Ｉｒ、またはＰｔもしくはＩｒ／ＡＦＥ－ＺｒＯ２／ＰｔもしくはＩｒ）とから、基板上にマイクロコンデンサ（例、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ：ｍｅｔａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－ｍｅｔａｌ））を形成することに関する。
本発明の実施形態は、一般的に、プラチナ（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）層と、ＦＥ／ＡＦＥ酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、または酸化ハフニウムジルコニウム（ＨｆｘＺｒ１－ｘＯ２）とを含む不揮発性強誘電性メモリ（例、ＦｅＲＡＭ）を形成することに関する。強誘電性フィルムは、上側および下側電極間に印加された電圧に応答して分極を受けてもよく、この分極は、電圧が除去された後に残り得る（すなわち、非ゼロ残留分極Ｐｒを有する）。いくつかの実施形態において、電界は、結晶相の変化を通じてＦＥ／ＡＦＥ誘電層内に強誘電性を誘導でき、ここでＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、材料結晶相が中心対称性である非分極状態と、材料結晶相が非中心対称性である誘導極性状態とを有し得る。非極性から極性への変化は、外部電界に誘導される相変化か、または仕事関数に誘導される相変化であり得る。
結晶粒（結晶）配向の不十分な（すなわち、ランダムな）分布（劣った繊維テクスチャ）によって、材料の電気分極が変化するスイッチング電圧の広い分布が生成され得る。結晶粒の表面配向は、「繊維テクスチャ」とも呼ばれ得る。一方で、結晶粒配向の良好な（すなわち、整列した）分布によって、材料の電気分極が変化するスイッチング電圧の狭い分布が生成され得る。スイッチングは、粒子軸と平行な電界が最小抗電界Ｅｃｍｉｎと等しいときに起こり得る。
本発明を適用し得る例示的な適用／使用は、不揮発性メモリ・デバイス（例、フラッシュメモリ、オンチップ不揮発性メモリ、ＲＦＩＤチップ）、神経形態学的処理デバイス（例、アナログ・プロセッサ）、低電力ロジック・デバイス、可変コンデンサ、およびエネルギ・ストレージ・コンデンサを含むが、それに限定されない。
本発明の態様は、所与の例示的アーキテクチャによって説明されることとなるが、本発明の態様の範囲内でその他のアーキテクチャ、構造、基板材料、ならびにプロセスの特徴およびステップが変動され得ることが理解されるべきである。
ここで図面を参照すると、類似の番号は、同一または類似の構成要素を表しており、最初に図１を参照すると、本発明の実施形態による基板上の金属電極層が示されている。
１つ以上の実施形態において、基板１１０は、半導体材料、ウェハ、またはセミコンダクタ・オン・インシュレータ（ＳｅＯＩ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）積層ウェハであり得る。基板１１０は、構造的支持を提供する支持層と、デバイスを形成できる活性半導体層とを含み得る。活性半導体層と支持層との間に絶縁層が存在して、セミコンダクタ・オン・インシュレータ基板（ＳｅＯＩ）（例、シリコン・オン・インシュレータ基板（ＳＯＩ：ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ））を形成してもよい。
基板１１０は、結晶半導体、たとえばＩＶまたはＩＶ－ＩＶ半導体（例、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ））、ＩＩＩ－Ｖ半導体（例、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ））、ＩＩ－ＶＩ半導体（例、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ））、またはＩＶ－ＶＩ半導体（例、硫化スズ（ＳｎＳ）、セレン化鉛（ＰｂＳｂ））などであり得る。種々の実施形態において、基板１１０は、単結晶シリコンウェハであり得る。
加えて、基板１１０は、セラミック材料、たとえばサファイア、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、チタン酸アルミニウム（ＡｌＴｉＯ５）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、およびシリコンカーバイド（ＳｉＣ）など、またはイリジウム（Ｉｒ）もしくはプラチナ（Ｐｔ）によって濡れ可能な（wettable）金属であり得る。
１つ以上の実施形態において、基板上に金属電極層１２０を形成でき、この金属電極層１２０は、立方最密（ＣＣＰ）構造（すなわち、面心立方結晶構造）を有する遷移金属であり得る。
金属電極層１２０は、イリジウム（Ｉｒ）の層、プラチナ（Ｐｔ）の層、またはその組み合わせであり得る。金属電極層１２０は、たとえばスパッタリングまたは蒸着などの物理蒸着（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスによって形成され得る。堆積された金属電極層１２０は単結晶または多結晶であり得る。
種々の実施形態において、多結晶層は、約５ｎｍから約１００μｍ、または約１０ｎｍから約１μｍ、または約１０ｎｍから約１００ｎｍ、または約６ｎｍから約１５ｎｍの直径、または約１０ｎｍから１２ｎｍの直径の範囲の粒度を有し得るが、他の粒度も企図される。堆積された金属電極層１２０の結晶粒の大多数は、基板表面に対して垂直な＜１１１＞配向を有してもよく、これによって金属電極層の露出表面において優位の｛１１１｝結晶面が生成される。種々の実施形態において、粒度を増加させることによって粒界の数が最小化されるように結晶粒の数を最小化できる。単結晶金属電極層１２０は、１つの結晶粒によって形成される露出｛１１１｝結晶面を有し得る。
種々の実施形態において、プラチナまたはイリジウムの金属電極層１２０は、約２５０℃から約６００℃の範囲、または約３００℃から約５００℃の範囲の温度において形成され得る。イリジウム（Ｉｒ）またはプラチナ（Ｐｔ）は、金属イリジウム（Ｉｒ）またはプラチナ（Ｐｔ）であり得る。
種々の実施形態において、金属電極層１２０の露出頂部表面１２５は、後続して形成される強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ）誘電層の形成のために｛１１１｝結晶面が支配的であり得る。
１つ以上の実施形態において、多結晶金属電極層１２０のイリジウム（Ｉｒ）またはプラチナ（Ｐｔ）結晶粒は、≧８０％だが≦１００％の結晶粒の｛１１１｝結晶面が金属電極層１２０の頂部表面を形成する（すなわち、金属電極層１２０が高度にテクスチャ形成される）ように配置され得る。種々の実施形態において、多結晶金属電極層１２０の、大多数≧９０％だが≦１００％のイリジウム（Ｉｒ）またはプラチナ（Ｐｔ）結晶粒は、その｛１１１｝結晶面が金属電極層１２０の頂部表面を形成するように配置され得る。種々の実施形態において、金属電極層１２０は、頂部表面の１００％が｛１１１｝結晶面を有する単結晶であり得る。
１つ以上の実施形態において、金属電極層１２０の露出頂部表面１２５は、頂部表面の≧８０％から１００％まで、または≧９０％から１００％までが｛１１１｝結晶面を有し得る。種々の実施形態において、金属電極層１２０の露出頂部表面１２５は、９０％より大きい｛１１１｝結晶面、または９５％より大きい｛１１１｝結晶面、または９８％より大きい｛１１１｝結晶面であり得る。
１つ以上の実施形態において、金属電極層１２０は、約１０ｎｍから約１μｍの範囲、または約１０ｎｍから約１００ｎｍの範囲、または約２０ｎｍから約５０ｎｍ、または約５０ｎｍから約９０ｎｍの厚さを有し得るが、その他の厚さも企図される。
１つ以上の実施形態において、基板上に二酸化チタン（ＴｉＯ２）層１１５を形成でき、その二酸化チタン（ＴｉＯ２）層１１５の上に金属電極層１２０を形成できる。
種々の実施形態において、金属電極層１２０は、平坦かつ平滑になるように（例、化学機械研磨（ＣＭＰ：ｃｈｅｍｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって）研磨されてもよく、その表面は＜２ｎｍ ＲＭＳの粗度を有し得る。
１つ以上の実施形態において、金属電極層１２０は、窒化チタン（ＴｉＮ）ではない。種々の実施形態において、金属電極層１２０は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）などのドーパント元素を含まない。
１つ以上の実施形態において、金属電極層１２０は堆積後に熱処理されてもよく、熱処理は、約２５℃から約７００℃、または約１００℃から約７００℃、または約２００℃から約５００℃、または約４００℃から約７００℃、または約２５℃から約４００℃の範囲であり得る。
図２は、本発明の実施形態による、金属電極層上の強誘電性／反強誘電性層を示す断面側面図である。
１つ以上の実施形態において、金属電極層１２０の頂部表面１２５上に、強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ）誘電層１３０が形成され得る。ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、金属電極層１２０上の（１１１）配向によって形成でき、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０の結晶配向は、金属電極層１２０の頂部表面を形成する下にある高度にテクスチャ形成された｛１１１｝結晶面に影響されて、非中心対称（例、直方晶）結晶構造を有し得る。
種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ層１３０は、たとえば酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、または酸化ハフニウムジルコニウム（ＨｆｘＺｒ１－ｘＯ２）などの酸化物を形成し得る４族遷移金属（すなわちチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびハフニウム（Ｈｆ））より選択されるｈｉｇｈ－Ｋ遷移金属酸化物であってもよく、ここで、ｘは、約０．０１から約０．９９、または約０．１から約０．７、または約０．１から約０．５（例、ジルコン酸ハフニウム（ＨｆＺｒＯ４））である。ＦＥ／ＡＦＥ層１３０は、４族遷移金属より選択される二成分ｈｉｇｈ－Ｋ遷移金属酸化物（例、ＨｆＯ、ＺｒＯ）であり得る。ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、多層の酸化ハフニウム（ＨｆＯ）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）であってもよく、ここで、ＨｆＯおよびＺｒＯの層は交互であってもよい。ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、極性の非中心対称相構造を有し得る。
種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、化学溶液堆積法、ＰＶＤ（例、スパッタリング）、原子層堆積法（ＡＬＤ：ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ強化原子層堆積法（ＰＥＡＬＤ：ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着法（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、金属有機化合物化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ強化金属有機化合物化学蒸着法（ＰＥＭＯＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、およびその組み合わせによって形成され得る。ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０の結晶構造は、金属電極層１２０の金属結晶粒の配向に影響され得る。金属電極層１２０の｛１１１｝結晶面は、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０についての＜１１１＞配向結晶の形成を引き起こし得る。ＨｆＯ２またはＺｒＯ２の多結晶特性によって、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は下にある金属電極層１２０の結晶構造に整列した複数の結晶を有し得るようにされ得る。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、約２ｎｍ（ナノメートル）から約２μｍ（マイクロメートル）の範囲、または約１００ｎｍから約１μｍの範囲、または約２ｎｍから約１０ｎｍの範囲、または約５ｎｍから約２０ｎｍの範囲、または約１０ｎｍから約５０ｎｍの範囲の厚さを有し得るが、その他の厚さも企図される。１００ｎｍより厚いＦＥ／ＡＦＥ誘電層の形成は、化学溶液堆積によって形成され得る。１００ｎｍより薄いＦＥ／ＡＦＥ誘電層の形成は、ＡＬＤまたはＣＶＤによって形成され得る。
種々の実施形態において、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）または酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、化学量論的（例、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）または二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２））であり得る。種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、耐火金属二酸化物（例、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）または二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２））であり得る。種々の実施形態において、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）または酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）ＦＥ／ＡＦＥ層１３０は、非化学量論的であり得る。
種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、ハフニウムとジルコニウムとの組み合わせ（例、ＨｆｘＺｒ１－ｘＯ２）を含んでもよく、ここでＺｒの濃度は約１％（ｘ＝０．０１）から約９９％（ｘ＝０．９９）の範囲、または約１０％（ｘ＝０．１）から約９０％（ｘ＝０．９）の範囲、または約３０％（ｘ＝０．３）から約８０％（ｘ＝０．８）の範囲、または約３０％（ｘ＝０．３）から約５０％（ｘ＝０．５）の範囲、または約１０％から約５０％の範囲であり得るが、その他の濃度も企図される。
種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０のＨｆＯ結晶は、非極性ではない。種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０のＨｆＯ結晶は、単斜晶、正方晶、または立方晶の構造を有さない。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、極性の非中心対称相構造を有する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）である。酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）は、非極性から強い極性相への電界に誘導される転移を有してもよく、ここで非極性ＺｒＯ相は、正方晶（Ｐ４２／ｎｍｃ）であってもよく、極性相は、直方晶（Ｐｃａ２１）であってもよい。ＺｒＯ ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、約２ＭＶ／ｃｍの電界強度において相転移を受け得る。ＺｒＯ ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、二極性ではなく単極性であってもよく、ここでは結晶相の１つが非極性である。
高度にテクスチャ形成された金属電極層１２０の上にＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０を形成することによって、ＦＥ／ＡＦＥデバイスの性能を改善でき、ここでは、ランダムに配向された分極ドメイン（例、結晶粒）の数が低減することによってデバイスのスイッチング電圧の範囲が狭くなり、配向された分極ドメインを有するデバイスの数またはデバイスの面積のパーセンテージが増加する。スイッチング電圧の標準偏差と平均スイッチング電圧との比率（σＶ／Ｖｍｅａｎ）は、０．２未満（＜０．２）、または０．１未満（＜０．１）であり得る。σＶ／Ｖｍｅａｎのグラフは、スイッチング電圧Ｖｓに対する１００ｍＶ未満の半値全幅（ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）を有し得る。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、極性の非中心対称相構造を有する化学量論的酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）であり、この構造は、たとえばＨｆＯ２に対する直方晶－ＩＩＩ（ｏｒｔｈｏ－ＩＩＩ：ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ－ＩＩＩ）相構造（Ｐｃａ２１）などである。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ランタン（Ｌａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バリウム（Ｂａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、またはその組み合わせなどのドーパント元素を含み得る。１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、ドーパントとして、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、またはその組み合わせを含み得る。ドーパントは、カチオン・ドーパントまたはアニオン・ドーパントであり得る。
種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、約０．２ａｔ．％（原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ））から約２ａｔ．％の範囲、または約２ａｔ．％から約１０ａｔ．％の範囲、または約１０ａｔ．％から約２０ａｔ．％の範囲、または約３ａｔ．％から約７ａｔ．％の範囲、または約５ａｔ．％から約１５ａｔ．％の範囲のドーパントを含み得る。カチオン・ドーパント（例、金属）に対するａｔ．％でのドーパント濃度は、ドーパント／（［ＨｆまたはＺｒ］＋ドーパント）であり得る。アニオン・ドーパント（例、炭素または窒素）に対するａｔ．％でのドーパント濃度は、ドーパント／（酸素＋ドーパント）であり得る。ドーパントは、ｈｉｇｈ－Ｋ金属酸化物ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０の分極値を変化させ得る。反強誘電性特性は、強誘電性特性よりも高いドーパント濃度にて始まり得る。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、またはイットリウム（Ｙ）などのドーパント元素を含まない。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、ペロブスカイト材料ではなく、たとえばＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（ＰＺＴ））でも、ストロンチウムビスマスタンタル酸化物（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）でもない。１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０はＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２（ＢＩＴ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）、ＳｒＢｉ２ＮｂＴａＯ９（ＳＢＴＮ）、またはＳｒＢｉ４Ｔａ４Ｏ１５ではない。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０は、形成後に熱処理されてもよく、熱処理は、約２８０℃から約１３５０℃、または約４００℃から約１２００℃、または約５００℃から約１０００℃、または約６００℃から約９００℃、または約７００℃から約８００℃、または約５００℃から約７００℃の範囲であり得る。種々の実施形態において、ＨｆｘＺｒ１－ｘＯ２の熱処理は、ｘ＝約０．５にについて、約２８０℃から約４００℃の範囲であり得る。
図３は、本発明の実施形態による、強誘電性／反強誘電性層上の第２の金属電極層を示す断面側面図である。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ層の上に第２の金属電極層１４０を形成でき、この第２の金属電極層１４０は、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、または伝導性の金属窒化物（例、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴａＮ））であり得る。種々の実施形態において、第２の金属電極層１４０は、イリジウム（Ｉｒ）またはプラチナ（Ｐｔ）であり得るが、窒化タンタルまたは窒化チタンではない。
１つ以上の実施形態において、第２の金属電極層１４０は、たとえばスパッタリングまたは蒸着などの物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって形成され得る。堆積された第２の金属電極層１４０は、単結晶または多結晶であり得る。堆積された第２の金属電極層１４０は、第１の金属電極層１２０と同じ範囲の結晶粒度を有し得る。
種々の実施形態において、第２の金属電極層１４０は、表面に対して垂直な＜１１１＞配向を有することによって、｛１１１｝結晶面がＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０の頂部表面と接触するようにし得る。種々の実施形態において、第２の金属電極層１４０は、表面に対して垂直な＜１１１＞配向を有さない。
図４は、本発明の実施形態による、基板上の第１の金属電極層と、強誘電性／反強誘電性層と、第２の金属電極層とのパターン形成された積層を示す断面側面図である。
１つ以上の実施形態において、二酸化チタン（ＴｉＯ２）層１１５と、第１の金属電極層１２０と、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層１３０と、第２の金属電極層１４０とはマスクおよびパターン形成されて、二酸化チタン（ＴｉＯ２）スラブ１１６と、第１の金属電極スラブ１２１と、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１と、第２の金属電極スラブ１４１とを含むＦＥ／ＡＦＥコンデンサの積層を形成し得る。パターン形成されたＦＥ／ＡＦＥコンデンサの積層は、方向性エッチング（例、物理アシスト型反応性イオン・エッチング（ＰＡＲＩＥ：ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ））によって形成でき、ここでパターン形成されたＦＥ／ＡＦＥコンデンサの積層は、フロント・エンド（ＦＥＯＬ：ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ ｏｆ ｌｉｎｅ）プロセス、バック・エンド（ＢＥＯＬ：ｂａｃｋ ｅｎｄ ｏｆ ｌｉｎｅ）プロセスの一部として、またはＦＥＯＬおよびＢＥＯＬプロセスの間に形成でき、これらの層は、トランジスタ（例、ＭＯＳＦＥＴ、ＦｉｎＦＥＴ、ＶＴ ＦｉｎＦＥＴＳなど）を含むその他のデバイスに対する半導体層および絶縁体層とともに形成されるか、またはメタライゼーションの際に形成されてもよい。
種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥコンデンサの二酸化チタン（ＴｉＯ２）スラブ１１６、第１の金属電極スラブ１２１、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１、および第２の金属電極スラブ１４１は、約１０ｎｍから約１００μｍ、または約１０ｎｍから約１μｍ、または約２０ｎｍから約１００ｎｍ、または約３０ｎｍから約７０ｎｍ、または約３０ｎｍから約５０ｎｍの範囲の幅Ｗ１を有してもよく、ここで幅に対して垂直な長さは、幅と同じか、または幅の最大２倍（すなわち２×）の寸法であり得る。デバイスは、正方形、矩形、または円形であってもよい。種々の実施形態において、第１の金属電極スラブ１２１、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１、および／または第２の金属電極スラブ１４１の粒度は、コンデンサの寸法よりも大きいことによって、第１の金属電極スラブ１２１、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１、および／または第２の金属電極スラブ１４１がデバイス寸法において単結晶となり得る。コンデンサの最小サイズに対する制限は、検出される必要のある電荷の量によって定められ得る。
種々の実施形態において、二酸化チタン（ＴｉＯ２）スラブ１１６および第１の金属電極スラブ１２１は、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１および第２の金属電極スラブ１４１の側部端縁から外向きに広がってもよく、ここで第１の金属電極スラブ１２１は、電気リード１５０によってトランジスタに接続されるコンデンサの底部電極を形成し得る。
１つ以上の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１のスイッチング電圧は、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１の厚さに比例する。
１つ以上の実施形態において、強誘電性状態への相転移を引き起こす電界は、約１００Ｖ／ｃｍ（０．０１Ｖ／ｎｍ）から約２ＭＶ／ｃｍ（０．２Ｖ／ｎｍ）、または約１ＭＶ／ｃｍ（０．１Ｖ／ｎｍ）から約２ＭＶ／ｃｍ（０．２Ｖ／ｎｍ）の範囲であり得る。
１つ以上の実施形態において、第１の金属電極スラブ１２１と第２の金属電極スラブ１４１との仕事関数の差は、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１を横断する電界を生じてＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１に分極状態を与え得る。
図５は、本発明の実施形態による、ＨｆＯ２ ＦＥ／ＡＦＥ誘電層に対する直方晶－ＩＩＩ結晶構造の図である。
ＨｆＯ２の左側の画像は、第１の分極を有する直方晶－ＩＩＩ結晶構造（Ｐｃａ２１またはＰｍｎ２１空間群）に対する原子配置を示している。ＨｆＯ２の右側の画像は、反対の分極を有する直方晶－ＩＩＩ結晶構造に対する原子配置を示している。結晶格子内の酸素原子の位置にシフトがみられる一方で、Ｈｆ原子は、格子の角および面心に留まっている。ｃ軸は、分極（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）Ｐの方向である。
自発的分極は、電気双極子が自発的に生成されるような結晶格子内のアニオンおよびカチオンの相対的変位に由来し得る。イオンは、２つの安定位置の一方を占有でき、外部電界の印加によってそれらの位置の間を動かされ得る。酸素の位置のシフトは、強誘電性特性の原因となる双極子の再配置を示すものである。
図６は、本発明の実施形態によるＦｅＲＡＭセルを示す回路図である。
１つ以上の実施形態において、本明細書に記載されるとおり、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層を含むＦＥ／ＡＦＥコンデンサ６３０の第１の金属電極層に対する第１の電気リード６１０、および第２の金属電極に対する第２の電気リード６２０がある。第１の電気リード６１０は、トランジスタ６４０に電気的に接続されてもよく、このトランジスタ６４０は、たとえば、金属－酸化物－半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、フィン電界効果トランジスタ（ＦｉｎＦＥＴ：ｆｉｎ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、または縦型輸送電界効果トランジスタ（ＶＴ ＦｉｎＦＥＴ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などであり得る。トランジスタ６４０およびＦＥ／ＡＦＥコンデンサ６３０は、当該技術分野において公知であるとおり、ワード線、ビット線、およびその他の線に電気的に接続されてメモリ・セルを形成し得る。
ＦｅＲＡＭセルは、ＦＥ／ＡＦＥコンデンサが分離領域（例、シャロー・トレンチ・アイソレーション（ＳＴＩ：ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）領域）の上にある平面コンデンサ配置として、またはＦＥ／ＡＦＥコンデンサがトランジスタのソース／ドレインの上にある積層コンデンサ配置として製作され得る。
種々の実施形態において、ＦＥ／ＡＦＥコンデンサ６３０における電荷は、直接トンネリングを通じて測定／検出でき、ここでＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、約２ｎｍから約４ｎｍの範囲の厚さを有してもよい。ＦＥ／ＡＦＥコンデンサ６３０のＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１の抵抗は、変動でき、その抵抗はアップ（平行）対ダウン（逆平行）分極ドメインの面積比によって決められ得る。ＦｅＲＡＭメモリ・セルにデータを書込むために、（＋／－）電圧パルスを加えることによって、ＦＥ／ＡＦＥ誘電スラブ１３１内のアップ／ダウン分極ドメインの面積比が変更される。
たとえば層、領域、または基板などの構成要素が別の構成要素の「上（ｏｎ）」または「上（ｏｖｅｒ）」にあると言われるとき、その構成要素は、他方の構成要素の上に直接存在してもよいし、介在構成要素も存在してもよいことも理解されよう。これに対し、ある構成要素が別の構成要素の「直接上（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」または「直接上（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｖｅｒ）」にあると言われるとき、介在構成要素は存在しない。ある構成要素が別の構成要素に「接続される」または「結合される」と言われるとき、その構成要素は、他方の構成要素に直接接続または結合されてもよいし、介在構成要素が存在してもよいことも理解されよう。これに対し、ある構成要素が別の構成要素に「直接接続される」または「直接結合される」と言われるとき、介在構成要素は存在しない。
本実施形態は、集積回路チップに対する設計を含んでもよく、この設計は、グラフィカル・コンピュータ・プログラミング言語で作成されて、コンピュータ・ストレージ媒体（たとえばディスク、テープ、物理ハード・ドライブ、またはたとえばストレージ・アクセス・ネットワークなどの仮想ハード・ドライブなど）に保存され得る。設計者がチップか、またはチップを製作するために用いられるフォトリソグラフィ・マスクを製作しないとき、設計者は、結果として得られる設計を物理的手段によって（例、設計を保存するストレージ媒体のコピーを提供することによって）、または電子的に（例、インターネットを通じて）、こうしたエンティティに直接的または間接的に伝達し得る。保存された設計は、次いでフォトリソグラフィ・マスクの製作のために適切なフォーマット（例、ＧＤＳＩＩ）に変換され、このフォトリソグラフィ・マスクは、通常、ウェハ上に形成されるべき当該チップ設計の複数のコピーを含む。このフォトリソグラフィ・マスクは、エッチングまたは別様に加工されるべきウェハ（および／またはその上の層）の範囲を定めるために使用される。
本明細書に記載される方法は、集積回路チップの製作に用いられ得る。結果として得られる集積回路チップは、製作者によって、未加工のウェハの形で（すなわち、複数のパッケージングされていないチップを有する単一ウェハとして）、ベア・ダイとして、またはパッケージングされた形で流通され得る。後者の場合、チップは、単一チップ・パッケージ（たとえば、マザーボードまたはその他のより高レベルの担体に付けられたリードを有するプラスチック担体など）またはマルチチップ・パッケージ（たとえば、片面もしくは両面相互接続または埋め込み相互接続を有するセラミック担体など）内に搭載される。いずれの場合にも、次いでチップは、（ａ）たとえばマザーボードなどの中間製品、または（ｂ）最終製品の一部として、他のチップ、ディスクリート回路要素、および／またはその他の信号処理デバイスと集積される。最終製品は、集積回路チップを含む任意の製品であってもよく、玩具およびその他の低価格アプリケーションから、ディスプレイ、キーボードまたはその他の入力デバイス、および中央プロセッサを有する高度なコンピュータ製品までの範囲であり得る。
材料化合物は、たとえばＳｉＧｅなどの列挙される元素によって説明されることとなることも理解されるべきである。これらの化合物は、化合物内に異なる割合の元素を含み、たとえばＳｉＧｅはＳｉｘＧｅ１－ｘを含み、ここでｘは１以下であることなどである。加えて、化合物中に他の元素が含まれても本原理によって機能し得る。付加的な元素を有する化合物は、本明細書において合金と呼ばれることとなる。
本明細書における「一実施形態」または「実施形態」、およびそれらの他の変形の参照は、その実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、および特性などが少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。よって、明細書全体のさまざまな場所に出現する「一実施形態において」または「実施形態において」という語句、および任意のその他の変形の出現は、そのすべてが必ずしも同じ実施形態を示すものではない。
当然のことながら、たとえば「Ａ／Ｂ」、「Ａおよび／またはＢ」、および「ＡおよびＢの少なくとも１つ」などの場合におけるの「／」、「および／または」、および「少なくとも１つ」のいずれかの使用は、挙げられた第１の選択肢（Ａ）のみの選択、または挙げられた第２の選択肢（Ｂ）のみの選択、または両方の選択肢（ＡおよびＢ）の選択を包含することが意図される。さらなる例として、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」および「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つ」という場合に、こうした表現は挙げられた第１の選択肢（Ａ）のみの選択、または挙げられた第２の選択肢（Ｂ）のみの選択、または挙げられた第３の選択肢（Ｃ）のみの選択、または挙げられた第１および第２の選択肢（ＡおよびＢ）のみの選択、または挙げられた第１および第３の選択肢（ＡおよびＣ）のみの選択、または挙げられた第２および第３の選択肢（ＢおよびＣ）のみの選択、または３つの選択肢すべて（ＡおよびＢおよびＣ）の選択を包含することが意図される。この技術分野および関連技術分野の当業者に容易に明らかになるとおり、このことは多くの項目が挙げられても拡張され得る。
本明細書において用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のみのためのものであり、実施形態例を限定することは意図されていない。本明細書において用いられる単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、状況が別様を明瞭に示さない限り複数形も含むことが意図されている。さらに、本明細書において用いられるときの「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、および／または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、記述される特徴、整数、ステップ、動作、構成要素、および／またはコンポーネントの存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、構成要素、コンポーネント、および／またはそのグループの存在または追加を除外するものではないことが理解されよう。
空間的な相対的用語、たとえば「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下側（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、および「上側（ｕｐｐｅｒ）」などは、本明細書において、図面に示される１つの構成要素または特徴と別の構成要素（単数または複数）または特徴（単数または複数）との関係を説明するための記載を容易にするために用いられ得る。空間的な相対的用語は、図面に示される向きに加えて、使用または動作におけるデバイスの異なる向きも包含することが意図されることが理解されよう。たとえば、図面におけるデバイスが回転されるとき、他の構成要素または特徴の「下（ｂｅｌｏｗ）」または「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」にあると記載された構成要素が、それによって他の構成要素または特徴の「上」に方向付けられるだろう。よって、「下」という用語は上および下の両方の向きを包含し得る。デバイスは別様に方向付けられ（９０度またはその他の向きに回転され）てもよく、本明細書において用いられる空間的な相対的記述子もそれに応じて解釈され得る。加えて、ある層が２つの層の「間」にあることが示されるとき、その層はそれら２つの層の間にある唯一の層であってもよいし、１つ以上の介在層も存在していてもよいことも理解されよう。
本明細書においては、さまざまな構成要素を説明するために第１、第２などの用語が用いられ得るが、これらの構成要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、１つの構成要素と別の構成要素とを単に区別するために用いられる。よって、以下に考察される第１の構成要素は、本概念の範囲から逸脱することなく第２の構成要素と名付けられ得る。デバイスと、デバイスを製作する方法との好ましい実施形態（これらは限定的ではなく例示的であることが意図される）を説明したが、上記の教示に照らして当業者が修正および変更を行い得ることを注記する。したがって、開示される特定の実施形態において、添付の請求項によって概説される本発明の範囲内にある変更が行われてもよいことが理解されるべきである。本発明のこうして記載される態様ならびに特許法によって要求される細部および詳細を有して、請求されかつ特許証による保護が望まれる事項が添付の請求項に示されている。

Claims (20)

  1. 強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ）誘電層を形成する方法であって、
    基板上にプラチナまたはイリジウムの金属電極層を形成するステップであって、前記金属電極層は、少なくとも８０％の｛１１１｝結晶面を有する露出表面を有する、前記金属電極層を形成するステップと、
    前記金属電極層の前記露出表面上にＦＥ／ＡＦＥ誘電層を形成するステップであって、前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、極性の非中心対称結晶相を有する、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ）である、前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層を形成するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記金属電極層は、物理蒸着（ＰＶＤ）によって形成される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、原子層堆積法（ＡＬＤ）または化学溶液堆積法によって形成される、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、化学量論的酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）または化学量論的酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）である、請求項１または２に記載の方法。
  5. 前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層の上に第２の金属電極層を形成するステップをさらに含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記金属電極層は、約２５０℃から約６００℃の範囲の温度にて形成される、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記金属電極層の前記露出表面は、２ｎｍ ＲＭＳ未満の粗度を有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記金属電極層は、多結晶であり、前記多結晶の金属電極層の結晶粒の露出表面が、前記金属電極層の前記露出表面を形成する、９０％以上１００％以下の｛１１１｝結晶面を有するように配置される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記金属電極層が、イリジウムである、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層が、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）であり、かつ、前記金属電極層が、プラチナである、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記金属電極層および前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層の粒度は、前記金属電極層および前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層が構成するコンデンサの寸法よりも大きい、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 強誘電性／反強誘電性（ＦＥ／ＡＦＥ）誘電層を有する可変コンデンサを形成する方法であって、
    基板上にプラチナまたはイリジウムの金属電極層を形成するステップであって、前記金属電極層は、少なくとも８０％の｛１１１｝結晶面を有する露出表面を有する、金属電極層を形成するステップと
    前記金属電極層の前記露出表面上にＦＥ／ＡＦＥ誘電層を形成するステップであって、前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、極性の非中心対称結晶相を有する、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ）である、前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層を形成するステップと、
    前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層の上に第２の金属電極層を形成するステップと、
    前記金属電極層、ＦＥ／ＡＦＥ誘電層および第２の金属電極層をパターン形成して約２０ｎｍから約１００ｎｍの範囲の幅を有する前記可変コンデンサを形成するステップとを含む、方法。
  13. 前記金属電極層は、イリジウムである、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）であり、前記金属電極層は、プラチナである、請求項１２に記載の方法。
  15. 強誘電性／反強誘電性デバイスであって、
    基板上のプラチナまたはイリジウムの金属電極層であって、前記金属電極層は、少なくとも８０％の｛１１１｝結晶面を有する露出表面を有する金属電極層と、
    前記金属電極層の前記露出表面上のＦＥ／ＡＦＥ誘電層であって、前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、極性の非中心対称結晶相を有する、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ）である、前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層と、
    前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層の上の第２の金属電極層と、
    前記金属電極層に対する第１の電気リードおよび前記第２の金属電極層に対する第２の電気リードと
    を含む、強誘電性／反強誘電性デバイス。
  16. 前記金属電極層は、イリジウムである、請求項１５に記載の強誘電性／反強誘電性デバイス。
  17. 前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）であり、前記金属電極層は、プラチナである、請求項１５に記載の強誘電性／反強誘電性デバイス。
  18. 前記第１の電気リードは、トランジスタに電気的に接続されて、強誘電性ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＦｅＲＡＭ）セルを形成する、請求項１５～１７のいずれか一項に記載の強誘電性／反強誘電性デバイス。
  19. 前記トランジスタは、金属－酸化物－半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、フィン電界効果トランジスタ（ＦｉｎＦＥＴ）、または縦型輸送電界効果トランジスタ（ＶＴ ＦｉｎＦＥＴ）である、請求項１８に記載の強誘電性／反強誘電性デバイス。
  20. 前記ＦＥ／ＡＦＥ誘電層は、約２０ｎｍから約１００ｎｍの範囲の幅Ｗ１を有する、請求項１９に記載の強誘電性／反強誘電性デバイス。
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