KR20220107850A - 커패시터 및 이를 포함하는 반도체 장치 - Google Patents

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KR20220107850A
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이기영
이주호
정명호
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삼성전자주식회사
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Abstract

커패시터는 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 유전막,을 포함하되, 상기 제1 전극은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전성 물질, 및 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 금속성 물질,을 포함하고, 상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 크다.

Description

커패시터 및 이를 포함하는 반도체 장치{CAPACITOR AND SEMICONDUCTOR DEVICE INDCLUDING THE SAME}
본 개시는 커패시터 및 이를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다.
페로브스카이트 결정 구조의 산화물은 높은 유전율을 갖는 바, 차세대 커패시터의 유전막에 이용되는 물질로 관심을 받고 있다. 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 유전막이 높은 유전율을 유지하기 위해선, 페로브스카이트 결정 구조가 안정적으로 유지될 것이 요구된다. 유전막의 결정성은 커패시터의 전극으로부터 영향을 받는다.
커패시터의 전극 물질로 Ru, Ir, Pt, Au 등의 귀금속(noble metal), 페로브스카이트 결정 구조를 갖되 금속성을 갖는 물질 등이 연구되고 있다. 귀금속 또는 페로브스카이트 결정 구조를 갖되 금속성을 갖는 물질로 구성되는 전극이 커패시터의 전극으로 사용되는 경우, 유전막의 페로브스카이트 결정 구조는 안정적으로 유지되기 어렵다.
해결하고자 하는 과제는 페로브스카이트 결정 구조를 안정적으로 유지하는 전극을 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 페로브스카이트 결정 구조를 안정적으로 유지하는 유전막을 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 높은 유전율을 갖는 유전막을 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 향상된 커패시턴스 특성을 갖는 커패시터를 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 향상된 커패시턴스 특성을 갖는 커패시터를 포함하는 반도체 장치를 제공하는 것에 있다.
다만, 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
일 측면에 있어서, 제1 전극; 상기 제1 전극 상의 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 유전막;을 포함하되, 상기 제1 전극은: 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전성 물질; 및 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 금속성 물질;을 포함하고, 상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 큰 커패시터가 제공될 수 있다.
상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 0.6 이상 클 수 있다.
상기 제1 전극은, 교대로 적층되는 제1 단위 층들 및 제2 단위 층들을 포함하는 초격자 구조를 갖되, 상기 제1 단위 층들은 상기 제1 유전성 물질을 포함하고, 상기 제2 단위 층들은 상기 제1 금속성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극의 최하층 및 최상층 중 적어도 하나는 상기 제1 단위 층일 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 제1 유전성 물질과 상기 제1 금속성 물질의 합금을 포함하되, 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 유전막은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 유전성 물질을 포함할 수 있다.
상기 유전막은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제3 유전성 물질을 더 포함하되, 상기 제3 유전성 물질의 유전 특성과 상기 제2 유전성 물질의 유전 특성은 서로 다를 수 있다.
상기 유전막은 교대로 적층되는 제2 유전막들 및 제3 유전막들을 포함하는 초격자 구조를 갖되, 상기 제2 유전막들은 상기 제2 유전성 물질을 포함하고, 상기 제3 유전막들은 상기 제3 유전성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 유전성 물질은 강유전성 또는 상유전성을 가질 수 있다.
상기 제2 전극은: 페로브스카이트 결정 구조 및 유전성을 갖는 제4 유전성 물질; 및 페로브스카이트 결정 구조를 및 금속성을 갖는 제2 금속성 물질;을 포함하고, 상기 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제4 유전성 물질의 전기 음성도보다 클 수 있다.
상기 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제4 유전성 물질의 전기 음성도보다 0.6 이상 클 수 있다.
상기 제2 전극은 교대로 적층되는 제3 단위 층들 및 제4 단위 층들을 포함하는 초격자 구조를 갖되, 상기 제3 단위 층들은 상기 제4 유전성 물질을 포함하고, 상기 제4 단위 층들은 상기 제2 금속성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극의 최하층 및 최상층 중 적어도 하나는 상기 제3 단위 층일 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 제4 유전성 물질과 상기 제2 금속성 물질의 합금을 포함하되, 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 제4 유전성 물질은 상기 제1 유전성 물질과 동일할 수 있다.
상기 제2 금속성 물질은 상기 제1 금속성 물질과 동일할 수 있다.
상기 유전막은 상기 제1 전극에 대해 상기 유전막의 반대편에 제공되는 시드층;을 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 게이트 구조체, 제1 소스/드레인 영역, 및 제2 소스 드레인 영역을 포함하는 트랜지스터; 및 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 유전막을 포함하는 커패시터;를 포함하되, 상기 제1 전극은, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전성 물질, 및 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 금속성 물질을 포함하고, 상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 크고, 상기 제1 소스/드레인 영역은 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되는 반도체 장치가 제공될 수 있다.
상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도 보다 0.6 이상 클 수 있다.
상기 제1 전극은, 교대로 적층되는 제1 단위 층들 및 제2 단위 층들을 포함하는 초격자 구조를 갖되, 상기 제1 단위 층들은 상기 제1 유전성 물질을 포함하고, 상기 제2 단위 층들은 상기 제1 금속성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 제1 유전성 물질과 상기 제1 금속성 물질의 합금을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은: 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 유전성 물질; 및 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 금속성 물질;을 포함하고, 상기 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제2 유전성 물질의 전기 음성도보다 클 수 있다.
상기 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제2 유전성 물질의 전기 음성도보다 0.6 이상 클 수 있다.
상기 제2 전극은 교대로 적층되는 제3 단위 층들 및 제4 단위 층들을 포함하는 초격자 구조를 갖되, 상기 제3 단위 층들은 상기 제2 유전성 물질을 포함하고, 상기 제4 단위 층들은 상기 제2 금속성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 제2 유전성 물질과 상기 제2 금속성 물질의 합금을 포함할 수 있다.
상기 제2 유전성 물질은 상기 제1 유전성 물질과 동일할 수 있다.
상기 제2 금속성 물질은 상기 제1 금속성 물질과 동일할 수 있다.
본 개시는 페로브스카이트 결정 구조를 안정적으로 유지하는 전극을 제공할 수 있다.
본 개시는 페로브스카이트 결정 구조를 안정적으로 유지하는 유전막을 제공할 수 있다.
본 개시는 높은 유전율을 갖는 유전막을 제공할 수 있다.
본 개시는 향상된 커패시턴스 특성을 갖는 커패시터를 제공할 수 있다.
본 개시는 향상된 커패시턴스 특성을 갖는 커패시터를 포함하는 반도체 장치를 제공할 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 커패시터의 단면도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 커패시터의 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 커패시터의 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 커패시터의 단면도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 커패시터의 단면도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 커패시터의 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치의 단면도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 메모리 요소의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 커패시터(10)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 커패시터(10)가 제공될 수 있다. 커패시터(10)는 시드층(SL), 제1a 전극(100), 제1 유전막(200), 및 제2a 전극(300)을 포함할 수 있다. 시드층(SL)은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 층을 형성하기 위한 시드층(SL)일 수 있다. 시드층(SL)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시드층(SL)은 TiO2 또는 SrO2를 포함할 수 있다.
제1a 전극(100)은 시드층(SL) 상에 제공될 수 있다. 제1a 전극(100)은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다. 제1a 전극(100)은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전성 물질 및 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제1 금속성 물질의 전기 음성도(Electronegativity)는 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 약 0.6 이상 클 수 있다. 제1 유전성 물질은 ABO3(O: 산소)로 표현되고 유전성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 유전성 물질은 BaTiO3 또는 SrTiO3를 포함할 수 있다. 제1 금속성 물질은 A'B’O3(O: 산소)로 표현되고 금속성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 금속성 물질은 BaRuO3, BaMoO3, BaIrO3, BaVO3, SrRuO3, SrMoO3, SrIrO3, 또는 SrVO3를 포함할 수 있다.
제1 유전막(200)은 제1a 전극(100) 상에 제공될 수 있다. 제1 유전막(200)은 페로브스카이트 결정 구조를 갖고, 유전성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 유전막(200)은 강유전 특성 또는 상유전 특성을 가질 수 있다. 제1 유전막(200)이 강유전 특성을 가지는 경우, 예를 들어, 제1 유전막(200)은 BaTiO3, KNbO3, KTaO3, PbTiO3, 또는 PbZrO를 포함할 수 있다. 제1 유전막(200)이 상유전 특성을 가지는 경우, 예를 들어, 제1 유전막(200)은 SrTiO3, CaTiO3, SrHfO3, 또는 SrZrO3을 가질 수 있다.
제2a 전극(300)은 제1 유전막(200) 상에 제공될 수 있다. 제2a 전극(300)은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다. 제2a 전극(300)은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 유전성 물질 및 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 제2 유전성 물질의 전기 음성도보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 제2 유전성 물질의 전기 음성도보다 약 0.6배 이상 클 수 있다. 제2 유전성 물질은 ABO3(O: 산소)로 표현되고 유전성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 유전성 물질은 BaTiO3 또는 SrTiO3를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 유전성 물질은 제1 유전성 물질과 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 금속성 물질은 A’B’O3(O: 산소)로 표현되고 금속성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 금속성 물질은 BaRuO3, BaMoO3, BaIrO3, BaVO3, SrRuO3, SrMoO3, SrIrO3, 또는 SrVO3를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 금속성 물질은 제1 금속성 물질과 실질적으로 동일할 수 있다.
페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전막(200)의 유전 특성은 제1 유전막(200)의 결정성에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전막(200)의 결정성이 낮으면 유전 특성이 열화되고, 제1 유전막(200)의 결정성이 높으면 유전 특성이 유지될 수 있다. 제1 유전막(200)의 결정성은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1a 전극(100)과 제2a 전극(300)의 결정성으로부터 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 제1a 전극(100) 및 제2a 전극(300)의 결정성이 낮으면 제1 유전막(200)의 결정성도 낮아지고, 제1a 전극(100) 및 제2a 전극(300)의 결정성이 높으면 제1 유전막(200)의 결정성도 높아질 수 있다. 따라서, 제1 유전막(200)의 높은 유전율이 안정적으로 유지되기위해, 제1a 전극(100) 및 제2a 전극(300)의 결정성이 높을 것이 요구될 수 있다.
금속성을 갖는 페로브스카이트 결정 구조의 물질(예를 들어, SrRuO3)은 낮은 전기적 저항 및 높은 일함수(work-function)를 가지므로 커패시터의 전극으로 사용되기에 적합한 전기적 특성을 가질 수 있다. 하지만, 금속성을 갖는 페로브스카이트 결정 구조의 물질은 외부 환경에 의해 페로브스카이트 결정 구조가 붕괴될 수 있다. 예를 들어, 금속성을 갖는 페로브스카이트 결정 구조의 물질의 높은 산화·환원 반응성에 의해 페로브스카이트 결정 구조가 아닌 다른 결정 구조로 쉽게 변할 수 있다.
본 개시의 제1a 전극(100)은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전성 물질과 페로브스카이트 결정 구조를 갖되 제1 유전성 물질보다 높은 전기 음성도(예를 들어, 약 0.6 이상 큰 전기 음성도)를 갖는 제1 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제2a 전극(300)은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 유전성 물질과 페로브스카이트 결정 구조를 갖되 제2 유전성 물질보다 높은 전기 음성도(예를 들어, 약 0.6 이상 큰 전기 음성도)를 갖는 제2 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제1 유전성 물질 및 제2 유전성 물질은 자체적으로 높은 결정성을 가질 수 있다. 제1 유전성 물질 및 제2 유전성 물질은 각각 A’B’O3로 표현되는 제1 금속성 물질 및 제2 금속성 물질 내의 O-B’-O 옥타헤드럴 본딩(octahedral bonding)을 강화할 수 있다. O-B’-O 옥타헤드럴 본딩의 강화에 의해 제1 금속성 물질 및 제2 금속성 물질은 높은 결정성을 가질 수 있다. 즉, 제1 유전성 물질 및 제2 유전성 물질에 의해 제1 금속성 물질 및 제2 금속성 물질 각각의 결정성들이 향상될 수 있다. 제1 유전성 물질 및 제1 금속성 물질이 모두 높은 결정성을 갖는 바, 제1a 전극(100)도 높은 결정성을 가질 수 있다. 제2 유전성 물질 및 제2 금속성 물질이 모두 높은 결정성을 갖는 바, 제2a 전극(300)도 높은 결정성을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 유전막(200)은 높은 결정성 및 높은 유전율을 가질 수 있다. 본 개시의 커패시터(10)는 향상된 커패시턴스 특성을 가질 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 커패시터(11)의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 2를 참조하면, 커패시터(11)가 제공될 수 있다. 커패시터(11)는 시드층(SL), 제1b 전극(110), 제1 유전막(200), 및 제2a 전극(300)을 포함할 수 있다. 시드층(SL), 제1 유전막(200), 및 제2a 전극(300)은 도 1을 참조하여 설명되는 시드층(SL), 제1 유전막(200), 및 제2a 전극(300)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
제1b 전극(110)은 도 1을 참조하여 설명되는 제1 유전성 물질 및 제1 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제1b 전극(110)은 교대로 적층되는 제1 단위층들 및 제2 단위층들을 포함하는 초격자 구조를 가질 수 있다. 초격자 구조는 수 나노미터의 두께를 갖는 이종의 막들이 교대로 적층된 구조를 지칭할 수 있다. 제1 단위층들은 제1 유전성 물질층들일 수 있다. 제2 단위층들은 제1 금속성 물질층들일 수 있다.
일 예에서, 초격자 구조의 최하층 및 최상층 중 적어도 하나는 제1 단위층일 수 있다. 예를 들어, 초격자 구조의 최하층 및 최상층의 각각은 제1 단위층일 수 있다. 다시 말해, 제2 단위층은 이에 바로 인접한 한 쌍의 제1 단위층들 사이에 개재될 수 있다. 다른 예에서, 초격자 구조의 최하층 및 최상층은 모두 제2 단위층일 수 있다.
제2 단위층 내의 산소 원소는 불안정하여 페로브스카이트 결정 구조를 이탈하려는 성질을 가질 수 있다. 산소 원소가 이탈하는 경우 페로브스카이트 결정 구조는 붕괴될 수 있다. 제1 단위층들은 전기적으로 안정한 특성을 가질 수 있다. 제1 단위층들이 제2 단위층에 인접하게 배치되는 경우, 제2 단위층 내의 산소 원소는 전기적으로 안정한 제1 단위층 내로 유입되기 어려울 수 있다. 제2 단위층 내의 산소 원소는 페로브스카이트 결정 구조 내에 머무를 수 있다.
본 개시의 제1 단위층들은 제2 단위층의 결정성을 개선할 수 있다. 이에 따라, 제1b 전극(110)은 높은 결정성을 가질 수 있다. 제1 유전막(200)은 높은 결정성 및 높은 유전율을 가질 수 있다. 본 개시의 커패시터(11)는 향상된 커패시턴스 특성을 가질 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 커패시터(12)의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 3을 참조하면, 커패시터(12)가 제공될 수 있다. 커패시터(12)는 시드층(SL), 제1b 전극(110), 제1 유전막(200), 및 제2b 전극(310)을 포함할 수 있다. 시드층(SL) 및 제1 유전막(200)은 도 1을 참조하여 설명되는 시드층(SL) 및 제1 유전막(200)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 제1b 전극(110)은 도 2를 참조하여 설명되는 제1b 전극(110)과 실질적으로 동일할 수 있다.
제2b 전극(310)은 도 1을 참조하여 설명되는 제1 유전성 물질 및 제1 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제2b 전극(310)은 교대로 적층되는 제1 단위층들 및 제2 단위층들을 포함하는 초격자 구조를 가질 수 있다. 제1 단위층들은 제1 유전성 물질층들일 수 있다. 제2 단위층들은 제1 금속성 물질층들일 수 있다.
일 예에서, 초격자 구조의 최하층 및 최상층 중 적어도 하나는 제1 단위층일 수 있다. 예를 들어, 초격자 구조의 최하층 및 최상층의 각각은 제1 단위층일 수 있다. 다시 말해, 제2 단위층은 이에 바로 인접한 한 쌍의 제1 단위층들 사이에 개재될 수 있다. 다른 예에서, 초격자 구조의 최하층 및 최상층은 모두 제2 단위층일 수 있다.
본 개시의 제1 단위층들은 제2 단위층의 결정성을 개선할 수 있다. 이에 따라, 제2b 전극(310)은 높은 결정성을 가질 수 있다. 제1 유전막(200)은 높은 결정성 및 높은 유전율을 가질 수 있다. 본 개시의 커패시터(12)는 향상된 커패시턴스 특성을 가질 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 커패시터(13)의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 4를 참조하면, 커패시터(13)가 제공될 수 있다. 커패시터(13)는 시드층(SL), 제1c 전극(120), 제1 유전막(200), 및 제2a 전극(300)을 포함할 수 있다. 시드층(SL), 제1 유전막(200), 및 제2a 전극(300)은 도 1을 참조하여 설명되는 시드층(SL), 제1 유전막(200), 및 제2a 전극(300)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
제1c 전극(120)은 도 1을 참조하여 설명되는 제1 유전성 물질 및 제1 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제1c 전극(120)은 제1 유전성 물질 및 제1 금속성 물질의 합금을 포함할 수 있다. 제1c 전극(120)은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다. 제1c 전극(120)은 AxA’(1-x)BO3, AByB’(1-y)O3, 또는 AxA’(1-x)ByB’(1-y)O3로 표현될 수 있다(O는 산소 원자).
제1c 전극(120) 내의 제1 유전성 물질에 의해 제1 금속성 물질의 결정성이 향상될 수 있다. 제1 유전성 물질 및 제1 금속성 물질이 모두 높은 결정성을 갖는 바, 제1c 전극(120)도 높은 결정성을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 유전막(200)은 높은 결정성 및 높은 유전율을 가질 수 있다. 본 개시의 커패시터(13)는 향상된 커패시턴스 특성을 가질 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 커패시터(14)의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것 및 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 5를 참조하면, 커패시터(14)가 제공될 수 있다. 커패시터(14)는 시드층(SL), 제1c 전극(120), 제1 유전막(200), 및 제2c 전극(320)을 포함할 수 있다. 시드층(SL) 및 제1 유전막(200)은 도 1을 참조하여 설명되는 시드층(SL) 및 제1 유전막(200)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 제1c 전극(120)은 도 4를 참조하여 설명되는 제1c 전극(120)과 실질적으로 동일할 수 있다.
제2c 전극(320)은 도 1을 참조하여 설명되는 제2 유전성 물질 및 제2 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제2c 전극(320)은 제2 유전성 물질 및 제2 금속성 물질의 합금을 포함할 수 있다. 제2c 전극(320)은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다. 제2c 전극(320)은 AxA’(1-x)BO3, AByB’(1-y)O3, 또는 AxA’(1-x)ByB’(1-y)O3로 표현될 수 있다(O는 산소 원자).
제2c 전극(320) 내의 제2 유전성 물질에 의해 제2 금속성 물질의 결정성이 향상될 수 있다. 제2 유전성 물질 및 제2 금속성 물질이 모두 높은 결정성을 갖는 바, 제2c 전극(320)도 높은 결정성을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 유전막(210)은 높은 결정성 및 높은 유전율을 가질 수 있다. 본 개시의 커패시터(14)는 향상된 커패시턴스 특성을 가질 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 커패시터(15)의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 6을 참조하면, 커패시터(15)가 제공될 수 있다. 커패시터(15)는 시드층(SL), 제1a 전극(100), 제2 유전막(210), 및 제2a 전극(300)을 포함할 수 있다. 시드층(SL), 제1a 전극(100), 및 제2a 전극(300)은 도 1을 참조하여 설명되는 시드층(SL), 제1a 전극(100), 및 제2a 전극(300)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
제2 유전막(210)은 교대로 적층되는 제1 단위층들 및 제2 단위층들을 포함하는 초격자 구조를 가질 수 있다. 제1 단위층들 및 제2 단위층들은 서로 다른 유전 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 단위층들은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 강유전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 단위층들은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 상유전 물질을 포함할 수 있다.
제1a 전극(100) 내의 제1 유전성 물질에 의해 제1 금속성 물질의 결정성이 향상될 수 있다. 제1 유전성 물질 및 제1 금속성 물질이 모두 높은 결정성을 갖는 바, 제1a 전극(100)도 높은 결정성을 가질 수 있다. 제2a 전극(300) 내의 제2 유전성 물질에 의해 제2 금속성 물질의 결정성이 향상될 수 있다. 제2 유전성 물질 및 제2 금속성 물질이 모두 높은 결정성을 갖는 바, 제2a 전극(300)도 높은 결정성을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 유전막(210)은 높은 결정성 및 높은 유전율을 가질 수 있다. 본 개시의 커패시터(15)는 향상된 커패시턴스 특성을 가질 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 5를 참조하면, 기판(1000), 게이트 전극(GE), 게이트 절연막(GI), 층간 절연막(2000), 콘택(CT), 및 커패시터(CE)를 포함하는 반도체 장치(20)가 제공될 수 있다. 기판(1000)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(1000)은 실리콘 기판, 게르마늄 기판, 또는 실리콘-게르마늄 기판을 포함할 수 있다.
기판(1000) 상부에 제1 소스/드레인 영역(SD1) 및 제2 소스/드레인 영역(SD2)이 제공될 수 있다. 제1 및 제2 소스/드레인 영역들(SD1, SD2)은 기판(1000)의 상면에 평행한 방향을 따라 서로 이격될 수 있다. 제1 및 제2 소스/드레인 영역들(SD1, SD2)은 기판(1000)에 불순물이 주입되어 형성될 수 있다.
게이트 전극(GE)은 기판(1000) 상에 제공될 수 있다. 게이트 전극(GE)은 제1 및 제2 소스/드레인 영역들(SD1, SD2) 사이에 제공될 수 있다. 게이트 전극(GE)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극(GE)은 금속 또는 폴리 실리콘을 포함할 수 있다.
게이트 절연막(GI)은 게이트 전극(GE)과 기판(1000) 사이에 제공될 수 있다. 게이트 절연막(GI)은 게이트 전극(GE)과 기판(1000) 사이에 배치될 수 있다. 게이트 절연막(GI)은 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연막(GI)은 Si 산화물(예를 들어, SiO2), Al 산화물(예를 들어, Al2O3), 또는 고유전 물질(예를 들어, HfO2)을 포함할 수 있다.
층간 절연막(2000)은 기판(1000) 상에 제공될 수 있다. 층간 절연막(2000)은 게이트 전극(GE)과 게이트 절연막(GI)을 덮을 수 있다. 층간 절연막(2000)은 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층간 절연막(2000)은 Si 산화물(예를 들어, SiO2), Al 산화물(예를 들어, Al2O3), 또는 고유전 물질(예를 들어, HfO2)을 포함할 수 있다.
층간 절연막(2000) 상에 커패시터(CE)가 제공될 수 있다. 커패시터(CE)는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명되는 커패시터들(10, 11, 12, 13, 14, 15) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 커패시터(CE)의 형상은 도 1 내지 도 6에 도시된 것으로 한정되지 않는다. 커패시터(CE)의 형상은 도 1 내지 도 6에 개시된 기술적 사상을 포함하는 범위에서 필요에 따라 선택될 수 있다.
본 개시의 커패시터(CE)는 페로브스카이트 결정 구조를 갖되 높은 결정성을 갖는 전극을 포함할 수 있다. 이에 따라, 커패시터(CE)의 유전막은 페로브스카이트 결정 구조를 갖되 높은 결정성 및 높은 유전율을 가질 수 있다. 커패시터(CE)는 향상된 커패시턴스 특성을 가질 수 있다. 결과적으로, 본 개시는 향상된 커패시턴스 특성을 갖는 커패시터(CE)를 포함하는 반도체 장치(20)를 제공할 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 메모리 요소의 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 8을 참조하면, 메모리 요소(21)가 제공될 수 있다. 메모리 요소(21)는 저항 변화 메모리(Resistive Random Access Memory, RRAM)에서 정보를 저장하는 요소일 수 있다. 메모리 요소(21)는 기판(1000), 하부 전극(LE), 저항 변화막(RC), 및 상부 전극(UE)을 포함할 수 있다. 하부 전극(LE), 저항 변화막(RC), 및 상부 전극(UE)은 정보를 저장하는 메모리 요소일 수 있다. 기판(1000)은 도 7을 참조하여 설명된 기판(1000)과 실질적으로 동일할 수 있다. 일 실시예에서, 기판(1000)에 배선, 수동 소자, 및/또는 능동 소자가 제공될 수 있다. 하부 전극(LE)은 앞서 설명된 제1a 전극(100), 제1b 전극(120), 또는 제1c 전극(120)과 실질적으로 동일할 수 있다. 상부 전극(UE)은 앞서 설명된 제2a 전극(300), 제2b 전극(310), 또는 제2c 전극(320)과 실질적으로 동일할 수 있다.
저항 변화막(RC)은 하부 전극(LE) 상에 제공될 수 있다. 저항 변화막(RC)은 저항 변화 물질을 포함할 수 있다. 저항 변화 물질은 인가되는 전압에 따라 그 저항이 변하는 물질을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 저항 변화막(RC)은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 절연막일 수 있다. 예를 들어, 저항 변화막(RC)은 PbZrTiO3, PrCaMnO3, 또는 칼슘이 도핑된 (Ba, Sr)TiO3을 포함할 수 있다.
페로브스카이트 결정 구조를 갖는 저항 변화막(RC)의 저항 변화 특성은 저항 변화막(RC)의 결정성에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 저항 변화막(RC)의 결정성이 낮으면 저항 변화 특성이 열화될 수 있고, 저항 변화막(RC)의 결정성이 높으면 저항 변화 특성이 유지될 수 있다. 저항 변화막(RC)의 결정성은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 하부 전극(LE)과 상부 전극(UE)의 결정성으로부터 영향을 받을 수 있다. 따라서, 저항 변화막(RC)의 저항 변화 특성이 안정적으로 유지되기 위해, 하부 전극(LE) 및 상부 전극(UE)의 결정성이 높을 것이 요구될 수 있다.
본 개시의 하부 전극(LE)(즉, 제1a 전극(100), 제1b 전극(110), 또는 제1c 전극(120))은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전성 물질과 페로브스카이트 결정 구조를 갖되 제1 유전성 물질보다 높은 전기 음성도(예를 들어, 약 0.6 이상 큰 전기 음성도)를 갖는 제1 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제1 유전성 물질 및 제1 금속성 물질이 모두 높은 결정성을 갖는 바, 하부 전극(LE)도 높은 결정성을 가질 수 있다. 상부 전극(UE)(즉, 제2a 전극(300), 제2b 전극(310), 또는 제2c 전극(320))은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 유전성 물질과 페로브스카이트 결정 구조를 갖되 제2 유전성 물질보다 높은 전기 음성도(예를 들어, 약 0.6 이상 큰 전기 음성도)를 갖는 제2 금속성 물질을 포함할 수 있다. 제2 유전성 물질 및 제2 금속성 물질이 모두 높은 결정성을 갖는 바, 상부 전극(UE)도 높은 결정성을 가질 수 있다. 이에 따라, 저항 변화막(RC)은 높은 결정성을 가질 수 있다.
본 개시는 높은 결정성을 갖는 저항 변화막(RC)을 포함하는 메모리 요소(21)를 제공할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 개시의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 개시의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
10, 11, 12, 13, 14, 15: 커패시터, SL: 시드층,
100, 110, 120: 제1a 전극, 제1b 전극, 제1c 전극,
200, 210: 제1 유전막, 제2 유전막,
300, 310, 320: 제2a 전극, 제2b 전극, 제2c 전극,
20: 반도체 장치
21: 메모리 요소

Claims (27)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 유전막;을 포함하되,
    상기 제1 전극은:
    페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전성 물질; 및
    페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 금속성 물질;을 포함하고,
    상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 큰 커패시터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 0.6 이상 큰 커패시터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은, 교대로 적층되는 제1 단위 층들 및 제2 단위 층들을 포함하는 초격자 구조를 갖되,
    상기 제1 단위 층들은 상기 제1 유전성 물질을 포함하고,
    상기 제2 단위 층들은 상기 제1 금속성 물질을 포함하는 커패시터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 최하층 및 최상층 중 적어도 하나는 상기 제1 단위 층인 커패시터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 제1 유전성 물질과 상기 제1 금속성 물질의 합금을 포함하되, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 커패시터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전막은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 유전성 물질을 포함하는 커패시터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유전막은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제3 유전성 물질을 더 포함하되,
    상기 제3 유전성 물질의 유전 특성과 상기 제2 유전성 물질의 유전 특성은 서로 다른 커패시터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유전막은 교대로 적층되는 제2 유전막들 및 제3 유전막들을 포함하는 초격자 구조를 갖되,
    상기 제2 유전막들은 상기 제2 유전성 물질을 포함하고,
    상기 제3 유전막들은 상기 제3 유전성 물질을 포함하는 커패시터.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 유전성 물질은 강유전성 또는 상유전성을 갖는 커패시터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은:
    페로브스카이트 결정 구조 및 유전성을 갖는 제4 유전성 물질; 및
    페로브스카이트 결정 구조를 및 금속성을 갖는 제2 금속성 물질;을 포함하고,
    상기 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제4 유전성 물질의 전기 음성도보다 큰 커패시터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제4 유전성 물질의 전기 음성도보다 0.6 이상 큰 커패시터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 교대로 적층되는 제3 단위 층들 및 제4 단위 층들을 포함하는 초격자 구조를 갖되,
    상기 제3 단위 층들은 상기 제4 유전성 물질을 포함하고,
    상기 제4 단위 층들은 상기 제2 금속성 물질을 포함하는 커패시터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 최하층 및 최상층 중 적어도 하나는 상기 제3 단위 층인 커패시터.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제4 유전성 물질과 상기 제2 금속성 물질의 합금을 포함하되, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 커패시터.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제4 유전성 물질은 상기 제1 유전성 물질과 동일한 커패시터.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 금속성 물질은 상기 제1 금속성 물질과 동일한 커패시터.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전막은 상기 제1 전극에 대해 상기 유전막의 반대편에 제공되는 시드층;을 더 포함하는 커패시터.
  18. 게이트 구조체, 제1 소스/드레인 영역, 및 제2 소스 드레인 영역을 포함하는 트랜지스터; 및
    제1 전극, 상기 제1 전극 상의 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 유전막을 포함하는 커패시터;를 포함하되,
    상기 제1 전극은, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 유전성 물질, 및 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제1 금속성 물질을 포함하고,
    상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 크고,
    상기 제1 소스/드레인 영역은 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되는 반도체 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제1 유전성 물질의 전기 음성도보다 0.6 이상 큰 반도체 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 전극은, 교대로 적층되는 제1 단위 층들 및 제2 단위 층들을 포함하는 초격자 구조를 갖되,
    상기 제1 단위 층들은 상기 제1 유전성 물질을 포함하고,
    상기 제2 단위 층들은 상기 제1 금속성 물질을 포함하는 반도체 장치.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 제1 유전성 물질과 상기 제1 금속성 물질의 합금을 포함하는 반도체 장치.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 제2 전극은:
    페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 유전성 물질; 및
    페로브스카이트 결정 구조를 갖는 제2 금속성 물질;을 포함하고,
    상기 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제2 유전성 물질의 전기 음성도보다 큰 반도체 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제2 금속성 물질의 전기 음성도는 상기 제2 유전성 물질의 전기 음성도보다 0.6 이상 큰 반도체 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 교대로 적층되는 제3 단위 층들 및 제4 단위 층들을 포함하는 초격자 구조를 갖되,
    상기 제3 단위 층들은 상기 제2 유전성 물질을 포함하고,
    상기 제4 단위 층들은 상기 제2 금속성 물질을 포함하는 반도체 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 유전성 물질과 상기 제2 금속성 물질의 합금을 포함하는 반도체 장치.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 제2 유전성 물질은 상기 제1 유전성 물질과 동일하한 반도체 장치.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 제2 금속성 물질은 상기 제1 금속성 물질과 동일한 반도체 장치.
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