CN1754262A - 薄膜电容元件和包括它的电子电路和电子器件 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含具有由化学计量的组分化学式：(Bi2O2) 2+ (Am－1BmO3m+1) 2－表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论其过量大于0但小于0.5m摩尔的铋层结构的化合物，这里符号m是正整数，符号A是从如下元素组中选择的至少一种元素：钠、钾、铅、钡、锶、钙和铋，符号B是从如下元素组中选择的至少一种元素：铁、钴、铬、镓、钛、铌、钽、锑、钒、钼和钨。具有上述构造的薄膜电容元件可以被形成得较薄、容易制造并且具有良好的温度补偿特性。

Description

薄膜电容元件和包括它的电子电路和电子器件
技术领域
本发明涉及一种薄膜电容元件和包括它的电子电路和电子器件，具体地说，涉及一种能够形成得较薄并容易制造且具有优良的温度补偿特性的薄膜电容元件、和包括该薄膜电容元件的电子电路和电子器件。
背景技术
由于在电子器件中优选具有较低的温度依赖性，因此最近人们一直在努力试图通过控制在电子电路中包括的电容元件的静电电容温度系数来降低电子电路的温度依赖性。
例如，日本专利申请公开No.2002-289462、日本专利申请公开No.2002-75783和日本专利申请公开No.2002-252143中每篇都提出了一种薄膜电容元件，通过在上部电极和下部电极之间形成具有不同的静电电容温度的电介质材料的多个电介质层以理想的方式控制该薄膜电容元件的静电电容温度系数。
然而，在形成具有不同的静电电容温度系数的电介质材料由此控制薄膜电容元件的静电电容温度系数的情况下，不仅制造薄膜电容元件的过程变得复杂和不可避免地增加了薄膜电容元件的厚度，而且还需要精确地控制每个电介质层的厚度以便以理想的方式控制薄膜电容元件的静电电容温度系数。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种能够形成得较薄并容易制造且具有优良的温度补偿特性的薄膜电容元件和包括该薄膜电容元件的电子电路和电子器件。
本发明的发明人一直致力于实现上述目的的研究，结果，惊奇地发现：包括由如下电介质材料形成的电介质层的薄膜电容元件的静电电容温度系数取决于铋层结构的化合物在〔001〕方向上的取向度(即，铋层结构的化合物在其c轴方向上的取向度)，该电介质材料包含具有特定的化学计量的组分并包含超过由化学计量比确定的量的铋的铋层结构的化合物；通过控制在电介质层中所包含的铋层结构化合物在其c轴方向上的取向度，可以以理想的方式控制薄膜电容元件的静电电容温度系数。
本发明基于这些发现，并根据本发明，本发明的上述目的可以通过一种薄膜电容元件实现，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-或Bi2Am-1BmO3m+3表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.5m摩尔，这里符号m是正整数，符号A是从如下元素组中选择的至少一种元素：钠(Na)、钾(K)、铅(Pb)、钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)和铋(Bi)，符号B是从如下元素组中选择的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镓(Ga)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、锑(Sb)、钒(V)、钼(Mo)和钨(W)，在符号A和/或B包括两个或更多元素时，元素比率任意确定。
在本发明中，包含铋层结构的化合物的电介质材料可以包含不可避免的杂质。
根据本发明，在形成电介质层时可以控制在电介质层中包含的铋层结构化合物在〔001〕方向上的取向度(铋层结构的化合物在它的c轴方向上的取向度)，由此将包含电介质层的薄膜电容元件的静电电容温度系数确定为理想值，因此可以以理想的方式控制将薄膜电容元件并入在其中的电子电路的温度系数，并进一步以理想的方式控制将包括薄膜电容元件的电子电路并入到其中的电子器件的温度系数。
通过控制铋(Bi)相对于化学计量比的过量、薄膜电容元件的衬底的类型、用于薄膜电容元件的电极的类型、形成薄膜电容元件的过程和形成薄膜电容元件的条件，可以控制铋层结构的化合物的c轴取向度。例如，在利用化学溶液淀积处理形成电介质层的情况下，通过控制涂敷条件、临时烘焙条件和形成电介质层的烘焙条件，可以控制铋层结构的化合物的c轴取向度。
在本发明中，通过下式(1)界定铋层结构的化合物的c轴取向度。
F＝(P-P0)/(1-P0)×100------(1)
在公式(1)中，P0被定义为其取向完全随机的铋层结构的化合物的c轴取向率，即来自其取向完全随机的铋层结构化合物的〔001〕表面的反射强度I0(001)的总和∑I0(00I)与来自其各个[hkl]晶体表面的反射强度I0(hkl)的总和∑I0(hkl)的比率∑I0(00I)/∑I0(hkl)；P被定义为使用其X-射线衍射强度计算的铋层结构的化合物的c轴取向率，即来自铋层结构的化合物的〔001〕表面的反射强度I(001)的总和∑I(00I)与来自其各个[hkl]晶体表面的反射强度I(hkl)的总和∑I(hkl)的比率∑I(00I)/∑I(hkl)。符号h、k和l每个假设都是等于或大于0的任意整数值。
在上述的公式(1)中，由于P0是公知的常数，因此在来自铋层结构的化合物的〔001〕表面的反射强度I(001)的总和∑I(00I)与来自其各个[hkl]晶体表面的反射强度I(hkl)的总和∑I(hkl)彼此相等时，铋层结构的化合物的c轴取向度F等于100％。
铋层结构的化合物具有通过交替地层叠钙钛矿层形成的层状结构，该钙钛矿层每个都包括钙钛矿晶格并由(m-1)ABO3和(Bi2O2)2+层制成。
铋层结构的化合物的c轴是指通过连接一对(Bi2O2)2+层获得的方向，即〔001〕方向。
在本发明中，对在化学计量组分化学式中的符号m并没有特别的限制，只要它是正整数即可，但它优选是偶数。在符号m是偶数的情况下，电介质薄膜6具有垂直于c轴对称的镜面，因此在c轴方向上的自然偏振分量在对称的镜面的相对侧上彼此抵消，由此电介质膜在c轴方向上没有偏振轴。结果，可以维持电介质薄膜的顺电特性，以改善介电常数的温度系数并降低损失。如果符号m较大，则电介质膜6的介电常数趋于增加。
在本发明中，在化学计量组分化学式中的符号m优选为2，4，6或8，更为优选的是符号m为2或4。
在本发明的优选方面，电介质层包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)的铋层结构的化合物，以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量等于或大于0.4m摩尔并且小于0.5m摩尔。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明人所进行的研究中，发现本发明的上述目的可以通过一种薄膜电容元件实现，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于2.0摩尔，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
在本发明的优选方面，电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明人所进行的研究中，发现本发明的上述目的可以通过一种电子电路实现，该电子电路包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1但小于1.5，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
在本发明的优选方面，电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明人所进行的研究中，本发明的上述目的可以通过一种包括薄膜电容元件的电子电路实现，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-或Bi2Am-1BmO3m+3表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.5m摩尔，这里符号m是正整数，符号A是从如下元素组中选择的至少一种元素：钠(Na)、钾(K)、铅(Pb)、钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)和铋(Bi)，符号B是从如下元素组中选择的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镓(Ga)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、锑(Sb)、钒(V)、钼(Mo)和钨(W)，在符号A和/或B包括两个或更多元素时，元素比率任意确定。
根据本发明，由于薄膜电容元件的静电电容温度系数取决于在电介质层中包含的铋层结构化合物在〔001〕方向上的取向度(即铋层结构的化合物在其c轴方向上的取向度)，在该薄膜电容元件中电介质层由包含以上述的化学计量的组分化学式表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)的铋层结构的化合物形成，因此通过控制在电介质层中包含的铋层结构的化合物在其c轴方向上的取向度，可以以理想的方式控制薄膜电容元件的静电电容温度系数。因此，如果包括由包含铋层结构的化合物的电介质材料形成的电介质层的薄膜电容元件并入在电子电路中，则可以以理想的方式控制电子电路的温度系数。
在本发明的优选方面，电介质层包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量等于或大于0.4m摩尔并且小于0.5m摩尔。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明人所进行的研究中，发现本发明的上述目的也可以通过一种包括薄膜电容元件的电子电路实现，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于2.0摩尔，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
在本发明的优选方面，电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明人所进行的研究中，发现本发明的上述目的也可以通过一种包括薄膜电容元件的电子电路实现，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1但小于1.5，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
在本发明的优选方面，电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明人所进行的研究中，本发明的上述目的也可以通过一种包括薄膜电容元件的电子器件实现，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-或Bi2Am-1BmO3m+3表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.5m摩尔，这里符号m是正整数，符号A是从如下元素组中选择的至少一种元素：钠(Na)、钾(K)、铅(Pb)、钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)和铋(Bi)，符号B是从如下元素组中选择的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镓(Ga)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、锑(Sb)、钒(V)、钼(Mo)和钨(W)，在符号A和/或B包括两个或更多元素时，元素比率任意确定。
根据本发明，由于薄膜电容元件的静电电容温度系数取决于在电介质层中包含的铋层结构化合物在〔001〕方向上的取向度(即铋层结构的化合物在其c轴方向上的取向度)，在该薄膜电容元件中电介质层由包含具有以上述的化学计量的组分化学式表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)的铋层结构的化合物形成，因此通过控制在电介质层中包含的铋层结构化合物在其c轴方向上的取向度，可以以理想的方式控制薄膜电容元件的静电电容温度系数。因此，如果包括由包含铋层结构的化合物的电介质材料形成的电介质层的薄膜电容元件并入在电子电路中，则可以以理想的方式控制电子电路的温度系数，并且因此可以以理想的方式控制包括电子电路的电子器件的温度系数，在该电子电路中并入了包括由包含铋层结构的化合物的电介质材料形成的电介质层的薄膜电容元件。
在本发明的优选方面，电介质层包含的铋层结构的化合物具有超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量等于或大于0.4m摩尔并且小于0.5m摩尔。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明人所进行的研究中，发现本发明的上述目的也可以通过一种包括薄膜电容元件的电子器件实现，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于2.0摩尔，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
在本发明的优选方面，电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明人所进行的研究中，发现本发明的上述目的也可以通过一种包括薄膜电容元件的电子器件实现，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1但小于1.5，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
在本发明的优选方面，电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
在本发明的优选方面，铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明中，对于用于形成在其表面上要形成电介质层的第一电极层的材料并没有特别的限制，第一电极层可以由如下的材料形成：金属比如铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)等、包含这些金属中的至少一种作为主要成分的合金、导电氧化物比如NdO、NbO、ReO2、RhO2、OsO2、IrO2、RuO2、ReO3、SrMoO3、SrRuO3、CaRuO3、SrVO3、SrCrO3、SrCoO3、LaNiO3、Nb掺杂的SrTiO3，等、以上物质的混合物、具有超导的层状的铋结构的超导体比如Bi2Sr2CuO6等。
在本发明中，在其表面上要形成电介质层的第一电极层可以使用各种薄膜形成处理比如真空淀积处理、溅射处理、脉冲激光淀积处理(PLD)、金属有机化学汽相淀积处理(MOCVD)、化学溶液淀积处理(CSD处理)比如金属有机分解处理(MOD)和溶胶凝胶处理等中的任何处理方法形成。
在本发明中，在其表面上要形成电介质层的第一电极层可以在〔001〕方向(即c轴方向)或者除了〔001〕方向之外的方向上取向，并且第一电极层可以是非晶的或者无取向的。
在本发明中，电介质层可以使用各种薄膜处理比如真空淀积处理、溅射处理、脉冲激光淀积处理(PLD)、金属有机化学汽相淀积处理(MOCVD)、化学溶液淀积处理(CSD处理)比如金属有机分解处理(MOD)和溶胶凝胶处理等中的任何处理方法形成。
在本发明中，化学溶液淀积处理是指包括一个或多个涂敷步骤、一个或多个临时烘焙步骤和一个或多个烘焙步骤的薄膜形成处理，并且包括金属有机分解处理(MOD)和溶胶凝胶处理。化学溶液淀积处理进一步包括使用无机酸盐溶液形成薄膜的处理。在这些处理中，金属有机分解处理最为优选。
在第一电极层上形成电介质层的过程中，包含铋层结构的化合物的电介质材料外延生长在第一电极层上，并且铋层结构的化合物在〔001〕方向(即c轴方向)上的取向度F通过选择铋层结构的化合物的组分和形成电介质层的条件确定。
在使用金属有机分解处理的电介质层的情况下，将用于形成薄膜电容元件并包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)的铋层结构的化合物的组分溶液施加到第一电极层上以形成涂层并烘焙在第一电极层上的涂层，由此形成电介质层。
在本发明中，电介质层优选通过在第一电极层上形成涂层、干燥涂层、在涂层不可能结晶的温度下临时地烘焙、并进一步烘焙涂层形成。
可替换地，电介质层可以通过如下过程形成：在第一电极层上形成涂层、干燥涂层、在由此干燥的涂层上形成新的涂层、干燥新的涂层、重复形成新的涂层并干燥它们的这些步骤以形成具有预定厚度的涂层，然后烘焙涂层。在这种情况下，电介质层可以通过重复涂敷和干燥步骤两次或更多次、临时烘焙涂层并最后烘焙涂层形成。
可替换地，电介质层可以通过如下过程形成：在第一电极层上形成涂层、干燥涂层、临时地烘焙涂层、在由此临时地烘焙的涂层上形成新的涂层、干燥新的涂层、临时地烘焙新的涂层、重复形成、干燥和临时地烘焙新的涂层的这些步骤以形成具有预定厚度的涂层，然后烘焙涂层。在这种情况下，电介质层可以通过重复涂敷和不用干燥涂层地临时地烘焙步骤并最后烘焙涂层形成。
可替换地，电介质层可以通过如下过程形成：在第一电极层上形成涂层、干燥涂层、临时地烘焙涂层、烘焙涂层、重复这些步骤以形成具有预定厚度的涂层。在这种情况下，电介质层可以通过重复涂敷、临时地烘焙和烘焙涂层而不干燥涂层的步骤形成或者电介质层可以通过重复涂敷、干燥和烘焙涂层的步骤而不用临时地烘焙涂层形成。
在本发明中，在使用金属有机分解处理形成电介质层的情况下，为形成薄膜电容元件而准备的并包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)的铋层结构的化合物的组分的溶液使用旋涂处理或浸涂处理(优选旋涂处理)施加到第一电极层上，由此形成了涂层。
在本发明中，形成在第一电极层上的涂层优选在700至900℃的温度下进行烘焙，这个温度是铋层结构的化合物的结晶温度。
在本发明中，形成在第一电极层上的涂层优选在室温到400℃的温度下干燥，更为优选的是在50至300℃的温度下干燥。
在本发明中，形成在第一电极层上的涂层优选在300至500℃的温度下进行临时烘焙。
在本发明中，在第一电极层上已经形成了电介质层之后，第二电极层形成在电介质层上。
在本发明中，对于形成第二电极层的材料并没有特别的限制，只要它导电即可，并且第二电极层可以由如下的材料形成：金属比如铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)等、包含这些金属中的至少一种作为主要成分的合金、导电氧化物比如NdO、NbO、ReO2、RhO2、OsO2、IrO2、RuO2、ReO3、SrMoO3、SrRuO3、CaRuO3、SrVO3、SrCrO3、SrCoO3、LaNiO3、Nb掺杂的SrTiO3，等、以上物质的混合物、导电玻璃比如ITO等。此外，与在第一电极层的情况不同的是，由于不需要考虑具有形成电介质层的材料的第二电极层的晶格匹配特性并且第二电极层可以在室温下形成，因此贱金属比如铁(Fe)、镍(Ni)等或合金比如WSi、MoSi等都可用于形成第二电极层。
在本发明中，对第二电极层的厚度没有限制，只要它可用作薄膜电容元件中的一个电极即可，并且第二电极层可以被形成为具有例如10至1000纳米厚。
在本发明中，对于形成第二电极层的方法没有特别的限制，可以使用如下各种薄膜处理中的任何处理形成第二电极层：比如真空淀积处理、溅射处理、脉冲激光淀积处理(PLD)、金属有机化学汽相淀积处理(MOCVD)、化学溶液淀积处理(CSD处理)比如金属有机分解处理(MOD)和溶胶凝胶处理等。在这些处理中，从薄膜形成速率的观点看，溅射处理对于用于形成第二电极层是最为优选的。
参考附图，通过下文的描述将会清楚本发明的上述和其它目的和特征。
附图说明
附图1所示为本发明的优选实施例的薄膜电容元件的示意性横截面视图。
附图2所示为在工作实例1至10中制造的每个薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率和在构成每个薄膜电容元件的电介质层中包含的铋层结构化合物的c轴取向度F之间的关系的曲线图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的优选实施例。
附图1所示为作为本发明的优选实施例的薄膜电容元件的示意性横截面视图。
如附图1所示，根据本实施例的薄膜电容元件包括支撑衬底2和在支撑衬底2上按此顺序层叠的阻挡层3、下部电极层4、电介质层5和上部电极层6。
在本实施例中，薄膜电容元件1的支撑衬底2由具有小晶格匹配特性的单晶硅形成。支撑衬底2的厚度例如被设置到100至1000微米。
薄膜电容元件1包括支撑衬底2上由氧化硅形成的绝缘层。
由氧化硅形成的绝缘层3例如由硅的热氧化作用形成。
如附图1所示，下部电极层4形成在绝缘层3上。
在本实施例中，下部电极层4由铂形成。
下部电极层4可以在〔001〕方向或在除了〔001〕方向之外的方向上取向。此外，下部电极层4可以是非晶的或可以是无取向的。
例如通过使用氩气作为溅射气体进行溅射处理并设定支撑衬底2和绝缘层3的温度为300℃或更高(优选500℃或更高)，将由铂制成的下部电极层4形成在绝缘层3上。
对下部电极层4的厚度没有特别的限制，设置到大约10至1000纳米，优选大约50至200纳米。在本实施例中，下部电极层4被形成为具有100纳米的厚度。
如附图1所示，根据本实施例的薄膜电容元件1包括形成在下部电极层4上的电介质层5。
在本实施例中，电介质层5由包含有由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的并具有优良特性的铋层结构化合物的电介质材料作为电容器材料形成。铋层结构的化合物包含过量的铋以使铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1并且小于1.5。
铋层结构的化合物优选包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本实施例中，使用金属有机分解处理(MOD)将电介质层5形成在下部电极层4上。
具体地，锶2-乙基己酸的甲苯溶液、铋2-乙基己酸的2-乙基己酸溶液和钛2-乙基己酸的甲苯溶液混合以使混合物包含1摩尔的锶2-乙基己酸、(4+α)摩尔的铋2-乙基己酸和4摩尔的钛2-乙基己酸，即，使铋(Bi)的量超过由化学计量比确定的量α摩尔，获得的混合物以甲苯稀释，由此制备了成分溶液。
这里，α被选择为使Bi/Ti在1.1和1.5之间。
使用旋涂法将所得的成分溶液涂敷在下部电极层4以使其厚度为例如100纳米以形成涂层。
由此形成的涂层在室温和大约400℃之间的温度下干燥，由此蒸发在涂层中包含的溶剂。
然后在200至700℃的温度下在氧气环境下临时地烘焙涂层。在涂层中包含的铋层结构的化合物不可能结晶的温度下执行临时烘焙操作。
然后，使用旋涂法再次将相同的成分溶液施加到临时地烘焙的涂层上以使其厚度为例如10纳米以形成涂层，并在200至700℃的温度下在氧气环境下干燥并临时地烘焙涂层。
此外，使用旋涂法再次将相同的成分溶液施加到由此临时地烘焙的涂层上以使其厚度为例如10纳米以形成涂层，并在200至700℃的温度下在氧气环境下干燥并临时地烘焙涂层。
在以相同的方式完成了临时烘焙操作时，在700至900℃的温度下在氧气环境下烘焙经过临时烘焙的涂层，由此使在涂层中包含的铋层结构的化合物结晶以形成具有例如300纳米厚的电介质层5。
由此形成的电介质层5包含了以化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物，并且该铋层结构的化合物包含超过由化学计量比确定的量的铋以使以铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1并且小于1.5。
在临时地烘焙和烘焙处理的过程中，铋层结构的化合物外延生长并在〔001〕方向(即它的c轴方向)上取向。
公知的是，铋层结构的化合物的取向度的F(％)可以通过控制铋(Bi)相对于化学计量比的过量、涂敷条件、临时地烘焙条件和形成电介质层5的烘焙条件可以控制，并且在本发明人的研究中，进一步发现通过控制在电介质层5中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)可以控制薄膜电容元件1的静电电容温度系数。具体地，发现，在电介质层5包含具有由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分但包含有超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1并且小于1.5的铋层结构的化合物的情况下，通过控制铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)，薄膜电容元件的静电电容温度系数可以在正值和负值之间极大地改变。
因此，在本实施例中，控制铋(Bi)相对于化学计量比的过量、涂敷条件、临时地烘焙条件和形成电介质层5的烘焙条件，由此确定在电介质层5中包含的铋层结构化合物的c轴取向度F(％)以使薄膜电容元件具有所需的静电电容温度系数。
如附图1所示，上部电极层6由在电介质层5上的铂形成。
例如通过使用以氩气作为溅射气体的溅射处理并设定支撑衬底2、绝缘层3、下部电极层4和电介质层的温度为室温，可以将由铂形成的上部电极层6形成在电介质层5上。
如上文所述，在本发明人的研究中，进一步发现，通过控制在电介质层5中包含的铋层结构化合物的c轴取向度F(％)可以改变薄膜电容元件的静电电容温度系数，具体地，发现，在电介质层5包含具有由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分的铋层结构的化合物的情况下，通过控制铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)，薄膜电容元件的静电电容温度系数可以在正值和负值之间极大地改变。
根据本实施例，由于电介质层5包含具有由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分的铋层结构的化合物并且控制涂敷条件、临时地烘焙条件和形成电介质层5的烘焙条件，由此确定了在电介质层5中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)，因此可以获得具有所需的静电电容温度系数的薄膜电容元件1，而不用提供多个电介质层。因此，可以以理想的方式控制薄膜电容元件1并入在其中的电子电路的温度依赖性，由此降低了电子电路并入其中的电子器件的温度依赖性。
下文阐述工作实例以进一步说明本发明的优点。
工作实例1
锶2-乙基己酸的甲苯溶液、铋2-乙基己酸的2-乙基己酸溶液和钛2-乙基己酸的甲苯溶液混合以使混合物包含1摩尔的锶2-乙基己酸、(4+α)摩尔的铋2-乙基己酸和4摩尔的钛2-乙基己酸，即，使铋(Bi)的量超过由化学计量比确定的量α摩尔，获得的混合物以甲苯稀释，由此制备了成分溶液。
在此，制备成分溶液以使α被设定为0.4并且铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)是1.1。
在另一方面，通过硅的热氧化作用将0.5微米厚的氧化硅形成在由单晶硅制成的支撑衬底上，并且将由铂膜构成的下部电极形成在氧化硅膜上以使其具有0.1微米的厚度。
在此，下部电极通过如下过程形成：使用1帕斯卡(Pa)压力的氩气作为溅射气体进行溅射处理、将支撑衬底和氧化硅膜的温度设定为600℃并将电功率设定为100W/cm2。支撑衬底的尺寸为5mm×10mm。
然后，将支撑衬底设置在旋涂设备的工作台上，并以4000rpm的速度旋转工作台20分钟，同时将大约10微升的成分溶液滴定到下部电极的表面上，由此在下部电极的表面上形成了100纳米厚的涂层。
此后，形成有涂层的支撑衬底被设定在其温度被设定为150℃的恒温槽中，并干燥涂层10分钟，由此蒸发在涂层中包含的溶剂。
然后，将形成有涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以0.3升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以10°K/分钟的速率升高到400℃。此外，在环形炉中的温度保持在400℃下10分钟，并以10°K/分钟的速率降低，由此临时地烘焙涂层。
形成有如此临时烘焙的涂层的支撑衬底被设置到旋涂设备的工作台上，并以4000rpm的速度旋转工作台20分钟，同时将大约10微升的成分溶液滴定到下部电极的表面上，由此形成了总共200纳米厚的涂层。
此后，形成有涂层的支撑衬底设定在其温度被设定为150℃的恒温槽中，并干燥涂层10分钟，由此蒸发在涂层中包含的溶剂。
然后，将形成有涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以0.3升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以10°K/分钟的速率升高到400℃。此外，在环形炉中的温度保持在400℃下10分钟，并以10°K/分钟的速率降低，由此临时地烘焙涂层。
此外，形成有如此临时烘焙的涂层的支撑衬底被设置到旋涂设备的工作台上，并以4000rpm的速度旋转工作台20分钟，同时将大约10微升的成分溶液滴定到下部电极的表面上，由此形成了总共300纳米厚的涂层。
此后，形成有涂层的支撑衬底设定在其温度被设定为150℃的恒温槽中，并干燥涂层10分钟，由此蒸发在涂层中包含的溶剂。
然后，将形成有涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以0.3升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以10°K/分钟的速率升高到400℃。此外，在环形炉中的温度保持在400℃下10分钟，并以10°K/分钟的速率降低，由此临时地烘焙涂层。
因此，完成了临时地烘焙操作。然后，将形成有如此临时烘焙的涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以5毫升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以80°K/分钟的速率升高到860℃。此外，在环形炉中的温度保持在860℃下30分钟，并以80°K/分钟的速率降低，由此烘焙涂层以形成了电介质层。由此烘焙的电介质层的厚度为300纳米。
由此获得的电介质层的结晶结构使用X-射线衍射法测量并根据公式(1)基于所测量的X-射线衍射图形确定铋层结构化合物的c轴取向度F(％)。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)为55％。
然后，在电介质层的表面上形成由铂膜组成的上部电极以使具有0.1微米的厚度。
在此，通过如下过程形成上部电极：使用1帕斯卡(Pa)压力的氩气作为溅射气体进行溅射处理，将支撑衬底、氧化硅膜、下部电极和电介质层的温度设定到室温(25℃)，以及将电功率设定到100W。因此，制造了薄膜电容元件。
在设定到25℃的参考温度和在设定到-55℃至150℃的测量温度范围的条件下在100kHz的频率(应用AC 20mV)下使用阻抗分析仪(HP4194A)测量由此制造的薄膜电容元件的电容，通过设定参考温度到25℃测量介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果发现，电容(静电电容温度系数)Δε的平均变化率为880ppm/K。
工作实例2
电介质层以与工作实例1类似的方式形成，但除了在烘焙形成于下部电极上的涂层时在环形炉中的温度升高到880℃并保持在880℃下30分钟之外，由此制造了薄膜电容元件。
在由此获得的电介质层中包含的铋层结构化合物的c轴取向度F(％)以类似于工作实例1的方式测量。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)是60％。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果，发现薄膜电容元件的电容Δε的平均变化率是810ppm/K。
工作实例3
电介质层以与工作实例1类似的方式形成，但除了将组分溶液制备成使α被设定到0.8并且铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)等于1.2之外，由此制造了薄膜电容元件。
在由此获得的电介质层中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)以类似于工作实例1的方式测量。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)是65％。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果，发现薄膜电容元件的电容Δε的平均变化率是570ppm/K。
工作实例4
电介质层以与工作实例3类似的方式形成，但除了在烘焙形成于下部电极上的涂层时在环形炉中的温度升高到900℃并保持在900℃下30分钟之外，由此制造了薄膜电容元件。
在由此获得的电介质层中包含的铋层结构化合物的c轴取向度F(％)以类似于工作实例1的方式测量。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)是70％。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果，发现薄膜电容元件的电容Δε的平均变化率是450ppm/K。
工作实例5
锶2-乙基己酸的甲苯溶液、铋2-乙基己酸的2-乙基己酸溶液和钛2-乙基己酸的甲苯溶液混合以使混合物包含1摩尔的锶2-乙基己酸、(4+α)摩尔的铋2-乙基己酸和4摩尔的钛2-乙基己酸，即，使铋(Bi)的量超过由化学计量比确定的量α摩尔，获得的混合物以甲苯稀释，由此制备了成分溶液。
在此，制备成分溶液以使α被设定为0.4并且铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)是1.2。
在另一方面，通过硅的热氧化作用将0.5微米厚的氧化硅形成在由单晶硅制成的支撑衬底上，并且将由铂膜构成的下部电极形成在氧化硅膜上以使其具有0.1微米的厚度。
在此，下部电极通过如下过程形成：使用1帕斯卡(Pa)压力的氩气作为溅射气体进行溅射处理、将支撑衬底和氧化硅膜的温度设定为400℃并将电功率设定为100W/cm2。支撑衬底的尺寸为5mm×10mm。
然后，将支撑衬底设置在旋涂设备的工作台上，并以4000rpm的速度旋转工作台20分钟，同时将大约10微升的成分溶液滴定到下部电极的表面上，由此在下部电极的表面上形成了100纳米厚的涂层。
此后，形成有涂层的支撑衬底被设定在其温度被设定为150℃的恒温槽中，并干燥涂层10分钟，由此蒸发在涂层中包含的溶剂。
然后，将形成有涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以0.3升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以10°K/分钟的速率升高到400℃。此外，在环形炉中的温度保持在400℃下10分钟，并以10°K/分钟的速率降低，由此临时地烘焙涂层。
此外，将形成有如此临时烘焙的涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以5毫升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以80°K/分钟的速率升高到840℃。此外，在环形炉中的温度保持在840℃下30分钟，并以80°K/分钟的速率降低，由此烘焙涂层。
然后，将形成有如此烘焙的涂层的支撑衬底设置在旋涂设备的工作台上，并以4000rpm的速度旋转工作台20分钟，同时将大约10微升的成分溶液滴定到下部电极的表面上，由此在下部电极的表面上形成了200纳米厚的涂层。
此后，重新形成有涂层的支撑衬底被设定在其温度被设定为150℃的恒温槽中，并干燥涂层10分钟，由此蒸发在涂层中包含的溶剂。
然后，将形成有涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以0.3升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以10°K/分钟的速率升高到400℃。此外，在环形炉中的温度保持在400℃下10分钟，并以10°K/分钟的速率降低，由此临时地烘焙了重新形成的涂层。
此外，将形成有如此临时烘焙的涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以5毫升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以80°K/分钟的速率升高到840℃。此外，在环形炉中的温度保持在840℃下30分钟，并以80°K/分钟的速率降低，由此烘焙了重新形成的涂层。
然后，将形成有由此烘焙的涂层的支撑衬底设置在旋涂设备的工作台上，并以4000rpm的速度旋转工作台20分钟，同时将大约10微升的成分溶液滴定到下部电极的表面上，由此在下部电极的表面上形成了300纳米厚的涂层。
此后，重新形成涂层的支撑衬底被设定在其温度被设定为150℃的恒温槽中，并干燥涂层10分钟，由此蒸发在涂层中包含的溶剂。
然后，将重新形成涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以0.3升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以10°K/分钟的速率升高到400℃。此外，在环形炉中的温度保持在400℃下10分钟，并以10°K/分钟的速率降低，由此临时地烘焙了重新形成的涂层。
此外，将形成有如此临时地烘焙的涂层的支撑衬底置于环形炉中，氧气以5毫升/分钟的流速输送到该环形炉中，并且在环形炉中的温度以80°K/分钟的速率升高到840℃。此外，在环形炉中的温度保持在840℃下30分钟，并以80°K/分钟的速率降低，由此烘焙了重新形成的涂层以形成电介质层。由此烘焙的电介质层的厚度为300纳米。
以类似于工作实例1的方式测量在由此获得的电介质层中包含的铋层结构化合物的c轴取向度F(％)。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)为80％。
以类似于工作实例1的方式在电介质层的表面上形成上部电极，由此，制造了薄膜电容元件。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果，发现电容(静电电容温度系数)Δε的平均变化率为300ppm/K。
工作实例6
电介质层以与工作实例5类似的方式形成，但除了在烘焙形成于下部电极上的涂层时在环形炉中的温度升高到860℃并保持在860℃下30分钟之外，由此制造了薄膜电容元件。
在由此获得的电介质层中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)以类似于工作实例1的方式测量。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)是90％。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果，发现薄膜电容元件的电容Δε的平均变化率是110ppm/K。
工作实例7
电介质层以与工作实例5类似的方式形成，但除了在烘焙形成于下部电极上的涂层时在环形炉中的温度升高到880℃并保持在880℃下30分钟之外，由此制造了薄膜电容元件。
在由此获得的电介质层中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)以类似于工作实例1的方式测量。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)是94％。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果，发现薄膜电容元件的电容Δε的平均变化率是0ppm/K。
工作实例8
电介质层以与工作实例6类似的方式形成，但除了将组分溶液制备成使α被设定到1.2并且铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)等于1.3之外，由此制造了薄膜电容元件。
在由此获得的电介质层中包含的铋层结构化合物的c轴取向度F(％)以类似于工作实例1的方式测量。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)是95％。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果，发现薄膜电容元件的电容Δε的平均变化率是-30ppm/K。
工作实例9
电介质层以与工作实例8类似的方式形成，但除了在烘焙形成于下部电极上的涂层时在环形炉中的温度升高到880℃并保持在880℃下30分钟之外，由此制造了薄膜电容元件。
在由此获得的电介质层中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)以类似于工作实例1的方式测量。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)是97％。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)相对于温度的平均变化率。结果，发现薄膜电容元件的电容Δε的平均变化率是-90ppm/K。
工作实例10
电介质层以与工作实例7类似的方式形成，但除了将组分溶液制备成使α被设定到1.6并且铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)等于1.4之外，由此制造了薄膜电容元件。
在由此获得的电介质层中包含的铋层结构化合物的c轴取向度F(％)以类似于工作实例1的方式测量。结果，发现铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)是100％。
此外，以类似于工作实例1的方式测量由此制造的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率。结果，发现薄膜电容元件的电容Δε的平均变化率是-150ppm/K。
附图2所示为在工作实例1至10中制造的每个薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε相对于温度的平均变化率和在构成每个薄膜电容元件的电介质层中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F之间的关系的曲线图。
如附图2所示，发现，随着在构成的薄膜电容元件的电介质层中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)增加，形成有电介质层的薄膜电容元件的介电常数(静电电容温度系数)Δε的平均变化率从正值线性地降低到负值，该电介质层包含具有由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分但包含有超过由该化学计量比确定的量的铋的铋层结构的化合物。
因此，通过控制铋(Bi)相对于化学计量比的过量、涂敷条件、临时地烘焙条件和形成电介质层的烘焙条件以控制在电介质层中包含的铋层结构的化合物的c轴取向度F(％)，可以制造具有理想的静电电容温度系数的薄膜电容元件。因此发现，通过在其中并入形成有电介质层的薄膜电容元件，可以以理想的方式控制电子电路的温度依赖性，该电介质层包含具有由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分但包含有超过由该化学计量比确定的量的铋(Bi)的铋层结构的化合物，因此可以降低其中并入该电子电路的电子器件的温度依赖性。
参考具体的优选实施例已经说明并描述了本发明。然而，应该注意本发明并不限于所描述的具体细节，在不脱离附加的权利要求的范围的前提下可以进行改变或变化。
例如，在所述的优选实施例中，薄膜电容元件1的电介质层5由这样的电介质材料形成：该电介质材料包含以化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋以使以铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1并且小于1.5(Bi)的铋层结构的化合物。然而，以这样的电介质材料形成薄膜电容元件1的电介质层5并不是绝对必要的：该电介质材料包含以化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋以使以铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1并且小于1.5(Bi)的铋层结构的化合物。以如下的电介质材料形成薄膜电容元件1的电介质层5就足够：该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-或Bi2Am-1BmO3m+3表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.5m摩尔，这里符号m是正整数，符号A是从如下元素组中选择的至少一种元素：钠(Na)、钾(K)、铅(Pb)、钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)和铋(Bi)，符号B是从如下元素组中选择的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镓(Ga)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、锑(Sb)、钒(V)、钼(Mo)和钨(W)，在符号A和/或B包括两个或更多元素时，元素比率任意确定；薄膜电容元件1的电介质层5优选由包含铋(Bi)以使就铋(Bi)而论其过量等于或大于0.4m摩尔并且小于0.5m摩尔的铋层结构的化合物的电介质材料形成。此外，还可以以如下的电介质材料形成薄膜电容元件1的电介质层5：该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.2摩尔，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。此外，还可以以如下的电介质材料形成薄膜电容元件1的电介质层5：该电介质材料包含具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1但小于1.5的铋层结构的化合物，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。此外，还可以以如下的电介质材料形成薄膜电容元件1的电介质层5：该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.2摩尔。
此外，在上述的每个优选实施例以及工作实例1至10中，虽然在要形成电介质层5时使用旋涂处理形成涂层，但是使用旋涂处理形成涂层并不是绝对必要的，例如可以使用浸涂处理替代旋涂处理形成涂层。
此外，在上述的每个优选实施例以及工作实例1至10中，虽然薄膜电容元件1的支撑衬底2由单晶硅形成，但是以单晶硅形成薄膜电容元件1的支撑衬底2并不是绝对必要的，还可以使用由具有较小的晶格失配的单晶体比如SrTiO3单晶体、MgO单晶体、LaAlO3单晶体等、非晶材料比如玻璃、熔凝石英、SiO2/Si等以及另一材料比如ZrO2/Si、CeO2/Si等形成的支撑衬底2。
然而，在上述的每个优选实施例以及工作实例1至10中，虽然薄膜电容元件1的下部电极层4由铂形成，但是薄膜电容元件1的下部电极层4由铂形成并不是绝对必要的，薄膜电容元件1的下部电极层4还可以由如下的材料形成：导电氧化物比如SrMoO3、SrRuO3、CaRuO3、SrVO3、SrCrO3、SrCoO3、LaNiO3、Nb掺杂的SrTiO3，等、贵金属比如镥、金、铂、银等、这些金属的合金、导电玻璃比如ITO等、贱金属比如镍、铜等或者它们的合金等。在支撑衬底2由具有较小的晶格失配的材料形成的情况下，优选薄膜电容元件1的下部电极层4由导电氧化物比如CaRuO3、SrRuO3等或者贵金属比如铂、镥等形成。
此外，在上述的每个优选实施例以及工作实例1至10中，虽然薄膜电容元件1的下部电极层4使用溅射处理形成，但是使用溅射处理形成薄膜电容元件1的下部电极层4并不是绝对必要的，薄膜电容元件1的下部电极层4还可以使用如下其它薄膜形成处理中的任何处理形成：真空淀积处理、脉冲激光淀积处理(PLD)、金属有机化学汽相淀积处理(MOCVD)、化学溶液淀积处理(CSD处理)等。
此外，在上述的每个优选实施例以及工作实例1至10中，虽然薄膜电容元件1的电介质层5使用金属有机分解处理(MOD)形成，但是使用金属有机分解处理(MOD)形成薄膜电容元件1的电介质层5并不是绝对必要，还可以使用下列其它的薄膜形成处理中的任何处理方法形成薄膜电容元件1的电介质层5：比如真空淀积处理、溅射处理、脉冲激光淀积处理(PLD)、金属有机化学汽相淀积处理(MOCVD)、另一化学溶液淀积处理(CSD处理)比如溶胶凝胶处理等。在这些处理方法中，优选金属有机分解处理或化学溶液淀积处理比如溶胶凝胶处理等用于形成薄膜电容元件1的电介质层5。
此外，在上述的每个优选实施例以及工作实例1至10中，虽然在要形成电介质层5时使用旋涂处理将成分溶液施加到下部电极层4上，但是使用旋涂处理将成分溶液施加到下部电极层4上并不是绝对必要的，还可以使用其它的涂敷处理比如浸涂处理、喷涂处理等中的任何处理将成分溶液施加到下部电极层4上。
然而，在上述的每个优选实施例以及工作实例1至10中，虽然薄膜电容元件1的上部电极层6由铂形成，但是薄膜电容元件1的上部电极层6由铂形成并不是绝对必要的，薄膜电容元件1的上部电极层6还可以由如下的材料形成：导电氧化物比如NdO、NbO、ReO2、RhO2、OsO2、IrO2、RuO2、ReO3、SrMoO3、SrRuO3、CaRuO3、SrVO3、SrCrO3、SrCoO3、LaNiO3、Nb掺杂的SrTiO3，等、贵金属比如镥、金、铂、银等、这些金属的合金、导电玻璃比如ITO等、贱金属比如镍、铜等或者它们的合金等。
此外，在上述的每个优选实施例以及工作实例1至10中，虽然薄膜电容元件1的上部电极层6使用溅射处理形成，但是使用溅射处理形成薄膜电容元件1的上部电极层6并不是绝对必要的，薄膜电容元件1的上部电极层6还可以使用其它薄膜形成处理中的任何处理形成：真空淀积处理、脉冲激光淀积处理(PLD)、金属有机化学汽相淀积处理(MOCVD)、化学溶液淀积处理(CSD处理)等。
根据本发明，可以提供一种薄膜电容元件以及包括该薄膜电容元件的电子电路和电子器件，该薄膜电容元件可以被形成得较薄、容易制造并且具有良好的温度补偿特性。

Claims (25)

1.一种薄膜电容元件，包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-或Bi2Am-1BmO3m+3表示的组分，但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使得就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.5m摩尔，这里符号m是正整数，符号A是从如下元素组中选择的至少一种元素：钠(Na)、钾(K)、铅(Pb)、钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)和铋(Bi)，符号B是从如下元素组中选择的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镓(Ga)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、锑(Sb)、钒(V)、钼(Mo)和钨(W)，在符号A和/或B包括两个或更多元素时，元素比率任意确定。
2.根据权利要求1的薄膜电容元件，其中电介质层所包含的铋层结构的化合物包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量等于或大于0.4m摩尔并且小于0.5m摩尔。
3.根据权利要求1的薄膜电容元件，其中铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
4.根据权利要求2的薄膜电容元件，其中利用化学溶液淀积处理形成该电介质层。
5.一种薄膜电容元件，包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于2.0摩尔，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
6.根据权利要求5的薄膜电容元件，其中电介质层包含具有由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的组分的铋层结构的化合物。
7.根据权利要求5的薄膜电容元件，其中铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
8.根据权利要求5的薄膜电容元件，其中利用化学溶液淀积处理形成该电介质层。
9.一种薄膜电容元件，包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分，但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使得铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1但小于1.5，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
10.根据权利要求9的薄膜电容元件，其中电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
11.根据权利要求9的薄膜电容元件，其中铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
12.根据权利要求9的薄膜电容元件，其中利用化学溶液淀积处理形成该电介质层。
13.一种包括薄膜电容元件的电子电路，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-或Bi2Am-1BmO3m+3表示的组分，但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使得就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.5m摩尔，这里符号m是正整数，符号A是从如下元素组中选择的至少一种元素：钠(Na)、钾(K)、铅(Pb)、钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)和铋(Bi)，符号B是从如下元素组中选择的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镓(Ga)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、锑(Sb)、钒(V)、钼(Mo)和钨(W)，在符号A和/或B包括两个或更多元素时，元素比率任意确定。
14.一种包括薄膜电容元件的电子器件，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-或Bi2Am-1BmO3m+3表示的组分，但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使得就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于0.5m摩尔，这里符号m是正整数，符号A是从如下元素组中选择的至少一种元素：钠(Na)、钾(K)、铅(Pb)、钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)和铋(Bi)，符号B是从如下元素组中选择的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、镓(Ga)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、锑(Sb)、钒(V)、钼(Mo)和钨(W)，在符号A和/或B包括两个或更多元素时，元素比率任意确定。
15.根据权利要求14所述的电子器件，其中电介质层包含的铋层结构的化合物具有超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使得就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量等于或大于0.4m摩尔并且小于0.5m摩尔。
16.根据权利要求14所述的电子器件，其中铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
17.根据权利要求14的电子器件，其中利用化学溶液淀积处理在第一电极层上形成该电介质层。
18.一种包括薄膜电容元件的电子器件，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分，但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使得就铋(Bi)而论，铋(Bi)的过量大于0但小于2.0摩尔，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
19.根据权利要求18所述的电子器件，其中电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
20.根据权利要求18所述的电子器件，其中铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
21.根据权利要求18的电子器件，其中利用化学溶液淀积处理在第一电极层上形成该电介质层。
22.一种包括薄膜电容元件的电子器件，该薄膜电容元件包括在第一电极层和第二电极层之间的由电介质材料形成的电介质层，该电介质材料包含如下的铋层结构的化合物，该铋层结构的化合物具有由化学计量的组分化学式：xSbBi4Ti4O15-(1-x)MBi4Ti4O15表示的组分但包含超过由化学计量比确定的量的铋(Bi)以使得铋(Bi)与钛(Ti)的摩尔比率(Bi/Ti)大于1但小于1.5，这里符号M是从钙、钡和铅中选择的至少一种元素，符号x等于或大于0并且等于或小于1。
23.根据权利要求22的电子器件，其中电介质层包含由化学计量组分化学式：SrBi4Ti4O15表示的铋层结构的化合物。
24.根据权利要求22的电子器件，其中铋层结构的化合物包含从如下的元素组中选择的至少一种稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
25.根据权利要求22的电子器件，其中利用化学溶液淀积处理在第一电极层上形成该电介质层。
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