DE1514003B2 - Elektrischer kondensator - Google Patents
Elektrischer kondensatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator,
bei dem zwischen Belagfilmen eine Schicht dielektrischen Materials angeordnet ist, das aus einer
gesinterten Mischung von Halbleiteroxyden des N- und P-Typs besteht.
Kondensatoren der genannten Art finden beispielsweise bei mikroelektronischen Schaltungsbausteinen
von Digitalrechnern Anwendung. Bei diesen im Hochfrequenzbereich arbeitenden Bausteinen werden zur
Erzielung einer niedrigen Impedanz Vorspannungen durch Verbinden der Stromversorgung über den Baustein
mit Masse oder einer anderen Stromquelle erzeugt. In den so geschalteten Stromversorgungskreisen
können jedoch störende Rauschsignale auftreten, die durch das schnelle Schalten der Elemente des Bausteins
verursacht werden. Diese Störungen werden beseitigt, und gleichzeitig wird eine Anpassung der verschiedenen
Impedanzen benachbarter Bausteine erreicht, wenn im Stromversorgungskreis parallel zu dem jeweiligen
Baustein ein Kondensator angeordnet wird. Dem steht, insbesondere im Hinblick auf das Bestreben, die
mikroelektronischen Bauelemente immer kleiner zu machen, die Schwierigkeit entgegen, daß wegen der erforderlichen,
großen Kapazität nur Kondensatoren mit sehr großer Dielektrizitätskonstante räumlich auf dem
Baustein untergebracht werden können. Diese Forderung wird erfüllt durch Kondensatoren, bei denen das
Dielektrikum aus einem gesinterten keramischen Material, insbesondere aus einer gesinterten
Mischung von Halbleiteroxyden des N- und P-Typs besteht.
Ein bekannter Kondensator dieser Art enthält als Dielektrikum eine gesinterte, reduzierte Mischung von
in Gewichtsteilen 83% Bariumtitanat bis zu 12% Wismutoxyd und Kalziumzirkonat, wobei das Bariumtitanat
ein N-Leiter und das Wismutoxyd ein P-Leiter ist (französische Patentschrift 1 307 848). Bei
einem anderen bekannten Kondensator dieser Art besteht das Dielektrikum aus einer im wesentlichen Zirkontitanat
enthaltenden Masse, die aus einer gesinterten Mischung von 1 bis 40 Molprozent Zinkoxyd,
mehr als 10 Molprozent Zirkonoxyd und bis zu 55 Molprozent Titanoxyd gebildet ist (deutsche Patentschrift
977 559). Zinkoxyd wird auch bei der Halbleiterschicht einer in ähnlicher Weise aufgebauten Trockengleichrichters
verwendet. Bei diesem Trockengleichrichter steht ein zu einem festen Körper verarbeitetes Metalloxyd,
z. B. Zinkoxyd, in Kontakt mit einem metallisch leitenden Oxyd als Gegenelektrode (deutsche
Patentschrift 868 198).
Die Erzielung einer großen Kapazität mit Hilfe einer hohen Dielektrizitätskonstante stellt jedoch nicht
das einzige Problem bei der Anordnung des Kondensators auf dem mikroelektronischen Baustein dar.
Der Kondensator bildet nämlich zusammen mit der Bausteinleitungsinduktanz und der Stromversorgungsimpedanz einen Schwingkreis, der durch einen Schaltimpuls
angeregt werden kann. Das hat zur Folge, daß Fehlleistungen der Schaltung auftreten. Diese Störung
kann an sich vermieden werden durch Einfügen eines parallelen oder seriellen Dämpfungswiderstandes in
die Kondensatorschleife. Dafür muß jedoch eine Erhöhung der Verlustleistung oder der Zeitkonstante in
Kauf genommen werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die genannten Kondensatoren mit gesintertem
Dielektrikum eine eigenartige Frequenzabhängigkeit der Kapazität und der Leitfähigkeit zeigen, so daß es
möglich sein sollte, die störenden Eigenschwingungen auch ohne Hinzunahme eines Dämpfungswiderstandes
zu verhindern.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen für die Verwendung in mikroelektronischen Schaltungen geeigneten
Kondensator anzugeben, der eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen hohen Gleichstromwiderstand,
aber eine niedrige Gesamtimpedanz bei hohen Frequenzen aufweist. Dieser Kondensator
sollte eine Kapazität in der Größenordnung von
ίο 155 pF/mm2, eine Gleichstromleitfähigkeit in der
Größenordnung von 0,00016 S/mm2 und eine Gesamtimpedanz von etwa 0,016 Ohm/mm2 bei 10 MHz
aufweisen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Dielektrikum mindestens 94% Gewichtsanteile
Zinkoxyd und nicht mehr als 6% Gewichtsanteile eines P-leitenden Halbleitermaterials aufweist.
Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Kondensators besteht darin, daß das den P-leitenden
Bestandteil des Dielektrikums bildende Halbeitermaterial aus Wismuttrioxyd oder Bleioxyd oder Kupferoxyd
oder Kupferoxydul besteht. Dabei werden die vorteilhaftesten Werte erhalten, wenn das Dielektrikum
aus 95 bis 97% Gewichtsanteilen Zinkoxyd und 3 bis 5 % Gewichtsanteilen Wismuttrioxyd besteht.
Ein besonderer Vorteil wird bei dem erfindungsgemäßen Kondensator dadurch erreicht, daß die Kondensatorbeläge
ebenfalls einen Zusatz von P-leitendem Halbleitermaterial enthalten, der weniger als 10%
Gewichtsanteile beträgt. Die vorteilhaftesten Werte ergeben sich hierbei, wenn die Kondensatorbeläge
einen Zusatz von 7 % Gewichtsanteile Wismuttrioxyd enthalten.
Die Erfindung wird an Hand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigt
F i g. 1 in schematischer Darstellung die Anordnung des Kondensators im Versorgungsstromkreis
eines mikroelektronischen Bausteins,
F i g. 2 den Kondensator im Querschnitt,
F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des durch Hinzufügen von Wismuttrioxyd zum dielektrischen Material erzielten Effekts,
F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des durch Hinzufügen von Wismuttrioxyd zum dielektrischen Material erzielten Effekts,
F i g. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Frequenzabhängigkeit der Kapazität des Kondensators und
F i g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Frequenzabhängigkeit der Leitfähigkeit des Kondensators.
In F i g. 1 ist mit 10 ein mikroelektronischer Baustein bezeichnet, in welchem der Kondensator 11 parallel zu der Schaltung 12 angeordnet ist. Rauschspannungen der Stromversorgung 13 werden dadurch von der Schaltung ferngehalten. Der Kondensator 11 besitzt eine hohe Kapazität und einen niedrigen spezifischen Wechselstromwiderstand.
In F i g. 1 ist mit 10 ein mikroelektronischer Baustein bezeichnet, in welchem der Kondensator 11 parallel zu der Schaltung 12 angeordnet ist. Rauschspannungen der Stromversorgung 13 werden dadurch von der Schaltung ferngehalten. Der Kondensator 11 besitzt eine hohe Kapazität und einen niedrigen spezifischen Wechselstromwiderstand.
Der Aufbau des als Dünnschichtelement ausgebildeten Kondensators 11 ist in F i g. 2 dargestellt. Auf dem
Baustein 10 ist der aus einer Gold-Platin-Verbindung
bestehende Belag 21, darüber das dielektrische Material 22 und darüber der Belag 23 aufgebracht. Die
räumlichen Abmessungen des Bausteins liegen in der Größenordnung von 0,5 mm pro Seite, und die Dicke
des Dielektrikums beträgt etwa 12 bis 17 μ.
Zur Herstellung des Kondensators werden die einzelnen Materialien unter Beimengung von Wasser gemahlen
und dann, entsprechend den geforderten Gewichtsverhältnissen, gemischt. Durch Zusatz eines
organischen Bindemittels wird eine Paste hergestellt,
die im Siebdruckverfahren auf die Belagschicht 2 aufgebracht wird. Die Beläge sind in entsprechender
Weise hergestellt. Die aufgebrachten Schichten werden jeweils bei einer Temperatur von etwa 1500C getrocknet.
Die beschichtete Struktur wird sodann in einem Brennofen gebrannt und danach abgeschreckt.
Von den für die Bildung der dielektrischen Schicht 22 in Betracht gezogenen, verschiedenen Oxydmaterialien
vom N- und P-Typ zeigt eine Kombination aus Zinkoxyd und Wismuttrioxyd die höchste Dielektrisehe
Konstante und den höchsten spezifischen Widerstand. Zinkoxyd und Wismuttrioxyd in polykristalliner
Form haben an sich relativ niedrige Dielektrizitätskonstanten von etwa 40 bis 60 bzw. von etwa 20
bis 30. Werden diese beiden Materialien jedoch in einer gesinterten Mischung kombiniert, so erhöht sich
die Dielektrizitätskonstante auf ungefähr 1000, wenn der Gewichtsanteil von Wismuttrioxyd zwischen 0 und
6°/0 liegt. Eine optimale Dielektrizitätskonstante wird
bei ungefähr 3 bis 5°/0 Gewichtsanteilen Wismuttrioxyd erreicht.
Wenn Wismuttrioxyd auch dem Belagmaterial hinzugefügt wird, ergibt sich eine Dielektrizitätskonstante
von 1000 bis zu mehr als 2000. Das jeweilige Belagmaterial, dem das Oxyd hinzugefügt wird, ist nicht
kritisch. Es kann aus Platin bestehen. Bevorzugt wird eine Kombination aus Gold und Platin im Verhältnis
von 80 zu 20.
In F i g. 3 ist der durch das Hinzufügen von Wismuttrioxyd
zu Zinkoxyd erzielte Effekt durch den Verlauf der Dielektrizitätskonstante ε, in Abhängigkeit von
den hinzugefügten Wismuttrioxyd-Prozentsätzen graphisch dargestellt. Die Kurve A zeigt Messungen der
Dielektrizitätskonstanten eines Kondensators, dessen Beläge aus einer platinhaltigen Paste, die 2 % Glas
enthält, hergestellt sind. Die Kurve B zeigt Messungen der Dielektrizitätskonstanten eines Kondensators mit
Belägen, die außer Gold und Platin ungefähr 7°/o Gewichtsanteile Wismuttrioxyd aufweisen. Die Werte
der Dielektrizitätskonstanten der Kurven A und B sind in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt, die
auch den spezifischen Widerstand des Dielektrikums für verschiedene Prozentsätze von Wismuttrioxyd enthält.
wieder ab, bei einem Gehalt von 6% Wismuttrioxyd liegt sie bereits beträchtlich unter dem Optimum.
Ein ähnlicher Effekt wird durch Hinzufügen von Bleioxyd zu Zinkoxyd erreicht, wobei der optimale
Wert wieder bei ungefähr 3 bis 4% des P-Halbleitermaterials
liegt. Auch durch Hinzufügen von Kupferoxyd und Kupferoxydul zu Zinkoxyd ist ein ähnlicher
Effekt beobachtbar, jedoch ist die Zunahme der Dielektrizitätskonstanten nicht so groß wie bei Wismuttrioxyd
und Bleioxyd.
Wenn ein P-Halbleitermaterial dem Belagmaterial
hinzugefügt wird, erhöht sich die Dielektrizitätskonstante. Dies zeigt die folgende Tabelle II für Belagmaterialien,
die 7% und 10% Wismuttrioxyd enthalten und für Dielektriken aus reinem Zinkoxyd,
Zinkoxyd plus 3 % Wismuttrioxyd und Zinkoxyd plus 3 % Bleioxyd.
0/ /0 Bi2O3 |
Dielektrisches Material | Dielektrizitätskonstante |
7 7 7 10 10 10 |
ZnO ZnO + 3 % Bi2O3 ZnO+ 3% PbO ZnO ZnO + 3 0/oBi203 ZnO+ 3% PbO |
1100 2550 1320 1700 1950 1350 |
% | Elektroden | Dielektrizitäts | Spezifischer Wider |
Bi2O3 | Bindemittel | konstante | stand (Ω cm) |
0 | Bleiglas | 80 | 1,6 · 105 |
2 | Bleiglas | 785 | 4,7 · 103 |
3 | Bleiglas | 1100 | 2,1 · 103 |
4 | Bleiglas | 1160 | 8,2 · 103 |
5 | Bleiglas | 1160 | 1,6 · 10" |
6 | Bleiglas | 795 | 2,8 · 10" |
0 | 7% Bi2O3 | 1100 | 3,1 · 10" |
2 | 70A)Bi2O3 | 1620 | 9,1 · 10" |
3 | 7% Bi2O3 | 2550 | 2,2 ■ 10" |
4 | 7% Bi2O3 | 1960 | 1,2 · 106 |
5 | 70A)Bi2O3 | 1100 | 6,0 · 10^ |
55
60
Aus der Tabelle und dem Diagramm der F i g. 3 ist zu entnehmen, daß die Dielektrizitätskonstante mit
dem Hinzufügen von Wismuttrioxyd zu Zinkoxyd zunimmt und bei ungefähr 3 bis 4°/0 Wismuttrioxyd einen
optimalen Wert erreicht. Bei größeren Werten von Wismuttrioxyd nimmt die Dielektrizitätskonstante
Aus der Tabelle II geht hervor, daß durch die Vergrößerung des Anteils des dem Belagmaterial hinzugefügten
Halbleiteroxyds in manchen Fällen eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten zur Folge hat,
sogar wenn der Betrag des zum Belag hinzugefügten Oxydmaterials 10°/0 oder größer ist. Dies trifft besonders
in den Fällen zu, in denen das dielektrische Material aus reinem, polykristallinem Zinkoxyd besteht.
Enthält jedoch das dielektrische Material 3°/„ Wismuttrioxyd, dann nimmt, wenn der Wert des zum
Belag hinzugefügten Wismuttrioxyds größer als 7°/0 ist, die Dielektrizitätskonstante ab. Diese Erscheinung
ist ähnlich der zusätzlichen Vergrößerung des Wismuttrioxydanteils des dielektrischen Materials, die eine
Abnahme der Dielektrizitätskonstanten zur Folge hat.
Es hat sich weiter gezeigt, daß eine Zunahme des dem Belag hinzugefügten Halbleitermaterials die
Herstellung von Lötverbindungen erschwert. Wenn beispielsweise das Belagmaterial 5% Wismuttrioxyd
enthält, gehen weniger als 10% der hergestellten Kondensatoren eine Lötverbindung nur schwer ein.
Wenn 10% Wismuttrioxyd dem Belagmaterial hinzugefügt sind, bilden mindestens 20% überhaupt
keine Lötverbindung. Zur Verringerung der Ausschußrate ist daher festgelegt, daß nicht mehr als 10%
Halbleitermaterial zum Belagmaterial hinzugefügt werden darf.
Die obengenannten Ergebnisse sind von dem beim Herstellen des dielektrischen Materials verwendeten
Brennzyklus abhängig. Die genannten Ergebnisse basieren auf einem Brennzyklus von 1 Stunde bei
10000C, dem eine schnelle Abkühlung auf Raumtemperatur folgt. Im allgemeinen nimmt die Dielektrizitätskonstante
zu mit der Zunahme der Brenntemperatur und Brennzeit, während der spezifische Widerstand abnimmt. Bei einem Wechsel der Brenntemperatur
von 900 auf 10000C und der Brennzeit von 15 auf 60 Minuten kann die Dielektrizitätskonstante
um den Faktor 10 zunehmen, wohingegen der
spezifische Widerstand um den Faktor 4 oder 5 abnimmt.
Außer der Gleichstromwiderstandscharakteristik des Materials erfordert die Anwendung in mikroelektronischen
Schaltkreisen einen niedrigen spezifischen Hochfrequenzwiderstand. Es hat sich herausgestellt,
daß in einem Bereich von 500 Hz bis 50 MHz die Kapazität um ungefähr 20% pro Dekade abnimmt
und die Leitfähigkeit um ungefähr 400 % pro Dekade zunimmt. Die verwendeten Materialien sind somit
sehr geeignet für mikroelektronische Schaltkreise, in denen bei den auftretenden Signalfrequenzen eine
niedrige Impedanz der Stromversorgungsleitung des mikroelektronischen Bausteins erwünscht ist.
Um die Frequenzabhängigkeit sowohl der Kapazität als auch der Leitfähigkeit zu zeigen, wird auf die
F i g. 4 und 5 Bezug genommen. Das Kapazitäts-Frequenzdiagramm der F i g. 4 enthält Kurven für
unterschiedliche Brenntemperaturen und Brennzeiten des dielektrischen Materials, und in F i g. 5 sind die
Kurven für unterschiedliche Brennzeiten und Tempsraturen in einem Leitfähigkeits-Frequenz-Diagramm
dargestellt. In beiden Fällen besteht das dielektrische Material aus einer Mischung von Zinkoxyd mit 3 %
Wismuttrioxyd, die beiden Brenntemperaturen betragen 900 und 10000C und die Brennzeiten 15, 30
und 60 Minuten.
Aus diesen Kurven geht hervor, daß sowohl die Kapazität als auch die Leitfähigkeit mit der Erhöhung
der Brenntemperatur und der Verlängerung der Brennzeit zunimmt. Außerdem ist feststellbar, daß die Leitfähigkeit
mit der Frequenz zunimmt, und daß die Kapazität bei Zunahme der Frequenz abnimmt,
obwohl diese Abnahme nicht so plötzlich erfolgt, wie die Abnahme des spezifischen Widerstandes.
Kondensatoren der beschriebenen Art sind ausreichend klein für die Verwendung in mikroelektronischen
Schaltkreisen. Sie besitzen trotzdem noch eine Kapazität von etwa 775 pF/mm2. Beim Ansteigen
der Signalfrequenzen von 1 kHz bis zu 10 MHz nimmt die Kapazität dieser Materialien um 50%
ab, der Nebenschlußwiderstand dagegen in der Größenordnung von 1000 Ohm auf 1 oder 2 Ohm. Wenn ein
derartiger Kondensator bei einer Frequenz von 10 MHz arbeitet, beträgt die Gesamtimpedanz der Schaltung
etwa 1 Ohm mit einem Dämpfungsfaktor in der Größenordnung von 95 %.
Claims (5)
1. Elektrischer Kondensator, bei dem zwischen Belagfilmen eine Schicht dielektrischen Materials
angeordnet ist, das aus einer gesinterten Mischung von Halbleiteroxyden des N- und P-Typs besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum mindestens 94% Gewichtsanteile Zinkoxyd
und nicht mehr als 6% Gewichtsanteile eines P-leitenden Halbleitermaterials aufweist.
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den P-leitenden Bestandteil
des Dielektrikums bildende Halbleitermaterial aus Wismuttrioxyd oder Bleioxyd oder Kupferoxyd
oder Kupferoxydul besteht.
3. Kondensator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum
aus 95 bis 97% Gewichtsanteilen Zinkoxyd und 3 bis 5 % Gewichtsanteilen Wismuttrioxyd besteht.
4. Kondensator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorbeläge
ebenfalls einen Zusatz von P-leitendem Halbleitermaterial enthalten, der weniger als 10%
Gewichtsanteile beträgt.
5. Kondensator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorbeläge
einen Zusatz von 7% Gewichtsanteilen Wismuttrioxyd enthalten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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