DE69327815T2 - Donatoren-dotierte Perovskite für Dünnfilm-Dielektrika - Google Patents

Donatoren-dotierte Perovskite für Dünnfilm-Dielektrika

Info

Publication number
DE69327815T2
DE69327815T2 DE69327815T DE69327815T DE69327815T2 DE 69327815 T2 DE69327815 T2 DE 69327815T2 DE 69327815 T DE69327815 T DE 69327815T DE 69327815 T DE69327815 T DE 69327815T DE 69327815 T2 DE69327815 T2 DE 69327815T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
grain size
dielectric constant
materials
donor
perovskite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE69327815T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69327815D1 (de
Inventor
Howard R. Bertatan
Bernard M. Kulwicki
Scott R. Summerfelt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Texas Instruments Inc filed Critical Texas Instruments Inc
Application granted granted Critical
Publication of DE69327815D1 publication Critical patent/DE69327815D1/de
Publication of DE69327815T2 publication Critical patent/DE69327815T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002—Details
    • H01G4/018—Dielectrics
    • H01G4/06—Solid dielectrics
    • H01G4/08—Inorganic dielectrics
    • H01G4/12—Ceramic dielectrics
    • H01G4/1209—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material
    • H01G4/1218—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on titanium oxides or titanates
    • H01G4/1227—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on titanium oxides or titanates based on alkaline earth titanates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02172—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides
    • H01L21/02197—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides or metal carbides the material having a perovskite structure, e.g. BaTiO3
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
    • H01L21/02282—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process liquid deposition, e.g. spin-coating, sol-gel techniques, spray coating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Ceramic Capacitors (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden eines Dünnschichtdielektrikums insbesondere zur Herstellung von Kondensatoren in dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff und eine integrierte Schaltungsvorrichtung, die ein durch dieses Verfahren gebildetes Dünnschichtdielektrikum enthält.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Ohne den Umfang der Erfindung zu begrenzen, wird ihr Hintergrund als Beispiel in Verbindung mit aktuellen Verfahren zum Bilden von Dünnschichtkondensatoren beschrieben.
  • Bisher wurde auf diesem Gebiet in DRAMs SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; als dielektrisches Material für Dünnschichtkondensatoren verwendet. Nimmt die Dichte an integrierten Schaltungen (die Anzahl von Vorrichtungen pro Quadratzentimeter) zu, dann müssen die Kondensatoren, die die elektrische Ladung in jeder DRAM- Speichervorrichtung speichern, kleiner werden und dabei in etwa die gleiche Kapazität aufrechterhalten. Unter Bezug auf die folgende Gleichung sind C die Kapazität eines Planarkondensators, ε die Dielektrizitätskonstante, ε&sub0; die Dielektrizitätskonstante des freien Raums, A die Fläche und d die Dicke des Dielektrikums.
  • C = εε&sub0;A/d
  • Man sieht, daß die Kapazität direkt proportional zu der Dielektrizitätskonstante und umgekehrt proportional zu der Dicke ist. Deshalb muß ε erhöht und/oder die Dicke des Dielektrikums vermindert werden, um kleinere Kondensatoren herzustellen und dabei die gleiche Kapazität aufrechtzuerhalten.
  • Ein Verfahren, um eine Verminderung der Kondensatorfläche zu ermöglichen, liegt in der Verwendung von Materialien mit einer viel höheren Dielektrizitätskonstante als SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;. Die Dielektrizitätskonstante für diese beiden Materialien beträgt weniger als zehn. Eine wichtige Klasse von Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante besteht aus Perowskiten (z. B. BaTiO&sub3; und SrTiO&sub3;). Die Dielektrizitätskonstanten dieser Materialien können bis zu 10000 betragen, wenn sie als Sondermassen hergestellt werden. Zur Herstellung von Miniaturkondensatoren müssen diese Materialien nützlicherweise auf eine Weise aus Dünnschichten gebildet sein, die ihre hohen Dielektrizitätskonstanten relativ zu derjenigen von SiO&sub2; erhält.
  • Die EP-A-0 431 671 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikkörpers aus einem dielektrischen Material auf der Basis von Bariumtitanat. Der Keramikkörper wird aus Pulvermaterialien durch Heißpressen hergestellt. Dieses Dokument berichtet, daß sich aus der Beigabe von Donator- und Akzeptormaterial eine Verminderung der Dielektrizitätskonstante ergibt, wobei die Verminderung um so stärker ist, je mehr Materialien beigegeben werden. Es berichtet auch, daß die Dielektrizitätskonstante von BaTiO&sub3; bei einer Korngröße zwischen 0,7 und 1 um maximal ist und mit zunehmender Korngröße rasch abnimmt.
  • Das zwischengeschaltete Dokument EP 0 503 565 A2 zeigt, daß kleine Mengen (z. B. 0,02 - 0,1 Gew.-%) von Verbindungen des Typs CuO oder BaTiO&sub3; (z. B. BaTiO&sub3; + SrTiO&sub3; + BaZrO&sub3; + PbTiO&sub3; + LaTiO&sub3; + CeO&sub2;) beigegeben werden, um bei Verwendung für Kondensatordielektrika den Verlustfaktor zu senken.
  • Die DE-A-39 15339 beschreibt ein Dielektrikum, das aus einem Gemisch aus BaTiO&sub3;, Ba0,7Sr0,3TiO&sub3;, Ta&sub2;O&sub5; und CoO hergestellt ist.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft nach der Definition der beigefügten Ansprüche ein Verfahren zum Erhöhen der Dielektrizitätskonstante von Perowskitmaterialien. Perowskitmaterialien sind (1) jedes Material, das die wohlbekannte Perowskitkristallstruktur aufweist, die typischerweise CaTiO&sub3; heißt; und (2) Verbindungen mit Strukturen, die über geringe Gitterverformungen oder das Auslassen von Atomen von der idealen kubischen Perowskitstruktur abgeleitet werden können. Viele Perowskite haben die chemische Formel ABO&sub3;, worin A ein oder mehrere einwertige, zweiwertige oder dreiwertige Elemente und B ein oder mehrere fünfwertige, vierwertige oder zweiwertige Elemente ist.
  • Man hat entdeckt, daß aktuelle Verfahren zum Bilden von Dünnschichten aus Perowskitmaterialien allgemein nicht die günstigen Eigenschaften behalten, die diese Materialien in Form von Sondermassen aufweisen. Insbesondere kommen die Dielektrizitätskonstanten aktueller Dünnschichten aus diesen Materialien nicht denjenigen von Perowskitmaterialien gleich, die als Sondermassen hergestellt werden. Falls diese Materialien ferner bei den Dünnschichtkondensatoren verwendet werden sollen, aus denen Speichervorrichtungen bestehen, müssen sie auch bei starken elektrischen Feldern kleine Leckströme aufweisen und niedrige Verlustfaktoren haben. Die elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften müssen über den Betriebstemperaturbereich ziemlich gleichmäßig sein.
  • Es ist schwierig, die hohen Dielektrizitätskonstanten zu bewahren, die Sondermassenformen von Perowskitmaterialien in Dünnschichtform aufweisen. Man hat herausgefunden, daß die Dielektrizitätskonstante dieser Materialien allgemein mit abnehmender Korngröße abnimmt. Die Korngröße liegt bei Sondermassen allgemein bei 1 bis 20 Mikrometern (um), während die Korngröße in einer Dünnschicht gewöhnlich gleich der Schichtdicke, also allgemein 0,02 bis 0,20 um ist. Beispielsweise liegt der Bereich von Dielektrizitätskonstanten, der bei Sondermassenbariumtitanat (BaTiO&sub3;, im folgenden als BT bezeichnet) oder Bariumstrontiumtitanat ((Ba,Sr)TiO&sub3;, im folgenden als BST bezeichnet) beobachtet wird, allgemein zwischen 1000 und 20000, während der Bereich von Dielektrizitätskonstanten, der bei Dünnschichten aus diesen Materialien beobachet wird, nur zwischen 100 und 600 liegt.
  • Zur Verwendung bei Dünnschichtkondensatoren wurden auch andere Materialien ins Auge gefaßt. Die Dielektrizitätskonstanten einiger Materialien wie (Pb,La)(Zr,Ti)O&sub3; und Pb(Mg,Nb)O&sub3; nehmen mit abnehmender Korngröße nicht so rasch ab. Allerdings enthalten diese Materialien PbO, das mit vielen Materialien sehr reaktiv ist, leicht chemisch reduziert wird, einen hohen Dampfdruck hat und leicht Siliciumvorrichtungen vergiftet. Aus diesen Gründen sind solche Materialien vermutlich ungeeignete Kandidaten zur Verwendung bei der Herstellung integrierter Schaltungen.
  • Auf diesem Gebiet wurden in der Forschung starke Anstrengungen unternommen, die hohe Dielektrizitätskonstante von Perowskiten wie BT und BST in Dünnschichtform zu bewahren. Bekanntlich dient die Abscheidung von Dünnschichten auf eine Weise, mit der die Korngröße maximiert wird, zur Maximierung der Dielektrizitätskonstante. Dies läßt sich durchführen, indem die Temperatur des Substrats, auf das die Perowskitschicht abgeschieden wird, hoch gehalten wird, da höhere Abscheidungstemperaturen gewöhnlich höhere Korngrößen in der abgeschiedenen Schicht erzeugen. Allerdings können höhere Substrattemperaturen bestehende Vorrichtungen und Strukturen beschädigen, die bereits auf dem Substrat ausgebildet sind. Die Temperaturen sollten allgemein so niedrig wie möglich gehalten werden. Aktuelle Verfahren zur Abscheidung von Dünnschicht-Perowskitmaterialien mit hohen Dielektrizitätskonstanten sind also durch die Schichtdicke und mögliche Beschädigungen eingeschränkt, die dadurch bewirkt werden, daß das Substrat auf hohe Temperaturen gebracht wird.
  • Allgemein wird die Dielektrizitätskonstante von Dünnschicht- Perowskitmaterialien durch Dotierung verbessert. Die beschriebene Erfindung ist ein Verfahren, das durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert ist. Ein verbessertes dielektrisches Material wird gebildet, indem ein Eigenleitungs-Perowskitmaterial mit einer kritischen Eigenleitungskorngröße mit einem oder mehreren Donatordotanden dotiert wird, dann eine Schicht aus dem donatordotierten Perowskitmaterial mit einer durchschnittlichen Korngröße gebildet wird, die kleiner als die kritische Eigenleitungskorngröße ist, wodurch die Dielektrizitätskonstante wesentlich höher als die Dielektrizitätskonstante des Eigenleitungs-Perowskitmaterials mit einer durchschnittlichen Korngröße ähnlich der durchschnittlichen Korngröße der Schicht ist. Die kritische Korngröße bedeutet bei der vorliegenden Verwendung die höchste Korngröße, so daß die Dielektrizitätskonstante mit abnehmenden Korngrößen rasch abzunehmen beginnt. Das donatordotierte Perowskitmaterial ist ferner mit einem oder mehreren Akzeptordotanden dotiert, um ein donatorakzeptor-dotiertes Perowskitmaterial zu bilden, wodurch der spezifische Widerstand wesentlich erhöht wird und/oder der Verlustfaktor wesentlich vermindert wird. Das Eigenleitungs- Perowskitmaterial hat eine chemische Zusammensetzung ABO&sub3;, worin A ein oder mehrere einwertige, zweiwertige oder dreiwertige Elemente bedeutet und B ein oder mehrere fünfwertige, vierwertige, dreiwertige oder zweiwertige Elemente bedeutet.
  • Die Strukturen, die dieses verbesserte dielektrische Material enthalten, können eine Schicht aus donatordotiertem Perowskitmaterial mit einer durchschnittlichen Korngröße umfassen, die kleiner als die auf der Oberfläche des Substrats gebildete kritische Eigenleitungskorngröße ist. Andere Strukturen umfassen eine solche Schicht aus donatordotiertem Material, die zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten angeordnet ist.
  • Für die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Materialien finden sich viele Anwendungen. Die präsentierten Materialien können bei vielen Strukturen zur Anwendung kommen, die in Halbleiterschaltungen verwendet werden, wie bei Kondensatoren, MOS-Transistoren, Pixeln für elektromagnetische Strahlungserfassungsanordnungen und elektrooptischen Anwendungen. Vorrichtungen, die die piezoelektrischen Eigenschaften vieler dieser Materialien ausnutzen, profitieren von dieser Erfindung.
  • Die Vorteile dieser Erfindung umfassen wesentlich erhöhte Dielektrizitätskonstanten für Perowskitmaterialien, die mit Korngrößen gebildet sind, die typischerweise in Dünnschichten zu finden sind. Außerdem ist durch die dargestellten Verfahren der spezifische Widerstand allgemein erhöht und der Verlustfaktor allgemein vermindert. Die Erfindung sorgt auch für eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Dielektrizitätskonstante bezüglich der Temperatur für Perowskitmaterialien in Dünnschichtform.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Merkmale, als kennzeichnend für die Erfindung gelten, sind in dem beigefügten Anspruch dargelegt. Allerdings sind die Erfindung sowie ihre Vorteile am besten unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu verstehen.
    • In den Zeichnungen sind:
  • Fig. 1 ein Graph, der die Veränderung der Dielektrizitätskonstante gegenüber der Temperatur für undotiertes Bariumtitanat bei unterschiedlichen Korngrößen zeigt;
  • Fig. 2 ein Graph, der die Veränderung der Dielektrizitätskonstante gegenüber der Temperatur für undotiertes Bariumtitanat bei unterschiedlichen Korngrößen zeigt;
  • Fig. 3 ein Graph, der die Veränderung der Dielektrizitätskonstante gegenüber der Korngröße für undotiertes Bariumtitanat zeigt; und
  • Fig. 4 ein Graph, der die Veränderung der Dielektrizitätskonstante gegenüber der Temperatur für undotiertes Bariumstrontiumtitanat bei unterschiedlichen Korngrößen zeigt.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • In Fig. 1 ist gezeigt, daß sich die Dielektrizitätskonstante von undotiertem Bariumtitanat (BT) mit der Temperatur und der Korngröße verändert. Bei einer Korngröße von 6,8 um hat die Dielektrizitätskonstante eine scharfe Spitze bei der Curie- Temperatur, ist aber bei anderen Temperaturen viel niedriger. Ist die Korngröße auf 0,7 um vermindert, dann ist die Spitze weniger ausgeprägt, die Dielektrizitätskonstante unter der Curie-Temperatur nimmt zu und ändert sich mit der Temperatur weniger. Bei noch kleineren Korngrößen nimmt die Dielektrizitätskonstante für alle Temperaturen ab.
  • Unter Bezug auf Fig. 2 ist der gleiche Trend zu sehen. Bei hohen Korngrößen (d. h. 53 um) hat die Dielektrizitätskonstante eine ausgeprägte Spitze bei der Curie-Temperatur. Wenn die · Korngröße abnimmt, dann nimmt die Dielektrizitätskonstante unter der Curie-Temperatur zu. Bei 1,1 um ist die Dielektrizitätskonstante beispielsweise etwa dreimal höher bei Temperaturen zwischen 0ºC und der Curie-Temperatur.
  • Unter Bezug auf Fig. 3 ist zu sehen, daß es eine Korngröße gibt, bei der die Dielektrizitätskonstante unter der Curie- Temperatur auf dem Maximum liegt. Fig. 3 zeigt Messungen der Dielektrizitätskonstante von Bariumtitanat bei 25ºC sowie 70ºC (die beide unter der Curie-Temperatur für dieses Material liegen). Nach der vorliegenden Verwendung bedeutet die kritische Korngröße wieder die höchste Korngröße, so daß die Dielektrizitätskonstante mit abnehmenden Korngrößen rasch abzunehmen beginnt. Nach den in Fig. 3 dargestellten Daten liegt die kritische Korngröße für Bariumtitanat bei etwa 0,7 um.
  • Auf diesem Gebiet in der Vergangenheit unternommene Anstrengungen versuchten, die Dielektrizitätskonstante von Dünnschichten zu maximieren, indem die Schichten auf eine Weise gebildet wurden, die bewirkt, daß sich die Korngröße der kritischen Korngröße nähert. Die vorliegende Erfindung erhöht die Dünnschicht-Dielektrizitätskonstante, indem das Perowskit-Material dotiert wird, um die kritische Korngröße zu reduzieren. Jede Technik, die die kritische Korngröße vermindert, wird die Dielektrizitätskonstante bei noch kleineren Korngrößen für Temperaturen unter der Curie-Temperatur verbessern.
  • Man hat herausgefunden, daß Donatordotanden allgemein die kritische Korngröße von Perowskitmaterialien vermindern. Allgemein ist ein Element oder Ion ein Donatordotand, wenn (1) es ein Atom in dem Kristallgitter ersetzt und eine größere Anzahl von Valenzelektronen als das Atom hat, das es ersetzt, oder wenn (2) es im Zwischengitter vorliegt und seine Elektronenschale weniger als halb voll ist. Dazwischenliegende Fälle sind unsicher und können empirisch bestimmt werden. Beispielsweise verhalten sich manche Elemente als Donatordotanden bei (1), wenn ihre Valenz die gleiche wie bei dem ersetzten Atom ist. Ebenso verhalten sich bei (2) manche Elemente als Donatordotanden, wenn ihre Valenzschale genau halb voll ist.
  • Ebenso hat man herausgefunden, daß Akzeptordotanden den spezifischen Widerstand mancher Perowskitmaterialien erhöhen. Man hat auch herausgefunden, daß Akzeptordotanden den Verlustfaktor mancher Perowskitmaterialien vermindern. Deshalb liegt ein weiterer Gesichtspunkt dieser Erfindung in der Akzeptor- Codotierung von Perowskitmaterialien. Allgemein ist ein Element oder Ion ein Akzeptordotand, wenn (1) es ein Atom in dem Kristallgitter ersetzt und eine kleinere Anzahl von Valenzelektronen als das Atom hat, das es ersetzt, oder wenn (2) es im Zwischengitter vorliegt und seine Elektronenschale mehr als halb voll ist. Dazwischenliegende Fälle sind unsicher und können empirisch bestimmt werden. Beispielsweise verhalten sich manche Elemente als Akzeptordotanden bei (1), wenn ihre Valenz die gleiche wie bei dem ersetzten Atom ist. Ebenso verhalten sich bei (2) manche Elemente als Akzeptordotanden, wenn ihre Valenzschale genau halb voll ist.
  • Ein Dotand ist eine Spezies, die absichtlich in ein Eigenleitungsmaterial eingebracht wird, um einen bestimmten Effekt zu erzielen. Unbeabsichtigte Störstellen, die in Konzentrationen von unter etwa 0,1 Mol-% vorliegen, gelten allgemein nicht als Dotanden. Demnach ist ein Eigenleitungsperowskitmaterial im Zusammenhang dieser Erfindung ein Perowskitmaterial, bei dem Störstellen, die sich als Donator- oder Akzeptordotanden verhalten, wenn überhaupt mit Konzentrationen von unter etwa 0,1 Mol-% vorliegen. Ebenso ist eine kritische Eigenleitungskorngröße die kritische Korngröße eines Eigenleitungs- Perowskitmaterials.
  • Die Nennzusammensetzungsformel für das Material der bevorzugten Ausführungsform ist wie folgt angegeben:
  • (Baa, Srb, Cac)1-xDxTi1-yAyO&sub3;;
  • worin D ein dreiwertiges Donatorion (z. B. Bi, Sb, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho und Er oder eine Kombination daraus) aufweist und A ein dreiwertiges Akzeptorion (z. B. Co, Cu, Fe, Mn, Ru, Al, Ga, Sc, U, In, Ni und Yb oder eine Kombination daraus) oder ein zweiwertiges Akzeptorion (z. B. Mg) aufweist. Es sei bemerkt, daß sowohl die dreiwertigen als auch die zweiwertigen Akzeptorionen auf dem Ti-Subgitter liegen. Die Werte für die Zusammensetzungsverhältnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
  • Selbstverständlich ist die Summe aus a, b und c dann eins (d. h. a + b + c = 1).
  • Die Nennzusammensetzungsformel für das Material einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist wie folgt angegeben:
  • (Baa, Srb, Cac)Ti1-x-yDxAyO&sub3;;
  • worin D ein fünfwertiges Donatorion (z. B. Nb, Ta oder eine Kombination daraus) aufweist und A ein dreiwertiges oder zweiwertiges Akzeptorion (z. B. Co, Cu, Fe, Mn, Ru, Al, Ga, Mg, Sc, U, In, Ni und Yb oder eine Kombination daraus) aufweist. Die Werte für die in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungsverhältnisse gelten immer noch.
  • Die Nennzusammensetzungsformel für das Material einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist wie folgt angegeben:
  • (Baa, Srb, Cac)1-x-yDxAyTiO&sub3;;
  • worin D ein dreiwertiges Donatorion (z. B. Bi, Sb, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho und Er oder eine Kombination daraus) aufweist und A ein einwertiges Akzeptorion (z. B. K, Na oder eine Kombination daraus) aufweist. Wieder gelten die Werte für die in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungsverhältnisse.
  • Die Nennzusammensetzungsformel für das Material einer vierten bevorzugten Ausführungsform ist wie folgt angegeben:
  • (Ba, Srb, Cac)1-yAyTi1-xDxO&sub3;;
  • worin D ein fünfwertiges Donatorion (z. B. Nb, Ta oder eine Kombination daraus) aufweist und A ein einwertiges Akzeptorion (z. B. K, Na oder eine Kombination daraus) aufweist. Wiederum gelten die Werte für die in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungsverhältnisse.
  • Es sei bemerkt, daß die vorhergehenden Formeln für die vier aufgeführten Ausführungsformen kein Gleichgewicht der elektrischen Ladung enthalten, wenn x und y nicht gleich sind. Da x und y allgemein unterschiedlich sind (gewöhnlich x > y), muß die Ladungskompensation stattfinden, indem Ionenleerstellen an dem (den) Ba- und/oder Ti-Subgitter(n) gebildet werden. Für das Beispiel der ersten Ausführungsform (d. h. dreiwertige Donatoren an der Ba-Stelle und dreiwertige Akzeptoren an der Ti-Stelle) würde unter der Annahme, daß x > y und die Kompensation an dem Ba-Subgitter stattfindet, folgende Formel die Ladungskompensation berücksichtigen:
  • [(Baa, Srb, Cac)1-xDxV(x-y)/&sub2;][Ti1-yAy]O&sub3;,
  • da die Differenz bei der Ionenladungssubstitution (x-y) ist und eine Bariumleerstelle (V) eine Ladungsdifferenz von 2 kompensieren kann (Ba hat eine Valenz von 2). Wenn die Kompensation an der Ti-Stelle stattfinden würde, dann wären (x-y)/4 Leerstellen erforderlich. Bei der vorliegenden Erfindung ist typischerweise erwünscht, daß x > y, ansonsten könnte die Kompensation an dem Sauerstoffsubgitter stattfinden.
  • Es ist zu sehen, daß die Einbeziehung der Ladungskompensation je nach den Annahmen zu einer Vielzahl von verschiedenen Formeln führt. Deshalb wird angenommen, daß die für die ersten vier bevorzugten Ausführungsformen angegebenen Nennformeln die Veränderungen umfassen, die zum Erhalt der Ladungskompensation erreicht werden können.
  • Bei einem Experiment wurde ein Material mit folgender Nennzusammensetzung vorbereitet:
  • (Ba0,66,Sr0,34)0,99Dy0,01Ti0,999Mn0,001O&sub3;
  • Das Material wurde hergestellt, indem Bestandteile in einer Lösung kombiniert wurden, dann wurde die Lösung in der Masse kalziniert, gemahlen, gepreßt und dann gesintert. Die resultierende keramische Dichte betrug wenigstens 95% der theoretischen Dichte. Das keramische Material wurde dann mechanisch poliert und auf eine Dicke von 254 um (10 mil) verdünnt. Eine Metallisierung wurde aufgebracht, um Testkondensatoren zu bilden.
  • Die durchschnittliche Korngröße dieses Materials war nach Messung durch das Line-Intercept-Verfahren 0,5 um. Die Spitzendielektrizitätskonstante (die Dielektrizitätskonstante bei Curie-Temperatur) war höher als 10000 und änderte sich rasch bezüglich der Temperatur. Dieses Verhalten weist darauf hin, daß die kritische Korngröße dieses Materials kleiner als 0,5 um ist.
  • Oben wurden einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es versteht sich, daß der Umfang der Erfindung auch Ausführungsformen enthält, die sich von den beschriebenen unterscheiden, aber im Rahmen der Ansprüche bleiben. Man erwartet, daß andere Verbindungen, die oben nicht ausdrücklich erwähnt wurden, von den Wirkungen der Donatordotierung profitieren. Beispielsweise ist (Sr, Pb)TiO&sub3; ein Eigenleitungs-Perowskitmaterial, das in der Elektronikindustrie starke Verwendung finden kann und von der Donatordotierung profitieren würde.
  • Die internen und externen Anschlüsse an Vorrichtungen, die mit diesem verbesserten dielektrischen Material hergestellt wurden, können ohmisch, kapazitiv, direkt oder indirekt, über Zwischenschaltungen oder auf andere Weise ausgebildet sein. Es ist an eine Ausführung in diskreten Bauteilen oder voll integrierten Schaltungen in Silicium, Galliumarsenid oder anderen Elektronikmaterialfamilien zu denken.
  • Diese Erfindung wurde zwar unter Bezug auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben, diese Beschreibung soll aber nicht einschränkend ausgelegt werden. Dem Fachmann werden verschiedene Modifizierungen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen im Rahmen des beigefügten Anspruchs deutlich.

Claims (1)

1. Verfahren zum Bilden eines dielektrischen Materials durch Substitution von Elementen in einem Perowskitmaterial des Typs (Ba, Sr, Ca)TiO&sub3;, bei dem
(a) ein Bruchteil x des (Ba, Sr, Ca) mit einem oder mehreren dreiwertigen Elementen aus der aus Bi, Sb, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Th, Dy, Ho und Er bestehenden Gruppe ersetzt wird oder ein Bruchteil x des Ti mit einem oder mehreren fünfwertigen Elementen aus der aus Ta und Nb bestehenden Gruppe ersetzt wird, wobei 0,0035 ≤ x ≤ 0,03 gilt;
(b) ein Bruchteil y des (Ba, Sr, Ca) mit einem oder mehreren einwertigen Elementen aus der aus K und Na bestehenden Gruppe ersetzt wird oder ein Bruchteil y des Ti mit einem oder mehreren dreiwertigen oder zweiwertigen Elementen aus der aus Co, Cu, Fe, Mn, Ru, Al, Ga, Sc, U, In, Ni, Yb und Mg bestehenden Gruppe ersetzt wird, wobei 0,001 &le; y &le; 0,01 und y < x gilt; und
(c) die durchschnittliche Korngröße des dielektrischen Materials kleiner als 0,5 um gehalten wird, wobei der Bruchteil von Ba in dem (Ba, Sr, Ca) im Bereich von 0,55 bis 0,75, der Bruchteil von Sr in dem (Ba, Sr, Ca) im Bereich von 0,25 bis 0,40 und der Bruchteil von Ca in dem (Ba, Sr, Ca) im Bereich von 0,00 bis 0,20 liegt.
DE69327815T 1992-05-29 1993-05-25 Donatoren-dotierte Perovskite für Dünnfilm-Dielektrika Expired - Fee Related DE69327815T2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US89156092A 1992-05-29 1992-05-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69327815D1 DE69327815D1 (de) 2000-03-16
DE69327815T2 true DE69327815T2 (de) 2000-08-17

Family

ID=25398417

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69327815T Expired - Fee Related DE69327815T2 (de) 1992-05-29 1993-05-25 Donatoren-dotierte Perovskite für Dünnfilm-Dielektrika

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP0571948B1 (de)
JP (1) JPH0714983A (de)
KR (1) KR930024169A (de)
DE (1) DE69327815T2 (de)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5614018A (en) * 1991-12-13 1997-03-25 Symetrix Corporation Integrated circuit capacitors and process for making the same
US5453908A (en) * 1994-09-30 1995-09-26 Texas Instruments Incorporated Barium strontium titanate (BST) thin films by holmium donor doping
US5635741A (en) * 1994-09-30 1997-06-03 Texas Instruments Incorporated Barium strontium titanate (BST) thin films by erbium donor doping
KR100190558B1 (ko) * 1995-03-04 1999-10-15 구본준 강유전체 및 이를 채용한 반도체장치의 커패시터
JP3274326B2 (ja) * 1995-09-08 2002-04-15 株式会社東芝 半導体装置およびその製造方法
JPH09331020A (ja) * 1996-06-07 1997-12-22 Sharp Corp 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法
EP2221866B1 (de) 2004-01-07 2020-08-12 Nikon Corporation Stapelvorrichtung und Verfahren zur Stapelung integrierter Schaltelemente
JP5208349B2 (ja) * 2004-09-03 2013-06-12 富士通株式会社 容量素子とその製造方法
US8968609B2 (en) 2010-05-12 2015-03-03 General Electric Company Dielectric materials for power transfer system
US9174876B2 (en) 2010-05-12 2015-11-03 General Electric Company Dielectric materials for power transfer system
US8586495B2 (en) 2010-05-12 2013-11-19 General Electric Company Dielectric materials
US8968603B2 (en) 2010-05-12 2015-03-03 General Electric Company Dielectric materials
JP5702656B2 (ja) * 2011-02-09 2015-04-15 株式会社オハラ 光路長の温度依存性が小さい酸化物材料
EP2551988A3 (de) 2011-07-28 2013-03-27 General Electric Company Dielektrische Materialien für Leistungsübertragungssysteme

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3915339C2 (de) * 1988-05-11 2003-11-27 Sakai Chemical Industry Co Masse zur Herstellung von keramischen Dielektrika und Verfahren zur Herstellung eines keramischen Dielektrikums
NL8902923A (nl) * 1989-11-27 1991-06-17 Philips Nv Keramisch lichaam uit een dielektrisch materiaal op basis van bariumtitanaat.
JP3169599B2 (ja) * 1990-08-03 2001-05-28 株式会社日立製作所 半導体装置、その駆動方法、その読み出し方法
DE4107795C2 (de) * 1991-03-11 1994-01-20 Roederstein Kondensatoren Verfahren zur Verringerung des dielektrischen Verlustfaktors bei einer keramischen Masse auf Titanatbasis als Dielektrikum von Kondensatoren
JPH07118431B2 (ja) * 1991-03-16 1995-12-18 太陽誘電株式会社 磁器コンデンサ及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0714983A (ja) 1995-01-17
KR930024169A (ko) 1993-12-22
EP0571948A1 (de) 1993-12-01
DE69327815D1 (de) 2000-03-16
EP0571948B1 (de) 2000-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69513782T2 (de) Dielektrischer Dünnfilm aus Barium und/oder Strontium-Titanat mit Erbium und Herstellungsverfahren
DE69404354T2 (de) Verbesserte Elektroden-Zwischenschicht für Materialien mit hohen dielektrisches Konstante
DE69325614T2 (de) Pb/Bi enthaltende Oxide von hohen Dielektrizitätskonstanten unter Verwendung von Perovskiten als Pufferschicht, die keine Pb/Bi enthalten
DE69327815T2 (de) Donatoren-dotierte Perovskite für Dünnfilm-Dielektrika
DE69632769T2 (de) Verfahren zum Fertigen eines ferroelektrischen Schichtelements und das ferroelektrische Schichtelement sowie das ferroelektrische Speicherelement, die mit Hilfe dieses Verfahrens gefertigt werden
DE102008011206B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Glaskeramik und Verwendung einer Glaskeramik laskeramik
DE69825664T2 (de) Keramik aus Bariumtitanat-Magnesium zur Verwendung in Kondensatoren oder dergleichen
DE69633423T2 (de) Verfahren zur Herstellung eines mit einer dünnen ferroelektrischen Schicht überdeckten Substrats
DE69701294T2 (de) Keramisches Dielektrikum und dieses verwendendes monolithisches keramisches Elektronikbauteil
DE60101641T2 (de) Verfahren zur Herstellung von Oxiden mit Perowskitstruktur
DE69707356T2 (de) Kondensator mit dielektrischer Dünnschicht und Verfahren zur Herstellung
DE69526084T2 (de) Verfahren zur herstellung dotierter bst-schichten und kondensatoren für integrierte schaltungen mit magnesium dotierten bst schichten
DE69514305T2 (de) Verbesserungen in oder bezüglich mikroelektrischen Anordnungen
EP2837044B1 (de) Keramisches material und kondensator umfassend das keramische material
DE68903997T2 (de) Ferroelektrisches keramisches material.
DE60124182T2 (de) Piezoelektrisches keramisches Material
DE102010031004B4 (de) Keramikmaterial und Kondensator
DE69331743T2 (de) Herstellungsverfahren von geschichteten uebergittermaterialien und von diesen enthaltenden elektronischen vorrichtungen
EP2113495A2 (de) Keramischer Werkstoff, Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs und Bauelement mit dem keramischen Werkstoff
DE69024340T2 (de) Halbleiterkeramikkondensator von laminiertem und zwischenkornisolationstyp und verfahren zu seiner herstellung
DE102019003223A1 (de) Elektrische Speichervorrichtung mit negativer Kapazität
DE102004001241A1 (de) Dielektrische Keramiken und monolithischer Keramikkondensator, der diese enthält
EP2517218B1 (de) Varaktor und verfahren zur herstellung eines varaktors
DE68923579T2 (de) Ferroelektrisches keramisches Material.
DE112005001951B4 (de) Piezoelektrische Keramikzusammensetzung und ihre Verwendung

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee