JP4638232B2 - 温度補償された強誘電キャパシタ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は強誘電キャパシタ、特に温度による強誘電特性の変化を減少するように温度補償された強誘電キャパシタ装置に関する。
強誘電材料は種々の応用で使用される。１つのこのような応用は情報が供給電力の停止された後でさえも維持される不揮発性のランダムアクセスメモリで使用される強誘電キャパシタである。強誘電材料は、磁界が供給される強磁性材料が受ける変化と類似する方法で、その物理的状態が電界の供給時に変化する材料である。メモリセルは物理的状態の変化に関連するヒステレシス効果に基づいて構成されることができる。強誘電材料はその物理的状態が磁界ではなく電圧の供給により制御され、測定可能な状態は電力の消失後にも維持され、小型のメモリ素子はマイクロ電子製造技術により構成されることができ、その結果電力消費量の非常に多いメモリ素子が生成される利点を有する。
強誘電不揮発性メモリのような問題とする幾つかの応用における強誘電材料を使用する１つの難点は誘電率のような幾つかの材料特性が、比較的狭い温度変化にわたって実質的に変化することである。これらの特性は変化が大きく、幾つかのケースでは１００℃よりも少ない温度範囲にわたって１００％を超えるため、関連する読取／書込電子装置は設計および構成が非常に困難である。
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、錫酸カルシウム、ジルコン酸カルシウムのような強誘電材料もまたディスクリートなセラミックキャパシタを生成するために使用されることができる。ディスクリートなキャパシタの応用では、材料組成は特定された温度範囲にわたって比較的高い誘電率を提供するために変化される。これらの装置は特定された温度範囲にわたって比較的一定のキャパシタンス値を提供するために最適化されるが、情報の記憶に使用されることができる残留偏極成分がないために不揮発性メモリ応用に対して有効ではない。
温度変化の影響を減少するために、強誘電特性を使用する電気回路の設計に対する改良された方法が必要とされている。本発明はこの要求を満足させ、さらに関連する利点を提供する。
本発明は強誘電特性を有する温度補償されたキャパシタ装置を提供するが、キャパシタ装置の強誘電特性は周囲温度における依存度が減少されている。温度補償は温度補償されたキャパシタ装置に組込まれ、別個の補償装置の使用を必要としない。これは製造手順に対して比較的僅かな変更で製造されることができる。
本発明によれば、強誘電特性を有する温度補償されたキャパシタ装置は、強誘電材料で構成された強誘電キャパシタと、負の温度の係数のキャパシタンス材料で構成された負の温度可変キャパシタと、負の温度可変キャパシタと強誘電キャパシタとの間の電気的に直列の相互接続とを具備している。負の温度係数のキャパシタンス材料と、負の温度可変キャパシタは動作温度範囲にわたって温度の増加と共にキャパシタンスの減少を示す。
電気的に直列の接続は強誘電キャパシタと負の温度可変キャパシタとの間の直接的な物理的接続を有する。１つのこのような実施形態では、強誘電材料は強誘電層を含み、負の温度係数のキャパシタンス材料は直接的に強誘電層と面してそれと接続する別の層を含んでいる。この場合、強誘電キャパシタと負の温度可変キャパシタは一体化したユニットとして製造される。
電気的な直列接続は代わりに、強誘電キャパシタと負の温度可変キャパシタとの間に延在するディスクリートな電気接続を備えていてもよい。この場合には、強誘電キャパシタと負の温度可変キャパシタは別々に製造され、その後電気接続によって直列にリンクされる。
強誘電材料は好ましくは、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、チタン酸バリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、ニオブ酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマス、またはチタン酸ビスマス鉛のような金属酸化物の強誘電材料である。現在最も好ましい強誘電材料はタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマスである。
負の温度係数のキャパシタンス材料は好ましくは常誘電材料である。１つのこのような負の温度係数のキャパシタンス材料はチタン酸ストロンチウムまたはチタン酸バリウムストロンチウムのような金属酸化物の負の温度係数のキャパシタンス材料である。現在最も好ましい負の温度係数のキャパシタンス材料はチタン酸バリウムストロンチウムである。
好ましい構造では、集積された温度補償されたキャパシタ装置は強誘電特性を有し、第１の電極層と、第１の電極層と直接物理的な接触する強誘電材料の強誘電層とを具備している。負の温度可変キャパシタは、強誘電層と直接物理的に接触している常誘電材料のような負の温度係数のキャパシタンス材料の負の温度可変層と、温度可変層と直接物理的に接触している第２の電極とを具備している。
このような一体化された構造は第１の電極層を準備し、第１の電極層上に強誘電体前駆物質の層を付着し、強誘電層を生成するために強誘電体前駆物質層を反応させ、負の温度係数のキャパシタンス材料の温度可変前駆物質層を強誘電層上に付着し、常誘電層を形成するために温度可変前駆物質層を反応させ、第２の電極層を常誘電層上に配置することにより製造されることができる。本明細書の他の個所で説明する競合特性はこの製造手順に関連して使用されることができる。
温度補償されたキャパシタ装置は、強誘電および常誘電材料における異なる温度依存性を利用し、それによって温度による誘電率と保持電圧の変化は通常の強誘電キャパシタと比較して、非常に減少される。温度補償されたキャパシタを横切る電圧はここで説明するように、ディスクリートまたは一体化された実施形態で、強誘電キャパシタと負の温度可変キャパシタを横切って分割される。
常誘電（負の温度変化）キャパシタは動作範囲において低い温度で比較的高いキャパシタンスを有する。ほとんどの電圧降下はそれ故、強誘電キャパシタを横切り、通常の強誘電ヒステレシスループが観察される。動作温度範囲内の高い温度では、常誘電材料は低い誘電率を有し、それによって電圧降下は強誘電キャパシタに関して負の温度可変キャパシタを横切ってより大きくなる。小信号キャパシタンスに対しては、温度補償されたキャパシタ装置は選択された温度範囲にわたって、それ自体により取られる強誘電キャパシタよりも小さい変化を示す。ヒステレシスループに関して、高温の常誘電材料を横切る増加された電圧は強誘電材料の保持電圧の減少を補償するように機能する。結果として、温度の関数としての性能の変化は通常の強誘電キャパシタよりも温度補償されたキャパシタ装置では小さい。
本発明の方法は、通常の強誘電キャパシタよりも温度に対する依存性が小さい強誘電特性を有するキャパシタ装置を提供する。これは米国特許第5,729,488号、米国特許第5,487,030号、米国特許第4,853,893号明細書に記載されているような強誘電キャパシタを必要とする任意の回路で使用されることができ、これらの明細書の開示事項はここで参考文献とされており、特に、サービス寿命中に動作温度において変化を受けることが予測される。関連する温度補償電子装置の必要性は減少され、場合によっては除去される。
温度補償されたキャパシタ装置中に負の温度可変キャパシタが存在することによって、保持電圧でヒステレシスループの勾配の減少を生じ、非破壊性の読取強誘電メモリの性能を改善する。破壊性の読取メモリでは、この勾配変化は供給される電圧が材料の偏極を飽和するのに十分である限り、影響は小さい。
本発明のその他の特徴および利点は例示により本発明の原理を示している添付図面を参照にした好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明白になるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されない。
図１は強誘電特性を有する温度補償されたキャパシタ装置20の１つの好ましい実施形態を示している。温度補償されたキャパシタ装置20は強誘電キャパシタ22と、負の温度可変キャパシタ24と、負の温度可変キャパシタ24と強誘電キャパシタ22との間の電気的な直列接続26とを有している。強誘電キャパシタ22は強誘電材料の強誘電層28を含んでおり、電極30が層28の両側に存在してそれと接触している。負の温度の可変キャパシタ24は負の温度係数のキャパシタンス材料の常誘電層32を含んでおり、電極34が層32の両側に存在してそれと接触している。電気的に直列の接続26が電極30の１つと電極34の１つとの間に延在している。
図１の温度補償されたキャパシタ装置20はディスクリートなキャパシタ22と24を使用し、ディスクリートな電気接続の形態の電気的に直列の接続26が強誘電キャパシタ22と負の温度可変キャパシタ24との間に延在している。
集積された実施形態が図２に示されており、ここでは強誘電キャパシタ22と負の温度可変キャパシタ24は温度補償されたキャパシタ装置20を形成する単一の構造へ集積されている。図２の集積された実施形態が製造されることができるケースでは、図２の集積された実施形態はコンパクトな構造であるので、図１のディスクリートな実施形態よりも好ましい。
図２のこの集積された実施形態では、強誘電キャパシタ22と負の温度可変キャパシタ24との間に直接的な物理的接触が存在する。強誘電材料は強誘電層28を構成し、負の温度係数のキャパシタンス材料は強誘電層28と直接的に面して接触する常誘電層32を構成している。即ち、直接的に面する接触は電気的に直列の接続26として作用する。第１の電極38と第２の電極40はその間に挟まれた強誘電層28と、接触する常誘電層32を有する。典型的なケースでは、強誘電層28は約５００オングストロームから約４０００オングストロームの厚さであり、常誘電層32は約７５オングストロームから約３０００オングストロームの厚さである。電極30、38、40はプラチナ、インジウム、ルテニウムまたはパラジウムのような金属、或いは酸化インジウムまたは酸化ルテニウムのような導電性の非金属で作られることができる。
強誘電層28の強誘電材料は好ましくは、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、チタン酸バリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、ニオブ酸ストロンチウムビスマス、タンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマス、またはチタン酸ビスマス鉛のような金属酸化物の強誘電材料であることが好ましい。最も好ましい強誘電材料はタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマスである。
キューリー温度よりも低い偏極／電圧ヒステレシスを示す典型的な強誘電材料では、温度が低温からキューリー温度方向へ増加されるとき、保持電圧は減少し、誘電率は増加する。キューリー温度において、ヒステレシスはゼロまで減少し、誘電率は無限大値に接近する。キューリー温度を超えると、常誘電材料で予測されるように、ヒステレシスは存在せず、誘電率は減少する。図３は典型的な強誘電材料および常誘電材料の特性を示している。強誘電材料の相対的誘電率ｋは典型的に温度と共に強く増加し、常誘電材料の相対的誘電率は典型的に温度の増加と共に減少する。
これらの変化のために、強誘電誘電率と保持電圧が変化する広い温度範囲にわたって適切に機能する読出し回路を設計することは困難である。これは非破壊的な読取強誘電メモリが保持電圧に等しいような読取電圧の正確な制御に依存し、したがってキャパシタ値と保持電圧の両者が温度の関数である環境における小さいキャパシタンス変化を検出しながら、適切な非破壊的読取特性を確実にする場合に特に問題である。
負の温度可変キャパシタ24はそれ故、動作温度範囲にわたって温度の増加と共にキャパシタンスの減少を示すことが望ましい。層32の負の温度係数のキャパシタンス材料は望ましくは、その相対的誘電率が温度の増加と共に減少する常誘電材料である。負の温度係数のキャパシタンス材料として好ましいのはチタン酸ストロンチウムまたはチタン酸バリウムストロンチウムのような金属酸化物の負の温度係数のキャパシタンス材料であり、最も好ましいのはチタン酸バリウムストロンチウムである。
図４は、タンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴＮ）から作られ、その総キャパシタンスは温度と共に急峻に増加する通常の補償されていない強誘電キャパシタの計算されたキャパシタンスを示している。本発明の温度補償されたキャパシタンス装置20の類似に計算された特性もまた図４に示されており、ＳＢＴＮ強誘電層28と、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５ＴｉＯ３（ＢＳＴ）常誘電層32を使用している。温度補償されたキャパシタンス装置20は総キャパシタンスのある温度依存性を示しているが、実質上補償されていない強誘電キャパシタの温度よりも実質上低い。小信号キャパシタンスだけに関心があるならば、温度補償されたキャパシタ装置20の総キャパシタンスはほぼ温度に対して不変にされることができる。
図５は図２に示されている温度補償されたキャパシタンス装置20の好ましい実施形態を形成するために本発明を実施する好ましい方法を示している。第１の電極層の形態の第１の電極38がステップ60で設けられる。第１の電極38は任意の動作可能な材料でよく、任意の動作可能な方法により提供されることができる。第１の電極38はプラチナの真空蒸着により基体上に付着されることが望ましく、その後第１の電極38を安定化するために約７００℃の温度で熱的にアニールされたプラチナ電極である。
強誘電体前駆物質材料の強誘電体前駆物質層はステップ62で、第１の電極層上に付着される。好ましい方法では、金属酸化物の強誘電体前駆物質材料の液体溶液が処理され、その後第１の電極層上にスピン被覆される。好ましいケースでは、ストロンチウム、ビスマス、タンタル、ニオビウムの金属２−カブロン酸エチル塩はキシレンとｎ−酢酸ブチルの溶剤で溶融される。好ましいケースではストロンチウム：ビスマス：タンタル：ニオビウムの原子比は０．９：２．１８：１．５：０．５である。結果的な強誘電体前駆物質の溶液は各スピンオンのステップ間での乾燥により、所望の厚さを実現するため１以上のステップで第１の電極層上へスピン被覆される。強誘電体前駆物質層は迅速な熱プロセッサで結晶化させ、その後、強誘電層28の強誘電材料を形成するためにチューブの炉中で焼結させることによってステップ64で反応される。この場合、結晶化は約７２５℃の温度で行われ、焼結は約７００℃の温度で行われる。
負の温度係数のキャパシタンス材料の負の温度可変前駆物質層はステップ66で、強誘電層28上に付着される。好ましい方法では、温度前駆物質はキシレンとｎ−酢酸ブチルの溶剤で溶解されるストロンチウム、バリウム、チタニウムの金属−２カブロン酸エチル塩の混合物である。好ましいケースではストロンチウム：バリウム：チタニウムの原子比は０．５：０．５：１．０５である。結果的な温度可変前駆物質の溶液は各スピンオンステップ間での乾燥により、所望の厚さを実現するため１以上のステップで強誘電層28へスピン被覆される。温度可変前駆物質層は迅速な熱プロセッサ中で結晶化され、その後、常誘電層32の強誘電材料を形成するためにチューブの炉中で焼結されることによってステップ68で反応される。この場合、結晶化は約７２５℃の温度で行われ、焼結は約７００℃の温度で行われる。
第２の電極層の形態の第２の電極40はステップ70で常誘電層32上に配置される。第２の電極40は好ましくは第１の電極38に対して説明した方法で付着される。
図２に関して示した形態で前述したように、温度補償されたキャパシタ装置20は図５に関して説明するように処理された。結果的な温度補償されたキャパシタ装置は前述したように機能した。
本発明の特定の実施形態を例示の目的で詳細に説明したが、種々の変形と強化は本発明の技術的範囲を逸脱せずに行われることができる。したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定される。
Claims (2)
- 強誘電特性を有する温度補償されたキャパシタ装置(20)において、
強誘電キャパシタ(22)を構成するタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマスよりなる強誘電材料で構成された強誘電体層(28)と、
負の温度係数のキャパシタ(24)を構成するチタン酸ストロンチウムまたはチタン酸バリウムストロンチウムよりなる負の温度係数の常誘電体層(32)と、
前記負の温度係数のキャパシタ(24)の常誘電体層(32)と前記強誘電キャパシタ(22)の強誘電体層(28)との間に挟まれてこれらの誘電体層(28, 32)と物理的に接触し、負の温度係数のキャパシタ(24)と強誘電キャパシタ(22)とを電気的に直列に接続している電気的直列接続部(26)と、
前記強誘電体層(28)と電気的直列接続部(26)と前記常誘電体層(32)との積層体を挟持して、前記強誘電体層(28)と前記常誘電体層(32)の表面にそれぞれ接触している第１の電極(38)および第２の電極(40)とを具備している温度補償されたキャパシタ装置。 - 強誘電特性を有する温度補償されたキャパシタ装置の製造方法において、
真空蒸着によって基体上にプラチナの第１の電極層(38)を形成し、
前記第１の電極層(38)上に強誘電体のタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマスの前駆材料を付着させて強誘電体前駆物質の層を形成し、
前記強誘電体前駆物質の層を迅速熱プロセッサ中で結晶化させ、その後、炉中で焼結させることによって反応させてタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマスよりなる強誘電体層(28)を生成し、
負の温度係数の常誘電体であるチタン酸ストロンチウムまたはチタン酸バリウムストロンチウムよりなるキャパシタ材料の前駆材料を前記強誘電体層(28)上に付着させて負の温度係数のキャパシタンス材料の前駆物質の層を形成し、
前記負の温度係数のキャパシタ材料前駆物質の層を反応させてチタン酸ストロンチウムまたはチタン酸バリウムストロンチウムよりなる常誘電体層(32)を形成し、
第２の電極層(40)を前記常誘電体層(32)上に形成するステップを含んでいる温度補償されたキャパシタ装置の製造方法。
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