JPH10182221A - 容量性素子を有する物品 - Google Patents

容量性素子を有する物品

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JPH10182221A
JPH10182221A JP9290007A JP29000797A JPH10182221A JP H10182221 A JPH10182221 A JP H10182221A JP 9290007 A JP9290007 A JP 9290007A JP 29000797 A JP29000797 A JP 29000797A JP H10182221 A JPH10182221 A JP H10182221A
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dielectric
capacitive element
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oxide
dielectric constant
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JP9290007A
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Robert Joseph Cava
ジョセフ キャバ ロバート
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Nokia of America Corp
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Lucent Technologies Inc
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40Capacitors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/92Capacitors having potential barriers
    • H01L29/94Metal-insulator-semiconductors, e.g. MOS

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Abstract

(57)【要約】 【課題】比誘電率の温度係数が比較的に低いTa25
ースの誘電体材料を提供する。 【解決手段】Ta酸化物が示す比誘電率の温度依存性よ
りも(Ta,Al)酸化物は低い温度依存性を示す比較
的狭い組成範囲が存在することを発見した。例えば、T
25は、1MHz、20℃で約250ppm/℃の温度
係数を示すが、Al/(Al+Ta)の原子比が約0.
054の(Ta,Al)酸化物は、同じ条件の下で−5
ppm/℃の温度係数を示した。Al酸化物を加えること
によって、比誘電率の温度依存性をかなり減らしたこと
だけではなく、このことによって比誘電率を増加させる
ことができた。具体的には、(Ta,Al)酸化物から
なる誘電体材料からなる容量性素子を有する物品に関す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ta酸化物ベース
の容量性素子及びこのような素子からなる物品に関す
る。
【0002】
【従来の技術】多くの応用技術(例えば、マイクロ波パ
ーソナル通信機器)において、比較的高周波数におい
て、高い比誘電率、低損失、比誘電率の小さい温度係数
を有する誘電体材料を得ることは非常に望まれている。
このような誘電体は、温度に敏感でない共振回路を容易
にもたらす。
【0003】現在用いられている誘電体材料(通常、酸
化ケイ素をベースにする)は、低い比誘電率のため、集
積回路内のキャパシタや他の容量性素子において結局は
用いることは困難であることが判明する。従って、より
魅力的な誘電体材料が求められている。
【0004】マイクロエレクトロニクス製造が容易なた
め、及びマイクロエレクトロニクスの容易な製造プロセ
スにおいて良好な品質のフィルムを作ることができるの
で、Ta25は特に興味深い誘電体である。しかし、T
25は比誘電率の比較的大きな温度係数を有し、従っ
て、Ta25ベースの容量性素子はそのキャパシタンス
の温度依存性が大きくなってしまう。ここで、「容量性
素子(キャパシティブ・エレメント)」とは、容量性の
特性を実質的に有する回路素子をいう。この語は、キャ
パシタの他に、フィルタや共振基をも包含する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記以外の点はとても
優れているTa25を考えてみると、比誘電率の温度係
数が比較的に低いTa25ベースの誘電体材料は非常に
望まれている。
【0006】文献、K. Nomura et al., J. Electrochem
ical Society, Vol. 134, p.922(1987)、はTa25
Al23の複合薄膜の蒸着及びこの複合薄膜の特性を報
告している。その特性としては、1〜1000kHzの
範囲にわたる周波数の関数としてのキャパシタンス及び
消費ファクターがある(図5を見るとよい。)。文献、
K. Nomura et al., J. Electrochemical Society, Vol.
138, p. 3701(1991)、も見るとよい。
【0007】
【課題を解決するための手段】我々は、Ta酸化物が示
す比誘電率の温度依存性よりも(Ta,Al)酸化物は
低い温度依存性を示す比較的狭い組成範囲が存在するこ
とを発見した。例えば、Ta25は、1MHz、20℃
で約250ppm/℃の温度係数を示すが、Al/(Al
+Ta)の原子比が約0.054の(Ta,Al)酸化
物は、同じ条件の下で−5ppm/℃の温度係数を示し
た。このことは、技術的にかなり驚くべきことである。
ここで、「(Ta,Al)酸化物」とは、Ta,Al、
酸素を主に含有する物質であって、TaとAlがすべて
の金属原子の90原子%以上(好ましくは、95原子%
以上)であるものをいう。
【0008】Al酸化物を加えることによって、比誘電
率の温度依存性をかなり減らしたことだけではなく、こ
のことによって比誘電率を増加させることができた。さ
らに、我々は、この物質の比誘電率は、約1kHz〜1
4GHzまでの周波数範囲にわたって実質的に一定であ
り、この物質は、比較的低い消費(例えば、20℃、5
GHzにおいて約600の品質ファクターQ)を持つこ
とができることをも発見した。
【0009】広い視点に立てば、本発明は、比較的温度
に影響されない容量性素子を有する物品(例えば、I
C、パーソナル通信装置)において用いられる。
【0010】具体的には、(Ta,Al)酸化物からな
る誘電体材料からなる容量性素子を有する物品に関す
る。
【0011】この誘電体材料は、Al/(Al+Ta)
の原子比xが約0.03〜0.15の範囲にあり、この
比はこの誘電体材料が比誘電率の低い温度係数(例え
ば、1MHz、20℃で約50ppm/℃より小さい温度
係数)を有するように選択される。
【0012】この物質は、TaとAlの両方で物質の金
属原子含有量の90原子%以上を保っている状態で、随
意に少量の添加物(例えば、TiO2や他の金属酸化
物)を含んでいてもよい。
【0013】
【発明の実施の形態】セラミックプロセス技術により用
意した公称組成(Al23x(Ta251 -xのバルク
サンプルを実験のために用意した。しかし、本発明はそ
のように限定されるわけではなく、例えば、同じ公称組
成の薄膜が同様な誘電体特性を持つ。このような薄膜
は、酸化物のターゲットから直接蒸着したり、金属フィ
ルムを酸化させたりして従来の技術により用意すること
ができる。この従来技術としては、スパッタリング、化
学気相成長法、レーザーアブレーション、電子ビーム蒸
着(e-beam evapolation)、がある。また、本発明の誘電
体は、TaとAl以外の比較的少量の金属を含んでいて
もよく、例えば、Ta25への少量のTiO2の添加
(例えば、8%)により、比誘電率がかなり増加する。
このように、誘電体内におけるTiO2や他の随意の特
性改善成分の存在も予想される。
【0014】公称組成(Al23)x(Ta251-x
のセラミックディスクを所望のモル量で高純度Ta25
(99.993%)とAl23(99.99%)を混合
して、これを大気中にて1350℃で60時間加熱し、
その後機械的に粉砕することにより作った。得られた粉
末を、10時間1400℃で加熱し、再び粉砕し、圧力
を加えて厚さ約3mmの直径1.3cm(0.5イン
チ)のペレットを作った。このペレットはAl23の皿
の上に置かれたこのペレットと同じ組成の粉末の上に置
き、1575〜1625℃の温度で大気中にて2時間焼
くことにより高密度化させた。得られたペレットは、理
論的な密度の90%よりも大きい密度を有した。この
(Ta,Al)酸化物の製造プロセスは単なる例であ
り、他の方法により作ることができる。
【0015】粉末X線回折により分析して、このように
製造した材料がxが0〜0.075のTa25型の固溶
体であり、アルミナを多く含むTa25型の固溶体と、
xが0.075〜0.20の範囲のAlTaO4とを含
有する多相材料であることを示した。ここでもちろん、
(Al23x(Ta251-xの表記は、開始組成
(「ノミナル(公称)」組成ともいう。)を表し、最終
産物において2つの酸素が必ずしも正確に示した比では
ない。
【0016】このようにして作ったセラミックペレット
に50:50 Ga-In合金ハンダでペレットの平坦表
面を被覆することにより電気接点を設けた。商業的に得
られるインピーダンスアナライザーを温度範囲−40〜
100℃で約5V/cmの印加電界で1kHz〜5MH
zの間の比誘電率(K)と消費ファクター(D:「tan
δ」や「1/Q」とも表される)を測定するのに用い
た。
【0017】図1には、実験例のxが約0.03〜0.
15の範囲の公称組成(Al23x(Ta251-x
物質の1MHz、20℃における比誘電率を示す。
【0018】図2には、多くの実験例のサンプルの比誘
電率の温度依存性を表すデータを示す。曲線20はx=
0及び0.025、曲線21〜24はそれぞれ、x=
0.05、0.075、0.1及び0.175に対応す
る。x=0.2の曲線は、約20℃より低い温度におい
てx=0.175の曲線と、約20℃より高い温度にお
いてx=0.075の曲線と実質的に一致している。x
=0(及び0.025)とx>0.03に対する比誘電
率の温度依存性の大きな差違が図2により明らかであ
る。
【0019】図3には、20℃におけるx=0のサンプ
ルの比誘電率と消費ファクターのデータを周波数の関数
として示した。曲線30は、範囲1kHz〜5MHzに
わたってのKを、曲線31は、だいたいの範囲10kH
z〜5MHzにわたってのDを、曲線32は、範囲1〜
14GHzにわたってのKを示す。
【0020】図4には、本発明の物質の誘電体特性の温
度依存性の詳細を何らかに与えてある条件に依存するも
のの測定結果を示す。曲線40、41は、x=0.15
のサンプルに対応し、曲線40は、1525℃で2時間
焼成した後のサンプルに対応し、曲線41は、1575
℃で更に4時間焼成した後のサンプルに対応する。曲線
42、43は、x=0.056のサンプルに対応し、曲
線42は、1625℃で焼成した後のサンプルに対応
し、曲線43は、1100℃で更に5時間アニールした
後のサンプルに対応する。また、図4には、同じサンプ
ル、処理条件のものに対する20℃におけるKの値(K
20)、20℃におけるDの値(D20)を示す。
【0021】図4の実験例のデータは、本発明の物質の
誘電体特性の処理詳細への依存を明解に示し、多くの応
用に対して誘電体特性を調整できることを提示してい
る。
【0022】第1表には、公称組成の関数としての誘電
体特性のまとめを示す。データを見てみると、全温度範
囲で、xがおおよそ0.06≦x<0.15の範囲で、
Ta25で測定される比誘電率よりも適度に大きくなっ
ている。観測した比誘電率の正確な値は、調製ごとに若
干(〜±5から±10)変化した。これはペレットの密
度及びセラミック粒子の配向性によると思われるが、適
度なKの増加が全体として一貫して観測できた。また、
この物質は低いD値、結果として高いQ値を一貫して示
した。表における低いD値は、MHz周波数帯のこれら
の物質の固有の損失の上限と考えることができる。これ
は、測定値は測定回路からの貢献の分を修正されていな
いために起こる。従ってこれらの物質は、調べたこの周
波数範囲において高品質な誘電体であることができ、こ
の周波数範囲外においても高品質であることと考えられ
る。
【0023】 第1表 (Al23x(Ta251-xの多結晶セラミックの誘電体特性 --------------------------------------------------------------------- -20℃ 20℃ 60℃ 100℃ x K D K D K D K D --------------------------------------------------------------------- 0.0 32.85 0.0023 33.08 0.0010 33.31 0.0007 33.56 0.0019 0.025 29.79 0.0028 30.25 0.0019 30.58 0.0029 30.75 0.0034 0.05 30.37 0.0003 30.39 0.0003 30.40 0.0007 30.42 0.0011 0.054 34.28 0.0002 34.27 0.0002 34.26 0.0007 34.26 0.0012 0.056 39.50 0.0002 39.45 0.0002 39.41 0.0007 39.39 0.0013 0.06 37.34 0.0003 37.28 0.0004 37.23 0.0009 37.19 0.1115 0.075 40.03 0.0005 39.99 0.0005 39.96 0.1110 39.93 0.0016 0.10 41.74 0.0003 41.67 0.0004 41.61 0.0009 41.58 0.0015 0.125 37.15 0.0003 37.10 0.0004 37.06 0.0008 37.04 0.0014 0.15 33.80 0.0006 33.77 0.0005 33.74 0.0008 33.72 0.0013 0.175 29.22 0.0003 29.19 0.0003 29.16 0.0007 29.15 0.0012 0.20 25.02 0.0002 24.99 0.0002 24.98 0.0006 24.98 0.1110 0.20 25.02 0.0002 24.99 0.0002 24.98 0.0006 24.98 0.0010
【0024】第2表には、サンプル(x=0から0.
2)に対する比誘電率K及びこのKの温度係数(TC
K)を示す。TCKは{(K100−K-40)/K20}/1
40℃として定義され、ここで、K100、K-40、K20
それぞれ、100℃、−40℃、20℃におけるKであ
る。
【0025】第2表 (Al23x(Ta251-xの多結晶セラミックの1
MHzにおける比誘電率の温度係数(TCK) --------------------------------------- x K20 TCK(ppm/℃) --------------------------------------- 0.0 33.08 +250 0.025 30.25 +270 0.05 30.39 +13 0.054 34.27 -5 0.056 39.50 -20 0.06 37.28 -33 0.075 39.99 -19 0.10 41.67 -42 0.125 37.10 -25 0.15 33.77 -19 0.175 29.19 -30 0.20 24.99 -21
【0026】第2表により容易にわかるとおり、xが0
又は小さい値(例えば、−0.025)における比較的
大きな正値(例えば、約250ppm/℃)から、より高い
x値における比較的小さい値(例えば、約250ppm/
℃)へとTCKは変化する。x=0.05〜0.06に
近い材料は特に低いTCKを有し、この範囲においてT
CKは通常符号を変える。
【0027】総じてこれらの関連する特性を考えてみる
と、xがおおよそ0.03〜0.15の範囲の組成が優
れた特性を有していることがわかる。このことは、我々
が知る限り従来技術には教示されていない奇遇な結果で
あり、本発明のこの組成の材料は、容量性素子(例え
ば、離散的又は集積されたキャパシタ、フィルタ、共振
器、集積キャパシタを有するマイクロエレクトロニクス
メモリ)を有する多くの物品において有益に用いること
ができ、特に、広い温度範囲にて動作させることを意図
した物品においては更に有益に用いることができる。
【0028】図5には、本発明の容量性素子50の例、
具体的には、離散的キャパシタを示す。ここでは、上部
電極51、下部電極52、本発明の誘電体53、カプセ
ル体54を示してある。本発明の誘電体53以外は、従
来技術のものであってよい。
【0029】図6には、本発明の更なる容量性素子、具
体的には、集積MOSキャパシタ60を示す。ここで
は、(通常ドープされる)半導体基板61、本発明の誘
電体層62、電極63を示してある。本発明の誘電体層
62以外は従来技術のものであってよい。
【0030】図7には、本発明の更なる容量性素子7
0、具体的には、スプリットリング共振器71を示し、
誘電体メンバ72が共振器のスロットの中に配置されて
いる。スプリットリング共振器は、知られている。誘電
体メンバ72は、本発明の誘電体特性からなり、これに
よりキャパシタンスが増加し、温度安定性が増加した。
知られているように、複数の共振器をフィルタ内に組み
立てることができる。
【0031】本発明の離散的及び集積されたキャパシタ
は、パーソナル通信機器等において用いることができ、
本発明の共振器及びフィルタは、無線通信システムの基
地局や中継装置にて用いることができる。
【0032】
【発明の効果】以上述べたように、本発明により、比誘
電率の温度係数が比較的に低いTa25ベースの誘電体
材料を提供できた。Ta酸化物が示す比誘電率の温度依
存性よりも(Ta,Al)酸化物は低い温度依存性を示
す比較的狭い組成範囲が存在することを発見した。例え
ば、Ta25は、1MHz、20℃で約250ppm/℃
の温度係数を示すが、Al/(Al+Ta)の原子比が
約0.054の(Ta,Al)酸化物は、同じ条件の下
で−5ppm/℃の温度係数を示した。Al酸化物を加え
ることによって、比誘電率の温度依存性をかなり減らし
たことだけではなく、このことによって比誘電率を増加
させることができた。具体的には、(Ta,Al)酸化
物からなる誘電体材料からなる容量性素子を有する物品
を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】Al/(Al+Ta)の原子比xに対する比誘
電率のデータを示すグラフ図である。
【図2】xの関数としての誘電体定数の温度依存性のデ
ータを示すグラフ図である。
【図3】本発明の組成の例における比誘電率と消費ファ
クターの周波数依存性を示すデータのグラフ図である。
【図4】比誘電率と消費ファクターの周波数依存性を示
す更なるデータのグラフ図である。
【図5】本発明の容量性素子を示す断面図である。
【図6】本発明の容量性素子を示す側方図である。
【図7】本発明の容量性素子を示す側方図及び斜視図で
ある。
【符号の説明】
50 容量性素子 51 上部電極 52 下部電極 53 誘電体 54 カプセル体 60 集積MOSキャパシタ 61 半導体基板 62 誘電体層 63 電極 70 容量性素子 71 スプリットリング共振器 72 誘電体メンバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Mountain Avenue, Murray Hill, New Je rsey 07974−0636U.S.A.

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体材料(53)からなる容量性素子
    (50)を有する物品であって、この誘電体物質は、比
    誘電率及び比誘電率の温度係数を有し、かつ、(Ta,
    Al)酸化物からなり、 この誘電体特性は、Al/(Al+Ta)の原子比が約
    0.03〜0.15の範囲にあり、このAl/(Al+
    Ta)の原子比は、この誘電体材料が1MHz、20℃
    において約50ppm/℃より小さい比誘電率の温度係数
    の絶対値を有し、AlとTaの原子が両方でこの誘電体
    特性の総金属原子量の少なくとも90原子%を占めるよ
    うに選択されることを特徴とする容量性素子を有する物
    品。
  2. 【請求項2】 前記Al/(Al+Ta)の原子比は、
    前記温度係数が1MHz、20℃において20ppm/℃
    より小さい絶対値を有することを特徴とする請求項1記
    載の容量性素子を有する物品。
  3. 【請求項3】 AlとTaの原子が両方で前記誘電体特
    性の総金属原子量の少なくとも90原子%を占めるよう
    に選択されることを特徴とする請求項1記載の容量性素
    子を有する物品。
  4. 【請求項4】 AlとTaの原子が両方で前記誘電体特
    性の総金属原子量の実質的に全量を占めるように選択さ
    れることを特徴とする請求項3記載の容量性素子を有す
    る物品。
  5. 【請求項5】 前記容量性素子は、第1及び第2導電性
    メンバからなり、かつ、これら第1及び第2導電性メン
    バの間に前記誘電体特性の層が配置されるキャパシタで
    あることを特徴とする請求項1記載の容量性素子を有す
    る物品。
  6. 【請求項6】 前記容量性素子は、ギャップを有する共
    振素子であり、前記誘電体メンバがこのギャップの間に
    配置され、この誘電体メンバは、前記誘電体特性からな
    ることを特徴とする請求項1記載の容量性素子を有する
    物品。
JP9290007A 1996-10-22 1997-10-22 容量性素子を有する物品 Pending JPH10182221A (ja)

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US08/735,170 US5754392A (en) 1996-10-22 1996-10-22 Article comprising a relatively temperature-insensitive Ta-oxide based capacitive element
US08/735170 1996-10-22

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DE (1) DE69734047T2 (ja)

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US6576928B2 (en) 2000-11-22 2003-06-10 Hitachi, Ltd. Semiconductor device capacitor with high permittivity tantalum pentoxide/niobium pentoxide dielectric
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