Dünnschichtkondensatoren werden in elektrischen und mi- kroelektronischen Schaltkreisen sehr häufig als passive Bauelemente für vielfältige Anwendungen benötigt. So wer- den sie beispielsweise zum Filtern, Entkoppeln, Stabili- sieren von Gleichspannungsversorgungen etc. eingesetzt.

Neben hohen Kapazitätswerten und niedrigen Verlusten ist vor allem eine geringe Temperaturabhängigkeit der Dielek- trizitätszahl Er (T) für die meisten Anwendungen erforder- lich.

Derzeit werden für diese Einsatzgebiete keramische Mehr- lagen-Dünnschichtkondensatoren als diskrete Bauelemente verwendet, die seit vielen Jahren allgemein bekannt sind.

Diese Kondensatoren weisen, wie beispielsweise in Figur 6 dargestellt ist, einen durch Laminierung erzeugten Kera- mikverbund 10 auf, in den metallische Innenelektrodenla- gen 11 eingebettet sind. Diese metallischen Innenelektro- denlagen 11 sind abwechselnd mit Kopfkontakten 12 verbun- den, so daß sich bei n Innenelektrodenlagen n-1 Platten- kondensatoren bilden, die parallelgeschaltet sind. Auf diesem Weg werden außerordentlich hohe Kapazitätsdichten erreicht, und zwar aufgrund einer großen Anzahl von Ein- zelkondensatoren, eines geringen Elektrodenabstands, der heute bei etwa 10 pm liegt, und dielektrischen Keramiken mit hohen Dielektrizitätszahlen, die je nach Kondensator- typ über 10.000 liegen können, dies allerdings nur in Verbindung mit einer schlechten Temperaturcharakteristik.

Bei hohen Ansprüchen an die Temperaturstabilität der Die- lektrizitätszahl Er und niedrigen Verlusten werden u. a.

Keramiken der Mischkristallreihe Sr (Ti3Zr) 03 (STZ), Ti- reiche Phasen aus dem System BaO-TiO2, Phasen der Materi- alsysteme ZrO2-TiO2-SnO2(ZTS) und Materialien aus dem Sy- stem Nd2O3-BaO-TiO2 (NBT) verwendet. Die nahezu temperatu- runabhängigen Dielektrizitätszahlen dieser Systeme weisen Werte bis etwa 100 auf.

Relativ hohe Werte der Dielektrizitätszahl weist BaTiO3 im ferroelektrischen Bereich unterhalb des Curiepunktes Tc auf. Lediglich in einem sehr kleinen Temperaturinter- vall liegt ein relativ flacher Temperaturverlauf vor. Ei- ne Ausweitung der flachen Temperaturcharakteristik ist lediglich möglich, wenn in der Keramik zwei oder mehrere ferroelektrische Phasen nebeneinander existieren, die sich untereinander nicht mischen dürfen.

Solche Vielschichtkondensatoren werden über pulverbasier- te Dispersionen, die zu grünen Folien ausgezogen werden, und durch Siebdrucktechniken für die Metallelektroden ge- fertigt. Die Herstellungstemperaturen für die Standardty- pen liegen hier über 1000°C. Die Abmessungen für Viel- schichtkondensatoren liegen bei etwa 0,5 x 1,0 x 0,5 mm3.

Die bekannten diskreten keramischen Vielschichtkondensa- toren mit flacher Er (T)-Charakteristik haben den Nach- teil, daß sich die dielektrische Schichtdicke mit Hilfe der pulverbasierten Keramiktechniken nicht leicht unter 1 pm reduzieren läßt. Desweiteren lassen sich die Bauele- mente nicht mit den üblichen Techniken der Halbleiterfer- tigung auf Halbleiterchips integrieren, da die Folien und Siebdrucktechnik in keiner Weise kompatibel zu den Halb- leitertechnologien ist. Ferner sind die konventionellen pulverbasierten Prozesse mit mehrphasigen, d. h. hetero- genen ferroelektrischen Materialien in der Dünnschicht- technologie für integrierte Kondensatoren nicht anwend- bar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Dünnschichtkondensator zu schaffen, der eine flache Er (T)-Charakteristik, d. h. eine temperaturstabile Die- lektrizitätszahl besitzt, und der über Dünnschichtverfah- ren in der Halbleitertechnologie herstellbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst gelöst durch einen Dünnschichtkondensator mit einem Substrat, einer darauf angeordneten oxidkeramischen Schicht, die aus ei- ner Mehrzahl von funktionsgradierten Einzelschichten aus wenigstens zwei Materialien hoher Dielektrizität besteht, und einer Elektrodenanordnung, die auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite der oxidkeramischen Schicht vor- gesehen ist. Außerdem ist die Aufgabe gelöst durch einen Dünnschichtkondensator mit einem Substrat, der eine Bo- denelektrode trägt, einer darauf angeordneten oxidkerami- schen Schicht, die eine Mehrzahl von funktionsgradierten Einzelschichten aus wenigstens zwei Materialien hoher Dielektrizität aufweist und die Bodenelektrode kontak- tiert, und einer Elektrode, die auf der dem Substrat ge- genüberliegenden Seite der oxidkeramischen Schicht vorge- sehen ist.

Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, zwi- schen dem Substrat und den Elektroden Einzelschichten vorzusehen, die eine Vielzahl von Plattenkondensatoren bilden, welche durch die gewählte Elektrodenanordnung parallel bzw. in Reihe geschaltet sind. Die Parallel- schaltung der Einzelschichten wird durch die Abscheidung interdigitaler Elektroden auf der oxidkeramischen Schicht realisiert, wobei die oxidkeramische Schicht auf einem elektrisch isolierendem Substrat abgeschieden wird. Die Reihenschaltung der Einzelschichten wird durch die Ab- scheidung der oxidkeramischen Schicht über einer Boden- elektrode auf einem Halbleitersubstrat und der Abschei- dung einer Elektrode auf der Schicht erreicht. Die Bo- denelektrode dient hierbei als Rückelektrode der Konden- satorstruktur. Die Einzelschichten bestehen dabei jeweils aus wenigstens zwei Materialien mit der gewünschten hohen Dielektrizitätszahl, wobei die Einzelschichten funktions- gradiert sind, d. h. sich die Materialzusammensetzung der Einzelschichten ändert. Dies hat zur Folge, daß die Die- lektrizitätszahl Er der Einzelschichten jeweils unter- schiedliche Temperaturabhängigkeitscharakteristiken zei- gen. Aufgrund der Parallelschaltung bzw. Reihenschaltung der Einzelschichten überlagern sich deren Kurven der Die- lektrizität in Abhängigkeit von der Temperatur mit der Folge, daß die Dielektrizitätszahl der aus den funktions- gradierten Einzelschichten zusammengesetzten oxidkerami- schen Dünnschicht wenig temperaturabhängig ist, d. h. die oxidkeramische Dünnschicht eine flache Er (T)-Charak- teristik besitzt.

Als Materialien für die Einzelschichten der oxidkerami- schen Dünnschicht sind beispielsweise Strontiumtitanat (SrTiO3), Barium-Strontiumtitanat (Ba1xSrxTiO3) und Blei- titanat (PbTiO3) geeignet, wobei die funktionsgradierten Einzelschichten dann jeweils aus wenigstens zwei dieser Materialien mit wechselnder Zusammensetzung bestehen.

Alternativ können die Einzelschichten der oxidkeramischen Schicht auch jeweils im wesentlichen aus Bariumtitanat- Zirkonat (Ba (Til_yZry) 03) und Bleizirkonat-Titanat (Pb (Zr1yTiy) 03) bestehen.

Die Gradierung kann dabei jeweils so erfolgen, daß die Phasenübergangstemperatur (Curie-Temperatur) der sub- tratnahen Einzelschichten niedriger ist als die Phasen- übergangstemperatur der substratfernen Einzelschichten, und insbesondere die Einzelschichten so angeordnet sind, daß eine substratnahe Einzelschicht jeweils eine niedri- gere Phasenübergangstemperatur als die angrenzende, wei- ter vom Substrat beabstandete Einzelschicht hat. Die um- gekehrte Schichtfolge ist dabei auch möglich.

Bestehen beispielsweise die Einzelschichten der oxidkera- mischen Dünnschicht aus Materialien der Systeme Stronti- umtitanat und Bariumtitanat, so kann die substratnahe Einzelschicht im wesentlichen, insbesondere zu 100% aus Strontiumtitanat bestehen und der Bariumanteil in den darüber abgeschiedenen Barium-Strontium-titanat-Einzel- schichten mit zunehmendem Abstand von dem Substrat zuneh- men, wobei dann die am weitesten vom Substrat entfernte Einzelschicht zu 100% aus Barium-Titanat bestehen kann.

Die Gradierung kann dabei so erfolgen, daß sich die Mate- rialzusammensetzung in gleichmäßigen Schritten von Ein- zelschicht zu Einzelschicht ändert. Ein anderes, nicht lineares Profil bezüglich der Gradierung ist auch mög- lich.

Die Einzelschichten der oxidkeramischen Dünnschicht las- sen sich über physikalische Verfahren wie beispielsweise Laserablation, Magnetronsputterverfahren oder auch durch chemische Verfahren wie beispielsweise über Gasphasenab- scheidung oder durch naßchemische Beschichtung, d. h.

Techniken, die in der Halbleiterfertigung üblich sind, herstellen.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfol- gende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Be- zugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt Figur 1 in schematischer Darstellung einen Dünn- schichtkondensator mit der Parallelschal- tung der Einzelschichten gemäß der vorlie- genden Erfindung nebst zugehörigem Schalt- bild, Figur 2 den Dünnschichtkondensator aus Figur 1 in Draufsicht, Figur 3 in schematischer Darstellung einen Dünn- schichtkondensator mit einer Reihenschal- tung der Einzelschichten gemäß der vorlie- genden Erfindung nebst zugehörigem Schalt- bild Figur 4 in vergrößerter Darstellung den Schicht- aufbau des Dünnschichtkondensators gemäß Figur 1 bzw. 3, Figur 5 ein Diagramm, das die Temperaturabhängig- keit der relativen Dielektrizität (er) un- terschiedlicher Werkstoffe zeigt, Figur 6 ein Diagramm, das die Temperaturabhängig- keit der relativen Kapazitätsänderung be- zogen auf Raumtemperatur verschiedener Ma- terialien zeigt und Figur 7 in schematischer Ansicht einen diskreten keramischen Vielschichtkondensator nach dem Stand der Technik.

In den Figuren 1 und 2 ist in schematischer, vergrößerter Darstellung der Aufbau eines Dünnschichtkondensators 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieser Dünnschichtkondensator 1 besitzt ein Substrat 2, das aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Al203, Saphir o. dgl. besteht, eine darauf angeordnete oxidkeramische Dünnschicht 3 und eine interdigitale Elek- trodenanordnung 4, die auf der dem Substrat 2 gegenüber- liegenden Seite der oxidkeramischen Dünnschicht 3 vorge- sehen ist. Die oxidkeramische Dünnschicht 3 ist aus einer Vielzahl von Einzelschichten 3a, 3b, 3c... gebildet, die sich jeweils parallel zum Substrat 2 erstrecken und aus hochdielektrischen Materialien bestehen, so daß die Ein- zelschichten 3a, 3b, 3c... der oxidkeramischen Dünn- schicht 3 Plattenkondensatoren bilden, die, wie in Figur 1 angedeutet ist, parallel zueinander geschaltet sind.

Die Einzelschichten 3a, 3b, 3c bestehen jeweils aus we- nigstens zwei Materialien hoher Dielektrizität und sind funktionsgradiert, d. h. ihre Zusammensetzung ändert sich mit zunehmendem Abstand vom Substrat 2, wie dies bei- spielhaft in Figur 3 dargestellt ist. Dort ist eine oxid- keramische Dünnschichtanordnung 3 bestehend aus 11 Ein- zelschichten 3a, 3b..., 31 dargestellt, die aus den Ma- terialsystemen Strontiumtitanat (SrTiO3) und Barium- titanat (BaTiO3) bestehen. Die gradierten Barium- Strontiumtitanat (BalxSrxTiO3)-Einzelschichten, die durch geeignete physikalische oder chemische Beschichtungsver- fahren hergestellt werden können, haben jeweils eine Dik- ke von etwa 9nm. Die oxidkeramischen Schichten weisen Ge- samtschichtdicken von etwa 170 bis 190 nm auf.

Die Zusammensetzung der gradierten Einzelschichten (Ba1xSrxTiO3) 3a, 3b, 3c... 31 der in Figur 3 dargestell- ten oxidkeramischen Dünnschicht 3 ist in Schritten von Ax = 0,1 verändert. Dabei besteht die mit dem Substrat 2 in Kontakt kommende Einzelschicht 3a vollständig aus Stron- tiumtitanat, und der Strontium-Anteil in den Barium- Strontiumtitanat-Schichten nimmt von Schicht zu Schicht zu Gunsten eines entsprechend wachsenden Anteils an Bari- um um jeweils 10% ab, d. h. in der 11., mit der interdi- gitalen Elektrodenanordnung 4 in Kontakt kommenden Ein- zelschicht 31 ist kein Strontiumtitanat mehr enthalten.

Die auf diese Weise funktionsgradierten Einzelschichten 3a bis 31 haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusam- mensetzung auch unterschiedliche Dielektrizitätszahlen Er und daraus resultierende Kapazitäten, und zeigen auch un- terschiedliche Abhängigkeiten der Dielektrizitätszahl und der daraus resultierenden Kapazität von der Temperatur.

Diese unterschiedlichen Werte bzw. Charakteristika über- lagern sich aufgrund der Parallelschaltung der Einzel- schichten, wodurch erreicht wird, daß die Dielektrizi- tätszahl der Gesamtschicht und die daraus resultierende Kapazität des Kondensators vergleichsweise wenig bei Tem- peraturänderungen schwanken, also die Er (T)- und C (T)- Charakteristika flach sind.

Exemplarisch ist dies in den Figuren 5 und 6 dargestellt.

Figur 4 zeigt hierbei die Temperaturabhängigkeit der Die- lektrizitätszahl von reinen Bao, SSro, 5Ti03 und BaTiO3 im Vergleich zu einer gradierten Ba0,5Sr0,5TiO3#BaTiO3- Dünnschicht gemessen an einer Interdigital-Struktur bei einer Frequenz von 10 kHz (Vrms = 0, 1V). Das Diagramm läßt gut erkennen, daß die Dielektrizitätszahl von Ba0,5Sr0,5TiO3 bei etwa 220 K ein ausgeprägtes Maximum hat, und die Kur- ve zu beiden Seiten des Maximums stark abfällt. Das glei- che gilt auch für das Temperaturverhalten der Dielektri- zitätszahl von BaTiO3, das bei etwa 380 K ein ausgepräg- tes Maximum hat. Im Vergleich hierzu zeigt der gradierte Werkstoff eine geringe Temperaturabhängigkeit der Dielek- trizitätszahl von der Temperatur, d. h. die Kurve ver- läuft zumindest im Bereich zwischen 200 und 350 K flach.

In Figur 6 ist die relative Änderung der Kapazität bezo- gen auf Raumtemperatur in Abhängigkeit der Temperatur von reinem Ba0,5Sr0,5TiO3 und BaTiO3, im Vergleich zu einer gra- dierten Ba0,5Sr0,5TiO3#BaTiO3-Dünnschicht gemessen in einer Interdigital-Struktur bei einer Frequenz von 10 kHz (Vrms = 0,1V) dargestellt. Auch hier haben die Kurven von Bo, sSro, sTi03 und BaTiO3 ausgeprägte Maxima, während der gradierte Werkstoff einen flachen Verlauf, d. h. eine ge- ringe Temperaturabhängigkeit besitzt.

Die Kennkurve des gradierten Werkstoffs läßt sich durch entsprechende Auswahl geeigneter Materialsysteme sowie durch die Zusammensetzung der Einzelschichten einstellen.

Neben dem in Figur 3 dargestellten Zweistoffsystem aus den Materialien Strontiumtitanat und Bariumtitanat kann die Zusammensetzung beispielsweise auch aus den Material- systemen Strontiumtitanat, Bariumtitanat, Bleititanat mit geeigneten Dotierungen bestehen. Auch ist ein Werkstoff- system Bariumtitanat-Z irkonat (sa (Til_yZry) 03)-Bleizir- konat-Titanat (Pb (ZlyTiy) 03) mit geeigneten Dotierungen denkbar.

Wie bereits ausgeführt, können die Einzelschichten der oxidkeramischen Dünnschicht 3 über herkömmliche physika- lische Verfahren wie beispielsweise Laserablation, Magne- tronsputterverfahren etc. oder durch chemische Verfahren wie beispielsweise Gasphasenabscheidung oder naßchemische Beschichtung, wie sie in Halbleitertechnik ohnehin üblich sind, hergestellt werden. Die Aufbringung der interdigi- talen Elektrodenanordnung kann beispielsweise durch eine Kombination von Sputtern und Einsatz der Lift-Off- Photolithographie auf die oxidkeramische Dünnschicht auf- gebracht werden.

In Figur 3 ist in schematischer, vergrößerter Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Dünnschichtkondensa- tors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die- ser Dünnschichtkondensator 1 besitzt ein Halbleiter- substrat 2, das eine Bodenelektrode 5 trägt. Auf der Bo- denelektrode ist eine oxidkeramische Dünnschicht 3 ange- ordnet, auf der wiederum eine Elektrode 4 vorgesehen ist.

Die oxidkeramische Dünnschicht 3 ist in der zuvor be- schriebenen Weise aus einer Vielzahl von Einzelschichten 3a, 3b, 3c.... gebildet, die sich jeweils parallel zum Substrat 2 erstrecken und aus hoch dielektrischen Mate- rialien bestehen, so daß die Einzelschichten 3a, 3b, 3c ... der oxidkeramischen Dünnschicht 3 Plattenkondensato- ren bilden, die, wie in Figur 3 angedeutet ist, in Serie zueinander geschaltet sind.