專(zhuān)利名稱(chēng)：高頻薄膜電路元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高頻薄膜電路元件，其包括與至少一層磁性材料磁耦合的長(zhǎng)形導(dǎo)體，所述磁性材料層沿著所述導(dǎo)體的至少一部分在所述導(dǎo)體上方和下方延伸。
背景技術(shù)：
在磁性材料中埋入或夾入電感元件的導(dǎo)體能夠在給定尺寸的情況下明顯地提高其電感，或者在保持給定電感的情況下縮小尺寸。類(lèi)似地，在磁性材料中埋入或者夾入導(dǎo)體能夠增強(qiáng)由沿著導(dǎo)體流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的封閉性如果導(dǎo)體被形成為半導(dǎo)體器件比如集成電路的一部分，則這種情況尤其有價(jià)值，因?yàn)槟軌蚋纳婆c器件中其它元件的信號(hào)隔離。
對(duì)于使用半導(dǎo)體類(lèi)型的制造技術(shù)(比如支持層上的掩模控制的淀積和材料的蝕刻)制造的微電路元件，電路元件尺寸的減小尤其有價(jià)值，因?yàn)檫@導(dǎo)致被占用的芯片面積減小，從而，對(duì)于給定的制造操作序列和給定的總支持層(“晶片”)尺寸，能夠生產(chǎn)更多的器件。
但是，即便使用高電阻率鐵磁材料，鐵磁共振(FMR)損耗也限制了這樣的器件在1GHz以下的適用性。
Fergen，I等人發(fā)表在Journal of Magnetism and MagneticMaterials vol.242-245 p.146-51(2002年4月)的題為“Softferromagnetic thin films for high frequency applications”的報(bào)告中，描述了對(duì)磁性材料濺射薄膜在高頻下的特性的研究。
Zhuang Y等人的題為“Ferromagnetic RF inductors andtransformers for standard CMOS/BiCMOS”的報(bào)告(InternationalElectron Devices Meeting 2002 Technical Digest，IEEE 8 December2002，p.476-478)中，描述了一種RF電感器，其包括與磁性材料的薄層磁耦合的長(zhǎng)形的電導(dǎo)體，所述磁性材料的薄層沿著至少部分導(dǎo)體在導(dǎo)體的上方和下方延伸，該層的厚度為0.5微米，橫向尺度為100、200、400或800微米。
存在對(duì)用于高頻應(yīng)用的占用芯片面積小的實(shí)用的高頻薄膜電路元件的需要。

發(fā)明內(nèi)容
如在附圖中描述的，本發(fā)明提供了一種結(jié)合有仔細(xì)選擇的磁性材料層的電感元件，以及制造電感元件的方法。


圖1是舉例給出的根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的用于高頻薄膜電感器的電導(dǎo)體的立體圖；圖2是圖1的電感器的剖面圖；圖3是作為圖1的電感器所用的鐵磁材料的頻率的函數(shù)的磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部的曲線(xiàn)圖；圖4是作為用在圖1所示電感器中的鐵磁材料的縱橫比的函數(shù)的退磁系數(shù)和鐵磁共振頻率FMR的曲線(xiàn)圖。
圖5是作為磁性材料的厚度的函數(shù)的圖1所示電感器的電感的相對(duì)值的曲線(xiàn)圖；圖6是作為鐵磁材料的厚度的函數(shù)的圖1所示電感器的品質(zhì)因數(shù)的相對(duì)值的曲線(xiàn)圖；圖7是作為例子給出的，根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施方式的兩個(gè)高頻薄膜電感器的局部的詳細(xì)剖面圖；圖8是作為例子給出的，根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方式的高頻薄膜電感器的詳細(xì)剖面圖；圖9是作為例子給出的，根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施方式的高頻薄膜電感器的詳細(xì)剖面圖。
具體實(shí)施例方式
附圖中所示的本發(fā)明的實(shí)施方案包括在電絕緣支持層2上在一層導(dǎo)電材料中形成的長(zhǎng)形導(dǎo)體1。該電導(dǎo)體1可以由單一的直線(xiàn)形元件構(gòu)成，或者由一系列平行的直線(xiàn)形元件在交替的端部連接到相鄰元件而形成曲折形而構(gòu)成，或者可以是平面或者非平面螺旋電感器的一部分。在圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，該導(dǎo)體構(gòu)成總體上為方形的螺旋，在此例子中有三圈半，但是當(dāng)然可以提供更多或者更少的圈數(shù)。在導(dǎo)體1這一層中形成電接觸焊盤(pán)，其為外部電路部件提供到導(dǎo)體1一端的連接。在導(dǎo)體1這一層中還形成電接觸焊盤(pán)4，其通過(guò)在支持層2下面通過(guò)(未圖示)的導(dǎo)電橋接元件連接到導(dǎo)體1的另一端。
導(dǎo)體1可以被用作自感，或者用作變壓器(互感器)的一部分。為了提高導(dǎo)體1的電感，將其嵌入磁導(dǎo)率大于1的薄膜磁性材料(最好是鐵磁材料)的層中。(注意，在圖1中沒(méi)有圖示磁性材料，但是在其他圖中圖示了)。導(dǎo)體1的橫向維度平行于磁性層5的橫向維度，并在磁性層的橫向維度內(nèi)延伸。磁性層5還具有在很大程度上封閉來(lái)自導(dǎo)體1的磁通量、改善導(dǎo)體1的屏蔽和導(dǎo)體中流動(dòng)的信號(hào)的電磁隔離的特性。在導(dǎo)體1與其磁性層5一起被設(shè)置在公共支持層上與其他電氣部件鄰近的情況下，這種特性尤其有價(jià)值。在某些情況下，導(dǎo)體1可能作為集成電路的一部分，其中支持層2也是集成電路的一部分。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，磁性材料5是適當(dāng)?shù)暮穸鹊母咦梃F磁材料的濺射膜。適合的鐵磁材料為諸如FeCoSiB和FeTaN等合金。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，磁性層5的材料是一種復(fù)合材料，其包括緊密堆積在基本非磁性的電阻性基質(zhì)材料中的鐵磁材料顆粒。這樣的復(fù)合材料具有較低的渦流損耗，從而電感器具有較低的串聯(lián)電阻和較低的寄生電容，從而導(dǎo)致高的品質(zhì)因數(shù)(Q)和高的RF頻率。所述磁性顆粒可以是鐵(Fe)或者鐵鈷(FeCo)合金的磁性納米顆粒?；|(zhì)材料可以是有機(jī)樹(shù)脂或者ligant。
圖3中圖示了層5的典型磁導(dǎo)率特性曲線(xiàn)。磁導(dǎo)率是復(fù)數(shù)值，由實(shí)部μ′和虛部μ″組成。在大約1GHz以及更高的頻率上，這樣的材料表現(xiàn)出鐵磁共振(FMR)，此時(shí)磁導(dǎo)率的實(shí)部迅速下降，可以成為負(fù)值，而虛部則出現(xiàn)峰值。這些特性將電路元件的功能局限于低于FMR頻率的頻率。
磁性層5的磁導(dǎo)率取決于其飽和磁化Ms和各向異性Hk，飽和磁化是磁性材料特性的一個(gè)要素，各向異性則取決于該層的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)。在塊狀和薄膜結(jié)構(gòu)中，材料的磁導(dǎo)率如下μ＝1+Ms/Hk等式1如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)層5的鐵磁共振頻率FMR以及退磁系數(shù)Nz都是層5的縱橫比的函數(shù)，縱橫比也就是層5在Z軸方向的厚度與它在X和Y軸方向的橫向尺寸的比例。
退磁系數(shù)大體上是樣本形狀的對(duì)角張量函數(shù)。它們對(duì)鐵磁共振的影響可以表示如下FMR=γ[Hk+(Ny-Nz)Ms][Hk+(Nx-Nz)Ms]]]>其中γ是回磁比，Nx，Ny，Nz是顆粒的退磁系數(shù)，Ms飽和磁化，Hk是晶體各向異性磁場(chǎng)。
退磁系數(shù)可計(jì)算做Nx+Ny+Nz＝1，它們各自對(duì)桿形和橢圓體的表達(dá)式已經(jīng)得到廣泛的計(jì)算和列表(例如可參看Modern MagneticMaterials，Principles and Application，R.C.O′Handley WileyInterscience P.41)。
對(duì)于薄膜，Ny＝Nz＝0；Nx＝1并且FMR=γH2k+HkMs≈γHkMs]]>(如果Ms＞＞Hk)；對(duì)于球體Nx＝Ny＝Nz＝1/3并且FMR＝γHk對(duì)于中間結(jié)構(gòu)，Nz和FMR取決于樣本形狀(縱橫比)，如圖4所示。
如圖4所示，對(duì)于0.5以及以上的縱橫比，鐵磁共振頻率急劇下降。在本發(fā)明的首選的實(shí)施方案中，縱橫比基本保持在低于0.5，最好低于0.1?？梢钥闯?，對(duì)于所圖解的磁性材料的例子中，鐵磁共振頻率在塊體材料中是1.5GHz，但是當(dāng)縱橫比是0.5時(shí)大約為5GHz，在縱橫比為0.1時(shí)超過(guò)8GHz。
但是，對(duì)于層5的有用的縱橫比有一個(gè)下限。對(duì)于給定的層厚縱橫比越小，其橫向尺度就越寬。對(duì)于在高于1GHz的頻率上大約1到5nH的電感的例子來(lái)說(shuō)，以及對(duì)于具有約為10的磁導(dǎo)率μ的層5的實(shí)用例子來(lái)說(shuō)，圖2的層5的厚度大約為120微米。電路元件的橫向尺度的可接受的尺寸取決于其用途。但是，對(duì)于許多應(yīng)用，12mm左右的橫向尺度是不可接受的，這對(duì)應(yīng)于小于0.01的縱橫比。另外，可以理解，即使對(duì)于導(dǎo)致橫向尺度減小的較小的磁性材料厚度，通過(guò)減小縱橫比而獲得的對(duì)FMR頻率的改善在縱橫比小于0.01很多時(shí)所得到的好處也是逐漸遞減的，如圖4所示。因此，即使在本發(fā)明的這些實(shí)施方案中，縱橫比大于0.001。
事實(shí)上，電感器的尺寸不僅取決于磁性材料的縱橫比，而且還取決于它的磁導(dǎo)率可以使用磁導(dǎo)率顯著大于對(duì)當(dāng)前可用的典型材料給出的10的值的磁性材料。
嵌在層5中的導(dǎo)體1相對(duì)于由空氣包圍的同一導(dǎo)體(L0)的電感在圖5中被圖示為磁性材料厚度的函數(shù)。該電路元件提供的電感器的品質(zhì)因數(shù)在圖6中被圖示為厚度的函數(shù)?？梢钥吹?，在此例子中，對(duì)于10的磁導(dǎo)率，60微米的磁性材料厚度導(dǎo)致電感八倍的增長(zhǎng)(與空氣心導(dǎo)體1相比)，以及品質(zhì)因數(shù)Q三倍的增長(zhǎng)。
圖7圖解說(shuō)明了本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施方案，其中在支持層2上面電導(dǎo)體1被夾在一對(duì)磁性層6和7之間，而不是嵌在單一的層5中。在圖7上部所示的例子中，與圖2的實(shí)施方案類(lèi)似，層5的厚度是120微米并且縱橫比是0.1，橫向的尺寸是1.2mm。在圖7下部所示的本發(fā)明的實(shí)施方案中，有兩個(gè)層6和7，對(duì)于同樣的120微米的總體厚度，對(duì)于層6和7中每一個(gè)層各具有小于0.1的縱橫比的情況下，層6和7的橫向尺度大約為600微米。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案中，層6和7由在導(dǎo)體1的每一側(cè)基本上沿著其整個(gè)長(zhǎng)度延伸的磁互連件8和9磁性互連起來(lái)。磁互連件8和9的典型的橫向尺度為60微米?？梢岳斫?，圖7圖示了導(dǎo)體1的橫剖面。在每一種情況下，磁性材料的層5、6和7以及磁互連件8和9由介電材料10約束。
可以理解，沿導(dǎo)體1流動(dòng)的電流，也就是垂直于圖面流動(dòng)的電流，會(huì)產(chǎn)生環(huán)形圍繞導(dǎo)體的磁通量，從而所述磁通量被約束在層6和7的橫向區(qū)域中和互連件8和9中。
可以理解，對(duì)于給定橫向尺度，與圖7上部所示的實(shí)施方案相比，圖7下部所示的具有兩個(gè)磁性層6和7的實(shí)施方案改善了每一個(gè)層的縱橫比。如圖8所示，對(duì)于作為螺旋電感器的一部分的長(zhǎng)形導(dǎo)體，可以通過(guò)在磁性層6上添加另一個(gè)磁性層11并在磁性層7下面添加另一個(gè)磁性層12，來(lái)進(jìn)一步改善磁性層的縱橫比。與前面一樣，層6、7、11和12由介電材料10隔開(kāi)。
如圖8所示，疊置的磁性層6和7(在圖8所示結(jié)構(gòu)的情況下還有層11和12)之間的磁互連件8和9不需要被設(shè)置得與導(dǎo)體1的每一圈直接相鄰(尤其是在螺旋結(jié)構(gòu)的情況下)。在本發(fā)明的該實(shí)施方案中，在導(dǎo)體1的螺旋的中央，在13處，形成層6、7、11和12之間的磁互連件，并且在14處，在螺旋外部環(huán)繞螺旋的基本上所有地方，形成磁互連件。在本發(fā)明的該實(shí)施方案中，磁互連件13和14是由通路形成的，通過(guò)向在介電材料10中蝕刻的孔中淀積磁性材料來(lái)形成。在圖9所示的替代實(shí)施方式中，由栓塞形成磁互連件13和14，其中，在電介質(zhì)10中的孔內(nèi)整體式地生長(zhǎng)磁性材料。
可以理解，如圖所示的電路器件可以與可對(duì)電路元件對(duì)導(dǎo)體中流動(dòng)的周期性電流所呈現(xiàn)的電感作出響應(yīng)的器件一起用于電路設(shè)備中。
權(quán)利要求
1.一種電路元件，包括長(zhǎng)形的電導(dǎo)體(1)，該電導(dǎo)體與磁性材料的至少一個(gè)薄層(5；6，7，11，12)磁耦合，所述至少一個(gè)薄層沿所述導(dǎo)體的至少一部分延伸，與所述導(dǎo)體并列，其特征在于，所述磁性材料層(5；6，7，11，12)的厚度與其橫向尺寸的縱橫比在0.01到0.5之間。
2.如權(quán)利要求1所述的電路元件，其中，所述縱橫比小于0.1。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電路元件，其中，所述導(dǎo)體(1)的所述部分被設(shè)置在所述磁性材料層(5；6，7，11，12)內(nèi)。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的電路元件，其中，所述長(zhǎng)形電導(dǎo)體(1)與多個(gè)所述磁性材料薄層(6，7，11，12)磁耦合，所述薄層沿著所述導(dǎo)體的至少一部分在所述導(dǎo)體的上方和下方延伸，每一個(gè)所述磁性材料層(6，7，11，12)的厚度與其橫向尺寸的縱橫比在0.01到0.5之間。
5.如權(quán)利要求4所述的電路元件，其中，所述縱橫比小于0.1。
6.如權(quán)利要求4或5所述的電路元件，包括在所述導(dǎo)體(1)旁邊延伸并在下述位置互連所述磁性材料層(6，7，11，12)的磁互連件(13，14)，在所述位置，沿著所述導(dǎo)體流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁通量橫穿所述層。
7.如權(quán)利要求6所述的電路元件，其中，所述互連件(13，14)的橫向尺寸與所述層(6，7，11，12)的橫向尺寸相比較小。
8.如權(quán)利要求4到7之一所述的電路元件，包括在所述導(dǎo)體(1)上方延伸的多個(gè)所述磁性材料層(6，11)和在所述導(dǎo)體下方延伸的多個(gè)所述磁性材料層(7，12)。
9.如權(quán)利要求4到8之一所述的電路元件，其中，所述導(dǎo)體(1)在所述磁性材料層(6，7，11，12)之間螺旋狀延伸。
10.如權(quán)利要求4到8之一所述的電路元件，其中，所述導(dǎo)體(1)在所述磁性材料層(6，7，11，12)之間曲折延伸。
11.如前述任一權(quán)利要求所述的電路元件，其中，所述磁性材料包括鐵磁材料。
12.如前述任一權(quán)利要求所述的電路元件，其中，所述磁性材料是復(fù)合材料，包括緊密堆積在基本上非磁性的電阻性基質(zhì)中的磁性材料顆粒。
13.如前述任一權(quán)利要求所述的電路元件，其中，所述磁性材料是高電阻鐵磁材料的濺射膜。
14.電路設(shè)備，包括如前述任一權(quán)利要求所述的電路元件，以及電感響應(yīng)裝置，所述電感響應(yīng)裝置可對(duì)所述電路元件對(duì)所述導(dǎo)體(1)中流動(dòng)的周期性電流所呈現(xiàn)的電感作出響應(yīng)。
15.如權(quán)利要求14所述的電路設(shè)備，其中，所述電路元件和所述電感響應(yīng)裝置被設(shè)置在公共支持層上。
16.如權(quán)利要求15所述的電路設(shè)備，其中，所述電路元件和所述電感響應(yīng)裝置分別是公共集成電路的一部分。
全文摘要
一種電感器電路元件，包括與磁性材料(6，7，11，12)的薄層磁耦合的長(zhǎng)形電導(dǎo)體(1)，所述薄層沿著至少一部分所述導(dǎo)體在所述導(dǎo)體上方和下方延伸。磁性材料的每一層(6，7，11，12)的厚度與其橫向尺寸的縱橫比在0.001和0.5之間，優(yōu)選在0.01和0.1之間。該縱橫比的范圍有一高鐵磁共振頻率。所述電感器優(yōu)選包括在所述導(dǎo)體旁邊延伸的磁互連件(13，14)，所述磁互連件在下述位置將所述磁性材料層(6，7，11，12)互連起來(lái)在所述位置，沿著導(dǎo)體流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁通量橫穿所述層。
文檔編號(hào)H01L23/552GK1883018SQ200480033759
公開(kāi)日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2004年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月28日
發(fā)明者菲利普·瑞那奧德, 拉馬姆爾西·拉馬普拉薩德 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司