CN1849676A - 高频用磁性薄膜、其制作方法及磁元件 - Google Patents

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Abstract

通过采用由非晶状态的强磁性金属和与该强磁性金属不同的非晶金属形成的DM(不连续多层)结构，实现了在GHz频带的高频区具有高的磁导率且具有高的饱和磁化的高频用磁性薄膜。此时，优选：(i)强磁性金属是以Fe或FeCo为主成分、并含有选自C、B和N的1种或2种以上的元素的金属，非晶金属是Co系非晶合金；(ii)非晶金属是CoZrNb。

Description

高频用磁性薄膜、其制作方法及磁元件
技术领域
本发明涉及具有高的饱和磁化、显示出在GHz频带的高的磁导率和性能指数Q的高频用磁性薄膜、其制作方法及具有该高频用磁性薄膜的磁元件，进一步详细讲，涉及在薄膜电感器、薄膜变压器等高频用的平面型磁元件或单片微波集成电路(以下简记为MMIC)中优选使用的高频用磁性薄膜等。
背景技术
伴随着近年来对磁元件的小型化和高性能化的要求，希望得到具有高的饱和磁化、且在GHz频带显示出高的磁导率的磁性薄膜材料。
例如，以无线发送接收装置、便携信息终端为中心需求正在提高的MMIC，是在Si、GaAs或InP等半导体衬底上总括地并且一体地制作晶体管等有源元件、和线路、电阻、电容器、电感器等无源元件而构成的高频集成电路，但在该MMIC中，特别是电感器、电容器等无源元件与有源元件比占大的面积。MMIC的无源元件的大面积占有，其结果导致高价的半导体衬底的大量消费、即MMIC成本提高。为了降低MMIC的制造成本，缩小芯片面积是必要的，为此，缩小无源元件占的面积成为课题。
在上述的MMIC上，作为电感器被较多地使用平面型的螺旋线圈。在这样的平面型的螺旋线圈中，为了即使是小的占有面积也得到与过去同样的电感，通过在其上下面或单面设置软磁性薄膜来谋求电感增加(例如参照J.Appl.Phys.，85，7919(1999))。可是，为了将磁性材料应用于MMIC的电感器，首先要求开发在GHz频带的磁导率高且高频损耗少的软磁性薄膜材料。而且，为了减少在高频下的涡流损耗，也要求电阻率大。
过去，作为具有高的饱和磁化的磁性材料，人们熟知以Fe或FeCo为主成分的合金。可是，利用溅射等成膜技术制作包含Fe系或FeCo系合金的磁性薄膜，虽然所得到的膜的饱和磁化高，但是膜的顽磁力大，另外电阻率小，难以得到良好的高频特性。
另一方面，作为软磁特性优异的材料，已知Co系非晶合金。该Co系非晶合金是将以Co为主成分、并含有选自Y、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta等的1种或2种以上的元素的非晶作为主体的。可是，采用溅射等成膜技术制作零磁致伸缩组成的Co系非晶合金的磁性薄膜，所得到的膜虽然磁导率高，但是饱和磁化为1.1T(11kG)左右，饱和磁化比Fe系材料小。而且，超过100MHz左右的频率后的损耗成分(磁导率的虚数部μ2)变大，性能指数Q变为1以下，作为在GHz的高频带使用的磁性材料不能说合适。
为了使用这样的难应用的材料实现GHz频带的电感器，通过使磁性薄膜微线化，使形状各向异性能量增大，也进行了将共振频率高频化的尝试(例如参照日本应用磁学会志，24，879(2000))。可是，这种方法工序复杂，还有磁性薄膜的实效磁导率降低的问题。
在这样的现有的实际情况下，提出了用于改良软磁性薄膜的高频特性的种种方案。作为其改良的基本方针，举出涡流损耗的抑制、共振频率的上升等。作为抑制涡流损耗的具体的对策，例如提出了由磁性层/绝缘层(高电阻层)叠层的多层化(例如参照特开平7-249516号公报(第1页))、金属-非金属(氧化物、氟化物)的颗粒化(例如参照J.Appl.Phys.，79，5130(1996))等方案。可是，在这些方法中，由于被插入高电阻的非磁性相，因此发生饱和磁化降低的问题。另外，金属-非金属的颗粒膜的场合，磁导率为200以下，也有磁导率低的问题。
另一方面，关于由交替地层叠软磁性层和高饱和磁化层的多层膜形成的高饱和磁化薄膜也进行了研讨。即，报告了CoZr/Fe(例如参照日本应用磁学会志，16，285(1992))、FeBN/FeN(例如参照特开平5-101930号公报(第1页))、FeCrB/Fe(例如参照日本应用磁学会志，16，285(1992))、Fe-Hf-C/Fe(例如参照日本应用磁学会志，15，403(1991))等各种各样的组合的例子。它们都对提高饱和磁化有效果，但在高频带的磁导率均不大，不能期待在GHz频带应用。
发明内容
本发明是为解决上述课题而完成的，其第1目的在于，提供在GHz频带的高频区具有高的磁导率且具有高的饱和磁化的高频用磁性薄膜。本发明的第2目的在于，提供具有上述特性的高频用磁性薄膜的制作方法。另外，本发明的第3目的在于，提供使用了上述高频用磁性薄膜的磁元件。
实现上述第1目的的本发明的高频用磁性薄膜，其特征在于，具有采用非晶状态的强磁性金属和与该强磁性金属不同的非晶金属形成的DM(不连续多层(Discontinuous Multilayer)的简称)结构。
在此，所谓“非晶状态”未必是只意指完全的无定形状态，是包括全部完全晶体状态以外的状态之意。具体讲，是采用X射线衍射法时看不到衍射峰的程度的非晶状态即可。所谓“看不到衍射峰的程度”，意指不存在所谓的尖锐的峰。只部分地结晶化的“微晶状态”也包括在“非晶状态”中。另外，所谓“DM结构”，是呈不连续多层结构的，意指未显示明确的多层结构，且每个相不呈明确的晶相，整体呈非晶状态的结构。
根据该发明，具有采用非晶状态的强磁性金属和与该强磁性金属不同的非晶金属形成的DM结构的高频用磁性薄膜，由于不显示明确的层叠结构或呈晶相的结构，因此例如保持强磁性材料具有的大的饱和磁化并呈高的磁导率，在软磁性化的同时电阻率变高。其结果，包含这种结构的高频用磁性薄膜，在GHz频带的高频区具有优异的性能指数Q(Q＝μ1/μ2，以下相同)。
本发明的高频用磁性薄膜，优选(i)强磁性金属是以Fe或FeCo为主成分、并含有选自C、B和N的1种或2种以上的元素的金属，非晶金属是Co系非晶合金。作为那样的强磁性金属，例如能够使用Fe-C。再有，更优选(ii)非晶金属是CoZrNb。
如上述(i)那样，在将具有大的饱和磁化的Fe系或FeCo系合金作为强磁性金属，将软磁性材料Co系非晶合金作为非晶合金的场合，所得到的高频用磁性薄膜，由于保持大的饱和磁化并呈高的磁导率，在软磁性化的同时电阻率变高，因此具有优异的性能指数Q。尤其如(ii)那样，在非晶金属为CoZrNb的场合，能够容易地实现磁致伸缩为零的组成，因此具有软磁特性优异、得到高的磁导率的优点。
本发明的高频用磁性薄膜，优选强磁性金属的膜厚为3.0nm以下，尤其更优选为0.5nm以上～2.0nm以下。如果是0.5nm以上，则能够实现一定的膜厚，因此使全膜厚工作能够实现。另外，如果是2.0nm以下，则能使强磁性金属与非晶金属的界面变得更多。这里所说的“膜厚”，在能测量的场合是指通过测量而得到的，在难以测量的场合，例如是指基于总厚、层数和成膜条件，换算强磁性金属的层与非晶金属的层之比，通过计算而得到的换算膜厚(估量膜厚)。
另外，本发明的高频用磁性薄膜，优选上述强磁性金属的膜厚对非晶金属的膜厚的比是0.8以上～3.0以下，更优选是1.0以上～2.5以下。
另外，本发明的高频用磁性薄膜，优选交替地反复层叠强磁性金属和非晶金属。在该场合，优选层叠反复次数是5次以上～3000次以下，其总层叠膜厚是100nm以上～2000nm以下，特别是更优选层叠反复次数是10次以上～700次以下，其总层叠膜厚是300nm以上～1000nm以下。
本发明的高频用磁性薄膜，例如优选如下构成，在1GHz的复数磁导率的实数部(μ1)是400以上，且性能指数Q(Q＝μ1/μ2)是3以上，饱和磁化是1.3T(13kG)以上，电阻率是100μΩcm以上。
实现上述第2目的的本发明的高频用磁性薄膜的制造方法，是具有用强磁性金属和非晶金属形成的DM结构的高频用磁性薄膜的制造方法，其特征在于，包括按保持非晶状态的方式堆积强磁性金属的强磁性金属堆积工序、和堆积与强磁性金属不同的非晶金属的非晶金属堆积工序，通过将强磁性金属堆积工序和非晶金属堆积工序交替地多次进行来形成DM结构。
根据本发明，DM结构通过交替地进行按保持非晶状态的方式堆积强磁性金属的强磁性金属堆积工序、和堆积与强磁性金属不同的非晶金属的非晶金属堆积工序而形成。因此，所形成的高频用磁性薄膜，呈现不显示明确的层叠结构或呈晶相的结构的DM结构，因此例如保持强磁性材料具有的大的饱和磁化并呈高的磁导率，在软磁性化的同时电阻率变高。其结果，能够制作在GHz频带的高频区具有优异的性能指数Q的高频用磁性薄膜。
在本发明的高频用磁性薄膜的制造方法中，优选强磁性金属是以Fe或FeCo为主成分、并含有选自C、B和N的1种或2种以上的元素的金属，非晶金属是Co系非晶合金。
实现上述第3目的的本发明的磁元件，是具有高频用磁性薄膜的磁元件，其特征在于，该高频用磁性薄膜，具有采用非晶状态的强磁性金属和与该强磁性金属不同的非晶金属形成的DM结构。
本发明的磁元件，优选：(a)进一步具备线圈，高频用磁性薄膜对置以夹持线圈；(b)应用于电感器或变压器；(c)应用于单片微波集成电路。
如上述，根据本发明的高频用磁性薄膜，由于采用由非晶状态的强磁性金属和与该强磁性金属不同的非晶金属形成的DM结构，不显示明确的层叠结构或呈晶相的结构，因此保持强磁性材料具有的大的饱和磁化并呈高的磁导率，在软磁性化的同时能够确保高的电阻率。其结果，例如能够在GHz频带的高频区实现优异的性能指数Q。这样的高频用磁性薄膜，例如能够优选用作为应用于具有搭载于MMIC的平面型螺旋线圈的电感器的高频用磁性薄膜。另外，本发明的高频用磁性薄膜，由于在室温下成膜的原样状态下能够发挥其性能，因此是MMIC之类的用半导体工艺制作的高频集成电路最合适的材料。本发明的高频用磁性薄膜，能够在几百MHz以上的频带、特别是1GHz以上的GHz频带使用。
另外，根据本发明的高频用磁性薄膜的制造方法，由于能够采用交替地进行强磁性金属堆积工序和非晶金属堆积工序这样简单方法形成呈现不显示明确的层叠结构或呈晶相的结构的DM结构的磁性薄膜，因此能够容易地制作在GHz频带的高频区具有优异的性能指数Q的高频用磁性薄膜。
另外，根据本发明的磁元件，由于具有有优异的性能指数Q的高频用磁性薄膜，因此通过应用于例如电感器、变压器或单片微波集成电路等，能够得到具有优异的高频特性的器件。例如对搭载于MMIC的平面型电感器中的螺旋线圈应用该高频用磁性薄膜的场合，该电感器例如作为降低了在GHz频带的涡流损耗的磁元件而发挥功能。
附图说明
图1是表示本发明的高频用磁性薄膜截面形态的一例的模式图。
图2A是表示本发明的高频用磁性薄膜截面形态的一例的HRTEM照片。
图2B是图2A所示的HRTEM照片的模式图。
图3A是表示本发明的高频用磁性薄膜截面形态的另一例的STEM照片。
图3B是图3A所示的STEM照片的模式图。
图4是改变强磁性金属和非晶金属的堆积膜厚时的XRD图。
图5A是表示一例本发明的高频用磁性薄膜的膜厚与饱和磁化的关系的曲线图。
图5B是表示一例本发明的高频用磁性薄膜的膜厚与电阻率的关系的曲线图。
图5C是表示一例本发明的高频用磁性薄膜的膜厚与磁导率的关系的曲线图。
图5D是表示一例本发明的高频用磁性薄膜的膜厚与性能指数Q的关系的曲线图。
图6A是将平面型磁元件应用于电感器的一例。
图6B是图6A的A-A向视截面的模式图。
图7是表示将本发明的平面型磁元件应用于电感器的另一例的截面模式图。
图8是抽出了电感器的导体层部分的模式平面图。
图9是图8的A-A向视截面的模式图。
图10是在实施例1中制作的磁性薄膜的磁化曲线。
图11是表示在实施例1中制作的磁性薄膜的高频磁导率特性的曲线图。
图12是在实施例2中制作的磁性薄膜的磁化曲线。
图13是表示在实施例2中制作的磁性薄膜的高频磁导率特性的曲线图。
图14是在实施例3中制作的磁性薄膜的磁化曲线。
图15是表示在实施例3中制作的磁性薄膜的高频磁导率特性的曲线图。
图16A是在比较例1中制作的磁性薄膜的TEM图像。
图16B是图16A所示的TEM图像的模式图。
图17A是在比较例2中制作的磁性薄膜的TEM图像。
图17B是图17A所示的TEM图像的模式图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的一个实施方案的高频用磁性薄膜及其制作方法以及磁元件。本发明的范围不被以下说明的实施方案限制。
图1是表示本实施方案的高频用磁性薄膜截面形态的一例的模式图。图2A和图2B是表示该高频用磁性薄膜截面形态的一例的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像，图3A和图3B是表示该高频用磁性薄膜截面形态的另一例的扫描透射电子显微镜(STEM图像)。
该高频用磁性薄膜1如图1～3A和图3B所示，其截面结构为由强磁性金属2和非晶金属3形成的DM结构。在此，所谓DM结构，是Discontinuous Multilayer的简称，简单说，可叫做不连续多层结构。这样的DM结构，如在后述的制作方法一栏中说明的那样，通过控制多层膜的制作工序来实现。以下说明该高频用磁性薄膜1的构成。
(强磁性金属)
强磁性金属2，在强磁性材料Fe或FeCo中含有选自C、B和N的1种或2种以上的元素。
选自C、B和N的1种或2种以上的元素，虽饱和磁化大，但保持力大，能够提高电阻率较小的Fe或FeCo的软磁特性，故优选含有。所含有的选自C、B和N的1种或2种以上的元素的浓度，通常是2～20原子％(简记为at％)，优选是4～15at％。那些元素的浓度小于2at％的场合，bcc结构的柱状晶在对衬底垂直的方向容易晶体生长，在顽磁力变大的同时电阻率变小，难以得到良好的高频特性。另一方面，在那些元素的浓度超过20at％的场合，由于各向异性磁场减少，发生共振频率的降低，因此难以作为高频用的薄膜而充分发挥功能。特别优选是含有C的情况，那时的C浓度优选是4～15at％。
与Fe的情况比，采用FeCo时可得到高的饱和磁化，因此优选。此时的FeCo中的Co含量在80at％以下的范围适宜确定即可，优选在20～50 at％的范围含有。另外，即使Fe、FeCo以外的元素，在不对本发明造成不良影响的范围也可以含有其他元素。
(非晶金属)
非晶金属3优选使用Co系非晶合金。Co系非晶合金由于是高磁导率且高电阻(电阻率为100～150μΩcm)，因此对在高频区抑制涡流损耗有效果，被优选使用。优选Co系非晶合金是在为单层膜时具有磁导率1000以上(10MHz)、饱和磁化1.0T(10kG)以上、电阻率100μΩcm以上的特性的。
在本实施方案中，由于与强磁性金属2交替地堆积的材料是非晶金属，因此与该材料是晶体金属的场合比，能够抑制堆积的强磁性金属晶体生长的开始。
该Co系非晶合金，以Co为主成分，并含有选自B、C、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W的至少1种或2种以上的添加元素而形成。
添加元素的比例(2种以上的场合为总量)，通常是5～50at％，优选是10～30at％。当添加元素的比例超过50at％时，发生饱和磁化变小的不良情况。另一方面，当添加元素的比例小于5at％时，磁致伸缩的控制变得困难，发生得不到有效的软磁特性的不良情况。
作为Co系非晶合金，例如举出CoZr、CoHf、CoNb、CoMo、CoZrNb、CoZrTa、CoFeZr、CoFeNb、CoTiNb、CoZrMo、CoFeB、CoZrNbMo、CoZrMoNi、CoFeZrB、CoFeSiB、CoZrCrMo等。特别优选举出CoZrNb。
(DM结构)
图2A和图2B是将作为强磁性金属2的膜厚1.0nm的Fe-C(C含量：约10at％)、和作为非晶金属3的膜厚0.7nm的CoZrNb分别交替地堆积250次(合计堆积500次)而得到的膜截面的HRTEM图像。图2A是HRTEM照片，图2B是HRTEM照片的模式图。另外，图3A和图3B是将作为强磁性金属2的膜厚2.0nm的Fe-C(C含量：约10at％)、和作为非晶金属3的膜厚0.7nm的CoZrNb分别交替地堆积250次(合计堆积500次)而得到的膜截面的STEM图像。图3A是STEM照片，图3B是STEM照片的模式图。
本实施方案的高频用磁性薄膜，如图2A和2B、图3A和3B所示，其特征在于强磁性金属2和非晶金属3呈DM结构。DM结构是呈不连续多层结构的，其特征在于：例如如图2A和图2B、图3A和图3B所示，未显示出明确的多层结构，且每个相不呈现明确的晶相；以及，例如如图4所示，由改变强磁性金属2和非晶金属3的堆积膜厚时的XRD(X射线衍射)图也可知，是呈非晶状态(包括微晶状态)的结构。
这样的DM结构，例如在采用X射线衍射法(XRD法)测定的衍射图中通过观察表示非晶状态的晕圈峰(ハロ一ビ一ク)而可确认。在用XRD法测定时，通过进行发生来自Fe-C的(110)晶面的衍射的2θ＝45°附近的测定而容易确认。另外，作为用于确认行成DM结构的其他方法，例如可通过图2A和2B所示的HRTEM截面观察、或者图3A和3B所示的STEM截面观察而进行。在这些透射电子显微镜观察中，在其试样作成、测定时，通过同时进行电子衍射(选区电子衍射)的测定而容易确认。
在本实施方案中，构成DM结构的强磁性金属2呈非晶状态的理由是起因于：在充分引起该强磁性金属的晶体生长之前停止了强磁性金属的堆积。这样的非晶状态的强磁性金属2，例如保持强磁性材料具有的大的饱和磁化并呈高的磁导率，在软磁性化的同时电阻率变高。其结果，能够制作在GHz频带的高频区具有优异的性能指数Q的高频用磁性薄膜。
本实施方案的高频用磁性薄膜也包括如下的薄膜：将反复堆积强磁性金属2和非晶金属3而得到的DM结构膜在其后热处理的场合，是与上述同样地呈非晶状态(包括微晶状态)的结构的。
(DM结构的形成)
DM结构通过交替地进行下述工序而形成：在充分引起该强磁性金属的晶体生长之前停止强磁性金属的堆积的强磁性金属堆积工序、和在强磁性金属上堆积为非晶状态的金属的非晶金属堆积工序。
此时注意的方面是：以充分引起该强磁性金属的晶体生长之前的厚度停止强磁性金属的堆积；或者将反复堆积强磁性金属和非晶金属而得到的DM结构膜在其后热处理的场合，以维持与上述同样地呈微晶状态或非晶状态结构的程度的膜厚堆积。如此，能够形成DM结构。
作为具体例，如图2A和图2B所示，以膜厚1.0nm为目标堆积Fe-C，以膜厚0.7nm为目标堆积CoZrNb，由此能够形成非晶状态的DM结构。另外，如图3A和图3B所示，以膜厚2.0nm为目标堆积Fe-C，以膜厚0.7nm为目标堆积CoZrNb，由此能够形成非晶状态的DM结构。
能够形成非晶状态的DM结构的强磁性金属的堆积膜厚的目标是3.0nm以下，更优选是0.5～2.0nm。当强磁性金属的堆积膜厚的目标超过3nm时，会引起晶体生长，其结果，引起磁导率降低和电阻率降低，在GHz频带的高频特性的性能指数Q为不充分的值。
另一方面，非晶金属由于通常为非晶状态，因此从该观点出发，没有特别限制，但从作为本发明目的的在GHz频带的高频特性的观点出发，不优选使堆积膜厚太厚。设定非晶金属3的堆积膜厚，使得[强磁性金属的堆积膜厚的目标：T1]/[非晶金属的堆积膜厚的目标：T2]为0.8～3.0、优选为1.0～2.5。通过调整非晶金属的堆积膜厚的目标使之达到该范围内，能够得到不损害高频特性的磁性薄膜。在T1/T2超过3.0的场合，Fe-C等强磁性金属的粒子生长，会得不到高的电阻率(例如130μΩcm以上)。另外，在T1/T2小于0.8的场合，具有高的饱和磁化的强磁性金属的比例变少，因此共振频率的高频化会变得困难。
接着说明强磁性金属和非晶金属的堆积次数和厚度。关于交替地堆积强磁性金属和非晶金属的合计次数没有特别限制，但通常是5～3000次、优选是10～700次左右。最终的高频用磁性薄膜的厚度是100～2000nm、优选300～1000nm。在该值小于100nm的场合，在应用于平面型磁元件时，会发生操作所希望的功率变得困难的不良情况。另一方面，该值超过2000nm的场合，集肤效应所致的高频损耗上升，会发生GHz频带的损耗增大的不良情况。
接着说明高频用磁性薄膜的制作方法，也就是DM结构的形成方法。高频用磁性薄膜1优选采用真空薄膜形成方法、特别是溅射法来形成。更具体讲，使用RF溅射、DC溅射、磁控溅射、离子束溅射、感应耦合RF等离子体辅助溅射、ECR溅射、对置靶式溅射等。溅射是实施方案的一种方式，当然能够应用其他的薄膜作成工艺。
作为堆积强磁性金属的靶，使用在Fe靶或者FeCo靶上配置了选自C、B和N的1种或2种以上的元素的颗粒的复合靶，或者使用Fe或FeCo、与选自C、B和N的1种或2种以上的元素的合金靶即可。选自C、B和N的1种或2种以上的元素的浓度调整，例如调整每个元素颗粒的量即可。
作为堆积Co系非晶合金的靶，使用在Co靶上配置了所要求的添加元素的颗粒的复合靶，或者使用含有所要求的添加成分的Co合金的靶即可。
作为形成本实施方案的高频用磁性薄膜1的衬底4(参照图1)，可举出玻璃衬底、陶瓷材料衬底、半导体衬底、树脂衬底等。作为陶瓷材料，举出氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化铝、滑石、富铝红柱石、堇青石、镁橄榄石、尖晶石、铁素体等。在其中，优选使用热导率大、弯曲模量也大的氮化铝。
另外，本实施方案的高频用磁性薄膜，由于在室温(约15～35℃)下成膜的原样状态下能发挥其性能，因此是对MMIC之类的用半导体工艺制作的高频集成电路最合适的材料。因此，作为衬底可举出Si、GaAs、InP、SiGe等半导体衬底。
(磁性薄膜的高频特性)
图5A～图5D是表示一例本实施方案的高频用磁性薄膜的膜厚与饱和磁化4πMs(图5A)、电阻率ρ(图5B)、磁导率μ1、μ2(图5C)及性能指数Q(图5D)的关系的曲线图。该关系，表示出在作为非晶金属使用CoZrNb，作为强磁性金属使用Fe-C，使[CoZrNb的膜厚]/[Fe-C的膜厚]为0.7的场合，使CoZrNb的膜厚变化到0.5～6.5nm时的各特性。
如图5A～图5D所示，在该关系中，当CoZrNb的膜厚为1.5nm以下时，饱和磁化(参照图5A)和电阻率(参照图5B)的增加坚挺地显现。在该关系中，磁导率在CoZrNb的膜厚为3nm以上时变大，但损耗(μ2)也一起变大(参照图5C)，因此可知得到高的Q值的条件是CoZrNb的膜厚为1.5nm以下时(参照图5D)。从图2A和图2B～图4的TEM图像的结果和XRD的结果也发现各层的膜厚为3nm以下、优选2nm以下时的结构具有所谓的DM结构。
本实施方案的高频用磁性薄膜，由于具有上述的DM结构，因此1GHz的复数磁导率的实数部(μ1)是400以上，且性能指数Q为3以上，饱和磁化为1.3T(13kG)以上，电阻率达到100μΩcm。希望在GHz区(1GHz)磁导率的实数部(μ1)取得尽可能大的值，尤其没有上限值。同样，关于饱和磁化也希望取得尽可能大的值，尤其没有上限值。这样的特性在不实施热处理等的成膜的原样状态下测定。
(磁元件)
本实施方案的磁元件，其特征是在其一部分上具备上述的高频用磁性薄膜。
图6A和图6B是将平面型的磁元件应用于电感器的一例。图6A是模式地表示电感器的平面图的，图6B是模式地表示图6A的A-A向视截面的。
这些附图所示的电感器10具备：衬底11；在该衬底11的两面螺旋状地形成的平面线圈12、12；覆盖这些平面线圈12、12和衬底11面而形成的绝缘膜13、13；覆盖在各个绝缘膜13、13上而形成的一对高频用磁性薄膜1。高频用磁性薄膜1具有与图1所示的相同的结构。上述2个平面线圈12、12通过在衬底11的大致中央部分上形成的通孔15电连接着。而且，用于连接的端子16分别从衬底11的两面的平面线圈12、12引出到衬底11的外边。这样的电感器10利用一对高频用磁性薄膜1，通过绝缘膜13、13夹持平面线圈12、12而构成，因此在连接端子16、16间形成电感器。
这样形成的电感器为小型且薄型重量轻，特别是在1GHz以上的高频带显示出优异的电感。在上述说明的电感器10中，通过并联地设置多个平面线圈12、12，能形成变压器。
图7是表示将本实施方案的平面型磁元件应用于电感器的另一例的截面模式图。
该图所示的电感器20具备：衬底21；在该衬底21上根据需要形成的氧化膜22；在该氧化膜22上形成的高频用磁性薄膜1a；和在该高频用磁性薄膜1a上形成的绝缘膜23，还具有：在该绝缘膜23上形成的平面线圈24；覆盖这些平面线圈24和绝缘膜23而形成的绝缘膜25；和在该绝缘膜25上形成的高频用磁性薄膜1b。高频用磁性薄膜1a、1b是具有与上述的高频用磁性薄膜1(图1)同样的结构的。这样形成的电感器20也仍为小型且薄型重量轻，特别是在1GHz以上的高频带显示出优异的电感。在这样的电感器20中，通过并联地设置多个平面线圈24，能形成变压器。
图8和图9是将本实施方案的高频用磁性薄膜1作为MMIC用电感器应用的实施例，图8是模式地表示抽出了电感器的导体层部分的平面图的，图9是模式地表示图8的A-A向视截面的图。
在这些附图中表示出的电感器30具备：衬底31；在该衬底31上根据需要形成的绝缘氧化膜32；在该绝缘氧化膜32上形成的高频用磁性薄膜1a；和在该高频用磁性薄膜1a上形成的绝缘膜33，还具有：在该绝缘膜33上形成的螺旋线圈34；覆盖该螺旋线圈34和绝缘膜33而形成的绝缘膜35a、35b；和在该绝缘膜35b上形成的高频用磁性薄膜1b。高频用磁性薄膜1a、1b是具有与上述的高频用磁性薄膜1(图1)同样的结构的。
另外，螺旋线圈34通过布线36与一对电极37连接着。以包围螺旋线圈34的方式设置的一对接地图形(グラウンドバタ一ン)39，分别与一对接地电极38连接，具有通过地线-信号-地线(G-S-G)类型的探头在晶片上评价频率特性的形状。
在本实施方案的MMIC用电感器中，采用了利用将成为磁芯的高频用磁性薄膜1a、1b包夹螺旋线圈34的有芯结构。因此，尽管螺旋线圈34为相同的形状，但是与未形成高频用磁性薄膜1a、1b的空芯结构的电感器比，电感值提高约50％。因此，得到相同的电感值所必需的螺旋线圈34的占有面积可变小，其结果，能实现螺旋线圈34的小型化。
作为应用于MMIC用电感器的磁性薄膜的材料，要求：在GHz频带的高频率下具有高的磁导率、且高的性能指数Q(低损耗)特性、能够进行半导体制造工艺的集成化。
为了实现GHz频带的高频率下的高磁导率，共振频率高、且饱和磁化大的材质有利，单轴磁各向异性的控制是必要的。另外，为了得到高的性能指数Q，抑制由高电阻化导致的涡流损耗是重要的。而且，为了应用于集成化工艺，希望能够在室温下成膜并能在成膜的原样状态下使用。这是为了不对已经设定的其他的部件的性能和作成工艺造成因加热所致的不良影响。
实施例
以下通过实施例和比较例进一步详细说明本实施方案的高频用磁性薄膜。
(实施例1)
按照以下成膜方法制作实施例1的高频用磁性薄膜。
首先，在Si晶片上按500nm的厚度形成SiO2膜，以此作为衬底使用。然后，使用对置靶式溅射装置，按下述的要领在衬底上形成(沉积)高频用磁性薄膜。即，将对置靶式溅射装置内预排气直到8×10-5Pa之后，导入Ar气体直到压力达到10Pa之后，以100W的RF功率溅射蚀刻衬底表面10分钟。接着，调整Ar气体流量使得压力达到0.4Pa，在300W的功率下顺次交替地反复溅射Co87Zr5Nb8靶、及在Fe靶上配置了C(碳)颗粒的复合靶，形成(沉积)包括后述的规格的作为高频用磁性薄膜的磁性薄膜。使用Co87Zr5Nb8这一组成的靶是因为磁致伸缩大致为零，能实现高的磁导率。
在成膜时对衬底外加了-40～-80V的DC偏压。另外，为了防止靶表面的杂质的影响，在关闭闸门的状态下进行预溅射10分以上。然后，通过打开闸门而在衬底上进行成膜。成膜速度(速率)，在堆积非晶金属CoZrNb时定为0.33nm/秒，在堆积强磁性金属Fe-C时定为0.27nm/秒。通过控制闸门的开闭时间，来调整堆积交替地堆积的各材料的膜厚。在衬底上首先堆积CoZrNb之后，再在其上堆积Fe-C，以下顺次交替地堆积CoZrNb和Fe-C。
基于这样的成膜方法，将膜厚1.0nm的CoZrNb、和膜厚1.0nm的Fe-C(碳浓度：10at％)交替地顺次各堆积250次，形成了总膜厚500nm(相当于合计500层)的本实施方案的磁性薄膜(实施例1)。
在成膜中未进行衬底温度的控制，但衬底温度在总膜厚达到500nm为止的期间上升到30℃。
确认磁性薄膜的结构时，证实了Fe-C和CoZrNb都是非晶的DM结构。
图10是在成膜后测定的磁化曲线。在该图中，符号E是在易磁化轴方向的磁化曲线，符号D是在难磁化轴方向的磁化曲线。该磁化曲线表明，对于堆积膜而言，观察到面内单轴磁各向异性，饱和磁化为1.43T(14.3kG)，作为易磁化轴方向的顽磁力Hce是47.75A/m(0.6Oe)，作为难磁化轴方向的顽磁力Hch是63.66A/m(0.8Oe)。图11是该实施例的层叠膜的高频磁导率特性。从该曲线图可知，共振频率超过作为测定极限的2GHz，在GHz区磁导率的实数部(μ1)是500以上。另外可知，性能指数Q(Q＝μ1/μ2)在1GHz时得到15的值，在2GHz时得到7的值。  测定高频磁导率时使用薄膜高频磁导率测定装置(成濑科学器械，PHF-F1000)，磁特性使用振动试样型磁力计(理研电子，BHV-35)测定。
(实施例2)
基于上述实施例1的成膜方法，将膜厚0.9nm的CoZrNb、和膜厚1.3nm的Fe-C(碳浓度：10at％)交替地顺次各堆积200次，形成了总膜厚440nm(相当于合计400层)的本实施方案的磁性薄膜(实施例2)。
图12是在成膜后测定的磁化曲线。符号E、D的意义与图10的情况相同。作为由该磁化曲线求出的磁特性，饱和磁化是1.41T(14.1kG)、易磁化轴方向的顽磁力Hce是47.75A/m(0.6Oe)、难磁化轴方向的顽磁力Hch是95.50A/m(1.2Oe)。图13是该实施例的层叠膜的高频磁导率特性。从该曲线图可知，作为磁导率的实数部(μ1)的值，在1.0GHz时得到490的值，在1.5GHz时得到670的值。另外，作为性能指数Q(Q＝μ1/μ2)值，在1.0GHz时得到11的值，在1.5GHz时得到7的值。
(实施例3)
基于上述实施例1的成膜方法，将膜厚1.0nm的CoZrNb、和膜厚2.0nm的Fe-C(碳浓度：10at％)交替地顺次各堆积170次，形成了总膜厚510nm(相当于合计340层)的本实施方案的磁性薄膜(实施例3)。
确认磁性薄膜的结构时，证实了Fe-C和CoZrNb都是非晶的DM结构。
图14是在成膜后测定的磁化曲线。符号E、D的意义与图10的情况相同。作为由该磁化曲线求出的磁特性，饱和磁化是1.48T(14.8kG)、易磁化轴方向的顽磁力Hce是55.70A/m(0.7Oe)、难磁化轴方向的顽磁力Hch是79.58A/m(1.0Oe)。图15是该实施例的层叠膜的高频磁导率特性。从该曲线图可知，共振频率超过作为测定极限的2GHz，在GHz区磁导率的实数部(μ1)是500以上。另外可知，作为性能指数Q(Q＝μ1/μ2)值，在1.0GHz时得到24的值，在1.5GHz时得到8.5的值，在2GHz时得到3的值。
(实施例4)
基于上述实施例1的成膜方法，将膜厚1.0nm的CoZrNb、和膜厚2.8nm的Fe-C(碳浓度：10at％)交替地顺次各堆积135次，形成了总膜厚513nm(相当于合计270层)的本实施方案的磁性薄膜(实施例4)。
确认磁性薄膜的结构时，证实了Fe-C和CoZrNb都是非晶的DM结构。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.50T(15.0kG)的饱和磁化、63.66A/m(0.8Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、71.62A/m(0.9Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是550，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为22的值。
(实施例5)
基于上述实施例1的成膜方法，将膜厚0.8nm的CoZrNb、和膜厚2.8nm的Fe-C(碳浓度：10at％)交替地顺次各堆积140次，形成了总膜厚504nm(相当于合计280层)的本实施方案的磁性薄膜(实施例5)。
确认磁性薄膜的结构时，结果证实了Fe-C和CoZrNb都是非晶的DM结构。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.58T(15.8kG)的饱和磁化、71.62A/m(0.9Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、87.54A/m(1.1Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是400，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为16的值。
(实施例6)
基于上述实施例1的成膜方法，将膜厚2.0nm的CoZrNb、和膜厚1.0nm的Fe-C(碳浓度：10at％)交替地顺次各堆积170次，形成了总膜厚510nm(相当于合计340层)的本实施方案的磁性薄膜(实施例6)。
确认磁性薄膜的结构时，结果证实了Fe-C和CoZrNb都是非晶的DM结构。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.39T(13.9kG)的饱和磁化、47.75A/m(0.6Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、55.70A/m(0.7Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是755，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为6的值。
(比较例1)
基于上述实施例1的成膜方法，将膜厚6.0nm的CoZrNb、和膜厚7.0nm的Fe-C(碳浓度：10at％)交替地顺次各堆积30次，形成了总膜厚390nm(相当于合计60层)的比较例1的磁性薄膜。
确认磁性薄膜的结构时，如图16A的TEM图像和图16B的其模式图所示，证实了CoZrNb是非晶，但Fe-C是晶体。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.30T(13.0kG)的饱和磁化、47.74A/m(0.6Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、286.45A/m(3.6Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是1050，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为2.6的值。
(比较例2)
基于上述实施例1的成膜方法，将膜厚20nm的CoZrNb、和膜厚30nm的Fe-C(碳浓度：10at％)交替地顺次各堆积10次，形成了总膜厚500nm(相当于合计20层)的比较例2的磁性薄膜。
确认磁性薄膜的结构时，如图17A的TEM图像和图17B的其模式图所示，证实了CoZrNb是非晶，但Fe-C是晶体。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.69T(16.9kG)的饱和磁化、119.35A/m(1.5Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、47.74A/m(0.6Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是505，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为6的值。
(比较例3)
在上述实施例1中，将Fe-C改变成Fe。除此以外，与上述实施例1同样地形成了比较例3的磁性薄膜。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到2.07T(20.7kG)的饱和磁化、334.23A/m(4.2Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、1511.97A/m(19.0Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是150，但磁导率值小，因此μ2的实测值没有可靠性，不能求出性能指数Q(Q＝μ1/μ2)。
(实施例7)
在上述实施例1中，将Fe-C的碳浓度从10at％改变成12at％。除此以外，与上述实施例1同样地形成了本实施方案的磁性薄膜(实施例7)。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.41T(14.1kG)的饱和磁化、47.75A/m(0.6Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、55.76A/m(0.7Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是600，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为12的值。
(实施例8)
在上述实施例1中，将Fe-C的碳浓度从10at％改变成15at％。除此以外，与上述实施例1同样地形成了本实施方案的磁性薄膜(实施例8)。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.40T(14.0kG)的饱和磁化、47.75A/m(0.6Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、55.76A/m(0.7Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是750，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为12的值。
(实施例9)
在上述实施例1中，将Co系非晶合金的组成Co87Zr5Nb8改变成Co89Zr6Ta5。除此以外，与上述实施例1同样地形成了本实施方案的磁性薄膜(实施例9)。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.44T(14.4kG)的饱和磁化、47.75A/m(0.6Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、55.76A/m(0.7Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是520，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为15的值。
(实施例10)
在上述实施例1中，将Co系非晶合金的组成Co87Zr5Nb8改变成Co80Fe9Zr3B8。除此以外，与上述实施例1同样地形成了本实施方案的磁性薄膜(实施例10)。
依据上述实施例的方法求出该磁性薄膜的物性值，结果分别得到1.50T(15.0kG)的饱和磁化、47.75A/m(0.6Oe)的易磁化轴方向的顽磁力、55.76A/m(0.7Oe)的难磁化轴方向的顽磁力。另外，1GHz的磁导率的实数部(μ1)是530，1GHz的性能指数Q(Q＝μ1/μ2)为17的值。
表1汇总示出了包括这些结果的测定值。如表1所示，本实施方案中的各实施例能够得到1.4T以上的饱和磁化、1.5GHz以上的共振频率、5.0以上的Q值。在其中，T1在0.5～3.0nm的范围、且T1/T2在0.8～3.0的范围的实施例1～4、7～10能够得到1.4T以上的饱和磁化、2.0GHz以上的共振频率、10.0以上的Q值。
表1
磁性薄膜构成 Fe-C中的C量(at％)  T1(nm) T1/T2   饱和磁化(T)   共振频率(GHz)     μ1(at 1GHz)     μ2(at 1GHz)     Q(at 1GHz)   电阻率(μΩcm) 顽磁力Hce(Oe)
实施例1 (1.0nm CoZrNb/1.0nm Fe-C)×250     10  1.0   1.0   1.43   ≥2.0     515     35     15   150   0.6
实施例2 (0.9nm CoZrNb/1.3nm Fe-C)×170     10  1.3   1.4   1.41   ～2.0     490     45     11   130   0.6
实施例3 (1.0nm CoZrNb/2.0nm Fe-C)×170     10  2.0   2.0   1.48   ≥2.0     590     25     24   145   0.7
实施例4 (1.0nm CoZrNb/2.8nm Fe-C)×20     10  2.8   2.8   1.50   ≥2.0     550     25     22   140   0.8
实施例5 (0.8nm CoZrNb/2.8nm Fe-C)×140     10  2.8   3.5   1.58   ≥2.0     400     25     16   140   0.9
实施例6 (2.0nm CoZrNb/1.0nm Fe-C)×170     10  1.0   0.5   1.39   1.7     755     130     6   125   0.6
比较例1 (6nm CoZrNb/7nm Fe-C)×30     10  7   1.1   1.30   1.6     1050     40     2.6   125   0.6
比较例2 (20nm CoZrNb/30nm Fe-C)×10     10  30   1.5   1.69   ＞2.0     505     84     6   45   0.6
比较例3 (1.0nm CoZrNb/1.0nm Fe)×250     -  1.0   1.0   2.07   -     150     -     -   70   4.2
实施例7 (1.0nm CoZrNb/1.0nm Fe-C)×250 12 1.0 1.0 1.41 ＞2.0 600 50 12 140 0.6
实施例8 (1.0nm CoZrNb/1.0nm Fe-C)×250     15  1.0   1.0   1.40   ～2.0     750     60     12   130   0.6
实施例9 (1.0nm CoZrTa/1.0nm Fe-C)×250     10  1.0   1.0   1.44   ≥2.0     520     35     15   150   0.6
实施例10 (1.0nm CoFeZrB/1.0nm Fe-C)×250     10  1.0   1.0   1.50   ≥2.0     530     30     17   140   0.6
以上举出几个实施方案和实施例说明了本发明，但本发明不被这些实施方案和实施例限定，能进行种种的变形。例如，形成DM结构的强磁性金属和非晶金属不限于在上述实施方案和实施例中举出的材料或组成。另外，高频用磁性薄膜的应用对象，并不限定于薄膜晶体管、薄膜变压器等的高频用平面型磁元件、MMIC等的器件，也能应用于其他器件。

Claims (16)

1.一种高频用磁性薄膜，其特征在于，具有采用非晶状态的强磁性金属和与上述强磁性金属不同的非晶金属形成的DM(不连续多层)结构。
2.根据权利要求1所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述强磁性金属是以Fe或FeCo为主成分、并含有选自C、B和N的1种或2种以上的元素的金属，上述非晶金属是Co系非晶合金。
3.根据权利要求1所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述非晶金属是CoZrNb。
4.根据权利要求1所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述强磁性金属的膜厚为3.0nm以下。
5.根据权利要求1所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述强磁性金属的膜厚为0.5nm以上～2.0nm以下。
6.根据权利要求1所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述强磁性金属的膜厚对上述非晶金属的膜厚的比是0.8以上～3.0以下。
7.根据权利要求1所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述强磁性金属的膜厚对上述非晶金属的膜厚的比是1.0以上～2.5以下。
8.根据权利要求1所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述强磁性金属和上述非晶金属交替地反复层叠着。
9.根据权利要求8所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述强磁性金属和上述非晶金属的层叠反复次数是5次以上～3000次以下，其总层叠膜厚是100nm以上～2000nm以下。
10.根据权利要求8所述的高频用磁性薄膜，其特征在于，上述强磁性金属和上述非晶金属的层叠反复次数是10次以上～700次以下，其总层叠膜厚是300nm以上～1000nm以下。
11.一种高频用磁性薄膜的制造方法，是具有采用强磁性金属和非晶金属形成的DM(不连续多层)结构的高频用磁性薄膜的制造方法，其特征在于，
包括按保持非晶状态的方式堆积上述强磁性金属的强磁性金属堆积工序、和堆积与上述强磁性金属不同的非晶金属的非晶金属堆积工序，
通过将上述强磁性金属堆积工序和上述非晶金属堆积工序交替地多次进行来形成上述DM结构。
12.根据权利要求11所述的高频用磁性薄膜的制造方法，其特征在于，上述强磁性金属是以Fe或FeCo为主成分、并含有选自C、B和N的1种或2种以上的元素的金属，上述非晶金属是C0系非晶合金。
13.一种磁元件，是具有高频用磁性薄膜的磁元件，其特征在于，上述高频用磁性薄膜具有采用非晶状态的强磁性金属和与上述强磁性金属不同的非晶金属形成的DM(不连续多层)结构。
14.根据权利要求13所述的磁元件，其特征在于，
还具备线圈，
上述高频用磁性薄膜对置以夹持上述线圈。
15.根据权利要求13所述的磁元件，其特征在于，应用于电感器或变压器。
16.根据权利要求13所述的磁元件，其特征在于，应用于单片微波集成电路。
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