CN1883018A - 高频薄膜电路元件 - Google Patents

Abstract

一种电感器电路元件，包括与磁性材料(6，7，11，12)的薄层磁耦合的长形电导体(1)，所述薄层沿着至少一部分所述导体在所述导体上方和下方延伸。磁性材料的每一层(6，7，11，12)的厚度与其横向尺寸的纵横比在0.001和0.5之间，优选在0.01和0.1之间。该纵横比的范围有一高铁磁共振频率。所述电感器优选包括在所述导体旁边延伸的磁互连件(13，14)，所述磁互连件在下述位置将所述磁性材料层(6，7，11，12)互连起来：在所述位置，沿着导体流动的电流产生的磁通量横穿所述层。

Description

高频薄膜电路元件

技术领域

本发明涉及一种高频薄膜电路元件，其包括与至少一层磁性材料磁耦合的长形导体，所述磁性材料层沿着所述导体的至少一部分在所述导体上方和下方延伸。

背景技术

在磁性材料中埋入或夹入电感元件的导体能够在给定尺寸的情况下明显地提高其电感，或者在保持给定电感的情况下缩小尺寸。类似地，在磁性材料中埋入或者夹入导体能够增强由沿着导体流动的电流产生的磁场的封闭性：如果导体被形成为半导体器件比如集成电路的一部分，则这种情况尤其有价值，因为能够改善与器件中其它元件的信号隔离。

对于使用半导体类型的制造技术(比如支持层上的掩模控制的淀积和材料的蚀刻)制造的微电路元件，电路元件尺寸的减小尤其有价值，因为这导致被占用的芯片面积减小，从而，对于给定的制造操作序列和给定的总支持层(“晶片”)尺寸，能够生产更多的器件。

但是，即便使用高电阻率铁磁材料，铁磁共振(FMR)损耗也限制了这样的器件在1GHz以下的适用性。

Fergen，I等人发表在Journal of Magnetism and MagneticMaterials vol.242-245 p.146-51(2002年4月)的题为“Softferromagnetic thin films for high frequency applications”的报告中，描述了对磁性材料溅射薄膜在高频下的特性的研究。

Zhuang Y等人的题为“Ferromagnetic RF inductors andtransformers for standard CMOS/BiCMOS”的报告(InternationalElectron Devices Meeting 2002 Technical Digest，IEEE 8 December2002，p.476-478)中，描述了一种RF电感器，其包括与磁性材料的薄层磁耦合的长形的电导体，所述磁性材料的薄层沿着至少部分导体在导体的上方和下方延伸，该层的厚度为0.5微米，横向尺度为100、200、400或800微米。

存在对用于高频应用的占用芯片面积小的实用的高频薄膜电路元件的需要。

发明内容

如在附图中描述的，本发明提供了一种结合有仔细选择的磁性材料层的电感元件，以及制造电感元件的方法。

附图说明

图1是举例给出的根据本发明的一种实施方式的用于高频薄膜电感器的电导体的立体图；

图2是图1的电感器的剖面图；

图3是作为图1的电感器所用的铁磁材料的频率的函数的磁导率的实部和虚部的曲线图；

图4是作为用在图1所示电感器中的铁磁材料的纵横比的函数的退磁系数和铁磁共振频率FMR的曲线图。

图5是作为磁性材料的厚度的函数的图1所示电感器的电感的相对值的曲线图；

图6是作为铁磁材料的厚度的函数的图1所示电感器的品质因数的相对值的曲线图；

图7是作为例子给出的，根据本发明另外的实施方式的两个高频薄膜电感器的局部的详细剖面图；

图8是作为例子给出的，根据本发明另一种实施方式的高频薄膜电感器的详细剖面图；

图9是作为例子给出的，根据本发明另一种实施方式的高频薄膜电感器的详细剖面图。

具体实施方式

附图中所示的本发明的实施方案包括在电绝缘支持层2上在一层导电材料中形成的长形导体1。该电导体1可以由单一的直线形元件构成，或者由一系列平行的直线形元件在交替的端部连接到相邻元件而形成曲折形而构成，或者可以是平面或者非平面螺旋电感器的一部分。在图1所示的本发明的实施方案中，该导体构成总体上为方形的螺旋，在此例子中有三圈半，但是当然可以提供更多或者更少的圈数。在导体1这一层中形成电接触焊盘，其为外部电路部件提供到导体1一端的连接。在导体1这一层中还形成电接触焊盘4，其通过在支持层2下面通过(未图示)的导电桥接元件连接到导体1的另一端。

导体1可以被用作自感，或者用作变压器(互感器)的一部分。为了提高导体1的电感，将其嵌入磁导率大于1的薄膜磁性材料(最好是铁磁材料)的层中。(注意，在图1中没有图示磁性材料，但是在其他图中图示了)。导体1的横向维度平行于磁性层5的横向维度，并在磁性层的横向维度内延伸。磁性层5还具有在很大程度上封闭来自导体1的磁通量、改善导体1的屏蔽和导体中流动的信号的电磁隔离的特性。在导体1与其磁性层5一起被设置在公共支持层上与其他电气部件邻近的情况下，这种特性尤其有价值。在某些情况下，导体1可能作为集成电路的一部分，其中支持层2也是集成电路的一部分。

在本发明的一个实施方案中，磁性材料5是适当的厚度的高阻铁磁材料的溅射膜。适合的铁磁材料为诸如FeCoSiB和FeTaN等合金。

在本发明的另一个实施方案中，磁性层5的材料是一种复合材料，其包括紧密堆积在基本非磁性的电阻性基质材料中的铁磁材料颗粒。这样的复合材料具有较低的涡流损耗，从而电感器具有较低的串联电阻和较低的寄生电容，从而导致高的品质因数(Q)和高的RF频率。所述磁性颗粒可以是铁(Fe)或者铁钴(FeCo)合金的磁性纳米颗粒。基质材料可以是有机树脂或者ligant。

图3中图示了层5的典型磁导率特性曲线。磁导率是复数值，由实部μ′和虚部μ″组成。在大约1GHz以及更高的频率上，这样的材料表现出铁磁共振(FMR)，此时磁导率的实部迅速下降，可以成为负值，而虚部则出现峰值。这些特性将电路元件的功能局限于低于FMR频率的频率。

磁性层5的磁导率取决于其饱和磁化Ms和各向异性Hk，饱和磁化是磁性材料特性的一个要素，各向异性则取决于该层的晶体结构和形态。在块状和薄膜结构中，材料的磁导率如下：

μ＝1+Ms/Hk                                    等式1

如图4所示，可以发现层5的铁磁共振频率FMR以及退磁系数Nz都是层5的纵横比的函数，纵横比也就是层5在Z轴方向的厚度与它在X和Y轴方向的横向尺寸的比例。

退磁系数大体上是样本形状的对角张量函数。它们对铁磁共振的影响可以表示如下：

$\mathrm{FMR}=\mathrm{\γ}\sqrt{[\mathrm{Hk}+(\mathrm{Ny}-\mathrm{Nz})\mathrm{Ms}][\mathrm{Hk}+(\mathrm{Nx}-\mathrm{Nz})\mathrm{Ms}]}$

其中γ是回磁比，Nx，Ny，Nz是颗粒的退磁系数，Ms饱和磁化，Hk是晶体各向异性磁场。

退磁系数可计算做：Nx+Ny+Nz＝1，它们各自对杆形和椭圆体的表达式已经得到广泛的计算和列表(例如可参看Modern MagneticMaterials，Principles and Application，R.C.O′Handley WileyInterscience P.41)。

对于薄膜，Ny＝Nz＝0；Nx＝1并且 $\mathrm{FMR}=\mathrm{\γ}\sqrt{H^{2}k+\mathrm{HkMs}}\≈\mathrm{\γ}\sqrt{\mathrm{HkMs}}$ (如果Ms＞＞Hk)；

对于球体：Nx＝Ny＝Nz＝1/3并且FMR＝γHk

对于中间结构，Nz和FMR取决于样本形状(纵横比)，如图4所示。

如图4所示，对于0.5以及以上的纵横比，铁磁共振频率急剧下降。在本发明的首选的实施方案中，纵横比基本保持在低于0.5，最好低于0.1。可以看出，对于所图解的磁性材料的例子中，铁磁共振频率在块体材料中是1.5GHz，但是当纵横比是0.5时大约为5GHz，在纵横比为0.1时超过8GHz。

但是，对于层5的有用的纵横比有一个下限。对于给定的层厚纵横比越小，其横向尺度就越宽。对于在高于1GHz的频率上大约1到5nH的电感的例子来说，以及对于具有约为10的磁导率μ的层5的实用例子来说，图2的层5的厚度大约为120微米。电路元件的横向尺度的可接受的尺寸取决于其用途。但是，对于许多应用，12mm左右的横向尺度是不可接受的，这对应于小于0.01的纵横比。另外，可以理解，即使对于导致横向尺度减小的较小的磁性材料厚度，通过减小纵横比而获得的对FMR频率的改善在纵横比小于0.01很多时所得到的好处也是逐渐递减的，如图4所示。因此，即使在本发明的这些实施方案中，纵横比大于0.001。

事实上，电感器的尺寸不仅取决于磁性材料的纵横比，而且还取决于它的磁导率：可以使用磁导率显著大于对当前可用的典型材料给出的10的值的磁性材料。

嵌在层5中的导体1相对于由空气包围的同一导体(L0)的电感在图5中被图示为磁性材料厚度的函数。该电路元件提供的电感器的品质因数在图6中被图示为厚度的函数。可以看到，在此例子中，对于10的磁导率，60微米的磁性材料厚度导致电感八倍的增长(与空气心导体1相比)，以及品质因数Q三倍的增长。

图7图解说明了本发明的另外一个实施方案，其中在支持层2上面电导体1被夹在一对磁性层6和7之间，而不是嵌在单一的层5中。在图7上部所示的例子中，与图2的实施方案类似，层5的厚度是120微米并且纵横比是0.1，横向的尺寸是1.2mm。在图7下部所示的本发明的实施方案中，有两个层6和7，对于同样的120微米的总体厚度，对于层6和7中每一个层各具有小于0.1的纵横比的情况下，层6和7的横向尺度大约为600微米。在本发明的这个实施方案中，层6和7由在导体1的每一侧基本上沿着其整个长度延伸的磁互连件8和9磁性互连起来。磁互连件8和9的典型的横向尺度为60微米。可以理解，图7图示了导体1的横剖面。在每一种情况下，磁性材料的层5、6和7以及磁互连件8和9由介电材料10约束。

可以理解，沿导体1流动的电流，也就是垂直于图面流动的电流，会产生环形围绕导体的磁通量，从而所述磁通量被约束在层6和7的横向区域中和互连件8和9中。

可以理解，对于给定横向尺度，与图7上部所示的实施方案相比，图7下部所示的具有两个磁性层6和7的实施方案改善了每一个层的纵横比。如图8所示，对于作为螺旋电感器的一部分的长形导体，可以通过在磁性层6上添加另一个磁性层11并在磁性层7下面添加另一个磁性层12，来进一步改善磁性层的纵横比。与前面一样，层6、7、11和12由介电材料10隔开。

如图8所示，叠置的磁性层6和7(在图8所示结构的情况下还有层11和12)之间的磁互连件8和9不需要被设置得与导体1的每一圈直接相邻(尤其是在螺旋结构的情况下)。在本发明的该实施方案中，在导体1的螺旋的中央，在13处，形成层6、7、11和12之间的磁互连件，并且在14处，在螺旋外部环绕螺旋的基本上所有地方，形成磁互连件。在本发明的该实施方案中，磁互连件13和14是由通路形成的，通过向在介电材料10中蚀刻的孔中淀积磁性材料来形成。在图9所示的替代实施方式中，由栓塞形成磁互连件13和14，其中，在电介质10中的孔内整体式地生长磁性材料。

可以理解，如图所示的电路器件可以与可对电路元件对导体中流动的周期性电流所呈现的电感作出响应的器件一起用于电路设备中。

Claims (16)

1.一种电路元件，包括长形的电导体(1)，该电导体与磁性材料的至少一个薄层(5；6，7，11，12)磁耦合，所述至少一个薄层沿所述导体的至少一部分延伸，与所述导体并列，

其特征在于，所述磁性材料层(5；6，7，11，12)的厚度与其横向尺寸的纵横比在0.01到0.5之间。

2.如权利要求1所述的电路元件，其中，所述纵横比小于0.1。

3.如权利要求1或2所述的电路元件，其中，所述导体(1)的所述部分被设置在所述磁性材料层(5；6，7，11，12)内。

4.如前述任一权利要求所述的电路元件，其中，所述长形电导体(1)与多个所述磁性材料薄层(6，7，11，12)磁耦合，所述薄层沿着所述导体的至少一部分在所述导体的上方和下方延伸，每一个所述磁性材料层(6，7，11，12)的厚度与其横向尺寸的纵横比在0.01到0.5之间。

5.如权利要求4所述的电路元件，其中，所述纵横比小于0.1。

6.如权利要求4或5所述的电路元件，包括在所述导体(1)旁边延伸并在下述位置互连所述磁性材料层(6，7，11，12)的磁互连件(13，14)，在所述位置，沿着所述导体流动的电流产生的磁通量横穿所述层。

7.如权利要求6所述的电路元件，其中，所述互连件(13，14)的横向尺寸与所述层(6，7，11，12)的横向尺寸相比较小。

8.如权利要求4到7之一所述的电路元件，包括在所述导体(1)上方延伸的多个所述磁性材料层(6，11)和在所述导体下方延伸的多个所述磁性材料层(7，12)。

9.如权利要求4到8之一所述的电路元件，其中，所述导体(1)在所述磁性材料层(6，7，11，12)之间螺旋状延伸。

10.如权利要求4到8之一所述的电路元件，其中，所述导体(1)在所述磁性材料层(6，7，11，12)之间曲折延伸。

11.如前述任一权利要求所述的电路元件，其中，所述磁性材料包括铁磁材料。

12.如前述任一权利要求所述的电路元件，其中，所述磁性材料是复合材料，包括紧密堆积在基本上非磁性的电阻性基质中的磁性材料颗粒。

13.如前述任一权利要求所述的电路元件，其中，所述磁性材料是高电阻铁磁材料的溅射膜。

14.电路设备，包括如前述任一权利要求所述的电路元件，以及电感响应装置，所述电感响应装置可对所述电路元件对所述导体(1)中流动的周期性电流所呈现的电感作出响应。

15.如权利要求14所述的电路设备，其中，所述电路元件和所述电感响应装置被设置在公共支持层上。

16.如权利要求15所述的电路设备，其中，所述电路元件和所述电感响应装置分别是公共集成电路的一部分。

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