KR20060120154A - 고주파 박막 전기 회로 소자 - Google Patents
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Abstract
전기 인덕터 회로 소자는 가늘고 긴 전기 도체(1)의 위 및 아래에서 도체의 적어도 일부를 따라 연장하는 자기 재료의 얇은 층들(6, 7, 11, 12)과 자기적으로 결합된 가늘고 긴 전기 도체(1)를 포함한다. 자기 재료층들(6, 7, 11, 12) 각각의 가로 치수에 대한 각각의 두께의 종횡비는 0.001 내지 0.5 사이이며 바람직하게는 0.01 내지 0.1 사이이다. 종횡비의 범위는 높은 강자기 공명 주파수를 가진다. 인덕터는 도체(1) 옆에서 연장하며 도체를 따라 흐르는 전류에 의해 발생된 자속이 층들을 가로지르는 위치에서 자기 재료층들(6, 7, 11, 12)과 상호 접속하는 자기 상호 접속부들(13, 14)을 포함한다.
자기 재료층, 자속, 종횡비
Description
본 발명은 도체 위 및 아래에서 도체의 적어도 일부를 따라 연장하는 자기 재료의 적어도 하나의 층과 자기적으로 결합된 가늘고 긴 도체(elongate conductor)를 포함하는 고주파 박막 전기 회로 소자에 관한 것이다.
자기 재료내에 유도성 소자의 도체를 내장 또는 삽입하는 것은 주어진 크기로 그 인덕턴스를 상당히 증가시키거나 또는 주어진 인덕턴스를 유지하면서 그 크기를 상당히 감소시킬 수 있다. 이와 유사하게, 자기 재료내에 도체를 내장 또는 삽입하는 것은 도체를 따라 흐르는 전류에 의해 발생된 자계의 함유량을 개선시킬 수 있으며, 이것은 도체가 집적 회로와 같은 반도체 디바이스의 일부로서 형성될 때 특히 가치가 있는데, 그 이유는 디바이스의 다른 소자로부터 신호 분리를 개선시킬 수 있기 때문이다.
회로 소자 크기의 감소는 지지층 위에 재료의 마스크-제어 증착 및 에칭과 같은 반도체형 제조 기술을 이용하여 만들어진 극미세 회로 소자에 대하여 특히 가치가 있는데, 그 이유는 제조 동작의 주어진 시퀀스 및 주어진 전체 지지층("웨이퍼") 크기를 위해 보다 많은 디바이스가 생산될 수 있도록 점유된 칩 영역의 감소 를 유도하기 때문이다.
그러나, 강자기 공명(FMR) 손실은 고저항 강자기 재료를 이용할지라도 이러한 디바이스의 응용 가능성을 1GHz 이하로 제한시킨다.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials (vol.242-245 p.146-51 April 2002)에 실린 Fergen, I. 등이 저술한 "Soft ferromagnetic thin films for high frequency applications" 라는 제목의 보고서에는 고주파에서 자기 재료의 스퍼터링된 박막의 성질의 연구가 개시되어 있다.
Internal Electron Devices Meeting 2002 Technical Digest, IEEE 8 December 2002 p.475-478에 실린 Zhuang Y 등에 의해 저술된 "Ferromagnetic RF inductors and transformers for standard CMOS/BiCMOS" 라는 제목의 보고서에는 도체의 위 및 아래에서 도체의 적어도 일부를 따라 연장하는 자기 재료의 얇은 층과 자기적으로 결합된 가늘고 긴 전기도체를 포함하는 RF 인덕터가 개시되어 있으며, 이 얇은 층은 0.5 ㎛의 두께와 100, 200, 400 또는 800㎛의 가로 치수를 가진다.
작은 점유 칩 영역을 가지는 고주파 응용을 위한 실질적인 고주파 박막 전기 회로 소자에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 첨부된 청구 범위에서 기술하는 바와 같이 자기 재료의 선택된 층을 통합하는 유도성 소자 및 유도성 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 박막 인덕터에 대한 전기 도체의 사시도.
도 2는 도1 의 인덕터의 단면도.
도 3은 도 1의 인덕터에 사용된 강자기 재료의 주파수의 함수로서 투자율의 실수부 및 허수부의 그래프.
도 4는 도 1의 인덕터에 사용된 강자기 재료의 종횡비의 함수로서 강자기 공명(FMR)와 비자화 인자의 그래프.
도 5는 자기 재료의 두께의 함수로서 도 1 의 인덕터의 인덕턴스의 상대값의 그래프.
도 6은 자기 재료의 두께의 함수로서 도 1 의 인덕터의 품질 인자의 상대값의 그래프.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두개의 고주파 박막 인덕터들의 부분 상세 단면도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고주파 박막 인덕터의 상세 단면도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고주파 박막 인덕터의 상세 단면도.
도면에 도시된 본 발명의 실시예는 전기 절연 지지층(2)위의 도전성 재료층에 형성된 가늘고 긴 도체(1)를 포함한다. 전기 도체(1)는 단일 직선 소자로 이루어지거나 또는 굴곡(meander)을 형성하기 위하여 한쪽 단부에서 인접 소자들에 접 속된 일련의 평행한 직선 소자들로 이루어질 수 있으며, 또는 편평하거나 편평하지 않은 나선형 인덕터의 일부분 일수도 있다. 도1에 도시된 본 발명의 실시예에서, 도체는 보다 더 적거나 더 많은 회전수(turns)가 제공될 수 있을지라도 이 실시예에서는 3바퀴 반의 회전수를 가지는 대체로 평방형의 나선을 형성한다. 전기 접점 패드(3)는 도체(1)와 동일한 층에 형성되어 있으며 외부 회로 성분들을 위해 도체(1)의 일단부에 접속되어 있다. 또한, 도체(1)와 동일한 층에 형성된 전기 접점 패드(4)는 지지층(2) 밑을 통과하는 도전성 브릿지 소자(도시하지 않음)를 경유하여 도체(1)의 다른 단부에 접속되어 있다.
도체(1)는 자기-인덕턴스로서 또는 변압기의 일부분으로서 사용될 수 있다. 도체(1)의 인덕턴스를 증가시키기 위하여, 1보다 큰 투자율을 갖는 박막 자기 재료, 바람직하게는 강자기 재료층에 내장되어 있다(주: 자기 재료는 다른 도면들에는 도시되어 있으나 도1에는 도시되어 있지 않음). 도체(1)의 가로 치수는 자기층(5)의 가로 치수 내에서 그리고 층(5)의 가로 치수와 평행하게 연장한다. 자기층(5)은 또한 도체에 흐르는 신호의 전자기 분리 및 도체(1)의 실딩(shielding)을 개선시킬 정도로 큰 도체(1)로부터의 자속을 포함하는 특성을 갖는다. 이 성질은 자기층(5)을 갖는 도체(1)가 다른 전기 성분과 근접하게 공통의 지지층 위에 배치되어 있는 경우에 특히 가치가 있으며, 어떤 경우에는 도체(1)가, 지지층(2)이 집적 회로의 일부인 집적 회로의 일부가 될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 자기 재료(5)는 적당한 두께를 갖는 고저항 강자기 재료의 스퍼터링된 막이다. 적당한 강자기 재료는 FeCoSiB 및 TeTaN과 같은 합 금이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 자기층(5)의 재료는 실질적으로 비자기의 전기 저항 매트릭스 재료에 조밀하게 패킹된 강자기 재료의 입자들을 포함하는 합성재료이다. 이러한 합성 재료는 감소된 와전류 손실이 나타나며 인덕터는 높은 RF 주파수에서 높은 품질 인자("Q")를 유도하는 감소된 기생 캐패시턴스 및 감소된 직렬 저항이 나타난다. 자기 입자들은 철(Fe) 또는 철 코발트(FeCo) 합금의 자기 나노입자들일 수 있다. 매트릭스 재료는 유기 수지 또는 리간드일 수 있다.
도3에는 층(5)의 전형적인 투자율 특성이 도시되어 있다. 투자율은 실수부 μ'와 허수부 μ"로 이루어진 복소수값이다. 1GHz보다 높은 정도의 주파수에서, 이러한 재료들은 강자기 공명("FMR")을 나타내며, 투자율의 실수부는 급속히 떨어져서 음으로 갈 수 있으며 허수부는 최고치이다. 이들 특성은 회로 소자의 함수를 FMR 주파수보다 낮은 주파수로 제한한다.
자기층(5)의 투자율은 자기 재료의 성질에 대한 요소인 포화 자화 Ms와 층의 결정 구조 및 조직(morphology)에 의존하는 이방성 Hk에 따라 좌우된다. 크고 얇은 막 구성에서, 재료의 투자율은 다음과 같다.
도4에 도시된 바와 같이, 비자화 인자 Nz와 함께 층(5)의 강자기 공명 주파수(FMR)는 층(5)의 종횡비, 즉 X 및 Y축 방향으로 가로 치수에 대한 Z방향으로 층(5)의 두께의 비의 함수라는 것을 알게 되었다.
비자화 인자들은 일반적으로 샘플 형상의 직교 텐서(tensor) 함수이다. 강자기 공명에 대한 그들의 충돌은 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서 
는 회전 자기 비율, Nx, Ny, Nz는 입자의 비자화 인자이고 Ms는 포화 자화이며 Hk는 결정 이방성 필드이다.
비자화 인자들은 Nx + Ny + Nz = 1로 계산되며 막대기 및 타원형에 대한 그들의 개별적인 표현이 넓게 계산되고 표로 만들어진다(예를 들면 Modern Magnetic Materials, Principles and Application, R.C. O'Handley Wiley Interscience p.41 참조).
박막에 대하여, Ny=Nz=0; Nx=1이고 Ms≫Hk일 경우 
구에 대하여, Nx=Ny=Nz=1/3 이고 
중간 구성에 대하여 Nz 및 FMR은 도4에 도시된 바와 같이 샘플 형상에 좌우된다.
도4에 도시된 바와 같이, 0.5 이상의 종횡비에 대하여, 강자기 공명 주파수는 예리하게 떨어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 종횡비는 실질적으로 0.5 이하 바람직하게는 0.1 이하로 유지된다. 설명된 자기 재료의 예에 대하여, 강자기 공명 주파수는 부피가 큰 재료에서 1.5 GHz이지만 0.5의 종횡비에서는 대략 5GHz이며 0.1의 종횡비에서는 8GHz를 초과한다.
그럼에도 불구하고, 층(5)의 유용한 종횡비에 대한 더 낮은 제한이 있다. 층의 주어진 두께에 대한 종횡비가 작을수록, 가로 치수는 더 넓어진다. 1GHz 이상의 주파수에서 1 내지 5 nH 정도의 인덕턴스의 예와 10 정도의 투자율 μ을 갖는 층(5)의 실제 예에 대하여, 도2의 층(5)의 두꼐는 120 마이크론 정도이다. 회로 소자의 가로 치수의 허용 가능한 크기는 그것의 응용에 따라 달라진다. 그러나, 대부분의 응용에 대하여, 12mm 정도의 가로 치수는 0.01 보다 작은 종횡비에 상응하여 허용 가능하지 않을 것이다. 더욱이, 감소된 가로 치수를 유도하는 자기 재료의 감소된 두께에 대해서 조차도, 종횡비를 감소시킴으로써 얻어진 FMR 주파수의 개선은 도4에 도시된 바와 같이 0.01 보다 훨씬 작은 비율에서의 권회수를 감소시키게 된다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들에서도, 종횡비는 0.001보다 더 크다.
실제로, 인덕터의 치수는 자기 재료의 종횡비 뿐만아니라 그 투자율에 따라 달라진다: 자기 재료는 현재 즉시 이용 가능한 전형적인 재료에 대해 주어진 10의 값보다 실제로 훨씬 더 큰 투자율을 나타내며 사용될 수 있다.
공기("LO")에 의해 둘러싸인 동일한 도체에 대한 층(5)에 내장된 도체(1)의 인덕턴스가 자기 재료 두께의 함수로서 도5에 도시되어 있다. 회로 소자에 의해 나타난 인덕터의 품질 인자가 도6에 두께의 함수로서 도시되어 있다. 이 예에서, 10의 투자율을 갖는 60 마이크론의 자기 재료 두께는 품질 인자 Q의 5배 증가 및 공기 중심 도체(1)에 비해 인덕턴스의 8배 증가를 가져온다.
도7은 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 전기 도체(1)는 단일층(5)에 내장되는 것 대신에, 지지층(2) 위의 한 쌍의 자기층(6 및 7) 사이에 삽입된다. 도7의 상부에 도시된 예에서, 도2의 실시예와 유사하게, 층(5)은 120 마이크론의 두께를 가지며 0.1의 종횡비와 1.2mm의 가로 치수를 가진다. 도7의 하부에 도시된 본 발명의 실시예에서 두 개의 층(6 및 7)은 120 마이크론의 동일한 전체 두께를 가지며 층(6 및 7)의 각각에 대해서는 0.1 보다 작은 종횡비를 가지며 가로 치수들은 600 마이크론 정도이다. 본 발명의 실시예에서, 층(6 및 7)은 그 길이 전체를 따라 도체(1)의 각 측면 상에서 연장하는 자기 상호 접속부(8 및 9)에 의해 자기적으로 상호 접속되어 있다. 자기 상호 접속부 (8 및 9)에 대한 전형적인 가로 치수는 60 마이크론이다. 도7은 도체(1)의 횡단면을 도시하고 있는 것을 알 수 있을 것이다. 각각의 경우에, 자기 상호 접속부(8 및 9)와 함께 자기 재료층들(5, 6 및 7)은 유전 재료에 의해 경계지어진다.
도면의 평면에 수직한, 도체(1)를 따라 흐르는 전류는 도체의 주위로 순환하며 따라서 상호 접속부(8 및 9)에 층(6 및 7)을 가로지르는 정도로 함유된 자속을 발생할 것이다.
두 개의 자기층(6 및 7)을 갖는 도7의 하부에 도시된 실시예는 도7의 상부에 도시된 실시예에 비하여 주어진 가로 치수에 대한 층의 각각에 대한 종횡비의 개선을 제공한다. 자기층의 종횡비의 개선은 자기층(6) 위에 추가의 자기층(1)을 부가하고 자기층(7) 아래에는 추가의 자기층(12)을 부가함으로써 나선형 인덕터의 일부를 구성하는 가늘고 긴 도체에 대하여 도8에 도시된 바와 같이 얻어질 수 있으며, 층(6, 7, 11 및 12)은 전과 같이 유전 재료(10)에 의해 분리된다.
도8에 도시된 바와 같이, 겹쳐진 층(6 및 7) 사이의 자기 상호 접속부(8 및 9)와, 도8에 도시된 구조의 경우에 층(11 및 12)은 특히 나선형 구조의 경우에 도체(1)의 각 권회수에 아주 가깝게 배치될 필요가 없다. 본 발명의 이 실시예에서, 자기 상호 접속부는 13에서 도체(1)의 나선형의 중심내에서 층(6, 7, 11 및 12)들 사이에 만들어지며, 자기 상호 접속부는 14에서 그 주위의 길에 이 나선의 외부에 형성되어 있다. 본 발명의 실시예에서, 자기 접속부(13 및 14)는 유전 재료(10)에서 에칭된 홀 내에 자기 재료를 증착함으로써 형성된, 비아들에 의해 형성된다. 도9에 도시된 다른 실시예에서는, 자기 상호 접속부(13 및 14)는 자기 재료가 단일 블록 구성으로 유전체(10)의 구멍 내에 성장되어 있다.
도면에 도시된 바와 같이 전기 회로 디바이스는 도체를 따라 흐르는 주기 전류에 대하여 전기 회로 디바이스가 제공하는 인덕턴스에 응답하는 디바이스들과 함께 전기 회로 장치에서 사용될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
Claims (16)
- 가늘고 긴 전기 도체(elongate conductor)(1)와 병렬 배치되고 상기 도체의 적어도 일부를 따라 연장하는 자기 재료의 적어도 하나의 얇은 층(5; 6, 7, 11, 12)과 자기적으로 결합된 상기 가늘고 긴 전기 도체(1)를 포함하는 전기 회로 소자에 있어서,상기 자기 재료층(5; 6, 7, 11, 12)의 가로 치수에 대한 두께의 종횡비는 0.01 내지 0.5 사이에 있는 것을 특징으로 하는, 전기 회로 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 종횡비는 0.1 보다 작은, 전기 회로 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 도체(1)의 일부는 상기 자기 재료 층 (5; 6, 7, 11, 12)내에 배치되는, 전기 회로 소자.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가늘고 긴 전기 도체(1)는 상기 도체의 위 및 아래에서 상기 도체의 적어도 일부를 따라 연장하는 복수의 상기 자기 재료의 얇은 층들(6, 7, 11, 12)과 자기적으로 결합되며, 상기 자기 재료층들(6, 7, 11, 12) 각각의 가로 치수에 대한 각각의 두께의 종횡비는 0.01 내지 0.5 사이에 있는, 전기 회로 소자.
- 제 4 항에 있어서, 상기 종횡비는 0.1보다 작은, 전기 회로 소자.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 도체(1) 옆에서 연장하며 상기 도체를 따라 흐르는 전류에 의해 발생된 자속이 상기 층들을 가로지르는 위치들에서 상기 자기 재료층(6, 7, 11, 12)과 상호 접속하는 자기 상호 접속부들(13, 14)을 포함하는, 전기 회로 소자.
- 제 6 항에 있어서, 상기 상호 접속부들(13, 14)의 가로 치수는 상기 층들(6, 7, 11, 12)의 가로 치수에 비해 작은, 전기 회로 소자.
- 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도체(1) 위에서 연장하는 복수의 상기 자기 재료층들(6, 11) 및 상기 도체 아래에서 연장하는 복수의 상기 자기 재료층들(7, 12)을 포함하는, 전기 회로 소자.
- 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도체(1)는 상기 자기 재료층들(6, 7, 11, 12) 사이에서 나선형으로 연장하는, 전기 회로 소자.
- 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도체(1)는 상기 자기 재료층들(6, 7, 11, 12) 사이에서 굴곡을 가지고 연장하는, 전기 회로 소자.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 재료는 강자기 재료를 포함하는, 전기 회로 소자.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 재료는 실질적으로 비자기의 전기 저항성 매트릭스에 조밀하게 패킹된 자기 재료의 입자들을 포함하는 합성 재료인, 전기 회로 소자.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 재료는 고저항 강자기 재료의 스퍼터링된 막인, 전기 회로 소자.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 청구된 전기 회로 소자 및 상기 전기 회로 소자가 상기 도체(1)에 흐르는 주기 전류에 대해 제공하는 인덕턴스에 응답하는 인덕턴스 응답 수단을 포함하는, 전기 회로 장치.
- 제 14 항에 있어서, 상기 전기 회로 소자 및 상기 인덕턴스 응답 수단은 공통의 지지층 위에 배치되는, 전기 회로 장치.
- 제 15 항에 있어서, 상기 전기 회로 소자 및 상기 인덕턴스 응답 수단은 공통의 집적 회로의 일부인, 전기 회로 장치.
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