TW200529256A - High frequency thin film electrical circuit element - Google Patents

Description

200529256 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種高頻薄膜電路元件，其包含與至少一 磁性材料層磁性麵合之一伸長導體，該磁性材料層在該導 體上面及下面沿該導體之至少一部分而延伸。 【先前技術】 將一電感元件之導體嵌入《夾在一磁性材料中可顯著地 增強其在給定尺寸條件下的電感或縮小其尺寸而同時保持 μ的μ m導體嵌人或夾在_磁性材料中可 改善對藉由沿該導體流動的電流而產生的磁場之包容：若 該導體係形成為一半導體裝置(例如積體電路)的部分，則 此作法尤其有價值，因為其能改善與該裝置中的其他元件 之信號隔離。 〃 對於使用半導體類製造技術（例如在一支撐層上進行由 遮罩控制的材料沉積及蝕刻）來製作的微觀電路元件，縮 小電路元件之尺寸尤其有價值，因為此舉會μ佔據的晶 片區域縮小而使得對於一給定的製造操作序列及一給定的 整體支援層（「晶圓」）尺寸能生產更多的裝置。 但是，強磁性共振（FMR)損失已使得此類裝置對低於i GHz的情況之適用性受到限制，即使使用高電阻率強磁性 材料。 由Fergen，I·等人提出的名稱為「供高頻應用之強磁性軟 薄膜」之報告（2002年4月磁及磁性材料期刊第242至245卷 第146-51頁）說明關於磁性材料之濺鍍薄膜在高頻率下的特 97898.doc 200529256 性之研究。

Zhuang Y#人提出的名料「用於標準c麵臟刪 之強磁性射頻(RF)電感器及變壓器」之報告(2〇〇2年12 月，IEEE 8的2002年國際電子裝置會議技術文摘第仍至 頌m明-種射頻電感器，其包含—伸長電導體，該伸 長電導體與在該導體上面或下面沿該導體的至少部分而延 伸之一磁性材料薄層磁性_合，該磁性材料薄層厚度為 0.5 pm而橫向尺度為100、2〇〇、4〇〇或8〇〇从瓜。 對於佔據較小晶片區域的高頻應用，需要一實際的高頻 薄膜電路元件。 【發明内容】 本發明提供-種併入經仔細選擇的磁性材料層之電感元 件以及-種製作如隨附中請專利範圍中所說明的電感元件 之方法。 【實施方式】 附圖中顯示本發明之具體實施例，其包含在一電絕緣支 撐層2上的-導電材料層中形成之一伸長導體i。該電導體 1可由一單一的筆直元件或一系列平行的筆直元件（該等平 行的筆直元件係於交替的端部連接至相鄰元件以形成彎曲） 、、且成，或可能係一平面或非平面的螺旋電感器之部分。在 圖1所不的本發明之具體實施例中，該導體形成大體為正 方形之一螺旋，在此範例中該螺旋具有三個半線阻，但還 可提供更少或更多的線匝。一電接觸墊3形成於該導體丨之 同層並&供與導體1 一端之連接以用於外部電路組件。 97898.doc 200529256 經由在该支撐層2下方經過之一導電橋接元件（未顯示）而將 -電接觸塾4(其形成於該導體R同一層）連接至該導體κ 相對端。 可將4導體1作為自電感或_變壓器之部分來使用。為 增強該導體1之電感，將該導體1栽入磁導率大於丨之一薄 膜磁性材料(較佳的係強磁性材料)層。（注意：^中未顯 示該磁性材料，但在其他圖式中顯示該磁性材料）。該導 體1之橫向尺度平行於該磁性層5且在該磁性層5之橫向尺 度内延伸。該磁性層5還具有-特徵，其能最大程度地包 容來自該導體丨之磁通量，並改善對該導體丨之屏蔽以及對 流動於該導體内的信號之電磁隔離。在該導體1及其磁性 層5係接近其他電性組件而置放於一共用支樓層上時，上 ’特性尤其有價值，而，在某些情況下，該導體】可能 係積體電路之部分，而該支撑層2亦係該積體電路之部 分。 在本發明之一項具體實施例中，該磁性材料5係厚度合 適的高電阻強磁性材料之—濺鑛膜。合適的強磁性材料係 4如FeCoSiB及FeTaN之類的合金。 在本毛明之另一項具體實施例中，該磁性層5之材料係 包^磁性材料粒子之—組合物材料’該等強磁性材料粒 子係密集封裝於-實fjl非磁性的電阻矩陣材料中。此類 組合物材料減少渦電流損失，而該電感器減小串聯電阻及 寄「生電容’從而在高射頻頻率下產u品質因數 〔「Q」）°該等磁性粒子可能係鐵（Fe)或鐵⑽心)合金之 97898.doc 200529256 磁性奈米粒子。該矩陣材料可能係—有機樹脂或Hgant。 圖3顯不該層5之一般磁導率特徵。該磁導率係一複數 值，其包含一實部私，與一虛部〆，。在1 GHz及更高級數之 頻率下，此類材料呈現強磁性共振（「FMR」），在此強磁 性共振情況下，該磁導率之實部快速下降並可能變負，而 該虛部到達峰值。該些特徵將該電路元件之功能限制於低 於FMR頻率之頻率。 邊磁性層5之磁導率取決於其飽和磁化Ms(該磁性材料特 性之一元素）及各向異性Hk(其取決於該層之晶體結構及形 態學）。在塊狀與薄膜組態中，該材料之磁導率皆如下·· μ = 1 + Ms/Hk 等式 1 如圖4所示，已發現該層5之強磁性共振頻率fmr以及消 磁因數Nz與該層5之縱橫比（即該層5在方向z上的厚度與其 在軸X及Y方向上的橫向尺度之比）成函數關係。 該等消磁因數-般與樣本形狀成對角張量函數關係。可 將其對該強磁性共振之影響表示如下。 其中γ係迴轉磁比率，他，、此係該粒子之消磁因數， 而Ms係該飽和磁化，Hk係該晶體各向異性磁場。 該消磁因數之計算如下：Nx+Ny+Nz=1，並針對磁棒及 橢圓體而廣泛計算與表列其個別表達式（請參見，例如， R.C. O’Hancney Wlley Intersciencep 4k「現代磁性材 料’原理及應用」）。 對於薄膜，若Ms»Hk則Ny=Nz=〇 ; Νχ=1且= 97898.doc 200529256 對於球體：Nx=Ny=Nz=l/3 且 FMR=7Hk 對於中間體組態，該Nz及FMR取決於圖4所說明之樣本 形狀（縱橫比）。 、如圖4所不，對於〇·5及更高之縱橫比，該強磁性共振頻 率急劇下降。在本發明之較佳具體實施例中，該縱橫比係 保持得實質上低於〇·5而較佳的係低於〇1。將可看出，對 於所祝明的磁性材料之範例，該強磁性共振頻率在塊狀材 料中係1.5 GHz，但在縱橫比為〇·5時約為5 GHz，而在縱 橫比為0 · 1時超過8 GHz。 但是，對該層5之有用縱橫比有一更低的限制。對於該 層之、、’e疋尽度，5亥縱橫比越小，則其橫向尺度越寬。對於 在頻率同於1 GHz時電感級數為丨至5 nH之一範例以及磁導 率μ級數為10的層5之一實際範例，圖2中該層5之厚度級數 為120微米。該電路元件橫向尺度之可接受尺寸將取決於 應用但疋，對於許多應用，級數為12 mm之橫向尺度 將不可接又，其對應於小於〇·〇 1之縱橫比。此外，應瞭 解，即使在磁性材料之厚度減小而引起橫向尺度減小之情 況下，藉由減小該縱橫比而獲得FMR頻率之改善在遠低於 0.01之比率下亦會產生逐漸減少的回報，如圖4所示。因 此即使在本發明之該些具體實施例中，該縱橫比亦大於 0.001 〇 事只上’该電感器之尺度將不僅取決於該磁性材料之縱 棱比而且取決於其磁導率：可使用之磁性材料呈現出比針 97898.doc 200529256 對當前可容易獲得之_般材料而給定的值ig實質上更大之 磁導率。 圖5顯示嵌入該層5的導體1相對於由空氣包圍 體（「L0」）之電感與該磁性材料厚度成函數關係。圖6顯 示該電路元件所提供的導體之品質因數與厚度成函數關 係。將可看出’在此範例中，在磁導率為1()之條件下，6〇 微米之磁材料厚度引起電感相較於-空心導體1增加八倍 而品質因數Q增加三倍。 圖7說月本毛明之另一項具體實施例，其中該電導體1係 夾在該支撐層2上的一對磁性層6與7之間，而非嵌入一單 一層5内。在圖7之上部部分所示之範例中，與目2之具體 實施例類似，該層5之厚度為12〇微米而縱橫比為〇1，橫 向尺度為1.2 mm。圖7下部部分所示的本發明之具體實施 例具有二層6及7，其中，對於層6及7中每一層，針對相同 的總厚度120微米以及針對小於〇1之縱橫比，該等層6及7 之検向尺度之級數為600微米。在本發明之此項具體實施 例中，該等層6及7係藉由在該導體丨的每一側上沿實質上 該導體的整個長度延伸之磁性互連8及9而得以磁性地互 連。该等磁性互連8及9之一般橫向尺度係6〇微米。應瞭 解，圖7顯示該導體1之斷面視圖。在每一情況下，介電材 料10皆包圍磁性材料之層5、6及7以及該等磁性互連8及 9 〇 應瞭解’沿該導體1流動（即垂直於該圖之平面）之電流 將產生循環圍繞該導體並因此而包含於該等層6及7的橫向 97898.doc -10- 200529256 範圍内以及該等互連8及9内之磁通量。 應瞭解，圖7下部部分所示具有二磁性層6及7之具體實 施例使得在給定橫向尺度之情況下，與圖7上部部分所示 之具體貫施例相比，該等層中每一層之縱橫比提高。藉由 在ό亥磁性層6上添加另一磁性層丨丨而在該磁性層7下添加另 一磁性層12(如前面所述，該等層6、7、丨丨及^係藉由介 電材料10而分離），如圖8中針對伸長導體（其係作為一螺旋 電感之部分）所示，該等磁性層之縱橫比可獲得進_步 改善。 如圖8所示，不需要將該等重疊的磁性層6與7之間以及 在圖8所示結構情況下係該等層丨丨與^之間的磁性互連8及 9置放成直接鄰接該導體丨之每一線阻，尤其係在螺旋組態 之情況下。在本發明之此項具體實施例中，該等層6、7、 11與12之間在該導體i的螺旋中心内於13形成一磁性互 連，而在此螺旋外實質上完全包圍該螺旋而於14形成一磁 性互連。在本發明之此項具體實施例中，藉由通道而形成 該等磁性連接13及14,其係藉由將磁性材料沉積入钱刻於 該介電材料10内的孔而形成。在圖9所示之一項替代性具 體實施例中，藉由插塞而形成該等磁性互連13及14，在該 等插塞中’在該介電質1〇中的孔徑内以單塊組態生長該磁 性材料。 應瞭解，如圖所示之電路裝置可與響應裝置一起用在電 路設備中，該等響應裝置響應由該電路裝置向一沿該導體 流動的週期性電流提供之電感。 97898.doc -11 - 200529256 【圖式簡單說明】 圖1係以範例方式給出的依據本發明之一項具 用於一高頻薄膜導體之一電導體之一透視圖，-、也例 圖2係圖1之電感器之一斷面圖， 圖3係與一用於圖1中電感器的強磁性材料之頻率成函 關係之磁導率之實部及虛部之一曲線圖， 圖4係與一用於圖丨中電感器的強磁性材料之縱横比成函 數關係之消磁因數及強磁性共振頻率（「FMR」）之一曲2 圖， . 、、、 圖5係圖1中電感器與強磁性材料厚度成函數關係之電感 相對值之一曲線圖， 圖6係圖1中電感器與該磁性材料厚度成函數關係之品質 因數相對值之一曲線圖， 圖7係以範例方式給出的依據本發明之進一步具體實施 例之二咼頻薄膜電感器中的部分之一更詳細斷面圖， 圖8係以範例方式給出的依據本發明之另一項具體實施 例之一高頻薄膜電感器之一更詳細斷面圖，以及 圖9係以範例方式給出的依據本發明之另一項具體實施 例之一高頻薄膜電感器之一更詳細斷面圖。 【主要元件符號說明】 1 伸長導體/電導體 2 電絕緣支撐層 3 電接觸墊 4 電接觸墊 97898.doc 12 200529256 5 磁性層 6 磁性層 7 磁性層 8 磁性互連 9 磁性互連 10 介電材料 11 磁性層 12 磁性層 13 形成一磁性互連之位置 14 形成一磁性互連之位置 97898.doc - 13-

Claims (1)

1. 200529256 十、申請專利範圍： 1. -種電路7L件，其包含與至少—磁性材料薄層（5 ; 6、 7、11、12)磁性耦合的一伸長電導體（1)，該至少一磁性 材料薄層（5; 6、7、U、12)與該導體並列而沿該導體之 至少一部分延伸； 其特徵在於：該磁性材料層（5 ; 6、7、n、12)之厚度 與其橫向尺度之縱橫比在〇 〇1與〇.5之間。 2_如睛求項1之電路元件，其中該縱橫比小於〇·卜 3·如請求項1或2之電路元件，其中該導體⑴之該部分係置 放於該磁性材料層（5 ;飞、7、^、12)内。 4.如月丨j述4求項壬一項之電路元件，其中該伸長電導體 (1)係與複數個該等磁性材料薄層（6、7、u、12)磁性耦 合，該等磁性材料層在該導體上面及下面沿該導體之至 少一部分延伸，該等磁性材料層（6、7、n、12)中每一 層之厚度與其橫向尺度之縱橫比在0·01與0.5之間。 5·如請求項4之電路元件，其中該縱橫比小於〇1。 6 ·如明求項4至5中任一項之電路元件，其包括磁性互連 (13、14)，該等磁性互連在該導體（1)旁延伸並且將該等 兹II材料層（6、7、丨丨、丨2)互連於藉由沿該導體流動的 電流而產生之磁通量與該等層成橫向之位置。 7·如明求項6之電路元件，其中該等互連、丨句之該等橫 向尺度相較於該等層（6、7、η、12)之該等橫向尺度較 小 〇 8·如清求項4至7中任一項之電路元件，其包括在該導體（1) 200529256 L伸之複數個該等磁性材料層（6、1丨）以及在該導體 下面延伸之複數個該等磁性材料層（7、12)。 9. 10 11. 12. 13. 14. 15. 16. ㈣求項4至8中任—項之電路元件’其+該導體⑴在該 等磁性材料層(6、7、u、12)之間的一螺旋内延伸。 如請求項4至8中任—項之電路元件，其中該導體⑴在該 等：性材料層(6、7、U、12)之間的一彎曲内延伸。 如前述請求項中任—項之電路元件，其中該磁性材料包 含一強磁性材料。 如前述請求項中任—項之電路元件，其中該磁性材料係 包含一磁性材料的多個粒子之一組合物材料，該等粒子 係密集封裝於一實質上非磁性的電阻矩陣中。 =前述請求項中任-項之電路元件，其令該磁性材料係 南電阻強磁性材料之一濺鍍膜。 種電路設備，其包含如前述請求項中任一項之一電路 元件以及電感響應構件，該電感響應構件響應由該電路 凡件向-纟該導體⑴内流動的週期性電流提供之電感。 如請求項14之電路設備，其中該電路元件及該電感響應 構件係置放於一共用支撐層上。 如請求項15之電路設備，其中該電路元件及該電感響應 構件係一共用積體電路之部分。 97898.doc -2-