高频薄膜电路元件制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
如在附图中描述的，本专利技术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专利技术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，根据本专利技术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，根据本专利技术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，根据本专利技术另一种实施方式的高频薄膜电感器的详细剖面图。具体实施例方式附图中所示的本专利技术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所示的本专利技术的实施方案中，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。在本专利技术的一个实施方案中，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。在本专利技术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FMR=γ[Hk+(Ny-Nz)Ms][Hk+(Nx-Nz)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FMR=γH2k+HkMs≈γHkMs]]>(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。在本专利技术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的层本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2003-11-28 03292965.51.一种电路元件，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普瑞那奥德，拉马姆尔西拉马普拉萨德，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]