TWI363359B - Inductor with exchange-coupling film - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電感元件（inductor)，特別是指一 種具交互耦合（exchange-coupling)膜的電感元件。 【先前技術】 因應電子產品數位化的需求，電子元件傾向於輕薄短 小化。因而，電感亦經由半導體製程自三維（3D)的螺旋狀結 構演變成二維（2D)結構的平面化電感（pianar inductor)。基於 電路積體化的原則’當遽波器（filter)、震盪器（oscillator)及 電感等基本的電子零組件整合於積體電路（integrated-circuit) 上以構成早晶微波積體電路（monolithic-microwave integrated-circuit’簡稱MMIC)等應用於高頻相關領域的高 頻構件時，至少仍須符合其相容性並達到高頻系統級通訊 產品的使用要求。 以目前國内外專利中常見的平面化電感（圖未示）結構， 一般主要是由一矽基材、一形成於該矽基板上的絕緣層、 一埋於該絕緣層内的螺旋狀金屬帶體，以及一形成於該絕 緣層上鐵磁性層（ferromagnetic layer)所構成。

當上述平面化電感之鐵磁性層欲被應用於射頻積體電 路（RFIC)等領域時，需具備有高飽和磁化值（saturation magnetization ; Ms值）、高面内異向性磁場（in-plane anisotropy field ; Ηκ)、低橋頑磁場（coercive field ; Hc)、高 電阻係數（resistivity ; p值）、高誘磁率（permeability，μ〇值） 及鐵磁共振頻率高（ferromagnetic resonance frequency > fFMR 值）等特性。 參閱圖1，US 2005/0120543揭露一種磁性薄膜電感 (magnetic thin film induct〇r)1，包含：一由 si 或以〇2 所構 成的基材11、一疊置於該基材u上的第一磁性層12、一形 成於該第磁性層12上的第一絕緣層13、複數相間隔地設 置於該第·絕緣層13上的條狀傳導件14、一覆蓋該等條狀 傳導件14的第一絕緣層丨5，及一覆蓋該第二絕緣層15的 第二磁性層16。 在US 2005/0120543中，該等磁性層12、16主要是使 用 FeBN、FeZrO、FeYO、CoAlO、FeAlO 等磁性材料。以

FeAlO舉例說明，主要是將Fe奈米粒子埋於Al2〇3基質 (matrix)中，藉由八丨2〇3基質增加電阻係數值）以減少渦電 流（eddy Currents)損失。us 2〇〇5/〇12〇543 所使用的 FeAi〇 雖然可增加p值以減少渦電流損失，且藉相間隔的條狀傳導 件14可增加彼此的電感值（inductance，L值）。然而，在該 磁性薄膜電感1的製作過程中，不僅成長條件不易控制， 此外’ FeAlO等磁性材料的磁性亦不容易掌控。另，雖然 US 2005/0120543 所使用的 FeA1〇 之 fFMR 值可趨近 9 5 GHz ，但往往無法同時達到高fpRM值與高叫值的要求，其必須 於fFMR值與μ〇值兩者之間作取捨，因此，無法完全符合高 頻應用領域的需求。 參閱圖2，US 2006/0152321揭露一種平面狀磁性電感 (planar magnetic inductor)2 ’ 包含：一由聚醯亞胺 (polyimide)所構成的基材21、一疊置於該基材21的下氧化 隹層22 t成於該下氧化磁性層22之線圈狀晶種層 (seed layer)23、一對應設置於該線圈狀晶種層23上的導性 線圈24覆蓋該導性線圈24的上氧化磁性層25，及— 覆蓋該上氧化磁性層25且是由具有耐化學腐蝕性之高分子 材料所製成的覆蓋層26。 在US 2006/0152321中，主要是使用Ni_Zn鐵氧磁體 (femte)作為該等磁性氧化層22、25之磁性材料。以該平面 狀磁性電《2的製作方法觀之，不僅製程繁複；此外，此 種三明治型的結構（即，該導性線圈24是被夾置於該等氧化 磁I·生層22、25之間），在製作過程中的製程溫度與化學飯刻 等因素，亦將影響該下氧化磁性層22的膜層鍵結強度並使 付磁性產生劣化的現象。再者，此種犯_211鐵氧磁體無法同 時達到尚fFRM值與高μ〇值的要求，其必須於fpMR值與Μ值 兩者之間作取捨，因此，亦無法滿足高頻應用領域的需求 〇 參閱圖3及圖4, US 2006/0220776揭露一種薄膜式電 感（thin film inductor)3，包含：一由以、Ah 或樹脂 (resin)等材質所製成的基材31、一疊置於該基材31上的下 磁性層32、一疊置於該下磁性層32上的下絕緣層33、一 疊置於該下絕緣層33上的中間絕緣層34、一設置於該中間 絕緣層34中的線圈35、一覆蓋該中間絕緣層34與線圈35 的上絕緣層36,及一疊置於該上絕緣層36上的上磁性層 37 ° 在US 2006/0220776中，主要是藉由調整該上磁性層 1363359~ 37與線圈35之間的間距及該下磁性層32與線圈35之間的 間距來控制元件的寄生電容（parasitic capacitance)，並藉以 增加其 fFMR 值；然而，L值與 f*FRM 值是建立在寄生電容的 基礎上，其兩者有著折衷的關係，因此，基於考量其折衷 關係的平衡，所欲調整的間距並不容易被設定。 另，US 2006/0220776 主要是使用 CoZrTa、CoZrNb 等 鈷基（Co-based)合金、鐵基（Fe-based)合金或NiFe合金[即， 所謂的高誘磁合金（permalloy)]等材料以構成該等磁性層32 、37。US 2006/0220776於實施過程中，該等磁性層32、37 雖然是使用高誘磁合金；然而，該薄膜式電感3所存在的 問題是相同於該磁性薄膜電感1及平面狀磁性電感2，該薄 膜式電感3的fFMR值僅維持在〜MHz的範圍。 經上述說明可知，尋求高fFMR值與高μ值兼具的薄膜式 電感以滿足高頻應用領域的需求，是當前研究開發薄膜式 電感相關領域者所待突破的課題。 【發明内容】 <發明概要> 由下列式（1)中簡化的L丄.G.方程式之關係可知[其中， γ是迴磁比（gyromagnetic ratio)]，為了滿足磁性材料應用於 面頻領域需同時具備有向fFMR值與南值的條件^磁性材 料本身的特性雖然必須在fFMR值與μ〇值兩者之間作取捨。 然而，值得一提的是，藉由鐵磁性材料（ferromagnetic material)與偏壓材（biasing material)之間的交互輕合 (exchange-coupled)機制，或是藉由軟磁性（soft magnetic)層 / 8

Claims (1)

1363359--------------- 一 -——— — 第096124105號專利_請索補充、修正後無劃線之說明書替換頁 十、申請專利範園： 修正曰期· 101年01月 1· 一種具交互耦合膜之電感元件，包含： . 一基材； 一咿现於蔹丞材上的絕緣膜； 一埋於該絕緣膜内的螺旋狀導體；及 至少-交互耦合膜，是疊置於該絕緣膜或夾置於 該基材與絕緣膜之間，該交 乂立耦合膜含有一偏壓材盥一 鐵磁性材料，該鐵磁性材料於—〇」M Hz〜i〇 GHz、之 頻率範圍的最大誘磁率是至少大 干疋芏少大於〗〇,該偏壓材使該鐵 磁性材料的面内異向性磁場增加1〇。/0以上。 2. 依料請專利範圍第1項所述之具交互輕合膜之電感元 件，其t ,該交互耦合膜是疊置於該絕緣膜。 3. 依據中請專利範圍第2項所述之具交互耗合膜之電感元 件，其令，該鐵磁性材料於該頻率範圍的最大誘磁率是 介於10〜100000之間。 4. 依據:請專利範圍第2項所述之具交互搞合膜之電感元 件，其中，該交互耦合膜的偏壓材是選自反鐵磁性材料 、陶鐵磁性材料或硬磁性材料。 5. 依據申凊專利範圍第4項所述之具交互耦合膜之電感元 件’其中’該交互耦合膜的偏壓材是反鐵磁性材料。 6. 依據中睛專利範圍第5項所述之具交互鶴合膜之電感元 件’其令’該交互耦合膜自該絕緣膜向遠離該基材的一 疊置方向具有—（AF/F)n之膜層結構，AF及F分別為一 反鐵磁性層及一鐵磁性層，且η 2 1。 21 1363359 — - -——-------—… 第096124105號專利申請案補充、修正後無劃線之說明書替換頁 修正曰期：101年01月 7. 依據申請專利範圍第6項所述之具交互耦合膜之電感元 件’其中’該反鐵磁性層與鐵磁性層分別是採用銥錳合 . 金與鈷鐵合金。 8. 依據申睛專利範圍第7項所述之具交互搞合膜之電感元 件，其中，銥於該反鐵磁性層中的原子百分比是介於〇 at%〜50 at%之間；鈷於該鐵磁性層中的原子百分比是 介於30 at%〜90 at%之間。 9. 依據申請專利範圍第8項所述之具交互耦合膜之電感元 件’其中’該交互耦合膜的總厚度是介於1〇 nm〜25 μιη之間。 • 10·依據申請專利範圍第9項所述之具交互耦合膜之電感元 件’其中’ 1 $ n ^ 500 ;定義該反鐵磁性層與鐵磁性層 的厚度分別為d與D，d/D是介於0.1〜1 〇之間。 11.依據申請專利範圍第2項所述之具交互耦合膜之電感元 件’更包含一夾置於該絕緣膜與該交互耦合膜之間的晶 種膜及一疊置於該交互耦合膜上的覆蓋膜，該晶種膜具 有一形成於該絕緣膜的銅層及一夾置於該絕緣膜與銅層 之間的鈕層。 12.依據申請專利範圍第1項所述之具交互耦合膜之電感元 件’其中’ s亥螺旋狀導體是選自Cu、Al、Au、Ag、Pt 或此等之一組合；該絕緣膜是Si〇2。 22