(57)【要約】  磁性材料（６，７，１１，１２）の薄層に磁気的に接続された長尺状の導体（１）を備え、該磁性材料の層が、該導体の上下において該導体の少なくとも一部に沿って延在する電子インダクタ回路素子。磁性材料の層（６，７，１１，１２）の各々の横寸法に対する厚さのアスペクト比は、０．００１と０．５との間であり、好ましくは０．０１と０．１との間である。このアスペクト比の範囲では、高い強磁性共鳴周波数を有する。インダクタは、好ましくは導体（１）の近傍において延在する磁性配線（１３，１４）を含む。この磁性配線は、該導体に流れる電流によって生成された磁束が磁性材料（６，７，１１，１２）の層を縦断する位置において該磁性材料の層を相互接続する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの磁性材料の薄層（５，６，７，１１，１２）に磁気的に接続された長尺状の導体（１）を備え、前記少なくとも一つの磁性材料の薄層が前記導体に並列する前記導体の少なくとも一部に沿って延在する電子回路装置であって、
前記磁性材料の層（５，６，７，１１，１２）の横寸法に対する厚さのアスペクト比が、０．０１と０．５との間であることを特徴とする、電子回路素子。
【請求項２】
請求項１記載の電子回路素子において、
前記アスペクト比が０．１未満である、電子回路素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電子回路素子において、
前記導体（１）の一部は、前記磁性材料の層（５，６，７，１１，１２）内に配置されている、電子回路素子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項記載の電子回路素子において、
前記長尺状の導体（１）は、前記導体の上下において前記導体の少なくとも一部に沿って延在する複数の前記磁性材料の層（６，７，１１，１２）に磁気的に接続されており、
前記複数の磁性材料の層（６，７，１１，１２）の各々の横寸法に対する厚さのアスペクト比が０．０１と０．５との間である、電子回路素子。
【請求項５】
請求項４記載の電子回路素子において、
前記アスペクト比が０．１未満である、電子回路素子。
【請求項６】
請求項４又は５記載の電子回路素子は更に、前記導体（１）の近傍において延在する磁性配線（１３，１４）を備え、該磁性配線は、前記導体に流れる電流によって生成された磁束が前記層を縦断する位置において前記磁性材料の層（６，７，１１，１２）を相互接続する、電子回路素子。
【請求項７】
請求項６記載の電子回路素子において、
前記配線（１３，１４）の横寸法は、前記層（６，７，１１，１２）の横寸法に比べて小さい、電子回路素子。
【請求項８】
請求項４乃至７の何れか一項記載の電子回路素子は更に、
前記導体の上方において延在する複数の前記磁性材料（６，１１）の層と、
前記導体の下方において延在する複数の前記磁性材料（７，１２）の層と、
を備える、電子回路素子。
【請求項９】
請求項４乃至８の何れか一項記載の電子回路素子において、
前記導体（１）は、前記磁性材料の層（６，７，１１，１２）の間においてスパイラル状に延在する、電子回路素子。
【請求項１０】
請求項４乃至８の何れか一項記載の電子回路素子において、
前記導体（１）は、前記磁性材料の層（６，７，１１，１２）の間において蛇行状に延在する、電子回路素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか一項記載の電子回路素子において、
前記磁性材料は、強磁性材料よりなる、電子回路素子。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項記載の電子回路素子において、
前記磁性材料は、実質的に非磁性体である電気的抵抗性を有するマトリクス内に高密度に封入された磁性材料の粒子を含有する合成材料である、電子回路素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか一項記載の電子回路素子において、
前記磁性材料は、高抵抗を有する強磁性材料のスパッタ膜である、電子回路素子。
【請求項１４】
請求項１乃至１３の何れか一項記載の電子回路素子を具備する電子回路装置であって、
前記導体（１）に流れる周期的な電流に対して前記電子回路素子が発生する前記インダクタンスに応答するインダクタンス応答手段を備える、電子回路装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の電子回路装置において、
前記電子回路素子及び前記インダクタンス応答手段は、共通の支持層の上に配置されている、電子回路装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の電子回路装置において、
前記電子回路素子及び前記インダクタンス応答手段は、共通の集積回路の一部分である、電子回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長尺状の導体であって、その導体の上下において導体の少なくとも一部に沿って延在する少なくとも１つの磁気材料の層に磁気的に接続された長尺状の導体を備える高周波薄膜電子回路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気材料に誘導性素子の導体を埋め込む又は挟み込むことにより、所定のインダクタンスを維持しながら、所定のサイズ或いはそれよりも小さなサイズにおいてそのインダクタンスを顕著に増加させることができる。同様に、磁気材料に導体を埋め込む又は挟み込むことにより、導体に流れる電流によって発生する磁場の封じ込めを向上させることができる。この磁場の封じ込めは、導体が集積回路などの半導体デバイスの一部として形成される場合には、その装置を構成する他の素子からの信号絶縁性を向上させることができるため、特に有用となり得る。
【０００３】
回路素子サイズを低減することは、マスク制御を利用した堆積や支持層上の材料のエッチングなどの半導体製造技術を用いて作製された微細回路素子において特に重要である。その結果、占有されたチップ面積を低減しながら、所定の一連の製造工程、及び所定の全支持層（「ウェハ」）のサイズでより多くの装置を製造することが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、強磁性共鳴（ＦＭＲ）の損失が、そのような装置の１ＧＨｚよりも低い周波数での利用を制限しており、高抵抗の強磁性材料を使ったとしても制限される。
ファーガン、アイ（Ｆｅｒｇｅｎ，Ｉ）他による、磁気及び磁性材料ジャーナル、２００２年４月、第２４２〜２４５巻、頁１４６〜５１における、タイトル「高周波利用における軟質強磁性薄膜」の研究報告には、高周波磁性材料のスパッタ薄膜の特性に関する研究が記載されている。
【０００５】
ツァン、ワイ（Ｚｈｕａｎｇ，Ｙ）他による、国際電子デバイス会議  ２００２年  技術ダイジェスト、ＩＥＥＥ、２００２年１２月８日、頁４７５〜４７８における、タイトル「標準ＣＭＯＳ／ＢｉＣＭＯＳにおける強磁性ＲＦインダクタ及び変圧器」の研究報告には、導体の上下において導体の少なくとも一部に沿って延在する磁気材料の薄層（０．５μｍの厚さ及び１００，２００，４００又は８００μｍの横寸法を有する層）に磁気的に接続された長尺導電体を備えるＲＦインダクタが記載されている。
【０００６】
占有チップ面積が小さく、高周波での利用に適した実用的な高周波薄膜電子回路素子の存在が必要とされている。
本発明は、添付の特許請求の範囲に記載されたように、好適に選択された磁性材料の層を組み込んだ誘電性素子及び誘電性素子を製造する方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面に示された本発明の実施形態は、電気的絶縁性を有する支持層２上の導電性材料の層で形成された長尺状の導体１を備える。導体１は、単一の直線素子よりなるか、又は、蛇行を形成するように、隣接する素子に互いの端部で接続された一続きの並列直線素子よりなる。又は、導体１は、プレーナ状、或いは非プレーナ状のスパイラル・インダクタの一部となり得る。図１に示された本発明の実施形態では、導体は、例えば３回転半周回されて、概ね方形状のスパイラルを形成する。周回数は、より多くの数、又はより少ない数でもよい。電気接続パッド３は、導体１と同じ層で形成されており、外部の回路構成要素により導体１の一端へ接続可能である。又、電気接続パッド４も、導体１と同じ層に形成されており、支持層２の下面を通過する導電性ブリッジ素子（図示略）を介して導体１の他端に接続されている。
【０００８】
導体１は、自己インダクタンス又は変圧器の一部として利用され得る。導体１のインダクタンスを増加させるために、導体１は、１よりも大きな透磁率を有する薄膜磁性材料、好ましくは強磁性材料の層に埋め込まれている。（なお、磁性材料は、図１には示されないが、他の図においては示されている）。導体１の横寸法は、磁性層５の横寸法に対して平行に且つ横寸法の範囲内で広がっている。又、磁性層５は、導体１からの磁束を広範囲にわたって封じ込める特性を有しており、導体１のシールド性及び導体に流れる信号の電磁絶縁性を向上させる。この特性は、導体１が、磁性層５と共に、他の電気的構成要素に近接して共通の支持層上に配置される場合や、或いは、導体１及び支持層２が集積回路の一部となり得る場合には特に重要となる。
【０００９】
本発明の一実施形態では、磁性材料５は、好適な厚さを有する高抵抗の強磁性材料よりなるスパッタ膜である。好適な強磁性材料は、ＦｅＣｏＳｉＢや、ＦｅＴａＮなどの合金である。
【００１０】
本発明の別の実施形態では、磁性層５の材料は、実質的に非磁性体である電気的抵抗性を有するマトリクス材料内に高密度に封入された強磁性材料の粒子を含有する合成材料である。そのような合成材料は、渦電流損失を低減し、又、それによるインダクタは、直列抵抗を低減するとともに、高ＲＦ周波数において高クオリティ・ファクタ（「Ｑ」）を確保するように寄生容量を低減する。磁性粒子は、鉄（Ｆｅ）又はコバルト鉄（ＦｅＣｏ）合金の磁性ナノ粒子でよい。マトリクス材料は、有機レジン又は有機リガント（ｌｉｇａｎｔ）でよい。
【００１１】
層５の一般的な透磁率特性を図３に示す。透磁率は、実部μ´と虚部μ´´を含む複素数値である。１ＧＨｚ及びそれよりも高いオーダーでの周波数においてそのような材料は強磁性共鳴（「ＦＭＲ」）を示し、又、その周波数において透磁率の実部は急激に低下して負の値となる一方、虚部はピークとなる。これらの特性により回路素子の機能がＦＭＲ周波数よりも低い周波数に制限される。
【００１２】
磁性層５の透磁率は、磁性材料の特性に関する要素である飽和磁化Ｍｓに依存するとともに、層の結晶構造及び結晶形態に依存する異方性Ｈｋに依存する。バルク構造及び薄膜構造の双方において、材料の透磁率は次式に従う。
【００１３】
μ＝１＋Ｍｓ／Ｈｋ      ・・・式１
図４に示されるように、層５の強磁性共鳴周波数ＦＭＲは、反磁場係数Ｎｚと同様に、層５のアスペクト比の関数、即ち、層５の軸方向Ｘ及びＹにおける横寸法に対する方向Ｚの厚さの比の関数であることが分かっている。
【００１４】
反磁場係数は、一般には試料形状の対角テンソル関数である。強磁性共鳴への影響は、次式で表される。
【００１５】
【数１】
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ここで、γは磁気回転比であり、Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚは粒子の反磁場係数であり、Ｍｓは飽和磁化であり、Ｈｋは結晶異方性磁場である。
【００１６】
反磁場係数は、Ｎｘ＋Ｎｙ＋Ｎｚ＝１によって算出される。Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚの個々の式は、ロッド状及び楕円状の場合において、一般的に予測化及び表形化される（例えば、近代磁性材料  原理及び応用  アール．シー．オーハンドリー  ウィリー（Ｒ．Ｃ．  Ｏ’Ｈａｎｄｌｅｙ  Ｗｉｌｅｙ）  学術会議  頁４１を参照）。
【００１７】
薄膜の場合、Ｎｙ＝Ｎｚ＝０であり、Ｍｓ＞＞Ｈｋの条件下では、Ｎｘ＝１であるとともに、ＦＭＲは、
【００１８】
【数２】
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となる。
【００１９】
球形の場合、Ｎｘ＋Ｎｙ＋Ｎｚ＝１／３、ＦＭＲ＝γＨｋとなる。
中間形態の場合、図４に示されるように、Ｎｚ及びＦＭＲは試料形状（アスペクト比）に依存する。
【００２０】
図４に示されるように、０．５及びそれよりも大きいアスペクト比の場合、強磁性共鳴周波数は急激に低下する。本発明の好適な実施形態において、アスペクト比は、実質的に０．５よりも小さく、好ましくは０．１よりも小さく維持される。図示される磁性材料の例の場合、強磁性共鳴周波数はバルク材料で１．５ＧＨｚであるが、アスペクト比が０．５のときは約５ＧＨｚとなり、アスペクト比が０．１のときは８ＧＨｚを上回る。
【００２１】
その一方で、層５の有用なアスペクト比には下限値がある。所定の層の厚さにおいて、アスペクト比が小さくなると、横寸法が大きくなる。例えば、１ＧＨｚを越える周波数において約１〜５ｎＨ程度のインダクタンスを有し、且つ、約１０程度の透磁率μを有する層５の実施例の場合、図２の層５の厚さは、約１２０ミクロン程度である。回路素子の横寸法の許容サイズはその用途に依存する。しかしながら、多くの用途において、０．０１よりも小さいアスペクト比に対応する約１２ｍｍ程度の横寸法は許容することができない。更に、磁性材料の厚さを低減することによって横寸法を低減することを考慮に入れても、図４に示されるように、アスペクト比を低減することにより得られるＦＭＲ周波数の改善効果は、０．０１よりもはるかに小さい比率では徐々に減少することが理解し得る。従って、本発明の複数の実施形態では、アスペクト比は０．００１よりも大きい。
【００２２】
実際、インダクタの特性は、磁性材料のアスペクト比に依存するだけでなく、透磁率にも依存する。磁性材料には、現在容易に入手可能な典型的材料に与えられた１０の値よりも実質的に大きな透磁率を示すものが利用可能である。
【００２３】
空気（「Ｌ０」）中の同一導体に対する層５に埋め込まれた導体１のインダクタンスが、磁性材料の厚さに応じて図５に示されている。回路素子によって与えられたインダクタのクオリティ・ファクタが、図６に、厚さに応じて示されている。この例からも理解し得るように、透磁率が１０、厚さが６０ミクロンの磁性材料は、空芯の導体１と比較してインダクタンスは８倍増に達し、クオリティ・ファクタは３倍増に達する。
【００２４】
図７は、本発明の別の実施形態を示す。この別の実施形態においては、導体１が、単一の層５に埋め込まれることに代えて、支持層２の上の一対の磁性層６及び７間に挟み込まれている。図７の上部に示される例においては、図２の実施形態と同様、層５は、０．１のアスペクトにおいて、１２０ミクロンの厚さを有するとともに、１．２ｍｍの横寸法を有する。図７の下部に示される本発明の実施形態においては、１２０ミクロンの一定全厚の２つの層６及び７を有し、層６及び７の各々は、０．１よりも小さいアスペクト比である。層６及び７の横寸法は約６００ミクロン程度である。本発明の同実施形態において、層６及び７は、導体１の両側において実質的にその全長に渡って延在する磁性配線８及び９によって磁気的に相互接続されている。磁性配線８及び９の標準の横寸法は６０ミクロンである。図７は、導体１の断面図を示していることが理解し得る。各々の場合において、磁性材料の層５，６及び７は、磁性配線８及び９と同様、誘電性材料１０によって固定されている。
【００２５】
導体１に流れる電流、即ち図の紙面に垂直に流れる電流は、導体の周囲に環状に磁束を発生させる。従って、この磁束は、層６及び７の横方向の範囲、及び配線８及び９に封じ込められることが理解し得る。
【００２６】
図７の下部に示された２つの磁性層６及び７を有する実施形態は、図７の上部に示された実施形態と比較して、所定の横寸法に対してそれらの層の各々のアスペクト比が改善されることが理解し得る。更に長尺状導体の場合、図８に示されるように、磁性層のアスペクト比が改善される。長尺状導体は、磁性層６の上方に更に磁性層１１が追加され、且つ磁性層７の下方に更に磁性層１２が追加されることによって、スパイラル・インダクタの一部をなす。層６，７，１１及び１２は、前述したように、誘電性材料１０によって分離されている。
【００２７】
図８に示されるように、対向する磁性層６及び７間、又、同図８に示される構造にあっては、層１１及び１２間に存在する磁性配線８及び９は、特に、スパイラル構造の場合には、導体１の巻回毎に直接隣接させて配置する必要はない。本発明のこの実施形態において、磁性配線１３は、導体１のスパイラルの中心において、層６，７，１１及び１２間に設けられ、磁性配線１４は、実質的に、このスパイラルの外側において、そのスパイラルの端から端まで形成されている。本発明のこの実施形態において、磁性配線１３及び１４は、ビアホール、即ち、誘電性材料１０にエッチングされたホールに磁性材料を堆積させることによって形成されている。図９に示される別の実施形態では、磁性配線１３及び１４は、磁性材料が、単一ブロック構造において誘電体１０の開口内に成長されるように埋め込まれることによって形成されている。
【００２８】
図面に示された電子回路デバイスは、導体に流れる周期的な電流に対して、該電子回路デバイスが発生するインダクタンスに応答するデバイスを具備する電子回路装置において利用可能であることが理解し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態による一例の高周波薄膜インダクタにおける導電体の斜視図。
【図２】図１のインダクタの断面図。
【図３】図１のインダクタで用いられる強磁性材料の周波数に応じた透磁率の実部及び虚部のグラフ。
【図４】図１のインダクタで用いられる強磁性材料のアスペクト比に応じた反磁場係数及び強磁性共鳴周波数（「ＦＭＲ」）のグラフ。
【図５】磁性材料の厚さに応じた図１のインダクタのインダクタンスの相対値のグラフ。
【図６】磁性材料の厚さに応じた図１のインダクタのクオリティ・ファクタの相対値のグラフ。
【図７】本発明の他の実施形態による一例の２つの高周波薄膜インダクタの一部のより詳細な断面図。
【図８】本発明の別の実施形態による一例の高周波薄膜インダクタのより詳細な断面図。
【図９】本発明の更に別の実施形態による一例の高周波薄膜インダクタのより詳細な断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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