具有大電感可調(diào)諧性的靜電可調(diào)諧磁電電感器的制造方法
【專利摘要】一種靜電可調(diào)諧磁電電感器，包括：襯底；壓電層；以及磁電結(jié)構(gòu)，其包括第一導(dǎo)電層、磁性薄膜層、第二導(dǎo)電層和凹槽，它們形成為創(chuàng)建圍繞所述磁性薄膜層的至少一個導(dǎo)電線圈；其中襯底的一部分被去除以便增強壓電層的形變。還公開了一種制造靜電可調(diào)諧磁電電感器的方法。靜電可調(diào)諧磁電電感器顯示了＞5:1的可調(diào)諧電感范圍，同時在調(diào)諧過程中功耗少于0.5mJ，不需要持續(xù)的電流來維持調(diào)諧，并且不需要例如驅(qū)動器或開關(guān)的復(fù)雜的機械組件。
【專利說明】具有大電感可調(diào)諧性的靜電可調(diào)諧磁電電感器
[0001]本申請要求2011年8月18日提交的、名稱為“Electrostatically Tuna bleMagnetoelectric Inductors With Large Inductance Tunability and Imp rovedPerformance”的美國臨時申請N0.61/524，913的35U.S.C.§ 119(e)規(guī)定的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容在此通過引用結(jié)合到本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明公開總地涉及具有大電感可調(diào)諧性的可調(diào)諧磁電電感器以及制造這種電感器的方法。本發(fā)明還涉及包括可調(diào)諧磁電電感器的半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】 [0003]結(jié)合傳統(tǒng)的射頻前端組件的可調(diào)諧性允許能夠在多個頻帶和標(biāo)準(zhǔn)工作的無線電構(gòu)架的發(fā)展，引起無線電收發(fā)機的成本、體積、復(fù)雜性和功耗的減少。諸如可調(diào)諧濾波器、移相器、壓控振蕩器和可調(diào)諧低噪聲放大器的前端組件以及其他射頻組件使用芯片上和芯片外的無源電子元件。作為用于電子電路的三個基本組件之一的電感器被廣泛應(yīng)用于這些前端組件和其它電子應(yīng)用中?？烧{(diào)諧電感器，尤其是適用于射頻電路的可調(diào)諧電感器，是創(chuàng)建智能、可重構(gòu)的無線電的關(guān)鍵元器件。雖然電子可調(diào)諧電容器和電阻器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于這種任務(wù)，但是電子可調(diào)諧電感器并不容易得到，盡管這種電感器使用廣泛。
[0004]對于可調(diào)諧射頻電感器，已經(jīng)探索了不同的技術(shù)，包括其磁導(dǎo)率可以通過磁場來調(diào)諧的磁性材料的電感器、其磁導(dǎo)率可以通過改變電感器線圈和磁芯的耦合來調(diào)諧的磁性材料的電感器、其繞組通過MEMS開關(guān)數(shù)字化控制的電感器、耦合電感器之間的互感的機械調(diào)諧、通過連接變抗器和固定電感器以便改變施加在變抗器兩端的偏壓并由此調(diào)諧有效電感而創(chuàng)建的基于變抗器的可調(diào)諧電感器，以及手動調(diào)諧的電感器。這些可調(diào)諧電感器技術(shù)的每一個具有阻礙普遍且廣泛接受的缺點。磁場調(diào)諧需要大量的電力和恒定電流。機械調(diào)諧需要大而復(fù)雜的、難以制造的驅(qū)動器。能夠切換的電感器被所使用的開關(guān)的數(shù)量限制，并且因為增加開關(guān)的數(shù)量降低電感器質(zhì)量，開關(guān)的數(shù)量被限制。變抗器調(diào)諧的電感器具有低品質(zhì)因數(shù)和有限的可調(diào)諧性。手動調(diào)諧的電感器使用不方便。對于目前可用的可調(diào)諧電感器，這些不利方面限制了它們的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]描述了具有大范圍可調(diào)諧電感的靜電可調(diào)諧電感器，其不需要復(fù)雜的機械驅(qū)動器或開關(guān)，并且不需要大量的功耗或不間斷的恒定牽引電流。
[0006]在一個或多個實施例中，靜電可調(diào)諧電感器包括布置在襯底的上面的壓電層。磁電結(jié)構(gòu)布置在壓電層的上面，其包括第一導(dǎo)電層、鄰近第一導(dǎo)電層的磁性薄膜層，以及電連接到第一導(dǎo)電層的第二導(dǎo)電層。還公開了制造的方法。
[0007]在一方面，通過形成布置在襯底的上面的壓電層來制造靜電可調(diào)諧電感器。磁電結(jié)構(gòu)布置在壓電層的上面，由第一導(dǎo)電層、鄰近第一導(dǎo)電層的磁性薄膜層以及電連接到第一導(dǎo)電層的第二導(dǎo)電層形成。
[0008]采用適用于半導(dǎo)體制造并允許將可調(diào)電感器裝置結(jié)合和/或集成到半導(dǎo)體裝置中的技術(shù)制造靜電可調(diào)諧電感器。在一個或多個實施例中，在裝置的制造和組裝過程中，可調(diào)諧電感器被結(jié)合到半導(dǎo)體裝置中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]結(jié)合附圖，考慮下面詳細的描述，本發(fā)明上面的和其它的目的和優(yōu)點將顯而易見，其中在整個附圖中相似的附圖標(biāo)記指代相同的部件，其中:
[0010]圖1是根據(jù)一個或多個實施例的靜電可調(diào)諧電感器的示意圖；
[0011]圖2A-2F是示出了根據(jù)某些實施例的靜電可調(diào)諧磁電電感器以及制造這種裝置的方法的過程截面圖。
[0012]圖3A-3B是顯示電場感應(yīng)磁場的機理的多層磁性/壓電材料的示意圖；
[0013]圖4是根據(jù)某些實施例的采用不同的磁性材料和壓電材料的圖1的可調(diào)諧磁電電感器的可調(diào)諧性和品質(zhì)因數(shù)的表格。
【具體實施方式】
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了具有大電感可調(diào)諧性和改進的性能的可調(diào)諧磁電電感器。另外，本發(fā)明提供了制造這種適于集成到標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝的電感器的方法。與其它可調(diào)諧電感器不同，本發(fā)明的靜電可調(diào)諧磁電電感器顯示了> 5:1的可調(diào)諧電感范圍，同時在調(diào)諧過程中功耗少于0.5mJ，不需要持續(xù)的電流來維持調(diào)諧，并且不需要例如驅(qū)動器或開關(guān)的復(fù)雜的機械組件。
[0015]參考圖1描述根據(jù)一個或多個實施例的磁電電感器200。在某些實施例中，磁電電感器包括襯底202，例如硅、藍寶石，或其它可以在半導(dǎo)體制造工藝中使用的襯底。電感器包括由壓電材料組成的壓電層204。由諸如二氧化硅或其它傳統(tǒng)的介電材料的隔離材料組成的第一隔離層206沉積在壓電材料上。隔離層將壓電材料和磁電結(jié)構(gòu)分開，但提供了用于將應(yīng)變變化從壓電層轉(zhuǎn)移到磁性結(jié)構(gòu)的裝置。磁電結(jié)構(gòu)(例如磁螺線管或環(huán)形電感器)布置在壓電層的上面。磁電結(jié)構(gòu)包括諸如銅、鋁、銀或其它導(dǎo)電金屬的導(dǎo)電金屬層208a和208b，它們沉積在高磁導(dǎo)率磁性薄膜210的上面和下面以形成螺線管線圈。螺線管是在其內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)均勻的磁場的磁場線圈。就像所有的載流裝置一樣，對于給定的電流，螺線管的電感正比于磁場的平方的體積積分。螺線管典型地通過將導(dǎo)線螺旋形地纏繞成線圈而形成。在本實施例中，螺線管線圈通過以下方式形成:使用通孔212a、212b連結(jié)圖形化的上導(dǎo)電層和下導(dǎo)電層，以提供圍繞磁性薄膜層的螺旋導(dǎo)電通道。
[0016]沉積之后，磁性薄膜被磁性退火以對齊磁疇并被圖形化以增加材料的磁導(dǎo)率。在一個或多個實施例中，磁電電感器中的每一層通過隔離層彼此間隔。與先前的集成到半導(dǎo)體裝置中的可調(diào)諧電感器相比，這種結(jié)構(gòu)引起可調(diào)諧電感范圍和品質(zhì)因數(shù)的提高。
[0017]圖2F是根據(jù)某些實施例的靜電可調(diào)諧磁電電感器100的示意圖。電感器100包括襯底層101和在襯底層101的上面的壓電層102。第一隔離層103在壓電層102的上面。第一導(dǎo)電層104在第一隔離層103的上面。在一些實施例中，第一導(dǎo)電層是圖形化的。磁性薄膜層105在第一導(dǎo)電層104的上面。在一些實施例中，磁性薄膜層105被退火以對齊磁疇并且被圖形化。在一些實施例中，所述圖形化通過刻蝕來進行。第二隔離層106在磁性薄膜層105和第一導(dǎo)電層104的上面。
[0018]在一些實施例中，在第二隔離層中形成凹槽107。凹槽107被形成為穿透第二隔離層106并且暴露第一導(dǎo)電層104的表面。盡管裝置100中示出了兩個凹槽107，但對于具體裝置可以使用任意數(shù)量的凹槽(例如1、3等)。第二導(dǎo)電層108在第二隔離層106的至少一部分的上面，并且被放置為填充至少一個凹槽107并接觸第一導(dǎo)電層104。在一些實施例中，圖形化第二導(dǎo)電層108。在一些實施例中，結(jié)合凹槽107的布置來設(shè)置第一導(dǎo)電層104和第二導(dǎo)電層108的圖形化，以便形成圍繞磁性薄膜層109的至少一個線圈。在一些實施例中，襯底101的在壓電層下面的一部分比不在壓電層109下面的襯底部分要薄，以便對于給定的感應(yīng)電場將壓電層的形變最大化。
[0019]此外，圖1和圖2F所示的結(jié)構(gòu)旨在是示例性的并且不作為限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，根據(jù)此處描述的原理，在不脫離說明書的精神的前提下，可以設(shè)計靜電可調(diào)諧磁電電感器的其它變化。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，根據(jù)此處描述的原理，在不脫離說明書的精神的前提下，可以設(shè)計除了電感器外的其它靜電可調(diào)諧磁電裝置。
[0020]在一些實施例中，襯底層101由硅組成。在其它實施例中，襯底層可以由砷化鎵、氮化鎵、藍寶石或其它襯底材料組成。在一些實施例中，壓電層102是放置在襯底上、厚度大約I到20 μ m的鋯鈦酸鉛(PZT)層。將例如N1、B1、Sb、Nb等離子摻雜入這些鋯鈦酸鉛(PZT)，使得調(diào)整所需的各自的壓電參數(shù)和介電參數(shù)成為可能。其它示例性的壓電材料包括PMN-PT (鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛)、PZN-PT (鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛)、BaTiO3^ (Ba, Sr)Ti03、ZnO和AlN0在一些實施例中，鋯鈦酸鉛層由鋯石與鈦的比例大約為52:48的鋯鈦酸鉛組成。在其它實施例中，壓電層102是鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛層。在一些實施例中，鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛層由鈮鎂酸鉛與鈦酸鉛的比例 大約為65:35的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛組成。在一些實施例中，鋯鈦酸鉛層具有大約5到10 μ m的厚度。在一些實施例中，第一隔離層103和第二隔離層106由二氧化硅組成。在一些實施例中，第一導(dǎo)電層104和第二導(dǎo)電層108由銅組成。示例性的磁性材料或磁性/非磁性絕緣多層包括具有高磁導(dǎo)率、低損耗角正切值和高電阻率的材料。在一些實施例中，磁性薄膜層105由Metglas2605C0TM組成。在另外的實施例中，磁性薄膜層105由具有基于所需的電感和材料的磁電應(yīng)變變化的厚度的鐵鎵合金、鋱鏑鐵合金、CoFeB、CoFeN、CoFe或鐵氧體組成。
[0021]還公開了具有大電感可調(diào)諧性的靜電可調(diào)諧磁電電感器的制造方法。如圖2A所示，在襯底101上形成壓電層102。在形成壓電層102之后，在壓電層102上形成第一隔離層103。在一些實施例中，通過化學(xué)氣相沉積形成壓電層102和第一隔離層103。如圖2B所不，在形成第一隔離層103之后,在第一隔離層103上形成第一導(dǎo)電層104。在一些實施例中，通過濺射銅晶種層，隨后施加光刻膠和電鍍銅層形成第一導(dǎo)電層。在一些實施例中，光刻膠被圖形化以便以圖形沉積第一導(dǎo)電層。
[0022]然后，如圖2C所示，在第一導(dǎo)電層104上形成磁性薄膜層105。在一些實施例中，通過濺射形成磁性薄膜層。在一些實施例中，磁性薄膜層105在其形成之后被退火，以對齊磁性薄膜層105中的磁疇。退火增加了磁性薄膜層的磁導(dǎo)率。在一些實施例中，磁性薄膜層105被圖形化。在一些實施例中，通過刻蝕將磁性薄膜層105圖形化成不同的幾何圖形，例如沿著長度方向或?qū)挾确较虻拈L條結(jié)構(gòu)。圖形化用于調(diào)整磁各向異性并且獲得合適的電感和工作頻率。如圖2D所示，在將磁性薄膜層105沉積、可選地退火和圖形化之后，在磁性薄膜層105上形成第二隔離層106。在一些實施例中，通過化學(xué)氣相沉積來沉積第二隔離層106。
[0023]在一些實施例中，如圖2D所示，接著在第二隔離層106上形成凹槽107。凹槽107被形成為穿透第二隔離層106，并且在凹槽107的底部暴露第一導(dǎo)電層104的主表面。在一些實施例中，通過施加掩模的光刻膠和刻蝕第二隔離層106來形成這些凹槽。在一些實施例中，用于施加光刻膠的掩模是圖形化的。在一些實施例中，光刻膠掩模圖形被設(shè)置為形成通孔，第一層和第二層通過通孔可以相互電導(dǎo)通。在另外的實施例中，結(jié)合第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的圖形化來設(shè)置光刻膠掩模圖形，以在圍繞磁性薄膜層形成的至少一個線圈中布置通孔和導(dǎo)電層。在一些實施例中，如圖2E所示，第二導(dǎo)電層108被形成以覆蓋至少部分的第二隔離層。在一些實施例中，通過濺射銅晶種層，隨后施加光刻膠和電鍍銅層來形成第二導(dǎo)電層108。在一些實施例中，圖形化光刻膠以便以圖形沉積第二導(dǎo)電層108。在一些實施例中，如圖2F所示，去除在磁性薄膜層105下面的襯底101。在一些實施例中，通過刻蝕襯底101去除襯底101。去除壓電層102下面的襯底101有助于增加壓電層102的形變，由此增加磁性薄膜層105的形變。通過增加這個形變，磁性薄膜層105的磁導(dǎo)率的變化增加并且完整的靜電可調(diào)諧磁電電感器100的可調(diào)諧性增加。
[0024]如圖3A-3B所示，在壓電層301中的電場的感應(yīng)可以在磁性薄膜層302中感應(yīng)磁場。圖3A示出在電場的感應(yīng)之前的磁性薄膜裝置，其中壓電層301和磁性薄膜層302沒有變形。在沒有施加電場的情況下，電感器的電感在較高的頻率OlOkHz)下迅速衰減(rolloff)。這種裳減與磁性薄I旲層中的大的潤流損耗有關(guān)，引起在聞頻下有效磁導(dǎo)率的減小，并且因此引起較小的電感。如圖3B所示，當(dāng)沿著壓電層301的厚度方向施加電場303時，壓電層301將在壓電層301的 平面內(nèi)變形。這個形變將直接地或通過中間層被傳遞到磁性薄膜層302，由于逆磁電效應(yīng)而感應(yīng)各向異性磁場304。該各向異性可以通過下面的公式表示:
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種制造靜電可調(diào)諧磁電電感器的方法，所述方法包括: 在襯底上形成壓電層； 在所述壓電層的上面形成磁電結(jié)構(gòu)，其通過以下步驟實現(xiàn): 形成布置在所述壓電層的上面的第一導(dǎo)電層； 形成布置在所述第一導(dǎo)電層的上面的磁性薄膜層； 形成布置在所述磁性薄膜層的上面的第二導(dǎo)電層，其中所述第二導(dǎo)電層與所述第一導(dǎo)電層電導(dǎo)通，以便形成圍繞所述磁性薄膜層的至少一個導(dǎo)電線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括形成至少一個凹槽，其中所述至少一個凹槽被形成為使所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層彼此電導(dǎo)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，通過施加光刻膠和刻蝕來形成所述凹槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，圖形化所述光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在沉積之后，圖形化所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層，以便形成圍繞所述磁性薄膜層的至少一個電連接的線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，通過刻蝕來進行圖形化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括對所述磁性薄膜層退火。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括圖形化所述磁性薄膜層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過刻蝕來進行所述磁性薄膜層的圖形化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括去除來自磁性薄膜電感器下面的所述襯底的一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述磁性薄膜層由多層磁性材料組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一導(dǎo)電層緊鄰所述磁性薄膜層。
13.一種靜電可調(diào)諧磁電電感器裝置，包括: 襯底； 布置在所述襯底的上面的壓電層； 布置在所述壓電層的上面的磁電結(jié)構(gòu)，其包括: 磁性薄膜層，其中，所述磁性薄膜層被布置為當(dāng)所述壓電層變形時經(jīng)歷變形； 布置在所述磁性薄膜層的相對兩側(cè)的第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層； 其中，所述第二導(dǎo)電層與所述第一導(dǎo)電層電導(dǎo)通，以便形成圍繞所述磁性薄膜層的至少一個導(dǎo)電線圈。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層通過至少一個通孔電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層是圖形化的并且至少一個凹槽被布置為形成圍繞所述磁性薄膜層的所述至少一個導(dǎo)電線圈。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述第一導(dǎo)電層緊鄰所述磁性薄膜層。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述磁性薄膜層包括退火的磁性薄膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述磁性薄膜是圖形化的。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，在磁性薄膜裝置下面的所述襯底較薄。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述磁性薄膜層由多層磁性材料組成。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述第一導(dǎo)電層由銅組成。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述第二導(dǎo)電層由銅組成。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述壓電層具有由化學(xué)式PbZrxTihO3表示的成分，其中X滿足O≤X≤I。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中，X在0.50到0.54的范圍內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述壓電層具有由化學(xué)式(l-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Y PbTiO3表示的成分，其中y滿足O≤y < 1。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中，y在0.32到0.38的范圍內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中，所述磁性薄膜層由選自由Metglas?、鋱鏑鐵合金、鐵鎵合金或猛鋅鐵氧體組成的組中的材料組成。
【文檔編號】H01F21/00GK103975398SQ201280051195
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月18日
【發(fā)明者】N-X·孫 申請人:溫徹斯特技術(shù)有限責(zé)任公司