GHz硅集成平面电感器用动态溅射CoZrNb薄膜的高频磁性能
2004-01-14 08:37:37
来源：《国际电子变压器》2004年1月
GHz硅集成平面电感器用动态溅射CoZrNb薄膜的高频磁性能
1 前言
器件小型化与集成要求，正推动着在微电子领域的很多革新技术研究，例如减小无源元件的尺寸。特别是高频移动通信应用，既需要减小平面电感器的尺寸，又要求在工作频率不断提高（f >2GHz）时保持相匹配的电感器性能，即高品质因素（Q >30）和大的电感量（L >5nH）。在器件制造中将合适的磁性薄膜集成到其中，便可以解决这个问题。其基本想法是使用高磁导率材料增强磁通的耦合，从而提高L和Q值。很多研究都集中到最佳的磁性电感器设计方面。但只有选择适宜的磁性材料，这种方法才能凑效。为了满足目前及将来对高频电感器的需求，最重要的是开发出能满足下列技术标准的磁性材料：
（1）在2GHz以上有高的磁导率和低的损耗；
（2）低澡流损耗和小面内涡流回路（对平面电感器设计）；
（3）热稳定性好（>200℃）。
要达到（1），磁性材料必须有高于2GHz的铁磁共振（FMR）。下面（1）式指明，FMR频率fr可由材料的饱和磁化强度4πMs和/或各向异性场Hk得以控制。
式中，γ——旋磁比。
在磁记录应用中，正在加紧研究有甚高4πMs值（至24kG）的Fe-X-N（X=Co，Ta）这类磁性软磁薄膜，把它们用作射频平面有感电路也具有很大的吸引力。不过，在高4πMs、高电阻率（ρ>100μΩ·cm）和良好热稳定性之间，还没有找出最好的折衷办法。提高4πMs的另一种方法是增大Hk值，大家知道，Hk对实验溅射技术，在沉积过程中不断平移基片。为此，他们选择了CoZrNb材料，主要依据是这种材料系非晶结构，电阻率较高（ρ>100μΩ·cm）。
2 实验步骤
采用直流磁控溅射法，沉积零磁致伸缩非晶CoZrNb薄膜。设计了一种大的矩形靶（635mm×127mm×3mm），以保证在直径100mm的基片上沉积出厚度均匀的膜。基压和Ar溅射气压分别取作1×10-7mbar和5×10-3mbar。为了与将来的器件加工兼容，使用了直径100mm的硅晶片作基片。为此，设计了一种特殊的基片承载工具，它具有监控移动能力。基片未经水冷。动态技术包括：用这种承载工具在靶子（面朝上）上连续移动基片（面朝下）。这项技术不用永磁体（或线圈），以保证膜具有单轴各向异性；这是和传统的静态沉积技术的区别之所在。
如图1所示，通过简单地调整基片与固定靶相对运动的速度，这种设计可将膜厚控制在0.1～1μm内，且在100mm硅晶片上的均匀性良好，对厚度在0.5μm以下的离差可达到<10%。在沉积之前采用射频背向溅射，能保证膜附着牢固；即使在对膜进行图形化加工之后，也未观察到剥离现象。根据这些结果认为，将来把磁膜集成到硅基器件上是可行的。
用振动样品磁强计，测沉积膜的准静态磁性能（饱和磁化强度4πMs，矫顽力Hc，各向异性场Hk）。用高频磁导计，从100MHz到3GHz广泛研究其微波性能。采取四点探测法，确定电阻率ρ。在加磁场（500Oe）的真空炉中将磁膜加热到400℃退火，研究它的热稳定性。外加磁场可垂直或平行于沉积态易轴方向。
3 实验结果
厚0.2μm的动态沉积CoZrNb膜，显示出诱入的软磁性能。观测到了精确规定的面内单轴各向异性，且Hk值异常大（典型值75Oe）。易轴的取向与溅射过程中基片运动的方向一致。4πMs为13kG，Hc很小（<5Oe）。报告膜的电阻率在150μΩ·cm左右。图2示出在难轴（HA）方向测得的高频磁导率谱线。结果与LLG模拟吻合，测得FMR频率为2.6GHz，与用（1）式计算的值一致。此外，动态沉积膜还呈现出低的高频损耗，用在1.5GHz的品质因素（Q =μ′/μ″=5）可以证实。
用作电感器的另一个重要之点是磁膜的厚度，它在磁通增强中起关键作用。然而，必须找到折衷的办法，由于电阻率有限，厚膜会受到涡流的损害。现介绍动态沉积CoZrNb材料的高频磁性能与膜厚的关系。图3和图4分别示出0.1、0.25、0.68μm厚磁膜的微波磁导率谱。从图3中看到，厚0.1μm的膜表现出常规旋磁效应，检测到共测单峰。对厚0.25μm的膜，看到这个峰的展宽。与之相反，0.68μm厚膜没有呈现出这个单峰。如图4所示，在这种特殊情况下，出现了复杂的多共振行为。很清楚，这种磁导率谱线的剧烈变化与看到的条畴状磁滞回线（图中未显现出来）有关系。因此，这项研究用的动态沉积CoZrNb膜显示出稍小的厚度值（这里为～0.3μm）；超过这个厚度，面外各向异性对高频应用不利。这点还有待于优化。
器件集成的另一个重点之点，是膜的热稳定性。用0.22μm厚的CoZrNb膜就此做了研究，这种膜具有最佳的高频特性。图5和图6显示经垂直和平行磁场退火之后矫顽力Hc和各向异性场Hk的渐变过程。从图5和图6看出，经过2小时真空退火后，到300℃未看到Hc和Hk相对于沉积态有多大变化。但是，在350℃左右Hc增大，还看到Hk的不可逆损耗。这种剧烈变化可能与从非晶态向结晶态的主要结构变化有关。另外应当指出的是，较之在磁场中传统静态沉积的膜，动态沉积CoZrNb膜的平面各向异性更耐平行磁场退火，前者在200℃左右往往会遇到易轴旋转。
4 讨论
本文介绍的动态溅射技术，是依据在沉积期间连续移动基片。从器件性能和可靠性看，采用这项技术可以获得诱人的高频低损耗用CoZrNb基材料。其高频性能是建立在本征FMR频率升至2.6GHz，有大的Hk值（75Oe）。这个值比在磁场中用常规静态沉积膜的值高得多，就同一成分的磁膜而言，后者分别有Hk～25Oe，fr～1.5GHz。这种磁性电感器的性能很有利，因为较高的FMR频率，会在高频下以稍大的二维尺度更有效地使磁结构图形化，并减少漏磁通。动态沉积CoZrNb膜的第二大优点是较高的热稳定性，特别是对热激活磁场效应有更牢固的磁各向异性。
这项研究观测到大的各向异性，其来源仍不清楚。用旋转沉积技术在倾斜面上以传统静态沉积的膜，也报告了异常大的Hk。根据原子通量入射角效应，可以找到它们一个共同的来源。但是，很难把这种高Hk和FMR频率仅仅归因于动态输运模。例如，用相似动态线性技术而由不同性质的靶子溅射的CoZrNb膜，在其中就发现有较低的FMR频率。令人惊异的是，用纯度最低的靶材沉积的膜，测出有较高的FMR。这可表明膜中有O2在起作用，O2对促成这种大的各向异性也有重要作用。不过，仍须进行研究。
看来，促使形成条畴的临界厚度（～0.3μm），是限制这些动态沉积CoZrNb膜高频应用的主要因素。不过应当说明的是，这点尚未优化。特别是认为，电流沉积装置缺乏冷却，可能会形成往往对促进条畴负责的柱状结构。在将来，也许较大的临界厚度（>0.5μm）更实用。
5 结论
以动态沉积技术为基础，制成了诱人的高频电感用CoZrNb基后选材料，其FMR频率高达2.6GHz。已证明，这种膜的厚度限在0.3μm以下。较厚的膜因有条畴存在，呈现出较差的高频磁性能。已发现，它们的热稳定性与常规非晶磁芯材料相似（300℃）。相比之下，动态沉积膜不显示可旋转的各向异性。
参考文献
Viala，B.et al.，Trans Magn.Soc.Japan，2002年，(5)卷2期:384～387页.
1 前言
器件小型化与集成要求，正推动着在微电子领域的很多革新技术研究，例如减小无源元件的尺寸。特别是高频移动通信应用，既需要减小平面电感器的尺寸，又要求在工作频率不断提高（f >2GHz）时保持相匹配的电感器性能，即高品质因素（Q >30）和大的电感量（L >5nH）。在器件制造中将合适的磁性薄膜集成到其中，便可以解决这个问题。其基本想法是使用高磁导率材料增强磁通的耦合，从而提高L和Q值。很多研究都集中到最佳的磁性电感器设计方面。但只有选择适宜的磁性材料，这种方法才能凑效。为了满足目前及将来对高频电感器的需求，最重要的是开发出能满足下列技术标准的磁性材料：
（1）在2GHz以上有高的磁导率和低的损耗；
（2）低澡流损耗和小面内涡流回路（对平面电感器设计）；
（3）热稳定性好（>200℃）。
要达到（1），磁性材料必须有高于2GHz的铁磁共振（FMR）。下面（1）式指明，FMR频率fr可由材料的饱和磁化强度4πMs和/或各向异性场Hk得以控制。
式中，γ——旋磁比。
在磁记录应用中，正在加紧研究有甚高4πMs值（至24kG）的Fe-X-N（X=Co，Ta）这类磁性软磁薄膜，把它们用作射频平面有感电路也具有很大的吸引力。不过，在高4πMs、高电阻率（ρ>100μΩ·cm）和良好热稳定性之间，还没有找出最好的折衷办法。提高4πMs的另一种方法是增大Hk值，大家知道，Hk对实验溅射技术，在沉积过程中不断平移基片。为此，他们选择了CoZrNb材料，主要依据是这种材料系非晶结构，电阻率较高（ρ>100μΩ·cm）。
2 实验步骤
采用直流磁控溅射法，沉积零磁致伸缩非晶CoZrNb薄膜。设计了一种大的矩形靶（635mm×127mm×3mm），以保证在直径100mm的基片上沉积出厚度均匀的膜。基压和Ar溅射气压分别取作1×10-7mbar和5×10-3mbar。为了与将来的器件加工兼容，使用了直径100mm的硅晶片作基片。为此，设计了一种特殊的基片承载工具，它具有监控移动能力。基片未经水冷。动态技术包括：用这种承载工具在靶子（面朝上）上连续移动基片（面朝下）。这项技术不用永磁体（或线圈），以保证膜具有单轴各向异性；这是和传统的静态沉积技术的区别之所在。
如图1所示，通过简单地调整基片与固定靶相对运动的速度，这种设计可将膜厚控制在0.1～1μm内，且在100mm硅晶片上的均匀性良好，对厚度在0.5μm以下的离差可达到<10%。在沉积之前采用射频背向溅射，能保证膜附着牢固；即使在对膜进行图形化加工之后，也未观察到剥离现象。根据这些结果认为，将来把磁膜集成到硅基器件上是可行的。
用振动样品磁强计，测沉积膜的准静态磁性能（饱和磁化强度4πMs，矫顽力Hc，各向异性场Hk）。用高频磁导计，从100MHz到3GHz广泛研究其微波性能。采取四点探测法，确定电阻率ρ。在加磁场（500Oe）的真空炉中将磁膜加热到400℃退火，研究它的热稳定性。外加磁场可垂直或平行于沉积态易轴方向。
3 实验结果
厚0.2μm的动态沉积CoZrNb膜，显示出诱入的软磁性能。观测到了精确规定的面内单轴各向异性，且Hk值异常大（典型值75Oe）。易轴的取向与溅射过程中基片运动的方向一致。4πMs为13kG，Hc很小（<5Oe）。报告膜的电阻率在150μΩ·cm左右。图2示出在难轴（HA）方向测得的高频磁导率谱线。结果与LLG模拟吻合，测得FMR频率为2.6GHz，与用（1）式计算的值一致。此外，动态沉积膜还呈现出低的高频损耗，用在1.5GHz的品质因素（Q =μ′/μ″=5）可以证实。
用作电感器的另一个重要之点是磁膜的厚度，它在磁通增强中起关键作用。然而，必须找到折衷的办法，由于电阻率有限，厚膜会受到涡流的损害。现介绍动态沉积CoZrNb材料的高频磁性能与膜厚的关系。图3和图4分别示出0.1、0.25、0.68μm厚磁膜的微波磁导率谱。从图3中看到，厚0.1μm的膜表现出常规旋磁效应，检测到共测单峰。对厚0.25μm的膜，看到这个峰的展宽。与之相反，0.68μm厚膜没有呈现出这个单峰。如图4所示，在这种特殊情况下，出现了复杂的多共振行为。很清楚，这种磁导率谱线的剧烈变化与看到的条畴状磁滞回线（图中未显现出来）有关系。因此，这项研究用的动态沉积CoZrNb膜显示出稍小的厚度值（这里为～0.3μm）；超过这个厚度，面外各向异性对高频应用不利。这点还有待于优化。
器件集成的另一个重点之点，是膜的热稳定性。用0.22μm厚的CoZrNb膜就此做了研究，这种膜具有最佳的高频特性。图5和图6显示经垂直和平行磁场退火之后矫顽力Hc和各向异性场Hk的渐变过程。从图5和图6看出，经过2小时真空退火后，到300℃未看到Hc和Hk相对于沉积态有多大变化。但是，在350℃左右Hc增大，还看到Hk的不可逆损耗。这种剧烈变化可能与从非晶态向结晶态的主要结构变化有关。另外应当指出的是，较之在磁场中传统静态沉积的膜，动态沉积CoZrNb膜的平面各向异性更耐平行磁场退火，前者在200℃左右往往会遇到易轴旋转。
4 讨论
本文介绍的动态溅射技术，是依据在沉积期间连续移动基片。从器件性能和可靠性看，采用这项技术可以获得诱人的高频低损耗用CoZrNb基材料。其高频性能是建立在本征FMR频率升至2.6GHz，有大的Hk值（75Oe）。这个值比在磁场中用常规静态沉积膜的值高得多，就同一成分的磁膜而言，后者分别有Hk～25Oe，fr～1.5GHz。这种磁性电感器的性能很有利，因为较高的FMR频率，会在高频下以稍大的二维尺度更有效地使磁结构图形化，并减少漏磁通。动态沉积CoZrNb膜的第二大优点是较高的热稳定性，特别是对热激活磁场效应有更牢固的磁各向异性。
这项研究观测到大的各向异性，其来源仍不清楚。用旋转沉积技术在倾斜面上以传统静态沉积的膜，也报告了异常大的Hk。根据原子通量入射角效应，可以找到它们一个共同的来源。但是，很难把这种高Hk和FMR频率仅仅归因于动态输运模。例如，用相似动态线性技术而由不同性质的靶子溅射的CoZrNb膜，在其中就发现有较低的FMR频率。令人惊异的是，用纯度最低的靶材沉积的膜，测出有较高的FMR。这可表明膜中有O2在起作用，O2对促成这种大的各向异性也有重要作用。不过，仍须进行研究。
看来，促使形成条畴的临界厚度（～0.3μm），是限制这些动态沉积CoZrNb膜高频应用的主要因素。不过应当说明的是，这点尚未优化。特别是认为，电流沉积装置缺乏冷却，可能会形成往往对促进条畴负责的柱状结构。在将来，也许较大的临界厚度（>0.5μm）更实用。
5 结论
以动态沉积技术为基础，制成了诱人的高频电感用CoZrNb基后选材料，其FMR频率高达2.6GHz。已证明，这种膜的厚度限在0.3μm以下。较厚的膜因有条畴存在，呈现出较差的高频磁性能。已发现，它们的热稳定性与常规非晶磁芯材料相似（300℃）。相比之下，动态沉积膜不显示可旋转的各向异性。
参考文献
Viala，B.et al.，Trans Magn.Soc.Japan，2002年，(5)卷2期:384～387页.
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