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CN103975398B - 具有大电感可调谐性的静电可调谐磁电电感器 - Google Patents

具有大电感可调谐性的静电可调谐磁电电感器 Download PDF

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Abstract

一种静电可调谐磁电电感器，包括：衬底；压电层；以及磁电结构，其包括第一导电层、磁性薄膜层、第二导电层和凹槽，它们形成为创建围绕所述磁性薄膜层的至少一个导电线圈；其中衬底的一部分被去除以便增强压电层的形变。还公开了一种制造静电可调谐磁电电感器的方法。静电可调谐磁电电感器显示了＞5:1的可调谐电感范围，同时在调谐过程中功耗少于0.5mJ，不需要持续的电流来维持调谐，并且不需要例如驱动器或开关的复杂的机械组件。

Description

具有大电感可调谐性的静电可调谐磁电电感器
本申请要求2011年8月18日提交的、名称为“Electrostatically Tuna bleMagnetoelectric Inductors With Large Inductance Tunability and Imp rovedPerformance”的美国临时申请No.61/524,913的35U.S.C.§119(e)规定的权益和优先权，其全部公开内容在此通过引用结合到本文中。
技术领域
本发明公开总地涉及具有大电感可调谐性的可调谐磁电电感器以及制造这种电感器的方法。本发明还涉及包括可调谐磁电电感器的半导体器件。
背景技术
结合传统的射频前端组件的可调谐性允许能够在多个频带和标准工作的无线电构架的发展，引起无线电收发机的成本、体积、复杂性和功耗的减少。诸如可调谐滤波器、移相器、压控振荡器和可调谐低噪声放大器的前端组件以及其他射频组件使用芯片上和芯片外的无源电子元件。作为用于电子电路的三个基本组件之一的电感器被广泛应用于这些前端组件和其它电子应用中。可调谐电感器，尤其是适用于射频电路的可调谐电感器，是创建智能、可重构的无线电的关键元器件。虽然电子可调谐电容器和电阻器已经广泛地应用于这种任务，但是电子可调谐电感器并不容易得到，尽管这种电感器使用广泛。
对于可调谐射频电感器，已经探索了不同的技术，包括其磁导率可以通过磁场来调谐的磁性材料的电感器、其磁导率可以通过改变电感器线圈和磁芯的耦合来调谐的磁性材料的电感器、其绕组通过MEMS开关数字化控制的电感器、耦合电感器之间的互感的机械调谐、通过连接变抗器和固定电感器以便改变施加在变抗器两端的偏压并由此调谐有效电感而创建的基于变抗器的可调谐电感器，以及手动调谐的电感器。这些可调谐电感器技术的每一个具有阻碍普遍且广泛接受的缺点。磁场调谐需要大量的电力和恒定电流。机械调谐需要大而复杂的、难以制造的驱动器。能够切换的电感器被所使用的开关的数量限制，并且因为增加开关的数量降低电感器质量，开关的数量被限制。变抗器调谐的电感器具有低品质因数和有限的可调谐性。手动调谐的电感器使用不方便。对于目前可用的可调谐电感器，这些不利方面限制了它们的使用。
发明内容
描述了具有大范围可调谐电感的静电可调谐电感器，其不需要复杂的机械驱动器或开关，并且不需要大量的功耗或不间断的恒定牵引电流。
在一个或多个实施例中，静电可调谐电感器包括布置在衬底的上面的压电层。磁电结构布置在压电层的上面，其包括第一导电层、邻近第一导电层的磁性薄膜层，以及电连接到第一导电层的第二导电层。还公开了制造的方法。
在一方面，通过形成布置在衬底的上面的压电层来制造静电可调谐电感器。磁电结构布置在压电层的上面，由第一导电层、邻近第一导电层的磁性薄膜层以及电连接到第一导电层的第二导电层形成。
采用适用于半导体制造并允许将可调电感器装置结合和/或集成到半导体装置中的技术制造静电可调谐电感器。在一个或多个实施例中，在装置的制造和组装过程中，可调谐电感器被结合到半导体装置中。
附图说明
结合附图，考虑下面详细的描述，本发明上面的和其它的目的和优点将显而易见，其中在整个附图中相似的附图标记指代相同的部件，其中：
图1是根据一个或多个实施例的静电可调谐电感器的示意图；
图2A-2F是示出了根据某些实施例的静电可调谐磁电电感器以及制造这种装置的方法的过程截面图。
图3A-3B是显示电场感应磁场的机理的多层磁性/压电材料的示意图；
图4是根据某些实施例的采用不同的磁性材料和压电材料的图1的可调谐磁电电感器的可调谐性和品质因数的表格。
具体实施方式
与现有技术相比，本发明提供了具有大电感可调谐性和改进的性能的可调谐磁电电感器。另外，本发明提供了制造这种适于集成到标准半导体制造工艺的电感器的方法。与其它可调谐电感器不同，本发明的静电可调谐磁电电感器显示了＞5:1的可调谐电感范围，同时在调谐过程中功耗少于0.5mJ，不需要持续的电流来维持调谐，并且不需要例如驱动器或开关的复杂的机械组件。
参考图1描述根据一个或多个实施例的磁电电感器200。在某些实施例中，磁电电感器包括衬底202，例如硅、蓝宝石，或其它可以在半导体制造工艺中使用的衬底。电感器包括由压电材料组成的压电层204。由诸如二氧化硅或其它传统的介电材料的隔离材料组成的第一隔离层206沉积在压电材料上。隔离层将压电材料和磁电结构分开，但提供了用于将应变变化从压电层转移到磁性结构的装置。磁电结构（例如磁螺线管或环形电感器）布置在压电层的上面。磁电结构包括诸如铜、铝、银或其它导电金属的导电金属层208a和208b，它们沉积在高磁导率磁性薄膜210的上面和下面以形成螺线管线圈。螺线管是在其内部产生相当均匀的磁场的磁场线圈。就像所有的载流装置一样，对于给定的电流，螺线管的电感正比于磁场的平方的体积积分。螺线管典型地通过将导线螺旋形地缠绕成线圈而形成。在本实施例中，螺线管线圈通过以下方式形成：使用通孔212a、212b连结图形化的上导电层和下导电层，以提供围绕磁性薄膜层的螺旋导电通道。
沉积之后，磁性薄膜被磁性退火以对齐磁畴并被图形化以增加材料的磁导率。在一个或多个实施例中，磁电电感器中的每一层通过隔离层彼此间隔。与先前的集成到半导体装置中的可调谐电感器相比，这种结构引起可调谐电感范围和品质因数的提高。
图2F是根据某些实施例的静电可调谐磁电电感器100的示意图。电感器100包括衬底层101和在衬底层101的上面的压电层102。第一隔离层103在压电层102的上面。第一导电层104在第一隔离层103的上面。在一些实施例中，第一导电层是图形化的。磁性薄膜层105在第一导电层104的上面。在一些实施例中，磁性薄膜层105被退火以对齐磁畴并且被图形化。在一些实施例中，所述图形化通过刻蚀来进行。第二隔离层106在磁性薄膜层105和第一导电层104的上面。
在一些实施例中，在第二隔离层中形成凹槽107。凹槽107被形成为穿透第二隔离层106并且暴露第一导电层104的表面。尽管装置100中示出了两个凹槽107，但对于具体装置可以使用任意数量的凹槽（例如1、3等）。第二导电层108在第二隔离层106的至少一部分的上面，并且被放置为填充至少一个凹槽107并接触第一导电层104。在一些实施例中，图形化第二导电层108。在一些实施例中，结合凹槽107的布置来设置第一导电层104和第二导电层108的图形化，以便形成围绕磁性薄膜层109的至少一个线圈。在一些实施例中，衬底101的在压电层下面的一部分比不在压电层109下面的衬底部分要薄，以便对于给定的感应电场将压电层的形变最大化。
此外，图1和图2F所示的结构旨在是示例性的并且不作为限制。本领域的技术人员可以理解的是，根据此处描述的原理，在不脱离说明书的精神的前提下，可以设计静电可调谐磁电电感器的其它变化。另外，本领域的技术人员可以理解的是，根据此处描述的原理，在不脱离说明书的精神的前提下，可以设计除了电感器外的其它静电可调谐磁电装置。
在一些实施例中，衬底层101由硅组成。在其它实施例中，衬底层可以由砷化镓、氮化镓、蓝宝石或其它衬底材料组成。在一些实施例中，压电层102是放置在衬底上、厚度大约1到20μm的锆钛酸铅（PZT）层。将例如Ni、Bi、Sb、Nb等离子掺杂入这些锆钛酸铅（PZT），使得调整所需的各自的压电参数和介电参数成为可能。其它示例性的压电材料包括PMN-PT（铌镁酸铅-钛酸铅）、PZN-PT（铌锌酸铅-钛酸铅）、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、ZnO和A1N。在一些实施例中，锆钛酸铅层由锆石与钛的比例大约为52:48的锆钛酸铅组成。在其它实施例中，压电层102是铌镁酸铅-钛酸铅层。在一些实施例中，铌镁酸铅-钛酸铅层由铌镁酸铅与钛酸铅的比例大约为65:35的铌镁酸铅-钛酸铅组成。在一些实施例中，锆钛酸铅层具有大约5到10μm的厚度。在一些实施例中，第一隔离层103和第二隔离层106由二氧化硅组成。在一些实施例中，第一导电层104和第二导电层108由铜组成。示例性的磁性材料或磁性/非磁性绝缘多层包括具有高磁导率、低损耗角正切值和高电阻率的材料。在一些实施例中，磁性薄膜层105由Metglas2605COTM组成。在另外的实施例中，磁性薄膜层105由具有基于所需的电感和材料的磁电应变变化的厚度的铁镓合金、铽镝铁合金、CoFeB、CoFeN、CoFe或铁氧体组成。
还公开了具有大电感可调谐性的静电可调谐磁电电感器的制造方法。如图2A所示，在衬底101上形成压电层102。在形成压电层102之后，在压电层102上形成第一隔离层103。在一些实施例中，通过化学气相沉积形成压电层102和第一隔离层103。如图2B所示，在形成第一隔离层103之后，在第一隔离层103上形成第一导电层104。在一些实施例中，通过溅射铜晶种层，随后施加光刻胶和电镀铜层形成第一导电层。在一些实施例中，光刻胶被图形化以便以图形沉积第一导电层。
然后，如图2C所示，在第一导电层104上形成磁性薄膜层105。在一些实施例中，通过溅射形成磁性薄膜层。在一些实施例中，磁性薄膜层105在其形成之后被退火，以对齐磁性薄膜层105中的磁畴。退火增加了磁性薄膜层的磁导率。在一些实施例中，磁性薄膜层105被图形化。在一些实施例中，通过刻蚀将磁性薄膜层105图形化成不同的几何图形，例如沿着长度方向或宽度方向的长条结构。图形化用于调整磁各向异性并且获得合适的电感和工作频率。如图2D所示，在将磁性薄膜层105沉积、可选地退火和图形化之后，在磁性薄膜层105上形成第二隔离层106。在一些实施例中，通过化学气相沉积来沉积第二隔离层106。
在一些实施例中，如图2D所示，接着在第二隔离层106上形成凹槽107。凹槽107被形成为穿透第二隔离层106，并且在凹槽107的底部暴露第一导电层104的主表面。在一些实施例中，通过施加掩模的光刻胶和刻蚀第二隔离层106来形成这些凹槽。在一些实施例中，用于施加光刻胶的掩模是图形化的。在一些实施例中，光刻胶掩模图形被设置为形成通孔，第一层和第二层通过通孔可以相互电导通。在另外的实施例中，结合第一导电层和第二导电层的图形化来设置光刻胶掩模图形，以在围绕磁性薄膜层形成的至少一个线圈中布置通孔和导电层。在一些实施例中，如图2E所示，第二导电层108被形成以覆盖至少部分的第二隔离层。在一些实施例中，通过溅射铜晶种层，随后施加光刻胶和电镀铜层来形成第二导电层108。在一些实施例中，图形化光刻胶以便以图形沉积第二导电层108。在一些实施例中，如图2F所示，去除在磁性薄膜层105下面的衬底101。在一些实施例中，通过刻蚀衬底101去除衬底101。去除压电层102下面的衬底101有助于增加压电层102的形变，由此增加磁性薄膜层105的形变。通过增加这个形变，磁性薄膜层105的磁导率的变化增加并且完整的静电可调谐磁电电感器100的可调谐性增加。
如图3A-3B所示，在压电层301中的电场的感应可以在磁性薄膜层302中感应磁场。图3A示出在电场的感应之前的磁性薄膜装置，其中压电层301和磁性薄膜层302没有变形。在没有施加电场的情况下，电感器的电感在较高的频率（>10kHz）下迅速衰减（roll off）。这种衰减与磁性薄膜层中的大的涡流损耗有关，引起在高频下有效磁导率的减小，并且因此引起较小的电感。如图3B所示，当沿着压电层301的厚度方向施加电场303时，压电层301将在压电层301的平面内变形。这个形变将直接地或通过中间层被传递到磁性薄膜层302，由于逆磁电效应而感应各向异性磁场304。该各向异性可以通过下面的公式表示：
其中，Ha是固有各向异性，HME是由于磁电耦合引起的感应的各向异性场，λs是饱和磁致伸缩常数，Y是杨氏模量，d31是压电层的压电系数，E是压电层上的电场，以及Ms是磁性层的饱和磁化强度。因此逆磁电耦合系数通过下面的公式表示：
根据有效磁各向异性，磁性薄膜层的有效相对磁导率可以表示为：
并且电感可以通过如下公式计算：
其中，N是围绕磁性薄膜层的线圈的匝数，A是围绕磁性薄膜层的线圈的横截面积，l是围绕磁性薄膜层的线圈的长度，t是磁性薄膜层的厚度，以及d是磁性薄膜层的高度。因为有效磁各向异性随着压电体上的所感应的电场而变化，有效相对磁导率随着有效磁各向异性而变化，并且电感随着有效相对磁导率而变化，在压电层上施加电场引起电感的变化，从而实现磁电电感器的可调谐性。随着在较高电场下电感的迅速下降，可以观测到电感的强电场依赖性。
为了实现可调谐磁电电感器中大的可调谐性，需要高的逆磁电耦合系数。为了实现较强的逆磁电耦合系数和由此较大的可调谐电感范围，需要具有高压电系数的压电材料以及具有高饱和磁致伸缩常数和低饱和磁化强度的磁性材料。为了改善可调谐电感器的品质因数Q，还需要具有低损耗角正切值的磁性材料。品质因数也随着电场的施加而变化，这是由于在较高的电场下获得的减小的磁导率引起增加的趋肤深度和减小的磁芯涡流损耗以及增加的峰值品质因数频率，也因为减小的磁导率。在较低频率下，由于涡流损耗不明显，电感可调谐性要大得多。
由此，通过压电层上的电场引起的压电层102的形变，实现了静电可调谐磁电电感器100的调谐。压电层102的形变引起磁性薄膜层105的形变。而由于逆磁致弹性效应，磁性薄膜层105的形变引起有效的磁各向异性。根据上面的公式1-4，这个各向异性场引起磁性薄膜层105的相对磁导率的变化并且由此引起静电可调谐磁电电感器100的电感L的变化。根据上面的公式4，静电可调谐磁电电感器100的电感L正比于可以通过公式3计算的磁性薄膜层105的相对磁导率，其中Ms是磁性薄膜层105的饱和磁化强度，以及Heff是磁性薄膜层105中的总的有效各向异性场。因此，压电层102的感应形变引起静电可调谐磁电电感器100的电感的调谐。实现了低功耗以及＞5:1的可调谐电感范围。
通过利用压电层102的电容性质，有利地实现了在装置中压电层102的形变。在压电层102两端施加的电压可以引起压电应变，其在磁性材料中引起应变，并且因此引起磁导率的变化。感应施加的电压所需要的电能可以根据与对压电电容器充电有关的能量来估计，其表示为E=1/2CV2，其中C是与压电层有关的电容值，以及V是在压电层两端所感应的电压。存储的电能感应横跨压电层102的厚度的电压，其对应于依赖压电层102的厚度和电压的压电层102上的电场。感应的电场通过压电效应使得压电层102变形。通过改变存储的电荷，感应的电场也改变，从而改变相对磁导率。相对磁导率的变化允许电感的调谐。因为来自压电层102的电荷泄漏可以做到极小，几乎忽略不计，因此调谐不需要电场的持续感应，而是可以通过压电层上的电荷的一次感应来实现。
通过阅读本发明的说明书和实施例，本领域的技术人员将理解，在不超出本发明实质的前提下，在实施本发明时，可以执行修改和等效替代。因此，本发明不意欲由上面清楚描述的实施例所限制，而仅由下面的权利要求所限制。

Claims (25)

1.一种制造静电可调谐磁电电感器的方法，所述方法包括：
在衬底上形成压电层；
在所述压电层的上面形成磁电结构，其通过以下步骤实现：
形成布置在所述压电层的上面的第一导电层；
形成布置在所述第一导电层的上面的磁性薄膜层；
形成布置在所述磁性薄膜层的上面的第二导电层，其中所述第二导电层与所述第一导电层电导通，以便形成围绕所述磁性薄膜层的至少一个导电线圈。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括形成至少一个凹槽，其中所述至少一个凹槽被形成为使所述第一导电层和第二导电层彼此电导通。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过施加光刻胶和刻蚀来形成所述凹槽。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，图形化所述光刻胶。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，在沉积之后，图形化所述第一导电层和第二导电层，以便形成围绕所述磁性薄膜层的至少一个电连接的线圈。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过刻蚀来进行图形化。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括对所述磁性薄膜层退火。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括图形化所述磁性薄膜层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过刻蚀来进行所述磁性薄膜层的图形化。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括去除来自磁性薄膜电感器下面的所述衬底的一部分。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁性薄膜层由多层磁性材料组成。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一导电层紧邻所述磁性薄膜层。
13.一种静电可调谐磁电电感器装置，包括：
衬底；
布置在所述衬底的上面的压电层；
布置在所述压电层的上面的磁电结构，其包括：
磁性薄膜层，其在所述压电层变形时经历变形；
布置在所述磁性薄膜层和所述压电层之间的隔离层，其将应变变化从所述压电层转移到所述磁性薄膜层；
第一导电层和第二导电层，它们布置在所述磁性薄膜层的相对两侧并且通过所述隔离层所限定的至少一个通孔相互电导通以便形成围绕所述磁性薄膜层的至少一个导电线圈。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一导电层紧邻所述磁性薄膜层。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述磁性薄膜层包括退火的磁性薄膜。
16.根据权利要求13所述的装置，其中，所述磁性薄膜是图形化的。
17.根据权利要求13所述的装置，其中，在磁性薄膜装置下面的所述衬底较薄。
18.根据权利要求13所述的装置，其中，所述磁性薄膜层由多层磁性材料组成。
19.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一导电层由铜组成。
20.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第二导电层由铜组成。
21.根据权利要求13所述的装置，其中，所述压电层具有由化学式PbZrxTi1-xO3表示的成分，其中x满足0≤x≤1。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，x在0.50到0.54的范围内。
23.根据权利要求13所述的装置，其中，所述压电层具有由化学式(1-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-y PbTiO3表示的成分，其中y满足0≤y＜1。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，y在0.32到0.38的范围内。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述磁性薄膜层由选自由MetglasTM、铽镝铁合金、铁镓合金或锰锌铁氧体组成的组中的材料组成。
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