KR100510638B1 - Divice for inductor of semiconductor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로파 집적회로에 관한 것으로, 특히 자기 물질을 사용하여 인덕턴스의 조정 및 대용량화가 가능하도록한 반도체 인덕터 소자에 관한 것으로,기판; 상기 기판 표면상에 형성되어 평면에 대하여 수직 방향으로 자화용이축이 형성되고 외부에서 가해지는 자기장에 의해 상대 투자율이 변화되는 수직 자기 이방성 물질층; 상기 수직 자기 이방성 물질층을 중심에 두고 그에 분리되어 기판상에 나선형으로 반복되는 전도성 라인; 상기 전도성 라인의 양끝단에 구성되는 입력단과 출력단을 포함한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to microwave integrated circuits, and more particularly, to a semiconductor inductor device capable of adjusting inductance and increasing capacity using a magnetic material, comprising: a substrate; A perpendicular magnetic anisotropic material layer formed on the surface of the substrate and having a magnetic axis for magnetization in a direction perpendicular to a plane and whose relative permeability is changed by an externally applied magnetic field; Conductive lines centered on said vertical magnetic anisotropic material layer and separated therefrom and spirally repeated on a substrate; It includes an input terminal and an output terminal configured at both ends of the conductive line.
Description
본 발명은 마이크로파 집적회로에 관한 것으로, 특히 자기 물질을 사용하여 인덕턴스의 조정 및 대용량화가 가능하도록한 반도체 인덕터 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to microwave integrated circuits, and more particularly, to a semiconductor inductor device capable of adjusting inductance and increasing capacity by using magnetic materials.
현재, 반도체 영역에 인덕턴스를 구현하기 위한 몇가지 방법이 제시되고 있으나 트랜지스터와 함께 동일 기판상에 형성하기에는 어려운 공정상의 한계와 충분한 인덕턴스를 구현할 수 없는 구조적 제약이 뒤따르고 있다.At present, several methods for implementing inductance in the semiconductor region have been proposed, but process limitations that are difficult to form on the same substrate with transistors and structural constraints that cannot realize sufficient inductance are followed.
최근에는 인덕터 소자의 고성능화를 위하여 기판상에 박막 코일과 자성체를 형성하여 인덕터 소자를 개발하는 방법이 많이 제시되고 있다.Recently, in order to improve the performance of the inductor device, many methods of developing an inductor device by forming a thin film coil and a magnetic material on a substrate have been proposed.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 반도체 인덕터 소자에 관하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a semiconductor inductor device according to the related art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래 기술의 반도체 인덕터 소자의 구성도이다.1 is a block diagram of a semiconductor inductor element of the prior art.
MMIC에서 인덕터를 구현할때는 플래너 스파이럴 인덕터(Planar Spiral Inductor)를 사용한다.Planar Spiral Inductors are used to implement inductors in MMICs.
비전도체인 기판위에 전도성 물질을 사용하여 대칭되는 끝부분에 입력단(1)과 출력단(2)을 갖는 나선 형태로 패턴을 형성하여 플래너 스파이럴 인덕터를 제작한다.A planar spiral inductor is manufactured by forming a pattern in a spiral shape having an input terminal 1 and an output terminal 2 at the symmetrical ends using a conductive material on a non-conductive substrate.
이와 같이 구성된 인덕터 소자는 입력단(1)과 출력단(2)사이에 특정한 인덕턴스값을 갖는데, 이와 같은 인덕터 소자는 작은 면적에 평면형의 인덕터를 제조할 수 있는 것으로 MMIC 제조에 상용된다.The inductor element configured as described above has a specific inductance value between the input terminal 1 and the output terminal 2, and such an inductor element can manufacture a planar inductor in a small area and is commonly used in MMIC manufacturing.
플래너 스파이럴 인덕터 소자의 경우 접지면이 없는 경우와 접지면이 있는 경우를 모두 고려할 수 있는데, 두가지 경우의 인덕턴스 크기는 다음과 같이 구할 수 있다.In the case of a planar spiral inductor device, both a ground plane and a ground plane can be considered. In both cases, the inductance can be obtained as follows.
여기서, 도 1의 플래너 스파이럴 인덕터의 안쪽 반지름(3)을 ri, 바깥쪽 반지름(4)을 ro, 선의 너비(5)를 w, 선의 두께를 t, 선의 간격(6)을 s라 할 때 먼저, 접지면이 없는 경우의 인덕턴스의 크기는 다음과 같다.Here, the inner radius (3) of the planar spiral inductor of FIG. 1 is r i , the outer radius (4) is r o , the width of the line (5) w, the thickness of the line t, and the spacing (6) of the line s. First, the magnitude of inductance in the absence of the ground plane is as follows.
그리고 접지면이 있는 경우의 인덕턴스의 크기는 다음과 같다.And the magnitude of inductance in the case of the ground plane is as follows.
여기서, here,
그리고 n은 number of turns, w1 = w/2, K(k),E(k)는 각각 제 1 형태와 제 2 형태의 타원 적분 함수이다.And n is number of turns, w 1 = w / 2, K (k) and E (k) are elliptic integration functions of the first and second forms, respectively.
이와 같이 구성된 종래 기술의 인덕터 소자는 초고주파 회로등에 적용되어 활용된다.The inductor element of the prior art configured as described above is applied to an ultra high frequency circuit and the like.
이와 같은 종래 기술의 반도체 인덕터 소자는 다음과 같은 문제가 있다.Such a semiconductor inductor device of the prior art has the following problems.
제조 공정상 구조적인 한계로 하여 충분한 인덕턴스를 확보하기가 어렵고 회로 적용에 따른 인덕턴스의 조정이 어렵다.Due to structural limitations in the manufacturing process, it is difficult to secure sufficient inductance and it is difficult to adjust the inductance according to the circuit application.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 반도체 인덕터 소자의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 자기 물질을 사용하여 인덕턴스의 조정 및 대용량화가 가능하도록한 반도체 인덕터 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art semiconductor inductor device, and an object of the present invention is to provide a semiconductor inductor device capable of adjusting the inductance and increasing the capacity using a magnetic material.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 인덕터 소자는 기판; 상기 기판 표면상에 형성되어 평면에 대하여 수직 방향으로 자화용이축이 형성되고 외부에서 가해지는 자기장에 의해 상대 투자율이 변화되는 수직 자기 이방성 물질층; 상기 수직 자기 이방성 물질층을 중심에 두고 그에 분리되어 기판상에 나선형으로 반복되는 전도성 라인; 상기 전도성 라인의 양끝단에 구성되는 입력단과 출력단을 포함하는 것을 특징으로 한다.A semiconductor inductor device according to the present invention for achieving the above object is a substrate; A perpendicular magnetic anisotropic material layer formed on the surface of the substrate and having a magnetic axis for magnetization in a direction perpendicular to a plane and whose relative permeability is changed by an externally applied magnetic field; Conductive lines centered on said vertical magnetic anisotropic material layer and separated therefrom and spirally repeated on a substrate; And an input terminal and an output terminal configured at both ends of the conductive line.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 반도체 인덕터 소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a semiconductor inductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 인덕터 소자의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 반도체 인덕터 소자의 인덕턴스를 튜닝하는 방법을 나타낸 구성도이다.2 is a block diagram of a semiconductor inductor device according to the present invention, Figure 3 is a block diagram showing a method for tuning the inductance of the semiconductor inductor device according to the present invention.
본 발명의 인덕터 소자는 마이크로파 집적회로에서 자성물질을 일정 영역에 형성하여 인덕터의 크기는 줄이면서 큰 인덕턴스를 얻고자하는 구조를 구현한 것이다.The inductor device of the present invention implements a structure in which a magnetic material is formed in a predetermined region in a microwave integrated circuit to obtain a large inductance while reducing the size of the inductor.
그 구성은 먼저, 중앙부에 Co/Pd 또는 Co/Pt 또는 Ni/Pt 또는 희토류 물질등으로 구성되는 수직 자기 이방성 물질층(21)과, 상기 수직 자기 이방성 물질층(21)을 중심으로 하여 나선형으로 반복되는 전도성 라인(22)과, 상기 전도성 라인(22)의 양끝단에 구성되는 입력단(23)과 출력단(24)으로 구성된다.The structure is first spirally centered around a vertical magnetic anisotropic material layer 21 composed of Co / Pd or Co / Pt or Ni / Pt or a rare earth material at the center and the vertical magnetic anisotropic material layer 21. It consists of a repeating conductive line 22 and an input terminal 23 and an output terminal 24 formed at both ends of the conductive line 22.
이와 같은 구조의 인덕터 소자를 형성하기 위하여, 비전도체인 기판위에 전도성 물질을 사용하여 대칭되는 끝부분에 입력단(23)과 출력단(24)을 갖는 나선 형태로 패턴을 형성하여 플래너 스파이럴 인덕터를 제작한다.In order to form an inductor device having such a structure, a planar spiral inductor is manufactured by forming a pattern in the form of a spiral having an input terminal 23 and an output terminal 24 at symmetrical ends using a conductive material on a non-conductive substrate. .
여기서, 입력단(23)은 수직 자기 이방성 물질층(21)을 중앙에 두고 가장 안쪽에 패터닝된 전도성 라인(22)의 끝에 연결된다.Here, the input terminal 23 is connected to the end of the innermost patterned conductive line 22 with the vertical magnetic anisotropic material layer 21 at the center.
입력단(23)에 연결된 전도성 라인(22)은 수직 자기 이방성 물질층(21)을 중심으로 n번 나선 형태로 패터닝되고 가장 바깥측의 전도성 라인(22)의 끝에 출력단(24)이 연결된다.The conductive line 22 connected to the input terminal 23 is patterned in the form of a spiral n times around the perpendicular magnetic anisotropic material layer 21, and the output terminal 24 is connected to the end of the outermost conductive line 22.
출력단(24)은 수직 자기 이방성 물질층(21)을 중앙에 두고 입력단(23)과 대칭되는 위치에 구성된다. The output terminal 24 is configured at a position symmetrical with the input terminal 23 with the vertical magnetic anisotropic material layer 21 at the center.
이와 같이 구성된 인덕터 소자에서 전도성 라인(22)의 형태가 도 2에서와 같이 원형으로 패터닝되는 것 이외에 직사각형 또는 그 이외의 다른 형태의 나선 구조로 패터닝하는 것이 가능하다.In the inductor device configured as described above, the conductive line 22 may be patterned into a rectangular or other spiral structure in addition to the circular pattern as shown in FIG. 2.
이와 같이 나선 구조로 패터닝된 전도성 라인(22)의 중앙부에 투자율이 μ인 수직 자기 이방성 물질층(21)을 사용하는 이유는 다음과 같다.The reason for using the perpendicular magnetic anisotropic material layer 21 having a magnetic permeability μ in the central portion of the conductive line 22 patterned as a spiral structure is as follows.
일반적인 자성 물질을 사용하였을 경우와 사용하지 않았을 경우의 인덕턴스의 비는 αμ/μ0 이다.The ratio of inductance with and without a common magnetic material is αμ / μ 0 .
여기서, α는 0에서 1사이의 실수로서 거의 1에 가까운값이다. 따라서, 투자율이 공기의 1000배인 물질을 사용하면 자성체가 있는 영역이 인덕턴스에 기여하는 양을 거의 1000배 가까이 키울 수 있다.Here, α is a value between 0 and 1, which is almost 1. Thus, the use of a material with a permeability of 1000 times the air makes it possible to increase the amount of magnetic contribution to the inductance by nearly 1000 times.
실제 스파이럴 인덕터의 경우 대부분의 인덕턴스는 자성체가 있는 영역에서의 자장에 의해 결정되기 때문에 전체 인덕턴스도 거의 같은 정도로 커지게 된다.In the case of a real spiral inductor, most of the inductance is determined by the magnetic field in the region where the magnetic body is located, so that the overall inductance is about the same.
이는 동일 크기의 인덕턴스를 구현하는 경우 자성체를 사용하면 인덕터의 크기를 줄일 수 있다는 것을 뜻한다.This means that in the case of implementing the same size inductance, the use of a magnetic material can reduce the size of the inductor.
본 발명에서 사용하는 수직 자기 이방성 물질이 아닌 일반 자성체를 사용하는 경우에는 인덕턴스의 증대가 제한적으로 이루어지는데 그 이유는 다음과 같다.In the case of using a general magnetic material other than the vertical magnetic anisotropic material used in the present invention, the increase in inductance is limited because of the following.
박막에서 일반적인 자성체의 자기모멘트의 방향은 디마그네타이징 필드(Demagnetizing field)에 의해 평면에 대해 수직 방향으로 생성되지 않고 , 박막면 방향으로 자기모멘트가 형성되기 때문이다.This is because the direction of the magnetic moment of the general magnetic material in the thin film is not generated in the direction perpendicular to the plane by the demagnetizing field, but the magnetic moment is formed in the thin film plane direction.
자기장 B = μ0H + M = μH 이므로, 박막면에 대하여 수직 방향으로 자발자화가 형성되지 않으면 M = 0가 되어 μ값이 공기와 크게 달라지지 않는다.Since the magnetic field B = μ 0 H + M = μH, if no spontaneous magnetization is formed in the vertical direction with respect to the thin film surface, M = 0 and the value of μ does not change significantly from air.
이와 같은 특성을 고려하여 평면에 대하여 수직 방향으로 자화용이축이 형성되는 특수한 물질 예를들면, Co/Pd 또는 Co/Pt 또는 Ni/Pt등의 다층 박막 또는 TbFeCo등의 희토류박막의 물질을 사용한다.In consideration of such characteristics, a special material in which a magnetization axis is formed in a direction perpendicular to a plane, for example, a multilayer thin film such as Co / Pd or Co / Pt or Ni / Pt or a rare earth thin film such as TbFeCo is used. .
자화용이축이 박막 평면에 대하여 수직으로 형성되는 성질을 수직자기이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy)이라 한다.The property that the magnetizing axis is formed perpendicular to the thin film plane is referred to as vertical magnetic anisotropy.
본 발명은 수직자기이방성을 갖는 수직 자기 이방성 물질층(21)을 기판상에 박막으로 증착하는 공정을 스퍼터링 또는 전자빔 증착법을 이용하여 진행한다.In the present invention, a process of depositing a vertical magnetic anisotropic material layer 21 having vertical magnetic anisotropy as a thin film on a substrate is performed by sputtering or electron beam deposition.
리프트오프 공정으로 한번의 증착 공정으로 수직 자기 이방성 물질층(21)을 전도성 라인(22)의 빈 공간에 형성한다. In one lift process, a vertical magnetic anisotropic material layer 21 is formed in an empty space of the conductive line 22.
이와 같은 수직자기이방성을 갖는 물질에 외부에서 자기장을 걸어주면 박막의 수직면으로 자발자화가 형성된다.When a magnetic field is applied to the material having the perpendicular magnetic anisotropy from the outside, spontaneous magnetization is formed in the vertical plane of the thin film.
이와 같이 형성된 자발 자화의 크기에 따라 투자율μ값이 결정된다.The permeability μ value is determined according to the magnitude of the spontaneous magnetization thus formed.
그리고 상대 투자율 μ/μ0의 크기는 통상 10 ~ 10000의 범위에서 그 값을 갖는다.And the magnitude of the relative permeability μ / μ 0 usually has a value in the range of 10 to 10000.
본 발명에서 사용하는 수직 자기 이방성을 갖는 물질들은 잔류 자화 대 포화 자화의 비로 정의하는 각형비(squareness)가 거의 1에 가깝다.The materials having perpendicular magnetic anisotropy used in the present invention have a squareness of almost 1, which is defined as the ratio of residual magnetization to saturation magnetization.
그러므로 한번 자화되면 항상 일정한 자기모멘트값을 가지며 외부에서 큰 자기장을 이미 형성된 자기 모멘트의 반대 방향으로 걸어주지 않으면 항상 그값을 유지한다.Therefore, once it is magnetized, it always has a constant magnetic moment value and always maintains it unless the external large magnetic field is applied in the opposite direction to the already formed magnetic moment.
이와 같이 구성된 플래너 스파이럴 인덕터 소자의 경우 접지면이 없는 경우와 접지면이 있는 경우를 모두 고려할 수 있는데, 두가지 경우의 인덕턴스 크기는 다음과 같이 구할 수 있다.In the case of the planar spiral inductor device configured as described above, both the case where there is no ground plane and the case where there is a ground plane can be considered. The inductance sizes of the two cases can be obtained as follows.
여기서, 도 2의 플래너 스파이럴 인덕터(전도성 라인)의 안쪽 반지름(25)을 ri, 바깥쪽 반지름(26)을 ro, 선의 너비(27)를 w, 선의 두께를 t, 선 사이의 간격(28)을 s라 할 때, 먼저, 접지면이 없는 경우의 인덕턴스의 크기는 다음과 같다.Here, the inner radius 25 of the planar spiral inductor (conductive line) of FIG. 2 is r i , the outer radius 26 is r o , the width of the line 27 is w, the thickness of the line t, the spacing between the lines ( In the case of s), first, the magnitude of inductance in the absence of a ground plane is as follows.
그리고 접지면이 있는 경우의 인덕턴스의 크기는 다음과 같다.And the magnitude of inductance in the case of the ground plane is as follows.
여기서, here,
그리고 n은 number of turns, w1 = w/2, K(k),E(k)는 각각 제 1 형태와 제 2 형태의 타원 적분 함수이다.And n is number of turns, w 1 = w / 2, K (k) and E (k) are elliptic integration functions of the first and second forms, respectively.
이와 같은 본 발명의 반도체 인덕터 소자는 중앙에 구성되는 수직자기 이방성 물질층(21)을 이용하여 인덕턴스의 크기를 조정할 수 있는데 이와 같이 인덕턴스를 조정하는 것은 도 3에서와 같다.Such a semiconductor inductor device of the present invention can adjust the size of the inductance by using the vertical magnetic anisotropic material layer 21 is configured in the center as described in FIG.
만일 소자를 제조하는 공정이 완료된후에 인덕턴스값이 요구되는값과 다를 경우 하드 디스크에서 사용하는 것과 같은 전원(30)이 인가되는 기록 헤드(29)를 사용하여 인덕터소자에 외부 자기장(1~2kOe)을 가하여 중앙의 수직자기 이방성 물질층(21)의 자기모멘트를 바꾸어준다.If the inductance value is different from the required value after the device fabrication process is completed, an external magnetic field (1 to 2 kOe) is applied to the inductor element by using a recording head 29 to which a power source 30 is applied, such as that used in a hard disk. The magnetic moment of the vertical magnetic anisotropic material layer 21 in the center is changed by adding.
자기모멘트가 바뀌는 것은 상대 투자율을 달라지는 것을 의미하므로 인덕턴스를 원하는 값으로 튜닝할 수 있다.Changing the magnetic moment means varying the relative permeability, so the inductance can be tuned to the desired value.
이와 같은 인덕턴스의 조정은 다음과 같이 이용될 수 있다.This adjustment of inductance can be used as follows.
VCO(Voltage Controlled Oscillator),필터와 같이 LC 공진회로를 사용하는 회로의 경우 회로를 제작한후에 공진 주파수 또는 대역 여과 주파수의 천이가 생긴 경우 인덕턴스 조정과 같은 방법을 이용하여 회로의 주파수 특성을 조정할 수 있다.In the case of a circuit using an LC resonant circuit such as a VCO (Voltage Controlled Oscillator) or a filter, if the transition of the resonant frequency or band filtration frequency occurs after the circuit is manufactured, the frequency characteristics of the circuit can be adjusted using a method such as inductance adjustment. .
이와 같은 본 발명에 따른 반도체 인덕터 소자는 다음과 같은 효과가 있다.Such a semiconductor inductor device according to the present invention has the following effects.
첫째, 작은 형성 면적으로도 충분한 인덕턴스를 확보할 수 있으므로 회로의 집적도를 높일 수 있다.First, a sufficient inductance can be ensured even with a small formation area, thereby increasing the integration of the circuit.
둘째, 동일 크기 및 형태의 인덕터에서도 중앙에 구성되는 수직자기 이방성 물질층의 크기를 조절하는 경우 다양한 인덕터를 구현할 수 있으므로 설계 변경에 의한 회로 구성이 쉽다.Second, in the case of inductors of the same size and shape, various inductors can be implemented when adjusting the size of the vertical magnetic anisotropic material layer formed in the center, thereby facilitating circuit configuration by design change.
셋째, 인덕턴스를 원하는 값으로 조정할 수 있어 이를 채택한 회로의 적용성 및 신뢰성을 높이는 효과가 있다.Third, the inductance can be adjusted to a desired value, thereby increasing the applicability and reliability of the circuit employing it.
넷째, 인덕턴스의 조정이 공정이 완료된후에도 가능하므로 반도체 소자 생산시의 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Fourth, since the inductance can be adjusted even after the process is completed, there is an effect of improving the yield in the production of semiconductor devices.
도 1은 종래 기술의 반도체 인덕터 소자의 구성도1 is a block diagram of a semiconductor inductor element of the prior art
도 2는 본 발명에 따른 반도체 인덕터 소자의 구성도2 is a block diagram of a semiconductor inductor device according to the present invention
도 3은 본 발명에 따른 반도체 인덕터 소자의 인덕턴스를 튜닝하는 방법을 나타낸 구성도3 is a block diagram showing a method for tuning inductance of a semiconductor inductor device according to the present invention
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
21. 수직자기 이방성 물질층 22. 전도성 라인21. Layer of perpendicular magnetic anisotropy 22. Conductive line
23. 입력단 24. 출력단23. Input terminal 24. Output terminal
25. 안쪽 반지름 26. 바깥쪽 반지름25. Inside Radius 26. Outside Radius
27. 선의 너비 28. 선 사이의 간격27. Width of lines 28. Spacing between lines
29. 기록 헤드 30. 전원29. Recording head 30. Power
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