专利名称：固态电感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及固态电感器以及用于制作这种电感器的方法，具体地说，涉及用于模拟集成电路(IC)的电感器，如固态电感器以及用于制作所述电感器的方法。
另外，这种IC集成电感器是一种无源部件，这意味着一旦在IC中形成它，则这种电感值不能改变。因此，这种电感器不能用于频率调谐。在比如滤波器、天线和振荡器的电路结构中都需要频率调谐的电感器。
在上述现有技术中，难以使大电感值的电感器得以减小其尺寸。另外，要通过改变IC集成电感器的电感值以用于频率调谐电感这是不可能的。
按照本发明的一种实施例，制作固态电感器的方法还包括在顶部电极与底部电极之间加给偏压；响应所加偏压，在顶部电极与底部电极之间形成电感。
按照本发明的一种实施例，制作固态电感器的方法还包括改变所加偏压；响应所加偏压的变化改变所述电感。
按照本发明的一种实施例，形成覆盖所述底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜包括使用选自一组Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)、La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)、Y1-xCaxMnO3(YCMO)及高温超导(HTSC)材料中的材料作为超巨磁电阻(CMR-colossal magnetoresistance)薄膜材料。
按照本发明的一种实施例，形成覆盖所述底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜包括形成厚度约2000的超巨磁电阻(CMR)薄膜。
按照本发明的一种实施例，形成覆盖所述底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜包括旋转涂布厚度约670的第一层；在约650℃的温度下对第一层退火约30分钟；旋转涂布覆盖所述第一层的厚度约为670的第二层；在约550℃的温度下对第二层退火约30分钟；旋转涂布覆盖所述第二层的厚度约为670的第三层；在约550℃的温度下对第三层退火约30分钟。
按照本发明的一种实施例，其中形成所述底部电极包括由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi和其它贵金属的材料形成所述底部电极。
按照本发明的一种实施例，形成所述顶部电极包括由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi和其它贵金属的材料形成所述顶部电极。
按照本发明的一种实施例，给CMR薄膜所加的电场处理包括以100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲加给0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场。
按照本发明的一种实施例，在底部电极与顶部电极之间所加偏压包括加给选自0.5至5伏的直流电压和-0.5至-5伏的直流电压的偏压。
按照本发明的一种实施例，在顶部电极与底部电极之间形成电感包括产生在大于0.01微亨(μH)至小于1μH范围的电感。
按照本发明的一种实施例，响应所加给偏压改变所述顶部电极与底部电极之间的电感包括在选自+1伏特(直流)和-1伏特(直流)的偏压下产生最大电感。
按照本发明的一种实施例，向CMR薄膜加给电场处理包括加给电场，同时对所述CMR薄膜退火。
本发明的另一方案提供一种制作固态电感器的方法，所述方法包括以下步骤形成底部电极；形成覆盖底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜；形成覆盖所述CMR薄膜的顶部电极；以100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲向CMR薄膜加给0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场处理，并响应所述电场处理，将CMR薄膜转变成CMR薄膜电感；在所述顶部电极与底部电极间加给偏压；响应所加偏压，在顶部电极与底部电极之间形成电感；并改变所加偏压，响应于改变偏压而改变电感。
本发明再一方案提供一种固态电感器，所述电感器包括底部电极；覆盖所述底部电极且经过电场处理的超巨磁电阻(CMR)薄膜；以及覆盖所述CMR薄膜的顶部电极。
按照本发明的一种实施例，所述固态电感器还包括用以在所述顶部电极与底部电极间加给偏压的装置；并响应所加偏压在顶部电极与底部电极间形成电感。
按照本发明的一种实施例，所述电压加给装置改变所加给的偏压；并且响应所加偏压的变化而改变所述顶部电极与底部电极间的电感。
按照本发明的一种实施例，所述超巨磁电阻(CMR)薄膜包括选自一组Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)、La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)、Y1-xCaxMnO3(YCMO)及高温超导(HTSC)材料。
按照本发明的一种实施例，所述超巨磁电阻(CMR)薄膜的厚度约为2000。
按照本发明的一种实施例，所述底部电极由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi和其它贵金属材料形成。
按照本发明的一种实施例，所述顶部电极由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi和其它贵金属材料形成。
按照本发明的一种实施例，经电场处理的CMR薄膜经受以100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲所加给的0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场。
按照本发明的一种实施例，所述偏压加给装置在所述底部电极与顶部电极间施加选自一组包括0.5至5伏直流电压和-0.5至-5伏直流电压的偏压。
按照本发明的一种实施例，所述顶部电极与底部电极间的电感值在大于0.01微亨利(μH)到小于1μH的范围。
按照本发明的一种实施例，所述顶部电极与底部电极间的电感响应所加给选自一组+1伏(直流)和-1伏(直流)偏压具有最大数值。
采用上述结构，提供一种固态电感器，这种电感器具有较高的电感值，同时需要非常小的芯片面积，并且适于集成在传统的集成电路(可为在硅上或在化合物半导体衬底上制成的CMOS或双极电路)中，并且提供一种制作所述电感器的方法。另外，由于电感值可以在IC电路中变化，所以可以更易于进行调谐。
于是，这里所述的本发明可有以下优点(1)给出具有大电感值的固态电感器，以减小其尺寸，还给出用于制作这种电感器的方法；(2)给出一种固态电感器，这种电感器很容易通过改变IC电路中的电感值而用以进行调谐，还提供用于制作这种电感器的方法。
当以阅读并理解下参照附图的详细说明时，对于本领域普通技术人员而言，将使本发明的这些以及其它优点愈为清晰。
具体实施例方式
以下参照
本发明固态电感器(下称电感器)及其制作方法。
图1为本发明电感器总体结构的示意图。
图1中的电感器100包括底部电极102、覆盖底部电极102且经电场处理的超巨磁电阻(CMR)薄膜104，以及覆盖所述CMR薄膜104的顶部电极106。
所述CMR薄膜104由选自一组比如Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)、La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)、Y1-xCaxMnO3(YCMO)或高温超导(HTSC)材料制成。但是根据要求，也可使用其它等同的材料。所述CMR薄膜104的厚度t1约为2000。
有如现在所详细说明的一样，所述CMR薄膜104被暴露于以100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲所加给的0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场。这仅仅是一种示例性的处理。按照所述CMR的材料、插入的材料以及所要的电感，也可以采用其它处理方法。
所述电感器100的底部电极102由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi或其它贵金属材料制成。但也可以采用在IC制造中公知的其它导电材料。同样，顶部电极106通常由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi或其它贵金属材料制成。
设置电压加给装置112，用以在电感器100的顶部电极106与底部电极102之间加给偏压。通常，电感器100包括一部分更大且更复杂的电路，并通过其它部件例如晶体管(未示出)连接所述偏压和相对接地的零电位。响应电压加给装置112所加的偏压，在位于顶部电极106与底部电极102之间的CMR薄膜104处形成电感器100的电感系数或电感值L(114)。
按照某些方案，所述电压加给装置112可以改变加在电感器100上的电压。响应所加偏压的变化而改变顶部电极106与底部电极102之间的电感值L(114)。作为举例，已经发现一些实际的偏压范围。按照某些方案，所述电压加给装置112在顶部电极106与底部电极102之间加给的电压在0.5至5伏(直流)或-0.5至-5伏(直流)范围内。但是，对于特定的电路应用而言，也可以采用交流电压。另外，对于不同的CMR材料选择、CMR体积和电场处理，可以采用其它的直流电压范围。
采用上述偏压数值，根据偏压、CMR材料和所述CMR薄膜104的几何形状(体积、直径108和厚度t1)，在顶部电极106与底部电极102之间产生的电感器114可以在大于0.01微亨(μH)到小于1μH的范围内。通常，响应于所施加的+1伏(直流)或-1伏(直流)电压，所述顶部电极106与底部电极102之间的电感值L(114)为最大值。另外，最大电感与偏压间的关系与CMR材料和CMR几何形状有关。
图2为一种器件结构的剖视图，其中将两个本发明的电感器100应用于实际IC集成电路上。
有如图2中所示者，本发明的电感器100为双端柱状结构。可将这种电感器100制作成单个通孔，并且底部电极形成在pn结上，或者在局部相连金属线上。可以在完成处理的前端之后使所述电感器100集成在IC上。在器件A200中，电感器100集成在漏结202上。在器件B204中，将另一电感器100集成在栅极206上。可以采用传统的沉积方法，如旋转涂布、溅射以及CVD工艺，将这些电感器100沉积到半导体衬底上。另外，电感器100具有非常高的电感，在使用偏压控制时，这个电感值可以改变两个数量级以上。通过调节电感器100的偏压，可以实现包含所述电感器100的任何LC电路的调谐。
例如，可以采用旋转涂布工艺利用超巨磁电阻(CMR)薄膜晶体管制成本发明的电感器100。所述CMR材料可以是PCMO(Pr0.3Ca0.7MnO3)。将所述CMR薄膜涂布三次，以便在铂衬底上形成约200nm的总厚度。第一次涂布后，在650℃下使CMR薄膜退火30分钟，并在第二和第三次涂布之后，于550℃下退火30分钟。顶部电极106也为铂，但也可以是一些其它金属，如Al、Cu、W、Ir、AlSi或其它贵金属。测量在刚制成后或者在制造中的CMR薄膜104的阻抗，其中电阻分量为R，电容分量为C。
图3示出在电场处理之前的示例性CMR薄膜的电抗。
图3中所示的全部测量都是与电感值相连(in series)的电阻。测量频率为1MHz。所示测得的电感是负的，因此是容性的。
图3还示出，在给定的测量区域内，这种CMR薄膜的电阻值和电容值与偏压值无关。
图4示出在电场处理之后的示例性CMR薄膜的电抗。
如图4所示，在通过顶部电极106和底部电极102将0.4MV/cm至1MV/cm的电场加于CMR薄膜104上之后，阻抗特性变化很大。CMR薄膜104的电阻从大约275欧姆降到低于20欧姆。响应-5V至-0.5V或0.5V至5V的偏压，所述CMR薄膜104变成电感性的。CMR薄膜104的阻抗是容性的。最大电感大于1μH。
通过改变加在器件上的偏压，可以使PCMO固态电感器100的电感值改变两个数量级以上。从材料的特性可知，人们期望超巨磁电阻(CMR)材料和高温超导(HTSC)材料可用于制造电可调固态电感器。器件的面积确定电感的大小。电可调电感器100适于作为任何集成电路的滤波器和天线的内置元件。
图5为说明本发明固态电感器100一种制作方法实施例的流程图。
如图5所示，为了描述清楚，虽然将电感器的制作方法描述成一系列标号的步骤，但除非明确地说明，不应由这种编号方式推断出次序。应能理解，这些步骤中的一些可以跳过、同时进行或者无需保持严格的顺序去实施。
如图5所示，固态电感器100的制作从步骤500开始。
步骤502形成底部电极102。
步骤504形成覆盖底部电极102的超巨磁电阻(CMR)薄膜104。
步骤506形成覆盖CMR薄膜104的顶部电极106。
步骤508对CMR薄膜104加给电场处理。或者在步骤508加给电场的同时对CMR薄膜104退火。
步骤510响应所述电场处理，使CMR薄膜104转变成CMR薄膜电感器100。
以下，更为详细地描述电感器100的上述制作方法。有些方案还包括一些步骤。在步骤510之后的步骤512，偏压加在顶部电极与底部电极之间。
步骤514响应所加偏压，在顶部电极106与底部电极102之间形成电感。
在一些其它的方案中，步骤516时改变所加的偏压。
步骤518响应所加偏压的变化而使电感改变。
再回到步骤504，形成覆盖底部电极102的CMR薄膜104包括采用比如Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)、La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)、Y1-xCaxMnO3(YCMO)以及高温超导(HTSC)材料。在有些方案中，根据上述变化，可以将CMR薄膜104制成约为2000的厚度。
在有些方案中，在步骤504中形成覆盖底部电极102的CMR薄膜包括子步骤504a-504f。
首先，步骤504a旋转涂布厚度约为670的第一层。
接下来，步骤504b在大约650℃的温度下对第一层退火约30分钟。
然后，步骤504c旋转涂布覆盖所述第一层的第二层，厚度约为670。
之后，步骤504d在大约550℃的温度下对第二层退火约30分钟。
继而，步骤504e旋转涂布覆盖所述第二层的第三层，厚度约为670。
最后，步骤504f在大约550℃的温度下对第三层退火约30分钟。
按照本发明的某些方案，步骤502形成所述底部电极包括用选自一组如Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi或其它贵金属材料形成所述底部电极。类似地，步骤506形成所述顶部电极包括用选自一组如Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi或其它贵金属材料形成所述顶部电极。
另外，在有些方案中，步骤508给CMR薄膜104加以电场处理包括以100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲加给0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场。
另外，在有些方案中，步骤512在顶部电极106与底部电极102之间加给偏压包括在顶部电极106与底部电极102之间加给在0.5至5伏范围内的直流电压或在-0.5至-5伏范围内的直流电压。步骤514在顶部电极106与底部电极102之间形成电感包括形成大于0.01微亨(μH)至小于1μH的电感。
在有些方案中，步骤518响应所加偏压的变化改变顶部电极与底部电极间的电感包括在在大约+1伏(直流)或电压-1伏(直流)的偏压下形成最大电感。
如上所述，本发明的一种实施例包括以下步骤形成底部电极102的步骤；形成覆盖底部电极102的超巨磁电阻(CMR)薄膜的步骤；用100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲向CMR薄膜104加以0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场处理步骤；响应所述电场处理，将CMR薄膜104转变成CMR薄膜电感的步骤；在顶部电极106与底部电极102之间加给偏压的步骤；以及响应所加偏压在顶部电极106与底部电极102之间形成电感的步骤。当所加的偏压改变时，响应这种变化，使电感改变。因此，可使电感器的尺寸减小，同时具有较大的电感值。另外，在IC电路中改变电感值，使得能够更为容易地进行调谐。
本发明的电感器100具有比仅仅是这些实施例更为广泛的应用。同样，已经给出了示例性的制造工艺，但是可以采用等同的工艺和材料制造这种固态电感器。对于本领域普通技术人员而言，将能理解本发明的其它改型和实施例。
如上所述，按照本发明，可以减小电感器的尺寸同时得到较大的电感值。另外，在IC电路中改变电感值，使得能够更易于进行调谐。
在不脱离本发明范围和精神的情况下，本领域普通技术人员可以很容易作出各种其它改型。相应地，所附权利要求的范围并非要限制这里给出的说明，而可作广义的解释。
权利要求
1.一种用于制作固态电感器的方法，所述方法包括如下步骤形成底部电极；形成覆盖底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜；形成覆盖所述CMR薄膜的顶部电极；对CRM薄膜加给电场处理，并响应所述电场处理，将CMR薄膜转变成CMR薄膜电感。
2.如权利要求1所述的用于制作固态电感器的方法，其中，还包括如下步骤在顶部电极与底部电极之间加给偏压，并响应所加的偏压，在顶部电极与底部电极之间形成电感。
3.如权利要求2所述的用于制作固态电感器的方法，其中，还包括如下步骤改变所加的偏压；并响应所加偏压的变化改变所述电感。
4.如权利要求1或2所述的用于制作固态电感器的方法，其中，形成覆盖所述底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜包括使用选自一组Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)、La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)、Y1-xCaxMnO3(YCMO)以及高温超导(HTSC)材料中的材料作为超巨磁电阻(CMR)薄膜的材料。
5.如权利要求1或2所述的用于制作固态电感器的方法，其中，形成覆盖所述底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜包括形成厚度约为2000的超巨磁电阻(CMR)薄膜。
6.如权利要求1或4所述的用于制作固态电感器的方法，其中，形成覆盖所述底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜包括旋转涂布厚度约为670的第一层；在大约650℃的温度下对第一层退火约30分钟；旋转涂布覆盖所述第一层的第二层，厚度约为670；在大约550℃的温度下对第二层退火约30分钟；旋转涂布覆盖所述第二层的第三层，厚度约为670；在大约550℃的温度下对第三层退火大约30分钟。
7.如权利要求2所述的用于制作固态电感器的方法，其中，形成所述底部电极包括由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi和其它贵金属的材料形成所述底部电极。
8.如权利要求1或2所述的用于制作固态电感器的方法，其中，形成所述顶部电极包括由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi和其它贵金属的材料形成所述顶部电极。
9.如权利要求1或2所述的用于制作固态电感器的方法，其中，向CMR薄膜加给电场处理包括以100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲加给0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场。
10.如权利要求3所述的用于制作固态电感器的方法，其中，在底部电极与顶部电极之间加给的偏压包括加给一组选自0.5至5伏的直流电压；以及-0.5至-5伏的直流电压的偏压。
11.如权利要求2所述的用于制作固态电感器的方法，其中，在顶部电极与底部电极之间形成电感包括形成在大于0.01微亨(μH)到小于1微亨(μH)范围的电感。
12.如权利要求10所述的用于制作固态电感器的方法，其中，响应所加偏压的变化改变顶部电极与底部电极之间的电感包括在选自一组+1伏直流和-1伏直流的偏压下形成最大电感。
13.如权利要求1所述的用于制作固态电感器的方法，其中，在向CMR薄膜加给电场处理包括加给电场的同时对该CMR薄膜退火。
14.一种制作固态电感器的方法，所述方法包括如下步骤形成底部电极；形成覆盖底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜；形成覆盖所述CMR薄膜的顶部电极；以100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲向CMR薄膜加给0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场处理，并响应所述电场处理，将CMR薄膜转变成CMR薄膜电感；在顶部电极与底部电极之间加给偏压；响应所加的偏压，在顶部电极与底部电极之间形成电感；并且改变所加的偏压，并响应改变偏压使电感改变。
15.一种固态电感器，所述电感器包括底部电极；覆盖所述底部电极并经过电场处理的超巨磁电阻(CMR)薄膜；以及覆盖所述CMR薄膜的顶部电极。
16.如权利要求15所述的固态电感器，其中，还包括用于在顶部电极与底部电极之间加给偏压的装置；并且响应所施的偏压，在顶部电极与底部电极之间形成电感。
17.如权利要求16所述的固态电感器，其中所述加给电压的装置改变所加给的偏压；并且响应在所加偏压的变化使顶部电极与底部电极之间的电感改变。
18.如权利要求15-17中任一顶所述的固态电感器，其中，所述超巨磁电阻(CMR)薄膜包括Pr0.3Ca0.7MnO3(PCMO)、La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)、Y1-xCaxMnO3(YCMO)以及高温超导(HTSC)材料。
19.如权利要求17所述的固态电感器，其中，所述超巨磁电阻(CMR)薄膜的厚度约为2000。
20.如权利要求15或16所述的固态电感器，其中，所述底部电极由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi和其它贵金属的材料形成。
21.如权利要求15或16所述的固态电感器，其中，所述顶部电极包括由选自一组Al、Au、Ti、Ta、Pt、Cu、W、Ir、AlSi和其它贵金属中的材料形成。
22.如权利要求15或16所述的固态电感器，其中，所述经电场处理的CMR薄膜经受以100纳秒(ns)至1毫秒(ms)宽度的脉冲加给的0.4至1兆伏/厘米(MV/cm)的电场。
23.如权利要求17所述的固态电感器，其中，所述加给偏压的装置在底部电极与顶部电极之间加给的偏压选自一组0.5至5伏的直流电压；以及-0.5至-5伏的直流电压的偏压。
24.如权利要求17所述的固态电感器，其中，所述顶部电极与底部电极之间的电感值在大于0.01微亨(μH)到小于1微亨(μH)的范围。
25.如权利要求23所述的固态电感器，其中，响应加给选自+1伏直流和-1伏直流的偏压，所述顶部电极与底部电极之间的电感具有最大值。
全文摘要
一种制作本发明的固态电感器的方法，它包括形成底部电极；形成覆盖底部电极的超巨磁电阻(CMR)薄膜；形成覆盖所述CMR薄膜的顶部电极；对CMR薄膜加给电场处理，并响应所述电场处理，将CMR薄膜转变成CMR薄膜电感。
文档编号H01F21/00GK1453803SQ03110239
公开日2003年11月5日 申请日期2003年4月7日 优先权日2002年4月22日
发明者潘威, 许胜籘, 庄维佛 申请人:夏普株式会社