JP2005109246A - 高周波用磁性薄膜、その作製方法及び磁気素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ＧＨｚ帯域の高周波領域で利用できる高周波用磁性薄膜及び磁気素子を提供する。
【解決手段】 Ｃｏ系非晶質合金層２と、そのＣｏ系非晶質合金２の自然酸化層３とからなる多層膜であって、その多層膜全体の体積に対する自然酸化層３の割合を５〜５０％とすることにより、上記課題を解決した。また、成膜時における磁場印加方向が磁化容易軸となる性質をもつＣｏ系非晶質合金層２と、そのＣｏ系非晶質合金の自然酸化層３とからなる多層膜であって、作製された多層膜の磁化容易軸が、その多層膜の成膜時における磁場印加方向と直交する磁性薄膜により、上記課題を解決した。
【選択図】 図１
【解決手段】 Ｃｏ系非晶質合金層２と、そのＣｏ系非晶質合金２の自然酸化層３とからなる多層膜であって、その多層膜全体の体積に対する自然酸化層３の割合を５〜５０％とすることにより、上記課題を解決した。また、成膜時における磁場印加方向が磁化容易軸となる性質をもつＣｏ系非晶質合金層２と、そのＣｏ系非晶質合金の自然酸化層３とからなる多層膜であって、作製された多層膜の磁化容易軸が、その多層膜の成膜時における磁場印加方向と直交する磁性薄膜により、上記課題を解決した。
【選択図】 図１
Description
本発明は、ＧＨｚ帯の高周波領域で利用される高周波用磁性薄膜、その作製方法及びその高周波用磁性薄膜を有する磁気素子に関し、さらに詳しくは、薄膜インダクタや薄膜トランス等の高周波用の平面型磁気素子やモノリシックマイクロ波集積回路（以下、ＭＭＩＣと略す。）等に好ましく用いられる高周波用磁性薄膜等に関するものである。
近年の磁気素子の小型化及び高性能化への要求に伴い、ＧＨｚ帯域で高い透磁率を示す磁性薄膜材料が求められている。
例えば、ワイヤレス送受信装置や携帯情報端末を中心に需要が高まっているＭＭＩＣは、Ｓｉ、ＧａＡｓ又はＩｎＰ等の半導体基板上に、トランジスタ等の能動素子と、線路、抵抗、キャパシタ、インダクタ等の受動素子とを、一括的且つ一体的に作製して構成される高周波集積回路であるが、このＭＭＩＣにおいては、特にインダクタやキャパシタ等の受動素子が能動素子に比べて大きな面積を占めている。ＭＭＩＣにおける受動素子の大面積の占有は、結果として高価な半導体基板の大量消費、すなわちＭＭＩＣのコストアップにつながることになる。ＭＭＩＣの製造コストを低減するためにはチップ面積を縮小することが必要であるが、そのためには、受動素子が占める面積を縮小することが課題となっている。
上述したＭＭＩＣには、平面型のスパイラルコイルがインダクタとして多く用いられている。こうした平面型のスパイラルコイルにおいては、小さな占有面積でも従来同様のインダクタンスを得るために、その上下面又は片面に軟磁性薄膜を設けることによるインダクタンスの増加が図られている（例えば、非特許文献１を参照）。しかし、磁性材料をＭＭＩＣのインダクタに応用するためには、先ず、ＧＨｚ帯域における透磁率が高く且つ高周波損失が少ない軟磁性薄膜材料を開発することが求められている。さらに、高周波での渦電流損失を減らすため、比抵抗が大きいことも求められている。
高い飽和磁化を持つ磁性材料として、Ｆｅ又はＦｅＣｏを主成分とする合金がよく知られている。しかし、Ｆｅ系又はＦｅＣｏ系合金からなる磁性薄膜をスパッタ等の成膜技術により作製すると、得られた膜は飽和磁化が高いものの、膜の保磁力が大きく、また、比抵抗が小さくなってしまい、良好な高周波特性を得ることは困難であった。
一方、軟磁気特性に優れる材料として、Ｃｏ系非結晶質合金が知られている。このＣｏ系非結晶質合金は、Ｃｏを主成分とし、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ等から選択される１種又は２種以上の元素を含む非結晶質を主体とするものである。しかし、ゼロ磁歪組成のＣｏ系非結晶質合金の磁性薄膜をスパッタ等の成膜技術により作製すると、得られた膜は透磁率が高いものの、飽和磁化が１１ｋＧ（１．１Ｔ）程度であり、飽和磁化がＦｅ系材料に比べて小さいという難点がある。さらに、１００ＭＨｚ程度の周波数を超えてからの損失成分（透磁率の虚数部μ”）が大きくなり、高周波帯域で使用する磁性材料としては好適とはいえなかった。
このような従来からの実情のもとに、軟磁性薄膜の高周波特性を改良するための種々の提案がなされている。その改良の基本方針としては、渦電流損失の抑制や共鳴周波数の上昇等が挙げられている。渦電流損失を抑制させる具体的な方策としては、例えば、０．０１μｍ〜０．３μｍのＣｏ系非晶質合金層と０．０２μｍ〜０．２５μｍの絶縁層との積層による多層化（例えば、特許文献１及び非特許文献２，３を参照）が提案されている。
軟磁気特性に優れるＣｏ系非結晶質合金を用いてＧＨｚ帯のインダクタの実現を図ったものとして、磁性薄膜を磁化容易軸に平行な辺を長手方向とする短冊にマイクロパターン化し、形状磁気異方性エネルギーを増大させて共鳴周波数を高周波側にシフトさせる試みが行われている（例えば、非特許文献４を参照）。
J.Appl.Phys.,85,7919（1999） 日本応用磁気学会誌、16,291（1992） 日本応用磁気学会誌、17,489（1993） 日本応用磁気学会誌、24,879（2000） 特開平７−２４９５１６号公報（第１頁）
J.Appl.Phys.,85,7919（1999） 日本応用磁気学会誌、16,291（1992） 日本応用磁気学会誌、17,489（1993） 日本応用磁気学会誌、24,879（2000）
上記の特許文献１及び非特許文献２，３で提案された方法では、ＭＨｚ帯域での応用の可能性はあるものの、ＧＨｚ帯域で使用する磁性薄膜としては好適とはいえなかった。
また、上記の非特許文献４で提案された方法では、マイクロパターン化により異方性磁界を４０Ｏｅ程度にまで挙げることができるので、共鳴周波数をＧＨｚ帯域まで挙げることができたが、短冊状のマイクロパターンを複雑なフォトリソグラフィ工程で作製することが必要であるという難点がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その第１の目的は、ＧＨｚ帯域の高周波領域で利用できる高周波用磁性薄膜を提供することにある。本発明の第２の目的は、そうした特性を有する高周波用磁性薄膜の作製方法を提供することにある。本発明の第３の目的は、ＧＨｚ帯域での高周波特性のよい高周波用磁性薄膜を用いた磁気素子を提供することにある。
本発明者は、軟磁気特性を有するＣｏ系非晶質合金を利用した高周波用磁性薄膜についての研究を行っている過程で、Ｃｏ系非晶質合金層とそのＣｏ系非晶質合金の自然酸化層とで多層化した場合に異方性磁界が現れることを見出し、その大きな異方性磁界を利用した高周波用磁性薄膜の研究をさらに行った結果、多層膜全体に対する自然酸化層の体積が所定の範囲内にある場合に大きな異方性磁界が現れ、ＧＨｚ帯域での高周波特性に優れる磁性薄膜が得られることを知見した。
上記第１の目的を達成する本発明の高周波用磁性薄膜は、前記の知見に基づいてなされたものであって、Ｃｏ系非晶質合金層と、当該Ｃｏ系非晶質合金の自然酸化層とからなる多層膜であって、当該多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合が５〜５０％であることを特徴とする。
本発明によれば、上記構成からなる多層膜には高い比抵抗と高い異方性磁界が現れるので、ＧＨｚ帯域での高周波特性に優れた磁性薄膜となる。
また、上記第１の目的を達成する本発明の高周波用磁性薄膜は、前記の知見に基づいてなされたものであって、成膜時における磁場印加方向が磁化容易軸となる性質をもつＣｏ系非晶質合金層と、当該Ｃｏ系非晶質合金の自然酸化層とからなる多層膜であって、作製された多層膜の磁化容易軸が、当該多層膜の成膜時における磁場印加方向と直交することを特徴とする。
Ｃｏ系非晶質合金層は、通常、成膜時における磁場印加方向が磁化容易軸となる性質をもつが、この発明によれば、Ｃｏ系非晶質合金層とその自然酸化層とで多層膜を構成したとき、作製された多層膜の磁化容易軸が多層膜の成膜時における磁場印加方向と直交するという、磁化容易軸／困難軸の反転現象が現れる。こうした現象はいわゆる磁歪の逆効果と考えられるが、本発明の高周波磁性薄膜は、その現象に基づいて発現する大きな異方性磁界を示すと共に比抵抗も高くなるので、ＧＨｚ帯域での高周波特性に優れた磁性薄膜となる。
本発明の高周波磁性薄膜は、上記の高周波磁性薄膜において、(i)前記Ｃｏ系非晶質合金層がＣｏＺｒＮｂ合金で形成されていること、(ii)比抵抗が１５０μΩｃｍ以上であり、異方性磁界が１００Ｏｅ以上であること、(iii)強磁性共鳴周波数が２ＧＨｚ以上であること、に特徴を有する。
上記第２の目的を達成する本発明の高周波用磁性薄膜の作製方法は、Ｃｏ系非晶質合金層と当該Ｃｏ系非晶質合金の自然酸化層とからなる多層膜を印加磁場中で作製する高周波用磁性薄膜の作製方法であって、前記多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合が５〜５０％の範囲内となるように成膜することを特徴とする。
Ｃｏ系非晶質合金層と自然酸化層とを、多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合が５〜５０％の範囲内となるように印加磁場中で成膜すると、作製された多層膜の磁化容易軸が多層膜の成膜時における磁場印加方向と直交するという、磁化容易軸／困難軸の反転現象が現れる。こうした現象はいわゆる磁歪の逆効果と考えられるが、本発明の高周波磁性薄膜の作製方法は、その現象に基づいて発現する大きな異方性磁界と高い比抵抗を示す高周波磁性薄膜を作製できるので、ＧＨｚ帯域での高周波特性に優れた磁性薄膜を極めて容易な方法で作製することができる。
本発明の高周波磁性薄膜の作製方法は、上記高周波磁性薄膜の作製方法において、前記Ｃｏ系非晶質合金層がＣｏＺｒＮｂ合金で形成されることが好ましい。
上記第３の目的を達成する本発明の磁気素子は、上述した本発明の高周波用磁性薄膜、又は、上述した本発明の方法で作製された高周波用磁性薄膜、を一部に有することを特徴とする。
本発明の磁気素子は、上記磁気素子において、(a)前記高周波用磁性薄膜がコイルを挟持するように対向配置されていること、(b)インダクタ又はトランスに使用されること、(c)モノリシックマイクロ波集積回路に使用されること、が好ましい。
以上説明したように、本発明の高周波用磁性薄膜は、高い異方性磁界と高い比抵抗を有しているので、例えばＭＭＩＣに搭載される平面型スパイラルコイルを有するインダクタ等に適用されるＧＨｚ帯域用の磁性薄膜として好ましく利用できる。なお、本発明の高周波用磁性薄膜は、室温で成膜したまま（as-deposit)の状態でその性能が得られるので、ＭＭＩＣのような半導体プロセスで製作される高周波集積回路に最適な材料である。
また、本発明の高周波用磁性薄膜の製造方法は、磁歪の逆効果と考えられる現象により大きな異方性磁界と高い比抵抗を示す高周波磁性薄膜を作製できるので、ＧＨｚ帯域での高周波特性に優れた磁性薄膜を極めて容易な方法で作製することができる。
また、本発明の磁気素子は、高い異方性磁界と高い比抵抗を有した高周波用磁性薄膜をその一部に備えるので、例えばＭＭＩＣに搭載されるプレーナ型インダクタ中のスパイラルコイルにその高周波用磁性薄膜を適用した場合には、そのインダクタはＧＨｚ帯域に共鳴周波数を有した磁気素子となる。
以下、本発明の高周波用磁性薄膜及びその作製方法並びに磁気素子について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明の範囲は制限されない。
図１は、本発明の高周波用磁性薄膜の断面形態の一例を示す模式断面図である。
本発明の高周波用磁性薄膜１は、図１に示されるように、Ｃｏ系非晶質合金層２と、そのＣｏ系非晶質合金の自然酸化層３とが交互に積層された多層膜である。そして、その特徴は、多層膜全体の体積に対する自然酸化層３の割合が５〜５０％であることにある。
（Ｃｏ系非晶質合金層）
Ｃｏ系非晶質合金層２は、Ｃｏ系非結晶質合金で形成される。Ｃｏ系非結晶質合金は、透磁率が高く且つ高抵抗（比抵抗が１００〜１２０μΩｃｍ）であるため、高周波域での渦電流損失の抑制に効果があり、本発明において好ましく適用される。Ｃｏ系非結晶質合金は、単層膜で透磁率１０００以上（１０ＭＨｚ）、飽和磁化１０ｋＧ（１．０Ｔ）以上、比抵抗１００μΩｃｍ以上の特性を有するものであることが望ましい。
Ｃｏ系非晶質合金層２は、Ｃｏ系非結晶質合金で形成される。Ｃｏ系非結晶質合金は、透磁率が高く且つ高抵抗（比抵抗が１００〜１２０μΩｃｍ）であるため、高周波域での渦電流損失の抑制に効果があり、本発明において好ましく適用される。Ｃｏ系非結晶質合金は、単層膜で透磁率１０００以上（１０ＭＨｚ）、飽和磁化１０ｋＧ（１．０Ｔ）以上、比抵抗１００μΩｃｍ以上の特性を有するものであることが望ましい。
このＣｏ系非結晶質合金は、Ｃｏを主成分とし、Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ及びＷの群から選択される１種又は２種以上の添加元素を含んでおり、非晶質相を主体として構成されている。なお、非晶質合金乃至非晶質相とは、一般に、Ｘ線回折測定において得られる回折パターンが顕著な結晶性ピークを有しない態様として表れるものであり、いわゆるブロードな回折ピークが表れるものをいう。
Ｃｏ系非晶質合金に添加される元素の割合（２種以上の場合は総和量）は、通常５〜５０ａｔ％、好ましくは１０〜３０ａｔ％である。添加元素の割合が５０ａｔ％を超えると、飽和磁化が小さくなるという不都合が生じる。一方、添加元素の割合が５ａｔ％未満では、磁歪の制御が困難となり、有効な軟磁気特性が得られなくなるという不都合が生じる。
Ｃｏ系非結晶質合金としては、例えば、ＣｏＺｒ，ＣｏＨｆ，ＣｏＮｂ，ＣｏＭｏ，ＣｏＺｒＮｂ，ＣｏＺｒＴａ，ＣｏＦｅＺｒ，ＣｏＦｅＮｂ，ＣｏＴｉＮｂ，ＣｏＺｒＭｏ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＺｒＮｂＭｏ，ＣｏＺｒＭｏＮｉ，ＣｏＦｅＺｒＢ，ＣｏＦｅＳｉＢ，ＣｏＺｒＣｒＭｏ等が挙げられる。特に好ましくは、ＣｏＺｒＮｂが挙げられる。
（自然酸化層）
自然酸化層３は、上述したＣｏ系非結晶質合金層２の表面が酸素と接触することによって自然に生成する酸化層のことであり、例えば、大気中、純水中又は薬液中で形成される酸化層の他、成膜装置内の残留酸素や残留水分により形成される酸化層も含まれる。
自然酸化層３は、上述したＣｏ系非結晶質合金層２の表面が酸素と接触することによって自然に生成する酸化層のことであり、例えば、大気中、純水中又は薬液中で形成される酸化層の他、成膜装置内の残留酸素や残留水分により形成される酸化層も含まれる。
形成される自然酸化層３は、通常、０．１〜２．０ｎｍ程度の厚さであり、自然酸化層であるためにあまり厚くは形成されない。また、その比抵抗は、およそ１０３〜１０６μΩｃｍ程度である。
（多層膜）
本発明に係る多層膜１は、Ｃｏ系非晶質合金層２と自然酸化層３とを交互に積層して形成される。具体的には、成膜時に一定方向から磁場を印加しながら基板上にＣｏ系非晶質合金層２を形成する工程と、そのＣｏ系非晶質合金層の表面に自然酸化層３を形成する工程とを交互に行うことにより形成される。
本発明に係る多層膜１は、Ｃｏ系非晶質合金層２と自然酸化層３とを交互に積層して形成される。具体的には、成膜時に一定方向から磁場を印加しながら基板上にＣｏ系非晶質合金層２を形成する工程と、そのＣｏ系非晶質合金層の表面に自然酸化層３を形成する工程とを交互に行うことにより形成される。
多層膜１は、真空薄膜形成方法、特にスパッタ法により形成されることが好ましい。より具体的には、ＲＦスパッタ、ＤＣスパッタ、マグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタ、誘導結合ＲＦプラズマ支援スパッタ、ＥＣＲスパッタ、対向ターゲット式スパッタ等が用いられる。なお、スパッタリングはあくまで本発明の一態様であり、他の薄膜作成プロセスを適用できることは言うまでもない。
Ｃｏ系非晶質合金層を堆積させるためのターゲットとしては、Ｃｏターゲット上に、所望の添加元素のペレットを配置した複合ターゲットを用いたり、所望の添加成分を含有するＣｏ合金のターゲットを用いればよい。
なお、本発明の多層膜１が形成される基板４（図１を参照）としては、ガラス基板、セラミクス材料基板、半導体基板、樹脂基板等が例示できる。セラミクス材料としては、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ステアタイト、ムライト、コージライト、フォルステライト、スピネル、フェライト等が挙げられる。中でも熱伝導率が大きく、曲げ強度も大きい窒化アルミニウムを用いることが好ましい。
また、本発明の多層膜は、室温（約１５〜３５℃）で成膜したままの状態でその性能が発揮できるので、ＭＭＩＣのような半導体プロセスで製作される高周波集積回路に最適な材料である。従って、基板としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＧｅ等の半導体基板が例示できる。
多層膜１はこうしたプロセスを繰り返すことによって形成され、その層数は特に制限されず、また、多層膜全体の厚さについても特に制限されない。なお、Ｃｏ系非晶質合金層２とその自然酸化層３とからなる多層膜１の比抵抗は１５０μΩｃｍ以上となり、また、多層膜１の異方性磁界Ｈｋは１００Ｏｅ（エルステッド。１Ｏｅ＝７９．６Ａ／ｍ）以上となる。比抵抗が１５０μΩｃｍ以上になる理由は、Ｃｏ系非晶質合金層２自体の比抵抗が１００μΩｃｍ以上であり、さらに自然酸化層３の比抵抗が１０３μΩｃｍ以上であるからである。また、異方性磁界が１００Ｏｅ以上となる理由は、以下に示す磁化反転現象に基づくものと考えられる。
すなわち、本発明の多層膜１において、多層膜全体の体積に対する自然酸化層３の割合が５〜５０％の範囲内にある場合には、作製された多層膜１の磁化容易軸が、その多層膜の成膜時における磁場印加方向と直交する（９０°ずれることをいう。）磁化反転現象が現れる。こうした現象は、いわゆる磁歪の逆効果現象と考えられる。なお、多層膜全体の体積に対する自然酸化層３は、好ましくは１０％以上４５％以下である。
図２は、成膜時に一定方向から磁場を印加しながら基板上に成膜して得られた厚さ５００ｎｍでのＣｏＺｒＮｂ薄膜のヒステリシス曲線を示すグラフであり、図３は、得られたＣｏＺｒＮｂ薄膜の共鳴周波数特性を示すグラフである。また、図４は、成膜時に一定方向から磁場を印加しながら基板上に成膜して得られた厚さ８ｎｍのＣｏＺｒＮｂ薄膜と厚さ１ｎｍの自然酸化層とからなる厚さ４５０ｎｍの多層膜のヒステリシス曲線を示すグラフであり、図５は得られた多層膜の共鳴周波数特性を示すグラフである。なお、図４及び図５に使用した多層膜において、多層膜全体の体積に対する自然酸化層の体積は１１％である。
図２中に示したように、ＣｏＺｒＮｂ薄膜においては、成膜時に印加される磁場の方向が磁化容易軸と一致するのが一般的であり、従って、磁化困難軸は磁化容易軸と直交する。しかし、ＣｏＺｒＮｂ薄膜は、比抵抗が１２０μΩｃｍと比較的高いものの、異方性磁界Ｈｋは１５Ｏｅと小さいので、図３に示すように、共鳴周波数特性ｆｒは１ＧＨｚを超えたところで落ち込んでしまう。
一方、図３に示したように、ＣｏＺｒＮｂ薄膜／自然酸化層の多層膜においては、成膜時に印加される磁場の方向と磁化容易軸とは一致せず、両者は直交している。言い換えれば、成膜時に印加される磁場の方向と磁化困難軸とが一致する。このとき、得られた多層膜は、比抵抗が１８０μΩｃｍと高く、しかも、異方性磁界Ｈｋも１０５Ｏｅと高くなっている。その異方性磁界Ｈｋが大きいほど高周波特性に優れた多層膜が得られることから、実際には図５に示すように、共鳴周波数特性ｆｒは２ＧＨｚを超えても、落ち込みが生じないという効果がある。
本発明の多層膜において、自然酸化層３の割合が全体の５％未満では、そうした磁化反転現象が現れないことがある。一方、自然酸化層３の割合が全体の５０％を超えた場合は、非磁性成分の割合が磁性成分の割合より多くなるため、難磁性材料としての使用が困難である。
（多層膜の高周波特性）
本発明の多層膜は、上述した構造を有するので、比抵抗が１５０μΩｃｍ以上、異方性磁界が１００Ｏｅ以上、強磁性共鳴周波数が２ＧＨｚ以上という優れた高周波特性を有している。このような特性は、熱処理等を施さない成膜のままの状態で得ることができる。
本発明の多層膜は、上述した構造を有するので、比抵抗が１５０μΩｃｍ以上、異方性磁界が１００Ｏｅ以上、強磁性共鳴周波数が２ＧＨｚ以上という優れた高周波特性を有している。このような特性は、熱処理等を施さない成膜のままの状態で得ることができる。
（磁気素子）
本発明の磁気素子は、上述した高周波用磁性薄膜をその一部に備えていることに特徴がある。
本発明の磁気素子は、上述した高周波用磁性薄膜をその一部に備えていることに特徴がある。
図６は、平面型の磁気素子をインダクタに応用した一例である。図６（Ａ）はインダクタの平面図を模式的に示したものであり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面を模式的に示したものである。
これらの図面に示されるインダクタ１０は、基板１１と、この基板１１の両面にスパイラル状に形成された平面コイル１２，１２と、これらの平面コイル１２，１２と基板１１面を覆うように形成された絶縁膜１３,１３と、これの各々の絶縁膜１３，１３の上を覆うように形成された一対の本発明の高周波用磁性薄膜１とを備えている。そして、上記２つの平面コイル１２，１２は、基板１１の略中央部分に形成されたスルーホール１５を介して電気的に接続されている。さらに、基板１１の両面の平面コイル１２，１２からそれぞれ接続のための端子１６が基板１１の外方に引き出されている。このようなインダクタ１０は、一対の高周波用磁性薄膜１によって、絶縁膜１３,１３を介して平面コイル１２，１２を挟むように構成されているので、接続端子１６，１６間にインダクタが形成される。
このように形成されたインダクタは、小型かつ薄型軽量であり、特に１ＧＨｚ以上の高周波帯域で優れたインダクタンスを示す。なお上記説明したインダクタ１０において、平面コイル１２，１２を並列的に複数設けることによりトランスを形成することができる。
図７は、本発明の平面型磁気素子をインダクタに応用した他の一例を示す断面模式図である。
この図に示されるインダクタ２０は、基板２１と、この基板２１の上に必要に応じて形成される酸化膜２２と、この酸化膜２２の上に形成された本発明の高周波用磁性薄膜１ａと、この高周波用磁性薄膜１ａの上に形成された絶縁膜２３を備え、さらにこの絶縁膜２３の上に形成された平面コイル２４と、これらの平面コイル２４と絶縁膜２３を覆うように形成された絶縁膜２５と、この絶縁膜２５の上に形成された本発明の高周波用磁性薄膜１ｂとを有している。このように形成されたインダクタ２０もやはり、小型かつ薄型軽量であり、特に１ＧＨｚ以上の高周波帯域で優れたインダクタンスを示す。そしてこのようなインダクタ２０において、平面コイル２４を並列的に複数設けることによりトランスを形成することができる。
図８及び図９は、本発明の高周波用磁性薄膜１をＭＭＩＣ用インダクタとして応用した実施例であり、図８はインダクタの導体層部分を抜き出した平面図を模式的に示したものであり、図９は図８のＡ−Ａ矢視断面を模式的に示した図面である。
これらの図面で示されているインダクタ３０は、基板３１と、この基板３１の上に必要に応じて形成される絶縁酸化膜３２と、その絶縁酸化膜３２の上に形成された本発明の高周波用磁性薄膜１ａと、この高周波用磁性薄膜１ａの上に形成された絶縁膜３３を備え、さらにこの絶縁膜３３の上に形成されたスパイラルコイル３４と、このスパイラルコイル３４と絶縁膜３３を覆うように形成された絶縁膜３５と、この絶縁膜３５の上に形成された本発明の高周波用磁性薄膜１ｂとを有している。
また、スパイラルコイル３４は、配線３６を介して一対の電極３７に接続されている。そして、スパイラルコイル３４を囲むように設けられた一対のグラウンドパターン３９は、それぞれ一対のグラウンド電極３８に接続され、グラウンド−シグナル−グラウンド（Ｇ−Ｓ−Ｇ）タイプのプローブにより、ウェハ上で周波数特性を評価する形状を有している。
本実施の形状にかかるＭＭＩＣ用インダクタにおいては、磁芯となる高周波用磁性薄膜１ａ、１ｂでもってスパイラルコイル３４が挟み込まれた有芯構造を採用している。そのため、スパイラルコイル３４が同じ形状でありながらも高周波用磁性薄膜１ａ、１ｂが形成されていない空芯構造のインダクタに比べ、インダクタンス値が約５０％向上される。従って、同じインダクタンス値を得るために必要なスパイラルコイル３４の占有面積は小さくてもよいことになり、その結果としてスパイラルコイル３４の小型化が実現できる。
ところで、ＭＭＩＣ用インダクタに適用する磁性薄膜の材料としては、ＧＨｚ帯域の高周波数で高透磁率、かつ高い性能指数Ｑ（低損失）特性を持つことや、半導体製造プロセスによる集積化が可能であることが求められる。
ＧＨｚ帯域の高周波数における高透磁率を実現するためには、共鳴周波数が高く、かつ飽和磁化が大きい材質が有利であり、一軸磁気異方性の制御が必要である。また、高い性能指数Ｑを得るためには、高抵抗化による渦電流損失の抑制が重要である。さらに、集積化プロセスに適用するためには、室温で成膜でき成膜のままの状態で使用できることが望ましい。すでにセッティングされている他のオンチップコンポーネントの性能および作成プロセスに加熱による悪影響を及ぼさないようにするためである。
以下、本発明を実施例と比較例によりさらに詳細に説明する。
（実施例１）
実施例１の高周波用磁性薄膜を以下の成膜手法に従って作製した。
実施例１の高周波用磁性薄膜を以下の成膜手法に従って作製した。
先ず、Ｓｉウェハの上にＳｉＯ２を５００ｎｍの厚さに成膜したものを基板として用いた。次に、対向ターゲット式スパッタ装置を用いて、下記の要領で基板上に高周波用磁性薄膜を成膜(deposit)させた。すなわち、対向ターゲット式スパッタ装置内を８×１０−５Ｐａまで予備排気した後、圧力が１０ＰａになるまでＡｒガスを導入した後、１００ＷのＲＦパワーで１０分間、基板表面をスパッタエッチングした。次いで、圧力が０．４ＰａになるようにＡｒガスの流量を調整し、３００ＷのパワーでＣｏ８７Ｚｒ５Ｎｂ８ターゲットをスパッタリングしてＣｏ８７Ｚｒ５Ｎｂ８組成からなる非晶質膜を作製した。
次いで、自然酸化層を形成した。自然酸化層は、各金属層を成膜した後、スパッタ装置内部に２ｓｃｃｍのＯ２ガスを３０秒間導入し金属層の表面を酸化させることで形成した。自然酸化層を形成してから、スパッタ装置を１０−４Ｐａ台まで排気した。
成膜時には基板に０〜−８０ＶのＤＣバイアスを印加した。また、ターゲット表面の不純物の影響を防止するためにシャッターを閉めた状態で１０分以上プリスパッタリングを行った。その後、シャッターを開けることにより基板上に成膜を行った。成膜速度（rate）は、ＣｏＺｒＮｂ層の成膜時で０．３３ｎｍ／秒とした。シャッターの開閉時間を制御することでＣｏ系非晶質合金層の膜厚を調整した。
成膜は、約３５Ｏｅの強さの磁界を印加しながら、まず、基板上の第１層目として厚さ８．０ｎｍのＣｏＺｒＮｂ層を成膜した後、その上に第２層目として厚さ１．０ｎｍの自然酸化層を形成し、さらにその自然酸化層上にＣｏＺｒＮｂ層を成膜するという成膜サイクルを５０回繰り返し、表１に示す特性の磁性薄膜（実施例１）を得た（総厚さ：４５０ｎｍ）。このとき、多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合は１１％であった。
上述した図４は、実施例１で得られた磁性薄膜のヒステリシス曲線であり、図５は、その磁性薄膜の高周波特性である。得られた磁化曲線から明らかなように、堆積膜では、印加磁場の方向と磁化容易軸方向とが９０°ずれる（直交する）現象が確認された。飽和磁化は１０．１ｋＧ（１．０１Ｔ）、磁化容易軸方向の保磁力は０．８Ｏｅ（６３．７Ａ／ｍ）、磁化困難軸方向の保磁力は４．８Ｏｅ（３８２Ａ／ｍ）が得られた。また、異方性磁界Ｈｋは１０５Ｏｅ（８３６０Ａ／ｍ）であった。図５の高周波透磁率特性のグラフより、共鳴周波数は測定限界の３ＧＨｚを超えており、透磁率の実数部（μ’）の値として、１．０ＧＨｚでは８０の値が得られた。また、比抵抗は１８０μΩｃｍであった。なお、高周波透磁率の測定は、超高周波帯域透磁率測定装置（菱和電子、ＰＭＦ−３０００）を用い、磁気特性は振動試料型磁力計（理研電子、ＢＨＶ―３５）を用いて測定した。
（実施例２）
上記実施例１の成膜手法に基づき、２．３ｎｍ厚のＣｏＺｒＮｂと、１．０ｎｍの自然酸化層とを交互に１２１回ずつ順次形成して総膜厚４００ｎｍ（合計２４２層相当）の本発明の磁性薄膜（実施例２）を形成した。このとき、多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合は３０％であった。
上記実施例１の成膜手法に基づき、２．３ｎｍ厚のＣｏＺｒＮｂと、１．０ｎｍの自然酸化層とを交互に１２１回ずつ順次形成して総膜厚４００ｎｍ（合計２４２層相当）の本発明の磁性薄膜（実施例２）を形成した。このとき、多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合は３０％であった。
得られた磁性薄膜の磁気特性を表１に示した。飽和磁化は８．０ｋＧ（０．８０Ｔ）、磁化容易軸方向の保磁力は１７．６Ｏｅ（１４００Ａ／ｍ）、磁化困難軸方向の保磁力は３７Ｏｅ（２９５０Ａ／ｍ）であった。高周波透磁率特性は、透磁率の実数部（μ’）の値として、１．０ＧＨｚでは４０の値が得られ、また、比抵抗は８６０μΩｃｍであった。
（実施例３）
上記実施例１の成膜手法に基づき、１．６ｎｍ厚のＣｏＺｒＮｂ層を成膜後、スパッタ装置内部に５ｓｃｃｍのＯ２ガスを３０秒間導入し金属層の表面を酸化させることで１．３ｎｍの自然酸化層を形成した。１．６ｎｍ厚のＣｏＺｒＮｂ層と１．３ｎｍの自然酸化層を交互に１３８回ずつ順次形成して総膜厚４００ｎｍ（合計２７６層相当）の本発明の磁性薄膜（実施例３）を形成した。このとき、多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合は４５％であった。
上記実施例１の成膜手法に基づき、１．６ｎｍ厚のＣｏＺｒＮｂ層を成膜後、スパッタ装置内部に５ｓｃｃｍのＯ２ガスを３０秒間導入し金属層の表面を酸化させることで１．３ｎｍの自然酸化層を形成した。１．６ｎｍ厚のＣｏＺｒＮｂ層と１．３ｎｍの自然酸化層を交互に１３８回ずつ順次形成して総膜厚４００ｎｍ（合計２７６層相当）の本発明の磁性薄膜（実施例３）を形成した。このとき、多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合は４５％であった。
得られた磁性薄膜の磁気特性を表１に示した。飽和磁化は６．３ｋＧ（０．６３Ｔ）、磁化容易軸方向の保磁力は２２Ｏｅ（１７５０Ａ／ｍ）、磁化困難軸方向の保磁力は４１Ｏｅ（３２６０Ａ／ｍ）であった。高周波透磁率特性は、透磁率の実数部（μ’）の値として、１．０ＧＨｚでは２５の値が得られ、また、比抵抗は１４１６μΩｃｍであった。
（比較例１）
上記実施例１の成膜手法に基づき、５００μｍ厚のＣｏＺｒＮｂ膜を単層形成し、比較例１の磁性薄膜を形成した。
上記実施例１の成膜手法に基づき、５００μｍ厚のＣｏＺｒＮｂ膜を単層形成し、比較例１の磁性薄膜を形成した。
上記の実施例に準じた方法によって、当該磁性薄膜の物性値を求めたところ、表１に示すように、１１．５ｋＧ（１．１５Ｔ）の飽和磁化、１．３Ｏｅ（１０４Ａ／ｍ）の磁化容易軸方向の保磁力、０．９Ｏｅ（７１．６Ａ／ｍ）の磁化困難軸方向の保磁力がそれぞれ得られた。高周波透磁率特性は、透磁率の実数部（μ’）の値として、１．０ＧＨｚでは１０００の値が得られ、また、比抵抗は１２０μΩｃｍであった。
（結果）
これらの結果を含めた測定値を表１にまとめて示した。表１に示すように、本発明による各実施例は、高共鳴周波数かつ高抵抗の特性を得ることができる。
これらの結果を含めた測定値を表１にまとめて示した。表１に示すように、本発明による各実施例は、高共鳴周波数かつ高抵抗の特性を得ることができる。
なお、図１０は、磁化反転現象の確認実験結果を示している。この確認実験では、振動試料型磁力計（理研電子、ＢＨＶ―３５）装置を用い、試料を面内方向で回転（成膜中磁場印加方向に対する角度ズレをφとして示す）しながら残留磁化（Ｍｒ）を測定し、その値を飽和磁化（Ｍｓ）で規格して表記した。実施例１〜３の磁性薄膜と比較例１の磁性薄膜とを対比した結果、図示したように、両者の磁化容易軸には９０°のズレがあった。すなわち、実施例１〜３においては、成膜時の磁場印加方向と得られた磁性薄膜の磁化容易軸方向とは直交しているが、比較例１においては、成膜時の磁場印加方向と得られた磁性薄膜の磁化容易軸方向とは平行であることが確認された。
１、１ａ、１ｂ 高周波用磁性薄膜（多層膜）
２ Ｃｏ系非晶質合金層
３ 自然酸化層
４，１１，２１，３１ 基板
１０，２０，３０ インダクタ
１２、２４ 平面コイル
１３、２３、２５、３３、３５ 絶縁膜
１５ スルーホール
１６ 接続端子
２２、３２ 酸化膜
３４ スパイラルコイル
３６ 配線
３８ グラウンド電極
３９ グラウンドパターン
２ Ｃｏ系非晶質合金層
３ 自然酸化層
４，１１，２１，３１ 基板
１０，２０，３０ インダクタ
１２、２４ 平面コイル
１３、２３、２５、３３、３５ 絶縁膜
１５ スルーホール
１６ 接続端子
２２、３２ 酸化膜
３４ スパイラルコイル
３６ 配線
３８ グラウンド電極
３９ グラウンドパターン
Claims (9)
- Ｃｏ系非晶質合金層と、当該Ｃｏ系非晶質合金の自然酸化層とからなる多層膜であって、当該多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合が５〜５０％であることを特徴とする高周波用磁性薄膜。
- 成膜時における磁場印加方向が磁化容易軸となる性質をもつＣｏ系非晶質合金層と、当該Ｃｏ系非晶質合金の自然酸化層とからなる多層膜であって、作製された多層膜の磁化容易軸が、当該多層膜の成膜時における磁場印加方向と直交することを特徴とする高周波用磁性薄膜。
- 前記Ｃｏ系非晶質合金層がＣｏＺｒＮｂ合金で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波用磁性薄膜。
- 比抵抗が１５０μΩｃｍ以上であり、異方性磁界が１００Ｏｅ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高周波用磁性薄膜。
- 強磁性共鳴周波数が２ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波用磁性薄膜。
- Ｃｏ系非晶質合金層と当該Ｃｏ系非晶質合金の自然酸化層とからなる多層膜を印加磁場中で作製する高周波用磁性薄膜の作製方法であって、
前記多層膜全体の体積に対する自然酸化層の割合が５〜５０％の範囲内となるように成膜することを特徴とする高周波用磁性薄膜の作製方法。 - 前記Ｃｏ系非晶質合金層がＣｏＺｒＮｂ合金で形成されることを特徴とする請求項６に記載の高周波用磁性薄膜の作製方法。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波用磁性薄膜、又は、請求項６又は７に記載の方法で作製された高周波用磁性薄膜、を一部に有することを特徴とする磁気素子。
- 前記高周波用磁性薄膜がコイルを挟持するように対向配置されていること、インダクタ又はトランスに使用されること、及び、モノリシックマイクロ波集積回路に使用されること、のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の磁気素子。
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