【摘 要】
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在国际半导体技术蓝图中,用于电源管理的无源集成器件被认为是“超越摩尔定律”时代实现系统微型化、降低成本、提高性能的一个重要的研究方向。对于电感型片上电源,随着芯片的工艺节点降低到14nm以下,芯片上能够为电感提供的面积变得更小,空心电感已经难以维持足够高的效率,所以引入高磁导率、低损耗磁性薄膜以提高感值面密度和功率效率成为一个占优的选择。本文主要研究了CoNiFe非晶磁膜的制备和性能,并通过引入复
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在国际半导体技术蓝图中,用于电源管理的无源集成器件被认为是“超越摩尔定律”时代实现系统微型化、降低成本、提高性能的一个重要的研究方向。对于电感型片上电源,随着芯片的工艺节点降低到14nm以下,芯片上能够为电感提供的面积变得更小,空心电感已经难以维持足够高的效率,所以引入高磁导率、低损耗磁性薄膜以提高感值面密度和功率效率成为一个占优的选择。本文主要研究了CoNiFe非晶磁膜的制备和性能,并通过引入复合膜和多层膜提升薄膜的电阻率,降低涡流损耗,最终使该薄膜更加满足高频下的应用需求。具体工作如下:首先,基于差示扫描量热分析和X光衍射技术对磁控溅射制备的CoNiFe薄膜进行结构分析,研究发现该薄膜为非晶薄膜且具有一定的温度稳定性。厚度为300nm的薄膜仅在升温至700K以上时才结晶。此外,高的基片温度有利于薄膜的fcc（111）结晶生长,而高溅射气压（～1Pa）趋于bcc（110）生长。其次,系统研究了磁控溅射单层CoNiFe薄膜的制备工艺,当选择直流磁控溅射时,结果显示在功率为25 W,Ar气压为0.13 Pa时获得了优秀的软磁特性:饱和磁化强度为18.2 k G,易轴矫顽力为4.6 Oe,初始磁导率＞250,自然共振频率在2.68 GHz。当选择射频磁控溅射时,在功率为150W,Ar气压为0.13 Pa时,得到了饱和磁化强度为19.3 k G,易轴矫顽力为2.6 Oe,初始磁导率为449,自然共振频率在2.6 GHz,有效阻尼因子为0.0099的薄膜。此外,后退火处理有利于进一步改善薄膜的软磁性能。最后,为了降低高频涡流损耗,制备基于CoNiFe的纳米复合颗粒膜和多层膜,并研究其性能。CoNiFe-Al2O3纳米复合颗粒膜的电阻率提升5-20倍,但饱和磁化强度下降至～15k G。对于原位反应溅射的CoNiFe/CoNiFe O多层膜,当磁性层和氧化层的厚度比为4.4:1时能够获得一个相对较好软磁性能。在氧化层制备条件为气压Ar=0.13 Pa、气压比Ar:O2=9:1时,该Si/CoNiFe/CoNiFe O/CoNiFe多层膜的饱和磁化强度为19k G,Hch=5.5Oe,Hce=4.2Oe,初始磁导率为231,各向异性场为82 Oe,自然共振频率为2.4GHz,损耗因子为0.0175。其中,CoNiFe O层的电阻率达到448 mΩ·cm。
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