片上纳米磁介质射频可调微电感器件研究

拟研究一种面向射频集成电路（RFIC）应用的新型片上纳米颗粒复合磁介质微电感。为解决RFIC长期缺乏小尺寸、高性能片上无源电感这一瓶颈问题，提出实现"新型磁性纳米颗粒复合介质 + 全磁介质结构"这一新方案，通过实现片上闭合磁路，大幅提升电感感值和品质因数，达到器件尺寸缩小、性能提高的目标，并可通过改变磁材料工作点实现电感值可调性。研究内容包括：研究新型软磁性纳米颗粒复合介质的性能机理，设计实现适用于射频集成电感的低损耗、高截止频率磁介质材料；开发片上磁介质集成制备工艺；研究磁介质结构的理论模型和机理；实现高电感密度、高品质因数、高工作频率、电感值可调的新型磁介质片上射频微电感。前期工作已从复合介质理论分析、材料制备工艺、器件性能预测等方面论证了研究目标的可行性。研究工作是对片上集成电感器件应用研究、片上磁性材料理论及应用研究的重要拓展，对实现高性能射频集成电路和芯片系统具有重要意义。

在更高工作频带、更低功耗、更便携等应用需求的驱使下，射频电路及系统需要更小尺寸、更高频率、更高性能的电路元件。然而，与有源MOS器件相比，小尺寸、高性能的片上射频微电感依然难以实现，严重阻碍了高性能射频电路和射频片上系统的发展。本项目提出研制基于磁性颗粒复合介质填充的射频片上层叠微电感，进行了相关材料和器件的理论分析、结构设计、和兼容集成工艺等方面的研究，得到了多种该新型片上射频层叠微电感样品，取得了电感性能的明显提升。本项目主要的研究成果如下：设计了多种磁介质填充式层叠微电感结构，利用电磁仿真软件对不同磁结构、不同磁材料性能、不同线圈结构磁介质电感的性能提升进行分析和比较。研究并讨论了该新型微电感的等效电路模型，提出了基于结构放大因子的单π双端口等效电路，并进行了建模方法的研究。.从适用于片上射频微电感的磁性材料要求出发，在铁氧体薄膜材料相关研究的基础上，选取了两种铁氧体材料（Ni0.25Cu0.25Zn0.5Fe2O4和Ba3Co2Fe24O41）为研究对象。研究了磁性颗粒的制作工艺、复合磁材料的片上集成方法、以及关键磁性能，获得了面向片上射频磁电感应用的磁性颗粒复合材料。.研究了一套与集成电路相兼容的完整工艺方案，获得了不同结构的磁性颗粒复合介质填充式射频片上层叠微电感器件，验证了新型磁介质结构和材料对电感性能的全面提升作用。Ni0.25Cu0.25Zn0.5Fe2O4磁性颗粒复合介质全填充的6层层叠电感样品在0.1~3GHz实现了82%~73%的电感量L提升，在0.1~1GHz实现了139%~50%的品质因数Q提升，感值密度高达750nH/mm2。Co2Z磁介质电感在 5GHz 以内 L值比空气芯电感增大 50% 以上，在 3.1GHz 3.1GHz处，其电感 值面密度达到 825 H/mm2。与同批制作的单层螺旋磁介质电感相比，在实现相同电感量的前提下，器件面积可压缩 80%。.本项目研究结果表明，新型磁性颗粒复合介质填充式射频片上层叠微电感具有综合性能提升的显著优势，为未来实用化的小尺寸、高性能片上射频微电感的实现提供了新的途径。