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KR20010071544A - 연성 페라이트 재료로 이루어진 보디를 포함하는 50㎒보다큰 동작 주파수를 갖는 반도체 장치 - Google Patents

연성 페라이트 재료로 이루어진 보디를 포함하는 50㎒보다큰 동작 주파수를 갖는 반도체 장치 Download PDF

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KR20010071544A
KR20010071544A KR1020007014490A KR20007014490A KR20010071544A KR 20010071544 A KR20010071544 A KR 20010071544A KR 1020007014490 A KR1020007014490 A KR 1020007014490A KR 20007014490 A KR20007014490 A KR 20007014490A KR 20010071544 A KR20010071544 A KR 20010071544A
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KR
South Korea
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semiconductor device
semiconductor
inductor
ferrite material
mhz
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1020007014490A
Other languages
English (en)
Inventor
반더자그피터제이
덱케르로날드
돌만스빌헬무스엠씨
Original Assignee
롤페스 요하네스 게라투스 알베르투스
코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 롤페스 요하네스 게라투스 알베르투스, 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. filed Critical 롤페스 요하네스 게라투스 알베르투스
Publication of KR20010071544A publication Critical patent/KR20010071544A/ko
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

50㎒를 초과하는 동작 주파수를 갖는 반도체 장치(1)는 연성 페라이트 재료로 구성된 보디(2)를 포함하며, 이 보디(2)는 반도체 요소(4), 도체 패턴(5, 6) 및 평면형 인덕터(7) 형태의 수동 요소가 접착제 층(8)에 의해 부착되는 표면(3)을 갖는다. 반도체 장치의 성능에 악영향을 주지 않고 반도체 장치의 제조 비용을 감소시키기 위해 반도체 장치의 동작 주파수보다 작은 강자성 공명 주파수를 갖는 연성 페라이트 재료가 이용된다.

Description

연성 페라이트 재료로 이루어진 보디를 포함하는 50㎒보다 큰 동작 주파수를 갖는 반도체 장치{A SEMICONDUCTOR DEVICE WITH AN OPERATING FREQUENCY LARGER THAN 50MHZ COMPRISING A BODY COMPOSED OF A SOFT FERRITE MATERIAL}
본 발명은 연성 페라이트 재료로 이루어진 보디(body)를 포함하는 50㎒를 초과하는 동작 주파수를 갖는 반도체 장치에 관한 것으로, 상기 보디는 반도체 요소, 도체 패턴 및 인덕터와 같은 형상의 수동 요소가 부착되는 표면을 갖는다.
본 반도체 장치는 무선 장치(약 100㎒), 텔레비전 장치(약 450∼860㎒) 및 이동 전화 장치(약 900㎒)에서의 애플리케이션을 위한 수신기로서 사용될 수 있다. 실제로, 본 반도체 장치는 다수의 능동 및 수동 요소를 포함할 수 있으며, 이들 능동 요소는 대다수의 트랜지스터를 포함하는 집적 회로내에 배열될 수 있고, 수동 요소는 하나 또는 다수의 인덕터 이외에, 예컨대, 캐패시터 및 저항기를 포함할 수 있다.
앞의 설명에서 언급된 유형의 반도체 장치는 공개된 특허 출원 WO 96/13858로부터 공지되어 있다. 공지된 반도체 장치는 마이크로웨이브 신호를 처리하기에 적합하며, 페라이트 재료로 구성된 보디를 포함하며, 페라이트 재료로 된 이 보디는 유리로 구성된 보디에 비해 인덕터의 성능에 유리하게 영향을 준다.
인덕터의 성능은 흔히 품질 팩터 Q로 측정되는데, 이것은 ω가 각 주파수이고 L이 인덕턴스일 때 유도성 저항 ωL을 총저항 R로 나눈 것으로서 정의된다. 1990년 IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 26, No. 1, pp.270-275에 로쉔(Roshen)에 의해 "자성 기판상의 평면 인덕터(Planar inductors on magnetic substrates)"라는 명칭으로 발표된 이론적 논문으로부터, 자기 캐리어 보디가 1보다 훨씬 더 큰 자기 투자율을 가질 경우, 자기 캐리어 보디를 사용함으로써 인덕턴스, 즉, 인덕터의 품질 팩터를 비자기 캐리어 보디에 비해 100퍼센트 증가시킬 수 있음이 알려졌다.
인덕터의 품질 팩터 Q는, 예컨대, 사실상 원형, 정방형 또는 직사각형 나선 구조일 수 있는 인덕터의 전형적인 폭(에컨대, 직경)에 비례함에 따라, 품질 팩터의 배가(doubling)에 의해 대략 75퍼센트의 인덕터 표면적의 절감을 가져올 수 있다. 1㎜2정도의 인덕터의 전형적인 표면적을 고려할 때, 인덕터 표면적의 75%의 절감은 단위 표면적당 제조될 수 있는 반도체 장치의 총수에 크게 영향을 준다는 것이 분명하다.
50㎒를 초과하는 동작 주파수를 갖는 반도체 장치에 집적될 인덕터의 앞서 언급된 품질 팩터의 배가를 달성하기 위해, 반도체 장치의 동작 주파수에서 자계의 교번(alternations)에 따를 수 있는 일반적으로 연성 페라이트 재료가 선택된다. 이것은, 이. 씨. 스넬링(E.C. Snelling)에 의해 작성되어 발표된 1988년, 런던, 버터워쓰(Butterworths), "연성 페라이트:특성 및 애플리케이션(Softferrites:Properties and applications)"(제 2 판)이라는 명칭의 표준 텍스트북 p.90에 제공된 기술내용, 즉, 페라이트의 유용 주파수 범위는, 다소 낮은 주파수에서 투자율이 떨어지기 시작하거나 손실이 급격히 증가하기 시작하므로 강자성 공명의 개시에 의해 제한된다는 사실에 의해 지원된다.
반도체 장치의 동작 주파수에서 자계의 교번에 따를 수 있는 연성 페라이트 재료가 이용되는 앞서 언급된 유형의 반도체 장치의 단점은 그의 제조 비용이 이용된 연성 페라이트 재료의 높은 초기 비용으로 인해 높다는 것이다.
본 발명의 목적은 본 명세서의 시작 부분에서 언급된 유형의 반도체 장치를 제공하는 것으로, 유리에 비해 인덕턴스, 즉, 일체화된 인덕터의 품질 팩터의 향상을 가져오는 연성 페라이트 재료가 이용되며, 적절한 비용으로 반도체 장치를 제조할 수 있게 한다.
본 발명에 따르면, 연성 페라이트 재료가 반도체 장치의 동작 주파수보다 작은 강자성 공명 주파수를 갖는다는 점에서 목적이 달성된다. 놀랍게도, 반도체 장치의 동작 주파수에서 자계의 교번을 따를 수 없는 연성 페라이트 재료를 이용함으로써, 인덕턴스, 즉, 인덕터의 품질 팩터가 거의 배가됨이 밝혀졌다. 연성 페라이트 재료의 초기 비용은 일반적으로 강자성 공명 주파수가 감소함에 따라 감소한다. 보다 낮은 강자성 공명 주파수를 갖는 연성 페라이트 재료는 일반적으로 보다 덜 미립자이고, 준비중에 보다 적은 처리를 필요로 하며, 및/또는 일반적으로, 예컨대, 니켈, 마그네슘 및 망간과 같은 고가의 금속중에서 보다 저렴하다. 이것은,50㎒를 초과하는 동작 주파수를 갖는 반도체 장치에서 덜 고가의 연성 페라이트 재료가 이용될 수 있으며, 이에 의해 반도체 장치의 성능을 감소시키지 않고 반도체 장치의 제조 비용을 현저히 감소시킬 수 있음을 의미한다.
본 발명에 따라 반도체 장치에 이용된 연성 페라이트 재료의 선택은, 당분야에 숙련된 자라면, 반도체 장치의 동작 주파수를 초과하는 강자성 공명 주파수를 갖는 연성 페라이트 재료, 즉, 반도체 장치의 동작 주파수에서 자계의 교번을 따를 수 있는 연성 페라이트 재료를 선택할 것을 교시하고 있는, 1988년 런던 버터워쓰의 표준 텍스트북 "연성 페라이트:특성 및 애플리케이션)" 제 2 판 p.90에서 이.씨. 스넬링에 의해 기술된 앞서 언급된 문헌의 교시에 반대된다. 이러한 연성 페라이트 재료는 쓸데없이 높은 초기 비용을 갖지 않으며, 따라서, 쓸데없이 높은 반도체 장치의 제조 비용을 초래하지 않는다.
인덕턴스, 즉, 인덕터의 품질 팩터를 더욱 향상시키기 위해서, 반도체 장치의 동작 주파수에서 약 5보다 큰 자기 투자율을 갖는 연성 페라이트 재료를 선택하는 것이 유리하다.
인덕터가 연성 페라이트 재료로 된 비교적 높은 도전성 보디상에 배치되는 경우, 인덕터의 자계에 의해 연성 페라이트 재료의 보디내에 전류가 유도된다. 이들 전류는 앞서 언급된 도전성 보디내에서 자유롭게 흐르며, 잉여 저항 손실과 인던턴스, 즉, 인덕터의 품질 팩터의 감소를 초래한다. 그러므로, 이들 저항 손실을 상쇄시키기 위해서 약 103Ωm를 초과하는 전기 저항도를 갖는 연성 페라이트 재료를이용하는 것이 유리하다.
약 103Ωm를 초과하는 전기 저항도를 갖는 연성 페라이트 재료의 범주내에, 예컨대, 몇몇 MnZn-페라이트, NiZn-페라이트 및 MgZn-페라이트가 포함되며, 이들 페라이트는 스피넬-유형(spinel-type)으로 되어 있고, 일반 화학식 MexZn(1-x)FeO4±δ를 가지며, 여기서 Me는 Mn, Ni 또는 Mg를 나타내고, x는 0과 1 사이에 놓이는, 총 Me와 Zn중 Me의 비율을 나타내며, δ는 통상 0.05보다 작거나 같은 페라이트의 오프-스토이시오메트리(off-stoichiometry)를 나타낸다. 페라이트는 약간의 Fe-결핍(deficiency)을 갖는 것이 유리한데, 이것은 Fe2+이온의 존재를 억제하기 때문이며, Fe2+이온은 일반적으로 와류 손실(eddy-current losses)의 증가를 초래한다. 이상 언급된 연성 페라이트 재료의 범주로부터 NiZn-페라이트 또는 MgZn-페라이트가 선택되는 것이 유리한데, 이들 유형의 연성 페라이트 재료는 약 103Ωm를 초과하는 저항도를 갖도록 비교적 용이하게 제조될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 제조를 용이하게 하기 위해 인덕터는 사실상 평면형으로 생성되는 것이 유리하다.
인덕터는, 예컨대, 사실상 정방형 또는 직사각형의 나선 구조처럼 형성될 수 있다. 그러나, 원형 인덕터를 사용할 경우 동일 표면적을 점유하는 정방형 또는 직사각형 인덕터의 품질 팩터보다 약 20% 더 높은 품질 팩터가 얻어지므로, 인덕터는 사실상 원형 나선구조의 형상을 갖는 것이 바람직하다.
구리, 은 또는 금이 이용될 수 있지만, 인덕터는 순수 또는 몇 퍼센트의 실리콘 및/또는 구리를 갖는 합금의 알루미늄으로 이루어지는 것이 유리한데, 이러한 금속은 일반적으로 통상 순수 또는 합금화된 알루미늄으로도 구성되는 도체의 처리와 호환될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 다른 실시예는 반도체 요소, 도체 패턴 및 수동 요소가 접착제층에 의해 연성 페라이트 재료로 구성된 보디의 표면에 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이상의 특징 및 다른 특징은 이후 설명되고 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 상세히 설명된다. 도면에 있어서,
도 1은 본 발명에 따른 반도체 장치의 실시예 1에 대한 횡단면도,
도 2는 본 발명에 따른 반도체 장치의 실시예 2에 대한 횡단면도,
도 3 내지 5는 본 발명에 따른 반도체 장치에서 이용가능한 연성 페라이트 재료로서, 1998년 "연성 페라이트(Soft Ferrites)"라는 명칭의 필립스 부품 데이터 핸드북 MA01로부터 얻어지는 연성 페라이트 재료 4A15, 4F1 및 4E1의 자기 스펙트럼을 도시한 것이고,
도 6은 본 발명에 따른 반도체 장치에 이용될 연성 페라이트 재료로 된 보디상에 제공된 두 개의 평면형 인덕터, 즉, 4F1(정방형으로 표시) 및 4E1(십자형으로 표시)과, 유리로 된 보디상에 제공된 다른 하나의 평면형 인덕터(원형으로 표시)에 대한 품질 팩터(Q)와 최고 1000㎒에 이르는 주파수(㎒ 단위)간의 관계를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 반도체 장치에 이용될 연성 페라이트 재료로 된 보디상에 제공된 평면형 인덕터, 즉, 4A15(삼각형으로 표시)와, 유리로 된 보디상에 제공된 평면형 인덕터(원형으로 표시)에 대한, 품질 팩터(Q)와 250㎒에 이르는 주파수(㎒ 단위)간의 관계를 도시하는 그래프,
도 8 및 9는 도 1에 도시된 반도체 장치의 제조에 있어 연속하는 단계들을 도시하는 횡단면도,
도 10 내지 12는 도 2에 도시된 반도체 장치의 제조에 있어 연속하는 단계들을 도시하는 횡단면도이다.
도 1 및 2는 50㎒를 초과하는 동작 주파수를 갖는 반도체 장치(1)의 두 개의 상이한 실시예를 도시하는 횡단면도로서, 반도체 장치(1)는 반도체 요소(4), 도체 패턴(5, 6) 및 평면형 인덕터(7) 형태의 수동 요소가 접착제 층(8)에 의해 부착된 표면(3)을 갖는 연성 페라이트 재료로 구성된 보디(2)를 포함한다.
명확성을 위해, 하나의 반도체 요소(4)와 평면형 인덕터(7) 형태의 수동 요소만이 도시되어 있다. 이후 능동 요소로도 칭해지는 반도체 요소(4)는 본 실시예에서 바이폴라 트랜지스터이지만, 또한, 예컨대, 전계 효과 트랜지스터 또는 다이오드일 수 있다. 평면형 인덕터(7)는 사실상 정방형 또는 직사각형 나선구조일 수 있지만, 사실상 원형 나선 구조 형태를 갖는 것이 유리하다. 도체 패턴(5, 6)은 반도체 요소(4)를 평면형 인덕터(7)에 전기적으로 접속시키며 외부 세계로의 전기적 접촉을 가능하게 한다.
실제로, 반도체 장치(1)는 다수의 이러한 수동 및 능동 요소를 포함할 수 있으며, 능동 요소는 많은 수의 트랜지스터를 포함하는 집적 회로로 배열될 수 있으며, 수동 요소는 하나 또는 다수의 평면형 인덕터 외에, 예컨대, 캐패시터 및 저항기를 포함할 수 있다. 이 때, 도체 패턴(5, 6)은 서로에 대해 그리고 수동 요소에 대해 집적 회로내의 능동 요소를 전기적으로 접속시킨다.
이러한 반도체 장치는 무선 장치(약 100㎒), 텔레비전 장치(약 450∼860㎒) 및 이동 전화 장치(약 900㎒)에서의 애플리케이션을 위한 수신기로서 이용될 수 있다.
도 3 내지 5에는 도 1 및 2에 도시된 바와 같은 반도체 장치에서 이용가능한 연성 페라이트 재료로서 1998년 "연성 페라이트"라는 명칭의 필립스 부품 데이터 핸드북 MA01로부터 획득된 연성 페라이트 재료 4A15, 4F1 및 4E1에 대한 자기 스펙트럼이 도시되어 있다.
이 자기 스펙트럼은 주파수의 함수(㎒ 단위)로서 자기 투자율(μ)의 실수부(μ')와 허수부(μ")를 나타낸다. 스펙트럼의 일반적 특성은, 작은 증가 후 더욱 큰 주파수에서 인덕턴스가 아주 작은 값으로 매우 급격히 떨어지는 동안 인덕턴스를 나타내는 실수부(μ')는 특정 주파수 범위에서 일정하게 유지된다는 것이다. 실수부(μ')에 대해 위상이 90°벗어나고 소비를 나타내는 허수부(μ")는 실수부(μ')가 막 감소하기 시작하는 주파수에서 최대이다. 허수부(μ")가 최대인 주파수는 일반적으로 강자성 공명 주파수로서 칭해진다. 스펙트럼은 연성 페라이트 재료4A15, 4F1 및 4E1의 공명 주파수가 제각기 약 5㎒, 90㎒ 및 450㎒임을 나타낸다. 일반적으로, 연성 페라이트 재료의 강자성 공명 주파수가 높으면 높을수록, 그 비용도 높아진다.
도 6에는 세 개의 평면형 인덕터에 대한 품질 팩터(Q)와 최고 1000㎒에 이르는 주파수(㎒ 단위)간의 관계를 나타내는 그래프가 도시되어 있으며, 평면형 인덕터는 알루미늄으로 이루어지고 약 30nH의 인덕턴스를 갖는 사실상 원형 나선구조로서, 그들중 둘은 약 0.8㎜2의 표면적을 갖고 연성 페라이트 재료, 즉, 4F1(정방형으로 표시) 및 4E1(십자형으로 표시)으로 된 보디상에 제공되며, 다른 하나는 연성 페라이트 재료상에 제공된 평면형 인덕터이 비해 4배의 표면적을 갖는, 유리로 된 보디(원형으로 표시)상에 제공된다. 따라서, 비자성 재료인 유리 대신에 연성 페라이트 재료를 이용한데 기인한 품질 팩터의 배가는 연성 페라이트 재료상에 배치된 평면형 인덕터의 표면적을 75%로 감소시킴으로써 이미 상쇄된다. 인덕턴스의 정확한 값은 제각기 4F1, 4E1 및 유리에 대해 31.5nH, 28.4nH 및 33.0nH이다. 권선(turns) 수는 4F1 및 4E1의 경우에 5이고, 유리의 경우에 6이다. 또한, 권선의 폭은 4F1 및 4E1의 경우에 48㎛이고, 유리의 경우에 98.5㎛이다. 마지막으로, 권선간의 간격은 세가지 모든 경우에 5㎛이다.
도 6을 참조하면, 연성 페라이트 재료, 즉, 약 90㎒의 강자성 공명 주파수를 갖는 4F1(정방형으로 표시)와 약 450㎒의 강자성 공명 주파수를 갖는 4E1(십자형으로 표시)상에 배치된 평면형 인덕터의 품질 팩터는 약 500㎒의 주파수에 이르기까지 유리(원형으로 표시)상에 배치된 평면형 인덕터의 품질 팩터와 대략 동일함을 알 수 있다. 유리상에 배치된 평명형 인덕터의 표면적은 연성 페라이트 재료상에 배치된 평면형 인덕터의 표면적의 4배이므로, 유리 대신에 앞서 언급된 연성 페라이트 재료를 이용함으로써 품질 팩터를 거의 배가시킬 수 있음은 분명하다. 약 500㎒ 이상에서, 유리상에 배치된 평면형 인덕터의 품질 팩터는, 주파수가 연성 페라이트 재료상에 배치된 평면형 인덕터의 품질 팩터보다 증가함에 따라 훨씬 더 빠르게 떨어진다. 이것은, 약 500㎒ 이상에서, 이러한 인덕터를 이루는 권선에 의해 점유되는 더욱 큰 표면적으로 인해 더욱 큰 캐패시턴스가 유리상에 배치된 평면형 인덕터의 성능보다 우세해지기 시작한다는 사실에 기인할 수 있다. 결과적으로, 유리상에 배치된 평면형 인덕터의 품질 팩터는 약 500㎒ 이상의 주파수 범위에서 연성 페라이트 재료상에 배치된 평면형 인덕터의 품질 팩터보다 훨씬 더 작아지게 된다.
도 7에는 두 개의 평면형 인덕터에 대한 품질 팩터(Q)와 250㎒에 이르는 주파수(㎒ 단위)간의 관계를 나타내는 그래프가 도시되는데, 평면형 인덕터는 알루미늄으로 이루어진 사실상 원형의 나선구조이고, 그들중 하나는 연성 페라이트 재료, 즉, 4A15(삼각형으로 표시)로 된 보디상에 제공되고 12.0nH의 인덕턴스를 가지며, 다른 하나는 유리(원형으로 표시)로 된 보디상에 제공되고 6.1nH의 인덕턴스를 갖는다. 연성 페라이트 재료상에 배치된 평면형 인덕터의 표면적은 유리상에 배치된 평면형 인덕터의 표면적에 비해 75%로 감소되지 않았음에 주목해야 한다. 이들 두인덕터는 약 0.8㎜2의 표면적을 갖는다. 권선 수는 4A15 및 유리 모두의 경우에 3이다. 또한, 권선의 폭은 물론 권선간의 간격은 두 경우에 모두 50㎛이다.
약 200㎒에 이르기까지, 겨우 약 5㎒의 강자성 공명 주파수를 갖는 연성 페라이트 재료 4A15(삼각형으로 표시)는 유리(원형으로 표시)에 비해 대략 100퍼센트의 품질 팩터의 증가를 나타냄을 알 수 있다. 이 주파수 이상에서 품질 팩터의 증가는 주파수가 증가함에 따라 점차적으로 감소하기 시작한다.
도 6 및 7에 제공된 결과는 4A15, 4F1 및 4E1으로 표시된 연성 페라이트 재료가 제각기 약 5㎒, 90㎒ 및 450㎒의 공명 주파수 이상의 주파수, 즉, 이들 재료가 자계의 교번에 따를 수 없는 주파수에서 사용되었을 때 유리에 비해 품질 팩터가 대략 100퍼센트 증가됨을 나타낸다.
강자성 공명 주파수가 그들이 이용될 반도체 장치의 동작 주파수보다 작다면, 앞서 언급된 연성 페라이트 재료 이외에, 다른 연성 페라이트 재료가 유리하게 이용될 수 있음은 분명하다. 이용가능한 다른 연성 페라이트 재료의 예로는 1998년 "연성 페라이트"라는 명칭의 필립스 부품 데이터 핸드북 MA01에 4A11, 3S3 및 2A3으로 표시된 것들이 있다.
인덕턴스, 즉, 인덕터의 품질 팩터를 더욱 증가시키기 위해, 반도체 장치의 동작 주파수에서 약 5보다 큰 자기 투자율을 갖는 연성 페라이트 재료를 선택하는 것이 유리하다. 도 4 및 5에 제공된 데이터는 약 900㎒에서 연성 페라이트 재료 4F1 및 4E1의 자기 투자율(μ)이 제각기 약 9 및 11에 이름을 나타내며, 자기 투자율은 (실수부(μ')의 제곱)+(허수부(μ")의 제곱)의 제곱근으로서 계산된다. 연성 페라이트 재료 4F1의 값은 외삽(extrapolation)후 획득된다. 약 900㎒에서 실수부(μ')가 비교적 작은 값으로 떨어졌지만, 품질 팩터(Q)는 여전히 이 주파수에서 6과 8 사이의 값을 가지며(도 6 참조), 이것은 매우 놀라운 사실인데, 이 주파수에서 자기 투자율(μ)의 값이 허수부(μ")의 값으로 거의 완전히 결정되기 때문이다.
또한, 연성 페라이트 재료로 된 보디에 대한 저항 손실의 발생 및 인덕턴스, 즉, 인덕터의 품질 팩터의 감소를 억제하기 위해, 약 103Ωm를 초과하는 전기적 저항도를 갖는 연성 페라이트 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 약 103Ωm를 초과하는 전기적 저항도를 갖는 연성 페라이트 재료의 범주에는, 예컨대, 몇몇 MnZn-페라이트, NiZn-페라이트 및 MgZn-페라이트가 포함되며, 이들 페라이트는 스피넬-유형으로 되어 있고 일반 화학식 MexZn(1-x)Fe2O4±δ를 가지며, 이때 Me는 Mn, Ni 또는 Mg를 나타내고, x는 0과 1 사이에 놓이는, 총 Me와 Zn중 Me의 비율을 나타내며, δ는 통상 0.05.보다 작거나 같은 페라이트의 오프-스토이시오메트리를 나타낸다. 이러한 범주중에서, NiZn-페라이트 또는 MgZn-페라이트가 유리하게 선택되는데, 이들 유형의 연성 페라이트 재료가 약 103Ωm를 초과하는 저항도를 갖도록 비교적 용이하게 제조될 수 있기 때문이다.
도 1 및 2에 도시된 반도체 장치(1)의 제조시에, 접착제 층(7)에 의해 연성페라이트 재료로 된 보디(2)에 대해 반도체 요소(4), 도체 패턴(5, 6) 및 평면형 인덕터(7)를 부착시키기에 앞서, 이제부터 설명될 처리 단계들이 표준 무균실(clean-room) 환경에서 수행되며, 부착시키는 것 자체와 이러한 부착후의 처리 단계들은 이러한 환경 밖에서 최종적인 탑재를 위해 구비되는 덜 무균 공간내에서 수행되는 것이 바람직하다. 표준 무균실에는 통상 매우 고가의 침착 및 포토리소그래피 장비가 구비되며, 이 장비는 본 발명에 따른 반도체 장치의 제조시에 최종적인 탑재를 위한 공간내에 있을 필요가 없다.
도 8 및 9에는 도 1에 도시된 바와 같은 반도체 장치(1)의 제조에 있어 연속하는 단계들을 나타내는 횡단면도가 도시되며, 반도체 장치(1)는 평면형 인덕터(7), 도체 패턴(5, 6) 및 반도체 요소(4)를 갖는 표면(3)에 제공된 연성 페라이트 재료로 된 보디(2)를 가지며, 반도체 요소(4)는 반도체 재료의 소위 메사(mesa)(9)로 형성된다. 본 실시예에서, 반도체 장치(1)는 약 900㎒의 동작 주파수를 갖는 이동 전화 장치에서의 애플리케이션을 위한 수신기로서 제조된다.
제조는 반도체 재료로 된 보디(10), 본 실시예의 경우 n형 도전성을 갖는 실리콘 보디로 시작한다(도 8 참조). 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 1 측면(11)에는 반도체 요소(4), 본 실시예의 경우 n형 에미터 영역(13)과 n형 컬렉터 영역(15)을 갖는 바이폴라 트랜지스터가 제공되며, 컬렉터 영역은 베이스 영역(14) 아래에 위치된 반도체 재료로 된 보디(10)의 일부에 의해 제공된다.
예컨대, 실리콘 산화물로 구성된 절연층(16)은 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 1 측면(11)에 제공되며, 이 절연층(167)내에 윈도우(17, 18, 19, 20)가 에칭된다. 절연층(16)상과 윈도우(17, 18, 19, 20)내에 도전 재료층이 침착되며, 도전 재료층은 도체 패턴(5, 6)을 형성하도록 통상의 방법으로 에칭된다. 이와 관련해서 알루미늄, 텅스텐, 구리 또는 몰리브덴이나 금속의 조합이 이용될 수 있다. 이러한 금속은 접착제층 및/또는 장벽 층으로서 작용하는 층의 상부에 도포되는 것이 유리하다. 이와 관련해서 티타늄(Ti)이 접착층으로서 도포되며, 장벽층으로서 티타늄 질화물(TiN) 또는 티타늄 텅스텐(TiW)이 도포된다. 평면형 인덕터(7), 본 실시예의 경우 약 0.8㎜2의 표면적을 갖는 사실상 원형 나선구조가, 예컨대, 알루미늄, 구리, 은 또는 금을 포함하는 다른 도전 재료층으로 형성될 수 있지만, 도체 패턴(5, 6)과 동일한 도전 재료층에 형성되는 것이 유리한데, 이것은 이후 부가의 처리 단계가 필요없기 때문이다. 이 경우에 순수 또는 몇 퍼센트의 실리콘 및/또는 구리를 갖는 합금으로서 알루미늄이 도포되는 것이 유리하다. 평면형 인덕터(7)는 권선(21), 본 실시예의 경우 약 5㎛만큼 이격되고 약 50㎛의 폭을 갖는 5개의 권선(21)을 포함하며, 단부(22)는 반도체 재료로 된 보디(10)상에서 윈도우(20)내에 위치된다. 도체(5)는 반도체 재료로 된 보디(10)상의 윈도우(17)내에 위치된 컨택트부(23)를 포함한다.
평면형 인덕터(7), 도체 패턴(5, 6) 및 반도체 요소(4)가 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 1 측면(11)에 형성된 후, 예컨대, 실리콘 산화물로 구성된 또 다른 절연층(24)이 도포되며, 이 절연층(24) 위에서 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 1 측면(11)이 접착제 층(8)에 의해 연성 페라이트 재료로 구성된 보디(2)에 대해 부착되는데, 접착제 층(8)은, 예컨대, 에폭시 또는 아크릴레이트 접착제일 수 있다(도 9 참조). 본 실시예에서, 연성 페라이트 재료는 4E1으로 선택되며, 이것은 약 450㎒의 강자성 공명 주파수, 약 900㎒의 반도체 장치(1) 동작 주파수에서 약 11의 자기 투자율 및 약 105Ωm의 전기적 저항도를 갖는 NiZn-페라이트이다. 이상의 설명으로부터, 강자성 공명 주파수가 반도체 장치, 본 실시예의 경우 이동 전화 장치에서의 애플리케이션을 위한 약 900㎒의 동작 주파수를 갖는 수신기의 동작 주파수보다 작다면 다른 연성 페라이트 재료가 또한 이용가능함은 명백하다.
그리고 나서, 반도체 재료로 된 보디(10)의 반대되는 제 2 측면(12)에 대해 도 1에 도시된 바와 같은 반도체 요소(4)의 영역을 제외하고 반도체 재료가 제거될 때까지 재료 제거 처리를 실시한다. 이것은 제 2 측면(12)에 있는 반도체 재료로 된 보디(10)에 반도체 요소(4)의 영역에 있는 에칭 마스크(25)를 제공함으로써 성취될 수 있는데, 에칭 마스크(25)는, 예컨대, 실리콘 질화물층을 침착 및 에칭한 후, 노출된 반도체 재료, 본 실시예의 경우 실리콘을, 본 실시예의 경우 실리콘 산화물로 구성된 절연층(16)이 노출될 때까지 KOH를 이용해 에칭에 의해 제거함으로써 형성될 수 있다. 에칭은 절연층(16)에서 자동으로 정지한다. 이와 같이 하여 반도체 재료로 된 보디(10)중에서 반도체 재료로 된 메사(9)만이 도 1에 도시된 바와 같은 반도체 요소(4)의 영역에 남게 된다.
에칭이 비교적 저속으로 수행됨에 따라, 보디(10)의 반도체 재료 제거는 에칭 마스크(25)를 도포(그 결과가 실제로 도 9에 도시됨)하기 전에 그의 두께 부분위로 반도체 재료로 된 보디(10)를 마스크없이 제거한 후 노출된 반도체 재료를 에칭함으로써 유리하게 가속된다. 이러한 마스크없는 제거는 화학 기계적 연마에 의해 유리하게 수행될 수 있다.
모든 경우에, 보디(10)의 반도체 재료는 평면형 인덕터(7)의 영역에서 제거되며, 이것은 평면형 인덕터(7)의 품질 팩터에 유리하게 영향을 준다.
반도체 재료의 에칭 동안에, 윈도우(20)내에 위치된 단부(22)의 도전 재료와 윈도우(17)내에 위치된 컨택트부(23)의 도전 재료를 보호하기 위해, 도체 패턴(5, 6) 및 평면형 인덕터(7)의 권선(21)이 형성되기 전에 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 1 측면(11)에 실리콘 질화물층(도시되지 않음)을 도포하는 것이 유리하다. 이러한 실리콘 질화물층은 분명히 외부 접촉을 목적으로 평면형 인덕터(7)의 단부(22)와 도체(5)의 컨택트부(23)를 노출시키도록 보디(10)의 반도체 재료 제거 후에 제거되어야 한다.
도 10 내지 12에는 도 2에 도시된 바와 같은 반도체 장치(1)의 제조에 있어 연속하는 단계들을 나타내는 횡단면도가 도시되어 있으며, 반도체 장치(1)는 연성 페라이트 재료로 된 보디(2)를 갖고, 보디(2)의 표면(3)에는 평면형 인덕터(7), 도체 패턴(5, 6) 및 반도체 요소(4)가 제공되며, 반도체 요소(4)는 반도체 재료로 된 절연된 아일랜드(26)에 형성된다. 본 실시예에서, 반도체 장치(1)는 약 450㎒의 동작 주파수를 갖는 텔레비전 장치에서의 애플리케이션을 위한 수신기로서 제조된다.
제조는 반도체 재료로 된 보디(10), 본 실시예에서 실리콘 보디로 시작하며(도 10 참조), 보디(10)의 제 1 측면(11)에는 절연층(27), 본 실시예의 경우 약 0.4㎛의 두께를 갖는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 구성된 층이 제공되며, 절연층(27)은 반도체 재료로 된 층(28), 본 실시예의 경우 약 2㎛의 두께를 갖는 n형 도전성의 실리콘층으로 커버된다. 본 실시예에서, 반도체 재료로 된 층(28)은 또한 약 1㎛의 두께를 갖는 비교적 강하게 도핑된 제 1 실리콘 서브층(29)의 상부에 약 1㎛의 두께를 갖는 비교적 약하게 도핑된 제 2 실리콘 서브층(30)을 포함하는 이중층으로서 도포된다. 공개된 특허 출원 WO 96/16443에는 앞서 설명된 것과 유사한 복합 구조물을 제조하는 방법이 기술되어 있다. 또한, 공개된 특허 출원 WO 96/20497에는 앞서 언급된 절연층(27) 대신에 불활성 특성은 물론 절연 특성을 갖는 이중- 또는 다중-층의 이용이 기술되어 있다.
다음 단계에서, 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 1 측면(11)에 반도체 요소(4), 도체 패턴(5, 6) 및 평면형 인덕터(7)가 제공되며, 이들은 모두 반도체 재료로 된 층(28)상에 형성될 수 있다. 그러나, 평면형 인덕터(7)의 성능에 대한 층(28)의 반도체 재료의 악영향을 피하기 위해, 반도체 재료의 층(28)에 반도체 요소(4)가 제공된 반도체 재료의 앞서 언급된 절연된 아일랜드(26)를 형성하고, 이러한 절연된 아일랜드(26)에 부가하여 절연층(27)상에 직접 평면형 인덕터(7)를 형성하는 것이 바람직하다(도 11 참조). 반도체 재료의 절연된 아일랜드(26)는, 예컨대, 에칭에 의해 아일랜드(26) 근방의 반도체 재료의 층(28)을 제거함으로써 또는 아일랜드(26) 근방의 반도체 재료의 층(28)을 절연 재료, 본 실시예의 경우 예컨대 실리콘 산화물로 변환함으로써 형성될 수 있다. 반도체 요소(4)의 마련은 반도체재료의 절연된 아일랜드(26) 형성 후 또는 전에 수행될 수 있음에 주목하자.
이와 같이해서, 반도체 재료의 절연된 아일랜드(26)는 반도체 요소(4), 본 실시예의 경우 n형 에미터 영역(13), p형 베이스 영역(14) 및 n형 컬렉터 영역(15)을 갖는 바이폴라 트랜지스터가 제공되도록 형성되는데, 컬렉터 영역은 베이스 영역(14) 아래에 위치된 반도체 재료의 층(28)의 일부에 의해 제공된다. 반도체 재료의 절연된 아일랜드(26)에는 계속해서, 예컨대, 실리콘 산화물로 구성된 또 다른 절연층(31)이 제공되는데, 또 다른 절연층(31)에는 에미터 영역(13)과 베이스 영역(14)에 대한 접촉을 위해 제각기 윈도우(32, 33)가 형성된다.
계속해서, 절연층(27) 및 또 다른 절연층(31)상에 그리고 윈도우(32, 33)내에 도전 재료층이 침착되며, 이러한 도전 재료층은 도체 패턴(5, 6)을 형성하도록 에칭된다. 이와 관련해, 알루미늄, 텅스텐, 구리 또는 몰리브덴이나 금속의 조합이 이용될 수 있다. 이러한 금속은 접착제층 및/또는 장벽층으로서 작용하는 층의 상부에 도포되는 것이 유리하다. 이와 관련해, 티타늄(Ti)이 접착제층으로서 도포될 수 있으며, 티타늄 질화물(TiN) 또는 티타늄 텅스텐(TiW)이 장벽층으로서 도포될 수 있다. 평면형 인덕터(7), 본 실시예의 경우 약 0.8㎜2의 표면적을 갖는 사실상 원형 나선구조가, 예컨대, 알루미늄, 구리, 은 또는 금을 포함하는 다른 도전 재료 층에 형성될 수 있지만, 도체 패턴(5, 6)과 동일한 도전 재료 층에 형성되는 것이 유리하며, 이것은 부가의 처리 단계가 이후 필요치 않기 때문이다. 이 경우에 순수 또는 몇 퍼센트의 실리콘 및/또는 구리를 갖는 합금의 알루미늄이 도포되는 것이 유리하다. 평면형 인덕터(7)는 권선(21), 본 실시예의 경우 약 5㎛로 이격되고 약 50㎛의 폭을 갖는 5개의 권선(21)과 단부(22)를 포함한다.
평면형 인덕터(7), 도체 패턴(5, 6) 및 반도체 요소(4)가 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 1 측면(11)에 형성된 후, 예컨대, 실리콘 산화물로 구성된 다른 절연층(34)이 도포되며, 이 절연층(34)내에 평면형 인덕터(7)의 단부(22)가 도체(36)에 접속될 수 있는 윈도우(35)가 형성된다. 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 1 측면(11)은 접착제 층(8)에 의해 연성 페라이트 재료로 구성된 보디(2)에 부착되며, 접착제 층(8)은, 예컨대, 에폭시 또는 아크릴레이트 접착제일 수 있다(도 12 참조). 본 실시예에서, 연성 페라이트 재료는 4F1으로 선택되며, 이것은 약 90㎒의 강자성 공명 주파수, 약 450㎒의 반도체 장치(1)의 동작 주파수에서 약 25의 자기 투자율 및 약 105Ωm의 전기적 저항도를 갖는 NiZn-페라이트이다. 이상의 설명으로부터, 강자성 공명 주파수가 본 실시예의 경우 텔레비전 장치에서의 애플리케이션을 위한 약 450㎒의 동작 주파수를 갖는 수신기인 반도체 장치의 동작 주파수보다 작다면 다른 연성 페라이트 재료가 또한 이용가능함은 명백하다.
그리고 나서, 반도체 재료로 된 보디(10)의 반대되는 제 2 측면(12)에 대해 적어도 평면형 인덕터(7)의 영역에서 반도체 재료가 제거될 때까지 재료 제거 처리가 실시된다. 이것은 제 2 측면(12)에 있는 반도체 재료로 된 보디(27)에 에칭 마스크(도시되지 않음)를 제공함으로써 성취될 수 있는데, 에칭 마스크는 적어도 평면형 인덕터(7) 영역을 노출시키며, 그후 노출된 반도체 재료, 본 실시예의 경우실리콘을, 본 실시예의 경우 실리콘 산화물로 구성된 절연층(27)이 노출될 때까지 KOH 용액을 이용해 에칭함으로써 제거한다. 에칭은 절연층(27)에 도달되는 순간 자동으로 정지한다. 보디(10)의 반도체 재료의 제거는 앞서 언급된 에칭 마스크를 도포하기 전에, 예컨대, 화학-기계적 연마에 의해 그의 두께 부분 위로 반도체 재료의 보디(10)를 마스크없이 제거한 후 노출된 반도체 재료를 에칭함으로써 가속될 수 있다.
그러나, 반도체 요소(4)의 성능에 대한 보디(10)의 반도체 재료의 악영향을 피하기 위해, 앞서 언급된 재료 제거 처리 동안에 반도체 재료로 된 전체 보디(10)를 제거하는 것이 바람직하다. 이를 성취하기 위해, 반도체 재료로 된 보디(10)의 제 2 측면(12)은 절연층(27)이 수 ㎛ 이내에 도달할 때까지 화학-기계적 연마 처리한 후, KOH의 에칭 용액을 이용해서 절연층(27)을 노출시키는데, 이 때 절연층(27)은 정지층(a stopping layer)으로서 작용한다.
모든 경우에, 평면형 인덕터(7)의 영역에서 보디(10)의 반도체 재료가 제거되며, 이것은 평면형 인덕터(7)의 품질 팩터에 유리하게 영향을 준다.
본 발명은 이상 설명된 실시예들에 제한되지 않으며, 당분야에 숙련된 자라면 본 발명의 범주내에서 다수의 변형이 가능함은 명백하다. 예컨대, 4A15, 4F1 및 4E1으로 표시된 연성 페라이트 재료 이외에, 반도체 장치의 동작 주파수보다 작은 강자성 공명 주파수를 갖는다면 다른 연성 페라이트 재료가 본 발명에 따른 반도체 장치에서 유리하게 이용될 수 있다. 이용가능한 다른 연성 페라이트 재료의 예로는 "연성 페라이트"라는 명칭의 필립스 부품 데이터 핸드북 MA01(1998)에서4A11, 3S3 및 2A3으로 표시된 것들이 있다.

Claims (8)

  1. 연성 페라이트 재료로 구성된 보디를 포함하는 50㎒를 초과하는 동작 주파수를 갖는 반도체 장치에 있어서, 상기 보디는 반도체 요소, 도체 패턴 및 수동 요소가 부착되는 표면을 갖고, 상기 수동 요소는 인덕터와 같이 형성되며, 상기 연성 페라이트 재료는 상기 반도체 장치의 동작 주파수보다 작은 강자성 공명 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연성 페라이트 재료는 상기 반도체 장치의 동작 주파수에서 약 5보다 큰 자기 투자율을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연성 페라이트 재료는 약 103Ωm보다 큰 전기적 저항도를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 연성 페라이트 재료는 NiZn-페라이트 또는 MgZn-페라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인덕터는 사실상 평면형인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인덕터는 사실상 원형 나선구조(a substantially circular spiral)의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인덕터는 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 요소, 상기 도체 패턴 및 상기 수동 요소는 접착제 층에 의해 상기 연성 페라이트 재료로 구성된 보디의 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
KR1020007014490A 1999-04-23 2000-04-13 연성 페라이트 재료로 이루어진 보디를 포함하는 50㎒보다큰 동작 주파수를 갖는 반도체 장치 Withdrawn KR20010071544A (ko)

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