面向甚高频片上功率电源的磁芯膜功率电感研究

Power supply on chip (PwSoC) is one the most important research areas in the era of ‘More than Moore’ according to International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). PwSoC is critical to improve the performance and efficiency of portable devices, computers and network servers. In current project, based on our previous research work on naogranular magnetic films, we propose to study pattered multilayered magnetic core films with high permeability and high resistivity. We will focus on several important issues, including the competition between the magnetic shape anisotropy and the induced anisotropy and the thermal stability of the uniaxial anisotropy. In order to increase the saturation current characteristics of coupled inductors, we will design and fabricate “pseudo isotropic” magnetic close-loop core, and then study the relationships among the shape, the induced anisotropy, permeability and coupling factor in pattered magnetic cores, and reveal the impacts of domains and domain walls on the magnetic dynamics. Moreover, we will develop [Cu/NiFeCu]n multilayered coils with near zero permeability to break the thickness limit due to high frequency eddy current, and dramatically increase the current density of on-chip power inductor. Finally, the developed nanogranular magnetic core, magnetic close-loop core structure and multilayered coils will be incorporated into solenoid on-chip power inductors to verify the material properties and our design methods. All these efforts will ultimately lead us towards on-chip thin film inductors with power efficiency larger than 95%, and lay a solid foundation for very high frequency power supply on chip.

在“超越摩尔定律”时代，片上电源是国际半导体技术蓝图一个极其重要的研究方向，对于提升便携式电子产品、计算机和网络服务器的效能，降低功耗具有非常重要的意义。本项目瞄准动态电压频率调节器中的核心器件—片上功率电感，拟在前期磁性纳米复合膜的工作基础上，开展图形化多层膜的制备和研究工作，克服磁形状各向异性与诱导各向异性的竞争，解决各向异性温度稳定性问题。在此基础，设计“准各向同性”闭合磁路，研究尺寸参数、各向异性场与有效磁导率、耦合系数之间的关系，揭示磁畴和畴壁对于磁化动力学的影响机理，提高耦合电感的饱和电流特性。接着，发展近零磁导率的[Cu/NiFeCu]绕组线圈及其交替电镀工艺，突破高频涡流损耗对于线圈厚度的限制，大幅提高大电流供电能力。最后，将以上磁芯膜、磁路结构和绕组线圈应用于硅集螺线管型电感中，验证材料性能和设计方法，突破磁芯膜电感的功率效率瓶颈，为带动和实现甚高频片上电源系统打下基础。

本项目瞄准动态电压频率调节器中的核心器件—片上功率电感，通过图形化纳米磁芯膜、二维闭合磁路结构和人工低损导体的制备和研究，力图将功率电感的效率提升至95%以上，为片上功率电源的发展打下基础。首先，我们制备了FeCoTiO纳米复合颗粒膜，详细研究了不同诱导各向异性制备方法对于磁芯膜高频损耗的影响，实验表明：前者在15-1200 Oe原位偏置磁场范围内都可以诱导出相近的单轴各向异性，阻尼因子变化不大；后者诱导的各向异性随着倾斜角度的增加而增大，尽管矫顽力大于前者，但在合适的倾斜角度下可以获得更低的阻尼因子，因此在200MHz-2GHz应用范围内具有更低的磁损耗。FeCoTiO磁膜的最佳退火温度为200 ℃，磁心的矫顽力，有效阻尼系数均得到了有效降低。然而，图形化FeCoTiO/SiO2多层膜相对于单层连续膜性能有所恶化。其次，我们严格从磁阻理论出发，建立了“准各向异性”拼接型闭合磁路的二维磁路模型，优化了双相耦合电感的设计。同时，采用嵌入式线圈新工艺，大幅降低直流电阻至22mohm，最终成功将片上电感的Q值提高到23，饱和电流提高到1.87A，器件在相电流0.3-1.6A范围的效率都在95.8%以上。该工作对于平面或低维感性器件的设计理论，以及推动全集成电压调节器的应用具有重要的意义。最后，我们通过优化配方和改变沉积电位，实现了在一个电镀槽内用一种电镀液交替电化学沉积Cu/CoxCu1-x多层膜，具有共振型磁谱和负磁导率，从而科研补偿Cu的正磁导率。利用这种近零磁导率人工导体，制备了硅基共面波导，实现了7-13GHz涡流损耗抑制，尤其是在10GHz采用Cu/CoCu多层膜的共面波导较纯铜共面波导的电阻降低了82%。我们还进一步提出一种非对称结构人工导体材料设计思想，采用两种具有不同饱和磁化强度的金属磁材的负磁导率补偿铜的正磁导率。基于这一思想，我们成功将趋肤效应抑制带宽提升至7.5-30 GHz频段，从而可以在极宽的频率范围满足5G时代射频器件对低损耗导体的迫切需求。