インダクタ、半導体集積回路装置、及び、電子回路装置
【課題】 インダクタ、半導体集積回路装置、及び、電子回路装置に関し、強磁性共鳴状態を広帯域化することによって、所望のインダクタンスＬを有する微小インダクタを構成する。
【解決手段】 主線状インダクタ要素と、主線状インダクタ要素と強磁性共鳴特性が異なる少なくとも１つの副線状インダクタ要素とを一部において接合させる。
【解決手段】 主線状インダクタ要素と、主線状インダクタ要素と強磁性共鳴特性が異なる少なくとも１つの副線状インダクタ要素とを一部において接合させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインダクタ、半導体集積回路装置、及び、電子回路装置に関するものであり、特に、小さなサイズで広い帯域で大きなインダクタンスを持たせるための構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気回路・電子回路を構築する場合に、基本構成部品となるのは抵抗Ｒ、コンデンサＣ、及び、コイルＬである。これらの基本構成部品と能動素子や受動素子を組み合わせることによって、様々な機能を有する半導体集積回路装置をはじめとする電子装置が出来る。また、能動素子或いは受動素子の内部にもこれらの基本構成部品が何らかの形で含まれている。
【０００３】
この内、抵抗成分Ｒは損失を与える成分であるため、高周波領域ではあまり用いられない。このような高周波領域で機能する素子では挿入損失を抑制するためにインピーダンス整合が必要となり、インピーダンス整合は容量成分Ｃとインダクタンス成分Ｌとでバランスを取っている。また、発振素子や復調回路は容量成分Ｃとインダクタンス成分Ｌとの組合せで構成されることが多い。
【０００４】
近年の素子の多機能化や集積度の向上につれて、各構成部品のサイズも小さくなるため、実効的な抵抗成分Ｒ、容量成分Ｃ、或いは、インダクタンス成分Ｌも小さくなる。特に、インダクタンス成分Ｌの低下が著しい。
【０００５】
容量成分は半導体技術を用いることによってある程度低下を抑制することは可能であるが、インダクタンス成分Ｌの低下を抑制することは困難である。したがって、インピーダンス整合における容量成分Ｃとインダクタンス成分Ｌとのバランスが崩れるので、様々な機能性素子を作製する際に困難が生じている。
【０００６】
加えて、携帯電話などの無線情報通信が飛躍的に広がり、高周波領域で広帯域な通信技術や素子を切望する声が大きい。このような要請に答えるためには、小さなサイズで広帯域において大きなインダクタンス成分Ｌを出力する材料や素子が必要不可欠である。
【０００７】
同じサイズで大きなインダクタンスＬを実現するためには、大きな透磁率（絶対値）を有する材料、例えば、強磁性体等の磁性体を用いることが試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
このような磁性細線に外部磁場を印加した状態で高周波信号を入力すると強磁性共鳴が励起され、強磁性共鳴が励起されると磁気モーメントが激しく歳差運動することが知られている（例えば、非特許文献１乃至非特許文献３参照）。強磁性共鳴は強磁性材料内の有効磁場によって決定される。この有効磁場を構成する要因としては、
（１）結晶磁気異方性
（２）反磁場
（３）交換磁場
（４）外部磁場
などが挙げられる。
【０００９】
したがって、小さなサイズで大きなインダクタンスＬを実現するためには、広帯域で大きな透磁率を有する物質を探索して、その物質によりインダクタを構成すれば良いことになる。
【特許文献１】特開２００４−３２７７５５号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．９０，１８２５０７
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．９０，２１２５０５
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．９１，１３２５０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、強磁性共鳴は、特定の周波数でのみ起こり、広帯域とはいえず、したがって、単に強磁性共鳴を用いても広帯域で大きなインダクタンスＬを実現することができないという問題がある。
【００１１】
図１７は、強磁性共鳴周波数の静外部磁場依存性及び強磁性細線の線幅依存性の説明図であり、強磁性共鳴が特定の周波数でのみ起こっていることが分かる。なお、印加する静外部磁場が大きいほど共鳴周波数は高くなり、また、線幅が細いほど共鳴周波数が高くなる。
【００１２】
したがって、本発明は、強磁性共鳴状態を広帯域化することによって、所望のインダクタンスＬを有する微小インダクタを構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、（１）本発明は、インダクタにおいて、主線状インダクタ要素と、主線状インダクタ要素と強磁性共鳴特性が異なる少なくとも１つの副線状インダクタ要素とを一部において接合させる。
【００１４】
このように、互いに強磁性共鳴特性が異なった線状インダクタ要素を組み合わせることにより、強磁性共鳴状態を広帯域化することができ、それによって、所望のインダクタンスＬを有する微小インダクタを構成することが可能になる。なお、「主線状インダクタ要素」とは、電流の流れる方向に沿って延在する線状インダクタ要素を意味する。
【００１５】
（２）また、本発明は、上記（１）において、副線状インダクタ要素が複数個であり、複数個の副線状インダクタ要素と主線状インダクタ要素とを一点において交差させる。
【００１６】
このように、複数個の副線状インダクタ要素と主線状インダクタ要素とを一点において交差させることによって、より広帯域化が可能になる。但し、交差点は拡大した面状になりやすいので、パターニングの際に注意を要する。
【００１７】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素を、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素を構成する材料より低抵抗率の導電体層を介して絶縁層上に配置する。
【００１８】
一般に、強磁性体は高抵抗であるので高周波領域においては損失を与える成分となるので、低抵抗率の導電体層、例えば、銅層の上に積層することによって、合成抵抗は強磁性体と導電体層との並列接続抵抗となり、低抵抗化が可能になる。
【００１９】
（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素に対して所定の面内方向に磁場を印加する磁石を設ける。
【００２０】
このように、静外部磁場を印加する手段として所定の面内方向に磁場を印加する磁石を用いると、強磁性共鳴周波数の外部磁場方向依存性を利用することができ、同じ形状でも任意の帯域特性を得ることができる。なお、無磁場の場合でも、異なった形状の線状インダクタ要素を組み合わせることによって広帯域化が可能である。
【００２１】
（５）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素の主面を硬磁性膜と接するようにして、所定の方向に磁場を印加する。
【００２２】
このように、静外部磁場を印加する手段として硬磁性膜、即ち、ハードバイアス膜を用いることによって、磁石を用いた場合に比べて印加磁場の広がりを気にすることなく所定の方向へ磁場を印加することが可能になる。なお、この硬磁性膜は線状インダクタンス要素の下に設けても良いし或いは上に設けても良い。
【００２３】
（６）また、本発明は、上記（１）乃至（５）のいずれかにおいて、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素を、軟磁性材料で構成する。
【００２４】
このように、線状インダクタ要素を、結晶磁気異方性が非常に小さな軟磁性材料、典型的にはＮｉＦｅ合金、即ち、パーマロイを用いることによって、形状磁気異方性によって、即ち、線状インダクタ要素の形状によって強磁性共鳴状態を制御することが容易になり、所望の広帯域特性を得ることが可能になる。
【００２５】
（７）また、本発明は、半導体集積回路装置において、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のインダクタを回路要素として設ける。
（８）また、本発明は、電子回路装置において、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のインダクタを回路要素として設ける。
【００２６】
このように、半導体集積回路装置或いは電子回路装置において、上記のインダクタを回路要素として設けることによって、多機能素子や高集積化素子におけるインピーダンス整合をバランス良く実現することが可能になる。なお、「半導体集積回路装置」とはＳｉ超高集積回路装置或いはＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路装置）を含むものであり、また、「電子回路装置」とは強誘電体光デバイスや、発振回路装置或いは復調回路装置等を含むものである。
【発明の効果】
【００２７】
開示のインダクタによれば、形状制御、即ち、トポロジカル構造制御によって、インダクタのインダクタンスＬ及び帯域を制御することが可能となり、それによって、半導体チップ内電子回路や高周波微小電気回路におけるインダクタの設計ルールを大幅に拡張することが可能になる。ひいては、新しい機能性素子や情報通信製品の基盤技術の構築に寄与するところが大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ここで、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態の微小インダクタの概念的構成図であり、基本的には信号ライン、即ち、主線状インダクタ要素に、強磁性共鳴特性が異なる互いに形状の異なった付随細線、即ち、副線状インダクタ要素を集合させたものである。
【００２９】
図１（ａ）乃至（ｄ）は、主線状インダクタ要素１０に対して互いに異なった形状の副線状インダクタ要素１１１乃至１１１０を集合させたインダクタを示している。上述のように、パーマロイは結晶磁気異方性が非常に小さいので、図１（ｂ）乃至（ｄ）に示すように形状、即ち、線幅によって強磁性共鳴周波数を制御することができる。また、静外部磁場の方向が一定である場合には、図１（ｄ）に示すように副線状インダクタ要素の交差方向によって強磁性共鳴周波数を制御することができる。
【００３０】
このような集合化インンダクタにおいて、静外部磁場を印加した状態で信号ラインに高周波電流を流すと、互いに特定の周波数において強磁性共鳴状態が励起されて直流電圧Ｖ（ｔ）〔＝Ｉ（ｔ）×Ｒ（ｔ）〕が発生する（例えば、上述の非特許文献１参照）。したがって、集合化インダクタの強磁性共鳴の帯域特性は、理想的には主線状インダクタ要素と副線状インダクタ要素の強磁性共鳴周波数の重ね合わせ特性として表されることになる。
【００３１】
図２は、出力電圧の周波数帯域特性の説明図であり、図における（ａ）は上述の図１（ａ）に示したパーマロイによるＴ字型細線インダクタの周波数帯域特性であり、（ｂ）乃至（ｄ）はそれぞれ、線幅が３００ｎｍ、６５０ｎｍ、及び、５０００ｎｍのパーマロイによる直線型インダクタの周波数帯域特性である。なお、ここでは、５００〔Ｏｅ〕の静外部磁場を印加した場合の特性を示している。
【００３２】
図から明らかなように、直線型インダクタの周波数帯域特性は極めて狭帯域であるのに対して、Ｔ字型細線インダクタの周波数帯域特性は広がっているのが分かる。なお、図２の（ｂ）乃至（ｄ）からは、線幅が細いほど周波数が高いことが分かる。
【００３３】
このように、形状或いは延在方向の異なる複数の線状インダクタ要素を集合させてインダクタを構成することによって、強磁性共鳴状態の広帯域化が可能となる。また、各線状インダクタ要素のいずれかが設計する素子の稼働する周波数帯域で強磁性共鳴状態となっているため、透磁率が非常に大きく、したがって、大きなインダクタンスを実現することができる。
【００３４】
次に、図３乃至図５を参照して、強磁性共鳴状態の線幅依存性、外部磁場強度依存性、及び、外部磁場方向依存性について詳細に検討する。図３（ａ）は実験試料系の概略的平面図であり、コプレーナ伝送路の信号ライン上に厚さ２２ｎｍ、幅２μｍ、長さ１００μｍのＮｉ８１Ｆｅ１９からなる線状インダクタを設けたものである。また、外部磁場Ｈｅｘｔは、線状インダクタの延在方向に対してθの角度で線状インダクタの面内方向に印加する。図３（ｂ）は測定系の回路構成図であり、線状インダクタの両端に発生する直流電圧Ｖ０を測定する。
【００３５】
また、図３（ｃ）は、測定座標系の説明図であり、角度θで外部磁場Ｈｅｘｔが印加された状態で、線状インダクタの内部においてその延在方向に対して角度ψで磁気モーメントｍ０が歳差運動する。なお、ｘは信号ライン方向、ｙは線幅方向、ｚは膜厚方向を示しており、ａ，ｂ，ｃは、磁気モーメントｍ０を中心にした変換座標系である。
【００３６】
この様な系で、磁気モーメントが一様歳差運動をすると仮定すると、共鳴周波数ωk は、下記の式で表される。
ωｋ2 ＝γ０2×Ｈ′ｃ×Ｈ′ｂ
Ｈ′ｂ＝Ｈｅｘｔｃｏｓ（θ−Ψ）＋Ｍｓ（Ｎｙ −Ｎｘ）ｃｏｓ２Ψ
Ｈ′ｃ＝Ｈｅｘｔｃｏｓ（θ−Ψ）＋Ｍｓ〔Ｎｚ−（Ｎｘｃｏｓ2 Ψ＋Ｎｙｓｉｎ2 Ψ）〕
Ｈ′ｅｆｆ＝Ｈｅｘｔｓｉｎ（θ−Ψ）−〔Ｍｓ（Ｎｘ−Ｎｙ）ｓｉｎ２Ψ〕／２
但し、γ０は磁気回転比であり、Ｈ′ｂはｂ方向の形状磁気異方性磁場であり、Ｈ′ｃはｃ方向の形状磁気異方性磁場であり、Ｈ′ｅｆｆは有効磁場である。また、Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚはそれぞれ、ｘ，ｙ，ｚ方向における反磁場係数を表す。
【００３７】
図４は測定結果の説明図である。図４（ａ）は、θ＝３０°の場合の強磁性共鳴の発生状況の説明図であり、確かに強磁性共鳴は励起して線状インダクタの両端に直流電圧Ｖ０を発生させていることが確認された。また、印加する外部磁場が大きいほど強磁性共鳴が励起される周波数が高くなることが分かる。
【００３８】
図４（ｂ）は、強磁性共鳴周波数の外部磁場依存性をグラフ化したものであり、図における実線はθ＝Ψの場合の理論曲線である。図から明らかなように、強磁性共鳴周波数は印加する外部磁場が大きいほど高くなっており、また、理論曲線からの乖離も少ない。
【００３９】
図４（ｃ）及び図４（ｄ）は、それぞれＨｅｘｔ＝９００〔Ｏｅ〕及びＨｅｘｔ＝３０〔Ｏｅ〕の場合の直流電圧Ｖ０の外部磁場印加角度θ依存性を示す図である。外部磁場が大きな場合には直流電圧Ｖ０の外部磁場印加角度θ依存性が明瞭であるが、外部磁場強度小さい場合には外部磁場印加角度θ依存性は明らかではない。
【００４０】
図５は、以上の結果から、強磁性共鳴周波数及び直流電圧Ｖ０のピークツーピークの値ΔＶ０の外部磁場印加角度θ依存性を纏めた図である。なお、各図における曲線は理論曲線である。また、○はＨｅｘｔ＝９００〔Ｏｅ〕の場合を、△はＨｅｘｔ＝３０〔Ｏｅ〕の場合を表している。
【００４１】
図５（ａ）は強磁性共鳴周波数の外部磁場印加角度θ依存性を示す図であり、外部磁場が大きな場合には、理論曲線に沿った明瞭な外部磁場印加角度θ依存性を示しており、θ＝０°とθ＝９０°の場合とで、約４ＧＨｚの差があることが分かる。一方、外部磁場が小さな場合には、それほど明瞭な外部磁場印加角度θ依存性を示していない。
【００４２】
このことから、印加する外部磁場が形状磁気異方性磁場よりも充分に小さいときには角度依存性を有していないが、印加する外部磁場が形状磁気異方性磁場よりも大きくなると、外部磁場と形状磁気異方性磁場から形成される有効磁場Ｈ′ｅｆｆによって強磁性共鳴周波数が角度依存性を有することになることが分かる。
【００４３】
図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれＨｅｘｔ＝９００〔Ｏｅ〕及びＨｅｘｔ＝３０〔Ｏｅ〕の場合のΔＶ０の外部磁場印加角度θ依存性を示す図であり、いずれの場合にも理論曲線との良好な一致が見られる。
【００４４】
以上の結果から、インダクタをＴ字型或いは十字型のように２つの線状インダクタを集合化したインダクタとすることによって、２つの共鳴周波数を有することができる、また、さらに多くの線状インダクタを集合化することによって、多くの共鳴周波数を有し、その結果、広帯域において強磁性共鳴が励起されることになる。
【００４５】
また、図６（ａ）に示すように、主線状インダクタ要素１０及び副線状インダクタ要素１１を主線状インダクタ要素１０及び副線状インダクタ要素１１より低抵抗率の導電体層、典型的には、Ｃｕ下地層１２の上に設けても良い。即ち、主線状インダクタ要素１０及び副線状インダクタ要素１１は抵抗の大きなパーマロイからなるため、損失や信号遅延が大きくなるが、このインダクタに対して低抵抗のＣｕ下地層１２を並列接続した構成にすることによって、合成抵抗Ｒは低抵抗になる。なお、合成抵抗Ｒは、インダクタの抵抗をＲｐｙ、Ｃｕ下地層１２の抵抗をＲＣｕとすると、
Ｒ＝（Ｒｐｙ×ＲＣｕ）／（Ｒｐｙ＋ＲＣｕ）
となる。
【００４６】
或いは、図６（ｂ）或いは（ｃ）に示すように、主線状インダクタ要素１０及び副線状インダクタ要素１１の下側或いは上側にＣｏＣｒＰｔ等のハードバイアス膜１３を設けても良い。このハードバイアス膜１３の成膜時に所定の方向の磁場を印加しておくことによって、静外部磁場を発生することができる。
【００４７】
なお、強磁性体としては、結晶磁気異方性の非常に小さなパーマロイ、即ち、ＮｉＦｅ合金が望ましいが、ＣｏＦｅやＣｏＮｉＦｅ、或いは、ＣｏＦｅＢ等の他の軟磁性体を用いても良い。
【実施例１】
【００４８】
以上を前提として、次に、本発明の実施例１の微小インダクタを説明する。図７は本発明の実施例１の微小インダクタの説明図であり、図７（ａ）乃至（ｄ）は４つのタイプの微小インダクタの平面図であり、また、図７（ｅ）は試料測定系の説明図である。
【００４９】
図７（ａ）乃至（ｄ）に示す各試料Ｉ乃至Ｆは、それぞれ線幅５μｍ、膜厚３０ｎｍ、長さ２００μｍのパーマロイからなる線状インダクタ要素を複数本交差させて構成する。試料Ｈは主線状インダクタ１０に対して２本の副インダクタ要素１１が４５°及び９０°で接合し、試料Ｇは主線状インダクタ１０に対して３本の副インダクタ要素１１が４５°、９０°及び１３５°で接合している。また、試料Ｆは主線状インダクタ１０に対して５本の副インダクタ要素１１が順次３０°ずれて接合している。また、図７（ｅ）に示すように、測定はコプレーナ伝送路を用いて行った。
【００５０】
図８は、強磁性共鳴状態の周波数依存性の説明図であり、ここでは、見やすくするための典型的な試料Ｉと試料Ｈのスペクトルを示している。図において矢印で示すように少なくとも３箇所で共鳴が観測できた。約５ＧＨｚから各１２ＧＨｚの広い帯域で直流電流がオフセットを持っていることが分かる。
【００５１】
但し、見方を変えると、この帯域でスピン波が励起されていることは間違いないが、大きなインダクタンス成分を有する強磁性共鳴状態ではない可能性がある。そこで、ネットワークアナライザーを用いたインピータス測定を試みた。なお、ここでは共鳴だけに注目しているので、Ｓ１１パラメータを測定したままで取り出した。
【００５２】
図９は、４００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図であり、図９（ａ）は試料Ｉの周波数依存性であり、図９（ｂ）は試料Ｈの周波数依存性である。矢印で示すところが外部磁場印加により変化している箇所であり、これが強磁性共鳴に対応する。
【００５３】
試料Ｉの場合には、図９（ａ）から明らかなように、２つの大きな強磁性共鳴と、８ＧＨｚ付近にスピン波高次モードに対応する小さな共鳴状態が存在していることが分かる。上述の図５（ａ）との対比から高周波側のピークが外部磁場と磁気モーメントが平行な状態での強磁性共鳴周波数であり、低周波側のピークが外部磁場と磁気モーメントが垂直な状態での強磁性共鳴周波数であると考えられる。また、試料Ｈの場合には、図９（ｂ）から明らかなように、２つの強磁性共鳴があるが、低周波側が小さいことが分かる。
【００５４】
但し、図９では強磁性共鳴状態の実態が分かりにくいので、Ｈｅｘｔ＝４００〔Ｏｅ〕におけるＳ１１パラメータとＨｅｘｔ＝０〔Ｏｅ〕におけるＳ１１パラメータの差分δＳ１１を図１０に示す。図１０の８ＧＨｚ付近に存在するディップ構造は無磁場状態、即ち、Ｈｅｘｔ＝０〔Ｏｅ〕の構造を反映しており、小さな共鳴状態が見えなくなってしまった。
【００５５】
しかし、図においてＡとＢでマークしたように、４つの試料の全てにおいて、２箇所の強磁性共鳴状態が存在していることが確認された。但し、副線状インダクタ要素の数が多い試料Ｆ及び試料Ｇにおいては低周波側の特性が見えにくくなっている。これは、交差点において広い面状領域が形成されて、形状磁気異方性小さくなるためと考えられる。したがって、多数の副線状インダクタ要素を交差させる場合には、線幅をより細くしたり、パターン形成精度を高める必要があり、それによって、多数箇所における強磁性共鳴の励起が可能になる。
【００５６】
図１１は、インダクタのインダクタンス変化量ΔＬの説明図であり、図１１（ａ）はリアクタンスの差分の周波数依存性を示す図であり、また、図１１（ｂ）はインピーダンスの差分の周波数依存性を示す図である。図１１（ａ）に示すようにリアクタンスの差分Ｒｅ（Ｚ４００Ｏｅ−Ｚ０Ｏｅ）においては、Ｓ１１パラメータと同様にＡとＢの２箇所のピークが確認された。
【００５７】
図１１（ｂ）に示すように、ピークＡの共鳴（ｆｒｅｓ≒６．４ＧＨｚ）におけるインピーダンス変化ΔＺｉｍは、
ΔＺｉｍ≒０．０４１９６×５０Ω
である。ここで、キャパシタンス成分を無視すると、
ΔＺ＝ΔＺＲｅ＋ｊΔＺＩｍ＝ΔＲ＋ｊ２πｆΔＬ
と表される。ここからインダクタンス変化分ΔＬを見積もると、
ΔＬ≒５２ｐＨ
となり、その分だけ強磁性共鳴によりインダクタンスが増加したことになる。
【００５８】
このように、本発明の実施例１においては、主線状インダクタに少なくとも１つの副線状インダクタを交差させることにより、各線状インダクタの形状磁気異方性及び強磁性共鳴の外部磁場印加角度依存性を利用して、小さなサイズのインダクタであっても、複数箇所で強磁性共鳴を発生させ、それによって、広帯域において高い透磁率に起因する大きなインダクタンスを持つようにすることができる。
【実施例２】
【００５９】
次に、図１２乃至図１５を参照して、本発明の実施例２の微小インダクタを説明する。図１２は、本発明の実施例２の微小インダクタの説明図であり、図１２（ａ）乃至（ｄ）は４つのタイプの微小インダクタの平面図である。この実施例２においては線幅５μｍ、膜厚１５０ｎｍ、長さ３００μｍのパーマロイからなる主線状インダクタ要素に対して異なった交差点で副インダクタ要素を交差・接合させたものである。
【００６０】
図１２（ａ）は、主線状インダクタ要素１０に対して、直径が１６μｍの環状副インダクタ要素１４を１８個接合させたものであり、また、図１２（ｂ）は、主線状インダクタ要素１０に対して、長さが１５０μｍの副線状インダクタ要素１５を１個交差させたものである。なお、図１２（ｂ）のインダクタは図７（ａ）の試料Ｉに似ているが、互いの長さが異なる点で相違している。
【００６１】
また、図１２（ｃ）は主線状インダクタ要素１０に対して、長さが１５０μｍの副線状インダクタ要素１５を５０μｍの間隔で２個交差させたものである。また、図１２（ｄ）は主線状インダクタ要素１０に対して、長さが１５０μｍの副線状インダクタ要素１５を１０μｍの間隔で１個交差させるとともに、幅が３０μｍの副線状インダクタ要素１６を５０μｍの間隔で１個交差させたものである。
【００６２】
図１３は、４００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図であり、少なくとも２か所の強磁性共鳴ピークが見られるものの、形状効果により差異はほとんど見られなかった。これは、各線状インダクタの膜厚が１５０ｎｍと厚いため、
ａ．渦電流損失が大きいために、その効果だけが見えているのか、
ｂ．形状磁気異方性よりも外部磁場が強すぎて特性が変わらないのか、或いは、
ｃ．面直方向のスピン波励起モードが支配的になってしまった
のいずれが原因と考えられる。
【００６３】
そこで、主線状インダクタ要素のみを用い線幅を変えた場合のＳ１１パラメータを調べて見た。図１４は、３００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝３０°で印加した場合の強磁性共鳴状態の周波数依存性の説明図である。図１４に示すように、アスペクト比によってスペクトル形状が随分変化することが確認された。特に、高周波側のスペクトル変化が大きいことと、低周波側の共鳴が形状依存性を示さないことから、面直方向のスピン波励起による効果が非常に強いことが推測される。
【００６４】
また、図１５は、１００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図である。図に示すように、この場合も面直方向のスピン波励起による効果が強く反映されていると考えられる。
【００６５】
したがって、本発明の実施例２においても、各インダクタ要素の膜厚をスキンデプスのオーダーにすることによって、強磁性共鳴状態の広帯域化が可能となる。
【実施例３】
【００６６】
次に、図１６を参照して、本発明の実施例３の微小インダクタを説明する。図１６（ａ）は試料系の説明図であり、図１６（ｂ）の測定結果の説明図である。図１６（ａ）に示すように、本発明の実施例３のインダクタは信号ライン方向で線幅を段階的に変化させたものである。ここでは、膜厚１５０ｎｍのパーマロイを用いて線幅２μｍ、長さ５０μｍ細線インダクタ要素２１、線幅５μｍ、長さ５０μｍの中間インダクタ要素２２、及び、線幅２０μｍ、長さ５０μｍの太線インダクタ要素２３を直列接続してインダクタ２０を構成した。なお、図における符号２４及び２５は、それぞれ測定のために用いたコプレーナ伝送路を構成する信号ライン端子とグラウンド線である。また、この実施例３においてはいずれのインダクタ要素も信号ラインと同じ方向であるのでいずれを主線状インダクタ要素として解釈しても良い。
【００６７】
図１６（ｂ）は、１００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝３０°で印加した場合の強磁性共鳴状態の周波数依存性を示す図であり、ここでは、約５ＧＨｚと約７．５ＧＨｚにおいて強磁性共鳴のピークが見られる。なお、インダクタ２０は３つの線幅の異なるインタクタ要素からなるが、実際には細線インダクタ要素２１を信号ライン端子２４が覆ってしまっているので、中間インダクタ要素２２と太線インダクタ要素２３の特性が現れており、細線インダクタ要素２１による高周波側のピークが見えていない。
【００６８】
しかし、この結果だけからも線幅、したがって、アスクペクト比を変化されることによって、形状磁気異方性の効果が出現して、強磁性共鳴が励起される周波数帯域を広くすることができることが分かる。
【００６９】
以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明してきたが、本発明は、実施の形態及び各実施例に示した条件に限られるものではない。例えば、上記の各実施例においては結晶磁気異方性の小さな磁性体として、パーマロイを用いているが、パーマロイに限られるものではなく、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、或いは、ＣｏＦｅＢ等の他の軟磁性体を用いても良い。
【００７０】
また、上記の各実施例においては外部磁場を印加することを前提としているが、図９に示すように、無外部磁場においても強磁性体の内部の固有磁気モーメントの存在により強磁性共鳴が励起されるので、外部磁場は必須ではない。但し、この場合には強磁性共鳴周波数の外部磁場印加角度依存性を利用することはできないので、図１に示すように線幅依存性や膜厚によるアスペクト比依存性を用いる必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施の形態の微小インダクタの概念的構成図である。
【図２】出力電圧の周波数帯域特性の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の実験構成説明図である。
【図４】測定結果の説明図である。
【図５】強磁性共鳴周波数及びΔＶ０の外部磁場印加角度θ依存性の説明図である。
【図６】本発明の実施の形態の変形例の説明図である。
【図７】本発明の実施例１の微小インダクタの説明図である。
【図８】強磁性共鳴状態の周波数依存性の説明図である。
【図９】４００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図である。
【図１０】Ｓ１１パラメータの差分δＳ１１の周波数依存性の説明図である。
【図１１】インダクタのインダクタンス変化量ΔＬの説明図である。
【図１２】本発明の実施例２の微小インダクタの説明図である。
【図１３】４００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図である。
【図１４】３００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝３０°で印加した場合の強磁性共鳴状態の周波数依存性の説明図である。
【図１５】１００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図である。
【図１６】本発明の実施例３の微小インダクタの説明図である。
【図１７】強磁性共鳴周波数の静外部磁場依存性及び強磁性細線の線幅依存性の説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 主線状インダクタ要素
１１ 副線状インダクタ要素
１２ Ｃｕ下地層
１３ ハードバイアス膜
１４ 環状副インダクタ要素
１５ 副線状インダクタ要素
１６ 副線状インダクタ要素
２０ インダクタ
２１ 細線インダクタ要素
２２ 中間インダクタ要素
２３ 太線インダクタ要素
２４ 信号ライン端子
２５ グラウンド線
【技術分野】
【０００１】
本発明はインダクタ、半導体集積回路装置、及び、電子回路装置に関するものであり、特に、小さなサイズで広い帯域で大きなインダクタンスを持たせるための構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気回路・電子回路を構築する場合に、基本構成部品となるのは抵抗Ｒ、コンデンサＣ、及び、コイルＬである。これらの基本構成部品と能動素子や受動素子を組み合わせることによって、様々な機能を有する半導体集積回路装置をはじめとする電子装置が出来る。また、能動素子或いは受動素子の内部にもこれらの基本構成部品が何らかの形で含まれている。
【０００３】
この内、抵抗成分Ｒは損失を与える成分であるため、高周波領域ではあまり用いられない。このような高周波領域で機能する素子では挿入損失を抑制するためにインピーダンス整合が必要となり、インピーダンス整合は容量成分Ｃとインダクタンス成分Ｌとでバランスを取っている。また、発振素子や復調回路は容量成分Ｃとインダクタンス成分Ｌとの組合せで構成されることが多い。
【０００４】
近年の素子の多機能化や集積度の向上につれて、各構成部品のサイズも小さくなるため、実効的な抵抗成分Ｒ、容量成分Ｃ、或いは、インダクタンス成分Ｌも小さくなる。特に、インダクタンス成分Ｌの低下が著しい。
【０００５】
容量成分は半導体技術を用いることによってある程度低下を抑制することは可能であるが、インダクタンス成分Ｌの低下を抑制することは困難である。したがって、インピーダンス整合における容量成分Ｃとインダクタンス成分Ｌとのバランスが崩れるので、様々な機能性素子を作製する際に困難が生じている。
【０００６】
加えて、携帯電話などの無線情報通信が飛躍的に広がり、高周波領域で広帯域な通信技術や素子を切望する声が大きい。このような要請に答えるためには、小さなサイズで広帯域において大きなインダクタンス成分Ｌを出力する材料や素子が必要不可欠である。
【０００７】
同じサイズで大きなインダクタンスＬを実現するためには、大きな透磁率（絶対値）を有する材料、例えば、強磁性体等の磁性体を用いることが試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
このような磁性細線に外部磁場を印加した状態で高周波信号を入力すると強磁性共鳴が励起され、強磁性共鳴が励起されると磁気モーメントが激しく歳差運動することが知られている（例えば、非特許文献１乃至非特許文献３参照）。強磁性共鳴は強磁性材料内の有効磁場によって決定される。この有効磁場を構成する要因としては、
（１）結晶磁気異方性
（２）反磁場
（３）交換磁場
（４）外部磁場
などが挙げられる。
【０００９】
したがって、小さなサイズで大きなインダクタンスＬを実現するためには、広帯域で大きな透磁率を有する物質を探索して、その物質によりインダクタを構成すれば良いことになる。
【特許文献１】特開２００４−３２７７５５号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．９０，１８２５０７
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．９０，２１２５０５
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．９１，１３２５０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、強磁性共鳴は、特定の周波数でのみ起こり、広帯域とはいえず、したがって、単に強磁性共鳴を用いても広帯域で大きなインダクタンスＬを実現することができないという問題がある。
【００１１】
図１７は、強磁性共鳴周波数の静外部磁場依存性及び強磁性細線の線幅依存性の説明図であり、強磁性共鳴が特定の周波数でのみ起こっていることが分かる。なお、印加する静外部磁場が大きいほど共鳴周波数は高くなり、また、線幅が細いほど共鳴周波数が高くなる。
【００１２】
したがって、本発明は、強磁性共鳴状態を広帯域化することによって、所望のインダクタンスＬを有する微小インダクタを構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、（１）本発明は、インダクタにおいて、主線状インダクタ要素と、主線状インダクタ要素と強磁性共鳴特性が異なる少なくとも１つの副線状インダクタ要素とを一部において接合させる。
【００１４】
このように、互いに強磁性共鳴特性が異なった線状インダクタ要素を組み合わせることにより、強磁性共鳴状態を広帯域化することができ、それによって、所望のインダクタンスＬを有する微小インダクタを構成することが可能になる。なお、「主線状インダクタ要素」とは、電流の流れる方向に沿って延在する線状インダクタ要素を意味する。
【００１５】
（２）また、本発明は、上記（１）において、副線状インダクタ要素が複数個であり、複数個の副線状インダクタ要素と主線状インダクタ要素とを一点において交差させる。
【００１６】
このように、複数個の副線状インダクタ要素と主線状インダクタ要素とを一点において交差させることによって、より広帯域化が可能になる。但し、交差点は拡大した面状になりやすいので、パターニングの際に注意を要する。
【００１７】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素を、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素を構成する材料より低抵抗率の導電体層を介して絶縁層上に配置する。
【００１８】
一般に、強磁性体は高抵抗であるので高周波領域においては損失を与える成分となるので、低抵抗率の導電体層、例えば、銅層の上に積層することによって、合成抵抗は強磁性体と導電体層との並列接続抵抗となり、低抵抗化が可能になる。
【００１９】
（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素に対して所定の面内方向に磁場を印加する磁石を設ける。
【００２０】
このように、静外部磁場を印加する手段として所定の面内方向に磁場を印加する磁石を用いると、強磁性共鳴周波数の外部磁場方向依存性を利用することができ、同じ形状でも任意の帯域特性を得ることができる。なお、無磁場の場合でも、異なった形状の線状インダクタ要素を組み合わせることによって広帯域化が可能である。
【００２１】
（５）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素の主面を硬磁性膜と接するようにして、所定の方向に磁場を印加する。
【００２２】
このように、静外部磁場を印加する手段として硬磁性膜、即ち、ハードバイアス膜を用いることによって、磁石を用いた場合に比べて印加磁場の広がりを気にすることなく所定の方向へ磁場を印加することが可能になる。なお、この硬磁性膜は線状インダクタンス要素の下に設けても良いし或いは上に設けても良い。
【００２３】
（６）また、本発明は、上記（１）乃至（５）のいずれかにおいて、主線状インダクタ要素及び副線状インダクタ要素を、軟磁性材料で構成する。
【００２４】
このように、線状インダクタ要素を、結晶磁気異方性が非常に小さな軟磁性材料、典型的にはＮｉＦｅ合金、即ち、パーマロイを用いることによって、形状磁気異方性によって、即ち、線状インダクタ要素の形状によって強磁性共鳴状態を制御することが容易になり、所望の広帯域特性を得ることが可能になる。
【００２５】
（７）また、本発明は、半導体集積回路装置において、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のインダクタを回路要素として設ける。
（８）また、本発明は、電子回路装置において、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のインダクタを回路要素として設ける。
【００２６】
このように、半導体集積回路装置或いは電子回路装置において、上記のインダクタを回路要素として設けることによって、多機能素子や高集積化素子におけるインピーダンス整合をバランス良く実現することが可能になる。なお、「半導体集積回路装置」とはＳｉ超高集積回路装置或いはＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路装置）を含むものであり、また、「電子回路装置」とは強誘電体光デバイスや、発振回路装置或いは復調回路装置等を含むものである。
【発明の効果】
【００２７】
開示のインダクタによれば、形状制御、即ち、トポロジカル構造制御によって、インダクタのインダクタンスＬ及び帯域を制御することが可能となり、それによって、半導体チップ内電子回路や高周波微小電気回路におけるインダクタの設計ルールを大幅に拡張することが可能になる。ひいては、新しい機能性素子や情報通信製品の基盤技術の構築に寄与するところが大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ここで、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態の微小インダクタの概念的構成図であり、基本的には信号ライン、即ち、主線状インダクタ要素に、強磁性共鳴特性が異なる互いに形状の異なった付随細線、即ち、副線状インダクタ要素を集合させたものである。
【００２９】
図１（ａ）乃至（ｄ）は、主線状インダクタ要素１０に対して互いに異なった形状の副線状インダクタ要素１１１乃至１１１０を集合させたインダクタを示している。上述のように、パーマロイは結晶磁気異方性が非常に小さいので、図１（ｂ）乃至（ｄ）に示すように形状、即ち、線幅によって強磁性共鳴周波数を制御することができる。また、静外部磁場の方向が一定である場合には、図１（ｄ）に示すように副線状インダクタ要素の交差方向によって強磁性共鳴周波数を制御することができる。
【００３０】
このような集合化インンダクタにおいて、静外部磁場を印加した状態で信号ラインに高周波電流を流すと、互いに特定の周波数において強磁性共鳴状態が励起されて直流電圧Ｖ（ｔ）〔＝Ｉ（ｔ）×Ｒ（ｔ）〕が発生する（例えば、上述の非特許文献１参照）。したがって、集合化インダクタの強磁性共鳴の帯域特性は、理想的には主線状インダクタ要素と副線状インダクタ要素の強磁性共鳴周波数の重ね合わせ特性として表されることになる。
【００３１】
図２は、出力電圧の周波数帯域特性の説明図であり、図における（ａ）は上述の図１（ａ）に示したパーマロイによるＴ字型細線インダクタの周波数帯域特性であり、（ｂ）乃至（ｄ）はそれぞれ、線幅が３００ｎｍ、６５０ｎｍ、及び、５０００ｎｍのパーマロイによる直線型インダクタの周波数帯域特性である。なお、ここでは、５００〔Ｏｅ〕の静外部磁場を印加した場合の特性を示している。
【００３２】
図から明らかなように、直線型インダクタの周波数帯域特性は極めて狭帯域であるのに対して、Ｔ字型細線インダクタの周波数帯域特性は広がっているのが分かる。なお、図２の（ｂ）乃至（ｄ）からは、線幅が細いほど周波数が高いことが分かる。
【００３３】
このように、形状或いは延在方向の異なる複数の線状インダクタ要素を集合させてインダクタを構成することによって、強磁性共鳴状態の広帯域化が可能となる。また、各線状インダクタ要素のいずれかが設計する素子の稼働する周波数帯域で強磁性共鳴状態となっているため、透磁率が非常に大きく、したがって、大きなインダクタンスを実現することができる。
【００３４】
次に、図３乃至図５を参照して、強磁性共鳴状態の線幅依存性、外部磁場強度依存性、及び、外部磁場方向依存性について詳細に検討する。図３（ａ）は実験試料系の概略的平面図であり、コプレーナ伝送路の信号ライン上に厚さ２２ｎｍ、幅２μｍ、長さ１００μｍのＮｉ８１Ｆｅ１９からなる線状インダクタを設けたものである。また、外部磁場Ｈｅｘｔは、線状インダクタの延在方向に対してθの角度で線状インダクタの面内方向に印加する。図３（ｂ）は測定系の回路構成図であり、線状インダクタの両端に発生する直流電圧Ｖ０を測定する。
【００３５】
また、図３（ｃ）は、測定座標系の説明図であり、角度θで外部磁場Ｈｅｘｔが印加された状態で、線状インダクタの内部においてその延在方向に対して角度ψで磁気モーメントｍ０が歳差運動する。なお、ｘは信号ライン方向、ｙは線幅方向、ｚは膜厚方向を示しており、ａ，ｂ，ｃは、磁気モーメントｍ０を中心にした変換座標系である。
【００３６】
この様な系で、磁気モーメントが一様歳差運動をすると仮定すると、共鳴周波数ωk は、下記の式で表される。
ωｋ2 ＝γ０2×Ｈ′ｃ×Ｈ′ｂ
Ｈ′ｂ＝Ｈｅｘｔｃｏｓ（θ−Ψ）＋Ｍｓ（Ｎｙ −Ｎｘ）ｃｏｓ２Ψ
Ｈ′ｃ＝Ｈｅｘｔｃｏｓ（θ−Ψ）＋Ｍｓ〔Ｎｚ−（Ｎｘｃｏｓ2 Ψ＋Ｎｙｓｉｎ2 Ψ）〕
Ｈ′ｅｆｆ＝Ｈｅｘｔｓｉｎ（θ−Ψ）−〔Ｍｓ（Ｎｘ−Ｎｙ）ｓｉｎ２Ψ〕／２
但し、γ０は磁気回転比であり、Ｈ′ｂはｂ方向の形状磁気異方性磁場であり、Ｈ′ｃはｃ方向の形状磁気異方性磁場であり、Ｈ′ｅｆｆは有効磁場である。また、Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚはそれぞれ、ｘ，ｙ，ｚ方向における反磁場係数を表す。
【００３７】
図４は測定結果の説明図である。図４（ａ）は、θ＝３０°の場合の強磁性共鳴の発生状況の説明図であり、確かに強磁性共鳴は励起して線状インダクタの両端に直流電圧Ｖ０を発生させていることが確認された。また、印加する外部磁場が大きいほど強磁性共鳴が励起される周波数が高くなることが分かる。
【００３８】
図４（ｂ）は、強磁性共鳴周波数の外部磁場依存性をグラフ化したものであり、図における実線はθ＝Ψの場合の理論曲線である。図から明らかなように、強磁性共鳴周波数は印加する外部磁場が大きいほど高くなっており、また、理論曲線からの乖離も少ない。
【００３９】
図４（ｃ）及び図４（ｄ）は、それぞれＨｅｘｔ＝９００〔Ｏｅ〕及びＨｅｘｔ＝３０〔Ｏｅ〕の場合の直流電圧Ｖ０の外部磁場印加角度θ依存性を示す図である。外部磁場が大きな場合には直流電圧Ｖ０の外部磁場印加角度θ依存性が明瞭であるが、外部磁場強度小さい場合には外部磁場印加角度θ依存性は明らかではない。
【００４０】
図５は、以上の結果から、強磁性共鳴周波数及び直流電圧Ｖ０のピークツーピークの値ΔＶ０の外部磁場印加角度θ依存性を纏めた図である。なお、各図における曲線は理論曲線である。また、○はＨｅｘｔ＝９００〔Ｏｅ〕の場合を、△はＨｅｘｔ＝３０〔Ｏｅ〕の場合を表している。
【００４１】
図５（ａ）は強磁性共鳴周波数の外部磁場印加角度θ依存性を示す図であり、外部磁場が大きな場合には、理論曲線に沿った明瞭な外部磁場印加角度θ依存性を示しており、θ＝０°とθ＝９０°の場合とで、約４ＧＨｚの差があることが分かる。一方、外部磁場が小さな場合には、それほど明瞭な外部磁場印加角度θ依存性を示していない。
【００４２】
このことから、印加する外部磁場が形状磁気異方性磁場よりも充分に小さいときには角度依存性を有していないが、印加する外部磁場が形状磁気異方性磁場よりも大きくなると、外部磁場と形状磁気異方性磁場から形成される有効磁場Ｈ′ｅｆｆによって強磁性共鳴周波数が角度依存性を有することになることが分かる。
【００４３】
図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれＨｅｘｔ＝９００〔Ｏｅ〕及びＨｅｘｔ＝３０〔Ｏｅ〕の場合のΔＶ０の外部磁場印加角度θ依存性を示す図であり、いずれの場合にも理論曲線との良好な一致が見られる。
【００４４】
以上の結果から、インダクタをＴ字型或いは十字型のように２つの線状インダクタを集合化したインダクタとすることによって、２つの共鳴周波数を有することができる、また、さらに多くの線状インダクタを集合化することによって、多くの共鳴周波数を有し、その結果、広帯域において強磁性共鳴が励起されることになる。
【００４５】
また、図６（ａ）に示すように、主線状インダクタ要素１０及び副線状インダクタ要素１１を主線状インダクタ要素１０及び副線状インダクタ要素１１より低抵抗率の導電体層、典型的には、Ｃｕ下地層１２の上に設けても良い。即ち、主線状インダクタ要素１０及び副線状インダクタ要素１１は抵抗の大きなパーマロイからなるため、損失や信号遅延が大きくなるが、このインダクタに対して低抵抗のＣｕ下地層１２を並列接続した構成にすることによって、合成抵抗Ｒは低抵抗になる。なお、合成抵抗Ｒは、インダクタの抵抗をＲｐｙ、Ｃｕ下地層１２の抵抗をＲＣｕとすると、
Ｒ＝（Ｒｐｙ×ＲＣｕ）／（Ｒｐｙ＋ＲＣｕ）
となる。
【００４６】
或いは、図６（ｂ）或いは（ｃ）に示すように、主線状インダクタ要素１０及び副線状インダクタ要素１１の下側或いは上側にＣｏＣｒＰｔ等のハードバイアス膜１３を設けても良い。このハードバイアス膜１３の成膜時に所定の方向の磁場を印加しておくことによって、静外部磁場を発生することができる。
【００４７】
なお、強磁性体としては、結晶磁気異方性の非常に小さなパーマロイ、即ち、ＮｉＦｅ合金が望ましいが、ＣｏＦｅやＣｏＮｉＦｅ、或いは、ＣｏＦｅＢ等の他の軟磁性体を用いても良い。
【実施例１】
【００４８】
以上を前提として、次に、本発明の実施例１の微小インダクタを説明する。図７は本発明の実施例１の微小インダクタの説明図であり、図７（ａ）乃至（ｄ）は４つのタイプの微小インダクタの平面図であり、また、図７（ｅ）は試料測定系の説明図である。
【００４９】
図７（ａ）乃至（ｄ）に示す各試料Ｉ乃至Ｆは、それぞれ線幅５μｍ、膜厚３０ｎｍ、長さ２００μｍのパーマロイからなる線状インダクタ要素を複数本交差させて構成する。試料Ｈは主線状インダクタ１０に対して２本の副インダクタ要素１１が４５°及び９０°で接合し、試料Ｇは主線状インダクタ１０に対して３本の副インダクタ要素１１が４５°、９０°及び１３５°で接合している。また、試料Ｆは主線状インダクタ１０に対して５本の副インダクタ要素１１が順次３０°ずれて接合している。また、図７（ｅ）に示すように、測定はコプレーナ伝送路を用いて行った。
【００５０】
図８は、強磁性共鳴状態の周波数依存性の説明図であり、ここでは、見やすくするための典型的な試料Ｉと試料Ｈのスペクトルを示している。図において矢印で示すように少なくとも３箇所で共鳴が観測できた。約５ＧＨｚから各１２ＧＨｚの広い帯域で直流電流がオフセットを持っていることが分かる。
【００５１】
但し、見方を変えると、この帯域でスピン波が励起されていることは間違いないが、大きなインダクタンス成分を有する強磁性共鳴状態ではない可能性がある。そこで、ネットワークアナライザーを用いたインピータス測定を試みた。なお、ここでは共鳴だけに注目しているので、Ｓ１１パラメータを測定したままで取り出した。
【００５２】
図９は、４００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図であり、図９（ａ）は試料Ｉの周波数依存性であり、図９（ｂ）は試料Ｈの周波数依存性である。矢印で示すところが外部磁場印加により変化している箇所であり、これが強磁性共鳴に対応する。
【００５３】
試料Ｉの場合には、図９（ａ）から明らかなように、２つの大きな強磁性共鳴と、８ＧＨｚ付近にスピン波高次モードに対応する小さな共鳴状態が存在していることが分かる。上述の図５（ａ）との対比から高周波側のピークが外部磁場と磁気モーメントが平行な状態での強磁性共鳴周波数であり、低周波側のピークが外部磁場と磁気モーメントが垂直な状態での強磁性共鳴周波数であると考えられる。また、試料Ｈの場合には、図９（ｂ）から明らかなように、２つの強磁性共鳴があるが、低周波側が小さいことが分かる。
【００５４】
但し、図９では強磁性共鳴状態の実態が分かりにくいので、Ｈｅｘｔ＝４００〔Ｏｅ〕におけるＳ１１パラメータとＨｅｘｔ＝０〔Ｏｅ〕におけるＳ１１パラメータの差分δＳ１１を図１０に示す。図１０の８ＧＨｚ付近に存在するディップ構造は無磁場状態、即ち、Ｈｅｘｔ＝０〔Ｏｅ〕の構造を反映しており、小さな共鳴状態が見えなくなってしまった。
【００５５】
しかし、図においてＡとＢでマークしたように、４つの試料の全てにおいて、２箇所の強磁性共鳴状態が存在していることが確認された。但し、副線状インダクタ要素の数が多い試料Ｆ及び試料Ｇにおいては低周波側の特性が見えにくくなっている。これは、交差点において広い面状領域が形成されて、形状磁気異方性小さくなるためと考えられる。したがって、多数の副線状インダクタ要素を交差させる場合には、線幅をより細くしたり、パターン形成精度を高める必要があり、それによって、多数箇所における強磁性共鳴の励起が可能になる。
【００５６】
図１１は、インダクタのインダクタンス変化量ΔＬの説明図であり、図１１（ａ）はリアクタンスの差分の周波数依存性を示す図であり、また、図１１（ｂ）はインピーダンスの差分の周波数依存性を示す図である。図１１（ａ）に示すようにリアクタンスの差分Ｒｅ（Ｚ４００Ｏｅ−Ｚ０Ｏｅ）においては、Ｓ１１パラメータと同様にＡとＢの２箇所のピークが確認された。
【００５７】
図１１（ｂ）に示すように、ピークＡの共鳴（ｆｒｅｓ≒６．４ＧＨｚ）におけるインピーダンス変化ΔＺｉｍは、
ΔＺｉｍ≒０．０４１９６×５０Ω
である。ここで、キャパシタンス成分を無視すると、
ΔＺ＝ΔＺＲｅ＋ｊΔＺＩｍ＝ΔＲ＋ｊ２πｆΔＬ
と表される。ここからインダクタンス変化分ΔＬを見積もると、
ΔＬ≒５２ｐＨ
となり、その分だけ強磁性共鳴によりインダクタンスが増加したことになる。
【００５８】
このように、本発明の実施例１においては、主線状インダクタに少なくとも１つの副線状インダクタを交差させることにより、各線状インダクタの形状磁気異方性及び強磁性共鳴の外部磁場印加角度依存性を利用して、小さなサイズのインダクタであっても、複数箇所で強磁性共鳴を発生させ、それによって、広帯域において高い透磁率に起因する大きなインダクタンスを持つようにすることができる。
【実施例２】
【００５９】
次に、図１２乃至図１５を参照して、本発明の実施例２の微小インダクタを説明する。図１２は、本発明の実施例２の微小インダクタの説明図であり、図１２（ａ）乃至（ｄ）は４つのタイプの微小インダクタの平面図である。この実施例２においては線幅５μｍ、膜厚１５０ｎｍ、長さ３００μｍのパーマロイからなる主線状インダクタ要素に対して異なった交差点で副インダクタ要素を交差・接合させたものである。
【００６０】
図１２（ａ）は、主線状インダクタ要素１０に対して、直径が１６μｍの環状副インダクタ要素１４を１８個接合させたものであり、また、図１２（ｂ）は、主線状インダクタ要素１０に対して、長さが１５０μｍの副線状インダクタ要素１５を１個交差させたものである。なお、図１２（ｂ）のインダクタは図７（ａ）の試料Ｉに似ているが、互いの長さが異なる点で相違している。
【００６１】
また、図１２（ｃ）は主線状インダクタ要素１０に対して、長さが１５０μｍの副線状インダクタ要素１５を５０μｍの間隔で２個交差させたものである。また、図１２（ｄ）は主線状インダクタ要素１０に対して、長さが１５０μｍの副線状インダクタ要素１５を１０μｍの間隔で１個交差させるとともに、幅が３０μｍの副線状インダクタ要素１６を５０μｍの間隔で１個交差させたものである。
【００６２】
図１３は、４００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図であり、少なくとも２か所の強磁性共鳴ピークが見られるものの、形状効果により差異はほとんど見られなかった。これは、各線状インダクタの膜厚が１５０ｎｍと厚いため、
ａ．渦電流損失が大きいために、その効果だけが見えているのか、
ｂ．形状磁気異方性よりも外部磁場が強すぎて特性が変わらないのか、或いは、
ｃ．面直方向のスピン波励起モードが支配的になってしまった
のいずれが原因と考えられる。
【００６３】
そこで、主線状インダクタ要素のみを用い線幅を変えた場合のＳ１１パラメータを調べて見た。図１４は、３００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝３０°で印加した場合の強磁性共鳴状態の周波数依存性の説明図である。図１４に示すように、アスペクト比によってスペクトル形状が随分変化することが確認された。特に、高周波側のスペクトル変化が大きいことと、低周波側の共鳴が形状依存性を示さないことから、面直方向のスピン波励起による効果が非常に強いことが推測される。
【００６４】
また、図１５は、１００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図である。図に示すように、この場合も面直方向のスピン波励起による効果が強く反映されていると考えられる。
【００６５】
したがって、本発明の実施例２においても、各インダクタ要素の膜厚をスキンデプスのオーダーにすることによって、強磁性共鳴状態の広帯域化が可能となる。
【実施例３】
【００６６】
次に、図１６を参照して、本発明の実施例３の微小インダクタを説明する。図１６（ａ）は試料系の説明図であり、図１６（ｂ）の測定結果の説明図である。図１６（ａ）に示すように、本発明の実施例３のインダクタは信号ライン方向で線幅を段階的に変化させたものである。ここでは、膜厚１５０ｎｍのパーマロイを用いて線幅２μｍ、長さ５０μｍ細線インダクタ要素２１、線幅５μｍ、長さ５０μｍの中間インダクタ要素２２、及び、線幅２０μｍ、長さ５０μｍの太線インダクタ要素２３を直列接続してインダクタ２０を構成した。なお、図における符号２４及び２５は、それぞれ測定のために用いたコプレーナ伝送路を構成する信号ライン端子とグラウンド線である。また、この実施例３においてはいずれのインダクタ要素も信号ラインと同じ方向であるのでいずれを主線状インダクタ要素として解釈しても良い。
【００６７】
図１６（ｂ）は、１００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝３０°で印加した場合の強磁性共鳴状態の周波数依存性を示す図であり、ここでは、約５ＧＨｚと約７．５ＧＨｚにおいて強磁性共鳴のピークが見られる。なお、インダクタ２０は３つの線幅の異なるインタクタ要素からなるが、実際には細線インダクタ要素２１を信号ライン端子２４が覆ってしまっているので、中間インダクタ要素２２と太線インダクタ要素２３の特性が現れており、細線インダクタ要素２１による高周波側のピークが見えていない。
【００６８】
しかし、この結果だけからも線幅、したがって、アスクペクト比を変化されることによって、形状磁気異方性の効果が出現して、強磁性共鳴が励起される周波数帯域を広くすることができることが分かる。
【００６９】
以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明してきたが、本発明は、実施の形態及び各実施例に示した条件に限られるものではない。例えば、上記の各実施例においては結晶磁気異方性の小さな磁性体として、パーマロイを用いているが、パーマロイに限られるものではなく、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、或いは、ＣｏＦｅＢ等の他の軟磁性体を用いても良い。
【００７０】
また、上記の各実施例においては外部磁場を印加することを前提としているが、図９に示すように、無外部磁場においても強磁性体の内部の固有磁気モーメントの存在により強磁性共鳴が励起されるので、外部磁場は必須ではない。但し、この場合には強磁性共鳴周波数の外部磁場印加角度依存性を利用することはできないので、図１に示すように線幅依存性や膜厚によるアスペクト比依存性を用いる必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施の形態の微小インダクタの概念的構成図である。
【図２】出力電圧の周波数帯域特性の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の実験構成説明図である。
【図４】測定結果の説明図である。
【図５】強磁性共鳴周波数及びΔＶ０の外部磁場印加角度θ依存性の説明図である。
【図６】本発明の実施の形態の変形例の説明図である。
【図７】本発明の実施例１の微小インダクタの説明図である。
【図８】強磁性共鳴状態の周波数依存性の説明図である。
【図９】４００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図である。
【図１０】Ｓ１１パラメータの差分δＳ１１の周波数依存性の説明図である。
【図１１】インダクタのインダクタンス変化量ΔＬの説明図である。
【図１２】本発明の実施例２の微小インダクタの説明図である。
【図１３】４００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図である。
【図１４】３００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝３０°で印加した場合の強磁性共鳴状態の周波数依存性の説明図である。
【図１５】１００〔Ｏｅ〕の外部磁場をθ＝０°で印加した場合のＳ１１パラメータの周波数依存性の説明図である。
【図１６】本発明の実施例３の微小インダクタの説明図である。
【図１７】強磁性共鳴周波数の静外部磁場依存性及び強磁性細線の線幅依存性の説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０ 主線状インダクタ要素
１１ 副線状インダクタ要素
１２ Ｃｕ下地層
１３ ハードバイアス膜
１４ 環状副インダクタ要素
１５ 副線状インダクタ要素
１６ 副線状インダクタ要素
２０ インダクタ
２１ 細線インダクタ要素
２２ 中間インダクタ要素
２３ 太線インダクタ要素
２４ 信号ライン端子
２５ グラウンド線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主線状インダクタ要素と、前記主線状インダクタ要素と強磁性共鳴特性が異なる少なくとも１つの副線状インダクタ要素とが一部において接合しているインダクタ。
【請求項２】
前記副線状インダクタ要素が複数個であり、前記複数個の副線状インダクタ要素と前記主線状インダクタ要素とが一点において交差している請求項１に記載のインダクタ。
【請求項３】
前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素が、前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素を構成する材料より低抵抗率の導電体層を介して絶縁層上に配置されている請求項１または２に記載のインダクタ。
【請求項４】
前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素の主面が、硬磁性膜と接して所定の方向に磁場が印加されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項５】
前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素に対して所定の面内方向に磁場を印加する磁石を備えている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項６】
前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素が軟磁性材料からなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のインダクタを回路要素として設けている半導体集積回路装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のインダクタを回路要素として設けている電子回路装置。
【請求項１】
主線状インダクタ要素と、前記主線状インダクタ要素と強磁性共鳴特性が異なる少なくとも１つの副線状インダクタ要素とが一部において接合しているインダクタ。
【請求項２】
前記副線状インダクタ要素が複数個であり、前記複数個の副線状インダクタ要素と前記主線状インダクタ要素とが一点において交差している請求項１に記載のインダクタ。
【請求項３】
前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素が、前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素を構成する材料より低抵抗率の導電体層を介して絶縁層上に配置されている請求項１または２に記載のインダクタ。
【請求項４】
前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素の主面が、硬磁性膜と接して所定の方向に磁場が印加されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項５】
前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素に対して所定の面内方向に磁場を印加する磁石を備えている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項６】
前記主線状インダクタ要素及び前記副線状インダクタ要素が軟磁性材料からなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のインダクタを回路要素として設けている半導体集積回路装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のインダクタを回路要素として設けている電子回路装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−６７８４５（Ｐ２０１０−６７８４５Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３３６５７（Ｐ２００８−２３３６５７）
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人科学技術振興機構、「ナノ磁性体集結群の新奇な磁気特性の究明」委託研究、産業再生法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人科学技術振興機構、「ナノ磁性体集結群の新奇な磁気特性の究明」委託研究、産業再生法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
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