一种近零涡流损耗互连线及其制备方法技术

一种近零涡流损耗互连线及其制备方法，属于射频器件技术领域。包括衬底基片和衬底基片表面的互连线；互连线是由金属铜薄膜层和铁磁金属薄膜层相间层叠而形成的周期性复合超晶格薄膜结构；每层金属铜薄膜层的厚度为50～1000nm，每层铁磁金属薄膜层厚度为20～500nm；铁磁金属为磁性金属与铜形成的合金；周期性复合超晶格薄膜结构的周期数为5～200。采用金属铜作为互连线的原料，成本低廉，采用超晶格薄膜结构，结构简单，易于实现，降低晶格失配导致的应力，电阻率低，可以选择频段实现近零有效磁导率，所以厚度可以在10～100μm无明显的趋肤效应；采用金属电化学交替沉积法多周期交替电镀制备该互连线，降低制备工艺难度及成本。本发明专利技术适用于射频器件。

【技术实现步骤摘要】
一种近零涡流损耗互连线及其制备方法
本专利技术涉及射频器件
，具体是涉及一种超低涡流损耗射频互连线及其制备方法，尤其是一种用于射频器件的近零涡流损耗互连线及其制备方法。
技术介绍
在射频器件
，片上集成器件如微电感、微带线、共面波导等都需要用图形化薄膜作为互连线，而传统器件中多采用铜作为互连线的制备材料。但是由于存在趋肤效应，电磁波在铜导体内部会引起涡流现象，电流在导体横截面上的分布不再是均匀的，电流集中在临近导线外表面的薄层，使得互连线电阻增加，损耗功率增大。为了便于描述趋肤效应，引入了一个趋肤深度即临界深度δ，此深度的电流密度大小恰好为表面电流密度的1/e倍：δ=σπfμ0μr]]>其中，f为频率，μ0μr为磁导率(H/m)，σ为电导率(S/m)，对于一般的金属材料如铜来说，其相对磁导率μr为1，所以磁导率即为真空磁导率μ0＝4π×10-7H/m。因此在制备高频器件(尤其是射频器件)时，为了增大趋肤深度，往往采用电导率更大的金属材料如银作为互连线，但是由于银为贵金属，作为互连线会大大增加最终器件的成本。目前尚未见报道成本低廉且电阻率低，甚至在特定频段实现近零有效磁导率的近零涡流损耗互连线及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种成本低廉且在特定频段实现近零涡流损耗的互连线及其制备方法，能够有效消除金属铜在特定频段作为互连线时的涡流损耗。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种近零涡流损耗互连线，包括衬底基片和衬底基片表面的互连线；所述互连线是由金属铜薄膜层和铁磁金属薄膜层相间层叠而形成的周期性复合超晶格薄膜结构；其中，每层金属铜薄膜层的厚度为50～1000nm，每层铁磁金属薄膜层厚度为20～500nm；所述铁磁金属为磁性金属与铜形成的合金；所述周期性复合超晶格薄膜结构的周期数为5～200。具体的，所述互连线的总厚度的范围为10～100μm。具体的，所述磁性金属为铁、镍或钴中的一种或多种。为了制备上述近零涡流损耗互连线，采用的技术方案为：一种近零涡流损耗互连线的制备方法，包括以下步骤：A.在硅衬底基片上溅射阻挡层，并在阻挡层上溅射铜种子层；B.采用光刻胶在种子层上进行厚胶光刻，露出互连线线路图形；C.基于电化学交替沉积法，利用电化学沉积渡液在互连线线路图形上交替电镀周期性相间层叠的金属铜薄膜层和铁磁金属薄膜层；D.冲洗硅衬底基片，干燥后去除光刻胶；E.去除互连线线路图形以外的阻挡层及铜种子层。具体的，步骤A具体为采用磁控溅射的方法，在硅衬底基片上溅射一层50nm的作为阻挡层的金属钛层，而后在在金属钛层上溅射200nm的铜种子层。优选的，步骤B中的光刻胶为AZ4620光刻胶。优选的，步骤B与C之间还有步骤：B1.采用等离子清洗机打底膜50s去除互连线线路图形区域内的有机物底膜和粘污；B2.采用5％的稀硫酸浸泡硅衬底基片1min。具体的，步骤C中的采用多电位恒压法进行交替电镀。优选的，步骤E中采用体积比为98％H2SO4:30％H2O2:H2O＝5ml:1ml:100ml的溶液以300nm/min的速率去除铜层，采用5％的HF溶液在2～4s时间内去除钛层。本专利技术的有益效果是：采用金属铜作为互连线的原料，成本低廉，采用超晶格薄膜结构，结构简单，易于实现，降低晶格失配导致的应力，具有低的电阻率，最重要的是可以选择频段实现近零有效磁导率，所以厚度可以在10～100μm无明显的趋肤效应；采用金属电化学交替沉积法多周期交替电镀制备该互连线，降低制备工艺难度及成本，增大设计自由度。本专利技术适用于射频器件。附图说明图1是本专利技术的互连线中的周期性复合超晶格薄膜结构示意图；图2为超晶格多层膜在不同周期下的方块电阻随频率的变化趋势；图3为不同厚度比情况下超晶格薄膜的方阻随频率的变化趋势；其中，1为金属铜薄膜层，2为铁磁金属薄膜层，3为衬底基片。具体实施方式下面结合附图，详细描述本专利技术的技术方案。如图1所示，本专利技术的一种近零涡流损耗互连线，包括衬底基片3和衬底基片3表面的互连线，所述互连线是由金属铜薄膜层1和铁磁金属薄膜层2相间层叠而形成的周期性复合超晶格薄膜结构；其中，每层金属铜薄膜层1的厚度为50～1000nm，每层铁磁金属薄膜层2厚度为20～500nm；所述铁磁金属为磁性金属与铜形成的合金；所述周期性复合超晶格薄膜结构的周期数为5～200。超晶格薄膜结构即是由两种不同的材质以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，就是特定形式的层状精细复合结构。本专利技术的互连线采用超晶格薄膜结构，即是由多个周期相互交替叠加的金属铜薄膜层1及铁磁金属薄膜层2形成的结构。对于铁磁金属，由于存在铁磁共振，当应用频率高于共振频率时，其磁导率为负。对于本专利技术中的超晶格结构薄膜，由于存在耦合作用，整体相对磁导率可表达为：μrav=1·tN+μrF·tFtN+tF]]>其中，tN和tF分别为金属铜薄膜层1以及铁磁金属薄膜层2的厚度，μrF为铁磁金属的相对磁导率。通过上述公式可以看出，由于μrF在特定频段下为负，通过调节金属铜薄膜层1及铁磁金属薄膜层2的相对厚度，就可以实现超晶格薄膜在特定频段的相对磁导率趋于零，根据上述公式可知，相对磁导率为零时，其趋肤深度为无限大，这样造成的涡流损耗则几乎为零。铁磁金属采用与铜(Cu)晶格常数及晶格类型接近的M-Cu合金，M为磁性金属，具体为铁(Fe)、镍(Ni)或钴(Co)。其目的如下：首先，磁性元素合金可以提供高频负磁导率；其次，M-Cu合金层与Cu层的晶格匹配性好，可以降低由界面应力，为厚膜镀制创造条件；再次，M-Cu合金的电阻率与Cu接近，而且晶格匹配度越高，电子在界面传输时能量损耗越低，有利于降低超晶格薄膜整体的电阻率；最后，选取这三种磁性元素与Cu形成合金，避免了其他元素的引入，仅仅通过改变Cu的含量就可以调整铁磁合金的性能，减低了超晶格制备的工艺难度，为不同频段使用的互连线提供了更大的自由度。如图2所示为超晶格多层膜在不同周期下的方块电阻随频率的变化趋势。其中，薄膜总厚度为6μm，此处铁磁金属薄膜层为CoCu层，Cu层与CoCu层为3:1，期性复合超晶格薄膜结构的周期数分别为50、30、14以及8。从图中可以看出，在频率为8.9GHz左右，方块电阻出现了一个明显的极小值，而此时磁谱对应的磁导率实部为-3，考虑到tCu：tCoCu＝3，根据上述公式可知，超晶格的整体相对磁导率μav＝0。此外，图中可知周期越大，每一层的厚度越薄的时候，极小值越小，这表明周期越大耦合作用越强，使得电阻越小。如图3所示不同厚度比情况下(Cu层与CoCu层的厚度比由5依次减小到1)超晶格薄膜的方阻随频率的变化趋势。从图中可以看出，金属铜薄膜层1相对铁磁金属薄膜层越厚，出现电阻极小值的频率越小。因此在实际应用中，可以通过改变周期以及厚度比来满足不同的应用需求。在实际应用中，可以在获得铁磁金属薄膜磁谱的基础上，通过计算表面阻抗得到多层薄膜的方块电阻随频率的变化趋势，进而完善设计实现互连线在选定频段的磁导率趋于零，而趋肤深度无限大。基于成本及实现效果考虑，所述互连线的总厚度的范围为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种近零涡流损耗互连线，包括衬底基片(3)和衬底基片(3)表面的互连线，其特征在于，所述互连线是由金属铜薄膜层(1)和铁磁金属薄膜层(2)相间层叠而形成的周期性复合超晶格薄膜结构；其中，每层金属铜薄膜层(1)的厚度为50～1000nm，每层铁磁金属薄膜层(2)厚度为20～500nm；所述铁磁金属为磁性金属与铜形成的合金；所述周期性复合超晶格薄膜结构的周期数为5～200。

【技术特征摘要】
1.一种近零涡流损耗互连线，包括衬底基片(3)和衬底基片(3)表面的互连线，其特征在于，所述互连线是由金属铜薄膜层(1)和铁磁金属薄膜层(2)相间层叠而形成的周期性复合超晶格薄膜结构；其中，每层金属铜薄膜层(1)的厚度为50～1000nm，每层铁磁金属薄膜层(2)厚度为20～500nm；所述铁磁金属为磁性金属与铜形成的合金；所述周期性复合超晶格薄膜结构的周期数为5～200。2.如权利要求1所述的一种近零涡流损耗互连线，其特征在于，所述互连线的总厚度的范围为10～100μm。3.如权利要求1所述的一种近零涡流损耗互连线，其特征在于，所述磁性金属为铁、镍或钴中的一种或多种。4.一种近零涡流损耗互连线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A.在硅衬底基片上溅射阻挡层，并在阻挡层上溅射铜种子层；B.采用光刻胶在种子层上进行厚胶光刻，露出互连线线路图形；C.基于电化学交替沉积法，利用电化学沉积渡液在互连线线路图形上交替电镀周期性相间层叠的金属铜薄膜层和铁磁金属薄膜层；D.冲洗硅衬底基片，干燥后去除光刻胶；E.去...

【专利技术属性】
技术研发人员：白飞明，王艺程，钟志勇，张怀武，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51