专利名称：高频振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于毫米波段或微波波段的无线电通信设备，雷达设备或相关设备的高频振荡器。
背景技术：
在毫米波段或者微波波段用于通信或雷达应用领域的情况下不容易受天气或者灰尘的影响。这是因为毫米波段或者微波波段的波长很短，收/发天线可以制作得非常紧凑。另外，还能够利用多普勒效应高精度地探测对一个物体的相对速度。正因为如此，在最近几年，毫米波雷达开始安装在汽车上用以避免由于司机疏忽或误操作造成的车辆碰撞。
常规的毫米波振荡器包括诸如耿氏二极管的半导体器件。在这样的包括半导体器件的毫米波振荡器中，半导体器件的温度会随着激励而升高，振荡特性就会发生改变。由于这个原因，就有必要设计出一种结构来抑制激励时产生的温度升高。然而，这样的毫米波振荡器必然结构非常复杂(例如参见JP-A-2005-19570)，因此也就成为一个问题。另一方面，在通过无线电或有线通信传递信息的通信设备中内置作为其主要部件的具有只提取所需要频段的功能的高频滤波器。为了有效地利用频段以用所储存的能量运转通信设备，要求高频滤波器具有优异的衰减特性及更小的插入损耗。为了实现这些要求，就需要一种高Q值的谐振元件。作为具有高Q值的高频滤波器，已知有一种使用超导元件的滤波器(例如参见JP-A-2004-349966)。然而，为了超导元件正常工作，该元件必须用液氮或者液氦冷却。因此，难以实现紧凑结构的高频滤波器，同样，从成本的观点出发也难以将超导元件应用到消费产品上。
与这些常规振荡器相反，提出一种采用完全不同的物理原理的振荡器。例如，参见S.I.Kiselev et al.，Nature，425，308(2003)。这种振荡器具有一种层叠的薄膜，其中包括一层磁性层，一层非磁性的金属层和另一层磁性层，以及使电流垂直于层叠薄膜的平面流过的一对电极。当提供电流时就会产生振荡现象。在下文中，这种振荡器被称为电流垂直平面(CPP)振荡器。有关该CPP振荡器，目前不仅作为一种振荡器，而且对于在高频滤波元件等方面的应用都正在研究中(参见第5,695,864号美国专利)在这种CPP振荡器中，根据它的物理原理，元件尺寸要求为100nm×100nm或更小。这种不用半导体而用金属制成的超细微的振荡器被期望具有包括高热散逸，低放热以及振荡特性的小温度特性的优点。另外，如果应用这样的电路，就不必如获得振荡现象的常规技术一样去架构一个复杂的结构。
CPP振荡器在工作原理中具有一个独特的性质，就是只通过向器件通直流电就获得振荡现象。因此具有被期望的优点，在制造高频振荡器时其电路可以被简化。
然而，在普通的CPP振荡器中难以获得作为实际器件的运行，并且目前在实际应用的器件方面还没有任何进展。这是因为振荡信号的输出信号极微弱，当为了获得高振荡信号输出而增大电流时，由于自旋传递扭矩现象，磁性层会出现反向磁化作用。例如，参见J.C.Slonczewski，J.Magn.Magn.Mater.，159，L1(1996)。一旦反向磁化产生，振荡条件就发生变化，也就不能保持稳定的振荡运行，因此结果就无法作为一个器件而应用。另外，在普通的CPP振荡器中不易改变振荡频率，它的工作频率带宽有限，这也是另一个问题。
发明内容
根据本发明的一个方面的高频振荡器包括高频振荡元件，该元件包括磁化方向基本被固定在一个方向的磁化被固定层(megnetization pinned layer)；由磁性材料构成的振荡层，当提供电流时，该振荡层产生高频振荡现象；设置于磁化被固定层和振荡层之间的中间层，该中间层包括一个绝缘层和在厚度方向穿越绝缘层的电流通路；以及一对电极，该对电极垂直于包括磁化被固定层，中间层和振荡层的层叠薄膜的平面提供电流。
图1是根据一个实施例的高频振荡器的立体图；图2是显示图1中的中间层的横截面的示意图，截面平行于该平面；图3是显示在根据一个实施例的CCP-CPP振荡器的振荡层中有效地发生自旋波激励的区域的示意图；图4是显示根据一个实施例的高频集成电路的一个实例的示意图；图5是根据一个实施例的具有磁场施加机构的CCP-CPP振荡器的横截面示意图；
图6是根据另一个实施例的具有磁场施加机构的CCP-CPP振荡器的立体图；图7是根据还有一个实施例的具有磁场施加机构的CCP-CPP振荡器的立体图；图8是根据实施例2的CCP-CPP振荡器的立体图；图9是根据实施例3的CCP-CPP振荡器的立体图；图10A和图10B是根据实施例4的高频集成电路的平面图，以及显示其层叠结构的示意图；图11是显示根据实施例4的并联连接的高频集成电路的示意图；图12A，12B和12C是每一个都显示根据实施例4的CCP-CPP振荡器的具有不同电流通路面积比的中间层的示意图；图13是显示根据实施例4的CCP-CPP振荡器的磁化被固定层，中间层和振荡层的优选的横截面结构的示意图；图14是显示根据实施例5的串联连接的高频集成电路的示意图；图15是显示根据实施例6的毫米波段车载雷达的系统配置的示意图；图16是一种FM-CM雷达方案的车载雷达的电路图；图17是显示图16中的雷达信号波形的示意图；图18是显示一种FM-CM雷达方案的毫米波车载雷达的示范配置的示意图；图19是显示一种脉冲多普勒效应的毫米波车载雷达的示范配置的示意图；图20是显示包括根据实施例6的车载雷达设备的汽车的示意图；图21是显示一种根据实施例7的车对车通信设备的示意图；以及图22是根据实施例8的一种信息终端对终端通信设备；具体实施方式
图1所示的是包括根据本发明的实施例的高频振荡元件的高频振荡器的立体图。组成高频振荡器的高频振荡元件具有这样的结构，在衬底(未显示)上层叠下电极11，垫层12，固定层(pinning layer)13，包括下被固定层(pinned layer)14a，Ru层14b和上被固定层14c的磁化被固定层(被固定层)14，金属层15，中间层(间隔层)16，金属层17，振荡层18，覆盖层19和上电极20。中间层16包括绝缘层21和在厚度方向穿越绝缘层的纳米数量级的金属制成的电流通路22。当使电流垂直于在下电极11和上电极20之间的磁化被固定层14，中间层15和振荡层18的层叠薄膜的平面流动时，电流被固定在中间层16的电流通路22中流动。因此，由于自旋传递扭矩现象，就出现了振荡层18的自旋波激发(磁化进动)，并且得到一定频率的高频振荡。由于这种作用，我们将这种振荡器命名为电流固定通路CPP(CCP-CPP)振荡器。
图2所示的是图1的中间层的横截面示意图，截面与该平面平行。作为能导致有效振荡的元件尺寸，一边的长度L从20到200nm，典型地为40到100nm。电流通路的尺寸D为0.5到10nm，典型地为1到6nm。需要指出的是，虽然图2中所示的器件形状为矩形，圆形及椭圆形也可采用，只要它们具有与上述同样的器件尺寸。
根据本发明的的实施例的CCP-CPP振荡器，可以得到以下两种效应。
在CCP-CPP振荡器中，中间层里的电流通路固定了电流，局部电流密度显示了极端高的值。高电流密度有效地产生振荡，电流密度高度集中的区域带来的好处是，反向磁化作用未必可能发生。在下文与普通的CPP振荡器的比较中将对根据本发明的实施例的CCP-CPP振荡器的效果进行更详细的描述。
首先，将具体描述为什么在根据本发明的实施例的CCP-CPP振荡器中会更有效地产生振荡的原因。
普通CPP振荡器的设计的器件尺寸为100nm×100nm或者更小。例如，如果使1mA的电流在100nm×100nm的振荡器的整个平面上均匀地流进该振荡器，电流密度就是1mA/(100nm×100nm)＝1×107A/cm2。在这样水平的电流密度下，发生由于自旋传递扭矩的自旋波激发，以及发生毫米波段或微波波段的高频振荡。因为当电流密度更大时能更有效地发生自旋波激发，因此它是有利于振荡的。然而，当向整个平面提供大电流密度的电流时，也产生由于自旋传递扭矩产生的其他现象即反向磁化作用。也就是说，磁化被固定层或振荡层的磁化都发生反向。一旦出现反向磁化，磁化被固定层及振荡层的相对磁化准直就发生改变，因此，自旋波激发也受到影响。结果，发生振荡频率及Q值的改变，对于振荡器来说是不可取的。
现在，作为根据本发明的CCP-CPP振荡器的一个实例，假设一种平面上纳米级电流通路的面积比为10％的CCP-CPP振荡器。如果使1mA的电流流入100nm×100nm的CCP-CPP振荡器，电流密度就是1×107/cm2/(10％)＝1×108A/cm2。最好在根据本实施例的CCP-CPP振荡器中使用108A/cm2或局部更大的电流密度。以这样的方式，在根据本实施例的CCP-CPP振荡器中，取决于电流通路的面积比得到高电流密度，并且有效地发生局部的自旋波激发。相应地得到高振荡输出，Q值也会升高。更进一步，当被用作高频滤波器时灵敏性也会更好。为了更好地发挥本实施例的效果，中间层平面上的纳米级电流通路面积比设定成1％到95％，典型值为2％到90％，更典型地为3％到50％。
接下来将解释在根据本实施例的CCP-CPP振荡器中为什么未必发生由自旋传递扭矩产生的其他现象即反向磁化的原因。当自旋传递扭矩应用在磁性随机存取存储器(MRAM)的应用场合中时，在低电流密度情况下如何产生反向磁化在实际中就变得非常重要。另外，在MRAM应用中，由于因电流提供产生反向磁化之后可以得到能量稳态，通常采取不发生进一步的磁化动力的措施。相反地，由于在该振荡器的磁性层中造成反向磁化时振荡器中得到能量稳态并且终止磁化动力，上述措施就不具有意义。因此，正如前面所述，需要在尽可能高的电流密度下产生稳定的进动。
图3示意性地显示了在根据本实施例的CCP-CPP振荡器的振荡层中自旋波激发有效发生的区域。如图3所示，电流被中间层的纳米级电流通路固定，在相邻的振荡层中，电流在比纳米级电流通路22更宽一点的区域23中流动。在区域23中自旋波激发的发生更有效。自旋波激发更有效发生的区域23并不与振荡层中电流加宽的区域完全对应。由于振荡层中自旋是交换耦合的，自旋波激发有效发生的区域23就比电流密度高的区域更宽一些。然而，与普通CPP振荡器不同，自旋波激发有效发生的区域23并不是磁化层的整个平面，因此，整个磁化层的反向磁化未必发生。这是因为，为了在磁化层中发生由于自旋传递扭矩引起的反向磁化，整个表面都必须被自旋波激发。在如图3所示的整个器件没有被均匀地自旋波激发的状态中，未必发生反向磁化现象。也就是说，稳态振荡条件的器件运行是可行的。
如上所述，根据本发明的CCP-CPP振荡器，通过局部高电流密度可以有效产生振荡，同时因为高电流密度的区域被局部化因此未必发生反向磁化，这样就可以同时得到输出和运行的稳定性。
(2)在根据本实施例的CCP-CPP振荡器中，可以通过改变平面上纳米级电流通路的面积比来改变振荡器的频率。通过利用这个事实，可以用不同纳米级电流通路面积比的CCP-CPP振荡器低功耗地获得各种振荡频率。特别地，通过在同一衬底上以小芯片尺寸形成不同纳米级电流通路面积比的多个CCP-CPP振荡器可以制造出高频集成电路。这样就可以得到极宽频带的振荡频率，进一步，该CCP-CPP振荡器还可以用作能够选择极宽频带的频率的高频滤波器。
在常规的高频器件技术中不可能实现这种高频集成电路。处理毫米波及微波的器件结构复杂而且昂贵，因此没有被广泛应用。然而，根据本发明的CCP-CPP振荡器就可以实现处理毫米波及微波的消费产品的广泛应用。
在如图4所示的根据本发明的实施例的高频集成电路的实例中，每一个都包括CCP-CPP振荡器31，放大器32和电流表33的三个系列电路的系统并联连接到电源34上，通过这样的过程就构成一个高频集成电路。各个CCP-CPP振荡器31具有中间层中的纳米级电流通路的不同的面积比以及不同的振荡频率。在高频集成电路中，通过控制电流被提供到其中的CCP-CPP振荡器31的选择可以得到极宽的频带。
在本发明的另外一个实施例中，多个CCP-CPP振荡器可以被电串联。当CCP-CPP振荡器被串联时可以增大振荡信号的输出。
即使在普通CPP振荡器中，将多个CPP振荡器如上所述地串联或并联也是有效的，并且可以得到与CCP-CPP振荡器的情况同样的经提高的输出效果。
进一步，通过向CCP-CPP振荡器施加一个外部磁场可以改变振荡频率。虽然通过这种方法对振荡频率的改变很小，必要时也可以采用这种方法。下文将通过参考图5到图7描述向CCP-CPP振荡器施加外部磁场的机构。
在图5的实例中，一对导线41被设置在在CCP-CPP振荡器的两边，使其与向CCP-CPP振荡器提供的电流的方向垂直。在这样的情况下使电流流向导线41，以同样的方向施加外部磁场(图5中朝上)，方向与CCP-CPP振荡器的平面垂直。
在图6的实例中，一对导线42被设置在在CCP-CPP振荡器的两边，使其与向CCP-CPP振荡器提供的电流的方向平行。在这样的情况下使电流流向导线41，以同样的方向施加外部磁场(图6中的出纸方向)，方向与CCP-CPP振荡器的平面平行。
在图7的实例中，一起使用由导线形成的磁场施加机构和由硬偏置(hard bias)薄膜形成的磁场施加机构。也就是说，一对导线43被设置在CCP-CPP振荡器的两边，使其与向CCP-CPP振荡器提供的电流的方向平行，而硬偏置薄膜44被设置在CCP-CPP振荡器的另外的两边。在这样的情况下使电流流向导线43，并且硬偏置薄膜被设定成在同样的方向施加外部磁场(在图7中向右)，方向与CCP-CPP振荡器的平面平行。
在图5到图7中所示的这样的磁场施加机构的设置可以使其具有作为高频振荡器工作的器件的功能。这种作为器件加入磁场施加机构以改变振荡频率的结构在普通CPP振荡器中同样有效，也可以得到与CCP-CPP振荡器的情况同样的效果。
在根据本发明的实施例的CCP-CPP振荡器中，通过改变提供的电流量也可以或多或少地改变振荡频率。然而，由于以这种方法难以大幅度改变振荡频率的频带，这种方法被应用于进行精细的频带调谐的场合。
实例在下面的部分将通过参考附图更详细地描述本发明的实例。在以下的实例中，代表合金成分的符号“％”的意思是原子数的％。
在实例1中将叙述具有图1所示结构的高频振荡器(CCP-CPP元件)的特例。本例中的高频振荡器通过将以下的薄膜顺序地层叠在衬底(未显示)上制成。
下电极11垫层12Ta[5nm]/Ru[2nm]固定层13Pt50Mn50[15nm]磁化被固定层[被固定层]14Co90Fe10[3.6nm]/Ru
/Fe50Co50[3nm]金属层15Cu
间隔层16Al2O3绝缘层21和Cu电流通路22(通过沉积Al90Cu10[1nm]的薄膜，进行氧化前注入稀有气体的离子束的预离子处理[PIT]和离子束辅助氧化[IAO]的方法形成)金属层17Cu
磁性振荡层18Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]覆盖层19Cu[1nm]/Ru[10nm]上电极20应该注意，间隔层16，上下金属层15和17在下文统称为间隔层。图1中的CCP-CPP振荡器是被固定层14设置在底部的底部型式，但不由分说也可以是被固定层14设置在顶部的顶部型式。下面将更详细地描述制造图1中的CCP-CPP器件的方法。
在衬底(未显示)上形成允许电流垂直于薄膜平面流动的下电极11。在下电极11上，作为垫层12沉积一层Ta[5nm]/Ru[2nm]。Ta是用来缓冲下电极的粗糙度的缓冲层。Ru是用来控制将要沉积在其上的自旋阀薄膜的晶向和晶粒尺寸的籽晶层(seed layer)。
Ta，Ti，W，Zr，Hf，Cr或它们的合金都可以作为缓冲层采用。缓冲层的厚度优选为2到10nm，3到5nm更好。如果缓冲层的厚度太小就失去缓冲作用。如果缓冲层厚度过大，对MR比率没有贡献的串联电阻增加，这是不可取的。然而，如果沉积在缓冲层上的籽晶层也具有缓冲作用，就并不总是需要设置由Ta等金属制成的缓冲层。
作为籽晶层可以采用能够控制沉积在其上的层次的晶向的任何材料，优选具有hcp结构或fcc结构的金属层。通过用Ru作为籽晶层，可以使籽晶层上的自旋阀薄膜的晶向成为fcc(111)晶向，还可以很好地保持用于PtMn的晶向的有序的fct结构，和用于bcc金属的晶向的bcc(110)晶向。进一步，籽晶层的设置能够将自旋阀薄膜的晶粒尺寸控制在10到40nm之间，这样，即使在CCP-CPP振荡器的尺寸变小也可以实现有效振荡而不会导致不均匀的特性。关于晶向，可以实现在自旋阀薄膜的fcc(111)峰或PtMn的fct(111)峰或bcc(110)峰的摆动曲线半极大值处的全宽在X光衍射的测量下达到3.5到6度的相对优选的晶向。晶向的发散角也可以用剖面TEM从衍射斑确定。
作为籽晶层，例如，也可以用通过向NiFe中加入第三种元素使其无磁性的NixFe100-x(x从10到50％，优选15到25％)，(NixFe100-x)100-yxy(x从Cr，V，Nb，Hf，Zr，Mo中选择)等代替Ru。NiFe基籽晶层比Ru基籽晶层的晶向改善更多，通过与上面一样的方式测量的摆动曲线半极大值处的全宽变成3到5度。为了得到以上描述的10到40nm的合适的晶粒尺寸，最好将第三种元素x的组成成分y设定在大约0到30％。为了使晶粒尺寸大于40nm，最好使用更大数量的附加元素。例如，在使用NiFeCr的情况下，最好使Cr的数量约为35％至45％，并且采用显示fcc和bcc之间的边界相的组成成分。
籽晶层厚度优选1.5到6nm，2到4nm更好。如果籽晶层厚度过小，晶向控制等的作用消失。如果籽晶层厚度过大，会增大串联电阻，而且可能导致自旋阀薄膜的界面粗糙。
固定层13沉积在垫层12上。固定层13具有向作为将要沉积在其上以固定其磁化的被固定层14的铁磁层提供单向的各向异性的功能。作为固定层13的材料，可以采用诸如PtMn，PdPtMn，IrMn和RuRhMn的反铁磁材料。为了提供足够强度的单向的各向异性，固定层13的厚度应适当设定。在采用PtMn或PdPtMn的情况下，厚度优选为8到20nm左右，10到15nm更好。在采用IrMn或RuRhMn的情况下，甚至可以通过比PtMn或相似材料更薄的厚度提供单向的各向异性，从而，厚度优选为5到18nm，7到15nm更好。可以采用硬磁层代替反铁磁层。例如，CoPt(Co的范围从50％到85％)，(CoxPt100-x)100-yCry(x从50％到85％，y从0到40％)，FePt(Pt的范围从40％到60％)等可以用作硬磁层。
被固定层14在固定层13上形成。本实施例的被固定层14是下被固定层14a(Co90Fe10)，Ru层14b和上被固定层14c(Fe50Co50[3nm])的合成的被固定层。固定层(PtMn)13和正好在层次13上方的下被固定层14a是交换耦合的，以便具有单向的各向异性。在Ru层14b上下方的下被固定层14a和上被固定层14c的磁耦合如此强烈，以致它们的磁化方向相互反平行。
最好下固定层14a被设计成使磁性厚度，也就是饱和磁化强度Bs与厚度t相乘(Bs×t的乘积)基本等于上被固定层14c的磁性厚度。在本实施例中，上被固定层14c是Fe50Co50[3nm]，FeCo的饱和磁化强度大约为2.2T，从而，磁性厚度就是2.2T×3nm＝6.6Tnm。由于下被固定层14a的Co90Fe10的饱和磁化强度大约是1.8T，得出与上述同样的磁性厚度的下被固定层14a的厚度t为6.6Tnm/1.8T＝3.66nm。在本实施例中，采用的是厚度为3.6nm的Co90Fe10。从通过固定层(PtMn)的单向的各向异性场强度和通过Ru的下被固定层和上被固定层的反铁磁性耦合场强度的观点，用于下被固定层的磁性层的厚度最好为约2到10hm。如果厚度过大，难以获得对于器件运行足够的单向的各向异性场。
作为下被固定层14a的材料，CoxFe100-x合金(x从0到100％)，NixFe100-x合金(x从0到100％)，或者通过向其加入非磁性元素得到的材料都可以采用。
Ru层14b具有在上下磁性层中产生反铁磁性耦合以形成合成的被固定层结构的功能。Ru层14b的厚度最好在0.8到1nm之间。也可以采用Ru以外的其他材料，只要该材料向上下磁性层产生充分的反铁磁性耦合即可。
上被固定层14c(Fe50Co50[2nm])是向下面将提到的其他磁性层注入自旋信息的磁性层，在本发明中是发挥极其重要的作用的功能层。特别地，位于与间隔层的介面上的磁性材料在向自旋依赖的界面散射作出贡献这一点上非常重要。在本实施例中，采用的是具有bcc结构的Fe50Co50。
具有bcc结构的FeCo基合金的实例包括FexCo100-x(x从30％到100％)，或者加入其他元素的FexCo100-x。
具体地，提供更加稳定的bcc结构的Fe80Co20可以被用作优选的材料。最好功能作为上被固定层的磁性材料的厚度为2nm或更大。对于上被固定层，可以采用fcc结构的CoFe合金或者具有hcp结构的钴合金代替具有bcc结构的磁性材料。诸如Co，Fe和Ni的所有金属元素以及包括任何一种这些元素的合金材料都可以被采用。
作为上被固定层，可以采用具有交替层叠的磁性层(FeCo层)和非磁性层(超薄的Cu层)的材料，最好，磁性层之间的Cu层的厚度在0.1到0.5nm左右。如果Cu层厚度太大，上下磁性层通过非磁性Cu层的磁性耦合变弱，被固定层的特性就会不足，这是不可取的。作为磁性层之间的非磁性层的材料，Hf，Zr，Ti等元素都可以用来代替Cu。另一方面，诸如FeCo的磁性层每一层的厚度应该最好在0.5到2nm之间。
可以采用FeCo和Cu的合金的上被固定层代替具有交替层叠的FeCo层和Cu层的上被固定层。这样的FeCoCu合金的实例包括(FexCo100-x)100-yCuy(x从30％到100％，y从3％到15％)，但是其他的组成范围也可以采用。作为加入到FeCo中的元素，可以采用Cu以外的诸如Hf，Zr或Ti的元素。由Co，Fe，Ni及其合金构成的单层薄膜可以被用于上被固定层。例如， 可以将Co90Fe10单层用作具有最简单的结构的上被固定层。可以向这些材料加入其他元素。
被固定层的厚度被设定成使被固定的磁场可以有足够大的值，并且比自旋扩散长度足够短。虽然自旋扩散长度随着磁性材料发生变化，但是典型的自旋扩散长度约为100nm，从而，被固定层的厚度不会超过100nm。
下一步，作为形成间隔层16的电流通路22的来源的第一金属层的Cu层沉积在被固定层14上，然后沉积作为将转化成间隔层16的绝缘层21的第二金属层的AlCu。然后，向作为第二金属层的AlCu层中注入稀有气体的离子束，通过该步骤进行氧化前的预离子处理(PIT)。在这个过程中，Ar离子在加速电压30到130V，束流20到200mA，处理时间30到180秒的条件下注入。虽然初次沉积的金属层(Cu层)以两维薄膜的形式存在，第一金属层中的Cu还是通过PIT过程被析出并穿透进入AlCu层中，进入AlCu层中的Cu就成为电流通路。进一步，进行作为第二金属层的AlCu层的离子束辅助氧化(IAO)。在这个过程中，在提供氧气的同时，Ar离子在加速电压40到200V，束流30到300mA，处理时间15到300秒的条件下注入。Al很可能被氧化，而Cu未必会。由此，生成具有由Al2O3构成的绝缘层21和由Cu构成的电流通路22的间隔层16。
Cu层的厚度取决于AlCu层的厚度进行调整，也就是说，当AlCu层的厚度变大时，在PIT过程中进入到AlCu层中的Cu的数量必须增加，也就必须增大Cu层的厚度。例如，当AlCu层的厚度是0.6到0.8nm时，Cu层的厚度被设定到大约0.1到0.5nm。当AlCu层的厚度是0.8到1nm时，Cu层的厚度被设定到大约0.3到1nm。如果Cu层厚度过小，在PIT过程中就不能提供足够数量的Cu进入到AlCu层中，从而，就不能使Cu的电流通路穿过并到达AlCu层的上部。另一方面，如果Cu层厚度过大，在PIT过程中虽然能提供足够数量的Cu进入到AlCu层中，但是在被固定层14和间隔层16之间最终会留下一层厚Cu层。为了实现本发明的大部分效果，在间隔层16受到固定的电流必须在到达磁性层的同时一直受到固定。然而，如果厚Cu层仍然留在被固定层14和间隔层16之间，在间隔层中受到固定的电流在到达磁性层之前就会变宽，这是不可取的。
可以用Au，Ag等金属代替Cu作为形成电流通路的第一金属层的材料。然而，与Au和Ag相比Cu更可取，这是因为Cu具有更高的对热处理的稳定性。为了代替这些非磁性材料可以采用磁性材料作第一金属层的材料。磁性材料的实例包括Co，Fe，Ni和它们的合金。当用于被固定层的磁性材料和用于电流通路的磁性材料相同时，就不必在被固定层上形成电流通路源(第一金属层)。也就是说，在将被转化成绝缘层的第二金属层沉积在被固定层之后进行PIT过程，使被固定层的材料进入第二金属层，就可以形成由磁性材料构成的电流通路。当纳米级电流通路由诸如Fe，Co，Ni的磁性材料以及包括这些磁性元素的磁性合金材料构成而不将诸如Cu的非磁性层用作间隔层材料时，振荡特性等就会改变，这对某些应用场合是可取的。在这种情况下，第一金属层可以由Fe，Co，Ni或包括这些磁性元素的磁性合金材料构成，或者不作为第一金属层形成一个新层，事实上，被固定层14就可以用作形成纳米级电流通路的材料。
当Al90Cu10被用作第二金属层时，在PIT过程中，不仅第一金属层的Cu被析出，AlCu中的Cu也与铝分离并形成电流通路。而且，如果离子束辅助氧化在PIT过程之后进行，由于离子束的辅助作用，Al与Cu的分离在氧化进行时更容易发生。作为第二金属层，不包括Cu的Al可以代替Al90Cu10用作电流通路的材料。在这种情况下，作为电流通路材料的Cu只从下面的第一金属层中提供。当AlCu被用作第二金属层时，作为电流通路材料的Cu在PIT过程中也从第二金属层中提供。因为这个原因，即使在形成厚绝缘层的情况下也可以容易地形成电流通路。当Al被用作第二金属层时，Cu难于在通过氧化形成的Al2O3中混合，因此，可以容易地形成高电阻的Al2O3。
在AlCu的情况下第二金属层的厚度为0.6到2nm，在Al的情况下则是0.5到1.7nm。由这些第二金属层的氧化形成的绝缘层的厚度约为0.8到3.5nm。可以很容易地制作氧化后厚度在1.3到2.5nm范围内的绝缘层，在电流固定效应的方面也很有利。进一步，通过绝缘层的电流通路的直径为1到10nm左右。
作为第二金属层的AlCu最好具有表达式为AlxCu100-x(x从100％到70％)的组成结构，从Ti，Hf，Zr，Nb，Mg，Mo及Si中选择的附加元素可以添加进AlCu中。在这种情况下，附加元素的组成成分最好在2到30％左右。当加入附加元素时，CCP结构的形成在某些情况下变得更容易。另外，当附加元素在Al2O3绝缘层及Cu电流通路之间的边界区域比其他区域分布更丰富时，绝缘层和电流通路之间的附着性及电迁移电阻得到改进。在CCP-CPP元件中，间隔层中的电流密度达到107到1010A/cm2。因为这个原因，电迁移电阻高，以及提供电流时Cu电流通路的稳定性能得到保证就很重要。在本实施例中，优选使用108A/cm2或更高的电流密度。然而，如果形成合适的CCP结构，即便不向第二金属层中加入附加元素也可以得到足够好的电迁移电阻。
第二金属层的材料不限于用于形成Al2O3的Al合金，主要由Hf，Zr，Ti，Ta，Mo，W，Nb，Si，Mg等组成的合金都可以采用。进一步，从第二金属层转化来的绝缘层不限于氧化物，氮化物或者氧化氮化物都可以采用。在将任何材料用作第二金属层的情况下，沉积时的厚度最好为0.5到2nm，转化为氧化物，氮化物或氧化氮化物时的厚度最好为0.8到3.5nm。
在间隔层16上沉积一层Cu
薄膜作为金属层17。该金属层17具有作为防止沉积在其上的游离层与间隔层16的氧化物接触以及自身被氧化的缓冲层的功能。顺便说明，在某些情况下，通过退火条件等的最优化可以避免游离层的氧化。于是，在间隔层16上的金属层17不是必须设置的。因而，虽然作为电流通路的来源的位于间隔层16下面的金属层15是必要的，但在间隔层16上面的金属层17并不总是必要的。考虑到生产上的余地，在间隔层16上形成金属层17是更可取的。金属层17的材料的实例包括Au，Ag和Ru以及Cu。但是，金属层17的材料最好与间隔层16中的电流通路的材料相同。如果将与电流通路不同的材料用作金属层17的材料，则界面电阻会增加，但当两种材料相同时，界面电阻不增加。金属层17的厚度优选0到1nm，0.1到0.5nm则更好。如果金属层17太厚，在间隔层16受到固定的电流将在金属层17扩散，以至于电流固定效应变得不足。Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]的薄膜沉积在金属层17上作为第二磁性层18。在选用与Co90Fe10成分接近的CoFe合金的情况下，厚度最好设定到0.5到4nm。在选用另一成分的CoFe合金(例如，与被固定层相关描述的成分)的情况下，厚度最好设定到0.5到2nm。在选用不含Co的Fe的情况下，厚度可以设定在0.5到4nm左右，因为软磁特性相对良好。NiFe合金的成分最好为NixFe100-x(x在78-85％之间)。NiFe层的厚度最好设定到2到5nm左右。在没有选用NiFe层的情况下，可以选用游离层，其中交替地层叠1到2nm厚的CoFe层或Fe层和约0.1到0.8nm厚的超薄Cu层。
在游离层18上层叠Cu[1nm]和Ru[10nm]作为覆盖层19。覆盖层具有保护自旋阀薄膜的功能。Cu层的厚度最好在0.5到10nm左右。可以在游离层18上直接设置厚度在0.5到10hm左右的Ru层而不设置Cu层。代替Ru层，可以在Cu层上设置另一个金属层。覆盖层的结构不作特别固定，只要能发挥覆盖的效果也可以选用其他的材料。在覆盖层19上形成允许电流垂直于自旋阀薄膜流动的上电极20。
在根据本实施例的CCP-CPP振荡器中，振荡有效地发生，但磁化反转未必可能发生。此外，在根据本实施例的CCP-CPP振荡器中，通过改变平面中纳米级电流通路的面积比，有效地发生自旋波激发的区域(参考图3)可以得到显著的改变。因此，振荡的频率可以在从1GHz到几百GHz的很大的范围内改变。此外，在根据本实施例的CCP-CPP振荡器中可以得到200或更高的高Q值。
图8显示了根据本发明的修改实例的CCP-CPP振荡器的立体图。该CCP-CPP振荡器有这样的结构，其中层叠在衬底(没有显示)上的是下电极11，垫层12，第一固定层131，第一磁化被固定层(合成的被固定层)141，第一中间层161，振荡层18，第二中间层162，第二磁化被固定层(合成的被固定层)142，第二固定层132，覆盖层19和上电极20。
在该CCP-CPP振荡器中，在激发自旋波的振荡层18的上下设置包括纳米级电流通路的中间层161，162，并且由于高电流约束效应而能提高振荡输出。
图9显示了根据本发明的另一个修改实例的CCP-CPP振荡器的立体图。该CCP-CPP振荡器有这样的结构，其中层叠在衬底(没有显示)上的是下电极11，垫层12，第一固定层131，第一磁化被固定层(合成的被固定层)141，第一中间层161，第一振荡层181，第二中间层162，第二振荡层182，第三中间层163，第二磁化被固定层(合成的被固定层)142，第二固定层132，覆盖层19和上电极20。
因为该CCP-CPP振荡器包括与图8中相似的两层振荡层，因此可以提高振荡输出。
在该实例中将对高频振荡器被并联的高频集成电路进行描述。图10A和10B是根据本实例的高频集成电路的平面图及其层叠结构的示意图。如图10B中所示，在Si衬底51上形成起放大器作用的CMOS晶体管52，在CMOS晶体管52上形成CCP-CPP振荡器53。如图10A所示，多个CCP-CPP振荡器53规则地排列在Si衬底51的表面。通常，CMOS晶体管的制造工艺包括比CCP-CPP振荡器的制造工艺温度更高的高温步骤，因而采用如图10B所示的层叠结构。也就是，在Si衬底51上形成CMOS晶体管52，使该表面平整并且在其上形成触点，然后再形成CCP-CPP振荡器53。
如图11所示，多个CCP-CPP振荡器53a，53b，53c和54d被并联到电源54以形成高频集成电路。如图12A，12B和12C所示，这些CCP-CPP振荡器具有在包括绝缘层21和纳米级电流通路22的中间层中的纳米级电流通路22的各自不同的面积比，结果，这些CCP-CPP振荡器具有不同的振荡频率。在中间层中的纳米级电流通路22的面积比按a，b和c的顺序越来越小。
图13显示了磁化被固定层14，中间层16和振荡层18的优选的截面结构。磁化被固定层14具有其中生长由晶粒边界B分离的晶粒G的微观结构。中间层16包括绝缘层21和纳米级电流通路22，纳米级电流通路22沿厚度方向基本上在晶粒G的中心位置处穿过绝缘层21。此外，在中间层16上生长振荡层18的晶粒。在这样的结构中，在磁化被固定层中分布被固定的电流在其中流动的区域，或者在纳米级电流通路上下的振荡层成为晶粒的中心。晶粒的中心具有良好的晶体结构，并且不受到在晶粒边界散射的电子的影响，因此，能够实现良好的振荡特性。这样就能够实现良好的Q值和提高振荡输出。
在晶粒的中心部分存在纳米级电流通路意味着当基于用剖面TEM等的观察限定晶粒时下文所述将成为优选的范围。在图13的每一个晶粒中规定了这样的坐标，使晶粒的晶粒边界的左端为坐标0，右端为坐标100，晶粒的中心部分为坐标50。在这种情况下，最好具有穿越氧化物的晶体结构的纳米级电流通路的至少一部分存在于坐标20到80的范围内。更可取的是，具有穿越氧化物的晶体结构的全部纳米级电流通路都存在于坐标20到80的范围内。或者，要求纳米级电流通路存在于远离晶粒边界(坐标0或坐标100)3nm或以上的晶粒内部。
这里，作为晶粒的最简单的定义方法，形成如图13示意性地显示的不均匀度的一个突起就可以被定义为一个晶粒。换句话，不均匀度的周期可以被定义为晶粒的尺寸。假设，该不均匀度通过形成间隔层的氧化物和下磁性层之间的界面中的不均匀度识别。该不均匀度的尖峰部分是晶粒的中心部分，而较低部分与晶粒边界相对应。在这种情况下，必须使薄膜在通过剖面TEM观察的深度方向上足够薄，以便于能清楚地观察晶格结构。此外，不仅通过单一的不均匀度，而且通过晶格与相邻晶粒的不连续同样也能定义晶粒及晶粒边界。换句话说，晶格基本连续地存在于同一个晶粒中，而晶粒边界可以被确认为晶格连续性被破坏的界面。
如前面所述，在根据本实施例的高频集成电路中，并联的多个高频振荡器具有不同的振荡频率，并且可以在宽频带范围内使用。如果通过常规的技术在诸如毫米波及微波的高频率中实现这样的功能的话，该系统一定是尺寸大而且成本高，因此阻碍其向消费应用的推广。然而，通过使用根据本实施例的高频集成电路，就能够以低廉的成本建造这一系统，并且在消费应用中推广处理毫米波及微波的高频器件。
应该注意的是，可以并联具有基本相同的振荡频率的多个CCP-CPP振荡器以形成一个高频集成电路。为了提高振荡输出的目的，这样的高频集成电路可以带来各种优势。
此外，也可以通过使用具有由非磁性金属制成的中间层(典型的是几个nm厚的Cu)的常规的CPP振荡器制造如图11所示的并联的高频集成电路，而不是通过具有包括绝缘层和电流通路的中间层的CCP-CPP振荡器来制造。在这样的高频集成电路中，可以通过提供如图5到7所示的施加外磁场的导线改变各个CPP振荡器的振荡频率。
在该实施例中将对高频振荡器被串联的高频集成电路进行描述。该高频集成电路的平面图和层叠结构与图10A和10B所示相同。也就是，在Si衬底上形成CMOS晶体管和CCP-CPP振荡器，多个CCP-CPP振荡器53规则地排列在Si衬底的表面上。如图14所示，多个CCP-CPP振荡器53a，53b，53c，53d和53e串联地连接到电源54上，通过这样的结构形成高频集成电路。通过以这种方式串联多个CCP-CPP振荡器可以提高振荡输出。
同样在这种情况下，图14显示的串联的高频集成电路可以通过使用常规的CPP振荡器而不用CCP-CPP振荡器来制造。
图15显示了使用根据本实施例的高频振荡器的毫米波(或微波)波段的车载雷达的系统构造。该系统具有其中具有根据本实施例的高频振荡器的毫米波发射/接收模块61，用于处理发射/接收模块61的信号的模拟电路62，用于进行模-数转换和数-模转换的转换器63，数字信号处理器(DSP)64和用于进行向外界发射和从外界接收的通信机构65。
图16显示FM-CW雷达方案的车载雷达的更具体的电路图。图17显示这种雷达的信号波形。这些信号波形显示的是雷达靠近目标的情况。
来自发生器71的发射波和来自振荡器72的载波由发射天线73作为与输出电压成比例的FM调制波发射。该发射波被传送到雷达信号分析器80。从反射物体反射并由接收天线74接收的接收波与发射波的一部分经混频器75组合后得到拍频信号。该拍频信号通过前置放大器76、中频放大器77、滤波器78和波形探测器79传送到雷达信号分析器80。拍频信号包括与目标距离成比例的相位滞后(图17中的Dt)和从与目标的相对速度发生的多普勒频移(图17中的Df)。Dt和Df可以从调制频率增加和减少时拍频信号的频率差(δfu，δfd)计算。在该计算值的基础上即可得到与目标之间的距离和相对速度。
图18显示了工作在某特定频率的FM-CW雷达方案的毫米波车载雷达的示例性结构。发射时，发射输出通过19-GHz-频带振荡器81、19-GHz-频带功率放大器82、19/38-GHz倍频器83、38-GHz功率放大器84、38/76-GHz倍频器85和76-GHz-频带功率放大器86发射。接收时，接收输入由76-GHz-频带转换器87接收，通过76-GHz-频带低噪声放大器88和接收混频器89得到IF-频段的输出。
图19显示了工作在某特定频率的脉冲多普勒方案的毫米波车载雷达的示例性结构。发射时，发射输出通过19-GHz-频带振荡器91、19-GHz-频带功率放大器92、19/38-GHz倍频器93、38-GHz功率放大器94、38/76-GHz倍频器95、76-GHz-频带功率放大器96和76-GHz转换器97发射。接收时，接收输入由76-GHz-频带转换器97接收，通过76-GHz-频带低噪声放大器98和接收混频器99得到IF-频段的输出。
图1中显示的高频振荡器被作为图18和图19中显示的振荡器81和91应用，所以可以实现比使用常规振荡器更低成本的有更简单的电路结构的更紧凑的车载雷达。其频率不限于上述频率，而根据可以得到的频率分配，根据本实施例的高频振荡器可以工作在从数十GHz到数百GHz，直至几个THz等的很宽的频率范围。
图20显示的是装载根据本实施例的车载雷达装置100的汽车110。根据上述原理，可以得到从汽车110到障碍物115之间的距离以及相对速度。
制造紧凑的常规车载雷达曾经非常困难，因此也固定了它的安装位置。例如，如果把常规的车载雷达装在水箱前格栅上，该位置太低，就不能很好地探测到卡车等车辆的位置。相反，根据本实施例的车载雷达可以造得紧凑，因此可以安装到汽车上的任何位置，不限于水箱格栅或发动机盖。由于这样的原因，根据本实施例的车载雷达同样可以安装在低端的汽车上。
图21显示的是根据本实施例的一种车际通信设备。包括根据本实施例的CCP-CPP振荡器的车载雷达设备100被安装到每辆汽车110的前部和后部。在该设备中，两辆汽车110之间可以实现双向通信，汽车受到控制而在行驶中保持两车之间的固定距离，从而实现智能运输系统(ITS)。
由于根据本实施例的发射/接收设备可以造得紧凑，其安装位置的自由度大，进而其防风、防雨和防雪的保护结构就可以大大简化，使其价格也将降低。
图22显示了一种根据本实例信息终端对终端通信设备。包括根据本发明的CCP-CPP振荡器的发射/接收设备105被安装到每个便携信息终端120上，从而可以进行简单的近场双向通信。由于使用高频率，因此信息量大，近场高速无线电数据通信非常方便。
对于在本技术领域中经验丰富的人士来说，本发明的其他优势和改进会很容易实现。所以，本发明在其广泛的各个方面不限于本文显示和叙述的具体细节和代表性的实施例。因此，可以进行各种修改而不背离由附后的权利要求及其等效内容定义的本发明的总体概念的精神和范围。
权利要求
1.一种高频振荡器，其特征在于，该高频振荡器包括高频振荡元件，该高频振荡元件包括其磁化方向被基本固定在一个方向的磁化被固定层；由磁性材料形成的在被提供电流时产生高频振荡现象的振荡层；设置在所述磁化被固定层和所述振荡层之间的中间层，该中间层包括绝缘层和在厚度方向穿越该绝缘层的电流通路；和一对垂直于包括磁化被固定层、中间层和振荡层的层叠薄膜的平面提供电流的电极。
2.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，该振荡器包括多个所述高频振荡元件，其中所述多个高频振荡元件具有不同的在所述中间层中的所述电流通路的面积比以及不同的振荡频率。
3.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述在厚度方向穿越绝缘层的电流通路具有0.5nm到10nm的尺寸。
4.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述绝缘层由从氧化物、氮化物和氧化氮化物构成的组中选择的材料形成，包含从Al，Hf，Zr，Ti，Ta，Mo，W，Nb，Si和Mg构成的组中选择的至少一种元素。
5.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述电流通路由从包含Cu，Ag，Co，Fe和Ni的组中选择的金属材料形成。
6.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述绝缘层具有0.8到3.5nm的厚度。
7.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，每个所述磁化被固定层和所述振荡层都由包含从Co，Fe和Ni构成的组中选择的至少一种元素的磁性材料形成。
8.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述电流通路形成在构成所述磁化被固定层或设置在其下方的所述振荡层的晶粒的中心区域。
9.一种高频振荡器，其特征在于，该高频振荡器包括高频振荡元件，该高频振荡元件包括其磁化方向被基本固定在一个方向的磁化被固定层；由磁性材料形成的在被提供电流时产生高频振荡现象的振荡层；设置在所述磁化被固定层和所述振荡层之间，包括绝缘层和在厚度方向穿越该绝缘层的电流通路的中间层；和一对垂直于包括磁化被固定层、中间层和振荡层的层叠薄膜的平面提供电流的电极，和向所述层叠薄膜施加磁场的磁场施加机构。
10.如权利要求9所述的振荡器，其特征在于，所述磁场施加机构利用平行于向所述层叠薄膜提供的电流的方向设置的导线施加磁场。
11.如权利要求9所述的振荡器，其特征在于，所述磁场施加机构利用垂直于向层叠薄膜提供的电流的方向设置的导线施加磁场。
12.如权利要求9所述的振荡器，其特征在于，该振荡器进一步包括在所述层叠薄膜的两侧设置的硬偏置层。
13.一种高频振荡器，其特征在于，该高频振荡器包括高频振荡元件，该高频振荡元件包括其磁化方向被基本固定在一个方向的第一磁化被固定层；由磁性材料形成的在被提供电流时产生高频振荡现象的振荡层；其磁化方向被基本固定在一个方向的第二磁化被固定层；设置在所述第一磁化被固定层和所述振荡层之间，具有绝缘层和在厚度方向穿越该绝缘层的电流通路的第一中间层；设置在所述振荡层和所述第二磁化被固定层之间，具有绝缘层和在厚度方向穿越该绝缘层的电流通路的第二中间层；和一对垂直于包括第一磁化被固定层、第一中间层、振荡层、第二磁化被固定层和第二中间层的层叠薄膜的平面提供电流的电极。
14.如权利要求13所述的振荡器，其特征在于，该振荡器包括多个所述高频振荡元件，其中所述多个高频振荡元件具有不同的在第一和第二中间层中的电流通路的面积比以及不同的振荡频率。
15.一种高频集成电路，其特征在于，所述高频集成电路包括多个如权利要求1所述的高频振荡器，所述多个高频振荡器在同样的衬底上形成，并以并联和/或串联的形式电连接。
16.如权利要求15所述的电路，其特征在于，所述多个高频振荡器中的每一个都电连接到半导体晶体管上。
17.一种车载雷达装置，其特征在于，该车载雷达装置包括如权利要求1所述的高频振荡器。
18.一种车际通信设备，其特征在于，该车际通信设备包括如权利要求1所述的高频振荡器，所述高频振荡器安装在多辆汽车上，并且被构造成引导汽车以保持汽车之间的距离。
19.一种信息终端到终端通信设备，其特征在于，该信息终端到终端通信设备包括如权利要求1所述的高频振荡器，该高频振荡器安装在多个信息终端中，并且被构造成能在所述多个信息终端之间进行近场通信。
全文摘要
高频振荡器包括高频振荡元件，该高频振荡元件具有其磁化方向基本被固定在一个方向的磁化被固定层；由磁性材料形成的在提供电流时产生高频振荡现象的振荡层；设置在磁化被固定层和振荡层之间，具有绝缘层和在厚度方向穿越绝缘层的电流通路的中间层；和一对垂直于包括磁化被固定层、中间层和振荡层的层叠薄膜的平面提供电流的电极。
文档编号G01D5/16GK1956235SQ20061014364
公开日2007年5月2日 申请日期2006年10月27日 优先权日2005年10月28日
发明者福泽英明, 汤浅裕美, 岩崎仁志 申请人:株式会社东芝