磁致電阻效應元件及其製造方法
2023-07-29 10:00:06
專利名稱：磁致電阻效應元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及具有控制在納米量級的精細形狀的電子器件、具有控制在納米量級的精細形狀的磁致電阻效應元件；利用磁致電阻效應元件的磁頭、記錄/再現設備、存儲元件和存儲陣列；用於製造電子器件的方法；和用於製造磁致電阻效應元件的方法。
背景技術：
用於將材料的結構控制在納米量級的納米技術已經被評價為信息和通信等的基礎技術，並且已經積極地進行研究和開發。近年來，已經提出具有控制在納米量級的精細形狀的磁器件和電子器件。
在磁器件領域中，由於利用GMR(巨磁致電阻效應)膜的常規磁致電阻效應元件(M.N.Baibich等人的「Phys.Rev.Lett.，Vol.61」(1988)p.2472)的MR比(磁致電阻變化)僅為大約10％，所以需要展現出較高MR比的磁致電阻效應元件。針對上述需求所提出的利用TMR(隧穿磁致電阻)元件的磁致電阻效應元件展現出大約50％的高MR比(T.Miyazaki等人的「J.Magn.Mater.，Vol.139」(1995)，pL231)。TMR元件的電阻與TMR元件寬度的平方成反比，所述TMR元件寬度與信息記錄介質的軌道寬度成比例。由於記錄密度越高且軌道寬度越窄，TMR元件的寬度變得越窄，所以TMR元件的電阻變得極高。因此，難以將該元件應用於精細結構的磁頭。
而且，已經提出一種利用TMR膜的磁阻存儲器(MRAM)。然而，利用TMR膜的磁阻存儲器的MR比為50％，這不足以作為存儲元件。
在這種情況下，有人試圖製造一種磁致電阻效應元件，其中在電極之間形成具有控制在納米量級的精細形狀的連接部分並在該連接部分執行能夠允許電子通過但不被散射的衝猾導(ballisticconduction)。在常規的光刻技術中，很難形成控制在納米量級的精細形狀。通過利用碳納米管(下文中稱之為CNT)，已經提出一種其中在電極之間形成控制在納米量級的精細形狀的連接部分的結構(「Nature Vol.401」(1999)，p572，下文中將其稱之為非專利文獻3)。在該文獻中，公開了一種用於通過碳納米管來電連接兩個電極的磁致電阻效應元件。
在電子器件的領域中，通過利用被稱為量子電導的現象來控制布線的橫截面積，提出其中消除電導偏差(variation)的電子器件，在所述量子電導中，電導相對於精細布線的橫截面積階梯式變化。當電導相對於布線的橫截面積連續變化時產生電導偏差。在Adv.Mater.Vol.12，2000，p890中提出具有這種由碳納米管形成的精細布線的電子器件，下文中將該文獻稱之為非專利文獻4。
此外，在利用Ni晶須(whisker)的納米接觸元件中，據報導MR比在室溫下達到100,000％(參見Physical Review B67，2003，p60401，下文中將其稱之為非專利文獻5)。
然而，取決於手徵(chirality)，碳納米管的導電率不同，以至於難以控制形成的碳納米管成為展現出金屬性的特性的手扶椅類型或展現出半導體特性的之字形類型或者展現出絕緣體特性的手徵性類型。
因此，在非專利文獻3中所公開的磁致電阻效應元件的結構中，由於不能控制為連接兩個電極而形成的碳納米管的導電率，所以電特性不穩定。如果可以將碳納米管形成為展現出金屬導電性的手扶椅類型的形狀，則碳納米管與兩電極之間的接觸電阻變得極高，例如在電極為Ni電極的情況下為15至30MΩ。因此，該結構存在磁致電阻效應元件的MR比在極低的溫度下才不過10％且在室溫下不能獲得高MR比的問題。
為了通過控制被控制在納米量級的精細布線的橫截面積來獲得沒有導電率偏差的電子器件，同樣在具有非專利文獻4的布線碳納米管的結構中，也不能控制碳納米管的導電率，如上所述。由於存在電子穩定性低的問題，所以不適合於實際應用。此外，電阻高至10kΩ。
在文獻5中所公開的採用Ni晶須的納米接觸元件中，由鍍金屬形成的納米接觸部分具有不能受控的結構。因此，其不能實際應用。
發明內容
基於前面所述，本發明的目的是提供具有控制在納米量級的精細形狀的電子器件、磁致電阻效應電晶體；利用磁致電阻效應元件的磁頭、記錄/再現設備、存儲元件和存儲陣列；用於製造電子器件的方法；和用於製造磁致電阻效應元件的方法。
本發明的第一電子器件包括第一電極和第二電極；以及電連接到第一電極和第二電極的金屬導體薄膜。金屬導體薄膜包括金屬導體部分，該金屬導體部分橫跨(bridge)從垂直於第一電極和第二電極的底表面的方向看到的第一電極與第二電極之間的間隙；金屬導體部分的橫跨長度L不超過在電子器件的操作溫度下金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ。通過在襯底上以具有橫跨長度L的間隙形成第一電極和第二電極；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組的至少一個的支撐體並橫跨從垂直於底表面的方向上所看到的第一電極與第二電極之間的間隙；和通過在支撐體上以及在第一和第二電極上澱積金屬導體薄膜的方法形成金屬導體部分，來製造電子器件。
在說明書中，術語「電子的平均自由程Λ」表示其中電子可以傳播而不被散射的距離。術語「金屬導體部分的橫跨長度L」表示沿著中心軸從在其處橫截面積沿著電子器件的中心軸迅速下降的點P1到在其處電子器件的橫截面積迅速增加的點P2的長度。特別地，在實施例中將詳細說明測量金屬導體部分的橫跨長度L的方法。
由於通過在襯底上以具有橫跨長度L的間隙形成第一電極和第二電極，所述橫跨長度L不超過在電子器件的操作溫度下在金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組的至少一個並橫跨從垂直於底表面的方向上所看到的第一電極與第二電極之間的間隙的支撐體；和通過在支撐體上、在第一電極和第二電極上澱積金屬導體薄膜的方法形成金屬導體部分，來製造根據本發明的第一電子器件，所以能夠在支撐體上形成具有不超過電子的平均自由程Λ的橫跨長度L的金屬導體部分，所述支撐體包括選自由納米管和納米布線組成的組的至少一個。
在具有不超過電子的平均自由程Λ的橫跨長度L的金屬導體部分中，出現稱為量子電導的現象，其中電導相對於橫截面積階梯式變化。
因為本發明的金屬導體部分由金屬形成，與非專利文獻4中所描述的不能夠控制導電率的碳納米管不同，本發明的金屬導體部分具有穩定的導電率。此外，與第一電極和第二電極的接觸電阻變得極小。因此，電特性變得穩定。
因此，通過利用量子電導來控制金屬導體部分的橫截面積，能夠獲得在導電率相對於橫截面積呈線性變化的情況下不產生導電率偏差的電子器件。
優選地，通過澱積金屬導體薄膜並且然後除去支撐體的工藝來製造電子器件。通過除去不能夠控制導電率的支撐體，電子器件的電特性更加穩定。
可以通過澱積金屬導體薄膜並且然後除去襯底的工藝來製造電子器件。當CNT用於襯底時，由於CNT襯底展示出導體、半導體和絕緣體三種特性，所以通過除去由CNT構成的襯底，電子器件的電特性變得更加穩定。
優選地，第一電極和第二電極包括磁性物質。這是有利的，因為可以將電子器件用作磁致電阻效應元件和存儲元件。
優選地，第一電極和第二電極包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。這是有利的，因為可以獲得具有優良磁特性的磁致電阻效應元件和存儲元件。
優選地，金屬導體薄膜包括磁性物質。因為將磁疇壁固定到金屬導體部分，所以可以獲得根據磁疇壁的存在與否來工作的磁致電阻效應元件。
優選地，金屬導體薄膜包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。可以將磁疇壁牢固地固定在金屬導體部分上。
優選地，第一電極的橫截面積S1、第二電極的橫截面積S2和金屬導體部分的橫截面積S3滿足下述關係S3＜S1且S3＜S2。將磁疇壁牢固地固定在金屬導體部分上。
優選地，金屬導體部分的橫截面積S3不小於1nm2並不大於1.0×106nm2。當橫截面積S3小於1nm2時，往往很難以高再現性形成被控制在納米量級的金屬導體部分。當橫截面積S3大於1.0×106nm2時，往往很難實現量子電導。
優選地，支撐體包括碳納米管。採用碳納米管，可以容易控制支撐體的精細形狀。此外，可以以所希望的方式精確地控制金屬導體部分的形狀。因為與包含有機物質的諸如蛋白質納米布線等材料相比，碳納米管具有高耐熱性並且具有高的機械強度，所以容易製造。
優選地，形成支撐體的步驟包括將用於促進碳納米管的形成反應的催化劑設置在第一電極和第二電極上；以及通過化學氣相沉積(CVD)方法形成包括碳納米管的支撐體。可以容易製造碳納米管。
優選地，形成支撐體的步驟包括形成包括碳納米管的支撐體，同時分別向第一電極和第二電極施加不同的電壓。這是有利的，因為在第一電極與第二電極之間提供電場，由此使得能夠容易地形成碳納米管。
優選地，第一電極和第二電極包括磁性物質；而催化劑包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。因為Fe、Co和Ni為磁性物質，所以如果在製造電子器件之後磁性物質保留在第一和第二電極中，則不會使電特性和磁特性惡化。
支撐體可以包括可自組織的(self-organizable)蛋白質納米布線和矽納米布線中的至少一個。通過控制蛋白質納米布線的DNA，可以精確地控制支撐體的精細形狀。此外，可以精確地將金屬導體部分的精細形狀控制成所希望的形狀。
優選地，形成金屬導體部分的步驟包括通過物理氣相沉積(PVD)方法來澱積金屬導體薄膜。採用物理氣相沉積(PVD)方法，可以容易地形成金屬導體部分。
優選地，電子器件的操作溫度不小於4.2K且不大於523K。如果操作溫度小於4.2K，用於冷卻電子器件的系統趨於複雜，而且由於利用諸如液體He的昂貴冷卻介質，成本往往大幅升高。如果操作溫度大於523K，則可以在大於523K的操作溫度下使用的外圍設備(用在電子器件組合中的諸如半導體元件、磁性介質等外圍設備)非常受限制。因此，必須使用耐氣候性(耐熱性等)優良的外圍設備。當操作溫度不小於4.2K且不大於523K時，通過利用量子電導控制金屬導體部分的橫截面積，同時利用本發明的優點，即，可以避免當導電率相對於金屬導體部分的橫截面積展現出連續值時產生的導電率偏差，可以確保其它外圍設備的性能。因此，可以獲得作為整體的設備的期望性能。
本發明的第二電子器件包括第一電極和第二電極；以及橫跨第一電極與第二電極之間的間隙的金屬導體。金屬導體部分的橫跨長度L不大於在電子器件的操作溫度下電子在金屬導體中的平均自由程Λ。通過在襯底上以具有橫跨長度L的間隙形成第一電極和第二電極；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並且橫跨第一電極與第二電極之間的間隙的支撐體；以及在支撐體上澱積金屬導體，來製造該電子器件。
在本發明的第二電子器件中，在襯底上以具有橫跨長度L的間隙形成第一電極和第二電極；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並且橫跨第一電極與第二電極之間的間隙的支撐體；並且在支撐體上澱積金屬導體。可以形成具有不超過電子平均自由程Λ的橫跨長度L並且直接跨接支撐體上的第一電極與第二電極的金屬導體，該支撐體包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並且直接跨在第一電極與第二電極之間。
在本發明的第二電子器件中，與本發明的第一電子器件相似，在金屬導體中，出現被稱為量子電導的現象。該金屬導體不同於在非專利文獻4中所描述的碳納米管並且具有穩定的導電率。此外，與第一電極和第二電極的接觸電阻減小。因此，通過利用量子電導，通過控制金屬導體部分的橫截面積，可以獲得沒有導電率偏差的電子器件。
本發明的第三電子器件包括第一電極膜；形成在第一電極膜上的絕緣膜；形成在絕緣膜上的第二電極膜；以及穿透絕緣膜並將第一電極膜與第二電極膜電連接的金屬導體。金屬導體的長度L不超過在電子器件的操作溫度下電子在金屬導體中的平均自由程Λ。通過在襯底上形成第一電極膜；在第一電極膜上形成厚度為金屬導體的長度L的絕緣膜；通過利用來自掃描隧道顯微鏡(STM)的探針的場發射電子束照射絕緣膜，提供具有到達第一電極薄膜的通孔的絕緣膜，該掃描隧道顯微鏡包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個；使用金屬導體填充通孔內側；並且在絕緣膜和金屬導體上形成第二電極膜，來製造電子器件。
在本發明的第三電子器件中，通過在襯底上形成第一電極膜；在第一電極膜上形成厚度為金屬導體的長度L的絕緣膜；通過利用來自掃描隧道顯微鏡(STM)的探針的場發射電子束照射絕緣膜，提供具有到達第一電極薄膜的通孔的絕緣膜，該掃描隧道顯微鏡包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個；使用金屬導體填充通孔內側；並且在絕緣膜和金屬導體上形成第二電極膜，來製造電子器件。因此，在通過利用來自包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個的STM的探針的場發射電子束照射而形成的通孔中，可以製造具有不超過電子平均自由程Λ的長度L的金屬導體。
因此，在具有控制在納米量級的精細形狀的金屬導體中，發生被稱之為量子電導的現象，其中導電率(電導)相對於橫截面積階梯式變化，並且發生被稱之為衝猾導的現象，其中電子穿過金屬導體而不出現散射。
因為本發明的金屬導體由金屬形成，與非專利文獻4中所描述的不能夠控制導電率的碳納米管不同，其具有穩定的導電率。此外，與第一電極膜和第二電極膜的接觸電阻大大地減小。因此，電特性變得穩定。
因此，通過利用量子電導控制金屬導體的橫截面積，可以獲得能夠避免當導電率相對於橫截面積線性變化時所發生的導電率偏差的電子器件。此外，通過控制第一電極膜和第二電極膜的磁化方向，由於衝猾導，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件。
根據本發明的第四電子器件包括第一電極和第二電極；以及在第一電極與第二電極之間所形成的與第一電極和第二電極接觸的絕緣膜。絕緣膜設置有從第一電極到達第二電極的溝槽；該溝槽填充有金屬導體，其使得第一電極與第二電極接觸；並且金屬導體的長度L不超過在電子器件的操作溫度下電子在金屬導體中的平均自由程Λ。通過在襯底上形成以具有長度L的間隙設置的第一電極和第二電極來製造電子器件。絕緣膜在襯底上的第一電極與第二電極之間，使得第一電極與第二電極接觸。通過利用來自包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個的掃描隧道顯微鏡(STM)的探針的場發射電子束照射絕緣膜；並使用金屬導體填充溝槽，絕緣膜設置有從第一電極到達第二電極的溝槽。
通過在襯底上形成以具有長度L的間隙設置的第一電極和第二電極，來製造本發明的第四電子器件。絕緣膜在襯底上的第一電極與第二電極之間，使得第一電極與第二電極接觸。通過利用來自包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個的掃描隧道顯微鏡STM的探針的場發射電子束照射絕緣膜；並使用金屬導體填充溝槽，絕緣膜設置有從第一電極薄膜到達第二電極薄膜的溝槽。因此，在通過利用來自包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個的STM的探針的場發射束照射而形成的溝槽中，可以製造具有不超過電子平均自由程Λ的長度L的金屬導體。
因此，在具有控制在納米量級的精細形狀的金屬導體中，發生被稱之為量子電導的現象，其中導電率(電導)相對於橫截面積階梯式變化，並且發生被稱之為衝猾導的現象，其中電子穿過金屬導體而不出現散射。
因為本發明的金屬導體由金屬形成，與非專利文獻4中所描述的不能夠控制導電率的碳納米管不同，其具有穩定的導電率。此外，與第一電極膜和第二電極膜的接觸電阻大大地減小。因此，電特性變得穩定。
因此，通過利用量子電導控制金屬導體的橫截面積，可以獲得能夠避免當導電率相對於橫截面積線性變化時所發生的導電率偏差的電子器件。此外，通過控制第一電極膜和第二電極膜的磁化方向，由於衝猾導，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件。
優選地，第一電極和第二電極包括磁性物質；並且金屬導體設置有凹面部分。當通過形成凹面部分來將電子器件用於磁致電阻效應元件時，可以將磁疇壁牢固地固定在金屬導體的凹面部分的位置處。通過形成凹面部分，可以在金屬導體部分中形成其中橫截面積迅速下降的部分，並且可以將磁疇壁的位置固定在該位置上。當需要減小在電子器件操作期間所產生的噪聲時，該結構有效。本發明人確定可以通過利用STM來形成該凹面部分。
根據本發明的磁致電阻效應元件包括包含磁性物質的第一電極和第二電極；以及電連接到第一電極和第二電極的金屬導體薄膜。金屬導體薄膜包括橫跨從垂直於第一電極和第二電極的底表面的方向上所看到的第一電極與第二電極之間的間隙的金屬導體部分。金屬導體部分的橫跨長度L不超過是在磁致電阻效應元件的操作溫度下在金屬導體部分中的電子自旋擴散的長度值和在磁致電阻效應元件的操作溫度下金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ的值中的較大值的值。第一電極的橫截面積S1、第二電極的橫截面積S2和金屬導體部分的橫截面積S3滿足下述關係式S3＜S1且S3＜S2。通過在襯底上以具有橫跨長度L的間隙形成第一電極和第二電極；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨從垂直於底表面的方向上所看到的第一電極與第二電極之間的間隙的支撐體；並且通過在支撐體上、在第一電極和第二電極上澱積金屬導體薄膜的方法形成金屬導體部分，來製造磁致電阻效應元件。
本發明中「電子自旋擴散長度」是其中電子在保持磁化狀態(向上自旋狀態或向下自旋狀態)下可以傳播的距離。
在根據本發明的磁致電阻效應元件中，通過在襯底上以具有橫跨長度L的間隙形成第一電極和第二電極，該橫跨長度L不超過是在磁致電阻效應元件的操作溫度下在金屬導體部分中的電子自旋擴散的長度值和在磁致電阻效應元件的操作溫度下金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ的值中的較大值的值；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨從垂直於底表面的方向上所看到的第一電極與第二電極之間的間隙的支撐體；並且通過在支撐體上、在第一電極和第二電極上澱積金屬導體薄膜的方法形成金屬導體部分，來製造磁致電阻效應元件。因此，可以在支撐體上製造具有值為在電子自旋擴散的長度值和電子的平均自由程Λ的值中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分，所述支撐體包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個。
在具有這種橫跨長度L的金屬導體部分中，發生被稱為衝猾導的現象，其中電子穿過金屬導體部分而沒有出現散射。
因為本發明的金屬導體部分由金屬形成，與非專利文獻3中所描述的不能夠控制導電率的碳納米管不同，其具有穩定的導電率。此外，在第一電極與第二電極之間的接觸電阻變得極小。因此，電特性變得穩定。
因此，通過控制第一電極和第二電極的磁化方向，由於衝猾導，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件。
優選地，通過澱積金屬導體薄膜並且然後除去支撐體來製造磁致電阻效應元件。通過除去不能夠控制導電率的支撐體，電特性更加穩定。此外，可以減小第一電極與金屬導體部分之間的接觸電阻，並且還可以減小第二電極與金屬導體部分之間的接觸電阻。
可以通過在澱積金屬導體薄膜之後除去襯底的步驟來製造磁致電阻效應元件。當CNT用於襯底時，CNT的襯底展現出導體、半導體和絕緣體三種特性，並且通過除去由CNT構成的襯底，磁致電阻效應元件的電特性變得更加穩定。
優選地，第一電極包括自由層，其中磁化容易相對於外部磁場旋轉；第二電極包括固定層，其中磁化不容易相對於外部磁場旋轉；並且自由層的磁化容易軸垂直於待探測的外部磁場的方向。採用該結構，可以提高從磁致電阻效應元件輸出的信號的線性度。
關於自由層，「磁化容易相對於外部磁場旋轉」，而關於固定層，「磁化不容易相對於外部磁場旋轉」，分別表示自由層相對於施加到磁致電阻效應元件的外部磁場被磁化旋轉而固定層不被磁化旋轉。
優選地，固定層包括反鐵磁性膜；並且在反鐵磁性膜上形成磁性層並由反鐵磁性膜固定，其中磁性膜電連接到金屬導體部分。根據該結構，磁致電阻效應元件的特性(MR比)熱穩定。
優選地，支撐體包括碳納米管。採用碳納米管，可以容易控制支撐體的精細形狀。此外，可以將金屬導體部分的精細形狀精確地控制成所希望的形狀。因為與例如作為包含有機材料的材料的蛋白質納米布線相比，碳納米管具有高耐熱性和高機械強度，所以可以容易地製造。
優選地，形成支撐體的步驟包括將用於促進碳納米管的形成反應的催化劑設置在第一電極和第二電極上；以及通過化學氣相沉積(CVD)方法形成包括碳納米管的支撐體。可以容易形成碳納米管。
優選地，形成支撐體的步驟包括形成包括碳納米管的支撐體，同時分別向第一電極和第二電極施加不同的電壓。可以通過在第一電極與第二電極之間形成電場來容易地形成碳納米管。
優選地，催化劑包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。因為Fe、Co和Ni為磁性物質，所以即使在製造後磁性物質保留在第一和第二電極中，電特性和磁特性也不會惡化。
支撐體可以包括可自組織的蛋白質納米布線和矽納米布線中的至少一個。通過控制蛋白質納米布線的DNA，可以精確地控制支撐體的精細形狀。此外，可以精確地將金屬導體部分的精細形狀控制成所希望的形狀。
優選地，形成金屬導體部分的步驟包括通過物理氣相沉積(PVD)方法來澱積金屬導體薄膜。採用物理氣相沉積(PVD)方法，可以容易地形成金屬導體部分。
優選地，金屬導體薄膜包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一個。可以將磁疇壁牢固地固定到金屬導體部分。
優選地，第一電極與第二電極包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。可以獲得具有優良磁特性的磁致電阻效應元件。
優選地，磁致電阻效應元件的操作溫度不小於4.2K且不大於523K。如果操作溫度小於4.2K，用於冷卻電子器件的系統趨於複雜，而且由於利用諸如液體He的昂貴冷卻介質，成本往往大幅升高。如果操作溫度大於523K，則可以在大於523K的操作溫度下使用的外圍設備(用在電子器件組合中的諸如半導體元件、磁性介質等外圍設備)非常受限制。因此，必須使用耐氣候性(耐熱性等)優良的外圍設備。當操作溫度不小於4.2K且不大於523K時，同時利用本發明的優點，即，可以容易和安全地獲得MR比，可以確保其它外圍設備的性能。因此，可以確保設備作為整體的期望性能。
根據本發明的磁頭包括根據本發明的磁致電阻效應元件；第一引線，電連接到磁致電阻效應元件的第一電極；以及第二引線，電連接到磁致電阻效應元件的第二電極。
根據本發明的磁頭設置有根據本發明的具有100％或更高的高MR比的磁致電阻效應元件。因此，可以獲得非常高的靈敏度和非常高的輸出。
根據本發明的記錄/再現設備包括用於在磁介質中記錄信息的記錄頭；以及用於再現記錄在磁介質上的信息的再現頭。再現頭為本發明的磁頭。
在本發明的記錄/再現設備中，將本發明的具有100％或更高的高MR比的磁致電阻效應元件設置為再現頭。因此，可以利用記錄頭執行高輸出並且輕鬆且精確地再現以100Gb/inch2或更高的高記錄密度記錄在磁介質中的信息。
本發明的第一存儲元件包括根據本發明的磁致電阻效應元件。磁致電阻效應元件的第一電極包括自由層，其中磁化容易相對於外部磁場旋轉；而第二電極包括固定層，其中磁化不容易相對於外部磁場旋轉。存儲元件還包括產生外部磁場的字線，該外部磁場可以根據電流來將自由層和固定層的磁化方向變為平行或反平行；以及電流供給器，用於為字線提供電流。根據由字線產生的外部磁場，通過將磁化方向改變為相互平行或反平行，將信息寫入磁致電阻效應元件中，並通過測量磁致電阻效應元件的電阻，來讀取寫入磁致電阻效應元件中的信息。
在本發明的第一存儲元件中，通過根據由字線產生的外部磁場來使自由層的磁化方向反轉，將信息寫入磁致電阻效應元件中。通過測量磁致電阻效應元件的電阻，可以讀取寫入磁致電阻效應元件中的信息。因為磁致電阻效應元件為本發明的磁致電阻效應元件，所以與具有大約60％的MR比的常規磁致電阻效應元件相比，可以實現非常高的MR比。
本發明的第二存儲元件包括根據本發明的磁致電阻效應元件、以及電流供給器，其用於提供從第一電極朝向第二電極流進金屬導體部分的電流或者從第二電極朝向第一電極流進金屬導體部分的電流。通過使流進磁致電阻效應元件的金屬導體部分中的電流方向反轉，以便將第一電極與第二電極的磁化方向改變為平行或反平行，來將信息寫入磁致電阻效應元件；並通過測量根據第一電極與第二電極的磁化方向而不同的磁致電阻效應元件的電阻值，讀出寫入磁致電阻效應元件中的信息。
在本發明的第二存儲元件中，通過使流進磁致電阻效應元件中的金屬導體部分的電流方向反轉並且通過將磁化方向改變為平行或反平行，將信息寫入磁致電阻效應元件。通過測量根據第一電極與第二電極的磁化方向而不同的磁致電阻效應元件的電阻值，可以讀出寫入磁致效應元件中的信息。因為磁致電阻效應元件為本發明的磁致電阻效應元件，所以與具有大約60％的MR比的常規磁致電阻效應元件相比，可以實現非常高的MR比。因為第二存儲元件不需要字線作為組成部分，如在本發明的第一存儲元件中那樣，可以使結構小而簡單。因此，可以實現具有簡單且尺寸小的結構的存儲元件，在該結構中，單元面積小、用於安裝存儲器的間隔小並且記錄密度高。
優選地，由電流供給器供給到磁致電阻效應元件的電流的電流密度為1.0×105A/cm2或更高。當供給到磁致電阻效應元件的電流的電流密度為1.0×105A/cm2或更高時，可以容易且安全地將信息寫入磁致電阻效應元件中。當電流密度小於1.0×105A/cm2時，不能安全地寫入信息。
本發明的存儲陣列包括設置成矩陣的根據本發明的磁致電阻效應元件；用於獨立地將信息寫入磁致電阻效應元件和讀取信息的布線；寫單元，用於通過使流進磁致電阻效應元件的金屬導體部分中的電流方向反轉以便將第一電極與第二電極的磁化方向改變為平行或反平行，來經布線獨立地將信息寫入磁致電阻效應元件；以及讀取單元，用於通過測量取決於第一電極和第二電極的磁化方向而不同的磁致電阻效應元件的電阻值，來獨立地讀取寫入磁致電阻效應元件中的信息。
在本發明的存儲陣列中，提供多個本發明的第二存儲元件的磁致電阻效應元件。與本發明的第二存儲元件相似，存儲陣列不需要字線。因此，可以實現具有簡單且尺寸小的結構的存儲元件，在該結構中，單元面積小、用於安裝存儲器的間隔小且記錄密度高。
本發明的用於製造電子器件的方法包括在襯底上形成第一電極和第二電極，其間具有間隙L；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨從垂直於第一電極和第二電極的底表面的方向上所看到的第一電極與第二電極之間的間隙的支撐體；以及通過在支撐體上、在第一電極和第二電極上澱積金屬導體薄膜的方法形成橫跨從垂直於底表面的方向上所看到的第一電極和第二電極之間的間隙的金屬導體部分。間隙L不超過在電子器件的操作溫度下金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ。
因此，可以在支撐體上提供具有不超過電子平均自由程Λ的橫跨長度L的金屬導體部分，所述支撐體包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個。
在具有不超過電子平均自由程Λ的長度L的金屬導體部分中，發生被稱之為量子電導的現象，其中觀察到相對於金屬導體部分的橫截面積的導電率(電導)的階梯式變化。
因為本發明的金屬導體部分由金屬形成，所以與非專利文獻4中所描述的不能夠控制導電率的碳納米管不同，其具有穩定的導電率。此外，大大減小第一電極和第二電極之間的接觸電阻。因此，電特性變得穩定。
因此，通過利用量子電導來控制金屬導體部分的橫截面積，可以獲得能夠避免當導電率相對於橫截面積線性變化時所產生的導電率偏差的電子器件。
用於製造本發明的磁致電阻效應元件的方法包括在襯底上形成包含磁性物質的第一電極和第二電極，其間具有間隙L；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨從垂直於第一電極和第二電極的底表面的方向上所看到的第一電極與第二電極之間的間隙的支撐體；以及通過在支撐體上、在第一電極和第二電極上澱積金屬導體薄膜的方法形成橫跨從垂直於底表面的方向上所看到的第一電極和第二電極之間的間隙的金屬導體部分。間隙L不超過是在磁致電阻效應元件的操作溫度下在金屬導體部分中的電子自旋擴散的長度值和在磁致電阻效應元件的操作溫度下金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ的值中的較大值的值。第一電極的橫截面積S1、第二電極的橫截面積S2和金屬導體部分的橫截面積S3滿足下述關係S3＜S1且S3＜S2。
因此，在支撐體上形成具有是電子自旋擴散的長度值和電子平均自由程Λ的值中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分，該支撐體包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個。
在具有這種橫跨長度L的金屬導體部分中，發生被稱之為衝猾導的現象，其中電子穿過金屬導體部分而沒有出現散射。
因為本發明的金屬導體部分由金屬形成，所以與非專利文獻3中所描述的不能夠控制導電率的碳納米管不同，其具有穩定的導電率。此外，與第一電極和第二電極的接觸電阻變得極小。因此，電特性變得穩定。
因此，控制第一和第二電極的磁化方向，由於衝猾導，可以製造具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件。
根據本發明，可以提供具有控制在納米量級的精細形狀的電子器件、磁致電阻效應元件；利用磁致電阻效應元件的磁頭、記錄/再現設備、存儲元件和存儲陣列；用於製造電子器件的方法；以及用於製造磁致電阻效應元件的方法。
附圖簡述
圖1A是示出根據實施例1的電子器件的平面圖；圖1B是沿圖1A的線1B-1B截取的橫截面圖；圖1C是沿圖1B的線1C-1C截取的橫截面圖；圖1D是用以說明用於製造根據實施例1的電子器件的方法的橫截面圖；圖1E是用以說明用於製造根據實施例1的電子器件的方法的橫截面圖；圖2A是示出用來說明用於測量根據實施例1的金屬導體部分的橫跨長度L的方法的電子器件的橫截面圖；圖2B是用以說明用於測量根據實施例1的橫跨長度L的方法的正視圖；圖2C是用於測量根據實施例1的橫跨長度L的曲線圖；圖2D是示出用來說明用於測量根據實施例1的金屬導體部分的橫跨長度L的方法的電子器件的橫截面圖；圖2E是示出用來說明用於測量根據實施例1的橫跨長度L的方法的另一電子器件的正視圖；圖2F是用於測量根據實施例1的橫跨長度L的另一曲線圖；圖2G是用於測量根據實施例1的橫跨長度L的又一曲線圖；圖2H是用於測量根據實施例1的橫跨長度L的再一曲線圖；圖2I至2U是示出根據實施例1的電子器件的金屬導體部分的各種橫截面形狀和中心軸的視圖；圖3A是示出根據實施例1的另一電子器件的平面圖；圖3B是沿圖3A的線3B-3B截取的橫截面圖；圖3C是沿圖3B的線3C-3C截取的橫截面圖；圖3D是示出根據實施例1的另一電子器件的平面圖；圖3E是示出根據實施例1的另一電子器件的正視圖；圖3F是沿圖3E的線3F-3F截取的橫截面圖；圖3G是示出根據實施例1的又一電子器件的平面圖；圖3H是示出根據實施例1的又一電子器件的正視圖；圖3I是沿圖3H的線3I-3I截取的橫截面圖；圖3J是示出根據實施例1的另一電子器件的平面圖；圖3K是沿圖3J的線3K-3K截取的橫截面圖；圖3L是沿圖3K的線3L-3L截取的橫截面圖；
圖4A是示出根據實施例2的磁致電阻效應元件的平面圖；圖4B是示出根據實施例2的磁致電阻效應元件的正視圖；圖4C是沿圖4B的線4C-4C截取的橫截面圖；圖4D是用以說明根據實施例2的磁致電阻效應元件的操作的平面圖；圖4E是用以說明根據實施例2的磁致電阻效應元件的操作的平面圖；圖5A是示出根據實施例3的磁頭的平面圖；圖5B是示出根據實施例3的磁頭的正視圖；圖6是示出根據實施例4的記錄/再現設備的正視圖；圖7A是示出根據實施例5的第一存儲元件的平面圖；圖7B是示出根據實施例5的第一存儲元件的正視圖；圖7C是用以說明根據實施例5的第一存儲元件的操作的平面圖；圖8A是示出根據實施例5的第二存儲元件的平面圖；圖8B是用以說明根據實施例5的第二存儲元件的操作的平面圖；圖9是示出根據實施例5的存儲陣列的透視圖；圖10是示出根據實施例6的磁致電阻效應元件的透視圖；圖11是用以說明用於製造根據實施例6的磁致電阻效應元件的方法的透視圖；圖12A是用以說明根據實施例6的電子器件的透視圖；圖12B是用以說明用於製造根據實施例6的電子器件的方法的透視圖；圖13A是用以說明用於製造根據實施例6的另一電子器件的方法的平面圖；圖13B是用以說明用於製造根據實施例6的另一電子器件的方法的平面圖；圖13C是用以說明用於製造根據實施例6的另一電子器件的方法的平面圖。
本發明的最佳執行方式實施例1圖1A是示出根據實施例1的電子器件100的平面圖；圖1B是沿圖1A的線1B-1B截取的橫截面圖；而圖1C是沿圖1B的線1C-1C說明的橫截面圖。
電子器件100具有形成在襯底8上的長方體形狀的電極2和3。電極2和3具有彼此分別相對的相對表面5和6。用於電極2和3的材料期望為金屬或合金。
電子器件100設置有包含用於跨接電極2的相對表面5與電極3的相對表面6的碳納米管的圓柱支撐體4。碳納米管可以是單層碳納米管(SWCNT)或者可以是多層碳納米管(MWCHT)。
電子器件100具有電連接到電極2和3的金屬導體薄膜7。金屬導體薄膜7包括金屬導體部分1。當從垂直於電極2和3的底表面的方向看時，金屬導體部分1沿著支撐體4橫跨電極2與3之間的間隙。金屬導體部分1的橫跨長度L不大於在電子器件100的操作溫度下電子在金屬導體部分1中的平均自由程Λ。
電子在金屬導體部分1中的平均自由程Λ的值取決於電子器件100的操作溫度以及實際用於電子器件的金屬導體部分1的材料而不同。當材料為純Au、Ag和Cu時，電子的平均自由程Λ為100nm或更大。然而，當材料為純Fe、Co、Ni等時，該值在大約10nm的數量級上。當金屬導體部分1的材料包括雜質時，電子在金屬導體部分1中的平均自由程Λ的值比針對純材料的平均自由程值短。因此，根據金屬導體部分1的化學組分，金屬導體部分1的橫跨長度L例如在1nm到1000nm的範圍內。
優選地，電子器件100的操作溫度不小於4.2K且不大於523K。此外，考慮到電子器件100的冷卻劑可以為取代液體He的液體N2，以及可以減小製造成本和操作成本，操作溫度優選為不小於77K且不大於523K。此外，當設備結合根據本實施例的電子器件100和其它電子器件(例如，半導體器件、磁介質等)時，如果需要考慮除本實施例的電子器件100之外的電子器件的操作溫度，則操作溫度可以為不小於273K且不大於523K。
將說明用於製造這樣構造的電子器件100的方法。圖1D和1E是用以說明用於製造電子器件100的方法的橫截面圖。首先，在襯底8上形成電極2和3，其間存在具有橫跨長度L的間隙。然後，在電極2和3上設置用於促進碳納米管形成反應的催化劑9。接著，例如，通過化學氣相澱積方法來允許碳納米管從各催化劑9開始生長，以便橫跨在電極2與3之間，並且由此形成支撐體4。
之後，在支撐體4上並且在電極2和3上，例如通過氣相澱積方法來澱積金屬導體薄膜7，並且由此沿著支撐體4形成金屬導體部分1，以便完成圖1A至1C中示出的電子器件100。
當完成金屬導體薄膜7的形成時，在催化劑9與金屬導體薄膜7之間的結臨界面以及在催化劑9與電極2和3之間的結臨界面變得不清晰，並且由此催化劑9與金屬導體薄膜7或電極2和3集成在一起。
因此，可以製造設置有金屬導體部分1的電子器件100，該金屬導體部分1具有不超過電子平均自由程Λ的橫跨長度L。在該電子器件100中，金屬導體部分1負責電極2和3之間的導電。該金屬導體部分1由金屬形成。因此，與不能控制導電率的非專利文獻4的碳納米管不同，金屬導體部分1具有穩定的導電率。此外，因為包含金屬導體部分1的金屬導體薄膜7由金屬形成，所以與非專利文獻4的碳納米管不同，在電極2與3之間的接觸電阻變得非常小。因此，電特性穩定，並且可以解決在碳納米管與電極之間產生的大接觸電阻的問題。
下文中，將說明特定用於測量金屬導體部分1的橫跨長度L的方法。圖2A是示出用來說明用於測量金屬導體部分的橫跨長度L的方法的電子器件100的橫截面圖；圖2B是用以說明用於測量橫跨長度L的方法的正視圖；而圖2C是用於測量橫跨長度L的曲線圖。如上所述，術語「金屬導體部分的橫跨長度L」表示沿著中心軸從在其處橫截面積沿著電子器件的中心軸迅速下降的點P1到在其處電子器件的橫截面積迅速增加的點P2的長度。
首先，製備在相同條件下製造的且具有相同形狀和尺寸的相同標準的多個電子器件100。可以通過諸如利用TEM(透射電子顯微鏡)的攝影術的分析技術來確定多個電子器件100的金屬導體部分1的形狀和尺寸是否相同。
然後，通過利用多個電子器件100中的一個，採用STM(掃描隧道顯微鏡)或三維TEM來切割電子器件100，從而可以獲得同時包含金屬導體部分1和金屬導體薄膜7的橫截面。圖2A示出通過該切割獲得的橫截面形狀的一個例子。
然後，根據所獲得的橫截面，確定金屬導體部分1的中心軸。根據金屬導體部分1的橫截面形狀來確定中心軸X。在圖2A所示的例子中，金屬導體部分1的橫截面形狀為矩形，而中心軸X為連接矩形在電極2側的邊中點與在電極3側的邊中點的直線。
接著，通過利用多個電子器件100中的至少另一個，沿著中心軸X確定沿著垂直於中心軸X的橫截面的電子器件100的橫截面積S。例如，沿著垂直於中心軸X的橫截面，採用例如STM來切割電子器件100。然後，通過諸如STM、三維TEM等的顯微鏡照相術，或通過圖像數據等的分析技術來分析形狀，得到由切割所獲得的橫截面的橫截面積S。因此，橫截面積S的數據沿著中心軸X被確定並且形成圖2C所示的曲線圖，在圖2C中，中心軸X示為橫軸，而橫截面積S示為縱軸。
然後，在所形成的曲線圖中，確定在其處橫截面積S沿著中心軸X迅速下降的點P1和在其處橫截面積S迅速增加的點P2。從點P1開始，電極2的橫截面積不包含在橫截面積S中，導致橫截面積S在點P1處快速下降。從點P2開始，電極3的橫截面積包含在橫截面積S中，導致橫截面積S在點P2處迅速增加。例如，從圖2C所示的曲線圖中看出，在點P1橫截面積S下降不連續，並且在點P2橫截面積S增加不連續。
然後，將在點P1與點P2之間沿著中心軸X的長度限定為金屬導體部分1的橫跨長度。
圖2D是示出用來說明用於測量金屬導體部分的橫跨長度L的方法的另一電子器件100P的橫截面圖；圖2E是其正視圖，而圖2F是用於測量橫跨長度L的另一曲線圖。如圖2D所示，電子器件100P的電極2P和3P、金屬導體薄膜7P和金屬導體部分1P的輪廓包括與在圖2A至2C中示出的例子不同的曲線。
與在圖2A至2C中示出的例子類似，確定中心軸X，沿著中心軸X確定橫截面積S，以及形成圖2F所示的橫截面積S的曲線圖。然後，確定在其處橫截面積S沿著中心軸X迅速下降的點P1和在其處橫截面積S迅速增加的點P2。將在點P1與點P2之間沿著中心軸X的長度限定為金屬導體部分1的橫跨長度。金屬導體部分1P和金屬導體薄膜7P的橫截面的輪廓包括曲線，然而，由於在其處橫截面積S迅速下降的點P1和在其處橫截面積S迅速增加的點P2出現在相似於在圖2A至2C中示出的例子中的曲線圖中，所以可以測量在點P1與點P2之間沿著中心軸X的橫跨長度L。
這裡值得注意的是，如圖2G和2H所示，在所形成的曲線圖中，根據金屬導體部分的形狀和電極的形狀，清晰的不連續點沒有出現並且橫截面積S可能連續變化。在這種情況下，將與在其中橫截面積S迅速下降的區域中的變形點D1相對應的點限定為點P1，而將與在其中橫截面積S迅速增加的區域中的變形點D2相對應的點限定為點P2，並且然後測量金屬導體部分1的橫跨長度L。
圖2I至2U是示出金屬導體部分1的各種橫截面形狀和中心軸X的視圖。金屬導體部分1的橫截面可以形成為如圖2I至2U所示的各種形狀。如上所述，根據金屬導體部分的橫截面形狀來限定中心軸X。在圖2I至2U中，紙的左側示出電極2一側，而紙的右側示出電極3一側。
金屬導體部分具有包含兩個底表面和形成在兩個底表面之間的圓柱體側表面的形狀。則，本實例中的金屬導體部分的橫截面形狀可以滿足下述條件[a]至[g]中的任何一個。
也就是說，在上述金屬導體部分的橫截面形狀中，示出金屬導體部分的外圍的線(在縱向上的兩條線)為下述[a]至[g]中的任意一種。
具有固定寬度(較短方向上的長度)的直線；[b]寬度(較短方向上的長度)從電極2一側到電極3一側單調下降的直線或曲線；[c]寬度(較短方向上的長度)從電極3一側到電極2一側單調下降的直線或曲線；[d]上述[b]和[c]的結合；[e]上述[a]和[b]的結合；[f]上述[a]和[c]的結合；以及[g]上述[a]、[b]和[c]的結合。
圖2I至2U示出橫截面形狀的例子，這些橫截面形狀僅示出滿足上述條件[a]至[g]的金屬部分1。圖2I所示的金屬導體部分1的橫截面形狀對應於參考圖1A至1C所述的金屬導體部分1的橫截面形狀並滿足條件[a]。圖2J所示的橫截面形狀對應於參考圖2D至2E所述的金屬導體部分1P的橫截面形狀並滿足條件[d]。圖2K所示的橫截面形狀滿足條件[g]。圖2L所示的橫截面形狀滿足條件[d]。
圖2M滿足條件[f]。圖2N和2O滿足條件[c]。圖2P和2Q滿足條件[f]。圖2R滿足條件[c]。圖2S和2T滿足條件[d]。圖2U滿足條件[g]。
本實例中的金屬導體部分的底表面的形狀不受特別限制。而且，兩個底表面(在電極2側和電極3側的表面)的形狀和尺寸可以彼此相同或彼此不同。此外，形成在兩個底表面之間的側表面可以是平面或曲面或者是平面與曲面的結合。
此外，考慮到獲得更可靠的穩定性能，本實施例中的圓柱金屬導體部分具有同時滿足全部下述條件[h]至[l]的形狀。
兩個底表面具有相同的形狀；[i]兩個底表面具有相同的面積；[j]兩個底表面彼此平行；[k]金屬導體部分的中心軸為直線；以及[l]兩個底表面相對於與上述[k]的中心軸垂直且包括中心軸的中點的平面彼此對稱。
具有同時滿足條件[h]至[l]的形狀的圓柱金屬導體部分的例子可以包括具有圖2I和2L所示的橫截面形狀的金屬導體部分。
金屬導體部分1的中心軸X通常為一條直線。然而，通過結合兩條直線，來限定具有圖2P所示的橫截面形狀的金屬導體部分1的中心軸X；而通過結合直線和曲線，來限定具有圖2R所示的橫截面形狀的金屬導體部分1的中心軸X。通過曲面來限定具有圖2O、2S和2T所示的橫截面形狀的金屬導體部分1的中心軸X。
此外，可以通過諸如STM的處理技術來形成凹面部分和凸面部分中的至少一個。然而，在這種情況下，優選地，在形成凹面部分和凸面部分之前的金屬導體部分的橫截面形狀(或假設沒有形成凹面部分和凸面部分的金屬導體部分)具有上述形狀[a]至[g]中的任何一種。
只要可以形成上述金屬導體部分1，支撐體4的形狀就不受特別限制。
在本實施例的電子器件100中，負責導電的金屬導體部分1的橫跨長度L不大於在電子器件的操作溫度下電子在金屬導體部分1中的平均自由程Λ。因此，發生被稱為衝猾導的現象，其能夠允許電子穿過金屬導體部分1而不被散射，並且發生被稱之為量子電導的現象，其中導電率(電導)相對於金屬導體部分1的橫截面積階梯式變化。在本實施例的電子器件中，金屬導體部分的尺寸處在納米的數量級上，因為金屬導體部分形成在碳納米管上，並且在相對較高的溫度下也可以觀察到衝猾導和量子電導。
當利用金屬導體部分1中的量子電導時，通過控制金屬部分1的橫截面積，在大規模生產中，電子器件沒有在導電率相對於金屬導體部分1的橫截面積連續變化時所產生的導電率偏差。
在圖1A中，在金屬導體部分1的附近設置柵極部分，並且由磁性膜形成的電極2和3用作源極和漏極。由此，可以獲得自旋電晶體。此外，如果金屬導體部分1和支撐體4與電極2和3分離，則可以獲得利用庫侖阻絕(coulomb brocade)現象的單電子電晶體。
在圖1A至1C所示的電子器件100中，如果至少電極2和3是由磁性物質構成的，則通過利用金屬導體部分1中的衝猾導，可以獲得具有高MR比的自旋電子器件(磁致電阻效應元件)，在該器件中，磁致電阻在電極2和3的磁化方向上變化。在這種情況下，金屬導體部分1的橫跨長度L為不大於在磁致電阻效應元件的操作溫度下金屬導體部分中的電子自旋擴散的長度值和在磁致電阻效應元件的操作溫度下金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ的值中的較大值的值。
在通常的材料中，電子自旋擴散的長度值大於電子平均自由程Λ。例如，在Co的情況下，電子自旋擴散的長度為大約50nm而電子平均自由程Λ為5nm。因此，通常可以將金屬導體部分1的橫跨長度L設置成不大於電子自旋擴散的長度。然而，存在諸如Ni的材料，其電子平均自由程Λ大於電子自旋擴散的長度。當金屬導體部分1由這種材料形成時，可以將橫跨長度L設置為不大於電子平均自由程Λ。這裡值得注意的是，當電子自旋擴散的長度和電子平均自由程Λ彼此相等時，可以將橫跨長度L設置為不大於該相等值。
當金屬導體部分1和支撐體4與電極2和3相分離時，根據所分離的金屬導體部分1和電極2與3的自旋條件，不僅能利用自旋阻絕現象還能利用上述庫侖阻絕現象來實現自旋電子器件。
當電極2和3由磁性物質構成時，希望催化劑9使用包含選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種原子的金屬/合金顆粒或膜。認為這些催化劑促進其中當通過CVD方法等形成碳納米管時通過分解CH4等所產生的碳(C)生長為碳納米管的反應。
在以上述方法形成電子器件之後，可以除去由碳納米管制成的支撐體。可以通過氧氣灰化(oxygen asher)來選擇性地除去支撐體4。此外，可以通過採用雷射照射支撐體4來除去支撐體4。然而，考慮到強度，可以保留支撐體4。此外，在以上述方法形成電子器件之後，可以除去襯底8。特別地，當CNT用於襯底8時，因為CNT的襯底8展現出導體、半導體和絕緣體三種特性，所以通過除去由CNT形成的襯底8，電子器件的電特性變得更加穩定。
圖3A是示出根據實施例1的另一電子器件100A的平面圖；圖3B是沿圖3A的線3B-3B截取的橫截面圖；而圖3C是沿圖3B的線3C-3C截取的橫截面圖。使用相同的參考標記表示參考圖1A至1E所述的相同部件，並可以省略重複說明。
在兩個電極的表面上形成支撐體。在電極2的表面上和電極3的表面上形成電子器件100A的支撐體4A。當從垂直於電極2和3的底表面的方向上看時，支撐體4A橫跨電極2與3之間的間隙。在電極2和3上形成電子器件100A的金屬導體薄膜7A。當從垂直於電極2和3的底表面的方向上看時，金屬導體部分7A包括沿著支撐體4A橫跨電極2和之間的間隙的金屬導體部分1A。金屬導體部分1A的橫跨長度L不大於在電子器件100A的操作溫度下電子在金屬導體部分1A中的平均自由程Λ。這樣構造的電子器件100A具有與上述電子器件100相同的效果。
圖3D是示出根據實施例1的另一電子器件100B的平面圖；圖3E是沿圖3D的線3E-3E截取的橫截面圖；而圖3F是沿圖3E的線3F-3F截取的橫截面圖。使用相同的參考標記表示參考圖1A至1E所述的相同部件，並可以省略重複說明。
電極可以具有三稜柱形狀。電子器件100B設置有三稜柱電極2B和3B。分別在位置處形成電極2B和3B以便當從垂直於底表面的方向上看時，其表面的頂點彼此相對。電子器件100B的支撐體4B橫跨三稜柱形電極2B和3B之間的間隙。電子器件100B的金屬導體薄膜7B包括橫跨從垂直於底表面的方向上看沿著支撐體4B在電極2B和3B之間的間隙的金屬導體部分1B。金屬導體部分1B的橫跨長度不大於電子在金屬導體部分1B中的平均自由程Λ。這樣構造的電子器件100B也具有與上述電子器件100相同的效果。
圖3G是示出根據實施例1的又一電子器件100C的平面圖；圖3H是沿圖3G的線3H-3H截取的橫截面圖；而圖3I是沿圖3H的線3I-3I截取的橫截面圖。電極可以具有圓柱體形狀。電子器件100C具有圓柱體形電極2C和3C。電子器件100C的支撐體4C橫跨電極2C和3C之間的間隙。電子器件100C具有包含金屬導體部分1C的金屬導體薄膜7C。金屬導體部分1C的橫跨長度L不大於電子在金屬導體部分1C中的平均自由程Λ。這樣構造的電子器件100C也具有與上述電子器件100相同的效果。
圖3J是示出根據實施例1的另一電子器件100D的平面圖；圖3K是沿圖3J的線3K-3K截取的橫截面圖；而圖3L是沿圖3K的線3L-3L截取的橫截面圖。可以形成用於直接跨接兩電極的相對表面的金屬導體。電子器件100D包括由橫跨在電極2的相對表面5與電極3的相對表面6之間的碳納米管制成的圓柱體支撐體4；以及金屬導體1D，其沿著支撐體4直接橫跨在電極2的相對表面5與電極3的相對表面6之間。在電極2和3的表面上，與金屬導體1D分離地形成金屬導體薄膜7D。金屬導體1D的橫跨長度L不大於電子在金屬導體部分1D中的平均自由程Λ。這樣構造的電子器件100D也具有與上述電子器件100相同的效果。
實施例2圖4A是示出根據實施例2的磁致電阻效應元件200的平面圖；圖4B是其正視圖；而圖4C是沿圖4B的線4C-4C截取的橫截面圖。使用相同的參考標記表示與實施例1所述的那些部件相同的部件，並可以省略重複說明。
磁致電阻效應元件200包括由磁性物質製成的電極2E和3E。電極2E和3E分別具有彼此相對的相對表面5E和6E。電極2E和3E分別包括具有寬度D朝向相對表面5E和6E減小到寬度d的彎曲部分。
磁致電阻效應元件200設置有由跨接電極2E的相對表面5E與電極3E的相對表面6E的碳納米管制成的圓柱體支撐體4E。
磁致電阻效應元件200具有電連接到電極2E和3E的金屬導體薄膜7E。優選地，金屬導體薄膜7E包括磁性物質。金屬導體薄膜7E包括金屬導體部分1E。金屬導體部分1E橫跨從垂直於電極2E和3E的底表面的方向上看到的在電極2E與3E之間沿著支撐體4E的間隙。金屬導體部分1E的橫跨長度L不大於是在磁致電阻效應元件200的操作溫度下金屬導體部分1E中的電子自旋擴散的長度值和在磁致電阻效應元件200的操作溫度下電子在金屬導體部分1E的平均自由程Λ的值中的較大值的值。
電極2E的橫截面積S1、電極3E的橫截面積S2和金屬導體部分1E的橫截面積S3滿足下述關係式S3＜S1且S3＜S2。
這樣，當將金屬導體部分的橫截面積S3設置為小於電極的橫截面積S1和S2時，當金屬導體部分1E由磁性物質製成時，可以容易地將磁疇壁固定在金屬導體部分1E中。此外，同樣在金屬導體部分1E不是由磁性物質製成的情況下，當將金屬導體部分的橫截面積S3設置為小於電極的橫截面積S1和S2時，允許由金屬導體部分1E來實現磁阻元件的電阻的主要部分。橫截面積S1、S2和S3為沿著與用於確定實施例1中所述的橫跨長度L的金屬導體部分的中心軸垂直的橫截面的橫截面積。
將說明用於製造這樣構造的磁致電阻效應元件200的方法。首先，在襯底8上以其間具有橫跨長度L的間隙形成包含磁性物質的電極2E和3E。然後，在電極2E和3E上設置用於促進碳納米管形成反應的催化劑。接著，例如通過化學氣相沉積(CVD)方法來允許碳納米管從各催化劑9開始生長，以便橫跨在電極2E與3E之間，並且由此形成支撐體4E。之後，在支撐體4E上並在電極2E和3E上，例如通過氣相澱積方法來澱積金屬導體薄膜7E，並由此形成金屬導體部分1E以便完成磁致電阻效應元件200。
通過在碳納米管的支撐體4E上澱積金屬導體薄膜7E，可以形成具有不大於是電子自旋擴散的長度值和電子平均自由程Λ的值中的較大值的值的橫跨長度L的金屬導體部分1E。
該金屬導體部分1E負責在電極2E和3E之間導電。該金屬導體部分1E由金屬構成，因此，與不能夠控制導電率的非專利文獻4的碳納米管不同，金屬導體部分1E具有穩定的導電率。此外，因為包含金屬導體部分1E的金屬導體薄膜7由金屬形成，所以與非專利文獻4的碳納米管不同，電極2E和電極3E之間的接觸電阻變得極小。因此，電特性變得穩定，並且可以解決在碳納米管與電極之間產生的大接觸電阻的問題。
在具有不大於電子自旋擴散的長度值和電子平均自由程Λ的值中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分1E中，觀察到能夠允許電子穿過金屬導體部分1E而不被散射的被稱為衝猾導的現象。當可以控制電極2E和3E的磁化方向時，由於衝猾導，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件。
圖4D和圖4E是用以說明當使用磁性物質用於金屬導體部分1E時磁致電阻效應元件200的操作的平面圖。如圖4D所示，當由於外部磁場H而使電極3E的磁化方向J2與電極2E的磁化方向J1反平行時，由於磁疇壁被固定到金屬導體部分1E，所以電子被磁疇壁散射並且電阻變高。如圖4E所示，當由於外部磁場H而使電極3E的磁化方向J2與電極2E的磁化方向J1平行時，由於磁疇壁從金屬導體部分1E消失，所以不由磁疇壁執行電子散射並且電阻變低。
在具有不大於電子自旋擴散的長度和電子平均自由程Λ中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分1E中，因為發生能夠允許電子穿過金屬導體部分1E而不被散射的衝猾導，所以在處於圖4D所示的反平行狀態下的電極2E與3E之間的電阻與處於圖4E所示的平行狀態下的電極2E與3E之間的電阻之間的差變得非常大。結果，可以實現具有100％或更高的MR比、即比常規GMR元件的MR比大得多的MR比的磁致電阻效應元件。
這裡值得注意的是，當金屬導體部分1E由非磁性物質製成時，在金屬導體部分1E上不產生磁疇壁。然而，相似於常規GMR元件，當電極2和3的磁化方向彼此相平行時，不產生自旋散射且電阻變低，並且當電極2和3的磁化方向彼此反平行時，產生自旋散射且電阻變高。在這種情況下，與常規GMR元件不同，在金屬導體部分1E中，產生衝猾導。因此，可以獲得比常規GMR元件大的MR比。
此外，對於兩個電極不採用磁性物質，當磁性物質僅用於金屬導體部分1E時，可以通過在金屬導體部分1E中形成凹面部分以便俘獲磁疇壁並使電阻保持高，然後通過允許展現出確定閾值或更高的電流從電極2E和3E之一中流出以便壓制磁疇壁並減小電阻，來獲得大MR比。
優選地，用於電極2E和3E以及金屬導體部分1E的磁性物質由包含選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素或者具有大自旋極化率的半金屬磁性材料構成。
這裡值得注意的是，當允許碳納米管生長同時分別向電極2E和3E施加不同電壓時，可以容易地控制碳納米管生長的方向。優選地，催化劑包含選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。
實施例3圖5A是示出根據實施例3的磁頭300的平面圖；而圖5B是其正視圖。使用相同的參考標記表示與實施例1和2所述部件相同的部件，並可以省略重複說明。
磁頭300包括磁致電阻效應元件200A。磁致電阻效應元件200A包括由磁性物質構成的電極2F和3F。電極2F和3F分別具有相對表面5F和6F。電極2F和3F分別包括具有朝向相對表面5F和6F的寬度d減小的寬度D的彎曲部分。
磁致電阻效應元件200A設置有由橫跨在電極2F的相對表面5F與電極3F的相對表面6F之間的碳納米管制成的圓柱體支撐體4F。
磁致電阻效應元件200A具有電連接到電極2F和3F的金屬導體薄膜7F。金屬導體薄膜7F包括磁性物質。金屬導體薄膜7F包括金屬導體部分1F。金屬導體部分1F橫跨從垂直於電極2F和3F的底表面的方向上看到的在電極2F與3F之間沿著支撐體4F的間隙。金屬導體部分1F的橫跨長度L不大於是在磁致電阻效應元件200A的操作溫度下電子自旋擴散的長度值和電子在金屬導體部分1F中的平均自由程Λ的值中的較大值的值。
磁頭300包括電連接到磁致電阻效應元件200A的電極2F和3F並向兩電極施加電壓的引線10。
電極3F包括絕緣膜15、由Ta等製成並形成在絕緣膜15之上的基膜(base film)16以及形成在基膜16上並具有在施加外部磁場H時容易旋轉的磁化方向J2的自由層11。電極2F包括絕緣膜33、由Ta等製成並形成在絕緣膜33之上的基膜34以及形成在基膜34上並具有即使施加外部磁場H也不容易旋轉的磁化方向J1的固定層12。固定層12包括形成在基膜34上的反鐵磁性膜14和形成在反鐵磁性膜14上並由反鐵磁性膜14固定的磁性膜13。
將說明用於製造這樣構造的磁致電阻效應元件300的方法。首先，在襯底8上以其間具有橫跨長度L的間隙形成電極2F和3F。然後，引線10分別連接到電極2F和3F。然後，在電極2F和3F上設置用於促進碳納米管形成反應的催化劑。接著，例如通過化學氣相沉積(CVD)方法來允許碳納米管從各催化劑開始生長，以便橫跨在電極2F與3F之間，並且由此形成支撐體4F。之後，在支撐體4F上並在電極2F和3F上，例如通過氣相澱積方法來澱積金屬導體薄膜7F，並由此沿著支撐體4F形成金屬導體部分1F。
通過在碳納米管的支撐體4F上澱積金屬導體薄膜7F，可以形成具有不大於電子自旋擴散的長度值和電子平均自由程Λ的值中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分1F。
該金屬導體部分1F負責在電極2F和3F之間導電。該金屬導體部分1F由金屬構成，因此，與不能夠控制導電率的非專利文獻4的碳納米管不同，金屬導體部分1F具有穩定的導電率。此外，因為包含金屬導體部分1F的金屬導體薄膜7F由金屬形成，所以與非專利文獻4的碳納米管不同，電極2F與電極3F之間的接觸電阻變得極小。因此，電特性是穩定的，並且可以解決在碳納米管與電極之間產生的大接觸電阻的問題。
在具有不大於電子自旋擴散的長度和電子平均自由程Λ中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分1F中，觀察到能夠允許電子穿過金屬導體部分1F而不被散射的被稱為衝猾導的現象。通過利用衝猾導，通過控制固定層12的電極2F的磁化方向J1和自由層11的電極3F的磁化方向J2，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件。
如圖5A所示，當施加外部磁場H時，根據外部磁場H的大小，不使電極2F的固定層12的磁化方向J1旋轉，而使電極3F的自由層11的磁化方向J2旋轉。因此，在磁化方向J1與磁化方向J2之間的角度差根據所施加的外部磁場H的大小而改變，並且根據磁化方向J1與J2之間的角度差來改變電極2F與3F之間的電阻。結果，根據所施加的外部磁場H的大小，改變磁致電阻效應元件200A的電極2F與3F之間的電阻。
當固定層12由反鐵磁性膜14和被反鐵磁性膜14固定的磁性膜13構成時，可以獲得具有熱穩定特性的磁頭。
此外，在圖5B所示的例子中磁性膜13由反鐵磁性膜14來固定，但是其可以包含具有大矯頑力的硬磁性膜或者由具有大磁力和磁力的硬磁性膜構成的合成膜。在這種情況下，不需要反鐵磁性膜14。
設置在固定層12中的磁性層13的磁化方向必須固定在一個方向上。然而，在用於其中記錄密度大於100Gb/inch2的應用的磁頭中，元件的尺寸非常精細，以至於磁性層13的磁化方向受到熱波動的影響，並且變得難以固定磁化方向。因此，在本實例中，通過使用反鐵磁性膜14來執行磁性膜13的固定，並且即使元件尺寸變得精細，磁性層13的磁化方向也不受熱波動的影響。
希望將自由層11的易磁化軸30設置成與待檢測的外部磁場H的方向垂直。因此，改善磁致電阻效應元件200A的信號輸出的線性度。獲得此目的的一種方法是在自由層11的兩側提供永久性磁體並固定自由層11的易磁化軸30使得其垂直於要由其偏置磁場檢測的外部磁場H的方向。用於獲得此目的的另一種方法是通過與反鐵磁性膜14分離設置的反鐵磁性膜來固定自由層11兩側的一部分以便使自由層11的易磁化軸30垂直於磁場H的方向。
此外，自由層11由彼此反平行交換結合且其間插入非磁性膜的兩層磁性膜構成。當用M1和M2表示兩個磁性層的磁化並且用t1和t2表示膜厚度時，(M1×t1-M2×t2)不等於零。由此，通過交換結合，可以在元件尺寸變得精細時提高相對於熱波動的穩定性並改善由於有效磁性膜的膜厚減小而引起的相對於外部磁場的磁致電阻效應元件的靈敏度。
與自由層11相同，磁性膜13也可以由彼此反平行交換結合且其間插入非磁性膜的兩層磁性膜構成，由此改善相對於熱波動的穩定性。在磁性膜13的情況下，(M1X×t1X-M2X×t2X)可以為零，其中M1X和M2X表示兩個相應磁性膜的磁化；而t1X和t2X表示膜厚。
希望自由層11和磁性膜13的材料是包含作為主要成分的Fe、Co和Ni的金屬/合金。材料的具體例子包括NiFe、CoFe和CoFeNi等。作為反鐵磁性膜14的材料，期望使用包含作為主要成分的選自由Pt、Pd和Ir組成的組中的至少一種元素與Mn元素的合金膜，例如，PtMn、IrMn和PtPdMn。絕緣膜15和33可以由例如SiO2構成。不必形成絕緣膜15和33。然而，在形成絕緣膜15和33的情況下，CNT可以平滑地生長。
這裡值得注意的是，通過允許碳納米管橫跨以便形成支撐體4F，同時通過引線10向電極2F和3F施加彼此不同的電壓，可以控制碳納米管生長的方向。
實施例4圖6是示出根據實施例4的記錄/再現設備400的正視圖。記錄/再現設備400包括記錄頭部分17和再現頭部分18。記錄頭部分17具有繞組部分31。當電流在繞組部分31上流動時，從記錄間隙G1中洩漏磁場，並且利用該洩漏磁場，將信息記錄在磁性記錄介質19中。
再現頭部分18具有包含磁性物質的兩個屏蔽(shield)部分32和設置在屏蔽部分32之間的根據實施例3的磁頭300。將屏蔽部分32之間的讀取間隙G2設置成比記錄在磁記錄介質19中的位長度BL的兩倍窄。通過實施例3的磁頭300的磁致電阻效應元件200A來檢測記錄在磁記錄介質19中的信息並經由引線10將其讀出(參見圖5A)。
實施例4的再現頭部分18的磁頭300包括實施例3的磁致電阻效應元件200A。磁致電阻效應元件200A包括金屬導體部分1F(參見圖5A和5B)。因為金屬導體部分1F的橫跨長度L是不大於電子自旋擴散的長度值和電子在金屬導體部分1F中的平均自由程Λ的值中的較大值的值，所以可以在金屬導體部分1F實現衝猾導。因此，如果使用再現頭部分18的磁頭300，則由於100％的MR比與常規GMR元件或TMR元件相比較高，所以可以實現具有大於100Gb/inch2的極佳高密度的記錄/再現設備。
實施例5
圖7A是示出根據實施例5的第一存儲元件500的平面圖；圖7B是其正視圖；而圖7C是用以說明根據實施例5的第一存儲元件500的操作的平面圖。使用相同的參考標記表示與實施例1至4所述部件相同的部件，並可以省略重複說明。
存儲元件500包括參考圖5A和5B在實施例3中所述的磁致電阻效應元件200A。磁致電阻效應元件200A包括電極3F，其包括其中磁化相對於外部磁場H容易被旋轉的自由層11；電極2F，其包括其中磁化相對於外部磁場H不容易被旋轉的固定層12；以及包括金屬導體部分1F的金屬導體薄膜7F。固定層12、自由層11和金屬導體部分1F由磁性物質構成。
在具有不大於電子自旋擴散的長度值和電子平均自由程Λ的值中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分1F中，觀察到能夠允許電子穿過金屬導體部分1F而不被散射的被稱為衝猾導的現象。通過利用衝猾導，通過控制電極2F的固定層12的磁化方向J1和電極3F的自由層11的磁化方向J2，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件。
存儲元件500還包括用於產生根據電流21A和21B中的任何一個來使自由層11的磁化方向J2反轉的外部磁場H1或H2的字線20；以及用於向字線20提供電流21A和21B中的任何一個的電流供給器22。
如圖7A所示，當電流供給器22向字線20提供電流21A時，字線20產生外部磁場H1。在外部磁場H1的方向上不磁化旋轉固定層12的磁化方向J1，而在外部磁場H1的方向上磁化旋轉自由層11的磁化方向J2。因此，自由層11的磁化方向J2與固定層12的磁化方向J1反平行。
然後，如圖7C所示，當電流供給器22向字線20提供在電流21A的反方向上流動的電流21B時，字線20產生與外部磁場H1方向相反的外部磁場H2。然後，在外部磁場H2的方向上旋轉自由層11的磁化方向J2。因此，自由層11的磁化方向J2與固定層12的磁化方向J1平行。
由此，通過使電流21A或電流21B在字線20上流動從而旋轉自由層11的磁化方向J2，可以獲得平行狀態和反平行狀態。
如圖7A所示，當兩個電極2F和3F的磁化方向J1和J2彼此反平行時，當磁性物質用於金屬導體部分1F時，磁疇壁被固定。因此，由於電子被磁疇壁散射，所以兩電極2F與3F之間的電阻變高。如圖7C所示，當兩個電極2F和3F的磁化方向J1和J2彼此平行時，磁疇壁從金屬導體部分1F中消失。因此，由於電子沒有被磁疇壁散射，所以兩電極2F與3F之間的電阻變低。
當金屬導體部分1F由非磁性物質構成時，在金屬導體部分1F中不產生磁疇壁。然而，當電極2F和3F的磁化方向彼此平行時，金屬導體部分1F展現出衝猾導；而當電極2F和3F的磁化方向彼此反平行時，發生自旋散射。因此，根據電極2F和3F的磁化方向彼此是平行還是反平行，可以獲得比常規GMR元件大的磁阻變化。
在具有不大於電子自旋擴散的長度值和電子平均自由程Λ的值中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分1F中，可以實現能夠允許電子穿過金屬導體部分1F而不被散射的被稱為衝猾導的現象。因此，圖7A所示的反平行狀態下的電阻和圖7C所示的平行狀態下的電阻之間的差變得非常大。因此，與具有大約60％的最大MR比的常規磁致電阻效應元件的MR比相比，可以實現非常高的MR比。
當允許電流21A或電流21B流入字線20時，可以將分別與圖7A所示的狀態和圖7C所示的狀態相對應的信息「1」或「0」寫入電極3F的自由層11中。當測量兩電極2F與3F之間的電阻時，可以根據是高電阻還是低電阻來讀取所寫入的信息。
圖8A是示出根據實施例5的第二存儲元件600的平面圖；圖8B是用以說明第二存儲元件600的操作的平面圖。
存儲元件600包括磁致電阻效應元件200A。如在上述的存儲元件500中，在具有不大於電子自旋擴散的長度值和電子平均自由程Λ的值中的較大值的橫跨長度L的金屬導體部分1F中，觀察到能夠允許電子穿過金屬導體部分1F而不被散射的被稱為衝猾導。通過利用衝猾導，通過控制電極2F的固定層12的磁化方向J1和電極3F的自由層11的磁化方向J2，與常規GMR元件和TMR元件相比，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件。
存儲元件600設置有電流供給器25。電流供給器25向磁致電阻效應元件200A提供在金屬導體部分1F中從電極2F流到電極3F的電流23和在金屬導體部分1F中從電極3F流到電極2F的電流24。本實施例中的基本結構除不提供字線之外與圖7A至7C所示的存儲元件500相同。
當金屬導體部分1F為非磁性導體時，如圖8A所示，通過允許電流23從包括固定層的電極2F側流入，電極3F的自由層的磁化方向J2與電極2F的固定層的磁化方向J1反平行。如圖8B所示，通過允許電流24從包括自由層的電極3F側流入，使電極3F的自由層的磁化方向J2反轉並相對於電極2F的固定層的磁化方向J1處於反平行狀態。此外，當金屬導體部分1F為磁性物質時，通過允許電流從電極3F或電極2F流入，可以相對於金屬導體部分1F固定磁疇壁或者從金屬導體部分1F除去磁疇壁。
當允許電流23或24在磁致電阻效應元件200A上流動時，可以將與圖8A所示的狀態和圖8B所示的狀態相對應的信息「1」或「0」寫入電極3F的自由層中。當測量電極2F與3F之間的電阻時，可以根據是高電阻還是低電阻來讀取寫入的信息。
為了通過以這種方式使電流23或24流動來使電極3F的磁化方向J2反轉，電流23和24的電流密度至少為1×105A/cm2或更高，並且為了穩定操作希望為1×106A/cm2或更高。
當通過利用常規光刻技術來製造這種磁致電阻元件時，因為金屬導體部分的寬度增加，所以為了增加電流密度必須流入大電流。因此，難以獲得能夠節約能量的磁致電阻效應元件。
在本實施例中，因為在CNT上形成金屬導體部分，所以可以容易地將金屬導體部分的寬度減小到1至10nm。因此，即使不允許流入大電流，也可以實現上述電流密度。優選地，電流23和24的電流密度為1×108A/cm2或更低。如果電流密度高於該上限，則在操作期間存儲元件可能被損壞。
與圖7A至7C所示的存儲元件500不同，圖8A和8B所示的存儲元件600不需要字線。在通過利用字線的外部磁場H來進行的磁化反轉的情況下，當存儲元件變小時，磁化反轉所需要的字線電流增大，這是嚴重的問題。該存儲元件600沒有這種問題。
因為存儲元件600不需要如上所述的字線，所以其具有簡單且小尺寸的結構。因此，可以實現具有簡單且尺寸小的結構的存儲元件，在該結構中，單元面積小，用於安裝存儲器的間隔小並且記錄密度高。根據存儲元件600，與其中最大MR比為大約60％的常規磁致電阻效應元件的MR比相比，可以獲得非常高的MR比。
這裡值得注意的是，可以利用設置在固定層11之下或之上的反鐵磁性膜來固定圖7A至7C、8A和8B所示的存儲元件的固定層11。優選地，該反鐵磁性膜包含選自由Pt、Pd和Ir組成的組中的至少一種元素和含有Mn元素作為主要成分的合金膜，例如PtMn、IrMn和PtPdMn。
圖9是示出根據實施例5的存儲陣列700的透視圖。
如圖9中所示，將參考圖8A和8B所述的該實施例的存儲元件設置成矩陣以便製作具有能夠將信息記錄在單個存儲元件上並從單個存儲元件中讀出信息的結構的存儲元件。因此，可以實現密度高於1Gb的存儲陣列。
在存儲陣列700中，將磁致電阻效應元件200A設置成矩陣(m行×n列)。沿著在列方向上設置的磁致電阻效應元件200A，提供M條導線X1、X2……X(m-1)、Xm。將用於連接各個磁致電阻效應元件200A的電極3F的連接線CL(i，j)(1≤i≤m且1≤j≤n)和m條導線X1、X2……X(m-1)、Xm設置成矩陣。然後，提供連接到在行方向上設置的磁致電阻效應元件200A的電極2F的n條導線Y1、Y2……Y(n-1)、Yn。
存儲陣列700包括寫單元35。通過使流入磁致電阻效應元件200A的金屬導體部分1F中的電流方向反轉以便將電極2F和3F的磁化方向改變成平行或反平行，寫入單元35經導線和連接線獨立地將信息寫在磁致電阻效應元件200A上。
存儲陣列700包括讀單元36。通過測量根據電極2F和3F的磁化方向而不同的磁致電阻效應元件200A的電極2F和3F之間的電阻值，讀單元36獨立地讀取寫入磁致電阻效應元件200A的信息。
可以通過允許相對較大的電流在導線Xi、連接線CL(i，j)和導線Yj上流動，來執行信息記錄。此時，取決於其中允許電流流動的方向是從導線Xi側流入還是從導線Yj側流入，電極2F和3F的磁化方向變成平行狀態或反平行狀態。如果磁性物質用於金屬導體部分1F，在反平行狀態的情況下，將磁疇壁固定到金屬導體部分並且電阻變高；而在平行狀態下，從金屬導體部分1F除去磁疇壁並且電阻變低。當金屬導體部分1F由非磁性物質構成時，不將磁疇壁設置在金屬導體部分1F中。然而，當電極2F和3F的磁化方向彼此平行時，金屬導體部分1F展現出衝猾導且電阻變低；並且當磁化方向彼此反平行時，發生自旋擴散且電阻變高。
然後，測量兩電極2F和3F之間的電阻並根據測量電阻值是高還是低來讀出寫入的信息。
通過金屬導體部分1F來建立電極2F和3F之間的電導。該金屬導體部分1F由金屬製成。因此，與非專利文獻4中的不能夠控制導電率的碳納米管不同，金屬導體部分1F具有穩定的導電率。因為包含金屬導體部分1F的金屬導體薄膜由金屬製成，所以與非專利文獻4的碳納米管不同，在電極2F與電極3F之間的接觸電阻變得非常小。因此，電特性穩定，並且可以解決在碳納米管與電極之間產生的大接觸電阻的問題。
金屬導體部分1F的橫跨長度L不小於金屬導體部分1F中的電子自旋擴散的長度值和電子平均自由程Λ的值中的較大值，觀察到能夠允許電子穿過金屬導體部分1F而不被散射的被稱為衝猾導的現象。通過利用衝猾導，與常規GMR元件和TMR元件相比，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件(BMR(衝猾MR))。因此，可以實現展現出比常規MRAM高的輸出的存儲陣列700。
實施例6圖10是示出根據實施例6的磁致電阻效應元件800的透視圖；而圖11是用以說明用於製造根據實施例6的磁致電阻效應元件800的方法的透視圖。
磁致電阻效應元件800包括不容易相對於外部磁場被磁化旋轉的固定層(第一電極膜)PL。固定層PL包括反鐵磁性膜AF和形成在反鐵磁性膜AF上並由反鐵磁性膜AF固定的磁性膜ML。在磁性膜ML上，形成非磁性絕緣膜NL。在非磁性絕緣膜NL上，形成相對於外部磁場容易被磁化旋轉的自由層(第二電極膜)FL。自由層FL由磁性膜構成。
磁致電阻效應元件800包括穿透非絕緣膜NL並電連接磁性膜ML和自由層FL的圓柱形金屬導體C。金屬導體C由磁性物質或非磁性物質構成。金屬導體C從磁性膜ML到自由層FL的長度不大於在磁致電阻元件800的操作溫度下金屬導體C的電子平均自由程Λ。
將說明用於製造這樣構造的磁致電阻效應元件800的方法。首先，在襯底8上依次形成反鐵磁性膜AF和磁性膜ML。然後，在磁性膜ML上形成厚度為金屬導體C的長度的非磁性絕緣膜NL。
接著，通過利用來自包括碳納米管的掃描隧道顯微鏡(STM)的探針26的場發射電子束照射來形成到達磁性膜ML的通孔27。然後用金屬導體C填充通孔27。然後，在非磁性絕緣膜NL和金屬導體C上形成自由層FL。
用於採用場發射電子束照射的STM的探針26由探納米管形成，並且可以安全地進行精細和準確的處理。因此，可以形成具有1nm至1000nm特別是1nm至100nm的精細尺寸和形狀的通孔27。因此，可以獲得採用磁性物質填充以便具有精細尺寸和形狀的金屬導體C。
在具有不大於電子平均自由程Λ的長度L的金屬導體C中，觀察到能夠允許電子通過金屬導體C而不被散射的被稱為衝猾導的現象和其中導電率相對於金屬導體C的橫截面積而階梯式變化的被稱為量子電導的現象。
通過利用衝猾導，通過控制自由層FL的磁化方向J2和固定層PL的磁化方向J1，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件和利用該磁致電阻效應元件的磁頭、記錄和再現設備、存儲元件和存儲陣列。
如圖10所示，如果磁性物質用於金屬導體C，則當自由層FL的磁化方向J2和固定層PL的磁化方向J1反平行時，將磁疇壁固定在由磁性物質製成的金屬導體C中，由此增加自由層FL與固定層PL之間的電阻。當自由層FL的磁化方向J2和固定層PL的磁化方向J1平行時，磁疇壁從金屬導體C消失，並且由此降低自由層FL與固定層PL之間的電阻。當非磁性物質用於金屬導體C時，在金屬導體部分中不產生磁疇壁。根據自由層FL和固定層PL的磁化方向是彼此平行還是彼此反平行，即，當磁化方向彼此平行時，金屬導體C的電阻變低，展現出衝猾導，而當磁化方向彼此反平行時，電阻由於自旋散射的發生而變高。因此，可以獲得具有高MR比的磁致電阻效應元件。
通過改變外部磁場的大小以便引起自由層FL的磁化旋轉，改變在固定層PL的固定磁化方向J1與被磁化旋轉的自由層FL的磁化方向J2之間的角度差，並因此改變自由層FL與固定層PL之間的電阻。通過利用磁致電阻效應元件800，可以構造用於從磁介質中檢測信號的磁頭。
此外，通過允許大電流從自由層FL側流入或者從固定層PL側流入以便使自由層FL的磁化方向J2與固定層PL的磁化方向J1彼此平行或彼此反平行，來寫入信息。通過利用自由層FL與固定層PL之間的電阻根據自由層FL和固定層PL的磁化方向J1、J2彼此平行還是反平行而不同的事實，來讀出信息，並由此可以實現存儲元件。
此外，如果圖9所示的設置成矩陣的磁致電阻效應元件200A由磁致電阻效應元件800來替換，則可以實現大容量存儲陣列。這是由於允許電流垂直於膜表面流動的磁致電阻效應元件800的使用，可以獲得通常比允許電流平行於膜表面流動的磁致電阻效應元件200A高的密度。
通過利用量子電導，通過控制金屬導體C的橫截面積，可以獲得沒有在大規模生產中在導電率相對於橫截面積線性變化的情況下產生的導電率偏差的電子器件。
此外，可以使用其中當電流在磁致電阻效應元件800上流動時電流僅在金屬導體C中流動的具有相對較高的電阻的半導體膜來代替非磁性絕緣膜NL。
圖12A是用以說明根據實施例6的電子器件900的透視圖。圖12B是用以說明用於製造電子器件900的方法的透視圖。
電子器件900包括形成在襯底8上的電極2G和3G；以及形成在電極2G和3G之間的與電極2G和3G接觸的絕緣膜28。
在絕緣膜28上，形成從電極2G到達電極3G的溝槽29。用使得與電極2G和3G接觸的金屬導體1G來填充溝槽29。金屬導體1G的長度不大於在電子器件900的操作溫度下電子在金屬導體1G中的平均自由程Λ。
將說明用於製造這樣構造的電子器件900的方法。首先，以其間具有長度L的間隙來設置電極2G和3G並且在襯底8上形成絕緣膜28。然後，通過照射場發射電子束同時移動包括碳納米管的STM的探針26來在絕緣膜28上形成從電極2G到達電極3G的溝槽29。然後用金屬導體1G填充溝槽29。
當用於採用場發射電子束照射的STM的探針26由探納比管形成時，可以安全地進行精細和準確的處理。因此，可以形成具有控制在1nm至1000nm特別是1nm至100nm量級的精細尺寸和形狀的溝槽29。因此，可以獲得具有精細尺寸和形狀的採用磁性物質填充的金屬導體1G。
在具有不大於電子平均自由程A的長度L的金屬導體1G中，觀察到量子電導和衝猾導。
通過利用量子電導，通過控制金屬導體1G的橫截面積，在大規模生產中，電子器件在導電率相對於橫截面積線性變化的情況下沒有導電率偏差。通過利用衝猾導，通過控制電極2G和3G的磁化方向，可以獲得具有非常高的MR比的磁致電阻效應元件和利用該磁致電阻效應元件的磁頭、記錄和再現設備、存儲元件、存儲陣列。
金屬導體1G設置有凹面部分。這裡，金屬導體的凹面部分為其中沿著垂直於金屬導體長度L方向的橫截面的橫截面積小於其它部分的橫截面積的部分。本發明人確定可以通過利用STM來形成凹面部分。如圖13A所示，通過用場發射電子束照射絕緣膜28同時在從電極2G側朝向箭頭38的方向上移動STM的探針，將溝槽39基本上形成在絕緣膜28的中心；然後，通過用場發射電子束照射絕緣膜28同時在從電極3G側朝向箭頭40的方向上移動STM的探針，將溝槽41形成在絕緣膜28上，以便溝槽41的頂端到達溝槽39的頂端。因此，形成具有如圖13B所示的凸面部分37的溝槽29A。之後，用金屬導體1G來填充溝槽29A以便形成具有凹面部分37A的金屬導體1G。通過形成凹面部分37A，當電子器件用於磁致電阻效應元件時，如果磁性物質用於金屬導體1G，則將磁疇壁牢固地固定在金屬導體1G的凹面部分37A的位置上。
例1在Si襯底上，設置SiO2層。在SiO2層上，通過濺射和EB光刻來以50nm的間隔形成由Mo/Au製成的一對電極。然後，在電極上施加包含具有大約5nm直徑的Ni的精細顆粒的催化劑。然後，在800℃下通過利用CH4的CVD方法在橫向上生長具有50nm長度和大約1nm直徑的CNT，以便橫跨在兩電極之間並形成支撐體。在CNT和兩電極上，澱積1nm厚的Au膜，從而在CNT上形成金屬導體部分，並由此形成電子器件。
然後，通過將CNT的直徑改變為2nm、5nm、10nm和20nm，來製備電子器件。具體地，製備通過在其中生長直徑為2nm的CNT的支撐體上形成2nm厚的金屬導體部分所獲得的電子器件；通過在其中生長直徑為5nm的CNT的支撐體上形成5nm厚的金屬導體部分所獲得的電子器件；通過在其中生長直徑為10nm的CNT的支撐體上形成5nm厚的金屬導體部分所獲得的電子器件；以及通過在其中生長直徑為20nm的CNT的支撐體上形成5nm厚的金屬導體部分所獲得的電子器件。當在77K的操作溫度下向這些電子器件施加電壓並測量電導時，顯示出量子電導為G＝2e2/h的整倍數，G＝2e2/h取決於要在所述公式中使用的CNT的尺寸，其中G表示導電率(電導)；e表示電子電荷；而h表示普朗克常數。
例2在Si襯底上，設置SiO2層。在SiO2層上，通過濺射和EB光刻來以10nm的間隔形成由Ta/NiFe/CoFe製成的電極和由Ta/PtMn/CoFe製成的電極。然後，在這些電極上澱積具有0.5nm的厚度用作催化劑的Co薄膜。然後，在400℃下通過利用CH4的CVD方法在橫向上生長具有10nm長度和大約20nm直徑的CNT，從而橫跨在兩電極之間並形成支撐體。
在CNT和兩電極上，澱積3nm厚的Co膜，從而在CNT上形成金屬導體部分，並由此形成圖5A和5B所示的磁致電阻效應元件200A。如此形成磁致電阻效應元件，以至於將兩電極的最大寬度設置為120nm並且寬度朝向金屬導體部分減小。引線連接到這些電極並由此製備圖5A和5B所示的磁頭300。當在300K的操作溫度下施加特定電壓並且外部磁場從1kOe變到-1kOe時，顯示出MR比為大約500％。
例3通過利用在例2中製備的磁頭，製備具有120nm再現軌道寬度的再現頭部分。製備圖6所示的具有記錄頭部分和再現頭部分的記錄/再現設備。採用CoCrPt-SiO2基垂直磁記錄介質作為磁記錄介質。顯示出在300K的操作溫度下，能夠從該再現頭部分再現以200Gb/inch2的記錄密度記錄在磁記錄介質上的信息。
例4在Si襯底上，設置SiO2層。在SiO2層上，通過濺射和EB光刻以15nm的間隔形成由Ta/NiFe/CoFe製成的電極和由Ta/PtMn/CoFe製成的電極。然後，在這些電極上澱積具有0.5nm的厚度用作催化劑的Co薄膜。然後，在450℃下通過利用CH4的CVD方法在橫向上生長具有15nm長度和大約6nm直徑的CNT，從而橫跨在兩電極之間並形成支撐體。
在CNT和兩電極上，澱積3nm厚的Co膜，從而在CNT上形成金屬導體部分，並由此形成圖5A和5B所示的磁致電阻效應元件200A。如此形成磁致電阻效應元件，以至於將兩電極的最大寬度設置為80nm並且寬度朝向金屬導體部分減小。引線連接到這些電極並由此製備圖5A和5B所示出磁頭300。當在77K的操作溫度下施加特定電壓並且外部磁場從1kOe變到-1kOe時，顯示出MR比為大約1000％。
例5在Si襯底上，通過濺射以50nm的間隔形成由Ta/NiFe/CoFe製成的電極和由Ta/PtMn/CoFe製成的電極。然後，在這些電極上澱積具有0.5nm厚度的Co薄膜。然後，在450℃下通過利用CH4的CVD方法在橫向上生長具有50nm長度和大約20nm直徑的CNT，從而橫跨在兩電極之間並形成支撐體。這裡值得注意的是，將兩電極的膜厚製成大約20nm。
在CNT和兩電極上，澱積10nm厚的Cu膜，從而在CNT上形成金屬導體部分，並由此製備圖5A和5B所示的磁致電阻效應元件200A。如此製備磁致電阻效應元件200A，以至於將兩電極的最大寬度設置為200nm並且寬度朝向金屬導體部分減小。引線連接到這些電極並由此製備磁頭。當在77K的操作溫度下施加特定電壓並且外部磁場從1kOe變到-1kOe時，顯示出MR比為大約100％。
通過利用該磁頭，製備具有200nm再現軌道寬度的再現頭部分。製備圖6所示的具有再現頭部分和記錄頭部分的記錄/再現設備。採用CoCrPt-SiO2基垂直磁記錄介質作為磁記錄介質。顯示出在300K的操作溫度下，能夠從該再現頭部分再現以120Gb/inch2的記錄密度記錄在磁記錄介質上的信息。
例6在例4中製備的圖5A和5B所示的磁致電阻效應元件200A的電極3F上，形成與電極3F絕緣的由Cu製成的字線，並由此製備圖7A至7C所示的存儲元件500。通過改變其中允許電流流入字線的方向，將信息「1」或「0」寫入電極3F中，並且然後檢測磁致電阻效應元件的兩電極之間的電阻。顯示出電阻根據「1」或「0」的信息而改變；寫入的信息是非易失的；該存儲元件能夠非破壞性地讀取並且可以重複1010次或更多次來將信息寫入電極3F中。
例7通過利用在例4中製備的圖5A和5B所示的磁致電阻效應元件200A來製備圖8A和8B所示的存儲元件600。當在300K的操作溫度下，通過使流入金屬導體部分的電流密度為大約1.0×07A/cm2，並通過如圖8A所示允許電流23從具有固定層的電極2F側流入或通過如圖8B所示允許電流24從具有自由層的電極3F側流入，來寫入「1」或「0」的信息。當檢驗磁致電阻效應元件的電極2F和3F的電阻值時，顯示出電阻根據「1」或「0」的信息而改變；寫入的信息是非易失的。該存儲元件能夠非破壞性地讀取並且可以重複1010次或更多次將信息寫入磁致電阻效應元件中。
例8如圖9所示，將在例7中製備的存儲元件600的磁致電阻效應元件200A設置成矩陣，以便製備大容量存儲陣列700。在300K的操作溫度下，通過適當地選擇m行×n列個磁致電阻效應元件200A中的一個，通過使流入導線和連接線的電流的密度為大約1.0×107A/cm2，並通過允許電流從磁致電阻效應元件200A的電極2F側流入或從其電極3F側流入，來將「1」或「0」的信息寫入所選擇的磁致電阻效應元件200A。當檢驗磁致電阻效應元件的兩電極的電阻值時，顯示出電阻根據「1」或「0」的信息而改變；寫入的信息是非易失的。該存儲元件能夠非破壞性地讀取並且可以重複1010次或更多次將信息寫入磁致電阻效應元件中。
例9在襯底上，通過濺射形成Ta基膜，形成由PtMn製成的反鐵磁性膜AF和由CoFe製成的磁性膜ML從而製備固定層PL。然後，在磁性膜ML上，通過濺射形成Al膜，並利用其自然氧化，來製備是具有3nm厚度的Al2O3氧化膜的非磁性絕緣膜NL。
然後，如圖11所示，通過向Al2O3氧化膜的非磁性絕緣膜NL施加電壓，通過採用來自包括碳納米管的STM的探針26的場發射電子束照射來形成具有5nm直徑的精細孔。然後，通過濺射在其上形成CoFe膜以形成自由層FL，並且同時，用CoFe填充在上述Al2O3氧化膜上形成的孔以形成金屬導體C。由此自由層FL和固定層PL彼此電連接。通過EB光刻將該元件構圖為80nm的寬度以製備圖10所示的磁致電阻效應元件800。
然後，在磁致電阻效應元件800的自由層FL上，經絕緣膜設置由Cu製成的字線。然後在300K的操作溫度下，允許電流流進字線以產生導致自由層FL的磁化反轉的磁場。當測量磁致電阻效應元件800的電阻時，顯示出電阻根據自由層FL的磁化方向和固定層PL的磁化方向是平行還是反平行而改變。確定該元件作為如圖7A和7C所示的存儲元件500操作。
然後，允許電流在通過用CoFe填充精細孔所形成的金屬導體C上流動，以便電流密度為大約1.0×107A/cm2。根據允許電流流動的方向是從自由層FL側流入還是從固定層PL側流入，確定使自由層FL的磁化方向反轉；改變該元件的固定層PL與自由層FL之間的電阻；並且該元件作為如圖8A至8B所示的存儲元件600操作。
例10在襯底上，通過與例9相同的方法形成5nm厚的Ta基層，形成由PtMn製成的20nm厚的反鐵磁性膜AF和由CoFe/Ru/CoFe製成的3nm/0.7nm/3nm厚的磁性膜ML從而製備固定層PL。然後，在磁性膜ML上，通過濺射形成Al膜，並利用其自然氧化，來製備為具有5nm厚度的Al2O3氧化膜作為非磁性絕緣膜NL。
然後，如圖11所示，通過向由Al2O3氧化膜的非磁性絕緣膜NL施加電壓，通過採用來自包括碳納米管的STM的探針的場發射電子束照射來形成具有10nm直徑的精細孔。然後，通過濺射在其上Cu膜。用Cu填充形成在上述Al2O3氧化膜上的孔以形成金屬導體C。然後，通過濺射形成具有1nm/2nm/0.4nm/2nm厚度的CoFe/NiFe/Ru/NiFe膜以形成自由層FL。該自由層FL和固定層PL彼此電連接。通過EB光刻將該元件構圖為160nm的寬度以製備圖10所示的磁致電阻效應元件800。
引線連接到自由層FL和固定層PL，從而製備磁頭。當施加固定電壓並且外部磁場從1kOe變到-1kOe時，顯示出MR比為大約200％。
通過利用該磁頭，製備具有160nm再現軌道寬度的再現頭部分。製備圖6所示的具有再現頭部分和記錄頭部分的記錄/再現設備。採用CoCrPt-SiO2基垂直磁記錄介質作為磁記錄介質。顯示出在300K的操作溫度下，能夠從該再現頭部分再現以150Gb/inch2的記錄密度記錄在磁記錄介質上的信息。
在磁致電阻效應元件800的自由層FL上，經絕緣膜設置由Cu製成的字線。然後，在77K的操作溫度下，允許電流流進字線以產生導致自由層FL的磁化反轉的磁場。當測量磁致電阻效應元件800的電阻時，顯示出電阻根據自由層FL的磁化方向和固定層PL的磁化方向是平行還是反平行而改變。確定該元件作為如圖7A至7C所示的存儲元件500操作。
然後，允許電流在通過用Cu填充精細孔所形成的金屬導體C上流動，以便電流密度為大約1.0×107A/cm2。確定根據允許電流流動的方向是從自由層FL側流入還是從固定層PL側流入，來改變自由層FL的磁化方向；改變該元件的固定層PL與自由層FL之間的電阻；並將該元件作為如圖8A至8B所示的存儲元件600操作。
例11在絕緣襯底上，通過濺射形成Au膜。對Au膜進行構圖從而形成具有100nm間隔的電極2G和3G，如圖12A所示。然後，通過濺射在電極2G和3G之間形成包含SiO2膜的絕緣膜28。
如圖12B所示，通過向絕緣膜28施加電壓以便採用場發射電子束照射絕緣膜28同時使包含具有1nm直徑的CNT的STM的探針26在絕緣膜28上掃描，來除去部分絕緣膜28從而形成從電極2G到達電極3G的具有2nm深度的溝槽29。然後，通過濺射在絕緣膜28上形成Au膜並且用Au膜來填充形成在絕緣膜28上的溝槽29，從而形成電連接到電極2G和3G的金屬導體1G。由此，形成電子器件900。
此外，通過將STM的探針26的CNT的直徑改變為2nm、4nm、6nm、8nm和10nm，來形成電子器件。具體地，製備通過採用具有2nm直徑的CNT的STM的探針形成2nm深的溝槽並用金屬導體填充溝槽而獲得的電子器件；通過採用具有4nm直徑的CNT的STM的探針形成2nm深的溝槽並用金屬導體填充溝槽而獲得的電子器件；通過採用具有6nm直徑的CNT的STM的探針形成5nm深的溝槽並用金屬導體填充溝槽而獲得的電子器件；通過採用具有8nm直徑的CNT的STM的探針形成5mm深的溝槽而獲得的電子器件；和通過採用具有10nm直徑的CNT的STM的探針形成5nm深的溝槽而獲得的電子器件。
當向這些電子器件施加電壓並測量各個電導時，確定顯示出各自取決於金屬導體的尺寸，量子電導為G＝2e2/h的整倍數。
此外，確定通過控制電極2G和3G的磁化方向來改變電極2G和3G之間的電阻，並且電子器件作為具有高MR比的磁致電阻效應元件和存儲元件來操作。
例12在襯底上，通過濺射形成Ta基膜，形成由PtMn製成的反鐵磁性膜AF和由NiFe製成的磁性膜ML從而形成固定層PL。然後，在磁性膜ML上，通過濺射形成Al膜，並利用其自然氧化，來製備具有3nm厚度的Al2O3氧化膜作為非磁性絕緣膜NL。
然後，如圖11所示，通過向Al2O3氧化膜的非磁性絕緣膜NL施加電壓，通過利用來自包括碳納米管的STM的探針的場發射電子束照射來形成具有5nm直徑的精細孔。然後，通過濺射在其上形成NiFe以形成自由層FL，並且同時，用NiFe填充形成在上述Al2O3氧化膜上的孔以形成金屬導體C，並且然後自由層FL和固定層PL彼此電連接。通過EB光刻來將該元件構圖成80nm的寬度以準備圖10中示出的磁致電阻效應元件800。
然後，在磁致電阻效應元件800的自由層FL上，經由絕緣膜布置由Cu構成的字線。然後在300K的操作溫度下，允許電流流進字線以產生導致自由層FL的磁化反轉的磁場。當測量磁致電阻效應元件800的電阻時，顯示出根據自由層FL的磁化方向和固定層PL的磁化方向是平行還是反平行來改變電阻。確定該元件作為如圖7A至7C中所示的存儲元件500操作。
然後，允許電流在通過用CoFe填充精細孔所形成的金屬導體C上流動，以便於電流密度為大約1.0×107A/cm2。根據允許電流是從自由層FL側流入還是從固定層PL側流入，確定反轉自由層FL的磁化方向，改變固定層PL與自由層FL之間的電阻；並將該元件作為如圖8A至8B中所示的存儲元件600操作。
可以將本發明應用於具有控制在納米量級的精細形狀的電子器件、具有控制在納米量級的精細形狀的磁致電阻效應元件；利用該磁致電阻效應元件的磁頭、記錄/重放設備、存儲元件和存儲陣列；用於製造電子器件的方法；和用於製造磁致電阻效應元件的方法。
權利要求
1.一種電子器件，包括第一電極和第二電極；以及電連接到所述第一電極和所述第二電極的金屬導體薄膜，其中，所述金屬導體薄膜包括金屬導體部分，其橫跨從垂直於所述第一電極和所述第二電極的底表面的方向上看到的所述第一電極與所述第二電極之間的間隙；所述金屬導體部分的橫跨長度L不大於在所述電子器件的操作溫度下所述金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ；通過下述步驟來製造所述電子器件在襯底上以具有所述橫跨長度L的間隙形成所述第一電極和所述第二電極；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨從垂直於所述底表面的方向上看到的所述第一電極與所述第二電極之間的間隙的支撐體；以及通過在所述支撐體上、以及在所述第一電極和所述第二電極上澱積所述金屬導體薄膜來形成金屬導體部分。
2.根據權利要求1所述的電子器件，其中通過澱積所述金屬導體薄膜並且然後除去所述支撐體的工藝來製造所述電子器件。
3.根據權利要求1或2所述的電子器件，其中通過澱積所述金屬導體薄膜並且然後除去所述襯底的工藝來製造所述電子器件。
4.根據權利要求1至3中的任意一項所述的電子器件，其中所述第一電極和所述第二電極包括磁性物質。
5.根據權利要求1至4中的任意一項所述的電子器件，其中所述第一電極和所述第二電極包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。
6.根據權利要求1至5中的任意一項所述的電子器件，其中所述金屬導體薄膜包括磁性物質。
7.根據權利要求1至6中的任意一項所述的電子器件，其中所述金屬導體薄膜包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。
8.根據權利要求1至7中的任意一項所述的電子器件，其中所述第一電極的橫截面積S1、所述第二電極的橫截面積S2和所述金屬導體部分的橫截面積S3滿足下述關係S3＜S1且S3＜S2。
9.根據權利要求8所述的電子器件，其中所述金屬導體部分的橫截面積S3不小於1nm2並且不大於1.0×106nm2。
10.根據權利要求1至9中的任意一項所述的電子器件，其中所述支撐體包括碳納米管。
11.根據權利要求10所述的電子器件，其中形成所述支撐體的步驟包括將用於促進所述碳納米管的形成反應的催化劑設置在所述第一電極和所述第二電極上；以及通過化學氣相沉積(CVD)方法形成包括所述碳納米管的支撐體。
12.根據權利要求11所述的電子器件，其中所述形成所述支撐體的步驟包括形成包括所述碳納米管的所述支撐體，同時分別向所述第一電極和所述第二電極施加不同的電壓。
13.根據權利要求11或12所述的電子器件，其中所述第一電極和所述第二電極包括磁性物質；並且所述催化劑包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。
14.根據權利要求1至13中的任意一項所述的電子器件，其中所述支撐體包括可自組織的蛋白質納米布線和矽納米布線的至少一個。
15.根據權利要求1至14中的任意一項所述的電子器件，其中形成所述金屬導體部分的步驟包括通過物理氣相沉積(PVD)方法來澱積所述金屬導體薄膜。
16.根據權利要求1至15中的任意一項所述的電子器件，其中所述電子器件的操作溫度不小於4.2K並且不大於523K。
17.一種電子器件，包括第一電極和第二電極；以及金屬導體，橫跨所述第一電極與所述第二電極之間的間隙；其中，所述金屬導體部分的橫跨長度L不大於在所述電子器件的操作溫度下所述金屬導體中的電子的平均自由程Λ；通過下述方法來製造所述電子器件在襯底上以具有所述橫跨長度L的間隙形成所述第一電極和所述第二電極；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並且橫跨所述第一電極與所述第二電極之間的間隙的支撐體；以及在所述支撐體上澱積所述金屬導體。
18.一種電子器件，包括第一電極膜；形成在所述第一電極膜上的絕緣膜；形成在所述絕緣膜上的第二電極膜；以及金屬導體，其穿透所述絕緣膜並將所述第一電極膜與所述第二電極膜電連接，其中，所述金屬導體的長度L不大於在所述電子器件的操作溫度下所述金屬導體中的電子的平均自由程Λ；通過下述方法來製造所述電子器件在所述襯底上形成所述第一電極膜；在所述第一電極膜上形成厚度為所述金屬導體的長度L的所述絕緣膜；通過利用來自掃描隧道顯微鏡(STM)的探針的場發射電子束照射所述絕緣膜，提供具有到達所述第一電極薄膜的通孔的所述絕緣膜，該掃描隧道顯微鏡包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個；用所述金屬導體填充所述通孔的內側；以及在所述絕緣膜和所述金屬導體上形成所述第二電極膜。
19.一種電子器件，包括第一電極和第二電極；以及在所述第一電極與所述第二電極之間所形成的與所述第一電極和所述第二電極接觸的絕緣膜，其中所述絕緣膜設置有從所述第一電極到達所述第二電極的溝槽；用使得與所述第一電極和所述第二電極接觸的所述金屬導體來填充該溝槽；所述金屬導體的長度L不大於在所述電子器件的操作溫度下所述金屬導體中的電子的平均自由程Λ；通過下述方法來製造該電子器件在襯底上形成以具有所述橫跨長度L的間隙設置的所述第一電極和所述第二電極；所述絕緣膜在所述襯底上的所述第一電極與所述第二電極之間，與所述第一電極和所述第二電極接觸；通過利用來自包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個的掃描隧道顯微鏡(STM)的探針的場發射電子束照射所述絕緣膜，來提供具有從所述第一電極到達所述第二電極的所述溝槽的所述絕緣膜；並且用所述金屬導體填充所述溝槽。
20.根據權利要求19所述的電子器件，其中所述第一電極和所述第二電極包括磁性物質；並且所述金屬導體設置有凹面部分。
21.一種磁致電阻效應元件，包括包含磁性物質的第一電極和第二電極；以及電連接到所述第一電極和所述第二電極的金屬導體薄膜，其中所述金屬導體薄膜包括橫跨從垂直於所述第一電極和所述第二電極的底表面的方向上看到的所述第一電極與所述第二電極之間的間隙的金屬導體部分；所述金屬導體部分的橫跨長度L不大於在所述磁致電阻效應元件的操作溫度下在所述金屬導體部分中的電子自旋擴散的長度值和在所述磁致電阻效應元件的操作溫度下所述金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ的值中的較大值；所述第一電極的橫截面積S1、所述第二電極的橫截面積S2和所述金屬導體部分的橫截面積S3滿足下述關係S3＜S1且S3＜S2；通過下述方法來製造該磁致電阻效應元件在襯底上以具有所述橫跨長度L的間隙形成所述第一電極和所述第二電極；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨從垂直於所述底表面的方向上看到的所述第一電極與所述第二電極之間的間隙的支撐體；以及通過在所述支撐體上、在所述第一電極和所述第二電極上澱積所述金屬導體薄膜來形成所述金屬導體部分。
22.根據權利要求21所述的磁致電阻效應元件，其中通過澱積所述金屬導體薄膜並且然後除去所述支撐體來製造所述磁致電阻效應元件。
23.根據權利要求21或22所述的磁致電阻效應元件，其中通過澱積所述金屬導體薄膜並且然後除去所述襯底的工藝來製造所述電子器件。
24.根據權利要求1至23中的任何一項所述的磁致電阻效應元件，其中所述第一電極包括自由層，其中磁化容易相對於外部磁場旋轉；所述第二電極包括固定層，其中磁化不容易相對於外部磁場旋轉；並且所述自由層的磁化容易軸垂直於待檢測的所述外部磁場的方向。
25.根據權利要求24所述的磁致電阻效應元件，其中所述固定層包括反鐵磁性膜；以及形成在所述反鐵磁性膜上並由所述反鐵磁性膜固定的磁性層，其中所述磁性膜電連接到所述金屬導體部分。
26.根據權利要求21至25中的任何一項所述的磁致電阻效應元件，其中所述支撐體包括碳納米管。
27.根據權利要求26所述的磁致電阻效應元件，其中形成所述支撐體的步驟包括將用於促進碳納米管的形成反應的催化劑設置在所述第一電極和所述第二電極上；以及通過化學氣相沉積(CVD)方法形成包括所述碳納米管的所述支撐體。
28.根據權利要求27所述的磁致電阻效應元件，其中所述形成所述支撐體的步驟包括形成包括所述碳納米管的所述支撐體，同時分別向所述第一電極和所述第二電極施加不同的電壓。
29.根據權利要求27或28所述的磁致電阻效應元件，其中所述催化劑包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。
30.根據權利要求21至29中的任何一項所述的磁致電阻效應元件，其中所述支撐體可以包括可自組織的蛋白質納米布線和矽納米布線中的至少一個。
31.根據權利要求21至30中的任何一項所述的磁致電阻效應元件，其中形成所述金屬導體部分的步驟包括通過物理氣相沉積(PVD)方法來澱積所述金屬導體薄膜。
32.根據權利要求21至31中的任何一項所述的磁致電阻效應元件，其中所述金屬導體薄膜包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。
33.根據權利要求21至32中的任何一項所述的磁致電阻效應元件，其中所述第一電極和所述第二電極包括選自由Fe、Co和Ni組成的組中的至少一種元素。
34.根據權利要求21至33中的任何一項所述的磁致電阻效應元件，其中所述磁致電阻效應的操作溫度不小於4.2K並且不大於523K。
35.一種磁頭，包括如權利要求21至34中所述的磁致電阻效應元件；第一引線，電連接到所述磁致電阻效應元件的所述第一電極；和第二引線，電連接到所述磁致電阻效應元件的電阻第二電極。
36.一種記錄/再現設備，包括用於在磁介質中記錄信息的記錄頭；以及用於再現記錄在磁介質上的信息的再現頭，其中所述再現頭為如權利要求35所述的磁頭。
37.一種存儲元件，包括如權利要求21所述的磁致電阻效應元件，其中所述磁致電阻效應元件的所述第一電極包括自由層，其中磁化容易相對於外部磁場旋轉，並且所述第二電極包括固定層，其中磁化不容易相對於所述外部磁場旋轉，所述存儲元件還包括產生外部磁場的字線，該外部磁場根據電流將所述自由層和所述固定層的磁化方向變為平行或反平行；以及電流供給器，用於向所述字線提供所述電流，其中根據從所述字線中所產生的外部磁場，通過將磁化方向改變為相互平行或反平行，將信息寫入所述磁致電阻效應元件；以及通過測量磁致電阻效應元件的電阻，來讀出寫入所述磁致電阻效應元件的信息。
38.一種存儲元件，包括如權利要求21至34中所述的磁致電阻效應元件，以及電流供給器，用於提供在所述金屬導體部分中從所述第一電極流向所述第二電極的電流或者在所述金屬導體部分中從所述第二電極流向所述第一電極的電流，其中通過使流進所述磁致電阻效應元件的所述金屬導體部分的電流的方向反轉，以將所述第一電極和所述第二電極的磁化方向改變為平行或反平行，從而將信息寫入所述磁致電阻效應元件；並且通過測量根據所述第一電極和所述第二電極的磁化方向而不同的所述磁致電阻效應元件的電阻值，讀出寫入所述磁致電阻效應元件的信息。
39.根據權利要求38所述的存儲元件，其中由所述電流供給器提供給所述磁致電阻效應元件的電流的電流密度為1.0×105A/cm2或更高。
40.一種存儲陣列，包括設置成矩陣的如權利要求21至34中的任意一項所述的的磁致電阻效應元件；用於獨立地將信息寫入所述磁致電阻效應元件和讀出所述信息的布線；寫單元，用於通過使流入所述磁致電阻效應元件的所述金屬導體部分中的電流方向反轉以將所述第一電極和所述第二電極的磁化方向改變為平行或反平行，經所述布線獨立地將信息寫入所述磁致電阻效應元件；以及讀單元，用於通過測量根據所述第一電極和所述第二電極的磁化方向而不同的所述磁致電阻效應元件的電阻值，經所述布線獨立地讀出寫入所述磁致電阻效應元件的信息。
41.一種用於製造電子器件的方法，該方法包括在襯底上形成第一電極和第二電極，其間具有間隙L；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨從垂直於所述第一電極和所述第二電極的底表面的方向上看到的所述第一電極與所述第二電極之間的間隙的支撐體；並且通過在所述支撐體上、在所述第一電極和所述第二電極上澱積金屬導體薄膜的方法形成橫跨從垂直於所述底表面的方向上所看到的所述第一電極和所述第二電極之間的間隙的金屬導體部分；其中所述間隙L不大於在所述電子器件的操作溫度下在所述金屬導體部分中的電子的平均自由程Λ。
42.一種用於製造磁致電阻效應元件的方法，該方法包括在襯底上形成包含磁性物質的第一電極和第二電極，其間具有間隙L；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨從垂直於所述第一電極和所述第二電極的底表面的方向上看到的所述第一電極與所述第二電極之間的間隙的支撐體；並且通過在所述支撐體上、在所述第一電極和所述第二電極上澱積金屬導體薄膜的方法形成橫跨從垂直於所述第一電極和所述第二電極的底表面的方向上所看到的所述第一電極和所述第二電極之間的間隙的金屬導體部分，其中所述間隙L不大於在所述磁致電阻效應元件的操作溫度下在所述金屬導體部分中的電子自旋擴散的長度值和在所述磁致電阻效應元件的操作溫度下在所述金屬導體部分的電子的平均自由程Λ的值中的較大值；並且所述第一電極的橫截面積S1、所述第二電極的橫截面積S2和所述金屬導體部分的橫截面積S3滿足下述關係S3＜S1且S3＜S2。
全文摘要
提供一種沒有導電率偏差的電子器件。電子器件(100)包括電極(2)和電極(3)；以及電連接到電極(2)和電極(3)的金屬導體薄膜(7)。金屬導體薄膜(7)包括金屬導體部分(1)，其橫跨電極(2)與電極(3)之間的間隙；金屬導體部分(1)的橫跨長度L不大於在電子器件(100)的操作溫度下電子在金屬導體部分(1)中的的平均自由程Λ。通過如下方式來形成電子器件(100)在襯底(8)上以具有橫跨長度L的間隙形成電極(2)和電極(3)；形成包括選自由納米管和納米布線組成的組中的至少一個並橫跨電極(2)與電極(3)之間的間隙的支撐體(4)；並且通過在支撐體(4)上以及在電極(2)和(3)上澱積金屬導體薄膜(7)形成金屬導體部分(1)。
文檔編號H01F1/00GK101061592SQ200480017669
公開日2007年10月24日 申請日期2004年6月24日 優先權日2003年6月25日
發明者神間博 申請人:松下電器產業株式會社