存储元件和存储装置的制作方法

专利名称：存储元件和存储装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过注入自旋极化电子来写入记录信息的存储元件，以及采用这种存储元件的存储装置。
背景技术：
在高速网络社会已经来临的情况下，在诸如移动电话如膝上计算机的移动装置正在迅速普及，已特别需要开发永久性存储器。永久性存储是在无需经常对它提供电功率的情况下可以保存数据。所以，在使用永久性存储器中在把电源接通后就可立刻运转。而且，可减少功耗。
一种最近注意到的磁随机存取存储器(MRAM)包括SRAM(静态RAM)的高速特性和DRAM(动态RAM)的高密度和低成本的特点，以及瞬时(flash)存储器的永久特性。所以，实际上可把MRAM看作是未来有希望的存储器的标准。MRAM是一种利用磁性效应的存储器。在MRAM中，已知有利用巨磁阻效应的自旋阈型存储器和利用自旋相关型隧道效应存储器。在这些MRAM中，把转换电流加到对应于目标存储单元的接线并产生磁场，由这个磁场改变了在单元中记录层的磁化状态而写入单位信息。通过利用磁效应由探测单元的磁化状态来读出信息。如上所述，MRAM是一种固态存储器。所以，没有损伤的危险，它可存在于磁记录介质中，用于通过利用磁头来机械地完成写入与读出。MRAM还擅长重复的写入与读出。
但是，对MRAM的实用来说，已经留下了由存储器的高密度同时造成的问题。用于写入所需的磁强度与记录层的宽度，即一个单元的大小，成反比。所以，当使存储单元小型化时，功耗却变得非常大。而且，存在着由在相邻单元之间最接近的漏磁场造成的交叉干扰的危险。例如，对0.2μm宽的存储单元来说，写入电流变成是几个mA。而且，对其单元距离缩小至约0.1μm的存储器来说，当为目标单元感应磁场时，具有其80％强度的磁场被加到它相邻的单元。
作为一种来解决前面问题的技术，已经提出采用称为极化自旋注入法的新写入方法的MRAM(参考平11-120758号日本未审查专利申请公告)。这种存储元件被构筑成如图22所示的那样。就是说，其磁化方向总是固定的铁磁层(固定层)111和其磁化方向根据二进位信息改变的铁磁层(自由层)112被顺磁层113隔开。顺磁金属层114和115是电极层，用来在层压方向把电流加到铁磁层111和112。在极化自旋注入方法中，把极化电子注入到铁磁层111和112中，而通过在层压方向施加自旋极化电流来传送自旋角动量。因而，在铁磁层112中，磁矩被互作用返向。这个机制称为自旋反转。在写入方法中，其中磁化是由如上述的注入自旋电流来变换的，无需旋加外磁场。所以，它不受在存储单元之间的干扰，而可限制功耗。极化自旋注射法的其它特征还在于它的写入时间只与自旋传导率有关。所以，可改善响应率。
但是，在这技术中，在实际应用中也有一个问题。配置在铁磁层111和112之间的顺磁层113，除了作为磁衬垫的作用外，还有作为自旋传导的方法，用于在没有弛豫的情况下传导电子的极化自旋。所以，顺磁层113有必要具有长的自旋相干长度，并对铁磁层111和112具有非常小散射的一种材料制成。
就是说，当自旋取向由，例如，在顺磁层113中的自旋极化传导电子的散射被改变时，传导电子的自旋信息已经失去。所以，具有长自旋相干长度的顺磁材料是合乎需要的。到此为止，关于顺磁层自旋传导的研究已通过采用顺磁金属材料，半导体材料以及诸如此类的材料来实施。
但是，当把上面的材料用作顺磁层时，却难以生成均匀的薄膜，和控制自旋相干长度。所以，在顺磁层中存在不能获得足够的自旋相干长度和均匀自旋场的问题。结果，关于自旋注入法的存储元件，虽然在理论上指出与常规的感生磁场法相比可获得显著的特性，但在实际中却不能获得足够的特性。所以，不能获得实际的应用。
有鉴于前述，本发明的目的就是要提供一种在顺磁层中能获得足够的自旋相干长度和均匀自旋场的存储元件，并由此实现其实际的应用，和采用它的一种存储装置。

发明内容
根据本发明的存储元件是一种通过注入自旋极化的电子来写入其中的记录信息的存储元件，包括由具有中空的球壳或圆柱型分子材料制成的自旋传导层，而其中自旋极化的电子是通过自旋传导层来传导的。
更准确地说，本发明的存储元件是一种存储元件，它主要包括在其中磁化方向是固定的第一铁磁层；由具有中空球壳分子材料制成的，形成在第一铁磁层上面的自旋传导层，在这自旋传导层中包括顺磁材料并具有已知的自旋相干长度；以及在第一铁磁层对面一侧的自旋传导层上形成的第二铁磁层，其中磁化方向由自旋极化电子来改变，其中通过改变第二铁磁层的磁化方向来写入记录信息。
在这种存储元件中，当把自旋电子注入到第二铁磁层中时，就改变第二铁磁层的磁化方向，并写入记录信息。然后，自旋极化电子流在没有自旋散射的情况下流经由包括顺磁材料(例如，球壳状碳分子)制成的该顺磁层，该顺磁层具有足够的自旋相干长度和均匀自旋场。就是说，这注入电子通过顺磁层传导，同时保持它们的自旋极化程度。
其次，本发明的存储元件是一种存储元件，包括第一和第二铁磁层，其中其至少一层的磁化方向的改变是通过注入自旋极化电子感生的；以及由通过对准第一和第二铁磁层的层压方向来设定其轴向而配置的中空圆柱形分子(例如，碳纳米管)中的至少一部分构成的自旋传导层，这传导层被设置在第一铁磁层和第二铁磁层之间以屏蔽其磁的互作用，并传导自旋极化电子。
在存储装置中，电流在起着自旋传导层的作用的中空、圆柱形分子轴向上滚动。因此，自旋极化电子在第一铁磁层和第二铁磁层之间传导。在自旋传导层中，电子在没有自旋弛豫的情况下，根据圆柱形分子或包括在其中空部的物质的自旋相干长度被传导，并对第一铁磁层和第二铁磁层给定其角动量。
本发明的存储装置是通过排列多个上述本发明存储元件来构成的。
附图简述

图1示出根据本发明存储元件第一社会的结构外形图形的图；图2是存储单元图形的图；图3是为解释用途自旋传导层(顺磁层)的球壳状碳分子薄膜的晶体结构的视图；图4A到4C是为解释写入到存储单元中的操作的图形图；图5A到5C也是为解释写入操作的图形图；图6A到6B是示出对存储单元读出信号的图形图；图7A到7B也是示出对存储单元读出信号的图形图；图8是为解释存储单元编址方案的视图；
图9也是为解释编址方案的视图；图10是为解释制作示于图1的存储元件步的俯视图；图11A到11C是随图10之后的步骤的横截面图；图12是随图11C之后的步骤的横截面图；图13是图12的俯视图；图14A到14C是随图12之后的步骤的横截面图；图15A到15C是随图14C之后的步骤的横截面图；图16是图15C俯视图；图17是示出存储单元的修改的视图；图18是示出存储单元的另一修改的视图；图19是根据本发明存储元件第二社会的结构视图；图20是通过把示于图19存储元件集合成整体而构成的存储装置的结构轮廓图；图21是示出该存储元件的修改的视图；以及图22是常规自旋注入型存储元件的结构视图。
具体实施例方式
(第一实施例)图1示出根据本发明第一实施存储元件的结构。存储元件MM1是一种用于通过由注入极化的自旋电子造成磁化反转完成写入的“自旋注入型”元件。图2示出构成存储元件MM1的摘出存储单元20。
存储元件MM1是在其中把多个存储单元20排列成方阵的状态(例如，M行如N列的阵列MXN阵列)。存储单元20的记录信息是通过把自旋极化电子流注入到各存储单元20来写入的(自旋注入法)。较佳的是，这种存储单元20的在平面内的尺寸为从0.5mm2到5μm2。当存储单元的尺寸是小时，可造成交叉干扰。由于通过设定到前面的尺寸到彼此相邻的各个存储单元20的写入电流，有可能成为抑制磁场的影响。
存储单元20包括基底21。在基底21上形成电极层22。形成由铁磁材料制成的铁磁固定层(第一铁磁层)23。在铁磁固定层32中，磁化方向被固定于给定的方向。在铁磁固定层23上形成自旋传导层24。在这个实施例中，自旋传导层24由包括顺磁材料的球壳分子材料制成，例如，碳分子球壳状碳分子。其详细的描述将于稍后给出。在自旋传导层24上形成由铁磁材制成的铁磁自旋由层(第二铁磁层)25。铁磁自由层25具有两个稳定的磁化方向，并定向于两个磁化方向中的一个方向。铁磁自由层25的磁化方向根据传导电子的自旋而改变。在铁磁自由层25上形成电极层26。
基底21是由，例如，硅(Si)制成。电极层22和26是由诸如金(An)的顺磁金属制成。作为顺磁材料，可采用与金不同的任何材料，只要用这种材料，通过沉积法，溅射法及其类似的方法可把导线容易地制作到电极层22和26上就行。
自旋传导层24是一种由上面提及的、包括顺磁材料24b的球壳状碳分子24a制成的球壳状碳分子薄膜。其厚度是，例如，从0.5nm到5μm，这种球壳状碳分子薄膜具有如图3所示的晶体结构。一般来说球壳状碳分子具有fcc(面心立方)的晶格结构。但是，在这图中，为了方便把它表示成两维的简单晶格。
球壳状碳分子24a具有，例如，从0.1nm到50nm的中空尺寸。在这中空部分，包括顺磁材料24b。球壳状碳分子24a的例子包括C36，C60，C70，C72，C74，C76和C82，顺磁材料24b的例子包括诸如镧(La)，铯(Cs)，镝(Dy)，铕(Eu)，和钆(Gd)的稀土元素；和诸如N(氮化物)和P(磷)的非金属元素。
此外，在这球壳状碳分子薄膜中，所包括顺磁材料24b的自旋取向是随机的。所以，该球壳状碳分子薄膜具有稳定的顺磁性。而且，在球壳状碳分子24a中的电子自旋是在伪零维空间中的量子化状态。所以，在球壳状碳分子薄膜中，自旋的弛豫时间变得长了，就是说，自旋的相干长度变长。结果，当电子通过球壳状碳分子24a传导时，自旋决不会被散射。例如，当电子在如图所示的纵方向传导时，电子可在保持自旋极化程度的同时被传导。
在这实施例中，如图2所示，铁磁固定层23的磁化方向是被固定在磁化方向S1上。同时，铁磁自由层25的磁化方向是两个稳定的磁化方向S1和S2中的一个，好比说是S2。在铁磁自由层25中，当把自旋极化电子流注入时，磁化方向被转动。铁磁自由层25的两个磁化方向对应于在存储单元20中的两种类型的记录信息。这两种类型的记录信息作为信号“1”和“0”被读出。在图2中，磁化方向S1和S2被画作正交坐标轴。
在这实施例中，有选择地采用下面的铁磁材料，以致铁磁固定层23和铁磁自由层25彼此具有不同的功能。
简单物质(110)方向 bcc(体心立方) Fe(001)方向 bceFeC轴在平面内方向hcp(六角密堆积)Co(111)方向 fccCo(110)方向 FccCo(001)方向 fccCo二元合金Fe1-xCox(0＜x＜1)*NixFe1-x(0＜x＜0.75)Ni79Fe21(坡莫合金)三元合金MnFeCoFeCoNi此处，根据下面的条件来选定前面的铁磁材料。例如，当铁磁固定层23和铁磁自由层25采用相同的铁磁材料时，可把铁磁固定层23形成得比铁磁自由层25厚。当用作铁磁固定层23的材料与用作铁磁自由层25的材料有区别时，所作的选择是要使得用途铁磁固定层23的材料，与用作铁磁自由层25的材料相比，具有较大的吉伯衰减系数。
此外，当铁磁固定层23如铁磁自由层25的各层材料彼此具有不同的电流极化效率时，则在从记录信息“0”到“1”或从“1”到“0”的写入中所需的写入电流和写入时间彼此可为不同的值这一事成为可能。在构筑的电路中，倘若具有反对称假设的写入电流是有利的话，例如，当在芯片上所有的存储单元20同时被清除时，可选择能减少每单元所需电流的极化。
此外，如上面提到的，由于铁磁自由层25具有两个稳定磁化方向，所以铁磁自由层25在该层中具有单轴各向异性是重要的。就是说，铁磁自由层25必须有具有＞100Oe(奥斯特)的单轴各向异性的磁场Hu，它是不受热或磁场起伏的影响的。此外，铁磁固定层23的单轴各向异性必须大于铁磁自由层25的单轴各向异性。当具有磁场Hu带有小的单轴各向异性的铁磁材料用作铁磁自由层25时，易于转变在S1和S2之间的磁化方向。但是，用于这种系统的CCP电压测量需要精细的实验条件。就是说，由具有磁场Hu带有小的单轴各向异性的材料制成的存储单元不适宜作为实用的器件。这种单轴各向异性可通过控制铁磁材料的组份，形状，晶向，和晶格应变，或通过在形成这些薄层中所加的磁场来获得。更准确地说，作为具有单轴各向异性的铁磁薄膜，可列举下面的情况例如，由磁各向异性决定的，沿可磁化轴方向磁化的bcc结构铁的(110)面具有带着高极化率和高单轴各向异性的磁场Hu。此外，例如，在偏置磁场的存在下沉积、并具备平行于磁场的单轴感生的磁各向异性的坡莫合金具有带着最佳的极化效率和小的单轴各向异性的磁场Hu。此外，例如，在c一轴平面内的方向中包括单轴各向异性的hcp钴具高极化效率和高单轴各向异性的磁场Hu。除此之外，具有bcc结构的Fe1-xCox合金通过，例如，在Fe的格点位置上用X％的Co来代替，具有它们(110)的薄膜面，并在<100>的方向具有带着平面内的单轴磁各向异性的可磁化的轴。这Fe1-xCox合金具有带着最大极化效率和大的单轴各向异性的磁场Hu。
此外，当在铁磁自由层25的层平面中改变磁化方向时，有可能通过选择其短边为1μm或更小的矩形的长细比，把各向异性磁场Hu成为最佳化。同时，当在铁磁自由层25的平面内和垂直于该平面内的方向之间改变磁化方向时，较佳的是铁磁自由层25的厚度是5个原子层或更少，以便获得充分的纵向磁各向异性。就是说，较佳的是，铁磁自由层25的厚度约为1nm。这个厚度是在磁化方向成为在平面内的方向的情况与磁化方向成为垂直于该颊内的情况之间的过渡区。此外，作为用于铁磁固定层23和铁磁自由层25的极化电子源，可采用诸如PtMnSb或类金属材料的啸声干扰(whistler)合金。
接着，将在下文讨论具有这种结构的存储元件MM1。在存储元件MM1中，把铁磁固定层23的磁化方向固定到已给定的S1方向。同时，铁磁自由层25具有两个稳定的磁化方向S1和S2，并被定位于这两个磁场方向中的一个方向(此外，S2)。在这样的存储元件MM1中，铁磁自由层25的两个磁化方向，在各存储单元20中对应于两个记录信息。记录信息“1”或“0”通过把自旋极化的电子流注入到铁磁自由层25并转换磁化方向被写入。同时，读出这记录信息是通过在存储单元20上纵向地施加电流而产生的巨磁阻效应(GMR)来实现的。
当记录信息被写入时，采用脉冲电流以便转换铁磁自由层25的磁化方向，而完成铁磁自由层25的磁转换(磁反转)。例如，在初始态是平行的磁对准的情况下(图4A)，写入是如下完成的。就是说，具有与在铁磁自由层25的自旋相同方向自旋的电子粒子密度脉冲Jp从铁磁自由层25流向铁磁固定层23。然后，铁磁固定层23只是在与电子粒子密度脉冲Jp相同的方向中的自旋态。所以，注入到铁磁固定层23中电子粒子密度脉冲Jp的自旋根据泡利不相容原理被反转。具有这种反转自旋的电子流在电子粒子密度脉冲Jp的相反方向作为电流密度脉冲Je(转换电流I)流动，所以，铁磁自由层25的自旋方向被反转。如图4B所示，在一接合区中，转换电流I大于临界值Jt(A)，而脉冲则维持在几个纳秒的单位中。
如上所述，铁磁自由层25的磁化方向被转换电流I反转，铁磁自由层25的磁化方向成为与铁磁固定层23的方向相反，而它变为反平行磁化对准的状态(图4C)。由此，写入结束。“平行的磁化对准”指的是铁磁自由层25和铁磁固定层23的磁化方向是相同的。此外，“反平行的磁化对准”指的是铁磁自由层25和铁磁固定层23的磁化方向是相反的。
此外，在写入被完成的情况中，当，例如，初始态是反平行的磁化对准(图5A)时，电子粒子密度脉冲Jp和电流密度脉冲Je的各自流动方向成为彼此相反的。电子粒子密度脉冲Jp从铁磁固定层23流到铁磁自由层25，而电子密度脉冲Je(转换电流I)在电子粒子密度脉冲Jp的相反方向流动，由此，写入开始。就是说，具有与在铁磁固定层23中自旋相同方向自旋的电子粒子密度脉冲Jp从铁磁固定层23流到铁磁自由层25。
然后，其方向与在铁磁自由层23中的自旋不同的自旋被注入铁磁自由层23。铁磁自由层23的自旋被注入的自旋扭转，并被反转。具有这反转自旋的电流在与电子粒子密度脉冲Jp相反的方向作为电流密度脉冲Je(转换电流I)流动。如图5B所示，在接合区。转换电流I大于临界电流Jt(A)，而脉冲仍维持在几个纳秒的单位。如上所述，铁磁自由层25的磁化方向被转换电流I反转，铁磁自由层25的磁化方向变成与铁磁固定层23的一样，且它变成平行磁化对准的状态(图5C)。由此，写入结束。
同时，当记录信息被读出时，例如，对在存储单元20中施加纵向电流的CPP中设定配置，并利用巨磁阻效应。例如，在平行磁化对准状态(图6A)的情况下，当施加临界值Jt或更小的读出电流脉冲时，可获得对应于逻辑“0”的低电压脉冲VLIW(图6B)。此外，例如，在反平行磁化对准状态(图7A)的情况下，当施加临界值Jt或更小的读出电流脉冲时，可获得对应于逻辑“1”的高电压脉冲Vhigh(图7B)。
当采用这样一种读出方法时，为了获得，例如，5％或更多的GMR比(ΔR/R)时，较佳的是，构成各自薄层，铁磁固定层23和铁磁自由层25，的材料的电子极化Pol1和Pol2，满足下面的数学公式1。
(数学公式1)∂·Pol1·Pol21-Pol1·Pol2>0.3]]>作为用于这样一种存储元件MM1的选址方案，使用了最简单的方法。例如，如图8所示，可例举一种方法，在其中一根只写入接线41供一个存储单元20之用。此外，例如，如图9所示，可例举一种所谓的xy选址方案，其中把接线42和43装配成使接线42和43相交，把存储单元20配置在这些接线42和43的相交点，而通过对接线42和43的信号组合来作出选址。
在具有只写接线41的选址方案的情况下，用于一存储单元20所需的导线连接是在电极层22的一个地方和在电极26的两个地方作出的，并完成伪4端点的测量。在某些场合下，完成两端点的测量是足够的，其中导线连接分别在电极层22和26中的一个地方作出。
在xy选址方案的情况下，仅当脉冲被同时加到x和y这两根接线43和44时，才施加超过临界电流的电流，由此，存储单元20被选定。然后，有可能为了保证在其中完成写入的存储单元20中脉冲的对应，对x接线和y接线中的一个(好比说，x接线)给以一长脉冲，而把一短脉冲给予另一接线(y接线)。
接着，参考图10到16，将在下文描述制作前面的存储元件MM1的方法。图10是图11A的俯视图；图13是图12的俯视图；以及图16是图15c的俯视图。
首先，如图10和11A所示，制备了由，例如硅制成的基底21。基底21并不用掺杂来制备的，且，例如，外直径为4英寸和厚为0.01英寸。此外，由于在随后的步骤中切刻出电极22的形成区，所以用金刚钻点切刻基底21。在抛光基底21的一表面之后，冲洗基底21并作氧化处理。接着，用，例如，沉积法在基底21(好比说，尺寸为2cm×2cm)的平面内中央附近的一个区域中沉积由，例如，全制成的电极层22。电极层22的厚度被设定为，例如，0.5μm。
接着，如图11B所示，例如，用光刻法，在电极层22上形成厚为50nm或更厚的抗蚀薄膜31。然后，根据存储单元20的形状制作抗蚀剂薄膜31的图形。
随后，如图11C所示，通过，例如，沉积法来沉积由具有组份为Ni81Fe19的坡莫金制成的铁磁固定层23。铁磁固定层23的厚度被设定为，例如，4nm。此外，当沉积铁磁固定层23的，在施加100De的磁场时，感生出单轴各向异性。
接着，通过，例如，等离子体沉积法来沉积由，例如，包括La的C82(La @C82)制成的厚为20nm的自旋传导层24。C82具有，例如，尺寸为从01nm到50nm的小孔的La被包括在这小孔中。然后，铁磁固定层23的单轴向向异性被保持不变。更为准确地说，在等离子体沉积法中，采用了例如，外电极能力组合型成平行平板电极能力组合型的等离子体聚合反应设备(例如，参考第H08-59220号日本未审批专利申请发布)。这种等离子体聚合反应设备在反应槽中装有连接到等离子体功率源的钼舟。把C82的粉末容纳于该钼舟中，把在其上沉积铁磁固定层23的基底21设置在面向在反应槽中的钼舟的位置上。
通过使用这种等离子体聚合反应设备，并把等离子体能源设定到，例如，AC 13.56MHz，和输出到150W，在恒定流的系统中产生La的正离子等离子体，在钼舟中的C82粉末在几百度中被升华，而由La @ C82制成的自旋传导层24被沉积在基底21的铁磁固定层23上。在这个实施例中，自旋传层层24由包括顺磁材料(例如，La @ C82)的球壳状碳分子来沉积。所以，有可能生长均匀的薄层，并控制自旋的相干长度。
接着，通过，例如，沉积法在自旋传导层24上沉积，例如，由坡莫合金制成厚为1nm的铁磁自由层25。然后，通过完成沉积，同时施加类似于沉积铁磁层23的磁场，在铁磁自由层25中感生单轴各向异性，以致铁磁自由层25的C轴成为平行于铁磁固定层23的磁化。由此，铁磁自由层25具有两个稳定的磁化方向S1和S2，并定位于这两个磁化方向S1和S2中的一个方向。
随后，通过沉积法来沉积由例如，金制成的厚为25nm的电极层26。接着，如图12和13所示，通过溶解并移走抗蚀薄膜31来完成剥离。由此有选择地形成存储单元部分32a和接地端部分32b。
接着，如图14A所示，在基底21上形成由，有机玻璃制成、例如，厚为60nm的绝缘层33，以覆盖存储单元部分32a和接地端部分32b。绝缘层33起着平面化薄膜的作用。接着，如图14B所示，通过，例如，氧等离子体腐蚀法，把存储单元部分32a和接地端部分32b的顶面曝露出来。
随后，有选择地形成如图14C所示的抗蚀剂薄膜34。抗蚀剂34具有覆盖接地端部分32b和曝露存储部分32a的图形。把抗蚀剂薄膜34的厚度设定到，例如，0.2μm。接着，如图15A所示，沉积由，例如，Au制成的金属35以覆盖抗蚀薄膜34。
随后，如图15B所示，通过溶解和移去抗蚀薄膜34来完成剥离，且有选择地除去金属35。金属35成为存储单元20的电接触并与电极层26电连接。当把抗蚀薄膜34溶解和移动时，就把接地端部分32b曝露出来。但是，接地端部分32b被电连接到另一电极层22。
接着，如图15C所示，通过压焊把用于电压信号的寻线36和37与用于电流脉冲的导线38和39连接到这些电接触(接地端部分32b和金属35)。最后，在其上形成存储单元20的基底21被牢固地固定到由铜(Cu)制成的散热器(未示出)上。由此，完成了存储元件MM1。
在如上构筑的存储元件MM1中，铁磁自由层25的两个磁化方向S1和S2对应于在各存储单元20中的两个记录信息。通过把自旋极化电流注入到铁磁自由层25，并转换磁化方向，就完成写入“1”或“0”。
然后，自旋极化的电子流流经自旋传导层24。在这实施例中，自旋传层24由球壳状碳分子薄膜制成(图3)。在这球壳状碳分子薄膜中，所包括顺磁材料24b的自旋取向是随机的。所以，这球壳状碳分子薄膜具有稳定的顺磁特性。而且，在球壳状碳分子薄膜中的电子自旋在伪零维空间中是处于量子化的状态。除此之外，通过由球壳状碳分子薄膜构筑自旋传导层24，可容易地完成生长均匀的薄膜和控制自旋的相干长度。由此，在自旋传导层24中，可获得足够的自旋相干长度和均匀的自旋场，且可防止自旋散射。就是说，电子通过自旋传导层24传导，而仍保持其自旋极化程度。
如上所述，在这实施例中，自旋传导层24具有尺寸为从0.1nm到50nm的小孔，并由在这小孔中包括顺磁材料的球壳状碳分子制成。所以，它变成易于生长均匀的薄膜和控制自旋的相干长度，并可获得足够的自旋相干长度和均匀的自旋场。所以，它变得有可能防止自旋极化的传导电子的散射，并改善可靠性。由此，可把自旋注入型存储元件MM1投入实际应用。尤其是，与常规感生的磁场型作比较时，可大为改善记录密度的上限，并可减少读出时间和功耗。
参考实施例已对本发明作了描述。但是，本发明并不限于前面的实施例，并可作出各种修改。例如，为了要固定铁磁固定层23的磁化方向到一给定的方向，有可能在铁磁固定层23上形成由，例如，反铁磁材料制成的铁磁固定层51(参考图17)。作为一种反铁磁材料，可例举FeMn，IrMn，NiMn，RhMn，CrMnPt，FeMnPt以及诸如此类的材料。前面的材料中，因为NiMn即使在高温下(例如650De直至T＝450k)仍可获得大的锁住(pinning)场，所以NiMn是适宜的。
铁磁固定层23的磁矩通过这样的磁化固定层51被锁住，而它的磁化方向被固定到给定的磁化方向。当磁化固定层51由作为反铁磁材料的金属制成时，磁化固定层51还可起着电极的作用。此外，虽然利用GMR效应，在前面的实施例中用于读出记录信息的一种方法，但例如，可利用当用光照亮铁磁自由层25时产生的磁克尔效应。
此外，如图18所示，除前面的自旋传导层24之外可制备包括低磁性合金的自旋阵列层52。这低磁性合金是一种把磁性材料金属掺杂到半导体中的一种合金。在低磁性材料之间的接合界面上，在其中保持着半导体的特性并存在着磁序。而铁磁金属，磁化变成非平衡，且可产生自旋极化的电子(来源R.Fiederling，M.Keim，G.Reuscher，W.Ossau G.Schemidt，A.WAAG T L.WMolenkamp，Nature 402，787-790(1999)，“Injection and detection of aspin-poiarized current in a light-emi lting diode”)。
所以，采用这种低磁性合金作为自旋阵列层52可获得较高的自旋极化程度，这自旋阵列层还具有作为自旋传导层的功能。
可例举，例如，(In，Mn)As，(Ga，Mn)As，(Cd，Mn)Te，(Zn，Mn)Te，以及(Zn，Cr)Te作为低磁性材料合金。
包括低磁性合金的自旋阵列层52的位置是在两层铁磁薄层(铁磁固定层23和铁磁自由层25)之间是相当普遍的。但是，包括低磁性合金的自旋阵列层52的位置更佳的是在铁磁固定层23的起始位置和自旋传导层(自旋传导层24)之间，并由此可改善在自旋注入中的传导自旋的极化程度。
当低磁性合金被包括在包含于自旋传导层24的球壳状碳分子中时，自旋传导层24起着自旋阵列层和自旋传导层的功能。
此外，为了要运输其它电路以根据记录信息的读出结果完成逻辑操作，例如，可把读出信号的放大电路结合到前面的永久性RAM是可能的。此外，虽然在前面的实施例中，电极层22，铁磁固定层23，自旋传导层24，铁磁自由层25，以及电极层26是按此顺序形成在基底21上，但是有关的各层的沉积顺序可与前面的顺序是相反的、[示例]在这示例中，制作了具有下列结构的永久性RAM。此外，将示出电极26到基底21的结构。
<样品结构>
电极层 Au薄膜(25nm厚)铁磁自由层 由Ni81Fe19制成的坡莫合金薄膜(1nm厚，并具有单轴各向异性，以使C轴成为平行于铁磁固定层的磁化)顺磁层 La @ C82薄膜(20nm厚)铁磁固定层 由Ni81Fe19制成的坡莫合金(4nm厚，且具有单轴各向异性)电极层 Au薄膜(500nm厚)基底硅基底在下文将示出这示例的样品结构的测量结果。
<计算值>
极化效率达90％对铁磁自由层的平面内有效各Hu＝+2Ku/Ms达10Oe向异性磁场自旋数密度达1.9×1015cm2吉们衰减系数 0.005临界值Jt 达8×103A/cm2电阻 16mΩ噪声电压(10Hz BW，77k)0.2nV<测量值>
由实验来的转换电流密度达2×104A/cm2转换时间θ(0到π) 达0.05μsec读出中的峰功耗达0.1pW
读出电流密度达3×104A/cm2读出电流脉冲达5.0μA，1HzCPP GMR4％ΔR/R 达(800μΩ/20mΩ)平均读出电压达5nV此外，作为对本示例的比较示例，除了厚为20nm的Au薄膜被用作顺磁层外，其它与本示例一样制作了永久性RAM，在下文将示出这个比较示例的测量结果。
<计算值>
极化效率达30％对自由层平面内的有效各向异Hu＝+2Ku/Ms达10Oe性磁场自旋数密度达1.9×1015cm2吉伯衰减系数0.01临界值Jt达8×103A/cm2电阻16mΩ噪声电压(10Hz BW，77K) 达0.3nV<测量值>
由实验得到的转换电流密度达2×104A/cm2转换时间θ(o-π)达0.1μSec在读出中的峰功耗达0.1pw读出电流密度 达4×103A/cm2读出电流脉冲 达6.4μA，1HzCPP GMR 4％ΔR/R达(800μΩ/16mΩ)平均读出电压达5nV如前面所证明的，在本示例中，通过采用La @ C82薄膜用于顺磁层来代替Au薄膜，可显著地改善极化效率。就是说，发现了当La @ C82薄膜代替Au薄膜作为顺磁层时，可改善永久性RAM的性能。
此外，作为对本示例的比较示例，在下文将示出常规感生磁型存储元件的测量结构。
<测量值>
转换电流密度 达5.8×106A/cm2转换时间θ(o-π) 达0.08μSec在读出中的峰功耗 达1.0pw读出电流密度达1×105A/cm2读出电流脉冲达5.0μA，1HzCPP GMR 4％ΔR/R 达(800μΩ/20mΩ)平均读出电压 达4nV与常规感生磁场型存储元件相比，被改善的有关特性如下用于转换如写入所需的电流增加两个位数的量级；转换时间增加一个位数的量级；以及功耗增加一个位数的量级。就是说，发现了与常规感生磁场型存储元件相比，自旋注入型存储元件可减少读出时间和功耗。
接着，将描述本发明的另一实施例。
(第二实施例)图19示出根据本发明第二实施例的结构。这种存储元件MM2也是“自旋注入型”的，其中写入是通过由注入极化的自旋电子产生磁化反转来实现的。其基本结构是在两层铁磁薄层，即在固定层1中，它的磁化取向是被固定在某个方向上，以及在自由层2中，它的磁化取向是通过注入极化的自旋电子来改变的，之间制作自旋传层层3。
这些有关的薄层是形成于一个分子的碳纳米管10的内部的薄层。就是说，碳纳米管10过在对自旋传导层3的轴向设定中央部分，并在其两个端包括固定层1和自由层2来构成存储器的一个组成单元。此外，固定层1和自由层2分别装有电极层4A和4B。个别的磁存储元件MM2通过电极层4A和4B被连接到接线层5A和5B。
由中空的碳纳米管10中的一部分构作自旋传导层3。由非磁性材料构成自旋传导层3以屏蔽在固定层1和自由层2之间的磁互作用。此外，自旋传导层3的自旋相干长度应大于它本身的至少一层的厚度，以便在固定层1和自由层2之间传导极化的自旋电子。关于碳纳米管，已经作出了提出它的冲击传导的各种报导。最近，在实验上已富证实它的自旋相干长度为200nm或更多(K.Tsukagoshi，B.W.Alphenaar and H.Ago，“Spin coherent transport ina ferromagnetically cmtacted carbon nanotube，”Nature 401，572-574(1999))。同时，在这里的自旋传导层3的厚度(碳纳米管的长度)是作为实用范围的约从0.5nm到5μm。所以，自旋传导层3同时满足前面的两个条件。
如上所述，在这实施例中，(1)利用碳纳米管10中的一部分作为自旋传层3，以及(2)碳纳米管10构成整个元件的外壳。
在第2546114号日本专利发布中，揭示了在设置于碳纳米管中央的一中空的小孔中包括各种不同物质的技术。关于包括磁性材料的碳纳米管，给出了如下的描述(1)由于管子的内径(5到10nm)小于通常磁性材料的磁畴尺寸，这样的碳纳米管被认为是一个简单的磁畴粒子，以及(2)当这样来安排管子时，以致纵向地设置它们的长轴，由于各向异性，可实现具有非常高密度的垂直磁记录介质。但是，在前面的第2546114号日本专利发布中，没有关于碳米管应用到存储器的描述。
从碳纳米管10被用作元件的外壳所获得的最大意义在于有可能防止由于被它的π电子去的磁屏蔽效应对其内部邻近磁场的影响。本实施例的磁存储元件MM2通过电流驱动型来表出它的特征。但是，如果它的尺寸(单元尺寸)变成纳米级，由读出电流产生的泄漏磁场可能会干扰邻近单元的磁化。但是，由于磁纳米管10覆盖了在元件内部的磁层，并从外部屏蔽了磁干扰。所以，总是稳定地保持着固定层1和自由层2的磁化方向。由此，磁存储元件MM2成为有精细尺寸的、在实用上能被集成和驱动的元件。
此外，碳纳米管10的内直径非常之小，约为从1到10nm。就是说，这样精细的元件可在不依赖常规半导体工艺技术的情况下来形成。同时，其尺寸显著地小于通常磁性材料的磁畴尺寸。所以，可想象在碳纳米管10的内部具有一个简单的磁畴结构。结果，由于并不伴随磁畴到磁化的输运，所以磁性材料的顽磁性期望会变得较大。
用作固定层1和自由层2的铁磁材料的示例包括Fe和Co的简单物质，其两元合金，NiFe合金，MnFeCo和FeCoNi。前面的各示例中，有效获得电子的高极化率的铁磁材料是具有高铁含量率的FeCo合金。3d铁磁材料的重复d电子具有各向同性的如自由电子状态的波矢。所以，宁可不必要考虑晶体取向。较佳的是，固定层1可选自含Ni，Co及诸如此类元件的硬磁材料，而自由层2可选自诸如纯铁和坡莫合金(Ni79Fe21)的软磁材料。此外，可采用诸如其主要成分是含钴镍的氧化铁的尖晶石型铁气体磁性粒子，它的高顽磁性于最近才被知晓晶粒直径达30nm，矫顽磁力HcJ达6k Oe)，和FeO2粒子(点燃温度023k，晶粒直径，达5nm，HcJ达1K Oe)的金属纳米粒子材料。
对固定层1，为了保持不变的磁化方向，较佳的是采用其吉伯衰减系统显著地大于自由层2的材料，或通过调节它的组份和它的厚度(比自由层2厚)施加大于自由层2的单轴各向异性。另外，有可能把反铁磁层与固定层1相接触以锁住磁化。当这反铁磁层由金属制作时，反铁磁层也具有电极层4A的功能。这种反铁磁金属材料的例子包括FeMn，IrMn，NiMn和RhMn。
同时，为了防止由于加热或磁场影响而引起的磁化方向(存储态)的起伏，较佳的是，通过使它的组份，厚度，横截面积(碳纳米管10的直径)以及诸如此类的参数成为最恰当来制备自由层2具有各向异性的磁场Hu＞100Oe的单轴各向异性。可在平面内两个方向上改变自由层2的磁化方向，或可在平面内的方向和垂直于该平面的方向被改变。在后者的情况下，较佳的是，自由层2的厚度是5个原子层或更少，就是说，约1nm，以例获得足够的垂直磁各向异性。
可采用任何类型的电极层4A和4B，只要电极层4A和4B由具有导电性的顺磁金属制成就行。并不要对其厚度和形状加以特殊的限制。这个磁存储元件MM2被包括于碳纳米管的外壳中。磁存储元件MM2的大小是小于通常的存储元件，而它的厚度比则高于它的横截面。所以，可采用常规的半导体工艺技术来形成电极层4A，4B和接线层5A和5B，或可由诸如碳纳米管的分子导线来构作。
在磁存储装置MM2中，如稍后描述的，写入和读出这两者都是通过施加电流来实现的。所以，可共用写入和读出的接线，而使用两层接线层5A和5B是足够的。写入结构是如此简单是其诸优点中的一个优点。
此外，在磁存储元件MM2中，磁纳米管10被用作元件的外壳。所以，磁存储元件MM2还由整体来表出它的特征。一般来说，碳纳米管容易形成称为一捆的密聚体。磁存储元件MM2的外壳由碳纳米管10构成。所以，通过密聚容易做成整体。例如，如图20所示，当把磁存储元件MM2排列成方阵的状态时，这有规则的排列由色散力(用于密聚化碳纳米管10的力)所保持，且磁存储装置的存储体由成整体的磁存储单元MM2构成。由此，可以制造其单位存储单元是一碳纳米管、具有高密度和高可靠性的存储装置。
可通过，例如，经采用定向的碳纳米管生产方法(Jeong et al.，Chem.Mater.，Vol 14，No.4 pp1859-1862(2002))，在该管的中空部分填入磁性金属，并在端部完成电接合以产生一已定向的碳纳米管来制造这种磁存储元件MM2及其磁存储装置。稍后将给出作为示例的本方法的专门描述。
接着，在下文将描述其操作方法。在磁存储元件MM2中，信息是通过造成自由层2对固定层1的磁化方向是平行磁化对准的一个状态和自由层2对固定层1的磁化方向是反平行磁化对准的一个状态，它们对应于诸如“0”和“1”的两个数据来记录的。数据是通过由加到垂直于薄层面的方向(CPP电流垂直于平面)的电流反转自由层2的磁化方向来写入的。例如，当自由层2对固定层1的磁化从平行磁化对准改变到反平行磁化对准时，电流密度脉冲从固定层1加到自由层2，而自旋极化电子从自由层2注入到固定层1.然后，用其幅度必须大于临界电流密度值的电流，在自由层2中产生磁反转。当这脉冲的施加期间，把自由层2的磁化方向反转，并把自由层2和固定层1的平行磁化对准的状态改变为其反平行磁化对准的状态。
与此相反，当反平行磁化对准的状态改变为平行磁化对准的状态时，在相反的方向施加电流。就是说，电流从自由层2加到固定层1，而自旋极化电子从固定层1注入到自由层2。
此外，由于自旋传导层3由碳纳米管构成，所以极化电子在没有自旋弛豫的情况下通过该层而传导。所以，电子注入到固定层1中，而自由层2处于它们的自旋角动量被保持的状态中，于是可有效地完成读出。
读出数据，就是说，通过采用，例如，在垂直于层面的方向中(CPP-GMR巨磁阻)的巨磁阻效应可完成识别前面的两个磁化状态。另外，有一种采用磁克尔效应的方法。
如上所述，在这实施例的自旋注入型磁存储元件MM2中，两层铁磁层，就是说，在一个分子碳纳米管10的两个端部，分别堵塞固定层1和自由层2，而它在中央的中空部分本身设置为自旋传导层3.所以，自旋传导层3具有良好的碳纳米管的自旋相干性。极化电子在没有自旋弛豫的情况下注入固定层1如自由层2中。所以，可有效地完成写入，以及可实现低功耗驱动。
而且，存储元件的主体是容纳在碳纳米管10的外壳内部。所以，在不依赖于常规的微制造技术的情况下可实现纳米尺寸的元件。所以，通过采用这种磁存储元件MM2，有可能获得非常高密度的存储装置。如果是这样，可以想象到，固定层1和自由层2具有单个磁畴结构，并可保持稳定的磁化定向。此外，可以总是稳定地保持这磁化定向也是由于这个事实，即碳纳米管10的π电子去覆盖着固定层1和自由层2，并从外部屏蔽着磁干扰。此外，碳纳米管10具有一维的形状和在管子之间起作用的色散力。所以，在该轴的方向实现了密聚。结果，可稳定地和容易地高度定向磁存储元件MM2，并可获得高度结合的磁存储装置。
此外，除了前面的自旋传层层3之外，通过提供包括与第一实施例一样的低磁合金的排成自旋阵列的薄层11可获得较高的自旋极化程度。排成自旋阵列的薄层11的位置是在两层铁磁层(铁磁固定层1和铁磁自由层2)之间是相当普遍的。但是，更佳的是该位置处于在铁磁固定层1的起始位置和自旋传导层3之间。由此，可改善在注入中传导自旋的极化程度。
此外，在下文将详细描述本发明的专用示例。
(示例1)首先，用丙酮将高纯铝片(99.999％)脱脂，并用酒精溶液洗涤。在高氯酸和酒精的混合溶液中将最后得到的铝片电抛光。随后，在0.3M的草酸中用40V，在150℃时对它进行阳极氧化处理12小时。由此获得了具有精细微孔的阳极氧化的氧化铝基底。这些精细微孔作为纳米尺寸量级的多孔结构被自集合起来，并在距离上形成有序的阵列。实际得到的精细微孔穿过氧化铝基底(就是说，精细微孔是在它的两个端部都是开口的状态中)，且它的直径为80届以及它的密度为1/0×1010微孔/cm2。
接着，在CoSo2·7H2O的溶液中将氧化铝基底沉积，并施加18VAC1分钟。由此，Co催化剂被电化学方法沉积在基底的精细微孔底部。通过把在表面上的Co粒子暴露于在500℃的10％的H2和90％的Ar的混合气体中1小时而使其还原。这Co催化剂是用来产生碳纳米管的一种催化剂，且将变成磁存储元件的磁性薄层(固定层)。
接着，把10％的C2H2的包含到Ar携带气体中，把这携带气体供给到前面的氧化铝片，通过热分解方法来生长在基底的精细微孔中的碳纳米管。
通过在丙酮溶液中提供40k Hz的超声处理，为整个基底切割掉碳纳米管的额外生长的部分。由此，获得了具有相同长度、在轴向上定向的纳米管。
接着，把带有碳纳米管的整个基底浸入包含铁离子如作为还原剂的次磷酸盐的酸溶中，而纯铁被填入碳纳米管中，直至通过采用化学镀方法显示金属颜色时为止。由此，各别的碳纳米管获得了自旋注入型磁存储元件的基本结构。就是说，形成了作为固定层的硬磁材料Co层，作为自旋传导层3的中空纳米管，如作为自由层的Fe层。通过原子操纵法(atom maniputation method)把具有较细直径的纳米管在这包括磁性材料的纳米管两个端部处接合起来作为电极和引出接线。
此外，把这些纳米管的整个氧化铝基底涂抹在由SiO2制成的绝缘基底上，并浸入70℃的0.1M的NaOH中3小时，由此氧化铝基底被分解并除去。然后，由包括磁性材料的纳米管构成的捆结构，和成为电极和接线的管子仍留在这绝缘层上。
接着，把信号接线焊接到引入接线，这信号接线用作两维格点接线来获得地址。最后，把这绝缘基底牢固地固定到铜散热器。由此，完成了磁存储装置。
此外，测量了所制作的磁存储装置的特性。在下文将示出结果。
<计算值>
极化效率 达50％对自由层平面内的有效各向异 Hu＝+2Ku/Ms达10Oe性磁场自旋数密度 达5.0×1015cm2吉伯衰减系数 0.01临界值Jt 达8×103A/cm2电阻 16mΩ噪声电压(10Hz BW，77K) 达0.2nV<测量值>
由实验得到的转换电流密度 达1×104A/cm2转换时间θ(o-π) 达0.05μsec在读出中的峰功耗 达0.1pw读出电流密度 达3×103A/cm2读出电流脉冲 达6.4μA，1HzCPP GMR 4％ΔR/R 达(800μΩ/16mΩ)平均读出电压 达5nV磁记录密度 达6.5Gbit/inch2
可通过控制阳极氧化的氧化铝基底的精细微孔直径，并使纳米管直径，即磁存储元件的直径为最适宜的值来改善测得的记录密度。通过对电抛光的铝基底由，例如，用Ar，Ga及诸如此类的元素的离子溅射法来控制精细微孔生长的起始点，有可能控制精细微孔直径在几十到几百nm的范围内。
(示例2)通过制作用于由弧光放电法及诸如此类的方法合成的含有铁磁金属的石墨电极，可获得包括该铁磁金属的碳纳米管。在这示例中，磁存储装置是由与上面一样获得的碳纳米管来组装的。
首先，制备一种混合物，在这混合物中，Ni，Y和坡莫合金(NiFe合金)的粉末按重量比4％，1％，和4％放入石墨粉末中。此外，把碳树脂加入到混合物中，该混合物加热到900℃6小时。通过采用该合成物作为阴极电极在200Torr的He气氛下实现用接触弧光法的弧光放电。
所获得的碳管分散在磁场中，并由此，把包括磁性材料的纳米管选取出来。由于Ni是作为用于产生碳纳米管的催化剂来使用的，所以Ni是包括在几乎所有管子的一个端部。所以，必须把在另一端填入坡莫合金的管子选取出来。接着，在所获得的磁纳米管中通过用扫描电子显微镜目测检查祗把在一端包括铁磁Ni和另一端包括坡莫合金的管子集中起来。
所集中起来的这些碳纳米管中的每一个都具有如自旋注入型磁存储元件一样的基本结构。就是说，形成了作为固定层的硬磁材料Ni层，作为自旋传导层的中空纳米管，和作为自由层的坡莫合金层。这些碳纳米管被范德瓦尔斯力以彼此相隔约0.3nm的间距密聚起来。
通过原子操纵法把具有直径的纳米管在这包括磁性材料的纳米管两个端部处接合起来作为电极和寻出接线。此后，通过类似于例1的后继步骤来完成磁存储装置。
本发明并不限于前面的实施例和示例，可作出各种各样的修改。例如，在第二实施例中，碳纳米管10的自旋传导层3中的一部分被用作中空部分。但是，有可能包含具有长自旋相干长度的传导顺磁材料，其例子包括诸如球壳状碳分子的碳材料，不同于诸如Ag和Au的反铁磁金属的3d金属，以及4d金属。
在第二实施例中，已描述了其主要部分形成于碳纳米管10中的磁存储元件。但是，有可能碳纳米管10被用诸如氮化硼(BN)管和肽纳米管的其它圆柱形分子来代替。如果是这样，有可能在相当于自旋传导层3的部分中通过填入前面的碳材料或金属来改善特性。
此外，在第二实施例中，碳纳米管10包括固定层1和自由层2，有可能碳纳米管10包括电极层4A和4B中的一部分，以便改善焊接特性。在的磁存储元件中，至少在固定层和自由层之间设置的自旋传导层是由具有碳纳米管特征的圆柱形分子构成的情况是相当普遍的。是否包括用于元件的其它组件是可以选择的。但是，如上述的，期望传导的圆柱形分子触产生磁屏蔽效应，所以，根据需要，这包括在内的结构会被优先地选用的。
根据本发明的存储元件或存储装置，自旋传导层是由具有小孔的球形分子或圆柱形分子构成的。所以，它变得易于控制自旋相干长度，且可获得足够的自旋相干长度和均匀的自旋场。所以，有可能防止在顺磁层中的自旋极化传导电子的散射，以改善可靠性，并由此获得其实际上的使用。此外，与常规的感生磁场法相比，可显著地改善记录密度的上限，并可减少读出时间和功耗。尤其是，通过由包括顺磁材料的球壳分子材料形成的自旋传导层可生长均匀的薄膜。
此外，自旋传导层由圆柱形分子构成，而这圆柱形分子的轴向中的中央部分起着自旋传导层的功能。除此之外，第一铁磁层是包括在这圆柱形分子的一个端部，而第二铁磁层是包括在其另一端部。由此，获得了在这圆柱形分子的中空部分容纳着元件体的结构。所以，在不依赖常规微制造技术的情况下，通过选择纳米尺寸的圆柱形分子，可实现纳米尺寸的注入型存储单元。就是说，不管它的精细尺寸，通过简单的制造方法可获得其大小被彻底控制的元件。如果是这样，可以想象到，由于圆柱形分子的直径尺寸，第一和第二铁磁层具有简单的磁畴结构。此外，由于这些薄层被包括在圆柱形分子中，来自外部的磁干扰被屏蔽。所以，可稳定地保持磁化方向。由于磁屏蔽效应，不管它的精细尺寸，实际上成为可实现集成整体。
此外，通过采用作为圆柱形分子的碳纳米管，在这自旋传导层中，极化电子被传导，而由于碳纳米管的良好自旋相干，几乎没有自旋被削弱，而极化电子被注入第一铁磁层或第二铁磁层中。所以，有可能实现具有良好写入效率的纳米尺寸的自旋注入型存储元件。
此外，根据本发明的存储装置，多个本发明的存储元件被排列起来。所以，可有效地完成写入，并可实现低功耗驱动。尤其是，当采用圆柱形分子构成个别的存储元件时，可获得圆柱形的三维结构，它与通过常规薄膜制造技术在两维上形成的元件是不同的。所以，可在纵向方向起该存储元件集合成整体。此外，这种存储元件是自旋注入型存储元件，与其它磁存储器相比，几乎不接受邻近磁场的影响。所以，可进一步把存储单元间的距离变窄，并使能实现高密度的集合成整体。
权利要求
1.一种存储元件，其中通过注入自旋极化的电子来写入记录信息，包括自旋传导层，由具有中空的球壳或圆柱形分子材料制成，且其中自旋极化的电子由该自旋传导层传导。
2.根据权利要求1所述存储元件，包括第一铁磁层，其中一磁化方向是固定的；自旋传导层，形成在第一铁磁层上面，由具有中空的球壳或圆柱形分子材料制成，在其中包括顺磁材料，并具有已给定的自旋相干长度；以及第二铁磁层，形成于在第一铁磁层对面一侧上的自旋传导层上，其中通过自旋极化电子来改变一磁化方向，其中通过改变第二铁磁层的磁化方向来写入记录信息。
3.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中构成自旋传导层的球壳材料是碳分子球壳状碳分子。
4.根据权利要求3所述存储元件，其特征在于，其中球壳分子材料是具有从0.1nm到50nm的中空尺寸的碳分子球壳状碳分子。
5.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中自旋传导层的厚度是从0.5nm到5μm。
6.根据权利要求2所述的存储元件，其特征在于，其中包括在球壳分子材料中的顺磁材料是镧(la)、铯(Cs)，镝(Dy)，铕(Eu)，或钆(Gd)。
7.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中包括在球壳分子材料中的顺磁材料是氮(N)或磷(P)。
8.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，在第一铁磁层和第二铁磁层之间，包括一自旋排列层。
9.根据权利要求8所述存储元件，其特征在于，其中该自旋排列层包括低磁材料。
10.根据权利要求9所述存储元件，其特征在于，其中该低磁材料由(In，Mn)As，(Ga，Mn)As，(Cd，Mn)Te，(Zn，Mn)Te，和(Zn，Cr)Te中的至少一种制成。
11.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中球壳分子材料包括低磁材料，而该自旋传导层还起着自旋排列层的作用。
12.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中第一铁磁层的厚度比第二铁磁层的厚度厚。
13.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，包括磁化固定层，该磁化固定层用于固定在第一铁磁层对自旋传导层对面一侧的第一铁磁层的磁化方向。
14.根据权利要求13所述存储元件，其特征在于，其中该磁化固定层是由反铁磁材料制成。
15.根据权利要求13所述存储元件，其特征在于，其中该磁化固定层还起着电极的作用。
16.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中第二铁磁层的厚度是5个原子层或更少。
17.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中电极被分别形成两个面上，且该两个电极由顺磁金属材料制成。
18.根据权利要求1所述存储元件，其特征在于，其中用于注入自旋极化电子的写入线被连接到第二铁磁层。
19.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中一单元面积是从0.5nm2到5μm2。
20.根据权利要求2所述存储元件，其特征在于，其中该记录信息通过利用在施加电流中产生的巨磁阻效应而被读出。
21.根据权利要求2所述存储单元，其特征在于，其中该记录信息通过用光照亮第二铁磁层，并利用于是产生的磁克尔效应而被读出。
22.根据权利要求1所述存储单元，包括第一和第二铁磁层，其中至少其一层的磁化方向改变是通过注入自旋极化的电子而被感生的；以及自旋传导层，由通过设定它的轴向到第一和第二铁磁层的层压方向而排列的中空圆柱形分子的至少一部分构成的，该自旋传导层被设置于在第一铁磁层和第二铁磁层之间以屏蔽其磁的互作用，且它传导自旋极化的电子。
23.根据权利要求22所述存储元件，其特征在于，其中在圆柱形分子轴向的中央部分起着自旋传导层的作用，而第一铁磁层和第二铁磁层分别被包括在一个端部和另一个端部中。
24.根据权利要求22所述存储元件，其特征在于，其中圆柱形分子的一个分子是元件的组成单元。
25.根据权利要求22所述存储元件，其特征在于，其中由圆柱形分子制成的自旋传导层在它的轴方向具有一个比它的在工作温度时的自旋相干长度短的长度。
26.根据权利要求22所述存储元件，其特征在于，其中由圆柱形分子制成的自旋传导层在中空部分包括另外的分子或原子。
27.根据权利要求22所述的存储元件，在第一铁磁层和第二铁磁层之间包括自旋排列薄层。
28.根据权利要求27所述存储元件，其特征在于，其中该自旋排列层包括低磁材料。
29.根据权利要求28所述存储元件，其特征在于，其中低磁材料是由(In，Mn)As，(Ga，Mn)As，(Cd，Mn)Te，(Zn，Mn)Te，和(Zn，Cr)Te中的至少一种制成。
30.根据权利要求26所述的存储元件，其特征在于，其中包括在中空部分的分子或原子的自旋相干长度，在工作温度时，比在圆柱形分子轴向上的自旋传导层的长度长。
31.根据权利要求22所述存储元件，其特征在于，其中该圆柱形分子是碳纳米管。
32.一种由排列的多个存储元件构成的存储装置，其特征在于，其中存储元件包括由具有小孔的球壳或圆柱形分子材料制成自旋传导层，而自旋极化的电子由该自旋传导层来传导。
33.根据权利要求32所述存储装置，其特征在于，其中该存储元件包括第一铁磁层，其中一磁化方向是固定的；自旋传导层，形成在第一铁磁层上面，由具有小孔的球壳分子材料制成，在这小孔中包括顺磁材料，并具有已给定的自旋相长度；以及第二铁磁层，形成在第一铁磁层对面一侧口的自旋传导层上，其中通过自旋极化电子来改变磁化方向，其中通过改变该第二铁磁层的磁化方向来写入记录信息。
34.根据权利要求33所述存储装置，其特征在于，其中构成自旋传导层的球壳分子材料是该分子球壳状碳分子。
35.根据权利要求32所述存储装置，其特征在于，其中该存储元件包括第一和第二铁磁层，其中其至少一个的磁化方向变化由注入自旋极化电子而感生的；以及自旋传导层，通过由使其轴向设定到第一和第二铁磁层的层压方向排列的中空圆柱形分子中的至少一部分构成，该自旋传导层被设置在第一铁磁层和第二铁磁层之间，以屏蔽其磁的相互作用，且传导这自旋极化的电子。
36.根据权利要求35所述存储装置，其特征在于，其中该存储元件通过对准圆柱形分子的轴向排列起来而被集合成整体。
全文摘要
可获得一种存储元件，其中的自旋传导层具有足够的自旋相干长度和均匀的自旋场，并由此达到实际的应用和提供一种存储装置。例如，自旋导电层(顺磁层)(24)是厚为从0.5nm到5μm的球壳状碳分子薄膜。该球壳状碳分子具有尺寸为，例如，从0.1加到50nm的小孔。顺磁材料被包括在这小孔中。该球壳状碳分子薄膜的费未矢量合适地覆叠着遍及铁磁固定层(23)和铁磁自由层(25)的少数自旋带或大量自旋带。此外，能包括顺磁材料的自旋取向是随机的。而且，在球壳状碳分子中的电子自旋在伪零维空间中是在量子化的状态中。由此，在球壳状碳分子薄膜中自旋相干长度变长，并消除了自旋极化的传导电子的散射。
文档编号H01L27/105GK1703780SQ20038010082
公开日2005年11月30日 申请日期2003年10月2日 优先权日2002年10月3日
发明者角野宏治, 阿多誠文 申请人:索尼株式会社