磁致电阻效应元件及其制造方法

专利名称：磁致电阻效应元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有控制在纳米量级的精细形状的电子器件、具有控制在纳米量级的精细形状的磁致电阻效应元件；利用磁致电阻效应元件的磁头、记录/再现设备、存储元件和存储阵列；用于制造电子器件的方法；和用于制造磁致电阻效应元件的方法。
背景技术：
用于将材料的结构控制在纳米量级的纳米技术已经被评价为信息和通信等的基础技术，并且已经积极地进行研究和开发。近年来，已经提出具有控制在纳米量级的精细形状的磁器件和电子器件。
在磁器件领域中，由于利用GMR(巨磁致电阻效应)膜的常规磁致电阻效应元件(M.N.Baibich等人的“Phys.Rev.Lett.，Vol.61”(1988)p.2472)的MR比(磁致电阻变化)仅为大约10％，所以需要展现出较高MR比的磁致电阻效应元件。针对上述需求所提出的利用TMR(隧穿磁致电阻)元件的磁致电阻效应元件展现出大约50％的高MR比(T.Miyazaki等人的“J.Magn.Mater.，Vol.139”(1995)，pL231)。TMR元件的电阻与TMR元件宽度的平方成反比，所述TMR元件宽度与信息记录介质的轨道宽度成比例。由于记录密度越高且轨道宽度越窄，TMR元件的宽度变得越窄，所以TMR元件的电阻变得极高。因此，难以将该元件应用于精细结构的磁头。
而且，已经提出一种利用TMR膜的磁阻存储器(MRAM)。然而，利用TMR膜的磁阻存储器的MR比为50％，这不足以作为存储元件。
在这种情况下，有人试图制造一种磁致电阻效应元件，其中在电极之间形成具有控制在纳米量级的精细形状的连接部分并在该连接部分执行能够允许电子通过但不被散射的冲猾导(ballisticconduction)。在常规的光刻技术中，很难形成控制在纳米量级的精细形状。通过利用碳纳米管(下文中称之为CNT)，已经提出一种其中在电极之间形成控制在纳米量级的精细形状的连接部分的结构(“Nature Vol.401”(1999)，p572，下文中将其称之为非专利文献3)。在该文献中，公开了一种用于通过碳纳米管来电连接两个电极的磁致电阻效应元件。
在电子器件的领域中，通过利用被称为量子电导的现象来控制布线的横截面积，提出其中消除电导偏差(variation)的电子器件，在所述量子电导中，电导相对于精细布线的横截面积阶梯式变化。当电导相对于布线的横截面积连续变化时产生电导偏差。在Adv.Mater.Vol.12，2000，p890中提出具有这种由碳纳米管形成的精细布线的电子器件，下文中将该文献称之为非专利文献4。
此外，在利用Ni晶须(whisker)的纳米接触元件中，据报道MR比在室温下达到100,000％(参见Physical Review B67，2003，p60401，下文中将其称之为非专利文献5)。
然而，取决于手征(chirality)，碳纳米管的导电率不同，以至于难以控制形成的碳纳米管成为展现出金属性的特性的手扶椅类型或展现出半导体特性的之字形类型或者展现出绝缘体特性的手征性类型。
因此，在非专利文献3中所公开的磁致电阻效应元件的结构中，由于不能控制为连接两个电极而形成的碳纳米管的导电率，所以电特性不稳定。如果可以将碳纳米管形成为展现出金属导电性的手扶椅类型的形状，则碳纳米管与两电极之间的接触电阻变得极高，例如在电极为Ni电极的情况下为15至30MΩ。因此，该结构存在磁致电阻效应元件的MR比在极低的温度下才不过10％且在室温下不能获得高MR比的问题。
为了通过控制被控制在纳米量级的精细布线的横截面积来获得没有导电率偏差的电子器件，同样在具有非专利文献4的布线碳纳米管的结构中，也不能控制碳纳米管的导电率，如上所述。由于存在电子稳定性低的问题，所以不适合于实际应用。此外，电阻高至10kΩ。
在文献5中所公开的采用Ni晶须的纳米接触元件中，由镀金属形成的纳米接触部分具有不能受控的结构。因此，其不能实际应用。

发明内容
基于前面所述，本发明的目的是提供具有控制在纳米量级的精细形状的电子器件、磁致电阻效应晶体管；利用磁致电阻效应元件的磁头、记录/再现设备、存储元件和存储阵列；用于制造电子器件的方法；和用于制造磁致电阻效应元件的方法。
本发明的第一电子器件包括第一电极和第二电极；以及电连接到第一电极和第二电极的金属导体薄膜。金属导体薄膜包括金属导体部分，该金属导体部分横跨(bridge)从垂直于第一电极和第二电极的底表面的方向看到的第一电极与第二电极之间的间隙；金属导体部分的横跨长度L不超过在电子器件的操作温度下金属导体部分中的电子的平均自由程Λ。通过在衬底上以具有横跨长度L的间隙形成第一电极和第二电极；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组的至少一个的支撑体并横跨从垂直于底表面的方向上所看到的第一电极与第二电极之间的间隙；和通过在支撑体上以及在第一和第二电极上淀积金属导体薄膜的方法形成金属导体部分，来制造电子器件。
在说明书中，术语“电子的平均自由程Λ”表示其中电子可以传播而不被散射的距离。术语“金属导体部分的横跨长度L”表示沿着中心轴从在其处横截面积沿着电子器件的中心轴迅速下降的点P1到在其处电子器件的横截面积迅速增加的点P2的长度。特别地，在实施例中将详细说明测量金属导体部分的横跨长度L的方法。
由于通过在衬底上以具有横跨长度L的间隙形成第一电极和第二电极，所述横跨长度L不超过在电子器件的操作温度下在金属导体部分中的电子的平均自由程Λ；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组的至少一个并横跨从垂直于底表面的方向上所看到的第一电极与第二电极之间的间隙的支撑体；和通过在支撑体上、在第一电极和第二电极上淀积金属导体薄膜的方法形成金属导体部分，来制造根据本发明的第一电子器件，所以能够在支撑体上形成具有不超过电子的平均自由程Λ的横跨长度L的金属导体部分，所述支撑体包括选自由纳米管和纳米布线组成的组的至少一个。
在具有不超过电子的平均自由程Λ的横跨长度L的金属导体部分中，出现称为量子电导的现象，其中电导相对于横截面积阶梯式变化。
因为本发明的金属导体部分由金属形成，与非专利文献4中所描述的不能够控制导电率的碳纳米管不同，本发明的金属导体部分具有稳定的导电率。此外，与第一电极和第二电极的接触电阻变得极小。因此，电特性变得稳定。
因此，通过利用量子电导来控制金属导体部分的横截面积，能够获得在导电率相对于横截面积呈线性变化的情况下不产生导电率偏差的电子器件。
优选地，通过淀积金属导体薄膜并且然后除去支撑体的工艺来制造电子器件。通过除去不能够控制导电率的支撑体，电子器件的电特性更加稳定。
可以通过淀积金属导体薄膜并且然后除去衬底的工艺来制造电子器件。当CNT用于衬底时，由于CNT衬底展示出导体、半导体和绝缘体三种特性，所以通过除去由CNT构成的衬底，电子器件的电特性变得更加稳定。
优选地，第一电极和第二电极包括磁性物质。这是有利的，因为可以将电子器件用作磁致电阻效应元件和存储元件。
优选地，第一电极和第二电极包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。这是有利的，因为可以获得具有优良磁特性的磁致电阻效应元件和存储元件。
优选地，金属导体薄膜包括磁性物质。因为将磁畴壁固定到金属导体部分，所以可以获得根据磁畴壁的存在与否来工作的磁致电阻效应元件。
优选地，金属导体薄膜包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。可以将磁畴壁牢固地固定在金属导体部分上。
优选地，第一电极的横截面积S1、第二电极的横截面积S2和金属导体部分的横截面积S3满足下述关系S3＜S1且S3＜S2。将磁畴壁牢固地固定在金属导体部分上。
优选地，金属导体部分的横截面积S3不小于1nm2并不大于1.0×106nm2。当横截面积S3小于1nm2时，往往很难以高再现性形成被控制在纳米量级的金属导体部分。当横截面积S3大于1.0×106nm2时，往往很难实现量子电导。
优选地，支撑体包括碳纳米管。采用碳纳米管，可以容易控制支撑体的精细形状。此外，可以以所希望的方式精确地控制金属导体部分的形状。因为与包含有机物质的诸如蛋白质纳米布线等材料相比，碳纳米管具有高耐热性并且具有高的机械强度，所以容易制造。
优选地，形成支撑体的步骤包括将用于促进碳纳米管的形成反应的催化剂设置在第一电极和第二电极上；以及通过化学气相沉积(CVD)方法形成包括碳纳米管的支撑体。可以容易制造碳纳米管。
优选地，形成支撑体的步骤包括形成包括碳纳米管的支撑体，同时分别向第一电极和第二电极施加不同的电压。这是有利的，因为在第一电极与第二电极之间提供电场，由此使得能够容易地形成碳纳米管。
优选地，第一电极和第二电极包括磁性物质；而催化剂包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。因为Fe、Co和Ni为磁性物质，所以如果在制造电子器件之后磁性物质保留在第一和第二电极中，则不会使电特性和磁特性恶化。
支撑体可以包括可自组织的(self-organizable)蛋白质纳米布线和硅纳米布线中的至少一个。通过控制蛋白质纳米布线的DNA，可以精确地控制支撑体的精细形状。此外，可以精确地将金属导体部分的精细形状控制成所希望的形状。
优选地，形成金属导体部分的步骤包括通过物理气相沉积(PVD)方法来淀积金属导体薄膜。采用物理气相沉积(PVD)方法，可以容易地形成金属导体部分。
优选地，电子器件的操作温度不小于4.2K且不大于523K。如果操作温度小于4.2K，用于冷却电子器件的系统趋于复杂，而且由于利用诸如液体He的昂贵冷却介质，成本往往大幅升高。如果操作温度大于523K，则可以在大于523K的操作温度下使用的外围设备(用在电子器件组合中的诸如半导体元件、磁性介质等外围设备)非常受限制。因此，必须使用耐气候性(耐热性等)优良的外围设备。当操作温度不小于4.2K且不大于523K时，通过利用量子电导控制金属导体部分的横截面积，同时利用本发明的优点，即，可以避免当导电率相对于金属导体部分的横截面积展现出连续值时产生的导电率偏差，可以确保其它外围设备的性能。因此，可以获得作为整体的设备的期望性能。
本发明的第二电子器件包括第一电极和第二电极；以及横跨第一电极与第二电极之间的间隙的金属导体。金属导体部分的横跨长度L不大于在电子器件的操作温度下电子在金属导体中的平均自由程Λ。通过在衬底上以具有横跨长度L的间隙形成第一电极和第二电极；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并且横跨第一电极与第二电极之间的间隙的支撑体；以及在支撑体上淀积金属导体，来制造该电子器件。
在本发明的第二电子器件中，在衬底上以具有横跨长度L的间隙形成第一电极和第二电极；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并且横跨第一电极与第二电极之间的间隙的支撑体；并且在支撑体上淀积金属导体。可以形成具有不超过电子平均自由程Λ的横跨长度L并且直接跨接支撑体上的第一电极与第二电极的金属导体，该支撑体包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并且直接跨在第一电极与第二电极之间。
在本发明的第二电子器件中，与本发明的第一电子器件相似，在金属导体中，出现被称为量子电导的现象。该金属导体不同于在非专利文献4中所描述的碳纳米管并且具有稳定的导电率。此外，与第一电极和第二电极的接触电阻减小。因此，通过利用量子电导，通过控制金属导体部分的横截面积，可以获得没有导电率偏差的电子器件。
本发明的第三电子器件包括第一电极膜；形成在第一电极膜上的绝缘膜；形成在绝缘膜上的第二电极膜；以及穿透绝缘膜并将第一电极膜与第二电极膜电连接的金属导体。金属导体的长度L不超过在电子器件的操作温度下电子在金属导体中的平均自由程Λ。通过在衬底上形成第一电极膜；在第一电极膜上形成厚度为金属导体的长度L的绝缘膜；通过利用来自扫描隧道显微镜(STM)的探针的场发射电子束照射绝缘膜，提供具有到达第一电极薄膜的通孔的绝缘膜，该扫描隧道显微镜包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个；使用金属导体填充通孔内侧；并且在绝缘膜和金属导体上形成第二电极膜，来制造电子器件。
在本发明的第三电子器件中，通过在衬底上形成第一电极膜；在第一电极膜上形成厚度为金属导体的长度L的绝缘膜；通过利用来自扫描隧道显微镜(STM)的探针的场发射电子束照射绝缘膜，提供具有到达第一电极薄膜的通孔的绝缘膜，该扫描隧道显微镜包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个；使用金属导体填充通孔内侧；并且在绝缘膜和金属导体上形成第二电极膜，来制造电子器件。因此，在通过利用来自包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个的STM的探针的场发射电子束照射而形成的通孔中，可以制造具有不超过电子平均自由程Λ的长度L的金属导体。
因此，在具有控制在纳米量级的精细形状的金属导体中，发生被称之为量子电导的现象，其中导电率(电导)相对于横截面积阶梯式变化，并且发生被称之为冲猾导的现象，其中电子穿过金属导体而不出现散射。
因为本发明的金属导体由金属形成，与非专利文献4中所描述的不能够控制导电率的碳纳米管不同，其具有稳定的导电率。此外，与第一电极膜和第二电极膜的接触电阻大大地减小。因此，电特性变得稳定。
因此，通过利用量子电导控制金属导体的横截面积，可以获得能够避免当导电率相对于横截面积线性变化时所发生的导电率偏差的电子器件。此外，通过控制第一电极膜和第二电极膜的磁化方向，由于冲猾导，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件。
根据本发明的第四电子器件包括第一电极和第二电极；以及在第一电极与第二电极之间所形成的与第一电极和第二电极接触的绝缘膜。绝缘膜设置有从第一电极到达第二电极的沟槽；该沟槽填充有金属导体，其使得第一电极与第二电极接触；并且金属导体的长度L不超过在电子器件的操作温度下电子在金属导体中的平均自由程Λ。通过在衬底上形成以具有长度L的间隙设置的第一电极和第二电极来制造电子器件。绝缘膜在衬底上的第一电极与第二电极之间，使得第一电极与第二电极接触。通过利用来自包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个的扫描隧道显微镜(STM)的探针的场发射电子束照射绝缘膜；并使用金属导体填充沟槽，绝缘膜设置有从第一电极到达第二电极的沟槽。
通过在衬底上形成以具有长度L的间隙设置的第一电极和第二电极，来制造本发明的第四电子器件。绝缘膜在衬底上的第一电极与第二电极之间，使得第一电极与第二电极接触。通过利用来自包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个的扫描隧道显微镜STM的探针的场发射电子束照射绝缘膜；并使用金属导体填充沟槽，绝缘膜设置有从第一电极薄膜到达第二电极薄膜的沟槽。因此，在通过利用来自包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个的STM的探针的场发射束照射而形成的沟槽中，可以制造具有不超过电子平均自由程Λ的长度L的金属导体。
因此，在具有控制在纳米量级的精细形状的金属导体中，发生被称之为量子电导的现象，其中导电率(电导)相对于横截面积阶梯式变化，并且发生被称之为冲猾导的现象，其中电子穿过金属导体而不出现散射。
因为本发明的金属导体由金属形成，与非专利文献4中所描述的不能够控制导电率的碳纳米管不同，其具有稳定的导电率。此外，与第一电极膜和第二电极膜的接触电阻大大地减小。因此，电特性变得稳定。
因此，通过利用量子电导控制金属导体的横截面积，可以获得能够避免当导电率相对于横截面积线性变化时所发生的导电率偏差的电子器件。此外，通过控制第一电极膜和第二电极膜的磁化方向，由于冲猾导，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件。
优选地，第一电极和第二电极包括磁性物质；并且金属导体设置有凹面部分。当通过形成凹面部分来将电子器件用于磁致电阻效应元件时，可以将磁畴壁牢固地固定在金属导体的凹面部分的位置处。通过形成凹面部分，可以在金属导体部分中形成其中横截面积迅速下降的部分，并且可以将磁畴壁的位置固定在该位置上。当需要减小在电子器件操作期间所产生的噪声时，该结构有效。本发明人确定可以通过利用STM来形成该凹面部分。
根据本发明的磁致电阻效应元件包括包含磁性物质的第一电极和第二电极；以及电连接到第一电极和第二电极的金属导体薄膜。金属导体薄膜包括横跨从垂直于第一电极和第二电极的底表面的方向上所看到的第一电极与第二电极之间的间隙的金属导体部分。金属导体部分的横跨长度L不超过是在磁致电阻效应元件的操作温度下在金属导体部分中的电子自旋扩散的长度值和在磁致电阻效应元件的操作温度下金属导体部分中的电子的平均自由程Λ的值中的较大值的值。第一电极的横截面积S1、第二电极的横截面积S2和金属导体部分的横截面积S3满足下述关系式S3＜S1且S3＜S2。通过在衬底上以具有横跨长度L的间隙形成第一电极和第二电极；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨从垂直于底表面的方向上所看到的第一电极与第二电极之间的间隙的支撑体；并且通过在支撑体上、在第一电极和第二电极上淀积金属导体薄膜的方法形成金属导体部分，来制造磁致电阻效应元件。
本发明中“电子自旋扩散长度”是其中电子在保持磁化状态(向上自旋状态或向下自旋状态)下可以传播的距离。
在根据本发明的磁致电阻效应元件中，通过在衬底上以具有横跨长度L的间隙形成第一电极和第二电极，该横跨长度L不超过是在磁致电阻效应元件的操作温度下在金属导体部分中的电子自旋扩散的长度值和在磁致电阻效应元件的操作温度下金属导体部分中的电子的平均自由程Λ的值中的较大值的值；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨从垂直于底表面的方向上所看到的第一电极与第二电极之间的间隙的支撑体；并且通过在支撑体上、在第一电极和第二电极上淀积金属导体薄膜的方法形成金属导体部分，来制造磁致电阻效应元件。因此，可以在支撑体上制造具有值为在电子自旋扩散的长度值和电子的平均自由程Λ的值中的较大值的横跨长度L的金属导体部分，所述支撑体包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个。
在具有这种横跨长度L的金属导体部分中，发生被称为冲猾导的现象，其中电子穿过金属导体部分而没有出现散射。
因为本发明的金属导体部分由金属形成，与非专利文献3中所描述的不能够控制导电率的碳纳米管不同，其具有稳定的导电率。此外，在第一电极与第二电极之间的接触电阻变得极小。因此，电特性变得稳定。
因此，通过控制第一电极和第二电极的磁化方向，由于冲猾导，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件。
优选地，通过淀积金属导体薄膜并且然后除去支撑体来制造磁致电阻效应元件。通过除去不能够控制导电率的支撑体，电特性更加稳定。此外，可以减小第一电极与金属导体部分之间的接触电阻，并且还可以减小第二电极与金属导体部分之间的接触电阻。
可以通过在淀积金属导体薄膜之后除去衬底的步骤来制造磁致电阻效应元件。当CNT用于衬底时，CNT的衬底展现出导体、半导体和绝缘体三种特性，并且通过除去由CNT构成的衬底，磁致电阻效应元件的电特性变得更加稳定。
优选地，第一电极包括自由层，其中磁化容易相对于外部磁场旋转；第二电极包括固定层，其中磁化不容易相对于外部磁场旋转；并且自由层的磁化容易轴垂直于待探测的外部磁场的方向。采用该结构，可以提高从磁致电阻效应元件输出的信号的线性度。
关于自由层，“磁化容易相对于外部磁场旋转”，而关于固定层，“磁化不容易相对于外部磁场旋转”，分别表示自由层相对于施加到磁致电阻效应元件的外部磁场被磁化旋转而固定层不被磁化旋转。
优选地，固定层包括反铁磁性膜；并且在反铁磁性膜上形成磁性层并由反铁磁性膜固定，其中磁性膜电连接到金属导体部分。根据该结构，磁致电阻效应元件的特性(MR比)热稳定。
优选地，支撑体包括碳纳米管。采用碳纳米管，可以容易控制支撑体的精细形状。此外，可以将金属导体部分的精细形状精确地控制成所希望的形状。因为与例如作为包含有机材料的材料的蛋白质纳米布线相比，碳纳米管具有高耐热性和高机械强度，所以可以容易地制造。
优选地，形成支撑体的步骤包括将用于促进碳纳米管的形成反应的催化剂设置在第一电极和第二电极上；以及通过化学气相沉积(CVD)方法形成包括碳纳米管的支撑体。可以容易形成碳纳米管。
优选地，形成支撑体的步骤包括形成包括碳纳米管的支撑体，同时分别向第一电极和第二电极施加不同的电压。可以通过在第一电极与第二电极之间形成电场来容易地形成碳纳米管。
优选地，催化剂包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。因为Fe、Co和Ni为磁性物质，所以即使在制造后磁性物质保留在第一和第二电极中，电特性和磁特性也不会恶化。
支撑体可以包括可自组织的蛋白质纳米布线和硅纳米布线中的至少一个。通过控制蛋白质纳米布线的DNA，可以精确地控制支撑体的精细形状。此外，可以精确地将金属导体部分的精细形状控制成所希望的形状。
优选地，形成金属导体部分的步骤包括通过物理气相沉积(PVD)方法来淀积金属导体薄膜。采用物理气相沉积(PVD)方法，可以容易地形成金属导体部分。
优选地，金属导体薄膜包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一个。可以将磁畴壁牢固地固定到金属导体部分。
优选地，第一电极与第二电极包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。可以获得具有优良磁特性的磁致电阻效应元件。
优选地，磁致电阻效应元件的操作温度不小于4.2K且不大于523K。如果操作温度小于4.2K，用于冷却电子器件的系统趋于复杂，而且由于利用诸如液体He的昂贵冷却介质，成本往往大幅升高。如果操作温度大于523K，则可以在大于523K的操作温度下使用的外围设备(用在电子器件组合中的诸如半导体元件、磁性介质等外围设备)非常受限制。因此，必须使用耐气候性(耐热性等)优良的外围设备。当操作温度不小于4.2K且不大于523K时，同时利用本发明的优点，即，可以容易和安全地获得MR比，可以确保其它外围设备的性能。因此，可以确保设备作为整体的期望性能。
根据本发明的磁头包括根据本发明的磁致电阻效应元件；第一引线，电连接到磁致电阻效应元件的第一电极；以及第二引线，电连接到磁致电阻效应元件的第二电极。
根据本发明的磁头设置有根据本发明的具有100％或更高的高MR比的磁致电阻效应元件。因此，可以获得非常高的灵敏度和非常高的输出。
根据本发明的记录/再现设备包括用于在磁介质中记录信息的记录头；以及用于再现记录在磁介质上的信息的再现头。再现头为本发明的磁头。
在本发明的记录/再现设备中，将本发明的具有100％或更高的高MR比的磁致电阻效应元件设置为再现头。因此，可以利用记录头执行高输出并且轻松且精确地再现以100Gb/inch2或更高的高记录密度记录在磁介质中的信息。
本发明的第一存储元件包括根据本发明的磁致电阻效应元件。磁致电阻效应元件的第一电极包括自由层，其中磁化容易相对于外部磁场旋转；而第二电极包括固定层，其中磁化不容易相对于外部磁场旋转。存储元件还包括产生外部磁场的字线，该外部磁场可以根据电流来将自由层和固定层的磁化方向变为平行或反平行；以及电流供给器，用于为字线提供电流。根据由字线产生的外部磁场，通过将磁化方向改变为相互平行或反平行，将信息写入磁致电阻效应元件中，并通过测量磁致电阻效应元件的电阻，来读取写入磁致电阻效应元件中的信息。
在本发明的第一存储元件中，通过根据由字线产生的外部磁场来使自由层的磁化方向反转，将信息写入磁致电阻效应元件中。通过测量磁致电阻效应元件的电阻，可以读取写入磁致电阻效应元件中的信息。因为磁致电阻效应元件为本发明的磁致电阻效应元件，所以与具有大约60％的MR比的常规磁致电阻效应元件相比，可以实现非常高的MR比。
本发明的第二存储元件包括根据本发明的磁致电阻效应元件、以及电流供给器，其用于提供从第一电极朝向第二电极流进金属导体部分的电流或者从第二电极朝向第一电极流进金属导体部分的电流。通过使流进磁致电阻效应元件的金属导体部分中的电流方向反转，以便将第一电极与第二电极的磁化方向改变为平行或反平行，来将信息写入磁致电阻效应元件；并通过测量根据第一电极与第二电极的磁化方向而不同的磁致电阻效应元件的电阻值，读出写入磁致电阻效应元件中的信息。
在本发明的第二存储元件中，通过使流进磁致电阻效应元件中的金属导体部分的电流方向反转并且通过将磁化方向改变为平行或反平行，将信息写入磁致电阻效应元件。通过测量根据第一电极与第二电极的磁化方向而不同的磁致电阻效应元件的电阻值，可以读出写入磁致效应元件中的信息。因为磁致电阻效应元件为本发明的磁致电阻效应元件，所以与具有大约60％的MR比的常规磁致电阻效应元件相比，可以实现非常高的MR比。因为第二存储元件不需要字线作为组成部分，如在本发明的第一存储元件中那样，可以使结构小而简单。因此，可以实现具有简单且尺寸小的结构的存储元件，在该结构中，单元面积小、用于安装存储器的间隔小并且记录密度高。
优选地，由电流供给器供给到磁致电阻效应元件的电流的电流密度为1.0×105A/cm2或更高。当供给到磁致电阻效应元件的电流的电流密度为1.0×105A/cm2或更高时，可以容易且安全地将信息写入磁致电阻效应元件中。当电流密度小于1.0×105A/cm2时，不能安全地写入信息。
本发明的存储阵列包括设置成矩阵的根据本发明的磁致电阻效应元件；用于独立地将信息写入磁致电阻效应元件和读取信息的布线；写单元，用于通过使流进磁致电阻效应元件的金属导体部分中的电流方向反转以便将第一电极与第二电极的磁化方向改变为平行或反平行，来经布线独立地将信息写入磁致电阻效应元件；以及读取单元，用于通过测量取决于第一电极和第二电极的磁化方向而不同的磁致电阻效应元件的电阻值，来独立地读取写入磁致电阻效应元件中的信息。
在本发明的存储阵列中，提供多个本发明的第二存储元件的磁致电阻效应元件。与本发明的第二存储元件相似，存储阵列不需要字线。因此，可以实现具有简单且尺寸小的结构的存储元件，在该结构中，单元面积小、用于安装存储器的间隔小且记录密度高。
本发明的用于制造电子器件的方法包括在衬底上形成第一电极和第二电极，其间具有间隙L；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨从垂直于第一电极和第二电极的底表面的方向上所看到的第一电极与第二电极之间的间隙的支撑体；以及通过在支撑体上、在第一电极和第二电极上淀积金属导体薄膜的方法形成横跨从垂直于底表面的方向上所看到的第一电极和第二电极之间的间隙的金属导体部分。间隙L不超过在电子器件的操作温度下金属导体部分中的电子的平均自由程Λ。
因此，可以在支撑体上提供具有不超过电子平均自由程Λ的横跨长度L的金属导体部分，所述支撑体包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个。
在具有不超过电子平均自由程Λ的长度L的金属导体部分中，发生被称之为量子电导的现象，其中观察到相对于金属导体部分的横截面积的导电率(电导)的阶梯式变化。
因为本发明的金属导体部分由金属形成，所以与非专利文献4中所描述的不能够控制导电率的碳纳米管不同，其具有稳定的导电率。此外，大大减小第一电极和第二电极之间的接触电阻。因此，电特性变得稳定。
因此，通过利用量子电导来控制金属导体部分的横截面积，可以获得能够避免当导电率相对于横截面积线性变化时所产生的导电率偏差的电子器件。
用于制造本发明的磁致电阻效应元件的方法包括在衬底上形成包含磁性物质的第一电极和第二电极，其间具有间隙L；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨从垂直于第一电极和第二电极的底表面的方向上所看到的第一电极与第二电极之间的间隙的支撑体；以及通过在支撑体上、在第一电极和第二电极上淀积金属导体薄膜的方法形成横跨从垂直于底表面的方向上所看到的第一电极和第二电极之间的间隙的金属导体部分。间隙L不超过是在磁致电阻效应元件的操作温度下在金属导体部分中的电子自旋扩散的长度值和在磁致电阻效应元件的操作温度下金属导体部分中的电子的平均自由程Λ的值中的较大值的值。第一电极的横截面积S1、第二电极的横截面积S2和金属导体部分的横截面积S3满足下述关系S3＜S1且S3＜S2。
因此，在支撑体上形成具有是电子自旋扩散的长度值和电子平均自由程Λ的值中的较大值的横跨长度L的金属导体部分，该支撑体包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个。
在具有这种横跨长度L的金属导体部分中，发生被称之为冲猾导的现象，其中电子穿过金属导体部分而没有出现散射。
因为本发明的金属导体部分由金属形成，所以与非专利文献3中所描述的不能够控制导电率的碳纳米管不同，其具有稳定的导电率。此外，与第一电极和第二电极的接触电阻变得极小。因此，电特性变得稳定。
因此，控制第一和第二电极的磁化方向，由于冲猾导，可以制造具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件。
根据本发明，可以提供具有控制在纳米量级的精细形状的电子器件、磁致电阻效应元件；利用磁致电阻效应元件的磁头、记录/再现设备、存储元件和存储阵列；用于制造电子器件的方法；以及用于制造磁致电阻效应元件的方法。
附图简述

图1A是示出根据实施例1的电子器件的平面图；图1B是沿图1A的线1B-1B截取的横截面图；图1C是沿图1B的线1C-1C截取的横截面图；图1D是用以说明用于制造根据实施例1的电子器件的方法的横截面图；图1E是用以说明用于制造根据实施例1的电子器件的方法的横截面图；图2A是示出用来说明用于测量根据实施例1的金属导体部分的横跨长度L的方法的电子器件的横截面图；图2B是用以说明用于测量根据实施例1的横跨长度L的方法的正视图；图2C是用于测量根据实施例1的横跨长度L的曲线图；图2D是示出用来说明用于测量根据实施例1的金属导体部分的横跨长度L的方法的电子器件的横截面图；图2E是示出用来说明用于测量根据实施例1的横跨长度L的方法的另一电子器件的正视图；图2F是用于测量根据实施例1的横跨长度L的另一曲线图；图2G是用于测量根据实施例1的横跨长度L的又一曲线图；图2H是用于测量根据实施例1的横跨长度L的再一曲线图；图2I至2U是示出根据实施例1的电子器件的金属导体部分的各种横截面形状和中心轴的视图；图3A是示出根据实施例1的另一电子器件的平面图；图3B是沿图3A的线3B-3B截取的横截面图；图3C是沿图3B的线3C-3C截取的横截面图；图3D是示出根据实施例1的另一电子器件的平面图；图3E是示出根据实施例1的另一电子器件的正视图；图3F是沿图3E的线3F-3F截取的横截面图；图3G是示出根据实施例1的又一电子器件的平面图；图3H是示出根据实施例1的又一电子器件的正视图；图3I是沿图3H的线3I-3I截取的横截面图；图3J是示出根据实施例1的另一电子器件的平面图；图3K是沿图3J的线3K-3K截取的横截面图；图3L是沿图3K的线3L-3L截取的横截面图；
图4A是示出根据实施例2的磁致电阻效应元件的平面图；图4B是示出根据实施例2的磁致电阻效应元件的正视图；图4C是沿图4B的线4C-4C截取的横截面图；图4D是用以说明根据实施例2的磁致电阻效应元件的操作的平面图；图4E是用以说明根据实施例2的磁致电阻效应元件的操作的平面图；图5A是示出根据实施例3的磁头的平面图；图5B是示出根据实施例3的磁头的正视图；图6是示出根据实施例4的记录/再现设备的正视图；图7A是示出根据实施例5的第一存储元件的平面图；图7B是示出根据实施例5的第一存储元件的正视图；图7C是用以说明根据实施例5的第一存储元件的操作的平面图；图8A是示出根据实施例5的第二存储元件的平面图；图8B是用以说明根据实施例5的第二存储元件的操作的平面图；图9是示出根据实施例5的存储阵列的透视图；图10是示出根据实施例6的磁致电阻效应元件的透视图；图11是用以说明用于制造根据实施例6的磁致电阻效应元件的方法的透视图；图12A是用以说明根据实施例6的电子器件的透视图；图12B是用以说明用于制造根据实施例6的电子器件的方法的透视图；图13A是用以说明用于制造根据实施例6的另一电子器件的方法的平面图；图13B是用以说明用于制造根据实施例6的另一电子器件的方法的平面图；图13C是用以说明用于制造根据实施例6的另一电子器件的方法的平面图。
本发明的最佳执行方式实施例1图1A是示出根据实施例1的电子器件100的平面图；图1B是沿图1A的线1B-1B截取的横截面图；而图1C是沿图1B的线1C-1C说明的横截面图。
电子器件100具有形成在衬底8上的长方体形状的电极2和3。电极2和3具有彼此分别相对的相对表面5和6。用于电极2和3的材料期望为金属或合金。
电子器件100设置有包含用于跨接电极2的相对表面5与电极3的相对表面6的碳纳米管的圆柱支撑体4。碳纳米管可以是单层碳纳米管(SWCNT)或者可以是多层碳纳米管(MWCHT)。
电子器件100具有电连接到电极2和3的金属导体薄膜7。金属导体薄膜7包括金属导体部分1。当从垂直于电极2和3的底表面的方向看时，金属导体部分1沿着支撑体4横跨电极2与3之间的间隙。金属导体部分1的横跨长度L不大于在电子器件100的操作温度下电子在金属导体部分1中的平均自由程Λ。
电子在金属导体部分1中的平均自由程Λ的值取决于电子器件100的操作温度以及实际用于电子器件的金属导体部分1的材料而不同。当材料为纯Au、Ag和Cu时，电子的平均自由程Λ为100nm或更大。然而，当材料为纯Fe、Co、Ni等时，该值在大约10nm的数量级上。当金属导体部分1的材料包括杂质时，电子在金属导体部分1中的平均自由程Λ的值比针对纯材料的平均自由程值短。因此，根据金属导体部分1的化学组分，金属导体部分1的横跨长度L例如在1nm到1000nm的范围内。
优选地，电子器件100的操作温度不小于4.2K且不大于523K。此外，考虑到电子器件100的冷却剂可以为取代液体He的液体N2，以及可以减小制造成本和操作成本，操作温度优选为不小于77K且不大于523K。此外，当设备结合根据本实施例的电子器件100和其它电子器件(例如，半导体器件、磁介质等)时，如果需要考虑除本实施例的电子器件100之外的电子器件的操作温度，则操作温度可以为不小于273K且不大于523K。
将说明用于制造这样构造的电子器件100的方法。图1D和1E是用以说明用于制造电子器件100的方法的横截面图。首先，在衬底8上形成电极2和3，其间存在具有横跨长度L的间隙。然后，在电极2和3上设置用于促进碳纳米管形成反应的催化剂9。接着，例如，通过化学气相淀积方法来允许碳纳米管从各催化剂9开始生长，以便横跨在电极2与3之间，并且由此形成支撑体4。
之后，在支撑体4上并且在电极2和3上，例如通过气相淀积方法来淀积金属导体薄膜7，并且由此沿着支撑体4形成金属导体部分1，以便完成图1A至1C中示出的电子器件100。
当完成金属导体薄膜7的形成时，在催化剂9与金属导体薄膜7之间的结临界面以及在催化剂9与电极2和3之间的结临界面变得不清晰，并且由此催化剂9与金属导体薄膜7或电极2和3集成在一起。
因此，可以制造设置有金属导体部分1的电子器件100，该金属导体部分1具有不超过电子平均自由程Λ的横跨长度L。在该电子器件100中，金属导体部分1负责电极2和3之间的导电。该金属导体部分1由金属形成。因此，与不能控制导电率的非专利文献4的碳纳米管不同，金属导体部分1具有稳定的导电率。此外，因为包含金属导体部分1的金属导体薄膜7由金属形成，所以与非专利文献4的碳纳米管不同，在电极2与3之间的接触电阻变得非常小。因此，电特性稳定，并且可以解决在碳纳米管与电极之间产生的大接触电阻的问题。
下文中，将说明特定用于测量金属导体部分1的横跨长度L的方法。图2A是示出用来说明用于测量金属导体部分的横跨长度L的方法的电子器件100的横截面图；图2B是用以说明用于测量横跨长度L的方法的正视图；而图2C是用于测量横跨长度L的曲线图。如上所述，术语“金属导体部分的横跨长度L”表示沿着中心轴从在其处横截面积沿着电子器件的中心轴迅速下降的点P1到在其处电子器件的横截面积迅速增加的点P2的长度。
首先，制备在相同条件下制造的且具有相同形状和尺寸的相同标准的多个电子器件100。可以通过诸如利用TEM(透射电子显微镜)的摄影术的分析技术来确定多个电子器件100的金属导体部分1的形状和尺寸是否相同。
然后，通过利用多个电子器件100中的一个，采用STM(扫描隧道显微镜)或三维TEM来切割电子器件100，从而可以获得同时包含金属导体部分1和金属导体薄膜7的横截面。图2A示出通过该切割获得的横截面形状的一个例子。
然后，根据所获得的横截面，确定金属导体部分1的中心轴。根据金属导体部分1的横截面形状来确定中心轴X。在图2A所示的例子中，金属导体部分1的横截面形状为矩形，而中心轴X为连接矩形在电极2侧的边中点与在电极3侧的边中点的直线。
接着，通过利用多个电子器件100中的至少另一个，沿着中心轴X确定沿着垂直于中心轴X的横截面的电子器件100的横截面积S。例如，沿着垂直于中心轴X的横截面，采用例如STM来切割电子器件100。然后，通过诸如STM、三维TEM等的显微镜照相术，或通过图像数据等的分析技术来分析形状，得到由切割所获得的横截面的横截面积S。因此，横截面积S的数据沿着中心轴X被确定并且形成图2C所示的曲线图，在图2C中，中心轴X示为横轴，而横截面积S示为纵轴。
然后，在所形成的曲线图中，确定在其处横截面积S沿着中心轴X迅速下降的点P1和在其处横截面积S迅速增加的点P2。从点P1开始，电极2的横截面积不包含在横截面积S中，导致横截面积S在点P1处快速下降。从点P2开始，电极3的横截面积包含在横截面积S中，导致横截面积S在点P2处迅速增加。例如，从图2C所示的曲线图中看出，在点P1横截面积S下降不连续，并且在点P2横截面积S增加不连续。
然后，将在点P1与点P2之间沿着中心轴X的长度限定为金属导体部分1的横跨长度。
图2D是示出用来说明用于测量金属导体部分的横跨长度L的方法的另一电子器件100P的横截面图；图2E是其正视图，而图2F是用于测量横跨长度L的另一曲线图。如图2D所示，电子器件100P的电极2P和3P、金属导体薄膜7P和金属导体部分1P的轮廓包括与在图2A至2C中示出的例子不同的曲线。
与在图2A至2C中示出的例子类似，确定中心轴X，沿着中心轴X确定横截面积S，以及形成图2F所示的横截面积S的曲线图。然后，确定在其处横截面积S沿着中心轴X迅速下降的点P1和在其处横截面积S迅速增加的点P2。将在点P1与点P2之间沿着中心轴X的长度限定为金属导体部分1的横跨长度。金属导体部分1P和金属导体薄膜7P的横截面的轮廓包括曲线，然而，由于在其处横截面积S迅速下降的点P1和在其处横截面积S迅速增加的点P2出现在相似于在图2A至2C中示出的例子中的曲线图中，所以可以测量在点P1与点P2之间沿着中心轴X的横跨长度L。
这里值得注意的是，如图2G和2H所示，在所形成的曲线图中，根据金属导体部分的形状和电极的形状，清晰的不连续点没有出现并且横截面积S可能连续变化。在这种情况下，将与在其中横截面积S迅速下降的区域中的变形点D1相对应的点限定为点P1，而将与在其中横截面积S迅速增加的区域中的变形点D2相对应的点限定为点P2，并且然后测量金属导体部分1的横跨长度L。
图2I至2U是示出金属导体部分1的各种横截面形状和中心轴X的视图。金属导体部分1的横截面可以形成为如图2I至2U所示的各种形状。如上所述，根据金属导体部分的横截面形状来限定中心轴X。在图2I至2U中，纸的左侧示出电极2一侧，而纸的右侧示出电极3一侧。
金属导体部分具有包含两个底表面和形成在两个底表面之间的圆柱体侧表面的形状。则，本实例中的金属导体部分的横截面形状可以满足下述条件[a]至[g]中的任何一个。
也就是说，在上述金属导体部分的横截面形状中，示出金属导体部分的外围的线(在纵向上的两条线)为下述[a]至[g]中的任意一种。
具有固定宽度(较短方向上的长度)的直线；[b]宽度(较短方向上的长度)从电极2一侧到电极3一侧单调下降的直线或曲线；[c]宽度(较短方向上的长度)从电极3一侧到电极2一侧单调下降的直线或曲线；[d]上述[b]和[c]的结合；[e]上述[a]和[b]的结合；[f]上述[a]和[c]的结合；以及[g]上述[a]、[b]和[c]的结合。
图2I至2U示出横截面形状的例子，这些横截面形状仅示出满足上述条件[a]至[g]的金属部分1。图2I所示的金属导体部分1的横截面形状对应于参考图1A至1C所述的金属导体部分1的横截面形状并满足条件[a]。图2J所示的横截面形状对应于参考图2D至2E所述的金属导体部分1P的横截面形状并满足条件[d]。图2K所示的横截面形状满足条件[g]。图2L所示的横截面形状满足条件[d]。
图2M满足条件[f]。图2N和2O满足条件[c]。图2P和2Q满足条件[f]。图2R满足条件[c]。图2S和2T满足条件[d]。图2U满足条件[g]。
本实例中的金属导体部分的底表面的形状不受特别限制。而且，两个底表面(在电极2侧和电极3侧的表面)的形状和尺寸可以彼此相同或彼此不同。此外，形成在两个底表面之间的侧表面可以是平面或曲面或者是平面与曲面的结合。
此外，考虑到获得更可靠的稳定性能，本实施例中的圆柱金属导体部分具有同时满足全部下述条件[h]至[l]的形状。
两个底表面具有相同的形状；[i]两个底表面具有相同的面积；[j]两个底表面彼此平行；[k]金属导体部分的中心轴为直线；以及[l]两个底表面相对于与上述[k]的中心轴垂直且包括中心轴的中点的平面彼此对称。
具有同时满足条件[h]至[l]的形状的圆柱金属导体部分的例子可以包括具有图2I和2L所示的横截面形状的金属导体部分。
金属导体部分1的中心轴X通常为一条直线。然而，通过结合两条直线，来限定具有图2P所示的横截面形状的金属导体部分1的中心轴X；而通过结合直线和曲线，来限定具有图2R所示的横截面形状的金属导体部分1的中心轴X。通过曲面来限定具有图2O、2S和2T所示的横截面形状的金属导体部分1的中心轴X。
此外，可以通过诸如STM的处理技术来形成凹面部分和凸面部分中的至少一个。然而，在这种情况下，优选地，在形成凹面部分和凸面部分之前的金属导体部分的横截面形状(或假设没有形成凹面部分和凸面部分的金属导体部分)具有上述形状[a]至[g]中的任何一种。
只要可以形成上述金属导体部分1，支撑体4的形状就不受特别限制。
在本实施例的电子器件100中，负责导电的金属导体部分1的横跨长度L不大于在电子器件的操作温度下电子在金属导体部分1中的平均自由程Λ。因此，发生被称为冲猾导的现象，其能够允许电子穿过金属导体部分1而不被散射，并且发生被称之为量子电导的现象，其中导电率(电导)相对于金属导体部分1的横截面积阶梯式变化。在本实施例的电子器件中，金属导体部分的尺寸处在纳米的数量级上，因为金属导体部分形成在碳纳米管上，并且在相对较高的温度下也可以观察到冲猾导和量子电导。
当利用金属导体部分1中的量子电导时，通过控制金属部分1的横截面积，在大规模生产中，电子器件没有在导电率相对于金属导体部分1的横截面积连续变化时所产生的导电率偏差。
在图1A中，在金属导体部分1的附近设置栅极部分，并且由磁性膜形成的电极2和3用作源极和漏极。由此，可以获得自旋晶体管。此外，如果金属导体部分1和支撑体4与电极2和3分离，则可以获得利用库仑阻绝(coulomb brocade)现象的单电子晶体管。
在图1A至1C所示的电子器件100中，如果至少电极2和3是由磁性物质构成的，则通过利用金属导体部分1中的冲猾导，可以获得具有高MR比的自旋电子器件(磁致电阻效应元件)，在该器件中，磁致电阻在电极2和3的磁化方向上变化。在这种情况下，金属导体部分1的横跨长度L为不大于在磁致电阻效应元件的操作温度下金属导体部分中的电子自旋扩散的长度值和在磁致电阻效应元件的操作温度下金属导体部分中的电子的平均自由程Λ的值中的较大值的值。
在通常的材料中，电子自旋扩散的长度值大于电子平均自由程Λ。例如，在Co的情况下，电子自旋扩散的长度为大约50nm而电子平均自由程Λ为5nm。因此，通常可以将金属导体部分1的横跨长度L设置成不大于电子自旋扩散的长度。然而，存在诸如Ni的材料，其电子平均自由程Λ大于电子自旋扩散的长度。当金属导体部分1由这种材料形成时，可以将横跨长度L设置为不大于电子平均自由程Λ。这里值得注意的是，当电子自旋扩散的长度和电子平均自由程Λ彼此相等时，可以将横跨长度L设置为不大于该相等值。
当金属导体部分1和支撑体4与电极2和3相分离时，根据所分离的金属导体部分1和电极2与3的自旋条件，不仅能利用自旋阻绝现象还能利用上述库仑阻绝现象来实现自旋电子器件。
当电极2和3由磁性物质构成时，希望催化剂9使用包含选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种原子的金属/合金颗粒或膜。认为这些催化剂促进其中当通过CVD方法等形成碳纳米管时通过分解CH4等所产生的碳(C)生长为碳纳米管的反应。
在以上述方法形成电子器件之后，可以除去由碳纳米管制成的支撑体。可以通过氧气灰化(oxygen asher)来选择性地除去支撑体4。此外，可以通过采用激光照射支撑体4来除去支撑体4。然而，考虑到强度，可以保留支撑体4。此外，在以上述方法形成电子器件之后，可以除去衬底8。特别地，当CNT用于衬底8时，因为CNT的衬底8展现出导体、半导体和绝缘体三种特性，所以通过除去由CNT形成的衬底8，电子器件的电特性变得更加稳定。
图3A是示出根据实施例1的另一电子器件100A的平面图；图3B是沿图3A的线3B-3B截取的横截面图；而图3C是沿图3B的线3C-3C截取的横截面图。使用相同的参考标记表示参考图1A至1E所述的相同部件，并可以省略重复说明。
在两个电极的表面上形成支撑体。在电极2的表面上和电极3的表面上形成电子器件100A的支撑体4A。当从垂直于电极2和3的底表面的方向上看时，支撑体4A横跨电极2与3之间的间隙。在电极2和3上形成电子器件100A的金属导体薄膜7A。当从垂直于电极2和3的底表面的方向上看时，金属导体部分7A包括沿着支撑体4A横跨电极2和之间的间隙的金属导体部分1A。金属导体部分1A的横跨长度L不大于在电子器件100A的操作温度下电子在金属导体部分1A中的平均自由程Λ。这样构造的电子器件100A具有与上述电子器件100相同的效果。
图3D是示出根据实施例1的另一电子器件100B的平面图；图3E是沿图3D的线3E-3E截取的横截面图；而图3F是沿图3E的线3F-3F截取的横截面图。使用相同的参考标记表示参考图1A至1E所述的相同部件，并可以省略重复说明。
电极可以具有三棱柱形状。电子器件100B设置有三棱柱电极2B和3B。分别在位置处形成电极2B和3B以便当从垂直于底表面的方向上看时，其表面的顶点彼此相对。电子器件100B的支撑体4B横跨三棱柱形电极2B和3B之间的间隙。电子器件100B的金属导体薄膜7B包括横跨从垂直于底表面的方向上看沿着支撑体4B在电极2B和3B之间的间隙的金属导体部分1B。金属导体部分1B的横跨长度不大于电子在金属导体部分1B中的平均自由程Λ。这样构造的电子器件100B也具有与上述电子器件100相同的效果。
图3G是示出根据实施例1的又一电子器件100C的平面图；图3H是沿图3G的线3H-3H截取的横截面图；而图3I是沿图3H的线3I-3I截取的横截面图。电极可以具有圆柱体形状。电子器件100C具有圆柱体形电极2C和3C。电子器件100C的支撑体4C横跨电极2C和3C之间的间隙。电子器件100C具有包含金属导体部分1C的金属导体薄膜7C。金属导体部分1C的横跨长度L不大于电子在金属导体部分1C中的平均自由程Λ。这样构造的电子器件100C也具有与上述电子器件100相同的效果。
图3J是示出根据实施例1的另一电子器件100D的平面图；图3K是沿图3J的线3K-3K截取的横截面图；而图3L是沿图3K的线3L-3L截取的横截面图。可以形成用于直接跨接两电极的相对表面的金属导体。电子器件100D包括由横跨在电极2的相对表面5与电极3的相对表面6之间的碳纳米管制成的圆柱体支撑体4；以及金属导体1D，其沿着支撑体4直接横跨在电极2的相对表面5与电极3的相对表面6之间。在电极2和3的表面上，与金属导体1D分离地形成金属导体薄膜7D。金属导体1D的横跨长度L不大于电子在金属导体部分1D中的平均自由程Λ。这样构造的电子器件100D也具有与上述电子器件100相同的效果。
实施例2图4A是示出根据实施例2的磁致电阻效应元件200的平面图；图4B是其正视图；而图4C是沿图4B的线4C-4C截取的横截面图。使用相同的参考标记表示与实施例1所述的那些部件相同的部件，并可以省略重复说明。
磁致电阻效应元件200包括由磁性物质制成的电极2E和3E。电极2E和3E分别具有彼此相对的相对表面5E和6E。电极2E和3E分别包括具有宽度D朝向相对表面5E和6E减小到宽度d的弯曲部分。
磁致电阻效应元件200设置有由跨接电极2E的相对表面5E与电极3E的相对表面6E的碳纳米管制成的圆柱体支撑体4E。
磁致电阻效应元件200具有电连接到电极2E和3E的金属导体薄膜7E。优选地，金属导体薄膜7E包括磁性物质。金属导体薄膜7E包括金属导体部分1E。金属导体部分1E横跨从垂直于电极2E和3E的底表面的方向上看到的在电极2E与3E之间沿着支撑体4E的间隙。金属导体部分1E的横跨长度L不大于是在磁致电阻效应元件200的操作温度下金属导体部分1E中的电子自旋扩散的长度值和在磁致电阻效应元件200的操作温度下电子在金属导体部分1E的平均自由程Λ的值中的较大值的值。
电极2E的横截面积S1、电极3E的横截面积S2和金属导体部分1E的横截面积S3满足下述关系式S3＜S1且S3＜S2。
这样，当将金属导体部分的横截面积S3设置为小于电极的横截面积S1和S2时，当金属导体部分1E由磁性物质制成时，可以容易地将磁畴壁固定在金属导体部分1E中。此外，同样在金属导体部分1E不是由磁性物质制成的情况下，当将金属导体部分的横截面积S3设置为小于电极的横截面积S1和S2时，允许由金属导体部分1E来实现磁阻元件的电阻的主要部分。横截面积S1、S2和S3为沿着与用于确定实施例1中所述的横跨长度L的金属导体部分的中心轴垂直的横截面的横截面积。
将说明用于制造这样构造的磁致电阻效应元件200的方法。首先，在衬底8上以其间具有横跨长度L的间隙形成包含磁性物质的电极2E和3E。然后，在电极2E和3E上设置用于促进碳纳米管形成反应的催化剂。接着，例如通过化学气相沉积(CVD)方法来允许碳纳米管从各催化剂9开始生长，以便横跨在电极2E与3E之间，并且由此形成支撑体4E。之后，在支撑体4E上并在电极2E和3E上，例如通过气相淀积方法来淀积金属导体薄膜7E，并由此形成金属导体部分1E以便完成磁致电阻效应元件200。
通过在碳纳米管的支撑体4E上淀积金属导体薄膜7E，可以形成具有不大于是电子自旋扩散的长度值和电子平均自由程Λ的值中的较大值的值的横跨长度L的金属导体部分1E。
该金属导体部分1E负责在电极2E和3E之间导电。该金属导体部分1E由金属构成，因此，与不能够控制导电率的非专利文献4的碳纳米管不同，金属导体部分1E具有稳定的导电率。此外，因为包含金属导体部分1E的金属导体薄膜7由金属形成，所以与非专利文献4的碳纳米管不同，电极2E和电极3E之间的接触电阻变得极小。因此，电特性变得稳定，并且可以解决在碳纳米管与电极之间产生的大接触电阻的问题。
在具有不大于电子自旋扩散的长度值和电子平均自由程Λ的值中的较大值的横跨长度L的金属导体部分1E中，观察到能够允许电子穿过金属导体部分1E而不被散射的被称为冲猾导的现象。当可以控制电极2E和3E的磁化方向时，由于冲猾导，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件。
图4D和图4E是用以说明当使用磁性物质用于金属导体部分1E时磁致电阻效应元件200的操作的平面图。如图4D所示，当由于外部磁场H而使电极3E的磁化方向J2与电极2E的磁化方向J1反平行时，由于磁畴壁被固定到金属导体部分1E，所以电子被磁畴壁散射并且电阻变高。如图4E所示，当由于外部磁场H而使电极3E的磁化方向J2与电极2E的磁化方向J1平行时，由于磁畴壁从金属导体部分1E消失，所以不由磁畴壁执行电子散射并且电阻变低。
在具有不大于电子自旋扩散的长度和电子平均自由程Λ中的较大值的横跨长度L的金属导体部分1E中，因为发生能够允许电子穿过金属导体部分1E而不被散射的冲猾导，所以在处于图4D所示的反平行状态下的电极2E与3E之间的电阻与处于图4E所示的平行状态下的电极2E与3E之间的电阻之间的差变得非常大。结果，可以实现具有100％或更高的MR比、即比常规GMR元件的MR比大得多的MR比的磁致电阻效应元件。
这里值得注意的是，当金属导体部分1E由非磁性物质制成时，在金属导体部分1E上不产生磁畴壁。然而，相似于常规GMR元件，当电极2和3的磁化方向彼此相平行时，不产生自旋散射且电阻变低，并且当电极2和3的磁化方向彼此反平行时，产生自旋散射且电阻变高。在这种情况下，与常规GMR元件不同，在金属导体部分1E中，产生冲猾导。因此，可以获得比常规GMR元件大的MR比。
此外，对于两个电极不采用磁性物质，当磁性物质仅用于金属导体部分1E时，可以通过在金属导体部分1E中形成凹面部分以便俘获磁畴壁并使电阻保持高，然后通过允许展现出确定阈值或更高的电流从电极2E和3E之一中流出以便压制磁畴壁并减小电阻，来获得大MR比。
优选地，用于电极2E和3E以及金属导体部分1E的磁性物质由包含选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素或者具有大自旋极化率的半金属磁性材料构成。
这里值得注意的是，当允许碳纳米管生长同时分别向电极2E和3E施加不同电压时，可以容易地控制碳纳米管生长的方向。优选地，催化剂包含选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。
实施例3图5A是示出根据实施例3的磁头300的平面图；而图5B是其正视图。使用相同的参考标记表示与实施例1和2所述部件相同的部件，并可以省略重复说明。
磁头300包括磁致电阻效应元件200A。磁致电阻效应元件200A包括由磁性物质构成的电极2F和3F。电极2F和3F分别具有相对表面5F和6F。电极2F和3F分别包括具有朝向相对表面5F和6F的宽度d减小的宽度D的弯曲部分。
磁致电阻效应元件200A设置有由横跨在电极2F的相对表面5F与电极3F的相对表面6F之间的碳纳米管制成的圆柱体支撑体4F。
磁致电阻效应元件200A具有电连接到电极2F和3F的金属导体薄膜7F。金属导体薄膜7F包括磁性物质。金属导体薄膜7F包括金属导体部分1F。金属导体部分1F横跨从垂直于电极2F和3F的底表面的方向上看到的在电极2F与3F之间沿着支撑体4F的间隙。金属导体部分1F的横跨长度L不大于是在磁致电阻效应元件200A的操作温度下电子自旋扩散的长度值和电子在金属导体部分1F中的平均自由程Λ的值中的较大值的值。
磁头300包括电连接到磁致电阻效应元件200A的电极2F和3F并向两电极施加电压的引线10。
电极3F包括绝缘膜15、由Ta等制成并形成在绝缘膜15之上的基膜(base film)16以及形成在基膜16上并具有在施加外部磁场H时容易旋转的磁化方向J2的自由层11。电极2F包括绝缘膜33、由Ta等制成并形成在绝缘膜33之上的基膜34以及形成在基膜34上并具有即使施加外部磁场H也不容易旋转的磁化方向J1的固定层12。固定层12包括形成在基膜34上的反铁磁性膜14和形成在反铁磁性膜14上并由反铁磁性膜14固定的磁性膜13。
将说明用于制造这样构造的磁致电阻效应元件300的方法。首先，在衬底8上以其间具有横跨长度L的间隙形成电极2F和3F。然后，引线10分别连接到电极2F和3F。然后，在电极2F和3F上设置用于促进碳纳米管形成反应的催化剂。接着，例如通过化学气相沉积(CVD)方法来允许碳纳米管从各催化剂开始生长，以便横跨在电极2F与3F之间，并且由此形成支撑体4F。之后，在支撑体4F上并在电极2F和3F上，例如通过气相淀积方法来淀积金属导体薄膜7F，并由此沿着支撑体4F形成金属导体部分1F。
通过在碳纳米管的支撑体4F上淀积金属导体薄膜7F，可以形成具有不大于电子自旋扩散的长度值和电子平均自由程Λ的值中的较大值的横跨长度L的金属导体部分1F。
该金属导体部分1F负责在电极2F和3F之间导电。该金属导体部分1F由金属构成，因此，与不能够控制导电率的非专利文献4的碳纳米管不同，金属导体部分1F具有稳定的导电率。此外，因为包含金属导体部分1F的金属导体薄膜7F由金属形成，所以与非专利文献4的碳纳米管不同，电极2F与电极3F之间的接触电阻变得极小。因此，电特性是稳定的，并且可以解决在碳纳米管与电极之间产生的大接触电阻的问题。
在具有不大于电子自旋扩散的长度和电子平均自由程Λ中的较大值的横跨长度L的金属导体部分1F中，观察到能够允许电子穿过金属导体部分1F而不被散射的被称为冲猾导的现象。通过利用冲猾导，通过控制固定层12的电极2F的磁化方向J1和自由层11的电极3F的磁化方向J2，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件。
如图5A所示，当施加外部磁场H时，根据外部磁场H的大小，不使电极2F的固定层12的磁化方向J1旋转，而使电极3F的自由层11的磁化方向J2旋转。因此，在磁化方向J1与磁化方向J2之间的角度差根据所施加的外部磁场H的大小而改变，并且根据磁化方向J1与J2之间的角度差来改变电极2F与3F之间的电阻。结果，根据所施加的外部磁场H的大小，改变磁致电阻效应元件200A的电极2F与3F之间的电阻。
当固定层12由反铁磁性膜14和被反铁磁性膜14固定的磁性膜13构成时，可以获得具有热稳定特性的磁头。
此外，在图5B所示的例子中磁性膜13由反铁磁性膜14来固定，但是其可以包含具有大矫顽力的硬磁性膜或者由具有大磁力和磁力的硬磁性膜构成的合成膜。在这种情况下，不需要反铁磁性膜14。
设置在固定层12中的磁性层13的磁化方向必须固定在一个方向上。然而，在用于其中记录密度大于100Gb/inch2的应用的磁头中，元件的尺寸非常精细，以至于磁性层13的磁化方向受到热波动的影响，并且变得难以固定磁化方向。因此，在本实例中，通过使用反铁磁性膜14来执行磁性膜13的固定，并且即使元件尺寸变得精细，磁性层13的磁化方向也不受热波动的影响。
希望将自由层11的易磁化轴30设置成与待检测的外部磁场H的方向垂直。因此，改善磁致电阻效应元件200A的信号输出的线性度。获得此目的的一种方法是在自由层11的两侧提供永久性磁体并固定自由层11的易磁化轴30使得其垂直于要由其偏置磁场检测的外部磁场H的方向。用于获得此目的的另一种方法是通过与反铁磁性膜14分离设置的反铁磁性膜来固定自由层11两侧的一部分以便使自由层11的易磁化轴30垂直于磁场H的方向。
此外，自由层11由彼此反平行交换结合且其间插入非磁性膜的两层磁性膜构成。当用M1和M2表示两个磁性层的磁化并且用t1和t2表示膜厚度时，(M1×t1-M2×t2)不等于零。由此，通过交换结合，可以在元件尺寸变得精细时提高相对于热波动的稳定性并改善由于有效磁性膜的膜厚减小而引起的相对于外部磁场的磁致电阻效应元件的灵敏度。
与自由层11相同，磁性膜13也可以由彼此反平行交换结合且其间插入非磁性膜的两层磁性膜构成，由此改善相对于热波动的稳定性。在磁性膜13的情况下，(M1X×t1X-M2X×t2X)可以为零，其中M1X和M2X表示两个相应磁性膜的磁化；而t1X和t2X表示膜厚。
希望自由层11和磁性膜13的材料是包含作为主要成分的Fe、Co和Ni的金属/合金。材料的具体例子包括NiFe、CoFe和CoFeNi等。作为反铁磁性膜14的材料，期望使用包含作为主要成分的选自由Pt、Pd和Ir组成的组中的至少一种元素与Mn元素的合金膜，例如，PtMn、IrMn和PtPdMn。绝缘膜15和33可以由例如SiO2构成。不必形成绝缘膜15和33。然而，在形成绝缘膜15和33的情况下，CNT可以平滑地生长。
这里值得注意的是，通过允许碳纳米管横跨以便形成支撑体4F，同时通过引线10向电极2F和3F施加彼此不同的电压，可以控制碳纳米管生长的方向。
实施例4图6是示出根据实施例4的记录/再现设备400的正视图。记录/再现设备400包括记录头部分17和再现头部分18。记录头部分17具有绕组部分31。当电流在绕组部分31上流动时，从记录间隙G1中泄漏磁场，并且利用该泄漏磁场，将信息记录在磁性记录介质19中。
再现头部分18具有包含磁性物质的两个屏蔽(shield)部分32和设置在屏蔽部分32之间的根据实施例3的磁头300。将屏蔽部分32之间的读取间隙G2设置成比记录在磁记录介质19中的位长度BL的两倍窄。通过实施例3的磁头300的磁致电阻效应元件200A来检测记录在磁记录介质19中的信息并经由引线10将其读出(参见图5A)。
实施例4的再现头部分18的磁头300包括实施例3的磁致电阻效应元件200A。磁致电阻效应元件200A包括金属导体部分1F(参见图5A和5B)。因为金属导体部分1F的横跨长度L是不大于电子自旋扩散的长度值和电子在金属导体部分1F中的平均自由程Λ的值中的较大值的值，所以可以在金属导体部分1F实现冲猾导。因此，如果使用再现头部分18的磁头300，则由于100％的MR比与常规GMR元件或TMR元件相比较高，所以可以实现具有大于100Gb/inch2的极佳高密度的记录/再现设备。
实施例5
图7A是示出根据实施例5的第一存储元件500的平面图；图7B是其正视图；而图7C是用以说明根据实施例5的第一存储元件500的操作的平面图。使用相同的参考标记表示与实施例1至4所述部件相同的部件，并可以省略重复说明。
存储元件500包括参考图5A和5B在实施例3中所述的磁致电阻效应元件200A。磁致电阻效应元件200A包括电极3F，其包括其中磁化相对于外部磁场H容易被旋转的自由层11；电极2F，其包括其中磁化相对于外部磁场H不容易被旋转的固定层12；以及包括金属导体部分1F的金属导体薄膜7F。固定层12、自由层11和金属导体部分1F由磁性物质构成。
在具有不大于电子自旋扩散的长度值和电子平均自由程Λ的值中的较大值的横跨长度L的金属导体部分1F中，观察到能够允许电子穿过金属导体部分1F而不被散射的被称为冲猾导的现象。通过利用冲猾导，通过控制电极2F的固定层12的磁化方向J1和电极3F的自由层11的磁化方向J2，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件。
存储元件500还包括用于产生根据电流21A和21B中的任何一个来使自由层11的磁化方向J2反转的外部磁场H1或H2的字线20；以及用于向字线20提供电流21A和21B中的任何一个的电流供给器22。
如图7A所示，当电流供给器22向字线20提供电流21A时，字线20产生外部磁场H1。在外部磁场H1的方向上不磁化旋转固定层12的磁化方向J1，而在外部磁场H1的方向上磁化旋转自由层11的磁化方向J2。因此，自由层11的磁化方向J2与固定层12的磁化方向J1反平行。
然后，如图7C所示，当电流供给器22向字线20提供在电流21A的反方向上流动的电流21B时，字线20产生与外部磁场H1方向相反的外部磁场H2。然后，在外部磁场H2的方向上旋转自由层11的磁化方向J2。因此，自由层11的磁化方向J2与固定层12的磁化方向J1平行。
由此，通过使电流21A或电流21B在字线20上流动从而旋转自由层11的磁化方向J2，可以获得平行状态和反平行状态。
如图7A所示，当两个电极2F和3F的磁化方向J1和J2彼此反平行时，当磁性物质用于金属导体部分1F时，磁畴壁被固定。因此，由于电子被磁畴壁散射，所以两电极2F与3F之间的电阻变高。如图7C所示，当两个电极2F和3F的磁化方向J1和J2彼此平行时，磁畴壁从金属导体部分1F中消失。因此，由于电子没有被磁畴壁散射，所以两电极2F与3F之间的电阻变低。
当金属导体部分1F由非磁性物质构成时，在金属导体部分1F中不产生磁畴壁。然而，当电极2F和3F的磁化方向彼此平行时，金属导体部分1F展现出冲猾导；而当电极2F和3F的磁化方向彼此反平行时，发生自旋散射。因此，根据电极2F和3F的磁化方向彼此是平行还是反平行，可以获得比常规GMR元件大的磁阻变化。
在具有不大于电子自旋扩散的长度值和电子平均自由程Λ的值中的较大值的横跨长度L的金属导体部分1F中，可以实现能够允许电子穿过金属导体部分1F而不被散射的被称为冲猾导的现象。因此，图7A所示的反平行状态下的电阻和图7C所示的平行状态下的电阻之间的差变得非常大。因此，与具有大约60％的最大MR比的常规磁致电阻效应元件的MR比相比，可以实现非常高的MR比。
当允许电流21A或电流21B流入字线20时，可以将分别与图7A所示的状态和图7C所示的状态相对应的信息“1”或“0”写入电极3F的自由层11中。当测量两电极2F与3F之间的电阻时，可以根据是高电阻还是低电阻来读取所写入的信息。
图8A是示出根据实施例5的第二存储元件600的平面图；图8B是用以说明第二存储元件600的操作的平面图。
存储元件600包括磁致电阻效应元件200A。如在上述的存储元件500中，在具有不大于电子自旋扩散的长度值和电子平均自由程Λ的值中的较大值的横跨长度L的金属导体部分1F中，观察到能够允许电子穿过金属导体部分1F而不被散射的被称为冲猾导。通过利用冲猾导，通过控制电极2F的固定层12的磁化方向J1和电极3F的自由层11的磁化方向J2，与常规GMR元件和TMR元件相比，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件。
存储元件600设置有电流供给器25。电流供给器25向磁致电阻效应元件200A提供在金属导体部分1F中从电极2F流到电极3F的电流23和在金属导体部分1F中从电极3F流到电极2F的电流24。本实施例中的基本结构除不提供字线之外与图7A至7C所示的存储元件500相同。
当金属导体部分1F为非磁性导体时，如图8A所示，通过允许电流23从包括固定层的电极2F侧流入，电极3F的自由层的磁化方向J2与电极2F的固定层的磁化方向J1反平行。如图8B所示，通过允许电流24从包括自由层的电极3F侧流入，使电极3F的自由层的磁化方向J2反转并相对于电极2F的固定层的磁化方向J1处于反平行状态。此外，当金属导体部分1F为磁性物质时，通过允许电流从电极3F或电极2F流入，可以相对于金属导体部分1F固定磁畴壁或者从金属导体部分1F除去磁畴壁。
当允许电流23或24在磁致电阻效应元件200A上流动时，可以将与图8A所示的状态和图8B所示的状态相对应的信息“1”或“0”写入电极3F的自由层中。当测量电极2F与3F之间的电阻时，可以根据是高电阻还是低电阻来读取写入的信息。
为了通过以这种方式使电流23或24流动来使电极3F的磁化方向J2反转，电流23和24的电流密度至少为1×105A/cm2或更高，并且为了稳定操作希望为1×106A/cm2或更高。
当通过利用常规光刻技术来制造这种磁致电阻元件时，因为金属导体部分的宽度增加，所以为了增加电流密度必须流入大电流。因此，难以获得能够节约能量的磁致电阻效应元件。
在本实施例中，因为在CNT上形成金属导体部分，所以可以容易地将金属导体部分的宽度减小到1至10nm。因此，即使不允许流入大电流，也可以实现上述电流密度。优选地，电流23和24的电流密度为1×108A/cm2或更低。如果电流密度高于该上限，则在操作期间存储元件可能被损坏。
与图7A至7C所示的存储元件500不同，图8A和8B所示的存储元件600不需要字线。在通过利用字线的外部磁场H来进行的磁化反转的情况下，当存储元件变小时，磁化反转所需要的字线电流增大，这是严重的问题。该存储元件600没有这种问题。
因为存储元件600不需要如上所述的字线，所以其具有简单且小尺寸的结构。因此，可以实现具有简单且尺寸小的结构的存储元件，在该结构中，单元面积小，用于安装存储器的间隔小并且记录密度高。根据存储元件600，与其中最大MR比为大约60％的常规磁致电阻效应元件的MR比相比，可以获得非常高的MR比。
这里值得注意的是，可以利用设置在固定层11之下或之上的反铁磁性膜来固定图7A至7C、8A和8B所示的存储元件的固定层11。优选地，该反铁磁性膜包含选自由Pt、Pd和Ir组成的组中的至少一种元素和含有Mn元素作为主要成分的合金膜，例如PtMn、IrMn和PtPdMn。
图9是示出根据实施例5的存储阵列700的透视图。
如图9中所示，将参考图8A和8B所述的该实施例的存储元件设置成矩阵以便制作具有能够将信息记录在单个存储元件上并从单个存储元件中读出信息的结构的存储元件。因此，可以实现密度高于1Gb的存储阵列。
在存储阵列700中，将磁致电阻效应元件200A设置成矩阵(m行×n列)。沿着在列方向上设置的磁致电阻效应元件200A，提供M条导线X1、X2……X(m-1)、Xm。将用于连接各个磁致电阻效应元件200A的电极3F的连接线CL(i，j)(1≤i≤m且1≤j≤n)和m条导线X1、X2……X(m-1)、Xm设置成矩阵。然后，提供连接到在行方向上设置的磁致电阻效应元件200A的电极2F的n条导线Y1、Y2……Y(n-1)、Yn。
存储阵列700包括写单元35。通过使流入磁致电阻效应元件200A的金属导体部分1F中的电流方向反转以便将电极2F和3F的磁化方向改变成平行或反平行，写入单元35经导线和连接线独立地将信息写在磁致电阻效应元件200A上。
存储阵列700包括读单元36。通过测量根据电极2F和3F的磁化方向而不同的磁致电阻效应元件200A的电极2F和3F之间的电阻值，读单元36独立地读取写入磁致电阻效应元件200A的信息。
可以通过允许相对较大的电流在导线Xi、连接线CL(i，j)和导线Yj上流动，来执行信息记录。此时，取决于其中允许电流流动的方向是从导线Xi侧流入还是从导线Yj侧流入，电极2F和3F的磁化方向变成平行状态或反平行状态。如果磁性物质用于金属导体部分1F，在反平行状态的情况下，将磁畴壁固定到金属导体部分并且电阻变高；而在平行状态下，从金属导体部分1F除去磁畴壁并且电阻变低。当金属导体部分1F由非磁性物质构成时，不将磁畴壁设置在金属导体部分1F中。然而，当电极2F和3F的磁化方向彼此平行时，金属导体部分1F展现出冲猾导且电阻变低；并且当磁化方向彼此反平行时，发生自旋扩散且电阻变高。
然后，测量两电极2F和3F之间的电阻并根据测量电阻值是高还是低来读出写入的信息。
通过金属导体部分1F来建立电极2F和3F之间的电导。该金属导体部分1F由金属制成。因此，与非专利文献4中的不能够控制导电率的碳纳米管不同，金属导体部分1F具有稳定的导电率。因为包含金属导体部分1F的金属导体薄膜由金属制成，所以与非专利文献4的碳纳米管不同，在电极2F与电极3F之间的接触电阻变得非常小。因此，电特性稳定，并且可以解决在碳纳米管与电极之间产生的大接触电阻的问题。
金属导体部分1F的横跨长度L不小于金属导体部分1F中的电子自旋扩散的长度值和电子平均自由程Λ的值中的较大值，观察到能够允许电子穿过金属导体部分1F而不被散射的被称为冲猾导的现象。通过利用冲猾导，与常规GMR元件和TMR元件相比，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件(BMR(冲猾MR))。因此，可以实现展现出比常规MRAM高的输出的存储阵列700。
实施例6图10是示出根据实施例6的磁致电阻效应元件800的透视图；而图11是用以说明用于制造根据实施例6的磁致电阻效应元件800的方法的透视图。
磁致电阻效应元件800包括不容易相对于外部磁场被磁化旋转的固定层(第一电极膜)PL。固定层PL包括反铁磁性膜AF和形成在反铁磁性膜AF上并由反铁磁性膜AF固定的磁性膜ML。在磁性膜ML上，形成非磁性绝缘膜NL。在非磁性绝缘膜NL上，形成相对于外部磁场容易被磁化旋转的自由层(第二电极膜)FL。自由层FL由磁性膜构成。
磁致电阻效应元件800包括穿透非绝缘膜NL并电连接磁性膜ML和自由层FL的圆柱形金属导体C。金属导体C由磁性物质或非磁性物质构成。金属导体C从磁性膜ML到自由层FL的长度不大于在磁致电阻元件800的操作温度下金属导体C的电子平均自由程Λ。
将说明用于制造这样构造的磁致电阻效应元件800的方法。首先，在衬底8上依次形成反铁磁性膜AF和磁性膜ML。然后，在磁性膜ML上形成厚度为金属导体C的长度的非磁性绝缘膜NL。
接着，通过利用来自包括碳纳米管的扫描隧道显微镜(STM)的探针26的场发射电子束照射来形成到达磁性膜ML的通孔27。然后用金属导体C填充通孔27。然后，在非磁性绝缘膜NL和金属导体C上形成自由层FL。
用于采用场发射电子束照射的STM的探针26由探纳米管形成，并且可以安全地进行精细和准确的处理。因此，可以形成具有1nm至1000nm特别是1nm至100nm的精细尺寸和形状的通孔27。因此，可以获得采用磁性物质填充以便具有精细尺寸和形状的金属导体C。
在具有不大于电子平均自由程Λ的长度L的金属导体C中，观察到能够允许电子通过金属导体C而不被散射的被称为冲猾导的现象和其中导电率相对于金属导体C的横截面积而阶梯式变化的被称为量子电导的现象。
通过利用冲猾导，通过控制自由层FL的磁化方向J2和固定层PL的磁化方向J1，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件和利用该磁致电阻效应元件的磁头、记录和再现设备、存储元件和存储阵列。
如图10所示，如果磁性物质用于金属导体C，则当自由层FL的磁化方向J2和固定层PL的磁化方向J1反平行时，将磁畴壁固定在由磁性物质制成的金属导体C中，由此增加自由层FL与固定层PL之间的电阻。当自由层FL的磁化方向J2和固定层PL的磁化方向J1平行时，磁畴壁从金属导体C消失，并且由此降低自由层FL与固定层PL之间的电阻。当非磁性物质用于金属导体C时，在金属导体部分中不产生磁畴壁。根据自由层FL和固定层PL的磁化方向是彼此平行还是彼此反平行，即，当磁化方向彼此平行时，金属导体C的电阻变低，展现出冲猾导，而当磁化方向彼此反平行时，电阻由于自旋散射的发生而变高。因此，可以获得具有高MR比的磁致电阻效应元件。
通过改变外部磁场的大小以便引起自由层FL的磁化旋转，改变在固定层PL的固定磁化方向J1与被磁化旋转的自由层FL的磁化方向J2之间的角度差，并因此改变自由层FL与固定层PL之间的电阻。通过利用磁致电阻效应元件800，可以构造用于从磁介质中检测信号的磁头。
此外，通过允许大电流从自由层FL侧流入或者从固定层PL侧流入以便使自由层FL的磁化方向J2与固定层PL的磁化方向J1彼此平行或彼此反平行，来写入信息。通过利用自由层FL与固定层PL之间的电阻根据自由层FL和固定层PL的磁化方向J1、J2彼此平行还是反平行而不同的事实，来读出信息，并由此可以实现存储元件。
此外，如果图9所示的设置成矩阵的磁致电阻效应元件200A由磁致电阻效应元件800来替换，则可以实现大容量存储阵列。这是由于允许电流垂直于膜表面流动的磁致电阻效应元件800的使用，可以获得通常比允许电流平行于膜表面流动的磁致电阻效应元件200A高的密度。
通过利用量子电导，通过控制金属导体C的横截面积，可以获得没有在大规模生产中在导电率相对于横截面积线性变化的情况下产生的导电率偏差的电子器件。
此外，可以使用其中当电流在磁致电阻效应元件800上流动时电流仅在金属导体C中流动的具有相对较高的电阻的半导体膜来代替非磁性绝缘膜NL。
图12A是用以说明根据实施例6的电子器件900的透视图。图12B是用以说明用于制造电子器件900的方法的透视图。
电子器件900包括形成在衬底8上的电极2G和3G；以及形成在电极2G和3G之间的与电极2G和3G接触的绝缘膜28。
在绝缘膜28上，形成从电极2G到达电极3G的沟槽29。用使得与电极2G和3G接触的金属导体1G来填充沟槽29。金属导体1G的长度不大于在电子器件900的操作温度下电子在金属导体1G中的平均自由程Λ。
将说明用于制造这样构造的电子器件900的方法。首先，以其间具有长度L的间隙来设置电极2G和3G并且在衬底8上形成绝缘膜28。然后，通过照射场发射电子束同时移动包括碳纳米管的STM的探针26来在绝缘膜28上形成从电极2G到达电极3G的沟槽29。然后用金属导体1G填充沟槽29。
当用于采用场发射电子束照射的STM的探针26由探纳比管形成时，可以安全地进行精细和准确的处理。因此，可以形成具有控制在1nm至1000nm特别是1nm至100nm量级的精细尺寸和形状的沟槽29。因此，可以获得具有精细尺寸和形状的采用磁性物质填充的金属导体1G。
在具有不大于电子平均自由程A的长度L的金属导体1G中，观察到量子电导和冲猾导。
通过利用量子电导，通过控制金属导体1G的横截面积，在大规模生产中，电子器件在导电率相对于横截面积线性变化的情况下没有导电率偏差。通过利用冲猾导，通过控制电极2G和3G的磁化方向，可以获得具有非常高的MR比的磁致电阻效应元件和利用该磁致电阻效应元件的磁头、记录和再现设备、存储元件、存储阵列。
金属导体1G设置有凹面部分。这里，金属导体的凹面部分为其中沿着垂直于金属导体长度L方向的横截面的横截面积小于其它部分的横截面积的部分。本发明人确定可以通过利用STM来形成凹面部分。如图13A所示，通过用场发射电子束照射绝缘膜28同时在从电极2G侧朝向箭头38的方向上移动STM的探针，将沟槽39基本上形成在绝缘膜28的中心；然后，通过用场发射电子束照射绝缘膜28同时在从电极3G侧朝向箭头40的方向上移动STM的探针，将沟槽41形成在绝缘膜28上，以便沟槽41的顶端到达沟槽39的顶端。因此，形成具有如图13B所示的凸面部分37的沟槽29A。之后，用金属导体1G来填充沟槽29A以便形成具有凹面部分37A的金属导体1G。通过形成凹面部分37A，当电子器件用于磁致电阻效应元件时，如果磁性物质用于金属导体1G，则将磁畴壁牢固地固定在金属导体1G的凹面部分37A的位置上。
例1在Si衬底上，设置SiO2层。在SiO2层上，通过溅射和EB光刻来以50nm的间隔形成由Mo/Au制成的一对电极。然后，在电极上施加包含具有大约5nm直径的Ni的精细颗粒的催化剂。然后，在800℃下通过利用CH4的CVD方法在横向上生长具有50nm长度和大约1nm直径的CNT，以便横跨在两电极之间并形成支撑体。在CNT和两电极上，淀积1nm厚的Au膜，从而在CNT上形成金属导体部分，并由此形成电子器件。
然后，通过将CNT的直径改变为2nm、5nm、10nm和20nm，来制备电子器件。具体地，制备通过在其中生长直径为2nm的CNT的支撑体上形成2nm厚的金属导体部分所获得的电子器件；通过在其中生长直径为5nm的CNT的支撑体上形成5nm厚的金属导体部分所获得的电子器件；通过在其中生长直径为10nm的CNT的支撑体上形成5nm厚的金属导体部分所获得的电子器件；以及通过在其中生长直径为20nm的CNT的支撑体上形成5nm厚的金属导体部分所获得的电子器件。当在77K的操作温度下向这些电子器件施加电压并测量电导时，显示出量子电导为G＝2e2/h的整倍数，G＝2e2/h取决于要在所述公式中使用的CNT的尺寸，其中G表示导电率(电导)；e表示电子电荷；而h表示普朗克常数。
例2在Si衬底上，设置SiO2层。在SiO2层上，通过溅射和EB光刻来以10nm的间隔形成由Ta/NiFe/CoFe制成的电极和由Ta/PtMn/CoFe制成的电极。然后，在这些电极上淀积具有0.5nm的厚度用作催化剂的Co薄膜。然后，在400℃下通过利用CH4的CVD方法在横向上生长具有10nm长度和大约20nm直径的CNT，从而横跨在两电极之间并形成支撑体。
在CNT和两电极上，淀积3nm厚的Co膜，从而在CNT上形成金属导体部分，并由此形成图5A和5B所示的磁致电阻效应元件200A。如此形成磁致电阻效应元件，以至于将两电极的最大宽度设置为120nm并且宽度朝向金属导体部分减小。引线连接到这些电极并由此制备图5A和5B所示的磁头300。当在300K的操作温度下施加特定电压并且外部磁场从1kOe变到-1kOe时，显示出MR比为大约500％。
例3通过利用在例2中制备的磁头，制备具有120nm再现轨道宽度的再现头部分。制备图6所示的具有记录头部分和再现头部分的记录/再现设备。采用CoCrPt-SiO2基垂直磁记录介质作为磁记录介质。显示出在300K的操作温度下，能够从该再现头部分再现以200Gb/inch2的记录密度记录在磁记录介质上的信息。
例4在Si衬底上，设置SiO2层。在SiO2层上，通过溅射和EB光刻以15nm的间隔形成由Ta/NiFe/CoFe制成的电极和由Ta/PtMn/CoFe制成的电极。然后，在这些电极上淀积具有0.5nm的厚度用作催化剂的Co薄膜。然后，在450℃下通过利用CH4的CVD方法在横向上生长具有15nm长度和大约6nm直径的CNT，从而横跨在两电极之间并形成支撑体。
在CNT和两电极上，淀积3nm厚的Co膜，从而在CNT上形成金属导体部分，并由此形成图5A和5B所示的磁致电阻效应元件200A。如此形成磁致电阻效应元件，以至于将两电极的最大宽度设置为80nm并且宽度朝向金属导体部分减小。引线连接到这些电极并由此制备图5A和5B所示出磁头300。当在77K的操作温度下施加特定电压并且外部磁场从1kOe变到-1kOe时，显示出MR比为大约1000％。
例5在Si衬底上，通过溅射以50nm的间隔形成由Ta/NiFe/CoFe制成的电极和由Ta/PtMn/CoFe制成的电极。然后，在这些电极上淀积具有0.5nm厚度的Co薄膜。然后，在450℃下通过利用CH4的CVD方法在横向上生长具有50nm长度和大约20nm直径的CNT，从而横跨在两电极之间并形成支撑体。这里值得注意的是，将两电极的膜厚制成大约20nm。
在CNT和两电极上，淀积10nm厚的Cu膜，从而在CNT上形成金属导体部分，并由此制备图5A和5B所示的磁致电阻效应元件200A。如此制备磁致电阻效应元件200A，以至于将两电极的最大宽度设置为200nm并且宽度朝向金属导体部分减小。引线连接到这些电极并由此制备磁头。当在77K的操作温度下施加特定电压并且外部磁场从1kOe变到-1kOe时，显示出MR比为大约100％。
通过利用该磁头，制备具有200nm再现轨道宽度的再现头部分。制备图6所示的具有再现头部分和记录头部分的记录/再现设备。采用CoCrPt-SiO2基垂直磁记录介质作为磁记录介质。显示出在300K的操作温度下，能够从该再现头部分再现以120Gb/inch2的记录密度记录在磁记录介质上的信息。
例6在例4中制备的图5A和5B所示的磁致电阻效应元件200A的电极3F上，形成与电极3F绝缘的由Cu制成的字线，并由此制备图7A至7C所示的存储元件500。通过改变其中允许电流流入字线的方向，将信息“1”或“0”写入电极3F中，并且然后检测磁致电阻效应元件的两电极之间的电阻。显示出电阻根据“1”或“0”的信息而改变；写入的信息是非易失的；该存储元件能够非破坏性地读取并且可以重复1010次或更多次来将信息写入电极3F中。
例7通过利用在例4中制备的图5A和5B所示的磁致电阻效应元件200A来制备图8A和8B所示的存储元件600。当在300K的操作温度下，通过使流入金属导体部分的电流密度为大约1.0×07A/cm2，并通过如图8A所示允许电流23从具有固定层的电极2F侧流入或通过如图8B所示允许电流24从具有自由层的电极3F侧流入，来写入“1”或“0”的信息。当检验磁致电阻效应元件的电极2F和3F的电阻值时，显示出电阻根据“1”或“0”的信息而改变；写入的信息是非易失的。该存储元件能够非破坏性地读取并且可以重复1010次或更多次将信息写入磁致电阻效应元件中。
例8如图9所示，将在例7中制备的存储元件600的磁致电阻效应元件200A设置成矩阵，以便制备大容量存储阵列700。在300K的操作温度下，通过适当地选择m行×n列个磁致电阻效应元件200A中的一个，通过使流入导线和连接线的电流的密度为大约1.0×107A/cm2，并通过允许电流从磁致电阻效应元件200A的电极2F侧流入或从其电极3F侧流入，来将“1”或“0”的信息写入所选择的磁致电阻效应元件200A。当检验磁致电阻效应元件的两电极的电阻值时，显示出电阻根据“1”或“0”的信息而改变；写入的信息是非易失的。该存储元件能够非破坏性地读取并且可以重复1010次或更多次将信息写入磁致电阻效应元件中。
例9在衬底上，通过溅射形成Ta基膜，形成由PtMn制成的反铁磁性膜AF和由CoFe制成的磁性膜ML从而制备固定层PL。然后，在磁性膜ML上，通过溅射形成Al膜，并利用其自然氧化，来制备是具有3nm厚度的Al2O3氧化膜的非磁性绝缘膜NL。
然后，如图11所示，通过向Al2O3氧化膜的非磁性绝缘膜NL施加电压，通过采用来自包括碳纳米管的STM的探针26的场发射电子束照射来形成具有5nm直径的精细孔。然后，通过溅射在其上形成CoFe膜以形成自由层FL，并且同时，用CoFe填充在上述Al2O3氧化膜上形成的孔以形成金属导体C。由此自由层FL和固定层PL彼此电连接。通过EB光刻将该元件构图为80nm的宽度以制备图10所示的磁致电阻效应元件800。
然后，在磁致电阻效应元件800的自由层FL上，经绝缘膜设置由Cu制成的字线。然后在300K的操作温度下，允许电流流进字线以产生导致自由层FL的磁化反转的磁场。当测量磁致电阻效应元件800的电阻时，显示出电阻根据自由层FL的磁化方向和固定层PL的磁化方向是平行还是反平行而改变。确定该元件作为如图7A和7C所示的存储元件500操作。
然后，允许电流在通过用CoFe填充精细孔所形成的金属导体C上流动，以便电流密度为大约1.0×107A/cm2。根据允许电流流动的方向是从自由层FL侧流入还是从固定层PL侧流入，确定使自由层FL的磁化方向反转；改变该元件的固定层PL与自由层FL之间的电阻；并且该元件作为如图8A至8B所示的存储元件600操作。
例10在衬底上，通过与例9相同的方法形成5nm厚的Ta基层，形成由PtMn制成的20nm厚的反铁磁性膜AF和由CoFe/Ru/CoFe制成的3nm/0.7nm/3nm厚的磁性膜ML从而制备固定层PL。然后，在磁性膜ML上，通过溅射形成Al膜，并利用其自然氧化，来制备为具有5nm厚度的Al2O3氧化膜作为非磁性绝缘膜NL。
然后，如图11所示，通过向由Al2O3氧化膜的非磁性绝缘膜NL施加电压，通过采用来自包括碳纳米管的STM的探针的场发射电子束照射来形成具有10nm直径的精细孔。然后，通过溅射在其上Cu膜。用Cu填充形成在上述Al2O3氧化膜上的孔以形成金属导体C。然后，通过溅射形成具有1nm/2nm/0.4nm/2nm厚度的CoFe/NiFe/Ru/NiFe膜以形成自由层FL。该自由层FL和固定层PL彼此电连接。通过EB光刻将该元件构图为160nm的宽度以制备图10所示的磁致电阻效应元件800。
引线连接到自由层FL和固定层PL，从而制备磁头。当施加固定电压并且外部磁场从1kOe变到-1kOe时，显示出MR比为大约200％。
通过利用该磁头，制备具有160nm再现轨道宽度的再现头部分。制备图6所示的具有再现头部分和记录头部分的记录/再现设备。采用CoCrPt-SiO2基垂直磁记录介质作为磁记录介质。显示出在300K的操作温度下，能够从该再现头部分再现以150Gb/inch2的记录密度记录在磁记录介质上的信息。
在磁致电阻效应元件800的自由层FL上，经绝缘膜设置由Cu制成的字线。然后，在77K的操作温度下，允许电流流进字线以产生导致自由层FL的磁化反转的磁场。当测量磁致电阻效应元件800的电阻时，显示出电阻根据自由层FL的磁化方向和固定层PL的磁化方向是平行还是反平行而改变。确定该元件作为如图7A至7C所示的存储元件500操作。
然后，允许电流在通过用Cu填充精细孔所形成的金属导体C上流动，以便电流密度为大约1.0×107A/cm2。确定根据允许电流流动的方向是从自由层FL侧流入还是从固定层PL侧流入，来改变自由层FL的磁化方向；改变该元件的固定层PL与自由层FL之间的电阻；并将该元件作为如图8A至8B所示的存储元件600操作。
例11在绝缘衬底上，通过溅射形成Au膜。对Au膜进行构图从而形成具有100nm间隔的电极2G和3G，如图12A所示。然后，通过溅射在电极2G和3G之间形成包含SiO2膜的绝缘膜28。
如图12B所示，通过向绝缘膜28施加电压以便采用场发射电子束照射绝缘膜28同时使包含具有1nm直径的CNT的STM的探针26在绝缘膜28上扫描，来除去部分绝缘膜28从而形成从电极2G到达电极3G的具有2nm深度的沟槽29。然后，通过溅射在绝缘膜28上形成Au膜并且用Au膜来填充形成在绝缘膜28上的沟槽29，从而形成电连接到电极2G和3G的金属导体1G。由此，形成电子器件900。
此外，通过将STM的探针26的CNT的直径改变为2nm、4nm、6nm、8nm和10nm，来形成电子器件。具体地，制备通过采用具有2nm直径的CNT的STM的探针形成2nm深的沟槽并用金属导体填充沟槽而获得的电子器件；通过采用具有4nm直径的CNT的STM的探针形成2nm深的沟槽并用金属导体填充沟槽而获得的电子器件；通过采用具有6nm直径的CNT的STM的探针形成5nm深的沟槽并用金属导体填充沟槽而获得的电子器件；通过采用具有8nm直径的CNT的STM的探针形成5mm深的沟槽而获得的电子器件；和通过采用具有10nm直径的CNT的STM的探针形成5nm深的沟槽而获得的电子器件。
当向这些电子器件施加电压并测量各个电导时，确定显示出各自取决于金属导体的尺寸，量子电导为G＝2e2/h的整倍数。
此外，确定通过控制电极2G和3G的磁化方向来改变电极2G和3G之间的电阻，并且电子器件作为具有高MR比的磁致电阻效应元件和存储元件来操作。
例12在衬底上，通过溅射形成Ta基膜，形成由PtMn制成的反铁磁性膜AF和由NiFe制成的磁性膜ML从而形成固定层PL。然后，在磁性膜ML上，通过溅射形成Al膜，并利用其自然氧化，来制备具有3nm厚度的Al2O3氧化膜作为非磁性绝缘膜NL。
然后，如图11所示，通过向Al2O3氧化膜的非磁性绝缘膜NL施加电压，通过利用来自包括碳纳米管的STM的探针的场发射电子束照射来形成具有5nm直径的精细孔。然后，通过溅射在其上形成NiFe以形成自由层FL，并且同时，用NiFe填充形成在上述Al2O3氧化膜上的孔以形成金属导体C，并且然后自由层FL和固定层PL彼此电连接。通过EB光刻来将该元件构图成80nm的宽度以准备图10中示出的磁致电阻效应元件800。
然后，在磁致电阻效应元件800的自由层FL上，经由绝缘膜布置由Cu构成的字线。然后在300K的操作温度下，允许电流流进字线以产生导致自由层FL的磁化反转的磁场。当测量磁致电阻效应元件800的电阻时，显示出根据自由层FL的磁化方向和固定层PL的磁化方向是平行还是反平行来改变电阻。确定该元件作为如图7A至7C中所示的存储元件500操作。
然后，允许电流在通过用CoFe填充精细孔所形成的金属导体C上流动，以便于电流密度为大约1.0×107A/cm2。根据允许电流是从自由层FL侧流入还是从固定层PL侧流入，确定反转自由层FL的磁化方向，改变固定层PL与自由层FL之间的电阻；并将该元件作为如图8A至8B中所示的存储元件600操作。
可以将本发明应用于具有控制在纳米量级的精细形状的电子器件、具有控制在纳米量级的精细形状的磁致电阻效应元件；利用该磁致电阻效应元件的磁头、记录/重放设备、存储元件和存储阵列；用于制造电子器件的方法；和用于制造磁致电阻效应元件的方法。
权利要求
1.一种电子器件，包括第一电极和第二电极；以及电连接到所述第一电极和所述第二电极的金属导体薄膜，其中，所述金属导体薄膜包括金属导体部分，其横跨从垂直于所述第一电极和所述第二电极的底表面的方向上看到的所述第一电极与所述第二电极之间的间隙；所述金属导体部分的横跨长度L不大于在所述电子器件的操作温度下所述金属导体部分中的电子的平均自由程Λ；通过下述步骤来制造所述电子器件在衬底上以具有所述横跨长度L的间隙形成所述第一电极和所述第二电极；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨从垂直于所述底表面的方向上看到的所述第一电极与所述第二电极之间的间隙的支撑体；以及通过在所述支撑体上、以及在所述第一电极和所述第二电极上淀积所述金属导体薄膜来形成金属导体部分。
2.根据权利要求1所述的电子器件，其中通过淀积所述金属导体薄膜并且然后除去所述支撑体的工艺来制造所述电子器件。
3.根据权利要求1或2所述的电子器件，其中通过淀积所述金属导体薄膜并且然后除去所述衬底的工艺来制造所述电子器件。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的电子器件，其中所述第一电极和所述第二电极包括磁性物质。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的电子器件，其中所述第一电极和所述第二电极包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的电子器件，其中所述金属导体薄膜包括磁性物质。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的电子器件，其中所述金属导体薄膜包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的电子器件，其中所述第一电极的横截面积S1、所述第二电极的横截面积S2和所述金属导体部分的横截面积S3满足下述关系S3＜S1且S3＜S2。
9.根据权利要求8所述的电子器件，其中所述金属导体部分的横截面积S3不小于1nm2并且不大于1.0×106nm2。
10.根据权利要求1至9中的任意一项所述的电子器件，其中所述支撑体包括碳纳米管。
11.根据权利要求10所述的电子器件，其中形成所述支撑体的步骤包括将用于促进所述碳纳米管的形成反应的催化剂设置在所述第一电极和所述第二电极上；以及通过化学气相沉积(CVD)方法形成包括所述碳纳米管的支撑体。
12.根据权利要求11所述的电子器件，其中所述形成所述支撑体的步骤包括形成包括所述碳纳米管的所述支撑体，同时分别向所述第一电极和所述第二电极施加不同的电压。
13.根据权利要求11或12所述的电子器件，其中所述第一电极和所述第二电极包括磁性物质；并且所述催化剂包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。
14.根据权利要求1至13中的任意一项所述的电子器件，其中所述支撑体包括可自组织的蛋白质纳米布线和硅纳米布线的至少一个。
15.根据权利要求1至14中的任意一项所述的电子器件，其中形成所述金属导体部分的步骤包括通过物理气相沉积(PVD)方法来淀积所述金属导体薄膜。
16.根据权利要求1至15中的任意一项所述的电子器件，其中所述电子器件的操作温度不小于4.2K并且不大于523K。
17.一种电子器件，包括第一电极和第二电极；以及金属导体，横跨所述第一电极与所述第二电极之间的间隙；其中，所述金属导体部分的横跨长度L不大于在所述电子器件的操作温度下所述金属导体中的电子的平均自由程Λ；通过下述方法来制造所述电子器件在衬底上以具有所述横跨长度L的间隙形成所述第一电极和所述第二电极；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并且横跨所述第一电极与所述第二电极之间的间隙的支撑体；以及在所述支撑体上淀积所述金属导体。
18.一种电子器件，包括第一电极膜；形成在所述第一电极膜上的绝缘膜；形成在所述绝缘膜上的第二电极膜；以及金属导体，其穿透所述绝缘膜并将所述第一电极膜与所述第二电极膜电连接，其中，所述金属导体的长度L不大于在所述电子器件的操作温度下所述金属导体中的电子的平均自由程Λ；通过下述方法来制造所述电子器件在所述衬底上形成所述第一电极膜；在所述第一电极膜上形成厚度为所述金属导体的长度L的所述绝缘膜；通过利用来自扫描隧道显微镜(STM)的探针的场发射电子束照射所述绝缘膜，提供具有到达所述第一电极薄膜的通孔的所述绝缘膜，该扫描隧道显微镜包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个；用所述金属导体填充所述通孔的内侧；以及在所述绝缘膜和所述金属导体上形成所述第二电极膜。
19.一种电子器件，包括第一电极和第二电极；以及在所述第一电极与所述第二电极之间所形成的与所述第一电极和所述第二电极接触的绝缘膜，其中所述绝缘膜设置有从所述第一电极到达所述第二电极的沟槽；用使得与所述第一电极和所述第二电极接触的所述金属导体来填充该沟槽；所述金属导体的长度L不大于在所述电子器件的操作温度下所述金属导体中的电子的平均自由程Λ；通过下述方法来制造该电子器件在衬底上形成以具有所述横跨长度L的间隙设置的所述第一电极和所述第二电极；所述绝缘膜在所述衬底上的所述第一电极与所述第二电极之间，与所述第一电极和所述第二电极接触；通过利用来自包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个的扫描隧道显微镜(STM)的探针的场发射电子束照射所述绝缘膜，来提供具有从所述第一电极到达所述第二电极的所述沟槽的所述绝缘膜；并且用所述金属导体填充所述沟槽。
20.根据权利要求19所述的电子器件，其中所述第一电极和所述第二电极包括磁性物质；并且所述金属导体设置有凹面部分。
21.一种磁致电阻效应元件，包括包含磁性物质的第一电极和第二电极；以及电连接到所述第一电极和所述第二电极的金属导体薄膜，其中所述金属导体薄膜包括横跨从垂直于所述第一电极和所述第二电极的底表面的方向上看到的所述第一电极与所述第二电极之间的间隙的金属导体部分；所述金属导体部分的横跨长度L不大于在所述磁致电阻效应元件的操作温度下在所述金属导体部分中的电子自旋扩散的长度值和在所述磁致电阻效应元件的操作温度下所述金属导体部分中的电子的平均自由程Λ的值中的较大值；所述第一电极的横截面积S1、所述第二电极的横截面积S2和所述金属导体部分的横截面积S3满足下述关系S3＜S1且S3＜S2；通过下述方法来制造该磁致电阻效应元件在衬底上以具有所述横跨长度L的间隙形成所述第一电极和所述第二电极；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨从垂直于所述底表面的方向上看到的所述第一电极与所述第二电极之间的间隙的支撑体；以及通过在所述支撑体上、在所述第一电极和所述第二电极上淀积所述金属导体薄膜来形成所述金属导体部分。
22.根据权利要求21所述的磁致电阻效应元件，其中通过淀积所述金属导体薄膜并且然后除去所述支撑体来制造所述磁致电阻效应元件。
23.根据权利要求21或22所述的磁致电阻效应元件，其中通过淀积所述金属导体薄膜并且然后除去所述衬底的工艺来制造所述电子器件。
24.根据权利要求1至23中的任何一项所述的磁致电阻效应元件，其中所述第一电极包括自由层，其中磁化容易相对于外部磁场旋转；所述第二电极包括固定层，其中磁化不容易相对于外部磁场旋转；并且所述自由层的磁化容易轴垂直于待检测的所述外部磁场的方向。
25.根据权利要求24所述的磁致电阻效应元件，其中所述固定层包括反铁磁性膜；以及形成在所述反铁磁性膜上并由所述反铁磁性膜固定的磁性层，其中所述磁性膜电连接到所述金属导体部分。
26.根据权利要求21至25中的任何一项所述的磁致电阻效应元件，其中所述支撑体包括碳纳米管。
27.根据权利要求26所述的磁致电阻效应元件，其中形成所述支撑体的步骤包括将用于促进碳纳米管的形成反应的催化剂设置在所述第一电极和所述第二电极上；以及通过化学气相沉积(CVD)方法形成包括所述碳纳米管的所述支撑体。
28.根据权利要求27所述的磁致电阻效应元件，其中所述形成所述支撑体的步骤包括形成包括所述碳纳米管的所述支撑体，同时分别向所述第一电极和所述第二电极施加不同的电压。
29.根据权利要求27或28所述的磁致电阻效应元件，其中所述催化剂包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。
30.根据权利要求21至29中的任何一项所述的磁致电阻效应元件，其中所述支撑体可以包括可自组织的蛋白质纳米布线和硅纳米布线中的至少一个。
31.根据权利要求21至30中的任何一项所述的磁致电阻效应元件，其中形成所述金属导体部分的步骤包括通过物理气相沉积(PVD)方法来淀积所述金属导体薄膜。
32.根据权利要求21至31中的任何一项所述的磁致电阻效应元件，其中所述金属导体薄膜包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。
33.根据权利要求21至32中的任何一项所述的磁致电阻效应元件，其中所述第一电极和所述第二电极包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素。
34.根据权利要求21至33中的任何一项所述的磁致电阻效应元件，其中所述磁致电阻效应的操作温度不小于4.2K并且不大于523K。
35.一种磁头，包括如权利要求21至34中所述的磁致电阻效应元件；第一引线，电连接到所述磁致电阻效应元件的所述第一电极；和第二引线，电连接到所述磁致电阻效应元件的电阻第二电极。
36.一种记录/再现设备，包括用于在磁介质中记录信息的记录头；以及用于再现记录在磁介质上的信息的再现头，其中所述再现头为如权利要求35所述的磁头。
37.一种存储元件，包括如权利要求21所述的磁致电阻效应元件，其中所述磁致电阻效应元件的所述第一电极包括自由层，其中磁化容易相对于外部磁场旋转，并且所述第二电极包括固定层，其中磁化不容易相对于所述外部磁场旋转，所述存储元件还包括产生外部磁场的字线，该外部磁场根据电流将所述自由层和所述固定层的磁化方向变为平行或反平行；以及电流供给器，用于向所述字线提供所述电流，其中根据从所述字线中所产生的外部磁场，通过将磁化方向改变为相互平行或反平行，将信息写入所述磁致电阻效应元件；以及通过测量磁致电阻效应元件的电阻，来读出写入所述磁致电阻效应元件的信息。
38.一种存储元件，包括如权利要求21至34中所述的磁致电阻效应元件，以及电流供给器，用于提供在所述金属导体部分中从所述第一电极流向所述第二电极的电流或者在所述金属导体部分中从所述第二电极流向所述第一电极的电流，其中通过使流进所述磁致电阻效应元件的所述金属导体部分的电流的方向反转，以将所述第一电极和所述第二电极的磁化方向改变为平行或反平行，从而将信息写入所述磁致电阻效应元件；并且通过测量根据所述第一电极和所述第二电极的磁化方向而不同的所述磁致电阻效应元件的电阻值，读出写入所述磁致电阻效应元件的信息。
39.根据权利要求38所述的存储元件，其中由所述电流供给器提供给所述磁致电阻效应元件的电流的电流密度为1.0×105A/cm2或更高。
40.一种存储阵列，包括设置成矩阵的如权利要求21至34中的任意一项所述的的磁致电阻效应元件；用于独立地将信息写入所述磁致电阻效应元件和读出所述信息的布线；写单元，用于通过使流入所述磁致电阻效应元件的所述金属导体部分中的电流方向反转以将所述第一电极和所述第二电极的磁化方向改变为平行或反平行，经所述布线独立地将信息写入所述磁致电阻效应元件；以及读单元，用于通过测量根据所述第一电极和所述第二电极的磁化方向而不同的所述磁致电阻效应元件的电阻值，经所述布线独立地读出写入所述磁致电阻效应元件的信息。
41.一种用于制造电子器件的方法，该方法包括在衬底上形成第一电极和第二电极，其间具有间隙L；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨从垂直于所述第一电极和所述第二电极的底表面的方向上看到的所述第一电极与所述第二电极之间的间隙的支撑体；并且通过在所述支撑体上、在所述第一电极和所述第二电极上淀积金属导体薄膜的方法形成横跨从垂直于所述底表面的方向上所看到的所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的金属导体部分；其中所述间隙L不大于在所述电子器件的操作温度下在所述金属导体部分中的电子的平均自由程Λ。
42.一种用于制造磁致电阻效应元件的方法，该方法包括在衬底上形成包含磁性物质的第一电极和第二电极，其间具有间隙L；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨从垂直于所述第一电极和所述第二电极的底表面的方向上看到的所述第一电极与所述第二电极之间的间隙的支撑体；并且通过在所述支撑体上、在所述第一电极和所述第二电极上淀积金属导体薄膜的方法形成横跨从垂直于所述第一电极和所述第二电极的底表面的方向上所看到的所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的金属导体部分，其中所述间隙L不大于在所述磁致电阻效应元件的操作温度下在所述金属导体部分中的电子自旋扩散的长度值和在所述磁致电阻效应元件的操作温度下在所述金属导体部分的电子的平均自由程Λ的值中的较大值；并且所述第一电极的横截面积S1、所述第二电极的横截面积S2和所述金属导体部分的横截面积S3满足下述关系S3＜S1且S3＜S2。
全文摘要
提供一种没有导电率偏差的电子器件。电子器件(100)包括电极(2)和电极(3)；以及电连接到电极(2)和电极(3)的金属导体薄膜(7)。金属导体薄膜(7)包括金属导体部分(1)，其横跨电极(2)与电极(3)之间的间隙；金属导体部分(1)的横跨长度L不大于在电子器件(100)的操作温度下电子在金属导体部分(1)中的的平均自由程Λ。通过如下方式来形成电子器件(100)在衬底(8)上以具有横跨长度L的间隙形成电极(2)和电极(3)；形成包括选自由纳米管和纳米布线组成的组中的至少一个并横跨电极(2)与电极(3)之间的间隙的支撑体(4)；并且通过在支撑体(4)上以及在电极(2)和(3)上淀积金属导体薄膜(7)形成金属导体部分(1)。
文档编号H01F1/00GK101061592SQ200480017669
公开日2007年10月24日 申请日期2004年6月24日 优先权日2003年6月25日
发明者神间博 申请人:松下电器产业株式会社