(57)【要約】【課題】磁性膜を含む多層膜からなるもので、実用上必要とされる数ｎｍオーダーの厚みの環状体を精度良く形成することで、磁気記憶装置の記憶セルへの適用を可能にする。【解決手段】基板１１上に環状体１５の芯となる柱状のコラム１２を形成する工程と、基板１１上およびコラム１２上に環状体１５を形成するための環状体形成膜１３を基板１１上形成される環状体形成膜１３とコラム１２上に形成される環状体形成膜１３とが分離するように堆積形成する工程と、環状体形成膜１３を被覆するマスク膜１４を形成する工程と、マスク膜１４および環状体形成膜１３を異方性加工（異方性ドライエッチング）して、コラム１２側壁に残存させることにより、マスク膜１４を載せた環状体形成膜１３からなる環状体１５を形成する工程とを備えている。【選択図】        図１
2004259913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に環状体の芯となる柱状のコラムを形成する工程と、
前記基板上および前記コラム上に前記環状体を形成するための環状体形成膜を前記基板上形成される環状体形成膜と前記コラム上に形成される環状体形成膜とが分離するように堆積形成する工程と、
前記環状体形成膜を被覆するマスク膜を形成する工程と、
前記マスク膜および前記環状体形成膜を異方性加工して、前記コラム側壁に残存させることにより、前記マスク膜を載せた前記環状体形成膜からなる環状体を形成する工程と
を備えたことを特徴とする環状体の製造方法。
【請求項２】
前記環状体形成膜は、前記基板表面に対して垂直方向からの堆積により形成される
ことを特徴とする請求項１記載の環状体の製造方法。
【請求項３】
前記環状体形成膜は複数の薄膜が積層された積層膜からなる
ことを特徴とする請求項１記載の環状体の製造方法。
【請求項４】
前記コラムは前記基板表面に対して垂直方向の断面が台形に形成される
ことを特徴とする請求項１記載の環状体の製造方法。
【請求項５】
前記コラムは非磁性材料で形成される
ことを特徴とする請求項１記載の環状体の製造方法。
【請求項６】
前記コラムは、
柱状の導電体と、
前記導電体の側周に形成された非磁性材料膜と
からなることを特徴とする請求項１記載の環状体の製造方法。
【請求項７】
前記コラムを形成する工程は、
基板上にマスク膜を形成した後、前記マスク膜に孔を形成する工程と、
前記孔の内部を導電性材料で埋め込む工程と、
前記マスク膜上の余剰な導電性材料および前記マスク膜を除去して、前記孔の内部に形成した前記導電性材料からなる柱状の導電体を形成する工程と、
前記導電体を被覆する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の余剰部分を除去して前記導電体の側周に前記絶縁膜を残すことで、前記導電体と前記残した絶縁膜からなる柱状のコラムを形成する工程と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の環状体の製造方法。
【請求項８】
磁気記憶素子に記憶された情報を読み出すための読み出し素子に接続される電極と、
前記電極上方を通るビット線と、
スピン注入磁化反転を利用して情報を記憶するもので環状に形成された磁性層と非磁性層と磁性層との積層構造を有しかつ前記電極と前記ビット線とに接続する磁気記憶素子と
を備えたことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項９】
前記磁気記憶素子は、
環状の積層膜からなり、
前記積層膜は、磁性膜と非磁性導電膜と磁性膜とを積層した膜を備えている
ことを特徴とする請求項８記載の磁気記憶装置。
【請求項１０】
前記磁気記憶素子は、
環状の積層膜からなり、
前記積層膜は、磁性膜と非磁性絶縁膜と磁性膜とを積層した膜を備えている
ことを特徴とする請求項８記載の磁気記憶装置。
【請求項１１】
半導体基板上に形成された読み出し素子に接続される電極を形成する工程と、
前記電極に接続するものでスピン注入磁化反転を利用して情報を記憶する環状の磁気記憶素子を形成する工程と、
前記磁気記憶素子に接続するビット線を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
【請求項１２】
前記環状の磁気記憶素子を形成する工程は、
前記電極上に環状体の芯となる柱状の非磁性絶縁材料からなるコラムを形成する工程と、
前記電極上および前記コラム上に前記磁気記憶素子を形成するための磁気記憶素子形成膜を前記電極上形成される磁気記憶素子形成膜と前記コラム上に形成される磁気記憶素子形成膜とが分離するように形成する工程と、
前記磁気記憶素子形成膜を被覆するマスク膜を形成する工程と、
前記マスク膜および前記磁気記憶素子形成膜を異方性ドライエッチングして、前記コラム側壁に残存させることにより、前記マスク膜を載せた前記磁気記憶素子形成膜からなる環状の磁気記憶素子を形成する工程と
を備えたことを特徴とする請求項１１記載の磁気記憶装置の製造方法。
【請求項１３】
前記磁気記憶素子形成膜には、磁性膜と非磁性導電膜と磁性膜とを積層した積層膜が形成される
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気記憶装置の製造方法。
【請求項１４】
前記磁気記憶素子形成膜には、磁性膜と非磁性絶縁膜と磁性膜とを積層した積層膜が形成される
ことを特徴とする請求項１１記載の磁気記憶装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環状体の製造方法および磁気記憶装置およびその製造方法に関し、詳しくは環状の磁気記憶素子を形成する環状体の製造方法および環状体の磁気記憶素子を備えた磁気記憶装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果型のランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のような磁気記憶装置は、磁性膜で作製した微小な記憶セルの磁化方向によって情報（「０」ｏｒ「１」）を記憶素子に記憶する。この記憶セルの形状としては、長方形型、楕円型、円板型、環状型等、さまざまなものが提案されている。
【０００３】
記憶容量を高める、すなわち、単位面積当たりの記憶セル密度を高めるためには、記憶セルの微細化とともに、記憶セルの配置間隔を狭めることが必要である。しかし、記憶セル間の距離が狭まると、磁性体で形成された記憶セルから隣接記憶セルへの漏洩磁界が問題となる。このため、磁気記憶装置の大容量化のためには、記憶セルからの漏洩磁界を極力減らすことが必要となる。
【０００４】
上記問題に対し、環状型の記憶セル形状が有効であることは容易に理解できる。磁化によって生じる磁束が還流磁束となり、外部に漏洩しないためである。また、記憶セルを含む素子全体（種々の磁性膜及び非磁性多層膜から成る）を環状状に形成することにより、記憶セル近傍に配置された磁化方向参照用磁性膜からの漏洩磁界が生じなくなる利点もある。
【０００５】
このため、環状型記憶セルを用いた磁気記憶装置の提案が成され（例えば、非特許文献１、特許文献１参照。）、実際に微小な環状磁性膜の作製も試みられている。環状記憶セルの場合、情報は、円周方向の磁化方向、すなわち、右回りか左回りかで「０」、「１」が記録される。
【０００６】
将来的な大容量の磁気記憶装置を実現するためには、環状体の内径、環状体の幅ともにサブミクロン以下のサイズが求められる。また、記憶セルに生じる反転磁界の大きさのばらつきを抑制するために、記憶セル形状のばらつきは極めて小さく抑えねばならない。しかし、サブミクロンオーダーの大きさでかつ極薄の環状膜を精度良く、しかも再現性高く作製することは困難であり、未だ実用には至っていない。
【０００７】
一方、中谷らによって最近報告されたリング状磁性膜の製造方法（例えば、非特許文献２参照。）は、電子線リソグラフィーによって形成されたレジスト膜の微小孔に、基板を回転させながら斜め方向からイオンビ−ムスパッタリングを行って孔内壁に膜を付着させるものである。得られたリングは、その外径が０．５μｍ、リング幅が０．１μｍであり、比較的均一な微小リングが再現性良く形成されるとしている。また、リング状の磁性膜としての特徴を持つことが、ＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により確認されている。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許６３５１４１０号明細書（第５−６頁、第４−６図）
【非特許文献１】
Ｊｉａｎ−Ｇａｎｇ  Ｚｈｕ  ａｎｄ  Ｙｏｕｆｅｎｇ  Ｚｈｅｎｇ著「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ（ｉｎｖｉｔｅｄ）」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ｖｏｌ．８７，  Ｎｏ．９、２０００年５月１日、Ｐ．６６６８−６６７３
【非特許文献２】
Ｒｙｏｕｉｃｈｉ  Ｎａｋａｔａｎｉ，Ｎｏｒｉｔｓｕｇｕ  Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｈａｎａ  Ａｓｏｈ，Ｙｏｓｈｉｏ  Ｋａｗａｍｕｒａ  ａｎｄ  Ｍａｓａｈｉｋｏ  Ｙａｍａｍｏｔｏ著「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｒｉｎｇ  Ｄｏｔ  Ａｒｒａｙｓ  ａｓ  ａ  Ｃａｎｄｉｄａｔｅ  ｏｆ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｃｅｌｌｓ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＩＣＭＦＳ  ２００２  ｉｎ  Ｋｙｏｔｏ、２００２年、Ｐ．１７８−１７９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、中谷らによって最近報告されたリング状磁性膜の製造方法は、孔壁面の影を利用した成膜であるため、飛来したスパッタ粒子の回り込みによりリング内にも薄い膜が付着してしまうことは避けられない。また、孔内壁に膜を付着させるため、多層膜を形成する場合には膜界面を基板に対して平行にすることができない他、多層膜側面でのミキシングが生じる。このため、上記方法では、単層膜のリング形成に限られる。さらに、同方法ではリングの高さ（膜厚）の制御が困難であり、磁気記憶装置への応用において、実用上必要とされる数ｎｍオーダーの厚みの環状体を精度良く形成することは困難である。
【００１０】
従来のリソグラフィー技術により円形状の多層膜を形成した後、中心部に孔を設けることによりリングを形成する試みも机上では可能である。しかし、多数の微小円板の中央部に孔を穿つための位置合わせは極めて困難であり、実用的ではない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた環状体の製造方法および磁気記憶装置およびその製造方法である。
【００１２】
本発明の環状体の製造方法は、基板上に環状体の芯となる柱状のコラムを形成する工程と、前記基板上および前記コラム上に前記環状体を形成するための環状体形成膜を前記基板上形成される環状体形成膜と前記コラム上に形成される環状体形成膜とが分離するように堆積形成する工程と、前記環状体形成膜を被覆するマスク膜を形成する工程と、前記マスク膜および前記環状体形成膜を異方性加工して、前記コラム側壁に残存させることにより、前記マスク膜を載せた前記環状体形成膜からなる環状体を形成する工程とを備えた製造方法である。
【００１３】
上記環状体の製造方法では、コラムを芯にして環状体形成膜を堆積すること、および環状体形成膜を被覆するマスク膜を形成した後にマスク膜および環状体形成膜を異方性加工することから、いわゆる自己整合的に環状体が形成される。このため、サブミクロン以下のサイズ（径）、かつｎｍ〜Åオーダーの厚みの微小な環状体を高精度にかつ再現性高く形成できる。なお、コラムを形成した後、そのコラム周囲に環状体形成膜を堆積形成することから、環状体の内側への余分な膜付着は生じない。
【００１４】
また、環状体形成膜は複数の薄膜で形成することが可能であり、したがって、磁性膜を含む薄膜を積層して堆積形成することができる。そして、コラムは基板表面に対して垂直方向の断面が台形に形成される、すなわちコラム側面は傾斜面で形成されることから、環状体を構成する各薄膜の界面を形状および組成ともに、いわゆる急峻にできるとともに、互いに平行に形成することが可能となる。さらに、多層膜側面部（コラム側の面）でのミキシングも生じない。このため、多層膜で構成される環状体を用いて、種々の機能性デバイス、例えば磁気記憶素子の作製が可能となる。
【００１５】
また、コラムの形状を適宜変更することによって、環状体の内外径および厚みを自在にかつ高精度に制御できる。そのため形成される環状体の寸法ばらつきを小さくすることができる。
【００１６】
さらに、柱状の導電体とこの導電体の側周に形成された非磁性材料膜とでコラムを形成する場合には、中心部に導電体を通した環状体を形成することが可能となる。このように、中心部に導電体（例えば電流線）を通した環状体を、磁性層を含む多層膜で形成して、記憶セルとして用いた場合には、導電体に電流を流すことによって環状体の円周方向に発生する電流磁界により記憶セルの磁化反転を行うことが可能となる。環状体の中心を導電体が通り、かつ導電体周囲に極近接して環状体が形成されるため、強度の高い円周方向電流磁界を効率よく利用できる。また、環状体そのものが磁気シールドとなるため、隣接する素子への漏洩磁界の影響を排除できる利点がある。
【００１７】
本発明の磁気記憶装置は、磁気記憶素子に記憶された情報を読み出すための読み出し素子に接続される電極と、前記電極上方を通るビット線と、スピン注入磁化反転を利用して情報を記憶するもので環状に形成された磁性層と非磁性層と磁性層との積層構造を有しかつ前記電極と前記ビット線とに接続する磁気記憶素子とを備えたものである。
【００１８】
上記磁気記憶装置では、無磁界で、電流のみで自由層となる一方の磁性層の磁化方向を反転することが可能となる。したがって、この磁気記憶装置は、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて記憶層の書き込みに適用することが可能となる。また本発明の磁気記憶装置を実用化するにあたっては、記憶セルの単磁区化、反転電流の低減等の要請であるセルサイズを２００ｎｍ程度以下の大きさにすることができ、メモリの大容量化における要請を満たすことができる。また記憶セルが小さくなるほど、反転に必要な電流が減少する。このため、センス電流のみで、読み出し、書き込みが行える。例えば、小電流で読み出し、大電流では書き込みを行うことができる。さらに電流磁界書き込みにおける半選択状態がないので、熱的に安定である。言い換えれば、熱揺らぎ耐性が強いという利点を有する。そして、メモリ素子の構造が非常に簡単になるため、従来のＭＲＡＭでは必要とされていた書き込み用ワード線が不要となり、またバイパス線が不要となり、さらに選択用素子となる例えばＦＥＴの直上に記憶素子を配置できるようになる。したがって、大規模集積回路を構成するのに好都合となる。
【００１９】
本発明の磁気記憶装置の製造方法は、半導体基板上に形成された選択用素子に接続される電極を形成する工程と、前記電極に接続するものでスピン注入磁化反転を利用して情報を記憶する環状の磁気記憶素子を形成する工程と、前記磁気記憶素子に接続するビット線を形成する工程とを備えた製造方法である。上記環状の磁気記憶素子を形成する工程は、前記電極上に環状体の芯となる柱状の非磁性絶縁材料からなるコラムを形成する工程と、前記電極上および前記コラム上に前記磁気記憶素子を形成するための磁気記憶素子形成膜を前記電極上形成される磁気記憶素子形成膜と前記コラム上に形成される磁気記憶素子形成膜とが分離するように形成する工程と、前記磁気記憶素子形成膜を被覆するマスク膜を形成する工程と、前記マスク膜および前記磁気記憶素子形成膜を異方性加工して、前記コラム側壁に残存させることにより、前記マスク膜を載せた前記磁気記憶素子形成膜からなる環状の磁気記憶素子を形成する工程とを備えている。
【００２０】
上記磁気記憶装置の製造方法では、本発明の磁気記憶装置を容易に製造することが可能になる。すなわち、環状の磁気記憶素子を本発明の環状体の製造方法を利用して形成することから、磁性層と非磁性層と磁性層とを積層し、その積層膜を環状に形成した環状の磁気記憶素子を形成することが容易に、高精度に、かつ再現性良く製造することが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の環状体の製造方法に係る第１実施の形態を、図１〜図２の製造工程図によって説明する。本発明の環状体の製造方法は、環状体を形成する膜が単層膜であっても次に述べる多層膜であっても同様な製造方法である。したがって、図１では単層膜の場合を示し、以下、単層膜の環状体の製造方法を説明する。また図２ではコラムの製造方法を示す。
【００２２】
図１（１）に示すように、基板１１上に環状体の芯となる柱状のコラム１２を形成する。
【００２３】
ここで、上記コラム１２の製造方法を図２によって説明する。以下の説明に用いた数値は、外径が０．２μｍ、内径が０．１μｍ、膜厚が３ｎｍの環状体を形成することを目的としたコラムを形成する一例であって、下記数値は、形成しようとする環状体に応じて適宜変更されるものである。
【００２４】
図２（１）に示すように、基板１１上に環状体の芯となるハードマスク膜１１１およびリソグラフィー用のレジスト膜１１２を例えば塗布により形成する。上記基板１１上には、複数の膜からなる任意のパターン（例えば、電界効果トランジスタ回路）が形成されていても構わない。上記ハードマスク膜１１１、レジスト膜１１２の厚みは、それぞれ、２００ｎｍ程度とする。両膜の厚みが厚すぎると、微細なマスクパターン（コラム）の形成が困難となる。上記ハードマスク膜１１１には各種材料が使用できるが、ここでは、反応性イオンエッチングが容易な酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）を用いた場合を示す。また上記レジスト膜１１２には、電子線リソグラフィー用のレジスト膜を用いた。上記電子線リソグラフィー用のレジストは、電子線照射部が現像液に対して耐性を持つネガタイプとする。なお、ポジタイプの電子線レジストを使用することも可能である。また、上記ハードマスク膜１１１を形成する前に、基板１１上には下地膜（図示せず）が形成されていることが好ましい。たとえば、基板１１に熱酸化シリコン基板を用いる場合、酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）膜を成膜する前に、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等の下地膜を形成し、密着性を向上させることが好ましい。
【００２５】
次に、レジスト膜１１２に電子線（ＥＢ）を円形に照射（電子線露光）し、現像により上記レジスト膜１１２の電子線照射部を除去することにより、図２（２）に示すように、レジスト膜１１２からなる微細なレジストコラム１１３が形成される。レジストコラム１１３の径は、電子線の照射条件と描画サイズによって制御される。たとえば、ＨＶ＝５０ｋＶで１０−１１Ａ台の電流設定により、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の径を有するレジスト膜１１２からなるレジストコラム１１３を形成することができる。
【００２６】
さらに上記レジストコラム１１３の径を細めたい場合には、図２（３）に示すように、適度な等方性酸素プラズマを用いたアッシングによりレジストコラム１１３の表面を削ることが可能である。
【００２７】
次に、図２（４）に示すように、レジストコラム１１３をマスクとしてハードマスク膜１１１の図面２点鎖線で示す部分を異方性加工、例えば異方性ドライエッチングすることにより、環状体の芯となる酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）膜からなるコラム１２を基板１１表面に対して垂直方向の断面が台形となるように形成する。例えば円錐台形状もしくは角錐台形状に形成される。この異方性加工は、例えばエッチングガスにテトラフルオロメタン（ＣＦ４  ）ガスを用いた反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥという、ＲＩＥはｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇの略）もしくはイオンミリングを用いることが有効である。ここでの異方性加工は、ハードマスク膜１１１を垂直に切るのではなく、後に説明する目的のために適度な円錐台形状もしくは角錐台形状に加工することが重要である。コラム側面のテーパーは、ＣＦ４  ガスを用いたＲＩＥの場合、ガス圧等の制御により異方性の度合いを変化させることにより制御できる。イオンミリングの場合、イオンビームに対して基板を適度に傾けてエッチングすることにより制御できる。ここでは、基板１１表面に対するコラム側面の角度を６０°〜７０°とした。
【００２８】
その後、図２（５）に示すように、上記レジストコラム１１３〔前記図２の（４）参照〕を通常のレジスト除去プロセスによって剥離して、酸化シリコン膜からなるコラム１２が完成する。
【００２９】
次に、図１（２）に示すように、上記基板１１上および上記コラム１２上に環状体を形成するための環状体形成膜１３を、上記基板１１上形成される環状体形成膜１３と上記コラム１２上に形成される環状体形成膜１３とが分離するように形成する。ここでは上記環状体形成膜１３は、単層膜であっても多層膜であってもよい。ここでは、単層膜として、例えばパーマロイ膜（Ｎｉ８０Ｎｉ２０など）を３ｎｍの厚さに成膜した。
【００３０】
ここで前記図２（４）による説明の項目で示唆したように、酸化シリコン膜からなるコラム１２を円錐台形状もしくは角錐台形状のように、コラム側面を傾斜面に形成する理由を、図３によって説明する。
【００３１】
図３（１）に示すように、コラム１２が垂直に立っている形状では、コラム１２の周囲部分の環状体形成膜１３は窪んでしまい、環状体として使われるコラム１２の周囲の環状体形成膜１３部分は欠落、もしくは、本来の機能を有さなくなる。一方、図３（２）に示すように、コラム１２を、その側面が傾斜を有するように、例えば円錐台形状もしくは角錐台形状に形成しておくことから、環状体形成膜１３を成膜したとき、コラム１２による影ができず、コラム１２の周辺においても平坦な環状体形成膜１３を成膜することが可能となる。そして、コラム１２側壁の基板１１表面に対する角度θは、６０°以上７０°以下が好ましい。θが６０°よりも小さくなると、コラム１２の側壁にも環状体形成膜１３が成膜されるようになり好ましくない。またθが７０°よりも大きくなると、コラム１３が垂直に立っている形状の場合と同様に、コラム１２の周囲の環状体形成膜１３は窪んでしまい、環状体として使われるコラム１２の周囲の環状体形成膜１３部分は欠落、もしくは、本来の機能を有さなくなるという理由により好ましく無い。
【００３２】
次に、図１（３）に示すように、上記環状体形成膜１３を被覆するマスク膜１４を形成する。マスク膜１４は、例えば、スパッタリングにより成膜された酸化シリコン（ＳＰ−ＳｉＯ２  ）膜、スパッタリングにより成膜された酸化アルミニウム（ＳＰ−Ａｌ２  Ｏ３  ）膜の他、プラズマＣＶＤ法により成膜された窒化シリコン（Ｐ−ＳｉＮ）、プラズマＣＶＤ法により成膜された酸化シリコン（Ｐ−ＳｉＯ）、プラズマＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により成膜された酸化シリコン（Ｐ−ＴＥＯＳ）などのＣＶＤ膜が使用できる。耐熱性が高ければ、ポリイミド等の有機膜も使用できる。ただし、ＣＶＤ膜の場合、成膜後、３５０〜４００℃程度の加熱が必要であり、前記環状体形成膜の耐熱性によっては使用の可否が選択される。いずれの成膜方法においても、コラム１２側面が完全に覆われる（被覆性が良好である）ことが必要である。
【００３３】
次に、図１（４）に示すように、マスク膜１４および環状体形成膜１３を異方性加工する。この異方性加工（例えば、異方性ドライエッチングもしくはイオンミリング）によりコラム１２側面部に形成された環状体形成膜１３およびマスク膜１４以外の余剰な環状体形成膜１３およびマスク膜１４を除去する。
【００３４】
この結果、図１（５）に示すように、コラム１２側壁に環状体形成膜１３およびマスク膜１４を残存させることにより、マスク膜１４を載せた環状体形成膜１３からなる環状体１５が形成される。環状体１５の幅は、マスク膜１４の厚み（正確にはコラム側面部に残されたマスク膜１４の厚み）、エッチング時間およびエッチングの異方性により、ほぼ決定される。また、基板１１のエッチング深さは、目的によって、適宜、決定される。なお、環状体１５を形成した後にマスク膜１４を除去してもよい。
【００３５】
次に、図１（６）に示すように、上記基板１１上全面にコラム１２、マスク膜１４および環状体１５を埋め込むように絶縁膜１６を形成する。この絶縁膜１６は、例えばＳＰ−ＳｉＯ２  膜、ＳＰ−Ａｌ２  Ｏ３  膜等で形成する。
【００３６】
次に、図１（７）に示すように、例えば反応性イオンエッチングによるエッチバックもしくはＣＭＰ（化学的機械研磨）により、上記絶縁膜１６、コラム１２およびマスク膜１４の図面２点鎖線で示す部分を除去して、絶縁膜１６表面を平坦化するとともに環状体１５の上面を露出させる。
【００３７】
このようにして、図１（８）に示すように、微小な環状体１５が完成する。この環状体１５は、内径ｄｉが例えば０．２μｍ、外径ｄｏが例えば０．３μｍを有し、内径および外径のばらつきは１０％程度であった。膜厚制御の精度は、従来の各種薄膜形成法における膜厚精度と同等であり、Åオーダーでの制御が可能である。この後、電極膜を成膜し、適当なパターニングを行うことにより、素子が作られる。
【００３８】
次に、本発明の環状体の製造方法に係る第２実施の形態を、図４の概略構成断面図によって説明する。本発明の環状体の製造方法は、環状体を形成する膜が多層膜の場合である。
【００３９】
多層膜の環状体を形成する製造工程は、基本的には前記第１実施の形態の製造工程と同様である。第１実施の形態の製造工程と異なるのは、環状体形成膜１３を多層膜で形成する点である。
【００４０】
ここでは、環状体形成膜１３として、例えば磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に用いて好適なものとして、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を発現する磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を有する多層膜を用いた。この多層膜は、一例として、下層より、下地膜／電極膜（Ｃｕなど）／下地膜／反強磁性膜／参照層磁性膜／絶縁膜（たとえばＡｌ２  Ｏ３  ）／記憶層磁性膜／キャップ膜を順に積層した構成となっている。
【００４１】
図４に示すように、第２実施の形態では、環状体形成膜１３となる多層膜を基板１１表面に対して平行に積むことができるため、環状体１５〔前記図１の（５）参照〕に形成された場合にもその状態が維持され、多層膜を構成する各薄膜の界面は急峻で互いに平行となる。このため、界面における伝導電子のスピン依存散乱等の量子論的効果を有効に利用できる。また、環状体形成膜１３の側面部での各薄膜間のミキシングが生じないため、微小な環状体１５に形成した際に機能性多層膜としての機能を発現できる。
【００４２】
したがって、環状体形成膜１３を加工して得られる多層膜からなる環状体１５上部に電極（図示せず）を配置し、基板１１上に形成された図示していない電極との間に電圧をかけ、多層膜の膜面に垂直に電流を流すことにより円周方向の電流磁界を発生させ、記憶層磁性膜の磁化を反転させることができる。
【００４３】
次に、本発明の環状体の製造方法に係る第３実施の形態を、図５の製造工程図によって説明する。本発明の環状体の製造方法は、環状体の中心に導電体を形成する場合の製造方法である。
【００４４】
本第３実施の形態は、基本的には前記第１実施の形態と同様である。前記第１実施の形態と異なるのはコラム１２の形成方法である。以下、コラム１２の形成方法を主に説明する。
【００４５】
図５（１）に示すように、任意の回路が形成された基板１１上に、リソグラフィー用のレジスト膜２１１を例えば塗布により形成する。レジスト膜２１１の厚みは例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。上記レジスト膜２１１には、電子線リソグラフィー用のレジスト膜を用いた。上記電子線リソグラフィー用のレジストは、電子線照射部が現像液により溶解されるポジタイプとする。なお、ネガタイプの電子線レジストを使用することも可能である。次に、レジスト膜２１１に、形成しようとする導電線の大きさ、例えば直径２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の範囲に電子線（ＥＢ）を照射（電子線露光）する。次いで、現像により上記レジスト膜２１１の電子線照射部を除去することにより、図５（２）に示すように、レジスト膜２１１からなる微細な孔２１２を形成する。孔２１２の径は、電子線の照射条件と描画サイズによって制御される。ここでは、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の径を有する孔２１２を形成した。
【００４６】
次に、図５（３）に示すように、上記レジスト膜２１１上に上記孔２１２内部を埋め込むように導電膜２１３を配線材料で形成する。配線材料としては、例えば銅、銅合金、タングステン、アルミニウム等、半導体装置に用いられる配線材料を用いることができる。この成膜には、例えば銅を用いた場合にはスパッタリングおよび電解めっきにより成膜する。またタングステンを用いた場合にはスパッタリングにより成膜する。
【００４７】
次に、リフトオフによって上記レジスト膜２１１および上記レジスト膜２１１上に堆積された導電膜２１３を除去して、図５（４）に示すように、導電膜２１３からなる柱状の導電体１７を得る。この導電体１７は後に芯線の機能を有する。また、上記リフトオフ前に、導電膜２１３を化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって除去し、リフトオフ性を向上させることもできる。
【００４８】
次に、図５（５）に示すように、上記基板１１上に、上記導電体１７を埋め込むように環状体を形成する際のコラムの一部となる非磁性材料膜１８を、例えば絶縁膜で成膜する。したがって、非磁性材料膜１８は導電体１７よりも高く形成する。
【００４９】
次に、図５（６）に示すように、上記非磁性材料膜１８（図面２点鎖線で示す部分）を異方性加工（例えば、異方性ドライエッチングもしくはイオンミリング）することで、導電体１７の側周部のみに非磁性材料膜１８を残す。この結果、図５（７）に示すように、芯線となる導電体１７の側周に上記非磁性材料膜１８を形成したコラム１２が完成する。
【００５０】
その後、前記第１実施の形態で説明したのと同様に、上記コラム１２を用いて環状体を形成すればよい。すなわち、前記第１実施の形態の図１（２）以降の工程を行えばよい。
【００５１】
その結果、図６に示すように、中心に導電体１７からなる銅線が形成され、この導電体１７と同心円上に環状体１５が形成される。
【００５２】
次に、環状体の中心に導電体を形成する製造方法として、上記第３実施の形態とは別の製造方法を第４実施の形態として、図７の製造工程図によって説明する。
【００５３】
図７（１）に示すように、前記図１（７）によって説明した絶縁膜１６の平坦化工程の途中で、トランジスタのゲート電極に通じるコンタクトホールを形成するのと同様の手法で、環状体１５内の酸化シリコンからなるコラム１２に孔１９を設ける。次に、図７（２）に示すように、上記孔１９の内部に配線材料となる導電膜２０を埋め込む。その後、再び、化学的機械研磨によって、導電膜２０、絶縁膜１６等を平坦化することにより、図７（３）に示すように、環状体１５の軸中心に導電膜２０からなる導電体１７が得られる。ここでは、内径０．２μｍの多層膜の環状体１５内に、０．１μｍ径の銅電極を形成した例を示した。環状体１５と導電体１７とはコラム１２（絶縁膜）で絶縁分離された同軸構造となる。
【００５４】
上記第３、第４実施の形態において、環状体１５の膜構成は、たとえば、前記第２実施の形態で説明した、ＴＭＲ効果を発現するＭＴＪを有する多層膜を用いることができる。
【００５５】
上記ＴＭＲ効果を発現するＭＴＪを有する多層膜を用いてなる環状体１５内の導電体１７を電流線として、この電流線に電流を流し、上記環状体１５の円周方向に電流磁界を発生することにより、環状に形成された磁性膜からなる記憶層の磁化方向を反転することができる。環状体１５の中心を電流線となる導電体１７が通り、この導電体１７周囲に極近接して環状体１５が配置されているため、強度の高い円周方向電流磁界を効率よく上記環状体１５内に発生することができる。上記ＴＭＲ効果を発現するＭＴＪを有する多層膜を用いてなる環状体１５で構成される記憶セルによる磁化反転は、記憶セルの上下に直交するように配置された電流線を流れる直流電流によって発生する電流磁界による従来型の磁化反転と比べて、磁界利用効率が高く、かつ環状体１５そのものが磁気シールドとなる利点がある。
【００５６】
また、環状体１５内に形成された電流線により円周方向磁界を発生した状態で、前記第２実施の形態で説明したＭＴＪを有する多層膜に対して、適当な温度にてアニールすることにより、環状体１５における反強磁性層／磁化参照用強磁性膜界面に交換結合を誘導し、参照層の磁化方向を固定することができる。この際、アニール温度は、上記反強磁性層／参照層のブロッキング温度、もしくは反強磁性層のネール温度、もしくは反強磁性層が規則相の場合は規則化温度以上の温度とする。
【００５７】
上記第１〜第４実施の形態に係る環状体の製造方法では、コラム１２を芯にして環状体形成膜１３を堆積すること、および環状体形成膜１３を被覆するマスク膜１４を形成した後にマスク膜１４および環状体形成膜１３を異方性加工することから、いわゆる自己整合的に環状体１５が形成される。このため、サブミクロン以下のサイズ（径）、かつｎｍ〜Åオーダーの厚みの微小な環状体１５を高精度にかつ再現性高く形成できる。なお、コラム１２を形成した後、そのコラム１２周囲に環状体形成膜１３を堆積形成することから、環状体１５の内側への余分な膜付着は生じない。
【００５８】
また、コラム１２の形状を適宜変更することによって、環状体１５の内外径および厚みを自在にかつ高精度に制御できる。そのため形成される環状体１５の寸法ばらつきを小さくすることができる。
【００５９】
また、環状体形成膜１３を複数の薄膜で形成する製造方法では、磁性膜を含む薄膜を積層して堆積形成することができる。そして、コラム１２は基板１１表面に対して垂直方向の断面が台形に形成される、すなわちコラム１２側面は傾斜面で形成されることから、環状体１５を構成する各薄膜の界面を形状および組成ともに、いわゆる急峻にできるとともに、互いに平行に形成することが可能となる。さらに、多層膜側面部（コラム側の面）でのミキシングも生じない。このため、多層膜で構成される環状体を用いて、種々の機能性デバイス、例えば磁気記憶素子の作製が可能となる。
【００６０】
さらに、柱状の導電体１７とこの導電体１７の側周に形成された非磁性材料膜１８とでコラム１２を形成する場合には、中心部に導電体１７を通した環状体１５を形成することが可能となる。このように、中心部に導電体（例えば電流線）１７を通した環状体１５を、磁性層を含む多層膜で形成して、記憶セルとして用いた場合には、導電体１７に電流を流すことによって環状体１５の円周方向に発生する電流磁界により記憶セルの磁化反転を行うことが可能となる。環状体１５の中心を導電体１７が通り、かつ導電体１７周囲に極近接して環状体１５が形成されるため、強度の高い円周方向電流磁界を効率よく利用できる。また、環状体１５そのものが磁気シールドとなるため、隣接する素子への漏洩磁界の影響を排除できる利点がある。
【００６１】
また環状体１５の中心部に導電体（電流線）１７を形成することによる使用電流効率の向上は、約２７％と見積もられる。例えば外径が０．６μｍ、内径が０．２μｍの環状体１５において、センス電流を１０ｍＡに固定したときの必要書き込み電流を比べると、環状体１５の上下に配した電流線からの磁界による場合は１５ｍＡであるのに対し、環状体１５の中心を通る導電体（電流線）１７による場合は１１ｍＡでよいことがわかった。
【００６２】
なお、本発明による環状体の製造方法の適用対象膜は、軟磁性膜に限られない。例えば、誘電体膜や各種機能性薄膜に対し適宜、適用可能であり、各種マイクロデバイス等としての応用が可能である。
【００６３】
次に、前記第３、第４実施の形態で用いる環状体１５を構成するＭＴＪ膜の一例を、以下に説明する。
【００６４】
環状体１５を構成するＭＴＪ膜としては、下層より、環状の第１軟磁性膜／環状の絶縁膜（例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２  Ｏ３  ）膜／第１軟磁性膜よりも保持力（Ｈｃ）の小さい環状の第２軟磁性膜という積層構成をとることができる。軟磁性膜としては、例えば、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｆｅ等が用いられる。保持力（Ｈｃ）の差は、軟磁性膜の材質あるいは膜厚によって制御できる（膜厚の厚い方が保持力（Ｈｃ）が大きくなる）。この場合、情報（環状体１５における磁化方向が右回りか左回りか）は、保持力（Ｈｃ）の大きい方の環状の軟磁性膜に記憶され、保持力（Ｈｃ）の小さい環状の軟磁性膜は情報の読み出しに使われる。
【００６５】
次に、前記第３、第４実施の形態で用いる環状体１５は、記憶素子としてＧＭＲ効果を利用する各種ＧＭＲ膜を用いることもできる。ＧＭＲ膜の構成は、例えば、下層より、環状の第１軟磁性膜／環状の非磁性金属膜（例えば銅膜）／第１軟磁性膜よりも保持力（Ｈｃ）の小さい環状の第２軟磁性膜という積層構成をとることができる。もしくは、それら積層膜をさらに複数回積層した多層膜とすることもできる。軟磁性膜としては、例えば、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｆｅ等が用いられる。保持力（Ｈｃ）の差は、軟磁性膜の材質あるいは膜厚によって制御できる（膜厚の厚い方が保持力（Ｈｃ）が大きくなる）。この場合、情報（環状体１５における磁化方向が右回りか左回りか）は、保持力（Ｈｃ）の大きい方の環状の軟磁性膜に記憶され、保持力（Ｈｃ）の小さい環状の軟磁性膜は情報の読み出しに使われる。また、２つの軟磁性膜のうち、一方の軟磁性膜の磁化方向を適当な方法で円周方向の一方向に固定した場合は、これを参照層とし、他方の軟磁性膜を記憶層として用いる。この場合、２層の軟磁性膜に保持力（Ｈｃ）差を持たせる必要はない。
【００６６】
ところで、環状記憶素子においては、記憶層の磁化反転のために環状記憶素子を貫通する電流線による磁界は必ずしも必要ない。ビット線から環状ＧＭＲ膜を通して十分大きい電流を流すことにより、環状磁性膜中に磁化反転に必要な円周方向磁界を発生させることができる。しかしながら、環状体内において磁化方向を１８０°反転させるに必要な磁界、すなわちビット線電流はかなり大きく、場合によっては記憶素子への何らかのダメージ、あるいは、ビット線における発熱が問題になる。そこで、環状記憶素子を貫通する電流線による磁界を、ビット線から環状記憶素子を通って流れる電流による磁界に加えることにより、両電線に流す電流を低く押さえることができるとともに、環状体内の円周方向に強い磁界を発生させることができ、低電流密度で高速な磁化反転が可能となる。
【００６７】
次に、上記第３、第４実施の形態で得られる環状体の構成をＭＲＡＭに適用した例を、図８によって説明する。図８は、ＭＲＡＭの一つのセルを代表して示すもので（１）に概略構成断面図を示し、（２）に記憶素子および配線の平面レイアウト図を示す。
【００６８】
図８に示すように、ＭＲＡＭ３０１は、記憶セル３１０毎にスイッチ用の電界効果トランジスタ３２０を配置する１Ｔ１Ｊ方式となっている。各電界効果トランジスタ３２０のドレイン３２１上に電極３３０を介して、ＭＴＪを有する多層膜からなる環状体の記憶セル３１０を配置する。記憶セル３１０の最上層にはビット線３４０が配されており、記憶セル３１０を貫通する導電体（電流線）３５０は、ビット線３４０と立体的に交差（例えば直交）するワード線３６０に接続されている。１本のビット線３４０、ワード線３６０には、図示されていない多数の記憶セルが接続されている。ドレイン３２１上の電極３３０は、環状体からなる記憶セル３１０と導電体（電流線）３５０の共通端子となる。ビット線３４０とワード線３６０の配置関係は、図では直交させているが、特に制限はない。
【００６９】
次に、スピン注入磁化反転を利用した本発明の磁気記憶装置を説明する。
【００７０】
記憶セルの磁化反転は、現状、導電線に電流を流したときに発生する電流磁界によって行われている。磁気記憶装置の大容量化にともない記憶セルの微細化が進む。これとともに、磁化反転に必要な磁界発生のための電流量は、セルサイズにほぼ反比例して増加する。ギガビットを超える大容量を実現するためのセルサイズは、１００ｎｍのオ−ダ−となる。この場合、電流密度や供給可能電流量の制限から、もはや、電流磁界による書き込みは困難となる。このため、電流磁界によらない新たな磁化反転方法が必要となる。
【００７１】
電流磁界によらない磁化反転方法として、有望な手法の一つが、スピン偏極電流の注入による磁化反転（以下、スピン注入磁化反転という）がある。これは、Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉによって、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜に対して理論的に予測されていた。ＣＰＰは、電流を膜面に垂直に流すことを意味し、Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅの略である。
【００７２】
図９に示すように、第１強磁性膜９０１／非磁性導電膜９０３／第２強磁性膜９０２の３層から成るＧＭＲ膜において、第１強磁性膜９０１を薄く、第２強磁性膜９０２を厚く形成し、電流Ｉを膜面に対して垂直に流す。この際、電流電子のスピン角運動量が第１強磁性膜９０１の局所磁化スピンに受け渡されて歳差運動を誘起し、ある臨界電流値以上で第１強磁性膜９０１の磁化反転に至る。厚い第２強磁性膜９０２は、その磁化方向が電流による影響を受けないよう、第１強磁性膜９０１に対して相対的に十分大きな厚みを持たせてあり、スピンフィルターとして機能する。この意味で、第１強磁性膜９０１を自由層（もしくは反転層）、第２強磁性膜９０２を固定層と呼ぶ。電子を第１強磁性膜９０１から第２強磁性膜９０２に流したとき、第１、第２強磁性膜の磁化配列は、平行状態が安定となり、逆に、第２強磁性膜９０２から第１強磁性膜９０１に電子を流すと、反平行状態が安定となる。すなわち、流す電流Ｉの向きで、第１、第２強磁性膜９０１、９０２の磁化の相対角度を０°もしくは１８０°に制御することができる。同モデルは、既に、複数の実験にて支持されている。
【００７３】
このスピン注入磁化反転によれば、磁性膜面を横切って電流を流すことにより磁化反転できるため、書き込み用のワード線が不要となり、素子構造はより極めて簡単なものとなる。また、磁化反転の方向は、電流を流す方向で決めることができる。
【００７４】
スピン注入磁化反転における磁化反転電流値は、原理上、同一電流密度において記憶セルのサイズに比例するため、記憶セルのサイズは小さいほど望ましい。この点、本発明の環状体の形成方法により形成されるＭＴＪを有する多層膜からなる環状体は、外内径および環状部の幅を極めて小さくすることが可能であり、素子を破壊しない実用的な電流密度で磁化反転できるセル体積とすることができる。しかも本発明の環状体の形成方法により形成されるＭＴＪを有する多層膜からなる環状体は、その構成各層の界面を急峻かつ各々平行に配置することが可能であるため、上記スピン注入磁化反転を利用した磁気記憶装置に用いるには好適である。
【００７５】
記憶素子としては、各種磁気抵抗効果膜が使える。ＧＭＲ膜を使用した場合、膜構成は、前記説明したように、例えば、下層より、環状の第１軟磁性膜／環状の非磁性金属膜（例えば銅膜）／第１軟磁性膜よりも保持力（Ｈｃ）の小さい環状の第２軟磁性膜という積層構成をとることができる。軟磁性膜としては、例えば、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｆｅ等が用いられる。保持力（Ｈｃ）の差は、軟磁性膜の材質あるいは膜厚によって制御できる（膜厚の厚い方が保持力（Ｈｃ）が大きくなる）。この場合、情報（環状体１５における磁化方向が右回りか左回りか）は、保持力（Ｈｃ）の小さい方の環状の軟磁性膜に記憶され、保持力（Ｈｃ）の大きい環状の軟磁性膜は情報の読み出しの際の参照層およびスピン偏極電子のソース（スピン分極源）として使われる。また、参照層磁性膜の磁化方向を適当な方法で円周方向の一方向に固定した場合は、２層の軟磁性膜に保持力（Ｈｃ）差を持たせる必要はない。
【００７６】
さらに、上記ＧＭＲ膜の代わりに、前記説明したようなＴＭＲ膜を用いることもできる。
【００７７】
次に、本発明の磁気記憶装置に係る一実施の形態を、図１０によって説明する。図１０は、スピン注入磁化反転を利用したＭＲＡＭの一つのセルを代表して示すもので（１）に概略構成断面図を示し、（２）に記憶セルの斜視図を示す。
【００７８】
図１０に示すように、上記ＭＲＡＭ１０００は、記憶セル１０３０毎に選択用素子のトランジスタ１０１０を配置する１トランジスタ１接合（１Ｔ１Ｊ）方式となっている。すなわち、半導体基板１００１上には例えば電界効果トランジスタからなる上記トランジスタ１０１０が形成されている。上記トランジスタ１０１０のドレイン領域１０１３には電極１０２０が接続されている。さらに電極１０２０上にはＭＴＪを有する多層膜からなる環状体の上記記憶セル１０３０が形成されている。この記憶セル１０３０上には情報を書き込むためのビット線１０４０が配設されている。このビット線１０４０には、図示されていない多数の記憶セルが接続されている。
【００７９】
また図１０（２）に示すように、上記記憶セル１０３０は、スピン分極源となる磁性層からなる参照層１０３２、非磁性層からなるスペーサ１０３３および磁性層からなる記憶層（自由層ともいう）１０３４の積層構造を有し、例えば参照層１０３２の下層には下地層１０３１が形成され、記憶層１０３４上には導電層１０３５が形成されていてもよい。
【００８０】
上記したように、記憶セル１０３０は、磁性膜（自由層）／非磁性膜／磁性膜（固定層）が基本構造であり、ＧＭＲ膜もしくはＴＭＲ膜を用いることができる。磁性膜としては、一般に使われている軟磁性材料、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどを用いることができる。上記磁性膜は、結晶材料でも非晶質材料でもよく、多結晶膜でも、単結晶膜でもよい。前述の金属膜以外に、各種磁性半導体やハーフメタルの使用も可能である。
【００８１】
上記非磁性膜は、ＧＭＲ膜の場合、一般にＣｕが用いられる。これは、磁性材料との組み合わせによって適宜選択される。ＴＭＲ膜の場合、一般に酸化アルミニウム（Ａｌ２  Ｏ３  ）が用いられるが、低抵抗化のために窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｎ）、ジルコニウム窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｎ−Ｚｒ）等を用いることも可能である。
【００８２】
上記固定層の構造としては、単層の磁性膜に反強磁性膜を隣接させた交換結合膜が多く用いられる。また、その発展形として、固定層に積層フェリ構造を持たせた構造も多用される。これは、反強磁性膜の上に、強磁性膜／Ｒｕ／強磁性膜の３層構造を形成したもので、強磁性膜には、前述の各種材料が用いられる。Ｒｕの膜厚は、２つの磁性膜の層間交換結合が反強磁性的になるよう、適宜選択されるが、一般に、０．７ｎｍ〜０．８ｎｍである。
【００８３】
上記ＭＲＡＭ素子１０００は、ビット線１０４０を通じて記憶セル１０３０に流す電流の大きさによって読み出し、書き込みを行うことが可能である。すなわち、記憶セル１０３０の記憶層１０３４の磁化反転電流値以上の電流を流すことにより書き込みを行い、磁化反転が生じない弱い電流によって読み出しが行われる。必要な電流線はビット線１０４０のみであり、構造はいたって簡単となる。
【００８４】
本実施の形態における記憶セル１０３０の環状体の大きさは、例えば外径が１２０ｎｍ、内径が６０ｎｍ、厚みが３ｎｍであり、体積は約２５×１０３  ｎｍ３  である。記憶セル１０１０をＧＭＲ膜とした場合、磁化反転に必要な電流密度は１０７  Ａ／ｃｍ２  台であった。室温において、記憶セル１０３０を破壊しない実用的な電流密度（１０７  Ａ／ｃｍ２  台以下）でスピン注入磁化反転を実現するためには、記憶セル１０３０の体積を２５×１０３  ｎｍ３  程度以下にすることが必要とされており、上記実施の形態ではこれを実現できる。
【００８５】
上記磁気記憶装置１０００では、無磁界で、電流のみで記憶層１０３４の磁化方向を反転することが可能となる。したがって、この磁気記憶装置１０００は、上記説明したように、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて記憶層の書き込みに適用することが可能となる。また本発明の磁気記憶装置１０００を実用化するにあたっては、記憶セルの単磁区化、反転電流の低減等の要請であるセルサイズを２００ｎｍ程度以下の大きさにすることができ、メモリの大容量化における要請を満たすことができる。また記憶セル１０３０が小さくなるほど、反転に必要な電流が減少する。このため、センス電流のみで、読み出し、書き込みが行える。例えば、小電流で読み出し、大電流では書き込みを行うことができる。さらに電流磁界書き込みにおける半選択状態がないので、熱的に安定である。言い換えれば、熱揺らぎ耐性が強いという利点を有する。そして、素子構造が非常に簡単になるため、従来のＭＲＡＭでは必要とされていた書き込み用ワード線が不要となり、またバイパス線が不要となり、さらに選択用素子となる例えばトランジスタ１０１０の直上に記憶素子１０３０を配置できるため、大規模集積回路を構成するのに好都合となる。
【００８６】
次に、本発明の磁気記憶装置の製造方法に係る一実施の形態を、図１１によって説明する。
【００８７】
図１１に示すように、本発明の磁気記憶装置（例えばＭＲＡＭ）の製造方法は、半導体基板１００１上に、通常の電界効果トランジスタを形成する製造方法によりトランジスタ１０１０を形成する。すなわち、半導体基板１００１上にゲート絶縁膜１０１１を形成した後、その上にゲート電極１０１２を形成する。次いで、ゲート電極１０１２の両側における半導体基板１００１にドレイン領域１０１３とソース領域１０１４を形成することによる。次に、上記トランジスタ１０１０を覆う絶縁膜１０５０を形成した後、この絶縁膜１０５０にトランジスタ１０１０のドレイン領域１０１３に達するコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホールを通してドレイン領域１０１３に接続する電極１０２０を形成する。その後、電極１０２０を覆う状態に絶縁膜１０５２を形成した後、その表面を平坦化し、電極１０２０表面を露出させる。
【００８８】
次に、本発明の環状体の製造方法を用いて、上記電極１０２０に接続するものでスピン注入磁化反転を利用して情報を記憶する環状の記憶セル（磁気記憶素子）１０３０を形成する。このとき、前記図１（６）〜（８）によって説明したように、絶縁膜（１６）およびコラム（１２）が記憶セル１０３０上面を露出した状態で埋め込むように形成される絶縁膜１０５４になる。
【００８９】
次に、絶縁膜１０５４上に記憶セル１０３０の上面に接続するビット線１０４０を形成する。その後、ビット線１０４０を覆う絶縁膜１０５４が形成される。なお、上記ビット線１０４０は溝配線を形成する技術によって形成することもできる。
【００９０】
上記磁気記憶装置の製造方法では、本発明の磁気記憶装置１０００を容易に製造することが可能になる。すなわち、環状の記憶セル１０３０を本発明の環状体の製造方法を利用して形成することから、磁性層と非磁性層と磁性層とを積層し、その積層膜を環状に形成した環状の記憶セル１０３０を形成することが容易に、高精度に、かつ再現性良く製造することが可能になる。
【００９１】
本発明の磁気記憶装置の製造方法によれば、記憶セル１０３０の内径を例えば８０ｎｍ程度、記憶セルの外径を例えば１００ｎｍ程度に形成することも可能である。このように、微小な記憶セル１０３０の体積を非常に小さくすることができるので、磁化反転をより小さな電流で実現することができるようになる。
【００９２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の環状体の製造方法によれば、自己整合的に環状体を形成することができるため、サイズの微小な環状体を高精度にかつ再現性高く、所望の大きさに形成できる。また環状体形成膜は複数の薄膜で形成することが可能であり、各薄膜の界面を形状および組成ともに、いわゆる急峻にできるとともに、互いに平行に形成することができる。このため、多層膜で構成される環状体を用いて、種々の機能性デバイス、例えば磁気記憶素子の作製が可能となる。したがって、量産において高い歩留まりが得られる。
【００９３】
本発明の磁気記憶装置によれば、無磁界で、電流のみで自由層となる磁性層の磁化方向を反転することが可能となる。したがって、この磁気記憶装置は、ＭＲＡＭ等の磁気記憶装置において記憶層の書き込みに適用することが可能となる。また記憶セルの実効体積を小さくできるので、スピン偏極電流の注入による磁化反転に対しても好適であり、記憶容量の大容量化の要請を満たすことができるとともに、磁化反転に必要な電流を減少させることができ、消費電力の低減も図れる。したがって、大規模集積回路を構成するのに好都合なものになっている。
【００９４】
本発明の磁気記憶装置の製造方法によれば、本発明の磁気記憶装置を容易に製造することが可能になる。すなわち、環状の磁気記憶素子を本発明の環状体の製造方法を利用して形成することができるので、磁性層と非磁性層と磁性層とを積層し、その積層膜を環状に形成した環状の磁気記憶素子を、容易に、高精度に、かつ再現性良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の環状体の製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程図である。
【図２】本発明の環状体の製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程図である。
【図３】コラム側面を傾斜面に形成する理由を説明する断面図である。
【図４】本発明の環状体の製造方法に係る第２実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図５】本発明の環状体の製造方法に係る第３実施の形態を示す製造工程図である。
【図６】環状体の中心に導電体を形成した一例を説明する概略構成断面図およびレイアウト図である。
【図７】本発明の環状体の製造方法に係る第４実施の形態を示す製造工程図である。
【図８】第３、第４実施の形態で得られる環状体の構成をＭＲＡＭに適用した例を示す図面であり、（１）は概略構成断面図であり、（２）は記憶素子および配線の平面レイアウト図である。
【図９】スピン偏極電流の注入による磁化反転を説明する膜構成断面図である。
【図１０】本発明の磁気記憶装置に係る一実施の形態を示す図面であり、（１）は概略構成断面図であり、（２）は記憶セルの斜視図である。
【図１１】本発明の磁気記憶装置の製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【符号の説明】
１１…基板、１２…コラム、１３…環状体形成膜、１４…マスク膜、１５…環状体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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