(57)【要約】【課題】第一電極（ソース電極）・第二電極（ドレイン電極）間の部分的な距離の短縮によって伝導パスを限定化する以外に、伝導パスの形成箇所を制御し得る構造及び動作方法を提供する。【解決手段】本発明の抵抗変化素子は、金属イオンが伝導するイオン伝導体２０ａと、イオン伝導体２０ａに金属イオンを供給する第一電極１１ａと、イオン伝導体２０ａに電子を供給する第二電極１２ａとを備え、第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間の通電によってイオン伝導体２０ａに伝導パスが形成される。そして、第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間のイオン伝導体２０ａ中に局所的に電子を供給する第三電極１３ａを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2010141249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオンが伝導するイオン伝導体と、このイオン伝導体に前記金属イオンを供給する第一電極と、前記イオン伝導体に電子を供給する第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間の前記イオン伝導体中に局所的に電子を供給する第三電極と、
を備え、
前記第三電極の周縁の少なくとも一部は、前記第一電極と前記第二電極との間の前記イオン伝導体を横断するように位置する、
抵抗変化素子。
【請求項２】
前記イオン伝導体が両面を有する膜状であり、前記イオン伝導体の一方の面に前記第一電極が設けられ、前記イオン伝導体に接して前記第二電極が設けられ、前記イオン伝導体の他方の面に前記第三電極が設けられている、
ことを特徴とする請求項１記載の抵抗変化素子。
【請求項３】
前記イオン伝導体が第一層及び第二層の積層構造であり、前記第二電極は前記第一層および前記第二層に接し、
前記第二層のイオン伝導率が前記第一層のイオン伝導率がよりも低い、
ことを特徴とする請求項２記載の抵抗変化素子。
【請求項４】
前記第二電極は、前記イオン伝導体の前記一方の面に設けられている、
ことを特徴とする請求項２記載の抵抗変化素子。
【請求項５】
ｐ型半導体からなる第四電極を更に備え、前記第三電極がｎ型半導体からなり、前記第三電極の前記周縁の少なくとも一部は、前記第四電極とのｐｎ接合面を形成する、
ことを特徴とする請求項２、３又は４のいずれか１項に記載の抵抗変化素子。
【請求項６】
前記イオン伝導体の他方の面における前記第三電極の設けられていない部分及び前記第三電極が絶縁体に接する、
ことを特徴とする請求項２、３又は４のいずれか１項に記載の抵抗変化素子。
【請求項７】
前記第一電極が銅、前記第二電極及び前記第三電極が白金、前記イオン伝導体が酸化タンタル、及び前記絶縁体が酸化シリコンからなる、
ことを特徴とする請求項６記載の抵抗変化素子。
【請求項８】
前記第一電極が銅、前記第二電極が白金、前記イオン伝導体が酸化タンタル、並びに前記三電極及び前記第四電極がシリコンからなる、
ことを特徴とする請求項５記載の抵抗変化素子。
【請求項９】
金属イオンが伝導するイオン伝導体と、このイオン伝導体に前記金属イオンを供給する第一電極と、前記伝導体に電子を供給する第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間の前記イオン伝導体中に局所的に電子を供給するための第三電極と、を含む抵抗変化素子に対して、
前記第一電極に正電圧、前記第二電極に負電圧を与え、前記第三電極に負電圧を印加して前記第三電極から前記イオン伝導体に伝導パスを形成するための電子を供給する工程
を実施する、抵抗変化素子の動作方法。
【請求項１０】
金属イオンが伝導するイオン伝導体と、このイオン伝導体に前記金属イオンを供給する第一電極と、前記伝導体に電子を供給する第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間の前記イオン伝導体中に局所的に電子を供給するために互いに接して設けられた第三電極と及び第四電極とを含み、前記第三電極がｎ型半導体、前記第四電極がｐ型半導体である抵抗変化素子に対して、
前記第一電極に正電圧、前記第二電極に負電圧を与え、前記第三電極と前記第四電極とのｐｎ接合面に逆方向電圧を印加して当該ｐｎ接合面から前記イオン伝導体に伝導パスを形成するための熱電子を供給する工程
を実施する、抵抗変化素子の動作方法。
【請求項１１】
前記工程の後、
前記第一電極に負電圧、前記第二電極に正電圧を印加して、前記伝導パスを消滅させる工程、
を実施する、請求項９または１０に記載の抵抗変化素子の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応を利用した抵抗変化素子、及び、その動作方法に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
再構成可能な半導体集積回路の代表的な素子として、ＦＰＧＡ（field programmable gate array）がある。ＦＰＧＡは、ユーザーの欲しい機能を、設計開発の費用・マスク等の初期費用を要せず、かつ、短い期間で開発することができる。再構成するためのスイッチ素子は、ロジックセルと同様の方法で製造できるＳＲＡＭ（static random access memory）及びパストランジスタからなるＳＲＡＭスイッチが、これまで用いられてきた。一方、ＳＲＡＭスイッチは、ＦＰＧＡのチップ面積の半分以上を占めているので、面積増大に伴う製造コスト増大、及び、配線遅延などの性能低下などの問題を発生させる。このため、ＳＲＡＭスイッチよりも、スイッチの面積（１２０Ｆ２（Ｆは集積回路の最小加工寸法））が小さく、オン時の抵抗値（１ｋΩ程度）が小さいスイッチ素子が望まれている。その代替候補の一つとして、イオン伝導を利用した抵抗変化素子が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
図１３は本発明の関連技術を示す断面図であり、図１３［１］が第一例、図１３［２］が第二例である。図１４は本発明の関連技術の動作を示す断面図であり、図１４（ａ）から図１４（ｄ）へ動作が進行する。以下、これらの図面に基づき、本発明の関連技術について説明する。
【０００４】
イオン伝導を利用した抵抗変化素子は、図１３［１］に示すようにイオン伝導層を二つの電極で挟み込んだ構造をしている（非特許文献１）。例えば、イオン伝導層１２０ａにＴａ２Ｏ５が用いられ、上下電極である第一電極１１１ａ及び第二電極１１２ａにそれぞれＣｕ及びＰｔが用いられている。
【０００５】
図１４に動作方法を示す。まず、図１４（ａ）に示すように、製造直後に第一電極１１１ａと第二電極１１２ａとの間に電圧を印加することにより、スイッチをオフからオンに切り替える。なお、製造直後の最初のオン操作を、特に「フォーミング動作」という。印加電圧の極性は、第二電極１１２ａに対してイオン供給機能を有する第一電極１１１ａ側が正である。このとき、第一電極１１１ａの金属が金属イオンになってイオン伝導層１２０ａに溶解する。イオン伝導層１２０ａに含まれる金属イオンは、第二電極１１２ａから供給された電子と中和することで、イオン伝導層１２０ａ中に金属になって析出する。そのため、第一電極１１１ａと第二電極１１２ａとを接続する金属架橋（伝導パス１１６ａ）が形成され、第一電極１１１ａと第二電極１１２ａとが電気的に接続されたオン状態を作ることができる（図１４（ｂ））。
【０００６】
一方、オン状態から高抵抗であるオフ状態にするためには、図１４（ｃ）に示すように、第二電極１１２ａに対して第一電極１１１ａが負になるように電圧を印加する。架橋部分は、第一電極１１１ａ内部及び第二の電極１１２ａ内部よりも高抵抗であるため、電界が発生する。その結果、架橋を構成する金属が、一部イオン化してイオン伝導層１２０ａに溶解し、第一電極１１１ａ側に移動する。イオン化によって架橋が細くなった箇所はますます電界がかかるようになるため、イオン化が更に加速され、最後には架橋が切れ、電気的に接続されないオフ状態を作る（図１４（ｄ））。
【０００７】
オフ状態から再度オン状態するには、第二電極１１２ａに対して第一電極１１１ａに正の電圧を印加して再度架橋を形成する。フォーミング前の状態に比べると、金属架橋の一部がイオン伝導層１２０ａ中に残っているため、オンへのスイッチングに要する時間又は印加電圧は少なくて済む。
【０００８】
このようにして配線間を電気的に接続したり遮断したりすることが可能であり、オン状態及びオフ状態は電源を遮断した後も保存できる。なお、電気的接続は、架橋の完全な切断／短絡による動作でなくてもよい。例えば、第一電極１１１ａと第二電極１１２ａとの間で電気抵抗が変化したり電極間容量が変化したりするなどの電気特性の変化をセンスすることにより、スイッチ又は記憶作用として用いることも可能である。
【０００９】
イオン伝導を利用した抵抗変化素子の構造は、この他に図１３［２］に示した構造もある（特許文献２）。図１３［１］と同様、第一電極１１１ｂと第二電極１１２ｂとの間に電圧を印加してイオン伝導層１２０ｂに金属架橋を形成する点では同じである。しかし、架橋を切断するオフ状態への切り替えの時に架橋による電気的な接続がない第三電極１３ｂからの電界によって金属架橋のイオン化を加速させることにより、低電流でオフ状態にすることができる。特許文献２に開示された構造は、スイッチの面積として８Ｆ２、オン時の抵抗として１００Ω程度である。ＳＲＡＭスイッチよりも小面積で低抵抗であり、かつ、これらの状態を低い消費電力で動作させることが可能であるため、次世代のＦＰＧＡ用スイッチ素子として期待されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３１９０２８号公報
【特許文献２】特開２００６−３３９６６７号公報
【非特許文献１】Copal Raghavan et al., “Diffusion of copper through dielectric films under bias temperature stress”, Thin Solid Films 262 (1995) 168-176.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１５は関連技術の第一例における課題を示し、図１５［１］が平面図、図１５［２］が図１５［１］におけるII−II線縦断面図である。図１６は関連技術の第二例における課題を示し、図１６［１］が平面図、図１６［２］が図１６［１］におけるII−II線縦断面図である。図１７は関連技術の第三例における課題を示し、図１７［１Ａ］が平面図、図１７［２Ａ］が図１７［１Ａ］におけるIIａ−IIａ線縦断面図、図１７［１Ｂ］が平面図、図１７［２Ｂ］が図１７［１Ｂ］におけるIIｂ−IIｂ線縦断面図である。以下、これらの図面に基づき、関連技術の課題について説明する。
【００１２】
イオン伝導を利用した抵抗変化素子は、図１４（ａ）（ｂ）に示したように製造後、電極間に高い電圧をかけたフォーミング動作によって、オン状態とオフ状態を切り替えるための伝導パス（金属架橋）の核を形成する。一方、図１５［１］に示すように素子を上面から見て考えた場合、端子間には複数のパス核１１７ａが同時に生成される。この複数のパス核１１７ａのサイズは、面内膜厚の揺らぎなどでバラつく。そのため、径の小さいパス核１１７ａは、書換え時のディスターブになったり、保持中に偶発的に繋がったり切れたりして抵抗値を変化させてしまう。したがって、伝導パス１１６ａの形成領域をより狭い範囲に限定し、オン・オフ状態の抵抗を単一の架橋の径で制御することが、素子の信頼性上最も望ましい。
【００１３】
一つの解決方法として、端子間の距離を部分的に狭くして伝導パスの形成領域を限定する方法がある（特許文献２）。図１６に示すように、第一電極１１１ｂと第二電極１１２ｂとが同一のイオン伝導層１２０ｂ上に形成されている。この場合、架橋の形成箇所は、第一電極１１１ｂと第二電極１１２ｂとの間の、更にイオン伝導層１２０ｂの「上部」のみに限定される。このため、伝導パス１１６ｂやパス核１１７ａの形成箇所が２次元的なものから１次元的なものに低減するので、複数のパスが形成される確率を下げることができる。
【００１４】
更に、図１７に示すように第一電極１１１ｃ及び第二電極１１２ｃの形状をパターニングすることにより、それらの一部（先鋭部１１８ｃ）の距離をイオン伝導層１２０ｃの上面内で狭くする。そうすれば、電界が強まる効果を利用して伝導パス１１６ｃを更に限定的に（ゼロ次元的に）形成することができる。一方、実際にリソグラフィを用いて図１７に示すような先鋭部１１８ｃの形状を形成しようとする場合、尖角部分がプロセスの影響を受けやすい。その結果、複数のウェハ間又は同一のウェハ間でも、先鋭部１１８ｃからなるソース電極・ドレイン電極間の距離が異なってしまい、素子特性に大きなバラツキが発生してしまう。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、第一電極（ソース電極）・第二電極（ドレイン電極）間の部分的な距離の短縮によって伝導パスを限定化する以外に、伝導パスの形成箇所を制御し得る構造及び動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る抵抗変化素子は、金属イオンが伝導するイオン伝導体と、このイオン伝導体に前記金属イオンを供給する第一電極と、前記イオン伝導体に電子を供給する第二電極と前記第一電極と前記第二電極との間の前記イオン伝導体中に局所的に電子を供給する第三電極と、を備え、前記第三電極の周縁の少なくとも一部は、前記第一電極と前記第二電極との間の前記イオン伝導体を横断するように位置する。本発明に係る抵抗変化素子の動作方法は、金属イオンが伝導するイオン伝導体と、このイオン伝導体に前記金属イオンを供給する第一電極と、前記伝導体に電子を供給する第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間の前記イオン伝導体中に局所的に電子を供給するための第三電極と、を含む抵抗変化素子に対して、前記第一電極に正電圧、前記第二電極に負電圧を与え、前記第三電極に負電圧を印加して前記第三電極から前記イオン伝導体に伝導パスを形成するための電子を供給する工程を実施する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、素子特性のバラツキを回避した抵抗変化素子とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明に係る抵抗変化素子の第一実施形態を示し、図１［１］は平面図、図１［２］は図１［１］におけるII−II線縦断面図、図１［３］は図１［１］におけるIII−III線縦断面図である。図２は、第一実施形態の他の例を示す断面図である。図３は第一実施形態の動作を示し、図３［１］は平面図、図３［２］は図３［１］におけるII−II線縦断面図、図３［３］は図３［１］におけるIII−III線縦断面図、図３［４］は図３［１］における領域IVの拡大横断面図である。以下、これらの図面に基づき第一実施形態について説明する。
【００１９】
本実施形態の抵抗変化素子は、金属イオンが伝導するイオン伝導体２０ａと、イオン伝導体２０ａに金属イオンを供給する第一電極１１ａと、イオン伝導体２０ａに電子を供給する第二電極１２ａとを備え、第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間の通電によってイオン伝導体２０ａに伝導パス１６ａ（図３［１］［２］）が形成される。そして、本実施形態の抵抗変化素子は、第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間のイオン伝導体２０ａ中に局所的に電子を供給する第三電極１３ａを備えたことを特徴とする。
【００２０】
イオン伝導体２０ａは両面を有する膜状であり、イオン伝導体２０ａの一方の面に第一電極１１ａ及び第二電極１２ａが設けられ、イオン伝導体２０ａの他方の面に第三電極１３ａが設けられている。第三電極１３ａの周縁の一部１３１ａは、イオン伝導体２０ａの他方の面に接するとともに、第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間のイオン伝導体２０ａを横断するように位置する。
【００２１】
第三電極１３ａはイオン伝導体２０ａの他方の面の一部に設けられている。イオン伝導体２０ａの他方の面における第三電極１３ａの設けられていない部分、及び第三電極１３ａの周縁の一部１３１ａは、絶縁体１５ａに接する。
【００２２】
例えば、第一電極１１ａが銅、第二電極１２ａ及び第三電極１３ａが白金、イオン伝導体２０ａが酸化タンタル、及び絶縁体１５ａが酸化シリコンからなる。また、本実施形態の抵抗変化素子は、一用途として、第一電極１１ａをソース電極、第二電極１２ａをドレイン電極、第三電極１３ａをゲート電極とすることにより、スイッチング素子として機能する。
【００２３】
本実施形態の抵抗変化素子は、不揮発性スイッチング素子として動作する。以下、本実施形態の抵抗変化素子を「スイッチング素子」と呼ぶことし、その構造について詳しく説明する。
【００２４】
図１に示すように、スイッチング素子は、絶縁体１５と第三電極１３ａが隣接するように形成された基板１０ａと、基板１０ａ上に形成されたイオン伝導層２０ａと、イオン伝導層２０ａ上にお互いに所定の距離を離して形成された第一電極１１ａ及び第二電極１２ａとからなる。第一電極１１ａは、イオン伝導層２０ａに金属イオンの供給が可能な金属材料から構成されている。第二電極１２ａは、イオン伝導層２０ａに金属イオンを供給しない金属材料から構成されている。なお、第三電極１３ａは、イオン伝導層２０ａに金属イオンを供給する材料でもしない材料でもどちらでもよい。基板１０ａを上面垂直方向から見た場合、絶縁体１５ａと第三電極１３ａとイオン伝導層２０ａとの共通の境界線が、第一電極１１ａ及び第二電極１２ａの両方とオーバーラップしている、ことを特徴とする。なお、動作電圧の低電圧化を考えた場合は、第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間に形成する金属架橋の長さを最小にするために、その境界線は第一電極１１ａ及び第二電極１２ａと直交することが望ましい。この境界線は、周縁の一部１３１ａのイオン伝導層２０ａに接する部分であり、以下「先鋭部１３２ａ」と称する（図３［３］）。
【００２５】
イオン伝導層２０ａの材料は、金属又は半導体と、酸素、硫黄、セレン及びテルル等のカルコゲン元素との化合物が好ましい。特に、元素の周期律表における銅、タングステン、タンタル、モリブデン、クロム、チタン及びコバルトの金属のうち少なくともいずれか一つを含む硫化物、酸化物又は任意の硫黄−酸素比を持つ酸硫化物などは好適である。更に、半導体デバイス中への実装を考えた場合には、金属酸化物、特に酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）又は酸化チタン（ＴｉＯ２）が好ましい。その理由は二つある。一つは、従来の半導体デバイスで用いられている材料であるため、プロセスの整合性が高いためである。もう一つは、再構成回路用のスイッチング素子として考えた場合、金属酸化物をイオン伝導層として用いると、スイッチング電圧をロジック電圧よりも高くすることが可能なためである。また、繰り返し動作に対する耐性も高く、高信頼性を確保できるためである。
【００２６】
第一電極１１ａは、イオン伝導層２０ａに対してイオンを供給するため、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｂのうち少なくともいずれか一つを主材料とする金属又は合金を用いる。特に、半導体プロセスとの整合性を考慮すると、主材料はＣｕであることが望ましい。また、これらの金属又は合金は、第一電極１１ａのうちの少なくともイオン伝導層２０ａに接する面の一部に存在していればよい。したがって、図１に示すような、第一電極１１ａ全体を単層膜として構成する方法の他に、積層構造として、そのうちのイオン伝導層に接する層をＣｕなどで構成することも可能である。また、イオン伝導層との接触面が、Ｃｕなどのイオン供給可能な金属と、その他のイオン供給が生じない金属との、複合面となるように構成してもよい。
【００２７】
第二電極１２ａは、イオン伝導層２０ａとの間で金属イオンの収受が生じにくい導電体を用いる。具体的には、白金、アルミニウム、金、チタン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、若しくはモリブデンなどの高融点金属、これらの金属のうち少なくともいずれか一つの窒化物、又はこれらの金属のうち少なくともいずれか一つのシリサイド、又はこれらの金属のうち複数の金属を組み合わせた合金が好適である。第二電極１２ａについては、第二電極１２ａのうちの少なくともイオン伝導層２０ａに接する面が上記材料により構成されていればよい。したがって、図１に示すような、第二電極１２ａ全体を単層膜として構成する方法の他に、積層構造として、そのうちのイオン伝導層に接する層を上記材料で構成することも可能である。
【００２８】
イオン伝導層２０ａの膜厚は５〜２００ｎｍ程度の範囲内で設定することが可能であるが、特に１０〜１００ｎｍの範囲とすることが好ましい。膜厚が１０ｎｍ以下であると、トンネル電流やショットキー電流のためにオフ時にリーク電流が発生しやすくなり、一方、膜厚が１００ｎｍ以上であると、スイッチング電圧が１０Ｖ以上となり、両方とも半導体デバイス等での実用が困難になるためである。
【００２９】
イオン伝導層２０ａは、典型的には単層膜で形成されるが、イオン伝導特性又は電気特性の異なる二種以上の膜からなる積層構造とすることも可能である。例えば、図２に示す例では、イオン伝導層２０ａが第一層２１ａ及び第二層２２ａからなる積層構造であり、第一層２１ａが第一電極１１ａに接し、第二層２２ａが第三電極１３ａに接している。このような積層構造をとることにより、スイッチング電圧（閾値電圧）やオフ時のリーク特性を制御することが可能となる。例えば、第三電極１３ａから電子の供給のみを行いたい場合は、第三電極１３ａに接する第二層２２ａを、第三電極１３ａに接しない第一層２１ａよりもイオン伝導率が低い材料、又は、ほとんどイオン伝導性を示さない材料にすればよい。
【００３０】
スイッチング素子の基板１０ａの形成箇所は、特に限定されたものではなく、半導体基板上でも配線層内でもよい。ただし、本実施形態のスイッチング素子を再構成可能回路のスイッチとして用いる場合には、半導体基板上に多層配線が形成された構造の上層に形成することが好適である。
【００３１】
次に、スイッチング素子の動作方法について説明する。
【００３２】
まず、スイッチング素子の製造直後に、第二電極１２ａに対してイオン供給機能を有する第一電極１１ａに正の電圧を、電子を供給する第三電極１３ａに負の電圧を印加する（フォーミング動作）。すると、図３に示すように、イオン伝導層２０ａに接する第一電極１１ａの外周部からイオン伝導層２０ａ中に、第一電極１１ａの金属が金属イオンになって溶解する。イオン伝導層２０ａに含まれる金属イオンは、第二電極１２ａから供給された電子に加え、第三電極１３ａから選択的に供給された電子によって中和する。特に、第三電極１３ａの先鋭部１３２ａ（図３［３］）から、多くの電子が供給される。その結果、その金属イオンはイオン伝導層２０ａ中に金属になって析出し、析出した金属によって第一電極１１ａと第二電極１２ａとを接続する金属架橋（伝導パス１６ａ）が形成される。これにより、第一電極１１ａと第二電極１２ａとが電気的に接続されたオン状態になる。
【００３３】
このとき、伝導パス１６ａの形成箇所は、基板１０ａを上面から見て、電子がより多く供給される第三電極１３ａと絶縁体１５ａとの境界線（先鋭部１３２ａ）上における、第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間に形成される。換言すると、第三電極１３ａの周縁の一部１３１ａ上かつ第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間のイオン伝導層２０ａに、伝導パス１６ａが形成される。
【００３４】
先鋭部１３２ａから多くの電子が供給される理由は、先鋭部１３２ａの周囲のイオン伝導層２０ａに、第一電極１１ａと第三電極１３ａとの間の電界が集中するからである。なぜなら、先鋭部１３２ａは、第三電極１３ａの他の部分に比べて、対向する第一電極１１ａの面積が大きいからである。
【００３５】
続いて、スイッチング素子をオンからオフに切り替えるには、今度は逆に第二電極１２ａに対して第一電極１１ａに負の電圧を印加する。架橋部分は、第一電極１１ａ及び第二電極１２ａの内部よりも高抵抗であるため、電界が発生する。すると、架橋を構成する金属が、一部イオン化してイオン伝導層２０ａに溶解し、第一電極１１ａ側に移動する。イオン化によって架橋が細くなった箇所はますます電界がかかるようになるため、イオン化が更に加速され、最後には架橋が切れて電気的に接続されないオフ状態を作る。
【００３６】
なお、第三電極１３ａが第一電極１１ａと同じ材料である場合は、第三電極１３ａに対して、第一電極１１ａ及び第二電極１２ａに正の電圧を印加することも可能である。このとき、金属架橋の金属が、金属イオンとしてイオン伝導層２０ａに溶解し、第三電極１３ａ側に移動する。これにより、金属架橋の一部が切断されてオフ状態になる。この場合は、架橋による電気的な接続がない第三電極１３ａからの電界によって金属架橋のイオン化を加速するため、低電流でオフ状態にすることができる。
【００３７】
上記の方法でオフさせた後、再び、第二電極１２ａに対して第一電極１１ａに正の電圧を印加することによって架橋を接続することができる。
【００３８】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３９】
本実施形態による構造及び動作方法によって、スイッチング素子をオン状態に遷移させる伝導パス１６ａの形成箇所は、第一電極１１ａ（ソース電極）及び第二電極１２ａ（ドレイン電極）の形状とは別に、イオン伝導層２０ａに局所的に電子を供給することができる第三電極１３ａと絶縁膜１５ａとの境界領域近傍に制限できる。したがって、伝導パス１６ａの生成箇所を限定するためにソース電極又はドレイン電極に尖角形状をパターニングする必要がなくなり、リソグラフィで尖角形状を形成する際に発生しやすい素子特性のバラツキを回避でき、素子の信頼性を向上させることができる。
【００４０】
なお、第一電極１１ａと第二電極１２ａとの間のイオン伝導層２０ａに局所的に電子を注入することによって伝導パス１６ａを制御する基板１０ａは、必ずしも絶縁体１５ａと第三電極１３ａとの構成である必要は無く、例えば後述するｐｎ接合を有する構造であってもよい。この場合、オン状態に遷移させるときにホットキャリアを発生させて、伝導パスの生成箇所を制御する。
【００４１】
また、本発明は、金属イオンの電気化学反応を利用したスイッチング素子に限らず、電子の供給を必要とする酸素欠損や酸素イオンの生成で伝導パスが形成される他の電気化学反応を利用したスイッチング素子（抵抗変化素子）にも適用できる。
【００４２】
図４は本発明に係る抵抗変化素子の第二実施形態を示し、図４［１］は平面図、図４［２］は図４［１］におけるII−II線縦断面図、図４［３］は図４［１］におけるIII−III線縦断面図である。図５は第二実施形態の動作を示し、図５［１］は平面図、図５［２］は図５［１］におけるII−II線縦断面図、図５［３］は図５［１］におけるIII−III線縦断面図である。以下、これらの図面に基づき第二実施形態について説明する。
【００４３】
本実施形態の抵抗変化素子は、金属イオンが伝導するイオン伝導体２０ｂと、イオン伝導体２０ｂに金属イオンを供給する第一電極１１ｂと、イオン伝導体２０ｂに電子を供給する第二電極１２ｂとを備え、第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとの間の通電によってイオン伝導体２０ｂに伝導パス１６ｂ（図５［１］）が形成される。そして、本実施形態の抵抗変化素子は、第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとの間のイオン伝導体２０ｂ中に局所的に電子を供給する第三電極１３ｂを備えたことを特徴とする。
【００４４】
イオン伝導体２０ｂは両面を有する膜状であり、イオン伝導体２０ｂの一方の面に第一電極１１ｂが設けられ、イオン伝導体２０ｂ中の一部に第二電極１２ｂが設けられ、イオン伝導体２０ｂの他方の面に第三電極１３ｂが設けられている。第三電極１３ｂの周縁の一部１３１ｂは、イオン伝導体２０ｂの他方の面に接するとともに、第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとの間のイオン伝導体２０ｂを横断するように位置する。
【００４５】
第三電極１３ｂはイオン伝導体２０ｂの他方の面の一部に設けられている。イオン伝導体２０ｂの他方の面における第三電極１３ｂの設けられていない部分、及び第三電極１３ｂの周縁の一部１３１ｂは、絶縁体１５ｂに接する。
【００４６】
例えば、第一電極１１ｂが銅、第二電極１２ｂ及び第三電極１３ｂが白金、イオン伝導体２０ｂが酸化タンタル、及び絶縁体１５ｂが酸化シリコンからなる。また、本実施形態の抵抗変化素子は、一用途として、第一電極１１ｂをソース電極、第二電極１２ｂをドレイン電極、第三電極１３ｂをゲート電極とすることにより、スイッチング素子として機能する。
【００４７】
本実施形態の抵抗変化素子は、不揮発性スイッチング素子として動作する。以下、本実施形態の抵抗変化素子を「スイッチング素子」と呼ぶことし、その構造について詳しく説明する。
【００４８】
図４に示すように、イオン伝導層２０ｂが第一イオン伝導層２１ｂ及び第二イオン伝導層２２ｂからなる積層構造であり、第一イオン伝導層２１ｂが第一電極１１ｂに接し、第二イオン伝導層２２ｂが第三電極１３ｂに接している。絶縁体１５ｂと第三電極１３ｂとが接するように形成された基板１０ｂ上の一部に、第二イオン伝導層２２ｂが形成されている。絶縁体１５ｂと第三電極１３ｂとの境界線を跨ぐように、第二イオン伝導層２２ｂ上の一部の領域に、第二電極１２が形成されている。更に、第二電極１２ｂと第二イオン伝導層２２ｂとを覆うように、第一イオン伝導層２１ｂが形成されている。第一イオン伝導層２１ｂ上には、第二電極１２ｂと一部オーバーラップするように第一電極１１ｂが形成されている。かつ、第一電極１１ｂは、第二電極１２ｂと同様、絶縁体１５ｂと第三電極１３ｂの境界線を基板１０ｂ上面から見て跨ぐように形成されている。この境界線を、第一実施形態と同様に、以下「先鋭部１３２ｂ」と称する（図４［３］）。その他の本実施形態の構成の詳細は、第一実施形態の構成に準ずる。
【００４９】
次に、スイッチング素子の動作方法について説明する。
【００５０】
まず、スイッチング素子の製造直後に、第二電極１２ｂに対してイオン供給機能を有する第一電極１１ｂに正の電圧を印加し、第三電極１３ｂに負の電圧を印加する（フォーミング動作）。図５に示したように、第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとが最も接近する第一イオン伝導層２１ｂの領域１９ｂにおいて、最も多く第一電極１１ｂの金属が第一イオン伝導層２１ｂ中に金属イオンになって溶解する。第一イオン伝導層２１ｂに含まれる金属イオンは、第二電極１２ｂから供給された電子に加えて、第三電極１３ｂの先鋭部１３２ｂから集中的に供給された電子と中和することで、イオン伝導層２０ｂ中に金属になって析出する。その結果、析出した金属によって第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとを接続する金属架橋（伝導パス１６ｂ）が形成されるため、第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとが電気的に接続されたオン状態になる。伝導パス１６ｂは、第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとが最も接近する領域１９ｂ中の、電子がより多く供給される第三電極１３ｂと絶縁体１５ｂとの境界線上、すなわち先鋭部１３２ｂ上に形成される。
【００５１】
続いて、オンからオフに切り替えるために、今度は逆に第二電極１２ｂに対して第一電極１１ｂに負の電圧を印加する。すると、架橋部分は、第一電極１１ｂ及び第二電極１２ｂの内部よりも高抵抗であるため、電界が発生する。その結果、架橋を構成する金属が、一部イオン化して第一イオン伝導層２１ｂに溶解し、第一電極１１ｂ側に移動する。イオン化によって架橋が細くなった箇所はますます電界がかかるようになるため、イオン化が更に加速され、最後には架橋が切れ、電気的に接続されないオフ状態を作る。
【００５２】
なお、第三電極１３ｂが第一電極１１ｂと同じ材料である場合は、第三電極１３ｂに対して、第一電極１１ｂ及び第二電極１２ｂに正の電圧を印加する。その結果、金属架橋の金属を金属イオンとしてイオン伝導層２０ｂに溶解させて第三電極１３ｂ側に移動させることで、金属架橋の一部を切断し、オフ状態にすることも可能である。この場合は、架橋による電気的な接続がない第三電極１３ｂからの電界によって金属架橋のイオン化を加速させるため、低電流でオフ状態にすることができる。
【００５３】
上記の方法でオフさせた後、再び、第二電極１２に対して第一電極１１に正の電圧を印加することによって架橋を接続することができる。その他のスイッチング素子の動作は、第一実施形態におけるスイッチング素子の動作に準ずる。
【００５４】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００５５】
本実施形態の構造及び動作方法によって、スイッチング素子をオン状態に遷移させる伝導パス１６ｂの形成箇所は、第一電極（ソース電極）１１ｂ及び第二電極（ドレイン電極）１２ｂの形状とは別に、イオン伝導層２０ｂに局所的に電子を供給する絶縁体１５と第三電極１３との境界部近傍（先鋭部１３２ｂ）に限定できる。このため、伝導パス１６ｂの生成箇所を限定するためにソース電極又はドレイン電極に尖角形状をパターニングする必要がなくなり、リソグラフィで尖角形状を形成する際に発生しやすい素子特性のバラツキを回避でき、素子の信頼性を向上させることができる。また、第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとが最も接近する距離は、リソグラフィではなく第一イオン伝導層２１ｂの膜厚で決まるため、素子間でのバラツキをさらに低く抑えられる。また、伝導パス１６ｂが形成される位置は、第一イオン伝導層２１ｂのうち第一電極１１ｂのエッチングプロセスなどによる後工程でのダメージを受けない領域に形成されるため、プロセス耐性が向上している。
【００５６】
図６及び図７は第二実施形態のスイッチング素子の製造方法を示す断面図（図６［２］のみ平面図）であり、図６［１］から図７［５Ａ］［５Ｂ］へ工程が進行する。図６［３Ａ］及び図７［４Ａ］［５Ａ］は、図６［２］のＡ−Ａ線縦断面に対応する。図６［３Ｂ］及び図７［４Ｂ］［５Ｂ］は、図６［２］のＢ−Ｂ線縦断面に対応する。以下、これらの図面に基づき、第二実施形態における製造方法について説明する。
【００５７】
≪工程１（図６［１］）≫シリコン基板上に従来技術を用いて形成された半導体素子を含む基体００を用意する。そして、第一ストップ絶縁層３１、第一層間絶縁層５１及び第二ストップ絶縁層３２を順に形成する。なお、第一層間絶縁層５１は、シリコン窒化膜であり、ＣＶＤ（化学的気相成長）法で形成している。
【００５８】
≪工程２（図６［２］［３Ａ］［３Ｂ］）≫フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、配線を形成するための開口部を、第一ストップ絶縁層３１、第一層間絶縁層５１及び第二ストップ絶縁層３２の中に形成する。
【００５９】
形成した開口部に、バリアメタル６０及び銅シード層をＣＶＤ法により形成する。銅シード層の厚みを２０〜１００ｎｍ程度とし、銅シード層に少量の不純物（例えば、アルミニウム）を含有させる。そして、銅シード層上に銅の電解メッキを行う。銅の厚みは８００〜１２００ｎｍ程度でよい。
【００６０】
続いて、開口部以外に堆積された不要なバリアメタル及び銅をＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリッシング）法により削り取り、下部配線及び第三電極１３ｂを形成する。更に、熱処理を行って、不純物を下部配線及び第三電極１３ｂ全体に拡散させる。この熱処理により、下部配線のエレクトロマイグレーション耐性が向上する。下部配線及び第三電極１３ｂの形成方法は、半導体装置の配線形成工程として広く用いられている。
【００６１】
その後、スパッタリング法又はＣＶＤ法により、第一拡散防止層４１となる１００ｎｍの膜厚を有する炭窒化シリコン（窒化シリコンに炭素が含まれた材料）を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、開口部を第一拡散防止層４１に形成する。ここでは、開口部は第三電極１３ｂの上面にまで達する貫通孔である。
【００６２】
更に、形成した開口部に銅をスパッタリング法又はＣＶＤ法により形成する。銅の厚みは第一拡散防止層４１の膜厚（１００ｎｍ）以上とする。次に、開口部以外に堆積された不要な銅をＣＭＰ法により削り取って銅の上面を平坦化し、第三電極１３ｂに合流させる。
【００６３】
第三電極１３ｂには第一拡散防止層４１との境界に先鋭部が形成される。この他に、第三電極１３ｂと第一拡散防止層４１とを平坦化して段差をなくすと、本工程以後のリソグラフィ工程でフォトレジストを塗布する際に膜厚を均一に塗布できる、膜形成の際に膜厚を均一に成膜できるなどの利点が生ずる。
【００６４】
≪工程３（図７［４Ａ］［４Ｂ］）≫スパッタリング法又はＣＶＤ法により、第三電極１３ｂ上に第二イオン伝導層２２ｂとして酸化タンタルを膜厚１５ｎｍ形成し、その上に第一電極１１ｂを形成するための膜として白金を膜厚５０ｎｍ形成する。フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、白金を加工する。
【００６５】
更に、スパッタリング法又はＣＶＤ法により、第一イオン伝導層２１ｂとして酸化タンタルを膜厚１５ｎｍ形成する。そして、第一電極１１ｂを形成するための膜として銅を膜厚５０ｎｍ形成する。第一イオン伝導層２１に生じた段差部分を第一電極１１ｂで被覆すると、その段差部分に第一電極１１ｂと第二電極１２ｂとの最近接部が形成される。
【００６６】
次に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、銅を加工する。その後、スパッタリング法又はＣＶＤ法により、第二拡散防止層４２となる１００ｎｍの膜厚を有する炭窒化シリコン（窒化シリコンに炭素が含まれた材料）を形成する。
【００６７】
≪工程４（図７［５Ａ］［５Ｂ］）≫ＣＶＤ法により、第二層間絶縁層５２、第三ストップ絶縁層３３を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、プラグを形成するための開口部を第二層間絶縁層５２及び第三ストップ絶縁層３３に形成する。
【００６８】
形成した開口部に、バリアメタル、及び銅の一部となる銅シード層を、それぞれスパッタリング法又はＣＶＤ法により形成する。銅シード層の厚みは２０〜１００ｎｍ程度でよい。次に、銅シード層上に銅のメッキを行う。銅の厚みは８００〜１２００ｎｍ程度でよい。
【００６９】
更に、開口部以外に堆積された不要なバリアメタル及び銅を、ＣＭＰ法によって削り取る。そして、開口部の下面及び側面に、第一バリアメタル６１及び第二バリアメタル６２が設けられた第一プラグ７１及び第二プラグ７２を形成する。また、必要に応じて保護膜３４となる膜厚５０ｎｍの炭窒化シリコンを、スパッタリング法又はＣＶＤ法により第三ストップ絶縁層３３上に形成する。
【００７０】
なお、本実施形態は金属イオンが溶解する現象を利用するスイッチング素子であるため、所望の位置以外の金属イオンの溶解は極力抑制する必要がある。第三電極１３ｂもイオン供給機能を有する金属構成される場合を想定し、以下に不必要な電極材料の拡散を防止するための拡散防止層について述べる。
【００７１】
第一拡散防止層４１及び第二拡散防止層４２は、スイッチング素子の動作においてイオン伝導層２０ｂ内に溶解／析出を生じる金属種の拡散を防止できる材料を用いる。例えば、第一電極１１ｂ及び第三電極１３ｂとしてＣｕを用いる場合には、窒素を含有する絶縁膜、特にシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、又はそれらの中に任意の量の炭素を含む材料（炭窒化シリコン）などを好適に用いることができる。第一拡散防止層４１及び第二拡散防止層４２の膜厚は、用いる材料によるが、２ｎｍ程度以上あれば拡散防止機能を持たせることができ、５ｎｍ以上あれば十分である。一方、上に述べた「窒素を含有する絶縁膜」は、比較的誘電率が高い場合が多いため、拡散防止機能が確保できる限りにおいてできる限り薄く形成することが好ましい。具体的には、その膜厚の上限は２００ｎｍ程度以下とすることが望ましい。
【００７２】
第一電極１１ｂは、第二拡散防止層４２によって囲まれ、直接、第二層間絶縁層５２に接触させないことが望ましい。これは第二層間絶縁層５２に金属が溶出すると、溶出した金属が第二層間絶縁層５２の絶縁耐性を劣化させてしまうためである。同様に、第三電極１３ｂにおいても第一拡散防止層４１及び第二イオン伝導層２２で覆われていることが望ましい。第三電極１３ｂと第二イオン伝導層２２ｂの一部とが接するように形成した第一拡散防止層４１の開口部によって、銅イオンが拡散できる領域は規定される。第二イオン伝導層２２は、横方向（面内方向）への金属イオンの拡散を防ぐ効果を向上させるために、第一拡散防止層４１の開口部の全てを覆っている方が望ましい。更に、第二イオン伝導層２２は、第一層間絶縁層４１上までそのパターンが達して形成されている方がより望ましい。
【００７３】
なお、他の実施形態のスイッチング素子の製造方法も、本実施形態における製造方法に準ずる。
【００７４】
図８は本発明に係る抵抗変化素子の第三実施形態を示し、図８［１］は平面図、図８［２］は図８［１］におけるII−II線縦断面図、図８［３］は図８［１］におけるIII−III線縦断面図である。図９は第三実施形態の動作を示し、図９［１］は平面図、図９［２］は図９［１］におけるII−II線縦断面図、図９［３］は図９［１］におけるIII−III線縦断面図である。以下、これらの図面に基づき第三実施形態について説明する。
【００７５】
本実施形態の抵抗変化素子は、金属イオンが伝導するイオン伝導体２０ｃと、イオン伝導体２０ｃに金属イオンを供給する第一電極１１ｃと、イオン伝導体２０ｃに電子を供給する第二電極１２ｃとを備え、第一電極１１ｃと第二電極１２ｃとの間の通電によってイオン伝導体２０ｃに伝導パス１６ｃ（図９［１］）が形成される。そして、本実施形態の抵抗変化素子は、第一電極１１ｃと第二電極１２ｃとの間のイオン伝導体２０ｃ中に局所的に電子を供給する第三電極１３ｃ及び第四電極１４ｃとを備えたことを特徴とする。第三電極１３ｃはｎ型半導体であり、第四電極１４ｃはｐ型半導体であり、第三電極１３ｃと第四電極１４ｃとのｐｎ接合面１３１ｃには逆方向電圧が印加される。
【００７６】
イオン伝導体２０ｃは両面を有する膜状であり、イオン伝導体２０ｃの一方の面に第一電極１１ｃ及び第二電極１２ｃが設けられ、イオン伝導体２０ｃの他方の面に第三電極１３ｃ及び第四電極１４ｃが設けられている。ｐｎ接合面１３１ｃの先鋭部１３２ｃは、イオン伝導体２０ｃの他方の面に接して設けられ、第一電極１１ｃと第二電極１２ｃとの間のイオン伝導体２０ｃを横断するように位置する。
【００７７】
例えば、第一電極１１ｃが銅、第二電極１２ｃが白金、イオン伝導体２０ｃが酸化タンタル、第三電極１３ｃ及び第四電極１４ｃがシリコンからなる。また、本実施形態の抵抗変化素子は、一用途として、第一電極１１ｃをソース電極、第二電極１２ｃをドレイン電極、ｐｎ接合面１３１ｃをゲート電極とすることにより、スイッチング素子として機能する。
【００７８】
本実施形態の抵抗変化素子は、不揮発性スイッチング素子として動作する。以下、本実施形態の抵抗変化素子を「スイッチング素子」と呼ぶことし、その構造について詳しく説明する。
【００７９】
図８に、本実施形態のスイッチング素子の構造を示す。ｐｎ接合面１３１ｃを有する基板１０ｃに、イオン伝導層２０ｃが形成されている。イオン伝導層２０ｃ上には、第一電極１１ｃと第二電極１２ｃとが互いに所定の距離だけ離れて形成されている。また、基板１０ｃを上面から見て、第一電極１１ｃと第二電極１２ｃとは同一のｐｎ接合面１３１ｃを跨ぐように位置している。その他の構成の詳細は、第一又は第二実施形態の構成に準ずる。
【００８０】
次に、スイッチング素子の動作方法について説明する。
【００８１】
まず、スイッチング素子の製造直後に、第二電極１２ｃに対してイオン供給機能を有する第一電極１１ｃに正の電圧を印加し、基板１０ｃのｐｎ接合面１３１ｃに負バイアスを印加する（フォーミング動作）。イオン伝導層２０ｃに接する第一電極１１ｃの外周部からイオン伝導層２０ｃ中に、第一電極１１ｃの金属が金属イオンになって溶解する。イオン伝導層２０ｃに含まれる金属イオンは、第二電極１２ｃから供給された電子に加えて、基板１０ｃのｐｎ接合面１３１ｃから発生したホットエレクトロンと中和することにより、イオン伝導層２０ｃ中に金属になって析出する。その結果、析出した金属によって第一電極１１ｃと第二電極１２ｃとを接続する金属架橋（伝導パス１６ｃ）が形成されることで、第一電極１１ｃと第二電極１２ｃとが電気的に接続されたオン状態になる。伝導パス１６ｃは、基板１０ｃを上面から見て、電子がより多く供給されるｐｎ接合面１３１ｃ上（すなわち先鋭部１３２ｃ上）の第一電極１１ｃと第二電極１２ｃとの間の領域に形成される（図９）。
【００８２】
続いて、スイッチング素子をオンからオフに切り替えるためには、今度は逆に第二電極１２ｃに対して第一電極１１ｃに負の電圧を印加する。架橋部分は第一電極１１ｃ及び第二電極１２ｃの内部よりも高抵抗であるために電界が発生し、架橋を構成する金属が一部イオン化してイオン伝導層２０ｃに溶解して第一電極１１ｃ側に移動する。イオン化によって架橋が細くなった箇所はますます電界がかかるようになるため、イオン化が更に加速され、最後には架橋が切れ、電気的に接続されないオフ状態を作る。
【００８３】
上記の方法でオフさせた後、再び、第二電極１２ｃに対して第一電極１１ｃに正の電圧を印加することによって架橋を接続することができる。その他のスイッチング素子の動作は、第一又は第二実施形態におけるスイッチング素子の動作に準ずる。
【００８４】
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の構造及び動作方法によって、スイッチング素子をオン状態に遷移させる伝導パス１６ｃの形成箇所は、第一電極１１ｃ（ソース電極）及び第二電極１２ｃ（ドレイン電極）の形状とは別にイオン伝導層２０ｃに局所的に電子を供給するｐｎ接合面１３１ｃの先鋭部１３２ｃに限定することができる。伝導パス１６ｃの生成箇所を限定するためにソース電極又はドレイン電極に尖角形状をパターニングする必要がなくなり、リソグラフィで尖角形状を形成する際に発生しやすい素子特性のバラツキを回避でき、素子の信頼性を向上させることができる。また、ホットエレクトロンを利用しているため低電圧動作が可能である。
【００８５】
図１０は本発明に係る抵抗変化素子の第四実施形態を示し、図１０［１］は平面図、図１０［２］は図１０［１］におけるII−II線縦断面図、図１０［３］は図１０［１］におけるIII−III線縦断面図である。図１１は第三実施形態の動作を示し、図１１［１］は平面図、図１１［２］は図１１［１］におけるII−II線縦断面図、図１１［３］は図１１［１］におけるIII−III線縦断面図である。以下、これらの図面に基づき第四実施形態について説明する。
【００８６】
本実施形態の抵抗変化素子は、金属イオンが伝導するイオン伝導体２０ｄと、イオン伝導体２０ｄに金属イオンを供給する第一電極１１ｄと、イオン伝導体２０ｄに電子を供給する第二電極１２ｄとを備え、第一電極１１ｄと第二電極１２ｄとの間の通電によってイオン伝導体２０ｄに伝導パス１６ｄ（図１０［１］）が形成される。そして、本実施形態の抵抗変化素子は、第一電極１１ｄと第二電極１２ｄとの間のイオン伝導体２０ｄ中に局所的に電子を供給する第三電極１３ｄ及び第四電極１４ｄを備えたことを特徴とする。第三電極１３ｄはｎ型半導体であり、第四電極１４ｄはｐ型半導体であり、第三電極１３ｄと第四電極１４ｄとのｐｎ接合面１３１ｄには逆方向電圧が印加される。
【００８７】
イオン伝導体２０ｄは両面を有する膜状であり、イオン伝導体２０ｄの一方の面に第一電極１１ｄが設けられ、イオン伝導体２０ｄ中に第二電極１２ｄが設けられ、イオン伝導体２０ｄの他方の面に第三電極１３ｄ及び第四電極１４ｄが設けられている。ｐｎ接合面１３１ｄの先鋭部１３２ｄは、イオン伝導体２０ｄの他方の面に接して設けられ、第一電極１１ｄと第二電極１２ｄとの間のイオン伝導体２０ｄを横断するように位置する。
【００８８】
例えば、第一電極１１ｄが銅、第二電極１２ｄが白金、イオン伝導体２０ｄが酸化タンタル、第三電極１３ｄ及び第四電極１４ｄがシリコンからなる。また、本実施形態の抵抗変化素子は、一用途として、第一電極１１ｄをソース電極、第二電極１２ｄをドレイン電極、ｐｎ接合面１３１ｄをゲート電極とすることにより、スイッチング素子として機能する。
【００８９】
本実施形態の抵抗変化素子は、不揮発性スイッチング素子として動作する。以下、本実施形態の抵抗変化素子を「スイッチング素子」と呼ぶことし、その構造について詳しく説明する。
【００９０】
図１０に示すように、イオン伝導層２０ｄが第一イオン伝導層２１ｄ及び第二イオン伝導層２２ｄからなる積層構造であり、第一イオン伝導層２１ｄが第一電極１１ｄに接し、第二イオン伝導層２２ｄが第三電極１３ｄ及び第四電極１４ｄに接している。第三電極１３ｄと第四電極１４ｄとが接するように形成された基板１０ｄ上の一部に、第二イオン伝導層２２ｄが形成されている。
【００９１】
ｐｎ接合面１３１ｄを有する基板１０ｄ上の一部に、第二イオン伝導層２２ｄが形成されている。基板１０ｄのｐｎ接合面１３１ｄを跨ぐように、第二イオン伝導層２２ｄ上の一部に第二電極１２ｄが形成されている。更に、第二電極１２ｄと第二イオン伝導層２２ｄとを覆うように、第一イオン伝導層２１ｄが形成されている。第一イオン伝導層２１ｄ上に第一電極１１ｄが、第二電極１２ｄと一部オーバーラップするように形成されている。第一電極１１ｄは、第二電極１２ｄと同様、基板１０ｄの上面から見て基板１０ｄのｐｎ接合面１３１ｄを跨ぐように形成されている。
【００９２】
次に、スイッチング素子の動作方法について説明する。スイッチング素子の製造直後に、第二電極１２ｄに対してイオン供給機能を有する第一電極１１ｄに正の電圧を印加し、基板１０ｄ内のｐｎ接合面１３１ｄに負バイアスを印加する（フォーミング動作）。第一電極１１ｄと第二電極１２ｄとが最も接近する領域１９ｄにおける第一イオン伝導層２１ｄ中に、最も多く第一電極１１ｄの金属が金属イオンになって溶解する。第一イオン伝導層２１ｄに含まれる金属イオンは、第二電極１２ｄから供給された電子に加え、ｐｎ接合面１３１ｄで発生したホットエレクトロンと中和することで、イオン伝導層２０ｄ中に金属になって析出する。析出した金属によって第一電極１１ｄと第二電極１２ｄとを接続する金属架橋（伝導パス１６ｄ）が形成されるため、第一電極１１ｄと第二電極１２ｄとが電気的に接続されたオン状態になる。伝導パス１６ｄは、第一電極１１ｄと第二電極１２ｄとが最も接近する領域１９ｄ中の、更に基板１０ｄを上面から見て電子がより多く供給されるｐｎ接合面１３１ｄの先鋭部１３２ｄ上に限定的に形成される（図１１）。
【００９３】
続いて、スイッチング素子をオンからオフに切り替えるためには、今度は逆に第二電極１２ｄに対して第一電極１１ｄに負の電圧を印加する。架橋部分は第一電極１１ｄ及び第二電極１２ｄの内部よりも高抵抗であるために電界が発生し、架橋を構成する金属が一部イオン化してイオン伝導層２０ｄに溶解して第一電極１１ｄ側に移動する。イオン化によって架橋が細くなった箇所はますます電界がかかるようになるため、イオン化が更に加速され、最後には架橋が切れ、電気的に接続されないオフ状態を作る。
【００９４】
上記の方法でオフさせた後、再び、第二電極１２ｄに対して第一電極１１ｄに正の電圧を印加することによって架橋を接続することができる。その他のスイッチング素子の動作は、第一、第二又は第三実施形態におけるスイッチング素子の動作に準ずる。
【００９５】
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の構造及び動作方法によって、スイッチング素子をオン状態に遷移させる伝導パス１６ｄの形成箇所は、第一電極１１ｄ（ソース電極）及び第二電極１２ｄ（ドレイン電極）の形状とは別に、イオン伝導体２０ｄに局所的に電子を供給するｐｎ接合面１３１ｄの先鋭部１３２ｄに限定することができる。そのため、伝導パス１６ｄの生成箇所を限定するためにソース電極又はドレイン電極に尖角形状をパターニングする必要がなくなり、リソグラフィで尖角形状を形成する際に発生しやすい素子特性のバラツキを回避できるので、素子の信頼性を向上させることができる。また、ホットエレクトロンを利用しているため低電圧動作が可能である。また、第一電極１１ｄと第二電極１２ｄとが最も接近する距離は、リソグラフィではなく第一イオン伝導層２１ｄの膜厚で決まるため、素子間でのバラツキを更に低く抑えられる。また、伝導パス１６ｄが形成される位置は、第一イオン伝導層２１ｄのうちエッチングプロセスなどの後工程でのダメージを受けない領域に形成されるため、プロセス耐性も向上している。
【００９６】
図１２は第四実施形態における製造方法の一工程を示し、図１２［１］が平面図であり、図１２［２］が図１２［２］のII−II線縦断面図である。以下、これらの図面に基づき、第四実施形態における製造方法について説明する。
【００９７】
ｐ型（又はｎ型）の半導体基板１４ｄ’にパターニングしてレジストマスクを形成した後、イオン注入でｎ型（又はｐ型）の拡散領域１３ｄ’を形成する。その後、図７［４Ａ］［４Ｂ］に示した≪工程３≫以降と同じプロセスを経ることにより、本実施形態のスイッチング素子を製造できる。半導体基板１４ｄ’から第四電極１４ｄが得られ、拡散領域１３ｄ’から第三電極１３ｄが得られる。
【００９８】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明に係る抵抗変化素子は、不揮発性スイッチング素子などのオン状態とオフ状態との抵抗値をとり得るスイッチング素子以外にも、例えばオン状態とオフ状態との中間の任意の抵抗値をとり得る抵抗変化素子として利用できる。このような抵抗変化素子の動作は、オン状態とオフ状態との中間の状態の伝導パスを形成することにより実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明に係る抵抗変化素子の第一実施形態を示し、図１［１］は平面図、図１［２］は図１［１］におけるII−II線縦断面図、図１［３］は図１［１］におけるIII−III線縦断面図である。
【図２】第一実施形態の他の例を示す断面図である。
【図３】第一実施形態の動作を示し、図３［１］は平面図、図３［２］は図３［１］におけるII−II線縦断面図、図３［３］は図３［１］におけるIII−III線縦断面図、図３［４］は図３［１］における領域IVの拡大横断面図である。
【図４】本発明に係る抵抗変化素子の第二実施形態を示し、図４［１］は平面図、図４［２］は図４［１］におけるII−II線縦断面図、図４［３］は図４［１］におけるIII−III線縦断面図である。
【図５】第二実施形態の動作を示し、図５［１］は平面図、図５［２］は図５［１］におけるII−II線縦断面図、図５［３］は図５［１］におけるIII−III線縦断面図である。
【図６】第二実施形態における製造方法（その１）を示し、図６［１］から図６［３Ａ］［３Ｂ］へ工程が進行する。図６［１］は断面図、図６［２］は平面図、図６［３Ａ］は図６［２］のＡ−Ａ線縦断面図、図６［３Ｂ］は図６［２］のＢ−Ｂ線縦断面図である。
【図７】第二実施形態における製造方法（その２）を示す断面図であり、図７［４Ａ］［４Ｂ］から図７［５Ａ］［５Ｂ］へ工程が進行する。図７［４Ａ］［５Ａ］は図６［２］のＡ−Ａ線縦断面に対応し、図７［４Ｂ］［５Ｂ］は図６［２］のＢ−Ｂ線縦断面に対応する。
【図８】本発明に係る抵抗変化素子の第三実施形態を示し、図８［１］は平面図、図８［２］は図８［１］におけるII−II線縦断面図、図８［３］は図８［１］におけるIII−III線縦断面図である。
【図９】第三実施形態の動作を示し、図９［１］は平面図、図９［２］は図９［１］におけるII−II線縦断面図、図９［３］は図９［１］におけるIII−III線縦断面図である。
【図１０】本発明に係る抵抗変化素子の第四実施形態を示し、図１０［１］は平面図、図１０［２］は図１０［１］におけるII−II線縦断面図、図１０［３］は図１０［１］におけるIII−III線縦断面図である。
【図１１】第三実施形態の動作を示し、図１１［１］は平面図、図１１［２］は図１１［１］におけるII−II線縦断面図、図１１［３］は図１１［１］におけるIII−III線縦断面図である。
【図１２】第四実施形態における製造方法の一工程を示し、図１２［１］が平面図であり、図１２［２］が図１２［１］におけるII−II線縦断面図である。
【図１３】本発明の関連技術を示す断面図であり、図１３［１］が第一例、図１３［２］が第二例である。
【図１４】関連技術の動作を示す断面図であり、図１４（ａ）から図１４（ｄ）へ動作が進行する。
【図１５】関連技術の第一例における課題を示し、図１５［１］が平面図、図１５［２］が図１５［１］におけるII−II線縦断面図である。
【図１６】関連技術の第二例における課題を示し、図１６［１］が平面図、図１６［２］が図１６［１］におけるII−II線縦断面図である。
【図１７】関連技術の第三例における課題を示し、図１７［１Ａ］が平面図、図１７［２Ａ］が図１７［１Ａ］におけるIIａ−IIａ線縦断面図、図１７［１Ｂ］が平面図、図１７［２Ｂ］が図１７［１Ｂ］におけるIIｂ−IIｂ線縦断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
００  基体
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  基板
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  第一電極（ソース電極）
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  第二電極（ドレイン電極）
１３ａ，１３ｂ  第三電極（ゲート電極）
１３１ａ，１３１ｂ  第三電極の周縁の一部
１３ｃ，１３ｄ  第三電極（ゲート電極、ｎ型半導体）
１３１ｃ，１３１ｄ  ｐｎ接合面
１３２ｃ，１３２ｄ  ｐｎ接合面の周縁の一部
１４ｃ，１４ｄ  第四電極（ゲート電極、ｐ型半導体）
１５  絶縁体（第一拡散防止層４１）
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ  伝導パス
１９ｂ，１９ｄ  領域（最近接部）
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ  イオン伝導層（イオン伝導体）
２１ｂ，２１ｄ  第一イオン伝導層
２２ｂ，２２ｄ  第二イオン伝導層
３１  第一ストップ絶縁層
３２  第二ストップ絶縁層
３３  第三ストップ絶縁層
３４  保護膜
４１  第一拡散防止層
４２  第二拡散防止層
５１  第一層間絶縁層
５２  第二層間絶縁層
６０  バリアメタル
６１  第一バリアメタル
６２  第二バリアメタル
７１  第一プラグ
７２  第二プラグ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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