(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオンの供給源となる第１電極と、
前記第１電極よりもイオン化しにくい第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に介在するとともに前記金属イオンが伝導可能な金属酸化物を含むイオン伝導層と、
を備え、
前記イオン伝導層は、異なる種類の２層以上の構造となっており、
前記第１電極に最も近いイオン伝導層の前記金属イオンの拡散係数は、他のイオン伝導層の前記金属イオンの拡散係数よりも大きく、
前記イオン伝導層は、前記第１電極側の第１イオン伝導層と、前記第２電極側の第２イオン伝導層との２層構造であり、
前記第１イオン伝導層は、酸化タンタルを含み、
前記第２イオン伝導層は、酸化シリコンタンタルを含むことを特徴とするスイッチング素子。
【請求項２】
前記第１電極は、銅よりなり、
前記第２電極は、白金よりなることを特徴とする請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項３】
前記第１電極は、半導体装置における前記イオン伝導層よりも基板側の第１配線であり、
前記第２電極は、前記半導体装置における前記イオン伝導層よりも基板側の反対側に配されるとともに、上層の第２配線と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記第２配線は、層間絶縁膜に形成された溝ないし下穴に埋め込まれ、
前記第２電極と前記第２配線の間、及び前記層間絶縁膜と前記第２配線の間のそれぞれに介在するとともに、前記第２電極と同一材料よりなるバリアメタルを備えることを特徴とする請求項３記載のスイッチング素子。
【請求項５】
前記第１電極と前記イオン伝導層の間に介在するとともに、前記第１電極と前記イオン伝導層を接続するための開口部を有するバリア絶縁膜と、
前記第２電極、前記イオン伝導層を覆って保護するとともに、前記第２電極、前記イオン伝導層の外周の領域にて前記バリア絶縁膜と接合する保護絶縁膜と、
を備え、
前記保護絶縁膜は、前記バリア絶縁膜と同一材料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載のスイッチング素子。
【請求項６】
金属イオンの供給源となる第１電極上に、前記第１電極の酸化をバリアするバリアメタル層を形成する工程と、
前記バリアメタル層上に、前記金属イオンが伝導可能な金属酸化物を含むイオン伝導層を形成する工程と、
前記イオン伝導層上に、前記第１電極よりもイオン化しにくい第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記イオン伝導層を形成する工程は、酸素雰囲気中で行うことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
【請求項７】
前記バリアメタル層は、タンタル、窒化タンタル、又は、それらの積層体よりなり、
前記金属酸化物は、酸化タンタル又は酸化シリコンタンタルよりなることを特徴とする請求項６記載のスイッチング素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１電極は、銅よりなり、
前記第２電極は、白金よりなることを特徴とする請求項６又は７記載のスイッチング素子の製造方法。
【請求項９】
前記イオン伝導層を形成する工程の後の任意の工程で熱処理を行い、
前記熱処理によって前記第１電極に係る金属を拡散させることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一に記載のスイッチング素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）本願は、先の日本特許出願２００９−４０４５号（２００９年１月９日出願）の優先権を主張するものであり、前記先の出願の全記載内容は、本書に引用をもって繰込み記載されているものとみなされる。
本発明は、プログラマブルロジックやメモリに利用されるスイッチン素子及びその製造方法に関し、特に、電気化学反応を利用したスイッチン素子及びその製造方法する。
【背景技術】
【０００２】
メモリ素子、半導体装置の回路構成が変更可能なプログラマブルロジックのための不揮発性スイッチとして、イオン伝導体（イオンがその内部を自由に動き回ることのできる固体）中における金属イオン移動と電気化学反応を利用したスイッチング素子が開示されている（例えば、非特許文献１等参照）。非特許文献１に開示されたスイッチング素子は、イオン伝導層、このイオン伝導層に接して対向面に設置された第１電極および第２電極の３層から構成されている。このうち第１電極はイオン伝導層に金属イオンを供給するための役割を果たしている。第２電極からは金属イオンは供給されない。このような電気化学反応を利用したスイッチング素子は、サイズが小さく、オン時とオフ時の抵抗比が大きいという特徴がある。【０００３】
このような電気化学反応を利用したスイッチング素子は、作製直後は抵抗が高いオフ状態である。オフからオン状態へ遷移させるには、第１電極を接地して第２電極に負電圧を印加し、第１電極の金属から電気化学反応によって金属イオンを生成させ、イオン伝導層に溶解させる。そして、イオン伝導層中の金属イオンを第２電極の表面に金属として析出させ、析出した金属により第１電極と第２電極を接続する金属架橋を形成させる。金属架橋が第１電極と第２電極を電気的に接続することで、スイッチがオン状態になる。一方、オン状態からオフ状態へ遷移させるには、第１電極を接地して第２電極に正電圧を印加する。これにより、金属架橋の一部が切断されてオフ状態へ遷移する。【０００４】
電気化学反応を利用したスイッチング素子は半導体装置等の多層配線層に形成される。スイッチング素子は、金属イオンを供給可能な第１電極と、金属イオンが伝導可能なイオン伝導層と、第１電極よりもイオン化（すなわち酸化）しにくい第２電極との３層構造から構成される。特許文献１に記載のスイッチング素子では、金属イオンには銅イオンが用いられ、その供給源となる第１電極は銅、イオン伝導層として酸化タンタル等の金属酸化層、さらに、イオン化しにくい第２電極として白金が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３１９０２８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Shunichi Kaeriyama et al., “A Nonvolatile Programmable Solid-Electrolyte Nanometer Switch”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.40, No.1, pp.168-176, January 2005.
【非特許文献２】Toshitugu Sakamoto et al., “A Ta２O５ solid electrolyte switch with improved reliability”, 2007 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, pp.38-39, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１、非特許文献１、２の開示事項は、本書に引用をもって繰り込み記載されているものとする。以下の分析は、本発明によって与えられたものである。
イオン伝導層となる金属酸化層の形成は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法、蒸着法、スパッタ法、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）法、金属を形成後に酸化を行うこと等が考えられる。いずれの方法においても酸素雰囲気下での形成が必要である。特許文献１ではレーザーアブレーション法（蒸着法の一種）により酸素雰囲気下でイオン伝導層（酸化タンタル）を形成している。金属イオンの供給源となる第１電極を先に形成し、その後、イオン伝導層となる金属酸化層を形成した場合、形成中の酸素雰囲気により第１電極が酸化されるおそれがある。つまり、第１電極が金属イオンを供給するために、第１電極は酸素雰囲気で容易に酸化される。特に、ＰＶＤ法ではプラズマ、ＭＯＣＶＤ法では高温によって酸化はさらに促進される。また、イオン伝導層となる金属酸化層に第１電極から金属イオンが拡散し、イオン伝導層の絶縁性が低くなるおそれがある。【０００８】
非特許文献２では、金属イオンの供給源となる第１電極の酸化を回避するために、酸化しにくい第２電極を先に形成した後に、イオン伝導層となる金属酸化層を形成し、その後、第１電極を形成する方法が取られている。また、非特許文献２では、金属酸化層中に第１電極から金属イオンが拡散するのを防ぐために、スイッチング素子を形成した後には、熱処理を行っていない。【０００９】
ところで、近年、半導体装置の配線材料として銅が用いられており、銅配線を第１電極として併用することで工程を削減することができる。銅配線を第１電極として用いるためには、第１電極上にイオン伝導層を形成する必要がある。第１電極上にイオン伝導層を形成した場合でも、第１電極が酸化されないようにしつつ、イオン伝導層の絶縁性が低下しないようにすることが要求されるようになってきた。【００１０】
本発明の主な課題は、金属イオンの供給源となる第１電極上にイオン伝導層を形成する場合において、第１電極が酸化されないようにしつつ、イオン伝導層の絶縁性が低下しないようにすることが可能なスイッチング素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の視点においては、電気化学反応を利用したスイッチン素子において、金属イオンの供給源となる第１電極と、前記第１電極よりもイオン化しにくい第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に介在するとともに前記金属イオンが伝導可能な金属酸化物を含むイオン伝導層と、を備え、前記イオン伝導層は、異なる種類の２層以上の構造となっており、前記第１電極に最も近いイオン伝導層の前記金属イオンの拡散係数は、他のイオン伝導層の前記金属イオンの拡散係数よりも大きく、前記イオン伝導層は、前記第１電極側の第１イオン伝導層と、前記第２電極側の第２イオン伝導層との２層構造であり、前記第１イオン伝導層は、酸化タンタルを含み、前記第２イオン伝導層は、酸化シリコンタンタルを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の視点においては、電気化学反応を利用したスイッチン素子の製造方法において、金属イオンの供給源となる第１電極上に、前記第１電極の酸化をバリアするバリアメタル層を形成する工程と、前記バリアメタル層上に、前記金属イオンが伝導可能な金属酸化物を含むイオン伝導層を形成する工程と、前記イオン伝導層上に、前記第１電極よりもイオン化しにくい第２電極を形成する工程と、を含み、前記イオン伝導層を形成する工程は、酸素雰囲気中で行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のスイッチング素子の製造方法によれば、イオン伝導層を酸素雰囲気で形成する際に、第１電極上のバリアメタル層が第１電極の酸化を防止することができる。また、第１電極上のバリアメタル層は、酸化されることでイオン伝導層の金属イオンの拡散係数よりも大きくなり、第１電極からの金属イオンのイオン伝導層への熱拡散を抑制し、イオン伝導層の絶縁性が低下しないようにすることができる。【００１４】
本発明のスイッチング素子によれば、金属イオンの供給源となる第１電極上にイオン伝導層を形成する場合において、イオン伝導層が異なる種類の２層以上の構造となっており、第１電極に最も近いイオン伝導層が、他のイオン伝導層の金属イオンの拡散係数よりも大きいので、他のイオン伝導層への金属イオンの拡散が抑えられ、イオン伝導層全体として絶縁性が低下しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係るスイッチング素子を適用した半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係るスイッチング素子を適用した半導体装置の製造方法を模式的に示した第１の工程断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係るスイッチング素子を適用した半導体装置の製造方法を模式的に示した第２の工程断面図である。
【図４】本発明の実施例１−１に係るスイッチング素子の製造工程の一部を模式的に示した工程断面図である。
【図５】本発明の実施例１−１に係るスイッチング素子におけるイオン伝導層成膜後の状態の電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明の実施例１−２に係るスイッチング素子の製造工程の一部を模式的に示した工程断面図である。
【図７】本発明の実施例１−２に係るスイッチング素子の書き換え動作を模式的に示した（Ａ）低抵抗状態、（Ｂ）架橋切断時、（Ｃ）金属架橋回収時の模式図である。
【図８】比較例に係るスイッチング素子の製造工程の一部を模式的に示した工程断面図である。
【図９】比較例に係るスイッチング素子におけるイオン伝導層成膜後の状態の電子顕微鏡写真である。
【図１０】比較例に係るスイッチング素子の書き換え動作を模式的に示した（Ａ）低抵抗状態、（Ｂ）架橋切断時、（Ｃ）金属架橋回収時の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態１に係るスイッチング素子では、金属イオンの供給源となる第１電極（図１の５）と、前記第１電極よりもイオン化しにくい第２電極（図１の１３）と、前記第１電極と前記第２電極の間に介在するとともに前記金属イオンが伝導可能な金属酸化物を含むイオン伝導層（図１の１１、１２）と、を備え、前記イオン伝導層は、異なる種類の２層以上の構造となっており、前記第１電極に最も近いイオン伝導層（図１の１１）の前記金属イオンの拡散係数は、他のイオン伝導層（図１の１２）の前記金属イオンの拡散係数よりも大きく、前記イオン伝導層は、前記第１電極側の第１イオン伝導層と、前記第２電極側の第２イオン伝導層との２層構造であり、前記第１イオン伝導層は、酸化タンタルを含み、前記第２イオン伝導層は、酸化シリコンタンタルを含む（形態１）。
【００１７】
さらに、以下の形態も可能である。
前記第１電極は、銅よりなり、前記第２電極は、白金よりなることが好ましい（形態１−１）。
前記第１電極は、半導体装置における前記イオン伝導層よりも基板側の第１配線であり、前記第２電極は、前記半導体装置における前記イオン伝導層よりも基板側の反対側に配されるとともに、上層の第２配線と電気的に接続されていることが好ましい（形態１−２）。
前記第２配線は、層間絶縁膜に形成された溝ないし下穴に埋め込まれ、前記第２電極と前記第２配線の間、及び層間絶縁膜と前記第２配線の間のそれぞれに介在するとともに、前記第２電極と同一材料よりなるバリアメタルを備えることが好ましい（形態１−３）。
前記第１電極と前記イオン伝導層の間に介在するとともに、前記第１電極と前記イオン伝導層を接続するための開口部を有するバリア絶縁膜と、前記第２電極、前記イオン伝導層を覆って保護するとともに、前記第２電極、前記イオン伝導層の外周の領域にて前記バリア絶縁膜と接合する保護絶縁膜と、を備え、前記保護絶縁膜は、前記バリア絶縁膜と同一材料であることが好ましい（形態１−４）。
【００１８】
本発明の実施形態２に係るスイッチング素子の製造方法では、金属イオンの供給源となる第１電極（図２の５）上に、前記第１電極の酸化をバリアするバリアメタル層（図２の１１）を形成する工程と、前記バリアメタル層上に、前記金属イオンが伝導可能な金属酸化物を含むイオン伝導層（図２の１２）を形成する工程と、前記イオン伝導層上に、前記第１電極よりもイオン化しにくい第２電極（図２の１３）を形成する工程と、を含み、前記イオン伝導層を形成する工程は、酸素雰囲気中で行う（形態２）。
【００１９】
さらに、以下の形態も可能である。
前記バリアメタル層は、タンタル、窒化タンタル、又は、それらの積層体よりなり、前記金属酸化物は、酸化タンタル又は酸化シリコンタンタルよりなることが好ましい（形態２−１）。
前記第１電極は、銅よりなり、前記第２電極は、白金よりなることが好ましい（形態２−２）。
前記イオン伝導層を形成する工程は、室温で行われることが好ましい（形態２−３）。
前記イオン伝導層を形成する工程の際、前記バリアメタル層が酸化されて金属酸化物を含むイオン伝導層へと変化させることが好ましい（形態２−４）。
前記イオン伝導層を形成する工程の際、前記バリアメタル層は、酸化されて、前記イオン伝導層の前記金属イオンの拡散係数よりも大きい拡散係数になることが好ましい（形態２−５）。
前記第２電極を形成する工程の後の工程で熱処理を行い、前記熱処理によって前記第１電極に係る金属が拡散させることが好ましい（形態２−６）。
【実施例１】
【００２０】
本発明の実施例１に係るスイッチング素子について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係るスイッチング素子を適用した半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。【００２１】
実施例１に係るスイッチング素子１０は、半導体装置３０における半導体基板１上の多層配線層３１の内部に形成されている。【００２２】
半導体装置３０は、第１配線層２において、絶縁膜（図示せず；例えば、シリコン酸化膜）で覆われた半導体基板１上に、第１バリア絶縁膜３が形成されており、第１バリア絶縁膜３上に第１層間絶縁膜４が形成されており、第１層間絶縁膜４及び第１バリア絶縁膜３に半導体基板１に通ずる開口部が形成されており、当該開口部内に第１バリアメタル６を介して第１電極となる第１配線５が埋め込まれている。【００２３】
半導体装置３０は、プラグ層１８において、第１配線層２上に第１配線５に通ずる開口部を有する第２バリア絶縁膜７が形成されており、当該開口部を覆うようにバリアメタル層１１が形成されており、バリアメタル層１１上にイオン伝導層１２が形成されており、イオン伝導層１２上に第２電極１３が形成されており、第２電極１３を含む第２バリア絶縁膜７上（第２電極１３、イオン伝導層１２、及びバリアメタル層１１のそれぞれの側壁面上も含む）に保護絶縁膜１４が形成されており、保護絶縁膜１４上に第２層間絶縁膜１５が形成されており、第２層間絶縁膜１５及び保護絶縁膜１４に第２電極１３に通ずる開口部が形成されており、当該開口部内に第２バリアメタル２０を介して第２配線１９のプラグ部１９ａが埋め込まれている。第１配線層２、バリアメタル層１１、イオン伝導層１２、及び第２電極１３が積層した部分は、スイッチング素子１０となる。【００２４】
半導体装置３０は、第２配線層２４において、第２層間絶縁膜１５上に第３バリア絶縁膜１６が形成されており、第３バリア絶縁膜１６に、第２層間絶縁膜１５及び保護絶縁膜１４に形成された開口部と同領域の開口部が形成されており、第３バリア絶縁膜１６上に第３層間絶縁膜１７が形成されており、第３層間絶縁膜１７に、第３バリア絶縁膜１６、第２層間絶縁膜１５及び保護絶縁膜１４に形成された開口部よりも大きな開口部が形成されており、当該開口部に第２バリアメタル２０を介して第２配線１９の配線部が埋め込まれている。第３層間絶縁膜１７に形成された開口部は、第３バリア絶縁膜１６、第２層間絶縁膜１５及び保護絶縁膜１４に形成された開口部の領域を含むように配されている。第２配線１９の配線部は、プラグ部１９ａと一体になっている。第２配線層２４上には、第４バリア絶縁膜２２が形成されている。【００２５】
半導体基板１には、表面に絶縁膜（図示せず；例えば、シリコン酸化膜）で覆われたシリコン基板を用いることができる。【００２６】
第１バリア絶縁膜３は、半導体基板１と第１層間絶縁膜４の間に配された絶縁膜である。第１バリア絶縁膜３は、第１層間絶縁膜４に開口部を形成する際のハードマスクとなる。第１バリア絶縁膜３には、例えば、シリコン窒化膜を用いることができる。【００２７】
第１層間絶縁膜４には、例えば、シリコン酸化膜、低比誘電率膜（ｌｏｗｋ膜；例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。第１層間絶縁膜４は、複数の絶縁膜を積層した構成であってもよい。【００２８】
第１配線５は、金属イオンの供給源となる第１電極を兼ねた配線である。第１配線５は、半導体装置３０におけるイオン伝導層１２よりも半導体基板１側に配されている。第１配線５は、第２電極１３よりもイオン化傾向が大きい金属よりなり、一般的には銅が用いられる。【００２９】
第１バリアメタル６は、第１配線５を形成する際に第１配線５に係る金属が第１層間絶縁膜４及び半導体基板１に拡散するのを防止するためのバリア膜である。第１バリアメタル６には、例えば、窒化タンタル、窒化チタン等を用いることができる。【００３０】
第２バリア絶縁膜７は、第１配線５に係る金属の酸化及び拡散を防止するためのバリア膜である。第２バリア絶縁膜７は、第２電極１３、イオン伝導層１２、及びバリアメタル層１１をエッチングする際のハードマスクとなる。第２バリア絶縁膜７には、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＣ、およびそれらの積層体等を用いることができる。第２バリア絶縁膜７の膜厚は１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。【００３１】
バリアメタル層１１は、バリアメタルが熱処理によって酸化されて金属酸化物を含むイオン伝導層へと変化したものである。バリアメタル層１１は、タンタル、窒化タンタル、又は、それらの積層体が酸化したもの（主に酸化タンタルになったもの）を用いることができる。バリアメタル層１１は、イオン伝導層１２を形成する際に、第１配線５（第１電極）が酸化されるのを防止する役割がある。バリアメタル層１１は、イオン伝導層１２を形成する際に、表面側から酸化される。バリアメタル層１１は、酸化前においては、イオン伝導層１２よりも金属イオンの拡散が生じにくい。バリアメタル層１１は、酸化された状態では、イオン伝導層１２の金属イオンの拡散係数よりも大きい。バリアメタル層１１の膜厚は、例えば、タンタルであれば３ｎｍ程度にすることができる。【００３２】
イオン伝導層１２は、第１配線５（第１電極）の金属に係る金属イオンが伝導可能な金属酸化物を含む層である。イオン伝導層１２は、金属酸化物としてタンタルを含む酸化物絶縁膜が好適であり、例えば、酸化タンタル、酸化シリコンタンタルを用いることが望ましい。イオン伝導層１２の膜厚は、例えば、酸化シリコンタンタルであれば１３ｎｍ程度にすることができる。【００３３】
なお、図１では、第１電極５と第２電極１３の間のイオン伝導層は、バリアメタル層１１とイオン伝導層１２の２層構造となっているが、異なる種類の３層以上であってもよい。第１電極５と第２電極１３の間のイオン伝導層が異なる２層以上のイオン伝導層から構成されている場合、最も金属イオンの拡散係数が大きいイオン伝導層において金属架橋が切断される。そのため、金属イオンの拡散係数が大きいイオン伝導層を第１電極５側に配置することで、第１電極５側に近い位置で金属架橋が切断されることとなり、スイッチング時の絶縁耐性が向上する。多層からなるイオン伝導層は、酸化タンタル／酸化シリコンタンタルの組み合わせの他に、カルコゲナイド／金属酸化物の組み合わせとしてもよい。カルコゲナイドはカルコゲン元素（セレン、硫黄、テルル等）を含む化合物で、金属イオンの拡散係数は金属酸化物より大きい。好適なカルコゲナイドは、硫化銅、硫化銀、テルルセレン化ゲルマ、セレン化ゲルマ銀、硫化ゲルマ銀等である。また、好適な金属酸化物は、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化アルミ、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ガドニウム、酸化タングステン等である。【００３４】
第２電極１３は、半導体装置３０におけるイオン伝導層１２よりも半導体基板１側の反対側に配され、第２配線１９と電気的に接続されている。第２電極１３は、第１配線５（第１電極）の材料よりもイオン化しにくい材料よりなる。第２電極１３は、タンタルよりも酸化の自由エネルギーの絶対値が小さい金属材料を用いることが好ましく、例えば、白金、ルテニウム、チタン、窒化タンタル、およびそれらの積層体等を用いることができる。第２電極１３は、第２バリアメタル２０と同一材料とすることで、プラグ部１９ａとスイッチング素子１０の第２電極１３との間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上（オン時のスイッチング素子の抵抗を低減）させることができるようになる。例えば、第２バリアメタル２０が窒化タンタル／タンタルの積層構造である場合には、第２バリアメタル２０の下面材料である窒化タンタルを第２電極１３に用いることが好ましい。あるいは、第２バリアメタル２０がチタン／ルテニウムである場合は、第２バリアメタル２０の下面材料であるチタンを第２電極１３の一部に用いることが好ましい。【００３５】
保護絶縁膜１４は、スイッチング素子１０を覆って保護する絶縁膜である。保護絶縁膜１４は、スイッチング素子１０における第２電極１３、イオン伝導層１２、及びバリアメタル層１１にダメージを与えることなく、さらにスイッチング素子１０からの酸素の脱離を防ぐ機能を有する材料が好ましく、例えば、窒化シリコン、炭窒化シリコンを用いることができる。保護絶縁膜１４は、第２バリア絶縁膜７と同一材料であることが好ましい。同一材料である場合には、保護絶縁膜１４と第２バリア絶縁膜７が一体化することで界面の密着性が向上する。【００３６】
第２層間絶縁膜１５は、例えば、シリコン酸化膜、低比誘電率膜（ｌｏｗｋ膜；例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。第２層間絶縁膜１５は、複数の絶縁膜を積層した構成であってもよい。
【００３７】
第３バリア絶縁膜１６は、第２層間絶縁膜１５と第３層間絶縁膜１７の間に配された絶縁膜である。第３バリア絶縁膜１６は、第３層間絶縁膜１７に開口部を形成する際のハードマスクとなる。第３バリア絶縁膜１６には、例えば、窒化シリコン、炭化シリコン、炭窒化シリコン、およびそれらの積層体等を用いることができる。【００３８】
第３層間絶縁膜１７は、例えば、シリコン酸化膜、低比誘電率膜（ｌｏｗｋ膜；例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。第３層間絶縁膜１７は、複数の絶縁膜を積層した構成であってもよい。
【００３９】
第２配線１９は、配線部とプラグ部１９ａが一体となった配線であり、デュアルダマシン法によって形成することができる。第２配線１９には、例えば、銅を用いることができる。【００４０】
第２バリアメタル２０は、第２配線１９を形成する際に第２層間絶縁膜１５及び第３層間絶縁膜１７に第２配線１９に係る金属が拡散するのを防止するためのバリア膜である。第２バリアメタル２０には、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、ルテニウム、タンタル、チタン、白金、およびそれらの積層体等を用いることができる。第２バリアメタル２０は、第２電極１３と同一材料とすることで、プラグ部１９ａとスイッチング素子１０の第２電極１３との間の接触抵抗を低減し、素子性能を向上（オン時のスイッチング素子の抵抗を低減）させることができるようになる。【００４１】
第４バリア絶縁膜２２は、第２配線１９に係る金属が上層に拡散するのを防止するための絶縁膜である。第４バリア絶縁膜２２には、例えば、シリコン窒化膜を用いることができる。【００４２】
次に、本発明の実施例１に係るスイッチング素子の製造方法について図面を用いて説明する。図２、図３は、本発明の実施例１に係るスイッチング素子を適用した半導体装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。【００４３】
まず、半導体基板１（例えば、シリコン基板）上に第１バリア絶縁膜３（例えば、シリコン窒化膜）を成膜し、その後、第１層間絶縁膜４（例えば、シリコン酸化膜）を成膜し、その後、フォトリソグラフィ法を用いて第１層間絶縁膜４及び第１バリア絶縁膜３に、半導体基板１に通ずる開口部を形成し、その後、当該開口部を含む第１層間絶縁膜４上に第１バリアメタル６（例えば、窒化チタン）を成膜し、その後、第１バリアメタル６上に第１配線５（例えば、銅）を成膜し、その後、ＣＭＰにより第１層間絶縁膜４が現れるまで第１配線５及び第１バリアメタル６を平坦化する（ステップＡ１；図２（Ａ）参照）。これにより、第１層間絶縁膜４及び第１バリア絶縁膜３に形成された開口部に、第１バリアメタル６を介して第１配線５が埋め込まれた状態となる。【００４４】
ステップＡ１において、第１層間絶縁膜４は、例えば、プラズマＣＶＤ法によって形成することができる。【００４５】
また、ステップＡ１において、第１配線５は、例えば、ＰＶＤ法によってＴａＮ／Ｔａ積層体よりなる第１バリアメタル６を形成し、ＰＶＤ法によりＣｕシードを形成した後、電解めっき法によって銅を開口部内部に埋設し、２００℃以上の温度で熱処理処理後、ＣＭＰ法によって溝内部以外の余剰の銅を除去することで形成することができる。このような一連の配線の形成方法は、当該技術分野における一般的な手法を用いることができる。【００４６】
次に、第１配線５及び第１バリアメタル６を含む第１層間絶縁膜４上に第２バリア絶縁膜７（例えば、シリコン窒化膜）を成膜し、その後、第２バリア絶縁膜７上にハードマスク膜（図示せず：例えば、ＳｉＣ）を形成し、その後、フォトリソグラフィ法を用いてハードマスク膜に開口部を形成し、その後、ハードマスク膜の開口部から露出する第２バリア絶縁膜７を、ドライエッチングによって第１配線５が現れるまでエッチバックし、その後、アミン系の剥離液などで有機剥離処理を行うことで第１配線５の露出面に形成された酸化銅を除去するとともに、エッチバック時に堆積したエッチング複生成物などを除去する（ステップＡ２；図２（Ｂ）参照）。【００４７】
ステップＡ２において、第２バリア絶縁膜７は、プラズマＣＶＤ法によって形成することがでる。また、第２バリア絶縁膜７の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度であることが好ましい。【００４８】
また、ステップＡ２において、第２バリア絶縁膜７上に形成されるハードマスク膜は、ドライエッチング加工におけるエッチング選択比を大きく保つ観点から、第２バリア絶縁膜７とは異なる材料であることが好ましく、絶縁膜であっても導電膜であってもよい。ハードマスク膜には、例えば、酸化シリコン膜、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮなどを用いることができる。
また、ステップＡ２において、フォトリソグラフィ法では、ハードマスク膜上にフォトレジストを用いて開口部をパターニングし、ドライエッチングによってハードマスク膜に開口部パターンを転写し、その後、酸素プラズマアッシング等によってフォトレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングによるエッチバックでは必ずしも第２バリア絶縁膜７の上面で停止している必要はなく、第２バリア絶縁膜７の内部にまで到達していてもよい。また、ハードマスク膜はエッチバック時に完全に除去されることが好ましいが、ハードマスク膜が絶縁材料である場合にはそのまま残存してもよい。【００４９】
次に、第１配線５を含む第２バリア絶縁膜７上にバリアメタル層１１（例えば、タンタル）を成膜し、その後、バリアメタル層１１上にイオン伝導層１２（例えば、酸化シリコンタンタル）を成膜し、その後、イオン伝導層１２上に第２電極１３（例えば、ルテニウムとチタンの積層体）を成膜し、その後、第２電極１３上にハードマスク膜（図示せず、例えば、窒化シリコン膜／酸化シリコン膜の積層体）を成膜し、その後、フォトリソグラフィ法を用いてスイッチング素子１０として残す部分以外の領域のハードマスク膜をエッチング除去し、その後、残ったハードマスク膜をマスクにして、第２電極１３、イオン伝導層１２、バリアメタル層１１を連続的にエッチングする（ステップＡ３；図２（Ｃ）参照）。【００５０】
ステップＡ３において、バリアメタル層１１を膜厚３ｎｍのタンタルとすることができる。バリアメタル層１１は、アルゴン雰囲気下のＤＣ（Direct Current；直流）スパッタ法により成膜することが可能である。バリアメタル層１１を成膜する際に第１電極５は酸化されない。バリアメタル層１１としてタンタルは、窒化タンタルと比較して酸素の透過を抑制する効果は大きい。なお、バリアメタル層１１として有望なタンタルと窒化タンタルを比較すると、窒化タンタルの方が銅の熱拡散の抑制効果は大きい。イオン伝導層１２のスパッタを高温で行う場合や、スイッチング素子１０を形成した後に熱処理等を行う場合は、第１電極５からの銅の熱拡散を抑制する必要がある。【００５１】
また、ステップＡ３において、イオン伝導層１２は、膜厚１３ｎｍの酸化シリコンタンタルとすることができる。イオン伝導層１２は、酸化シリコンタンタルであれば、アルゴンと酸素がそれぞれ４対１の流量比、基板温度が室温、プラズマパワーが２ｋＷの条件下で、ＲＦ（Radio Frequency；高周波）スパッタ法により形成することができる。【００５２】
また、ステップＡ３において、イオン伝導層１２を酸素雰囲気でスパッタする際、バリアメタル層１１は表面から酸化が進行する。イオン伝導層１２のスパッタ中にバリアメタル層１１が完全に酸化されると、第１配線５（第１電極）に酸素が供給されることになるため、バリアメタル層１１の膜厚を所定の膜厚以上としておくことが重要である。【００５３】
また、ステップＡ３において、バリアメタル層１１が酸化されると、金属イオンが伝導可能なイオン伝導層へと変化する。例えば、イオン伝導層１２に酸化タンタル、バリアメタル層１１にタンタルを用いると、イオン伝導層１２のスパッタ中に、バリアメタル層１１においてタンタルが酸化して酸化タンタルへと変化する。つまり、バリアメタル層１１の膜厚を調整すれば、イオン伝導層１２のスパッタ成膜の際に、バリアメタル層１１がイオン伝導層に変化し、第１電極／イオン伝導層の積層構造が形成される。【００５４】
さらに、イオン伝導層１２の形成後の工程において、バリアメタル層１１が酸化される場合には、バリアメタル層１１の膜厚を調整することにより、全作製工程後に、第１電極５を酸化させず、かつ、バリアメタル層１１をイオン伝導層に変化させることができる。【００５５】
また、ステップＡ３において、第２電極１３は、膜厚１０ｎｍのルテニウムと膜厚５０ｎｍのタンタルの積層体とすることができる。第２電極１３は、ルテニウムおよびタンタルであれば、アルゴン雰囲気下のＤＣスパッタ法によって形成することができる。【００５６】
なお、ステップＡ３において、バリアメタル層１１を形成する前には、第２バリア絶縁膜７の開口部に付着した水分を除去するために、３５０℃程度の温度、減圧下にて熱処理を加えて脱ガスしておくことが好ましい。この際、第１配線５の銅表面を再度酸化させないよう、真空下、あるいは窒素雰囲気下などの不活性雰囲気下にするなどの注意が必要である。【００５７】
また、ステップＡ３において、フォトリソグラフィ法では、フォトレジストを用いてスイッチング素子１０として残す部分をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングを行うことによって、スイッチング素子１０として残す部分以外の領域のハードマスク膜をエッチング除去し、その後、酸素プラズマアッシングと有機剥離を用いてフォトレジストを除去する。【００５８】
また、ステップＡ３において、ハードマスクを用いて第２電極１３、イオン伝導層１２、バリアメタル層１１を連続的にエッチングする際、例えば、第２電極１３の構成要素のタンタルは塩素系の反応性エッチングで加工することができ、ルテニウムは塩素と酸素の混合ガスで反応性エッチングにより加工できる。また、イオン伝導層１２の構成要素の酸化タンタル又は酸化シリコンタンタルは、４フッ化炭素系、４フッ化炭素と塩素の混合ガス、４フッ化炭素／塩素／アルゴンなどの混合ガスでエッチング条件を調節することで反応性エッチング加工することができる。このようなハードマスク反応性エッチング法を用いることでスイッチング素子１０をレジスト除去のための酸素プラズマアッシングに曝すことなく、加工をすることができる。また、加工後に酸素プラズマによって酸化処理する場合には、レジストの剥離時間に依存することなく酸化プラズマ処理を照射することができるようになる。【００５９】
次に、スイッチング素子１０を含む第２バリア絶縁膜７上に保護絶縁膜１４（例えば、シリコン窒化膜）を成膜し、その後、保護絶縁膜１４上に第２層間絶縁膜１５（例えば、シリコン酸化膜）を成膜し、その後、第２層間絶縁膜１５上に第３バリア絶縁膜１６（例えば、シリコン窒化膜）を成膜し、その後、第３バリア絶縁膜１６上に第３層間絶縁膜１７（例えば、シリコン酸化膜）を成膜する（ステップＡ４；図３（Ａ）参照）。【００６０】
ステップＡ４において、保護絶縁膜１４は、プラズマ気相成長法によって形成することができるが、成膜前には反応室内で減圧下に維持する必要がある。このとき、スイッチング素子１０の側面から酸素が脱離し、イオン伝導層１２のリーク電流が増加するおそれがあるので、酸素の脱離を抑制するためには、保護絶縁膜１４の成膜温度を２５０℃以下にすることが好ましい。また、保護絶縁膜１４の成膜前においては減圧下で成膜ガスに曝されるため、保護絶縁膜１４の成膜には還元性ガスを用いないことが好ましい。このことから、保護絶縁膜１４は、例えば、シラン／窒素の混合ガスを高密度プラズマによって、基板温度２００℃で形成した窒化シリコン膜などを用いることが好ましい。【００６１】
次に、第３層間絶縁膜１７に第２配線１９の配線部用の溝を形成し、第３バリア絶縁膜１６、第２層間絶縁膜１５、及び保護絶縁膜１４に第２配線１９のプラグ部１９ａ用の下穴を形成し、その後、溝及び下穴を含む第３層間絶縁膜１７の表面に第２バリアメタル２０（例えば、チタン）を成膜し、その後、第２バリアメタル２０上に第２配線１９（例えば、銅）を成膜し、その後、ＣＭＰにより第３層間絶縁膜１７が現れるまで第２配線１９及び第２バリアメタル２０を平坦化し、その後、第２バリアメタル２０及び第２配線１９を含む第３層間絶縁膜１７上に第４バリア絶縁膜２２を成膜する（ステップＡ５；図３（Ｂ）参照）。これにより、溝及び下穴に、第２バリアメタル２０を介して第２配線１９が埋め込まれた状態となる。【００６２】
ステップＡ５において、溝及び下穴は、同時に形成してもよく、溝及び下穴の一方を先に形成して他方を後に形成してもよい。溝及び下穴内に形成される第２配線１９は、デュアルダマシン配線プロセスを用いて形成され、配線部及びプラグ部１９ａが同時に形成される。第２配線１９の形成プロセスは、下層の第１配線５の形成と同様のプロセスを用いることができる。【００６３】
また、ステップＡ５において、第２層間絶縁膜１５及び第３層間絶縁膜１７は、プラズマ気相成長法で形成することができる。また、第２層間絶縁膜１５と第３層間絶縁膜１７を同一材料としてもよい。【００６４】
また、ステップＡ５において、第３バリア絶縁膜１６は、溝のエッチング条件の選択（第２層間絶縁膜１５と第３層間絶縁膜１７の材料の組合せ）によっては削除することもできる。【００６５】
また、ステップＡ５において、スイッチング素子１０によって形成される段差を解消するため、第２層間絶縁膜１５を厚く堆積し、ＣＭＰによって第２層間絶縁膜１５を削り込んで平坦化し、所望の膜厚としてもよい。【００６６】
次に、本発明の実施例１に係るスイッチング素子の第１のサンプル（実施例１−１）を用いた観察・観測結果について図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施例１−１に係るスイッチング素子の製造工程の一部を模式的に示した工程断面図である。図５は、本発明の実施例１−１に係るスイッチング素子におけるイオン伝導層成膜後の状態の電子顕微鏡写真である。【００６７】
第１のサンプルは、第１電極５として銅（Ｃｕ）を用い、イオン伝導層１２として酸化タンタル（ＴａＯ）を用い、バリアメタル層１１としてタンタル（Ｔａ）を用いたものである。第１のサンプルの製造工程は、以下の通りである。【００６８】
まず、表面が酸化シリコンで覆われた半導体基板１上に、タンタル（膜厚５ｎｍ）、銅シード（膜厚１０ｎｍ）を順にスパッタ法により成膜した後、メッキ法により銅（膜厚６００ｎｍ）を成長する。その後、化学機械的研磨法（ＣＭＰ法）によって銅を３００ｎｍの膜厚まで薄膜化するとともに、表面の凹凸をできるだけ少なくする。本工程により、銅からなる第１電極５が形成される。【００６９】
次に、バリアメタル層１１となる膜厚３ｎｍのタンタルをスパッタ法により成膜する。スパッタは、アルゴン雰囲気中、ＤＣスパッタパワー１ｋＷにて行う（図４（Ａ）参照）。【００７０】
次に、スパッタチャンバーに混合比４：１のアルゴンと酸素を導入し、イオン伝導層１２となる酸化タンタルをターゲットとしたＲＦスパッタ法により酸化タンタルを１３ｎｍ程度成膜する（図４（Ｂ）、（Ｃ）参照）。このとき、基板の加熱は行わず、室温にて成膜を行う。【００７１】
ここで、酸化タンタルをスパッタした後の表面観察を行ったところ、図４（Ｃ）のスパッタ後において、第１電極５において表面の荒れはなく、銅は酸化されていなかった（図５参照）。【００７２】
また、組成分析を行ったところ、図４（Ｃ）のスパッタ後において、バリアメタル層１１のタンタルは酸化されて酸化タンタルに変化していることがわかった。イオン伝導層１２のスパッタ中にタンタル３ｎｍが完全に酸化されていた。バリアメタル層１１が完全に酸化されると、酸化タンタルからなるイオン伝導層１２と同質化する。また、タンタルの膜厚を５ｎｍとしておくと、一部のタンタルが酸化されずに残っていることが確認された。【００７３】
バリアメタル層１１が酸化され、酸化タンタルからなるイオン伝導層１２と同質化すると、熱処理中に第１電極５の銅が銅イオンとなって容易に酸化タンタル中に拡散するようになる。図４（Ｃ）のスパッタ後のサンプルを窒素雰囲気下、３５０℃、３０分間アニール処理を行ったところ、バリアメタル層１１及びイオン伝導層１２に係る酸化タンタル中に第１電極５に係る銅が拡散しているのが観測された。【００７４】
なお、イオン伝導層１２中への第１電極５の金属材料の熱拡散を抑制するには、（１）バリアメタル層１１の膜厚を厚くする、（２）バリアメタル層１１に窒化タンタルを用いる、（３）イオン伝導層１２のスパッタの成膜温度を下げる（具体的には室温とする）、（４）イオン伝導層１２自体を熱拡散が起こりにくい材料とする等の対策がある。【００７５】
次に、本発明の実施例１に係るスイッチング素子の第２のサンプル（実施例１−２）を用いた観測結果について図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施例１−２に係るスイッチング素子の製造工程の一部を模式的に示した工程断面図である。【００７６】
第２のサンプルは、イオン伝導層１２に酸化シリコンタンタル（ＴａＳｉＯ）を用い、バリアメタル層１１にタンタル（Ｔａ）を用い、第１電極５に銅（Ｃｕ）を用い、バリアメタル層１１に係るタンタルの膜厚を調整して、スイッチング素子の製造工程終了後に、バリアメタル層１１に係るタンタルが酸化タンタルに変化したものである。この場合、イオン伝導層１２に係る酸化シリコンタンタルとバリアメタル層１１に係る酸化タンタルとの２層構造のイオン伝導層が構成されることとなる。第２のサンプルの製造工程は、以下の通りである。【００７７】
まず、第１電極５およびバリアメタル層１１は、表面が絶縁膜で覆われた半導体基板１上に、実施例１−１と同様な工程で形成する（図６（Ａ）参照）。次に、イオン伝導層１２に係る酸化シリコンタンタル（膜厚１３ｎｍ）をスパッタ法によって成膜する。酸化シリコンタンタルの成膜は、混合比４：１のアルゴンと酸素をスパッタチャンバーに導入し、酸化シリコンタンタルをターゲットとしたＲＦスパッタにて行う。スパッタ後、窒素雰囲気下、３５０℃、３０分間の熱処理を行う（図６（Ｂ）参照）。【００７８】
ここで、スパッタ成膜および熱処理の際、バリアメタル層１１に係るタンタルは酸化タンタルに変化しており、さらに熱処理を加えることによって、酸化タンタル中へ銅は容易に熱拡散される。一方、イオン伝導層１２に係る酸化シリコンタンタルは、酸化タンタルと比較して銅の拡散係数が小さい。そのため、前記熱処理において、銅がイオン伝導層１２に係る酸化シリコンタンタル中に熱拡散する確率は、酸化タンタルと比較して小さい。【００７９】
次に、イオン伝導層１２上に、白金（Ｐｔ）からなる第２電極１３を形成する（図６（Ｃ）参照）。白金（膜厚５０ｎｍ）は、ステンシルマスクで電極部分以外をマスクして真空蒸着することにより形成した。以上により、実施例１（図１参照）と同様なスイッチング素子が構成できる。【００８０】
次に、本発明の実施例１に係るスイッチング素子の第２のサンプル（実施例１−２）の書き換え動作について図面を用いて説明する。図７は、本発明の実施例１−２に係るスイッチング素子の書き換え動作を模式的に示した（Ａ）低抵抗状態、（Ｂ）架橋切断時、（Ｃ）金属架橋回収時の模式図である。なお、図７では、半導体基板を省略している。【００８１】
スイッチング素子の書き換え動作では、まず、第１電極５（銅）を接地して、第２電極１３（白金）に負電圧を印加すると、バリアメタル層１１（酸化タンタル）、イオン伝導層１２（酸化シリコンタンタル）中に、第１電極５に係る銅からなる金属架橋５ａが形成されて、スイッチング素子は低抵抗状態へ遷移する（図７（Ａ）参照）。【００８２】
一方、第１電極５を接地して、第２電極１３に正電圧を印加すると、金属架橋（図７（Ａ）の５ａ）が架橋金属部５ａ１と架橋金属部５ａ２に切断され、高抵抗状態へ遷移する。切断位置は、イオン伝導層１２よりも銅イオンの拡散が速いバリアメタル層１１中であって、バリアメタル層１１とイオン伝導層１２の界面付近である（図７（Ｂ）参照）。切断位置に存在していた金属架橋部は金属イオンとなり、主にバリアメタル層１１に拡散する。【００８３】
架橋金属部５ａ１と架橋金属部５ａ２に切断された後、第１電極５を接地して、第２電極１３に正電圧を印加し続けると、第２電極１３側に残っていた金属架橋部（図７（Ｂ）の５ａ１）が銅イオンとなり、銅イオンが第１電極５側へ引き寄せられ、第１電極５にて銅として回収される。最終的には、イオン伝導層１２中に金属架橋部（図４（Ｂ）の５ａ１）がなくなり、安定した高抵抗を得ることができる（図７（Ｃ）参照）。なお、金属架橋部がイオン伝導層１２中に残ると第１電極５と第２電極１３の間の絶縁耐性の劣化が大きいが、本構造では金属架橋部がイオン伝導層１２中に残らないようにすることができるので、絶縁耐性の劣化が少ない。【００８４】
実施例１によれば、イオン伝導層１２を形成する際に、バリアメタル層１１により第１配線５（第１電極）の酸化を防止することができる。つまり、第１電極５上のバリアメタル層１１は、イオン伝導層１２を酸素雰囲気下でスパッタする際、酸素の透過を抑制する。酸素が第１配線５（第１電極）に供給されなければ、第１配線５（第１電極）は酸化されることはない。【００８５】
また、実施例１によれば、第１電極５上のバリアメタル層１１は、酸化される前においては、第１電極５に係る金属の熱拡散を抑制することができる。【００８６】
また、実施例１によれば、第１電極５と第２電極１３の間のイオン伝導層が異なる２層以上のイオン伝導層から構成されている場合に、金属イオンの拡散係数が大きいイオン伝導層を第１電極５側に配置することで、第１電極５側に近い位置で金属架橋が切断されることとなり、スイッチング時の絶縁耐性が向上する。【００８７】
なお、比較例として、図８に示すように、表面が絶縁膜で覆われた半導体基板１０１上に形成された銅からなる第１電極１０５上に、酸化タンタルからなるイオン伝導層１１２をスパッタ法にて形成する場合を考察してみる。この場合、酸化タンタルをスパッタターゲットとして、第１電極１０５が形成された半導体基板１０１を３５０℃に加熱し、混合比４：１のアルゴンと酸素を真空チャンバに導入し、プラズマを発生させる（図８（Ａ）参照）。酸素を導入することで、スパッタによる酸素抜けを防止する効果があり、スパッタターゲット（酸化タンタル）とほぼ同質の膜を第１電極１０５上に堆積させることができる（図８（Ｂ）参照）。もし、酸素を導入しなければ、スパッタターゲットの酸化タンタルの組成から酸素組成が少なくなり、絶縁耐性が低い膜しか得られない。【００８８】
酸化タンタルのスパッタを行った後の電子顕微鏡写真が図９である。第１電極１０５（銅）が完全に酸化されて表面が荒れていることがわかる。目視でも、スパッタ前には銅色であったものが、酸化タンタルのスパッタ後に黒色へと変色していることが確認された。また、積層した酸化タンタル（イオン伝導層１１２）中には、第１電極１０５の銅が拡散していることが確認された。酸化タンタル中に銅が拡散すると、酸化タンタルの絶縁性が低くなるという不都合が生じる。酸化タンタルと銅が接している場合、熱処理によって銅が熱拡散することはよく知られている。【００８９】
図８（Ｂ）のイオン伝導層１１２上に白金からなる第２電極１１３したスイッチング素子の書き換え動作を図１０に示す。第１電極１０５（銅）を接地して、第２電極１１３（白金）に負電圧を印加すると、イオン伝導層１１２（酸化タンタル）中に、第１電極１０５に係る銅からなる金属架橋１０５ａが形成されて、スイッチング素子は低抵抗状態へ遷移する（図１０（Ａ）参照）。【００９０】
一方、第１電極１０５を接地して、第２電極１１３に正電圧を印加すると、金属架橋（図１０（Ａ）の１０５ａ）が架橋金属部１０５ａ１と架橋金属部１０５ａ２に切断され、高抵抗状態へ遷移する（図１０（Ｂ）参照）。架橋金属１０５ａの切断位置は、スイッチングサイクルによって異なり、ばらつきが生じる。【００９１】
また、架橋金属部１０５ａ１と架橋金属部１０５ａ２に切断された後、第１電極１０５を接地して、第２電極１１３に正電圧を印加し続けると、金属架橋１０５ａの切断位置が第２電極１１３に近いと、イオン伝導層１１２（酸化タンタル）中に大部分の金属架橋部１０５ａ２が残ることとなる（図１０（Ｃ）参照）。このため、比較例は、実施例１−２（図７（Ｃ）参照）と比較して、第１電極１０５と第２電極１１３の間の絶縁耐性が低い。【００９２】
本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００９３】
１  半導体基板
２  第１配線層
３  第１バリア絶縁膜
４  第１層間絶縁膜
５  第１配線（第１電極）
５ａ  架橋金属
５ａ１、５ａ２  架橋金属部
６  第１バリアメタル
７  第２バリア絶縁膜
１０  スイッチング素子
１１  バリアメタル層（第１イオン伝導層）
１２  イオン伝導層（第２イオン伝導層）
１３  第２電極
１４  保護絶縁膜
１５  第２層間絶縁膜
１６  第３バリア絶縁膜
１７  第３層間絶縁膜
１８  プラグ層
１９  第２配線
１９ａ  プラグ部
２０  第２バリアメタル
２２  第４バリア絶縁膜
２４  第２配線層
３０  半導体装置
３１  多層配線層
１０１  半導体基板
１０５  第１配線（第１電極）
１０５ａ  架橋金属
１０５ａ１、１０５ａ２  架橋金属部
１１２  イオン伝導層
１１３  第２電極
【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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