(57)【要約】      （修正有）【課題】プログラマブルロジックおよびメモリ等の電子デバイスに用いられるスイッチング素子の駆動方法を提供する。【解決手段】イオン伝導層１３に接触する部位が金属イオンを供給しない材料で覆われた第１電極１１と、金属イオンを供給可能な材料を含む第２電極１２とを有するスイッチング素子について、オンおよびオフ間で繰り返し遷移させる場合には、第２電極１２を接地し第１電極１１に負電圧を印加し、または第１電極１１を接地し第２電極１２に正電圧を印加してオンにし、第１電極１１を接地し第２電極１２に負電圧を印加し、または第２電極１２を接地し第１電極１１に正電圧を印加してオフにし、オンの状態に定着させる場合には、オフの状態から第２電極１２を接地し第１電極１１に所定の正電圧を印加し、または第１電極１１を接地し第２電極１２に所定の負電圧を印加してこれら２つの電極を接続する。【選択図】図１
2008053433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、該イオン伝導層と接触する部位が前記金属イオンを供給しない材料で覆われた第１電極と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記金属イオンを供給可能な材料を含む第２電極と、を有するスイッチング素子の駆動方法であって、
オンおよびオフ間で繰り返し遷移させる場合、前記第２電極を接地し前記第１電極に負電圧を印加し、または前記第１電極を接地し前記第２電極に正電圧を印加してこれら２つの電極間に金属析出物を形成してオンにし、前記第１電極を接地し前記第２電極に負電圧を印加し、または前記第２電極を接地し前記第１電極に正電圧を印加して前記金属析出物を切り離してオフにし、
オンの状態に定着させる場合、オフの状態から前記第２電極を接地し前記第１電極に所定の正電圧を印加し、または前記第１電極を接地し前記第２電極に所定の負電圧を印加してこれら２つの電極を接続する、スイッチング素子の駆動方法。
【請求項２】
金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、該イオン伝導層と接触する部位が前記金属イオンを供給しない材料で覆われた第１電極および第２電極と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記金属イオンを供給可能な材料を含む第３電極と、を有するスイッチング素子の駆動方法であって、
オンおよびオフ間で繰り返し遷移させる場合、前記第２電極および前記第３電極を接地し前記第１電極に負電圧を印加し、または前記第１電極および前記第２電極を接地し前記第３電極に正電圧を印加して該第１電極および該第２電極間に金属析出物を形成してオンにし、前記第１電極もしくは前記第２電極を接地し前記第３電極に負電圧を印加し、または前記第３電極を接地して前記第１電極もしくは前記第２電極に正電圧を印加して前記金属析出物を切り離してオフにし、
オンの状態に定着させる場合、オフの状態から前記第１電極および前記第２電極の２つの電極のうち一方の電極を接地し他方の電極に所定の正電圧を印加してこれら２つの電極を接続する、スイッチング素子の駆動方法。
【請求項３】
オンの状態に定着させる場合に印加する前記所定の正電圧が前記イオン伝導層に絶縁破壊が生じる電圧以上の値である、請求項２記載のスイッチング素子の駆動方法。
【請求項４】
金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、該イオン伝導層と接触する部位が前記金属イオンを供給しない材料で覆われた第１電極と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記金属イオンを供給可能な材料を含む第２電極および第３電極と、を有するスイッチング素子の駆動方法であって、
オンおよびオフ間で繰り返し遷移させる場合、前記第２電極および前記第３電極を接地し前記第１電極に負電圧を印加し、または前記第１電極および前記第２電極を接地し前記第３電極に正電圧を印加して該第１電極および該第２電極間に金属析出物を形成してオンにし、前記第１電極もしくは前記第２電極を接地し前記第３電極に負電圧を印加し、または前記第３電極を接地して前記第１電極もしくは前記第２電極に正電圧を印加して前記金属析出物を切り離してオフにし、
オンの状態に定着させる場合、オフの状態から前記第２電極を接地し前記第１電極に所定の正電圧を印加し、または前記第１電極を接地し前記第２電極に所定の負電圧を印加してこれら２つの電極を接続する、スイッチング素子の駆動方法。
【請求項５】
オンの状態に定着させる場合に印加する前記所定の正電圧および所定の負電圧が前記イオン伝導層に絶縁破壊が生じる電圧以上の値である、請求項１または４記載のスイッチング素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プログラマブルロジックおよびメモリ等の電子デバイスに用いられる、電気化学反応を利用したスイッチング素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の開発競争が激化し、また、電子機器の小型化が進んでいる。このような状況のもとで、製造後においても、電子信号により回路構成を変更し、１つのチップで多くの機能を提供できるプログラマブルロジックが注目を集めている。プログラマブルロジックの代表例としては、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＤＲＰ（Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）がある。
【０００３】
プログラマブルロジックの機能を多様化し、電子機器などへの実装を推進して行くためには、ロジックセル間を相互に結線するスイッチのサイズを小さくし、そのオン抵抗を小さくすることが必要となる。かかる要件を満たし得るスイッチとして、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）中の金属イオン移動と、電気化学反応を利用したスイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する）が提案されている（特許文献１を参照）。本スイッチング素子は、これまでのプログラマブルロジックでよく用いられてきた半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴなど）よりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいことが知られている。
【０００４】
本スイッチング素子には、特許文献１に開示された２端子スイッチと、特許文献２に開示された３端子スイッチとがある。２端子スイッチは、イオンを供給する電極とイオンを供給しない電極でイオン伝導層を挟んだ構造をしている。両電極間はイオン伝導層中での金属架橋の形成・消滅によってスイッチングする。２端子スイッチは、構造が単純であるため、作製プロセスが簡便であり、素子サイズをナノメートルオーダーまで小さく加工可能である。３端子スイッチは、金属架橋の形成・消滅をコントロールする第３電極を設けることで、金属架橋の太さを制御可能とし、エレクトロマイグレーション耐性に優れている。また、ロジックに応用した際、２端子スイッチは金属架橋が低抵抗であるため、接続と切断の際に素子に大きな電流が流れ、ロジックに損傷を与える危険性がある。３端子では金属架橋の形成を制御する電極と、電気信号を伝達する伝居機が別に存在するため、電流の制御ができる。一方で、３端子スイッチは２端子スイッチに比べ、構造が複雑であり、素子サイズも大きくなる傾向にある。
【０００５】
本スイッチング素子をプログラマブルデバイスの配線切り替えスイッチに用いることで、従来型のスイッチに比べて、スイッチ面積の縮小（１／３０）、スイッチ抵抗の低減（１／５０）、スイッチング素子の配線層への作り込みが可能となるため、チップ面積の縮小と配線遅延の改善が期待される。さらに、プログラマブルロジックの単位ロジックセルを小さくできるため、回路利用効率が大幅に改善され、結果としてチップ面積が１／１０に小さくなり、電力効率が３倍に改善される。従来型プログラマブルロジックは、そのチップサイズの大きさと電力効率の低さで、応用範囲が限られていたが、スイッチング素子を用いた新しいプログラマブルロジックは広い応用範囲をカバーすることができる（文献１を参照）。
【０００６】
また、スイッチング素子の状態を保持する時間（不揮発性を保つ時間）としては、プログラマブルロジックが使用される製品寿命（一般的に１０年）以上の長い期間が必要である。開発時においてプログラマブルロジックをプログラミングもしくはデバックする際には配線スイッチは何度も書き換えられることが望ましく、回路構成が決定し、製品として出荷される際にはオン状態は永続的に保持されていることが望ましい。この使用方法を満足するには、本スイッチを永続的にオン状態に遷移させるスイッチの駆動方法が必要である。
【０００７】
永続的にオン状態とする一つの駆動例が特許文献３に開示されている。特許文献３では、種々の書き込み方法を次のように定義している。イオン伝導体中での２時間から１０日の間スイッチのオン状態を保持できる書き込み方法をソフトライティングと定義している。１ヶ月から数年（２０年以内）オン状態を保持できる書き込み方法をノンボラタイルライティングと定義している。そして、永続的にオン状態を保持できる書き込み方法をハードライティングと定義している。
【０００８】
特許文献３におけるハードライティングは、絶対値もしくは印加時間の大きなパルス（電圧もしくは電流）を、イオン伝導層中に金属デンドライト（金属架橋に相当）が析出するように印加することで、低抵抗かつ強固な金属デンドライトによってスイッチングすることで達成されると説明されている。
【特許文献１】特表２００２−５３６８４０号公報
【特許文献２】特願２００４−３７８７０１号公報
【非特許文献１】ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキッツ、４０巻、１号、１６８頁〜１７６頁、２００５年
【特許文献３】ＵＳ２００５／０１２０１８６  Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献３に開示されたスイッチング素子には、次のような問題が起こり得る。
【００１０】
金属デンドライトでスイッチがオンになると、金属デンドライトが低抵抗となる。そのため、接続された電極間に流れる電流はすべて金属デンドライト内を流れ、金属デンドライトの溶解に伴う切断は起こらないと考えられている。しかし実際は、金属デンドライトで電極間が接続された瞬間に電極間は１００オーム以下の低抵抗状態となるため、金属デンドライトの太さは数ナノメートルオーダー以上には成長しにくい。
【００１１】
スイッチング素子をオンとオフのいずれかに設定し、プログラマブルロジックをプログラムすると、オンに設定したスイッチング素子の金属デンドライトが細い状態であると考えられる。この状態で、プログラマブルロジックを長時間使用すると、ロジックの高速動作や、金属デンドライトのエレクトロマイグレーションや、熱などの外部ストレスにより金属デンドライトが劣化し、スイッチがオンからオフに遷移してしまう危険性がある。その結果、プログラマブルロジックがプログラムされた通りに動作しなくなり、プログラマブルロジックの信頼性が低下してしまうおそれがある。
【００１２】
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、オン状態定着化対象のスイッチについて状態変化の発生を防止したスイッチング素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明のスイッチング素子の駆動方法は、
金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、該イオン伝導層と接触する部位が前記金属イオンを供給しない材料で覆われた第１電極と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記金属イオンを供給可能な材料を含む第２電極と、を有するスイッチング素子の駆動方法であって、
オンおよびオフ間で繰り返し遷移させる場合、前記第２電極を接地し前記第１電極に負電圧を印加し、または前記第１電極を接地し前記第２電極に正電圧を印加してこれら２つの電極間に金属析出物を形成してオンにし、前記第１電極を接地し前記第２電極に負電圧を印加し、または前記第２電極を接地し前記第１電極に正電圧を印加して前記金属析出物を切り離してオフにし、
オンの状態に定着させる場合、オフの状態から前記第２電極を接地し前記第１電極に所定の正電圧を印加し、または前記第１電極を接地し前記第２電極に所定の負電圧を印加してこれら２つの電極を接続するものである。
【００１４】
本発明では、電気化学反応を利用して２つの電極を金属析出物で接続したり、２つの電極間の金属析出物を切り離したりすることで、スイッチのオン／オフを繰り返し行うことを可能とする。一方、オン状態に定着させる場合には、金属析出物を切り離す電圧印加方向に電圧を印加して、２つの電極間に電流パスを生じさせる。２つの電極間に電流パスが形成されることで、その後の電圧印加条件にかかわらず、オン状態が維持される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、プログラマブルロジック内のスイッチング素子を駆動する際、消去と書き込みを繰り返し実行可能な方法と、書き込み後に消去できない方法とのうちいずれかを選択することができる。また、オン状態の従来の不安定性の問題が発生しないため、従来よりも、高信頼性、かつフレキシブルなプログラマブルロジックを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のスイッチング素子の駆動方法は、オフ状態の電圧印加方向に電圧をかけてオン状態に定着させることを特徴とするものである。
（実施形態１）
本実施形態の２端子スイッチの構成について説明する。図１は本実施形態の２端子スイッチ素子の一構成例を示す断面模式図である。
【００１７】
スイッチング素子は、第１電極１１と、イオン伝導層１３と、第１電極１１とイオン伝導層１３を介して設けられた第２電極１２とを有する構成である。イオン伝導層１３は金属イオンが伝導するための媒体となる。第１電極１１の材料は、電圧を印加した際に、イオン伝導層中に金属イオンを供給しないことが望ましい。
【００１８】
本実施形態の２端子スイッチの通常の駆動方法について説明する。
【００１９】
第２電極１２を接地して、第１電極１１に負電圧を印加すると第２電極１２の金属が金属イオンになってイオン伝導層１３に溶解する。そして、イオン伝導層１３中の金属イオンが第１電極１２の表面に金属になって析出し、析出した金属により第１電極１１と第２電極１２を接続する金属デンドライトが形成される。金属デンドライトはイオン伝導層１３中の金属イオンが析出した金属析出物である。金属デンドライトで第１電極１１と第２電極１２が電気的に接続することで、スイッチがオン状態になる。
【００２０】
一方、上記オン状態で第２電極１２を接地して、第１電極１１に正電圧を印加すると、金属デンドライトがイオン伝導層１３に溶解し、金属デンドライトの一部が切れる。これにより、第１電極１１と第２電極１２との電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態になる。上記オフ状態からオン状態にするには、再び第１電極１１に負電圧を印加すればよい。
【００２１】
なお、スイッチがオフ状態になるとき、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極１１および第２電極１２間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性の変化があって、最終的に電気的接続が切れる。
【００２２】
また、第１電極１１を接地し、第２電極１２に正電圧を印加してスイッチをオン状態にしたり、第１電極１１を接地し、第２電極１２に負電圧を印加してスイッチをオフ状態にしたりしてもよい。
【００２３】
また、第１電極１１は全体が金属イオンを供給しない材料である必要はなく、少なくともイオン伝導層１３と接触する部位が金属イオンを供給しない材料であればよい。
【実施例１】
【００２４】
本実施例の２端子スイッチの構成について説明する。図２は本実施例の２端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。
【００２５】
図２に示すように、スイッチング素子は、シリコン酸化膜３６で覆われたシリコン基板３５上に設けられ、第１電極３１と、イオン伝導層３３と、イオン伝導層３３を介して設けられた第２電極３２とを有する構造である。イオン伝導層３３は膜厚１５ｎｍの酸化タンタルで形成され、第１電極３１は膜厚１００ｎｍの白金で形成され、第２電極３２は膜厚１００ｎｍの銅で形成されている。第１電極３１の一部はシリコン酸化膜から成る絶縁層３４で覆われ、一部は絶縁層３４の開口部を介してイオン伝導層３３と接している。本構成では、絶縁層３４の開口部中にスイッチが形成され、スイッチの接合面積を開口部程度の大きさにできる。つまり、開口部の大きさを決め、第２電極３２、第１電極３１およびイオン伝導層３３を開口部より大きく作製することで、スイッチの接合面積を定めることができる。
【００２６】
なお、図２に示す本実施例の２端子スイッチは、従来の成膜技術およびリソグラフィ技術を用いて作製することが可能であるため、ここではその製法についての詳細な説明を省略する。
【００２７】
次に、本実施例のスイッチの動作について説明する。
【００２８】
本実施例の２端子スイッチをプログラマブルロジックの配線スイッチとして用いると、開発時においてプログラマブルロジックをプログラミングもしくはデバックする際には配線スイッチを何度も書き換え可能であることが望ましい。この場合、２端子スイッチの駆動方法に、後述の「書き換え可能なスイッチング動作」を適用すればよい。一方、プログラマブルロジックの回路構成が決定し、製品として出荷する際には配線スイッチのオン状態は永続的に保持されていることが望ましい。この場合、２端子スイッチの駆動方法に、後述の「オン状態に定着させるためのスイッチング動作」を適用すればよい。
【００２９】
はじめに、上記「書き換え可能なスイッチング動作」について説明する。図３はスイッチの動作に対する電気特性の変化を示すグラフである。
【００３０】
第２電極３２を接地して、第１電極３１に負電圧を印加すると、−４Ｖでスイッチがオフ状態（高抵抗の状態）からオン状態（低抵抗の状態）へ遷移した（図３に示すＡ）。この際、スイッチング素子にかかる電流を１０マイクロアンペアが上限となるよう制限した。次に、正電圧を印加すると０．４Ｖで電流は急激に減少し、オフ状態に遷移した（図３に示すＢ）。この際、スイッチング素子に流れる電流を２０ミリアンペアが上限となるよう制御した。さらに正または負電圧を印加することにより、オン状態とオフ状態を交互に遷移させることができた。また、電圧を印加しない状態ではオフ状態、オン状態を維持することができた。
【００３１】
図３に示した電気特性は、次のように説明できる。第１電極３１に負電圧を印加した場合、第２電極３２の銅が銅イオンになってイオン伝導層３３に溶解する。そして、イオン伝導層３３に溶解した銅イオンが第１電極３１の表面に銅になって析出し、析出した銅により第１電極３１と第２電極３２を接続する金属デンドライトが形成される。金属デンドライトで第１電極３１と第２電極３２が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、上記オン状態で、第１電極３１に正の電圧を印加すると、金属デンドライトの銅がイオン伝導層３３に溶解し、金属デンドライトの一部が切れる。これにより、第１電極３１と第２電極３２との電気的接続が切れ、オフ状態になる。
【００３２】
次に、「オン状態に定着させるためのスイッチング動作」を説明する。図４はスイッチの動作に対する電気特性の変化を示すグラフである。
【００３３】
上述した「書き換え可能なスイッチング動作」によってスイッチをオフ状態にした後、第２電極３２を接地し、正電圧を第１電極３１に印加する。これは、第２電極３２からイオン伝導層３３に銅イオンを供給させる場合と逆の極性の電圧を第１電極３１に印加したことになる。また、第１電極３１を接地して第２電極３２に負電圧を印加しても、第２電極３２を基準にすると第１電極３１が正電圧になるため、上述の電圧のかけ方と同様になる。このように電圧を印加すると、酸化タンタルのイオン伝導層は４．５Ｖで絶縁破壊し、２つの電極間に電流パスが生じた。２つの電極間に電流パスが形成されることで、オン状態と同様に低抵抗の状態になった（図４のＡ）。
【００３４】
絶縁破壊後の第１電極３１と第２電極３２間の抵抗値は３５Ωであった。これら２つの電極間が３５Ωの抵抗素子を介して電気的に接続された状態になっている。絶縁破壊後では、図４のグラフに示すように、第２電極３２を接地して第１電極３１に負電圧を印加しても、高抵抗状態にはならない。なお、図４のグラフに示すように、スイッチング動作の際、スイッチング素子に流れる電流を２０ミリアンペアが上限となるように制御している。
【００３５】
上述したように、本実施例の２端子スイッチは、オンおよびオフ間を繰り返し遷移させる場合と、オン状態に定着させる場合との２通りのスイッチの駆動方法を選択することが可能となる。オン状態に定着させる場合には、金属イオンを供給しない電極にイオン伝導層の絶縁破壊以上の正電圧を印加することで、２つの電極が絶縁破壊によって接続される。
【００３６】
絶縁破壊後、イオン伝導層は大電流により物理的に低抵抗状態に変異するため、永続的に絶縁状態に戻ることはない。スイッチをオン状態に定着させてしまえば、このスイッチが設けられた電子デバイスの使用中にスイッチがオフ状態に遷移することを防止でき、スイッチの動作信頼性が向上する。
（実施形態２）
本実施形態の３端子スイッチの構成について説明する。図５は本実施形態の３端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。
【００３７】
図５に示すように、３端子スイッチは、第２電極２２と、第２電極２２とイオン伝導層２４を介して設けられた第１電極２１および第３電極２３とを有する構成である。第１電極２１および第２電極２２は白金で形成され、第３電極２３は銅で形成されている。イオン伝導層２４は金属イオンが伝導するための媒体となる。
【００３８】
本実施形態の３端子スイッチの通常の駆動方法について説明する。
【００３９】
第２電極２２および第３電極２３を接地して、第１電極２１に負電圧を印加すると第３電極２３の銅が銅イオンになってイオン伝導層２４に溶解する。そして、イオン伝導層２４中の銅イオンが第１電極２１および第２電極２２の表面に銅になって析出し、析出した銅により第１電極２１と第２電極２２を接続する金属デンドライトが形成される。金属デンドライトはイオン伝導層２４中の金属イオンが析出した金属析出物である。金属デンドライトで第１電極２１と第２電極２２が電気的に接続することで、３端子スイッチがオン状態になる。
【００４０】
一方、上記オン状態で第１電極２１または第２電極２２を接地して、第３電極２３に負電圧を印加すると、金属デンドライトの銅がイオン伝導層２４に溶解し、金属デンドライトの一部が切れる。これにより、第１電極２１と第２電極２２との電気的接続が切れ、３端子スイッチがオフ状態になる。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極２１および第２電極２２間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。
【００４１】
また、上記オフ状態からオン状態にするには、第３電極２３に正の電圧を印加すればよい。これにより、第３電極２３の銅が銅イオンになってイオン伝導層２４に溶解する。そして、イオン伝導層２４に溶解した銅イオンが金属デンドライトの切断箇所に銅になって析出し、金属デンドライトが第１電極２１と第２電極２２を電気的に接続する。
【００４２】
なお、第３電極２３を接地し、第１電極２１または第２電極２２に正電圧を印加してスイッチをオフ状態にしてもよい。また、第１電極２１および第２電極２２は全体が金属イオンを供給しない材料である必要はなく、少なくともイオン伝導層２４と接触する部位が金属イオンを供給しない材料であればよい。
【実施例２】
【００４３】
本実施例の３端子スイッチの構成について説明する。図６は本実施例の３端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。
【００４４】
図６に示すように、３端子スイッチは、電気的に接続したり切れたりする第１電極６１および第２電極６２と、これら２つの電極とイオン伝導層６４を介して設けられた第３電極６３とを有する。第１電極６１と第２電極６２の間にもイオン伝導層６４が設けられている。
【００４５】
シリコン基板表面に形成されたシリコン酸化膜１００上に第２電極６２と第３電極６３が設けられている。第２電極６２および第３電極６３はシリコン酸化膜１００の上に同一平面に形成され、これら２つの電極は１０ｎｍから１００ｎｍ程度離れている。イオン伝導層６４は、第２電極６２および第３電極６３を覆って、シリコン酸化膜６７上に設けられている。イオン伝導層６４の上に絶縁層６５が設けられ、絶縁層６５の上に第１電極６１が設けられている。第１電極６１は絶縁層６５に設けられた開口を介してイオン伝導層６４と接触している。第１電極６１および第２電極６２は白金で形成され、第３電極６３は銅で形成されている。イオン伝導層６４は酸化タンタルで形成されている。
【００４６】
なお、図６に示した本実施例の３端子スイッチは、従来の成膜技術およびリソグラフィ技術を用いて作製することが可能であるため、ここではその製法についての詳細な説明を省略する。
【００４７】
次に、本実施例のスイッチの駆動方法について説明する。
【００４８】
本実施例の３端子スイッチをプログラマブルロジックの配線スイッチとして用いると、開発時においてプログラマブルロジックをプログラミングもしくはデバックする際には配線スイッチを何度も書き換え可能であることが望ましい。この場合、３端子スイッチの駆動方法に、後述の「書き換え可能なスイッチング動作」を適用すればよい。一方、プログラマブルロジックの回路構成が決定し、製品として出荷する際には配線スイッチのオン状態は永続的に保持されていることが望ましい。この場合、３端子スイッチの駆動方法に、後述の「オン状態に定着させるためのスイッチング動作」を適用すればよい。
【００４９】
はじめに、上記「書き換え可能なスイッチング動作」について説明する。
【００５０】
第１電極６１および第２電極６２を接地して、第３電極６３に正電圧を印加すると第３電極６３の銅が銅イオンになってイオン伝導層６４に溶解する。そして、イオン伝導層６４に溶解した銅イオンが第１電極６１および第２電極６２の表面に銅になって析出し、析出した銅により第１電極６１と第２電極６２を接続する金属デンドライトが形成される。金属デンドライトで第１電極６１と第２電極６２が電気的に接続することで、３端子スイッチがオン状態になる。
【００５１】
一方、上記オン状態で、第３電極６３に−０．５Ｖ程度の負の電圧を印加すると、金属デンドライトの銅がイオン伝導層６４に溶解し、金属デンドライトの一部が切れる。これにより、第１電極６１と第２電極６２との電気的接続が切れ、３端子スイッチがオフ状態になる。
【００５２】
また、上記オフ状態からオン状態にするには、第３電極６３に正の電圧を０．５Ｖ程度印加する。これにより、第３電極６３の銅が銅イオンになってイオン伝導層６４に溶解する。そして、イオン伝導層６４に溶解した銅イオンが金属デンドライトの切断箇所に銅になって析出し、金属デンドライトが第１電極６１と第２電極６２を電気的に接続する。
【００５３】
次に、「オン状態に定着させるためのスイッチング動作」を説明する。３端子スイッチにおけるオン状態の定着は、第３電極６３ではなく、第１電極６１または第２電極６２に電圧を印加し、第１電極６１と第２電極６２との間で、次のような２端子動作で行う。
【００５４】
まず、上述した「書き換え可能なスイッチング動作」によってスイッチをオフ状態にし、第２電極６２を接地して正電圧または負電圧を第１電極６１に印加し、イオン伝導層６４を絶縁破壊させ、第１電極６１と第２電極６２間に電流パスを生じさせる。イオン伝導層６４の膜厚が実施例１のイオン伝導層３３と同等であれば、第１電極６１に印加する電圧は実施例１と同様に４．５Ｖ以上あればよい。絶縁破壊後では第１電極６１に負電圧を印加しても、高抵抗状態にはならない。なお、第１電極６１を接地して第２電極６２に正電圧または負電圧を印加し、イオン伝導層６４に絶縁破壊を起こさせてもよい。
【００５５】
第３電極６３を接地した場合においては、上述したように、第３電極６３を接地して第１電極６１または第２電極６２に負電圧を印加すると、第３電極６３の銅がイオン伝導層６４に溶解する現象が起こるおそれがある。そのため、第３電極６３はフローティング状態である方が望ましい。
【００５６】
本実施例の３端子スイッチは、上述したように、オンおよびオフ間を繰り返し遷移させる場合と、オン状態に定着させる場合との２通りのスイッチの駆動方法を選択することが可能となる。オン状態に定着させる場合には、第１電極および第２電極間に所定の値以上の電圧を印加することで、第１電極と第２電極の２つの電極が絶縁破壊によって接続される。その結果、実施例１と同様に、スイッチがオン状態に定着し、スイッチの動作信頼性が向上する効果が得られる。
（実施形態３）
本実施形態の３端子スイッチの構成について説明する。なお、本実施形態の３端子スイッチの構成は、図５で説明した３端子スイッチにおいて構成部材が異なるだけであるため、図５を用いて説明する。
【００５７】
図５に示すように、３端子スイッチは、第２電極２２と、第２電極２２とイオン伝導層２４を介して設けられた第１電極２１および第３電極２３とを有する構成である。本実施形態では、第１電極２１は白金で形成され、第２電極２２および第３電極２３は銅で形成されている。イオン伝導層２４は金属イオンが伝導するための媒体となる。
【００５８】
本実施形態の３端子スイッチの通常の駆動方法について説明する。
【００５９】
第２電極２２および第３電極２３を接地して、第１電極２１に負電圧を印加すると第２電極２２および第３電極２３の銅が銅イオンになってイオン伝導層２４に溶解する。そして、イオン伝導層２４中の銅イオンが第１電極２１および第２電極２２の表面に銅になって析出し、析出した銅により第１電極２１と第２電極２２を接続する金属デンドライトが形成される。金属デンドライトはイオン伝導層２４中の金属イオンが析出した金属析出物である。金属デンドライトで第１電極２１と第２電極２２が電気的に接続することで、３端子スイッチがオン状態になる。
【００６０】
一方、上記オン状態で第１電極２１または第２電極２２を接地して、第３電極２３に負電圧を印加すると、金属デンドライトの銅がイオン伝導層２４に溶解し、金属デンドライトの一部が切れる。これにより、第１電極２１と第２電極２２との電気的接続が切れ、３端子スイッチがオフ状態になる。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極２１および第２電極２２間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。
【００６１】
また、上記オフ状態からオン状態にするには、第３電極２３に正の電圧を印加すればよい。これにより、第３電極２３の銅が銅イオンになってイオン伝導層２４に溶解する。そして、イオン伝導層２４に溶解した銅イオンが金属デンドライトの切断箇所に銅になって析出し、金属デンドライトが第１電極２１と第２電極２２を電気的に接続する。
【００６２】
なお、第３電極２３を接地し、第１電極２１または第２電極２２に正電圧を印加してスイッチをオフ状態にしてもよい。また、第１電極２１は全体が金属イオンを供給しない材料である必要はなく、少なくともイオン伝導層２４と接触する部位が金属イオンを供給しない材料であればよい。
【実施例３】
【００６３】
本実施例の３端子スイッチの構成について説明する。なお、本実施例の３端子スイッチの構成は、図６で説明した３端子スイッチにおいて構成部材が異なるだけであるため、図６を用いて説明する。
【００６４】
図６に示すように、３端子スイッチは、電気的に接続したり切れたりする第１電極６１および第２電極６２と、これら２つの電極とイオン伝導層６４を介して設けられた第３電極６３とを有する。第１電極６１と第２電極６２の間にもイオン伝導層６４が設けられている。
【００６５】
シリコン基板表面に形成されたシリコン酸化膜１００上に第２電極６２と第３電極６３が設けられている。第２電極６２および第３電極６３はシリコン酸化膜１００の上に同一平面に形成され、これら２つの電極は１０ｎｍから１００ｎｍ程度離れている。イオン伝導層６４は、第２電極６２および第３電極６３を覆って、シリコン酸化膜６７上に設けられている。イオン伝導層６４の上に絶縁層６５が設けられ、絶縁層６５の上に第１電極６１が設けられている。第１電極６１は絶縁層６５に設けられた開口を介してイオン伝導層６４と接触している。本実施例では、第１電極６１は白金で形成され、第２電極６２および第３電極６３は銅で形成されている。イオン伝導層６４は酸化タンタルで形成されている。
【００６６】
なお、本実施例の３端子スイッチの製造方法についても、実施例２と同様に、従来の成膜技術およびリソグラフィ技術を用いて作製することが可能であるため、ここではその製法についての詳細な説明を省略する。
【００６７】
次に、本実施例のスイッチの駆動方法について説明する。
【００６８】
本実施例の３端子スイッチをプログラマブルロジックの配線スイッチとして用いると、開発時においてプログラマブルロジックをプログラミングもしくはデバックする際には配線スイッチを何度も書き換え可能であることが望ましい。この場合、３端子スイッチの駆動方法に、後述の「書き換え可能なスイッチング動作」を適用すればよい。一方、プログラマブルロジックの回路構成が決定し、製品として出荷する際には配線スイッチのオン状態は永続的に保持されていることが望ましい。この場合、３端子スイッチの駆動方法に、後述の「オン状態に定着させるためのスイッチング動作」を適用すればよい。
【００６９】
はじめに、上記「書き換え可能なスイッチング動作」について説明する。
【００７０】
第１電極６１および第２電極６２を接地して、第３電極６３に正電圧を印加すると第３電極６３の銅が銅イオンになってイオン伝導層６４に溶解する。そして、イオン伝導層６４に溶解した銅イオンが第１電極６１および第２電極６２の表面に銅になって析出し、析出した銅により第１電極６１と第２電極６２を接続する金属デンドライトが形成される。金属デンドライトで第１電極６１と第２電極６２が電気的に接続することで、３端子スイッチがオン状態になる。
【００７１】
一方、上記オン状態で、第３電極６３に−０．５Ｖ程度の負の電圧を印加すると、金属デンドライトの銅がイオン伝導層６４に溶解し、金属デンドライトの一部が切れる。これにより、第１電極６１と第２電極６２との電気的接続が切れ、３端子スイッチがオフ状態になる。
【００７２】
また、上記オフ状態からオン状態にするには、第３電極６３に正の電圧を０．５Ｖ程度印加する。これにより、第３電極６３の銅が銅イオンになってイオン伝導層６４に溶解する。そして、イオン伝導層６４に溶解した銅イオンが金属デンドライトの切断箇所に銅になって析出し、金属デンドライトが第１電極６１と第２電極６２を電気的に接続する。
【００７３】
次に、「オン状態に定着させるためのスイッチング動作」を説明する。３端子スイッチにおけるオン状態の定着は、第３電極６３ではなく、第１電極６１または第２電極６２に電圧を印加し、第１電極６１と第２電極６２との間で、次のような２端子動作で行う。
【００７４】
まず、上述した「書き換え可能なスイッチング動作」によってスイッチをオフ状態にし、第２電極６２を接地して正電圧を第１電極６１に印加し、イオン伝導層６４を絶縁破壊させ、第１電極６１と第２電極６２間に電流パスを生じさせる。イオン伝導層６４の膜厚が実施例１のイオン伝導層３３と同等であれば、第１電極６１に印加する電圧は実施例１と同様に４．５Ｖ以上あればよい。絶縁破壊後では第１電極６１に負電圧を印加しても、高抵抗状態にはならない。なお、第１電極６１を接地して第２電極６２に負電圧を印加し、イオン伝導層６４に絶縁破壊を起こさせてもよい。
【００７５】
第３電極６３を接地した場合においては、上述したように、第３電極６３を接地して第２電極６２に負電圧を印加すると、第３電極６３の銅がイオン伝導層６４に溶解する現象が起こるおそれがある。そのため、第３電極６３はフローティング状態である方が望ましい。
【００７６】
本実施例の３端子スイッチは、上述したように、オンおよびオフ間を繰り返し遷移させる場合と、オン状態に定着させる場合との２通りのスイッチの駆動方法を選択することが可能となる。オン状態に定着させる場合には、第１電極および第２電極間に所定の値以上の電圧を印加することで、第１電極と第２電極の２つの電極が絶縁破壊によって接続される。その結果、実施例１と同様に、スイッチがオン状態に定着し、スイッチの動作信頼性が向上する効果が得られる。
【００７７】
上述の実施形態および実施例で説明したように、本発明のスイッチング素子の駆動方法では、プログラマブルロジック内のスイッチング素子を駆動する際、消去と書き込みを繰り返し実行可能な方法と、書き込み後に消去できない方法とのうちいずれかを選択することができる。また、プログラマブルロジックのプログラミング後、書き込みの変更がないスイッチに対して定着化処理を施すことで、ロジックの高速動作や、金属架橋のエレクトロマイグレーションや、熱などの外部ストレスによる金属架橋の劣化の心配がない。そのため、オン状態の不安定性の問題が解消され、従来よりも、高信頼性、かつフレキシブルなプログラマブルロジックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】実施形態１の２端子スイッチング素子の一構成例を示す断面模式図である。
【図２】実施例１のスイッチング素子の構成例を示す断面模式図である。
【図３】「書き換え可能なスイッチング動作」のスイッチング特性を示すグラフである。
【図４】「オン状態に定着させるためのスイッチング動作」のスイッチング特性を示すグラフである。
【図５】実施形態２の３端子スイッチング素子の一構成例を示す断面模式図である。
【図６】実施例２のスイッチング素子の構成例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００７９】
１１、２１、３１、６１    第１電極
１２、２２、３２、６２    第２電極
２３、６３    第３電極
１３、２４、３３、６４    イオン伝導層
３４、６５    絶縁層
３６、６７    シリコン酸化膜
３５、６６    シリコン基板
【図１】
2008053433.tif 000003
【図２】
2008053433.tif 000004
【図３】
2008053433.tif 000005
【図４】
2008053433.tif 000006
【図５】
2008053433.tif 000007
【図６】
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