(57)【要約】【課題】酸化物イオン伝導層を用いた電気化学反応を利用したスイッチング素子は、使用する前に初期化動作が必要となる。また、オフからオンとなる際の切り替え時間にばらつきが生じ、繰り返し回数が十分得られない。【解決手段】予め伝導する金属を分散させた酸化物イオン伝導層を用いてスイッチング素子を製造する。電気化学反応を利用して２つの電極を金属架橋で接続する際、分散した金属からも金属イオンを供給する。【選択図】図２
2008244090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、第２電極と、該第１電極と第２電極間に挟まれた酸化物を含むイオン伝導層とを具える、電気化学反応を利用した２端子スイッチング素子であって、
該２端子スイッチング素子は、
前記第１電極と第２電極との間に、第１電極の電位より第２電極の電位が高くなるように電圧を印加する際、
前記第２電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給され、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第１電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
該金属の析出物の成長によって、前記第１電極表面から前記第２電極表面に達する金属架橋が形成され、
該金属架橋が前記第１電極と第２電極との間を電気的に接続することによって、前記第１電極と第２電極との間の抵抗が変化するスイッチング動作方式を採り、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている
ことを特徴とするスイッチング素子。
【請求項２】
金属イオンを伝導するための酸化物を含むイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記イオン伝導層と接触する部位が該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、前記イオン伝導層と接触する部位に該金属イオンを供給可能な材料を含んでなる第３電極とを具える、電気化学反応を利用した３端子スイッチング素子であって、
該３端子スイッチング素子は、
前記第３電極と第１電極との間に、第１電極の電位より第３電極の電位が高くなるように、ならびに、前記第３電極と第２電極との間に、第２電極の電位より第３電極の電位が高くなるように、それぞれ電圧を印加する際、
前記第３電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給され、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第１電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第２電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
該金属の析出物の成長によって、前記第１電極表面から前記第２電極表面に達する金属架橋が形成され、
該金属架橋が前記第１電極と第２電極との間を電気的に接続することによって、前記第１電極と第２電極との間の抵抗が変化するスイッチング動作方式を採り、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている
ことを特徴とするスイッチング素子。
【請求項３】
前記第１電極と第２電極との間に、第１電極の電位より第２電極の電位が高くなるように電圧を印加する際、
前記第２電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給されるだけではなく、
前記イオン伝導層内に予め分散されている金属からも、該金属イオンの供給がなされる
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記酸化物を含むイオン伝導層は、
酸化タンタル、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ニオブおよび酸化シリコンからなる群から選択される、少なくとも１つの酸化物を含む層である、
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項５】
前記イオン伝導層内に予め分散されている金属の分布は、
前記イオン伝導層内の一部分に該金属が分散している分布となっている
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項６】
請求項１に記載する２端子スイッチング素子を製造する方法であって、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属をイオン注入することによって実施する
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】
請求項１に記載する２端子スイッチング素子を製造する方法であって、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属を熱拡散させることによって実施する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載する２端子スイッチング素子を製造する方法であって、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属を光拡散させることによって実施する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１もしくは２項記載のスイッチング素子をスイッチに用いた書き換え可能な論理集積回路。
【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とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。電気化学反応を利用したスイッチは、従来の半導体スイッチ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。電気化学反応を利用した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。
【０００３】
２端子スイッチは、金属イオンを供給する第２電極と、金属イオンを供給しない第１電極で、イオン伝導層を挟んだ構造をしている。両電極間に電圧を印加する際、第２電極を第１電極より高い電位とすると、第２電極表面では、金属が金属イオンに酸化され、イオン伝導層中に金属イオンが供給される。一方、第１電極表面では、イオン伝導層中の金属イオンが金属へと還元され、金属が析出する。この析出する金属によって、第１電極表面から第２電極表面に達する、金属架橋が形成されると、イオン伝導層中のイオン伝導から、金属架橋を経由する導通状態へと変わり、両電極間の抵抗は急激に低下する。すなわち、スイッチは「オン状態」となる。逆に、金属架橋が形成される状態で、第２電極を第１電極より低い電位とすると、第１電極表面と等しい電位となっている、金属架橋表面では、金属が金属イオンに酸化され、イオン伝導層中に金属イオンが供給される。一方、第２電極表面では、イオン伝導層中の金属イオンが金属へと還元され、金属が析出する。従って、次第に、金属架橋は細くなり、ある時点で、金属架橋を介する、両電極間の導通経路が遮断される。この時点で、両電極間の電気伝導は、金属架橋を経由する導通状態から、イオン伝導層中のイオン伝導へと変わるため、両電極間の抵抗は急激に上昇する。すなわち、スイッチは「オフ状態」となる。引き続き、両電極間に電圧を印加しつづけると、第１電極表面に析出していた金属は金属イオンへと酸化し、金属析出物が消滅する。２端子スイッチは、前記の金属架橋を介する、導通経路の形成・消滅によって、「オン状態」と「オフ状態」間のスイッチングを行っている。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。
【０００４】
３端子スイッチは、その間で金属架橋を介する、導通経路の形成・消滅が起こる第１電極と第２電極に加えて、金属架橋の形成・消滅をコントロールする第３電極を設ける構成となっている。この第３電極と、第１電極ならびに第２電極との間に印加される電圧を変えることで、金属架橋の太さを制御可能としており、３端子スイッチは、エレクトロマイグレーション耐性に優れている。
【０００５】
また、金属架橋を介する、導通経路は低抵抗であるため、「オン状態」と「オフ状態」間のスイッチングがなされる際、第１電極と第２電極との間の抵抗は急激な上昇、減少を示す。従って、２端子スイッチを、ロジックに応用した場合、接続と切断の際に、第１電極と第２電極との間に電圧を印加している、素子に流れる電流が急激に変化することに因って、ロジックに損傷を与える危険性がある。３端子スイッチでは、金属架橋の形成・消滅を制御する第３電極と、接続と切断がなされる第１電極と第２電極の間の導通経路を介して、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。
【０００６】
上述する電気化学反応を利用したスイッチをプログラマブルロジックの配線切り替えスイッチとして搭載するためには、ロジック動作電圧以上のスイッチング電圧とＣＭＯＳプロセス親和性が必要となる。特に、電気化学反応を利用したスイッチのスイッチング特性は、金属イオンの媒体となるイオン伝導体の材料に大きく依存するため、イオン伝導体材料の選択・最適化が重要である。酸化物は、スイッチング電圧を高められ、ＣＭＯＳプロセス親和性も良い点から、電気化学反応を利用したスイッチのイオン伝導体として、有望である。酸化物をイオン伝導層に用いた例は、特許文献３に開示された酸化タンタルがある。酸化物イオン伝導体は、スイッチング電圧が高い反面、イオン伝導体内部に金属架橋を形成する金属を含まない材料であるため、初期化動作が必要であったり、スイッチを駆動させる際、切り替え速度に大きなバラツキが生じたり、「オン状態」と「オフ状態」間の繰り返し回数に大きなバラツキが生じたりと、信頼性に問題がある。
【特許文献１】特表２００２−５３６８４０号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０７０７７３号パンフレット
【特許文献３】特開２００６−３１９０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の酸化物イオン伝導層を用いた２端子スイッチもしくは３端子スイッチでは、第１回目の「オン状態」への遷移の際、金属イオンを供給する電極からイオン伝導層内に金属架橋の形成に利用される金属イオンを導入する必要がある。例えば、第１回目の「オン状態」への遷移後、「オフ状態」にする際には、第１電極と第２電極との間に形成された金属架橋中の細い部分が消滅し、金属架橋を介する導通経路が遮断される。その後、電圧の印加を若干時間継続し、金属析出物を構成している金属を金属イオンへと酸化した後、電圧の印加を停止する。この時点では、金属架橋を形成していた金属析出物が、なお電極表面に残留しており、また、イオン伝導層中には、金属イオンが十分な濃度で含まれている状態となっている。従って、２回目以降の「オン状態」への遷移は、既に、イオン伝導層中には、金属イオンが十分な濃度で含まれている状態で、電極表面に残留している金属析出物表面に、金属イオンから還元された金属が析出し、部分的に消滅した金属架橋の再生がなされる。すなわち、第１回目の「オン状態」への遷移に用いた印加電圧と比較して、２回目以降の「オン状態」への遷移は、ある程度低い印加電圧を用いることで起すことができる。一方、「オン状態」から「オフ状態」へのスイッチング過程は、第１電極と第２電極との間に形成された金属架橋中の細い部分を消滅させる操作であり、１回目と、２回目以降とでは、原理的には、必要とされる印加電圧には差異はない。
【０００８】
換言するならば、２回目以降の「オン状態」への遷移に利用する印加電圧と比較し、第１回目の「オン状態」への遷移に要する印加電圧が高くなることから、酸化物イオン伝導層を用いた２端子スイッチもしくは３端子スイッチでは、スイッチを使用する前に初期化動作が必要となる。例えば、従来は、第１回目の「オン状態」への遷移と、その後、「オン状態」から「オフ状態」への遷移とを行う操作を、初期化動作として実施すると、それ以降のスイッチング動作に要する印加電圧は実質的に等しくなるようにしている。
【０００９】
繰り返しスイッチング操作する場合、金属イオンの金属架橋への供給が十分でないために、「オフ状態」から「オン状態」へのスイッチングを行う際の切り替え時間にバラツキが生じる。さらに、繰り返し回数が十分得られない。その結果、プログラマブルロジック搭載した際、プログラマブルロジックの信頼性が低下してしまう恐れがある。
【００１０】
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、第１回目の「オン状態」への遷移に先立つ初期化動作を必要とせず、従来よりも繰り返し耐性に優れ、切り替え時間のバラツキの少ないスイッチング素子と、そのスイッチング素子を用いた書き換え可能な論理集積回路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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明のスイッチング素子は、例えば、２端子スイッチの形態とする際、
金属架橋の形成に利用される金属イオンと同じ金属を予め分散しているイオン伝導層と、
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、を有する構成である。
【００１２】
本発明にかかるスイッチング素子は、金属架橋の形成に利用される金属イオンと同じ金属を予め分散させているイオン伝導層を用いることを特徴とする。電気化学反応を利用して、金属架橋を形成して、２つの電極間を電気的に接続する際、イオン伝導層中に予め分散さえている金属からも金属イオンを供給する。
【００１３】
金属を予め分散しているイオン伝導層は、金属層をイオン伝導層に接して設け、加熱および光照射によって、該金属層から金属をイオン伝導層内に拡散させる、もしくは、イオン注入法により、金属イオンをイオン伝導層中に注入させることで作製する。
【００１４】
（作用）
電気化学反応を利用して、金属架橋を形成する際、金属イオンを供給可能な材料を含む第２電極から金属イオンを供給するとともに、イオン伝導層内に予め分散されている金属からも金属イオンを供給すれば、イオン伝導層内に金属架橋の形成を行う際、十分な金属イオンが存在する状態を速やかに達成できる。そのため、第１回目の「オン状態」への遷移の際に印加する電圧として、第２回目以降の「オン状態」への遷移の際に印加する電圧よりも大きな電圧を使用する必要がなくなる。さらに、「オン状態」から「オフ状態」に遷移させた後、再び、金属架橋を形成し「オン状態」に遷移させる際に、金属架橋の形成に利用される金属イオンの供給が安定化するため、繰り返しスイッチングできる回数が増え、切り替え時間のバラツキが減少する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、スイッチング素子を使用開始前に、一度書き込みと消去を行う初期化動作、例えば、第１回目の「オン状態」への遷移と、その後、「オン状態」から「オフ状態」への遷移を行う操作を実施する必要がなくなる。そのため、本発明のスイッチング素子を利用する書き換え可能な論理集積回路は、前記の初期化動作のみに使用される初期化回路が必要なくなる。また、本発明のスイッチング素子では、「書き込み消去」を行うため、スイッチングを繰り返した際、繰り返し可能回数が増え、切り替え時間のバラツキが少なくなる。この利点のため、本発明のスイッチング素子を書き換え可能な論理集積回路における「書き込み消去」用スイッチに利用すると、従来よりも、簡単な駆動方法と高信頼性を有する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】
以下に、本発明をより詳しく説明する。
【００１７】
本発明にかかる電気化学反応を利用したスイッチング素子における、代表的な形態として、下記の形態を挙げることができる。
【００１８】
まず、本発明を、２端子スイッチング素子に適用する第１の形態は、
第１電極と、第２電極と、該第１電極と第２電極間に挟まれた酸化物を含むイオン伝導層とを具える、電気化学反応を利用した２端子スイッチング素子であって、
該２端子スイッチング素子は、
前記第１電極と第２電極との間に、第１電極の電位より第２電極の電位が高くなるように電圧を印加する際、
前記第２電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給され、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第１電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
該金属の析出物の成長によって、前記第１電極表面から前記第２電極表面に達する金属架橋が形成され、
該金属架橋が前記第１電極と第２電極との間を電気的に接続することによって、前記第１電極と第２電極との間の抵抗が変化するスイッチング動作方式を採り、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている
ことを特徴とするスイッチング素子である。
【００１９】
第１の形態の２端子スイッチング素子では、望ましくは、
前記第１電極と第２電極との間に、第１電極の電位より第２電極の電位が高くなるように電圧を印加する際、
前記第２電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給されるだけではなく、
前記イオン伝導層内に予め分散されている金属からも、該金属イオンの供給がなされる。
【００２０】
第１の形態の２端子スイッチング素子では、
前記酸化物を含むイオン伝導層は、
酸化タンタル、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ニオブおよび酸化シリコンからなる群から選択される、少なくとも１つの酸化物を含む層であることが好ましい。
【００２１】
なお、前記イオン伝導層内に予め分散されている金属の分布は、
前記イオン伝導層内の一部分に該金属が分散している分布となっている構造とすることができる。その際、第１電極と第２電極間に挟まれた酸化物を含むイオン伝導層中、少なくとも、前記第１電極とイオン伝導層とが接触する領域には、予め金属が分散されている構成は、好適な構成の一つである。
【００２２】
なお、上記の２端子スイッチング素子においては、第２電極は、イオン伝導層と接する部分は、金属イオンを供給可能な材料で構成する。一方、第１電極は、第１電極と第２電極との間に、第１電極の電位より第２電極の電位が低くなるように電圧を印加する際、イオン伝導層と接する部分は、該第１電極自体から、なんらかの金属イオンの供給が起こらない材料で構成する。
【００２３】
上記の２端子スイッチング素子においては、イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている状態とするが、該金属の分散濃度は、イオン伝導層を構成する、酸化物を含むイオン伝導材料中における、該金属の固溶度限界を超えない範囲に選択することが好ましい。特には、該金属の分散濃度は、酸化物を含むイオン伝導材料中における、該金属の固溶度限界とすることが最も好ましい。すなわち、本発明の効果を十分に発揮する上では、該金属の分散濃度は、該金属の固溶度限界を超えない範囲でより高くすることが望ましく、従って、その上限は該金属の固溶度限界である。少なくとも、該金属の分散濃度は、前記金属の固溶度限界を１００％として、２０％以上、通常、５０％以上とすることが好ましい。
【００２４】
一方、後述するとうに、酸化物を含むイオン伝導材料中に金属を分散させる手段によって、イオン伝導層中において、その膜厚方向に金属の分散濃度が分布を示す場合がある。イオン伝導層中において、金属の分散濃度が分布を示す際、その濃度極大を示す領域における金属の分散濃度（極大値）をその固溶度限界とすることがより好ましい。イオン伝導層中に分散させた金属は、その濃度が固溶度限界を超えると、固溶度限界を超えた部分は析出し、局所的に金属の凝集体を形成する。この局所的に形成される金属の凝集体の分布密度が不必要に高くなると、金属の凝集体を経由するリーク電流の増大が引き起こされる。従って、局所的な金属の凝集体の形成は抑制されているが、金属の分散濃度は、ほぼ固溶度限界となっている状態とすることが望ましい。
【００２５】
また、本発明を、３端子スイッチング素子に適用する第２の形態は、
金属イオンを伝導するための酸化物を含むイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記イオン伝導層と接触する部位が該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、前記イオン伝導層と接触する部位に該金属イオンを供給可能な材料を含んでなる第３電極とを具える、電気化学反応を利用した３端子スイッチング素子であって、
該３端子スイッチング素子は、
前記第３電極と第１電極との間に、第１電極の電位より第３電極の電位が高くなるように、ならびに、前記第３電極と第２電極との間に、第２電極の電位より第３電極の電位が高くなるように、それぞれ電圧を印加する際、
前記第３電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給され、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第１電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第２電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
該金属の析出物の成長によって、前記第１電極表面から前記第２電極表面に達する金属架橋が形成され、
該金属架橋が前記第１電極と第２電極との間を電気的に接続することによって、前記第１電極と第２電極との間の抵抗が変化するスイッチング動作方式を採り、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている
ことを特徴とするスイッチング素子である。
【００２６】
第２の形態の３端子スイッチング素子では、望ましくは、
前記第３電極と第１電極との間に、第１電極の電位より第３電極の電位が高くなるように、ならびに、前記第３電極と第２電極との間に、第２電極の電位より第３電極の電位が高くなるように、それぞれ電圧を印加する際、
前記第３電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給されるだけではなく、
前記イオン伝導層内に予め分散されている金属からも、該金属イオンの供給がなされる。
【００２７】
第２の形態の３端子スイッチング素子では、
前記酸化物を含むイオン伝導層は、
酸化タンタル、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ニオブおよび酸化シリコンからなる群から選択される、少なくとも１つの酸化物を含む層であることが好ましい。
【００２８】
なお、前記イオン伝導層内に予め分散されている金属の分布は、
前記イオン伝導層内の一部分に該金属が分散している分布となっている構造とすることができる。その際、イオン伝導層中、第１電極と第２電極とによって挟まれている領域、前記第１電極とイオン伝導層が接触する界面近傍、ならびに、前記第２電極とイオン伝導層とが接触する界面近傍には、予め金属が分散されている構成は、好適な構成の一つである。
【００２９】
上記の３端子スイッチング素子においては、前記第３電極と第１電極との間に、第１電極の電位より第３電極の電位が高くなるように、ならびに、前記第３電極と第２電極との間に、第２電極の電位より第３電極の電位が高くなるように、それぞれ電圧を印加する際、通常は、第１電極の電位と第２電極の電位を等しくする。
【００３０】
なお、上記の３端子スイッチング素子においては、第３電極は、イオン伝導層と接する部分は、金属イオンを供給可能な材料で構成する。一方、第１電極と第２電極は、第３電極と第１電極との間に、第１電極の電位より第３電極の電位が低くなるように、第３電極と第２電極との間に、第２電極の電位より第３電極の電位が低くなるように、それぞれ電圧を印加する際、イオン伝導層と接する部分は、該第１電極ならびに第２電極自体から、なんらかの金属イオンの供給が起こらない材料で構成する。
【００３１】
上記の３端子スイッチング素子においては、イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている状態とするが、該金属の分散濃度は、イオン伝導層を構成する、酸化物を含むイオン伝導材料中における、該金属の固溶度限界を超えない範囲に選択することが好ましい。特には、該金属の分散濃度は、酸化物を含むイオン伝導材料中における、該金属の固溶度限界とすることが最も好ましい。すなわち、本発明の効果を十分に発揮する上では、該金属の分散濃度は、該金属の固溶度限界を超えない範囲でより高くすることが望ましく、従って、その上限は該金属の固溶度限界である。少なくとも、該金属の分散濃度は、前記金属の固溶度限界を１００％として、２０％以上、通常、５０％以上とすることが好ましい。
【００３２】
一方、後述するとうに、酸化物を含むイオン伝導材料中に金属を分散させる手段によって、イオン伝導層中において、その膜厚方向に金属の分散濃度が分布を示す場合がある。イオン伝導層中において、金属の分散濃度が分布を示す際、その濃度極大を示す領域における金属の分散濃度（極大値）をその固溶度限界とすることがより好ましい。イオン伝導層中に分散させた金属は、その濃度が固溶度限界を超えると、固溶度限界を超えた部分は析出し、局所的に金属の凝集体を形成する。この局所的に形成される金属の凝集体の分布密度が不必要に高くなると、金属の凝集体を経由するリーク電流の増大が引き起こされる。従って、局所的な金属の凝集体の形成は抑制されているが、金属の分散濃度は、ほぼ固溶度限界となっている状態とすることが望ましい。
【００３３】
一方、上記の第１の形態の２端子スイッチング素子を製造する工程は、例えば、少なくとも、下記（ｉ）〜（ｉｖ）の工程を含むものとすることができる。
【００３４】
（ｉ）：下地層上に前記第２電極を形成する；
（ii）：前記第２電極上に、前記イオン伝導層を形成する；
(iii）：前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する；
（iv）：前記金属が予め分散されたイオン伝導層上に、前記第１電極を形成する。
【００３５】
上記の第１の形態の２端子スイッチング素子を製造する工程中、例えば、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属をイオン注入することによって実施することができる。
【００３６】
あるいは、該工程は、前記イオン伝導層内への該金属を熱拡散させることによって実施することもできる。あるいは、該工程は、前記イオン伝導層内への該金属を光拡散させることによって実施することもできる。
【００３７】
また、上記の第２の形態の３端子スイッチング素子を製造する工程は、例えば、少なくとも、下記（ｉ）〜（ｖ）の工程を含むものとすることができる。
【００３８】
（ｉ）：下地層上に前記第１電極を形成する；
（ii）：前記第１電極上に、前記イオン伝導層を形成する；
(iii）：前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する；
（iv）：前記金属が予め分散されたイオン伝導層上に、前記第２電極を形成する。
（v）：前記イオン伝導層上に、前記第２電極と直接電気的な接触を達成しない位置に、前記第３電極を形成する。
【００３９】
上記の第２の形態の３端子スイッチング素子を製造する工程中、例えば、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属をイオン注入することによって実施することができる。
【００４０】
あるいは、該工程は、前記イオン伝導層内への該金属を熱拡散させることによって実施することもできる。あるいは、該工程は、前記イオン伝導層内への該金属を光拡散させることによって実施することもできる。
【００４１】
本発明にかかるスイッチング素子は、書き換え可能な論理集積回路において、その書き換え操作に用いるスイッチに利用することができる。例えば、上記の第１の形態の２端子スイッチング素子もしくは第２の形態の３端子スイッチング素子をスイッチに用いた書き換え可能な論理集積回路とすることができる。
【００４２】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１にかかる２端子スイッチの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる２端子スイッチ素子の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【００４３】
図１に示す２端子スイッチング素子は、第１電極１１と、金属１４の分散したイオン伝導層１３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。第１電極１１と第２電極１２との間に電圧を印加する際、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２電極は、第２電極の電位が第１電極１１よりも高い電位になるように、第１電極１１と第２電極１２との間に電圧を印加する際、イオン伝導層１３中に金属イオンを供給することが可能な材料で構成されている。一方、第１電極１１は、第２電極の電位が第１電極１１よりも低い電位になるように、第１電極１１と第２電極１２との間に電圧を印加する際、この第１電極１１自体から金属イオンを供給しない材料で構成されていることが望ましい。金属１４は、第２電極からイオン伝導層１３中へと供給される金属イオンと同じ金属種であることが望ましい。
【００４４】
イオン伝導層１３内への金属１４の分散は、熱拡散、光拡散、イオン注入法によって行う。イオン伝導層１３中における、金属１４の分散濃度は、できるだけ高い濃度である状態が好ましい。イオン伝導層１３を構成する材料中における該金属の固溶度限界を超えると、固溶度限界を超えた量は、イオン伝導層１３中において、相互に凝集して、金属塊を形成する。その点を考慮すると、イオン伝導層１３中における、金属１４の分散濃度は、固溶度限界を超えない範囲において、できるだけ高い濃度である状態が好ましい。
【００４５】
一方、イオン伝導層１３内への金属１４の分散により、「オフ状態」における、イオン伝導層１３を経由する、第１電極１１と第２電極１２との間のリーク電流が、必要以上に増加してしまう場合もある。従って、リーク電流の増加というデメリットと、本発明の効果（メリット）との間で調整を図り、イオン伝導層１３中における、金属１４の分散濃度を選択する必要である。
【００４６】
本発明の実施形態１にかかる２端子スイッチの駆動方法を、図２に従って説明する。
【００４７】
図２に示す、実施形態１にかかる２端子スイッチは、第２電極２２は、イオン伝導層２３中に分散されている金属２４と同じ金属を含む導電性材料で構成されている。
【００４８】
第１電極２１を接地して、第２電極２２に正電圧を印加すると、第２電極２２の金属が金属イオン２６になってイオン伝導層２３中に溶解する。また、それに付随して、イオン伝導層２３中に分散されている金属２４の少なくとも一部も、金属イオン２６となる。そして、イオン伝導層２３中の金属イオン２６が、第１電極２１の表面から供給される電子によって、金属へと還元され、析出する。この析出した金属によって、第１電極２１の表面から金属架橋２５が形成される。析出する金属によって形成される金属架橋２５によって、第１電極２１と第２電極２２とが接続される。金属架橋２５を介する導通経路によって、第１電極２１と第２電極２２が電気的に接続することで、この２端子スイッチが「オン状態」になる。
【００４９】
一方、「オン状態」へと遷移した２端子スイッチに対して、第１電極２１を接地して、第２電極２２に負電圧を印加すると、金属架橋２５を構成している金属がイオン伝導層２３中に金属イオン２６となって溶解する。この溶解が進行すると、第１電極２１と第２電極２２とを接続していた金属架橋２５の一部が切れる。その際、金属架橋２５を構成している金属が溶解することによって、イオン伝導層２３中に含まれる金属イオン２６の濃度は局所的に、過渡的な上昇を示す。その後、余剰な金属イオン２６は、金属へと還元され、イオン伝導層２３内に分散した金属２４として、あるいは、第２電極２２の表面に金属として析出することによって、回収される。この過程を経ることにより、第１電極２１と第２電極２２との電気的接続が切れ、この２端子スイッチが「オフ状態」になる。
【００５０】
上記「オフ状態」への遷移後、再び、「オフ状態」から「オン状態」へと遷移させる「切り替え」を行うには、再び、第１電極２１を接地して、第２電極２２に正電圧を印加すればよい。
【００５１】
なお、「オフ状態」から「オン状態」へと遷移は、第２電極２２の電位が第１電極２１よりも高い電位になるように、第１電極２１と第２電極２２との間に電圧を印加することで起こる。従って、第２電極２２を接地し、第１電極２１に負電圧を印加して、２端子スイッチを「オン状態」に遷移してもよい。また、「オン状態」から「オフ状態」へと遷移は、第２電極２２の電位が第１電極２１よりも低い電位になるように、第１電極２１と第２電極２２との間に電圧を印加することで起こる。従って、第２電極２２を接地し、第１電極２１に正電圧を印加して、２端子スイッチを「オン状態」に遷移してもよい。
【００５２】
なお、２端子スイッチが「オン状態」から「オフ状態」になる過程では、金属架橋２５を構成している金属がイオン伝導層２３中に金属イオン２６となって溶解するため、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極２１と第２電極２２との間の抵抗が大きくなる。同時に、第１電極２１と第２電極２２との間の電極間容量が変化したりする。このような電気特性の変化があって、最終的に電気的接続が切れる。
【００５３】
図３は金属を分散させていないイオン伝導層を用いている、従来構造（図４）の２端子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。
【００５４】
第１電極４１を接地して、第２電極４２に正電圧を印加すると、２．６Ｖ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）へ遷移している（図３に示すＡ）。この際、２端子スイッチング素子を流れる電流を、１ミリアンペアが上限となるように制限している。次に、第１電極４１を接地して、第２電極４２に負電圧を印加すると、０．４Ｖで電流は減少し、「オフ状態」に遷移している（図３に示すＢ）。この際、２端子スイッチング素子に流れる電流を、５０ミリアンペアが上限となるよう制御している。次に、再度、第１電極４１を接地して、第２電極４２に正電圧を印加すると、１．４Ｖで再び「オン状態」に遷移している（図３に示すＡ’）。従って、第２回目の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、第１回目の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧と異なる。
【００５５】
第２回目の「オン状態」への遷移以降、第１電極４１を接地して、第２電極４２に負電圧、または正電圧を印加することにより、「オン状態」と「オフ状態」との間を交互に遷移させることができる。その切り替えの際、第２回目以降のスイッチング操作では、「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、第２回目の「オン状態」への遷移と同じ印加電圧である。図１に示した本発明の実施形態１にかかる２端子スイッチでは、第１回目の「オン状態」への遷移の過程において、第２電極１２からイオン伝導層１３へ金属イオンが供給されるとともに、予めイオン伝導層１３中に分散されている金属１４からも金属イオンの供給がなされるため、「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、図４に示す従来構造の２端子スイッチと比較して、顕著に低い印加電圧となる。予めイオン伝導層１３中に分散されている金属１４の分散濃度を、十分に高くすると、第１回目の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、従来構造の２端子スイッチにおいて、第２回目以降の「オン状態」への遷移を起す印加電圧（図３に示すＡ’）と実質的に同じ値とすることができる。
【００５６】
一般に、図４に示す従来構造の２端子スイッチでは、第１回目の「オン状態」への遷移を起す過程では、先ず、第１電極４１の表面に、金属の析出が開始し、島状の金属析出物が生成する。この島状の金属析出物の先端部に電界が集中することに伴い、金属イオンの還元による金属析出は、金属析出物の先端部で選択的に進行する。当初は、島状の金属析出物は、複数個生成するが、金属析出物の先端部に金属析出の進行が進むと、先端部の成長が速いものに、電界が一層集中する。その結果、最終的には、一つの金属析出物の先端部が、他を圧倒して、金属析出により伸長する状態となる。この現象のため、第１電極４１から第２電極４２に達する金属架橋は、原理的には、一つのみが形成される。
【００５７】
その際、酸化物で構成されるイオン伝導層は、微視的には、酸化物粒子が凝集した状態となっており、金属析出物の伸長は、その粒界に沿って進行する。そのため、金属架橋全体は、デンドライト（樹枝状）構造を形成した状態に成長していると推定される。
【００５８】
一方、酸化物粒子が凝集した状態となっているイオン伝導層において、予めイオン伝導層中に分散されている金属は、相当の割合で、やはり、その粒界沿って存在している。本発明では、第１回目の「オン状態」への遷移を起す過程において、金属架橋が形成される際、第２電極表面から供給され、粒界に沿って、第１電極側へと移動する金属イオンに加えて、その粒界沿って存在している予め分散されている金属をも利用することで、デンドライト（樹枝状）構造を示す金属架橋の成長が進行すると推定される。
【００５９】
イオン伝導層中に予め分散される金属の分散濃度が、固溶度限界に達しない範囲では、分散されている金属は、酸化物粒子の粒界沿って、分散した状態で存在している。一方、固溶度限界を超えると、局所的に金属の凝集体が形成され、その過程で、周囲の粒界沿って存在していた金属はこの凝集体の形成に利用される。結果的に、金属の凝集体形成が生じた部位の周囲は、粒界沿って存在している金属の局所的な濃度は低い領域となる。この現象を回避する上では、イオン伝導層中に予め分散される金属の分散濃度が、固溶度限界に達しない範囲に留めることが好ましい。
【００６０】
（実施例１）
上記本発明の実施形態１にかかる２端子スイッチの最良の実施形態の一例として、実施例１の２端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図５に沿って、実施例１の２端子スイッチング素子の製造工程について述べる。
【００６１】
［工程１］  低抵抗シリコン基板５５の表面に、膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜５６を形成する。酸化膜上に白金を真空蒸着法もしくはスパッタ法で膜厚１００ｎｍ成膜し第１電極５１とする。
【００６２】
［工程２］  イオン伝導層５３として、膜厚２０ｎｍの酸化タンタルをスパッタ法により堆積する。その際、酸化タンタルの組成は、化学量論的な５酸化２タンタル（Ｔａ2Ｏ5）にできるだけ近くなるようにする。具体的には、酸化タンタルのスパッタを行う際に、供給する酸素量を最適化する。発明者らは、酸素流量０．５ｓｃｃｍ、酸素分圧０．５Ｐａの成膜条件で、酸化タンタルを作製し、酸素とタンタルの組成比（Ｏ：Ｔａ原子数比）が２．５の酸化タンタル膜を形成している。
【００６３】
［工程３］  イオン伝導層５３中に、金属架橋の形成に利用される金属である銅を分散させる。イオン伝導層５３中へ銅を分散するため、イオン伝導層５３上に金属供給層５７として銅を真空蒸着法もしくはスパッタ法で１００ｎｍ堆積成膜する。その後、窒素雰囲気下で加熱することで、イオン伝導層５３の酸化タンタル膜中に、その表面から銅を熱拡散させる。加熱温度は、形成された酸化タンタル膜の結晶状態が変化しない６００℃以下に選択する。イオン伝導層５３中への銅の分散は、酸化タンタル中の銅の固溶度限界である７×１０20原子／ｃｍ3まで行なうことが望ましい。発明者らは、３００℃で２０分程度加熱することで、２０ｎｍの酸化タンタル膜中に分散されている銅の濃度が、酸化タンタル中における銅の固溶度限界に達した状態としている。前記の熱拡散法を適用して、イオン伝導層５３内に金属を分散した後、金属供給層５７をエッチング技術で除去する。
【００６４】
［工程４］  絶縁層５４を酸化シリコンで形成する。イオン伝導層５３上にスパッタ法もしくはＣＶＤ法で酸化シリコンを膜厚１００ｎｍ形成する。その上にレジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターニングを行う。パターニング後、酸化シリコンをエッチングし、絶縁層５４とする。
【００６５】
［工程５］  パターニングされた絶縁層５４上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅を堆積させる。その上にレジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターンニングを行う。パターニング後、銅をエッチングして、第２電極５２とする。
【００６６】
熱拡散法を適用すると、金属供給層５７により被覆されているイオン伝導層５３部分には、均一に金属の拡散が引き起こされる。結果的に、作製される実施例１の２端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、第２電極５２とイオン伝導層５３とが接する領域のみでなく、その周囲のイオン伝導層５３中にも、分散された銅が存在する状態となっている。また、分散された銅のイオン伝導層５３の膜厚方向の濃度分布は、熱拡散による濃度分布を示す。すなわち、イオン伝導層５３の表面側、第２電極５２とイオン伝導層５３との接触がなされる界面における、銅の分散濃度が最も高く、膜厚方向で緩やかに濃度が低下する濃度分布が形成されている。
【００６７】
実施例１の２端子スイッチにおいては、第１回目の「オン状態」への遷移は、第１電極５１を接地して、第２電極５２に正電圧を印加する際、印加電圧が１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲で起こる。第２回目の「オン状態」への遷移は、第１電極５１を接地して、第２電極５２に正電圧を印加する際、印加電圧が１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲で起こる。また、第２回目以降の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲となる。
【００６８】
（実施例２）
上記本発明の実施形態１にかかる２端子スイッチの最良の実施形態の別の一例として、実施例２の２端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図５に沿って、実施例２の２端子スイッチング素子の製造工程について述べる。
【００６９】
この実施例２の２端子スイッチング素子では、イオン伝導層５３中に、金属架橋の形成に利用される金属である銅を分散させる工程３では、光拡散法を適用している。それ以外の工程は、実施例１で示した製造工程と、同じ工程としている。この光拡散法を適用する工程３について、詳しく説明する。
【００７０】
［工程３］  イオン伝導層５３中へ銅を分散するため、イオン伝導層５３上に金属供給層５７として銅を真空蒸着法もしくはスパッタ法で１００ｎｍ堆積成膜する。その後、酸化タンタルの光学ギャップよりも大きなエネルギーを有する光（例えば、５００ナノメートル未満の波長）を照射する。この光拡散法を適用した、イオン伝導層５３中への銅の分散は、酸化タンタル中の銅の固溶度限界である７×１０20原子／ｃｍ3まで行なうことが望ましい。例えば、波長λ＝４３６ｎｍの光を利用する際、照射される光強度は、６．３ＭＷ／ｃｍ2に選択し、照射時間は、１０分間に選択する。前記の光拡散法を適用して、イオン伝導層５３内に金属を分散した後、金属供給層５７をエッチング技術で除去する。
【００７１】
なお、上記の酸化タンタル膜への光照射時、低抵抗シリコン基板５５は、室温（２５℃）に温度調整を行っている。また、光照射自体は、酸化タンタル膜の表面に形成されている金属供給層５７側から実施される。その結果、光照射された部位の局所的な温度は上昇している。しかし、上述のように、低抵抗シリコン基板５５の温度を調節することで、この局所的な温度上昇は、形成された酸化タンタル膜の結晶状態が変化しない６００℃以下、特には、３００℃以下に抑えられている。
【００７２】
この光拡散法を適用すると、金属供給層５７により被覆されているイオン伝導層５３中、光照射が施される領域のみに、選択的な金属の拡散が引き起こされる。結果的に、作製される実施例２の２端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、光照射が施される領域では均一な分布であるが、その周囲は、銅の分散濃度が急速に低下する状態となる。従って、第２電極５２とイオン伝導層５３とが接する領域と、前記光照射が施される領域とを一致させると、分散された銅の面内方向の分布は、第２電極５２とイオン伝導層５３とが接する領域に選択的に均一な銅の分散がなされており、その周囲は、銅の分散濃度が急速に低下する形状となる。また、光照射が施される領域内では、分散された銅のイオン伝導層５３の膜厚方向の濃度分布は、光拡散による濃度分布を示す。すなわち、イオン伝導層５３の表面側、第２電極５２とイオン伝導層５３との接触がなされる界面における、銅の分散濃度が最も高く、膜厚方向で緩やかに濃度が低下する濃度分布が形成されている。
【００７３】
実施例２の２端子スイッチにおいては、第１回目の「オン状態」への遷移は、第１電極５１を接地して、第２電極５２に正電圧を印加する際、印加電圧が１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲で起こる。第２回目の「オン状態」への遷移は、第１電極５１を接地して、第２電極５２に正電圧を印加する際、印加電圧が１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲で起こる。また、第２回目以降の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲となる。
【００７４】
（実施例３）
上記本発明の実施形態１にかかる２端子スイッチの最良の実施形態の別の一例として、実施例３の２端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図５に沿って、実施例３の２端子スイッチング素子の製造工程について述べる。
【００７５】
この実施例３の２端子スイッチング素子では、イオン伝導層５３中に、金属架橋の形成に利用される金属である銅を分散させる工程３では、イオン注入法を適用している。それ以外の工程は、実施例１で示した製造工程と、同じ工程としている。このイオン注入法を適用する工程３について、詳しく説明する。
【００７６】
［工程３］  イオン伝導層５３中へ銅を分散するため、イオン伝導層５３に銅イオンをイオン注入する。イオン注入は、１０ＫｅＶ程度のエネルギーで行う。このイオン注入法を適用した、イオン伝導層５３中への銅の分散は、酸化タンタル中の銅の固溶度限界である７×１０20原子／ｃｍ3まで行なうことが望ましい。例えば、注入される銅イオンの加速エネルギーを１０ｋｅＶに選択し、注入角度を７°、注入量を２×１０13原子／ｃｍ2に設定する。
【００７７】
このイオン注入法を適用すると、イオン伝導層５３中、イオン注入が施される領域のみに、選択的な金属の分散がなされる。結果的に、作製される実施例３の２端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、イオン注入が施される領域では均一な分布であるが、その周囲は、銅の分散濃度が急速に低下する状態となる。従って、第２電極５２とイオン伝導層５３とが接する領域と、前記イオン注入が施される領域とを一致させると、分散された銅の面内方向の分布は、第２電極５２とイオン伝導層５３とが接する領域に選択的に均一な銅の分散がなされており、その周囲は、銅の分散濃度が急速に低下する形状となる。また、イオン注入が施される領域内では、分散された銅のイオン伝導層５３の膜厚方向の濃度分布は、イオンの加速エネルギーに依存する濃度ピークを示す分布となる。すなわち、イオンの加速エネルギーに依存する濃度ピークは、イオン伝導層５３内に存在し、イオン伝導層５３の表面側、第２電極５２とイオン伝導層５３との接触がなされる界面における、銅の分散濃度は、前記ピーク濃度よりも低くなっている。なお、前記の濃度ピークを超えると、膜厚の増加とともに急速に濃度が低下する濃度分布が形成されている。
【００７８】
実施例３の２端子スイッチにおいては、第１回目の「オン状態」への遷移は、第１電極５１を接地して、第２電極５２に正電圧を印加する際、印加電圧が１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲で起こる。第２回目の「オン状態」への遷移は、第１電極５１を接地して、第２電極５２に正電圧を印加する際、印加電圧が１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲で起こる。また、第２回目以降の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲となる。
【００７９】
（実施例４）
上記本発明の実施形態１にかかる２端子スイッチの最良の実施形態の一例として、実施例４の２端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図６に沿って、実施例４の２端子スイッチング素子の製造工程について述べる。この実施例４では、２端子スイッチング素子は、半導体集積回路中において、二つの配線間に設けるスイッチング素子として組み込んだ形態とされている。特には、半導体集積回路の構成に利用される多層配線層構造中に、２端子スイッチング素子が形成されている。
【００８０】
［工程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等を含む基板６１を用意する。その後、第１保護絶縁膜６２、第１層間絶縁膜６３、第１ストップ絶縁膜６４を形成する。
【００８１】
［工程２］  フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、配線となる開口部を形成する。形成した開口部に第１バリアメタル６５、および銅の一部となる銅シード層のスパッタを行う。銅シード層の厚みは２０から１００ｎｍ程度でよい。以上の、スパッタ堆積膜上に銅のメッキを行う。メッキされる銅の厚みは３００から８００ｎｍ程度でよい。第１層間絶縁膜６３、ストップ絶縁膜６４の開口部外の不要な第１バリアメタル６５および銅は、ケミカル・メカニカル・ポリッシング（ＣＭＰ、化学・機械的研磨）などの手法により削り取られる。その結果、第１バリアメタル６５および銅が、第１保護絶縁膜６２および第１層間絶縁膜６３、第１ストップ絶縁膜６４に埋め込まれた第１配線層６６が完成する。
【００８２】
［工程３］  第１配線層６６、第１バリアメタル６５、第１ストップ絶縁膜６４の上部に、タンタル５０ｎｍ、酸化タンタル２０ｎｍ、銅５０ｎｍをスパッタし、一般的なリソグラフィ技術により、それぞれ第１電極６５、イオン伝導層６６、金属供給層６７に加工する。その後、窒素雰囲気下、３００℃で２０分加熱し、イオン伝導層６６を被覆している金属供給層６７からイオン伝導層６６中に銅を熱拡散させる。加熱後、金属供給層６７をエッチング技術で除去する。その結果、イオン伝導層６６中には、前記熱拡散処理によって、銅が分散された状態となっている。
【００８３】
［工程４］  銅の分散がなされているイオン伝導層６６上に、再度、銅を５０ｎｍスパッタし、リソグラフィ技術で加工することで、第２電極６８を形成する。第２電極６８および第１ストップ膜６４上に、第２保護絶縁膜６９、第２層間絶縁膜７０、第３保護絶縁膜７１、第３層間絶縁膜７２、第２ストップ絶縁膜を形成する。
【００８４】
［工程５］  第３保護絶縁膜７１、第３層間絶縁膜７２、第２ストップ絶縁膜７３から構成される絶縁層に、２端子スイッチング素子の第二電極６９と、第２配線層との連結を図る配線ビアの形成に利用する開口部を形成する。開口部（接続孔７４）の形成は一般的なリソグラフィにより行えばよい。例えば、第２ストップ絶縁膜上にフォトレジストを形成し、光学露光によりパターニングを行う。そのレジストパターンを介してエッチングを行うことにより、開口部が形成できる。例えば、９０ｎｍ世代のリソグラフィ技術では、開口部の直径は８０から２００ｎｍ程度である。
【００８５】
［工程６］  第３保護絶縁膜７１および第３層間絶縁膜７２および第２ストップ絶縁膜７３から構成される絶縁層に、２端子スイッチング素子のビア配線および第２配線層の作製に用いる配線溝７５が形成される。配線溝７５の形成は、上記接続孔７４の形成と同様な技術で行う。配線溝７５の形成時に、工程５で形成した接続孔７４（開口部）は、第２層間絶縁膜７０および第２保護絶縁膜６９から構成される絶縁層に転写され、配線ビアとなる。
【００８６】
［工程７］  第２バリアメタル７６、および銅の一部となる銅シード層のスパッタを行う。銅シード層の厚みは２０から１００ｎｍ程度でよい。次に、スパッタ堆積膜上に銅のメッキを行う。メッキされる銅の厚みは３００から８００ｎｍ程度でよい。接続溝７４（配線ビア）および配線溝７５以外の、第２ストップ絶縁膜７３上の不要な第２バリアメタル７６および銅は、ケミカル・メカニカル・ポリッシング（ＣＭＰ、化学・機械的研磨）などの手法により削り取る。２端子スイッチング素子およびスイッチング素子に接続される配線以外の第２配線層７７を形成し、さらに、第２配線層上に上層配線７８を形成する。
【００８７】
なお、第１保護絶縁膜６２、第２保護絶縁膜６９、ならびに第３保護絶縁膜７１には、例えば、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）もしくはその中に任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料（ＳｉＮＣ）など、銅の酸化膜中への拡散を抑制する材料を用いることが好ましい。
【００８８】
一方、第１層間絶縁膜６３、第２層間絶縁膜７０、ならびに第３層間絶縁膜７２には、シリコンと酸素の化合物であって、任意の量の水素、フッ素、炭素を添加した低誘電率絶縁膜が好ましい。絶縁膜の内部に空孔を含むような膜では、さらに誘電率を下げることが可能であること知られている。この層間絶縁膜中に形成しておく「空孔」の大きさは、２ナノメートル以下であることが好ましい。
【００８９】
第１ストップ絶縁膜６４と第２ストップ絶縁膜７３はシリコン酸化膜でよく、５０から２００ナノメートル程度の厚みでよい。それぞれの絶縁膜は、従来技術であるスパッタ法、またはＣＶＤ法で形成することができる。第１バリアメタル６５および第２バリアメタル７６は、例えば、タンタルナイドライド（ＴａＮ）およびタンタル（Ｔａ）の積層構造でよく、開けられた開口部の底面および側壁を覆うように形成される。第１バリアメタル６５は、第１配線の銅が第１層間絶縁膜６３中へ拡散するのを防ぐ役割を果たしている。第２バリアメタル７６は、第２配線の銅が第２層間絶縁膜７０中ならびに第３層間絶縁膜７２中へ拡散するのを防ぐ役割を果たしている。タンタルナイトライド（ＴａＮ）およびタンタルの膜厚は５から３０ｎｍ程度の厚みでよい。
【００９０】
実施例４の２端子スイッチング素子では、熱拡散法を適用しているため、金属供給層６７により被覆されているイオン伝導層６６部分には、均一に金属の拡散が引き起こされる。結果的に、作製される実施例４の２端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、第２電極６８とイオン伝導層５３とが接する領域全体で、イオン伝導層５３中に分散された銅が均一に存在する状態となっている。また、分散された銅のイオン伝導層６６の膜厚方向の濃度分布は、熱拡散による濃度分布を示す。すなわち、イオン伝導層６６の表面側、第２電極６８とイオン伝導層６６との接触がなされる界面における、銅の分散濃度が最も高く、膜厚方向で緩やかに濃度が低下する濃度分布が形成されている。
【００９１】
実施例４の２端子スイッチにおいては、第１回目の「オン状態」への遷移は、第１電極６５を接地して、第２電極６８に正電圧を印加する際、印加電圧が１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲で起こる。第２回目の「オン状態」への遷移は、第１電極６５を接地して、第２電極６８に正電圧を印加する際、印加電圧が１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲で起こる。また、第２回目以降の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲となる。
【００９２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２にかかる３端子スイッチの構成について説明する。図７は、本発明の実施の形態２にかかる３端子スイッチの構成の一例を模式的に示す断面図である。
【００９３】
図７に示す３端子スイッチは、第２電極８２と、第２電極８２と金属８５の分散したイオン伝導層８４を介して設けられた第１電極８１および第３電極８３とを有する構成である。第１電極８１および第２電極８２は、金属イオンを供給しない金属で形成され、第３電極８３は、金属イオンを供給する金属で形成されている。金属８５は、第３電極８３の形成に利用されている、金属イオンを供給する金属材料と同じ金属であることが望ましい。また、イオン伝導層８４は金属イオンが伝導するための媒体となる。
【００９４】
イオン伝導層８４内への金属８５の分散は、熱拡散、光拡散、イオン注入法によって行う。イオン伝導層８４中における、金属８５の分散濃度は、できるだけ高い濃度である状態が好ましい。イオン伝導層８４を構成する材料中における該金属の固溶度限界を超えると、固溶度限界を超えた量は、イオン伝導層８４中において、相互に凝集して、金属塊を形成する。その点を考慮すると、イオン伝導層８４中における、金属８５の分散濃度は、固溶度限界を超えない範囲において、できるだけ高い濃度である状態が好ましい。
【００９５】
一方、イオン伝導層８４内への金属８５の分散により、「オフ状態」における、イオン伝導層８４を経由する、第１電極８１と第２電極８２との間のリーク電流が、必要以上に増加してしまう場合もある。従って、リーク電流の増加というデメリットと、本発明の効果（メリット）との間で調整を図り、イオン伝導層８４中における、金属６５の分散濃度を選択する必要である。
【００９６】
本発明の実施の形態２にかかる３端子スイッチの駆動方法を、図８に従って説明する。
【００９７】
図８に示す、実施形態２にかかる３端子スイッチは、第３電極９３は、イオン伝導層９４中に分散されている金属９５と同じ金属材料で構成されている。
【００９８】
第１電極９１と第２電極９２を接地して、第３電極９３に正電圧を印加すると、第３電極９３の金属が金属イオン９６になってイオン伝導層９４中に溶解する。また、それに付随して、イオン伝導層９４中に分散されている金属９５の少なくとも一部も、金属イオン９６となる。そして、イオン伝導層９５中の金属イオン９６が、第１電極９１の表面、ならびに第２電極９１の表面から供給される電子によって、金属へと還元され、析出する。この析出した金属によって、第１電極９１の表面、ならびに第２電極９１の表面から金属架橋９７がそれぞれ形成される。析出する金属によって形成される金属架橋９７によって、第１電極９１と第２電極９２とが接続される。金属架橋９７を介する導通経路によって、第１電極９１と第２電極９２が電気的に接続することで、この３端子スイッチが「オン状態」になる。
【００９９】
一方、「オン状態」へと遷移した３端子スイッチに対して、第１電極９１と第２電極９２を接地して、第３電極９３に負電圧を印加すると、金属架橋９７を構成している金属がイオン伝導層９４中に金属イオン９６となって溶解する。この溶解が進行すると、第１電極９１と第２電極９２とを接続していた金属架橋９７の一部が切れる。その際、金属架橋９７を構成している金属が溶解することによって、イオン伝導層９４中に含まれる金属イオン９６の濃度は局所的に、過渡的な上昇を示す。その後、余剰な金属イオン９６は、金属へと還元され、イオン伝導層９４内に分散した金属９５として、あるいは、第３電極９３の表面に金属として析出することによって、回収される。この過程を経ることにより、第１電極９１と第２電極９２との電気的接続が切れ、この３端子スイッチが「オフ状態」になる。
【０１００】
上記「オフ状態」への遷移後、再び、「オフ状態」から「オン状態」へと遷移させる「切り替え」を行うには、再び、第１電極９１と第２電極９２を接地して、第３電極９３に正電圧を印加すればよい。
【０１０１】
なお、「オフ状態」から「オン状態」へと遷移は、第３電極９３の電位が第１電極９１および第２電極９２よりも高い電位になるように、第３電極９３と、第１電極９１および第２電極９２との間に電圧を印加することで起こる。従って、第３電極９３を接地し、第１電極９１および第２電極９２に負電圧を印加して、３端子スイッチを「オン状態」に遷移してもよい。また、「オン状態」から「オフ状態」へと遷移は、第３電極９３の電位が第１電極９１および第２電極９２よりも低い電位になるように、第３電極９３と、第１電極９１および第２電極９２との間に電圧を印加することで起こる。従って、第３電極９３を接地し、第１電極９１および第２電極９２に正電圧を印加して、３端子スイッチを「オン状態」に遷移してもよい。
【０１０２】
なお、図７に示す構成例では、第１電極９１および第２電極９２は、その電極を構成する導電体層の一方の面において、イオン伝導層９４と接触している。このように、本発明の実施の形態２にかかる３端子スイッチにおいては、第１電極９１および第２電極９２は、その全体がイオン伝導層９４と接触するのではなく、その電極の外表面のうち、一部の表面において、イオン伝導層９４と接触する形態とすることができる。その際には、第１電極９１および第２電極９２の外表面の全て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９４と接触する部位となる表面部分が金属イオンを供給しない材料であればよい。例えば、図７に示す構成例では、イオン伝導層９４と接触する、第１電極９１の上面、ならびに、第２電極９２の下面は、金属イオンを供給しない材料で構成され、一方、イオン伝導層９４と接触することのない、第１電極９１の下面、ならびに、第２電極９２の上面は、金属イオンを供給する材料で構成する形態を選択することも可能である。
【０１０３】
（実施例５）
上記本発明の実施形態２にかかる３端子スイッチの最良の実施形態の一例として、実施例５の３端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図９に沿って、実施例５の３端子スイッチング素子の製造工程について述べる。
【０１０４】
［工程１］  低抵抗シリコン基板１０６の表面に、膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１０７を形成する。酸化膜上に、白金を真空蒸着法もしくはスパッタ法で膜厚１００ｎｍ成膜し、第１電極１０１とする。
【０１０５】
［工程２］  イオン伝導層１０４として、膜厚２０ｎｍの酸化タンタルをスパッタ法により堆積する。その際、酸化タンタルの組成は、化学量論的な５酸化２タンタル（Ｔａ2Ｏ5）にできるだけ近くなるようにする。具体的には、酸化タンタルのスパッタを行う際に、供給する酸素量を最適化する。発明者らは、酸素流量０．５ｓｃｃｍ、酸素分圧０．５Ｐａの成膜条件で、酸化タンタルを作製し、酸素とタンタルの組成比（Ｏ：Ｔａ原子数比）が２．５の酸化タンタル膜を形成している。
【０１０６】
［工程３］  イオン伝導層１０４中に、金属架橋の形成に利用される金属である銅を分散させる。イオン伝導層１０４中へ銅を分散するため、イオン伝導層１０４上に金属供給層１０８として銅を真空蒸着法もしくはスパッタ法で１００ｎｍ堆積成膜する。その後、窒素雰囲気下で加熱することで、イオン伝導層１０４の酸化タンタル膜中に、その表面から銅を熱拡散させる。加熱温度は、形成された酸化タンタル膜の結晶状態が変化しない６００℃以下に選択する。イオン伝導層１０４中への銅の分散は、酸化タンタル中の銅の固溶度限界である７×１０20原子／ｃｍ3まで行なうことが望ましい。発明者らは、３００℃で２０分程度加熱することで、２０ｎｍの酸化タンタル膜中に分散されている銅の濃度が、酸化タンタル中における銅の固溶度限界に達した状態としている。前記の熱拡散法を適用して、イオン伝導層１０４内に金属を分散した後、金属供給層１０８をエッチング技術で除去する。
【０１０７】
［工程４］  イオン伝導層１０４上の一部分に、絶縁層１０５を酸化シリコンで形成する。イオン伝導層１０４（酸化タンタル膜）上に、スパッタ法で酸化シリコンを１００ｎｍ形成する。その上にレジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターニングを行う。パターニング後、酸化シリコンをエッチングし、絶縁層１０５とする。
【０１０８】
［工程５］  パターニングされた絶縁層１０５上および絶縁層１０５に覆われていないイオン伝導層１０４上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの白金を堆積させる。その上にレジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターンニングを行う。パターニング後、白金をドライエッチングし、第２電極１０２を形成する。なお、白金のドライエッチングには、エッチングガスとして、塩素、酸素およびアルゴンの混合ガスを使用している。
【０１０９】
［工程６］  パターニングされた絶縁層１０５、絶縁層１０５に覆われていないイオン伝導層１０４、第２電極１０２上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅を堆積させる。その上に、レジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターンニングを行う。パターニング後、銅をエッチングし、第３電極１０３を形成する。
【０１１０】
実施例５の３端子スイッチング素子では、熱拡散法を適用しているため、金属供給層１０８により被覆されているイオン伝導層１０４部分には、均一に金属の拡散が引き起こされる。結果的に、作製される実施例５の３端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、第３電極１０３とイオン伝導層１０４とが接する領域、第２電極１０２とイオン伝導層１０４とが接する領域を含め、全ての領域に、イオン伝導層１０４中に分散された銅が均一に存在する状態となっている。また、分散された銅のイオン伝導層１０４の膜厚方向の濃度分布は、熱拡散による濃度分布を示す。すなわち、イオン伝導層１０４の表面側、第２電極１０２とイオン伝導層１０４との接触界面、ならびに第３電極１０３とイオン伝導層１０４との接触界面における、銅の分散濃度が最も高く、膜厚方向で緩やかに濃度が低下する濃度分布が形成されている。
【０１１１】
実施例５の３端子スイッチでは、「オン状態」への遷移は、第１電極１０１と第２電極１０２の間に金属架橋が形成され、電気的な接続が達成される状態である。勿論、第１電極１０１と第２電極１０２の間を接続する金属架橋の形成はなされるが、第１電極１０１と第３電極１０３との間には金属架橋が形成されない状態とされている。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明のスイッチング素子は、プログラマブルロジック回路における、配線経路の変更に利用されるスイッチング素子として、利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる２端子スイッチング素子の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる２端子スイッチング素子のスイッチング動作時における、イオン伝導層中に分散されている金属の機能を模式的に示す断面図である。
【図３】従来構造の２端子スイッチング素子のスイッチング特性の一例を示すグラフであり、第１回目の「オン状態」への遷移と、２回目以降の「オン状態」への遷移における、スイッチング電圧の相違を示すグラフである。
【図４】従来構造の２端子スイッチング素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例１の２端子スイッチング素子の製造工程を模式的に示す断面である。
【図６−１】実施例２の２端子スイッチング素子の製造工程中、前半の工程１〜工程４を模式的に示す断面である。
【図６−２】実施例２の２端子スイッチング素子の製造工程中、後半の工程５〜工程８を模式的に示す断面である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる３端子スイッチング素子の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる３端子スイッチング素子のスイッチング動作時における、イオン伝導層中に分散されている金属の機能を模式的に示す断面図である。
【図９】実施例５の２端子スイッチング素子の製造工程を模式的に示す断面である。
【符号の説明】
【０１１４】
１１、２１、４１、５１、６５、８１、９１、１０１  第１電極
１２、２２、４２、５２、６８、８２、９２、１０２  第２電極
８３、９３、１０３  第３電極
１３、２３、４３、５３、６６、８４、９４、１０４  イオン伝導層
５４、１０５  絶縁層
１４、２４、８５、９５  金属
２６、９６  金属イオン
２４、９７  金属架橋
５７、６７、１０８  金属供給層
５６、１０７  シリコン酸化膜
５５、１０６  低抵抗シリコン基板
６１  基板
６２  第１保護絶縁膜
６３  第１層間絶縁膜
６４  第１ストップ絶縁膜
６５  第１バリアメタル
６６  第１配線層
６９  第２保護絶縁膜
７０  第２層間絶縁膜
７１  第３保護絶縁膜
７２  第３層間絶縁膜
７３  第２ストップ絶縁膜
７４  接続溝
７５  配線溝
７６  第２バリアメタル
７７  第２配線層
７８  上層配線
【図１】
2008244090.tif 000003
【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６−１】
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【図６−２】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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