(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導層と、該イオン伝導層に接触する部位が該イオン伝導層に金属イオンを供給する材料を含む第１の電極と、前記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ある第２の電極と、を有するスイッチング素子の状態設定方法であって、
複数の前記スイッチング素子を搭載した基板を加熱ステージに載せ、
前記加熱ステージの温度を一定に保ったまま、各スイッチング素子の前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加することで、複数の前記スイッチング素子の状態を遷移させる、スイッチング素子の状態設定方法。
【請求項２】
前記一定の温度が８５℃以上１５０℃以下の範囲の温度である請求項１に記載のスイッチング素子の状態設定方法。
【請求項３】
前記スイッチング素子をオフ状態からオン状態に遷移させる場合、前記第２の電極を接地して前記第１の電極に正電圧を印加し、
前記スイッチング素子をオン状態からオフ状態に遷移させる場合、前記第１の電極を接地して前記第２の電極に正電圧を印加する、請求項１または２記載のスイッチング素子の状態設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再構成可能な論理集積回路装置および演算回路装置を含む再構成可能な半導体集積回路ならびに半導体記憶装置に用いられるスイッチング素子の状態設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学反応を用いた抵抗変化スイッチ（以下では、単にスイッチング素子と称する）の例が、特許文献１、非特許文献１および非特許文献２に開示されている。これらの文献に開示されたスイッチング素子は、第１電極／イオン伝導層／第２電極の３つの固体材料が積層された構成である。
【０００３】
この第１電極と第２電極間に負または正の電圧を印加することにより、イオン伝導層の電気抵抗が変化する。このスイッチング素子の特徴は、小型でありながら、オン状態ではその電気抵抗を非常に小さくできるという点にある。抵抗の変化は、第１電極を構成する金属がイオン伝導層に析出すること、または、析出した金属が溶解することによって起こる。また、スイッチング素子の抵抗値は素子への電圧の印加を中止してもそのときの値が保たれ、スイッチング素子はメモリとしても機能する。
【０００４】
非特許文献２に開示されたスイッチング素子について説明する。図６はスイッチング素子の基本構成の一例を示す断面模式図である。
【０００５】
図６に示すように、スイッチング素子１３は、第１電極１５および第２電極１６の間にイオン伝導層１４が挟まれた構成である。イオン伝導層１４は抵抗変化層に相当し、材料は酸化タンタルである。第１電極１５の材料は銅であり、第２電極１６の材料は白金である。
【０００６】
図６に示したスイッチング素子１３の動作を説明する。
【０００７】
スイッチング素子１３をオン状態にするには、第２電極１６を接地して、第１電極１５に正電圧を印加する。このとき、第１電極１５の銅が銅イオンになってイオン伝導層１４に溶解する。そして、イオン伝導層中の銅イオンが第２電極１６の表面に銅になって析出し、析出した銅により第１電極１５と第２電極１６を接続する金属架橋が形成される。金属架橋はイオン伝導層中の金属イオンが析出した金属析出物である。金属架橋で第１電極１５と第２電極１６が電気的に接続することで、スイッチング素子１３がオン状態になる。
【０００８】
一方、上記オン状態で第１電極１５を接地して、第２電極１６に正電圧を印加すると、金属架橋の銅がイオン伝導層１４に溶解し、金属架橋の一部が切れる。これにより、スイッチング素子１３がオフ状態になる。上述のようにして第１電極１５と第２電極１６の間に電圧を印加することにより、スイッチング素子１３をオン状態とオフ状態を繰り返し遷移させることができる。
【０００９】
スイッチング素子は、電圧が印加されていなくても、オン状態およびオフ状態のそれぞれの状態を維持する。オン状態とオフ状態をそれぞれ“１”と“０”のように異なる情報に置き換えれば、スイッチング素子は情報を保持するメモリとして機能する。この場合、オン状態とオフ状態の間で状態を遷移させる動作は、情報の書き換え動作に相当する。
【００１０】
スイッチング素子の作製に半導体装置の製造技術を適用可能であることから、スイッチング素子を半導体集積回路と一緒に半導体基板に搭載できる。そのため、スイッチング素子を半導体集積回路の一部に用いることが可能となる。特に、再構成可能な半導体集積回路の再構成回路のスイッチやメモリとしてスイッチング素子を用いることは有効である。
【００１１】
スイッチング素子を再構成回路のスイッチとして用いる場合では、回路を構成した後、回路の動作時においてスイッチの状態が変化しないことが必要である。スイッチング素子に回路の動作電圧が印加され、動作電流が流れる場合においても、スイッチの状態が動作温度下（通常は８５度以下）で寿命（通常は１０年程度）以上の期間、保持されていなければならない。そのため、通常、スイッチング素子の状態が変化する閾値電圧を、回路の動作電圧より十分高く設定する必要がある。
【００１２】
回路の動作電圧は、半導体集積回路のスケーリング則によって決まり、デザインルールが４５ｎｍ世代から９０ｎｍ世代の集積回路の場合には約１Ｖである。そのため、オフ状態にあるスイッチング素子が動作電圧でオン状態に遷移することを防止するために、オフ状態からオン状態へ遷移させるための閾値電圧を１Ｖ以上にする必要がある。
【００１３】
一方、スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ遷移させるための閾値電圧は１Ｖ以下でもよい。それは、回路の動作時において、低抵抗状態にあるスイッチには動作電圧よりも十分小さな電圧しか印加されないためである。ただし、オン状態からオフ状態に遷移させるための閾値電圧は、その十分小さな電圧よりは大きい必要がある。
【００１４】
オフ状態からオン状態に遷移させるためには閾値電圧よりも高い電圧をスイッチング素子に印加するが、高電圧をスイッチング素子に印加すると、素子を著しく劣化させ、素子の破壊に至ることがある。そのため、状態を遷移させる際には素子の劣化防止のために閾値電圧は低い方が望ましく、状態を保持させる場合を考えると、動作電圧で状態が遷移するのを防止するために、閾値電圧は高い方が望ましい。
【００１５】
オン状態とオフ状態の間で状態を遷移させるための閾値電圧がスイッチの環境温度で変化することが非特許文献３に開示されている。スイッチング素子を室温よりも低い温度にすると、スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ、またはオン状態からオフ状態へ遷移させるための閾値電圧が温度とともに大きくなることがこれまでわかっている。温度に依存する理由は、閾値電圧がイオン伝導層中の金属イオンの拡散係数に依存し、その金属の拡散係数が温度依存性を持つためである。そのため、スイッチング素子を室温よりも高い温度にすると、閾値電圧が小さくなると予測される。
【００１６】
スイッチの環境温度を変える方法として、半導体集積回路の内部に、スイッチに近接して加熱装置を設ける方法が特許文献２に開示されている。特許文献２では、加熱装置でスイッチを加熱することにより状態を遷移させるための電圧を変えられることが述べられている。そして、１つのスイッチに１つの加熱装置を設け、加熱装置群のなかで加熱する装置と加熱しない装置に分けることにより、多数のスイッチ群の中の特定のスイッチを個別に書き換えることを可能としている。さらに、スイッチの環境温度を変えることにより、閾値電圧を低くでき、素子の劣化を防げることが述べられている。
【特許文献１】特開２００６−３１９０２８号公報
【非特許文献１】アプライド・フィジックス・レター誌、８５巻、５６５５ページ（２００４年）
【非特許文献２】ＶＬＳＩシンポジウム・テクニカルダイジェスト、ｐ３８、２００７年。
【非特許文献３】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス誌、４５巻、４Ｂ号、３６６６ページ（２００６年）
【特許文献２】特開２００６−２２２４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
スイッチング素子の抵抗状態を変化させるために、数十ｍＡ以上の大きな電流をスイッチング素子に流す場合がある。数十ｍＡという電流値は、半導体集積回路に通常用いられる電流値と比較すると、非常に大きい値である。大きな電流を必要とする理由は、スイッチング素子の抵抗を低く保ち、かつ、状態を変化させるための閾値電圧が大きいからである。
【００１８】
例えば、オン抵抗を１００Ω以下、オフ状態からオン状態への閾値電圧を２Ｖ以上とする場合には、スイッチング素子に流す電流として２０ｍＡ以上必要となる。そのためには、スイッチに電流を供給するための駆動回路の面積を大きくしたり、スイッチング素子と直列に挿入されるトランジスタの面積を大きくしたりする必要がある。その結果、駆動回路やトランジスタ等の周辺回路の面積が大きくなり、スイッチ自体の大きさが小さいというメリットを生かせなくなってしまう。
【００１９】
また、背景技術でも説明したが、スイッチング素子に大きな電圧を印加すると、第１電極と第２電極間のイオン伝導層が絶縁破壊することがあり、この場合、素子が破壊されてしまう。発明者らの実験によると、オフ状態に設定する際にイオン伝導層が絶縁破壊する現象がしばしば観測されている。素子破壊を防ぐために、スイッチング素子の近傍に加熱機構を設けて閾値電圧を低くする方法もあるが、上述したように、スイッチ自体が小さいというメリットを生かせなくなってしまう。
【００２０】
上記駆動回路やトランジスタ等の周辺回路を小さくし、イオン伝導層の絶縁破壊を防止するには、スイッチング素子に流す電流をできるだけ小さくする必要がある。さらに、半導体集積回路内にスイッチング素子の環境温度を変えるための加熱機構をスイッチ毎に設けてしまうと、スイッチの大きさが小さいというメリットを生かすことができなくなる。
【００２１】
本発明は上述したような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、状態設定時の素子の破壊を防ぐ、スイッチング素子の状態設定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】
【００２２】
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状態設定方法は、イオン伝導層と、該イオン伝導層に接触する部位が該イオン伝導層に金属イオンを供給する材料を含む第１の電極と、前記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ある第２の電極と、を有するスイッチング素子の状態設定方法であって、
複数の前記スイッチング素子を搭載した基板を加熱ステージに載せ、
前記加熱ステージの温度を一定に保ったまま、各スイッチング素子の前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加することで、複数の前記スイッチング素子の状態を遷移させるものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、スイッチング素子の状態設定時に、スイッチング素子に印加される電圧が低減し、スイッチング素子に流れる電流が抑制され、スイッチング素子の破壊を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本実施例のスイッチング素子の構成について説明する。本実施例のスイッチング素子の基本構成は、図６に示したように、イオン伝導層１４が第１電極１５と第２電極１６によって挟まれた構成である。
【００２５】
図１は本実施例の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１に示すように、スイッチング素子は、酸化シリコン２８で覆われたシリコン基板２０上に設けられている。
【００２６】
シリコン基板２０の上に酸化シリコン２８が形成され、その上に材料が白金の電極である白金電極２６が設けられている。白金電極２６の上には開口部２２を有する酸化シリコン２７が設けられている。酸化シリコン２７の上に、開口部２２を覆う酸化タンタル２４が設けられている。酸化タンタル２４の上には、材料が銅の電極である銅電極２５が設けられている。酸化タンタル２４が図６に示したイオン伝導層１４に相当し、銅電極２５が第１電極１６に相当し、白金電極２６が第２電極１６に相当する。
【００２７】
酸化タンタル２４は開口部２２を介して白金電極２６と接触している。開口部２２が、酸化タンタル２４と白金電極２６の接触面積を規定している。銅電極２５の平面パタンは開口部２２よりも大きい。ここでいう平面パタンとは、シリコン基板２０の素子形成面に対して平行な面のパタンである。
【００２８】
次に、図１に示したスイッチング素子の製造方法について説明する。
【００２９】
シリコン基板２０の表面に膜厚３００ｎｍの酸化シリコン２８を形成する。続いて、酸化シリコン２８の上に膜厚１００ｎｍの白金をスパッタリング法で形成する。形成した白金の膜を白金電極２６とする。
【００３０】
白金電極２６の上に膜厚１００ｎｍの酸化シリコン２７をスパッタリング法により形成する。リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて酸化シリコン２７に開口部２２を形成する。続いて、スパッタリング法により膜厚１５ｎｍの酸化タンタル２４を、酸化シリコン２７の上に開口部２２を覆って形成する。さらに、膜厚１００ｎｍの銅をスパッタリング法により酸化タンタル２４の上に形成する。その後、リソグラフィ技術とエッチング技術を用いて銅を加工して銅電極２５を形成する。
【００３１】
なお、本実施例では、第２電極１６の材料として白金を用いたが、第２電極１６の材料は白金に限らず、イオン伝導層１４に金属イオンを溶出させない電極材料であればよい。白金以外の材料として、例えば、タングステン、タンタル、チタンがある。
【００３２】
次に、図１に示したスイッチング素子について行った実験について説明する。図２は本実施例のスイッチング素子の加熱方法を説明するための模式図である。
【００３３】
半導体基板３１上に上述の製造方法でスイッチング素子を作製する。半導体基板３１にはスイッチング素子を複数作製してもよい。また、半導体基板３１を加熱するための加熱装置（不図示）を準備する。加熱装置は、半導体基板３１を搭載するための加熱ステージ３０と、加熱ステージ３０の温度を検出する温度センサ（不図示）と、加熱ステージ３０を加熱するヒータ（不図示）と、加熱ステージ３０の温度を制御する温度制御部（不図示）とを有する。
【００３４】
ヒータは、加熱ステージ３０の、半導体基板３１が搭載される面とは反対側の面に設けられている。加熱ステージ３０の材料は熱伝導率のよい金属であることから、ヒータと加熱ステージ３０の温度はほぼ同等である。温度制御部は、温度センサと信号線で接続され、ヒータと電力供給線で接続されている。温度制御部は、温度センサの検出値をモニタし、加熱ステージ３０が一定の温度を保つように、ヒータに電力を供給する。
【００３５】
本実施例のスイッチング素子が形成された半導体基板３１を加熱ステージ３０に載せ、上記加熱装置を動作させて加熱ステージ３０の温度を一定に保ったまま、スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ遷移させ、また、オン状態からオフ状態へ遷移させた。加熱ステージ３０の温度として、２０℃（室温）、８５℃および１５０℃の３通りの場合とした。スイッチング素子の状態を遷移させる際に、電極に印加する電圧と２つの電極間に流れる電流の関係を調べた。なお、加熱ステージ３０を２０℃に保つ場合には、室温でよいため、加熱装置による制御は必要ない。
【００３６】
図３は本実施例のスイッチング素子がオフ状態からオン状態へ遷移する際の電流−電圧特性を示すグラフである。横軸は第１電極１５に相当する銅電極２５に印加する電圧を示し、縦軸は２つの電極間を流れる電流を示している。なお、測定装置の測定電流に制限を設け、測定電流が１０μＡを越えないようにしている。
【００３７】
基板の温度が２０℃の場合では、印加電圧を０Ｖから６Ｖ付近まで大きくしていくと、その変化に伴って電流が増大する。このときの電流は、絶縁膜である酸化タンタル２４を流れるリーク電流である。印加電圧が６Ｖ付近で電流が急激に増大し、高抵抗のオフ状態から低抵抗のオン状態に遷移する。オン状態での抵抗値は２０Ω程度である。
【００３８】
一方、基板の温度が８５℃の場合では、印加電圧が４Ｖ付近でオフ状態からオン状態に遷移している。基板の温度が１５０℃の場合では、印加電圧が２．５Ｖ付近でオフ状態からオン状態に遷移している。基板の温度が８５、１５０℃の場合では、温度が２０℃の場合と比べると、オフ状態からオン状態へ遷移する電圧が小さくなっていることがわかる。
【００３９】
図４は本実施例のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ遷移する際の電流−電圧特性を示すグラフである。オン状態にあるスイッチング素子において、第１電極１５に相当する銅電極２５を接地して第２電極１６に相当する白金電極２６に正の電圧を印加したときの測定結果を示す。横軸は白金電極２６に印加する電圧を示し、縦軸は２つの電極間を流れる電流を示している。
【００４０】
基板の温度が２０℃の場合、白金電極２６に印加する電圧を０Ｖから増加させると、０．４Ｖ付近までは電圧に比例して電流が増大する。この傾きがオン抵抗であり、オン状態での抵抗が約２０Ωであることがわかる。さらに印加電圧を大きくすると、０．４２Ｖ付近で２０ｍＡ程度の電流が流れ、印加電圧を０．４２Ｖよりも大きくすると電流が減少し、高抵抗状態へ遷移することがわかる。
【００４１】
一方、基板の温度が８５℃の場合、オン状態からオフ状態へ遷移する電圧は０．３Ｖ付近である。オフ状態へ遷移する直前に流れる電流は１３ｍＡ程度で、１５ｍＡを下回っている。基板の温度が１５０℃の場合、オン状態からオフ状態へ遷移する電圧は、０．１５Ｖ付近である。オフ状態へ遷移する直前に流れる電流は７ｍＡ程度であり、１０ｍＡを下回っている。グラフから、基板の温度が１００〜１２０℃で電流値が約１０ｍＡになることがわかる。
【００４２】
基板の温度が８５、１５０℃の場合では、温度が２０℃の場合と比べて、オン状態からオフ状態へ遷移する電圧が小さくなり、同時に最大電流も小さくなっている。このように、環境温度を高くすることによって、閾値電圧の変化に比例してオフに必要な電流も小さくなることがわかる。
【００４３】
基板の温度が室温の場合では、オン状態からオフ状態に遷移する際にスイッチング素子に流れる最大電流により、イオン伝導層の絶縁破壊が観測されていた。ところが、基板の温度を高くするにしたがってその頻度が少なくなり、温度１５０℃では絶縁破壊を完全に抑制できた。これは、絶縁破壊電圧も閾値電圧と同様に温度依存性を有しているが、絶縁破壊電圧の温度依存性が閾値電圧よりも弱く、高温では絶縁破壊電圧が閾値電圧よりも十分大きくなるためである。
【００４４】
次に、図１に示したスイッチング素子について、本実施例の状態設定方法を説明する。図５は本実施例の状態設定方法の手順を示すフローチャートである。
【００４５】
図５に示すように、スイッチング素子を搭載した半導体基板３１を加熱ステージ３０で加熱して基板を一定の温度に保つ（ステップ１０１）。半導体基板３１を一定の温度に保ったまま、第１電極に相当する銅電極２５と第２電極に相当する白金電極２６との間に電圧を印加し、スイッチング素子をオン状態からオフ状態、またはオフ状態からオン状態に遷移させる（ステップ１０２）。
【００４６】
ステップ１０２で、スイッチング素子をオフ状態からオン状態に遷移させる場合には、白金電極２６を接地して銅電極２５に正電圧を印加する。スイッチング素子の環境温度が８５〜１５０℃の範囲にあれば、印加する電圧の絶対値は４〜２．５Ｖあればよい。反対に、スイッチング素子をオン状態からオフ状態に遷移させる場合には、銅電極２５を接地して白金電極２６に正電圧を印加する。スイッチング素子の環境温度が８５〜１５０℃の範囲にあれば、印加する電圧の絶対値は０．４５〜０．２Ｖあればよい。
【００４７】
スイッチング素子の状態を設定する際、半導体基板３１の温度は、上述の実験結果から、８５℃以上であるとよい。一方、本実施例の状態設定方法では、半導体集積回路全体を加熱するため、集積回路に含まれるトランジスタも高温環境下に置かれることになる。そのため、状態設定時の環境温度はトランジスタが動作保証されている温度以下にする必要がある。トランジスタは１５０℃で耐環境試験がなされ、１５０℃で動作しない場合は不良として扱われる。このことから、状態設定時の環境温度は１５０℃を越えない温度が望ましい。
【００４８】
本実施例では、スイッチング素子をオン状態からオフ状態に、またはオフ状態からオン状態に遷移する際、スイッチング素子を搭載した基板を加熱して一定の温度に保ったまま、状態を遷移させている。これにより、金属イオンのイオン伝導層中での拡散および電気化学反応が促進する。その結果、状態遷移のための閾値電圧および状態遷移に必要な電流を低減することができる。
【００４９】
スイッチング素子の状態設定時の環境温度が８５〜１５０℃の範囲であると、その効果がより向上する。環境温度を１５０℃にすると、スイッチング素子に流れる電流は、半導体集積回路に用いられる電流値の目安である１０ｍＡ以下よりも小さくなり、状態設定時におけるスイッチの破壊を防止できる。
【００５０】
本発明によれば、電気化学反応を利用したスイッチング素子の状態設定時に、スイッチング素子に印加される電圧が低減し、スイッチング素子に流れる電流が抑制され、スイッチング素子の破壊を抑制できる。
【００５１】
また、スイッチング素子に印加する電圧およびスイッチング素子に流す電流が小さくてすむため、その電圧および電流を供給する周辺回路が大きくなるのを防げる。さらに、半導体記憶装置および再構成可能な半導体集積回路に用いられるスイッチング素子に対して、本発明の状態設定方法は有用な効果を上げることができる。
【００５２】
また、半導体基板に搭載された半導体集積回路に複数のスイッチング素子が含まれていれば、本発明の状態設定方法は、複数のスイッチング素子を一括して状態設定する際に有用である。
【００５３】
なお、本実施例では、第１電極の材料を銅として、金属イオンを供給する材料で第１電極が構成されるものとしたが、第１電極は、少なくともイオン伝導層に接触する部位がイオン伝導層に金属イオンを供給する材料を含んでいればよい。また、第２電極の材料の例として白金、タングステン、タンタル、チタンを挙げ、金属イオンを供給しない材料で第２電極が構成されるものとしたが、第２電極は、少なくともイオン伝導層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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本実施例の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】本実施例のスイッチング素子の加熱方法を説明するための模式図である。
【図３】本実施例のスイッチング素子がオフ状態からオン状態へ遷移する際の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図４】本実施例のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ遷移する際の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図５】本実施例のスイッチング素子の状態設定方法の手順を示すフローチャートである。
【図６】電気化学反応を用いたスイッチング素子の基本構成の一例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１４    イオン伝導層
１５    第１電極
１６    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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