(57)【要約】      （修正有）【課題】金属粒子を使用した微小サイズの半導体スイッチ素子を提供する。【解決手段】半導体スイッチ素子は、所定の深さの孔１０５が設けられた第１絶縁膜１０１と、前記第１絶縁膜上に前記孔を挟んで互いに対向して設けられた第１配線１０３ａ及び第２配線１０３ｂと、前記孔内に前記第１配線及び前記第２配線との間に間隔を空けて配置された金属粒子１０６と、前記第１配線及び前記第２配線上に設けられた第２絶縁膜１０４と、前記金属粒子の上方に設けられた第３配線２０１と、を備える。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の深さの孔が設けられた第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に前記孔を挟んで互いに対向して設けられた第１配線及び第２配線と、
前記孔内に前記第１配線及び前記第２配線との間に間隔を空けて配置された金属粒子と、
前記第１配線及び前記第２配線上に設けられた第２絶縁膜と、
前記金属粒子の上方に設けられた第３配線と、
を備える半導体スイッチ素子。
【請求項２】
前記第１配線と前記金属粒子との間隔及び前記第２配線と前記金属粒子との間隔はそれぞれ１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチ素子。
【請求項３】
前記孔の底面から前記第３配線までの距離をＬ、前記金属粒子の直径をｄとした場合、ｄ＜Ｌ≦ｄ＋２０ｎｍを満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体スイッチ素子。
【請求項４】
前記第１配線及び前記第２配線に正電位が与えられ、前記第３配線に負電位が与えられた場合、前記金属粒子は前記孔内を上昇し、前記第３配線に接触することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体スイッチ素子。
【請求項５】
前記第３配線の幅は、前記金属粒子の直径以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体スイッチ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体スイッチ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体スイッチ素子として、トランジスタを用いるものが知られている。トランジスタは、寸法の微細化に伴い、ゲート電極の加工や拡散層深さの制御が困難になるため、微小な半導体スイッチ素子の実現は困難であった。近年、ナノスケールの微小間隙を有するナノギャップ電極に電圧を印加することによって、金属原子の物質移動を介した抵抗スイッチ効果が現れることが見出され、注目されている。現在、このナノスケールにおける抵抗スイッチ効果を利用した様々なデバイスの研究が行われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】宮戸祐治、小林圭、山田啓文、松重和美、“ナノギャップスイッチ効果発現メカニズムの解明”、[online]、京都・先端ナノテク総合支援ネットワーク  支援・成果報告、２００９年７月１０日、インターネット＜URL : http://nsn.kyoto-u.ac.jp/wp-content/uploads/2008/04/h19-019.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、金属粒子を使用した微小サイズの半導体スイッチ素子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】
【０００５】
本実施形態によれば、半導体スイッチ素子は、所定の深さの孔が設けられた第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に前記孔を挟んで互いに対向して設けられた第１配線及び第２配線と、前記孔内に前記第１配線及び前記第２配線との間に間隔を空けて配置された金属粒子と、前記第１配線及び前記第２配線上に設けられた第２絶縁膜と、前記金属粒子の上方に設けられた第３配線と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体スイッチ素子の製造方法を説明する工程図である。
【図２】図１に続く工程図である。
【図３】図２に続く工程図である。
【図４】図３に続く工程図である。
【図５】図４に続く工程図である。
【図６】図５に続く工程図である。
【図７】図６に続く工程図である。
【図８】同実施形態に係る半導体スイッチ素子の概略構成図である。
【図９】同実施形態に係る半導体スイッチ素子の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１乃至図７は本発明の実施形態に係る半導体スイッチ素子の製造方法を説明する工程図である。図１乃至図５において、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図２（ｂ）乃至図５（ｂ）においてＡ−Ａ線の図示は省略する。また、図６、図７は断面図である。
【０００８】
図１に示すように、シリコン酸化膜１０１の表面に形成された凹部に犠牲層１０２を埋め込む。例えば、シリコン酸化膜１０１の所望の領域に周知であるリソグラフィ法及びＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を用いて凹部を形成し、犠牲層１０２を埋め込んだ後、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法を用いて表面を平坦化することで、図１に示すような構成を実現することができる。犠牲層１０２には、シリコン酸化膜１０１とはエッチングレートの異なる材料、例えばシリコン窒化膜やカーボン系膜を用いることができる。なお、シリコン酸化膜１０１は、図示しない基板（例えばシリコン基板）上に形成されている。また、このシリコン酸化膜１０１は犠牲層の材料に対し選択比が得られる絶縁材料であればよい。
【０００９】
図２に示すように、シリコン酸化膜１０１及び犠牲層１０２上に金属膜１０３を形成し、所望の配線パターンとなるようにパターニングする。金属膜１０３は、半導体スイッチ素子の配線（図８の配線１０３ａ、１０３ｂ）となるものであり、この配線のパターンに基づいてパターニングされる。金属膜１０３の材料は、特に限定されず、例えば銅を用いることができる。
【００１０】
図３に示すように、金属膜１０３及び金属膜１０３のパターニングにより表面が露出したシリコン酸化膜１０１及び犠牲層１０２上にシリコン酸化膜１０４を形成する。シリコン酸化膜１０４は、ＣＭＰ法を用いて表面が平坦化される。
【００１１】
図４に示すように、例えばＲＩＥ法を用いて、犠牲層１０２の中央部の領域において、シリコン酸化膜１０４、金属膜１０３、及び犠牲層１０２を順に除去して孔１０５を形成する。なお、この孔１０５の幅Ｗ１は、図５に示す工程で孔１０５内に配置される金属超微粒子１０６の直径ｄより僅かに大きく、具体的には０＜Ｗ１−ｄ≦２０ｎｍを満たすように孔１０５を形成する。この数値範囲の意味については後述する。
【００１２】
また、犠牲層１０２の厚さをｔ１、金属膜１０３の膜厚をｔ２、シリコン酸化膜１０４の膜厚をｔ３とした場合、０＜ｔ１＋ｔ２＋ｔ３−ｄ≦２０ｎｍとなるように、図１乃至図３に示す工程において、犠牲層１０２、金属膜１０３、シリコン酸化膜１０４を形成する。上述の数値範囲の意味については後述する。
【００１３】
孔１０５を形成したことにより、金属膜１０３は、金属膜（配線）１０３ａと金属膜（配線）１０３ｂとに分離される。
【００１４】
ここでは、矩形の孔１０５を形成したが、形状は特に限定されず、円形等の他の形状でもよい。
【００１５】
図５に示すように、孔１０５内に金属超微粒子１０６を配置する。金属超微粒子１０６は孔１０５の中央部に配置され、配線１０３ａ、配線１０３ｂとの間には微小間隔が空いている。
【００１６】
金属超微粒子の配置には、例えば高精度マニピュレータを用いる。金属超微粒子１０６の配置方法は限定されず、例えば、金属超微粒子１０６を混ぜ込んだ溶媒を塗布し、毛細管現象で金属超微粒子１０６を孔１０５内に配置し、その後、溶媒を乾燥させるという方法を用いることもできる。
【００１７】
金属超微粒子１０６の直径ｄは、１ｎｍ≦ｄ≦５０ｎｍの範囲にある。金属超微粒子は、直径が１ｎｍ程度まで微細化が可能であり、既製品（市販品）の最大径が５０ｎｍ程度である。金属超微粒子１０６には、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｓｎ等を用いることができ、特に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕが好適である。金属は、単体、混合物、合金等であってもよい。また、後述するように、金属超微粒子１０６は上下動するため、質量が軽く、低抵抗であることが好ましい。
【００１８】
金属超微粒子１０６は、有機酸金属塩を不活性ガス雰囲気で熱処理することにより生成することができる。有機酸としては、ミリスチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、パルミチン酸、ｎ−デカン酸、パラトイル酸、コハク酸、マロン酸、酒石酸、リンゴ酸、グルタン酸、アジピン酸、酢酸等の脂肪族カルボン酸、フタル酸、マレイン酸、イソフタル酸、安息香酸、ナフテン酸等の芳香族カルボン酸、シクロヘキサンジカルボン酸等の脂環式カルボン酸等を用いることができ、ミリスチン酸、ステアリン酸、パルミチン酸等の高級脂肪酸を用いることが好ましく、炭素数の多いことが特に好ましい。金属超微粒子１０６の出発物質である有機酸金属塩としては、特に、ミリスチン酸銀、ステアリン酸銀等を用いることができる。不活性ガスは例えばアルゴンである。
【００１９】
なお、このように形成された金属超微粒子１０６の表面には、金属成分の酸化を防止するための薄い有機膜１０７が形成されるため、有機膜１０７を含めた金属超微粒子１０６の直径はｄ＋α（ここで、αは有機膜１０７の膜厚の２倍）となる。そのため、詳細に説明するならば、表面に有機膜１０７が形成された金属超微粒子１０６が孔１０５に配置されるように、図４に示す工程では、０＜Ｗ１−（ｄ＋α）という条件をさらに満たすように孔１０５を形成する必要がある。
【００２０】
図６に示すように、例えば灰化処理により、金属超微粒子１０６の表面の有機膜１０７を除去する。なお、犠牲層１０２にカーボン系膜を使用していた場合は、この工程で犠牲層１０２も除去され得る。
【００２１】
図７に示すように、表面部分に配線（又は電極）２０１を形成した基板２０２を準備する。配線２０１は金属材料で形成され、例えば、幅Ｗ２が金属超微粒子１０６の直径ｄ以上のラインパターン形状である。基板２０２は、例えばシリコン基板又はシリコン基板と絶縁膜の積層体である。そして、基板２０２の配線２０１が形成された側の面と、シリコン酸化膜１０４の表面とを接着剤を用いて貼り合わせる。例えば、ラインパターン形状の配線２０１と配線１０３ａ、１０３ｂとが直交するような向きに貼り合わせられる。
【００２２】
基板２０２の表面に接着剤を塗布し、脱ガスを行った雰囲気中でシリコン酸化膜１０４の表面に接触させ、圧力を加えながら加熱することで、基板２０２とシリコン酸化膜１０４とを貼り合わせることができる。接着剤には、例えば、３５０℃以上の高温でも安定な耐熱性の熱硬化性樹脂であり、かつ誘電率が低いベンゾシクロブテンを用いることができる。
【００２３】
このようにして、図８に示すような、孔１０５が設けられたシリコン酸化膜１０１（第１絶縁膜）と、シリコン酸化膜１０１上に孔１０５を挟んで互いに基板に対して水平方向に対向して設けられた配線１０３ａ（第１配線）及び１０３ｂ（第２配線）と、孔１０５内に配線１０３ａ及び１０３ｂとの間に間隔を空けて配置された金属超微粒子１０６（金属粒子）と、配線１０３ａ及び１０３ｂ上に設けられたシリコン酸化膜１０４（第２絶縁膜）と、金属超微粒子１０６の上方に設けられた配線２０１（第３配線）と、を備える半導体スイッチ素子を製造することができる。また、配線１０３ａ、１０３ｂ、２０１には、電圧を印加する印加部（図示せず）が接続される。
【００２４】
金属超微粒子１０６は孔１０５のほぼ中央に配置されているため、配線１０３ａと金属超微粒子１０６との間隔Ｌ１、配線１０３ｂと金属超微粒子１０６との間隔Ｌ２はほぼ等しい。０＜Ｗ１−ｄ≦２０ｎｍであるため、間隔Ｌ１、Ｌ２は、０＜Ｌ１≒Ｌ２≦１０ｎｍを満たす。また、０＜ｔ１＋ｔ２＋ｔ３−ｄ≦２０ｎｍであるため、金属超微粒子１０６と配線２０１との間隔Ｌ３（＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３−ｄ）は、０＜Ｌ３≦２０ｎｍを満たす。言い換えれば、孔１０５の底面から配線２０１までの距離Ｌ（＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）は、ｄ＜Ｌ≦ｄ＋２０ｎｍを満たす。
【００２５】
次に、このような半導体スイッチ素子のスイッチング動作について説明する。
【００２６】
配線１０３ａ、配線１０３ｂに同電位の正電位を与え、配線２０１に負電位を与える。電位差は１Ｖ〜１０Ｖ程度である。金属超微粒子１０６と、配線１０３ａ、１０３ｂとの間には間隔Ｌ１、Ｌ２が空いているが、１０ｎｍ以下の微小間隙であるため、量子力学的に見るとトンネル電流が発生する。その結果、金属超微粒子１０６は正電位を持つ。
【００２７】
一方、配線２０１には負電位が与えられているため、２０ｎｍ以下の微小な間隔Ｌ３が空いている金属超微粒子１０６と配線２０１との間には、図９に示すように上向きの静電力Ｆが発生する。この静電力Ｆにより、金属超微粒子１０６が押し上げられて上昇し、金属超微粒子１０６と配線２０１とが接触し、金属超微粒子１０６は正電位から負電位に変化する。この結果、配線１０３ａ、１０３ｂと配線２０１とが電気的に接続され、オン状態となる。
【００２８】
配線１０３ａ、１０３ｂ、２０１への電位の印加を停止すると、金属超微粒子１０６は下降し（図８）、配線１０３ａ、１０３ｂと配線２０１とは電気的に接続されず、オフ状態となる。
【００２９】
このように、本実施形態に係る半導体スイッチ素子は、ナノスケールの微小間隔の空いた金属間に電流が流れるという現象を利用して、金属超微粒子１０６の上下動により、オンオフを切り換えるスイッチである。この半導体スイッチ素子は、トランジスタのようなゲートや拡散層の形成が不要であるため、トランジスタと比較して微細化が容易である。
【００３０】
なお、図４に示す工程で、０＜Ｗ１−ｄ≦２０ｎｍを満たすように孔１０５を形成したのは、金属超微粒子１０６と、配線１０３ａ、１０３ｂとの間隔Ｌ１、Ｌ２を１０ｎｍ以下として、金属超微粒子１０６と、配線１０３ａ、１０３ｂとの間にトンネル電流を発生可能にするためである。また、図１乃至図３に示す工程で形成した犠牲層１０２の厚さｔ１、金属膜１０３の膜厚ｔ２、シリコン酸化膜１０４の膜厚ｔ３が、０＜ｔ１＋ｔ２＋ｔ３−ｄ≦２０ｎｍを満たすようにし、配線２０１の幅Ｗ２を金属超微粒子１０６の直径ｄ以上としたのは、図９に示すように、金属超微粒子１０６を押し上げる静電力Ｆを発生可能にするためである。
【００３１】
上記実施形態では半導体スイッチ素子を１つだけ示したが、この半導体スイッチ素子を配線１０３ａ、１０３ｂ方向に複数並べ、互いに隣接する半導体スイッチ素子の一方の配線１０３ａと他方の配線１０３ｂとを接続するようにしてもよい。また、この半導体スイッチ素子を配線２０１方向に複数並べ、配線２０１を共有するようにしてもよい。また、これらを組み合わせて、半導体スイッチ素子を格子状に配置することもできる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０１  シリコン酸化膜
１０２  犠牲層
１０３  金属膜
１０３ａ、１０３ｂ  配線
１０４  シリコン酸化膜
１０５  孔
１０６  金属超微粒子
２０１  配線
２０２  基板
【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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