(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオンが伝導可能なイオン伝導体と、第１の電極、第２の電極および第３の電極と、を備え、
前記第１の電極は前記金属イオンを前記イオン伝導体中に供給しない材料からなる領域を含む構成であり、
前記第２の電極、前記第３の電極の少なくとも一つは該イオン伝導体に接し、かつ前記イオン伝導体に接する電極のうち少なくとも一つは前記金属イオンを該イオン伝導体中に供給可能な材料を含む構成であり、
前記イオン伝導体は、酸化タンタル、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化チタン、酸化アルミニウム、および酸化シリコンのうちいずれか１つを含み、
前記第３の電極に電圧を印加することによって前記第１の電極および第２の電極間の導通状態を制御することを特徴とするスイッチング素子。
【請求項２】
金属イオンが伝導可能なイオン伝導体と、第１の電極、第２の電極および第３の電極と、を備え、
前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極は前記イオン伝導体に接して設けられ、
前記第１の電極は前記金属イオンを前記イオン伝導体中に供給しない材料からなる領域を含む構成であり、
前記第２の電極、前記第３の電極の少なくとも一つは前記金属イオンを前記イオン伝導体中に供給可能な材料を含む構成であり、
前記イオン伝導体は、酸化タンタル、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化チタン、酸化アルミニウム、および酸化シリコンのうちいずれか１つを含み、
前記第３の電極に電圧を印加することによって前記第１の電極および第２の電極間の導通状態を制御することを特徴とするスイッチング素子。
【請求項３】
前記第２の電極、前記第３の電極の少なくとも一つは、少なくとも前記イオン伝導体に接する部分が前記金属イオンを前記イオン伝導体中に供給可能な組成によってなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極のうち１つもしくは２つの電極が基体上に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスイッチング素子。
【請求項５】
基体上に設けられた電極の上方に、前記イオン伝導体もしくは絶縁層の少なくともいずれかを介して他の電極が設けられていることを特徴とする請求項４記載のスイッチング素子。
【請求項６】
前記第１の電極は、少なくとも前記イオン伝導体に接する部分が前記金属イオンを前記イオン伝導体中に供給しない組成によってなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のスイッチング素子。
【請求項７】
前記イオン伝導体が、金属イオンのイオン移動度が異なるイオン伝導層を複数積層した積層イオン伝導層よりなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のスイッチング素子。
【請求項８】
前記積層イオン伝導層に含まれるイオン伝導層が２層であり、
前記２層のイオン伝導層の膜厚の比率が、印加されるスイッチング電圧に対応していることを特徴とする請求項７記載のスイッチング素子。
【請求項９】
請求項１または２のいずれかに記載のスイッチング素子の駆動方法であって、第３の電極に電圧を印加することで金属を析出させることによって前記第１の電極および前記第２の電極が接続され、又は析出した前記金属の溶解によって前記第１の電極および前記第２の電極との接続を切り離すことを特徴とするスイッチング素子の駆動方法。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか１項に記載のスイッチング素子をスイッチに用いたことを特徴とする論理集積回路。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか１項に記載のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子がオン状態およびオフ状態のいずれの状態であるかを読み出すためのトランジスタ素子と、
を有するメモリ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応を利用したスイッチング素子、書き換え可能な論理集積回路、およびメモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特殊用途向けＬＳＩ（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）は、基本的な論理回路となるロジックセルが複数設けられ、ユーザの仕様に合わせて動作させるロジックセルが選択される。製造過程の配線パターニング段階でロジックセルが決定される従来型ＡＳＩＣと、製品出荷後にユーザ側でロジックセルが決定されるプログラマブルロジック（書き換え可能な論理集積回路）とがある。従来型ＡＳＩＣでは、量産化により製品単価が安くなるというメリットがある反面、開発コストが高くなり、開発期間が長くなるというデメリットがある。一方、プログラマブルロジックの場合には、従来型ＡＳＩＣに比べて製品単価が高く、動作速度が遅く、消費電力が増えるものの、開発コストが安く、開発期間が短いというメリットがある。そして、プログラマブルロジックの製品単価をより安くし、高速動作化、低消費電力化するためには、プログラム用スイッチング素子をより小さくするとともに、動作性能を向上させるための開発が行われている。【０００３】
プログラマブルロジックのスイッチング素子に、特表２００２−５３６８４０号公報（以下、特許文献１と称する）に開示されたプログラマブルデバイスを適用することが考えられる。以下に、このプログラマブルデバイスの２端子スイッチをスイッチング素子に適用した場合の構成について簡単に説明する。【０００４】
特許文献１に開示されたプログラマブルデバイスは、２次元配列状に配置された多数のロジックセルと、ロジックセル間を接続するための配線、配線間の接続・非接続を切り替えるための多数の２端子スイッチから構成される。２端子スイッチの接続状態（接続・非接続）を変えることにより、ロジックセル間の配線の構成、ロジックセルの機能等を設定し、仕様に合わせた論理集積回路を得ることが可能となる。
【発明の開示】
【０００５】
上述の２端子スイッチでは、「電極材料／固定電解質（イオン伝導）材料」がＣｕ／Ｃｕ２Ｓ、Ａｇ／Ａｇ２Ｓ、およびＡｇ／ＡｇＧｅＳｅ等の組み合わせを用いたものである。いずれの材料の組み合わせにおいても、２端子スイッチ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するためのスイッチング電圧は０．０５Ｖから０．３Ｖ程度である。一方、２端子スイッチに入力されるロジック信号は、通常、２種類の情報のうち一方の情報を示す電圧はロジック回路の動作電圧となるＶｄｄであり、他方の情報を示す電圧は０Ｖである。シリコン集積回路で今日用いられているＶｄｄは１から２Ｖ程度である。
【０００６】
スイッチング電圧は、上述したように高くて０．３Ｖであり、ロジック信号のＶｄｄが１．０Ｖであれば、Ｖｄｄよりも小さい。そのため、２端子スイッチに電圧Ｖｄｄのロジック信号が入力される度に電極に１．０Ｖの電圧がかかり、ロジック信号自体によって２端子スイッチの状態が変化してしまうおそれがある。この場合には、２端子スイッチがスイッチとして機能しないという問題が発生する。スイッチング電圧をより高くしてスイッチング素子をより安定化する必要がある。
【０００７】
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。絶対温度３００Ｋの場合、熱エネルギーは約２６ｍｅＶであるから、スイッチング電圧が２６ｍＶに近づくと、熱雑音（熱ノイズ）によって自発的に状態間を遷移する確率が増える。保持時間を長くするためには、スイッチング電圧を高める必要がある。
【０００８】
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、スイッチング電圧を従来よりも高く設定した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およびメモリ素子を提供することを目的とする。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明のスイッチング素子は、酸化物を含むイオン伝導層と、イオン伝導層に接して設けられ、外部から供給される金属の析出により接続され、または、析出した金属の溶解により電気特性が変化する第１電極および第２電極と、イオン伝導層に接して設けられ、金属のイオンを供給可能な第３電極とを有する構成である。
【００１０】
本発明では、イオン伝導層としてカルコゲン元素の化合物についての複数の種類から選択することで、任意のスイッチング電圧を設定することが可能となり、酸化物のように金属イオン移動度の低い材料を含むイオン伝導層を用いれば、スイッチング電圧がより高くなる。スイッチング素子の電極に入力されるノイズレベルの電圧よりもスイッチング電圧を高い値に設定することで、スイッチング素子が設定状態から他の状態に遷移することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は基本的な３端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。
【図２】図２は実験に用いた２端子スイッチの構成を示す断面模式図である。
【図３】図３はスイッチング電圧の温度依存性を示すグラフである。
【図４Ａ】図４Ａはスイッチング特性を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂはスイッチング特性を示すグラフである。
【図５】図５は実施例１の３端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。
【図６】図６は実施例２の３端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。
【図７】図７は実施例３の３端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。
【図８Ａ】図８Ａは実施例３の３端子スイッチの別の構成例を示す断面模式図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは実施例３の３端子スイッチの別の構成例を示す断面模式図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは実施例３の３端子スイッチの別の構成例を示す断面模式図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは実施例３の３端子スイッチの別の構成例を示す断面模式図である。
【図９】図９は本発明の３端子スイッチをプログラマブルロジックに適用した一構成例を示す模式図である。
【図１０】図１０は本発明の３端子スイッチをメモリ素子に適用した一構成例を示す回路模式図である。
【符号の説明】
【００１２】
１２、２１、２３、２６    第１電極
１４、３１、３２、３３    第２電極
３４、３５、３７    第３電極
４０、４４、４５    イオン伝導層
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
はじめに、本発明に関連する３端子スイッチの基本的な構成について説明する。図１は３端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。【００１４】
図１に示すように、３端子スイッチは、第１電極２１と、第１電極２１とイオン伝導層４０を介して設けられた第２電極３１および第３電極３５とを有する構成である。第１電極２１および第２電極３１は白金で形成され、第３電極３５は銅で形成されている。イオン伝導層４０は金属イオンが伝導するための媒体となる。ここでは、イオン伝導層４０は硫化銅で形成されている。第２電極３１と第３電極３５間の距離は０．２μｍであり、第２電極３１と第３電極３５はその距離だけ離れて配置されている。【００１５】
図１に示した３端子スイッチの動作について説明する。【００１６】
第２電極３１および第３電極３５を接地して、第１電極２１に負電圧を印加すると第３電極３５の銅が銅イオンになってイオン伝導層４０に溶解する。そして、イオン伝導層４０中の銅イオンが第１電極２１および第２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２１と第２電極３１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４０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３１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。【００１７】
一方、上記オン状態で第２電極３１を接地して、第３電極３５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４０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３１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３１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。【００１８】
また、上記オフ状態からオン状態にするには、第３電極３５に正の電圧を印加すればよい。これにより、第３電極３５の銅が銅イオンになってイオン伝導層４０に溶解する。そして、イオン伝導層４０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３１を電気的に接続する。【００１９】
上述のオフ状態からオン状態へ遷移する際、３つの反応が同時に行われている。３つの反応とは、（１）イオン伝導層４０内での金属イオンの移動、（２）第１電極２１においての金属イオンの析出反応、（３）第３電極３５においての金属の溶解反応、である。発明者らは、金属イオンの移動速度、金属の析出速度、および金属の溶解速度をそれぞれ制御することによって、オフ状態からオン状態へ変化するために必要な印加電圧を任意の値に設定することを考えた。金属イオンの移動速度については、イオン伝導層の材料、金属イオンの種類、および環境温度等によって制御することが可能である。【００２０】
本発明のスイッチング素子は、図１に示した３端子スイッチにおいて、イオン伝導層の材料および金属イオンの種類などを適宜選択することで、オフ状態からオン状態に遷移するために印加する電圧であるスイッチング電圧を任意の値に設定するものである。【００２１】
イオン伝導層に含む材料として、カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドやハロゲン元素を含む化合物であるハロゲン化物を適用可能である。カルコゲン元素とは、酸素、硫黄、セレン、テルル、およびポロニウムである。ハロゲン元素とは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、およびアスタチンである。そして、カルコゲナイドおよびハロゲン化物には、金属イオンのイオン伝導度の高い材料（硫化銅、硫化銀、テルル化銀、塩化ルビジウム銅、よう化銀、よう化銅など）やイオン伝導度の低い材料（酸化タンタル、酸化シリコン、酸化タングステン、アルミナなど）がある。【００２２】
また、金属イオンの移動速度を変えるのに環境温度による場合について、例えば、文献（ジャーナル・オブ・アプライドフィジックス誌、第５６巻、Ｎｏ．２、３２７頁から３３５頁）の図１４には、イオン伝導層中の銅イオンの移動度は、温度が低くなるにつれ指数関数的に小さくなることが記載されている。以下に、温度変化により金属イオンの移動速度が変化することを調べた実験について説明する。はじめに、実験に用いた２端子スイッチの構成と動作について簡単に説明する。【００２３】
図２は実験に用いた２端子スイッチの構成を示す断面模式図である。図２に示すように、２端子スイッチは、シリコン基板表面に形成されたシリコン酸化膜１００上に設けられた銅からなる第２電極１４と、第２電極１４上に設けられた硫化銅からなるイオン伝導層４４と、イオン伝導層４４上に設けられたカリックスアレーンからなる絶縁層５４と、絶縁層５４上に設けられた白金からなる第１電極１２とを有する。絶縁層５４には直径０．２μｍの開口が形成され、第１電極１２がこの開口を介してイオン伝導層４４と接触している。また、図２に示すように、絶縁層５４の開口部位の第１電極１２からイオン伝導層４４中に金属デンドライト８０が形成されている。【００２４】
金属デンドライト８０が第１電極１２と第２電極１４を電気的に接続していれば２端子スイッチはオン状態となり、反対に金属デンドライト８０の一部が切断されていれば２端子スイッチはオフ状態となる。このオフ状態から負の電圧を第１電極１２に印加すると、第２電極１４は銅イオンをイオン伝導層４４に供給する。また、金属デンドライト８０の電気的に切断された部分にイオン伝導層４４からの銅イオンが銅になって析出する。そして、金属デンドライト８０が第１電極１２と第２電極１４を電気的に接続し、２端子スイッチはオフ状態からオン状態へ遷移する。【００２５】
次に、図２に示した２端子スイッチの温度特性測定結果について説明する。【００２６】
図３はスイッチング電圧の温度依存性を示すグラフである。ここでは、２端子スイッチをオフ状態からオン状態に遷移するために第１電極１２に印加する電圧をスイッチング電圧とした。縦軸にスイッチング電圧を示し、横軸に絶対温度を示す。【００２７】
図３に示すように、スイッチング電圧は、室温（３００Ｋ）で０．２Ｖ以下であるが、絶対温度１００Ｋにおいて０．６Ｖまで高くなっている。また、図３のグラフに示していないが、絶対温度５Ｋにおいては１Ｖまで高くなった。図３に示す結果から、温度が低くなるにしたがって、スイッチング電圧が高くなることがわかる。そして、この実験事実は、金属イオンの移動速度を変えることによって、スイッチング電圧を制御できることを示している。【００２８】
次に、この２端子スイッチについてイオン伝導層の材料を変えた場合のスイッチング特性について説明する。ここでは、イオン伝導層４４が硫化銅の場合と、硫化銅よりも銅の金属イオン移動度の小さい酸化タンタルの場合とでスイッチング特性を比較する。【００２９】
図４Ａはイオン伝導層が硫化銅の場合のスイッチング特性を示すグラフであり、図４Ｂはイオン伝導層が酸化タンタルの場合のスイッチング特性を示すグラフである。縦軸は第２電極１４から第１電極１２に流れる電流を示し、横軸は第１電極１２に印加する電圧を示す。【００３０】
図４Ａに示すように、イオン伝導層４４が硫化銅の場合ではスイッチング電圧が−０．２８Ｖである。これに対して、図４Ｂに示すように、イオン伝導層４４が酸化タンタルの場合、スイッチング電圧は−０．５Ｖである。このようにスイッチング電圧が大きくなるのは、硫化銅中に比べて酸化タンタル中での銅イオンの移動速度が小さいからである。イオン伝導層を硫化銅から酸化タンタルに替えることで、スイッチング電圧が２倍程度大きくなることがわかる。そして、図４Ａおよび図４Ｂに示したグラフのように各種イオン伝導層のスイッチング特性を調べることで、所望のスイッチング電圧を得るためにイオン伝導層の材料を決定することが可能となる。
【実施例１】
【００３１】
本実施例の構成について説明する。図５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。【００３２】
図５に示すように、３端子スイッチは、電気的に接続したり、切り離されたりする第１電極２３および第２電極３３と、これら２つの電極とイオン伝導層４５を介して設けられた第３電極３７とを有する。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３電極３７が設けられている。第３電極３７は銅で形成されている。イオン伝導層４５は、第３電極３７上に設けられ、酸化タンタルで形成されている。第１電極２３および第２電極３３はイオン伝導層４５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。第１電極２３および第２電極３３は白金で形成されている。【００３３】
次に、図５に示した３端子スイッチの動作について説明する。【００３４】
第１電極２３および第２電極３３を接地して、第３電極３７に正電圧を印加すると第３電極３７の銅が銅イオンになってイオン伝導層４５に溶解する。そして、イオン伝導層４５に溶解した銅イオンが第１電極２３および第２電極３３の表面に銅になって析出し、析出した銅により第１電極２３と第２電極３３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２３と第２電極３３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。【００３５】
一方、上記オン状態で、第３電極３７に−０．５Ｖ程度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４５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２３と第２電極３３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。【００３６】
また、上記オフ状態からオン状態にするには、第３電極３７に正の電圧を０．５Ｖ程度印加する。これにより、第３電極３７の銅が銅イオンになってイオン伝導層４５に溶解する。そして、イオン伝導層４５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２３と第２電極３３を電気的に接続する。【００３７】
次に、図５に示した３端子スイッチの製造方法について説明する。【００３８】
シリコン基板の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１００を形成する。従来技術のリソグラフィー技術で、第３電極３７を形成しない部位にレジストパターンを形成する。続いて、その上から真空蒸着法で膜厚１００ｎｍの銅を形成した後、リフトオフ技術によりレジストパターンをリフトオフして銅の残った部分を第３電極３７として形成する。【００３９】
続いて、第３電極３７の上面および側面を覆うようにしてイオン伝導層４５となる酸化タンタルをレーザーアブレーション法またはスパッタ法で膜厚１０ｎｍ形成する。その後、レジストパターンの形成、真空蒸着、リフトオフと順に行い、膜厚４０ｎｍの白金をイオン伝導層４５上に形成し第１電極２３および第２電極３３とする。このとき、第１電極２３と第２電極３３との間の距離はリソグラフィー技術のレジストパターンの寸法で設定され、上述したように１０ｎｍから１００ｎｍ程度である。【００４０】
次に、金属デンドライトの形成方法について説明する。第１電極２３および第２電極３３を接地して第３電極３７に−０．５Ｖの電圧を印加することで、第１電極２３と第２電極３３の間に金属デンドライトを成長させ、金属デンドライトが第１電極２３と第２電極３３を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。その後、上述したように第３電極３７に所定の電圧を印加することで、３端子スイッチをオフ状態とオン状態のいずれの状態にも遷移することが可能となる。【００４１】
本実施例の３端子スイッチでは、オン状態およびオフ状態間の遷移に必要なスイッチング電圧の大きさが０．５Ｖ程度となり、イオン伝導層に硫化銅を用いる場合に比べて酸化物の酸化タンタルを用いることでスイッチング電圧が高くなる。このようにして、スイッチング素子の電極に入力されるノイズレベルの電圧よりもスイッチング電圧を高い値に設定すれば、スイッチング素子が設定状態から他の状態に遷移することを防ぐことができる。【００４２】
なお、イオン伝導層に用いた酸化物は、酸化タンタルに限らず、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化チタン、酸化アルミニウム、および酸化シリコンのいずれであっても同様な効果が得られる。
【実施例２】
【００４３】
本実施例は、図５で示した３端子素子において、第２電極に第３電極と同じ材料を用いた構成である。【００４４】
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。【００４５】
図６に示すように、３端子スイッチは、シリコン基板表面に形成されたシリコン酸化膜１００上に銅からなる第２電極３２と第３電極３４が設けられている。第２電極３２と第３電極３４の間は５０ｎｍから１μｍ程度離れている。第２電極３２および第３電極３４の上面および側面を覆うようにして酸化タンタルからなるイオン伝導層４４が設けられている。イオン伝導層４４の上には直径０．２μｍの開口を有する絶縁層５６が形成されている。絶縁層５６はカリックスアレーンで形成されている。この開口はイオン伝導層４４を挟んで第２電極３２と対向する位置に設けられている。絶縁層５６の上に白金からなる第１電極２６が形成されている。第１電極２６は絶縁層５６の開口を介してイオン伝導層４４と接触している。また、図６に示すように、本実施例では、絶縁層４４の開口部位の第１電極２６からイオン伝導層４４中に金属デンドライト８２が形成されている。【００４６】
次に、図６に示した３端子スイッチの動作について説明する。【００４７】
電圧を印加する前の状態において、第１電極２６と第２電極３２は銅の金属デンドライトを介して電気的に接続されている。３端子スイッチの初期状態がオン状態にある。３端子スイッチをオフさせるには、電位を等しくした第１電極２６および第２電極３２に対して第３電極３４に−０．５Ｖ程度の電圧を印加する。第３電極３４の負電圧によって金属デンドライトの銅は銅イオンとなってイオン伝導層４４に溶解し、溶解した銅イオンは第３電極表面に銅となって析出する。その結果、金属デンドライトの一部が電気的に切断され、３端子スイッチはオフ状態へ遷移する。【００４８】
一方、３端子スイッチがオフ状態にあるとき、０．５Ｖ程度の電圧を第３電極３４に印加すると、第３電極３４は銅イオンをイオン伝導層４４に供給する。また、金属デンドライト８２の電気的に切断された部分にイオン伝導層４４に溶解した銅イオンが銅になって析出する。そして、金属デンドライト８２が第１電極２６と第２電極３２を接続し、３端子スイッチはオン状態へ遷移する。【００４９】
次に、図６に示した３端子スイッチの製造方法について説明する。【００５０】
シリコン基板の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１００を形成する。従来技術のリソグラフィー技術でシリコン酸化膜１００上の第２電極３２および第３電極３４を形成しない部位にレジストパターンを形成する。続いて、その上から真空蒸着法で膜厚１００ｎｍの銅を形成した後、リフトオフ技術によりレジストパターンをリフトオフして銅の残った部分を第２電極３２と第３電極３４として形成する。このとき、第２電極３２と第３電極３４との間の距離はリソグラフィー技術のレジストパターンの寸法で上述の５０ｎｍから１μｍの間の値に設定される。【００５１】
続いて、第２電極３２および第３電極３４の上面および側面を覆うようにしてイオン伝導層４４となる酸化タンタルをレーザーアブレーション法またはスパッタ法で膜厚１０ｎｍ形成する。その後、イオン伝導層４４上にスピンコートにより絶縁層５６となるカリックスアレーンを膜厚１２０ｎｍ塗布し、リソグラフィー技術により絶縁層５６に直径０．２μｍの開口を有するパターンを形成する。その際、開口を絶縁層５６の第２電極３２上に位置する部位に形成する。その後、レジストパターンの形成、白金の真空蒸着、およびリフトオフを順次行い、平面パターンが絶縁層５６のパターンよりも小さい第１電極２６を白金で形成する。【００５２】
次に、金属デンドライトの形成方法について説明する。第２電極３２および第３電極３４を接地して第１電極２６に−０．５Ｖ程度の電圧を印加する。第１電極２６に０．５Ｖの負電圧を印加することによって、絶縁層５６の開口部位の第１電極２６表面から第２電極３２にかけて銅の金属デンドライト８２が成長し、両電極間が電気的に接続される。その後、上述したように第３電極３４に所定の電圧を印加することで、３端子スイッチをオフ状態とオン状態のいずれの状態にも遷移することが可能となる。【００５３】
本実施例の３端子スイッチは、実施例１と同様の効果を得るだけでなく、第３電極への電圧印加による金属デンドライトの切断・接続を行う前に、金属デンドライトを形成しておくことが特徴である。予め金属デンドライトを形成せず、第３電極に電圧を印加して第１電極と第２電極間に金属デンドライトを形成しようとすると、第３電極と第１電極間、第３電極と第２電極間が接続される不具合が起こる場合がある。本実施例の構成により、このような不具合を回避できる。また、絶縁層５６を設けることで第１電極２６がイオン伝導層４４に接触する面積を最小限にし、３端子スイッチのオフ状態において第１電極２６および第２電極３２間のリーク電流を低減できる。そのため、３端子スイッチの消費電流がより小さくなる。本絶縁層は実施例１においても適応可能である。
【実施例３】
【００５４】
本実施例は、イオン伝導度の異なるイオン伝導層を複数積層した積層イオン伝導層を用いるものである。実施例１および実施例２のいずれにも積層イオン伝導層を適用することが可能であるが、ここでは、実施例１に適用した場合で説明する。なお、実施例１と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。【００５５】
本実施例の３端子スイッチについて説明する。図７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。【００５６】
図７に示すように、３端子スイッチは、実施例１で説明した３端子スイッチのイオン伝導層に積層イオン伝導層４８を用いている。本実施例の積層イオン伝導層４８は、第１イオン伝導層４６と第２イオン伝導層４７の２層を積層した構成である。下層となる第１イオン伝導層４６は膜厚４０ｎｍの硫化銅で形成されている。上層となる第２イオン伝導層４７は膜厚５ｎｍの酸化タンタルで形成されている。積層イオン伝導層４８の形成方法については、実施例１で説明したイオン伝導層の形成の際、第３電極３７上にレーザーアブレーション法で第１イオン伝導層４６となる硫化銅と第２イオン伝導層４７となる酸化タンタルを順に形成すればよい。【００５７】
本実施例の３端子スイッチでは、膜厚が４０ｎｍの硫化銅と膜厚５ｎｍの酸化タンタルの２層を積層した積層イオン伝導層４８を用いることによって、スイッチング電圧は−０．２８Ｖと−０．５Ｖ間の値を得ることが可能となる。また、第１イオン伝導層４６と第２イオン伝導層４７の膜厚比率を変えることで、スイッチング電圧として−０．２８Ｖと−０．５Ｖ間の任意の値を得ることが可能となる。本実施例では、第１イオン伝導層４６の方が第２イオン伝導層４７よりも膜厚比率が大きいので、積層イオン伝導層４８によるスイッチング電圧は２つのスイッチング電圧の平均値（（−０．２８Ｖ−０．５Ｖ）×１／２）よりも第１イオン伝導層４６のスイッチング電圧（−０．２８Ｖ）に近い方の値になる。なお、積層するイオン伝導層は２層に限らず、３層以上であってもよい。【００５８】
続いて、本実施例の３端子スイッチの別の構成例について説明する。図８Ａから図８Ｄは本実施例の３端子スイッチの別の構成例を示す断面模式図である。【００５９】
図８Ａに示す３端子スイッチは、第１イオン伝導層４６および第２イオン伝導層４７が順に積層された積層イオン伝導層の上に第１電極２３と第３電極３７が設けられ、第１イオン伝導層４６の下に第２電極３３が設けられている。第１電極２３および第２電極３３は積層イオン伝導層を介して対向して配置されている。図８Ａに示す構造では、第３電極３７から金属イオンが第１イオン伝導層４６を介して第１電極２３と第２電極３３間へ効率的に供給されるため、遷移に要する電圧は、第１電極２３と第３電極３７の距離ではなく、後述の理由により低移動度のイオン伝導体である第２イオン伝導層４７の膜厚で主に決まる。そのため、第１イオン伝導層４６の膜厚や第１イオン伝導層４６上の第３電極３７の位置に対する設計の自由度が増す。【００６０】
図８Ｂに示す３端子スイッチは、図８Ａに示した３端子スイッチにおいて、第１電極２３と第３電極３７とで挟まれる領域の第２イオン伝導層４７を取り除いた構成である。図８Ｂに示す構造では、図８Ａに示した構造と同様、第３電極３７から金属イオンを第１イオン伝導層４６を介して第１電極２３と第２電極３３間へ効率的に供給することができる。【００６１】
図８Ｃに示す３端子スイッチは、図８Ａに示した３端子スイッチにおいて、第１イオン伝導層４６と第２電極３３との間に第２イオン伝導層４７を設けた構成である。第１電極２３および第２電極３３は、第２イオン伝導層４７／第１イオン伝導層４６／第２イオン伝導層４７の３層からなる積層イオン伝導層を介して対向して配置されている。図８Ｃに示す構造では、第１電極２３と第２電極３３の間に金属を析出して電気的に接続させた後、オフ・オンの切り替え時に金属の析出および溶解を第１イオン伝導層４６で行わせることが可能となる。これは、第１イオン伝導層４６が第２イオン伝導層４７に比べて高移動度のイオン伝導体であるためである。【００６２】
図８Ｄに示す３端子スイッチは、第１電極２３および第２電極３３が第２イオン伝導層４７を介して対向して配置され、第２イオン伝導層４７の側面の一部に食い込んで形成された第１イオン伝導層４６上に第３電極３７が設けられている。図８Ｄに示す構成では、図８Ａに示した構造と同様、第３電極３７から金属イオンを第１イオン伝導層４６を介して第１電極２３と第２電極３３間へ効率的に供給されるため、遷移に要する電圧は、第１電極２３と第３電極３７の距離ではなく、後述の理由により低移動度のイオン伝導体である第２イオン伝導層４７の膜厚で主に決まる。そのため、第２イオン伝導層４７の側面に設けた第１イオン伝導層４６の膜厚や第１イオン伝導層４６上の第３電極３７の位置に対する設計の自由度が増す。【００６３】
次に、図８Ａから図８Ｄに示した３端子スイッチの各構成の材料について説明する。第３電極３７は、イオン伝導層に金属イオンを供給可能な金属で構成されている。第１電極２３は、イオン伝導層に金属イオンを供給しない金属で構成されている。これに対して、第２電極３３の材質は、金属イオンを供給できる金属であっても、金属イオンを供給できない金属であっても、いずれでもよい。なお、第２電極３３が金属イオンを供給できる金属材料の場合には、本実施例の３端子スイッチに実施例２で記載したのと同様な動作方法を用いる。第２電極３３が金属イオンを供給しない金属材料の場合には、本実施例の３端子スイッチに実施例１で説明したのと同様な動作方法を用いる。【００６４】
また、イオン伝導層に金属イオンを供給可能な金属としては、銅および銀が好適である。また、イオン伝導層に金属イオンを供給しない金属としては、白金、窒化チタン、シリサイドが好適である。第１イオン伝導層４６としては金属イオンの移動度が高いイオン伝導体である硫化銅などが好適であり、第２イオン伝導体４７としては移動度が低いイオン伝導体である酸化タンタルが好適である。【００６５】
実施例１および２でそれぞれ説明したように、本実施例においても、第１電極２３と第２電極３３との間の電気的なオン・オフ状態の遷移は、第３電極３７に正または負の電圧を印加することにより行うことができる。遷移に要する電圧は、上述したように、低移動度のイオン伝導体である第２イオン伝導層４７の膜厚で主に決まるため、第１電極２３と第３電極３７間の間隔には強く依存しない。なぜなら、第１電極２３と第３電極３７間にある高移動度のイオン伝導体である第１イオン伝導層４６が遷移に必要な電圧に及ぼす影響が少ないためである。【００６６】
ここで、本実施例の３端子スイッチの製造方法に関して述べる。各イオン伝導層の膜厚は、スパッタリング法などの従来の半導体製造方法を用いて、ナノメータオーダーで制御することが可能である。各イオン伝導層の膜厚をナノメータオーダーで制御して形成することで、遷移に要する電圧を正確に制御できる。一方、第１電極２３と第３電極３７の間隔は、リソグラフィーの技術水準を考慮すると、少なくとも１００ナノメータ程度必要である。従来技術のリソグラフィーの精度は１０ナノメータ程度であるため、本実施例の構造では第１電極２３と第３電極３７の距離の精度が１０ナノメータしかないとしても、その程度の誤差は遷移に要する電圧に影響を与えない。よって、従来の半導体製造方法を用いても容易に本実施例の３端子スイッチを作製することが可能である。【００６７】
上述したように、本実施例の３端子スイッチでは、イオン伝導度が異なるイオン伝導層を複数種類用いることによって、スイッチング特性を調整するための、イオン伝導体の種類および膜厚ならびに電極の配置などの選択項目がより多くなる。また、選択項目毎により細かい制御が可能である。そのため、素子構造の自由度が高く、設計の自由度がより増すことになる。なお、本実施例を図２に示した２端子スイッチに適用してもよい。
【実施例４】
【００６８】
本実施例は、実施例１から実施例３のいずれかの３端子スイッチをプログラマブルロジックのスイッチに適用したものである。【００６９】
本実施例のプログラマブルロジックの構成について説明する。図９はプログラマブルロジックの一構成例を示す模式図である。【００７０】
図９に示すように、プログラマブルロジック９０は、２次元配列状に配置された多数のロジックセル９２と、ロジックセル間を接続するための配線、配線間の接続・非接続を切り替えるための多数のスイッチ９４から構成される。２端子スイッチの接続状態（接続・非接続）を変えることにより、ロジックセル間の配線の構成、ロジックセルの機能等を設定し、仕様に合わせた論理集積回路を得ることが可能となる。【００７１】
スイッチ９４は、ドレイン電極Ｄ、ソース電極Ｓ、およびゲート電極Ｇからなるトランジスタ素子である。上記実施例の３端子スイッチをスイッチに適用することで、第１電極がドレイン電極Ｄに相当し、第２電極がソース電極Ｓに相当し、第３電極がゲート電極Ｇに相当する。そして、図９に示すようにソース電極Ｓがロジックセル９２に接続され、ドレイン電極Ｄがプログラマブルロジック９０内の信号線９６に接続されている。【００７２】
オン状態に設定された３端子スイッチは、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄが電気的に接続された状態を維持する。そして、ロジック信号が信号線９６を介してドレイン電極Ｄに到達すると、ソース電極Ｓを経由してロジックセル９２に入る。その反対に、オフ状態に設定された３端子スイッチは、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄが電気的に接続が切れた状態を維持する。この場合、ロジック信号は、信号線９６を介してドレイン電極Ｄに到達しても、ソース電極Ｓに接続されたロジックセル９２に入ることはできない。このようにして、プログラマブルロジック９０では、ユーザによりロジックセル同士の接続状態を設定できる。【００７３】
本発明の３端子スイッチをプログラマブルロジックのスイッチに用いることで、スイッチのスイッチング電圧を所望の値に設定することが可能となり、ゲート電極にスイッチング電圧よりも低い電圧のノイズが入力されてもスイッチが設定された状態を維持する。そのため、設定されていないロジックセルがオン状態に遷移してしまったり、設定されたロジックセルがオフ状態に遷移してしまったりすることを抑制し、プログラマブルロジックが従来よりも安定して動作する。なお、図２に示した２端子スイッチをスイッチに適用してもよい。【００７４】
また、本実施例では、本発明のスイッチング素子をロジックセルへの接続・非接続を切り替えるために用いたが、配線の切り替えやロジックセルの機能の切り替えのスイッチに適用することも可能である。このようにして、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としては、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＤＲＰ（Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）がある。
【実施例５】
【００７５】
本実施例は、実施例１から実施例３のいずれかの３端子スイッチをメモリ素子に適用したものである。【００７６】
本実施例のメモリ素子の構成について説明する。図１０はメモリ素子の一構成例を示す模式図である。【００７７】
図１０に示すように、メモリ素子は、情報を保持するためのスイッチング素子７１と、スイッチング素子７１の情報を読み出すためのトランジスタ素子７２とを有する。このスイッチング素子７１に上記実施例の３端子スイッチを適用する。スイッチング素子７１はドレイン電極、ソース電極およびゲート電極からなるトランジスタの構成と同様であり、それぞれの電極が上記実施例の３端子スイッチの第１電極、第２電極および第３電極のそれぞれに対応している。【００７８】
トランジスタ素子７２は、ソース電極がビット線７３に接続され、ゲート電極がワード線７４に接続されている。スイッチング素子７１は、ソース電極がビット線７６に接続され、ゲート電極がワード線７５に接続されている。そして、スイッチング素子７１のドレイン電極はトランジスタ素子７２のドレイン電極に接続されている。【００７９】
次に、メモリ素子への情報の書き込み方法について説明する。なお、保持する情報“１”と“０”のうち、スイッチング素子のオン状態を“１”とし、オフ状態を“０”とする。また、スイッチング素子のスイッチング電圧をＶｔとし、トランジスタ素子７２の動作電圧をＶＲとする。【００８０】
メモリ素子に情報“１”を書き込む場合には、スイッチング素子７１のゲート電極に接続されたワード線７５に電圧Ｖｔを印加し、ソース電極に接続されたビット線７６の電圧を０Ｖにする。そして、ビット線７３に電圧（Ｖｔ／２）を印加する。スイッチング素子７１は、オン状態になり、情報“１”が書き込まれる。【００８１】
メモリセ素子に情報“０”を書き込む場合には、スイッチング素子７１のゲート電極に接続されたワード線７５の電圧を０Ｖにして、ソース電極に接続されたビット線７６に電圧Ｖｔを印加する。そして、ビット線７３に電圧（Ｖｔ／２）を印加する。スイッチング素子７１は、オフ状態になり、情報“０”が書き込まれる。【００８２】
次に、メモリ素子に保持された情報の読み出し方法について説明する。【００８３】
ワード線７４に電圧ＶＲを印加してトランジスタ素子７２をオンさせ、ビット線７３とビット線７６との間の抵抗値を求める。この抵抗値はトランジスタ素子７２のオン抵抗とスイッチング素子７１との合成抵抗値となる。この合成抵抗値が測定できないほど大きい場合にはスイッチング素子７１がオフ状態と判定でき、メモリ素子に保持された情報が“０”であることがわかる。一方、合成抵抗値が所定の値より小さい場合にはスイッチング素子７１がオン状態と判定でき、メモリ素子に保持された情報が“１”であることがわかる。【００８４】
本発明の３端子スイッチをメモリ素子の情報保持のためのスイッチング素子に用いることで、スイッチング素子のスイッチング電圧を所望の値に設定することが可能となり、ゲート電極にスイッチング電圧よりも低い電圧のノイズが入力されてもスイッチング素子が設定された状態を維持する。そのため、スイッチング素子が書き込まれた情報と異なる情報に変化することを防ぎ、メモリ素子に記憶される情報の信頼性が向上する。また、実施例２に示した２端子スイッチをメモリ素子に適用してもよい。【００８５】
なお、本発明のスイッチング素子において、イオン伝導層に金属イオンを供給しない電極（第１電極と、一部の第２電極）を構成する材料としては、白金だけではなく、高融点金属（Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ）、シリサイド（チタンシリサイド、コバルトシリサイド、モリブデンシリサイド）などでもよい。また、イオン伝導層に金属イオンを供給する電極（第３電極と、一部の第２電極）を構成する金属としては、銅だけではなく、Ａｇ、Ｐｂなどでもよい。さらに、イオン伝導層を構成するイオン伝導体としては、カルコゲナイドやハロゲン化物と金属の化合物の他に、シリコンを含む絶縁物（酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン）、ペロブスカイト型酸化物（ＡＢＯ３、Ａ：Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂ：Ｔｉ）などでもよい。【００８６】
また、本発明は上記実施例に限定されることなく、発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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