(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオンが内部を自由に移動できるイオン伝導体を含むイオン伝導部と、
前記イオン伝導部と第１のギャップを有して形成された第１の電極と、
前記イオン伝導体に前記金属イオンを供給する、または前記イオン伝導体から前記金属イオンを受け取り、前記金属イオンに対応する金属を析出させる、前記イオン伝導部に接触して形成された第２の電極と、
前記イオン伝導部と第２のギャップを有して形成された第３の電極と、
を有し、
前記第２の電極を基準に前記第１の電極または前記第３の電極に負電圧が印加されると、前記イオン伝導部から前記第１の電極方向へ前記金属からなる析出物が成長し、前記析出物の成長に応じて電気的特性が変化し、
前記第３の電極は、外部から印加される電圧により前記析出物の量を制御するためのものであるスイッチング素子。
【請求項２】
前記電気的特性の変化は、
前記第１の電極と前記第２の電極間の導通状態または非導通状態である請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項３】
前記第１のギャップ及び前記第２のギャップは真空であり、
前記第１のギャップ及び前記第２のギャップの厚さが１ｎｍから１０ｎｍである請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記第１のギャップ及び前記第２のギャップにガスが充填され、
前記第１のギャップ及び前記第２のギャップの厚さが１ｎｍから１０ｎｍである請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項５】
前記第１のギャップ及び前記第２のギャップに絶縁体を備え、
前記第１のギャップ及び前記第２のギャップの厚さが１ｎｍから１００ｎｍである請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項６】
前記イオン伝導部から前記析出物が延びる方向を前記第１の電極方向に限定する、前記イオン伝導部の前記第３の電極側表面に形成されたブロック層をさらに有する請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項７】
前記第１のギャップのうち、
前記イオン伝導部と前記第１の電極間に対応する部位の厚さが、前記第２のギャップよりも薄い請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項８】
前記絶縁体は、
前記イオン伝導部と前記第１の電極間の部位が最も小さい抵抗率である請求項５記載のスイッチング素子。
【請求項９】
前記第２の電極は、
前記イオン伝導部の前記第３の電極側表面に形成された請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項１０】
前記イオン伝導部が前記第２の電極上に形成され、
前記イオン伝導部から前記析出物が延びる方向を前記第１の電極方向に限定する、前記イオン伝導部の前記第３の電極側表面に形成されたブロック層をさらに有する請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項１１】
金属イオンが内部を自由に移動できるイオン伝導体を含むイオン伝導部と、
前記イオン伝導部上に、前記イオン伝導部に接触して形成された第１の電極と、
前記第１の電極と所定の距離を有して前記イオン伝導部上に配置され、前記イオン伝導体に前記金属イオンを供給する、または前記イオン伝導体から前記金属イオンを受け取り、前記金属イオンに対応する金属を析出させる、前記イオン伝導部と接触して形成された第２の電極と、
前記イオン伝導部との間でギャップを有して形成された第３の電極と、
を有し、
前記第２の電極を基準に前記第３の電極に負電圧が印加されると、前記イオン伝導部の前記第１の電極と前記第２の電極間の部位にて前記金属からなる析出物が成長し、該析出物の成長に応じて電気的特性が変化し、
前記第３の電極は、外部から印加される電圧により前記析出物の量を制御するためのものであるスイッチング素子。
【請求項１２】
前記電気的特性は、
前記第１の電極と前記第２の電極間の導通状態または非導通状態である請求項１１記載のスイッチング素子。
【請求項１３】
前記所定の距離は、
１ｎｍ〜１００ｎｍである請求項１１記載のスイッチング素子。
【請求項１４】
前記イオン伝導体は、
Ｃｕ2Ｓ、カルコゲン元素と金属の化合物、シリコンを含む絶縁物またはペロブスカイト型酸化物を含む請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項１５】
前記イオン伝導体は、
Ｃｕ2Ｓ、カルコゲン元素と金属の化合物、シリコンを含む絶縁物またはペロブスカイト型酸化物を含む請求項１１記載のスイッチング素子。
【請求項１６】
前記金属に、
Ｃｕ、ＡｇまたはＰｂを含む請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項１７】
前記金属に、
Ｃｕ、ＡｇまたはＰｂを含む請求項１１記載のスイッチング素子。
【請求項１８】
前記第１の電極及び前記第３の電極に、
Ｐｔ、高融点金属またはシリサイドを含む請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項１９】
前記第１の電極及び前記第３の電極に、
Ｐｔ、高融点金属またはシリサイドを含む請求項１１記載のスイッチング素子。
【請求項２０】
請求項１記載のスイッチング素子が備える第２の電極を基準に第１の電極に負電圧を印加して析出物を成長させた後、
前記第２の電極を基準に第３の電極に正電圧または負電圧を印加することで電気的特性を変化させるスイッチング素子の駆動方法。
【請求項２１】
請求項１１記載のスイッチング素子が備える第２の電極を基準に第１の電極に負電圧を印加して析出物を成長させた後、
前記第２の電極を基準に第３の電極に正電圧または負電圧を印加することで電気的特性を変化させるスイッチング素子の駆動方法。
【請求項２２】
ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造方法であって、
基板上に第１の電極を形成した後、所定の厚さの第１の絶縁膜を一様に堆積する第１の工程と、
前記第１の電極の側壁に形成された前記第１の絶縁膜のみを残して前記第１の絶縁膜を除去する第２の工程と、
前記第１の電極及び前記第１の電極の側壁に形成された前記第１の絶縁膜を覆うようにイオン伝導部となるイオン伝導体膜を一様に堆積する第３の工程と、
前記第１の電極の側壁に形成された前記第１の絶縁膜の側壁に堆積された前記イオン伝導体膜のみを残して前記イオン伝導体膜を除去し、イオン伝導部を形成する第４の工程と、
前記第４の工程で形成された前記イオン伝導部に少なくとも一部が接触するように第２の電極を形成する第５の工程と、
前記第１の電極、前記イオン伝導部及び前記第２の電極をそれぞれ覆うように所定の厚さの第２の絶縁膜を一様に堆積する第６の工程と、
前記第２の絶縁膜上に第３の電極となる材料膜を一様に堆積する第７の工程と、
を有するギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造方法。
【請求項２３】
前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜をそれぞれ除去する第８の工程をさらに有する請求項２２記載のギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造方法。
【請求項２４】
請求項１記載のスイッチング素子をプログラム用素子として用いる集積回路装置。
【請求項２５】
請求項１１記載のスイッチング素子をプログラム用素子として用いる集積回路装置。
【請求項２６】
請求項１記載のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子が導通状態であるか非導通状態であるかを検出するためのトランジスタと、
を有するメモリ素子。
【請求項２７】
請求項１１記載のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子が導通状態であるか非導通状態であるかを検出するためのトランジスタと、
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、集積回路などで用いられるスイッチング素子、該スイッチング素子の駆動方法及び製造方法、集積回路装置並びにメモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電子機器等では多くの集積回路装置が用いられている。電子機器で用いられる多くの集積回路装置は、いわゆる特定用途向けの集積回路（ASIC: Application Specific Integrated Circuit）であり、当該電子機器のために設計された専用回路である。このような特定用途向け集積回路装置では、セル（ＡＮＤ回路やＯＲ回路等の論理回路）の配置やセル相互の結線が製造工程で実施されるため、製造後に回路構成を変更することはできない。【０００３】
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は、製造後においても電子信号により回路構成が変更可能であり、１つのチップで多くの機能を実現できるプログラマブルロジック回路が注目を集めている。プログラマブルロジック回路の代表例としては、ＦＰＧＡ（Field−Programmable Gate Array）やＤＲＰ（Dynamically Reconfigurable Processor）等がある。【０００４】
このように注目を集めるプログラマブルロジック回路ではあるが、これまでのところプログラマブルロジック回路の電子機器への実装は限られている。これは以下の理由による。【０００５】
すなわち、これまでのプログラマブルロジック回路では、ロジックセル（プログラマブルロジック回路を組み立る際の単位となる論理回路を指す。プログラマブルロジック回路は、複数のロジックセルをスイッチング素子により相互に結線することで構成される）間を相互に結線するスイッチング素子のサイズが大きく、そのオン抵抗が大きいという問題がある。そこで、これまでのプログラマブルロジック回路では、このようにサイズが大きく、オン抵抗が大きいスイッチング素子の数をできるだけ減らすために、できるだけトランジスタ数の多いロジックセルを用い、ロジックセル数やロジックセル間を接続するスイッチング素子数を低減した構成が採用されていた。その結果、ロジックセルの組み合わせの自由度が小さくなり、プログラマブルロジック回路で提供できる機能が限定されていた。つまり、これまでのプログラマブルロジック回路で用いられてきたスイッチング素子のサイズとオン抵抗の大きさが、プログラマブルロジック回路の機能を限定し、プログラマブルロジック回路の電子機器への実装を限定していた。【０００６】
そこで、プログラマブルロジック回路の機能を多様化し、電子機器への実装を推進するためには、ロジックセルどうしを接続するスイッチング素子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。【０００７】
このような要求を満たすスイッチング素子として、イオン伝導体（イオンがその内部で自由に動くことができる固体）中の金属イオン伝導現象と、電気化学反応とを利用したスイッチング素子（以下、金属原子移動スイッチング素子と呼ぶ）が提案されている（例えば、特開２００２−０７６３２５号公報及び特表２００２−５３６８４０号公報参照）。【０００８】
金属原子移動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ング素子（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。この金属原子移動スイッチング素子は大きく分けて図１Ａ、Ｂに示す２つのタイプがある。【０００９】
図１Ａはギャップ型金属原子移動スイッチング素子であり、図１Ｂはギャップレス型金属原子移動スイッチング素子である。図１Ａ、Ｂともに、２端子型金属原子移動スイッチング素子である。【００１０】
図１Ａに示すギャップ型金属原子移動スイッチング素子（特開２００２−０７６３２５号公報参照）は、イオン伝導体（Ａｇ２Ｓ）からなるイオン伝導部と、イオン伝導部へ金属イオン（Ａｇ＋）を供給する、またはイオン伝導部から金属イオン（Ａｇ＋）を受け取り、その金属イオンに対応する金属（Ａｇ）を析出させる、イオン伝導部に接触して形成された第２の電極（Ａｇ）と、イオン伝導部との間でギャップを有して形成された第１の電極（Ｐｔ）と有する２端子型金属原子移動スイッチング素子である（図１Ａ及び上記各部の材料は例示である）。【００１１】
図１Ａに示す第２の電極（Ａｇ）を基準に第１の電極（Ｐｔ）へ負電圧を印加すると、第１の電極（Ｐｔ）からイオン伝導部の表面に第１の電極（Ｐｔ）とイオン伝導部間のギャップのエネルギー障壁を透過（トンネリング）した電子が到達し、イオン伝導部の表面近傍の金属イオン（Ａｇ＋）を還元して金属（Ａｇ）が析出する。【００１２】
金属（Ａｇ）が析出すると、それに対応して第２の電極の金属（Ａｇ）が酸化され、金属イオン（Ａｇ＋）としてイオン伝導部に溶け込むため、イオン伝導部内の正負イオンのバランスが維持される。イオン伝導部の表面に析出した金属（Ａｇ）が成長して第１の電極（Ｐｔ）と接触すると、スイッチング素子は導通（オン）状態となる（図１Ａの左図を参照）。【００１３】
一方、第２の電極（Ａｇ）を基準に第１の電極（Ｐｔ）へ正電圧を印加すると、全く逆の電気化学反応が進行する。その結果、析出した金属（Ａｇ）が第１の電極（Ｐｔ）から離れ、スイッチング素子が切断（オフ）状態となる（図１Ａの右図を参照）。なお、イオン伝導体には、半導体や絶縁体（例えばＡｇ２Ｓはｎ型半導体）等が用いられる。但し、スイッチング素子として動作する（導通（オン）状態を実現する）ためには、イオン伝導体を、第２の電極との接触面積が大きく、かつ比較的薄く形成するのが望ましい。【００１４】
図１Ｂに示すギャップレス型金属原子移動スイッチング素子（特表２００２−５３６８４０号公報参照）は、イオン伝導体（Ｃｕ２Ｓ）からなるイオン伝導部と、イオン伝導部に金属イオン（Ｃｕ＋）を供給する、またはイオン伝導部から金属イオン（Ｃｕ＋）を受け取り、その金属イオンに対応する金属（Ｃｕ）を析出させる、イオン伝導部に接触して形成された第２の電極（Ｃｕ）と、イオン伝導部に接触して形成された第１の電極（Ｔｉ）とを有する２端子型金属原子移動スイッチング素子である（図１Ｂ及び上記各部の材料は例示である）。【００１５】
図１Ｂに示す第２の電極（Ｃｕ）を基準に第１の電極（Ｔｉ）へ負電圧を印加すると、イオン伝導部の第１の電極（Ｔｉ）との接触面近傍の金属イオン（Ｃｕ＋）が還元され、第１の電極（Ｔｉ）との接触面にて金属（Ｃｕ）が析出する。金属（Ｃｕ）が析出すると、それに対応して第２の電極の金属（Ｃｕ）が酸化され、金属イオン（Ｃｕ＋）としてイオン伝導部に溶け込むため、イオン伝導部内の正負イオンのバランスが維持される。【００１６】
一般に、第１の電極（Ｔｉ）よりもイオン伝導部のイオン伝導体（Ｃｕ２Ｓ）の方が柔らかいので、析出した金属（Ｃｕ）はイオン伝導部内を第２の電極（Ｃｕ）へ向かって成長していく。析出した金属（Ｃｕ）が第２の電極（Ｃｕ）と接触すると、スイッチング素子が導通（オン）状態となる（図１Ｂの左図を参照）。【００１７】
一方、第２の電極（Ｃｕ）を基準に第１の電極（Ｔｉ）へ正電圧を印加すると、全く逆の電気化学反応が進行する。その結果、析出した金属（Ｃｕ）が第２の電極（Ｃｕ）から離れ、スイッチング素子は切断（オフ）状態となる（図１Ｂの右図を参照）。【００１８】
図１Ａ、Ｂに示した２つのタイプの金属原子移動スイッチング素子は、構成および動作の点で以上のような差異があるが、電気化学反応により第２の電極の金属原子が析出物として第１の電極と第２の電極間で移動し、第１の電極と第２の電極とを接続する（導通（オン）状態のとき）金属配線となる点で共通する。【００１９】
図１Ａ、Ｂに示した２つのタイプの金属原子移動スイッチング素子は、ともに２端子型金属原子移動スイッチング素子である。このような２端子型金属原子移動スイッチング素子には、エレクトロマイグレーション耐性が低いという問題点がある。【００２０】
エレクトロマイグレーションとは、金属配線中の金属原子が、金属配線を流れる電子と衝突することで移動する現象をいう。高温環境下において、ある一定以上の電流密度の電流を金属配線に流し続けると、エレクトロマイグレーションによる金属原子の移動に起因して、金属配線が断線する等の深刻な問題が発生する。【００２１】
上述したように、２端子型金属原子移動スイッチング素子では、電気化学反応により第２の電極から第１の電極へ析出物として移動した金属原子が、第１の電極と第２の電極とを接続するための金属配線となる。この金属配線におけるエレクトロマイグレーションを防止するには、析出物の量を増加させて金属配線を太くし、金属配線に流れる電流密度を下げる必要がある。【００２２】
しかしながら、２端子型金属原子移動スイッチング素子では、析出物の量を増加させて金属配線を太くすることは容易ではない。なぜなら、析出物の量を増加させるためには、第２の電極を基準に第１の電極へ印加する負電圧の絶対値を大きくしなければならない。しかしながら、いったん第１の電極と第２の電極とを接続する金属配線が形成されると、第１の電極と第２の電極間に印加された電圧は、この金属配線に大量の電流を流すことには寄与するが、析出物の量を増加させて金属配線を太くすることには寄与しないからである。それどころか、エレクトロマイグレーションを防止するために電圧を高くすると、金属配線に大量の電流が流れることで、エレクトロマイグレーションをより誘発するおそれがある。
【発明の開示】
【００２３】
そこで本発明の目的は、第１の電極と第２の電極とを接続するための金属配線となる析出物の量を容易に制御可能にして、エレクトロマイグレーション耐性が高いスイッチング素子、スイッチング素子の駆動方法及び製造方法、集積回路装置並びにメモリ素子を提供することにある。
【００２４】
上記目的を達成するため本発明のスイッチング素子は、析出物の量を制御するための第３の電極を新たに設ける。すなわち、本発明のスイッチング素子は、３端子型金属原子移動スイッチング素子である。さらに、本発明のスイッチング素子は、図１Ａに示したギャップ型金属原子移動スイッチング素子をベースとした、３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子である。
【００２５】
具体的には、本発明のスイッチング素子は、金属イオンが内部を自由に移動できるイオン伝導体を含むイオン伝導部と、イオン伝導部と第１のギャップを有して形成された第１の電極と、イオン伝導体に金属イオンを供給する、またはイオン伝導体から金属イオンを受け取り、金属イオンに対応する金属を析出させる、イオン伝導部に接触して形成された第２の電極と、イオン伝導部と第２のギャップを有して形成された第３の電極とを有する（図１Ａを参照）。
【００２６】
このような構成では、第２の電極を基準に第１の電極へ負の電圧を印加すると、第１のギャップのエネルギー障壁を透過（トンネリング）した電子、第１のギャップに設けられた絶縁体中にて熱励起された電子または絶縁体中の不純物や欠陥などにより生成された電子がイオン伝導部の表面に到達し、イオン伝導部の表面近傍の金属イオンを還元して第２の電極の金属を析出させる。
【００２７】
この金属の析出に対応して、第２の電極の金属が酸化され、金属イオンとしてイオン伝導部に溶け込むため、イオン伝導部内の正負イオンのバランスが維持される。イオン伝導部の表面に析出した金属が成長し、第１の電極に接触すると、スイッチング素子が導通（オン）状態となる。
【００２８】
逆に、第２の電極を基準に第１の電極へ正の電圧を印加すると、全く逆の電気化学反応が進行する。その結果、析出した金属が溶解して第１の電極から離れ、スイッチング素子は切断（オフ）状態となる。以上の動作は、図１Ａに示した２端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子と基本的に同じである。
【００２９】
また、第２の電極を基準に第３の電極へ負電圧を印加した場合、あるいは第２の電極を基準に第３の電極へ正電圧を印加した場合も基本的に同じように動作する。このとき、析出物からなる金属配線が第１の電極と第２の電極とを接続した後に、第２の電極を基準に第３の電極へ所定の電圧を印加すれば、析出物の量及びそれに依存する金属配線の太さを制御できる。なぜなら、第３の電極に印加された電圧は、第１の電極と第２の電極とを接続する金属配線に流れる電流を増大させることにはあまり寄与せず、析出物の量を増加させることに寄与するからである。よって、第３の電極に印加する電圧を制御することで、析出物からなる金属配線を太くすることが可能であり、エレクトロマイグレーション耐性を高めることができる。
【００３０】
本発明のスイッチング素子によれば、第３の電極を設け、この第３の電極に印加する電圧を制御することで、第１の電極と第２の電極とを接続する、析出物からなる金属配線の太さを制御するため、２端子型金属原子移動スイッチング素子で問題となっていたエレクトロマイグレーションを防止できるという効果がある。
【００３１】
さらに、本発明のスイッチング素子は、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子をベースにした構成であるため、次のような効果がある。
【００３２】
ギャップ型金属原子移動スイッチング素子は、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子に比べて、スイッチング電圧（オン状態とオフ状態を切り替えるのに必要な電圧）の調整が容易である。これは、第１の電極及び第２の電極間の材料が、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子ではイオン伝導体に限定されるのに対して、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、真空、ガス、絶縁体等を選択できるからである。また、それに加えて、第１の電極と第２の電極間の構造設計の自由度が高いからである。この理由は、３端子型にもそのままあてはまり、本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子は、３端子ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子よりも、第１の電極に印加する電圧および第３の電極に印加する電圧による、スイッチング電圧の調整が容易であるという効果がある。
【００３３】
また、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子では、第１の電極と第２の電極間のイオン伝導体のイオン伝導度が大きく、イオン伝導体の電気化学反応に必要なエネルギーが小さいため、スイッチング電圧が小さくなりすぎる傾向にある。そのため、既存の集積回路装置の動作電圧レベルとの整合が問題になる。
【００３４】
しかしながら、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、このような問題が生じ難い。なぜなら、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、スイッチング電圧を決定するファクタは、イオン伝導度や電気化学反応に必要なエネルギーではなく、イオン伝導体の金属イオンを還元する電子を励起するエネルギーだからである。この理由は、３端子型でもそのままあてはまり、本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、３端子ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子とは異なり、第１の電極に印加する電圧および第３の電極に印加するスイッチング電圧が低くなりすぎるという問題が発生し難い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１Ａ】２端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の構成及び動作を示す模式図である。
【図１Ｂ】２端子ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子の構成及び動作を示す模式図である。
【図２Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第１の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【図３Ａ】図２Ａに示した３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の駆動方法の一例を示す図であり、第２の電極を基準に第１の電極へ負電圧を印加したときの、第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【図３Ｂ】図１Ａに示した３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の駆動方法の一例を示す図であり、第２の電極を基準に第３の電極へ負電圧を印加したとき、金属配線が太くなる様子を示す模式図である。
【図４Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造工程を示す側面図である。
【図４Ｂ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造工程を示す側面図である。
【図５Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【図６Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第３の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【図７Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第４の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【図８Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第５の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【図９Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第６の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【図１０Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第７の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【図１１Ａ】本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第８の実施の形態の構成を示す模式図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
上述したように、本発明の金属原子移動スイッチング素子は、金属イオンがその内部を自由に移動できるイオン伝導体を含むイオン伝導部と、イオン伝導部との間に第１のギャップを有して配置される第１の電極と、イオン伝導体に金属イオンを供給する、またはイオン伝導体から金属イオンを受け取り該金属イオンに対応する金属を析出させる。イオン伝導部に接触して形成された第２の電極と、イオン伝導部との間に第２のギャップを有して配置される第３の電極を有する３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子である。【００３７】
以下、本発明の金属原子移動スイッチング素子の第１の実施の形態から第８の実施の形態について簡単に説明する。【００３８】
第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、本発明の金属原子移動スイッチング素子の基本的な構成、駆動方法及び製造方法を示している。【００３９】
第１の実施の形態（図２Ａ参照）は、イオン伝導部と第１の電極間に設けた第１のギャップ、及びイオン伝導部と第３の電極間に設けた第２のギャップが真空あるいはガスが充満された例である。【００４０】
ここで、第２の電極を基準に第１の電極または第３の電極へ負電圧を印加した場合、イオン伝導部の表面に到達することでイオン伝導体に含まれる金属イオンを還元して金属を析出させる電子は、第１のギャップまたは第２のギャップのエネルギー障壁を透過した電子である。【００４１】
第２の実施の形態（図５Ａ参照）は、イオン伝導部と第１の電極間に設けた第１のギャップ、及びイオン伝導部と第３の電極間に設けた第２のギャップに絶縁体を備える例である。【００４２】
この場合、第２の電極を基準に第１の電極または第３の電極に負電圧を印加することでイオン伝導部の表面に到達し、イオン伝導体に含まれる金属イオンを還元して金属を析出させる電子は、第１のギャップまたは第２のギャップのエネルギー障壁を透過した電子、絶縁体中で熱励起された電子または絶縁体中の不純物や欠陥などにより生成された電子である。【００４３】
第３の実施の形態から第５の実施の形態は、第１の実施の形態または第２の実施の形態で示した金属原子移動スイッチング素子に、イオン伝導部の表面にて成長する析出物の延びる方向を第１の電極方向へ限定するための構成要素をさらに有する例である。【００４４】
第３の実施の形態（図６Ａ参照）は、イオン伝導部の第３の電極側表面に、緻密で堅い材料からなるブロック層を設け、イオン伝導部の表面にて成長する析出物が第３の電極へ向かって延びるのを防止する共に、析出物の延びる方向を第１の電極方向へ限定している。【００４５】
第４の実施の形態（図７Ａを参照）は、イオン伝導部と第３の電極間に設けたギャップの厚さを、イオン伝導部の第１の電極側部位で他の部位よりも薄く形成し、第２の電極を基準に第３の電極へ印加する電圧によって形成される電界強度がこのギャップが薄い部位で最も強くなるようにしている。これにより、イオン伝導部の表面にて成長する析出物の延びる方向を第１の電極の方向へ限定している。【００４６】
第５の実施の形態（図８Ａを参照）は、第２の実施の形態と同様に第１のギャップ及び第２のギャップに絶縁体を備える例である。但し、絶縁体は、イオン伝導部と第１の電極間の部位で、他の部位よりも抵抗率を小さくする。このようにすると、第２の電極を基準に第３の電極へ負電圧を印加した場合、イオン伝導部の表面に到達する電子は、イオン伝導部の第１の電極側に集中するので、イオン伝導部の表面にて成長する析出物の延びる方向を第１の電極方向へ限定できる。【００４７】
第６および第７の実施の形態は、第１の実施の形態または第２の実施の形態で示した金属原子移動スイッチング素子に、イオン伝導部の表面において成長する析出物の延びる方向を第１の電極方向へ限定するための構成要素と、第１の電極及び第２の電極を、金属よりも電気伝導度が小さいイオン伝導部を介することなく、析出物からなる金属配線により直接接続することで、オン抵抗を低減するための構成要素とをさらに有する例である。【００４８】
第６の実施の形態（図９Ａ参照）は、イオン伝導部の第３の電極側表面に緻密で堅い金属からなる第２の電極を積層する。これにより、イオン伝導部の表面にて成長する析出物が第３の電極の方向へ延びるのを防止し、析出物の延びる方向を第１の電極方向へ限定している。さらに、第２の電極がイオン伝導部上に積層されているので、イオン伝導部の表面にて析出した析出物が成長するにつれ、第２の電極と接触することになる。これにより、第１の電極と第２の電極とがイオン伝導部を介することなく電気的に接続するので、オン抵抗が減少する。【００４９】
第７の実施の形態（図１０Ａ参照）は、イオン伝導部を第２の電極上に積層するとともに、イオン伝導部の第３の電極側表面に緻密で堅い材料からなるブロック層を形成する。これにより、イオン伝導部の表面にて成長する析出物が第３の電極方向へ延びるのを防止すると共に、析出物の延びる方向を第１の電極方向へ限定している。さらに、イオン伝導部が第２の電極上に積層されているので、イオン伝導部の表面にて析出した析出物が成長するにつれ、第２の電極と接触することになる。これにより、第１の電極と第２の電極がイオン伝導部を介することなく電気的に接続するので、オン抵抗が減少する。【００５０】
第８の実施の形態（図１１Ａ参照）は、金属イオンがその内部を自由に移動できるイオン伝導体を含むイオン伝導部と、イオン伝導部上にイオン伝導部に接触して形成された第１の電極と、イオン伝導部上に第１の電極と所定の距離だけ離れて配置され、イオン伝導体に上記金属イオンを供給する、またはイオン伝導体から上記金属イオンを受け取り該金属イオンに対応する金属を析出させる、イオン伝導部に接触して形成された第２の電極と、イオン伝導部との間でギャップ有して形成された第３の電極とを有する３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子である。【００５１】
第８の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、第１の実施の形態から第７の実施の形態で示した金属原子移動スイッチング素子と異なり、第１の電極がイオン伝導部と接触している構成である。しかしながら、第１の電極及び第２の電極がイオン伝導部上に所定の距離を有して形成されているので、第１の電極と第２の電極間を接続する金属配線となる析出物は、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子のようにイオン伝導部の内部にできるのではなく、第１の電極と第２の電極間に存在するイオン伝導部の表面に形成される。このように、析出物がイオン伝導部の表面にできる場合、イオン伝導部との間にギャップを有して配置される第３の電極へ電圧を印加することで、析出物の量及びそれに依存する金属配線の太さを制御できる。第８の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、第１の電極がイオン伝導部と接触しているものの、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子と見なせる。【００５２】
以下、本発明の金属原子移動スイッチング素子の第１の実施の形態から第８の実施の形態について図面を用いて説明する。【００５３】
（第１の実施の形態）
図２Ａは本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第１の実施の形態の構成を示す模式図であり、図２Ｂは図２Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。【００５４】
図２Ａに示すように、第１の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、絶縁性の基板６（ＳｉＯ２）上にイオン伝導体（Ｃｕ２Ｓ）からなるイオン伝導部４が形成され、イオン伝導部４に金属イオン（Ｃｕ＋）を供給する、またはイオン伝導部４から金属イオン（Ｃｕ＋）を受け取り、その金属イオンに対応する金属（Ｃｕ）を析出させる、イオン伝導部４と接触する第２の電極２が基板６上に形成された構成である。【００５５】
また、基板６上には、イオン伝導部４との間に第１のギャップを有して第１の電極１（Ｐｔ）が形成されている。さらに、基板６上には、イオン伝導部４との間に第２のギャップを有して第３の電極３（Ｐｔ）が形成されている。第１のギャップ及び第２のギャップは、それぞれギャップ５の一部である。【００５６】
第１の実施の形態では、ギャップ５が、真空であってもよく、ガスで充満されていてもよい。第１のギャップ及び第２のギャップの厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。【００５７】
イオン伝導部４のイオン伝導体としては、Ｃｕ２Ｓ、カルコゲン元素（Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）と金属の化合物、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）等がある。【００５８】
第２の電極２の金属としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｂ等がある。【００５９】
第１の電極１及び第３の電極３の材料としては、Ｐｔ、高融点金属（Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、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）等がある。【００６０】
次に、第１の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の動作について説明する。【００６１】
例えば、第２の電極２を基準に第１の電極１へ負電圧を印加すると、第１の電極１とイオン伝導部４間の第１のギャップのエネルギー障壁を透過した電子がイオン伝導部４の表面に到達し、イオン伝導部４の表面近傍の金属イオン（Ｃｕ＋）を還元して第２の電極２の材料と同じ金属（Ｃｕ）を析出させる。この金属の析出に対応して、第２の電極２の金属（Ｃｕ）が酸化され、金属イオン（Ｃｕ+）としてイオン伝導部４に溶け込むため、イオン伝導部４内の正負イオンのバランスが維持される。イオン伝導部４の表面に析出した金属が成長して第１の電極１に接触すると、金属原子移動スイッチング素子は導通（オン）状態となる（図２Ｂ参照）。一方、第２の電極２を基準に第１の電極１へ正電圧を印加すると、上記と全く逆の電気化学反応が進行する。その結果、析出した金属が溶解して第１の電極１から離れ、金属原子移動スイッチング素子が切断（オフ）状態となる（以上の動作は、図１１Ａに示した２端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の動作と基本的に同じである）。【００６２】
第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧を印加した場合、または第２の電極２を基準に第３の電極３へ正電圧を印加した場合の動作も基本的に同じである。このとき、図３Ｂに示す析出物７からなる金属配線が第１の電極１と第２の電極２を電気的に接続した後であっても、第２の電極２を基準に第３の電極３へ電圧を印加すれば、析出物７の量及びそれに依存する金属配線の太さを制御できる。なぜなら、第３の電極３に印加された電圧は、第１の電極１と第２の電極２を接続する金属配線に流れる電流を増大させることにはあまり寄与せず、析出物７の量を増加させることに寄与するからである。【００６３】
よって、第２の電極２を基準に第３の電極３へ印加する電圧を制御することで、析出物７からなる金属配線が太くすることが可能であり、エレクトロマイグレーション耐性を高めることができる。【００６４】
図３Ａは、図２Ａに示した３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の駆動方法の一例を示す図であり、第２の電極を基準に第１の電極へ負電圧を印加したときの、第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。また、図３Ｂは、図１Ａに示した３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の駆動方法の一例を示す図であり、第２の電極を基準に第３の電極へ負電圧を印加したとき、金属配線が太くなる様子を示す模式図である。【００６５】
図３Ａに示すように、第２の電極２を基準に第１の電極１へ負電圧を印加することでイオン伝導部４と第１の電極１とを析出物７で接続する。次に、図３Ｂに示すように、第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧を印加することで析出物７の成長を促進させ、析出物７からなる金属配線を太くする。そして、第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧または正電圧を印加し、析出物７を第１の電極１と接触させたり第１の電極１から離すことで、金属原子移動スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する。【００６６】
なお、図３Ａでは、第２の電極２を基準に第１の電極１へ負電圧を印加することで析出物７を成長させているが、析出物７が第１の電極１方向にのみ成長することが保証されているならば、第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧を印加することで析出物７を成長させてもよい。例えば、後述する第３の実施の形態から第７の実施の形態では、析出物の成長を第１の電極方向へ限定する構成を採用している。したがって、これらの構成を採用すれば、第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧を印加することで析出物７を成長させ方法が有効となる。同様に、後述する第８の実施の形態でも、第１の電極と第２の電極間内で析出物の成長を限定する方法を示しているため、この構成を採用すれば、第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧を印加することで析出物７を成長させる方法が有効となる。【００６７】
次に、第１の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法について説明する。【００６８】
まず、基板１（ＳｉＯ２）上にフォトレジストを塗布し、紫外線照射および現像処理によりフォトレジストの第１の電極１の形成領域に開口部を設ける。次に、第１の電極１となるＰｔ膜を蒸着し、リフトオフ法を用いて厚さが１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の第１の電極１を形成する。同様の手順により、厚さが１ｎｍ〜１００ｎｍ程度のイオン伝導部４（Ｃｕ２Ｓ）を形成し、さらに厚さが１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の第２の電極２（Ｃｕ）を形成する。なお、イオン伝導部４と第１の電極１間には、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の距離を設ける（第１のギャップを形成するため）。次に、イオン伝導部４、第１の電極１及び第２の電極２を覆うようにレジストパターンを設ける。この際、レジストは厚さが１ｎｍから１０ｎｍ程度となるようにイオン伝導部４上に形成する（第２のギャップの形成のため）。【００６９】
次に、第３の電極３をこのレジスト上に形成する。第３の電極３を形成後、アセトン等の有機溶剤を用いてレジストを除去することでイオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップ及びイオン伝導部４と第３の電極３間の第２のギャップが形成する。なお、第１のギャップ及び第２のギャップ（ギャップ５）には、空気等のガスを充填してもよい。【００７０】
第１の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子を製造する場合、イオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップの厚さを制御することが難しい。【００７１】
図４Ａ、図４Ｂは、イオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップを所望の厚さで形成するための製造手順を示している。【００７２】
まず、基板６上に、スパッタリング法等を用いて第１の電極１となるＰｔ膜を１００ｎｍ程度成長させる（図４Ａ（ａ））。次に、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて、このＰｔ膜を加工し、第１の電極１を形成する。次に、第１の電極１を含む基板６上の全面に絶縁膜９（ＳｉＯ２）を１０ｎｍ程度成長させる（図４Ａ（ｂ））。【００７３】
次に、異方性ドライエッチング法を用いて、絶縁膜９を第１の電極１の側壁部位のみを残して除去する（図４Ａ（ｃ））。【００７４】
次に、レーザーアブレーション法を用いて、第１の電極１を覆うように、基板６上にイオン伝導体膜１０（Ｃｕ２Ｓ）を５０ｎｍ程度成長させる（図４Ａ（ｄ））。【００７５】
次に、異方性ドライエッチング法を用いて、イオン伝導体膜１０を第１の電極１側壁に残った絶縁膜９部位のみを残して除去する（図４Ａ（ｅ））。このとき、図４Ａ（ｅ）の右側に示すイオン伝導体膜がイオン伝導部４となる。【００７６】
次に、リフトオフ法を用いて厚さ５０ｎｍ程度のＣｕ膜からなる第２の電極２を形成する（図４Ｂ（ｆ））。【００７７】
次に、第１の電極１等を覆うように基板６上の全面に厚さ２０ｎｍ程度の絶縁膜１１（ＳｉＯ２）を成長させる（図４Ｂ（ｇ））。【００７８】
次に、絶縁膜１１を被覆するように、厚さ１００ｎｍ程度のＰｔ膜を形成し、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて、このＰｔ膜を加工して第３の電極３を形成する（図４Ｂ（ｈ））。【００７９】
最後に、ウエットエッチング法を用いて、絶縁膜９及び絶縁膜１１をそれぞれ除去し、ギャップ５を形成する（図４Ｂ（ｉ））。ギャップ５にはガスを充填してもよい。【００８０】
以上説明した製造方法によれば、イオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップの厚さは、図４Ａ（ｂ）に示した工程で形成する絶縁膜９の厚さにより制御できるので、第１のギャップの厚さを容易に制御できる。【００８１】
（第２の実施の形態）
図５Ａは本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第２の実施の形態の構成を示す模式図であり、図５Ｂは図５Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。【００８２】
第１の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、ギャップ５が真空またガスで満たされた構成を示したが、第２の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、ギャップ５に絶縁体（例えば、レジストやＳｉＯ２）を備えた構成である。このような構成の差異は、金属原子移動スイッチング素子の動作に次のような差異を生じる。すなわち、第１の実施の形態では、第２の電極２を基準に第１の電極１または第３の電極３へ負電圧を印加した場合、イオン伝導部４に含まれる金属イオンを還元するためにイオン伝導部４の表面に到達する電子は、第１のギャップまたは第２のギャップのエネルギー障壁を透過（トンネリング）した電子である。【００８３】
一方、第２の実施の形態では、ギャップ５に絶縁体（固体）を備えているため、イオン伝導部４に含まれる金属イオンを還元するためにイオン伝導部４の表面に到達する電子は、ギャップのエネルギー障壁を透過（トンネリング）した電子に限らず、絶縁体中で熱励起された電子、絶縁体中の不純物や欠陥により生成された電子を含む（ここで、絶縁体とは、バンドギャップが離れた物質を指し、半導体を含む）。【００８４】
このように、第２の実施の形態では、絶縁体中の電子を利用するので、第１のギャップおよび第２のギャップの厚さは、第１の実施の形態ほど薄くする必要はない。第１のギャップおよび第２のギャップの厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度で十分である。【００８５】
第２の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、第１の実施の形態で示した工程のうち、絶縁物を除去する工程（図４Ｂ（ｉ））を省略するだけで実現できる。【００８６】
第１の実施の形態及び第２の実施の形態で示したように、本発明の金属原子移動スイッチング素子はギャップ型金属原子移動スイッチング素子であるため、ギャップ５に充填する材料を比較的自由に変えることができる。したがって、以下に記載するような効果を有する。【００８７】
ギャップ型金属原子移動スイッチング素子は、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子に比べて、スイッチング電圧（オン状態とオフ状態とを切り替えるのに必要な電圧）の調整が容易である。これは、第１の電極と第２の電極間の材料が、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子ではイオン伝導体に限定されるのに対して、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、真空、ガス、絶縁体等から選択できるため、第１の電極と第２の電極間の構造設計の自由度が高いからである。この理由は、３端子型にもそのままあてはまり、本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子は、３端子ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子よりも、第１の電極または第３の電極に印加するスイッチング電圧の調整が容易である。【００８８】
また、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子では、第１の電極と第２の電極間のイオン伝導体のイオン伝導度が大きく、イオン伝導体における電気化学反応に必要なエネルギーが小さいため、スイッチング電圧が小さくなりすぎる傾向にあり、既存の集積回路装置の動作電圧との整合が問題になっている。一方、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、このような問題が生じ難い。なぜなら、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、スイッチング電圧を決定するファクタは、イオン伝導度や電気化学反応に必要なエネルギーではなく、イオン伝導体の金属イオンを還元する電子を励起するエネルギーだからである。この理由は、３端子型にもそのままあてはまり、本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子は、３端子ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子と異なり、第１の電極または第３の電極に印加するスイッチング電圧が低くなりすぎるという問題が生じ難い。【００８９】
なお、イオン伝導部４に絶縁体を用いる場合、ギャップ５の絶縁体は、イオン伝導部４に用いる絶縁体よりも低イオン伝導度のものを用いることが好ましい。例えば、イオン伝導部４にＳｉＯ２を用いる場合、ギャップ５にはＳｉＯ２よりもイオン伝導度が低いＳｉＮを用いるのが好ましい。【００９０】
（第３の実施の形態）
図６Ａは本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第３の実施の形態の構成を示す模式図であり、図６Ｂは図６Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。【００９１】
図６Ａに示すように、第３の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導部４の第３の電極３側表面に、ブロック層８が形成されている点で第１の実施の形態で示した金属原子移動スイッチング素子と異なっている。ブロック層８としては、ＳｉＯ２のように緻密で堅い材料を用いるのが好ましい。【００９２】
このような差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる。すなわち、ブロック層８が緻密で堅い材料により構成されているため、析出物７はイオン伝導部４のブロック層８側へ成長することなく、第３の電極３の方向へ延びることはない。その結果、析出物が延びる方向はイオン伝導部４から第１の電極１の方向に限定される。【００９３】
これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作（例えば、析出物７が第３の電極３の方向へ延び、第３の電極３と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、上述したように、第２の電極２を基準に第３の電極３へ電圧を印加する駆動方法を採用する場合に好都合である。【００９４】
第３の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、図４Ａ（ｅ）に示したイオン伝導部４の形成工程（リフトオフ法）と、図４Ｂ（ｆ）に示した第２の電極２の形成（リフトオフ法）との間に、リフトオフ法を用いてブロック層８を形成する工程を追加すればよい。【００９５】
なお、第３の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も第２の実施の形態と同様にギャップ５に絶縁体を備えていてもよい。【００９６】
（第４の実施の形態）
図７Ａは本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第４の実施の形態の構成を示す模式図であり、図７Ｂは図７Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。【００９７】
図７Ａに示すように、第４の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導部４と第３の電極３間に設けたギャップ５の厚さを、イオン伝導部４の第１の電極１側部位で、他の部位よりも薄く形成した構成である。すなわち、第１のギャップのうち、イオン伝導部４と第１の電極１間に対応する部位の厚さが、第２のギャップを含む他の部位よりも薄く形成されている。そのため、第３の電極３が、このギャップ５の薄い部位で凸形状に形成された点で第１の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子と異なっている。【００９８】
このような差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる。すなわち、第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧を印加すると、ゲート電圧によって生成される電界はイオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップで特に強くなる。したがって、イオン伝導体表面近傍の金属イオンを還元する電子は、イオン伝導部４の第１の電極１側表面に多く到達する。その結果、析出物７が延びる方向はイオン伝導部４から第１の電極１の方向へ限定される（図７Ｂ参照）。これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作（例えば、析出物７が第３の電極３の方向へ延び、第３の電極３と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、上述したように、第２の電極２を基準に第３の電極３へ電圧を印加する駆動方法を採用する場合に好都合である。【００９９】
第４の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、ギャップ５となるレジスト（または絶縁膜）を凸状に加工する工程が図４Ｂ（ｇ）に示した工程に追加される。以下では、ギャップ５にレジストを備える場合を例に第４の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法を説明するが、絶縁膜の場合でも同様である。【０１００】
本実施形態の製造方法では、第２の電極２を形成したあと、第１のレジストパターンを形成し、その上に、第２のレジストパターンを形成する。そして、イオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップの部位の第２のレジストを除去する。【０１０１】
例えば、第１のレジストパターンとしてカリックスアレーンを用い、第２のレジストパターンとしてノボラック系レジストを用いることで、第１のレジストパターンを破壊することなく、アルカリ水溶液にて第２のレジストパターンを形成できる。【０１０２】
次に、この上に第３の電極３を形成することにより、イオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップの部位で凸形状となる第３の電極３が形成できる。【０１０３】
なお、第４の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も第２の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子と同様にギャップ５に絶縁体を備えていてもよい。また、第３の実施の形態で示したブロック層４をイオン伝導部４の第３の電極３側表面に形成してもよい。【０１０４】
（第５の実施の形態）
図８Ａは本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第５の実施の形態の構成を示す模式図であり、図８Ｂは図８Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。【０１０５】
図８Ａに示すように、第５の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップに低抵抗絶縁材料５ｂを備え、ギャップ５のその他の部位に高抵抗絶縁材料５ａを備えている。すなわち、ギャップ５に備える絶縁体を、イオン伝導部４と第１の電極１間の部位で、他の部位よりも小さい抵抗率にする点で第１の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子と異なっている。【０１０６】
第５の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、第２の実施の形態と同様にギャップ５に絶縁体を備えているため、第１のギャップ及び第２のギャップの厚さは１〜１００ｎｍ程度で十分である。【０１０７】
このような差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる。すなわち、第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧を印加した場合、イオン伝導体表面近傍の金属イオンを還元する電子は、低抵抗絶縁材料５ｂを備えた第１のギャップに誘導されるので、その多くがイオン伝導部４の第１の電極１側表面に到達し、高抵抗絶縁材料５ａを備えるイオン伝導部４の第３の電極３側表面にはあまり到達しない。その結果、析出物７が延びる方向は、イオン伝導部４から第１の電極１方向に限定される（図８Ｂ参照）。【０１０８】
これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作（例えば、析出物７が第３の電極３の方向へ延び、第３の電極３と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、上述したように、第２の電極２を基準に第３の電極３へ電圧を印加する駆動方法を採用する場合に好都合である。【０１０９】
第５の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、ギャップ５となるレジスト（または絶縁膜）を形成する工程が図４Ｂ（ｇ）に示した工程から変更される。以下では、ギャップ５にレジストを備える場合を例に第５の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法を説明するが、絶縁膜の場合でも同様である。【０１１０】
本実施形態の製造方法では、第２の電極２を形成した後、フォトレジスト（高抵抗材料５ａとなる）を全面に塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いてスイッチング素子以外の領域、及びイオン伝導部４と第１の電極１間の第１のギャップを形成する部位のフォトレジストをそれぞれ除去する。【０１１１】
次に、導電性レジスト（低抵抗材料５ｂとなる）を全面に塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いてスイッチング素子以外の領域の導電性レジストを除去する。その後、第３の電極３を形成する。【０１１２】
なお、第５の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も、第３の実施の形態で示したブロック層をイオン伝導部４の第３の電極３側表面に形成してもよく、第４の実施の形態で示した、第１のギャップのうち、イオン伝導部４と第１の電極１間に対応する部位の厚さを、第２のギャップを含む他の部位よりも薄く形成してもよい。【０１１３】
（第６の実施の形態）
図９Ａは本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第６の実施の形態の構成を示す模式図であり、図９Ｂは図９Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。【０１１４】
図９Ａに示すように、第６の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、第２の電極２がイオン伝導部４の第３の電極３側表面に形成される点で第１の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子と異なっている。【０１１５】
このような差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる。すなわち、第２の電極２はＣｕなどの緻密で堅い材料で形成されているため、析出物７は第２の電極２の内部に向かって成長することはない。その結果、析出物７が延びる方向は、イオン伝導部４から第１の電極１方向に限定される。【０１１６】
これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作（例えば、析出物７が第３の電極３の方向へ延び、第３の電極３と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、上述したように、第２の電極２を基準に第３の電極３へ電圧を印加する駆動方法を採用する場合に好都合である。【０１１７】
さらに、第６の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、第２の電極２がイオン伝導部４上に積層されているため、イオン伝導部４から第１の電極１へ向けて成長する析出物７から成る金属配線が太くなると、図９Ｂに示すように第２の電極２と接触する。【０１１８】
イオン伝導部４のイオン伝導体は金属に比べて電気伝導率が小さい。したがって、第１の電極１と第２の電極２とをイオン伝導部４を介して接続するよりも、析出物７から成る金属配線で直接接続した方がオン抵抗が小さくなる。オン抵抗の低減は、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、スイッチング素子に特に要求される点であったことを考慮すると（背景技術を参照）、非常に重要な効果である。【０１１９】
第６の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、図４Ｂ（ｆ）に示した第２の電極２を形成する工程において、第２の電極２をイオン伝導部４上にリフトオフ法を用いて形成する。【０１２０】
なお、第６の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も第２の実施の形態と同様にギャップ５に絶縁体を備えていてもよい。また、第４の実施の形態で示した、第１のギャップのうち、イオン伝導部４と第１の電極１間に対応する部位の厚さを、第２のギャップを含む他の部位よりも薄く形成してもよく、第５の実施の形態で示した、イオン伝導部４と第１の電極１間の部位で、絶縁体の抵抗率を他の部位よりも小さくする構成でもよい。【０１２１】
（第７の実施の形態）
図１０Ａは本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第７の実施の形態の構成を示す模式図であり、図１０Ｂは図１０Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。【０１２２】
図１０Ａに示すように、第７の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導部４が第２の電極２上に形成されているとともに、イオン伝導部４の第３の電極３側表面にブロック層８が形成されている点で第１の実施の形態と異なっている。ブロック層８にはＳｉＯ２など緻密で堅い材料を用いるのが好ましい。【０１２３】
このような構成の差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる。すなわち、ブロック層８は、ＳｉＯ２等の緻密で堅い材料で形成されるため、析出物７はブロック層８の内部に向かって成長することはない。その結果、析出物７が延びる方向はイオン伝導部４から第１の電極１方向に限定される。【０１２４】
これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作（例えば、析出物７が第３の電極３の方向へ延び、第３の電極３と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、上述したように、第２の電極２を基準に第３の電極３へ電圧を印加する駆動方法を採用する場合に好都合である。【０１２５】
さらに、第７の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、イオン伝導部４が第２の電極２上に積層されているので、イオン伝導部４から第１の電極１へ向けて成長する析出物７からなる金属配線が太くなると、図１０Ｂで示したように第２の電極２と接触する。【０１２６】
イオン伝導部４のイオン伝導体は金属に比べて電気伝導率が小さい。したがって、第１の電極１と第２の電極２とがイオン伝導部４を介して接続するよりも、イオン伝導部４を介することなく析出物７からなる金属配線で直接接続する方がオン抵抗が小さくなる。オン抵抗の低減は、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、スイッチング素子に特に要求されていることを考慮すると（背景技術を参照）、非常に重要な効果である。【０１２７】
第７の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、図４Ｂ（ｆ）に示したリフトオフ法を用いた第２の電極２の形成工程と、図４Ａ（ｅ）に示したリフトオフ法を用いたイオン伝導部４の形成工程の順序を逆転し、イオン伝導部４上にリフトオフ法を用いてブロック層８を形成する工程を追加すればよい。【０１２８】
なお、第７の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も第２の実施の形態と同様にギャップ５に絶縁体を備えていてもよい。また、第４の実施の形態で示した、第１のギャップのうち、イオン伝導部４と第１の電極１間に対応する部位の厚さを、第２のギャップを含む他の部位よりも薄く形成してもよく、第５の実施の形態で示した、イオン伝導部４と第１の電極１間の部位で、絶縁体の抵抗率を他の部位よりも小さくする構成でもよい。【０１２９】
（第８の実施の形態）
図１１Ａは本発明の３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第８の実施の形態の構成を示す模式図であり、図１１Ｂは図１１Ａに示した第１の電極と第２の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。【０１３０】
図１１Ａに示すように、第８の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、絶縁性の基板６（ＳｉＯ２）上にイオン伝導体（Ｃｕ２Ｓ）からなるイオン伝導部４が形成され、イオン伝導部４上に、第１の電極１（Ｐｔ）と、イオン伝導部４に金属イオン（Ｃｕ+）を供給する、またはイオン伝導部４から金属イオン（Ｃｕ+）を受け取りこの金属イオンに対応する金属（Ｃｕ）を析出させる第２の電極２（Ｃｕ）とが、所定の距離を有して配置された構成である。【０１３１】
また、基板６上には、イオン伝導部４との間にギャップ５を有するように第３の電極３（Ｐｔ）が形成されている。ギャップ５は、真空であってもよく、ガスが充填されていてもよい。また、ギャップ５には絶縁体を備えていてもよい。ギャップ５が真空またはガスが充填されている場合、その厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍ程度となる。また、ギャップ５に絶縁体を備えている場合、その厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍ程度となる。イオン伝導部４の厚さは１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。第１の電極１及び第２の電極２は、その厚さが１ｎｍ〜１００ｎｍ程度であり、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の距離を有して配置される。【０１３２】
第８の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、上述した第１の実施の形態から第７の実施の形態で示した金属原子移動スイッチング素子と基本的な構成が異なっている。すなわち、第１の実施の形態から第７の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、イオン伝導部４と第１の電極１間に第１のギャップが存在し、イオン伝導部４と第１の電極１とが接触していない構成である。一方、第８の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導部４と第１の電極１とが接触する構成である。【０１３３】
図１Ｂで示したように（背景技術を参照）、イオン伝導部４が第１の電極１および第２の電極２と接触していると、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子となり、析出物７はイオン伝導部４の内部で成長すると考えられる。【０１３４】
しかしながら、第８の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、第１の電極１及び第２の電極２がイオン伝導部４上に所定の距離を有して形成されているので、析出物７はイオン伝導部４表面の第１の電極１と第２の電極２間の部位で析出することになる。【０１３５】
このように、析出物７が第１の電極１と第２の電極２間のイオン伝導部４表面に析出する場合、第２の電極２を基準に第３の電極３へ負電圧を印加すると、イオン伝導体中の金属イオンを還元する電子（トンネル電子、絶縁体中で熱励起された電子、不純物や欠陥により生成された電子）はイオン伝導部４の表面に到達し、析出物７からなる金属配線を太くすることに寄与する。【０１３６】
すなわち、第８の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導部４が第１の電極１及び第２の電極２と接触しているが、第１の実施の形態から第７の実施の形態で示した金属原子移動スイッチング素子と同様に、実質的に３端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子である。【０１３７】
第８の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、イオン伝導部４表面の第１の電極１と第２の電極２間の部位でのみ析出物７が成長する（図１１Ｂ参照）。【０１３８】
これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作（例えば、析出物７が第３の電極３の方向へ延び、第３の電極３と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、上述したように、第２の電極２を基準に第３の電極３へ電圧を印加する駆動方法を採用する場合に好都合である。【０１３９】
さらに、第８の実施の形態では、第１の電極１と第２の電極２とがイオン伝導部４を介することなく接続する。イオン伝導部４のイオン伝導体は金属に比べて電気伝導率が小さい。したがって、第１の電極１と第２の電極２とがイオン伝導部４を介して接続するよりもイオン伝導部４を介することなく析出物７からなる金属配線で直接接続する方がオン抵抗が小さくなる。【０１４０】
オン抵抗の低減は、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、スイッチング素子に強く要求されている点である点を考慮すると（背景技術を参照）、非常に重要な効果である。【０１４１】
第１の実施の形態〜第８の実施の形態で示した本発明の金属原子移動スイッチング素子は以下に示す装置や回路に適用可能である。【０１４２】
例えば、本発明の金属原子移動スイッチング素子をプログラム用素子として用いることにより、プログラムの書き換えが可能な集積回路装置（プログラマブルロジック）を得ることができる。【０１４３】
また、本発明の金属原子移動スイッチング素子と、該金属原子移動スイッチング素子がオン状態であるかオフ状態であるかを検出するためのトランジスタとを備えることにより、メモリ素子を得ることも可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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