-
Technisches Gebiet:
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Schaltelemente, die eine elektrochemische
Reaktion verwenden.
-
Hintergrundtechnik:
-
Von
integrierten Speicherschaltungen schließen Schaltelemente mit einer
nichtflüchtigen
Funktion, die ein- oder ausgeschaltet gehalten werden können, selbst
wenn ihre Stromversorgung ausgeschaltet ist, ein Antischmelzsicherungs-Element
als ein erstes konventionelles Beispiel und einen EEPROM (elektrisch
löschbarer
programmierbarer Festwertspeicher) als ein zweites konventionelles
Beispiel ein.
-
Schaltelemente
zum Ausführen
einer nichtflüchtigen
Funktion basierend auf einer elektrochemischen Reaktion schließen einen
Zeitgeber (oder eine elektrochemische Zeitschalteinrichtung) als
ein drittes konventionelles Beispiel und einen PCRAM (programmierbarer
Leiter-Direktzugriffsspeicher) als ein viertes konventionelles Beispiel
ein.
-
Das
Antischmelzsicherungs-Element als das erste konventionelle Beispiel
ist ein Schaltelement mit zwei Zuständen, d. h. einem elektrisch
eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand, und kann irreversibel
von dem ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand gemäß einem
elektrischen oder physikalischen Prozess übergehen. Das Antischmelzsicherungs-Element
als das erste konventionelle Beispiel ist im US-Patent
US 5 070 384 A und im US-Patent
US 5 387 812 A offenbart.
Das Antischmelzsicherungs-Element wird gewöhnlich zwischen zwei Verdrahtungen
gebildet. Wenn eine hohe Spannung selektiv zwischen den Verdrahtungen
angelegt wird, wird das Antischmelzsicherungs-Element programmiert
(Übergang
vom ausgeschalteten Zustand zum eingeschalteten Zustand), wodurch
die Verdrahtungen elektrisch zusammengeschaltet werden. Sogar nach
Ausschalten der Spannung bleibt das Antischmelzsicherungs-Element
im eingeschalteten Zustand.
-
Der
EEPROM als das zweite konventionelle Beispiel, wie im US-Patent
US 4 203 158 A offenbart, weist
eine schwebende Gate-Elektrode auf, die zwischen der Steuergate-Elektrode und der
Kanalschicht eines Transistors angeordnet ist. Wenn die schwebende
Gate-Elektrode elektrische Ladungen speichert, d. h. wenn sie aufgeladen
wird, oder wenn die schwebende Gate-Elektrode elektrische Ladungen
abgibt, d. h. wenn sie entladen wird, ändert sich die Schwellenspannung
des Transistors. Die schwebende Gate-Elektrode wird durch Injizieren von
Elektronen in die schwebende Gate-Elektrode oder Abgeben von Elektronen
aus der schwebenden Gate-Elektrode in Form eines Tunnelstroms geladen oder
entladen, der durch einen Oxidfilm fließt. Da die schwebende Gate-Elektrode durch einen
Isolierfilm umgeben ist, gehen die darin gespeicherten elektrischen
Ladungen nicht verloren, nachdem der EEPROM ausgeschaltet wurde.
Deshalb weist der EEPROM eine nichtflüchtige Fähigkeit auf.
-
In
den letzten Jahren werden Antischmelzsicherungs-Elemente und EEPROMs
in FPL-Schaltungen
verwendet, die integrierte Schaltungen darstellen, deren Hardwarekonfiguration
für jede
Anwendung geändert
werden kann. Ein Beispiel einer FPL-Schaltung ist in der japanischen
offengelegten Patentveröffentlichung
JP 08-78 532 A offenbart.
Die offenbarte FPL-Schaltung weist eine Mehrzahl von Logikschaltungsblöcken, Verdrahtungen,
die die Logikschaltungsblöcke
miteinander verbinden, und Antischmelzsicherungs-Elemente zum Ändern der Verbindung der Verdrahtungen.
Die Antischmelzsicherungs-Elemente
werden als Programmierelemente verwendet. Die durch den Benutzer
ausgewählten Antischmelzsicherungs-Elemente
verbinden Verdrahtungen. Deshalb liefert die FPL-Schaltung eine andere
Hardwarekonfiguration für
eine Auswahl von Antischmelzsicherungs-Elementen zum Verbinden von
Verdrahtungen. FPL-Schaltungen bieten viele Vorteile darin, dass
sie vielseitiger sind als ASICs (anwendungsspezifische integrierte
Schaltungen) und kostengünstig
in einer kurzen Ausführungszeit hergestellt
werden können,
und finden einen sehr schnell wachsenden Absatz.
-
Der
Zeitgeber als das dritte konventionelle Beispiel weist einen geschlossenen
Regelkreis auf, der aus einer Gleichstromversorgung, einer Last
sowie einer ersten und einer zweiten inneren Elektrode aufgebaut
ist. Ein Teil der ersten und zweiten Elektrode wird in eine Elektrolytlösung eingetaucht
und galvanisiert, und eine der ersten und zweiten inneren Elektrode
wird abgeschnitten, wodurch eine Zeit für den Zeitgeber gesetzt wird.
Der Zeitgeber als das dritte konventionelle Beispiel ist in der
japanischen offengelegten Gebrauchsmusterveröffentlichung
JP 02-091 133 U offenbart.
-
Das
elektronische Element als das vierte konventionelle Beispiel, wie
es im US-Patent
US
6 348 365 A1 offenbart ist, ist ein PCRAM, der Silbergermanid/Selenid
verwendet, welches ein silberionenleitendes ionenleitendes Material
(der Ausdruck ”ionenleitendes
Material” hat
die gleiche Bedeutung wie ”Ionenleiter”, der in
der vorliegende Beschreibung verwendet wird) als ein Material zum
Leiten von Ionen darstellt.
-
1 der
beigefügten
Zeichnungen ist eine schematische Querschnittansicht, die eine Struktur des
im US-Patent
US 6 348
365 A1 offenbarten PCRAM zeigt. Wie in
1 gezeigt
ist, sind ein Isoliermaterial
81, leitendes Material
82 und
dielektrisches Material
83 nacheinander auf einem Halbleitersubstrat
87 vorgesehen,
und das dielektrische Material
83 weist teilweise eine
Muldenstruktur (Nutstruktur) auf. Ein ionenleitendes Material
86 und
Metallmaterial
84 werden in der Muldenstruktur angeordnet,
und eine Elektrode
85 wird auf dem Metallmaterial
84 und
dem dielektrischen Material
83 angeordnet. Wenn eine Spannung
zwischen der Elektrode
85 und dem leitenden Material
82 angelegt
wird, wächst
ein als Dendrit bezeichneter Stromweg auf der Oberfläche des
ionenleitenden Materials
86, wodurch die Elektrode
85 und
das leitende Material
82 miteinander verbunden werden.
Wenn eine Gegenspannung angelegt wird, verschwindet der Dendrit, wodurch
die Elektrode
85 und das leitende Material
82 elektrisch
voneinander isoliert werden.
-
Das
Antischmelzsicherungs-Element als das erste konventionelle Beispiel
ist ein Schaltelement, das hauptsächlich in FPL-Schaltungen verwendet wird.
Da der Ein-Widerstand, welches der Widerstand des Antischmelzsicherungs-Elements
ist, wenn es sich im eingeschalteten Zustand befindet, klein ist
(etwa 50 Ω),
hat das Antischmelzsicherungs-Element eine kleine Signalverzögerungszeit. Das
Antischmelzsicherungs-Element
ist jedoch problematisch darin, dass es nicht umprogrammierbar ist.
Wenn die FPL-Schaltung programmiert ist, versagt es daher, Anforderungen
zum Austesten des Programms und Ändern
von Programmen zu erfüllen,
während
es in Betrieb ist.
-
Während der
EEPROM als das zweite konventionelle Beispiel umprogrammierbar ist,
ist der Integrationsgrad desselben momentan niedrig, und der Ein-Widerstand
desselben hat einen großen
Wert von mehreren kΩ,
da er durch den Widerstand des MOS-(Metalloxidhalbleiter)-Transistors
begrenzt ist. Obwohl der EEPROM breite Verwendung als nichtflüchtiger
Speicher findet, ist der Integrationsgrad desselben durch die Dicke
des Isolierfilms begrenzt, die es schwierig gestaltet, den EEPROM
weiter zu integrieren. Außerdem,
wenn der EEPROM in einer FPL-Schaltung verwendet wird, hat er die
Tendenz, eine Signalverzögerung
aufgrund des großen Ein-Widerstands
hervorzurufen.
-
Der
Zeitgeber als das dritte konventionelle Beispiel ist eine Vorrichtung
zum Messen von Zeit, bis die Elektrode durch einen Galvanisierungsprozess
aufgelöst
ist, der auf einer elektrochemischen Reaktion beruht. Der Zeitgeber
kann nicht als ein Schaltelement zum Umschalten zwischen eingeschaltetem
und ausgeschaltetem Zustand arbeiten.
-
Das
elektronische Element als das vierte konventionelle Beispiel ist
grundlegend ein Schalter mit zwei Anschlüssen, der eine elektrochemische Reaktion
verwendet. Der Übergang
des Schalters mit zwei Anschlüssen
zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Zustand wird durch eine
Spannung gesteuert, die zwischen den beiden Anschlüssen des Schalters
angelegt wird. Wenn der Übergang
zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Zustand erfolgt, fließt ein Strom
durch den Schalter, und der Schalter verbraucht eine große Menge
elektrischen Strom. Der Schalter erfordert dicke Verdrahtungen, die
dem zum Verursachen des Übergangs
zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Zustand benötigten Strom
standhalten können,
und erfordert ferner einen Transistor mit einer großen Ansteuerleistung. Obwohl
der Schalter selbst integriert werden kann, ist es schwierig, die
Verdrahtungen und Peripherieschaltungen zu integrieren.
-
-
Offenbarung der Erfindung:
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltelement zu
schaffen, das hoch integriert werden kann, in einem eingeschalteten
Zustand oder einem ausgeschalteten Zustand gehalten werden kann,
selbst wenn das Schaltelement ausgeschaltet ist, einen niedrigen
Widerstand aufweist, wenn es sich im eingeschalteten Zustand befindet, und
sowohl im eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand umprogrammiert
werden kann, und ein Verfahren zum Ansteuern des Schaltelements.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Schaltelement gemäß Patentanspruch 1 und der
Ansprüchen
3, 4 und 5 gelöst;
die abhängigen
Ansprüche
beziehen sich auf vorteilhafte Entwicklungen der Erfindung.
-
Ein
Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen darin leiten kann, eine
erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem
Ionenleiter angeordnet sind, sowie eine dritte Elektrode, die in
Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist und die Metallionen umfasst,
wobei ein Elektrodenzwischenabstand L1 zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode, ein Elektrodenzwischenabstand L2 zwischen
der ersten Elektrode und der dritten Elektrode und ein Elektrodenzwischenabstand
L3 zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode die
Bedingung gemäß dem folgenden
Ausdruck erfüllen: L1 < L2 × 2 und
L1 < L3 × 2.
-
Der
vorliegenden Erfindung zufolge, kann Metall zwischen der ersten
Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagert werden, und das abgelagerte Metall
kann durch Steuern einer an die dritte Elektrode angelegten Spannung
aufgelöst
werden. Das Schaltelement kann zwischen einem Zustand, in dem die
erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander
verbunden sind, und einem Zustand umschalten, in dem die erste Elektrode
und die zweite Elektrode nicht elektrisch verbunden sind.
-
In
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode 0,5 μm
oder weniger betragen. Wenn der Elektrodenabstand zwischen der ersten
Elektrode und der zweiten Elektrode 0,5 μm oder weniger ist, kann das
Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung in zahlreiche integrierte Schaltungen eingebaut werden.
-
Das
Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung
kann auf einem Substrat angeordnet werden, das mit einem Isolierfilm
oder einem Isoliersubstrat bedeckt ist. Gemäß einem Aspekt dieser Anordnung,
können
die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Substrat so
angeordnet werden, dass sie voneinander getrennt sind, und der Elektrodenzwischenabstand
zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kann 0,5 μm oder weniger betragen,
der Ionenleiter kann angeordnet sein, um die erste Elektrode und
die zweite Elektrode zu bedecken, und die dritte Elektrode kann
auf dem Ionenleiter angeordnet werden. Gemäß einem anderen Aspekt kann
die dritte Elektrode auf dem Substrat angeordnet werden, kann der
Ionenleiter auf der dritten Elektrode angeordnet werden, können die
erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Ionenleiter in voneinander
beabstandetem Verhältnis
angeordnet werden und kann der Elektrodenzwischenabstand zwischen
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 0,5 μm oder weniger
betragen. Gemäß noch einem
anderen Aspekt, kann die erste Elektrode auf dem Substrat angeordnet
werden, kann der Ionenleiter auf der ersten Elektrode angeordnet
werden, können
die zweite Elektrode und die dritte Elektrode auf dem Ionenleiter
angeordnet werden und kann der Elektrodenzwischenabstand zwischen
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gleich oder größer als
die Filmdicke des Ionenleiters sein. Bei beiden dieser Aspekte kann
eine integrierte Schaltung kombiniert mit einem Halbleiterelement
einfach gebildet werden.
-
Bei
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine wesentliche elektrische Charakteristik zwischen
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch Anlegen einer
Spannung an die dritte Elektrode gesteuert werden. Die elektrische Charakteristik
kann elektrische Leitfähigkeit
darstellen.
-
In
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung können
die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander
verbunden sein, um das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand
zu bringen, durch Anlegen einer Spannung, die positiv in Bezug zu
mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
ist, an die dritte Elektrode, und die erste Elektrode und die zweite Elektrode
können
voneinander isoliert werden, um das Schaltelement in einen ausgeschalteten
Zustand zu bringen, durch Anlegen einer Spannung, die negativ in
Bezug zu mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
ist, an die dritte Elektrode.
-
Bei
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die zweite Elektrode ein Metall aufweisen, das basierend
auf einer elektrochemischen Reaktion in den Ionenleiter auflösbar ist.
In diesem Fall können
die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander
verbunden werden, um das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand
zu bringen, entweder durch Anlegen einer Spannung, die positiv in
Bezug zu der ersten Elektrode ist, an die zweite Elektrode, oder
durch Anlegen einer Spannung, die positiv in Bezug zu mindestens einer
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte
Elektrode, und die erste Elektrode und die zweite Elektrode können voneinander
isoliert werden, um das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand
zu bringen, entweder durch Anlegen einer Spannung, die negativ in
Bezug zur ersten Elektrode ist, an die zweite Elektrode, oder durch
Anlegen einer Spannung, die negativ in Bezug zu mindestens einer
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte
Elektrode.
-
Bei
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung soll mindestens eine der ersten Elektrode, der zweiten
Elektrode und der dritten Elektrode einen spitzen Teil auf einer
Oberfläche
derselben aufweisen, der in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten
wird.
-
Bei
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung, kann der Ionenleiter entweder ein Calcogenidmaterial,
das ein zu der Gruppe 6B des Periodensystems gehörendes Element einschließt, Metallionenglas
oder einen amorphen Metallionenhalbleiter aufweisen.
-
Bei
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung können
der Ionenleiter und die dritte Elektrode entweder aus Kupfersulfid
bzw. Kupfer, oder Silbersulfid bzw. Silber bestehen, und Teile der ersten
Elektrode und der zweiten Elektrode, die mit dem Ionenleiter in
Kontakt gehalten werden, können aus
einem Metall wie zum Beispiel Platin, Aluminium, Gold, Titan, Wolfram,
Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, oder Molybdän, einem Nitrid des Metalls,
einem Silicid des Metalls oder einer Kombination daraus bestehen.
-
Eine
beispielhafte überschreibbare
integrierte Logikschaltung enthält
ein Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung als einen Programmierschalter.
-
Eine
beispielhafte Speichervorrichtung umfasst Speicherzellen, die jeweils
ein Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung und entweder einen MOS-Transistor oder eine Diode aufweisen.
Die Speicherzelle kann einen MOS-Transistor aufweisen, das Schaltelement
kann die zweite Elektrode verbunden mit der Drain-Elektrode des MOS-Transistors, die
erste Elektrode mit einer ersten Bitleitung und die dritte Elektrode
verbunden mit einer ersten Wortleitung aufweisen, und der MOS-Transistor
kann eine Source-Elektrode verbunden mit einer zweiten Bitleitung
aufweisen, die sich von der ersten Bitleitung unterscheidet, und
eine Gate-Elektrode, die mit einer zweiten Wortleitung verbunden
ist, die sich von der ersten Wortleitung unterscheidet.
-
Ein
Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein Schaltelement, das eine elektrochemische Reaktion verwendet
und umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen zum Gebrauch in einer elektrochemischen
Reaktion darin leiten kann, eine erste Elektrode und eine zweite
Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet und in
einem vorbestimmten Abstand voneinander entfernt sind, und eine
dritte Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet
ist, zum Ablagern eines Metalls zwischen der ersten Elektrode und
der zweiten Elektrode aufgrund von Metallionen, wenn eine Spannung zum
Veranlassen, dass das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand übergeht,
an die dritte Elektrode angelegt wird, und Auflösen des abgelagerten Metalls,
um die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch zu trennen,
wenn eine Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen ausgeschalteten
Zustand übergeht,
an die dritte Elektrode angelegt wird.
-
Der
vorliegenden Erfindung zufolge werden, wenn die Spannung zum Veranlassen,
dass das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand übergeht,
an die dritte Elektrode angelegt wird, Metallionen in dem Ionenleiter
von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch eine elektrochemische Reaktion
angezogen, wobei Metall auf die Oberflächen dieser Elektroden abgelagert
wird, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch das
zwischen diesen Elektroden abgelagerte Metall elektrisch miteinander
zu verbinden. Wenn die Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement
in den ausgeschalteten Zustand übergeht,
an die dritte Elektrode angelegt wird, wird das zwischen der ersten
Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagerte Metall als Metallionen
in dem Ionenleiter aufgelöst, wodurch
die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch voneinander
getrennt werden. Da im eingeschalteten Zustand die erste Elektrode
und die zweite Elektrode durch das Metall miteinander verbunden
sind, wird der Widerstand zwischen der ersten Elektrode und der
zweiten Elektrode kleiner gestaltet.
-
Wenn
bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung die Anlegung der Spannung an die dritte Elektrode gestoppt
wird, nachdem das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand oder ausgeschalteten
Zustand gebracht worden ist, wird das Schaltelement in diesem Zustand
gehalten.
-
Der
vorliegenden Erfindung zufolge bleiben die erste Elektrode und die
zweite Elektrode durch das abgelagerte Metall elektrisch miteinander
verbunden, selbst wenn keine Spannung an die dritte Elektrode angelegt
wird, nachdem das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht
wurde. Selbst wenn keine Spannung an die dritte Elektrode angelegt
wird, nachdem das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand gebracht
wurde, bleiben die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch
voneinander getrennt. Deshalb ist das Schaltelement nichtflüchtig gestaltet
und hält
Informationen im eingeschalteten Zustand oder dem ausgeschalteten
Zustand.
-
Ein
Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein Schaltelement, das eine elektrochemische Reaktion verwendet,
und umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen zum Gebrauch in einer elektrochemischen
Reaktion darin leiten kann, eine erste Elektrode, die in Kontakt
mit dem Ionenleiter angeordnet ist, eine zweite Elektrode, die in
Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet und um einen vorbestimmten
Abstand von der ersten Elektrode entfernt ist, zum Ablagern eines
Metalls aufgrund von Metallionen, um die zweite Elektrode elektrisch
mit der ersten Elektrode zu verbinden, wenn eine Spannung zum Veranlassen,
dass das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand übergeht,
an die zweite Elektrode angelegt wird, und zum Auflösen des
abgelagerten Metalls, um die zweite Elektrode elektrisch von der
ersten Elektrode zu trennen, wenn eine Spannung zum Veranlassen,
dass das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand übergeht,
an die zweite Elektrode angelegt wird, und eine dritte Elektrode,
die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist, um einen zwischen
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließenden Strom
zu erhöhen,
wenn eine Spannung, die positiv in Bezug zur ersten Elektrode ist,
an die dritte Elektrode angelegt wird, und den Strom zu reduzieren,
wenn eine Spannung, die negativ in Bezug zur ersten Elektrode ist, an
die dritte Elektrode angelegt wird.
-
Wenn
der vorliegenden Erfindung zufolge die Spannung zum Veranlassen,
dass das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand übergeht,
von der zweiten Elektrode angelegt wird, werden Metallionen in dem
Ionenleiter an die erste Elektrode durch eine elektrochemische Reaktion
angezogen, wobei ein Metall auf der Oberfläche der ersten Elektrode abgelagert
wird, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode mit dem zwischen
diesen Elektroden abgelagerten Metall elektrisch zu verbinden. Wenn
eine Spannung, die positiv in Bezug zur ersten Elektrode ist, an
die dritte Elektrode angelegt wird, steigt die Menge von zwischen
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagertem Metall,
wodurch der zwischen diesen fließende Strom erhöht wird.
Wenn eine Spannung, die negativ in Bezug zur ersten Elektrode ist,
an die dritte Elektrode angelegt wird, nachdem das Schaltelement
in den eingeschalteten Zustand gebracht worden ist, sinkt die Menge
des zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagertem
Metalls, wodurch der zwischen ihnen fließende Strom gesenkt wird. Wenn
die Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in den ausgeschalteten
Zustand übergeht,
an die zweite Elektrode angelegt wird, wird das zwischen der ersten
Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagerte Metall als Metallionen
in dem Ionenleiter aufgelöst,
wodurch die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch
voneinander getrennt werden. Deshalb können der eingeschaltete Zustand
und der ausgeschaltete Zustand durch Anlegen der Spannung an die
zweite Elektrode gesteuert werden, und die Größe des Stroms kann durch Anlegen
der Spannung an die dritte Elektrode gesteuert werden.
-
Ein
Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein Schaltelement, das eine elektrochemische Reaktion verwendet
und umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen zum Gebrauch in einer elektrochemischen
Reaktion darin leiten kann, eine erste Elektrode, die in Kontakt
mit dem Ionenleiter angeordnet ist, eine zweite Elektrode, die in
Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet und in einem vorbestimmten
Abstand von der ersten Elektrode entfernt ist, zum Ablagern eines
Metalls aufgrund von Metallionen, wenn eine vorbestimmte Spannung
an die zweite Elektrode für
eine vorbestimmte Zeit angelegt wird, und eine dritte Elektrode,
die in Kontakt mit dem Ionenleiter zum Ablagern eines Metalls aufgrund
von Metallionen angeordnet ist, um die erste Elektrode und die zweite
Elektrode elektrisch miteinander zu verbinden, wenn eine Spannung
zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen eingeschalteten
Zustand übergeht,
an die dritte Elektrode angelegt wird, nachdem die vorbestimmte
Spannung an die zweite Elektrode für die vorbestimmte Zeit angelegt
worden ist.
-
Wenn
der vorliegenden Erfindung zufolge die Spannung zum Veranlassen,
dass das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand übergeht,
an die dritte Elektrode angelegt wird, nachdem die Spannung an die
zweite Elektrode angelegt wurde, bevor die erste Elektrode und die
zweite Elektrode miteinander durch das durch eine elektrochemische Reaktion
abgelagerte Metall verbunden werden, werden die erste Elektrode
und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden. Wenn
die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander
verbunden sind, wird daher das Fließen eines überschüssigen Strom verhindert, und
der durch das Schaltelement verbrauchte elektrische Strom wird reduziert.
-
Bei
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die dritte Elektrode ein Material zum Liefern von
Metallionen an den Ionenleiter aufweisen, und Teile der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten
werden, können
aus einem Material bestehen, das nicht mit dem Ionenleiter reagiert.
-
Da
der vorliegenden Erfindung zufolge Metallionen von der dritten Elektrode
dem Innenleiter durch eine elektrochemische Reaktion zugeführt werden,
wird die Ionenleitfähigkeit
erhöht,
wodurch die Geschwindigkeit erhöht
wird, bei der das Schaltelement Übergänge zwischen
dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten ausführt.
-
Bei
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung können
die dritte Elektrode und die zweite Elektrode ein Material zum Liefern
von Metallionen an den Ionenleiter aufweisen, und ein Teil der erste
Elektrode, der in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten wird, kann
aus einem Material bestehen, das nicht mit dem Ionenleiter reagiert.
-
Da
der vorliegenden Erfindung zufolge Metallionen dem Ionenleiter von
der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode durch eine elektrochemische
Reaktion zugeführt
werden, steigt die Ionenleitfähigkeit,
was die Geschwindigkeit erhöht,
bei der das Schaltelement Übergange
zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand
ausführt.
-
Bei
dem Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung können
die erste Elektrode und die zweite Elektrode in einer Ebene parallel
zu einem Planaren Muster der dritten Elektrode ausgebildet werden,
kann mindestens eine der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
ein planares Muster mit einem spitzen Teil aufweisen und kann der
kürzeste Abstand
zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch den
Abstand des spitzen Teils einer der Elektroden zu der anderen Elektrode
dargestellt werden.
-
Da
der vorliegenden Erfindung zufolge der kürzeste Abstand zwischen den
Elektroden gleich dem Abstand des spitzen Teils einer der Elektroden zu
der anderen Elektrode ist, kann die Elektrode mit dem spitzen Muster
elektrisch mit der anderen Elektrode verbunden werden, wenn Kupfer
zumindest in der Nähe
des spitzen Teils abgelagert wird. Deshalb muss kein überschüssiges Kupfer
abgelagert werden, wodurch Übergang
des Schaltelements von dem ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten
Zustand bei einer erhöhten
Geschwindigkeit ermöglicht
wird. Das Schaltelement darf ferner bei einer erhöhten Geschwindigkeit
von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand übergehen,
da das Metall in der Nähe
des spitzen Teils aufgelöst
werden kann, um das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand
zu bringen.
-
Die
beispielhafte überschreibbare
integrierte Logikschaltung, die die oben aufgeführte Aufgabe lösen kann,
enthält
eines der oben genannten Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung
als einen Programmierschalter. Beispielsweise kann eine Logikschaltung
frei eingerichtet werden, indem veranlasst wird, dass das als das
Programmierelement verwendete Schaltelement im eingeschalteten Zustand
oder ausgeschalteten Zustand ist.
-
Die
beispielhafte Speichervorrichtung die die oben aufgeführte Aufgabe
lösen wird,
weist eines der oben genannten Schaltelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung und einen Transistor zum Lesen von Informationen auf,
die angeben, ob sich das Schaltelement im eingeschalteten Zustand
oder ausgeschalteten Zustand befindet. Der vorliegenden Erfindung
zufolge wird, nachdem das Schaltelement basierend auf einer elektrochemischen
Reaktion in den eingeschalteten Zustand oder den ausgeschalteten
Zustand gebracht wurde, das Schaltelement in diesem Zustand gehalten,
selbst wenn keine Spannung an die dritte Elektrode und die zweite
Elektrode angelegt wird. Die Speichervorrichtung kann daher als
ein nichtflüchtiger
Speicher verwendet werden.
-
Der
vorliegenden Erfindung zufolge wird daher ein Schaltelement geschaffen,
das bedarfsgemäß durch
Anlegen einer vorbestimmten Spannung an mindestens eine der dritten
Elektrode und der zweiten Elektrode in den eingeschalteten Zustand oder
ausgeschalteten Zustand eingestellt werden kann und nichtflüchtig ist
und einen kleineren Widerstand aufweist, wenn es sich im eingeschalteten
Zustand befindet. Da das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung
eine einfache und sehr kleine Struktur aufweist, kann es darüber hinaus
in viel kleinerer Auslegung als bisher hergestellt werden.
-
Wenn
das Schaltelement in eine FPL-Schaltung eingebaut ist, dann ist
die FPL-Schaltung umprogrammierbar und kann bei einer hohen Geschwindigkeit
arbeiten.
-
Wenn
das Schaltelement als ein Informationsspeichermittel in einer Speichervorrichtung
verwendet wird, dann steht die Speichervorrichtung als nichtflüchtiger
Speicher mit hohen Schreib- und Leseraten zur Verfügung. Da
das Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung eine einfache und sehr kleine Struktur hat, kann die Speichervorrichtung
als eine hochintegrierte Hochgeschwindigkeitsspeichervorrichtung
hergestellt werden.
-
Mit
einem Herstellungsprozess kann das Schaltelement konsistent und
akkurat unter Verwendung der konventionellen Technik zum Herstellen von
integrierten Halbleiterschaltungen hergestellt werden. Deshalb können das
Schaltelement, die FPL-Schaltung und die Speichervorrichtung, die
das Schaltelement enthalten, bei niedrigen Kosten hergestellt werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
-
1 ist
eine schematische Querschnittansicht eines elektronischen Elements
als ein viertes konventionelles Beispiel;
-
2 ist
eine Querschnittansicht, die die Struktur eines Schaltelements gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
3A ist
ein Kurvenbild, das elektrische Charakteristiken des Schaltelements
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
3B ist
ein Kurvenbild, das elektrische Charakteristiken des Schaltelements
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
4 ist
eine Ansicht, die eine elektrochemische Reaktion des Schaltelements
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
-
5 ist
eine Querschnittansicht einer Struktur eines Schaltelements gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
6A ist
eine Draufsicht, die ein Beispiel eines ebenen Musters einer Source-Elektrode
und einer Drain-Elektrode zeigt;
-
6B ist
eine Draufsicht, die ein anderes Beispiel eines ebenen Musters einer
Source-Elektrode
und einer Drain-Elektrode zeigt;
-
7 ist
ein Ablaufdiagramm einer Sequenz für die Rückmeldungssteuerung einer Gate-Spannung;
-
8A ist
eine Querschnittsansicht einer anderen Struktur des Schaltelements
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform;
-
8B ist
eine Querschnittsansicht noch einer anderen Struktur des Schaltelements
gemäß der ersten
Ausführungsform;
-
8C ist
eine Querschnittsansicht noch einer anderen Struktur des Schaltelements
gemäß der ersten
Ausführungsform;
-
9 ist
eine Graphik, die elektrische Charakteristiken des Schaltelements
gemäß der ersten Ausführungsform
zeigt, in der ein Ionenleiter aus Kupfersulfid besteht, das durch
anodische Polarisierung gebildet wird;
-
10 ist
eine Graphik, die elektrische Charakteristiken des Schaltelements
gemäß der ersten Ausführungsform
zeigt, in der ein Ionenleiter aus Kupfersulfid besteht, das durch
Laser-Ablation hergestellt wird;
-
11 ist
eine Querschnittsansicht einer Struktur eines Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
12 ist
eine Querschnittansicht, die eine Struktur eines Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, wenn sie für
eine FPL-Schaltung angewendet wird;
-
13 ist
ein Schaltbild einer Speichervorrichtung, die Schaltelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung und MOS-Transistoren aufweist.
-
Beste Art zur Ausführung der Erfindung:
-
Ein
Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung
ist wie folgt gekennzeichnet: Eine an eine dritte Elektrode angelegte
Spannung wird so gesteuert, dass ein Metall zwischen einer ersten
Elektrode und einer zweiten Elektrode abgelagert wird, um die erste
Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander zu verbinden,
d. h. einen eingeschalteten Zustand zu erreichen. Das zwischen der
ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagerte Metall wird
aufgelöst,
um die erste Elektrode und die zweite Elektrode zu trennen, d. h.
um einen ausgeschalteten Zustand zu erreichen. Jeder dieser Zustände wird
gehalten, selbst wenn die Spannung nicht weiter an die dritte Elektrode
angelegt wird.
-
Im
Folgenden sollen Anordnungen der vorliegenden Erfindung beschrieben
werden. In der folgenden Beschreibung und den 2, 3A, 3B, 5, 6A, 6B, 8A, 8B, 8C, 9, 10, 11 und 12 entspricht
die erste Elektrode einer Source-Elektrode, die zweite Elektrode
einer Drain-Elektrode und die dritte Elektrode einer Gate-Elektrode.
-
2 ist
eine Querschnittansicht, die eine Struktur eines Schaltelements
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
-
Wie
in 2 gezeigt ist, umfasst das Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Source-Elektrode 1 und eine Drain-Elektrode 2,
die auf einem ein Siliziumsubstrat darstellenden Substrat 5 angeordnet
sind, welches mit einem Siliziumoxidfilm als einem Isolierfilm bedeckt
ist, und um einem vorbestimmten Abstand voneinander entfernt sind, einen
Ionenleiter 4, der in Kontakt mit der Source-Elektrode 1 und
der Drain-Elektrode 2 angeordnet ist
und Metallionen für
eine elektrochemische Reaktion enthält, und eine Gate-Elektrode 3,
die auf dem Ionenleiter 4 angeordnet ist. Die Gate-Elektrode 3 dient zum
Steuern der Leitfähigkeit
zwischen der Source-Elektrode 1 und der Drain-Elektrode 2 abhängig von
der Größe der an
die Gate-Elektrode 3 angelegten Spannung. Die Source-Elektrode 1,
die Drain-Elektrode 2 und die Gate-Elektrode 3 sind
elektrisch voneinander isoliert.
-
Die
Gate-Elektrode 3 umfasst ein Material zum Liefern von Metallionen
an den Ionenleiter 4 basierend auf einer elektrochemischen
Reaktion. Die Teile der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2, die
in Kontakt mit dem Ionenleiter 4 gehalten werden, bestehen
aus einem Material, das nicht elektrochemisch mit dem Ionenleiter 4 reagiert.
Deshalb liefern die Source-Elektrode 1 und die Drain-Elektrode 2 keine
Metallionen an den Ionenleiter 4.
-
Im
Folgenden soll der Betrieb des so aufgebauten Schaltelements beschrieben
werden.
-
Wenn
eine Spannung, die positiv in Bezug zur Source-Elektrode 1 und
Drain-Elektrode 2 ist, an die Gate-Elektrode 3 angelegt
wird, wird ein Metall auf der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2, die
nahe beieinander positioniert sind, aufgrund einer Reduktionsreaktion
von Metallionen abgelagert. Das Metall, das in einem Spalt zwischen
den Elektroden 6 ablagert wird, über dem die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 voneinander
um einen vorbestimmten Abstand entfernt sind, verbindet die Source-Elektrode 1 und
Drain-Elektrode 2 elektrisch miteinander, woraufhin das
Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand übergeht. Wenn eine Spannung,
die negativ in Bezug zur Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 ist,
an die Gate-Elektrode 3 angelegt wird, wird das in dem
Spalt 6 zwischen den Elektroden abgelagerte Metall zu Metallionen
oxidiert, die in dem Ionenleiter 4 aufgelöst werden.
Das Metall wird jetzt aus dem Spalt 6 zwischen den Elektroden
entfernt, wodurch Übergang
des Schaltelements in einen ausgeschalteten Zustand verursacht wird.
Der Spalt 6 zwischen den Elektroden stellt den kürzesten
Abstand zwischen der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 dar.
-
Der
ein- und der ausgeschaltete Zustand des Schaltelements werden gehalten,
selbst wenn die Spannungen nicht mehr an die Gate-Elektrode 3 angelegt
werden. Nach Erreichen des eingeschalteten Zustands wird das Metall
abhängig
von der Zeit abgelagert oder aufgelöst, während der die Spannung an die
Gate-Elektrode 3 angelegt wird, und der angelegten Spannung,
wodurch die an die Gate-Elektrode 3 angelegte Spannung
die Leitfähigkeit
zwischen der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 steuern kann.
-
Wenn
der Elektrodenzwischenabstand zwischen der Source-Elektrode 1 und
der Drain-Elektrode 2 durch
L1, der Elektrodenzwischenabstand zwischen der Source-Elektrode 1 und
der Gate-Elektrode 3 durch L2 und der Elektrodenzwischenabstand zwischen
der Drain-Elektrode 2 und der Gate-Elektrode 3 durch
L3 dargestellt werden, dann können
die Source-Elektrode 1, die Drain-Elektrode 2 und
die Gate-Elektrode 3 positioniert werden, um die Bedingung
gemäß dem folgenden
Ausdruck (1) zu erfüllen: L1 < L2 × 2 und
L1 < L3 × 2 (1)
-
Bei
dem Schaltelement, das zum Erfüllen
der Bedingung gemäß Ausdruck
(1) aufgebaut ist, wird, wenn Wachsen eines Metall sowohl von der
Source-Elektrode 1 als auch der Drain-Elektrode 2 erfolgt, verhindert,
dass die Source-Elektrode und Gate-Elektrode oder die Drain-Elektrode
und Gate-Elektrode elektrisch miteinander verbunden werden, bevor
die Source-Elektrode und Drain-Elektrode durch das gewachsene Metall
elektrisch miteinander verbunden werden.
-
Die
Source-Elektrode 1, die Drain-Elektrode 2 und
die Gate-Elektrode 3 können
positioniert werden, um die Bedingung des folgenden Ausdrucks (2) zu
erfüllen: L1 < L2 × 1 und
L1 < L3 × 1 (2)
-
Bei
dem Schaltelement, das zum Erfüllen
der Bedingung gemäß Ausdruck
(2) aufgebaut ist, wird, wenn Wachsen eines Metalls von einer der
Source-Elektrode und der Drain-Elektrode
erfolgt, im wesentlichen verhindert, dass die Source-Elektrode und Gate-Elektrode oder Drain-Elektrode
und Gate-Elektrode elektrisch miteinander verbunden werden, bevor
die Source-Elektrode und Drain-Elektrode durch das gewachsene Metall
elektrisch miteinander verbunden werden. Wenn die elektrische Leitfähigkeit zwischen
Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 durch
die an die Gate-Elektrode 3 angelegte Spannung zu steuern
ist, ermöglicht
es die Anordnung, die die Bedingung gemäß Ausdruck (2) erfüllt, einen
variablen Grenzwert der an die Gate-Elektrode 3 angelegten
Spannung zu erhöhen.
-
Außerdem können die
Source-Elektrode 1, die Drain-Elektrode 2 und
die Gate-Elektrode 3 positioniert werden, um die Bedingung
gemäß dem folgenden
Ausdruck (3) zu erfüllen: L1 < L2 × 1/2 und
L1 < L3 × 1/2 (3)
-
Bei
dem Schaltelement, das zum Erfüllen
der Bedingung gemäß Ausdruck
(3) aufgebaut ist, wird zuverlässig
verhindert, dass Source-Elektrode und Gate-Elektrode oder Drain-Elektrode und Gate-Elektrode
elektrisch durch Metall miteinander verbunden werden, das von der
Source-Elektrode und/oder Drain-Elektrode gewachsen ist.
-
Je
kleiner der Elektrodenzwischenabstand L1 zwischen Source-Elektrode 1 und
Drain-Elektrode 2 ist,
desto niedriger ist die an die Gate-Elektrode 3 angelegte
Spannung, wodurch ein geringerer Verbrauch von elektrischem Strom
des Schaltelements ermöglicht
wird und ferner zugelassen wird, dass das Schaltelement schneller
zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand
umschaltet. Wenn der Elektrodenzwischenabstand L1 0,5 μm oder kleiner
ist, kann das Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung in verschiedene integrierte Schaltungen eingebaut werden.
Wenn der Elektrodenzwischenabstand L1 jedoch zu klein ist, steigt
ein Kriechstrom, der fließt,
wenn eine Spannung zwischen der Source-Elektrode und Drain-Elektrode
angelegt wird. Der Elektrodenzwischenabstand L1 kann so festgelegt
werden, dass der Kriechstrom 1/10 oder weniger des zwischen der
Source-Elektrode und Drain-Elektrode fließenden Stroms betragen wird.
-
Im
Folgenden sollen elektrische Charakteristiken des in 2 gezeigten
Schaltelements beschrieben werden.
-
Die 3A und 3B sind
Graphiken, die elektrische Charakteristiken des Schaltelements zeigen.
In den 3A und 3B stellt
die horizontale Achse die Gate-Spannung dar, welche die an die Gate-Elektrode 3 des
in 2 gezeigten Schaltelements angelegte Spannung
ist, und die vertikale Achse den Drain-Strom, welcher den zwischen
der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 fließenden Strom
darstellt.
-
In
dem Schaltelement, das zum Vornehmen der in 3A gezeigten
Messung verwendet wird, weist ein Ionenleiter 4 eine wässerige
Lösung
aus Kupfersulfid auf, bestehen die Source-Elektrode 1 und
die Drain-Elektrode 2 aus Platin (Pt), welches nicht in
dem Ionenleiter 4 lösbar
ist, und besteht die Gate-Elektrode aus Kupfer (Cu), das elektrochemisch
mit dem Ionenleiter 4 reagieren kann.
-
Wie
in 3A gezeigt ist, zeigt bei Anlegung einer konstanten
Spannung zwischen der Drain-Elektrode 2 und der Source-Elektrode 1 und wiederholter Änderung
einer Potentialdifferenz zwischen der Gate-Elektrode 3 und
Source-Elektrode 1 die Leitfähigkeit zwischen der Drain-Elektrode 2 und Source-Elektrode 1 eine
Hysterese. Die hysteresische Leitfähigkeit soll im Folgenden ausführlich beschrieben
werden.
-
In
einem Anfangszustand ohne angelegte Spannung befindet sich das Schaltelement
in einem ausgeschalteten Zustand und es fließt beinahe kein Drain-Strom.
Wenn die an die Gate-Elektrode 3 angelegte Gate-Spannung
positiv von 0 V auf + 0,3 V im ausgeschalteten Zustand geändert wird,
fließt
ein Drain-Strom von etwa 1,2 mA, der den Übergang des Schaltelements
in den eingeschalteten Zustand verursacht. Wenn die Gate-Spannung
negativ auf –0,16 V
im eingeschalteten Zustand geändert
wird, fließt beinahe
kein Drain-Strom, wodurch Übergang
des Schaltelements in den ausgeschalteten Zustand verursacht wird.
Wenn die Gate-Spannung im Bereich von –0,16 V bis +0,3 V liegt, erfolgt
daher kein Schalterübergang,
und das Schaltelement wird stabil in dem eingeschalteten Zustand
oder dem ausgeschalteten Zustand gehalten. Es ist möglich, den Übergang
des Schaltelements zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem
ausgeschalteten Zustand so viele Male wie gewünscht durch wiederholtes Variieren
der Gate-Elektrode
zu veranlassen.
-
Die
Ursachen, warum das Schaltelement Übergänge zwischen dem eingeschalteten
Zustand und dem ausgeschalteten Zustand wie in 3A gezeigt
ausführt,
sollen im Folgenden beschrieben werden.
-
4 ist
eine Ansicht, die die Ablagerung und Auflösung von Kupfer aufgrund einer
elektrochemischen Reaktion darstellt.
-
Wie
in 4 gezeigt ist, werden eine Goldelektrode und eine
Kupferelektrode in einen Ionenleiter in Form einer gemischten Lösung aus
Kupfersulfat und Schwefelsäure
eingetaucht, und eine Spannung wird von einer Spannungsquelle an
die Kupferelektrode als eine positive Elektrode und die Goldelektrode
als eine negative Elektrode angelegt. Da die gemischte Lösung eine
Verkupferungslösung
ist, wird das Kupfer der Kupferelektrode als Kupferionen in dem
Ionenleiter aufgelöst,
und Kupfer wird auf der Goldelektrode abgelagert. Auf diese Weise
wird Kupfer durch eine solche elektrochemische Reaktion abgelagert
und aufgelöst.
-
Das
Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet die in 4 gezeigte elektrochemische
Reaktion. Die in 4 gezeigte Kupferelektrode entspricht
der in 2 gezeigten Gate-Elektrode 3, und die
in 4 gezeigte Goldelektrode entspricht der Source-Elektrode 1 und
der Drain-Elektrode 2, die in 2 gezeigt
sind.
-
Die
in 4 gezeigte elektrochemische Reaktion soll unter
Bezugnahme auf das in 2 gezeigte Schaltelement beschrieben
werden.
-
Wenn
Kupfer auf die Oberflächen
der Source-Elektrode 1 und der Drain-Elektrode 2 durch
die oben beschriebene elektrochemische Reaktion abgelagert wird,
wird der Elektrodenzwischenspalt 6 mit Kupfer gefüllt, das
die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 elektrisch verbindet,
um Übergang des
Schaltelements in den eingeschalteten Zustand zu veranlassen. Nachdem
das Schaltelement in den in 3A gezeigten
eingeschalteten Zustand übergegangen
ist, steigt der Drain-Strom bei der Gate-Elektrode, wenn die angelegte
Spannung größer als
+0,3 V gestaltet wird. Dies bedeutet, dass die Leitfähigkeit
zwischen der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 steigt,
wenn die abgelagerte Menge von Kupfer zunimmt.
-
Wenn
das in den Elektrodenzwischenspalt 6 abgelagerte Kupfer
durch die elektrochemische Reaktion in dem Ionenleiter aufgelöst wird,
wird das Kupfer aus dem Elektrodenzwischenspalt 6 entfernt, wodurch
die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 elektrisch
getrennt werden und Übergang
des Schaltelements in den ausgeschalteten Zustand verursacht wird.
-
Die
Geschwindigkeit des Übergangs
zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand
soll im Folgenden beschrieben werden.
-
Wenn
von der Gate-Elektrode 3 gelöste Kupferionen zur Oberfläche der
Source-Elektrode 1 oder der Drain-Elektrode 2 wandern
und an Elektronen gekoppelt werden, wird Kupfer abgelagert, wodurch
die Source-Elektrode 1 und die Drain-Elektrode 2 elektrisch
miteinander verbunden werden. Wenn das Kupfer, das den Elektrodenzwischenspalt 6 zwischen der
Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 füllt, aufgelöst wird,
werden die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 elektrisch
voneinander getrennt. Die Geschwindigkeit des Übergangs zwischen dem eingeschalteten
Zustand und dem ausgeschalteten Zustand wird daher durch die Geschwindigkeit
bestimmt, mit der die Metallionen im Ionenleiter 4 wandern,
und durch die Rate der elektrochemischen Reaktion. Die Geschwindigkeit,
mit der die Metallionen im Ionenleiter 4 wandern, hängt von
der Ionenleitfähigkeit
und der Gate-Spannung ab.
-
Das
Schaltelement, das die in 3B gezeigten
elektrischen Charakteristiken aufweist, soll im Folgenden beschrieben
werden.
-
In
dem Schaltelement, das zum Vornehmen der in 3B gezeigten
Messungen verwendet wird, weist der Ionenleiter 4 eine
wässerige
Lösung
aus Kupfersulfid auf, besteht die Source-Elektrode 1 aus Platin
(Pt) und bestehen die Gate-Elektrode 3 und die Drain-Elektrode 2 aus
Kupfer (Cu), das elektrochemisch mit dem Ionenleiter 4 reagieren
kann.
-
Wie
in 3B gezeigt ist, weist bei Anlegen einer konstanten
Spannung zwischen der Drain-Elektrode 2 und der Source-Elektrode 1 und wiederholter Änderung
einer Potentialdifferenz zwischen der Gate-Elektrode 3 und
der Source-Elektrode 1 die Leitfähigkeit zwischen der Drain-Elektrode 2 und
der Source-Elektrode 1 eine Hysterese auf. Die hysteresische
Leitfähigkeit
soll im Folgenden detailliert beschrieben werden.
-
In
einem Anfangszustand ohne angelegte Spannung befindet sich das Schaltelement
im ausgeschalteten Zustand, und es fließt beinahe kein Drain-Strom.
Wenn die an die Gate-Elektrode 3 angelegte
Gate-Spannung im ausgeschalteten Zustand positiv von 0 V auf +0,75
V geändert
wird, fließt
ein Drain-Strom von etwa 2 mA, der den Übergang des Schaltelements
in den eingeschalteten Zustand verursacht. Wenn die Gate-Spannung
im eingeschalteten Zustand negativ auf –0,4 V geändert wird, fließt beinahe
kein Drain-Strom,
wodurch das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergeht. Wenn
die Gate-Spannung im Bereich von –0,4 V bis +0,75 V liegt, erfolgt
daher kein Schaltübergang,
und das Schaltelement wird stabil im eingeschalteten Zustand oder
ausgeschalteten Zustand gehalten. Es ist möglich, den Übergang des Schaltelements
zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand
so viele Male wie gewünscht durch
wiederholtes Variieren der Gate-Elektrode zu veranlassen.
-
Da
in den Anordnungen des Schaltelements, das zum Ausführen der
in den 3A und 3B gezeigten
Messungen verwendet wird, die Drain-Elektrode aus Kupfer besteht,
das elektrochemisch mit dem Ionenleiter 4 reagieren kann,
kann Übergang
des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand oder den ausgeschalteten
Zustand verursacht werden, indem eine Spannung zwischen der Drain-Elektrode
und der Source-Elektrode angelegt wird.
-
Im
obigen Beispiel weist der Ionenleiter 4 eine Elektrolytlösung in
Form einer gemischten wässerigen
Lösung
aus Kupfersulfat und Schwefelsäure auf.
Der Ionenleiter 4erzeugt jedoch auch in anderen Formen
die gleiche Wirkung wie oben beschrieben. Ionenleiter sind grob
in zwei Typen klassifiziert, d. h. eine Flüssigkeit und einen Feststoff.
Der flüssige
Ionenleiter ist eine Elektrolytlösung,
die oben beschrieben wurde, und der feste Ionenleiter ist ein fester Elektrolyt,
in dem sich Metallionen frei wie in einer Lösung bewegen können. Wenn
das Schaltelement in eine integrierte Schaltung eingebaut ist, dann
ist der feste Ionenleiter zum Gebrauch in dem Schaltelement geeignet.
Insbesondere Silberionen und Kupferionen weisen Ionenleitfähigkeit
in einem geeigneten festen Elektrolyten, z. B. Silbersulfid oder
Kupfersulfid auf. Die Erfinder haben festgestellt, dass wie Kupferionen
in einer gemischten wässerigen
Lösung aus
Kupfersulfat und Schwefelsäure,
Silberionen in Silbersulfid und Kupferionen in Kupfersulfid ein Schaltphänomen aufweisen,
das auf dem Übergang zwischen
dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand basiert.
Bekannte Materialien, in denen Silberionen und Kupferionen wandern, umfassen
Metallionenglas und amorphen Metallionenhalbleiter, anders als Calcogenide,
die zur Gruppe 6B des Periodensystems gehörende Elemente einschließen.
-
Elemente,
die auf den oben aufgeführten
Betriebsprinzipien basieren, sind bisher im technischen Gebiet nicht
bekannt gewesen, und die Erfinder haben zum ersten Mal den Mechanismus
solcher Elemente ersonnen und geprüft.
-
1. Ausführungsform
-
Von
den Schaltelementen gemäß der vorliegenden
Erfindung soll im Folgenden ein Schaltelement beschrieben werden,
das einen festen Elektrolyt als einen Ionenleiter verwendet.
-
5 ist
eine Querschnittansicht der Struktur eines Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in 5 gezeigt ist, umfasst das Schaltelement 10 eine
Gate-Elektrode 13,
die auf einem Substrat 15 angeordnet ist, das mit einem
Siliziumfilm als ein Isolierfilm bedeckt ist, einen Ionenleiter 14,
die auf der Gate-Elektrode 13 angeordnet ist, und eine
Source-Elektrode 11 und eine Drain-Elektrode 12,
die auf dem Ionenleiter 14 angeordnet sind. Die Source-Elektrode 11 und
die Drain-Elektrode 12 sind in einer Ebene angeordnet,
wobei zwischen denselben ein Spalt von 100 nm oder weniger definiert
ist. Die Source-Elektrode 11, die Drain-Elektrode 12 und die
Gate-Elektrode 13 sind elektrisch voneinander isoliert.
-
Die
Gate-Elektrode 13 umfasst ein Material zum Liefern von
Metallionen zum Ionenleiter 14 basierend auf einer elektrochemischen
Reaktion. Der Ionenleiter 14 sollte vorzugsweise einen
festen Elektrolyten mit einer kleinstmöglichen Elektronenleitfähigkeit
aufweisen, da, je größer die
Elektronenleitfähigkeit
ist, desto größer der
Kriechstrom ist, der fließt, wenn
sich das Schaltelement 10 im ausgeschalteten Zustand befindet.
Die Teile der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12,
die in Kontakt mit dem Innenleiter 14 gehalten werden,
bestehen aus einem Material, das keine elektrochemische Reaktion
mit dem Ionenleiter 14 eingeht. Deshalb liefern die Source-Elektrode 11 und
die Drain-Elektrode 12 keine Metallionen an den Ionenleiter 14,
obwohl sie in Kontakt mit dem Ionenleiter 14 gehalten werden.
-
Materialien,
die nicht mit dem Ionenleiter 14 reagieren, schließen Metalle
wie zum Beispiel Platin, Aluminium, Gold, Titan, Wolfram, Vanadium,
Niob, Tantal, Chrom, Molybdän,
etc. ein. Materialien, die kaum chemisch reagieren und ionisierbar
sind, können
Nitride der obigen Metalle oder Siliziumverbindungen (Silicide)
wie zum Beispiel Silicide der obigen Metalle darstellen. Die Teile
der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12, die in Kontakt
mit dem Ionenleiter 14 gehalten werden, müssen nicht
aus einem gemeinsamen Material bestehen, sondern können jeweils
aus einem der obigen Metalle und Verbindungen bestehen.
-
Im
Folgenden sollen Planare Muster der Source-Elektrode 11 und
Drain-Elektrode 12 beschrieben werden.
-
Die 6A und 6B sind
Draufsichten, die Beispiele planarer Muster der Source-Elektrode 11 und
Drain-Elektrode 12 zeigen.
-
In 6A haben
die Planaren Muster der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 eine rechteckige
Form, und der Spalt zwischen diesen beiden Elektroden ist zwischen
zwei parallelen Seiten derselben definiert.
-
In 6B haben
die Planaren Muster der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12 eine polygonale
Form, und der Spalt zwischen diesen beiden Elektroden, der den kürzesten
Abstand zwischen ihnen darstellt, ist zwischen jeweiligen Scheitelpunkten
der Muster definiert. Da in diesem Fall die Source-Elektrode 11 und
die Drain-Elektrode 12 elektrisch durch Kupfer miteinander
verbunden sind, das zwischen den Scheitelpunkten der Muster abgelagert wurde,
muss Kupfer nicht übermäßig abgelagert
werden, und das Schaltelement darf schneller in den eingeschalteten
Zustand übergehen,
als es bei dem in 6A gezeigten Planaren Muster
der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12 der
Fall ist. Wenn das abgelagerte Kupfer aufgelöst wird, um die Source-Elektrode 11 und
Drain-Elektrode 12 elektrisch zu trennen, geht das Schaltelement
auch schneller in den ausgeschalteten Zustand über. Obwohl der Spalt zwischen
der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 so
dargestellt ist, dass er zwischen den Scheitelpunkten ihrer Muster
in 6B definiert ist, kann einer der Scheitelpunkte
durch eine Seite des Musters ersetzt werden. Eine solche Modifikation
wird weiterhin so betrachtet, dass sie schnelleren Übergang
des Schaltelements in den eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand
als mit den in 6A gezeigten Planaren Muster
zulässt.
Die beiden Elektroden müssen
keine polygonale Form aufweisen, aber eine der Elektroden kann einen
spitzen Teil wie den oben aufgeführten
Scheitelpunkt aufweisen.
-
Im
Folgenden soll der Betrieb des Schaltelements mit der obigen Struktur
beschrieben werden.
-
Die
Source-Elektrode 11 wird geerdet, eine Spannung von +0,1
V wird an die Drain-Elektrode 12 angelegt,
und eine positive Spannung wird an die Gate-Elektrode 13 angelegt.
Ein zwischen der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 fließender Drain-Strom wird beobachtet,
der den Übergang
des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand verursacht. Nachdem
das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand übergegangen
ist, steigt der Drain-Strom, wenn die an die Gate-Elektrode 13 angelegte
Gate-Spannung erhöht
wird. Wenn eine negative Spannung an die Gate-Elektrode 13 angelegt wird,
sinkt der Drain-Strom, wodurch Übergang
des Schaltelements in den ausgeschalteten Zustand verursacht wird.
-
Um
den Übergang
des Schaltelements zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem
ausgeschalteten Zustand zu veranlassen, kann die Zeitspanne, für die die
Gate-Spannung angelegt wird, oder die angelegte Gate-Spannung gesteuert
werden, um den Widerstand zwischen der Source-Elektrode 11 und
der Drain-Elektrode 12 auf einen gewünschten Zielwiderstand gemäß dem folgenden Rückkopplungssteuerprozess
auszugleichen:
-
7 ist
ein Ablaufdiagramm eines Rückkopplungssteuerprozesses
zum Steuern der Gate-Spannung. In einem Versuch wird der Rückkopplungssteuerprozess
durch einen Personalcomputer (im Folgenden als PC bezeichnet) ausgeführt. Der
PC weist eine CPU (Zentrale Verarbeitungseinheit) zum Ausführen vorbestimmter
Prozesse gemäß einem
Programm und einen Speicher zum Speichern des Programms auf.
-
Wie
in 7 gezeigt ist, liest der PC bei Anlegung einer
vorbestimmten Spannung an die Gate-Elektrode 3 (Schritt
S101) einen Ausgangsstrom ab, der als ein Drain-Strom dient (Schritt S102),
bestimmt den Widerstand zwischen den beiden Elektroden aufgrund
des Werts der angelegten Spannung und des Werts des abgelesenen
Ausgangsstroms und vergleicht den bestimmten Widerstand mit einem
voreingestellten Zielwiderstand (Schritt S103). Der PC speichert
den Wert der an die Gate-Elektrode 13 angelegten Spannung,
die Zeit, für
die die Spannung an die Gate-Elektrode 13 angelegt wird
und den bestimmten Widerstand als Daten in dem Speicher.
-
Wenn
der bestimmte Widerstand mit dem Zielwiderstand innerhalb eines
vorbestimmten Bereichs in Schritt S103 übereinstimmt, beendet der PC die
Anlegung der Spannung (Schritt S104). Wenn der bestimmte Widerstand
in Schritt S103 nicht in den vorbestimmten Bereich fällt, kehrt
die Steuerung zu Schritt S101 zurück, in dem die Spannung angelegt wird.
-
Die
Zeit, die zum Ausführen
eines Verarbeitungszyklus gemäß dem in 7 gezeigten
Ablaufdiagramm benötigt
wird, beträgt
etwa 100 ms. Wenn jedoch eine zweckgebundene elektrische Schaltung verwendet
wird, dann kann die zum Ausführen
eines Verarbeitungszyklus benötigte
Zeit auf 100 ns oder kürzer
reduziert werden.
-
Durch
solches Rückmelden
des Werts der an die Gate-Elektrode angelegten Spannung wird nicht nur
der zuverlässige Übergang
des Schaltelements zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten
Zustand veranlasst, sondern auch der Ein-Widerstand des Schaltelements und der Aus-Widerstand
desselben, welches der Widerstand des Schaltelements ist, wenn es
sich im ausgeschalteten Zustand befindet, kann genauer bestimmt
werden.
-
Im
Folgenden soll ein Prozess zum Herstellen des Schaltelements der
obigen Struktur beschrieben werden.
-
Nachdem
ein Siliziumoxidfilm auf eine Dicke von 300 nm auf einem Halbleitersubstrat
ausgebildet wurde, wird ein Kupferfilm auf eine Dicke von 150 nm auf
dem Siliziumoxidfilm durch Vakuumverdampfung ausgebildet. Dann wird
ein Resist mit einem vorbestimmten Muster auf dem Kupferfilm durch
Lithographie ausgebildet, und anschließend wird die Fläche des
Kupferfilms, die nicht mit dem Resist bedeckt ist, durch Ionenfräsen entfernt,
wodurch die Gate-Elektrode 13 gebildet wird. Deshalb wird
der Innenleiter 14 aus Kupfersulfid auf eine Dicke von
100 nm auf der Gate-Elektrode 13 durch anodische Polarisierung ausgebildet.
-
Im
Folgenden soll anodische Polarisierung beschrieben werden. In einer
wässerigen
Lösung, die
0,025 mol/l Natriumsulfid enthält,
wird die Gate-Elektrode 13, die Kupfer als ein zu sulfidierendes
Metall einschließt,
als eine Anode verwendet, und eine Goldelektrode wird als eine Kathode
verwendet. Wenn eine Spannung zwischen Gate-Elektrode 13 und
Goldelektrode angelegt wird, werden die Schwefelionen in der wässerigen
Lösung
zur Anode angezogen, und Kupfer auf der Oberfläche der Gate-Elektrode 13 wird
aufgrund einer elektrochemischen Reaktion zu Kupfersulfid. Während das
Fortschreiten des Sulfidationsprozesses durch Messen des Ionenstroms überwacht
wird, wird der Ionenleiter 14 mit einer gewünschten
Filmdicke ausgebildet.
-
Nachdem
der Ionenleiter 14 gebildet wurde, wird ein Titanfilm mit
einer Dicke von 10 nm auf dem Ionenleiter 14 durch Sputtern
ausgebildet, und dann wird ein Goldfilm mit einer Dicke von 100
nm auf dem Titalfilm durch Vakuumverdampfung ausgebildet. Nachdem
ein Resist mit einem vorbestimmten Muster auf dem Goldfilm durch
Lithographie ausgebildet wurde, wird die Baugruppe trockengeätzt, um
die Source-Elektrode 11 und die Drain-Elektrode 12 zu bilden.
Danach wird der Resist entfernt. Wenn die Source-Elektrode 11 und
die Drain-Elektrode 12 ausgebildet sind, ist ein Elektrodenzwischenspalt
mit einer Größe von 100
nm oder weniger zwischen denselben begrenzt.
-
Während der
Titanfilm in dem obigen Beispiel durch Sputtern gebildet wird, kann
er auch durch Vakuumverdampfung gebildet werden. Abschälen (Lift-off)
kann anstelle von Trockenätzen zum
Ausbilden der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 verwendet
werden.
-
Andere
Verfahren als anodische Polarisierung können zum Bilden von Kupfersulfid
verwendet werden. Zum Beispiel kann Kupfer mit Schwefel bei einer
Temperatur von 200°C
oder höher
in einer Gasphase zum Bilden von Kupfersulfid zur Reaktion gebracht
werden. Alternativ kann ein Film aus Kupfersulfid durch Laser-Ablation
aufgewachsen werden.
-
Der
vorliegenden Erfindung zufolge wird das Schaltelement auf einem
Substrat 15 ausgebildet, das mit einem Siliziumoxidfilm
bedeckt ist. Das Schaltelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform
kann jedoch auf einem Isolierfilm ausgebildet werden, der MOS-Transistoren
bedeckt und miteinander verbindet, die auf der Oberfläche des Substrats
ausgebildet sind. Dies liegt darin begründet, dass, selbst wenn das
Schaltelement auf dem Isolierfilm ausgebildet wird, es nicht wesentlich
die Charakteristiken der MOS-Transistoren und der Verdrahtungen
beeinflusst, da Wärmebehandlung
bei einer Temperatur von 400°C
oder niedriger in dem Herstellungsprozess des Schaltelements durchgeführt wird.
Es ist ferner möglich,
ein anderes Schaltelement auf einem Isolierfilm zu bilden, der auf
dem Schaltelement ausgebildet wird. Folglich ermöglicht das Schaltelement gemäß der vorliegenden
Erfindung, dass eine das Schaltelement enthaltende Schaltung hochintegriert
ist.
-
Die
Struktur des in 5 gezeigten Schaltelements ist
nur illustrativ. Schaltelemente anderer Strukturen sind möglich, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Strukturen von Schaltelementen
sind in den 8A bis 8C gezeigt.
-
In 8A hat
das Schaltelement eine Muldenstruktur, in der der Ionenleiter und
die Gate-Elektrode des in 5 gezeigten
Schaltelements in der Isolierschicht 26 eingebettet sind.
Eine Öffnung
ist über
dem mit einem Siliziumoxidfilm bedeckten Substrat 25 begrenzt,
und die Gate-Elektrode 23 und der Ionenleiter 24 werden
nacheinander in der Öffnung angeordnet.
Eine Source-Elektrode 21 und eine Drain-Elektrode 22 werden
auf dem Ionenleiter 24 angeordnet. Der Spalt oder Abstand
zwischen der Source-Elektrode 21 und der Drain-Elektrode 22 ist der
gleiche wie der in 5 gezeigte. Wenn bei der Muldenstruktur
eine Mehrzahl von Schaltelementen ausgebildet wird, weisen Isolierschichten 16,
die elektrisch angrenzende Schaltelemente isolieren, obere Flächen auf,
die bündig
zueinander liegen, wodurch ermöglicht
wird, dass mit der Source-Elektrode 21 und der Drain-Elektrode 22 verbundene
Verdrahtungen auf den Isolierschichten 26 Planar und folglich weniger
anfällig
sind, gebrochen zu werden.
-
In 8B sind
die Gate-Elektrode, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode
in dem in 8A gezeigten Schaltelement vertikal
umgekehrt. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Ionenleiter 34 auch in dem Spalt zwischen der Source-Elektrode 31 und
der Drain-Elektrode 32 angeordnet ist.
-
In 8C sind
eine Source-Elektrode 41 und Gate-Elektrode 43 in
einer Verbindungsschicht angeordnet, und eine Drain-Elektrode 42 ist
in einer anderen Verbindungsschicht angeordnet, die über dem
Ionenleiter 44 von der obigen Verbindungsschicht positioniert
ist. Die Größe des Spalts
zwischen der Drain-Elektrode 42 und Source-Elektrode 41 kann durch
die Filmdicke des Ionenleiters 44 eingerichtet werden.
-
9 zeigt
elektrische Charakteristiken des Schaltelements gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem Kupfersulfid durch anodische Polarisation erzeugt
wird. Die Source-Elektrode 11 ist geerdet, eine Spannung
von +0,1 V wird an die Drain-Elektrode 12 angelegt, und
eine positive Spannung wird an die Gate-Elektrode 13 angelegt.
Ein zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode fließender Strom wird
beobachtet, der den Übergang
des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand verursacht. Wenn
eine negative Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird, wird
der Strom gesenkt, wodurch das Schaltelement in den ausgeschalteten
Zustand übergeht.
Nachdem das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergegangen
ist, wird dann bei Anlegung einer positiven Gate-Spannung der zwischen
Source-Elektrode und der Drain-Elektrode fließende Strom erhöht.
-
10 zeigt
elektrische Charakteristiken des Schaltelements gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem Kupfersulfid durch Laser-Ablation erzeugt wird.
Die Source-Elektrode 11 ist geerdet, eine Spannung von
+0,01 V wird an die Drain-Elektrode 12 angelegt, und eine
positive Spannung wird an die Gate-Elektrode 13 angelegt.
Ein zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode fließender Strom wird
beobachtet, der den Übergang
des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand verursacht. Wenn
eine negative Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird, wird
der Strom gesenkt, wodurch Übergang
des Schaltelements in den ausgeschalteten Zustand verursacht wird.
Nachdem das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergegangen
ist, wird dann bei Anlegung einer positiven Gate-Spannung der zwischen
Source-Elektrode und Drain-Elektrode fließende Strom erhöht.
-
2. Ausführungsform
-
Die
vorliegende Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Elektrode in der ersten
Ausführungsform
aus dem gleichen Material wie dem der Gate-Elektrode gebildet wird.
-
Im
Folgenden soll eine Anordnung des Schaltelements gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden.
-
11 ist
eine Querschnittansicht einer Struktur des Schaltelements gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
Wie
in 11 gezeigt ist, umfasst das Schaltelement 50 eine
Gate-Elektrode 53, die auf dem Substrat 55 angeordnet
ist, das mit einem Isolierfilm bedeckt ist, einen Ionenleiter 54,
der auf der Gate-Elektrode 53 angeordnet ist, sowie eine
Source-Elektrode 51 und eine Drain-Elektrode 52,
die auf dem Ionenleiter 54 angeordnet sind. Die Source-Elektrode 51,
die Drain-Elektrode 52 und die Gate-Elektrode 53 sind
elektrisch voneinander isoliert.
-
Die
Source-Elektrode 51 und die Drain-Elektrode 52 sind
in einer Ebene positioniert. Die Gate-Elektrode 53 und
die Drain-Elektrode 52 enthalten ein Material zum Liefern
von Metallionen an den Ionenleiter 54 basierend auf einer
elektrochemischen Reaktion. Sowohl die Source-Elektrode 51 als
auch der Ionenleiter 54 bestehen aus dem gleichen Material
wie bei der ersten Ausführungsform
und sollen im Folgenden nicht detailliert beschrieben werden.
-
Als
nächstes
soll der Betrieb des Zweielektroden-Schaltelements basierend auf
der Source-Elektrode 51 und der Drain-Elektrode 52 beschrieben
werden.
-
Wenn
die Source-Elektrode 51 geerdet ist und eine positive Spannung
an die Drain-Elektrode 52 angelegt
wird, wächst
ein Metallfaden aufgrund von Kupfer, das zwischen der Source-Elektrode 51 und
der Drain-Elektrode 52 abgelagert wird und die Source-Elektrode 51 und
die Drain-Elektrode 52 elektrisch miteinander verbindet,
um das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand zu bringen. Nachdem
das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht worden
ist, wird eine negative Spannung an die Drain-Elektrode 52 angelegt,
die den Metallfaden zwischen der Source-Elektrode 51 und
der Drain-Elektrode 52 in dem Ionenleiter 54 auflöst, wodurch
die Source-Elektrode 51 und die Drain-Elektrode 52 getrennt
werden, um das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand zu bringen.
-
Der
Betrieb einer Anordnung ähnlich
dem obigen Zweielektroden-Schaltelement ist im technischen Gebiet
offenbart worden (Applied Physics Letter, Bd. 82, Nr. 18, S. 3032
bis 3034). Die vorliegende Ausführungsform
beruht darauf, dass die Größe des Drain-Stroms durch die
Gate-Elektrode 53 gesteuert wird.
-
Im
Folgenden soll der Betrieb des Schaltelements der obigen Anordnung
beschrieben werden.
-
Nachdem
die Spannung an die Drain-Elektrode 52 angelegt wurde,
um die Source-Elektrode 51 und
die Drain-Elektrode 52 mit dem Metallfaden zu verbinden
und dadurch das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand zu
bringen, wie oben beschrieben ist, wird eine positive Spannung an
die Gate-Elektrode 53 angelegt, die den Ein-Widerstand senkt
und den Drain-Strom erhöht.
Die Gründe
für den
reduzierten Ein-Widerstand und den erhöhten Drain-Strom sind wie folgt:
Wenn das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht wird,
in dem die Source-Elektrode 51 und Drain-Elektrode 52 miteinander
verbunden sind, besteht, da der Ein-Widerstand reduziert ist, eine
geringere Neigung, dass die Spannung an die Drain-Elektrode 52 angelegt
wird, wodurch keine Vergrößerung der
abgelagerten Menge von Kupfer erreicht wird. Wenn jedoch eine positive
Spannung an die Gate-Elektrode 53 angelegt wird, wird mehr
Kupfer zwischen Source-Elektrode 51 und Drain-Elektrode 52 abgelagert,
wodurch der Ein-Widerstand
gesenkt wird.
-
Nachdem
das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht wurde,
wird bei Anlegung einer negativen Spannung an die Gate-Elektrode 53 der
Drain-Strom reduziert, wodurch der Metallfaden entfernt wird, um
den Ein-Widerstand zu erhöhen,
und ferner wird das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand
gebracht.
-
Wenn
einem speziellen Beispiel zufolge der Ein-Widerstand einen Wert
von 10 Ω hat
und die Drain-Spannung einen Wert von 0,1 V aufweist, hat der Drain-Strom
einen Wert von 10 mA. Der Stromwert von 10 mA ist sehr hoch in integrierten
Halbleiterschaltungen, die winzige Verdrahtungsbreiten aufweisen,
und hat die Tendenz, Verdrahtungen zu verbrennen, wenn sie nicht
dick genug sind, und ferner Verdrahtungen aufgrund der Bewegung
von Atomen in den Verdrahtungen (Elektromigration) zu brechen. Wenn
eine Spannung an die Gate-Elektrode 53 angelegt wird, während das
Schaltelement sich im eingeschalteten Zustand befindet, ist es möglich, den Ein-Widerstand
zu steuern, um Fließen
eines übermäßigen Drain-Stroms
zu verhindern.
-
Direkt
bevor der Metallfaden die Source-Elektrode 51 und Drain-Elektrode 52 verbindet, wenn
eine vorbestimmte positive Spannung an den Drain-Strom 52 für eine vorbestimmte
Zeitspanne angelegt wird, wird eine Spannung an die Gate-Elektrode 53 angelegt,
um das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand zu bringen.
Zu diesem Zeitpunkt kann die an die Gate-Elektrode 53 angelegt
Spannung klein sein, wodurch das Problem des Zweielektroden-Schaltelements
gelöst
wird, bei dem ein zu großer
Drain-Strom fließt, wenn
das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht wird.
Es ist erforderlich, vorhergehend die vorbestimmte positive Spannung
zu prüfen,
die an die Drain-Elektrode 52 angelegt wird, und die vorbestimmte
Zeitspanne, für die
sie angelegt wird, unmittelbar bevor ein Metallfaden die Source-Elektrode 51 und
Drain-Elektrode 52 miteinander verbindet, und ferner zum
Festlegen der Zeitsteuerung, um die Spannung an die Gate-Elektrode 53 anzulegen.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform
kann eine Spannung zwischen der Source-Elektrode 51 und
der Drain-Elektrode 52 angelegt werden, oder eine Spannung
kann an die Gate-Elektrode 53 angelegt werden, um die Source-Elektrode 51 und
die Drain-Elektrode 52 elektrisch miteinander zu verbinden.
-
Ein
Verfahren zum Herstellen des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung
soll im Folgenden beschrieben werden. Diejenigen Schritte des Herstellungsverfahrens,
die identisch mit denjenigen der ersten Ausführungsform sind, werden im
Folgenden nicht detailliert beschrieben werden.
-
Nachdem
die Gate-Elektrode 53 und der Ionenleiter 54 wie
bei der ersten Ausführungsform
ausgebildet wurden, wird ein Titanfilm mit einer Dicke von 10 nm
durch Sputtern ausgebildet, und ein Goldfilm mit auf einer Dicke
von 100 nm durch Vakuumverdampfen ausgebildet. Dann wird ein Resist
mit einem vorbestimmten Muster auf dem Goldfilm durch Photolithographie
ausgebildet, und anschließend wird
die Baugruppe zum Bilden der Source-Elektrode 51 trockengeätzt und
der Resist wird entfernt. Danach wird ein Kupferfilm mit einer Dicke
von 100 nm durch Vakuumverdampfung gebildet. Dann wird ein Resist
mit einem vorbestimmten Muster auf dem Kupferfilm durch Lithographie
ausgebildet. Anschließend
wird die Fläche
des Kupferfilms, die nicht mit dem Resist bedeckt ist, durch Ionenfräsen entfernt, wodurch
die Drain-Elektrode 52 gebildet wird, und der Resist wird
entfernt. Der Spalt zwischen der Source-Elektrode 51 und
der Drain-Elektrode 52 hat eine Größe von 100 nm oder kleiner.
-
Während der
Titanfilm in dem obigen Beispiel durch Sputtern gebildet wird, kann
er auch durch Vakuumverdampfen gebildet werden. Abschälen kann
anstelle von Trockenätzen
zum Bilden der Source-Elektrode 51 und der Drain-Elektrode 52 verwendet
werden. Wie bei der ersten Ausführungsform können andere
Verfahren als anodische Polarisation zum Bilden von Kupfersulfid
verwendet werden.
-
Das
Schaltelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ist nur illustrativ. Schaltelemente anderer Strukturen sind möglich.
-
Mit
der Ausnahme, dass die Drain-Elektrode aus dem gleichen Material
wie die Gate-Elektrode besteht, können die Struktur, der Entwurf,
und das Herstellungsverfahren, die oben unter Bezugnahme auf die
erste Ausführungsform
beschrieben wurden, auf die vorliegende Ausführungsform angewendet werden.
-
3. Ausführungsform
-
Eine
Anordnung einer FPL-Schaltung, die Schaltelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält,
soll im Folgenden beschrieben werden.
-
Wie
in der Hintergrundtechnik beschrieben wurde, weist die FPL-Schaltung
eine Mehrzahl von Logikschaltungsblöcken, Verdrahtungen, die die
Logikschaltblöcke
verbinden, und Antischmelzsicherungs-Elemente zum Ändern der
Verbindung der Verdrahtungen auf. Der vorliegenden Ausführungsform zufolge,
werden Schaltelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung als Programmierelemente anstelle von Antischmelzsicherungs-Elementen verwendet.
-
12 ist
eine Querschnittansicht, die eine Struktur eines Schaltelements
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, wie sie auf eine FPL-Schaltung angewendet wird.
-
Die
in 12 gezeigte Struktur ist ähnlich der in 8A gezeigten
ersten Ausführungsform, außer dass
die Source-Elektrode 21 in 8A durch eine
Verdrahtung A61 und die Drain-Elektrode 22 in 8A durch
eine Verdrahtung B62 ersetzt wurden.
-
Im
Folgenden soll der Betrieb des in 12 gezeigten
Schaltelements beschrieben werden.
-
Die
Verdrahtungen A61, B62 sind geerdet, und eine positive Spannung
wird an die Gate-Elektrode 63 angelegt, oder eine negative
Spannung wird an die Verdrahtungen A61, B62 angelegt und die Gate-Elektrode 63 wird
geerdet, wobei Kupfer zwischen den Verdrahtungen A61, B62 abgelagert
wird, um die Verdrahtungen A61, B62 elektrisch miteinander zu verbinden.
Die Verdrahtungen A61, B62 sind geerdet, und eine negative Spannung
wird an die Gate-Elektrode 63 angelegt, oder eine positive
Spannung wird an die Verdrahtungen A61, B62 angelegt und die Gate-Elektrode 63 ist
geerdet, wobei das abgelagerte Kupfer aufgelöst wird, um die Verdrahtungen
A61, B62 elektrisch voneinander zu trennen.
-
Die
Schaltelemente zum Gebrauch in einer FPL-Schaltung können die
Struktur der in 8A gezeigten ersten Ausführungsform
oder die Struktur der zweiten Ausführungsform aufweisen.
-
Ein
Prozess zum Herstellen des in 12 gezeigten
Schaltelements soll im Folgenden beschrieben werden. Diejenigen
Schritte des Herstellungsprozesses, die identisch mit denjenigen
der ersten und zweiten Ausführungsform
sind, sollen im Folgenden nicht detailliert beschreiben werden.
-
Eine
Isolierschicht 65 wird auf einem Substrat ausgebildet,
auf dem Logikschaltungsblöcke
und Peripherieschaltungen ausgebildet wurden. Dann wird die Isolierschicht 64 mit
einer darin definierten Öffnung
auf der Isolierschicht 65 ausgebildet, und die Gate-Elektrode 63 und
der Ionenleiter 24 werden aufeinanderfolgend in der Öffnung ausgebildet.
Danach werden die Verdrahtungen A61, B62 jeweils anstelle der in 8A gezeigten
Source-Elektrode 21 und der Drain-Elektrode 22 ausgebildet.
-
In
einem Versuch konnte die FPL-Schaltung, die die Schaltelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält,
mindestens mehrere Millionen Überschreibzyklen
ausführen.
Eine jegliche durch die FPL-Schaltung verursachte Signalverzögerung ist klein,
da der Ein-Widerstand der Schaltelemente klein ist. Die FPL-Schaltung
ist besser als eine FPL-Schaltung,
die konventionelle Antischmelzsicherungs-Elemente verwendet, da
sie überschreibbar
ist, und ist besser als eine FPL-Schaltung, die EEPROMs verwendet,
da sie eine kleinere Signalverzögerung
verursacht.
-
4. Ausführungsform
-
Eine
Anordnung einer Speichervorrichtung, die die Schaltelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung als Informationsspeichermittel verwendet, soll im Folgenden
beschrieben werden.
-
13 ist
ein Schaltbild einer Speichervorrichtung, die Schaltelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet.
-
Wie
in 13 gezeigt ist, umfasst die Speichervorrichtung
eine Speicheranordnung 70 mit einer Anordnung von Speicherzellen,
Bitleitungen 73a bis 73z, Wortleitungen 74a bis 74y,
und Wortleitungen 75a bis 75y. Eine Speicherzelle 76,
wie andere Speicherzellen, weist einen zellenauswählenden MOS-Transistor 71 und
ein Schaltelement 72 auf. Jede der Bitleitungen und jede
der Wortleitungen sind jeweils an eine Dekodierschaltung und eine
Treiberschaltung (nicht gezeigt) angeschlossen. Die Bitleitungen
werden von angrenzenden Speicherzellen gemeinsam genutzt. Die Speicheranordnung 70 und die
Peripherieschaltungen (nicht gezeigt) einschließlich der Dekodierschaltungen
und der Treiberschaltungen bauen eine integrierte Speicherschaltung
auf.
-
In
der Speicherzelle 76 weist ein MOS-Transistor eine Source-Elektrode,
die an die Bitleitung 73a angeschlossen ist, und eine Gate-Elektrode,
die an eine Wortleitung 74a angeschlossen ist, auf. Das Schaltelement 72 weist
eine Source-Elektrode, die an die Bitleitung 73b angeschlossen
ist, und eine Gate-Elektrode, die an die Wortleitung 75a angeschlossen
ist, auf. Die Drain-Elektrode des Schaltelements 72 ist
mit der Drain-Elektrode
des MOS-Transistors 71 verbunden.
-
Im
Folgenden soll der Betrieb der so aufgebauten Speichervorrichtung
beschrieben werden. Von gespeicherten Informationen ”1”, ”0” wird die
gespeicherte Information ”1” durch
den eingeschalteten Zustand eines Schaltelements dargestellt, und
die gespeicherte Information ”0” wird durch
den ausgeschalteten Zustand eines Schaltelements dargestellt. Eine
Spannung, die durch ein Schaltelement für den Übergang zwischen dem eingeschalteten
Zustand und dem ausgeschalteten Zustand benötigt wird, d. h. die Differenz
zwischen einer Gate-Spannung und einer an die Source-Elektrode angelegten
Spannung, wird durch Vt, und eine Betriebsspannung des MOS-Transistors 71 durch
VR darstellt.
-
Zum
Schreiben von ”1” in die
Speicherzelle 76 wird die Spannung Vt an die Wortleitung 75a angelegt,
die mit der Gate-Elektrode des Schaltelements 72 der Speicherzelle 76 verbunden
ist, und eine Spannung von 0 V wird an die Bitleitung 73b angelegt,
die mit der Source-Elektrode des Schaltelements 72 verbunden
ist. Eine Spannung Vt/2 wird an die Wortleitungen 75b bis 75y und
die Bitleitungen 73a, 73c bis 73z angelegt.
Wie oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform
beschrieben wurde, wird das Schaltelement 72 in den eingeschalteten
Zustand gebracht, wobei die gespeicherte Information ”1” darin geschrieben
wird. Zu diesem Zeitpunkt wird außer in das Schaltelement 72 keine
gespeicherte Information in die anderen Schaltelemente eingeschrieben,
und diese anderen Schaltelemente halten einen Zustand vor der Anlegung
der Spannung.
-
Zum
Schreiben von ”0” in die
Speicherzelle 76, wird die Spannung, die an die Wortleitung 75a angelegt
wird, welche mit der Gate-Elektrode des Schaltelements 72 der
Speicherzelle 76 verbunden ist, auf 0 V eingestellt, und
die Spannung Vt wird an die Bitleitung 73b angelegt, welche
mit der Source-Elektrode des Schaltelements 72 verbunden
ist. Die Spannung Vt/2 wird an die Wortleitungen 75b bis 75y und
Bitleitungen 73a, 73c bis 73z angelegt.
Wie oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform
beschrieben wurde, wird das Schaltelement 72 in den ausgeschalteten
Zustand gebracht, wobei die gespeicherte Information ”0” darin
geschrieben wird. Die anderen Schaltelemente außer dem Schaltelement 72 halten einen
Zustand vor der Anlegung der Spannung.
-
Zum
Lesen der gespeicherten Informationen aus der Speicherzelle 76,
wird die Spannung VR an die Wortleitung 74a angelegt, um
den MOS-Transistor 71 einzuschalten, und die an die anderen
Wortleitungen angelegte Spannung wird auf 0 V festgelegt, und der
Widerstand zwischen den Bitleitungen 73a, 73b wird
bestimmt. Dieser Widerstand stellt die Kombination des Ein-Widerstands
des MOS-Transistors 71 und des Widerstands des Schaltelements 72 dar. Wenn
dieser kombinierte Widerstand zu groß ist, um gemessen zu werden,
kann das Schaltelement 72 als in dem ausgeschalteten Zustand
befindlich bewertet werden, der anzeigt, dass die in der Speicherzelle 76 gespeicherte
Information ”0” ist. Wenn
der kombinierte Widerstand kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, dann
kann das Schaltelement 72 als im eingeschalteten Zustand
befindlich bewertet werden, der anzeigt, dass die gespeicherte Information
in der Speicherzelle 76 ”1” ist.
-
Der
MOS-Transistor in jeder Speicherzelle kann durch eine Diode ersetzt
werden.