JP2009088144A - Method of setting state of switching element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of setting a state of a switching element which prevents the breakage of the element upon setting the state thereof. <P>SOLUTION: The method is for setting the state of the switching element including an ion conductive layer, a first electrode whose part in contact with the ion conductive layer contains a material that supplies metal ions to the ion conductive layer, and a second electrode whose part in contact with the ion conductive layer is made of a material that does not supply metal ions. A substrate carrying the switching element is heated to keep the substrate at a given temperature, and a voltage is applied across the first and second elements to cause the switching element to make a state transition. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、再構成可能な論理集積回路装置および演算回路装置を含む再構成可能な半導体集積回路ならびに半導体記憶装置に用いられるスイッチング素子の状態設定方法に関する。   The present invention relates to a reconfigurable semiconductor integrated circuit including a reconfigurable logic integrated circuit device and an arithmetic circuit device, and a switching element state setting method used in a semiconductor memory device.

電気化学反応を用いた抵抗変化スイッチ(以下では、単にスイッチング素子と称する)の例が、特許文献1、非特許文献1および非特許文献2に開示されている。これらの文献に開示されたスイッチング素子は、第1電極/イオン伝導層/第2電極の3つの固体材料が積層された構成である。   Examples of a resistance change switch using an electrochemical reaction (hereinafter simply referred to as a switching element) are disclosed in Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2. The switching elements disclosed in these documents have a configuration in which three solid materials of first electrode / ion conduction layer / second electrode are laminated.

この第1電極と第2電極間に負または正の電圧を印加することにより、イオン伝導層の電気抵抗が変化する。このスイッチング素子の特徴は、小型でありながら、オン状態ではその電気抵抗を非常に小さくできるという点にある。抵抗の変化は、第1電極を構成する金属がイオン伝導層に析出すること、または、析出した金属が溶解することによって起こる。また、スイッチング素子の抵抗値は素子への電圧の印加を中止してもそのときの値が保たれ、スイッチング素子はメモリとしても機能する。   By applying a negative or positive voltage between the first electrode and the second electrode, the electric resistance of the ion conductive layer changes. A characteristic of this switching element is that its electrical resistance can be very small in the on-state while being small. The change in resistance occurs when the metal constituting the first electrode is deposited on the ion conductive layer or the deposited metal is dissolved. Further, the resistance value of the switching element is maintained even when the application of the voltage to the element is stopped, and the switching element also functions as a memory.

非特許文献2に開示されたスイッチング素子について説明する。図6はスイッチング素子の基本構成の一例を示す断面模式図である。   The switching element disclosed in Non-Patent Document 2 will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of the switching element.

図6に示すように、スイッチング素子13は、第1電極15および第2電極16の間にイオン伝導層14が挟まれた構成である。イオン伝導層14は抵抗変化層に相当し、材料は酸化タンタルである。第1電極15の材料は銅であり、第2電極16の材料は白金である。   As shown in FIG. 6, the switching element 13 has a configuration in which the ion conductive layer 14 is sandwiched between the first electrode 15 and the second electrode 16. The ion conductive layer 14 corresponds to a resistance change layer, and the material thereof is tantalum oxide. The material of the first electrode 15 is copper, and the material of the second electrode 16 is platinum.

図6に示したスイッチング素子13の動作を説明する。   The operation of the switching element 13 shown in FIG. 6 will be described.

スイッチング素子13をオン状態にするには、第2電極16を接地して、第1電極15に正電圧を印加する。このとき、第1電極15の銅が銅イオンになってイオン伝導層14に溶解する。そして、イオン伝導層中の銅イオンが第2電極16の表面に銅になって析出し、析出した銅により第1電極15と第2電極16を接続する金属架橋が形成される。金属架橋はイオン伝導層中の金属イオンが析出した金属析出物である。金属架橋で第1電極15と第2電極16が電気的に接続することで、スイッチング素子13がオン状態になる。   In order to turn on the switching element 13, the second electrode 16 is grounded and a positive voltage is applied to the first electrode 15. At this time, copper of the first electrode 15 becomes copper ions and dissolves in the ion conductive layer 14. Then, copper ions in the ion conductive layer are deposited as copper on the surface of the second electrode 16, and a metal bridge that connects the first electrode 15 and the second electrode 16 is formed by the deposited copper. The metal bridge is a metal deposit in which metal ions in the ion conductive layer are deposited. When the first electrode 15 and the second electrode 16 are electrically connected by metal bridge, the switching element 13 is turned on.

一方、上記オン状態で第1電極15を接地して、第2電極16に正電圧を印加すると、金属架橋の銅がイオン伝導層14に溶解し、金属架橋の一部が切れる。これにより、スイッチング素子13がオフ状態になる。上述のようにして第1電極15と第2電極16の間に電圧を印加することにより、スイッチング素子13をオン状態とオフ状態を繰り返し遷移させることができる。   On the other hand, when the first electrode 15 is grounded in the ON state and a positive voltage is applied to the second electrode 16, the metal bridge copper is dissolved in the ion conductive layer 14 and a part of the metal bridge is cut. Thereby, the switching element 13 is turned off. By applying a voltage between the first electrode 15 and the second electrode 16 as described above, the switching element 13 can be repeatedly switched between the on state and the off state.

スイッチング素子は、電圧が印加されていなくても、オン状態およびオフ状態のそれぞれの状態を維持する。オン状態とオフ状態をそれぞれ“1”と“0”のように異なる情報に置き換えれば、スイッチング素子は情報を保持するメモリとして機能する。この場合、オン状態とオフ状態の間で状態を遷移させる動作は、情報の書き換え動作に相当する。   The switching element maintains the on state and the off state even when no voltage is applied. If the on state and the off state are replaced with different information such as “1” and “0”, respectively, the switching element functions as a memory for holding information. In this case, the operation of changing the state between the on state and the off state corresponds to an information rewriting operation.

スイッチング素子の作製に半導体装置の製造技術を適用可能であることから、スイッチング素子を半導体集積回路と一緒に半導体基板に搭載できる。そのため、スイッチング素子を半導体集積回路の一部に用いることが可能となる。特に、再構成可能な半導体集積回路の再構成回路のスイッチやメモリとしてスイッチング素子を用いることは有効である。   Since the manufacturing technique of the semiconductor device can be applied to the production of the switching element, the switching element can be mounted on the semiconductor substrate together with the semiconductor integrated circuit. Therefore, the switching element can be used as a part of the semiconductor integrated circuit. In particular, it is effective to use a switching element as a switch or memory of a reconfigurable circuit of a reconfigurable semiconductor integrated circuit.

スイッチング素子を再構成回路のスイッチとして用いる場合では、回路を構成した後、回路の動作時においてスイッチの状態が変化しないことが必要である。スイッチング素子に回路の動作電圧が印加され、動作電流が流れる場合においても、スイッチの状態が動作温度下(通常は85度以下)で寿命(通常は10年程度)以上の期間、保持されていなければならない。そのため、通常、スイッチング素子の状態が変化する閾値電圧を、回路の動作電圧より十分高く設定する必要がある。   When the switching element is used as a switch of the reconfigurable circuit, it is necessary that the state of the switch does not change during circuit operation after the circuit is configured. Even when a circuit operating voltage is applied to the switching element and an operating current flows, the switch must remain at the operating temperature (usually 85 degrees or less) for a lifetime (usually about 10 years) or longer. I must. Therefore, it is usually necessary to set the threshold voltage at which the state of the switching element changes to be sufficiently higher than the operating voltage of the circuit.

回路の動作電圧は、半導体集積回路のスケーリング則によって決まり、デザインルールが45nm世代から90nm世代の集積回路の場合には約1Vである。そのため、オフ状態にあるスイッチング素子が動作電圧でオン状態に遷移することを防止するために、オフ状態からオン状態へ遷移させるための閾値電圧を1V以上にする必要がある。   The operating voltage of the circuit is determined by the scaling rule of the semiconductor integrated circuit, and is about 1 V in the case of an integrated circuit whose design rule is the 45 nm generation to the 90 nm generation. Therefore, in order to prevent the switching element in the off state from transitioning to the on state with the operating voltage, the threshold voltage for transitioning from the off state to the on state needs to be 1 V or more.

一方、スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ遷移させるための閾値電圧は1V以下でもよい。それは、回路の動作時において、低抵抗状態にあるスイッチには動作電圧よりも十分小さな電圧しか印加されないためである。ただし、オン状態からオフ状態に遷移させるための閾値電圧は、その十分小さな電圧よりは大きい必要がある。   On the other hand, the threshold voltage for transitioning the switching element from the on state to the off state may be 1 V or less. This is because only a sufficiently smaller voltage than the operating voltage is applied to the switch in the low resistance state during circuit operation. However, the threshold voltage for making the transition from the on state to the off state needs to be larger than the sufficiently small voltage.

オフ状態からオン状態に遷移させるためには閾値電圧よりも高い電圧をスイッチング素子に印加するが、高電圧をスイッチング素子に印加すると、素子を著しく劣化させ、素子の破壊に至ることがある。そのため、状態を遷移させる際には素子の劣化防止のために閾値電圧は低い方が望ましく、状態を保持させる場合を考えると、動作電圧で状態が遷移するのを防止するために、閾値電圧は高い方が望ましい。   In order to transition from the off state to the on state, a voltage higher than the threshold voltage is applied to the switching element. However, when a high voltage is applied to the switching element, the element may be significantly deteriorated and the element may be destroyed. For this reason, it is desirable that the threshold voltage is low when transitioning the state in order to prevent deterioration of the element. Considering the case where the state is held, the threshold voltage is set to prevent the state from transitioning with the operating voltage. Higher is desirable.

オン状態とオフ状態の間で状態を遷移させるための閾値電圧がスイッチの環境温度で変化することが非特許文献3に開示されている。スイッチング素子を室温よりも低い温度にすると、スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ、またはオン状態からオフ状態へ遷移させるための閾値電圧が温度とともに大きくなることがこれまでわかっている。温度に依存する理由は、閾値電圧がイオン伝導層中の金属イオンの拡散係数に依存し、その金属の拡散係数が温度依存性を持つためである。そのため、スイッチング素子を室温よりも高い温度にすると、閾値電圧が小さくなると予測される。   Non-Patent Document 3 discloses that a threshold voltage for transitioning a state between an on state and an off state varies with the environmental temperature of the switch. It has been known so far that when the switching element is set to a temperature lower than room temperature, the threshold voltage for transitioning the switching element from the off state to the on state or from the on state to the off state increases with temperature. The reason for the dependence on temperature is that the threshold voltage depends on the diffusion coefficient of metal ions in the ion conductive layer, and the diffusion coefficient of the metal has temperature dependence. Therefore, when the switching element is set to a temperature higher than room temperature, the threshold voltage is predicted to decrease.

スイッチの環境温度を変える方法として、半導体集積回路の内部に、スイッチに近接して加熱装置を設ける方法が特許文献2に開示されている。特許文献2では、加熱装置でスイッチを加熱することにより状態を遷移させるための電圧を変えられることが述べられている。そして、1つのスイッチに1つの加熱装置を設け、加熱装置群のなかで加熱する装置と加熱しない装置に分けることにより、多数のスイッチ群の中の特定のスイッチを個別に書き換えることを可能としている。さらに、スイッチの環境温度を変えることにより、閾値電圧を低くでき、素子の劣化を防げることが述べられている。
特開2006−319028号公報 アプライド・フィジックス・レター誌、85巻、5655ページ(2004年) VLSIシンポジウム・テクニカルダイジェスト、p38、2007年。 ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス誌、45巻、4B号、3666ページ(2006年) 特開2006−222420号公報
As a method of changing the environmental temperature of the switch, Patent Document 2 discloses a method of providing a heating device in the vicinity of the switch inside the semiconductor integrated circuit. Patent Document 2 describes that the voltage for changing the state can be changed by heating the switch with a heating device. One switch is provided with one heating device, and by dividing the heating device group into a heating device and a non-heating device, it is possible to individually rewrite specific switches in a large number of switch groups. . Further, it is described that the threshold voltage can be lowered by changing the environmental temperature of the switch, and the deterioration of the element can be prevented.
JP 2006-319028 A Applied Physics Letter, 85, 5655 pages (2004) VLSI Symposium Technical Digest, p38, 2007. Japanese Journal of Applied Physics, Volume 45, 4B, 3666 pages (2006) JP 2006-222420 A

スイッチング素子の抵抗状態を変化させるために、数十mA以上の大きな電流をスイッチング素子に流す場合がある。数十mAという電流値は、半導体集積回路に通常用いられる電流値と比較すると、非常に大きい値である。大きな電流を必要とする理由は、スイッチング素子の抵抗を低く保ち、かつ、状態を変化させるための閾値電圧が大きいからである。   In order to change the resistance state of the switching element, a large current of several tens of mA or more may flow through the switching element. The current value of several tens of mA is a very large value as compared with a current value normally used in a semiconductor integrated circuit. The reason why a large current is required is that the resistance of the switching element is kept low and the threshold voltage for changing the state is large.

例えば、オン抵抗を100Ω以下、オフ状態からオン状態への閾値電圧を2V以上とする場合には、スイッチング素子に流す電流として20mA以上必要となる。そのためには、スイッチに電流を供給するための駆動回路の面積を大きくしたり、スイッチング素子と直列に挿入されるトランジスタの面積を大きくしたりする必要がある。その結果、駆動回路やトランジスタ等の周辺回路の面積が大きくなり、スイッチ自体の大きさが小さいというメリットを生かせなくなってしまう。   For example, when the on-resistance is 100Ω or less and the threshold voltage from the off state to the on state is 2 V or more, a current flowing through the switching element of 20 mA or more is required. For this purpose, it is necessary to increase the area of the drive circuit for supplying current to the switch, or to increase the area of the transistor inserted in series with the switching element. As a result, the area of a peripheral circuit such as a drive circuit or a transistor increases, and the advantage that the size of the switch itself is small cannot be utilized.

また、背景技術でも説明したが、スイッチング素子に大きな電圧を印加すると、第1電極と第2電極間のイオン伝導層が絶縁破壊することがあり、この場合、素子が破壊されてしまう。発明者らの実験によると、オフ状態に設定する際にイオン伝導層が絶縁破壊する現象がしばしば観測されている。素子破壊を防ぐために、スイッチング素子の近傍に加熱機構を設けて閾値電圧を低くする方法もあるが、上述したように、スイッチ自体が小さいというメリットを生かせなくなってしまう。   As described in the background art, when a large voltage is applied to the switching element, the ion conductive layer between the first electrode and the second electrode may break down, and in this case, the element is broken. According to the experiments by the inventors, it is often observed that the ion conduction layer breaks down when set to the off state. In order to prevent element destruction, there is a method of lowering the threshold voltage by providing a heating mechanism in the vicinity of the switching element. However, as described above, the advantage that the switch itself is small cannot be utilized.

上記駆動回路やトランジスタ等の周辺回路を小さくし、イオン伝導層の絶縁破壊を防止するには、スイッチング素子に流す電流をできるだけ小さくする必要がある。さらに、半導体集積回路内にスイッチング素子の環境温度を変えるための加熱機構をスイッチ毎に設けてしまうと、スイッチの大きさが小さいというメリットを生かすことができなくなる。   In order to reduce the peripheral circuits such as the driving circuit and the transistor and prevent the dielectric breakdown of the ion conductive layer, it is necessary to make the current flowing through the switching element as small as possible. Furthermore, if a heating mechanism for changing the environmental temperature of the switching element is provided for each switch in the semiconductor integrated circuit, it is impossible to take advantage of the small size of the switch.

本発明は上述したような技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、状態設定時の素子の破壊を防ぐ、スイッチング素子の状態設定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the technology, and an object of the present invention is to provide a switching element state setting method that prevents destruction of the element during state setting.

上記目的を達成するための本発明のスイッチング素子の状態設定方法は、イオン伝導層と、該イオン伝導層に接触する部位が該イオン伝導層に金属イオンを供給する材料を含む第1の電極と、前記イオン伝導層と接触する部位が前記金属イオンを供給しない材料である第2の電極と、を有するスイッチング素子の状態設定方法であって、
前記スイッチング素子を搭載した基板を加熱して該基板を一定の温度に保ち、
前記第1の電極と前記第2の電極間に電圧を印加し、前記スイッチング素子の状態を遷移させるものである。
In order to achieve the above object, the switching element state setting method of the present invention includes an ion conductive layer, and a first electrode including a material that supplies a metal ion to the ion conductive layer at a portion in contact with the ion conductive layer. A method of setting a state of a switching element having a second electrode that is a material that does not supply the metal ions at a portion in contact with the ion conductive layer,
Heating the substrate on which the switching element is mounted to maintain the substrate at a constant temperature;
A voltage is applied between the first electrode and the second electrode to change the state of the switching element.

本発明によれば、スイッチング素子の状態設定時に、スイッチング素子に印加される電圧が低減し、スイッチング素子に流れる電流が抑制され、スイッチング素子の破壊を抑制できる。   According to the present invention, when the state of the switching element is set, the voltage applied to the switching element is reduced, the current flowing through the switching element is suppressed, and the breakdown of the switching element can be suppressed.

本実施例のスイッチング素子の構成について説明する。本実施例のスイッチング素子の基本構成は、図6に示したように、イオン伝導層14が第1電極15と第2電極16によって挟まれた構成である。   The configuration of the switching element of this embodiment will be described. The basic configuration of the switching element of the present embodiment is a configuration in which the ion conductive layer 14 is sandwiched between the first electrode 15 and the second electrode 16 as shown in FIG.

図1は本実施例のスイッチング素子の一構成例を示す断面模式図である。図1に示すように、スイッチング素子は、酸化シリコン28で覆われたシリコン基板20上に設けられている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the switching element of this embodiment. As shown in FIG. 1, the switching element is provided on a silicon substrate 20 covered with silicon oxide 28.

シリコン基板20の上に酸化シリコン28が形成され、その上に材料が白金の電極である白金電極26が設けられている。白金電極26の上には開口部22を有する酸化シリコン27が設けられている。酸化シリコン27の上に、開口部22を覆う酸化タンタル24が設けられている。酸化タンタル24の上には、材料が銅の電極である銅電極25が設けられている。酸化タンタル24が図6に示したイオン伝導層14に相当し、銅電極25が第1電極16に相当し、白金電極26が第2電極16に相当する。   A silicon oxide 28 is formed on the silicon substrate 20, and a platinum electrode 26, which is an electrode made of platinum, is provided thereon. A silicon oxide 27 having an opening 22 is provided on the platinum electrode 26. A tantalum oxide 24 covering the opening 22 is provided on the silicon oxide 27. On the tantalum oxide 24, a copper electrode 25, which is an electrode made of copper, is provided. The tantalum oxide 24 corresponds to the ion conductive layer 14 shown in FIG. 6, the copper electrode 25 corresponds to the first electrode 16, and the platinum electrode 26 corresponds to the second electrode 16.

酸化タンタル24は開口部22を介して白金電極26と接触している。開口部22が、酸化タンタル24と白金電極26の接触面積を規定している。銅電極25の平面パタンは開口部22よりも大きい。ここでいう平面パタンとは、シリコン基板20の素子形成面に対して平行な面のパタンである。   The tantalum oxide 24 is in contact with the platinum electrode 26 through the opening 22. The opening 22 defines the contact area between the tantalum oxide 24 and the platinum electrode 26. The plane pattern of the copper electrode 25 is larger than the opening 22. The planar pattern here is a pattern of a plane parallel to the element formation surface of the silicon substrate 20.

次に、図1に示したスイッチング素子の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the switching element shown in FIG. 1 will be described.

シリコン基板20の表面に膜厚300nmの酸化シリコン28を形成する。続いて、酸化シリコン28の上に膜厚100nmの白金をスパッタリング法で形成する。形成した白金の膜を白金電極26とする。   A silicon oxide 28 having a thickness of 300 nm is formed on the surface of the silicon substrate 20. Subsequently, platinum having a thickness of 100 nm is formed on the silicon oxide 28 by a sputtering method. The formed platinum film is used as a platinum electrode 26.

白金電極26の上に膜厚100nmの酸化シリコン27をスパッタリング法により形成する。リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて酸化シリコン27に開口部22を形成する。続いて、スパッタリング法により膜厚15nmの酸化タンタル24を、酸化シリコン27の上に開口部22を覆って形成する。さらに、膜厚100nmの銅をスパッタリング法により酸化タンタル24の上に形成する。その後、リソグラフィ技術とエッチング技術を用いて銅を加工して銅電極25を形成する。   A silicon oxide layer 27 having a thickness of 100 nm is formed on the platinum electrode 26 by a sputtering method. The opening 22 is formed in the silicon oxide 27 using a lithography technique and an etching technique. Subsequently, a tantalum oxide 24 having a film thickness of 15 nm is formed on the silicon oxide 27 so as to cover the opening 22 by sputtering. Further, copper having a thickness of 100 nm is formed on the tantalum oxide 24 by a sputtering method. Thereafter, the copper electrode 25 is formed by processing the copper using a lithography technique and an etching technique.

なお、本実施例では、第2電極16の材料として白金を用いたが、第2電極16の材料は白金に限らず、イオン伝導層14に金属イオンを溶出させない電極材料であればよい。白金以外の材料として、例えば、タングステン、タンタル、チタンがある。   In the present embodiment, platinum is used as the material of the second electrode 16, but the material of the second electrode 16 is not limited to platinum, and any material that does not allow metal ions to elute into the ion conductive layer 14 may be used. Examples of materials other than platinum include tungsten, tantalum, and titanium.

次に、図1に示したスイッチング素子について行った実験について説明する。図2は本実施例のスイッチング素子の加熱方法を説明するための模式図である。   Next, an experiment performed on the switching element shown in FIG. 1 will be described. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the heating method of the switching element of this embodiment.

半導体基板31上に上述の製造方法でスイッチング素子を作製する。半導体基板31にはスイッチング素子を複数作製してもよい。また、半導体基板31を加熱するための加熱装置(不図示)を準備する。加熱装置は、半導体基板31を搭載するための加熱ステージ30と、加熱ステージ30の温度を検出する温度センサ(不図示)と、加熱ステージ30を加熱するヒータ(不図示)と、加熱ステージ30の温度を制御する温度制御部(不図示)とを有する。   A switching element is manufactured on the semiconductor substrate 31 by the above-described manufacturing method. A plurality of switching elements may be formed on the semiconductor substrate 31. In addition, a heating device (not shown) for heating the semiconductor substrate 31 is prepared. The heating device includes a heating stage 30 for mounting the semiconductor substrate 31, a temperature sensor (not shown) for detecting the temperature of the heating stage 30, a heater (not shown) for heating the heating stage 30, and the heating stage 30. A temperature control unit (not shown) for controlling the temperature.

ヒータは、加熱ステージ30の、半導体基板31が搭載される面とは反対側の面に設けられている。加熱ステージ30の材料は熱伝導率のよい金属であることから、ヒータと加熱ステージ30の温度はほぼ同等である。温度制御部は、温度センサと信号線で接続され、ヒータと電力供給線で接続されている。温度制御部は、温度センサの検出値をモニタし、加熱ステージ30が一定の温度を保つように、ヒータに電力を供給する。   The heater is provided on the surface of the heating stage 30 opposite to the surface on which the semiconductor substrate 31 is mounted. Since the material of the heating stage 30 is a metal having good thermal conductivity, the temperature of the heater and the heating stage 30 is substantially equal. The temperature control unit is connected to the temperature sensor via a signal line, and is connected to the heater via a power supply line. The temperature control unit monitors the detection value of the temperature sensor and supplies power to the heater so that the heating stage 30 maintains a constant temperature.

本実施例のスイッチング素子が形成された半導体基板31を加熱ステージ30に載せ、上記加熱装置を動作させて加熱ステージ30の温度を一定に保ったまま、スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ遷移させ、また、オン状態からオフ状態へ遷移させた。加熱ステージ30の温度として、20℃(室温)、85℃および150℃の3通りの場合とした。スイッチング素子の状態を遷移させる際に、電極に印加する電圧と2つの電極間に流れる電流の関係を調べた。なお、加熱ステージ30を20℃に保つ場合には、室温でよいため、加熱装置による制御は必要ない。   The semiconductor substrate 31 on which the switching element of this embodiment is formed is placed on the heating stage 30 and the heating device is operated to keep the temperature of the heating stage 30 constant, and the switching element is changed from the off state to the on state. In addition, the transition from the on state to the off state was performed. The temperature of the heating stage 30 was set to three cases of 20 ° C. (room temperature), 85 ° C., and 150 ° C. When the state of the switching element was changed, the relationship between the voltage applied to the electrode and the current flowing between the two electrodes was examined. Note that when the heating stage 30 is kept at 20 ° C., room temperature is sufficient, and thus control by a heating device is not necessary.

図3は本実施例のスイッチング素子がオフ状態からオン状態へ遷移する際の電流−電圧特性を示すグラフである。横軸は第1電極15に相当する銅電極25に印加する電圧を示し、縦軸は2つの電極間を流れる電流を示している。なお、測定装置の測定電流に制限を設け、測定電流が10μAを越えないようにしている。   FIG. 3 is a graph showing the current-voltage characteristics when the switching element of this embodiment transitions from the off state to the on state. The horizontal axis represents the voltage applied to the copper electrode 25 corresponding to the first electrode 15, and the vertical axis represents the current flowing between the two electrodes. In addition, the measurement current of the measuring device is limited so that the measurement current does not exceed 10 μA.

基板の温度が20℃の場合では、印加電圧を0Vから6V付近まで大きくしていくと、その変化に伴って電流が増大する。このときの電流は、絶縁膜である酸化タンタル24を流れるリーク電流である。印加電圧が6V付近で電流が急激に増大し、高抵抗のオフ状態から低抵抗のオン状態に遷移する。オン状態での抵抗値は20Ω程度である。   In the case where the temperature of the substrate is 20 ° C., when the applied voltage is increased from 0 V to around 6 V, the current increases with the change. The current at this time is a leak current flowing through the tantalum oxide 24 that is an insulating film. When the applied voltage is around 6 V, the current increases rapidly, and the high-resistance off state transitions to the low-resistance on-state. The resistance value in the ON state is about 20Ω.

一方、基板の温度が85℃の場合では、印加電圧が4V付近でオフ状態からオン状態に遷移している。基板の温度が150℃の場合では、印加電圧が2.5V付近でオフ状態からオン状態に遷移している。基板の温度が85、150℃の場合では、温度が20℃の場合と比べると、オフ状態からオン状態へ遷移する電圧が小さくなっていることがわかる。   On the other hand, when the substrate temperature is 85 ° C., the applied voltage transitions from the off state to the on state in the vicinity of 4V. When the substrate temperature is 150 ° C., the applied voltage transitions from the off state to the on state when the applied voltage is around 2.5V. It can be seen that when the substrate temperature is 85 ° C. and 150 ° C., the voltage for transition from the off state to the on state is smaller than when the temperature is 20 ° C.

図4は本実施例のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ遷移する際の電流−電圧特性を示すグラフである。オン状態にあるスイッチング素子において、第1電極15に相当する銅電極25を接地して第2電極16に相当する白金電極26に正の電圧を印加したときの測定結果を示す。横軸は白金電極26に印加する電圧を示し、縦軸は2つの電極間を流れる電流を示している。   FIG. 4 is a graph showing the current-voltage characteristics when the switching element of this embodiment transitions from the on state to the off state. In the switching element in the ON state, the measurement result when the copper electrode 25 corresponding to the first electrode 15 is grounded and a positive voltage is applied to the platinum electrode 26 corresponding to the second electrode 16 is shown. The horizontal axis represents the voltage applied to the platinum electrode 26, and the vertical axis represents the current flowing between the two electrodes.

基板の温度が20℃の場合、白金電極26に印加する電圧を0Vから増加させると、0.4V付近までは電圧に比例して電流が増大する。この傾きがオン抵抗であり、オン状態での抵抗が約20Ωであることがわかる。さらに印加電圧を大きくすると、0.42V付近で20mA程度の電流が流れ、印加電圧を0.42Vよりも大きくすると電流が減少し、高抵抗状態へ遷移することがわかる。   When the temperature of the substrate is 20 ° C., if the voltage applied to the platinum electrode 26 is increased from 0V, the current increases in proportion to the voltage up to about 0.4V. It can be seen that this slope is the on-resistance, and the resistance in the on-state is about 20Ω. When the applied voltage is further increased, a current of about 20 mA flows in the vicinity of 0.42 V, and when the applied voltage is increased above 0.42 V, the current decreases, and it can be seen that the state changes to a high resistance state.

一方、基板の温度が85℃の場合、オン状態からオフ状態へ遷移する電圧は0.3V付近である。オフ状態へ遷移する直前に流れる電流は13mA程度で、15mAを下回っている。基板の温度が150℃の場合、オン状態からオフ状態へ遷移する電圧は、0.15V付近である。オフ状態へ遷移する直前に流れる電流は7mA程度であり、10mAを下回っている。グラフから、基板の温度が100〜120℃で電流値が約10mAになることがわかる。   On the other hand, when the temperature of the substrate is 85 ° C., the voltage transitioning from the on state to the off state is around 0.3V. The current that flows immediately before the transition to the off state is about 13 mA, which is lower than 15 mA. When the temperature of the substrate is 150 ° C., the voltage transitioning from the on state to the off state is around 0.15V. The current that flows immediately before the transition to the off state is about 7 mA, which is less than 10 mA. From the graph, it can be seen that the substrate temperature is 100 to 120 ° C. and the current value is about 10 mA.

基板の温度が85、150℃の場合では、温度が20℃の場合と比べて、オン状態からオフ状態へ遷移する電圧が小さくなり、同時に最大電流も小さくなっている。このように、環境温度を高くすることによって、閾値電圧の変化に比例してオフに必要な電流も小さくなることがわかる。   When the substrate temperature is 85 ° C. and 150 ° C., the voltage for transition from the on state to the off state is smaller and the maximum current is also smaller than when the temperature is 20 ° C. Thus, it can be seen that by increasing the environmental temperature, the current required to turn off also decreases in proportion to the change in the threshold voltage.

基板の温度が室温の場合では、オン状態からオフ状態に遷移する際にスイッチング素子に流れる最大電流により、イオン伝導層の絶縁破壊が観測されていた。ところが、基板の温度を高くするにしたがってその頻度が少なくなり、温度150℃では絶縁破壊を完全に抑制できた。これは、絶縁破壊電圧も閾値電圧と同様に温度依存性を有しているが、絶縁破壊電圧の温度依存性が閾値電圧よりも弱く、高温では絶縁破壊電圧が閾値電圧よりも十分大きくなるためである。   When the temperature of the substrate is room temperature, the dielectric breakdown of the ion conductive layer was observed due to the maximum current flowing through the switching element when transitioning from the on state to the off state. However, the frequency decreased as the temperature of the substrate was increased, and dielectric breakdown could be completely suppressed at a temperature of 150 ° C. This is because the breakdown voltage has a temperature dependency similar to the threshold voltage, but the temperature dependency of the breakdown voltage is weaker than the threshold voltage, and at a high temperature, the breakdown voltage becomes sufficiently larger than the threshold voltage. It is.

次に、図1に示したスイッチング素子について、本実施例の状態設定方法を説明する。図5は本実施例の状態設定方法の手順を示すフローチャートである。   Next, the state setting method of the present embodiment will be described for the switching element shown in FIG. FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the state setting method of this embodiment.

図5に示すように、スイッチング素子を搭載した半導体基板31を加熱ステージ30で加熱して基板を一定の温度に保つ(ステップ101)。半導体基板31を一定の温度に保ったまま、第1電極に相当する銅電極25と第2電極に相当する白金電極26との間に電圧を印加し、スイッチング素子をオン状態からオフ状態、またはオフ状態からオン状態に遷移させる(ステップ102)。   As shown in FIG. 5, the semiconductor substrate 31 on which the switching element is mounted is heated by the heating stage 30 to keep the substrate at a constant temperature (step 101). While maintaining the semiconductor substrate 31 at a constant temperature, a voltage is applied between the copper electrode 25 corresponding to the first electrode and the platinum electrode 26 corresponding to the second electrode, and the switching element is switched from the on state to the off state, or A transition is made from the off state to the on state (step 102).

ステップ102で、スイッチング素子をオフ状態からオン状態に遷移させる場合には、白金電極26を接地して銅電極25に正電圧を印加する。スイッチング素子の環境温度が85〜150℃の範囲にあれば、印加する電圧の絶対値は4〜2.5Vあればよい。反対に、スイッチング素子をオン状態からオフ状態に遷移させる場合には、銅電極25を接地して白金電極26に正電圧を印加する。スイッチング素子の環境温度が85〜150℃の範囲にあれば、印加する電圧の絶対値は0.45〜0.2Vあればよい。   In step 102, when the switching element is changed from the off state to the on state, the platinum electrode 26 is grounded and a positive voltage is applied to the copper electrode 25. If the environmental temperature of the switching element is in the range of 85 to 150 ° C., the absolute value of the applied voltage may be 4 to 2.5V. Conversely, when the switching element is transitioned from the on state to the off state, the copper electrode 25 is grounded and a positive voltage is applied to the platinum electrode 26. If the environmental temperature of the switching element is in the range of 85 to 150 ° C., the absolute value of the applied voltage may be 0.45 to 0.2V.

スイッチング素子の状態を設定する際、半導体基板31の温度は、上述の実験結果から、85℃以上であるとよい。一方、本実施例の状態設定方法では、半導体集積回路全体を加熱するため、集積回路に含まれるトランジスタも高温環境下に置かれることになる。そのため、状態設定時の環境温度はトランジスタが動作保証されている温度以下にする必要がある。トランジスタは150℃で耐環境試験がなされ、150℃で動作しない場合は不良として扱われる。このことから、状態設定時の環境温度は150℃を越えない温度が望ましい。   When setting the state of the switching element, the temperature of the semiconductor substrate 31 is preferably 85 ° C. or higher from the above experimental results. On the other hand, in the state setting method of this embodiment, the entire semiconductor integrated circuit is heated, so that the transistors included in the integrated circuit are also placed in a high temperature environment. Therefore, the environmental temperature at the time of setting the state needs to be lower than the temperature at which the operation of the transistor is guaranteed. The transistor is subjected to an environmental resistance test at 150 ° C., and when the transistor does not operate at 150 ° C., it is treated as a failure. Therefore, it is desirable that the environmental temperature at the time of setting the state does not exceed 150 ° C.

本実施例では、スイッチング素子をオン状態からオフ状態に、またはオフ状態からオン状態に遷移する際、スイッチング素子を搭載した基板を加熱して一定の温度に保ったまま、状態を遷移させている。これにより、金属イオンのイオン伝導層中での拡散および電気化学反応が促進する。その結果、状態遷移のための閾値電圧および状態遷移に必要な電流を低減することができる。   In this embodiment, when switching the switching element from the ON state to the OFF state or from the OFF state to the ON state, the state is changed while the substrate on which the switching element is mounted is heated and maintained at a constant temperature. . This promotes diffusion and electrochemical reaction of metal ions in the ion conductive layer. As a result, the threshold voltage for state transition and the current required for state transition can be reduced.

スイッチング素子の状態設定時の環境温度が85〜150℃の範囲であると、その効果がより向上する。環境温度を150℃にすると、スイッチング素子に流れる電流は、半導体集積回路に用いられる電流値の目安である10mA以下よりも小さくなり、状態設定時におけるスイッチの破壊を防止できる。   The effect improves more that the environmental temperature at the time of the state setting of a switching element is the range of 85-150 degreeC. When the environmental temperature is set to 150 ° C., the current flowing through the switching element becomes smaller than 10 mA or less, which is a standard value of the current value used in the semiconductor integrated circuit, and it is possible to prevent the switch from being destroyed during the setting of the state.

本発明によれば、電気化学反応を利用したスイッチング素子の状態設定時に、スイッチング素子に印加される電圧が低減し、スイッチング素子に流れる電流が抑制され、スイッチング素子の破壊を抑制できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the voltage applied to a switching element reduces at the time of the state setting of the switching element using an electrochemical reaction, the electric current which flows into a switching element is suppressed, and destruction of a switching element can be suppressed.

また、スイッチング素子に印加する電圧およびスイッチング素子に流す電流が小さくてすむため、その電圧および電流を供給する周辺回路が大きくなるのを防げる。さらに、半導体記憶装置および再構成可能な半導体集積回路に用いられるスイッチング素子に対して、本発明の状態設定方法は有用な効果を上げることができる。   Further, since the voltage applied to the switching element and the current flowing through the switching element can be small, it is possible to prevent the peripheral circuit supplying the voltage and current from becoming large. Furthermore, the state setting method of the present invention can provide a useful effect for switching elements used in semiconductor memory devices and reconfigurable semiconductor integrated circuits.

また、半導体基板に搭載された半導体集積回路に複数のスイッチング素子が含まれていれば、本発明の状態設定方法は、複数のスイッチング素子を一括して状態設定する際に有用である。   In addition, if the semiconductor integrated circuit mounted on the semiconductor substrate includes a plurality of switching elements, the state setting method of the present invention is useful for setting the states of the plurality of switching elements at once.

なお、本実施例では、第1電極の材料を銅として、金属イオンを供給する材料で第1電極が構成されるものとしたが、第1電極は、少なくともイオン伝導層に接触する部位がイオン伝導層に金属イオンを供給する材料を含んでいればよい。また、第2電極の材料の例として白金、タングステン、タンタル、チタンを挙げ、金属イオンを供給しない材料で第2電極が構成されるものとしたが、第2電極は、少なくともイオン伝導層と接触する部位が金属イオンを供給しない材料であればよい。   In the present embodiment, the first electrode is made of copper and the first electrode is made of a material that supplies metal ions. However, at least the portion of the first electrode that contacts the ion conductive layer is an ion. The material which supplies a metal ion to a conductive layer should just be included. In addition, platinum, tungsten, tantalum, and titanium are given as examples of the material of the second electrode, and the second electrode is made of a material that does not supply metal ions. However, the second electrode is in contact with at least the ion conductive layer. Any material that does not supply metal ions may be used.

本実施例のスイッチング素子の一構成例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one structural example of the switching element of a present Example. 本実施例のスイッチング素子の加熱方法を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the heating method of the switching element of a present Example. 本実施例のスイッチング素子がオフ状態からオン状態へ遷移する際の電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic at the time of the switching element of a present Example changing from an OFF state to an ON state. 本実施例のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ遷移する際の電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic at the time of the switching element of a present Example changing from an ON state to an OFF state. 本実施例のスイッチング素子の状態設定方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the state setting method of the switching element of a present Example. 電気化学反応を用いたスイッチング素子の基本構成の一例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of the basic composition of the switching element using an electrochemical reaction.

符号の説明Explanation of symbols

14 イオン伝導層
15 第1電極
16 第2電極
14 Ion conductive layer 15 First electrode 16 Second electrode

Claims (3)

イオン伝導層と、該イオン伝導層に接触する部位が該イオン伝導層に金属イオンを供給する材料を含む第1の電極と、前記イオン伝導層と接触する部位が前記金属イオンを供給しない材料である第2の電極と、を有するスイッチング素子の状態設定方法であって、
前記スイッチング素子を搭載した基板を加熱して該基板を一定の温度に保ち、
前記第1の電極と前記第2の電極間に電圧を印加し、前記スイッチング素子の状態を遷移させる、スイッチング素子の状態設定方法。
A first electrode including a material that supplies a metal ion to the ion conductive layer, a portion that contacts the ion conductive layer, and a material that does not supply the metal ion. A switching device state setting method having a second electrode,
Heating the substrate on which the switching element is mounted to maintain the substrate at a constant temperature;
A switching element state setting method in which a voltage is applied between the first electrode and the second electrode to change a state of the switching element.
前記一定の温度が85℃以上150℃以下の範囲の温度である請求項1に記載のスイッチング素子の状態設定方法。   The switching element state setting method according to claim 1, wherein the constant temperature is in a range of 85 ° C. or more and 150 ° C. or less. 前記スイッチング素子をオフ状態からオン状態に遷移させる場合、前記第2の電極を接地して前記第1の電極に正電圧を印加し、
前記スイッチング素子をオン状態からオフ状態に遷移させる場合、前記第1の電極を接地して前記第2の電極に正電圧を印加する、請求項1または2記載のスイッチング素子の状態設定方法。
When the switching element transitions from an off state to an on state, the second electrode is grounded and a positive voltage is applied to the first electrode,
The switching element state setting method according to claim 1 or 2, wherein, when the switching element transitions from an on state to an off state, the first electrode is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode.
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