JP2010245132A - スイッチング素子、スイッチング素子の動作方法、スイッチング素子の製造方法、書き換え可能な論理集積回路およびメモリ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気化学反応を利用したスイッチング素子におけるオン状態からオフ状態に切り替わる際のオフ電流の発生を低減可能なスイッチング素子を提供する。
【解決手段】 本発明のスイッチング素子１０は、第１電極１１と、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第１イオン伝導層１２および第２イオン伝導層１４と、前記イオンを供給する第２電極１３とを有し、前記第１電極１１は、前記第１イオン伝導層１２の一方の面に設けられ、前記第２イオン伝導層１４は、前記第１イオン伝導層１２の他方の面に、前記第１イオン伝導層１２上を移動可能に設けられ、前記第２電極１３は、前記第２イオン伝導層１４の前記第１イオン伝導層１２とは反対側の面に設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スイッチング素子、スイッチング素子の動作方法、スイッチング素子の製造方法、書き換え可能な論理集積回路およびメモリ素子に関する。

現在、電子機器などでは、多くの集積回路が用いられている。電子機器で用いられている多くの集積回路は、いわゆる特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）であり、当該電子機器のために設計された専用回路である。このような特定用途向け集積回路では、セル（ＡＮＤ回路、ＯＲ回路などの論理回路）の配置やセル相互の結線が集積回路製造工程で行われるため、製造後は回路構成の変更ができない。

近年、電子機器の開発競争が激化し、また、電子機器の小型化が進んでいる。このような状況のもとで、製造後においても、電子信号により回路構成を変更し、１つのチップで多くの機能を提供できるプログラマブルロジック（書き換え可能な論理集積回路）が注目を集めている。前記書き換え可能な論理集積回路は、複数のロジックセルがスイッチング素子を介して相互に結線されて構成される。ロジックセルとは、前記書き換え可能な論理集積回路を組み立てていくうえでの単位となる論理回路である。

前記書き換え可能な論理集積回路の代表的な素子としては、例えば、フィールドプログラマブルロジックアレー（ＦＰＧＡ）があげられる。前記ＦＰＧＡは、ユーザが欲しい機能を、設計開発の費用・マスク等の初期費用を要することなく、かつ短い期間で開発することが可能である。前記ＦＰＧＡに用いられる書き換え可能なスイッチング素子としては、例えば、前記ＦＰＧＡと同様の方法で製造可能なスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）と、パストランジスタとから構成されるＳＲＡＭスイッチが用いられている。前記ＳＲＡＭスイッチには、前記ＦＰＧＡのチップ面積の半分以上を占め、面積増大に伴う製造コスト増大、配線遅延等の性能低下の問題があった。このため、前記ＳＲＡＭスイッチよりスイッチの面積を小さくでき、オン状態の抵抗を小さくできる（例えば、１ｋΩ程度）スイッチング素子が望まれている。その代替候補の一例として、電気化学反応を利用したスイッチング素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１９の断面図に、特許文献１に記載の電気化学反応を利用したスイッチング素子を示す。前記電気化学反応を利用したスイッチング素子１９０は、第１電極１９１と第２電極１９３との間にイオン伝導層１９２が配置された構成を有する。前記第１電極１９１の材質は、例えば、白金であり、前記第２電極１９３の材質は、例えば、銅であり、前記イオン伝導層１９２の材質は、例えば、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）である。つぎに、図２０に基づき、前記電気化学反応を利用したスイッチング素子の動作方法の一例を説明する（非特許文献１、および非特許文献２参照）。図２０（ａ）に示すように、前記第１電極２０１と前記第２電極２０３との間に、前記第１電極２０１に対して、前記第２電極２０３が正になるように電圧を印加する。これにより、前記第２電極２０３の金属が金属イオン２０５となって、前記イオン伝導層２０２中に溶解し、前記金属イオン２０５が前記第１電極２０１に向かって移動する。前記金属イオン２０５は、前記第１電極２０１側から供給される電子を受け取って、金属２０６となる。前記金属２０６は、前記イオン伝導層２０２中に析出する。これにより、前記第１電極２０１と前記第２電極２０３との間に、金属架橋（伝導パス）２０４が形成されることで、前記第１電極２０１と前記第２電極２０３とが電気的に接続され、スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わる（図２０（ｂ））。なお、製造直後の最初のオン状態への切り替え操作を、特に「フォーミング動作」という。つぎに、図２０（ｃ）に示すように、前記第１電極２０１と前記第２電極２０３との間に、前記第１電極２０１に対して、前記第２電極２０３が負になるように電圧を印加する。これにより、前記金属架橋２０４を構成する金属は、前記金属イオン２０５となって、前記イオン伝導層２０２中に溶解する。前記金属イオン２０５は、前記第２電極２０３に向かって移動する。前記金属イオン２０５は、前記第２電極２０３から供給される電子を受け取って金属となり、前記第２電極２０３に回収される。これにより、前記金属架橋２０４が切断され、スイッチがオン状態からオフ状態に切り替わる（図２０（ｄ））。この電気化学反応を利用したスイッチング素子２００を、オフ状態から再度オン状態に切り替えるには、前述と同様に、前記第１電極２０１と前記第２電極２０３との間に、前記第１電極２０１に対して、前記第２電極２０３が正になるように電圧を印加し、前記金属架橋２０４を形成する。この場合、前記フォーミング動作実施前と比較して、前記金属架橋の一部２０４ａが、前記イオン伝導層２０２中に残存しているため、オン状態への切り替えに要する時間の短縮、または印加電圧の低減が可能である。前記電気化学反応を利用したスイッチング素子は、前述のようにして、両電極間を電気的に接続したり、電気的接続を切断したりすることが可能であり、電源を切断した後もオン状態が保存される。

前述の電気化学反応を利用したスイッチング素子においては、図２０（ｃ）に示すように、オン状態からオフ状態への切り替えに際して、前記金属架橋２０４が形成された状態で、前記第１電極２０１と前記第２電極２０３との間に電圧（Ｖ）を印加するため、オン状態からオフ状態に切り替わるまでの間に、電流（Ｉ＝Ｖ／Ｒ、以下、オフ電流ということがある）が流れることを避けられない。イオン伝導層の材質や温度によって電気的接続を切断するために必要な電圧は決まっているため、オン状態の抵抗が小さいほど大きなオフ電流が流れることとなる。

前記電気化学反応を利用したスイッチング素子をスイッチ用途として用いる場合、オン状態の抵抗は、１００Ω以下であることが望ましいが、このような場合、極めて大きなオフ電流が発生するため(例えば、イオン伝導層が酸化タンタルの場合、数ｍＡ)、スイッチ動作に必要な周辺回路の面積を大きくする必要があり、このことは、チップコストの上昇に繋がる。

前記オフ電流を低減する方法として、例えば、図２１に示すように、第３電極２１４を設け、第１電極２１１と前記第２電極２１３との間に電圧を印加することなく、前記第１電極２１１と前記第２電極２１３との間を電気的に接続し、または電気的接続を切断をする、電気化学反応を利用したスイッチング素子２１０が提案されている（特許文献２参照）。この電気化学反応を利用したスイッチング素子２１０では、電気的に接続されていない前記第３電極２１４に電圧を印加して、前記電気的接続を切断することにより、前記オフ電流を低減する。しかしながら、特許文献２に記載の電気化学反応を利用したスイッチング素子は、第３電極を設けなければならず、構造が複雑になる。

特開２００６−３１９０２８号公報 特開２００６−３３９６６７号公報

Ｃｏｐａｌ Ｒａｇｈａｖａｎ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｌｍｓ ｕｎｄｅｒ ｂｉａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｓｓ"， Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ２６２， ｐｐ． １６８−１７６， （１９９５）． Ｎ． Ｂａｎｎｏ ｅｔ ａｌ．， "ＯＮ−ｓｔａｔｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｌｉｄ−ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｓｗｉｔｃｈ"， ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ （ＩＲＰＳ） ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， ｐｐ． ７０７， （２００８）．

本発明の目的は、電気化学反応を利用したスイッチング素子におけるオン状態からオフ状態に切り替わる際のオフ電流の発生を低減可能であり、かつ簡易な構造を有するスイッチング素子を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明のスイッチング素子は、
第１電極と、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第１イオン伝導層および第２イオン伝導層と、前記イオンを供給する第２電極とを有し、
前記第１電極は、前記第１イオン伝導層の一方の面に設けられ、
前記第２イオン伝導層は、前記第１イオン伝導層の他方の面に、前記第１イオン伝導層上を移動可能に設けられ、
前記第２電極は、少なくとも前記第２イオン伝導層の前記第１イオン伝導層とは反対側の面に設けられていることを特徴とする。

また、本発明のスイッチング素子の製造方法は、第１電極と、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第１イオン伝導層とを含み、前記第１電極が、前記第１イオン伝導層の一方の面に設けられた第１基体を形成する第１基体形成工程と、
第２電極と、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第２イオン伝導層とを含み、前記第２電極が、前記第２イオン伝導層の一方の面に設けられた第２基体を形成する第２基体形成工程と、
前記第２イオン伝導層が前記第１イオン伝導層上を移動可能となるように、前記第１イオン伝導層および前記第２イオン伝導層を対向させて、前記第１基体および前記第２基体を積層する積層工程と、を含むことを特徴とする。

さらに、本発明の書き換え可能な論理集積回路は、前記本発明のスイッチング素子を用いたことを特徴とする。

さらに、本発明のメモリ素子は、前記本発明のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子が、オン状態およびオフ状態のいずれの状態であるかを読み出すためのトランジスタ素子と、を有することを特徴とする。

本発明のスイッチング素子によれば、前記第２イオン伝導層が、前記第１イオン伝導層の面内方向に移動可能に設けられているため、電気化学反応を利用したスイッチング素子におけるオン状態からオフ状態に切り替わる際のオフ電流の発生を低減可能である。

本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態１）における一例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態１）におけるその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態１）におけるさらにその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態１）におけるさらにその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態１）における動作方法の一例を説明する断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態１）における製造方法の一例を説明する断面図である 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態２）における一例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態２）におけるその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態２）におけるさらにその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態２）における動作方法の一例を説明する断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態３）における一例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態３）におけるその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態３）におけるさらにその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態３）におけるさらにその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態３）におけるさらにその他の例の構成を示す断面図である。 本発明のスイッチング素子の一実施形態（実施形態３）における動作方法の一例を説明する断面図である。 本発明のスイッチング素子を用いた書き換え可能な論理集積回路の一例の構成を示す模式図である。 本発明のスイッチング素子を用いたメモリ素子の一例の構成を示す模式図である。 従来のスイッチング素子の一例の構成を示す断面図である。 従来のスイッチング素子の動作を説明する模式図である。 従来のスイッチング素子のその他の例の構成を示す断面図である。

以下、本発明のスイッチング素子、スイッチング素子の動作方法、スイッチング素子の製造方法、書き換え可能な論理集積回路およびメモリ素子について、さらに詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
図１の断面図に、本実施形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。図示のとおり、このスイッチング素子１０は、第１電極１１と、第１イオン伝導層１２と、第２電極１３と、第２イオン伝導層１４とを主要な構成部材として有する。前記第１電極１１は、前記第１イオン伝導層１２の一方の面（同図において、下側の面）と接して設けられている。前記第２イオン伝導層１４は、前記第１イオン伝導層１２の他方の面（同図において、上側の面）と接して、前記第１イオン伝導層１２上を移動可能に設けられている。前記第２電極１３は、前記第２イオン伝導層１４の前記第１イオン伝導層１２とは反対側の面（同図において、上側の面）に接して設けられている。なお、本実施形態では、各部材同士は直接接して設けられているが、本発明のスイッチング素子は、本実施形態に限定されず、例えば、本発明の効果を損なわない範囲で、別部材を介して設けられていてもよい。

前記第１電極は、例えば、前記第１イオン伝導層との間でイオンの収受が生じにくく、かつイオンを供給しない導電体（金属材料）から構成されている。前記金属材料としては、例えば、白金、アルミニウム、金、ルテニウム、チタン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、もしくはモリブデン等の高融点金属；これらの金属の窒化物；これらの金属のシリサイド；またはこれらの金属の複数を組合せた合金等があげられる。また、前記第１電極は、例えば、少なくとも前記第１電極の前記第１イオン伝導層側の面が、前述の金属材料により構成されていればよい。したがって、前記第１電極は、前記第１電極全体を単層膜として構成する方法のほか、積層構造として前記第１イオン伝導層側の層を、前述の金属材料で構成する方法によっても製造可能である。

前記第２電極は、例えば、前記第２イオン伝導層および前記第１イオン伝導層にイオンを供給する材料から構成されている。前記第２電極は、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）および鉛（Ｐｂ）の少なくとも一種類を主材料として含み、一種類のみを含んでもよいし、二種類以上を含む合金であってもよい。前記主材料としては、半導体プロセスとの整合性を考慮すると、銅（Ｃｕ）であることが好ましい。また、前記第２電極は、例えば、少なくとも前記第２電極の前記第２イオン伝導層側の面が、前述の主材料により構成されていればよい。したがって、前記第２電極は、前記第２電極全体を単層膜として構成する方法のほか、積層構造として前記第２イオン伝導層側の層を、前述の主材料で構成する方法によっても製造可能である。

前記第１イオン伝導層の材料は、電気化学反応に用いられるイオンを伝導できるものであれば、特に制限されないが、金属または半導体と、酸素、硫黄、セレン、テルル等のカルコゲン元素との化合物であることが好ましい。イオン化が起こりやすい遷移金属である銅、タングステン、タンタル、モリブデン、クロム、チタンおよびコバルトの少なくとも一種類の金属の硫化物、酸化物、任意の硫黄−酸素比を有する酸硫化物等がより好ましい。半導体デバイス中への実装を考慮した場合、これらの中でも、酸化タンタル（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）または酸化チタン（例えば、ＴｉＯ_２）が特に好ましい。前記酸化タンタルおよび前記酸化チタンは、従来の半導体デバイスにおいて用いられている材料であるため、プロセスの整合性が高い。また、書き換え可能な集積回路のスイッチング素子に用いる場合、前記酸化タンタルまたは前記酸化チタンを第１イオン伝導層として用いると、スイッチング電圧をロジック電圧よりも高くすることが可能となる。前記第１イオン伝導層は、単層であってもよいし、イオン伝導特性または電気特性の異なる２種類以上の膜からなる積層であってもよい。

前記第１イオン伝導層の膜厚は、例えば、５〜２００ｎｍの範囲で設定可能である。前記膜厚を前記範囲とすることで、例えば、適した電圧で動作可能なイオン伝導層として使用可能である。前記膜厚は、１０〜１００ｎｍの範囲であることが好ましい。前記膜厚を１０ｎｍ以上とすることで、例えば、トンネル電流やショットキー電流によるオフ状態におけるリーク電流の発生を防止可能である。前記膜厚を１００ｎｍ以下とすることで、例えば、スイッチング電圧を１０Ｖ以下とすることができ、半導体デバイス等での実用が可能となる。前記膜厚は、より好ましくは１０〜５０ｎｍの範囲であり、さらに好ましくは１０〜２０ｎｍの範囲である。なお、前記膜厚は、その厚みが面内において一定である必要はなく、例えば、最も薄い領域が、１０ｎｍ以上であればよい。

前記第２イオン伝導層の材料は、例えば、前記第１伝導層の材料と同様である。前記第２イオン伝導層および前記第１イオン伝導層は、同一の材料で形成されていてよいし、異なる材料で形成されていてもよい。前記第２イオン伝導層は、単層であってもよいし、イオン伝導特性または電気特性の異なる２種類以上の膜からなる積層であってもよい。

前記第２イオン伝導層の膜厚は、特に制限されない。前記膜厚は、動作電圧を低減する観点から、薄い方がよいが、１ｎｍ以上であることが好ましい。前記膜厚を１ｎｍ以上とすることで、薄膜化による膜厚のばらつきの影響を小さくすることができ、後述するように、電気的接続を切断した後に、前記第１イオン伝導層中に残った電気的接続の一部と前記第２電極との距離が近いことにより、オフ状態において、電流がトンネル効果によって増大してしまい前記電気的接続の切断直後の絶縁特性が低下するのを防止可能である。前記膜厚は、１〜５０ｎｍの範囲であることがより好ましく、さらに好ましくは１〜１０ｎｍの範囲である。なお、前記膜厚は、その厚みが面内において一定である必要ななく、例えば、最も薄い領域が、１ｎｍ以上であればよい。

前記第２イオン伝導層は、例えば、駆動体により、前記第１イオン伝導層上を移動可能である。前記駆動体としては、例えば、平行ばねを組み合せたピエゾアクチュエータ等があげられる。前記駆動体は、前記第２イオン伝導層に直接取り付けてもよいし、第２イオン伝導層を含む基体に取り付けてもよい。前記駆動体は、例えば、従来公知の方法により取り付け可能である。

つぎに、図５に基づき、本実施形態のスイッチング素子１０の動作方法を、前記イオンを金属イオンとした場合を例にとり詳細に説明する。同図において、図１と同一部分には、同一符号を付している。

まず、図５（ａ）に示すとおり、前記第１電極１１と前記第２電極１３との間に、前記第１電極１１に対して、前記第２電極１３が正になるように電圧を印加する。これにより、前記第２電極１３から前記第２イオン伝導層１４および前記第１イオン伝導層１２に、前記金属イオンが供給され、前記金属による金属架橋５１が形成される。これにより、前記第１電極１１と前記第２電極１３とが電気的に接続され、スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わる。前記オン状態において、図５（ｂ）に示すように、前記第２イオン伝導層１４を、前記駆動体（図示せず）によって前記第１イオン伝導層１２の面方向（同図において、左方向）に移動させる。この移動により、前記金属架橋５１が切断される。この結果、前記第１電極１１と前記第２電極１３との間の前記電気的接続が切断され、スイッチがオン状態からオフ状態に切り替わる。本実施形態のスイッチング素子では、前述のようにして、スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えるため、オフ電流の発生を低減可能である。前記移動距離は、例えば、前記金属架橋５１の直径（例えば、数ｎｍ）より大きい、すなわち、前記直径の１倍強であればよい。なお、本実施形態では、前記第２イオン伝導層は、前記第１イオン伝導層の面方向に移動するが、本発明のスイッチング素子は、本実施形態に限定されず、前記第２イオン伝導層が、前記第１イオン伝導層上を移動する形態であればよい。

前記オフ状態において、図５（ｃ）に示すように、前記第１電極１１と前記第２電極１３との間に、前記第１電極１１に対して、前記第２電極１３が負になるように電圧を印加する。これにより、前記第１イオン伝導層１２中に残った金属架橋の一部５１ａを構成する金属は、前記金属イオンとなって、前記第１イオン伝導層１２中に溶解する。前記金属イオンは、前記第２電極１３に向かって移動し、前記第２電極１３から供給される電子を受け取って金属となる。このようにして、前記第１イオン伝導層１２中の前記金属架橋の一部５１ａを構成する金属は、前記第２電極１３に回収される。本実施形態のスイッチング素子では、前述のようにして、前記金属を前記第２電極１３に回収可能であるため、前記第１イオン伝導層１２に金属イオンが蓄積されるのを防止可能である。なお、前記第２イオン伝導層１４中の前記金属架橋の一部５１ｂは、前記第２電極１３に接しているため、イオン化されにくく、前記印加後も前記第２イオン伝導層１４中に残存する。このため、スイッチをオフ状態から再度オン状態に切り替える場合、オン状態への切り替えに要する時間の短縮、または印加電圧の低減が可能である。

前記回収後に、スイッチをオフ状態から再度オン状態に切り替える動作は、そのままの位置で実施してもよいが、図５（ｄ）に示すように、前記第２イオン伝導層１４を、元の位置に移動させてから実施することが好ましい。前記第２イオン伝導層１４を元の位置に戻すことにより、移動量の累積が防止される。

本実施形態のスイッチング素子は、前記オン状態または前記オフ状態において、前記第１電極１１と前記第２電極１３との間の電圧の印加を停止した状態でも、前記オン状態または前記オフ状態を保持可能である。

本実施形態のスイッチング素子の動作方法においては、前記イオンを金属イオンとした場合を例にとり詳細に説明したが、本発明のスイッチング素子は、この例に限定されず、例えば、電極からの酸素需給によるイオン伝導層中での酸素欠損または酸素イオンの形成により、前記電極間を電気的に接続することで、スイッチがオン状態に切り替わるスイッチング素子であってもよい。

つぎに、図６に基づき、本実施形態のスイッチング素子の製造方法を説明する。図６（ａ）および（ｂ）は、前記第１基体形成工程を示し、図６（ｃ）および（ｄ）は、前記第２基体形成工程を示し、図６（ｅ）は、前記積層工程を示す。図６（ａ）から（ｅ）において、同一部分には、同一符号を付している。

〔第１基体形成工程〕
まず、前記第１基体形成工程について説明する。図６（ａ）に示すように、シリコン基板上に従来技術を用いて形成された半導体素子を含む基体６０３上に、第１ストップ絶縁層６０４、第１層間絶縁層６０５、および第２ストップ絶縁層６０６を、前記順序で形成する。前記第１層間絶縁層６０５は、シリコン窒化物の膜であり、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により形成される。つぎに、前記第１ストップ絶縁層６０４、前記第１層間絶縁層６０５、および前記第２ストップ絶縁層６０６中に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、配線を形成するための開口部を形成する。前記開口部に、バリアメタル６０８および銅シード層を、ＣＶＤ法により形成する。前記銅シード層の厚みは、２０〜１００ｎｍ程度とし、前記銅シード層に少量の不純物（例えば、アルミニウム）を含有させる。さらに、前記銅シード層上に銅の電解メッキを行う。前記銅の厚みは、例えば、８００〜１２００ｎｍ程度でよい。ついで、前記第１ストップ絶縁層６０４の開口部以外に堆積された不要な前記バリアメタル６０８および前記銅を、ケミカル・メカニカル・ポリッシング法（ＣＭＰ法）により削り取り、下部配線および電極６０９を形成する。さらに、熱処理を行って前記不純物を前記下部配線および前記電極６０９全体に拡散させる。この熱処理により前記下部配線のエレクトロマイグレーション耐性が向上する。前記下部配線および前記電極６０９は、半導体装置の配線形成工程として広く用いられている方法により形成可能である。その後、スパッタリング法またはＣＶＤ法により、前記第１拡散防止層６０７となる１００ｎｍの膜厚を有する炭窒化シリコン（窒化シリコンに炭素が含まれた材料）を形成する。ついで、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、前記第１拡散防止層６０７に、開口部を形成する。この例においては、前記開口部は、電極６０９の上面にまで達する貫通孔である。さらに、形成された前記開口部に、スパッタリング法またはＣＶＤ法によりルテニウムを形成する。前記ルテニウムの厚みは、第１拡散防止層６０７の膜厚（例えば、１００ｎｍ）以上とする。つぎに、前記開口部以外に堆積された不要な前記ルテニウムをＣＭＰ法により削り取って、ルテニウムの上面を平坦化して第１電極６１を形成し、前記電極６０９と合流させる。さらに、スパッタリング法またはＣＶＤ法により、前記第１電極６１上に、第１イオン伝導層６２として、膜厚１５ｎｍの酸化タンタルを形成する。このようにして、図６（ｂ）に示す第１基体６０１を形成する。

〔第２基体形成工程〕
つぎに、第２基体形成工程について説明する。図６（ｃ）に示すように、シリコン基板上に従来技術を用いて形成された半導体素子を含む前記基体６０３上に、前記第１ストップ絶縁層６０４、前記第１層間絶縁層６０５、および前記第２ストップ絶縁層６０６を、前記順序で形成する。前記第１層間絶縁層６０５は、シリコン窒化物の膜であり、ＣＶＤ法により形成される。つぎに、前記第１ストップ絶縁層６０４、前記第１層間絶縁層６０５、および前記第２ストップ絶縁層６０６中に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、配線を形成するための開口部を形成する。前記開口部に、前記バリアメタル６０８および前記銅シード層を、ＣＶＤ法により形成する。前記銅シード層の厚みは、２０〜１００ｎｍ程度とし、前記銅シード層に少量の不純物（例えば、アルミニウム）を含有させる。さらに、前記銅シード層上に銅の電解メッキを行う。前記銅の厚みは、例えば、８００〜１２００ｎｍ程度でよい。ついで、前記第１ストップ絶縁層６０４の開口部以外に堆積された不要な前記バリアメタル６０８および前記銅を、ＣＭＰ法により削り取り、下部配線および第２電極６３を形成する。さらに、熱処理を行って前記不純物を前記下部配線および前記第２電極６３全体に拡散させる。この熱処理により前記下部配線のエレクトロマイグレーション耐性が向上する。前記下部配線および前記第２電極６３は、半導体装置の配線形成工程として広く用いられている方法により形成可能である。その後、スパッタリング法またはＣＶＤ法により、前記第１拡散防止層６０７となる１００ｎｍの膜厚を有する炭窒化シリコン（窒化シリコンに炭素が含まれた材料）を形成する。ついで、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、前記第１拡散防止層６０７に、開口部を形成する。この例においては、前記開口部は、前記第２電極６３の上面にまで達する貫通孔である。さらに、形成した前記開口部に、スパッタリング法またはＣＶＤ法により銅を形成する。前記銅の厚みは、第１拡散防止層６０７の膜厚（例えば、１００ｎｍ）以上とする。つぎに、前記開口部以外に堆積された不要な前記銅をＣＭＰ法により削り取って、銅の上面を平坦化して第２電極６３と合流させる。さらに、スパッタリング法またはＣＶＤ法により、前記第２電極６３上に、第２イオン伝導層６４として、膜厚１５ｎｍの酸化タンタルを形成する。このようにして、図６（ｄ）に示す第２基体６０２を形成する。

〔積層工程〕
まず、前記第１基体６０１を、筐体６１１に固定する。ついで、前記第１基体６０１の上に、前記第２基体６０２を、前記第１イオン伝導層６２と前記第２イオン伝導層６４とが、対向するようにして積層する。前記第２基体６０２を、駆動体６１２および支持体６１３を介して、前記筐体６１１に固定する。前記第１基体６０１と前記第２基体６０２との電気的な接続は、予め形成しておいた基体の裏面または側面のパッドからワイヤーで確保する。このようにして、本実施形態のスイッチング素子を製造可能である。ただし、本実施形態のスイッチング素子の製造方法は、この例に限定されず、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を製造する際の加工技術を用いて、前記第１電極６１および前記第１イオン伝導層６２を含む第１基体６０１上に、前記第２イオン伝導層６４および前記第２電極６３を直接形成してもよい。

本実施形態のスイッチング素子は、例えば、前記第２イオン伝導層が、その一部に他の部分より厚みの薄い部分を有している形態であってもよい。図２の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。同図において、図１と同一部分には、同一符号を付している。図示のとおり、このスイッチング素子２０は、凸部を有する第２電極２３を有する。前記第２電極２３は、前記凸部が第２イオン伝導層２４内に埋没するように、前記第２イオン伝導層２４の前記第１イオン伝導層１２とは反対側に接して設けられている。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子１０と同様である。このような形態であれば、スイッチがオン状態に切り替わる際に、前記金属架橋（電気的接続）が形成される箇所を、前記第２イオン伝導層の他の部分より厚みの薄くなっている部分に規定できる。これにより、前記第２イオン伝導層のエッチングの際に導入される側面のダメージ部分を回避して、選択的に前記金属架橋を形成可能である。また、電界集中効果により前記第２電極の金属のイオン化が容易となるため、前述のフォーミング動作時の電圧を低減可能である。

また、本発明のスイッチング素子は、例えば、前記第２電極の一部が、前記第１イオン伝導層に接しているという形態であってもよい。図３の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。同図において、図１と同一部分には、同一符号を付している。図示のとおり、このスイッチング素子３０は、凸部を有する第２電極３３を有する。前記第２電極３３は、前記凸部が第２イオン伝導層３４を貫通して、その端部が前記第１イオン伝導層１２と接するように、前記第２イオン伝導層３４の前記第１イオン伝導層１２とは反対側に接して設けられている。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子１０と同様である。このような形態であれば、前述のフォーミング動作による第２イオン伝導層中への前記金属架橋形成が不要である。

また、本発明のスイッチング素子は、例えば、複数の前記第２イオン伝導層および前記第２電極を有するという形態であってもよい。図４の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。図示のとおり、このスイッチング素子４０は、第１基体４０１と、第２基体４０２と、筐体４０３と、駆動体４０４とを主要な構成部材として有する。前記第１基体４０１は、前記筐体４０３内に固定して配置されている。前記第２基体４０２は、前記駆動体４０４および支持体４０５を介して、前記第１基体４０１と対向するように、前記筐体４０３内に配置されている。前記第１基体４０１は、第１イオン伝導層４２と前記第１イオン伝導層４２の一方の面（同図において、下側の面）に接して設けられた第１電極４１とを有する。前記第２基体４０２は、第２イオン伝導層４４と前記第２イオン伝導層４４の一方の面（同図において、上側の面）に接して設けられた第２電極４３とを、それぞれ６つ有する。全ての前記第２イオン伝導層４４および前記第２電極４３は、所定の間隔で、絶縁膜４８により封止されている。前記６つの第２イオン伝導層４４の他方の面は、前記第１イオン伝導層４２の他方の面と接している。前記絶縁膜４８は、従来公知のものを用いることができる。前記第２基体４０２が前記駆動体４０４を介して配置されていることにより、全ての前記第２イオン伝導層４４は、前記第１イオン伝導層４２の面内方向に、同時に、かつ同方向に移動可能である。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子１０と同様である。このような形態であれば、スイッチをオフ状態に切り替える動作、または第２イオン伝導層を元の位置に戻す動作等を一括して実施可能である。また、前記駆動体が列または行で共有され、集約されているため、基体内に前記駆動部を取り付ける必要がなく、スイッチング素子の微細化・集積化が容易になる。なお、この例のスイッチング素子４０では、全ての前記第２イオン伝導層４４が、同時に、かつ同方向に移動可能に設けられているが、本発明のスイッチング素子は、これに限定されず、例えば、複数の絶縁膜により、複数の第２イオン伝導層および第２電極が封止され、複数の前記絶縁膜のそれぞれに駆動体が取り付けられている場合には、それぞれの駆動体により、複数の第２イオン伝導層が、同時に、かつ同方向に移動可能に設けられていてもよい。

（実施形態２）
図７の断面図に、本実施形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。図示のとおり、
このスイッチング素子７０は、第１電極７１と、第１イオン伝導層７２と、第２電極７３と、第２イオン伝導層７４と、第３電極７５と、第３イオン伝導層７６とを主要な構成部材として有する。前記第１電極７１は、前記第１イオン伝導層７２の一方の面（同図において、下側の面）と接して設けられている。前記第２イオン伝導層７４および前記第３イオン伝導層７６は、前記第１イオン伝導層７２の他方の面（同図において、上側の面）と接して、前記第１イオン伝導層７２上を移動可能に設けられている。前記第２電極７３は、前記第２イオン伝導層７４の前記第１イオン伝導層７２とは反対側の面（同図において、上側の面）に接して設けられている。前記第３電極７５は、前記第３イオン伝導層７６の前記第１イオン伝導層７２とは反対側の面（同図において、上側の面）に接して設けられている。前記第２イオン伝導層７４および前記第２電極７３と、前記第３イオン伝導層７６および前記第３電極７５とは、所定の間隔で、絶縁膜７８により封止されている。本実施形態においては、前記第２イオン伝導層７４および前記第２電極７３と、前記第３イオン伝導層７６および前記第３電極７５とが、前記絶縁膜７８により封止されているため、前記第２イオン伝導層７４および前記第３イオン伝導層７６は、同時に、かつ同方向に移動可能である。これら以外の構成は、実施形態１のスイッチング素子と同様である。なお、本実施形態では、各部材同士は直接接して設けられているが、本発明のスイッチング素子は、本実施形態に限定されず、例えば、本発明の効果を損なわない範囲で、別部材を介して設けられていてもよい。

前記第３電極を構成する材料は、金属材料であれば特に制限されないが、前記第２電極と同様の材料であることが好ましい。

前記第３イオン伝導層の材料は、例えば、前記第１イオン伝導層および前記第２伝導層の材料と同様である。前記第３イオン伝導層と、前記第１イオン伝導層および前記第２イオン伝導層とは、同一の材料で形成されていてもよいが、前記第３イオン伝導層の材料を、例えば、酸化タンタル（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）とし、前記第１イオン伝導層および前記第２イオン伝導層の材料を、例えば、シリコンを添加してイオン伝導率を低下させた酸化タンタル（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）とすれば、前記第３イオン伝導層のイオン伝導率を、前記第２イオン伝導層のイオン伝導率より高くすることができる。このようにすれば、温度が上昇した際に、例えば、前記金属架橋（電気的接続）を構成する金属が拡散して断線するのを抑制可能である。

前記第３イオン伝導層の膜厚は、例えば、前記第２イオン伝導層と同様である。前記第３イオン伝導層の膜厚と前記第２イオン伝導層との膜厚は、例えば、同じであってもよいが、前記第３イオン伝導層を、前記第２イオン伝導層より薄くし、かつ前述のように、第３イオン伝導層のイオン伝導率を、前記第１イオン伝導層および前記第２イオン伝導層の伝導率より大きくすれば、後述する動作において、低電圧でイオンの回収が可能となる。

つぎに、図１０に基づき、本実施形態のスイッチング素子７０の動作方法を、前記イオンを金属イオンとした場合を例にとり詳細に説明する。同図において、図７と同一部分には、同一符号を付している。

まず、図１０（ａ）に示すとおり、前記第１電極７１と前記第２電極７３との間に、前記第１電極７１に対して、前記第２電極７３が正になるように電圧を印加する。これにより、前記第２電極７３から前記第２イオン伝導層７４および前記第１イオン伝導層７２に、前記金属イオンが供給され、前記金属による金属架橋１０１が形成される。これにより、前記第１電極７１と前記第２電極７３とが電気的に接続され、スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わる。前記オン状態において、図１０（ｂ）に示すように、前記第２イオン伝導層７４を、前記駆動体（図示せず）によって前記第１イオン伝導層７２の面方向（同図において、左方向）に、前記第３イオン伝導層７６が前記第１イオン伝導層７２中の前記金属架橋の一部１０１ａ上に位置するまで、移動させる。この移動により、前記金属架橋１０１が切断される。この結果、前記第１電極７１と前記第２電極７３との間の前記電気的接続が切断され、スイッチがオン状態からオフ状態に切り替わる。本実施形態のスイッチング素子では、前述のようにして、スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えるため、オフ電流の発生を低減可能である。なお、前記移動距離は、この例に限定されず、少なくとも前記金属架橋１０１の直径（例えば、数ｎｍ）より大きい、すなわち、少なくとも前記直径の１倍強であればよい。なお、本実施形態では、前記第２イオン伝導層および前記第３イオン伝導層は、前記第１イオン伝導層の面方向に移動するが、本発明のスイッチング素子は、本実施形態に限定されず、前記第２イオン伝導層および前記第３イオン伝導層が、前記第１イオン伝導層上を移動する形態であればよい。

前記オフ状態において、図１０（ｃ）に示すように、前記第１電極７１と前記第３電極７５との間に、前記第１電極７１に対して、前記第３電極７５が負になるように電圧を印加する。これにより、前記第１イオン伝導層７２中に残った金属架橋の一部１０１ａを構成する金属は、前記金属イオンとなって、前記第１イオン伝導層７２中に溶解する。前記金属イオンは、前記第３電極７５に向かって移動し、前記第３電極７５から供給される電子を受け取って金属となる。このようにして、前記第１イオン伝導層７２中の前記金属架橋の一部１０１ａを構成する金属は、前記第３電極７５に回収される。本実施形態のスイッチング素子では、前述のようにして、前記金属を前記第３電極７５に回収可能であるため、前記第１イオン伝導層７２に金属イオンが蓄積されるのを防止可能である。なお、前記第２イオン伝導層７４中には、前記金属架橋の一部１０１ｂが残存する。このため、スイッチをオフ状態から再度オン状態に切り替える場合、オン状態への切り替えに要する時間の短縮、または印加電圧の低減が可能である。

前記回収後に、スイッチをオフ状態から再度オン状態に切り替える動作は、そのままの位置で実施してもよいが、図１０（ｄ）に示すように、前記第２イオン伝導層７４および前記第３イオン伝導層７６を、元の位置に移動させてから実施することが好ましい。前記第２イオン伝導層７４および前記第３イオン伝導層７６を元の位置に戻すことにより、移動量の累積が防止される。

本実施形態のスイッチング素子の動作方法においては、前記第２イオン伝導層７４および前記第３イオン伝導層７６は、同時に、かつ同方向に移動するため、例えば、前記第２イオン伝導層７４の移動により、スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えると同時に、第３電極７５に印加することにより、スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることも可能である。このようにすれば、書き換え時間を短縮可能である。これら以外は、実施形態１のスイッチング素子の動作方法と同様である。

つぎに、本実施形態のスイッチング素子の製造方法を説明する。本実施形態のスイッチング素子の製造方法は、前記第２基体が、さらに前記第３電極と、前記第３イオン伝導層とを含む。前記第３電極は、前記第３イオン伝導層の一方の面に設けられる。前記積層工程において、前記第３イオン伝導層が前記第１イオン伝導層上を移動可能となるように、前記第１イオン伝導層と前記第２イオン伝導層および前記第３イオン伝導層とを対向させて、前記第１基体および前記第２基体を積層する。これら以外は、実施形態１のスイッチング素子の製造方法と同様である。

本実施形態のスイッチング素子は、例えば、前記スイッチング素子７０が、さらに、前記第１電極をアレイ状に区切る絶縁層を有するという形態であってもよい。図８の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。同図において、図７と同一部分には、同一符号を付している。図示のとおり、このスイッチング素子８０は、絶縁層８７を介して幅方向（同図において、左右方向）にアレイ状に区切られた第１電極８１を有する。前記第２イオン伝導層７４は、前記第１イオン伝導層７２を介して、前記第１電極８１と対向する領域に設けられている。前記第３イオン伝導層７６は、前記第１イオン伝導層７２を介して、前記絶縁層８７と対向する領域内に設けられている。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子７０と同様である。このような形態であれば、スイッチをオン状態に切り替える際に、前記第３イオン伝導層７６は、前記絶縁層８７が設けられている位置に対向する領域内に設けられているため、前記第３イオン伝導層７６中に、前述の金属架橋が形成されることがなく、前記第３電極７５のイオンを回収する電極としての機能を保持可能である。

前記絶縁層の材料は、絶縁性を有する材料であれば、特に限定されないが、例えば、
酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム等があげられる。

また、本実施形態のスイッチング素子は、例えば、前記第２イオン伝導層および前記第３イオン伝導層が、前記第１イオン伝導層の面方向で接して設けられ、前記第２電極および前記第３電極が、電気的に接続されているという形態であってもよい。図９の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。図示のとおり、このスイッチング素子９０は、絶縁層９７を介して幅方向（同図において、左右方向）にアレイ状に区切られた第１電極９１を有する。第２イオン伝導層９４は、第１イオン伝導層９２を介して、前記第１電極９１と対向する領域に設けられている。前記第３イオン伝導層９６は、前記第１イオン伝導層９２を介して、前記絶縁層９７と対向する領域内に設けられている。前記第２伝導層９４の右端と前記第３イオン伝導層９６の左端とは、前記第１イオン伝導層９２の面方向（同図において、左右方向）で接して設けられている。前記第２イオン伝導層９４上に設けられた第２電極９３の右端と、前記第３イオン伝導層９６上に設けられた第３電極９５左端とは、前記第１イオン伝導層９２の面方向で接しており、電気的に接続されている。この状態で、前記第２イオン伝導層９４および前記第２電極９３と、前記第３イオン伝導層９６および前記第３電極９５とは、絶縁膜９８により封止されている。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子７０と同様である。このような形態であれば、前述のスイッチング素子８０と同様に、第３電極のイオンを回収する電極としての機能を保持可能であるとともに、前記第２電極と前記第３電極とを共通化できることにより、周辺回路の小型化が可能である。また、前記第２イオン伝導層９４および前記第２電極９３と、前記第３イオン伝導層９６および前記第３電極９５とが、前記絶縁膜９８により封止されているため、前記第２イオン伝導層９４および前記第３イオン伝導層９６は、同時に、かつ同方向に移動可能である。

（実施形態３）
図１１の断面図に、本実施形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。図示のとおり、このスイッチング素子１１０は、第１電極１１１と、第１イオン伝導層１１２と、第２電極１１３と、第２イオン伝導層１１４と、第３電極１１５とを主要な構成部材として有する。前記第１電極１１１は、前記第１イオン伝導層１１２の一方の面（同図において、下側の面）と接して設けられている。前記第２電極１１３および前記第２イオン伝導層１１４は、前記第１イオン伝導層１１２の他方の面（同図において、上側の面）と接して、前記第１イオン伝導層１１２上を移動可能に設けられている。前記第３電極１１５は、前記第２イオン伝導層１１４の前記第１イオン伝導層１１２とは反対側の面（同図において、上側の面）に接して設けられている。前記第２電極１１３と、前記第２イオン伝導層１１４および前記第３電極１１５とは、所定の間隔で、絶縁膜１１８により封止されている。本実施形態においては、前記第２電極１１３と、前記第２イオン伝導層１１４および前記第３電極１１５とが、前記絶縁膜１１８により封止されているため、前記第２電極１１３および前記第２イオン伝導層１１４は、同時に、かつ同方向に移動可能である。これら以外の構成は、実施形態１のスイッチング素子と同様である。なお、本実施形態では、各部材同士は直接接して設けられているが、本発明のスイッチング素子は、本実施形態に限定されず、例えば、本発明の効果を損なわない範囲で、別部材を介して設けられていてもよい。

つぎに、図１６に基づき、本実施形態のスイッチング素子１１０の動作方法を、前記イオンを金属イオンとした場合を例にとり詳細に説明する。同図において、図１１と同一部分には、同一符号を付している。

まず、図１６（ａ）に示すとおり、前記第１電極１１１と前記第２電極１１３との間に、前記第１電極１１１に対して、前記第２電極１１３が正になるように電圧を印加する。これにより、前記第２電極１１３から前記第１イオン伝導層１１２に、前記金属イオンが供給され、前記金属による金属架橋１６１が形成される。これにより、前記第１電極１１１と前記第２電極１１３とが電気的に接続され、スイッチがオフ状態からオン状態に切り替わる。このようにすることで、前述のフォーミング動作による前記金属架橋を形成する必要がない。前記オン状態において、図１６（ｂ）に示すように、前記第２電極１１３を、前記駆動体（図示せず）によって前記第１イオン伝導層１１２の面方向（同図において、左方向）に、前記第２イオン伝導層１１４が、前記第１イオン伝導層１１２中の前記金属架橋１６１上に位置するまで、移動させる。この移動により、前記第１電極１１１と前記第２電極１１３との間の前記電気的接続が切断され、スイッチがオン状態からオフ状態に切り替わる。本実施形態のスイッチング素子では、前述のようにして、スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えるため、オフ電流の発生を低減可能である。なお、前記移動距離は、この例に限定されず、少なくとも前記第２電極１１３が前記金属架橋１６１上に存在しなくなる距離であればよい。また、本実施形態では、前記第２電極および前記第２イオン伝導層は、前記第１イオン伝導層の面方向に移動するが、本発明のスイッチング素子は、本実施形態に限定されず、前記第２電極および前記第２イオン伝導層が、前記第１イオン伝導層上を移動する形態であればよい。

前記オフ状態において、図１６（ｃ）に示すように、前記第１電極１１１と前記第３電極１１５との間に、前記第１電極１１１に対して、前記第３電極１１５が負になるように電圧を印加する。これにより、前記第１イオン伝導層１１２中の前記金属架橋１６１を構成する金属は、前記金属イオンとなって、前記第１イオン伝導層１１２中に溶解する。前記金属イオンは、前記第３電極１１５に向かって移動し、前記第３電極１１５から供給される電子を受け取って金属となる。このようにして、前記第１イオン伝導層１１２中の前記金属架橋１６１を構成する金属は、前記第３電極１１５に回収される。本実施形態のスイッチング素子では、前述のようにして、前記金属を前記第３電極１１５に回収可能であるため、前記第１イオン伝導層１１２に金属イオンが蓄積されるのを防止可能である。

前記回収後に、スイッチをオフ状態から再度オン状態に切り替える動作は、そのままの位置で実施してもよいが、図１６（ｄ）に示すように、前記第２電極１１３および前記第２イオン伝導層１１４を、元の位置に移動させてから実施することが好ましい。前記第２電極１１３および前記第２イオン伝導層１１４を元の位置に戻すことにより、移動量の累積が防止される。

本実施形態のスイッチング素子の動作方法においては、前記第２電極１１３および前記第２イオン伝導層１１４は、同時に、かつ同方向に移動するため、例えば、前記第２電極１１３の移動により、スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えると同時に、前記第３電極に印加することにより、スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることも可能である。このようにすれば、書き換え時間を短縮可能である。これら以外は、実施形態１または２のスイッチング素子の動作方法と同様である。

つぎに、本実施形態のスイッチング素子の製造方法を説明する。本実施形態のスイッチング素子の製造方法は、前記第２基体が、さらに前記第３電極を含む。前記第３電極は、前記第２イオン伝導層の一方の面に設けられる。前記積層工程において、前記第２電極が前記第１イオン伝導層上を移動可能となるように、前記第１イオン伝導層と前記第２電極および前記第２イオン伝導層とを対向させて、前記第１基体および前記第２基体を積層する。これら以外は、実施形態１のスイッチング素子の製造方法と同様である。

本実施形態のスイッチング素子は、例えば、前記第２電極の前記第１イオン伝導層側の面の面積が、前記第２電極の前記第１イオン伝導層側と反対側の面の面積より小さいという形態であってもよい。図１２の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。同図において、図１１と同一部分には、同一符号を付している。図示のとおり、このスイッチング素子１２０は、凸形状の第２電極１２３を有する。前記第２電極１２３は、その凸部で前記第１イオン伝導層１１２と接して設けられている。すなわち、前記第２電極１２３の前記第１イオン伝導層１１２と接する面の面積は、前記第２電極１２３の前記第１イオン伝導層１１２側の面とは反対側の面の面積より小さい。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子１１０と同様である。このような形態であれば、電界集中効果により前記第２電極の金属のイオン化が容易となり、印加する電圧を低減可能であり、また、前記第２電極の面内伝導性を高くできるため、配線抵抗を低下可能である。

また、本実施形態のスイッチング素子は、例えば、前記第２イオン伝導層が、その一部に他の部分より厚みの薄い部分を有している形態であってもよい。図１３の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。図示のとおり、このスイッチング素子１３０は、凸部を有する第３電極１３５を有する。前記第３電極１３５は、前記凸部が前記第２イオン伝導層１３４内に埋没するように、前記第２イオン伝導層１３４の前記第１イオン伝導層１１２とは反対側に接して設けられている。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子１１０と同様である。

また、本実施形態のスイッチング素子は、例えば、前記スイッチング素子１１０が、さらに、前記第１電極をアレイ状に区切る絶縁層を有するという形態であってもよい。図１４の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。同図において、図１１と同一部分には、同一符号を付している。図示のとおり、このスイッチング素子１４０は、絶縁層１４７を介して幅方向（同図において、左右方向）にアレイ状に区切られた第１電極１４１を有する。前記第２電極１１３は、前記第１イオン伝導層１１２を介して、前記第１電極１４１と対向する領域に設けられている。前記第２イオン伝導層１１４は、前記第１イオン伝導層１１２を介して、前記絶縁層１４７と対向する領域内に設けられている。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子１１０と同様である。このような形態であれば、スイッチをオン状態に切り替える際に、前記第２イオン伝導層１１４は、前述のように設けられているため、前記第２イオン伝導層１１４中に、前述の金属架橋が形成されることがなく、前記第３電極１１５のイオンを回収する電極としての機能を保持可能である。

また、本発明のスイッチング素子は、例えば、前記第２電極および前記第３電極が、電気的に接続されているという形態であってもよい。図１５の断面図に、この形態のスイッチング素子の一例の構成を示す。図示のとおり、このスイッチング素子１５０は、絶縁層１５７を介して幅方向（同図において、左右方向）にアレイ状に区切られた第１電極１５１を有する。前記第２電極１５３は、前記第１イオン伝導層１５２を介して、前記第１電極１５１と対向する領域に設けられている。前記第２イオン伝導層１５４は、前記第１イオン伝導層１５２を介して、前記絶縁層１５７と対向する領域内に設けられている。前記第２電極１５３の右端上部と、前記第２イオン伝導層１５４上に設けられた前記第３電極１５５の左端とは、前記第１イオン伝導層１５２の面方向（同図において、左右方向）で接して設けられ、電気的に接続されている。前記第２電極１５３と、前記第２イオン伝導層１５４および前記第３電極１５５とは、絶縁膜１５８により封止されている。これら以外の構成は、前述のスイッチング素子１１０と同様である。このような形態であれば、前述のスイッチング素子１４０と同様に、第３電極のイオンを回収する電極としての機能を保持可能であるとともに、前記第２電極と前記第３電極とを共通化できることにより、周辺回路の小型化が可能である。

（実施形態４）
図１７に、本実施形態の書き換え可能な論理集積回路の一例の構成を示す。図示のとおり、この書き換え可能な論理集積回路１７０は、２次元配列状に配置された多数のロジックセル１７１と、前記ロジックセル１７１間を接続するための配線１７２と、前記配線１７２間の接続・非接続を切り替えるための多数のスイッチ１７３を有する。前記スイッチ１７３が、本発明のスイッチング素子である。このような構成であれば、前記スイッチ１７３の接続状態（接続・非接続）を変えることにより、前記ロジックセル１７１間の配線１７２の構成、前記ロジックセル１７１の機能等を設定し、仕様に合わせた論理集積回路を得ることが可能である。なお、本実施形態においては、電流制限のための構成を図示すること、およびその説明は省略する。

つぎに、本実施形態の書き換え可能な論理集積回路の動作方法の一例を説明する。前記スイッチ１７３の第１電極を、前記信号線１７２に接続し、第２電極を、前記ロジックセル１７１に接続する。ユーザの操作により前記スイッチ１７３が、オン状態に設定された場合、前記第１電極と前記第２電極とが電気的に接続された状態を維持する。そして、ロジック信号が、前記信号線１７２を介して、前記第１電極に到達すると、前記ロジック信号は、前記第２電極を経由して前記ロジックセル１７１に入る。一方、前記スイッチ１７３がオフ状態に設定された場合、前記第１電極と前記第２電極とが電気的に接続が切断された状態を維持する。この場合、前記ロジック信号が前記信号線１７２を介して、前記第１電極に到達しても、前記ロジック信号は、前記第２電極に接続された前記ロジックセル１７１に入ることはできない。このようにして、前記書き換え可能な論理集積回路では、ユーザによりオン状態に設定されたスイッチが信号線として機能し、オン状態のスイッチに接続されたロジックセルが動作可能な状態を維持する。

前記スイッチ１７３に、本発明のスイッチング素子を用いれば、スイッチがオン状態からオフ状態に切り替わる際のオフ電流を低減でき、この結果、スイッチ動作に必要な周辺回路の面積の小さくすることが可能である。なお、本実施形態においては、本発明のスイッチング素子を、前記ロジックセルへの接続・非接続を切り替えるために用いたが、本発明のスイッチング素子の用途は、これに限定されず、配線の切り替えやロジックセルの機能の切り替えのスイッチに適用することも可能であり、例えば、電子信号により回路構成を変更し、１つのチップで多くの機能を提供可能なＦＰＧＡ等にも適用可能である。

（実施形態５）
図１８に、本実施形態のメモリ素子の一例の構成を示す。図示のとおり、このメモリ素子１８０は、情報を保持するためのスイッチング素子１８５と、前記スイッチング素子１８５の前記情報を読み出すためのトランジスタ素子１８４とを有する。前記スイッチング素子１８５が、本発明のスイッチング素子である。前記トランジスタ素子１８４のソース電極は、ビット線１８１に接続され、前記トランジスタ素子１８４のゲート電極は、ワード線１８２に接続されている。前記スイッチング素子１８５の第１電極は、前記トランジスタ素子１８４のドレイン電極に接続され、前記スイッチング素子１８５の第２電極は、前記ビット線１８３に接続されている。前記ビット線１８３は、接地電位に接続されている。

つぎに、本実施形態のメモリ素子への情報の書き込み方法について説明する。なお、保持する情報“１”と“０”のうち、前記スイッチング素子１８５のオン状態を“１”とし、オフ状態を“０”とする。また、前記スイッチング素子１８５のスイッチング電圧をＶｔとし、前記トランジスタ素子１８４の動作電圧をＶＲとする。

前記メモリ素子１８０に、情報“１”を書き込む場合には、前記ビット線１８１に前記スイッチング電圧−Ｖｔを印加し、前記ワード線１８２に電圧ＶＲを印加して前記トランジスタ素子１８４をオン状態にさせる。これにより、前記スイッチング素子１８５の前記第１電極に、前記スイッチング電圧−Ｖｔが印加され、前記スイッチング素子１８５は、オン状態となり、情報“１”が書き込まれる。前記メモリ素子１８０に、情報“０”を書き込む場合には、前述の本発明のスイッチング素子の動作により、前記スイッチング素子１８５は、オフ状態となり、情報“０”が書き込まれる。

つぎに、本実施形態のメモリ素子への情報の読み出し方法について説明する。前記ワード線１８２に電圧ＶＲを印加して前記トランジスタ素子１８４をオン状態にし、前記ビット線１８１と前記ビット線１８３との間の抵抗値を求める。この抵抗値は、前記トランジスタ素子１８４のオン抵抗と前記スイッチング素子１８５との合成抵抗値となる。この合成抵抗値が測定できないほど大きい場合には、前記スイッチング素子１８５がオフ状態であると判定でき、前記メモリ素子１８０に保持された情報が“０”であることがわかる。一方、前記合成抵抗値が所定の値より小さい場合には、前記スイッチング素子１８５がオン状態あると判定でき、前記メモリ素子１８０に保持された情報が“１”であることがわかる。

なお、本実施形態においては、前記スイッチング素子１８５に流れる電流を制限する方法についての説明を省略したが、前記トランジスタ素子１８４に上述の動作の他に、電流制限のための制御をさせてもよい。

本発明のスイッチング素子を、前記メモリ素子１８０の情報保持の記憶素子に用いれば、スイッチがオン状態からオフ状態に切り替わる際のオフ電流を低減でき、この結果、スイッチ動作に必要な周辺回路の面積の小さくすることが可能である。

１０、２０、３０、４０、７０、８０、９０、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０ スイッチング素子
１１、４１、６１、７１、８１、９１、１１１、１４１、１５１ 第１電極
１２、４２、６２、７２、９２、１１２、１５２ 第１イオン伝導層
１３、２３、３３、４３、６３、７３、９３、１１３、１２３、１５３ 第２電極
１４、２４、３４、４４、６４、７４、９４、１１４、１３４、１５４ 第２イオン伝導層
４８、７８、９８、１１８、１５８ 絶縁膜
７５、９５、１１５、１３５、１５５ 第３電極
７６、９６ 第３イオン伝導層
５１、１０１、１６１ 金属架橋（電気的接続）
５１ａ、５１ｂ、１０１ａ、１０１ｂ 金属架橋の一部
８７、９７、１４７、１５７ 絶縁層
１７０ 書き換え可能な論理集積回路
１７１ ロジックセル
１７２ 配線・信号線
１７３ スイッチ
１８０ メモリ素子
１８１、１８３ ビット線
１８２ ワード線
１８４ トランジスタ素子
１８５ スイッチング素子
１９０、２００、２１０ 従来のスイッチング素子
１９１、２０１、２１１ 第１電極
１９２、２０２、２１２ イオン伝導層
１９３、２０３、２１３ 第２電極
２０４ 金属架橋（伝導パス）
２０４ａ 金属架橋の一部
２０５ 金属イオン
２０６ 金属
２１４ 第３電極
４０１、６０１ 第１基体
４０２、６０２ 第２基体
４０３、６１１ 筐体
４０４、６１２ 駆動体
４０５、６１３ 支持体
６０３ 基体
６０４ 第１ストップ絶縁層
６０５ 第１層間絶縁層
６０６ 第２ストップ絶縁層
６０７ 第１拡散防止層
６０８ バリアメタル
６０９ 電極

Claims (44)

1. 第１電極と、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第１イオン伝導層および第２イオン伝導層と、前記イオンを供給する第２電極とを有し、
   前記第１電極は、前記第１イオン伝導層の一方の面に設けられ、
   前記第２イオン伝導層は、前記第１イオン伝導層の他方の面に、前記第１イオン伝導層上を移動可能に設けられ、
   前記第２電極は、少なくとも前記第２イオン伝導層の前記第１イオン伝導層とは反対側の面に設けられていることを特徴とするスイッチング素子。
2. 前記イオンは、金属イオンを含むことを特徴とする請求項１記載のスイッチング素子。
3. 前記第２イオン伝導層は、その一部に他の部分より厚みの薄い部分を有していることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング素子。
4. 前記第２電極の一部は、前記第１イオン伝導層に接していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
5. 前記第１電極は、白金を含み、前記第２電極は、銅を含み、前記第１イオン伝導層および前記第２イオン伝導層は、酸化タンタルを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
6. 複数の前記第２イオン伝導層および前記第２電極を有し、
   少なくとも２つの前記第２イオン伝導層は、同時に、かつ同方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
7. 全ての前記第２イオン伝導層は、同時に、かつ同方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項６記載のスイッチング素子。
8. さらに、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第３イオン伝導層と、第３電極とを有し、
   前記第３伝導層は、前記第１イオン伝導層の他方の面に、前記第１イオン伝導層上を移動可能に設けられ、
   前記第３電極は、少なくとも前記第３イオン伝導層の前記第１イオン伝導層とは反対側の面に設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
9. 前記第３イオン伝導層は、前記第２イオン伝導層より薄いことを特徴とする請求項８記載のスイッチング素子。
10. 前記第３イオン伝導層のイオン伝導率は、前記第２イオン伝導層のイオン伝導率より高いことを特徴とする請求項８または９記載のスイッチング素子。
11. 前記第２イオン伝導層および前記第３イオン伝導層は、同時に、かつ同方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
12. 前記第３電極は、銅を含み、前記第３イオン伝導層は、酸化タンタルを含むことを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
13. 前記第１イオン伝導層および前記第２イオン伝導層は、シリコンを含む酸化タンタルを含むことを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
14. 前記第３イオン伝導層は、前記第１イオン伝導層を介して、前記絶縁層と対向する領域内に設けられていることを特徴とする請求項８から１３のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
15. 前記第２イオン伝導層および前記第３イオン伝導層が、前記第１イオン伝導層の面方向で接するように設けられ、
    前記第２電極および前記第３電極は、電気的に接続されていることを特徴とする請求項１４記載のスイッチング素子。
16. 前記第２イオン伝導層および前記第３イオン伝導層は、同時に、かつ同方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１４または１５記載のスイッチング素子。
17. 前記絶縁層は、酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項１４から１６のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
18. さらに、第３電極を有し、
    前記第３電極は、前記第２電極に代えて、前記第２イオン伝導層の前記第１イオン伝導層とは反対側の面に設けられ、
    前記第２電極は、前記第１イオン伝導層の他方の面に、前記第１イオン伝導層上を移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載スイッチング素子。
19. 前記第２電極の前記第１イオン伝導層側の面の面積は、前記第２電極の前記第１イオン伝導層側の面とは反対側の面の面積より小さくなっていることを特徴とする請求項１８記載のスイッチング素子。
20. 前記第２イオン伝導層は、その一部に他の部分より厚みの薄い部分を有していることを特徴とする請求項１８または１９記載のスイッチング素子。
21. 前記第２電極および前記第２イオン伝導層は、同時に、かつ同方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１８から２０のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
22. さらに、前記第１電極をアレイ状に区切る絶縁層を有し、
    前記第３イオン伝導層は、前記第１イオン伝導層を介して、前記絶縁層と対向する領域内に設けられていることを特徴とする請求項１８から２１のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
23. 前記第２電極および前記第３電極は、電気的に接続されていることを特徴とする請求項２２記載のスイッチング素子。
24. さらに、駆動体を有し、
    前記第２イオン伝導層、前記第３イオン伝導層および前記第２電極の少なくとも一つは、前記駆動体により移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１から２３のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
25. 前記第２電極に正または負の電圧を印加することにより、前記第２イオン伝導層および前記第１イオン伝導層に、前記イオンを供給し、前記第１電極と前記第２電極との間を、電気的に接続することで、オフ状態からオン状態に切り替わることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のスイッチング素子の動作方法。
26. 前記オン状態において、前記第２イオン伝導層の移動により、前記電気的接続を切断することで、オフ状態に切り替わることを特徴とする請求項２５記載のスイッチング素子の動作方法。
27. 前記オフ状態において、前記第２イオン伝導層の前記第１イオン伝導層に接する面における前記電気的接続の切断領域以外の領域を、前記第１イオン伝導層の前記第２イオン伝導層に接する面における前記電気的接続の切断領域に移動させた状態で、前記第２電極に負または正の電圧を印加することにより、前記第１イオン伝導層中のイオンを、前記第２電極に回収することを特徴とする請求項２６記載のスイッチング素子の動作方法。
28. 前記回収後において、前記第２イオン伝導層は、元の位置に移動することを特徴とする請求項２７記載のスイッチング素子の動作方法。
29. 前記第２電極に正または負の電圧を印加することにより、前記第２イオン伝導層および前記第１イオン伝導層に、前記イオンを供給し、前記第１電極と前記第２電極との間を、電気的に接続することで、オフ状態からオン状態に切り替わることを特徴とする請求項８から１７いずれか一項に記載のスイッチング素子の動作方法。
30. 前記オン状態において、前記第２イオン伝導層の移動により、前記電気的接続を切断することで、オフ状態に切り替わることを特徴とする請求項２９記載のスイッチング素子の動作方法。
31. 前記オフ状態において、前記第３イオン伝導層を、前記第１イオン伝導層の前記第２イオン伝導層に接する面における前記電気的接続の切断領域に移動させた状態で、前記第３電極に、負または正の電圧を印加することにより、前記第１イオン伝導層中のイオンを、前記第３電極に回収することを特徴とする請求項３０記載のスイッチング素子の動作方法。
32. 前記回収後において、前記第２イオン伝導層は、元の位置に移動することを特徴とする請求項３１記載のスイッチング素子の動作方法。
33. 前記第２電極に正または負の電圧を印加することにより、前記第１イオン伝導層に、イオンを供給し、前記第１電極と前記第２電極との間を、電気的に接続することで、オフ状態からオン状態に切り替わることを特徴とする請求項１８から２３のいずれか一項に記載のスイッチング素子の動作方法。
34. 前記オン状態において、前記第２電極の移動により、前記電気的接続を切断することで、オフ状態に切り替わることを特徴とする請求項３３記載のスイッチング素子の動作方法。
35. 前記オフ状態において、前記第２イオン伝導層を、前記第１イオン伝導層の前記電気的接続の切断領域に移動させた状態で、前記第３電極に負または正の電圧を印加することにより、前記第１イオン伝導層中のイオンを、前記第３電極に回収することを特徴とする請求項３４記載のスイッチング素子の動作方法。
36. 前記回収後において、前記第２イオン伝導層は、元の位置に移動することを特徴とする請求項３５記載のスイッチング素子の動作方法。
37. 前記イオンは、金属イオンを含み、
    前記電気的接続は、金属架橋を含むことを特徴とする請求項２５から３６のいずれか一項に記載のスイッチング素子の動作方法。
38. 前記オン状態または前記オフ状態において、前記第２電極への電圧の印加が停止されても、前記オン状態または前記オフ状態を保持することを特徴とする請求項２５から３７のいずれか一項に記載のスイッチング素子の動作方法。
39. 前記第２イオン伝導層、前記第３イオン伝導層および前記第２電極の少なくとも一つの移動は、駆動体によりなされることを特徴とする請求項２５から３８のいずれか一項に記載のスイッチング素子の動作方法。
40. 第１電極と、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第１イオン伝導層とを含み、前記第１電極が、前記第１イオン伝導層の一方の面に設けられた第１基体を形成する第１基体形成工程と、
    第２電極と、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第２イオン伝導層とを含み、前記第２電極が、前記第２イオン伝導層の一方の面に設けられた第２基体を形成する第２基体形成工程と、
    前記第２イオン伝導層が前記第１イオン伝導層上を移動可能となるように、前記第１イオン伝導層と前記第２イオン伝導層とを対向させて、前記第１基体および前記第２基体を積層する積層工程と、を含むことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
41. 前記第２基体は、さらに、第３電極と、電気化学反応に用いられるイオンを伝導する第３イオン伝導層とを含み、
    前記第３電極は、前記第３イオン伝導層の一方の面に設けられ、
    前記積層工程において、前記第３イオン伝導層が前記第１イオン伝導層上を移動可能となるように、前記第１イオン伝導層と前記第３イオン伝導層とを対向させて、前記第１基体および前記第２基体を積層することを特徴とする請求項４０記載のスイッチング素子の製造方法。
42. 前記第２基体は、さらに、第３電極を含み、
    前記第３電極は、前記第２イオン伝導層の一方の面に設けられ、
    前記積層工程において、前記第２電極が前記第１イオン伝導層上を移動可能となるように、前記第１イオン伝導層と前記第２電極とを対向させて、前記第１基体および前記第２基体を積層することを特徴とする請求項４０記載のスイッチング素子の製造方法。
43. 請求項１から２４のいずれか一項に記載のスイッチング素子をスイッチに用いたことを特徴とする書き換え可能な論理集積回路。
44. 請求項１から２４のいずれか一項に記載のスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子が、オン状態およびオフ状態のいずれの状態であるかを読み出すためのトランジスタ素子と、を有することを特徴とするメモリ素子。

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