JP2023051435A - 非線形抵抗素子、スイッチング素子、及び非線形抵抗素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気特性に優れた非線形抵抗素子、スイッチング素子、及び非線形抵抗素子の製造方法を提供する。【解決手段】第１電極と、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第１非線形抵抗層と、中間層と、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第２非線形抵抗層と、第２電極とを備え、第１電極、第１非線形抵抗層、中間層、第２非線形抵抗層、及び第２電極がこの順に積層された、非線形抵抗素子、スイッチング素子、及び非線形抵抗素子の製造方法である。【選択図】図１

Description

本開示は、非線形抵抗素子、スイッチング素子、及び非線形抵抗素子の製造方法に関する。

半導体集積回路は、微細化（スケーリング則）によってデバイスの集積化・低電力化が進められ、性能向上が図られてきた。近年、リソグラフィプロセスの高コスト化、及びデバイス寸法の物理的限界により、これまでのスケーリング則とは異なるアプローチでのデバイス性能の改善が求められている。

近年、ゲートアレイ及びスタンダードセルの中間的な位置づけとして、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）と呼ばれる再書き換え可能なプログラマブルロジックデバイスが開発されている。ＦＰＧＡは、顧客自身がチップの回路構成を任意に設定することを可能とするものである。ＦＰＧＡは、多層配線構造の内部に抵抗変化素子を有し、配線の電気的接続を変更できる。このようなＦＰＧＡを搭載した半導体装置を用いることによって、回路の自由度を向上することができる。

抵抗変化素子としては、ＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ：Ｍａｇｎｅｔｏ－ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＲＡＭ（相変化メモリ：Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（抵抗変化型メモリ：Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＢＲＡＭ（固体電解質のイオンにより導電性パスを形成するＲＡＭ：Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が挙げられる。

ＲｅＲＡＭは、外部から印加される電圧と電流により、抵抗値が変化する特性を利用するものである。ＲｅＲＡＭセルでは、２つの電極の間に挟まれた抵抗変化膜を有する構造が用いられる。例えば、２つの電極間に電界を印加して、金属酸化物からなる抵抗変化膜内部にフィラメントを生成するか、又は、２つの電極間に導電性パスを形成することにより、オン状態とする。その後、２つの電極間へ逆方向に電界を印加することで、フィラメントを消失させるか、又は、２つの電極間に形成されていた導電性パスを消失させることにより、オフ状態とする。印加する電界の方向を反転させることで、２つの電極間の抵抗値が大きく異なり、オン状態とオフ状態との間のスイッチングがなされる。上記オン状態とオフ状態との間における抵抗値の相違に応じて、この抵抗変化素子を介して流れる電流が異なることを利用して、データを記憶する。データ書き込み時は、記憶させるデータに対応して、オフ状態からオン状態への遷移、又はオン状態からオフ状態への遷移を引き起こすための電圧値、電流値及びパルス幅を選択し、データ記憶用のフィラメントの生成もしくは消失、又は導電性パスの形成もしくは消失を行う。

非特許文献１には、このようなＲｅＲＡＭに利用できる抵抗変化素子の一例として、不揮発性抵抗変化素子が開示されている。非特許文献１に開示されている不揮発性抵抗変化素子は、イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の２つの面のそれぞれに接して設けられた第１電極及び第２電極とを有する。第１電極は第１の金属から構成され、第２電極は第２の金属から構成されている。第１の金属と第２の金属は、金属を酸化して金属イオンを生成する過程における標準生成ギブズエネルギーΔＧが相違している。

非特許文献１の抵抗変化素子は、イオン伝導体中における金属イオン移動と、電気化学反応による「金属イオンの還元による金属の析出」と「金属の酸化による金属イオンの生成」を利用して、抵抗変化膜を挟む電極間の抵抗値を可逆的に変化させ、スイッチングを行う不揮発性スイッチング素子である。この不揮発性スイッチング素子は、金属架橋構造の形成と溶解によって、オン状態とオフ状態を遷移可能な不揮発性の金属架橋型抵抗変化素子である。

非特許文献１の抵抗変化素子にあっては、オフ状態からオン状態への遷移過程（セット過程）では、不活性電極である第２電極を接地して、活性電極である第１電極に正電圧を印加すると、第１電極と固体電解質の界面において、第１電極の金属が金属イオンとなって固体電解質に溶解する。一方、第２電極側において、第２電極から供給される電子を利用して、固体電解質中の金属イオンが固体電解質中に金属になって析出する。固体電解質中に析出した金属により、金属架橋構造が形成され、最終的に、第１電極と第２電極を接続する金属架橋が形成される。金属架橋を介して第１電極と第２電極が電気的に接続されることで、スイッチがオン状態になる。

一方、オン状態からオフ状態への遷移過程（リセット過程）では、オン状態のスイッチに対して、第２電極を接地して第１電極に負電圧を印加すると、金属架橋を構成している金属が金属イオンになって固体電解質に溶解する。金属の溶解が進行すると、金属架橋を構成している金属架橋構造の一部が切れる。最終的に、第１電極と第２電極を接続する金属架橋が切断されると、電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態になる。

なお、金属の溶解が進行すると、導通経路を構成する金属架橋構造は細くなって第１電極及び第２電極間の抵抗が大きくなり、第１電極と固体電解質の界面では、溶解している金属イオンが還元され、金属として析出する。そのため、固体電解質中に含まれる金属イオン濃度が減少して比誘電率が変化することに伴い、電極間容量が変化する等、電気的接続が完全に切れる前の段階から電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。

また、金属架橋型抵抗変化素子をオン状態からオフ状態に遷移させた（リセットした）後、再び第２電極を接地して第１電極に正電圧を印加すると、オフ状態からオン状態への遷移過程（セット過程）が進行する。すなわち、金属架橋型抵抗変化素子は、オフ状態からオン状態への遷移過程（セット過程）と、オン状態からオフ状態への遷移過程（リセット過程）を、可逆的に行うことが可能である。

このような固体電解質層型の抵抗変化素子は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチよりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいという特徴がある。そのため、固体電解質層型の抵抗変化素子は、プログラマブルロジックデバイスのスイッチング素子への適用が有望である。

また、抵抗変化素子の導通状態（オン又はオフ）は印加電圧をオフにしてもそのまま維持される。そのため、抵抗変化素子は、不揮発性のメモリ素子としての応用も考えられる。例えば、抵抗変化素子を有するメモリ素子としては、トランジスタ等の選択素子１個と抵抗変化素子１個とを含むメモリセルを基本単位とし、複数のメモリセルを縦方向と横方向にそれぞれ配列したものが挙げられる。このようにメモリセルを配列することによって、ワード線及びビット線で複数のメモリセルの中から任意のメモリセルを選択することが可能となる。そして、選択したメモリセルの抵抗変化素子の導通状態をセンスし、抵抗変化素子のオン又はオフの状態から情報「１」又は「０」のいずれの情報が格納されているかを読み取ることが可能な不揮発性メモリを実現できる。

上述した２端子型の不揮発性抵抗変化素子を半導体装置に搭載し、この不揮発性抵抗変化素子をプログラミングする場合、不揮発性抵抗変化素子１つにつき、１つの選択トランジスタ（アクセストランジスタ）を備えた構成が用いられる。この構成は、一般的に１Ｔ１Ｒと呼ばれている。１Ｔ１Ｒは、選択トランジスタの占める面積が大きいため、全体の面積が実効的に大きくなるという問題があった。そのため、選択トランジスタを非線形抵抗素子等の２端子の選択素子（セレクタ）に置き換えることによって、回路の実装面積を小さくすることが検討されている。この構成は、一般的に１Ｓ１Ｒと呼ばれている。例えば、特許文献１には、抵抗変化素子の上部に２端子の選択素子（セレクタ）を形成し、１Ｓ１Ｒを構成する技術が記載されている。また、特許文献２には、抵抗変化素子としてオボニックメモリスイッチ（ＯＭＳ）を使用するとともに、２端子の選択素子（セレクタ）としてオボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ）を使用し、１Ｓ１Ｒを構成する例が記載されている。特許文献２に記載のオボニックメモリスイッチとオボニック閾値スイッチには、カルコゲナイド材料が用いられている。

日本特許第５３８０６１２号公報 日本特開２００６－０８６５２６号公報

Ｍ．Ｔａｄａ，Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ，Ｍ．Ｍｉｙａｍｕｒａ，Ｎ．Ｂａｎｎｏ，ａｎｄ Ｈ．Ｈａｄａ，"Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｏｌｉｄ－Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｓｗｉｔｃｈ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｎ ＣＭＯＳ ｆｏｒ Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｃｒｏｓｓｂａｒ Ｓｗｉｔｃｈ" ，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ，Ｖｏｌ．５８，Ｎｏ．１２，ｐｐ．４３９８－４４０６，（２０１１）． Ｋ．Ｔａｎａｋａ，"Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ ｇｌａｓｓｅｓ"，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ，ＶＯＬＵＭＥ ３９，ＮＵＭＢＥＲ ２，ｐｐ．１２７０－１２７９，（１９８８）．

オボニック閾値スイッチである２端子の選択素子（セレクタ）として、特許文献２に記載されているように、カルコゲナイド材料を用いた非線形抵抗素子が知られている。非線形抵抗素子として、アモルファス・カルコゲナイド層を含むＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）構造の素子が挙げられる。このような非線形抵抗素子では、アモルファス・カルコゲナイド層を構成する元素の拡散、あるいは脱離に起因して電気特性が劣化することがある。しかしながら、上記先行技術を始めとして、様々な技術が従来から検討されているにも関わらず、優れた電気特性を有する非線形抵抗素子を得るための技術が十分でないのが現状である。

本開示は、このような状況を鑑みてなされたものであり、本開示の一実施形態が解決しようとする課題は、電気特性に優れた非線形抵抗素子を提供することである。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、上記非線形抵抗素子を備えるスイッチング素子を提供することである。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、上記非線形抵抗素子の製造方法を提供することである。

本開示は、以下の態様を含む。
＜１＞ 第１電極と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第１非線形抵抗層と、
中間層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第２非線形抵抗層と、
第２電極とを備え、
第１電極、第１非線形抵抗層、中間層、第２非線形抵抗層、及び第２電極がこの順に積層された、
非線形抵抗素子。
＜２＞ アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ｇｅ及びＳｉの少なくとも１種の元素からなる第１群元素と、Ｓｅ、Ｔｅ及びＳからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第２群元素とを含む、＜１＞に記載の非線形抵抗素子。
＜３＞ 第１非線形抵抗層と第１電極との界面から、第１非線形抵抗層と中間層との界面に向かって、第１非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第２群元素の組成が変化しており、
第２非線形抵抗層と第２電極との界面から、第２非線形抵抗層と中間層との界面に向かって、第２非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第２群元素の組成が変化している、
＜２＞に記載の非線形抵抗素子。
＜４＞ アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ａｓ、Ｓｂ及びＮからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第３群元素を含む、＜１＞～＜３＞のいずれか１つに記載の非線形抵抗素子。
＜５＞ 第１非線形抵抗層と第１電極との界面から、第１非線形抵抗層と中間層との界面に向かって、第１非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第３群元素の組成が変化しており、
第２非線形抵抗層と第２電極との界面から、第２非線形抵抗層と中間層との界面に向かって、第２非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第３群元素の組成が変化している、
＜４＞に記載の非線形抵抗素子。
＜６＞ 中間層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ、Ｓｉ、及びＣからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む、＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の非線形抵抗素子。
＜７＞ 中間層の膜厚は、２ｎｍ以下である、＜１＞～＜６＞のいずれか１つに記載の非線形抵抗素子。
＜８＞ 第１電極と第２電極の間に、絶対値が第１閾電圧以上の電圧を印可することにより低抵抗状態に変化し、絶対値が第１閾電圧未満の第２閾電圧以下の電圧を印可することにより高抵抗状態に変化する、＜１＞～＜７＞のいずれか１つに記載の非線形抵抗素子。
＜９＞ 論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子であって、
２つの２端子型の非線形抵抗素子と、
２つの２端子型の不揮発性抵抗変化素子と、を有し、
２つの２端子型の不揮発性抵抗変化素子のそれぞれの一方の端子が、互いに接続され、かつ、２つの２端子型の非線形抵抗素子のそれぞれの一方の電極と接続され、
２つの２端子型の非線形抵抗素子は、＜１＞～＜８＞のいずれか１つに記載の非線形抵抗素子である、
スイッチング素子。
＜１０＞ ＜１＞～＜８＞のいずれか１つに記載の非線形抵抗素子の製造方法であって、
第１電極と、
第１非線形抵抗層と、
中間層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第２非線形抵抗層と、
第２電極とを、この順に同一真空内で積層する、
非線形抵抗素子の製造方法。

本開示の一実施形態によれば、電気特性に優れた非線形抵抗素子が提供される。
本開示の他の実施形態によれば、上記非線形抵抗素子を備えるスイッチング素子が提供される。
本開示の他の実施形態によれば、上記非線形抵抗素子の製造方法が提供される。

図１は、第１実施形態の非線形抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。 図２は、中間層の機能効果を調査分析した実験の一例を説明する図である。 図３は、第１実施形態の非線形抵抗素子の電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）の一例を示す図である。 図４は、比較例の非線形抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。 図５は、比較例の非線形抵抗素子のＩ－Ｖ特性の一例を示す図である。 図６は、変形例の非線形抵抗素子の構成例を示す断面図である。 図７は、集積回路内に作り込まれた第２実施形態の非線形抵抗素子の一例を示す断面図である。 図８は、第３実施形態のクロスバースイッチの構成の一例を示す等価回路図である。 図９は、第４実施形態の半導体装置の素子構造の一例を示す断面図である。

以下、本開示に係る非線形抵抗素子、スイッチング素子、及び非線形抵抗素子の製造方法の詳細を説明する。

以下の説明において参照する図面は、例示的、かつ、概略的に示されたものであり、本開示は、これらの図面に限定されない。同じ符号は、同じ構成要素を示す。また、図面の符号は省略することがある。

（第１実施形態）
第１実施形態は、本開示の第１の例として、電気特性に優れた非線形抵抗素子に関する。図１を用いて、第１実施形態の非線形抵抗素子の構成例を説明する。

図１に示すように、第１実施形態の非線形抵抗素子１００は、第１電極１０１と、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第１非線形抵抗層１０２と、中間層１０３と、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第２非線形抵抗層１０４と、第２電極１０５とを備え、これらの電極及び層がこの順に積層されている。

このように、中間層１０３は、第１非線形抵抗層１０２と第２非線形抵抗層１０４との間に設けられている。
中間層１０３は、第１非線形抵抗層１０２及び第２非線形抵抗層１０４のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第２群元素、若しくは、第３群元素（例えば、Ａｓ、Ｓｅ等）のゲッタリング材として機能する。アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素は、中間層１０３に向かって拡散して移動し、第１非線形抵抗層１０２と中間層１０３との界面近傍、及び第２非線形抵抗層１０４と中間層１０３との界面近傍で濃度が高くなる。そのため、第１非線形抵抗層１０２、中間層１０３及び第２非線形抵抗層１０４に亘って組成の勾配が生じる。
これにより、アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素は、素子表面への拡散、あるいは、素子外への脱離が抑制され、第１非線形抵抗層１０２中、及び第２非線形抵抗層１０４中に安定して存在することができる。そのため、電気特性に優れた非線形抵抗素子を得ることができる。
更に、中間層１０３を設けることで、アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素が成膜時、および、素子形成後に脱離することを抑制することができ、上記のように、アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素の濃度が高い領域を形成することができる。

非線形抵抗素子１００は、第１電極と第２電極の間に、絶対値が第１閾電圧以上の電圧を印可することにより低抵抗状態に変化し、絶対値が第１閾電圧未満の第２閾電圧以下の電圧を印可することにより高抵抗状態に変化するものであってよい。

第１非線形抵抗層１０２及び第２非線形抵抗層１０４は、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる。アモルファス・カルコゲナイド薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ及びＳｉの少なくとも１種の元素からなる第１群元素を含むアモルファス・カルコゲナイドを用いることができる。

アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、例えば、Ｓｅ、Ｔｅ及びＳからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第２元素を含んでよい。

アモルファス・カルコゲナイド薄膜が第２群元素を含む態様において、第１非線形抵抗層１０２と第１電極１０１との界面から、第１非線形抵抗層１０２と中間層１０３との界面に向かって、第１非線形抵抗層１０２のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第２群元素の組成が変化していてよい。
また、同態様において、第２非線形抵抗層１０４と第２電極１０５との界面から、第２非線形抵抗層１０４と中間層１０３との界面に向かって、第２非線形抵抗層１０４のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第２群元素の組成が変化していてよい。
以上のような組成の変化は、上述した組成の勾配に寄与するため、非線形抵抗素子の電気特性の向上を容易とする。

アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ａｓ、Ｓｂ及びＮからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第３群元素を含んでよい。

アモルファス・カルコゲナイド薄膜が第３群元素を含む態様において、第１非線形抵抗層１０２と第１電極１０１との界面から、第１非線形抵抗層１０２と中間層１０３との界面に向かって、第１非線形抵抗層１０２のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第３群元素の組成が変化していてよい。
また、同態様において、第２非線形抵抗層１０４と第２電極１０５との界面から、第２非線形抵抗層１０４と中間層１０３との界面に向かって、第２非線形抵抗層１０４のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する第３群元素の組成が変化していてよい。
以上のような組成の変化は、上述した組成の勾配に寄与するため、非線形抵抗素子の電気特性の向上を容易とする。

第１非線形抵抗層１０２の組成は、第２非線形抵抗層１０４の組成と同一であってよく、異なっていてもよい。

第１非線形抵抗層１０２及び第２非線形抵抗層１０４の膜厚は特に限定されない。膜厚が厚くなる程、素子抵抗が低抵抗になる第１閾電圧は高くなり、また、高抵抗状態でのリーク電流は小さくなる傾向がある。従って、第１非線形抵抗層１０２及び第２非線形抵抗層１０４の組成等の材質から決まる特性と、必要とされる非線形抵抗素子の電気特性とに合わせて、第１非線形抵抗層１０２及び第２非線形抵抗層１０４の膜厚が調整される。第１非線形抵抗層１０２及び第２非線形抵抗層１０４の膜厚は、例えば、５ｎｍ～５０ｎｍに設定してよい。

第１非線形抵抗層１０２の膜厚は、第２非線形抵抗層１０４の膜厚とは同一であってよく、異なっていてもよい。

中間層１０３は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ又はＶのいずれかの１種の元素を含む金属からなる。
また、中間層１０３は、例えば、Ｓｉ又はＣを含んでよい。
このように、中間層１０３は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ、Ｓｉ、及びＣからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含んでよい。

中間層１０３の膜厚は特に限定しないが、例えば、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。また、中間層１０３の膜厚は、２ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることが好ましい。

第１電極１０１及び第２電極１０５の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、及びＶ、並びにそれらの窒化物を用いることができる。

第１電極１０１の材料は、第２電極１０５の材料とは同一であってよく、異なっていてもよい。

第１電極１０１の下方（すなわち、第１電極１０１の第１非線形抵抗層１０２を有する側とは反対側）には、下部配線が備えられていてよい。下部配線の材料としては、Ｃｕ、Ａｌ又はＷのいずれか１種の元素を含む金属を用いてよい。

以下、第１実施形態の非線形抵抗素子１００の具体的な形成方法を示す。
第１電極１０１として、例えば、膜厚１０ｎｍのＴｉＮ膜を基板上に堆積する。
ＴｉＮ膜の成膜方法としては、ＤＣスパッタリング法を用いることができる。例えば、５×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスを導入し、チタン（Ｔｉ）ターゲットに５００Ｗ～２ｋＷの直流（ＤＣ）電力を印加することにより、ＴｉＮ膜を堆積する。

次に、第１非線形抵抗層１０２を形成する。
第１非線形抵抗層１０２としては、例えば、Ｇｅ－Ｓｉ－Ａｓ－Ｓｅ系の膜厚２０ｎｍのカルコゲナイドのアモルファス膜（アモルファス・カルコゲナイド薄膜）を堆積する。
アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜方法としては、Ｓｉターゲットと、例えば、Ｇｅ－Ａｓ－Ｓｅ化合物ターゲット（カルゴゲナイドターゲット）を用いた同時スパッタリング法を用いることができる。例えば、５×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスを導入し、Ｓｉターゲットに１０Ｗ～５００ＷのＤＣ電力又はＲＦ電力を印加し、カルコゲナイドターゲットに１０Ｗ～２ｋＷのＲＦ電力を印加する。カルコゲナイドターゲットの組成、あるいは、同時スパッタリングする際のＳｉターゲット及びカルコゲナイドターゲットに印加する電力を調整することにより、第１非線形抵抗層１０２の組成を調整することができる。カルコゲナイドターゲットには、通常の焼結体ターゲットが利用できるが、Ｇｅ_２２Ａｓ_２０Ｓｅ_５８等の組成のカルコゲナイドガラスもターゲットとして利用できる。カルコゲナイドガラスをターゲットに用いた場合には、焼結体に比べて、ターゲットの密度、及び組成の均一性が優れるために、均一性に優れた第１非線形抵抗層１０２を得ることができる。また、非線形抵抗層１０２の成膜には、上記のようなＳｉとの同時スパッタリングではなく、カルコゲナイドターゲットのみを用いた通常の単独スパッタリングを行っても、第１非線形抵抗層１０２として機能するアモルファス・カルコゲナイド薄膜を形成できることができる。更に、スパッタリングする際に、アルゴン（Ａｒ）ガスに加えて窒素（Ｎ_２）ガスを用いると、第１非線形抵抗層１０２に窒素を添加することができる。

なお、第１電極１０１及び第１非線形抵抗層１０２は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。

次に、中間層１０３を形成する。
中間層１０３としては、例えば、膜厚０．５ｎｍのＴｉ膜を堆積する。
Ｔｉ膜の成膜方法としては、ＤＣスパッタリング法を用いることができる。例えば、５×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスのみを導入し、チタン（Ｔｉ）ターゲットに５００Ｗ～２ｋＷの直流（ＤＣ）電力を印加することにより、第１非線形抵抗層１０２上にＴｉ膜を堆積する。

次に、第２非線形抵抗層１０４を形成する。
第２非線形抵抗層１０４としては、例えば、第１非線形抵抗層１０２と同様に、膜厚２０ｎｍのＧｅＳｉＡｓＳｅ系のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を堆積する。
アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜方法としては、Ｓｉターゲットと、例えば、ＧｅＡｓＳｅカルコゲナイドターゲットを用いた同時スパッタリング法を用いることができる。例えば、５×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスを導入し、Ｓｉターゲットに１０Ｗ～５００ＷのＤＣ電力又はＲＦ電力を印加し、カルコゲナイドターゲットに１０Ｗ～２ｋＷのＲＦ電力を印加する。カルコゲナイドターゲットの組成、あるいは、同時スパッタリングする際のＳｉターゲット及びカルコゲナイドターゲットに印加する電力を調整することにより、第２非線形抵抗層１０２の組成を調整することができる。その他、第１非線形抵抗層１０２について上述した通りである。

なお、第１非線形抵抗層１０２、中間層１０３、及び第２非線形抵抗層１０４の成膜は、同一真空中において連続的に行うことが望ましい。これにより、第１非線形抵抗層１０２と中間層１０３との界面、及び中間層１０３と第２非線形抵抗層１０４との界面が清浄に保たれ、中間層１０３の効果を最大限に発現させることができる。

次に、第２電極１０５を形成する。
第２電極１０５としては、例えば、膜厚２５ｎｍのＴｉＮ膜を堆積する。
第２電極１０５の成膜方法としては、第１電極１０１と同様に、アルゴン（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスを用いた、ＤＣスパッタリング法を用いる。

なお、第２非線形抵抗層１０４及び第２電極１０５は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。

上述の形成方法によって得られた積層体を素子化するためには、いわゆるフォトリソグラフィー及びドライエッチングによる微細加工技術を用いることが好適である。
また、第１電極１０１を成膜する前に、絶縁膜に埋め込まれた下部配線を予め形成しておいてもよい。下部配線は更に絶縁膜で被覆され、開口部を介して、第１電極１０１と電気的に接続される。

（実験例）
ここで、非線形抵抗素子１００の中間層１０３の機能効果を調査分析した実験例について説明する。

この例においては、図２に示すように、下から、膜厚１０ｎｍのＴｉＮ電極膜、膜厚２ｎｍのＴｉ膜、膜厚２０ｎｍのＧｅ－Ａｓ－Ｓｅ系カルコゲナイドのアモルファス膜を積層し、更に、膜厚２ｎｍのＴｉ膜、膜厚２５ｎｍのＴｉＮ電極膜を成膜した試料を作製した。上下のＴｉＮ電極とＧｅ－Ａｓ－Ｓｅ系カルコゲナイドのアモルファス膜の界面に設けられた膜厚２ｎｍのＴｉ膜は、第１実施形態と積層構造が異なっているが、非線形抵抗素子１００の中間層１０３と同等の機能を有している。すなわち、第２群元素、若しくは、第３群元素に対して、ゲッタリング効果を有している。

この試料の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察し、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の組成を分析した結果の一例を表１に示す。アモルファス・カルコゲナイド薄膜の組成は、図２に示すように、上部のＴｉ膜とアモルファス・カルコゲナイドの界面をａとし、アモルファス・カルコゲナイド薄膜と下部のＴｉの界面をｅとし、膜厚方向に略等間隔に５点（位置ａ～位置ｅ）で分析した。

表１に示すように、この実験例の一例である上記非線形抵抗素子について、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の組成は、膜厚方向で変化していた。組成変化の理解を容易にするため、Ｇｅに対するＡｓ及びＳｅの相対組成も表１に示す。Ａｓ及びＳｅの相対組成は、上部のＴｉ膜とアモルファス・カルコゲナイド薄膜との界面ａ、及びアモルファス・カルコゲナイド薄膜と下部のＴｉ膜との界面ｅにおいて、位置ｂ～位置ｄと比較して大きかった。このことから、第３群元素のＡｓ、及び第２群元素のＳｅがＴｉ膜との界面に向かって移動していることが分かる。特にＡｓは、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の中央部ｃからもＴｉ膜との界面に向かって移動している。

以上のことから、ＴｉＮ電極とアモルファス・カルコゲナイド薄膜の界面に設けたＴｉ膜は、非線形抵抗層のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素であるＡｓ及びＳｅのゲッタリング材として機能し、ＡｓとＳｅを強力に吸着・固定できることを示している。
更に、Ａｓ及びＳｅに対してゲッタリング効果のある薄膜をアモルファス・カルコゲナイド薄膜に隣接して配置することで、Ａｓ及びＳｅを濃縮し、成膜時の組成よりもＡｓ濃度及びＳｅ濃度の高い組成領域を形成することができる。
第１実施形態のように、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の中央部に、中間層１０３としてゲッタリング効果のある薄膜を挿入した場合には、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の中央部にＡｓ濃度及びＳｅ濃度の高い領域を設けることができる。これにより、拡散しやすいＡｓ及びＳｅを膜中にしっかりと固定して素子表面に拡散することを防ぐ。また、蒸気圧が高く、素子外に脱離しやすいＡｓ及びＳｅを安定して素子内に留めておくことが可能である。この結果、第１実施形態の非線形抵抗素子は安定性に優れた電気特性を示す。
中間層１０３には、Ａｓ及びＳｅ等に対するゲッタリング効果を示す材料として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、及びＶが適している。
また、第２群、若しくは、第３群を構成するＳｅ、Ａｓ等は蒸気圧が高く、アモルファス・カルコゲナイド薄膜のスパッタリング成膜では、Ｓｅ、Ａｓ等は揮発しやすく、膜中の濃度を高めることが難しい。上述したように、第２群、若しくは、第３群を構成するＳｅ、Ａｓ等に対してゲッタリング効果のあるＴｉ等をアモルファス・カルコゲナイド薄膜に接して配置することで、Ｓｅ、Ａｓ等を濃縮することが可能である。このため、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜時よりも、Ｓｅ濃度及びＡｓ濃度を高くすることが可能となり、アモルファス・カルコゲナイド薄膜の組成調節範囲を広くすることができる。この結果、電気特性に優れた非線形素子を得ることができる。

図３は、第１実施形態の非線形抵抗素子１００の電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）の一例を示す図である。この例において、第１電極１０１は、膜厚１０ｎｍ、第２電極１０５は、膜厚２５ｎｍのＴｉＮ膜であり、中間層１０３は、膜厚０．５ｎｍのＴｉ膜である。また、第１非線形抵抗層１０２及び第２非線形抵抗層１０４は、膜厚２５ｎｍのＧｅＡｓＳｅ系のアモルファス・カルコゲナイド薄膜である。

Ｉ－Ｖ特性は、非線形抵抗素子の第２電極に０Ｖから－２Ｖの電圧を印可して測定した。また、素子破壊を防ぐために、１００μＡ以上の電流が流れないように測定器で制限した。

第１実施形態の一例である上記非線形抵抗素子は、強い非線形を示し、特に－１．２Ｖ近傍で急激に電流が増加した。これは、約１．２Ｖを第１閾電圧として低抵抗状態に変化したことを示している。低抵抗状態での電流値は１００μＡで制限されており、実際には、１００μＡ以上の電流が流れることがわかる。この非線形抵抗素子の約０．６Ｖ印加した時の電流値と、低抵抗状態である１．２５Ｖでの電流比は、約１．５×１０^６であった。このように、第１実施形態の一例である上記非線形抵抗素子は、電気特性が優れている。

（比較例）
図４を用いて、比較例として、関連技術による非線形抵抗素子の一例を説明する。図４に示すように、関連技術による非線形抵抗素子３００は、第１電極３０１と、非線形抵抗層３０３と、第２電極３０５とを備え、これらの電極及び層がこの順に積層されている。

第１電極３０１及び第２電極３０５の材料としては、例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ又はＷのいずれか１種の元素を含む金属の窒化物を用いることができる。
非線形抵抗層３０３は、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる。アモルファス・カルコゲナイド薄膜の材料としては、Ｇｅ及びＳｉの少なくとも１種の元素と、Ｓｅ、Ｔｅ及びＳからなる群から選択される少なくとも１種の元素とを含むアモルファス・カルコゲナイドを用いることができる。アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、更に、Ａｓ、Ｓｂ及びＮからなる群から選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。

以下、関連技術による非線形抵抗素子３００の具体的な形成方法を示す。
第１電極３０１として、例えば、膜厚１０ｎｍのＴｉＮ膜を基板上に堆積する。
ＴｉＮ膜の成膜方法としては、ＤＣスパッタリング法を用いることができる。例えば、１×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスを導入し、チタン（Ｔｉ）ターゲットに５００Ｗ～２ｋＷの直流（ＤＣ）電力を印加することにより、ＴｉＮ膜を堆積する。

次に、非線形抵抗層３０３を形成する。
非線形抵抗層３０３としては、例えば、Ｇｅ－Ｓｅ系の膜厚５０ｎｍのカルコゲナイドのアモルファス膜（アモルファス・カルコゲナイド薄膜）を堆積する。
アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜方法としては、Ｇｅターゲットと例えば、Ｇｅ_２０Ｓｅ_８０等の組成のＧｅ－Ｓｅ化合物ターゲットを用いた同時スパッタリング法を用いることができる。例えば、１×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスを導入し、Ｇｅターゲットに１０Ｗ～５００ＷのＤＣ電力又はＲＦ電力を印加し、Ｇｅ－Ｓｅ化合物ターゲットに１００Ｗ～２ｋＷのＲＦ電力を印加する。Ｇｅ－Ｓｅ化合物ターゲットの組成、あるいは、同時スパッタリングする際のＧｅターゲットとＧｅ－Ｓｅ化合物ターゲットに印加する電力を調整することにより、非線形抵抗層３０３の組成を調整することができる。また、同時スパッタリングする際に、アルゴン（Ａｒ）ガスに加えて窒素（Ｎ_２）ガスを用いると、非線形抵抗層３０３に窒素を添加することができる。
本比較例では、例えば、組成がＧｅ_４７Ｓｅ_５３であり、膜厚約５０ｎｍのアモルファス・カルコゲナイド薄膜を形成する。

次に、第２電極３０５を形成する。
第２電極３０５としては、例えば、膜厚２５ｎｍのＴｉＮ膜を堆積する。
第２電極３０５の成膜方法としては、第１電極３０１と同様に、アルゴン（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスを用いた、ＤＣスパッタリング法を用いる。

図５は、比較例の非線形抵抗素子３００の電流－電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）の一例を示す図である。この例において、第１電極３０１は、膜厚１０ｎｍのＴｉＮ膜であり、第２電極３０５は、膜厚２５ｎｍのＴｉＮ膜であり、非線形抵抗層３０３は、組成がＧｅ_４７Ｓｅ_５３であり、膜厚５０ｎｍのアモルファス・カルコゲナイド薄膜である。

比較例の非線形抵抗素子は、図５に示すように、電気特性の非線性が低かった。このように、比較例の非線形抵抗素子は、電気特性が劣っている。

（変形例）
図６を用いて、変形例の非線形抵抗素子の構成例を説明する。図６に示すように、変形例の非線形抵抗素子５００は、第１電極５０１と、第１拡散バリア層５０２と、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる非線形抵抗層５０３と、第２拡散バリア層５０４と、第２電極５０５とを備え、これらの電極及び層がこの順に積層されている。

このように、非線形抵抗層５０３は、第１拡散バリア層５０２と第２拡散バリア層５０４との間に設けられている。
第１拡散バリア層５０２及び第２拡散バリア層５０４は、非線形抵抗層５０３のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素（例えば、Ａｓ、Ｓｅ等）の拡散防止層として機能する。第１拡散バリア層５０２及び第２拡散バリア層５０４は、非線形抵抗層５０３のアモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する元素が、第１電極５０１及び第２電極５０５に拡散して移動することを抑制し、非線形抵抗層５０３のスイッチ層としての組成を保持する。そのため、電気特性に優れた非線形抵抗素子を得ることができる。

第１拡散バリア層５０２及び第２拡散バリア層５０４は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ又はＲｈのいずれか１種の元素を含む金属からなることが好適である。また、第１拡散バリア層５０２及び第２拡散バリア層５０４は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ又はＨｆ等の窒化物からなることが好適である。

第１拡散バリア層５０２の組成は、第２拡散バリア層５０４の組成と同一であってよく、異なっていてもよい。

第１拡散バリア層５０２及び第２拡散バリア層５０４の膜厚は特に限定さないが、例えば、３ｎｍ以下であることが好ましい。

第１拡散バリア層５０２の膜厚は、第２拡散バリア層５０４の膜厚と同一であってよく、異なっていてもよい。

非線形抵抗層５０３は、アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる。アモルファス・カルコゲナイド薄膜の材料としては、例えば、Ｇｅ及びＳｉの少なくとも１種の元素からなる第１群元素を含むアモルファス・カルコゲナイドを用いることができる。

アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、例えば、Ｓｅ、Ｔｅ及びＳからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第２元素を含んでよい。

アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ａｓ、Ｓｂ及びＮからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第３群元素を含んでよい。

非線形抵抗層５０３の膜厚は特に限定されない。膜厚が厚くなる程、素子抵抗が低抵抗になる第１閾電圧は高くなり、また、高抵抗状態でのリーク電流は小さくなる傾向がある。従って、非線形抵抗層５０３の組成等の材質から決まる特性と、必要とされる非線形抵抗素子の電気特性とに合わせて、非線形抵抗層５０３の膜厚が調整される。非線形抵抗層５０３の膜厚は、例えば、５ｎｍ～５０ｎｍに設定してよい。

第１電極５０１及び第２電極５０５の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、及びＶ、並びにそれらの窒化物を用いることができる。

第１電極５０１の材料は、第２電極５０５の材料と同一であってよく、異なっていてもよい。

第１電極５０１の下方（すなわち、第１電極５０１の第１拡散バリア層５０２を有する側とは反対側）には、下部配線が備えられていてよい。下部配線の材料としては、Ｃｕ、Ａｌ又はＷのいずれか１種の元素を主成分とする金属を用いてよい。

以下、変形例の非線形抵抗素子５００の具体的な形成方法を示す。
第１電極５０１として、例えば、膜厚１０ｎｍのＴｉＮ膜を基板上に堆積する。
ＴｉＮ膜の成膜方法としては、ＤＣスパッタリング法を用いることができる。例えば、５×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスを導入し、チタン（Ｔｉ）ターゲットに５００Ｗ～２ｋＷの直流（ＤＣ）電力を印加することにより、ＴｉＮ膜を堆積する。

次に、第１拡散バリア層５０２を形成する。
第１拡散バリア層５０２としては、例えば、膜厚２ｎｍのＲｕ膜を堆積する。
Ｔｉ膜の成膜方法としては、ＤＣスパッタリング法を用いることができる。例えば、５×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスのみを導入し、ルテニウム（Ｒｕ）ターゲットに５００Ｗ～２ｋＷの直流（ＤＣ）電力を印加することにより、第１電極５０１上にＲｕ膜を堆積する。

なお、第１電極５０１及び第１拡散バリア層５０２は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。

次に、非線形抵抗層５０３を形成する。
非線形抵抗層５０３としては、例えば、Ｇｅ－Ａｓ－Ｓｅ系の膜厚２０ｎｍのカルコゲナイドのアモルファス膜（アモルファス・カルコゲナイド薄膜）を堆積する。
アモルファス・カルコゲナイド薄膜の成膜方法としては、Ｓｉターゲットと、例えば、Ｇｅ－Ａｓ－Ｓｅ化合物ターゲット（カルゴゲナイドターゲット）を用いた同時スパッタリング法を用いることができる。例えば、１×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスを導入し、Ｓｉターゲットに１０Ｗ～５００ＷのＤＣ電力又はＲＦ電力を印加し、カルゴゲナイドターゲットに１００Ｗ～２ｋＷのＲＦ電力を印加する。カルゴゲナイドターゲット化合物ターゲットの組成、あるいは、同時スパッタリングする際のＳｉターゲットとカルゴゲナイドターゲットに印加する電力を調整することにより、非線形抵抗層５０３の組成を調整することができる。また、同時スパッタリングする際に、アルゴン（Ａｒ）ガスに加えて窒素（Ｎ_２）ガスを用いると、非線形抵抗層５０３に窒素を添加することができる。

なお、第１拡散バリア層５０２及び非線形抵抗層５０３は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。

次に、第２拡散バリア層５０４を形成する。
第１拡散バリア層５０４としては、例えば、膜厚２ｎｍのＲｕ膜を堆積する。
Ｔｉ膜の成膜方法としては、ＤＣスパッタリング法を用いることができる。例えば、５×１０^－６Ｐａ程度まで減圧されたスパッタリングチャンバー内部に、アルゴン（Ａｒ）ガスのみを導入し、ルテニウム（Ｒｕ）ターゲットに５００Ｗ～２ｋＷの直流（ＤＣ）電力を印加することにより、非線形抵抗層５０３上にＲｕ膜を堆積する。

なお、非線形抵抗層５０３及び第２拡散バリア層５０４は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。

次に、第２電極５０５を形成する。
第２電極５０５としては、例えば、膜厚２５ｎｍのＴｉＮ膜を堆積する。
第２電極５０５の成膜方法としては、第１電極５０１と同様に、アルゴン（Ａｒ）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスを用いた、ＤＣスパッタリング法を用いる。

なお、第２拡散バリア層５０４及び第２電極５０５は、ガスとターゲットを切り替えることで、同一真空中において連続的に形成することができる。

上述の形成方法によって得られた積層体を素子化するためには、いわゆるフォトリソグラフィー及びドライエッチングによる微細加工技術を用いることが好適である。
また、第１電極５０１を成膜する前に、絶縁膜に埋め込まれた下部配線を予め形成しておいてもよい。下部配線は更に絶縁膜で被覆され、開口部を介して、第１電極５０１と電気的に接続される。

以下、変形例に関連する態様について付記する。
（付記１）
第１電極と、
第１拡散バリア層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる非線形抵抗層と、
第２拡散バリア層と、
第２電極とを備え、
第１電極、第１拡散バリア層、非線形抵抗層、第２拡散バリア層、及び第２電極がこの順に積層された、
非線形抵抗素子。
（付記２）
アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ｇｅ及びＳｉの少なくとも１種の元素からなる第１群元素と、Ｓｅ、Ｔｅ及びＳからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第２群元素とを含む、付記１に記載の非線形抵抗素子。
（付記３）
アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ａｓ、Ｓｂ及びＮからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第３群元素を含む、付記１又は付記２に記載の非線形抵抗素子。
（付記４）
付記１～付記３のいずれか１つに記載の非線形抵抗素子の製造方法であって、
第１電極と、
第１拡散バリア層と、
アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる非線形抵抗層と、
第２拡散バリア層と、
第２電極とを、この順に同一真空内で積層する、
非線形抵抗素子の製造方法。

（第２実施形態）
第２施形態は、本開示の第２の例として、集積回路内に作り込まれた非線形抵抗素子に関する。

上述のような非線形抵抗素子を集積回路内に作り込む場合には、一般的な集積回路プロセスとの整合性を確保する必要がある。一般的に遷移金属の窒化物は、金属単体に比べて、酸化、腐食性ガス、及びそれらのプラズマに耐性があり、かつ、リソグラフィー、及びドライエッチングの工程との整合性が高い。従って、非線形抵抗素子を集積回路内に作り込む場合には、集積回路プロセスと整合させるために、非線形抵抗素子の上面、また、下面を金属窒化物で覆っておくことが好適である。

図７は、集積回路内に作り込まれた非線形抵抗素子６００を示す断面図である。
図７に示すように、非線形抵抗素子６００は、第１電極６０１と、第１非線形抵抗層６０２と、中間層６０３と、第２非線形抵抗層６０４と、第２電極６０５と、第１絶縁膜６０６と、第２絶縁膜６０７と、Ｃｕ電極６０８と、基板６０９と、を有する。

基板６０９上にＣｕ電極６０８が形成され、Ｃｕ電極６０８が第１絶縁膜６０６と第２絶縁膜６０７とで埋め込まれている。第２絶縁膜６０７には開口部が設けられ、開口部を覆うように第１電極６０１としてＴｉＮ膜が形成されている。ＴｉＮ膜によりＣｕ電極６０８が覆われているため、第１非線形抵抗層６０２、中間層６０３、第２非線形抵抗層６０４、第２電極６０５等を成膜中に、Ｃｕ電極６０８が酸化、あるいは、腐食されることを防ぐことができる。第１電極６０１の上には、第１非線形抵抗層６０２として、アモルファス・カルコゲナイド薄膜が形成され、第１非線形抵抗層６０２の上には、中間層６０３として、例えば、Ｔｉ膜が形成されている。中間層６０３の上には、第２非線形抵抗層６０４として、アモルファス・カルコゲナイド薄膜が形成されている。また、第２非線形抵抗層６０４の上には、第２電極６０５としてＴｉＮ膜が形成されている。

第１電極６０１、第１非線形抵抗層６０２、中間層６０３、第２非線形抵抗層６０４、及び第２電極６０５の材質の詳細は、第１電極、第１非線形抵抗層、中間層、第２非線形抵抗層、及び第２電極について第１実施形態で上述した通りである。

非線形抵抗素子６００は、更に絶縁膜（不図示）で埋め込まれ、その絶縁膜には、第２電極６０５に至るスルーホール（不図示）が形成される。スルーホール形成時のエッチングストッパー、及び電気コンタクト材料として、ＴｉＮに代表される金属窒化物は、プロセス整合性、及び電気特性の観点でも優れている。なお、第１電極６０１及び第２電極６０５を構成する窒化物材料は、それぞれ、中間層６０３を構成する電極材料の金属窒化物とすると、成膜装置の構成、及び効率的な製造工程を構成する上で好適である。

（第３実施形態）
第３実施形態は、本開示の第３の例として、第１実施形態で説明した非線形抵抗素子と不揮発性の抵抗変化素子とを含むスイッチング素子を有するクロスバースイッチに関するものである。

スイッチング素子は、論理回路の信号経路中に設けられており、２つの２端子型の本開示に係る非線形抵抗素子と、２つの２端子型の不揮発性抵抗変化素子と、を有している。また、２つの２端子型の不揮発性抵抗変化素子のそれぞれの一方の端子が、互いに接続され、かつ、２つの２端子型の非線形抵抗素子のそれぞれの一方の電極と接続されている。

不揮発性の抵抗変化素子は、活性電極と、不活性電極と、当該活性電極及び不活性電極に挟まれた抵抗変化膜とで構成された２端子型の素子である。詳細は、特表２０１６－２０３７５１号公報等に開示されている。

図８は、第３実施形態のクロスバースイッチ７００の構成の一例を示す等価回路図である。
図８に示すように、第３実施形態のクロスバースイッチ７００は、アレイ状に設けられた複数のスイッチング素子７３０を有する。スイッチング素子７３０は、論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子に相当する。
スイッチング素子７３０は、不揮発性抵抗変化素子７３１及び７３２と、非線形抵抗素子７２１及び７２２とを有する。非線形抵抗素子７２１及び７２２は、それぞれ、第１実施形態で示した非線形抵抗素子１００に相当する２端子型の素子である。

不揮発性抵抗変化素子７３１及び７３２は、それぞれの不活性電極同士が接続されている。不揮発性抵抗変化素子７３１の活性電極は、第１配線７４１に接続されている。
不揮発性抵抗変化素子７３２の活性電極は、第２配線７４２に接続されている。
非線形抵抗素子７２１の２つの電極のうち、一方の電極が不揮発性抵抗変化素子７３１の不活性電極に接続され、他方の電極が第３配線７４３に接続されている。
非線形抵抗素子７２２の２つの電極のうち、一方の電極が不揮発性抵抗変化素子７３２の不活性電極に接続され、他方の電極が第４配線７４４に接続されている。
図８に示す例では、第１配線７４１と第３配線７４３が平行に配置され、第２配線７４２と第４配線７４４が平行に配置されている。第１配線７４１及び第３配線７４３は、他の２つの配線（第２配線７４２及び第４配線７４４）と直交している。

次に、図８に示すスイッチング素子７３０のプログラミングの方法を説明する。
不揮発性抵抗変化素子７３１をＯＮ状態（低抵抗状態）へ遷移させる場合、第３配線７４３をグラウンドに接地し、第１配線７４１に閾値電圧（セット電圧）以上の正電圧を印加する。
一方、不揮発性抵抗変化素子７３１をＯＮ状態からＯＦＦ状態（高抵抗状態）へ遷移させる場合、第１配線７４１をグラウンドに接地し、第３配線７４３に閾値電圧（リセット電圧）以上の正電圧を印加する。
また、不揮発性抵抗変化素子７３２をＯＮ状態へ遷移させる場合、第４配線７４４をグラウンドに接地し、第２配線７４２に閾値電圧（セット電圧）以上の正電圧を印加する。
一方、不揮発性抵抗変化素子７３２をＯＮ状態からＯＦＦ状態へ遷移させる場合、第２配線７４２をグラウンドに接地し、第４配線７４４に閾値電圧（リセット電圧）以上の正電圧を印加する。
このようにして、不揮発性抵抗変化素子７３１のプログラミングは非線形抵抗素子７２１を介して行い、不揮発性抵抗変化素子７３２のプログラミングは非線形抵抗素子７２２を介して行うことができる。

上述したように、本開示の第１実施形態の非線形抵抗素子は優れた非線形性を有している。そのため、プログラミング対象の不揮発性抵抗変化素子を選択するための２端子の選択素子として第１実施形態の非線形抵抗素子を用いることで、スイッチング素子の誤書き込み及び誤動作を防止することが可能となる。その結果、選択トランジスタを用いない不揮発スイッチング素子を実現でき、集積度及び高信頼性に優れたクロスバースイッチを提供することができる。これにより、優れたＦＰＧＡを製造できる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、本開示の第４の例として、第３実施形態で説明した非線形抵抗素子と不揮発性の抵抗変化素子とを含むスイッチング素子を具現化するための素子構造に関する。

図９は、半導体装置８００の素子構造の一例を示す断面図である。
図９に示す半導体装置８００は、スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂを有する。
スイッチング素子８２２ａは、不揮発性抵抗変化素子の活性電極（第１配線８０５ａ）と、不揮発性抵抗変化素子の抵抗変化膜８０９と、第１電極８１０と、非線形抵抗層８１１と、第２電極８１２とを有する。
第１電極８１０は、不揮発性抵抗変化素子の不活性電極と、非線形抵抗素子の第１電極（図１に示す第１電極１０１に相当）とを、兼ね備えた多層膜である。
また、第２電極８１２は、非線形抵抗素子の第２電極（図１に示す第２電極１０５に相当）である。
また、非線形抵抗層８１１は、非線形抵抗素子の第１非線形抵抗層（図１に示す第１非線形抵抗層１０２に相当）と、非線形抵抗素子の中間層（図１に示す中間層１０３に相当）と、非線形抵抗素子の第２非線形抵抗層（図１に示す第１非線形抵抗層１０４に相当）とを、兼ね備えた多層膜である。

活性電極（第１配線８０５ａ）と、抵抗変化膜８０９と、第１電極８１０とから、不揮発性抵抗変化素子が形成され、第１電極８１０と、非線形抵抗層８１１と、第２電極８１２とから、非線形抵抗素子が形成されている。図９に示す積層体８４０は、抵抗変化膜８０９、第１電極８１０、非線形抵抗層８１１及び第２電極８１２に相当する。
スイッチング素子８２２ｂは、スイッチング素子８２２ａと同様に、活性電極（第１配線８０５ｂ）と、抵抗変化膜８０９と、第１電極８１０と、非線形抵抗層８１１と、第２電極８１２とを有する。

スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂは、抵抗変化膜８０９、第１電極８１０及び非線形抵抗層８１１を共用している構成である。また、スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂのそれぞれに制御電極の役目を果たす第２電極８１２が設けられている。スイッチング素子８２２ａの第２電極８１２は、バリアメタル８２０ａ及びプラグ８１９ａを介して、第２配線８１８ａと接続されている。第２配線８１８ａはプラグ８１９ａと一体になっている。スイッチング素子８２２ｂの第２電極８１２は、バリアメタル８２０ｂ及びプラグ８１９ｂを介して第２配線８１８ｂと接続されている。第２配線８１８ｂはプラグ８１９ｂと一体になっている。

図９に示すように、多層配線構造は、半導体基板（不図示）上に、層間絶縁膜８０２、バリア絶縁膜８０３、層間絶縁膜８０４、絶縁性バリア膜８０７、保護絶縁膜８１４、層間絶縁膜８１７、ハードマスク膜８１６、及びバリア絶縁膜８２１の順に積層した絶縁積層体を有する。多層配線構造は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂと、第２配線８１８ａ及び８１８ｂとを有する。第１配線８０５ａ及び８０５ｂは、層間絶縁膜８０４及びバリア絶縁膜８０３に形成された配線溝にバリアメタル８０６ａ及び８０６ｂを介して、埋め込まれている。第２配線８１８ａ及び８１８ｂ、並びにプラグ８１９ａ及び８１９ｂは、層間絶縁膜８１７及びハードマスク膜８１６に形成された配線溝に埋め込まれている。第２配線８１８ａとプラグ８１９ａとが一体となっており、第２配線８１８ａ及びプラグ８１９ａの側面及び底面がバリアメタル８２０ａによって覆われている。

絶縁性バリア膜８０７に形成された開口部にスイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂそれぞれの不揮発性抵抗変化素子の活性電極となる第１配線８０５ａ及び８０５ｂの上面の一部が露出している。絶縁性バリア膜８０７の開口部の壁面及び絶縁性バリア膜８０７上に、抵抗変化膜８０９、第１電極８１０、非線形抵抗層８１１及び第２電極８１２が順に積層されている。スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂは、非線形抵抗素子付き相補型抵抗変化素子である。

第２電極８１２を所望の形状に加工した後に、保護絶縁膜８１４が形成される。図９に示した素子構造では、抵抗変化膜８０９、第１電極８１０、非線形抵抗層８１１及び第２電極８１２からなる積層体８４０の側面が保護絶縁膜８１４で覆われている。第１配線８０５ａ及び８０５ｂが不揮発性抵抗変化素子の活性電極の役目を兼ねることで、製造工程数を簡略化し、かつ、電極抵抗を下げることができる。通常のＣｕダマシン配線プロセスに対する追加工程として、少なくとも２枚のマスクセットを作製するだけで、不揮発性抵抗変化素子を搭載することができ、素子の低抵抗化と低コスト化を同時に達成することができる。

スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂに用いられる抵抗変化型不揮発素子は、第４実施形態では、イオン伝導体中における金属イオン移動と電気化学反応とを利用している。不揮発性抵抗変化素子は、電圧の印加、あるいは電流を流すことでオン／オフの制御を行う。不揮発性抵抗変化素子は、例えば、抵抗変化膜８０９中への第１配線８０５ａ及び８０５ｂに係る金属の電界拡散を利用してオン／オフの制御を行う。

図９に示す各膜の構成について説明する。
図９に不図示の半導体基板は、半導体素子が形成された基板である。半導体基板には、例えば、シリコン基板、単結晶基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）基板、液晶製造用基板等の基板を用いることができる。

層間絶縁膜８０２は、半導体基板上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜８０２には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜８０２は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。
層間絶縁膜８０４には、層間絶縁膜８０２と同種の膜を用いることが可能である。

バリア絶縁膜８０３は、層間絶縁膜８０２と層間絶縁膜８０４との間に設けられた、バリア性を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜８０３は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂを配線溝に形成する際にエッチングストップ層としての役割を有する。バリア絶縁膜８０３としては、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。

絶縁性バリア膜８０７は、層間絶縁膜８０４上に形成された絶縁膜である。絶縁性バリア膜８０７には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。絶縁性バリア膜８０７は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。

層間絶縁膜８０４及びバリア絶縁膜８０３には、第１配線８０５ａ及び８０５ｂを埋め込むための配線溝が形成されており、その配線溝にバリアメタル８０６ａ及び８０６ｂを介して第１配線８０５ａ及び８０５ｂが埋め込まれている。
第１配線８０５ａ及び８０５ｂは、層間絶縁膜８０４及びバリア絶縁膜８０３に形成された配線溝にバリアメタル８０６ａ及び８０６ｂを介して埋め込まれた配線である。第１配線８０５ａ及び８０５ｂは、スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂの不揮発性抵抗変化素子の活性電極を兼ね、抵抗変化膜８０９と接触している。なお、第１配線８０５ａ及び８０５ｂと抵抗変化膜８０９との間には、電極層等が挿入されていてもよい。電極層が形成される場合は、電極層及び抵抗変化膜８０９は連続工程にて堆積され、連続工程にて加工される。また、抵抗変化膜８０９の下部がコンタクトプラグを介して下層配線に接続されることはない。第１配線８０５ａ及び８０５ｂには、抵抗変化膜８０９において拡散、イオン伝導が可能な金属が用いられ、例えば、Ｃｕ等を用いることができる。第１配線８０５ａ及び８０５ｂは、Ａｌ、Ｍｎ等と合金化されていてもよい。

バリアメタル８０６ａ及び８０６ｂは、第１配線８０５ａ及び８０５ｂに係る金属が層間絶縁膜８０２及び下層へ拡散することを防止するために、第１配線８０５ａ及び８０５ｂの側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。例えば、第１配線８０５ａ及び８０５ｂがＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、バリアメタル８０６ａ及び８０６ｂには、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属又はその窒化物等、あるいは、それらの積層膜を用いることができる。

絶縁性バリア膜８０７は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂを含む層間絶縁膜８０４上に形成される絶縁膜である。絶縁性バリア膜８０７は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂを構成する（例えば、Ｃｕ）の酸化を防いだり、層間絶縁膜８０４中への第１配線８０５ａ及び８０５ｂを構成する金属の拡散を防いだり、第２電極８１２、非線形抵抗層８１１、第１電極８１０及び抵抗変化膜８０９の加工時にエッチングストップ層としての役割を果たしたりする。絶縁性バリア膜８０７には、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。また、絶縁性バリア膜８０７には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。絶縁性バリア膜８０７は、保護絶縁膜８１４及びハードマスク膜８１６と同一材料であることが好ましい。絶縁性バリア膜８０７は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。

絶縁性バリア膜８０７は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂ上にて開口部を有する。絶縁性バリア膜８０７の開口部においては、第１配線８０５ａ及び８０５ｂと抵抗変化膜８０９とが接している。絶縁性バリア膜８０７の開口部は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂの領域内に形成されている。このようにすることで、凹凸の小さい第１配線８０５ａ及び８０５ｂの表面上に不揮発性抵抗変化素子を形成することができるようになる。絶縁性バリア膜８０７の開口部の壁面は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂから離れるにしたがって広くなるテーパ面となっている。絶縁性バリア膜８０７の開口部のテーパ面は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂの上面に対し８５°以下に設定されている。このようにすることで、第１配線８０５ａ及び８０５ｂと抵抗変化膜８０９との接続部の外周（絶縁性バリア膜８０７の開口部の外周部付近）における電界集中が緩和され、絶縁耐性を向上させることができる。

抵抗変化膜８０９は、抵抗が変化する膜である。抵抗変化膜８０９には、第１配線８０５ａ及び８０５ｂ（不揮発性抵抗変化素子の下部電極（活性電極））に係る金属の作用（拡散、イオン伝導等）により抵抗が変化する材料を用いることができる。不揮発性抵抗変化素子の抵抗変化を金属イオンの析出によって行う場合には、抵抗変化膜８０９としてイオン伝導可能な膜が用いられる。例えば、Ｔａを含む酸化物絶縁膜であるＴａ_２Ｏ_５、ＴａＳｉＯ等を用いることができる。また、抵抗変化膜８０９は、下からＴａ_２Ｏ_５、ＴａＳｉＯの順に積層した積層構造とすることができる。このような積層構造とすることで、抵抗変化膜８０９を固体電解質として用いた場合には、低抵抗時（オン時）にイオン伝導層内部に形成される金属イオン（例えば、銅イオン）よる架橋を、Ｔａ_２Ｏ_５層で分断することで、オフ時に金属イオンを容易に回収することができるようになり、スイッチング特性を向上させることができる。抵抗変化膜８０９は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂ、絶縁性バリア膜８０７の開口部のテーパ面、並びに絶縁性バリア膜８０７上に形成されている。第１配線８０５ａ及び８０５ｂと抵抗変化膜８０９との接続部にある抵抗変化膜８０９の外周部分は、少なくとも絶縁性バリア膜８０７の開口部のテーパ面上に沿って設けられている。

多層構造の第１電極８１０のうち、抵抗変化膜８０９と直接接している下側の層には、第１配線８０５ａ及び８０５ｂに係る金属よりもイオン化し難く、抵抗変化膜８０９において拡散及びイオン伝導し難い金属が用いられることが好ましい。例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等を用いることができる。また、Ｐｔ、Ｒｕ等の金属材料を主成分としたＲｕＴａ、ＲｕＴｉ等を用いてもよい。第１電極８１０は下側の面で抵抗変化膜８０９と直接接しており、上側の面で非線形抵抗層８１１に接している。多層構造の第１電極８１０のうち、非線形抵抗層と直接接している上側の層は、非線形抵抗素子の第１電極（図１に示す第１電極１０１に相当）である。第１電極８１０の上側の層の材質の詳細は、第１電極について第１実施形態で上述した通りである。

非線形抵抗層８１１は、第１非線形抵抗層、中間層、及び第２非線形抵抗層（図１に示す第１非線形抵抗層１０２、中間層１０３、及び第２非線形抵抗層１０４に相当）からなる多層膜である。非線形抵抗層８１１の材質の詳細は、第１非線形抵抗層、中間層、及び第２非線形抵抗層について第１実施形態で上述した通りである。

第２電極８１２は、非線形抵抗素子の第２電極（図１に示す第２電極１０５に相当）である。第２電極８１２は、上側の面でバリアメタル８２０ａ及び８２０ｂに接している。第２電極８１２の上層は、プラグ８１９ａ及び８１９ｂを形成するためのビアホールの加工を施す際にエッチングストッパーとして機能する。第２電極８１２の材質の詳細は、第２電極について第１実施形態で上述した通りである。

第２電極８１２は、バリアメタル８２０ａ及び８２０ｂを介してプラグ８１９ａ及び８１９ｂと電気的に接続されている。第２電極８１２とプラグ８１９ａ及び８１９ｂ（厳密にはバリアメタル８２０ａ及び８２０ｂ）とが接する領域の円の直径Ｒ２（又はその領域の面積）は、第１配線８０５ａ及び８０５ｂと抵抗変化膜８０９とが接する領域の円の直径Ｒ１（又はその領域の面積）よりも小さくなるように設定されている。このように設定することで、第２電極８１２とプラグ８１９ａ及び８１９ｂとの接続部となる、層間絶縁膜８１７に形成された下穴へのめっき（例えば、銅めっき）の埋め込み不良が抑制され、ボイドの発生を抑制することができるようになる。

保護絶縁膜８１４と絶縁性バリア膜８０７とは、同一材料であることが好ましい。すなわち、スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂの周囲を全て同一材料で囲むことで材料の界面が一体化され、外部からの水分等の浸入を防ぐとともに、スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂ自身からの酸素の脱離を防ぐことができるようになる。

保護絶縁膜８１４は、スイッチング素子８２２ａ及び８２２ｂにダメージを与えることなく、更に抵抗変化膜８０９からの酸素の脱離を防ぐ機能を有する絶縁膜である。保護絶縁膜８１４には、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜等を用いることができる。保護絶縁膜８１４は、ハードマスク膜８１６及び絶縁性バリア膜８０７と同一材料であることが好ましい。これらの膜が同一材料である場合には、保護絶縁膜８１４と絶縁性バリア膜８０７及びハードマスク膜８１６とが一体化して、界面の密着性が向上し、スイッチング素子８２２ａ、８２２ｂをより保護することができるようになる。

層間絶縁膜８１７は、保護絶縁膜８１４上に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜８１７には、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_ｘ）、ＳｉＯＣ膜、シリコン酸化膜よりも比誘電率の低い低誘電率膜（例えば、ＳｉＯＣＨ膜）等を用いることができる。層間絶縁膜８１７は、複数の絶縁膜を積層したものであってもよい。層間絶縁膜８１７には、プラグ８１９ａ及び８１９ｂを埋め込むための下穴と、第２配線８１８ａ及び８１８ｂを埋め込むための配線溝が形成されている。これら下穴及び配線溝に、バリアメタル８２０ａ及び８２０ｂを介して、プラグ８１９ａ及び８１９ｂと、第２配線８１８ａ及び８１８ｂとが埋め込まれている。

第２配線８１８ａ及び８１８ｂは、層間絶縁膜８１７に形成された配線溝にバリアメタル８２０ａ及び８２０ｂを介して埋め込まれた配線である。第２配線８１８ａはプラグ８１９ａと一体になっている。プラグ８１９ａは、層間絶縁膜８１７及びハードマスク膜８１６に形成された下穴に、バリアメタル８２０ａを介して埋め込まれている。プラグ８１９ａは、バリアメタル８２０ａを介してスイッチング素子８２２ａと電気的に接続されている。第２配線８１８ａ及びプラグ８１９ａには、例えば、Ｃｕを用いることができる。第２配線８１８ｂ及びプラグ８１９ｂは、第２配線８１８ａ及びプラグ８１９ａと同様の構成である。

バリアメタル８２０ａ及び８２０ｂは、第２配線８１８ａ及び８１８ｂ（プラグ８１９ａ及び８１９ｂを含む）を構成する金属が層間絶縁膜８１７及び下層へ拡散することを防止するために、第２配線８１８ａ及び８１８ｂと、プラグ８１９ａ及び８１９ｂとの側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜である。バリアメタル８２０ａ及び８２０ｂには、例えば、第２配線８１８ａ及び８１８ｂ、並びにプラグ８１９ａ及び８１９ｂがＣｕを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化タングステン（ＷＣＮ）のような高融点金属やその窒化物等、又はそれらの積層膜を用いることができる。

バリア絶縁膜８２１は、第２配線８１８ａ及び８１８ｂを含むハードマスク膜８１６上に形成され、第２配線８１８ａ及び８１８ｂを構成する金属（例えば、Ｃｕ）の酸化を防ぎ、上層への第２配線８１８ａ及び８１８ｂを構成する金属の拡散を防ぐ役割を有する絶縁膜である。バリア絶縁膜８２１には、例えば、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＮ膜、及びそれらの積層構造等を用いることができる。

以上の素子構造により、選択トランジスタを用いない不揮発スイッチング素子実現でき、集積度と高信頼性に優れたクロスバースイッチを提供することができる。これにより、優れたＦＰＧＡを製造できる。

以上に示した記載内容及び図示内容は、本開示の技術に係る部分についての詳細な説明であり、本開示の技術の一例に過ぎない。例えば、上記の構成、機能、作用、及び効果に関する説明は、本開示の技術に係る部分の構成、機能、作用、及び効果の一例に関する説明である。よって、本開示の技術の主旨を逸脱しない範囲内において、以上に示した記載内容及び図示内容に対して、不要な部分を削除したり、新たな要素を追加したり、置き換えたりしてもよいことは言うまでもない。また、錯綜を回避し、本開示の技術に係る部分の理解を容易にするために、以上に示した記載内容及び図示内容では、本開示の技術の実施を可能にする上で特に説明を要しない技術常識等に関する説明は省略されている。

１００ 非線形抵抗素子
１０１ 第１電極
１０２ 第１非線形抵抗層
１０３ 中間層
１０４ 第２非線形抵抗層
１０５ 第２電極
３００ 非線形抵抗素子
３０１ 第１電極
３０３ 非線形抵抗層
３０５ 第２電極
５００ 非線形抵抗素子
５０１ 第１電極
５０２ 第１拡散バリア層
５０３ 非線形抵抗層
５０４ 第２拡散バリア層
５０５ 第２電極
６００ 非線形抵抗素子
６０１ 第１電極
６０２ 第１非線形抵抗層
６０３ 中間層
６０４ 第２非線形抵抗層
６０５ 第２電極
６０６ 第１絶縁膜
６０７ 第２絶縁膜
６０８ Ｃｕ電極
６０９ 基板
７００ クロスバースイッチ
７２１、７２２ 非線形抵抗素子
７３０ スイッチング素子
７３１、７３２ 不揮発性抵抗変化素子
７４１ 第１配線
７４２ 第２配線
７４３ 第３配線
７４４ 第４配線
８００ 半導体装置
８０２ 層間絶縁膜
８０３ バリア絶縁膜
８０４ 層間絶縁膜
８０５ａ、８０５ｂ 第１配線
８０６ａ、８０６ｂ バリアメタル
８０７ 絶縁性バリア膜
８０９ 抵抗変化膜
８１０ 第１電極
８１１ 非線形抵抗層
８１２ 第２電極
８１４ 保護絶縁膜
８１６ ハードマスク膜
８１７ 層間絶縁膜
８１８ａ、８１８ｂ 第２配線
８１９ａ、８１９ｂ プラグ
８２０ａ、８２０ｂ バリアメタル
８２１ バリア絶縁膜
８２２ａ、８２２ｂ スイッチング素子
８４０ 積層体

Claims (10)

1. 第１電極と、
   アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第１非線形抵抗層と、
   中間層と、
   アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる第２非線形抵抗層と、
   第２電極とを備え、
   前記第１電極、前記第１非線形抵抗層、前記中間層、前記第２非線形抵抗層、及び前記第２電極がこの順に積層された、
   非線形抵抗素子。
2. 前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ｇｅ及びＳｉの少なくとも１種の元素からなる第１群元素と、Ｓｅ、Ｔｅ及びＳからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第２群元素とを含む、請求項１に記載の非線形抵抗素子。
3. 前記第１非線形抵抗層と前記第１電極との界面から、前記第１非線形抵抗層と前記中間層との界面に向かって、前記第１非線形抵抗層の前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する前記第２群元素の組成が変化しており、
   前記第２非線形抵抗層と前記第２電極との界面から、前記第２非線形抵抗層と前記中間層との界面に向かって、前記第２非線形抵抗層の前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する前記第２群元素の組成が変化している、
   請求項２に記載の非線形抵抗素子。
4. 前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜は、Ａｓ、Ｓｂ及びＮからなる群から選択される少なくとも１種の元素からなる第３群元素を含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の非線形抵抗素子。
5. 前記第１非線形抵抗層と前記第１電極との界面から、前記第１非線形抵抗層と前記中間層との界面に向かって、前記第１非線形抵抗層の前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する前記第３群元素の組成が変化しており、
   前記第２非線形抵抗層と前記第２電極との界面から、前記第２非線形抵抗層と前記中間層との界面に向かって、前記第２非線形抵抗層の前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜を構成する前記第３群元素の組成が変化している、
   請求項４に記載の非線形抵抗素子。
6. 前記中間層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ、Ｓｉ、及びＣからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の非線形抵抗素子。
7. 前記中間層の膜厚は、２ｎｍ以下である、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の非線形抵抗素子。
8. 前記第１電極と前記第２電極の間に、絶対値が第１閾電圧以上の電圧を印可することにより低抵抗状態に変化し、絶対値が第１閾電圧未満の第２閾電圧以下の電圧を印可することにより高抵抗状態に変化する、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の非線形抵抗素子。
9. 論理回路の信号経路中に設けられたスイッチング素子であって、
   ２つの２端子型の非線形抵抗素子と、
   ２つの２端子型の不揮発性抵抗変化素子と、を有し、
   前記２つの２端子型の不揮発性抵抗変化素子のそれぞれの一方の端子が、互いに接続され、かつ、前記２つの２端子型の非線形抵抗素子のそれぞれの一方の電極と接続され、
   前記２つの２端子型の非線形抵抗素子は、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の非線形抵抗素子である、
   スイッチング素子。
10. 請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の非線形抵抗素子の製造方法であって、
    前記第１電極と、
    前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる前記第１非線形抵抗層と、
    前記中間層と、
    前記アモルファス・カルコゲナイド薄膜からなる前記第２非線形抵抗層と、
    前記第２電極とを、この順に同一真空内で積層する、
    非線形抵抗素子の製造方法。
    

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