JP5135796B2 - スイッチング素子、および書き換え可能な論理集積回路 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学反応を利用したスイッチング素子、および書き換え可能な論理集積回路に関する。

特殊用途向けＬＳＩ（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）は、基本的な論理回路となるロジックセルが複数設けられ、ユーザの仕様に合わせて動作させるロジックセルが選択される。製造過程の配線パターニング段階でロジックセルが決定される従来型ＡＳＩＣと、製品出荷後にユーザ側でロジックセルが決定され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）とがある。従来型ＡＳＩＣでは、量産化により製品単価が安くなるというメリットがある反面、開発コストが高くなり、開発期間が長くなるというデメリットがある。一方、プログラマブルロジックの場合には、従来型ＡＳＩＣに比べて製品単価が高く、動作速度が遅く、消費電力が増えるものの、開発コストが安く開発期間が短いというメリットがある。そして、プログラマブルロジックの製品単価をより安くし、高速動作化、低消費電力化するために、プログラム用スイッチング素子をより小さくするとともに、動作性能を向上させるための開発が行われている。

図１は従来のプログラマブルロジックの一構成例を示す模式図である。

図１に示すようにプログラマブルロジック１１０では、２次元配列状に配置された多数のロジックセル１１２と、ロジックセル間を接続するための配線、配線間の接続・非接続を切り替えるための多数のスイッチ１１４から構成される。２端子スイッチの接続状態（接続・非接続）を変えることにより、ロジックセル間の配線の構成、ロジックセルの機能等を設定し、仕様に合わせた論理集積回路を得ることが可能となる。以下の背景技術の説明では、特表２００２−５３６８４０号公報に開示されたプログラマブルデバイスをスイッチ１１４に用いる。以下では、プログラマブルデバイスを２端子スイッチと称する。

２端子スイッチはイオン伝導層とこれを挟むように配置された第１電極および第２電極を有する。イオン伝導層は第２電極から供給される金属イオンの伝導媒体となる。第２電極に対して第１電極に負電圧を印加すると、イオン伝導層の第１電極と接する部分において金属が析出し、第２電極に向かって成長する。そして前記析出金属によって第１電極と第２電極とが接続する。この状態がオン状態である。反対に第２電極に対して第１電極に正の電圧を印加すると、析出した金属がイオン伝導層中に溶解して第１電極と第２電極との接続が切り離される。この状態がオフ状態である。以下では、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するために第１電極に印加する電圧をスイッチング電圧と称する。

この２端子スイッチの第１電極をプログラマブルロジック１１０内の信号線１１６に接続し、第２電極をロジックセル１１２に接続する。ユーザの操作によりオン状態に設定された２端子スイッチは、第１電極と第２電極が電気的に接続された状態を維持する。そして、ロジック信号が信号線１１６を介して第１電極に到達すると、第２電極を経由してロジックセル１１２に入る。

オフ状態に設定された２端子スイッチは、第１電極と第２電極が電気的に接続が切れた状態を維持する。この場合、ロジック信号は、信号線１１６を介して第１電極に到達しても、第２電極に接続されたロジックセル１１２に入ることはできない。

このようにして、プログラマブルロジックでは、ユーザによりオン状態に設定された２端子スイッチが信号線として機能し、オン状態の２端子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。

一方、この２端子スイッチに対して、状態を切り替えるための制御用電極となる第３電極を備えた３端子スイッチの開発を発明者らは行っている。３端子スイッチでは、オン状態において第１電極と第２電極とを接続する金属を太くし、第１電極および第２電極間の抵抗を２端子スイッチの場合よりも小さくすることができる。

３端子スイッチに入力されるロジック信号は、通常、ロジック回路の動作電圧となるＶｄｄと０Ｖの２種類のうちいずれかの電圧を有する。そのため、第１電極および第２電極にＶｄｄまたは０Ｖの電圧のロジック信号が入力される。

３端子スイッチをオン状態に設定した後、第３電極を接地電位にしておくと、３端子スイッチにＶｄｄのロジック信号が入力されたとき、第１電極および第２電極が第３電極よりも電位が高くなる。第１電極および第２電極が第３電極に対して高い電位に引き上げられるため、析出した金属がイオン伝導層に溶解して第３電極に析出する場合がある。この現象が繰り返されると、第１電極および第２電極間の抵抗や容量などの電気特性が変化するだけでなく、ついには第１電極および第２電極間の接続が切れてしまう。その結果、３端子スイッチは、設定されたオン状態からオフ状態に遷移してしまうことになる。

次に、３端子スイッチをオフ状態に設定した場合について説明する。第３電極にＶｄｄを印加した状態にし、３端子スイッチの第１電極と第２電極にＶｄｄのロジック信号が入力された場合、第１電極、第２電極および第３電極は同電位になるので、オン状態に設定したときのような現象は起きない。一方、第３電極にＶｄｄを印加した状態のまま、０Ｖの電圧のロジック信号が第１電極または第２電極に入力されると、第３電極の電位は第１電極または第２電極よりも高くなる。第１電極または第２電極に対して第３電極が高い電位に引き上げられるため、第３電極から微量の金属イオンがイオン伝導層に溶解して第１電極と第２電極との切断箇所を埋めるように金属が析出する。この現象が繰り返されると、第１電極および第２電極間が析出した金属で接続されてしまう。その結果、３端子スイッチは、設定されたオフ状態からオン状態に遷移してしまうことになる。

３端子スイッチの状態を保持する時間（不揮発性を保つ時間）としては、プログラマブルロジックが使用される製品寿命（一般的に１０年）以上の長い期間が必要である。ロジック信号自体によってスイッチの状態が変化してしまうと、スイッチとして機能しないという問題が発生することになる。この問題は、上述したように、スイッチング電圧がロジック信号の動作電圧よりも高い場合でも起きてしまう。

本発明は上述したような従来の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、スイッチの設定状態をより安定に保持するスイッチング素子および書き換え可能な論理集積回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のスイッチング素子は、金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、イオン伝導層に接して設けられた第１電極および第２電極と、イオン伝導層に金属イオンを供給可能な第３電極と、イオン伝導層および第３電極の間に設けられ、第３電極からイオン伝導層に金属イオンが拡散するのを防止するための拡散防止層とを有し、イオン伝導層は硫化銅で形成され、拡散防止層は酸化タンタル、シリコン酸化膜、またはアルミナで形成されている構成である。

本発明では、イオン伝導層と第３電極との間に拡散防止層を設けているため、第１電極および第２電極に信号電圧が印加され、第１電極および第２電極と第３電極との間に電位差が生じても第３電極から金属イオンがイオン伝導層に拡散するのを防げる。

上記本発明のスイッチング素子のいずれにおいても、オン状態およびオフ状態のいずれかに設定された後、第３電極から金属イオンがイオン伝導層に拡散するのを防止するので、素子内での電気化学反応が抑制される。そのため、設定された状態をより安定に保持し、長い時間使用しても設定された状態が変化することを防げる。

図１は従来のプログラマブルロジックの一構成例を示す模式図である。 図２は本発明に用いられるスイッチの一構成例を示す断面模式図である。 図３は図２に示したスイッチの回路図である。 図４は本発明のスイッチをプログラマブルロジックに適用した一構成例を示す模式図である。 図５Ａは実施例１のスイッチの構成例を示す回路図である。 図５Ｂは実施例１のスイッチの構成例を示す回路図である。 図６は実施例２のスイッチの一構成例を示す断面模式図である。 図７は実施例３のスイッチの一構成例を示す断面模式図である。

符号の説明

２１、２６ 第１電極
３１、３２ 第２電極
３４、３５ 第３電極
４０、４２ イオン伝導層
９０ 拡散防止層

本発明のスイッチング素子は、第３電極とイオン伝導層との間に拡散防止層を設けることで、スイッチの状態を設定した後、外部からロジック信号が入力されたとき第３電極および析出した金属から金属イオンを拡散しないようにしたものである。

本実施例のスイッチの構成について説明する。図２は本実施例の３端子スイッチの一構成例を示す断面模式図である。

図２に示すように、３端子スイッチは、シリコン基板表面に形成されたシリコン酸化膜１００上に銅からなる第２電極３２と第３電極３４が設けられている。第２電極３２と第３電極３４の間は１００ｎｍから１μｍ程度離れている。第２電極３２および第３電極３４の上面および側面を覆うようにして硫化銅からなるイオン伝導層４２が設けられている。イオン伝導層４２の上には直径０．２μｍの開口を有する絶縁層５６が形成されている。絶縁層５６はカリックスアレーンで形成されている。この開口はイオン伝導層４２を挟んで第２電極３２と対向する位置に設けられている。絶縁層５６の上に白金からなる第１電極２６が形成されている。第１電極２６は絶縁層５６の開口を介してイオン伝導層４２と接触している。

次に、図２に示した３端子スイッチの製造方法について説明する。

シリコン基板の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１００を形成する。従来技術のリソグラフィー技術でシリコン酸化膜１００上の第２電極３２および第３電極３４を形成しない部位にレジストパターンを形成する。続いて、その上から真空蒸着法で膜厚１００ｎｍの銅を形成した後、リフトオフ技術によりレジストパターンをリフトオフして銅の残った部分を第２電極３２と第３電極３４として形成する。このとき、第２電極３２と第３電極３４の間の距離はリソグラフィー技術のレジストパターンの寸法で上述した値に設定される。

続いて、第２電極３２および第３電極３４の上面および側面を覆うようにしてイオン伝導層となる硫化銅をレーザーアブレーション法で膜厚４０ｎｍ形成する。その後、イオン伝導層４２上にスピンコートにより絶縁層５６となるカリックスアレーンを膜厚１２０ｎｍ塗布し、リソグラフィー技術により絶縁層５６に直径０．２μｍの開口を有するパターンを形成する。その際、絶縁層５６の第２電極３２上に位置する部位に開口を形成する。その後、レジストパターンの形成、膜厚４０ｎｍの白金の真空蒸着、リフトオフと順次行い、第１電極２６を形成する。

次に、図２に示した３端子スイッチの動作について説明する。

第２電極３２および第３電極３４を接地して第１電極２６に負の電圧を印加する。第１電極２６に負電圧を印加することによって、絶縁層５６の開口部位の第１電極表面から第２電極３２にかけて銅の金属デンドライトが成長し、両電極間が電気的に接続される。これにより３端子スイッチがオン状態になる。

３端子スイッチをオフさせるには、電位を等しくした第１電極２６および第２電極３２に対して第３電極３４に負の電圧を印加する。第３電極３４に印加された負電圧によって上記金属デンドライトを構成する銅は銅イオンとなってイオン伝導層４２に溶解し、溶解した銅イオンは第３電極表面に銅となって析出する。その結果、金属デンドライトの一部が電気的に切断され、３端子スイッチはオフ状態へ遷移する。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極２６および第２電極３２間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。

一方、３端子スイッチが上記オフ状態にあるとき、第２電極３２に対して第３電極３４に正の電圧を印加すると、第３電極３４は銅イオンをイオン伝導層４２に供給する。また、金属デンドライトの電気的に切断された部分にイオン伝導層４２からの銅イオンが銅になって析出する。そして、金属デンドライトが第１電極２６と第２電極３２を接続し、３端子スイッチはオン状態へ遷移する。

次に、図２に示した３端子スイッチをプログラマブルロジックのスイッチに用いた場合について説明する。

図３は図２に示した３端子スイッチの回路図である。図４は図２に示した３端子スイッチをプログラマブルロジックに適用した一構成例を示す模式図である。

図３に示すドレイン電極Ｄが第１電極２６に相当し、ソース電極Ｓが第２電極３２に相当し、ゲート電極Ｇが第３電極３４に相当する。図４に示すようにソース電極Ｓがロジックセル８２に接続され、ドレイン電極Ｄがプログラマブルロジック８０内の信号線８６に接続されている。オン状態に設定された３端子スイッチは、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄが電気的に接続された状態を維持する。その反対に、オフ状態に設定された３端子スイッチは、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄが電気的に接続が切れた状態を維持する。

図５Ａおよび図５Ｂは本実施例の３端子スイッチを示す回路図である。

図５Ａに示すように、３端子スイッチは、ゲート電極に一定の電圧を印加するための定電圧部１３０を備えている。また、ゲート電極と定電圧部１３０との間には、ゲート電極に対してスイッチング電圧を印加するときに接続するための信号線から定電圧部の電圧が印加されるように切り替えるための切替スイッチ１３２を備えている。ユーザは３端子スイッチの状態をオンまたはオフに設定した後、切替スイッチ１３２を切り替えて、定電圧部１３０を用いてゲート電極に（１／２）Ｖｄｄの電圧を印加しておくようにする。

この場合、ドレイン電極およびソース電極にＶｄｄのロジック信号が入力されても、この２つの電極とゲート電極との電位差は（１／２）Ｖｄｄとなり、従来の電位差の半分となる。一方、ドレイン電極およびソース電極に０Ｖのロジック信号が入力されても、同様に、この２つの電極とゲート電極との電位差は（１／２）Ｖｄｄとなり、従来の電位差の半分となる。

ゲート電極に（１／２）Ｖｄｄを印加した状態にすることで、電気化学反応が従来よりも抑制される。そのため、ゲート電極の一部が銅イオンとなってイオン伝導層に溶解する反応を抑制し、また、析出した金属がイオン伝導層中に溶解する反応を抑制する。これにより、非スイッチング時の３端子スイッチの安定性が向上する。

また、３端子スイッチの状態を設定した後、ゲート電極を浮かせた状態（フローティング状態）に維持してもよい。図５Ｂはゲート電極をフローティングに維持するための３端子スイッチの一構成例を示す回路図である。

図５Ｂに示すように、３端子スイッチは、ゲート電極をフローティング状態に維持するための切替スイッチ１３４を備えている。

ユーザは３端子スイッチの状態を設定した後、切替スイッチ１３４を切り替えて、ゲート電極を浮かせた状態（フローティング状態）にする。フローティング状態のゲート電極には、プログラマブルロジック８０内の信号線からノイズとしてゲート電極に電圧が印加されたとしても、最大Ｖｄｄの電圧しか印加されない。また、フローティング状態であればゲート電極には電気化学反応に必要な電流は供給されないため、ゲート電極とイオン伝導層間での金属イオンの生成・析出反応は抑制される。したがって、ゲート電極がフローティング状態であれば、オンまたはオフ状態が維持される。

ドレイン電極およびソース電極にロジック信号が入力されることで、この２つの電極にＶｄｄまたは０Ｖの電圧が印加されても、ゲート電極がフローティング状態であるため、上述のことから、非スイッチング時の３端子スイッチの安定性が向上する。

なお、本実施例では、本発明のスイッチング素子を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、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る。このようにして、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としては、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＤＲＰ（Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）がある。

本実施例は、第３電極と第１電極の間に拡散防止層を設けることでスイッチの保持特性を向上させるものである。図６は本実施例のスイッチの一構成例を示す断面模式図である。

図６に示すように、３端子スイッチは第１電極２１と、第１電極２１とイオン伝導層４０を介して形成された第２電極３１と、イオン伝導層４０に金属イオンを供給可能な第３電極３５とを有する構成である。第２電極３１と第３電極３５間の距離は０．２μｍであり、第２電極３１と第３電極３５はその距離だけ離れて配置されている。第３電極３５とイオン伝導層４０の間には拡散防止層９０が形成されている。拡散防止層９０は酸化タンタルで形成されている。この拡散防止層９０は、第３電極３５にスイッチング電圧が印加されるときは、第３電極３５からの金属イオンをイオン伝導層４０に供給することが可能である。第１電極２１および第２電極３１のいずれかと第３電極３５との間にロジック信号の動作電圧の電位差が生じる場合には、ロジック信号の動作電圧がスイッチング電圧よりも低いため、第３電極３５から金属イオンの溶解を防ぎ、イオン伝導層４０から第３電極３５に金属イオンが進入することを防ぐ。なお、実施例１と同様にして、オン状態には金属デンドライトが形成される。また、オン状態からオフ状態への遷移の動作、およびオフ状態からオン状態への遷移の動作については実施例１と同様なため、その詳細な説明を省略する。

本実施例の３端子スイッチでは、拡散防止層９０により金属イオンの拡散が抑制されるため、第３電極３５からの銅イオンの拡散を抑制し、かつイオン伝導層４０から第３電極３５に金属イオンが進入するのを抑制することで、非スイッチング時の３端子スイッチの安定性が向上する。

本実施例では、第３電極と第１電極の間だけでなく、第２電極と第１電極の間にも拡散防止層を設けた構成である。

本実施例のスイッチの構成について説明する。なお、実施例１と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図７は本実施例のスイッチの一構成例を示す断面模式図である。図７に示すように、本実施例のスイッチは、第２電極３２および第３電極３４の上に塩化銅からなる拡散防止層９０が形成されている。絶縁層５６に設けられた開口は、イオン伝導４２および拡散防止層９０を挟んで第２電極３２と対向する位置にある。絶縁層５６に設けられた開口の直径は０．２μｍである。第２電極３２と第３電極３４間の距離は１００ｎｍから１μｍであり、第２電極３２と第３電極３４はその距離だけ離れて配置されている。

次に、図７に示したスイッチの製造方法について説明する。

シリコン基板上に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１００を形成した後、従来技術のリソグラフィー技術で、第２電極３２および第３電極３４を形成しない部位にレジストパターンを形成する。続いて、その上から真空蒸着法で膜厚１００ｎｍの第２電極３２、第３電極３４となる銅、レーザーアブレーション法により膜厚２０ｎｍの拡散防止層となる塩化銅を形成した後、リフトオフ技術によりレジストパターンをリフトオフして拡散防止層９０で覆われた第２電極３２および第３電極３４を形成する。その後、実施例１と同様にしてイオン伝導層４２、絶縁層５６および第１電極２６を形成する。

本実施例の３端子スイッチでは、実施例１の効果の他に、拡散防止層９０により第２電極３２からの銅イオンの拡散を抑制し、かつイオン伝導層４２から第２電極３２に金属イオンが進入するのを抑制することで、非スイッチング時の３端子スイッチの安定性がより向上する。

なお、実施例２および実施例３のいずれのスイッチについても、実施例１と同様にプログラマブルロジックのスイッチに適用してもよい。

また、本発明のスイッチング素子において、イオン伝導層に金属イオンを供給しない電極（第１電極と、一部の第２電極）を構成する材料としては、白金だけではなく、高融点金属（Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ）、シリサイド（チタンシリサイド、コバルトシリサイド、モリブデンシリサイド）などでもよい。また、イオン伝導層に金属イオンを供給する電極（第３の電極と、一部の第２の電極）を構成する金属としては、銅だけではなく、Ａｇ、Ｐｂなどでもよい。さらに、イオン伝導層を構成するイオン伝導体としては、硫化銅だけではなく、カルコゲン元素（Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）と金属の化合物、シリコンを含む絶縁物（酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン）、ペロブスカイト型酸化物（ＡＢＯ_３、Ａ：Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂ：Ｔｉ）などでもよい。拡散防止層としては、銅イオンの拡散が抑制される材料であるシリコン酸化膜、アルミナなどでもよい。

また、本発明は上記実施例に限定されることなく、発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

Claims (7)

1. 金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、
   前記イオン伝導層に接して設けられた第１電極および第２電極と、
   前記イオン伝導層に前記金属イオンを供給可能な第３電極と、
   前記イオン伝導層および第３電極の間に設けられ、該第３電極から前記イオン伝導層に金属イオンが拡散するのを防止するための拡散防止層と、
   を有し、
   前記イオン伝導層は硫化銅で形成され、前記拡散防止層は酸化タンタル、シリコン酸化膜、またはアルミナで形成されている、スイッチング素子。
2. 前記第１電極および第２電極を接続する金属析出物が設けられた請求項１記載のスイッチング素子。
3. 前記第２電極は前記イオン伝導層に前記金属イオンを供給可能な材料を有し、
   前記第２電極およびイオン伝導層の間に前記拡散防止層が設けられた請求項１または２記載のスイッチング素子。
4. 少なくとも金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、第１電極と、第２電極と、前記イオン伝導層に前記金属イオンを供給可能な第３電極と、よりなるスイッチング素子であって、
   前記第１電極は前記イオン伝導層の一方の面に接して設けられ、
   前記イオン伝導層の他方の面には前記第２電極と、前記第３電極が離間して設けられ、
   前記第２電極は前記イオン伝導層と接しており、
   前記第３電極と前記イオン伝導層の間には拡散防止層を有し、
   前記イオン伝導層は硫化銅で形成され、前記拡散防止層は酸化タンタル、シリコン酸化膜、またはアルミナで形成されていることを特徴とするスイッチング素子。
5. 少なくとも金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、第１電極と、第２電極と、前記イオン伝導層に前記金属イオンを供給可能な第３電極と、よりなるスイッチング素子であって、
   基体上に前記第２電極と前記第３電極が離間して設けられ、
   少なくとも前記第３電極上には第１の拡散防止層を有し、
   少なくとも前記第２電極と前記第３電極の間及び前記第１の拡散防止層に接するように前記イオン伝導層が設けられ、前記イオン伝導層上に前記第１電極が設けられ、
   前記イオン伝導層は硫化銅で形成され、前記第１の拡散防止層は酸化タンタル、シリコン酸化膜、またはアルミナで形成されていることを特徴とするスイッチング素子。
6. 前記第２電極上に第２の拡散防止層を有し、前記イオン伝導層が第２の拡散防止層上にも延在し、該第２の拡散防止層は酸化タンタル、シリコン酸化膜、またはアルミナで形成されていることを特徴とする請求項５記載のスイッチング素子。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載のスイッチング素子をスイッチに用いた書き換え可能な論理集積回路。

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