JP5266654B2 - Switching element and method for manufacturing switching element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching device which does not require initialization operation prior to transition to an "on state", of a first time is excellent in repeating durability compared with before, reduced in the variation of a switching time, and to provide a rewritable integrated logic circuit using the switching device. <P>SOLUTION: The switching device is manufactured using an oxide ion conducting layer in which conducting metal is distributed previously. Metal ions are supplied also from the distributed metal when two electrodes are connected by a metal bridge using an electrochemical reaction. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、プログラマブルロジックおよびメモリ等の電子デバイスに用いられる、電気化学反応を利用したスイッチング素子とその製造方法に関する。   The present invention relates to a switching element using an electrochemical reaction and a method for manufacturing the same, which are used in electronic devices such as programmable logic and memory.

プログラマブルロジックの機能を多様化し、電子機器などへの実装を推進して行くためには、ロジックセル間を相互に結線するスイッチのサイズを小さくし、そのオン抵抗を小さくすることが必要となる。電気化学反応を利用したスイッチは、従来の半導体スイッチよりもサイズが小さく、オン抵抗が小さいことが知られている。電気化学反応を利用したスイッチング素子には、特許文献1に開示された2端子スイッチと、特許文献2に開示された3端子スイッチとがある。   In order to diversify the functions of the programmable logic and promote the mounting to electronic devices, it is necessary to reduce the size of the switch for connecting the logic cells to each other and to reduce the on-resistance. It is known that a switch using an electrochemical reaction has a smaller size and a lower on-resistance than a conventional semiconductor switch. Examples of the switching element using an electrochemical reaction include a two-terminal switch disclosed in Patent Document 1 and a three-terminal switch disclosed in Patent Document 2.

2端子スイッチは、金属イオンを供給する第2電極と、金属イオンを供給しない第1電極で、イオン伝導層を挟んだ構造をしている。両電極間に電圧を印加する際、第2電極を第1電極より高い電位とすると、第2電極表面では、金属が金属イオンに酸化され、イオン伝導層中に金属イオンが供給される。一方、第1電極表面では、イオン伝導層中の金属イオンが金属へと還元され、金属が析出する。この析出する金属によって、第1電極表面から第2電極表面に達する、金属架橋が形成されると、イオン伝導層中のイオン伝導から、金属架橋を経由する導通状態へと変わり、両電極間の抵抗は急激に低下する。すなわち、スイッチは「オン状態」となる。逆に、金属架橋が形成される状態で、第2電極を第1電極より低い電位とすると、第1電極表面と等しい電位となっている、金属架橋表面では、金属が金属イオンに酸化され、イオン伝導層中に金属イオンが供給される。一方、第2電極表面では、イオン伝導層中の金属イオンが金属へと還元され、金属が析出する。従って、次第に、金属架橋は細くなり、ある時点で、金属架橋を介する、両電極間の導通経路が遮断される。この時点で、両電極間の電気伝導は、金属架橋を経由する導通状態から、イオン伝導層中のイオン伝導へと変わるため、両電極間の抵抗は急激に上昇する。すなわち、スイッチは「オフ状態」となる。引き続き、両電極間に電圧を印加しつづけると、第1電極表面に析出していた金属は金属イオンへと酸化し、金属析出物が消滅する。2端子スイッチは、前記の金属架橋を介する、導通経路の形成・消滅によって、「オン状態」と「オフ状態」間のスイッチングを行っている。2端子スイッチは、構造が単純であるため、作製プロセスが簡便であり、素子サイズをナノメートルオーダーまで小さく加工可能である。   The two-terminal switch has a structure in which an ion conductive layer is sandwiched between a second electrode that supplies metal ions and a first electrode that does not supply metal ions. When a voltage is applied between the two electrodes, if the second electrode is set to a higher potential than the first electrode, the metal is oxidized into metal ions on the surface of the second electrode, and the metal ions are supplied into the ion conductive layer. On the other hand, on the surface of the first electrode, metal ions in the ion conductive layer are reduced to metal, and metal is deposited. When the metal bridge that reaches the second electrode surface from the first electrode surface is formed by the deposited metal, the ion conduction in the ion conductive layer changes from the ionic conduction to the conductive state via the metal bridge. The resistance drops rapidly. That is, the switch is “ON”. Conversely, when the second electrode is set to a potential lower than that of the first electrode in a state where the metal bridge is formed, the metal is oxidized to metal ions on the metal bridge surface, which is equal to the first electrode surface, Metal ions are supplied into the ion conductive layer. On the other hand, on the surface of the second electrode, metal ions in the ion conductive layer are reduced to metal, and the metal is deposited. Accordingly, the metal bridge gradually becomes thinner, and at a certain point, the conduction path between the two electrodes via the metal bridge is interrupted. At this point, the electrical conduction between the two electrodes changes from the conductive state via the metal bridge to the ionic conduction in the ion conductive layer, so that the resistance between the two electrodes increases rapidly. That is, the switch is in the “off state”. Subsequently, when a voltage is continuously applied between both electrodes, the metal deposited on the surface of the first electrode is oxidized into metal ions, and the metal deposit disappears. The two-terminal switch performs switching between an “on state” and an “off state” by forming and eliminating a conduction path via the metal bridge. Since the two-terminal switch has a simple structure, the manufacturing process is simple, and the element size can be reduced to the nanometer order.

3端子スイッチは、その間で金属架橋を介する、導通経路の形成・消滅が起こる第1電極と第2電極に加えて、金属架橋の形成・消滅をコントロールする第3電極を設ける構成となっている。この第3電極と、第1電極ならびに第2電極との間に印加される電圧を変えることで、金属架橋の太さを制御可能としており、3端子スイッチは、エレクトロマイグレーション耐性に優れている。   The three-terminal switch has a configuration in which a third electrode for controlling the formation / disappearance of the metal bridge is provided in addition to the first electrode and the second electrode in which the conduction path is formed / disappeared via the metal bridge between them. . The thickness of the metal bridge can be controlled by changing the voltage applied between the third electrode, the first electrode, and the second electrode, and the three-terminal switch has excellent electromigration resistance.

また、金属架橋を介する、導通経路は低抵抗であるため、「オン状態」と「オフ状態」間のスイッチングがなされる際、第1電極と第2電極との間の抵抗は急激な上昇、減少を示す。従って、2端子スイッチを、ロジックに応用した場合、接続と切断の際に、第1電極と第2電極との間に電圧を印加している、素子に流れる電流が急激に変化することに因って、ロジックに損傷を与える危険性がある。3端子スイッチでは、金属架橋の形成・消滅を制御する第3電極と、接続と切断がなされる第1電極と第2電極の間の導通経路を介して、電気信号を伝達する伝居機が別に存在するため、電流の制御ができる。一方で、3端子スイッチは、2端子スイッチに比べ、構造が複雑であり、素子サイズも大きくなる傾向にある。   In addition, since the conduction path through the metal bridge is low resistance, when switching between the “on state” and the “off state”, the resistance between the first electrode and the second electrode rapidly increases, Indicates a decrease. Therefore, when the two-terminal switch is applied to logic, the voltage applied between the first electrode and the second electrode at the time of connection and disconnection causes a sudden change in the current flowing through the element. There is a risk of damaging the logic. In the three-terminal switch, there is a transmission device that transmits an electrical signal through a third electrode that controls the formation / extinction of metal bridges and a conduction path between the first electrode and the second electrode that are connected and disconnected. Since it exists separately, the current can be controlled. On the other hand, the three-terminal switch has a more complicated structure and a larger element size than the two-terminal switch.

上述する電気化学反応を利用したスイッチをプログラマブルロジックの配線切り替えスイッチとして搭載するためには、ロジック動作電圧以上のスイッチング電圧とCMOSプロセス親和性が必要となる。特に、電気化学反応を利用したスイッチのスイッチング特性は、金属イオンの媒体となるイオン伝導体の材料に大きく依存するため、イオン伝導体材料の選択・最適化が重要である。酸化物は、スイッチング電圧を高められ、CMOSプロセス親和性も良い点から、電気化学反応を利用したスイッチのイオン伝導体として、有望である。酸化物をイオン伝導層に用いた例は、特許文献3に開示された酸化タンタルがある。酸化物イオン伝導体は、スイッチング電圧が高い反面、イオン伝導体内部に金属架橋を形成する金属を含まない材料であるため、初期化動作が必要であったり、スイッチを駆動させる際、切り替え速度に大きなバラツキが生じたり、「オン状態」と「オフ状態」間の繰り返し回数に大きなバラツキが生じたりと、信頼性に問題がある。
特表2002−536840号公報 国際公開第2006/070773号パンフレット 特開2006−319028号公報
In order to mount the switch using the above-described electrochemical reaction as a programmable logic wiring changeover switch, a switching voltage higher than the logic operating voltage and CMOS process compatibility are required. In particular, the switching characteristics of a switch using an electrochemical reaction largely depends on the material of the ionic conductor serving as a metal ion medium, so selection and optimization of the ionic conductor material is important. Oxides are promising as ionic conductors for switches utilizing electrochemical reactions because of their increased switching voltage and good compatibility with CMOS processes. An example of using an oxide for the ion conductive layer is tantalum oxide disclosed in Patent Document 3. Although the oxide ion conductor has a high switching voltage, it is a material that does not contain a metal that forms a metal bridge inside the ion conductor, so an initialization operation is required or the switching speed is increased when the switch is driven. There is a problem in reliability such as a large variation or a large variation in the number of repetitions between the “on state” and the “off state”.
Special Table 2002-536840 Publication International Publication No. 2006/070773 Pamphlet JP 2006-319028 A

上述の酸化物イオン伝導層を用いた2端子スイッチもしくは3端子スイッチでは、第1回目の「オン状態」への遷移の際、金属イオンを供給する電極からイオン伝導層内に金属架橋の形成に利用される金属イオンを導入する必要がある。例えば、第1回目の「オン状態」への遷移後、「オフ状態」にする際には、第1電極と第2電極との間に形成された金属架橋中の細い部分が消滅し、金属架橋を介する導通経路が遮断される。その後、電圧の印加を若干時間継続し、金属析出物を構成している金属を金属イオンへと酸化した後、電圧の印加を停止する。この時点では、金属架橋を形成していた金属析出物が、なお電極表面に残留しており、また、イオン伝導層中には、金属イオンが十分な濃度で含まれている状態となっている。従って、2回目以降の「オン状態」への遷移は、既に、イオン伝導層中には、金属イオンが十分な濃度で含まれている状態で、電極表面に残留している金属析出物表面に、金属イオンから還元された金属が析出し、部分的に消滅した金属架橋の再生がなされる。すなわち、第1回目の「オン状態」への遷移に用いた印加電圧と比較して、2回目以降の「オン状態」への遷移は、ある程度低い印加電圧を用いることで起すことができる。一方、「オン状態」から「オフ状態」へのスイッチング過程は、第1電極と第2電極との間に形成された金属架橋中の細い部分を消滅させる操作であり、1回目と、2回目以降とでは、原理的には、必要とされる印加電圧には差異はない。   In the two-terminal switch or the three-terminal switch using the oxide ion conductive layer described above, a metal bridge is formed in the ion conductive layer from the electrode supplying the metal ion at the first transition to the “on state”. It is necessary to introduce metal ions to be used. For example, after the first transition to the “on state”, when the “off state” is set, a thin portion in the metal bridge formed between the first electrode and the second electrode disappears, and the metal The conduction path through the bridge is interrupted. Thereafter, the voltage application is continued for a little time, the metal constituting the metal deposit is oxidized into metal ions, and then the voltage application is stopped. At this point, metal precipitates that have formed metal bridges still remain on the electrode surface, and the ion conductive layer contains metal ions at a sufficient concentration. . Therefore, the transition to the “on state” for the second and subsequent times has already occurred on the surface of the metal precipitate remaining on the electrode surface in a state where the ion conductive layer contains a sufficient concentration of metal ions. Then, the reduced metal is precipitated from the metal ions, and the metal bridges partially disappeared are regenerated. That is, compared to the applied voltage used for the first transition to the “on state”, the transition to the “on state” for the second and subsequent times can be caused by using a somewhat lower applied voltage. On the other hand, the switching process from the “on state” to the “off state” is an operation of eliminating the thin portion in the metal bridge formed between the first electrode and the second electrode. After that, in principle, there is no difference in the required applied voltage.

換言するならば、2回目以降の「オン状態」への遷移に利用する印加電圧と比較し、第1回目の「オン状態」への遷移に要する印加電圧が高くなることから、酸化物イオン伝導層を用いた2端子スイッチもしくは3端子スイッチでは、スイッチを使用する前に初期化動作が必要となる。例えば、従来は、第1回目の「オン状態」への遷移と、その後、「オン状態」から「オフ状態」への遷移とを行う操作を、初期化動作として実施すると、それ以降のスイッチング動作に要する印加電圧は実質的に等しくなるようにしている。   In other words, compared to the applied voltage used for the transition to the “on state” for the second and subsequent times, the applied voltage required for the transition to the “on state” for the first time is higher. In a two-terminal switch or a three-terminal switch using layers, an initialization operation is required before using the switch. For example, conventionally, when an operation for performing the first transition to the “on state” and then the transition from the “on state” to the “off state” is performed as the initialization operation, the subsequent switching operation is performed. The applied voltages required for the above are made substantially equal.

繰り返しスイッチング操作する場合、金属イオンの金属架橋への供給が十分でないために、「オフ状態」から「オン状態」へのスイッチングを行う際の切り替え時間にバラツキが生じる。さらに、繰り返し回数が十分得られない。その結果、プログラマブルロジック搭載した際、プログラマブルロジックの信頼性が低下してしまう恐れがある。   When the switching operation is repeatedly performed, the supply time of the metal ions to the metal bridge is not sufficient, so that the switching time when switching from the “off state” to the “on state” varies. Furthermore, a sufficient number of repetitions cannot be obtained. As a result, when programmable logic is mounted, the reliability of the programmable logic may be reduced.

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、第1回目の「オン状態」への遷移に先立つ初期化動作を必要とせず、従来よりも繰り返し耐性に優れ、切り替え時間のバラツキの少ないスイッチング素子と、そ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を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art, and does not require an initialization operation prior to the first transition to the “on state” and is repeated more than before. It is an object of the present invention to provide a switching element that has excellent durability and little variation in switching time, and a rewritable logic integrated circuit using the switching element.

上記目的を達成するため、本発明のスイッチング素子は、例えば、2端子スイッチの形態とする際、
金属架橋の形成に利用される金属イオンと同じ金属を予め分散しているイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、該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覆われた第1電極と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記金属イオンを供給可能な材料を含む第2電極と、を有する構成である。
In order to achieve the above object, for example, when the switching element of the present invention is in the form of a two-terminal switch,
An ion conducting layer in which the same metal as the metal ion used for forming the metal bridge is dispersed in advance;
A first electrode provided in contact with the ion conductive layer, and a portion in contact with the ion conductive layer covered with a material that does not supply the metal ions;
And a second electrode that is provided in contact with the ion conductive layer and includes a material capable of supplying the metal ions.

本発明にかかるスイッチング素子は、金属架橋の形成に利用される金属イオンと同じ金属を予め分散させているイオン伝導層を用いることを特徴とする。電気化学反応を利用して、金属架橋を形成して、2つの電極間を電気的に接続する際、イオン伝導層中に予め分散さえている金属からも金属イオンを供給する。   The switching element according to the present invention is characterized by using an ion conductive layer in which the same metal as a metal ion used for forming a metal bridge is dispersed in advance. When forming a metal bridge using an electrochemical reaction to electrically connect the two electrodes, metal ions are supplied also from a metal that is already dispersed in the ion conductive layer.

金属を予め分散しているイオン伝導層は、金属層をイオン伝導層に接して設け、加熱および光照射によって、該金属層から金属をイオン伝導層内に拡散させる、もしくは、イオン注入法により、金属イオンをイオン伝導層中に注入させることで作製する。   The ion conductive layer in which the metal is dispersed in advance is provided in contact with the ion conductive layer, and the metal is diffused from the metal layer into the ion conductive layer by heating and light irradiation, or by ion implantation, It is produced by implanting metal ions into the ion conductive layer.

(作用)
電気化学反応を利用して、金属架橋を形成する際、金属イオンを供給可能な材料を含む第2電極から金属イオンを供給するとともに、イオン伝導層内に予め分散されている金属からも金属イオンを供給すれば、イオン伝導層内に金属架橋の形成を行う際、十分な金属イオンが存在する状態を速やかに達成できる。そのため、第1回目の「オン状態」への遷移の際に印加する電圧として、第2回目以降の「オン状態」への遷移の際に印加する電圧よりも大きな電圧を使用する必要がなくなる。さらに、「オン状態」から「オフ状態」に遷移させた後、再び、金属架橋を形成し「オン状態」に遷移させる際に、金属架橋の形成に利用される金属イオンの供給が安定化するため、繰り返しスイッチングできる回数が増え、切り替え時間のバラツキが減少する。
(Function)
When metal bridges are formed using an electrochemical reaction, metal ions are supplied from the second electrode including a material capable of supplying metal ions, and also from the metal dispersed in advance in the ion conductive layer. If a metal bridge is formed in the ion conductive layer, a state where sufficient metal ions are present can be quickly achieved. Therefore, it is not necessary to use a voltage higher than the voltage applied at the time of the second and subsequent transitions to the “on state” as the voltage to be applied at the time of the first transition to the “on state”. Furthermore, after the transition from the “on state” to the “off state”, when the metal bridge is formed again and transitioned to the “on state”, the supply of metal ions used for forming the metal bridge is stabilized. For this reason, the number of times that switching can be repeated increases and the variation in switching time decreases.

本発明によれば、スイッチング素子を使用開始前に、一度書き込みと消去を行う初期化動作、例えば、第1回目の「オン状態」への遷移と、その後、「オン状態」から「オフ状態」への遷移を行う操作を実施する必要がなくなる。そのため、本発明のスイッチング素子を利用する書き換え可能な論理集積回路は、前記の初期化動作のみに使用される初期化回路が必要なくなる。また、本発明のスイッチング素子では、「書き込み消去」を行うため、スイッチングを繰り返した際、繰り返し可能回数が増え、切り替え時間のバラツキが少なくなる。この利点のため、本発明のスイッチング素子を書き換え可能な論理集積回路における「書き込み消去」用スイッチに利用すると、従来よりも、簡単な駆動方法と高信頼性を有するプログラマブルロジックを提供できる。   According to the present invention, before starting to use the switching element, an initialization operation for once writing and erasing, for example, a first transition to the “on state”, and then from the “on state” to the “off state” There is no need to perform an operation for making a transition to. Therefore, the rewritable logic integrated circuit using the switching element of the present invention does not require an initialization circuit used only for the initialization operation. In addition, since the switching element of the present invention performs “write / erase”, the number of repeatable operations increases when switching is repeated, and variations in switching time are reduced. Because of this advantage, when the switching element of the present invention is used as a “write / erase” switch in a rewritable logic integrated circuit, it is possible to provide a programmable logic having a simpler driving method and higher reliability than conventional ones.

以下に、本発明をより詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

本発明にかかる電気化学反応を利用したスイッチング素子における、代表的な形態として、下記の形態を挙げることができる。   The following forms can be mentioned as typical forms in the switching element using the electrochemical reaction according to the present invention.

まず、本発明を、2端子スイッチング素子に適用する第1の形態は、
第1電極と、第2電極と、該第1電極と第2電極間に挟まれた酸化物を含むイオン伝導層とを具える、電気化学反応を利用した2端子スイッチング素子であって、
該2端子スイッチング素子は、
前記第1電極と第2電極との間に、第1電極の電位より第2電極の電位が高くなるように電圧を印加する際、
前記第2電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給され、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第1電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
該金属の析出物の成長によって、前記第1電極表面から前記第2電極表面に達する金属架橋が形成され、
該金属架橋が前記第1電極と第2電極との間を電気的に接続することによって、前記第1電極と第2電極との間の抵抗が変化するスイッチング動作方式を採り、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている
ことを特徴とするスイッチング素子である。
First, a first embodiment in which the present invention is applied to a two-terminal switching element is as follows:
A two-terminal switching element using an electrochemical reaction, comprising a first electrode, a second electrode, and an ion conductive layer containing an oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The two-terminal switching element is
When applying a voltage between the first electrode and the second electrode so that the potential of the second electrode is higher than the potential of the first electrode,
Metal ions are supplied from the second electrode into the ion conductive layer,
The metal ions in the ion conductive layer receive electrons from the first electrode and precipitate as metals.
Due to the growth of the metal precipitate, a metal bridge reaching the second electrode surface from the first electrode surface is formed,
By adopting a switching operation method in which the resistance between the first electrode and the second electrode is changed by electrically connecting the metal bridge between the first electrode and the second electrode,
In the ion conduction layer, a metal having the same metal species as the metal ions is dispersed in advance.

第1の形態の2端子スイッチング素子では、望ましくは、
前記第1電極と第2電極との間に、第1電極の電位より第2電極の電位が高くなるように電圧を印加する際、
前記第2電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給されるだけではなく、
前記イオン伝導層内に予め分散されている金属からも、該金属イオンの供給がなされる。
In the two-terminal switching element of the first form, desirably,
When applying a voltage between the first electrode and the second electrode so that the potential of the second electrode is higher than the potential of the first electrode,
In addition to supplying metal ions from the second electrode into the ion conductive layer,
The metal ions are also supplied from a metal dispersed in advance in the ion conductive layer.

第1の形態の2端子スイッチング素子では、
前記酸化物を含むイオン伝導層は、
酸化タンタル、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ニオブおよび酸化シリコンからなる群から選択される、少なくとも1つの酸化物を含む層であることが好ましい。
In the two-terminal switching element of the first form,
The ion conductive layer containing the oxide is
It is preferably a layer containing at least one oxide selected from the group consisting of tantalum oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, nickel oxide, titanium oxide, aluminum oxide, niobium oxide and silicon oxide.

なお、前記イオン伝導層内に予め分散されている金属の分布は、
前記イオン伝導層内の一部分に該金属が分散している分布となっている構造とすることができる。その際、第1電極と第2電極間に挟まれた酸化物を含むイオン伝導層中、少なくとも、前記第1電極とイオン伝導層とが接触する領域には、予め金属が分散されている構成は、好適な構成の一つである。
The distribution of the metal dispersed in advance in the ion conductive layer is as follows:
A structure in which the metal is distributed in a part of the ion conductive layer may be employed. In that case, in the ion conductive layer containing the oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode, metal is dispersed in advance in at least a region where the first electrode and the ion conductive layer are in contact with each other. Is one of the preferred configurations.

なお、上記の2端子スイッチング素子においては、第2電極は、イオン伝導層と接する部分は、金属イオンを供給可能な材料で構成する。一方、第1電極は、第1電極と第2電極との間に、第1電極の電位より第2電極の電位が低くなるように電圧を印加する際、イオン伝導層と接する部分は、該第1電極自体から、なんらかの金属イオンの供給が起こらない材料で構成する。   In the above two-terminal switching element, the portion of the second electrode in contact with the ion conductive layer is made of a material capable of supplying metal ions. On the other hand, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode so that the potential of the second electrode is lower than the potential of the first electrode, the portion in contact with the ion conductive layer is The first electrode itself is made of a material that does not supply any metal ions.

上記の2端子スイッチング素子においては、イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている状態とするが、該金属の分散濃度は、イオン伝導層を構成する、酸化物を含むイオン伝導材料中における、該金属の固溶度限界を超えない範囲に選択することが好ましい。特には、該金属の分散濃度は、酸化物を含むイオン伝導材料中における、該金属の固溶度限界とすることが最も好ましい。すなわち、本発明の効果を十分に発揮する上では、該金属の分散濃度は、該金属の固溶度限界を超えない範囲でより高くすることが望ましく、従って、その上限は該金属の固溶度限界である。少なくとも、該金属の分散濃度は、前記金属の固溶度限界を100%として、20%以上、通常、50%以上とすることが好ましい。   In the above two-terminal switching element, a metal of the same metal species as the metal ions is preliminarily dispersed in the ion conductive layer, but the dispersion concentration of the metal is an oxidization that constitutes the ion conductive layer. It is preferable to select within a range that does not exceed the solid solubility limit of the metal in the ion conductive material containing the product. In particular, the dispersion concentration of the metal is most preferably the solid solubility limit of the metal in an ion conductive material containing an oxide. That is, in order to fully exhibit the effects of the present invention, it is desirable that the dispersion concentration of the metal be higher in a range not exceeding the solid solubility limit of the metal, and therefore the upper limit is the solid solution of the metal. Degree limit. At least, the dispersion concentration of the metal is preferably 20% or more, usually 50% or more, with the solid solubility limit of the metal being 100%.

一方、後述するとうに、酸化物を含むイオン伝導材料中に金属を分散させる手段によって、イオン伝導層中において、その膜厚方向に金属の分散濃度が分布を示す場合がある。イオン伝導層中において、金属の分散濃度が分布を示す際、その濃度極大を示す領域における金属の分散濃度(極大値)をその固溶度限界とすることがより好ましい。イオン伝導層中に分散させた金属は、その濃度が固溶度限界を超えると、固溶度限界を超えた部分は析出し、局所的に金属の凝集体を形成する。この局所的に形成される金属の凝集体の分布密度が不必要に高くなると、金属の凝集体を経由するリーク電流の増大が引き起こされる。従って、局所的な金属の凝集体の形成は抑制されているが、金属の分散濃度は、ほぼ固溶度限界となっている状態とすることが望ましい。   On the other hand, as will be described later, the dispersion concentration of the metal may show a distribution in the film thickness direction in the ion conductive layer by means of dispersing the metal in the ion conductive material containing the oxide. When the metal dispersion concentration shows a distribution in the ion conductive layer, it is more preferable that the metal dispersion concentration (maximum value) in the region showing the concentration maximum be the solid solubility limit. When the concentration of the metal dispersed in the ion conductive layer exceeds the solid solubility limit, the portion exceeding the solid solubility limit precipitates and locally forms metal aggregates. When the distribution density of the locally formed metal aggregate is unnecessarily high, an increase in leakage current via the metal aggregate is caused. Therefore, although formation of local metal aggregates is suppressed, it is desirable that the metal dispersion concentration be in a state where the solid solubility limit is almost reached.

また、本発明を、3端子スイッチング素子に適用する第2の形態は、
金属イオンを伝導するための酸化物を含むイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記イオン伝導層と接触する部位が該金属イオンを供給しない材料で覆われた第1電極および第2電極と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記イオン伝導層と接触する部位に該金属イオンを供給可能な材料を含んでなる第3電極とを具える、電気化学反応を利用した3端子スイッチング素子であって、
該3端子スイッチング素子は、
前記第3電極と第1電極との間に、第1電極の電位より第3電極の電位が高くなるように、ならびに、前記第3電極と第2電極との間に、第2電極の電位より第3電極の電位が高くなるように、それぞれ電圧を印加する際、
前記第3電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給され、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第1電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第2電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
該金属の析出物の成長によって、前記第1電極表面から前記第2電極表面に達する金属架橋が形成され、
該金属架橋が前記第1電極と第2電極との間を電気的に接続することによって、前記第1電極と第2電極との間の抵抗が変化するスイッチング動作方式を採り、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている
ことを特徴とするスイッチング素子である。
Moreover, the 2nd form which applies this invention to a 3 terminal switching element is as follows.
An ion conducting layer containing an oxide for conducting metal ions;
A first electrode and a second electrode which are provided in contact with the ion conductive layer and covered with a material which does not supply the metal ions at a portion in contact with the ion conductive layer;
A three-terminal switching element using an electrochemical reaction, comprising a third electrode provided in contact with the ion conductive layer and comprising a third electrode comprising a material capable of supplying the metal ions at a portion in contact with the ion conductive layer. There,
The three-terminal switching element is
The potential of the second electrode is between the third electrode and the first electrode so that the potential of the third electrode is higher than the potential of the first electrode, and between the third electrode and the second electrode. When applying a voltage so that the potential of the third electrode becomes higher,
Metal ions are supplied from the third electrode into the ion conductive layer,
The metal ions in the ion conductive layer receive electrons from the first electrode and precipitate as metals.
The metal ions in the ion conductive layer receive electrons from the second electrode and precipitate as metals.
Due to the growth of the metal precipitate, a metal bridge reaching the second electrode surface from the first electrode surface is formed,
By adopting a switching operation method in which the resistance between the first electrode and the second electrode is changed by electrically connecting the metal bridge between the first electrode and the second electrode,
In the ion conduction layer, a metal having the same metal species as the metal ions is dispersed in advance.

第2の形態の3端子スイッチング素子では、望ましくは、
前記第3電極と第1電極との間に、第1電極の電位より第3電極の電位が高くなるように、ならびに、前記第3電極と第2電極との間に、第2電極の電位より第3電極の電位が高くなるように、それぞれ電圧を印加する際、
前記第3電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給されるだけではなく、
前記イオン伝導層内に予め分散されている金属からも、該金属イオンの供給がなされる。
In the three-terminal switching element of the second form, desirably,
The potential of the second electrode is between the third electrode and the first electrode so that the potential of the third electrode is higher than the potential of the first electrode, and between the third electrode and the second electrode. When applying a voltage so that the potential of the third electrode becomes higher,
In addition to supplying metal ions from the third electrode into the ion conductive layer,
The metal ions are also supplied from a metal dispersed in advance in the ion conductive layer.

第2の形態の3端子スイッチング素子では、
前記酸化物を含むイオン伝導層は、
酸化タンタル、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ニオブおよび酸化シリコンからなる群から選択される、少なくとも1つの酸化物を含む層であることが好ましい。
In the three-terminal switching element of the second form,
The ion conductive layer containing the oxide is
It is preferably a layer containing at least one oxide selected from the group consisting of tantalum oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, nickel oxide, titanium oxide, aluminum oxide, niobium oxide and silicon oxide.

なお、前記イオン伝導層内に予め分散されている金属の分布は、
前記イオン伝導層内の一部分に該金属が分散している分布となっている構造とすることができる。その際、イオン伝導層中、第1電極と第2電極とによって挟まれている領域、前記第1電極とイオン伝導層が接触する界面近傍、ならびに、前記第2電極とイオン伝導層とが接触する界面近傍には、予め金属が分散されている構成は、好適な構成の一つである。
The distribution of the metal dispersed in advance in the ion conductive layer is as follows:
A structure in which the metal is distributed in a part of the ion conductive layer may be employed. At that time, in the ion conductive layer, the region sandwiched between the first electrode and the second electrode, the vicinity of the interface where the first electrode and the ion conductive layer are in contact, and the second electrode and the ion conductive layer are in contact with each other. A configuration in which a metal is dispersed in the vicinity of the interface is a suitable configuration.

上記の3端子スイッチング素子においては、前記第3電極と第1電極との間に、第1電極の電位より第3電極の電位が高くなるように、ならびに、前記第3電極と第2電極との間に、第2電極の電位より第3電極の電位が高くなるように、それぞれ電圧を印加する際、通常は、第1電極の電位と第2電極の電位を等しくする。   In the above three-terminal switching element, the potential of the third electrode is higher than the potential of the first electrode between the third electrode and the first electrode, and the third electrode and the second electrode When the voltage is applied so that the potential of the third electrode is higher than the potential of the second electrode during this period, the potential of the first electrode is usually equal to the potential of the second electrode.

なお、上記の3端子スイッチング素子においては、第3電極は、イオン伝導層と接する部分は、金属イオンを供給可能な材料で構成する。一方、第1電極と第2電極は、第3電極と第1電極との間に、第1電極の電位より第3電極の電位が低くなるように、第3電極と第2電極との間に、第2電極の電位より第3電極の電位が低くなるように、それぞれ電圧を印加する際、イオン伝導層と接する部分は、該第1電極ならびに第2電極自体から、なんらかの金属イオンの供給が起こらない材料で構成する。   In the above three-terminal switching element, the third electrode is made of a material capable of supplying metal ions at the portion in contact with the ion conductive layer. On the other hand, the first electrode and the second electrode are arranged between the third electrode and the second electrode so that the potential of the third electrode is lower than the potential of the first electrode between the third electrode and the first electrode. In addition, when a voltage is applied so that the potential of the third electrode is lower than the potential of the second electrode, the portion in contact with the ion conductive layer is supplied with some metal ions from the first electrode and the second electrode itself. Consists of a material that does not occur.

上記の3端子スイッチング素子においては、イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている状態とするが、該金属の分散濃度は、イオン伝導層を構成する、酸化物を含むイオン伝導材料中における、該金属の固溶度限界を超えない範囲に選択することが好ましい。特には、該金属の分散濃度は、酸化物を含むイオン伝導材料中における、該金属の固溶度限界とすることが最も好ましい。すなわち、本発明の効果を十分に発揮する上では、該金属の分散濃度は、該金属の固溶度限界を超えない範囲でより高くすることが望ましく、従って、その上限は該金属の固溶度限界である。少なくとも、該金属の分散濃度は、前記金属の固溶度限界を100%として、20%以上、通常、50%以上とすることが好ましい。   In the above-described three-terminal switching element, a metal of the same metal type as the metal ions is preliminarily dispersed in the ion conductive layer, and the dispersion concentration of the metal is an oxidation constituent that constitutes the ion conductive layer. It is preferable to select within a range that does not exceed the solid solubility limit of the metal in the ion conductive material containing the product. In particular, the dispersion concentration of the metal is most preferably the solid solubility limit of the metal in an ion conductive material containing an oxide. That is, in order to fully exhibit the effects of the present invention, it is desirable that the dispersion concentration of the metal be higher in a range not exceeding the solid solubility limit of the metal, and therefore the upper limit is the solid solution of the metal. Degree limit. At least, the dispersion concentration of the metal is preferably 20% or more, usually 50% or more, with the solid solubility limit of the metal being 100%.

一方、後述するとうに、酸化物を含むイオン伝導材料中に金属を分散させる手段によって、イオン伝導層中において、その膜厚方向に金属の分散濃度が分布を示す場合がある。イオン伝導層中において、金属の分散濃度が分布を示す際、その濃度極大を示す領域における金属の分散濃度(極大値)をその固溶度限界とすることがより好ましい。イオン伝導層中に分散させた金属は、その濃度が固溶度限界を超えると、固溶度限界を超えた部分は析出し、局所的に金属の凝集体を形成する。この局所的に形成される金属の凝集体の分布密度が不必要に高くなると、金属の凝集体を経由するリーク電流の増大が引き起こされる。従って、局所的な金属の凝集体の形成は抑制されているが、金属の分散濃度は、ほぼ固溶度限界となっている状態とすることが望ましい。   On the other hand, as will be described later, the dispersion concentration of the metal may show a distribution in the film thickness direction in the ion conductive layer by means of dispersing the metal in the ion conductive material containing the oxide. When the metal dispersion concentration shows a distribution in the ion conductive layer, it is more preferable that the metal dispersion concentration (maximum value) in the region showing the concentration maximum be the solid solubility limit. When the concentration of the metal dispersed in the ion conductive layer exceeds the solid solubility limit, the portion exceeding the solid solubility limit precipitates and locally forms metal aggregates. When the distribution density of the locally formed metal aggregate is unnecessarily high, an increase in leakage current via the metal aggregate is caused. Therefore, although formation of local metal aggregates is suppressed, it is desirable that the metal dispersion concentration be in a state where the solid solubility limit is almost reached.

一方、上記の第1の形態の2端子スイッチング素子を製造する工程は、例えば、少なくとも、下記(i)〜(iv)の工程を含むものとすることができる。   On the other hand, the process of manufacturing the two-terminal switching element of the first embodiment may include at least the following processes (i) to (iv), for example.

(i):下地層上に前記第2電極を形成する;
(ii):前記第2電極上に、前記イオン伝導層を形成する;
(iii):前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する;
(iv):前記金属が予め分散されたイオン伝導層上に、前記第1電極を形成する。
(I): forming the second electrode on the underlayer;
(Ii): forming the ion conductive layer on the second electrode;
(iii): A metal of the same metal species as the metal ions is dispersed in the ion conductive layer in advance;
(Iv): forming the first electrode on an ion conductive layer in which the metal is dispersed in advance;

上記の第1の形態の2端子スイッチング素子を製造する工程中、例えば、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属をイオン注入することによって実施することができる。
During the process of manufacturing the two-terminal switching element of the first embodiment, for example,
The step of predispersing a metal of the same metal species as the metal ions in the ion conductive layer,
This can be done by ion implanting the metal into the ion conducting layer.

あるいは、該工程は、前記イオン伝導層内への該金属を熱拡散させることによって実施することもできる。あるいは、該工程は、前記イオン伝導層内への該金属を光拡散させることによって実施することもできる。   Alternatively, the step can be performed by thermally diffusing the metal into the ion conductive layer. Alternatively, the step can be performed by light diffusing the metal into the ion conductive layer.

また、上記の第2の形態の3端子スイッチング素子を製造する工程は、例えば、少なくとも、下記(i)〜(v)の工程を含むものとすることができる。   Moreover, the process of manufacturing said 3 terminal switching element of a 2nd form shall include the following process (i)-(v) at least, for example.

(i):下地層上に前記第1電極を形成する;
(ii):前記第1電極上に、前記イオン伝導層を形成する;
(iii):前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する;
(iv):前記金属が予め分散されたイオン伝導層上に、前記第2電極を形成する。
(v):前記イオン伝導層上に、前記第2電極と直接電気的な接触を達成しない位置に、前記第3電極を形成する。
(I): forming the first electrode on the underlayer;
(Ii): forming the ion conductive layer on the first electrode;
(iii): A metal of the same metal species as the metal ions is dispersed in the ion conductive layer in advance;
(Iv): forming the second electrode on an ion conductive layer in which the metal is previously dispersed.
(V): forming the third electrode on the ion conductive layer at a position where direct electrical contact with the second electrode is not achieved.

上記の第2の形態の3端子スイッチング素子を製造する工程中、例えば、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属をイオン注入することによって実施することができる。
During the process of manufacturing the three-terminal switching element of the second embodiment, for example,
The step of predispersing a metal of the same metal species as the metal ions in the ion conductive layer,
This can be done by ion implanting the metal into the ion conducting layer.

あるいは、該工程は、前記イオン伝導層内への該金属を熱拡散させることによって実施することもできる。あるいは、該工程は、前記イオン伝導層内への該金属を光拡散させることによって実施することもできる。   Alternatively, the step can be performed by thermally diffusing the metal into the ion conductive layer. Alternatively, the step can be performed by light diffusing the metal into the ion conductive layer.

本発明にかかるスイッチング素子は、書き換え可能な論理集積回路において、その書き換え操作に用いるスイッチに利用することができる。例えば、上記の第1の形態の2端子スイッチング素子もしくは第2の形態の3端子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とすることができる。   The switching element according to the present invention can be used for a switch used for the rewriting operation in a rewritable logic integrated circuit. For example, a rewritable logic integrated circuit using the above-described two-terminal switching element of the first form or the three-terminal switching element of the second form as a switch can be provided.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1にかかる2端子スイッチの構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態1にかかる2端子スイッチ素子の構成の一例を模式的に示す断面図である。
(Embodiment 1)
A configuration of the two-terminal switch according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the two-terminal switch element according to the first exemplary embodiment of the present invention.

図1に示す2端子スイッチング素子は、第1電極11と、金属14の分散したイオン伝導層13と、イオン伝導層13を介して設けられた第2電極12とを有する構成である。第1電極11と第2電極12との間に電圧を印加する際、イオン伝導層13は、金属イオンが伝導するための媒体となる。第2電極は、第2電極の電位が第1電極11よりも高い電位になるように、第1電極11と第2電極12との間に電圧を印加する際、イオン伝導層13中に金属イオンを供給することが可能な材料で構成されている。一方、第1電極11は、第2電極の電位が第1電極11よりも低い電位になるように、第1電極11と第2電極12との間に電圧を印加する際、この第1電極11自体から金属イオンを供給しない材料で構成されていることが望ましい。金属14は、第2電極からイオン伝導層13中へと供給される金属イオンと同じ金属種であることが望ましい。   The two-terminal switching element shown in FIG. 1 includes a first electrode 11, an ion conductive layer 13 in which a metal 14 is dispersed, and a second electrode 12 provided via the ion conductive layer 13. When a voltage is applied between the first electrode 11 and the second electrode 12, the ion conductive layer 13 serves as a medium for conducting metal ions. When the voltage is applied between the first electrode 11 and the second electrode 12 so that the potential of the second electrode is higher than that of the first electrode 11, the second electrode has a metal in the ion conductive layer 13. It is made of a material capable of supplying ions. On the other hand, when a voltage is applied between the first electrode 11 and the second electrode 12 so that the potential of the second electrode is lower than that of the first electrode 11, the first electrode 11 It is desirable that the material 11 is made of a material that does not supply metal ions from itself. The metal 14 is desirably the same metal species as the metal ions supplied from the second electrode into the ion conductive layer 13.

イオン伝導層13内への金属14の分散は、熱拡散、光拡散、イオン注入法によって行う。イオン伝導層13中における、金属14の分散濃度は、できるだけ高い濃度である状態が好ましい。イオン伝導層13を構成する材料中における該金属の固溶度限界を超えると、固溶度限界を超えた量は、イオン伝導層13中において、相互に凝集して、金属塊を形成する。その点を考慮すると、イオン伝導層13中における、金属14の分散濃度は、固溶度限界を超えない範囲において、できるだけ高い濃度である状態が好ましい。   The metal 14 is dispersed in the ion conductive layer 13 by thermal diffusion, light diffusion, or ion implantation. It is preferable that the dispersion concentration of the metal 14 in the ion conductive layer 13 is as high as possible. When the solid solubility limit of the metal in the material constituting the ion conductive layer 13 is exceeded, the amount exceeding the solid solubility limit aggregates with each other in the ion conductive layer 13 to form a metal lump. Considering this point, it is preferable that the dispersion concentration of the metal 14 in the ion conductive layer 13 is as high as possible within a range not exceeding the solid solubility limit.

一方、イオン伝導層13内への金属14の分散により、「オフ状態」における、イオン伝導層13を経由する、第1電極11と第2電極12との間のリーク電流が、必要以上に増加してしまう場合もある。従って、リーク電流の増加というデメリットと、本発明の効果(メリット)との間で調整を図り、イオン伝導層13中における、金属14の分散濃度を選択する必要である。   On the other hand, due to the dispersion of the metal 14 in the ion conductive layer 13, the leakage current between the first electrode 11 and the second electrode 12 via the ion conductive layer 13 in the “off state” increases more than necessary. There is also a case where it ends up. Therefore, it is necessary to adjust the demerit of an increase in leakage current and the effect (merit) of the present invention, and to select the dispersion concentration of the metal 14 in the ion conductive layer 13.

本発明の実施形態1にかかる2端子スイッチの駆動方法を、図2に従って説明する。   A driving method of the two-terminal switch according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図2に示す、実施形態1にかかる2端子スイッチは、第2電極22は、イオン伝導層23中に分散されている金属24と同じ金属を含む導電性材料で構成されている。   In the two-terminal switch according to the first embodiment shown in FIG. 2, the second electrode 22 is made of a conductive material containing the same metal as the metal 24 dispersed in the ion conductive layer 23.

第1電極21を接地して、第2電極22に正電圧を印加すると、第2電極22の金属が金属イオン26になってイオン伝導層23中に溶解する。また、それに付随して、イオン伝導層23中に分散されている金属24の少なくとも一部も、金属イオン26となる。そして、イオン伝導層23中の金属イオン26が、第1電極21の表面から供給される電子によって、金属へと還元され、析出する。この析出した金属によって、第1電極21の表面から金属架橋25が形成される。析出する金属によって形成される金属架橋25によって、第1電極21と第2電極22とが接続される。金属架橋25を介する導通経路によって、第1電極21と第2電極22が電気的に接続することで、この2端子スイッチが「オン状態」になる。   When the first electrode 21 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 22, the metal of the second electrode 22 becomes metal ions 26 and dissolves in the ion conductive layer 23. Along with this, at least a part of the metal 24 dispersed in the ion conductive layer 23 also becomes the metal ions 26. Then, the metal ions 26 in the ion conductive layer 23 are reduced to a metal and deposited by electrons supplied from the surface of the first electrode 21. A metal bridge 25 is formed from the surface of the first electrode 21 by the deposited metal. The first electrode 21 and the second electrode 22 are connected by a metal bridge 25 formed by the deposited metal. The first electrode 21 and the second electrode 22 are electrically connected by the conduction path through the metal bridge 25, so that the two-terminal switch is turned on.

一方、「オン状態」へと遷移した2端子スイッチに対して、第1電極21を接地して、第2電極22に負電圧を印加すると、金属架橋25を構成している金属がイオン伝導層23中に金属イオン26となって溶解する。この溶解が進行すると、第1電極21と第2電極22とを接続していた金属架橋25の一部が切れる。その際、金属架橋25を構成している金属が溶解することによって、イオン伝導層23中に含まれる金属イオン26の濃度は局所的に、過渡的な上昇を示す。その後、余剰な金属イオン26は、金属へと還元され、イオン伝導層23内に分散した金属24として、あるいは、第2電極22の表面に金属として析出することによって、回収される。この過程を経ることにより、第1電極21と第2電極22との電気的接続が切れ、この2端子スイッチが「オフ状態」になる。   On the other hand, when the first electrode 21 is grounded and a negative voltage is applied to the second electrode 22 with respect to the two-terminal switch transitioned to the “ON state”, the metal constituting the metal bridge 25 is ion-conductive layer. 23 is dissolved as metal ions 26. As this dissolution proceeds, a part of the metal bridge 25 that connects the first electrode 21 and the second electrode 22 is cut. At that time, the concentration of the metal ions 26 contained in the ion conductive layer 23 locally shows a transient increase due to dissolution of the metal constituting the metal bridge 25. Thereafter, surplus metal ions 26 are reduced to a metal and recovered by being deposited as a metal 24 dispersed in the ion conductive layer 23 or as a metal deposited on the surface of the second electrode 22. Through this process, the electrical connection between the first electrode 21 and the second electrode 22 is broken, and the two-terminal switch is turned off.

上記「オフ状態」への遷移後、再び、「オフ状態」から「オン状態」へと遷移させる「切り替え」を行うには、再び、第1電極21を接地して、第2電極22に正電圧を印加すればよい。   After the transition to the “off state”, in order to perform “switching” for transition from the “off state” to the “on state” again, the first electrode 21 is grounded again and the second electrode 22 is positively connected. A voltage may be applied.

なお、「オフ状態」から「オン状態」へと遷移は、第2電極22の電位が第1電極21よりも高い電位になるように、第1電極21と第2電極22との間に電圧を印加することで起こる。従って、第2電極22を接地し、第1電極21に負電圧を印加して、2端子スイッチを「オン状態」に遷移してもよい。また、「オン状態」から「オフ状態」へと遷移は、第2電極22の電位が第1電極21よりも低い電位になるように、第1電極21と第2電極22との間に電圧を印加することで起こる。従って、第2電極22を接地し、第1電極21に正電圧を印加して、2端子スイッチを「オン状態」に遷移してもよい。   Note that the transition from the “off state” to the “on state” indicates that the voltage between the first electrode 21 and the second electrode 22 is such that the potential of the second electrode 22 is higher than that of the first electrode 21. Occurs by applying. Accordingly, the second electrode 22 may be grounded, a negative voltage may be applied to the first electrode 21, and the two-terminal switch may be changed to the “on state”. The transition from the “on state” to the “off state” is a voltage between the first electrode 21 and the second electrode 22 such that the potential of the second electrode 22 is lower than that of the first electrode 21. Occurs by applying. Therefore, the second electrode 22 may be grounded, a positive voltage may be applied to the first electrode 21, and the two-terminal switch may transition to the “ON state”.

なお、2端子スイッチが「オン状態」から「オフ状態」になる過程では、金属架橋25を構成している金属がイオン伝導層23中に金属イオン26となって溶解するため、電気的接続が完全に切れる前の段階から第1電極21と第2電極22との間の抵抗が大きくなる。同時に、第1電極21と第2電極22との間の電極間容量が変化したりする。このような電気特性の変化があって、最終的に電気的接続が切れる。   In the process in which the two-terminal switch is changed from the “on state” to the “off state”, the metal constituting the metal bridge 25 is dissolved as the metal ion 26 in the ion conductive layer 23, so that the electrical connection is established. The resistance between the first electrode 21 and the second electrode 22 increases from the stage before it is completely cut. At the same time, the interelectrode capacitance between the first electrode 21 and the second electrode 22 changes. Due to such a change in electrical characteristics, the electrical connection is eventually broken.

図3は金属を分散させていないイオン伝導層を用いている、従来構造(図4)の2端子スイッチの動作に対する電気特性の変化を示すグラフである。   FIG. 3 is a graph showing changes in electrical characteristics with respect to the operation of a two-terminal switch having a conventional structure (FIG. 4) using an ion conductive layer in which metal is not dispersed.

第1電極41を接地して、第2電極42に正電圧を印加すると、2.6Vでスイッチが「オフ状態」(高抵抗の状態)から「オン状態」(低抵抗の状態)へ遷移している(図3に示すA)。この際、2端子スイッチング素子を流れる電流を、1ミリアンペアが上限となるように制限している。次に、第1電極41を接地して、第2電極42に負電圧を印加すると、0.4Vで電流は減少し、「オフ状態」に遷移している(図3に示すB)。この際、2端子スイッチング素子に流れる電流を、50ミリアンペアが上限となるよう制御している。次に、再度、第1電極41を接地して、第2電極42に正電圧を印加すると、1.4Vで再び「オン状態」に遷移している(図3に示すA’)。従って、第2回目の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、第1回目の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧と異なる。   When the first electrode 41 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 42, the switch changes from “OFF state” (high resistance state) to “ON state” (low resistance state) at 2.6V. (A shown in FIG. 3). At this time, the current flowing through the two-terminal switching element is limited so that the upper limit is 1 milliampere. Next, when the first electrode 41 is grounded and a negative voltage is applied to the second electrode 42, the current decreases at 0.4 V and transitions to an “off state” (B shown in FIG. 3). At this time, the current flowing through the two-terminal switching element is controlled so that the upper limit is 50 milliamperes. Next, when the first electrode 41 is grounded again and a positive voltage is applied to the second electrode 42, the state transits to the “on state” again at 1.4 V (A ′ shown in FIG. 3). Therefore, the applied voltage that causes the second transition to the “on state” is different from the applied voltage that causes the first transition to the “on state”.

第2回目の「オン状態」への遷移以降、第1電極41を接地して、第2電極42に負電圧、または正電圧を印加することにより、「オン状態」と「オフ状態」との間を交互に遷移させることができる。その切り替えの際、第2回目以降のスイッチング操作では、「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、第2回目の「オン状態」への遷移と同じ印加電圧である。図1に示した本発明の実施形態1にかかる2端子スイッチでは、第1回目の「オン状態」への遷移の過程において、第2電極12からイオン伝導層13へ金属イオンが供給されるとともに、予めイオン伝導層13中に分散されている金属14からも金属イオンの供給がなされるため、「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、図4に示す従来構造の2端子スイッチと比較して、顕著に低い印加電圧となる。予めイオン伝導層13中に分散されている金属14の分散濃度を、十分に高くすると、第1回目の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、従来構造の2端子スイッチにおいて、第2回目以降の「オン状態」への遷移を起す印加電圧(図3に示すA’)と実質的に同じ値とすることができる。   After the second transition to the “on state”, the first electrode 41 is grounded and a negative voltage or a positive voltage is applied to the second electrode 42, so that the “on state” and the “off state” are changed. Transitions can be made alternately. At the time of the switching, in the second and subsequent switching operations, the applied voltage that causes the transition to the “on state” is the same applied voltage as the second transition to the “on state”. In the two-terminal switch according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, metal ions are supplied from the second electrode 12 to the ion conductive layer 13 in the process of the first transition to the “on state”. Since the metal ions are also supplied from the metal 14 dispersed in the ion conductive layer 13 in advance, the applied voltage causing the transition to the “on state” is compared with the two-terminal switch having the conventional structure shown in FIG. Thus, the applied voltage becomes remarkably low. When the dispersion concentration of the metal 14 previously dispersed in the ion conductive layer 13 is sufficiently high, the applied voltage at which the first transition to the “on state” occurs is the second voltage in the conventional two-terminal switch. The applied voltage (A ′ shown in FIG. 3) causing the transition to the “on state” after the first time can be made substantially the same value.

一般に、図4に示す従来構造の2端子スイッチでは、第1回目の「オン状態」への遷移を起す過程では、先ず、第1電極41の表面に、金属の析出が開始し、島状の金属析出物が生成する。この島状の金属析出物の先端部に電界が集中することに伴い、金属イオンの還元による金属析出は、金属析出物の先端部で選択的に進行する。当初は、島状の金属析出物は、複数個生成するが、金属析出物の先端部に金属析出の進行が進むと、先端部の成長が速いものに、電界が一層集中する。その結果、最終的には、一つの金属析出物の先端部が、他を圧倒して、金属析出により伸長する状態となる。この現象のため、第1電極41から第2電極42に達する金属架橋は、原理的には、一つのみが形成される。   In general, in the conventional two-terminal switch shown in FIG. 4, in the first transition to the “on state”, first, metal deposition starts on the surface of the first electrode 41, and the island-like switch Metal precipitates are formed. As the electric field concentrates on the tip of the island-shaped metal deposit, metal deposition due to reduction of the metal ions selectively proceeds at the tip of the metal deposit. Initially, a plurality of island-like metal deposits are generated, but as the metal deposition progresses to the tip of the metal deposit, the electric field is further concentrated on the tip growing faster. As a result, finally, the tip portion of one metal precipitate is overwhelmed with the other and is extended by metal deposition. Due to this phenomenon, in principle, only one metal bridge reaching the second electrode 42 from the first electrode 41 is formed.

その際、酸化物で構成されるイオン伝導層は、微視的には、酸化物粒子が凝集した状態となっており、金属析出物の伸長は、その粒界に沿って進行する。そのため、金属架橋全体は、デンドライト(樹枝状)構造を形成した状態に成長していると推定される。   At this time, the ion conductive layer composed of the oxide is microscopically in a state where the oxide particles are aggregated, and the elongation of the metal precipitate proceeds along the grain boundary. Therefore, it is presumed that the entire metal bridge grows in a state where a dendrite (dendritic) structure is formed.

一方、酸化物粒子が凝集した状態となっているイオン伝導層において、予めイオン伝導層中に分散されている金属は、相当の割合で、やはり、その粒界沿って存在している。本発明では、第1回目の「オン状態」への遷移を起す過程において、金属架橋が形成される際、第2電極表面から供給され、粒界に沿って、第1電極側へと移動する金属イオンに加えて、その粒界沿って存在している予め分散されている金属をも利用することで、デンドライト(樹枝状)構造を示す金属架橋の成長が進行すると推定される。   On the other hand, in the ion conductive layer in which the oxide particles are in an aggregated state, the metal dispersed in the ion conductive layer in advance is also present along the grain boundary in a considerable proportion. In the present invention, when the metal bridge is formed in the first transition to the “on state”, the metal bridge is supplied from the surface of the second electrode and moves toward the first electrode along the grain boundary. In addition to metal ions, it is presumed that the growth of metal bridges showing a dendrite (dendritic) structure proceeds by utilizing a pre-dispersed metal present along the grain boundary.

イオン伝導層中に予め分散される金属の分散濃度が、固溶度限界に達しない範囲では、分散されている金属は、酸化物粒子の粒界沿って、分散した状態で存在している。一方、固溶度限界を超えると、局所的に金属の凝集体が形成され、その過程で、周囲の粒界沿って存在していた金属はこの凝集体の形成に利用される。結果的に、金属の凝集体形成が生じた部位の周囲は、粒界沿って存在している金属の局所的な濃度は低い領域となる。この現象を回避する上では、イオン伝導層中に予め分散される金属の分散濃度が、固溶度限界に達しない範囲に留めることが好ましい。   As long as the dispersion concentration of the metal dispersed in advance in the ion conductive layer does not reach the solid solubility limit, the dispersed metal exists in a dispersed state along the grain boundaries of the oxide particles. On the other hand, when the solubility limit is exceeded, metal aggregates are locally formed, and the metal existing along the surrounding grain boundaries is used for the formation of these aggregates. As a result, the local density | concentration of the metal which exists along the grain boundary becomes a low area | region around the site | part in which the metal aggregate formation occurred. In order to avoid this phenomenon, it is preferable to keep the dispersion concentration of the metal dispersed in advance in the ion conductive layer within a range not reaching the solid solubility limit.

(実施例1)
上記本発明の実施形態1にかかる2端子スイッチの最良の実施形態の一例として、実施例1の2端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図5に沿って、実施例1の2端子スイッチング素子の製造工程について述べる。
Example 1
As an example of the best mode of the two-terminal switch according to the first embodiment of the present invention, the two-terminal switching element of the first embodiment and the manufacturing method thereof will be described. A manufacturing process of the two-terminal switching element of Example 1 will be described with reference to FIG.

[工程1] 低抵抗シリコン基板55の表面に、膜厚300nmのシリコン酸化膜56を形成する。酸化膜上に白金を真空蒸着法もしくはスパッタ法で膜厚100nm成膜し第1電極51とする。   [Step 1] A silicon oxide film 56 having a thickness of 300 nm is formed on the surface of the low resistance silicon substrate 55. A platinum film is formed to a thickness of 100 nm on the oxide film by vacuum deposition or sputtering to form the first electrode 51.

[工程2] イオン伝導層53として、膜厚20nmの酸化タンタルをスパッタ法により堆積する。その際、酸化タンタルの組成は、化学量論的な5酸化2タンタル(Ta25)にできるだけ近くなるようにする。具体的には、酸化タンタルのスパッタを行う際に、供給する酸素量を最適化する。発明者らは、酸素流量0.5sccm、酸素分圧0.5Paの成膜条件で、酸化タンタルを作製し、酸素とタンタルの組成比(O:Ta原子数比)が2.5の酸化タンタル膜を形成している。 [Step 2] As the ion conductive layer 53, tantalum oxide having a thickness of 20 nm is deposited by sputtering. At that time, the composition of tantalum oxide is made as close as possible to the stoichiometric tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ). Specifically, the amount of oxygen to be supplied is optimized when sputtering of tantalum oxide is performed. The inventors made tantalum oxide under the film forming conditions of an oxygen flow rate of 0.5 sccm and an oxygen partial pressure of 0.5 Pa, and the composition ratio of oxygen and tantalum (O: Ta atom number ratio) was 2.5. A film is formed.

[工程3] イオン伝導層53中に、金属架橋の形成に利用される金属である銅を分散させる。イオン伝導層53中へ銅を分散するため、イオン伝導層53上に金属供給層57として銅を真空蒸着法もしくはスパッタ法で100nm堆積成膜する。その後、窒素雰囲気下で加熱することで、イオン伝導層53の酸化タンタル膜中に、その表面から銅を熱拡散させる。加熱温度は、形成された酸化タンタル膜の結晶状態が変化しない600℃以下に選択する。イオン伝導層53中への銅の分散は、酸化タンタル中の銅の固溶度限界である7×1020原子/cm3まで行なうことが望ましい。発明者らは、300℃で20分程度加熱することで、20nmの酸化タンタル膜中に分散されている銅の濃度が、酸化タンタル中における銅の固溶度限界に達した状態としている。前記の熱拡散法を適用して、イオン伝導層53内に金属を分散した後、金属供給層57をエッチング技術で除去する。 [Step 3] In the ion conductive layer 53, copper which is a metal used for forming a metal bridge is dispersed. In order to disperse copper into the ion conductive layer 53, a 100 nm thick copper is deposited on the ion conductive layer 53 as a metal supply layer 57 by vacuum deposition or sputtering. Thereafter, copper is thermally diffused from the surface of the tantalum oxide film of the ion conductive layer 53 by heating in a nitrogen atmosphere. The heating temperature is selected to be 600 ° C. or lower at which the crystal state of the formed tantalum oxide film does not change. It is desirable to disperse copper in the ion conductive layer 53 up to 7 × 10 20 atoms / cm 3 which is the limit of solid solubility of copper in tantalum oxide. The inventors set the concentration of copper dispersed in the 20 nm tantalum oxide film to reach the solid solubility limit of copper in tantalum oxide by heating at 300 ° C. for about 20 minutes. After the metal is dispersed in the ion conductive layer 53 by applying the thermal diffusion method, the metal supply layer 57 is removed by an etching technique.

[工程4] 絶縁層54を酸化シリコンで形成する。イオン伝導層53上にスパッタ法もしくはCVD法で酸化シリコンを膜厚100nm形成する。その上にレジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターニングを行う。パターニング後、酸化シリコンをエッチングし、絶縁層54とする。   [Step 4] The insulating layer 54 is formed of silicon oxide. A silicon oxide film having a thickness of 100 nm is formed on the ion conductive layer 53 by sputtering or CVD. A resist is spin-coated thereon, and the resist is patterned by a lithography technique. After the patterning, the silicon oxide is etched to form the insulating layer 54.

[工程5] パターニングされた絶縁層54上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚100nmの銅を堆積させる。その上にレジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターンニングを行う。パターニング後、銅をエッチングして、第2電極52とする。   [Step 5] Copper having a film thickness of 100 nm is deposited on the patterned insulating layer 54 by vacuum vapor deposition or sputtering. A resist is spin-coated thereon, and the resist is patterned by a lithography technique. After the patterning, copper is etched to form the second electrode 52.

熱拡散法を適用すると、金属供給層57により被覆されているイオン伝導層53部分には、均一に金属の拡散が引き起こされる。結果的に、作製される実施例1の2端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、第2電極52とイオン伝導層53とが接する領域のみでなく、その周囲のイオン伝導層53中にも、分散された銅が存在する状態となっている。また、分散された銅のイオン伝導層53の膜厚方向の濃度分布は、熱拡散による濃度分布を示す。すなわち、イオン伝導層53の表面側、第2電極52とイオン伝導層53との接触がなされる界面における、銅の分散濃度が最も高く、膜厚方向で緩やかに濃度が低下する濃度分布が形成されている。   When the thermal diffusion method is applied, the metal is uniformly diffused in the ion conductive layer 53 covered with the metal supply layer 57. As a result, in the produced two-terminal switching element of Example 1, the distribution of the dispersed copper in the in-plane direction is not limited to the region where the second electrode 52 and the ion conductive layer 53 are in contact with each other but the surrounding ions. In the conductive layer 53, dispersed copper is present. Further, the concentration distribution in the film thickness direction of the dispersed ion conduction layer 53 of copper indicates a concentration distribution by thermal diffusion. That is, a concentration distribution is formed in which the dispersion concentration of copper is highest and the concentration gradually decreases in the film thickness direction at the surface side of the ion conductive layer 53 and at the interface where the second electrode 52 and the ion conductive layer 53 are in contact with each other. Has been.

実施例1の2端子スイッチにおいては、第1回目の「オン状態」への遷移は、第1電極51を接地して、第2電極52に正電圧を印加する際、印加電圧が1.0V〜1.5Vの範囲で起こる。第2回目の「オン状態」への遷移は、第1電極51を接地して、第2電極52に正電圧を印加する際、印加電圧が1.0V〜1.5Vの範囲で起こる。また、第2回目以降の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、1.0V〜1.5Vの範囲となる。   In the two-terminal switch of Example 1, the first transition to the “on state” is that when the first electrode 51 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 52, the applied voltage is 1.0 V. Occurs in the range of ~ 1.5V. The second transition to the “on state” occurs when the first electrode 51 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 52, and the applied voltage is in the range of 1.0V to 1.5V. The applied voltage at which the transition to the “on state” after the second time occurs is in the range of 1.0 V to 1.5 V.

(実施例2)
上記本発明の実施形態1にかかる2端子スイッチの最良の実施形態の別の一例として、実施例2の2端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図5に沿って、実施例2の2端子スイッチング素子の製造工程について述べる。
(Example 2)
As another example of the best embodiment of the two-terminal switch according to Embodiment 1 of the present invention, a two-terminal switching element of Example 2 and a manufacturing method thereof will be described. A manufacturing process of the two-terminal switching element according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

この実施例2の2端子スイッチング素子では、イオン伝導層53中に、金属架橋の形成に利用される金属である銅を分散させる工程3では、光拡散法を適用している。それ以外の工程は、実施例1で示した製造工程と、同じ工程としている。この光拡散法を適用する工程3について、詳しく説明する。   In the two-terminal switching element of the second embodiment, the light diffusion method is applied in step 3 in which copper, which is a metal used for forming a metal bridge, is dispersed in the ion conductive layer 53. The other steps are the same as the manufacturing steps shown in the first embodiment. Step 3 of applying this light diffusion method will be described in detail.

[工程3] イオン伝導層53中へ銅を分散するため、イオン伝導層53上に金属供給層57として銅を真空蒸着法もしくはスパッタ法で100nm堆積成膜する。その後、酸化タンタルの光学ギャップよりも大きなエネルギーを有する光(例えば、500ナノメートル未満の波長)を照射する。この光拡散法を適用した、イオン伝導層53中への銅の分散は、酸化タンタル中の銅の固溶度限界である7×1020原子/cm3まで行なうことが望ましい。例えば、波長λ=436nmの光を利用する際、照射される光強度は、6.3MW/cm2に選択し、照射時間は、10分間に選択する。前記の光拡散法を適用して、イオン伝導層53内に金属を分散した後、金属供給層57をエッチング技術で除去する。 [Step 3] In order to disperse copper into the ion conductive layer 53, copper is deposited as a metal supply layer 57 on the ion conductive layer 53 by vacuum deposition or sputtering to a thickness of 100 nm. Thereafter, light having an energy larger than the optical gap of tantalum oxide (for example, a wavelength of less than 500 nanometers) is irradiated. It is desirable to disperse copper in the ion conductive layer 53 to which this light diffusion method is applied up to 7 × 10 20 atoms / cm 3, which is the solid solubility limit of copper in tantalum oxide. For example, when using light having a wavelength λ = 436 nm, the light intensity to be irradiated is selected to be 6.3 MW / cm 2 , and the irradiation time is selected to be 10 minutes. After the metal is dispersed in the ion conductive layer 53 by applying the light diffusion method, the metal supply layer 57 is removed by an etching technique.

なお、上記の酸化タンタル膜への光照射時、低抵抗シリコン基板55は、室温(25℃)に温度調整を行っている。また、光照射自体は、酸化タンタル膜の表面に形成されている金属供給層57側から実施される。その結果、光照射された部位の局所的な温度は上昇している。しかし、上述のように、低抵抗シリコン基板55の温度を調節することで、この局所的な温度上昇は、形成された酸化タンタル膜の結晶状態が変化しない600℃以下、特には、300℃以下に抑えられている。   Note that the temperature of the low-resistance silicon substrate 55 is adjusted to room temperature (25 ° C.) when the tantalum oxide film is irradiated with light. The light irradiation itself is performed from the side of the metal supply layer 57 formed on the surface of the tantalum oxide film. As a result, the local temperature of the site irradiated with light has increased. However, as described above, by adjusting the temperature of the low resistance silicon substrate 55, this local temperature rise is 600 ° C. or less, particularly 300 ° C. or less, in which the crystal state of the formed tantalum oxide film does not change. Is suppressed.

この光拡散法を適用すると、金属供給層57により被覆されているイオン伝導層53中、光照射が施される領域のみに、選択的な金属の拡散が引き起こされる。結果的に、作製される実施例2の2端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、光照射が施される領域では均一な分布であるが、その周囲は、銅の分散濃度が急速に低下する状態となる。従って、第2電極52とイオン伝導層53とが接する領域と、前記光照射が施される領域とを一致させると、分散された銅の面内方向の分布は、第2電極52とイオン伝導層53とが接する領域に選択的に均一な銅の分散がなされており、その周囲は、銅の分散濃度が急速に低下する形状となる。また、光照射が施される領域内では、分散された銅のイオン伝導層53の膜厚方向の濃度分布は、光拡散による濃度分布を示す。すなわち、イオン伝導層53の表面側、第2電極52とイオン伝導層53との接触がなされる界面における、銅の分散濃度が最も高く、膜厚方向で緩やかに濃度が低下する濃度分布が形成されている。   When this light diffusion method is applied, selective diffusion of metal is caused only in a region to which light irradiation is applied in the ion conductive layer 53 covered with the metal supply layer 57. As a result, in the two-terminal switching element of Example 2 to be manufactured, the distribution in the in-plane direction of the dispersed copper is a uniform distribution in the region where the light irradiation is performed, but the surrounding area is made of copper. The dispersion concentration rapidly decreases. Therefore, when the region where the second electrode 52 and the ion conductive layer 53 are in contact with the region where the light irradiation is performed, the distribution of the dispersed copper in the in-plane direction is the same as the second electrode 52 and the ion conductive layer. The area where the layer 53 is in contact is selectively and uniformly dispersed with copper, and the periphery thereof has a shape in which the copper dispersion concentration rapidly decreases. Further, in the region where the light irradiation is performed, the concentration distribution in the film thickness direction of the dispersed ion conduction layer 53 of copper shows a concentration distribution by light diffusion. That is, a concentration distribution is formed in which the dispersion concentration of copper is highest and the concentration gradually decreases in the film thickness direction at the surface side of the ion conductive layer 53 and at the interface where the second electrode 52 and the ion conductive layer 53 are in contact with each other. Has been.

実施例2の2端子スイッチにおいては、第1回目の「オン状態」への遷移は、第1電極51を接地して、第2電極52に正電圧を印加する際、印加電圧が1.0V〜1.5Vの範囲で起こる。第2回目の「オン状態」への遷移は、第1電極51を接地して、第2電極52に正電圧を印加する際、印加電圧が1.0V〜1.5Vの範囲で起こる。また、第2回目以降の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、1.0V〜1.5Vの範囲となる。   In the two-terminal switch of Example 2, the first transition to the “ON state” is that when the first electrode 51 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 52, the applied voltage is 1.0 V. Occurs in the range of ~ 1.5V. The second transition to the “on state” occurs when the first electrode 51 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 52, and the applied voltage is in the range of 1.0V to 1.5V. The applied voltage at which the transition to the “on state” after the second time occurs is in the range of 1.0 V to 1.5 V.

(実施例3)
上記本発明の実施形態1にかかる2端子スイッチの最良の実施形態の別の一例として、実施例3の2端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図5に沿って、実施例3の2端子スイッチング素子の製造工程について述べる。
(Example 3)
As another example of the best embodiment of the two-terminal switch according to Embodiment 1 of the present invention, a two-terminal switching element of Example 3 and a manufacturing method thereof will be described. A manufacturing process of the two-terminal switching element of Example 3 will be described with reference to FIG.

この実施例3の2端子スイッチング素子では、イオン伝導層53中に、金属架橋の形成に利用される金属である銅を分散させる工程3では、イオン注入法を適用している。それ以外の工程は、実施例1で示した製造工程と、同じ工程としている。このイオン注入法を適用する工程3について、詳しく説明する。   In the two-terminal switching element of the third embodiment, an ion implantation method is applied in step 3 in which copper, which is a metal used for forming a metal bridge, is dispersed in the ion conductive layer 53. The other steps are the same as the manufacturing steps shown in the first embodiment. Step 3 to which this ion implantation method is applied will be described in detail.

[工程3] イオン伝導層53中へ銅を分散するため、イオン伝導層53に銅イオンをイオン注入する。イオン注入は、10KeV程度のエネルギーで行う。このイオン注入法を適用した、イオン伝導層53中への銅の分散は、酸化タンタル中の銅の固溶度限界である7×1020原子/cm3まで行なうことが望ましい。例えば、注入される銅イオンの加速エネルギーを10keVに選択し、注入角度を7°、注入量を2×1013原子/cm2に設定する。 [Step 3] In order to disperse copper into the ion conductive layer 53, copper ions are ion-implanted into the ion conductive layer 53. Ion implantation is performed with an energy of about 10 KeV. The dispersion of copper into the ion conductive layer 53 to which this ion implantation method is applied is desirably performed up to 7 × 10 20 atoms / cm 3, which is the solid solubility limit of copper in tantalum oxide. For example, the acceleration energy of the implanted copper ions is selected to be 10 keV, the implantation angle is set to 7 °, and the implantation amount is set to 2 × 10 13 atoms / cm 2 .

このイオン注入法を適用すると、イオン伝導層53中、イオン注入が施される領域のみに、選択的な金属の分散がなされる。結果的に、作製される実施例3の2端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、イオン注入が施される領域では均一な分布であるが、その周囲は、銅の分散濃度が急速に低下する状態となる。従って、第2電極52とイオン伝導層53とが接する領域と、前記イオン注入が施される領域とを一致させると、分散された銅の面内方向の分布は、第2電極52とイオン伝導層53とが接する領域に選択的に均一な銅の分散がなされており、その周囲は、銅の分散濃度が急速に低下する形状となる。また、イオン注入が施される領域内では、分散された銅のイオン伝導層53の膜厚方向の濃度分布は、イオンの加速エネルギーに依存する濃度ピークを示す分布となる。すなわち、イオンの加速エネルギーに依存する濃度ピークは、イオン伝導層53内に存在し、イオン伝導層53の表面側、第2電極52とイオン伝導層53との接触がなされる界面における、銅の分散濃度は、前記ピーク濃度よりも低くなっている。なお、前記の濃度ピークを超えると、膜厚の増加とともに急速に濃度が低下する濃度分布が形成されている。   When this ion implantation method is applied, selective metal dispersion is performed only in a region where ion implantation is performed in the ion conductive layer 53. As a result, in the manufactured two-terminal switching element of Example 3, the distribution in the in-plane direction of the dispersed copper is a uniform distribution in the region where the ion implantation is performed, but the periphery thereof is made of copper. The dispersion concentration rapidly decreases. Therefore, when the region where the second electrode 52 and the ion conductive layer 53 are in contact with the region where the ion implantation is performed, the distribution of the dispersed copper in the in-plane direction is the same as the second electrode 52 and the ion conductive layer. The area where the layer 53 is in contact is selectively and uniformly dispersed with copper, and the periphery thereof has a shape in which the copper dispersion concentration rapidly decreases. Further, in the region where the ion implantation is performed, the concentration distribution of the dispersed copper ion conduction layer 53 in the film thickness direction is a distribution showing a concentration peak depending on the acceleration energy of ions. That is, a concentration peak depending on the acceleration energy of ions exists in the ion conductive layer 53, and the copper side of the surface of the ion conductive layer 53, the interface where the second electrode 52 and the ion conductive layer 53 are in contact with each other The dispersion concentration is lower than the peak concentration. When the concentration peak is exceeded, a concentration distribution is formed in which the concentration decreases rapidly as the film thickness increases.

実施例3の2端子スイッチにおいては、第1回目の「オン状態」への遷移は、第1電極51を接地して、第2電極52に正電圧を印加する際、印加電圧が1.0V〜1.5Vの範囲で起こる。第2回目の「オン状態」への遷移は、第1電極51を接地して、第2電極52に正電圧を印加する際、印加電圧が1.0V〜1.5Vの範囲で起こる。また、第2回目以降の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、1.0V〜1.5Vの範囲となる。   In the two-terminal switch of Example 3, the first transition to the “on state” is that when the first electrode 51 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 52, the applied voltage is 1.0 V. Occurs in the range of ~ 1.5V. The second transition to the “on state” occurs when the first electrode 51 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 52, and the applied voltage is in the range of 1.0V to 1.5V. The applied voltage at which the transition to the “on state” after the second time occurs is in the range of 1.0 V to 1.5 V.

(実施例4)
上記本発明の実施形態1にかかる2端子スイッチの最良の実施形態の一例として、実施例4の2端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図6に沿って、実施例4の2端子スイッチング素子の製造工程について述べる。この実施例4では、2端子スイッチング素子は、半導体集積回路中において、二つの配線間に設けるスイッチング素子として組み込んだ形態とされている。特には、半導体集積回路の構成に利用される多層配線層構造中に、2端子スイッチング素子が形成されている。
Example 4
As an example of the best mode of the two-terminal switch according to the first embodiment of the present invention, a two-terminal switching element of Example 4 and a manufacturing method thereof will be described. The manufacturing process of the two-terminal switching element of Example 4 will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, the two-terminal switching element is configured as a switching element provided between two wirings in a semiconductor integrated circuit. In particular, a two-terminal switching element is formed in a multilayer wiring layer structure used for the configuration of a semiconductor integrated circuit.

[工程1] 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等を含む基板61を用意する。その後、第1保護絶縁膜62、第1層間絶縁膜63、第1ストップ絶縁膜64を形成する。   [Step 1] A substrate 61 including a semiconductor element or the like formed using a conventional technique on a silicon substrate is prepared. Thereafter, a first protective insulating film 62, a first interlayer insulating film 63, and a first stop insulating film 64 are formed.

[工程2] 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、配線となる開口部を形成する。形成した開口部に第1バリアメタル65、および銅の一部となる銅シード層のスパッタを行う。銅シード層の厚みは20から100nm程度でよい。以上の、スパッタ堆積膜上に銅のメッキを行う。メッキされる銅の厚みは300から800nm程度でよい。第1層間絶縁膜63、ストップ絶縁膜64の開口部外の不要な第1バリアメタル65および銅は、ケミカル・メカニカル・ポリッシング(CMP、化学・機械的研磨)などの手法により削り取られる。その結果、第1バリアメタル65および銅が、第1保護絶縁膜62および第1層間絶縁膜63、第1ストップ絶縁膜64に埋め込まれた第1配線層66が完成する。   [Step 2] An opening to be a wiring is formed by using a photolithography technique and an etching technique. Sputtering of the first barrier metal 65 and a copper seed layer that becomes a part of copper is performed on the formed opening. The thickness of the copper seed layer may be about 20 to 100 nm. Copper plating is performed on the sputter deposited film as described above. The thickness of the copper to be plated may be about 300 to 800 nm. The unnecessary first barrier metal 65 and copper outside the opening of the first interlayer insulating film 63 and the stop insulating film 64 are scraped off by a technique such as chemical mechanical polishing (CMP, chemical / mechanical polishing). As a result, the first wiring layer 66 in which the first barrier metal 65 and copper are embedded in the first protective insulating film 62, the first interlayer insulating film 63, and the first stop insulating film 64 is completed.

[工程3] 第1配線層66、第1バリアメタル65、第1ストップ絶縁膜64の上部に、タンタル50nm、酸化タンタル20nm、銅50nmをスパッタし、一般的なリソグラフィ技術により、それぞれ第1電極65、イオン伝導層66、金属供給層67に加工する。その後、窒素雰囲気下、300℃で20分加熱し、イオン伝導層66を被覆している金属供給層67からイオン伝導層66中に銅を熱拡散させる。加熱後、金属供給層67をエッチング技術で除去する。その結果、イオン伝導層66中には、前記熱拡散処理によって、銅が分散された状態となっている。   [Step 3] Tantalum 50 nm, tantalum oxide 20 nm, and copper 50 nm are sputtered on the first wiring layer 66, the first barrier metal 65, and the first stop insulating film 64, and the first electrodes are respectively formed by a general lithography technique. 65, the ion conductive layer 66, and the metal supply layer 67 are processed. Thereafter, heating is performed at 300 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere, and copper is thermally diffused from the metal supply layer 67 covering the ion conductive layer 66 into the ion conductive layer 66. After the heating, the metal supply layer 67 is removed by an etching technique. As a result, copper is dispersed in the ion conductive layer 66 by the thermal diffusion treatment.

[工程4] 銅の分散がなされているイオン伝導層66上に、再度、銅を50nmスパッタし、リソグラフィ技術で加工することで、第2電極68を形成する。第2電極68および第1ストップ膜64上に、第2保護絶縁膜69、第2層間絶縁膜70、第3保護絶縁膜71、第3層間絶縁膜72、第2ストップ絶縁膜を形成する。   [Step 4] On the ion conductive layer 66 in which the copper is dispersed, copper is again sputtered by 50 nm and processed by a lithography technique to form the second electrode 68. A second protective insulating film 69, a second interlayer insulating film 70, a third protective insulating film 71, a third interlayer insulating film 72, and a second stop insulating film are formed on the second electrode 68 and the first stop film 64.

[工程5] 第3保護絶縁膜71、第3層間絶縁膜72、第2ストップ絶縁膜73から構成される絶縁層に、2端子スイッチング素子の第二電極69と、第2配線層との連結を図る配線ビアの形成に利用する開口部を形成する。開口部(接続孔74)の形成は一般的なリソグラフィにより行えばよい。例えば、第2ストップ絶縁膜上にフォトレジストを形成し、光学露光によりパターニングを行う。そのレジストパターンを介してエッチングを行うことにより、開口部が形成できる。例えば、90nm世代のリソグラフィ技術では、開口部の直径は80から200nm程度である。   [Step 5] Connection of the second electrode 69 of the two-terminal switching element and the second wiring layer to the insulating layer composed of the third protective insulating film 71, the third interlayer insulating film 72, and the second stop insulating film 73 An opening is formed that is used to form a wiring via. The opening (connection hole 74) may be formed by general lithography. For example, a photoresist is formed on the second stop insulating film and patterned by optical exposure. An opening can be formed by etching through the resist pattern. For example, in the 90 nm generation lithography technology, the diameter of the opening is about 80 to 200 nm.

[工程6] 第3保護絶縁膜71および第3層間絶縁膜72および第2ストップ絶縁膜73から構成される絶縁層に、2端子スイッチング素子のビア配線および第2配線層の作製に用いる配線溝75が形成される。配線溝75の形成は、上記接続孔74の形成と同様な技術で行う。配線溝75の形成時に、工程5で形成した接続孔74(開口部)は、第2層間絶縁膜70および第2保護絶縁膜69から構成される絶縁層に転写され、配線ビアとなる。   [Step 6] In the insulating layer formed of the third protective insulating film 71, the third interlayer insulating film 72, and the second stop insulating film 73, a wiring groove used for manufacturing the via wiring and the second wiring layer of the two-terminal switching element 75 is formed. The formation of the wiring groove 75 is performed by the same technique as the formation of the connection hole 74. When the wiring trench 75 is formed, the connection hole 74 (opening) formed in step 5 is transferred to the insulating layer composed of the second interlayer insulating film 70 and the second protective insulating film 69, and becomes a wiring via.

[工程7] 第2バリアメタル76、および銅の一部となる銅シード層のスパッタを行う。銅シード層の厚みは20から100nm程度でよい。次に、スパッタ堆積膜上に銅のメッキを行う。メッキされる銅の厚みは300から800nm程度でよい。接続溝74(配線ビア)および配線溝75以外の、第2ストップ絶縁膜73上の不要な第2バリアメタル76および銅は、ケミカル・メカニカル・ポリッシング(CMP、化学・機械的研磨)などの手法により削り取る。2端子スイッチング素子およびスイッチング素子に接続される配線以外の第2配線層77を形成し、さらに、第2配線層上に上層配線78を形成する。   [Step 7] Sputtering of the second barrier metal 76 and the copper seed layer that becomes a part of copper is performed. The thickness of the copper seed layer may be about 20 to 100 nm. Next, copper plating is performed on the sputter deposited film. The thickness of the copper to be plated may be about 300 to 800 nm. The unnecessary second barrier metal 76 and copper other than the connection groove 74 (wiring via) and the wiring groove 75 on the second stop insulating film 73 are formed by a method such as chemical mechanical polishing (CMP, chemical / mechanical polishing). Scrape off. A second wiring layer 77 other than the two-terminal switching element and the wiring connected to the switching element is formed, and an upper layer wiring 78 is formed on the second wiring layer.

なお、第1保護絶縁膜62、第2保護絶縁膜69、ならびに第3保護絶縁膜71には、例えば、シリコンナイトライド(SiN)もしくはその中に任意の量の炭素を混ぜ込んだ材料(SiNC)など、銅の酸化膜中への拡散を抑制する材料を用いることが好ましい。   The first protective insulating film 62, the second protective insulating film 69, and the third protective insulating film 71 are made of, for example, silicon nitride (SiN) or a material in which an arbitrary amount of carbon is mixed (SiNC). It is preferable to use a material that suppresses the diffusion of copper into the oxide film.

一方、第1層間絶縁膜63、第2層間絶縁膜70、ならびに第3層間絶縁膜72には、シリコンと酸素の化合物であって、任意の量の水素、フッ素、炭素を添加した低誘電率絶縁膜が好ましい。絶縁膜の内部に空孔を含むような膜では、さらに誘電率を下げることが可能であること知られている。この層間絶縁膜中に形成しておく「空孔」の大きさは、2ナノメートル以下であることが好ましい。   On the other hand, each of the first interlayer insulating film 63, the second interlayer insulating film 70, and the third interlayer insulating film 72 is a compound of silicon and oxygen, and has a low dielectric constant added with any amount of hydrogen, fluorine, and carbon. An insulating film is preferred. It is known that a dielectric constant can be further reduced in a film including a void in an insulating film. The size of “holes” formed in the interlayer insulating film is preferably 2 nanometers or less.

第1ストップ絶縁膜64と第2ストップ絶縁膜73はシリコン酸化膜でよく、50から200ナノメートル程度の厚みでよい。それぞれの絶縁膜は、従来技術であるスパッタ法、またはCVD法で形成することができる。第1バリアメタル65および第2バリアメタル76は、例えば、タンタルナイドライド(TaN)およびタンタル(Ta)の積層構造でよく、開けられた開口部の底面および側壁を覆うように形成される。第1バリアメタル65は、第1配線の銅が第1層間絶縁膜63中へ拡散するのを防ぐ役割を果たしている。第2バリアメタル76は、第2配線の銅が第2層間絶縁膜70中ならびに第3層間絶縁膜72中へ拡散するのを防ぐ役割を果たしている。タンタルナイトライド(TaN)およびタンタルの膜厚は5から30nm程度の厚みでよい。   The first stop insulating film 64 and the second stop insulating film 73 may be silicon oxide films, and may have a thickness of about 50 to 200 nanometers. Each insulating film can be formed by a conventional sputtering method or a CVD method. The first barrier metal 65 and the second barrier metal 76 may be, for example, a laminated structure of tantalum nitride (TaN) and tantalum (Ta), and are formed so as to cover the bottom surface and the side wall of the opened opening. The first barrier metal 65 serves to prevent copper in the first wiring from diffusing into the first interlayer insulating film 63. The second barrier metal 76 serves to prevent the copper of the second wiring from diffusing into the second interlayer insulating film 70 and the third interlayer insulating film 72. The film thickness of tantalum nitride (TaN) and tantalum may be about 5 to 30 nm.

実施例4の2端子スイッチング素子では、熱拡散法を適用しているため、金属供給層67により被覆されているイオン伝導層66部分には、均一に金属の拡散が引き起こされる。結果的に、作製される実施例4の2端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、第2電極68とイオン伝導層53とが接する領域全体で、イオン伝導層53中に分散された銅が均一に存在する状態となっている。また、分散された銅のイオン伝導層66の膜厚方向の濃度分布は、熱拡散による濃度分布を示す。すなわち、イオン伝導層66の表面側、第2電極68とイオン伝導層66との接触がなされる界面における、銅の分散濃度が最も高く、膜厚方向で緩やかに濃度が低下する濃度分布が形成されている。   In the two-terminal switching element of the fourth embodiment, since the thermal diffusion method is applied, metal diffusion is uniformly caused in the ion conductive layer 66 portion covered with the metal supply layer 67. As a result, in the two-terminal switching device of Example 4 to be manufactured, the distribution in the in-plane direction of the dispersed copper is in the ion conductive layer 53 in the entire region where the second electrode 68 and the ion conductive layer 53 are in contact. The copper dispersed in is uniformly present. In addition, the concentration distribution in the film thickness direction of the dispersed ion conduction layer 66 of copper indicates a concentration distribution by thermal diffusion. That is, a concentration distribution in which the copper dispersion concentration is the highest and the concentration gradually decreases in the film thickness direction at the surface side of the ion conductive layer 66 and the interface where the second electrode 68 and the ion conductive layer 66 are in contact is formed. Has been.

実施例4の2端子スイッチにおいては、第1回目の「オン状態」への遷移は、第1電極65を接地して、第2電極68に正電圧を印加する際、印加電圧が1.0V〜1.5Vの範囲で起こる。第2回目の「オン状態」への遷移は、第1電極65を接地して、第2電極68に正電圧を印加する際、印加電圧が1.0V〜1.5Vの範囲で起こる。また、第2回目以降の「オン状態」への遷移が生じる印加電圧は、1.0V〜1.5Vの範囲となる。   In the two-terminal switch of Example 4, the first transition to the “on state” is that when the first electrode 65 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 68, the applied voltage is 1.0 V. Occurs in the range of ~ 1.5V. The second transition to the “on state” occurs when the first electrode 65 is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode 68, and the applied voltage is in the range of 1.0V to 1.5V. The applied voltage at which the transition to the “on state” after the second time occurs is in the range of 1.0 V to 1.5 V.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2にかかる3端子スイッチの構成について説明する。図7は、本発明の実施の形態2にかかる3端子スイッチの構成の一例を模式的に示す断面図である。
(Embodiment 2)
The configuration of the three-terminal switch according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the three-terminal switch according to the second embodiment of the present invention.

図7に示す3端子スイッチは、第2電極82と、第2電極82と金属85の分散したイオン伝導層84を介して設けられた第1電極81および第3電極83とを有する構成である。第1電極81および第2電極82は、金属イオンを供給しない金属で形成され、第3電極83は、金属イオンを供給する金属で形成されている。金属85は、第3電極83の形成に利用されている、金属イオンを供給する金属材料と同じ金属であることが望ましい。また、イオン伝導層84は金属イオンが伝導するための媒体となる。   The three-terminal switch shown in FIG. 7 includes a second electrode 82 and a first electrode 81 and a third electrode 83 provided via an ion conductive layer 84 in which the second electrode 82 and the metal 85 are dispersed. . The first electrode 81 and the second electrode 82 are formed of a metal that does not supply metal ions, and the third electrode 83 is formed of a metal that supplies metal ions. The metal 85 is desirably the same metal as the metal material used for forming the third electrode 83 and supplying metal ions. The ion conductive layer 84 serves as a medium for conducting metal ions.

イオン伝導層84内への金属85の分散は、熱拡散、光拡散、イオン注入法によって行う。イオン伝導層84中における、金属85の分散濃度は、できるだけ高い濃度である状態が好ましい。イオン伝導層84を構成する材料中における該金属の固溶度限界を超えると、固溶度限界を超えた量は、イオン伝導層84中において、相互に凝集して、金属塊を形成する。その点を考慮すると、イオン伝導層84中における、金属85の分散濃度は、固溶度限界を超えない範囲において、できるだけ高い濃度である状態が好ましい。   The metal 85 is dispersed in the ion conductive layer 84 by thermal diffusion, light diffusion, or ion implantation. It is preferable that the dispersion concentration of the metal 85 in the ion conductive layer 84 is as high as possible. When the solid solubility limit of the metal in the material constituting the ion conductive layer 84 is exceeded, the amount exceeding the solid solubility limit aggregates with each other in the ion conductive layer 84 to form a metal lump. Considering this point, it is preferable that the dispersion concentration of the metal 85 in the ion conductive layer 84 is as high as possible within a range not exceeding the solid solubility limit.

一方、イオン伝導層84内への金属85の分散により、「オフ状態」における、イオン伝導層84を経由する、第1電極81と第2電極82との間のリーク電流が、必要以上に増加してしまう場合もある。従って、リーク電流の増加というデメリットと、本発明の効果(メリット)との間で調整を図り、イオン伝導層84中における、金属65の分散濃度を選択する必要である。   On the other hand, due to the dispersion of the metal 85 in the ion conductive layer 84, the leakage current between the first electrode 81 and the second electrode 82 via the ion conductive layer 84 in the “off state” increases more than necessary. There is also a case where it ends up. Therefore, it is necessary to adjust the demerit of an increase in leakage current and the effect (merit) of the present invention, and to select the dispersion concentration of the metal 65 in the ion conductive layer 84.

本発明の実施の形態2にかかる3端子スイッチの駆動方法を、図8に従って説明する。   A driving method of the three-terminal switch according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図8に示す、実施形態2にかかる3端子スイッチは、第3電極93は、イオン伝導層94中に分散されている金属95と同じ金属材料で構成されている。   In the three-terminal switch according to the second embodiment shown in FIG. 8, the third electrode 93 is made of the same metal material as the metal 95 dispersed in the ion conductive layer 94.

第1電極91と第2電極92を接地して、第3電極93に正電圧を印加すると、第3電極93の金属が金属イオン96になってイオン伝導層94中に溶解する。また、それに付随して、イオン伝導層94中に分散されている金属95の少なくとも一部も、金属イオン96となる。そして、イオン伝導層95中の金属イオン96が、第1電極91の表面、ならびに第2電極91の表面から供給される電子によって、金属へと還元され、析出する。この析出した金属によって、第1電極91の表面、ならびに第2電極91の表面から金属架橋97がそれぞれ形成される。析出する金属によって形成される金属架橋97によって、第1電極91と第2電極92とが接続される。金属架橋97を介する導通経路によって、第1電極91と第2電極92が電気的に接続することで、この3端子スイッチが「オン状態」になる。   When the first electrode 91 and the second electrode 92 are grounded and a positive voltage is applied to the third electrode 93, the metal of the third electrode 93 becomes metal ions 96 and dissolves in the ion conductive layer 94. Along with this, at least a part of the metal 95 dispersed in the ion conductive layer 94 also becomes the metal ions 96. Then, the metal ions 96 in the ion conductive layer 95 are reduced to metal and deposited by electrons supplied from the surface of the first electrode 91 and the surface of the second electrode 91. By the deposited metal, metal bridges 97 are formed from the surface of the first electrode 91 and the surface of the second electrode 91, respectively. The first electrode 91 and the second electrode 92 are connected by the metal bridge 97 formed by the deposited metal. The first electrode 91 and the second electrode 92 are electrically connected by the conduction path via the metal bridge 97, so that the three-terminal switch is turned on.

一方、「オン状態」へと遷移した3端子スイッチに対して、第1電極91と第2電極92を接地して、第3電極93に負電圧を印加すると、金属架橋97を構成している金属がイオン伝導層94中に金属イオン96となって溶解する。この溶解が進行すると、第1電極91と第2電極92とを接続していた金属架橋97の一部が切れる。その際、金属架橋97を構成している金属が溶解することによって、イオン伝導層94中に含まれる金属イオン96の濃度は局所的に、過渡的な上昇を示す。その後、余剰な金属イオン96は、金属へと還元され、イオン伝導層94内に分散した金属95として、あるいは、第3電極93の表面に金属として析出することによって、回収される。この過程を経ることにより、第1電極91と第2電極92との電気的接続が切れ、この3端子スイッチが「オフ状態」になる。   On the other hand, when the first electrode 91 and the second electrode 92 are grounded and a negative voltage is applied to the third electrode 93 with respect to the three-terminal switch that has transitioned to the “on state”, a metal bridge 97 is formed. The metal dissolves in the ion conductive layer 94 as metal ions 96. As this dissolution proceeds, a part of the metal bridge 97 that connected the first electrode 91 and the second electrode 92 is cut. At this time, the concentration of the metal ions 96 contained in the ion conductive layer 94 locally shows a transient increase due to dissolution of the metal constituting the metal bridge 97. Thereafter, surplus metal ions 96 are reduced to a metal and recovered by being deposited as a metal 95 dispersed in the ion conductive layer 94 or as a metal deposited on the surface of the third electrode 93. Through this process, the first electrode 91 and the second electrode 92 are disconnected from each other, and the three-terminal switch is turned off.

上記「オフ状態」への遷移後、再び、「オフ状態」から「オン状態」へと遷移させる「切り替え」を行うには、再び、第1電極91と第2電極92を接地して、第3電極93に正電圧を印加すればよい。   After the transition to the “off state”, in order to perform “switching” for transition from the “off state” to the “on state” again, the first electrode 91 and the second electrode 92 are grounded again, A positive voltage may be applied to the three electrodes 93.

なお、「オフ状態」から「オン状態」へと遷移は、第3電極93の電位が第1電極91および第2電極92よりも高い電位になるように、第3電極93と、第1電極91および第2電極92との間に電圧を印加することで起こる。従って、第3電極93を接地し、第1電極91および第2電極92に負電圧を印加して、3端子スイッチを「オン状態」に遷移してもよい。また、「オン状態」から「オフ状態」へと遷移は、第3電極93の電位が第1電極91および第2電極92よりも低い電位になるように、第3電極93と、第1電極91および第2電極92との間に電圧を印加することで起こる。従って、第3電極93を接地し、第1電極91および第2電極92に正電圧を印加して、3端子スイッチを「オン状態」に遷移してもよい。   The transition from the “off state” to the “on state” causes the third electrode 93 and the first electrode so that the potential of the third electrode 93 is higher than that of the first electrode 91 and the second electrode 92. This is caused by applying a voltage between 91 and the second electrode 92. Therefore, the third electrode 93 may be grounded, a negative voltage may be applied to the first electrode 91 and the second electrode 92, and the three-terminal switch may transition to the “on state”. Further, the transition from the “on state” to the “off state” causes the third electrode 93 and the first electrode so that the potential of the third electrode 93 is lower than that of the first electrode 91 and the second electrode 92. This is caused by applying a voltage between 91 and the second electrode 92. Therefore, the third electrode 93 may be grounded, a positive voltage may be applied to the first electrode 91 and the second electrode 92, and the three-terminal switch may transition to the “on state”.

なお、図7に示す構成例では、第1電極91および第2電極92は、その電極を構成する導電体層の一方の面において、イオン伝導層94と接触している。このように、本発明の実施の形態2にかかる3端子スイッチにおいては、第1電極91および第2電極92は、その全体がイオン伝導層94と接触するのではなく、その電極の外表面のうち、一部の表面において、イオン伝導層94と接触する形態とすることができる。その際には、第1電極91および第2電極92の外表面の全てが金属イオンを供給しない材料である必要はなく、少なくともイオン伝導層94と接触する部位となる表面部分が金属イオンを供給しない材料であればよい。例えば、図7に示す構成例では、イオン伝導層94と接触する、第1電極91の上面、ならびに、第2電極92の下面は、金属イオンを供給しない材料で構成され、一方、イオン伝導層94と接触することのない、第1電極91の下面、ならびに、第2電極92の上面は、金属イオンを供給する材料で構成する形態を選択することも可能である。   In the configuration example shown in FIG. 7, the first electrode 91 and the second electrode 92 are in contact with the ion conductive layer 94 on one surface of the conductor layer constituting the electrode. As described above, in the three-terminal switch according to the second embodiment of the present invention, the first electrode 91 and the second electrode 92 are not entirely in contact with the ion conductive layer 94 but on the outer surface of the electrode. Among them, a part of the surface can be in contact with the ion conductive layer 94. In that case, it is not necessary that all of the outer surfaces of the first electrode 91 and the second electrode 92 be made of a material that does not supply metal ions, and at least the surface portion that is in contact with the ion conductive layer 94 supplies metal ions. Any material can be used. For example, in the configuration example shown in FIG. 7, the upper surface of the first electrode 91 and the lower surface of the second electrode 92 that are in contact with the ion conductive layer 94 are made of a material that does not supply metal ions, while the ion conductive layer It is also possible to select a form in which the lower surface of the first electrode 91 and the upper surface of the second electrode 92 that do not come in contact with 94 are made of a material that supplies metal ions.

(実施例5)
上記本発明の実施形態2にかかる3端子スイッチの最良の実施形態の一例として、実施例5の3端子スイッチング素子と、その製造方法について説明する。図9に沿って、実施例5の3端子スイッチング素子の製造工程について述べる。
(Example 5)
As an example of the best mode of the three-terminal switch according to the second embodiment of the present invention, a three-terminal switching element of Example 5 and a manufacturing method thereof will be described. A manufacturing process of the three-terminal switching element according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.

[工程1] 低抵抗シリコン基板106の表面に、膜厚300nmのシリコン酸化膜107を形成する。酸化膜上に、白金を真空蒸着法もしくはスパッタ法で膜厚100nm成膜し、第1電極101とする。   [Step 1] A silicon oxide film 107 having a thickness of 300 nm is formed on the surface of the low resistance silicon substrate 106. A platinum film with a thickness of 100 nm is formed on the oxide film by vacuum deposition or sputtering to form the first electrode 101.

[工程2] イオン伝導層104として、膜厚20nmの酸化タンタルをスパッタ法により堆積する。その際、酸化タンタルの組成は、化学量論的な5酸化2タンタル(Ta25)にできるだけ近くなるようにする。具体的には、酸化タンタルのスパッタを行う際に、供給する酸素量を最適化する。発明者らは、酸素流量0.5sccm、酸素分圧0.5Paの成膜条件で、酸化タンタルを作製し、酸素とタンタルの組成比(O:Ta原子数比)が2.5の酸化タンタル膜を形成している。 [Step 2] As the ion conductive layer 104, tantalum oxide having a thickness of 20 nm is deposited by sputtering. At that time, the composition of tantalum oxide is made as close as possible to the stoichiometric tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ). Specifically, the amount of oxygen to be supplied is optimized when sputtering of tantalum oxide is performed. The inventors made tantalum oxide under the film forming conditions of an oxygen flow rate of 0.5 sccm and an oxygen partial pressure of 0.5 Pa, and the composition ratio of oxygen and tantalum (O: Ta atom number ratio) was 2.5. A film is formed.

[工程3] イオン伝導層104中に、金属架橋の形成に利用される金属である銅を分散させる。イオン伝導層104中へ銅を分散するため、イオン伝導層104上に金属供給層108として銅を真空蒸着法もしくはスパッタ法で100nm堆積成膜する。その後、窒素雰囲気下で加熱することで、イオン伝導層104の酸化タンタル膜中に、その表面から銅を熱拡散させる。加熱温度は、形成された酸化タンタル膜の結晶状態が変化しない600℃以下に選択する。イオン伝導層104中への銅の分散は、酸化タンタル中の銅の固溶度限界である7×1020原子/cm3まで行なうことが望ましい。発明者らは、300℃で20分程度加熱することで、20nmの酸化タンタル膜中に分散されている銅の濃度が、酸化タンタル中における銅の固溶度限界に達した状態としている。前記の熱拡散法を適用して、イオン伝導層104内に金属を分散した後、金属供給層108をエッチング技術で除去する。 [Step 3] In the ion conductive layer 104, copper which is a metal used for forming a metal bridge is dispersed. In order to disperse copper into the ion conductive layer 104, copper is deposited as a metal supply layer 108 on the ion conductive layer 104 by vacuum deposition or sputtering to a thickness of 100 nm. Thereafter, copper is thermally diffused from the surface of the tantalum oxide film of the ion conductive layer 104 by heating in a nitrogen atmosphere. The heating temperature is selected to be 600 ° C. or lower at which the crystal state of the formed tantalum oxide film does not change. It is desirable to disperse copper in the ion conductive layer 104 up to 7 × 10 20 atoms / cm 3, which is the limit of solid solubility of copper in tantalum oxide. The inventors set the concentration of copper dispersed in the 20 nm tantalum oxide film to reach the solid solubility limit of copper in tantalum oxide by heating at 300 ° C. for about 20 minutes. After the metal is dispersed in the ion conductive layer 104 by applying the thermal diffusion method, the metal supply layer 108 is removed by an etching technique.

[工程4] イオン伝導層104上の一部分に、絶縁層105を酸化シリコンで形成する。イオン伝導層104(酸化タンタル膜)上に、スパッタ法で酸化シリコンを100nm形成する。その上にレジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターニングを行う。パターニング後、酸化シリコンをエッチングし、絶縁層105とする。   [Step 4] An insulating layer 105 is formed of silicon oxide on a part of the ion conductive layer 104. On the ion conductive layer 104 (tantalum oxide film), 100 nm of silicon oxide is formed by sputtering. A resist is spin-coated thereon, and the resist is patterned by a lithography technique. After patterning, the silicon oxide is etched to form the insulating layer 105.

[工程5] パターニングされた絶縁層105上および絶縁層105に覆われていないイオン伝導層104上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚100nmの白金を堆積させる。その上にレジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターンニングを行う。パターニング後、白金をドライエッチングし、第2電極102を形成する。なお、白金のドライエッチングには、エッチングガスとして、塩素、酸素およびアルゴンの混合ガスを使用している。   [Step 5] Platinum having a thickness of 100 nm is deposited on the patterned insulating layer 105 and on the ion conductive layer 104 not covered with the insulating layer 105 by vacuum deposition or sputtering. A resist is spin-coated thereon, and the resist is patterned by a lithography technique. After the patterning, the second electrode 102 is formed by dry etching of platinum. In dry etching of platinum, a mixed gas of chlorine, oxygen and argon is used as an etching gas.

[工程6] パターニングされた絶縁層105、絶縁層105に覆われていないイオン伝導層104、第2電極102上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚100nmの銅を堆積させる。その上に、レジストをスピンコートし、リソグラフィ技術によりレジストのパターンニングを行う。パターニング後、銅をエッチングし、第3電極103を形成する。   [Step 6] Copper having a film thickness of 100 nm is deposited on the patterned insulating layer 105, the ion conductive layer 104 not covered with the insulating layer 105, and the second electrode 102 by vacuum evaporation or sputtering. A resist is spin-coated thereon, and the resist is patterned by a lithography technique. After the patterning, the third electrode 103 is formed by etching copper.

実施例5の3端子スイッチング素子では、熱拡散法を適用しているため、金属供給層108により被覆されているイオン伝導層104部分には、均一に金属の拡散が引き起こされる。結果的に、作製される実施例5の3端子スイッチング素子では、分散された銅の面内方向の分布は、第3電極103とイオン伝導層104とが接する領域、第2電極102とイオン伝導層104とが接する領域を含め、全ての領域に、イオン伝導層104中に分散された銅が均一に存在する状態となっている。また、分散された銅のイオン伝導層104の膜厚方向の濃度分布は、熱拡散による濃度分布を示す。すなわち、イオン伝導層104の表面側、第2電極102とイオン伝導層104との接触界面、ならびに第3電極103とイオン伝導層104との接触界面における、銅の分散濃度が最も高く、膜厚方向で緩やかに濃度が低下する濃度分布が形成されている。   In the three-terminal switching element of the fifth embodiment, since the thermal diffusion method is applied, metal diffusion is uniformly caused in the ion conductive layer 104 portion covered with the metal supply layer 108. As a result, in the manufactured three-terminal switching element of Example 5, the distribution of the dispersed copper in the in-plane direction is a region where the third electrode 103 and the ion conductive layer 104 are in contact with each other, and the second electrode 102 and the ion conductive layer. In all regions including the region in contact with the layer 104, the copper dispersed in the ion conductive layer 104 exists uniformly. Further, the concentration distribution in the film thickness direction of the dispersed ion conduction layer 104 of copper shows a concentration distribution by thermal diffusion. That is, the copper dispersion concentration is highest at the surface side of the ion conductive layer 104, the contact interface between the second electrode 102 and the ion conductive layer 104, and the contact interface between the third electrode 103 and the ion conductive layer 104, and the film thickness A density distribution in which the density gradually decreases in the direction is formed.

実施例5の3端子スイッチでは、「オン状態」への遷移は、第1電極101と第2電極102の間に金属架橋が形成され、電気的な接続が達成される状態である。勿論、第1電極101と第2電極102の間を接続する金属架橋の形成はなされるが、第1電極101と第3電極103との間には金属架橋が形成されない状態とされている。   In the three-terminal switch of Example 5, the transition to the “on state” is a state in which a metal bridge is formed between the first electrode 101 and the second electrode 102 and electrical connection is achieved. Of course, a metal bridge connecting the first electrode 101 and the second electrode 102 is formed, but no metal bridge is formed between the first electrode 101 and the third electrode 103.

本発明のスイッチング素子は、プログラマブルロジック回路における、配線経路の変更に利用されるスイッチング素子として、利用可能である。   The switching element of the present invention can be used as a switching element used for changing a wiring path in a programmable logic circuit.

本発明の実施の形態1にかかる2端子スイッチング素子の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the 2 terminal switching element concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかる2端子スイッチング素子のスイッチング動作時における、イオン伝導層中に分散されている金属の機能を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the function of the metal currently disperse | distributed in the ion conductive layer at the time of switching operation | movement of the 2 terminal switching element concerning Embodiment 1 of this invention. 従来構造の2端子スイッチング素子のスイッチング特性の一例を示すグラフであり、第1回目の「オン状態」への遷移と、2回目以降の「オン状態」への遷移における、スイッチング電圧の相違を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the switching characteristic of the 2 terminal switching element of the conventional structure, and shows the difference in switching voltage in the transition to the "on state" for the first time and the transition to the "on state" for the second time and thereafter. It is a graph. 従来構造の2端子スイッチング素子の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the 2 terminal switching element of a conventional structure. 実施例1の2端子スイッチング素子の製造工程を模式的に示す断面である。3 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the two-terminal switching element of Example 1. 実施例2の2端子スイッチング素子の製造工程中、前半の工程1〜工程4を模式的に示す断面である。It is a cross section which shows typically the first half process 1-process 4 in the manufacturing process of the 2 terminal switching element of Example 2. FIG. 実施例2の2端子スイッチング素子の製造工程中、後半の工程5〜工程8を模式的に示す断面である。It is a cross section which shows typically the latter half process 5-process 8 in the manufacturing process of the 2 terminal switching element of Example 2. FIG. 本発明の実施の形態2にかかる3端子スイッチング素子の構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the 3 terminal switching element concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかる3端子スイッチング素子のスイッチング動作時における、イオン伝導層中に分散されている金属の機能を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the function of the metal currently disperse | distributed in the ion conduction layer at the time of switching operation | movement of the 3 terminal switching element concerning Embodiment 1 of this invention. 実施例5の2端子スイッチング素子の製造工程を模式的に示す断面である。10 is a cross section schematically showing a manufacturing process of a two-terminal switching element of Example 5.

符号の説明Explanation of symbols

11、21、41、51、65、81、91、101 第1電極
12、22、42、52、68、82、92、102 第2電極
83、93、103 第3電極
13、23、43、53、66、84、94、104 イオン伝導層
54、105 絶縁層
14、24、85、95 金属
26、96 金属イオン
24、97 金属架橋
57、67、108 金属供給層
56、107 シリコン酸化膜
55、106 低抵抗シリコン基板
61 基板
62 第1保護絶縁膜
63 第1層間絶縁膜
64 第1ストップ絶縁膜
65 第1バリアメタル
66 第1配線層
69 第2保護絶縁膜
70 第2層間絶縁膜
71 第3保護絶縁膜
72 第3層間絶縁膜
73 第2ストップ絶縁膜
74 接続溝
75 配線溝
76 第2バリアメタル
77 第2配線層
78 上層配線
11, 21, 41, 51, 65, 81, 91, 101 First electrode 12, 22, 42, 52, 68, 82, 92, 102 Second electrode 83, 93, 103 Third electrode 13, 23, 43, 53, 66, 84, 94, 104 Ion conductive layer 54, 105 Insulating layer 14, 24, 85, 95 Metal 26, 96 Metal ion 24, 97 Metal bridge 57, 67, 108 Metal supply layer 56, 107 Silicon oxide film 55 106 low resistance silicon substrate 61 substrate 62 first protective insulating film 63 first interlayer insulating film 64 first stop insulating film 65 first barrier metal 66 first wiring layer 69 second protective insulating film 70 second interlayer insulating film 71 first 3 protective insulating film 72 third interlayer insulating film 73 second stop insulating film 74 connection groove 75 wiring groove 76 second barrier metal 77 second wiring layer 78 upper layer wiring

Claims (10)

第1電極と、第2電極と、該第1電極と第2電極間に挟まれた酸化物を含むイオン伝導層とを具える、電気化学反応を利用した2端子スイッチング素子であって、
該2端子スイッチング素子は、
前記第1電極と第2電極との間に、第1電極の電位より第2電極の電位が高くなるように電圧を印加する際、
前記第2電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給され、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第1電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
該金属の析出物の成長によって、前記第1電極表面から前記第2電極表面に達する金属架橋が形成され、
該金属架橋が前記第1電極と第2電極との間を電気的に接続することによって、前記第1電極と第2電極との間の抵抗が変化するスイッチング動作方式を採り、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されている
ことを特徴とするスイッチング素子。
A two-terminal switching element using an electrochemical reaction, comprising a first electrode, a second electrode, and an ion conductive layer containing an oxide sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The two-terminal switching element is
When applying a voltage between the first electrode and the second electrode so that the potential of the second electrode is higher than the potential of the first electrode,
Metal ions are supplied from the second electrode into the ion conductive layer,
The metal ions in the ion conductive layer receive electrons from the first electrode and precipitate as metals.
Due to the growth of the metal precipitate, a metal bridge reaching the second electrode surface from the first electrode surface is formed,
By adopting a switching operation method in which the resistance between the first electrode and the second electrode is changed by electrically connecting the metal bridge between the first electrode and the second electrode,
A switching element, wherein a metal of the same metal type as the metal ion is dispersed in the ion conductive layer in advance.
前記第1電極と第2電極との間に、第1電極の電位より第2電極の電位が高くなるように電圧を印加する際、
前記第2電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給されるだけではなく、
前記イオン伝導層内に予め分散されている金属からも、該金属イオンの供給がなされる
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング素子。
When applying a voltage between the first electrode and the second electrode so that the potential of the second electrode is higher than the potential of the first electrode,
In addition to supplying metal ions from the second electrode into the ion conductive layer,
The switching element according to claim 1, wherein the metal ions are also supplied from a metal dispersed in advance in the ion conductive layer.
前記酸化物を含むイオン伝導層は、
酸化タンタル、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ニオブおよび酸化シリコンからなる群から選択される、少なくとも1つの酸化物を含む層である、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング素子。
The ion conductive layer containing the oxide is
A layer containing at least one oxide selected from the group consisting of tantalum oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, nickel oxide, titanium oxide, aluminum oxide, niobium oxide and silicon oxide;
The switching element according to claim 1.
前記イオン伝導層内に予め分散されている金属の分布は、
前記イオン伝導層内の一部分に該金属が分散している分布となっている
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング素子。
The distribution of the metal previously dispersed in the ion conductive layer is as follows:
The switching element according to claim 1, wherein the metal is distributed in a part of the ion conductive layer.
請求項1に記載する2端子スイッチング素子を製造する方法であって、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属をイオン注入することによって実施する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
A method for manufacturing a two-terminal switching element according to claim 1, comprising:
The step of predispersing a metal of the same metal species as the metal ions in the ion conductive layer,
A method of manufacturing a switching element, which is performed by ion-implanting the metal into the ion conductive layer.
請求項1に記載する2端子スイッチング素子を製造する方法であって、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属を熱拡散させることによって実施する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
A method for manufacturing a two-terminal switching element according to claim 1, comprising:
The step of predispersing a metal of the same metal species as the metal ions in the ion conductive layer,
A method for manufacturing a switching element, which is carried out by thermally diffusing the metal into the ion conductive layer.
請求項1に記載する2端子スイッチング素子を製造する方法であって、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属を予め分散する工程は、
前記イオン伝導層内への該金属を光拡散させることによって実施する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
A method for manufacturing a two-terminal switching element according to claim 1, comprising:
The step of predispersing a metal of the same metal species as the metal ions in the ion conductive layer,
A method of manufacturing a switching element, which is performed by light diffusing the metal into the ion conductive layer.
請求項1に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。 A rewritable logic integrated circuit using the switching element according to claim 1 as a switch. 金属イオンを伝導するための酸化物を含むイオン伝導層と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記イオン伝導層と接触する部位が該金属イオンを供給しない材料で覆われた第1電極および第2電極と、
前記イオン伝導層と接して設けられ、前記イオン伝導層と接触する部位に該金属イオンを供給可能な材料を含んでなる第3電極とを具える、電気化学反応を利用した3端子スイッチング素子であって、
該3端子スイッチング素子は、
前記第3電極と第1電極との間に、第1電極の電位より第3電極の電位が高くなるように、ならびに、前記第3電極と第2電極との間に、第2電極の電位より第3電極の電位が高くなるように、それぞれ電圧を印加する際、
前記第3電極から金属イオンが前記イオン伝導層中に供給され、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第1電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
前記イオン伝導層中の前記金属イオンは、前記第2電極から電子を受け取って、金属となり析出し、
該金属の析出物の成長によって、前記第1電極表面から前記第2電極表面に達する金属架橋が形成され、
該金属架橋が前記第1電極と第2電極との間を電気的に接続することによって、前記第1電極と第2電極との間の抵抗が変化するスイッチング動作方式を採り、
前記イオン伝導層内に、前記金属イオンと同じ金属種の金属が予め分散されており、
前記イオン伝導層は、互いに表裏の関係を有する二つの表面を具えており、
前記第3電極は、前記イオン伝導層が具える前記二つの表面の一方とのみ接しており、
前記第1電極と第2電極のうち、いずれか一方は、前記第3電極が接する、前記イオン伝導層が具える前記二つの表面の一方とのみ接しており、
前記第1電極と第2電極のうち、他方は、前記第3電極が接する、前記イオン伝導層が具える前記二つの表面の一方と異なる、前記二つの表面の他方とのみ接しており、
少なくとも、前記イオン伝導層と接する前記第1電極の表面の一部と、前記イオン伝導層と接する前記第2電極の表面の一部は、前記イオン伝導層を挟んで、互いに相対する配置を有している
ことを特徴とするスイッチング素子。
An ion conducting layer containing an oxide for conducting metal ions;
A first electrode and a second electrode which are provided in contact with the ion conductive layer and covered with a material which does not supply the metal ions at a portion in contact with the ion conductive layer;
A three-terminal switching element using an electrochemical reaction, comprising a third electrode provided in contact with the ion conductive layer and comprising a third electrode comprising a material capable of supplying the metal ions at a portion in contact with the ion conductive layer. There,
The three-terminal switching element is
The potential of the second electrode is between the third electrode and the first electrode so that the potential of the third electrode is higher than the potential of the first electrode, and between the third electrode and the second electrode. When applying a voltage so that the potential of the third electrode becomes higher,
Metal ions are supplied from the third electrode into the ion conductive layer,
The metal ions in the ion conductive layer receive electrons from the first electrode and precipitate as metals.
The metal ions in the ion conductive layer receive electrons from the second electrode and precipitate as metals.
Due to the growth of the metal precipitate, a metal bridge reaching the second electrode surface from the first electrode surface is formed,
By adopting a switching operation method in which the resistance between the first electrode and the second electrode is changed by electrically connecting the metal bridge between the first electrode and the second electrode,
In the ion conductive layer, a metal of the same metal type as the metal ion is dispersed in advance,
The ion conductive layer comprises two surfaces having a front and back relationship with each other,
The third electrode is in contact with only one of the two surfaces of the ion conductive layer;
Either one of the first electrode and the second electrode is in contact with only one of the two surfaces that the ion conductive layer is in contact with the third electrode,
Of the first electrode and the second electrode, the other is in contact with only the other of the two surfaces, which is different from one of the two surfaces with which the third electrode is in contact with the ion conductive layer,
At least a part of the surface of the first electrode in contact with the ion conductive layer and a part of the surface of the second electrode in contact with the ion conductive layer have an arrangement facing each other across the ion conductive layer. A switching element characterized by comprising:
請求項9に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。   A rewritable logic integrated circuit using the switching element according to claim 9 as a switch.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5458892B2 (en) 2007-12-19 2014-04-02 日本電気株式会社 Switching element and manufacturing method thereof
US8586958B2 (en) 2009-01-09 2013-11-19 Nec Corporation Switching element and manufacturing method thereof
JP5799504B2 (en) * 2009-01-09 2015-10-28 日本電気株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
WO2010079816A1 (en) * 2009-01-09 2010-07-15 日本電気株式会社 Semiconductor device and manufacturing method therefor
JP5476742B2 (en) * 2009-02-27 2014-04-23 日本電気株式会社 Switching element, switching element manufacturing method, electronic device, logic integrated circuit, and memory element
JP5422237B2 (en) * 2009-03-23 2014-02-19 株式会社東芝 Method for manufacturing nonvolatile memory device
US9059028B2 (en) * 2009-06-25 2015-06-16 Nec Corporation Semiconductor device and method for manufacturing same
JP5527321B2 (en) * 2009-06-25 2014-06-18 日本電気株式会社 Resistance change element and manufacturing method thereof
WO2011071009A1 (en) * 2009-12-08 2011-06-16 日本電気株式会社 Variable-resistance element using an electrochemical reaction, and manufacturing method therefor
US8530873B2 (en) 2010-01-29 2013-09-10 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Electroforming free memristor and method for fabricating thereof
JP5072997B2 (en) 2010-03-31 2012-11-14 株式会社東芝 Information recording apparatus and manufacturing method thereof
WO2011132423A1 (en) 2010-04-21 2011-10-27 パナソニック株式会社 Non-volatile storage device and method for manufacturing the same
WO2012128017A1 (en) * 2011-03-22 2012-09-27 日本電気株式会社 Resistive memory device and method for writing to same
JP5622769B2 (en) * 2012-03-08 2014-11-12 株式会社東芝 Semiconductor device
JP6870476B2 (en) * 2017-05-26 2021-05-12 富士通株式会社 Semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1175423C (en) * 1999-02-11 2004-11-10 亚利桑那州立大学董事会 Programmable microelectronic device and methods of forming and programming same
JP5066918B2 (en) * 2004-12-28 2012-11-07 日本電気株式会社 Switching element, rewritable logic integrated circuit, and memory element
JP2006319028A (en) * 2005-05-11 2006-11-24 Nec Corp Switching element, rewritable logic integrated circuit, and memory element
WO2007069725A1 (en) * 2005-12-15 2007-06-21 Nec Corporation Switching element and method for manufacturing same

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