JP5365829B2 - スイッチング素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学反応を利用したスイッチング素子およびその製造方法に関する。
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ング素子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。かかる要件を満たし得るスイッチング素子として、イオン伝導体（イオンがその内部を自由に動き回ることのできる物質）中の金属イオン移動と、電気化学反応による金属の析出・溶解を利用したスイッチング素子（以下、金属原子移動スイッチング素子と呼ぶ）が提案されている。金属原子移動スイッチング素子は、これまでのプログラマブルロジックでよく用いられてきた半導体スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴなど）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。金属原子移動スイッチング素子は必要な電極数によって２端子型、３端子型に分けられ、さらに、それぞれについて、金属イオンがイオン伝導体のどの場所に析出するかによって内部型、表面型に分けられる。以下に、従来の金属原子移動スイッチング素子のうち、内部型素子の構成と動作について説明する。
図１Ａ及び図１Ｂは、第１の従来例（特表２００２−５３６８４０号公報：国際公開ＷＯ００／４８１９６号公報）における２端子−内部型の金属原子移動スイッチング素子の構成を示す断面模式図である。金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導体（Ｃｕ２Ｓ）からなるイオン伝導部４１０と、イオン伝導部４１０に接触している第２の電極（Ｔｉ）４１２と、イオン伝導部４１０に接触し、金属イオン（Ｃｕ＋）の供給源となる金属（Ｃｕ）からなる第１の電極４１１とを有する構成である。なお、図１Ａ及び図１Ｂの各部を構成する材料は例示である。
第１の電極４１１を基準として第２の電極４１２に負の電圧を印加すると、イオン伝導部４１０の第２の電極４１２との接触面近傍における金属イオン（Ｃｕ＋）が還元され、イオン伝導部４１０の第２の電極４１２との接触面において金属（Ｃｕ）が析出する。金属（Ｃｕ）の析出に対応して、第１の電極４１１の金属（Ｃｕ）が酸化され、金属イオン（Ｃｕ＋）の形でイオン伝導部４１０に溶け込み、イオン伝導層内の正負イオンのバランスが維持される。析出した金属（Ｃｕ）はイオン伝導層内部を第１の電極４１１の方向に向かって成長する。析出した金属（Ｃｕ）が第１の電極４１１に接触すると、スイッチング素子は導通（オン）状態となる（図１Ａを参照）。
逆に、第１の電極４１１を基準として第２の電極４１２に正の電圧を印加すると、全く逆の電気化学反応が進行する。その結果、析出した金属（Ｃｕ）が第１の電極４１１に接触しなくなり、スイッチング素子は切断（オフ）状態となる（図１Ｂを参照）。以上のように、第１の電極４１１を構成する金属原子（Ｃｕ）が、電気化学反応により、析出物の形で第２の電極４１２と第１の電極４１１の間に移動し、導通（オン）状態では、第２の電極４１２と第１の電極４１１を電気的に接続する金属配線となる。
次に、第２の従来例（Ｙ．Ｈｉｒｏｓｅ ａｎｄ Ｈ．Ｈｉｒｏｓｅ，“Ｐｏｌａｒｉｔｙ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｍｅｍｏｒｙ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ａｇ ｄｅｎｄｒｉｔｅ ｉｎ Ａｇ−ｐｈｏｔｏｄｏｐｅｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ａｓ２Ｓ３ ｆｉｌｍｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，（ＵＳ），ｖｏｌ． ４７， Ｎｏ．６， Ｊｕｎｅ， １９７６， ｐ．２７６７−２７７２）について説明する。第２の従来例は、別の内部型素子に関する。図２Ａ及び図２Ｂは、第２の従来例として、２端子−表面型の金属原子移動スイッチング素子の構成を示す図である。図２Ａは、その構成を示す平面模式図（上側）及び断面模式図（下側）である。図２Ｂは、電極に析出した金属を示す平面顕微鏡写真である。
図２Ａに示すように、金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導体（ＡｇドープＡｓ２Ｓ３）からなるイオン伝導層４２０と、イオン伝導層４２０に接触している金属（Ａｕ）を電極とするＡｕ電極４２２と、イオン伝導層４２０に接触し、金属イオン（Ａｇ＋）の供給源となる金属（Ａｇ）を電極とするＡｇ電極４２１とを有する構成である。イオン伝導層４２０はスライドガラス４２５上に形成されている。
Ａｕ電極４２２に負電圧、Ａｇ電極４２１に正電圧を印加すると、第１の従来例と同様に、イオン伝導層４２０のＡｕ電極４２２との接触面近傍における金属イオン（Ａｇ＋）が還元され、イオン伝導層４２０のＡｕ電極４２２との接触面において金属（Ａｇ）が析出する。析出した金属（Ａｇ）はイオン伝導層表面をＡｇ電極４２１の方向に向かって成長し（図２Ｂ）、Ａｇ電極４２１と接触する。このとき、Ａｇ電極４２１とＡｕ電極４２２間は導通（オン状態）する。逆の電圧を印加すると、析出した金属の一部が切断されて、オフ状態となる。
さらに、第３の従来例について説明する。第３の従来例は、更に別の内部型素子に関する。図３は、第３の従来例（国際公開ＷＯ ２００５／００８７８３号公報）として、３端子−内部型の金属原子移動スイッチング素子の構成を示す断面模式図である。金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導体（Ｃｕ２Ｓ）からなるイオン伝導層４３０と、イオン伝導層４３０に接触している第２電極（Ｔｉ）４３２と、イオン伝導層４３０に接触し、金属イオン（Ｃｕ＋）の供給源となる金属（Ｃｕ）からなる第１電極４３１と、イオン伝導層４３０に接触し、金属イオン（Ｃｕ＋）の供給源となる金属（Ｃｕ）からなる第３電極４３３とを有する構成である。第３の電極４３３は基板４３５上に形成されている。なお、図３の各部を構成する材料は例示である。
上記３つの電極の配置について述べる。図３に示すように、第１電極４３１および第２電極４３２は、イオン伝導層４３０上の同一平面に配置されている。第３電極４３３と第１電極４３１間の距離、および第３電極４３３と第２電極４３２間の距離は等しく、イオン伝導層４３０の膜厚で決定される。第１電極４３１と第２電極４３２間の距離はイオン伝導層４３０の膜厚よりも小さい。
第２電極４３２を基準として第３電極４３３に正の電圧を印加すると、イオン伝導層４３０の第２電極４３２との接触面近傍における金属イオン（Ｃｕ＋）が還元され、イオン伝導層４３０の第２電極４３２との接触面において金属（Ｃｕ）が析出する。金属（Ｃｕ）の析出に対応して、第３電極４３３の金属（Ｃｕ）が酸化され、金属イオン（Ｃｕ＋）の形でイオン伝導層４３０に溶け込み、イオン伝導層内の正負イオンのバランスが維持される。析出した金属（Ｃｕ）はイオン伝導層表面に成長する。析出した金属（Ｃｕ）が第１電極４３１に接触すると、スイッチング素子は導通（オン）状態となる。逆に、第２電極４３２を基準として第３電極４３３に負の電圧を印加すると、全く逆の電気化学反応が進行する。その結果、析出した金属（Ｃｕ）が第１電極４３１に接触しなくなり、スイッチング素子は切断（オフ）状態となる。
以上のように、第３電極４３３を構成する金属原子（Ｃｕ）が、電気化学反応により、析出物の形で第２電極４３２と第１電極４３１の間に移動し、導通（オン）状態では、第２電極４３２と第１電極４３１を電気的に接続する金属配線となる。
次に、第４の従来例について説明する。第４の従来例は、表面型素子に関する。図４は、第４の従来例（米国特許６８２５４８９号公報）として、表面型に適応可能な金属原子移動スイッチング素子の構成を示す断面模式図である。図４に示すように、金属原子移動スイッチング素子は、下部電極４４１と、下部電極上に形成された絶縁膜４４４の開口部４５０の側壁に設けられたイオン伝導体４４０と、絶縁膜上に形成された上部電極４４２とを有する構成である。上部電極４４２はイオン伝導体４４０の上面と接触している。この構成においても、第３の従来例と同様にして素子をオンさせたり、オフさせたりすることができる。
関連する技術として特開２００２−７６３２５号公報にコンダクタンスの制御が可能な電子素子が開示されている。この電子素子は、イオン伝導性及び電子伝導性を有する混合導電体材料から成る第一電極及び導電性物質から成る第二電極により構成され、電極間のコンダクタンスを制御することが可能である。
関連する技術として特開２００５−１０１５３５号公報に半導体装置が開示されている。この半導体装置は、互いに層の異なる第１及び第２の配線層と、前記第１の配線層の配線と前記第２の配線層の配線を接続するビアであって、導電率の可変な部材を含むビアを有する。前記ビアは、前記ビアと前記第１の配線との接触部を第１の端子、前記ビアと前記第２の配線との接触部を第２の端子とする、導電率可変型のスイッチ素子をなす。前記スイッチ素子は、前記第１の端子と前記第２の端子間の接続状態が、短絡、開放、又は、前記短絡と前記開放の中間状態に、可変に設定自在とされてなる。
関連する技術として特開平６−２２４４１２号公報に原子スイッチ回路及びシステムが開示されている。この原子スイッチ回路は、原子を互いの電子が相互作用を持つように複数個並べて形成した原子細線中の特定の原子を移動させることにより、その原子細線の電導度を変化させる手段を具備し、情報の記憶作用あるいは論理作用を持つ。
内部型素子の場合、イオン伝導層内部に金属を析出させようとすると、構造ストレスにより析出量が制限され、電極間に太い金属架橋を形成することは困難である。第１の従来例における金属架橋の太さは数ナノメートルである。一方、内部型素子をＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）で使用するには、スイッチがオンの状態で金属架橋の太さができるだけ太い方が望ましい。これは、スイッチオン時の電子の流れによって、金属原子が移動する現象（エレクトロマイグレーション）が発生し、金属架橋が切れてしまうおそれがあるためである。これに対して、表面型では、スイッチオン時に図４に示したような開口部内の空間に金属が析出するため、イオン伝導層が構造的なストレスを受けることがなく、太いブリッジ（直径１０ｎｍ以上）を形成することが可能である。
一方、表面型素子として示した図４の構造は製造途中の断面図である。ＬＳＩに組み込むために、その後に上部電極の上に配線層や保護膜等の上層を形成すると、イオン伝導層が開口部側の表面で露出しているため、開口部内の空隙が上層で埋め込まれてしまう。空隙内に上層が埋め込まれた状態で電極間に金属を析出させようとすると、イオン伝導層に構造的ストレスが発生することになる。
本発明の目的は、オンさせる際に内部に発生する構造的ストレスをより緩和したスイッチング素子とその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の別の目的は、スイッチのオンの状態をより安定化させることが可能なスイッチング素子とその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明のスイッチング素子は、第１の電極と、第２の電極と、イオン伝導部と、緩衝部とを具備する。第１の電極は、金属イオンを供給可能である。イオン伝導部は、第１の電極および第２の電極に接触し、金属イオンがその内部を移動可能なイオン伝導体を含む。緩衝部は、硬度がイオン伝導体よりも小さく、第１の電極と第２の電極との間にイオン伝導部に沿って設けられている。第１の電極と第２の電極との間の電位差により、当該第１の電極と当該第２の電極との間で金属が析出または溶解することで、電気的特性が切り替わる。
上記のスイッチング素子において、緩衝部は、有孔性材料を含んでいても良い。上記のスイッチング素子において、緩衝部は、空隙であっても良い。
上記のスイッチング素子において、第１の電極と第２の電極との間に、第１の電極および第２の電極に達する開口部を有する絶縁膜を更に具備していても良い。イオン伝導部が開口部の側壁に配置されていても良い。
上記のスイッチング素子において、第２の電極が基板上に配置されていても良い。イオン伝導部および緩衝部が第２の電極上に配置されている第１の電極がイオン伝導部および緩衝部の上に配置されていても良い。
上記のスイッチング素子において、イオン伝導部と接触し、金属イオンを供給可能な第３の電極を更に具備していても良い。第１の電極と第２電極と第３の電極との間の電位差により、当該第１の電極と第２の電極との間で金属が析出または溶解することで、電気的特性が切り替わっても良い。
上記のスイッチング素子において、第１の電極および第３の電極が同一平面に設けられていても良い。第１の電極および第３の電極と第２の電極との間にこれら３つの電極に達する開口部を有する絶縁膜が設けられている。イオン伝導部が開口部の側壁に配置されていても良い。
上記のスイッチング素子において、第２の電極が基板上に配置されていても良い。イオン伝導部および緩衝部が第２の電極上に配置されている。第１の電極および第３の電極がイオン伝導部および緩衝部の上に配置されていても良い。
上記目的を達成するための本発明のスイッチング素子の製造方法は、（ａ）基板上に第２の電極を形成する工程と、（ｂ）基板及び第２の電極を覆うように設けられた層間絶縁層に、第２の電極に一部かかるように、基板に略垂直に開口部を形成する工程と、（ｃ）開口部の側壁を覆うようにイオン導電体を形成する工程と、（ｄ）イオン導電体の内側に充填膜を充填する工程と、（ｅ）層間絶縁層、イオン導電体及び充填膜の一部を覆うように第１の電極を形成する工程とを具備する。第１の電極は、金属イオンを供給可能である。イオン伝導部は、金属イオンがその内部を移動可能なイオン伝導体を含む。充填膜は、硬度がイオン伝導体よりも小さい。
上記のスイッチング素子の製造方法において、（ｆ）充填膜を除去する工程を更に具備していても良い。
上記のスイッチング素子の製造方法において、（ｅ）工程は、（ｅ１）層間絶縁層、イオン導電体及び充填膜の一部を覆うように、第１の電極と離れて形成する工程を備えていても良い。
本発明のスイッチング素子は、金属を析出させる際に発生する構造的ストレスを緩和するための緩衝部をイオン伝導体に沿って設けたことを特徴とする。
はじめに、本発明に関連する２端子型金属原子スイッチング素子および３端子型金属原子移動スイッチング素子の基本的な構成および動作原理を２端子型の素子の場合で説明する。なお、以下では、２端子型金属原子スイッチング素子を２端子スイッチと称し、３端子型金属原子移動スイッチング素子を３端子スイッチと称する。
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の２端子スイッチの実施の形態における一構成例を示す斜視図および断面模式図である。
図５Ａに示すように、２端子スイッチは、その内部に空隙１３が形成されたイオン伝導体１０と、イオン伝導体１０の両端にあって空隙１３に接するように設けられた第１電極１１および第２電極１２とを有する構成である。
図５Ａ及び図５Ｂに示した２端子スイッチの動作について説明する。
第１電極１１を基準として第２電極１２に負の電圧を印加すると、イオン伝導体１０の第２電極１２との接触面近傍における金属イオンが還元され、イオン伝導体１０の第２電極１２との接触面において金属が析出する。金属は、イオン伝導体内部ではなく、構造的なストレスのより少ない、空隙１３側のイオン伝導体表面に主に析出する。金属の析出に対応して、第１電極１１の金属が酸化され、金属イオンの形でイオン伝導体１０に溶け込み、イオン伝導体内の正負イオンのバランスが維持される。析出した金属はイオン伝導体表面を第１電極１１の方向に向かって成長する。析出した金属が第１電極１１に接触すると、スイッチング素子は導通（オン）状態となる。
逆に、第１電極１１を基準として第２電極１２に正の電圧を印加すると、全く逆の電気化学反応が進行する。その結果、析出した金属がイオン伝導体１０に溶解し、第２電極１２から伸びて第１電極１１に接触していた金属が切れ、スイッチング素子は切断（オフ）状態となる。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極１１および第２電極１２間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。
以上のように、第１の電極１１と第２の電極１２との間の正又は負の電位差により、第１電極１１を構成する金属原子が、電気化学反応により、析出物の形で第１電極１１と第２電極１２の間に移動し、導通（オン）状態では、第１電極１１と第２電極１２を電気的に接続する金属配線となる。
イオン伝導体１０に含む材料として、カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドやハロゲン元素を含む化合物であるハロゲン化物を適用可能である。カルコゲン元素とは、酸素、硫黄、セレン、テルル、およびポロニウムである。ハロゲン元素とは、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、およびアスタチンである。そして、カルコゲナイドおよびハロゲン化物には、金属イオンのイオン伝導度の高い材料（硫化銅、硫化銀、テルル化銀、塩化ルビジウム銅、よう化銀、よう化銅など）やイオン伝導度の低い材料（酸化タンタル、酸化シリコン、酸化タングステン、アルミナなど）がある。
第１電極１１の材料としては銅や銀がある。第１電極１１が銀の場合は、金属イオンは銀イオンとなる。このような第１電極１１の材料に対して、第２電極１２の材料としてバリア金属（Ｗ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮなど）を適用可能である。イオン伝導体１０を硫化銅とし、第１電極１１を銅とし、第２電極１２をＴｉとすると、金属イオンは銅となる。
上述したように、本発明では、構造的ストレスを緩和させるためにイオン導電体１０に接して緩衝部を設ける。緩衝部は、イオン導電体１０内部へよりも金属が析出し易い材料で構成されている。そのような材料としては、例えば、イオン導電体１０よりも硬度が小さい材料であり、空隙内に満たされた気体も含まれる。すなわち、例えば、緩衝部として空隙１３を設ける。それにより、空隙１３内の空間に金属が析出するため、イオン伝導体１０が構造的なストレスを受けることなく金属を析出させることが可能となる。それにより、より太いブリッジを形成することができ、オン状態をより安定化させることが可能となる。
なお、図５Ｃに示されるように、緩衝部となる空隙１３に、イオン伝導体１０よりも硬度が小さい軟材料１３ａを満たしても、金属を容易に析出させることが可能となる。金属が析出することによる形状変化を軟材料が吸収することで、イオン導電体１０の構造的なストレスを軽減できるからである。ここで言う軟材料には弾性材料が含まれる。弾性材料の具体的なものとして、合成樹脂、合成ゴムなどがある。
また、空隙を満たす材料としては、軟材料に限らず、内部に孔を有する構造の有孔性（ｐｏｒｏｕｓ）材料であってもよい。有孔性材料には、例えば、メチルシロキ酸（珪素、炭素、酸素から構成）がある。メチルシロキ酸は、酸化シリコンにメチル基（ＣＨ3−）を加えたような材料で、メチル基の周辺に数ｎｍ程度の孔が生じている構造である。
（実施例１）
本実施例の構成について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、本実施例の２端子スイッチの一構成例を示す平面模式図および断面模式図である。図６Ａ（平面図）のＪＪ’で切った部分の断面が図６Ｂ（断面図）に相当する。
本実施例の構成について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、本実施例の２端子スイッチの一構成例を示す平面模式図および断面模式図である。図６Ａ（平面図）のＪＪ’で切った部分の断面が図６Ｂ（断面図）に相当する。
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、２端子スイッチは、基板１００上の第２電極２２と、第２電極２２の一部が露出するように開口部２６が形成された層間絶縁膜２５と、開口部２６の側壁に設けられたイオン伝導体２０と、開口部２６の一部を覆うように設けられた第１電極２１とを有する構成である。第１電極２１は銅で形成され、第２電極２２は白金で形成されている。イオン伝導体２０は硫化銅で形成され、層間絶縁膜２５はシリコン酸化膜で形成されている。
図６Ａの平面図に示すように、開口部２６のパターンは約半分が第２電極２２の上にかかっている。また、第１電極２１のパターンのうち開口部２６を覆う部位は第２電極２２の上方にある。イオン伝導体２０を側壁とする開口部２６のうち、第１電極２１と第２電極２２とで挟まれる空間が、図６Ｂに示す、金属析出のための空隙２７となる。
開口部２６の側壁にのみイオン伝導体２０を設けることで、第１電極２１と第２電極２２の間を全てイオン伝導体２０の膜で形成する場合に比べて、金属析出時に発生するストレスが、空隙２７に限らず層間絶縁膜２５側に発散することが可能となる。すなわち、イオン伝導体２０が構造的なストレスを受けることなく金属を析出させることができ、オン状態をより安定化させることが可能となる。
次に、図６Ａ及び図６Ｂに示した２端子スイッチの製造方法について説明する。図７Ａから図７Ｈは、本実施例の２端子スイッチの製造方法を示す断面模式図である。
シリコン基板の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜を形成して、基板１００とする。従来のリソグラフィ技術を用いて、第２電極２２を形成しない部位の基板１００上にレジストパターンを形成する。続いて、レジストパターンの上から真空蒸着法で膜厚１００ｎｍの白金を形成する。その後、リフトオフ技術によりレジストパターンとその上に形成された白金を除去し、図７Ａに示すように、白金の残った部分を第２電極２２として形成する。このとき、図７Ａの左右方向における第２電極２２の長さを幅とすると、第２電極２２の幅寸法を１００ｎｍよりも大きくしている。また、図７Ａの奥行方向における第２電極２２の長さは１５０ｎｍよりも大きくしている。
次に、第２電極２２および基板上面の露出部を覆うように、層間絶縁膜２５となる３００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。続いて、層間絶縁膜２５の上に開口部２６を形成するためのレジストパターンを従来のリソグラフィ技術で形成する。このとき、基板面を垂直上方から見て、レジストパターンに設けられた開口が第２電極２２のパターンの一部にかかるようにしている。そして、第２電極２２の上面が露出するまで、層間絶縁膜２５に対して反応性化学エッチングでレジストパターンの上からエッチングする。その後、レジストパターンを除去する。このようにして、図７Ｂに示すように、開口部２６を形成する。開口部２６の寸法は、図７Ｂの左右方向の長さである幅を１００ｎｍとし、図７Ｂの奥行方向の長さを３００ｎｍとした。開口部２６の深さは２００〜３００ｎｍとなる。開口部２６のうち図７Ｂの奥行方向１５０ｎｍが、第２電極２２のパターンに重なっている。
続いて、図７Ｃに示すように、層間絶縁膜２５の上面および開口部２６を被覆するように、イオン伝導体２０となる硫化銅を膜厚が均一になるようにスパッタ法を用いて形成する。続いて、反応性イオンエッチング法を用いてイオン伝導体２０に対して異方性エッチングを行い、層間絶縁膜２５上と、開口部２６の底面上の硫化銅を除去する（図７Ｄ）。開口部２６の側壁部分は開口部２６の底面部分よりもエッチング速度が遅いため、イオン伝導体２０の一部がエッチングされずに残る。
その後、図７Ｅに示すように、犠牲層となるＬＯＲレジスト（ダウコーニング社製）を２００ｎｍ程度、スピン塗布法により塗布する。ＬＯＲレジストのような、樹脂を含む有機溶剤は、下地に大きな段差や深い開口があっても、粘性が低いため段差や開口を埋め、表面がほぼ平坦になる。そのため、スピン塗布法により形成された犠牲層２８の開口部２６の膜厚は、層間絶縁膜２５上に比べると厚くなる。続いて、剥離液により犠牲層２８に対して等方性エッチングを行うと、図７Ｆに示すように、開口部２６に溜まった犠牲層２８を残して層間絶縁膜２５上の犠牲層２８が除去される。開口部２６の犠牲層２８の膜厚が層間絶縁膜２５上に比べて厚いだけでなく、開口部２６の犠牲膜２８に対するエッチングレートが層間絶縁膜２５上に比べて遅いため、開口部２６の犠牲層２８を残すことが可能となる。
次に、第２電極２２の形成方法と同様にして、第１電極２１を形成しない部位にレジストパターンを形成し、レジストパターンの上から真空蒸着法で膜厚１００ｎｍの銅を形成する。このとき、開口部２６には犠牲膜２８が埋め込まれているため、開口部２６の上にも犠牲膜２８を介して銅を形成することが可能となる。続いて、リフトオフ技術によりレジストパターンとその上に形成された銅を除去し、銅の残った部分を第１電極２１として形成する（図７Ｇ）。第１電極形成後、図６Ａに示したように開口部２６の一部は、第１電極２１に被覆されず、露出している。そして、剥離液に浸す処理を行うと、開口部２６の露出した部位から剥離液が第１電極２１と第２電極２２の間の空隙２７にまで侵入し、図７Ｈに示すように、犠牲層２８が開口部２６から全て除去される。
本実施例の２端子スイッチの製造方法では、第１電極２１のための銅を形成する際、開口部２６に犠牲層２８を埋め込んでいるため、後に犠牲層２８を取り除いて空隙２７となる部位の上にも銅をほぼ平坦に形成できる。また、第１電極形成後、開口部２６の一部が露出していることと剥離液の等方性エッチングとにより、第１電極２１で覆われた部位の犠牲層２８を取り除いて、第１電極２１と第２電極２２との間に空隙２７を形成できる。
なお、犠牲層２８は、スピン塗布により形成可能で、かつ等方性エッチングにより除去可能あれば、上記材料に限定されず、他の材料であってもよい。
従来の内部型素子では、金属の析出による体積膨張のため構造的なストレスがイオン伝導体に発生することが課題であった。また、従来の表面型素子では、内部型素子に比べて構造的なストレスは小さくなるものの、空間部分自体の形成が課題であった。空隙を残しつつ上層を形成する方法についての記述が米国特許６８２５４８９号公報にはなく、第４の従来例の素子をそのままＬＳＩに適用することは困難であった。本実施例のスイッチング素子は、上述した方法により、表面型においてストレスを緩和する空隙部分を残した状態でＬＳＩに組み込むことが可能となる。その結果、イオン伝導体２０が構造的なストレスを受けることなく金属を析出させることが可能となる。それにより、より太いブリッジを形成することができ、オン状態をより安定化させることが可能となる。
また、第２電極２２と、イオン伝導体２０および空隙２７と、第１電極２１とを基板１００に対して上方に順に形成した縦構造にすることで、平面に占める面積の縮小化が図れる。そのため、ＬＳＩの集積化により有利となる。
また、図７Ｈで説明した工程を行わないで、犠牲層２８を軟材料として使用することも可能である。犠牲層２８は、イオン導電体２０よりも軟らかいので、金属が析出することによる形状変化を吸収することができる。それにより、イオン導電体２０の構造的なストレスを軽減でき、より太いブリッジを形成することができ、オン状態をより安定化させることが可能となる。
（実施例２）
図８Ａ及び図８Ｂは、本実施例の２端子スイッチの一構成例を示す平面模式図および断面模式図である。図８Ａ（平面図）のＫＫ’で切った部分の断面が図８Ｂ（断面図）に相当する。
図８Ａ及び図８Ｂは、本実施例の２端子スイッチの一構成例を示す平面模式図および断面模式図である。図８Ａ（平面図）のＫＫ’で切った部分の断面が図８Ｂ（断面図）に相当する。
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、２端子スイッチは、基板１００上の第２電極３２と、第２電極３２の一部が露出するように開口部が形成された層間絶縁膜３５と、開口部の側壁に設けられたイオン伝導体３０と、開口部を覆うように設けられた第１電極３１とを有する構成である。第１電極３１は銅で形成され、第２電極３２は白金で形成されている。イオン伝導体３０は硫化銅で形成され、層間絶縁膜３５はシリコン酸化膜で形成されている。
本実施例では、図８Ａに示すように、イオン伝導体３０を側壁とする開口部には軟材料３７が埋め込まれている。開口部に埋め込まれた軟材料３７の上面は第１電極２１で覆われている。また、実施例１と異なり、第１電極３１と第２電極３２のパターンはほぼ同一形状であり、図８Ａの平面図に示すように、これらのパターンは重なって見える。なお、イオン伝導体３０および軟材料３７が第１電極３１と第２電極３２とで挟まれていれば、これら２つの電極のパターンは必ずしも同一である必要はない。
軟材料３７は、イオン導電体３０よりも軟らかいので、金属が析出することによる形状変化を吸収することができる。それにより、イオン導電体３０の構造的なストレスを軽減でき、より太いブリッジを形成することができ、オン状態をより安定化させることが可能となる。
ここで、軟材料３７とは、上述したようにイオン伝導体３０よりも硬度が小さい材料である。例えば、実施例１で述べたＬＯＲレジストを挙げることができる。
次に、図８Ａおよび図８Ｂに示した２端子スイッチの製造方法について説明する。なお、実施例１と同様な工程についてはその詳細な説明を省略する。実施例１で示した犠牲層２８を軟材料３７とする。
図７Ｂで説明した工程で、開口部の寸法について図の左右方向の長さである幅を１００ｎｍとし、図の奥行方向の長さを１００ｎｍとして、第２電極３２上に開口部を形成する。開口部のパターンは第２電極３２のパターン内に入る。図７Ｇで説明した工程で、第１電極３１を形成する際、第１電極３１が開口部に埋め込まれた軟材料３７とイオン伝導体３０の上面を覆うようにする。そして、本実施例では、図７Ｈで説明した工程を行わない。以上のようにして、実施例１で説明した製造方法に上述の変更を加えることで、本実施例の２端子スイッチを製造することができる。
本実施例の２端子スイッチは、第１実施例と同様の効果が得られる他に、平面に占める面積の縮小化がさらに図れる。また、開口部内に緩衝部となる軟材料３７が埋め込まれているため、その上を覆う第１電極３１がより平坦に形成可能となる。
（実施例３）
図９Ａおよび図９Ｂは本実施例の３端子スイッチの一構成例を示す平面模式図および断面模式図である。図９Ａ（平面図）のＬＬ’で切った部分の断面が図９Ｂ（断面図）に相当する。
図９Ａおよび図９Ｂは本実施例の３端子スイッチの一構成例を示す平面模式図および断面模式図である。図９Ａ（平面図）のＬＬ’で切った部分の断面が図９Ｂ（断面図）に相当する。
図９Ａおよび図９Ｂに示すように、３端子スイッチは、基板１００上の第２電極４２と、第２電極４２の一部が露出するように開口部４６が形成された層間絶縁膜４５と、開口部４６の側壁に設けられたイオン伝導体４０と、開口部４６の一部を覆い、かつ第２電極４２の真上に設けられた第１電極４１と、開口部４６の一部を覆うように設けられた第３電極４３とを有する構成である。第１電極４１および第３電極４３は銅で形成され、第２電極４２は白金で形成されている。イオン伝導体４０は硫化銅で形成され、層間絶縁膜４５はシリコン酸化膜で形成されている。イオン伝導体４０を側壁とする開口部４６には、空隙４７が設けられている。
なお、実施例１、２で述べたように、この緩衝部としての空隙４７に、緩衝部として軟材料が埋め込まれていてもよい。図１０Ａおよび図１０Ｂは本実施例の３端子スイッチの他の一構成例を示す平面模式図および断面模式図である。図１０Ａ（平面図）のＭＭ’で切った部分の断面が図１０Ｂ（断面図）に相当する。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、空隙内を軟材料４７ａで満たす。軟材料としては、例えば、実施例１で述べたＬＯＲレジストを挙げることができる。また、軟材料として有孔性材料を用いてもよい。
軟材料は、イオン導電体４０よりも軟らかいので、金属が析出することによる形状変化を吸収することができる。それにより、イオン導電体４０の構造的なストレスを軽減でき、より太いブリッジを形成することができ、オン状態をより安定化させることが可能となる。
次に、図９Ａ及び図９Ｂに示した３端子スイッチの動作について説明する。
第１電極４１および第３電極４３を接地して、第２電極４２に負電圧を印加すると第１電極４１の銅が銅イオンになってイオン伝導体４０に溶解する。そして、イオン伝導体中の銅イオンが第１電極４１および第２電極４２の表面に銅になって析出し、析出した銅により第１電極４１と第２電極４２を接続する金属架橋が形成される。金属架橋で第１電極４１と第２電極４２が電気的に接続することで、３端子スイッチがオン状態になる。
一方、上記オン状態で第２電極４２を接地して、第３電極４３に負電圧を印加すると、金属架橋の銅がイオン伝導体４０に溶解し、金属架橋の一部が切れる。これにより、第１電極４１と第２電極４２との電気的接続が切れ、３端子スイッチがオフ状態になる。なお、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極４１および第２電極４２間の抵抗が大きくなったり、電極間容量が変化したりするなど電気特性が変化し、最終的に電気的接続が切れる。
また、上記オフ状態からオン状態にするには、第３電極４３に正の電圧を印加すればよい。これにより、第３電極４３の銅が銅イオンになってイオン伝導体４０に溶解する。そして、イオン伝導体４０に溶解した銅イオンが金属架橋の切断箇所に銅になって析出し、金属架橋が第１電極４１と第２電極４２を電気的に接続する。
以上のように、第１の電極４１と第２の電極４２と第３の電極４３との間の正又は負の電位差により、オン状態及びオフ状態を制御することが出来る。
次に、図９Ａおよび図９Ｂに示した３端子スイッチの製造方法について説明する。なお、実施例１と同様な工程についてはその詳細な説明を省略する。
図７Ｂで説明した工程で、開口部４６の寸法を図の左右方向の長さである幅を１００ｎｍとし、図の奥行方向の長さを５００ｎｍとして、開口部４６を形成する。図７Ｇで説明した工程で、第１電極４１を形成する際、第３電極４３も同時に形成する。空隙４７に軟材料を設ける場合には図７Ｈで説明した工程を行わない。以上のようにして、実施例１で説明した製造方法に上述の変更を加えることで、本実施例の３端子スイッチを製造することができる。
オン／オフ制御用の第３電極４３を設けた３端子スイッチの場合でも、空隙を残したままＬＳＩに組み込み可能となり、実施例１と同様に、金属析出の際に発生する構造ストレスを緩和させる効果が得られる。
また、第２電極４２と、イオン伝導体４０および空隙４７と、第１電極４１および第３電極４３とを基板１００に対して上方に順に形成した縦構造にすることで、平面に占める面積の縮小化が図れる。そのため、ＬＳＩの集積化により有利となる。
さらに、開口部４６の側壁にのみイオン伝導体４０を設けることで、第１電極４１と第２電極４２の間を全てイオン伝導体４０の膜で形成する場合に比べて、金属析出時に発生するストレスが、空隙４７に限らず層間絶縁膜４５側に発散することが可能となる。
本発明では、スイッチオン時にイオン伝導部よりも硬度の小さい領域に金属が析出するため、イオン伝導部に発生する構造的ストレスがより抑制される。
本発明では、スイッチオン時にイオン伝導体よりも硬度の小さい領域に金属が析出するため、イオン伝導体の受ける構造的なストレスがより小さくなり、太い金属ブリッジを形成できる。その結果、オン状態がより安定する。
本発明のスイッチング素子は、ＬＳＩのような半導体装置やＤＲＡＭやフラッシュメモリ、ＭＲＡＭのような半導体記憶装置に適用できる。
Claims (6)
- 金属イオンを供給可能な第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極に接触し、前記金属イオンがその内部を移動可能なイオン伝導体を含むイオン伝導部と、
硬度が前記イオン伝導体よりも小さく、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記イオン伝導部に沿って設けられた緩衝部と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記第１の電極および前記第２の電極に達する開口部を有する絶縁膜と
を具備し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電位差により、当該第１の電極と当該第２の電極との間で前記金属が析出または溶解することで、電気的特性が切り替わり、
前記緩衝部は、有孔性材料を含み、
前記イオン伝導部が前記開口部の側壁に配置され、
前記第２の電極が基板上に配置され、
前記イオン伝導部および前記緩衝部が前記第２の電極上に配置され、
前記第１の電極が前記イオン伝導部および前記緩衝部の上に配置されている
スイッチング素子。 - 請求項１に記載のスイッチング素子において、
前記イオン伝導部と接触し、前記金属イオンを供給可能な第３の電極を更に具備し、
前記第１の電極と前記第２電極と前記第３の電極との間の電位差により、当該第１の電極と前記第２の電極との間で前記金属が析出または溶解することで、電気的特性が切り替わる
スイッチング素子。 - 請求項２に記載のスイッチング素子において、
前記第１の電極および前記第３の電極が同一平面に設けられ、
前記第１の電極および前記第３の電極と前記第２の電極との間にこれら３つの電極に達する開口部を有する絶縁膜が設けられ、
前記イオン伝導部が前記開口部の側壁に配置されている
スイッチング素子。 - 請求項２又は３に記載のスイッチング素子において、
前記第２の電極が基板上に配置され、
前記イオン伝導部および前記緩衝部が前記第２の電極上に配置され、
前記第１の電極および前記第３の電極が前記イオン伝導部および前記緩衝部の上に配置されている
スイッチング素子。 - （ａ）基板上に第２の電極を形成する工程と、
（ｂ）前記基板及び前記第２の電極を覆うように設けられた層間絶縁層に、前記第２の電極にかかるように、前記基板に略垂直に開口部を形成する工程と、
（ｃ）前記開口部の側壁を覆うようにイオン伝導部を形成する工程と、
（ｄ）前記イオン伝導部の内側に充填膜を充填する工程と、
（ｅ）前記層間絶縁層、前記イオン伝導部及び前記充填膜の一部を覆うように第１の電極を形成する工程と
を具備し、
前記第１の電極は、金属イオンを供給可能であり、
前記イオン伝導部は、前記金属イオンがその内部を移動可能なイオン伝導体を含み、
前記充填膜は、硬度が前記イオン伝導体よりも小さく、有孔性材料を含み、
前記イオン伝導部および前記充填膜が前記第２の電極上に配置され、
前記第１の電極が前記イオン伝導部および前記充填膜の上に配置され、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電位差により、当該第１の電極と当該第２の電極との間で前記金属が析出または溶解することで、電気的特性が切り替わる
スイッチング素子の製造方法。 - 請求項５に記載のスイッチング素子の製造方法において、
前記（ｅ）工程は、
（ｅ１）前記層間絶縁層、前記イオン伝導部及び前記充填膜の一部を覆うように、前記第１の電極と離れて第３の電極を形成する工程を備える
スイッチング素子の製造方法。
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