JP5476742B2 - スイッチング素子、スイッチング素子の製造方法、電子デバイス、論理集積回路及びメモリ素子 - Google Patents

Description

本発明は、金属の析出を利用したスイッチング素子、スイッチング素子の製造方法、電子デバイス、論理集積回路及びメモリ素子に関する。

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するためには、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。金属の析出を利用したスイッチはサイズが小さく、オン抵抗が比較的小さいため、プログラマブルロジックに適用するスイッチとして注目されている。

上記金属の析出を利用したスイッチング素子として、２端子スイッチの技術が開示されている（例えば、特許文献１）。図１０は、上記特許文献１の２端子スイッチの構造を示す。図示するように、上記特許文献１記載の２端子スイッチは、金属イオンを供給する第１電極１１とイオンを供給しない第２電極１２とでイオン伝導層１４を挟んだ構造をしている。両電極間は、イオン伝導層１４中での金属架橋の形成・消滅によってスイッチングする。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。

しかし、上記したような２端子素子では、オンする際のオン抵抗を低減するようにスイッチングした場合、オフに遷移する際の電流であるオフ電流が数ｍＡ以上と大きくなってしまうという問題があった。オフ電流が大きくなると、プログラマブルロジックに応用した際に、周辺の回路サイズが大きくなってしまうため、金属の析出を利用したスイッチング素子の利点である小型性を生かせない。

上記問題を解決するために、金属の析出を利用した３端子スイッチの技術が開示されている（例えば、特許文献２）。図１１は、上記特許文献２記載の３端子スイッチ素子の構造を示す。上記特許文献２記載の３端子スイッチは、上記特許文献１に記載された第１電極１１及び第２電極１２に加え、金属架橋の形成・消滅をコントロールする第３電極１３を設けているので、オフ電流の信号線への影響を低減することができる。また、上記特許文献２記載の３端子スイッチは、金属架橋の太さが制御可能であるので、エレクトロマイグレーション耐性にも優れている。

しかしながら、金属の析出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（例えば、１Ｖ）以上のスイッチング電圧と半導体集積回路の製造工程に耐える熱耐性が必要となる。スイッチング電圧はイオン伝導体中の金属イオンの拡散速度に大きく依存するため、イオン伝導体材料の選択及び最適化が重要である。上記問題を解決するために、イオン伝導層に金属イオンの拡散の遅い酸化物を用いることで、スイッチング電圧を高め、高い熱耐性を得る技術が開示されている（例えば、特許文献３）。

特表２００２−５３６８４０号公報 再特ＷＯ２００６／０７０７７３号公報 特開２００６−３１９０２８号公報

アイイーイーイー・トランズアクション・オン・エレクトロン・デバイシズ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ Ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ）、２００８年、５５巻、１１号、３２８３頁〜３２８７頁 シン・ソリッド・フィルムス（Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ）、１９９５年、２６２巻、１６８頁〜１７６頁 ジャーナル・オブ・クリスタル・グロウス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ）、２０００年、２１２巻、４５９〜４６８頁

しかし、イオン伝導層に酸化物を適用する上記特許文献３の技術では、金属イオンの拡散が抑制されるため、第３電極による第１電極及び第２電極間の金属架橋の生成・消滅が困難となり、３端子動作が困難となってしまうという課題があった。

また、上記特許文献３のスイッチのようにイオン伝導層に酸化物を用いた３端子スイッチにおいて、第１電極及び第２電極間の金属架橋を操作するためには、第３電極に大きな電圧を印加する必要がある。しかし、第３電極に大きな電圧を印加すると、第１電極及び第２電極間の金属架橋を生成もしくは消滅させる前に、第３電極及び第１電極間もしくは第３電極及び第２電極間において、金属の析出もしくは絶縁破壊によって短絡が発生してしまうという課題があった。

本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、上述した課題を解決し、半導体プロセス親和性に優れる酸化物イオン伝導体を適用し、且つ低電圧で駆動できるスイッチング素子、スイッチング素子の製造方法、該スッチング素子を適用した電子デバイス、論理集積回路及びメモリ素子を提供することを目的とする。

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、第３の電極と、酸化物を含有するイオン伝導層と、を有し、第１の電極は、イオン伝導層に電子を供給し、第１の電極及び第３の電極の少なくとも１以上の電極は、イオン伝導層に金属イオンを供給し、金属イオンは、電子を受け取ってイオン伝導層中で金属を形成し、金属は、第１の電極と第２の電極間を接続し、第３の電極は、第１の電極及び第２の電極間を接続する金属の形成及び消去を制御し、イオン伝導層は、第１の電極と第２の電極と第３の電極とに接して設けられ、酸化物の結晶化温度で結晶化した酸化物の結晶である酸化物結晶よりも小さい酸化物の結晶である微結晶を含有し、微結晶は、結晶粒界を形成することを特徴とすることができる。

本発明のスイッチング素子は、微結晶は、酸化物の結晶化温度よりも低い温度でイオン伝導層を加熱することにより形成されることを特徴とすることができる。

本発明のスイッチング素子の製造方法は、第２の電極を形成する第２電極形成ステップと、酸化物を含有するイオン伝導層を第２の電極に接するように形成するイオン伝導層形成ステップと、イオン伝導層を、イオン伝導層が含有する酸化物の結晶化温度より低い温度で加熱する加熱ステップと、イオン伝導層表面の一部であって、第２の電極との接面と対向する面に、イオン伝導層に電子を供給する第１の電極を形成する第１電極形成ステップと、イオン伝導層表面の一部であって、第２の電極との接面と対向する面に第３の電極を形成する第３電極形成ステップと、を有し、第１電極形成ステップ及び第３電極形成ステップで形成された第１の電極及び第３の電極の少なくとも１以上の電極は、イオン伝導層に金属イオンを供給し、該金属イオンが電子を受け取ってイオン伝導層中に金属を形成することを特徴とすることができる。

本発明のスイッチング素子の製造方法は、加熱ステップは、酸化物の結晶化温度で結晶化する酸化物の結晶である酸化物結晶よりも小さい酸化物の結晶である微結晶をイオン伝導層に形成し、微結晶により形成される結晶粒界をイオン伝導層に含有させることを特徴とすることができる。

本発明の電子デバイスは、上記スイッチング素子を有することを特徴とすることができる。

本発明の論理集積回路は、上記スイッチング素子を有することを特徴とすることができる。

本発明のメモリ素子は、上記スイッチング素子と、スイッチング素子がオン状態及びオフ状態の何れの状態であるかを読み出すトランジスタ素子と、を有することを特徴とすることができる。

本発明によれば、酸化物を適用したスイッチング素子の動作時において、短絡の発生を抑制し、第１電極及び第２電極間の金属架橋の生成・消滅を容易に操作することが可能となる。

本実施形態に係るスイッチング素子の概略構成例を示す断面模式図である。 本実施形態に係るスイッチング素子の概略構成例を示す断面模式図である。 本実施形態に係るスイッチング素子の微結晶酸化物イオン伝導層内での金属イオンの移動経路例を示す断面模式図である。 本実施形態の効果を説明するためのスイッチング素子の概略構成例を示す断面模式図である。 本実施形態の効果を説明するためのスイッチング素子の電気特性例を示すグラフである。 本実施形態の効果を説明するためのスイッチング素子の電気特性例を示すグラフである。 本実施形態に係るスイッチング素子の製造工程を示す断面模式図である。 本実施形態に係るスイッチング素子を適用したプログラマブルロジックの概略構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るスイッチング素子を適用したメモリ素子の概略構成例を示す模式図である。 特許文献１に係る２端子スイッチング素子の構成を示す断面模式図である。 特許文献２に係る３端子スイッチング素子の構成を示す断面模式図である。

以下に本発明の実施形態の例について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係るスイッチング素子の概略構成例を示す。以下に、本実施形態に係る３端子スイッチング素子の構成について説明する。尚、本実施形態では、３端子スイッチング素子について例を挙げて説明するが、これに限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態に係る３端子スイッチング素子は、第１電極１１と、第２電極１２と、第３電極１３と、微結晶酸化物イオン伝導層１５と、を備えている。本実施形態に係る３端子スイッチング素子は、第２電極１２の上層に微結晶酸化物イオン伝導層１５を設け、微結晶酸化物イオン伝導層１５の表面であって第２電極１２が形成された面と対向する面に、微結晶酸化物イオン伝導層１５を介して第１電極１１及び第３電極１３を設けている。尚、本実施形態では「上」や「下」と表現することがあるが、これは相対的な位置関係を便宜的に表現したものに過ぎず、例えば、上下を入れ替えたり上下を左右に置き換えたりしてもよい。

本実施形態に係る３端子スイッチング素子は、第１電極１１及び第３電極１３を、金属イオンを供給する金属で形成し、第２電極１２を、金属イオンを供給しない金属で形成している。また、微結晶酸化物イオン伝導層１５は、第１電極及び第３電極から供給された金属イオンを伝導するための媒体となる。

本実施形態では、この微結晶酸化物イオン伝導層１５を、まずスパッタ法又はレーザアブレーション法等を用いて酸化物の薄膜を形成し、次に酸化物の結晶化温度よりも低い温度でアニール処理を行うことで形成する。これにより、本実施形態における微結晶酸化物イオン伝導層１５に酸化物の微結晶を形成する。ここで、微結晶とは、酸化物の結晶化温度で形成される結晶である酸化物結晶よりも小さく、微細な酸化物の結晶を示している。尚、上記では、微結晶を形成して微結晶酸化物イオン伝導層１５に含有させる例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、微結晶に加え、酸化物の結晶化温度で形成される結晶である酸化物結晶と同等又はそれ以上の大きさの結晶を形成して、微結晶酸化物イオン伝導層１５に含有させるようにしてもよい。

図２は、本実施形態に係るスイッチング素子の概略構成例を示す。図３は、本実施形態に係るスイッチング素子の微結晶酸化物イオン伝導層１５内での金属イオンの移動経路例を示す。次に、本実施形態に係る３端子スイッチの駆動方法例について、図２及び図３を用いて説明する。

まず、３端子スイッチ操作の前に、第１電極１１及び第２電極１２間で２端子操作を行い、金属架１７橋を形成・溶解する。具体的には、第２電極１２を接地して第１電極１１に正電圧を印加することで、第１電極１１の金属が金属イオン１６になり、微結晶酸化物イオン伝導層１５に溶解する。そして、微結晶酸化物イオン伝導層１５に溶解した金属イオン１６が第２電極１２表面に析出し、析出した金属により第１電極１１と第２電極１２を接続する金属架橋１７が形成され、第１電極１１と第２電極１２間がオンになる。その後、第１電極１１に負電圧を印加することにより、金属架橋１７の一部が溶解し第１電極１１と第２電極１２間がオフになる。

次に、第１電極１１と第２電極１２を接地して、第３電極１３に正電圧を印加すると、第３電極１３の金属が金属イオン１６になり、微結晶酸化物イオン伝導層１５に溶解する。そして、微結晶酸化物イオン伝導層１５に溶解した金属イオン１６が、上述した２端子操作において金属架橋１７が溶解した箇所に析出する。これにより、再び第１電極１１と第２電極１２が接続し、３端子スイッチング素子がオン状態になる。

一方、上記したように３端子スイッチング素子がオン状態にある場合に、第３電極１３に負の電圧を印加すると、金属架橋１７の金属が微結晶酸化物イオン伝導層１５に溶解し、金属架橋４７の一部の接続が途切れる。この際、第２電極１２は、溶解した金属イオン１６を回収する。これにより、第１電極１１と第２電極１２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。

尚、第３電極１３を接地し、第１電極１１又は第２電極１２に負電圧を印加してスイッチング素子をオン状態にすることや、第１電極１１又は第２電極１２に正電圧を印加してスイッチング素子をオフ状態にすることも可能である。また、第２電極１２は全てが金属イオンを供給しない材料である必要はなく、少なくとも微結晶酸化物イオン伝導層１５と接触する部位が金属イオンを供給しない材料であればよい。

また、微結晶酸化物イオン伝導層１５には、半導体プロセス親和性に優れる酸化物を適用することができる。例えば、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化銅、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、その組み合わせ等が好適である。

本実施形態に係る３端子スイッチング動作においては、図３に示すように金属イオン１６は微結晶酸化物イオン伝導層１５に含有される酸化物の微結晶１８の結晶粒界１９を移動する。上記非特許文献１に記載されているように、金属イオンの拡散速度は微結晶のバルク中よりも、結晶粒界の方が速くなる。

図４は、本実施形態に係る３端子スイッチング素子の効果を説明するための図である。図５及び図６は、本実施形態係る３端子スイッチング素子の効果を説明するためのスイッチング素子の電気特性例を示すグラフである。本実施形態に係る３端子スイッチの微結晶酸化物イオン伝導層の効果について図４〜図６を参照して説明する。以下、説明の便宜のために２端子スイッチング素子の例について説明するが、これに限定されるものではないことは言うまでもない。

図５及び図６は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ）構造のスイッチを作製し、アニールに伴うスイッチング特性の変化を観測した結果である。スイッチング素子は、図４に示すように、上部電極２０、酸化物イオン伝導層２１、下部電極２２、低抵抗シリコン基板２３、を備えている。ここでは、低抵抗シリコン基板２３上に、下部電極２２として白金２０ｎｍを設けている。また、下部電極２２上に、酸化物イオン伝導層２１として酸化タンタルを１５ｎｍ成膜している。さらに、上部電極２０として酸化物イオン伝導層２１上にシリコンで作製したマスクを介して真空蒸着法で銅を１００ｎｍ成膜している。上部電極２０に電圧を印加し、低抵抗シリコン基板２３を介して下部電極２２を設置している。尚、本実施形態では以上のような構成のスイッチング素子を用いた場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではない。

図５は、上記図４の素子において、上部電極２０を形成する前に酸素中で酸化物イオン伝導層２１をアニールした場合とアニールしなかった場合との、電流の過渡応答を示している。図５に示すように、酸化物イオン伝導層２１に上部電極２０を接して、金属イオンが酸化物イオン伝導層２１中に供給されるように定電圧を印加した場合、まず電流値が一度減少した後、増加に転じる傾向が見られる。前者の電流の減少は、金属イオンが酸化物イオン伝導層２１中に供給される際における、金属のイオン化に伴う電子のやり取りに起因するイオン電流である。他方、後者の電流の増加は、酸化物中における電子電流である（例えば、非特許文献２参照）。

図５に示すように、上部電極２０を形成する前に酸素中で酸化物イオン伝導層２１に３５０℃３０分のアニールを行ったスイッチング素子の過渡電流は、４Ｖの定電圧印加時に１秒程度の間電流が減少し、その後増加に転じている。つまり、４Ｖの定電圧印加時に１秒程度イオン電流が観測される。一方、上記アニールを行っていないスイッチング素子の過渡電流は、５Ｖの定電圧印加時に５００秒以上の間、イオン電流が観測されている。イオン電流が観測されている時間は、金属イオンが供給し終わるまでの時間、すなわち金属イオンの拡散速度に関係していることから、酸化物イオン伝導層２１にアニールを行うことで酸化物イオン伝導層２１中での金属イオンの拡散速度が増加していることがわかる。

図６は、図４の素子を用いて測定した、電流−電圧特性である。上部電極２０に印加した電圧を正側へ走引すると、上部電極２０を形成する前に、酸化物イオン伝導層２１に対してアニールを行っていないスイッチング素子では、８．９Ｖ付近で電流が急に増加し、オン状態へ遷移する。一方、上部電極２０を形成する前に、酸化物イオン伝導層２１に対して酸素中で５５０℃３０分のアニールを行ったスイッチング素子は、１．２Ｖ付近でオン状態に遷移している。つまり、上部電極２０を形成する前に酸化物イオン伝導層２１に対してアニールを行ったスイッチング素子では、アニールを行っていないスイッチング素子に比較してオン電圧を著しく低下させることができる。ここで、上記非特許文献１にも示されているように、金属イオンの拡散速度が速いほど、オン電圧が低下する。すなわち、酸化物イオン伝導層にアニールを行うことで、酸化物イオン伝導層中での金属イオンの拡散速度が増加していることがわかる。

尚、図５では３５０℃３０分アニールしたスイッチング素子を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、図６と同様に５５０℃３０分アニールした場合にも、図５に示すような結果を得ることができる。同様に、図６においても、５５０℃３０分アニールした場合だけでなく、３５０℃３０分アニールした場合にも、図６に示すような結果を得ることができる。また、もちろんアニール温度が３５０〜５５０℃であれば図５及び図６に示すような結果を得ることができることは言うまでもないが、５５０℃以上であっても構わない。

図５及び図６に示すように、酸化物イオン伝導層にアニールを行うことによって、酸化物イオン伝導層中における金属イオンの拡散速度が増加する。上記アニールによる拡散速度の増加は、イオン伝導層である酸化物の微結晶化に起因している。例えば、酸化物として好適な酸化タンタルの結晶化温度は約７００℃付近であるが、３５０℃−４００℃付近でも微結晶化が進行することが上記非特許文献３にも示されている。具体的には、上記非特許文献３では、原子層堆積法を用いて酸化タンタルを３５０℃で成膜した際に、結晶が形成されていることを確認している。このように、結晶化温度以下の温度でも酸化タンタルの微結晶化が進行することが示唆されている。

図７は、本実施形態に係る３端子スイッチング素子の製造方法例を示す。次に、本実施形態に係る３端子スイッチング素子の製造方法例について、図７を用いて説明する。

図７の（ａ）に示すように、低抵抗シリコン基板１０３の表面にシリコン酸化膜１０２を形成する。シリコン酸化膜１０２上に真空蒸着法やスパッタ法等を用いて第２電極１０１を形成する。そして、図７の（ｂ）に示すように、第２電極上に酸化物イオン伝導層１０４を形成する。この際、成膜された酸化物の組成はターゲットの組成にできるだけ近くなるようにする。

次に、図７の（ｃ）に示すように、酸化物イオン伝導層１０４をアニールすることで、微結晶酸化物イオン伝導層１０５を得る。そして、図７の（ｄ）に示すように、図７の（ｃ）で得た微結晶酸化物イオン伝導層１０５上の一部分に絶縁層１０６を形成する。図７の（ｅ）に示すように、パターニングされた絶縁層１０６上及び絶縁層１０６に覆われていない微結晶酸化物イオン伝導層１０５上に、真空蒸着法又はスパッタ法等により第１電極に適用する金属を堆積する。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ンニングを行う。パターニング後、該金属をエッチングすることで第１電極１０７を形成する。

最後に、図７の（ｆ）に示すように、パターニングされた絶縁層１０６、絶縁層１０６に覆われていない微結晶酸化物イオン伝導層１０５、第１電極１０１上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により第３電極に適用される金属を堆積させる。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、金属をエッチングし、第３電極１０８を形成する。

本実施形態により、半導体プロセス親和性に優れる酸化物を含有する酸化物イオン伝導層にアニールを行うことで、電極から供給される金属イオンの拡散速度を向上させることが可能となり、スイッチング素子のオン電圧を低下させることが可能となる。これにより、酸化物イオン伝導層にアニールを行ったスイッチング素子は、繰り返し耐性や保持耐性といった信頼性を向上させることが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態では、上記実施形態１の３端子スイッチング素子をプログラマブルロジックに適用した例について説明する。

図８は、上記実施形態１の３端子スイッチング素子を用いたプログラマブルロジックの概略構成例を示す。図８に示すように、プログラマブルロジック１１４は、２次元配列状に配置された多数のロジックセル１１１と、ロジックセル１１１間を接続するための配線と、配線間の接続・非接続を切り替えるための多数のスイッチング素子１１２と、を備えている。スイッチの接続状態を接続又は非接続に変えることにより、ロジックセル１１１間の配線の構成やロジックセル１１１の機能等を設定し、仕様に合わせた論理集積回路を得ることが可能となる。

スイッチング素子１１２は、例えば、ドレイン電極Ｄ、ソース電極Ｓ、ゲート電極Ｇを備えるトランジスタ素子である。上記実施形態１の３端子スイッチング素子を本実施形態のスイッチに適用すると、上記実施形態１の第１電極が図８に示すドレイン電極Ｄに相当し、第２電極がソース電極Ｓに相当し、第３電極がゲート電極Ｇに相当する。そして、図８に示すようにソース電極Ｓがロジックセル１１１に接続され、ドレイン電極Ｄがプログラマブルロジック１１４内の信号線１１３に接続されている。

オン状態に設定された３端子スイッチは、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとが電気的に接続された状態を維持する。そして、ロジック信号が信号線１１３を介してドレイン電極Ｄに到達すると、ソース電極Ｓを経由してロジックセル１１１に入る。その反対に、オフ状態に設定された３端子スイッチは、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとが電気的に接続が切れた状態を維持する。この場合、ロジック信号は、信号線１１３を介してドレイン電極Ｄに到達しても、ソース電極Ｓに接続されたロジックセル１１１に入ることはできない。

このようにして、プログラマブルロジック１１４では、ユーザによりオン状態に設定された３端子スイッチが信号線として機能し、オン状態のスイッチに接続されたロジックセル１１１が動作可能な状態を維持する。

本実施形態により、上記実施形態１の３端子スイッチをプログラマブルロジックのスイッチに適用することで、スイッチのオフ状態のリーク電流を低減し、プログラマブルロジック全体の消費電流を小さくすることが可能となる。また、上記実施形態１の３端子スイッチをプログラマブルロジックのスイッチに適用することで、昇圧回路が必要なくなり、チップサイズを低減することが可能となる。

尚、本実施形態では、上記実施形態１のスイッチング素子をロジックセルへの接続及び非接続を切り替えるために用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、配線の切り替えやロジックセルの機能の切り替えを行うためのスイッチに適用することも可能である。

ここで、スイッチング素子を適用する、電子信号により回路構成を変更し、１つのチップで多くの機能を提供できるプログラマブルロジックとしては、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＤＲＰ（Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等を例として挙げることができる。

（実施形態３）
本実施形態では、上記実施形態１の３端子スイッチング素子を適用したメモリ素子の例について説明する。

図９は、上記実施形態１の３端子スイッチング素子を用いたメモリ素子の概略構成例を示す。図９に示すように、本実施形態に係るメモリ素子は、情報を保持するためのスイッチング素子１２２と、スイッチング素子１２２の情報を読み出すためのトランジスタ素子１２１と、を備えている。本実施形態では、このスイッチング素子１２２として、上記実施形態１の３端子スイッチング素子を適用する。スイッチング素子１２２は、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極を有するトランジスタの構成と同様であり、それぞれの電極が上記実施形態１の３端子スイッチング素子の第１電極、第２電極、第３電極に対応している。

トランジスタ素子１２１は、ソース電極がビット線１２３に接続され、ゲート電極がワード線１２５に接続されている。スイッチング素子１２２は、第２電極がビット線１２４に接続され、第３電極がワード線１２６に接続されている。そして、スイッチング素子１２２の第１電極は、トランジスタ素子１２１のドレイン電極に接続されている。

次に、メモリ素子への情報の書き込み方法例について説明する。尚、ここでは、メモリ素子が保持する情報「１」と「０」のうち、スイッチング素子１２２のオン状態を「１」とし、オフ状態を「０」とする。また、スイッチング素子１２２のスイッチング電圧をＶｔとし、トランジスタ素子１２１の動作電圧をＶＲとする。しかし、もちろんこれに限定されるものではない。

メモリ素子に情報「１」を書き込む場合は、スイッチング素子１２２の第３電極に接続されたワード線１２６に電圧Ｖｔを印加し、第２電極に接続されたビット線１２４の電圧を０Ｖにする。そして、ビット線１２３に電圧（Ｖｔ／２）を印加する。これにより、スイッチング素子１２２は、オン状態になり、メモリ素子に情報「１」が書き込まれる。

他方、メモリ素子に情報「０」を書き込む場合には、スイッチング素子１２２の第３電極に接続されたワード線１２６の電圧を０Ｖにして、第２電極に接続されたビット線１２４に電圧Ｖｔを印加する。そして、ビット線１２３に電圧（Ｖｔ／２）を印加する。これにより、スイッチング素子１２２は、オフ状態になり、情報「０」が書き込まれる。

次に、メモリ素子に保持された情報の読み出し方法例について説明する。

ワード線１２５に電圧ＶＲを印加してトランジスタ素子１２１をオンさせ、ビット線１２３とビット線１２４との間の抵抗値を求める。この抵抗値は、トランジスタ素子１２１のオン抵抗とスイッチング素子１２２との合成抵抗値となる。この合成抵抗値が測定できないほど大きい場合にはスイッチング素子１２２がオフ状態であると判定でき、メモリ素子に保持された情報が「０」であることがわかる。一方、合成抵抗値が所定の値より小さい場合にはスイッチング素子１２２がオン状態であると判定でき、メモリ素子に保持された情報が「１」であることがわかる。

本実施形態により、上記実施形態１の３端子スイッチをメモリ素子の情報保持のためのスイッチング素子に用いることで、スイッチのオフ状態のリーク電流を低減することが可能となる。そのため、メモリ素子がアレイ状に複数配置されたメモリデバイスに本実施形態のメモリ素子を用いれば、メモリデバイス全体の消費電流を小さくすることが可能となる。

以下、本発明に係るスイッチング素子の製造方法の実施例として具体的な例を挙げて説明する。しかし、これに限定されるものではない。

本実施例の３端子スイッチング素子の製造方法について、上記図７を用いて説明する。図７の（ａ）に示すように、低抵抗シリコン基板１０３の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１０２を形成した。シリコン酸化膜１０２上に窒化チタン及び白金を真空蒸着法又はスパッタ法で膜厚５ｎｍ及び４０ｎｍで成膜して、第２電極１０１とした。

次に、図７の（ｂ）に示すように、酸化タンタルを含有する酸化物イオン伝導層１０４を膜厚１５ｎｍで形成した。この際、成膜された酸化物の組成はターゲットの組成にできるだけ近くなるようにする。具体的には、スパッタを行う際に、供給する酸素量を最適化する。本実施例では、酸素流量１ｓｃｃｍ、ガス圧０．５Ｐａの成膜条件で複合酸化物層を成膜し、酸素がタンタルの２．５倍含まれる化学量論的な酸化物層を得た。

図７の（ｃ）に示すように、酸化物イオン伝導層１０４を窒素中５５０℃３０分アニールすることで、微結晶酸化物イオン伝導層１０５を得た。ここで、５５０℃とは、酸化タンタルの結晶化温度よりも低い温度である。

次に、図７の（ｅ）に示すように、微結晶酸化物イオン伝導層１０５上の一部分に絶縁層１０６を酸化シリコンで形成した。具体的には、微結晶酸化物イオン伝導層１０５上にスパッタ法で酸化シリコンを１００ｎｍ形成し、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った。パターニング後、酸化シリコンをエッチングし、絶縁層１０６とした。

そして、パターニングされた絶縁層１０６上及び絶縁層１０６に覆われていない微結晶酸化物イオン伝導層１０５上に、真空蒸着法又はスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅を堆積させた。そして、堆積させた銅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った。パターニング後、銅をエッチングし、第１電極１０１を形成した。

次に、図７の（ｆ）に示すように、パターニングされた絶縁層１０６、絶縁層１０６に覆われていない微結晶酸化物イオン伝導層１０５、第１電極１０１上に、真空蒸着法又はスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅を堆積させた。そして、堆積させた銅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った。パターニング後、銅をエッチングし、第３電極１０３を形成した。

上記のような方法で、第１電極、第２電極、第３電極、微結晶酸化物イオン伝導層を備えるスイッチング素子を製造した。このように製造したスイッチング素子では、動作時に第３電極と第１電極もしくは第３電極と第２電極が短絡することなく、低電圧で第１電極及び第２電極間の金属架橋の生成・消滅を操作することが可能となる。

尚、本実施例では、第１電極及び第３電極として、銅を適用する例を挙げて説明した。上述のように第１電極や第３電極に銅を適用した場合には、高いエレクトロマイグレーション耐性を得ることが可能である。しかし、これに限定されるものではなく、金属イオンを供給することが可能な金属であれば、第１電極及び第３電極として適用することが可能である。

上述したように、酸化物イオン伝導層を含有し、微結晶体であり結晶粒界を含んでいると、電極から供給された金属イオンは結晶粒界を通して拡散する。結晶粒界における金属イオンの拡散は、バルクや格子間における拡散よりも速い。この電極から供給される金属イオンの拡散速度が速いほど、金属架橋スイッチング素子のスイッチング電圧を低減することが可能となる。そのため、酸化物イオン伝導層に酸化物結晶化温度よりも低い温度でアニールを行った本実施形態に係るスイッチング素子では、動作時に金属架橋の形成・消滅を低電圧で行うことが可能となる。

また、本実施形態に係るスイッチング素子は、半導体プロセス親和性に優れる酸化物イオン伝導体を酸化物イオン伝導層に用い、且つ低電圧で動作可能なため、繰り返し耐性や保持耐性といった信頼性も向上することが可能となる。

本発明によれば、スイッチング素子が３端子スイッチング素子の場合、動作時に第３電極と第１電極もしくは第３電極と第２電極が短絡することなく、低電圧で第１電極及び第２電極間の金属架橋の生成・消滅を容易に操作することが可能となる。これにより、高信頼性を有する３端子スイッチング素子を提供することが可能となる。また、スイッチング電圧が低下することにより、３端子スイッチング素子を搭載したプログラマブルロジックは、昇圧回路が必要なくなり、チップサイズを低減することが可能となる。

また、上記実施形態では、スイッチング素子を論理集積回路やメモリ素子に適用する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、様々な電子デバイスに適用することが可能である。

以上好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述したスイッチング素子、スイッチング素子の製造方法、電子デバイス、論理集積回路及びメモリ素子に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるということは言うまでもない。

１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 第３電極
１４ イオン伝導層
１５ 微結晶酸化物イオン伝導層
１６ 金属イオン
１７ 金属架橋
１８ 微結晶
１９ 結晶粒界
２０ 上部電極
２１ 酸化物イオン伝導層
２２ 下部電極
２３ 低抵抗シリコン基板
１０１ 第２電極
１０２ シリコン酸化膜
１０３ 低抵抗シリコン基板
１０４ 酸化物イオン伝導層
１０５ 微結晶酸化物イオン伝導層
１０６ 絶縁層
１０７ 第１電極
１０８ 第３電極
１１１ ロジックセル
１１２ スイッチング素子
１１３ 信号線
１１４ プログラマブルロジック
１２１ トランジスタ素子
１２２ スイッチング素子
１２３、１２４ ビット線
１２５、１２６ ワード線

Claims (16)

1. 第１の電極と、第２の電極と、第３の電極と、酸化物を含有するイオン伝導層と、を有し、
   前記第１の電極は、前記イオン伝導層に電子を供給し、
   前記第１の電極及び前記第３の電極の少なくとも１以上の電極は、前記イオン伝導層に金属イオンを供給し、
   前記金属イオンは、前記電子を受け取って前記イオン伝導層中で金属を形成し、
   前記金属は、前記第１の電極と前記第２の電極間を接続し、
   前記第３の電極は、前記第１の電極及び前記第２の電極間を接続する前記金属の形成及び消去を制御し、
   前記イオン伝導層は、前記第１の電極と前記第２の電極と前記第３の電極とに接して設けられ、電極前記酸化物の結晶化温度で結晶化した前記酸化物の結晶である酸化物結晶よりも小さい前記酸化物の結晶である微結晶を含有し、
   前記微結晶は、結晶粒界を形成することを特徴とするスイッチング素子。
2. 前記微結晶は、前記酸化物の結晶化温度よりも低い温度で前記イオン伝導層を加熱することにより形成されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング素子。
3. 前記イオン伝導層は、前記酸化物結晶と前記微結晶とを含有することを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング素子。
4. 前記酸化物は、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化銅、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及びその組み合わせの何れかであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のスイッチング素子。
5. 前記第１の電極及び第３の電極の少なくとも１つは、銅で形成されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のスイッチング素子。
6. 前記第２の電極は、少なくとも前記イオン伝導層との接面が、前記金属イオンを供給しない材料で形成されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のスイッチング素子。
7. 第２の電極を形成する第２電極形成ステップと、
   酸化物を含有するイオン伝導層を前記第２の電極に接するように形成するイオン伝導層形成ステップと、
   前記イオン伝導層を、前記イオン伝導層が含有する酸化物の結晶化温度より低い温度で加熱し前記酸化物を微結晶とする加熱ステップと、
   前記イオン伝導層表面の一部であって、前記第２の電極との接面と対向する面に、前記イオン伝導層に電子を供給する第１の電極を形成する第１電極形成ステップと、
   前記イオン伝導層表面の一部であって、前記第２の電極との接面と対向する面に第３の電極を形成する第３電極形成ステップと、を有し、
   前記第１電極形成ステップ及び前記第３電極形成ステップで形成された第１の電極及び第３の電極の少なくとも１以上の電極は、前記イオン伝導層に金属イオンを供給し、該金属イオンが前記電子を受け取って前記イオン伝導層中に金属を形成することを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
8. 前記加熱ステップは、前記酸化物の結晶化温度で結晶化する前記酸化物の結晶である酸化物結晶よりも小さい前記微結晶を前記イオン伝導層に形成し、前記微結晶により形成される結晶粒界を前記イオン伝導層に含有させることを特徴とする請求項７記載のスイッチング素子の製造方法。
   
9. 前記加熱ステップは、前記酸化物結晶と前記微結晶とを前記イオン伝導層に形成することを特徴とする請求項８記載のスイッチング素子の製造方法。
10. 前記酸化物は、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化銅、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム及びその組み合わせの何れかであることを特徴とする請求項７から９の何れか１項に記載のスイッチング素子の製造方法。
11. 前記第１電極形成ステップは、前記第１の電極を銅で形成することを特徴とする請求項７から１０の何れか１項に記載のスイッチング素子の製造方法。
12. 前記第３電極形成ステップは、前記第３の電極を銅で形成することを特徴とする請求項７から１１の何れか１項に記載のスイッチング素子の製造方法。
13. 前記第２電極形成ステップは、前記第２の電極のうち少なくとも前記イオン伝導層との接面を、前記金属イオンを供給しない材料で形成することを特徴とする請求項７から１２の何れか１項に記載のスイッチング素子の製造方法。
14. 請求項１から６の何れか１項に記載のスイッチング素子を有することを特徴とする電子デバイス。
15. 請求項１から６の何れか１項に記載のスイッチング素子を有することを特徴とする論理集積回路。
16. 請求項１から６の何れか１項に記載のスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子がオン状態及びオフ状態の何れの状態であるかを読み出すトランジスタ素子と、を有することを特徴とするメモリ素子。

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