WO2006070681A1 - スイッチング素子、および書き換え可能な論理集積回路 - Google Patents

スイッチング素子、および書き換え可能な論理集積回路 Download PDF

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Toshitsugu Sakamoto
Hisao Kawaura
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Definitions

  • the present invention relates to a switching element using an electrochemical reaction and a rewritable logic integrated circuit.
  • LSIs for special applications are provided with a plurality of logic cells serving as basic logic circuits, and the logic cells to be operated according to user specifications are selected.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuits
  • programmable logic rewritable logic integrated circuits
  • the conventional ASIC has the advantage of lowering the unit price of the product due to mass production, but has the disadvantage of higher development costs and longer development periods.
  • Programmable logic on the other hand, has the advantage of lower development costs and shorter development time, although the product price is higher and the operating speed is slower than conventional ASICs.
  • developments have been made to make the switching device for programming smaller and to improve the operating performance.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a conventional programmable logic.
  • the programmable logic 110 As shown in FIG. 1, in the programmable logic 110, a large number of logic cells 112 arranged in a two-dimensional array, wiring for connecting the logic cells, and connection / disconnection between the wirings are switched. It consists of a number of switches 114. By changing the connection state (connected or not connected) of the 2-terminal switch, it is possible to set the wiring configuration between logic cells, the function of logic sensing, etc., and obtain a logic integrated circuit that meets the specifications.
  • the programmable device disclosed in JP 2002-536840 A is used for the switch 114. Below, the programmable device is referred to as a two-terminal switch.
  • the two-terminal switch has an ion conductive layer and a first electrode and a second electrode arranged so as to sandwich the ion conductive layer. Has poles.
  • the ion conductive layer serves as a metal ion conductive medium supplied from the second electrode.
  • metal is deposited at the portion of the ion conductive layer in contact with the first electrode and grows against the second electrode.
  • the first electrode and the second electrode are connected by the deposited metal.
  • This state is an on state.
  • a positive voltage is applied to the first electrode with respect to the second electrode, it dissolves in the deposited metal force S ion conduction layer and disconnects the connection between the first electrode and the second electrode.
  • This state is an off state.
  • the voltage applied to the first electrode in order to make a transition from the on state to the off state or the off state force on state is referred to as a switching voltage.
  • the first electrode of the two-terminal switch is connected to the signal line 116 in the programmable logic 110, and the second electrode is connected to the logic cell 112.
  • the two-terminal switch that is set to the ON state by the user operation maintains the state where the first electrode and the second electrode are electrically connected.
  • the logic sensor 112 passes through the second electrode.
  • the two-terminal switch set to the off state maintains the state where the first electrode and the second electrode are electrically disconnected. In this case, even if the logic signal reaches the first electrode via the signal line 116, it cannot enter the logic cell 112 connected to the second electrode.
  • the two-terminal switch set to the on state by the user functions as a signal line, and the logic cell connected to the two-terminal switch in the on state is maintained in an operable state.
  • the inventors have developed a three-terminal switch including a third electrode serving as a control electrode for switching the state with respect to the two-terminal switch.
  • the metal connecting the first electrode and the second electrode can be made thicker in the on state, and the resistance between the first electrode and the second electrode can be made smaller than in the case of the two-terminal switch.
  • the logic signal input to the three-terminal switch usually has one of two types of voltages, V dd and OV, which are the operating voltages of the logic circuit. Therefore, a logic signal having a voltage of Vdd or OV is input to the first electrode and the second electrode.
  • the three-terminal switch After setting the three-terminal switch to the on state, if the third electrode is set to the ground potential, the three-terminal When a Vdd logic signal is input to the switch, the first and second electrodes have a higher potential than the third electrode. Since the first electrode and the second electrode are pulled up to a higher potential with respect to the third electrode, they may be dissolved in the deposited metal force S ion conduction layer and deposited on the third electrode. If this phenomenon is repeated, the electrical connection such as resistance and capacitance between the first electrode and the second electrode only changes, and the connection between the first electrode and the second electrode is lost. As a result, the 3-terminal switch will transition to the set on-state force-off state.
  • the third electrode Since the third electrode is pulled up to a higher potential than the first electrode or the second electrode, the third electrode force, a small amount of metal ion force, dissolves in the ionic conduction layer, and the cutting point between the first electrode and the second electrode Metal deposits to fill If this phenomenon is repeated, the first electrode and the second electrode are connected by the deposited metal. As a result, the 3 terminal switch will transition to the set off state force on state.
  • the time for maintaining the state of the 3-terminal switch requires a longer period than the product life (generally 10 years) in which the programmable logic is used. If the state of the switch changes due to the logic signal itself, the problem of not functioning as a switch occurs. As described above, this problem occurs even when the switching voltage is higher than the operating voltage of the logic signal.
  • the present invention has been made to solve the problems of the conventional techniques as described above, and provides a switching element and a rewritable logic integrated circuit that hold the setting state of the switch more stably. For the purpose.
  • the switching element of the present invention includes an ion conductive layer for conducting metal ions, a first electrode and a second electrode provided in contact with the ion conductive layer, A third electrode capable of supplying metal ions to the on-conduction layer, and a diffusion prevention layer provided between the ion conduction layer and the third electrode, and for preventing metal ions from diffusing from the third electrode to the ion conduction layer It is the structure which has.
  • the diffusion prevention layer is provided between the ion conductive layer and the third electrode, a signal voltage is applied to the first electrode and the second electrode, and the first electrode, the second electrode, and the second electrode Even if a potential difference occurs between the three electrodes, the third electrode force can also be prevented from diffusing into the metal ion force S ion conduction layer.
  • the switching element of the present invention includes an ion conductive layer for conducting metal ions, a first electrode and a second electrode provided in contact with the ion conductive layer, to which a signal voltage is input from the outside, It is configured to include a third electrode that is provided in contact with the ion conductive layer and can supply metal ions, and a constant voltage unit that applies a voltage of 1Z2 that is the maximum value of the signal voltage to the third electrode.
  • the switching element of the present invention includes an ion conductive layer for conducting metal ions, a first electrode and a second electrode that are provided in contact with the ion conductive layer and to which a signal voltage is input from the outside,
  • the structure includes a third electrode provided in contact with the ion conductive layer and capable of supplying metal ions, and a switching switch for interrupting a current to the third electrode.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a conventional programmable logic.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing one structural example of a switch used in the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the switch shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example in which the switch of the present invention is applied to programmable logic.
  • FIG. 5A is a circuit diagram illustrating a configuration example of a switch according to the first embodiment.
  • FIG. 5B is a circuit diagram showing a configuration example of the switch of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of the switch of Example 2.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing one structural example of a switch of Example 3.
  • the switching element of the present invention provides a diffusion prevention layer between the third electrode and the ion conductive layer, so that after setting the switch state, the third power is input when an external force logic signal is input.
  • the poles and the deposited metal force are also made so as not to diffuse the metal ions.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the three-terminal switch of this embodiment.
  • the three-terminal switch is provided with a second electrode 32 and a third electrode 34 having a copper force on a silicon oxide film 100 formed on the surface of a silicon substrate.
  • the distance between the second electrode 32 and the third electrode 34 is about 1 ⁇ m from lOOnm.
  • An ion conductive layer 42 having a copper sulfide force is provided so as to cover the upper and side surfaces of the second electrode 32 and the third electrode 34.
  • An insulating layer 56 having an opening having a diameter of 0.2 m is formed on the ion conductive layer 42.
  • the insulating layer 56 is made of calixarene. This opening is provided at a position facing the second electrode 32 with the ion conductive layer 42 interposed therebetween.
  • a first electrode 26 having a platinum power is formed on the insulating layer 56. The first electrode 26 is in contact with the ion conductive layer 42 through the opening of the insulating layer 56.
  • a silicon oxide film 100 having a thickness of 300 nm is formed on the surface of the silicon substrate.
  • a resist pattern is formed on a portion of the silicon oxide film 100 where the second electrode 32 and the third electrode 34 are not formed by a conventional lithography technique.
  • the upper force is 100 ⁇ by vacuum deposition.
  • the resist pattern is lifted off by lift-off technology, and the remaining portions of copper are formed as the second electrode 32 and the third electrode 34.
  • the distance between the second electrode 32 and the third electrode 34 is set to the above-described value in the dimension of the resist pattern of the lithography technique.
  • copper sulfide serving as an ion conductive layer is formed to a thickness of 40 nm by a laser ablation method so as to cover the upper surfaces and side surfaces of the second electrode 32 and the third electrode 34.
  • a force-like arene that becomes the insulating layer 56 is applied on the ion conductive layer 42 by spin coating to a thickness of 120 nm, and a pattern having an opening of 0.2 m in diameter is formed in the insulating layer 56 by lithography. At that time, an opening is formed in a portion of the insulating layer 56 located on the second electrode 32.
  • a resist pattern is formed, platinum is vacuum-deposited with a film thickness of 40 nm, and lift-off is sequentially performed to form the first electrode 26.
  • the second electrode 32 and the third electrode 34 are grounded, and a negative voltage is applied to the first electrode 26.
  • a negative voltage is applied to the first electrode 26.
  • a copper metal dendrite grows from the surface of the first electrode at the opening portion of the insulating layer 56 to the second electrode 32, and the two electrodes are electrically connected. This turns on the 3-terminal switch.
  • a negative voltage is applied to the third electrode 34 with respect to the first electrode 26 and the second electrode 32 having the same potential. Due to the negative voltage applied to the third electrode 34, the copper constituting the metal dendrite becomes copper ions and dissolves in the ion conductive layer 42, and the dissolved copper ions precipitate as copper on the surface of the third electrode. As a result, part of the metal dendrite is electrically disconnected and the 3-terminal switch transitions to the off state. In addition, the step force before the electrical connection is completely broken also changes the electrical characteristics such as the resistance between the first electrode 26 and the second electrode 32 is increased and the capacitance between the electrodes is changed. Connection is lost.
  • the third electrode 34 supplies copper ions to the ion conductive layer 42.
  • copper ions from the ion conductive layer 42 are deposited as copper in the electrically cut portions of the metal dendrite.
  • a metal dendrite connects the first electrode 26 and the second electrode 32, The 3-terminal switch transitions to the on state.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the three-terminal switch shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example in which the three-terminal switch shown in FIG. 2 is applied to programmable logic.
  • the drain electrode D shown in FIG. 3 corresponds to the first electrode 26, the source electrode S corresponds to the second electrode 32, and the gate electrode G corresponds to the third electrode 34.
  • the source electrode S is connected to the logic cell 82, and the drain electrode D is connected to the signal line 86 in the programmable logic 80.
  • the three-terminal switch set to the on state maintains the state in which the source electrode S and the drain electrode D are electrically connected.
  • the three-terminal switch set to the off state maintains the state where the source electrode S and the drain electrode D are electrically disconnected.
  • FIGS. 5A and 5B are circuit diagrams showing the three-terminal switch of this embodiment.
  • the three-terminal switch includes a constant voltage unit 130 for applying a constant voltage to the gate electrode.
  • the switching between the gate electrode and the constant voltage unit 130 is performed so that the voltage of the constant voltage unit, such as the signal line force for connection when the switching voltage is applied to the gate electrode, is applied.
  • Switch 132 is provided. The user sets the state of the three-terminal switch to ON or OFF, and then switches the switching switch 132 so that the voltage of (lZ2) Vdd is applied to the gate electrode using the constant voltage unit 130.
  • FIG. 5B is a circuit diagram showing a configuration example of a three-terminal switch for keeping the gate electrode floating.
  • the three-terminal switch includes a switch 134 for maintaining the gate electrode in a floating state.
  • the user switches the switching switch 134 to bring the gate electrode into a buoyant state (floating state). Even when a voltage is applied to the gate electrode as noise from the signal line in the programmable logic 80, only a voltage of maximum Vdd is applied to the floating gate electrode. In addition, since the current necessary for the electrochemical reaction is not supplied to the gate electrode in the floating state, the generation / deposition reaction of metal ions between the gate electrode and the ion conducting layer is suppressed. Therefore, if the gate electrode is in a floating state, the on or off state is maintained.
  • the gate electrode By inputting a logic signal to the drain electrode and the source electrode, even if a voltage of Vdd or OV is applied to these two electrodes, the gate electrode is in a floating state. The stability of the 3-terminal switch at the time is improved.
  • the switching element of the present invention can also be applied to a switch for switching the wiring and the function of the logic cell used to switch connection / disconnection to the logic cell. It is.
  • programmable logic that can change the circuit configuration with electronic signals and provide many functions with a single chip, for example, enhances the field-programmable array (FPGA) and dynamically reconfigurable processor (DRP). .
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the switch of this embodiment.
  • the three-terminal switch supplies metal ions to the first electrode 21, the second electrode 31 formed via the first electrode 21 and the ion conductive layer 40, and the ion conductive layer 40.
  • Possible third electric And a pole 35 The distance between the second electrode 31 and the third electrode 35 is 0.
  • the second electrode 31 and the third electrode 35 are arranged apart by that distance.
  • a diffusion preventing layer 90 is formed between the third electrode 35 and the ion conductive layer 40.
  • the diffusion preventing layer 90 is formed of acid tantalum.
  • the diffusion prevention layer 90 can supply metal ions from the third electrode 35 to the ion conductive layer 40 when a switching voltage is applied to the third electrode 35.
  • the operating voltage of the logic signal is lower than the switching voltage. 35 prevents metal ions from dissolving, and prevents metal ions from entering the third electrode 35 from the ion conductive layer 40.
  • metal dendrite is formed in the on state. Further, since the on-state force transition operation to the off-state and the transition operation from the off-state to the on-state are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • a diffusion prevention layer is provided between the second electrode and the first electrode, not only between the third electrode and the first electrode.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the switch of this example.
  • a diffusion prevention layer 90 made of copper chloride is formed on the second electrode 32 and the third electrode 34.
  • the opening provided in the insulating layer 56 is at a position facing the second electrode 32 with the ion conduction 42 and the diffusion prevention layer 90 interposed therebetween.
  • the diameter of the opening provided in the insulating layer 56 is 0.2 m.
  • the distance between the second electrode 32 and the third electrode 34 is from lOOnm to 1 ⁇ m, and the second electrode 32 and the third electrode 34 are arranged apart by that distance.
  • the resist pattern is applied to the site without forming the second electrode 32 and the third electrode 34 by the conventional lithography technique. Form. Subsequently, the second electrode 32 having a thickness of lOOnm and the third electrode 34 having a thickness of lOOnm were further formed by vacuum evaporation, and the copper salt to be a diffusion preventing layer having a thickness of 20 nm was formed by a laser ablation method. After the formation, the resist pattern is lifted off by a lift-off technique to form the second electrode 32 and the third electrode 34 covered with the diffusion prevention layer 90. Thereafter, in the same manner as in Example 1, the ion conductive layer 42, the insulating layer 56, and the first electrode 26 are formed.
  • the diffusion prevention layer 90 suppresses the diffusion of copper ions from the second electrode 32, and the ion conductive layer 42 to the second electrode 32. Suppressing the entry of metal ions into the switch improves the stability of the 3-terminal switch during non-switching.
  • any of the switches of the second embodiment and the third embodiment may be applied to a programmable logic switch as in the first embodiment.
  • the electrodes (first electrode and some second electrodes) that do not supply metal ions to the ion conductive layer in the switching element of the present invention platinum alone is not used. It may be refractory metal (Ta, Ti, W, Mo), silicide (titanium silicide, cobalt silicide, molybdenum silicide), etc.
  • the metal constituting the electrodes (third electrode and some second electrodes) for supplying metal ions to the ion conductive layer may be Ag, Pb, or the like, not just copper.
  • a chalcogen element (0, S, Se, Te) and a metal compound other than copper sulfide alone
  • a silicon-containing insulator silicon oxide, silicon nitride, acid
  • Silicon nitride silicon nitride
  • perovskite oxide ABO, A: Mg, C
  • the diffusion prevention layer may be a silicon oxide film or alumina, which is a material that suppresses the diffusion of copper ions.

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Abstract

　本発明のスイッチング素子は、金属イオンを伝導するためのイオン伝導層４０と、イオン伝導層に接して設けられた第１電極２１および第２電極３１と、イオン伝導層に金属イオンを供給可能な第３電極３５と、イオン伝導層４０および第３電極３５の間に設けられ、第３電極３５からイオン伝導層４０に金属イオンが拡散するのを防止するための拡散防止層９０とを有する構成である。このような構成にすることで、スイッチの設定状態をより安定に保持することが可能となる。

Description

スイッチング素子、および書き換え可能な論理集積回路
技術分野
[0001] 本発明は、電気化学反応を利用したスイッチング素子、および書き換え可能な論理 集積回路に関する。
背景技術
[0002] 特殊用途向け LSI (ASIC : Application Specific Integrated Circuit)は、基本 的な論理回路となるロジックセルが複数設けられ、ユーザの仕様に合わせて動作さ せるロジックセルが選択される。製造過程の配線パターユング段階でロジックセルが 決定される従来型 ASICと、製品出荷後にユーザ側でロジックセルが決定されるプロ グラマブルロジック (書き換え可能な論理集積回路）とがある。従来型 ASICでは、量 産化により製品単価が安くなるというメリットがある反面、開発コストが高くなり、開発期 間が長くなるというデメリットがある。一方、プログラマブルロジックの場合には、従来 型 ASICに比べて製品単価が高ぐ動作速度が遅ぐ消費電力が増えるものの、開発 コストが安く開発期間が短いというメリットがある。そして、プログラマブルロジックの製 品単価をより安くし、高速動作化、低消費電力化するために、プログラム用スィッチン グ素子をより小さくするとともに、動作性能を向上させるための開発が行われている。
[0003] 図 1は従来のプログラマブルロジックの一構成例を示す模式図である。
[0004] 図 1に示すようにプログラマブルロジック 110では、 2次元配列状に配置された多数 のロジックセル 112と、ロジックセル間を接続するための配線、配線間の接続'非接続 を切り替えるための多数のスィッチ 114から構成される。 2端子スィッチの接続状態（ 接続'非接続)を変えることにより、ロジックセル間の配線の構成、ロジックセノレの機能 等を設定し、仕様に合わせた論理集積回路を得ることが可能となる。以下の背景技 術の説明では、特表 2002— 536840号公報に開示されたプログラマブルデバイス をスィッチ 114に用いる。以下では、プログラマブルデバイスを 2端子スィッチと称す る。
[0005] 2端子スィッチはイオン伝導層とこれを挟むように配置された第 1電極および第 2電 極を有する。イオン伝導層は第 2電極から供給される金属イオンの伝導媒体となる。 第 2電極に対して第 1電極に負電圧を印加すると、イオン伝導層の第 1電極と接する 部分において金属が析出し、第 2電極に向力つて成長する。そして前記析出金属に よって第 1電極と第 2電極とが接続する。この状態がオン状態である。反対に第 2電極 に対して第 1電極に正の電圧を印加すると、析出した金属力 Sイオン伝導層中に溶解 して第 1電極と第 2電極との接続が切り離される。この状態がオフ状態である。以下で は、オン状態からオフ状態、またはオフ状態力 オン状態に遷移するために第 1電極 に印加する電圧をスイッチング電圧と称する。
[0006] この 2端子スィッチの第 1電極をプログラマブルロジック 110内の信号線 116に接続 し、第 2電極をロジックセル 112に接続する。ユーザの操作によりオン状態に設定さ れた 2端子スィッチは、第 1電極と第 2電極が電気的に接続された状態を維持する。 そして、ロジック信号が信号線 116を介して第 1電極に到達すると、第 2電極を経由し てロジックセノレ 112〖こ人る。
[0007] オフ状態に設定された 2端子スィッチは、第 1電極と第 2電極が電気的に接続が切 れた状態を維持する。この場合、ロジック信号は、信号線 116を介して第 1電極に到 達しても、第 2電極に接続されたロジックセル 112に入ることはできない。
[0008] このようにして、プログラマブルロジックでは、ユーザによりオン状態に設定された 2 端子スィッチが信号線として機能し、オン状態の 2端子スィッチに接続されたロジック セルが動作可能な状態を維持する。
[0009] 一方、この 2端子スィッチに対して、状態を切り替えるための制御用電極となる第 3 電極を備えた 3端子スィッチの開発を発明者らは行っている。 3端子スィッチでは、ォ ン状態において第 1電極と第 2電極とを接続する金属を太くし、第 1電極および第 2電 極間の抵抗を 2端子スィッチの場合よりも小さくすることができる。
発明の開示
[0010] 3端子スィッチに入力されるロジック信号は、通常、ロジック回路の動作電圧となる V ddと OVの 2種類のうちいずれかの電圧を有する。そのため、第 1電極および第 2電極 に Vddまたは OVの電圧のロジック信号が入力される。
[0011] 3端子スィッチをオン状態に設定した後、第 3電極を接地電位にしておくと、 3端子 スィッチに Vddのロジック信号が入力されたとき、第 1電極および第 2電極が第 3電極 よりも電位が高くなる。第 1電極および第 2電極が第 3電極に対して高い電位に引き 上げられるため、析出した金属力 Sイオン伝導層に溶解して第 3電極に析出する場合 がある。この現象が繰り返されると、第 1電極および第 2電極間の抵抗や容量などの 電気特性が変化するだけでなぐついには第 1電極および第 2電極間の接続が切れ てしまう。その結果、 3端子スィッチは、設定されたオン状態力 オフ状態に遷移して しまうことになる。
[0012] 次に、 3端子スィッチをオフ状態に設定した場合について説明する。第 3電極に Vd dを印加した状態にし、 3端子スィッチの第 1電極と第 2電極に Vddのロジック信号が 入力された場合、第 1電極、第 2電極および第 3電極は同電位になるので、オン状態 に設定したときのような現象は起きない。一方、第 3電極に Vddを印加した状態のまま 、 OVの電圧のロジック信号が第 1電極または第 2電極に入力されると、第 3電極の電 位は第 1電極または第 2電極よりも高くなる。第 1電極または第 2電極に対して第 3電 極が高い電位に引き上げられるため、第 3電極力 微量の金属イオン力 Sイオン伝導 層に溶解して第 1電極と第 2電極との切断箇所を埋めるように金属が析出する。この 現象が繰り返されると、第 1電極および第 2電極間が析出した金属で接続されてしまう 。その結果、 3端子スィッチは、設定されたオフ状態力 オン状態に遷移してしまうこ とになる。
[0013] 3端子スィッチの状態を保持する時間 (不揮発性を保つ時間）としては、プログラマ ブルロジックが使用される製品寿命 (一般的に 10年)以上の長い期間が必要である。 ロジック信号自体によってスィッチの状態が変化してしまうと、スィッチとして機能しな いという問題が発生することになる。この問題は、上述したように、スイッチング電圧が ロジック信号の動作電圧よりも高い場合でも起きてしまう。
[0014] 本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたも のであり、スィッチの設定状態をより安定に保持するスイッチング素子および書き換え 可能な論理集積回路を提供することを目的とする。
[0015] 上記目的を達成するための本発明のスイッチング素子は、金属イオンを伝導するた めのイオン伝導層と、イオン伝導層に接して設けられた第 1電極および第 2電極と、ィ オン伝導層に金属イオンを供給可能な第 3電極と、イオン伝導層および第 3電極の 間に設けられ、第 3電極からイオン伝導層に金属イオンが拡散するのを防止するため の拡散防止層とを有する構成である。
[0016] 本発明では、イオン伝導層と第 3電極との間に拡散防止層を設けているため、第 1 電極および第 2電極に信号電圧が印加され、第 1電極および第 2電極と第 3電極との 間に電位差が生じても第 3電極力も金属イオン力 Sイオン伝導層に拡散するのを防げ る。
[0017] また、本発明のスイッチング素子は、金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、 イオン伝導層に接して設けられ、外部から信号電圧が入力される第 1電極および第 2 電極と、イオン伝導層と接して設けられ、金属イオンを供給可能な第 3電極と、第 3電 極に上記信号電圧の最大値の 1Z2の電圧を印加する定電圧部とを有する構成であ る。
[0018] さらに、本発明のスイッチング素子は、金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と 、イオン伝導層に接して設けられ、外部から信号電圧が入力される第 1電極および第 2電極と、イオン伝導層と接して設けられ、金属イオンを供給可能な第 3電極と、第 3 電極への電流を遮断するための切換スィッチとを有する構成である。
[0019] 上記本発明のスイッチング素子の!/、ずれにぉ 、ても、オン状態およびオフ状態の いずれかに設定された後、第 3電極力も金属イオン力 Sイオン伝導層に拡散するのを 防止するので、素子内での電気化学反応が抑制される。そのため、設定された状態 をより安定に保持し、長い時間使用しても設定された状態が変化することを防げる。 図面の簡単な説明
[0020] [図 1]図 1は従来のプログラマブルロジックの一構成例を示す模式図である。
[図 2]図 2は本発明に用いられるスィッチの一構成例を示す断面模式図である。
[図 3]図 3は図 2に示したスィッチの回路図である。
[図 4]図 4は本発明のスィッチをプログラマブルロジックに適用した一構成例を示す模 式図である。
[図 5A]図 5Aは実施例 1のスィッチの構成例を示す回路図である。
[図 5B]図 5Bは実施例 1のスィッチの構成例を示す回路図である。 [図 6]図 6は実施例 2のスィッチの一構成例を示す断面模式図である。
[図 7]図 7は実施例 3のスィッチの一構成例を示す断面模式図である。
符号の説明
[0021] 21、 26 第 1電極
31、 32 第 2電極
34、 35 第 3電極
40、 42 イオン伝導層
90 拡散防止層
発明を実施するための最良の形態
[0022] 本発明のスイッチング素子は、第 3電極とイオン伝導層との間に拡散防止層を設け ることで、スィッチの状態を設定した後、外部力 ロジック信号が入力されたとき第 3電 極および析出した金属力も金属イオンを拡散しな 、ようにしたものである。
実施例 1
[0023] 本実施例のスィッチの構成について説明する。図 2は本実施例の 3端子スィッチの 一構成例を示す断面模式図である。
[0024] 図 2に示すように、 3端子スィッチは、シリコン基板表面に形成されたシリコン酸ィ匕膜 100上に銅力もなる第 2電極 32と第 3電極 34が設けられて 、る。第 2電極 32と第 3電 極 34の間は lOOnmから 1 μ m程度離れている。第 2電極 32および第 3電極 34の上 面および側面を覆うようにして硫化銅力もなるイオン伝導層 42が設けられている。ィ オン伝導層 42の上には直径 0. 2 mの開口を有する絶縁層 56が形成されている。 絶縁層 56はカリックスァレーンで形成されている。この開口はイオン伝導層 42を挟ん で第 2電極 32と対向する位置に設けられている。絶縁層 56の上に白金力もなる第 1 電極 26が形成されている。第 1電極 26は絶縁層 56の開口を介してイオン伝導層 42 と接触している。
[0025] 次に、図 2に示した 3端子スィッチの製造方法について説明する。
[0026] シリコン基板の表面に膜厚 300nmのシリコン酸ィ匕膜 100を形成する。従来技術のリ ソグラフィー技術でシリコン酸ィ匕膜 100上の第 2電極 32および第 3電極 34を形成しな い部位にレジストパターンを形成する。続いて、その上力も真空蒸着法で膜厚 100η mの銅を形成した後、リフトオフ技術によりレジストパターンをリフトオフして銅の残つ た部分を第 2電極 32と第 3電極 34として形成する。このとき、第 2電極 32と第 3電極 3 4の間の距離はリソグラフィー技術のレジストパターンの寸法で上述した値に設定さ れる。
[0027] 続いて、第 2電極 32および第 3電極 34の上面および側面を覆うようにしてイオン伝 導層となる硫化銅をレーザーアブレーシヨン法で膜厚 40nm形成する。その後、ィォ ン伝導層 42上にスピンコートにより絶縁層 56となる力リックスアレーンを膜厚 120nm 塗布し、リソグラフィー技術により絶縁層 56に直径 0. 2 mの開口を有するパターン を形成する。その際、絶縁層 56の第 2電極 32上に位置する部位に開口を形成する。 その後、レジストパターンの形成、膜厚 40nmの白金の真空蒸着、リフトオフと順次行 い、第 1電極 26を形成する。
[0028] 次に、図 2に示した 3端子スィッチの動作について説明する。
[0029] 第 2電極 32および第 3電極 34を接地して第 1電極 26に負の電圧を印加する。第 1 電極 26に負電圧を印加することによって、絶縁層 56の開口部位の第 1電極表面から 第 2電極 32にかけて銅の金属デンドライトが成長し、両電極間が電気的に接続され る。これにより 3端子スィッチがオン状態になる。
[0030] 3端子スィッチをオフさせるには、電位を等しくした第 1電極 26および第 2電極 32に 対して第 3電極 34に負の電圧を印加する。第 3電極 34に印加された負電圧によって 上記金属デンドライトを構成する銅は銅イオンとなってイオン伝導層 42に溶解し、溶 解した銅イオンは第 3電極表面に銅となって析出する。その結果、金属デンドライトの 一部が電気的に切断され、 3端子スィッチはオフ状態へ遷移する。なお、電気的接 続が完全に切れる前の段階力も第 1電極 26および第 2電極 32間の抵抗が大きくなつ 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。
[0031] 一方、 3端子スィッチが上記オフ状態にあるとき、第 2電極 32に対して第 3電極 34 に正の電圧を印加すると、第 3電極 34は銅イオンをイオン伝導層 42に供給する。ま た、金属デンドライトの電気的に切断された部分にイオン伝導層 42からの銅イオンが 銅になって析出する。そして、金属デンドライトが第 1電極 26と第 2電極 32を接続し、 3端子スィッチはオン状態へ遷移する。
[0032] 次に、図 2に示した 3端子スィッチをプログラマブルロジックのスィッチに用いた場合 について説明する。
[0033] 図 3は図 2に示した 3端子スィッチの回路図である。図 4は図 2に示した 3端子スイツ チをプログラマブルロジックに適用した一構成例を示す模式図である。
[0034] 図 3に示すドレイン電極 Dが第 1電極 26に相当し、ソース電極 Sが第 2電極 32に相 当し、ゲート電極 Gが第 3電極 34に相当する。図 4に示すようにソース電極 Sがロジッ クセル 82に接続され、ドレイン電極 Dがプログラマブルロジック 80内の信号線 86に 接続されている。オン状態に設定された 3端子スィッチは、ソース電極 Sとドレイン電 極 Dが電気的に接続された状態を維持する。その反対に、オフ状態に設定された 3 端子スィッチは、ソース電極 Sとドレイン電極 Dが電気的に接続が切れた状態を維持 する。
[0035] 図 5Aおよび図 5Bは本実施例の 3端子スィッチを示す回路図である。
[0036] 図 5Aに示すように、 3端子スィッチは、ゲート電極に一定の電圧を印加するための 定電圧部 130を備えている。また、ゲート電極と定電圧部 130との間には、ゲート電 極に対してスイッチング電圧を印加するときに接続するための信号線力ゝら定電圧部 の電圧が印加されるように切り替えるための切替スィッチ 132を備えている。ユーザ は 3端子スィッチの状態をオンまたはオフに設定した後、切替スィッチ 132を切り替え て、定電圧部 130を用いてゲート電極に（lZ2)Vddの電圧を印加しておくようにす る。
[0037] この場合、ドレイン電極およびソース電極に Vddのロジック信号が入力されても、こ の 2つの電極とゲート電極との電位差は（lZ2)Vddとなり、従来の電位差の半分とな る。一方、ドレイン電極およびソース電極に OVのロジック信号が入力されても、同様 に、この 2つの電極とゲート電極との電位差は（1Z2) Vddとなり、従来の電位差の半 分となる。
[0038] ゲート電極に（1Z2) Vddを印加した状態にすることで、電気化学反応が従来よりも 抑制される。そのため、ゲート電極の一部が銅イオンとなってイオン伝導層に溶解す る反応を抑制し、また、析出した金属がイオン伝導層中に溶解する反応を抑制する。 これにより、非スイッチング時の 3端子スィッチの安定性が向上する。
[0039] また、 3端子スィッチの状態を設定した後、ゲート電極を浮力せた状態 (フローテイン グ状態）に維持してもよい。図 5Bはゲート電極をフローティングに維持するための 3 端子スィッチの一構成例を示す回路図である。
[0040] 図 5Bに示すように、 3端子スィッチは、ゲート電極をフローティング状態に維持する ための切替スィッチ 134を備えて 、る。
[0041] ユーザは 3端子スィッチの状態を設定した後、切替スィッチ 134を切り替えて、ゲー ト電極を浮力せた状態 (フローティング状態）にする。フローティング状態のゲート電 極には、プログラマブルロジック 80内の信号線からノイズとしてゲート電極に電圧が 印加されたとしても、最大 Vddの電圧しか印加されない。また、フローティング状態で あればゲート電極には電気化学反応に必要な電流は供給されないため、ゲート電極 とイオン伝導層間での金属イオンの生成 ·析出反応は抑制される。したがって、ゲート 電極がフローティング状態であれば、オンまたはオフ状態が維持される。
[0042] ドレイン電極およびソース電極にロジック信号が入力されることで、この 2つの電極 に Vddまたは OVの電圧が印加されても、ゲート電極がフローティング状態であるため 、上述のことから、非スイッチング時の 3端子スィッチの安定性が向上する。
[0043] なお、本実施例では、本発明のスイッチング素子をロジックセルへの接続'非接続 を切り替えるために用いた力 配線の切り替えやロジックセルの機能の切り替えのス イッチに適用することも可能である。このようにして、電子信号により回路構成を変更 し、 1つのチップで多くの機能を提供できるプログラマブルロジックとしては、例えば、 FPGA (Field― Programmable ate Array)や DRP (Dynamically Reconfigu rable Processor)力める。
実施例 2
[0044] 本実施例は、第 3電極と第 1電極の間に拡散防止層を設けることでスィッチの保持 特性を向上させるものである。図 6は本実施例のスィッチの一構成例を示す断面模 式図である。
[0045] 図 6に示すように、 3端子スィッチは第 1電極 21と、第 1電極 21とイオン伝導層 40を 介して形成された第 2電極 31と、イオン伝導層 40に金属イオンを供給可能な第 3電 極 35とを有する構成である。第 2電極 31と第 3電極 35間の距離は 0. であり、 第 2電極 31と第 3電極 35はその距離だけ離れて配置されている。第 3電極 35とィォ ン伝導層 40の間には拡散防止層 90が形成されている。拡散防止層 90は酸ィ匕タンタ ルで形成されている。この拡散防止層 90は、第 3電極 35にスイッチング電圧が印加 されるときは、第 3電極 35からの金属イオンをイオン伝導層 40に供給することが可能 である。第 1電極 21および第 2電極 31のいずれかと第 3電極 35との間にロジック信号 の動作電圧の電位差が生じる場合には、ロジック信号の動作電圧がスイッチング電 圧よりも低いため、第 3電極 35から金属イオンの溶解を防ぎ、イオン伝導層 40から第 3電極 35に金属イオンが進入することを防ぐ。なお、実施例 1と同様にして、オン状態 には金属デンドライトが形成される。また、オン状態力 オフ状態への遷移の動作、 およびオフ状態からオン状態への遷移の動作につ!、ては実施例 1と同様なため、そ の詳細な説明を省略する。
[0046] 本実施例の 3端子スィッチでは、拡散防止層 90により金属イオンの拡散が抑制され るため、第 3電極 35からの銅イオンの拡散を抑制し、かつイオン伝導層 40から第 3電 極 35に金属イオンが進入するのを抑制することで、非スイッチング時の 3端子スイツ チの安定性が向上する。
実施例 3
[0047] 本実施例では、第 3電極と第 1電極の間だけでなぐ第 2電極と第 1電極の間にも拡 散防止層を設けた構成である。
[0048] 本実施例のスィッチの構成について説明する。なお、実施例 1と同様な構成につい ては同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
[0049] 図 7は本実施例のスィッチの一構成例を示す断面模式図である。図 7に示すよう〖こ 、本実施例のスィッチは、第 2電極 32および第 3電極 34の上に塩化銅カゝらなる拡散 防止層 90が形成されている。絶縁層 56に設けられた開口は、イオン伝導 42および 拡散防止層 90を挟んで第 2電極 32と対向する位置にある。絶縁層 56に設けられた 開口の直径は 0. 2 mである。第 2電極 32と第 3電極 34間の距離は lOOnmから 1 μ mであり、第 2電極 32と第 3電極 34はその距離だけ離れて配置されている。
[0050] 次に、図 7に示したスィッチの製造方法について説明する。 [0051] シリコン基板上に膜厚 300nmのシリコン酸ィ匕膜 100を形成した後、従来技術のリソ グラフィー技術で、第 2電極 32および第 3電極 34を形成しな 、部位にレジストパター ンを形成する。続いて、その上カゝら真空蒸着法で膜厚 lOOnmの第 2電極 32、第 3電 極 34となる銅、レーザーアブレーシヨン法により膜厚 20nmの拡散防止層となる塩ィ匕 銅を形成した後、リフトオフ技術によりレジストパターンをリフトオフして拡散防止層 90 で覆われた第 2電極 32および第 3電極 34を形成する。その後、実施例 1と同様にし てイオン伝導層 42、絶縁層 56および第 1電極 26を形成する。
[0052] 本実施例の 3端子スィッチでは、実施例 1の効果の他に、拡散防止層 90により第 2 電極 32からの銅イオンの拡散を抑制し、かつイオン伝導層 42から第 2電極 32に金 属イオンが進入するのを抑制することで、非スイッチング時の 3端子スィッチの安定性 力 り向上する。
[0053] なお、実施例 2および実施例 3のいずれのスィッチについても、実施例 1と同様にプ ログラマブルロジックのスィッチに適用してもょ 、。
[0054] また、本発明のスイッチング素子にぉ 、て、イオン伝導層に金属イオンを供給しな い電極 (第 1電極と、一部の第 2電極)を構成する材料としては、白金だけではなぐ 高融点金属 (Ta、 Ti、 W、 Mo)、シリサイド (チタンシリサイド、コバルトシリサイド、モリ ブデンシリサイド)などでもよい。また、イオン伝導層に金属イオンを供給する電極 (第 3の電極と、一部の第 2の電極)を構成する金属としては、銅だけではなぐ Ag、 Pbな どでもよい。さらに、イオン伝導層を構成するイオン伝導体としては、硫化銅だけでは なぐカルコゲン元素（0、 S、 Se、 Te)と金属の化合物、シリコンを含む絶縁物（酸ィ匕 シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン）、ぺロブスカイト型酸化物（ABO、 A: Mg、 C
3 a、 Sr、 Ba、 B :Ti)などでもよい。拡散防止層としては、銅イオンの拡散が抑制される 材料であるシリコン酸ィ匕膜、アルミナなどでもよい。
[0055] また、本発明は上記実施例に限定されることなぐ発明の範囲内で種々の変形が可 能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

Claims

請求の範囲
[1] 金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、
前記イオン伝導層に接して設けられた第 1電極および第 2電極と、
前記イオン伝導層に前記金属イオンを供給可能な第 3電極と、
前記イオン伝導層および第 3電極の間に設けられ、該第 3電極カゝら前記イオン伝導 層に金属イオンが拡散するのを防止するための拡散防止層と、
を有するスイッチング素子。
[2] 前記第 1電極および第 2電極を接続する金属析出物が設けられた請求項 1記載の スイッチング素子。
[3] 前記第 2電極は前記イオン伝導層に前記金属イオンを供給可能な材料を有し、 前記第 2電極およびイオン伝導層の間に前記拡散防止層を設けた請求項 1記載の スイッチング素子。
[4] 前記第 2電極は前記イオン伝導層に前記金属イオンを供給可能な材料を有し、 前記第 2電極およびイオン伝導層の間に前記拡散防止層を設けた請求項 2記載の スイッチング素子。
[5] 金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、
前記イオン伝導層に接して設けられ、外部から信号電圧が入力される第 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、前記金属イオンを供給可能な第 3電極と、 前記第 3電極に前記信号電圧の最大値の 1Z2の電圧を印加する定電圧部と、 を有するスイッチング素子。
[6] 金属イオンを伝導するためのイオン伝導層と、
前記イオン伝導層に接して設けられ、外部から信号電圧が入力される第 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、前記金属イオンを供給可能な第 3電極と、 前記第 3電極への電流を遮断するための切換スィッチと、
を有するスイッチング素子。
[7] 請求項 1から 6のいずれ力 1項記載のスイッチング素子をスィッチに用いた書き換え 可能な論理集積回路。
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