WO2006070698A1 - スイッチング素子、スイッチング素子の駆動方法及び製造方法、集積回路装置並びにメモリ素子 - Google Patents

スイッチング素子、スイッチング素子の駆動方法及び製造方法、集積回路装置並びにメモリ素子 Download PDF

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switching element
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gap
metal
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Hisao Kawaura
Hiroshi Sunamura
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NEC Corp
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    • H10N70/841—Electrodes
    • H10N70/8416—Electrodes adapted for supplying ionic species

Definitions

  • Switching element switching element driving method and manufacturing method, integrated circuit device, and memory element
  • the present invention relates to a switching element used in an integrated circuit or the like, a driving method and manufacturing method of the switching element, an integrated circuit device, and a memory element.
  • ASICs application-specific integrated circuits
  • the arrangement of cells logical circuits such as AND circuits and ⁇ R circuits
  • the connection between cells are performed in the manufacturing process, so the circuit configuration must be changed after manufacturing. I can't.
  • programmable logic circuits include FPGA (Field—Programmable uate Array) DRP (Dynamically Reconfigurable Processor).
  • a logic cell refers to a logic circuit that is a unit for assembling a programmable logic circuit.
  • the programmable logic circuit connects a plurality of logic cells to each other by switching elements.
  • the size of the switching elements that connect each other is large and the on-resistance is large. Therefore, in conventional programmable logic circuits, it is possible to reduce the number of switching elements with large sizes and large on-resistance as much as possible. As many transistors as possible and logic cells were used, and the number of logic cells and the number of switching elements connected between the logic cells were reduced.
  • switching element As a switching element that satisfies these requirements, a switching element that utilizes a metal ion conduction phenomenon in an ionic conductor (a solid in which ions can move freely in the interior) and an electrochemical reaction (hereinafter referred to as "switching element") have been proposed (see, for example, JP-A-2002-076325 and JP-A-2002-536840).
  • a metal atom transfer switching element is smaller in size and smaller in on-resistance than a semiconductor switching element (such as a MOSFET) that has been often used in conventional programmable logic.
  • This metal atom transfer switching element is roughly divided into two types as shown in FIGS. 1A and 1B.
  • FIG. 1A shows a gap-type metal atom transfer switching element
  • FIG. 1B shows a gapless-type metal atom transfer switching element
  • 1A and 1B are both 2-terminal metal atom transfer switching elements.
  • FIG. 1A shows a gap-type metal atom transfer switching element (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-076325), an ion conducting portion made of an ion conductor (Ag S), and a metal ion to the ion conducting portion.
  • a two-terminal type metal atom transfer switching element having a first electrode (Pt) formed with a gap between the electrode (Ag) and the ion conducting portion (FIG. 1A and materials of the above-mentioned parts) Is an example).
  • the metal (Ag) of the second electrode is correspondingly oxidized and melts into the ionic conduction part as metal ions (Ag +), so that the positive and negative ions in the ionic conduction part are balanced. Is maintained.
  • the metal (Ag) deposited on the surface of the ion conducting part grows and contacts the first electrode (Pt), the switching element becomes conductive (see the left figure in Fig. 1A).
  • the ion conductor is formed to have a large contact area with the second electrode and be relatively thin.
  • a gapless type metal atom transfer switching element shown in FIG. 1B includes an ion conducting portion made of an ion conductor (Cu 2 S) and a gold conducting portion in the ion conducting portion.
  • a second ion formed in contact with the ion conducting part supplying a metal ion (Cu +) or receiving a metal ion (Cu +) from the ion conducting part and depositing a metal (Cu) corresponding to the metal ion.
  • This is a two-terminal type metal atom transfer switching element having an electrode (Cu) and a first electrode (Ti) formed in contact with the ion conducting part (FIG. 1B and the materials of the above parts are examples) ).
  • the ion conductor (Cu S) in the ion conduction part is softer than the first electrode (Ti).
  • the deposited metal (Cu) grows toward the second electrode (Cu) in the ion conduction part. To go. When the deposited metal (Cu) comes into contact with the second electrode (Cu), the switching element becomes conductive (see the left figure in Fig. 1B).
  • the two types of metal atom transfer switching elements shown in Figs. 1A and 1B have the above differences in configuration and operation, but the metal atoms of the second electrode are precipitated by the electrochemical reaction. This is common in that it moves between the first electrode and the second electrode as an object and connects the first electrode and the second electrode (when in a conductive (on) state) to form a metal wiring.
  • the two types of metal atom transfer switching elements shown in FIGS. 1A and 1B are both two-terminal metal atom transfer switching elements. Such a two-terminal metal atom transfer switching device has a problem of low resistance to electoric port migration.
  • Elect mouth migration refers to a phenomenon in which metal atoms in a metal wiring move by colliding with electrons flowing through the metal wiring. If a current with a current density of a certain level or more continues to flow through the metal wiring in a high-temperature environment, serious problems such as disconnection of the metal wiring will occur due to the movement of metal atoms due to electo-port migration.
  • the metal atoms transferred as precipitates from the second electrode to the first electrode by the electrochemical reaction are transferred from the first electrode to the second electrode.
  • This is a metal wiring for connecting the electrodes.
  • it is necessary to increase the amount of precipitates to make the metal wiring thicker and to reduce the current density flowing through the metal wiring.
  • an object of the present invention is to perform switching with high electoric port migration resistance by making it possible to easily control the amount of precipitates that become metal wiring for connecting the first electrode and the second electrode.
  • An element, a switching element driving method and manufacturing method, an integrated circuit device, and a memory element are provided.
  • the switching element of the present invention is newly provided with a third electrode for controlling the amount of precipitates. That is, the switching element of the present invention is a three-terminal metal atom transfer switching element. Furthermore, the switching element of the present invention is a three-terminal gap type metal atom transfer switching element based on the gap type metal atom transfer switching element shown in FIG. 1A.
  • the switching element of the present invention includes an ion conductive portion including an ionic conductor in which metal ions can freely move, and a first gap formed between the ion conductive portion and the first gap.
  • 1 electrode and a second electrode formed in contact with the ion conducting portion for supplying metal ions to the ion conductor or receiving metal ions from the ion conductor and depositing metal corresponding to the metal ions.
  • an ion conducting portion and a third electrode formed with a second gap see FIG. 1A).
  • the metal of the second electrode is oxidized and melted into the ion conduction part as metal ions, so that the balance of positive and negative ions in the ion conduction part is maintained.
  • the switching element becomes conductive (ON).
  • the third electrode is provided, and the voltage applied to the third electrode is controlled to connect the first electrode and the second electrode. Controlling the thickness of the metal wiring made of a material has the effect of preventing electo port migration, which has been a problem with 2-terminal metal atom transfer switching elements.
  • the switching element of the present invention is based on the gap type metal atom transfer switching element, the following effects are obtained.
  • the gap type metal atom transfer switching element is easier to adjust the switching voltage (voltage required to switch between the on state and the off state) than the gapless type metal atom transfer switching element. This is because the material force between the first electrode and the second electrode is limited to an ion conductor in the gear-pressed metal atom transfer switching element, whereas in the gap type metal atom transfer switching element, vacuum, gas, It is the power that can select an insulator. In addition, the degree of freedom in structural design between the first electrode and the second electrode is high. This reason also applies to the three-terminal type as it is, and the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention has a higher voltage applied to the first electrode and the first electrode than the three-terminal gapless type metal atom transfer switching element.
  • the switching voltage can be easily adjusted by the voltage applied to the third electrode, there is an effect.
  • the ionic conductivity of the ionic conductor between the first electrode and the second electrode is large, and the energy required for the electrochemical reaction of the ionic conductor is small.
  • the switching voltage tends to be too small. Therefore, matching with the operating voltage level of the existing integrated circuit device becomes a problem.
  • the factor that determines the switching voltage is not the energy required for ionic conductivity or electrochemical reaction, but the energy that excites the electrons that reduce the metal ions in the ionic conductor. This reason also applies to the three-terminal type, and the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention differs from the three-terminal gapless type metal atom transfer switching element in that the voltage applied to the first electrode and the third The problem that the switching voltage applied to the other electrode becomes too low is unlikely to occur.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing the configuration and operation of a two-terminal gap type metal atom transfer switching element.
  • FIG. 1B is a schematic diagram showing the configuration and operation of a two-terminal gapless metal atom transfer switching element.
  • FIG. 2A is a schematic diagram showing the configuration of the first embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 2B is a schematic diagram showing a state in which a precipitate that becomes a metal wiring grows between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 2A.
  • FIG. 3A is a diagram showing an example of a driving method of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element shown in FIG. 2A, in which a negative voltage is applied to the first electrode with reference to the second electrode.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which precipitates that become metal wiring grow between the first electrode and the second electrode.
  • FIG. 3B is a diagram showing an example of a driving method of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element shown in FIG. 1A, and when a negative voltage is applied to the third electrode with respect to the second electrode, the metal wiring It is a schematic diagram which shows a mode that becomes thick.
  • FIG. 4A A side view showing the manufacturing process of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • 5A is a schematic diagram showing the configuration of the second embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 5B is a schematic diagram showing a state where precipitates that become metal wiring grow between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 5A.
  • FIG. 6A A schematic view showing the configuration of the third embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 6B is a schematic diagram showing a state where precipitates that become metal wiring grow between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 6A.
  • FIG. 7A A schematic view showing the configuration of the fourth embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 7B is a schematic diagram showing a state in which precipitates that become metal wiring grow between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 7A.
  • FIG. 8A is a schematic diagram showing the configuration of the fifth embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 8B is a schematic diagram showing a state in which precipitates serving as metal wiring grow between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 8A.
  • FIG. 9A A schematic view showing the configuration of the sixth embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 9B is a schematic diagram showing a state in which precipitates serving as metal wiring grow between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 9A.
  • FIG. 10A A schematic view showing the configuration of the seventh embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 10B is a schematic diagram showing a state in which precipitates serving as metal wiring grow between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 10A.
  • FIG. 11A is a schematic diagram showing the configuration of the eighth embodiment of the three-terminal gap metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 11B is a schematic diagram showing a state in which a precipitate that becomes a metal wiring grows between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 11A.
  • the metal atom transfer switching element of the present invention has a first gap between an ion conductive portion including an ion conductor that allows metal ions to move freely inside the ion conductive portion.
  • a metal ion is received from the ionic conductor and a metal corresponding to the metal ion is deposited.
  • a three-terminal gap type metal atom transfer switching element having a second electrode formed in contact with the ion conducting portion and a third electrode arranged with a second gap between the ion conducting portion It is.
  • the first gap provided between the ion conducting portion and the first electrode, and the second gap provided between the ion conducting portion and the third electrode.
  • This is an example of a gap filled with vacuum or gas.
  • the electrons that reach the surface of the ion conducting portion to reduce the metal ions contained in the ion conductor and deposit the metal are electrons that have passed through the energy barrier of the first gap or the second gap.
  • the first gap provided between the ion conducting portion and the first electrode, and the second gap provided between the ion conducting portion and the third electrode.
  • This is an example of providing an insulator in the gap.
  • Electrons that precipitate the genus are electrons that have passed through the energy barrier of the first gap or the second gap, electrons that have been thermally excited in the insulator, or electrons generated by impurities or defects in the insulator. is there.
  • the metal atom transfer switching element shown in the first embodiment or the second embodiment grows on the surface of the ion conducting portion. This is an example further having a component for limiting the direction in which the precipitates extend to the first electrode direction.
  • a block layer made of a dense and hard material is provided on the surface of the ion conductive portion on the third electrode side, and the growth is performed on the surface of the ion conductive portion.
  • the direction in which the precipitate extends is limited to the direction of the first electrode.
  • the thickness of the gap provided between the ion conducting portion and the third electrode is set to the other portion at the first electrode side portion of the ion conducting portion.
  • the electric field strength formed by the voltage applied to the third electrode with the second electrode as a reference is the strongest at the portion where this gap is thin.
  • the extending direction of the precipitate growing on the surface of the ion conducting portion is limited to the direction of the first electrode.
  • the fifth embodiment is an example in which insulators are provided in the first gap and the second gap, as in the second embodiment.
  • the insulator has a lower resistivity than the other parts at the part between the ion conducting part and the first electrode. In this way, when a negative voltage is applied to the third electrode with respect to the second electrode, the electrons that reach the surface of the ion conducting part are concentrated on the first electrode side of the ion conducting part.
  • the extending direction of the precipitate growing on the surface of the conductive portion can be limited to the first electrode direction.
  • the direction in which precipitates grown on the surface of the ion conducting portion extend.
  • the first and second electrodes are directly connected to the component for limiting the first electrode direction to the first electrode by a metal wiring made of precipitates that passes through an ionic conductive part having a lower electrical conductivity than the metal. This is an example of further including a component for reducing the on-resistance.
  • the second electrode made of a dense and hard metal is laminated on the surface of the ion conductive portion on the third electrode side.
  • the ion conducting portion is laminated on the second electrode, and the block layer made of a dense and hard material on the third electrode side surface of the ion conducting portion. Form. This prevents precipitates growing on the surface of the ion conducting portion from extending in the third electrode direction and limits the direction in which the precipitates extend in the first electrode direction.
  • the precipitate deposited on the surface of the ion conducting portion grows and comes into contact with the second electrode. As a result, the first electrode and the second electrode are electrically connected without passing through the ion conducting portion, and the on-resistance is reduced.
  • an ion conducting part including an ion conductor in which metal ions can freely move, and an ion conducting part on the ion conducting part are in contact with each other.
  • the formed first electrode and the first electrode are arranged on the ion conductive portion at a predetermined distance from each other.
  • a second electrode formed in contact with the ion conducting portion, supplying the metal ions to the ion conductor, or receiving the metal ions from the ion conductor and depositing a metal corresponding to the metal ions.
  • a third electrode formed with a gap between the ion conducting portion and a third terminal gap type metal atom transfer switching element.
  • the metal atom transfer switching element of the eighth embodiment differs from the metal atom transfer switching elements shown in the first to seventh embodiments in that the first electrode is an ion conducting portion. It is the structure which is contacting. However, since the first electrode and the second electrode are formed with a predetermined distance on the ion conducting portion, the metal wiring connecting the first electrode and the second electrode The precipitate formed between the first electrode and the second electrode is not formed inside the ion conducting portion as in the gapless metal atom transfer switching element. Formed on the surface of the ion conducting part.
  • the metal atom transfer switching element of the eighth embodiment can be regarded as a gap-type metal atom transfer switching element, although the first electrode is in contact with the ion conducting portion.
  • FIG. 2A is a schematic diagram showing the configuration of the first embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention.
  • FIG. 2B is a diagram between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 2A. It is a schematic diagram which shows a mode that the precipitate used as metal wiring grows.
  • an ion conductive portion 4 made of an ion conductor (Cu S) is formed on an insulating substrate 6 (SiO).
  • the second electrode 2 is formed on the substrate 6.
  • a first electrode 1 is formed on the substrate 6 so as to have a first gap between the substrate 6 and the ion conductive portion 4.
  • a third electrode 3 is formed on the substrate 6 with a second gap between the ion conductive portion 4 and the substrate 6. The first gap and the second gap are part of the gap 5, respectively.
  • the gap 5 may be filled with a gas or a vacuum.
  • the thickness of the first gap and the second gap is about 1 nm to 10 nm.
  • the ion conductors of the ion conduction part 4 include Cu S, chalcogen elements (0, S, Se, Te) and
  • Metal compounds, insulators containing silicon (silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride)
  • perovskite oxides (AB0, A: Mg, Ca, Sr, Ba, B: Ti).
  • Examples of the metal of the second electrode 2 include Cu, Ag, and Pb.
  • Materials of the first electrode 1 and the third electrode 3 include Pt, refractory metals (W, Ti, Ta, Mo), silicide (titanium silicide, conol silicide, molybdenum silicide) and the like. Next, the operation of the metal atom migration switching element of the first embodiment will be described.
  • the metal atom transfer switching element When the metal deposited on the surface of the ion conducting portion 4 grows and comes into contact with the first electrode 1, the metal atom transfer switching element is turned on (see FIG. 2B). On the other hand, when a positive voltage is applied to the first electrode 1 with respect to the second electrode 2, an electrochemical reaction exactly opposite to the above proceeds. As a result, the deposited metal is dissolved and separated from the first electrode 1, and the metal atom transfer switching element is cut off (the above operation is performed by the two-terminal gap type metal atom transfer switch shown in FIG. 11A). This is basically the same as the operation of the switching element).
  • the operation when a negative voltage is applied to the third electrode 3 with respect to the second electrode 2 or when a positive voltage is applied to the third electrode 3 with respect to the second electrode 2 is also fundamental. Is the same. At this time, even after the metal wiring composed of the precipitate 7 shown in FIG. 3B electrically connects the first electrode 1 and the second electrode 2, the third wiring with reference to the second electrode 2 is used. If a voltage is applied to the electrode 3, the amount of the precipitate 7 and the thickness of the metal wiring depending on it can be controlled. This is because the voltage applied to the third electrode 3 does not contribute much to increasing the current flowing in the metal wiring connecting the first electrode 1 and the second electrode 2, and the amount of the precipitate 7 is reduced. This is because it contributes to an increase.
  • the metal wiring made of the precipitate 7 can be thickened, and the electoric port migration resistance is improved. I can do it.
  • FIG. 3A is a diagram showing an example of a driving method of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element shown in FIG. 2A, in which a negative voltage is applied to the first electrode with reference to the second electrode. Schematic diagram showing how precipitates that become metal wiring grow between the first electrode and the second electrode It is.
  • FIG. 3B is a diagram showing an example of a driving method of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element shown in FIG. 1A. A negative voltage is applied to the third electrode based on the second electrode. It is a schematic diagram which shows a mode that metal wiring becomes thick when it does.
  • the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 are connected by a precipitate 7.
  • a negative voltage is applied to the third electrode 3 with respect to the second electrode 2 to promote the growth of the precipitate 7, and the metal wiring made of the precipitate 7 is thickened. To do.
  • a negative voltage or a positive voltage is applied to the third electrode 3 with respect to the second electrode 2 and bringing the precipitate 7 into contact with the first electrode 1 or away from the first electrode 1, Controls the on / off operation of the mobile switching element.
  • the precipitate 7 is grown by applying a negative voltage to the first electrode 1 with respect to the second electrode 2, but the precipitate 7 is the first electrode 1. If it is guaranteed to grow only in the direction, the precipitate 7 may be grown by applying a negative voltage to the third electrode 3 based on the second electrode 2.
  • the third to seventh embodiments which will be described later, a configuration is employed in which the growth of precipitates is limited to the first electrode direction. Therefore, if these configurations are adopted, the method of growing the precipitate 7 by applying a negative voltage to the third electrode 3 with respect to the second electrode 2 becomes effective.
  • the eighth embodiment described later shows a method for limiting the growth of precipitates between the first electrode and the second electrode. A method of growing the precipitate 7 by applying a negative voltage to the third electrode 3 with respect to the electrode 2 becomes effective.
  • a photoresist is applied on the substrate 1 (SiO 2), and is irradiated with ultraviolet rays and developed.
  • the ion conduction part 4 (Cu S) with a thickness of about lnm to 100nm is
  • a second electrode 2 (Cu) having a thickness of about lnm to about OOnm is formed. Note that a distance of about 1 nm to: Onm is provided between the ion conduction part 4 and the first electrode 1 (to form the first gap). Next, cover the ion conducting part 4, the first electrode 1 and the second electrode 2. A resist pattern is provided. At this time, the resist is formed on the ion conductive portion 4 so as to have a thickness of about 1 nm to 10 nm (for forming the second gap).
  • the third electrode 3 is formed on this resist.
  • the resist is removed using an organic solvent such as acetone to thereby remove the first gap between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 and the ion conducting portion 4 and the third electrode 3.
  • a second gap is formed between them.
  • the first gap and the second gap (gap 5) may be filled with a gas such as air.
  • FIG. 4A and FIG. 4B show a manufacturing procedure for forming the first gap between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 with a desired thickness.
  • a Pt film to be the first electrode 1 is grown on the substrate 6 by about lOOnm by sputtering or the like (FIG. 4A (a)).
  • the first electrode 1 is formed by processing the Pt film using a lithography technique and a dry etching technique.
  • an insulating film 9 SiO 2 is grown on the entire surface of the substrate 6 including the first electrode 1 by about lOnm (FIG. 4A (b)).
  • the insulating film 9 is removed leaving only the side wall portion of the first electrode 1 (FIG. 4A (c)).
  • an ion conductor film 10 (Cu 2 S) is grown on the substrate 6 to a thickness of about 50 nm so as to cover the first electrode 1 by using a laser ablation method (FIG. 4A (d) )
  • the ion conductor film 10 is removed leaving only the portion of the insulating film 9 remaining on the side wall of the first electrode 1 (FIG. 4A (e)). At this time, the ion conductor membrane force ion conducting portion 4 shown on the right side of FIG. 4A (e) is obtained.
  • the second electrode 2 made of a Cu film having a thickness of about 50 nm is formed using a lift-off method.
  • an insulating film 11 (S ⁇ ) having a thickness of about 20 nm is grown on the entire surface of the substrate 6 so as to cover the first electrode 1 and the like (FIG. 4B (g)).
  • a Pt film having a thickness of about lOOnm is formed so as to cover the insulating film 11, and this Pt film is covered by using a lithography technique and a dry etching technique to form a third electrode. 3 is formed (Fig. 4B (h)).
  • the insulating film 9 and the insulating film 11 are removed using a wet etching method to form the gap 5 (FIG. 4B (i)).
  • the gap 5 may be filled with gas.
  • the thickness of the first gap between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 is the thickness of the insulating film 9 formed in the step shown in FIG. 4A (b). Therefore, the thickness of the first gap can be easily controlled.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing the configuration of the second embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention
  • FIG. 5B is a diagram between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 5A. It is a schematic diagram which shows a mode that the precipitate used as metal wiring grows.
  • the metal atom transfer switching element of the first embodiment has a configuration in which the gap 5 is filled with vacuum or gas.
  • the metal atom transfer switching element of the second embodiment has the gap 5 is provided with an insulator (for example, resist or SiO). like this
  • the difference in configuration causes the following difference in the operation of the metal atom transfer switching element. That is, in the first embodiment, when a negative voltage is applied to the first electrode 1 or the third electrode 3 with respect to the second electrode 2, the metal ions contained in the ion conducting portion 4 are changed. The electrons that reach the surface of the ion conduction part 4 for reduction are electrons that have passed through the energy barrier of the first gap or the second gap (tunneling).
  • the second embodiment since an insulator (solid) is provided in the gap 5, it reaches the surface of the ion conducting part 4 in order to reduce metal ions contained in the ion conducting part 4.
  • the electrons are not limited to electrons that are transmitted (tunneled) through the energy barrier of the gap, but include electrons that are thermally excited in the insulator and electrons generated by impurities and defects in the insulator (where the insulator and Refers to materials with a separated band gap, including semiconductors).
  • the thickness of the first gap and the second gap needs to be as thin as the first embodiment. There is no.
  • the thickness of the first gap and the second gap is about lnm to: OOOOnm.
  • the method for manufacturing a metal atom transfer switching element of the second embodiment simply omits the step of removing the insulator (FIG. 4B (i)) among the steps shown in the first embodiment. Can be realized.
  • the metal atom transfer switching element of the present invention is a gap type metal atom transfer switching element, so the materials filled in the gap 5 are compared. Can be changed freely. Therefore, it has the effects as described below.
  • the gap type metal atom transfer switching element is easier to adjust the switching voltage (voltage required to switch between the on state and the off state) than the gapless type metal atom transfer switching element. This is because the material between the first electrode and the second electrode is limited to an ionic conductor in the gapless metal atom transfer switching element, whereas in the gap metal atom transfer switching element, a vacuum, This is because the degree of freedom in structural design between the first electrode and the second electrode is high because it can be selected from gases, insulators, and the like. This reason also applies to the three-terminal type as it is, and the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention is applied to the first electrode or the third electrode rather than the three-terminal gapless type metal atom transfer switching element. It is easy to adjust the switching voltage.
  • gapless metal atom transfer switching element since the ionic conductivity of the ionic conductor between the first electrode and the second electrode is large, the energy required for the electrochemical reaction in the ionic conductor is small. The switching voltage tends to be too small, and matching with the operating voltage of existing integrated circuit devices is a problem. On the other hand, gap-type metal atom transfer switching elements are unlikely to cause such problems. This is because, in a gap-type metal atom transfer switching element, the factor that determines the switching voltage is the energy that excites the electrons that reduce the metal ions of the ionic conductor rather than the energy required for ion conductivity and electrochemical reaction. It is.
  • the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention is applied to the first electrode or the third electrode, unlike the three-terminal gap-press type metal atom transfer switching element.
  • the problem that the switching voltage is too low is unlikely to occur.
  • the insulator of the gap 5 is an ion conducting part.
  • SiN which has lower ionic conductivity than SiO, is used for gap 5.
  • FIG. 6A is a schematic diagram showing the configuration of the third embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention
  • FIG. 6B is a diagram between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 6A. It is a schematic diagram which shows a mode that the precipitate used as metal wiring grows.
  • the metal atom transfer switching element of the third embodiment is the first in that a block layer 8 is formed on the surface of the ion conductive portion 4 on the third electrode 3 side. This is different from the metal atom transfer switching element shown in the embodiment.
  • the block layer 8 it is preferable to use a material that is dense and firm like SiO.
  • Such a difference causes the following difference in operation of the metal atom transfer switching element. That is, since the block layer 8 is made of a dense and hard material, the precipitate 7 does not extend in the direction of the third electrode 3 without growing on the block layer 8 side of the ion conductive portion 4. As a result, the direction in which the precipitate extends is limited to the direction from the ion conducting portion 4 to the first electrode 1.
  • the manufacturing method of the metal atom transfer switching element according to the third embodiment includes a step of forming the ion conducting portion 4 (lift-off method) shown in FIG. 4A (e) and a step shown in FIG. 4B (f).
  • a step of forming the block layer 8 using the lift-off method may be added between the formation of the second electrode 2 (lift-off method).
  • metal atom transfer switching element of the third embodiment may also be provided with an insulator in the gap 5 as in the second embodiment.
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention
  • FIG. 7B is a diagram between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 7A. It is a schematic diagram which shows a mode that the precipitate used as metal wiring grows.
  • the metal atom transfer switching element of the fourth embodiment is an ion
  • the thickness of the gap 5 provided between the conduction part 4 and the third electrode 3 is formed thinner at the first electrode 1 side part of the ion conduction part 4 than at the other parts. That is, the first gap is formed thinner than the other portions including the thickness force S of the portion corresponding to the portion between the ion conductive portion 4 and the first electrode 1 and the second gap. Therefore, the third electrode 3 is different from the metal atom transfer switching element of the first embodiment in that the third electrode 3 is formed in a convex shape at a thin part of the gap 5.
  • Such a difference causes the following difference in operation of the metal atom transfer switching element. That is, when a negative voltage is applied to the third electrode 3 with respect to the second electrode 2, the electric field generated by the gate voltage is particularly strong in the first gap between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1. Become. Therefore, many electrons that reduce metal ions in the vicinity of the surface of the ion conductor reach the surface of the ion conducting portion 4 on the first electrode 1 side. As a result, the direction in which the precipitate 7 extends is limited to the direction from the ion conductive portion 4 to the first electrode 1 (see FIG. 7B).
  • the precipitate 7 extends in the direction of the third electrode 3 and contacts the third electrode 3. Further, as described above, this is convenient when a driving method in which a voltage is applied to the third electrode 3 based on the second electrode 2 is adopted.
  • the step of covering the resist (or insulating film) that becomes the gap 5 in a convex shape is the step shown in FIG. 4B (g).
  • the manufacturing method of the metal atom transfer switching element of the fourth embodiment will be described taking the case where the gap 5 is provided with a resist as an example, but the same applies to the case of an insulating film.
  • a first resist pattern is formed, and a second resist pattern is formed thereon. Then, the second resist at the first gap portion between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 is removed.
  • the force resist arene is used as the first resist pattern
  • the novolac resist is used as the second resist pattern, so that the second resist pattern can be used in an alkaline aqueous solution without destroying the first resist pattern.
  • This resist pattern can be formed.
  • the third electrode 3 is formed thereon, thereby forming the third electrode 3 having a convex shape at the first gap portion between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1. it can.
  • the metal atom transfer switching element of the fourth embodiment may be provided with an insulator in the gap 5 like the metal atom transfer switching element of the second embodiment.
  • the block layer 4 shown in the third embodiment may be formed on the surface of the ion conductive portion 4 on the third electrode 3 side.
  • FIG. 8A is a schematic diagram showing the configuration of the fifth embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention
  • FIG. 8B is a diagram between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 8A. It is a schematic diagram which shows a mode that the precipitate used as metal wiring grows.
  • the metal atom transfer switching element of the fifth embodiment includes a low-resistance insulating material 5b in the first gap between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1, and the gap The other parts of 5 are provided with high-resistance insulating material 5a. That is, the metal atom transfer switching according to the first embodiment is configured such that the insulator provided for the gap 5 has a smaller resistivity at the portion between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 than at the other portions. It is different from the element.
  • the metal atom transfer switching element of the fifth embodiment includes an insulator in the gap 5 as in the second embodiment, the thicknesses of the first gap and the second gap are About 1 to 1 OOnm is sufficient.
  • Such a difference causes the following difference in operation of the metal atom transfer switching element. That is, when a negative voltage is applied to the third electrode 3 with respect to the second electrode 2, electrons that reduce metal ions in the vicinity of the surface of the ion conductor are transferred to the first gap provided with the low-resistance insulating material 5b. Therefore, most of them reach the first electrode 1 side surface of the ion conducting part 4 and do not reach the third electrode 3 side surface of the ion conducting part 4 having the high resistance insulating material 5a so much. ,. As a result, the direction in which the precipitate 7 extends is limited to the direction from the ion conducting portion 4 to the first electrode 1 (see FIG. 8B).
  • the metal atom transfer switching element for example, the precipitate 7 extends in the direction of the third electrode 3 and contacts the third electrode 3. Further, as described above, this is convenient when a driving method in which a voltage is applied to the third electrode 3 based on the second electrode 2 is employed.
  • the manufacturing method of the metal atom transfer switching element of the fifth embodiment has a gap of 5.
  • the process for forming the resist (or insulating film) is changed from the process shown in FIG. 4B (g).
  • the manufacturing method of the metal atom transfer switching element of the fifth embodiment will be described by taking the case where a resist is provided in the gap 5 as an example, but the same applies to the case of an insulating film.
  • a photoresist (which becomes the high-resistance material 5a) is applied to the entire surface, and a region other than the switching element is used using a photolithography technique. Then, the photoresist at the portion forming the first gap between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 is removed.
  • a conductive resist (being a low-resistance material 5b) is applied to the entire surface, and the conductive resist in a region other than the switching element is removed using a photolithography technique. Thereafter, the third electrode 3 is formed.
  • the metal atom transfer switching element of the fifth embodiment may also have the block layer shown in the third embodiment formed on the surface of the ion conductive portion 4 on the third electrode 3 side.
  • the thickness of the portion corresponding to the gap between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 is set to be larger than that of other portions including the second gap. You may form thinly.
  • FIG. 9A is a schematic diagram showing the configuration of the sixth embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention
  • FIG. 9B is a diagram between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 9A. It is a schematic diagram which shows a mode that the precipitate used as metal wiring grows.
  • the metal atom transfer switching element of the sixth embodiment is the first in that the second electrode 2 is formed on the surface of the ion conducting portion 4 on the third electrode 3 side. This is different from the metal atom transfer switching element of the embodiment.
  • Such a difference causes a difference in operation of the metal atom transfer switching element as follows.
  • the second electrode 2 is made of a dense and hard material such as Cu, the precipitate 7 does not grow toward the inside of the second electrode 2.
  • the direction in which the precipitate 7 extends is limited to the direction from the ion conducting portion 4 to the first electrode 1.
  • the metal atom transfer switching element for example, the precipitate 7 extends in the direction of the third electrode 3 and contacts the third electrode 3.
  • a driving method in which a voltage is applied to the third electrode 3 with the second electrode 2 as a reference is adopted. This is convenient for use.
  • the metal atom transfer switching element of the sixth embodiment since the second electrode 2 is laminated on the ion conduction part 4, the ion conduction part 4 is directed to the first electrode 1.
  • the metal wiring composed of the precipitates 7 grown becomes thicker, it comes into contact with the second electrode 2 as shown in FIG. 9B.
  • the ionic conductor of the ionic conduction part 4 has a lower electrical conductivity than metal. Therefore, the on-resistance is smaller when the first electrode 1 and the second electrode 2 are directly connected by the metal wiring made of the precipitate 7 than when the first electrode 1 and the second electrode 2 are connected via the ion conducting portion 4. Considering that the reduction of on-resistance has been particularly required for switching elements in order to diversify programmable logic functions and promote implementation in electronic devices, etc. (see Background Art) ), A very important effect.
  • the second electrode 2 is ionized in the step of forming the second electrode 2 shown in Fig. 4B (f). Formed on conductive part 4 using lift-off method.
  • the metal atom transfer switching element of the sixth embodiment may include an insulator in the gap 5 as in the second embodiment. Further, in the first gap shown in the fourth embodiment, the thickness of the portion corresponding to the portion between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 is set to be larger than that of other portions including the second gap. A configuration in which the resistivity of the insulator is made smaller in the portion between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 than in other portions shown in the fifth embodiment, which may be formed thinly, may be used.
  • FIG. 10A is a schematic diagram showing the configuration of the seventh embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention
  • FIG. 10B is a diagram between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 10A. It is a schematic diagram which shows a mode that the precipitate used as metal wiring grows.
  • the ion conduction part 4 is formed on the second electrode 2 and the ion conduction part 4
  • the third embodiment differs from the first embodiment in that a block layer 8 is formed on the surface of the electrode 3 side. It is preferable to use a dense and hard material such as SiO for the blocking layer 8. [0123] Such a difference in configuration causes the following difference in operation of the metal atom transfer switching element. That is, the block layer 8 is formed of a dense and hard material such as SiO.
  • the precipitate 7 does not grow toward the inside of the block layer 8. As a result, the direction in which the precipitate 7 extends is limited to the direction from the ion conducting portion 4 to the first electrode 1.
  • the metal atom transfer switching element for example, the precipitate 7 extends in the direction of the third electrode 3 and contacts the third electrode 3. Further, as described above, this is convenient when a driving method in which a voltage is applied to the third electrode 3 based on the second electrode 2 is employed.
  • the ion conduction part 4 is laminated on the second electrode 2, the ion conduction part 4 is directed to the first electrode 1.
  • the metal wiring composed of the growing precipitate 7 becomes thick, it comes into contact with the second electrode 2 as shown in FIG. 10B.
  • the ionic conductor of the ionic conduction part 4 has a lower electrical conductivity than metal. Therefore, it is better to connect the first electrode 1 and the second electrode 2 directly with a metal wiring made of the precipitate 7 without passing through the ion conducting part 4 than to connect through the ion conducting part 4. Becomes smaller. Reduction of on-resistance is very important considering the special requirements for switching elements to diversify the functions of programmable logic and promote implementation in electronic devices (see background art). Effect.
  • the manufacturing method of the metal atom transfer switching element according to the seventh embodiment includes the step of forming the second electrode 2 using the lift-off method shown in FIG. 4B (f) and the method shown in FIG. 4A (e).
  • the order of the formation process of the ion conduction part 4 using the lift-off method may be reversed, and a process of forming the block layer 8 on the ion conduction part 4 using the lift-off method may be added.
  • the metal atom transfer switching element of the seventh embodiment may also include an insulator in the gap 5 as in the second embodiment. Further, in the first gap shown in the fourth embodiment, the thickness of the portion corresponding to the portion between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 is set to be larger than that of other portions including the second gap. A configuration in which the resistivity of the insulator is made smaller in the portion between the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 than in other portions shown in the fifth embodiment, which may be formed thinly, may be used. [0129] (Eighth embodiment)
  • FIG. 11A is a schematic diagram showing the configuration of the eighth embodiment of the three-terminal gap type metal atom transfer switching element of the present invention
  • FIG. 11B is a diagram between the first electrode and the second electrode shown in FIG. 11A. It is a schematic diagram which shows a mode that the precipitate used as metal wiring grows.
  • an ion conductive portion 4 made of an ion conductor (Cu S) is formed on an insulating substrate 6 (SiO).
  • a metal ion (Cu +) is supplied to the first electrode 1 (Pt) and the ion conduction part 4 on the on-conduction part 4, or a metal ion (Cu +) is received from the ion conduction part 4 and corresponds to this metal ion.
  • the second electrode 2 (Cu) for depositing metal (Cu) is arranged with a predetermined distance.
  • a third electrode 3 is formed on the substrate 6 so as to have a gap 5 between the substrate 6 and the ion conducting portion 4.
  • the gap 5 can be vacuum or filled with gas.
  • the gap 5 may be provided with an insulator.
  • the thickness is about 1 nm to 10 nm.
  • the thickness is about 1 nm to 100 nm.
  • the thickness of the ion conducting part 4 is about 10 nm to 1000 nm.
  • the first electrode 1 and the second electrode 2 have a thickness of about lnm to about 10 Onm and are arranged with a distance of about lnm to 100 nm.
  • the metal atom transfer switching element of the eighth embodiment is different in basic configuration from the metal atom transfer switching element shown in the seventh embodiment to the first embodiment described above. . That is, in the metal atom transfer switching element according to the first embodiment to the seventh embodiment, the first gap exists between the ion conductive portion 4 and the first electrode 1, and the ion conductive portion 4 and the first conductive portion 4 In this configuration, the first electrode 1 is not in contact. On the other hand, the metal atom transfer switching element of the eighth embodiment has a configuration in which the ion conducting portion 4 and the first electrode 1 are in contact with each other.
  • the metal atom transfer switching element of the eighth embodiment the first power Since the electrode 1 and the second electrode 2 are formed on the ion conducting part 4 with a predetermined distance, the precipitate 7 is formed between the first electrode 1 and the second electrode 2 on the surface of the ion conducting part 4. It will be deposited at this site.
  • the ion conducting portion 4 is in contact with the first electrode 2 and the second electrode 2, but from the first embodiment to the first Similar to the metal atom transfer switching element shown in the seventh embodiment, this is a three-terminal gap type metal atom transfer switching element.
  • the precipitate 7 grows only at the portion between the first electrode 1 and the second electrode 2 on the surface of the ion conducting portion 4 (see FIG. 11B). .
  • the first electrode 1 and the second electrode 2 are connected without going through the ion conduction section 4.
  • the ionic conductor of ionic conduction part 4 has a lower electrical conductivity than metal. Therefore, the first electrode 1 and the second electrode 2 are connected directly by the metal wiring made of the precipitate 7 without passing through the ion conducting part 4 rather than being connected through the ion conducting part 4. Get smaller.
  • the metal atom transfer switching element of the present invention shown in the first to eighth embodiments can be applied to the following devices and circuits.
  • the metal atom transfer switching element of the present invention as a programming element, it is possible to obtain an integrated circuit device (programmable logic) capable of rewriting a program.
  • a memory element is obtained by including the metal atom transfer switching element of the present invention and a transistor for detecting whether the metal atom transfer switching element is in an on state or an off state. Is also possible.

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Design And Manufacture Of Integrated Circuits (AREA)

Abstract

　スイッチング素子に、イオン伝導体を含むイオン伝導部４と、イオン伝導部４と第１のギャップを有して形成された第１の電極１と、イオン伝導部４に接触して形成された第２の電極２と、イオン伝導部４と第２のギャップを有して形成された第３の電極３とを有する。第２の電極２は、イオン伝導体に金属イオンを供給する、またはイオン伝導体から金属イオンを受け取り、金属イオンに対応する金属を析出させる。

Description

明 細 書
スイッチング素子、スイッチング素子の駆動方法及び製造方法、集積回路 装置並びにメモリ素子
技術分野
[0001] 本発明は、集積回路などで用いられるスイッチング素子、該スイッチング素子の駆 動方法及び製造方法、集積回路装置並びにメモリ素子に関する。
背景技術
[0002] 現在、電子機器等では多くの集積回路装置が用いられている。電子機器で用いら れる多くの集積回路装置は、いわゆる特定用途向けの集積回路 (ASIC: Application Specific Integrated Circuit)であり、当該電子機器のために設計された専用回路であ る。このような特定用途向け集積回路装置では、セル (AND回路や〇R回路等の論 理回路）の配置やセル相互の結線が製造工程で実施されるため、製造後に回路構 成を変更することはできない。
[0003] 近年、電子機器の開発競争が激化し、また電子機器の小型化が進んでいる。この ような状況のもとでは、製造後においても電子信号により回路構成が変更可能であり 、 1つのチップで多くの機能を実現できるプログラマブルロジック回路が注目を集めて いる。プログラマブルロジック回路の代表例としては、 FPGA (Field— Programmable uate Array) " DRP (Dynamically Reconfigurable Processor)等力める。
[0004] このように注目を集めるプログラマブルロジック回路ではある力 これまでのところプ ログラマブルロジック回路の電子機器への実装は限られている。これは以下の理由 による。
[0005] すなわち、これまでのプログラマブルロジック回路では、ロジックセル（プログラマブ ルロジック回路を組み立る際の単位となる論理回路を指す。プログラマブルロジック 回路は、複数のロジックセルをスイッチング素子により相互に結線することで構成され る）間を相互に結線するスイッチング素子のサイズが大きぐそのオン抵抗が大きいと レ、う問題がある。そこで、これまでのプログラマブルロジック回路では、このようにサイ ズが大きぐオン抵抗が大きいスイッチング素子の数をできるだけ減らすために、でき るだけトランジスタ数の多レ、ロジックセルを用い、ロジックセル数やロジックセル間を接 続するスイッチング素子数を低減した構成が採用されていた。その結果、ロジックセ ルの組み合わせの自由度が小さくなり、プログラマブルロジック回路で提供できる機 能が限定されていた。つまり、これまでのプログラマブルロジック回路で用いられてき たスイッチング素子のサイズとオン抵抗の大きさ力 プログラマブルロジック回路の機 能を限定し、プログラマブルロジック回路の電子機器への実装を限定していた。
[0006] そこで、プログラマブルロジック回路の機能を多様化し、電子機器への実装を推進 するためには、ロジックセルどうしを接続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。
[0007] このような要求を満たすスイッチング素子として、イオン伝導体 (イオンがその内部で 自由に動くことができる固体）中の金属イオン伝導現象と、電気化学反応とを利用し 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 (例えば、特開 2002— 076325号公報及び特表 2002— 536840号公報参照）。
[0008] 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ぐオン抵抗が 小さいことが知られている。この金属原子移動スイッチング素子は大きく分けて図 1 A 、 Bに示す 2つのタイプがある。
[0009] 図 1 Aはギャップ型金属原子移動スイッチング素子であり、図 1Bはギャップレス型金 属原子移動スイッチング素子である。図 1A、 Bともに、 2端子型金属原子移動スイツ チング素子である。
[0010] 図 1 Aに示すギャップ型金属原子移動スイッチング素子（特開 2002— 076325号 公報参照）は、イオン伝導体 (Ag S)からなるイオン伝導部と、イオン伝導部へ金属ィ
2
オン (Ag + )を供給する、またはイオン伝導部から金属イオン (Ag + )を受け取り、そ の金属イオンに対応する金属 (Ag)を析出させる、イオン伝導部に接触して形成され た第 2の電極 (Ag)と、イオン伝導部との間でギャップを有して形成された第 1の電極 (Pt)と有する 2端子型金属原子移動スィッチング素子である（図 1 A及び上記各部の 材料は例示である）。
[0011] 図 1Aに示す第 2の電極 (Ag)を基準に第 1の電極（Pt)へ負電圧を印加すると、第 1の電極 (Pt)力 イオン伝導部の表面に第 1の電極 (Pt)とイオン伝導部間のギヤッ プのエネルギー障壁を透過（トンネリング）した電子が到達し、イオン伝導部の表面近 傍の金属イオン (Ag + )を還元して金属 (Ag)が析出する。
[0012] 金属 (Ag)が析出すると、それに対応して第 2の電極の金属 (Ag)が酸化され、金属 イオン (Ag + )としてイオン伝導部に溶け込むため、イオン伝導部内の正負イオンの バランスが維持される。イオン伝導部の表面に析出した金属 (Ag)が成長して第 1の 電極（Pt)と接触すると、スイッチング素子は導通 (オン)状態となる（図 1 Aの左図を参 照）。
[0013] 一方、第 2の電極 (Ag)を基準に第 1の電極 (Pt)へ正電圧を印加すると、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 (Ag)が第 1の電極 (Pt)から離 れ、スイッチング素子が切断 (オフ）状態となる（図 1 Aの右図を参照）。なお、イオン伝 導体には、半導体や絶縁体 (例えば Ag Sは n型半導体)等が用いられる。但し、スィ
2
ツチング素子として動作する（導通 (オン)状態を実現する）ためには、イオン伝導体を 、第 2の電極との接触面積が大きぐかつ比較的薄く形成するのが望ましい。
[0014] 図 1Bに示すギャップレス型金属原子移動スイッチング素子（特表 2002— 536840 号公報参照）は、イオン伝導体（Cu S)からなるイオン伝導部と、イオン伝導部に金
2
属イオン (Cu+ )を供給する、またはイオン伝導部から金属イオン (Cu + )を受け取り 、その金属イオンに対応する金属（Cu)を析出させる、イオン伝導部に接触して形成 された第 2の電極（Cu)と、イオン伝導部に接触して形成された第 1の電極 (Ti)とを有 する 2端子型金属原子移動スイッチング素子である（図 1B及び上記各部の材料は例 示である）。
[0015] 図 1Bに示す第 2の電極（Cu)を基準に第 1の電極 (Ti)へ負電圧を印加すると、ィ オン伝導部の第 1の電極 (Ti)との接触面近傍の金属イオン (Cu + )が還元され、第 1 の電極 (Ti)との接触面にて金属（Cu)が析出する。金属（Cu)が析出すると、それに 対応して第 2の電極の金属（Cu)が酸化され、金属イオン (Cu+ )としてイオン伝導部 に溶け込むため、イオン伝導部内の正負イオンのバランスが維持される。
[0016] 一般に、第 1の電極 (Ti)よりもイオン伝導部のイオン伝導体（Cu S)の方が柔らか
2
いので、析出した金属（Cu)はイオン伝導部内を第 2の電極（Cu)へ向かって成長し ていく。析出した金属（Cu)が第 2の電極（Cu)と接触すると、スイッチング素子が導 通 (オン)状態となる（図 1Bの左図を参照）。
[0017] 一方、第 2の電極（Cu)を基準に第 1の電極 (Ti)へ正電圧を印加すると、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 2の電極 (Cu)から離 れ、スイッチング素子は切断 (オフ）状態となる（図 1Bの右図を参照）。
[0018] 図 1A、 Bに示した 2つのタイプの金属原子移動スイッチング素子は、構成および動 作の点で以上のような差異があるが、電気化学反応により第 2の電極の金属原子が 析出物として第 1の電極と第 2の電極間で移動し、第 1の電極と第 2の電極とを接続 する（導通 (オン)状態のとき)金属配線となる点で共通する。
[0019] 図 1A、 Bに示した 2つのタイプの金属原子移動スイッチング素子は、ともに 2端子型 金属原子移動スイッチング素子である。このような 2端子型金属原子移動スィッチン グ素子には、エレクト口マイグレーション耐性が低いという問題点がある。
[0020] エレクト口マイグレーションとは、金属配線中の金属原子が、金属配線を流れる電子 と衝突することで移動する現象をいう。高温環境下において、ある一定以上の電流密 度の電流を金属配線に流し続けると、エレクト口マイグレーションによる金属原子の移 動に起因して、金属配線が断線する等の深刻な問題が発生する。
[0021] 上述したように、 2端子型金属原子移動スイッチング素子では、電気化学反応によ り第 2の電極から第 1の電極へ析出物として移動した金属原子が、第 1の電極と第 2 の電極とを接続するための金属配線となる。この金属配線におけるエレクト口マイダレ ーシヨンを防止するには、析出物の量を増加させて金属配線を太くし、金属配線に流 れる電流密度を下げる必要がある。
[0022] し力、しながら、 2端子型金属原子移動スイッチング素子では、析出物の量を増加さ せて金属配線を太くすることは容易ではなレ、。なぜなら、析出物の量を増加させるた めには、第 2の電極を基準に第 1の電極へ印加する負電圧の絶対値を大きくしなけ ればならなレ、。し力、しながら、いったん第 1の電極と第 2の電極とを接続する金属配線 が形成されると、第 1の電極と第 2の電極間に印加された電圧は、この金属配線に大 量の電流を流すことには寄与するが、析出物の量を増加させて金属配線を太くする ことには寄与しないからである。それどころか、エレクト口マイグレーションを防止する ために電圧を高くすると、金属配線に大量の電流が流れることで、エレクト口マイダレ ーシヨンをより誘発するおそれがある。
発明の開示
[0023] そこで本発明の目的は、第 1の電極と第 2の電極とを接続するための金属配線とな る析出物の量を容易に制御可能にして、エレクト口マイグレーション耐性が高いスイツ チング素子、スィッチング素子の駆動方法及び製造方法、集積回路装置並びにメモ リ素子を提供することにある。
[0024] 上記目的を達成するため本発明のスイッチング素子は、析出物の量を制御するた めの第 3の電極を新たに設ける。すなわち、本発明のスイッチング素子は、 3端子型 金属原子移動スイッチング素子である。さらに、本発明のスイッチング素子は、図 1A に示したギャップ型金属原子移動スイッチング素子をベースとした、 3端子ギャップ型 金属原子移動スイッチング素子である。
[0025] 具体的には、本発明のスイッチング素子は、金属イオンが内部を自由に移動できる イオン伝導体を含むイオン伝導部と、イオン伝導部と第 1のギャップを有して形成され た第 1の電極と、イオン伝導体に金属イオンを供給する、またはイオン伝導体から金 属イオンを受け取り、金属イオンに対応する金属を析出させる、イオン伝導部に接触 して形成された第 2の電極と、イオン伝導部と第 2のギャップを有して形成された第 3 の電極とを有する（図 1 Aを参照）。
[0026] このような構成では、第 2の電極を基準に第 1の電極へ負の電圧を印加すると、第 1 のギャップのエネルギー障壁を透過（トンネリング）した電子、第 1のギャップに設けら れた絶縁体中にて熱励起された電子または絶縁体中の不純物や欠陥などにより生 成された電子がイオン伝導部の表面に到達し、イオン伝導部の表面近傍の金属ィォ ンを還元して第 2の電極の金属を析出させる。
[0027] この金属の析出に対応して、第 2の電極の金属が酸化され、金属イオンとしてィォ ン伝導部に溶け込むため、イオン伝導部内の正負イオンのバランスが維持される。ィ オン伝導部の表面に析出した金属が成長し、第 1の電極に接触すると、スイッチング 素子が導通 (オン)状態となる。
[0028] 逆に、第 2の電極を基準に第 1の電極へ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、析出した金属が溶解して第 1の電極から離れ、スィッチ ング素子は切断 (オフ）状態となる。以上の動作は、図 1 Aに示した 2端子ギャップ型 金属原子移動スィッチング素子と基本的に同じである。
[0029] また、第 2の電極を基準に第 3の電極へ負電圧を印加した場合、あるいは第 2の電 極を基準に第 3の電極へ正電圧を印加した場合も基本的に同じように動作する。この とき、析出物からなる金属配線が第 1の電極と第 2の電極とを接続した後に、第 2の電 極を基準に第 3の電極へ所定の電圧を印加すれば、析出物の量及びそれに依存す る金属配線の太さを制御できる。なぜなら、第 3の電極に印加された電圧は、第 1の 電極と第 2の電極とを接続する金属配線に流れる電流を増大させることにはあまり寄 与せず、析出物の量を増加させることに寄与するからである。よって、第 3の電極に印 加する電圧を制御することで、析出物からなる金属配線を太くすることが可能であり、 エレクト口マイグレーション耐性を高めることができる。
[0030] 本発明のスイッチング素子によれば、第 3の電極を設け、この第 3の電極に印加す る電圧を制御することで、第 1の電極と第 2の電極とを接続する、析出物からなる金属 配線の太さを制御するため、 2端子型金属原子移動スイッチング素子で問題となって いたエレクト口マイグレーションを防止できるという効果がある。
[0031] さらに、本発明のスイッチング素子は、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子を ベースにした構成であるため、次のような効果がある。
[0032] ギャップ型金属原子移動スイッチング素子は、ギャップレス型金属原子移動スイツ チング素子に比べて、スイッチング電圧（オン状態とオフ状態を切り替えるのに必要 な電圧）の調整が容易である。これは、第 1の電極及び第 2の電極間の材料力 ギヤ ップレス型金属原子移動スイッチング素子ではイオン伝導体に限定されるのに対して 、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、真空、ガス、絶縁体等を選択でき る力らである。また、それに加えて、第 1の電極と第 2の電極間の構造設計の自由度 が高いからである。この理由は、 3端子型にもそのままあてはまり、本発明の 3端子ギ ヤップ型金属原子移動スイッチング素子は、 3端子ギャップレス型金属原子移動スィ ツチング素子よりも、第 1の電極に印加する電圧および第 3の電極に印加する電圧に よる、スイッチング電圧の調整が容易であるとレ、う効果がある。 [0033] また、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子では、第 1の電極と第 2の電極 間のイオン伝導体のイオン伝導度が大きぐイオン伝導体の電気化学反応に必要な エネルギーが小さいため、スイッチング電圧が小さくなりすぎる傾向にある。そのため 、既存の集積回路装置の動作電圧レベルとの整合が問題になる。
[0034] し力、しながら、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、このような問題が生 じ難レ、。なぜなら、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子では、スイッチング電圧 を決定するファクタは、イオン伝導度や電気化学反応に必要なエネルギーではなぐ イオン伝導体の金属イオンを還元する電子を励起するエネルギーだからである。この 理由は、 3端子型でもそのままあてはまり、本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動 スイッチング素子では、 3端子ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子とは異な り、第 1の電極に印加する電圧および第 3の電極に印加するスイッチング電圧が低く なりすぎるという問題が発生し難い。
図面の簡単な説明
[0035] [図 1A] 2端子ギャップ型金属原子移動スィッチング素子の構成及び動作を示す模式 図である。
[図 1B] 2端子ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子の構成及び動作を示す 模式図である。
[図 2A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 1の実施の形 態の構成を示す模式図である。
[図 2B]図 2Aに示した第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長する 様子を示す模式図である。
[図 3A]図 2Aに示した 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の駆動方法の 一例を示す図であり、第 2の電極を基準に第 1の電極へ負電圧を印加したときの、第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図であ る。
[図 3B]図 1Aに示した 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の駆動方法の 一例を示す図であり、第 2の電極を基準に第 3の電極へ負電圧を印加したとき、金属 配線が太くなる様子を示す模式図である。 園 4A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造工程を示す 側面図である。
園 4B]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造工程を示す 側面図である。
園 5A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 2の実施の形 態の構成を示す模式図である。
園 5B]図 5Aに示した第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長する 様子を示す模式図である。
園 6A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 3の実施の形 態の構成を示す模式図である。
園 6B]図 6Aに示した第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長する 様子を示す模式図である。
園 7A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 4の実施の形 態の構成を示す模式図である。
園 7B]図 7Aに示した第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長する 様子を示す模式図である。
園 8A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 5の実施の形 態の構成を示す模式図である。
園 8B]図 8Aに示した第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長する 様子を示す模式図である。
園 9A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 6の実施の形 態の構成を示す模式図である。
園 9B]図 9Aに示した第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長する 様子を示す模式図である。
園 10A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 7の実施の形 態の構成を示す模式図である。
園 10B]図 10Aに示した第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長 する様子を示す模式図である。 [図 11A]本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 8の実施の形 態の構成を示す模式図である。
[図 11B]図 11Aに示した第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長 する様子を示す模式図である。
発明を実施するための最良の形態
[0036] 上述したように、本発明の金属原子移動スイッチング素子は、金属イオンがその内 部を自由に移動できるイオン伝導体を含むイオン伝導部と、イオン伝導部との間に第 1のギャップを有して配置される第 1の電極と、イオン伝導体に金属イオンを供給する
、またはイオン伝導体から金属イオンを受け取り該金属イオンに対応する金属を析出 させる。イオン伝導部に接触して形成された第 2の電極と、イオン伝導部との間に第 2 のギャップを有して配置される第 3の電極を有する 3端子ギャップ型金属原子移動ス イッチング素子である。
[0037] 以下、本発明の金属原子移動スイッチング素子の第 1の実施の形態から第 8の実 施の形態について簡単に説明する。
[0038] 第 1の実施の形態及び第 2の実施の形態では、本発明の金属原子移動スィッチン グ素子の基本的な構成、駆動方法及び製造方法を示してレ、る。
[0039] 第 1の実施の形態（図 2A参照）は、イオン伝導部と第 1の電極間に設けた第 1のギ ヤップ、及びイオン伝導部と第 3の電極間に設けた第 2のギャップが真空あるいはガ スが充満された例である。
[0040] ここで、第 2の電極を基準に第 1の電極または第 3の電極へ負電圧を印加した場合
、イオン伝導部の表面に到達することでイオン伝導体に含まれる金属イオンを還元し て金属を析出させる電子は、第 1のギャップまたは第 2のギャップのエネルギー障壁 を透過した電子である。
[0041] 第 2の実施の形態（図 5A参照）は、イオン伝導部と第 1の電極間に設けた第 1のギ ヤップ、及びイオン伝導部と第 3の電極間に設けた第 2のギャップに絶縁体を備える 例である。
[0042] この場合、第 2の電極を基準に第 1の電極または第 3の電極に負電圧を印加するこ とでイオン伝導部の表面に到達し、イオン伝導体に含まれる金属イオンを還元して金 属を析出させる電子は、第 1のギャップまたは第 2のギャップのエネルギー障壁を透 過した電子、絶縁体中で熱励起された電子または絶縁体中の不純物や欠陥などに より生成された電子である。
[0043] 第 3の実施の形態から第 5の実施の形態は、第 1の実施の形態または第 2の実施の 形態で示した金属原子移動スイッチング素子に、イオン伝導部の表面にて成長する 析出物の延びる方向を第 1の電極方向へ限定するための構成要素をさらに有する例 である。
[0044] 第 3の実施の形態（図 6A参照）は、イオン伝導部の第 3の電極側表面に、緻密で堅 い材料からなるブロック層を設け、イオン伝導部の表面にて成長する析出物が第 3の 電極へ向かって延びるのを防止する共に、析出物の延びる方向を第 1の電極方向へ 限定している。
[0045] 第 4の実施の形態（図 7Aを参照）は、イオン伝導部と第 3の電極間に設けたギヤッ プの厚さを、イオン伝導部の第 1の電極側部位で他の部位よりも薄く形成し、第 2の 電極を基準に第 3の電極へ印加する電圧によって形成される電界強度がこのギヤッ プが薄い部位で最も強くなるようにしている。これにより、イオン伝導部の表面にて成 長する析出物の延びる方向を第 1の電極の方向へ限定している。
[0046] 第 5の実施の形態（図 8Aを参照）は、第 2の実施の形態と同様に第 1のギャップ及 び第 2のギャップに絶縁体を備える例である。但し、絶縁体は、イオン伝導部と第 1の 電極間の部位で、他の部位よりも抵抗率を小さくする。このようにすると、第 2の電極 を基準に第 3の電極へ負電圧を印加した場合、イオン伝導部の表面に到達する電子 は、イオン伝導部の第 1の電極側に集中するので、イオン伝導部の表面にて成長す る析出物の延びる方向を第 1の電極方向へ限定できる。
[0047] 第 6および第 7の実施の形態は、第 1の実施の形態または第 2の実施の形態で示し た金属原子移動スイッチング素子に、イオン伝導部の表面において成長する析出物 の延びる方向を第 1の電極方向へ限定するための構成要素と、第 1の電極及び第 2 の電極を、金属よりも電気伝導度が小さいイオン伝導部を介することなぐ析出物から なる金属配線により直接接続することで、オン抵抗を低減するための構成要素とをさ らに有する例である。 [0048] 第 6の実施の形態（図 9A参照）は、イオン伝導部の第 3の電極側表面に緻密で堅 い金属からなる第 2の電極を積層する。これにより、イオン伝導部の表面にて成長す る析出物が第 3の電極の方向へ延びるのを防止し、析出物の延びる方向を第 1の電 極方向へ限定している。さらに、第 2の電極力 Sイオン伝導部上に積層されているので 、イオン伝導部の表面にて析出した析出物が成長するにつれ、第 2の電極と接触す ることになる。これにより、第 1の電極と第 2の電極とがイオン伝導部を介することなく 電気的に接続するので、オン抵抗が減少する。
[0049] 第 7の実施の形態（図 10A参照）は、イオン伝導部を第 2の電極上に積層するととも に、イオン伝導部の第 3の電極側表面に緻密で堅い材料からなるブロック層を形成 する。これにより、イオン伝導部の表面にて成長する析出物が第 3の電極方向へ延び るのを防止すると共に、析出物の延びる方向を第 1の電極方向へ限定している。さら に、イオン伝導部が第 2の電極上に積層されているので、イオン伝導部の表面にて 析出した析出物が成長するにつれ、第 2の電極と接触することになる。これにより、第 1の電極と第 2の電極がイオン伝導部を介することなく電気的に接続するので、オン 抵抗が減少する。
[0050] 第 8の実施の形態（図 11 A参照）は、金属イオンがその内部を自由に移動できるィ オン伝導体を含むイオン伝導部と、イオン伝導部上にイオン伝導部に接触して形成 された第 1の電極と、イオン伝導部上に第 1の電極と所定の距離だけ離れて配置され
、イオン伝導体に上記金属イオンを供給する、またはイオン伝導体から上記金属ィォ ンを受け取り該金属イオンに対応する金属を析出させる、イオン伝導部に接触して形 成された第 2の電極と、イオン伝導部との間でギャップ有して形成された第 3の電極と を有する 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子である。
[0051] 第 8の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、第 1の実施の形態から第 7 の実施の形態で示した金属原子移動スイッチング素子と異なり、第 1の電極がイオン 伝導部と接触している構成である。し力、しながら、第 1の電極及び第 2の電極がイオン 伝導部上に所定の距離を有して形成されているので、第 1の電極と第 2の電極間を 接続する金属配線となる析出物は、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子の ようにイオン伝導部の内部にできるのではなぐ第 1の電極と第 2の電極間に存在す るイオン伝導部の表面に形成される。このように、析出物がイオン伝導部の表面にで きる場合、イオン伝導部との間にギャップを有して配置される第 3の電極へ電圧を印 加することで、析出物の量及びそれに依存する金属配線の太さを制御できる。第 8の 実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、第 1の電極がイオン伝導部と接触 しているものの、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子と見なせる。
[0052] 以下、本発明の金属原子移動スイッチング素子の第 1の実施の形態から第 8の実 施の形態について図面を用いて説明する。
[0053] (第 1の実施の形態）
図 2Aは本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 1の実施の 形態の構成を示す模式図であり、図 2Bは図 2Aに示した第 1の電極と第 2の電極間 に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
[0054] 図 2Aに示すように、第 1の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、絶縁 性の基板 6 (Si〇）上にイオン伝導体（Cu S)からなるイオン伝導部 4が形成され、ィ
2 2
オン伝導部 4に金属イオン (Cu + )を供給する、またはイオン伝導部 4から金属イオン (Cu+ )を受け取り、その金属イオンに対応する金属（Cu)を析出させる、イオン伝導 部 4と接触する第 2の電極 2が基板 6上に形成された構成である。
[0055] また、基板 6上には、イオン伝導部 4との間に第 1のギャップを有して第 1の電極 1 (P t)が形成されている。さらに、基板 6上には、イオン伝導部 4との間に第 2のギャップを 有して第 3の電極 3 (Pt)が形成されている。第 1のギャップ及び第 2のギャップは、そ れぞれギャップ 5の一部である。
[0056] 第 1の実施の形態では、ギャップ 5が、真空であってもよぐガスで充満されていても よレ、。第 1のギャップ及び第 2のギャップの厚さは lnm〜10nm程度である。
[0057] イオン伝導部 4のイオン伝導体としては、 Cu S、カルコゲン元素（0、 S、 Se、 Te)と
2
金属の化合物、シリコンを含む絶縁物（酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン）
、ぺロブスカイト型酸化物（AB〇、 A: Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 B :Ti)等がある。
3
[0058] 第 2の電極 2の金属としては、 Cu、 Ag、 Pb等がある。
[0059] 第 1の電極 1及び第 3の電極 3の材料としては、 Pt、高融点金属（W、 Ti、 Ta、 Mo) 、シリサイド（チタンシリサイド、コノ ルトシリサイド、モリブデンシリサイド）等がある。 [0060] 次に、第 1の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の動作について説明す る。
[0061] 例えば、第 2の電極 2を基準に第 1の電極 1へ負電圧を印加すると、第 1の電極 1と イオン伝導部 4間の第 1のギャップのエネルギー障壁を透過した電子がイオン伝導部 4の表面に到達し、イオン伝導部 4の表面近傍の金属イオン (Cu+ )を還元して第 2 の電極 2の材料と同じ金属（Cu)を析出させる。この金属の析出に対応して、第 2の電 極 2の金属（Cu)が酸化され、金属イオン (Cu+)としてイオン伝導部 4に溶け込むた め、イオン伝導部 4内の正負イオンのバランスが維持される。イオン伝導部 4の表面 に析出した金属が成長して第 1の電極 1に接触すると、金属原子移動スィッチング素 子は導通 (オン)状態となる（図 2B参照）。一方、第 2の電極 2を基準に第 1の電極 1 へ正電圧を印加すると、上記と全く逆の電気化学反応が進行する。その結果、析出 した金属が溶解して第 1の電極 1から離れ、金属原子移動スィッチング素子が切断（ オフ）状態となる（以上の動作は、図 11Aに示した 2端子ギャップ型金属原子移動ス イッチング素子の動作と基本的に同じである）。
[0062] 第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧を印加した場合、または第 2の電極 2を 基準に第 3の電極 3へ正電圧を印加した場合の動作も基本的に同じである。このとき 、図 3Bに示す析出物 7からなる金属配線が第 1の電極 1と第 2の電極 2を電気的に接 続した後であっても、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ電圧を印加すれば、析出 物 7の量及びそれに依存する金属配線の太さを制御できる。なぜなら、第 3の電極 3 に印加された電圧は、第 1の電極 1と第 2の電極 2を接続する金属配線に流れる電流 を増大させることにはあまり寄与せず、析出物 7の量を増加させることに寄与するから である。
[0063] よって、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ印加する電圧を制御することで、析出 物 7からなる金属配線が太くすることが可能であり、エレクト口マイグレーション耐性を 高めること力できる。
[0064] 図 3Aは、図 2Aに示した 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の駆動方 法の一例を示す図であり、第 2の電極を基準に第 1の電極へ負電圧を印加したときの 、第 1の電極と第 2の電極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図 である。また、図 3Bは、図 1 Aに示した 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素 子の駆動方法の一例を示す図であり、第 2の電極を基準に第 3の電極へ負電圧を印 カロしたとき、金属配線が太くなる様子を示す模式図である。
[0065] 図 3Aに示すように、第 2の電極 2を基準に第 1の電極 1へ負電圧を印加することで イオン伝導部 4と第 1の電極 1とを析出物 7で接続する。次に、図 3Bに示すように、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧を印加することで析出物 7の成長を促進さ せ、析出物 7からなる金属配線を太くする。そして、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧または正電圧を印加し、析出物 7を第 1の電極 1と接触させたり第 1の電極 1から離すことで、金属原子移動スィッチング素子のオン/オフ動作を制御する。
[0066] なお、図 3Aでは、第 2の電極 2を基準に第 1の電極 1へ負電圧を印加することで析 出物 7を成長させているが、析出物 7が第 1の電極 1方向にのみ成長することが保証 されているならば、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧を印加することで析出 物 7を成長させてもよい。例えば、後述する第 3の実施の形態から第 7の実施の形態 では、析出物の成長を第 1の電極方向へ限定する構成を採用している。したがって、 これらの構成を採用すれば、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧を印加する ことで析出物 7を成長させ方法が有効となる。同様に、後述する第 8の実施の形態で も、第 1の電極と第 2の電極間内で析出物の成長を限定する方法を示しているため、 この構成を採用すれば、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧を印加すること で析出物 7を成長させる方法が有効となる。
[0067] 次に、第 1の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法について説 明する。
[0068] まず、基板 1 (SiO )上にフォトレジストを塗布し、紫外線照射および現像処理により
2
フォトレジストの第 1の電極 1の形成領域に開口部を設ける。次に、第 1の電極 1となる Pt膜を蒸着し、リフトオフ法を用いて厚さが lnm〜100nm程度の第 1の電極 1を形 成する。同様の手順により、厚さが lnm〜100nm程度のイオン伝導部 4 (Cu S)を
2 形成し、さらに厚さが lnm〜： !OOnm程度の第 2の電極 2 (Cu)を形成する。なお、ィ オン伝導部 4と第 1の電極 1間には、 lnm〜： !Onm程度の距離を設ける（第 1のギヤッ プを形成するため）。次に、イオン伝導部 4、第 1の電極 1及び第 2の電極 2を覆うよう にレジストパターンを設ける。この際、レジストは厚さが lnmから 10nm程度となるよう にイオン伝導部 4上に形成する（第 2のギャップの形成のため）。
[0069] 次に、第 3の電極 3をこのレジスト上に形成する。第 3の電極 3を形成後、アセトン等 の有機溶剤を用いてレジストを除去することでイオン伝導部 4と第 1の電極 1間の第 1 のギャップ及びイオン伝導部 4と第 3の電極 3間の第 2のギャップが形成する。なお、 第 1のギャップ及び第 2のギャップ（ギャップ 5)には、空気等のガスを充填してもよレ、。
[0070] 第 1の実施の形態の金属原子移動スィッチング素子を製造する場合、イオン伝導 部 4と第 1の電極 1間の第 1のギャップの厚さを制御することが難しい。
[0071] 図 4A、図 4Bは、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間の第 1のギャップを所望の厚さで 形成するための製造手順を示している。
[0072] まず、基板 6上に、スパッタリング法等を用いて第 1の電極 1となる Pt膜を lOOnm程 度成長させる（図 4A (a) )。次に、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用い て、この Pt膜を加工し、第 1の電極 1を形成する。次に、第 1の電極 1を含む基板 6上 の全面に絶縁膜 9 (SiO )を lOnm程度成長させる（図 4A (b) )
2 。
[0073] 次に、異方性ドライエッチング法を用いて、絶縁膜 9を第 1の電極 1の側壁部位のみ を残して除去する（図 4A (c) )。
[0074] 次に、レーザーアブレーシヨン法を用いて、第 1の電極 1を覆うように、基板 6上にィ オン伝導体膜 10 (Cu S)を 50nm程度成長させる（図 4A (d) )
2 。
[0075] 次に、異方性ドライエッチング法を用いて、イオン伝導体膜 10を第 1の電極 1側壁 に残った絶縁膜 9部位のみを残して除去する（図 4A (e) )。このとき、図 4A (e)の右 側に示すイオン伝導体膜力イオン伝導部 4となる。
[0076] 次に、リフトオフ法を用いて厚さ 50nm程度の Cu膜からなる第 2の電極 2を形成する
(図赠)）。
[0077] 次に、第 1の電極 1等を覆うように基板 6上の全面に厚さ 20nm程度の絶縁膜 11 (S ΪΟ )を成長させる（図 4B (g) )。
2
[0078] 次に、絶縁膜 11を被覆するように、厚さ lOOnm程度の Pt膜を形成し、リソグラフィ 一技術及びドライエッチング技術を用いて、この Pt膜をカ卩ェして第 3の電極 3を形成 する（図 4B (h) )。 [0079] 最後に、ウエットエッチング法を用いて、絶縁膜 9及び絶縁膜 11をそれぞれ除去し 、ギャップ 5を形成する（図 4B (i) )。ギャップ 5にはガスを充填してもよい。
[0080] 以上説明した製造方法によれば、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間の第 1のギャップ の厚さは、図 4A (b)に示した工程で形成する絶縁膜 9の厚さにより制御できるので、 第 1のギャップの厚さを容易に制御できる。
[0081] (第 2の実施の形態）
図 5Aは本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 2の実施の 形態の構成を示す模式図であり、図 5Bは図 5Aに示した第 1の電極と第 2の電極間 に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
[0082] 第 1の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、ギャップ 5が真空またガ スで満たされた構成を示したが、第 2の実施の形態の金属原子移動スイッチング素 子は、ギャップ 5に絶縁体（例えば、レジストや Si〇）を備えた構成である。このような
2
構成の差異は、金属原子移動スイッチング素子の動作に次のような差異を生じる。す なわち、第 1の実施の形態では、第 2の電極 2を基準に第 1の電極 1または第 3の電 極 3へ負電圧を印加した場合、イオン伝導部 4に含まれる金属イオンを還元するため にイオン伝導部 4の表面に到達する電子は、第 1のギャップまたは第 2のギャップのェ ネルギー障壁を透過（トンネリング）した電子である。
[0083] 一方、第 2の実施の形態では、ギャップ 5に絶縁体（固体）を備えているため、イオン 伝導部 4に含まれる金属イオンを還元するためにイオン伝導部 4の表面に到達する 電子は、ギャップのエネルギー障壁を透過（トンネリング）した電子に限らず、絶縁体 中で熱励起された電子、絶縁体中の不純物や欠陥により生成された電子を含む（こ こで、絶縁体とは、バンドギャップが離れた物質を指し、半導体を含む）。
[0084] このように、第 2の実施の形態では、絶縁体中の電子を利用するので、第 1のギヤッ プおよび第 2のギャップの厚さは、第 1の実施の形態ほど薄くする必要はない。第 1の ギャップおよび第 2のギャップの厚さは、 lnm〜： !OOnm程度で十分である。
[0085] 第 2の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、第 1の実施の 形態で示した工程のうち、絶縁物を除去する工程（図 4B (i) )を省略するだけで実現 できる。 [0086] 第 1の実施の形態及び第 2の実施の形態で示したように、本発明の金属原子移動 スイッチング素子はギャップ型金属原子移動スイッチング素子であるため、ギャップ 5 に充填する材料を比較的自由に変えることができる。したがって、以下に記載するよ うな効果を有する。
[0087] ギャップ型金属原子移動スイッチング素子は、ギャップレス型金属原子移動スイツ チング素子に比べて、スイッチング電圧（オン状態とオフ状態とを切り替えるのに必要 な電圧）の調整が容易である。これは、第 1の電極と第 2の電極間の材料が、ギャップ レス型金属原子移動スイッチング素子ではイオン伝導体に限定されるのに対して、ギ ヤップ型金属原子移動スイッチング素子では、真空、ガス、絶縁体等から選択できる ため、第 1の電極と第 2の電極間の構造設計の自由度が高いからである。この理由は 、 3端子型にもそのままあてはまり、本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スィッチ ング素子は、 3端子ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子よりも、第 1の電極 または第 3の電極に印加するスイッチング電圧の調整が容易である。
[0088] また、ギャップレス型金属原子移動スイッチング素子では、第 1の電極と第 2の電極 間のイオン伝導体のイオン伝導度が大きぐイオン伝導体における電気化学反応に 必要なエネルギーが小さいため、スイッチング電圧が小さくなりすぎる傾向にあり、既 存の集積回路装置の動作電圧との整合が問題になっている。一方、ギャップ型金属 原子移動スイッチング素子では、このような問題が生じ難レ、。なぜなら、ギャップ型金 属原子移動スイッチング素子では、スイッチング電圧を決定するファクタは、イオン伝 導度や電気化学反応に必要なエネルギーではなぐイオン伝導体の金属イオンを還 元する電子を励起するエネルギーだからである。この理由は、 3端子型にもそのまま あてはまり、本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子は、 3端子ギヤ ップレス型金属原子移動スイッチング素子と異なり、第 1の電極または第 3の電極に 印加するスイッチング電圧が低くなりすぎるという問題が生じ難い。
[0089] なお、イオン伝導部 4に絶縁体を用いる場合、ギャップ 5の絶縁体は、イオン伝導部
4に用いる絶縁体よりも低イオン伝導度のものを用いることが好ましい。例えば、ィォ ン伝導部 4に Si〇を用いる場合、ギャップ 5には Si〇よりもイオン伝導度が低い SiN
2 2
を用いるのが好ましい。 [0090] (第 3の実施の形態）
図 6Aは本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 3の実施の 形態の構成を示す模式図であり、図 6Bは図 6Aに示した第 1の電極と第 2の電極間 に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
[0091] 図 6Aに示すように、第 3の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン 伝導部 4の第 3の電極 3側表面に、ブロック層 8が形成されている点で第 1の実施の 形態で示した金属原子移動スイッチング素子と異なっている。ブロック層 8としては、 SiOのように緻密で堅レ、材料を用いるのが好ましレ、。
2
[0092] このような差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる 。すなわち、ブロック層 8が緻密で堅い材料により構成されているため、析出物 7はィ オン伝導部 4のブロック層 8側へ成長することなぐ第 3の電極 3の方向へ延びること はない。その結果、析出物が延びる方向はイオン伝導部 4から第 1の電極 1の方向に 限定される。
[0093] これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作 (例えば、析出物 7が第 3の電 極 3の方向へ延び、第 3の電極 3と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、 上述したように、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ電圧を印加する駆動方法を採 用する場合に好都合である。
[0094] 第 3の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、図 4A(e)に示 したイオン伝導部 4の形成工程（リフトオフ法）と、図 4B (f)に示した第 2の電極 2の形 成（リフトオフ法）との間に、リフトオフ法を用いてブロック層 8を形成する工程を追加す ればよい。
[0095] なお、第 3の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も第 2の実施の形態と同 様にギャップ 5に絶縁体を備えてレ、てもよレ、。
[0096] (第 4の実施の形態）
図 7Aは本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 4の実施の 形態の構成を示す模式図であり、図 7Bは図 7Aに示した第 1の電極と第 2の電極間 に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
[0097] 図 7Aに示すように、第 4の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン 伝導部 4と第 3の電極 3間に設けたギャップ 5の厚さを、イオン伝導部 4の第 1の電極 1 側部位で、他の部位よりも薄く形成した構成である。すなわち、第 1のギャップのうち、 イオン伝導部 4と第 1の電極 1間に対応する部位の厚さ力 S、第 2のギャップを含む他の 部位よりも薄く形成されている。そのため、第 3の電極 3が、このギャップ 5の薄い部位 で凸形状に形成された点で第 1の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子と異 なっている。
[0098] このような差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる 。すなわち、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧を印加すると、ゲート電圧に よって生成される電界はイオン伝導部 4と第 1の電極 1間の第 1のギャップで特に強く なる。したがって、イオン伝導体表面近傍の金属イオンを還元する電子は、イオン伝 導部 4の第 1の電極 1側表面に多く到達する。その結果、析出物 7が延びる方向はィ オン伝導部 4から第 1の電極 1の方向へ限定される（図 7B参照）。これにより、金属原 子移動スィッチング素子の誤動作 (例えば、析出物 7が第 3の電極 3の方向へ延び、 第 3の電極 3と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、上述したように、第 2 の電極 2を基準に第 3の電極 3へ電圧を印加する駆動方法を採用する場合に好都合 である。
[0099] 第 4の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、ギャップ 5とな るレジスト（または絶縁膜)を凸状にカ卩ェする工程が図 4B (g)に示した工程に追加さ れる。以下では、ギャップ 5にレジストを備える場合を例に第 4の実施の形態の金属原 子移動スイッチング素子の製造方法を説明するが、絶縁膜の場合でも同様である。
[0100] 本実施形態の製造方法では、第 2の電極 2を形成したあと、第 1のレジストパターン を形成し、その上に、第 2のレジストパターンを形成する。そして、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間の第 1のギャップの部位の第 2のレジストを除去する。
[0101] 例えば、第 1のレジストパターンとして力リックスアレーンを用レ、、第 2のレジストパタ ーンとしてノボラック系レジストを用いることで、第 1のレジストパターンを破壊すること なぐアルカリ水溶液にて第 2のレジストパターンを形成できる。
[0102] 次に、この上に第 3の電極 3を形成することにより、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間 の第 1のギャップの部位で凸形状となる第 3の電極 3が形成できる。 [0103] なお、第 4の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も第 2の実施の形態の 金属原子移動スイッチング素子と同様にギャップ 5に絶縁体を備えていてもよレ、。ま た、第 3の実施の形態で示したブロック層 4をイオン伝導部 4の第 3の電極 3側表面に 形成してもよい。
[0104] (第 5の実施の形態）
図 8Aは本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 5の実施の 形態の構成を示す模式図であり、図 8Bは図 8Aに示した第 1の電極と第 2の電極間 に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
[0105] 図 8Aに示すように、第 5の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン 伝導部 4と第 1の電極 1間の第 1のギャップに低抵抗絶縁材料 5bを備え、ギャップ 5の その他の部位に高抵抗絶縁材料 5aを備えている。すなわち、ギャップ 5に備える絶 縁体を、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間の部位で、他の部位よりも小さい抵抗率にす る点で第 1の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子と異なっている。
[0106] 第 5の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、第 2の実施の形態と同様 にギャップ 5に絶縁体を備えているため、第 1のギャップ及び第 2のギャップの厚さは 1〜 1 OOnm程度で十分である。
[0107] このような差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる 。すなわち、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧を印加した場合、イオン伝 導体表面近傍の金属イオンを還元する電子は、低抵抗絶縁材料 5bを備えた第 1の ギャップに誘導されるので、その多くがイオン伝導部 4の第 1の電極 1側表面に到達し 、高抵抗絶縁材料 5aを備えるイオン伝導部 4の第 3の電極 3側表面にはあまり到達し なレ、。その結果、析出物 7が延びる方向は、イオン伝導部 4から第 1の電極 1方向に 限定される（図 8B参照）。
[0108] これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作 (例えば、析出物 7が第 3の電 極 3の方向へ延び、第 3の電極 3と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、 上述したように、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ電圧を印加する駆動方法を採 用する場合に好都合である。
[0109] 第 5の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、ギャップ 5とな るレジスト（または絶縁膜)を形成する工程が図 4B (g)に示した工程から変更される。 以下では、ギャップ 5にレジストを備える場合を例に第 5の実施の形態の金属原子移 動スイッチング素子の製造方法を説明するが、絶縁膜の場合でも同様である。
[0110] 本実施形態の製造方法では、第 2の電極 2を形成した後、フォトレジスト（高抵抗材 料 5aとなる）を全面に塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いてスイッチング素子以外 の領域、及びイオン伝導部 4と第 1の電極 1間の第 1のギャップを形成する部位のフォ トレジストをそれぞれ除去する。
[0111] 次に、導電性レジスト（低抵抗材料 5bとなる）を全面に塗布し、フォトリソグラフィー 技術を用いてスイッチング素子以外の領域の導電性レジストを除去する。その後、第 3の電極 3を形成する。
[0112] なお、第 5の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も、第 3の実施の形態で 示したブロック層をイオン伝導部 4の第 3の電極 3側表面に形成してもよぐ第 4の実 施の形態で示した、第 1のギャップのうち、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間に対応す る部位の厚さを、第 2のギャップを含む他の部位よりも薄く形成してもよい。
[0113] (第 6の実施の形態）
図 9Aは本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 6の実施の 形態の構成を示す模式図であり、図 9Bは図 9Aに示した第 1の電極と第 2の電極間 に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
[0114] 図 9Aに示すように、第 6の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、第 2の 電極 2がイオン伝導部 4の第 3の電極 3側表面に形成される点で第 1の実施の形態の 金属原子移動スイッチング素子と異なっている。
[0115] このような差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異を生じる 。すなわち、第 2の電極 2は Cuなどの緻密で堅い材料で形成されているため、析出 物 7は第 2の電極 2の内部に向かって成長することはなレ、。その結果、析出物 7が延 びる方向は、イオン伝導部 4から第 1の電極 1方向に限定される。
[0116] これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作 (例えば、析出物 7が第 3の電 極 3の方向へ延び、第 3の電極 3と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、 上述したように、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ電圧を印加する駆動方法を採 用する場合に好都合である。
[0117] さらに、第 6の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、第 2の電極 2がィ オン伝導部 4上に積層されているため、イオン伝導部 4から第 1の電極 1へ向けて成 長する析出物 7から成る金属配線が太くなると、図 9Bに示すように第 2の電極 2と接 触する。
[0118] イオン伝導部 4のイオン伝導体は金属に比べて電気伝導率が小さい。したがって、 第 1の電極 1と第 2の電極 2とをイオン伝導部 4を介して接続するよりも、析出物 7から 成る金属配線で直接接続した方がオン抵抗が小さくなる。オン抵抗の低減は、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、 スイッチング素子に特に要求される点であったことを考慮すると (背景技術を参照）、 非常に重要な効果である。
[0119] 第 6の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、図 4B (f)に示 した第 2の電極 2を形成する工程にぉレ、て、第 2の電極 2をイオン伝導部 4上にリフト オフ法を用いて形成する。
[0120] なお、第 6の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も第 2の実施の形態と同 様にギャップ 5に絶縁体を備えていてもよい。また、第 4の実施の形態で示した、第 1 のギャップのうち、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間に対応する部位の厚さを、第 2の ギャップを含む他の部位よりも薄く形成してもよぐ第 5の実施の形態で示した、イオン 伝導部 4と第 1の電極 1間の部位で、絶縁体の抵抗率を他の部位よりも小さくする構 成でもよい。
[0121] (第 7の実施の形態）
図 10Aは本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 7の実施 の形態の構成を示す模式図であり、図 10Bは図 10Aに示した第 1の電極と第 2の電 極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
[0122] 図 10Aに示すように、第 7の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、ィォ ン伝導部 4が第 2の電極 2上に形成されているとともに、イオン伝導部 4の第 3の電極 3側表面にブロック層 8が形成されている点で第 1の実施の形態と異なっている。プロ ック層 8には Si〇など緻密で堅い材料を用いるのが好ましい。 [0123] このような構成の差異は、次のような金属原子移動スイッチング素子の動作の差異 を生じる。すなわち、ブロック層 8は、 Si〇等の緻密で堅い材料で形成されるため、
2
析出物 7はブロック層 8の内部に向かって成長することはない。その結果、析出物 7が 延びる方向はイオン伝導部 4から第 1の電極 1方向に限定される。
[0124] これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作 (例えば、析出物 7が第 3の電 極 3の方向へ延び、第 3の電極 3と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、 上述したように、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ電圧を印加する駆動方法を採 用する場合に好都合である。
[0125] さらに、第 7の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、イオン伝導部 4 が第 2の電極 2上に積層されているので、イオン伝導部 4から第 1の電極 1へ向けて成 長する析出物 7からなる金属配線が太くなると、図 10Bで示したように第 2の電極 2と 接触する。
[0126] イオン伝導部 4のイオン伝導体は金属に比べて電気伝導率が小さい。したがって、 第 1の電極 1と第 2の電極 2とがイオン伝導部 4を介して接続するよりも、イオン伝導部 4を介することなく析出物 7からなる金属配線で直接接続する方がオン抵抗が小さく なる。オン抵抗の低減は、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、スイッチング素子に特に要求されていることを考慮 すると (背景技術を参照）、非常に重要な効果である。
[0127] 第 7の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子の製造方法は、図 4B (f)に示 したリフトオフ法を用いた第 2の電極 2の形成工程と、図 4A(e)に示したリフトオフ法 を用いたイオン伝導部 4の形成工程の順序を逆転し、イオン伝導部 4上にリフトオフ 法を用いてブロック層 8を形成する工程を追加すればよい。
[0128] なお、第 7の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子も第 2の実施の形態と同 様にギャップ 5に絶縁体を備えていてもよい。また、第 4の実施の形態で示した、第 1 のギャップのうち、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間に対応する部位の厚さを、第 2の ギャップを含む他の部位よりも薄く形成してもよぐ第 5の実施の形態で示した、イオン 伝導部 4と第 1の電極 1間の部位で、絶縁体の抵抗率を他の部位よりも小さくする構 成でもよい。 [0129] (第 8の実施の形態）
図 11Aは本発明の 3端子ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の第 8の実施 の形態の構成を示す模式図であり、図 11Bは図 11Aに示した第 1の電極と第 2の電 極間に金属配線となる析出物が成長する様子を示す模式図である。
[0130] 図 11Aに示すように、第 8の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、絶縁 性の基板 6 (Si〇）上にイオン伝導体（Cu S)からなるイオン伝導部 4が形成され、ィ
2 2
オン伝導部 4上に、第 1の電極 1 (Pt)と、イオン伝導部 4に金属イオン (Cu+)を供給 する、またはイオン伝導部 4から金属イオン (Cu+)を受け取りこの金属イオンに対応 する金属（Cu)を析出させる第 2の電極 2 (Cu)とが、所定の距離を有して配置された 構成である。
[0131] また、基板 6上には、イオン伝導部 4との間にギャップ 5を有するように第 3の電極 3 ( Pt)が形成されている。ギャップ 5は、真空であってもよぐガスが充填されていてもよ レ、。また、ギャップ 5には絶縁体を備えていてもよい。ギャップ 5が真空またはガスが充 填されている場合、その厚さは lnm〜10nm程度となる。また、ギャップ 5に絶縁体を 備えている場合、その厚さは lnm〜100nm程度となる。イオン伝導部 4の厚さは 10 nm〜1000nm程度である。第 1の電極 1及び第 2の電極 2は、その厚さが lnm〜： 10 Onm程度であり、 lnm〜100nm程度の距離を有して配置される。
[0132] 第 8の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、上述した第 1の実施の形 態から第 7の実施の形態で示した金属原子移動スイッチング素子と基本的な構成が 異なっている。すなわち、第 1の実施の形態から第 7の実施の形態の金属原子移動 スイッチング素子では、イオン伝導部 4と第 1の電極 1間に第 1のギャップが存在し、ィ オン伝導部 4と第 1の電極 1とが接触していない構成である。一方、第 8の実施の形態 の金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導部 4と第 1の電極 1とが接触する構 成である。
[0133] 図 1Bで示したように（背景技術を参照）、イオン伝導部 4が第 1の電極 1および第 2 の電極 2と接触していると、ギャップ型金属原子移動スイッチング素子となり、析出物 7はイオン伝導部 4の内部で成長すると考えられる。
[0134] し力、しながら、第 8の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、第 1の電 極 1及び第 2の電極 2がイオン伝導部 4上に所定の距離を有して形成されているので 、析出物 7はイオン伝導部 4表面の第 1の電極 1と第 2の電極 2間の部位で析出するこ とになる。
[0135] このように、析出物 7が第 1の電極 1と第 2の電極 2間のイオン伝導部 4表面に析出 する場合、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ負電圧を印加すると、イオン伝導体 中の金属イオンを還元する電子（トンネル電子、絶縁体中で熱励起された電子、不純 物や欠陥により生成された電子）はイオン伝導部 4の表面に到達し、析出物 7からな る金属配線を太くすることに寄与する。
[0136] すなわち、第 8の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子は、イオン伝導部 4 が第丄の電極丄及び第 2の電極 2と接触しているが、第 1の実施の形態から第 7の実施 の形態で示した金属原子移動スイッチング素子と同様に、実質的に 3端子ギャップ型 金属原子移動スイッチング素子である。
[0137] 第 8の実施の形態の金属原子移動スイッチング素子では、イオン伝導部 4表面の第 1の電極 1と第 2の電極 2間の部位でのみ析出物 7が成長する（図 11B参照）。
[0138] これにより、金属原子移動スイッチング素子の誤動作 (例えば、析出物 7が第 3の電 極 3の方向へ延び、第 3の電極 3と接触する等）を防止できる効果が得られる。また、 上述したように、第 2の電極 2を基準に第 3の電極 3へ電圧を印加する駆動方法を採 用する場合に好都合である。
[0139] さらに、第 8の実施の形態では、第 1の電極 1と第 2の電極 2とがイオン伝導部 4を介 することなく接続する。イオン伝導部 4のイオン伝導体は金属に比べて電気伝導率が 小さい。したがって、第 1の電極 1と第 2の電極 2とがイオン伝導部 4を介して接続する よりもイオン伝導部 4を介することなく析出物 7からなる金属配線で直接接続する方が オン抵抗が小さくなる。
[0140] オン抵抗の低減は、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、スイッチング素子に強く要求されている点である点を考 慮すると (背景技術を参照）、非常に重要な効果である。
[0141] 第 1の実施の形態〜第 8の実施の形態で示した本発明の金属原子移動スィッチン グ素子は以下に示す装置や回路に適用可能である。 [0142] 例えば、本発明の金属原子移動スイッチング素子をプログラム用素子として用いる ことにより、プログラムの書き換えが可能な集積回路装置（プログラマブルロジック）を 得ること力 Sできる。
[0143] また、本発明の金属原子移動スイッチング素子と、該金属原子移動スィッチング素 子がオン状態であるかオフ状態であるかを検出するためのトランジスタとを備えること により、メモリ素子を得ることも可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 金属イオンが内部を自由に移動できるイオン伝導体を含むイオン伝導部と、
前記イオン伝導部と第 1のギャップを有して形成された第 1の電極と、
前記イオン伝導体に前記金属イオンを供給する、または前記イオン伝導体力も前 記金属イオンを受け取り、前記金属イオンに対応する金属を析出させる、前記イオン 伝導部に接触して形成された第 2の電極と、
前記イオン伝導部と第 2のギャップを有して形成された第 3の電極と、
を有し、
前記第 2の電極を基準に前記第 1の電極または前記第 3の電極に負電圧が印加さ れると、前記イオン伝導部から前記第 1の電極方向へ前記金属からなる析出物が成 長し、前記析出物の成長に応じて電気的特性が変化するスイッチング素子。
[2] 前記電気的特性の変化は、
前記第 1の電極と前記第 2の電極間の導通状態または非導通状態である請求項 1 記載のスイッチング素子。
[3] 前記第 1のギャップ及び前記第 2のギャップは真空であり、
前記第 1のギャップ及び前記第 2のギャップの厚さが lnmから 10nmである請求項 1記載のスイッチング素子。
[4] 前記第 1のギャップ及び前記第 2のギャップにガスが充填され、
前記第 1のギャップ及び前記第 2のギャップの厚さが lnmから 10nmである請求項 1記載のスイッチング素子。
[5] 前記第 1のギャップ及び前記第 2のギャップに絶縁体を備え、
前記第 1のギャップ及び前記第 2のギャップの厚さが lnmから lOOnmである請求 項 1記載のスイッチング素子。
[6] 前記イオン伝導部の前記第 3の電極側表面に形成されたブロック層をさらに有する 請求項 1記載のスイッチング素子。
[7] 前記第 1のギャップのうち、
前記イオン伝導部と前記第 1の電極間に対応する部位の厚さが、
前記第 2のギャップを含む他の部位よりも薄い請求項 1記載のスイッチング素子。
[8] 前記絶縁体は、
前記イオン伝導部と前記第 1の電極間の部位で、
他の部位よりも小さい低効率である請求項 5記載のスイッチング素子。
[9] 前記第 2の電極は、
前記イオン伝導部の前記第 3の電極側表面に形成された請求項 1記載のスィッチ ング素子。
[10] 前記イオン伝導部が前記第 2の電極上に形成され、
前記イオン伝導部の前記第 3の電極側表面に形成されたブロック層をさらに有する 請求項 1記載のスイッチング素子。
[11] 金属イオンが内部を自由に移動できるイオン伝導体を含むイオン伝導部と、
前記イオン伝導部上に、前記イオン伝導部に接触して形成された第 1の電極と、 前記第 1の電極と所定の距離を有して前記イオン伝導部上に配置され、前記イオン 伝導体に前記金属イオンを供給する、または前記イオン伝導体から前記金属イオン を受け取り、前記金属イオンに対応する金属を析出させる、前記イオン伝導部と接触 して形成された第 2の電極と、
前記イオン伝導部との間でギャップを有して形成された第 3の電極と、
を有し、
前記第 2の電極を基準に前記第 1の電極または前記第 3の電極に負電圧が印加さ れると、前記イオン伝導部の前記第 1の電極と前記第 2の電極間の部位にて前記金 属からなる析出物が成長し、該析出物の成長に応じて電気的特性が変化するスイツ チング素子。
[12] 前記電気的特性は、
前記第 1の電極と前記第 2の電極間の導通状態または非導通状態である請求項 1 1記載のスイッチング素子。
[13] 前記所定の距離は、
lnm〜100nmである請求項 11記載のスイッチング素子。
[14] 前記イオン伝導体は、
Cu S、カルコゲン元素と金属の化合物、シリコンを含む絶縁物またはべロブスカイ ト型酸化物を含む請求項 1記載のスイッチング素子。
[15] 前記イオン伝導体は、
Cu S、カルコゲン元素と金属の化合物、シリコンを含む絶縁物またはべロブスカイ
2
ト型酸化物を含む請求項 1記載のスイッチング素子。
[16] 前記金属に、
Cu、 Agまたは Pbを含む請求項 1記載のスイッチング素子。
[17] 前記金属に、
Cu、 Agまたは Pbを含む請求項 11記載のスイッチング素子。
[18] 前記第 1の電極及び前記第 3の電極に、
Pt、高融点金属またはシリサイドを含む請求項 1記載のスイッチング素子。
[19] 前記第 1の電極及び前記第 3の電極に、
Pt、高融点金属またはシリサイドを含む請求項 11記載のスイッチング素子。
[20] 請求項 1記載のスイッチング素子が備える第 2の電極を基準に第 1の電極に負電圧 を印加して析出物を成長させた後、
前記第 2の電極を基準に第 3の電極に正電圧または負電圧を印加することで電気 的特性を変化させるスイッチング素子の駆動方法。
[21] 請求項 11記載のスイッチング素子が備える第 2の電極を基準に第 1の電極に負電 圧を印加して析出物を成長させた後、
前記第 2の電極を基準に第 3の電極に正電圧または負電圧を印加することで電気 的特性を変化させるスイッチング素子の駆動方法。
[22] ギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造方法であって、
基板上に第 1の電極を形成した後、所定の厚さの第 1の絶縁膜を一様に堆積する 第 1の工程と、
前記第 1の電極の側壁に形成された前記第 1の絶縁膜のみを残して前記第 1の絶 縁膜を除去する第 2の工程と、
前記第 1の電極及び前記第 1の電極の側壁に形成された前記第 1の絶縁膜を覆う ようにイオン伝導部となるイオン伝導体膜を一様に堆積する第 3の工程と、
前記第 1の電極の側壁に形成された前記第 1の絶縁膜上に堆積された前記イオン 伝導体膜のみを残して前記イオン伝導体膜を除去し、イオン伝導部を形成する第 4 の工程と、
前記第 4の工程で形成された前記イオン伝導部に少なくとも一部が接触するように 第 2の電極を形成する第 5の工程と、
を有するギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造方法。
[23] 前記第 1の電極、前記イオン伝導部及び前記第 2の電極をそれぞれ覆うように所定 の厚さの第 2の絶縁膜を一様に堆積する第 6の工程と、
前記第 2の絶縁膜上に第 3の電極となる材料膜を一様に堆積する第 7の工程と、 をさらに有する請求項 22に記載のギャップ型金属原子移動スイッチング素子の製造 方法。
[24] 前記第 1の絶縁膜及び前記第 2の絶縁膜をそれぞれ除去する第 8の工程をさらに 有する請求項 23記載のギャップ型金属原子移動スィッチング素子の製造方法。
[25] 請求項 1記載のスイッチング素子をプログラム用素子として用いる集積回路装置。
[26] 請求項 11記載のスイッチング素子をプログラム用素子として用いる集積回路装置。
[27] 請求項 1記載のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子が導通状態であるか非導通状態であるかを検出するためのト ランジスタと、
を有するメモリ素子。
[28] 請求項 11記載のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子が導通状態であるか非導通状態であるかを検出するためのト ランジスタと、
を有するメモリ素子。
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