JP5458892B2 - スイッチング素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、プログラマブルロジックおよびメモリ等の電子デバイスに用いられる、電気化学反応を利用したスイッチング素子およびその製造方法に関する。
プログラマブルロジックの機能を多様化し、電子機器などへの実装を推進して行くためには、ロジックセル間を相互に結線するスイッチ（スイッチング素子）のサイズを小さくしてオン抵抗を小さくすることが必要となる。このような背景の中で、電気化学反応を利用したスイッチは、よく知られた半導体スイッチよりも寸法が小さく、オン抵抗が小さいことが知られている。電気化学反応を用いたスイッチング素子には、文献１（特表２００２−５３６８４０号公報）に開示された２端子スイッチが知られている。
図１２に、文献１に記載された２端子スイッチの構造を示す。この２端子スイッチは、金属イオンを供給する第１電極１２０１および第２電極１２０２でイオン伝導層１２０３を挟んだ構造をしている。第１電極１２０１および第２電極１２０２の間のスイッチングは、イオン伝導層１２０３中での金属架橋の形成・消滅によって行われる。２端子スイッチは、構造が単純であるため、作製プロセスが簡便であり、素子寸法をナノメートルオーダーまで小さくして形成することが可能である。
また、上記同様にイオン伝導層を備えて３つの電極を備えた３端子スイッチも提案されている。この３端子スイッチは、金属架橋の形成・消滅を制御する第３電極を設けることで、金属架橋の太さを（範囲）制御可能とし、エレクトロマイグレーション耐性に優れたものとなっている。
ところで、上述した素子をロジックに応用した際、２端子スイッチは金属架橋が低抵抗であるため、接続および切断の際に素子に大きな電流が流れ、ロジックに損傷を与える危険性がある。これに対し、３端子スイッチでは、金属架橋の形成を制御する電極と、電気信号を伝達する電極が別に存在するため、電流の制御ができる。ただし、３端子スイッチは、２端子スイッチに比較して構造が複雑であり、素子寸法も大きくなる傾向にある。
このようなスイッチをプログラマブルロジックの配線切り替えスイッチとして搭載するためには、ロジック動作電圧以上のスイッチング電圧（耐圧）とＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）の製造プロセスに対する親和性が必要となる。また、スイッチング特性は、イオン伝導体の材料に大きく依存するため、イオン伝導体材料の選択・最適化が重要である。酸化物よりなるイオン伝導層は、スイッチング電圧を高められ、ＣＭＯＳ製造プロセスとの親和性も良い点から有望である。例えば、酸化物として酸化タンタルをイオン伝導層に用いた例が、文献２（特開２００６−３１９０２８号公報）に開示されている。
しかしながら、酸化物イオン伝導体を用いた本スイッチは、ＣＭＯＳの製造プロセスを経ることで、オフ状態におけるリーク電流が増加し、場合によっては、常にオン状態になるという問題が発生する。これは、ＣＭＯＳの製造プロセス中の熱処理過程において、金属イオンを供給する電極の金属イオンが、イオン伝導層内部に拡散してしまうことに起因している。酸化物イオン伝導体を用いる本スイッチング素子では、金属イオンを供給する電極と酸化物イオン伝導体が接している構造上、金属イオンを供給する電極の金属イオンが、イオン伝導層内部に拡散しやすい状態となっている。このため、ＣＭＯＳの製造プロセス中の熱処理過程において、金属イオンがイオン伝導層内部に拡散し、スイッチング素子として動作する段階で既に金属イオンが存在した状態となってしまうもの考えられる。
上述したように、既に金属イオンが存在している状態は、オフ状態でもイオン伝導層に金属イオンが存在していることになり、オフの状態におけるリーク電流が増加し、また、イオン伝導層に用いる材料によっては、既に存在している金属イオンにより、常にオンの状態になっている場合が発生する。このような状態では、当然ながらスイッチング素子としては機能せず、プログラマブルロジック搭載した際、プログラマブルロジックの信頼性が低下してしまう。
上述の問題を回避する方法として、金属イオンのイオン伝導層内部への拡散係数が小さい酸化物をイオン伝導体に用いる方法が考えられる。しかしながら、この場合、金属イオンの拡散による初期不良および故障は抑制されるが、スイッチング電圧の大幅な増加や繰り返しスイッチング耐性の劣化などが生ずる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電気化学反応を利用したスイッチング素子の信頼性を、スイッチング性能を低下させることなく、より高くすることを目的とする。
本発明に係るスイッチング素子は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つと酸化タンタルとを備えたイオン伝導層と、このイオン伝導層の一方の面の側に配置され、イオン伝導層に電子を供給する第１電極と、金属を含み、イオン伝導層の他方の面の側に配置されてイオン伝導層に金属のイオンを供給する第２電極とを少なくとも備えるようにしたものである。
また、本発明に係るスイッチング素子の製造方法は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つと酸化タンタルとを備えたイオン伝導層と、このイオン伝導層の一方の面の側に配置され、イオン伝導層に電子を供給する第１電極と、金属を含み、イオン伝導層の他方の面の側に配置されてイオン伝導層に金属のイオンを供給する第２電極とを少なくとも備えるスイッチング素子の製造方法であって、基板の上に第１電極を形成する第１工程と、イオン伝導層が第１電極の上に形成された状態とする第２工程と、第２電極がイオン伝導層の上に形成された状態とする第３工程とを少なくとも備える。
また、本発明に係る他のスイッチング素子の製造方法は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つと酸化タンタルとを備えたイオン伝導層と、このイオン伝導層の一方の面の側に配置され、イオン伝導層に電子を供給する第１電極と、金属を含み、イオン伝導層の他方の面の側に配置されてイオン伝導層に金属のイオンを供給する第２電極と、金属を含み、イオン伝導層の一方の面の側に配置されてイオン伝導層に金属のイオンを供給する第３電極を備えるスイッチング素子の製造方法であって、基板の上に第２電極を形成する第１工程と、第２電極の上にイオン伝導層を形成する第２工程と、イオン伝導層の上に第１電極を形成する第３工程と、イオン伝導層の上に第３電極を形成する第４工程とを少なくとも備える。
以上説明したように、本発明によれば、金属酸化物を含む少なくとも２つの酸化物を備えたイオン伝導層を用いるようにしたので、電気化学反応を利用したスイッチング素子の信頼性を、スイッチング性能を低下させることなく、より高くすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、発明の実施の形態１におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、第１電極１０１と、第２電極１０２と、第１電極１０１および第２電極１０２の間に配置された複合酸化物イオン伝導層１０３とを備える。まず、複合酸化物イオン伝導層１０３は、金属酸化物を含む少なくとも２つの酸化物を備えている。また、第１電極１０１は、複合酸化物イオン伝導層１０３に電子を供給可能としている。また、第２電極１０２は、金属を含み、この金属のイオンを複合酸化物イオン伝送層１０３に供給可能としている。なお、第１電極１０１は、電圧を印加した際に、複合酸化物イオン伝導層１０３中に金属イオンを供給しないことが望ましい。
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、発明の実施の形態１におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、第１電極１０１と、第２電極１０２と、第１電極１０１および第２電極１０２の間に配置された複合酸化物イオン伝導層１０３とを備える。まず、複合酸化物イオン伝導層１０３は、金属酸化物を含む少なくとも２つの酸化物を備えている。また、第１電極１０１は、複合酸化物イオン伝導層１０３に電子を供給可能としている。また、第２電極１０２は、金属を含み、この金属のイオンを複合酸化物イオン伝送層１０３に供給可能としている。なお、第１電極１０１は、電圧を印加した際に、複合酸化物イオン伝導層１０３中に金属イオンを供給しないことが望ましい。
このように構成された本実施の形態におけるスイッチング素子では、例えば、第１電極１０１を接地状態とし、第２電極１０２に所定の正の電圧を印加すると、図２に示すように、第２電極１０２に含まれている金属のイオン（金属イオン）２０５が、複合酸化物イオン伝導層１０３に拡散（溶解）する。このとき、複合酸化物イオン伝導層１０３には、第１電極１０１より電子が供給されているので、複合酸化物イオン伝導層１０３に拡散している金属イオン２０５は、同時に供給されている電子により、金属として析出する。この析出した金属は、複合酸化物イオン伝導層１０３において、第１電極１０１側より金属架橋２０４を形成する。このようにして形成された金属架橋２０４により、第１電極１０１と第２電極１０２とが電気的に接続され、本スイッチング素子がオン状態となる。
一方、上述したように金属架橋２０４が形成されたオン状態とされているスイッチング素子において、第１電極１０１を接地状態とし、第２電極１０２に所定の負の電圧を印加すると、今度は、金属架橋２０４を形成している一部の析出金属の電子が第１電極１０１に移動して金属イオンとなる。金属イオンの一部は第２電極１０２に戻る。このようにして、イオンとなることで、金属架橋２０４の一部が消滅する。例えば、金属架橋２０４が、第１電極１０１の側と第２電極１０２の側の２の部分に分離する。これらの結果として、第１電極１０１と第２電極１０２との間の電気的な接続が切断され、本スイッチング素子がオフ状態となる。なお、このようにして本スイッチング素子がオフ状態になる過程で、電気的接続が完全に切れる前の段階から第１電極１０１および第２電極１０２間の抵抗が大きくなり、また、電極間容量が変化するなど電気特性の変化があり、最終的に電気的接続が切れる。
以上のようにしてオフ状態とした後、また、オン状態とするためには、前述したように、第２電極１０２に正電圧を印加すればよい。なお、上述では、第１電極１０１を接地状態としたが、これに限るものではなく、例えば、第２電極１０２を接地して第１電極１０１に負電圧を印加してスイッチをオン状態にしてもよい。また、第２電極１０２を接地し、第１電極１０１に正電圧を印加してスイッチをオフ状態にしてもよい。
次に、複合酸化物イオン伝導層１０３について説明する。複合酸化物イオン伝導層１０３は、例えば、金属酸化物としての酸化タンタルと他の酸化物としての酸化シリコンとを含んで構成されたものであり、酸化タンタルを主成分とし、ここに、４６ｍｏｌ％の酸化シリコンを含むものであればよい。このように構成された２元系の酸化物は、例えば、各々の酸化物を所望の割合で含む焼結体ターゲットを用いたスパッタ法により形成することができる。また、レーザアブレーション法により、各々の酸化物の焼結体ターゲットを同じ成膜チャンバー内で同時に昇華させることで形成できる。
上述した本実施の形態におけるスイッチング素子によれば、例えば、よく知られたＣＭＯＳなどの半導体装置の製造プロセスにおける熱履歴が加えられても、第２電極１０２などからの複合酸化物イオン伝導層１０３に対する金属の拡散が抑制されるようになり、前述したようにリーク電流の増加や、オフ状態が得られないなどの問題が解消されるようになる。
次に、実際に作製した素子を用いて電気的特性を測定した結果について説明する。作製したスイッチング素子（試料）は、第１電極１０１として膜厚１００ｎｍの白金電極を用い、第２電極１０２として膜厚１００ｎｍの銅電極を用いる。また、参照試料として、酸化タンタルより構成したイオン伝導層を用い、試料として、本実施の形態における複合酸化物イオン伝導層１０３を用いる。また、複合酸化物イオン伝導層１０３（イオン伝導層）は、層厚１５ｎｍに形成する。なお、各試料（スイッチング素子）は、シリコン基板の上に、層間絶縁膜を介して形成する。また、以下の測定では、参照試料および試料を、窒素雰囲気で４００℃・３０分の熱処理条件で加熱を行い、この加熱の前後における電気特性の変化を測定する。
加熱処理を行っていない参照試料は、第１電極を接地して、第２電極に正電圧を印加すると、図３に点線で示すように、１．８Ｖでスイッチがオフ状態（高抵抗の状態）からオン状態（低抵抗の状態）へ遷移する。この際、参照試料にかかる電流を１０μＡが上限となるよう制限する。次に、負電圧を印加すると−０．５Ｖで電流は減少し、オフ状態に遷移する。この際は、参照試料に流れる電流を５０ｍＡが上限となるよう制御する。
次に、参照試料に対して上記熱処理を加え、この後、第１電極を接地して、第２電極に正電圧を印加すると、図３の実線に示すように、加熱処理を行っていない参照試料の約４倍の６．０Ｖで、スイッチがオフ状態からオン状態へ遷移する。この際、加熱処理を行っていない状態に比較して、１Ｖの電圧を印加したときの漏れ電流は２桁程度大きい。
上述した参照試料に対し、本実施の形態のスイッチング素子に対応する試料では、加熱処理の前後で、電気特性は図４に示すように変化した。まず、加熱処理を行っていない試料において、第１電極１０１を接地して、第２電極１０２に正電圧を印加すると、３．４Ｖでスイッチがオフ状態（高抵抗の状態）からオン状態（低抵抗の状態）へ遷移する。この際、１Ｖの電圧印加時に観測された漏れ電流は、参照試料に比較して３桁程度小さい。次に、負電圧を印加すると、−０．４Ｖで電流は減少し、オフ状態に遷移する。この際、試料に流れる電流を５０ｍＡが上限となるよう制御する。
次に、本実施の形態に対応する試料に対して上記熱処理を加え、この後、第１電極１０１を接地して、第２電極１２に正電圧を印加すると、加熱処理を行っていない状態と同様に、３．４Ｖでスイッチがオフ状態からオン状態へ遷移する。この際、１Ｖの電圧を印加したときの漏れ電流は加熱処理の有無で同じとなる。
次に、金属イオンがイオン伝導層内に拡散しない負電圧を、イオン伝導層が絶縁破壊するまで印加した結果について図５に示す。図５において、実線が参照試料の結果を示し、点線が本実施の形態に対応する試料の結果を示している。参照試料に比較し、本実施の形態に対応する試料は、リーク電流が少なく、絶縁破壊電圧が高いことがわかる。
次に、本実施の形態における複合酸化物イオン伝導層１０３について、Ｘ線回折の測定結果について説明する。測定を行う複合酸化物イオン伝導層は、よく知られたＲＦスパッタ法により、酸化タンタルと酸化シリコンとから構成されて酸化シリコンを４６ｍｏｌ％含んだ焼結体ターゲットを用い、層厚５０ｎｍに成膜したものである。また、比較の対象として、ＲＦスパッタ法により酸化タンタルの焼結体ターゲットを用いて層厚５０ｎｍに成膜した参照試料も測定を行う。
本実施の形態に対応する複合酸化物イオン伝導層は、８００℃で加熱処理をする前と後とでＸ線回折測定を行い、参照試料は、５００℃，６００℃，７００℃，８００℃で加熱処理をした後でＸ線回折測定を行う。本実施の形態に対応する複合酸化物イオン伝導層の測定結果は、図６Ａに示し、参照試料の測定結果は、図６Ｂに示す。まず、図６Ｂを見ると、参照試料では、７００℃および８００℃において、５００℃および６００℃には無いピークが出現しており、７００℃以上で結晶化していることがわかる。
これに対し、複合酸化物イオン伝導層では、図６Ａに示すように、参照試料が結晶化していると考えられる７００℃を超える８００℃で加熱してもピークが出現していなく、結晶化せずに非晶質を保っているものと考えられる。これらのことより、酸化タンタルに酸化シリコンを加えた複合酸化物（複合酸化物イオン伝導層）は、酸化タンタルで構成したイオン伝導層に比較して、結晶化しにくいものと考えられる。
イオン伝導層として適用可能な酸化タンタルなどの金属酸化物は、ＬＳＩ製造工程や使用環境温度である１５０℃から４００℃のような結晶化温度より低い温度範囲でも、Ｘ線回折に反映されないわずかな結晶化が進行する。酸化タンタルと酸化シリコンの複合酸化物は酸化タンタルよりも結晶化しにくいことから、１５０℃から４００℃の範囲における結晶化も進行しにくいと考えられる。
前述したように、ＣＭＯＳの製造プロセスにおける熱履歴によるイオン伝導層への金属イオンの拡散の問題は、上述したイオン伝導層における結晶化が１つの要因であるものと考えられる。酸化タンタルなどの金属酸化物は、非晶質より結晶状態のほうが金属イオンの拡散が促進される。本実施の形態における複合酸化物イオン伝導層１０３では、上述したように、高温環境下においても結晶化せずに非晶質の状態が維持されているため、結晶粒界を通して起こる金属イオンの速い拡散を抑制することができ、高温環境下での金属イオンの拡散が抑制できるものと考えられる。この結果、図３，図４，図５を用いて説明したように、本実施の形態のスイッチング素子によれば、４００℃・３０分の熱処理が加わっても、リーク電流の増加を招くことが無く高い信頼性が保たれている。
ところで、本実施の形態における電気化学反応を利用したスイッチング素子では、例えばオンに移行（遷移）する電圧（オン電圧）が、複合酸化物イオン伝導層１０３における金属イオンの拡散速度に依存する。この拡散速度が小さすぎるとオン電圧が大きくなり過ぎ、スイッチング素子としては好ましくない。これに対し、複合酸化物イオン伝導層１０３では、銅イオンの拡散速度が、酸化タンタル中に対して１００倍程度小さい酸化シリコンを組み合わせて用いており、スイッチング電圧の大幅な高電圧化を招くことがない。なお、酸化シリコンの代わりに酸化アルミニウムを用いても、上述同様であることが確認されている。
次に、本実施の形態におけるスイッチング素子の製造方法について、実施例を用いてより詳細に説明する。
［実施例１］
始めに、実施例１の製造方法について、図７Ａ〜図７Ｄを用いて説明する。
始めに、実施例１の製造方法について、図７Ａ〜図７Ｄを用いて説明する。
[工程１]
図７Ａに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板７０１を用意し、基板７０１の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜７０２を形成する。また、シリコン酸化膜７０２の上に、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、白金からなる膜厚１００ｎｍの第１電極７０３を形成する。なお、第１電極７０３は、白金に限らず、タングステン，タンタル，チタンなどの、複合酸化物イオン伝導層に金属イオンを溶出させない材料から構成されていればよい。ところで、基板７０１は、よく知られた技術により、ＭＯＳトランジスタや抵抗素子などの複数の半導体素子が集積されて形成されていてもよい。この場合、シリコン酸化膜７０２は、層間絶縁膜となる。
図７Ａに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板７０１を用意し、基板７０１の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜７０２を形成する。また、シリコン酸化膜７０２の上に、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、白金からなる膜厚１００ｎｍの第１電極７０３を形成する。なお、第１電極７０３は、白金に限らず、タングステン，タンタル，チタンなどの、複合酸化物イオン伝導層に金属イオンを溶出させない材料から構成されていればよい。ところで、基板７０１は、よく知られた技術により、ＭＯＳトランジスタや抵抗素子などの複数の半導体素子が集積されて形成されていてもよい。この場合、シリコン酸化膜７０２は、層間絶縁膜となる。
[工程２]
図７Ｂに示すように、第１電極７０３の上に、層厚１５ｎｍの複合酸化物イオン伝導層７０４を形成する。複合酸化物イオン伝導層７０４は、例えば、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％の酸化シリコンが含まれた焼結体ターゲットを用い、よく知られたＲＦスパッタ法により形成すればよい。この際、成膜される複合酸化物の組成が、ターゲットの組成に近くなるように、供給する酸素流量などの各条件を最適化して設定する。
図７Ｂに示すように、第１電極７０３の上に、層厚１５ｎｍの複合酸化物イオン伝導層７０４を形成する。複合酸化物イオン伝導層７０４は、例えば、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％の酸化シリコンが含まれた焼結体ターゲットを用い、よく知られたＲＦスパッタ法により形成すればよい。この際、成膜される複合酸化物の組成が、ターゲットの組成に近くなるように、供給する酸素流量などの各条件を最適化して設定する。
例えば、ターゲットに印加するＲＦパワーは１００Ｗ、成膜室内に供給するアルゴンガスは１２sccmとし、酸素流量は０．５sccmとし、成膜室内の圧力は０．５Ｐａ程度に維持する。これらのスパッタ条件により、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％の酸化シリコンが含まれた状態に、複合酸化物イオン伝導層７０４が形成される。なお、sccmは流量の単位であり、０℃・１気圧の流体が１分間に１ｃｍ3流れることを示す。
[工程３]
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層７０４が形成された後、図７Ｃに示すように、まず、複合酸化物イオン伝導層７０４の上に、スパッタ法もしくはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、酸化シリコンからなる層厚１００ｎｍの絶縁層７０５を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、スピンコートにより絶縁層７０５の上に感光性レジスト層を形成し、所定の光像を感光性レジストに感光させて潜像を形成し、これを現像することで、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング法により、絶縁層７０５を選択的にエッチングし、底部に複合酸化物イオン伝導層７０４の一部表面が露出する開口部７０５ａを形成する。
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層７０４が形成された後、図７Ｃに示すように、まず、複合酸化物イオン伝導層７０４の上に、スパッタ法もしくはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、酸化シリコンからなる層厚１００ｎｍの絶縁層７０５を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、スピンコートにより絶縁層７０５の上に感光性レジスト層を形成し、所定の光像を感光性レジストに感光させて潜像を形成し、これを現像することで、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング法により、絶縁層７０５を選択的にエッチングし、底部に複合酸化物イオン伝導層７０４の一部表面が露出する開口部７０５ａを形成する。
[工程４]
以上のようにして、開口部７０５ａを備えた絶縁層７０５を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅を堆積させて銅膜を形成し、この銅膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、図７Ｄに示すように、第２電極７０６を形成する。第２電極７０６は、開口部７０５ａ内において、複合酸化物イオン伝導層７０４に接した状態となる。
以上のようにして、開口部７０５ａを備えた絶縁層７０５を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅を堆積させて銅膜を形成し、この銅膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、図７Ｄに示すように、第２電極７０６を形成する。第２電極７０６は、開口部７０５ａ内において、複合酸化物イオン伝導層７０４に接した状態となる。
［実施例２］
次に、実施例２の製造方法について説明する。なお、この実施例２においても、図７を用いて説明する。
次に、実施例２の製造方法について説明する。なお、この実施例２においても、図７を用いて説明する。
[工程１]
図７Ａに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板７０１を用意し、基板７０１の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜７０２を形成する。また、シリコン酸化膜７０２の上に、白金からなる膜厚１００ｎｍの第１電極７０３を形成する。これは、上述した実施例１と同様である。
図７Ａに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板７０１を用意し、基板７０１の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜７０２を形成する。また、シリコン酸化膜７０２の上に、白金からなる膜厚１００ｎｍの第１電極７０３を形成する。これは、上述した実施例１と同様である。
[工程２]
図７Ｂに示すように、第１電極７０３の上に、層厚１５ｎｍの複合酸化物イオン伝導層７０４を形成する。複合酸化物イオン伝導層７０４は、例えば、酸化タンタルからなる焼結体ターゲットと酸化シリコンのターゲットとの、２つのターゲットを同一の成膜室内で用い、よく知られたＲＦスパッタ法により形成することができる。この際、成膜される複合酸化物が、所望の組成比の状態となるように、供給する酸素流量やターゲットへの印加電力などの各条件を最適化して設定する。所望の組成比は、例えば、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％のシリコンが含まれた状態である。
図７Ｂに示すように、第１電極７０３の上に、層厚１５ｎｍの複合酸化物イオン伝導層７０４を形成する。複合酸化物イオン伝導層７０４は、例えば、酸化タンタルからなる焼結体ターゲットと酸化シリコンのターゲットとの、２つのターゲットを同一の成膜室内で用い、よく知られたＲＦスパッタ法により形成することができる。この際、成膜される複合酸化物が、所望の組成比の状態となるように、供給する酸素流量やターゲットへの印加電力などの各条件を最適化して設定する。所望の組成比は、例えば、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％のシリコンが含まれた状態である。
例えば、ターゲットに印加するＲＦパワーは１００〜５００Ｗ、成膜室内に供給するアルゴンガスと酸素との流量比を１０：３し、成膜室内の圧力は０．５Ｐａ程度に維持する。これらのスパッタ条件により、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％の酸化シリコンが含まれた状態に、複合酸化物イオン伝導層７０４が形成される。
[工程３]
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層７０４が形成された後、図７Ｃに示すように、複合酸化物イオン伝導層７０４の上に、開口部７０５ａを備えた絶縁層７０５を形成する。
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層７０４が形成された後、図７Ｃに示すように、複合酸化物イオン伝導層７０４の上に、開口部７０５ａを備えた絶縁層７０５を形成する。
[工程４]
次に、図７Ｄに示すように、絶縁層７０５の上に、第２電極７０６を形成する。
以上の工程３，工程４は、前述した実施例１と同様である。
次に、図７Ｄに示すように、絶縁層７０５の上に、第２電極７０６を形成する。
以上の工程３，工程４は、前述した実施例１と同様である。
［実施例３］
次に、実施例３の製造方法について説明する。なお、この実施例３では、図８Ａ〜図８Ｆを用い、半導体集積回路の配線層中にスイッチング素子を組み込んだ場合の製造方法例について説明する。
次に、実施例３の製造方法について説明する。なお、この実施例３では、図８Ａ〜図８Ｆを用い、半導体集積回路の配線層中にスイッチング素子を組み込んだ場合の製造方法例について説明する。
[工程１]
図８Ａに示すように、単結晶シリコンかなる基板８０１を用意し、この上に、第１保護絶縁膜８０２，第１層間絶縁膜８０３，および第１ストップ絶縁膜８０４を形成する。なお、基板８０１は、よく知られた技術により、ＭＯＳトランジスタや抵抗素子などの複数の半導体素子が集積されて形成されている。
図８Ａに示すように、単結晶シリコンかなる基板８０１を用意し、この上に、第１保護絶縁膜８０２，第１層間絶縁膜８０３，および第１ストップ絶縁膜８０４を形成する。なお、基板８０１は、よく知られた技術により、ＭＯＳトランジスタや抵抗素子などの複数の半導体素子が集積されて形成されている。
[工程２]
図８Ｂに示すように、まず、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用い、第１保護絶縁膜８０２，第１層間絶縁膜８０３，および第１ストップ絶縁膜８０４を貫通する開口部が形成され状態とする。次に、この開口部の内部を含む第１ストップ絶縁膜８０４の上に、第１バリアメタル層８０５が形成された状態とし、次いで、第１バリアメタル層８０５の表面にスパッタ法により銅シード層を形成する。銅シード層は、層厚２０〜１００ｎｍ程度であればよい。次に、形成した銅シード層の上に、メッキ法により銅を析出させ、膜厚３００〜８００ｎｍ程度の銅膜を形成する。
図８Ｂに示すように、まず、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用い、第１保護絶縁膜８０２，第１層間絶縁膜８０３，および第１ストップ絶縁膜８０４を貫通する開口部が形成され状態とする。次に、この開口部の内部を含む第１ストップ絶縁膜８０４の上に、第１バリアメタル層８０５が形成された状態とし、次いで、第１バリアメタル層８０５の表面にスパッタ法により銅シード層を形成する。銅シード層は、層厚２０〜１００ｎｍ程度であればよい。次に、形成した銅シード層の上に、メッキ法により銅を析出させ、膜厚３００〜８００ｎｍ程度の銅膜を形成する。
次に、よく知られたＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、第１ストップ絶縁膜８０４の表面が露出するまで上記銅膜を研削削除し、第１保護絶縁膜８０２，第１層間絶縁膜８０３，および第１ストップ絶縁膜８０４を貫通する開口部の内部に、第１バリアメタル層８０５を介して銅からなる第１配線層８０６を形成する。この後、第１ストップ絶縁膜８０４の上に、第２保護絶縁膜８０７を形成する。第２保護絶縁膜８０７は、第１配線層８０６の上面を覆うように形成する。
[工程３]
図８Ｃに示すように、第２保護絶縁膜８０７の上に、第２層間絶縁膜８０８，第３保護絶縁膜８０９，第３層間絶縁膜８１０，および第２ストップ絶縁膜８１１が、これらの順に積層された状態とする。
図８Ｃに示すように、第２保護絶縁膜８０７の上に、第２層間絶縁膜８０８，第３保護絶縁膜８０９，第３層間絶縁膜８１０，および第２ストップ絶縁膜８１１が、これらの順に積層された状態とする。
[工程４]
図８Ｄに示すように、第２ストップ絶縁膜８１１および第３層間絶縁膜８１０を貫通する開口部８１２を形成する。開口部８１２は、第１配線層８０６に接続する配線ビアを形成するための開口領域に形成すればよい。開口部８１２は、よく知られたフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて形成すればよい。
図８Ｄに示すように、第２ストップ絶縁膜８１１および第３層間絶縁膜８１０を貫通する開口部８１２を形成する。開口部８１２は、第１配線層８０６に接続する配線ビアを形成するための開口領域に形成すればよい。開口部８１２は、よく知られたフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて形成すればよい。
例えば、スピンコートにより第２ストップ絶縁膜８１１の上に感光性レジスト層を形成し、所定の光像を感光性レジストに感光させて潜像を形成し、これを現像することで、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング法により、第２ストップ絶縁膜８１１および第３層間絶縁膜８１０を選択的にエッチングし、底部に第３保護絶縁膜８０９の一部表面が露出する開口部８１２が形成された状態とすればよい。例えば、９０ｎｍ世代と呼ばれるリソグラフィー技術では、開口部８１２の直径は８０〜２００ｎｍ程度に形成可能である。
[工程５]
図８Ｅに示すように、第２層間絶縁膜８０８および第２保護絶縁膜８０７を貫通する接続孔８１３が形成され、第２ストップ絶縁膜８１１および第３層間絶縁膜８１０に配線溝８１２ａを形成する。例えば、前述同様に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることで、配線溝８１２ａを形成することができる。この、配線溝８１２ａの形成において、既に形成されていた開口部８１２の形状が第２層間絶縁膜８０８および第２保護絶縁膜８０７に転写され、接続孔８１３が形成された状態が得られる。配線溝８１２ａは、スイッチング素子の第２電極およびこれに接続する第２配線層が形成される領域である。
図８Ｅに示すように、第２層間絶縁膜８０８および第２保護絶縁膜８０７を貫通する接続孔８１３が形成され、第２ストップ絶縁膜８１１および第３層間絶縁膜８１０に配線溝８１２ａを形成する。例えば、前述同様に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることで、配線溝８１２ａを形成することができる。この、配線溝８１２ａの形成において、既に形成されていた開口部８１２の形状が第２層間絶縁膜８０８および第２保護絶縁膜８０７に転写され、接続孔８１３が形成された状態が得られる。配線溝８１２ａは、スイッチング素子の第２電極およびこれに接続する第２配線層が形成される領域である。
[工程６]
形成された接続孔８１３および配線溝８１２ａの内部に、スイッチング素子の第１電極として機能する第２バリアメタル８１４を形成し、この上に、複合酸化物イオン伝導層８１５を形成する。複合酸化物イオン伝導層８１５は、前述同様に、スパッタ法により形成すればよく、形成した層の厚さ（堆積厚）として１５ｎｍ程度とすればよい。この後、スパッタ法により層厚２０〜１００ｎｍ程度に銅シード層を形成し、この上に、メッキ法により銅膜を形成する。形成する銅膜は、膜厚３００〜８００ｎｍ程度とすればよい。この後、よく知られたＣＭＰ法により、第２ストップ絶縁膜８１１の表面が露出するまで上記銅膜，第２バリアメタル８１４および複合酸化物イオン伝導層８１５の一部を研削削除する。
形成された接続孔８１３および配線溝８１２ａの内部に、スイッチング素子の第１電極として機能する第２バリアメタル８１４を形成し、この上に、複合酸化物イオン伝導層８１５を形成する。複合酸化物イオン伝導層８１５は、前述同様に、スパッタ法により形成すればよく、形成した層の厚さ（堆積厚）として１５ｎｍ程度とすればよい。この後、スパッタ法により層厚２０〜１００ｎｍ程度に銅シード層を形成し、この上に、メッキ法により銅膜を形成する。形成する銅膜は、膜厚３００〜８００ｎｍ程度とすればよい。この後、よく知られたＣＭＰ法により、第２ストップ絶縁膜８１１の表面が露出するまで上記銅膜，第２バリアメタル８１４および複合酸化物イオン伝導層８１５の一部を研削削除する。
このことにより、図８Ｆに示すように、複合酸化物イオン伝導層８１５の上の凹部の領域に、銅からなる第２配線層８１６が形成された状態が得られる。次に、第２ストップ絶縁膜８１１の上に、第３バリア層８１７を介して上層配線層８１８を形成する。上層配線層８１８は、第２配線層８１６の上面を覆うように形成する。
なお、各保護絶縁膜は、例えば、シリコンナイトライドもしくはこの中に任意の量の炭素が混合された材料など、配線層からの銅の拡散を抑制する材料から構成することが好ましい。また、各層間絶縁膜は、例えば、任意の量の水素，フッ素，および炭素が添加されたシリコン酸化物よりなる低誘電率絶縁材料から構成されていることが好ましい。さらに、各層間絶縁膜は、よく知られた空孔を含む膜で構成されているとよい（非特許文献１参照）。空孔を含む膜は、上述した低誘電率絶縁材料より、さらに誘電率を下げることが知られている。なお、空孔の大きさは、ｎｍ以下であることが好ましい。
また、各ストップ絶縁膜は、シリコン酸化膜から構成されていればよく、膜厚は、５０〜２００ｎｍ程度であればよい。また、各絶縁膜は、よく知られたスパッタ法またはＣＶＤ法で形成することができる。
次に、バリアメタルは、例えば、タンタルナイトライドおよびタンタルの積層構造でよく、開口部や配線溝の底面および側壁を覆うように形成され、銅が層間絶縁膜へ拡散するのを防ぐ役割を果たしている。このようなバリアメタルとしてのタンタルナイトライドおよびタンタルの膜厚は、５〜３０ｎｍ程度であればよい。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図９は、発明の実施の形態２におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、金属酸化物を含む少なくとも２つの酸化物を備えた複合酸化物イオン伝導層９０３と、複合酸化物イオン伝導層９０３の一方の面の側に配置され、複合酸化物イオン伝導層９０３に電子を供給する第１電極９０１を備える。
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図９は、発明の実施の形態２におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、金属酸化物を含む少なくとも２つの酸化物を備えた複合酸化物イオン伝導層９０３と、複合酸化物イオン伝導層９０３の一方の面の側に配置され、複合酸化物イオン伝導層９０３に電子を供給する第１電極９０１を備える。
また、本実施の形態におけるスイッチング素子は、金属を含み、複合酸化物イオン伝導層９０３の他方の面の側に配置されて複合酸化物イオン伝導層９０３に金属のイオンを供給する第２電極９０２と、上記金属を含み、複合酸化物イオン伝導層９０３の一方の面の側に配置されて複合酸化物イオン伝導層９０３に金属のイオンを供給する第３電極９０４を備える。また、複合酸化物イオン伝導層９０３の他方の面の側に第２電極９０２に対して絶縁分離して配置された第３電極９０４とを備える。なお、第１電極９０１は、電圧を印加した際に、複合酸化物イオン伝導層９０３中に金属イオンを供給しないことが望ましい。
次に、本実施の形態におけるスイッチング素子の動作（駆動）例について、図１０を用いて説明する。まず、第１電極９０１を接地状態とし、第２電極９０２に正の電圧を印加することで、これらの間で前述した２端子操作を行い、複合酸化物イオン伝導層９０３に金属架橋９０６を形成する。第１電極９０１を接地状態として第２電極９０２に正の電圧を印加すると、まず、第２電極９０２を構成している金属が金属イオン９０５になって複合酸化物イオン伝導層９０３に拡散（溶解）する。このようにして溶解した金属イオン９０５が、複合酸化物イオン伝導層９０３の中に析出して金属架橋９０６を形成し、形成された金属架橋９０６により第１電極９０１と第２電極９０２とが接続された状態とする。この後、第２電極９０２に負の電圧を印加することで、金属架橋９０６の一部を溶解させ、第１電極９０１と第２電極９０２との間の接続状態が切断（オフ）された状態とする。
以上のようにして、複合酸化物イオン伝導層９０３の中に、第１電極９０１と第２電極９０２とを接続する金属架橋９０６を形成してこの一部を切断した後、今度は、第１電極９０１および第２電極９０２が接地された状態とし、第３電極９０４に正電圧が印加された状態とする。このことにより、まず、第３電極９０４を構成している金属が金属イオン９０５になって複合酸化物イオン伝導層９０３に溶解する。このようにして溶解した金属イオン９０５が、複合酸化物イオン伝導層９０３の中の金属架橋９０６の箇所に析出し、切断されていた部分を接続し、結果として、第１電極９０１と第２電極９０２とが接続された状態となる。
一方、上述したように、第３電極９０４に正電圧を印加することで、第１電極９０１と第２電極９０２とが接続されたオン状態で、第３電極９０４に負の電圧を印加すると、金属架橋９０６の一部の金属が複合酸化物イオン伝導層９０３に溶解し、金属架橋９０６の一部が切断される。この際、金属イオン９０５は、第２電極９０２に回収される。これにより、第１電極９０１と第２電極９０２との電気的接続が切断され、本スイッチング素子がオフ状態となる。
なお、第３電極９０４を接地状態とし、第１電極９０１もしくは第２電極９０２に負電圧を印加してスイッチング素子をオン状態にし、また、第１電極９０１もしくは第２電極９０２に正電圧を印加してスイッチング素子をオフ状態にしてもよい。また、第１電極９０１は、この全体が金属イオンを供給しない状態である必要が無く、言い換えると、第２電極９０２および第３電極９０４が含んでいる金属を、第１電極９０１が全く含んでいないものである必要はない。第１電極９０１の複合酸化物イオン伝導層９０３に接触する領域が、金属イオンを供給しない状態であればよい。
例えば、図１０Ｂに示すように、第１電極９０１も第２電極９０２および第３電極９０４と同様の材料から構成し、第１電極９０１と複合酸化物イオン伝導層９０３との界面に、上記金属（金属イオン）の移動を抑制して導電性を備えるバリア層９１１が配置されていてもよい。バリア層９１１を設けることで、第１電極９０１を構成している金属のイオンの複合酸化物イオン伝導層９０３に対する拡散が、抑制できるようになる。
次に、本実施の形態２におけるスイッチング素子の製造方法について、図１１Ａ〜図１１Ｄを用いて説明する。
[工程１]
図１１Ａに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板１１０１を用意し、基板１１０１の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１１０２を形成する。また、シリコン酸化膜１１０２の上に、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、銅からなる膜厚１００ｎｍの第２電極１１０３を形成する。第２電極１１０３が、図９（図１０）の第２電極９０２に相当する。
図１１Ａに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板１１０１を用意し、基板１１０１の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１１０２を形成する。また、シリコン酸化膜１１０２の上に、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、銅からなる膜厚１００ｎｍの第２電極１１０３を形成する。第２電極１１０３が、図９（図１０）の第２電極９０２に相当する。
[工程２]
図１１Ｂに示すように、第２電極１１０３の上に、層厚１５ｎｍの複合酸化物イオン伝導層１１０４を形成する。複合酸化物イオン伝導層１１０４は、例えば、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％の酸化シリコンが含まれた焼結体ターゲットを用い、よく知られたＲＦスパッタ法により形成すればよい。この際、成膜される複合酸化物の組成が、ターゲットの組成に近くなるように、供給する酸素流量などの各条件を最適化して設定する。
図１１Ｂに示すように、第２電極１１０３の上に、層厚１５ｎｍの複合酸化物イオン伝導層１１０４を形成する。複合酸化物イオン伝導層１１０４は、例えば、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％の酸化シリコンが含まれた焼結体ターゲットを用い、よく知られたＲＦスパッタ法により形成すればよい。この際、成膜される複合酸化物の組成が、ターゲットの組成に近くなるように、供給する酸素流量などの各条件を最適化して設定する。
例えば、ターゲットに印加するＲＦパワーは１００Ｗ、成膜室内に供給するアルゴンガスは１２sccmとし、酸素流量は０．５sccmとし、成膜室内の圧力は０．５Ｐａ程度に維持する。これらのスパッタ条件により、酸化タンタルをベースとして４６ｍｏｌ％の酸化シリコンが含まれた状態に、複合酸化物イオン伝導層１１０４が形成される。
[工程３]
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層１１０４が形成された後、まず、複合酸化物イオン伝導層１１０４の上に、スパッタ法により、酸化シリコンからなる層厚１００ｎｍの絶縁層を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、スピンコートにより絶縁層の上に感光性レジスト層を形成し、所定の光像を感光性レジストに感光させて潜像を形成し、これを現像することで、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング法により、絶縁層を選択的にエッチングする。これらのことにより、図１１Ｃに示すように、底部に複合酸化物イオン伝導層１１０４の表面が底部に露出する開口部１１０５ａを備えた絶縁層１１０５が、複合酸化物イオン伝導層１１０４の一部領域に形成された状態が得られる。
以上のようにして複合酸化物イオン伝導層１１０４が形成された後、まず、複合酸化物イオン伝導層１１０４の上に、スパッタ法により、酸化シリコンからなる層厚１００ｎｍの絶縁層を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、スピンコートにより絶縁層の上に感光性レジスト層を形成し、所定の光像を感光性レジストに感光させて潜像を形成し、これを現像することで、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたドライエッチング法により、絶縁層を選択的にエッチングする。これらのことにより、図１１Ｃに示すように、底部に複合酸化物イオン伝導層１１０４の表面が底部に露出する開口部１１０５ａを備えた絶縁層１１０５が、複合酸化物イオン伝導層１１０４の一部領域に形成された状態が得られる。
[工程４]
以上のようにして、開口部１１０５ａを備えた絶縁層１１０５を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの白金を堆積させて白金膜を形成する。次に、この白金膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、図１１Ｄに示すように、第１電極１１０６を形成する。第１電極１１０６は、開口部１１０５ａ内において、複合酸化物イオン伝導層１１０４に接続した状態となる。第１電極１１０６が、図９（図１０）の第１電極９０１に相当する。
以上のようにして、開口部１１０５ａを備えた絶縁層１１０５を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの白金を堆積させて白金膜を形成する。次に、この白金膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、図１１Ｄに示すように、第１電極１１０６を形成する。第１電極１１０６は、開口部１１０５ａ内において、複合酸化物イオン伝導層１１０４に接続した状態となる。第１電極１１０６が、図９（図１０）の第１電極９０１に相当する。
また、第１電極１１０６を形成した後、第１電極１１０６および絶縁層１１０５を含む複合酸化物イオン伝導層１１０４の上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅膜を形成する。次に、この銅膜を公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、第３電極１１０７を形成する。第３電極１１０７が、図９（図１０）の第３電極９０４に相当する。
なお、上述した実施の形態では、複合酸化物イオン伝導層に供給される金属イオンとして、銅イオンを用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、複合酸化物イオン伝導層が酸化タンタルをベースとしている場合、第２電極（第３電極）を銀から構成し、複合酸化物イオン伝導層に銀イオンが供給され、複合酸化物イオン伝導層の中に、銀からなる金属架橋が形成されるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、複合酸化物イオン伝導層が、金属酸化物としての酸化タンタルと他の酸化物としての酸化シリコンとを含んで構成されたものとしたが、これに限るものではない。例えば、金属イオンが伝導可能な空格子点を備える他の金属酸化物をベースとして構成されていてもよい。このような金属酸化物をベースとし、前述したように、当該金属酸化物の結晶化の抑制が可能な酸化物を組み合わせ（添加し）て複合酸化物イオン伝導層を構成するようにしてもよい。金属酸化物の結晶化が抑制できれば、ＣＭＯＳの製造プロセスにおける高温下においても、非晶質の状態が維持され、結晶粒界を通して起こる金属イオンの速い拡散を抑制することができ、高温環境下での金属イオンの拡散が抑制できるものと考えられる。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図１３は、本実施の形態におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、第１電極１３０１と、第２電極１３０２と、第１電極１３０１および第２電極１３０２の間に配置された酸化物イオン伝導層（第１イオン伝導層）１３０３と複合酸化物イオン伝導層（第２イオン伝導層）１３０４とを備える。酸化物イオン伝導層１３０３は、例えば酸化タンタルなどの金属酸化物から構成されている。
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図１３は、本実施の形態におけるスイッチング素子の構成例を模式的に示す断面図である。このスイッチング素子は、第１電極１３０１と、第２電極１３０２と、第１電極１３０１および第２電極１３０２の間に配置された酸化物イオン伝導層（第１イオン伝導層）１３０３と複合酸化物イオン伝導層（第２イオン伝導層）１３０４とを備える。酸化物イオン伝導層１３０３は、例えば酸化タンタルなどの金属酸化物から構成されている。
これに対し、複合酸化物イオン伝導層１３０４は、金属酸化物を含む少なくとも２つの酸化物を備えている。例えば、複合酸化物イオン伝導層１３０４は、金属酸化物としての酸化タンタルと他の酸化物としての酸化シリコンとを含んで構成されたものであり、酸化タンタルを主成分とし、ここに、３３ｍｏｌ％の酸化シリコンを含むものであればよい。これらの複合酸化物イオン伝導層１３０４および酸化物イオン伝導層１３０３は金属イオンが伝導するための媒体となる。
また、第１電極１３０１は、酸化物イオン伝導層１３３（複合酸化物イオン伝導層１３０４）に電子を供給可能としている。また、第２電極１３０２は、金属を含み、この金属のイオンを複合酸化物イオン伝送層１３０４（酸化物イオン伝導層１３３）に供給可能としている。なお、第１電極１３０１は、電圧を印加した際に、酸化物イオン伝導層１３３および複合酸化物イオン伝導層１３０４中に金属イオンを供給しないことが望ましい。
酸化物イオン伝導層１３０３は、例えばスパッタ法により酸化タンタルを堆積することで形成することができる。また、複合酸化物イオン伝導層１３０４は、実施の形態１と同様に２種類の酸化物を焼結したターゲットを用いたスパッタ法により形成することができる。また、複合酸化物イオン伝導層１３０４は、レーザアブレーション法により、各々の酸化物の焼結体ターゲットを同じ成膜チャンバー内で同時に昇華させることで形成できる。
本実施の形態の酸化物イオン伝導層と複合酸化物イオン伝導層の積層構造は、実施の形態１における単独で複合酸化物イオン伝導層を用いた構造に比較し、加熱処理後のスイッチング回数が向上する。本実施の形態３におけるスイッチング素子では、まず、金属イオンの拡散を複合酸化物イオン伝導層１３０４で防ぐ。これに加え、本スイッチング素子では、駆動時の金属架橋の伸縮が、酸化物イオン伝導層１３０３で行われるようになり、熱耐性と繰り返し耐性が両立できるようになる。本実施の形態では、酸化物イオン伝導層１３０３で金属架橋の伸縮を行わせているので、スイッチング電圧をあまり高くする必要がなく、イオン伝導層としての部分の劣化を招くことがない。この結果、スイッチングの繰り返し回数を向上させることができる。このように、本実施の形態では、酸化物イオン伝導層１３０３と複合酸化物イオン伝導層１３０４とにより、イオン伝導層を構成しているところに特徴がある。
なお、複合酸化物イオン伝導層１３０４の厚さは、プログラマブルロジックの配線スイッチの製造工程によって生じる熱処理過程（３５０℃・２７０分）の前後で、スイッチング電圧および漏れ電流の変化が１０％程度となるように最適化する。
次に、本実施の形態におけるスイッチング素子の駆動について図１４Ａ〜図１４Ｃを用いて説明する。まず、第１電極１３０１を接地し、第２電極１３０２に正電圧を印加すると、図１４Ａに示すように、第２電極１３０２の金属が金属イオン１４０６になり、複合酸化物イオン伝導層１３０４および酸化物イオン伝導層１３０３に溶解する。このとき、酸化物イオン伝導層１３０３には、第１電極１３０１より電子が供給されているので、拡散している金属イオン１４０６は、同時に供給されている電子により、金属として析出する。この析出した金属は、酸化物イオン伝導層１３０３において、第１電極１３０１の側より金属架橋１４０５を形成する。
形成された金属架橋１４０５は、上述した電圧印加状態を継続することで、図１４Ｂに示すように第２電極１３０２に到達し、第１電極１３０１と第２電極１３０２とが電気的に接続され、このスイッチング素子がオン状態となる。
一方、上記オン状態で第１電極１３０１を接地して、第２電極１３０２に負電圧を印加すると、金属架橋１４０５が複合酸化物イオン伝導層１３０４に金属イオン１４０６となって溶解して金属架橋１４０５の一部が切れ、図１４Ｃに示すように、金属架橋１４０５ａと金属架橋１４０５ｂとに分離する。この際、複合酸化物イオン伝導層１３０４および酸化物イオン伝導層１３０３内の金属イオン１４０６は第２電極１３０２に回収される。これにより、第１電極１３０１と第２電極１３０２との電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態になる。
なお、スイッチがオフ状態になるとき、電気的接続が完全に切れる前の段階から、第１電極１３０１および第２電極１３０２間の抵抗が大きくなり、また、電極間容量が変化するなど電気特性の変化があり、最終的に電気的接続が切れる。
上記オフ状態からオン状態にするには、再び第２電極１３０２に正電圧を印加すればよい。また、第２電極１３０２を接地することで、第１電極１３０１に負電圧を印加してスイッチをオン状態にし、また、第２電極１３０２を接地することで、第１電極１３０１に正電圧を印加すればよい。これにより、第２電極１３０２の金属が金属イオン１４０６として複合酸化物イオン伝導層１３０４および酸化物イオン伝導層１３０３に溶解する。溶解した金属イオン１４０６は、第１電極１３０１より供給されている電子により、金属架橋１４０５ａと金属架橋１４０５ｂと間に析出する。この結果、また、金属架橋１４０５ａと金属架橋１４０５ｂとが一体に接続し、第１電極１３０１と第２電極１３０２とが電気的に接続され、このスイッチング素子がオン状態となる。
次に、本実施の形態におけるスイッチング素子について、実施例を用いてより詳細に説明する。
［実施例４］
まず、本実施例のスイッチング素子の構成について図１５の断面図を用いて説明する。このスイッチング素子は、例えば、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板１５０１と、基板１５０１の上に形成されたシリコン酸化膜１５０２と、シリコン酸化膜１５０２の上に形成された第１電極１５０３と、酸化物イオン伝送層１５０４とを備える。また、酸化物イオン伝送層１５０４の上には、複合酸化物イオン伝送層１５０５が形成されている。また、複合酸化物イオン伝送層１５０５の上には、絶縁層１５０６が形成され、絶縁層１５０６の上に第２電極１５０７が形成されている。例えば、複合酸化物イオン伝送層１５０５の一部が、絶縁層１５０６により覆われている。また、絶縁層１５０６の一部に形成された開口部（貫通孔）を介し、複合酸化物イオン伝送層１５０５と第２電極１５０７とが接続している。
まず、本実施例のスイッチング素子の構成について図１５の断面図を用いて説明する。このスイッチング素子は、例えば、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板１５０１と、基板１５０１の上に形成されたシリコン酸化膜１５０２と、シリコン酸化膜１５０２の上に形成された第１電極１５０３と、酸化物イオン伝送層１５０４とを備える。また、酸化物イオン伝送層１５０４の上には、複合酸化物イオン伝送層１５０５が形成されている。また、複合酸化物イオン伝送層１５０５の上には、絶縁層１５０６が形成され、絶縁層１５０６の上に第２電極１５０７が形成されている。例えば、複合酸化物イオン伝送層１５０５の一部が、絶縁層１５０６により覆われている。また、絶縁層１５０６の一部に形成された開口部（貫通孔）を介し、複合酸化物イオン伝送層１５０５と第２電極１５０７とが接続している。
酸化物イオン伝導層１５０４は、酸化タンタルから構成され、層厚１２ｎｍに形成されている。複合酸化物イオン伝送層１５０５は、酸化シリコンを３３ｍｏｌ％含む酸化タンタルから構成され、層厚３ｎｍに形成されている。また、第１電極１５０３は、白金から構成され、膜厚４０ｎｍに形成され、第２電極１５０７は、銅から構成されて膜厚１００ｎｍに形成されている。
この実施の形態におけるスイッチング素子では、本構成では、絶縁層１５０６に形成した貫通孔の領域にスイッチが形成され、スイッチの接合面積を貫通孔の開口程度の大きさにできる。また、基板１５０１は、よく知られた技術により、ＭＯＳトランジスタや抵抗素子などの複数の半導体素子（不図示）が集積されて形成されている。例えば、ＭＯＳトランジスタ（図示せず）が形成され、このＭＯＳトランジスタのドレイン（ドレイン電極）に第１電極１５０３が接続している。
次に、本実施の形態におけるスイッチング素子の特性について、図１６，１７，１８を用いて説明する。まず、図１６は、本実施例のスイッチング素子の動作に対する電気特性の変化を示すグラフである。なお、図１６において、（ａ）は、窒素雰囲気下において３５０℃・２７０分の加熱処理を施した後の特性であり、（ｂ）は、この加熱処理を行う前の特性である。また、ここでは、第１電極１５０３を基板１５０１に形成されているｎ型のＭＯＳＦＥＴ（不図示）のドレイン電極を介して接地し、第２電極１５０７に正電圧および負電圧を印加している。
まず、加熱処理を行っていない場合、図１６の（ｂ）に示すように、第２電極１５０７に正電圧を印加すると、８．５Ｖでスイッチがオフ状態（高抵抗の状態）からオン状態（低抵抗の状態）へ遷移する。この際、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に５Ｖを印加し、スイッチング素子にかかる電流を約８ｍＡに制限している。ＭＯＳＦＥＴのゲート幅は４０μｍである。次に、第２電極１５０７に負電圧を印加すると−２．２Ｖで電流は減少し、オフ状態に遷移する。この際、上述したようにＭＯＳＦＥＴにより、スイッチング素子に流れる電流を５０ｍＡが上限となるよう制御している。
一方、加熱処理を行ったスイッチング素子において、加熱した場合と同様に、第２電極１５０７に正電圧を印加すると、加熱処理を行っていない場合に比較して１Ｖ程度大きい９．５Ｖでスイッチがオフ状態からオン状態へ遷移する（ａ）。この際、４−７Ｖの間の電圧において観測される漏れ電流は、加熱処理を行っていない場合に比較して１桁程度大きくなる。また、スイッチング電圧および漏れ電流ともに、１０％程度の変化に抑えられている。
次に、スイッチングの繰り返し耐性について説明する。まず、単独で複合酸化物イオン伝導層を用いたスイッチング素子について説明する。なお、複合酸化物イオン伝導層を形成した後に、窒素環境下で３５０℃・３０分の加熱処理を施している。この例では、図１７に示すように、繰り返し２８回まではオンとオフとの切り替えが行える、２９回目以降は、オフ状態に遷移しなくなる。なお、図１７において、（ａ）がオンを示し、（ｂ）がオフを示している。
次に、複合酸化物イオン伝導層に加えて酸化物イオン伝導層を用いた本実施の形態におけるスイッチング素子について説明する。なお、酸化物イオン伝導層および複合酸化物イオン伝導層を形成した後に、窒素環境下で３５０℃・３０分の加熱処理を施している。この場合、図１８に示すように、繰り返し７１０回までオンとオフとの切り替えが行え、大幅に増加する。
次に、本実施例におけるスイッチング素子の製造方法について、図１９Ａ〜図１９Ｄを用いて説明する。
[工程１]
図１９Ａに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板１５０１を用意し、基板１５０１の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１５０２を形成する。また、シリコン酸化膜１５０２の上に、第１電極１５０３を形成する。例えば、まず、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、膜厚４０ｎｍの白金膜を形成する。次に、白金膜の上にフォトレジスト膜を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト膜をパターニングし、所望の形状（配線形状）のレジストパターンを形成する。
図１９Ａに示すように、低抵抗な単結晶シリコンからなる基板１５０１を用意し、基板１５０１の表面に膜厚３００ｎｍのシリコン酸化膜１５０２を形成する。また、シリコン酸化膜１５０２の上に、第１電極１５０３を形成する。例えば、まず、例えば真空蒸着法もしくはスパッタ法により、膜厚４０ｎｍの白金膜を形成する。次に、白金膜の上にフォトレジスト膜を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト膜をパターニングし、所望の形状（配線形状）のレジストパターンを形成する。
次に、形成したレジストパターンをマスクとし、白金膜をドライエッチングしてパターニングすれば、第１電極１５０３が形成できる。第１電極１５０３は、例えば、所定の幅を備え、図１９Ａの紙面左右方向に延在している配線である。なお、第１電極１５０３は、白金に限らず、タングステン，タンタル，チタンなどの、複合酸化物イオン伝導層に金属イオンを溶出させない材料から構成されていればよい。
[工程２]
図１９Ｂに示すように、第１電極１５０３の上に、酸化物イオン伝導層１５０４および複合酸化物イオン伝導層１５０５を形成する。例えば、酸化タンタルの焼結体ターゲットを用いたスパッタ法により酸化タンタルを厚さ１２ｎｍ程度に堆積することで、酸化物イオン伝導層１５０４が形成できる。引き続いて、酸化タンタル中に酸化シリコンが３３ｍｏｌ％含まれた焼結体のターゲットを用いたスパッタ法により、層厚３ｎｍの複合酸化物イオン伝導層１５０５が形成できる。この後、第１電極１５０３の形状に合わせ、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により、酸化物イオン伝導層１５０４および複合酸化物イオン伝導層１５０５をパターニングしてもよい。
図１９Ｂに示すように、第１電極１５０３の上に、酸化物イオン伝導層１５０４および複合酸化物イオン伝導層１５０５を形成する。例えば、酸化タンタルの焼結体ターゲットを用いたスパッタ法により酸化タンタルを厚さ１２ｎｍ程度に堆積することで、酸化物イオン伝導層１５０４が形成できる。引き続いて、酸化タンタル中に酸化シリコンが３３ｍｏｌ％含まれた焼結体のターゲットを用いたスパッタ法により、層厚３ｎｍの複合酸化物イオン伝導層１５０５が形成できる。この後、第１電極１５０３の形状に合わせ、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により、酸化物イオン伝導層１５０４および複合酸化物イオン伝導層１５０５をパターニングしてもよい。
[工程３]
図１９Ｃに示すように、まず、複合酸化物イオン伝導層１５０５の上に、スパッタ法もしくはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、酸化シリコンからなる層厚４０ｎｍの絶縁層１５０６を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたウエットエッチング法により、絶縁層１５０６を選択的にエッチングし、底部に複合酸化物イオン伝導層１５０５の一部表面が露出する開口部１５０５ａを形成する。
図１９Ｃに示すように、まず、複合酸化物イオン伝導層１５０５の上に、スパッタ法もしくはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、酸化シリコンからなる層厚４０ｎｍの絶縁層１５０６を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術を用い、所望とする箇所に開口部を備えたレジストパターンを形成する。このようにして形成したレジストパターンをマスクとし、よく知られたウエットエッチング法により、絶縁層１５０６を選択的にエッチングし、底部に複合酸化物イオン伝導層１５０５の一部表面が露出する開口部１５０５ａを形成する。
[工程４]
以上のようにして、開口部１５０６ａを備えた絶縁層１５０６を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅を堆積させて銅膜を形成し、この銅膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工する。これにより、図１９Ｄに示すように、第２電極１５０７が形成できる。第２電極１５０７は、開口部１５０６ａ内において、複合酸化物イオン伝導層１５０４に接した状態となる。
以上のようにして、開口部１５０６ａを備えた絶縁層１５０６を形成した後、この上に、真空蒸着法もしくはスパッタ法により膜厚１００ｎｍの銅を堆積させて銅膜を形成し、この銅膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工する。これにより、図１９Ｄに示すように、第２電極１５０７が形成できる。第２電極１５０７は、開口部１５０６ａ内において、複合酸化物イオン伝導層１５０４に接した状態となる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２００７年１２月１９日に出願された日本出願特願２００７−３２６９６０号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
Claims (7)
- 酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つと酸化タンタルとを備えたイオン伝導層と、
このイオン伝導層の一方の面の側に配置され、前記イオン伝導層に電子を供給する第１電極と、
金属を含み、前記イオン伝導層の他方の面の側に配置されて前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給する第２電極と
を少なくとも備えることを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項１記載のスイッチング素子において、
前記イオン伝導層は、
酸化タンタルの結晶化温度より高い結晶化温度を備える
ことを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項１記載のスイッチング素子において、
前記金属を含み、前記イオン伝導層の一方の面の側に配置されて前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給する第３電極を備え、
この第３電極は、前記第１電極と絶縁分離して配置されている
ることを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項１記載のスイッチング素子において、
前記第１電極は、前記イオン伝導層に金属の拡散を抑制した状態で形成されている
ことを特徴とするスイッチング素子。 - 請求項１記載のスイッチング素子において、
前記イオン伝導層は、
酸化タンタルを備えた第１イオン伝導層と、
酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つと酸化タンタルとを備えた第２イオン伝導層と
を備え、
前記第１電極の側に前記第１イオン伝導層が備えられている
ことを特徴とするスイッチング素子。 - 基板の上に第１電極が形成された状態とする第１工程と、
イオン伝導層が前記第１電極の上に形成された状態とする第２工程と、
第２電極が前記イオン伝導層の上に形成された状態とする第３工程と
を少なくとも備え、
前記イオン伝導層は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つと酸化タンタルとを備え、
前記第１電極は、前記イオン伝導層に電子を供給し、
前記第２電極は、金属を含み、前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。 - 基板の上に第２電極が形成された状態とする第１工程と、
前記第２電極の上にイオン伝導層が形成された状態とする第２工程と、
前記イオン伝導層の上に第１電極が形成された状態とする第３工程と、
前記イオン伝導層の上に第３電極が形成された状態とする第４工程と
を少なくとも備え、
前記イオン伝導層は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つと酸化タンタルとを備え、
前記第１電極は、前記イオン伝導層に電子を供給し、
前記第２電極は、金属を含み、前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給し、
前記第３電極は、前記金属を含み、前記イオン伝導層に前記金属のイオンを供給する
ことを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
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