以下に、本発明の実施の形態について図面� ��参照して説明する。
(第1の実施の形態)
 図4は、本発明に用いる3端子可変抵抗スイ� �チ素子の構成例を示す図である。

 図4に示すように3端子可変抵抗スイッチ� �子11は、ソース電極20と、ドレイン電極21と� �イオン伝道層22と、ゲート電極23とから構成� ��れている。

 ソース電極20は、金属イオンを供給する� �極であり、例えば銅などでできている。ド� �イン電極21は、金属イオンを供給しない電極 であり、例えば白金などでできている。イオ ン伝道層22は、例えば酸化タンタルでできて� ��る。ゲート電極23は、金属イオンを供給す� �電極であり、ソース電極20と同じ材質ででき ており、例えば銅などでできている。ゲート 電極23は、ソース電極20とドレイン電極21との 間が導通したり遮断したりするスイッチの機 能を有する。ゲート電極23はスイッチング制� ��の補助を行うためのもので、ゲート電極23� �、ソース電極20またはドレイン電極21との間� ��常に遮断状態である。

 図5(a)は、図4に示した3端子可変抵抗スイ� ��チ素子11のソース電極20に書き込み電圧Vpを� ��え、ドレイン電極21及びゲート電極23は電圧 0にした場合の動作を示す図である。

 ソース-ドレイン間を遮断状態から導通状 態にするには、まず、図5(a)に示すようにソ� �ス電極20に書き込み電圧Vpを与え、ドレイン� ��極21及びゲート電極23は電圧0にする。これ� �よって、ドレイン電極21からソース電極20へ� ��かって析出金属25が析出していく。ソース-� ��レイン間が析出金属25によって弱く繋がる� �、繋がる直前までこの状態を保つ(弱い導通� ��態)。これが、第1の段階である。

 図5(b)は、図5(a)に示した状態の3端子可変� ��抗スイッチ素子11のソース電極20とドレイン 電極21とをともに0電圧にし、ゲート電極23に� ��き込み電圧Vpを与えた場合の動作を示す図� �ある。

 次に、図5(b)に示すように、ソース電極20� ��ドレイン電極21とをともに0電圧にし、ゲー� ��電極23に書き込み電圧Vpを与える。これによ って、析出金属25がさらに成長し、ソース-ド レイン間はしっかりと導通される(強い導通� �態)。図5(b)の電圧印加はゲート電極23まで析� ��金属25が達しないところで止めなければな� �ない。つまり、第1の段階の後、ゲート電極2 3まで析出金属25が達する直前までゲート電極 23に書き込み電圧Vpを保つ。これが、第2の段� ��である。

 次に、ソース-ドレイン間を導通状態から 遮断状態にする方法について述べる。

 図5(c)は、図5(b)に示した状態の3端子可変� ��抗スイッチ素子11のソース電極20とドレイン 電極21とに書き込み電圧Vpを与え、ゲート電� �を0電圧にした場合の動作を示す図である。

 まず、図5(c)に示すように、ソース電極20� ��ドレイン電極21とに書き込み電圧Vpを与え、 ゲート電極を0電圧にする。これによって析� �金属25が縮小し、ソース-ドレイン間は弱く� �断される(弱い遮断状態)。このときソース-� �レイン間の金属架橋は遮断されているが、� �出金属25はまだ残っており完全には消失して いない。

 図5(d)は、図5(c)に示した状態の3端子可変� ��抗スイッチ素子11のソース電極20を0電圧に� �、ドレイン電極21とゲート電極23とに書き込� ��電圧Vpを与えた場合の動作を示す図である� �

 次に、図5(d)に示すように、ソース電極20� ��0電圧にし、ドレイン電極21とゲート電極23� �に書き込み電圧Vpを与える。この状態を一定 時間続けることによってイオン伝道層22の析� ��金属25は完全に消失し、ソース-ドレイン間� ��十分に遮断される(強い遮断状態)。

 図4に示した3端子可変抵抗スイッチ素子11 は、ゲート電極23を使うことで、ソース-ドレ イン間を導通したり、遮断したりするときに 、少ない電流で済むというメリットがある。 それは、ゲート電極23が他の電極とは常に遮� ��された状態で、析出金属25を制御するから� �ある。また、ゲート電極23によってソース-� �レイン間の金属架橋をしっかりさせること� �できるため、ソース-ドレイン間の導通時の� ��抗が非常に低くなるというメリットもある� ��

 なお、図4は3端子可変抵抗スイッチ素子11 を模式的に示したものであり、電極などの物 理的な配置や構造は図4に示したものに限定� �れるものではない。以下に述べる実施の形� �で使用する3端子可変抵抗スイッチ素子11は� �図5(a)~図5(d)を用いて説明した機能を有する� �のであればよい。

 また、上述の電圧値0,Vpは相対値のみが意 味があり、絶対値は任意である。一般に、書 き込み電圧Vpは、回路を動作させるときの通� ��モード時の電源電圧Vddに比べて高い。

 また、ここで弱い導通状態とは、ソース電� ��20とドレイン電極21との間の抵抗値が所定の 閾値よりも大きな場合の導通状態である。一 方、強い導通状態とは、ソース電極20とドレ� ��ン電極21との間の抵抗値が所定の閾値より� �小さな場合の導通状態である。
また、ここで弱い遮断状態とは、ソース電極 20とドレイン電極21との間の抵抗値が弱い導� �状態の抵抗値よりも大きな場合の遮断状態� �ある。一方、強い遮断状態とは、ソース電� �20とドレイン電極21との抵抗値が弱い遮断状� ��の抵抗値よりも大きな場合の遮断状態であ� ��。

 図6は、図4に示した3端子可変抵抗スイッ� ��素子11を使った再構成可能配線網である半� �体装置の第1の実施の形態を示す図である。

 図4に示した3端子可変抵抗スイッチ素子11 を使った再構成可能配線網である半導体装置 の第1の実施の形態は図6に示すように、配線� ��グメント4XYがアレイ状に並んでいる。水平� ��向に同軸上に並んだ配線セグメント4Xa,4Xb,4X c,…は、それぞれ3端子可変抵抗スイッチ素子 11Xa,11Xb,11Xc,11Xd,…を介して隣接する配線セグ� ��ント4XYとプログラマブルに結合されている( ここで、X,Yはa,b,c,…を表す変数である)。こ� �で、3端子可変抵抗スイッチ素子11Xa,11Xb,11Xc,1 1Xdのそれぞれのグループを列グループとする 。

 この水平方向に同軸上に並んだ一連の配� ��セグメント4XYと3端子可変抵抗スイッチ素子 11XYとをレーンと呼ぶことにする。図6では配� ��セグメント4aaから配線セグメント4aeへ至る� ��ーンと、配線セグメント4baから配線セグメ� ��ト4beへ至るレーンと、配線セグメント4caか� ��配線セグメント4ceへ至るレーンとの3つのレ ーンの例が示されている。ここでは、3つの� �ーンから構成される場合を例に挙げて説明� �るが、レーンの数がL(Lは自然数)個であるも� ��であっても良い。また、各レーンに接続さ� ��た3端子可変抵抗スイッチ素子の数は、j(jは 自然数)個であるものであっても良い。

 ここで、すべての3端子可変抵抗スイッチ 素子11XYは同じ向きで配線セグメント4XYとそ� �ぞれ接続されなければならない。図6では、� ��3端子可変抵抗スイッチ素子11XYのソース電� �20を左側の配線セグメントに、ドレイン電極 21を右側の配線セグメントに接続した例を示� ��。ここで、配線セグメントの3端子可変抵抗 スイッチ素子11XYのソース電極20に接続される 側の端をソース端と定義する。また、配線セ グメントの3端子可変抵抗スイッチ素子11XYの� ��レイン電極21に接続される側の端をドレイ� �端と定義する。

 また、垂直方向に並んだ各列の3端子可変抵 抗スイッチ素子11aY,11bY,11cY,…のゲート端子23� ��共通のゲート線3Yに接続される。つまり、� �じ列グループに属する端子可変抵抗スイッ� �素子11XYは、同じゲート線3Yに接続される。� �体的には、第j(jは1からL(Lはレーン数)までの 自然数)のレーンにおける第i(iは1からN _j までの自然数)の3端子可変抵抗スイッチ素子� ��第X_i_jの列グループに属し、X_i_jは、X_i_j< X_(i+1)_jを満たす整数となる。ここで、Nは自� �数である。

 また、各々の配線セグメント4XYにバスホ� ��ダー5XYが接続される。

 図7は、図6に示したバスホルダー5XYの回� �例である。

 図6に示したバスホルダー5XYは図7に示す� �うに、インバータ60aの出力をインバータ60b� �入力に接続し、インバータ60bの出力をイン� �ータ60aの入力に接続したものである。そし� �、インバータ60aの出力をバスホルダー5XYの� �力端子50としている。バスホルダー5XYは1ビ� �トの情報を記憶する記憶素子であり、他の� �ートから出力端子50に与えた信号が内部に保 持される。つまり、バスホルダー5XYが接続さ れた配線の電位を保持する電位保持部である 。両インバータ60a,60bは駆動力が小さいため� �のゲートから容易に書き込みができ、出力� �子50に繋がった配線の信号伝播遅延にもほと んど影響を与えない。出力端子50に繋がった� ��線が他のゲートから駆動されないときは、� ��スホルダー5XYに記憶された信号がその配線� ��電圧レベルを決める。バスホルダー5XYはそ� ��に繋がった配線を論理値0か1かのどちらか� �電圧レベルを固定し、不定値になるのを防� �機能を持つ。

 以下に、図6に示した再構成可能配線網で ある半導体装置におけるコンフィギュレーシ ョン方法について説明する。コンフィギュレ ーションは初期化と状態設定との2段階から� �る。初期化は全3端子可変抵抗スイッチ素子� ��導通状態にするものである。また、状態設� ��は、所望のパタンにしたがって3端子可変抵 抗スイッチを遮断状態にするものである。

 図8(a)は、図6に示した再構成可能配線網� �ある半導体装置におけるコンフィギュレー� �ョン方法のうち初期化でソース側の第1の端� ��書き込み電圧Vpを印加し、ドレイン側の第2� ��端及びゲート線3Yを0電圧にした場合の動作� ��説明するための図である。これは、あらか� ��め各3端子可変抵抗スイッチ素子がどのよう な状態になっているかにかかわり無く、全て の3端子可変抵抗スイッチ素子を導通状態に� �る手続きである。

 まず図8(a)に示すように、各レーンの左端 、つまりソース側の第1の端に書き込み電圧Vp を印加し(書き込み電圧Vpを保ち)、右端、つ� �りドレイン側の第2の端及びゲート線3Yを0電� ��にする。この状態でしばらくすると、遮断� ��態にある3端子可変抵抗スイッチ素子11XYは� �く導通した状態になり、レーンの右端から� �端まで導通する。導通した瞬間にそのレー� �の左端の電圧を0にし、大きな電流が流れな� ��ようにする。このようにして全レーンが右� ��から左端まで導通した状態にする。ここで� ��導通した瞬間に書き込み電圧をかけるのを� ��めるため、そのレーンの3端子可変抵抗スイ ッチ素子11XYの中には弱い導通状態になって� �るものがある。これが、第1の段階である。

 図8(b)は、図8(a)に示した状態で各レーン� �端を電圧0にし、ゲート線3Yを書き込み電圧Vp に保つ場合の動作を説明するための図である 。

 次に、図8(b)に示すように、各レーン両端 を電圧0にし、ゲート線3Yを書き込み電圧Vpに� ��つ。この状態で一定時間経つと、各3端子可 変抵抗スイッチ素子11XYの金属架橋が強化さ� �しっかりした導通状態になる。これが第2の� ��階である。

 以上が初期化である。図8(a)に示すように 、各端子に電圧を印加して全3端子可変抵抗� �イッチ素子11XYが導通状態になるのには、バ� ��ホルダー5XYの存在が不可欠である。バスホ� ��ダー5XYがあるため、配線セグメント4XYは0か Vpかのいずれかの電圧レベルになる。3端子可 変抵抗スイッチ素子11XYが遮断状態で、その� �側の配線セグメント4XYが電圧Vpであり、右側 の配線セグメント4XYが電圧0である場合、3端� ��可変抵抗スイッチ素子11XYは弱く導通するま で析出金属25が成長する。こうして、そのレ� ��ンの遮断状態3端子可変抵抗スイッチ素子11X Yは次々と弱い導通状態になっていく。レー� �の左端が電圧Vpで右端が電圧0であるため、� �端から右端に導通するまで遮断3端子可変抵� ��スイッチ素子11XYの導通状態への変化は続く 。

 なお、バスホルダー5XYが無いと配線セグ� ��ント4XYの電圧がVpでも0でもない中間的なレ� ��ルになる、もしくは不定のレベルになるお� ��れがあるため、上述のような動作は保障さ� ��ない。

 次に、所望のパタンにしたがって3端子可 変抵抗スイッチ素子11XYを遮断状態にする方� �について説明する。

 図9(a)は、図8(a)~図8(b)に示した3端子可変� �抗スイッチ素子11adを遮断状態にする方法の� ��ち遮断したい3端子可変抵抗スイッチ素子11a dに対応するゲート線3dを0電圧にし、それ以� �のゲート線をすべて書き込み電圧Vpに保つ場 合の動作を説明するための図である。

 まず図9(a)に示すように、遮断したい3端� �可変抵抗スイッチ素子11adに対応するゲート� ��3dを0電圧にし、それ以外のゲート線をすべ� ��書き込み電圧Vpに保つ。同時に、遮断した� �3端子可変抵抗スイッチ素子11adを含むレーン の左端に書き込み電圧Vpを与え、それ以外の� ��ーンの左端を電圧0にする。この状態で一定 時間が経つと、3端子可変抵抗スイッチ素子11 adのみが弱く遮断された状態になる。このと� ��、3端子可変抵抗スイッチ素子11adの右側に� �るバスホルダー5aeは電圧Vpが保持された状態 となる。これが、第3の段階である。

 図9(b)は、図9(a)に示した状態でゲート線3d を書き込み電圧Vpに、ゲート線3d以外のゲー� �線と全レーンの左端を0電圧に保つ場合の動� ��を説明するための図である。

 次に、図9(b)に示すようにゲート線3dを書� ��込み電圧Vpに、ゲート線3d以外のゲート線と 全レーンの左端を0電圧に保つ。3端子可変抵� ��スイッチ素子11adはすでに弱く遮断されてい るため、その右側のバスホルダー5aeには電圧 Vpが保持されたままである。そして、3端子可 変抵抗スイッチ素子11adのソース電極側は0電� ��になるため、一定時間経つと3端子可変抵抗 スイッチ素子11adの析出金属25が完全に消え、 完全な遮断状態になる。図9(a)と図9(b)とにお� ��て、3端子可変抵抗スイッチ素子11ad以外の� �態は変わらない。これが、第4の段階である� ��

 以上、3端子可変抵抗スイッチ素子11adの� �を遮断する方法について説明したが、ゲー� �線3dを共有するほかの3端子可変抵抗スイッ� �素子11Xdも同時に遮断することができる。す� ��わち、図9(a)を用いて説明した手続きで、遮 断したい3端子可変抵抗スイッチ素子11XYを含� ��レーンの左端に書き込み電圧Vpを与えれば� �い。この方法でゲート線3dを共有する3端子� �変抵抗スイッチ素子11XYを所望のパタンで同� ��に遮断できる。なお図9(b)を用いて説明した 手続きは、任意の遮断パタンで同じである。

 図9(a)と図9(b)とにて説明した手続きの後� �、さらに3端子可変抵抗スイッチ素子11bcを遮 断状態にする方法を説明する。

 図10(a)は、図9(a)と図9(b)とにて説明した手 続きの後に、さらに3端子可変抵抗スイッチ� �子11bcを遮断状態にする方法のうち遮断した� ��3端子可変抵抗スイッチ素子11bcに対応する� �ート線3cを0電圧にし、それ以外のゲート線� �すべて書き込み電圧Vpにした場合の動作を説 明するための図である。

 まず図10(a)に示すように、遮断したい3端� ��可変抵抗スイッチ素子11bcに対応するゲート 線3cを0電圧にし、それ以外のゲート線をすべ て書き込み電圧Vpにする。同時に、遮断した� ��3端子可変抵抗スイッチ素子11bcを含むレー� �の左端に書き込み電圧Vpを与え、それ以外の レーンの左端を電圧0にする。この状態で一� �時間が経つと、3端子可変抵抗スイッチ素子1 1bcは弱く遮断された状態になり、他の3端子� �変抵抗スイッチ素子の状態は変わらない。� �のとき3端子可変抵抗スイッチ素子11cbの右側 にあるバスホルダー5bdは電圧Vpが保持された� ��態となる。

 図10(b)は、図10(a)に示した状態で遮断した い3端子可変抵抗スイッチ素子11bcのゲート線3 cとその右側にあるゲート線3dとを書き込み電 圧Vpに、残りのゲート線と全レーンの左端を0 電圧にした場合の動作を説明するための図で ある。

 次に、図10(b)に示すように、遮断したい3� ��子可変抵抗スイッチ素子11bcのゲート線3cと� ��の右側にあるゲート線3dとを書き込み電圧Vp に、残りのゲート線と全レーンの左端を0電� �にする。3端子可変抵抗スイッチ素子11bcはす でに弱く遮断されているため、その右側のバ スホルダー5bdには電圧Vpが保持されたままで� ��る。そして、3端子可変抵抗スイッチ素子11b cのソース電極側は0電圧になるため、一定時� ��経つと3端子可変抵抗スイッチ素子11bcの析� �金属25が完全に消え、完全な遮断状態になる 。この手続きにおいて3端子可変抵抗スイッ� �素子11bc以外の状態は変わらない。

 3端子可変抵抗スイッチ素子11bcとゲート� �3cとを共有するほかの3端子可変抵抗スイッ� �素子11Xcも同様に遮断することができる。す� ��わち、図10(a)を用いて説明した手続きで、� �断したい3端子可変抵抗スイッチ素子を含む� ��ーンの左端に書き込み電圧Vpを与えればよ� �。この方法でゲート線3cを共有する3端子可� �抵抗スイッチ素子11Xcを所望のパタンで同時� ��遮断できる。図10(b)を用いて説明した手続� �は、任意の遮断パタンで同じである。

 図9(a)~図9(b)を用いて説明した手続きは、� ��番右端の列の3端子可変抵抗スイッチ素子を コンフィギュレーションする手続きの例であ る。また、図10(a)~図10(b)を用いて説明した手� ��きは、右から2番目の列の3端子可変抵抗ス� �ッチ素子をコンフィギュレーションする手� �きの例である。以降同様にして、コンフィ� �ュレーション対象を一列ずつ左に移動させ� �いき、右端に至るまでこの手続きを行う。� �のようにして、全3端子可変抵抗スイッチ素� ��11XYのコンフィギュレーションを遂行する。

 バスホルダー5XYは、それを含むレーンの� ��あるいは他のゲートから駆動される場合は� ��れらの電圧値に応じて容易に保持値が変わ� ��。しかし、バスホルダー5XYが、弱く遮断さ� ��た3端子可変抵抗スイッチ素子11XYのドレイ� �(またはソース)電極に繋がっている場合、そ の3端子可変抵抗スイッチ素子11XYのソース(ま たはドレイン)電極の電圧によってはバスホ� �ダー5XYの保持値は変わらない。そのような� �性を持つように、バスホルダー5XYを構成す� �インバータ(図7の60a)の駆動力は設定されな� �ればならない。

 このバスホルダー5XYは、コンフィギュレ� ��ションのために専用に設けたものではなく� ��再構成可能配線網を動作させて使うとき(通 常モード)にも必要なものである。再構成可� �配線網では、可変抵抗スイッチ素子によっ� �配線セグメント4XY間を所望のパタンで導通� �たり遮断したりする。このため、どこにも� �続されずどこからも駆動されないため、そ� �ままだと電圧レベルが不定になるいわゆる� �ローティング状態になる配線セグメントが� �繁に発生する。そのような場合、バスホル� �ー5XYが配線セグメント4XYに接続されている� �、論理値1か0かのいずれかの状態に電圧レベ ルを固定し、フローティングを防ぐことがで きる。このように、フローティング防止のた めのバスホルダー5XYを3端子可変抵抗スイッ� �素子11XYのコンフィギュレーションにも流用� ��ることで、実質的にコンフィギュレーショ� ��のための部品追加はせずに済み、面積増加� ��無い。一方、図3に示した形態では、コンフ ィギュレーションのためだけに別途MOSトラン ジスタ2XYを追加する必要があるため、面積が 増大する問題がある。

 また、図6では、3端子可変抵抗スイッチ� �子11XYが3行4列の規則的な2次元格子状に配置� ��れ、配線セグメント長もみな同じ場合を例� ��した。しかし、これは一例に過ぎず、本発� ��の第1の実施の形態では、3端子可変抵抗ス� �ッチ素子の行数や列数は任意であってよい� �また、3端子可変抵抗スイッチ素子11XYは規則 的な2次元格子状に配置されている必要はな� �、配線セグメント長もみな同じである必要� �ない。

 図11は、不規則的に3端子可変抵抗スイッ� ��素子11XYが配置された再構成可能配線網であ る半導体装置を示す図である。

 図11に示すように例えば、異なる長さの配� �セグメント(たとえば4abと4acのように)が混在 していたり、2次元格子のところどころに3端� ��可変抵抗スイッチ素子11XYがあったりする場 合でも、上述した方法と同じ方法でコンフィ ギュレーションができる。
(第2の実施の形態)
 図12は、図4に示した3端子可変抵抗スイッチ 素子11を使った再構成可能配線網である半導� ��装置の第2の実施の形態を示す図である。

 本形態は図12に示すように、図6に示した� ��1の実施の形態における再構成可能配線網の バスホルダー5XYを電圧Vpでのプルアップ抵抗6 XYに置き変えたものである。つまり、第2の実 施の形態においては、プルアップ抵抗6XYが第 1の実施の形態にて説明した電位保持部に相� �する。

 図12に示した再構成可能配線網は、上述� �た第1の実施の形態の再構成可能配線網と同� ��動作をする。すなわち、本発明の第1の実施 の形態で説明したコンフィギュレーション方 法は、そのまま本発明の第2の実施の形態に� �ける再構成可能配線網にも適用できる。本� �明の第2の実施の形態における電圧Vpでのプ� �アップ抵抗6XYは、本発明の第1の実施の形態� ��のバスホルダー5XYと同じ役割を果たし、コ� ��フィギュレーション時に機能するのみなら� ��、通常モード時にもフローティング防止の� ��めに機能する。

 プルアップ抵抗6XYに繋がった配線セグメ� ��ト4XYは、それを含むレーンの端あるいは他� ��ゲートから駆動される場合、それらの信号� ��にしたがって容易に電圧値が変わる。しか� ��、プルアップ抵抗6XYに繋がった配線セグメ� ��ト4XYが、弱く遮断された3端子可変抵抗スイ ッチ素子11XYのドレイン(またはソース)電極に 繋がっている場合、その3端子可変抵抗スイ� �チ素子11XYのソース(またはドレイン)電極の� �圧によっては配線セグメント4XYの電圧値は� �わらない。そのような特性を持つように、� �ルアップ抵抗6XYの抵抗値は設定されなけれ� �ならない。

 また、本発明の第2の実施の形態における 再構成可能配線網は、図11に示した再構成可� ��配線網と同様に、異なる長さの配線セグメ� ��トが混在していたり、2次元格子の一部に3� �子可変抵抗スイッチ素子が存在していたり� �てもよい。

 以上、実施の形態を参照して本願発明を� ��明したが、本願発明は上記実施の形態に限� ��されるものではない。本願発明の構成や詳� ��には、本願発明のスコープ内で当業者が理� ��し得る様々な変更をすることができる。

 この出願は、2007年11月21日に出願された� �本出願特願2007-301480を基礎とする優先権を主 張し、その開示の全てをここに取り込む。