以下、本発明の実施の形態について図を� ��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� ��ッチング素子の構成例を模式的に示す断面� ��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� �化物を備えている。また、第1電極101は、複� ��酸化物イオン伝導層103に電子を供給可能と� ��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� �、電圧を印加した際に、複合酸化物イオン� �導層103中に金属イオンを供給しないことが� �ましい。

 このように構成された本実施の形態にお� ��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� �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)2 05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10 3には、第1電極101より電子が供給されている� ��で、複合酸化物イオン伝導層103に拡散して� ��る金属イオン205は、同時に供給されている� ��子により、金属として析出する。この析出� ��た金属は、複合酸化物イオン伝導層103にお� ��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� ��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� ��れたオン状態とされているスイッチング素� ��において、第1電極101を接地状態とし、第2� �極102に所定の負の電圧を印加すると、今度� �、金属架橋204を形成している一部の析出金� �の電子が第1電極101に移動して金属イオンと� ��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� �101と第2電極102との間の電気的な接続が切断� ��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� ��オフ状態になる過程で、電気的接続が完全� ��切れる前の段階から第1電極101および第2電� �102間の抵抗が大きくなり、また、電極間容� �が変化するなど電気特性の変化があり、最� �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� ��、オン状態とするためには、前述したよう� ��、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� �、これに限るものではなく、例えば、第2電� ��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� ��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� ��説明する。複合酸化物イオン伝導層103は、� ��えば、金属酸化物としての酸化タンタルと� ��の酸化物としての酸化シリコンとを含んで� ��成されたものであり、酸化タンタルを主成� ��とし、ここに、46mol%の酸化シリコンを含む� ��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� ��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� �合酸化物イオン伝導層103に対する金属の拡� �が抑制されるようになり、前述したように� �ーク電流の増加や、オフ状態が得られない� �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� ��特性を測定した結果について説明する。作� ��したスイッチング素子(試料)は、第1電極101� ��して膜厚100nmの白金電極を用い、第2電極102� ��して膜厚100nmの銅電極を用いる。また、参� �試料として、酸化タンタルより構成したイ� �ン伝導層を用い、試料として、本実施の形� �における複合酸化物イオン伝導層103を用い� �。また、複合酸化物イオン伝導層103(イオン� ��導層)は、層厚15nmに形成する。なお、各試� �(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� ��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� �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� ��、オフ状態に遷移する。この際は、参照試� ��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� ��、この後、第1電極を接地して、第2電極に� �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� �移する。この際、加熱処理を行っていない� �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� ��スイッチング素子に対応する試料では、加� ��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1 02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� �よう制御する。

 次に、本実施の形態に対応する試料に対� ��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� �スイッチがオフ状態からオン状態へ遷移す� �。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� ��しない負電圧を、イオン伝導層が絶縁破壊� ��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、� �線が本実施の形態に対応する試料の結果を� �している。参照試料に比較し、本実施の形� �に対応する試料は、リーク電流が少なく、� �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� ��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� ��り、酸化タンタルと酸化シリコンとから構� ��されて酸化シリコンを46mol%含んだ焼結体タ� ��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� ��より酸化タンタルの焼結体ターゲットを用� ��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� ��伝導層は、800℃で加熱処理をする前と後と� ��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� �を行う。本実施の形態に対応する複合酸化� �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6 Bを見ると、参照試料では、700℃および800℃� �おいて、500℃および600℃には無いピークが� �現しており、700℃以上で結晶化しているこ� �がわかる。

 これに対し、複合酸化物イオン伝導層で� ��、図6Aに示すように、参照試料が結晶化し� �いると考えられる700℃を超える800℃で加熱� �てもピークが出現していなく、結晶化せず� �非晶質を保っているものと考えられる。こ� �らのことより、酸化タンタルに酸化シリコ� �を加えた複合酸化物(複合酸化物イオン伝導� ��)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� ��ルなどの金属酸化物は、LSI製造工程や使用� ��境温度である150℃から400℃のような結晶化� ��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� �れる。酸化タンタルなどの金属酸化物は、� �晶質より結晶状態のほうが金属イオンの拡� �が促進される。本実施の形態における複合� �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� �状態が維持されているため、結晶粒界を通� �て起こる金属イオンの速い拡散を抑制する� �とができ、高温環境下での金属イオンの拡� �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� ��を招くことが無く高い信頼性が保たれてい� ��。

 ところで、本実施の形態における電気化� ��反応を利用したスイッチング素子では、例� ��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� ��素子の製造方法について、実施例を用いて� ��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。

[工程1]
 図7Aに示すように、低抵抗な単結晶シリコ� �からなる基板701を用意し、基板701の表面に� �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� �極703は、白金に限らず、タングステン,タン� ��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1 5nm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。� ��の際、成膜される複合酸化物の組成が、タ� ��ゲットの組成に近くなるように、供給する� ��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10 0W、成膜室内に供給するアルゴンガスは12sccm� ��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� ��により、酸化タンタルをベースとして46mol%� ��酸化シリコンが含まれた状態に、複合酸化� ��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1cm ³ 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7 04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� �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� ��形成する。次に、公知のリソグラフィー技� ��を用い、スピンコートにより絶縁層705の上� ��感光性レジスト層を形成し、所定の光像を� ��光性レジストに感光させて潜像を形成し、� ��れを現像することで、所望とする箇所に開� ��部を備えたレジストパターンを形成する。� ��のようにして形成したレジストパターンを� ��スクとし、よく知られたドライエッチング� ��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� ��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� ��せて銅膜を形成し、この銅膜を公知のリソ� ��ラフィー技術およびエッチング技術により� ��工することで、図7Dに示すように、第2電極7 06を形成する。第2電極706は、開口部705a内に� �いて、複合酸化物イオン伝導層704に接した� �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� ��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� �からなる基板701を用意し、基板701の表面に� �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1 5nm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� �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� �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7 04が形成された後、図7Cに示すように、複合� �化物イオン伝導層704の上に、開口部705aを備� ��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。

[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。

[工程1]
 図8Aに示すように、単結晶シリコンかなる� �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� �グラフィー技術およびエッチング技術を用� �、第1保護絶縁膜802,第1層間絶縁膜803,および� ��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� ��タル層805が形成された状態とし、次いで、� ��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� ��シード層の上に、メッキ法により銅を析出� ��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 Po lishing)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� �護絶縁膜802,第1層間絶縁膜803,および第1スト� ��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� �層806を形成する。この後、第1ストップ絶縁� ��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� ��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� �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� ��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� �配線ビアを形成するための開口領域に形成� �ればよい。開口部812は、よく知られたフォ� �リソグラフィー技術およびエッチング技術� �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81 1および第3層間絶縁膜810を選択的にエッチン� ��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� �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� ��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� ��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� �することができる。この、配線溝812aの形成� ��おいて、既に形成されていた開口部812の形� ��が第2層間絶縁膜808および第2保護絶縁膜807� �転写され、接続孔813が形成された状態が得� �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� �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� �る第2バリアメタル814を形成し、この上に、� ��合酸化物イオン伝導層815を形成する。複合� ��化物イオン伝導層815は、前述同様に、スパ� ��タ法により形成すればよく、形成した層の� ��さ(堆積厚)として15nm程度とすればよい。こ� ��後、スパッタ法により層厚20~100nm程度に銅� �ード層を形成し、この上に、メッキ法によ� �銅膜を形成する。形成する銅膜は、膜厚300~8 00nm程度とすればよい。この後、よく知られ� �CMP法により、第2ストップ絶縁膜811の表面が� ��出するまで上記銅膜,第2バリアメタル814お� �び複合酸化物イオン伝導層815の一部を研削� �除する。

 このことにより、図8Fに示すように、複� �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� ��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� �する。上層配線層818は、第2配線層816の上面� ��覆うように形成する。

 なお、各保護絶縁膜は、例えば、シリコ� ��ナイトライドもしくはこの中に任意の量の� ��素が混合された材料など、配線層からの銅� ��拡散を抑制する材料から構成することが好� ��しい。また、各層間絶縁膜は、例えば、任� ��の量の水素,フッ素,および炭素が添加され� �シリコン酸化物よりなる低誘電率絶縁材料� �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� �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� �より、さらに誘電率を下げることが知られ� �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� ��膜から構成されていればよく、膜厚は、50~2 00nm程度であればよい。また、各絶縁膜は、� �く知られたスパッタ法またはCVD法で形成す� �ことができる。

 次に、バリアメタルは、例えば、タンタ� ��ナイトライドおよびタンタルの積層構造で� ��く、開口部や配線溝の底面および側壁を覆� ��ように形成され、銅が層間絶縁膜へ拡散す� ��のを防ぐ役割を果たしている。このような� ��リアメタルとしてのタンタルナイトライド� ��よびタンタルの膜厚は、5~30nm程度であれば� ��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� ��チング素子の構成例を模式的に示す断面図� ��ある。このスイッチング素子は、金属酸化� ��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� �901を備える。

 また、本実施の形態におけるスイッチン� ��素子は、金属を含み、複合酸化物イオン伝� ��層903の他方の面の側に配置されて複合酸化� ��イオン伝導層903に金属のイオンを供給する� ��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� �イオン伝導層903の他方の面の側に第2電極902� ��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� �た際に、複合酸化物イオン伝導層903中に金� �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� ��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� ��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� ��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� ��うにして溶解した金属イオン905が、複合酸� ��物イオン伝導層903の中に析出して金属架橋9 06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� �。この後、第2電極902に負の電圧を印加する� ��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� ��)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� ��層903の中に、第1電極901と第2電極902とを接� �する金属架橋906を形成してこの一部を切断� �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� �加された状態とする。このことにより、ま� �、第3電極904を構成している金属が金属イオ� ��905になって複合酸化物イオン伝導層903に溶� ��する。このようにして溶解した金属イオン9 05が、複合酸化物イオン伝導層903の中の金属� ��橋906の箇所に析出し、切断されていた部分� ��接続し、結果として、第1電極901と第2電極90 2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� ��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� �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� �901もしくは第2電極902に負電圧を印加してス� ��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� �イッチング素子をオフ状態にしてもよい。� �た、第1電極901は、この全体が金属イオンを� ��給しない状態である必要が無く、言い換え� ��と、第2電極902および第3電極904が含んでい� �金属を、第1電極901が全く含んでいないもの� ��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� ��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� ��抑制して導電性を備えるバリア層911が配置� ��れていてもよい。バリア層911を設けること� ��、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� �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� ��からなる基板1101を用意し、基板1101の表面� �膜厚300nmのシリコン酸化膜1102を形成する。� �た、シリコン酸化膜1102の上に、例えば真空� ��着法もしくはスパッタ法により、銅からな� ��膜厚100nmの第2電極1103を形成する。第2電極11 03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� �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、� �化タンタルをベースとして46mol%の酸化シリ� �ンが含まれた焼結体ターゲットを用い、よ� �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� �100W、成膜室内に供給するアルゴンガスは12sc cm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� ��件により、酸化タンタルをベースとして46mo l%の酸化シリコンが含まれた状態に、複合酸� ��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1 104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� �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� �開口部1105aを備えた絶縁層1105が、複合酸化� �イオン伝導層1104の一部領域に形成された状� ��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� �層1105を形成した後、この上に、真空蒸着法� ��しくはスパッタ法により膜厚100nmの白金を� �積させて白金膜を形成する。次に、この白� �膜を公知のリソグラフィー技術およびエッ� �ング技術により加工することで、図11Dに示� �ように、第1電極1106を形成する。第1電極1106� ��、開口部1105a内において、複合酸化物イオ� �伝導層1104に接続した状態となる。第1電極110 6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1 106および絶縁層1105を含む複合酸化物イオン� �導層1104の上に、真空蒸着法もしくはスパッ� ��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� �およびエッチング技術により加工すること� �、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� ��物イオン伝導層に供給される金属イオンと� ��て、銅イオンを用いるようにしたが、これ� ��限るものではない。例えば、複合酸化物イ� ��ン伝導層が酸化タンタルをベースとしてい� ��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� ��物イオン伝導層が、金属酸化物としての酸� ��タンタルと他の酸化物としての酸化シリコ� ��とを含んで構成されたものとしたが、これ� ��限るものではない。例えば、金属イオンが� ��導可能な空格子点を備える他の金属酸化物� ��ベースとして構成されていてもよい。この� ��うな金属酸化物をベースとし、前述したよ� ��に、当該金属酸化物の結晶化の抑制が可能� ��酸化物を組み合わせ(添加し)て複合酸化物� �オン伝導層を構成するようにしてもよい。� �属酸化物の結晶化が抑制できれば、CMOSの製� ��プロセスにおける高温下においても、非晶� ��の状態が維持され、結晶粒界を通して起こ� ��金属イオンの速い拡散を抑制することがで� ��、高温環境下での金属イオンの拡散が抑制� ��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� ��グ素子の構成例を模式的に示す断面図であ� ��。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� �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� �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� �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� �を備えている。例えば、複合酸化物イオン� �導層1304は、金属酸化物としての酸化タンタ� ��と他の酸化物としての酸化シリコンとを含� ��で構成されたものであり、酸化タンタルを� ��成分とし、ここに、33mol%の酸化シリコンを� ��むものであればよい。これらの複合酸化物� ��オン伝導層1304および酸化物イオン伝導層130 3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� �133(複合酸化物イオン伝導層1304)に電子を供� �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� ��加した際に、酸化物イオン伝導層133および� ��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� �ション法により、各々の酸化物の焼結体タ� �ゲットを同じ成膜チャンバー内で同時に昇� �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� ��酸化物イオン伝導層の積層構造は、実施の� ��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� �るスイッチング素子では、まず、金属イオ� �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� ��時の金属架橋の伸縮が、酸化物イオン伝導� ��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� �伸縮を行わせているので、スイッチング電� �をあまり高くする必要がなく、イオン伝導� �としての部分の劣化を招くことがない。こ� �結果、スイッチングの繰り返し回数を向上� �せることができる。このように、本実施の� �態では、酸化物イオン伝導層1303と複合酸化� ��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� ��電流の変化が10%程度となるように最適化す� ��。

 次に、本実施の形態におけるスイッチン� ��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130 2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、� �合酸化物イオン伝導層1304および酸化物イオ� ��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、� �属として析出する。この析出した金属は、� �化物イオン伝導層1303において、第1電極1301� �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1 302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� �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� ��オン1406となって溶解して金属架橋1405の一� �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� ��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� �れる。これにより、第1電極1301と第2電極1302� ��の電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態� ��なる。

 なお、スイッチがオフ状態になるとき、� ��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、� ��び第2電極1302に正電圧を印加すればよい。� �た、第2電極1302を接地することで、第1電極13 01に負電圧を印加してスイッチをオン状態に� ��、また、第2電極1302を接地することで、第1� ��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� �ン伝導層1303に溶解する。溶解した金属イオ� ��1406は、第1電極1301より供給されている電子� ��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� ��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� ��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� ��素子について、実施例を用いてより詳細に� ��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� ��ついて図15の断面図を用いて説明する。こ� �スイッチング素子は、例えば、低抵抗な単� �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� �酸化膜1502の上に形成された第1電極1503と、� �化物イオン伝送層1504とを備える。また、酸� ��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� �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� ��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� ��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。� �合酸化物イオン伝送層1505は、酸化シリコン� ��33mol%含む酸化タンタルから構成され、層厚3 nmに形成されている。また、第1電極1503は、� �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� ��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� �より、MOSトランジスタや抵抗素子などの複� �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)� ��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� ��素子の特性について、図16,17,18を用いて説� �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、� ��素雰囲気下において350℃・270分の加熱処理� ��施した後の特性であり、(b)は、この加熱処� ��を行う前の特性である。また、ここでは、� ��1電極1503を基板1501に形成されているn型のMOS FET(不図示)のドレイン電極を介して接地し、� ��2電極1507に正電圧および負電圧を印加して� �る。

 まず、加熱処理を行っていない場合、図1 6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� ��状態)からオン状態(低抵抗の状態)へ遷移す� ��。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� �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� �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� �子に流れる電流を50mAが上限となるよう制御� ��ている。

 一方、加熱処理を行ったスイッチング素� ��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� �いない場合に比較して1V程度大きい9.5Vでス� �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� ��れ電流は、加熱処理を行っていない場合に� ��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� ��て説明する。まず、単独で複合酸化物イオ� ��伝導層を用いたスイッチング素子について� ��明する。なお、複合酸化物イオン伝導層を� ��成した後に、窒素環境下で350℃・30分の加� �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� ��り替えが行える、29回目以降は、オフ状態� �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� ��化物イオン伝導層を用いた本実施の形態に� ��けるスイッチング素子について説明する。� ��お、酸化物イオン伝導層および複合酸化物� ��オン伝導層を形成した後に、窒素環境下で3 50℃・30分の加熱処理を施している。この場� �、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� ��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� ��からなる基板1501を用意し、基板1501の表面� �膜厚300nmのシリコン酸化膜1502を形成する。� �た、シリコン酸化膜1502の上に、第1電極1503� �形成する。例えば、まず、例えば真空蒸着� �もしくはスパッタ法により、膜厚40nmの白金� ��を形成する。次に、白金膜の上にフォトレ� ��スト膜を形成し、公知のフォトリソグラフ� ��ー技術によりフォトレジスト膜をパターニ� ��グし、所望の形状(配線形状)のレジストパ� �ーンを形成する。

 次に、形成したレジストパターンをマス� ��とし、白金膜をドライエッチングしてパタ� ��ニングすれば、第1電極1503が形成できる。� �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� ��テン,タンタル,チタンなどの、複合酸化物� �オン伝導層に金属イオンを溶出させない材� �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� �物イオン伝導層1504および複合酸化物イオン� ��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� �で、酸化物イオン伝導層1504が形成できる。� ��き続いて、酸化タンタル中に酸化シリコン� ��33mol%含まれた焼結体のターゲットを用いた� ��パッタ法により、層厚3nmの複合酸化物イオ� ��伝導層1505が形成できる。この後、第1電極15 03の形状に合わせ、公知のフォトリソグラフ� ��ー技術およびエッチング技術により、酸化� ��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� ��伝導層1505の上に、スパッタ法もしくはCVD(Ch emical Vapor Deposition)法により、酸化シリコン� ��らなる層厚40nmの絶縁層1506を形成する。次� �、公知のリソグラフィー技術を用い、所望� �する箇所に開口部を備えたレジストパター� �を形成する。このようにして形成したレジ� �トパターンをマスクとし、よく知られたウ� �ットエッチング法により、絶縁層1506を選択� ��にエッチングし、底部に複合酸化物イオン� ��導層1505の一部表面が露出する開口部1505aを� ��成する。

[工程4]
 以上のようにして、開口部1506aを備えた絶� �層1506を形成した後、この上に、真空蒸着法� ��しくはスパッタ法により膜厚100nmの銅を堆� �させて銅膜を形成し、この銅膜を公知のリ� �グラフィー技術およびエッチング技術によ� �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� ��部1506a内において、複合酸化物イオン伝導� �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� ��たが、本発明は上記実施形態に限定される� ��のではない。本発明の構成や詳細には、本� ��明のスコープ内で当業者が理解し得る様々� ��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� �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 。