开关器件、用于该开关器件的驱动和制造方法、集成电路器件和存储器件技术

提供一种开关器件，包括：具有离子导体的离子导电部分（４）、离离子导电部分（４）第一间隙形成的第一电极（１）、形成为与离子导电部分（４）接触的第二电极（２）、以及形成为离离子导电部分（４）第二间隙的第三电极（３）。第二电极（２）将金属离子供给离子导体，或接收来自离子导体的金属离子以沉淀对应于金属离子的金属。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于集成电路的开关器件、用于这种开关器件的驱动和制造方法、集成电路器件和存储器件。
技术介绍
现在许多集成电路器件用于电子设备。许多用于电子设备的集成电路器件称为“ASIC(专用集成电路)”和为特定电子设备设计的专用电路。在这些ASIC中，因为在制造步骤中布置并互连了单元(逻辑电路例如AND电路和OR电路)，所以其电路结构在制成之后不能改变。最近，加剧了发展电子设备的竞争，并且小型化继续进步。在这些情形下，即使在制造之后仍能通过电子信号改变其电路结构并且能够在单个芯片上实现多个功能的可编程逻辑电路引起了人们的兴趣。可编程逻辑电路的典型实例是FPGA(现场可编程门阵列)或DRP(动态可重新配置处理器)等。因为该特点可编程逻辑电路引起了注意，但是到目前为止可编程逻辑电路应用到电子设备还受到限制。原因如下。也就是，在常规的可编程逻辑电路中，存在用于互连逻辑单元(即，用来组装可编程逻辑电路的单元逻辑电路一可编程逻辑电路是通过利用该开关器件互连多个逻辑单元构成的)的开关器件的尺寸大和其导通电阻高的问题。然后，为了尽可能地减少具有大尺寸且高导通电阻的开关器件的数目，使用具有尽可能多晶体管的逻辑单元，以减少逻辑单元的数目和互连逻辑单元的开关器件的数目，通过这种方式配置常规的可编程逻辑电路。结果，降低了结合逻辑单元的自由度，由此限制了可编程逻辑电路能提供的功能。也就是，用于可编程逻辑电路开关器件的尺寸和高导通电阻，限制了可编程逻辑电路的功能性，由此限制了电子设备中可编程逻辑电路的实现。然后，为了使可编程逻辑电路的功能性多样化和促进在电子设备中的实现，必需减小用来彼此互连逻辑单元的开关元件的尺寸，并降低导通电阻。已经提出了满足这些要求的开关器件，其使用离子导体(在其内部离子可以自由移动的固体)中金属离子的导电现象和电化学反应，(在下文中，称为“金属原子迁移开关器件”)。(例如，参见日本专利特开No.2002-076325和国际专利申请的国际公布No.2002-536840)。众所周知，金属原子迁移开关器件比通常在常规可编程逻辑中使用的半导体开关器件(例如，MOSFET)更小，并具有更低的导通电阻。该金属原子迁移开关器件一般分为图1A和图1B中示出的两种类型。图1A示出了具有间隙的金属原子迁移开关器件，而图1B示出了没有间隙的金属原子迁移开关器件。图1A和图1B中示出的金属原子迁移开关器件都是具有两个端子的金属原子迁移开关器件。图1A中示出的具有间隙的金属原子迁移开关器件(参见日本专利特开No.2002-076325)是具有两个端子的金属原子迁移开关器件，该端子包括由离子导体(Ag2S)组成的离子导电部分；第二电极(Ag)，用来向离子导电部分提供金属离子(Ag+)，或用来接收来自离子导电部分(Ag)的金属离子(Ag+)以沉淀对应于金属离子的金属(Ag)，并形成为与离子导电部分接触；和第一电极(Pt)，其形成为与离子导电部分具有间隙。(图1A示出的和用于上述每个构件的材料是示范性的)。当相对于第二电极(Ag)的负电压施加到如图1A所示的第一电极(Pt)时，在第一电极(Pt)和离子导电部分之间的间隙中透过能量势垒(隧穿)之后，电子从第一电极(Pt)到达离子导电部分的表面，并减少靠近离子导电部分的表面的金属离子(Ag)，沉淀金属(Ag)。当金属(Ag)沉淀时，与其响应，第二电极中的金属(Ag)被氧化以熔融在离子导电部分中作为金属离子(Ag+)，由此，保持了离子导电部分中正离子和负离子之间的平衡。当在离子导电部分的表面上沉淀的金属(Ag)长到接触第一电极(Pt)时，该开关器件进入了导电(导通)状态(见图1A中的左图)。一方面，当相对第二电极(Ag)的正电压施加到第一电极(Pt)时，彻底发生逆电化学反应。结果，沉淀的金属(Ag)离开第一电极(Pt)，并且开关器件进入非导电(断开)状态(见图1A中的右图)。另外，作为离子导体，可以使用半导体或绝缘体(例如，Ag2S是n型半导体)。然而，为了操作开关器件(以提供导电(导通)状态)，对于离子导体希望具有与第二电极的大接触面积并且形成得比较薄。图1B中示出的没有间隙的金属原子迁移开关器件(见国际专利申请的国际公开No.2002-536840)是具有两个端子的金属原子迁移开关器件，该器件包括由离子导体(Cu2S)组成的离子导电部分；第二电极(Cu)，用来向离子导电部分提供金属离子(Cu+)，或用来接收来自离子导电部分的金属离子(Cu+)以沉淀对应于金属离子的金属(Cu)，并且形成为与离子导电部分接触；和形成为与离子导电部分相接触的第一电极(Ti)(图1B中示出的和用于上述每个构件的材料是示范性的)。当相对于第二电极(Cu)的负电压施加到如图1B示出的第一电极(Ti)时，离子导电部分和第一电极(Ti)之间的接触面附近的金属离子(Cu+)减少，在离子导电部分和第一电极(Ti)之间的接触面上沉淀了金属(Cu)。当沉淀了金属(Cu)时，与其响应，第二电极中的金属(Cu)氧化以熔融在离子导电部分中作为金属离子(Cu+)，由此，保持了离子导电部分中正离子和负离子之间的平衡。通常，因为离子导电部分的离子导体(Cu2S)比第一电极软，所以沉淀的金属(Cu)在离子导电部分中朝着第二电极(Cu)生长。当沉淀的金属(Cu)与第二电极(Cu)接触时，开关器件进入导电(导通)状态(见图1B中的左图)。另一方面，当相对于第二电极(Cu)的正电压施加到第一电极(Ti)时，彻底地发生逆电化学反应。结果，沉淀的金属(Cu)离开第二电极(Cu)，开关器件进入非导电(断开)状态(见图1B中的右图)。图1A和1B中示出的两种类型的金属原子迁移开关器件在上述的结构和操作中不同，但是在它们两个中，由于电化学反应，第二电极中的金属原子作为沉淀物在第一电极和第二电极之间移动，以形成用来使第一电极和第二电极之间连接的金属线(当在导电(导通)状态时)。图1A和图1B中示出的两种类型的金属原子迁移开关器件都是每个具有两个端子的金属原子迁移开关器件。这种具有两个端子的金属原子迁移开关器件具有低电迁移电阻的问题。电迁移意指一种现象，其中金属原子与电子碰撞，电子在金属线中流动，并且也使得金属原子在金属线中移动。在高温环境中，在金属线中保持具有超过一定水平的电流密度的电流的流动，会产生由电迁移导致的金属原子的移动和例如金属线破坏的一系列问题。如上所述，在具有两个端子的金属原子迁移开关器件中，金属原子在由于电化学反应作为沉淀物从第二电极向第一电极移动之后，形成金属线以连接在第一电极和第二电极之间。为了防止该金属线中的电迁移，必需增大沉淀物的量以形成更厚的金属线，并降低在金属线中流动的电流的电流密度。然而，在具有两个端子的金属原子迁移开关器件中，不容易增大沉淀物的量以使得金属线更厚。这是因为，为了增大沉淀物的量，需要增大施加到第一电极上的相对第二电极的负电压的绝对值。然而，一旦形成用来使第一电极和第二电极之间连接的金属线，施加在第一电极和第二电极之间的电压就可以致使大量的电流流过，但是这无助于增大沉淀物的量以使金属线更厚。相反，如果增大电压以防止电迁移，大量电流在金属线中流动，由此可以引起更多的电迁移。
技术实现思路
因此，本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关器件，包括：具有离子导体的离子导电部分，金属离子在离子导体的内部可以自由移动，第一电极，形成为与所述导电部分具有第一间隙，第二电极，用于将所述金属离子供给所述离子导体，或用于接收来自所述离子导体的所述金属离子 ，以沉淀对应于所述金属离子的金属，并且其形成为与离子导电部分相接触，以及第三电极，形成为与所述离子导电部分具有第二间隙，其中：当相对于所述第二电极的负电压施加到所述第一电极或所述第三电极时，由所述金属组成的沉淀物在从所述离子 导电部分朝着所述第一电极的方向上生长，并且响应于所述沉淀物的生长，电特性改变。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-12-27 376767/20041.一种开关器件，包括具有离子导体的离子导电部分，金属离子在离子导体的内部可以自由移动，第一电极，形成为与所述导电部分具有第一间隙，第二电极，用于将所述金属离子供给所述离子导体，或用于接收来自所述离子导体的所述金属离子，以沉淀对应于所述金属离子的金属，并且其形成为与离子导电部分相接触，以及第三电极，形成为与所述离子导电部分具有第二间隙，其中当相对于所述第二电极的负电压施加到所述第一电极或所述第三电极时，由所述金属组成的沉淀物在从所述离子导电部分朝着所述第一电极的方向上生长，并且响应于所述沉淀物的生长，电特性改变。2.根据权利要求1的开关器件，其中所述电特性的变化是所述第一电极和所述第二电极之间的导电或非导电状态的变化。3.根据权利要求1的开关器件，其中所述第一间隙和所述第二间隙具有真空，并且所述第一间隙和所述第二间隙具有1nm至10nm的厚度。4.根据权利要求1的开关器件，其中所述第一间隙和所述第二间隙填充有气体，并且所述第一间隙和所述第二间隙具有1nm至10nm的厚度。5.根据权利要求1的开关器件，其中所述第一间隙和所述第二间隙具有绝缘体，并且所述第一间隙和所述第二间隙具有1nm至100nm的厚度。6.根据权利要求1的开关器件，进一步包括在所述第三电极一侧上的所述离子导电部分的表面上形成的阻挡层。7.根据权利要求1的开关器件，其中在所述第一间隙内与所述离子导电部分和所述第一电极之间的所述第一间隙相对应的区域厚度比包括所述第二间隙的其它区域的厚度薄。8.根据权利要求5的开关器件，其中所述绝缘体在所述离子导电部分和所述第一电极之间的区域比在其它区域具有更低的电阻率。9.根据权利要求1的开关器件，其中所述第二电极形成在所述第三电极一侧的所述离子导电部分的表面上。10.根据权利要求1的开关器件，其中所述离子导电部分形成在所述第二电极上，并且进一步包括形成在所述第三电极一侧上的所述离子导电部分的表面上形成的阻挡层。11.一种开关器件，包括具有离子导体的离子导电部分，金属离子在离子导体的内部可以自由移动，第一电极，形成在所述离子导电部分上以与所述离子导电部分接触，第二电极，设置在离所述第一电极有一预定距离的所述离子导电部分上，用于将金属离子供给所述离子导体，或用于接收来自所述离子导体的所述金属离子，以沉淀对应于金属离子的金属，并且其形成为与所述离子导电部分相接触，和第三电极，形成为与所述离子导电部分具有间隙，其中当相对于所述第二电极的负电压施加到所述第一电极或所述第三电极时，由所述金属组成的沉淀物在所述第一电极和所述第二电极之间的所述离子导电部分的区域生长，并且响应于沉淀物的生长，电特性改变。12.根据权利要求11的开关器件，其中所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：川浦久雄，砂村润，
申请(专利权)人：日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]