使用固体电解质的电气元件和存储装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种使用用于选择存储单元的晶体管和固体电解质的开关。存储单元中，在形成于半导体基片表面的场效应晶体管的漏扩散层上层叠金属。在金属上层叠金属为载流子的固体电解质。固体电解质与金属隔着空隙连接，金属连接至共同接地线，场效应晶体管的源极连接至列地址线，场效应晶体管的栅极连接至行地址线。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及使用固体电解质的电气元件。特别是，使用固体电解质的可以高集成化及高速化的非易失性存储装置及其制造方法。
技术介绍
在如今的高度信息化社会中，用于暂时或半永久存储大量信息的存储装置是不可缺少的。其中尤以计算机中使用的动态随机存储器(DRAM)、闪速存储器或只读存储器(ROM)等被周知。第一个现有技术例是闪速存储器。闪速存储器的存储单元由一个浮置栅型晶体管构成。源极、漏极间的沟道区和控制栅电极之间设置的浮置栅电极用作信息的积聚节点。使浮置栅电极的带电状态与信息的“0”和“1”对应。由于浮置栅电极周围被绝缘膜包围，所以电源切断后积聚在这里的电荷也不丢失，实现非易失性。读出操作时，利用阈值电压根据浮置栅电极积聚的电荷量而变化来进行。信息的写入、删除操作时，利用通过氧化膜的隧道电流将电子注入浮置栅电极或者使电子从浮置栅电极放出来进行。第二个现有技术例是使用固体电解质的电气化学反应的量子点接触开关(参照理研评论(Riken Review)、37号、第7页、2001年)。固体电解质是固体中离子能够象溶液中那样自由移动的物质，迄今为止已经发现了很多表现为阳离子或阴离子的导电的材料。一旦施加电场，变为载流子的金属离子在固体中移动，传输电流。上述文献中，对利用作为银离子导电性固体电解质的硫化银的开关进行了阐述。使银线的表面硫化形成硫化银，使铂线与微小的空隙接近。如果给硫化银的正、铂施加负电压，硫化银内的银离子从表面作为银原子析出，能在与铂之间的空隙形成银的桥接，形成点接触。在硫化银与铂之间不形成桥接的情况下，电流几乎不流过，而如果形成桥接就流过电流。桥接的形成和消失以微秒以下的高速产生。此外，流过桥接的电流被量子化。电流的量子化表示桥接由几个原子链构成，大小为纳米量级。如果用作开关，可以高速操作、耗电低、进而高集成化。在现有例中，当应用于开关或存储器时，连系新元件的制作进行说明。第一现有例的闪速存储器，是以低比特消耗为特征的元件，针对其他存储器需要实现有利的比特消耗。因此，考虑今后提高存储单元的比例。然而，现状的前景不明朗。其中一个原因是，存在在重写次数增大的同时发生的隧道氧化膜泄漏电流。泄漏电流是使积聚在浮栅电极上的电荷消失的致命的现象。由于氧化膜的薄膜化的同时迅速增大，所以使隧道氧化膜薄膜化是困难的。需要考虑不依赖于薄膜化的比例。在第二现有例中，设置空隙时，如果使用扫描型隧道显微镜的方法，使用用手拿两根金属线接近的方法。使用扫描型隧道显微镜的方法，具有能良好控制地形成一个空隙的优点，而不适用于制作多个空隙。用手拿硫化银线或铂线接近的方法的控制性差，同样不适用于制作多个空隙。此外，如第二现有例那样，银线上的硫化银，一个存储单元的大小为微米量级，不利于集成化。因此，作为存储装置不能集成化。因此，本专利技术的目的是提供一种使用固体电解质的存储装置，特别是，具有利于集成化的电路结构的存储装置及其制造方法。
技术实现思路
本专利技术的特征为具备用于选择存储单元的晶体管和固体电解质开关(参照图3(A))。如果详细说明，本专利技术代表形式的存储单元，特征在于，在形成于半导体基片表面上的场效应晶体管的漏区上层叠第一金属薄膜，在该第一金属薄膜上层叠以第一金属薄膜的金属离子为载流子的固体电解质，该固体电解质与第二金属薄膜隔着空隙交叉，该第二金属薄膜连接至共同接地线，该场效应晶体管的源极连接至列地址线，该场效应晶体管的栅极连接至行地址线(参照图3(B))。根据本专利技术另一实施方式，特征为存储单元具备一个二极管和一个固体电解质开关(参照图4(A))。如果详细说明，特征为，在形成于半导体基片表面的二极管的一个电极上设置第一金属薄膜，在该第一金属薄膜上设置以该第一金属薄膜的金属离子为载流子的固体电解质，在该固体电解质上隔着空隙设置第二金属薄膜，该第二金属薄膜连接至行地址线，该二极管的另一个电极连接至列地址线(参照图4(B))。根据本专利技术另一实施方式，特征为作为存储装置的构成要素的一个存储单元具备一个固体电解质开关(参照图5(A))。如果详细说明，特征为，在形成于半导体基片表面的行地址线连接的第一金属薄膜的一部分量以该第一金属薄膜的金属离子为载流子的固体电解质，该固体电解质和与列地址线连接的第二金属薄膜隔着空隙交叉(参照图5(B))。此外，为了使固体电解质开关高集成化，需要利用牺牲层控制良好地制作空隙。特征为，作为制作空隙时的牺牲层，使用作为电子束抗蚀剂的杯芳烃系抗蚀剂、聚酰亚胺等热固化性树脂、氧化硅膜或氮化硅膜等不溶于光致抗蚀剂显影液和光致抗蚀剂的溶剂中的材料。作为本专利技术代表的实施方式的构成要素的固体电解质开关，设置在半导体基片01上的绝缘膜52上(图6(B))。在该绝缘膜52上设置第一金属薄膜53，在金属薄膜53上设置以金属薄膜的金属离子为载流子的固体电解质55，进而隔着空隙56设置第二金属薄膜54。使用固体电解质的开关的特性为，在使第一金属薄膜53接地，给第二金属薄膜54施加的电压在规定范围内反复增减时，流过第二金属薄膜54的电流在室温中有滞后(图6(A))。如图6(A)所示，如果施加给第二金属薄膜54的电压在第一电压(-0.2V)和第二电压(0.5V)间增减，在室温中流过第二金属薄膜54的电流表示出滞后。如果从0V向负电压减少，在-0.2V附近，有电流流过。电阻值为约20欧姆。如果电压向正方向变化，在+0.06V，电流急剧减少。可知在-0.2V至+0.06V之间，能实现电阻具有两个数量级以上不同的双稳状态。可知在电压小的时候(-0.2V至+0.06V)，保持双稳状态，能实现锁存功能。第一金属薄膜53上的固体电解质55中开关操作和锁存操作是现有技术不知道的，是专利技术者通过实验发现的。在图6A的实验中，第一金属薄膜53为银薄膜，固体电解质55为硫化银薄膜，第二金属54为铂。上述滞后特性，可以利用图6(B)进行以下说明。如果将第一金属薄膜53接地，给第二金属薄膜54施加负电压，自第二金属薄膜54以隧道电流，向固体电解质55供给电子，固体电解质表面金属离子还原，析出金属57。如果反复析出，空隙56变窄，最终在固体电解质55与第二金属薄膜54之间形成桥接。此时，固体电解质55与第二金属薄膜54电连接，有电流流过。另一方面，如果给第二金属薄膜54施加正电压，析出的金属57的桥接被氧化，向固体电解质55中扩散。如果反复氧化，最终产生空隙56，切断固体电解质55与第二金属薄膜54的电连接。由此可知一个固体电解质开关的电流可以通、断。进而可知在某电压以下保持通、断状态，具备锁存功能。如果使用该锁存功能，可以进行信息的写入、保持、读出等存储器操作。理论上，固体电解质开关最好是是原子尺寸程度的大小，比现有的电气元件更加细微化。在制作金属薄膜和固体电解质之间的空隙时，使用不溶于有机溶剂或光致抗蚀剂显影液等的材料。例如，杯芳烃一旦被电子束曝光，分子彼此结合，从而形成尺寸大的聚合物。形成的聚合物，是在不溶于光致抗蚀剂的溶剂或显影液等中的稳定物质。另一方面，由于是有机物，可以经氧灰化等的氧等离子处理来碳化，从而将其除去。由此，在使用固体电解质的开关中，可以良好控制空隙，能将多个元件集成化。图14(A)表示固体电解质开关的电流电压特性，其中固体电解质55使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电气元件，是使用固体电解质，具备锁存功能的固体电解质开关，其特征在于：在绝缘膜上设置第一金属薄膜；在该第一金属薄膜上设置以该第一金属薄膜的金属离子为载流子的固体电解质；和在该固体电解质上隔着空隙设置第二金属薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2001-9-25 292392/20011.一种电气元件，是使用固体电解质，具备锁存功能的固体电解质开关，其特征在于在绝缘膜上设置第一金属薄膜；在该第一金属薄膜上设置以该第一金属薄膜的金属离子为载流子的固体电解质；和在该固体电解质上隔着空隙设置第二金属薄膜。2.如权利要求1所述的电气元件，其特征在于在绝缘膜上设置第二金属薄膜；在该第二金属薄膜上隔着空隙设置固体电解质；和在该固体电解质上设置以该固体电解质的载流子的金属离子为材料的第一金属薄膜。3.一种电气元件，是使用固体电解质的固体电解质晶体管，其特征在于绝缘膜上的金属薄膜的一部分是以该金属薄膜的金属离子为载流子的固体电解质；在该固体电解质上设置绝缘膜；在该绝缘膜上设置栅电极；和如果给该栅电极施加负电压，该金属薄膜中的金属被氧化而变为金属离子在该固体电解质中移动，从而晶体管断开，相反如果施加正电压，该固体电解质中的金属离子还原变为金属，返回原来的位置，从而晶体管接通。4.一种存储装置，其特征在于作为存储装置的构成要素的一个存储单元，由一个场效应晶体管和一个权利要求1或2所述的固体电解质开关构成；在半导体基片表面形成的场效应晶体管的漏区上设置权利要求1或者2所述的固体电解质开关；该固体电解质开关的第二金属薄膜连接至共同接地线；该场效应晶体管的源极连接至列地址线；和该场效应晶体管的栅极连接至行地址线。5.一种存储装置，其特征在于作为存储装置的构成要素的一个存储单元，由一个二极管和一个权利要求1或2所述的固体电解质开关构成；在半导体基片表面形成的二极管的一个电极上设置权利要求1或2所述的固体电解质开关，该固体电解质开关的第二金属薄膜连接至行地址线；和该二极管的另一个电极连接至列地址线。6.一种存储装置，其特征在于作为存储装置的构成要素的一个存储单元，由一个权利要求1或2所述的固体电解质开关构成；与半导体基片表面形成的行地址线连接的第一金属薄膜的一部分是以该第一金属薄膜的金属离子为载流子的固体电解质；和该固体电解质与连接列地址线的第二金属薄膜隔着空隙交叉。7.一种电气元件的制造方法，其特征在于，为了制...

【专利技术属性】
技术研发人员：阪本利司，青野正和，长谷川刚，中山知信，寺部一弥，川浦久雄，杉林直彦，
申请(专利权)人：独立行政法人科学技术振兴机构，独立行政法人理化学研究所，日本电气株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]