[發(fā)明專利]鐵電薄膜電疇區(qū)域運動速度與矯頑電場關(guān)系的測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210038180.3
• 申請日: 2012-02-21
• 公開（公告）號: CN102590669A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 江安全;陳志輝
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于固態(tài)電介質(zhì)性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鐵電薄膜電疇區(qū)域運動速度與矯頑電場關(guān)系的測量方法。

背景技術(shù)

鐵電薄膜材料具有較高的自發(fā)極化強度和較大的介電常數(shù)可應(yīng)用于非揮發(fā)隨機讀取存儲器(FRAM)、動態(tài)隨機讀取存儲器(DRAM)、非制冷紅外探測器、薄膜介質(zhì)電容器、電場調(diào)制的微波器件、AC?電致發(fā)光器件和薄膜傳感器等。隨著器件集成密度的提高，器件單元尺寸大幅縮小，接近了原子或分子水平，預(yù)計未來的FRAM?和DRAM?的存儲密度可達～Tb/in²?量級,接近目前運用垂直技術(shù)制造的磁記錄硬盤水平。

鐵電薄膜中電疇在外加電壓作用下發(fā)生了極化反轉(zhuǎn),電疇可以處于邏輯“0”和“1”兩種狀態(tài)，是鐵電存儲器件應(yīng)用的物理基礎(chǔ)；極化反轉(zhuǎn)發(fā)生時，施加在鐵電薄膜上的電壓被稱為矯頑電壓，對應(yīng)著存儲器最小擦寫電壓。理論上，極化反轉(zhuǎn)率先發(fā)生在薄膜晶格缺陷處，即形成反向子核，然后子核長大，電疇發(fā)生橫向擴張，最后相鄰電疇合并，實現(xiàn)了整個薄膜的極化反轉(zhuǎn)。從微觀上講，子核的形成需要克服一個能量勢壘，該勢壘的高度依賴于溫度、電場和區(qū)域缺陷濃度分布等。由于薄膜中晶粒和晶界處缺陷分布的不同，在同樣外加電場的作用下，這些區(qū)域的反向疇的子核形成能量不一樣，即勢壘隨薄膜區(qū)域具有一個分布，從而導(dǎo)致不同區(qū)域的電疇反轉(zhuǎn)的矯頑電場不一樣，而不是一個固定值，電疇的反轉(zhuǎn)從勢壘高度較小的區(qū)域率先發(fā)生。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，需要測量鐵電薄膜中電疇運動速度，對應(yīng)著極化反轉(zhuǎn)的時間和存儲器的擦寫速度。如何提高存儲器的擦寫速度，需要了解薄膜不同區(qū)域中電疇運動的動力學(xué)機理以及影響區(qū)域矯頑電壓大小的依據(jù)，而獲取這些區(qū)域電疇的信息則對目前的測量技術(shù)提出了更高的要求。目前商用鐵電測試儀，如Radiant?Premier?I/II?和aixACCT?TF2000?analyzer?等，基于改進的Virtual?Ground或Sawyer-Tower電路，通過施加一系列低于1兆赫茲(MHz)交流信號到鐵電薄膜上，然后測試鐵電薄膜的P-E電滯回線。一方面這個交流信號的測試頻率不同于存儲器讀寫的方脈沖（小于50納秒），難以反應(yīng)存儲器的真實擦寫速度；另一方面，人們從商用鐵電測試儀所得到的低頻電滯回線中只能得到一個電疇反轉(zhuǎn)的平均矯頑電壓,不能精確地表達區(qū)域電疇真實反轉(zhuǎn)速度。雖然壓電力顯微鏡（PFM）的針尖能夠施加一個局域電場，在較低的電疇運動速率下測試薄膜區(qū)域中電疇反轉(zhuǎn)信息。但是該技術(shù)中的針尖電場呈非均勻分布，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)區(qū)域電疇運動的動力學(xué)過程；另外，該技術(shù)所測量的電疇運動速率和溫度的范圍都受到了限制，無法在幾個數(shù)量級的變化范圍內(nèi)表征區(qū)域中電疇運動速率和激活電場的關(guān)系，不能反應(yīng)出薄膜區(qū)域中電疇成核勢壘的分布。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對鐵電薄膜電疇在不同區(qū)域中成核的復(fù)雜性和多樣性及現(xiàn)有相關(guān)測量技術(shù)的局限性，提出一種能夠適應(yīng)各種情況、而且測量精度高的鐵電薄膜電疇區(qū)域運動速度與矯頑電場關(guān)系的測量方法。

本發(fā)明提出的鐵電薄膜電疇區(qū)域運動速度與矯頑電場關(guān)系的測量方法，具體表現(xiàn)為鐵電薄膜矯頑電壓隨薄膜區(qū)域分布轉(zhuǎn)化為電疇極化反轉(zhuǎn)電流隨時間分布的電學(xué)測量，從而能夠從秒到納秒量級的時間范圍內(nèi)測量出薄膜不同區(qū)域中矯頑電場與電疇運動速度的關(guān)系。

本發(fā)明提出的一種鐵電薄膜電疇區(qū)域運動速度與矯頑電場關(guān)系的測量方法，具體采用與鐵電薄膜存儲器讀寫完全一致的電脈沖測量法。它的測量原理為，在鐵電電容器充電過程中，鐵電薄膜上電壓逐漸從零上升到目標(biāo)電壓時，矯頑電壓較小的電疇率先反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)電流和電疇運動速度呈正比；該電疇反轉(zhuǎn)完畢后，隨著薄膜充電電壓的逐步增大，矯頑電壓較高的電疇依次反轉(zhuǎn)，即將鐵電薄膜矯頑電壓隨不同區(qū)域的分布按照矯頑電場從小到大的順序轉(zhuǎn)化為電疇極化反轉(zhuǎn)電流隨時間的變化。在0.1V-100V間外加脈沖電壓下,通過總串聯(lián)電路中電阻在100Ω－100MΩ間調(diào)節(jié)，可以在1nA-1A間改變電疇反轉(zhuǎn)電流或電疇運動速度，從而獲得在不同區(qū)域中矯頑電場隨電疇運動速度的變化。其中，本發(fā)明給出了相應(yīng)計算公式，通過改變施加電壓或電阻，得到不同區(qū)域中電疇極化反轉(zhuǎn)電流隨時間變化。具體測量步驟如下：

(1)、對鐵電薄膜施加脈沖電壓V，在外加電壓V和一總串聯(lián)電阻R_t作用下，鐵電薄膜矯頑電壓隨時間變化為：