鐵電薄膜電疇區域運動速度與矯頑電場關係的測量方法
2023-07-12 02:46:21
專利名稱：鐵電薄膜電疇區域運動速度與矯頑電場關係的測量方法
技術領域：
本發明屬於固態電介質性能測試技術領域，具體涉及一種鐵電薄膜電疇區域運動速度與矯頑電場關係的測量方法。
背景技術：
鐵電薄膜材料具有較高的自發極化強度和較大的介電常數可應用於非揮發隨機讀取存儲器(FRAM)、動態隨機讀取存儲器(DRAM)、非製冷紅外探測器、薄膜介質電容器、電場調製的微波器件、AC電致發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製造的磁記錄硬碟水平。鐵電薄膜中電疇在外加電壓作用下發生了極化反轉，電疇可以處於邏輯「O」和 「I」兩種狀態，是鐵電存儲器件應用的物理基礎；極化反轉發生時，施加在鐵電薄膜上的電壓被稱為矯頑電壓，對應著存儲器最小擦寫電壓。理論上，極化反轉率先發生在薄膜晶格缺陷處，即形成反向子核，然後子核長大，電疇發生橫向擴張，最後相鄰電疇合併，實現了整個薄膜的極化反轉。從微觀上講，子核的形成需要克服一個能量勢壘，該勢壘的高度依賴於溫度、電場和區域缺陷濃度分布等。由於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，這些區域的反向疇的子核形成能量不一樣，即勢壘隨薄膜區域具有一個分布， 從而導致不同區域的電疇反轉的矯頑電場不一樣，而不是一個固定值，電疇的反轉從勢壘高度較小的區域率先發生。隨著微電子技術的發展，需要測量鐵電薄膜中電疇運動速度，對應著極化反轉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域中電疇運動的動力學機理以及影響區域矯頑電壓大小的依據，而獲取這些區域電疇的信息則對目前的測量技術提出了更高的要求。目前商用鐵電測試儀，如Radiant Premier I/II 和 aixACCT TF2000 analyzer 等，基於改進的 Virtual Ground 或 Sawyer-Tower 電路，通過施加一系列低於I兆赫茲(MHz)交流信號到鐵電薄膜上，然後測試鐵電薄膜的P-E 電滯回線。一方面這個交流信號的測試頻率不同於存儲器讀寫的方脈衝(小於50納秒)，難以反應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的平均矯頑電壓，不能精確地表達區域電疇真實反轉速度。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域中電疇反轉信息。但是該技術中的針尖電場呈非均勻分布，不能準確地反應區域電疇運動的動力學過程；另外，該技術所測量的電疇運動速率和溫度的範圍都受到了限制，無法在幾個數量級的變化範圍內表徵區域中電疇運動速率和激活電場的關係，不能反應出薄膜區域中電疇成核勢壘的分布。
發明內容
本發明的目的在於針對鐵電薄膜電疇在不同區域中成核的複雜性和多樣性及現有相關測量技術的局限性，提出一種能夠適應各種情況、而且測量精度高的鐵電薄膜電疇區域運動速度與矯頑電場關係的測量方法。本發明提出的鐵電薄膜電疇區域運動速度與矯頑電場關係的測量方法，具體表現為鐵電薄膜矯頑電壓隨薄膜區域分布轉化為電疇極化反轉電流隨時間分布的電學測量，從而能夠從秒到納秒量級的時間範圍內測量出薄膜不同區域中矯頑電場與電疇運動速度的關係。本發明提出的一種鐵電薄膜電疇區域運動速度與矯頑電場關係的測量方法，具體採用與鐵電薄膜存儲器讀寫完全一致的電脈衝測量法。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電壓時，矯頑電壓較小的電疇率先反轉，反轉電流和電疇運動速度呈正比；該電疇反轉完畢後，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，即將鐵電薄膜矯頑電壓隨不同區域的分布按照矯頑電場從小到大的順序轉化為電疇極化反轉電流隨時間的變化。在0.1V-100V間外加脈衝電壓下，通過總串聯電路中電阻在100Ω - 100MΩ間調節，可以在InA-IA間改變電疇反轉電流或電疇運動速度，從而獲得在不同區域中矯頑電場隨電疇運動速度的變化。其中，本發明給出了相應計算公式，通過改變施加電壓或電阻，得到不同區域中電疇極化反轉電流隨時間變化。具體測量步驟如下
(I)、對鐵電薄膜施加脈衝電壓K，在外加電壓K和一總串聯電阻&作用下，鐵電薄膜矯頑電壓隨時間變化為
K0 ( ο)〈K1 (O〈K2 ( 2)〈K3 ( 3)…〈C (O(I)
其中Vc0為第O區域電疇的矯頑電壓在t0時刻開始反轉，VcHt1)為第I區域電疇的矯頑電壓在G時刻開始反轉；以此類推，K； (O為第m區域電疇的矯頑電壓在im時刻開始反轉；電疇反轉的時間順序為iQ〈 ι< t2< &··〈 4。(2)、根據步驟(1)，有公式
權利要求
1.一種鐵電薄膜電疇區域運動速度與矯頑電場關係的測量方法，其特徵在於採用電脈衝測量法，在外加脈衝電壓的作用下，鐵電電容器在充電階段的電壓逐漸增大，電疇按照矯頑電壓從小到大的順序隨時間依次反轉，並且，只有在較低矯頑電壓區域的電疇反轉完成後，更高矯頑電壓區域中電疇才開始反轉，反轉速度和電流呈正比；在0.1V-100V間外加脈衝電壓下，通過總串聯電路中電阻在100Ω - 100MΩ間調節，可以在InA-IA間改變電疇反轉電流或電疇運動速度，測量電疇極化反轉電流隨時間的變化反應出鐵電薄膜不同區域的矯頑電場隨電疇運動速度的變化，具體測量步驟如下(1)、對鐵電薄膜施加脈衝電壓K，在外加電壓K和一總串聯電阻&作用下，鐵電薄膜矯頑電壓隨時間變化為
2.根據權利要求I所述的測量方法，其特徵在於步驟(7)所述矯頑電場等於矯頑電壓除以鐵電薄膜厚度。
全文摘要
本發明屬於固態電介質性能測試技術領域，具體為一種鐵電薄膜電疇區域運動速度與矯頑電場關係的測量方法。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電壓時，矯頑電壓較小的電疇率先反轉，反轉電流和電疇運動速度呈正比；該電疇反轉完畢後，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，即將鐵電薄膜矯頑電壓隨不同區域的分布按照矯頑電壓從小到大的順序轉化為電疇極化反轉電流隨時間的變化。在0.1V-100V間外加脈衝電壓下,通過總串聯電路中電阻在100Ω－100MΩ間調節，可以在1nA-1A間改變電疇反轉電流或電疇運動速度，從而獲得在不同區域中矯頑電場隨電疇運動速度的變化。
文檔編號G01R31/00GK102590669SQ201210038180
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者江安全, 陳志輝 申請人:復旦大學