[发明专利]铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于固态电介质性能测试技术领域，具体涉及一种铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法。

背景技术

铁电薄膜材料具有较高的自发极化强度和较大的介电常数可应用于非挥发随机读取存储器(FRAM)、动态随机读取存储器(DRAM)、非制冷红外探测器、薄膜介质电容器、电场调制的微波器件、AC 电致发光器件和薄膜传感器等。随着器件集成密度的提高，器件单元尺寸大幅缩小，接近了原子或分子水平，预计未来的FRAM 和DRAM 的存储密度可达～Tb/in² 量级,接近目前运用垂直技术制造的磁记录硬盘水平。

铁电薄膜中电畴在外加电压作用下发生了极化反转,电畴可以处于逻辑“0”和“1”两种状态，是铁电存储器件应用的物理基础；极化反转发生时，施加在铁电薄膜上的电压被称为矫顽电压，对应着存储器最小擦写电压。理论上，极化反转率先发生在薄膜晶格缺陷处，即形成反向子核，然后子核长大，电畴发生横向扩张，最后相邻电畴合并，实现了整个薄膜的极化反转。从微观上讲，子核的形成需要克服一个能量势垒，该势垒的高度依赖于温度、电场和区域缺陷浓度分布等。由于薄膜中晶粒和晶界处缺陷分布的不同，在同样外加电场的作用下，这些区域的反向畴的子核形成能量不一样，即势垒随薄膜区域具有一个分布，从而导致不同区域的电畴反转的矫顽电场不一样，而不是一个固定值，电畴的反转从势垒高度较小的区域率先发生。随着微电子技术的发展，需要测量铁电薄膜中电畴运动速度，对应着极化反转的时间和存储器的擦写速度。如何提高存储器的擦写速度，需要了解薄膜不同区域中电畴运动的动力学机理以及影响区域矫顽电压大小的依据，而获取这些区域电畴的信息则对目前的测量技术提出了更高的要求。目前商用铁电测试仪，如Radiant Premier I/II 和aixACCT TF2000 analyzer 等，基于改进的Virtual Ground或Sawyer-Tower电路，通过施加一系列低于1兆赫兹(MHz)交流信号到铁电薄膜上，然后测试铁电薄膜的P-E电滞回线。一方面这个交流信号的测试频率不同于存储器读写的方脉冲（小于50纳秒），难以反应存储器的真实擦写速度；另一方面，人们从商用铁电测试仪所得到的低频电滞回线中只能得到一个电畴反转的平均矫顽电压,不能精确地表达区域电畴真实反转速度。虽然压电力显微镜（PFM）的针尖能够施加一个局域电场，在较低的电畴运动速率下测试薄膜区域中电畴反转信息。但是该技术中的针尖电场呈非均匀分布，不能准确地反应区域电畴运动的动力学过程；另外，该技术所测量的电畴运动速率和温度的范围都受到了限制，无法在几个数量级的变化范围内表征区域中电畴运动速率和激活电场的关系，不能反应出薄膜区域中电畴成核势垒的分布。

发明内容

本发明的目的在于针对铁电薄膜电畴在不同区域中成核的复杂性和多样性及现有相关测量技术的局限性，提出一种能够适应各种情况、而且测量精度高的铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法。

本发明提出的铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法，具体表现为铁电薄膜矫顽电压随薄膜区域分布转化为电畴极化反转电流随时间分布的电学测量，从而能够从秒到纳秒量级的时间范围内测量出薄膜不同区域中矫顽电场与电畴运动速度的关系。

本发明提出的一种铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法，具体采用与铁电薄膜存储器读写完全一致的电脉冲测量法。它的测量原理为，在铁电电容器充电过程中，铁电薄膜上电压逐渐从零上升到目标电压时，矫顽电压较小的电畴率先反转，反转电流和电畴运动速度呈正比；该电畴反转完毕后，随着薄膜充电电压的逐步增大，矫顽电压较高的电畴依次反转，即将铁电薄膜矫顽电压随不同区域的分布按照矫顽电场从小到大的顺序转化为电畴极化反转电流随时间的变化。在0.1V-100V间外加脉冲电压下,通过总串联电路中电阻在100Ω－100MΩ间调节，可以在1nA-1A间改变电畴反转电流或电畴运动速度，从而获得在不同区域中矫顽电场随电畴运动速度的变化。其中，本发明给出了相应计算公式，通过改变施加电压或电阻，得到不同区域中电畴极化反转电流随时间变化。具体测量步骤如下：

(1)、对铁电薄膜施加脉冲电压V，在外加电压V和一总串联电阻R_t作用下，铁电薄膜矫顽电压随时间变化为：