铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法

摘要

本发明属于固态电介质性能测试技术领域，具体为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。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压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。

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：

V_c⁰(t₀）<V_c¹(t₁)<V_c²(t₂)<V_c³(t₃)…<V_c^m(t_m)        (1)  

其中V_c⁰为第0区域电畴的矫顽电压在t₀时刻开始反转，V_c¹(t₁)为第1区域电畴的矫顽电压在t₁时刻开始反转；以此类推，V_c^m(t_m)为第m区域电畴的矫顽电压在t_m时刻开始反转；电畴反转的时间顺序为t₀< t₁< t₂< t₃…< t_m 。

(2)、根据步骤(1)，有公式：

                                                                   (2)

其中Q(t_m)为铁电电容器所测量出到第m电畴开始反转的总电荷面密度，C_f(V)为铁电电容器的电容，V_c^m为第m区域电畴的矫顽电压, S为铁电电容器的电极面积，△Pⁱ (V_cⁱ)在第i区域电畴反转所引起的极化强度的变化值；Q(t_m)不随电路中总串联电阻值的改变而发生变化。

 (3)、根据步骤(1)，铁电薄膜第m区域电畴反转电流和矫顽电压关系为：

                             (3)

其中I_sw(t_m)为第m区域电畴的极化反转电流，V为外加电压，V_c(t_m)为第m区域电畴的矫顽电压，R_t为电路中总串联电阻；I_sw(t)[I_sw(t_m)] 可通过示波器测量R_t两端的电压随时间的变化而求出。

(4)、根据步骤(3)测量数据，并按电容器充电存储电荷等于充电电流对时间积分公式：

               (4) 

(其中Q(t_m)为铁电电容器充电存储电荷面密度,S为铁电电容器电极面积,I_sw(t)为随时间变化的极化反转电流)计算得铁电电容器充电存储电荷面密度Q(t_m)。 

(5)、读取铁电薄膜区域电畴矫顽电压，具体可分普通和高精度两种读取：

铁电薄膜区域电畴矫顽电压普通读取（忽略了薄膜接触电阻,电流噪声起伏等不确定因素对区域矫顽电压的影响）：

① 根据步骤(2)，确定铁电电容器铁电薄膜第m电畴开始反转的总电荷面密度Q(t_m);

② 根据步骤(4)，得铁电电容器铁电薄膜第m电畴开始反转的总电荷面密度Q(t_m)所对应的t_m时刻和I_sw(t_m)；

③ 由步骤(3)公式计算出V_c(t_m)。

铁电薄膜区域电畴矫顽电压高精度读取：为了更正确地测量V_c(t_m)，根据外加电压V, 在0.6倍到2倍外加电压值间(0.6V-2V)，可上下浮动改变外加电压V，这时V_c(t_m)变化很小,基本上可视为一个常量。

① 在一个外加电压V下,根据步骤(2)，确定铁电电容器铁电薄膜第m电畴开始反转的总电荷面密度Q(t_m);

② 根据步骤(4)，得铁电电容器铁电薄膜第m电畴开始反转的总电荷面密度Q(t_m)所对应的t_m时刻和I_sw(t_m)；

③ 根据外加电压V值，在0.6倍到2倍外加电压值间(0.6V-2V)，可上下浮动改变外加电压V，重复上述①和②两步测量，得出I_sw(t_m)－V关系式，由步骤（3）公式进行函数拟合，得出V_c(t_m)。

这种拟合的读取可以排除薄膜接触电阻等对V_c(t_m)测量值的影响。

 (6)、在0.1V-100V间外加脉冲电压下,通过总串联电路中电阻R_t值在100Ω－100MΩ间调节，重复步骤(1)到(5)，可以在1nA-1A间相应测量第m区域电畴的I_sw－V_c关系，即对应着该区域电畴运动速度和矫顽电场的关系；

 (7)、根据步骤(2)，改变铁电电容器充电存储电荷面密度Q值，重复步骤(4)和(5)，从电畴极化反转电流随时间变化的曲线中求得其它电畴区域的I_sw－V_c关系。    

以上方法所述矫顽电场等于矫顽电压除以铁电薄膜厚度。

本发明铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法的优点是:此发明可以克服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，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,从而可以深入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。

附图说明

图1 铁电薄膜在不同的极化电压下(a)+10V和(b)-4V的压电力显微镜(PFM)图，同时表明铁电畴反转发生在i, j, k, 和 l等不同的缺陷点附近。

图2 在不同的施加电压下，铁电薄膜极化反转电流随时间变化关系曲线，其中R_t=1kΩ。

图3 在极化反转电流随时间变化关系曲线图中，通过发明内容1中步骤（5）铁电薄膜区域电畴矫顽电压高精度读取法所得到的m电畴区域（Q值确定）电畴的I_sw(t_m-)随V的变化。

图4 通过内容1中步骤（5）铁电薄膜区域电畴矫顽电压高精度读取法得出第m电畴区域矫顽电压V_c(t_m)。

图5 在100Ω－1MΩ间改变电路中R_t值及改变铁电电容器充电存储电荷面密度Q值,得出不同区域的I_sw－V_c 关系，最后转化为电畴运动的电流密度和矫顽电场倒数的关系（J_sw-1/E_c）。

具体实施方式

下文结合图示在参考实施例中更具体地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。

图1为铁电薄膜在不同的极化电压下(a)+10 V和(b)-4 V的压电力显微镜(PFM)图，显示电畴反转发生在i, j, k, 和 l等不同的缺陷点附近。主要证明铁电薄膜矫顽电压随薄膜区域分布变化的物理理论。

本发明实施例测试所需的脉冲信号都是用Agilent 81150A任意波形信号发生器信编辑，电流由LCWR 6200A 示波器记录，系统总串联电阻1000欧姆。由信号发生器产生按1V步长依次从15V到8V且宽度为1ms的正向系列电平脉冲，由示波器记录每一个电平脉冲在测试电路系统上铁电薄膜的电畴极化反转电流随时间的变化I_sw(t)(如图2所示)。

以下由铁电薄膜区域电畴矫顽电压读取分成普通读取和高精度读取两部分说明：

铁电薄膜区域电畴矫顽电压普通读取法：

图2中12V外加电压下的极化反转电流随时间的变化，显示在铁电电容器充电过程,铁电薄膜上电压逐渐从零上升到目标电压时，根据公式(3)可看到较大反转电流对应于较小矫顽电压电畴反转(如m电畴)，并由该电畴反转完毕后(m电畴在一定时间内有一个小平台)，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（n电畴且在更长时间内有一个平台）。n电畴的反转时间更长也说明n电畴区域较大。

根据说明内容步骤(2)，确定铁电薄膜第m区域电畴的电荷密度值为10.7μC/cm²,并在图3的12V外加电压下的极化反转电流随时间曲线中，找出此时的时间点为t_m(615.3ns)和相应的反转电流I_sw(t_m)(6.22mA)。通过公式(3)可计算得出铁电薄膜第m电畴区域矫顽电压V_c(t_m)为5.78V。此方法忽略了薄膜接触电阻,电流噪声起伏等不确定因素对区域矫顽电压的影响。

铁电薄膜区域电畴矫顽电压高精度读取法：

通过信号发生器产生按1V步长依次从15V到8V不同外加电压，重复铁电薄膜区域电畴矫顽电压普通读取法中铁电薄膜第m电畴区域反转电流和时间点提取法，分别提取15V到8V外加电压，在第m区域电畴的电荷密度值为10.7μC/cm²下的反转电流值，并在图4中得出I_sw(t_m)－V关系式，由公式(3)进行函数拟合，得出铁电薄膜第m电畴区域矫顽电压V_c(t_m)为5.2529V。这种拟合的读取可以排除薄膜接触电阻等不确定因素对V_c(t_m)测量值的影响。

在一个铁电电容器充电存储电荷面密度Q下，在100Ω－1MΩ间改变电路中R_t值，重复上述读取铁电薄膜区域电畴矫顽电压方法，可以呈数量级地相应测量此区域电畴的I_sw－V_c关系，即对应着该区域电畴运动速度和矫顽电场的关系。

改变铁电电容器充电存储电荷面密度Q值(10.7、12.8、17.6、40.8、53.3、69.9 μC/cm²)，重复按上述读取铁电薄膜区域电畴矫顽电压方法求得不同电畴区域的I_sw－V_c关系。可得不同区域电畴运动速度和矫顽电场的关系(如图5所示)。按照铁电理论进行线性拟合，不同曲线的斜率反映了不同区域电畴反转激活能势垒高度的不同，但是它们延长线最终都交于一点，预示了电畴运动存在着一个极限速度，并对应着一个电畴运动的极限电流，它不随薄膜的区域发生变化。