CN101943721B - 一种快速测量铁电薄膜印刻效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属微电子技术领域，涉及铁电薄膜印刻效应的测试方法。本发明通过测量铁电薄膜极化反转电流快速测量铁电薄膜印刻效应，其包括：(1)加一个产生印刻效应的脉冲电压后，立刻再加一个与此印刻电压相反极性的脉冲电压并测量铁电薄膜的反转电流；(2)加预置极化方向的脉冲电压，等待一段弛豫时间后加一个起印刻作用的正负双极性的脉冲电压，再等待一段时间以产生印刻效应，最后加一个与之前正负双极性脉冲电压完全相同的正负双极性电压以测量反转电流。本发明能代替传统的通过测量电滞回线得出Vc的方法，能大幅降低测试印刻效应所需时间，具有很好的应用前景。

Description

一种快速测量铁电薄膜印刻效应的方法

技术领域

本发明属微电子技术领域，涉及铁电薄膜技术及铁电薄膜存储器件技术，具体涉及一种快速测量铁电薄膜印刻效应的方法。

背景技术

铁电薄膜存储器件是一种非挥发性存储器件，它利用铁电电畴在电场中两种不同极化取向作为逻辑单元来存储数据，具有读写速度快、驱动电压低、存储密度高和非挥发性等优点而成为极具潜力的存储器件，目前已在移动电话、随身听、游戏卡和数码相机等耗电少的电子产品中率先得到了应用。解决器件可靠性方面的问题是铁电薄膜存储器件进一步发展的关键，印刻效应作为器件可靠性的一项关键内容而得到广泛关注，印刻效应的测试方法对研究印刻效应和器件可靠性测试而言非常重要。

印刻效应是指铁电薄膜经受的编程脉冲是单极性的，那么与该极性对应的铁电状态会被加强，电滞回线伴随矫顽电压Vc会沿对应的电压轴方向整体偏移(如图1所示)。印刻效应会给铁电薄膜存储器件带来两个严重的问题：一是在长时间读写操作后会使某一极化方向的剩余极化值变小导致数据保持特性变差；二是由于矫顽电压值发生变化会导致器件读写操作电压发生变化使原先读写操作电压失效。

印刻效应测试中有两种加脉冲的机理来产生印刻效应，分别是加一定时间、一定大小的印刻电压产生印刻效应以及加预置偏压后再加反向脉冲后等待不同时间产生的印刻效应，现有技术传统的方法是完成施加印刻效应所需的脉冲过程后，再测电滞回线，比较施加印刻效应前后电滞回线的偏移得出矫顽电压Vc的变化。传统测试方法其存在如下缺陷，由于加测试电压的时间太长会引入新的印刻效应。

发明内容

本发明的目的在于避免传统测试方法的测试时间长，精确度低的缺点，提供一种快速测量铁电薄膜印刻效应的方法。

本发明提供的快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，是完成施加印刻效应所需的脉冲过程后，测反转电流，通过反转电流算出矫顽电压Vc的值。如图2所示，由于电滞回线的测量使用的是三角波，三角波是由许多不同高低的脉冲组成的，测量时间至少要一秒以上，而测量反转电流只要加一个电压脉冲即可，所需时间仅为几十纳秒，能够更快速地测量印刻效应，且由于测量电滞回线所需时间较长，测试过程本身就会导致印刻效应，所以本方法采用测反转电流的方法更精确。

本发明方法通过测量铁电薄膜极化反转电流来计算矫顽电压Vc，可以快速测量铁电薄膜的印刻效应。实现本方法的脉冲电压施加形式包括两种：

(1)加一个产生印刻效应的脉冲电压后，立刻再加一个与此印刻电压相反极性的脉冲电压并测量铁电薄膜的反转电流；

(2)加一个预置极化方向的脉冲电压，等待一段弛豫时间后加一个起印刻作用的正负双极性的脉冲电压，再等待一段时间以产生印刻效应，最后加一个与之前正负双极性脉冲电压完全相同的正负双极性电压以测量反转电流。

本发明中，作为可选的技术方案，所述印刻电压大小为-10V至10V，所加时间为50纳秒至100秒。

本发明中，作为可选的技术方案，所述测反转电流的脉冲电压大小为-10V至10V，所加时间为50纳秒至10微秒。

本发明中，作为可选的技术方案，所述预置电压的大小为-10V至10V，所加时间为50纳秒至10微秒。

本发明中，作为可选的技术方案，所述弛豫时间为5秒至105秒。

本发明中，作为可选的技术方案，所述起印刻作用的正负双极性脉冲电压的大小为-10V至10V，脉冲时间为50纳秒至10微秒。

本发明中，作为可选的技术方案，所述两个正负双极性脉冲电压之间的产生印刻效应的时间为50纳秒至100秒。

本发明中，作为可选的技术方案，所述测量反转电流的正负双极性脉冲电压的大小为-10V至10V，脉冲时间为50纳秒至10微秒。

采用本发明提供的测试方法，可以大幅降低测试印刻效应的时间，能够在纳秒量级测试印刻效应，且比传统方法更精确(传统测试方法由于加测试电压的时间太长会引入新的印刻效应)，因此具有很好的应用前景。

附图说明

图1是由于印刻效应导致的P-V(极化强度-电压)电滞回线发生偏移的电滞回线图。

图2是传统测试方法中测试电滞回线所用的三角波波形和本专利中测试反转电流所用的脉冲方波波形示意图。

图3是测量加一定时间、一定大小的印刻电压产生印刻效应的测试波形示意图。

图4是反转电流流过负载电阻产生的负载电压对应使电畴反转的脉冲电压时间的关系图，100ns和10s指的是印刻电压所加的时间。

图5是矫顽电压V_C对应印刻电压施加时间t的关系图，-5.2V和-2.0V代表了两种印刻电压，t₀是印刻效应起作用的时间分界点。

图6是印刻效应起作用的时间分界点t₀对应印刻电压V_b的关系图。

图7是正负矫顽电压±V_C对应两个正负双极性脉冲电压之间等待时间t的关系图，图中的波形图是测试所用的脉冲信号示意图。

具体实施方式

以下分两种产生印刻效应的加脉冲信号的机理来说明具体实施方法，测试所需的脉冲信号都是用信号发生器来编辑的。

实施例1.测量加一定时间、一定大小的印刻电压产生的印刻效应

用信号发生器编辑一个能使铁电薄膜产生印刻效应的偏压V_b，大小应满足|V_b|＞|V_C|，时间t范围可以从纳秒量级到秒量级。在V_b结束后立刻加一相反方向的反转电压(V_SW)，脉冲时间约为几十纳秒，大小应满足|V_SW|＞|V_b|，它使电畴极化反转从而产生极化反转电流。最后用示波器读出反转电流产生的负载电压(V_L＝I_SW×R_L)。根据反转电流的公式

$I_{\mathrm{SW}}=\frac{V_{\mathrm{SW}}-V_C}{R_L}---\left(1\right)$

推出V_C＝V_SW-I_SW×R_L＝V_SW-V_L，从而得到V_C的值。测试脉冲波形如图3所示。

下面结合具体实例来做说明，本发明使用的铁电薄膜电容样品为Pt/IrO₂/Pb(Zr_0.4Ti_0.6)O₃(PZT)/IrO₂/Pt/Si，其中Pt为铂电极、IrO₂为氧化铱电极、PZT是一种铁电材料、铁电薄膜厚度为140nm。

图4是V_b＝-2.8V偏置电压下，电压所加时间t为100ns和10s后测得的瞬态负载电压V_L，从图中可以看到8ns时出现一个电容充电产生的峰值后，呈现一个比较稳定的电压平台，其所对应的电压值就是前面提到的测量印刻效应所需的V_L。从图中还可以看到，加100ns印刻偏压和加10s印刻偏压的反转电流产生的负载电压值是不同的，10s的电压平台要比100ns的低一些，这是由于印刻效应引起矫顽电压V_C变化导致的。

图5表示的是由(1)式计算出的矫顽电压V_C对应不同加印刻电压时间的曲线，图中两条曲线对应两种不同大小的印刻电压(-5.2V和-2.0V)，从图中可以找到一个分界点t₀，在t₀时间节点后V_C和t的对数坐标呈线性关系，而在t₀之前V_C随t的变化则很小。图6表示t₀和V_b之间关系，可以看出，t₀值是随着|V_b|的增大而增大的。以上测试结论都是同用传统的P-V(极化强度-电压)电滞回线测试印刻效应的结果是一致的。

实施例2

测量加预置偏压后再加反向脉冲后等待一段时间产生的印刻效应

与前面通过加一定大小和时间的印刻电压产生印刻效应不同，测试所加脉冲波形如图7中所示，先加一个正电压脉冲V_presetting作为预置电压，其大小应满足| V_presetting|＞|V_C|，脉冲时间为几十纳秒，预置电压的作用是让铁电薄膜的电畴先转向一个方向。加完预置电压后，为了让注入的电荷处在稳定的平衡状态，需要等待一段弛豫时间t_rel，时间长度为t_rel＝5s+20t，其中t为之后测试印刻效应所加的两个正负双极性脉冲之间的时间间隔。在停留t_rel后，加一个正负双极性的脉冲电压(先是正脉冲)，其大小要大于|V_C|，脉冲时间约为几十纳秒，它的作用是利用负脉冲使电畴极化反转。加完第一个正负双极性的脉冲电压后，再等待一段时间t，由于印刻效应的作用，等待时间t后会导致矫顽电压的变化(变化的大小与等待时间的长短有关)。最后再加一个完全相同的正负双极性的脉冲电压，它的作用是让电畴极化反转产生反转电流，通过测量反转电流来算出矫顽电压(V_C＝V_SW-I_SW×R_L＝V_SW-V_L)，V_L就是反转电流流过负载电阻R_L产生的电压，它可以用示波器直接读出，因为这里是一个正负极性的脉冲，正脉冲产生一次反转电流，负脉冲又会产生一次反转电流，所以可以测出正负矫顽电压(±V_C)。

本发明依照上述步骤实际测试铁电薄膜电容样品，如图7所示预置脉冲电压大小为6.0V，脉冲时间为80ns，两个正负双极性的脉冲电压的大小为4.0V，脉冲时间为80ns，两个双极性的脉冲电压之间的等待时间t从100ns至10s，从图中可以看到随着t的增大，+V_C和-V_C的值也跟着增大，这和传统的用P-V电滞回线测量印刻效应的结果相吻合。

Claims (8)

1.一种快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，其特征在于，通过测量铁电薄膜极化反转电流计算矫顽电压Vc，快速测量铁电薄膜印刻效应；其包括下述形式的脉冲电压施加方法：

(1)加一个产生印刻效应的脉冲电压后，立刻再加一个与此产生印刻效应的脉冲电压相反极性的脉冲电压并测量铁电薄膜极化反转电流；

(2)加一个预置极化方向的脉冲电压，等待一段弛豫时间后加一个起印刻作用的正负双极性的脉冲电压，再等待一段时间以产生印刻效应，最后加一个与之前正负双极性脉冲电压完全相同的正负双极性脉冲电压以测量铁电薄膜极化反转电流。

2.根据权利要求1所述的快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，其特征在于，所述的(1)中，所述产生印刻效应的脉冲电压大小为-10V至10V，所加时间为50纳秒至100秒。

3.根据权利要求1所述的快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，其特征在于，所述的(1)中，所述测量铁电薄膜极化反转电流的脉冲电压大小为-10V至10V，所加时间为50纳秒至10微秒。

4.根据权利要求1所述的快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，其特征在于，所述的(2)中，所述预置极化方向的脉冲电压的大小为-10V至10V，所加时间为50纳秒至10微秒。

5.根据权利要求1所述的快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，其特征在于，所述的(2)中，所述弛豫时间为5秒至105秒。

6.根据权利要求1所述的快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，其特征在于，所述的(2)中，所述起印刻作用的正负双极性脉冲电压的大小为-10V至10V，脉冲时间为50纳秒至10微秒。

7.根据权利要求1所述的快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，其特征在于，所述的(2)中，所述两个正负双极性脉冲电压之间的产生印刻效应的时间为50纳秒至100秒。

8.根据权利要求1所述的快速测量铁电薄膜印刻效应的方法，其特征在于，所述的(2)中，所述测量铁电薄膜极化反转电流的正负双极性脉冲电压的大小为-10V至10V，脉冲时间为50纳秒至10微秒。

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