（电路与系统专业论文）铁电薄膜存储器存储特性测试仪的研制.pdf

! 塑壁，i ! 墨型2 竺兰兰竺! 竺兰! 兰塑坚塑! ， i 内容提要y 3 1 8 i 0 9 铁电薄膜存储器具有开关速度陕，工作电雎低，存储密度高， 工作温度范围大，耐辐射和非挥发眭等优点。因此对铁电薄膜存 储器( fra m ) 的开发和研究引起了世界范围的关注。 铁电薄膜具有记忆特性是因为铁电体具有电滞回线，因此， 直接测试铁电薄膜双向极化后剩余极化的差别，是其它| 生能测试 不能替代的。 我们研究设计了铁l ：色溥膜存储器存储特性测试仪，用于铁电 薄膜的主要性能指标的检测。实际应用表明，该仪器能够对铁电 薄膜存储器进行各种“读写”操作。利用它对a u b i t p l z t b i t n s i 铁电薄膜进行陛能测试，发现其具有记忆特性和非挥发 性。这些实验结果证明了，我们设计的铁电薄膜存储器存储胜能 测试仪对铁电薄膜存储器的研究是具有实际意义的工具。 关键词：铁电薄膜；铁电薄膜存储器：测试 铁电薄膜召。储器存储特佳测试仪的研* 口 a b s t r a c t f e r r o e l e c t r i cf i l mm e m r o yh a sm a n y a d v a n t a g e s s u c ha s f a s ts w i t c hs p e e d ，l o w w o r k i n gv o l t a g e ，h i g hm e m o 哆d e n s i t y ， i a r g es c o p e o f w o r k i n gt e m p e r a t u r e ，s t r o n ga b i l i t yo fb e a r i n g r e d i a t i o na n dn o n v o l a t i l e s ot h er e s e a m ha n de x p l o i t a t i o nf o r f e r r o e l e c t r i cf j i mm e m o a r ea t t r a c t i v ef o rt h es c i e n t i s t si nt h e w o r l d t h eb a s i so ft h ef e r r o e l e c t r i cf n m m e m o r y i si t sh y s t e r e s i s b e h a v i o r i nf e r r o e l e c t r i ct h e r ea r et w od a t as t a t e s ，w h i c h d e p e n d o nt h ed i r e c t i o n so ft h er e m a n e n tf e r r o e l e c t r i c p o l a r i z a t i o n s o i ti si n d i s p e n s a b l ea n d u n r e p l a c e a b l e t o d i r e c t l y m e a s u r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w od i r e c t i o n sr e m a n e n t f e e o e l e c t r i cp o l a r i z a t i o n w ef a b r i c a t e da ni n s t n j m e n tw h i c hi su s e dt om e a s u r et h e m a i nf u n c t i o no ff e r r o e l e c t r i cf “mm e m o 吖t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o ns h o w s t h a tt h ei n s t r u m e n tc a n p e r f o r m v a r i o u sw r i t e a n dr e a d o p e r a t i o n s t ot h ef e r r o e l e c t d cf l l mm e m o w eu s e d i tt om e a s u r ea u b i t p l 2 刑b l _ y n s if e r r o e l e c t r i c 自i ma n d c o n f i r m e dt h a ti tc a nf u n c t i o na san o n v o l a t i l em e m o r y t h e 铁电薄膜存储器存储特性娟u 试仪的研靠 r e s u l to f t h e a p p l i c a t i o nf u l l yp r o v e d t h a to u ri n s t r u m e n ti sau s f u t o o li nf e r r o e l e c t r i cf i l mm e m o r y sr e s e a c h k e y w o r df e r r o e t e c t r i cf i l m ，f e r r o e l e c t r i cf i l mm e m o r y m e a s u r e m e n t 铁电薄膜存储器存储特性涠日试仪的研靠u 铁电薄膜存储器存储特性测试仪图片 正面 背面 i v 铁电薄膜存储器存储特性谊试仪的研 铁电薄膜存储器存储特性测试仪的研制 第一章绪论 1 1 引言 白第二次世界大战期间发现b a tio ，以来，人们致力于利 用化学稳定、性能可靠的铁电钙钛矿结构氧化物研制二元双稳态 器件。80 年代铁电薄膜制备技术取得了长足的进展“1 ，已经 实现了薄膜集成化，使利用铁电钙钛矿结构氧化物生产研制二元 双稳态器件成为可能，因此开发有永久存储能力的非挥发生铁电 湾膜存储器( fra m ) 引起了世界范围的关注。fra m 具有 本征的非挥发和抗辐照性能，易达到高集成度( 如lm b 范围) ， fra m 取代现用的其它各种不同类型的数字存储器，在价格、 重量、体积、能耗和速度等方面都能发挥其综合优势8 1 。这种既 有只读存储器( r o m ) 的非发挥性，又有随机存储器( r a m ) 的功能的16kb 一一fr a m 已于日本研制成功，在94 固态 电路国际会议上也有公司宣布开发出了成功的256kb 的fr a m 瑚。 铁电薄膜存储- b 存睹特性询9 试仪的研# u l 一2 铁电薄膜 铁电利料是指本身具有自发极化、且其自发极化的取向能随 定强度的外加电场的改变而改变的材料。铁电材料的重要特征 是其电极化与外加电场之间呈类似于铁磁材料的磁滞回线那样的 关系一电滞回线具有铁电性、且其厚度在数十纳米到数微米的薄 膜材料，叫做铁电薄膜。铁电薄膜具有一系列重要的性质，如铁 电开关杼i 生、压电效应、热释电效应、电光效应、声光效应、光 折变效应、非线性光学效应等。我们可以单独利用上述诸效应制 作不同的功能器件，也可以综合利用两个或两个以上的效应，通 过不同效应之间的交义耦合，制作多功能器件，还可以通过铁电 材料与其它材料之间的集成或复合，制作灵巧器件或集成器件。 山于薄膜制备技术的发展，铁电薄膜材料的研究正向实用化方向 发展，并已成为当前国际上高科技、新技术研究中活跃的研究领 域之一。 l 一3 铁电薄膜存储器 铁电薄膜存储器的研究是铁电学关注的焦点，也是铁电薄膜 研究的主要动力之一“1 。铁电体具有电滞回线，即电场致极化反 转特性，当电场为0 时，存在着两个等同的极化稳态+ pr 和一 铁电薄膜存储器存储特性滑试仪的研制 p r ，它们在$ - i 一算机存储中可分别称为“1 ”或“0 ”，而且这 两个稳态不需要外加电场维持。因此，通过铁电薄膜与现有的v ls 集成可制得非挥发性随机存取存储器。该存储器具有开关速 度快、工作电压低、存储密度高、工作温度范围大、耐辐射和非 挥发性等优点。在制作工艺上，铁电薄膜、电极层和钝化层可在 不同的设备上沉积，因此可避免对现在的在线si 或g aasv lsi 工艺作任何改变，亦即易于与半导体工艺集成。据预测， fr a m s 将逐步取代静态r a m s 、动态r a m s 和电可擦可 编程只读存储器( eep r 0 m s ) 等“1 。 1 4 目前铁电薄膜存储器的研究概况及研究铁电薄膜存 储器的意义 美、日、欧在铁电集成高技术方面的竞争已成为当今高科技 领域的焦点。南韩在第八届铁电材料国际会议( ifm 8 ) 上 显示了强大的阵容，加拿大和法国也已有发展铁电集成高新技术 的一整套计划。l g89 年3 月，美国战略防御署签署了约20 o0 万美元研究经费，用于低密度( 4k b ) 和较高密度( 至少 64k b ) 的fr a m 原形器件的研究和开发项目“1 。目前国内 外有数十所大学和公司的科技工作者相继开展铁电薄膜理论、实 铁电薄膜存储器存储特】l 生测试仪的研* u 验及开发应用方面的研究工作。女i l c o l o r a d o 大学、n o r t h c a r l i n a 大学、c a li f o r n i a 大学、n e wj e r s e y 大学、s a n d i a 实验室、r i c e 大学、p i s a 大学、n a p o li 大学、i b m 公司、l l a r a t r o n 公司、s y m e t r i c 公司、f u j is u 公司、四川大学、上海硅酸盐研究所、中国科学院 物理研究所、中国科学院上海冶金研究所、南京大学、山东大学、 华中理工大学、西安交通大学、北京航空航天大学、复旦大学等。 我国在铁电集成方面的研究起步较晚，较国外有一定的差距，然 而，铁电薄膜及其集成器件的开发已列入国家863 计划。 对于所有的计算机系统，尤其对于军事计算机系统，非挥发 性存储器都是很关键的。e f 前对新型非挥发存储器的要求是( a ) 读写速度快；( b ) 抗辐射；( c ) 成本低并可以和硅集成：( d ) 强度好并耐老化；( e ) 具有非破坏性读出能力。这几点要求均 有可能通过铁电薄膜存储器实现。铁电薄膜存储器具有高速存取 数据( 301 1 s ) 、高密度存取信息( 2p l l l x2p m ) ，低能耗， 设计简单，抗辐射能力强，非挥发性等特点，综合了半导体存储 器和磁存储器的优点，并能与半导体工艺兼容，是种近于理想 的存储器咖。另外，采用铁电随机存储器来取代磁芯存储器，在 重量、体积及供电设备诸方面，还有可能获得重大的改善和好处。 由于铁电薄膜存储器比磁芯存储器具有更多的优越胜；而且随着 铁电薄膜存储器存储特性疆日试仪的研# u 铁电薄膜的合成与制备技术和检测与表征技术的日臻完善；铁电 薄膜的生长机制和结构研究等知识的不断丰富，铁电薄膜存储器 的实际应用己具有可行性( fr a m 已进入实际应用) 。铁电薄 膜存储器在高科技领域里具有广泛的应用，它可用于高质量计算 机、集成电路、自动控制、光通信、航空航天和传感器等。因此， 铁电薄膜存储器的研制成功将会对国民经济和社会发展起到至关 重要的高科技作用。 l 一5 铁电薄膜存储器记忆特性测试的必要性 铁电薄膜存储器fr a m 单元是利用钙钛矿晶体结构的双稳 特性设计和开发出来的一种新型非易失| 生存储器。当给铁电薄膜 施加一定方向、足够幅度的外电场时，可使薄膜极化，当外电场 改变方向时，极化可以从一个方向变到另一个方向，也就是说， 铁电材料具有可被外加电场反向的自发极化、在外加电场去掉后 仍然有剩余极化存在的特| 生，即记忆特性和非挥发性。两个相反 的剩余极化所表现出的电特性不同，因而可以用来表示二进制的 “0 ”和“l ”两种状态。 从利用铁电薄膜的记忆特性的角度考虑，两个不同剩余极化 的差别越大越好，而这些特洼都与材料成份、成膜的工艺条件相 铁电薄膜存储器存储特性强试仪的研靠 关，直接测试双向极化后的剩余极化差别，是其它性能测试所不 能替代的。 由于铁电薄膜的备制技术在近十几年中才得到长足的发展， 所以铁电薄膜的检测和表征技术也是一项新型的技术。鉴于研究 铁电薄膜存储器的重要性，对铁电薄膜检测手段的研究也是十分 重要的。目前对铁电薄膜的检测方法和手段都是各个研究机构根 据各自的需要而设计的，是根据各自不同研究方向来设计。我们 这里研究设计的铁电薄膜存储器存储特性测试仪用于铁电薄膜存 储器工程应用所要求达到的主要性能指标的检测，因而在膜的研 制过程中所涉及到的影响因素及其对最佳条件的探索，是不可缺 少的辅助手段。铁电薄膜存储器削渚特性测试仪主要目的在于测 试铁电薄膜存储器单元在不同方向的外电场中极化后( 即处于不 同极化状态时) ，其电阻率的差异，从而实现存储1 ”，”0 ”和读 取”1 ”，”0 ”的目的并且可以测试外部条件( 如光，热等) 对其存储特 性( 即记忆特性) 和保持特性( 即非挥发性) 的影响 铁电薄膜存储器存储特- 挂浊试仪的研* u 第二章铁电薄膜存储器的工作原理 2 一l 铁电体的自发极化反转 铁电体区别于其它热电体的主要特点是：自发极化可以通过 施加电场实现反转。铁电体具有很强的可反向自发极化的特| 生。 首次显示极化反转的实验是介电滞后现象( v a l a s e k ，1 9 2 0 ) 似1 0 图2 1 显示出了一个典型的滞回曲线。 、上， ，。 、p rp s e r ， 一 图2 1说明矫顽电场e c ，自发极化ps 和剩余极化p r 的电滞回线 在电介质中，电位移、电场与极化之间的线性关系为 d = e 。e + p 其中极化起因于存在电场时材料的极化性p 。= xe 以及铁 电体中偶极子的白发排列ps 。在低电场和很高的电场下，铁电 铁电薄朋存储器存储特1 生滑u 试仪的研制 体的行为有如普通的电介质( 通常具有高介电常数) ，但在所谓 矫顽电场e cu 寸，发生极化反转，给出一个大的介电非线性。回 线所包围的面积是极化两次反转所需能量的一种量度。在晶体中， 晶体的不同区域可以沿不同的等效方向极化，每个均匀极化的区 域称为一个畴。在零场下，单畴晶体( 整个晶体只有一个均匀极 化的区域的晶体) 中的电位移( 电位移的饱和值) 有相应于自发 极化相反取向的两个值。在多畴晶体中，零电场电位移平均值可 为这两个极端值之间的任意值。原则上，自发极化等于像图2 一 l 那样外推到零场时电位移的饱和值，因为e 。e 对d 的贡献通 常可以忽略。如图2 1 所示，剩余极化pr 是零场电位移，如 果在所施加的电场反向以前就发生了反向成核，则它与自发极化 p s 将不相等。 2 2 铁电薄膜存储器的工作原理 铁电薄膜存储器的基础就是它的滞回特性。由于铁电介质的 极化作用，用金属铁电薄膜介质和半导体基片制成的二极管，在 它们的电容一电压特性方面有滞回特性。它们的电流一电压曲线 和肖特基管类似，并且由于铁电介质剩余极化的作用，其i v 曲线也存在滞回特性。d ( e ) 的滞回特性如图2 2 所示。 塑墅苎苎塑竺! 竺竺：竺型兰登竺竺! ! “) 铁电体在外电场( 电压) 中的电滞特性 e v e e 5 je f d ( e f ) ( b ) 金属一铁i 毡介质半导体电导带结构示意幽 图2 2 铁电二极管电滞概念模型 9 铁电薄膜存储器存储特性涠q 试仪的研伟n 图2 2 ( a ) 显示了电位移d ( e ) 随电场e 变化的滞回现象。 根据剩余的铁电体极化方向存在两个数据状态的特性，通过施加 一个足够大的电场和正确的方向，这种极化就可以从一种状态变 为另一种状态。金属一铁电一半导体的电导带图如图2 一l ( b ) 所 示。在铁e 乜_ 半导体界面处，半导体的表面假定为耗尽型的。在这 种情况币，可以把铁电介质耗尽层界面处的电位移的连续性条件 表示成 d ( e ) = ；e 。( 1 ) 这里d ( e ) 表示电位移，e 。是耗尽层的相对介电常数， e 。是当对金属极施加偏压时，在半导体铁电介质层介面处的耗尽 层的电场强度。 假定ev n 和ev 。分别是肖特基势垒高度和耗尽带偏移。因为 在半导体和铁电介质层中，耗尽带偏移的总值为e ( v + v 。) ， 则可以得到 v + ed ，= vn + v( 2 ) 其中v 唧表示耗尽带偏移，e 。和d ，分别表示耗尽层相对介电常数 和铁电介质层的厚度。v 螂和e ；之间的关系为： v d c d = e 。d 。( 3 ) 其中ds 是耗尽层的厚度。为简化讨论，假定d ；是常数，从等式 铁电薄膜存储器存储特1 生涠试仪的研* u ( 1 ) ( 3 ) 可以得到 d ( e ) = 。e 。( v b v ed f ) d ；( 4 ) 这个等式表明d ( e ) 与v 在d e 电滞回线中，可画成一条饱 和线。当对金属铁电介质二极管加上偏压时，e 由( 4 ) 式中的 负载线和d e 电滞回线的交点给出。图2 1 ( a ) 显示，根据 铁电介质剩余极化的方向，e 有两个状态( a 状态和b 状态) 。 把a 状态和b 状态作为逻辑“0 ”和逻辑“l ”状态，铁电二极 管就可以作为存储元件使用了。 根据a 和b 状态，电导带图也有两种状态，见图2 一l ( b ) 。 若把使铁电介质极化反向所需要的闽值电压记为v 。，当施加一个 大于v 。+ v 。的偏压时，铁电介质的极化与铁电半导体界面平行， 而d e 曲线中e 保持b 状态。在这种情况下，对于从半导体到 金属的电子来说，势垒的顶部在金属与铁电介质的界面处。另一 方面，当施加一个低于v 。一v 。的电压时，铁电介质反向极化， 极化也与铁电半导体界面平行。在这种情况下，d e 曲线中 的e 停留在a 状态。对于半导体中的电子来说，势垒的项部在铁 电介质与半导体的界面处。半导体在a 状态中，势垒的高度比在 b 状态中的高。因此，b 状态中的电导i ：l a 状态中的低，可以通 过检测金属一铁电介质一半导体二极管的电导的差别来读取储存的 铁电薄膜存储器存储特一i 生姐u 试仪的研制 信息。 2 3 铁电薄膜存储器的结构特点 图2 3 是铁电薄膜存储器的结构示意图。铁电薄膜存储器 由n si 半导体基片、pzt 铁电薄膜介质层和pt 电极组成。 l ，z l r l - s ：i 例2 3 铁电薄膜俐诸器结构乐蒽图 铁电薄膜存储器是利用钙钛矿晶体结构的双稳特性设计的。 通过施加电场可以使单元中心的原子移动。当电场加到两端时， 根据电场的方向不同，电场将使晶体极化为两种状态中的种。 极化以后，即使撤消电场，其中心原子还是保持已经存在的极化 状态。晶体的晶格的最后状态即是存储单元的状态。 对比其他非易失陛存储数据。这些存储器都是迫使电子通过 半导体薄层，捕获的电子来表示数据状态。数据状态由是否有足 铁电薄膜存储器存储特性强试仪的研# u 够的捕获到的电子来决定。这些电子的运动最终要引起半导体薄 层的击穿。所以对大多数这样的产品来说，其可以擦除重写的 次数都不大于一百万次，指标一般只有l04 105 次。在实际使 川中，由于各种不同的原因，往往真正能可靠重写入的次数比指 标还要少很多。由于铁电薄膜存储器( fra m ) 的铁电材私k 举 身就有固有的戏稳特性，它不需要强迫电子通过半导体薄层，所 以这种存储器呵重写的次数要比ee prom s f l l f l a s hro m 多 得多。目前fra m 产品的指标是108 次。据1 ram tron 的研究报告称，他们在实验室已经生产出试验生产品，其可重写 的次数已经超过lo “次。f 幽门希望在未来的产品中可无限次地重 写。 2 4 铁电薄膜存储器的性能特点 铁电薄膜存储器有许多独特的优点： ( 1 ) 写入数据的速度快 铁电薄膜存储器是基于极化存储原理而不是利用捕捉电荷 来进行存储和表示数据的状态，因此它们有非常快的“读写”访 问速度，可以把写入时间从毫秒( 1 o 。3s ) 量级缩短到微秒( 1 o1 s 1 0 - t s ) 量级。这比传统方法要快几个数量级。铁电薄膜存 铁电薄膜存储器存储特1 生滑u 试仪的研靠u 储器不仅能使系统设计陛能更高、更有效，而且还可以简化硬件 和软件的设计和节约时间。 ( 2 ) 体积小 与其它非易失性存储器相比，铁电薄膜存储器( fra m ) 只需要很小的印板面积。因为其设计。原理就固有非易失陛，所以 它不需要象其他非易失陡存储器那样，增加特殊插座和任何器件， 对器件布局空间要求小。另外，铁电薄膜存储器( fr a m ) 可 以有各种封装形式，包括小体积的表面安装贴片形式的s0p 封 装，可使体积要求更小。 ( 3 ) 低功耗 铁电薄膜存储器( fr a m ) 采用的是c m 0s 工艺与高效 的极化存储技术，所以这种存储器有极好的低功耗| 生能。它采用 单一电源+ 5v ，其工作电流只有其他非易失存储器的l 2 到 1 12 ，同样在休眠期状态时，其功耗更低。 ( 4 ) 长寿命 可重写入次数在许多设计中受到非易失胜存储器本身寿命的 限制。而目前商品化的fra m 产品的写入次数已可达1 亿次以 上。实验室研究和开发的试验| 生产品的写入次数竟可高达1 万亿 次以上。 铁电薄膜存储器存储特性涠试仪的研* u ( 5 ) 单一一电源4 - 5v 在器件阿鄯是真正的单一电源+ 5v 操作，而不是象ee p ro m 要在其内部用电路对其进行升压。 下表列出了目前铁电薄膜存储器的有关参数，并对几年后的 发展隋况进行了预测“1 。 参数目前f r a m将来f r a m 容量 保留期限 疲劳前读 写次数 存取时间 l6 64k b i t 0 70 c 。 10 a 5 5 c 。+ 1 2 5 c 。l a l08 10 1 2 o a a s ：20r l s cmos ：25on s 256k b i t 1m b i t 2 0 l0 0 a 1 0 a l0 ”l0 1 5 10n s 80n s 耐辐射总剂量l0 3 r a d 剂量率10 “r a d c m 2 s 中子流10 “n c m 2 一一- _ 一 1 5 铁电薄膜存储器存储挣1 生锕0 试仪的研自 第三章、铁电薄膜存储器的钡4 量原理 3 1 铁电薄膜存储器非挥发性记忆的操作和检测的物理 原理 铁电薄膜存储器的结构相当于一个二极管。它可以作为一个 固定单二极管存储使用。图3 1 ( a ) 和图3 l ( b ) 表示了铁 电薄膜存储二极管的”读写”过程。 由于铁电薄膜剩余极化的方向不同，因而可以用来表示二进 制的“0 ”和“1 ”两种状态。通过施加足够幅度和方向确定的 电场，可以使极化从一一并中状态变化到另一利，状态。如果把决定或 改变铁电薄膜极化状态所用的电压称为“写电压”，把撤去“写” 信号后，用来了解铁电薄膜存储器中写入的是什么状态的信号 ( “1 ”还是“0 ”) 的小幅正电压称为“读电压”，图3 一l ( a ) 和图3 一l ( b ) 分别是铁电薄膜存储二极管的i v 特性 示意图以及写电压和读电流波形的示意图。 逻辑“l ”用比v 。+ v 。高的正( v 。，) ”写入二极管，逻辑 “0 ”用比v 。一v 矗趸低的负电压( v 。) ”写入。当施加、贾电压 v 。时，电流in 。或i 。0 卡艮据存储的数据“l ”或“0 ”流出。在” 读”操作中，通过测量，读”电流( i 。威i 。) 的幅度，就可以 铁电薄膜存储器存储特性湘9 试仪的研靠 i r i | v w 0i r ov r i i v r v w l 性 0 v w 0 ( a )存储二极管i - v 特性示意剀 写电压 孑盘翠 ( b ) 写叫五平【睽l u 流波形不意图 图3 一l 铁电薄膜二极管的“读写”过程 确定存储的数据是“l ”还是“0 ”。如果”读电压l l v 。+ v 。还 小，并且没有超过写电压”( v 。( v ( v 。，) ，它不会改变( 或 反转) 铁电体剩余极化的方向，因此，”读”过程是无破坏性的， 不需要象普通dr a m 那样重新”写”入数据。 铁电薄膜存储器存储特性测试仪的研靠u 铁电薄膜存储器所需的”读电压”和”写电压”比金属一铁电介质 一半导体场效应晶体管和普通瞬时存储所需的”读、”写”电压低得 多。存储的逻辑值( “l ”或“0 ”) ，在取消了偏压后，仍然 保留在铁电薄膜存储器中。施加”读电压时，存储的数据不受影 响。对比较典型参数的铁电薄膜样品施加的“写电压”的幅度一 般在4 5v 左右。用一个十5v 写脉冲“写1 ”，一个一 5v 写脉冲“写0 ，然后可以通过一个较小幅度( 0 8 v 2 5v ) 的正电压去”读”，就能够对铁电薄膜存储器的所处的状 态进行检测。 3 2 铁电薄膜存储器的测量原理 分析铁电薄膜在施加脉冲信号时所表现出的响应隋况，可以 近似将其等效为如图3 2 所示的电路。 c ，t 是与线性感应极化对应的等效电容，r 。是薄膜的漏导与 极化损耗相对应的等效电阻，c 。r ，。分别为与自发极化反转相 对应的非线性等效电容、电阻。由电路可以写出： 扫( f ) = 踟。 肛( 归丛掣+ c x i d u ( t ) - v ( o + z x s ( f ) 似dt 铁电瑚l 媵存储器存储特性诅u 试仪的研制 u t ) 图3 2 铁电薄膜受到偏压时响应青况的等效电路 式中第一、二项为线性介质的贡献，后一项反映自发翻转过 程。对铁电薄膜施加脉冲电压时，样品会产生随时间变化的电荷， 此电荷的产生是由于铁电薄膜中单元偶极子的出现和重新调整， 且只依赖于偶极矩总数“。凶此，随时间变化的电荷就由i 。( t ) 真实反映出来，i ，( t ) 。c v 。( t ) ，将v 。( t ) 线性放大后， 在示波器上即可观察到“读”、“写”电流的大小。 铁电薄膜存储器存储特性测试仪的研制 第四章、铁电薄膜存储器存储特性测试仪的构造 4 1 铁电薄膜存储器存储特性测试仪总自勺技术要求 铁电薄膜存储器的特| 生与现有的磁性材料存储器的存储特生 有很大的不同，考虑到铁电薄膜存储器所具有的独特的特性，我 们对测量仪提出了一些技术要求。 ( 1 ) 能提供幅度为+ 5v ( 写“l ”) 、一5v ( 写“0 ”) 和0 + 3v ( “读”) 的可调幅的脉冲。 当铁电介质“膜”比较厚时，制备铁电“膜”捌料的开关电 压( e 口完成电畴反转所需的矫顽电场) 非常高，与半导体电路的 工作电压相差甚远，因而铁电存储器的研究工作难以深入。随着 薄膜备制技术的发展，目前已经可以各制出高质量的铁电薄膜， 特别是能在较低的衬底温度下淀积高质量的外延或择优取向的薄 膜，这使铁电薄膜工艺技术与半导体工艺技术的兼容成为可能。 为了估计铁电薄膜存储器的工作电压，许多实验测定了反转铁电 介质剩余极化方向所需的“写”电压。对样品使用典型的参数， 测得“写电压”在5v 左右。因此，我们的测量仪需能提供幅 度为5v 的脉冲，以便进行“写”操作。对于“读电压”的要 求是：不能破坏存储器中信息的原有状态。因此，对“读电压” 铁电薄膜存储器存储特性谀u 试仪的研蒲 的基本要求是其应低于“写电压”。但由于制造铁电薄膜存储器 时，可以选择不同的参数( 例如，可选择不同的铁电材料备制的 薄膜以及不同的衬底，n 型半导体衬底或p 型半导体衬底) ，从 而使铁电薄膜存储器的电滞回线特性曲线的参数随着制造工艺的 不同而不同。另外，我们还需要测量当“写电压”的幅度上升到 多大时，将会影响存储器原来的状态。例如破坏电滞回线的特性， 使存储的数据出错、丢失或使极化反转等。因此，我们设计测量 仪的“读”信号为o + 3v 的可调幅的脉冲，使其能够探测各 种参数的铁电存储器的特性，并能检测各种参数铁电薄膜存储器 的非破坏性“读出”所需的电压。 ( 2 ) “写读“脉冲的频率可调，脉冲宽度可调。 在铁电薄膜存储器的研究中，铁电薄膜样品的响应速度( 也 就是存储器的“读”、“写”速度) 和耐疲劳特性是铁电薄膜存 储器的重要特性。目前常用的磁盘、光盘等尽管容量都很大，但 由于数据读取都是迫使电子通过半导体薄层，利用捕获的电子来 表征数据状态。数据状态由是否捕获到足够的电子数来决定。或 者是电一初撇读取方式。这此读取方式存在着严重的瓶颈效应， 限制了读写速度。另外，电子在介质层中的运动最终要引起半导 体介质层的击穿，所以大多数产品可以擦除重写的次数都不大 铁电薄膜存储器存储特性测试仪的研q 于一百万次，耐疲劳陡白 何待提高。铁电薄膜存储器所用的铁电 材料本身就有固有的双稳特| 生，所以这种存储器的耐疲劳j 生能( 即 可重写次数) 比现有的磁性材料、半导体材料等存储器的好得多。 在铁电薄膜存储器的研究实验中，样品的响应速度越民选好，可 重写的次数越多越好。因此，我们使用多种频率的信号对样品进 行“读写”，并进行连续“读写”，就可以比较被检测的薄膜 样品在不同频率下的响应速度和耐疲劳籽陛。因此，要求测量仪 的“读写”信号，频率可调，脉宽可调。 ( 3 ) 在lo 0 0 pf 量级的容性负载时，“写”、“读” 脉冲仍有较快的波形上升率。 铁电薄膜样品具有电容| 生，其电容的量级为1 0 0 0 pf 。 我们可以画出其接入测量电路后的等效电路图。铁电薄膜样品在 电路中相当于一个等效电容与等效电阻并联。如图4 1 。 鬻嚣黢蓄馨电阻 样品等效电阻 等效电路( b ) 样品对波型的影响 幽4 一l铁电薄膜样品在测量电路中等效于电容 铁电薄膜存储器存储豹性湘4 试仪的研u 当电容两端加上一定幅度的电压时，才能在电容内部形成电 场，使铁电介质极化。由于铁电集成科学在目前还是- - f l 新型的 科学，目前对铁电介质的研究还不够深入，我们对铁电介质的极 化翻转的机制还不能很确定。铁电介质极化随电场的变化可能出 现几种情况：一是极化翻转只与电场的强弱相关，只要给薄膜样 品施加足够高的“写电压”，铁电介质就能够获得足够强的电场， 从而进行相应的极化翻转，并且响应速度也只与电场的强弱相关； 二是极化翻转和响应速度与电场的变化率相关，当“写电压”脉 冲有较l 夹的上升率时，铁电介质极化翻转，并且响应速度快，若 “写电压”脉冲上升率较慢，极化虽然翻转，但响应速度受影响 或是不产生响应，即极化不发生翻转。为了保证铁电薄膜样品的极 化并有快速的响应速度，我们在设计测量仪时，希望做到无论被 测的铁电薄膜样品是否接入检测电路，“写电压”脉冲都确敬快 的上升率。这样无论铁电介质的极化随电场的变化关系是咧5 种 情况，其极化翻转和响应速度都不会受到影响。 从图4 一l 中可以看出，若把测量仪的总电阻用等效电阻r 来表示，当铁电薄膜样品接入检测电路后，相当于在电路中接入 了一个等效电容c ，从而形成了一个rc 积分电路。若rc 电路 的时间常数较大，就会影响“写电压”脉冲的上升率。因此，要 铁电薄腆存储器存储特性测试仪的研制 求在设计时，使测量仪在接入l 0 0 0pf 量级的容性负载时， “读”、“写”脉冲仍有较陕的波形上升率，即要求仪器具有大的 电流上升率。 ( 4 ) 能做到只“读”。 在铁电薄膜存储器的研究中，必须考察存储器的信息存储的 持久性( 即存储器的挥发陛) 。信息存储持久性就是随着时间的 延长，存储电荷量的衰减程度，存储电荷量是否逐渐衰减到辅助 电路不能很可靠地“读”出其极化状态是“0 ”还是“1 ”的程 度。在磁f 生材料等现有的存储器中，在关掉电源之前，必须对当 前正在处理的数据进行掉电保护。如果运行中的计算机突然掉电 了，正在处理的数据就会丢失，因此磁陛、半导体等材料的存储 器保持数据需要外电场或电压维持。对于铁电薄膜存储器，当铁 电j i 生晶体呈铁电f 生时，从微观上看，晶体内必有离子极化。外加 电场可使晶体晶胞中的某种离子产生相对位移而极化，电场移去 后，极化仍能保持。由此，铁电存储单元不需外加电场或电压的 维持，仍能保持原有的极化信息。由于铁电体具有起好的绝缘性 能，其漏导可以忽略，因此，极化存储电荷的内部衰减是极小的。 理硷估算：经30000 年后，存储电荷才在膜内通过欧姆热形 式下降5o 。1 。但在实践中，铁电存储器的信息存储持久性能 镀电薄膜存储器存储特性诅0 试仪的研制 还远远达不到理论值。我们必须检测各种铁电材料薄膜的挥发| 生， 所以要求测量仪“写”入一个信号后，能够进行多次重复地“读” 操作，从而可随时对铁电薄膜存储器进行“读”操作，检查其数 据状态是否改变。 ( 5 ) 无“读”、“写”信号时，测试仪保持高阻态。 为了使测试仪不影响被检测的铁电薄膜样品的挥发性，即保 持存储器内原有的数据。必须使测试仪在无“读”、“写”信号 时，保持高阻状态。前面已提到，铁电介质具有良好的绝缘陛能， 其漏导可以忽略，因此具有很好的非挥发性。但是在测量铁电薄 膜样品的各项性能时，如果测试仪器的等效电阻较小，当无“读”、 “写”信号时，薄膜样品存储的电荷就可能从测试仪的等效电阻 上放掉，以漏电流的形式衰减，从而影响存储器中信息存储的持 久性。因此，测试仪器自身也需要防漏，呈高阻态。 ( 6 ) 能给出“读”、“写”监测信号。 在给铁电薄膜样品施加“写电压”和“读电压”对存储器样 品进行“存”、“取”操作时，我们需要知道仪器给样品施加的 是什么信号，目前正在进行的操作是“写”“l ”、“写”“0 ”、 还是“读”操作。因此，我们的测试仪在进行“读”、“写”操 作的同时，还必须能够将“读”、“写”信号从示波器上显示出 铁电固l 膜存储- b 存储特性谢旷试仪的研靠 来，进行同步监测。因为示波器的输入电阻不是无穷大，为了不影 响样品有状态，同步信号单独给出 ( t ) 检测微电流脉冲信号，供示波器显示。 对铁电薄膜存储器样品施加“写”和“读”脉冲信号写入数 据后，我们必须检测样品对“读写”信号的响应隋况，并剧哿 检测到的响应清况直观地从示波器上显示出来。如果示波器上能 够显示在施加“读”信号时，铁电薄膜存储器的“1 ”和“0 ” 两个状态的输出信号的”幅度”，我们就能清楚地判断我们所选用 的样品的两个剩余极化状态有没有明显的差别，从而选出最适合 的铁电薄膜介质作为铁电薄膜存储器的介质材料。 4 2 测试仪的基本构造 逻辑信号电路按一定的时序产生脉冲，用以驱动脉冲功率放 大，输出”读信号、“写17 ”信号和“写o ”信号，并 同时将“读”、“写”信号单独输出，以便监测。检测部分对样 品在激励信号作用下的电流( 反映样品内部极化状态) 进行放大 转换，以便测量。 为了尽量与ttl 电平兼容，并综合考查各种样品的安全工 作电噩和保证样品可靠翻转状态所需的最小电场强度等因素， 铁电薄膜存储器存储特性测试仪的研侍n “写信号”幅度取5v ，“读信号”幅度取o 3v 可调，因 两电源与之相适应，能提供多组电压源。 测试仪由五部分组成，方框图如下： 图4 2 测试仪方框图 测试仪的电路原理图如图4 所示 。卜j 面我们分别对测试仪的各组成部分进行分析 铁电薄用i 存储器存储特性测试仪的研制 4 3 逻辑信号电路 逻辑信号电路原理图如图4 3 。 l 图4 3 逻辑信号电路原理图 逻辑信号电路的功能是：产生“写1 ”信号、“写o 信号、“读”信号和“读”、“写”信号的各种时序结合逻辑控 2 7 铁电竭l 膜存储器存储特性测试伐的研制 制信号。 i c 。( c ) 、( b ) 及c 。r ，组成可调频率振荡器。其波形 如图4 4 ( 1 ) 。振荡器产生的时钟信号经ic 。( b ) 二分 频( 波形如图4 4 ( 2 ) ) 后，分四路输出。第一路经ic ： ( c ) 产生前后沿等延迟并反相的脉冲信号( 波形如图4 4 ( 3 ) ) ；第二路送ic 。( a ) 二分频，得到波形为图4 4 ( 7 ) 所示的脉冲信号：第三路由ic ：( d ) 的“或非门”进行 “或非”作用后，产生波形如图4 4 ( 4 ) 所示的脉冲信号； 第四路经ic 。( a ) 、ic 。( a ) 、( f ) 等“与门”进行“与” 作用，从而输出波形如图4 4 ( 5 ) 所示的驱动“读”信号。 从ic ：( d ) 输出的脉冲( 波形见图4 4 ( 4 ) ) 和从ic 。 ( a ) 输出的脉冲( 波形见图4 4 ( 7 ) ) 由ic 。( b ) 、i c s ( b ) 、( e ) 等“与门”进行“与”作用后，将产生波形 为图4 4 ( 6 ) 所示的“写1 信号。ic 。( a ) 输出的 脉冲( 波形见图4 4 ( 7 ) ) 经ic ：( b ) 的“非门”进行“非” 作用后，将产生波形为图4 4 ( 8 ) 的脉冲，此脉冲再和ic 。 ( e ) 输出的脉冲( 波形如图4 4 ( 4 ) ) 经ic 。( c ) 、i c s ( c ) 、( d ) 的“与门”进行“与”+ 作用后，将产生波形为 图4 4 ( 9 ) 所示的“写0 ”信号。ic 。( a ) 输出的脉 铁电瑚l 膜存储器存储特性测试仪的研 i n 冲( 波形为图4 4 ( 5 ) ) 和ic ( e ) 输出的脉冲( 波形为 图4 4 ( 4 ) ) 进行“或非”作用后，产生了供检测电路使用 的同步信号，其波形如图4 4 ( 10 ) 。在输出端设计了两个 开关s 。和s 。，它们可分别“关掉”“写1 ”和“写0 ” 的信号，以便产生只”读输出。 1 厂 厂 厂 厂 r r 厂 厂 厂 厂 佗厂 厂 厂 厂 厂 3 厂 厂 厂 厂 厂 4 几门r n门 5 门nr 几n 门r r 厂 厂 厂一 佃 厂 厂 汨 n ， 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 r 由输出信号的逻辑关系可知，脉冲信号的输出时序为：“写”、 “读”相问进行，且“写0 ”和“写l ”交替进行，即 铁电薄膜存储器存储特性涓u 试仪的研* u “写l ”一“读l ”一“写0 ”一“读0 ”。 4 4 强驱动输出电路 考虑到样品的等效阻抗特| 生及样品在“写”状态时对电场变 化率的要求，同时还考虑到提高工作频率的可能性，输出给样品 的“读”、“写”信号采取强驱动输出。电路如图4 5 。 c 8 图4 5 强驱动输出电路 采用场效应管( v m o s f e t ) 输出是因为它比双极型晶体管 具有更优异的开关特性：( 1 ) v m o s f e t 了= | c 关速度快，输出f g n , 3 0 铁电薄膜存储器存储特性翊口试仪的研* u 输出电流的上升率( d u d t ，d i d t ) 快，因而在驱动较大的容性负 载时，仍可保证波形的上升和下降速度；( 2 ) v m o s f e t 导通电 阻( r 。) 小而截止电阻大，接近理想的开关，对样品的状态保 持特别有利。 下面具体分析电路工作过程： 在图4 5 中的a 1 点输入“0 ”电平时，d ：不能击穿， r ：上无压降，n 。的b 极为低电平，p 型管n 。导通，其e 极将n ，的g 极拉到一5v ，因而n 。始终处于截止状态( 不管n 。的s 极 的电平如何变化) 。在此期间若n 。导通，而n ，、n ：并不会导通， 不会产生上、下管直通。 在a 1 点输入“l ”电平( + 15v ) 时，d ：击穿，r ：上有 压降，n 。的b 极电平升至4 - 1ov 左右，n 。截止，n 。的g 极电 压可上升到+ 10v 以上，n 。导通输出+ 5v 电平，上电时n ， 的v g s + 5v ，可保证其完全导通，样品r 。上得到+ 5v 脉冲 ( 即“写l ”7 信号) 。 n ：和n 。及相关外围元件组成的电路与上述n ，n 。等所组 成的电路完全相同，因而n ：的导通与截止的工作过程分析与n ， 相同。 在图4 - 5 中的a 点加以+ l5v 的脉冲信号时，r 。上得到 铁电躅l 膜存储器存储特性滑试仪的研制 + 3v ( 可调) 的脉冲( 即“读”信号) ，与n 。的s 极相连的二 极管是防止在nl 导通扎n 放b 于sd 电压反偏。 在图4 5 中的c 点输入0 + 15v 的脉冲，经一玮急压电 源管产生一个电平，平移送至n 。的栅极，使之能安全、可靠地导 通和截止，n 。导通时，r 。上得到一5v 的电脉冲( 即“写0 ” 信号) 。 在n 、n ：、n 。都截止时，r 。的左端等效于悬空状态，这 就是所希望的样品保持内部所需的高阻态。为了避免监测信号时， 仪器的接入j 特来影响( 样品需要高阻态) ，单独给示波器输出一路 与r 。脉冲相同( 脉幅、h 寸序均相同) 的信号供监测用。电路如图 4 6 所示。 图4 6 “读”“写”监测信号输出电路 铁电诩l 膜存储器存储特1 生：澳口试仪的研靠u 给t ：输入一个与图4 5 中的a 点的输入信号反相的 驱动信号，r 。上得到与n 相同的信号，同理t 。，t ；导通分别与 n 。、n 。同步，给出与之相同的信号，r ：得到与r 。相同的波形。 前面的讨论提到过，对脉冲输出电路要求非“读”、“写”状 态期间( 即样品处于“保持”期间) 处于高阻状态，这里所指的 高阻不仅要求电阻大，而且要求容抗也大。当n ，、n 。、n 。同时 截止时，虽然图4 5 所示的满足了电阻大的要求，但由于分布参 数等的影响，电路的等电容有几十pf 的量级。 在图4 5 所示的电路上稍加改动，得到如图4 7 所示的 电路。 c o 为样品的等效( 分布) 电容，加上k o 、d o 、r o ；k o 在每个“读”、“写”脉冲的后沿动作。正脉冲时，k 0 快速放掉 c o 的电荷，负