一种改善铁电薄膜电容器性能的方法技术

本发明专利技术涉及一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，在采用正探针尖端或负探针尖端向铁电薄膜电容器中的薄膜施加电压以读写铁电薄膜电容器的过程中，将尖端输入的脉冲长度缩至2ms以下，且/或在铁电薄膜电容器被电压极化后，将尖端输入的电压调至0V后保持一段时间，以改善铁电薄膜电容器性能。本发明专利技术的一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，简单易操作且成本较低，解决了现有技术中采用正探针尖端输入电压时铁电薄膜电容器耐疲劳性能较差和读写速度较慢的问题，同时解决了采用负探针尖端输入电压时铁电薄膜电容器读写速度有待进一步提高的问题，极具推广价值。

A method to improve the performance of ferroelectric thin film capacitor

【技术实现步骤摘要】
一种改善铁电薄膜电容器性能的方法
本专利技术属于电子器件
，涉及一种改善铁电薄膜电容器性能的方法。
技术介绍
电容器是电子设备中广泛使用的电子元件之一，在集成电路中有着不可替代的作用。铁电薄膜电容器作为一种特殊的电容器也被大量使用。随着电子信息技术的迅速发展，对于电容器器件的性能提出了更高的要求，其中，读写速度是衡量电容器器件性能好坏的重要标准。当用正探针尖端向铁电薄膜电容器输入电压时，器件点电极或者线电极下面的铁电薄膜区域扩散，造成极化面积增加，这些正探针尖端电荷所致的区域极化效应造成电容器“寄生层”产生，导致铁电薄膜电容器的读写时间增加，读写速度较慢，而且由于“寄生层”的出现，使本来就很薄的铁电薄膜的有效厚度减小，从而使剩余极化下降，同时形成的缺陷在以后的极化反转时会影响耐疲劳性能，这些显然不利于铁电薄膜电容器的应用，需要找到合适的方法避免这些问题的出现，以达到改善铁电薄膜电容器性能的目的。博士论文“聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)铁电纳米薄膜性能及电活性界面层作用机理研究”通过在铁电薄膜和电极层之间引入界面层(如电子导体PEDOT/PSSH和离子导体PVPA)以提高铁电薄膜的性能以及读写速度，起到了一定效果，但是因为需要在铁电薄膜与电极层之间引入界面层，相对来说比较复杂，也增加了操作工序和成本；“聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)纳米薄膜极化反转与疲劳特性”(物理学报,2015,64(16).)通过退火处理与成膜过程中对湿度的控制来实现铁电性能的提高，效果也比较有限。专利CN98814030.6公开了一种铁电电容器与半导体器件，该电容器由上电极、铁电薄膜和下电极构成，所述铁电薄膜是含有某种金属元素的钙钛矿型氧化物，而所述上电极和下电极包含由所说的金属元素和贵重金属组成的金属间氧化物，该专利通过改变电极结构和使用无机铁电薄膜材料来避免电压输入时在铁电薄膜和界面层中的“寄生层”，从而使铁电电容器铁电薄膜极化性能提高，反转速度加快，读写速度也得到提升，但是需要使用特定的电极材料，在材料选用、装置制备方面都比较苛刻；专利CN201710362281.9公开了一种高读出电流的非挥发铁电存储器及其操作方法，该专利通过增加导电畴壁周长以提高非挥发性铁电存储器导电畴壁的读出电流，也是通过将电极结构进行改进，增加分支电极来进行操作，实验条件相对复杂；专利CN201610557208.2针对铁电薄膜作为阻变存储器的介质层材料存在开关比较小的问题，提供一种可以调控开关比的铁电阻变存储器，通过在铁电薄膜材料制备过程中控制其厚度，调节铁电材料与底电极材料界面的铁电畴钉扎层与薄膜内铁电畴可翻转层的比例，从而实现铁电阻变器件开关比的增大，从而增加读写速度，但是制备过程中需要对铁电薄膜的厚度进行调节，操作起来有一定难度；专利CN201610098138.9公开了一种非易失性铁电存储器及其制备方法和读/写操作方法，该铁电存储器包括铁电薄膜层及其表面刻蚀铁电存储单元以及设置在铁电存储单元两边的左右读写电极层，可以实现以大电流方式对所存储的电畴逻辑信息进行非破坏性快速读出，但是装置比较复杂，操作起来也有一定难度；专利CN201480015331.0公开了一种具有改善的疲劳和击穿性能的铁电电容器。另外，采用负探针尖端输入电压时读写速度虽然相对已经很快，但是仍然有必要进一步提高。因此，研究一种简单高效、成本低廉的方法来改善铁电薄膜电容器性能，尤其是改善耐疲劳性能和提高读写速度，具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是解决现有技术中采用正探针尖端输入电压时铁电薄膜电容器耐疲劳性能较差和读写速度较慢的问题，目的之二是解决采用负探针尖端输入电压时铁电薄膜电容器读写速度有待进一步提高的问题，提供一种改善铁电薄膜电容器性能的方法。为达到上述目的，本专利技术采用的方案如下：一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，在采用正探针尖端或负探针尖端向铁电薄膜电容器中的薄膜施加电压以读写铁电薄膜电容器的过程中，将尖端输入的脉冲长度缩至2ms以下(现有技术中尖端输入的脉冲长度一般为10～20ms)，且/或在铁电薄膜电容器被电压极化后，将尖端输入的电压调至0V后保持一段时间(现有技术一般不调至0V，没有对施加的电压进行调整，而是通过调节薄膜厚度或者改变电极的材料和结构等手段进行改善)，以改善铁电薄膜电容器性能。在正尖端电压输入后，正尖端电荷所致的区域极化效应造成电容器“寄生层”产生，导致铁电薄膜电容器的读写时间增加，“寄生层”产生还会使本来就很薄的铁电薄膜的有效厚度减小，从而使剩余极化下降，同时形成的缺陷在以后的极化反转时会影响耐疲劳性能；现有技术大多通过对铁电薄膜电容器的结构或铁电薄膜的材料进行改变来改善电容器的性能，存在工序复杂、操作不易、成本高昂、改善效果不佳等诸多问题。本专利技术无需对铁电薄膜的材料或电容器的结构做任何改变，仅仅改变了电压操作工艺条件，一种方案是将尖端输入的脉冲长度缩至2ms以下，由于在外场强度固定的情况下，陷阱电荷的运动速度是一定的，陷阱电荷运动的距离与时间呈正比关系，在极化反转完全的情况下，所加的外场的时间越短，则在一次极化反转过程中陷阱电荷运动的距离就越短，而脉冲长度与所加的外场的时间呈正比关系，因此脉冲长度缩短有利于减小陷阱电荷运动的距离；同时由于脉冲长度变化会改变由界面层高电场注入的电子的数量，进而影响产生的陷阱电荷的数量，脉冲长度与陷阱电荷的数量呈正比关系，因此脉冲长度缩短有利于减少陷阱电荷的数量；综上可知，脉冲长度的缩短同时减小了陷阱电荷运动的距离和陷阱电荷的数量，陷阱电荷运动的距离和陷阱电荷的数量的减小会使得陷阱电荷在电场作用下移动到界面处的数量减少，对表面极化的钉扎程度减小，进而改善了电容器的耐疲劳性能，电容器的耐疲劳性能改善会提高电容器的读写速度；另一种方案是在铁电薄膜电容器被电压极化后，将尖端输入的电压调至0V后保持一段时间，这种操作的目的在于：保持一段时间，尖端会提供足够的补偿电荷去抵消正尖端输入或负尖端输入所带来的正电荷或负电荷，避免电极下面的铁电薄膜进一步极化，器件点电极或者线电极下面的铁电薄膜区域扩散面积减少，从而使得极化面积变小，有效避免了正探针/负探针尖端电荷所致的区域极化效应造成的电容器“寄生层”产生，从而降低了铁电薄膜电容器的读写时间，提高了铁电薄膜电容器的读写速度。此外，尖端提供的补偿电荷还会进入铁电畴附近，逐渐包围在绝缘体介质周围，使得由于频繁的极化反转产生的小铁电畴重新获得活力，进而继续参与反转进程，有效降低了去极化场，增加了剩余极化强度，提高了电容器的耐疲劳性能。采用本专利技术的方法提高采用负探针尖端输入电压时铁电薄膜电容器读写速度的机理同采用正探针尖端输入电压时铁电薄膜电容器读写速度。采用本专利技术的方法，一方面可以在正尖端输入电压时改善铁电薄膜的耐疲劳性能和加快电容器读取速度，另一方面可以在负尖端输入电压时使原本就较快的读写速度进一步提高。作为优选的方案：如上所述的一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，铁电薄膜电容器的读写速度小于1μs。如上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，其特征是：在采用正探针尖端或负探针尖端向铁电薄膜电容器中的薄膜施加电压以读写铁电薄膜电容器的过程中，将尖端输入的脉冲长度缩至2ms以下，且/或在铁电薄膜电容器被电压极化后，将尖端输入的电压调至0V后保持一段时间，以改善铁电薄膜电容器性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，其特征是：在采用正探针尖端或负探针尖端向铁电薄膜电容器中的薄膜施加电压以读写铁电薄膜电容器的过程中，将尖端输入的脉冲长度缩至2ms以下，且/或在铁电薄膜电容器被电压极化后，将尖端输入的电压调至0V后保持一段时间，以改善铁电薄膜电容器性能。


2.根据权利要求1所述的一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，其特征在于，铁电薄膜电容器的读写速度小于1μs。


3.根据权利要求1所述的一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，其特征在于，正探针尖端或负探针尖端为压电力显微镜的正探针尖端或负探针尖端。


4.根据权利要求1所述的一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，其特征在于，铁电薄膜电容器为有机铁电薄膜电容器或无机铁电薄膜电容器。


5.根据权利要求4所述的一种改善铁电薄膜电容器性能的方法，其特征在于，有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张修丽，徐红霞，汪丽莉，时志，黄志强，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31