CN108614203A - 一种通过瞬态电流分析阻变存储器内部陷阱的方法 - Google Patents

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朱慧
金磊
杨莹
冯士维
郭春生
孟晓
王晨
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    • G01R31/2642—Testing semiconductor operation lifetime or reliability, e.g. by accelerated life tests

Abstract

本发明公开了一种通过瞬态电流分析阻变存储器内部陷阱的方法，首先测量阻变存储器在正向、负向偏压区域的I‑V曲线，判断阻变存储器的导电机制。由于载流子有机会从陷阱中跃迁出来，所以当施加在存储器上的陷阱填充电压被移开之后，在短时间内监测到瞬态电流的产生。通过对瞬态电流的e指数函数的拟合，得到了相应的时间常数，并且通过分析不同温度对瞬态电流的影响，得到一组随温度变化而变化的时间常数谱。利用阿仑尼乌斯坐标拟合，确定BFO阻变存储器中缺陷对应能级的激活能。通过改变对阻变存储器施加脉冲的填充电压和填充时间，分析时间常数随填充电压和填充时间的变化，结合极化及陷阱填充状态对阻变存储器有序性的影响，利用时间常数分析阻变存储器内部陷阱的填充状态。

Description

一种通过瞬态电流分析阻变存储器内部陷阱的方法
技术领域
本发明涉及阻变存储器内部陷阱测量领域，适用于由陷阱俘获和释放载流子引起的阻变存储区内部陷阱能级的研究分析。
背景技术
随着半导体技术的发展，基于铁电材料的阻变存储器受到了越来越多的关注。阻变存储器具有制造简单，成本低，密度高，运行速度快，可扩展性好和功耗低等优点。
由于铁电材料具有一些固有的缺陷(例如氧空位)，这些缺陷可以在导带以下产生陷阱能级，形成陷阱中心，严重影响阻变存储器件的可靠性。为了更好的理解存储器的阻变机制，控制存储器的阻变效应，仍然需要进一步掌握阻变存储器内部陷阱的演变机理。
本发明提供了一种通过测量瞬态电流分析阻变存储器内部陷阱的方法。这种技术将用于帮助理解阻变存储器中由于陷阱演变导致的可靠性退化。
发明内容
本发明提供了一种通过测量瞬态电流分析阻变存储器内部陷阱的方法。
达成上述目的，本发明提供如下解决方案：
一种生长在钛酸锶(SrTiO3，STO)衬底上铁酸铋(BiFeO3， BFO)阻变存储器结构特征包括：STO衬底1、下电极2、BFO薄膜 3、上电极4和探针5。上电极4为铜(Au)，下电极2为钌酸锶(SrRuO3，SRO)。下电极2生长在STO衬底1上，BFO薄膜3生长在下电极2 上，上电极4生长在BFO薄膜3上。
利用上述结构的BFO阻变存储器进行一种通过测量瞬态电流分析阻变存储器内部陷阱的方法，该方法的步骤实施如下。
首先，通过探针台的探针5连接BFO薄膜3与安捷伦 B1500A，BFO阻变存储器的下电极2接地，上电极4连接驱动电压。在室温下，分别测量BFO阻变存储器在正向、负向偏压区域的I-V 曲线，分析在双对数坐标系下I-V曲线的斜率变化，判断BFO阻变存储器的导电机制，确定阻变效应是否由陷阱释放和俘获电子所导致的。
在室温下，用热电偶测量BFO阻变存储器实际温度，使用安捷伦B1500A对BFO阻变存储器先施加反向电压，清空BFO阻变存储器内部陷阱中电子，使得测量处于同一初始状态。再对初始清空状态的BFO阻变存储器施加正向电压，由于载流子有机会从陷阱中跃迁出来，所以当施加在BFO阻变存储器上的陷阱填充电压被移开之后，能够在短时间内监测到瞬态电流的产生。在监测过程中，通常会施加一小的读取电压(欧姆导电区电压)使得跃迁出来的载流子定向移动。通过安捷伦B1500A测量逃离陷阱的载流子所形成的瞬态电流，分析瞬态电流的性质与温度的关系。
利用公式对瞬态电流进行拟合，得到相应的时间常数τ，其中I0是拟合参数，t是时间。
测量瞬态电流的实验方法如下，将BFO阻变存储器置于恒温平台上，通过恒温平台对BFO阻变存储器进行升温操作，将BFO 阻变存储器升至三个不同的温度，并用热电偶对BFO阻变存储器温度进行实时监测，确保BFO阻变存储器温度稳定。重复上述测量瞬态电流的实验方法，分别对三种不同温度下BFO阻变存储器的瞬态电流进行测量。绘制不同温度下瞬态电流与时间曲线。
在不同温度下，对瞬态电流曲线进行拟合，提取不同的时间常数τ。利用阿仑尼乌斯坐标拟合，确定薄膜中缺陷对应能级的激活能Ea。阿仑尼乌斯坐标的横坐标1/kBT，纵坐标ln(T2τ)。
为了进一步探索BFO阻变存储器陷阱的物理机制，通过改变测量瞬态电流过程中施加在BFO阻变存储器上的填充脉冲(填充电压幅值和填充时间)。在室温下，测量不同填充电压和不同填充时间BFO阻变存储器的时间常数，分析时间常数随填充电压和填充时间的变化规律。
由于时间常数和载流子逸出频率成反比关系。根据公式式中ν是载流子从陷阱能级跳出的频率(逸出频率)，v0是载流子试图跳出陷阱的频率，T为温度，kB为玻尔兹曼常数。而ΔS是载流子从深度为Et的陷阱能级逃逸所需要的熵变。结合极化及陷阱填充状态对BFO阻变存储器有序性的影响，利用时间常数分析BFO阻变存储器中陷阱的填充状态。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1为一种生长在STO衬底上的BFO阻变存储器结构。
图2为BFO阻变存储器的I-V曲线，其中，(a)为负向偏压下BFO阻变存储器的I-V曲线。(b)为正向偏压下BFO阻变存储器的I-V曲线，箭头表示扫描方向。
图3为填充电压10V填充时间2s时，不同温度下的瞬态电流与时间曲线。
图4为时间常数及热激发电流与温度曲线，其中，(a)为阿伦尼乌斯坐标下，时间常数与温度曲线，斜率为激活能Ea。(b)为BFO 阻变存储器的热激发电流谱，插图为阿伦尼乌斯坐标下，热激发电流与温度曲线，斜率为激活能Ea。
图5为时间常数随填充时间变化的曲线，其中，(a)为不同填充时间下，时间常数随填充电压变化的曲线。(b)为不同填充电压下，时间常数随填充时间变化的曲线。
图6为低阻状态下BFO阻变存储器的电流保持特性曲线，其中，(a)为0→15→0V，0→5.2→0V的扫描电压下，BFO阻变存储器的I-V曲线。(b)为2V电压下，两种低阻状态下BFO阻变存储器的电流保持特性曲线。
图中：1、STO衬底，2、下电极，3、BFO薄膜，4、上电极，5、探针。
具体实施方式
一种铁电材料铁酸铋(BFO)阻变存储器结构特征包括： STO衬底1、下电极SRO2、BFO薄膜3、上电极4、探针5，如图1。
首先，通过探针台连接BFO阻变存储器与安捷伦B1500A， BFO阻变存储器的下电极接地，上电极连接驱动电压。在室温下，分别测量BFO阻变存储器在正向、负向偏压区域的I-V曲线，并将实验数据呈现在双对数坐标系下，如图2。分析I-V曲线的斜率变化，判断其导电机制符合空间电荷限制传导，阻变效应由陷阱俘获和释放载流子引起。测试条件为：0→10→0V,0→-10→0V,扫描时间2s，测试波形为三角波。
在室温下，用热电偶测得BFO阻变存储器实际温度为21℃，使用安捷伦B1500A对BFO阻变存储器施加时长2s电压-10V的负向电压，使BFO阻变存储器内部陷阱处于初始的清空状态。对温度为 21℃初始状态的薄膜施加时长2s电压10V的正向电压。由于载流子有机会从陷阱中跳出，所以当施加在BFO阻变存储器上的正向陷阱填充电压被移开后，使用安捷伦B1500A测量逃离陷阱的载流子所形成的瞬态电流(瞬态电流读取电压2V)。
对恒温平台进行升温操作，将BFO阻变存储器放置于恒温平台上，改变恒温平台温度，使薄膜温度分别达到32℃、41℃、50℃，并用热电偶对样品温度进行实时监测，确保BFO阻变存储器温度稳定。重复上述瞬态电流的实验方法，分别对32℃、41℃、50℃温度下BFO阻变存储器的瞬态电流进行测量。
使用数据处理软件Origin，并根据公式对32℃、41℃、50℃温度下对BFO阻变存储器瞬态电流的e指数函数进行拟合，得到BFO阻变存储器在不同温度下的时间常数τ，如图 3。根据阿伦尼乌斯横纵坐标(横坐标1/kBT，纵坐标ln(T2τ))，对时间常数与温度曲线进行拟合，得到BFO阻变存储器中缺陷对应能级的激活能Ea。
使用安捷伦B1500A在不同陷阱填充电压和填充时间(填充电压10V、填充时间10ms；填充电压10V、填充时间2s；填充电压 10V、填充时间3s；填充电压8V、填充时间2s；填充电压6V、填充时间2s)情况下，对BFO阻变存储器的激活能进行测量，得到不同陷阱填充脉冲情况下BFO阻变存储器的激活能，计算得出BFO阻变存储器中缺陷对应能级的激活能为Ea＝0.71±0.06eV，如图4(a)。并通过热激发电流谱(TSC)对实验结果进行验证，发现测量结果基本一致，如图4(b)。
改变测量瞬态电流过程中施加在BFO阻变存储器上的正向陷阱填充电压和填充时间(填充电压为6V、8V、10V，填充时间为10ms、2s、3s)。重复上述测量时间常数的实验方法，测量在室温，不同陷阱填充电压和时间情况下的时间常数τ。分析时间常数与填充脉冲参数(填充电压和填充时间)的关系，如图5。可以看出，时间常数随填充电压的增加而增加，随填充时间的增长先增加后平稳。
上述现象可以结合载流子的逸出频率、BFO阻变存储器的极化程度并根据公式来解释。测量的时间常数τ相当于多数载流子从陷阱能级跳出需要的时间，因此时间常数与载流子的逃逸频率成反比。ΔS为负值表示薄膜陷阱结构更加有序，增加了载流子在陷阱位置的停留时间，从而减少逸出频率。BFO阻变存储器通过施加正(负)电压，改变极化方向和强度，从而改变熵值。陷阱填充的饱满程度也会影响陷阱的有序性。
BFO阻变存储器熵变ΔS与极化和陷阱结构排序有关。当陷阱的填充电压从6V增加到12V时，向下的极化排列更加有序，因此负ΔS被加强，导致逸出频率降低，时间常数增加。当陷阱的填充时间从10ms增加到0.5s时，陷阱被载流子填充的更加饱满，陷阱结构更加有序，因此负ΔS被加强，导致逸出频率降低，时间常数增加。填充时间大于0.5s时，陷阱被完全填满，陷阱结构排列不会改变，从而产生稳定的时间常数。
使用安捷伦B1500A对BFO阻变存储器样品先施加15V的负向电压，使BFO阻变存储器内的陷阱处于初始的清空状态，分别用 0→15→0V，0→5.2→0V的填充电压进行扫描，得到BFO阻变存储器的I-V曲线。BFO阻变存储器的正向矫顽电压在9V左右，两种情况下的薄膜皆处于低电阻状态，填充陷阱能级的能量相同，但极化方向相反，其扫描曲线高低阻比几乎一致，如图6(a)。接着在2V读取偏压下，测量两种低阻状态下BFO阻变存储器的保持特性，如图6(b)。因为15V 填充电压下BFO阻变存储器的低阻保持特性更好。不难发现5.2V填充电压下载流子的逸出频率比15V时更大，与预想结果一直。
最后应说明的是：以上实施例仅为用以说明本发明最佳实施例，而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，这项工作所描述的结果不局限于BFO阻变存储器，而是可以应用于由陷阱俘获和释放载流子引起阻变效应的其他材料。

Claims (2)

1.一种通过瞬态电流分析阻变存储器内部陷阱的方法，搭建一种生长在钛酸锶衬底上的铁酸铋(BFO)阻变存储器结构，该存储器结构包括STO衬底(1)、下电极(2)、BFO薄膜(3)、上电极(4)和探针(5)；上电极(4)为铜，下电极(2)为钌酸锶；下电极(2)生长在STO衬底(1)上，BFO薄膜(3)生长在下电极(2)上，上电极(4)生长在BFO薄膜(3)上；
其特征在于：该方法的步骤实施如下，
首先，通过探针台的探针(5)连接BFO薄膜(3)与安捷伦B1500A，BFO薄膜的下电极(2)接地，上电极(4)连接驱动电压；在室温下，分别测量BFO阻变存储器在正向、负向偏压区域的I-V曲线，分析在双对数坐标系下I-V曲线的斜率变化，判断阻变存储器的导电机制，确定阻变效应是否由陷阱释放和俘获电子所导致的；
在室温下，用热电偶测量BFO阻变存储器的实际温度，使用安捷伦B1500A对BFO阻变存储器先施加反向电压，清空BFO阻变存储器内部陷阱中电子，使得测量处于同一初始状态；再对初始清空状态的BFO阻变存储器施加正向电压，由于载流子有机会从陷阱中跃迁出来，所以当施加在BFO阻变存储器上的陷阱填充电压被移开之后，能够在短时间内监测到瞬态电流的产生；在监测过程中，通常会施加一小的读取电压使得跃迁出来的载流子定向移动；通过安捷伦B1500A测量逃离陷阱的载流子所形成的瞬态电流，分析瞬态电流的性质与温度的关系；
利用公式对瞬态电流进行拟合，得到相应的时间常数τ，其中I0是拟合参数，t是时间；
测量瞬态电流的实验方法如下，将BFO阻变存储器置于恒温平台上，通过恒温平台对BFO阻变存储器进行升温操作，将BFO阻变存储器升至三个不同的温度，并用热电偶对BFO阻变存储器温度进行实时监测，确保BFO阻变存储器温度稳定；重复上述测量瞬态电流的实验方法，分别对三种不同温度下BFO阻变存储器的瞬态电流进行测量；绘制不同温度下瞬态电流与时间曲线；
在不同温度下，对瞬态电流曲线进行拟合，提取不同的时间常数τ；利用阿仑尼乌斯坐标拟合，确定薄膜中缺陷对应能级的激活能Ea；阿仑尼乌斯坐标的横坐标1/kBT，纵坐标ln(T2τ)。
2.根据权利要求1所述的一种通过瞬态电流分析铁电薄膜内部陷阱能级的方法，其特征在于：为了进一步探索BFO阻变存储器陷阱的物理机制，通过改变测量瞬态电流过程中施加在BFO阻变存储器上的填充脉冲；在室温下，测量不同填充电压和不同填充时间BFO阻变存储器的时间常数，分析时间常数随填充电压和填充时间的变化规律；
由于时间常数和载流子逸出频率成反比关系；根据公式 式中ν是载流子从陷阱能级跳出的频率，v0是载流子试图跳出陷阱的频率，T为温度，kB为玻尔兹曼常数；而ΔS是载流子从深度为Et的陷阱能级逃逸所需要的熵变；结合极化及陷阱填充状态对BFO阻变存储器有序性的影响，利用时间常数分析BFO阻变存储器中陷阱的填充状态。
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