JP2005322889A - Measuring method of ferroelectric capacitor and designing method of ferroelectric memory - Google Patents

Measuring method of ferroelectric capacitor and designing method of ferroelectric memory Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the measuring method of a ferroelectric capacitor capable of measuring a ferroelectric capacitor at a high-speed pulse used to drive the ferroelectric memory element and capable of accurately performing the measurement and prediction of an imprint by excluding the affection of depolarization and retention loss caused by stress. <P>SOLUTION: A switching curve indicating the change of an inverse polarized amount to an applied voltage of the ferroelectric capacitor which is a measured object is measured. A first inverse polarized amount of the ferroelectric capacitor is measured. The stress is applied to the ferroelectric capacitor at a predetermined temperature for a predetermined time of period. A second inverse polarized amount of the ferroelectric capacitor after the stress is applied thereto, and an offset voltage introduced by the stress is calculated in accordance with the gradient of a linear area in the switching curve and a difference between the first inverse polarized amount and the second inverse polarized amount. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、強誘電体キャパシタのインプリント特性を測定する強誘電体キャパシタの測定方法、並びに、この測定方法を利用した強誘電体メモリの設計方法に関する。   The present invention relates to a ferroelectric capacitor measurement method for measuring imprint characteristics of a ferroelectric capacitor, and a ferroelectric memory design method using this measurement method.

コンピュータの主記憶装置には、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)及びスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)等の揮発性メモリが使用されている。揮発性メモリは、電源が供給されている期間のみデータを保持することができ、電源の供給が停止されると記憶されているデータは消失してしまう。これに対して、自由に書換えが可能で、かつ、電源の供給を停止してもデータが消失しない不揮発性メモリとして、近時、強誘電体膜を用いた強誘電体ランダムアクセスメモリ(以下、「FeRAM」という。)が注目されている。FeRAMは、不揮発性メモリであることに加えて、電力消費量が少なく、高集積化が可能であるという長所を有する。   A volatile memory such as a dynamic random access memory (DRAM) and a static random access memory (SRAM) is used for a main storage device of a computer. The volatile memory can hold data only during a period when power is supplied, and the stored data is lost when the supply of power is stopped. On the other hand, as a non-volatile memory that can be freely rewritten and does not lose data even when power supply is stopped, a ferroelectric random access memory using a ferroelectric film (hereinafter, referred to as “non-volatile memory”). "FeRAM") is drawing attention. In addition to being a non-volatile memory, FeRAM has the advantages of low power consumption and high integration.

FeRAMの一般的な構造について、図19を用いて説明する。   A general structure of FeRAM will be described with reference to FIG.

シリコン基板100には、活性領域を画定する素子分離領域102が形成されている。活性領域のシリコン基板100内には、ウェル104が形成されている。活性領域の表面には、ゲート電極106及びソース/ドレイン領域108,110を有するMOSトランジスタ112が形成されている。   In the silicon substrate 100, an element isolation region 102 that defines an active region is formed. A well 104 is formed in the silicon substrate 100 in the active region. A MOS transistor 112 having a gate electrode 106 and source / drain regions 108 and 110 is formed on the surface of the active region.

MOSトランジスタ112が形成されたシリコン基板100上には、層間絶縁膜114が形成されている。層間絶縁膜114には、ソース/ドレイン領域108,110に接続されたプラグ116,118が埋め込まれている。   An interlayer insulating film 114 is formed on the silicon substrate 100 on which the MOS transistor 112 is formed. Plugs 116 and 118 connected to the source / drain regions 108 and 110 are embedded in the interlayer insulating film 114.

プラグ116,118が埋め込まれた層間絶縁膜114上には、Ir膜120及びIrOx膜122よりなる下部電極と、PZT膜124よりなる強誘電体膜と、IrOx膜126よりなる上部電極とを有する強誘電体キャパシタ130が形成されている。 On the interlayer insulating film 114 in which the plugs 116 and 118 are embedded, a lower electrode made of an Ir film 120 and an IrO x film 122, a ferroelectric film made of a PZT film 124, and an upper electrode made of an IrO x film 126, A ferroelectric capacitor 130 is formed.

強誘電体キャパシタ130が形成された層間絶縁膜114上には、層間絶縁膜132が形成されている。層間絶縁膜132には、プラグ116に接続されたプラグ134が埋め込まれている。   An interlayer insulating film 132 is formed on the interlayer insulating film 114 on which the ferroelectric capacitor 130 is formed. A plug 134 connected to the plug 116 is embedded in the interlayer insulating film 132.

層間絶縁膜132上には、強誘電体キャパシタ130の上部電極に接続された配線層136と、プラグ134,116を介してソース/ドレイン領域108に接続されたビット線138とが形成されている。   On the interlayer insulating film 132, a wiring layer 136 connected to the upper electrode of the ferroelectric capacitor 130 and a bit line 138 connected to the source / drain region 108 through plugs 134 and 116 are formed. .

こうして、MOSトランジスタ112及び強誘電体キャパシタ130を有するFeRAMが構成されている。   Thus, an FeRAM having the MOS transistor 112 and the ferroelectric capacitor 130 is configured.

FeRAMは、強誘電体の自発分極を利用したメモリである。一対の電極に挟まれた強誘電体膜を有する強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体膜の分極軸方向に応じた情報として“1”と“0”を記憶する。このため、強誘電体キャパシタの特性はFeRAMの特性に直接影響するものであり、信頼性の高いFeRAMを開発するためには強誘電体キャパシタの諸特性を測定する技術が不可欠である。   FeRAM is a memory that uses spontaneous polarization of a ferroelectric. In a ferroelectric capacitor having a ferroelectric film sandwiched between a pair of electrodes, “1” and “0” are stored as information corresponding to the polarization axis direction of the ferroelectric film. Therefore, the characteristics of the ferroelectric capacitor directly affect the characteristics of the FeRAM, and in order to develop a highly reliable FeRAM, a technique for measuring various characteristics of the ferroelectric capacitor is indispensable.

強誘電体キャパシタの信頼性に影響するものの一つとして、インプリントが挙げられる。インプリントとは、書き込まれたデータに応じて分極方向に癖がつき(擦り込み)、逆方向に反転しにくくなる現象である。FeRAMでは、分極量を検出することによってデータを識別するため、インプリントが発生すると逆データが書き込みにくくなる。したがって、インプリントを測定することは、例えばFeRAMの信頼性寿命を延ばすうえで極めて重要である。   One of the factors affecting the reliability of a ferroelectric capacitor is imprint. Imprinting is a phenomenon in which the polarization direction is wrinkled (rubbed) according to written data, and is difficult to reverse in the reverse direction. In FeRAM, data is identified by detecting the amount of polarization, and therefore it becomes difficult to write reverse data when imprinting occurs. Therefore, measuring imprint is extremely important for extending the reliability life of, for example, FeRAM.

強誘電体キャパシタにインプリントが発生すると、強誘電体キャパシタ中にオフセット電圧(ビルトイン内部電圧)がもたらされる。インプリントを知るためにはオフセット電圧を測定する必要があるが、オフセット電圧の直接測定は不確実である。このため、オフセット電圧を知るための別のアプローチが必要である。   When imprinting occurs in the ferroelectric capacitor, an offset voltage (built-in internal voltage) is generated in the ferroelectric capacitor. To know imprint, it is necessary to measure the offset voltage, but direct measurement of the offset voltage is uncertain. This requires another approach to know the offset voltage.

オフセット電圧を評価するための標準的な方法は、ヒステリシスループにおける抗電圧オフセットを測定することである。この方法は、インプリントの物理的なモデルの検証と同様に、強誘電体キャパシタのインプリントの評価手法として、数々の文献において用いられている(例えば、非特許文献2及び非特許文献3)。   The standard method for evaluating the offset voltage is to measure the coercive voltage offset in the hysteresis loop. This method is used in various documents as an evaluation method for imprinting a ferroelectric capacitor, as in the case of verification of a physical model of imprinting (for example, Non-Patent Documents 2 and 3). .

また、特許文献1及び非特許文献1には、リテンション及びインプリントの測定に関し、逆方向に分極された2つのキャパシタを比較することにより強誘電体キャパシタ中の電荷を定量化する好適な方法論が開示されている。
米国特許第6008659号明細書 A. Noma, et al., Extended Abstract of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 2003, pp. 45-46 W. Warren et al., Appl. Phys. Lett. 67, 1995, p. 866 Grossman et al., J. Appl. Phys. Vol. 42, 2003, p. L1519 Kunisato Yamaoka et al., "A 0.9V 1T1C SBT-Based Embedded Non-Volatile FeRAM with a Reference Voltage Scheme and Multi-Layer Shielded Bit-Line Structure", 2004 IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2004, Digest of Technical Papers, p. 50
Further, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 have a suitable methodology for quantifying the charge in a ferroelectric capacitor by comparing two capacitors polarized in opposite directions with respect to the measurement of retention and imprint. It is disclosed.
US Pat. No. 6,0086,559 A. Noma, et al., Extended Abstract of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 2003, pp. 45-46 W. Warren et al., Appl. Phys. Lett. 67, 1995, p. 866 Grossman et al., J. Appl. Phys. Vol. 42, 2003, p. L1519 Kunisato Yamaoka et al., "A 0.9V 1T1C SBT-Based Embedded Non-Volatile FeRAM with a Reference Voltage Scheme and Multi-Layer Shielded Bit-Line Structure", 2004 IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2004, Digest of Technical Papers , p. 50

しかしながら、抗電圧オフセットの測定に基づくアプローチは、強誘電体メモリ素子における分極量ロスの予測には不適切である。まず、抗電圧オフセットは、完全な飽和ループの場合に限ってビルトイン電圧に正確に一致するが、強誘電体メモリ素子に用いられる薄膜多結晶キャパシタでは、印加電圧の制限により完全な飽和状態を達成することは困難である。また、抗電圧は、ループの測定周波数や他のパラメータに影響されやすいことが知られており、強誘電体メモリ素子の駆動に使用されるような高速パルスで電圧オフセットを測定するためのループパラメータの選択が容易ではない。   However, an approach based on measurement of coercive voltage offset is inappropriate for predicting polarization loss in a ferroelectric memory device. First, the coercive voltage offset exactly matches the built-in voltage only in the case of a perfect saturation loop, but in a thin film polycrystalline capacitor used in a ferroelectric memory device, perfect saturation is achieved by limiting the applied voltage. It is difficult to do. In addition, the coercive voltage is known to be easily affected by the measurement frequency of the loop and other parameters, and the loop parameter for measuring the voltage offset with a high-speed pulse used for driving a ferroelectric memory device. The choice is not easy.

また、特許文献1及び非特許文献2に記載の方法では、インプリントの影響、熱ストレスによる減極及びリテンションロスが混合して検出されるため、インプリントのみを測定することができなかった。それ故、測定結果に基づいて、長期間に渡り分極状態を保持した場合に生じるインプリントを予測することが困難であった。   Further, in the methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, since imprint effects, depolarization due to thermal stress, and retention loss are detected in a mixed manner, only imprints cannot be measured. Therefore, it is difficult to predict the imprint that occurs when the polarization state is maintained for a long period of time based on the measurement result.

また、何故インプリントが生じるか、温度や電圧の関数としてインプリントをどのように予測するかを説明する物理的なモデルが存在しなかったため、インプリントの評価そのものが困難であった。   Also, since there is no physical model that explains why imprinting occurs and how to predict imprinting as a function of temperature and voltage, imprint evaluation itself has been difficult.

インプリントの少ない強誘電体キャパシタを作製することは、低電圧FeRAMを開発するうえでの一つの課題である。インプリントを正確に測定し、インプリントとオフセット電圧とを関連づけ、予測することは、FeRAMの長期信頼性を実現するために不可欠である。加えて、インプリントの進行速度を知ることは、FeRAMの動作のための好適なリファレンスレベルを選択するためにも不可欠である。   Fabricating a ferroelectric capacitor with less imprinting is one problem in developing a low voltage FeRAM. Accurately measuring imprints and correlating and predicting imprints and offset voltages are essential to achieving the long-term reliability of FeRAM. In addition, knowing the progress of imprinting is also essential for selecting a suitable reference level for FeRAM operation.

本発明の目的は、強誘電体メモリ素子の駆動に使用されるような高速パルスでの測定が可能であり、且つ、ストレスによる減極及びリテンションロスの影響を排除してインプリントを正確に測定及び予測することが可能な強誘電体キャパシタの測定方法を提供することにある。   The object of the present invention is to enable measurement with high-speed pulses such as those used for driving a ferroelectric memory device, and to accurately measure imprints by eliminating the influence of stress depolarization and retention loss. Another object of the present invention is to provide a method for measuring a ferroelectric capacitor that can be predicted.

また、本発明の他の目的は、リファレンスキャパシタの容量を適切に設定するための強誘電体メモリの設計方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a ferroelectric memory design method for appropriately setting the capacitance of a reference capacitor.

本発明の一観点によれば、測定対象の強誘電体キャパシタについて、印加電圧に対する反転分極量の変化を表すスイッチングカーブを測定し、前記強誘電体キャパシタについて、第1の反転分極量を測定し、前記強誘電体キャパシタに、所定温度で所定時間のストレスを印加し、前記ストレスを印加した前記強誘電体キャパシタについて、第2の反転分極量を測定し、前記スイッチングカーブの線形領域の傾き及び前記第1の反転分極量と前記第2の反転分極量との差に基づき、前記ストレスにより導入されるオフセット電圧を算出する強誘電体キャパシタの測定方法が提供される。   According to one aspect of the present invention, for a ferroelectric capacitor to be measured, a switching curve representing a change in the amount of inversion polarization with respect to an applied voltage is measured, and for the ferroelectric capacitor, a first inversion polarization amount is measured. Applying a stress to the ferroelectric capacitor at a predetermined temperature for a predetermined time, measuring a second inversion polarization amount of the ferroelectric capacitor to which the stress is applied, and measuring a slope of a linear region of the switching curve and A method for measuring a ferroelectric capacitor is provided that calculates an offset voltage introduced by the stress based on a difference between the first inversion polarization amount and the second inversion polarization amount.

また、本発明の他の観点によれば、上記強誘電体キャパシタの測定方法において、前記ストレスの印加及び前記第2の反転分極量の測定を繰り返し行うことにより、前記ストレスの印加時間が異なる場合の前記オフセット電圧をそれぞれ算出し、オフセット電圧と任意の時間との関係を記述するモデル式を前記オフセット電圧の複数の測定値によりフィッティングしたフィッティングカーブを算出し、前記フィッティングカーブに基づき、任意の時間におけるオフセット電圧を予測する強誘電体キャパシタの測定方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, in the method for measuring a ferroelectric capacitor, when the stress application time is different by repeatedly applying the stress and measuring the second inversion polarization amount. And calculating a fitting curve obtained by fitting a model equation describing the relationship between the offset voltage and an arbitrary time with a plurality of measured values of the offset voltage, and calculating an arbitrary time based on the fitting curve. A method of measuring a ferroelectric capacitor that predicts an offset voltage at is provided.

また、本発明の更に他の観点によれば、強誘電体キャパシタと、前記強誘電体キャパシタに記録された情報を読み出す際に用いるリファレンスキャパシタとを有する強誘電体メモリの設計方法であって、前記強誘電体キャパシタについて、印加電圧に対する反転分極量の変化を表すスイッチングカーブを測定し、前記強誘電体キャパシタについて、第1の反転分極量及び第1の非反転分極量を測定し、前記強誘電体キャパシタについて、所定温度で所定時間のストレスの印加と、前記ストレス印加後の第2の反転分極量及び前記第2の非反転分極量の測定とを繰り返し行い、前記ストレスを印加した時間が異なる時点におけるオフセット電圧を、前記スイッチングカーブの線形領域の傾き及び前記第1の反転分極量と前記第2の反転分極量との差に基づいてそれぞれ算出し、オフセット電圧と任意の時間との関係を記述するモデル式を前記オフセット電圧の複数の測定値によりフィッティングしたフィッティングカーブを算出し、前記フィッティングカーブに基づき、反転分極量と時間との関係を表す第1の特性曲線と、非反転分極量と時間との関係を表す第2の特性曲線とを算出し、前記リファレンスキャパシタの蓄積電荷量が、所望の時間範囲に渡って前記第1の特性曲線及び前記第2の特性曲線との間に位置するように、前記リファレンスキャパシタの容量を設定する強誘電体メモリの設計方法が提供される。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a ferroelectric memory design method including a ferroelectric capacitor and a reference capacitor used when reading information recorded in the ferroelectric capacitor, For the ferroelectric capacitor, a switching curve representing a change in the amount of inversion polarization with respect to an applied voltage is measured. For the ferroelectric capacitor, a first inversion polarization amount and a first non-inversion polarization amount are measured. The dielectric capacitor is repeatedly subjected to stress application for a predetermined time at a predetermined temperature and measurement of the second inversion polarization amount and the second non-inversion polarization amount after the stress application, and the time during which the stress is applied The offset voltage at different time points is expressed by the slope of the linear region of the switching curve, the first inversion polarization amount, and the second inversion polarization amount. Based on the difference, calculate a fitting curve obtained by fitting a model equation describing the relationship between the offset voltage and an arbitrary time with a plurality of measured values of the offset voltage, and based on the fitting curve, A first characteristic curve representing a relationship with time and a second characteristic curve representing a relationship between the amount of non-inverted polarization and time are calculated, and the accumulated charge amount of the reference capacitor is measured over a desired time range. A ferroelectric memory design method is provided in which the capacitance of the reference capacitor is set so as to be located between the first characteristic curve and the second characteristic curve.

本発明によれば、印加電圧に対する反転分極量の変化を表すスイッチングカーブと、ストレス印加前後の反転分極量の差に基づきオフセット電圧を算出するので、抗電圧オフセットに基づく測定に必要な完全なループや複雑なパラメータの設定が必要ない。したがって、強誘電体メモリ素子の駆動に使用されるような高速パルスにより、実使用条件に近い状況下での測定を行うことができる。   According to the present invention, since the offset voltage is calculated based on the switching curve representing the change in the amount of reversed polarization with respect to the applied voltage and the difference between the amount of reversed polarization before and after the stress application, a complete loop necessary for the measurement based on the coercive voltage offset is obtained. There is no need to set complicated parameters. Therefore, measurement under conditions close to actual use conditions can be performed with a high-speed pulse used for driving a ferroelectric memory device.

また、測定結果と極めて良い一致を示すモデルにより、オフセット電圧と時間との関係を表す特性曲線をフィッティングするので、任意の時間におけるオフセット電圧及び反転分極量の予測を容易且つ正確に行うことができる。   In addition, a characteristic curve representing the relationship between the offset voltage and time is fitted with a model that shows a very good agreement with the measurement result, so that the offset voltage and the amount of inversion polarization at an arbitrary time can be predicted easily and accurately. .

また、ストレスによる減極及びリテンションロスの影響を排除することができ、インプリントの正確な測定及び予測を行うことができる。   In addition, the influence of depolarization and retention loss due to stress can be eliminated, and imprint can be accurately measured and predicted.

また、強誘電体メモリのリファレンスキャパシタの容量値を決定するに際し、上記強誘電体キャパシタの測定方法を用いることにより、長期間(例えば10年以上)の分極状態保持によるインプリントが生じても誤読み出しが生じないレベルに、リファレンスレベルを容易に設定することが可能となる。   Further, when determining the capacitance value of the reference capacitor of the ferroelectric memory, it is possible to make an error even if imprinting occurs due to maintaining the polarization state for a long period of time (for example, 10 years or more) by using the ferroelectric capacitor measuring method. It is possible to easily set the reference level to a level at which reading does not occur.

[非線型インプリントの理論的分析]
本発明の強誘電体キャパシタの測定方法を示す前に、インプリントの測定及び予測のために用いることができる物理的なモデルを確立する。
[Theoretical analysis of nonlinear imprint]
Before showing the method of measuring a ferroelectric capacitor of the present invention, a physical model that can be used for imprint measurement and prediction is established.

電荷注入により生じるインプリントは、図1に示すような、下部電極10と強誘電体膜14との間及び上部電極12と強誘電体膜14との間に薄いパッシブ層16,18をそれぞれ有する強誘電体キャパシタを想定した場合において、電磁気学及び電荷輸送の方程式によって記述することができる。なお、パッシブ層16,18は、強誘電体膜と電極との間に形成される中間層等と考えることができる。   The imprint generated by charge injection has thin passive layers 16 and 18 between the lower electrode 10 and the ferroelectric film 14 and between the upper electrode 12 and the ferroelectric film 14 as shown in FIG. When a ferroelectric capacitor is assumed, it can be described by equations of electromagnetics and charge transport. The passive layers 16 and 18 can be considered as intermediate layers formed between the ferroelectric film and the electrodes.

Figure 2005322889
ここで、Vは印加電圧、Dfは強誘電体膜中における電束密度、Efは強誘電体膜中における電界、hは強誘電体膜の膜厚、Edはパッシブ層中の電界、dはパッシブ層の膜厚、εdはパッシブ層の誘電率、σは強誘電体膜とパッシブ層との界面にトラップされた電荷の単位面積あたりの密度、J(Ed)はパッシブ層を通して強誘電体に注入される電流の密度である。
Figure 2005322889
Here, V is the applied voltage, D f is the electric flux density in the ferroelectric film, E f is the electric field in the ferroelectric film, h is the film thickness of the ferroelectric film, and E d is the electric field in the passive layer. , D is the thickness of the passive layer, ε d is the dielectric constant of the passive layer, σ is the density per unit area of charges trapped at the interface between the ferroelectric film and the passive layer, and J (E d ) is the passive layer The density of current injected through the ferroelectric into the ferroelectric.

インプリントを求めるためには、1)注入電流により強誘電体膜とパッシブ層との界面に蓄積される電荷の密度σを特定すること、2)注入されたこの電荷によりもたらされる電圧オフセットVoffを評価すること、が必要である。 To determine the imprint, 1) specify the density σ of charge accumulated at the interface between the ferroelectric film and the passive layer by the injection current, and 2) the voltage offset V off caused by this injected charge. It is necessary to evaluate

そこで、本発明では、電圧オフセットの定義のために、オフセット電圧Voffと電荷密度σとの関係を、以下の式(4)に基づいて評価する。 Therefore, in the present invention, in order to define the voltage offset, the relationship between the offset voltage V off and the charge density σ is evaluated based on the following formula (4).

Figure 2005322889
式(4)は、式(1)及び式(2)から導き出される。この関係式から、強誘電体膜/パッシブ層界面に電荷が注入されていない場合と電荷が注入されている場合とで、同じ分極反転を行う、すなわち同じ電束密度Df及び電界Efに到達するためには、印加電圧Vは、以下の式により表される分だけ異なっていることが必要である。
Figure 2005322889
Equation (4) is derived from Equation (1) and Equation (2). From this relational expression, the same polarization inversion is performed when the charge is not injected into the ferroelectric film / passive layer interface and when the charge is injected, that is, the same electric flux density D f and electric field E f . In order to reach it, the applied voltage V needs to differ by the amount expressed by the following equation.

Figure 2005322889
界面にトラップされた電荷の計算は、ハード強誘電体(hard ferroelectric)近似を用いて行うことができる。すなわち、
f = PN + εff (6)
を用いる。ここで、PN及びεfは、それぞれ強誘電体の分極量と強誘電体の誘電率である。
Figure 2005322889
The calculation of the charge trapped at the interface can be performed using the hard ferroelectric approximation. That is,
D f = P N + ε f E f (6)
Is used. Here, P N and ε f are the polarization amount of the ferroelectric and the dielectric constant of the ferroelectric, respectively.

ここで、強誘電体が分極していない状態、すなわちPN=0であり、界面電荷がほぼゼロの状態、すなわちσ=0である場合を考える。この状態で、一方の電極に電圧パルスを印加することにより強誘電体を分極し、分極状態を記憶させる。これにより、パルス印加直後には、PN=P0、V=0となる。界面にパッシブ層が存在する場合、強誘電体が分極することにより、強誘電体中及びパッシブ層中には減極電界が発生する。 Here, consider a case where the ferroelectric is not polarized, that is, P N = 0, and the interface charge is almost zero, that is, σ = 0. In this state, the ferroelectric is polarized by applying a voltage pulse to one of the electrodes, and the polarization state is memorized. Thereby, immediately after the pulse application, P N = P 0 and V = 0. When a passive layer is present at the interface, a depolarized electric field is generated in the ferroelectric and the passive layer due to polarization of the ferroelectric.

強誘電体に印加される電界が比較的低い場合には、僅かなバックスイッチングが生じる。パッシブ層に高い電界が印加されると、パッシブ層を越える電荷の注入が生じ、界面に密度σの電荷がもたらされる。この電荷密度σを、分極状態での経過時間t及び界面における電荷蓄積の割合よりもバックスイッチングの割合が小さいときのP0の関数(σ(t,P0))として求める。すなわち、時間によらずPN=P0であることを仮定する。 When the electric field applied to the ferroelectric is relatively low, slight back switching occurs. When a high electric field is applied to the passive layer, charge injection beyond the passive layer occurs, resulting in a charge of density σ at the interface. This charge density σ is obtained as a function (σ (t, P 0 )) of P 0 when the back switching rate is smaller than the elapsed time t in the polarization state and the charge accumulation rate at the interface. That is, it is assumed that P N = P 0 regardless of time.

パッシブ層中の電界Eは、式(1),(2),(3),(6)に基づき、以下の関係を満たす。 Electric field E d of the passive layer is of the formula (1), based on (2), (3), (6), satisfy the following relationship.

Figure 2005322889
ここで、式(7),(8)は、強誘電体中における時間無依存の電気変位に相当する開回路の電気的条件を用いることにより得られる。式(9)は、V=0の状態、すなわちt=0である分極直後の状態に相当する。
Figure 2005322889
Here, equations (7) and (8) are obtained by using open circuit electrical conditions corresponding to time-independent electrical displacement in the ferroelectric. Equation (9) corresponds to a state of V = 0, that is, a state immediately after polarization where t = 0.

パッシブ層を越える電荷輸送が指数関数の方程式により記述されるものと考えると、電荷輸送方程式J(E)は、以下のように表される。   Assuming that charge transport across the passive layer is described by an exponential equation, the charge transport equation J (E) is expressed as follows:

Figure 2005322889
この式は、高電界下における誘電体の典型的な状態であるプール・フレンケル(Pool-Frenkel)伝導機構や熱イオン及び冷電界放出の場合をカバーするものである。
Figure 2005322889
This equation covers the Pool-Frenkel conduction mechanism, which is a typical state of a dielectric under a high electric field, and the case of thermionic and cold field emission.

ここで、変数   Where the variable

Figure 2005322889
を導入することにより、式(7)は、以下のように書き換えることができる。
Figure 2005322889
(7) can be rewritten as follows.

Figure 2005322889
ここで、τ及びγは、
Figure 2005322889
Where τ and γ are

Figure 2005322889
である。
Figure 2005322889
It is.

強誘電体膜とパッシブ層との界面にトラップされた電荷のみが強誘電体分極の束縛電荷を僅かに見えなくする場合、すなわちσ/P0≪1の場合、且つ、パッシブ層の状態が真に指数関数的である場合、すなわち1/|lnq|≪1の場合、これら小さなパラメータの精度内において式(12)の解は、以下のように表すことができる。 When only the charges trapped at the interface between the ferroelectric film and the passive layer make the bound charge of the ferroelectric polarization slightly invisible, that is, when σ / P 0 << 1, and the state of the passive layer is true If it is exponential, that is, if 1 / | lnq | << 1, the solution of equation (12) can be expressed as follows within the accuracy of these small parameters.

Figure 2005322889
ここで、τ0は、
Figure 2005322889
Where τ 0 is

Figure 2005322889
であり、qの初期値q(0)は、
Figure 2005322889
The initial value q (0) of q is

Figure 2005322889
である。
Figure 2005322889
It is.

式(5),(8),(11),(14)を用いることにより、電圧オフセットの時間依存は、以下のように求めることができる。   By using the equations (5), (8), (11), and (14), the time dependence of the voltage offset can be obtained as follows.

Figure 2005322889
したがって、パッシブ層の伝導方程式が指数関数型である場合、パッシブ層を越えるキャリア輸送に伴う減極電界による弱い補償が生じた場合の電圧オフセットは、普遍的な対数型の時間依存性を有することが導かれる。弱い補償は強誘電体キャパシタの実際の測定で観察されるものであり、σ≒P0であるような強い補償を観察するためには指数関数的に長い時間が必要である。
Figure 2005322889
Therefore, when the conduction equation of the passive layer is exponential, the voltage offset when the weak compensation due to the depolarized electric field accompanying carrier transport across the passive layer occurs has a universal logarithmic time dependence. Is guided. Weak compensation is observed in actual measurement of the ferroelectric capacitor, and it takes an exponentially long time to observe strong compensation such that σ≈P 0 .

電圧オフセットを表す式(15)は、2つのパラメータ、V0及びτ0のみによって制限される。これらパラメータは、対数的な電荷緩和の領域と、線形領域と対数的な緩和とのクロスオーバー時間とにおける「対数の傾き」を意味している。式(15),(16)及びこれら式中のパラメータにより、理論的予測の公式化が可能となる。 Equation (15) representing the voltage offset is limited only by two parameters, V 0 and τ 0 . These parameters mean the “logarithmic slope” in the logarithmic charge relaxation region and the crossover time between the linear region and logarithmic relaxation. Equations (15) and (16) and the parameters in these equations allow the formulation of theoretical predictions.

まず、強誘電体キャパシタにみられるインプリントは、片対数スケールでは線形的ではない。このような図に示される曲線は、時間とともにインプリントが加速されている印象を与える。しかしながら、現実には、緩和は、時間とともに遅くなっている。   First, the imprint found in ferroelectric capacitors is not linear on the semi-logarithmic scale. The curve shown in such a figure gives the impression that the imprint is accelerated over time. In reality, however, mitigation is slowing over time.

式(15)〜(17)により、プール・フレンケル伝導機構、熱イオン及び冷電界放出の場合におけるインプリントの温度依存性を求めることができる。理論的に予測される熱イオン放出及びプール・フレンケル伝導機構に関する依存性は、極めて似ている。   From equations (15) to (17), the temperature dependence of the imprint in the case of the Pool-Frenkel conduction mechanism, thermionic ions, and cold field emission can be obtained. The theoretically predicted dependence on thermionic emission and the Pool-Frenkel conduction mechanism is very similar.

熱イオン放出の場合、β=1/2であり、EthIn the case of thermionic emission, β = 1/2 and E th is

Figure 2005322889
である。ここで、κhは材料の光学的な誘電率、Tは温度、eは電子の電荷量、ε0は真空誘電率である。パラメータA及びαは、種々の電界インターバルにより異なる。電界がEthより大きいが臨界電界
DW = e(64πε0κh2μ4-1/3
よりも小さいとき、α=3/4であり、
Figure 2005322889
It is. Here, κ h is the optical dielectric constant of the material, T is the temperature, e is the charge amount of electrons, and ε 0 is the vacuum dielectric constant. Parameters A and α vary with different electric field intervals. Field is greater than E th critical field E DW = e (64πε 0 κ h m 2 μ 4) -1/3)
Is smaller than, α = 3/4,

Figure 2005322889
である。ここで、Φは電極とキャパシタ材料との界面におけるキャリアに対する電位障壁の高さ、mは電子質量、μはキャリア移動度、τconはE<Ethの時に生じる低電界伝導である。E>EDWであるような極めて高電界では、α=0であり、
Figure 2005322889
It is. Here, Φ is the height of the potential barrier against carriers at the interface between the electrode and the capacitor material, m is the electron mass, μ is the carrier mobility, and τ con is the low electric field conduction that occurs when E <E th . For very high electric fields such that E> EDW , α = 0,

Figure 2005322889
である。ここで、ARは、リチャードソン定数である。
Figure 2005322889
It is. Here, A R is a Richardson constant.

バルクの場合におけるプール・フレンケル伝導機構では、式(10),(18),(19)は、β=1/2、α=1、1〜2の間の値を有するファクターにより減じられたパラメータEthが与えられる。この場合、Φは、伝導を制御する捕獲中心の活性化エネルギーを意味する。 In the Pool-Frenkel conduction mechanism in the bulk case, equations (10), (18), (19) are parameters reduced by a factor having values between β = 1/2, α = 1, 1-2. E th is given. In this case, Φ means the activation energy of the trap center that controls conduction.

上記関係より、パッシブ層中における電荷転送が熱イオン放出又はプール・フレンケル伝導機構により制限される状況下においては、以下の式が成立することが判った。   From the above relationship, it has been found that the following equation holds in a situation where charge transfer in the passive layer is limited by thermionic emission or the Pool-Frenkel conduction mechanism.

Figure 2005322889
ここで、A0は弱い温度依存定数であり、Φ′はイメージフォースローアリング(image force lowering)により僅かに低減された活性化バリアである。
Figure 2005322889
Where A 0 is a weak temperature dependent constant and Φ ′ is an activation barrier slightly reduced by image force lowering.

これら関係及び式(15)により、インプリントの温度依存性は、線形的な電荷緩和の領域及び対数的な電荷緩和の領域とで極めて異なっていることが判る。線形的な領域、すなわちt≪τ0では、Voff∝V0/τ0の温度依存性は、パッシブ層の電荷輸送を担う伝導機構の活性化エネルギーと等しい活性化エネルギーに対して指数関数的となる。一方、対数的な領域、すなわちt≫τ0では、Voff∝V0(lnt−lnτ0)の明確な温度依存性が現れる。 From these relationships and equation (15), it can be seen that the temperature dependence of imprint is very different between the linear charge relaxation region and the logarithmic charge relaxation region. Linear region, i.e. the T«tau 0, the temperature dependency of V off αV 0 / τ 0 exponentially with respect to activation energy equal to the activation energy of the conduction mechanism responsible for charge transport in the passive layer It becomes. On the other hand, in a logarithmic region, that is, t >> τ 0 , a clear temperature dependence of V off ∝V 0 (lnt−lnτ 0 ) appears.

[実施形態]
本発明の一実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法について図2乃至図18を用いて説明する。
[Embodiment]
A method for measuring a ferroelectric capacitor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図2は本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法を示すフローチャート、図3は本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法に用いた測定回路及び測定波形を示す図、図4は本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法に用いるアクティブプローブの形状を示す概略図、図5はステップS11において用いる測定用のパルス列を示す図、図6はステップS11にて測定されるスイッチングカーブを示すグラフ、図7はステップS12及びステップS14において用いる測定用のパルス列を示す図、図8は分極量の減少値ΔPの時間依存性を示すグラフ、図9はオフセット電圧Voffの時間依存性を示すグラフ、図10はパラメータτ0の温度依存性を示すグラフ、図11は反転分極量PSWの時間依存性を示すグラフ、図12は反転分極量PSWの時間依存性を示すグラフ、図13は反転分極量PSW及び強誘電体膜に印加される電圧Vの時間依存性を示すグラフ、図14はリファレンスキャパシタのサイズの設定方法を示す図、図15はディスクリートキャパシタのヒステリシスループを測定した結果を示すグラフ、図16はアレイキャパシタのヒステリシスループを測定した結果を示すグラフ、図17はディスクリートキャパシタ及びアレイキャパシタにおける分極量の減少値ΔPの時間依存性を示すグラフ、図18はディスクリートキャパシタ及びアレイキャパシタにおけるオフセット電圧Voffの時間依存性を示すグラフである。 FIG. 2 is a flowchart showing a method for measuring a ferroelectric capacitor according to the present embodiment, FIG. 3 is a diagram showing a measurement circuit and measurement waveforms used in the method for measuring a ferroelectric capacitor according to the present embodiment, and FIG. 4 shows the embodiment. FIG. 5 is a schematic diagram showing the shape of an active probe used in the ferroelectric capacitor measurement method according to FIG. 5, FIG. 5 is a diagram showing a pulse train for measurement used in step S11, and FIG. 6 is a graph showing a switching curve measured in step S11. FIG. 7 is a diagram showing a measurement pulse train used in steps S12 and S14, FIG. 8 is a graph showing the time dependence of the polarization amount decrease value ΔP, and FIG. 9 is a graph showing the time dependence of the offset voltage V off , 10 is a graph showing the temperature dependence of the parameter τ 0 , FIG. 11 is a graph showing the time dependence of the reverse polarization amount P SW , and FIG. 12 is an inversion. 13 is a graph showing the time dependency of the polarization amount P SW , FIG. 13 is a graph showing the time dependency of the reverse polarization amount P SW and the voltage V applied to the ferroelectric film, and FIG. 14 is a method for setting the size of the reference capacitor. FIG. 15 is a graph showing the result of measuring the hysteresis loop of the discrete capacitor, FIG. 16 is a graph showing the result of measuring the hysteresis loop of the array capacitor, and FIG. 17 is a decrease value ΔP of the polarization amount in the discrete capacitor and the array capacitor. FIG. 18 is a graph showing the time dependency of the offset voltage V off in the discrete capacitor and the array capacitor.

本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法では、図2に示すフローチャートに従い、インプリントの測定及び予測を行う。   In the ferroelectric capacitor measuring method according to the present embodiment, imprint measurement and prediction are performed according to the flowchart shown in FIG.

すなわち、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法は、反転分極量PSWと印加電圧Vとの関係を測定するステップ(ステップS11)と、強誘電体キャパシタを初期化するステップ(ステップS12)と、強誘電体キャパシタにストレスを印加するステップ(ステップS13)と、反転分極量PSWを測定するとともに分極状態をリセットするステップ(ステップS14)と、オフセット電圧Voffを計算するステップ(ステップS15)と、τ0を計算するステップ(ステップS16)と、反転分極量PSWとベーク時間との関係すなわちインプリントを予測するステップ(ステップS17)とを有する。 That is, in the method for measuring a ferroelectric capacitor according to the present embodiment, the step of measuring the relationship between the inversion polarization amount P SW and the applied voltage V (step S11) and the step of initializing the ferroelectric capacitor (step S12). If, in step (step S13) of applying a stress to the ferroelectric capacitor, a step of resetting the polarization state while measuring the inverted polarization amount P SW (step S14), and step (step S15 of calculating the offset voltage V off ), A step of calculating τ 0 (step S16), and a step of predicting the relationship between the inversion polarization amount P SW and the baking time, that is, imprint (step S17).

以下、各ステップに沿って、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法を詳述する。なお、以下の説明において使用する具体的な測定データは、RIEにより上部電極を15×15μm2のサイズに加工した強誘電体キャパシタを用いたものである。 Hereinafter, the method for measuring a ferroelectric capacitor according to the present embodiment will be described in detail along each step. Note that the specific measurement data used in the following description uses a ferroelectric capacitor in which the upper electrode is processed to a size of 15 × 15 μm 2 by RIE.

(ステップS11)
ステップS11では、反転分極量PSWと印加電圧との関係を示す特性曲線(スイッチングカーブ)を測定する。
(Step S11)
In step S11, a characteristic curve (switching curve) indicating the relationship between the amount of inversion polarization PSW and the applied voltage is measured.

測定には、図3(a)に示すソーヤタワー回路を用いることができる。ソーヤタワー回路は、測定対象の強誘電体キャパシタCと負荷抵抗RL(シャント抵抗ともいう)とが直列接続され、直列接続された強誘電体キャパシタCと負荷抵抗RLとの両端に、正負のパルスを発生するパルスジェネレータ20が接続されたものである。負荷抵抗RLの両端にはデジタルストレージオシロスコープ(DSO)22が接続されている。 For the measurement, a Soya tower circuit shown in FIG. 3A can be used. Sawyer tower circuit includes a ferroelectric capacitor C and the load resistance R L of the measurement target (also referred to as a shunt resistor) are connected in series, both ends of the ferroelectric capacitor C connected in series with the load resistor R L, the positive and negative The pulse generator 20 for generating the pulse is connected. A digital storage oscilloscope (DSO) 22 is connected to both ends of the load resistor RL .

強誘電体キャパシタCに注入される電荷量は、DSC22に組み込まれた数学的関数を用い、キャパシタに電圧を印加した際に抵抗を通して流れる電荷を積分することにより計算することができる。   The amount of charge injected into the ferroelectric capacitor C can be calculated by integrating the charge flowing through the resistor when a voltage is applied to the capacitor, using a mathematical function built into the DSC 22.

例えば、パルスジェネレータ20により、例えば図3(b)に示すような3Vの大きさの負のパルス24を印加すると、負荷抵抗RLには図示するような電圧VLが印加される。そして、強誘電体キャパシタCに注入される電荷は、DSO22により、例えば図3(c)に示すような波形として観察される。 For example, when a negative pulse 24 having a magnitude of 3V as shown in FIG. 3B is applied by the pulse generator 20, a voltage V L as shown is applied to the load resistor R L. Then, the charge injected into the ferroelectric capacitor C is observed by the DSO 22 as a waveform as shown in FIG.

通常、負荷抵抗Rは、スイッチング電流を測定するためのアクティブプローブに接続されている。しかしながら、強誘電体キャパシタの測定においては、S/N比を改善するために回路容量を減らすことのみならず、リンギングの原因となる回路インピーダンスの不整合を減らすことは重要である。 Usually, the load resistance RL is connected to an active probe for measuring the switching current. However, in measuring a ferroelectric capacitor, it is important not only to reduce the circuit capacitance in order to improve the S / N ratio, but also to reduce the mismatch of the circuit impedance that causes ringing.

そこで、図4に示すように、負荷抵抗Rをアクティブプローブ30のプローブチップに集積化することが望ましい。図4において、負荷抵抗Rは、アクティブプローブ30のプローブピン32とグラウンドピン34との間にはんだ付けされている。この改善により、S/N比が向上し、より正確な測定を行うことができる。S/N比を向上するためには、プローブピン32とグラウンドピン34との間隔が1cm以下の場所に負荷抵抗Rを接続することが望ましい。 Therefore, as shown in FIG. 4, it is desirable to integrate the load resistance RL on the probe chip of the active probe 30. In FIG. 4, the load resistance RL is soldered between the probe pin 32 and the ground pin 34 of the active probe 30. By this improvement, the S / N ratio is improved and more accurate measurement can be performed. In order to improve the S / N ratio, it is desirable to connect the load resistor RL at a place where the distance between the probe pin 32 and the ground pin 34 is 1 cm or less.

ステップS11では、図5に示す3つのパルスからなるパルス列を用いて測定を行う。すなわち、負方向の電界を印加するパルスNと、正方向の電界を印加するパルスPと、負方向の電界を印加するパルスN2とを用いる。なお、本願明細書において、電圧の印加方向は、下部電極側を基準とする。 In step S11, measurement is performed using a pulse train composed of three pulses shown in FIG. That is, a pulse N for applying a negative electric field, a pulse P for applying a positive electric field, and a pulse N 2 for applying a negative electric field are used. In the present specification, the voltage application direction is based on the lower electrode side.

パルスN、パルスP及びパルスN2のライズタイム/幅は、それぞれ、30/130ns、30/230ns、30/130nsであり、各パルス間のディレイタイムは1秒である。パルスN及びパルスN2の大きさは4Vであり、与えられたパルス間隔で完全な分極反転を行うことが可能な大きさである。パルスPは、0.1Vステップで、0.1Vから4Vまで順次昇圧される。 The rise times / widths of the pulse N, the pulse P, and the pulse N 2 are 30/130 ns, 30/230 ns, and 30/130 ns, respectively, and the delay time between the pulses is 1 second. The magnitudes of the pulse N and the pulse N 2 are 4 V, and are such a magnitude that complete polarization reversal can be performed at a given pulse interval. The pulse P is boosted sequentially from 0.1V to 4V in steps of 0.1V.

パルスNは、強誘電体キャパシタCをプリセットするためのパルスであり、パルスNの印加により、強誘電体キャパシタCは負方向に分極される。パルスPは、パルスPの大きさに応じて、部分的に或いは完全に分極を反転するためのパルスである。パルスN2は、反転分極量PSWを測定するためのパルスである。すなわち、PSWは、
SW,P(0.1-4V) = N4V,P(0.1-4V)−D4V (23)
として表される。なお、式(23)の右辺は、図3(c)のN−Dの電荷量に相当する。
The pulse N is a pulse for presetting the ferroelectric capacitor C. By applying the pulse N, the ferroelectric capacitor C is polarized in the negative direction. The pulse P is a pulse for reversing the polarization partially or completely according to the magnitude of the pulse P. The pulse N 2 is a pulse for measuring the inversion polarization amount P SW . That is, P SW is
P SW, P (0.1-4V) = N 4V, P (0.1-4V) −D 4V (23)
Represented as: Note that the right side of the equation (23) corresponds to the ND charge amount in FIG.

なお、本実施形態では、主として反転分極量(PSW=N−D)の測定に関して述べるが、反転分極量の測定の際にはN及びDも測定される。したがって、反転分極量の測定と同時に非反転分極量(=D)も測定される。 In the present embodiment, the measurement of the amount of reversed polarization (P SW = ND) is mainly described, but N and D are also measured when measuring the amount of reversed polarization. Accordingly, the non-inverted polarization amount (= D) is also measured simultaneously with the measurement of the inversion polarization amount.

上記パルス列を、パルスPを順次昇圧しながら繰り返し印加し、分極反転量PSWを測定する。これにより、反転分極量PSWと印加電圧V(パルスPの大きさ)との関係を測定することができる。なお、本願発明者が測定したところ、この測定におけるPSWの測定誤差は、標準偏差で±0.6μC/cm2であった。 The above pulse train is repeatedly applied while sequentially raising the pulse P, and the polarization inversion amount P SW is measured. Thereby, the relationship between the inversion polarization amount P SW and the applied voltage V (the magnitude of the pulse P) can be measured. Incidentally, when the present inventors have measured, a measurement error of P SW in this measurement was ± 0.6μC / cm 2 with a standard deviation.

図6は、上記手順により測定したスイッチングカーブである。図6のスイッチングカーブでは、約0.8V〜1.9Vの間でほぼ直線的なプロファイル(図中、「線形領域」と示す)を示しており、約2.7V以上でほぼ平坦なプロファイル(図中、「平坦領域」と示す)を示している。スイッチングカーブのこのような振る舞いは、測定結果の解釈上、極めて重要である。   FIG. 6 is a switching curve measured by the above procedure. The switching curve of FIG. 6 shows a substantially linear profile (shown as a “linear region” in the figure) between about 0.8 V and 1.9 V, and a substantially flat profile at about 2.7 V or more ( In the figure, it is indicated as “flat region”. Such behavior of the switching curve is extremely important in interpreting the measurement results.

(ステップS12)
ステップS12は、強誘電体キャパシタCを初期化するためのステップである。
(Step S12)
Step S12 is a step for initializing the ferroelectric capacitor C.

本ステップでは、図7に示す4つのパルスからなるパルス列を用い、強誘電体キャパシタに初期状態としての分極状態を記憶する。すなわち、パルス列としては、正方向の電界を印加するパルスPと、負方向の電界を印加するパルスNと、正方向の電界を印加するパルスP1.8と、負方向の電界を印加するパルスN2とを用いる。 In this step, the pulse state consisting of four pulses shown in FIG. 7 is used, and the polarization state as the initial state is stored in the ferroelectric capacitor. That is, the pulse train includes a pulse P for applying a positive electric field, a pulse N for applying a negative electric field, a pulse P 1.8 for applying a positive electric field, and a pulse N 2 for applying a negative electric field. And are used.

パルスP、パルスN、パルスP1.8及びパルスN2のライズタイム/幅は、それぞれ、30/130ns、30/130ns、30/230ns、30/130nsであり、パルス間のディレイタイムは1秒である。パルスP、パルスN及びパルスN2の大きさは3Vであり、パルスP1.8の大きさは1.8Vである。これら電圧の大きさは、図6のスイッチングカーブにおいて、平坦領域のより低電圧側の所定値、線形領域のより高電圧側の所定値を選択したものであり、強誘電体キャパシタの特性に応じて適宜設定される。 The rise times / widths of pulse P, pulse N, pulse P 1.8 and pulse N 2 are 30/130 ns, 30/130 ns, 30/230 ns and 30/130 ns, respectively, and the delay time between pulses is 1 second. . The magnitude of the pulse P, the pulse N, and the pulse N 2 is 3V, and the magnitude of the pulse P 1.8 is 1.8V. The magnitudes of these voltages are obtained by selecting a predetermined value on the lower voltage side of the flat region and a predetermined value on the higher voltage side of the linear region in the switching curve of FIG. 6, and depending on the characteristics of the ferroelectric capacitor. Is set as appropriate.

上記パルス列を印加することによる初期状態の反転分極量N2,initial(t=0)は、上記パルスN2を印加したときの反転分極量として記録される。 The inversion polarization amount N 2, initial (t = 0) in the initial state by applying the pulse train is recorded as the inversion polarization amount when the pulse N 2 is applied.

(ステップS13)
ステップS13は、ステップS12において負に分極した状態とされた強誘電体キャパシタに、インプリントすなわちインプリントに起因するオフセット電圧Voffを発生させるためのものである。インプリントの導入には、信頼性試験における加速試験等に用いられているような、熱的及び時間的なストレスを印加する手法を用いることができる。
(Step S13)
Step S13 is for generating an imprint, that is, an offset voltage V off resulting from the imprint, in the ferroelectric capacitor that has been negatively polarized in step S12. For the introduction of imprinting, a method of applying thermal and temporal stress as used in an acceleration test or the like in a reliability test can be used.

ストレスは、例えば、85℃、120℃、150℃或いは室温で、所定の時間、放置することにより印加される。昇温は、ホットプレート上でベークすることにより行うことができる。なお、熱ストレスは、実デバイスにおいて動作保証が必要とされる温度範囲、例えば−45〜250℃の範囲で印加されることが望ましい。   The stress is applied, for example, by leaving at 85 ° C., 120 ° C., 150 ° C. or room temperature for a predetermined time. The temperature can be raised by baking on a hot plate. The thermal stress is preferably applied in a temperature range in which operation guarantee is required in an actual device, for example, in the range of −45 to 250 ° C.

なお、本願発明者が行った評価では、室温、85℃、120℃及び150℃の温度で、36〜1000分間(6週間)、ストレスを印加した。   In the evaluation performed by the present inventor, stress was applied at room temperature, 85 ° C., 120 ° C., and 150 ° C. for 36 to 1000 minutes (6 weeks).

(ステップS14)
ステップS14では、ストレス印加後における分極反転量を測定するとともに、更なるストレス印加のために分極状態をリセットする。
(Step S14)
In step S14, the amount of polarization reversal after stress application is measured, and the polarization state is reset for further stress application.

本ステップでは、ステップS12で用いたと同じ4つのパルスを有するパルス列(図7)を用い、図3(a)のソーヤタワー回路により、強誘電体キャパシタCの反転分極量の測定を行う。すなわち、第4のパルスN2を印加することにより、ストレス印加後の反転分極量N2,bake(t>0)を測定して記録する。パルスN2の印加後は、強誘電体キャパシタCは、負に分極した状態にリセットされる。 In this step, the amount of inversion polarization of the ferroelectric capacitor C is measured by the Soya tower circuit of FIG. 3A using the same pulse train (FIG. 7) having the same four pulses used in step S12. That is, by applying the fourth pulse N 2 , the reversal polarization amount N 2, bake (t> 0) after applying the stress is measured and recorded. After application of the pulse N 2 is ferroelectric capacitor C is reset to the polarization state on the negative.

この測定により、ストレス印加による分極量の減少値ΔPは、
ΔP = N2,initial(t=0) − N2,bake(t>0) (24)
から算出することができる。
By this measurement, the decrease value ΔP of the polarization amount due to the stress application is
ΔP = N 2, initial (t = 0) − N 2, bake (t> 0) (24)
It can be calculated from

次いで、必要に応じてステップS13とステップS14とを適宜繰り返すことにより、分極量の減少値ΔPの時間依存を測定する。   Next, step S13 and step S14 are repeated as necessary to measure the time dependence of the polarization amount decrease value ΔP.

インプリント測定を正確に行う上での問題の一つは、強誘電体キャパシタのリテンション特性の影響である。すなわち、昇温ベークにおける熱的な減極により、分極量は部分的にバックスイッチされるため、ベーク直後のパルスにより測定される分極量が減少する。   One of the problems in performing imprint measurement accurately is the influence of the retention characteristics of the ferroelectric capacitor. In other words, the amount of polarization is partially back-switched due to the thermal depolarization in the temperature rising bake, so that the amount of polarization measured by the pulse immediately after baking is reduced.

そこで、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法では、ベークによるリテンションロスを取り除き、純粋なインプリントを測定するために、分極量の測定の前に、パルスP及びパルスNの2つのパルスを用いて予め分極する。この点、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法は、リテンションロスとインプリントとが混合して測定される従来の測定方法とは異なっている。   Therefore, in the method for measuring a ferroelectric capacitor according to the present embodiment, in order to remove the retention loss due to baking and measure a pure imprint, two pulses of a pulse P and a pulse N are measured before measuring the polarization amount. Use to pre-polarize. In this regard, the ferroelectric capacitor measuring method according to the present embodiment is different from the conventional measuring method in which the retention loss and the imprint are mixed and measured.

なお、本願発明者は、このような付加的な反転パルスを室温で加えることは、オフセット電圧Voffの測定値に影響を与えないことを確認している。 The inventor of the present application has confirmed that applying such an additional inversion pulse at room temperature does not affect the measured value of the offset voltage V off .

(ステップS15)
ステップS15では、算出した分極量の減少値ΔPに基づき、オフセット電圧Voffを計算する。
(Step S15)
In step S15, the offset voltage V off is calculated based on the calculated decrease amount ΔP of the polarization amount.

一般に、N2,bakeは、インプリントによって強誘電体キャパシタ中に発生するオフセット電圧Voffのために、N2,initialよりも低くなることが予測される。このオフセット電圧Voffのために、強誘電体に印加される実際の電圧は、第3のパルスP1.8では1.8V−Voff、第4のパルスN2では3V+Voffとなる。 In general, N 2, bake is expected to be lower than N 2, initial due to the offset voltage V off generated in the ferroelectric capacitor by imprinting. Due to this offset voltage V off, the actual voltage applied to the ferroelectric is 1.8 V-V off for the third pulse P 1.8 and 3 V + V off for the fourth pulse N 2 .

図6に示すように、印加電圧Vが3V以上ではスイッチングカーブは飽和しているので、3Vから3V+Voffへの変化は、反転分極量の測定値にはほとんど影響しない。一方、反転分極量は1.8V以下の電圧に強く依存するため、1.8Vから1.8V−Voffへの電圧変化は、反転分極量(或いは分極量の減少値ΔP)の大幅な変化をもたらす。 As shown in FIG. 6, since the switching curve is saturated when the applied voltage V is 3 V or more, the change from 3 V to 3 V + V off has little influence on the measured value of the inversion polarization. On the other hand, since the amount of inversion polarization strongly depends on a voltage of 1.8 V or less, a voltage change from 1.8 V to 1.8 V-V off is a significant change in the amount of inversion polarization (or a decrease value ΔP of the amount of polarization). Bring.

図6より、オフセット電圧Voffの関数としての変数ΔPは、オフセット電圧Voffとして1Vを越えないという妥当な値を仮定すると、線形近似することができる。したがって、測定した分極量の減少値ΔPは、直ちに電圧オフセットVoffに変換することができる。図6より、回帰直線の傾きの逆数として計算される変換係数は0.041Vcm2/μCと求められるので、変換式は以下の通りとなる。 From FIG. 6, the variable ΔP as a function of the offset voltage V off, assuming a reasonable value of not exceeding 1V as the offset voltage V off, can be linearly approximated. Therefore, the measured decrease amount ΔP of the polarization amount can be immediately converted into the voltage offset V off . From FIG. 6, the conversion coefficient calculated as the reciprocal of the slope of the regression line is determined to be 0.041 Vcm 2 / μC, so the conversion formula is as follows.

off = 0.041 × ΔP (25)
なお、それぞれの実験ポイントは、5つ以上の強誘電体キャパシタにおける測定値の平均値から算出した。算出値の誤差は、標準偏差で±0.6μC/cm2であった。これは、ステップS11における反転分極量の測定誤差と同程度である。
V off = 0.041 × ΔP (25)
Each experimental point was calculated from an average value of measured values in five or more ferroelectric capacitors. The error of the calculated value was ± 0.6 μC / cm 2 in standard deviation. This is about the same as the measurement error of the amount of inversion polarization in step S11.

このようにして求められるオフセット電圧Voffには、ストレス印加の際のリテンションロス等は混合されておらず、ストレス印加後のインプリントを表す正確なパラメータである。 The offset voltage V off obtained in this way is an accurate parameter representing imprint after the stress is applied without the retention loss or the like when the stress is applied.

(ステップS16)
ステップS16では、ステップS15までの測定結果に基づき、パラメータτ0を算出する。パラメータτ0は、Voff−時間曲線を表す式(15)のパラメータとして算出することができる。
(Step S16)
In step S16, parameter τ 0 is calculated based on the measurement results up to step S15. The parameter τ 0 can be calculated as a parameter of Expression (15) representing the V off -time curve.

図8は、ステップS14の測定を異なる温度で行った場合における分極量の減少値ΔPの時間変化を示すグラフである。前述の通り、分極量の減少値ΔPとオフセット電圧Voffとは式(25)の関係を有するため、図8に示すΔP−時間曲線は、図9に示すVoff−時間曲線に直ちに変換することができる。 FIG. 8 is a graph showing the change over time in the decrease value ΔP of the polarization amount when the measurement in step S14 is performed at different temperatures. As described above, since the decrease amount ΔP of the polarization amount and the offset voltage V off have the relationship of Expression (25), the ΔP-time curve shown in FIG. 8 is immediately converted to the V off -time curve shown in FIG. be able to.

図9において、データポイントは実験データを表し、実線は式(15)を用いたフィッティングカーブを表す。図9から明らかなように、式(15)は、表1に示すフィッティングパラメータを用いることにより、4つの異なる温度における測定データとよく一致する。なお、パラメータτ0は、図8のΔP−時間曲線の回帰直線が時間軸と交差する点に一致する。 In FIG. 9, data points represent experimental data, and solid lines represent fitting curves using Equation (15). As is apparent from FIG. 9, the equation (15) is in good agreement with the measurement data at four different temperatures by using the fitting parameters shown in Table 1. The parameter τ 0 matches the point where the regression line of the ΔP-time curve in FIG. 8 intersects the time axis.

Figure 2005322889
非線型インプリントの理論(式(22))から予測されるパラメータτ0の活性化エネルギーの温度依存性は、理論の正当性を検証するための最も重要なポイントの一つである。この検証は、図10に示すτ0と1/Tとの関係を表すグラフにより行うことができる。なお、図10では、温度の逆数(1/T)は、エネルギーの単位(eV-1)によりプロットしている。
Figure 2005322889
The temperature dependence of the activation energy of the parameter τ 0 predicted from the theory of nonlinear imprint (formula (22)) is one of the most important points for verifying the correctness of the theory. This verification can be performed by a graph showing the relationship between τ 0 and 1 / T shown in FIG. In FIG. 10, the reciprocal of temperature (1 / T) is plotted in units of energy (eV −1 ).

図10のプロットは、式(22)に一致する線形関係を示しており、この直線の傾きから求められる活性化エネルギーは、0.27eVと算出された。この値は、ショットキー注入の場合の低下した界面バリア、又はプール・フレンケル伝導機構における捕獲中心の活性化エネルギーに相当する。いずれのメカニズムにおいても、得られた活性化エネルギーの値は妥当なものである。   The plot in FIG. 10 shows a linear relationship that agrees with Equation (22), and the activation energy obtained from the slope of this straight line was calculated to be 0.27 eV. This value corresponds to a reduced interface barrier in the case of Schottky injection, or the activation energy of the trap center in the Pool-Frenkel conduction mechanism. In any mechanism, the obtained activation energy value is reasonable.

このように、本実施形態の強誘電体キャパシタの測定方法による測定結果は、上述の非線型インプリントの理論に良く一致していることが判る。   Thus, it can be seen that the measurement results obtained by the ferroelectric capacitor measurement method of the present embodiment are in good agreement with the above-described nonlinear imprint theory.

(ステップS17)
本ステップでは、ステップS16までの測定結果に基づき、強誘電体キャパシタにおけるインプリントの予測、すなわち反転分極量PSWとベーク時間との関係を予測する。
(Step S17)
In this step, based on the measurement results up to step S16, the imprint prediction in the ferroelectric capacitor, that is, the relationship between the amount of inversion polarization PSW and the baking time is predicted.

式(15)を表1のパラメータを用いてフィッティングしたときの相関係数は0.99と極めて高く、本発明のモデルが、特にベークしたサンプルにおいて正確にデータにフィットすることが判った。したがって、長期間の分極状態保持によるインプリントは、図9に示すVoff−時間曲線を、式(15)及び表1のパラメータを用いて長時間方向に外挿することにより、正確に予測されることが期待できる。 When the equation (15) was fitted using the parameters shown in Table 1, the correlation coefficient was extremely high at 0.99, and it was found that the model of the present invention accurately fits the data particularly in the baked sample. Therefore, imprinting due to long-term polarization state retention is accurately predicted by extrapolating the V off -time curve shown in FIG. 9 in the long-time direction using the parameters of Equation (15) and Table 1. Can be expected.

図11は、図9に示すVoff−時間曲線のフィッティングカーブに基づいて算出したPSW−時間曲線である。グラフの作成にあたっては、図9のフィッティングカーブを外挿して電圧オフセットVoffの予測値を算出し、この予測値を用いて式(25)により分極量の減少値ΔPを算出し、分極量の減少値ΔPから反転分極量PSWを逆算した。 FIG. 11 is a P SW -time curve calculated based on the V off -time curve fitting curve shown in FIG. In creating the graph, the predicted value of the voltage offset V off is calculated by extrapolating the fitting curve of FIG. 9, and the decrease value ΔP of the polarization amount is calculated by Equation (25) using this predicted value, and the polarization amount is calculated. The reverse polarization amount P SW was calculated backward from the decrease value ΔP.

150℃において10年(104.9時間)経過した後の強誘電体キャパシタCでは、電圧オフセットVoffが約0.9Vに増加する。したがって、強誘電体キャパシタCを3Vパルスで分極反転する場合、強誘電体が感じる実際の電圧は2.1Vとなる。この場合の反転分極量PSWは、図6のスイッチングカーブにより、初期値の35.4μC/cm2から約31.6μC/cm2に変化することが判る。これは、この場合のインプリントによる分極量の純粋な減少値が約11%であることを意味している。 In the ferroelectric capacitor C after 10 years (10 4.9 hours) at 150 ° C., the voltage offset V off increases to about 0.9V. Therefore, when the polarization of the ferroelectric capacitor C is reversed with a 3V pulse, the actual voltage felt by the ferroelectric is 2.1V. It can be seen that the amount of inversion polarization P SW in this case changes from the initial value of 35.4 μC / cm 2 to about 31.6 μC / cm 2 according to the switching curve of FIG. This means that the pure decrease value of the polarization amount by imprinting in this case is about 11%.

150℃の場合に反転分極量PSWをN成分とD成分に分けて別々にプロットすると、図12に示すように、反転分極量PSWの減少は、N成分の減少が主な原因であることが判る。なお、N成分及びD成分は、図3(c)のN,Dに相当する。 When the inversion polarization amount P SW is divided into N component and D component and plotted separately at 150 ° C., as shown in FIG. 12, the decrease in the inversion polarization amount P SW is mainly caused by the decrease in the N component. I understand that. Note that the N component and the D component correspond to N and D in FIG.

図13は、反転分極量と強誘電体に印加される電圧のベーク時間依存性を示すグラフである。図13(a)は85℃でベークした場合であり、図13(b)は150℃でベークした場合である。   FIG. 13 is a graph showing the dependence of the amount of inversion polarization and the voltage applied to the ferroelectric on the baking time. FIG. 13A shows a case of baking at 85 ° C., and FIG. 13B shows a case of baking at 150 ° C.

各グラフにおいて、強誘電体への印加電圧Vは、パルスジェネレータにより印加される3Vパルスから、図9のフィッティングカーブから予測されるオフセット電圧Voffを差し引くことにより計算した。 In each graph, the applied voltage V to the ferroelectric was calculated by subtracting the offset voltage Voff predicted from the fitting curve of FIG. 9 from the 3V pulse applied by the pulse generator.

図示するように、強誘電体に印加される電圧Vは、対数スケールの時間軸に対して直線的に減少する。ベーク温度が85℃の場合、反転分極量PSWは、電圧Vが約2.7Vまではほぼ一定であるが、電圧Vが約2.7Vよりも下降すると減少する。一方、ベーク温度が150℃の場合、時間の増加に伴い、強誘電体に印加される電圧V及び分極反転量PSWは、85℃の場合よりも速い速度で減少する。 As shown in the figure, the voltage V applied to the ferroelectric decreases linearly with respect to the logarithmic scale time axis. When the baking temperature is 85 ° C., the inversion polarization amount P SW is substantially constant until the voltage V is about 2.7 V, but decreases when the voltage V falls below about 2.7 V. On the other hand, when the baking temperature is 150 ° C., the voltage V and the polarization inversion amount P SW applied to the ferroelectric decrease at a faster rate than the case of 85 ° C. as the time increases.

図13の結果から、温度が高くなるほどにオフセット電圧Voffの変化分も増大し、ストレス時間に対する分極量ロスを加速することが判る。500時間後のオフセット電圧Voffを比較し、これを室温の状態に正規化することにより、オフセット電圧Voffの加速因子AFは、以下の式により算出することができる。 From the results of FIG. 13, it can be seen that the change in the offset voltage Voff increases as the temperature increases, and the polarization loss with respect to the stress time is accelerated. By comparing the offset voltage V off after 500 hours and normalizing it to a room temperature state, the acceleration factor AF of the offset voltage V off can be calculated by the following equation.

AF = Voff(所定温度,500時間)/Voff(25℃,500時間) (26)
このようにしてオフセット電圧Voffの加速因子AFを求めた結果、25℃,85℃,120℃,150℃における加速因子AFは、それぞれ、1.0,2.1,2.7,3.2であった。ストレス暴露温度を増加すると、加速因子AFは85℃で2倍になり、150℃では3倍ほどにもなる。これら結果から、温度がオフセット電圧Voff及び室温のときと比較したインプリントを加速することが証明された。
AF = V off (predetermined temperature, 500 hours) / V off (25 ° C, 500 hours) (26)
As a result of obtaining the acceleration factor AF of the offset voltage V off in this way, the acceleration factors AF at 25 ° C., 85 ° C., 120 ° C., and 150 ° C. are 1.0, 2.1, 2.7, and 3. 2. When the stress exposure temperature is increased, the acceleration factor AF doubles at 85 ° C. and triples at 150 ° C. From these results, it was proved that the imprint was accelerated compared with the case where the temperature was the offset voltage V off and the room temperature.

上述した通り、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法を用いることにより、ストレス印加の際のリテンションロスを排除しつつ、ストレス印加後のインプリントを正確に測定することができ、長期間の分極状態保持によるインプリントの予測も正確に行うことができる。インプリントの正確な予測は、FeRAMに蓄積した情報を読み出す際に用いられるリファレンスレベルを設定するうえで、極めて有用である。   As described above, by using the ferroelectric capacitor measurement method according to the present embodiment, it is possible to accurately measure the imprint after the stress application while eliminating the retention loss during the stress application. Prediction of imprinting by maintaining the polarization state can also be performed accurately. Accurate prediction of imprint is extremely useful for setting a reference level used when reading information stored in FeRAM.

図14は、FeRAMのビット線電圧Vsigの時間変化を示すグラフである。図14(a)は“0”状態でストレスを印加した場合を示し、図14(b)は“1”状態でストレスを印加した場合を示している。各図において、「“1”−Data」は“1”を読み出す際のビット線電圧Vsigであり、「“0”−Data」は“0”を読み出す際のビット線電圧Vsigである。ビット線電圧Vsigが時間経過により変化しているのは、インプリントの影響である。なお、図14(a)及び図14(b)中において、(P)は反転分極量に相当する電圧であることを意味し、(U)は非反転分極量に相当する電圧であることを意味している。 FIG. 14 is a graph showing temporal changes in the bit line voltage V sig of FeRAM. FIG. 14A shows a case where stress is applied in the “0” state, and FIG. 14B shows a case where stress is applied in the “1” state. In each figure, ““ 1 ”-Data” is the bit line voltage V sig when reading “1”, and ““ 0 ”-Data” is the bit line voltage V sig when reading “0”. The bit line voltage V sig changes over time due to imprinting. In FIGS. 14A and 14B, (P) means a voltage corresponding to the amount of inversion polarization, and (U) means a voltage corresponding to the amount of non-inversion polarization. I mean.

図14に示すグラフは、上述した測定方法及びモデルを用いることにより算出することができる。したがって、このグラフを元にしてリファレンスキャパシタのサイズを設定することにより、長期間(例えば10年以上)の分極状態保持によるインプリントが生じても誤読み出しが生じないレベルに、リファレンスレベル(Reference)を設定することが可能となる。リファレンスレベルは、FeRAMの十分なオペレーションマージンを確保するために、(P)と(U)との間の間隔が等しくなるように設定することが望ましい。   The graph shown in FIG. 14 can be calculated by using the measurement method and model described above. Therefore, by setting the size of the reference capacitor based on this graph, the reference level (Reference) is set to a level that does not cause erroneous reading even if imprinting due to polarization state maintenance for a long time (for example, 10 years or more) occurs. Can be set. The reference level is desirably set so that the intervals between (P) and (U) are equal in order to ensure a sufficient operation margin of FeRAM.

次に、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法について、実際のFeRAMキャパシタへの適用可能性を検証した結果を示す。   Next, the result of verifying the applicability of the ferroelectric capacitor measuring method according to the present embodiment to an actual FeRAM capacitor will be shown.

以上の説明では、面積15×15μmのディスクリートキャパシタにおける測定結果について示した。しかしながら、実際のFeRAMでは、例えば面積2μmのキャパシタを2次元アレイ状に配置して構成されているため、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法を実際のFeRAMキャパシタの測定に適用できるかは明らかではない。そこで、FeRAMアレイキャパシタについて、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法を検証した。 In the above description, the measurement results for a discrete capacitor having an area of 15 × 15 μm 2 are shown. However, since the actual FeRAM is configured by arranging capacitors having an area of 2 μm 2 in a two-dimensional array, for example, can the method of measuring the ferroelectric capacitor according to the present embodiment be applied to the actual measurement of the FeRAM capacitor? Is not clear. Therefore, the method of measuring the ferroelectric capacitor according to the present embodiment was verified for the FeRAM array capacitor.

図15は面積15×15μmのディスクリートキャパシタにおける分極量と印加電圧との関係(ヒステリシスループ)の測定結果を示すグラフであり、図16は面積2μmの100個のキャパシタがアルミニウム(Al)配線及びアルミニウム(Al)パッドを介して並列に接続されたキャパシタアレイ(トータル面積:200μm)における分極量と印加電圧との関係(ヒステリシスループ)の測定結果を示すグラフである。ヒステリシスループの測定には、300Ωのシャント抵抗Rを使用した図3(a)の測定回路を用いた。 FIG. 15 is a graph showing the measurement results of the relationship between the amount of polarization and the applied voltage (hysteresis loop) in a discrete capacitor having an area of 15 × 15 μm 2 , and FIG. 16 is a diagram showing 100 capacitors having an area of 2 μm 2 with aluminum (Al) wiring. 5 is a graph showing a measurement result of a relationship (hysteresis loop) between a polarization amount and an applied voltage in a capacitor array (total area: 200 μm 2 ) connected in parallel via an aluminum (Al) pad. For the measurement of the hysteresis loop, the measurement circuit of FIG. 3A using a 300Ω shunt resistor R L was used.

図中、□印がストレスを印加していない初期状態の測定結果であり、▲印が“1”状態で150℃、1000時間のストレス印加後における測定結果であり、●印が“0”状態で150℃、1000時間のストレス印加後における測定結果である。   In the figure, □ is the measurement result in the initial state where no stress is applied, ▲ is the measurement result after applying stress at 150 ° C for 1000 hours in the “1” state, and ● is in the “0” state This is a measurement result after applying stress at 1000C for 1000 hours.

図15及び図16に示すように、ディスクリートキャパシタ及びアレイキャパシタの双方において、ヒステリシスループはストレスの印加に伴い電圧軸に沿ってシフトしている。すなわち、双方のキャパシタにおいてインプリントが生じていることが判る。   As shown in FIGS. 15 and 16, in both the discrete capacitor and the array capacitor, the hysteresis loop is shifted along the voltage axis with the application of stress. That is, it can be seen that imprinting occurs in both capacitors.

ヒステリシスループのシフト量を比較すると、ディスクリートキャパシタのシフト量の方が、アレイキャパシタよりも大きかった。また、ディスクリートキャパシタについては、ストレス印加後においてループの形状が僅かに歪んでいる。ディスクリートキャパシタの方がより多くのインプリントを示している原因は明らかではないが、おそらくは製造プロセスをアレイキャパシタに最適化しているためディスクリートキャパシタでは多数の欠陥が強誘電体膜中に存在しているためであると考えられる。   When the shift amount of the hysteresis loop was compared, the shift amount of the discrete capacitor was larger than that of the array capacitor. In the discrete capacitor, the loop shape is slightly distorted after the stress is applied. The reason why discrete capacitors show more imprints is not clear, but many defects exist in the ferroelectric film, probably because the manufacturing process is optimized for array capacitors. This is probably because of this.

図17は本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法を用いて測定した分極量の減少値ΔPの時間依存性を示すグラフである。図中、□印及び●印がディスクリートキャパシタの測定結果であり、×印及び▲印がアレイキャパシタの測定結果である。また、□印及び×印が“0”状態で150℃、1000時間のストレスを印加した場合であり、●印及び▲印が“1”状態で150℃、1000時間のストレスを印加した場合である。   FIG. 17 is a graph showing the time dependency of the decrease value ΔP of the polarization amount measured using the ferroelectric capacitor measurement method according to the present embodiment. In the figure, □ and ● are the measurement results of the discrete capacitors, and × and ▲ are the measurement results of the array capacitors. Also, when □ and X marks are at “0” state and 150 ° C. and 1000 hours of stress are applied, ● and ▲ marks are at “1” state and 150 ° C. and 1000 hours of stress are applied. is there.

図17に示すように、ディスクリートキャパシタ及びアレイキャパシタの双方において、分極量の減少値ΔPは、時間の対数軸に対して直線的に変化していることが判る。すなわち、ディスクリートキャパシタ及びアレイキャパシタの双方において、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法が適用可能である。   As shown in FIG. 17, in both the discrete capacitor and the array capacitor, it can be seen that the decrease amount ΔP of the polarization amount changes linearly with respect to the logarithmic axis of time. That is, the ferroelectric capacitor measurement method according to the present embodiment can be applied to both the discrete capacitor and the array capacitor.

また、図17に示すように、ディスクリートキャパシタ及びアレイキャパシタの双方において、分極量の減少値ΔPは、ベーク時間とともに増加している。分極量の減少値の大きさを比較すると、ディスクリートキャパシタのシフト量の方が、アレイキャパシタよりも大きかった。   Further, as shown in FIG. 17, in both the discrete capacitor and the array capacitor, the decrease amount ΔP of the polarization amount increases with the baking time. Comparing the magnitude of the decrease in polarization amount, the shift amount of the discrete capacitor was larger than that of the array capacitor.

図18は、図17の結果に基づき、分極量の減少値ΔPをオフセット電圧Voffに変換したものである。図中、□印及び●印がディスクリートキャパシタの測定結果であり、×印及び▲印がアレイキャパシタの測定結果である。また、□印及び×印が“0”状態で150℃、1000時間のストレスを印加した場合であり、●印及び▲印が“1”状態で150℃、1000時間のストレスを印加した場合である。 FIG. 18 shows the polarization amount decrease value ΔP converted to the offset voltage V off based on the result of FIG. In the figure, □ and ● are the measurement results of the discrete capacitors, and × and ▲ are the measurement results of the array capacitors. Also, when □ and X marks are at “0” state and 150 ° C. and 1000 hours of stress are applied, ● and ▲ marks are at “1” state and 150 ° C. and 1000 hours of stress are applied. is there.

アレイキャパシタの測定結果において、ストレスを20時間印加した後におけるオフセット電圧Voffは0.21Vであり、ストレスを1000時間印加した後におけるオフセット電圧Voffは0.38Vであった。ストレスを1000時間印加した場合の測定結果に基づきグラフを外挿して10年後(104.94時間後)におけるオフセット電圧Voffを算出したところ、Voffの予測値は0.54Vであった。 In the measurement results of the array capacitor, the offset voltage V off after applying stress for 20 hours was 0.21V, and the offset voltage V off after applying stress for 1000 hours was 0.38V. The graph was extrapolated based on the measurement result when stress was applied for 1000 hours, and the offset voltage V off after 10 years (after 10.4.94 hours) was calculated. The predicted value of V off was 0.54V. .

一方、ストレスを1時間印加した場合の測定結果、ストレスを4時間印加した場合の測定結果及びストレスを20時間印加した場合の測定結果に基づきグラフを外挿して1000時間後及び10年後(104.94時間後)におけるオフセット電圧Voffを算出したところ、1000時間後におけるオフセット電圧Voffの予測値は0.35Vであり、10年後におけるオフセット電圧Voffの予測値は0.51Vであった。 On the other hand, the graph was extrapolated based on the measurement result when the stress was applied for 1 hour, the measurement result when the stress was applied for 4 hours, and the measurement result when the stress was applied for 20 hours, and 1000 hours and 10 years later (10 When the offset voltage V off after 4.94 hours) was calculated, the predicted value of the offset voltage V off after 1000 hours was 0.35V, and the predicted value of the offset voltage V off after 10 years was 0.51V. there were.

このように、ストレスを1000時間印加した場合の測定結果から算出されるオフセット電圧Voffの予測値と、ストレスを20時間印加した場合の測定結果から算出されるオフセット電圧Voffの予測値との間の差は、0.03Vと極めて小さかった。このタイプの試験は、キャパシタのインプリント特性を評価するためのスクリーニングとして主に用いられるが、オフセット電圧差0.03Vは測定誤差の範囲内である。 Thus, the prediction value of the offset voltage V off, which is calculated from the measurement result in the case of applying stress for 1000 hours, the predicted value of the offset voltage V off, which is calculated from the measurement result in the case of applying a stress 20 hours The difference between them was as extremely small as 0.03V. This type of test is mainly used as a screening to evaluate the imprint characteristics of the capacitor, but the offset voltage difference of 0.03V is within the measurement error.

以上の結果は、20時間或いは1日程度の測定を行えばデバイスの信頼性試験に必要とされる10年後におけるオフセット電圧Voffの正確な予測が可能であることを示している。そして、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法を用いることにより、極めて迅速なインプリント評価を行うことが可能となる。 The above results show that if the measurement is performed for about 20 hours or one day, the offset voltage V off after 10 years required for the device reliability test can be accurately predicted. Then, by using the ferroelectric capacitor measuring method according to the present embodiment, it is possible to perform imprint evaluation very quickly.

このように、本実施形態によれば、印加電圧に対する反転分極量の変化を表すスイッチングカーブと、ストレス印加前後の反転分極量の差に基づきオフセット電圧を算出するので、抗電圧オフセットに基づく測定に必要な完全なループや複雑なパラメータの設定が必要ない。したがって、強誘電体メモリ素子の駆動に使用されるような高速パルス(例えば1ps〜1μs)により、実使用条件に近い状況下での測定を行うことができる。   As described above, according to the present embodiment, the offset voltage is calculated based on the switching curve representing the change in the reverse polarization amount with respect to the applied voltage and the difference between the reverse polarization amounts before and after the stress application. No need for complete loops or complex parameter settings. Therefore, measurement under conditions close to actual use conditions can be performed with a high-speed pulse (for example, 1 ps to 1 μs) used for driving the ferroelectric memory element.

また、測定結果と極めて良い一致を示すモデルにより、オフセット電圧と時間との関係を表す特性曲線をフィッティングするので、任意の時間におけるオフセット電圧及び反転分極量の予測を容易且つ正確に行うことができる。   In addition, a characteristic curve representing the relationship between the offset voltage and time is fitted with a model that shows a very good agreement with the measurement result, so that the offset voltage and the amount of inversion polarization at an arbitrary time can be predicted easily and accurately. .

また、ストレスによる減極及びリテンションロスの影響を排除することができ、インプリントの正確な測定及び予測を行うことができる。   In addition, the influence of depolarization and retention loss due to stress can be eliminated, and imprint can be accurately measured and predicted.

また、強誘電体メモリのリファレンスキャパシタの容量値を決定するに際し、上記強誘電体キャパシタの測定方法を用いることにより、長期間(例えば10年以上)の分極状態保持によるインプリントが生じても誤読み出しが生じないレベルに、リファレンスレベルを容易に設定することが可能となる。   Further, when determining the capacitance value of the reference capacitor of the ferroelectric memory, it is possible to make an error even if imprinting occurs due to maintaining the polarization state for a long period of time (for example, 10 years or more) by using the ferroelectric capacitor measuring method. It is possible to easily set the reference level to a level at which reading does not occur.

また、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法は、ディスクリートキャパシタのみならず実際のFeRAMに適用されるようなセルのアレイキャパシタにおいても適用することができる。   The method for measuring a ferroelectric capacitor according to the present embodiment can be applied not only to a discrete capacitor but also to an array capacitor of a cell as applied to an actual FeRAM.

[変形実施形態]
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.

例えば、上記実施形態では、デザインルール0.35μmの不揮発性メモリに用いられる強誘電体キャパシタを想定して、1.8V及び3Vの大きさの電圧パルスを用いた場合の測定方法を示したが、本実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法では、どのような駆動電圧を用いる場合であっても、同様の手法によりインプリントの測定及び予測を行うことができる。また、電圧パルスのライズタイムや幅についても、上記実施形態の条件に限定されるものではない。   For example, in the above-described embodiment, the measurement method in the case where voltage pulses of 1.8 V and 3 V are used is shown assuming a ferroelectric capacitor used in a nonvolatile memory having a design rule of 0.35 μm. In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to the present embodiment, the imprint can be measured and predicted by the same method regardless of the drive voltage used. Further, the rise time and width of the voltage pulse are not limited to the conditions of the above embodiment.

また、上記実施形態では、負方向に分極した状態で熱ストレスを印加しているが、正方向に分極した状態で熱ストレスを印加するようにしてもよい。この場合、印加パルスの極性を逆転するようにしても良いし、上部電極と下部電極との接続を入れ替えても良い。   Moreover, in the said embodiment, although heat stress is applied in the state polarized in the negative direction, you may make it apply heat stress in the state polarized in the positive direction. In this case, the polarity of the applied pulse may be reversed, or the connection between the upper electrode and the lower electrode may be switched.

また、上記実施形態では、強誘電体膜としてPZT膜を用いた強誘電体キャパシタの測定方法について示したが、本発明を適用可能な強誘電体キャパシタはPZT膜を用いたものに限定されるものではない。PZT膜のほか、例えばBST膜、BLT膜、BFO膜、SBT膜その他の強誘電体材料を用いた強誘電体キャパシタにおいても同様に適用することができる。   In the above embodiment, the method for measuring a ferroelectric capacitor using a PZT film as the ferroelectric film has been described. However, the ferroelectric capacitor to which the present invention can be applied is limited to that using a PZT film. It is not a thing. In addition to the PZT film, for example, a BST film, a BLT film, a BFO film, an SBT film, and other ferroelectric capacitors using other ferroelectric materials can be similarly applied.

以上詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。   As detailed above, the characteristics of the present invention are summarized as follows.

(付記1) 測定対象の強誘電体キャパシタについて、印加電圧に対する反転分極量の変化を表すスイッチングカーブを測定し、
前記強誘電体キャパシタについて、第1の反転分極量を測定し、
前記強誘電体キャパシタに、所定温度で所定時間のストレスを印加し、
前記ストレスを印加した前記強誘電体キャパシタについて、第2の反転分極量を測定し、
前記スイッチングカーブの線形領域の傾き及び前記第1の反転分極量と前記第2の反転分極量との差に基づき、前記ストレスにより導入されるオフセット電圧を算出する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Supplementary note 1) For a ferroelectric capacitor to be measured, a switching curve representing a change in the amount of inversion polarization with respect to an applied voltage is measured,
For the ferroelectric capacitor, a first inversion polarization amount is measured,
Applying stress to the ferroelectric capacitor for a predetermined time at a predetermined temperature,
For the ferroelectric capacitor to which the stress is applied, a second inversion polarization amount is measured,
An offset voltage introduced by the stress is calculated based on a slope of a linear region of the switching curve and a difference between the first inversion polarization amount and the second inversion polarization amount. Measuring method.

(付記2) 付記1記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記ストレスの印加及び前記第2の反転分極量の測定を繰り返し行うことにより、前記ストレスの印加時間が異なる場合の前記オフセット電圧をそれぞれ算出し、
オフセット電圧と任意の時間との関係を記述するモデル式を前記オフセット電圧の複数の測定値によりフィッティングしたフィッティングカーブを算出し、
前記フィッティングカーブに基づき、任意の時間におけるオフセット電圧を予測する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Additional remark 2) In the measuring method of the ferroelectric capacitor of Additional remark 1,
By repeatedly applying the stress and measuring the second inversion polarization amount, the offset voltage when the stress application time is different is calculated,
Calculating a fitting curve obtained by fitting a model equation describing the relationship between the offset voltage and an arbitrary time with a plurality of measured values of the offset voltage;
A method of measuring a ferroelectric capacitor, wherein an offset voltage at an arbitrary time is predicted based on the fitting curve.

(付記3) 付記2記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記フィッティングカーブに基づき、反転分極量と時間との関係を表す第1の特性曲線を算出する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Supplementary Note 3) In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to Supplementary Note 2,
A method for measuring a ferroelectric capacitor, comprising: calculating a first characteristic curve representing a relationship between an amount of inversion polarization and time based on the fitting curve.

(付記4) 付記3記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記第1及び第2の反転分極量の測定の際に、非反転分極量を同時に測定し、
前記フィッティングカーブに基づき、非反転分極量と時間との関係を表す第2の特性曲線を算出する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Additional remark 4) In the measuring method of the ferroelectric capacitor of Additional remark 3,
During the measurement of the first and second inversion polarization amounts, the non-inversion polarization amount is simultaneously measured,
A method for measuring a ferroelectric capacitor, comprising: calculating a second characteristic curve representing a relationship between the amount of non-inverted polarization and time based on the fitting curve.

(付記5) 付記1乃至4のいずれか1項に記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
第1のパルスと、前記第1のパルスと逆極性の第2のパルスと、前記第1のパルスと同一極性の第3のパルスとを有するパルス列を用い、前記第2のパルスの大きさを順次大きくしながら前記パルス列の印加を繰り返し行い、前記第3のパルスを印加したときの反転分極量をその都度測定することにより、前記スイッチングカーブを測定する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Appendix 5) In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to any one of appendices 1 to 4,
Using a pulse train having a first pulse, a second pulse having a polarity opposite to that of the first pulse, and a third pulse having the same polarity as that of the first pulse, the magnitude of the second pulse is determined. The ferroelectric capacitor is characterized in that the switching curve is measured by repeatedly applying the pulse train while sequentially increasing and measuring the amount of inversion polarization when the third pulse is applied. Method.

(付記6) 付記1乃至5のいずれか1項に記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記第1の反転分極量及び前記第2の反転分極量の測定には、
第1のパルスと、前記第1のパルスと逆極性の第2のパルスと、前記第1のパルスと同一極性の第3のパルスと、前記第2のパルスと同一極性の第4のパルスとを有するパルス列を用いる
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Appendix 6) In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to any one of appendices 1 to 5,
For the measurement of the first inversion polarization amount and the second inversion polarization amount,
A first pulse, a second pulse having the opposite polarity to the first pulse, a third pulse having the same polarity as the first pulse, and a fourth pulse having the same polarity as the second pulse, A method for measuring a ferroelectric capacitor, comprising using a pulse train having the following characteristics.

(付記7) 付記6記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記第1の反転分極量及び前記第2の反転分極量は、前記第4のパルスを印加したときの反転分極量として測定する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Supplementary Note 7) In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to Supplementary Note 6,
The method for measuring a ferroelectric capacitor, wherein the first inversion polarization amount and the second inversion polarization amount are measured as an inversion polarization amount when the fourth pulse is applied.

(付記8) 付記1乃至7のいずれか1項に記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記第1乃至第3の反転分極量は、負のパルスの印加により測定する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Appendix 8) In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to any one of appendices 1 to 7,
The method for measuring a ferroelectric capacitor, wherein the first to third inversion polarization amounts are measured by applying a negative pulse.

(付記9) 付記1乃至8のいずれか1項に記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
−45℃〜250℃の温度範囲の前記ストレスを印加する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Appendix 9) In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to any one of appendices 1 to 8,
The method for measuring a ferroelectric capacitor, comprising applying the stress in a temperature range of −45 ° C. to 250 ° C.

(付記10) 付記1乃至9のいずれか1項に記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
測定に際し印加するパルスの幅は、1ps以上、1μs以下である
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Appendix 10) In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to any one of appendices 1 to 9,
A method of measuring a ferroelectric capacitor, wherein a width of a pulse applied at the time of measurement is 1 ps or more and 1 μs or less.

(付記11) 付記1乃至10のいずれか1項に記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
測定対象の前記強誘電体キャパシタは、ディスクリートキャパシタ又はアレイキャパシタである
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
(Appendix 11) In the method for measuring a ferroelectric capacitor according to any one of appendices 1 to 10,
The method of measuring a ferroelectric capacitor, wherein the ferroelectric capacitor to be measured is a discrete capacitor or an array capacitor.

(付記12) アクティブプローブを用いて強誘電体キャパシタの反転電荷量を測定する強誘電体キャパシタの測定装置であって、
前記アクティブプローブは、測定用の端子であるプローブピンと、基準電位に接続されたグラウンドピンとを有し、前記プローブピンと前記グラウンドピンとの間に負荷抵抗が接続されており、前記プローブピンと前記グラウンドピンとの間隔が1cm以下である
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定装置。
(Supplementary Note 12) A ferroelectric capacitor measuring apparatus that measures an inversion charge amount of a ferroelectric capacitor using an active probe,
The active probe has a probe pin which is a measurement terminal and a ground pin connected to a reference potential, and a load resistance is connected between the probe pin and the ground pin, and the probe pin and the ground pin The measuring apparatus of a ferroelectric capacitor, wherein the interval is 1 cm or less.

(付記13) 強誘電体キャパシタと、前記強誘電体キャパシタに記録された情報を読み出す際に用いるリファレンスキャパシタとを有する強誘電体メモリの設計方法であって、
前記強誘電体キャパシタについて、印加電圧に対する反転分極量の変化を表すスイッチングカーブを測定し、
前記強誘電体キャパシタについて、第1の反転分極量及び第1の非反転分極量を測定し、
前記強誘電体キャパシタについて、所定温度で所定時間のストレスの印加と、前記ストレス印加後の第2の反転分極量及び前記第2の非反転分極量の測定とを繰り返し行い、
前記ストレスを印加した時間が異なる時点におけるオフセット電圧を、前記スイッチングカーブの線形領域の傾き及び前記第1の反転分極量と前記第2の反転分極量との差に基づいてそれぞれ算出し、
オフセット電圧と任意の時間との関係を記述するモデル式を前記オフセット電圧の複数の測定値によりフィッティングしたフィッティングカーブを算出し、
前記フィッティングカーブに基づき、反転分極量と時間との関係を表す第1の特性曲線と、非反転分極量と時間との関係を表す第2の特性曲線とを算出し、
前記リファレンスキャパシタの蓄積電荷量が、所望の時間範囲に渡って前記第1の特性曲線及び前記第2の特性曲線との間に位置するように、前記リファレンスキャパシタの容量を設定する
ことを特徴とする強誘電体メモリの設計方法。
(Supplementary note 13) A ferroelectric memory design method including a ferroelectric capacitor and a reference capacitor used when reading information recorded in the ferroelectric capacitor,
For the ferroelectric capacitor, a switching curve representing a change in the amount of inversion polarization with respect to the applied voltage is measured,
For the ferroelectric capacitor, a first inversion polarization amount and a first non-inversion polarization amount are measured,
For the ferroelectric capacitor, repeatedly applying stress for a predetermined time at a predetermined temperature, and measuring the second inversion polarization amount and the second non-inversion polarization amount after the stress application,
An offset voltage at a time when the stress application time is different is calculated based on a slope of a linear region of the switching curve and a difference between the first inversion polarization amount and the second inversion polarization amount,
Calculating a fitting curve obtained by fitting a model equation describing the relationship between the offset voltage and an arbitrary time with a plurality of measured values of the offset voltage;
Based on the fitting curve, a first characteristic curve representing the relationship between the amount of reversed polarization and time and a second characteristic curve representing the relationship between the amount of non-reversed polarization and time are calculated,
The capacitance of the reference capacitor is set so that the accumulated charge amount of the reference capacitor is located between the first characteristic curve and the second characteristic curve over a desired time range. To design a ferroelectric memory.

インプリントの理論計算に用いた強誘電体キャパシタのモデルを示す図である。It is a figure which shows the model of the ferroelectric capacitor used for the theoretical calculation of the imprint. 本発明の一実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a method for measuring a ferroelectric capacitor according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法に用いた測定回路及び測定波形を示す図である。It is a figure which shows the measurement circuit and measurement waveform which were used for the measuring method of the ferroelectric capacitor by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による強誘電体キャパシタの測定方法に用いるアクティブプローブの形状を示す概略図である。It is the schematic which shows the shape of the active probe used for the measuring method of the ferroelectric capacitor by one Embodiment of this invention. ステップS11において用いる測定用のパルス列を示す図である。It is a figure which shows the pulse train for a measurement used in step S11. ステップS11にて測定されるスイッチングカーブを示すグラフである。It is a graph which shows the switching curve measured in step S11. ステップS12及びステップS14において用いる測定用のパルス波形列を示す図である。It is a figure which shows the pulse waveform sequence for a measurement used in step S12 and step S14. 分極量の減少値ΔPの時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of decrease value (DELTA) P of the amount of polarization. オフセット電圧Voffの時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of offset voltage Voff . パラメータτ0の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of parameter (tau) 0 . 反転分極量PSWの時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of inversion polarization amount PSW . 反転分極量PSWの時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of inversion polarization amount PSW . 反転分極量PSW及び強誘電体膜に印加される電圧Vの時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of the voltage V applied to the amount of inversion polarization PSW and a ferroelectric film. リファレンスキャパシタのサイズの設定方法を示す図である。It is a figure which shows the setting method of the size of a reference capacitor. ディスクリートキャパシタのヒステリシスループを測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the hysteresis loop of a discrete capacitor. アレイキャパシタのヒステリシスループを測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the hysteresis loop of the array capacitor. ディスクリートキャパシタ及びアレイキャパシタにおける分極量の減少値ΔPの時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of decrease value (DELTA) P of the polarization amount in a discrete capacitor and an array capacitor. ディスクリートキャパシタ及びアレイキャパシタにおけるオフセット電圧Voffの時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of offset voltage Voff in a discrete capacitor and an array capacitor. FeRAMの構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of FeRAM.

符号の説明Explanation of symbols

10…下部電極
12…上部電極
14…強誘電体膜
16,18…パッシブ層
20…パルスジェネレータ
22…デジタルストレージオシロスコープ
30…アクティブプローブ
32…プローブピン
34…グラウンドピン
100…シリコン基板
102…素子分離領域
104…ウェル
106…ゲート電極
108,110…ソース/ドレイン領域
112…MOSトランジスタ
114,132…層間絶縁膜
116,118,134…プラグ
120…Ir膜
122,126…IrOx膜
124…PZT膜
130…強誘電体キャパシタ
136…配線層
138…ビット線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Lower electrode 12 ... Upper electrode 14 ... Ferroelectric film 16, 18 ... Passive layer 20 ... Pulse generator 22 ... Digital storage oscilloscope 30 ... Active probe 32 ... Probe pin 34 ... Ground pin 100 ... Silicon substrate 102 ... Element isolation region 104 ... well 106 ... gate electrode 108, 110 ... source / drain region 112 ... MOS transistor 114, 132 ... interlayer insulating film 116, 118, 134 ... plug 120 ... Ir film 122, 126 ... IrOx film 124 ... PZT film 130 ... strong Dielectric capacitor 136... Wiring layer 138... Bit line

Claims (5)

測定対象の強誘電体キャパシタについて、印加電圧に対する反転分極量の変化を表すスイッチングカーブを測定し、
前記強誘電体キャパシタについて、第1の反転分極量を測定し、
前記強誘電体キャパシタに、所定温度で所定時間のストレスを印加し、
前記ストレスを印加した前記強誘電体キャパシタについて、第2の反転分極量を測定し、
前記スイッチングカーブの線形領域の傾き及び前記第1の反転分極量と前記第2の反転分極量との差に基づき、前記ストレスにより導入されるオフセット電圧を算出する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
For the ferroelectric capacitor to be measured, measure the switching curve representing the change in the amount of reversed polarization with respect to the applied voltage,
For the ferroelectric capacitor, a first inversion polarization amount is measured,
Applying stress to the ferroelectric capacitor for a predetermined time at a predetermined temperature,
For the ferroelectric capacitor to which the stress is applied, a second inversion polarization amount is measured,
An offset voltage introduced by the stress is calculated based on a slope of a linear region of the switching curve and a difference between the first inversion polarization amount and the second inversion polarization amount. Measuring method.
請求項1記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記ストレスの印加及び前記第2の反転分極量の測定を繰り返し行うことにより、前記ストレスの印加時間が異なる場合の前記オフセット電圧をそれぞれ算出し、
オフセット電圧と任意の時間との関係を記述するモデル式を前記オフセット電圧の複数の測定値によりフィッティングしたフィッティングカーブを算出し、
前記フィッティングカーブに基づき、任意の時間におけるオフセット電圧を予測する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
The method of measuring a ferroelectric capacitor according to claim 1,
By repeatedly applying the stress and measuring the second inversion polarization amount, the offset voltage when the stress application time is different is calculated,
Calculating a fitting curve obtained by fitting a model equation describing the relationship between the offset voltage and an arbitrary time with a plurality of measured values of the offset voltage;
A method of measuring a ferroelectric capacitor, wherein an offset voltage at an arbitrary time is predicted based on the fitting curve.
請求項2記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記フィッティングカーブに基づき、反転分極量と時間との関係を表す第1の特性曲線を算出する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
The method of measuring a ferroelectric capacitor according to claim 2.
A method for measuring a ferroelectric capacitor, comprising: calculating a first characteristic curve representing a relationship between an amount of inversion polarization and time based on the fitting curve.
請求項3記載の強誘電体キャパシタの測定方法において、
前記第1及び第2の反転分極量の測定の際に、非反転分極量を同時に測定し、
前記フィッティングカーブに基づき、非反転分極量と時間との関係を表す第2の特性曲線を算出する
ことを特徴とする強誘電体キャパシタの測定方法。
In the measuring method of the ferroelectric capacitor according to claim 3,
During the measurement of the first and second inversion polarization amounts, the non-inversion polarization amount is simultaneously measured,
A method for measuring a ferroelectric capacitor, comprising: calculating a second characteristic curve representing a relationship between the amount of non-inverted polarization and time based on the fitting curve.
強誘電体キャパシタと、前記強誘電体キャパシタに記録された情報を読み出す際に用いるリファレンスキャパシタとを有する強誘電体メモリの設計方法であって、
前記強誘電体キャパシタについて、印加電圧に対する反転分極量の変化を表すスイッチングカーブを測定し、
前記強誘電体キャパシタについて、第1の反転分極量及び第1の非反転分極量を測定し、
前記強誘電体キャパシタについて、所定温度で所定時間のストレスの印加と、前記ストレス印加後の第2の反転分極量及び前記第2の非反転分極量の測定とを繰り返し行い、
前記ストレスを印加した時間が異なる時点におけるオフセット電圧を、前記スイッチングカーブの線形領域の傾き及び前記第1の反転分極量と前記第2の反転分極量との差に基づいてそれぞれ算出し、
オフセット電圧と任意の時間との関係を記述するモデル式を前記オフセット電圧の複数の測定値によりフィッティングしたフィッティングカーブを算出し、
前記フィッティングカーブに基づき、反転分極量と時間との関係を表す第1の特性曲線と、非反転分極量と時間との関係を表す第2の特性曲線とを算出し、
前記リファレンスキャパシタの蓄積電荷量が、所望の時間範囲に渡って前記第1の特性曲線及び前記第2の特性曲線との間に位置するように、前記リファレンスキャパシタの容量を設定する
ことを特徴とする強誘電体メモリの設計方法。
A ferroelectric memory design method comprising a ferroelectric capacitor and a reference capacitor used when reading information recorded in the ferroelectric capacitor,
For the ferroelectric capacitor, a switching curve representing a change in the amount of inversion polarization with respect to the applied voltage is measured,
For the ferroelectric capacitor, a first inversion polarization amount and a first non-inversion polarization amount are measured,
For the ferroelectric capacitor, repeatedly applying stress for a predetermined time at a predetermined temperature and measuring the second inversion polarization amount and the second non-inversion polarization amount after the stress application,
An offset voltage at a time when the stress application time is different is calculated based on a slope of a linear region of the switching curve and a difference between the first inversion polarization amount and the second inversion polarization amount,
Calculating a fitting curve obtained by fitting a model equation describing the relationship between the offset voltage and an arbitrary time with a plurality of measured values of the offset voltage;
Based on the fitting curve, a first characteristic curve representing the relationship between the amount of inverted polarization and time, and a second characteristic curve representing the relationship between the amount of non-inverted polarization and time, are calculated.
The capacitance of the reference capacitor is set so that the accumulated charge amount of the reference capacitor is located between the first characteristic curve and the second characteristic curve over a desired time range. To design a ferroelectric memory.
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