JP2007271363A - 強誘電体特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電体のヒステリシス特性を高精度に測定し、強誘電体の分極特性評価を高精度で行うことができる強誘電体特性測定装置を提供する。
【解決手段】電圧源１４は三角波電圧を出力する。電流電圧変換器１６は強誘電体薄膜試料１０に流れる電流を読み取って電圧変換して測定信号を出力する。参照信号源１７は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号に含まれる強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分とを重畳した信号を参照信号として出力する。差動増幅器２１は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から参照信号源１７が出力する参照信号を差し引き、差動増幅器２１の出力信号を強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流のみを反映した測定信号とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、強誘電体の分極特性評価を行う場合に使用して好適な強誘電体特性測定装置に関する。

近年、強誘電体薄膜を利用した不揮発性メモリ（ＦｅＲＡＭ）の開発が盛んに進められている。ＦｅＲＡＭは、強誘電体薄膜の自発分極を利用したメモリであり、メモリセルを構成する強誘電体薄膜の分極方向により“１”あるいは“０”のデータを記憶する。したがって、ＦｅＲＡＭの開発では、メモリセルを構成する強誘電体薄膜の分極特性を評価することが重要となる。

通常、強誘電体薄膜の分極特性の評価には、分極−電界ヒステリシス特性（Ｐ−Ｅヒステリシス特性）が用いられる。分極−電界ヒステリシス特性を測定する場合には、強誘電体薄膜の分極量を測定することが必要であるが、その方法としては、強誘電体薄膜試料に三角波電圧または正弦波電圧を印加し、強誘電体薄膜試料に蓄積される電荷量を直接測定する方法や、強誘電体薄膜試料に流れる電流を測定し、これを積分して電荷量を算出する方法がある。

なお、強誘電体薄膜試料に蓄積される電荷量を直接測定する方法としては、Ｓａｗｙｅｒ−Ｔｏｗｅｒ回路を用いる方法やチャージアンプを用いる方法などがある。また、強誘電体薄膜試料に流れる電流を測定する方法としては、強誘電体薄膜試料に流れる電流を読み取り、この読み取った電流を変換抵抗や能動素子による電流／電圧変換回路などを使用して電圧に変換する方法がある。

ところで、強誘電体薄膜試料への三角波電圧や正弦波電圧などのヒステリシス特性測定用電圧の印加には、通常、プローブが使用されるが、強誘電体薄膜試料の大きさが小さい場合には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーがプローブとして用いられる場合が多い。

このように、プローブを使用して強誘電体薄膜試料に三角波電圧または正弦波電圧を印加し、強誘電体薄膜試料に流れる電流を測定する場合、強誘電体薄膜試料に流れる電流として測定される電流は、強誘電体薄膜試料の分極反転による電流に、測定系の寄生容量に流れる電流と、強誘電体薄膜試料自体の静電容量により強誘電体薄膜試料に流れる電流と、強誘電体薄膜試料の電極間の絶縁が不完全だった場合に流れる漏洩電流とが重畳されたものとなる。

したがって、強誘電体薄膜試料に流れる電流を電圧変換してなる測定信号から、測定系の寄生容量による信号成分と、強誘電体薄膜試料自体の静電容量による信号成分と、強誘電体薄膜試料の電極間に流れる漏洩電流による信号成分を除外しないと、強誘電体薄膜について高精度の分極−電界ヒステリシス特性を測定することができず、強誘電体薄膜の分極特性の評価を高精度で行うことができないということになる。

ここで、測定系の寄生容量の影響は、強誘電体薄膜試料の寸法が小さくなればなるほど顕著となり、強誘電体薄膜試料の電極面積がマイクロメートル平方程度の微細な強誘電体薄膜試料では、測定信号に含まれる測定系の寄生容量による信号成分が強誘電体薄膜試料の分極反転による信号成分に比して圧倒的な大きさとなってしまう。

この問題を解決するために、従来では、プローブを強誘電体薄膜試料の電極に接触させた状態で取得した測定信号から、別途プローブを強誘電体薄膜試料の電極から離して強誘電体薄膜試料を電気的に絶縁した状態で測定して取得した測定系の配線の寄生容量による信号成分を差し引いて得られる測定信号を使用するようにしていた。

これら寄生容量および漏洩電流による問題のほか、微細な強誘電体薄膜試料の分極−電界ヒステリシス特性を測定する場合には、強誘電体薄膜試料の分極反転による信号強度が非常に小さくなるために、周囲からのノイズが問題となる場合がある。この対策として、強誘電体薄膜試料に測定用電圧を印加しない状態でノイズのみの測定を繰り返して行い、再現性のあるノイズを差し引く方法や、多数回の平均をとって測定周波数と非同期の信号を打ち消す方法や、ノイズ・ピックアップを強誘電体薄膜試料付近に設けてノイズを検出し、測定信号から同相のノイズ成分を差し引く方法などが提案されている。
国際公開第０１／０１１６１号パンフレット 特開平１１−２９５３７０号公報

ところで、強誘電体薄膜の分極量を求める方法として、強誘電体薄膜試料に流れる電流を測定し、これを積分して電荷量を算出する方法を採用する場合に、電流測定の障害となる寄生容量は、測定系の配線だけではなく、プローブの先端部分にも存在する。前述のように、微細な強誘電体薄膜試料の分極−電界ヒステリシス特性を測定する場合には、通常のプローブではなく、原子間力顕微鏡のカンチレバーをプローブとして用いる場合が多いが、図１６は強誘電体薄膜の分極−電界ヒステリシス特性を測定する場合にプローブとして使用される原子間力顕微鏡のカンチレバー部分の代表的な寸法例を示している。

図１６中、（Ａ）はカンチレバーベース１およびカンチレバー２を示し、（Ｂ）はカンチレバー２を拡大して示し、（Ｃ）はカンチレバー２の先端の探針３の部分を拡大して示しており、４は強誘電体薄膜試料、５は試料台である。この例では、カンチレバーベース１は、縦＝１.６ｍｍ、横＝３.４ｍｍ、厚み＝０.３ｍｍとされ、カンチレバー２は、長さ＝１００〜２００μｍとされ、探針３は、長さ＝１０〜２０μｍとされている。

ここで、強誘電体薄膜試料４の電極の大きさがマイクロメートル平方程度の場合、強誘電体薄膜試料４に比してカンチレバー部分の大きさの方が遥かに大きく、強誘電体薄膜試料４の分極反転による測定信号に対して、カンチレバー部分の寄生容量による信号成分も無視できない大きさとなる。

ここで、従来のように、プローブを強誘電体薄膜試料の電極に接触させた状態で取得した測定信号から、別途プローブを強誘電体薄膜試料の電極から離して強誘電体薄膜試料を電気的に絶縁した状態で取得した測定信号を差し引き、これを測定信号として使用する場合には、図１７（Ａ）に示すように、まず、カンチレバー２の探針３を強誘電体薄膜試料４に接触させて測定信号を取得し、次に、図１７（Ｂ）に示すように、カンチレバー２の探針３を強誘電体薄膜試料４から、例えば、１００μｍ程度離して測定信号を取得する必要がある。

しかしながら、図１７（Ｂ）に示すように、カンチレバー２を強誘電体薄膜試料４から離すと、カンチレバーベース１と試料台５との間の寄生容量が大幅に減少してしまい、カンチレバー２の探針３を強誘電体薄膜試料４の電極に接触させた状態で取得した測定信号から、効果的に、測定系の寄生容量による信号成分を差し引くことができないという問題点があった。

また、カンチレバー２の探針３を強誘電体薄膜試料４の電極に接触させた状態で取得した測定信号から、強誘電体薄膜試料４自体の静電容量による信号成分および漏洩電流による信号成分を差し引くことは、全く不可能であるという問題点があった。

また、図１７（Ａ）に示すように、カンチレバー２の探針３を強誘電体薄膜試料４に接触させた状態での測定時と、図１７（Ｂ）に示すように、カンチレバー２を強誘電体薄膜試料４から離した状態での測定時との間に、強誘電体薄膜試料４に印加する印加電圧に関し、印加時間変動または電圧変動があった場合には、強誘電体薄膜試料４に流れる電流を電圧変換してなる測定信号から、効果的に、測定系の寄生容量による信号成分を差し引くことができないという問題点があった。

さらに、強誘電体薄膜試料４に流れる電流を電圧変換してなる測定信号に含まれる測定系の寄生容量による信号成分が大きい場合には、測定信号のＳ／Ｎ比および測定信号の記録をデジタルで行う場合の垂直分解能の問題が存在した。

すなわち、測定を行なう段階および測定から直接的に得られる測定信号を記録する段階において、全体の測定信号強度に合わせて測定系の利得および記録範囲を設定するため、分極反転による信号成分に比して測定系の寄生容量による信号成分の方が圧倒的に大きな場合には、測定信号から測定系の寄生容量による信号成分を差し引いた後の測定信号は、Ｓ／Ｎ比が悪化し、また、記録をデジタルで行なう場合には、Ａ／Ｄ変換の実質的な有効ビット数が減少して垂直強度解像度が低下するという問題があった。これは、特に高速測定で、現在の技術水準から使用可能なＡ／Ｄ変換器のビット数が８ビット程度に制限されている場合に大きな問題となっていた。

本発明は、かかる点に鑑み、強誘電体の分極−電界ヒステリシス特性を高精度に測定することができ、強誘電体の分極特性評価を高精度で行うことができるようにした強誘電体特性測定装置を提供することを目的とする。

本発明の強誘電体特性測定装置は、電圧源と、該電圧源が出力する電圧を強誘電体に印加するプローブと前記電圧源と前記プローブとの間に接続され、前記強誘電体に流れる電流を電圧変換して第１の測定信号を生成する第１の電流電圧変換器と、前記第１の測定信号中の前記強誘電体の分極反転による信号成分以外の信号成分を参照信号として生成する参照信号源と、前記第１の測定信号から前記参照信号を差し引いて第２の測定信号を生成する差引回路を有するものである。

前記参照信号源は、例えば、可変抵抗と可変容量を並列接続した並列回路と、前記電圧源と前記並列回路との間に接続され、前記並列回路に流れる電流を電圧変換して前記参照信号を出力する第２の電流電圧変換器を有するものとすることができる。

前記参照信号源は、さらに、前記差引回路の出力信号を入力し、前記可変抵抗を駆動して前記可変抵抗の抵抗値を調整する可変抵抗駆動回路と、前記差引回路の出力信号を絶対値化して絶対値信号を生成する絶対値回路と、前記絶対値回路の出力信号を積分する積分器と、前記積分器における積分時間を制御する積分制御回路と、前記積分器の出力を入力し、前記可変容量を駆動して前記可変容量の容量値を調整する可変容量駆動回路を有するように構成することができる。

また、前記参照信号源は、固定抵抗と、前記電圧源と前記固定抵抗との間に接続され、前記固定抵抗に流れる電流を電圧変換した第１の電圧信号を出力する第２の電流電圧変換器と、前記第１の電圧信号を増幅する第１の可変利得増幅器と、固定容量と、前記電圧源と前記固定容量との間に接続され、前記固定容量に流れる電流を電圧変換した第２の電圧信号を出力する第３の電流電圧変換器と、前記第２の電圧信号を増幅する第２の可変利得増幅器と、前記第１の可変利得増幅器の出力信号と前記第２の可変利得増幅器の出力信号とを加算して前記参照信号を出力する加算器と、前記差引回路の出力信号を入力し、前記第１の可変利得増幅器の利得を調整する第１の利得調整回路と、前記差引回路の出力信号を絶対値化して絶対値信号を生成する絶対値回路と、前記絶対値回路の出力信号を積分する積分器と、前記積分器における積分時間を制御する積分制御回路と、前記積分器の出力を入力し、前記第２の可変利得増幅器の利得を調整する第２の利得調整回路を有するものとすることができる。

本発明によれば、第１の電流電圧変換器は、電圧源が出力する電圧により強誘電体に流れる電流を電圧変換して第１の測定信号を生成する。参照信号源は、第１の測定信号中の強誘電体の分極反転による信号成分以外の信号成分を参照信号として生成する。そして、差引回路は、第１の測定信号から参照信号を差し引いた第２の測定信号を生成する。

この結果、第２の測定信号は、強誘電体の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体の静電容量による信号成分を含まない、強誘電体の分極反転による電流のみを反映した測定信号となるので、この第２の測定信号を使用することにより、強誘電体の分極−電界ヒステリシス特性の測定を高精度に行うことができ、強誘電体の分極特性評価を高精度に行うことができる。

なお、測定の品質を向上させるために、測定した信号から実測定した別の信号を差し引くという点では、本発明は、ノイズ・ピックアップを使用するノイズ除去方法と一見類似する部分があるように思われるが、ノイズ・ピックアップを使用する方法とは差し引く目的も差し引く信号も異なる上、差し引く信号を用意する手段も異なるものであり、本発明はノイズ・ピックアップを使用する方法とは関係しない独自のものである。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の構成図である。図１中、１０は本発明の第１実施形態が測定対象とする強誘電体薄膜試料であり、ＦｅＲＡＭに搭載される強誘電体薄膜セルを試料化したものである。強誘電体薄膜試料１０において、１１は強誘電体薄膜、１２は強誘電体薄膜１１の上部に設けられた上部電極、１３は強誘電体薄膜１１の下部に設けられた下部電極である。

本発明の第１実施形態は、電圧源１４と、プローブ１５と、電流電圧変換器１６と、参照信号源１７と、遅延線１８、１９、２０と、差引回路をなす差動増幅器２１と、ヒステリシス特性表示装置２２を備えている。なお、本発明の第１実施形態では、電圧源１４の電圧出力端子２３に接続された電圧線２４の分岐点２５および電圧源１４の接地端子２６に接続された電圧線２７の分岐点２８から強誘電体薄膜試料１０側を見た系を測定系と呼ぶ。

電圧源１４は、少なくとも直流電圧および三角波電圧を発生可能とされたものであり、例えば、関数発生器や任意波形発生器等を使用することができる。プローブ１５は、電圧源１４が出力する電圧を強誘電体薄膜試料１０の上部電極１２に印加するためのものである。

電流電圧変換器１６は、電圧源１４とプローブ１５との間に接続され、強誘電体薄膜試料１０に流れる電流を読み取り、読み取った電流を読み取った電流に比例した電圧に変換し、この電圧を測定信号として出力するものである。読み取った電流の電圧変換には、変換抵抗を使用する方法や、演算増幅器を用いた電流／電圧変換回路等を使用する方法がある。

参照信号源１７は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号に含まれる強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を参照信号として発生するものであり、等価回路２９と電流電圧変換器３０を有している。

等価回路２９は、強誘電体薄膜試料１０の上部電極１２と下部電極１３との間の漏洩抵抗や、参照信号源１７の配線の寄生容量では相殺できない測定系の寄生容量や、強誘電体薄膜試料１０の静電容量を回路素子で構成するものであり、人手による駆動により抵抗値の制御を可能とされた可変抵抗３１と、人手による駆動により容量値の制御を可能とされた可変容量３２を備えている。

等価回路２９としては、厳密には、配線系の抵抗や自己誘導を考慮しなければならず、これらを考慮した回路とすることもできるが、最適化された測定系では、両者共にほぼゼロとみなすことができるため、本発明の第１実施形態では、可変抵抗３１と可変容量３２を並列接続して等価回路２９としている。

可変抵抗３１は、強誘電体薄膜試料１０の上部電極１２と下部電極１３との間の漏洩抵抗を表すものである。漏洩抵抗は、強誘電体薄膜試料１０の材質、状態、面積によって大きく異なるため、可変抵抗３１の抵抗値は、実際の漏洩電流に合わせることができるものとする必要がある。

可変容量３２は、強誘電体薄膜試料１０の上部電極１２と下部電極１３との間の静電容量、プローブ１５付近の寄生容量および参照信号源１７の配線では相殺できない測定系の配線の寄生容量を全て足し合わせた測定系全体の寄生容量を表す。一般に、測定系全体の寄生容量は、ｐＦから数十ｐＦ程度であるので、可変容量３２として、この範囲を調整できるものを使用する。可変容量３２としては、容量の電圧依存あるいは周波数依存が無い空気可変容量などが最適である。

なお、漏洩抵抗が非常に大きい場合や、測定周波数が十分に高い場合には、同一量の電荷が短時間に移動するため、強誘電体薄膜試料１０の分極反転による電流値が、測定周波数が低い場合よりも大きくなるので、漏洩電流（純粋な抵抗成分による電流は測定周波数に依存しない）の影響を無視できる場合もある。この場合には、可変抵抗３１を省略して等価回路２９を可変容量３２のみで構成することも可能である。

電流電圧変換器３０は、等価回路２９に流れる電流を読み取り、読み取った電流を読み取った電流に比例した電圧に変換し、この電圧を参照信号として出力するものであり、測定系の電流電圧変換器１６と同一構成を有するものである。

遅延線１８は、電流電圧変換器１６の測定信号出力端子３３を差動増幅器２１の非反転入力端子に接続するものである。遅延線１９は、電流電圧変換器３０の参照信号入力端子３４を差動増幅器２１の反転入力端子に接続するものである。なお、本発明の第１実施形態では、遅延線１８、１９を調整して、差動増幅器２１に入力する測定信号と参照信号のタイミングを合わせておく必要がある。

遅延線２０は、電圧源１４が出力する電圧信号をヒステリシス特性表示装置２２に供給するためのものであり、電圧源１４が出力する電圧信号と差動増幅器２１の出力信号のタイミングを合わせるように調整しておく必要がある。これら遅延線１８〜２０は、一旦調整すれば、強誘電体薄膜試料１０を変更しても、再調整する必要は無い。

差動増幅器２１は、遅延線１８を介して与えられる電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、遅延線１９を介して与えられる参照信号源１７が出力する参照信号を差し引くものであり、差動増幅器２１の出力信号は、「（測定信号）−（参照信号）」となる。

ヒステリシス特性表示装置２２は、差動増幅器２１の出力信号および電圧源１４が出力する電圧を入力し、強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性曲線を生成して表示するものであり、差動増幅器２１の出力信号を記録する記録部３５や、記録部３５に記録された差動増幅器２１の出力信号を積分して強誘電体薄膜試料１０に蓄積されて分極量を演算する積分部３６や、電圧源１４が出力する電圧と積分部３６の出力を入力して分極−電荷ヒステリシス特性を表示する表示部３７を備えている。このヒステリシス特性表示装置２２としては、例えば、ディシタル・オシロスコープ等を使用することができる。

図２は本発明の第１実施形態の調整方法を示すフローチャートである。すなわち、本発明の第１実施形態の調整を行う場合には、まず、電圧源１４から適当な直流電圧（例えば、分極−電界ヒステリシス特性を測定する場合に使用する三角波電圧の最大電圧）を出力し、差動増幅器２１の出力信号がゼロとなるように可変抵抗３１の抵抗値を調整する（ステップＰ１）。

ここで、電圧源１４から直流電圧を出力しても、強誘電体薄膜試料１０の分極反転による電流や、強誘電体薄膜試料１０自体の静電容量による電流や、測定系の寄生容量による電流は流れないので、もし、電圧源１４から適当な直流電圧を出力した場合に、電流が流れるならば、それは、強誘電体薄膜試料１０の上部電極１２と下部電極１３との間の漏洩電流である。

そこで、電圧源１４から適当な直流電圧を出力した場合において、電流が流れる場合には、差動増幅器２１において、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分を差し引いて、差動増幅器２１の出力信号がゼロとなるように可変抵抗３１の抵抗値を調整する。

すなわち、等価回路２９に強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流と同一電流値の電流を流すようにする。このようにすると、強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性測定時の差動増幅器２１の出力信号は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分を除去したものとなる。

次に、電圧源１４から強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性の測定に使用する三角波電圧を出力し、差動増幅器２１の出力信号から測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分が除去されるように可変容量３２の容量値を調整する（ステップＰ２）。すなわち、等価回路２９に測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による電流と同一電流値の電流を流すようにする。

このようにすると、強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性測定時の差動増幅器２１の出力信号は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を除去したものとなる。なお、正弦波電圧を使用することも可能ではあるが、電流電圧変換器１６が出力する測定信号に含まれる分極反転による信号成分と測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を区別しづらいという難点がある。

図３は電圧源１４から三角波電圧を出力した場合に測定系に流れる電流および差動増幅器２１の出力信号を示す波形図であり、（Ａ）は電圧源１４が出力する三角波電圧、（Ｂ）は強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流、（Ｃ）は測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による電流、（Ｄ）は強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流、（Ｅ）は電流電圧変換器１６に流れる電流、（Ｆ）は差動増幅器２１の出力信号を示している。

すなわち、電圧源１４から図３（Ａ）に示すような三角波電圧を発生すると、これが強誘電体薄膜試料１０の分極を反転させるのに十分な大きさであれば、電流電圧変換器１６に流れる電流波形は、図３（Ｅ）に示すような電流波形、すなわち、図３（Ｂ）に示すような強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流と、図３（Ｃ）に示すような測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による電流と、図３（Ｄ）に示すような強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流とが重畳されたものとなる。

しかしながら、既に、ステップＰ１において、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分が差し引かれて差動増幅器２１の出力信号がゼロとなるように可変抵抗３１の抵抗値が調整されているので、差動増幅器２１の出力には、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分は現れない。すなわち、電圧源１４から図３（Ａ）に示すような三角波電圧を発生すると、差動増幅器２１の出力信号は、図３（Ｆ）に示すような波形となる。

図４は可変容量３２の容量値の調整方法を説明するための波形図であり、（Ａ）は電圧源１４が出力する三角波電圧、（Ｂ）は可変容量３２の容量値調整前の差動増幅器２１の出力信号、（Ｃ）は可変容量３２に流れる電流、（Ｄ）は可変容量３２の容量値調整後の差動増幅器２１の出力信号を示している。

ここで、電流電圧変換器１６が出力する測定信号に含まれる測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分は、基本的には強誘電体薄膜試料１０に印加した電圧を微分したものであるから、図４（Ａ）に示すように、電圧源１４から三角波電圧を出力させた場合、可変容量３２に流れる電流は、図４（Ｃ）に示すように、三角波電圧が増加から減少に転じる時点Ｔ１および減少から増加に転じる時点Ｔ２で流れる方向が反転し、差動増幅器２１の出力信号は、図４（Ｂ）に示すように、この時点Ｔ１、Ｔ２で急峻に変化することになる。

これに対して、強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流は、図３（Ｂ）に示すように、時点Ｔ１、Ｔ２で滑らかに変化し、特に、減少しはじめた部分では、ほぼゼロに近い値となる。したがって、差動増幅器２１の出力信号のこの部分に注目して、差動増幅器２１の出力信号の段差（図４（Ｂ）に符号Ｘ１で示す部分）が解消されるように可変容量３２の容量値を調整すれば、図４（Ｄ）に示すように、測定信号から測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を差し引き、強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流による信号のみを測定信号として得ることができる。

以上の調整により、強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流のみを測定する条件が定まったことになるので、これ以降は、強誘電体薄膜試料１０について、通常の分極−電界ヒステリシス特性測定と同様の測定を行うことにより、１度の測定で所望のデータを得ることができる。

本発明の第１実施形態においては、強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性測定時には、電圧源１４から三角波電圧を出力させる。このようにすると、電流電圧変換器１６は、強誘電体薄膜試料１０に流れる電流を読み取り、読み取った電流を読み取った電流に比例した電圧に変換し、この電圧を測定信号として出力する。

また、参照信号源１７は、電圧源１４が出力する三角波電圧を受けて、電流電圧変換器１６が出力する測定信号に含まれる強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分とを重畳した信号を参照信号として出力する。

そして、差動増幅器２１は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、参照信号源１７が出力する参照信号を差し引く。この結果、差動増幅器２１の出力信号は、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分とを含まない、強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流のみを反映した測定信号となる。

図５は本発明の第１実施形態の効果を示す図であり、電圧源１４が出力する三角波電圧と、差動増幅器２１の出力信号と、ヒステリシス特性表示装置２２に表示されるヒステリシス特性曲線の関係を示している。

（Ａ）は電圧源１４が出力する三角波電圧、（Ｂ）〜（Ｄ）は差動増幅器２１の出力信号を示しており、（Ｂ）は強誘電体薄膜試料１０の分極反転と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量と、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分を含む場合、（Ｃ）は強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を含む場合、（Ｄ）は強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流による信号成分のみの場合である。

また、（Ｅ）〜（Ｇ）はヒステリシス特性表示装置２２に表示されるヒステリシス特性曲線であり、（Ｅ）は差動増幅器２１の出力信号が、（Ｂ）に示すように、強誘電体薄膜試料１０の分極反転と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量と、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分を含む場合、（Ｆ）は差動増幅器２１の出力信号が、（Ｃ）に示すように、強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を含む場合、（Ｇ）は差動増幅器２１の出力信号が、（Ｄ）に示すように、強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流による信号成分のみの場合である。

以上のように、本発明の第１実施形態によれば、強誘電体薄膜試料１０の分極量を高精度に測定し、ヒステリシス特性表示装置２２に強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性曲線を高精度に表示することができ、強誘電体薄膜試料１０の分極特性評価を高精度に行うことができる。

（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態の構成図である。本発明の第２実施形態は、図１に示す本発明の第１実施形態が備える参照信号源１７の代わりに、参照信号源１７とは構成の異なる参照信号源４０を設け、その他については、図１に示す本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。

参照信号源４０は、図１に示す参照信号源１７が備える電流電圧変換器３０のほかに、等価回路４１を有している。等価回路４１は、抵抗値を電子的に自動調整可能とされた能動素子（トランジスタ等）からなる可変抵抗４２と、容量値を電子的に自動調整可能とされた能動素子（可変容量ダイオード等）からなる可変容量４３を並列接続して構成されている。なお、可変抵抗４２として機械的に抵抗値を自動調整可能とされた可変抵抗を使用し、可変容量４３として機械的に容量値を自動調整可能とされた可変容量を使用することもできる。

可変抵抗４２は、強誘電体薄膜試料１０の上部電極１２と下部電極１３との間の漏洩抵抗を表すものである。漏洩抵抗は、強誘電体薄膜試料１０の材質、状態、面積によって大きく異なるため、可変抵抗４２の抵抗値は、実際の漏洩電流に合わせることができるものとする必要がある。

可変容量４３は、強誘電体薄膜試料１０の上部電極１２と下部電極１３との間の静電容量、プローブ１５付近の寄生容量および参照信号源４０の配線では相殺できない測定系の配線の寄生容量を全て足し合わせた測定系全体の寄生容量を表す。

参照信号源４０は、さらに、切り替えスイッチ４４と、絶対値回路４５と、積分器４６と、積分制御回路４７と、可変抵抗駆動回路４８と、可変容量駆動回路４９とを有している。

切り替えスイッチ４４は、差動増幅器２１の出力信号を可変抵抗駆動回路４８又は絶対値回路４５に供給するためのものであり、可変抵抗４２の抵抗値を調整する場合には、可動接点４４Ａを固定接点４４Ｂに接続し、可変容量４３の容量値を制御する場合には、可動接点４４Ａを固定接点４４Ｃに接続する。

絶対値回路４５は、差動増幅器２１の出力信号を絶対値化するものである。積分器４６は、絶対値回路４５が出力する絶対値信号を積分制御回路４７が指示する時間だけ積分するものである。積分制御回路４７は、電圧源１４が出力する同期信号を入力して積分器４６に対して積分時間を指示する積分制御信号を与えるものである。

可変抵抗駆動回路４８は、差動増幅器２１の出力信号がゼロとなるように可変抵抗４２を駆動して可変抵抗４２の抵抗値を制御するものである。可変容量駆動回路４９は、積分器４６の出力を入力し、積分器４６の出力が最小となるように可変容量４３を駆動して可変容量４３の容量値を制御するものである。

図７は積分器４６の構成例を示す回路図である。図７中、５５は入力端子、５６は積分回路、５７はサンプルアンドホールド回路、５８は出力端子である。積分回路５６において、５９は抵抗、６０は差動増幅器、６１は容量、６２は積分リセットスイッチであり、サンプルアンドホールド回路５７において、６３はホールドスイッチ、６４は容量、６５は差動増幅器である。

積分リセットスイッチ６２は、積分制御回路４７が出力する積分制御信号により動作が制御されるものであり、積分制御信号＝Ｈレベルの間（積分時間）だけオープンとなり、積分回路５６を積分動作状態とし、積分制御信号＝Ｌレベルの間（リセット時間）はクローズとなり、積分回路５６をリセット状態とする。

ホールドスイッチ６３は、積分制御信号により動作が制御されるものであり、積分制御信号のＨレベルからＬレベルへの立ち下がりでオープンとなり、サンプルアンドホールド回路５７をデータホールド動作状態とし、積分制御信号のＬレベルからＨレベルへの立ち上がりでクローズとなり、サンプルアンドホールド回路５７をデータサンプル動作状態とする。

すなわち、本発明の第２実施形態では、積分時間の間、積分器４６は、絶対値回路４５の出力を積分し、積分時間が終了すると、サンプルアンドホールド回路５７は、積分回路５６の出力をホールドすると共に、積分回路５６はリセットされ、リセット時間の間に、可変容量駆動回路４９は、サンプルアンドホールド回路５７の出力（積分器４６の出力）を入力して可変容量４３の容量値を調整する。

図８は積分制御回路４７の動作を説明するためのタイミングチャートである。（Ａ）は電圧源１４が出力する三角波電圧、（Ｂ）は電圧源１４が出力する同期信号、（Ｃ）は電圧源１４が出力する同期信号を２逓倍した逓倍同期信号、（Ｄ）は電圧源１４が出力する三角波電圧のゼルクロスを検出してなるゼロクロス検出信号、（Ｅ）はゼロクロス検出信号を遅延してなる遅延ゼロクロス検出信号、（Ｆ）は積分制御信号を示している。同期信号は、その立ち上がり時点が、三角波電圧が減少から増加に転じる時点Ｔ２を示すものとされている。

積分制御回路４７では、（Ｃ）に示すように、電圧源１４が出力する同期信号を２逓倍した逓倍同期信号が生成される。この逓倍同期信号は、その立ち上がり時点が、三角波電圧が増加から減少に転じる時点Ｔ１または減少から増加に転じる時点Ｔ２を示すものとされる。

また、（Ｄ）に示すように、電圧源１４が出力する三角波電圧のゼロクロスを検出してなるゼロクロス検出信号が生成され、さらに、（Ｅ）に示すように、このゼロクロス検出信号を遅延して遅延ゼロクロス検出信号が生成される。ゼロクロス検出信号は、その立ち上がり時点が、三角波電圧のゼロクロスを示すものとされ、遅延ゼロクロス検出信号は、その立ち上がり時点が積分時間の終了時を示すものとされる。

そして、（Ｆ）に示すように、逓倍同期信号と遅延ゼロクロス検出信号から積分制御信号が生成される。この積分制御信号は、その立ち上がりが逓倍同期信号の立ち上がりに同期し、その立ち下がりが遅延ゼロクロス検出信号の立ち上がりに同期したものとされる。

図９は本発明の第２実施形態の調整方法を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態を調整する場合には、まず、切り替えスイッチ４４の可動接点４４Ａを固定接点４４Ｂに接続する（ステップＱ１）。次に、電圧源１４から適当な直流電圧を出力する（ステップＱ２）。このようにすると、可変抵抗駆動回路４８により、差動増幅器２１の出力信号がゼロとなるように可変抵抗４２の抵抗値が自動調整される（ステップＱ３）。

次に、切り替えスイッチ４４の可動接点４４Ａを固定接点４４Ｃに接続する（ステップＱ４）。そして、電圧源１４から強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性の測定に使用する三角波電圧を出力する（ステップＱ５）。このようにすると、可変容量駆動回路４９により、積分器４６の出力が最小となるように可変容量４３の容量値が自動調整される（ステップＱ６）。

図１０および図１１は積分器４６の出力を利用した可変容量４３の容量値の調整の有効性を説明するための波形図であり、図１０は電圧源１４から三角波電圧を出力した場合の差動増幅器２１の出力信号中の可変容量４３による信号成分と、積分器４６の入力信号中の可変容量４３による信号成分との関係を示している。

（Ａ）は電圧源１４が出力する三角波電圧、（Ｂ）は差動増幅器２１の出力信号中の可変容量４３による信号成分を示しており、（Ｂ−１）は可変容量４３の容量値が小さい場合、（Ｂ−２）は可変容量４３の容量値が適当な場合、（Ｂ−３）は可変容量４３の容量値が大きい場合である。（Ｃ）は積分器４６の入力信号中の可変容量４３による信号成分を示しており、（Ｃ−１）は可変容量４３の容量値が小さい場合、（Ｃ−２）は可変容量４３の容量値が適当な場合、（Ｃ−３）は可変容量４３の容量値が大きい場合である。

ここで、電流電圧変換器１６が出力する測定信号中の測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分は、強誘電体薄膜試料１０への印加電圧が三角波の場合、基本的には矩形波となり、したがって、これらは、可変容量４３の容量値を調整することにより、参照信号で打ち消すことができ、この場合には、積分器４６の出力はゼロとなる。

図１１は可変抵抗４２の抵抗値を自動調整した後に、電圧源１４から三角波電圧を出力した場合の差動増幅器２１の出力信号と、積分器４６の入力信号との関係を示している。（Ａ）は電圧源１４が出力する三角波電圧、（Ｂ）は差動増幅器２１の出力信号を示しており、（Ｂ−１）は可変容量４３の容量値が小さい場合、（Ｂ−２）は可変容量４３の容量値が適当な場合、（Ｂ−３）は可変容量４３の容量値が大きい場合である。（Ｃ）は積分器４６の入力信号を示しており、（Ｃ−１）は可変容量４３の容量値が小さい場合、（Ｃ−２）は可変容量４３の容量値が適当な場合、（Ｃ−３）は可変容量４３の容量値が大きい場合である。

ここで、差動増幅器２１の出力信号は、強誘電体薄膜試料１０の分極による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分が重畳されたものとなるが、強誘電体薄膜試料１０の分極反転の仕方によって差動増幅器２１の出力信号の絶対値の積分が最小となる参照信号の大きさが変わってしまう。しかし、三角波電圧が正負の最大からゼロまでおよびゼロから反対極性の電圧での分極反転の閾値未満の低い電圧までの領域では、実際上、分極反転による信号成分は無視することができる。

したがって、この領域において、差動増幅器２１の出力信号の絶対値の積分値が最小になるように参照信号の大きさ、すなわち、可変容量４３の大きさを調整することにより、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を打ち消すことが可能となる。

ここで、Ｓ／Ｎ比を考慮すると、積分器４６における絶対値回路４５の出力信号の積分範囲は、なるべく広くとる方が望ましいので、図１１（Ｃ）に示すように、三角波電圧がプラスあるいはマイナスの最大値から反対極性における分極反転の閾値直前までとすることが好適である。可変容量駆動回路４９は、この積分器４６の出力、すなわち、図１１（Ｃ）の斜線部分の面積が最小となるように可変容量を調整する。

本発明の第２実施形態においては、調整後の強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性測定時には、電圧源１４から三角波電圧を出力させる。このようにすると、電流電圧変換器１６は、強誘電体薄膜試料１０に流れる電流を読み取り、読み取った電流を読み取った電流に比例した電圧に変換し、この電圧を測定信号として出力する。

また、参照信号源４０は、電圧源１４が出力する三角波電圧を受けて、電流電圧変換器１６が出力する測定信号に含まれる強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分とを重畳した信号を参照信号として出力する。

そして、差動増幅器２１は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、参照信号源４０が出力する参照信号を差し引く。この結果、差動増幅器２１の出力信号は、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分とを含まない、強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流のみを反映した測定信号となる。

したがって、本発明の第２実施形態によれば、強誘電体薄膜試料１０の分極量を高精度に測定し、ヒステリシス特性表示装置２２に強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性曲線を高精度に表示することができ、強誘電体薄膜試料１０の分極特性評価を高精度に行うことができる。なお、可変容量駆動回路４９および積分制御回路４７の機能はコンピュータにより達成するようにしても良く、また、積分器４６の機能もコンピュータにより達成するようにしても良い。

（第３実施形態）
図１２は本発明の第３実施形態の構成図である。本発明の第３実施形態は、図６に示す本発明の第２実施形態が備える参照信号源４０の代わりに、参照信号源４０と構成の異なる参照信号源７０を設け、その他については、図６に示す本発明の第２実施形態と同様に構成したものである。

参照信号源７０は、図６に示す参照信号源４０が備える切り替えスイッチ４４と、絶対値回路４５と、積分器４６と、積分制御回路４７のほかに、固定抵抗７１と、固定容量７２と、電流電圧変換器７３、７４と、可変利得増幅器７５、７６と、利得調整回路７７、７８と、加算器７９を備えている。

電流電圧変換器７３は、電圧源１４と固定抵抗７１との間に接続され、固定抵抗７１に流れる電流を読み取って、この読み取った電流を電圧に変換してなる参照信号を出力するものであり、図１に示す電流電圧変換器１６と同様に構成されている。

電流電圧変換器７４は、電圧源１４と固定容量７２との間に接続され、固定容量７２に流れる電流を読み取って、この読み取った電流を電圧に変換してなる参照信号を出力するものであり、図１に示す電流電圧変換器１６と同様に構成されている。

可変利得増幅器７５は、利得調整回路７７により利得を制御されるものであり、電流電圧変換器７３が出力する測定信号を増幅するものである。可変利得増幅器７６は、利得調整回路７８により利得を制御されるものであり、電流電圧変換器７４が出力する測定信号を増幅するものである。

利得調整回路７７は、切り替えスイッチ４４を介して差動増幅器２１の出力信号を入力し、差動増幅器２１の出力信号がゼロとなるように可変利得増幅器７５の利得を調整するものである。利得調整回路７８は、積分器４６の出力を入力し、積分器４６の出力が最小となるように可変利得増幅器７６の利得を調整するものである。

加算器７９は、可変利得増幅器７５が出力する参照信号と、可変利得増幅器７６が出力する参照信号とを加算し、この加算した参照信号を参照信号源７０が出力する参照信号として出力するものであり、その出力端子は、差動増幅器２１の反転入力端子に接続されている。

ここで、図６に示す参照信号源４０は、可変抵抗４２の抵抗値を調整することにより、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分を差し引くための参照信号成分を生成し、可変容量４３の容量値を調整することにより、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を差し引くための参照信号成分を生成するというものである。

これに対して、参照信号源７０は、可変利得増幅器７５の利得を調整することにより、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分を差し引くための参照信号成分を生成し、可変利得増幅器７６の利得を調整することにより、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分を差し引くための参照信号成分を生成するというものである。

図１３は本発明の第３実施形態の調整方法を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態を調整する場合には、まず、切り替えスイッチ４４の可動接点４４Ａを固定接点４４Ｂに接続する（ステップＮ１）。そして、電圧源１４から適当な直流電圧を出力する（ステップＮ２）。このようにすると、利得調整回路７７により、差動増幅器２１の出力信号がゼロとなるように可変利得増幅器７５の利得が自動調整される（ステップＮ３）。

次に、切り替えスイッチ４４の可動接点４４Ａを固定接点４４Ｃに接続する（ステップＮ４）。そして、電圧源１４から強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性の測定に使用する三角波電圧を出力する（ステップＮ５）。このようにすると、利得調整回路７８により、積分器４６の出力が最小となるように可変利得増幅器７６の利得が自動調整される（ステップＮ６）。

本発明の第３実施形態においては、調整後の強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性測定時には、電圧源１４から三角波電圧を出力させる。このようにすると、電流電圧変換器１６は、強誘電体薄膜試料１０に流れる電流を読み取り、読み取った電流を読み取った電流に比例した電圧に変換し、この電圧を測定信号として出力する。

また、参照信号源７０は、電圧源１４が出力する三角波電圧を受けて、電流電圧変換器１６が出力する測定信号に含まれる強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分とを重畳した信号を参照信号として出力する。

そして、差動増幅器２１は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、参照信号源７０が出力する参照信号を差し引く。この結果、差動増幅器２１の出力信号は、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分とを含まない、強誘電体薄膜試料１０の分極反転電流のみを反映した測定信号となる。

したがって、本発明の第３実施形態によれば、強誘電体薄膜試料１０の分極量を高精度に測定し、ヒステリシス特性表示装置２２に強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性曲線を高精度に表示することができ、強誘電体薄膜試料１０の分極特性評価を高精度に行うことができる。

（第４実施形態）
図１４は本発明の第４実施形態の構成図である。本発明の第４実施形態は、図１に示す本発明の第１実施形態と同様に、電圧源１４と、プローブ１５と、電流電圧変換器１６を備えるほかに、Ａ／Ｄコンバータ８５、８６と、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）８７と、電流モニタ８８と、ヒステリシス特性表示手段８９を備えている。

Ａ／Ｄコンバータ８５は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号をデジタル化してＤＳＰ８７に与えるものである。Ａ／Ｄコンバータ８６は、電圧源１４が出力する電圧をデジタル化してＤＳＰ８７に与えるものである。ＤＳＰ８７は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分との除去をデジタル的に行うものである。

図１５はＤＳＰ８７が備える手段を示す回路図である。図１５中、９１、９２は入力用のバッファ、９３〜９５は出力用のバッファ、９６は差動増幅器、９７は可変利得増幅器、９８は利得調整器、９９は微分器、１００は可変利得増幅器、１０１は利得調整器、１０２は加算器、１０３は絶対値発生器、１０４は積分器、１０５はタイミング抽出器、１０６は積分タイミング発生器、１０７は積分器、１０８は積分タイミング発生器、１０９はモード切替・全体制御部である。なお、手段９６〜１０８の一部又は全部の機能は、ＤＳＰ８７の演算部をハードウエア資源、プログラムをソフトウエア資源として達成することができる。

ここで、差動増幅器９６は図１２に示す差動増幅器２１に相当し、可変利得増幅器９７は図１２に示す可変利得増幅器７５に相当し、利得調整器９８は図１２に示す利得調整回路７７に相当し、可変利得増幅器１００は図１２に示す可変利得増幅器７６に相当し、利得調整器１０１は図１２に示す利得調整回路７８に相当し、加算器１０２は図１２に示す加算器７９に相当し、絶対値発生器１０３は図１２に示す絶対値回路４５に相当し、積分器１０４は図１２に示す積分器４６に相当し、タイミング抽出器１０５および積分タイミング発生器１０６は図１２に示す積分制御回路４７に相当する。

すなわち、本発明の第４実施形態は、図１２に示す本発明の第３実施形態が備える参照信号源７０がアナログ的に行う処理をＤＳＰ８７でデジタル的に行うとするものであり、電流電圧変換器１６が出力する測定信号は、Ａ／Ｄコンバータ８５でデジタル化されてＤＳＰ８７内のバッファ９１に書き込まれる。

また、電圧源１４が出力した電圧は、強誘電体薄膜試料１０に印加されると共に、Ａ／Ｄコンバータ８６でデジタル化されてＤＳＰ８７内のバッファ９２に書き込まれる。バッファ９１、９２には、いわゆるピンポンバッファを使用し、Ａ／Ｄコンバータ８５、８６からのデータの書き込みと並行して、既に書き込まれたデータの処理を行うことができるようにする。

バッファ９３、９４、９５にもピンポンバッファを使用し、書き込んだデータは一定時間ごとにそれぞれ電流データ、電荷データ、印加電圧データとして出力することができるようにする。これらの数値出力データは、Ｄ／Ａコンバータを通して電圧データへと変換してオシロスコープ等で表示させても良いし、数値データのままパーソナルコンピュータ等による表示・記録を行なっても良い。

本発明の第４実施形態においては、モード設定信号により、本発明の第４実施形態を漏洩抵抗測定モード、寄生容量測定モードおよびヒステリシス測定モードの順に設定する。以下、これらのモード時の動作について説明する。

＜１．漏洩抵抗測定モード時の動作＞
漏洩抵抗測定モード時には、以下のステップＳ１〜Ｓ８の動作を順に実行する。
（Ｓ１）可変利得増幅器１００の利得を０に初期化する。これは、利得調整器１０１が出力する乗算の係数を０にすることにより行う。
（Ｓ２）電圧源１４から適当な直流電圧を出力する。例えば、強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性測定に使用する三角波電圧の最大電圧とする。

（Ｓ３）バッファ９１、バッファ９２からデータを取り出す。
（Ｓ４）利得調整器９８は、バッファ９１からのデータ値が０の場合には、漏洩電流は流れていないので、漏洩抵抗を無限大（ＤＳＰ８７で扱える最大の数値）にする。これに対して、バッファ９１からのデータ値が０でなかった場合には、漏洩電流が流れているので、バッファ９２からのデータ値をバッファ９１からのデータ値で除し、これを漏洩抵抗にする。利得調整器９８は、漏洩抵抗の値を可変利得増幅器９７の増幅率（乗数）とする。

（Ｓ５）可変利得増幅器９７は、バッファ９２からのデータ値に漏洩抵抗の値を乗じてキャンセルすべき漏洩電流値を計算する。
（Ｓ６）加算器１０２は、可変利得増幅器９７の計算結果に可変利得増幅器１００の計算結果を加える。ただし、漏洩抵抗測定モードでは、可変利得増幅器１００の乗数は０なので、可変利得増幅器９７の計算結果のままになる。

（Ｓ７）差動増幅器９６は、バッファ９１のデータ値から加算器１０２の計算結果を減ずる。
（Ｓ８）差動増幅器９６の計算結果を漏洩電流データとしてバッファ９３に書き込む。また、バッファ９２のデータ値を印加電圧データとしてそのままバッファ９５に書き込む。これら印加電圧データおよび漏洩電流データから、漏洩電流が元々０であった、もしくはキャンセルにより０になったことが確認される。

＜２．寄生容量測定モード時の動作＞
漏洩抵抗測定モードの次に設定する寄生容量測定モード時には、次のステップＵ１〜Ｕ１８の動作を順に実行する。なお、寄生容量設定モードは、漏洩抵抗測定モードで可変利得増幅器９７の乗数が設定され、漏洩電流がキャンセルされていることを前提とする。

（Ｕ１）初めに，可変利得増幅器１００の倍率を適当な値に設定する。これは、測定系の寄生容量と強誘電体薄膜試料の静電容量との合計値であるので、試料の誘電率や寸法から見積もることができる。強誘電体薄膜試料１０がマイクロメートル程度の微細なものになると、測定系の配線の寄生容量の影響が圧倒的に大きくなるが、その場合、典型的には数ｐＦである。
（Ｕ２）電圧源１４から三角波電圧を出力する。
（Ｕ３）タイミング抽出器１０５は、測定開始のタイミングを見つける。すなわち、バッファ９２から印加電圧データを取り出して調べ、この印加電圧データが負から正になるタイミングを見つける。このタイミングがｔ＝０となり、次のｔ＝０までの時間を周期Ｔとする。

（Ｕ４）微分器９９は、ｔ＝０からｔ＝Ｔまでの印加電圧データの各印加電圧データについて、１つ前の印加電圧データとの差分を求めることにより印加電圧データの微分データを得る。
（Ｕ５）タイミング抽出器１０５は、微分データから印加電圧が最小値、最大値をとるタイミング（印加電圧が減少から増加に転ずる時点、増加から減少に転ずる時点）を見つける。このタイミングをそれぞれｔ_min、ｔ_maxとする。

（Ｕ６）バッファ９２のデータ取り出し点を最初のｔ＝０に戻す。微分データ取り出し点をｔ＝０に設定する。
（Ｕ７）バッファ９２から印加電圧データを取り出す。
（Ｕ８）可変利得増幅器９７は、バッファ９２から取り出した印加電圧データ値に漏洩抵抗の値を乗じてキャンセルすべき漏洩電流値を計算する。

（Ｕ９）可変利得増幅器１００は、測定系の寄生容量と強誘電体薄膜試料１０との静電容量の合計値をステップＵ４で求めた微分データ値に乗じて寄生容量信号データを求める。
（Ｕ１０）加算器１０２は、可変利得増幅器９７の計算結果に可変利得増幅器１００の計算結果を加える。

（Ｕ１１）バッファ９１から測定電流データを取り出す。
（Ｕ１２）差動増幅器９６は、バッファ９１のデータ値から加算器１０２の計算結果を減ずる。
（Ｕ１３）差動増幅器９６の計算結果を電流データとしてバッファ９３に書き込む。バッファ９２のデータ値を印加電圧データとしてそのままバッファ９５に書き込む。

（Ｕ１４）積分器１０７は、１周期の測定終了（ｔ＝Ｔ）でなければ、差動増幅器９６の計算結果を積分器１０７に加える。ｔ＝Ｔなら、その時点での積分器１０７の値を積分器１０７の積分結果とし、積分器１０７の値を０に戻す。
（Ｕ１５）バッファ９４に積分器１０７の積分結果を書き込む。

（Ｕ１６）絶対値発生器１０３は、差動増幅器９６の計算結果の絶対値を計算する。
（Ｕ１７）積分器１０４は、「ｔ＞ｔ_maxかつｔ＜Ｔ／２」ならば、絶対値発生器１０３の計算結果を積分器１０４に加える。「ｔ≧Ｔ／２かつｔ＜ｔ_min」ならば、その時点での積分器１０４の値を積分器１０４の積分結果とし、積分器１０４の値を０にする。あわせて積分器１０４による積分完了フラグを立てる。

また、「ｔ＞ｔ_minかつｔ＜Ｔ」ならば、絶対値発生器１０３の計算結果を積分器１０４に加える。「ｔ＞Ｔ２かつｔ＜ｔ_max」ならば、その時点での積分器１０４の値を積分器１０４の積分結果とし、積分器１０４の値を０にする。あわせて積分器１０４による積分完了フラグを立てる。

（Ｕ１８）利得調整器１０１は、積分器１０４による積分完了フラグが立っていれば、積分器１０４の積分結果を寄生容量キャンセル完了判定閾値と比較する。閾値よりも小さければ寄生容量測定完了。小さくなければ、今回の積分器１０４の積分結果と、前回の積分器１０４の積分結果とを比較する。積分結果が小さくなっていれば、可変利得増幅器１００を前回の調整方向（増幅率（乗数）を大きくする又は小さくする）と同じ方向に調整する。大きくなっていれば、逆の方向に調整する。積分器１０４による積分完了フラグを下ろす。

＜３．ヒステリシス測定モード時の動作＞
寄生容量測定モードの次に設定するヒステリシス測定モード時には、以下のステップＷ１〜Ｗ１４の動作を順に実行する。なお、ヒステリシス測定モードは、漏洩抵抗測定モードで可変利得増幅器９７の乗数が設定され、漏洩電流がキャンセルされていること、および、寄生容量測定モードで可変利得増幅器１００の乗数が設定され、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による電流がキャンセルされていることを前提とする。

（Ｗ１）電圧源１４から三角波電圧を出力する。
（Ｗ２）タイミング抽出器１０５は、測定開始のタイミングを見つける。すなわち、バッファ９２から印加電圧データを取り出して調べ、この印加電圧データが負から正になるタイミングを見つける。このタイミングがｔ＝０となり、次のｔ＝０までの時間を周期Ｔとする。

（Ｗ３）微分器９９は、ｔ＝０からｔ＝Ｔまでの印加電圧データの各印加電圧データについて、１つ前の印加電圧データとの差分を求めることにより印加電圧データの微分データを得る。
（Ｗ４）タイミング抽出器１０５は、微分データから印加電圧の最小値、最大値をとるタイミング（印加電圧が減少から増加に転ずる時点、増加から減少に転ずる時点）を見つける。このタイミングをそれぞれｔ_min、ｔ_maxとする。

（Ｗ５）バッファ９２のデータ取り出し点を最初のｔ＝０に戻す。微分データ取り出し点をｔ＝０に設定する。
（Ｗ６）バッファ９２から印加電圧データを取り出す。
（Ｗ７）可変利得増幅器９７は、バッファ９２から取り出した印加電圧データ値に漏洩抵抗の値を乗じてキャンセルすべき漏洩電流値を計算する。

（Ｗ８）可変利得増幅器１００は、測定系の寄生容量と強誘電体薄膜試料１０の静電容量との合計値をステップＷ３で求めた微分データ値に乗じて寄生容量信号データを求める。
（Ｗ９）加算器１０２は、可変利得増幅器９７の計算結果に可変利得増幅器１００の計算結果を加える。

（Ｗ１０）バッファ９１から測定電流データを取り出す。
（Ｗ１１）差動増幅器９６は、バッファ９１のデータ値から加算器１０２の計算結果を減ずる。
（Ｗ１２）差動増幅器９６の計算結果を電流データとしてバッファ９３に書き込む。バッファ９２のデータ値を印加電圧データとしてそのままバッファ９５に書き込む。

（Ｗ１３）積分器１０７は、１周期の測定終了（ｔ＝Ｔ）でなければ、差動増幅器９６の計算結果を積分器１０７に加える。ｔ＝Ｔなら、その時点での積分器１０７の値を積分器１０７の積分結果とし、積分器１０７の値を０に戻す。
（Ｗ１４）バッファ９４に積分器１０７の積分結果を書き込む。

以上のように、本発明の第４実施形態においては、ヒステリシス測定モード時には、電圧源１４から三角波電圧を出力させるが、このようにすると、Ａ／Ｄコンバータ８５は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号をデジタル化してＤＳＰ８７に与え、Ａ／Ｄコンバータ８６は、電圧源１７が出力する電圧をデジタル化してＤＳＰ８７に与える。そして、ＤＳＰ８７は、電流電圧変換器１６が出力する測定信号から、強誘電体薄膜試料１０の漏洩電流による信号成分と、測定系の寄生容量および強誘電体薄膜試料１０の静電容量による信号成分との除去をデジタル的に行う。

したがって、本発明の第４実施形態によれば、強誘電体薄膜試料１０の分極量を高精度に測定し、ヒステリシス特性表示手段８９に強誘電体薄膜試料１０の分極−電界ヒステリシス特性曲線を高精度に表示することができ、強誘電体薄膜試料１０の分極特性評価を高精度に行うことができ、しかも、装置の構成が単純になり、温度や外来ノイズ等の影響を受けにくいという効果を得ることができる。

本発明の第１実施形態の構成図である。 本発明の第１実施形態の調整方法を示すフローチャートである。 電圧源から三角波電圧を出力した場合に測定系に流れる電流および差動増幅器の出力信号を示す波形図である。 可変容量の容量値の調整方法を説明するための波形図である。 本発明の第１実施形態の効果を示す図である。 本発明の第２実施形態の構成図である。 本発明の第２実施形態が備える積分器の構成例を示す回路図である。 本発明の第２実施形態が備える積分制御回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態の調整方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態おける積分器の出力を利用した可変容量の容量値の調整の有効性を説明するための波形図である。 本発明の第２実施形態おける積分器の出力を利用した可変容量の容量値の調整の有効性を説明するための波形図である。 本発明の第３実施形態の構成図である。 本発明の第３実施形態の調整方法を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態の構成図である。 本発明の第４実施形態が備えるＤＳＰが備える手段を示す回路図である。 強誘電体特性測定装置においてプローブとして使用される原子間力顕微鏡のカンチレバー部分の代表的な寸法例を示す図である。 従来の強誘電体特性測定方法が有する問題点を説明するための図である。

符号の説明

１…カンチレバーベース、２…カンチレバー、３…探針、４…強誘電体薄膜試料、５…試料台、１０…強誘電体薄膜試料、１１…強誘電体薄膜、１２…上部電極、１３…下部電極、１４…電圧源、１５…プローブ、１６…電流電圧変換器、１７…参照信号源、１８〜２０…遅延線、２１…差動増幅器、２２…ヒステリシス特性表示装置、２３…電圧出力端子、２４…電圧線、２５…分岐点、２６…接地端子、２７…電圧線、２８…分岐点、２９…等価回路、３０…電流電圧変換器、３１…可変抵抗、３２…可変容量、３３…測定信号出力端子、３４…参照信号出力端子、３５…記録部、３６…積分部、３７…表示部、４０…参照信号源、４１…等価回路、４２…可変抵抗、４３…可変容量、４４…切り替えスイッチ、４５…絶対値回路、４６…積分器、４７…積分制御回路、４８…可変抵抗駆動回路、４９…可変容量駆動回路、５５…入力端子、５６…積分回路、５７…サンプルアンドホールド回路、５８…出力端子、５９…抵抗、６０…差動増幅器、６１…容量、６２…積分リセットスイッチ、６３…ホールドスイッチ、６４…容量、６５…差動増幅器、７０…参照信号源、７１…固定抵抗、７２…固定容量、７３、７４…電流電圧変換器、７５、７６…可変利得増幅器、７７、７８…利得調整回路、７９…加算器、８５、８６…Ａ／Ｄコンバータ、８７…ＤＳＰ、８８…電流モニタ、８９…ヒステリシス特性表示手段、９１〜９５…バッファ、９６…差動増幅器、９７…可変利得増幅器、９８…利得調整器、９９…微分器、１００…可変利得増幅器、１０１…利得調整器、１０２…加算器、１０３…絶対値発生器、１０４…積分器、１０５…タイミング抽出器、１０６…積分タイミング発生器、１０７…積分器、１０８…積分タイミング発生器、１０９…モード切替・全体制御部

Claims (5)

1. 電圧源と、
   該電圧源が出力する電圧を強誘電体に印加するプローブと
   前記電圧源と前記プローブとの間に接続され、前記強誘電体に流れる電流を電圧変換して第１の測定信号を生成する第１の電流電圧変換器と、
   前記第１の測定信号中の前記強誘電体の分極反転による信号成分以外の信号成分を参照信号として生成する参照信号源と、
   前記第１の測定信号から前記参照信号を差し引いて第２の測定信号を生成する差引回路を有することを特徴とする強誘電体特性測定装置。
2. 前記参照信号源は、
   可変抵抗と可変容量を並列接続した並列回路と、
   前記電圧源と前記並列回路との間に接続され、前記並列回路に流れる電流を電圧変換して前記参照信号を出力する第２の電流電圧変換器
   を有することを特徴とする請求項１記載の強誘電体特性測定装置。
3. 前記参照信号源は、さらに、
   前記差引回路の出力信号を入力し、前記可変抵抗を駆動して前記可変抵抗の抵抗値を調整する可変抵抗駆動回路と、
   前記差引回路の出力信号を絶対値化して絶対値信号を生成する絶対値回路と、
   前記絶対値回路の出力信号を積分する積分器と、
   前記積分器における積分時間を制御する積分制御回路と、
   前記積分器の出力を入力し、前記可変容量を駆動して前記可変容量の容量値を調整する可変容量駆動回路
   を有することを特徴とする請求項２記載の強誘電体特性測定装置。
4. 前記参照信号源は、
   固定抵抗と、
   前記電圧源と前記固定抵抗との間に接続され、前記固定抵抗に流れる電流を電圧変換した第１の電圧信号を出力する第２の電流電圧変換器と、
   前記第１の電圧信号を増幅する第１の可変利得増幅器と、
   固定容量と、
   前記電圧源と前記固定容量との間に接続され、前記固定容量に流れる電流を電圧変換した第２の電圧信号を出力する第３の電流電圧変換器と、
   前記第２の電圧信号を増幅する第２の可変利得増幅器と、
   前記第１の可変利得増幅器の出力信号と前記第２の可変利得増幅器の出力信号とを加算して前記参照信号を出力する加算器と、
   前記差引回路の出力信号を入力し、前記第１の可変利得増幅器の利得を調整する第１の利得調整回路と、
   前記差引回路の出力信号を絶対値化して絶対値信号を生成する絶対値回路と、
   前記絶対値回路の出力信号を積分する積分器と、
   前記積分器における積分時間を制御する積分制御回路と、
   前記積分器の出力を入力し、前記第２の可変利得増幅器の利得を調整する第２の利得調整回路
   を有することを特徴とする請求項１記載の強誘電体特性測定装置。
5. 前記参照信号源および前記差引回路は、プロセッサで実現されることを特徴とする請求項１記載の強誘電体特性測定装置。

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