技术领域
[0001] 本
发明涉及
电子材料性能测试领域，特别是涉及一种铁电薄膜温度可靠性的评价方法。
背景技术
[0002] 铁电材料是一类在一定温度范围内具有自发极化特性，且在外加
电场作用下，其极化强度可发生改变的介质材料。铁电
存储器就是将铁电薄膜材料与传统的
硅基
半导体集成的新一代非挥发性存储器。在各种新型存储器中，铁电存储器凭借其非易失、低功耗、高速度、长寿命和抗辐照等优势脱颖而出，被认为是最有前途的下一代主流存储器之一。除此之外，铁电薄膜作为一种功能材料，在新技术发展中占有重要的地位。
[0003] 在现在半导体制造中，存储器以及其他器件的工艺加工都需要经过一系列光学、化学、
冶金、高温等环节。诸如(温度、振动、湿度、冲击、
电压)
波动等各种恶劣因素对该类产品的影响很大，对于温度因素来说，温度过高、过低或者温变速度过快都可能导致该类产品无法正常使用。对于铁电器件的温度波动直接影响铁电薄膜的性能发生改变，很可能就会有电子元器件出现故障，或整机性能出现波动，从而导致整机运行出现故障，因此了解铁电器件以及铁电薄膜在不同的温度波动环境下的失效模式，分析失效原因，找出薄弱环节，采取相应措施提高元器件的温度可靠性就显得格外重要。
[0004] 目前常用的测试方法为温度可靠性测试，温度可靠性测试一般指的是电子产品在极限温度范围内的性能
稳定性和寿命等测试以及相关的失效分析等等。但是，这种方法是在产品的工艺后期实施的，对于由电子材料和器件物理结构等
基础因素引起的失效产品温度可靠性测试不太适用，尤其是各种新型电子材料集成器件。
发明内容
[0005] 为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够对铁电集成器件中由
环境温度变化引起铁电薄膜性能波动而造成的器件性能可靠性下降进行预评估，能有效缩短产品研发周期，降低产品研发投入成本的铁电薄膜温度可靠性的评价方法。
[0006] 根据本发明提供的铁电薄膜温度可靠性的评价方法，包括：
[0007] 获取铁电薄膜样品的初始特性，以得到所述铁电薄膜样品的初始性能参数；
[0008] 对所述铁电薄膜样品进行预极化处理，测得剩余极化值；
[0009] 在预设基准测试温度下对所述铁电薄膜样品加载交变微热
载荷，以得到所述铁电薄膜样品在不同载荷下的热释电系数；
[0010] 根据所述铁电薄膜样品的热释电系数以及相关参数与剩余极化值的比值，确定所述铁电薄膜样品是否合格。
[0011] 根据本发明提供的铁电薄膜温度可靠性的评价方法，首先获取铁电薄膜样品的初始特性，以得到所述铁电薄膜样品的初始性能参数；对所述铁电薄膜样品进行预极化处理，以得到剩余极化值；在预设基准测试温度下对所述铁电薄膜样品加载交变微热载荷，以得到所述铁电薄膜样品在不同载荷下的热释电系数；根据所述铁电薄膜样品的热释电系数与剩余极化值的比值，确定所述铁电薄膜样品是否合格。通过根据所述铁电薄膜样品的初始特性精确的得到该铁电薄膜样品的初始性能参数，以便于提高所述铁电薄膜样品测试的可靠性；通过对所述铁电薄膜样品进行预极化处理得到剩余极化值，以便于根据所述铁电薄膜样品的热释电系数与剩余极化值的比值，确定所述铁电薄膜样品是否合格，从而实现了对铁电集成器件中，由环境温度变化引起铁电薄膜性能波动而造成的器件性能可靠性下降的预评估，有效缩短了产品研发周期，降低了产品研发投入成本，满足了实际应用需求。
[0012] 另外，根据本发明上述的铁电薄膜温度可靠性的评价方法，还可以具有如下附加的技术特征：
[0013] 进一步地，所述热释电系数的计算公式为：
[0014]
[0015]
[0016] Vout＝ipRL＝SPcωΔTcos(ωt)
[0017] T＝T0+ΔTsin(ωt)
[0018] 其中，ω为调制
频率；T为铁电薄膜样品的温度变化；ip为热释电
电流；S为铁电薄膜样品上下
电极重叠部分的面积；RL为负载；Vout为负载RL两端的
输出电压；PS为铁电薄膜样品自发极化强度；Q为热释电电荷；t为时间。
[0019] 进一步地，所述在预设基准测试温度下对所述铁电薄膜样品加载交变微热载荷的步骤包括：
[0020] 在预设基准测试温度下，将通过函数发生器与温度
控制器产生的不同振幅的正旋波调制热源加载至所述铁电薄膜样品上。
[0021] 进一步地，所述确定所述铁电薄膜样品是否合格的方法包括：
[0022] 判断所述铁电薄膜样品的热释电系数与剩余极化值的比值是否小于预设值；
[0023] 若是，则所述铁电薄膜样品合格。
[0024] 所述铁电薄膜样品的热释电系数与剩余极化值的比值的计算公式为：
[0025]
[0026] 其中，Pc为热释电系数；Pr为剩余及极化值。
[0027] 进一步地，所述初始性能参数为电滞回线、
漏电流密度曲线、电容电压特性曲线、保持特性曲线、疲劳特性曲线中的一种或多种。
[0028] 进一步地，铁电薄膜样品为基于铁电薄膜生长工艺制备的
氧化铪基铁电薄膜、
钛锆酸铅铁电薄膜及钽酸锶铋铁电薄膜中的一种或多种。
[0029] 进一步地，所述铁电薄膜的生长工艺为溶胶凝胶法、
原子层沉积法、
脉冲激光沉积法及磁控
溅射法中的一种或多种。
[0030] 进一步地，相关参数指由铁电材料热释电效应相关但不局限于的热释电系数、热释电电流、热释电电压、表面电荷等。
[0031] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的
实施例了解到。
附图说明
[0032] 图1是本发明实施例提出的铁电薄膜温度可靠性的评价方法的
流程图；
[0033] 图2是图1中铁电薄膜温度可靠性的评价方法中的初始性能参数中漏电流密度曲线的示意图；
[0034] 图3是图1中铁电薄膜温度可靠性的评价方法中的初始性能参数中电滞回线的示意图；
[0035] 图4是图1中铁电薄膜温度可靠性的评价方法中的初始性能参数中电容电压特性曲线的示意图；
[0036] 图5是图1中铁电薄膜样品的热释电系数测试的原理图(a)及等效
电路图(b)；
[0037] 图6是图1中热释电系数曲线图；
具体实施方式
[0038] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039] 请参阅图1，本发明第一实施例提出的一种铁电薄膜温度可靠性的评价方法，其中，包括步骤S101～S104：
[0040] 步骤S101，获取铁电薄膜样品的初始特性，以得到所述铁电薄膜样品的初始性能参数。
[0041] 如上所述，通过测试系统中的获取模
块获取铁电薄膜样品的初始特性，以得到所述铁电薄膜样品的初始性能参数。所述初始性能参数为电滞回线、漏电流密度曲线、电容电压特性曲线、保持特性曲线、疲劳特性曲线中的一种或多种。本实施例中所述初始性能参数包括电滞回线、漏电流密度曲线、电容电压特性曲线、保持特性曲线及疲劳特性曲线，但不限于此，在其他实施例中，所述初始性能参数的数量及类型，还可根据实际需求进行调整。
[0042] 进一步地，所述铁电薄膜样品为基于铁电薄膜生长工艺制备的氧化铪基铁电薄膜、钛锆酸铅铁电薄膜及钽酸锶铋铁电薄膜中的一种或多种，但不限于此，在其他实施例中，所述铁电薄膜样品的类型，还可根据实际需求进行调整。其中，所述铁电薄膜的生长工艺为溶胶凝胶法、原子层沉积法、脉冲激光沉积法及
磁控溅射法中的一种或多种。
[0043] 步骤S102，对所述铁电薄膜样品进行预极化处理，测得剩余极化值。
[0044] 其中，在对所述铁电薄膜样品进行预极化处理时，可在预设的环境温度下，采用预设的直流电压对其进行预设时间的预极化处理，最终通过相应的检测设备检测所述铁电薄膜样品的剩余极化值。
[0045] 具体实施时，可将上述铁电薄膜样品置于加热探针台上，加热温度50℃，用2MV/cm的直流电压，极化时间5min，而后利用铁电分析仪测试剩余极化值，得到Pr。
[0046] 步骤S103，在预设基准测试温度下对所述铁电薄膜样品加载交变微热载荷，以得到所述铁电薄膜样品在不同载荷下的热释电系数。
[0047] 如上所述，在预设基准测试温度下，将通过函数发生器与
温度控制器产生的不同振幅的正旋波调制热源加载至所述铁电薄膜样品上，从而实现在预设基准测试温度下对所述铁电薄膜样品加载交变微热载荷，最终得到所述铁电薄膜样品在不同载荷下的热释电系数，其中，所述热释电系数的计算公式为：
[0048]
[0049]
[0050] Vout＝ipRL＝SPcωΔTcos(ωt)
[0051] T＝T0+ΔTsin(ωt)
[0052] 其中，ω为调制频率；T为铁电薄膜样品的温度变化；ip为热释电电流；S为铁电薄膜样品上下电极重叠部分的面积；RL为负载；Vout为负载RL两端的输出电压；PS为铁电薄膜样品自发极化强度；Q为热释电电荷；t为时间。
[0053] 可以理解的，通过在预设基准测试温度下对所述铁电薄膜样品加载交变微热载荷，测试以铁电薄膜样品的热释电系数，间接测试铁电薄膜的性能变化，避免了在器件完成后再测试温度可靠性，通过测试结果的拟合进行
数据处理，误差值大，以及存在铁电材料温度稳定性不高而导致研发资源浪费的
风险的问题。本发明将温度微扰对铁电薄膜及其集成器件的影响考虑进来，避免了温度微扰而导致的器件性能与设计值出入很大的状况，满足了实际应用需求。
[0054] 在此还需要说明的是，测试时，所述铁电薄膜样品的数量为多组，多组所述铁电薄膜样品的厚度及截面尺寸可以一致，也可是不一致，在此不做限制。
[0055] 步骤S104，根据所述铁电薄膜样品的热释电系数及相关参数与剩余极化值的比值，确定所述铁电薄膜样品是否合格。
[0056] 如上所述，通过对所述铁电薄膜样品进行预极化处理得到剩余极化值后，根据所述铁电薄膜样品的热释电系数及相关参数与剩余极化值的比值，确定所述铁电薄膜样品是否合格。其中，所述相关参数为铁电材料热释电效应的热释电系数、热释电电流、热释电电压、表面电荷中的一种或多种，但不限于此，在其他实施例中所述相关参数的类型及数量还可根据实际需求进行增减。
[0057] 进一步地，所述确定所述铁电薄膜样品是否合格的方法包括：判断所述铁电薄膜样品的热释电系数与剩余极化值的比值是否小于预设值；若是，则所述铁电薄膜样品合格。
[0058] 所述铁电薄膜样品的热释电系数与剩余极化值的比值的计算公式为：
[0059]
[0060] 其中，Pc为热释电系数；Pr为剩余及极化值。
[0061] 作为一个具体的实施例，首先基于原子层沉积技术制备出氧化铪铁电薄膜2)、电滞回线(图3)、电容电压特性曲线(图4)的初始性能参数；
[0062] 请参阅图5，将所述述氧化铪铁电薄膜样品置于加热探针台上，加热温度50℃；用2MV/cm的直流电压，极化时间5min，而后利用铁电分析仪测试剩余极化值，得到pr＝11.8μC/cm-2；
[0063] 选取2个温度基准：25℃、50℃作为。在基准测试温度基础上，分别对应加载周期200s，幅值分别为1℃的正弦温度变化。测试热释电系数，测试结果如图6所示，[0064] 由
[0065] 得Pc1＝5×10-10C·cm-2·K-1
[0066] Pc2＝1.5×10-9C·cm-2·K-1；
[0067] 因此，由热释电系数与该条件下的剩余极化值的比值公式： 得，
[0068]
[0069]
[0070] 由于f1＜f2，且小于预设值，而确定在25℃，幅值1℃的交变微热载荷条件下，所得到的所述铁电薄膜样品合格。
[0071] 可以理解的，本发明在集成铁电器件制作前，对薄膜的温度可靠性进行测试评估。如若发现薄膜稳定性不高，可提前对薄膜参数进行调整，降低由此带来的相关风险。在铁电电容上面施加恒温附近有规律波动的热载荷，根据的温度对极化的影响，测试表面电荷的变化，进而研究动态的温度变化对铁电薄膜及其器件的影响程度。并且可对铁电集成器件中由环境温度变化引起铁电薄膜性能波动而造成的器件性能可靠性下降进行预评估，能有效缩短产品研发周期，降低产品研发投入成本。
[0072] 在本
说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0073] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由
权利要求及其等同物限定。
