b. Nguyên lý của phép đo dòng rò
Dòng rò cũng là một trong những tính chất quan trọng khí đánh giá tính chất điện của một loại màng mỏng sắt điện. Dòng rò của một chất điện môi thì phụ thuộc tuyến tính vào điện áp đặt lên nó. Hình 2.18 thể hiện đường cong J-V điển hình cho một loại điện mội, mà trên đó chúng ta có thể chia đường cong đó thành 3 vùng. Trong vùng thứ nhất, mật độ dòng phụ thuộc tuyến tính vào điện thếngoài, và như vậy, đặc trưng J-V tuân theo định luật Ohm. Vùng thứ 2 bị chi phối bởi hiệu ứng Pool-Frankel và Schottky. Dòng điện ở vùng thứ 3 có liên hệ mật thiết đến sự đánh thủng điện môi hoặc dòng chui ngầm Fowler – Nordheim.
c. Hệ đo điện trễ Radiant Precision LC 10
Để đo đặc trưng điện trễ và dòng rò của mảng mỏng PZT sử dụng các điện cực thuần hay lai hóa, hệ đo đường cong điện trễ Radiant Precision LC 10 (hình 2.15) đặt tại Phòng thí nghiệm Công nghệ micro và nano (Trường Đại học Công nghệ) được dùng để khảo sát. Các phần chính của hệđo bao gồm:
- Bộ phận điện tử Precision LC và phần cao áp Precision High Voltage Interface gồm các mạch điện tửđiều khiển và xử lý, ghép nối với bộ khuếch đại cao áp HVA.
- Hệđầu dò và kính hiển vi quang học: dùng để đo trong trường hợp mẫu dạng màng.
- Máy tính và phần mềm Vision: cho phép điều khiển hệđo, thực hiện quá trình đo mẫu một cách tựđộng, thu nhận và xử lý số liệu bằng máy tính.
Hình 2.16: Thiết bịđo đường cong điện trễ và dòng rò Radiant Precision LC 10.
Ngoài ra hệ máy còn có một bơm hút chân không để giữ mẫu cốđịnh trong quá trình đo và một sốđầu đo đặc biệt đểđo mẫu khối.
2.3.4. Xác định độ lật bộ nhớ và thế tới hạn
a. Độ lật của bộ nhớ
Đối với transistor dạng màng mỏng, tham số dùng để định lượng độ nhạy mà tại đó transistor bị khóa bởi thế ở cổng, được gọi là Subthreshold Swing (S) (nghịch đảo của subthreshold slope), là rất quan trọng. S được định nghĩa là vi phân thế cổng cần thiết để sinh ra một dòng máng với 1 đơn vịbiên độ, được diễn tả bởi công thức:
1 (log D) G I S V (2.5)
Do đó, bằng cách đo đặc trưng truyền IDVG, chúng ta có thể định nghĩa S factor. Giá trị tiêu biểu S factor cho MOSFET thương mại vào khoảng 70 – 100mV/decade.
b. Thế tới hạn (Vth)
Để xác định được thế ngưỡng Vth (được định nghĩa là thế ở cổng mà ở đó dòng máng bắt đầu chảy), một cách truyền thống, chúng ta sử dụng phương pháp intercept ở vùng tuyến tính của vùng tuyến tính hàm truyền IDVG. Trong phương pháp này, dòng máng được biểu diễn bởi: 0 W ( ) D n G th D I C V V V L (2.6) Với điều kiện: VD(VGVth)
Trong đó n là độlinh động của điện tử, C0là điện dung của MOSFET, L và W theo thứ tự là chiều dài và chiều rộng kênh dẫn của MOSFET. Bằng cách ngoại suy vùng tuyến tính của đặc trưng truyền đối với trục VG, chúng ta sẽcó được Vth.
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT
Với quy trình chế tạo màng mỏng PZT bằng phương pháp dung dịch như đã trình bày ở chương 2, màng mỏng PZT dày 200 nm được chế tạo trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si với lớp màng Pt có định hướng ưu tiên là (111). Sau khi chế tạo, các mẫu được ủ theo hai quy trình khác nhau: quy trình ủ nhiệt độ cao sử dụng lò ủ nhiệt chậm và quy trình ủ nhiệt độ thấp sử dụng lò ủ nhiệt nhanh (RTA-Rapid Thermal Annealing).
3.1.1. Màng mỏng PZT nhiệt độ cao
Theo nhiều nghiên cứu trước đây thì nhiệt độ kết tinh của màng mỏng PZT là khoảng 600oC, và khi đó định hướng ưu tiên của màng mỏng có xu hướng là (100). Tuy nhiên, nếu sử dụng màng mỏng PZT(100) thì gặp phải vấn đề lớn trong sự sắp xếp bất ổn định do cạnh tranh giữa định hướng (100) và (001). Trong các ứng dụng sử dụng màng mỏng PZT thì tính ổn định là cần thiết, do đó chúng tôi tập trung nghiên cứu chế tạo PZT có định hướng ưu tiên (111). Để thu được màng PZT(111), thì một trong những điều kiện cần thiết là phải có mầm kết tinh theo định hướng (111) [6]. Trong quy trình chế tạo màng mỏng PZT ủ nhiệt cao, màng sau khi đã chế tạo và sấy sơ bộ ở khoảng 430oC trong 15 phút sẽ được cho vào lò ủ nhiệt chậm ở các nhiệt độ khác nhau từ 500oC đến 700oC. Các mẫu được ký hiệu lần lượt là M500, M550, M600, M650 và M700. Sau đó các mẫu này được tiến hành khảo sát cấu trúc tinh thể thông qua thiết bị nhiễu xạ tia X.
Hình 3.1 là phổ nhiễu xạ của màng mỏng PZT được ủ nhiệt tại 500oC. Từ phổ nhiễu xạ trên ta thấy chỉ xuất hiện duy nhất một đỉnh nhiễu xạ ở góc 2θ = 40o với cường độ rất lớn tương ứng với đỉnh Pt(111), nhưng không thấy xuất hiện đỉnh PZT. Như vậy có thể thấy rằng màng ủ tại nhiệt độ 500oC không hình thành cấu trúc tinh thể hợp thức như mong muốn. Điều này có thể giải thích là do nhiệt độ ủ 500oC thấp hơn so với nhiệt độ kết tinh của PZT, tức là năng lượng nhiệt chưa đủ để cung cấp năng lượng cho các nguyên tử trong màng hình thành được cấu trúc mà vẫn giữ nguyên trạng thái vô định hình hoặc vi tinh thể (micro crystal).
Hình 3.2 là phổ nhiễu xạ của mẫu M550 ủ nhiệt tại 550oC. Trên phổ nhiễu xạ này, ngoài sự xuất hiện của đỉnh nhiễu xạ với cường độ rất lớn của Pt(111) thì còn có một đỉnh nhiễu xạ ở 2θ khoảng 39o với cường độ nhỏ hơn chính là pha cấu trúc của PZT.
Pha này ứng với định hướng (111) của tinh thể PZT, tức là trật tự perovskite đã được hình thành khi mẫu được ủ tại 550oC.
Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại 500oC.
Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại 550oC.
Để tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên cấu trúc tinh thể của màng PZT, chúng tôi đã tiến hành ủ nhiệt ở các nhiệt độ cao hơn. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu M600, M650 và M700 được trình bày ở Hình 3.3, Hình 3.4 và Hình 3.5.
Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT
ủ tại 600oC.
Hình 3.4: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại 650oC. tại 650oC.
Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại 700oC.
Từ phổ nhiễu xạ trên ta có thể thấy ở các nhiệt độ ủ lớn hơn 550oC, cấu trúc tinh thể của màng mỏng PZT đều đơn pha và có định hướng ưu tiên (111). Trong quy trình ủ mẫu, lò ủ được tăng nhiệt lên đến các giá trị ổn định từ 550-700oC. Nhiều nhóm tác giả đã đưa ra cách giải thích về sự hình thành màng mỏng như các kết quả quan sát ở trên là do sự hình thành của pha liên kim loại PtPb(111) nằm giữa hai lớp Pt(111) và PZT(111). Khi màng mỏng được ủ trong môi trường khử hoặc được tăng nhiệt trực tiếp lên nhiệt độ cao, một phản ứng ôxi hóa khử sẽ xảy ra giữa lớp liên kết PZT/Pt, nơi có áp suất ô-xi riêng phần thấp khi nhiệt độ được tăng nhanh. Điều này làm giảm lượng Pb2+ thành kim loại Pb kéo theo sự hình thành lớp Pt5-7Pb trên bề mặt đế. Lớp Pt5-7Pb có định hướng tinh thể là (111) đóng vai trò là lớp mầm cho sự hình thành cấu trúc tinh thểđơn pha PZT(111).
Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu ủ tại các nhiệt độ khác nhau từ 550 đến 700oC được tổng hợp ở Hình 3.6. Như trên hình vẽ này, có thể rút ra nhận xét là với nhiệt độ ủ lớn hơn 550oC thì màng mỏng PZT đã đạt được cấu trúc tinh thể đơn pha định hướng
ưu tiên (111). Tuy nhiên để tìm ra nhiệt độ ủ tối ưu, chúng tôi đã tiến hành khảo sát tính chất điện của các màng mỏng chế tạo được. Mẫu có đặc trưng điện trễ và dòng rò tốt nhất sẽ được lựa chọn cho các ứng dụng chế tạo bộ nhớ sắt điện, như sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo.
Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại các nhiệt độ khác nhau.
3.1.2. Màng mỏng PZT nhiệt độ thấp
Để mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ cũng như sự khác nhau về tốc độ tăng nhiệt lên tính chất của màng mỏng PZT, phương pháp ủ nhiệt nhanh RTA cũng được sử dụng nhằm mục đích ứng dụng chế tạo các linh kiện điện tử tiêu hao ít năng lượng. Chính vì vậy, chúng tôi chế tạo màng mỏng PZT kết tinh bởi hệ ủ nhiệt nhanh với tốc độ nâng nhiệt có thể lên tới 40oC/s. Trong quy trình chế tạo màng mỏng PZT nhiệt độ thấp, màng sau khi đã chế tạo sẽ không qua bước sấy sơ bộ ở 430oC, mà được kết tinh trực tiếp từ các nhiệt độ 425, 450, 475, 500 và 550oC trong môi trường không khí sạch với thời gian ủ là 30 phút. Các mẫu được ký hiệu lần lượt là RTA425, RTA450, RTA475, RTA500 và RTA550. Các mẫu này được tiến hành khảo sát cấu trúc tinh thể bằng thiết bị nhiễu xạ tia X. Hình 3.7 là phổ nhiễu xạ tia X của màng PZT được ủ nhiệt tại 425oC. Từ phổ nhiễu xạ ta thấy có vẻ như vị trí đỉnh quan sát được rất gần với đỉnh PZT(111). Tuy nhiên, đây không phải là pha perovskite vì không quan sát được tính chất sắt điện như sẽ được thảo luận ở phần sau. Bên cạnh đó, các Hình 3.8, Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11 cũng cho thấy vị trí đỉnh gần như cùng vị trí với PZT(111), và kết quả đo tính chất điện của các mẫu này khẳng định đã có cấu trúc perovskite trong các mẫu này. Tức là, sử dụng lò ủ nhiệt nhanh RTA, nhiệt độ kết tinh
của màng mỏng PZT có thể hạ xuống 450oC. Có một lưu ý là từ kết quả nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ta thấy ngoài hai đỉnh nhiễu xạ định hướng (111) của tinh thể PZT và đỉnh Pt(111) thì xuất hiện thêm đỉnh nhỏ PZT(110) với mẫu RTA500 và PZT(100) của RTA550. Tuy nhiên định hướng (111) của PZT là chiếm ưu thế lớn hơn rất nhiều so với các định hướng khác, nên có thểcoi đây là màng mỏng có định hướng ưu tiên PZT(111).
Như vậy, bằng cách sử dụng hệủ nhiệt nhanh RTA, chúng tôi đã giảm được nhiệt độ kết tinh của màng mỏng PZT từ trên 550oC xuống còn 450oC. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc công nghệ chế tạo màng mỏng PZT khi đã giảm thời gian cũng như năng lượng tiêu hao.
Hình 3.7: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ nhiệt nhanh tại 425oC.
Hình 3.8: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ nhiệt nhanh tại 450oC. PZT ủ nhiệt nhanh tại 450oC.
Hình 3.9: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT
Hình 3.10: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ nhiệt nhanh tại 500oC. PZT ủ nhiệt nhanh tại 500oC.
Hình 3.11: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ nhiệt nhanh tại 550oC. PZT ủ nhiệt nhanh tại 550oC.
Hình 3.12: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu PZT ủ nhiệt nhanh tại các nhiệt độ khác nhau.
3.2. Tính chất điện của màng mỏng PZT 3.2.1. Màng PZT nhiệt độ cao
Quy trình chế tạo điện cực Pt được phủ lên màng mỏng PZT đã được tổng kết trong Bảng 2.1. Độ dày của điện cực Pt là khoảng 200 nm. Để tạo hình cho các điện cực chúng tôi đã được sử dụng mặt nạ kim loại với các đường kính thay đổi 100, 200 và 500m. Hình 3.13 là ảnh của điện cực được phủ lên màng PZT chụp bằng kính hiển vi quang học tại Phòng thí nghiệm Micro-nano, trường Đại học Công nghệ. Chúng ta có thể thấy rằng các điện cực được hình thành rõ ràng, và kích thước không quá sai lệch với kích thước thiết kế trong mặt nạ.
Hình 3.13:Ảnh điện cực phủ trên màng mỏng PZT đường kính: 100, 200 và 500m.
a. Đặc trưng điện trễ
Sau khi chế tạo thành công điện cực, chúng tôi tiến hành khảo sát và đánh giá tính chất điện của màng mỏng PZT ủ tại các nhiệt độ khác nhau từ 500-700oC sử dụng lò ủ nhiệt chậm. Hình 3.14 là đặc trưng điện trễ của mẫu M500.
Hình 3.14: Đồ thị P-E (điện trễ) của màng mỏng PZT ủ tại 500oC.
Dạng đặc trưng điện trễ tuyến tính trên là của vật liệu thuận điện. Đây là vật liệu có dạng vô định hình hoặc vi tinh thể, ở đó các véc-tơ phân cực trong lòng vật liệu không có sắp xếp theo phương ưu tiên mà định hướng hỗn loạn. Điều này dẫn đến khi chưa có điện trường tác dụng thì tổng độ phân cực điện trên toàn vật liệu bằng 0. Khi có điện trường tác dụng thì độ phân cực tăng nhưng khi ngắt điện trường thì độ phân cực lại trở về 0. Do đó có thể kết luận màng PZT ủ tại 500oC có dạng vô định hình.
Điều này rất phù hợp với kết quả phổ nhiễu xạ tia X của mẫu 500oC như đã nêu ở phần 3.1.1.
Hình 3.15 là đồ thị P-E của mẫu M550. Đối với mẫu PZT ủ tại nhiệt độ 550oC ta thu được đường cong P-E dạng đặc trưng của vật liệu sắt điện với độ phân cực dư là khoảng 20 C/cm2 độ phân cực bão hòa khoảng 30 C/cm2 và lực kháng điện đạt khoảng 90 kV/cm tại thế phân cực 5V. Đường cong này lại có tính đối xứng khá cao, nên phù hợp cho việc sử dụng chế tạo bộ nhớ sắt điện.
Hình 3.15:Đồ thịP-E(điện trễ) của màng mỏng PZT ủ tại 550oC.
Hình 3.16:Đồ thịP-E(điện trễ) của màng mỏng PZT ủ tại 600oC.
Đặc trưng điện trễ của mẫu M600 được thể hiện ở Hình 3.16. Ta có thể thấy đường cong này có tính đối xứng khá cao. Đặc biệt, khi thế phân cực nhỏ (2V) thì đồ thị P-E của mẫu đã có dạng trễ đặc trưng với độ phân cực dư đạt khoảng 15 C/cm2, độ phân cực bão hòa khoảng 25 C/cm2, lực kháng điện khoảng 50 kV/cm. Trong khi
đó cũng tại thế phân cực này, đồ thị P-E của mẫu M550, M650 vẫn chưa đạt được dạng bão hòa (Hình 3.15, Hình 3.17 và Hình 3.18). Hình 3.17:Đồ thịP-E(điện trễ) của màng mỏng PZT ủ tại 650oC. Hình 3.18:Đồ thịP-E(điện trễ) của màng mỏng PZT ủ tại 700oC.
Đối với mẫu M650 và M700, mặc dù đường cong điện trễ vẫn có dạng đặc trưng và khá đối xứng nhưng giá trị độ phân cực dư, độ phân cực bão hòa của hai mẫu giảm. Điều này thể hiện khá rõ ràng trên đặc trưng sắt điện của các mẫu ủ tại nhiệt độ khác nhau ở thể phân cực 5 V (Hình 3.19).
Hình 3.19.Đồ thịP-E(điện trễ) của màng PZT ủ tại các nhiệt độ khác nhau tại thế phân cực 5 V.
Từđặc trưng điện trễ Hình 3.19 ta thấy, nhiệt độ ủ 500oC là chưa đủ để thu được màng PZT mong muốn do đặc trưng điện trễ của màng mỏng ủ tại nhiệt độ này là có dạng tuyến tính của vật liệu thuận điện. Khi tăng nhiệt độ ủ lớn hơn 550oC thì đặc trưng P-E của màng có hình dạng đặc trưng của vật liệu sắt điện. Cụ thể, độ phân cực
bão hòa của mẫu M550 và M600 đạt khoảng 30 C/cm2. Tuy nhiên khi nhiệt độ ủ lên đến 650oC thì độ phân cực bão hòa giảm còn khoảng 28 C/cm2 (mẫu M650) và giảm xuống chỉ còn khoảng 25 C/cm2 với mẫu M700. Độ phân cực dư cũng giảm từ khoảng 20 C/cm2 (M550 và M600) xuống khoảng 18 C/cm2 (M650) và còn khoảng 15 C/cm2 (M700). Các kết quả trên có thể được giải thích do khi màng PZT ủ tại nhiệt độ 500oC, năng lượng nhiệt chưa đủ cho hình thành cấu trúc tinh thể của màng mỏng. Do đó màng mỏng vẫn tồn tại ở dạng vô định hình hoặc vi tinh thể và cho đặc