Lò ủ nhiệt chậm

dụng lò ủ nhiệt nhanh (RTA)

ng nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện ủ nhiệt, tiếp theo chúng tôi ch ng phương pháp ủ nhiệt nhanh RTA với m

n tử sử dụng vật liệu sắt điện ở nhiệt độ và giá thành th o màng mỏng PZT kết tinh bởi hệ ủ nhiệt nhanh

C/s. Nhiệt độ kết tinh cho màng mỏng PZT đư C trong môi trường không khí sạch với thời gian ủ là 30 phút.

m bảo chất lượng tốt nhất cho màng mỏng, q ũng được thực hiện trong phòng sạch.

2 2

/ / /

Pt TiO SiO Sicó kích thước 10 x 10 mm2 đư trên.

c quay phủ giống như quy trình chế tạo sử d

nhiệt chậm.

t chậm (Hình 2.4) ở các 15 phút trong môi trường khí sạch 4N

nhiên. p theo chúng tôi chế i mục đích ứng dụng và giá thành thấp. Do t nhanh với tốc độ nâng ng PZT được thay đổi là 450, là 30 phút. ng, quy trình chế tạo từ được làm sạch giống dụng lò ủ nhiệt chậm.

Bước 3: Sau khi hoàn t ở nhiệt độ 150oC trong 1 phút và Tiếp tục lặp lại từBư Quy trình chế tạo màng PZT s bộở 430oC như quy trình s Hình 2.5:Sơ đồ quy trình ch Hình 2.6: Bước 4: Xử lý nhi Nhiệt độ trong lò ủ 500, 550oC trong th 30 phút trong môi trư trường không khí tự

2.2. Chế tạo điện cực Pt2.2.1. Phương pháp chế tạo 2.2.1. Phương pháp chế tạo

Điện cực Pt được ch

Anh. Trong hệ máy này, có hai ch cao tần.

oàn tất quá trình quay phủ, đế tạo màng đư

C trong 1 phút và ở nhiệt độ 250oC trong 4 phút.

Bước 2 để tạo màng mỏng có độ dày mong mu

màng PZT sử dụng lò ủ nhiệt nhanh không c ình sử dụng lò ủ nhiệt chậm.

quy trình chế tạo màng mỏng PZT sử dụng lò ủ nhi

Hình 2.6: Lò ủ nhiệt nhanh RTA Mila-5000.

lý nhiệt cho màng mỏng PZT bằng lò ủ nhiệ ủ được tăng từ nhiệt độ phòng (Troom) lên các trong thời gian rất ngắn 30 giây. Sau đó giữở các nhi 30 phút trong môi trường khí sạch 4N với tỉ lệ O N2: 2=1:4, tương t

ự nhiên.

c Pt ế tạo

c chế tạo trên hệ máy phún xạ BOC Edward FL500, máy này, có hai chếđộ phún xạ là phún xạ cao áp m

o màng được đưa lên máy sấy trong 4 phút.

dày mong muốn.

t nhanh không cần thao tác sấy sơ

nhiệt nhanh RTA.

ệt nhanh (Hình 2.5). ) lên các ở nhiệt độ 450,

các nhiệt độ này trong =1:4, tương tự như môi

BOC Edward FL500, sản xuất tại cao áp một chiều và phún xạ

a. Phún xạ cao áp một chiều

Trong phún xạ cao áp một chiều, người ta sử dụng hệ chỉnh lưu điện thế cao áp (đến vài kV) làm nguồn cấp điện áp một chiều đặt trên hai điện cực trong chuông chân không (hình 2.6). Bia phún xạchính là cathode phóng điện, tùy thuộc vào thiết bị mà diện tích của bia nằm trong khoảng từ10 đến vài trăm cm2. Cơ chế hình thành plasma giống cơ chế phóng điện lạnh trong khí kém. Điện tử thứ cấp phát xạ từcathode được gia tốc trong điện trường cao áp, chúng ion hóa các nguyên tử khí, do đó các ion khí Arbị hút về cathode, bắn phá lên vật liệu làm bật các nguyên tửra và ngưng kết trên đế.

b. Phún xạ cao tần

Phún xạ cao tần là phún xạ tần số radio, một dải tần số cao. Điện áp đặt trên điện cực của hệ chân không là nguồn xoay chiều tần số từ 0,1MHz trở lên, biên độ trong khoảng từ 0,5 đến 1kV. Trên hình 2.7 là sơ đồ thiết bị của hệ phún xạ cao tần có tụ điện làm việc theo cơ chế phóng điện trên đĩa song song. Phổ biến nhất ngày nay là nguồn cao tần có tần số 13,56 MHz. Mật độ dòng ion tổng hợp tới bia trong khoảng 1mA/ cm2, trong khi biên độ của dòng cao tần tổng hợp cao hơn rất nhiều.

Trong trường hợp của máy Edward, hệ phún xạ được thiết kế gồm cả hai chức năng phún xạ cao tần và cao áp một chiều để có thể thực hiện đồng phún xạ từ hai nguồn bia có thành phần cấu tạo khác nhau. Phún xạ cao tần đã khắc phục được hạn chế lớn nhất của phún xạ cao áp một chiều đó chính là không thể phún xạ được trong trường hợp màng hoặc đế là chất cách điện. Bởi vì:

- Nếu bia cách điện, nó sẽ cản trở dòng dc và gây ra cản trở sự hình thành của các hạt khí điện tích.

- Nếu đế cách điện, nó sẽ gây ra sựtích điện trên đế và dẫn tới sựphóng điện hồ quang.

- Nếu màng cách điện, màng sẽ hình thành trên đế và vùng anode cũng bị tích điện và phóng điện hồ quang.

Trong luận văn này, màng Pt được ngưng kết bởi phún xạ cao áp một chiều. Cấu trúc điện cực Pt và các thông số chế tạo sẽđược trình bày sau đây.

Hình 2.7: Phún xạ cao áp 1 chiều. Hình 2.8: Phún xạ cao tần.

2.2.2. Cấu trúc điện cực Pt

a. Chuẩn bị

Màng mỏng PZT sau khi được kết tinh ở nhiệt độ thích hợp cần được phủđiện cực lên bề mặt nhằm phục vụ cho việc khảo sát các tính chất điện. Điện cực Pt được chế tạo như hình 2.8.

Hình 2.9: Cấu trúc điện cực Pt trên màng PZT.

Đểcó được điện cực như hình 2.9, công nghệđược sử dụng là dán mặt nạ lên trên bề mặt của mẫu. Như vậy sau khi phún xạ chỉ những phần màng tiếp xúc với lỗ trống trên mặt nạ mới có vật liệu phún xạởtrên. Kích thước của các điện cực chế tạo là điện cực tròn có các đường kính là 100, 200 và 500 m.

Hình 2.10: Mặt nạ sử dụng trong chế tạo điện cực.

b. Điều kiện ngưng kết điện cực Pt

Các thông số chế tạo điện cực Pt được trình bày trong bảng 2.1 dưới đây.

Bảng 2.1: Thông số chế tạo điện cực thuần bằng phương pháp phún xạ.

Nguồn phún xạ Áp suất chân không cơ sở (Pa)

Dòng khí (Ar) (sccm) Công suất (W) Thời gian (phút) DC 10-4 15 60 25

2.2.3. Quy trình thử nghiệm chế tạo bộ nhớ sắt điện

Quy trình chế tạo thử nghiệm bộ nhớ sắt điện của chúng tôi khá đơn giản.

- Bước 1: đế Pt/TiO2/SiO2/Si đã được chế tạo tại Nhật Bản, được làm sạch trong dung môi acetone và nước khử ion.

- Bước 2: màng mỏng sắt điện PZT có độ dày 200 nm được chế tạo bằng phương pháp dung dịch trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si, như đã trình bày ở trên. - Bước 3: màng mỏng ITO có độ dày khoảng 20 nm, được quay phủ trên đế

PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si, sau đó được ủ nhiệt ở khoảng nhiệt độ 450-550oC, như được mổ tả trên hình 2.10.

- Bước 4: kiểm tra đặc trưng hoạt động của bộ nhớ sắt điện thông qua đặc trưng truyền qua (transfer characteristic) và đặc trưng ra (output characteristics) bởi thiết bị SPM (semiconductor parameter analyzer, Kitley).

Hình 2.11: 2.3. Thiết bị khảo sát và 2.3. Thiết bị khảo sát và

2.3.1. Thiết bị đo nhiễu xạ tia X

Phương pháp nhiễu x tinh thể của các vật liệu. T thể, đồng thời có thể sử d thể. Tia X là sóng điện từ năng xuyên qua nhiều vậ Xét chùm tia X có hai tia t khoảng là d , góc tạo bở tính chất tuần hoàn, các m trò giống như các cách tử 2.11) .Khi đó các tia phản x Để có cực đại nhiễu x kiện bằng số nguyên lần c Với n là các số nguyên, n = 1,2,3…. Công thức trên là công th

tinh thể. Biểu thức này cho th

mặt tinh thể cốđịnh và chùm tia X có b

 thỏa mãn định luật Bragg. K nhiễu xạ tại các góc  khác nhau.

: Cấu trúc của bộ nhớ sắt điện được chế tạo thử nghi

o sát và đánh giá tính chất màng mỏng PZT và b ết bị đo nhiễu xạ tia X

u xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất để u. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X có thể xác định

dụng định tương đối về lượng pha và xác

ừ có bước sóng trong khoảng 10 nm đến 100 pm. Tia X có kh ật chất nên thường được dùng trong y tế, nghiên c

m tia X có hai tia tới hai mặt phẳng nguyên tử liền kề nhau cách nhau m ởi chùm tia tới với mặt phẳng nguyên tử

n hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng ử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ n xạtương ứng sẽ có hiệu đường đi (quang tr

2 sin

l d 

  (2.1)

u xạ trên phim ảnh thì hiệu đường đi này ph n của bước sóng, nghĩa là:

2 sind  n (2.2)

nguyên, n = 1,2,3….

c trên là công thức Bragg mô tả hiện tượng nhiễu x c này cho thấy rằng với một mạng tinh thể có kho nh và chùm tia X có bước sóng không đổi, sẽ tồn t

t Bragg. Kết quả là trên phổ nhiễu xạ sẽ xu

 khác nhau.

nghiệm.

ng PZT và bộ nhớ sắt điện

nghiên cứu cấu trúc nh được các pha tinh c định kích thước tinh n 100 pm. Tia X có khả , nghiên cứu tinh thể. nhau cách nhau một là θ. Do tinh thể có ng đều đặn d, đóng vai ạ của các tia X (Hình ng đi (quang trình) bằng:

ng đi này phải thỏa mãn điều

u xạ tia X trên các mặt có khoảng cách d giữa các n tại nhiều giá trị góc xuất hiện của các đỉnh

Hình 2.12: Sơ đồ tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể.

Hình 2.12 là ảnh thiết bị nhiễu xạ tia X D8 Advance. Cấu tạo của một thiết bị nhiễu xạ kế tia X gồm các phần sau: ống phát tia X, giác kế, bộ thu tia X, phần điều khiển điện tử có ghép nối máy tính. Phổ nhiễu xạ tia X, xác định cấu trúc tinh thể và định hướng ưu tiên của màng mỏng PZT được thực hiện trên hệ này.

Hình 2.13: Hình ảnh chụp thiết bịđo nhiễu xạ tia X D8 Advance.

2.3.2. Thiết bị đo điện trễ và dòng rò

a. Nguyên lý phép đo độ phân cực điện

Người ta có thể đo độ phân cực điện của vật liệu sắt điện dựa trên mạch Sawyer - Tower như mô tả trên hình 2.13. Trong mạch điện này mẫu vật liệu sắt điện được coi như một tụ điện, thường có giá trị C x nhỏ hơn nhiều so với giá trị của một tụ điện chuẩn CR để đảm bảo điện thếđặt vào mạch VS phân bố chủ yếu giữa hai cực của mẫu đo. Giả sử có một lượng điện tích Q phân bố trên bề mặt với diện tích S của mẫu, do các tụ là nối tiếp nên điện thế V R đặt vào tụđiện chuẩn C R là:

. R Q D S V C C   (2.3)

Với là DP0.E độ dịch chuyển. Đối với vật liệu sắt điện độ phân cực P lớn hơn nhiều so với phần đóng góp 0.Enên biểu thức trên được biễu diễn thành:

R S

V C P

S

 (2.4)

Như vậy thông qua việc đo giá trịđiện áp V R người ta có thểđo được độ phân cực điện P của vật liệu sắt điện.

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý phép đo điện trễ theo mạch Sawyer – Tower.

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 IDVG, 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 IDVG. 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(VGVth)

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