Luận án Nghiên cứu đặc trưng nhớ sắt điện của màng Micro

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu đặc trưng nhớ sắt điện của màng Micro

1. Lời cảm ơn Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể hƣớng dẫn, TS. Bùi Nguyên Quốc Trình và PGS. TS. Phạm Đức Thắng, đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi hoàn thành quyển luận án này. Tôi xin chân thành bày tỏ sự cám ơn tới các thầy, cô trong Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nanô, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tạo nhiều điều kiện và có những đóng góp quý báu cho tôi để tôi hoàn thiện luận án của mình. Tôi xin chân thành cám ơn TS. Lê Việt Cƣờng, ThS. Nguyễn Quang Hòa cùng toàn thể các nghiên cứu sinh trong Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã giúp đỡ tôi hết sức nhiệt tình trong thời gian tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp, những ngƣời đã quan tâm, ủng hộ và động viên tôi, tiếp thêm nghị lực cho tôi. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã tin tƣởng tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Luận án này đƣợc sự hỗ trợ của: (1) Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02-2012.81; (2) Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG.14.08; (3) Đề tài VJU Research Grant Program năm 2019, đƣợc tài trợ bởi tổ chức JICA, Nhật Bản. i
2. Lời cam đoan Tôi xin cam đoan bản luận án này là của riêng tôi, do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Bùi Nguyên Quốc Trình và PGS.TS. Phạm Đức Thắng. Phần lớn các thực nghiệm về chế tạo và khảo sát tính chất của các màng mỏng và các bộ nhớ đƣợc thực hiện tại Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ nano, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Trong luận án này chúng tôi cũng có hợp tác với Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản để thực hiện mộ số khảo sát tính chất của các màng mỏng và bộ nhớ sắt điện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào. Nghiên cứu sinh Đỗ Hồng Minh ii
3. MỤC LỤC Lời cảm ơn ............................................................................................................................ i Lời cam đoan ....................................................................................................................... ii MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................................... xii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. VẬT LIỆU TRONG BỘ NHỚ SẮT ĐIỆN .................................................. 5 1.1. Bộ nhớ sắt điện ......................................................................................................... 5 1.1.1. Tình hình nghiên cứu bộ nhớ sắt điện trong và ngoài nƣớc. ................................ 5 1.1.2. Bộ nhớ sắt điện transistor hiệu ứng trƣờng (FeFET). ........................................... 6 1.1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý ghi/đọc của bộ nhớ sắt điện FeFET. ........................... 6 1.1.2.2. Triển vọng ứng dụng của bộ nhớ FeFET. ...................................................... 7 1.1.2.3. Một số vấn đề hạn chế của bộ nhớ sắt điện FeFET. ...................................... 7 1.1.2.4. Yêu cầu lựa chọn vật liệu chế tạo cho bộ nhớ FeFET. .................................. 8 1.2. Vật liệu sắt điện có cấu trúc perovskite ................................................................... 8 1.2.1. Cấu trúc perovskite của các vật liệu sắt điện. ....................................................... 8 1.2.2. Lý thuyết Ginzburg-Landau về chuyển pha sắt điện .......................................... 11 1.2.3. Tính chất sắt điện trong vật liệu có cấu trúc kiểu perovskite .............................. 15 1.2.4. Cấu trúc đômen sắt điện. ..................................................................................... 17 1.2.4.1. Sự hình thành đômen ................................................................................... 17 1.2.4.2. Vách đômen ................................................................................................. 19 1.2.5. Đƣờng điện trễ của vật liệu sắt điện. ................................................................... 21 1.3. Vật liệu sắt điện điển hình có ứng dụng trong bộ nhớ sắt điện. ............................. 24 1.3.1. Vật liệu sắt điện PZT........................................................................................... 24 1.3.2. Vật liệu sắt điện BLT .......................................................................................... 33 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................................. 35 CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................. 36 iii
4. 2.1. Chế tạo mẫu. ........................................................................................................... 36 2.1.1. Chế tạo mẫu theo phƣơng pháp dung dịch. ......................................................... 37 2.1.1.1. Dụng cụ và hóa chất .................................................................................... 37 2.1.1.2. Phƣơng pháp dung dịch chế tạo màng mỏng ............................................... 37 2.1.2. Chế tạo điện cực Pt.............................................................................................. 39 2.2. Phƣơng pháp phân tích tính chất của các màng mỏng. .......................................... 40 2.2.1. Phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDS hay EDX) .................................................... 40 2.2.2. Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ............................. 41 2.2.3. Khảo sát hình thái cấu trúc bề mặt của các màng mỏng ..................................... 42 2.2.4. Khảo sát tính chất điện của các màng mỏng sắt điện ......................................... 43 2.2.4.1. Phép đo độ phân cực điện ............................................................................ 44 2.2.4.2. Phép đo dòng dò .......................................................................................... 45 2.2.5. Khảo sát hoạt động của ô nhớ ............................................................................. 45 2.3. Phƣơng pháp chế tạo ô nhớ .................................................................................... 47 2.3.1. Chế tạo ô nhớ có kích thƣớc micro mét bằng công nghệ quang khắc ................ 47 2.3.2. Chế tạo ô nhớ có kích thƣớc nano mét bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử . ................................................................................................... 49 2.3.3. Ăn mòn (Etching) ................................................................................................ 52 Kết luận chƣơng 2. ............................................................................................................ 54 CHƢƠNG 3. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CÁC HỆ MÀNG MỎNG ................................ 55 3.1. Khảo sát tính chất của các màng mỏng sắt điện (BLT, PZT). ............................... 55 3.1.1. Tính chất của các màng mỏng BLT, PZT ủ tăng nhiệt chậm trên đế silic.......... 55 3.1.1.1. Cấu trúc tinh thể và hình thái học bề mặt của màng mỏng BLT, PZT ........ 56 3.1.1.2. Tính chất điện của hệ màng mỏng sắt điện BLT, PZT ................................ 61 3.1.2. Tính chất màng mỏng PZT trên đế Si/SiO2/Ti/Pt ủ nhiệt nhanh. ....................... 67 3.1.2.1. Cấu trúc tinh thể và hình thái học bề mặt của màng sắt điện PZTN. .......... 68 3.1.2.2. Tính chất điện của màng mỏng PZT ủ nhiệt nhanh. .................................... 69 3.2. Ảnh hƣởng của điện cực LNO lên tính chất của màng mỏng PZT. ....................... 73 3.2.1. Ảnh hƣởng của điện cực LNO lên tính chất điện của màng mỏng PZT. ............ 74 iv
5. 3.2.1.1. Khảo sát tính chất của màng mỏng LNO trên đế Si/SiO2 ........................... 74 3.2.1.2. Ảnh hƣởng điện cực LNO lên tính chất của màng mỏng PZTN ................. 76 3.2.2. Ảnh hƣởng của điện cực Al/LNO lên tính chất của màng mỏng PZT ............... 78 3.2.2.1. Khảo sát tính chất của màng mỏng LNO trên đế nhôm .............................. 79 3.2.2.2. Cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt của màng mỏng Al/LNO/PZT .......... 81 3.2.2.3. Ảnh hƣởng điện cực Al/LNO lên tính chất điện của màng mỏng PZT ....... 83 3.3. Ảnh hƣởng của đế lên tính chất điện của màng mỏng PZT ................................... 84 3.3.1. Cấu trúc tinh thể của màng mỏng PZTN trên đế sc-STO, pc-STO, thủy tinh .... 85 3.3.2. Hình thái học bề mặt của màng PZTN500 trên các loại đế ................................ 86 3.3.3. Tính chất điện của màng PZTN500 trên các loại đế ........................................... 87 3.4. Tối ƣu hóa tính chất màng mỏng làm kênh dẫn (ITO) .......................................... 89 3.4.1. Ảnh hƣởng độ dày đến cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt . ........................... 90 3.4.2. Ảnh hƣởng nhiệt độ ủ đến cấu trúc tinh thể và cấu trúc vi tinh thể . .................. 92 3.4.3. Ảnh hƣởng nhiệt độ ủ đến tính chất điện của màng mỏng ITO .......................... 94 Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................................. 95 CHƢƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT Ô NHỚ SẮT ĐIỆN ....................................... 97 4.1. Chế tạo và khảo sát đặc trƣng của ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ micro mét ...... 97 4.1.1. Chế tạo ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ micro mét. ............................................ 97 4.1.1.1. Chế tạo ô nhớ sắt điện cực cổng phẳng trên đế silic.................................... 97 4.1.1.2. Chế tạo ô nhớ sắt điện cực cổng phẳng trên đế thủy tinh, sc-STO, pc- STO ....................................................................................... 98 4.1.2. Khảo sát các đặc trƣng nhớ của ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ micro mét. ...... 99 4.1.2.1. Đặc trƣng ID-VG của ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ micro mét ................. 99 4.1.2.2. Đặc trƣng ID-VD của ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ micro mét ............... 101 4.1.2.3. Đặc trƣng duy trì của ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ micro mét .............. 104 4.2. Chế tạo và khảo sát đặc trƣng của ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ nano mét ...... 106 4.2.1. Chế tạo ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ nano mét. ........................................... 108 4.2.2. Khảo sát ô nhớ sắt điện với kênh dẫn cỡ nano mét. .......................................... 110 Kết luận chƣơng 4. .......................................................................................................... 114 v
6. KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 116 ĐỀ XUẤT ........................................................................................................................ 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 119 vi
7. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, Tiếng Anh Tiếng Việt chữ viết tắt ε Dielectric Constant Hằng số điện môi ε0 Vacuum Dielectric Constant Hằng số điện môi chân không θ Diffraction Angle Góc nhiễu xạ λ Wavelength Bƣớc sóng μFE Carrier Concentration Nồng độ hạt tải χ Electric susceptibility Độ cảm điện AFM Atomic Force Microscope Hiển vi lực nguyên tử BLT (Bi3+xLa1-x)Ti3O12 Vật liệu BLT BT BaTiO3 Vật liệu BT CC Curie Constant Hằng số Curie Cox Capacitance Per Area Unit Điện dung trên một đơn vị diện tích CPU Center Processing Unit Bộ vi sử lí CS Sample Capacitance Điện dung mẫu DC Direct Current Nguồn phún xạ một chiều DRAM Dynamic Ranom Acess Memory Bộ nhớ ram động EB Electron Beam Chùm điện tử EC Electrical Coercive Feld Trƣờng kháng điện Ed Electrical Depolarization Field Trƣờng khử phân cực EDS (EDX) Energy Dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán xạ năng lƣợng tia X EEPROM Elictrically Erasable Programmable Bộ nhớ chỉ đọc ghi đƣợc, Read Only Memory xóa đƣợc bằng điện EFM Electrostatic Force Microscope Kính hiển vi lực tĩnh điện EPROM Erasable Programmable Read Only Bộ nhớ chỉ đọc ghi đƣợc, vii
8. Memory xóa đƣợc FeFET Ferroelectric Field Effect transistor Bộ nhớ sắt điện hiện ứng trƣờng FeRAM Ferroelectric Random Access Memory Bộ nhớ sắt điện truy cập ngẫu nhiên FGT Ferroelectric Gate Transistor Bộ nhớ sắt điện FTO Fluorine-doped tin oxide (SnO2:F) Vật liệu FTO ICP Inductively Coupled Plasma Plasma bắt cặp phản ứng ID Drain Electric Dòng máng IGZO InGaZnO4 + In2Ga2ZnO7 Vật liệu IGZO ITO In2-xSnxO3-2x Vật liệu ITO IZO In2O3 + ZnO Vật liệu IZO LDS Channel Length Chiều dài kênh dẫn LGO Pb5Ge3O11 Vật liệu LGO LNO LaNiO3 Vật liệu LNO LSCO La2-xSrxCuO4 Vật liệu LSCO LSI Large Scale Intergration Mạch tích hợp mật độ lớn MBE Molecular beam epitaxy Lắng đọng chùm phân tử epitaxy MFIS Metal - Ferroelectric – Insulator - Kim loại-sắt điện-cách điện- Semiconductor bán dẫn MFMIS Metal - Ferroelectric - Metal - Kim loại - Sắt điện - Kim Insulator - Semiconductor loại - Cách điện - Bán dẫn MFS Metal - Ferroelectric - Semiconductor Kim loại-sắt điện-bán dẫn MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Lắng đọng pha hơi hóa học Deposition hợp chất kim loại hữu cơ MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field- Tran-zi-to trƣờng kim loại - Effect Transistor ôxít bán dẫn viii
9. MPB Morphotropic Phase Boundary Pha biên hình thái MRAM Magnetoresistive RAM Bộ nhớ từ trở MS Spontaneous Magnetization Từ hóa tự phát pc-STO Polly-crystal Đa tinh thể STO PECVD Plasma-enhanced Chemical Vapor Lắng đọng hơi hóa học bằng Deposition Plasma PLD Pulse Laser Deposi Lắng đọng xung laser PLZT (Pb,La)(Zr,Ti)O3 Vật liệu PLZT PMN Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Vật liệu PMN Pr Remanent polarization Độ phân cực dƣ PROM Programmable Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc ghi đƣợc PS Spontaneous Polarization Độ phân cực tự phát PSat Polarization Saturation Độ phân cực bão hòa PT PbTiO3 Vật liệu PT PZT PbZrxTi1-xO3 Vật liệu PZT Rf Radio Frequency Nguồn phún xạ xoay chiều RIE Reactive Ion Etching Phản ứng ăn mòn ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc SBT SrBi2Ta2O9 Vật liệu SBT sc-STO Single crystal Đơn tinh thể STO SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét SiO2 Oxit silic SRAM Static Random Acess Memory Bộ nhớ ram tĩnh SS Spontaneous distortion Biến dạng tự phát SS STN Sr2(Ta,Nb)2O7 Vật liệu STN TC Phase Transition Temperature Nhiệt độ chuyển pha TEM Transmission Electron Microscopy Hiển vi điện tử truyền qua TFT Thin Film Transistor Bộ nhớ sắt điện dạng màng ix
10. mỏng VC Coercive Voltage Cửa sổ nhớ VD Drain Voltage Thế cực máng VDG Voltage Between The Drain And Gate Thế giữa cực máng và cực nguồn VDS Voltage Between The Drain And Thế giữa cực máng và cực Source nguồn VG Gate Voltage Thế cực cổng VGS Voltage Between The Gate And Thế giữa cực cổng và cực Source nguồn VS Source Voltage Thế cực nguồn WDS Channel Width Độ rộng kênh dẫn XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X YBCO YBa2Cu3O7-x Vật liệu YBCO x