ב מיקרוסקופ אלקטרונים שידור Situ עם הטיה והפיקה של מוטות אסימטריים המבוססים על מעורב שלבים a-VOx
Summary
מוצג כאן הוא פרוטוקול לניתוח שינויים ננו במהלך הטיה situ עם מיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM) עבור מבנה מתכת-מבודד-מתכת מוערם. יש לו יישומים משמעותיים נגד מיתוג מוטות מוצלבים עבור הדור הבא של מעגלי לוגיקה לתכנות וחומרה neuromimicking, כדי לחשוף את מנגנוני הפעולה הבסיסיים שלהם וישימות מעשית.
Abstract
ארכיטקטורת מוט מוצלב התנגדותית רצויה מאוד בתחום הזיכרונות הדיגיטליים בשל עלות נמוכה ויתרונות בצפיפות גבוהה. חומרים שונים מראים שונות במאפייני מיתוג התנגדותיים בשל האופי המהותי של החומר המשמש, מה שמוביל לאי התאמות בשטח בגלל מנגנוני הפעולה הבסיסיים. זה מדגיש את הצורך בטכניקה אמינה להבנת מנגנונים באמצעות תצפיות ננו-מבניות. פרוטוקול זה מסביר תהליך מפורט ומתודולוגיה של ניתוח ננו-מבני באתרו כתוצאה מהטיה חשמלית באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM). הוא מספק ראיות חזותיות ואמינות לשינויים ננו-מבניים בסיסיים בפעולות זיכרון בזמן אמת. כמו כן כלולה המתודולוגיה של ייצור ואפיונים חשמליים למבנים חוצי מוטות אסימטריים המשלבים תחמוצת ונדיום אמורפית. הפרוטוקול המוסבר כאן לסרטי תחמוצת ונדיום ניתן להרחיב בקלות לכל חומר אחר במבנה מתכת-דיאלקטרי-מתכת דחוק. מוטות חוצות מיתוג התנגדותיים צפויים לשרת את המעגלים הלוגיים והנוירומורפיים הניתנים לתכנות עבור התקני זיכרון מהדור הבא, בהתחשב בהבנת מנגנוני הפעולה. פרוטוקול זה חושף את מנגנון המיתוג בצורה אמינה, מתוזמן וחסכונית בכל סוג של חומרי מיתוג התנגדותיים, ובכך מנבא את תחולת המכשיר.
Introduction
זיכרונות תחמוצת שינוי התנגדות משמשים יותר ויותר כגוש הבניין עבור זיכרון חדשני וארכיטקטורות לוגיקה בשל מהירות המיתוג התואמת שלהם, מבנה תאים קטן יותר, ואת היכולת להיות מתוכנן בקיבולת גבוהה תלת מימדי (3D) מערכי מוטותמוצלבים 1. עד כה דווח על סוגי מיתוג מרובים עבור התקני מיתוג התנגדותיים2,3. התנהגויות מיתוג נפוצות עבור תחמוצות מתכת הן חד קוטביות, דו קוטביות, מיתוג התנגדותי משלים ומיתוג סף נדיף. בנוסף למורכבות, דווח על תא בודד המציג ביצועימיתוגהתנגדותיים רב תכליתיים וכן 4,5,6.
שונות זו פירושה כי יש צורך בחקירות ננו-מבניות כדי להבין את המקורות של התנהגויות זיכרון שונות ומנגנוני מיתוג מתאימים כדי לפתח מיתוג תלוי מצב מוגדר בבירור עבור כלי מעשי. טכניקות שדווחו בדרך כלל כדי להבין את מנגנוני המיתוג הם פרופיל עומק עם ספקטרוסקופיית צילום רנטגן (XPS)7,8, ספקטרוסקופיית מסת יון משנית ננומטרית (ננו-SIMS)6, ספקטרוסקופיית פוטולומינציה לא הרסנית (PL)8, אפיון חשמלי בגודל ועובי שונים של תחמוצת תפקודית של התקנים, ננו-אינדנטציה7, מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), ספקטרוסקופיית רנטגן פיזור אנרגיה (EDX) וספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיית אלקטרונים (EELS) על לאמלה חתך-חתך בתא TEM6,8. כל הטכניקות לעיל סיפקו תובנות משביעות רצון על מנגנוני המיתוג. עם זאת, ברוב הטכניקות, יותר מדגם אחד נדרש לניתוח, כולל התקנים בתוליים, electroformed, להגדיר ולאפס, כדי להבין את התנהגות המיתוג המלאה. זה מגביר את המורכבות הניסיונית וגוזל זמן. בנוסף, שיעורי הכשל גבוהים, מכיוון שאיתור חוט תת-נכבד במכשיר בגודל של כמה מיקרון הוא מסובך. לכן, בניסויים באתרו חשובים אפיונים ננו-מבניים כדי להבין מנגנוני פעולה, כפי שהם מספקים ראיות בניסויים בזמן אמת.
מוצג הוא פרוטוקול לניצוח באתרו TEM עם הטיה חשמלית עבור מתכת מבודד מתכת (MIM) ערימות של התקני מיתוג התנגדות אסימטריים חוצי נקודות. המטרה העיקרית של פרוטוקול זה היא לספק מתודולוגיה מפורטת להכנת lamella באמצעות קרן יון מיקוד (FIB) ובהגדרה ניסיונית situ עבור TEM והטיה חשמלית. התהליך מוסבר באמצעות מחקר מייצג של התקנים חוצי נקודות אסימטריים המבוססים על תחמוצת ונדיום אמורפית מעורבת שלבית (a-VOx)4. כמו כן מוצג תהליך הייצור של התקנים חוצי נקודות המשלבים-VOx, אשר ניתן לשנות בקלות עד crossbars, באמצעות תהליכי ייצור מיקרו ננו סטנדרטיים. תהליך ייצור זה חשוב מכיוון שהוא משלב במוטות מוצלבים -VOx שמתמוסס במים.
היתרון של פרוטוקול זה הוא כי עם lamella אחד בלבד, שינויים ננו-מבניים ניתן לראות ב- TEM, בניגוד לטכניקות אחרות, שבו מינימום של שלושה מכשירים או lamellae נדרשים. פעולה זו מפשטת באופן משמעותי את התהליך ומפחיתה את הזמן, העלות והמאמץ תוך מתן ראיות חזותיות מהימנות לשינויים ננו-מבניים בפעולות בזמן אמת. בנוסף, הוא מתוכנן עם תהליכי ייצור מיקרו ננו סטנדרטיים, טכניקות מיקרוסקופיה, ומכשירים בדרכים חדשניות כדי לבסס את החידוש שלה ולטפל בפערי המחקר.
במחקר הייצוגי המתואר כאן עבור-VOxמבוססי חוצה נקודות התקנים, פרוטוקול in situ TEM מסייע להבין את מנגנון המיתוג מאחורי מיתוג סף קוטבי ותנודתי4. ניתן להרחיב בקלותאת התהליך והמתודולוגיה שפותחו להתבוננות בשינויים ננו-מבניים ב- -VOx במהלך הטיית situ לטמפרטורת situ, ובטמפרטורת situ והטיה בו זמנית, על ידי החלפת שבב ההרכבה lamella, ולכל חומר אחר כולל שתי שכבות או יותר של חומר פונקציונלי במבנה מתכת-מבודד-מתכת דחוק. זה עוזר לחשוף את מנגנון הפעולה הבסיסי ולהסביר מאפיינים חשמליים או תרמיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
נייר זה מסביר את הפרוטוקול עבור באתרו הטיה עם מיקרוסקופ אלקטרונים שידור כולל תהליך הייצור של המכשיר, עיצוב gridbar להטיית שבב הרכבה, הכנת lamella הרכבה על שבב הטיה, ו TEM עם הטיה באתרו.
מתודולוגיית הייצור של התקנים חוצי נקודות, אשר ניתן לשנות בקלות עד מבנים crossbar, מוסבר. Ti capping של תחמוצ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו בוצעה בחלקה במתקן המחקר מיקרו ננו באוניברסיטת RMIT בצומת הוויקטוריאני של מתקן הייצור הלאומי האוסטרלי (ANFF). המחברים מכירים במתקנים, ובסיוע המדעי והטכני של מיקרוסקופיה של אוניברסיטת RMIT, מתקן מיקרואנליזה, מעבדה מקושרת של מיקרוסקופיה אוסטרליה. תמיכה במלגות מתוכנית תוכנית ההדרכה האוסטרלית לתואר שני (APA)/תוכנית הכשרה למחקר (RTP) של ממשלת אוסטרליה מוכרת. אנו מודים לפרופסור מאדהו בהסקראן, פרופסור חבר סומיט ואליה, ד”ר מתיו פילד ומר ברנטון קוק על ההדרכה והדיונים המועילים.
Materials
| Resist processing system | EV group | EVG 101 | |
| Acetone | Chem-Supply | AA008 | |
| Biasing Chip – E-chip | Protochips | E-FEF01-A4 | |
| Developer | MMRC | AZ 400K | |
| Electron beam evaporator – PVD 75 | Kurt J Leskar | PRO Line – eKLipse | |
| Focused Ion beam system | Thermo Fisher – FEI | Scios DualBeamTM system | |
| Hot plates | Brewer Science Inc. | 1300X | |
| Magnetron Sputterer | Kurt J Leskar | PRO Line | |
| Mask aligner | Karl Suss | MA6 | |
| Maskless Aligner | Heildberg instruments | MLA150 | |
| Methanol | Fisher scientific | M/4056 | |
| Phototresist | MMRC | AZ 5412E | |
| Pt source for e-beam evaporator | Unicore | ||
| The Fusion E-chip holder | Protochips | Fusion 350 | |
| Ti source for e-beam evaporator | Unicore | ||
| Transmission Electron Microscope | JEOL | JEM 2100F |
References
- Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E., Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E. . Advances in Neuromorphic Memristor Science and Applications. , 9-14 (2012).
- Pan, F., Gao, S., Chen, C., Song, C., Zeng, F. Recent progress in resistive random access memories: Materials, switching mechanisms, and performance. Materials Science and Engineering: R: Reports. 83, 1-59 (2014).
- Zhou, Y., Ramanathan, S. Mott Memory and Neuromorphic Devices. Proceedings of the IEEE. 103 (8), 1289-1310 (2015).
- Nirantar, S., et al. In Situ Nanostructural Analysis of Volatile Threshold Switching and Non-Volatile Bipolar Resistive Switching in Mixed-Phased a-VOx Asymmetric Crossbars. Advanced Electronic Materials. 5 (12), 1900605 (2019).
- Rupp, J. A., et al. Different threshold and bipolar resistive switching mechanisms in reactively sputtered amorphous undoped and Cr-doped vanadium oxide thin films. Journal of Applied Physics. 123 (4), 044502 (2018).
- Ahmed, T., et al. Inducing tunable switching behavior in a single memristor. Applied Materials Today. 11, 280-290 (2018).
- Nili, H., et al. Nanoscale Resistive Switching in Amorphous Perovskite Oxide (a-SrTiO3) Memristors. Advanced Functional Materials. 24 (43), 6741-6750 (2014).
- Ahmed, T., et al. Transparent amorphous strontium titanate resistive memories with transient photo-response. Nanoscale. 9 (38), 14690-14702 (2017).
- Reuhman-Huisken, M. E., Vollenbroek, F. A. An optimized image reversal process for half-micron lithography. Microelectronic Engineering. 11 (1), 575-580 (1990).
- Taha, M., et al. Insulator-metal transition in substrate-independent VO2 thin film for phase-change devices. Scientific Reports. 7 (1), 17899 (2017).
- Booth, J. M., et al. Correlating the Energetics and Atomic Motions of the Metal-Insulator Transition of M1 Vanadium Dioxide. Scientific Reports. 6, 26391 (2016).
- Lee, S., Ivanov, I. N., Keum, J. K., Lee, H. N. Epitaxial stabilization and phase instability of VO2 polymorphs. Scientific Reports. 6, 19621 (2016).
