In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication ofAssimetric Crossbars Based on Mix-Phased a-VOx
Summary
Apresentado aqui é um protocolo para analisar alterações nanoestruturais durante o viés in situ com a microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para uma estrutura metal-isolador-metal empilhada. Possui aplicações significativas na troca de barras resistivas para a próxima geração de circuitos lógicos programáveis e hardware neuromimicing, para revelar seus mecanismos de operação subjacentes e aplicabilidade prática.
Abstract
A arquitetura da trave de comutação resistiva é altamente desejada no campo das memórias digitais devido a benefícios de baixo custo e alta densidade. Diferentes materiais mostram variabilidade nas propriedades de comutação resistiva devido à natureza intrínseca do material utilizado, levando a discrepâncias no campo devido aos mecanismos de operação subjacentes. Isso destaca a necessidade de uma técnica confiável para entender mecanismos usando observações nanoestruturais. Este protocolo explica um processo detalhado e metodologia da análise nanoestrutural in situ como resultado do viés elétrico utilizando microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Ele fornece evidências visuais e confiáveis de mudanças nanoestruturais subjacentes em operações de memória em tempo real. Também está incluída a metodologia de fabricação e caracterizações elétricas para estruturas assimétricas da trave incorporando óxido de vanádio amorfo. O protocolo explicado aqui para filmes de óxido de vanádio pode ser facilmente estendido a qualquer outro material em uma estrutura sanduíche de metal-dielétrico. Prevê-se que as traves de comutação resistiva sirvam à lógica programável e circuitos neuromórficos para dispositivos de memória de próxima geração, dada a compreensão dos mecanismos de operação. Este protocolo revela o mecanismo de comutação de forma confiável, oportuna e econômica em qualquer tipo de materiais de comutação resistiva e, assim, prevê a aplicabilidade do dispositivo.
Introduction
As memórias de óxido de mudança de resistência são cada vez mais usadas como bloco de construção para novas arquiteturas de memória e lógica devido à sua velocidade de comutação compatível, estrutura celular menor e a capacidade de ser projetada em matrizes de trave tridimensionais de alta capacidade (3D)1. Até o momento, vários tipos de comutação foram relatados para dispositivos de comutação resistiva2,3. Os comportamentos comuns de comutação de óxidos metálicos são unipolar, bipolar, comutação resistiva complementar e comutação de limiar volátil. Somando-se à complexidade, a célula única foi relatada para mostrar desempenho de comutação resistiva multifuncional, bem como4,5,6.
Essa variabilidade significa que são necessárias investigações nanoestruturais para entender as origens de diferentes comportamentos de memória e mecanismos de comutação correspondentes para desenvolver uma troca claramente definida dependente de condições por utilidade prática. Técnicas comumente relatadas para entender os mecanismos de comutação são perfil de profundidade com espectroscopia fotoeletriva de raios-X (XPS)7,8, espectroscopia de massa de íon secundário nanoescala (nano-SIMS)6, espectroscopia de fotoluminescência não destrutiva (PL)8,caracterização elétrica de diferentes tamanhos e espessura de óxido funcional de dispositivos, nanoindentação7, microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de raios-X dispersivos de energia (EDX) e espectroscopia de perda de energia eletrônica (EELS) em lamella transversal em uma câmara TEM6,8. Todas as técnicas acima forneceram insights satisfatórios sobre os mecanismos de comutação. No entanto, na maioria das técnicas, mais de uma amostra é necessária para análise, incluindo os dispositivos imaculados, eletroformados, definidos e redefinidos, para entender o comportamento completo de comutação. Isso aumenta a complexidade experimental e é demorado. Além disso, as taxas de falha são altas, pois localizar um filamento subnanoescala em um dispositivo de poucos mícrons de tamanho é complicado. Portanto, experimentos in situ são importantes em caracterizações nanoestruturais para entender mecanismos de operação, pois fornecem evidências em experimentos em tempo real.
Apresentado é um protocolo para a realização in situ TEM com viés elétrico para pilhas de metal-isolador-metal (MIM) de dispositivos de comutação assimétrica. O objetivo principal deste protocolo é fornecer uma metodologia detalhada para a preparação de lamella utilizando um feixe de íons de foco (FIB) e configuração experimental in situ para TEM e viés elétrico. O processo é explicado por meio de um estudo representativo de dispositivos transversais assimétricos baseados em óxido de vanádio amorfo em fases mistas(a-VOx)4. Também é apresentado o processo de fabricação de dispositivos de ponto cruzado incorporando um-VOx,que pode ser facilmente dimensionado até as traves, utilizando processos padrão de fabricação micro-nano. Este processo de fabricação é importante, pois incorpora nas traves a-VOx que se dissolve na água.
A vantagem deste protocolo é que com apenas uma lamella, mudanças nanoestruturais podem ser observadas no TEM, ao contrário das outras técnicas, onde um mínimo de três dispositivos ou lamellae são necessários. Isso simplifica significativamente o processo e reduz o tempo, o custo e o esforço, ao mesmo tempo em que fornece evidências visuais confiáveis de mudanças nanoestruturais nas operações em tempo real. Além disso, é projetado com processos padrão de micro-nano fabricação, técnicas de microscopia e instrumentos de maneiras inovadoras para estabelecer sua novidade e resolver as lacunas de pesquisa.
No estudo representativo descrito aqui para dispositivoscross-point baseados em -VOx,o protocolo IN SITU TEM ajuda a entender o mecanismo de comutação por trás do comutação de limiar apolar e volátil4. O processo e a metodologia desenvolvidos para observar mudanças nanoestruturais em um-VOx durante o viés in situ podem ser facilmente estendidos à temperatura in situ, e na temperatura in situ e viés simultaneamente, apenas substituindo o chip de montagem lamella, e a qualquer outro material, incluindo duas ou mais camadas de material funcional em uma estrutura sanduíche metal-isolador-metal. Ajuda a revelar o mecanismo de operação subjacente e explicar características elétricas ou térmicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artigo explica o protocolo para viés in situ com microscopia eletrônica de transmissão, incluindo o processo de fabricação do dispositivo, design de barra de grade para montagem de chip tendencioso, preparação e montagem de lamella no chip de viés, e TEM com viés in situ.
Explica-se a metodologia de fabricação de dispositivos de ponto cruzado, que podem ser facilmente dimensionados até estruturas de traves. O revestimento ti de óxido de vanádio é essencial para incorporar ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi realizado em parte no Micro Nano Research Facility da RMIT University no Nó Vitoriano da Instalação Nacional australiana de Fabricação (ANFF). Os autores reconhecem as instalações e a assistência científica e técnica da Microscopia da Universidade RMIT, Microanálise Facility, um laboratório vinculado da Microscopia Austrália. O apoio de bolsas do programa Australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) do governo australiano é reconhecido. Agradecemos ao Professor Madhu Bhaskaran, ao Professor Associado Sumeet Walia, ao Dr. Matthew Field e ao Sr. Brenton Cook por suas orientações e discussões úteis.
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).
