В Situ передачи электронной микроскопии с смещения и изготовление асимметричных перекладин на основе смешанных фаз -VOх
Summary
Здесь представлен протокол для анализа наноструктурных изменений во время смещения на месте с помощью электронной микроскопии передачи (TEM) для уложенной металлоизоляторно-металлической структуры. Он имеет значительные приложения в резистивных переключения перекладины для следующего поколения программируемых логических схем и нейромимикакинг оборудования, чтобы выявить их основные механизмы работы и практической применимости.
Abstract
Архитектура резистивного переключения перекладины очень желанная в области цифровых воспоминаний из-за низкой стоимости и преимуществ высокой плотности. Различные материалы показывают изменчивость резистивных свойств переключения из-за внутренней природы используемого материала, что приводит к расхождениям в полевых условиях из-за основных механизмов работы. Это подчеркивает необходимость надежной техники для понимания механизмов с использованием наноструктурных наблюдений. Этот протокол объясняет детальный процесс и методологию наноструктурного анализа in situ в результате электрического смещения с использованием электронной микроскопии передачи (TEM). Он обеспечивает визуальное и надежное доказательство основных наноструктурных изменений в операциях памяти в режиме реального времени. Включена также методология изготовления и электрические характеристики асимметричных конструкций перекладины, включающие аморфный оксид ванадия. Протокол, разъясняться здесь для пленок оксида ванадия, может быть легко распространен на любые другие материалы в зажатой металлоконструкциях. Сопротивление переключения перекладины, по прогнозам, служить программируемой логики и нейроморфных схем для устройств памяти следующего поколения, учитывая понимание механизмов работы. Этот протокол показывает механизм переключения надежным, своевременным и экономически эффективным способом в любом типе резистивных коммутируемых материалов, и тем самым предсказывает применимость устройства.
Introduction
Воспоминания о оксиде изменения сопротивления все чаще используются в качестве строительного блока для новых архитектур памяти и логики из-за их совместимой скорости переключения, меньшей структуры клеток и способности быть спроектированными в трехмерных (3D) массивахперекладины высокой емкости 1. На сегодняшний день, несколько типов переключения были зарегистрированы для резисторных устройств переключения2,3. Общие переключения поведения для оксидов металла являются однополярные, биполярные, дополнительные резистивные переключения, и летучих порогового переключения. Добавление к сложности, одна ячейка, как сообщается, показывают многофункциональные резистивные переключенияпроизводительности, а также 4,5,6.
Эта изменчивость означает, что наноструктурные исследования необходимы для понимания истоков различных поведений памяти и соответствующих механизмов переключения для разработки четко определенного зависимого от состояния переключения для практической полезности. Обычно сообщалось методы для понимания механизмов переключения глубины профилирования с рентгеновской фотоэлектронные спектроскопии (XPS) 7,8,наномасштабныевторичной иольной массы спектроскопии (нано-SIMS)6, неразрушающая светообразующая спектроскопия (PL)8, электрическая характеристика разного размера и толщины функционального оксида устройств, наноиндентация7, электронная микроскопия передачи (TEM), энергодисперсивная рентгеновская спектроскопия (EDX) и спектроскопия потери энергии электрона (EELS) на поперечной ламелле в камереTEM 6,8. Все вышеперечисленные методы дают удовлетворительную информацию о механизмах переключения. Тем не менее, в большинстве методов, более чем один образец требуется для анализа, в том числе нетронутой, электроформированных, набор, и сбросить устройства, чтобы понять полное поведение переключения. Это увеличивает экспериментальную сложность и относя много времени. Кроме того, уровень отказов высок, потому что найти субнаномасштабную нить в устройстве размером несколько микрон сложно. Поэтому эксперименты на месте имеют важное значение в наноструктурных характеристиках для понимания механизмов работы, поскольку они предоставляют доказательства в экспериментах в режиме реального времени.
Представлен протокол для проведения in situ TEM с электрическим уклоном для металлоизоляторно-металлических (MIM) стеков асимметричных резистивных коммутируемых кросс-точечных устройств. Основная цель этого протокола заключается в предоставлении подробной методологии подготовки ламеллы с использованием фокуса ионный луч (FIB) и на месте экспериментальной установки для TEM и электрических предубеждений. Процесс объясняется с помощью репрезентативного исследования асимметричных кросс-точечных устройств на основе смешанного аморфного оксида ванадия(a-VOx)4. Также представлен процесс изготовления кросс-точечных устройств, включающих -VOx, которые могут быть легко масштабированы до перекладины, используя стандартные процессы микро-нано изготовления. Этот процесс изготовления имеет важное значение, поскольку он включает в себя в перекладинах -VOx, который растворяется в воде.
Преимущество этого протокола заключается в том, что только с одной ламеллой, наноструктурные изменения могут наблюдаться в TEM, в отличие от других методов, где требуется как минимум три устройства или lamellae. Это значительно упрощает процесс и сокращает время, затраты и усилия, обеспечивая при этом надежные визуальные доказательства наноструктурных изменений в операциях в режиме реального времени. Кроме того, он разработан со стандартными процессами микро-нано изготовления, методы микроскопии, и инструменты в инновационных способов установить свою новизну и устранения пробелов в исследованиях.
В репрезентативном исследовании, описанном здесьдля кросс-точечных устройств на основе -VOx,протокол in situ TEM помогает понять механизм переключения за аполярным и летучим пороговымпереключением 4. Процесс и методология, разработанные для наблюдения за наноструктурными изменениями в-VOx во время смещения на месте, могут быть легко распространены на температуру на месте, а также на температуру места и смещения одновременно, просто заменив крепления чипа ламеллы, и на любой другой материал, включая два или более слоев функционального материала в металлоизоляторно-металлической зажатой структуре. Это помогает выявить основной механизм работы и объяснить электрические или тепловые характеристики.
Protocol
Representative Results
Discussion
В настоящем документе объясняется протокол для смещения на месте с передачей электронной микроскопии, включая процесс изготовления устройства, gridbar проектирования для смещения чип монтажа, lamella подготовки и монтажа на смещения чип, и TEM с на месте смещения.
Объясняется м?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была выполнена частично в Научно-исследовательском центре Micro Nano в Университете RMIT в викторианском узел Австралийского национального фонда изготовления (ANFF). Авторы признают возможности и научно-техническую помощь, оказанную Микроскопией Университета RMIT, Microanalysis Facility, связанной лабораторией микроскопии Австралии. Признана стипендиальная поддержка австралийской аспирантской премии (APA)/Программы обучения исследований (RTP) австралийского правительства. Мы благодарим профессора Мадху Бхаскарана, доцента Сумита Валиа, д-ра Мэтью Филда и г-на Брентона Кука за их руководство и полезные дискуссии.
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).
