In Situ Transmission Electron Microscopy met biasing en fabricage van asymmetrische dwarsbalken op basis van gemixte a-VOx
Summary
Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het analyseren van nanostructurele veranderingen tijdens in situ biasing met transmissie elektronenmicroscopie (TEM) voor een gestapelde metaal-isolator-metaalstructuur. Het heeft belangrijke toepassingen in resistieve schakelbalken voor de volgende generatie programmeerbare logische circuits en neuromimicking hardware, om hun onderliggende werkingsmechanismen en praktische toepasbaarheid te onthullen.
Abstract
Resistive switching crossbar architectuur is zeer gewenst op het gebied van digitale herinneringen vanwege lage kosten en hoge dichtheid voordelen. Verschillende materialen vertonen variabiliteit in resistieve schakeleigenschappen vanwege de intrinsieke aard van het gebruikte materiaal, wat leidt tot discrepanties in het veld als gevolg van onderliggende werkingsmechanismen. Dit benadrukt de noodzaak van een betrouwbare techniek om mechanismen te begrijpen met behulp van nanostructurele observaties. Dit protocol legt een gedetailleerd proces en methodologie van in situ nanostructurele analyse uit als gevolg van elektrische biasing met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Het biedt visueel en betrouwbaar bewijs van onderliggende nanostructurele veranderingen in realtime geheugenbewerkingen. Ook inbegrepen is de methodologie van fabricage en elektrische karakteriseringen voor asymmetrische dwarsbalkstructuren met amorf vanadiumoxide. Het protocol dat hier wordt uitgelegd voor vanadiumoxidefilms kan eenvoudig worden uitgebreid naar andere materialen in een metaal-diëlektrische metalen ingeklemde structuur. Resistieve schakelbalken worden voorspeld om de programmeerbare logica en neuromorfe circuits voor geheugenapparaten van de volgende generatie te dienen, gezien het begrip van de werkingsmechanismen. Dit protocol onthult het schakelmechanisme op een betrouwbare, tijdige en kosteneffectieve manier in elk type resistieve schakelmaterialen en voorspelt daarmee de toepasbaarheid van het apparaat.
Introduction
Weerstandsveranderingsoxidegeheugens worden steeds vaker gebruikt als bouwsteen voor nieuwe geheugen- en logische architecturen vanwege hun compatibele schakelsnelheid, kleinere celstructuur en de mogelijkheid om te worden ontworpen in driedimensionale (3D) dwarsbalkarrays met hoge capaciteit1. Tot op heden zijn meerdere schakeltypen gemeld voor resistieve schakelapparaten2,3. Veelvoorkomend schakelgedrag voor metaaloxiden zijn unipolair, bipolair, complementair resistief schakelen en vluchtige drempelschakeling. Naast de complexiteit is gemeld dat één cel ookmultifunctioneleweerstandsschakelprestaties vertoont 4,5,6.
Deze variabiliteit betekent dat nanostructurele onderzoeken nodig zijn om de oorsprong van verschillende geheugengedragingen en bijbehorende schakelmechanismen te begrijpen om duidelijk gedefinieerde conditieafhankelijk schakelen te ontwikkelen voor praktisch nut. Algemeen gerapporteerde technieken om de schakelmechanismen te begrijpen zijn diepteprofilering met röntgenfoto-elektrotronspectroscopie (XPS)7,8, secundaire ionenmassaspectroscopie op nanoschaal (nano-SIMS)6,niet-destructieve fotoluminescentiespectroscopie (PL)8,elektrische karakterisering van verschillende grootte en dikte van functionele oxide van apparaten, nano-indentatie7, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), energiedispergerende röntgenspectroscopie (EDX) en elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) op dwarsdoorsnedelamellen in een TEM-kamer6,8. Alle bovenstaande technieken hebben voldoende inzicht gegeven in de schakelmechanismen. In de meeste technieken is echter meer dan één monster nodig voor analyse, inclusief de ongerepte, geëlektroformeerde, ingestelde en resetapparaten, om het volledige schakelgedrag te begrijpen. Dit verhoogt de experimentele complexiteit en is tijdrovend. Bovendien zijn de storingspercentages hoog, omdat het lastig is om een subnanoscale filament in een apparaat te lokaliseren dat een paar micron groot is. Daarom zijn in situ experimenten belangrijk in nanostructurele karakteriseringen om werkingsmechanismen te begrijpen, omdat ze bewijs leveren in realtime experimenten.
Presented is een protocol voor het uitvoeren van in situ TEM met elektrische biasing voor metaal-isolator-metaal (MIM) stapels asymmetrische resistieve schakelende cross-point apparaten. Het primaire doel van dit protocol is om een gedetailleerde methodologie voor lamellenvoorbereiding te bieden met behulp van een focus ionenbundel (FIB) en in situ experimentele opstelling voor TEM en elektrische biasing. Het proces wordt uitgelegd aan de hand van een representatieve studie van asymmetrische kruispuntapparaten op basis van gemengd gefaseerd amorf vanadiumoxide (a-VOx)4. Ook wordt het fabricageproces van cross-point apparaten gepresenteerd met een-VOx, die eenvoudig kan worden opgeschaald naar dwarsbalken, met behulp van standaard micro-nano fabricageprocessen. Dit fabricageproces is belangrijk omdat het in dwarsbalken een-VOx bevat die oplost in water.
Het voordeel van dit protocol is dat bij slechts één lamellen nanostructurele veranderingen kunnen worden waargenomen in TEM, in tegenstelling tot de andere technieken, waarbij ten minste drie apparaten of lamellen vereist zijn. Dit vereenvoudigt het proces aanzienlijk en vermindert tijd, kosten en moeite en biedt betrouwbaar visueel bewijs van nanostructurele veranderingen in realtime bewerkingen. Bovendien is het ontworpen met standaard micro-nano fabricageprocessen, microscopietechnieken en instrumenten op innovatieve manieren om zijn nieuwheid vast te stellen en de onderzoekslacunes aan te pakken.
In de representatieve studie die hier wordt beschreven voor een-VOx-gebaseerdecross-point apparaten, helpt het in situ TEM-protocol het schakelmechanisme achter apolaire en vluchtige drempelschakeling te begrijpen4. Het proces en de methodologie die zijn ontwikkeld voor het observeren van nanostructurele veranderingen in een-VOx tijdens in situ biasing kunnen gemakkelijk worden uitgebreid tot in situ temperatuur, en in situ temperatuur en biasing tegelijkertijd, door alleen de lamellen montage chip te vervangen, en naar elk ander materiaal, inclusief twee of meer lagen functioneel materiaal in een metaal-isolator-metaal ingeklemde structuur. Het helpt het onderliggende werkingsmechanisme te onthullen en elektrische of thermische kenmerken te verklaren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel legt het protocol voor in situ biasing met transmissie-elektronenmicroscopie uit, inclusief het fabricageproces voor het apparaat, gridbarontwerp voor biasing chipmontage, lamellenvoorbereiding en montage op de biasing chip en TEM met in situ biasing.
De fabricagemethodologie van cross-point apparaten, die eenvoudig kan worden opgeschaald naar dwarsbalkstructuren, wordt uitgelegd. De Ti-aftopping van vanadiumoxide is essentieel om amorf vanadiumoxide op te nemen, omdat het oplost i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd in de Micro Nano Research Facility van de RMIT University in het Victorian Node of the Australian National Fabrication Facility (ANFF). De auteurs erkennen de faciliteiten en de wetenschappelijke en technische assistentie van de Microscopie, Microanalysis Facility van de RMIT University, een gekoppeld laboratorium van de Microscopie Australië. Beursondersteuning van de Australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) regeling van de Australische overheid wordt erkend. We danken professor Madhu Bhaskaran, universitair hoofddocent Sumeet Walia, Dr. Matthew Field en mr. Brenton Cook voor hun begeleiding en nuttige discussies.
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).
