Summary

В Situ передачи электронной микроскопии с смещения и изготовление асимметричных перекладин на основе смешанных фаз -VOх

Published: May 13, 2020
doi:

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

1. Процесс изготовления и электрическая характеристика Используйте стандартную фотолитографиюразворота изображения 9 для узора нижнего электрода (СЛОЙ 1) с фоторезистервом устройств с использованием следующих параметров: Спиновое пальто фоторезист при 3000 об/ми?…

Representative Results

Результаты, достигнутые с помощью этого протокола для кросс-точечныхустройств a-VOx, объясняются на рисунке 8. На рисунке 8A показан микрограф TEM нетронутой ламеллы. Здесь дифракционные узоры (вставка) указывают на аморфную природу оксидной ?…

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?…

Disclosures

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Zhou, Y., Ramanathan, S. Mott Memory and Neuromorphic Devices. Proceedings of the IEEE. 103 (8), 1289-1310 (2015).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Ahmed, T., et al. Inducing tunable switching behavior in a single memristor. Applied Materials Today. 11, 280-290 (2018).
  7. Nili, H., et al. Nanoscale Resistive Switching in Amorphous Perovskite Oxide (a-SrTiO3) Memristors. Advanced Functional Materials. 24 (43), 6741-6750 (2014).
  8. Ahmed, T., et al. Transparent amorphous strontium titanate resistive memories with transient photo-response. Nanoscale. 9 (38), 14690-14702 (2017).
  9. Reuhman-Huisken, M. E., Vollenbroek, F. A. An optimized image reversal process for half-micron lithography. Microelectronic Engineering. 11 (1), 575-580 (1990).
  10. Taha, M., et al. Insulator-metal transition in substrate-independent VO2 thin film for phase-change devices. Scientific Reports. 7 (1), 17899 (2017).
  11. 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).
  12. Lee, S., Ivanov, I. N., Keum, J. K., Lee, H. N. Epitaxial stabilization and phase instability of VO2 polymorphs. Scientific Reports. 6, 19621 (2016).

Play Video

Cite This Article
Nirantar, S., Mayes, E., Sriram, S. In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx. J. Vis. Exp. (159), e61026, doi:10.3791/61026 (2020).

View Video