Microscopía electrónica de transmisión in situ con sesgo y fabricación de travesaños asimétricos basados en fase mixta a-VOx
Summary
Aquí se presenta un protocolo para analizar los cambios nanoestructurales durante el sesgo in situ con microscopía electrónica de transmisión (TEM) para una estructura apilada de metal-aislante-metal. Tiene aplicaciones significativas en travesaños de conmutación resistiva para la próxima generación de circuitos lógicos programables y hardware de neuromimicking, para revelar sus mecanismos de operación subyacentes y aplicabilidad práctica.
Abstract
La arquitectura del travesaño de conmutación resistiva es muy deseada en el campo de las memorias digitales debido a los beneficios de bajo costo y alta densidad. Diferentes materiales muestran variabilidad en las propiedades de conmutación resistiva debido a la naturaleza intrínsica del material utilizado, lo que conduce a discrepancias en el campo debido a los mecanismos de operación subyacentes. Esto pone de relieve la necesidad de una técnica fiable para entender los mecanismos utilizando observaciones nanoestructurales. Este protocolo explica un proceso detallado y una metodología de análisis nanoestructural in situ como resultado del sesgo eléctrico mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). Proporciona evidencia visual y fiable de los cambios nanoestructurales subyacentes en las operaciones de memoria en tiempo real. También se incluye la metodología de fabricación y caracterizaciones eléctricas para estructuras asimétricas de travesaños que incorporan óxido de vanadio amorfo. El protocolo explicado aquí para las películas de óxido de vanadio se puede extender fácilmente a cualquier otro material en una estructura emparedada de metal-dieléctrico-metal. Se predice que las barras transversales de conmutación resistiva sirven a la lógica programable y a los circuitos neuromórficos para dispositivos de memoria de próxima generación, dada la comprensión de los mecanismos de operación. Este protocolo revela el mecanismo de conmutación de una manera fiable, oportuna y rentable en cualquier tipo de materiales de conmutación resistiva, y por lo tanto predice la aplicabilidad del dispositivo.
Introduction
Las memorias de óxido de cambio de resistencia se utilizan cada vez más como el bloque de construcción para arquitecturas lógicas y de memoria novedosas debido a su velocidad de conmutación compatible, estructura celular más pequeña y la capacidad de diseñarse en matrices de travesaños tridimensionales (3D) de alta capacidad1. Hasta la fecha, se han notificado varios tipos de conmutación para dispositivos de conmutación resistivas2,3. Los comportamientos de conmutación comunes para los óxidos metálicos son unidipolar, bipolar, conmutación resistiva complementaria y conmutación de umbral volátil. Además de la complejidad, se ha informado de una sola celda para mostrar el rendimiento multifuncional de conmutación resistiva, así como4,5,6.
Esta variabilidad significa que se necesitan investigaciones nanoestructurales para comprender los orígenes de los diferentes comportamientos de memoria y los mecanismos de conmutación correspondientes para desarrollar un cambio claramente definido dependiente de la condición para una utilidad práctica. Las técnicas comúnmente notificadas para entender los mecanismos de conmutación son el perfilado de profundidad con espectroscopia fotoelectrones de rayos X (XPS)7,8, espectroscopia de masa de iones secundarios a nanoescala (nano-SIMS)6,espectroscopia de fotoluminiscencia no destructiva (PL)8,caracterización eléctrica de diferente tamaño y espesor de óxido funcional de los dispositivos, nanoindentación7,microscopía electrónica de transmisión (TEM), espectroscopia de rayos X dispersante por energía (EDX) y espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS) en lamella transversal en una cámara TEM6,8. Todas las técnicas anteriores han proporcionado información satisfactoria sobre los mecanismos de conmutación. Sin embargo, en la mayoría de las técnicas, se requiere más de una muestra para el análisis, incluidos los dispositivos prístinos, electroformados, establecidos y de reinicio, para comprender el comportamiento de conmutación completo. Esto aumenta la complejidad experimental y consume mucho tiempo. Además, las tasas de error son altas, porque localizar un filamento de subnanoescala en un dispositivo de algunas micras de tamaño es complicado. Por lo tanto, los experimentos in situ son importantes en las caracterizaciones nanoestructurales para entender los mecanismos de operación, ya que proporcionan evidencia en experimentos en tiempo real.
Presentado es un protocolo para la realización in situ TEM con sesgo eléctrico para pilas de metal-aislante-metal (MIM) de dispositivos de conmutación resistiva asimétricas de punto cruzado. El objetivo principal de este protocolo es proporcionar una metodología detallada para la preparación de lamella utilizando un haz de iones de enfoque (FIB) y una configuración experimental in situ para TEM y sesgo eléctrico. El proceso se explica mediante un estudio representativo de dispositivos asimétricos de puntos cruzados basados en óxido de vanadio amorfo en fase mixta (a-VOx)4. También se presenta el proceso de fabricación de dispositivos de punto cruzado que incorporan un-VOx, que se puede escalar fácilmente hasta las barras transversales, utilizando procesos estándar de fabricación micro-nano. Este proceso de fabricación es importante ya que incorpora en los travesaños un-VOx que se disuelve en agua.
La ventaja de este protocolo es que con una sola lamella, los cambios nanoestructurales se pueden observar en TEM, a diferencia de las otras técnicas, donde se requieren un mínimo de tres dispositivos o lamellas. Esto simplifica significativamente el proceso y reduce el tiempo, el costo y el esfuerzo al tiempo que proporciona evidencia visual confiable de cambios nanoestructurales en las operaciones en tiempo real. Además, está diseñado con procesos estándar de micro-nano fabricación, técnicas de microscopía e instrumentos de maneras innovadoras para establecer su novedad y abordar las brechas de investigación.
En el estudio representativo descrito aquí para un-VOx-basado en dispositivos de punto cruzado, el protocolo TEM in situ ayuda a entender el mecanismo de conmutación detrás de la conmutación de umbral apolar y volátil4. El proceso y la metodología desarrollados para observar los cambios nanoestructurales en un-VOx durante el sesgo in situ se pueden extender fácilmente a la temperatura in situ, y la temperatura in situ y el sesgo simultáneamente, simplemente reemplazando el chip de montaje de lamella, y a cualquier otro material, incluyendo dos o más capas de material funcional en una estructura emparedada metal-aislante-metal. Ayuda a revelar el mecanismo de operación subyacente y explicar las características eléctricas o térmicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este documento explica el protocolo para el sesgo in situ con microscopía electrónica de transmisión, incluyendo el proceso de fabricación para el dispositivo, el diseño de la barra de rejilla para el montaje de virutas sesgado, la preparación de la lamella y el montaje en el chip de sesgo, y TEM con sesgo in situ.
Se explica la metodología de fabricación de dispositivos de puntos cruzados, que se pueden escalar fácilmente a estructuras de barra transversal. El límite de óxido de va…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo se realizó en parte en el Micro Nano Research Facility de la Universidad RMIT en el Nodo Victoriano del Australian National Fabrication Facility (ANFF). Los autores reconocen las instalaciones, y la asistencia científica y técnica de la Microscopía de la Universidad RMIT, Microanálisis Facility, un laboratorio vinculado de la Microscopía de Australia. Se reconoce el apoyo de becas del programa del Australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) del gobierno australiano. Agradecemos al Profesor Madhu Bhaskaran, al Profesor Asociado Sumeet Walia, al Dr. Matthew Field y al Sr. Brenton Cook por su orientación y sus útiles debates.
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
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