Summary

Karışık Fazlı a -VOx'e Dayalı Asimetrik Çapraz Çubukların Önyargılı ve İmalatlı Yerinde İletim Elektron Mikroskopisi

Published: May 13, 2020
doi:

Summary

Burada, istiflenmiş metal-yalıtkan-metal yapısı için iletim elektron mikroskopisi (TEM) ile yerinde önyargı sırasındaki nanoyapısal değişikliklerin analiz edildiği bir protokol sunulmaktadır. Yeni nesil programlanabilir mantık devreleri ve nöromimicking donanımları için dirençli anahtarlama çapraz çubuklarında, temel çalışma mekanizmalarını ve pratik uygulanabilirliklerini ortaya çıkarmak için önemli uygulamalara sahiptir.

Abstract

Dirençli anahtarlamalı çapraz çubuk mimarisi, düşük maliyetli ve yüksek yoğunluklu faydalar nedeniyle dijital bellekler alanında oldukça arzu edilir. Farklı malzemeler, kullanılan malzemenin içsel yapısı nedeniyle dirençli anahtarlama özelliklerinde değişkenlik gösterir ve alttaki çalışma mekanizmaları nedeniyle alanda tutarsızlıklara yol açmaktadır. Bu, nanoyapısal gözlemleri kullanarak mekanizmaları anlamak için güvenilir bir tekniğe duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır. Bu protokolde, iletim elektron mikroskopisi (TEM) kullanılarak elektriksel sapma sonucu in situ nanoyapı analizinin ayrıntılı bir süreci ve metodolojisi açıklanmaktadır. Gerçek zamanlı bellek işlemlerinde altta kalan nanoyapısal değişikliklerin görsel ve güvenilir kanıtlarını sunar. Ayrıca amorf vanodyum oksit içeren asimetrik çapraz çubuk yapılar için imalat ve elektriksel karakterizasyon metodolojisi de dahildir. Vanadium oksit filmler için burada açıklanan protokol, metal-dielektrik-metal sandviç yapıdaki diğer malzemelere kolayca uzatılabilir. Dirençli anahtarlama çapraz çubuklarının, çalışma mekanizmalarının anlaşılması göz önüne alındığında, yeni nesil bellek cihazları için programlanabilir mantık ve nöromorfik devrelere hizmet ettiği öngörülmektedir. Bu protokol, her türlü dirençli anahtarlama malzemesinde anahtarlama mekanizmasını güvenilir, zamanında ve uygun maliyetli bir şekilde ortaya koyar ve böylece cihazın uygulanabilirliğini tahmin eder.

Introduction

Direnç değişim oksit bellekleri, uyumlu anahtarlama hızı, daha küçük hücre yapısı ve yüksek kapasiteli üç boyutlu (3D) çapraz çubuk dizilerinde tasarlanma yeteneği nedeniyle yeni bellek ve mantık mimarileri için yapı taşı olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır1. Bugüne kadar, dirençli anahtarlama cihazları için birden fazla anahtarlama türü bildirilmiştir2,3. Metal oksitler için yaygın anahtarlama davranışları tek kutuplu, bipolar, tamamlayıcı dirençli anahtarlama ve uçucu eşik anahtarlamadır. Karmaşıklığa ek olarak, tek hücrenin çok işlevli dirençli anahtarlama performansının yanı sıra4,5,6gösterdiği bildirilmiştir.

Bu değişkenlik, farklı bellek davranışlarının kökenlerini anlamak için nanoyapısal araştırmalara ve pratik yardımcı program için açıkça tanımlanmış duruma bağlı anahtarlama geliştirmek için ilgili anahtarlama mekanizmalarına ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. Anahtarlama mekanizmalarını anlamak için yaygın olarak bildirilen teknikler, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS)7,8, nano ölçekli ikincil iyon kütle spektroskopisi (nano-SIMS)6,tahribatsız fotolüminesans spektroskopisi (PL)8,cihazların fonksiyonel oksit kalınlığının farklı boyut ve kalınlığında elektriksel karakterizasyon, nanoindentasyon7, iletim elektron mikroskopisi (TEM), enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve tem odasında kesitsel lamel üzerinde elektron enerji kaybı spektroskopisi(EELS) 6,8. Yukarıdaki tüm teknikler anahtarlama mekanizmaları hakkında tatmin edici içgörüler sağlamıştır. Bununla birlikte, tekniklerin çoğunda, tüm anahtarlama davranışını anlamak için bozulmamış, elektroformlanmış, ayarlanmış ve sıfırlama cihazları da dahil olmak üzere analiz için birden fazla örnek gereklidir. Bu deneysel karmaşıklığı arttırır ve zaman alıcıdır. Ayrıca, hata oranları yüksektir, çünkü bir cihazda birkaç mikron boyutunda bir alt ölçek filamenti bulmak zordur. Bu nedenle, in situ deneyleri, gerçek zamanlı deneylerde kanıt sağladıkları için çalışma mekanizmalarını anlamak için nanoyapısal nitelemelerde önemlidir.

Sunulan metal-yalıtkan-metal (MIM) asimetrik dirençli anahtarlama çapraz-nokta cihazları yığınları için elektrik yanlılığı ile yerinde TEM yürütmek için bir protokoldür. Bu protokolün birincil amacı, bir odak iyon ışını (FIB) kullanarak lamel hazırlama için ayrıntılı bir metodoloji sağlamak ve TEM ve elektrik yanlılığı için yerinde deneysel kurulum sağlamaktır. Süreç, karışık fazlı amorf vanadium oksit ( a -VOx)4‘e dayanan asimetrik çapraz nokta cihazlarının temsilibirçalışması kullanılarak açıklanmaktadır. Ayrıca, standart mikro nano fabrikasyon prosesleri kullanılarak kolayca çapraz çubuklara kadar ölçeklendirilebilen bir-VOxiçeren çapraz nokta cihazlarının imalat süreci de sunulmaktadır. Bu imalat işlemi, suda çözünen bir-VOx çapraz çubuklarına dahil olduğu için önemlidir.

Bu protokolün avantajı, sadece bir lamel ile, en az üç cihazın veya lamellerin gerekli olduğu diğer tekniklerden farklı olarak TEM’de nanoyapısal değişikliklerin gözlemlenebilmesidir. Bu, süreci önemli ölçüde basitleştirir ve gerçek zamanlı operasyonlardaki nanoyapısal değişikliklerin güvenilir görsel kanıtını sağlarken zaman, maliyet ve çabayı azaltır. Ek olarak, standart mikro-nano imalat süreçleri, mikroskopi teknikleri ve aletleri ile yeniliklerini oluşturmak ve araştırma boşluklarını gidermek için yenilikçi yollarla tasarlanmıştır.

Burada bir-VOxtabanlı çapraz nokta cihazları için açıklanan temsili çalışmada, yerinde TEM protokolü, apolar ve uçucu eşik anahtarlama4arkasındaki anahtarlama mekanizmasını anlamaya yardımcı olur. Yerinde önyargı sırasında bir-VOx’teki nanoyapısal değişiklikleri gözlemlemek için geliştirilen süreç ve metodoloji, sadece lamel montaj çipini değiştirerek ve metal yalıtımlı metal sandviçli bir yapıda iki veya daha fazla fonksiyonel malzeme katmanı da dahil olmak üzere diğer malzemelere kolayca yerinde sıcaklığa ve yerinde sıcaklığa ve önyargıya kadar genişletilebilir. Alttaki çalışma mekanizmasının ortaya olmasına ve elektriksel veya termal özelliklerin açıklanmasına yardımcı olur.

Protocol

1. İmalat süreci ve elektriksel karakterizasyon Aşağıdaki parametreleri kullanarak cihazların fotoresisti ile alt elektrot (BE katman 1) deseni için standart görüntü ters fotolitografi9 kullanın: 3,000 rpm’de fotoresist spin coat, 60 s için 90 °C’de yumuşak pişirin, 405 nm lazerle25 mJ/cm 2 ile maruz kalın, 120 s için 120 °C’de pişirin, 21 mW/cm2 ve 400 nm lazer ile taşkın maruziyeti gerçekleştirin, geliştiriciyi kullanarak geliştiri…

Representative Results

a-VOx çapraz nokta cihazları için bu protokol kullanılarak elde edilen sonuçlar Şekil 8’de açıklanmıştır. Şekil 8A bozulmamış lamel TEM mikrografisini göstermektedir. Burada kırınım desenleri (inset) oksit filminin amorf doğasını gösterir. Yerinde TEM ölçümleri için alt elektrot (BE) pozitif taraflı ve üst elektrot (TE) topraklanmış olarak 20 mV adımda 25 mV’dan başlayarak 8 V’ye kadar kontrollü geril…

Discussion

Bu makalede, cihaz için imalat süreci de dahil olmak üzere iletim elektron mikroskopisi ile yerinde önyargı, taraflı talaş montajı için gridbar tasarımı, önyargılı çip üzerine lamel hazırlama ve montaj ve yerinde önyargılı TEM protokolleri açıklanmaktadır.

Çapraz çubuk yapılarına kadar kolayca ölçeklendirilebilen çapraz noktalı cihazların imalat metodolojisi açıklanmıştır. Vanadium oksitin ti kapaklanması, amorf vanadium oksiti dahil etmek için gereklidir…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma kısmen Avustralya Ulusal İmalat Tesisi’nin (ANFF) Viktorya Dönemi Düğümü’ndeki RMIT Üniversitesi’ndeki Mikro Nano Araştırma Tesisi’nde gerçekleştirildi. Yazarlar tesisleri ve RMIT Üniversitesi’nin Mikroskopi, Mikroskopi Avustralya’nın bağlantılı bir laboratuvarı olan Mikroaliz Tesisi’nin bilimsel ve teknik yardımını kabul ediyorlar. Avustralya hükümetinin Avustralya Lisansüstü Ödülü (APA)/Araştırma Eğitim Programı (RTP) programından burs desteği kabul edilmektedir. Profesör Madhu Bhaskaran, Doçent Sumeet Walia, Dr. Matthew Field ve Bay Brenton Cook’a rehberlikleri ve yardımcı tartışmaları için teşekkür ederiz.

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