Microscopia elettronica a trasmissione in situ con distorsione e fabbricazione di traverse asimmetriche basate su a -VO x afase_mista

Le memorie di ossido di cambiamento di resistenza sono sempre più utilizzate come elemento costitutivo per nuove architetture di memoria e logica grazie alla loro velocità di commutazione compatibile, alla struttura cellulare più piccola e alla capacità di essere progettate in array di traverse tridimensionali (3D) ad^{alta capacità 1.} Ad oggi, sono stati segnalati più tipi di commutazione per dispositivi di commutazione resistiva^2,3. I comportamenti di commutazione comuni per gli ossidi metallici sono la commutazione unipolare, bipolare, resistiva complementare e la commutazione a soglia volatile. Oltre alla complessità, è stato segnalato che una singola cella mostra prestazioni di commutazione resistive multifunzionali^{e 4,5,6}.

Questa variabilità significa che sono necessarie indagini nanostrutturali per comprendere le origini dei diversi comportamenti di memoria e dei corrispondenti meccanismi di commutazione per sviluppare commutazione dipendente dalle condizioni chiaramente definita per un’utilità pratica. Le tecniche comunemente riportate per comprendere i meccanismi di commutazione sono la profilazione della profondità con spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS)^7,8, spettroscopia di massa ionica secondaria su scala nanometrica (nano-SIMS)^6,spettroscopia di fotoluminescenza non distruttiva (PL)^8,caratterizzazione elettrica di diverse dimensioni e spessore dell’ossido funzionale dei dispositivi, nanoindentazione⁷, microscopia elettronica a trasmissione (TEM), spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX) e spettroscopia di perdita di energia elettronica (EELS) su lamelle trasversali in una camera TEM^6,8. Tutte le tecniche di cui sopra hanno fornito informazioni soddisfacenti sui meccanismi di commutazione. Tuttavia, nella maggior parte delle tecniche, è necessario più di un campione per l’analisi, inclusi i dispositivi incontaminati, elettroformati, impostati e reset, per comprendere il comportamento di commutazione completo. Ciò aumenta la complessità sperimentale e richiede molto tempo. Inoltre, i tassi di guasto sono elevati, perché localizzare un filamento subnanoscale in un dispositivo di alcune micron di dimensioni è complicato. Pertanto, gli esperimenti in situ sono importanti nelle caratterizzazioni nanostrutturali per comprendere i meccanismi operativi, in quanto forniscono prove in esperimenti in tempo reale.

Presentato è un protocollo per condurre TEM in situ con polarizzazione elettrica per pile metallo-isolante-metallo (MIM) di dispositivi cross-point di commutazione resistiva asimmetrica. L’obiettivo primario di questo protocollo è quello di fornire una metodologia dettagliata per la preparazione della lamella utilizzando un fascio ionico di messa a fuoco (FIB) e una configurazione sperimentale in situ per TEM e polarizzazione elettrica. Il processo è spiegato utilizzando uno studio rappresentativo dei dispositivi asimmetrici a punti incrociati basati sull’ossido di vanadio amorfo a fase mista (a-VO_x)⁴. Presentato anche il processo di fabbricazione di dispositivi cross-point che incorporano un-VO_x, che può essere facilmente scalato fino alle traverse, utilizzando processi di micro-nano fabbricazione standard. Questo processo di fabbricazione è importante in quanto incorpora nelle traverse un-VO_{x che} si dissolve in acqua.

Il vantaggio di questo protocollo è che con una sola lamella, i cambiamenti nanostrutturali possono essere osservati in TEM, a differenza delle altre tecniche, dove sono richiesti almeno tre dispositivi o lamelle. Ciò semplifica significativamente il processo e riduce tempi, costi e sforzi fornendo al contempo prove visive affidabili dei cambiamenti nanostrutturali nelle operazioni in tempo reale. Inoltre, è progettato con processi standard di micro-nano fabbricazione, tecniche di microscopia e strumenti in modi innovativi per stabilire la sua novità e affrontare le lacune di ricerca.

Nello studio rappresentativo qui descritto per undispositivo cross-point basato su -VO_x,il protocollo TEM in situ aiuta a comprendere il meccanismo di commutazione dietro la commutazione apolare e volatile^{della soglia 4}. Il processo e la metodologia sviluppati per osservare i cambiamenti nanostrutturali in un-VO_x durante la polarizzazione in situ possono essere facilmente estesi alla temperatura in situ, e alla temperatura in situ e alla polarizzazione contemporaneamente, semplicemente sostituendo il chip di montaggio della lamella, e a qualsiasi altro materiale che includa due o più strati di materiale funzionale in una struttura sandwich metallo-isolante-metallo. Aiuta a rivelare il meccanismo di funzionamento sottostante e spiegare le caratteristiche elettriche o termiche.