混相a-VOxに基づく非対称クロスバーのバイアスと作製を用いたSitu透過電子顕微鏡
Summary
ここでは、積層金属絶縁金属構造のための透過電子顕微鏡(TEM)を用いたその際のナノ構造変化を分析するためのプロトコルを紹介します。次世代のプログラマブルロジック回路とニューロミカシングハードウェア用の抵抗スイッチングクロスバーに重要な用途があり、その基礎となる動作機構と実用的な適用性を明らかにする。
Abstract
抵抗スイッチングクロスバーアーキテクチャは、低コストと高密度のメリットにより、デジタルメモリの分野で非常に望まれています。異なる材料は、使用される材料の本質的な性質による抵抗切り替え特性の変動を示し、基礎となる操作メカニズムのために現場での不一致につながります。これは、ナノ構造観測を用いたメカニズムを理解するための信頼できる技術の必要性を強調している。このプロトコルは、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた電気バイアスの結果として、その場ナノ構造解析における詳細なプロセスと方法論を説明する。リアルタイムメモリ操作におけるナノ構造の変化の視覚的かつ信頼性の高い証拠を提供します。また、非晶質バナジウム酸化物を組み込んだ非対称クロスバー構造の作製法および電気特性評価も含まれる。ここで説明する酸化バナジウム膜のプロトコルは、金属誘電体金属の挟み込み構造の他の材料に容易に拡張することができる。抵抗性スイッチングクロスバーは、動作機構の理解を得て、次世代メモリデバイス用のプログラマブルロジックおよびニューロモルフィック回路に役立つと予測されています。このプロトコルは、あらゆるタイプの抵抗性スイッチング材料において、信頼性が高く、タイムリーかつ費用対効果の高い方法でスイッチング機構を明らかにし、それによってデバイスの適用性を予測します。
Introduction
抵抗変化酸化物記憶は、その互換性のあるスイッチング速度、より小さなセル構造、および大容量の3次元(3D)クロスバーアレイ1で設計される能力のために、新しいメモリおよびロジックアーキテクチャのビルディングブロックとしてますます使用されています。現在までに、抵抗型スイッチング装置2,3に対して複数のスイッチングタイプが報告されている。金属酸化物の一般的なスイッチング動作は、ユニポーラ、バイポーラ、相補抵抗スイッチング、揮発性閾値スイッチングです。複雑さに加えて、単一セルは、多機能抵抗性スイッチング性能を示すだけでなく、4、5、6を示すことを報告されている。
この変動性は、ナノ構造の調査が、異なるメモリ挙動の起源を理解し、それに対応する切り替えメカニズムを理解し、実用性のために明確に定義された条件依存スイッチングを開発することを意味する。スイッチング機構を理解するための一般的に報告されている技術は、X線光電子分光法(XPS)7、8、ナノスケール二次イオン質量分析(ナノSIMS)6、非破壊光発光分光(PL)8、デバイスの機能性酸化物の異なるサイズと厚さの電気的特徴付け、 ナノインデンテーション7は、透過電子顕微鏡(TEM)、エネルギー分散X線分光法(EDX)、およびTEMチャンバ6,8内の断面層層上の電子エネルギー損失分光(EELS)とを示す。上記の技術はすべて、スイッチングメカニズムに関する満足のいく洞察を提供してきました。しかし、ほとんどの手法では、完全なスイッチング動作を理解するために、自然のまま、電気的、セット、リセットデバイスを含む複数のサンプルが分析に必要です。これにより、実験の複雑さが増し、時間がかかります。さらに、デバイス内のサブナノスケールフィラメントを数ミクロンの大きさに見つけることは難しいため、故障率は高くなります。したがって、リアルタイム実験で証拠を提供するため、ナノ構造特性評価において、操作機構を理解する上で、現場での実験は重要である。
提示は非対称抵抗スイッチングクロスポイント装置の金属絶縁金属(MIM)スタックのための電気的バイアスを用いてsitu TEMで行うためのプロトコルである。このプロトコルの主な目的は、焦点イオンビーム(FIB)を用いたラメラ調製のための詳細な方法論を提供することと、TEMと電気バイアスのための実験セットアップを行う。このプロセスは、混合相同晶性バナジウム酸化物(a-VOx)4に基づく非対称クロスポイントデバイスの代表的な研究を用いて説明する。また、-VOxを組み込んだクロスポイントデバイスの製造プロセスも、標準的なマイクロナノ製造プロセスを使用してクロスバーに簡単にスケールアップできます。この製造プロセスは、水に溶解する-VO xのクロスバーに組み込まれるので重要です。
このプロトコルの利点は、1つのラメラのみで、ナノ構造変化がTEMで観察され得る、他の技術とは異なり、少なくとも3つのデバイスまたはラメラが必要とされる。これにより、プロセスが大幅に簡素化され、時間、コスト、および労力が削減され、リアルタイム操作におけるナノ構造の変化を確実に視覚的に証明できます。さらに、標準的なマイクロナノ製造プロセス、顕微鏡技術、および機器を革新的な方法で設計して、その新しさを確立し、研究のギャップに対処します。
ここで説明する代表的な研究では、-VOx-ベースのクロスポイントデバイスについて、in situ TEMプロトコルは、非極および揮発性閾値スイッチング4の背後にあるスイッチング機構を理解するのに役立ちます。その際の-VOxのナノ構造変化を観察するために開発されたプロセスと方法論は、ラメラ取り付けチップを交換するだけで、また金属絶縁金属サンドイッチ構造の中で2層以上の機能性材料を含む他の材料に、その際の温度と、その際の温度とバイアスの同時に容易に拡張することができます。それは基礎となる操作メカニズムを明らかにし、電気的または熱的な特徴を説明するのに役立ちます。
Protocol
Representative Results
Discussion
本稿では、装置の製造プロセス、バイアスチップ取り付け用のグリッドバー設計、バイアスチップへのラメラ調製と取り付け、およびその際のバイアスを伴うTEMを含む、透過電子顕微鏡によるその際のバイアスにおけるプロトコルについて説明する。
クロスバー構造に簡単にスケールアップできるクロスポイントデバイスの製造方法について説明します。酸化バナジウ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究の一部は、オーストラリア国立製造施設(ANFF)のビクトリア朝ノードにあるRMIT大学のマイクロナノ研究施設で行われました。著者らは、オーストラリア顕微鏡の関連研究所であるRMIT大学の顕微鏡検査、微小分析施設の施設と科学的および技術的支援を認めている。オーストラリア政府のオーストラリア大学院賞(APA)/研究研修プログラム(RTP)スキームからの奨学金支援を認めています。マドゥ・バスカラン教授、スミート・ワリア准教授、マシュー・フィールド博士、ブレントン・クック氏の指導と有益な議論に感謝します。
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).
