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