In Situ Transmission ElectronMikroskopi med förspänning och tillverkning av asymmetriska tvärstänger baserade på blandade faser a-VOx
Summary
Presenteras här är ett protokoll för att analysera nanostrukturella förändringar under in situ biasing med transmissionselektronmikroskopi (TEM) för en staplad metallisolator-metall struktur. Den har betydande tillämpningar för resistiv omkoppling av tvärstänger för nästa generations programmerbara logikkretsar och neuromimicking hårdvara, för att avslöja deras underliggande driftsmekanismer och praktiska tillämplighet.
Abstract
Resistiv byte av tvärstångsarkitektur är mycket önskvärt inom området digitala minnen på grund av låg kostnad och fördelar med hög densitet. Olika material visar variabilitet i resistiva omkopplingsegenskaper på grund av det använda materialets inneboende karaktär, vilket leder till avvikelser i fältet på grund av underliggande driftsmekanismer. Detta belyser behovet av en tillförlitlig teknik för att förstå mekanismer med hjälp av nanostrukturella observationer. Detta protokoll förklarar en detaljerad process och metodik för in situ nanostrukturell analys som ett resultat av elektrisk förspänning med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM). Det ger visuella och tillförlitliga bevis på underliggande nanostrukturella förändringar i realtidsminnesoperationer. Dessutom ingår metoden för tillverkning och elektriska karakteriseringar för asymmetriska tvärstångsstrukturer som innehåller amorf vanadinoxid. Protokollet som förklaras här för vanadinoxidfilmer kan enkelt utvidgas till andra material i en metall-dielektrisk metall inklämd struktur. Resistiva omkopplingskorsstänger förutspås tjäna den programmerbara logiken och neuromorfa kretsarna för nästa generations minnesenheter, med tanke på förståelsen av driftsmekanismerna. Det här protokollet avslöjar växlingsmekanismen på ett tillförlitligt, snabbt och kostnadseffektivt sätt i alla typer av resistiva kopplingsmaterial och förutsäger därmed enhetens tillämplighet.
Introduction
Resistensförändringsoxidminnen används alltmer som byggsten för nya minnes- och logikarkitekturer på grund av deras kompatibla kopplingshastighet, mindre cellstruktur och förmågan att utformas i tredimensionella (3D) tvärbalksystem med hög kapacitet (3D)1. Hittills har flera kopplingstyper rapporterats för resistiva kopplingsenheter2,3. Vanliga växlingsbeteenden för metalloxider är unipolära, bipolära, kompletterande resistiva växlingar och flyktig tröskelväxling. Utöver komplexiteten har en cell rapporterats visa multifunktionell resistiv växlingsprestanda samt4,5,6.
Denna variabilitet innebär att nanostrukturella undersökningar behövs för att förstå ursprunget till olika minnesbeteenden och motsvarande omkopplingsmekanismer för att utveckla tydligt definierade tillståndsberoende växling för praktisk nytta. Allmänt rapporterade tekniker för att förstå kopplingsmekanismerna är djupprofilering med röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)7,8, sekundär jonmasspektroskopi i nanoskala (nano-SIMS)6, icke-förstörande fotoluminescensspektroskopi (PL)8, elektrisk karakterisering av olika storlek och tjocklek på funktionell oxid av enheter, nanoindentation7,transmissionselektronmikroskopi (TEM), energidispersiv röntgenspektroskopi (EDX) och elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) på tvärsnittslameller i en TEM-kammare6,8. Alla ovanstående tekniker har gett tillfredsställande insikter om växlingsmekanismerna. Men i de flesta tekniker krävs mer än ett prov för analys, inklusive de orörda, elektroformade, inställda och återställda enheterna, för att förstå det fullständiga växlingsbeteendet. Detta ökar experimentell komplexitet och är tidskrävande. Dessutom är felfrekvensen hög, eftersom det är svårt att hitta en filament i undernanoskala i en enhet med några mikron i storlek. Därför är in situ-experiment viktiga i nanostrukturella karakteriseringar för att förstå driftsmekanismer, eftersom de ger bevis i realtidsexperiment.
Presenteras är ett protokoll för att genomföra in situ TEM med elektrisk förspänning för metallisolator-metall (MIM) staplar av asymmetriska resistiva omkoppling cross-point enheter. Det primära målet med detta protokoll är att tillhandahålla en detaljerad metodik för lamellpreparat med hjälp av en fokusjonstråle (FIB) och in situ experimentell installation för TEM och elektrisk biasing. Processen förklaras med hjälp av en representativ studie av asymmetriska tvärpunktsenheter baserade på blandad fas amorf vanadinoxid(a-VOx)4. Också presenteras är tillverkningsprocessen av cross-point enheter som innehåller en-VOx, som lätt kan skalas upp till tvärstänger, med hjälp av standard mikro-nano tillverkningsprocesser. Denna tillverkningsprocess är viktig eftersom den innehåller i tvärstänger a-VOx som löses upp i vatten.
Fördelen med detta protokoll är att med endast en lamell kan nanostrukturella förändringar observeras i TEM, till skillnad från de andra teknikerna, där minst tre enheter eller lameller krävs. Detta förenklar processen avsevärt och minskar tid, kostnad och ansträngning samtidigt som det ger tillförlitliga visuella bevis på nanostrukturella förändringar i realtidsoperationer. Dessutom är den utformad med standard mikronanotillverkningsprocesser, mikroskopitekniker och instrument på innovativa sätt för att etablera sin nyhet och ta itu med forskningsluckorna.
I den representativa studie som beskrivs här för en-VOx-baseradtvärpunktsenheter hjälper TEM-protokollet in situ till att förstå växlingsmekanismen bakom apolär och flyktig tröskelväxling4. Den process och metodik som utvecklats för att observera nanostrukturella förändringar i enVOx under in situ-förspänning kan enkelt utvidgas till in situ-temperatur och in situ-temperatur och förspänning samtidigt, genom att bara ersätta lamellmonteringschipet och till något annat material inklusive två eller flera lager funktionellt material i en metallisolator-metall inklämd struktur. Det hjälper till att avslöja den underliggande driftsmekanismen och förklara elektriska eller termiska egenskaper.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta dokument förklarar protokollet för in situ-förspänning med transmissionselektronmikroskopi inklusive tillverkningsprocessen för enheten, gridbardesign för förspänning av spånmontering, lamellberedning och montering på det snedvridande chipet och TEM med in situ-förspänning.
Tillverkningsmetoden för tvärpunktsenheter, som lätt kan skalas upp till tvärstångsstrukturer, förklaras. Ti capping av vanadinoxid är viktigt för att införliva amorf vanadinoxid, eftersom den lö…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete utfördes delvis vid Micro Nano Research Facility vid RMIT University i Victorian Node of the Australian National Fabrication Facility (ANFF). Författarna erkänner anläggningarna och det vetenskapliga och tekniska stödet från RMIT University’s Microscopy, Microanalysis Facility, ett anknutet laboratorium i Microscopy Australia. Stipendiestöd från Australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) program av den australiska regeringen bekräftas. Vi tackar professor Madhu Bhaskaran, docent Sumeet Walia, Dr. Matthew Field och Mr. Brenton Cook för deras vägledning och hjälpsamma diskussioner.
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).
