In Situ Transmission Electron Mikroskopi med biasing og fabrikasjon av asymmetriske tverrligger basert på blandet faset a-VOx
Summary
Presentert her er en protokoll for å analysere nanostrukturelle endringer under in situ biasing med overføring elektron mikroskopi (TEM) for en stablet metall-isolator-metall struktur. Den har betydelige anvendelser i resistiv bytte tverrligger for neste generasjon av programmerbare logikk kretser og neuromimicking maskinvare, for å avsløre sine underliggende driftsmekanismer og praktisk anvendelighet.
Abstract
Resistiv bytte tverrliggerarkitektur er svært ønsket innen digitale minner på grunn av lave kostnader og fordeler med høy tetthet. Ulike materialer viser variasjon i resistive koblingsegenskaper på grunn av materialets egen art, noe som fører til avvik i feltet på grunn av underliggende driftsmekanismer. Dette understreker et behov for en pålitelig teknikk for å forstå mekanismer ved hjelp av nanostrukturelle observasjoner. Denne protokollen forklarer en detaljert prosess og metodikk for in situ nanostructural analyse som følge av elektrisk biasing ved hjelp av overføring elektron mikroskopi (TEM). Det gir visuelle og pålitelige bevis på underliggende nanostrukturelle endringer i sanntidsminneoperasjoner. Også inkludert er metodikken for fabrikasjon og elektriske karakteriseringer for asymmetriske tverrliggerstrukturer som omfatter amorfe vanadiumoksid. Protokollen forklart her for vanadiumoksid filmer kan lett utvides til andre materialer i en metall-dielektrisk-metall sandwiched struktur. Resistive switching tverrliggere er spådd å tjene programmerbar logikk og nevromorfe kretser for neste generasjons minneenheter, gitt forståelsen av driftsmekanismer. Denne protokollen avslører koblingsmekanismen på en pålitelig, betidig og kostnadseffektiv måte på alle typer resistive koblingsmaterialer, og forutsier dermed enhetens anvendelighet.
Introduction
Resistensendringsoksidminner blir i økende grad brukt som byggestein for nytt minne og logiske arkitekturer på grunn av deres kompatible koblingshastighet, mindre cellestruktur og evnen til å bli designet i høykapasitets tredimensjonale (3D) tverrliggerarrayer1. Til dags dato er flere koblingstyper rapportert for resistivekoblingsenheter 2,3. Vanlig bytteatferd for metalloksider er unipolar, bipolar, komplementær resistiv veksling og flyktig terskelveksling. Legge på kompleksiteten, enkelt celle har blitt rapportert å vise multifunksjonell resistive bytte ytelse samt4,5,6.
Denne variasjonen betyr at nanostrukturelle undersøkelser er nødvendig for å forstå opprinnelsen til forskjellige minneatferd og tilsvarende koblingsmekanismer for å utvikle klart definert tilstandsavhengig bytte for praktisk nytte. Vanligvis rapporterte teknikker for å forstå koblingsmekanismer er dybde profilering med røntgen fotoelektron spektroskopi (XPS) 7,8, nanoscale sekundær ion masse spektroskopi (nano-SIMS)6, ikke-destruktiv fotoluminescencespektroskopi(PL)8, elektrisk karakterisering av forskjellig størrelse og tykkelse av funksjonelloksid av enheter, nanoindentasjon7, overføring elektron mikroskopi (TEM), energidispergeriv røntgenspektroskopi (EDX), og elektron energi tap spektroskopi (EELS) på tverrsnitt lamella i et TEMkammer 6,8. Alle teknikkene ovenfor har gitt tilfredsstillende innsikt om koblingsmekanismene. Men i de fleste teknikkene er mer enn én prøve nødvendig for analyse, inkludert den uberørte, elektroformede, sett og tilbakestille enheter, for å forstå den fullstendige bytteatferden. Dette øker eksperimentell kompleksitet og er tidkrevende. I tillegg er feilfrekvensen høy, fordi det er vanskelig å finne en subnanoscale-filament i en enhet noen få mikrometer i størrelse. Derfor er in situ eksperimenter viktige i nanostrukturelle karakteriseringer for å forstå driftsmekanismer, da de gir bevis i sanntidseksperimenter.
Presentert er en protokoll for å gjennomføre in situ TEM med elektrisk biasing for metall-isolator-metall (MIM) stabler av asymmetriske resistive bytte krysspunkt enheter. Hovedmålet med denne protokollen er å gi en detaljert metodikk for lamella forberedelse ved hjelp av en fokusionstråle (FIB) og in situ eksperimentell oppsett for TEM og elektrisk biasing. Prosessen forklares ved hjelp av en representativ studie av asymmetriske krysspunktenheter basert på blandet faset amorf vanadiumoksid (a-VOx)4. Også presentert er fabrikasjonsprosessen av krysspunktenheter som omfatter pt-VOx, som lett kan skaleres opp til tverrligger, ved hjelp av standard mikronano fabrikasjonsprosesser. Denne fabrikasjonsprosessen er viktig da den inkorporerer i tverrligger a-VOx som oppløses i vann.
Fordelen med denne protokollen er at med bare en lamella kan nanostrukturelle endringer observeres i TEM, i motsetning til de andre teknikkene, hvor det kreves minst tre enheter eller lameller. Dette forenkler prosessen betydelig og reduserer tid, kostnader og innsats samtidig som det gir pålitelige visuelle bevis på nanostrukturelle endringer i sanntidsoperasjoner. I tillegg er den designet med standard mikronanofabrikasjonsprosesser, mikroskopiteknikker og instrumenter på innovative måter for å etablere sin nyhet og adressere forskningshullene.
I den representative studien som er beskrevether for en -VOx-basertekrysspunktenheter, bidrar in situ TEM-protokollen til å forstå koblingsmekanismen bak apolar og flyktig terskelveksling4. Prosessen og metodikken utviklet for å observere nanostrukturelle endringer i pt-VOx under in situ biasing kan lett utvides til in situ temperatur, og in situ temperatur og biasing samtidig, ved bare å erstatte lamella montering chip, og til noe annet materiale, inkludert to eller flere lag med funksjonelt materiale i en metall-isolator-metall klemt struktur. Det bidrar til å avsløre den underliggende driftsmekanismen og forklare elektriske eller termiske egenskaper.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette papiret forklarer protokollen for in situ biasing med overføring elektron mikroskopi inkludert fabrikasjonsprosessen for enheten, gridbar design for biasing chip montering, lamella forberedelse og montering på biasing chip, og TEM med in situ biasing.
Fabrikasjonsmetodikken til tverrpunktsenheter, som enkelt kan skaleres opp til tverrstangstrukturer, forklares. Ti capping av vanadiumoksid er viktig for å innlemme amorfe vanadiumoksid, fordi det oppløses i vann under fabrikasjonstrinn…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble utført delvis ved Micro Nano Research Facility ved RMIT University i victoriansk node ved Australian National Fabrication Facility (ANFF). Forfatterne anerkjenner fasilitetene, og den vitenskapelige og tekniske hjelpen fra RMIT University’s Microscopy, Microanalysis Facility, et koblet laboratorium av Mikroskopi Australia. Stipendstøtte fra australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) ordningen til den australske regjeringen er anerkjent. Vi takker professor Madhu Bhaskaran, førsteamanuensis Sumeet Walia, Dr. Matthew Field og Mr. Brenton Cook for deres veiledning og nyttige diskusjoner.
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 |
Referências
- 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).
