ב מיקרוסקופ אלקטרונים שידור Situ עם הטיה והפיקה של מוטות אסימטריים המבוססים על מעורב שלבים a-VOx

Summary

מוצג כאן הוא פרוטוקול לניתוח שינויים ננו במהלך הטיה situ עם מיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM) עבור מבנה מתכת-מבודד-מתכת מוערם. יש לו יישומים משמעותיים נגד מיתוג מוטות מוצלבים עבור הדור הבא של מעגלי לוגיקה לתכנות וחומרה neuromimicking, כדי לחשוף את מנגנוני הפעולה הבסיסיים שלהם וישימות מעשית.

Abstract

ארכיטקטורת מוט מוצלב התנגדותית רצויה מאוד בתחום הזיכרונות הדיגיטליים בשל עלות נמוכה ויתרונות בצפיפות גבוהה. חומרים שונים מראים שונות במאפייני מיתוג התנגדותיים בשל האופי המהותי של החומר המשמש, מה שמוביל לאי התאמות בשטח בגלל מנגנוני הפעולה הבסיסיים. זה מדגיש את הצורך בטכניקה אמינה להבנת מנגנונים באמצעות תצפיות ננו-מבניות. פרוטוקול זה מסביר תהליך מפורט ומתודולוגיה של ניתוח ננו-מבני באתרו כתוצאה מהטיה חשמלית באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM). הוא מספק ראיות חזותיות ואמינות לשינויים ננו-מבניים בסיסיים בפעולות זיכרון בזמן אמת. כמו כן כלולה המתודולוגיה של ייצור ואפיונים חשמליים למבנים חוצי מוטות אסימטריים המשלבים תחמוצת ונדיום אמורפית. הפרוטוקול המוסבר כאן לסרטי תחמוצת ונדיום ניתן להרחיב בקלות לכל חומר אחר במבנה מתכת-דיאלקטרי-מתכת דחוק. מוטות חוצות מיתוג התנגדותיים צפויים לשרת את המעגלים הלוגיים והנוירומורפיים הניתנים לתכנות עבור התקני זיכרון מהדור הבא, בהתחשב בהבנת מנגנוני הפעולה. פרוטוקול זה חושף את מנגנון המיתוג בצורה אמינה, מתוזמן וחסכונית בכל סוג של חומרי מיתוג התנגדותיים, ובכך מנבא את תחולת המכשיר.

Introduction

זיכרונות תחמוצת שינוי התנגדות משמשים יותר ויותר כגוש הבניין עבור זיכרון חדשני וארכיטקטורות לוגיקה בשל מהירות המיתוג התואמת שלהם, מבנה תאים קטן יותר, ואת היכולת להיות מתוכנן בקיבולת גבוהה תלת מימדי (3D) מערכי מוטות^{מוצלבים 1}. עד כה דווח על סוגי מיתוג מרובים עבור התקני מיתוג התנגדותיים^2,3. התנהגויות מיתוג נפוצות עבור תחמוצות מתכת הן חד קוטביות, דו קוטביות, מיתוג התנגדותי משלים ומיתוג סף נדיף. בנוסף למורכבות, דווח על תא בודד המציג ביצועי^מיתוגהתנגדותיים רב תכליתיים וכן 4^,5,6.

שונות זו פירושה כי יש צורך בחקירות ננו-מבניות כדי להבין את המקורות של התנהגויות זיכרון שונות ומנגנוני מיתוג מתאימים כדי לפתח מיתוג תלוי מצב מוגדר בבירור עבור כלי מעשי. טכניקות שדווחו בדרך כלל כדי להבין את מנגנוני המיתוג הם פרופיל עומק עם ספקטרוסקופיית צילום רנטגן (XPS)^7,8, ספקטרוסקופיית מסת יון משנית ננומטרית (ננו-SIMS)⁶, ספקטרוסקופיית פוטולומינציה לא הרסנית (PL)⁸, אפיון חשמלי בגודל ועובי שונים של תחמוצת תפקודית של התקנים, ננו-אינדנטציה⁷, מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), ספקטרוסקופיית רנטגן פיזור אנרגיה (EDX) וספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיית אלקטרונים (EELS) על לאמלה חתך-חתך בתא TEM^6,8. כל הטכניקות לעיל סיפקו תובנות משביעות רצון על מנגנוני המיתוג. עם זאת, ברוב הטכניקות, יותר מדגם אחד נדרש לניתוח, כולל התקנים בתוליים, electroformed, להגדיר ולאפס, כדי להבין את התנהגות המיתוג המלאה. זה מגביר את המורכבות הניסיונית וגוזל זמן. בנוסף, שיעורי הכשל גבוהים, מכיוון שאיתור חוט תת-נכבד במכשיר בגודל של כמה מיקרון הוא מסובך. לכן, בניסויים באתרו חשובים אפיונים ננו-מבניים כדי להבין מנגנוני פעולה, כפי שהם מספקים ראיות בניסויים בזמן אמת.

מוצג הוא פרוטוקול לניצוח באתרו TEM עם הטיה חשמלית עבור מתכת מבודד מתכת (MIM) ערימות של התקני מיתוג התנגדות אסימטריים חוצי נקודות. המטרה העיקרית של פרוטוקול זה היא לספק מתודולוגיה מפורטת להכנת lamella באמצעות קרן יון מיקוד (FIB) ובהגדרה ניסיונית situ עבור TEM והטיה חשמלית. התהליך מוסבר באמצעות מחקר מייצג של התקנים חוצי נקודות אסימטריים המבוססים על תחמוצת ונדיום אמורפית מעורבת שלבית (a-VO_x)⁴. כמו כן מוצג תהליך הייצור של התקנים חוצי נקודות המשלבים-VO_x, אשר ניתן לשנות בקלות עד crossbars, באמצעות תהליכי ייצור מיקרו ננו סטנדרטיים. תהליך ייצור זה חשוב מכיוון שהוא משלב במוטות מוצלבים -VO_x שמתמוסס במים.

היתרון של פרוטוקול זה הוא כי עם lamella אחד בלבד, שינויים ננו-מבניים ניתן לראות ב- TEM, בניגוד לטכניקות אחרות, שבו מינימום של שלושה מכשירים או lamellae נדרשים. פעולה זו מפשטת באופן משמעותי את התהליך ומפחיתה את הזמן, העלות והמאמץ תוך מתן ראיות חזותיות מהימנות לשינויים ננו-מבניים בפעולות בזמן אמת. בנוסף, הוא מתוכנן עם תהליכי ייצור מיקרו ננו סטנדרטיים, טכניקות מיקרוסקופיה, ומכשירים בדרכים חדשניות כדי לבסס את החידוש שלה ולטפל בפערי המחקר.

במחקר הייצוגי המתואר כאן עבור-VO_xמבוססי חוצה נקודות התקנים, פרוטוקול in situ TEM מסייע להבין את מנגנון המיתוג מאחורי מיתוג סף קוטבי ותנודתי⁴. ניתן להרחיב בקלותאת התהליך והמתודולוגיה שפותחו להתבוננות בשינויים ננו-מבניים ב- -VO_x במהלך הטיית situ לטמפרטורת situ, ובטמפרטורת situ והטיה בו זמנית, על ידי החלפת שבב ההרכבה lamella, ולכל חומר אחר כולל שתי שכבות או יותר של חומר פונקציונלי במבנה מתכת-מבודד-מתכת דחוק. זה עוזר לחשוף את מנגנון הפעולה הבסיסי ולהסביר מאפיינים חשמליים או תרמיים.

Protocol

1. תהליך ייצור ואפיון חשמלי

1. השתמש בפוטוליתוגרפיה סטנדרטית של היפוך תמונה⁹ לאלקטרודה תחתונה של תבנית (BE layer 1) עם פוטורסיסט של ההתקנים באמצעות הפרמטרים הבאים:
   1. ספין מעיל photoresist ב 3,000 סל"ד, רך לאפות אותו ב 90 מעלות צלזיוס עבור 60 s, לחשוף עם 25 mJ / cm² עם לייזר 405 ננומטר, לאפות ב 120 מעלות צלזיוס עבור 120 s, לבצע חשיפה לשיטפון עם 21 mW / cm² ו לייזר 400 ננומטר, לפתח באמצעות מפתח, ולשטוף עם מים deionized.
2. הפקד 5 ננומטר טיטניום (Ti) עבור הידבקות ו 15 ננומטר של פלטינה (Pt) על גבי עם מערכת מאייד קרן אלקטרונים עם המצע בדוגמת על שכבה 1.
3. הרם את המתכות שהופקדו על ידי הצבת המצע באמבט אצטון במשך ~ 20 דקות. לאחר מכן, להחיל תנודות קוליות במשך 2 דקות, ולשטוף עם אצטון ואלכוהול איזופרופיל (IPA) כדי להשלים את דפוסי BE. חזור על הפעולה אם ההמראה אינה נקייה (איור 1A, שלב 1).
4. דוגמת שכבת תחמוצת פונקציונלית (שכבה 2) עם פוטוליטוגרפיה על גבי BE כמתואר בשלב 1.1.
5. הפקדה ~ 100 ננומטר של-VO_x ו 5 ננומטר של Ti על גבי שכבה 2 באמצעות מערכת sputtering¹⁰.
6. להרים את תחמוצת תפקודית על ידי הצבת המצע באמבט אצטון והחלת תנודות קולי פעמו באופן ידני עם 2-3 פולסים כדי לסיים את דפוסי תחמוצת תפקודית. חזור על ההליך אם התבניות אינן נקיות. (איור 1A, שלב 2 ושלב 3)
7. באופן דומה, השלם את תבניות האלקטרודה העליונה (TE) (שכבה 3) עם Ti_20 ננומטר/Pt_200 ננומטר באמצעות פוטוליטוגרפיה של היפוך תמונה, אידוי קרן אלקטרונים ותהליך ההמראה המתואר בשלב 1. (איור 1A, שלב 4)
   הערה: פעולה זו משלימה את הייצור של ההתקן חוצה הנקודות, איור 1B.
8. בצע ניתוח חשמל וטמפרטורה במכשיר המפוברק כדי להבין את ביצועי מיתוג ההתנגדות שלו.
   1. השתמש במד המקור עם מערכת מדידת I-V (זרם ישיר של שתי בדיקות) ותחנת בדיקה למדידות חשמליות.
   2. שמור תמיד על התאימות הנוכחית הרלוונטית כדי למנוע פגיעה במכשירים.
   3. כדי לנתח את התנהגותו הנוכחית של המכשיר, בצע ניתוח מבוקר מתח והחל מטאטא מתח החל במתח נמוך של 0.1 V בהטיה חיובית וגדל לאט עד שנצפה אלקטרופורמציה.
      הערה: Electroforming הוא אירוע חד פעמי שבו כמה חוטים מוליכים ברוחב ננומטר נוצרים בתוך תחמוצת תפקוד בידוד בתחילה במתח מסוים, אשר תלוי תכונות חומר מהותיות ממדי המכשיר. בשלב זה, ירידה פתאומית בהתנגדות או עלייה בזרם נצפית בגרף המתח הנוכחי עקב נתיב מוליך שנוצר.
   4. לאחר האלקטרופורמציה, יש למרוח מטאטא מתח דו-כיווני כדי להשיג ביצועי מיתוג סף נדיפים. כוונן את המתח כדי להשיג יחס הפעלה/כיבוי גבוה. במקרה זה, הושג יחס מיתוג של ~ 10.
   5. לנתח את מאפייני מתח הזרם בטמפרטורות שונות מטמפרטורת החדר ל 90 °C (90 °F) הגדלת 10 °C (60 °F) צעדים ולהפוך בחזרה לטמפרטורת החדר באמצעות שלב מבוקר טמפרטורה.

2. רשת הרכבה שבב הטיה

1. תכנן את מוט הרשת הממוטב של FIB בתוכנת CAD וייצור באמצעות טכניקות עיבוד שבבי סטנדרטיות בתוך הבית להרכבת שבבי ההטיה/חימום המשמשים בניסויי situ TEM, כפי שמוצג באיור 2.
   הערה: איור 2A מציג חלקים נפרדים של מוט הרשת כדי להרכיב שלושה שבבים בו-זמנית בתעלות בצורת ריבוע. איור 2B מציג את קטע התעלה בריבוע זום שנועד להתאים מסחרית זמין שבבי הטיית situ / חימום עבור TEM.
2. נקה את שבב ההטיה על ידי הצבתו בצלחת פטרי זכוכית מלאה אצטון בעדינות לסובב במשך 2 דקות. לאחר מכן להסיר את השבב ומניחים אותו בצלחת פטרי מלא מתנול בעדינות לסובב במשך 2 דקות. לבסוף, מכה יבשה עם חנקן בלחץ נמוך.
   הערה: שבבי הטיה שנקנו באופן מסחרי, המכונים שבבי E, כוללים ציפוי פוטורסיסטי להגנה.
3. יישרו את שבב ההטיה precleaned בתעלות מרובעות של gridbar, כפי שניתן לראות באיור 2C.
4. תקן את כיסוי הרשת מעל שבב ההטיה באמצעות ברגים כדי לסיים את מיקום השבב האלקטרוני בסרגל הרשת(איור 2D).

3. הכנת Lamella, הרכבה על שבב הטיה באמצעות קרן יון ממוקדת, ובמיקרוסקופ אלקטרונים שידור situ

1. פברקו את הדגימות בנפרד כמתואר בסעיף 1 עם BE עבה יותר של Ti_10 nm/Pt_100 ננומטר, כפי שניתן לראות באיור 3A.
2. הר את המדגם החדש שהוכן על ספח מתכת באמצעות סרט פחמן מוליך לטעון בתא FIB. החל סרט הדבקה נוסף על המדגם להארקה כדי למנוע בעיות טעינה.
3. טען את מוט הרשת המוטה רכוב על שבב בתא בהטיה של 52° (ראה איור 3B). זה יהיה בניצב או במקביל לעמודת קרן היון בהתאם לסיבוב הבמה.
4. להתמקד, astigmate, וליישר את קרן האלקטרונים על משטח מדגם באמצעות לוח הבקרה הפיזי מיקרוסקופ ותוכנה על מיקומי הכנה lamella.
5. בדוק את הגובה האירוצנטרי של מיקום המדגם הממוקד ואת צירוף המקרים של הקרן עבור קרן האלקטרונים וקרן היונים.
   הערה: הגובה האירוצנטרי הוא המיקום שבו התמונה של הדוגמה אינה זזה בעת הטיית המדגם.
6. לחץ על תוכנית אוטומטית TEM (תוכנית הכנה lamella אוטומטית) כדי להפעיל אותו על מיקום מדגם ממוקד באמצעות תוכנת בקרת מיקרוסקופ. התוכנית האוטומטית עוקבת אחר הרצף המתואר להלן.
   הערה: פעולה זו תשלים את התהליך ליצירת TEM lamella (איור 4). ניתן לצפות בהתקדמות של תוכנית AutoTEM בשידור חי על מסך שולחן העבודה.
   1. צור סמני יישור fiducial לחצות עם כרסום סיליקון להפקיד שכבת מגן פחמן בעובי 1.5 מיקרומטר על שטח 20 מיקרומטר x 5 מיקרומטר בין סמני יישור.
   2. תעלות טחנה משני צדי שכבת מגן פחמן עם זרם קרן יון 5 nA כדי ליצור את lamella.
   3. דק את lamella עם זרם קרן יון 1 nA הראשון ולאחר מכן עם זרם קרן יון 300 pA להגיע לעובי 1 מיקרומטר.
7. הטה את המדגם ל- 7° כדי לבצע חיתוך J על הלאמלה להפרדה מהמצע.
8. הטה את הדגימה ל- 0° (כלומר, בניצב לעמוד קרן האלקטרונים) וחבר את הלאמלה למחט המניפולטור באמצעות Pt (איור 5A).
9. לאחר ההצמדה למיקרומניפולטור, הפרד את הלאמלה מהמצע עם החתך הסופי וקטע לאט לאט את המיקרומניפולטור(איור 5B).
10. למקד את הקרן על הקצה העליון של שבב הטיה על gridbar, עמדת הרכבה lamella.
11. הביאו את הלאמלה לאט לכיוון השבב ההטיה עם מחט המניפולטור (איור 6A).
12. ליישר את lamella במרכז הפער 17 מיקרומטר בקצה העליון של שבב הטיה. הזז אותו באיטיות כלפי מטה עד שהוא בקושי נוגע במשטח השבב וריתוך הקצוות התחתונים של הלאמלה לשבב באמצעות Pt (איור 6B).
13. חותכים את micromanipulator ללא lamella עם כרסום סיליקון לסגת micromanipulator.
14. חבר את הקצוות העליונים של הלאמלה עם עקבות Pt לשתי האלקטרודות של שבב ההטיה לחיבורים חשמליים (איור 6C).
    הערה: TE ו- BE מקוצרים בשלב זה הן בצד השמאלי והן בצד ימין.
15. דק את אזור המרכז של lamella תחילה באמצעות 300 pA, ולאחר מכן עם 100 קורות יון pA כדי להפוך את lamella פחות מ 100 ננומטר עובי (איור 6D)על ידי הטיית הדגימה מלפנים ומאורה על ידי 2° כדי להבטיח פרצופים מקבילים ועובי אחיד.
16. פוליש את השכבה פגועת קרן היון עם מתח האצת קרן Ga של 5 kV בזווית של 5° אל פני השטח בשני הפנים.
17. הסר את החיבור הקצר בין האלקטרודות העליונות והתחתון של ההתקן עם חתכי בידוד באזור הדליל כדי ליצור נתיב נוכחי מ- BE ל- TE דרך האזור הפעיל (איור 7A).
18. הר את שבב ההטיה עם lamella על מחזיק שבב הטיה ולאחר מכן לטעון את מחזיק שבב הטיה לתוך תא TEM.
19. חבר את החוטים ממחזיק השבב ההטיה למד המקור ולמחשב הבקרה.
    הערה: הנח בזהירות את חוטי החיבור כדי להקל על המתח ולמזער את כל התנודות במהלך הניסוי.
20. המתן ללחץ התא TEM לרדת 4e-5 Torr ולאחר מכן להתמקד, astigmate, וליישר את קרן האלקטרונים על חתך רוחב של משטח lamella באמצעות ידיות בקרת TEM.
21. יש למרוח מטאטא מתח או מתח קבוע במתחי הטיה שונים ולאסוף את המיקרוגרפים של TEM באתרו.
    הערה: נתונים הקשורים דפוסי עקיפה, ספקטרוסקופיית רנטגן עקיפת אלקטרונים (EDX), ספקטרוסקופיה אובדן אנרגיה אלקטרונית (EELS) מיפוי ניתן לאסוף גם במתחי הטיה שונים באתרו.

תוצאות

התוצאות שהושגו באמצעות פרוטוקול זה עבור התקני ההצלבה -VO_x מוסברות באיור 8. איור 8A מציג את המיקרוגרף של TEM של הלאמלה שלם. כאן דפוסי עקיפה (inset) מצביעים על האופי האמורפי של סרט תחמוצת. עבור מדידות in situ TEM, מתחים מבוקרים הוחלו החל מ- 25 mV עד 8 V בשלבי 20 mV ?...

Discussion

נייר זה מסביר את הפרוטוקול עבור באתרו הטיה עם מיקרוסקופ אלקטרונים שידור כולל תהליך הייצור של המכשיר, עיצוב gridbar להטיית שבב הרכבה, הכנת lamella הרכבה על שבב הטיה, ו TEM עם הטיה באתרו.

מתודולוגיית הייצור של התקנים חוצי נקודות, אשר ניתן לשנות בקלות עד מבנים crossbar, מוסבר. Ti capping של תחמוצ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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