혼합 위상 a-VOx에 따라 비대칭 크로스바의 바이어스 및 제조와 시투 전송 전자 현미경 검사법

요약

여기에 제시된 적층 금속 절연체 금속 구조에 대한 투과 전자 현미경 검사법(TEM)을 통한 시정 중 나노 구조 변화를 분석하기 위한 프로토콜이 제시된다. 그것은 프로그래밍 가능한 논리 회로 및 신경 모방 하드웨어의 다음 세대에 대한 저항 스위칭 크로스바에 중요한 응용 프로그램을 가지고, 자신의 기본 작동 메커니즘과 실용적인 적용성을 공개.

초록

저항 스위칭 크로스바 아키텍처는 저렴한 비용과 고밀도 이점으로 인해 디지털 메모리 분야에서 매우 원합니다. 다른 재료는 사용되는 재료의 본질적인 특성으로 인해 저항 스위칭 특성의 가변성을 나타내며 기본 작업 메커니즘으로 인해 현장에서 불일치를 초래합니다. 이것은 나노 구조 관측을 사용하여 메커니즘을 이해하는 신뢰할 수있는 기술의 필요성을 강조한다. 이 프로토콜은 투과 전자 현미경 검사법(TEM)을 이용한 전기적 편향의 결과로 시트 나노 구조 분석의 상세한 공정 및 방법론을 설명합니다. 실시간 메모리 작업의 기본 나노 구조 변화에 대한 시각적이고 신뢰할 수 있는 증거를 제공합니다. 또한 비정질 바나듐 산화물을 통합 하는 비대칭 크로스 바 구조에 대 한 제조 및 전기 특성의 방법론이 포함되어 있습니다. 여기에 설명된 프로토콜은 바나듐 산화물 필름을 금속 유전체 금속 샌드위치 구조의 다른 재료로 쉽게 확장할 수 있습니다. 저항 스위칭 크로스바는 수술 메커니즘에 대한 이해를 감안할 때 차세대 메모리 장치에 프로그래밍 가능한 논리 및 신경 형성 회로를 제공할 것으로 예상됩니다. 이 프로토콜은 모든 유형의 저항 스위칭 재료에서 신뢰할 수 있고 시기 효율적이며 비용 효율적인 방식으로 스위칭 메커니즘을 보여 주므로 장치의 적용 가능성을 예측합니다.

서문

저항 변화 산화기억은 호환되는 스위칭 속도, 더 작은 세포 구조 및 고용량 3차원(3D) 크로스바 어레이^1로설계할 수 있는 능력으로 인해 새로운 메모리 및 논리 아키텍처를 위한 빌딩 블록으로 점점 더 사용되고 있다. 현재까지 저항 스위칭 장치^2,3에대해 여러 스위칭 유형이 보고되었습니다. 금속 산화물의 일반적인 스위칭 동작은 단극성, 양극성, 보완적인 저항 스위칭 및 휘발성 임계값 스위칭입니다. 복잡성에 추가, 단일 셀뿐만 아니라 다기능 저항 스위칭 성능을 표시하는 것으로보고되었다^4,5,6.

이러한 가변성은 나노구조 조사가 다양한 메모리 동작의 기원과 해당 스위칭 메커니즘의 기원을 이해하여 실용적인 유틸리티에 대해 명확하게 정의된 조건 의존적 스위칭을 개발하는 데 필요하다는 것을 의미합니다. 일반적으로 보고된 스위칭 기법은 X선 광전자 분광법(XPS)^{7, 8,}나노스케일 이차 이온 질량 분광법(nano-SIMS)^6,비파괴 광발광분광 분광법(PL)^8,산화물의 기능성 의 다양한 크기와 두께의 전기적 특성화, 나노핀덴티션^7,투과 전자 현미경(TEM), 에너지 분산 X선 분광법(EDX), 및 TEM 챔버^6,8의단면 라멜라에 대한 전자 에너지 손실 분광법(EELS)이 있다. 위의 모든 기술은 스위칭 메커니즘에 대한 만족스러운 통찰력을 제공했습니다. 그러나 대부분의 기술에서, 완전한 스위칭 동작을 이해하기 위해, 깨끗한, 전기 형성, 세트 및 재설정 장치를 포함하여 분석에 하나 이상의 샘플이 필요합니다. 이렇게 하면 실험적 복잡성이 증가하고 시간이 많이 걸립니다. 또한, 고장율은 크기가 몇 미크론인 장치에 서브나노스케일 필라멘트를 찾는 것이 까다롭기 때문에 높습니다. 따라서 현장 실험에서는 실시간 실험에서 증거를 제공하기 때문에 동작 메커니즘을 이해하는 나노 구조 특성에서 중요합니다.

제시는 비대칭 저항 스위칭 크로스 포인트 장치의 금속 절연체 금속 (MIM) 스택에 대한 전기 적 편향과 시투 TEM에서 수행하기위한 프로토콜이다. 이 프로토콜의 주요 목표는 포커스 이온 빔(FIB)을 사용하여 라멜라 준비를 위한 상세한 방법론을 제공하고 TEM 및 전기 편향을 위한 시투 실험 설정을 제공하는 것입니다. 이 과정은 혼합 단계 비정질 비정질 바나듐 산화물(-VO_x)^4에기초한 비대칭 크로스 포인트 장치의 대표적인 연구를 사용하여 설명된다. 또한 표준 마이크로 나노 제조 공정을 사용하여 크로스바로 쉽게 확장 할 수있는 -VO_x를통합 한 크로스 포인트 장치의 제조 과정이 제시됩니다. 이 제조 공정은 물에 용해되는 -VO x의크로스바에 통합되기 때문에 중요합니다.

이 프로토콜의 장점은 하나만 라멜라를 사용하면 최소 3개의 장치 또는 라멜라가 필요한 다른 기술과 달리 TEM에서 나노 구조 변화를 관찰할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 프로세스를 크게 간소화하고 시간, 비용 및 노력을 줄이면서 실시간 작업의 나노 구조 변화에 대한 신뢰할 수 있는 시각적 증거를 제공합니다. 또한 표준 마이크로 나노 제조 공정, 현미경 기술 및 계측기로 설계되어 참신함을 확립하고 연구 격차를 해결할 수 있습니다.

-VO_x-기반크로스포인트 디바이스에 대해 여기에 설명된 대표적인 연구에서, situ TEM 프로토콜은 극성 및 휘발성 임계값 스위칭⁴뒤에 있는 스위칭 메커니즘을 이해하는 데 도움이 된다. 시정 과정에서 -VO_x의 나노구조 변화를 관찰하기 위해 개발된 공정 및 방법론은 라멜라 장착 칩을 교체하기만 하면, 시투 온도 및 바이어스에서 동시에, 금속 절연체-금속 끼리 구조에서 2층 이상의 기능성 물질을 포함한 다른 물질로 쉽게 확장할 수 있다. 기본 작동 메커니즘을 밝히고 전기 또는 열 특성을 설명하는 데 도움이 됩니다.

프로토콜

1. 제조 공정 및 전기 특성

1. 표준 이미지 반전 포토리소그래피(9)를 사용하여 아래쪽 전극(BE 층 1)을 패턴으로 사용하여 다음 매개 변수를 사용하여 장치의 포토레지스트를 사용하십시오.
   1. 3,000 rpm에서 포토레지스트를 스핀 코트, 소프트 베이크 90°C에서 60s, 405 nm 레이저로 25mJ/cm^2로 노출, 120s용 120°C에서 굽기, 21mW/cm² 및 400 nm 레이저로 홍수 노출을 수행하고, 개발자를 사용하여 개발, 그리고 rinse.
2. 기판 이면이 있는 전자 빔 증발기 시스템으로 접착을 위해 5nm 티타늄(Ti)과 15nm의 백금(Pt)을 기판 패턴으로 기판에 보관하십시오.
3. 기판을 아세톤 욕조에 넣고 ~ 20분 동안 기판을 배치하여 증착된 금속을 들어 올립니다. 그런 다음 초음파 진동을 2 분 동안 적용하고 아세톤과 이소 프로필 알코올 (IPA)으로 헹구어 BE 패턴을 완성합니다. 리프트 오프가 깨끗하지 않은 경우 반복합니다(그림 1A, 1 단계).
4. 1.1 단계에서 설명된 바와 같이 BE 의 상단에 광석 촬영기능이 있는 기능성 산화물 층(층 2)을 패턴화한다.
5. 스퍼터링^{시스템(10)을}사용하여 -VO_x와 Ti의 5nm를 기탁한다.
6. 아세톤 욕조에 기판을 배치하고 2-3s 펄스로 펄스 초음파 진동을 수동으로 적용하여 기능성 산화물을 들어 올려 기능성 산화물 패턴을 완성합니다. 패턴이 깨끗하지 않은 경우 절차를 반복합니다. (그림1A, 2단계 및 3단계)
7. 마찬가지로, 이미지 반전 포토리소그래피, 전자 빔 증발 및 1단계에서 설명된 리프트 오프 공정을 사용하여 nm/Pt_200 nm을 Ti_20 상부 전극(TE) (layer 3) 패턴을 완성한다. (그림1A, 4단계)
   참고: 이것은 크로스 포인트 장치, 그림 1B의제작을 완료합니다.
8. 조작된 장치에서 전기 및 온도 분석을 수행하여 저항 스위칭 성능을 이해합니다.
   1. 2프로브 직전류(DC) I-V 측정 시스템과 전기 측정을 위한 프로브 스테이션이 있는 소스 미터를 사용합니다.
   2. 장치를 손상시키지 않도록 항상 관련 현재 규정 준수를 유지합니다.
   3. 장치의 현재 동작을 분석하려면 전압 제어 해석을 수행하고 전압 스윕을 0.1 V의 낮은 전압으로 시작하여 양적 바이어스에서 시작하여 전기 성형이 관찰될 때까지 천천히 증가합니다.
      참고: 전기 성형은 내장 재료 특성 및 장치 치수에 따라 달라지는 특정 전압에서 처음 절연 기능 산화물 내에 몇 나노미터 너비의 전도성 필라멘트가 형성되는 일회성 이벤트입니다. 이 시점에서, 형성된 전도성 경로로 인해 전류 전압 그래프상에 급격한 저항 또는 전류의 증가가 관찰된다.
   4. 전기 성형 후 양방향 전압 스윕을 적용하여 휘발성 임계값 스위칭 성능을 달성합니다. 높은 ON/OFF 비율을 달성하기 위해 전압을 조정합니다. 이 경우 ~ 10의 스위칭 비율을 달성하였다.
   5. 10°C 단계로 10°C 단계로 증가하는 실온에서 90°C까지 의 온도에서 전류 전압 특성을 분석하고 온도 제어 단계를 사용하여 실온으로 되돌아갑니다.

2. 그리드바 및 바이어스 칩 장착

1. 도 2에도시된 바와 같이, CAD 소프트웨어에서 FIB 최적화 그리드바를 설계하고 내부 가공 기술을 사용하여 제조하여 시투 TEM 실험에 사용되는 바이어스/가열 칩을 장착한다.
   참고: 그림 2A는 격자바의 별도 부분을 표시하여 사각형 모양의 트렌치에 동시에 세 개의 칩을 장착합니다. 도 2B는 TEM용 시투 바이어스/가열 칩에서 시판되는 것에 맞게 설계된 줌제곱트 트렌치 섹션을 나타낸다.
2. 아세톤으로 채워진 페트리 접시에 넣고 2분간 부드럽게 회전하여 바이어스 칩을 청소합니다. 그런 다음 칩을 제거하고 메탄올로 채워진 페트리 접시에 넣고 부드럽게 2 분 동안 회전합니다. 마지막으로 저압 질소로 건조하게 날려 버리십시오.
   참고: E-칩이라고 불리는 상업적으로 구입한 바이어스 칩에는 보호를 위한 포토레지스트 코팅이 있습니다.
3. 그림 2C에서볼 수 있듯이 그리드바의 사각형 트렌치에 미리 세척된 바이어스 칩을 정렬합니다.
4. 그리드바(그림2D)에E 칩의 배치를 완료하기 위해 나사로 바이어스 칩 위에 그리드 커버를 고정합니다.

3. 라멜라 제제, 집중 이온 빔을 이용한 바이어싱 칩 장착, 시투 투과 전자 현미경 검사

1. 그림 3A에서볼 수 있듯이 Ti_10 nm/Pt_100 nm의 두꺼운 BE로 섹션 1에 설명된 바와 같이 샘플을 별도로 제조한다.
2. FIB 챔버에서 전도성 탄소 테이프를 사용하여 새로 준비된 샘플을 금속 스텁에 장착합니다. 충전 문제를 방지하기 위해 접지를 위해 샘플에 테이프를 추가로 적용하십시오.
3. 52° 기울기에서 챔버에 바이어싱 칩 장착 그리드바를 로드합니다(그림 3B참조). 이는 스테이지 회전에 따라 수직 또는 이온 빔 열과 평행합니다.
4. 라미렐라 준비 위치에 현미경 물리적 제어판 및 소프트웨어를 사용하여 샘플 표면에 전자 빔을 초점, 난시 및 정렬합니다.
5. 전자 빔및 이온 빔에 대한 집중 된 샘플 위치 및 빔 우연의 유중심 높이를 확인하십시오.
   참고: 유중심 높이는 샘플이 기울어지면 샘플의 이미지가 이동되지 않는 위치입니다.
6. 자동 TEM 프로그램(자동 라멜라 준비 프로그램)을 클릭하여 현미경 제어 소프트웨어를 사용하여 집중된 샘플 위치에서 실행합니다. 자동 프로그램은 아래에 설명된 시퀀스를 따릅니다.
   참고: TEM 라멜라(그림4)를만드는 프로세스가 완료됩니다. AutoTEM 프로그램의 진행 상황을 데스크톱 화면에서 실시간으로 관찰할 수 있습니다.
   1. 실리콘 밀링으로 교차 선착성 마커를 만들고 정렬 마커 사이의 20 μm x 5 μm 영역에 1.5 μm 두께의 탄소 보호 층을 증착합니다.
   2. 라멜라를 만들기 위해 5 nA 이온 빔 전류가 있는 탄소 보호 층의 양쪽에 밀 트렌치.
   3. 1 nA 이온 빔 전류를 먼저 얇게 한 다음 300 pA 이온 빔 전류로 라멜라를 얇게 하여 1 μm 두께에 도달합니다.
7. 기판에서 분리하기 위해 라멜라에 J 컷을 수행하도록 샘플을 7°로 기울냅니다.
8. 샘플을 0°(즉, 전자 빔 기둥에 수직)로 기울이고Pt(도 5A)를사용하여 사용하여 조작기 바늘에 라멜라를 부착합니다.
9. 마이크로 조작기에 부착 한 후, 최종 절단기와 기판에서 라멜라를 분리하고 천천히 미세 조작기(도 5B)를철회한다.
10. 라멜라 장착 위치인 그리드바에 바이어스 칩의 상단 가장자리에 빔을 집중합니다.
11. 조작자 바늘(도 6A)을가진 바이어싱 칩쪽으로 천천히 라멜라를 가져옵니다.
12. 바이어스 칩의 상단 가장자리에 있는 17 μm 간격의 중앙에 라멜라를 정렬합니다. 칩 표면에 거의 닿지 때까지 천천히 아래로 이동하고 Pt(그림 6B)를사용하여 라멜라의 바닥 가장자리를 칩에 용접합니다.
13. 실리콘 밀링으로 라멜라에서 마이크로 조작기를 잘라 내고 미세 조작기를 철회하십시오.
14. 라미라의 상단 가장자리를 Pt 트레이스와 연결하여 전기 연결을 위한 바이어싱 칩의 두 전극에 연결합니다(도6C).
    참고: TE와 BE는 왼쪽과 오른쪽 양쪽의 이 시점에서 단락됩니다.
15. 라멜라의 중심 영역은 먼저 300 pA를 사용한 다음 100 pA 이온 빔을 사용하여 100 pA 이온 빔을 사용하여 표본을 앞면과 후면으로 2° 기울여 100 nm두께(그림 6D)미만으로 만들어 평행면과 균일한 두께를 보장한다.
16. 이온 빔 손상 층을 양면의 표면에 5°의 각도로 5kV의 가속하는 전압을 가진 이온 빔 손상 층을 연마합니다.
17. 얇은 영역에서 절연 컷을 가진 장치의 상부 및 하부 전극 사이의 짧은 연결을 제거하여 활성영역(그림 7A)을통해 BE에서 TE로의 전류 경로를 생성한다.
18. 바이어스 칩 홀더에 라멜라가 있는 바이어싱 칩을 장착한 다음 바이어스 칩 홀더를 TEM 챔버에 로드합니다.
19. 바이어스 칩 홀더에서 소스 미터 및 제어 PC에 와이어를 연결합니다.
    참고: 실험 중에 변형을 완화하고 진동을 최소화하기 위해 연결 선을 신중하게 배치합니다.
20. TEM 챔버 압력이 4e-5 Torr로 떨어뜨린 다음 TEM 제어 노브를 사용하여 라멜라 표면의 단면에 전자 빔을 정렬하여 초점을 맞추고 난시화할 때까지 기다립니다.
21. 다양한 바이어스 전압에서 전압 스윕 또는 일정한 전압을 적용하고 현장에서 TEM 현미경 그래프를 수집합니다.
    참고: 회절 패턴, 전자 회절 X선 분광법(EDX), 전자 에너지 손실 분광법(EELS) 매핑과 관련된 데이터도 현장에서 다른 바이어스 전압에서 수집될 수 있습니다.

결과

-VO_x 크로스포인트 장치에 대해 이 프로토콜을 사용하여 달성된 결과는 그림 8에설명되어 있습니다. 도 8A는 그대로 라멜라의 TEM 현미경을 나타낸다. 여기서 회절 패턴(inset)은 산화물 필름의 비정질 특성을 나타낸다. 현장 TEM 측정의 경우, 제어 전압은 25mV에서 8V로 20mV 단계로 하부 전극(BE)과 상부 전극(TE)을 접지하여 적용하였다.

토론

이 논문은 장치에 대한 제조 공정, 바이어스 칩 장착을 위한 그리드바 설계, 바이어스 칩에 라멜라 제제 및 장착, 시투 바이어싱을 통한 TEM 을 포함한 변속 전자 현미경으로 시투 바이어싱에 대한 프로토콜을 설명합니다.

크로스바 구조로 쉽게 확장할 수 있는 크로스포인트 장치의 제조 방법론이 설명되어 있습니다. -VO_x 증착 후 제조 단계에서 물에 용해되기 때?...

자료

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