Name: in situ transmission electron microscopy with biasing and fabrication of asymmetric crossbars based on mixed-phased a-vox
Uploaded: 2020-05-13T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx at JoVE.com

Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd in de Micro Nano Research Facility van de RMIT University in het Victorian Node of the Australian National Fabrication Facility (ANFF). De auteurs erkennen de faciliteiten en de wetenschappelijke en technische assistentie van de Microscopie, Microanalysis Facility van de RMIT University, een gekoppeld laboratorium van de Microscopie Australië. Beursondersteuning van de Australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) regeling van de Australische overheid wordt erkend. We danken professor Madhu Bhaskaran, universitair hoofddocent Sumeet Walia, Dr. Matthew Field en mr. Brenton Cook voor hun begeleiding en nuttige discussies.

1. Fabricageproces en elektrische karakterisering
<ol><li>Gebruik standaard afbeeldingsomkeringsfotolithografie9 om de onderste elektrode (BE-laag 1) met fotoresist van de apparaten te patroonen met behulp van de volgende parameters:<ol>
<li>Draai de fotoresist af op 3.000 tpm, bak hem zacht op 90 °C gedurende 60 s, exposeer met 25 mJ/cm2 met een 405 nm laser, bak op 120 °C gedurende 120 s, voer overstromingsblootstelling uit met 21 mW/cm2 en een 400 nm laser, ontwikkel m...

<ol>
	<li>Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E., Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Advances in Neuromorphic Memristor Science and Applications. , 9-14 (2012).</li><li>Pan, F., Gao, S., Chen, C., Song, C., Zeng, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+in+resistive+random+access+memories:+Materials,+switching+mechanisms,+and+performance.">Recent progress in resistive random access memories: Materials, switching mechanisms, and performance.</a> Materials Science and Engineering: R: Reports. 83, 1-59 (2014).</li><li>Zhou, Y., Ramanathan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mott+Memory+and+Neuromorphic+Devices.">Mott Memory and Neuromorphic Devices.</a> Proceedings of the IEEE. 103 (8), 1289-1310 (2015).</li><li>Nirantar, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Nanostructural+Analysis+of+Volatile+Threshold+Switching+and+Non-Volatile+Bipolar+Resistive+Switching+in+Mixed-Phased+a-VOx+Asymmetric+Crossbars.">In Situ Nanostructural Analysis of Volatile Threshold Switching and Non-Volatile Bipolar Resistive Switching in Mixed-Phased a-VOx Asymmetric Crossbars.</a> Advanced Electronic Materials. 5 (12), 1900605 (2019).</li><li>Rupp, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Different+threshold+and+bipolar+resistive+switching+mechanisms+in+reactively+sputtered+amorphous+undoped+and+Cr-doped+vanadium+oxide+thin+films.">Different threshold and bipolar resistive switching mechanisms in reactively sputtered amorphous undoped and Cr-doped vanadium oxide thin films.</a> Journal of Applied Physics. 123 (4), 044502 (2018).</li><li>Ahmed, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inducing+tunable+switching+behavior+in+a+single+memristor.">Inducing tunable switching behavior in a single memristor.</a> Applied Materials Today. 11, 280-290 (2018).</li><li>Nili, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+Resistive+Switching+in+Amorphous+Perovskite+Oxide+(a-SrTiO3)+Memristors.">Nanoscale Resistive Switching in Amorphous Perovskite Oxide (a-SrTiO3) Memristors.</a> Advanced Functional Materials. 24 (43), 6741-6750 (2014).</li><li>Ahmed, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transparent+amorphous+strontium+titanate+resistive+memories+with+transient+photo-response.">Transparent amorphous strontium titanate resistive memories with transient photo-response.</a> Nanoscale. 9 (38), 14690-14702 (2017).</li><li>Reuhman-Huisken, M. E., Vollenbroek, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optimized+image+reversal+process+for+half-micron+lithography.">An optimized image reversal process for half-micron lithography.</a> Microelectronic Engineering. 11 (1), 575-580 (1990).</li><li>Taha, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Insulator-metal+transition+in+substrate-independent+VO2+thin+film+for+phase-change+devices.">Insulator-metal transition in substrate-independent VO2 thin film for phase-change devices.</a> Scientific Reports. 7 (1), 17899 (2017).</li><li>Booth, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlating+the+Energetics+and+Atomic+Motions+of+the+Metal-Insulator+Transition+of+M1+Vanadium+Dioxide.">Correlating the Energetics and Atomic Motions of the Metal-Insulator Transition of M1 Vanadium Dioxide.</a> Scientific Reports. 6, 26391 (2016).</li><li>Lee, S., Ivanov, I. N., Keum, J. K., Lee, H. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epitaxial+stabilization+and+phase+instability+of+VO2+polymorphs.">Epitaxial stabilization and phase instability of VO2 polymorphs.</a> Scientific Reports. 6, 19621 (2016).</li></ol>

Dit artikel legt het protocol voor in situ biasing met transmissie-elektronenmicroscopie uit, inclusief het fabricageproces voor het apparaat, gridbarontwerp voor biasing chipmontage, lamellenvoorbereiding en montage op de biasing chip en TEM met in situ biasing.
De fabricagemethodologie van cross-point apparaten, die eenvoudig kan worden opgeschaald naar dwarsbalkstructuren, wordt uitgelegd. De Ti-aftopping van vanadiumoxide is essentieel om amorf vanadiumoxide op te nemen, omdat het oplost i...

Weerstandsveranderingsoxidegeheugens worden steeds vaker gebruikt als bouwsteen voor nieuwe geheugen- en logische architecturen vanwege hun compatibele schakelsnelheid, kleinere celstructuur en de mogelijkheid om te worden ontworpen in driedimensionale (3D) dwarsbalkarrays met hoge capaciteit1. Tot op heden zijn meerdere schakeltypen gemeld voor resistieve schakelapparaten2,3. Veelvoorkomend schakelgedrag voor metaaloxiden zijn unipolair, bipolair, complementair resistief schakelen en vluchtige drempelschakeling. Naast de complexiteit is gemeld dat één cel ookmultifunctioneleweerstandsschakelprestaties vertoont 4,5,6.
Deze variabiliteit betekent dat nanostructurele onderzoeken nodig zijn om de oorsprong van verschillende geheugengedragingen en bijbehorende schakelmechanismen te begrijpen om duidelijk gedefinieerde conditieafhankelijk schakelen te ontwikkelen voor praktisch nut. Algemeen gerapporteerde technieken om de schakelmechanismen te begrijpen zijn diepteprofilering met röntgenfoto-elektrotronspectroscopie (XPS)7,8, secundaire ionenmassaspectroscopie op nanoschaal (nano-SIMS)6,niet-destructieve fotoluminescentiespectroscopie (PL)8,elektrische karakterisering van verschillende grootte en dikte van functionele oxide van apparaten, nano-indentatie7, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), energiedispergerende röntgenspectroscopie (EDX) en elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) op dwarsdoorsnedelamellen in een TEM-kamer6,8. Alle bovenstaande technieken hebben voldoende inzicht gegeven in de schakelmechanismen. In de meeste technieken is echter meer dan één monster nodig voor analyse, inclusief de ongerepte, geëlektroformeerde, ingestelde en resetapparaten, om het volledige schakelgedrag te begrijpen. Dit verhoogt de experimentele complexiteit en is tijdrovend. Bovendien zijn de storingspercentages hoog, omdat het lastig is om een subnanoscale filament in een apparaat te lokaliseren dat een paar micron groot is. Daarom zijn in situ experimenten belangrijk in nanostructurele karakteriseringen om werkingsmechanismen te begrijpen, omdat ze bewijs leveren in realtime experimenten.
Presented is een protocol voor het uitvoeren van in situ TEM met elektrische biasing voor metaal-isolator-metaal (MIM) stapels asymmetrische resistieve schakelende cross-point apparaten. Het primaire doel van dit protocol is om een gedetailleerde methodologie voor lamellenvoorbereiding te bieden met behulp van een focus ionenbundel (FIB) en in situ experimentele opstelling voor TEM en elektrische biasing. Het proces wordt uitgelegd aan de hand van een representatieve studie van asymmetrische kruispuntapparaten op basis van gemengd gefaseerd amorf vanadiumoxide (a-VOx)4. Ook wordt het fabricageproces van cross-point apparaten gepresenteerd met een-VOx, die eenvoudig kan worden opgeschaald naar dwarsbalken, met behulp van standaard micro-nano fabricageprocessen. Dit fabricageproces is belangrijk omdat het in dwarsbalken een-VOx bevat die oplost in water.
Het voordeel van dit protocol is dat bij slechts één lamellen nanostructurele veranderingen kunnen worden waargenomen in TEM, in tegenstelling tot de andere technieken, waarbij ten minste drie apparaten of lamellen vereist zijn. Dit vereenvoudigt het proces aanzienlijk en vermindert tijd, kosten en moeite en biedt betrouwbaar visueel bewijs van nanostructurele veranderingen in realtime bewerkingen. Bovendien is het ontworpen met standaard micro-nano fabricageprocessen, microscopietechnieken en instrumenten op innovatieve manieren om zijn nieuwheid vast te stellen en de onderzoekslacunes aan te pakken.
In de representatieve studie die hier wordt beschreven voor een-VOx-gebaseerdecross-point apparaten, helpt het in situ TEM-protocol het schakelmechanisme achter apolaire en vluchtige drempelschakeling te begrijpen4. Het proces en de methodologie die zijn ontwikkeld voor het observeren van nanostructurele veranderingen in een-VOx tijdens in situ biasing kunnen gemakkelijk worden uitgebreid tot in situ temperatuur, en in situ temperatuur en biasing tegelijkertijd, door alleen de lamellen montage chip te vervangen, en naar elk ander materiaal, inclusief twee of meer lagen functioneel materiaal in een metaal-isolator-metaal ingeklemde structuur. Het helpt het onderliggende werkingsmechanisme te onthullen en elektrische of thermische kenmerken te verklaren.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:932px;" width="931">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:265px;">Resist processing system</td>
			<td style="width:173px;">EV group</td>
			<td style="width:195px;">EVG 101</td>
			<td style="width:299px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Acetone</td>
			<td style="width:173px;">Chem-Supply</td>
			<td style="width:195px;">AA008</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Biasing Chip - E-chip</td>
			<td style="width:173px;">Protochips</td>
			<td>E-FEF01-A4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Developer</td>
			<td style="width:173px;">MMRC</td>
			<td style="width:195px;">AZ 400K</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Electron beam evaporator - PVD 75</td>
			<td style="width:173px;">Kurt J Leskar</td>
			<td style="width:195px;">PRO Line - eKLipse</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;">Focused Ion beam system</td>
			<td style="width:173px;">Thermo Fisher - FEI</td>
			<td style="width:195px;">Scios DualBeamTM system</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:265px;">Hot plates</td>
			<td style="width:173px;">Brewer Science Inc.</td>
			<td style="width:195px;">1300X</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Magnetron Sputterer</td>
			<td style="width:173px;">Kurt J Leskar</td>
			<td style="width:195px;">PRO Line</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Mask aligner</td>
			<td style="width:173px;">Karl Suss</td>
			<td style="width:195px;">MA6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Maskless Aligner</td>
			<td style="width:173px;">Heildberg instruments</td>
			<td style="width:195px;">MLA150</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;">Methanol</td>
			<td style="width:173px;">Fisher scientific</td>
			<td style="width:195px;">M/4056</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Phototresist</td>
			<td style="width:173px;">MMRC</td>
			<td style="width:195px;">AZ 5412E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:265px;">Pt source for e-beam evaporator</td>
			<td style="width:173px;">Unicore</td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">The Fusion E-chip holder</td>
			<td style="width:173px;">Protochips</td>
			<td style="width:195px;">Fusion 350</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:265px;">Ti source for e-beam evaporator</td>
			<td style="width:173px;">Unicore</td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Transmission Electron Microscope</td>
			<td style="width:173px;">JEOL</td>
			<td style="width:195px;">JEM 2100F</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ transmission electron microscopy with biasing and fabrication of asymmetric crossbars based on mixed-phased a-vox

Resistive switching crossbar architectuur is zeer gewenst op het gebied van digitale herinneringen vanwege lage kosten en hoge dichtheid voordelen. Verschillende materialen vertonen variabiliteit in resistieve schakeleigenschappen vanwege de intrinsieke aard van het gebruikte materiaal, wat leidt tot discrepanties in het veld als gevolg van onderliggende werkingsmechanismen. Dit benadrukt de noodzaak van een betrouwbare techniek om mechanismen te begrijpen met behulp van nanostructurele observaties. Dit protocol legt een gedetailleerd proces en methodologie van in situ nanostructurele analyse uit als gevolg van elektrische biasing met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Het biedt visueel en betrouwbaar bewijs van onderliggende nanostructurele veranderingen in realtime geheugenbewerkingen. Ook inbegrepen is de methodologie van fabricage en elektrische karakteriseringen voor asymmetrische dwarsbalkstructuren met amorf vanadiumoxide. Het protocol dat hier wordt uitgelegd voor vanadiumoxidefilms kan eenvoudig worden uitgebreid naar andere materialen in een metaal-diëlektrische metalen ingeklemde structuur. Resistieve schakelbalken worden voorspeld om de programmeerbare logica en neuromorfe circuits voor geheugenapparaten van de volgende generatie te dienen, gezien het begrip van de werkingsmechanismen. Dit protocol onthult het schakelmechanisme op een betrouwbare, tijdige en kosteneffectieve manier in elk type resistieve schakelmaterialen en voorspelt daarmee de toepasbaarheid van het apparaat.

De resultaten die met dit protocol zijn bereikt voor de a-VOx cross-point apparaten worden uitgelegd in figuur 8. Figuur 8A toont de TEM-micrograaf van de intacte lamellen. Hier geven de diffractiepatronen (inzet) de amorfe aard van de oxidefilm aan. Voor de in situ TEM-metingen werden gecontroleerde spanningen toegepast vanaf 25 mV tot 8 V in stappen van 20 mV met de onderste elektrode (BE) positief bevooroordeeld en bovenste elektr...

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx at JoVE.com

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het analyseren van nanostructurele veranderingen tijdens in situ biasing met transmissie elektronenmicroscopie (TEM) voor een gestapelde metaal-isolator-metaalstructuur. Het heeft belangrijke toepassingen in resistieve schakelbalken voor de volgende generatie programmeerbare logische circuits en neuromimicking hardware, om hun onderliggende werkingsmechanismen en praktische toepasbaarheid te onthullen.

In Situ Transmission Electron Microscopy met biasing en fabricage van asymmetrische dwarsbalken op basis van gemixte a-VOx

Resistive switching crossbar architecture is highly desired in the field of digital memories due to low cost and high-density benefits. Different ...

Research

JoVE Journal

Engineering

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

Onthulling dynamische processen van de grondstoffen in vloeistoffen met behulp van vloeibare Cell Transmissie Elektronen Microscopie

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Tijdafhankelijk Diëlektrische Breakdown in de Transmission Electron Microscope: een mogelijkheid om het faalmechanisme in Microelectronic Devices Begrijp

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication van Bulk Heterojunction Solar Cells en<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologie karakterisering

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Het bestuderen van dynamische processen van Nano-sized Objecten in Vloeistof met behulp van Scanning Transmission Electron Microscopy

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

A Method for Obtaining Serial Ultrathin Sections of Microorganisms in Transmission Electron Microscopy

Een methode voor het verkrijgen van seriële uiterst dunne secties van micro-organismen in transmissie-elektronenmicroscopie

Observing cells and cell components in three dimensions at high magnification in transmission electron microscopy requires preparing serial ultrathin ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Gerichte Ion Beam fabricage van LiPON gebaseerde Solid-state Lithium-ion Nanobatteries voor het testen van In Situ

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Fabrication of Flexible Image Sensor Based on Lateral NIPIN Phototransistors

Fabricage van flexibele beeldsensor op basis van laterale NIPIN fototransistoren

Flexible photodetectors have been intensely studied for the use of curved image sensors, which are a crucial component in bio-inspired imaging systems, ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Methoden van Ex Situ en In Situ onderzoeken van structurele transformaties: het geval van kristallisatie van metalen bril

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Fabricage van magnetische nanostructuren op siliciumnitride membranen voor magnetische Vortex Studies met behulp van Transmission microscopie technieken

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography met aberratie-gecorrigeerde scannen transmissie elektronenmicroscoop

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...