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
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Ces travaux ont été réalisés en partie au Micro Nano Research Facility de l’Université RMIT, dans le nœud victorien de l’Australian National Fabrication Facility (ANFF). Les auteurs reconnaissent les installations et l’assistance scientifique et technique du Microscopie, Microanalysis Facility de l’Université RMIT, un laboratoire lié de la Microscopie Australie. Le soutien aux bourses d’études du programme australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) du gouvernement australien est reconnu. Nous remercions le professeur Madhu Bhaskaran, le professeur agrégé Sumeet Walia, le Dr Matthew Field et M. Brenton Cook pour leurs conseils et leurs discussions utiles.

1. Processus de fabrication et caractérisation électrique
<ol><li>Utilisez la photolithographie standard d’inversion d’image9 pour modeler l’électrode inférieure (couche BE 1) avec photorésistance des appareils en utilisant les paramètres suivants :<ol>
<li>Faire tourner le photorésiste à 3 000 r/min, le cuire au four à 90 °C pendant 60 s, exposer avec 25 mJ/cm2 avec un laser de 405 nm, cuire au four à 120 °C pendant 120 s, effectuer une exposition aux inondations av...

<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>

Cet article explique le protocole pour le biais in situ avec la microscopie électronique de transmission comprenant le processus de fabrication pour l’appareil, la conception de barre de grille pour le montage biaisant de puce, la préparation de lamella et le montage sur la puce biaisante, et TEM avec le biais in situ.
La méthodologie de fabrication des dispositifs à points croisés, qui peut être facilement mise à l’échelle jusqu’aux structures transversales, est expliquée. Le p...

Les mémoires d’oxyde de changement de résistance sont de plus en plus utilisées comme pierre angulaire pour de nouvelles architectures de mémoire et de logique en raison de leur vitesse de commutation compatible, de leur structure cellulaire plus petite et de la capacité d’être conçues dans des tableaux de barres transversales tridimensionnelles (3D) degrande capacité 1. À ce jour, plusieurs types de commutation ont été signalés pour les dispositifs de commutationrésistive 2,3. Les comportements courants de commutation des oxydes métalliques sont unipolaires, bipolaires, résistatifs complémentaires et commutation volatile des seuils. En ajoutant à la complexité, une seule cellule a été signalé pour montrer les performances de commutation résistive multifonctionnelleainsi que 4,5,6.
Cette variabilité signifie que des investigations nanostructurales sont nécessaires pour comprendre les origines des différents comportements de mémoire et des mécanismes de commutation correspondants pour développer la commutation clairement définie dépendante de l’état pour l’utilité pratique. Les techniques couramment rapportées pour comprendre les mécanismes de commutation sont le profilage en profondeur avec spectroscopie photoélectron à rayons X (XPS)7,8, spectroscopie de masse ionique secondaire nanométrique (nano-SIMS)6, spectroscopie de photoluminescence nondestructive (PL)8, caractérisation électrique de différentes tailles et épaisseurs d’oxyde fonctionnel des dispositifs, nanoindentation7, microscopie électronique de transmission (TEM), spectroscopie de rayons X énergisante (EDX), et spectroscopie de perte d’énergie électronique (EELS) sur la lamella transversale dans une chambre TEM6,8. Toutes les techniques ci-dessus ont fourni des informations satisfaisantes sur les mécanismes de commutation. Cependant, dans la plupart des techniques, plus d’un échantillon est nécessaire pour l’analyse, y compris les dispositifs vierges, électroformés, réglés et réinitialisés, pour comprendre le comportement complet de commutation. Cela augmente la complexité expérimentale et prend beaucoup de temps. En outre, les taux d’échec sont élevés, parce que la localisation d’un filament sous-échelle dans un dispositif de quelques microns de taille est difficile. Par conséquent, les expériences in situ sont importantes dans les caractérisations nanostructurales pour comprendre les mécanismes de fonctionnement, car elles fournissent des preuves dans des expériences en temps réel.
Présenté est un protocole pour la conduite in situ TEM avec biais électrique pour métal isolant-métal (MIM) piles de dispositifs asymétriques de commutation résistive point de croisement. L’objectif principal de ce protocole est de fournir une méthodologie détaillée pour la préparation de la lamella à l’aide d’un faisceau ion focal (FIB) et d’une configuration expérimentale in situ pour le TEM et le biais électrique. Le processus est expliqué à l’aide d’une étude représentative des dispositifs asymétriques à points croisés basés sur de l’oxyde de vanadium amorphe à phase mixte (a-VOx)4. Également présenté est le processus de fabrication des dispositifs à points croisés incorporant un -VOx, qui peut être facilement mis à l’échelle jusqu’à barres transversales, en utilisant des processus de fabrication micro-nano standard. Ce processus de fabrication est important car il intègre dans les barres transversales un-VOx qui se dissout dans l’eau.
L’avantage de ce protocole est qu’avec une seule lamella, des changements nanostructuraux peuvent être observés dans TEM, contrairement aux autres techniques, où un minimum de trois dispositifs ou lamellae sont nécessaires. Cela simplifie considérablement le processus et réduit le temps, les coûts et les efforts tout en fournissant des preuves visuelles fiables des changements nanostructuraux dans les opérations en temps réel. En outre, il est conçu avec des procédés de fabrication de micro-nano standard, des techniques de microscopie et des instruments de manière innovante pour établir sa nouveauté et combler les lacunes de la recherche.
Dans l’étude représentative décrite ici pour un-VOx-basedcross-point dispositifs, le protocole in situ TEM aide à comprendre le mécanisme de commutation derrière apolaire et volatile seuil de commutation4. Le processus et la méthodologie développés pour observer les changements nanostructuraux d’un-VOx pendant le biais in situ peuvent être facilement étendus à la température in situ, et la température in situ et le biais simultanément, en remplaçant simplement la puce de montage lamella, et à tout autre matériau comprenant deux couches ou plus de matériel fonctionnel dans une structure en sandwich métal-isolant-métal. Il permet de révéler le mécanisme de fonctionnement sous-jacent et d’expliquer les caractéristiques électriques ou thermiques.

<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

L’architecture de barre transversale de commutation résistive est fortement désirée dans le domaine des mémoires numériques en raison des avantages à faible coût et à haute densité. Différents matériaux présentent une variabilité des propriétés de commutation résistives en raison de la nature intrinsèque du matériau utilisé, ce qui entraîne des divergences sur le terrain en raison des mécanismes de fonctionnement sous-jacents. Cela met en évidence la nécessité d’une technique fiable pour comprendre les mécanismes à l’aide d’observations nanostructurales. Ce protocole explique un processus détaillé et une méthodologie d’analyse nanostructurale in situ à la suite d’un biais électrique à l’aide de la microscopie électronique de transmission (TEM). Il fournit des preuves visuelles et fiables des changements nanostructuraux sous-jacents dans les opérations de mémoire en temps réel. La méthodologie de fabrication et de caractérisation électrique des structures asymétriques à barre transversale incorporant de l’oxyde de vanadium amorphe est également incluse. Le protocole expliqué ici pour les films d’oxyde de vanadium peut être facilement étendu à tout autre matériel dans une structure en métal-diélectrique-métal en sandwich. On prévoit que les barres transversales de commutation résistives serviront la logique programmable et les circuits neuromorphiques pour les dispositifs de mémoire de prochaine génération, compte tenu de la compréhension des mécanismes de fonctionnement. Ce protocole révèle le mécanisme de commutation d’une manière fiable, opportune et rentable dans n’importe quel type de matériaux de commutation résistive, et prédit ainsi l’applicabilité de l’appareil.

Les résultats obtenus à l’aide de ce protocole pour les dispositifs à pointscroisés a-VOx sont expliqués à la figure 8. La figure 8A montre le micrographe TEM de la lamella intacte. Ici, les modèles de diffraction (inset) indiquent la nature amorphe du film d’oxyde. Pour les mesures in situ du TEM, des tensions contrôlées ont été appliquées à partir de 25 mV à 8 V en étapes de 20 mV avec l’électrode inférieure ...

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

Présenté ici est un protocole pour analyser les changements nanostructuraux au cours de biais in situ avec la microscopie électronique de transmission (TEM) pour une structure métallique empilée isolant-métal. Il a des applications significatives dans la commutation résistive barres transversales pour la prochaine génération de circuits logiques programmables et matériel de neuromimétisme, pour révéler leurs mécanismes de fonctionnement sous-jacents et l’applicabilité pratique.

Microscopie électronique de transmission in situ avec biais et fabrication de barres transversales asymétriques basées sur la phase mixte a-VOx

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

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