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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Diese Arbeiten wurden teilweise in der Micro Nano Research Facility der RMIT University im Victorian Node of the Australian National Fabrication Facility (ANFF) durchgeführt. Die Autoren würdigen die Einrichtungen und die wissenschaftliche und technische Unterstützung der Mikroskopie der RMIT University, Microanalysis Facility, einem vernetzten Labor der Mikroskopie Australien. Die Stipendienförderung aus dem Australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) der australischen Regierung wird anerkannt. Wir danken Professor Madhu Bhaskaran, Associate Professor Sumeet Walia, Dr. Matthew Field und Herrn Brenton Cook für ihre Anleitung und hilfreiche Diskussionen.

1. Herstellungsprozess und elektrische Charakterisierung
<ol><li>Verwenden Sie Die Standard-Bildumkehr-Photolithographie9 bis Muster bodenelektrode (BE-Schicht 1) mit Photoresist der Geräte mit den folgenden Parametern:<ol>
<li>Den Photoresist bei 3.000 U/min beschichten, bei 90 °C für 60 s weich backen, mit 25 mJ/cm2 mit einem 405 nm Laser aussetzen, bei 120 °C für 120 s backen, Hochwasserbelichtung mit 21 mW/cm2 und einem 400 nm Laser durchführen, mit Entwickler ent...

<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>

Dieses Papier erläutert das Protokoll für in situ Biasing mit Transmissionselektronenmikroskopie einschließlich des Herstellungsprozesses für das Gerät, Gitterleisten-Design für Biasing-Chip-Montage, Lamellenvorbereitung und Montage auf dem Biasing-Chip und TEM mit In-situ-Biasing.
Die Herstellungsmethodik von Cross-Point-Geräten, die leicht auf Querbalkenstrukturen skaliert werden können, wird erläutert. Die Ti-Verkappung von Vanadiumoxid ist wichtig, um amorphes Vanadiumoxid zu inte...

Widerstandsänderungsoxid-Speicher werden aufgrund ihrer kompatiblen Schaltgeschwindigkeit, ihrer kleineren Zellstruktur und der Fähigkeit, in dreidimensionalen (3D) Crossbar-Arrays mit hoher Kapazität (3D) entworfen zu werden, zunehmend als Baustein für neuartige Speicher- und Logikarchitekturen verwendet1. Bisher wurden mehrere Schalttypen für Widerstandsschaltgeräte2,3gemeldet. Häufiges Schaltverhalten für Metalloxide sind unipolares, bipolares, komplementäres Widerstandsschalten und flüchtige Schwellenschaltung. Zusätzlich zur Komplexität wurde berichtet, dass einzelne Zellen eine multifunktionale Widerstandsschaltleistung sowie4,5,6zeigen.
Diese Variabilität bedeutet, dass nanostrukturelle Untersuchungen erforderlich sind, um die Ursprünge verschiedener Speicherverhalten und entsprechender Schaltmechanismen zu verstehen, um klar definierte zustandsabhängige Schaltvorgänge für praktische Nützlichkeit zu entwickeln. Häufig berichtete Techniken zum Verstehen der Schaltmechanismen sind Tiefenprofilierung mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)7,8, nanoskalige sekundäre Ionenmassenspektroskopie (Nano-SIMS)6, zerstörungsfreie Photolumineszenzspektroskopie (PL)8, elektrische Charakterisierung unterschiedlicher Größe und Dicke von funktionsoxid von Geräten, nanoindentation7, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) auf Querschnittslamellen in einer TEM-Kammer6,8. Alle oben genannten Techniken haben zufriedenstellende Einblicke in die Schaltmechanismen geliefert. In den meisten Techniken ist jedoch mehr als eine Probe für die Analyse erforderlich, einschließlich der unberührten, elektrogeformten, eingestellten und zurücksetzenden Geräte, um das vollständige Schaltverhalten zu verstehen. Dies erhöht die experimentelle Komplexität und ist zeitaufwändig. Darüber hinaus sind die Ausfallraten hoch, da es schwierig ist, ein subnanoskalige skalierendes Filament in einem Gerät ein paar Mikrometer groß zu finden. Daher sind In-situ-Experimente bei nanostrukturellen Charakterisierungen wichtig, um Operationsmechanismen zu verstehen, da sie in Echtzeitexperimenten Belegen liefern.
Präsentiert wird ein Protokoll zur Durchführung von in situ TEM mit elektrischer Biasing für Metall-Isolator-Metall (MIM) Stapel von asymmetrischen resistiven Schaltquerpunktgeräten. Das primäre Ziel dieses Protokolls ist es, eine detaillierte Methodik für die Lamellenpräparation unter Verwendung eines Fokusionenstrahls (FIB) und eines In-situ-Experimentalaufbaus für TEM und elektrische Verzerrung enden zu lassen. Das Verfahren wird anhand einer repräsentativen Studie asymmetrischer Punktmessgeräte auf der Grundlage von gemischtphasigem amorphem Vanadiumoxid (a-VOx)4erklärt. Ebenfalls vorgestellt wird der Herstellungsprozess von Cross-Point-Geräten mit einem-VOx, die mit Standard-Mikro-Nano-Fertigungsprozessen einfach auf Querträger skaliert werden können. Dieser Herstellungsprozess ist wichtig, da er in Querstangen ein-VOx enthält, das sich in Wasser auflöst.
Der Vorteil dieses Protokolls besteht darin, dass bei nur einer Lamelle nanostrukturelle Veränderungen in TEM beobachtet werden können, im Gegensatz zu den anderen Techniken, bei denen mindestens drei Geräte oder Lamellen erforderlich sind. Dies vereinfacht den Prozess erheblich und reduziert Zeit, Kosten und Aufwand und liefert gleichzeitig zuverlässige visuelle Nachweise für nanostrukturelle Veränderungen im Echtzeitbetrieb. Darüber hinaus ist es mit Standard-Mikro-Nano-Fertigungsprozessen, Mikroskopie-Techniken und Instrumenten auf innovative Weise konzipiert, um seine Neuheit zu etablieren und die Forschungslücken zu schließen.
In der hier beschriebenen repräsentativen Studie für ein-VOx-basiertesCross-Point-Gerät hilft das in situ TEM-Protokoll, den Schaltmechanismus hinter apolarer und flüchtiger Schwellenschaltung4zu verstehen. Das Verfahren und die Methodik, die zur Beobachtung von nanostrukturellen Veränderungen in einem-VOx während der In-situ-Biasing entwickelt wurden, können leicht auf In-situ-Temperatur und In-situ-Temperatur und Biasing gleichzeitig erweitert werden, indem einfach der Lamellenmontagechip ersetzt wird, und auf jedes andere Material, einschließlich zwei oder mehr Schichten funktionellen Materials in einer Metall-Isolator-Metall-Sandwichstruktur. Es hilft, den zugrunde liegenden Betriebsmechanismus aufzudecken und elektrische oder thermische Eigenschaften zu erklären.

<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-Architektur ist im Bereich der digitalen Speicher aufgrund von niedrigen Kosten und hohen Dichte Vorteile sehr erwünscht. Verschiedene Materialien weisen aufgrund der Intrinsusnatur des verwendeten Materials eine Variabilität der widerstandsiven Schalteigenschaften auf, was aufgrund der zugrunde liegenden Betriebsmechanismen zu Abweichungen im Feld führt. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer zuverlässigen Technik, um Mechanismen mithilfe nanostruktureller Beobachtungen zu verstehen. Dieses Protokoll erläutert einen detaillierten Prozess und eine Methodik der In-situ-Nanostrukturanalyse als Ergebnis elektrischer Verzerrungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Es liefert visuelle und zuverlässige Beweise für zugrunde liegende nanostrukturelle Veränderungen in Echtzeit-Speicheroperationen. Ebenfalls enthalten ist die Methodik der Herstellung und der elektrischen Charakterisierungen für asymmetrische Querbalkenstrukturen mit amorphem Vanadiumoxid. Das hier für Vanadiumoxidfolien erläuterte Protokoll kann leicht auf andere Materialien in einer Metall-Dielektrikum-Metall-Sandwichstruktur ausgedehnt werden. Resistive Schaltquerbalken werden vorausgesagt, um die programmierbare Logik und neuromorphe Schaltungen für Speichergeräte der nächsten Generation zu dienen, angesichts des Verständnisses der Operation-Mechanismen. Dieses Protokoll zeigt den Schaltmechanismus zuverlässig, zeitnah und kostengünstig in jeder Art von widerstandslosen Schaltmaterialien und sagt damit die Anwendbarkeit des Geräts voraus.

Die ergebnisse, die mit diesem Protokoll für die a-VO x-Kreuzpunktgeräte erzielt wurden, werden in Abbildung 8erläutert. Abbildung 8A zeigt die TEM-Mikrographie der intakten Lamelle. Hier zeigen die Beugungsmuster (Einset) die amorphe Natur des Oxidfilms an. Für die In-situ-TEM-Messungen wurden in 20 mV Schritten mit der Bodenelektrode (BE) positiv voreingenommen und der oberen Elektrode (TE) geerdet, kontrollierte Spannungen von...

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

Hier wird ein Protokoll zur Analyse nanostruktureller Veränderungen während der In-situ-Biasing mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) für eine gestapelte Metall-Isolator-Metall-Struktur vorgestellt. Es hat signifikante Anwendungen in resistive Schaltquerträger für die nächste Generation von programmierbaren Logikschaltungen und neuromimicking Hardware, um ihre zugrunde liegenden Operation Mechanismen und praktische Anwendbarkeit zu offenbaren.

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Basierend auf Mixed-Phased 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

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