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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Questo lavoro è stato eseguito in parte presso il Micro Nano Research Facility della RMIT University nel Nodo Vittoriano dell'Australian National Fabrication Facility (ANFF). Gli autori riconoscono le strutture e l'assistenza scientifica e tecnica della RMIT University's Microscopy, Microanalysis Facility, un laboratorio collegato della Microscopia Australia. Viene riconosciuto il sostegno alle borse di studio dell'Australian Postgraduate Award (APA)/Programma di formazione alla ricerca (RTP) del governo australiano. Ringraziamo il professor Madhu Bhaskaran, il professore associato Sumeet Walia, il Dr. Matthew Field e il signor Brenton Cook per la loro guida e le discussioni utili.

1. Processo di fabbricazione e caratterizzazione elettrica
<ol><li>Utilizzare la fotolitografia standard di inversionedell'immagine 9 per modellare l'elettrodo inferiore (livello BE 1) con fotoresist dei dispositivi utilizzando i seguenti parametri:<ol>
<li>Spin rivestire il fotoresist a 3.000 giri/min, cuocerlo morbido a 90 °C per 60 s, esporre con 25 mJ/cm2 con un laser a 405 nm, cuocerlo a 120 °C per 120 s, eseguire l'esposizione alle inondazioni con 21 mW/cm2 e un las...

<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>

Questo documento spiega il protocollo per la polarizzazione in situ con microscopia elettronica a trasmissione, incluso il processo di fabbricazione del dispositivo, la progettazione della barra della griglia per il montaggio del chip di polarizzazione, la preparazione della lamella e il montaggio sul chip di polarizzazione e TEM con polarizzazione in situ.
Viene spiegata la metodologia di fabbricazione dei dispositivi cross-point, che possono essere facilmente scalati fino alle strutture dell...

Le memorie di ossido di cambiamento di resistenza sono sempre più utilizzate come elemento costitutivo per nuove architetture di memoria e logica grazie alla loro velocità di commutazione compatibile, alla struttura cellulare più piccola e alla capacità di essere progettate in array di traverse tridimensionali (3D) adalta capacità 1. Ad oggi, sono stati segnalati più tipi di commutazione per dispositivi di commutazione resistiva2,3. I comportamenti di commutazione comuni per gli ossidi metallici sono la commutazione unipolare, bipolare, resistiva complementare e la commutazione a soglia volatile. Oltre alla complessità, è stato segnalato che una singola cella mostra prestazioni di commutazione resistive multifunzionalie 4,5,6.
Questa variabilità significa che sono necessarie indagini nanostrutturali per comprendere le origini dei diversi comportamenti di memoria e dei corrispondenti meccanismi di commutazione per sviluppare commutazione dipendente dalle condizioni chiaramente definita per un'utilità pratica. Le tecniche comunemente riportate per comprendere i meccanismi di commutazione sono la profilazione della profondità con spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS)7,8, spettroscopia di massa ionica secondaria su scala nanometrica (nano-SIMS)6,spettroscopia di fotoluminescenza non distruttiva (PL)8,caratterizzazione elettrica di diverse dimensioni e spessore dell'ossido funzionale dei dispositivi, nanoindentazione7, microscopia elettronica a trasmissione (TEM), spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX) e spettroscopia di perdita di energia elettronica (EELS) su lamelle trasversali in una camera TEM6,8. Tutte le tecniche di cui sopra hanno fornito informazioni soddisfacenti sui meccanismi di commutazione. Tuttavia, nella maggior parte delle tecniche, è necessario più di un campione per l'analisi, inclusi i dispositivi incontaminati, elettroformati, impostati e reset, per comprendere il comportamento di commutazione completo. Ciò aumenta la complessità sperimentale e richiede molto tempo. Inoltre, i tassi di guasto sono elevati, perché localizzare un filamento subnanoscale in un dispositivo di alcune micron di dimensioni è complicato. Pertanto, gli esperimenti in situ sono importanti nelle caratterizzazioni nanostrutturali per comprendere i meccanismi operativi, in quanto forniscono prove in esperimenti in tempo reale.
Presentato è un protocollo per condurre TEM in situ con polarizzazione elettrica per pile metallo-isolante-metallo (MIM) di dispositivi cross-point di commutazione resistiva asimmetrica. L'obiettivo primario di questo protocollo è quello di fornire una metodologia dettagliata per la preparazione della lamella utilizzando un fascio ionico di messa a fuoco (FIB) e una configurazione sperimentale in situ per TEM e polarizzazione elettrica. Il processo è spiegato utilizzando uno studio rappresentativo dei dispositivi asimmetrici a punti incrociati basati sull'ossido di vanadio amorfo a fase mista (a-VOx)4. Presentato anche il processo di fabbricazione di dispositivi cross-point che incorporano un-VOx, che può essere facilmente scalato fino alle traverse, utilizzando processi di micro-nano fabbricazione standard. Questo processo di fabbricazione è importante in quanto incorpora nelle traverse un-VOx che si dissolve in acqua.
Il vantaggio di questo protocollo è che con una sola lamella, i cambiamenti nanostrutturali possono essere osservati in TEM, a differenza delle altre tecniche, dove sono richiesti almeno tre dispositivi o lamelle. Ciò semplifica significativamente il processo e riduce tempi, costi e sforzi fornendo al contempo prove visive affidabili dei cambiamenti nanostrutturali nelle operazioni in tempo reale. Inoltre, è progettato con processi standard di micro-nano fabbricazione, tecniche di microscopia e strumenti in modi innovativi per stabilire la sua novità e affrontare le lacune di ricerca.
Nello studio rappresentativo qui descritto per undispositivo cross-point basato su -VOx,il protocollo TEM in situ aiuta a comprendere il meccanismo di commutazione dietro la commutazione apolare e volatiledella soglia 4. Il processo e la metodologia sviluppati per osservare i cambiamenti nanostrutturali in un-VOx durante la polarizzazione in situ possono essere facilmente estesi alla temperatura in situ, e alla temperatura in situ e alla polarizzazione contemporaneamente, semplicemente sostituendo il chip di montaggio della lamella, e a qualsiasi altro materiale che includa due o più strati di materiale funzionale in una struttura sandwich metallo-isolante-metallo. Aiuta a rivelare il meccanismo di funzionamento sottostante e spiegare le caratteristiche elettriche o termiche.

<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'architettura della traversa a commutazione resistiva è fortemente desiderata nel campo delle memorie digitali grazie ai vantaggi a basso costo e ad alta densità. Diversi materiali mostrano variabilità nelle proprietà di commutazione resistiva a causa della natura intrinseca del materiale utilizzato, portando a discrepanze nel campo a causa dei meccanismi operativi sottostanti. Ciò evidenzia la necessità di una tecnica affidabile per comprendere i meccanismi che utilizzano osservazioni nanostrutturali. Questo protocollo spiega un processo dettagliato e una metodologia dell'analisi nanostrutturale in situ come risultato della polarizzazione elettrica utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Fornisce prove visive e affidabili dei cambiamenti nanostrutturali sottostanti nelle operazioni di memoria in tempo reale. È inclusa anche la metodologia di fabbricazione e caratterizzazione elettrica per strutture asimmetriche della traversa che incorporano ossido di vanadio amorfo. Il protocollo qui spiegato per le pellicole di ossido di vanadio può essere facilmente esteso a qualsiasi altro materiale in una struttura sandwich metallo-dielettrico-metallo. Si prevede che le traverse di commutazione resistive servano la logica programmabile e i circuiti neuromorfici per i dispositivi di memoria di nuova generazione, data la comprensione dei meccanismi operativi. Questo protocollo rivela il meccanismo di commutazione in modo affidabile, tempestivo ed economico in qualsiasi tipo di materiale di commutazione resistiva, e quindi prevede l'applicabilità del dispositivo.

I risultati ottenuti utilizzando questo protocollo per i dispositivi cross-point-VOx sono illustrati nella figura 8. La figura 8A mostra la micrografia TEM della lamella intatta. Qui i modelli di diffrazione (inserto) indicano la natura amorfa della pellicola di ossido. Per le misurazioni TEM in situ, sono state applicate tensioni controllate a partire da 25 mV a 8 V in gradini da 20 mV con l'elettrodo inferiore (BE) positivamente po...

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

Presentato qui è un protocollo per l'analisi dei cambiamenti nanostrutturali durante la polarizzazione in situ con microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per una struttura metallico-isolante-metallo impilata. Ha applicazioni significative nella commutazione resistiva delle traverse per la prossima generazione di circuiti logici programmabili e hardware di neuromimetica, per rivelare i loro meccanismi operativi sottostanti e l'applicabilità pratica.

Microscopia elettronica a trasmissione in situ con distorsione e fabbricazione di traverse asimmetriche basate su a -VO x afasemista

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

Rivelare processi dinamici dei materiali in liquidi con liquido di trasmissione microscopia elettronica cellulare

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

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