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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이 작품은 호주 국립 제조 시설 (ANFF)의 빅토리아 노드에있는 RMIT 대학의 마이크로 나노 연구 시설에서 부분적으로 수행되었습니다. 저자는 시설, 그리고 RMIT 대학의 현미경 검사법의 과학 및 기술 지원을 인정, 현미경 분석 시설, 현미경 호주의 연결된 실험실. 호주 대학원상(APA)/연구 교육 프로그램(RTP) 제도의 장학금 지원이 인정됩니다. 우리는 마두 바스카란 교수, 수밋 왈리아 부교수, 매튜 필드 박사, 브렌튼 쿡(Brenton Cook) 교수의 지도와 유용한 토론에 감사드립니다.

1. 제조 공정 및 전기 특성
<ol><li>표준 이미지 반전 포토리소그래피(9)를 사용하여 아래쪽 전극(BE 층 1)을 패턴으로 사용하여 다음 매개 변수를 사용하여 장치의 포토레지스트를 사용하십시오.<ol>
<li>3,000 rpm에서 포토레지스트를 스핀 코트, 소프트 베이크 90°C에서 60s, 405 nm 레이저로 25mJ/cm2로 노출, 120s용 120°C에서 굽기, 21mW/cm2 및 400 nm 레이저로 홍수 노출을 수행?...

<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>

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. -VOx 증착 후 제조 단계에서 물에 용해되기 때?...

저항 변화 산화기억은 호환되는 스위칭 속도, 더 작은 세포 구조 및 고용량 3차원(3D) 크로스바 어레이1로설계할 수 있는 능력으로 인해 새로운 메모리 및 논리 아키텍처를 위한 빌딩 블록으로 점점 더 사용되고 있다. 현재까지 저항 스위칭 장치2,3에대해 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 것으로보고되었다4,5,6.
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, 나노핀덴티션7,투과 전자 현미경(TEM), 에너지 분산 X선 분광법(EDX), 및 TEM 챔버6,8의단면 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(-VOx)4에기초한 비대칭 크로스 포인트 장치의 대표적인 연구를 사용하여 설명된다. 또한 표준 마이크로 나노 제조 공정을 사용하여 크로스바로 쉽게 확장 할 수있는 -VOx를통합 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.
-VOx-기반크로스포인트 디바이스에 대해 여기에 설명된 대표적인 연구에서, situ TEM 프로토콜은 극성 및 휘발성 임계값 스위칭4뒤에 있는 스위칭 메커니즘을 이해하는 데 도움이 된다. 시정 과정에서 -VOx의 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.

<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

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.

-VOx 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. <st...

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

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.

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

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

액체 셀 전송 전자 현미경을 사용하여 액체의 재료의 동적 프로세스를 공개

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

연구

공학

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투과 전자 현미경에서 제자리 시간에 따른 절연 파괴에 : 가능성은 마이크로 전자 장치의 고장 메커니즘을 이해하기

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

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벌크 이종 접합 태양 전지의 인쇄 제작 및<em&gt; 현장에서</em&gt; 형태학 특성

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

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