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

In diesem Protokoll zeigen wir den Herstellungsprozess von Cross-Point-Bauelementen, die amorphes Vanadiumoxid enthalten, das sich tatsächlich im Wasser auflöst. Darüber hinaus hilft uns dieses Protokoll, unser Verständnis von nanostrukturellen Veränderungen während der Vorspannungsoperationen zu verbessern. Dieses Protokoll ermöglicht eine visuelle Analyse von nanostrukturellen Veränderungen im Zusammenhang mit der Vorspannung von Bauelementen und kann auf jede Metall-Isolator-Metall-Bauelementstruktur erweitert werden, die mit dem Hochvakuum kompatibel ist. Dieses Protokoll kann leicht erweitert werden, um eine In-situ-Temperatur- oder Temperatur- und Biasing-Together-Analyse durchzuführen, um die im Gerät stattfindenden Änderungen auf atomarer Ebene aufzudecken. Um die Unterseite der Elektrode des Koppelpunktgeräts mit Fotolack zu strukturieren, wird der Fotolack zuerst mit 3000 Umdrehungen pro Minute auf den Wafer geschleudert, bevor er 60 Sekunden lang bei 95 Grad Celsius weich gebacken wird. Verwenden Sie anschließend einen 405-Nanometer-Laser, um das Gerät 25 Millijoule pro Quadratzentimeter zu belichten, und backen Sie es 120 Sekunden lang bei 120 Grad Celsius. Verwenden Sie einen 400-Nanometer-Laser, um das Gerät mit 21 Milliwatt pro Quadratzentimeter zu belichten, und verwenden Sie den Entwickler, um das Muster zu entwickeln. Spülen Sie das Gerät mit entionisiertem Wasser ab und verwenden Sie ein physikalisches Gasphasenabscheidungssystem, um 10 Nanometer Titan und 100 Nanometer Platin auf das Substratmuster auf der ersten Schicht abzuscheiden. Um die abgeschiedenen Metalle abzuheben, legen Sie das Substrat etwa 20 Minuten lang in ein Acetonbad, bevor Sie zwei Minuten lang Ultraschallvibrationen anwenden und mit Aceton und Isopropylalkohol spülen. Wiederholen Sie den Vorgang, bis die sauber strukturierten Wafer erreicht sind. Wiederholen Sie den gleichen Fotolithographie- oder Strukturierungsprozess, um die zweite Schicht aus amorphem Vanadiumoxid und die dritte Schicht mit 20 Nanometer Titan und 200 Nanometer Platin auf die Oberseite der Elektrode zu strukturieren. Für die Montage des Biasing-Chips wird der Chip zunächst in einer mit Aceton gefüllten Glas-Petrischale unter sanfter Drehung zwei Minuten lang gereinigt. Nach dem Waschen den Chip für weitere zwei Minuten in eine mit Methanol gefüllte Petrischale geben, bevor der Chip mit Niederdruckstickstoff trocken geblasen wird. Richten Sie den Dry-Biasing-Chip in quadratischen Gräben der Gridbar aus und befestigen Sie die Gitterabdeckung mit Schrauben auf dem Biasing-Chip, um die Platzierung des E-Chips auf der Gridbar abzuschließen. Um den Biasing-Chip mit Lamellen zu montieren, verwenden Sie leitfähiges Kohlenstoffband, um die neu vorbereitete Probe auf einen Metallstummel zu montieren, und laden Sie den Stummel in eine fokussierte Ionenstrahlkammer. Bringen Sie zusätzliches Klebeband für die Erdung auf der Probe an, um Ladeprobleme zu vermeiden, und laden Sie die auf dem Biasing-Chip montierte Gitterstange in einem Winkel von 52 Grad in die Kammer. Verwenden Sie das physikalische Bedienfeld und die Software des Mikroskops, um den Elektronenstrahl auf einer Probenoberfläche zu fokussieren und auszurichten, und überprüfen Sie die euzentrische Höhe der fokussierten Probenposition und die Strahlkoinzidenz für die Elektronen- und Ionenstrahlen. Klicken Sie auf das AutoTem-Programm, um das Programm an der fokussierten Probenposition auszuführen, und verwenden Sie Silikonfräsen, um passermarkenübergreifende Ausrichtungsmarker zu erstellen. Scheiden Sie eine 1,5 Mikrometer dicke Kohlenstoffschutzschicht über den 20/5 Mikrometer breiten Bereich zwischen den Ausrichtungsmarkierungen ab und fräsen Sie mit einem Strahlstrom von 5 Nanoangström Gräben auf beiden Seiten der Kohlenstoffschutzschicht. Verdünnen Sie die Lamelle mit den nachfolgenden Ionenstrahlströmen von 1 Nanoangström und 300 Picoangström, um eine Dicke von 1 Mikrometer zu erreichen. Kippen Sie die Probe um sieben Grad, um einen J-Schnitt an der Lamelle zur Trennung vom Substrat durchzuführen. Um die Lamelle an der Manipulatornadel zu befestigen, kippen Sie die Probe auf null Grad und verwenden Sie Platin, um die Lamelle an der Nadel zu befestigen. Nach dem Anbringen an den Mikromanipulator verwenden Sie einen letzten Schnitt, um die Lamelle vom Substrat zu trennen und den Mikromanipulator langsam zurückzuziehen. Fokussieren Sie den Strahl auf die Oberkante des Biasing-Chips auf der Gitterleiste und bringen Sie die Lamelle mit der Nadel langsam in Richtung des Biasing-Chips. Richten Sie die Lamelle in der Mitte des 17-Mikrometer-Spalts an der Oberkante des Biasing-Chips aus und bewegen Sie den Spalt langsam nach unten, bis er die Chipoberfläche kaum berührt. Verwenden Sie Platin, um die unteren Kanten der Lamelle mit dem Chip zu verschweißen, und verwenden Sie Silikonfräsen, um den Mikromanipulator von der Lamelle zu befreien. Ziehen Sie den Mikromanipulator zurück und verbinden Sie die oberen Kanten der Lamelle mit Platinspuren mit den beiden Elektroden des Vorspannchips. Kippen der Probe nach vorne und hinten um zwei Grad, um parallele Flächen und eine gleichmäßige Dicke zu gewährleisten. Verwenden Sie einen aufeinanderfolgenden Strahl von 300 Picoangström und 100 Picoangström, um den mittleren Bereich der Lamelle auf weniger als 100 Nanometer Dicke zu verdünnen. Polieren Sie die durch den Ionenstrahl geschädigte Schicht mit der Galliumstrahl-Beschleunigungsspannung von fünf Kilovolt in einem Winkel von fünf Grad zur Oberfläche auf beiden Seiten aus und verwenden Sie Isolationsschnitte im verdünnten Bereich, um die kurze Verbindung zwischen der oberen und unteren Elektrode des Geräts zu entfernen, um einen Strompfad von der unteren zur oberen Elektrode durch den aktiven Bereich zu schaffen. Montieren Sie dann den Vorspannungschip mit der Lamelle auf dem Vorspannungschiphalter und laden Sie den Vorspannungschiphalter in die Transmissionselektronenmikroskopiekammer. Verbinden Sie für die In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie die Drähte vom Biasing-Chiphalter vorsichtig mit dem Quellenmessgerät und einem Steuercomputer. Wenn der Druck der Transmissionselektronenmikroskopiekammer auf den gewünschten Wert abfällt, verwenden Sie die Drehknöpfe für die Transmissionselektronenmikroskopie, um den Elektronenstrahl auf einen Querschnitt der Lamellenoberfläche zu fokussieren und auszurichten, und wenden Sie Spannungssweeps an, um die Transmissionselektronenmikroskopie-Mikroskopaufnahmen vor Ort zu sammeln. In-situ können dann nanostrukturelle Veränderungen innerhalb der Lamelle beobachtet werden, die beim Anlegen von Bias auftreten. In diesem Bild ist eine repräsentative Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme der intakten Lamelle zu sehen. Die Beugungsmuster im Einschub deuten auf die amorphe Natur des Oxidfilms hin. Bei vier Volt bildet sich in der Oxidschicht ein lokalisierter kristalliner Bereich. In dieser Analyse betrug der d-Abstand 0,35 Nanometer, was der 011-Ebene der Vanadiumoxid-M1-Phase entspricht. Bei fünf Volt können im Inneren des Oxids mehrere lokalisierte Kristallinseln beobachtet werden, die in verschiedene Richtungen in Bezug auf das Substrat ausgerichtet sind. Es zeigt sich ein d-Abstand von 0,27 Nanometern, der der Vanadiumoxid-A-Phase entspricht, und ein d-Abstand von 0,26 Nanometern, der der Vanadiumoxid-M1-Phase entspricht. Bei sechs Volt Moir