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.
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Articolo metodologico
Microscopia elettronica a trasmissione in situ con distorsione e fabbricazione di traverse asimmetriche basate su a -VO x afasemista
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In questo articolo
Sommario
Abstract
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.
Introduzione
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.
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Protocollo
1. Processo di fabbricazione e caratterizzazione elettrica
- Utilizzare la fotolitografia standard di inversionedell'immagine 9 per modellare l'elettrodo inferiore (livello BE 1) con fotoresist dei dispositivi utilizzando i seguenti parametri:
- 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 laser a 400 nm, svilupparsi utilizzando lo sviluppatore e risciacquare con acqua deionizzata.
- Depositare 5 nm di titanio (Ti) per l'adesione e 15 nm di platino (Pt) in cima con un sistema di evaporatore a fascio di elettroni con il substrato modellato sullo strato 1.
- Solleva i metalli depositati posizionando il substrato in un bagno di acetone per ~ 20 minuti. Quindi, applicare vibrazioni ultrasoniche per 2 minuti e risciacquare con acetone e alcol isopropile (IPA) per completare i modelli BE. Ripetere se il decollo non è pulito (Figura 1A, passaggio 1).
- Modellare lo strato di ossido funzionale (strato 2) con fotolitografia sopra il BE come descritto nel passaggio 1.1.
- Depositare ~ 100 nm di un-VOx e 5 nm di Ti sopra il livello 2 utilizzando un sistema di sputtering10.
- Solleva l'ossido funzionale posizionando il substrato in un bagno di acetone e applicando manualmente vibrazioni ultrasoniche pulsate con impulsi da 2 a 3 s per finalizzare i modelli di ossido funzionale. Ripetere la procedura se i motivi non sono puliti. (Figura 1A, fase 2 e fase 3)
- Allo stesso modo, completare i modelli di elettrodi superiore (TE) (strato 3) con Ti_20 nm/Pt_200 nm utilizzando la fotolitografia di inversione dell'immagine, l'evaporazione del fascio di elettroni e il processo di decollo descritto nel passaggio 1. (Figura1A, fase 4)
NOTA: Questo completa la fabbricazione del dispositivo cross-point, Figura 1B. - Eseguire analisi elettriche e di temperatura sul dispositivo fabbricato per comprenderne le prestazioni di commutazione di resistenza.
- Utilizzare il misuratore di sorgente con sistema di misurazione I-V a corrente continua a due sonde (DC) e una stazione sonda per misurazioni elettriche.
- Mantenere sempre la conformità corrente pertinente per evitare di danneggiare i dispositivi.
- Per analizzare il comportamento di corrente del dispositivo, eseguire analisi controllate dalla tensione e applicare sweep di tensione a partire da una bassa tensione di 0,1 V in polarizzazione positiva e aumentando lentamente fino a quando non viene osservata l'elettroformatura.
NOTA: L'elettroformatura è un evento una t-time in cui alcuni filamenti conduttivi a livello nanometrico si formano all'interno dell'ossido funzionale inizialmente isolante a una particolare tensione, che dipende dalle proprietà intrinseche del materiale e dalle dimensioni del dispositivo. A questo punto, un improvviso calo di resistenza o aumento di corrente si osserva sul grafico della tensione di corrente a causa di un percorso conduttivo formato. - Dopo l'elettroformatura, applicare sweep di tensione bidirezionali per ottenere prestazioni di commutazione di soglia volatili. Regolare la tensione per ottenere un elevato rapporto ON/OFF. In questo caso, è stato raggiunto un rapporto di commutazione di ~10.
- Analizzare le caratteristiche della tensione di corrente a temperature diverse dalla temperatura ambiente a 90 °C aumentando in passi di 10 °C e tornare a temperatura ambiente utilizzando uno stadio a temperatura controllata.
2. Montaggio di griglie e chip di polarizzazione
- Progettare internamente la barra di rete ottimizzata FIB nel software CAD e produrre utilizzando internamente tecniche di lavorazione standard per il montaggio dei chip di polarizzazione/riscaldamento utilizzati per esperimenti TEM in situ, come illustrato nella figura 2.
NOTA: la figura 2A mostra parti separate della barra della griglia per montare tre trucioli contemporaneamente nelle trincee a forma quadrata. La figura 2B mostra la sezione di trincea quadrata ingrandita progettata per adattarsi ai trucioli di polarizzazione/riscaldamento in situ disponibili in commercio per TEM. - Pulire il chip di polarizzazione posizionandolo in una piastra di Petri di vetro piena di acetone e ruotare delicatamente per 2 minuti. Quindi rimuovere il truciolo e posizionare in una piastra di Petri piena di metanolo e ruotare delicatamente per 2 minuti. Infine, asciugare con azoto a bassa pressione.
NOTA: I chip biasing acquistati commercialmente, denominati E-chips, hanno un rivestimento fotoresist per la protezione. - Allineare il chip di polarizzazione prepulito nelle trincee quadrate della barra della griglia, come si vede nella figura 2C.
- Fissare il coperchio della griglia sopra il chip di polarizzazione con viti per finalizzare il posizionamento dell'E-chip sulla barra della griglia (Figura 2D).
3. Preparazione della lamella, montaggio su chip biasing utilizzando fascio ionico focalizzato e microscopia elettronica a trasmissione in situ
- Fabbricare i campioni separatamente come descritto nella sezione 1 con un BE più spesso di Ti_10 nm/Pt_100 nm, come si vede nella figura 3A.
- Montare il campione appena preparato su uno stub metallico utilizzando nastro di carbonio conduttivo e caricare nella camera FIB. Applicare nastro aggiuntivo sul campione per la messa a terra per evitare problemi di ricarica.
- Caricare la barra della griglia montata su chip di polarizzazione nella camera con un'inclinazione di 52° (vedere figura 3B). Questo sarà perpendicolare o parallelo alla colonna del fascio ionico a seconda della rotazione dello stadio.
- Mettere a fuoco, astigmare e allineare il fascio di elettroni su una superficie campione utilizzando il pannello di controllo fisico al microscopio e il software sulle posizioni di preparazione della lamella.
- Controllare l'altezza eucentrica della posizione del campione focalizzato e la coincidenza del fascio per il fascio di elettroni e ioni.
NOTA: L'altezza eucentrica è la posizione in cui l'immagine del campione non si muove quando il campione è inclinato. - Fare clic sul programma Auto TEM (automatic lamella preparation program) per eseguito sulla posizione del campione focalizzata utilizzando il software di controllo del microscopio. Il programma automatico segue la sequenza descritta di seguito.
NOTA: Questo completerà il processo di creazione di una lamella TEM (Figura 4). Lo stato di avanzamento del programma AutoTEM può essere osservato in diretta sullo schermo del desktop.- Creare marcatori di allineamento fiduciari incrociati con la fresatura del silicio e depositare uno strato protettivo in carbonio dello spessore di 1,5 μm sull'area di 20 μm x 5 μm tra i marcatori di allineamento.
- Fresatura trincee su entrambi i lati dello strato protettivo in carbonio con una corrente di fascio ionico da 5 nA per creare la lamella.
- Assottigliare la lamella con una corrente di fascio ionico 1 nA prima e poi con corrente di fascio ionico 300 pA per raggiungere uno spessore di 1 μm.
- Inclinare il campione a 7° per eseguire un taglio a J sulla lamella per la separazione dal substrato.
- Inclinare il campione a 0° (cioè perpendicolare alla colonna del fascio di elettroni) e attaccare la lamella all'ago manipolatore brandendo usando Pt (Figura 5A).
- Dopo l'attacco al micromanipolatore, separare la lamella dal substrato con il taglio finale e ritrarre lentamente il micromanipolatore (Figura 5B).
- Mettere a fuoco il fascio sul bordo superiore del chip biasing sulla barra della griglia, la posizione di montaggio della lamella.
- Portare lentamente la lamella verso il chip di polarizzazione con l'ago del manipolatore (Figura 6A).
- Allineare la lamella al centro dello spazio di 17 μm sul bordo superiore del chip di polarizzazione. Spostarlo lentamente verso il basso fino a quando non tocca a malapena la superficie del truciolo e saldare i bordi inferiori della lamella al truciolo utilizzando Pt (Figura 6B).
- Tagliare il micromanipolatore libero dalla lamella con fresatura di silicio e ritrarre il micromanipolatore.
- Collegare i bordi superiori della lamella con tracce Pt ai due elettrodi del chip di polarizzazione per connessioni elettriche (Figura 6C).
NOTA: Il TE e il BE sono corti a questo punto sia sul lato sinistro che su quello destro. - Assottigliare la regione centrale della lamella prima utilizzando 300 pA, e poi con fasci ionici da 100 pA per rendere la lamella di spessore inferiore a 100 nm(Figura 6D)inclinando il campione davanti e dietro di 2° per garantire facce parallele e uno spessore uniforme.
- Lucidare lo strato danneggiato dal fascio ionico con la tensione di accelerazione del fascio Ga di 5 kV con un angolo di 5 ° rispetto alla superficie su entrambe le facce.
- Rimuovere la breve connessione tra gli elettrodi superiore e inferiore del dispositivo con tagli di isolamento nella regione assottigliata per creare un percorso corrente da BE a TE attraverso la regione attiva (Figura 7A).
- Montare il chip di polarizzazione con lamella sul supporto del truciolo di polarizzazione e quindi caricare il supporto del truciolo di polarizzazione nella camera TEM.
- Collegare i fili dal supporto del chip di polarizzazione al misuratore di origine e a un PC di controllo.
NOTA: Posizionare con cura i fili di connessione per alleviare la deformazione e ridurre al minimo eventuali vibrazioni durante l'esperimento. - Attendere che la pressione della camera TEM si sfoci a 4e-5 Torr e quindi mettere a fuoco, astigmate, e allineare il fascio di elettroni su una sezione trasversale della superficie di lamella utilizzando le manopole di controllo TEM.
- Applicare sweep di tensione o tensione costante a diverse tensioni di polarizzazione e raccogliere le micrografie TEM in situ.
NOTA: I dati relativi ai modelli di diffrazione, alla spettroscopia a raggi X di diffrazione elettronica (EDX) e alla mappatura della spettroscopia di perdita di energia elettronica (EELS) possono anche essere raccolti a diverse tensioni di polarizzazione in situ.
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Risultati
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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Discussione
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...
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
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.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Sistema di elaborazione Resist | EV group | EVG 101 | |
| Acetone | Chem-Supply | AA008 | |
| Biasing Chip - E-chip | Protochips | E-FEF01-A4 | |
| Sviluppatore | MMRC | AZ 400K | |
| Evaporatore a fascio di elettroni - PVD 75 | Kurt J Leskar | PRO Line - Sistema a | |
| Thermo Fisher - | FEI Scios DualBeamTM Piastre | ||
| riscaldanti | Brewer Science Inc. | 1300X | |
| Magnetron Sputterer | Kurt J Leskar | PRO Line | |
| Mask Aligner | Karl Suss | MA6 | |
| Maskless Aligner | Heildberg | instruments MLA150 | |
| Methanol | Fisher scientific | M/4056 | |
| Phototresist | MMRC | AZ 5412E | |
| Sorgente Pt per evaporatore | e-beamUnicore | ||
| Il supporto per chip Fusion Protochips | Fusion 350 | ||
| Ti sorgente per evaporatore a fascio elettronico | Unicore | ||
| JEOL | JEM 2100F |
Riferimenti
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Ristampe e permessi
