Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het analyseren van nanostructurele veranderingen tijdens in situ biasing met transmissie elektronenmicroscopie (TEM) voor een gestapelde metaal-isolator-metaalstructuur. Het heeft belangrijke toepassingen in resistieve schakelbalken voor de volgende generatie programmeerbare logische circuits en neuromimicking hardware, om hun onderliggende werkingsmechanismen en praktische toepasbaarheid te onthullen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
In Situ Transmission Electron Microscopy met biasing en fabricage van asymmetrische dwarsbalken op basis van gemixte a-VOx
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Resistive switching crossbar architectuur is zeer gewenst op het gebied van digitale herinneringen vanwege lage kosten en hoge dichtheid voordelen. Verschillende materialen vertonen variabiliteit in resistieve schakeleigenschappen vanwege de intrinsieke aard van het gebruikte materiaal, wat leidt tot discrepanties in het veld als gevolg van onderliggende werkingsmechanismen. Dit benadrukt de noodzaak van een betrouwbare techniek om mechanismen te begrijpen met behulp van nanostructurele observaties. Dit protocol legt een gedetailleerd proces en methodologie van in situ nanostructurele analyse uit als gevolg van elektrische biasing met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Het biedt visueel en betrouwbaar bewijs van onderliggende nanostructurele veranderingen in realtime geheugenbewerkingen. Ook inbegrepen is de methodologie van fabricage en elektrische karakteriseringen voor asymmetrische dwarsbalkstructuren met amorf vanadiumoxide. Het protocol dat hier wordt uitgelegd voor vanadiumoxidefilms kan eenvoudig worden uitgebreid naar andere materialen in een metaal-diëlektrische metalen ingeklemde structuur. Resistieve schakelbalken worden voorspeld om de programmeerbare logica en neuromorfe circuits voor geheugenapparaten van de volgende generatie te dienen, gezien het begrip van de werkingsmechanismen. Dit protocol onthult het schakelmechanisme op een betrouwbare, tijdige en kosteneffectieve manier in elk type resistieve schakelmaterialen en voorspelt daarmee de toepasbaarheid van het apparaat.
Inleiding
Weerstandsveranderingsoxidegeheugens worden steeds vaker gebruikt als bouwsteen voor nieuwe geheugen- en logische architecturen vanwege hun compatibele schakelsnelheid, kleinere celstructuur en de mogelijkheid om te worden ontworpen in driedimensionale (3D) dwarsbalkarrays met hoge capaciteit1. Tot op heden zijn meerdere schakeltypen gemeld voor resistieve schakelapparaten2,3. Veelvoorkomend schakelgedrag voor metaaloxiden zijn unipolair, bipolair, complementair resistief schakelen en vluchtige drempelschakeling. Naast de complexiteit is gemeld dat één cel ookmultifunctioneleweerstandsschakelprestaties vertoont 4,5,6.
Deze variabiliteit betekent dat nanostructurele onderzoeken nodig zijn om de oorsprong van verschillende geheugengedragingen en bijbehorende schakelmechanismen te begrijpen om duidelijk gedefinieerde conditieafhankelijk schakelen te ontwikkelen voor praktisch nut. Algemeen gerapporteerde technieken om de schakelmechanismen te begrijpen zijn diepteprofilering met röntgenfoto-elektrotronspectroscopie (XPS)7,8, secundaire ionenmassaspectroscopie op nanoschaal (nano-SIMS)6,niet-destructieve fotoluminescentiespectroscopie (PL)8,elektrische karakterisering van verschillende grootte en dikte van functionele oxide van apparaten, nano-indentatie7, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), energiedispergerende röntgenspectroscopie (EDX) en elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) op dwarsdoorsnedelamellen in een TEM-kamer6,8. Alle bovenstaande technieken hebben voldoende inzicht gegeven in de schakelmechanismen. In de meeste technieken is echter meer dan één monster nodig voor analyse, inclusief de ongerepte, geëlektroformeerde, ingestelde en resetapparaten, om het volledige schakelgedrag te begrijpen. Dit verhoogt de experimentele complexiteit en is tijdrovend. Bovendien zijn de storingspercentages hoog, omdat het lastig is om een subnanoscale filament in een apparaat te lokaliseren dat een paar micron groot is. Daarom zijn in situ experimenten belangrijk in nanostructurele karakteriseringen om werkingsmechanismen te begrijpen, omdat ze bewijs leveren in realtime experimenten.
Presented is een protocol voor het uitvoeren van in situ TEM met elektrische biasing voor metaal-isolator-metaal (MIM) stapels asymmetrische resistieve schakelende cross-point apparaten. Het primaire doel van dit protocol is om een gedetailleerde methodologie voor lamellenvoorbereiding te bieden met behulp van een focus ionenbundel (FIB) en in situ experimentele opstelling voor TEM en elektrische biasing. Het proces wordt uitgelegd aan de hand van een representatieve studie van asymmetrische kruispuntapparaten op basis van gemengd gefaseerd amorf vanadiumoxide (a-VOx)4. Ook wordt het fabricageproces van cross-point apparaten gepresenteerd met een-VOx, die eenvoudig kan worden opgeschaald naar dwarsbalken, met behulp van standaard micro-nano fabricageprocessen. Dit fabricageproces is belangrijk omdat het in dwarsbalken een-VOx bevat die oplost in water.
Het voordeel van dit protocol is dat bij slechts één lamellen nanostructurele veranderingen kunnen worden waargenomen in TEM, in tegenstelling tot de andere technieken, waarbij ten minste drie apparaten of lamellen vereist zijn. Dit vereenvoudigt het proces aanzienlijk en vermindert tijd, kosten en moeite en biedt betrouwbaar visueel bewijs van nanostructurele veranderingen in realtime bewerkingen. Bovendien is het ontworpen met standaard micro-nano fabricageprocessen, microscopietechnieken en instrumenten op innovatieve manieren om zijn nieuwheid vast te stellen en de onderzoekslacunes aan te pakken.
In de representatieve studie die hier wordt beschreven voor een-VOx-gebaseerdecross-point apparaten, helpt het in situ TEM-protocol het schakelmechanisme achter apolaire en vluchtige drempelschakeling te begrijpen4. Het proces en de methodologie die zijn ontwikkeld voor het observeren van nanostructurele veranderingen in een-VOx tijdens in situ biasing kunnen gemakkelijk worden uitgebreid tot in situ temperatuur, en in situ temperatuur en biasing tegelijkertijd, door alleen de lamellen montage chip te vervangen, en naar elk ander materiaal, inclusief twee of meer lagen functioneel materiaal in een metaal-isolator-metaal ingeklemde structuur. Het helpt het onderliggende werkingsmechanisme te onthullen en elektrische of thermische kenmerken te verklaren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Fabricageproces en elektrische karakterisering
- Gebruik standaard afbeeldingsomkeringsfotolithografie9 om de onderste elektrode (BE-laag 1) met fotoresist van de apparaten te patroonen met behulp van de volgende parameters:
- Draai de fotoresist af op 3.000 tpm, bak hem zacht op 90 °C gedurende 60 s, exposeer met 25 mJ/cm2 met een 405 nm laser, bak op 120 °C gedurende 120 s, voer overstromingsblootstelling uit met 21 mW/cm2 en een 400 nm laser, ontwikkel met behulp van ontwikkelaar en spoel af met gedeïnsioniseerd water.
- Deponeer 5 nm titanium (Ti) voor hechting en 15 nm platina (Pt) bovenop met een elektronenstraalverdampersysteem met het substraatpatroon op laag 1.
- Verwijder de afgezette metalen door het substraat gedurende ~ 20 minuten in een acetonbad te plaatsen. Breng vervolgens ultrasone trillingen aan gedurende 2 minuten en spoel af met aceton en isopropylalcohol (IPA) om de BE-patronen te voltooien. Herhaal dit als de lift-off niet schoon is (afbeelding 1A, stap 1).
- Patroon de functionele oxidelaag (laag 2) met fotolithografie bovenop de BE zoals beschreven in stap 1.1.
- Deponeer ~100 nm van een-VOx en 5 nm Ti bovenop laag 2 met behulp van een sputtersysteem10.
- Verwijder het functionele oxide door het substraat in een acetonbad te plaatsen en gepulseerde ultrasone trillingen handmatig aan te brengen met pulsen van 2-3 s om de functionele oxidepatronen af te ronden. Herhaal de procedure als de patronen niet schoon zijn. (Figuur 1A, stap 2 en stap 3)
- Voltooi op dezelfde manier de bovenste elektrodepatronen (TE) (laag 3) met Ti_20 nm/Pt_200 nm met behulp van fotolithografie van de beeldomkering, verdamping van elektronenstralen en het in stap 1 beschreven lift-offproces. (Figuur 1A, stap 4)
OPMERKING: Hiermee wordt de fabricage van het kruispuntapparaat voltooid, figuur 1B. - Voer elektrische en temperatuuranalyses uit op het gefabriceerde apparaat om de weerstandsschakelprestaties te begrijpen.
- Gebruik de bronmeter met twee-sonde gelijkstroom (DC) I-V meetsysteem en een sondestation voor elektrische metingen.
- Houd altijd de relevante huidige naleving aan om beschadiging van de apparaten te voorkomen.
- Om het huidige gedrag van het apparaat te analyseren, voert u spanningsgestuurde analyses uit en past u spanningscontroles toe, beginnend met een lage spanning van 0,1 V in positieve bias en langzaam toenemend totdat elektrovorming wordt waargenomen.
OPMERKING: Elektroforming is een eenmalige gebeurtenis waarbij een paar nanometerbrede geleidende filamenten worden gevormd binnen het aanvankelijk isolerende functionele oxide bij een bepaalde spanning, wat afhankelijk is van intrinsieke materiaaleigenschappen en apparaatafmetingen. Op dit punt wordt een plotselinge daling van de weerstand of toename van de stroom waargenomen op de stroomspanningsgrafiek als gevolg van een gevormd geleidend pad. - Breng na het elektrovormen bidirectionele spanningscontroles aan om vluchtige drempelschakelprestaties te bereiken. Stel de spanning in om een hoge AAN/UIT-verhouding te bereiken. In dit geval werd een schakelverhouding van ~10 bereikt.
- Analyseer de eigenschappen van de huidige spanning bij verschillende temperaturen van kamertemperatuur tot 90 °C die in stappen van 10 °C toenemen en keer terug naar kamertemperatuur met behulp van een temperatuurgecontroleerde fase.
2. Gridbar en biasing chip montage
- Ontwerp de FIB geoptimaliseerde rasterbalk in CAD-software en fabricage met behulp van standaard bewerkingstechnieken in eigen huis voor het monteren van de biasing/ verwarmingschips die worden gebruikt voor teM-experimenten in situ, zoals weergegeven in figuur 2.
OPMERKING: Figuur 2A toont afzonderlijke delen van de rasterbalk om drie spaanders tegelijkertijd in de vierkante geulen te monteren. Figuur 2B toont het ingezoomde vierkante sleufgedeelte dat is ontworpen om te passen bij de in de handel verkrijgbare situ biasing/verwarmingschips voor TEM. - Maak de biasing chip schoon door deze in een glazen Petrischaal gevuld met aceton te plaatsen en draai zachtjes gedurende 2 minuten. Verwijder vervolgens de chip en plaats deze in een Petrischaal gevuld met methanol en draai zachtjes gedurende 2 minuten. Tot slot, föhn met lage druk stikstof.
OPMERKING: Commercieel gekochte biasing chips, aangeduid als E-chips, hebben een fotoresist coating voor bescherming. - Lijn de voorgecleaneerde biasing chip uit in vierkante sleuven van de rasterbalk, zoals te zien is in figuur 2C.
- Bevestig het roosterdeksel bovenop de bevooroordeelde chip met schroeven om de plaatsing van de E-chip op de roosterbalk af te ronden (afbeelding 2D).
3. Lamellenpreparaat, montage op biasing chip met behulp van gerichte ionenbundel en in situ transmissie elektronenmicroscopie
- Fabriceer de monsters afzonderlijk zoals beschreven in punt 1 met een dikkere BE van Ti_10 nm/Pt_100 nm, zoals te zien is in figuur 3A.
- Monteer het nieuw voorbereide monster op een metalen stomp met behulp van geleidende koolstoftape en laad het in de FIB-kamer. Breng extra tape aan op het monster voor aarding om laadproblemen te voorkomen.
- Plaats de bevooroordeelde spaangemonteerde roosterbalk in de kamer met een kanteling van 52° (zie figuur 3B). Dit loodrecht of parallel aan de ionenbalkkolom, afhankelijk van de faserotatie.
- Focus, astigmate en lijn de elektronenbundel uit op een monsteroppervlak met behulp van het fysieke bedieningspaneel van de microscoop en software op lamellenbereidingslocaties.
- Controleer de eucentrische hoogte van de geconcentreerde monsterlocatie en het samenloop van de straal voor de elektronenstraal en de ionenbundel.
OPMERKING: De eucentrische hoogte is de positie waarin het beeld van het monster niet beweegt wanneer het monster wordt gekanteld. - Klik op Auto TEM-programma (automatisch lamellenvoorbereidingsprogramma) om het op de gerichte monsterlocatie uit te voeren met behulp van de microscoopbesturingssoftware. Het automatische programma volgt de hieronder beschreven volgorde.
OPMERKING: Hiermee wordt het proces voor het maken van een TEM-lamellen voltooid (figuur 4). De voortgang van het AutoTEM-programma kan live worden waargenomen op het bureaubladscherm.- Maak kruisfiduciale uitlijningsmarkeringen met siliciumfrezen en deponeer een 1,5 μm dikke koolstofbeschermingslaag over het gebied van 20 μm x 5 μm tussen uitlijnmarkeringen.
- Molensleuven aan weerszijden van koolstofbeschermende laag met een 5 nA ionenstraalstroom om de lamellen te creëren.
- Verdun de lamellen eerst met een 1 nA ionenstraalstroom en vervolgens met 300 pA ionenstraalstroom om een dikte van 1 μm te bereiken.
- Kantel het monster tot 7° om een J-snede op de lamellen uit te voeren voor scheiding van het substraat.
- Kantel het monster tot 0° (d.w.z. loodrecht op de kolom van de elektronenbundel) en bevestig de lamellen aan de manipulatornaald met behulp van Pt (figuur 5A).
- Scheid na bevestiging aan de micromanipulator de lamellen van het substraat met de uiteindelijke snede en trek de micromanipulator langzaam terug (figuur 5B).
- Richt de balk op de bovenrand van de biasing chip op de gridbar, de lamellen montage positie.
- Breng de lamellen langzaam naar de bevooroordeelde chip met de manipulatornaald (figuur 6A).
- Lijn de lamellen uit in het midden van de opening van 17 μm op de bovenrand van de biasing chip. Beweeg het langzaam naar beneden totdat het nauwelijks het spaanoppervlak raakt en las de onderkant van de lamellen aan de chip met Pt (figuur 6B).
- Snijd de micromanipulator vrij van de lamellen met siliciumfrezen en trek de micromanipulator terug.
- Sluit de bovenranden van de lamellen met Pt-sporen aan op de twee elektroden van de bevooroordeelde chip voor elektrische aansluitingen (figuur 6C).
OPMERKING: De TE en BE zijn op dit punt aan zowel de linker- als de rechterkant kortgesloten. - Verdun het middelste gebied van lamellen eerst met 300 pA en vervolgens met 100 pA-ionenbalken om de lamellen minder dan 100 nm dik te maken (figuur 6D) door het monster voor- en achterkant met 2° te kantelen om parallelle vlakken en een uniforme dikte te garanderen.
- Polijst de door ionenstraal beschadigde laag uit met de Ga-straal die de spanning van 5 kV versnelt onder een hoek van 5° ten opzichte van het oppervlak op beide vlakken.
- Verwijder de korte verbinding tussen de bovenste en onderste elektroden van het apparaat met isolatiesneden in het uitgedunde gebied om een stroompad van BE naar TE door het actieve gebied te maken (figuur 7A).
- Monteer de biasing chip met lamellen op de biasing chiphouder en laad vervolgens de biasing chiphouder in de TEM-kamer.
- Sluit de draden van de bevooroordeelde chiphouder aan op de bronmeter en een besturings-pc.
OPMERKING: Plaats de aansluitdraden voorzichtig om de spanning te verlichten en eventuele trillingen tijdens het experiment te minimaliseren. - Wacht tot de TEM-kamerdruk daalt tot 4e-5 Torr en richt, astigmate en lijn vervolgens de elektronenbundel uit op een doorsnede van het lamellenoppervlak met behulp van de TEM-bedieningsknoppen.
- Breng spanningscontroles of constante spanning aan op verschillende biasing spanningen en verzamel de TEM micrografen ter plaatse.
OPMERKING: Gegevens met betrekking tot diffractiepatronen, elektronendiffractie-röntgenspectroscopie (EDX) en elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) mapping kunnen ook worden verzameld bij verschillende biasing spanningen in situ.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De resultaten die met dit protocol zijn bereikt voor de a-VOx cross-point apparaten worden uitgelegd in figuur 8. Figuur 8A toont de TEM-micrograaf van de intacte lamellen. Hier geven de diffractiepatronen (inzet) de amorfe aard van de oxidefilm aan. Voor de in situ TEM-metingen werden gecontroleerde spanningen toegepast vanaf 25 mV tot 8 V in stappen van 20 mV met de onderste elektrode (BE) positief bevooroordeeld en bovenste elektr...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Dit artikel legt het protocol voor in situ biasing met transmissie-elektronenmicroscopie uit, inclusief het fabricageproces voor het apparaat, gridbarontwerp voor biasing chipmontage, lamellenvoorbereiding en montage op de biasing chip en TEM met in situ biasing.
De fabricagemethodologie van cross-point apparaten, die eenvoudig kan worden opgeschaald naar dwarsbalkstructuren, wordt uitgelegd. De Ti-aftopping van vanadiumoxide is essentieel om amorf vanadiumoxide op te nemen, omdat het oplost i...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd in de Micro Nano Research Facility van de RMIT University in het Victorian Node of the Australian National Fabrication Facility (ANFF). De auteurs erkennen de faciliteiten en de wetenschappelijke en technische assistentie van de Microscopie, Microanalysis Facility van de RMIT University, een gekoppeld laboratorium van de Microscopie Australië. Beursondersteuning van de Australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) regeling van de Australische overheid wordt erkend. We danken professor Madhu Bhaskaran, universitair hoofddocent Sumeet Walia, Dr. Matthew Field en mr. Brenton Cook voor hun begeleiding en nuttige discussies.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Resist processing system | EV groep | EVG 101 | |
| Aceton | Chem-Supply | AA008 | |
| Biasing Chip - E-chip | Protochips | E-FEF01-A4 | |
| Ontwikkelaar | MMRC | AZ 400K | |
| Elektronenbundelverdamper - PVD 75 | Kurt J Leskar | PRO Line - eKLipse | |
| Gefocust ionenbundelsysteem | Thermo Fisher - FEI | Scios DualBeamTM systeem | |
| Hot plates | Brewer Science Inc. | 1300X | |
| Magnetron Sputtering | Kurt J Leskar | PRO Line | |
| Mask aligner | Karl Suss | MA6 | |
| Maskloos aligner | Heidberg instruments | MLA150 | |
| Methanol | Fisher scientific | M/4056 | |
| Fotoresistent | MMRC | AZ 5412E | |
| Pt-bron voor e-bundelverdamper | Unicore | ||
| The Fusion E-chip houder | Protochips | Fusion 350 | |
| Ti-bron voor e-bundelverdamper | Unicore | ||
| Transmissie-elektronenmicroscoop | JEOL | JEM 2100F |
Referenties
- Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E. Advances in Neuromorphic Memristor Science and Applications. Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E. , Springer. Netherlands. 9-14 (2012).
- Pan, F., Gao, S., Chen, C., Song, C., Zeng, F. Recent progress in resistive random access memories: Materials, switching mechanisms, and performance. Materials Science and Engineering: R: Reports. 83, 1-59 (2014).
- Zhou, Y., Ramanathan, S. Mott Memory and Neuromorphic Devices. Proceedings of the IEEE. 103 (8), 1289-1310 (2015).
- Nirantar, S., et al. In Situ Nanostructural Analysis of Volatile Threshold Switching and Non-Volatile Bipolar Resistive Switching in Mixed-Phased a-VOx Asymmetric Crossbars. Advanced Electronic Materials. 5 (12), 1900605(2019).
- Rupp, J. A., et al. Different threshold and bipolar resistive switching mechanisms in reactively sputtered amorphous undoped and Cr-doped vanadium oxide thin films. Journal of Applied Physics. 123 (4), 044502(2018).
- Ahmed, T., et al. Inducing tunable switching behavior in a single memristor. Applied Materials Today. 11, 280-290 (2018).
- Nili, H., et al. Nanoscale Resistive Switching in Amorphous Perovskite Oxide (a-SrTiO3) Memristors. Advanced Functional Materials. 24 (43), 6741-6750 (2014).
- Ahmed, T., et al. Transparent amorphous strontium titanate resistive memories with transient photo-response. Nanoscale. 9 (38), 14690-14702 (2017).
- Reuhman-Huisken, M. E., Vollenbroek, F. A. An optimized image reversal process for half-micron lithography. Microelectronic Engineering. 11 (1), 575-580 (1990).
- Taha, M., et al. Insulator-metal transition in substrate-independent VO2 thin film for phase-change devices. Scientific Reports. 7 (1), 17899(2017).
- Booth, J. M., et al. Correlating the Energetics and Atomic Motions of the Metal-Insulator Transition of M1 Vanadium Dioxide. Scientific Reports. 6, 26391(2016).
- Lee, S., Ivanov, I. N., Keum, J. K., Lee, H. N. Epitaxial stabilization and phase instability of VO2 polymorphs. Scientific Reports. 6, 19621(2016).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
