原位透射电子显微镜下施加偏压并基于混合相 a-VOx 制备非对称交叉结构

摘要

本文介绍了一种用于分析在体外模拟生理条件下纳米结构动态变化的实验方案。 透射电子显微镜（TEM）原位偏压技术用于叠层金属-绝缘体-金属结构。该技术在下一代可编程逻辑电路和神经形态硬件中的阻变交叉阵列中具有重要应用，可用于揭示其内在工作机理及实际应用潜力。

摘要

电阻开关交叉阵列架构因其低成本和高密度优势，在数字存储器领域备受青睐。由于所用材料的本征特性不同，各类材料在电阻开关性能上表现出差异，导致该领域内因操作机制的不同而存在分歧。这凸显了利用纳米结构观测手段来理解其内在机制的可靠技术需求。本方案详细阐述了一种原位 原位纳米结构分析通过透射电子显微镜（TEM）在施加电偏压条件下的研究实现，可提供存储器实时操作过程中潜在纳米结构变化的直观且可靠的证据。本文还包含采用非晶态氧化钒的不对称叉指结构的制备方法及电学表征技术。此处所述针对氧化钒薄膜的实验方案可轻易推广至任何金属-介质-金属夹层结构中的其他材料。鉴于对阻变开关机理的理解，阻变式开关叉指结构有望应用于下一代存储器件中的可编程逻辑与神经形态电路。本实验方案能够以可靠、及时且经济的方式揭示各类阻变开关材料中的开关机制，从而预测器件的实际应用潜力。

引言

由于阻变氧化物存储器具有兼容的开关速度、更小的单元结构，以及可设计成高容量三维（3D）交叉阵列的特点，其正越来越多地被用作新型存储与逻辑架构的基本构建单元¹。迄今为止，已有多种开关类型在阻变存储器件中被报道^2,3。金属氧化物常见的开关行为包括单极型、双极型、互补型阻变以及易失性阈值开关。此外，复杂性进一步增加，已有研究报道单个存储单元还可表现出多功能阻变开关特性^4,5,6。

这种变异性意味着需要开展纳米结构研究，以理解不同存储行为的起源及相应的开关机制，从而为实际应用开发出条件依赖性明确的开关特性。常用于研究开关机制的技术包括采用X射线光电子能谱（XPS）进行深度剖析^7,8，纳米二次离子质谱（nano-SIMS）⁶，非破坏性光致发光光谱（PL）⁸不同尺寸和厚度的功能氧化物器件的电学表征，纳米压痕

方案

1. 制备工艺与电学表征

1. 使用标准图像反转光刻技术⁹ 使用光刻胶对底电极（BE层1）进行图形化 使用以下参数对设备进行操作：
   1. 以 3,000 转/分钟的速度旋涂光刻胶 rpm，90 °C 软烘 60 s，用25曝光 mJ/cm² 405 nm 纳米激光，120 °C 烘烤 120 分钟 s，以21 mW/cm进行淹水处理² 和一个400 使用nm激光，用显影液显影，然后用去离子水冲洗。
2. 加入5 纳米米钛（Ti）用于粘附，15 使用电子束蒸发系统在顶部沉积一层铂（Pt）薄膜，厚度为 nm 第1层上图案化的底物。
3. 将基底置于丙酮溶液中浸泡约20分钟，使沉积的金属剥离 分钟。然后，施加超声波振动2 分钟，并用丙酮和异丙醇（IPA）冲洗，以完成BE图形的制备。若剥离不彻底，则重复此步骤（图1A，步骤1).
4. 使用光刻技术在背电极（BE）顶部对功能氧化物层（第2层）进行图形化，具体步骤如1.1所述。
5. 加入约100 纳米（nm）的 a-VO_x

结果

使用本方案对 a-VO_x 交叉点器件所获得的结果如图8所示。图8A展示了完整薄片的透射电子显微镜（TEM）图像，其中衍射图样（插图）表明氧化物薄膜为非晶态。对于原位TEM测量，从25 mV开始以20 mV为步长逐步施加至8 V的受控电压，底电极（BE）接正偏压，顶电极（TE）接地。图8B显示在4 V时，氧化物层中形成了局部晶化区域。此处，d间距为0.35 nm，如高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像和衍射图样（插图）所示。该d间距对应于VO₂–M1相的（011）晶面^10,11。图8C显示在5 V时氧化物层内出现多个局部晶化岛。这些晶化岛相对于衬底呈不同取向。在相应的快速.......

讨论

本文阐述了体外 原位偏置透射电子显微镜技术，包括器件制备流程、用于偏置芯片安装的网格条设计、薄片样品的制备及其在偏置芯片上的安装，以及原位透射电子显微镜观察 原位偏压

本文阐述了交叉点器件的制备方法，该方法可轻松扩展至交叉阵列结构。由于非晶氧化钒（a-VO_x）在沉积后的制备步骤中会溶于水，因此采用钛（Ti）作为氧化钒的保护层至关重要。器件制备了两种不同尺寸用于电学测试，分别为 4 µm × 4 µm 和 6 µm × 6 µm。所用的接触电极材料为铂（Pt），这是一种在制备过程中几乎不发生降解的贵金属。此外，为了避免器件结构中氧化钒发生均匀结晶，本制备方法省略了通常所需的电极退火步骤。完整的制备流程及器件结构示意图见图 1⁴。

用于体内 原位实验中，器件将按照薄层制备与安装至偏压芯片部分的步骤1所述，采用较厚的背电极（BE）单独制备。.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
抗蚀剂处理系统	EV group	EVG 101
丙酮	Chem-Supply	AA008
偏置芯片 - E芯片	Protochips	E-FEF01-A4
显影液	MMRC	AZ 400K
电子束蒸发仪 - PVD 75	Kurt J Leskar	PRO Line - eKLipse
聚焦离子束系统	Thermo Fisher - FEI	Scios DualBeamTM system
加热板	Brewer Science Inc.	1300X
磁控溅射仪	Kurt J Leskar	PRO Line
掩模对准器	Karl Suss	MA6
无掩模对准器	Heildberg instruments	MLA150
甲醇	Fisher scientific	M/4056
光刻胶	MMRC	AZ 5412E
电子束蒸发仪用铂源	Unicore
Fusion E芯片支架	Protochips	Fusion 350
电子束蒸发仪用钛源	Unicore
透射电子显微镜	JEOL	JEM 2100F