Karışık Fazlı a -VOx'e Dayalı Asimetrik Çapraz Çubukların Önyargılı ve İmalatlı Yerinde İletim Elektron Mikroskopisi

Özet

Burada, istiflenmiş metal-yalıtkan-metal yapısı için iletim elektron mikroskopisi (TEM) ile yerinde önyargı sırasındaki nanoyapısal değişikliklerin analiz edildiği bir protokol sunulmaktadır. Yeni nesil programlanabilir mantık devreleri ve nöromimicking donanımları için dirençli anahtarlama çapraz çubuklarında, temel çalışma mekanizmalarını ve pratik uygulanabilirliklerini ortaya çıkarmak için önemli uygulamalara sahiptir.

Özet

Dirençli anahtarlamalı çapraz çubuk mimarisi, düşük maliyetli ve yüksek yoğunluklu faydalar nedeniyle dijital bellekler alanında oldukça arzu edilir. Farklı malzemeler, kullanılan malzemenin içsel yapısı nedeniyle dirençli anahtarlama özelliklerinde değişkenlik gösterir ve alttaki çalışma mekanizmaları nedeniyle alanda tutarsızlıklara yol açmaktadır. Bu, nanoyapısal gözlemleri kullanarak mekanizmaları anlamak için güvenilir bir tekniğe duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır. Bu protokolde, iletim elektron mikroskopisi (TEM) kullanılarak elektriksel sapma sonucu in situ nanoyapı analizinin ayrıntılı bir süreci ve metodolojisi açıklanmaktadır. Gerçek zamanlı bellek işlemlerinde altta kalan nanoyapısal değişikliklerin görsel ve güvenilir kanıtlarını sunar. Ayrıca amorf vanodyum oksit içeren asimetrik çapraz çubuk yapılar için imalat ve elektriksel karakterizasyon metodolojisi de dahildir. Vanadium oksit filmler için burada açıklanan protokol, metal-dielektrik-metal sandviç yapıdaki diğer malzemelere kolayca uzatılabilir. Dirençli anahtarlama çapraz çubuklarının, çalışma mekanizmalarının anlaşılması göz önüne alındığında, yeni nesil bellek cihazları için programlanabilir mantık ve nöromorfik devrelere hizmet ettiği öngörülmektedir. Bu protokol, her türlü dirençli anahtarlama malzemesinde anahtarlama mekanizmasını güvenilir, zamanında ve uygun maliyetli bir şekilde ortaya koyar ve böylece cihazın uygulanabilirliğini tahmin eder.

Giriş

Direnç değişim oksit bellekleri, uyumlu anahtarlama hızı, daha küçük hücre yapısı ve yüksek kapasiteli üç boyutlu (3D) çapraz çubuk dizilerinde tasarlanma yeteneği nedeniyle yeni bellek ve mantık mimarileri için yapı taşı olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır¹. Bugüne kadar, dirençli anahtarlama cihazları için birden fazla anahtarlama türü bildirilmiştir^2,3. Metal oksitler için yaygın anahtarlama davranışları tek kutuplu, bipolar, tamamlayıcı dirençli anahtarlama ve uçucu eşik anahtarlamadır. Karmaşıklığa ek olarak, tek hücrenin çok işlevli dirençli anahtarlama performansının yanı sıra⁴,^5,6gösterdiği bildirilmiştir.

Bu değişkenlik, farklı bellek davranışlarının kökenlerini anlamak için nanoyapısal araştırmalara ve pratik yardımcı program için açıkça tanımlanmış duruma bağlı anahtarlama geliştirmek için ilgili anahtarlama mekanizmalarına ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. Anahtarlama mekanizmalarını anlamak için yaygın olarak bildirilen teknikler, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS)^7,8, nano ölçekli ikincil iyon kütle spektroskopisi (nano-SIMS)^6,tahribatsız fotolüminesans spektroskopisi (PL)^8,cihazların fonksiyonel oksit kalınlığının farklı boyut ve kalınlığında elektriksel karakterizasyon, nanoindentasyon⁷, iletim elektron mikroskopisi (TEM), enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve tem odasında kesitsel lamel üzerinde elektron enerji kaybı spektroskopisi^{(EELS) 6,8}. Yukarıdaki tüm teknikler anahtarlama mekanizmaları hakkında tatmin edici içgörüler sağlamıştır. Bununla birlikte, tekniklerin çoğunda, tüm anahtarlama davranışını anlamak için bozulmamış, elektroformlanmış, ayarlanmış ve sıfırlama cihazları da dahil olmak üzere analiz için birden fazla örnek gereklidir. Bu deneysel karmaşıklığı arttırır ve zaman alıcıdır. Ayrıca, hata oranları yüksektir, çünkü bir cihazda birkaç mikron boyutunda bir alt ölçek filamenti bulmak zordur. Bu nedenle, in situ deneyleri, gerçek zamanlı deneylerde kanıt sağladıkları için çalışma mekanizmalarını anlamak için nanoyapısal nitelemelerde önemlidir.

Sunulan metal-yalıtkan-metal (MIM) asimetrik dirençli anahtarlama çapraz-nokta cihazları yığınları için elektrik yanlılığı ile yerinde TEM yürütmek için bir protokoldür. Bu protokolün birincil amacı, bir odak iyon ışını (FIB) kullanarak lamel hazırlama için ayrıntılı bir metodoloji sağlamak ve TEM ve elektrik yanlılığı için yerinde deneysel kurulum sağlamaktır. Süreç, karışık fazlı amorf vanadium oksit ( a -VO_x)⁴'e dayanan asimetrik çapraz nokta cihazlarının temsilibirçalışması kullanılarak açıklanmaktadır. Ayrıca, standart mikro nano fabrikasyon prosesleri kullanılarak kolayca çapraz çubuklara kadar ölçeklendirilebilen bir-VO_xiçeren çapraz nokta cihazlarının imalat süreci de sunulmaktadır. Bu imalat işlemi, suda çözünen bir-VO_x çapraz çubuklarına dahil olduğu için önemlidir.

Bu protokolün avantajı, sadece bir lamel ile, en az üç cihazın veya lamellerin gerekli olduğu diğer tekniklerden farklı olarak TEM'de nanoyapısal değişikliklerin gözlemlenebilmesidir. Bu, süreci önemli ölçüde basitleştirir ve gerçek zamanlı operasyonlardaki nanoyapısal değişikliklerin güvenilir görsel kanıtını sağlarken zaman, maliyet ve çabayı azaltır. Ek olarak, standart mikro-nano imalat süreçleri, mikroskopi teknikleri ve aletleri ile yeniliklerini oluşturmak ve araştırma boşluklarını gidermek için yenilikçi yollarla tasarlanmıştır.

Burada bir-VO_xtabanlı çapraz nokta cihazları için açıklanan temsili çalışmada, yerinde TEM protokolü, apolar ve uçucu eşik anahtarlama⁴arkasındaki anahtarlama mekanizmasını anlamaya yardımcı olur. Yerinde önyargı sırasında bir-VO_x'teki nanoyapısal değişiklikleri gözlemlemek için geliştirilen süreç ve metodoloji, sadece lamel montaj çipini değiştirerek ve metal yalıtımlı metal sandviçli bir yapıda iki veya daha fazla fonksiyonel malzeme katmanı da dahil olmak üzere diğer malzemelere kolayca yerinde sıcaklığa ve yerinde sıcaklığa ve önyargıya kadar genişletilebilir. Alttaki çalışma mekanizmasının ortaya olmasına ve elektriksel veya termal özelliklerin açıklanmasına yardımcı olur.

Protokol

1. İmalat süreci ve elektriksel karakterizasyon

1. Aşağıdaki parametreleri kullanarak cihazların fotoresisti ile alt elektrot (BE katman 1) deseni için standart görüntü ters fotolitografi⁹ kullanın:
   1. 3,000 rpm'de fotoresist spin coat, 60 s için 90 °C'de yumuşak pişirin, 405 nm lazerle²⁵ mJ/cm 2 ile maruz kalın, 120 s için 120 °C'de pişirin, 21 mW/cm² ve 400 nm lazer ile taşkın maruziyeti gerçekleştirin, geliştiriciyi kullanarak geliştirin ve deionize su ile durulayın.
2. Yapıştırma için 5 nm titanyum (Ti) ve katman 1 üzerine desenli alt tabaka ile bir elektron ışını evaporatör sistemi ile üzerine 15 nm platin (Pt) yatırın.
3. Substratı ~20 dakika boyunca aseton banyosuna yerleştirerek biriken metalleri kaldırın. Ardından, 2 dakika boyunca ultrasonik titreşimler uygulayın ve BE desenlerini tamamlamak için aseton ve izopropil alkol (IPA) ile durulayın. Kalkış temiz değilse tekrarlayın (Şekil 1A, adım 1).
4. Fonksiyonel oksit tabakasını (katman 2) adım 1.1'de açıklandığı gibi BE'nin üzerine fotolithografi ile desenleyin.
5. Birsputtering sistemi 10 kullanarak katman 2'nin üzerine ~100 nm -VO_x ve 5^nmTi yatırın.
6. Substratı aseton banyosuna yerleştirerek ve fonksiyonel oksit kalıplarını sonuçlandırmak için 2-3 s darbelerle manuel olarak darbeli ultrasonik titreşimler uygulayarak fonksiyonel oksiti kaldırın. Desenler temiz değilse yordamı yineleyin. (Şekil 1A, adım 2 ve adım 3)
7. Benzer şekilde, görüntü ters fotolitografisi, elektron ışını buharlaşması ve adım 1'de açıklanan kaldırma işlemini kullanarak üst elektrot (TE) (katman 3) desenlerini Ti_20 nm/Pt_200 nm ile tamamlayın. (Şekil 1A, adım 4)
   NOT: Bu, çapraz nokta cihazının imalatını tamamlar, Şekil 1B.
8. Direnç değiştirme performansını anlamak için fabrikasyon cihazda elektrik ve sıcaklık analizi yapın.
   1. Kaynak ölçüm cihazını iki problu doğru akım (DC) I–V ölçüm sistemi ve elektrik ölçümleri için bir prob istasyonu ile kullanın.
   2. Cihazlara zarar vermemek için her zaman ilgili mevcut uyumluluğu koruyun.
   3. Cihazın mevcut davranışını analiz etmek için voltaj kontrollü analiz yapın ve pozitif sapmada 0,1 V'lık düşük voltajla başlayan ve elektroformasyon gözlenene kadar yavaşça artan voltaj süpürmeleri uygulayın.
      NOT: Elektroformlama, başlangıçta belirli bir voltajda yalıtım fonksiyonel oksit içinde birkaç nanometre çapında iletken filamentlerin oluştuğu ve içsel malzeme özelliklerine ve cihaz boyutlarına bağlı olan tek seferlik bir olaydır. Bu noktada, oluşan iletken bir yol nedeniyle akım-gerilim grafiğinde dirençte ani bir düşüş veya akımda artış gözlenir.
   4. Elektroformlamadan sonra, uçucu eşik değiştirme performansı elde etmek için çift yönlü voltaj süpürmeleri uygulayın. Yüksek bir A/KAPASI oranı elde etmek için voltajı ayarlayın. Bu durumda, ~10 anahtarlama oranına ulaşılabilir.
   5. Oda sıcaklığından 90 °C'ye kadar farklı sıcaklıklarda 10 °C adımda artan akım voltajı özelliklerini analiz edin ve sıcaklık kontrollü bir aşama kullanarak oda sıcaklığına geri dönün.

2. Gridbar ve taraflı talaş montajı

1. FIB optimize edilmiş ızgara çubuğunu CAD yazılımında tasarlayın ve Şekil 2'degösterildiği gibi yerinde TEM deneyleri için kullanılan önyargılı/ısıtma yongalarını monte etmek için şirket içinde standart işleme tekniklerini kullanarak üretim yapın.
   NOT: Şekil 2A, kare şekilli siperlere aynı anda üç talaş monte etmek için ızgara çubuğunun ayrı kısımlarını gösterir. Şekil 2B, TEM için piyasada bulunan yerinde önyargılı/ısıtma yongalarına uyacak şekilde tasarlanmış yakınlaştırılmış kareli hendek bölümünü göstermektedir.
2. Önyargılı çipi asetonla doldurulmuş cam bir Petri kabına yerleştirerek temizleyin ve 2 dakika boyunca hafifçe döndürün. Daha sonra çipi çıkarın ve metanol ile dolu bir Petri kabına yerleştirin ve 2 dakika boyunca hafifçe döndürün. Son olarak, düşük basınçlı azot ile kuru üfleyin.
   NOT: Ticari olarak satın alınan ve E-çipler olarak adlandırılan önyargılı yongalar, koruma için fotoresist bir kaplamaya sahiptir.
3. Şekil 2C'degörüldüğü gibi, önceden tanımlanmış önyargılı çipi ızgara çubuğunun kare siperlerine hizalayın.
4. E-çipin ızgara çubuğuna yerleştirilmesini sonuçlandırmak için kılavuz kapağını kılavuz talaşının üzerine vidalarla sabitle(Şekil 2D).

3. Lamella hazırlığı, odaklanmış iyon ışını kullanarak önyargılı çipe montaj ve yerinde iletim elektron mikroskopisi

1. Şekil 3A'dagörüldüğü gibi, numuneleri bölüm 1'de açıklandığı gibi Ti_10 nm/Pt_100 nm daha kalın bir BE ile ayrı ayrı üretin.
2. Yeni hazırlanan numuneyi iletken karbon bant kullanarak metal bir saplama üzerine monte edin ve FIB haznesinde yükleyin. Şarj sorunlarını önlemek için topraklama için numuneye ek bant uygulayın.
3. Sapma çipi monteli ızgara çubuğunu hazneye 52° eğimde yükleyin (bkz. Şekil 3B). Bu, sahne dönüşüne bağlı olarak iyon kiriş sütununa dik veya paralel olacaktır.
4. Mikroskop fiziksel kontrol panelini ve lamel hazırlama konumlarındaki yazılımı kullanarak elektron ışınını örnek bir yüzeye odaklayın, astigmate yapın ve hizalayın.
5. Odaklanmış numune konumunun ösantrik yüksekliğini kontrol edin ve elektron ışını ve iyon ışını için ışın tesadüfü.
   NOT: Ösantrik yükseklik, örnek eğildiğinde numunenin görüntüsünün hareket etmediği konumdur.
6. Mikroskop kontrol yazılımını kullanarak odaklanmış örnek konumda çalıştırmak için Otomatik TEM programına (otomatik lamel hazırlama programı) tıklayın. Otomatik program aşağıda açıklanan sırayı izler.
   NOT: Bu, TEM lamel oluşturma işlemini tamamlayacaktır (Şekil 4). AutoTEM programının gelişimi masaüstü ekranından canlı olarak gözlemlenebilir.
   1. Silikon frezeleme ile çapraz fidüsyal hizalama belirteçleri oluşturun ve hizalama belirteçleri arasındaki 20 μm x 5 μm alan üzerine 1,5 μm kalınlığında karbon koruyucu bir tabaka biriktirin.
   2. Lamel oluşturmak için karbon koruyucu tabakanın her iki tarafında 5 nA iyon ışın akımı ile freze siperleri.
   3. Lamelleri önce 1 nA iyon ışın akımıyla, daha sonra 300 pA iyon ışın akımıyla incelterek 1 μm kalınlıklara ulaşın.
7. Alt tabakadan ayırma için lamel üzerinde J kesimi yapmak için numuneyi 7° 'ye eğin.
8. Numuneyi 0° 'ye (yani elektron ışını sütununa dik) eğin ve Pt (Şekil 5A)kullanarak lamelleri manipülatör iğnesine takın.
9. Mikromanipülatöre takıldıktan sonra, lamelleri son kesimle substrattan ayırın ve mikromanipülatörü yavaşça geri çekin (Şekil 5B).
10. Işını ızgara çubuğundaki önyargılı çipin üst kenarına, lamel montaj konumuna odaklayın.
11. Lamelleri manipülatör iğnesi ile önyargılı çipe doğru yavaşça getirin (Şekil 6A).
12. Lamel, önyargılı talaşın üst kenarındaki 17 μm boşluğun ortasına hizalayın. Talaş yüzeyine zar zor dokunana kadar yavaşça aşağı doğru hareket ettirin ve Lamel'in alt kenarlarını Pt(Şekil 6B)kullanarak çipe kaynaklayın.
13. Mikromanipülatörü silikon frezeleme ile lamelden arındırın ve mikromanipülatörü geri çekin.
14. Lamellerin üst kenarlarını Pt izleri ile elektrik bağlantıları için önyargılı çipin iki elektroduna bağlayın (Şekil 6C).
    NOT: TE ve BE bu noktada hem sol hem de sağ tarafta kısa devredir.
15. Lamel'in orta bölgesini önce 300 pA kullanarak, sonra da 100 pA iyon kirişi ile incelterek, paralel yüzler ve düzgün bir kalınlık sağlamak için numuneyi 2° öne ve arkaya yatırarak lamel kalınlığını 100 nm'den daha az(Şekil 6D)yapın.
16. İyon ışını hasarlı tabakayı Ga ışını ile her iki yüzdeki yüzeye 5° açıyla 5 kV'lik voltajı hızlandırarak parlatın.
17. Etkin bölgeden BE'den TE'ye geçerli bir yol oluşturmak için inceltilmiş bölgede izolasyon kesikleri olan cihazın üst ve alt elektrotları arasındaki kısa bağlantıyı kaldırın (Şekil 7A).
18. Taraflı çipi lamel ile taraflı talaş tutucusuna monte edin ve ardından önyargılı talaş tutucuyu TEM odasına yükleyin.
19. Kabloları yanlı talaş tutucusundan kaynak ölçüm cihazına ve bir kontrol bilgisayarına bağlayın.
    NOT: Deneme sırasında gerginliği azaltmak ve titreşimleri en aza indirmek için bağlantı kablolarını dikkatlice yerleştirin.
20. TEM hazne basıncının 4e-5 Torr'a düşmesini bekleyin ve ardından ODAK, astigmate ve TEM kontrol düğmelerini kullanarak elektron ışınını lamel yüzeyinin bir kesitine hizalayın.
21. Farklı sapma gerilimlerinde voltaj süpürmeleri veya sabit voltaj uygulayın ve TEM mikro grafiklerini yerinde toplayın.
    NOT: Kırınım desenleri, elektron kırınımı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve elektron enerji kaybı spektroskopisi (EELS) haritalaması ile ilgili veriler de yerinde farklı sapma gerilimlerinde toplanabilir.

Sonuçlar

a-VO_x çapraz nokta cihazları için bu protokol kullanılarak elde edilen sonuçlar Şekil 8'de açıklanmıştır. Şekil 8A bozulmamış lamel TEM mikrografisini göstermektedir. Burada kırınım desenleri (inset) oksit filminin amorf doğasını gösterir. Yerinde TEM ölçümleri için alt elektrot (BE) pozitif taraflı ve üst elektrot (TE) topraklanmış olarak 20 mV adımda 25 mV'dan başlayarak 8 V'ye kadar kontrollü gerilimler uygulanmıştır.

Tartışma

Bu makalede, cihaz için imalat süreci de dahil olmak üzere iletim elektron mikroskopisi ile yerinde önyargı, taraflı talaş montajı için gridbar tasarımı, önyargılı çip üzerine lamel hazırlama ve montaj ve yerinde önyargılı TEM protokolleri açıklanmaktadır.

Çapraz çubuk yapılarına kadar kolayca ölçeklendirilebilen çapraz noktalı cihazların imalat metodolojisi açıklanmıştır. Vanadium oksitin ti kapaklanması, amorf vanadium oksiti dahil etmek için gereklidir, çünkü bir-VO_x...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Direnç işleme sistemi	EV grubu	EVG 101
Aseton	Chem-Supply	AA008
Önyargı Çipi - E-çip	Protochips	E-FEF01-A4
Geliştirici	MMRC	AZ 400K
Elektron ışını evaporatörü - PVD 75	Kurt J Leskar	PRO Line - eKLipse
Odaklanmış İyon ışın sistemi	Thermo Fisher - FEI	Scios DualBeamTM sistemi
Sıcak tabaklar	Brewer Science Inc.	1300X
Magnetron Sputterer	Kurt J Leskar	PRO Çizgi
Maskesi hizalayıcı	Karl Suss	MA6
Maskesiz Hizalayıcı	Heildberg aletleri	MLA150
Metanol	Fisher scientific	M/4056
Fototresist		MMRC AZ 5412E
E-ışını e-ışını evaporatör	için Pt kaynağıUnicore
Fusion E-çip tutucu	Protochips E-ışını e-ışını	Fusion 350
Ti kaynağı	Unicore
Transmisyon Elektron Mikroskobu	JEOL	JEM 2100F

evaporatörü için