低功耗非易失性存储器是信息存储领域的重要组成部分，其工作机理与封装可靠性问题是目前研究的热点。随着“后摩尔时代”的到来，技术节点向亚5 nm逐步迫近，器件的特征尺寸已经触及到物理规律的极限。传统的电学表征工具不能满足原子尺度下的高精度的研究。为了进一步研究非易失性存储器的工作和封装失效过程，需要用于表征器件微观结构与成分动态变化的有效工具和技术。

透射电子显微镜（TEM）能够精确表征器件内部原子尺度的结构信息与化学组成。TEM具备更高的空间、能量、时间分辨率，并且能够实现多场耦合，与不同的原位样品杆结合（如热、电、机械、光学和磁场），能够进一步实时观察非易失性存储器在不同外场环境下的读写行为和封装失效的动态演变过程。为非易失性存储器性能提高、结构设计与未来发展起到一定的指导性作用，及时地总结TEM在非易失性存储器的存储机制和封装可靠性分析十分重要。

有鉴于此，华东师范大学吴幸教授课题组对多种非易失性存储器的开关机制和封装可靠性进行了调研，结合原位透射电子显微技术、电子全息技术以及电子磁手性二向色性技术三大先进技术，系统分析了电子显微学在表征器件微纳结构与化学组分领域的特点与优势，总结了原位TEM应用于多种非易失性存储器的存储机制与封装可靠性的最新研究进展，并展望其未来的研究设计与发展方向。

图1. 多种非易失性存储器的开关机制。

该综述的主体部分主要介绍了原位TEM技术在各种非易失性存储器的存储机制与封装可靠性研究中的应用。这都归功于以下两点：（1）原位电镜能够进行原子级别的成像、对材料进行化学成分的计量分析，完成了对非易失性存储器的介质层的微观结构、成分变化的表征；（2）TEM结合多种原位样品杆，能够实现多场耦合，这使得原位电镜可用于研究多种外场下非易失性存储器的存储机制与封装可靠性分析。

图2. 透射电子显微镜的原位技术与先进性。

最后文章不仅在原子尺度上动态阐述了原位电镜在阐明工作时器件内部工作机理的重要性，同时也对原位TEM技术未来的发展提出了展望。包括较轻元素的表征技术需要被进一步改善；提高TEM原有的空间、能量与时间分辨率；发展并提高磁性样品的表征技术；配备大数据存储技术等。

A revew of in situ transmission electron microscopy study on the switching mechanism and packaging reliability in non-volatile memory

Xin Yang, Chen Luo, Xiyue Tian, Fang Liang, Yin Xia, Xinqian Chen, Chaolun Wang, Steve Xin Liang, Xing Wu, Junhao Chu

J. Semicond. 2021, 42(1): 013102

doi: 10.1088/1674-4926/42/1/013102

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/1/013102?pageType=en