Le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro Ubaldo MASTROMATTEO Technical Staff member FTM – R&D Scientific Fellow SPAIS 2006 – Caccamo (PA), 26 luglio 2006 STMicroelectronics
Nanotecnologie in Microsistemi • Microsistemi dove si uniscono Micro e Nano tecnologie • Lab on chip - Probe storage • Applicazioni Emitter electronics Emitter Wafer UHV seal Media Rotor Wafer thru-wafer vias R/W electronics Stator Wafer 2
Sommario (I parte) Ripartizione dei sistemi La fabbricazione di microchip per microsistemi complessi Considerazioni sui processi in microelettronica Dagli HDD al probe storage Sistemi per il probe storage in dettaglio Millipede (IBM) 3
Electronic System Partitioning Mains, Batteries, Alternators, Solar Cells Power Management Bipolar, BCD, CMOS, Bi. CMOS, VIP Sensors Antennas Keyboards Line Interfaces Switches Data Acquisition and Conversion Bipolar, CMOS, RF-Bi. CMOS, µ-Machinery Information Processing (Superintegration) Central Processing (µP, DSP) Digital CMOS Memories CMOS, Flash, DRAM, µ-Machinery Power Actuators Bipolar, BCD, CMOS, HVCMOS, VIP, µ-Machinery, Lamps Motors Displays Solenoids Loudspeakers CRTs Inkjets Multifunction Peripheral (System Oriented Tech. ) 4
Tipologia delle operazioni nei processi di fabbricazione di IC’s Strati strutturali: tutti gli strati visibili in una sezione del dispositivo a processo ultimato. Operazioni strutturali: tutte le operazioni per aggiungere e definire strati strutturali. Esempi: deposizioni e crescite di ossidi, deposizione di alluminio, attacco dry di alluminio ecc. Operazioni di servizio: tutte le operazioni usate per definire strati strutturali e di cui non rimane traccia a fine processo. Commento: la maggior parte delle operazioni in un processo sono operazioni di servizio. Esempi: copertura con fotoresist, allineamento di maschere ed esposizione lavaggi chimici ecc. 5
Complessita’ nella fabbricazione di Circuiti Integrati Data un’area “A” ci sono p=2 n possibilita’ per disporre geometrie minime di area “a”, dove “n” e’ il rapporto A/a. Tutte le configurazioni sono statisticamente equivalenti. Qualunque configurazione venga scelta, al valore di “p” corrisponde entropia negativa (informazione) a A proporzionale a: ln(p). Le difficolta’ di realizzazione per abbassare il valore dell’entropia sono tanto maggiori quanto minore e’ il valore di “a”. 6
Efficienza nei processi di fabbricazione di dispositivi ad alta complessita’ Negli anni 90 una stima dell’efficienza dei processi per la fabbricazione dei Circuiti Integrati dava un valore di 1 ppm circa. Questo valore sta ad indicare quanto del materiale usato per la fabbricazione rimane all’interno del dispositivo finito. Nei processi attuali, data la loro complessita’, il numero di istruzioni necessarie per la fabbricazione risulta notevolmente cresciuto, specie quelle istruzioni che hanno carattere non strutturale e che sono la causa principale di aumento del costo dei processi. Ci sono vari modi per migliorare l’efficienza. Si puo’ ricorrere ad esempio alla inclusione nel processo di strati che verranno strutturati all’occorrenza (durante la vita del dispositivo), evitando cosi’ le onerose operazioni necessarie alla generazione di geometrie sempre piu piccole. Altra possibilita’, quando il processo lo consente, e’ quella di includere strati in grado di autostrutturarsi, oppure aumentare il diametro dei wafer. 7
Bit Density in NAND Flash Interpoly dielectric CHARGE STORAGE ELEMENT Control Gate Control. Gate Floating Gate y Source x basic layout Tunnel oxide Drain y-pitch Control Gate Floating Gate x-pitch array equivalent circuit 8
I sistemi viventi Sistema ordinatissimo H fenomeno spontaneo: diminuzione di H aumento di S Sistema disordinato Organizzazione molto probabile Nel sistema termodinamico costituito dal vivente si ha un grado di organizzazione elevatissimo S 9
Istruzioni 1 Alcuni elementi del sistema vivo sono “costretti” ad un comportamento univoco sulla base di istruzioni contenute all’interno del sistema e per farlo necessitano solo di energia o presente gia’ nel sistema, o proveniente dall’ambiente circostante: il sistema e’ aperto. Queste parti del sistema sono immerse in un ambiente di tipo classico dove le parti (acqua, elementi inorganici disciolti e composti organici) si comportano classicamente fin tanto che sono “liberi”, ma possono divenire elementi costituenti di parti del sistema in grado di gestire l’informazione codificata di cui si e’ detto. 10
Considerazioni a confronto L’efficienza di esecuzione delle istruzioni all’interno di sistemi vivi e’ grandemente superiore a quella che si ha per i sistemi non vivi ad alto contenuto di informazione. Questo e legato al fatto che a differenza dei sistemi opera dell’ingegno umano, le istruzioni per raggiungere le finalita’ per cui il vivente esiste sono contenute al suo interno. Come pure l’HW che le esegue. 11
Diagramma di flusso per la fabbricazione di IC’s e sensori microlavorati 12
HDD Areal Density Progress Commercial Products: 70 Gbits/in 2 Research frontier: 1 Tbits/in 2 10000 100 Gbit/in 2 Lab Demos 10 1 1 Gbit/in 2 >107 Increase Areal Density (Gbits/in 2) 1000 1 Tbit/in 2 0. 1 Products 0. 01 0. 001 1 Mbit/in 2 0. 0001 0. 00001 25 Years 2 kbit/in 2 10 Years 0. 000001 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 13
Longitudinal vs. Perpendicular Recording GMR Element Shield Media With perpendicular recording, higher write fields may be achieved, which in turn enables media with improved thermal stability to be used. 14
Perpendicular Thin Film Disk Track Physical Grains Sector Magnetic Bits STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo 15
Outlook: Circumferential SOMA Tracks Idea: Lithographically of chemically assisted Dual Patterning Topographic Chemical SOMA Disk ~10 -50 mm long SOMA packets with “perfect ordering” needed for data block of ~5000 bits used in TURBO codes See recent literature: K. Naito, et al. "2. 5 inch Disk Patterned Media Prepared by an Artificially Assisted Self-Assembling Method" IEEE Trans on Mag. , 38, 1949 (2002); J. Y. Cheng, et al. , "Magnetic properties of Large-Area Particle Arrays Fabricated Using Block Copolymer Lithography", IEEE Trans. , 38, 2541 (2002). 16
HAMR + SOMA Patterned Media: Vision to reach single particle stability limit SOMA Assembly of Fe. Pt Nanopartcles on TEM Grid (0. 1 mm scale) Single Particle Stability Limit ~40 -50 Tb/in 2 “ 9 Tb/in 2“ 130 nm 6 nm Fe. Pt particles mm ~ Concept: Use pattern assisted assembly to Establish circumferential tracks on disks Fe. Pt SOMA Media are promising candidates for 1. Perpendicular Media 2. HAMR Media 3. Probe Media (x-y storage) 17
Bit Patterned Media Lithography vs Self Organization Lithographically Defined Fe. Pt SOMA media Major obstacle is finding low cost means of making media. n n At 1 Tbpsi, assuming a square bit cell and equal lines and spaces, 12. 5 nm lithography would be required. Semiconductor Industry Association roadmap does not project such linewidths within the next decade. 6. 3+/-0. 3 nm Fe. Pt particles S. Sun, Ch. Murray, D. Weller, L. Folks, A. Moser, Science 287, 1989 (2000). SOMA, combined with HAMR for writing is projected to support densities of 40 -50 Tbpsi. STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo 18
Beyond Rotating Media 19
Atomic Resolution Storage from HP Atomic Resolution Storage (ARS) technology Uses focused electron beams and a phase change media to read and write data Micromachined movers provide high resolution access of media by fixed emitter tips Technology developed at HP Labs ARS products Perfect for mobile applications Small, high density storage Memory cards and embedded storage applications Cost effective … enabling appliances and applications 20 STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies Scientific American – January 2003 – U. Mastromatteo
Complete ARS Chip Three bonded wafers - rotor, stator, and emitter wafer. R/W electronics located on stator wafer beneath m-mover electrodes. R/W signals will pass thru isolated Si plugs in 100 mm thick rotor wafer. Emitter electronics Emitter Wafer UHV seal Media Rotor Wafer thru-wafer vias R/W electronics Stator Wafer STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo 21
HP’s Electron Beam Concept STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo 22
Bit Read/Write Mechanism Emitter Control I/O Capacitive Sense Read Channel Motor Control Pattern Demod 23
anode flat emitter lens Flat Emitter Concept e- trajectories 24
Motor Mechanism Stepper motor operation Integrated Module rotor stator nt = 6 ns = 7 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 . . . to step, change voltage on one electrode. . . 25
Silicon Micromover on Stator wafer Top Wafer Pads Bottom Wafer High Voltage Feedthroughs 26
High Voltage Feedthroughs High Voltage Feedthrough Top Wafer Oxide Filled Trench High Voltage Feedthroughs 100µm Bottom Wafer Top Wafers Gap = 2µm Bottom Wafer High Voltage Pads STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo 27
Cantilevers 28
Millipede: A Promising Data Storage Technology Millipede is a non-volatile memory alternative Unprecedented data storage density, not dependent on advances of microlithography Rapidly maturing Based on atomic force microscopy (AFM) principles 29
The Millipede Writing Process 30
Samsung probe storage Appl. Phys. Lett. , Vol. 83, No. 23, 8 December 2003 31
Samsung probe storage Appl. Phys. Lett. , Vol. 83, No. 23, 8 December 2003 32
In. Pro. M An EU Funded Consortium 33
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Presentation outline The Lab on Chip a bridge from microelectronics and nanobiology DNA based molecular diagnostic Silicon Lab on Chip approach What is PCR Lab on Chip for PCR and Hybridization Micro arrays for Genetic expression Microfluidic for sample preparation 36
Molecular Biology: The new Technology Extraordinary inventions form the technical foundation of Modern Molecular Biology K. Mullis, PCR discover, 1983 Bio-informatics L. Hood Automated DNA sequencer, 1990 New approach to medicine Research Sequencing PCR Human Genome Project Engineering & Industrialization 37
Why Semiconductor companies in Bio-tech? High Volume & Low Cost 75 000 euros 400 euros 120 euros Certifications Quality Price of 1 Mbit of Memory 30 euros 5 euros 0, 5 euro 0, 05 euro 1973 1977 1981 1984 1987 1990 1995 2000 Miniaturization & Integration 38
Ingegnerizzazione della biologia molecolare Miniaturizzazione - Automazione – Affidabilita’ Biologi esperti in grandi laboratori Automazione in ospedali Integrazione in Uso sistemi semplice Bassso costo Veloce Portatile 39
Lab on Chip layout heater sensor for temperature control outlet gold electrode Connection to PCB inlet Detection area Amplification area using PCR 40
LC 02 per l’analisi del DNA LC 02 su basetta PCB 1 x 3 pollici per l’utilizzo nel TCS Foto di LC 02 durante la fase di caricamento 41
In-check core: Silicon Biochip Heaters & Sensors Inlet Spotting Optical Detection PCR - Chambers Electrodes Electronic Detection PCR - Outlet 42
Foreseen applications DNA extraction DNA Amplification (for ex. PCR) or Medical Diagnostics - Genetic diseases - Infectious agents (virus, bacteria) - Blood typing Agroindustrial Control - GMO - species determination - microbiology - allergen detection Prognostics Environmental Control - Cancer - Polymorphisms - microbiology (air/water) 43
ST Lab-on-Chip evolution PTP 1 current functions 44
Why Silicon for Lab-on-Chip ? Thermal Properties Thermal conductivity Low thermal capacity Compact external circuitry Miniaturization Intelligence on-board Electronic heaters Temperature sensors Compact Solution Reduces testing costs Delivers results in minutes IC mainstream tech. Reliability Economies of scale in manufacturing Low cost 45
What is PCR? Polymerase Chain Reaction A process which “Amplifies” or “Copies” a piece of DNA repeatedly until there is an amount which is great enough to observe visually. 46
Components of PCR 1. Template DNA 2. ATGC nucleoltides 3. Primers 4. Fuorescent markers 5. Taq DNA Polymerase Isolated from Thermus aquaticus, a bacterium found in a hot spring. Catalyzes the synthesis of DNA Stable at near-boiling temperatures 47
PCR Schematic Used with permission. 48
Animated Used with permission. PCR 49
30 th PCR cycle Detection Denaturation T Hybridization 94 °C -Tolerance: +/- 1°C on Thyb » 1 h Thyb -Cooling Ramp: 7 -9°C/s 200 s t 50
PTP 1 layout 51
For DNA fragments identification known CDNA nucleotides sequences have to be grafted on selected sites Pyrrole based CDNA probes grafting. Source: CEA LETI 52
Hybridization tests P 2 A probes no probes Hybridization of PCR P 2 Abio (1µl eq. ) 1 hour at 42°C no probes CART 1 probes Hybridization of PCR CARTbio (1µl eq. ) 1 hour at 42°C 53
Combimatrix/ST bioarray technology 150 mm wafer: Mixed Signal CMOS Software Controlled Chemical Reactions 54
DNA HYBRIDIZED To Chip DNA Synthesized On chip Pt Electrode G-C A-T T-A C-G G-C A-T PERFECT MATCH COMPLIMENTARY NON-COMPLIMENTARY DNA SEQUENCE G-C A-T T-A C-A G-A A-G A-T MISMATCH DNA Synthesized On chip 55
Combimatrix/ST bioarray technology Silicon wafer Silicon Microarray Platinum Electrodes 56
Phosphoramidite chemistry 57
START 58
ELECTROCHEMICALLY DETRITYLATE (Deprotect) HIGH FIDELITY SYNTHESIS 59
COUPLE 60
WASH AND REPEAT PROCESS WITH SEQUENTIAL AMIDITE EXPOSURE 61
Combimatrix/ST bioarray technology Image demonstrating differential expression levels detected when c. RNA samples from two tissue sources are labeled with either Cy 3 or Cy 5 and hybridized to the same Custom. Array 902 (1 K) 62
Movimento di particelle neutre mediante Dielettroforesi +V ++ + + p< m - + -+ + - -V - m p Negative Dielectrophoresis +V + + - + + + - - -V Dielectric particle p> m Suspending medium Positive Dielectrophoresis 63
Obiettivo della Dielettroforesi (programma congiunto ST/Evotec) Separation and enrichment of rbc and wbc reliable low costs 64
n. DEP localizzazione degli elettrodi La n. DEP risulta piu‘ complessa della p. DEP, ma e‘ piu‘ flessibile 65
Separabilita‘ teorica mediante DEP Possible for n. DEP p. DEP Mixed mode 66
n. DEP in confronto con p. DEP La separazione di globuli bianchi dai globuli rossi e‘ possibile sia con DEP positiva che negativa Ge > 0. 4 S/m f = 1700 k. Hz U=2 V Ge < 0. 1 S/m f = 1700 k. Hz U=2 V Fn. DEPwbc>> Fn. DEPrbc Fp. DEPwbc>> Fp. DEPrbc 67
n. DEP in confronto con p. DEP dal punto di vista della progettazione microfluidica n. DEP 1. Progetto piu’ complesso 2. Separazione cellulare e focalizzazione simultanee 3. Maggior flessibilita’ in caso di lisi elettrica o chimica 4. IP in possesso di EVOTEC p. DEP Progetto semplice (planare) Per focalizzare le cellule necessita un passo di n. DEP Per la lisi chimica occorre un ulteriore elemento focalizzatore OK per lisi elettrica IP non tutta in EVOTEC Maggior rischio di occlusione 68
Approccio classico (n. DEP) Deflessione affidabile Flusso con velocita‘ fino a 500 µm/s Allineamento delle cellule lungo l‘asse con minor rischio di adesione alle pareti Classic Design AC-drive top and bottom side (Pt) 69
Integrazione della lisi celluare su Lab On Chip Uso di chip esistenti, Cytocon™ 300 e monociti per i test - Prove di lisi con protocollo elettrico - Prove di lisi con protocollo chimico Controllo dell‘avvenuta lisi - Misura della cattura di marcatori da parte del DNA rilasciato dalla cellula col metodo della fluorescenza della singola molecola (FCS, FIDA) Cell lysis, Dye intercalation DNA denaturation 70
Lisi cellulare con impulsi elettrici Uso di chip esistenti, Cytocon™ 300 e monociti (U 937) per I test - Prove di lisi con protocollo elettrico Controllo dell’avvenuta lisi - Verifica della fuoriuscita dalla membrana del colorante inserito all’interno della cellula - PCR genomico della cellula aperta per il gene MLH-1 Plasma membrane breakdown, Dye leakage, Cell swelling, Access to primers, polymerase? DNA denaturation? 71
Cytocon™ Chip per lisi cellulare Zigzag di elettrodi per raggruppare le cellule Imbuto di allineamento Elettrodi di apertura della membrana con impulsi alternati ai segnali hf per allineamento mediante n. DEP Zigzags Funnel Porator 1 Porator 2 72
Condizioni per la lisi cellulare Fuoriuscita del marker fluorescente Rottura della membrana hf: f = 635 k. Hz, U = 14 V against ground; pulse: U = 99 V, t = 50 µs, f = 1 Hz; 73
Configurazione classica per lisi cellulare Hf per allineamento cellula ~ o ground 50 Impulso elettrico di lisi ground pulse 50 r 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 50 ground 100 150 ~ 0 200 250 Le cellule sono centrate Le cellule non aderiscono ai piani superiore e inferiore U. Mastromatteo - AISEM 2005 - Firenze 15 -feb-2005 0 50 ground 100 150 pulse 200 250 Un impulso omogeneo garantisce la riproducibilita‘ del processo 74
Test per la verifica della quantita’ di sangue necessario per la PCR genomica GALIOS™ PCR genomica per il gene MLH-1 e‘ stato usato per leucociti estratti per filtrazione attraverso membrana 0. 1 µl di sangue (intero) sono risultati sufficienti 200 - 1000 leucociti Lysed with Sigma Kit Buffer 75
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