le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro

STMicroelectronics

Ubaldo MASTROMATTEOTechnical Staff member

FTM – R&D Scientific Fellow

Le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro

SPAIS 2006 – Caccamo (PA), 26 luglio 2006

2

Nanotecnologie in Microsistemi

• Microsistemi dove si uniscono Microe Nano tecnologie

• Lab on chip - Probe storage

• Applicazioni

Stator Wafer

Emitter Wafer

Media

R/W electronics

Emitter electronics

UHV seal

thru-wafer vias

Rotor Wafer

3

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)

4

Electronic System Partitioning

Bipolar, BCD,CMOS, BiCMOS, VIP

Power ManagementPower Management

Information Processing(Superintegration)

Multifunction Peripheral(System Oriented Tech.)

Data AcquisitionData Acquisitionand Conversionand Conversion

Bipolar, CMOS,RF-BiCMOS,µ-Machinery

Central ProcessingCentral Processing(µP, DSP)(µP, DSP)

Digital CMOS

Power ActuatorsPower Actuators

Bipolar, BCD,CMOS, HVCMOS,VIP, µ-Machinery,

MemoriesMemories

CMOS, Flash,DRAM, µ-Machinery

Mains, Batteries,Alternators, Solar Cells

Sensors Antennas

KeyboardsLine Interfaces

Switches

LampsMotorsDisplaysSolenoidsLoudspeakersCRTsInkjets

5

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.

6

Complessita’ nella fabbricazione di Circuiti Integrati

Data un’area “A” ci sono p=2n 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)

proporzionale a: ln(p).

Le difficolta’ di realizzazione per abbassare il valore

dell’entropia sono tanto maggiori quanto minore e’

il valore di “a”.

A

a

7

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 1ppm 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.

8

Bit Density in NAND Flash

Source

Bit line

W .L.

Bit line sel.

Bit line sel.

Source

Bit line

W .L.

Bit line sel.

Bit line sel.

basic layoutx

y

array equivalent circuit

x-pitch

Floating Gate

Control Gate

y-pitch

DrainSource

Control GateInterpoly

DrainSource

Control Gate

DrainSource

Floating Gate

Control Gatedielectric

Tunneloxide

CHARGE STORAGEELEMENT

9

H

S

fenomeno spontaneo:diminuzione di H

aumento di S

Organizzazione molto probabile

Sistema disordinato

Sistema ordinatissimo

Nel sistema termodinamico

costituito dal vivente si ha un grado di organizzazione

elevatissimo

I sistemi viventi

10

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.

11

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.

12

Diagramma di flusso per la fabbricazione di IC’s e sensori microlavorati

13

0.000001

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Commercial Products: 70Gbits/in2

Research frontier: 1 Tbits/in2

Are

al D

ensi

ty (

Gb

its/

in2)

HDD Areal Density Progress

>10

7 In

crea

se

25 Years2kbit/in2 10 Years

Products

Lab Demos

1Mbit/in2

1Gbit/in2

100Gbit/in2

1Tbit/in2

14

With perpendicular recording, higher write fields may be achieved, which in turn enables media with improved thermal stability to be used.

GMR Element

Shield

Longitudinal vs. Perpendicular Recording

Media

15

TrackSector

Physical Grains

MagneticBits

Perpendicular Thin Film Disk

STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

16

Outlook: Circumferential SOMA Tracks

~10-50 m long SOMA packets with “perfect ordering” needed for data block of ~5000 bits used in TURBO codes

Idea: Lithographically of chemically assisted Dual Patterning

Preamble~10% of data Data (~ 4000 bits)

L

t

Preamble~10% of data Data (~ 4000 bits)

L

t

Topographic

Chemical

SOMA Disk

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).

17

HAMR + SOMA Patterned Media: Vision to reach single particle stability limit

Single Particle Stability Limit ~40-50 Tb/in2

Concept: Use pattern assisted assembly to Establish circumferential tracks on disks

SOMA Assembly of FePt Nanopartcles on TEM Grid

(0.1 m scale)

130 nm

6 nm FePt particles

“9 Tb/in2“

~m

FePt SOMA Media are promising candidates for

1. Perpendicular Media2. HAMR Media3. Probe Media (x-y storage)

18

Bit Patterned MediaLithography vs Self Organization

Major obstacle is finding low cost means of making media.

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 FePt particles

FePt SOMA media

S. Sun, Ch. Murray, D. Weller, L. Folks, A. Moser, Science 287, 1989 (2000).

Lithographically Defined

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

19

Beyond Rotating Media

20

Atomic Resolution Storage from HPAtomic 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

Scientific American – January 2003STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

21

Complete ARS ChipThree bonded wafers - rotor, stator, and emitter wafer.R/W electronics located on stator wafer beneath -mover electrodes.R/W signals will pass thru isolated Si plugs in 100 m thick rotor wafer.

Stator Wafer

Emitter Wafer

Media

R/W electronics

Emitter electronics

UHV seal

thru-wafer vias

Rotor Wafer

STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

22

HP’s Electron Beam Concept

STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

23

Bit Read/Write Mechanism

I/O

Emitter Control

Motor Control

Capacitive Sense

Pattern Demod

Read Channel

24

Flat Emitter Concept

e- trajectories

lens

anod

e

flat

em

itter

25

Motor Mechanism

1 0 1 0 1 1 01 0 1 0 0 1 01 0 1 1 0 1 01 0 0 1 0 1 0

rotor

stator

. . . to step, change voltage on one electrode . . .

nt = 6 ns = 7

Stepper motor operationIntegrated Module

26

Silicon Micromover on Stator wafer

Bottom WaferBottom Wafer

Top WaferTop Wafer

High Voltage High Voltage FeedthroughsFeedthroughs

PadsPads

27

High Voltage Feedthroughs

High Voltage High Voltage FeedthroughsFeedthroughs

High Voltage High Voltage FeedthroughFeedthrough

Bottom WaferBottom Wafer

Top WaferTop Wafer

BottomBottomWaferWafer TopTop

WaferWafer

100µm

High Voltage High Voltage PadsPads

Oxide Filled Oxide Filled TrenchTrench

Wafers Gap = 2µm

STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

28

Cantilevers

29

Millipede: A Promising Data Storage Technology

Millipede is a non-volatile memory alternativeUnprecedented data storage density, not dependent on advances of microlithographyRapidly maturingBased on atomic force microscopy (AFM) principles

QuickTime™ and a YUV420 codec decompressor are needed to see this picture.

30

The Millipede Writing Process

31

Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 23, 8 December 2003

Samsung probe storage

32

Samsung probe storage

Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 23, 8 December 2003

33

InProMAn EU Funded Consortium

PC media

ŅhighÓ writing current

heated area (Joule effect)

scanning tip

amorphous

crystalline

ŅlowÓreadout current

PC media

scanning tip

readout contrast based on:readout signal

104

a) Writing process b) Readout process

PC media

ŅhighÓ writing current

heated area (Joule effect)

scanning tip

amorphous

crystalline

ŅlowÓreadout current

PC media

scanning tip

readout contrast based on:readout signal

104

a) Writing process b) Readout process

Image courtesy of Serge Gidon, Olivier Bichet and Yves Samson, LETI-CEA

34

35

36

Presentation outline

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

The Lab on Chip a bridge from microelectronics and nanobiology

37

Molecular Biology: The new TechnologyExtraordinary inventions form the technical foundation of

Modern Molecular Biology

PCR

K. Mullis, PCR discover, 1983

Sequencing

L. Hood Automated DNA sequencer, 1990 Human Genome Project

Bio-informatics New approach to medicine

Engineering & Industrialization

Research

38

Why Semiconductor companies in Bio-tech?

Price of 1 Mbit of Memory5 000 euros

1977

400 euros

1981

120 euros

1984

30 euros

1987

5 euros

1990

0,05 euro

2000

75 000 euros

1973

0,5 euro

1995

High Volume & Low Cost

Miniaturization & Integration

Certifications Quality

39

Ingegnerizzazione della biologia molecolare

Biologi esperti in grandi laboratori

Automazione in ospedali

Integrazione in sistemi

Miniaturizzazione - Automazione – Affidabilita’

Uso semplice

Bassso costo

Veloce

Portatile

40

Amplification area using PCR

Detection area

inlet

sensor for temperature control

heateroutlet

gold electrode

Connection to PCB

Lab on Chip layout

41

LC02 per l’analisi del DNA

LC02 su basetta

PCB 1x3 pollici

per l’utilizzo nel TCS

Foto di LC02

durante la fase

di caricamento

42

In-check core: Silicon Biochip

SpottingOptical Detection

ElectrodesElectronic Detection

PCR - Outlet

InletHeaters & Sensors

PCR - Chambers

43

- Genetic diseases- Infectious agents (virus, bacteria)- Blood typing

- Cancer- Polymorphisms

Foreseen applications

DNA Amplification(for ex. PCR)

DNA extraction

or

Medical Diagnostics

Prognostics

- GMO- species determination- microbiology- allergen detection

- microbiology (air/water)

Agroindustrial Control

Environmental Control

44

ST Lab-on-Chip evolution

current functionscurrent functions

evolutionevolution

PTP1

45

Why Silicon for Lab-on-Chip ?

Thermal Properties Thermal conductivity Low thermal capacity

Compact external circuitry Miniaturization

Intelligence on-boardElectronic heaters

Temperature sensors

Compact SolutionReduces testing costs

Delivers results in minutes

Economies of scale in manufacturing

Low cost

IC mainstream tech. Reliability

46

What is PCR?

Polymerase Chain Reaction

A process which “Amplifies” or “Copies” a piece of DNA repeatedlyuntil there is an amount which is great enough to observe visually.

47

Components of PCR

1. Template DNA2. ATGC nucleoltides3. Primers4. Fuorescent markers5. Taq DNA Polymerase

Isolated from Thermus aquaticus, a bacteriumfound in a hot spring.

Stable at near-boiling temperatures

Catalyzes the synthesis of DNA

48

PCR Schematic

Used with permission.

49

Animated PCR

Used with permission.

50

T94 °C

Thyb

t200 s

Denaturation

h

30th PCR cycle

Detection

Hybridization

-Tolerance: +/- 1°C on Thyb

-Cooling Ramp: 7-9°C/s

51

PTP1 layout

52

For DNA fragments identification known CDNA nucleotides sequences have to be grafted on selected sites

Pyrrole based CDNA probes grafting.

Source: CEA LETI

53

Hybridization of PCR P2Abio (1µl eq.) 1 hour at 42°C

P2A probes

no probes

Hybridization of PCR CARTbio (1µl eq.) 1 hour at 42°C

no probes

CART1 probes

Hybridization tests

54

Software Controlled Chemical Reactions

150mm wafer: Mixed Signal CMOS

Combimatrix/ST bioarray technology

55

Pt Electrode

DNASynthesizedOn chip

Pt Electrode

DNASynthesizedOn chip

DNAHYBRIDIZEDTo Chip

COMPLIMENTARY NON-COMPLIMENTARY

G-CA-TT-AC-GG-CA-TA-T

G-CA-TT-AC-AG-AA-GA-T

DNA SEQUENCE

MIS

MA

TC

H

PER

FEC

T M

ATC

H

56

Silicon wafer

SiliconMicroarray

PlatinumElectrodes

Combimatrix/ST bioarray technology

57

O

O

OBASE1

BASE = protected A or T or G or C

H3CO

OCH3

H+

P

OO

CN

MEMBRANE

O

O

DMTOBASE2

PO N(iPr)2

O

O

O

HOBASE1

P

OO

CN

MEMBRANE

O

tetrazole

O

O

OBASE1

P

OO

CN

MEMBRANE

O

O

O

DMTOBASE2

P

1. Ac2O, lutidine

2. I2, pyridine, H2O, THF

O

O

OBASE1

P

OO

CN

MEMBRANE

O

O

O

DMTOBASE2

PO

NC

ONC

ONC

Phosphoramidite chemistry

58

START

59

ELECTROCHEMICALLY DETRITYLATE(Deprotect)

HIGH FIDELITY SYNTHESIS

60

COUPLE

61

WASH AND REPEAT PROCESS WITH SEQUENTIAL AMIDITE EXPOSURE

62

Image demonstrating differential expression levels detected when cRNA samples from two tissue sources are labeled with either Cy3 or Cy5 and hybridized to the same CustomArray

CustomArray 902 (1K)

Combimatrix/ST bioarray technology

63

Movimento di particelle neutre mediante Dielettroforesi

2Re RMSCM EftF

j

fmp

mp

CM

/2

)(

*

**

**

p> m

-V+V

Dielectric particle

Suspending medium

+

++

+---

-

+

+

+

-

--

-

- +

+

Positive Dielectrophoresis

+V -V

++

+

++

+

+ - ----

--

+

++

--

-

p< m

pm

Negative Dielectrophoresis

64

Obiettivo della Dielettroforesi(programma congiunto ST/Evotec)

Separation and enrichment of rbc and wbc

0electrodes

0 250 500 750 10000

250

0

0.68

classicset-up

reliable

low costs

65

nDEP localizzazione degli elettrodi

ST3

+-

structured electrode plane

ST4

+-structured electrode plane

groundpulse

+ =

flow

PCR

- separation- enrichment- alignement

- lysis

waste

buffer?

La nDEP risulta piu‘ complessa della pDEP, ma e‘ piu‘ flessibile

66

Separabilita‘ teorica mediante DEP

23 *Re2 rmsCMlDEP EfRF

3 4 5 6 7 8 9

- 20

0

20

40

.01 S/m

Log f/Hz

.3 S/m

1.5 S/m

.01 S/m

.3 S/m

1.5 S/m

fCM

*R2/µm2

pDEP

nDEP

rel. dielectrophoretic force for lymphocytes and erythrocytes

Possible for

nDEP

pDEP

Mixed mode

67

nDEP in confronto con pDEP

Ge > 0.4 S/mf = 1700 kHzU = 2 V

FnDEPwbc>> FnDEPrbc

Ge < 0.1 S/mf = 1700 kHzU = 2 V

FpDEPwbc>> FpDEPrbc

La separazione di globuli bianchi dai globuli rossi e‘ possibile sia con DEP positiva che negativa

68

nDEP in confronto con pDEP dal punto di vista della progettazione microfluidica

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

Progetto semplice (planare)

Per focalizzare le cellule necessita un passo di nDEP

Per la lisi chimica occorre un ulteriore elemento focalizzatore

OK per lisi elettrica

IP non tutta in EVOTEC

Maggior rischio di occlusione

nDEP pDEP

69

Approccio classico (nDEP)

0 50 1000

20

40

0

14.

classic

+

+-

-

Deflessione affidabile

Flusso con velocita‘ fino a 500 µm/s

Allineamento delle cellule lungo l‘asse con minor rischio di adesione alle pareti

Classic DesignAC-drive top and

bottom side (Pt)

70

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)

Integrazione della lisi celluare su Lab On Chip

Cell lysis,

DNA denaturation

Dye intercalation

71

Uso di chip esistenti, Cytocon™ 300 e monociti (U937) 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

Lisi cellulare con impulsi elettrici

Plasma membrane breakdown,

Dye leakage,

Cell swelling,

DNA denaturation?

Access to primers, polymerase?

72

Zigzag di elettrodi per raggruppare le cellule

Imbuto di allineamento

Elettrodi di apertura della membrana con impulsi alternati ai segnali hf per allineamento mediante nDEP

Cytocon™ Chip per lisi cellulare

Porator 1 Porator 2FunnelZigzags

73

Condizioni per la lisi cellulare

Fuoriuscita del marker fluorescente Rottura della membrana

hf: f = 635 kHz, U = 14 V against ground; pulse: U = 99 V, t = 50 µs, f = 1 Hz;

74

o

r

~0 50 100 150 200 250

0

10

20

30

40

50~ ground

ground

pulse

0 50 100 150 200 250

0

10

20

30

40

50ground

ground pulse

Hf per allineamento cellula

Impulso elettrico di lisi

Configurazione classica per lisi cellulare

Le cellule sono centrate

Le cellule non aderiscono ai piani superiore e inferiore

Un impulso omogeneo garantisce la riproducibilita‘ del processo

U. Mastromatteo - AISEM 2005 - Firenze 15-feb-2005

75

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 Siz

e m

ark

er

Wh

ole

blo

od

1:1

0,

1µ

l

Wh

ole

blo

od

1:2

0,

0,5

µl

Wh

ole

blo

od

1:2

0,

0,5

µl

Who

le b

lood

1:1

00,

0,1µ

l

Who

le b

lood

1:1

00,

0,1µ

l

Neg

ativ

e co

ntr

ol

Pos

itive

con

trol

Lysed with Sigma Kit Buffer

76