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, BiCMOS, VIP
Sensors
Antennas
Keyboards
Line Interfaces
Switches
Data Acquisition
and Conversion
Bipolar, CMOS,
RF-BiCMOS,
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=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)
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 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.
7
Bit Density in NAND Flash
Interpoly
dielectric
CHARGE
STORAGE
ELEMENT
Control Gate
Control
Gate
Floating Gate
y
Source
Source
x
basic layout
Tunnel
oxide
Drain
Drain
y-pitch
Bit line
Bit line sel.
W .L.
Control Gate
Floating Gate
Bit line sel.
x-pitch
Source
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: 70Gbits/in2
Research frontier:
1 Tbits/in2
10000
100Gbit/in2
100
Lab Demos
10
1Gbit/in2
1
>107 Increase
Areal Density (Gbits/in2)
1000
1Tbit/in2
0.1
Products
0.01
1Mbit/in2
0.001
0.0001
0.00001
25 Years
2kbit/in2
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
m
~m
Topographic
Chemical
SOMA Disk
L
t
Preamble
~10% of data
Data (~ 4000 bits)
~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
“9
Tb/in2“
6 nm FePt particles
2
Single
Stability
Limit ~40-50 Tb/in
20-42 Particle
Tbit/in Single
Particle Superparamagnetic
Limit
2
2
Max. Areal Density (Gbit/in )
SOMA Assembly of FePt
Nanopartcles on TEM Grid
(0.1 mm scale)
10000
HAMR+SOMA
1 Tbit/in
1000
100
10
2
100 Gbit/in

2
||
LABORATORY
DEMOS
SOMA
contact tester
results
1
Products
0.1
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Availability Year
Concept:
Use pattern assisted assembly to
Establish circumferential tracks on disks
FePt 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
FePt SOMA media
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
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
U. Mastromatteo
American – January 2003
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
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
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
Wafer
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
QuickTime™ and a YUV4 20 code c d eco mpres sor a re ne eded to see this picture .
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
InProM
An EU Funded Consortium
Ņlow Óreadout current
ŅhighÓ w riting current
scanning tip
PC media
scanning tip
PC media
readout signal
heated area
(Joule effect)
a) Writing process
readout contrast based on:
 amorphous
4
 crystalline  10
b) Readout process
Image courtesy of Serge Gidon, Olivier Bichet and Yves Samson, LETI-CEA
33
34
35
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
5 000 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
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
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
evolution
PTP1
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
30th PCR cycle
Detection
Denaturation
T
Hybridization
94 °C
-Tolerance: +/- 1°C on Thyb
 h
Thyb
-Cooling Ramp: 7-9°C/s
200 s
t
50
PTP1 layout
51
For DNA fragments identification
known CDNA nucleotides sequences
have to be grafted on selected sites
Pyrrole based CDNA probes grafting.
Pyrrole + son de 1
Pyrrole + son de 2
Electrode 1
Electrode 2
Electrode 1
Electrode 2
Source: CEA LETI
52
Hybridization tests
P2A probes
no probes
Hybridization of PCR P2Abio (1µl eq.) 1 hour at 42°C
no probes
CART1 probes
Hybridization of PCR CARTbio (1µl eq.) 1 hour at 42°C
53
Combimatrix/ST bioarray technology
150mm wafer: Mixed Signal CMOS
Software Controlled Chemical
Reactions
54
DNA
HYBRIDIZED
To Chip
DNA
Synthesized
On chip
Pt Electrode
Pt Electrode
G-C
A-T
T-A
C-G
G-C
A-T
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
OCH3
BASE1
O
HO
O
H3CO
O
O
O
P
O
O
O
CN
P
O
O
CN
BASE2
N(iPr)2
BASE2
DMTO
O
O
O
NC
O
tetrazole
O
O
P
NC
MEMBRANE
MEMBRANE
DMTO
O
O
H+
O
BASE2
DMTO
BASE1
P
BASE1
O
NC
O
O
P
O
O
1. Ac2O, lutidine
O
O
P
O
2. I2, pyridine, H2O, THF
O
CN
MEMBRANE
BASE1
O
O
O
P
O
O
CN
MEMBRANE
BASE = protected A or T or G or C
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 cRNA samples from two tissue sources are labeled with
either Cy3 or Cy5 and hybridized to the same CustomArray
CustomArray 902 (1K)
62
Movimento di particelle neutre mediante
Dielettroforesi
+V
++
+ + +
+ +
 p<  m
-
+ -+
+ -
-V
-
m
+V
+ + + + -
+
+
-
+ +
+ -
-
-V
Dielectric particle
p
 p>  m
Suspending medium
Positive Dielectrophoresis
Negative Dielectrophoresis

F t   Re f CM    E
2
RMS


 * p   *m
 f CM ( )  *

 p  2 * m
  *     / j

63
Obiettivo della Dielettroforesi
(programma congiunto ST/Evotec)
Separation
and
enrichment of
rbc and wbc
reliable
low costs
64
nDEP localizzazione degli elettrodi
La nDEP risulta piu‘ complessa della pDEP, ma e‘ piu‘ flessibile
65
Separabilita‘ teorica mediante DEP
rel. dielectrophoretic force for lymphocytes and erythrocytes
Possible for
fCM*R2/µm2
40
.01 S/m
nDEP
20
pDEP
Mixed mode0
pDEP
.3 S/m
.01 S/m
.3 S/m
1.5 S/m
nDEP
- 20
1.5 S/m
Log f/Hz
3
4
5
6
7

 2
FDEP  2l R 3 Re f CM * Erms
8
9
66
nDEP in confronto con pDEP
La separazione di globuli bianchi dai
globuli rossi e‘ possibile sia con DEP
positiva che negativa
Ge > 0.4 S/m
f = 1700 kHz
U=2V
Ge < 0.1 S/m
f = 1700 kHz
U=2V
FnDEPwbc>> FnDEPrbc
FpDEPwbc>> FpDEPrbc
67
nDEP in confronto con pDEP dal punto di
vista della progettazione microfluidica
nDEP
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
pDEP
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
68
Approccio classico (nDEP)
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 (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
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 nDEP
Zigzags
Funnel
Porator 1
Porator 2
72
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;
73
Configurazione classica per lisi cellulare
Hf per allineamento
cellula ~ o
ground
50
Impulso elettrico di lisi
ground
r
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
50
ground
100
pulse
50
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
Positive control
Negative control
Whole blood 1:100, 0,1µl
Whole blood 1:100, 0,1µl
Whole blood 1:20, 0,5µl
Whole blood 1:20, 0,5µl
Whole blood 1:10, 1µl
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
Size marker
Test per la verifica della quantita’ di sangue
necessario per la PCR genomica
Lysed with Sigma Kit Buffer
75
76