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Le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro. Ubaldo MASTROMATTEO Technical Staff member FTM – R&D Scientific Fellow. SPAIS 2006 – Caccamo (PA), 26 luglio 2006. Emitter electronics. Emitter Wafer. UHV seal. Media. Rotor Wafer. thru-wafer vias. R/W electronics. Stator Wafer. - PowerPoint PPT Presentation
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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