Le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro

1. Le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro Ubaldo MASTROMATTEO Technical Staff member FTM – R&D Scientific Fellow SPAIS 2006 – Caccamo (PA), 26 luglio 2006

2. Emitter electronics Emitter Wafer UHV seal Media Rotor Wafer thru-wafer vias R/W electronics Stator Wafer Nanotecnologie in Microsistemi • Microsistemi dove si uniscono Micro • e Nano tecnologie • Lab on chip - Probe storage • Applicazioni

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 Mains, Batteries, Alternators, Solar Cells Power Management Bipolar, BCD, CMOS, BiCMOS, VIP Central Processing (µP, DSP) Data Acquisition and Conversion Lamps Power Actuators Sensors Motors Antennas Displays Keyboards Solenoids Bipolar, CMOS, RF-BiCMOS, µ-Machinery Bipolar, BCD, CMOS, HVCMOS, VIP, µ-Machinery, Digital CMOS Line Interfaces Loudspeakers CRTs Switches Inkjets Memories Information Processing (Superintegration) Multifunction Peripheral (System Oriented Tech.) CMOS, Flash, DRAM, µ-Machinery

5. 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. Tipologia delle operazioni nei processi di fabbricazione di IC’s

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. Control Gate Source Drain y x Bit Density in NAND Flash CHARGE STORAGE ELEMENT Interpoly dielectric Control Gate Control Gate Tunnel Floating Gate oxide Source Source Drain Drain y-pitch basic layout Control Gate Floating Gate x-pitch array equivalent circuit

9. fenomeno spontaneo: diminuzione di H aumento di S Sistema disordinato Organizzazione molto probabile I sistemi viventi Sistema ordinatissimo H Nel sistema termodinamico costituito dal vivente si ha un grado di organizzazione elevatissimo S

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. 10000 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 HDD Areal Density Progress Commercial Products: 70Gbits/in2Research frontier: 1 Tbits/in2 1Tbit/in2 100Gbit/in2 Lab Demos 1Gbit/in2 Areal Density (Gbits/in2) Products >107 Increase 1Mbit/in2 25 Years 10 Years 2kbit/in2

14. 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.

15. Perpendicular Thin Film Disk Track Sector Magnetic Bits Physical Grains STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

16. 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).

17. HAMR + SOMA Patterned Media: Vision to reach single particle stability limit “9 Tb/in2“ 130 nm 6 nm FePt particles Single Particle Stability Limit ~40-50 Tb/in2 SOMA Assembly of FePt Nanopartcles on TEM Grid (0.1 mm scale) ~mm • FePt SOMA Media are promising candidates for • Perpendicular Media • HAMR Media • Probe Media (x-y storage) Concept: Use pattern assisted assembly to Establish circumferential tracks on disks

18. Bit Patterned MediaLithography 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

19. Beyond Rotating Media

20. 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 Atomic Resolution Storage from HP STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo Scientific American – January 2003

21. 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

22. HP’s Electron Beam Concept STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

23. Bit Read/Write Mechanism Emitter Control I/O Capacitive Sense Motor Control Read Channel Pattern Demod

24. Flat Emitter Concept lens flat emitter anode e- trajectories

25. Stepper motor operation stator rotor nt = 6 ns = 7 . . . to step, change voltage on one electrode . . . 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 Motor Mechanism Integrated Module

26. Silicon Micromover on Stator wafer Top Wafer Pads Bottom Wafer High Voltage Feedthroughs

27. High Voltage Feedthroughs High Voltage Feedthrough Oxide Filled Trench High Voltage Feedthroughs Top Wafer 100µm Bottom Wafer Top Wafer High Voltage Pads Wafers Gap = 2µm Bottom Wafer 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 alternative • Unprecedented data storage density, not dependent on advances of microlithography • Rapidly maturing • Based on atomic force microscopy (AFM) principles

30. The Millipede Writing Process

31. Samsung probe storage Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 23, 8 December 2003

32. Samsung probe storage Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 23, 8 December 2003

33. InProMAn EU Funded Consortium

36. 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

37. PCR Sequencing K. Mullis, PCR discover, 1983 Human Genome Project L. Hood Automated DNA sequencer, 1990 Engineering & Industrialization Bio-informatics New approach to medicine Molecular Biology: The new Technology Extraordinary inventions form the technical foundation of Modern Molecular Biology Research

38. Certifications Quality Price of 1 Mbit of Memory 75 000 euros 5 000 euros 400 euros 120 euros 30 euros 5 euros 0,5 euro 0,05 euro Miniaturization & Integration 1973 1977 1981 1984 1987 1990 1995 2000 Why Semiconductor companies in Bio-tech? High Volume & Low Cost

39. Integrazione in sistemi Automazione in ospedali Uso semplice Bassso costo Veloce Portatile Biologi esperti in grandi laboratori Ingegnerizzazione della biologia molecolare Miniaturizzazione - Automazione – Affidabilita’

40. outlet gold electrode heater sensor for temperature control Connection to PCB inlet Detection area Amplification area using PCR 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. Heaters & Sensors Inlet Spotting Optical Detection Electrodes Electronic Detection PCR - Chambers PCR - Outlet In-check core: Silicon Biochip

43. Foreseen applications DNA Amplification (for ex. PCR) DNA extraction or Medical Diagnostics Agroindustrial Control - GMO - species determination - microbiology - allergen detection - microbiology (air/water) - Genetic diseases - Infectious agents (virus, bacteria) - Blood typing - Cancer - Polymorphisms Prognostics Environmental Control

44. ST Lab-on-Chip evolution evolution PTP1 current functions

45. Why Silicon for Lab-on-Chip ? Thermal Properties Thermal conductivity Low thermal capacity Compact Solution Reduces testing costs Delivers results in minutes Compact external circuitry Miniaturization IC mainstream tech. Reliability Intelligence on-board Electronic heaters Temperature sensors Economies of scale in manufacturing Low cost

46. 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.

47. Components of PCR 1. Template DNA 2. ATGC nucleoltides 3. Primers 4. Fuorescent markers 5. Taq DNA Polymerase Isolated fromThermus aquaticus, a bacterium found in a hot spring. Catalyzes the synthesis of DNA Stable at near-boiling temperatures

48. PCR Schematic Used with permission.

49. Animated PCR Used with permission.

50. 30th PCR cycle Detection Denaturation T • Tolerance: +/- 1°C on Thyb • Cooling Ramp: 7-9°C/s Hybridization 94 °C » 1 h Thyb 200 s t