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

Nanotecnologie in Microsistemi Microsistemi dove si uniscono Micro e 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

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)

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

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.

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

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.

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

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

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.

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.

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

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

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.

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

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).

Nanopartcles on TEM Grid HAMR + SOMA Patterned Media: Vision to reach single particle stability limit Single Particle Stability Limit ~40-50 Tb/in2 SOMA Assembly of FePt Nanopartcles on TEM Grid (0.1 mm scale) 130 nm 6 nm FePt particles “9 Tb/in2“ ~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

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

Beyond Rotating Media

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

HP’s Electron Beam Concept 4/16/2017 HP’s Electron Beam Concept STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo

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

Flat Emitter Concept lens flat emitter anode e- trajectories

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

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

High Voltage Feedthroughs 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

Cantilevers

Millipede: A Promising Data Storage Technology 4/16/2017 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

The Millipede Writing Process

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

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

InProM An EU Funded Consortium

Presentation outline DNA based molecular diagnostic 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

Molecular Biology: The new Technology Extraordinary 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 Research Bio-informatics New approach to medicine Engineering & Industrialization

Why Semiconductor companies in Bio-tech? Price of 1 Mbit of Memory 5 000 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 Certifications Quality Miniaturization & Integration

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

Lab on Chip layout outlet heater gold electrode sensor for Amplification area using PCR Detection area inlet sensor for temperature control heater outlet gold electrode Connection to PCB

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

In-check core: Silicon Biochip Heaters & Sensors Inlet Spotting Optical Detection PCR - Chambers Electrodes Electronic Detection PCR - Outlet

Foreseen applications 4/16/2017 Foreseen applications DNA Amplification (for ex. PCR) DNA extraction or Medical Diagnostics - GMO - species determination - microbiology - allergen detection - microbiology (air/water) Agroindustrial Control - Genetic diseases - Infectious agents (virus, bacteria) - Blood typing - Cancer - Polymorphisms Prognostics Environmental Control

ST Lab-on-Chip evolution PTP1 current functions

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

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.

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

PCR Schematic Used with permission.

Animated PCR Used with permission.

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

PTP1 layout

For DNA fragments identification known CDNA nucleotides sequences have to be grafted on selected sites Pyrrole based CDNA probes grafting. Source: CEA LETI

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

150mm wafer: Mixed Signal CMOS Combimatrix/ST bioarray technology 150mm wafer: Mixed Signal CMOS Software Controlled Chemical Reactions

COMPLIMENTARY NON-COMPLIMENTARY DNA HYBRIDIZED To Chip DNA Synthesized On chip DNA Synthesized On chip Pt Electrode Pt Electrode COMPLIMENTARY NON-COMPLIMENTARY G-C A-T T-A C-G G-C A-T T-A C-A G-A A-G DNA SEQUENCE PERFECT MATCH MISMATCH

Combimatrix/ST bioarray technology Silicon wafer Silicon Microarray Platinum Electrodes

Phosphoramidite chemistry

START

ELECTROCHEMICALLY DETRITYLATE (Deprotect) HIGH FIDELITY SYNTHESIS

COUPLE

WASH AND REPEAT PROCESS WITH SEQUENTIAL AMIDITE EXPOSURE

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)

Movimento di particelle neutre mediante Dielettroforesi 4/16/2017 Movimento di particelle neutre mediante Dielettroforesi p> m -V +V Dielectric particle Suspending medium + - Positive Dielectrophoresis +V -V + - p< m p m Negative Dielectrophoresis

Obiettivo della Dielettroforesi (programma congiunto ST/Evotec) Separation and enrichment of rbc and wbc reliable low costs

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

Separabilita‘ teorica mediante DEP Possible for nDEP pDEP Mixed mode

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 = 2 V FnDEPwbc>> FnDEPrbc Ge < 0.1 S/m f = 1700 kHz U = 2 V FpDEPwbc>> FpDEPrbc

nDEP in confronto con pDEP dal punto di vista della progettazione microfluidica Progetto piu’ complesso Separazione cellulare e focalizzazione simultanee Maggior flessibilita’ in caso di lisi elettrica o chimica 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

Approccio classico (nDEP) Classic Design AC-drive top and bottom side (Pt) Deflessione affidabile Flusso con velocita‘ fino a 500 µm/s Allineamento delle cellule lungo l‘asse con minor rischio di adesione alle pareti

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, DNA denaturation Dye intercalation

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, DNA denaturation? Access to primers, polymerase?

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

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;

Configurazione classica per lisi cellulare Hf per allineamento cellula Impulso elettrico di lisi o r ~ 50 100 150 200 250 10 20 30 40 ground pulse 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

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