Le nanotecnologie in sistemi elettronici del futuro Ubaldo MASTROMATTEO
Technical Staff member
FTM – R&D Scientific FellowSPAIS 2006 – Caccamo (PA), 26 luglio 2006
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
Bipolar, BCD,
CMOS, BiCMOS, VIP Power Management Information Processing
(Superintegration) Multifunction Peripheral
(System Oriented Tech.) Data Acquisition
and Conversion Bipolar, CMOS,
RF-BiCMOS,
µ-Machinery Central Processing
(µP, DSP) Digital CMOS Power Actuators Bipolar, BCD,
CMOS, HVCMOS,
VIP, µ-Machinery, Memories CMOS, Flash,
DRAM, µ-Machinery Mains, Batteries,
Alternators, Solar Cells Sensors Antennas Keyboards Line Interfaces Switches Lamps Motors Displays Solenoids Loudspeakers CRTs Inkjets
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
basic layout x y array equivalent circuit x-pitch Floating Gate Control Gate y-pitch Drain Source Control Gate Interpoly Drain Source Control Gate Drain Source Floating Gate Control Gate dielectric Tunnel oxide CHARGE
STORAGE
ELEMENT
I sistemi viventi
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
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
With perpendicular recording, higher write fields may be achieved, which in turn enables media with improved thermal stability to be used. GMR Element Shield Media
Perpendicular Thin Film Disk
Track Sector Physical
Grains Magnetic
Bits STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo
Outlook: Circumferential SOMA Tracks
~10-50 mm long SOMA packets with “perfect ordering” needed
for data block of ~5000 bits used in TURBO codes Idea: Lithographically of chemically assisted Dual Patterning 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).
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 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)
Bit Patterned Media Lithography 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
Beyond Rotating Media
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 Scientific American – January 2003 STUniversity, 18 april 2005 – Conference on Nanoelectronics and Nanotechnologies – U. Mastromatteo
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