Полупроводниковая интегральная микросхема с встроенным молекулярным доменом Российский патент 2023 года по МПК H01L21/70 

Полупроводниковая промышленность вступила в период быстрых и глубоких изменений, в котором повышение производительности больше не может поддерживаться исключительно продолжающейся миниатюризацией устройств на основе кремния. Развитие новых архитектур «вычислений в памяти» обещает преодолеть «узкое место фон Неймана» - энергетическую неэффективность и высокую задержку, вызванные перемещением данных между отдельными модулями памяти и вычислительными элементами. Прогресс будет достигаться в интеграции полупроводниковых систем с молекулярными, биомолекулярными, биологическими и био-инспирированными системами, которые смогут обеспечить сверхэнергетическую эффективность и другие уникальные возможности в области вычислений, искусственного интеллекта, робототехники, зондирования и здравоохранения. Для увеличения быстродействия встроенные системы интегрируются с микроэлектроникой для эффективного перемещения данных квантовыми, например, нанофотонными, соединения. Электроника движется к более гетерогенным архитектурам. Гетерогенная интеграция, - это наука и технология объединения разрозненных материалов, устройств и схем для создания высокофункциональных, высокопроизводительных систем, - является ключом к обеспечению дальнейшего прогресса. Центральное место в этой стратегии занимают целенаправленные исследования новых материалов, включая двумерные (2D) материалы и квантовые эффекты, энергоэффективную электронику, возможно, в гетерогенной комбинации с технологиями Si-CMOS. Гетерогенная интеграция полупроводниковых систем с биомолекулярными, биологическими и био-инспирированными системами станет критическим источником будущих инноваций в микроэлектронике [DRAFT NATIONAL STRATEGY ON MICROELECTRONICS RESEARCH (whitehouse.gov)]. На современном этапе необходимо найти конструктивные решения, определяющие структурную, динамическую и функциональную связи молекул и биомолекул с полупроводниковой микросхемой. Требуется также создать новые проектные, технологические и производственные мощности для новой микроэлектроники.

Термин «биомолекула» относится к любой органической молекуле, которая является частью живого организма. Биомолекулы включают нуклеотиды, полинуклеотиды, олигонуклеотиды, аминокислоты, пептиды, белки, лиганды, рецепторы и другие. Термин «наноматериал» относится к веществу, имеющему пространственную периодичность и протяженность на атомном, молекулярном или макромолекулярном уровнях в масштабах примерно 1-1000 нанометров. Термины «чип», «микрочип» и «микросхема» относятся к микроэлектронным устройствам, имеющим одну или несколько интегральных схем, включающих в себя множество миниатюрных транзисторов и других электронных компонентов на тонкой пластине из кремния, сапфира, германия, нитрида кремния, или другого полупроводникового материала. Термин «захват молекулы» относится к состоянию молекулы, которая обездвижена на поверхности твердого тела в течение длительного или короткого времени. Захваченными молекулами, как правило, являются биологически активные антитела, биомолекулы, другие небольшие молекулы, мета-материал, наноматериал.

В известных аналогах гибридных полупроводниковых интегральных микросхем, в которых содержатся связанные захваченные молекулярные компоненты, указанные компоненты расположены в основном на поверхностях элементов устройств. Известен метод, согласно которому кремниевые микро и нано структуры могут избирательно покрываться путем захвата молекулами или биомолекулами с помощью электрохимического процесса [патент США 7416911 B2]. Возможно также иммобилизовать биомолекулы, в том числе молекулы ДНК или антител, на электроде из золота Au, где связующими служат группы тиола -SH. Аналогом является устройство и метод по патенту США US10254223В2. Согласно аналогу, на поверхности пластины-подложки находится молекулярная проба, где на указанную пробу действует излучение от внешнего источника света, возбуждающее флуоресцентное излучение молекул, которое воспринимается многоэлементным детектором. Аналогом является устройство по патенту США 20170141477 А1. Согласно аналогу, на поверхности подложки находится молекулярная проба в виде биологического нано- или мета-материала, где на указанную пробу падает электромагнитная волна от внешнего источника, причем падающая волна отражается со сдвигом фазы от указанной поверхности, покрытой указанным материалом. Для усиления, оптимизации и резонансной настройки отражения волны на указанной поверхности имеются периодическая неоднородная структура, а также подключение к внешней пассивной электронной системе с конденсатором переменной емкости. Аналогом является также устройство по патенту WO2017011940A1. Согласно аналогу, на поверхности подложки находится молекулярная проба в виде пленки, полученной дегидратацией раствора, в который внесены наночастицы из золота. На указанную пробу падает электромагнитная волна ТГц диапазона частот от внешнего источника, сигналы, вышедшие в разные моменты времени из разных точек указанной пленки, соответствующие прошедшим или отраженным волнам со сдвигами частоты, воспринимаются секционированными детекторами. Наночастицы усиливают электромагнитную волну в точках, что приводит к усилению сигналов облучения детекторов. Патенты США 10036064В2, 7947485В2, 9725753В2 являются аналогами, в которых протекает туннельный ток или конвекционный ток в зазоре между электродами, в котором имеются молекулы. Аналог по патенту США 0067530 A1 основан на измерении электрического сопротивления полупроводникового материала, наноструктурированного совместно с биомолекулярным материалом, причем сопротивление модулируется конформационным состоянием биомолекул. Устройство-аналог WO2004048962A1 содержит датчик в виде полевого транзистора для обнаружения в том числе единичных биомолекул, и включает управляемый полупроводниковый переключатель для изменения состояния канала. В устройстве-аналоге по патенту США 0080962 А1 использована способность каналов полевых транзисторов в виде полупроводниковых нанопроводов служить высокочувствительными датчиками для биоматериалов, включая небольшие молекулы, белки и нуклеиновые кислоты. Наномасштабное измерение тока канала в соответствии с большим отношением площади поверхности к объему позволяет заряженным молекулам, связанным с поверхностью, более эффективно изменять потенциал затвора устройства. В аналоге по патенту США 7923240 B2, повышение чувствительности достигается дополнительным активированием вещества пробы через присоединенные к ней маркеры. Добавлено внешнее устройство облучения светом, за счет чего объединены принципы фото индуцированного разделения заряда и приемника-датчика в виде полевого транзистора. Согласно описанию патента США 7923240 B2, устройство-аналог представляет собой биомолекулярный микроэлектронный сенсор, содержащий высокочастотный генератор, рабочий объем которого подключен к входу тракта передачи электромагнитного излучения, интерфейс в виде твердотельной электропроводящей пластины с первой и второй поверхностями, биомолекулярную пробу, примыкающую к указанной первой поверхности, находящейся в зоне облучения из указанного тракта передачи активирующего электромагнитного излучения, детекторную систему, воспринимающую электромагнитное излучение с пространственным и амплитудным разрешением.

Общим недостатком аналогов являются ограниченные функциональность, быстродействие и чувствительность микроэлектронного прибора, обусловленные пространственной открытостью поверхностной системы молекулярного покрытия, полей, токов и зарядов во внешний объем. Имеются аналоги в виде интегральные микросхемы с внутренними изолированными полостями. В таких известных аналогах поверхностные состояния электронных элементов интегральных микросхем дополнены тем, что в полупроводниковой подложке имеются объемные незаполненные активным наноматериалом технологические полости, с помощью которых осуществляют перераспределение тепла и механических напряжений, а также электрическую изоляцию элементов. Устройства - аналоги по патентам США 10086370 B2, Тайваня TWI722629B и Корейской Республики KR101680980B1 содержат в полупроводниковой подложке микроканалы с охлаждающей жидкостью, встроенные в микроэлектронную схему для отвода тепла во время работы. Устройство-аналог по патенту Тайваня TWI719982В (Cavity formation in semiconductor devices) содержит изолирующую, защищающую от механических перенапряжений и охлаждающую полость непосредственно под каналом интегрального полевого транзистора. 1Аналоги по патенту США 7253479 B2 (SEMICONDUCTOR DEVICE WITH CAVITY AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF), согласно которому полупроводниковое устройство снабжено подложкой с полостью внутри, причем подложка содержит область формирования устройства, расположенную над полостью, и множество каналов, образованных в подложке для связи с полостью и окружением области формирования устройства, и оксидную пленку, образованную вокруг каждого из каналов, непрерывно окружающую область формирования устройства. Полость осуществляет электрическую изоляцию элементов устройства, расположенных на подложке, но не имеет функционального назначения и применения в обработке сигналов и электрического взаимодействия с указанной областью формирования устройства, расположенную над полостью. Общим недостатков аналогов с объемными полостями в подложке является ограниченная эффективность из-за того, что прибор содержит сложное громоздкое устройство для прокачки потока газа или жидкости в полостях, но в полостях не производятся функциональные операции, например, обработка данных. В полостях отсутствуют наноматериалы с функцией обработки сигналов, а также в подложке не созданы функциональные каналы передачи данных между полостями и поверхностными элементами. Подобная функциональная связь реализована в прототипе данного изобретения. Прототипом является устройство по патенту США US 11.107,884 B2 (SEALED CAVITY STRUCTURES WITH A PLANAR SURFACE, 2021 год), которое относится к полупроводниковым микросхемам с герметичными полостями в подложке, имеющими плоскую поверхность, и способам изготовления. Структура включает в себя не менее, чем одну локальную изолированную полость, образованную в материале подложки в виде пустой каверны, не заполненной хотя бы частично каким-либо веществом, а также плоскую перегородку, отделяющую полость от поверхностных элементов. Допускается проникновение электрического сигнала сквозь указанную перегородку. Недостатки прототипа: ограниченная функциональность устройства по отношению к преобразованию электрических сигналов, к генерации и усилению электромагнитного поля в полости и на поверхности, что обусловлено отсутствием активного функционального вещества для обработки данных в объемной полости, неопределенностью зарядов и токов, а также системы их активирования, размеров полостей и их пространственного распределения, соответствующие требуемой функциональности при заполнении активным наноматериалом.

Недостатки прототипа устранены в предлагаемом изобретении. Новизна предлагаемого решения основана на применении конструктивных решений и технологий, которые ранее не использовались в интегральных микроэлектронных схемах.

На Фиг.1 приведено схематическое изображение устройства «Полупроводниковая интегральная микросхема с встроенным молекулярным доменом» (поперечное сечение) с примерами элементов конструкции: 1 - полупроводниковая подложка в виде плоской тонкой пластины; 2 - поверхностные интегральные электронные элементы на подложке; 3 - микрополости с сигнальными оптическими волноводами; 4 - микрополости с сигнальными электромагнитными и акустическими волноводами; 5 - микрополости с сигнальными электропроводящими каналами. Поставленная задача изобретения решена в вариантах конструкции устройства, охарактеризованных в Формуле изобретения.

Согласно Формуле, полупроводниковая интегральная микросхема, содержащая интегральные электронные элементы на поверхности полупроводниковой подложки и встроенные полости в объеме указанной подложки, отличается тем, что хотя бы одна указанная полость содержит молекулярный наноматериал, имеющий минимальный характерный размер l_m периодической пространственной структуры в указанном наноматериале, причем указанная полость имеет хотя бы в одном измерении микроскопический индивидуальный размер l в пределах (Nl_m) ≤ l ≤ L, где коэффициент N=1,2,3,.. равен количеству периодов структуры наноматериала в указанном измерении, L – наибольший допустимый размер l, определенный допустимыми размерами указанной микросхемы.

В Формуле изобретения заявляется устройство, отличающееся тем, что хотя бы одна встроенная микрополость соединена хотя бы с одним поверхностным интегральным электронным элементом не менее, чем одним микроскопическим электропроводящим каналом, расположенным преимущественно в объеме полупроводниковой подложки. Указанным электромагнитным волноводом может служить сигнальный канал в полупроводниковой подложке, пустой или заполненный молекулярным наноматериалом, причем длина волны λ в таком заполненном волноводе значительно меньше размера микрополости, .

В Формуле изобретения заявляется устройство, отличающееся тем, что хотя бы одна встроенная микрополость соединена хотя бы с одним поверхностным интегральным электронным элементом не менее чем одним микроскопическим акустическим волноводом. Указанным акустическим волноводом может служить сигнальный канал в полупроводниковой подложке, пустой или заполненный активным в гиперзвуковом диапазоне материалом, например, металлом или керамикой, причем длина акустической волны λ в таком заполненном волноводе значительно меньше размера микрополости, .

В отличие от известных аналогов и прототипа, в заявляемом устройстве определены размеры и пространственное распределение полупроводниковых микрополостей в подложке, хотя бы в часть из них помещен хотя бы частично заполняющий полость активный молекулярный наноматериал в виде единичных молекул, биомолекул или их комплексов (варианты), причем к этому наноматериалу подключена система прямого энергетического активирования и обмена данными по каналам электрической связи и электромагнитным волноводам, в том числе оптическим, а также акустическим волноводам, с интегральными элементами, находящимися на поверхности полупроводниковой подложки. По своим функциональным свойствам микрополость с молекулярным наноматериалом в ней представляет собой квантовый домен (КДом), или квантовую систему, объединенную посредством сигнальных каналов с классической системой, которую представляет собой интегральная полупроводниковая микросхема. Благодаря этому объединению, создается архитектура гетерогенного гибридного гиперэлектронного прибора, обладающего принципиально новыми выдающимися функциональными возможностями, включающими обработку баз данных in situ, аналоговый компьютинг, нейронное физическое моделирование.

Достижение заявляемого положительного эффекта обусловлено тем, что заполненная указанным образом полость служит функционально активным молекулярным, в том числе биомолекулярным, элементом устройства, выполняющим функции устройства оперативной памяти, преобразователя сигналов, переключателя и т.п. Свойства молекулярного, и особенно биомолекулярного, наноматериала, в том числе метаматериала, позволяют обеспечить многофункциональные состояния КДом при значении параметра l_m порядка 1 нм и выше и максимальном значении параметра L не менее 10³-10⁵ нм. Такие значения параметра L допустимы практически для любых микросхем, поскольку типичная толщина полупроводниковой подложки обычно не менее 400 мкм. Полупроводниковая микрополость является фундаментальным квантовым объектом, в котором может происходить активное взаимодействие вещества и электромагнитного поля [The Physics of Semiconductor Microcavities: From Fundamentals to Nanoscale Devices. Editor Benoit Deveaud. ISBN:9783527405619, 2007, Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA]. Типичный функциональный размер незаполненной полупроводниковой квантовой микрополости в активном состоянии составляет порядка 1 мкм, что определяется характерной длиной волны оптического излучения. При заполнении наноматериалом длина волны уменьшается, и этот размер может быть сокращен до 1-100 нм. Наноматериал является активной материальной средой, обеспечивающей многофакторное активное функциональное взаимодействие вещества и поля. При N>1 такой наноматериал представлен в том числе квазипериодическим одномерным, двумерным и трехмерным метаматериалом, обеспечивающим высокую функциональную эффективность. Такие наноматериалы, в том числе метаматериалы, могут быть изготовлены из природных или синтетических аминокислот, пептидов и белков, в том числе бактериородопсин, ротаксаны, хироптицен, ДНК и других путем применения известных технологий формирования биомолекулярных гелей, пленок, кристаллов, наночастиц и их комплексов. Внутри объемной структуры КДом могут находиться неоднородности типа квантовых точек. Работу предлагаемого устройства рассмотрим на конкретных примерах реализации конструкции и рабочих режимов.

Устройство работает следующим образом.

В полупроводниковой микрополости, заполненной хотя бы частично наноматериалом, в том числе метаматериалом, реализуется активное фундаментальное квантовое взаимодействие электромагнитной волны с веществом. В соответствии с фундаментальными законами классической и квантовой электродинамики, заряды, токи, электромагнитное и акустическое поля, находящиеся в наноматериале, в том числе метаматериале, в полости, индуцируют соответственно заряды, токи, электромагнитное и акустическое поля в окружающей среде полупроводниковой подложки. Индуцированные и возбужденные агенты в подложке вне полости воздействуют на поверхностные электронные элементы микросхемы, тем самым создают и преобразуют в них полезные сигналы. Электромагнитное и акустическое поля и электроны проводимости в подложке рассеиваются на внутренней поверхности полости при падении на эту поверхность изнутри подложки, передавая свою энергию молекулам, примыкающим изнутри к стенкам полости. Горячие электроны проводимости переходят из объема подложки на молекулярные орбитали контактирующих молекул, и за счет этого происходит эффективный энергетический обмен. В результате активирования в полости возникают резонансные молекулярные колебания, возбуждающие в наноматериале протекание токов, акустические волны преимущественно в гиперзвуковом диапазоне, а также электромагнитные волны преимущественно в видимом, инфракрасном, и микроволновом диапазонах. При движении возбужденных зарядов в объеме полости часть этих зарядов неупруго рассеивается на внутренней поверхности, передавая энергию электронам проводимости, находящимся в объеме подложки вне полости. В соответствии с изложенными в данном параграфе фундаментальными физическими принципами, в полостном наноматериале реализуется обработка данных в аналоговой или цифровой форме.

Устройство работает таким образом, что по электропроводящему каналу, электромагнитному, в том числе оптическому, и акустическому каналам происходит обмен сигналами и энергетическими потоками между КДом в полостях и поверхностными электронными элементами микросхемы, тем самым целенаправленно создают и преобразуют в них полезные сигналы. Сигналы производят передачу данных в объем микрополости и обратно в поверхностные электронные элементы микросхемы.

При заполнении каналов наноматериалом движение носителей заряда представлено не только обычным конвекционным током проводимости, но также током смещения, переносами по молекулярным орбиталям, туннелированием и прыжковыми переносами.

В предложенном конструктивном решении реализуется вариант гетерогенной интеграции, определяющей структурную, динамическую и функциональную связи классических полупроводниковых микросхем с сугубо квантовыми биомолекулярными, биологическими и био-инспирированными системами.

Гетерогенная интегрированная конфигурация в заявляемом устройстве в целом может быть реализована в виде физической модели нейрона, архитектура которого представлена молекулярным КДом (дендриты) совместно с каналом связи (аксон) и поверхностным элементом (синапс).

В предельном случае может быть реализована сеть большого количества квантовых доменов в виде нейронной сети, а также распределенной памяти, фильтров, усилителей, переключателей и других функциональных модулей, созданных каналами, подключенными к системе поверхностных электронных элементов полупроводниковой микросхемы. Гибридная полупроводниковая интегральная микросхема с встроенными молекулярными квантовыми доменами и сетью нанотелекоммуникации может быть создана с помощью специальным образом модифицированного единого технологического цикла и оборудования, применяемого в современном производстве микроэлектроники.

Согласно предлагаемому изобретению, суммарный положительный эффект от применения вариантов конструкции заключается в том, что повышаются функциональность, быстродействие, чувствительность и другие характеристики интегральной полупроводниковой микросхемы.

Изобретение относится к гетерогенным гибридным полупроводниковым электронным интегральным микросхемам. В отличие от известных, в данном устройстве молекулярные, в том числе биомолекулярные, компоненты встроены в объемные микрополости в полупроводниковой подложке микросхемы и образуют квантовые домены. Реализуется новая архитектура, в которой классическая система (интегральная микросхема) функционально связана с сугубо квантовой (биомолекулярный домен). Суммарный технический результат от реализации вариантов конструкции и способов эксплуатации заключается в том, что повышаются функциональность, быстродействие, чувствительность. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Полупроводниковая интегральная микросхема, содержащая интегральные электронные элементы на поверхности полупроводниковой подложки и встроенные полости в объеме указанной подложки, отличающаяся тем, что хотя бы одна указанная полость содержит молекулярный наноматериал, имеющий минимальный характерный размер l_m периодической пространственной структуры, причем указанная полость имеет хотя бы в одном измерении микроскопический индивидуальный размер l в пределах , где коэффициент N=1,2,3,.. равен количеству периодов структуры наноматериала в указанном измерении, L – наибольший размер l, определенный допустимыми размерами указанной микросхемы.

2. Полупроводниковая интегральная микросхема по п.1, отличающаяся тем, что хотя бы одна встроенная микрополость соединена хотя бы с одним поверхностным интегральным электронным элементом не менее чем одним микроскопическим электропроводящим каналом, расположенным преимущественно в объеме полупроводниковой подложки.

3. Полупроводниковая интегральная микросхема по п.1, отличающаяся тем, что хотя бы одна встроенная микрополость соединена хотя бы с одним поверхностным интегральным электронным элементом не менее чем одним микроскопическим акустическим волноводом.