KR100758822B1 - Highly sensitive field effect transistor type bio sensor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술에 의한 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 단면을 도시한 도면이다. 1 is a cross-sectional view of a field effect transistor type biosensor according to the prior art.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서를 도시한 평면도이다.2 is a plan view illustrating a field effect transistor type biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 소스(201)와 드레인(202)사이 채널 폭(W) 방향으로의 단면을 도시한 도면이다.3 is a cross-sectional view in the direction of the channel width W between the
도 4는 마이크로 스탬프(stamp)에 의한 임프린트(imprint) 공정을 사용하여 반도체 회로 기판에 요철을 형성하는 과정을 도시한 도면이다.FIG. 4 is a view illustrating a process of forming irregularities on a semiconductor circuit board using an imprint process using a micro stamp.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터의 기판 상에 형성할 수 있는 요철부의 다양한 형상을 예시적으로 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating various shapes of an uneven portion that may be formed on a substrate of the field effect transistor according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
101: 반도체 기판 108: 기준전극 101: semiconductor substrate 108: reference electrode
201: 소스영역(source region) 202: 드레인영역(drain region) 201: source region 202: drain region
203: 게이트 절연막 204: 게이트 전극 203: gate insulating film 204: gate electrode
430: 마이크로 스탬프 430: micro stamp
본 발명은 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 기판의 형상을 구조적으로 변경하여 소자의 구동 전류 및 바이오 감지 타겟 물질과의 물리적 접촉 면적을 증가시키고 전기적 성능을 향상시킨 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a field effect transistor type biosensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to structurally change the shape of a semiconductor substrate to increase the driving current of the device and the physical contact area with the bio-sensing target material and improve electrical performance. The present invention relates to an improved field effect transistor type biosensor and a method of manufacturing the same.
바이오센서라 함은, 효소·항체 등 생물체의 기능물질 또는 미생물 등 생물체가 특정 물질과 예민하게 반응하는 생물 감지 기능을 이용하여, 시료에 함유되어 있는 화학물질(특히 복잡한 유기화합물)을 선택적으로 검출·계측하는데 사용되는 화학센서를 말한다. 바이오센서는 생체물질만이 가진 분자간 선택적 반응성을 이용하여 다양한 생리활성 물질의 농도를 신속하게 정량화 할 수 있는 센서로 생체물질과 기존의 물리, 화학 및 광학적 신호 변환기(transducer)를 조합한 소형의 분석적 바이오 전자 도구이며, 각종 생화학 반응으로부터 전기적 신호를 유발하기 위해 바이오 칩 기술이 가장 먼저 적용된 분야이다.Biosensors selectively detect chemicals (especially complex organic compounds) contained in a sample by using a biological sensing function in which a living organism reacts sensitively to a specific substance such as an enzyme or an antibody, or a microorganism. A chemical sensor used for measurement. The biosensor is a sensor that can quickly quantify the concentration of various bioactive substances by using the intermolecular selective reactivity of the biomaterial alone, and it is a small analytical combination of the biomaterial and the conventional physical, chemical and optical signal transducers. It is a bioelectronic tool, and biochip technology is the first to apply electrical signals from various biochemical reactions.
일반적인 분석 방법과 비교해 볼 때 바이오 센서를 이용한 분석 방법이 가지는 가장 큰 장점은 시료에 약품을 처리하는 등의 복잡한 처리 과정을 거치지 않으면서 쉽게 빨리 분석할 수 있다는 점이다. 이를 위해서는 분석 물질과 반응하는 생체 물질이 수용기 내에 고정(immobilization)되어 있어야 한다. 고분자 막 (polymer membrane)이나 졸-겔 막(sol-gel membrane)내에 분자량이 큰 생체 물질을 가두거나 생체 물질을 화학 결합으로 고체 기질(solid substrate)위에 고정하는 방법이 사용되고 있다.The biggest advantage of analytical methods using biosensors compared to conventional analytical methods is that they can be analyzed quickly and easily without going through a complex process such as processing a sample. This requires that the biological material reacting with the analyte be immobilized in the receptor. A method of confining a large molecular weight biomaterial in a polymer membrane or a sol-gel membrane or fixing the biomaterial on a solid substrate by chemical bonding is used.
최초의 바이오센서는 1962년 Clark이 포도당 측정을 위해 투석 막을 이용하여 제작한 Glucose 센서로 알려져 있으며, 초창기에는 효소를 신호변환소자에 고정하여 제작한 것이 대부분이었으나, 최근에는 분자생물학의 급속한 발달과 더불어 단일클론 항체나 항체-효소 결합체 등을 사용하여 제작한 센서들이 개발되어 사용되고 있다. 또한 대량의 유전정보를 초고속으로 처리하기 위한 DNA칩 및 단백질 칩과 같은 칩 센서에 대한 개발 연구들이 활기를 띠고 있으며, 분자생물학기술, 나노 기술 및 정보통신기술들이 융합된 첨단 센서들의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.The first biosensor was known as a Glucose sensor manufactured by Clark using a dialysis membrane to measure glucose in 1962. In the early days, most enzymes were immobilized on a signal transduction device, but recently, with the rapid development of molecular biology, Sensors manufactured using monoclonal antibodies or antibody-enzyme conjugates have been developed and used. In addition, research on the development of chip sensors such as DNA chips and protein chips for processing a large amount of genetic information at high speed is encouraging, and many efforts are being made to develop advanced sensors incorporating molecular biology technology, nanotechnology and information and communication technology. This is concentrated.
특정한 물질에만 선택적으로 반응하는 생체물질을 이용하여 그 특정한 물질을 측정하고자 제작되는 바이오센서는 여러 가지 다른 종류의 물리, 화학센서에서는 볼 수 없는 장점들을 가지고 있다. 그러나 생체물질 자체의 불안정성으로 인하여 측정을 거듭할수록 활성이 저하되므로 자주 감지막을 교체해야 하는 불편함이 있었다. 최근에는 후막소자 제작기술이 도입됨으로써 낮은 생산원가로 대량생산이 가능해져 아예 센서를 일회용으로 취급하여 측정기 본체에 장착하여 한번의 측정이 끝나면 버리는 제품들이 등장하였고, 이러한 일회용 바이오센서 개념이 일정부분 바이오센서의 제품개발 방향성을 끌고 가고 있는 실정이다.Biosensors designed to measure specific materials using biomaterials that selectively react only with specific materials have advantages not found in many other types of physical and chemical sensors. However, due to the instability of the biomaterial itself, the activity decreases with repeated measurements, and thus there is an inconvenience of frequently replacing the sensing film. Recently, due to the introduction of thick film device manufacturing technology, mass production is possible at low production cost, and products that treat the sensor as a single-use and attach it to the main body of the measuring machine are discarded after one measurement. The situation is leading the direction of product development of the sensor.
전계효과 트랜지스터형 바이오센서란 반도체집적회로공정과 같은 미세가공기 술에 의하여 제조되는 초소형으로서 전계효과 트랜지스터(field-effect transistor)와 같은 원리에 의하여 동작하는 센서를 총칭한다. 전계효과 트랜지스터형 센서는 신소재기술, 정교한 미세가공기술, 전자회로집적기술, 인공지능기술 등과 같은 첨단기술과 접목되어 제조되는 것으로서 센서의 초소형화, 다차원화, 다기능화, 지능화, 시스템화 등에 많은 장점을 가지고 있다. 전계효과 트랜지스터형 바이오센서는 단일 칩 상에 많은 센서소자를 집적할 수 있고, 여러 개의 같은 종류의 센서를 배열함으로써 다차원화하고, 여러 가지 종류의 센서를 함께 집적함으로써 다기능화하며, 지능회로와 함께 집적함으로써 지능화하고, 관련회로나 장치들을 함께 집적함으로써 시스템화 할 수 있어서 최첨단센서로서 크게 각광을 받고 있다. A field effect transistor type biosensor is a microminiature manufactured by a microfabrication technique such as a semiconductor integrated circuit process and refers to a sensor that operates on the same principle as a field-effect transistor. Field effect transistor type sensors are manufactured in combination with advanced technologies such as new material technology, sophisticated microfabrication technology, electronic circuit integration technology, and artificial intelligence technology, and have many advantages such as miniaturization, multidimensionalization, multifunction, intelligence, and systemization of the sensor. Have. Field-effect transistor-type biosensors can integrate many sensor elements on a single chip, multidimensional by arranging several same types of sensors, multifunctional by integrating different types of sensors together, and with intelligent circuits. It is becoming very popular as a state-of-the-art sensor because it can be intelligent by integration and systemized by integrating related circuits and devices together.
전계 효과 트랜지스터를 사용하여, 생물학적 반응을 측정하는 것의 원천특허로 1980년 출원된 미국특허 제 4,238, 757호가 있다. 이는 항원(antigen)-항체(antibody) 반응을 표면 전하 밀도(surface charge concentration) 변화로 인한 반도체 inversion 층의 변화를 전류로 측정하는 바이오 센서에 관한 것으로 바이오 분자 중 단백질(protein)을 권리 범위에 포함시켰다. 1986년에 출원된 미국 특허 제 4,777,019호는 바이오 단량체(biological monomers)를 게이트 표면에 흡착시켜 상보적인(complementary) 단량체와의 혼성화(hybridization) 정도를 전계 효과 트랜지스터로 측정하는 것이다. 그 뒤, 1998년 출원된 미국 특허 제 5,846,708호는 CCD(charged coupled device)를 사용하여 결합된 바이오 분자에 의한 흡광 현상으로 혼성화 여부를 측정하는 방법을 개시하였다. 그리고, 미국 특허 제 5,466,348호 및 제 6,203,981호에서는 TFT(thin film transistor)를 사용하며, 회로를 접목 시켜 신호 대 잡음비(S.N ratio)를 향상시키는 내용을 개시하였다. TFT를 사용하는 경우, 실리콘 기판에 형성시키는 트랜지스터에 비해 비용을 줄일 수 있으며, 기판 면적을 크게 하여 집적도를 향상시킨 어레이 형태의 칩을 제작할 수 있는 장점이 있다. US Patent No. 4,238,757, filed in 1980, is a source patent for measuring biological responses using field effect transistors. It relates to a biosensor that measures the antigen-antibody reaction as a change in the semiconductor inversion layer due to a change in surface charge concentration, which includes proteins in the biomolecule. I was. U.S. Patent No. 4,777,019, filed in 1986, adsorbs bio monomers onto a gate surface to measure the degree of hybridization with complementary monomers with a field effect transistor. Subsequently, U.S. Patent No. 5,846,708, filed in 1998, discloses a method of measuring hybridization by absorbance by a bound biomolecule using a charged coupled device (CCD). In addition, US Pat. Nos. 5,466,348 and 6,203,981 disclose a description of using a thin film transistor (TFT) and incorporating a circuit to improve a signal-to-noise ratio (S.N ratio). In the case of using the TFT, the cost can be reduced compared to the transistor formed on the silicon substrate, and there is an advantage in that an array type chip can be manufactured in which the integration degree is improved by increasing the substrate area.
도 1은 종래 기술에 의한 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 단면을 도시한 도면이다. 1 is a cross-sectional view of a field effect transistor type biosensor according to the prior art.
도 1를 참조하면, 종래의 전계효과 트랜지스터형 바이오센서는 기판(substrate)(101)과 소스(source) 영역(102), 드레인(drain) 영역(103), 게이트(107)으로 구성된 4개의 터미널과 금속배선들로 구성되어 있다. 여기서 일반적인 전계 효과 트랜지스터는 상기 4개의 모든 터미널은 측정회로에 연결되어 전기 신호를 주고 받으며 측정회로에 의해 통제된다. 일반적인 전계효과 트랜지스터의 게이트가 절연성을 가지는 보호막으로 보호되는 것과는 달리, 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 게이트 표면은 또한 측정하고자 하는 물질 즉, 액체시료와 반응하는 바이오 감지막(106)이 적층되어 측정회로에 직접 연결할 수 없는 근본적인 차이점을 가지고 있다. 이러한 이유로 전계효과 트랜지스터형 센서를 정상적으로 사용하기 위해 측정용 시료 용액에 기준 전극(108)을 함께 함침(impregnated)시키고 측정회로에 연결하여 전계효과 트랜지스터형 센서의 게이트 전압을 인가하는 방법이 일반적으로 사용된다.Referring to FIG. 1, a conventional field effect transistor type biosensor has four terminals including a
이와 같은 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서를 사용하는 경우에는 종래의 방식에 비해 비용 및 시간이 적게 들고, IC(integrated circuit)/MEMS 공정과의 접 목이 용이하다는 점에서 큰 장점을 지니고 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서는 실제 실험 시 낮은 S/N 비를 나타내어 재현성 및 그 정확도가 낮은 커다란 단점을 지니고 있다. The use of such a field effect transistor type biosensor has a great advantage in that it costs less time and time than in the conventional method and is easy to integrate with an integrated circuit (ICS) / MEMS process. However, such a conventional field effect transistor type biosensor exhibits a low S / N ratio in actual experiments and has a large disadvantage of low reproducibility and accuracy.
기준 전극(reference electrode)(108)을 사용하는 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서는 기본적인 동작 원리 상 소스(102)와 기준 전극(108) 및 드레인(103)과 기준 전극(108) 사이에 전기적 퍼텐셜(electric potential)에 차이가 있다. 그 전기장(electric field)의 영향으로 동전기력(electro-kinetic force)에 의하여 하전된 바이오 분자들은 소스(102) 및 드레인(103)사이의 게이트(107)상에 일정하게 분포하지 않고, 위치에 따른 분포도가 틀리게 된다. 예를 들어 음전하를 가지고 있는 DNA를 p형 전계 효과 트랜지스터를 사용하여 프로브(probe) DNA의 고정화율 또는 타겟 DNA의 혼성화 정도를 측정시, 소스(102)와 기준 전극(108)사이의 상대적으로 강한 전기장의 영향으로 소스와 가까운 부분의 게이트(107) 상에 프로브 DNA의 고정화율 및 타켓 DNA의 혼성화율이 높게 된다. 이에 따라 게이트 표면에 부착된 바이오 분자의 하전 밀도(charge density)는 전계 효과 트랜지스터형 바이오 센서의 전류 변화에 직접적인 영향을 주게 된다. 이와 같이 게이트 상의 하전 밀도는 그 위치에 따라 달라지게 되므로, 게이트를 구조적으로 개선하여 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 신호 대 잡음비를 높이는 방법이 요구된다.A field effect transistor type biosensor using a
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 반도체 기판의 형상을 구조적으로 개선하여 소자의 구동 전류 및 바이오 감지 타겟 물질과 의 물리적 접촉 면적을 증가시키고 전기적 성능을 향상시킨 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to improve the prior art as described above, the structure of the semiconductor substrate to improve the field effect transistor to increase the drive current and physical contact area of the device and the bio-sensing target material structurally to improve the electrical performance An object of the present invention is to provide a type biosensor and a method of manufacturing the same.
본 발명의 또 다른 목적은, 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서에 전기적으로 안정적인 게이트 기준 전압을 제공하여 출력신호의 신뢰성을 높이는 것을 목적으로 한다.Still another object of the present invention is to provide an electrically stable gate reference voltage to the field effect transistor type biosensor to increase the reliability of the output signal.
본 발명의 또 다른 목적은, 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 반도체 기판 형상의 구조적 개선하여 전기적 성능의 향상을 통해 높은 S/N(신호 대 잡음비) 비를 구현하여 재현성 및 그 정확도를 높이는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to improve the reproducibility and accuracy by implementing a high signal-to-noise ratio (S / N) ratio through structural improvement of the shape of the semiconductor substrate of the field effect transistor type biosensor to improve electrical performance. do.
본 발명은 상기의 목적을 이루고 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 반도체 기판 위에 적층된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 위에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 절연막과 접촉하며 양측에 형성된 소스 및 드레인 영역; 및 상기 게이트 전극 위에 형성된 바이오 감지막을 포함하는 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서에 있어서, 상기 반도체 기판은 선정된(predetermined) 하나 이상의 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서를 제공한다.The present invention to achieve the above object and to solve the problems of the prior art, the present invention is a gate insulating film stacked on a semiconductor substrate; A gate electrode formed on the gate insulating film; Source and drain regions in contact with the gate insulating layer and formed at both sides thereof; And a bio-sensing film formed on the gate electrode, wherein the semiconductor substrate provides a field-effect transistor-type biosensor, wherein at least one predetermined portion is formed.
본 발명의 일측에 따르면, 반도체 기판 위에 게이트 절연막을 적층하는 단계; 상기 게이트 절연막 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막과 접촉하며 양측에 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 전극 위에 바이오 감지막을 형성하는 단계를 포함하는 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 제조방법에 있어서, 선정된(predetermined) 하나 이상의 요철부를 상기 반도체 기판에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 제조방법을 제공한다.According to one aspect of the invention, the step of stacking a gate insulating film on a semiconductor substrate; Forming a gate electrode on the gate insulating film; Contacting the gate insulating layer to form source and drain regions on both sides; And forming a biosensor film on the gate electrode, wherein the field effect transistor type biosensor comprises forming a predetermined one or more uneven portions on the semiconductor substrate. Provided is a method of manufacturing an effect transistor type biosensor.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서를 도시한 평면도이다.2 is a plan view illustrating a field effect transistor type biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서는 요철부가 형성된 기판 위에 형성되며, 게이트 절연막(203), 게이트 전극(204), 소스 전극(201), 드레인 전극(202), 바이오 감지막을 구비한다. Referring to FIG. 2, a field effect transistor type biosensor is formed on a substrate on which an uneven portion is formed, and includes a
상기 기판의 요철부 상에 게이트 절연막(203)과 게이트 전극(204)이 순차적으로 형성되는데, 상기 게이트 전극(204)은 쉐도우 마스크를 이용하여 기판의 요철부 상의 원하는 위치에만 증착한다. 또한, 상기 게이트 절연막(203)은 고유전율의 무기물 절연 물질을 상기 게이트 전극이 형성된 기판 상의 전면에 증착시킴으로써 형성된다.The
상기 기판은 실리콘 그 자체로 이루어지거나, 절연체 위에 상기 실리콘을 더 증착하여 형성(SOI; silicon on a insulator)할 수도 있다.The substrate may be made of silicon itself, or may be formed by further depositing silicon on an insulator (SOI).
도 3은 소스(201)와 드레인(202)사이 채널 폭(W) 방향으로의 단면을 도시한 도면이다.3 is a cross-sectional view in the direction of the channel width W between the
도 3을 참조하면, 마이크로 스탬프에 의한 선정된 형상이 형성된 반도체 기판에 차례로 게이트 절연막(203), 게이트 전극(204)이 형성되고, 게이트 절연막, 게이트 전극이 형성된 반도체 기판(301)에 바이오 감지막(302)이 적층되어 있다.Referring to FIG. 3, a
바이오 감지막(302)은 DNA, RNA 또는 단백질 등의 생체 분자 인식 물질을 감지할 수 있는 막으로 구성되며, 상기 게이트 영역의 상부에 증착하여 형성되도록 한다.The
전계 효과 트랜지스터에 있어서, 게이트의 폭(W: width)과 길이(L: length)의 비가 소자의 전기적 특성(I-V characteristic)을 결정하는 중요한 요소로 작용한다. 따라서, 게이트의 폭(W) 또는 길이(L)가 상호 다르더라도 W/L 비가 같은 경우에는 동일한 전기적 특성을 나타내게 된다. 전계 효과 트랜지스터의 포화 영역 전류(saturation current)는 하기된 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.In the field effect transistor, the ratio of the width (W) of the gate to the length (L) of the gate serves as an important factor in determining the I-V characteristic of the device. Therefore, even if the widths W and lengths L of the gates are different from each other, the same electrical characteristics are exhibited when the W / L ratios are the same. The saturation region current of the field effect transistor can be calculated by Equation 1 below.
상기 수학식 1에서 ISD 는 소스-드레인 전류이며, μ는 전하 이동도(mobility)이며, C0는 산화막의 정전용량(capacitance)이고, W 는 채널 폭이고, L은 채널 길이이고, VG는 게이트 전압이며, VT는 문턱 전압(threshold voltage)이다. In Equation 1, ISD is source-drain current, μ is charge mobility, C0 is capacitance of oxide, W is channel width, L is channel length, and VG is gate voltage. And VT is the threshold voltage.
상기 수학식 1로부터, 소스-드레인 전류 ISD 는 전계 효과 트랜지스터의 구조적 요인과 밀접한 관련이 있으며, 전계 효과 트랜지스터에서 W/L 의 값을 크게 함으로써 소스-드레인 전류 ISD 를 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.From Equation 1, it can be seen that the source-drain current ISD is closely related to the structural factors of the field effect transistor, and the source-drain current ISD can be increased by increasing the value of W / L in the field effect transistor. .
도 2 및 도 3을 참조하면, 소스(201)와 드레인(202) 사이에 형성된 게이트 절연막(203) 및 게이트 전극(204)이 기판의 요철 형상을 따라 형성된 결과, 종래의 기판 상에 형성되는 전계 효과 트랜지스터보다는 본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터는 채널의 폭(W)을 증가시킬 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터는 종래의 전계 효과 트랜지스터보다 W/L의 비를 증가시킬 수 있게 되고, 상기 수학식 1에서 상술한 바와 같이 트랜지스터의 ON 동작 때의 구동 전류도 증가시킬 수 있게 된다. 2 and 3, as a result of forming the
전계 효과 트랜지스터형 바이오센서는 일반적은 MOSFET(metal oxide silicon field effect transistor)와 같이 채널(channel)의 종류에 따라 p-type과 n-type으로 나누어진다. 그 중에 음전하로 하전된 바이오 분자(negatively charged biomolecule)을 측정하는 경우에는 p-type 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서를 사용하면 제1 불순물 영역인 소스에 비해 기준 전극에 네가티브(negative) 바이어스를 걸어줌으로써 프로브와 타겟 바이오 분자의 결합을 유도할 수 있다. 따라서, 음전하로 하전된 바이오 분자와 p-type 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서에 적용될 뿐 아니라, 양전하로 하전된 바이오 분자의 n-type 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 경우에도 동일하게 적용시킬 수 있다. Field effect transistor type biosensors are generally divided into p-type and n-type according to the type of channels, such as MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor). In the case of measuring negatively charged biomolecules, a p-type field effect transistor type biosensor is used to apply a negative bias to a reference electrode relative to a source, which is a first impurity region. And the binding of the target biomolecule. Therefore, not only the negatively charged biomolecule and the p-type field effect transistor type biosensor, but also the same may be applied to the n-type field effect transistor type biosensor of the positively charged biomolecule.
도 4는 마이크로 스탬프(stamp)에 의한 임프린트(imprint) 공정을 사용하여 반도체 회로 기판에 요철을 형성하는 과정을 도시한 도면이다.FIG. 4 is a view illustrating a process of forming irregularities on a semiconductor circuit board using an imprint process using a micro stamp.
도 4를 참조하면, Ⅰ단계에서 반도체 회로 기판(410) 위에 레지스트(resist)를 도포(coating)하고 하드 베이킹(hard baking)하여 레지스트 층(420)을 형성한다. Ⅱ단계에서 선정된(predetermined) 형상의 마이크로 스탬프(430)를 상기 레지스트 층(420)에 프레스(press)하여 마이크로 스탬프의 선정된 형상이 레지스트에 형성되도록 한다. Ⅲ단계에서 마이크로 스탬프(430)를 레지스트 층(420)으로부터 분리한다. Ⅳ단계에서 선정된 형상이 형성된 레지스트 층을 마스크로 하여 건식/습식 식각시켜 반도체 회로 기판 상에 마이크로 스탬프의 형상과 동일한 형상의 요철부가 형성되도록 한다. 그 이후 쉐도우 마스크를 이용하여 상기 반도체 기판의 요철부 상의 원하는 위치에만 고유전율의 무기물 절연 물질을 상기 게이트 영역이 형성된 기판 전체에 증착하여 게이트 절연막(203)을 형성한다. 그리고 나서 금속 물질을 증착하여 게이트 전극(204)을 형성하고, 상기 게이트 전극 위에 바이오 감지부(302)을 소정의 공정을 거쳐 형성한다.Referring to FIG. 4, in step I, a resist is coated on the
상기 방법에 의할 때 작은 면적의 스템프의 제작이 가능하고, 반도체 회로 기판의 일부분에 임프린트 공정을 수행하고, 스탬프의 위치를 이동시켜 반복 작업을 수행하는 스텝 반복(step-and-repeat)방식이 가능하다.According to the above method, a small area stamp can be manufactured, and a step-and-repeat method of performing an imprint process on a part of a semiconductor circuit board and repeating work by moving a stamp position is performed. It is possible.
이러한 마이크로 스탬프의 재료로는 실리콘(Si), 산화 실리콘(SiO2)과 같은 반도체 재료나 니켈(Ni)과 같은 금속 재료, 쿼츠(Quartz)와 같은 투명한 재료 및 고분자 물질들이 사용될 수 있다. 또한 임프린트 방법으로는 열을 가해 레지스트를 성형하는 열 경화 방식의 임프린트 기법과 스탬프로 누르면서 자외선을 이용하여 레지스트의 고분자를 경화하여 성형하는 자외선 경화 방식의 임프린트 기법도 사용할 수 있다.As the material of the micro stamp, a semiconductor material such as silicon (Si), silicon oxide (SiO 2), a metal material such as nickel (Ni), a transparent material such as quartz, and polymer materials may be used. In addition, as the imprint method, a thermosetting imprint technique for applying a heat to form a resist and an ultraviolet curing imprint technique for curing and molding a polymer of a resist using ultraviolet light while pressing with a stamp may be used.
도 4의 임프린트 공정 중 제일 중요한 역할을 하는 마이크로 스탬프를 제작 하는데, 마이크로 스탬프는 기판 위에 소정의 두께를 갖는 산화층이 형성되어 있는 웨이퍼를 이용하여 제작한다. 이 웨이퍼에 PMMA 폴리머를 도포한 후, 리소그래피(lithgraphy)를 통해 게이트에 형성할 형상으로 패터닝을 한다. 현상액으로 패턴을 현상한 후에 반응성 이온 식각(RIE; reactive ion etch) 장치로 산화층을 건식 식각하면 원하는 형상의 마이크로 스탬프의 제작이 완료된다.A micro stamp which is the most important role of the imprint process of FIG. 4 is manufactured. The micro stamp is manufactured by using a wafer on which an oxide layer having a predetermined thickness is formed on a substrate. The PMMA polymer is applied to the wafer and then patterned into a shape to be formed on the gate through lithgraphy. After the pattern is developed with a developer, dry etching of the oxide layer using a reactive ion etch (RIE) apparatus completes the manufacture of a micro stamp having a desired shape.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터의 기판 상에 형성할 수 있는 요철부의 다양한 형상을 예시적으로 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating various shapes of an uneven portion that may be formed on a substrate of the field effect transistor according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 전계 효과 트랜지스터의 기판은 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이 마이크로 스탬프의 형태에 따른 다양한 형태의 요철부를 구비함으로써, 용도에 따른 단위 전계 효과 트랜지스터의 W/L의 비를 증가시킬 수 있다. Referring to FIG. 5, the substrate of the field effect transistor is provided with various uneven parts according to the shape of the micro stamp as shown in (a) to (d), so that the W / L of the unit field effect transistor according to the use is determined. Can increase the ratio.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.In the present invention as described above has been described by the specific embodiments, such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments. For those skilled in the art, various modifications and variations are possible from such description.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all the things that are equivalent to or equivalent to the claims as well as the following claims will belong to the scope of the present invention. .
본 발명에 따르면, 반도체 기판의 형상을 구조적으로 개선하여 소자의 구동 전류 및 바이오 감지 타겟 물질과의 물리적 접촉 면적을 증가시키고 전기적 성능을 향상시킨 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서 및 그 제조방법을 제공한다.According to the present invention, there is provided a field effect transistor type biosensor and a method of manufacturing the same, which structurally improves the shape of a semiconductor substrate to increase the physical current of the device and the physical contact area with the biosense target material and improve electrical performance.
또한 본 발명에 따르면, 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서에 전기적으로 안정적인 게이트 기준 전압을 제공하여 출력신호의 신뢰성을 높일 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to increase the reliability of the output signal by providing an electrically stable gate reference voltage to the field effect transistor type biosensor.
또한 본 발명에 따르면, 전계 효과 트랜지스터형 바이오센서의 반도체 기판 형상의 구조적 개선하여 전기적 성능의 향상을 통해 높은 S/N(신호 대 잡음) 비를 구현하여 재현성 및 그 정확도를 높일 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to improve the reproducibility and accuracy by implementing a high S / N (signal-to-noise) ratio through the structural improvement of the shape of the semiconductor substrate of the field effect transistor type biosensor to improve the electrical performance.
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