KR100940524B1 - 고감도 반도체 ｆｅｔ 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 기술을 이용한 FET(Field-effect transistor) 센서에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 FET 센서의 민감도를 개선시키기 위하여 핀 구조를 이용하는 FET 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체 FET 센서를 제조하는 방법은, 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 반도체 기판상에 핀 구조를 갖는 센서 구조체를 형성하는 단계와, 상기 센서 구조체에 전기적 오믹 콘택을 위한 이온을 주입하고 금속 전극을 증착하는 단계와, 표적물질과 특이성 결합하는 감지물질을 상기 핀 구조의 양쪽 측벽에 고정화시키는 단계와, 상기 표적물질이 상기 핀 구조를 지나가도록 하는 통로를 상기 센서 구조체 위에 형성하는 단계를 포함한다.
반도체 FET 센서, 핀 구조, 바이오 센서, SOI 기판, 벌크 기판

Description

고감도 반도체 ＦＥＴ 센서 및 그 제조방법{High sensitive FET sensor and fabrication method for the FET sensor}
본 발명은 반도체 기술을 이용한 FET(Field-effect transistor) 센서에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 FET 센서의 민감도를 개선시키기 위하여 핀 구조를 이용하는 FET 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-02, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].
반도체 FET 센서는 매우 작은 크기의 와이어형 또는 박막형 반도체 구조체에 검출하고자 하는 표적물질과 결합하는 감지물질을 부착하여, 표적물질이 감지물질과 결합했을 때 감지물질이 부착된 반도체 구조체의 전기전도도의 변화를 검출하는 센서이다. 표적물질이 감지물질과 결합할 때 전기화학적인 반응이 일어나거나, 표적물질 자체가 전하를 갖는 경우 표적물질이 감지물질과 결합할 때 그로 인한 전계효과(field-effect)로 반도체 구조체의 전자 또는 정공이 축적(accumulation)되거나 공핍(depletion)되는데 이러한 변화는 전기전도도의 변화로서 측정될 수 있다. 전술한 FET 센서 기술은 기존의 색, 형광 등을 이용한 비표지식 센서와 비교했을 때 고감도 검출과 표적물질의 정량화가 용이하다는 장점을 가지고 있다.
도 1a 및 1b는 종래 기술에 의한 전형적인 FET 센서의 구조를 개략적으로 나타내고 있다.
도 1a는 소스, 드레인 사이의 게이트 영역상에 감지물질을 부착한 FET 센서를 나타내는 것으로 이러한 평면형 구조를 갖는 FET 센서에서는 표적물질과 결합하는 감지물질이 반도체 구조체의 상부에만 존재하게 되므로, 전하를 갖는 표적물질이 감지물질과 결합했을 때 상부 측 한쪽 표면에서만 전자나 정공의 축적 또는 공핍이 일어나게 된다.
도 1b는 소스, 드레인 사이에 탄소 나노튜브 또는 실리콘 나노와이어가 형성된 반도체 구조체를 갖는 FET 센서를 나타낸다. 탄소 나노튜브 또는 실리콘 나노와이어에 감지물질을 부착하여 표적물질과 결합할 때 탄소 나노튜브 또는 실리콘 나노와이어의 전기전도도 변화로 표적물질을 검출한다. 탄소 나노튜브 또는 실리콘 나노와이어는 구조체의 크기가 20nm 이하까지 제작이 가능하기 때문에 적은 양의 표적물질 결합으로도 충분한 공핍을 일으켜서 고감도 검출이 가능하다고 알려져 있다. 그러나 이러한 탄소 나노튜브 또는 실리콘 나노와이어는 화학적 합성에 의하여 만들기 때문에, 합성된 탄소 나노튜브 또는 실리콘 나노와이어를 센서 칩 위의 원하는 위치에 고정시키기가 어렵다.
FET 센서는 고감도 표적물질 검출을 위하여, 감지물질과 표적물질이 결합하는 반도체 구조체의 미세화가 필요하다. 미세한 구조체일수록 표적물질에 의한 전 계효과가 크게 작용하여 신호의 크기를 개선시킬 수 있다. 반도체 구조체의 미세화는 박막 두께나 선 폭과 같은 크기를 작게 줄이는 방법과 반도체 구조체의 전기적 공핍의 폭을 줄이기 위하여 기판의 도핑 농도를 줄이는 방법이 있다. 이러한 방법 중에서 반도체 구조체의 박막 두께나 선 폭과 같은 크기를 줄이는 미세화는 반도체 공정의 기술개발 정도에 의하여 구현 가능한 크기가 제한된다. 화학 기상 증착법으로 합성된 탄소 나노튜브 또는 실리콘 나노와이어는 크기의 미세화는 가능하지만 양산화에는 어려움이 있으며, SOI(silicon-on-insulator) 기판을 사용하면 양산화는 가능하지만 미세화에 한계가 있다. 예를 들어 현재 양산라인에 사용되는 SOI 웨이퍼는 최상위 실리콘 박막의 두께가 50nm 까지 두께를 줄여서 생산되고 있다. 추가 반도체 공정을 통하여 20nm 까지 두께를 줄이는 것이 가능하지만, 공정 여유도가 줄어들기 때문에 제품 수율이 떨어지고 제품 제작 단가가 상승하게 된다. 또한, SOI 기판의 상부 실리콘층의 두께가 얇아질수록 상부 실리콘층과 BOX(buried oxide) 산화막 계면 효과가 커지면서 반도체 구조체의 전기전도도에 영향을 주게 되고, 이는 신호잡음비를 감소시킴으로써 신호 재현성을 떨어뜨린다. 또한, 표적물질이 결합하지 않은 상태에서 이미 계면효과에 의하여 반도체 구조체가 공핍되어 전류가 흐르지 않게 되고 이로써 신호를 검출하지 못할 수도 있다.
본 발명은 FET 센서의 표적물질 검출 감도를 개선시키기 위하여, 종래 기술 에 따른 평면 구조체와 비교했을 때 같은 크기의 구조체이지만 감지물질과 표적물질의 결합이 더 많이 일어나도록 구조체 채널의 단위 단면적 당 표면적을 넓힌 핀 타입 반도체 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 이러한 반도체 구조체를 고가의 SOI 웨이퍼 기판뿐만 아니라 저렴한 벌크 실리콘 기판을 이용하여 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 FET 센서를 제조하는 방법은, 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 반도체 기판상에 핀 구조를 갖는 센서 구조체를 형성하는 단계와, 상기 센서 구조체에 전기적 오믹 콘택을 위한 이온을 주입하고 금속 전극을 증착하는 단계와, 표적물질과 특이성 결합하는 감지물질을 상기 핀 구조의 양쪽 측벽에 고정화시키는 단계와, 상기 표적물질이 상기 핀 구조를 지나가도록 하는 통로를 상기 센서 구조체 위에 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 반도체 FET 센서는, 반도체 기판과, 상기 반도체 기판상에 형성된, 핀 구조를 갖는 센서 구조체 -상기 센서 구조체에는 전기적 오믹 콘택을 위한 이온이 주입되고 금속 전극이 증착됨- 와, 표적물질이 상기 핀 구조를 지나가도록 하는 통로를 포함하며, 상기 핀 구조의 양쪽 측벽에는 상기 표적물질과 특이성 결합하는 감지물질이 고정화되어있는 것을 특징으로 한다.
기존의 FET 센서는 평면형 구조체를 사용함으로써 상부 한쪽면에만 표적물질이 감지물질과 결합하게 되는 반면, 본 발명에 따른 핀 구조는 양쪽 측면에서 표적물질과 감지물질이 결합하게 되어 채널의 공핍과 축적을 보다 효과적으로 조절하여 높은 신호를 얻을 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 핀 구조를 갖는 FET 센서는 기존의 평면형 구조체를 사용하는 FET 센서보다 고감도의 표적물질 검출이 가능하다.
또한, 평면형 구조체를 이용한 센서의 경우, SOI 기판의 상부 실리콘층의 두께가 얇아질수록 상부 실리콘층과 BOX 산화막 계면 효과가 커지면서 반도체 구조체의 전기전도도에 영향을 주게 되고, 이는 신호잡음비를 감소시킴으로써 신호 재현성을 떨어뜨린다. 또한, 표적물질이 결합하지 않은 상태에서 이미 계면효과에 의하여 반도체 구조체가 공핍되어 전류가 흐르지 않게 되고 이로써 신호를 검출하지 못할 수도 있다. 반면, 핀 구조를 이용한 센서의 경우, BOX 산화막과 맞닿는 면적을 작게 하여 상기 계면 효과를 줄임으로써, 신호의 재현성과 민감도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 핀 구조 구현을 위해 비등방성 습식 식각을 이용함으로써 구조체 표면의 결함을 감소시키고 나아가 핀 구조의 폭을 일반적인 리소그래피 기술의 적용 한계보다 작게 구현할 수 있어 고감도 센서로 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 핀 구조는 SOI 기판을 사용하여 제조될 수 있을 뿐만 아니라 벌크 기판을 사용하여 제조할 수 있다. 벌크 기판을 사용할 경우, 핀 구조 하부에 BOX 산화막이 존재하지 않으므로 계면효과가 전혀 발생하지 않으며, SOI 기판을 사용하는 경우보다 공정도 용이하다. 무엇보다도 SOI 기판보다 저가인 벌크 기판을 사용하기 때문에 저비용 고부가가치 반도체 센서를 생산할 수 있다.
이하에서는 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 핀 모양 반도체 구조체를 갖는 FET 센서의 구조를 나타내고 있다.
일반적인 FET 센서의 구조는 기판 위에 절연막이 있고 그 위에 표적물질을 감지하는 센서 구조체가 위치한다. 본 발명에 따른 FET 센서는 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판 위에 매립산화물(BOX)이 있고, 그 위에 실리콘 박막이 존재하는 SOI 웨이퍼 기판을 사용하거나 또는 유리나 플라스틱 기판 같은 절연체 기판 위에 반도체 박막을 이용한 센서 구조체가 사용될 수 있다. 이때 사용되는 반도체 박막으로는 저온에서 증착된 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘도 사용이 가능하다. 다만, 소자의 검출 민감도를 개선시키기 위하여 아래 기판에 적정한 게이트 바이어스를 걸어서 적은 양의 표적물질에 의한 전하 변화에도 센서의 전기전도도가 크게 변할 수 있는 조건을 만들어주는 것이 중요하다. 이를 위해서는 상부 실리콘 기판이 단결정 실리콘 박막인 것이 바람직하고, 또 하부 기판으로는 하부 게이트에 바이어스를 걸어줄 수 있는 기판을 이용하여 상부 실리콘 채널에 미리 캐리어들이 공핍되기 쉽거나, 미리 공핍되어 있는 상태로 만드는 방법이 이용될 수 있다. 디스플레이나 플렉시블 소재 같은 다기능 제품에 센서가 사용되기 위해서는 하부 기판으로 실 리콘 벌크 기판을 그대로 이용하기가 어렵다. 다기능 제품을 위한 절연막 기판을 사용하기 위해서는 절연체 기판 위에 미리 하부 게이트 전극을 형성 한 뒤 다시 절연막을 증착하고 이 위에 센서 구조체로 사용될 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘을 형성하는 방법이 사용될 수 있다.
센서 구조체는 반도체가 사용되며, 바람직하게는 적당한 도핑 농도로 도핑된 실리콘이 사용된다. 바람직하게는 불순물 도핑 농도가 1017~ 1019cm-3 정도가 적당하며, 불순물의 종류로는 붕소(boron), 인(phosphorus), 비소(arsenic), 안티몬(antimony), 인듐(indium) 등이 사용될 수 있다. 센서 구조체 양측면은 각각 소오스와 드레인이 되고 오믹 콘택을 형성하기 위하여 센서 구조체와 같은 타입의 불순물로 콘택 이온 주입 후 금속 전극을 형성한다.
소오스와 드레인 사이에 적정한 전압을 인가하여 표적물질이 감지물질과 결합함에 따른 전기전도도 변화를 전류로 측정함으로써 표적물질을 전기적 신호로 검출한다. 소오스와 드레인 사이에 인가하는 전압은 DC 또는 AC 전압 모두 사용될 수 있다. 표적물질과 감지물질이 손상되지 않도록 작은 AC 전압이 사용되는 것이 바람직하며, 예를 들면 센서의 저항에 따라 수십 mV에서 수백 mV 정도가 적당하다. AC 전압을 사용하는 경우에는 주변 잡음을 제거하고 신호잡음비를 높혀서 민감도를 개선시키기 위하여 Lock-in amp를 사용할 수 있다. Lock-in amp는 입력 신호와 다른 주파수를 갖는 잡음은 제거하고, 같은 주파수를 갖는 신호만 증폭하기 때문에 신호잡음비를 높힐 수 있지만, 고가의 장비라는 단점도 있다. 측정 단말기의 저비용, 소형화를 위해서는 AC 신호의 최적 주파수를 고정하고, 직렬 저항을 추가한 뒤 전류 대신 센서부의 전압을 측정하는 방법으로 신호를 검출할 수 있다.
소오스와 드레인 사이에는 본 발명에 따라 표적물질과 감지물질이 결합하는 핀 구조가 존재한다. 핀 구조 양쪽 측벽에는 표적물질을 포획하기 위한 감지물질이 고정된다. 이때 사용될 수 있는 표적물질에는 (1) 바이오 센서에서 가장 시장규모가 큰 혈당측정용 글루코즈, 그 밖에 임신호르몬, 암세포, 바이러스, 콜레스테롤, DNA, 암마커, 광우병마커, 심혈관질환마커 등의 바이오 마커와 같은 생체물질과 (2) 환경호르몬, BOD, 중금속, 농약과 같은 환경물질과 (3) 식품에 포함되어 있는 잔여농약, 항생제, 병원균, 중금속과 같은 유해물질과 (4) 사린, 탄저균 등과 같은 대량살상무기로 사용되는 생물학적 무기와 (5) 산업용 생물발효공정에서의 미생물, 화학공장, 정유공장, 제약회사에서 나오는 특정 화학물질 등이 포함될 수 있다. 이에 대응하여 사용되는 감지물질에는 항체, 효소, 수용체 등이 사용될 수 있다.
소오스와 드레인 사이에 전류(IDS)가 흐르는 핀 구조의 방향과 수직방향으로는 표적물질이 지나갈 수 있도록 유체 또는 기체 통로 채널이 존재한다. 속이 텅 빈 상태로 그 안에는 감지물질이 고정화 되어 있는 핀 구조가 들어가게 되는 통로 채널은 PDMS(Poly-dimethyl siloxane) 또는 아크릴, COC 등으로 제작된다.
본 발명에 의한 FET 센서의 동작원리는 다음과 같다. 먼저, 표적물질(예를 들면, 항원)이 들어있는 혈액 샘플 또는 버퍼 용액이 센서 구조체 위에 올려진 유체 또는 기체 통로 채널을 통해 흘러 지나가며, 핀 구조에 고정화된 감지물질(예를 들면, 항체)과 특이성 결합을 하는 표적물질이 감지물질에 결합하게 된다. 이때 표적물질이 특정한 조건하에서 전하를 띄게 되고, 이 전하의 전계효과에 의하여 핀 구조에서 공핍 또는 축적이 이뤄진다. 이러한 변화는 소오스와 드레인 사이의 전기전도도를 변화시키고 전류 검출기를 통하여 전기전도도의 변화를 측정함으로써 표적물질의 검출이 수행된다.
도 3은 전립선암 마커인 PSA를 이용한 실시예를 나타내는 것으로, PSA가 들어있는 버퍼용액을 바이오 센서에 흘려주면 센서 표면에 고정화된 anti-PSA 와 결합하면서 PSA가 가진 전하의 전계효과에 의해 실리콘 채널이 공핍되면서 전기전도도의 변화를 통해 PSA를 검출하는 실시예를 보여준다. PSA는 isoelectric point (pI) 보다 높은 pH 에서는 (+) 전하를 띄고, pI 보다 낮은 pH 에서는 (-) 전하를 띄게 된다. P-type 실리콘 나노와이어 센서에 PSA가 들어있는 pH 7.4 버퍼를 흘려주면, (+) 전하를 갖는 PSA가 실리콘 나노와이어 채널의 홀 캐리어를 공핍시켜서 전기전도도가 감소하며, PSA가 없는 버퍼를 흘려주면 다시 증가한다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명에 따른 핀 구조를 갖는 FET 센서가 종래 기술에 따른 평면형 구조체를 갖는 FET 센서보다 고감도의 표적물질 검출이 가능함을 나타내고 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 평면형 구조체는 상부에만 표적물질-감지물질(예를 들면, 항원-항체) 결합이 일어나므로 일정한 깊이만큼만 공핍이 발생하는 반면에, 본 발명에 따른 핀 구조는 평면형 구조체와 같은 크기임에도 불구하고 양쪽 측벽에서 표적물질-감지물질(항원-항체) 결합이 일어나므로 구조체 전체를 공핍시킬 수 있다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 공핍으로 인한 전기전도도의 감소가 평면형 구조체보다 본 발명에 따른 핀 구조에서 보다 크게 일어날 수 있음을 알 수 있다. 종래 기술대로 평면형 구조체를 사용할 때 상부 실리콘 박막의 두께를 얇게 하거나, 기판의 불순물 농도를 낮게 해서 채널 전체가 공핍되도록 하면 신호의 크기를 개선시킬 수 있지만, 이는 각각 반도체 공정이 어려워져서 수율이 떨어지거나, 채널 기저 전류값이 너무 작아서 신호를 검출하기 어렵다는 단점이 있다. 핀 구조를 이용하면, 평면형 구조체와 비교해서 같은 기판 도핑 농도를 갖으면서도, 두꺼운 박막을 이용하며, 보다 큰 전기전도도의 변화 일으켜서 검출 민감도를 개선시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 SOI 기판을 이용하여 본 발명에 따른 핀 구조를 제조하는 방법을 나타내고 있다.
우선, 준비된 기판에 검출 가능한 크기의 전류가 흐를 수 있도록 불순물을 이온 주입한다. 이 때 주입되는 불순물로는 전자 캐리어를 갖는 P-type 반도체를 만들기 위해서는 붕소(Boron), 인듐(Indium) 등이 사용되고, 홀 캐리어를 갖는 N-type 반도체를 만들기 위해서는 인(phosphorus), 비소(arsenic), 안티몬(antimony) 등이 사용된다. 불순물 도핑 농도는 1017 ~ 1019 cm-3 정도가 적당하다. 이온 주입 후에 불순물의 농도가 적당한 깊이까지 균일하게 분포하도록 열처리를 충분하게 해준다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 일반적인 리소그래피 공정을 통하여 마스크 패턴을 형성한다. 이 때 마스크는 PR 또는 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막이 될 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 마스크로 SOI 상부 실리콘 층을 식각하여 핀 구조를 형성한다. 이 때 식각방법으로는 건식 식각 방법 또는 비등방성 습식 식각 방법이 이용될 수 있다. 바람직하게는 후속하는 감지물질 고정화를 위한 표면 처리를 위해 측벽에 결함을 발생시키지 않는 비등방성 습식 식각 방법을 사용한다. 실리콘의 경우 TMAH 나 KOH 용액으로 식각하여 핀 처럼 식각 단면이 수직인 구조체를 형성할 수 있다. 이는 (100) 이나 (110) 면 방향의 식각속도는 빠른 데 반하여, (111) 면 방향의 식각속도가 매우 느리기 때문이다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 건식 식각 이후 추가로 비등방성 습식 식각을 하거나, 비등방성 습식 식각 이후 추가적인 습식 식각을 하면 핀의 선폭을 더욱 줄일 수 있다. 핀의 선폭이 줄어들면 공핍에 의한 센서 구조체의 전기전도도가 보다 급격하게 변하고 이로 인해 표적물질의 검출 감도를 더욱 높일 수 있다.
도 5d 내지 도 5f 는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명한 핀 구조를 제조하는 과정을 나타내는 전자현미경 사진이다.
도 5d 는 (110) 면 방향 실리콘 웨이퍼를 TMAH 용액으로 비등방성 습식 식각 한 이후 단면을 본 전자현미경 사진이다. 도 5e 는 TMAH 용액으로 추가적인 비등방성 습식 식각 후에 위에서 본 전자현미경 사진으로, 원래 마스크 크기인 137nm, 124nm 보다 훨씬 작은 90nm, 12nm 까지 핀 구조의 선폭이 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 핀 구조의 높이는 90nm 이다. 핀 구조의 폭은 40nm 이하가 바람직하며, 기판의 도핑 농도가 높으면 상대적으로 캐리어의 공핍 영역이 얇아지므로 핀 구조의 폭은 더욱 작아지는 것이 바람직하다. 도 5f 는 본 발명에 따라 (110) SOI 기판을 이용하여 제작된 핀 구조에 감지물질 고정화를 위한 자기조립단분자막(Self-assembled monolayer)을 증착하고, 이를 검증하기 위하여 DNA를 이용하여 금 나노입자를 부착시킨 이후의 핀 구조에 대한 전자현미경 사진이다. 이를 통해 본 발명에 따른 핀 구조의 측벽에도 평면 구조체의 평면과 같이 감지물질 고정화를 위한 자기조립단분자막이 잘 증착되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 5g는 최종적으로 하드마스크가 제거된 뒤의 완성된 핀 구조의 전자현미경 사진이며, 20nm 정도의 선폭을 갖는 핀 구조의 제작이 가능함을 보여준다.
도 6a 및 도 6b는 비등방성 습식 식각 방법으로 핀 구조 형성이 가능한 웨이퍼의 결정 방향과 핀 방향을 나타내고 있다. TMAH 용액에 의한 실리콘의 식각속도는 (100) > (110) > (111) 의 순서대로 면 방향에 따른 식각 속도가 다르다. 일반적으로 수평 방향의 식각속도에 비교하여 수직 방향의 식각속도가 훨씬 더 빠른 경우 측벽이 수직인 비등방 식각 특성이 나타나며, 또한 수직 방향의 식각속도와 수평방향의 식각속도가 정확히 같을 때에도 측벽이 수직인 비등방 식각이 된다. 다만, 후자의 경우에는 수평 측면 방향으로도 식각이 되므로 식각 하드마스크 안쪽으로 undercut 현상이 일어난다. 그 이외의 식각 경우에는 경사진 사면을 갖는 측벽이 만들어진다. 도 6a에서 보는 바와 같이 실리콘 (100) 면 방향 웨이퍼 기판을 사용할 경우 <110> 방향을 가리키는 Flat 면과 45도 기울어진 방향으로 핀의 하드마스크 패턴을 이용하여 식각한 경우 undercut을 갖는 핀 구조가 만들어지며, Flat 면에 수직이거나 수평인 경우에는 사면을 갖는 측벽이 만들어진다. 반면, 도 6b에서 보는 바와 같이 실리콘 (110) 면 방향 웨이퍼 기판을 사용할 경우, Flat 면에 수평인 경우에는 undercut을 갖는 핀 구조가, Flat 면에 45도 기울어진 경우에는 undercut이 없는 핀 구조가 식각되어 만들어진다. 그러므로 핀 구조가 식각된 후, 추가 습식각을 통하여 더 좁은 선폭의 핀 구조를 만들려면, 식각속도가 매우 느린 (111) 면 보다는 (110) 면을 측벽으로 갖는 핀 구조를 이용하는 것이 바람직하다.
도 7a 내지 도 7c 는 벌크 기판을 이용하여 본 발명에 따른 핀 구조를 제조하는 방법을 나타내고 있다. 우선, 준비된 실리콘 벌크 기판에 검출 가능한 크기의 전류가 흐를 수 있도록 불순물을 한 차례 또는 두 차례 이상 이온 주입한다. 이 때 주입되는 불순물로는 전자 캐리어를 갖는 P-type 반도체를 만들기 위해서는 붕소(Boron), 인듐(Indium) 등이 사용되고, 홀 캐리어를 갖는 N-type 반도체를 만들기 위해서는 인(phosphorus), 비소(arsenic), 안티몬(antimony) 등이 사용된다. 불순물 도핑 농도는 1017 ~ 1019 cm-3 정도가 적당하다. 이온 주입 후에 불순물의 농도가 적당한 깊이까지 균일하게 분포하도록 열처리를 충분하게 해준다. 실리콘 벌크 기판은 BOX 절연막이 있는 SOI 기판과는 달리 소오스와 드레인 사이에 기판 하부를 통한 누설전류가 흐를 수 있으므로, 이를 막기 위해서는 채널과 반대 타입의 불순물을 채널 아래쪽에 먼저 이온 주입하여 PN 또는 NP 접합을 형성하고 전기적으로 채널이 고립되도록 한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 벌크 기판 위에 통상적인 리소그래피 기술과 식각 기술을 이용하여 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 핀 구조를 형성한다. 기판으로는 단결정 실리콘 기판이 바람직하며, 식각은 통상적인 건식 식각 또는 비등방성 습식 식각 기술이 사용될 수 있다. 다만, 후속하는 감지물질 고정화를 위한 표면 처리를 위해 측벽에 결함을 발생시키지 않는 비등방성 습식 식각 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 핀 구조의 폭은 40nm 이하가 바람직하며, 기판의 도핑 농도에 따라 폭의 선택이 달라질 수 있다. 예를 들어 기판의 도핑 농도가 높아지면 핀 구조의 폭이 얇아져야 한다. 도 7b 에 도시된 바와 같이, 표면 보호를 위한 산화막 절연막이 핀 구조 위에 형성된 후, 실리콘 질화막이 증착되며, 핀 구조를 모두 덮을 수 있을 정도로 두껍게 실리콘 산화막을 증착한다. 그 다음 핀 구조 위의 실리콘 질화막이 드러나도록 화학기계적 연마(CMP)를 수행하여 실리콘 산화막을 평탄화한다. 도 7c 에 도시된 바와 같이, 핀 구조가 드러나도록 그 위에 증착된 실리콘 질화막과 실리콘 산화막을 식각함으로써 벌크 기판을 이용한 핀 모양 센서 구조체를 완성한다.
실리콘 벌크 기판을 사용하면, 고가의 SOI 기판을 사용하는 경우보다 저비용으로 고부가가치를 얻을 수 있어, 일반인들도 쉽게 일상생활에서의 건강 모니터링을 위해 사용할 수 있게 된다.
전술한 실시예들은 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 기술한것이며 이러 한 실시예들로 본 발명을 제한하려는 의도가 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 의도 및 범위에 포함되는 다양한 변경, 변화가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 및 1b는 종래 기술에 의한 전형적인 FET 센서의 구조를 개략적으로 나타내고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 핀 모양 반도체 구조체를 갖는 FET 센서의 구조를 나타내고 있다.
도 3은 PSA를 이용한 일실시예를 나타내는 것으로, anti-PSA 와 결합하면서 PSA가 가진 전하의 전계효과에 의해 실리콘 채널이 공핍되면서 전기전도도가 감소하는 것을 나타내고 있다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명에 따른 핀 구조를 갖는 FET 센서가 종래 기술에 따른 평면형 구조체를 갖는 FET 센서보다 고감도의 표적물질 검출이 가능함을 나타내고 있다.
도 5a 내지 도 5c는 SOI 기판을 이용하여 본 발명에 따른 핀 구조를 제조하는 방법을 나타내고 있다.
도 5d 내지 도 5f 는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명한 핀 구조를 제조하는 과정을 나타내는 전자현미경 사진이며, 도 5g는 최종적으로 하드마스크가 제거된 뒤의 완성된 핀 구조의 전자현미경 사진이다.
도 6a 및 도 6b 는 비등방성 습식 식각 방법으로 핀 구조 형성이 가능한 웨이퍼의 결정 방향과 핀 방향을 나타내고 있다.
도 7a 내지 도 7c 는 벌크 기판을 이용하여 본 발명에 따른 핀 구조를 제조하는 방법을 나타내고 있다.

Claims (18)

  1. 반도체 FET 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 반도체 기판을 제공하는 단계와,
    (b) 상기 반도체 기판상에 핀 구조를 갖는 센서 구조체를 형성하는 단계와,
    (c) 상기 센서 구조체에 전기적 오믹 콘택을 위한 이온을 주입하고 금속 전극을 증착하는 단계와,
    (d) 상기 반도체 FET 센서를 통해 검출하려는 표적물질과 특이성 결합하는 감지물질을 상기 핀 구조의 양쪽 측벽에 고정화시키는 단계와,
    (e) 상기 표적물질이 상기 핀 구조를 지나가도록 하는 통로를 상기 센서 구조체 위에 형성하는 단계
    를 포함하는, 반도체 FET 센서 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 구조체의 재료는 유리나 플라스틱 절연 기판 위에 증착된 다결정 또는 비정질 실리콘으로 이뤄진 기판이며, 상기 절연 기판은 그 기판 내부에 하부 게이트 전극이 형성된, 반도체 FET 센서 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서 구조체의 재료는 SOI 기판이며,
    상기 (b) 단계는,
    상기 반도체 기판상에 상기 SOI 기판을 형성하는 단계와,
    상기 SOI 기판상에 리소그래피 공정을 통하여 마스크 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 마스크로 상기 SOI 기판 상부의 실리콘 층을 식각하여 상기 핀 구조를 형성하는 단계
    를 포함하는, 반도체 FET 센서 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 SOI 기판은 (100) 또는 (110) 면 방향을 가지며,
    상기 식각은 건식 식각 방법 또는 비등방성 습식 식각 방법으로 수행되는, 반도체 FET 센서 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 식각 이후 형성된 상기 핀 구조에 대한 비등방성 습식 식각을 수행하는 단계를 더 포함하는, 반도체 FET 센서 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서 구조체의 재료는 벌크 실리콘 기판이며,
    상기 (b) 단계는,
    상기 벌크 실리콘 기판 상부를 식각하여 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 상기 핀 구조를 형성하는 단계와,
    상기 벌크 실리콘 기판상에 표면 보호를 위한 산화막 절연막을 형성하는 단계와,
    상기 산화막 절연막상에 실리콘 질화막을 증착하는 단계와,
    상기 핀 구조를 모두 덮을 수 있을 정도로 상기 벌크 실리콘 기판상에 실리콘 산화막을 증착하는 단계와,
    상기 핀 구조 위의 상기 실리콘 질화막이 노출되도록 화학기계적 연마(CMP)를 수행하여 실리콘 산화막을 평탄화하는 단계와,
    상기 핀 구조가 노출되도록 그 위에 증착된 상기 실리콘 질화막과 상기 실리콘 산화막을 식각하는 단계
    를 포함하는, 반도체 FET 센서 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 벌크 실리콘 기판은 (100) 또는 (110) 면 방향을 가지며,
    상기 식각은 건식 식각 방법 또는 비등방성 습식 식각 방법으로 수행되는, 반도체 FET 센서 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 구조체는 붕소(boron), 인(phosphorus), 비소(arsenic), 안티몬(antimony), 인듐(indium)으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 불순물 종류로 이온 주입되며, 그 농도는 1017~ 1019cm-3 사이인, 반도체 FET 센서 제조방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀 구조의 핀 폭은 1nm 에서 100nm 사이인, 반도체 FET 센서 제조방법.
  10. 반도체 FET 센서에 있어서,
    반도체 기판과,
    상기 반도체 기판상에 형성된, 핀 구조를 갖는 센서 구조체 -상기 센서 구조체에는 전기적 오믹 콘택을 위한 이온이 주입되고 금속 전극이 증착됨- 와,
    상기 반도체 FET 센서를 통해 검출하려는 표적물질이 상기 핀 구조를 지나가도록 하는 통로
    를 포함하며,
    상기 핀 구조의 양쪽 측벽에는 상기 표적물질과 특이성 결합하는 감지물질이 고정화되어있는, 반도체 FET 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 센서 구조체의 재료는 유리나 플라스틱 절연 기판 위에 증착된 다결정 또는 비정질 실리콘으로 이뤄진 기판이며, 상기 절연 기판은 그 기판 내부에 하부 게이트 전극이 형성된, 반도체 FET 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 센서 구조체의 재료는 SOI 기판이며,
    상기 센서 구조체는,
    상기 반도체 기판상에 상기 SOI 기판을 형성하고, 상기 SOI 기판상에 리소그래피 공정을 통하여 마스크 패턴을 형성하고, 상기 마스크로 상기 SOI 기판 상부의 실리콘 층을 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 FET 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 SOI 기판은 (100) 또는 (110) 면 방향을 가지며,
    상기 식각은 건식 식각 또는 비등방성 습식 식각을 통해 이뤄지는 것을 특징으로 하는, 반도체 FET 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 핀 구조는 상기 식각 이후 추가적인 비등방성 습식 식각을 통해 형성되는 것을 특징으로하는, 반도체 FET 센서.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 센서 구조체의 재료는 벌크 실리콘 기판이며,
    상기 센서 구조체는,
    상기 벌크 실리콘 기판 상부를 식각하여 높은 종횡비를 갖는 상기 핀 구조를 형성하고, 상기 벌크 실리콘 기판상에 표면 보호를 위한 산화막 절연막을 형성하고,상기 산화막 절연막상에 실리콘 질화막을 증착하고, 상기 핀 구조를 모두 덮을 수 있을 정도로 상기 벌크 실리콘 기판상에 실리콘 산화막을 증착하고, 상기 핀 구조 위의 상기 실리콘 질화막이 노출되도록 화학기계적 연마(CMP)를 수행하여 실리콘 산화막을 평탄화하고, 상기 핀 구조가 노출되도록 그 위에 증착된 상기 실리콘 질화막과 상기 실리콘 산화막을 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 반도체 FET 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 벌크 실리콘 기판은 (100) 또는 (110) 면 방향을 가지며,
    상기 식각은 건식 식각 또는 비등방성 습식 식각을 통해 이뤄지는 것을 특징으로 하는, 반도체 FET 센서.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 구조체는 붕소(boron), 인(phosphorus), 비소(arsenic), 안티몬(antimony), 인듐(indium)으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 불순물 종류로 이온 주입되며, 그 농도는 1017~ 1019cm-3 사이인, 반도체 FET 센서.
  18. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀 구조의 핀 폭은 1nm 에서 100nm 사이인, 반도체 FET 센서.
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