KR100997205B1 - 바이오 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 투명 게이트 영역을 갖는 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 바이오 센서는 소스와 드레인이 이격되어 형성된 기판, 상기 기판의 상기 소스와 드레인 사이의 영역 상에 형성된 투명 게이트 영역 및 상기 투명 게이트 영역 상에 형성된 바이오 분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
투명 게이트, 트랜지스터, 바이오 센서, 광학적 검출, 전기적 검출

Description

바이오 센서 및 그 제조 방법{Biosensor and Method of Manufacturing Thereof}
본 발명은 바이오 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 투명 게이트 영역을 갖는 트랜지스터를 이용한 바이오 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
바이오센서에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있으며 특히 광학적 방법과 전기화학적 방법을 이용한 바이오센서의 개발은 큰 성과를 보여 많은 의료 기관에서 다양한 방법으로 사용되고 있다.
광학적 방법의 경우 검출될 물질의 말단에 형광 특성을 갖는 물질을 부착시킨 후 항원 항체 반응을 이용하여 검출한다. 이 경우 항원 항체 반응의 결합력에 따라 검출 물질간의 민감도 차이가 클 뿐 아니라, 샘플의 정제 및 처리를 위해 다양한 과정을 거쳐야 하기 때문에 상대적으로 민감도가 떨어진다. 전기화학적인 방법의 경우는 전기화학 반응이 일어나는 전기화학 셀이 필요하여 소형화에 한계를 보이는 단점이 있다.　 또한 위의 두 가지 방법들은 모두　가격이 비싸고, 측정하기 위하여 전문적인 기술자가 필요하며 측정에 많은 시간이 소요되며 고가의 장비가 사용된다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고, 초소형화, 휴대 가능성, 실시간 진단과 같은 특성을 요구하는 최근의 바이오센서 수요를 충족시키기 위하여 다양한 시도가 이루어지고 있다.
바이오센서의 최근 연구는 크게 민감도 증가 및 검출 속도 향상을 위한 전기적 검출 방법 연구와 반도체 공정을 이용한 초소형 바이오센서 개발에 집중되어 있다. 전기적 검출 방법은 광학적 방법이나 전기화학적 방법보다 검출 속도가 빠르고 신호 변환 장치 (transducer)가 필요 없다는 장점을 가지고 있다. 이를 위해 Piezoresistivity 변화, Impedance 변화, current 변화와 같은 방법을 사용하는 연구가 진행되고 있다. 초소형 바이오센서를 개발하기 위해서는 반도체 공정을 이용하는 방법이 주로 이용되고 있다. 반도체 공정은 그 특성상 초소형 바이오센서 개발이 가능할 뿐 아니라 대량 생산을 통해 가격을 낮출 수 있는 장점이 있다.
현재는 위의 두 가지 요구를 모두 만족하는 바이오센서를 개발하기 위하여 반도체 공정을 이용하여 소자를 제작하며 전기적인 방법으로 측정하는 새로운 형태의 바이오센서에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이러한 바이오센서는 기본적으로 트랜지스터를 기반으로 하며 대표적으로 ISFET (Ion-Sensitive Field Effect Transistor)와 DMFET (Dielectric Modulated Field Effet Transistor)이 있다.
ISFET는 게이트 유전체에 전하를 띈 바이오 분자 (특히 DNA)가 고정됨으로서 트랜지스터의 전기적 특성이 변화하는 것을 이용한다. 그러나 ISFET는 소자가 수용액 안에서 동작해야 하며, 전하를 띄지 않는 분자는 검출할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
DMFET의 경우 게이트 유전체 영역에 존재하는 갭에 바이오 분자를 고정시킴으로써 게이트 유전체의 유전상수의 변화에 따른 트랜지스터의 전기적 특성의 변화를 이용한다. DMFET은 바이오 분자의 전하 유무와 관계없이 빠른 검출이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 나노 사이즈의 갭 내부에 바이오 분자를 고정시키기 어려우며, 바이오 분자의 고정 여부의 확인이 힘들다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 바이오 센서에 바이오 분자를 용이하게 고정시키는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 바이오 센서에 고정된 바이오 분자를 용이하게 확인하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 바이오 분자의 전하 유무에 관계없이 바이오 센서가 다양한 바이오 분자를 검출하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오 센서는 소스와 드레인이 이격되어 형성된 기판, 상기 기판의 상기 소스와 드레인 사이의 영역 상에 형성된 투명 게이트 영역 및 상기 투명 게이트 영역 상에 형성된 바이오 분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 투명 게이트 영역은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로만 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체가 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유 전체와 두 가지 이상의 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역의 최 하단부는 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체는 산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중의 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전도성을 갖는 투명 게이트 물질은 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), 다이아몬드(Diamond) 중의 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 바이오 분자는 DNA, RNA, 단백질, 리간드, 항원-항체 물질, 효소 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자 사이에 링커(linker)가 더 포함되고, 상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자가 상기 링커(linker)에 의해 연결되는 것이 바람직하다.
상기 링커(linker)는 아민(amine), 알데히드(aldehyde), 에폭시드(epoxide), 말레이미드(maleimide), 티올(thiol), 히드라진(hydrazine), NHS(N-hydroxysuccinimide) 중 적어도 하나 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자가 상기 링커(linker)에 의해 연결되기 전에, 상기 바이오 분자가 광 블로킹(blocking)층과 결합되는 것이 바람직 하다.
상기 광 블로킹(blocking)층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr)중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 투명 게이트 영역에 상기 바이오 분자 또는 상기 링커(linker)가 결합되기 전에, 상기 소스와 드레인 상에 광 투명성이 없는 보호층이 더 형성되는 것이 바람직하다.
상기 보호층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 중 어느 하나인 금속, 상기 금속과 실리콘(Silicon)이 결합된 실러사이드(Silicide) 또는 비금속인 융기형 폴리실리콘(Polysilicon)중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자 또는 상기 링커(linker)가 결합되기 전에 상기 투명 게이트 양 측부에 절연층이 더 형성되는 것이 바람직하다.
상기 절연층은 산화규소(SiO2), 질화실리콘(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 보호층이 형성된 후 상기 절연층이 형성될 수 있다.
상기 절연층이 형성된 후 상기 보호층이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서의 제조 방법은 (a)기판에 소스와 드레인을 이격하여 형성하는 단계, (b)상기 기판의 상기 소스와 드레인 사이의 영역 상에 투명 물질로 투명 게이트 영역을 형성하는 단계 및 (c)상기 투명 게이트 영역 상에 바이오 분자를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 투명 게이트 영역은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로만 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체가 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 두 가지 이상의 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역의 최 하단부는 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체는 산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중의 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전도성을 갖는 투명 게이트 물질은 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), 다이아몬드(Diamond) 중의 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 바이오 분자는 DNA, RNA, 단백질, 리간드, 항원-항체 물질, 효소 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 (b)단계 후 (c)단계 전에, 상기 투명 게이트 영역 상에 링커(linker)를 형성하는 단계를 더 포함하도록 하여, 상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자가 상기 링커(linker)에 의해 연결되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 링커(linker)는 아민(amine), 알데히드(aldehyde), 에폭시드(epoxide), 말레이미드(maleimide), 티올(thiol), 히드라진(hydrazine), NHS(N-hydroxysuccinimide) 중 적어도 하나 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 (c)단계 전이고, 또한 상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자가 상기 링커(linker)에 의해 연결되기 전에, 상기 바이오 분자가 광 블로킹 층과 결합되는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 광 블로킹(blocking)층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 (b)단계 후 (c)단계 전이고, 또한 상기 투명 게이트 영역에 상기 바이오 분자 또는 상기 링커(linker)가 결합되기 전에, 상기 소스와 드레인 상에 광 투명성이 없는 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 보호층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 중 어느 하나인 금속, 상기 금속과 실리콘(Silicon)이 결합된 실러사이드(Silicide) 또는 융기형 폴리실리콘(Polysilicon) 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 (b)단계 후 (c)단계 전이고, 또한 상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자 또는 상기 링커(linker)가 결합되기 전에, 상기 투명 게이트 영역의 양 측부에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 절연층은 산화규소(SiO2), 질화실리콘(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 보호층이 형성된 후 상기 절연층이 형성될 수 있다.
상기 절연층이 형성된 후 상기 보호층이 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 바이오 분자가 나노갭이 아닌 외부로 노출된 투명 게이트 영역에 결합하므로 바이오 센서에 바이오 분자를 용이하게 고정시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 바이오 분자가 나노갭이 아닌 외부로 노출된 투명 게이트 영역에 결합된 상태이므로 바이오 센서에 고정된 바이오 분자를 용이하게 확인하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 바이오 분자의 검출은 바이오 분자에 형성된 광 블로킹 층의 빛의 투과 유무에 의해 결정되므로 바이오 분자의 전하 유무와 관계없이 바이오 센서가 다양한 바이오 분자를 검출하는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명에 의한 바이오 센서의 평면도를 나타낸 것이다. 도 1b는 본 발명에 의한 바이오 센서의 단면도를 나타낸 것으로, 특히, 도 1a에 표시된 A-A' 방향으로 자른 것이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 센서는 기판(100), 소스/드레인(101), 투명 게이트 영역(102), 바이오 분자(103), 링커(linker, 104)로 이루어진다.
기판(100)은 실리콘 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(100)에 소스와 드레인(101)을 이격하여 형성한다. 소스와 드레인(101)은 기판(100)에 n-형 또는 p-형 불순물을 도핑하여 형성된다. 특정 엔드 디바이스(end device)의 필요조건에 따라 특정 주입 도즈(dose) 및 에너지들이 선택될 수 있다.
기판(100) 상에 투명 물질을 적층한다. 이후, 공지의 건식 또는 습식 식각 공정 등을 통해 투명 물질을 패터닝하여 투명 게이트 영역(102)을 형성한다. 이때, 투명 게이트 영역(102)의 위치는 소스와 드레인(101) 사이의 영역 상에 형성한다. 한편, 공지의 식각 공정으로는 포토 리소그라피(lithography)법을 사용하는 것이 좋다.
상기 투명 게이트 영역(102)은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로만 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역(102)은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역(102)은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체가 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다.
상기 투명 게이트 영역(102)은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 두 가지 이상의 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 구성될 수 있다. 이 경우 가장 아래층은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 투명 게이트 유전체는 산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중의 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 투명 게이트 물질은 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), 다이아몬 드(Diamond) 중의 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
투명 게이트 영역(102) 상에 바이오 분자(103)를 형성한다. 이는 바이오 분자(103)를 투명 게이트 영역(102) 상에 선택적으로 결합시켜 형성한다. 바이오 분자(103)는 DNA, RNA, 단백질, 리간드, 항원-항체 물질, 효소 중 어느 하나의 형태로 이루어 질 수 있다. 즉, 바이오 분자(103)는 DNA, RNA, 단백질, 리간드, 항원-항체 물질, 효소 등의 검출하고자 하는 타겟 물질로 한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 분자(103) 검출은 빛에 대한 투명성 여부와 관계 없이 가능하다.
바이오 분자(103)를 투명 게이트 영역(102) 상에 보다 잘 형성하기 위하여 추가적으로 바이오 분자(103)와 투명 게이트 영역 상에 링커(linker, 104)를 형성한다. 링커(linker, 104)는 바이오 분자(103)를 투명 게이트 영역(102) 상에 형성하기 전에 추가적으로 형성한다. 링커(linker, 104)는 투명 게이트 영역(102) 표면과 결합이 가능한 SAM(Self Assembled Monolayer)으로 구성된다. 링커(linker, 104)는 바이오 분자(103)가 투명 게이트 영역(102) 표면에 잘 결합되도록 고정시키는 기능을 한다. 링커(linker, 104)는 외부 광원이 투과될 수 있도록 투명한 물질로 형성한다. 또한, 링커(linker, 104)는 투명 게이트 영역(102)과 바이오 분자(103)에 선택적으로 결합될 수 있는 모든 물질이다. 여기서, 링커(linker, 104)는 아민(amine), 알데히드(aldehyde), 에폭시드(epoxide), 말레이미드(maleimide), 티올(thiol), 히드라진(hydrazine), NHS(N-hydroxysuccinimide) 중 적어도 하나 이상으로 형성된다. 예를 들면, 링커(linker)의 바이오 결합 물질(bio conjugate materials)인 페어(pair)로서, 아민-NHS(amine-N-hydroxysuccinimide), 아민-알데 히드(amine-aldehyde), 아민-에폭시드(amine-epoxide), 말레이미드-티올(maleimide-thiol), 알데히드-히드라진(aldehyde-hydrazine)이 있다.
도 2a는 바이오 분자(203)가 투명 게이트 영역(202) 상에 고정되지 않은 경우에, 바이오 센서의 동작 원리를 보여준다.
바이오 분자(203)가 투명 게이트 영역(202) 상에 고정되지 않았을 때, 외부 광원(205)에 의해 바이오 센서에 빛이 조사되면, 빛은 링커(linker, 204)와 투명 게이트 영역(202)을 통해 기판(200)에 도달된다. 이 경우 기판(200)을 실리콘으로 형성하게 되면, 빛은 실리콘 표면에 도달한다. 도달된 빛에 의해 실리콘 표면에서 전자-정공 쌍(206)이 형성된다. 형성된 전자-정공 쌍은 전류가 흐를 수 있는 채널을 형성한다. 이 경우 소스와 드레인(201)에 전압을 인가하면 전류가 검출된다.
도 2b는 바이오 분자(203)가 투명 게이트 영역(202) 상에 고정되었을 경우에, 바이오 센서의 동작 원리를 보여준다.
바이오 분자(203)가 투명 게이트 영역(202) 상에 고정되었을 때, 외부 광원(205)에 의해 바이오 센서에 빛이 조사되면, 빛은 바이오 분자(203)에 의해 반사되거나 흡수되어 기판(200)에 도달하지 못한다. 이 경우 기판(200)을 실리콘으로 형성하게 되면, 빛이 실리콘 표면에 도달하지 못하게 된다. 이에 의해, 실리콘 표면에 전자-정공 쌍이 형성되지 않는다. 이에 의해, 소스와 드레인(201)에 전압을 인가해도 전류가 흐르지 않게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 게이트 영역(202)을 포함하는 바이오 센서는 투명 게이트 영역(202)에 외부 광원의 빛을 조사한 상태에서 소스와 드레인(201)에 전압을 가하고 전류를 측정함으로써, 바이오 분자(203)의 존재 유무를 확인 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 게이트 영역(302)을 갖는 트랜지스터로 형성된 바이오 센서의 신뢰성 및 민감도를 향상시킨 구조를 나타낸다.　
도면부호 307은 투명 게이트 영역(302)을 갖는 트랜지스터로 형성된 바이오 센서의 민감도를 향상시키기 위해 전처리 과정을 통해 바이오 분자(303) 상에 형성된 광 블로킹(blocking)층(307)을 나타낸다. 여기서, 전처리 과정은, 바이오 분자의 불투명성을 높이기 위해 바이오 분자의 말단에 불투명한 물질을 붙이는 과정이다. 전처리 과정에서 바이오 분자 말단에 붙이는 불투명한 물질은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 등의 금속중 어느 하나이다. 상기 금속 파티클(particle)의 표면은 링커(linker)로 표면 개질(modify)한다. 이때, 이러한 과정은 화학적 반응을 통하는 경우도 있지만, 대부분은 물리적으로 캐핑(capping)하는 방법을 사용한다. 표면 개질(modify)된 물질은 바이오 분자의 말단에 존재하는 바이오 결합 물질과 결합하여 바이오 분자 말단에 붙게 된다.
바이오 분자(303)의 크기가 매우 작은 경우나 바이오 분자(303)가 외부 광원(305)에서 조사된 빛에 대하여 투명한 특성을 갖는 경우가 있다. 이에 의해, 외부 광원(305)에 의해 조사된 빛이 바이오 분자를 통과해 바이오 센서의 실리콘 표면까지 들어갈 수 있다. 이러한 경우를 방지하기 위하여, 바이오 분자(303)가 링커(linker, 304)에 의해 투명 게이트 영역(302) 상에 형성되기 전에, 바이오 분자(303) 상에 불투명한 물질로 광 블로킹(blocking)층(307)을 형성한다. 여기서 광 블로킹(blocking)층(307)을 형성하는 불투명한 물질은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 등의 금속 중 어느 하나이다.
소스와 드레인(301)을 통해 흐르는 전류는 투명 게이트 영역(302)을 통해 들어오는 빛의 양에 비례한다. 따라서, 전처리 과정을 통해 광 블로킹(blocking)층(307)을 형성하여, 투명 게이트 영역(302)을 통해 바이오 센서에 입사되는 빛의 양을 조절함으로써, 바이오 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다.
도면부호 308은 소스와 드레인(301)에 빛이 입사되는 것을 차단하는 광 투명성이 없는 보호층(308)을 나타낸다.
소스와 드레인(301)에 빛이 입사하게 되면, 소스와 드레인(301) 내에 다량의 전자-정공쌍이 형성되어 소자의 신뢰성을 저하시키게 된다. 만약, 외부 광원(305)에서 빛이 비스듬히 조사되는 경우, 빛이 투명 게이트 영역(302)의 하부로 입사되 어, 투명 게이트 영역(302) 하부의 채널 영역에 전자-정공 쌍이 형성될 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여, 소스와 드레인(301)상에 불투명한 물질로 광 투명성이 없는 보호층(308)을 형성한다. 여기서, 보호층(308)을 형성하는 불투명한 물질은 금속, 금속 실러사이드, 또는 비금속 중 어느 하나이다. 즉, 불투명한 물질은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 등의 금속과, 이들 금속과 실리콘(Silicon)이 결합된 실러사이드(Silicide) 또는 비금속인 융기형 폴리실리콘(Polysilicon)이 있다. 이때, 보호층(308)을 상술한 불투명한 물질로 형성하면, 소스와 드레인(301)의 컨택 패드(contact pad) 제작 공정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.
도면부호 309는 소스와 드레인(301)을 투명 게이트 영역(302)과 절연시키는 절연층을 나타낸다. 전처리 과정을 통해 형성된 광 블로킹(blocking)층(307)과 소스와 드레인(301)에 빛이 입사되는 것을 차단하기 위한 보호층(308)은 모두 전도성을 갖기 때문에 전류가 투명 게이트 영역(302) 하부의 채널이 아닌 광 블로킹(blocking)층(307)을 통해 흐르는 것을 방지할 필요가 있다. 이를 위해, 투명 게이트 영역(302)의 양 측부에 절연층을 형성한다. 절연층은 절연특성이 있는 산화규소(SiO2), 질화실리콘(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중 적어도 하나로 형성된다.
이상에서 보는 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a는 본 발명에 의한 바이오 센서의 평면도를 나타낸 것이다.
도 1b는 본 발명에 의한 바이오 센서의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2a는 바이오 분자가 투명 게이트 영역 상에 고정되지 않은 경우에, 바이오 센서의 동작 원리를 나타낸 것이다.
도 2b는 바이오 분자가 투명 게이트 영역 상에 고정되었을 경우에, 바이오 센서의 동작 원리를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 바이오 센서의 단면도를 나타낸 것이다.

Claims (38)

  1. 소스와 드레인이 이격되어 형성된 기판;
    상기 기판의 상기 소스와 드레인 사이의 영역 상에 형성된 투명 게이트 영역; 및
    상기 투명 게이트 영역 상에 형성된 바이오 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역은, 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로만 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역은, 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체가 순차적으로 증착되어 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 두 가지 이상의 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  6. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역의 최 하단부는 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  7. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체는 산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중의 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  8. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 전도성을 갖는 투명 게이트 물질은 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), 다이아몬드(Diamond) 중의 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 분자는 DNA, RNA, 단백질, 리간드, 항원-항체 물질, 효소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자 사이에 링커(linker)가 더 포함되고,
    상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자가 상기 링커(linker)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 링커(linker)는 아민(amine), 알데히드(aldehyde), 에폭시드(epoxide), 말레이미드(maleimide), 티올(thiol), 히드라진(hydrazine), NHS(N-hydroxysuccinimide) 중 적어도 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자가 상기 링커(linker)에 의해 연결되기 전에, 상기 바이오 분자가 광 블로킹(blocking)층과 결합되는 것을 특징으 로 하는 바이오 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 블로킹(blocking)층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr)중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역에 상기 바이오 분자 또는 상기 링커(linker)가 결합되기 전에, 상기 소스와 드레인 상에 광 투명성이 없는 보호층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 보호층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 중 어느 하나인 금속, 상기 금속과 실리콘(Silicon)이 결합된 실러사이드(Silicide) 또는 비금속인 융기형 폴리실리콘(Polysilicon)중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역에 상기 바이오 분자 또는 상기 링커(linker)가 결합되기 전에, 상기 투명 게이트 영역의 양 측부에 절연층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 절연층은 산화규소(SiO2), 질화실리콘(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중 적어도 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  18. 제 14 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 보호층이 형성된 후 상기 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  19. 제 14 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 절연층이 형성된 후 상기 보호층이 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  20. (a)기판에 소스와 드레인을 이격하여 형성하는 단계;
    (b)상기 기판의 상기 소스와 드레인 사이의 영역 상에 투명 물질로 투명 게이트 영역을 형성하는 단계; 및
    (c)상기 투명 게이트 영역 상에 바이오 분자를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로만 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역은 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체가 순차적으로 증착되어 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역은 두 가지 이상의 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체와 두 가지 이상의 전도성을 갖는 투명 게이트 물질이 순차적으로 증착되어 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  25. 제 22 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 투명 게이트 영역의 최 하단부는 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  26. 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연 특성을 갖는 투명 게이트 유전체는 산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중의 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  27. 제 22 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 전도성을 갖는 투명 게이트 물질은 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), 다이아몬드(Diamond) 중의 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  28. 제 20 항에 있어서,
    상기 바이오 분자는 DNA, RNA, 단백질, 리간드, 항원-항체 물질, 효소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  29. 제 20 항에 있어서,
    상기 (b)단계 후 (c)단계 전에, 상기 투명 게이트 영역 상에 링커(linker)를 형성하는 단계를 더 포함하도록 하여, 상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자가 상기 링커(linker)에 의해 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 링커(linker)는 아민(amine), 알데히드(aldehyde), 에폭시드(epoxide), 말레이미드(maleimide), 티올(thiol), 히드라진(hydrazine), NHS(N-hydroxysuccinimide) 중 적어도 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  31. 제 20 항에 있어서,
    상기 (c)단계 전이고, 또한 상기 투명 게이트 영역과 상기 바이오 분자가 상기 링커(linker)에 의해 연결되기 전에, 상기 바이오 분자가 광 블로킹(blocking)층과 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 광 블로킹(blocking)층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  33. 제 20 항에 있어서,
    상기 (b)단계 후 (c)단계 전이고, 상기 투명 게이트 영역 상에 상기 바이오 분자 또는 상기 링커(linker)가 결합되기 전에, 상기 소스와 드레인 상에 광 투명성이 없는 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 보호층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 에르븀(Er), 은(Ag), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr) 중 어느 하나인 금속, 상기 금속과 실리콘(Silicon)이 결합된 실러사이드(Silicide) 또는 비금속인 융기형 폴리실리콘(Polysilicon) 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  35. 제 20 항에 있어서,
    상기 (b)단계 후 (c)단계 전이고, 또한 상기 투명 게이트 영역에 상기 바이오 분자 또는 상기 링커(linker)가 결합되기 전에, 상기 투명 게이트 영역의 양 측부에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 절연층은 산화규소(SiO2), 질화실리콘(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 하프늄 디옥사이드(HfO2), 지르코니아(ZrO2) 중 적어도 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  37. 제 33 항에 있어서,
    상기 보호층이 형성된 후 상기 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 절연층이 형성된 후 상기 보호층이 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
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