KR101320687B1 - 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오센서 - Google Patents

전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오센서 Download PDF

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Abstract

본 발명의 바이오 센서는 기판; 상기 기판 상에 채널을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인; 절연막을 통해 상기 채널과 절연된 부유 게이트와 제어 게이트; 및 상기 부유 게이트상에 형성된 바이오 물질층을 포함하고, 상기 부유 게이트와 상기 제어 게이트는 각각 상기 채널의 양측면 및 상면 상에 형성되고, 상기 바이오 물질층은 상기 채널의 일측으로 연장된 상기 부유 게이트상에 형성되어 있다.

Description

전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오센서{Biosensor using Field Effect Transistor}
본 발명은 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서에 관한 것이다.
바이오센서는 효소, 항원, 항체와 같은 특정 바이오물질을 검출하는 역할을 한다. 바이오 물질을 검출하는 방법에는 화학적, 광학적, 전기적으로 검출하는 방법이 있다. 특히, 전기적인 검출방법은 소량의 검출 시료만으로도 적용가능할뿐 아니라 신속한 검출이 가능하다. 그 중에서도, 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)를 이용한 바이오센서가 널리 이용되고 있다.
전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 높은 생산성, 낮은 제조비용, 기존 CMOS(Complimentary Metal-Oxide Semiconductor)와의 높은 융합성, 및 추가적인 표지 과정(labeling process)의 불필요로 인해 다른 형태의 바이오센서들에 비해 유리하다. 따라서, 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 칩 기반의 바이오 진단 키트 분야에 용이하게 적용될 수 있다.
바이오 진단 키트에 적용하기 위해 고려해야 할 점으로는 바이오물질이 포함되어 있는 완충 용액 상태에서 전계효과 트랜지스터 동작의 안정성이다. 바이오센서로서 이용되기 위해 고도의 안정성을 갖는 구조의 전계효과 트랜지스터가 요구되고 있다.
한국등록공보 제10-0902517호 (2009.06.05)
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 전계효과 트랜지스터의 부유 게이트에 바이오 물질층을 부착함으로써 구조적으로 안정적인 바이오 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는 기판; 상기 기판 상에 채널을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인; 절연막을 통해 상기 채널과 절연된 부유 게이트와 제어 게이트; 및 상기 부유 게이트상에 형성된 바이오 물질층을 포함한다.
부유 게이트와 제어 게이트는 상기 채널을 사이에 두고 서로 다른 측에 위치할 수 있다.
부유 게이트와 제어 게이트는 각각 채널의 양측면 및 상면 상에 형성되고, 바이오 물질층은 채널의 일측으로 연장된 부유 게이트상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는 기판; 상기 기판상에 형성된 제어 게이트; 상기 제어 게이트 상에 형성된 제1절연막; 상기 제1절연막상에 형성된 채널을 사이에 두고 서로 이격된 소스 및 드레인; 상기 채널 상에 형성된 제2절연막; 상기 제2절연막상에 형성된 부유 게이트; 및 상기 부유 게이트상에 형성된 바이오 물질층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 전계효과 트랜지스터의 부유 게이트에 바이오 물질층을 부착함으로써 구조적으로 안정적인 바이오 센서를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전계효과 트랜지스터의 채널이 직접적으로 바이오 물질이 포함된 완충용액에 노출되는 것을 방지할 수 있어, 바이오 센서의 특성 변화 및 이에 따른 측정값의 산포 및 오판률을 감소시킬 수 있다.
도1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서의 평면도이다.
도1b 및 도1c는 각각 도1a의 A-A'선 및 B-B'선을 따른 단면도이다.
도2a는 본 발명의 제2실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서의 평면도이다.
도2b 및 도2c는 각각 도2a의 A-A'선 및 B-B'선을 따른 단면도이다.
도3a는 본 발명의 제3실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서의 평면도이다.
도3b 및 도3c는 각각 도3a의 A-A'선 및 B-B'선을 따른 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면들 중 인용부호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 인용부호들로 표시됨을 유의해야 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도1a은 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오 센서의 평면도이다. 도1b 및 도1c는 각각 도1a의 A-A'선 및 B-B'선을 따른 단면도이다.
도1a 내지 도1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 기판(100), 기판(100) 상에 채널(103)을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스(101) 및 드레인(102), 절연막(104)을 통해 채널(103)과 절연된 부유 게이트(105: floating gate)와 제어 게이트(106)를 포함한다.
기판(100)은 SOI(Silicon On Insulator)기판, 실리콘 기판, 인장 실리콘(strained silicon) 기판, 폴리실리콘 기판 및 SiGe 기판 중 어느 하나의 기판일 수 있다.
소스(101) 및 드레인(102)은 실시예에 따라 실리콘 물질에 n-형 불순물 또는 p-형 불순물을 도핑하여 형성할 수 있다. 특정 엔드 디바이스(end device)의 필요조건에 따라 주입 도즈(dose)량 및 에너지들이 선택될 수 있다. 소스(101)와 드레인(102) 사이에는 채널(103)이 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 부유 게이트(floating gate: 105)와 제어 게이트(control gate:106)를 포함한다. 부유 게이트(105)와 제어 게이트(106)는 절연막(104)을 통해 채널(103)로부터 절연된다.
부유 게이트(105)와 제어 게이트(106)는 금속 또는 폴리실리콘을 이용하여 형성되거나, 폴리 실리콘 위에 금(Au), 은(Ag) 또는 백금(Pt)과 같이 바이오 물질층과의 친화력이 높은 금속을 증착함으로써 형성될 수 있다.
제1실시예에 따른 바이오 센서에서, 부유 게이트(105)와 제어 게이트(106)는 채널(103)을 사이에 두고 서로 다른 측에 위치할 수 있다. 즉, 부유 게이트(105)는 기판(100) 상에서 채널(103)의 일측에 위치한다. 채널(103)의 타측에는 제어 게이트(106)가 위치한다. 채널(103)의 양측면에는 절연막(104)이 위치하여 채널(103)과 부유 게이트(105) 및 제어 게이트(106)가 절연될 수 있다.
절연막(104)은 실리콘 옥사이드(silicon oxide), Al2O3 및 HfO2와 같은 고유전율 박막(High-k dielectric)의 메탈 옥사이드(metal oxide), SAM(Self-Assembled Monolayer)와 같은 유기층, 또는 포토레지스트 중 적어도 하나를 포함하는 물질을 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서에서 검출대상 바이오 물질이 결합할 수 있는 바이오 물질층(107), 즉 수용체 바이오 물질층이 부유 게이트(105) 상에 형성된다.
바이오 물질층(107)은 DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드(peptide), 아미노산, 리간드(ligand), 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기 화합물, 콜레스테롤, 비타민, 드러그(drug) 및 효소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 바이오 물질층(107)을 이루는 물질은 검출하고자 하는 타겟 물질에 따라 적절히 선택할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서에서 바이오 물질층(107)은 부유 게이트(105) 상에 형성된다. 따라서, 전계효과 트랜지스터의 채널(103)이 직접 바이오 물질이 포함되어 있는 완충 용액에 노출되지 않을 수 있다. 따라서, 완충 용액에 의해 바이오 센서의 특성이 변하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 바이오 센서의 측정값의 산포와 오판률을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서에서, 바이오 물질층(107)에 부착된 검출 대상 바이오 물질의 변화에 따라 소자의 전기적 특성이 변하게 된다. 따라서, 검출 대상 바이오 물질의 변화에 따른 소자의 전기적 특성 변화에 따라 바이오 물질의 검출이 가능하다.
도2a는 본 발명의 제2실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서의 평면도이다. 도2b 및 도2c는 각각 도2a의 A-A'선 및 B-B'선을 따른 단면도이다.
도2a 내지 도2c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 기판(200), 기판(200) 상에 채널(203)을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스(201) 및 드레인(202), 절연막(204)을 통해 채널(203)과 절연된 부유 게이트(205: floating gate)와 제어 게이트(206)를 포함한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 바이오 센서는 부유 게이트(205)와 제어 게이트(206)의 구조적인 차이점을 제외하고는 도1a 내지 도1c를 참조하여 설명된 제1실시예에 따른 바이오 센서와 동일하다. 따라서, 도1a 내지 도1c를 참조하여 설명된 내용은 이하에서는 생략된다.
본 발명의 제2실시예에 따른 바이오 센서에서, 부유 게이트(205)와 제어 게이트(206)는 각각 채널(203)의 양측면 및 상면상에 형성된다. 부유 게이트(205)와 제어 게이트(206)가 형성되는 채널(203)의 양측면 및 상면에는 절연막(204)이 형성되어, 채널(203)과 부유 게이트(205) 및 제어 게이트(206) 사이에 절연이 이루어질 수 있다. 이때, 부유 게이트(205)는 채널(203)의 일측으로 연장되고, 제어 게이트(205)는 채널(203)의 타측으로 연장될 수 있다.
바이오 물질층(207)은 채널(203)의 일측으로 연장된 부유 게이트(205) 상에 형성된다.
도3a는 본 발명의 제3실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서의 평면도이다. 도3b 및 도3c는 각각 도2a의 A-A'선 및 B-B'선을 따른 단면도이다.
도3a 내지 도3c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서는 기판(300), 기판(300) 상에 형성된 제어 게이트(306), 제어 게이트(306) 상에 형성된 제1절연막(308), 제1절연막(308)상에 형성된 채널(303)을 사이에 두고 서로 이격된 소스(301) 및 드레인(302), 채널(203) 상에 형성된 제2절연막(304), 및 제2절연막(304)상에 형성된 부유 게이트(305)를 포함할 수 있다.
제1절연막(308)은 제어 게이트(306)를 채널(303)과 절연시키는 역할을 한다. 또한, 제1절연막(308)은 실시예에 따라 제어 게이트(306)를 소스(301) 및 드레인(302)과 절연시키는 역할을 할 수도 있다.
제2절연막(304)은 부유 게이트(305)를 채널(303)과 절연시키는 역할을 한다.
제1 및 제2 실시예에서와는 달리, 부유 게이트(305)와 제어 게이트(306)가 동일 평면상에 형성되지 않는다. 하지만, 도3a의 평면도 및 도3b의 단면도에 도시된 바와 같이, 부유 게이트(305)는 채널(303)의 일측으로 연장되고, 제어 게이트(306)는 상대적으로 채널(303)의 타측으로 연장된 구조를 갖는다.
이때, 바이오 물질층(307)은 채널(303)의 일측으로 연장된 부유 게이트(305) 상에 형성된다.
상기와 같은 구조적 차이점을 제외하고, 도1a 내지 도1c를 참조하는 제1실시예에 대한 설명은 제3실시예에 따른 바이오 센서에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 중복되는 내용은 이하에서는 생략한다.
본 발명의 제1 내지 제3 실시예에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터를 이용하는 바이오 센서에서 바이오 물질층은 부유 게이트상에 형성된다. 이때, 바이오 물질층은 채널을 기준으로 일측으로 연장된 부유 게이트 상에 위치할 수 있다.
이와 같이, 바이오 물질층을 전계효과 트랜지스터의 부유 게이트에 부착함으로써 채널이 직접 바이오 물질이 포함된 완충 용액에 노출되는 것이 방지될 수 있다. 이에 따라, 바이오 센서의 특성이 변화되어 바이오 센서의 측정값 산포와 오판률을 줄일 수 있다. 또한, 바이오 물질층이 부유 게이트에 결합되므로 보다 안정적으로 동작하는 바이오 센서를 획득할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 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.
100: 기판
101, 201, 301: 소스
102, 202, 302: 드레인
103, 203, 303: 채널
104, 204, 304, 308: 절연막
105, 205, 305: 부유 게이트
106, 206, 306: 제어 게이트
107, 207, 307: 바이오 물질층

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 채널을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인;
    절연막을 통해 상기 채널과 절연된 부유 게이트와 제어 게이트; 및
    상기 부유 게이트상에 형성된 바이오 물질층을 포함하고,
    상기 부유 게이트와 상기 제어 게이트는 각각 상기 채널의 양측면 및 상면 상에 형성되고,
    상기 바이오 물질층은 상기 채널의 일측으로 연장된 상기 부유 게이트상에 형성되어 있는,
    바이오 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 물질층은, DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유기 화합물, 무기화합물, 콜레스테롤, 비타민, 드러그 및 효소 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 SOI기판, 실리콘 기판, 인장 실리콘 기판, 폴리실리콘 기판 및 SiGe 기판 중 어느 하나의 기판인 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부유 게이트와 상기 제어 게이트는,
    금속 또는 폴리실리콘으로 형성되거나, 또는 폴리실리콘 상에 금,은 또는 백금을 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은 고유전율 박막의 메탈 옥사이드, 유기층 또는 포토레지스트 중 적어도 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
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MASSIMO BARBARO 외, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 53, no. 1, pp. 158-166, (2006.01.31.) *
MASSIMO BARBARO 외, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 53, no. 1, pp. 158-166, (2006.01.31.)*

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