KR101607938B1 - 용액 공정 기반 적층형 산화물 박막 트랜지스터 바이오 센서 및 그를 제조하는 제조 방법 - Google Patents

용액 공정 기반 적층형 산화물 박막 트랜지스터 바이오 센서 및 그를 제조하는 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오 센서 및 그를 제조하는 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 게이트; 상기 게이트 위에 형성된 게이트 절연 층; 상기 게이트 절연 층 위에 적층된 다수의 산화물 반도체 층; 및 상기 산화물 반도체 층 위에 형성된 소스 및 드레인;을 포함할 수 있다.

Description

용액 공정 기반 적층형 산화물 박막 트랜지스터 바이오 센서 및 그를 제조하는 제조 방법{BIO SENSOR USING SOLUTION-PROCESSED MULTI-STACKED OXIDE THIN FILM TRANSISTOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 바이오 센서 및 그를 제조하는 제조 방법에 관한 것이다.
인간의 삶의 질적인 향상에 대한 관심이 높아지면서, 다양한 바이오 물질, 즉, DNA, RNA, 단백질, 바이러스, 병원균, 변형 단백질, 독소 등을 빠르고 동시적으로 검출하는 바이오 센서에 대한 연구가 각광을 받고 있다. 특히, 이러한 바이오 센서 기술의 발달은 약제의 발견, 유전적 돌연변이의 검출 및 유전자 치료와 같은 다양한 의학적인 분야의 발전으로 이어지고 있다.
그러나, 기존의 실리콘 기반의 전계 효과 트랜지스터형 바이오 센서의 경우, 제작 비용이 높고, 공정상의 한계로 대면적 구현이 어려우며, 이동성 및 유연성이 떨어진다는 한계가 있었다.
한편, 이러한 단점을 보완하기 위해 제시된 유기물 박막 트랜지스터 (Organic thin film transistor)형 바이오 센서는, 저비용, 높은 이동성 및 유연성을 비롯하여 민감도가 높아 적은 양의 타겟 물질로도 감지가 가능하다는 장점이 있으나, 유기물 자체의 한계로 인해 소자의 안정성(Stability)이 떨어져 신뢰성(Reliability)이 저하되고, 주변 환경의 영향으로 인한 노이즈 발생, 낮은 재현성(Reproducibility) 등의 문제로 여전히 연구 단계에만 머물러 있을 뿐 상용화에 이르지 못하고 있다.
본 발명의 실시예는, 실리콘 기반 전계 효과 트랜지스터형 바이오 센서와 유기물 박막 트랜지스터형 바이오 센서의 장점인 저비용과 높은 이동성, 유연성, 민감도, 신뢰성, 재현성, 노이즈 극복, 직접 변환(direct transduction)이 가능한 바이오 센서 및 그를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 게이트; 상기 게이트 위에 형성된 게이트 절연 층; 상기 게이트 절연 층 위에 적층된 다수의 산화물 반도체 층; 및 상기 산화물 반도체 층 위에 형성된 소스 및 드레인;을 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체 층은: InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, ZnO, InGaZnO4, ZnInO, ZnSnO, In2O3, Ga2O3, HfInZnO, GaInZnO, HfO2, SnO2, WO3, TiO2, Ta2O5, In2O3SnO2, MgZnO, ZnSnO3, ZnSnO4, CdZnO, CuAlO2, CuGaO2, Nb2O5 및 TiSrO3 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 다수의 산화물 반도체 층은: 상기 게이트 절연 층 상에 형성되며, 캐리어의 메인 이동 경로를 제공하는 제 1 산화물 반도체 층; 상기 제 1 산화물 반도체 층 상에 형성되며, 상기 캐리어의 서브 이동 경로를 제공하는 제 2 산화물 반도체 층; 및 상기 제 2 산화물 반도체 층 상에 형성되며, 상기 제 1 및 제 2 산화물 반도체 층을 보호하는 제 3 산화물 반도체 층;을 포함할 수 있다.
상기 다수의 산화물 반도체 층은: 상기 제 1 산화물 반도체 층과 상기 제 2 산화물 반도체 층 사이의 제 1 중간 계면층, 및 상기 제 2 산화물 반도체 층과 상기 제 3 산화물 반도체 층 사이의 제 2 중간 계면층에 전하를 보유할 수 있다.
상기 다수의 산화물 반도체 층은 각각 다른 물질로 구성될 수 있다.
상기 다수의 산화물 반도체 층은 각각 다른 조성비로 구성될 수 있다.
상기 바이오 센서는: 상기 산화물 반도체 층에 바이오 물질이 접촉하는 경우, 전기적 특성이 변할 수 있다.
상기 바이오 물질은 외가닥(single-strained) DNA, 두 가닥(double-strained) DNA, 나노구조화된 DNA(nanostructure DNA), 항원, 항체 및 단백질 중 적어도 하나를 포함하는 생체 분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 제조 방법은, 기판 위에 게이트 및 게이트 절연 층을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연 층 위에 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계; 및 상기 산화물 반도체 층 위에 소스 및 드레인을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계는:
산화물 전구체 물질을 용매에 녹인 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계; 상기 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계; 및 상기 산화물 전구체 용액의 기판 도포 및 상기 기판의 열처리를 상기 산화물 반도체 층의 수만큼 반복하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 산화물 전구체 물질은 인듐 나이트레이트 하이드레이트(In(NO3)3H2O), 갈륨 나이트레이트 하이드레이트(Ga(NO3)3H2O) 및 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zn(CH3COO)2H2O)를 포함할 수 있다.
상기 산화물 전구체 용액은 인듐, 갈륨 및 아연을 3:1:2의 몰 비율로 포함할 수 있다.
상기 용매는 아세트산(Acetic Acid), 암모니아(Ammonia), 물(Water), 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 및 폼아마이드(Formamide)로 이루어진 극성 군이나, 아세톤(Acetone), 벤젠(Benzene), 클로로포름(Chloroform), 디메틸술폭시드(Dimethyformamide), 디옥산(dioxane), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 및 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran) 중에서 선택될 수 있다.
상기 기판을 열처리하는 단계는: 상기 기판을 300℃에서 5분 동안 선 열처리하는 단계; 및 상기 기판을 500℃에서 1시간 동안 후 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계는: 제 1 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계; 상기 제 1 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계; 상기 제 1 산화물 전구체 용액과 물질 및 조성비 중 적어도 하나가 다른 제 2 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계; 및 상기 제 2 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계는: 산화물 전구체 물질을 용매에 녹인 산화물 전구체 용액을 상기 산화물 반도체 층의 수에 따라 희석시키는 단계; 상기 희석된 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계; 상기 희석된 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계; 및 상기 희석된 산화물 전구체 용액의 기판 도포 및 상기 기판의 열처리를 상기 산화물 반도체 층의 수만큼 반복하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 산화물 전구체 용액을 희석시키는 단계는: 상기 산화물 전구체 용액의 농도가 상기 산화물 반도체 층의 수에 반비례하도록 상기 산화물 전구체 용액을 희석시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저비용의 단순 공정으로 안정성이 높은 바이오 센서를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 신뢰성, 재현성, 환경에 대한 강인함, 전기적 특성이 높은 고감도의 바이오 센서를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 예시적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 세 개의 층으로 구성된 산화물 반도체 층의 단면을 촬영한 HR-TEM(high-resolution trasmission electron microscopy) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 바이오 물질을 접촉하는 모습을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가 DNA를 검출하는 메커니즘을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 DNA를 접촉시키기 전의 전류-전압 특성과 DNA를 접촉시킨 후의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 제조 방법을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 시편에 DNA가 접촉되기 전과 후의 턴-온 전류(Ion), 턴-온 전압(Von), 문턱전압이하 기울기(subthreshold swing, SS) 및 전계 효과 이동도(field-effect mobility, μFET)의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
본 발명의 실시예는 DNA와 같은 바이오 물질을 검출하기 위한 바이오 센서 및 그를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서는, 적층형으로 구성된 산화물 반도체 층을 구비함으로써, 바이오 타겟 물질에 대한 소자의 감도를 높이면서 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서 제조 방법은 상기 적층형 산화물 반도체 층을 용액 공정으로 형성하여 저비용으로 소자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 예시적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 바이오 센서(100)는 기판(100), 상기 기판(100) 위에 형성된 게이트(120), 상기 게이트(120) 위에 형성된 게이트 절연 층(130), 상기 게이트 절연 층(130) 위에 적층된 다수의 산화물 반도체 층(141, 142, 143), 및 상기 산화물 반도체 층 위에 형성된 소스(150) 및 드레인(160)을 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 유리, 플라스틱, 실리콘 또는 합성수지와 같은 절연성 재질로 만들어질 수 있다.
상기 기판(110) 위에는 게이트(120)가 형성되고, 그 위에 게이트 절연 층(130)이 형성될 수 있다. 상기 게이트 절연 층(130)은 SiO2로 구성될 수 있다.
상기 산화물 반도체 층은 상기 게이트 절연 층(130) 위에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화물 반도체 층은 InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, ZnO, InGaZnO4, ZnInO, ZnSnO, In2O3, Ga2O3, HfInZnO, GaInZnO, HfO2, SnO2, WO3, TiO2, Ta2O5, In2O3SnO2, MgZnO, ZnSnO3, ZnSnO4, CdZnO, CuAlO2, CuGaO2, Nb2O5 및 TiSrO3 중 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화물 반도체 층은 용액 공정, 즉 졸-겔(sol-gel) 법과 같이 산화물 전구체 용액을 기판에 도포한 뒤 열처리를 통해 형성될 수 있다.
상기 산화물 반도체 층은 둘 이상의 층이 적층됨으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화물 반도체 층은 세 개의 층, 즉 제 1 산화물 반도체 층(141), 제 2 산화물 반도체 층(142) 및 제 3 산화물 반도체 층(143)을 포함할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 제 1 산화물 반도체 층(141)은 게이트 절연 층(130) 상에 형성되는 최하층으로서, 캐리어의 메인 이동 경로를 제공할 수 있다. 다시 말해, 상기 바이오 센서(100)가 턴 온되는 경우 대부분의 전류는 상기 제 1 산화물 반도체 층(141)을 통해 흐를 수 있다.
상기 제 2 산화물 반도체 층(142)은 상기 제 1 산화물 반도체 층(141) 상에 형성되는 중간층으로서, 캐리어의 서브 이동 경로를 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 상기 제 2 산화물 반도체 층(142)은 박막의 밀도와 두께를 조절하는 버퍼층의 기능을 가질 수도 있다.
상기 제 3 산화물 반도체 층(143)은 상기 제 2 산화물 반도체 층(142) 상에 형성되는 최상층으로서, 상기 제 1 및 제 2 산화물 반도체 층(141, 142)을 보호하는 보호층의 기능을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 다수의 산화물 반도체 층(141, 142, 143)은 제 1 산화물 반도체 층(141)과 제 2 산화물 반도체 층(142) 사이의 제 1 중간 계면층, 및 제 2 산화물 반도체 층(142)과 제 3 산화물 반도체 층(143) 사이의 제 2 중간 계면층에 전하를 보유할 수 있다.
다시 말해, 상기 제 1 및 제 2 중간 계면층에는 전하가 갇혀(trapping) 있을 수 있으며, 이와 같이 중간 계면층에 갇힌 전하는 추후 설명하는 바와 같이 센서의 감도 향상에 기여할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 세 개의 층(141, 142. 143)으로 구성된 산화물 반도체 층의 단면을 촬영한 HR-TEM(high-resolution trasmission electron microscopy) 이미지이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 바이오 센서(100)는 세 개의 층, 즉 제 1 산화물 반도체 층(141), 제 2 산화물 반도체 층(142) 및 제 3 산화물 반도체 층(143)이 적층되어 형성된 산화물 반도체 층을 가질 수 있다.
또한, 각각의 산화물 반도체 층 사이에는 중간 계면층(도 2의 점선)이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 다수의 산화물 반도체 층은 각각 다른 물질로 구성될 수 있으나, 실시예에 따라 동일한 물질로 구성될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 다수의 산화물 반도체 층은 각각 다른 조성비로 구성될 수 있으나, 실시예에 따라 조성비가 동일할 수도 있다.
상기 소스(150) 및 상기 드레인(160)은 상기 산화물 반도체 층 위에 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 소스(150)와 상기 드레인(160)은 산화물 반도체 층이 일부 노출되도록 형성될 수 있다.
상기 바이오 센서(100)는 산화물 반도체 층에 바이오 물질이 접촉하는 경우, 전기적 특성이 변하게 되며, 이러한 특성을 이용해 바이오 타겟 물질을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 바이오 물질은 외가닥(single-strained) DNA, 두 가닥(double-strained) DNA, 나노구조화된 DNA(nanostructure DNA), 항원, 항체 및 단백질 중 적어도 하나를 포함하는 생체 분자일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)에 바이오 물질을 접촉하는 모습을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 바이오 물질(200)은 노출된 산화물 반도체 층에 접촉될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 물질(200)은 피펫팅 또는 잉크젯 기법 등을 이용하여 접촉될 수 있다.
상기 바이오 물질(200)이 산화물 반도체 층에 접촉되면, 상기 바이오 센서(100)는 전기적 특성, 예컨대 전류-전압 특성이 변하게 되며, 이러한 특성 변화를 검출하여 바이오 물질(200)을 감지할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)가 DNA를 검출하는 메커니즘을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4를 참조하면, 용매 내에 있는 DNA가 산화물 반도체 층에 접촉된 경우, DNA의 정전기 인력으로 인해, 다수의 산화물 반도체 층(141, 142, 143) 사이의 중간 계면층에 보유되는 전하가 중간 계면층으로부터 방출되는 전하보다 많아진다. 다시 말해, 용매와 함께 DNA가 산화물 반도체 층에 접촉되는 경우, 중간 계면층에 전하가 갇히게 된다.
그러고 나서, 도 5를 참조하면, 상기 용매가 증발함에 따라 중간 계면층에 충분한 전하가 축적되면서, 전류가 흐를 수 있는 서브 경로 또는 기생 채널이 형성되며, 그 결과 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서(100)는 종래의 바이오 센서보다 일찍 턴 온 상태로 전환될 수 있다. 이러한 DNA 검출 메커니즘은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 센서(100)가 종래의 바이오 센서에 비해 높은 민감도를 가질 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)에 DNA를 접촉시키기 전의 전류-전압 특성과, DNA를 접촉시킨 후의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, DNA가 접촉되기 전에 비해 DNA가 접촉된 후 바이오 센서(100)의 문턱전압은 현저히 낮아지며, 굽은 형태(hump)의 전류 거동을 나타냄을 확인할 수 있다. 이와 같은 바이오 센서(100)의 전류-전압 특성은 노이즈와는 구분되는 뚜렷한 변화를 나타내어, 상기 바이오 센서(100)가 바이오 물질의 검출 센서로서 높은 민감도를 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 제조 방법을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 바이오 센서 제조 방법(300)은, 기판(110) 위에 게이트(120) 및 게이트 절연 층(130)을 형성하는 단계(S310), 상기 게이트 절연 층(130) 위에 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계(S320), 및 상기 산화물 반도체 층 위에 소스(150) 및 드레인(160)을 형성하는 단계(S330)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 다수의 산화물 반도체 층은 용액 공정을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계(S320)는, 산화물 전구체 물질을 용매에 녹인 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계, 상기 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계; 및 상기 산화물 전구체 용액의 기판 도포 및 상기 기판의 열처리를 산화물 반도체 층의 수만큼 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화물 전구체 물질은 인듐 나이트레이트 하이드레이트(In(NO3)3H2O), 갈륨 나이트레이트 하이드레이트(Ga(NO3)3H2O) 및 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zn(CH3COO)2H2O)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
이 경우, 상기 산화물 전구체 용액은 인듐, 갈륨 및 아연을 3:1:2의 몰 비율로 포함할 수 있으나, 상기 몰 비율은 이에 제한되지는 않는다.
일 실시예에 따르면, 상기 용매는 아세트산(Acetic Acid), 암모니아(Ammonia), 물(Water), 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 및 폼아마이드(Formamide)로 이루어진 극성 군이나, 아세톤(Acetone), 벤젠(Benzene), 클로로포름(Chloroform), 디메틸술폭시드(Dimethyformamide), 디옥산(dioxane), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 및 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran) 중에서 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판을 열처리하는 단계는, 상기 기판을 300℃에서 5분 동안 선 열처리하는 단계, 및 상기 기판을 500℃에서 1시간 동안 후 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 다수의 산화물 반도체 층은 각각 다른 물질 또는 다른 조성비로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계(S320)는, 제 1 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계, 상기 제 1 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계, 상기 제 1 산화물 전구체 용액과 물질 및 조성비 중 적어도 하나가 다른 제 2 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계, 및 상기 제 2 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화물 전구체 용액의 농도는 상기 산화물 반도체 층의 수에 따라 조절될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계(S320)는, 산화물 전구체 물질을 용매에 녹인 산화물 전구체 용액을 상기 산화물 반도체 층의 수에 따라 희석시키는 단계, 상기 희석된 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계, 상기 희석된 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계, 및 상기 희석된 산화물 전구체 용액의 기판 도포 및 상기 기판의 열처리를 상기 산화물 반도체 층의 수만큼 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 산화물 전구체 용액을 희석시키는 단계는, 상기 산화물 전구체 용액의 농도가 상기 산화물 반도체 층의 수에 반비례하도록 산화물 전구체 용액을 희석시키는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 실시예에 따르면, 산화물 반도체 층의 수가 많아질수록 용액 공정에 사용되는 산화물 전구체 용액의 농도가 낮아질 수 있다. 그 결과, 다수의 산화물 반도체 층을 적층하더라도 산화물 반도체 층의 전체 두께는 일정하게 유지되면서 그 밀도는 높아질 수 있다.
이하에서는 바이오 센서(100)를 제조하는 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
In:Ga:Zn = 3:1:2의 몰 비율로 2-메톡시에탄올 용매에 용해시켜 0.1 M의 용액을 제작하였다.
여기서, In, Ga 및 Zn을 위한 전구체로 각각 인듐 나이트레이트 하이드레이트, 갈륨 나이트레이트 하이드레이트 및 dkdusd 아세테이트 디하이드레이트를 사용하였다.
상기 용액을 기판에 도포한 후, 기판을 300℃에서 5분 동안 선 열처리 후, 500℃에서 1시간 동안 후 열처리를 하였다.
상기 용액의 도포 및 선, 후 열처리 과정을 총 3 회 반복하였다.
이와 같은 실시예를 통해 얻은 시편의 전류-전압 특성은 도 6에 도시된 바와 같다. 전술한 바와 같이, 시편에 DNA가 접촉되기 전과 후의 전류-전압 특성을 비교하면, DNA가 접촉된 경우 문턱전압(Vth)이 현저히 낮아지며(1.67 V에서 -2.21 V) 굽은 형태의 독특한 전류 거동을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 시편에 DNA가 접촉되기 전과 후의 턴-온 전류(Ion), 턴-온 전압(Von), 문턱전압이하 기울기(subthreshold swing, SS) 및 전계 효과 이동도(field-effect mobility, μFET)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, DNA가 접촉되기 전 시편의 Ion 및 Von은 각각 87.73 μA 및 -0.8 V이었으며, DNA가 접촉된 후 상기 파라미터들은 각각 121.36 μA 및 -13.6 V로 변하였다.
또한, DNA의 접촉 전후로 시편의 SS는 0.48 V/decade에서 1.29 V/decade로 크게 증가하였으며, μFET은 1.00 cm2/Vs에서 1.13 cm2/Vs로 변하였다.
이상에서, 적층형 산화물 반도체 층을 포함하는 바이오 센서 및 상기 산화물 반도체 층을 용액 공정을 통해 형성하는 방법이 설명되었다.
상기 바이오 센서는 바이오 물질에 대한 소자의 민감도를 높이면서 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 용액 공정을 통해 산화물 박막을 형성함으로써 저비용으로 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.
100: 바이오 센서
110: 기판
120: 게이트
130: 게이트 절연 층
141, 142, 143: 산화물 반도체 층
150: 소스
160: 드레인

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 게이트;
    상기 게이트 위에 형성된 게이트 절연 층;
    상기 게이트 절연 층 위에 적층된 다수의 산화물 반도체 층; 및
    상기 산화물 반도체 층 위에 형성된 소스 및 드레인;
    을 포함하고,
    상기 다수의 산화물 반도체 층은:
    각 산화물 반도체 층 사이의 중간 계면층을 포함하고,
    상기 중간 계면층은:
    전하를 보유하고,
    바이오 물질이 상기 산화물 반도체 층에 접촉되는 경우, 상기 중간 계면층으로 전하가 축적되어, 전류가 흐르는 서브 경로가 형성되는 바이오 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체 층은:
    InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, ZnO, InGaZnO4, ZnInO, ZnSnO, In2O3, Ga2O3, HfInZnO, GaInZnO, HfO2, SnO2, WO3, TiO2, Ta2O5, In2O3SnO2, MgZnO, ZnSnO3, ZnSnO4, CdZnO, CuAlO2, CuGaO2, Nb2O5 및 TiSrO3 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 바이오 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 산화물 반도체 층은:
    상기 게이트 절연 층 상에 형성되며, 캐리어의 메인 이동 경로를 제공하는 제 1 산화물 반도체 층;
    상기 제 1 산화물 반도체 층 상에 형성되며, 상기 캐리어의 서브 이동 경로를 제공하는 제 2 산화물 반도체 층; 및
    상기 제 2 산화물 반도체 층 상에 형성되며, 상기 제 1 및 제 2 산화물 반도체 층을 보호하는 제 3 산화물 반도체 층;
    을 포함하는 바이오 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 산화물 반도체 층은:
    상기 제 1 산화물 반도체 층과 상기 제 2 산화물 반도체 층 사이의 제 1 중간 계면층, 및 상기 제 2 산화물 반도체 층과 상기 제 3 산화물 반도체 층 사이의 제 2 중간 계면층;을 포함하고,
    상기 제 1 중간 계면층 및 상기 제 2 중간 계면층은 전하를 보유하는 바이오 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 산화물 반도체 층은 각각 다른 물질로 구성되는 바이오 센서.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 센서는:
    상기 산화물 반도체 층에 바이오 물질이 접촉하는 경우, 전기적 특성이 변하는 바이오 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 바이오 물질은 외가닥(single-strained) DNA, 두 가닥(double-strained) DNA, 나노구조화된 DNA(nanostructure DNA), 항원, 항체 및 단백질 중 적어도 하나를 포함하는 생체 분자인 바이오 센서.
  9. 기판 위에 게이트 및 게이트 절연 층을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연 층 위에 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계; 및
    상기 산화물 반도체 층 위에 소스 및 드레인을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 다수의 산화물 반도체 층을 적층하는 단계는:
    산화물 전구체 물질을 용매에 녹인 산화물 전구체 용액을 상기 산화물 반도체 층의 수에 따라 희석시키는 단계;
    상기 희석된 산화물 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계;
    상기 희석된 산화물 전구체 용액이 도포된 기판을 열처리하는 단계; 및
    상기 희석된 산화물 전구체 용액의 기판 도포 및 상기 기판의 열처리를 상기 산화물 반도체 층의 수만큼 반복하는 단계;
    를 포함하는 바이오 센서 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 산화물 전구체 물질은 인듐 나이트레이트 하이드레이트(In(NO3)3H2O), 갈륨 나이트레이트 하이드레이트(Ga(NO3)3H2O) 및 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zn(CH3COO)2H2O)를 포함하는 바이오 센서 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 산화물 전구체 용액은 인듐, 갈륨 및 아연을 3:1:2의 몰 비율로 포함하는 바이오 센서 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 용매는 아세트산(Acetic Acid), 암모니아(Ammonia), 물(Water), 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 및 폼아마이드(Formamide)로 이루어진 극성 군이나, 아세톤(Acetone), 벤젠(Benzene), 클로로포름(Chloroform), 디메틸술폭시드(Dimethyformamide), 디옥산(dioxane), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 및 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran) 중에서 선택되는 바이오 센서 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판을 열처리하는 단계는:
    상기 기판을 300℃에서 5분 동안 선 열처리하는 단계; 및
    상기 기판을 500℃에서 1시간 동안 후 열처리하는 단계;
    를 포함하는 바이오 센서 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 산화물 전구체 용액을 희석시키는 단계는:
    상기 산화물 전구체 용액의 농도가 상기 산화물 반도체 층의 수에 반비례하도록 상기 산화물 전구체 용액을 희석시키는 단계를 포함하는 바이오 센서 제조 방법.
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