KR101625705B1 - Method and analysis system for biosensor with roomtemperature operating singleelectron transistor - Google Patents

Method and analysis system for biosensor with roomtemperature operating singleelectron transistor Download PDF

Info

Publication number
KR101625705B1
KR101625705B1 KR1020120110629A KR20120110629A KR101625705B1 KR 101625705 B1 KR101625705 B1 KR 101625705B1 KR 1020120110629 A KR1020120110629 A KR 1020120110629A KR 20120110629 A KR20120110629 A KR 20120110629A KR 101625705 B1 KR101625705 B1 KR 101625705B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
metal oxide
biosensor
target molecule
dielectric layer
Prior art date
Application number
KR1020120110629A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20140044538A (en
Inventor
최중범
강호종
현병관
Original Assignee
나노칩스 (주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 나노칩스 (주) filed Critical 나노칩스 (주)
Priority to KR1020120110629A priority Critical patent/KR101625705B1/en
Publication of KR20140044538A publication Critical patent/KR20140044538A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101625705B1 publication Critical patent/KR101625705B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

본 발명은 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서, 그 바이오센서의 제조방법, 그 바이오센서를 갖는 분석시스템 및 분석방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 바이오센서에 있어서, 기판상에 구비되는 소스와 드레인, 소스와 드레인 사이에 구비되는 양자점 쿨롱채널 및 상기 양자점 쿨롱채널의 상부 측에 구비되는 게이트를 갖는 단전자 트랜지스터; 게이트의 상부 측에 구비되어, 표적분자와 화학적 결합이 가능한 금속산화물 검지층; 및 내부에 표적분자를 갖는 이온수용액이 저장되고, 상기 이온수용액이 상기 금속산화물 검지층과 접촉되도록 상기 금속산화물 검지층의 상부측에 구비되는 이온수용액 용기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서에 관한 것이다. The present invention relates to a biosensor using a room temperature operation single electron transistor, a method of manufacturing the biosensor, an analysis system having the biosensor, and an analysis method. More particularly, the biosensor includes: a single electron transistor having a source and a drain provided on a substrate, a quantum dot coulomb channel provided between a source and a drain, and a gate provided on an upper side of the quantum dot coulon channel; A metal oxide detection layer provided on the upper side of the gate and capable of chemical bonding with the target molecule; And an ionic aqueous solution container containing an ionic aqueous solution having a target molecule therein and provided on an upper side of the metal oxide detection layer so that the ionic aqueous solution is in contact with the metal oxide detection layer, To a biosensor using an electronic transistor.

Description

상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서, 그 바이오센서의 제조방법, 그 바이오센서를 갖는 분석시스템 및 분석방법{Method and analysis system for biosensor with room­temperature operating single­electron transistor}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a biosensor using a single-electron transistor at room temperature, a method of manufacturing the biosensor, an analysis system and a method for analyzing the biosensor with a roomtemperature operating singleelectron transistor,

본 발명은 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서, 그 바이오센서의 제조방법, 그 바이오센서를 갖는 분석시스템 및 분석방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 상온동작 단전자 트랜지스터의 소스와 드레인 사이의 양자점 쿨롱채널 위에 T-형 게이트(T-shaped gate)를 형성시켜 부유화 (floating)시키고, 게이트 상부에 금속산화물 검지층(metal-oxide sensing layer)을 형성시키고 그 표면을 이온 수용액과 접촉시키는 구조를 포함하여, 이온수용액 내에서 검지하고자 하는 표적분자(target molecule)의 화학적 결합 반응에 의해 생성될 수 있는 수소이온 (H+)등을 비롯한 기타 전하량들이 검지층 표면에 흡착되면서 T형 부유게이트를 통해 양자점 쿨롱채널의 정전 포텐셜의 변화를 유도하여, 소스-드레인 간의 전류의 변화를 일으키게 되며, 이러한 전류변화를 감지함으로써 이온수용액 내의 표적분자의 정체를 분석할 수 있는 바이오 센서 및 그 분석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor using a room temperature operation single electron transistor, a method of manufacturing the biosensor, an analysis system having the biosensor, and an analysis method. More particularly, a T-shaped gate is formed on a quantum-dot coulomb channel between a source and a drain of a normal-temperature operating single-electron transistor to float and a metal oxide detection layer (metal- (H +) which can be generated by a chemical bonding reaction of a target molecule to be detected in an aqueous ionic solution, including a structure in which an oxide sensing layer is formed and its surface is in contact with an ionic aqueous solution And other charges are adsorbed on the surface of the sensing layer, and the change of the electrostatic potential of the quantum-point coulon channel is induced through the T-type floating gate to cause a change in the current between the source and the drain. And a method of analyzing the biosensor.

DNA, 단백질 및 바이러스 등, 생체 고분자의 검지 및 정량적 분석은 헬스 케어 및 생명공학 연구분야의 중요한 영역이다. 본 발명에 적용되는 양자점 단전자 트랜지스터(SET) 소자기술은 생체분자-분자 간의 화학결합 반응에 의해 생성되는 미세 전하량의 분포 변화를 10E-4e/√Hz (전자 한 개의 만분의 1 전하량) 수준의 초고감도 센싱이 가능하여 새롭게 기존의 FET 방식 바이오센서를 대치할 수 있다. Detection and quantitative analysis of biopolymers, such as DNA, proteins, and viruses, are important areas of healthcare and biotechnology research. The quantum dot single-electron transistor (SET) device technology applied to the present invention is characterized in that the change in the distribution of the amount of fine charge generated by a chemical bond reaction between biomolecules and molecules is controlled at a level of 10E-4e / It is possible to replace the conventional FET type biosensor with the new high sensitivity sensing.

특히 기존의 방법으로 수용액 내의 극소량의 표적분자를 검지하는 경우, 발생하는 전기적 노이즈는 심각한 수준에 이르러 기존의 FET 방법에는 많은 문제점이 존재하였다. In particular, when a very small amount of target molecules in an aqueous solution is detected by a conventional method, the generated electric noise reaches a serious level, and thus, there are many problems in the conventional FET method.

본 발명이 대체할 수 있는 종래의 바이오 센싱 방법으로서는, 일반적인 FET 방식의 바이오센서에서와 마찬가지로 FET의 게이트에 인식물질을 고정화하여 인식물질과 타겟분자가 결합하였을 때 발생하는 전기적인 신호의 변화를 측정하는 형태로 되어 있다. 일예로는 게이트에 효소를 고정화한 enzyme FET, 항원-항체반응을 이용한 Immuno FET 및 실제 pH센서로 활용되고 있는 IS FET(ion-sensitive FET) 등을 비롯하여 이와 유사한 나노와이어 FET 방식 모두에 적용, 대치가 가능하다.As a conventional biosensing method that can be substituted by the present invention, as in the case of a general FET type biosensor, a change of an electrical signal generated when a recognition substance and a target molecule are combined is measured . For example, an enzyme FET immobilized with an enzyme at the gate, an immuno FET using an antigen-antibody reaction, and an IS-FET (ion-sensitive FET) used as an actual pH sensor are applied to all of the similar nanowire FET methods. Is possible.

대한민국 등록특허 제1017814호Korea Patent No. 1017814 대한민국 등록특허 제0966009호Korean Patent No. 0966009 대한민국 공개특허 제2010-0090878호Korean Patent Publication No. 2010-0090878

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상온동작 단전자 트랜지스터 기술이 가진 10E-4e/√Hz (전자 한 개의 만분의 1 전하량) 수준의 미세 전하량의 분포 변화 관련 초고감도 센싱 특성을 이용하여 표적분자의 정체를 검지 및 분석하기 위한 것으로 검사 수용액 내의 극소량의 표적분자를 검지하는 경우 발생하는 심각한 수준의 노이즈 문제를 극복하여 기존의 나노와이어를 포함한 FET 방식의 어려움을 해결할 수 있는 바이오센서 및 분석방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a 10E-4e / √Hz (one electron / Sensitive sensing properties of the target molecule to detect and analyze the identity of the target molecule. This method overcomes the serious noise problem that occurs when a very small amount of target molecules are detected in the aqueous solution of the test, And an analysis method capable of solving the difficulty of the FET system including the FET.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다. Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 제1목적은, 바이오센서에 있어서, 기판상에 구비되는 소스와 드레인, 소스와 드레인 사이에 구비되는 양자점 쿨롱채널 및 양자점 쿨롱채널의 상부 측에 구비되는 게이트를 갖는 단전자 트랜지스터; 게이트의 상부 측에 구비되어, 표적분자와 화학적 결합이 가능한 금속산화물 검지층; 및 내부에 표적분자를 갖는 이온수용액이 저장되고, 이온수용액이 금속산화물 검지층과 접촉되도록 금속산화물 검지층의 상부측에 구비되는 이온수용액 용기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is to provide a biosensor comprising: a single electron transistor having a source and a drain provided on a substrate, a quantum dot coulomb channel provided between a source and a drain, and a gate provided on an upper side of a quantum dot coulon channel; A metal oxide detection layer provided on the upper side of the gate and capable of chemical bonding with the target molecule; And an ionic aqueous solution container storing an aqueous ionic solution having a target molecule therein and provided at an upper side of the metal oxide detection layer so that the aqueous ionic solution is in contact with the metal oxide detection layer, Can be achieved as a biosensor.

본 발명의 제2목적은 바이오센서에 있어서, 기판상에 구비되는 복수의 소스, 각각이 소스와 대향된 위치에 특정간격 이격되어 기판상에 구비되는 복수의 드레인, 소스와 소스와 대향된 위치에 구비된 드레인 사이 각각에 구비되는 복수의 양자점 쿨롱채널 및 복수의 양자점 쿨롱채널을 공유하여 상부 측에 구비되는 게이트; 게이트의 상부 측에 구비되어, 표적분자와 화학적 결합이 가능한 금속산화물 검지층; 및 내부에 표적분자를 갖는 이온수용액이 저장되고, 이온수용액이 금속산화물 검지층과 접촉되도록 금속산화물 검지층의 상부측에 구비되는 이온수용액 용기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is to provide a biosensor including a plurality of sources provided on a substrate, a plurality of drains provided on a substrate spaced apart from each other by a specific interval at positions opposed to the sources, A plurality of quantum-dot coulomb channels and a plurality of quantum-dot coulon channels provided in each of the plurality of drain regions; A metal oxide detection layer provided on the upper side of the gate and capable of chemical bonding with the target molecule; And an ionic aqueous solution container storing an aqueous ionic solution having a target molecule therein and provided at an upper side of the metal oxide detection layer so that the aqueous ionic solution is in contact with the metal oxide detection layer, Can be achieved as a biosensor.

소스와 양자점 쿨롱채널 및 드레인은 서로 연결되어 지고, 기판과 소스 및 드레인 사이에 구비되는 매몰산화막층; 및 소스와 양자점 쿨롱채널 및 드레인의 상부측으로 적층되며 트랜치가 형성된 제1유전층; 및 제1유전층과 양자점 쿨롱채널 상부에 증착되는 제2유전층;을 더 포함하고, 게이트는 T자형 부유게이트로 제2유전층이 증착된 트랜치에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. A source and a quantum dot coulon channel and a drain are connected to each other, and a buried oxide film layer provided between the substrate and the source and drain; And a first dielectric layer laminated on the source and the upper side of the quantum dot coulon channel and drain and formed with a trench; And a second dielectric layer deposited over the first dielectric layer and the quantum dot coulomb channel, wherein the gate is provided in a trench in which the second dielectric layer is deposited with a T-shaped floating gate.

소스와 양자점 쿨롱채널 및 드레인은 서로 연결되어 복수의 나노선구조물을 형성하고, 기판과 복수의 소스 및 복수의 드레인 사이에 구비되는 매몰산화막층; 및 복수의 나노선구조물의 상부측으로 적층되며 트랜치가 형성된 제1유전층; 및 제1유전층과 복수의 양자점 쿨롱채널 상부에 증착되는 제2유전층;을 더 포함하고, 게이트는 T자형 부유게이트로 제2유전층이 증착된 트랜치에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. A source and a quantum dot coulon channel and a drain are connected to form a plurality of nano-wire structures, a buried oxide film layer provided between the substrate and a plurality of sources and a plurality of drains; And a first dielectric layer stacked on top of the plurality of nanowire structures and formed with trenches; And a second dielectric layer deposited over the first dielectric layer and the plurality of quantum point coulomb channels, wherein the gate is provided in a trench in which the second dielectric layer is deposited with a T-shaped floating gate.

금속산화물 검지층은, 탄탈륨 산화막, 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막 또는 질화규소막으로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다. The metal oxide detection layer may be composed of a tantalum oxide film, an aluminum oxide film, a silicon oxide film or a silicon nitride film.

표적분자가 특정항원인 경우, 금속산화물 검지층의 상부표면은 특정항원과 반응하는 특정항체를 고정화시키기 위한 화학처리 표면층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. When the target molecule is a specific antigen, the upper surface of the metal oxide detection layer may include a chemically treated surface layer for immobilizing a specific antibody that reacts with the specific antigen.

본 발명의 제3목적은 적어도 하나의 매몰 산화막층 및 상부 실리콘층이 각각 적층된 기판을 갖는 상온동작 단전자 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상부실리콘층을 식각하여 나노선구조물을 형성하는 제1단계; 기판과 나노선 구조물의 상부로 제1유전층을 형성하는 제2단계; 제1유전층을 식각하여 트랜치와 양자점 쿨롱채널을 형성하는 제3단계; 상부로 제2유전층을 형성하는 제4단계; 트랜치에 게이트를 형성하는 제5단계; 게이트의 상부로 표적분자와 화학적 결합이 가능한 금속산화물 검지층을 증착하는 제6단계; 및 내부에 표적분자를 갖는 이온수용액이 저장되고, 이온수용액이 금속산화물 검지층과 접촉되도록 금속산화물 검지층의 상부측으로 이온수용액용기를 형성하는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A third object of the present invention is to provide a method for manufacturing a single-phase operation single-electron transistor having a substrate on which at least one buried oxide layer and an upper silicon layer are stacked, ; A second step of forming a first dielectric layer over the substrate and the nanowire structure; A third step of etching the first dielectric layer to form a trench and a quantum dot coulon channel; A fourth step of forming a second dielectric layer on top of the second dielectric layer; A fifth step of forming a gate in the trench; A sixth step of depositing a metal oxide detection layer capable of chemically bonding with the target molecule to the upper portion of the gate; And a seventh step of storing an ionic aqueous solution having a target molecule therein and forming an ionic aqueous solution container on the upper side of the metal oxide detection layer so that the ionic aqueous solution is brought into contact with the metal oxide detection layer. Can be achieved as a method of manufacturing a biosensor using an electronic transistor.

본 발명의 제4목적은 적어도 하나의 매몰 산화막층 및 상부 실리콘층이 각각 적층된 기판을 갖는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법에 있어서, 상부실리콘층을 식각하여 복수의 나노선구조물을 형성하는 제1단계; 기판과 복수의 나노선 구조물의 상부로 제1유전층을 형성하는 제2단계; 제1유전층을 식각하여 트랜치와 복수의 양자점 쿨롱채널을 형성하는 제3단계; 상부로 제2유전층을 형성하는 제4단계; 트랜치에 게이트를 형성하는 제5단계; 게이트의 상부로 표적분자와 화학적 결합이 가능한 금속산화물 검지층을 증착하는 제6단계; 및 내부에 표적분자를 갖는 이온수용액이 저장되고, 이온수용액이 금속산화물 검지층과 접촉되도록 금속산화물 검지층의 상부측으로 이온수용액용기를 형성하는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A fourth object of the present invention is to provide a method of fabricating a biosensor using a single-phase operation single-electron transistor having a substrate on which at least one buried oxide layer and an upper silicon layer are stacked, wherein the upper silicon layer is etched to form a plurality of nano- A first step of forming a first electrode; A second step of forming a first dielectric layer over the substrate and a plurality of nanowire structures; A third step of etching the first dielectric layer to form a trench and a plurality of quantum dot coulomb channels; A fourth step of forming a second dielectric layer on top of the second dielectric layer; A fifth step of forming a gate in the trench; A sixth step of depositing a metal oxide detection layer capable of chemically bonding with the target molecule to the upper portion of the gate; And a seventh step of storing an ionic aqueous solution having a target molecule therein and forming an ionic aqueous solution container on the upper side of the metal oxide detection layer so that the ionic aqueous solution is brought into contact with the metal oxide detection layer. Can be achieved as a method of manufacturing a biosensor using an electronic transistor.

제6단계에서, 표적분자가 특정항원인 경우, 금속산화물 검지층의 상부표면을 특정항원과 반응하는 특정항체를 고정화시키기 위한 화학처리 표면층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the sixth step, when the target molecule is a specific antigen, it may further comprise forming a chemically treated surface layer for immobilizing the upper surface of the metal oxide detection layer with a specific antibody reactive with the specific antigen.

제4단계와 제5단계 사이에는 증착공정으로 형성된 제2유전층의 일부를 식각하여 측벽스페이서를 형성하는 단계; 및 제1유전층 일부와 제2유전층 일부를 식각하여 게이트를 마스크로 불순물을 도핑하여 소스 및 드레인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. Forming a sidewall spacer between the fourth and fifth steps by etching a portion of the second dielectric layer formed by the deposition process; And etching a part of the first dielectric layer and a portion of the second dielectric layer to form a source and a drain by doping impurities with a gate as a mask.

제7단계는, 금속산화물 검지층의 상부로 절연막층(Dielectric Layer)을 증착시키는 단계; 절연막층을 금속산화물 검지층의 상부면이 노출될 때까지 용기형상으로 식각하는 단계; 및 내부에 표적분자를 포함하는 이온수용액을 투입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The seventh step includes: depositing a dielectric layer on the metal oxide detection layer; Etching the insulating film layer into a container shape until the upper surface of the metal oxide detection layer is exposed; And introducing an ionic aqueous solution containing a target molecule into the interior of the cell.

제1유전층은 증착공정을 통하여 10nm~1000nm 두께로 형성하고, 제2유전층은 열산화 공정 또는 열산화 공정 후 증착공정으로 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. The first dielectric layer may be formed to a thickness of 10 nm to 1000 nm through a deposition process, and the second dielectric layer may be formed by a thermal oxidation process or a thermal oxidation process followed by a deposition process.

제1단계에서 상부실리콘층을 식각하여 형성되는 나노선구조물의 폭은 1~50nm로, 길이는 0.1~10㎛로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. The width of the nano-wire structure formed by etching the upper silicon layer in the first step is 1 to 50 nm and the length is 0.1 to 10 탆.

제3단계는 식각에 의해 트랜치를 폭이 1~100nm로 형성하며, 상부실리콘층의 두께 일부를 식각하여 양자점의 두께는 1~50nm로 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the third step, the trench is formed to a width of 1 to 100 nm by etching, and a part of the thickness of the upper silicon layer is etched to form a quantum dot having a thickness of 1 to 50 nm.

본 발명의 제5목적은 바이오센서를 갖는 표적분자 분석시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 바이오센서; 바이오센서의 이온수용액 용기 내부에 저장된 이온수용액에 특정전압을 인가시켜 게이트전압 역할을 하는 기준전극(reference electrode)을 갖는 전압인가부; 바이오센서의 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류를 측정하기 위한 측정수단; 및 측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로, 이온수용액에 포함된 표적분자와 바이오센서의 금속산화물 검지층 사이의 화학적 결합에 의한 전류변화를 측정하여 표적분자를 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서를 갖는 표적분자 분석시스템으로서 달성될 수 있다. A fifth object of the present invention is to provide a target molecule analyzing system having a biosensor, comprising: a biosensor according to the first object; A voltage applying unit having a reference electrode serving as a gate voltage by applying a specific voltage to an ion aqueous solution stored in an ion aqueous solution container of the biosensor; Measuring means for measuring a current flowing between a source and a drain of the biosensor; And analyzing means for analyzing the target molecule by measuring a current change due to chemical bonding between the target molecule contained in the ionic aqueous solution and the metal oxide detection layer of the biosensor based on the data measured by the measuring means A target molecule analyzing system having a biosensor capable of analyzing a target molecule.

본 발명의 제6목적은 바이오센서를 갖는 표적분자 분석시스템에 있어서, 앞서 언급한 제2목적에 따른 바이오센서; 바이오센서의 이온수용액 용기 내부에 저장된 이온수용액에 특정전압을 인가시켜 게이트전압 역할을 하는 기준전극(reference electrode)을 갖는 전압인가부; 바이오센서에 구비된 복수의 소스와 소스에 대향된 위치에 구비된 복수의 드레인 사이에 흐르는 전류 각각을 측정하기 위한 측정수단; 및 측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로, 이온수용액에 포함된 표적분자와 바이오센서의 금속산화물 검지층 사이의 화학적 결합에 의한 전류변화를 측정하여 표적분자를 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서를 갖는 표적분자 분석시스템으로서 달성될 수 있다. A sixth object of the present invention is to provide a target molecule analyzing system having a biosensor, comprising: a biosensor according to the above-mentioned second object; A voltage applying unit having a reference electrode serving as a gate voltage by applying a specific voltage to an ion aqueous solution stored in an ion aqueous solution container of the biosensor; Measuring means for measuring a plurality of currents flowing between a plurality of sources provided in the biosensor and a plurality of drains provided at positions opposed to the sources; And analyzing means for analyzing the target molecule by measuring a current change due to chemical bonding between the target molecule contained in the ionic aqueous solution and the metal oxide detection layer of the biosensor based on the data measured by the measuring means A target molecule analyzing system having a biosensor capable of analyzing a target molecule.

본 발명의 제7목적은 앞서 언급한 제5목적 또는 제6목적에 따른 분석시스템을 이용한 표적분자 분석방법에 있어서, 전압인가부에 의해 이온수용액으로 전압을 인가하는 단계; 이온수용액 내에 포함된 표적분자의 화학적 결합이 발생되는 단계; 화학적 결합에 의해 발생된 전하량들이 금속산화물 검지층 표면에 흡착되는 단계; 금속산화물 검지층 표면에 흡착된 전하량에 의해 바이오센서의 게이트의 정전표텐셜이 변화하는 단계; 바이오센서의 양자점 쿨롱채널의 정전포텐셜의 변화를 유도하여 소스와 드레인 간의 전류변화가 발생되는 단계; 및 분석수단이 측정수단에 의해 측정된 소스와 드레인 간의 전류값을 기반으로 전류변화를 감지하여 표적분자를 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표적분자 분석방법으로서 달성될 수 있다. A seventh object of the present invention is to provide a method for analyzing a target molecule using an analyzing system according to the fifth or sixth object, comprising the steps of: applying a voltage to an aqueous solution of ions by applying a voltage; Wherein chemical bonding of the target molecule contained in the aqueous ionic solution occurs; The amounts of charges generated by chemical bonding are adsorbed on the surface of the metal oxide detection layer; Changing a static table potential of the gate of the biosensor by the amount of charge adsorbed on the surface of the metal oxide detection layer; A step of inducing a change in the electrostatic potential of a quantum dot coulon channel of the biosensor to cause a current change between a source and a drain; And analyzing the target molecule by detecting the current change based on the current value between the source and the drain measured by the measuring means and analyzing the target molecule.

표적분자는 특정항원이며, 금속산화물 검지층의 상부표면은 특정항원과 반응하는 특정항체를 고정화시키기 위한 화학처리 표면층을 포함하며, 검지층 표면에 흡착되는 단계는, 특정항원이 화학처리표면층과 항원-항체 반응하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다. Wherein the target molecule is a specific antigen and the upper surface of the metal oxide detection layer comprises a chemically treated surface layer for immobilizing a specific antibody that reacts with a specific antigen and the step of adsorbing to the detection layer surface - antibody reaction step.

전하량은 H+를 포함하는 특정 양의 양전하 또는 음전하인 것을 특징으로 할 수 있다. The charge amount can be characterized by a specific positive or negative charge including H & lt ; + & gt ; .

따라서, 상기 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 상온동작 SET 기술이 가진 10E-4e/√Hz (전자 한 개의 만분의 1 전하량) 수준의 미세 전하량의 분포 변화 관련 초고감도 센싱 특성을 이용하여 표적분자의 정체를 검지 및 분석하기 위한 것으로 검사 수용액 내의 극소량의 표적분자를 검지하는 경우 발생하는 심각한 수준의 노이즈 문제를 극복하여 기존의 나노와이어를 포함한 FET 방식의 어려움을 해결할 수 있는 효과를 갖는다.Therefore, according to one embodiment of the present invention, as described above, the ultra-high sensitivity sensing characteristic related to the distribution change of the minute charge amount at the level of 10E-4e / √Hz (one electron / To detect and analyze the identity of the target molecule, thereby overcoming the serious noise problem that occurs when a very small amount of target molecules are detected in the aqueous solution of the test, thereby solving the difficulties of the conventional FET method including nanowires .

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that various other modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention, All fall within the scope of the appended claims.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 사시도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서 제조방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판의 일예를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 나노선구조물이 형성된 상태를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 제1유전층이 형성된 상태를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 제1유전층에 트랜치가 형성된 상태를 도시한 사시도,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 양자점이 형성된 상태를 도시한 사시도,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 제2유전층이 형성된 상태를 도시한 사시도,
도 9는 도 8의 A-A 단면도,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 게이트가 형성된 일예를 도시한 사시도,
도 11은 본 발명의 제1실시예에 따른 증착공정으로 형성된 제2유전층의 평면층을 식각하여 측벽스페이서가 형성된 다른 일예를 나타낸 사시도,
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 불순물을 도핑하여 소스 및 드레인이 형성된 상태를 도시한 사시도,
도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 상부로 금속산화물 검지층이 형성된 상태의 사시도,
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 상부로 절연막층이 형성된 상태의 사시도,
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 사시도,
도 16은 도 15의 B-B 단면도,
도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 사시도,
도 18은 본 발명의 제2실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 평면도,
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서를 갖는 표적분자 분석시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도,
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서를 갖는 표적분자 분석시스템을 이용한 분석방법의 흐름도
도 21은 이온수용액 내에 포함된 표적분자의 주입/화학적 결합 발생 이전 (실선으로 표시)과 이후(점선으로 표시)의 전압인가부에서 인가되는 게이트전압(Vg)과 측정수단에서 측정되는 전류값(Ids) 특성곡선 (characteristic curve) 그래프의 변화를 도시한 것으로서, 표적분자의 주입 후 화학적 결합에 의해 발생된 전하량들, 혹은 표적분자가 금속산화물 검지층에 화학적 결합되어 발생되는 쿨롱진동 전류의 전이(shift)를 보여준다. 1 is a perspective view of a biosensor using a single-electron operated single-electron transistor according to a first embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a flowchart of a method of fabricating a biosensor using a single-electron operated single-electron transistor according to a first embodiment of the present invention,
3 is a perspective view showing an example of a substrate according to the first embodiment of the present invention,
4 is a perspective view illustrating a state in which a nanowire structure according to the first embodiment of the present invention is formed;
5 is a perspective view showing a state in which a first dielectric layer according to the first embodiment of the present invention is formed,
6 is a perspective view showing a state where a trench is formed in the first dielectric layer according to the first embodiment of the present invention,
FIG. 7 is a perspective view showing a state in which quantum dots are formed according to the first embodiment of the present invention, FIG.
8 is a perspective view showing a state in which a second dielectric layer according to the first embodiment of the present invention is formed,
9 is a sectional view taken along the line AA of Fig. 8,
10 is a perspective view showing an example in which a gate according to the first embodiment of the present invention is formed,
11 is a perspective view showing another example in which a sidewall spacer is formed by etching a planar layer of a second dielectric layer formed by a deposition process according to the first embodiment of the present invention,
12 is a perspective view showing a state where a source and a drain are formed by doping an impurity according to the first embodiment of the present invention,
FIG. 13 is a perspective view showing a state in which a metal oxide detection layer is formed on an upper portion according to the first embodiment of the present invention,
FIG. 14 is a perspective view showing a state where an insulating film layer is formed on an upper portion according to the first embodiment of the present invention, FIG.
FIG. 15 is a perspective view of a biosensor using a single-electron operated single-electron transistor according to the first embodiment of the present invention,
16 is a sectional view taken along the line BB of Fig. 15,
17 is a perspective view of the biosensor using the single-electron operated single-electron transistor according to the second embodiment of the present invention,
18 is a plan view of a biosensor using a single-electron operated single-electron transistor according to a second embodiment of the present invention,
19 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a target molecule analyzing system having a biosensor according to an embodiment of the present invention,
20 is a flowchart of an analysis method using a target molecule analysis system having a biosensor according to an embodiment of the present invention
21 is a graph showing the relationship between the gate voltage (V g ) applied in the voltage application unit before the injection / chemical coupling of the target molecule (indicated by the solid line) and the subsequent voltage application unit (I ds ) characteristic curve graphs showing the change in the charge amount due to the chemical bond after the injection of the target molecule or the charge amount of the Coulomb oscillation current generated by chemically bonding the target molecule to the metal oxide detection layer Shows the shift.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
The same reference numerals are used for portions having similar functions and functions throughout the drawings. Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is directly connected to the other part, do. Also, to include an element does not exclude other elements unless specifically stated otherwise, but may also include other elements.

이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 구성 및 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 사시도를 도시한 것이다. Hereinafter, a configuration and a manufacturing method of the biosensor using the single-electron operated single-electron transistor according to the first embodiment of the present invention will be described. 1 is a perspective view of a biosensor using a single-electron transistor operating at room temperature according to a first embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서는, 기판상에 구비되는 소스(S)와 드레인(D), 소스(S)와 드레인(D) 사이에 구비되는 양자점 쿨롱채널(22) 및 양자점 쿨롱채널(22)의 상부 측에 구비되는 게이트(G)를 갖는 단전자 트랜지스터; 게이트(G)의 상부 측에 구비되어, 표적분자(62)와 화학적 결합이 가능한 금속산화물 검지층(50) 및 내부에 표적분자(62)를 갖는 이온수용액(61)이 저장되고, 이온수용액(61)이 금속산화물 검지층(50)과 접촉되도록 금속산화물 검지층(50)의 상부측에 구비되는 이온수용액 용기(60) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다. 1, a biosensor using a room temperature operation single-electron transistor according to a first embodiment of the present invention includes a source S and a drain D, a source S and a drain D D) and a gate (G) provided on the upper side of the quantum dot coulon channel (22); A metal oxide detection layer 50 provided on the upper side of the gate G and capable of chemical bonding with the target molecule 62 and an ionic aqueous solution 61 having the target molecule 62 therein are stored, An ionic aqueous solution container 60 provided on the upper side of the metal oxide detection layer 50 so that the metal oxide detection layer 61 is brought into contact with the metal oxide detection layer 50, and the like.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 소스(S)와 양자점 쿨롱채널(22) 및 드레인(D)은 서로 연결되어 지고, 기판과 소스(S) 및 드레인(D) 사이에 구비되는 매몰산화막층(10) 및 소스(S)와 양자점 쿨롱채널(22) 및 드레인(D)의 상부측으로 적층되며 트랜치(31)가 형성된 제1유전층(30) 및 제1유전층(30)과 양자점 쿨롱채널(22) 상부에 증착되는 제2유전층(40)을 더 포함하고 있음을 알 수 있다. 또한, 게이트(G)는 T자형 부유게이트(G)로 제2유전층(40)이 증착된 트랜치(31)에 구비되게 된다. 1, in the biosensor using the room temperature operation single electron transistor according to the first embodiment of the present invention, the source S, the quantum dot coulon channel 22 and the drain D are connected to each other The buried oxide film layer 10 and the source S provided between the substrate and the source S and the drain D and the upper side of the quantum-point coulon channel 22 and the drain D and the trench 31 is formed The first dielectric layer 30 and the first dielectric layer 30 and the second dielectric layer 40 deposited on the quantum dot coulon channel 22. [ In addition, the gate G is provided in the trench 31 in which the second dielectric layer 40 is deposited by the T-shaped floating gate G.

그리고, 금속산화물 검지층(50)은 이온수용액(61) 내에서 검지하고자 하는 표적분자(62)의 화학적 결합 반응에 의해 생성될 수 있는 수소이온(H+)을 비롯한 기타 전하량의 흡착율(adsorption)이 큰 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 알루미늄 산화막(Al2O3), 실리콘 산화막(SiO2) 또는 질화규소막(Si3N4) 등의 금속산화물 및 전기적 부도체로 구성되어 진다. The metal oxide detection layer 50 is formed by adsorption of hydrogen ions (H +) and other charges that can be generated by the chemical bonding reaction of the target molecules 62 to be detected in the ionic aqueous solution 61 A metal oxide such as a large tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ), an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ), a silicon oxide film (SiO 2 ), or a silicon nitride film (Si 3 N 4)

또한, 금속산화물 검지층(50) 표면에 전하 흡착률을 극대화하기 위해 표면을 화학적으로 처리시켜 화학처리 표면층을 형성시킬 수 있다. 또한, 금속산화물 검지층(50)은 항체-항원 반응을 이용하여 표적분자(62)를 검지하는 경우, 특이항원에 작용하는 특정한 항체를 고정화시키기 위해 화학적 처리를 할 수 있다. 예를 들어, 표적분자(62)가 전립선 특이항원(PSA)인 경우, 금속산화물 검지층(50) 표면을 실린화시키고, 항체의 표면에 존재하는 아민기(NH2)와 반응시켜 고정화할 수 있다.
Further, the surface of the metal oxide detection layer 50 may be chemically treated to form a chemically treated surface layer in order to maximize the charge adsorption ratio. Further, when the target molecule 62 is detected using the antibody-antigen reaction, the metal oxide detection layer 50 can be chemically treated to immobilize a specific antibody acting on the specific antigen. For example, when the target molecule 62 is a prostate specific antigen (PSA), the surface of the metal oxide detection layer 50 can be immobilized by reacting with the amine group (NH 2) existing on the surface of the antibody .

이하에서는 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서 제조방법과 함께 각각의 구성에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 먼저, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. Hereinafter, the method of fabricating a biosensor using the single-electron transistor at room temperature according to the first embodiment will be described in more detail. FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a biosensor using a single-electron transistor at room temperature according to a first embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 기판의 일예를 도시한 사시도이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 이용되는 기판은 매몰 산화막층(10)과 상부 실리콘층(20)이 반복하여 적층되는 기판을 이용할 수도 있으나, 여기서는 설명의 편의상 도 3에 도시된 바와 같이 실리콘기판(100), 매몰 산화막층(10) 그리고 상부 실리콘층(20)이 순차적으로 적층된 구조의 SOI 기판을 예로 들어 설명한다(S1). 또한, 실리콘기판(100)과 상부 실리콘층(20)은 다양한 종류의 전도체를 이용할 수 있으나, 여기서는 실리콘을 예로 들어 설명한다. 그리고, 매몰 산화막층(10)으로는 산화막 또는 절연막을 일예로 들어 설명한다.3 is a perspective view showing an example of a substrate according to the first embodiment of the present invention. The substrate used in the preferred embodiment of the present invention may be a substrate on which the buried oxide layer 10 and the upper silicon layer 20 are repeatedly laminated. However, for convenience of explanation, the silicon substrate 100 ), The buried oxide layer 10 and the upper silicon layer 20 are sequentially stacked (S1). Further, various types of conductors can be used for the silicon substrate 100 and the upper silicon layer 20. Here, the silicon is used as an example. As the buried oxide film layer 10, an oxide film or an insulating film will be described as an example.

도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 나노선구조물(21)이 형성된 상태를 보여주는 일부단면 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, SOI기판 상에 나노선구조물(21)을 형성하게 된다(S2). 나노선구조물(21)은 상부 실리콘층(20)을 식각하여 형성한다. 이를 위해, 상부 실리콘층 위에 감광제(resist)을 도포 후 포토리소그래피나 전자빔 리소그래피를 이용하여 패턴을 형성한 다음, 형성된 패턴을 마스크로 상부실리콘층(20)을 식각하여 형성하게 된다. 이와 같이 정의되는 나노선구조물(21)은, 바람직하기로는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 전체 크기를 최소화할 수 있도록 폭과 길이가 각각 1~50㎚와 0.1~10㎛로 형성하는 것이 바람직하다.FIG. 4 is a partial cross-sectional perspective view showing a state in which the nano-wire structure 21 according to the first embodiment of the present invention is formed. As shown in FIG. 4, the nano-wire structure 21 is formed on the SOI substrate (S2). The nanowire structure 21 is formed by etching the upper silicon layer 20. For this, a resist is coated on the upper silicon layer, and then a pattern is formed using photolithography or electron beam lithography, and then the upper silicon layer 20 is etched using the formed pattern as a mask. The nanowire structure 21 thus defined is preferably formed to have a width and a length of 1 to 50 nm and 0.1 to 10 탆, respectively, so as to minimize the overall size of the biosensor using a room temperature operational single electron transistor desirable.

도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 제1유전층(30)이 형성된 상태를 보여주는 일부단면 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 다음 단계는 기판 상부에 제1유전층(30)을 형성하는 단계이다(S3). 제1유전층(30)은 일정한 두께를 가지도록 형성하는 것도 가능하고, 도 5에서와 같이 상부가 일정한 표면을 가지도록 형성하는 것도 가능하다. 이러한 제1유전층(30)은 전기적인 절연을 시켜주는 절연체의 역할을 하며 다양한 절연 물질을 사용할 수 있으며 실리콘 산화막, 실리콘 질화막을 예로 들 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1유전층(30)의 형성방식으로는 증착방식을 이용하는 것이 바람직하다. 이는 제1유전층(30)이 기판 전면에 일정한 두께로 증착이 가능하고, 특히 그 두께 조절이 용이하기 때문이다.5 is a partial cross-sectional perspective view showing a state in which the first dielectric layer 30 according to the first embodiment of the present invention is formed. As shown in FIG. 5, the next step is to form the first dielectric layer 30 on the substrate (S3). The first dielectric layer 30 may be formed to have a constant thickness, and the upper surface of the first dielectric layer 30 may have a constant surface as shown in FIG. The first dielectric layer 30 serves as an insulator for electrical insulation, and various insulating materials can be used. For example, a silicon oxide film and a silicon nitride film can be used. In a preferred embodiment of the present invention, the first dielectric layer 30 is preferably formed using a deposition method. This is because the first dielectric layer 30 can be deposited on the entire surface of the substrate to a certain thickness, and its thickness can be easily adjusted.

도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 트랜치(31)와 양자점 쿨롱채널(22)이 형성된 일예를 보여주는 일부 단면 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 양자점 쿨롱채널(22)이 형성된 다른 일예를 보여주는 일부 단면 사시도이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 다음단계는 양자점 쿨롱채널(22)을 형성하는 단계이다(S4). 양자점 쿨롱채널(22)은 나노선구조물(21)이 드러나도록 제 1유전층(30)을 식각하여 트랜치(31)를 형성하여 정의하게 된다. 6 is a partially cutaway perspective view showing an example in which the trench 31 and the quantum dot coulon channel 22 according to the first embodiment of the present invention are formed, and FIG. 7 is a cross-sectional perspective view of the quantum dot coulon channel 22 according to the first embodiment of the present invention. ) Is formed. As shown in FIGS. 6 and 7, the next step is to form the quantum dot coulon channel 22 (S4). The quantum dot coulon channel 22 is defined by forming the trench 31 by etching the first dielectric layer 30 so that the nanowire structure 21 is exposed.

트랜치(31)는 나노선구조물(21)의 중간 부분에 직교하도록 마스크패턴을 형성 후 제1유전층(30)을 건식 식각에 의해 형성하거나 또는 집속 이온빔(Focus Ion Beam) 방식으로 제1유전층(30)을 식각하여 형성한다. 이어서 트랜치(31)에 드러난 나노선구조물(21)의 중간 부분을 일부 식각하여 양자점 쿨롱채널(22)을 형성할 수도 있다. 도 6에서 도시된 바와 같이, 양자점 쿨롱채널(22)은 나노선구조물(21)이 드러나도록 제1유전층(30)만을 식각하여 형성하게 된다. 또한, 도 7에서 도시된 바 같이 양자점 쿨롱채널(22)의 두께를 얇게 형성하기 위해 나노선구조물(21)의 두께 일부를 식각하여 형성할 수도 있다. The trench 31 may be formed by forming a mask pattern orthogonal to the middle portion of the nano-wire structure 21 and then forming the first dielectric layer 30 by dry etching or by a first ion implantation method using a focused ion beam ) Is formed by etching. Then, the middle portion of the nano-wire structure 21 exposed in the trench 31 may be partially etched to form the quantum dot coulon channel 22. As shown in FIG. 6, the quantum dot coulon channel 22 is formed by etching only the first dielectric layer 30 so that the nanowire structure 21 is exposed. Further, as shown in FIG. 7, a part of the thickness of the nano-wire structure 21 may be etched to form a thinner quantum-point coulon channel 22.

이와 같이 트랜치(31)를 형성함에 따라 외부에 노출되는 나노선구조물(21)에 의해 형성되는 양자점 쿨롱채널(22)은 1~50㎚의 폭과 1~50nm의 두께로 형성하는 것이 가능하게 된다. 여기서 정의되는 양자점 쿨롱채널(22)의 폭은 나노선구조물(21)의 폭에 해당한다. 또한, 양자점 쿨롱채널(22)은 최소한의 크기를 갖도록 트랜치(31) 폭을 1~100㎚로 형성하는 것이 바람직하다.As the trench 31 is formed, the quantum dot couulon channel 22 formed by the nanowire structure 21 exposed to the outside can be formed to have a width of 1 to 50 nm and a thickness of 1 to 50 nm . The width of the quantum dot coulon channel 22 defined here corresponds to the width of the nano-wire structure 21. It is preferable that the width of the trench 31 is 1 to 100 nm so that the quantum dot coulon channel 22 has a minimum size.

도 8은 본 발명의 제 1실시예에 따른 제2유전층(40)이 형성된 상태를 보여주는 일부 단면사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 다음 단계는 기판의 상면에 제2유전층(40)을 형성하는 단계이다(S5). 제2유전층(40)은 양자점 쿨롱채널(22)과 후술할 T형 부유게이트(G)와의 절연을 위한 게이트 산화막으로서, 첫 번째 게이트산화막은 열산화 공정을 통하여 양자점 쿨롱채널(22)을 감싸는 산화막을 형성하며 이 과정에서 양자점 쿨롱채널(22)의 크기는 1nm~5nm 만큼 미세화되어 상온동작이 가능토록 한다. 이 후 증착공정을 통하여 제1유전층(30)의 상부와 트랜치(31)에 일정한 두께로 증착된다.8 is a partial cross-sectional perspective view showing a state in which the second dielectric layer 40 according to the first embodiment of the present invention is formed. As shown in FIG. 8, the next step is to form the second dielectric layer 40 on the upper surface of the substrate (S5). The second dielectric layer 40 is a gate oxide film for insulation between the quantum-point coulon channel 22 and a T-type floating gate G, which will be described later. The first gate oxide film is an oxide film In this process, the size of the quantum dot coulon channel 22 is reduced by 1 nm to 5 nm so that the liquid crystal can be operated at room temperature. Then, a predetermined thickness is deposited on the first dielectric layer 30 and the trench 31 through a deposition process.

이처럼 제2유전층(40)을 형성하게 되면, 트랜치(31)의 폭이 그만큼 줄어들기 때문에 후술하는 후공정에서 형성되는 T형 부유 게이트(G)의 폭을 더욱 좁게 형성할 수 있게 된다. 이와 같은 기능을 하는 제2유전층(40)은 열산화공정, 또는 열산화공정후 증착공정을 통하여 형성하는 것이 바람직하다. 도 8은 양자점 쿨롱채널(22)을 형성 후 제2유전층(40)이 열산화공정 후 증착공정을 통해 형성된 예를 보여주고 있다. 도 9는 본 발명의 제 1실시예에 따른 제2유전층(40)이 형성된 상태를 보여주는 도 8의 A-A 단면도이다. When the second dielectric layer 40 is formed as described above, since the width of the trench 31 is reduced so much, the width of the T-type floating gate G formed in a later-described later process can be further narrowed. The second dielectric layer 40 having such a function is preferably formed through a thermal oxidation process or a thermal oxidation process and a deposition process. FIG. 8 shows an example in which the second dielectric layer 40 is formed through a thermal oxidation process and a deposition process after forming the quantum dot coulon channel 22. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 8 showing a state in which the second dielectric layer 40 according to the first embodiment of the present invention is formed.

도 10은 본 발명의 제 1실시예에 따른 T형 부유 게이트(G)가 형성된 상태를 보여주는 일부 단면사시도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 다음 단계는 T형 부유게이트(G)를 형성하는 단계이다(S6). T형 부유게이트(G)는 트랜치(31)에 전도물질을 충진하는 형태로 형성된다. 즉, 트랜치(31)의 제작으로 양자점 쿨롱채널(22)이 형성되고, 이 양자점 쿨롱채널(22)을 제2유전층(40)으로 감싼 다음 그 위로 전도물질을 충전하여 T형 부유게이트(G)를 형성하게 되는 것이다. 10 is a partial cross-sectional perspective view showing a state in which a T-type floating gate G according to the first embodiment of the present invention is formed. As shown in Fig. 10, the next step is to form the T-type floating gate G (S6). The T-type floating gate G is formed to fill the trench 31 with a conductive material. That is, by forming the trench 31, a quantum dot coulon channel 22 is formed, the quantum dot coulon channel 22 is surrounded by the second dielectric layer 40, and then a conductive material is filled thereon to form a T- .

한편, 본 발명에 따른 제1실시예의 제조방법은 형성된 제3유전막(40)의 일부를 식각하는 단계와, 트랜지스터의 소스(S)와 드레인(D)을 형성하기 위해 불순물을 도핑하는 단계를 더 포함하여 구성할 수도 있다.Meanwhile, the manufacturing method of the first embodiment of the present invention includes a step of etching a part of the formed third dielectric film 40 and a step of doping impurities to form a source S and a drain D of the transistor May be included.

도 11은 본 발명의 제 1실시예에 따른 증착공정으로 형성된 제2유전층(40)의 평면층을 식각하여 측벽스페이서(S1)가 형성된 상태를 보여주는 단면도이다. 즉, 도 11에서 도시된 바와 같이, 제2유전층(40)중 평면층을 식각하게 된다. 증착공정으로 형성된 제2유전층(40)을 트랜치(31) 벽면에만 존재하도록 식각하여 측벽스페이서(S1)를 형성하여 구성할 수 있다. 이때 게이트산화막은 열산화공정으로 형성된 제1게이트산화막이 존재하게 된다. 즉 도 11은 본 발명의 제 1실시예에 따른 제2유전층(40)의 일부를 식각하여 측벽 스페이서(S1)가 형성된 상태를 보여주는 단면도이다.11 is a cross-sectional view illustrating a state in which a sidewall spacer S1 is formed by etching a planar layer of a second dielectric layer 40 formed by a deposition process according to the first embodiment of the present invention. That is, as shown in FIG. 11, the planar layer of the second dielectric layer 40 is etched. The sidewall spacers S1 may be formed by etching the second dielectric layer 40 formed by the deposition process so as to exist only on the wall surface of the trench 31. [ At this time, the gate oxide film has a first gate oxide film formed by a thermal oxidation process. 11 is a sectional view showing a state in which a sidewall spacer S1 is formed by etching a part of the second dielectric layer 40 according to the first embodiment of the present invention.

또한, 소스(S)와 드레인(D)을 만들기 위해 불순물로 도핑하는 단계를 포함할 수 있다. 건식식각을 통하여 제1유전층(30)과 제2유전층(40)을 불순물 도핑이 가능한 두께로 전부 또는 일부 식각한 후 T형 부유게이트(G)를 마스크로 하여 불순물로 도핑한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 T형 부유게이트(G)의 형성방법에 따라 불순물 도핑을 다음과 같이 할 수 있다. It may also include doping with an impurity to make the source (S) and the drain (D). The first dielectric layer 30 and the second dielectric layer 40 are etched through the dry etching to a thickness at which impurities can be doped, and then doped with impurities using the T-type floating gate G as a mask. According to a preferred embodiment of the present invention, the impurity doping can be performed as follows according to the method of forming the T-type floating gate (G).

첫째, T형 부유게이트(G)를 형성하여 제1유전층(30)과 제2유전층(40)을 전부 또는 일부 식각한 후 도핑한다. 둘째, 트랜치(31)에만 게이트(G)를 형성하여 제1유전층(30)과 제2유전층(40)을 전부 또는 일부 식각한 후 도핑한다. 셋째, 트랜치(31)에만 게이트(G)를 형성하여 제1유전층(30)과 제2유전층(40)을 식각한 후 측벽 스페이서(S1)를 형성한 후 도핑한다. 도 12는 T형 부유게이트(G)를 형성하여 제1유전층(30)과 제2유전층(40)을 일부 식각하여 불순물을 도핑하여 소스(S) 및 드레인(D)이 형성된 단면사시도이다. First, a T-type floating gate G is formed to entirely or partially etch the first dielectric layer 30 and the second dielectric layer 40, followed by doping. Secondly, a gate G is formed only in the trench 31 to completely or partially etch the first dielectric layer 30 and the second dielectric layer 40, and then perform doping. Third, a gate G is formed only in the trench 31 to form the sidewall spacers S1 after the first and second dielectric layers 30 and 40 are etched and then doped. 12 is a cross-sectional perspective view in which a source S and a drain D are formed by forming a T-type floating gate G and partially etching the first and second dielectric layers 30 and 40 to form impurities.

다음으로 T형 부유게이트(G)를 형성한 후에, 상부로 금속산화물 검지층(50)을 증착시키게 된다(S7). 도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 상부로 금속산화물 검지층(50)이 형성된 상태의 사시도를 도시한 것이다. Next, after forming the T-type floating gate G, the metal oxide detection layer 50 is deposited on the upper portion (S7). FIG. 13 is a perspective view showing a state in which the metal oxide detection layer 50 is formed on the upper part according to the first embodiment of the present invention.

이러한 금속산화물 검지층(50)은 이온수용액(61) 내에서 검지하고자 하는 표적분자(62)의 화학적 결합 반응에 의해 생성될 수 있는 수소이온(H+)을 비롯한 기타 전하량의 흡착율(adsorption)이 큰 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 알루미늄 산화막(Al2O3), 실리콘 산화막(SiO2) 또는 질화규소막(Si3N4) 등의 금속산화물 및 전기적 부도체로 구성되어 진다. The metal oxide detection layer 50 has a large adsorption amount of hydrogen ions (H +) and other charges that can be generated by the chemical bonding reaction of the target molecule 62 to be detected in the ion aqueous solution 61 A metal oxide such as a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ), an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ), a silicon oxide film (SiO 2 ), or a silicon nitride film (Si 3 N 4)

또한, 금속산화물 검지층(50) 표면에 전하 흡착률을 극대화하기 위해 표면을 화학적으로 처리시켜 화학처리 표면층을 형성시킬 수 있다. 또한, 금속산화물 검지층(50)은 항체-항원 반응을 이용하여 표적분자(62)를 검지하는 경우, 특이항원에 작용하는 특정한 항체를 고정화시키기 위해 화학적 처리를 할 수 있다. 예를 들어, 표적분자(62)가 전립선 특이항원(PSA)인 경우, 금속산화물 검지층(50) 표면을 실린화시키고, 항체의 표면에 존재하는 아민기(NH2)와 반응시켜 고정화할 수 있다. Further, the surface of the metal oxide detection layer 50 may be chemically treated to form a chemically treated surface layer in order to maximize the charge adsorption ratio. Further, when the target molecule 62 is detected using the antibody-antigen reaction, the metal oxide detection layer 50 can be chemically treated to immobilize a specific antibody acting on the specific antigen. For example, when the target molecule 62 is a prostate specific antigen (PSA), the surface of the metal oxide detection layer 50 can be immobilized by reacting with the amine group (NH 2) existing on the surface of the antibody .

그리고, 금속산화물 검지층(50)을 형성한 후, 상부로 이온수용액 용기(60)를 형성시키게 된다(S8). 이온수용액 용기(60) 내에는 표적분자(62)를 함유한 이온수용액(61)이 담겨지게 된다. 이러한 이온수용액(61)은 앞서 언급한 금속산화물 검지층(50)의 표면과 접촉되게 된다. 따라서 금속산화물 검지층(50)의 표면에서 이온수용액(61) 내에 포함된 표적분자(62)들이 화학적 반응을 일으켜 H+를 비롯한 기타 전하량(Q)이 발생되게 된다. After the metal oxide detection layer 50 is formed, the ionic aqueous solution container 60 is formed on the upper part (S8). The ionic aqueous solution 61 containing the target molecules 62 is contained in the ionic aqueous solution container 60. This ionic aqueous solution 61 comes into contact with the surface of the above-mentioned metal oxide detection layer 50. Therefore, on the surface of the metal oxide detection layer 50, the target molecules 62 contained in the ionic aqueous solution 61 undergo a chemical reaction to generate other charges Q including H +.

이온수용액 용기(60)를 형성하는 방법의 일예로는 상부로 표적분자(62)와 반응하지 않는 절연막층을 증착하고, 절연막층 일부를 금속산화물 검지층(50)의 표면이 노출될 때까지 식각하여 형성시킬 수 있다. 도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 상부로 절연막층이 형성된 상태의 사시도를 도시한 것이다. As an example of the method of forming the ionic aqueous solution container 60, an insulating film layer which does not react with the target molecules 62 is deposited on the top, and a part of the insulating film layer is etched until the surface of the metal oxide detecting layer 50 is exposed . FIG. 14 is a perspective view showing a state where an insulating film layer is formed on an upper portion according to the first embodiment of the present invention.

도 14에 도시된 바와 같이, 절연막층을 금속산화물 검지층(50) 상부로 증착시킨 후 T형 게이트(G)의 폭과 길이에 맞게 절연막층 일부를 금속산화물 검지층(50)의 표면이 노출될 때까지 식각하여 용기(60) 형태를 만들어 내부에 이온수용액(61)을 저장할 수 있도록 구성한다. 도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 사시도를 도시한 것이다. 도 16은 도 15의 B-B 단면도를 도시한 것이다.
14, after the insulating film layer is deposited on the metal oxide detection layer 50, a part of the insulating film layer is exposed to the surface of the metal oxide detection layer 50 in accordance with the width and length of the T- So that the ionic aqueous solution 61 can be stored therein. FIG. 15 is a perspective view of a biosensor using a single-electron transistor operating at room temperature according to the first embodiment of the present invention. Fig. 16 is a cross-sectional view taken along the line BB of Fig.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 구성 및 제조방법을 설명하도록 한다. 기본적인 구성과 제조방법은 앞서 언급한 제1실시예와 동일하므로 차이점을 위주로 설명하도록 한다. 먼저, 도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 18은 본 발명의 제2실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 평면도를 도시한 것이다. Hereinafter, a configuration and a manufacturing method of a biosensor using a single-electron operated single-electron transistor according to a second embodiment of the present invention will be described. Since the basic configuration and manufacturing method are the same as those of the first embodiment, differences will be mainly described. 17 is a perspective view of a biosensor using a single-electron transistor operating at room temperature according to a second embodiment of the present invention. FIG. 18 is a plan view of a biosensor using a single-electron operated single-electron transistor according to a second embodiment of the present invention.

도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 하나의 T형 부유게이트(G)와 이온수용액 용기(60)에 대해 복수의 드레인(D)과 복수의 소스(S) 및 복수의 양자점 쿨롱채널(22)을 구비하고 있음을 알 수 있다. 이는 제1실시예에 따른 제조방법에서 상부실리콘층(20)을 식각하여 나노선 구조물(21)을 형성할 때, 하나가 아닌 복수의 나노선 구조물(21)을 형성시키도록 한다. As shown in FIGS. 17 and 18, the biosensor using the room temperature operation single electron transistor according to the second embodiment of the present invention includes a plurality of T-type floating gates G and a plurality of It can be seen that it has a drain D, a plurality of sources S, and a plurality of quantum-point coulon channels 22. [ In the manufacturing method according to the first embodiment, when the upper silicon layer 20 is etched to form the nano-wire structure 21, a plurality of nano-wire structures 21 other than one are formed.

따라서 후에 설명되는 바와 같이, 하나의 바이오센서에 다수의 소스(S)-양자점 쿨롱채널(22)-드레인(D)을 구비하고 있어 각각 소스(S)-드레인(D)에 흐르는 전류(Ids)값을 측정할 수 있어 보다 신속하고 정확하게 표적분자(62)를 분석할 수 있게 된다. 즉, 하나의 T형 부유게이트(G)를 공용으로 다수의 소스(S)-양자점 쿨롱채널(22)-드레인(D)으로 집적된 단전자 트랜지스터들을 추가하게 됨으로써 T형 부유게이트(G)/금속산화물 검지층(50) 상부에 위치한 하나의 이온수용액 용기(60) 내에 존재하는 표적분자(62)가 화학반응을 하는 동안 각각의 단전자 트랜지스터의 소스(S)-드레인(D) 전류(Ids)의 변화를 동시에 측정하여 해독함으로써 신뢰도를 높이면서 소요되는 시간을 대폭 단축시킬 수 있게 된다.
Thus, the plurality of source (S) to one of the biosensor as will be described later-quantum Coulomb channel (22) there is a drain (D), each source (S) - the current flowing through to the drain (D) (I ds ) Value of the target molecule 62, thereby enabling to analyze the target molecule 62 more quickly and accurately. That is, by adding single electron transistors integrated in a plurality of source (S) - quantum dot coulon channel (22) - drain (D) in common to one T type floating gate (G) (S) -drain (D) current (I) of each single electron transistor during the chemical reaction of the target molecules 62 present in one ionic aqueous solution container 60 located above the metal oxide detection layer 50 ds ) are simultaneously measured and decoded, thereby increasing the reliability and greatly shortening the time required.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서를 갖는 표적분자(62) 분석시스템의 구성과 표적분자(62) 분석방법에 대해 설명하도록 한다. 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서를 갖는 표적분자(62) 분석시스템의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서를 갖는 표적분자(62) 분석시스템을 이용한 분석방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한, 도 21은 이온수용액 내에 포함된 표적분자(62)의 화학적 결합 발생 이전과 이후의 전압인가부(70)에서 인가되는 게이트전압(Vg)과 측정수단(80)에서 측정되는 전류값(Ids) 특성곡선(characteristic curve) Ids-Vg 그래프의 변화를 도시한 것이다. 표적분자의 화학적 결합이전의 쿨롱진동 전류(실선으로 표시)가 표적분자의 화학적 결합에 의해 발생된 전하량들, 혹은 표적분자가 금속산화물 검지층(50)에 결합되어 쿨롱진동 전류의 전이(shift)를 보여준다(점선으로 표시). Hereinafter, the structure of the target molecule analyzing system 62 having the biosensor and the method of analyzing the target molecule 62 according to an embodiment of the present invention will be described. 19 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a target molecule analyzing system having a biosensor according to an embodiment of the present invention. 20 is a flowchart of an analysis method using a target molecule analysis system having a biosensor according to an embodiment of the present invention. 21 shows the relationship between the gate voltage V g applied by the voltage application unit 70 before and after the chemical bond of the target molecule 62 contained in the ionic liquid and the current value measured by the measurement unit 80 I ds ) characteristic curve I ds -V g FIG. The Coulomb oscillation current (indicated by the solid line) before the chemical bonding of the target molecule is the amount of charge generated by the chemical bonding of the target molecule, or the amount of charge generated when the target molecule is bound to the metal oxide detection layer 50 to shift the Coulomb oscillation current. (Indicated by a dotted line).

도 19에 도시된 바와 같이, 측정수단(80)은 실시간으로 소스(S)와 드레인(D) 간에 흐르는 전류(Ids)값을 게이트 전압(Vg)의 함수로 측정하게 됨을 알 수 있다. 표적분자(62)의 분석방법은 먼저, 이온수용액 내로 표적분자 주입이전에 전압인가부(70)가 이온수용액(61) 내에 구비된 기준전극(reference electrode)으로 게이트 전압(Vg)을 인가하여 측정수단(80)에서 전류값(Ids) 을 측정, 표적분자 주입이전의 Ids-Vg 특성곡선을 얻는다(S10). As shown in FIG. 19, it can be seen that the measuring means 80 measures the current I ds flowing between the source S and the drain D in real time as a function of the gate voltage V g . In the method of analyzing the target molecule 62, the voltage applying unit 70 applies the gate voltage V g to the reference electrode provided in the ionic aqueous solution 61 before the target molecule is injected into the ionic aqueous solution The current value (I ds ) is measured in the measuring means 80, and I ds -V g A characteristic curve is obtained (S10).

다음, 이온수용액(61) 내로 검지하고자 하는 표적분자(62)(target molecule)들을 주입시켜 표적분자(62)들이 금속산화물 검지층(50) 표면과 화학적 결합하여 반응하도록 한다(S20). 또한, 이러한 화학적 결합은 항원-항체 반응이 될 수 있다. 이러한 화학적 반응, 결합은 전하량들을 검지층(50) 표면에 흡착시킬 수만 있다면 어떠한 종류도 가능하다. 표적분자(62)가 특이항원인 경우 금속산화물 검지층(50) 표면에 이러한 특이항원과 작용하는 특정 항체를 고정화하는 화학처리를 수행하게 된다. 예를 들어, 특이 항원이 전립선 특이항원(PSA)인 경우, 금속산화물 검지층(50) 표면을 실린화시키고 항체의 표면에 존재하는 아민기(NH2)와 반응시켜 고정화할 수 있다. Next, the target molecules 62 (target molecules) to be detected are injected into the ionic aqueous solution 61 to cause the target molecules 62 to chemically bond with the surface of the metal oxide detection layer 50 (S20). Also, such a chemical bond can be an antigen-antibody reaction. Any of these chemical reactions and bonds can be used as long as the charge amounts can be adsorbed on the surface of the detection layer 50. When the target molecule 62 is a specific antigen, a chemical treatment for immobilizing a specific antibody acting on the specific antigen on the surface of the metal oxide detection layer 50 is performed. For example, when the specific antigen is prostate specific antigen (PSA), the surface of the metal oxide detection layer 50 can be immobilized by reacting with the amine group (NH 2) existing on the surface of the antibody.

이러한 화학적 결합에 의해 생성되는 수소이온을 비롯한 기타 전하량(Q)들이 금속산화물 검지층(50) 표면에 흡착하게 된다(S30). Other charges Q, such as hydrogen ions generated by such chemical bonding, are adsorbed on the surface of the metal oxide detection layer 50 (S30).

따라서, 이러한 금속산화물 검지층(50) 표면에 흡착된 전하량에 의한 T형 부유게이트(G)의 정전 포텐셜이 변화되게 된다(S40). 그리고, T형 부유게이트(G)의 정전포텐셜이 변화되게 됨으로써, T형 부유게이트(G) 하단에 위치한 양자점 쿨롱채널(22)의 정전포텐셜의 변화를 유도하여 소스(S)-드레인(D) 간의 전류(Ids)가 변화되게 된다(S50, S60). 분석수단은 이러한 표적분자 주입후의 전류(Ids)값의 변화를 감지하고 새로운 Ids-Vg 특성을 측정(S70), 표적분자 주입 이전의 Ids-Vg 특성곡선과 비교/분석하여(S80) 이온수용액(61) 내의 표적분자(62)의 정체를 해독하게 된다. Therefore, the electrostatic potential of the T-type floating gate G is changed by the amount of charge adsorbed on the surface of the metal oxide detection layer 50 (S40). The change of the electrostatic potential of the quantum-point coulon channel 22 located at the lower end of the T-type floating gate G is induced by the change of the electrostatic potential of the T-type floating gate G, The current I ds is changed (S50, S60). The analysis means senses the change of the current (I ds ) value after the injection of the target molecule and measures the new I ds -V g characteristic (S 70) and compares / analyzes it with the I ds -V g characteristic curve before the target molecule injection S80) The target molecule 62 in the ionic aqueous solution 61 is decoded.

또한, 앞서 설명한 제2실시예에 따른 바이오센서를 이용하여 표적분자(62)를 분석하게 되는 경우, 즉, 하나의 T형게이트(G)와 이온수용액 용기(60)를 공용으로 수 개의 소스(S)-양자점 쿨롱채널(22)-드레인(D)으로 집적된 단전자 트랜지스터들을 추가함으로써 T형 부유게이트(G) 및 금속산화물 검지층(50) 상부에 위치한 하나의 이온수용액(61) 내에서 표적분자(62)가 화학반응을 하는 동안, 다수의 소스(S)-드레인(D) 각각에 구비된 측정수단(80)에서 게이트전압의 함수로 전류(Ids)를 측정하고 각각의 전류(Ids)변화를 동시에 측정하여 표적분자 주입이전의 Ids-Vg 특성곡선과 비교/분석하여 표적분자 정체를 해독함으로써 신뢰도를 높이면서 소요되는 시간을 대폭 단축시킬 수 있게 된다. When the target molecules 62 are analyzed using the biosensor according to the second embodiment described above, that is, when one T-shaped gate G and the ionic aqueous solution container 60 are shared by several sources Type floating gate (G) and the metal oxide detection layer 50 by adding single electron transistors integrated in the Ion-S-quantum-point coulon channel 22-drain D, During the chemical reaction of the target molecule 62, the current I ds is measured as a function of the gate voltage in the measuring means 80 provided in each of the plurality of source (S) -drain (D) I ds ) at the same time, and compared with the I ds -V g characteristic curve before the injection of the target molecule to decode the target molecule identity, thereby greatly reducing the time required for increasing the reliability.

10:매몰산화막층
20:상부실리콘층
21:나노선구조물
22:양자점 쿨롱채널
30:제1유전층
31:트랜치
40:제2유전층
50:금속산화물 금속층
60:이온수용액 용기
61:이온수용액
62:표적분자
70:전압인가부
80:측정수단
S1:측벽스페이서
S:소스
D:드레인
G:T형 부유게이트
Vg:게이트 전압
Ids:소스-드레인 전류10: buried oxide layer
20: upper silicon layer
21: Nano-wire structure
22: Quantum dot Coulomb channel
30: First dielectric layer
31: trench
40: second dielectric layer
50: metal oxide metal layer
60: ionic aqueous solution container
61: ionic aqueous solution
62: target molecule
70:
80: Measuring means
S1: Sidewall spacer
S: Source
D: drain
G: Floating gate type T
V g : gate voltage
I ds : Source-drain current

Claims (19)

바이오센서에 있어서,
기판상에 구비되는 복수의 소스, 각각이 상기 소스와 대향된 위치에 특정간격 이격되어 기판상에 구비되는 복수의 드레인, 상기 소스와 상기 소스와 대향된 위치에 구비된 드레인 사이 각각에 구비되는 복수의 양자점 쿨롱채널 및 복수의 상기 양자점 쿨롱채널을 공유하여 상부 측에 구비되는 게이트를 갖고, 상기 소스와 상기 양자점 쿨롱채널 및 드레인은 서로 연결되어 복수의 나노선구조물을 형성하는 단전자 트랜지스터;
상기 게이트의 상부 측에 구비되어, 표적분자와 화학적 결합이 가능한 금속산화물 검지층;
내부에 표적분자를 갖는 이온수용액이 저장되고, 상기 이온수용액이 상기 금속산화물 검지층과 접촉되도록 상기 금속산화물 검지층의 상부측에 구비되는 이온수용액 용기;
상기 기판과 복수의 상기 소스 및 복수의 상기 드레인 사이에 구비되는 매몰산화막층;
복수의 나노선구조물의 상부측으로 적층되며 트랜치가 형성된 제1유전층; 및
상기 제1유전층과 복수의 상기 양자점 쿨롱채널 상부에 증착되는 제2유전층;을 포함하고,
상기 게이트는 T자형 부유게이트로 상기 제2유전층이 증착된 트랜치에 구비되고,
상기 표적분자가 특정항원인 경우,
상기 금속산화물 검지층의 상부표면은 상기 특정항원과 반응하는 특정항체를 고정화시키기 위한 화학처리 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서.
In the biosensor,
A plurality of sources provided on a substrate, a plurality of drains provided on a substrate at positions spaced apart from each other by a predetermined distance at positions opposed to the sources, and a plurality of drains provided at positions opposed to the source and the source Electron transistors each having a gate provided on an upper side sharing a quantum dot coulon channel of a quantum dot Coulomb channel and a plurality of the quantum dot coulon channels of the quantum dot Coulomb channel and a quantum dot Coulomb channel and a drain connected to each other to form a plurality of nanowire structures;
A metal oxide detection layer provided on an upper side of the gate and capable of chemical bonding with a target molecule;
An ionic aqueous solution container provided on an upper side of the metal oxide detection layer so that the ionic aqueous solution having the target molecules therein is stored and the ionic aqueous solution is in contact with the metal oxide detection layer;
A buried oxide film layer provided between the substrate and a plurality of the sources and the plurality of drains;
A first dielectric layer stacked on top of the plurality of nanowire structures and formed with a trench; And
And a second dielectric layer deposited over the first dielectric layer and a plurality of the quantum dot coulon channels,
The gate being provided in a trench in which the second dielectric layer is deposited with a T-shaped floating gate,
When the target molecule is a specific antigen,
Wherein the upper surface of the metal oxide detection layer includes a chemically treated surface layer for immobilizing a specific antibody that reacts with the specific antigen.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 금속산화물 검지층은,
탄탈륨 산화막, 알루미늄 산화막, 실리콘 산화막 또는 질화규소막으로 구성된 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide detection layer
A silicon oxide film, or a silicon nitride film.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 따른 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법에 있어서,
상부실리콘층을 식각하여 복수의 나노선구조물을 형성하는 제1단계;
상기 기판과 복수의 상기 나노선 구조물의 상부로 제1유전층을 형성하는 제2단계;
상기 제1유전층을 식각하여 트랜치와 복수의 양자점 쿨롱채널을 형성하는 제3단계;
상부로 제2유전층을 형성하는 제4단계;
상기 트랜치에 게이트를 형성하는 제5단계;
상기 게이트의 상부로 표적분자와 화학적 결합이 가능한 금속산화물 검지층을 증착하는 제6단계; 및
내부에 표적분자를 갖는 이온수용액이 저장되고, 상기 이온수용액이 상기 금속산화물 검지층과 접촉되도록 상기 금속산화물 검지층의 상부측으로 이온수용액용기를 형성하는 제7단계;를 포함하고,
상기 제6단계에서,
상기 표적분자가 특정항원인 경우, 상기 금속산화물 검지층의 상부표면을 상기 특정항원과 반응하는 특정항체를 고정화시키기 위한 화학처리 표면층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법.
A method of manufacturing a biosensor using a single-electron operated single-electron transistor according to claim 1,
A first step of etching the upper silicon layer to form a plurality of nanowire structures;
A second step of forming a first dielectric layer on the substrate and a plurality of the nanowire structures;
A third step of etching the first dielectric layer to form a trench and a plurality of quantum-point coulomb channels;
A fourth step of forming a second dielectric layer on top of the second dielectric layer;
A fifth step of forming a gate in the trench;
A sixth step of depositing a metal oxide detection layer capable of chemically bonding to the target molecule on the gate; And
And a seventh step of forming an ionic aqueous solution container on the upper side of the metal oxide detection layer so that the ionic aqueous solution having the target molecules therein is stored and the ionic aqueous solution is brought into contact with the metal oxide detection layer,
In the sixth step,
Further comprising the step of forming a chemically treated surface layer for immobilizing the upper surface of the metal oxide detection layer with a specific antibody reactive with the specific antigen when the target molecule is a specific antigen, A method of manufacturing a biosensor using the method.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 제4단계와 상기 제5단계 사이에는 증착공정으로 형성된 제2유전층의 일부를 식각하여 측벽스페이서를 형성하는 단계; 및
상기 제1유전층 일부와 상기 제2유전층 일부를 식각하여 게이트를 마스크로 불순물을 도핑하여 소스 및 드레인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Forming a sidewall spacer between the fourth step and the fifth step by etching a portion of the second dielectric layer formed by a deposition process; And
Further comprising forming a source and a drain by etching a portion of the first dielectric layer and a portion of the second dielectric layer and doping the impurity with a gate as a mask to form a source and a drain.
제8항에 있어서,
상기 제7단계는,
상기 금속산화물 검지층의 상부로 절연막층을 증착시키는 단계;
상기 절연막층을 상기 금속산화물 검지층의 상부면이 노출될 때까지 용기형상으로 식각하는 단계; 및
내부에 표적분자를 포함하는 이온수용액을 투입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법.
9. The method of claim 8,
In the seventh step,
Depositing an insulating layer over the metal oxide sensing layer;
Etching the insulating layer into a container shape until the upper surface of the metal oxide detection layer is exposed; And
And injecting an ionic aqueous solution containing a target molecule into the interior of the biosensor.
제8항에 있어서,
상기 제1유전층은 증착공정을 통하여 10nm~1000nm 두께로 형성하고,
상기 제2유전층은 열산화 공정 또는 열산화 공정 후 증착공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The first dielectric layer is formed to a thickness of 10 nm to 1000 nm through a deposition process,
Wherein the second dielectric layer is formed by a thermal oxidation process or a thermal oxidation process followed by a deposition process.
제8항에 있어서,
상기 제1단계에서 상부실리콘층을 식각하여 형성되는 나노선구조물의 폭은 1~50nm로, 길이는 0.1~10㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the width of the nanowire structure formed by etching the upper silicon layer in the first step is 1 to 50 nm and the length of the nanowire structure is 0.1 to 10 μm.
제8항에 있어서,
상기 제3단계는 식각에 의해 트랜치를 폭이 1~100nm로 형성하며, 상부실리콘층의 두께 일부를 식각하여 양자점의 두께는 1~50nm로 형성하는 것을 특징으로 하는 상온동작 단전자 트랜지스터를 이용한 바이오센서의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the third step comprises forming a trench having a width of 1 to 100 nm by etching and a thickness of a quantum dot of 1 to 50 nm by etching a part of the thickness of the upper silicon layer, A method of manufacturing a sensor.
삭제delete 바이오센서를 갖는 표적분자 분석시스템에 있어서,
제1항에 따른 바이오센서;
상기 바이오센서의 이온수용액 용기 내부에 저장된 이온수용액 내에 기준전극을 통해 특정전압을 인가시키는 전압인가부;
상기 바이오센서에 구비된 복수의 소스와 상기 소스에 대향된 위치에 구비된 복수의 드레인 사이에 흐르는 전류 각각을 측정하기 위한 측정수단; 및
상기 측정수단에서 측정된 데이터를 기반으로, 이온수용액에 포함된 표적분자와 상기 바이오센서의 금속산화물 검지층 사이의 화학적 결합에 의한 전류-게이트(Ids-Vg) 특성 변화를 측정하여 상기 표적분자를 분석하는 분석수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서를 갖는 표적분자 분석시스템.
1. A target molecule analysis system having a biosensor,
A biosensor according to claim 1;
A voltage application unit for applying a specific voltage to the ionic solution stored in the ionic aqueous solution container of the biosensor through the reference electrode;
Measuring means for measuring a current flowing between a plurality of sources provided in the biosensor and a plurality of drains provided at positions opposed to the source; And
(I ds -V g ) characteristic change due to chemical bonding between the target molecule contained in the ionic aqueous solution and the metal oxide detection layer of the biosensor based on the data measured by the measurement means, And analyzing means for analyzing the target molecules.
제16항에 따른 분석시스템을 이용한 표적분자 분석방법에 있어서,
전압인가부에 의해 상기 이온수용액으로 전압을 인가하는 단계;
이온수용액 내로 표적분자들을 주입하기 이전에 소스-드레인 전류를 측정하는 단계;
이온수용액 내로 표적분자들을 주입하여 표적분자의 화학적 결합이 발생되는 단계;
상기 화학적 결합에 의해 발생된 전하량들이 금속산화물 검지층 표면에 흡착되는 단계;
상기 금속산화물 검지층 표면에 흡착된 전하량에 의해 상기 바이오센서의 게이트의 정전표텐셜이 변화하는 단계;
상기 바이오센서의 양자점 쿨롱채널의 정전포텐셜의 변화를 유도하여 소스와 드레인 간의 전류변화가 발생되는 단계; 및
분석수단이 측정수단에 의해 표적분자 주입 이전 및 주입 이후 각각에서 측정된 소스와 드레인 간의 전류값을 기반으로 Ids-Vg 특성 변화를 감지하여 상기 표적분자를 분석하는 단계;를 포함하고,
상기 표적분자는 특정항원이며, 상기 금속산화물 검지층의 상부표면은 상기 특정항원과 반응하는 특정항체를 고정화시키기 위한 화학처리 표면층을 포함하며,
상기 검지층 표면에 흡착되는 단계는,
상기 특정항원이 상기 화학처리표면층과 항원-항체 반응하는 단계인 것을 특징으로 하는 표적분자 분석방법.
A method for analyzing a target molecule using the analysis system according to claim 16,
Applying a voltage to the ionic aqueous solution by a voltage application unit;
Measuring source-drain current prior to implanting target molecules into the aqueous ionic solution;
Injecting target molecules into an aqueous ionic solution to cause chemical bonding of the target molecules;
The amount of charges generated by the chemical bond is adsorbed on the surface of the metal oxide detection layer;
Changing a constant electrostatic potential of a gate of the biosensor by an amount of charge adsorbed on a surface of the metal oxide detection layer;
Generating a change in current between the source and the drain by inducing a change in the electrostatic potential of the quantum-point coulon channel of the biosensor; And
Analyzing the target molecule by detecting a change in the Ids-Vg characteristic based on the current value between the source and drain measured before and after the injection of the target molecule by the measuring unit,
Wherein the target molecule is a specific antigen and the upper surface of the metal oxide detection layer includes a chemically treated surface layer for immobilizing a specific antibody reactive with the specific antigen,
Wherein the step of adsorbing on the surface of the detection layer comprises:
Wherein the specific antigen is an antigen-antibody reaction with the chemically-treated surface layer.
삭제delete 제 17항에 있어서,
상기 전하량은 H+을 포함하는 특정 양의 양전하 또는 음전하인 것을 특징으로 하는 표적분자 분석방법.

18. The method of claim 17,
Wherein the amount of charge is a specific positive or negative charge including H & lt ; + & gt ; .

KR1020120110629A 2012-10-05 2012-10-05 Method and analysis system for biosensor with roomtemperature operating singleelectron transistor KR101625705B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120110629A KR101625705B1 (en) 2012-10-05 2012-10-05 Method and analysis system for biosensor with roomtemperature operating singleelectron transistor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120110629A KR101625705B1 (en) 2012-10-05 2012-10-05 Method and analysis system for biosensor with roomtemperature operating singleelectron transistor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140044538A KR20140044538A (en) 2014-04-15
KR101625705B1 true KR101625705B1 (en) 2016-05-30

Family

ID=50652486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120110629A KR101625705B1 (en) 2012-10-05 2012-10-05 Method and analysis system for biosensor with roomtemperature operating singleelectron transistor

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101625705B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102012633B1 (en) * 2018-08-17 2019-08-21 재단법인 구미전자정보기술원 Method and apparatus for detecting bio-marker for liver cancer

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018084601A1 (en) * 2016-11-02 2018-05-11 주식회사 엘지화학 Quantum dot biosensor
EP3537138B1 (en) 2016-11-02 2023-12-27 LG Chem, Ltd. Quantum dot biosensor
CN107328838B (en) * 2017-04-13 2019-11-05 南京大学 A kind of electronic biosensor and preparation method based on bigrid single-electronic transistor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100949038B1 (en) 2007-09-14 2010-03-24 충북대학교 산학협력단 Method for Manufacturing a Single-Electron Logic Device operating at Room Temperature
KR101017814B1 (en) * 2008-08-05 2011-02-28 충북대학교 산학협력단 Fabricating Method of Single Electron Transistor Operating at Room Temperature
JP2012047763A (en) * 2011-12-09 2012-03-08 Dainippon Printing Co Ltd Field effect transistor type biosensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100949038B1 (en) 2007-09-14 2010-03-24 충북대학교 산학협력단 Method for Manufacturing a Single-Electron Logic Device operating at Room Temperature
KR101017814B1 (en) * 2008-08-05 2011-02-28 충북대학교 산학협력단 Fabricating Method of Single Electron Transistor Operating at Room Temperature
JP2012047763A (en) * 2011-12-09 2012-03-08 Dainippon Printing Co Ltd Field effect transistor type biosensor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102012633B1 (en) * 2018-08-17 2019-08-21 재단법인 구미전자정보기술원 Method and apparatus for detecting bio-marker for liver cancer

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140044538A (en) 2014-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zafar et al. Silicon nanowire field effect transistor sensors with minimal sensor-to-sensor variations and enhanced sensing characteristics
Chen et al. Al2O3/silicon nanoISFET with near ideal Nernstian response
US9810660B2 (en) Fin-FET sensor with improved sensitivity and specificity
US9234872B2 (en) Chemical sensing and/or measuring devices and methods
Reddy et al. High-k dielectric Al 2 O 3 nanowire and nanoplate field effect sensors for improved pH sensing
US8940548B2 (en) Sensor for biomolecules
Chen et al. Top-down fabrication of sub-30 nm monocrystalline silicon nanowires using conventional microfabrication
US9599614B2 (en) Calibration of nanostructure sensors
KR100906154B1 (en) Semiconductor nanowire sensor device and method for manufacturing the same
TW201322448A (en) Nanogrid channel fin-fet transistor and biosensor
KR101625705B1 (en) Method and analysis system for biosensor with roomtemperature operating singleelectron transistor
KR100902517B1 (en) The dielectric-modulated field efect transistor and the method of fabricating the same
Kim et al. Multiplexed silicon nanowire tunnel FET-based biosensors with optimized multi-sensing currents
US20220018805A1 (en) Ion-sensitive field effect transistor
KR101040083B1 (en) nanowire transistor sensor, manufacturing method and nanoparticle detection apparatus using the same
US20210325339A1 (en) Biosensor Devices and Methods of Forming the Same
Kwon et al. A novel fabrication method for co-integrating ISFET with damage-free sensing oxide and threshold voltage-tunable CMOS read-out circuits
US9846139B2 (en) Nanowire field-effect sensor including nanowires having network structure and fabrication method thereof
Kim et al. A dual-gate field-effect transistor for label-free electrical detection of avian influenza
Kim et al. Analysis of current drift on p-channel pH-Sensitive SiNW ISFET by capacitance measurement
KR100997210B1 (en) Bio sensor using parasitic fringing gate field effects of field effective transistor and manufacturing method therof
Naumova et al. Silicon nanowire transistors for electron biosensors
Tomoya et al. Fabrication of N-Type Silicon Nanowire Biosensor for Sub-10-Femtomolar Concentration of Immunoglobulin
WO2015088055A1 (en) Bio-sensor using single electron transistor operating at room temperature, method for manufacturing same, analysis system having same, and analysis method
JP5737655B2 (en) Semiconductor sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190507

Year of fee payment: 4