KR102093659B1 - 용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서 - Google Patents

용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서 Download PDF

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조원주
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서에 관한 것으로서, 동 유전체층 상에 배치된 채널; 채널과 동일 층 상에서 채널의 양 측에 이격되도록 배치된 제어 게이트 및 감지 게이트를 포함하는 측정부; 및 측정부에 연결되는 감지부를 포함하고, 플로팅 게이트와 감지 게이트 사이의 제1 용량과 플로팅 게이트와 제어 게이트 사이의 제2 용량의 용량비를 조정하여 감지도를 조절한다. 이에, 저항 커플링 현상을 기반으로 동일한 유전체층을 공유하는 제어 게이트와 감지 게이트의 용량비를 조정함으로써 감도를 효과적으로 자가 증폭시킬 수 있다.

Description

용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서{A HIGH-PERFORMANCE BIOSENSOR BASED ON A ION-SENSITIVE FIELD EFFECT TRANSISTOR HAVING A CAPACITIVE TYPE COPLANNAR STRUCTURE}
본 발명은 용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 유전체층을 공유하는 동일 평면 상에 배치된 이중 게이트를 포함함으로써 고감도 구현이 가능한 고성능 바이오 센서에 관한 것이다.
바이오 센서(Bio sensor)는 생체물질이 가진 분자간 선택적 반응성을 이용하여 다양한 생리활성 물질의 농도를 신속하게 정량화할 수 있는 센서이다. 대표적인 센서로는 이온 전계 효과 트랜지스터(Ion-Sensitive Field Effect Transistor, ISFET)를 이용한 바이오 센서가 있다.
이온 전계 효과 트랜지스터(ISFET)를 이용한 바이오 센서는 생리 물질을 포함한 용액과 센서의 절연 감지막이 직접적으로 접촉하여 감지막과 용액 사이의 반응으로 생리 활성 물질 (예컨대, 바이러스, 혈당, DNA, 세포, 항원-항체, 수소 등)의 농도를 구별할 수 있다. 최근 ISFET를 이용한 바이오 센서는 헬스 케어 시장에서 각광받고 있으며, 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있다.
그러나, ISFET를 이용한 바이오 센서는 약 59mV/pH의 네른스트(Nernst) 응답 한계로 인한 저해상도(저감도) 및 재현성 문제로 상용화에 큰 어려움이 있었다.
또한, 이온 전계 효과 트랜지스터(ISFET)는 하나의 소자 내에 감지부와 측정부가 함께 존재하기 때문에, 감지부가 검사대상 물질인 용액에 의해 손상되는 경우, 상대적으로 공정이 복잡한 측정부 또한 손상되게 된다. 따라서, 상술한 손상에 의해 소자의 수명이 크게 감소할 수 있어 높은 비용을 유발해 비효율적이다. 따라서, ISFET은 상술한 바와 같이 해상력의 한계 및 소자 손상으로 인한 고비용 발생으로 상용화의 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 확장 게이트(Extended Gate, EG) 트랜지스터를 이용하여 기존의 감지부와 측정부를 분리한 분리형 센서가 제안되었다. 분리형 센서는 측정부와 감지부가 분리되어 위치함에 따라 감지부가 검사대상 물질인 용액에 의해 손상되어도, 상대적으로 공정이 복잡한 측정부를 재사용 할 수 있다. 따라서, 생리 물질을 포함한 용액에 취약한 기존 ISFET 소자의 단점을 극복할 수 있었다. (특허문헌 1 및 특허문헌 2)
그러나, 확장 게이트 전계 효과 트랜지스터(EGFET)의 경우, 소자 손상으로 인한 고비용 발생의 문제점은 해결할 수 있었으나, 여전히, 저감도로 인한 문제는 여전히 미해결 과제로 남아 있었다.
또는, 위의 ISFET의 문제를 해결하기 위하여 SOI 기판을 이용한 이중 게이트(double-gate, DG) 구조의 이온 전계 효과 트래지스터(ISFET)가 개발된 바 있다(특허문헌 3). 그러나, SOI 기판을 이용한 듀얼 게이트 이온 전계 효과 트랜지스터(DG ISFET)는 상부 게이트 절연막과 하부 게이트 절연막의 유전 커플링 현상을 이용하여 기존의 낮은 감도를 자가 증폭 할 수 있었다. DG ISFET를 이용한 바이오 센서는 상부 절연막의 두께를 줄이고 하부 절연막의 두께를 늘림으로써 용량성 커플링(capacitive coupling) 효과를 증가시켰다. 그러나, 두꺼운 하부 절연막은 긴 공정 시간을 유발하고, 얇은 상부 절연막은 게이트 누설 전류(leakage current)를 유발시키는 문제점도 있었다.
따라서, 저비용, 고감도를 만족시켜 상업화가 가능한 고성능 바이오 센서를 구현할 수 있는 ISFET 센서에 대한 개발이 절실히 요청되고 있었다.
KR 10-1616560 B KR 10-2016-0013768 A KR 10-1767670 B
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서를 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 단일 유전체층을 공유하며 동일 평면 상에 형성되는 용량형 코-플래너(Capacitive Type Co-planar) 구조의 ISFET을 포함하는 고성능 바이오 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 용량형 코-플래너(Capacitive Type Co-planar) 구조에서 동일 평면 상에 배치된 제어 게이트와 감지 게이트의 용량비를 조정하여 종래의 ISFET기반 센서의 한계 민감도인 59mV/pH를 현저하게 뛰어넘는 고감도의 고성능 바이오 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상술한 저항형 코-플래너 구조의 고성능 바이오 센서를 POC(Point Of Care), 재택 진단, 연구소, 환경 모니터링에 활용하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 감지부와 측정부를 분리하여 제공하지만 저비용, 단순한 공정 및 고감도를 제공하는 고성능 바이오 센서를 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서는 동 유전체층 상에 배치된 채널; 채널과 동일 층 상에서 채널의 양 측에 이격되도록 배치된 제어 게이트 및 감지 게이트를 포함하는 측정부; 및 측정부에 연결되는 감지부를 포함하고, 플로팅 게이트와 감지 게이트 사이의 제1 용량과 플로팅 게이트와 제어 게이트 사이의 제2 용량의 용량비를 조정하여 감지도를 조절한다. 이에, 용량 커플링 현상을 기반으로 동일한 유전체층을 공유하는 제어 게이트와 감지 게이트의 용량비를 조정함으로써 감도를 효과적으로 자가 증폭시킬 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 공동 유전체층은 플로팅 게이트와 채널 사이의 제3 용량을 더 포함하고, 제1 용량, 제2 용량 및 제3 용량은 서로 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 용량 및 제2 용량은 각각 김지 게이트와 제어 게어트의 면적에 따라 결정되며, 감지 게이트의 면적은 제어 게이트의 면적보다 넓을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 용량은 제2 용량 보다 큰 값을 갖을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 감지부는 감지 게이트에 연결되는 금속 전극; 금속 전극 상에 배치되며 이온을 감지하는 감지막; 및 감지막 상에 배치되며 감지 용액을 담을 수 있는 챔버를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 감지막과 용액에 포함된 생리 물질의 반응에 따른 감지 게이트의 전압 변화를 기초하여 제1 용량과 제2 용량의 용량비(coupling ratio)에 따라 제어 게이트의 문턱전압이 변하고, 생리 물질은 용액 및 가스 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 용량과 제2 용량의 비에 따라 용량성 커플링비가 결정되고, 감지도가 자가 증폭될 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서는 플로팅 게이트; 플로팅 게이트 상에 배치된 채널의 일 측에 이격되어 배치되는 감지 게이트; 및 감지 게이트와 동일 평면 상에 배치되며 일 측과 타 측에 배치되는 제어 게이트를 포함하고, 감지 게이트 및 제어 게이트는 하부에 배치된 하나의 절연막을 공유한다. 이에, 감지부와 측정부를 분리함으로써, 측정 소자 제작 비용을 감소시킬 수 있고, 소자 제작 공정을 단순화할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 절연막은 감지 게이트 용량 및 제어 게이트 용량을 포함하고, 감지 게이트 용량은 제어 게이트 용량 보다 큰 값을 갖을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 감지부의 감지막과 용액에 포함된 생리 물질의 반응에 따른 감지 게이트의 전압 변화를 기초하여 감지 게이트 용량과 제어 게이트 용량의 용량비(coupling ratio)에 따라 제어 게이트의 문턱전압에 변화를 일으킨다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전압 변화는, 생리 물질은 용액 및 가스 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖을 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서의 제조 방법은 차폐층 상에 플로팅 게이트를 형성하는 단계; 차폐층 상에 공동 유전체층을 형성하는 단계; 및 공동 유전체층 상에 채널을 형성하고 형성된 채널의 양 측에 복수의 게이트를 동시에 형성하는 단계를 포함하고, 복수의 게이트는 감지 게이트 및 제어 게이트를 포함하며, 감지 게이트와 플로팅 게이트 사이의 제1 용량은 제어 게이트 및 플로팅 게이트 사이의 제2 용량보다 크다. 이에, 용량 커플링 현상을 기반으로 동일한 유전체층을 공유하는 제어 게이트와 감지 게이트의 용량비를 조정함으로써 감도를 효과적으로 자가 증폭시킬 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 감지막과 용액에 포함된 생리 물질의 반응에 따른 감지 게이트의 전압 변화를 기초하여 제1 용량과 제2 용량의 용량비(coupling ratio)에 따라 제어 게이트의 문턱전압에 변화를 측정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 생리 물질은 용액 및 가스 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖을 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 저항 커플링 현상을 기반으로 동일한 유전체층을 공유하는 제어 게이트와 감지 게이트의 용량비를 조정함으로써 감도를 효과적으로 자가 증폭시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 감지부와 측정부를 분리하여 측정부가 감지 용액에 직접적으로 노출되는 것을 방지함으로써 소자 손상으로 인한 고비용 발생의 문제점은 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상술한 고성능 센서를 POC(Point Of Care), 재택 진단, 연구소, 환경 모니터링에 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 감지부와 측정부를 분리하여 도시한 전체 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부에 대한 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부에 대한 공정 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET 센서의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부의 용량에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량 커플링 현상에 따른 문턱전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET 센서의 용량에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 농도에 따른 문턱전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량성 커플링비와 pH 감지도를 시뮬레이션 값과 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET 센서의 Hysteresis 전압을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 drift 속도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전극의 예시도이다.
도 14는 비교예에 따른 듀얼 게이트 ISFET의 구조 및 등가회로를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 ‘직접’이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자 또는 층이 다른 소자 또는 층위(on)로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다. 본 발명에서 설명의 편의를 위해 용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서는 용량 코플래너 구조의 ISFET센서로 지칭될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 감지부와 측정부를 분리하여 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)는 용량형 코플래너 구조의 ISFET(110) 및 확장 게이트(120)를 포함한다. 여기서, 용량형 코플래너 구조의 ISFET(110)은 측정부 역할을 수행하고, 확장 게이트(120)는 감지부 역할을 수행한다.
도 1을 참조하면, 용량형 코플래너 구조의 ISFET(110)은 차폐층(111), 유전체층(112), 소스 영역(113S), 채널 영역(113C) 및 복수의 게이트를 포함한다. 여기서, 복수의 게이트는 플로팅 게이트(FG), 제어 게이트(CG) 및 감지 게이트(SG)를 포함한다. 구체적으로, 용량형 코플래너 구조의 ISFET(110)은 도 2에 도시된 바와 같이, 동일 평면 상에 배치되는 감지 게이트(SG), 채널, 제어 게이트(CG)를 포함한다. 본 명세서에서 플로팅 게이트(FG), 제어 게이트(CG), 감지 게이트(SG)는 각각 제1 게이트, 제2 게이트 및 제3 게이트로 지칭될 수도 있다.
차폐층(111)은 외부로 노출된 플로팅 게이트(FG)를 차폐시키는 구성으로, 이온 민감형 전계 효과 트랜지스터(ISFET)로 유입되는 노이즈(noise)를 제거할 수 있다. 차폐층(111)은 플로팅 게이트(FG) 하면에 배치되고, 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 일반적인 유기 절연재료 또는 무기 절연재료를 포함할 수도 있다.
플로팅 게이트(FG)는 트리플 구조의 ISFET 내의 채널 영역(113C)으로부터 절연되어 있으며, 채널 영역(113C) 하부에 배치된다. 플로팅 게이트(FG)는 유전체층(112)과 차폐층(111)에 의해 절연되며, p형 도펀트(dopant)로 도핑된 폴리실리콘(poly silicon)으로 이루어지지만 금속과 같은 전도성 물질이 사용될 수도 있다. 폴로팅 게이트의 전압은 제어 게이트(CG)의 전압에 따라 결정될 수 있으며, 이에 대한 상세한 내용은 추후 설명하기로 한다.
유전체층(112)은 이온 민감형 감지도를 자가 증폭(Self-amplification)하기 위한 구성으로서, 플로팅 게이트(FG) 상부에 배치된다. 유전체층(112)은 대략 200nm의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 유전체층(112)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물, 고 유전 상수(high-k)를 갖는 유전체 및 이들의 조합 등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 고 유전 상수의 재료는 하프튬 산화물(HfO2), 탄탈룸 산화물(Ta2O5), 지르코늄 산화물(ZrO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 이들의 조합 등으로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명에서 유전체층(112)은 절연막 또는 공통 유전체층으로 지칭될 수도 있다.
유전체층(112) 상에는 감지 게이트(SG), 채널 영역(113C) 및 제어 게이트(CG)가 형성된다. 이때, 유전체층(112) 상에는 활성 영역이 정의되어 있으며 활성 영역에 소스 영역(113S), 채널 영역(113C) 및 드레인 영역(113D)이 형성된다. 여기서, 채널 영역(113C)은 실리콘으로 이루어져 있다. 또한, 소스 영역(113S)과 드레인 영역(113D)은 채널 영역(113C)의 양 측에 배치되며, 전계 효과 트랜지스터(FET)의 구성에 따라 n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 포함할 수 있다. 예컨대, 본 발명은 n형 도펀트인 p이온을 도핑한 n형 FET인 N-타입 전계 효과 트랜지스터(N-type Field Effect Transistor, NFET)일 수 있다.
유전체층(112) 상에 형성된 소스 영역(113S), 채널 영역(113C) 및 드레인 영역(113D)의 양 측에는 감지 게이트(SG)와 제어 게이트(CG)가 배치된다. 구체적으로, 소스 영역(113S)과 드레인 영역(113D) 사이에 배치된 채널 영역(113C)을 기준으로 일 방향으로 이격된 감지 게이트(SG)가 배치되고, 채널 영역(113C)을 기준으로 타 방향으로 이격된 제어 게이트(CG)가 배치된다. 다시 말해, 감지 게이트(SG)는 유전체층(112)의 일 측 가장자리 상부에 배치되고, 제어 게이트(CG)는 유전체층(112)의 타 측 가장자리 상부에 배치된다.
또한, 제어 게이트(CG)와 감지 게이트(SG)는 유전체층(112)을 공유하므로 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 게이트(CG)는 유전체층(112)에 의해 플로팅 게이트(FG)와 분리되고, 감지 게이트(SG)는 유전체층(112)에 의해 플로팅 게이트(FG)와 분리될 수 있다.
감지 게이트(SG)와 제어 게이트(CG)는 Al, 구리, W, Ti, Ta, Cr, Pt, Ag, Au와 같은 금속재료로 이루어질 수 있고, TiSi2, NiSi, CoSi와 같은 실리사이드(silicide)로 이루어질 수 있고, 도핑된 다결정 실리콘으로 이루질 수 있고, 또는 ITO, MWCNT, Ag 나노 파이버와 같은 투명 전극으로 이루어질 수 있다.
용량형 코플래너 구조의 ISFET(110)에는 확장 게이트(120)가 연결된다. 확장 게이트(120)는 금속 전극(121), 감지막(122), 챔버(123) 내에 수용된 피검사 대상 수용액(Electrolyte), 수용액을 담을 수 있는 PDMS 재질의 챔버(123, Chamber) 및 기준 전극(124)을 포함한다. 도 1에서 챔버(123)는 감지막(122)의 일부 영역 상에 일 측이 오픈된 형태를 갖도록 도시하였으나, 실제로는 수용액 가장자리를 둘러싸는 형태로 형성되는 것으로 이해되는 것이 바람직하다.
또한, 기준 전극(124)는 도 13과 같은 상용 기준 전극을 사용할 수 있다. 예컨대, 도 13의 (A)와 같이, Saturated calomel기준 전극(SCE)일 수 있고, (B)와 같이, Glass기준 전극일 수 있고, (C)와 같이, Ion-sensitive기준 전극일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 고체 페이스트(paste)를 사용할 수도 있다.
또한, 확장 게이트(120)는 교체 가능한 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 용량형 코플래너 구조의 ISFET(110)을 구성하는 감지 게이트(SG)의 측면에는 홈이 형성되어 있다. 이에 따라, 감지 게이트(SG)는 'ㄷ'자 형상을 갖도록 형성되고, 감지 게이트(SG)와 마주하는 금속 전극(121)의 측면은 감지 게이트(SG)의 홈에 대응하도록 돌출된 형상을 갖는다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)는 감지부가 측정부의 홈에 끼워지는 형태로서, 제작 공정이 단순하다는 장점이 있다.
이하에서는, 도 3a 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)의 공정 순서를 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부에 대한 공정 순서도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부에 대한 공정 순서도이다. 도 3a 내지 도 4는 도 1 내지 도 2의 구성요소와 실질적으로 동일하므로 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 3a를 참조하면, 차폐층(111) 상부에 플로팅 게이트(FG)가 배치된다(단계 a). 플로팅 게이트(FG) 상부에 유전체층(112)이 배치되고(단계 b), 유전체층(112) 상에는 채널층(113)이 배치된다(단계 c). 채널층(113)의 일부 영역 상에 n형 도펀트인 P 이온을 도핑하여 소스 영역(113S)과 드레인 영역(113D)을 형성한다(단계 d).
도 3b를 참조하면, 유전체층(112) 상부에 배치된 마스크를 이용하여 소스 영역(113S), 채널 영역(113C) 및 드레인 영역(113D)을 격자화(patterning)한다(단계 e). 이어서, 격자화된 소스 영역(113S), 채널 영역(113C) 및 드레인 영역(113D)의 양 측에는 감지 게이트(SG) 및 제어 게이트(CG)가 배치된다(단계 f).
이어서, 도 4를 참조하면, 금속 전극(121) 상에 감지막(122)이 배치된다(단계 g, h). 이어서, 감지막(122) 상부에 챔버(123)가 배치되고, 챔버(123)에는 생리 물질이 유입되는 주입구가 형성되고(단계 i), 상기 주입구에는 기준 전극(124)이 삽관되도록 배치된다(단계 j).
이에 따라, 본 발명의 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 측정부에 감지부가 연결되는 구조를 갖는다. 다만, 측정부에 감지부가 연결되는 방식은 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 변형될 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)의 동작 방법을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 회로도이다.
도 5를 참조하면, 제어 게이트(CG)에 가해진 입력 전압(Vin)에 의해 출력 전류(Output current)인 드레인 전류가 측정된다. 또한, 기준 전극(124) 및 소스 영역(113S)은 접지(Common ground)시킨다. 여기서, 감지 게이트(SG)의 전압은 오직 감지막(122)의 표면 전위 값만 갖는다.
종래의 ISFET은 상온에서 감지도가 최대 59mV/pH의 네른스트 한계를 극복하기 위해 듀얼 게이트 구조의 ISFET을 이용해 감지도를 자가 증폭시켰다. 구체적으로, 듀얼 게이트 구조의 ISFET(DG ISFET)의 경우, 제1 유전체층(112)의 두께를 줄이고, 제2 유전체층(114)의 두께를 늘림으로써 상부와 제2 유전체층(114) 사이의 커플링(capacitive coupling) 현상을 이용하여 감지도를 자가 증폭시키는 방식을 적용하였다.
그러나, 두꺼운 제2 유전체층(114)은 긴 공정 시간이 소요되고, 얇은 제1 유전체층(112)은 게이트 누설 전류(leakage current)를 유발하여 복잡한 공정 과정이 요구된다는 문제점이 있었다. 따라서, 종래의 듀얼 게이트 구조의 ISFET(DG ISFET)은 네른스트 한계에 따른 감지도를 증폭시키면서 용량 커플링 한계를 개선하는데에 어려움이 존재한다.
이에, 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)는 동일 평면 상에 배치된 이중 게이트는 동일 유전체층(112)을 공유하고 감지 게이트(SG)와 측정 게이트를 한번에 형성시키기 때문에 공정이 단순하는 장점이 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 측정부에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부의 용량에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량 커플링 현상에 따른 문턱전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 감지 게이트(SG)와 제어 게이트(CG)는 공동의 유전체층(112)을 갖기 때문에 플로팅 게이트(FG)와 감지 게이트(SG) 사이의 용량(CSG) 및 플로팅 게이트(FG)와 제어 게이트(CG) 사이의 용량(CCG)은 각각의 게이트의 면적에 따라 결정될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 감지 게이트(SG)의 면적은 증가시키고, 제어 게이트의 면적은 감소시킬수록 감지도에 유리할 수 있다. 또한, 플로팅 게이트(FG)와 감지 게이트(SG) 사이의 용량(CSG) 및 플로팅 게이트(FG)와 제어 게이트(CG) 사이의 용량(CCG)의 용량성 커플링(capacitive coupling) 현상에 의해 감지도가 자가 증폭될 수 있다.
도 6(C)를 참조하면, VSG는 감지 게이트(SG) 전압을 의미하고, VCG는 제어 게이트(CG) 전압을 의미한다. 용량성 커플링 현상은 플로팅 게이트(FG)와 감지 게이트(SG) 사이의 용량(CSG)과 플로팅 게이트(FG)와 제어 게이트(CG) 사이의 용량(CCG)에 의해 결정된다. 여기서, 각각의 용량은 하기 수학식 1을 기초로 산출될 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112019076516414-pat00001
0는 진공의 유전율, r은 유전체의 비유전율, A는 유전체의 면적, 그리고 d는 유전체의 두께를 나타낸다.
또한, 도 6에서 플로팅 게이트(FG)의 전압(VFG)은 유전체층(112)에 포함된 세 개의 용량, 감지 게이트(SG)에 인가되는 감지 게이트 전압(VSG), 제어 게이트(CG)에 인가되는 감지 게이트 전압(VCG) 및 채널 영역(113C)의 전하(Q)에 의해 결정된다. 여기서, 전체층에 포함된 세 개의 용량은 플로팅 게이트(FG)와 감지 게이트(SG) 사이의 용량(CSG), 플로팅 게이트(FG)와 제어 게이트(CG) 사이의 용량(CCG) 및 게이트 절연막의 용량(COX)을 포함한다. 여기서, 플로팅 게이트(FG)와 감지 게이트(SG) 사이의 용량(CSG) 및 플로팅 게이트(FG)와 제어 게이트(CG) 사이의 용량(CCG) 기초로 증폭인자(Amplification factor)가 결정되며, 증폭인자(Amplification factor)는 하기 수학식 2와 같다.
(수학식 2)
Figure 112019076516414-pat00002
또한, 플로팅 게이트(FG)의 전압(VFG)은 하기 수학식 3을 기초로 산출될 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112019076516414-pat00003
여기서, CTOT는 플로팅 게이트(FG)에서 바라본 용량의 총합으로, 감지 게이트 용량(CSG), 제어 게이트 용량(CCG) 및 게이트 절연막 용량(COX)을 더한 값이다.
이때, 플로팅 게이트 전압(VFG)의 변화는 하기 수학식 4에 나타낸 바와 같이, 감지 게이트 전압(VSG)과 제어 게이트 전압(VCG)의 변화에 따라 결정된다.
(수학식 4)
Figure 112019076516414-pat00004
구체적으로, 도 7을 참조하면, 감지 게이트 전압(VSG)을 -540mV 내지 540mV 범위 내에서 180mV의 간격으로 감지 게이트(SG)에 인가할 경우, CSG/CCG에 따라 제어 게이트(VCG)의 문턱전압이 변화한다. 여기서, CSG/CCG는 8.29, 5.15, 2.37, 1.59, 1.20, 0.63, 0.19 및 0.12이다.
이하에서는, 도 8 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 용량형 코플래너 구조의 ISFET 센서(100)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 용량에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 pH농도에 따른 문턱전압의 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량성 커플링비와 pH 감지도를 시뮬레이션 값과 비교한 그래프이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 Hysteresis 전압을 설명하기 위한 그래프이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서의 drift 속도를 설명하기 위한 그래프이다. 도 8에 도시된 측정부는 상술한 도 6의 측정부와 동일한 회로 구조를 갖으므로, 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 8(A),(B)를 참조하면, 센서는 측정부인 동일 평면상의 용량형 코플래너 구조의 ISFET(110)의 감지 게이트(SG)와 확장 게이트(120)의 금속 전극(121)을 연결한다. 기준 전극 전압(VREF)은 접지된다. 또한, 바이오 감지 물질들이 챔버(123)에 수용되자마자 감지막(122)의 표면 포텐셜은 변하고, 변화된 표면 포텐셜은 감지 게이트(SG)에 전달될 수 있다. 이때, 제어 게이트(CG)의 전압(VCG)은 용량성 커플링 현상에 의해 상기 전달된 감지 게이트(SG)의 전압(VSG)에 따라 문턱전압이 변할 수 있다.
도 8(C)를 참조하면, 감지부는 감지 물질들의 농도에 따라 전기 이중층으로 구성될 수 있다. 여기서, 전기 이중층은 구이-채프만 스턴 모델에 따라 직렬로 연결된 조밀 이중층의 스턴 용량(CStern)과 확산층의 구이-채프만 용량(CGouy)으로 구성된다.
감지 물질과 감지막(122)이 반응하면 감지막 표면에 전하가 생성된다. 이때 생성된 표면 전하는 감지막(122)의 표면 포텐셜을 변화시키고 감지막(122)의 용량(CSG)과 직렬로 연결되어 감지 게이트 전압(VSG)을 변화시킨다.
종래의 ISFET pH센서는 감지막(122)으로 SnO2를 사용하였으며, pH농도에 따라 전류 변화에 응답하여 문턱전압이 변하였다. SnO2를 사용한 기존의 ISFET pH센서는 상온에서 57mV/pH내지 58mV/pH의 감지도를 갖는다.
이에 반해, 본 발명은 제어 게이트(CG) 면적 대비 감지 게이트(SG)의 용량을 조절하여 용량성 커플링 현상을 조절함으로써, 제어 게이트(CG)의 문턱전압을 자가 증폭시킬 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)는 pH조건을 기초로 전류 변화에 응답하여 용량성 커플링 현상을 통해 CSG/CCG에 따라 감지도가 자가 증폭되는 것을 알 수 있다. 여기서, pH조건은 pH3 내지 pH10인 것으로 가정한다. 또한, CSG/CCG는 8.29, 5.15, 2.37, 1.59, 1.20, 0.63, 0.19 및 0.12이다.
도 10(A)를 참조하면, CSG/CCG가 8.29인 경우 용량성 커플링비는 5.31이고, CSG/CCG가 1.20인 경우 용량성 커플링비는 1.02이고, CSG/CCG가 0.12인 경우 용량성 커플링비는 0.33이다. 따라서, CSG/CCG가 증가할 수록 용량성 커플링비도 증가하는 것을 알 수 있다. 이때, 이론적인 값의 차이는 전계의 프린지(fringe) 현상에 따른 오차 때문일 수 있다.
도 10(B)를 참조하면, CSG/CCG가 8.29인 경우 pH 민감도(pH sensitivity)는 304.12mV/pH이고, CSG/CCG가 1.20인 경우 pH 민감도는 58.72mV/pH이고, CSG/CCG가 0.12인 경우 pH 민감도는 17.20mV/pH이다. 이때, 이론적인 값의 차이는 전계의 프린지(fringe) 현상에 따른 오차 때문일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 감지도의 자가 증폭은 종래의 ISFET구조의 상온에서 감지도가 최대 59mV/pH인 네른스트 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 바이오 센서의 실질적인 감지물질인 세포, 항원-항체, DNA, 효소의 반응에 따른 미세한 신호를 감지할 수 있는 효과가 있다.
도 10(C)를 참조하면, 제어 게이트(CG)와 감지 게이트(SG)에 가해진 전계의 fringe 현상을 고려한 시뮬레이션 값(Simulation Value)은 실제 측정한 용량성 커플링비(Coupling ratio)와 pH 감지도 증폭비(pH sensitivity amplification)와 비슷한 값을 가진다. 여기서, 시뮬레이션은 Silvaco TCAD Atlas 시뮬레이터를 이용한다.
바이오 센서는 감지 특성만큼 안정성 및 신뢰성이 매우 중요하다. 따라서, 소자의 안정성 및 신뢰성을 평가하기 위해서는 hysteresis 전압 및 drift 시간을 측정하여야 한다.
Hysteresis는 감지막(122) 표면이 감지 물질 용액 내의 이온들과 반응이 늦게 일어나면서 변화하는 미소 전하량에 의해 발생되며, 문턱전압의 변화를 초래할 수 있다. 이에, 도 11을 참조하면, Hysteresis전압은 Hysteresis pH루프(pH7 →pH10 → pH7 → pH4 → pH7)의 처음과 마지막에서의 pH7의 문턱전압 차이를 나타낸다. 또한, Drift 속도는 감지막(122) 표면이 감지 물질 용액에 장시간 동안 노출될 때, 이온이 감지막(122) 내부로 침투함에 따라 변화하는 전하량에 의한 문턱전압의 변화량을 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이, Drift 속도는 pH7 완충 용액에서 10시간 동안 평가된다.
구체적으로, 동일 평면상의 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)의 CSG/CCG가 8.29, 1.20 및 0.12인 경우, hysteresis 전압은 각각 41.40 mV, 13.80 mV 및 4.83 mV을 가진다. 또한, 동일 평면상의 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)의 CSG/CCG가 8.29, 1.20 및 0.12인 경우, drift 속도는 각각 32.04 mV/hour, 12.11 mV/hour 및 4.75 mV/hour을 가진다.
동일 평면상의 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)의 노이즈는 감지도에 비해 매우 작은 값이며, 우수한 안정성과 신뢰성을 가지는 효과가 있다. 예컨대, 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서(100)는 하기 표 1과 같은 감지 특성 및 안정성 평가를 가질 수 있다.
(표 1)
Figure 112019076516414-pat00005
이하에서는 도 19를 참조하여, 종래 기술과 본 발명을 대비하여, 본 발명의 효과에 대하여 상세하게 설명한다.
도 14는 비교예에 따른 듀얼 게이트 ISFET의 구조 및 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 비교예에 따른 센서는 도 14(A), 도 14(B)와 같은 구조를 가지고, 도 14(C)와 같은 등가 회로를 갖는다.
이때, 하기 수학식 5와 같은 등식이 성립하게 된다.
(수학식 5)
Figure 112019076516414-pat00006
여기서, CBOX는 기판 자체의 용량이고, CTOX는 게이트 절연층의 용량이다. 또한,
Figure 112019076516414-pat00007
는 플로팅 게이트(DG)의 문턱전압이고,
Figure 112019076516414-pat00008
는 감지막(1422) 표면에서의 전위이다. 즉, 수학식 5를 참조하면, 비교예에 따른 듀얼게이트 ISFET는 감지막(1422) 표면에서 이온에 의하여 인가되는 전위
Figure 112019076516414-pat00009
가
Figure 112019076516414-pat00010
만큼 증폭되어 인가될 수 있다.
이러한 비교예의 경우에는 제어가능한 요소들이 게이트 절연층의 두께, 기판의 유전율(기판 물질) 및 기판의 두께뿐인데, 게이트 절연층의 두께를 조정하면 소자의 성능 자체가 변경되므로 제어가 어렵고, 기판의 유전율이나 기판의 두께를 조정하는 경우에는 제작 비용이 감당하기 어려울 만큼 높아지기 때문에 센서의 감도를 높이는데 한계가 있다.
그러나, 본 발명은 상술한 바와 같은 두께 및 유전율 조정 외에도 제어 게이트(CG)와 플로팅 게이트(FG) 사이의 용량(CCG)의 크기를 제어 게이트(CG)의 면적에 의해 제어할 수 있다. 제어 게이트(CG)의 면적을 조정하는 것은 게이트 절연층의 두께, 기판의 유전율(기판 물질) 및 기판의 두께를 조정하는 것에 비하여 훨씬 저렴한 제작 비용이 들며, 따라서, 본 발명과 같은 구조를 가질 경우에는 저비용으로 고감도의 바이오 센서가 제작될 수 있게 된다.
다시 말해, 본 발명은 저항 커플링 현상을 기반으로 동일한 유전체층을 공유하는 제어 게이트(CG)와 감지 게이트(SG)의 용량비를 조정함으로써 감도를 효과적으로 자가 증폭시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 감지부(120)와 측정부(110)를 분리하여 측정부(110)가 감지 용액에 직접적으로 노출되는 것을 방지함으로써 소자 손상으로 인한 고비용 발생의 문제점은 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상술한 고성능 센서를 다양한 분야 예컨대, POC(Point Of Care), 재택 진단, 연구소, 환경 모니터링에 활용할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 용량형 코플래너 구조의 ISFET센서
110: 용량형 코플래너 구조의 ISFET
111: 차폐층 112: 유전체층
113S: 소스 영역 113C: 채널 영역
113D: 드레인 영역 120: 확장 게이트
121: 금속 전극 122: 감지막
123: 챔버 124: 기준 전극
FG: 플로팅 게이트 CG: 제어 게이트
SG: 감지 게이트

Claims (14)

  1. 플로팅 게이트와 상기 플로팅 게이트 상에 배치된 공동 유전체층; 상기 공동 유전체층 상에 배치된 채널층; 상기 채널층과 동일 층 상에서 상기 채널층의 양 측에 이격되도록 배치된 제어 게이트 및 감지 게이트를 포함하는 측정부; 및
    상기 측정부에 연결되는 감지부를 포함하고,
    상기 플로팅 게이트와 상기 감지 게이트 사이의 제1 용량과 상기 플로팅 게이트와 상기 제어 게이트 사이의 제2 용량의 용량비를 조정하여 감지도를 조절하며,
    상기 채널층은 상기 공동 유전체층 상에 마스크에 의해 패터닝되어 상기 공동 유전체와 접하도록 형성되는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공동 유전체층은 상기 플로팅 게이트와 상기 채널층 사이의 제3 용량을 더 포함하고,
    상기 제1 용량, 상기 제2 용량 및 상기 제3 용량은 서로 직렬 연결되는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 용량 및 상기 제2 용량은 각각 상기 감지 게이트와 상기 제어 게이트의 면적에 따라 결정되며,
    상기 감지 게이트의 면적은 상기 제어 게이트의 면적보다 넓은,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 용량은 상기 제2 용량 보다 큰 값을 갖는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 감지 게이트에 연결되는 금속 전극; 상기 금속 전극 상에 배치되며 이온을 감지하는 감지막; 및 상기 감지막 상에 배치되며 감지 용액을 담을 수 있는 챔버를 포함하는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 감지막과 용액에 포함된 생리 물질의 반응에 따른 상기 감지 게이트의 전압 변화를 기초하여 상기 제1 용량과 상기 제2 용량의 용량비(coupling ratio)에 따라 상기 제어 게이트의 문턱전압이 변하고,
    상기 생리 물질은 용액 및 가스 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 용량과 상기 제2 용량의 비에 따라 용량성 커플링비가 결정되고, 상기 감지도가 자가 증폭되는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  8. 플로팅 게이트;
    상기 플로팅 게이트 상에 배치된 채널의 일 측에 이격되어 배치되는 감지 게이트; 및
    상기 감지 게이트와 동일 평면 상에 배치되며 상기 일 측과 타 측에 배치되는 제어 게이트를 포함하고,
    상기 감지 게이트 및 상기 제어 게이트는 상기 플로팅 게이트 상에 배치된 하나의 절연막을 공유하는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연막은 감지 게이트 용량 및 제어 게이트 용량을 포함하고,
    상기 감지 게이트 용량은 상기 제어 게이트 용량 보다 큰 값을 갖는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서
  10. 제9항에 있어서,
    상기 감지 게이트와 용액에 포함된 생리 물질의 반응에 따른 상기 감지 게이트의 전압 변화를 기초하여 상기 감지 게이트 용량과 상기 제어 게이트 용량의 용량비(coupling ratio)에 따라 상기 제어 게이트의 문턱전압에 변화를 일으키는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 생리 물질은 용액 및 가스 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖을 수 있는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서.
  12. 차폐층 상에 플로팅 게이트를 형성하는 단계;
    상기 차폐층 상에 공동 유전체층을 형성하는 단계; 및
    상기 공동 유전체층 상에 채널을 형성하고 상기 형성된 채널의 양 측에 복수의 게이트를 동시에 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 게이트는 감지 게이트 및 제어 게이트를 포함하며, 상기 감지 게이트와 상기 플로팅 게이트 사이의 제1 용량은 상기 제어 게이트 및 상기 플로팅 게이트 사이의 제2 용량보다 큰,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 감지 게이트와 용액에 포함된 생리 물질의 반응에 따른 상기 감지 게이트의 전압 변화를 기초하여 상기 제1 용량과 상기 제2 용량의 용량비(coupling ratio)에 따라 상기 제어 게이트의 문턱전압에 변화를 형성하는 단계;를 더 포함하는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 생리 물질은 용액 및 가스 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖는,
    용량형 코플래너 구조의 이온전계효과 트랜지스터 기반 고성능 바이오 센서의 제조 방법.
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