KR102284252B1 - Tunneling field effect transistor biosensor and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소스 영역과 인접한 부분에 바이오 물질을 삽입할 수 있는 공간을 별도로 형성하고, 바이오 물질을 삽입하는 부분의 전계를 제어할 수 있는 별도의 게이트를 형성하여 기존의 바이오 센서가 갖는 바이오 물질 센싱의 부피 한계를 극복하는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서는 반도체 기판, 반도체 기판 상에 서로 반대 도전형으로 형성된 드레인 영역 및 소스 영역, 전압 인가시, 드레인 영역 및 소스 영역 사이에 채널 영역을 형성하게 하는 제 1 게이트, 및 소스 영역을 사이에 두고 형성된 바이오 물질 센싱 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, a space for inserting a biomaterial is separately formed in a portion adjacent to a source region, and a separate gate capable of controlling an electric field at a portion into which the biomaterial is inserted is formed to sense the biomaterial of the existing biosensor. In order to overcome the volume limitation of and a first gate for forming a channel region between the regions, and a biomaterial sensing region formed with a source region interposed therebetween.

Description

터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서 및 그 제조 방법{TUNNELING FIELD EFFECT TRANSISTOR BIOSENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Tunneling field effect transistor biosensor and manufacturing method thereof

본 발명은 별도의 게이트와 소스 영역의 센싱을 이용하는 터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tunneling field effect transistor biosensor using sensing of separate gate and source regions, and a method for manufacturing the same.

최근 나노 크기를 가지는 반도체 소자에 대한 공정 기술이 발전함에 따라 이를 이용한 의공학 소자, 특히 바이오 센서에 많은 연구가 이루어지고 있다. 이는 DNA, 단백질, 그리고 바이러스와 같은 생물학적인 개체들의 크기가 나노미터 단위로 반도체 소자의 크기와 비슷하기 때문이다.Recently, as process technology for nano-sized semiconductor devices has been developed, many studies have been conducted on biosensors, particularly biosensors, using the same. This is because the size of biological entities such as DNA, proteins, and viruses is similar to the size of semiconductor devices in nanometers.

바이오 센서 중에서 형광 물질의 레벨링(labeling)과 빛을 이용한 탐지 및 화학적인 방법을 이용한 센서가 널리 사용되고 있다. 하지만 이 기술은 결과 분석과 샘플 준비에 많은 시간이 걸리며 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 이런 이유로 레벨링이 필요 없고 실시간 측정이 가능한 나노 크기의 전계 효과 트랜지스터(FET)가 바이오 센서로써 각광을 받고 있다.Among biosensors, a sensor using a fluorescent material leveling (labeling) and light detection and a chemical method is widely used. However, this technique has problems in that it takes a lot of time to analyze the results and prepare samples, and it is expensive. For this reason, nano-sized field effect transistors (FETs) that do not require leveling and can be measured in real time are in the spotlight as biosensors.

그러나 모스펫(MOSFET)과 같은 일반적인 전계 효과 트랜지스터(FET)는, 소자의 물리적 한계로 문턱전압이하 기울기(Subthreshold Swing:SS)가 60mV/dec 이하로 동작하도록 제조할 수 없어, 최근에는 터널링을 이용한 반송자 주입방식으로 전류를 형성하여 바이오 분자에 대한 높은 민감도를 가지는 TFET(Tunneling FET)가 바이오 센서로써 많은 관심을 받고 있다.However, general field effect transistors (FETs) such as MOSFETs cannot be manufactured to operate with a Subthreshold Swing (SS) of 60 mV/dec or less due to the physical limitations of the device. Tunneling FETs (TFETs) with high sensitivity to biomolecules by forming a current in a self-injection method are receiving much attention as biosensors.

TFET 바이오 센서는, 도 1과 같이, 기존 MOSFET에서 게이트 메탈이 없으며 비대칭적인 소스/드레인 도핑으로 변경된 구조를 갖고, 게이트 절연막 일부를 파내어 인위적으로 결속시킨 수용기(receptor)에 바이오 물질(taeget)이 결속되면서 발생하는 게이트 전위 변화가 드레인 전류 변화를 발생시키는 원리로 바이오 분자를 검출하게 된다.The TFET biosensor, as shown in FIG. 1, has no gate metal in the conventional MOSFET and has a structure changed by asymmetric source/drain doping, and a biomaterial (taeget) is bound to a receptor artificially bound by digging out a part of the gate insulating film. Bio-molecules are detected on the principle that the gate potential change that occurs while the drain current changes.

따라서, TFET 바이오 센서는 터널링을 이용한 반송자 주입방식으로 전류를 형성하므로, MOSFET으로 대표되는 기존 전계 효과 트랜지스터보다 적은 게이트 전위 변화로도 큰 드레인 전류 차이를 유발하여 우수한 감도를 가진다.Therefore, since the TFET biosensor forms a current by a carrier injection method using tunneling, it induces a large drain current difference even with a smaller gate potential change than a conventional field effect transistor represented by a MOSFET, and has excellent sensitivity.

그런데, 종래 TFET 바이오 센서는, 게이트 부분과 채널 부분 사이 절연막 부분 중 소스 영역 경계에 존재하는 절연막 부분을 제거하고 그 곳에 바이오 물질을 삽입하므로, 게이트 절연막 두께 보다 얇은 공간에 들어갈 수 있는 크기의 바이오 물질에 대해서만 적용이 가능하며, 바이오 물질을 수용하기 위해 게이트 절연막의 두께를 증가시킬 경우 게이트의 채널에 대한 영향력을 감소시켜 TFET의 특성이 급격하게 열화되는 문제가 있다. However, the conventional TFET biosensor removes the insulating film portion existing at the source region boundary among the insulating film portion between the gate portion and the channel portion and inserts the biomaterial thereto. , and if the thickness of the gate insulating film is increased to accommodate the biomaterial, the influence of the gate on the channel is reduced, so that the characteristics of the TFET are rapidly deteriorated.

본 발명은 소스 영역과 인접한 부분에 바이오 물질을 삽입할 수 있는 공간을 별도로 형성하고, 바이오 물질을 삽입하는 부분의 전계를 제어할 수 있는 별도의 게이트를 형성하여 기존의 바이오 센서가 갖는 바이오 물질 센싱의 부피 한계를 극복하는 것을 기술적 과제로 한다.In the present invention, a space for inserting a biomaterial is separately formed in a portion adjacent to a source region, and a separate gate capable of controlling an electric field at a portion into which the biomaterial is inserted is formed to sense the biomaterial of the existing biosensor. It is a technical task to overcome the volume limit of

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to those mentioned above, and another technical problem not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서는 반도체 기판, 반도체 기판 상에 서로 반대 도전형으로 형성된 드레인 영역 및 소스 영역, 전압 인가시, 드레인 영역 및 소스 영역 사이에 채널 영역을 형성하게 하는 제 1 게이트, 및 소스 영역을 사이에 두고 형성된 바이오 물질 센싱 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.A tunneling field effect transistor biosensor according to an embodiment of the present invention forms a semiconductor substrate, a drain region and a source region formed in opposite conductivity types on the semiconductor substrate, and a channel region between the drain region and the source region when a voltage is applied. and a first gate, and a biomaterial sensing region formed with a source region interposed therebetween.

일 실시예에서, 전압 인가시, 바이오 물질 센싱 영역에 존재하는 바이오 물질에 따라서 소스 영역의 전위를 변화하게 하는 제 2 게이트를 더 포함하고, 바이오 물질 센싱 영역은 소스 영역과 상기 제 2 게이트 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, a second gate configured to change the potential of the source region according to the biomaterial present in the biomaterial sensing region when a voltage is applied, wherein the biomaterial sensing region is disposed between the source region and the second gate It is characterized in that it is placed.

일 실시예에서, 바이오 센서는 바이오 물질의 전하량으로 소스 전위를 변화시켜 바이오 물질을 센싱하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the biosensor senses the biomaterial by changing the source potential with the amount of electric charge of the biomaterial.

일 실시예에서, 바이오 센서는 제 2 게이트에 전압을 인가하여 바이오 물질 센싱 특성을 변화시키는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the biosensor is characterized in that the sensing characteristic of the biomaterial is changed by applying a voltage to the second gate.

일 실시예에서, 바이오 센서는 제 2 게이트에 전압을 인가하여 바이오 물질의 유전율의 변화만을 이용하여 바이오 물질을 센싱하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the biosensor senses the biomaterial using only a change in dielectric constant of the biomaterial by applying a voltage to the second gate.

일 실시예에서, 소스 영역은 n형의 도전형을 갖고 상기 드레인 영역은 p형의 도전형을 갖는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the source region has an n-type conductivity and the drain region has a p-type conductivity.

일 실시예에서, 바이오 물질 센싱 영역은 10nm 내지 300nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the biomaterial sensing region is characterized in that it has a thickness of 10 nm to 300 nm.

본 발명의 일 실시예에 따른 터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서 제조 방법은, p형 도전형을 갖는 드레인 영역을 형성하는 단계, n형 도전형을 갖는 소스 영역을 형성하는 단계, 전압 인가시, 드레인 영역 및 소스 영역 사이에 채널 영역을 형성하게 하는 제 1 게이트를 형성하는 단계, 및 소스 영역을 사이에 두고 배치되는 바이오 물질 센싱 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for manufacturing a tunneling field effect transistor biosensor according to an embodiment of the present invention includes the steps of forming a drain region having a p-type conductivity type, forming a source region having an n-type conductivity type, when a voltage is applied, and a drain region and forming a first gate for forming a channel region between the source regions, and forming a biomaterial sensing region with the source region interposed therebetween.

일 실시예에서, 전압 인가시, 바이오 물질 센싱 영역에 존재하는 바이오 물질에 따라서 소스 영역의 전위를 변화하게 하는 제 2 게이트를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the method may further include forming a second gate configured to change the potential of the source region according to the biomaterial present in the biomaterial sensing region when a voltage is applied.

본 발명에 따르면, TFET를 이용한 바이오 센서에서 측정 대상 물질의 크기에 영향을 적게 받는 바이오 센서의 구현이 가능하며, 별도의 게이트를 통해 센싱 마진을 개선하고 유전율을 통한 바이오 물질의 센싱이 가능한 효과를 갖는다.According to the present invention, it is possible to implement a biosensor that is less affected by the size of a material to be measured in a biosensor using a TFET, and improves the sensing margin through a separate gate and enables the sensing of biomaterials through dielectric constant. have

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 종래의 TFET 바이오 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서의 구조를 설명하기 위한 다차원도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서에서 제 2 게이트에 0V 전압을 걸었을 때의 전기적 특성도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서에서 제 2 게이트에 별도의 전압을 걸었을 때의 전기적 특성도이다.
1 is a front view for explaining the structure of a conventional TFET biosensor.
2A is a cross-sectional view for explaining the structure of a TFET biosensor according to an embodiment of the present invention.
2B is a multidimensional diagram for explaining the structure of a TFET biosensor according to an embodiment of the present invention.
2C is a front view illustrating the structure of a TFET biosensor according to an embodiment of the present invention.
3A to 3D are diagrams of electrical characteristics when a voltage of 0V is applied to the second gate in the TFET biosensor according to an embodiment of the present invention.
4A to 4D are diagrams of electrical characteristics when a separate voltage is applied to the second gate in the TFET biosensor according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which will be described as one embodiment, the technical idea of the present invention and its core configuration and operation are not limited thereby.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 여기서 TFET는(100)는 반도체 기판(102) 상에 제조되는 것으로 이러한 반도체 기판(102)은 임의의 적절한 반도체 물질, 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘 게르마늄(SiGe), 인듐 비화물(InAs), 실리콘 게르마늄(Sin), 게르마늄 주석(GeSn), 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn), 또는 임의의 다른 III-V족 또는 II-VI족 반도체들을 포함할 수 있다.2A is a cross-sectional view for explaining the structure of a TFET biosensor according to an embodiment of the present invention. Wherein the TFET 100 is fabricated on a semiconductor substrate 102, which semiconductor substrate 102 may be made of any suitable semiconductor material, for example, silicon (Si), germanium (Ge), silicon germanium (SiGe), indium. arsenide (InAs), silicon germanium (Sin), germanium tin (GeSn), silicon germanium tin (SiGeSn), or any other III-V or II-VI semiconductors.

반도체 기판(102)은 도핑되거나 도핑되지 않은 영역을 포함할 수 있다. 반도체 기판(102)은 하나 이상의 도핑된 영역들을 포함할 수 있으며, 다수의 도핑된 영역들을 포함하는 경우, 이러한 영역들은 동일할 수 있거나 상이한 도전율 및 도핑 농도를 가질 수 있다. 이러한 도핑 영역은 우물(well)로 알려져 있고, 다양한 디바이스 영역을 정의하는 데 사용될 수 있다.The semiconductor substrate 102 may include doped or undoped regions. The semiconductor substrate 102 may include one or more doped regions, and if it includes multiple doped regions, these regions may be the same or may have different conductivity and doping concentrations. These doped regions are known as wells and can be used to define various device regions.

다시 도 2a를 참조하면, TFET(100)는 드레인 영역(104), 소스 영역(106), 채널 영역(108), 게이트 절연막(110), 제 1 게이트(112), 제 2 게이트(114)를 포함한다.Referring back to FIG. 2A , the TFET 100 includes a drain region 104 , a source region 106 , a channel region 108 , a gate insulating film 110 , a first gate 112 , and a second gate 114 . include

상기 드레인 영역(104)은 p형 도펀트 종으로 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있고, 상기 소스 영역(106)은 n형 도펀트 종으로 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있다. 여기서 드레인 영역(104) 및 소스 영역(106)은 반대 캐리어들로 도핑된다. 즉, 드레인 영역(104) 및 소스 영역(106)은 반도체 기판(102) 상에서 서로 반대 도전형을 갖도록 형성된다. 여기서 채널 영역(108)은 최적의 성능을 위해 도핑되거나, 도핑되지 않을 수 있다.The drain region 104 may include a semiconductor material doped with a p-type dopant species, and the source region 106 may include a semiconductor material doped with an n-type dopant species. Here the drain region 104 and the source region 106 are doped with opposite carriers. That is, the drain region 104 and the source region 106 are formed to have opposite conductivity types on the semiconductor substrate 102 . Here, the channel region 108 may or may not be doped for optimal performance.

제 1 게이트는, 전압 인가시, 드레인 영역(104)과 소스 영역(106) 사이에 채널 영역(108)을 형성할 수 있도록 배치된다. 제 1 게이트(112)에 인가된 임계 전압 이상의 제 1 게이트 전압은 TFET(100)를 오프 상태로부터 온 상태로 스위칭 한다. 인가된 제 1 게이트 전압에 의해 변조되는 소스/채널 접합에서의 전위 장벽을 통해 정공 또는 전자가 통과할 때 제 1 게이트 아래의 터널링이 발생한다. 제 1 게이트 전압이 로우 상태일 때 소스/채널 접합에서의 전위 장벽은 넓으며 터널링은 억제되어 낮은 Ioff전류를 제공한다. 제 1 게이트 전압이 하이 상태일 때 전위 장벽은 좁아지며 터널링 전류가 높아서 높은 Ion/Ioff 의 비율을 제공한다. 여기서 정공 또는 전자는 TFET를 위한 소스/채널 접합에서 소스 영역(106)의 가전자대와 채널 영역(108)의 전도대 사이에서 터널링되고, 이들은 쉽게 드레인 영역(104)으로 이송된다. 따라서 TFET는 낮은 전원 전압들에서 MOSFET에비해 더 높은 Ion 값을 가능하게 한다. 제 2 게이트(114)는 도 2c를 참조하여 후술하기로 한다.The first gate is arranged to form a channel region 108 between the drain region 104 and the source region 106 when a voltage is applied. The first gate voltage greater than or equal to the threshold voltage applied to the first gate 112 switches the TFET 100 from the off state to the on state. Tunneling under the first gate occurs when a hole or electron passes through a potential barrier at the source/channel junction that is modulated by the applied first gate voltage. When the first gate voltage is low, the potential barrier at the source/channel junction is wide and tunneling is suppressed to provide a low I off current. When the first gate voltage is high, the potential barrier narrows and the tunneling current is high, providing a high ratio of I on /I off . Here, holes or electrons tunnel between the conduction band of the channel region 108 and the valence band of the source region 106 at the source/channel junction for the TFET, and they are readily transported to the drain region 104 . Thus, TFETs enable higher I on values compared to MOSFETs at lower supply voltages. The second gate 114 will be described later with reference to FIG. 2C .

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서의 구조를 설명하기 위한 다차원도이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서의 구조를 설명하기 위한 정면도이다. 도 2a의 요소들과 동일한 참조 번호 또는 명칭을 갖는 요소들은 전술한 것과 같이 유사한 방식으로 동작하거나 기능할 수 있으므로 중복 설명은 생략하도록 한다. 도 2b에는 제 1 게이트(112) 아래에 형성된 채널(114) 및 그 폭이 도시되어 있다.2B is a multidimensional view for explaining the structure of a TFET biosensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2C is a front view for explaining the structure of a TFET biosensor according to an embodiment of the present invention. Elements having the same reference numbers or names as those of FIG. 2A may operate or function in a similar manner as described above, and thus redundant descriptions will be omitted. 2B shows a channel 114 formed under the first gate 112 and its width.

도 2c를 참조하면, TFET는 바이오 물질 센싱 영역(116) 및 제 2 게이트(114)를 포함한다.Referring to FIG. 2C , the TFET includes a biomaterial sensing region 116 and a second gate 114 .

바이오 물질 센싱 영역(116)은 소스 영역(106)과 인접한 부분에 형성된다. 바이오 물질 센싱 영역(116)은 소스 영역(106)을 사이에 두고 소스 영역(106)을 정면에서 바라봤을 때 상하로 배치되어 형성된다. 바이오 물질 센싱 영역(116)은 바이오 물질을 삽입할 수 있도록 형성되어 센싱 영역에 들어온 바이오 물질을 센싱할 수 있다. The biomaterial sensing region 116 is formed in a portion adjacent to the source region 106 . The biomaterial sensing region 116 is formed by being disposed vertically when the source region 106 is viewed from the front with the source region 106 interposed therebetween. The biomaterial sensing region 116 may be formed to insert a biomaterial to sense the biomaterial entering the sensing region.

바이오 물질 센싱 영역(116)에 들어간 바이오 물질의 전하량과 유전체에 따라 소스와 채널 사이의 접합 부분의 전위가 변화하여 TFET에 흐르는 전류가 변하게 되고 이를 통해 바이오 물질 확인이 가능해진다. 구체적으로, TFET의 소스 영역(106)에 전하량을 갖는 바이오 물질이 붙을 경우 소스의 전위를 변화시키게 되고, 소스와 채널 사이에 존재하는 터널링 폭이 변화하여 TFET의 전류가 변화하게 되고, TFET의 전류를 측정하여 유전체에 의한 바이오 물질 확인이 가능하게 된다.The potential of the junction portion between the source and the channel changes according to the amount of charge and the dielectric of the biomaterial entering the biomaterial sensing region 116 , so that the current flowing through the TFET changes, thereby enabling the identification of the biomaterial. Specifically, when a biomaterial having an electric charge is attached to the source region 106 of the TFET, the potential of the source is changed, and the tunneling width existing between the source and the channel is changed to change the current of the TFET, and the current of the TFET By measuring the biomaterial, it is possible to identify the biomaterial by the genome.

본 발명에 따른 TFET 바이오 센서는 기존의 TFET 바이오 센서와 달리 바이오 센싱 영역(116)을 소스 영역(106)에 인접하게 배치하므로, 기존의 TFET 바이오 센서에서 측정하기 어려웠던 큰 부피의 바이오 물질과 낮은 전하량을 갖는 바이오 물질을 판별하는 것이 가능하다. 예를 들어, 바이오 물질 센싱 영역은 10nm 내지 300nm의 두께(DL)를 갖도록 형성될 수 있다. 기존의 TFET 바이오 센서는 게이트와 채널 사이에서 바이오 물질을 센싱하였기에, 게이트와 채널 사이의 좁은 폭 때문에 큰 부피의 바이오 물질을 센싱하기에 어려움이 있었고, 큰 부피의 바이오 물질을 센싱하려면 게이트와 채널 사이의 폭을 넓혀 절연막을 두껍게 해야 했기에 TFET의 특성이 떨어지는 문제가 있었다. 다만, 본 발명에 따른 TFET 바이오 센서는 소스 영역(106)에 인접하도록 바이오 센싱 영역(116)을 배치시켜, 큰 부피의 바이오 물질을 판별하는 것이 가능하고, 게이트와 채널 사이에 존재하는 절연막에 영향을 주지 않기에 TFET의 장점을 유지하는 것도 가능하다.In the TFET biosensor according to the present invention, unlike the conventional TFET biosensor, since the biosensing region 116 is disposed adjacent to the source region 106, a large volume of biomaterial and a low amount of charge are difficult to measure in the conventional TFET biosensor. It is possible to identify biomaterials with For example, the biomaterial sensing region may be formed to have a thickness D L of 10 nm to 300 nm. Conventional TFET biosensors sense biomaterials between the gate and the channel, so it is difficult to sense large volumes of biomaterials due to the narrow width between the gates and channels. There was a problem in that the characteristics of the TFET were deteriorated because the insulating film had to be thickened by increasing the width of the TFET. However, in the TFET biosensor according to the present invention, by disposing the biosensing region 116 adjacent to the source region 106, it is possible to discriminate a large-volume biomaterial, and the insulating film existing between the gate and the channel is affected. It is also possible to maintain the advantages of TFET because it does not give

제 2 게이트(114)는 바이오 물질 센싱 영역(116)과 인접한 부분에 형성된다. 구체적으로 제 2 게이트(114)는 TFET를 정면에서 바라 보았을 때 상측에 위치한 바이오 물질 센싱 영역(116)의 상측, 하측에 위치한 바이오 물질 센싱 영역(116)의 하측에 위치한다. 따라서, 바이오 물질 센싱 영역(116)은 소스 영역(106)과 제 2 게이트(114) 사이에 배치된다.The second gate 114 is formed in a portion adjacent to the biomaterial sensing region 116 . Specifically, the second gate 114 is located above and below the biomaterial sensing region 116 located on the upper side of the biomaterial sensing region 116 when the TFET is viewed from the front. Accordingly, the biomaterial sensing region 116 is disposed between the source region 106 and the second gate 114 .

제 2 게이트(114)는 제 1 게이트(112)와 동일한 물질로 동일한 공정에서 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 제 2 게이트(114)는 바이오 물질 센싱 영역(116)에 존재하는 바이오 물질에 따라서 소스 영역의 전위를 변화시킬 수 있다. 제 2 게이트(114)는 바이오 물질이 삽입되는 바이오 물질 센싱 영역(116)의 전계를 제어할 수 있도록 형성되는 것으로 유전율만으로도 바이오 물질의 센싱을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 제 2 게이트(114)는 제 1 게이트(112)와 무관하게 별도의 전압을 입력할 수 있고, 이러한 제 2 게이트 전압은 바이오 물질 부분의 유전율과 전하량의 값에 따라 소스의 전위를 변경할 수 있다. 이와 같이, 제 2 게이트(114)를 구비함에 따라 기존의 TFET 바이오 센서와 다른 별도의 바이오 물질 센싱 특성을 구비할 수 있다. 즉, 제 2 게이트 전압(114)에 전압을 인가함에 따라 바이오 물질의 유전율의 변화만을 이용하여 바이오 물질을 센싱할 수 있으므로, 낮은 전류에 의한 신호대 노이즈 비를 조절하는 것이 가능하고 센싱 마진을 개선할 수 있다.The second gate 114 may be formed of the same material as the first gate 112 in the same process, but is not limited thereto. The second gate 114 may change the potential of the source region according to the biomaterial present in the biomaterial sensing region 116 . The second gate 114 is formed to control the electric field of the biomaterial sensing region 116 into which the biomaterial is inserted, and may enable sensing of the biomaterial only with a dielectric constant. For example, the second gate 114 may input a separate voltage regardless of the first gate 112 , and this second gate voltage controls the potential of the source according to the values of the dielectric constant and charge amount of the biomaterial part. can be changed In this way, as the second gate 114 is provided, a biomaterial sensing characteristic different from the conventional TFET biosensor may be provided. That is, as the voltage is applied to the second gate voltage 114, the biomaterial can be sensed using only the change in the permittivity of the biomaterial, so it is possible to adjust the signal-to-noise ratio due to the low current and improve the sensing margin. can

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서에서 제 2 게이트에 0V 전압을 걸었을 때의 전기적 특성도이다.3A to 3D are diagrams of electrical characteristics when a voltage of 0V is applied to the second gate in the TFET biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 3a 내지 도 3d는 분자의 각기 다른 유전율에서의 분자량에 따른 전달 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 3a에서의 유전율(엡실론) K는 2, 도 3b에서의 유전율 K=5, 도 3c에서의 유전율 K는 7, 도 3d에서의 유전율 K는 10이고, 도 3a 내지 도 3d에서 드레인 전압은 1V, 제 2 게이트 전압은 0V로 동일하다.3A to 3D are graphs showing transfer curves according to molecular weight at different dielectric constants of molecules. The permittivity (epsilon) K in Fig. 3A is 2, the permittivity K = 5 in Fig. 3B, the permittivity K in Fig. 3C is 7, the permittivity K in Fig. 3D is 10, and in Figs. 3A to 3D, the drain voltage is 1V. , the second gate voltage is equal to 0V.

도시된 바와 같이, 바이오 분자의 전하에 의해 드레인 전류가 변화하는 것을 볼 수 있다. 이 때, 바이오 분자의 음전하가 높을수록 드레인 전류가 높게 나타나므로, 드레인 전류의 값을 측정하여 바이오 분자를 센싱하는 것이 가능하고, 이는 포아송 방정식에 의한 결과로 볼 수 있다. 그리고, 유전율이 변화함에 따라 드레인 전류의 값이 변화하는 것을 볼 수 있다. 유전율이 증가함에 따라 드레인 전류는 낮아진다. 이는 유전율이 증가함에 따라 소스 바이어스의 영향이 감소되고 터널링 경로가 넓어지기 때문이다. 즉, 드레인 전류는 유전율이 작아짐에 따라, 바이오 분자의 음전하가 높아짐에 따라 높게 나타나며, 측정된 드레인 전류에 의해 바이오 분자가 어떠한 물질인지 센싱하는 것이 가능하다. 또한, 도시되지는 않았으나, 바이오 분자에 의해 포텐셜로 인한 에너지 밴드가 변하고 터널링 경로의 간격이 바뀌는 것을 확인할 수 있으므로, 이를 통해 바이오 분자를 센싱하는 것도 가능하다. As shown, it can be seen that the drain current is changed by the charge of the biomolecules. At this time, since the drain current appears higher as the negative charge of the biomolecules is higher, it is possible to sense the biomolecules by measuring the value of the drain current, which can be seen as a result of the Poisson equation. And, it can be seen that the value of the drain current changes as the dielectric constant changes. As the dielectric constant increases, the drain current decreases. This is because as the dielectric constant increases, the effect of the source bias decreases and the tunneling path becomes wider. That is, the drain current appears high as the dielectric constant decreases and the negative charge of the biomolecules increases, and it is possible to sense what kind of material the biomolecules are based on the measured drain current. Also, although not shown, it can be confirmed that the energy band due to the potential changes and the interval of the tunneling path is changed by the bio-molecules, so that it is possible to sense the bio-molecules.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 TFET 바이오 센서에서 제 2 게이트에 별도의 전압을 걸었을 때의 전기적 특성도이다.4A to 4D are electrical characteristic diagrams when a separate voltage is applied to the second gate in the TFET biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 4a 내지 도 4d는 분자의 각기 다른 유전율에서의 분자량에 따른 전달 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 3a에서의 유전율(엡실론) K는 2, 도 3b에서의 유전율 K=5, 도 3c에서의 유전율 K는 7, 도 3d에서의 유전율 K는 10이고, 도 3a 내지 도 3d에서 드레인 전압은 1V, 제 2 게이트 전압은 0V로 동일하다.4A to 4D are graphs showing transfer curves according to molecular weight at different dielectric constants of the molecule. The permittivity (epsilon) K in Fig. 3A is 2, the permittivity K = 5 in Fig. 3B, the permittivity K in Fig. 3C is 7, the permittivity K in Fig. 3D is 10, and in Figs. 3A to 3D, the drain voltage is 1V. , the second gate voltage is equal to 0V.

도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 제 2 게이트에 음의 전압을 인가하면 드레인 전류의 변화량이 더 커지는 것을 볼 수 있다. 그리고 분자의 유전율이 작을 때에 비하여 클 때 변화량이 더욱 커지는 것을 볼 수 있다. 이와 같이, 제 2 게이트에 전압을 인가함에 따라, 드레인 전류의 변화량이 더 커지게 되므로 센싱의 민감도 및 정확도가 올라가게 되고, 특히 분자의 유전율이 작은 경우 그 효과가 극대화되어 나타날 수 있다. 4A to 4D , it can be seen that when a negative voltage is applied to the second gate, the change amount of the drain current becomes larger. In addition, it can be seen that when the dielectric constant of the molecule is large, the change is larger than when the dielectric constant is small. As described above, as the voltage is applied to the second gate, the amount of change in the drain current becomes larger, so that the sensitivity and accuracy of sensing increase. In particular, when the dielectric constant of the molecule is small, the effect can be maximized.

그리고 제 2 게이트에 전압을 인가함에 따라 드레인 전류의 변화량이 크게 나타나므로, 제 2 게이트를 ON 전류(드레인 전류)를 증가 시키는 데 사용할 수 있다. 기존의 TFET의 경우 분자간 갭이 커짐에 따라 ON 전류가 낮아지는 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 TFET의 경우 분자간 갭이 큰 경우에도 ON 전류를 유지할 수 있어 유리하다.In addition, since the amount of change in the drain current is large as a voltage is applied to the second gate, the second gate can be used to increase the ON current (drain current). The conventional TFET has a problem in that the ON current decreases as the intermolecular gap increases. However, the TFET according to the present invention is advantageous in that the ON current can be maintained even when the intermolecular gap is large.

또 다른 예에서, TEFT 바이오 센서를 형성하는 방법이 제공되는데, 이는 p형 도전형을 갖는 드레인 영역을 형성하는 단계, n형 도전형을 갖는 소스 영역을 형성하는 단계, 전압 인가시, 드레인 영역 및 소스 영역 사이에 채널 영역을 형성하게 하는 제 1 게이트를 형성하는 단계, 및 소스 영역을 사이에 두고 배치되는 바이오 물질 센싱 영역을 형성하는 단계를 포함한다.In another example, a method of forming a TEFT biosensor is provided, comprising: forming a drain region having a p-type conductivity type; forming a source region having an n-type conductivity type; and forming a first gate allowing a channel region to be formed between the source regions, and forming a biomaterial sensing region with the source regions interposed therebetween.

또 다른 실시예에서, 전압 인가시, 상기 바이오 물질 센싱 영역에 존재하는 바이오 물질에 따라서 상기 소스 영역의 전위를 변화하게 하는 제 2 게이트를 형성하는 단계가 더 포함될 수 있고, 제 2 게이트는 제 1 게이트와 동일한 물질로 동일한 공정 상에서 형성될 수 있다.In another embodiment, the method may further include forming a second gate configured to change the potential of the source region according to the biomaterial present in the biomaterial sensing region when a voltage is applied, wherein the second gate includes the first The gate may be formed of the same material and in the same process.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention as described above has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it will be understood that these are merely exemplary and that various modifications and variations of the embodiments are possible therefrom by those of ordinary skill in the art. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: TFET 102: 반도체 기판
104: 드레인 영역 106: 소스 영역
108: 채널 영역 110: 게이트 절연막
112: 제 1 게이트 114: 제 2 게이트
116: 바이오 물질 센싱 영역
100: TFET 102: semiconductor substrate
104: drain region 106: source region
108: channel region 110: gate insulating film
112: first gate 114: second gate
116: biomaterial sensing area

Claims (9)

반도체 기판;
상기 반도체 기판 상에 서로 반대 도전형으로 형성된 드레인 영역 및 소스 영역;
전압 인가시, 상기 드레인 영역 및 소스 영역 사이에 채널 영역을 형성하게 하는 제 1 게이트;
상기 소스 영역을 사이에 두고 형성된 바이오 물질 센싱 영역; 및
전압 인가시, 상기 바이오 물질 센싱 영역에 존재하는 바이오 물질에 따라서 상기 소스 영역의 전위를 변화하게 하는 제 2 게이트를 포함하고,
상기 바이오 물질 센싱 영역은 상기 소스 영역과 상기 제 2 게이트 사이에 배치되며,
상기 소스 영역은 n형의 도전형을 갖고 상기 드레인 영역은 p형의 도전형을 가지며,
상기 제 2 게이트에 전압을 인가하고 상기 바이오 물질의 유전율의 변화를 이용하여 바이오 물질을 센싱하되, 상기 제2 게이트에 음의 전압을 인가하는 경우, 전압을 인가하지 않는 경우보다 드레인 전류가 더 크게 발생되는 것을 특징으로 하는, 터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서.
semiconductor substrate;
a drain region and a source region formed on the semiconductor substrate to have opposite conductivity types;
a first gate configured to form a channel region between the drain region and the source region when a voltage is applied;
a biomaterial sensing region formed with the source region interposed therebetween; and
a second gate configured to change the potential of the source region according to the biomaterial present in the biomaterial sensing region when a voltage is applied;
the biomaterial sensing region is disposed between the source region and the second gate;
The source region has an n-type conductivity and the drain region has a p-type conductivity,
A voltage is applied to the second gate and the biomaterial is sensed using a change in the dielectric constant of the biomaterial. When a negative voltage is applied to the second gate, the drain current is greater than when no voltage is applied. A tunneling field effect transistor biosensor, characterized in that generated.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바이오 센서는 상기 바이오 물질의 전하량으로 소스 전위를 변화시켜 바이오 물질을 센싱하는 것을 특징으로 하는, 터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서.
According to claim 1,
The biosensor is a tunneling field effect transistor biosensor, characterized in that sensing the biomaterial by changing the source potential with the amount of charge of the biomaterial.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바이오 물질 센싱 영역은 10nm 내지 300nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서.
According to claim 1,
The biomaterial sensing region is characterized in that it has a thickness of 10nm to 300nm, tunneling field effect transistor biosensor.
p형 도전형을 갖는 드레인 영역을 형성하는 단계;
n형 도전형을 갖는 소스 영역을 형성하는 단계;
전압 인가시, 상기 드레인 영역 및 소스 영역 사이에 채널 영역을 형성하게 하는 제 1 게이트를 형성하는 단계;
상기 소스 영역을 사이에 두고 배치되는 바이오 물질 센싱 영역을 형성하는 단계; 및
전압 인가시, 상기 바이오 물질 센싱 영역에 존재하는 바이오 물질에 따라서 상기 소스 영역의 전위를 변화하게 하는 제 2 게이트를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 바이오 물질 센싱 영역은 상기 소스 영역과 상기 제 2 게이트 사이에 배치되며,
상기 제 2 게이트에 전압을 인가하고 상기 바이오 물질의 유전율의 변화를 이용하여 바이오 물질을 센싱하되, 상기 제2 게이트에 음의 전압을 인가하는 경우, 전압을 인가하지 않는 경우보다 드레인 전류가 더 크게 발생하는 것을 특징으로 하는, 터널링 전계 효과 트랜지스터 바이오 센서 제조 방법.
forming a drain region having a p-type conductivity;
forming a source region having an n-type conductivity;
forming a first gate allowing a channel region to be formed between the drain region and the source region when a voltage is applied;
forming a biomaterial sensing region with the source region interposed therebetween; and
forming a second gate to change the potential of the source region according to the biomaterial present in the biomaterial sensing region when a voltage is applied;
the biomaterial sensing region is disposed between the source region and the second gate;
A voltage is applied to the second gate and the biomaterial is sensed using a change in the dielectric constant of the biomaterial. When a negative voltage is applied to the second gate, the drain current is greater than when no voltage is applied. A method of manufacturing a tunneling field effect transistor biosensor, characterized in that it occurs.
삭제delete
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