KR20080067276A - 유전율-변화 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전계효과 트랜지스터에 관련된 것으로서, 보다 구체적으로는 유전율-변화 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전율-변화 전계효과 트랜지스터는 소스와 드레인이 이격되어 형성된 기판, 기판중에서 상기 소스와 드레인 사이의 영역의 상부에 상기 기판과 적어도 일부가 이격되어 형성된 게이트, 상기 게이트중에서 상기 기판과 이격된 영역의 하부에 형성된 바이오 분자, 및 상기 바이오 분자를 상기 게이트에 결합시키는 링커를 포함한다.
나노갭, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터, 바이오 분자, 바이오 센서
Description
본 발명은 FET에 관련된 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유전율-변화 전계효과 트랜지스터(dielectric-modulated field-effect transistor; DMFET) 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
반도체 소자는 그 소자의 크기가 작아질수록 여러 물리적 한계점에 부딪히게 되었다. 반도체 공정에서 사용되는 리소그래피(lithography)가 가지는 기술적인 문제(광원의 파장, 빛의 산란, 렌즈의 NA 한계, 포토레지스트의 부재)로 인해 소자 크기의 소형화는 한계에 도달하게 되었다. 또한, 종래의 반도체 소자에서 절연층의 경우 실리콘-옥사이드(SiO2)가 주로 사용되어 왔으나, 소자의 크기가 줄어들면서 브레이크다운(breakdown), 터널링(tunneling)과 같은 물리적 한계가 드러났다. 이러한 물리적 한계를 극복하기 위해 새로운 구조를 갖는 소자에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 그 중 하나로서 분자소자가 제안되었다. 분자소자는 분자를 채널로 이용하는 새로운 개념의 소자이다.
이러한 분자소자는 바이오센서로 이용될 수도 있다. 바이오센서는 효소나 항체와 같이 생물체를 이루고 있는 특정 분자를 검출하는 역할을 한다. 특정 분자를 검출하는 방법에는 화학적, 광학적, 전기적으로 검출하는 방법이 있다. 그 중에서 전기적인 검출방법은 검출 대상 시료가 소량인 경우에도 검출이 가능하고 신속한 검출이 가능하다는 장점을 갖는다. 전기적인 검출방법은 기존의 전기소자에 나노갭을 형성하고 바이오 물질을 포함하는 용액을 주입하여 소자의 전기적 특성 변화를 통해 특정 물질을 검출할 수 있기 때문에 나노갭에 형성된 바이오 물질이 전기적인 센서로서의 역할을 한다. 나노갭의 크기가 작아질수록 감도가 증가하여 바이오 물질을 더욱 효과적으로 검출할 수 있다.
종래의 실리콘 공정을 사용하여 나노사이즈의 폭을 갖는 구조를 만드는 것은 여러 단계의 리소그래피 공정, 임계치의 정렬(alignment), 고가의 장비, 압력이나 온도의 환경 제약, 장시간의 프로세스 등으로 인해 효율적이지 못하다. 이러한 한계를 극복하기 위해 금속 나노와이어(nanowire)의 브레이킹(breaking) 현상을 이용하는 방법, 대형사이즈 갭을 형성하고 전기화학증착 방법으로 갭 사이즈를 줄여나가는 방법, 이온 빔 식각, 스캐닝 프로브 리소그래피(scanning probe lithography) 등을 이용하는 방법이 소개되고 있다. 그러나, 이러한 방법 또한 전체적인 공정이 복잡하고 반복재현성이 높은 나노갭을 형성하는데 한계가 있고, 집적도가 작고 센서의 민감도가 떨어지는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 반복재현성이 높은 구조를 갖는 신규한 구조의 나노갭을 갖는 DMFET과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 집적율이 높고, 바이오 물질 검출의 민감도가 향상된 DMFET과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터는 소스와 드레인이 이격되어 형성된 기판; 상기 기판의 상기 소스와 드레인 사이의 영역 상에 형성된 바이오 분자를 포함하는 유전체층; 및 상기 유전체층 상에 형성된 게이트를 포함한다.
여기서, 바람직하게는, 상기 게이트는 금속 또는 폴리실리콘으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법은 (a) 기판 상에 희생층을 형성하는 단계; (b) 상기 기판과 희생층 상에 게이트층을 형성하는 단계; (c) 상기 희생층을 제거하는 단계; 및 (d) 상기 희생층이 제거된 부분에 바이오 분자를 포함한다.
여기서, 바람직하게는, 상기 (b) 단계와 (c) 단계 사이에, 상기 게이트층을 패터닝하는 단계를 더 포함한다.
여기서, 바람직하게는, 상기 희생층은 실리콘 옥사이드, Al2O3 및 HfO2와 같은 메탈 옥사이드, Cr, Ti 및 Al 등의 금속층, SAM과 같은 유기층, 및 포토레지스트 중 하나 이상의 물질을 포함한다.
여기서, 바람직하게는, 상기 (d)단계에서, 상기 유전체층을 SAM 또는 탈수축합 반응에 의해 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터는 웨이퍼; 상기 웨이퍼 상에 이격되어 형성된 소스와 드레인; 상기 소스와 상기 드레인을 연결하도록 형성된 채널부; 상기 웨이퍼 상에 상기 채널부와 이격되도록 형성된 게이트; 및 상기 채널부와 상기 게이트 사이에 형성된 바이오 분자를 포함하는 유전체를 포함한다.
여기서, 바람직하게는, 상기 게이트는 2개이고, 상기 채널부를 기준으로 서로 대향된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법은 (a) 웨이퍼 상에 기판과 제1 절연층을 순차적으로 형성하는 단계; (b) 상기 제1 절연층에서 게이트와 채널부가 형성될 영역 상에 제2 절연층을 패터닝하는 단계; (c) 상기 제1 절연층 상에 상기 제1 절연층의 구성물질을 열 산화(thermal oxidation) 방식으로 형성하여 상기 제 1 절연층을 성장시키는 단계; (d) 상기 기판이 노출될 때까지 상기 제1 및 제2 절연층을 식각하는 단계; (e) 상기 기판의 노출된 영역에 불순물을 주입하여 상기 게이트와 상기 채널부를 형성하는 단계; (f) 상기 제1 절연층을 식각하는 단계; 및 (g) 상기 형성된 상기 게이트와 채널부 사이에 바이오 분자를 포함하는 유전체층을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 바람직하게는, 상기 제1 절연층은 실리콘-옥사이드이고, 상기 제2 절연층은 실리콘-나이트라이드인, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
여기서, 바람직하게는, 상기 (g)단계에서, 상기 유전체층을 SAM 또는 탈수축합 반응에 의해 형성하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
여기서, 바람직하게는, 상기 바이오 분자는 DNA, RNA, 단백질, 리간드, 항체-항원물질, 및 효소 중 하나인, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
본 발명의 일 실시예에 따른, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터는 소스와 드레인이 이격되어 형성된 기판; 상기 기판중에서 상기 소스와 상기 드레인 사이의 영역의 상부에 상기 기판과 적어도 일부가 이격되어 형성된 게이트; 및 상기 게이트중에서 상기 기판과 이격된 영역의 하부에 형성된 바이오 분자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터는 웨이퍼; 상기 웨이퍼 상에 일렬로 형성된 소스, 채널부 및 드레인; 상기 웨이퍼 상에 상기 채널부의 소스측 및 드레인측을 제외한 타측에 상기 채널부와 이격되어 형성된 게이트; 및 상기 채널부와 상기 게이트 사이에 형성된 바이오 분자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터는 웨이퍼 상에 일렬로 형성된 소스, 채널부 및 드레인; 상기 채널부의 상부에 상기 채널부와 적어도 일부가 이격되어 형성된 게이트; 및 상기 게이트중에서 상기 채널부와 이격된 영역의 하부에 형성된 바이오 분자를 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스 터.
여기서, 바람직하게는, 상기 채널부 상에 형성된 절연층; 및 상기 절연층과 상기 게이트 사이에 형성된 희생층을 더 포함하고, 상기 금속층의 양 말단이 식각되어 노출된 상기 게이트 하부에 상기 바이오 분자가 형성된다.
여기서, 바람직하게는, 상기 게이트와 상기 바이오 분자 사이에 링커를 더 포함한다.
여기서, 바람직하게는, 상기 바이오 분자는 DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기화합물, 비타민, 드러그(drug) 및 효소 중 하나이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DMFET의 구조 및 그 제조 방법에 의해, 희생층의 두께를 제어함으로써 나노갭의 두께를 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 게이트층을 교량형태와 유사한 형태로 형성함으로써 희생층을 용이하게 제거할 수 있고 희생층이 제거된 영역으로 유체 상태의 바이오 분자 물질을 용이하게 유입하여 고정할 수 있어, 반복재현성이 높은 구조를 갖는 신규한 구조의 나노갭을 갖는 DMFET이 제공된다.
또한, 유전층과 바이오 물질이 별개로 존재하는 종래의 바이오센서 소자에 비해 그 크기가 줄어들고 바이오 물질의 변화에 따른 소자의 전기적 특성 변화의 민감도가 증가하여 더욱 향상된 바이오 물질 검출이 가능하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 DMFET의 구조 및 그 제조 방법에 의해, 리소그래피 공정을 통한 소자분리에 의해 용이하게 나노갭의 사이즈를 제어할 수 있어, 반복재현성이 높은 나노갭을 갖는 DMFET의 제조가 가능하다.
이하, 본 발명에 따른 DMFET 및 그 제조 방법을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명을 용이하게 하기 위해, 도면 전체적으로 동일한 인용부호는 동일한 구성요소를 지시한다.
도 1에서 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFET(100)을 개략적으로 나타낸 평면도이고, (b)는 (a)에서 A-A'를 따른 단면을 나타내는 도면이고, (c)는 (a)에서 B-B'를 따른 단면을 나타내는 도면이다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, DMFET(100)은 기판(110), 게이트(120), 소스(130) 및 드레인(140)을 포함한다. 기판(110)은 실리콘 기판일 수도 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 소스(130) 및 드레인(140)은 기판(110)에 n-형 또는 p-형 불순물을 도핑하여 형성된다. 특정 엔드 디바이스(End device)의 필요조건에 따라 특정 주입 도즈(dose) 및 에너지들이 선택될 수 있다.
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(110)에 소스(130)와 드레인(140)이 형성되어 있으며, 기판(110)의 소스(130)와 드레인(140) 사이의 영역 상에 유전체층(150)이 형성되고, 유전체층(150) 상에 게이트층(120)이 형성된다. 유전체층(150)은 게이트(120)와 기판(110) 사이의 에어갭, 바이오 분자, 및 바이오 분자를 기판(110) 또는 게이트(120)에 고정시키기 위한 링커 등을 포함하는 영역을 의 미한다. 에어갭, 바이오 분자, 링커 자체의 유전율, 바이오 분자가 외부 검출 대상 물질과 결합하는지 여부, 결합된 검출 대상 물질의 유전율 등에 의해 유전체층(150)의 전체적인 유전율이 결정된다. 이하, 유전체층(150)을 이루는 바이오 분자를 수용체(receptor) 바이오 분자라고 하고, 수용체 바이오 분자와 결합하는 외부 물질을 검출 대상 물질이라고 지칭한다.
수용체 바이오 분자는 DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기화합물, 비타민, 드러그(drug) 및 효소 등의 형태로 이루어 질 수 있으며 이것은 검출하고자 하는 타겟 물질에 따라 적절히 선택할 수 있다. 수용체 바이오 분자는 링커를 이용하여 게이트(120) 또는 기판(110)에 고정할 수 있으며, 여기서, 링커의 일예로서 SAM(Self Assembled Monolayer)을 들 수 있다. 게이트(120)를 금(Au)으로 형성하는 경우 사이올(thiol) SAM을 이용하여 링커를 형성할 수 있으며, 게이트(120)를 실리콘으로 형성하는 경우 실란(silane) SAM을 이용하여 링커를 형성할 수 있다. 또한, 수용체 바이오 분자 자체가 게이트에 용이하게 고정될 수 있는 물질인 경우에는 링커를 포함하지 않아도 무방하다. 또는, 이 경우는 바이오 분자 자체에 링커가 포함된 것으로 볼 수도 있다. 유전체층(150)의 두께는 나노사이즈이다. 여기서, 나노 사이즈는 대략 10Å 내지 1000Å 범위의 두께를 의미한다. 이러한 두께는 본 발명에 따른 DMFET의 제조 방법에서 용이하게 제어될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하도록 한다.
도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 기판(110)과 게이트층(120) 사이의 유전체층(150)에 수용체 바이오 분자가 고정된다. 이때 유전체층(150)이 형성될 수 있는 나노갭을 형성하기 위하여 게이트층(120)은 유전체층(150)이 형성되는 영역의 양측에서 기판(110)과 접속되는 형태로 형성된다. 이러한 형태의 게이트층(120)으로 인해 생기는 나노갭은, 양측이 개방되어 있으므로 유전체층(150)에 형성될 물질이 용이하게 유입될 수 있다. 게이트층(120)의 일단이 기판(110)과 접속되어 게이트층(120)을 지지할 수 있으면 게이트층(120)의 형태는 제한되지 않는다. 게이트층(120)은 바람직하게는 금속 또는 폴리실리콘으로 이루어질 수 있다. 금속으로는 금(Au)인 것이 바람직하지만 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 게이트(120)는 통상의 MOSFET에서 게이트를 형성하는데 이용될 수 있는 임의의 물질로 형성될 수도 있다.
전술한 DMFET은 유전체층(150)이 바이오 물질을 포함하므로, 유전층과 바이오 물질이 별개로 존재하는 종래의 바이오센서 소자에 비해 그 크기가 감소될 수 있다. 또한, 바이오물질이 유전체층에 직접 포함됨으로써 검출 대상 물질에 따른 소자의 전기적 특성이 더욱 직접적으로 변하게 되므로, 바이오 물질의 변화에 따른 소자의 전기적 특성 변화의 민감도가 증가하여 더욱 향상된 바이오 물질 검출이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DMFET을 제조하는 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도이다.
먼저, 기판(210) 상에 LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 또는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 의해 소스(130) 및 드레인(140)을 형성한다.(미도시)
다음으로, 도 2의 200a를 참조하면, 기판(210) 상에 희생층(220)을 형성한다. 상기 희생층은 실리콘 옥사이드, Al2O3 및 HfO2와 같은 메탈 옥사이드, Cr, Ti 및 Al 등의 금속층, SAM과 같은 유기층, 및 포토레지스트 중 하나의 물질로 형성될 수도 있다. 희생층(220)의 두께는 차후 DMFET의 나노갭의 두께가 되며, 그 두께는 나노사이즈이다. 여기서, 나노사이즈는 대략 10Å 내지 1000Å 범위를 의미한다. 희생층(220)을 패터닝하기 위해서는, 우선, 기판(210) 상에 나노갭 두께만큼의 희생층(220)을 ALD(Atomic layer Deposition) 공정을 통해 형성하고 그 위에 하드마스크 또는 소프트마스크를 형성한 후, 상기 마스크 패턴을 식각정지층으로 하여 희생층을 식각한후 마스크 패턴을 제거한다. 이 과정에 의해 형성되는 희생층 패턴(220)은 게이트층(230)을 지지하는 역할을 한다.
다음으로, 도 2의 200b를 참조하면, 상기 희생층(220) 상에 게이트층(230)을 형성한다. 바람직하게는, 게이트층(230)은 금(Au)과 같은 금속 또는 폴리실리콘으로 형성된다. 또는, 게이트층(230)은 통상의 MOSFET에서 게이트를 형성하는데 이용될 수 있는 임의의 물질일 수도 있다. 게이트층(230)의 일단이 기판(210)과 접속되어 후술하는 바와 같이 희생층(220)이 제거되더라도 게이트층(230)이 지지된다.
다음으로, 도 2의 200c 및 200d를 참조하면, 게이트층(230)을 패터닝한다. 게이트 영역을 정의하는 하드마스크(240)를 게이트층(230) 상에 적층하고, 하드마스크(240) 패턴을 마스크로 하여 게이트층(230)을 부분 식각한 후, 하드마스크(240) 패턴을 제거한다.
다음으로, 도 2의 200e를 참조하면, 기판(210) 상에 형성된 희생층(220)을 전부 제거한다. 희생층(220)이 제거된 게이트(230)와 기판(210) 사이의 영역에 에어갭이 형성된다.
다음으로, 도 2의 200f를 참조하면, 희생층(220)의 제거를 통해 형성된 에어갭에 바이오 분자를 포함하는 유전체층(250)을 형성한다. 즉, 수용체 바이오 분자를 링커를 이용하여 게이트(230) 또는 기판(210)에 고정한다. 링커로는 SAM을 이용할 수 있다. 수용체 바이오 분자는 검출 대상 물질의 종류에 따라 적절히 선택가능하며, 예를 들어, DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기화합물, 비타민, 드러그(drug) 및 효소 중 하나일 수 있다.
이와 같은 과정에 의해, 형성되는 희생층(220)의 두께를 제어함으로써 유전체층(250)의 두께를 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 게이트층(230)을 교량형태와 유사한 구조로 형성함으로써 게이트층(230)과 기판(210) 사이의 영역의 측면이 개방되어 있어, 그 내부의 희생층(220)을 용이하게 제거할 수 있고 희생층(220)이 제거된 영역으로 유체 상태의 바이오 분자 물질을 용이하게 유입하여 고정할 수 있다.
도 3의(a)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DMFET(300)를 개략적으로 나타낸 평면도이고, (b)는 (a)의 A-A'를 따른 단면을 나타내는 도면이고, (c)는 (a)에서 B-B'를 따른 단면을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, DMFET(300)은 웨이퍼(310), 웨이퍼 상에 이격되어 형성된 소스(350)와 드레인(360), 소스(350)와 드레인(360)을 연결하도록 형성된 채널부(370), 웨이퍼(310) 상에 채널부(370)와 이격되도록 형성된 게이트(330, 340), 및 채널부(370)와 게이트(330, 340) 사이에 형성된 바이오 분자를 포함하는 유전체층(380)를 포함한다. 여기서, 유전체층(380)은 수용체 바이오 분자 및 수용체 바이오 분자를 게이트(330, 340)에 고정하기 위한 링커를 포함하는 게이트(330, 340)와 채널(370) 사이의 영역을 의미한다. 링커는 게이트 표면과 결합이 가능한 SAM(Self Assembled Monolayer)으로 구성되며 수용체가 게이트 표면에 잘 결합하도록 연결시켜주는 역할을 한다. 수용체 바이오 분자는 DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기화합물, 비타민, 드러그(drug) 및 효소 중 하나일 수 있으며, 검출하고자 하는 검출 대상 물질에 따라 바뀔 수 있다.
2개의 게이트(330, 340)가 채널부(370)를 기준으로 서로 대향된다. 여기서, 게이트(330, 340)가 2개인 더블게이트 형태를 예를 들었으나, 게이트의 개수는 2개로 제한되는 것은 아니다. 게이트(330, 340), 소스(350), 드레인(360) 및 채널부(370)는 벌크 실리콘 웨이퍼 또는 SOI 웨이퍼 상에 얇게 형성된 기판(320)상에 n-형 또는 p-형 불순물이 도핑되어 형성된다. 특정 엔드 디바이스의 필요조건에 따라 특정 주입 도즈 및 에너지들이 선택될 수 있다. 기판(320)은 실리콘 기판일 수 있다.
게이트(330, 340)와 채널부(370) 사이의 간격은 나노사이즈이다. 여기서, 나노사이즈는, 대략 10Å 내지 1000Å 범위이다. 이 간격은 e-빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정 또는 이와 유사한 공정을 통해 결정된다. 게이트(330, 340)와 채널부(370) 사이에 형성되는 바이오 분자를 포함하는 유전체층(380)은 SAM(Self-Assembled Monolayer) 또는 이와 유사한 공정을 통하여 채널부(370), 기판(320) 또는 게이트(330, 340)에 고정되어 형성된다.
기판(320)과 게이트(330, 340)는 게르마늄과 같은 다른 반도체성 물질 또는 금과 같은 다른 금속 물질들을 포함할 수도 있다. 기판(320) 상에 산화막을 형성하고 화학기상증착법으로 폴리실리콘(poly-silicon) 또는 폴리게르마늄(poly-germanium) 박막을 형성한 후 SOI 웨이퍼 공정과 동일하게 소스(350), 드레인(360), 게이트(330, 340) 등을 형성한다. 이 경우 벌크-실리콘 웨이퍼나 SOI 웨이퍼와 달리 채널 영역이 단결정이 아닌 비정질이나 다결정 구조여서 전류 특성이나, 이동성(mobility), 이득(gain) 특성이 우수하진 않지만 센서 응용 분야에서는 저가의 기판을 형성할 수 있는 장점이 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 기판(310) 상에 소스(350), 채널부(370) 및 드레인(360)이 순차적으로 형성된다. 또한, 도 3의 (c)를 참조하면, 채널부(370)를 사이에 두고 대향하는 2 개의 게이트(330, 340)가 채널부(370)와 서로 이격되어 형성되어 있다. 게이트(330, 340)와 채널부(370) 사이에 나노사이즈 폭의 나노갭이 형성되고, 그 나노갭에 바이오 분자를 포함하는 유전체층(380)이 형성된다. 게이트(330,340)에 가해지는 전압이 전기장을 형성하면, 형성된 전기장은 유전체층(380)을 통해 채널 영역에 공핍층을 형성한다. 이렇게 형성된 공핍층이 채널형성을 막게 되고, 이러한 공핍층의 유무에 의해서 채널 형성이 결정된다. 이러한 동작 원리는 JFET(Junction Field Effect Transistor)과 매우 유사하다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 DMFET을 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노갭을 제조하는 방법은, (a) 웨이퍼 상에 기판과 제1 절연층을 순차적으로 형성하는 단계, (b) 상기 제1 절연층에서 게이트와 채널부가 형성될 영역 상에 제2 절연층을 패터닝하는 단계, (c) 상기 제1 절연층 상에 상기 제1 절연층의 구성물질을 열 산화 방식을 이용하여 더욱 형성하여 상기 제 1 절연층을 성장시키는 단계, (d) 상기 기판이 노출될 때까지 상기 제1 및 제2 절연층을 식각하는 단계, (e) 상기 기판의 노출된 영역에 불순물을 주입하여 상기 게이트와 상기 채널부를 형성하는 단계, (f) 상기 제1 절연층을 식각하는 단계 및 (g) 상기 형성된 상기 게이트와 채널부 사이에 바이오 분자를 포함하는 유전체층을 형성하는 단계를 포함한다. 이하 도 4를 참조하여 각 과정을 상세히 설명한다.
우선, 도 4의 400a에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(410) 상에 기판(420) 및 제1 절연층(430)을 순차적으로 형성한다. 웨이퍼(410)는 SOI 웨이퍼 또는 벌크-실리콘 웨이퍼일 수 있고, 기판(420)은 실리콘기판일 수 있다. 다음으로 제1 절연층(430) 상에 제 2절연층(440)을 패터닝한다. 이때, 제2 절연층(440)은 최종적으로 게이트(460, 470) 및 채널부(480)가 형성될 영역을 정의하도록 패터닝되며, 제2 절연층(440) 패턴 사이의 간격(450)은 나노사이즈를 갖도록 패터닝된다. 제2 절연층(440) 상에 하드마스크를 형성하여 e-빔 리소그래피 공정을 통해 게이트 및 채널부가 형성될 영역을 정의하고 하드마스크 패턴을 마스크로 하여 제2 절연층(440)을 패터닝할 수 있다. 제1 절연층(430)은 실리콘-옥사이드, 제2 절연층(440)은 실리콘-나이트라이드일 수 있다.
다음으로, 도 4의 400b에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 절연층(430)의 구성물질과 동일한 물질을 열 산화 방식을 이용하여 상기 제1 절연층(430) 상에 더욱 형성하여 상기 제1 절연층(430)을 성장시킨다. 이때, 제1 절연층(430) 물질이 제2 절연층(440) 상에도 형성될 수도 있다. 열 산화 방식을 이용하여 제1 절연층을 성장시키면, 제1 절연층(430) 아래의 실리콘기판(420)도 산화되어 제1 절연층(430)과 동일한 물질로 변화한다. 열산화 과정에서 복수의 제2 절연층(440)이 마스크 역할을 하여, 제2 절연층(440) 아래의 제1 절연층(430)은 열산화되지 않으므로, 실리콘기판(420)이 소자분리될 수 있다.
다음으로, 도 4의 400c에 나타낸 바와 같이, 실리콘기판(420)이 노출되도록 제2 절연층(440) 및 제2 절연층(440) 아래의 제1 절연층(430)을 순차적으로 식각한다. 제2 절연층(440) 상에 제1 절연층(430) 물질이 적층된 경우 그 물질이 먼저 식각된다. 이때, 제2 절연층(440)이 형성되지 않고 제1 절연층(430)만 두껍게 형성된 영역에서도 제1 절연층(430)이 일정 비율만큼 식각되며, 이러한 제1 절연층(430)은 실리콘기판(420)이 노출되었을 때에도 일정부분 잔존하여, 후술하는 실리콘기판(420)에 불순물을 주입하는 단계에서 마스크 역할을 한다.
다음으로, 도 4의 400d에 나타낸 바와 같이, 잔존하는 제1 절연층(430)을 마스크로 하여 실리콘기판(420)에 불순물을 주입하고 활성화시켜 게이트(460, 470) 및 채널부(480)를 형성한다.
다음으로, 도 4의 400e에 나타낸 바와 같이, 실리콘기판(420) 상에 형성된 제1 절연층(430)을 모두 식각한다. 따라서, 게이트(460, 470)와 채널부(480) 사이에 나노갭(450)이 형성된다. 이 나노갭(450)의 깊이는 최초의 기판(420)의 두께와 동일하고, 나노갭(450)의 폭은 제2 절연층(440) 간의 간격으로 결정된다. 나노갭(450)의 폭은 대략 10Å 내지 1000Å 범위의 나노사이즈이다.
다음으로, 도 4의 400f에 나타낸 바와 같이, 나노갭(450)에 바이오 분자를 포함하는 유전체층(490)을 형성한다. 즉, 수용체 바이오 분자를 링커를 이용하여 게이트(460, 470) 또는 채널(480)에 고정한다. 링커로는 SAM을 이용할 수 있다. 수용체 바이오 분자는 검출 대상 물질의 종류에 따라 적절히 선택가능하며, 예를 들어, DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기화합물, 비타민, 드러그(drug) 및 효소 중 하나일 수 있다.
도 5는 도 3에 나타낸 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFET에서 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. 본 시뮬레이션에서는 SILVACO International사의 ATLAS 시뮬레이터를 사용하였다. 본 시뮬레이션에서 채널부(370)의 길이는 300㎚, 나노갭의 폭은 40㎚ 로 하였다. 게이트(350, 360)와 채널부(370)는 모두 n-형으로 도핑되어 있으며 도핑 농도는 5ㅧ1015이다. 게이트(350, 360)에 전압을 가하면 유전체층(380)을 통해 전기장이 형성되고 이 전기장에 의하여 채널부(370)에 공핍층이 형성된다. 게이트 전압이 어느 일정 범위를 넘어가게 되면 게이트 전압에 의해 채널부(370)에 형성되는 공핍층에 의하여 채널 부(370)에서의 전자의 흐름을 막아 소스(350)와 드레인(360) 사이의 전류의 흐름을 결정하게 된다. 이러한 소자의 전기적 동작 특성은 JFET의 그것과 유사하다고 볼 수 있다. 게이트(350, 360)에 가해주는 전압을 -2V, -1, -0.5V, 0V, 0.5V 로 변화시켰을 때, 소스(350)와 드레인(360) 사이에 흐르는 전류값을 나타내었다. 게이트(350,360)에 가해주는 전압이 -2V를 초과하면 소스(350)와 드레인(360) 사이에 전류가 흐르는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 3에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에 따른 DMFET에서 유전체의 종류에 따른 문턱 전압을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에 따른 DMFET에서, 유전체층(380)이 1) 에어갭(나노갭에 공기가 유입되어 있는 상태) 상태일 때와(εΓ=1), 2) 바이오 분자를 포함할 때(εΓ=25) 문턱전압의 차이를 나타낸 그래프이다. 유전체층(380)을 형성하는 물질에 따라 게이트 전압에 의해 생기는 전기장의 크기가 달라지고, 이는 채널부(370)에 생기는 공핍층의 두께를 다르게 한다. 이러한 차이로 인하여 에어갭 소자와 비교하여 소스(350)와 드레인(360) 사이의 전류의 흐름을 막게 되는 게이트 전압의 차이를 가져오게 되고, 그 차이는 게이트와 채널부 사이에 채워져 있는 분자층의 종류에 따라 다르게 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DMFET을 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 DMFET은 앞서 설명한 DMFET과 마찬가지로, 종래의 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 공정을 이용하여 제조할 수 있다. 도 7을 참조하면, P 형 불순물이 주입된 SOI(silicon-on-insulator) 기판(701) 상에 소스(702), 채널부(704) 및 드레인(703)이 형성된다. 채널부(704) 상부에 채널부(704)와 이격되어 대향하는 게이트(707)가 형성된다. 또한, 채널부(704)와 게이트(707) 사이에 희생층(706)이 형성될 수 있으며, 일 실시예로서 크롬(Cr)을 이용하여 희생층(706)을 형성하였다. 희생층(706)의 양 말단을 식각하여 채널부(704)와 게이트(707) 사이의 나노사이즈의 에어갭을 형성한다. 희생층(706)의 양 말단을 식각하는 정도에 따라 에어갭의 수평 방향의 깊이가 결정된다. 희생층(706)은 완전히 식각하여 제거할 수도 있다. 형성된 에어갭에 의해 노출된 게이트(707)의 하면에 링커를 형성한다. 링커는 SAM을 이용하여 형성할 수 있다. 게이트(707)를 금(Au)으로 형성하는 경우 사이올(thiol) SAM을 이용하여 링커를 형성할 수 있으며, 게이트(707)를 실리콘으로 형성하는 경우 실란(silane) SAM을 이용하여 링커를 형성할 수 있다. 링커에 바이오 분자(708)가 결합되어 고정된다. 바이오 분자(708)는 DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기화합물, 비타민, 드러그(drug) 및 효소 등일 수 있으며 이것은 검출하고자 하는 타겟 물질에 따라 적절히 선택할 수 있다. 또한, 채널부(704) 상에 절연층(705)이 형성될 수도 있다. 절연층(705)은 바이오 분자(708)에 의해 또는 바이오 분자(708)와 그것에 결합된 검출 대상 물질에 의해 게이트(707)와 채널부(704)가 단락되는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 8은 본 발명에 따른 DMFET의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 게이트에 SAM(801)이 형성되고, (b)에 나타낸 바와 같이, SAM(801)에 의해 바이오 분자(802)가 고정된다. 따라서, (c)에 나타낸 바와 같이, DMFET이 놓여진 환경에 검출 대상 물질(803)이 존재하는 경우 검출 대상 물질(803)과 바이오 분자(802)의 결합에 의해 검출 대상 물질(803)이 DMFET의 에어갭에 고정됨으로써 DMFET의 특성이 변화한다.
이상의 설명에서, 다양한 구체적인 세부사항들은 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 설명하는 것이다. 당업자는 이러한 구체적인 세부사항의 일부 또는 전부를 생략하고도 본 발명을 실시할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명을 불필요하게 불명료하게 하지 않도록 널리 공지된 구성 및 단계는 구체적으로 설명하지 않았다.
본 발명이 몇몇 바람직한 실시예의 형태로 설명하였지만 당업자는 본 발명의 상세한 설명에 의해 본 발명의 다양한 수정, 추가, 변형 및 등가 발명을 실현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 그러한 수정, 추가, 변형, 및 등가 발명을 포함하는 것으로 의도된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율-변화 전계효과 트랜지스터(DMFET; Dielectric-modulated field effect transistor)를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DMFET을 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DMFET을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DMFET을 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다.
도 5는 도 3에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에 따른 DMFET에서 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 3에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에 따른 DMFET에서 유전체의 종류에 따른 문턱 전압을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DMFET을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 DMFET의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
Claims (18)
- 소스와 드레인이 이격되어 형성된 기판;상기 기판의 상기 소스와 드레인 사이의 영역 상에 형성된 바이오 분자를 포함하는 유전체층; 및상기 유전체층 상에 형성된 게이트를 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,상기 게이트는 금속 또는 폴리실리콘으로 이루어진, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- (a) 기판 상에 희생층을 형성하는 단계;(b) 상기 기판과 희생층 상에 게이트층을 형성하는 단계;(c) 상기 희생층을 제거하는 단계; 및(d) 상기 희생층이 제거된 부분에 바이오 분자를 포함하는 유전체층을 형성하는 단계를 포함하는 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 (b) 단계와 (c) 단계 사이에, 상기 게이트층을 패터닝하는 단계를 더 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 희생층은 실리콘 옥사이드, Al2O3 및 HfO2와 같은 메탈 옥사이드, Cr, Ti 및 Al 등의 금속층, SAM과 같은 유기층, 및 포토레지스트 중 하나 이상의 물질을 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제3항에 있어서,상기 (d)단계에서, 상기 유전체층을 SAM 또는 탈수축합 반응에 의해 형성하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 웨이퍼;상기 웨이퍼 상에 이격되어 형성된 소스와 드레인;상기 소스와 상기 드레인을 연결하도록 형성된 채널부;상기 웨이퍼 상에 상기 채널부와 이격되도록 형성된 게이트; 및상기 채널부와 상기 게이트 사이에 형성된 바이오 분자를 포함하는 유전체를 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- 제7항에 있어서,상기 게이트는 2개이고, 상기 채널부를 기준으로 서로 대향되는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- (a) 웨이퍼 상에 기판과 제1 절연층을 순차적으로 형성하는 단계;(b) 상기 제1 절연층에서 게이트와 채널부가 형성될 영역 상에 제2 절연층을 패터닝하는 단계;(c) 상기 제1 절연층 상에 상기 제1 절연층의 구성물질을 열 산화(thermal oxidation) 방식으로 형성하여 상기 제 1 절연층을 성장시키는 단계;(d) 상기 기판이 노출될 때까지 상기 제1 및 제2 절연층을 식각하는 단계;(e) 상기 기판의 노출된 영역에 불순물을 주입하여 상기 게이트와 상기 채널부를 형성하는 단계;(f) 상기 제1 절연층을 식각하는 단계; 및(g) 상기 형성된 상기 게이트와 채널부 사이에 바이오 분자를 포함하는 유전체층을 형성하는 단계를 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,상기 제1 절연층은 실리콘-옥사이드이고, 상기 제2 절연층은 실리콘-나이트라이드인, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,상기 (g)단계에서, 상기 유전체층을 SAM 또는 탈수축합 반응에 의해 형성하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,상기 바이오 분자는 DNA, RNA, 단백질, 리간드, 항체-항원물질, 및 효소 중 하나인, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- 소스와 드레인이 이격되어 형성된 기판;상기 기판중에서 상기 소스와 상기 드레인 사이의 영역의 상부에 상기 기판과 적어도 일부가 이격되어 형성된 게이트; 및상기 게이트중에서 상기 기판과 이격된 영역의 하부에 형성된 바이오 분자를 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- 웨이퍼;상기 웨이퍼 상에 일렬로 형성된 소스, 채널부 및 드레인;상기 웨이퍼 상에 상기 채널부의 소스측 및 드레인측을 제외한 타측에 상기 채널부와 이격되어 형성된 게이트; 및상기 채널부와 상기 게이트 사이에 형성된 바이오 분자를 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- 웨이퍼 상에 일렬로 형성된 소스, 채널부 및 드레인;상기 채널부의 상부에 상기 채널부와 적어도 일부가 이격되어 형성된 게이트; 및상기 게이트중에서 상기 채널부와 이격된 영역의 하부에 형성된 바이오 분자를 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- 제15항에 있어서,상기 채널부 상에 형성된 절연층; 및상기 절연층과 상기 게이트 사이에 형성된 희생층을 더 포함하고,상기 금속층의 양 말단이 식각되어 노출된 상기 게이트 하부에 상기 바이오 분자가 형성되는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,상기 게이트와 상기 바이오 분자 사이에 링커를 더 포함하는, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
- 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,상기 바이오 분자는 DNA, RNA, 핵산 유사체, 단백질, 펩티드, 아미노산, 리간드, 항체-항원물질, 당구조물, 유/무기화합물, 비타민, 드러그(drug) 및 효소 중 하나인, 유전율-변화 전계효과 트랜지스터.
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