KR20090012694A - 원자간력 캔틸레버 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자빔 증착법을 이용하여 게이트 전극 상부에 텅스텐 소재의 탐침이 형성된 원자간력 캔틸레버를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 원자간력 캔틸레버는 SOI 기판상에 소스, 드레인 및 게이트로 형성된 MOSFET 구조물에 있어서, 상기 게이트 상부에 형성된 텅스텐 탐침; 및 상기 탐침을 제외한 MOSFET 전면에 형성된 패시배이션층을 포함한다.
본 발명의 원자간력 캔틸레버의 제조방법은 SOI 기판을 이용하여 MOSFET을 형성하는 단계; 상기 MOSFET 전면에 패시배이션층을 형성한 후 패터닝하여 게이트를 노출시키는 단계; 상기 SOI 기판의 하부 실리콘과 절연막을 식각하는 단계; 및 상기 게이트 상에 텅스텐 탐침을 형성하는 단계를 포함한다.
MOSFET, 캔틸레버, SOI, 텅스텐, 탐침

Description

원자간력 캔틸레버 및 그 제조방법{Fabricating Method of Atomic Force Cantilever and the same}
본 발명은 액상에 존재하는 세포들을 측정할 수 있는 캔틸레버 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자빔을 이용하여 텅스텐 소재로의 탐침이 형성된 원자간력 현미경용 캔틸레버 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래에 원자간력 현미경에서 나노 스케일의 바이오 분자들을 측정할 수 있는 부분이 바로 센서의 역할을 하는 캔틸레버이다. 캔틸레버는 일반적으로 실리콘(Si), 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4) 등의 절연막 상에 게이트 전극으로 패터닝된 금(Au)으로 구성된다.
바이오 물질들의 대부분은 금 표면에 아주 잘 붙는 성질이 있어서 어떠한 특정 기(基,radical)를 캔틸레버에 붙이기 위해서는 금이 코팅된 캔틸레버에 원하는 분자와 잘 결합할 수 있는 물질을 코팅하여 사용한다. 이러한 캔틸레버를 이용하여 여러 분자가 붙어 있는 바이오 분자 분석에 사용하고 있다.
대한민국 등록특허 제10-0366701호 "전계 효과 트랜지스터 채널 구조가 형성된 스캐닝 프로브 마이크로스코프의 탐침 및 그 제작 방법"에 대하여 개시되어 있다. 이것은 소스와 드레인이 형성된 캔틸레버를 절연체가 형성된 시료에 수직으로 부착시킨 후 소스에 전압을 가하면 시료 표면의 전하 분포에 따라 드레인에 흐르는 전류의 양이 변한다는 것이다. 그러나, 제작된 소자의 특성을 측정한 결과, 일반적인 MOSFET 디바이스 특성을 보여주었으나, 이를 이용하여 실제로 표면 전하 분포를 읽은 예는 없었다.
대한민국 공개특허 제2003-0041725호에는 "원자간력 현미경용 단일/멀티 캔틸레버 탐침 및 그의 제조방법"은 일반적인 마이크로머시닝 기술에 반도체 소자 제작 공정을 응용하여 소스와 드레인 사이의 유효 채널 길이를 줄임으로써 감도를 높일 수 있었고, 한 몸체에 여러 개의 캔틸레버가 존재할 수 있는 어레이 타입으로 구성이 가능하다. 그러나, 상기 종래의 캔틸레버는 국부 영역에 금이 코팅되어 있지 못하여 단일 분자에 대한 상호작용 등을 알아낼 수 없었다. 이러한 단일 분자 상호작용 연구는 신약 개발에 아주 중요한 역할을 할 수 있음에도 아직까지는 정확한 단일 분자 상호작용을 볼 수 없는 문제가 있다.
종래기술인 대한민국 공개특허 제2003-0041726호에는 "원자간력 현미경용 고해상도 단일/멀티 캔틸레버 탐침 및 그의 제조방법"의 경우는 뾰족한 팁이 형성되어 보다 국부적인 영역에서도 시료 표면의 전하 분포를 읽을 수 있는 형태로 제안 되었다. 또한, 상기 종래기술의 경우 캔틸레버가 액체 상태에서 구동할 경우 소스 와 드레인 영역이 액체 상태에 노출되어 채널이 액체로 된다. 따라서 액체 상태에서 이러한 캔틸레버를 사용하기 위해서는 뾰족한 탐침부에서만 채널 효과가 이루어지도록 할 필요가 있다. 단일 바이오 분자들의 상호작용 또는 단일 바이오 분자와 셀(cell) 간의 상호 작용을 알기 위해서는 탐침부가 고 종횡비가 되어야만 하는데 이러한 고 종횡비를 가지면서 미세한 전류 변화를 전송할 수 있는 탐침부가 내재되어 있는 캔틸레버는 없었다.
이러한 종래의 캔틸레버의 제조공정은 반복적인 증착과 식각으로 진행되므로 많은 비용과 시간이 소요된다. 그리고 MOSFET의 구조의 캔틸레버는 공정상 탐침을 형성한 다음 소스 및 드레인을 형성하기 위하여 분순물 이온을 주입하기 때문에, 탐침 끝이 무뎌지고 이로 인하여 탐침의 감도가 저하되는 단점이 있다.
본 발명은 전자빔 증착법을 이용하여 게이트 전극 상부에 텅스텐 소재의 탐침이 형성된 원자간력 캔틸레버를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 SOI 기판상에 소스, 드레인 및 게이트로 형성된 MOSFET 구조물에 있어서, 상기 게이트 상부에 형성된 텅스텐 탐침; 및 상기 탐침을 제외한 MOSFET 전면에 형성된 패시배이션층을 포함하는 원자간력 캔틸레버에 의하여 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 SOI 기판을 이용하여 MOSFET을 형성하는 단계; 상기 MOSFET 전면에 패시배이션층을 형성한 후 패터닝하여 게이트를 노출시키는 단계; 상기 SOI 기판의 하부 실리콘과 절연막을 식각하는 단계; 및 상기 게이트 상에 텅스텐 탐침을 형성하는 단계를 포함하는 원자간력 캔틸레버의 제조방법에 의하여 달성된다.
본 발명의 원자간력 캔틸레버는 패시배이션층 형성 후, 텅스텐 탐침을 형성하므로 캔틸레버의 고감도를 유지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 9는 본 발명에 따른 MOSFET 캔틸레버의 공정 흐름도이다.
본 발명에 따른 MOSFET 캔틸레버를 형성하기 위한 기판은 상부 실리콘(111), 절연막(112) 및 하부 실리콘(113)으로 이루어진 SOI 기판(110)을 사용한다. 이때, 상부 실리콘(111)은 p형 분순물이 도핑되어 있다(도 1).
먼저 SOI 기판(110) 전면에 PR(photo resistor)과 RIE(reactive ion etching)를 이용한 사진식각 공정을 하여 상부 실리콘(111)의 일측이 돌출된 형태로 형성한다(도 2).
다음으로 상부 실리콘(111)에 불순물 주입 공정을 이용하여 소스 및 드레인을 형성하기 위한 마스크로 제1 열산화막(120)을 1000Å 두께로 형성한다. 그리고 사진식각 공정을 이용하여 소스 및 드레인이 형성될 부분의 제1 열산화막(120)을 제거하고 상부 실리콘(111)을 노출시킨다(도 3).
다음으로 제1 열산화막(120)을 마스크로 사용하여 앞서 노출된 상부 실리콘(111)에 n+ 불순물을 1×1016cm-2의 농도로 주입하여 소스(131)와 드레인(132)을 형성한다. 불순물 주입이 완료되면 불산(HF)을 이용하여 제1 열산화막(120)을 제거한다.
다음으로 제2 열산화막을 형성한 후 사진식각 공정을 이용하여 소스(131)와 드레인(132) 사이에 게이트 산화막(140)을 형성한다(도 5).
게이트 산화막(140)이 형성되면, 이온빔 스퍼터링을 이용하여 Au 등과 같이 전도성이 우수한 금속층을 증착한다. 게이트 산화막(140)상에 증착된 금속층은 게이트(150) 역할을 한다. 그리고 금속층은 사진식각공정을 통하여 소스, 드레인 및 게이트와 전기적으로 연결된 배선(160)의 형태로 형성된다(도 6).
다음으로 패시배이션층으로 제3 열산화막(170)을 1000Å 정도 형성하고 사진식각공정을 이용하여 게이트(150)상에 형성된 제3 열산화막(170)의 일부를 제거한다(도 7)
다음으로 SOI 기판의 하부 실리콘(113)의 일부를 사진식각공정을 이용하여 제거한다.
본 발명에 따른 하부 실리콘층을 식각하는 공정에 있어서, DIRE(Deep Ion Reactive Etcing)을 이용할 수 있다.
그리고 하부 실리콘(113)의 식각으로 노출된 SOI 기판(110)의 절연막(112)을 습식식각을 이용하여 제거한다(도 9).
다음으로, 게이트(150) 상부에 텅스텐 탐침(180)을 형성한다(도 9).
본 발명에 따른 텅스텐 탐침(180)은 게이트를 향하는 전자빔의 경로에 WF6 또는 W(Co)6을 기화시켜 공급함으로써 형성된다.
도 10은 본 발명에 따른 원자간력 캔틸레터를 제조하기 위한 장치의 구성도이다.
먼저 증착용 챔버(210)내에 MOSFET이 형성된 SOI 기판을 위치시킨다. 그리고 펌프(220)를 이용하여 증착용 챔버(210)내의 분위기를 진공으로 형성한다. 적절한 진공도가 형성되면 증착용 챔버(210)내로 텅스텐 소스로서 WF6 가스 또는 W(Co)6 분말을 기화시켜 공급한다.
W(Co)6는 분말상태이므로 가열을 통하여 가스 상태로 변환한다. 이를 위하여 별도의 가열 챔버(230)를 이용한다. 가열 챔버(230)의 내부에는 100℃ 내지 150℃ 까지 가열하기 위한 히터(240)가 구비되어 고상의 W(Co)6이 기체상태로 변환시킨 후, 증착용 챔버(210)내로 주입될 수 있도록 한다.
증착용 챔버(210)는 벨브(250)가 구비된 가스관(260)으로 연결되어 있다. WF6와 W(Co)6의 선택은 가스관에 구비된 밸브(250)를 이용한다.
증착용 챔버(210)의 일측면에 가스관(260)과 열결된 부분에는 MFC(Mass Flow Controller:270)가 구비되어 있다. MFC(270)를 이용하여 증착용 챔버(210)내로 주입되는 텅스텐 소스의 양을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면 증착용 챔버(210)와 연결된 가스관(260)을 와이어 히터(280)를 구비한 가스관으로 사용할 수 있다.
와이어 히터(280)를 구비한 가스관(260)을 사용할 경우, 가스관(260) 내부를 통과하는 가스는 와이어 히터(280)의 온도 상승에 따라 보다 활성화되고, 기화된 W(Co)6을 가스 상태로 유지시킬 수 있다.
텅스텐 소스가 증착용 챔버(210)로 유입되어 적절한 작업 압력(working pressure)이 형성되면, 건(290)에 전압을 인가하여 발생한 전자빔을 게이트에 조사하여 수 마이크로 미터 정도의 텅스텐 탐침을 형성한다.
본 발명에 따른 전자빔의 가속전압은 20kV 내지 40kV, 전류는 수 내지 수십 pA이다. 이때, 전자빔의 조사 시간은 5 내지 15분 정도이다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1 내지 도 9는 본 발명에 따른 원자간력 캔틸레버의 공정 흐름도,
도 10은 본 발명에 따른 원자간력 캔틸레버의 형성을 위한 장치의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : SOI 기판 111 : 상부 실리콘
112 : 절연막 113 : 하부 실리콘
120 : 제1 열산화막 131 : 소스
132 : 드레인 140 : 게이트 산화막
150 : 게이트 170 : 제3 열산화막
180 : 탐침 210 : 증착용 챔버
220 : 펌프 230 : 가열챔버
240 : 히터 280 : 와이어 히터

Claims (7)

  1. SOI 기판을 이용하여 MOSFET를 형성하는 단계;
    상기 MOSFET 전면에 패시배이션층을 형성한 후 패터닝하여 게이트를 노출시키는 단계;
    상기 SOI 기판의 하부 실리콘과 절연막을 식각하는 단계; 및
    상기 게이트 상에 텅스텐 탐침을 형성하는 단계
    를 포함하는 원자간력 캔틸레버의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 게이트 상에 텅스텐 탐침을 형성하는 단계는,
    상기 MOSFET가 형성된 SOI 기판을 증착용 챔버내에 위치시키는 단계;
    상기 증착용 챔버내부를 진공으로 형성하는 단계;
    상기 증착용 챔버내부로 가스관을 통하여 W(Co)6 을 주입하는 단계; 및
    상기 증착용 챔버에 부착된 건을 작동시켜 상기 MOSFET의 게이트 상부에 전자빔을 조사하는 단계
    를 더 포함하는 원자간력 캔틸레버의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 W(Co)6 을 주입하는 단계는,
    가열 챔버내에 W(Co)6을 장입하는 단계; 및
    히터를 가열하여 상기 W(Co)6을 기화시키는 단계
    를 더 포함하는 원자간력 캔틸레버의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐 탐침을 형성하는 단계는,
    상기 MOSFET가 형성된 SOI 기판을 증착용 챔버에 재치하는 단계;
    상기 증착용 챔버내부를 진공으로 형성하는 단계;
    상기 증착용 챔버내부로 가스관을 통하여 WF6를 주입하는 단계; 및
    상기 증착용 챔버에 부착된 건을 작동시켜 상기 MOSFET의 게이트 상부에 전자빔을 조사하는 단계
    를 더 포함하는 원자간력 캔틸레버의 제조방법.
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가스관을 가열하는 단계를 더 포함하는 원자간력 캔틸레버의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 MOSFET를 형성하는 단계는,
    SOI 기판의 상부 실리콘을 패터닝하는 단계;
    상기 상부 실리콘에 산화막을 형성하고 패터닝하여 상기 상부 실리콘의 일부를 노출시키는 단계;
    상기 상부 실리콘에 불순물을 주입하고 상기 산화막을 제거하는 단계;
    상기 불순물이 주입된 영역에 산화막을 형성한 후 패터닝하는 단계; 및
    상기 산화막과 상기 상부 실리콘 전면에 금속층을 증착하고 패터닝하는 단계
    를 포함하는 원자간력 캔틸레버의 제조방법.
  7. SOI 기판상에 소스, 드레인 및 게이트로 형성된 MOSFET 구조물에 있어서,
    상기 게이트 상부에 형성된 텅스텐 탐침; 및
    상기 탐침을 제외한 MOSFET 전면에 형성된 패시배이션층
    을 포함하는 원자간력 캔틸레버.
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