KR20160104485A - 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 나노선 전계효과 센서를 제조하는 기술에 관한 것으로, 벌크 실리콘 기판을 사용하여 나노선 전계효과 센서의 제조 비용을 절감함과 아울러 집적도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다. 또한, 그물망 구조를 가지며 그물망의 각 측벽에 핀이 수직방향으로 배열되고 핀이 게이트절연막으로 도포된 구조로 형성된 나노 그물망을 구비함으로써, 감지 면적이 넓어져 그만큼 감도가 향상되고, 구조적으로 안정성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

Description

그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서 및 그 제조방법{NANOWIRE FIELD-EFFECT SENSORS HAVING NANOWIRE OF A NET STRUCTURE AND THE MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 나노선 전계효과 센서를 제조하는 기술에 관한 것으로, 특히 벌크 실리콘 기판을 사용하여 제조 비용을 절감함과 아울러 집적도를 향상시키고, 나노 그물망을 효과적으로 절연시켜 높은 감도와 구조적인 안정성을 보장할 수 있도록 한 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전기화학적 센서는 감지하고자 하는 표적물질(target material)의 물리적 혹은 생화학적 반응신호를 전기적인 신호로 바꾸어 주는 소자로서, 통상의 형광센서에 비하여 크기가 작고 감지 속도가 빠른 특징을 갖는다. 이와 같은 전기화학적 센서는 표적물질의 종류에 따라 바이오센서, 화학센서 및 환경센서 등의 활용용도로 널리 사용될 것으로 기대되는 소자이다.
전기화학적 센서는 전자 소자인 전계효과 트랜지스터와 달리 표적물질과 선택적으로 반응하는 수용물질, 완충 용액, 수중 게이트 전극을 포함하고 있으며, 센서의 동작이 용액 상태에서 이루어지기 때문에 누설전류를 최소화 시키는 것이 중요하다. 전기화학적 센서는 표적물질을 감지하기 위하여 표적물질과 선택적으로 결합하는 탐지물질을 일련의 화학처리를 통하여 센서의 감지 표면에 고정시킨다. 전하를 띤 표적물질이 감지 표면의 수용물질과 반응하여 결합하면, 표적물질의 전하에 의해 센서의 채널에 전기 전도도가 변화되는데, 이 때 발생하는 센서의 전기 전도도 변화를 관찰하여 표적물질을 감지할 수 있다. 감지 표면에 화학반응으로 고정된 수용물질과 결합된 표적물질은 분리가 쉽지 않고, 고정된 수용물질 또한 감지 표면에서 분리 후 재사용이 어렵다. 또한, 센서를 지속적으로 사용하게 되면 감도 등의 특성이 열화되기 때문에 제품에 적용하기 위한 센서는 재사용을 하지 않고 일회성으로 사용해야 한다. 전기화학적 센서의 제품 상용화를 위해서는 높은 민감도(sensitivity), 선택성(specificity), 빠른 응답 속도(fast response-time) 등의 특성 외에도 경제성과 집적화의 용이성 등이 중요한 요소이다.
전기화학적 센서 중에서 나노선을 이용한 전계효과 센서는 높은 민감도, 선택성, 빠른 응답 속도로 인하여 주목을 받고 있다. 나노선 구조는 높은 면적 대 부피비로 인하여 우수한 게이트 제어능력을 가지고 있고, 이로 인하여 감지 표면에서 표적물질에 의한 전하의 변화량이 작더라도 전기 전도도의 변화가 크게 나타나 높은 민감도를 보인다. 또한 전기적 측정법으로 감지가 이루어지기 때문에 실시간으로 표적물질을 감지할 수 있으며, 기존의 CMOS 반도체 공정 기술과의 호환성으로 대량 생산이 가능하다.
도 1a는 종래 기술에 의한 SOI(Silicon-On Insulator) 기판을 사용한 나노선 전계효과 센서의 구조를 나타낸 도면이고, 도 1b는 도 1a의 A-A 단면도이다.
도 1a 및 도 1b을 참조하면, SOI 기판(11)과 하부절연층(12)이 순차적으로 적층된 후 상기 하부절연층(12)의 상부 양측에 소스 전극영역(13S)과 드레인 전극영역(13D)이 서로 대향지게 형성되고, 상기 두 전극영역(13S),(13D)의 사이에 게이트절연막으로 도포된 나노선(14)들이 연결된 구조를 갖는다.
상기 나노선(14)들에 탐지물질(18A)이 부착되고, 표적물질(18B)이 상기 탐지물질(18A)에 선택적으로 부착된다. 이와 같은 경우 상기 표적물질(18B)이 가지고 있는 전하량에 의해 해당 나노선 채널 영역의 전기 전도도가 변화되는데, 나노선 전계효과 센서는 상기와 같은 전기 전도도 변화를 감지하여 그에 따른 결과를 출력한다. 이 때, 별도의 수중 게이트 전극(19)을 이용하여 나노선 채널 영역에 채워지는 용액의 전위를 고정시킬 수 있다.
이와 같이, 종래 기술에 의한 나노선 전계효과 센서는 SOI 웨이퍼를 기판으로 사용하여 상부 실리콘층이 하부절연층에 의해 기판으로부터 완전히 고립된 구조를 갖는데, 이와 같이 일차원 구조의 나노선을 형성하기 위하여 고비용의 SOI 기판에 소자를 제조하기 때문에 나노선 전계효과 센서의 단가가 비싸지는 문제점이 있다. 참고로, 나노선을 형성하기 위해 사용하는 얇은 상부 실리콘 층을 가지는 SOI 기판의 가격은 벌크 실리콘 기판의 20배 이상에 달한다. 더욱이, 바이오센서인 나노선 전계효과 센서에서 감지를 위해 사용되는 수용물질과 표적물질들은 재사용이 불가능하기 때문에 종래 기술의 나노선 전계효과 센서를 사용하는 경우 유지비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 나노선 전계효과 센서에서와 같은 나노선을 이용하는 경우, 센서 자체의 민감도는 매우 우수하지만 나노선의 면적이 수 제곱 마이크론에서 수 제곱 나노미터 정도로 매우 좁아 완충 용액 내에서 감지 표면으로 전달되는 표적물질의 양이 매우 제한적일 수밖에 없고, 이로 인하여 감도가 떨어지는 결함이 있다.
또한, 종래기술에 의한 나노선 전계효과 센서의 경우 탐지물질이 고정되는 실리콘 나노선이 바텀업(bottom-up) 방식 또는 탑다운(top-down) 방식으로 구현될 수 있는데, 바텀업 방식의 경우 CVD(Chemical Vapor Deposition)와 같은 반도체 공정 기술을 이용하여 형성된 실리콘 나노선을 특정 위치에 정렬하여 센서를 제작하게 되므로 나노선의 합성 및 정렬이 용이하지 않아 대량생산에 어려움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나노선 전계효과 센서를 구현함에 있어서, 벌크 실리콘 기판을 사용하여 나노선 전계효과 센서의 제조 비용을 절감함과 아울러 집적도를 향상시키고, 나노 그물망을 효과적으로 절연시키며, 각 측벽에 수직 방향으로 배열된 핀을 구비하는 그물망 구조의 나노선을 구비하여 감지 표면적이 넓어지도록 하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서는, 벌크 실리콘 기판의 상부 양측에 서로 대향지게 형성된 소스 전극영역과 드레인 전극영역; 그물망 구조를 가지며 상기 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 사이에 연결된 나노 그물망; 상기 벌크 실리콘 기판과 상기 나노 그물망의 사이에 형성되어 상기 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 하단은 상기 벌크 실리콘 기판과 연결된 상태로 유지되도록 하고, 상기 나노 그물망의 하부는 상기 벌크 실리콘 기판으로부터 완전히 고립된 구조를 갖도록 하는 하부절연층; 및 상기 나노 그물망에 고정되어 외부에서 유입되는 표적물질과 선택적으로 반응하는 탐지물질을 포함한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법은, 리소그래피 공정과 식각 공정을 이용하여, 벌크 실리콘 기판의 상부에 나노 그물망과 소스 전극영역 및 드레인 전극영역을 형성하는 활동영역 형성단계; 상기 활동영역과 벌크 실리콘 기판 사이의 절연을 위해 나노 그물망의 측벽 간의 영역 중에서 상기 활동영역을 제외한 부분에 하부절연층을 형성하여 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 하단은 상기 벌크 실리콘 기판과 연결된 상태로 유지되도록 하고, 상기 나노 그물망의 하부는 상기 벌크 실리콘 기판으로부터 완전히 고립된 구조를 갖도록 하는 하부절연층 형성단계; 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 전기 전도도를 향상시키기 위해 상기 소스 전극영역과 드레인 전극영역에 불순물을 주입하는 불순물 주입단계; 나노선 전계효과 센서 소자의 게이트를 제어하기 위하여, 상기 나노 그물망의 각 측벽에 수직으로 배열된 핀에 게이트절연막을 형성하는 게이트절연막 형성단계; 상기 소스 전극영역 및 드레인 전극영역의 상부에 전극 금속층을 형성하고, 상기 나노 그물망에 게이트 전위를 인가하기 위해 벌크 실리콘 기판의 상부에 수중 게이트 전극을 형성하는 전극 형성단계; 상기 소스 전극영역 및 드레인 전극영역으로부터 전해질을 통해 전류가 누설되는 것을 방지하기 위해 상기 전극 금속층의 상부에 상부절연층을 형성하는 상부절연층 형성단계; 상기 나노 그물망 및 수중 게이트 전극에 유체를 전달하기 위한 유체 채널층을 형성하는 유체주입구 형성단계; 및 표적물질과 선택적으로 반응하는 탐지물질을 상기 나노 그물망의 표면에 고정시키는 탐지물질 고정단계를 포함한다.
본 발명은 SOI 기판 대신 벌크 실리콘 기판을 사용함으로써, 나노선 전계효과 센서의 제조 비용을 대폭적으로 절감할 수 있는 효과가 있고, 벌크 실리콘에 제작되는 신호처리 로직 회로와 같은 기판에 나노선 전계효과 센서를 수용할 수 있어 나노선 전계효과 센서의 집적도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 나노선 전계효과 센서를 구현함에 있어서, 나노 그물망 핀의 아래에 하부절연층을 형성한 후 산화 공정을 통하여 핀들을 기판과 분리시킴으로써 핀들과 기판, 핀들 사이의 절연이 가능하게 되고 이에 의해 감도 열화 현상이 방지되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 나노선 전계효과 센서를 구현함에 있어서, 그물망 구조를 가지며 그물망의 각 측벽에 핀이 수직방향으로 배열되고 핀이 게이트절연막으로 도포된 구조로 형성된 나노 그물망을 구비함으로써, 감지 면적이 넓어져 그만큼 감도가 향상되고, 구조적으로 안정성이 확보되어 소자 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 SOI 기판을 사용한 종래 나노선 전계효과 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a의 A-A 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 의한 나노선 전계효과 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2b는 도 2a의 A-A 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노선 전계효과 센서의 제조방법에 대한 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 활동영역을 형성하는 것을 나타낸 도면이다.
도 4b는 도 4a의 A-A 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 하부절연층을 형성하는 것을 나타낸 도면이다.
도 5b는 도 5a의 A-A 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 불순물을 주입하는 것을 나타낸 도면이다.
도 6b는 도 6a의 A-A 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 핀을 분리하는 것을 나타낸 도면이다.
도 7b 및 7c는 도 7a의 A-A 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 게이트절연막을 형성하는 것을 나타낸 도면이다.
도 8b 및 8c는 도 8a의 A-A 단면도이다.
도 9a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 전극을 형성하는 것을 나타낸 도면이다.
도 9b는 도 9a의 A-A 단면도이다.
도 10a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 상부절연층을 형성하는 것을 나타낸 도면이다.
도 10b는 도 10a의 A-A 단면도이다.
도 11a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 유체주입구를 형성하는 것을 나타낸 도면이다.
도 11b는 도 11a의 A-A 단면도이다.
도 12a는 본 발명의 나노선 전계효과 센서에서 탐지물질을 고정하는 것을 나타낸 도면이다.
도 12b는 도 12a의 A-A 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 의한 나노선 전계효과 센서의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2b는 도 2a의 A-A 단면도이다.
도 2a 및 도 2b을 참조하면, 벌크 실리콘 기판(21)의 상부 양측에 서로 대향지게 형성된 소스 전극영역(22S) 및 드레인 전극영역(22D); 각 측벽에 배열된 핀(24-1)이 게이트절연막(24-2)으로 도포된 그물망 구조로 형성되어 상기 소스 전극영역(22S)과 드레인 전극영역(22D)의 사이에 연결된 나노 그물망(24); 상기 벌크 실리콘 기판(21)으로부터 상기 나노 그물망(24)을 절연시키기 위해 상기 벌크 실리콘 기판(21)과 상기 나노 그물망(24)의 사이에 배치된 하부절연층(23); 상기 소스 전극영역(22S)과 드레인 전극영역(22D)의 상부에 각기 증착된 전극 금속층(25); 상기 전극 금속층(25)의 상부에 순차적으로 형성된 상부절연층(26) 및 상부 유체 채널층(27); 상기 나노 그물망(24)에 부착되는 탐지물질(28A); 상기 탐지물질(28A)에 선택적으로 부착되는 표적물질(28B); 및 나노선 채널 영역에 채워지는 용액의 전위를 고정시키는 수중 게이트 전극(29)을 포함한다.
벌크 실리콘 기판(21)은 통상의 나노센서에 적용된 SOI 기판에 비해 20배 가량 저렴하므로 나노선 전계효과 센서의 제조원가를 획기적으로 줄일 수 있다. 그리고, 벌크 실리콘 기판(21)상에 제작되는 신호처리 로직 회로와 같은 기판에 나노선 전계효과 센서를 제작할 수 있기 때문에 나노선 전계효과 센서 시스템의 집적화가 통상의 나노선 전계효과 센서의 집적화에 비하여 매우 우수하다. 상기 벌크 실리콘 기판(21)의 재질은 특별하게 한정되지 않으나, 반도체, 폴리머 및 부도체 소재 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
나노 그물망(24)은 그물망 구조를 가지며 그물망의 각 측벽에 핀(24-1)이 수직방향으로 배열되고, 상기 핀(24-1)은 게이트절연막(24-2)으로 도포된다. 상기 그물망 구조란 육각형을 포함하는 다각형 및 원형 등의 모양이 사방으로 연속해서 배열된 구조를 의미한다. 본 실시예에서는 나노 그물망(24)이 육각형 구조 즉, 육방 격자구조(hexagonal lattice structure)를 갖는 것을 예로 하였다. 상기 핀(24-1)의 구조는 특별하게 한정되는 것이 아니라 직사각형을 포함하는 다각형이나 원기둥 등 다양한 구조를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 나노 그물망(24)이 구비된 나노선 전계효과 센서는 통상의 직선 구조의 핀을 구비한 나노선 전계효과 센서에 비하여 구조적으로 높은 안정성을 보장할 수 있다. 또한, 상기와 같은 구조의 나노 그물망(24)에 의해 나노선 전계효과 센서의 감지 표면적이 확장되어 감도가 향상되고, 핀 제작 공정 중 소자 특성이 열화되는 문제를 방지할 수 있다.
하부절연층(23)은 벌크 실리콘 기판(21)으로부터 나노 그물망(24)을 절연시키기 위해 산화 공정을 통해 벌크 실리콘 기판(21)과 나노 그물망(24)의 사이에 형성된다. 이에 따라, 소스 전극영역(22S)과 드레인 전극영역(22D)의 하단은 벌크 실리콘 기판(21)과 연결된 상태로 유지되지만, 나노 그물망(24)의 아래 부분은 벌크 실리콘 기판(21)으로부터 완전하게 고립된 구조를 갖는다. 따라서, 상기 하부절연층(23)에 의해 벌크 실리콘 기판(21)과 나노 그물망(24)의 핀들 간에 절연이 가능하게 되어 누설전류량을 SOI 기판 사용 시의 누설전류량 이하로 유지할 수 있게 되고, 이로 인하여 감도 열화 현상을 방지할 수 있다.
전극 금속층(25)은 소스 전극영역(22S)과 드레인 전극영역(22D)의 상부에 각기 증착되고, 상부절연층(26) 및 상부 유체 채널층(27)은 전극 금속층(25)의 상부에 순차적으로 적층된다.
탐지물질(28A)은 나노 그물망(24)에 부착되어 표적물질(28B)과 선택적으로 부착되는 역할을 한다.
수중 게이트 전극(29)은 나노선 채널 영역에 채워지는 용액의 전위를 고정시키는 역할을 한다.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법에 대한 흐름도로서 이에 도시한 바와 같이, 활동영역 형성단계(S310); 하부절연층 형성단계(S320); 불순물 주입단계(S330); 핀 분리단계(S340); 게이트절연막 형성단계(S350); 전극 형성단계(S360); 상부절연층 형성단계(S370); 유체주입구 형성단계(S380); 및 탐지물질 고정단계(S390)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 나노선 전계효과 센서의 제조방법에 대하여 도 4 내지 도 12를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 벌크 실리콘 기판의 상부에 소스 전극영역(22S), 드레인 전극영역(22D) 및 나노 그물망(24)을 형성하는 활동영역 형성단계(S310)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전자빔 리소그래피, 스테퍼 및 스캐너 중 어느 하나를 이용하여 벌크 실리콘 기판(21)의 상부에 소스 전극영역(22S), 드레인 전극영역(22D) 및 나노 그물망(24)을 패터닝한 후 건식식각 또는 습식식각 공정을 이용하여 나노선 전계효과 센서의 활동영역을 형성한다. 나노 그물망(24)의 선폭은 특별하게 한정되지 않으나, 공정상의 한계인 5nm 내지 높은 감도를 갖도록 하기 위한 나노선의 최대 넓이인 1μm의 범위 내로 제작되는 것이 바람직하며, 나노 그물망(24)의 식각된 높이는 차후에 형성되는 하부절연층(23)에 의해 보다 효과적으로 절연되도록 하고 폭과의 종횡비를 고려할 때 50nm 내지 1μm인 것이 바람직하다. 그리고, 나노 그물망(24)의 그물코 크기는 공정상의 한계와 구조적 안정성을 고려할 때 5nm 내지 20μm인 것이 바람직하며, 구조는 특별하게 한정되는 것이 아니라 육각형, 원형, 사각형, 직선 등의 모양이 반복되는 구조를 포함할 수 있다.
이후, 활동영역과 벌크 실리콘 기판(21) 사이의 절연을 위해 나노 그물망(24)의 측벽 간의 영역 중에서 활동영역을 제외한 부분에 하부절연층(23)을 형성하는 하부절연층 형성 단계(S320)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
하부절연층(23)을 형성하기 위한 절연 물질은 특별하게 한정되지 않으나, 누설 전류를 효과적으로 절연시킬 수 있는 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등으로 증착될 수 있지만, 후속 공정과의 호환성과 실리콘 기판과의 계면 특성을 고려할 때 실리콘 산화막으로 증착되는 것이 바람직하다. 하부절연층(23)의 높이는 특별하게 한정되지 않으나, 벌크실리콘 기판(21)과 나노 그물망(24)과의 효과적인 절연을 위해 40nm 내지 800nm인 것이 바람직하다. 그리고, 하부절연층(23)으로 표면에 노출되는 나노 그물망(24)의 높이 또한 특별하게 한정되지 않으나, 10nm 내지 200nm인 것이 바람직하며, 플라즈마 기상 증착, 화학 기상 증착 및 고밀도 플라즈마 기상 증착 중 어느 하나의 방법으로 증착될 수 있다.
이후, 소스 전극영역(22S)과 드레인 전극영역(22D)에 불순물을 주입하는 불순물 주입단계(S330)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전기 전도도를 높이기 위하여, 나노 그물망(24)의 영역을 제외한 소스 전극영역(22S) 및 드레인 전극영역(22D)에 불순물을 주입하게 되는데, 주입되는 불순물은 p 타입 또는 n 타입 반도체를 형성할 수 있는 물질이고, 불순물이 주입되는 소스 전극영역(22S) 및 드레인 전극영역(22D)과 금속 전극층(25)의 사이에 옴 접촉을 형성할 수 있도록 고농도의 불순물을 주입하는 것이 바람직하다. 이 때, 나노 그물망(24)의 영역에 불순물이 주입되는 것을 방지하기 위하여 감광제나 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등으로 이루어진 불순물 주입 방지막(24-3)을 나노 그물망(24) 영역의 상부에 리소그래피 공정과 식각 공정을 통해 패터닝한다. 그 후, 주입된 불순물의 활성화를 위해 고온의 열처리를 수행한다.
이후, 플라즈마 식각 공정에 의해 손상된 표면을 제거하고 나노 그물망(24)을 벌크실리콘 기판(21)으로부터 완전히 절연시키는 핀 분리단계(S340)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
플라즈마 식각 공정에 의해 손상된 표면을 열산화 공정을 통하여 제거하고, 나노 그물망(24)을 벌크실리콘 기판(21)으로부터 완전히 절연시킨다. 이 때, 나노 그물망(24)의 영역을 제외한 부분을 보호하기 위하여 나노선 전계효과 센서의 표면에 실리콘 질화막(23-1)을 도포한 후, 리소그래피 공정과 식각 공정을 이용해 나노 그물망(24)의 영역만을 오픈시키는 패터닝 과정을 수행한다. 이어서, 열산화 과정을 통하여 손상된 표면을 제거함과 동시에, 각 측벽에 수직 방향으로 배열된 핀(24-1)의 하부에 형성된 벌크실리콘 기판(21)을 산화시켜 벌크실리콘 기판(21)으로부터 핀(24-1)을 완전히 분리시키는 공정을 수행한다.
이와 같은 핀 분리단계(S340)는 핀(24-1)을 벌크실리콘 기판(21)으로부터 보다 효과적으로 절연시키기 위한 단계로, 비용과 공정의 복잡도를 고려하여 생략할 수도 있다.
이후, 나노선 전계효과 센서의 나노 그물망(24)의 표면 게이트절연막(24-2)을 형성하는 게이트절연막 형성단계(S350)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
나노선 전계효과 센서 소자의 게이트 제어를 위하여 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 하프늄 옥사이드 및 알루미늄 옥사이드와 같은 절연물질 중에서 하나 이상의 절연물질을 이용하여 나노 그물망(24) 형태의 핀(24-1) 표면에 게이트절연막(24-2)을 형성한다. 이와 같이 형성된 게이트절연막(24-2)에 의해 나노 그물망(24)과 유체가 전기적으로 절연되어 나노선 전계효과 센서의 감도 손실이 방지된다. 더불어, 게이트절연막(24-2)의 표면에는 나노선 전계효과 센서 제작 시 필수 요소인 탐지물질을 고정할 수 있는 화학기가 존재한다.
이와 같은 게이트절연막 형성단계(S350)를 통해 그물망 구조를 가지며, 상기 그물망의 각 측벽에 핀(24-1)이 수직방향으로 배열되고, 상기 핀(24-1)이 게이트절연막(24-2)으로 도포된 구조의 나노 그물망(24)의 제조 공정이 완료된다. 상기 그물망 구조란 육각형을 포함하는 다각형 및 원형 등의 모양이 사방으로 연속해서 배열된 구조를 의미한다. 본 실시예에서의 나노 그물망(24)은 육각형 구조 즉, 육방 격자구조(hexagonal lattice structure)가 사방으로 연속해서 배열된 구조를 예로 하였다. 상기 핀(24-1)의 구조는 특별하게 한정되는 것이 아니라 직사각형을 포함하는 다각형이나 원기둥 등 다양한 구조를 포함할 수 있다.
이후, 소스 전극영역(22S) 및 드레인 전극영역(22D)의 상부에 전극 금속층(25)을 형성하고, 게이트 전위를 인가하기 위해 벌크 실리콘 기판(21)의 상부에 수중 게이트 전극(29)을 형성하는 전극 형성단계(S360)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
소스 전극영역(22S) 및 드레인 전극영역(22D)의 상부에 전극 금속층(25)을 형성한다. 그리고, 나노 그물망(24)에 게이트 전위를 인가하기 위하여, 나노 그물망(24)과 근접된 하부절연층(23)의 상부에 수중 게이트 전극(29)을 형성한다. 이와 같은 게이트 전극 형성공정에서, 나노 그물망(24) 이외의 소스 전극영역(22S) 및 드레인 전극영역(22D)의 상부에도 본의 아니게 게이트절연막이 형성되므로 이 부분의 절연층을 전극 금속층(25)을 형성하기 전에 습식식각으로 제거한다.
이후, 소스 전극영역(22S) 및 드레인 전극영역(22D)으로부터 전해질을 통해 전류가 누설되는 것을 방지하기 위해 상부절연층(26)을 형성하는 상부절연층 형성단계(S370)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
소스 전극영역(22S) 및 드레인 전극영역(22D)으로부터 전해질을 통해 전류가 누설되는 것을 방지하기 위해 전극 금속층(25)의 상부에 상부절연층(26)을 형성하게 되는데, 상부절연층(26)은 감광제 또는 산화막과 같은 절연물질로 이루어질 수 있다. 이 때, 나노선 전계효과 센서의 감지가 이루어지는 나노 그물망(24)의 영역과 수중 게이트 전극(29)의 영역이 용액에 노출될 수 있도록 리소그래피 공정 또는 식각 공정을 이용하여 패터닝한다.
이후, 나노 그물망(24) 및 수중 게이트 전극(29)에 유체를 전달하기 위한 유체 채널층을 형성하는 유체주입구 형성단계(S380)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 11a 및 도 11b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
나노선 전계효과 센서를 동작시키기 위해 수중 게이트 전극(29)의 영역에 유체를 전달하고, 감지가 이루어지는 나노 그물망(24)의 영역에 표적물질(28B)을 포함한 유체를 전달하기 위한 유체주입구를 형성한다. 이를 위해 상부절연층(26) 위에 상부 유체 채널층(27)을 형성한 후, 유체주입구를 패턴하기 위한 리소그래피 공정을 시행한다.
이후, 마지막 단계로서 나노선 전계효과 센서에서 표적물질(28B)과 선택적으로 반응하는 탐지물질(28A)을 나노 그물망(24)의 표면에 고정시키는 탐지물질 고정단계(S390)를 수행하게 되는데, 이에 대하여 도 12a 및 도 12b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
게이트절연막 형성단계(S350)에서 나노 그물망(24)의 상부에 형성된 게이트절연막(24-2)의 표면에 일련의 화학반응을 이용하여 표적물질(28B)과 선택적으로 반응하는 탐지물질(28A)을 고정시킨다. 그 후 표적물질(28B)이 포함된 유체를 상부 유체 채널층(27)을 통해 주입하여 표적물질(28B)이 탐지물질(28A)과 반응하게 된다. 이 때, 표적물질(28B)의 전하에 의해 나노 그물망(24)의 전기 전도도가 변화된다.
상기 도 4a 내지 도 8b 및 해당 설명란에 기재된 나노 그물망(24)은 완성된 나노 그물망이 아니라 나노 그물망 패턴에 해당되며, 실질적인 나노 그물망은 도 8c 내지 도 12b 및 해당 설명란에 기재된 나노 그물망(24)이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
21 : 벌크 실리콘 기판 22S : 소스 전극영역
22D : 드레인 전극영역 23 : 하부절연층
24 : 나노 그물망 24-1 : 핀
24-2 : 게이트절연막 24-3 : 불순물 주입 방지막
25 : 전극 금속층 26 : 상부절연층
27 : 상부 유체 채널층 28A : 탐지물질
28B : 표적물질 29 : 수중 게이트 전극

Claims (18)

  1. 벌크 실리콘 기판의 상부 양측에 서로 대향지게 형성된 소스 전극영역과 드레인 전극영역;
    그물망 구조를 가지며 상기 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 사이에 연결된 나노 그물망;
    상기 벌크 실리콘 기판과 상기 나노 그물망의 사이에 형성되어 상기 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 하단은 상기 벌크 실리콘 기판과 연결된 상태로 유지되도록 하되, 상기 나노 그물망의 하부는 상기 벌크 실리콘 기판으로부터 완전히 고립된 구조를 갖도록 하는 하부절연층; 및
    상기 나노 그물망에 고정되어 외부에서 유입되는 표적물질과 선택적으로 반응하는 탐지물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노 그물망은
    각 측벽에 수직 방향으로 각기 배열된 핀들; 및
    상기 핀들을 각기 도포하는 게이트절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나노선 전계효과 센서는
    상기 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 상부에 각기 증착된 전극 금속층;
    상기 전극 금속층의 상부에 순차적으로 적층된 상부절연층 및 상부 유체 채널층; 및
    나노선 채널 영역에 채워지는 용액의 전위를 고정시키는 수중 게이트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 벌크 실리콘 기판의 재질은
    반도체, 폴리머 및 부도체 소재 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노 그물망의 선폭은
    5nm 내지 1μm인 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나노 그물망은
    다각형이나 원형의 모양이 사방으로 연속해서 배열된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노 그물망은
    육방 격자구조(hexagonal lattice structure)를 기본 구조로 하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서.
  8. 제2항에 있어서, 상기 핀은
    상기 각 측벽에 수직 방향으로 배열되고, 다각형이나 원기둥 중 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서.
  9. (a) 리소그래피 공정과 식각 공정을 이용하여, 벌크 실리콘 기판의 상부에 나노 그물망과 소스 전극영역 및 드레인 전극영역을 형성하는 활동영역 형성단계;
    (b) 상기 활동영역과 벌크 실리콘 기판 사이의 절연을 위해 나노 그물망의 측벽 간의 영역 중에서 상기 활동영역을 제외한 부분에 하부절연층을 형성하여 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 하단은 상기 벌크 실리콘 기판과 연결된 상태로 유지되도록 하고, 상기 나노 그물망의 하부는 상기 벌크 실리콘 기판으로부터 완전히 고립된 구조를 갖도록 하는 하부절연층 형성단계;
    (c) 소스 전극영역과 드레인 전극영역의 전기 전도도를 향상시키기 위해 상기 소스 전극영역과 드레인 전극영역에 불순물을 주입하는 불순물 주입단계;
    (d) 트랜지스터 타입의 나노선 전계효과 센서 소자의 게이트를 제어하기 위하여, 상기 나노 그물망의 각 측벽에 수직으로 배열된 핀에 게이트절연막을 형성하는 게이트절연막 형성단계;
    (e) 상기 소스 전극영역 및 드레인 전극영역의 상부에 전극 금속층을 형성하고, 상기 나노 그물망에 게이트 전위를 인가하기 위해 벌크 실리콘 기판의 상부에 수중 게이트 전극을 형성하는 전극 형성단계;
    (f) 상기 소스 전극영역 및 드레인 전극영역으로부터 전해질을 통해 전류가 누설되는 것을 방지하기 위해 상기 전극 금속층의 상부에 상부절연층을 형성하는 상부절연층 형성단계;
    (g) 상기 나노 그물망 및 수중 게이트 전극에 유체를 전달하기 위한 유체 채널층을 형성하는 유체주입구 형성단계; 및
    (h) 표적물질과 선택적으로 반응하는 탐지물질을 상기 나노 그물망의 표면에 고정시키는 탐지물질 고정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 나노선 전계효과 센서의 제조방법은
    열산화 공정을 이용하여, 플라즈마 식각 공정에 의해 손상된 표면을 제거하고 상기 나노 그물망을 상기 벌크실리콘 기판으로부터 절연시키는 핀 분리단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 활동영역 형성단계는
    상기 나노 그물망이 전자빔 리소그래피, 스테퍼 및 스캐너 중 어느 하나에 의해 패터닝된 후 건식식각 또는 습식식각 공정이 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 하부절연층 형성단계는
    하부절연층이 플라즈마 기상 증착, 화학 기상 증착 및 고밀도 플라즈마 기상 증착 중 어느 하나의 기법으로 증착되고, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막이 증착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 불순물 주입단계는
    전기 전도도를 높이기 위하여, 상기 나노 그물망의 영역을 제외한 소스 전극영역 및 드레인 전극영역에 불순물을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 불순물 주입단계는
    불순물이 주입되는 소스 전극영역 및 드레인 전극영역과 금속 전극층의 사이에 옴 접촉이 형성되도록 고농도의 불순물을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 불순물 주입단계는
    상기 나노 그물망의 영역에 불순물이 주입되는 것을 방지하기 위하여 감광제나 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등으로 이루어진 불순물 주입 방지막을 상기 나노 그물망 영역의 상부에 리소그래피 공정과 식각 공정을 통해 패터닝하는 단계; 및
    주입된 불순물의 활성화를 위해 고온의 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 상부절연층은 감광제 또는 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 상부절연층 형성단계는
    나노선 전계효과 센서의 감지가 이루어지는 상기 나노 그물망의 영역과 수중 게이트 전극의 영역이 용액에 노출될 수 있도록 리소그래피 공정이나 식각 공정을 이용하여 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  18. 제9항에 있어서, 상기 나노 그물망은
    육방 격자구조(hexagonal lattice structure)를 기본 구조로 하는 것을 특징으로 하는 그물망 구조의 나노선을 구비한 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
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