KR20170084387A - 바이오 센서 - Google Patents

Abstract

본 실시예에 의한 바이오 센서는 제1 면과 제2 면을 가지며, 제1 도전형 불순물(dopant)로 고농도 도핑(doping)된 실리콘 바디와, 제1 면 표면을 커버하며, 타겟 물질과 결합하는 프로브가 배치되는 절연층(insulator layer)와, 절연층 상에 배치되는 제1 전극과, 제2 면 상에 배치된 신호 처리 회로를 포함하는 센서로, 신호 처리 회로가 센서는 실리콘 바디와 제1 전극 사이의 커패시턴스 변화를 측정하여 타겟 물질과 프로브 사이의 결합을 검출한다.

Description

바이오 센서{Biosensor}

본 발명은 바이오 센서에 관한 것이다.

종래의 바이오 센서는 센서로 검출하고자 하는 타겟 물질과 특이적으로 결합하는 프로브를 배치하고 타겟 물질과 프로브의 결합시 발생하는 전기적 특성의 변화를 검출한다. 이러한 전기적 특성의 변화는 전기적 신호의 변화로 나타나며, 이를 증폭후, 신호처리 과정을 거쳐 목적하는 신호를 얻을 수 있다.

종래 기술에 의한 바이오 센서는 박막 트랜지스터(TFT)나 실리콘 기반의 바이오 센서칩과 센서에서 제공하는 전기적 신호를 처리하는 CMOS(Complementary MOS) 기반 칩을 연동하여 사용하여야 한다. 또한, 센서와 신호 처리 칩을 따로 구현하여 하므로 비경제적이며, 나아가 센서와 신호 처리 칩 간에 재료적, 구조적 측면에서 인터페이스가 서로 부합하지 않아 결합하는데 어려움이 있다.

본 실시예에 의한 바이오 센서는 제1 면과 제2 면을 가지며, 제1 도전형 불순물(dopant)로 고농도 도핑(doping)된 실리콘 바디와, 제1 면 표면을 커버하며, 타겟 물질과 결합하는 프로브가 배치되는 절연층(insulator layer)와, 절연층 상에 배치되는 제1 전극과, 제2 면 상에 배치된 신호 처리 회로를 포함하는 센서로, 신호 처리 회로가 센서는 실리콘 바디와 제1 전극 사이의 커패시턴스 변화를 측정하여 타겟 물질과 프로브 사이의 결합을 검출한다.

본 실시예에 의한 바이오 센서는 실리콘 기판의 일면과 타면에 각각 센서부와 검출 회로부가 형성되므로 보다 작은 면적으로 바이오 센서를 형성할 수 있으며, 그에 따라 경제적으로 바이오 센서를 형성할 수 있다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 실시예에 의한 바이오 센서의 단면도이다.
도 2(b)와 도 2(c)는 본 실시예에 의한 바이오 센서의 구현예를 도시한 도면이다.
도 3(a)와 도 3(b)는 예에 의한 바이오 센서의 동작을 설명하기 위한 개요도이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "상부에" 또는 “위에”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접촉하여" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "개재하여"와 "바로 ~개재하여", "~사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예에 의한 바이오 센서를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 바이오 센서의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 바이오 센서는, 제1 면(110)과 제2 면(120)을 가지며, 제1 도전형 불순물(dopant)으로 고농도 도핑(doping)된 실리콘 바디(100)와, 제1 면(110) 표면을 커버하며, 타겟 물질과 결합하는 프로브(P)가 배치되는 절연층(insulator layer, 400)과, 절연층 상에 배치되는 제1 전극(300)과, 제2 면(120) 상에 배치된 신호 처리 회로(200)를 포함하는 센서로, 신호 처리 회로가 센서는 실리콘 바디(100)와 제1 전극 사이의 커패시턴스 변화를 측정하여 타겟 물질과 프로브(P)의 결합을 검출한다.

실리콘 바디(100)는 실리콘 웨이퍼를 다이싱하여 형성되며, 높은 농도의 불순물(dopant)로 도핑된다. 도핑되지 않은 본질적(intrinsic) 실리콘은 부도체이나, 높은 농도의 불순물로 도핑된 실리콘은 전도성(conductivity)를 가진다. 일 실시예로, 실리콘 바디(100)는 p 타입 불순물인 보론(B, boron), 알루미늄(Al, aluminium), 인듐(In, indium) 및 갈륨(Ga, galium) 중 어느 하나의 이온으로 고농도 도핑된다. 다른 실시예로, 실리콘 바디(100)는 n 타입 불순물인 포스포러스(P, phosphorous), 아세닉(As, arsenic), 안티모니(Sb, antimony) 및 비스무스(Bi, bismuth) 중 어느 하나의 이온으로 고농도 도핑된다.

실리콘 바디(100)의 제1 면(110)과 제2 면(120)에는 패시베이션층(400, 410)이 위치한다. 패시베이션층(400, 410)은 외부와 실리콘 바디(100)를 차단하는 막으로, 반도체 표면과 반도체 표면에 유해한 환경을 차단하여 반도체 특성을 안정화하는 것을 말하며, 반도체 표면의 특성을 변경하는 이온을 흡수하거나 이동을 저지하는 등의 기능을 수행한다.

제1 면(110)에 위치하는 패시베이션층(400)에 위치하는 제1 전극(300)은 기판(sub)과 전기적으로 연결된다. 패시베이션층(400)에는 센서로 검출하고자 하는 타겟 물질과 결합 또는 반응하는 프로브(probe, P)가 배치된다.

기판(sub)에 배치된 구동 회로(미도시)는 패시베이션층(410) 내에 위치하는 도전 경로(420)를 통하여 실리콘 바디(100)에 전기적으로 연결된다. 실리콘 바디의 제2 면(120)에는 전기적 신호를 검출하는 검출 회로(dectection circuit, 200)가 위치한다. 검출 회로(200)는 기판(sub)의 패드에 전기적으로 연결된 재배선 층(RDL, 420)과 전기적으로 연결되어 기판(sub)으로부터 동작 전력을 공급받고, 기판(sub)과 전기적 신호를 통신할 수 있다.

실리콘 바디(100)는 몰드(mold, M)로 봉지된다. 일 예로, 몰드(M)는 에폭시 몰드 컴파운드(EMC, Epoxy Mold Compound)이다. 다른 예로, 몰드(M)는 PDMS(Polydimethylsiloxane)이다. 도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 실시예에 의한 바이오 센서에서 제1 전극(300)과 몰드의 구현예를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 2(a)를 참조하면, 제1 전극(300)은 몰드(M)를 관통하는 관통 몰드 비아(TMV, Through Mold Via)의 형태로 구현되어 일단이 패시베이션층(400)에 배치될 수 있다. 본 구현예에 의하면 기판(sub)과 패시베이션층(400) 상부를 연결하는 와이어 본딩 과정 대신 관통 비아를 형성하는 공정을 수행하여 본 실시예에 의한 바이오 센서를 형성할 수 있다.

도 2(b)와 도 2(c)는 본 실시예에 의한 바이오 센서에서, 몰드(M)로 봉지하되, 프로브(P)와 패시베이션층(400)만을 노출한 구현예를 도시한 도면이다. 본 구현예는, 패시베이션층(400)과 기판(sub)을 와이어로 연결하고, 몰드(M)로 봉지한 후, 패시베이션층(400)을 노출하도록 몰드(M)를 제거하고, 노출된 패시베이션층(400) 상에 프로브(P)를 형성하여 구현할 수 있다. 도 2(b)는 에폭시 몰드 컴파운드로 몰드(M)를 형성한 것을 도시한 예이고, 도 2(c)는 PDMS(Polydimethylsiloxane)으로 몰드(M)를 형성한 것을 도시한 예이다.

도시되지 않은 다른 예에 의하면, 바이오 센서는 도 2(b) 및 도 2(c)로 도시된 실시예에서 제1 전극(300)을 도 2(a)로 도시된 예와 같이 몰드를 관통하여 일단이 패시베이션층(400)에 노출되도록 구현될 수 있다.

도 3(a)와 도 3(b)는 예에 의한 바이오 센서의 동작을 설명하기 위한 개요도이다. 도 3(a)를 참조하면, 바이오 센서로 검출하고자 하는 타겟 물질(T)을 포함하는 버퍼 용액(B)을 본 실시예에 의한 센서에 위치한다. 버퍼 용액(B)은 전해질 물질로 도전성을 가지므로 커패시터(Cs)의 일 전극으로 기능하며, 실리콘 바디(100)도 고농도로 도핑되어 도전성을 가지므로 커패시터(Cs)의 타 전극을 기능한다. 또한, 패시베이션층(400)과 패시베이션층(400)에 배치된 프로브(P)들은 일 전극과 타 전극 사이에 배치되어 커패시터(Cs)의 유전물질(dielectric material)로 기능한다.

도 3(b)는 프로브(P)와 타겟 물질(T)이 결합된 상태를 도시한 도면이다. 도 3(b)를 참조하면, 프로브(P)와 타겟 물질(T)이 결합하면 패시베이션층(400)과 프로브(P)로 이루어진 커패시터(Cs)의 유전물질에 타겟 물질(T)이 포함되어 커패시터(Cs)의 커패시턴스값에 변화(ΔCs)가 발생한다. 검출 회로(200)는 커패시턴스의 변화를 검출하여 프로브(P)와 타겟 물질(T)과의 결합을 검출한다.

일 예로, 제1 전극(300)은 접지 전위에 연결되고, 실리콘 바디(100)는 도전 경로(420)를 통하여 구동 전위가 제공될 수 있다. 검출 회로(200)는 실리콘 바디(100)와 제1 전극을 통하여 흐르는 전류와 전압 사이의 관계를 검출하여 프로브(P)와 타겟 물질(T)의 결합을 검출할 수 있다.

제1 전극(300)과 실리콘 바디(100) 사이에 전압이 제공되면 검출 회로(200)에 목적하지 않은 전압, 전류 신호가 유입될 수 있다. 일 실시예로, 실리콘 바디(100)가 도핑된 도전형과 반대의 도전형으로 웰을 형성하고 역바이어스를 제공하여 실리콘 바디(100)와 검출 회로(200)을 전기적으로 격리할 수 있다. 다른 실시예로, 실리콘 바디(100)가 도핑된 도전형과 반대 도전형의 불순물로 실리콘 바디에 이온을 주입하여 전기적 배리어(barrier)를 형성하고, 상기 배리어와 실리콘 바디에 역바이어스를 제공하여 검출 회로(200)를 전기적으로 격리할 수 있다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 실리콘 바디 110: 제1 면
120: 제2 면 200: 검출 회로
300: 제1 전극 400, 410: 패시베이션층
420: 도전 경로

Claims (8)

1. 제1 면과 제2 면을 가지며, 제1 도전형 불순물(dopant)로 고농도 도핑(doping)된 실리콘 바디;
   상기 제1 면 표면을 커버하며, 타겟 물질과 결합하는 프로브가 배치되는 절연층(insulator layer);
   상기 절연층 상에 배치되는 제1 전극;
   상기 제2 면 상에 배치된 신호 처리 회로를 포함하는 센서로, 상기 신호 처리 회로가 상기 센서는 상기 실리콘 바디와 상기 제1 전극 사이의 커패시턴스 변화를 측정하여 상기 타겟 물질과 상기 프로브 사이의 결합을 검출하는 바이오 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 신호 처리 회로는 상기 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형으로 도핑된 배리어(barrier)에 배치되는 바이오 센서.
3. 제1항에 있어서,
   상기 배리어는 상기 제2 도전형으로 도핑된 웰, 상기 제2 도전형의 불순물이 이온 주입되어 형성된 배리어 층인 바이오 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 기준 전극과 상기 실리콘 바디에는 접지 전위와 공급 전위가 제공되는 바이오 센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 바이오 센서는 기판(substrate)을 더 포함하며,
   상기 기준 전극은 상기 기판으로부터 절연층까지 와이어로 연결된 바이오 센서.
6. 제1항에 있어서,
   상기 바이오 센서는 상기 실리콘 바디를 봉지하는 몰드(mold)와, 기판을 더 포함하며,
   상기 기준 전극은 상기 기판으로부터 상기 몰드를 관통하여 절연층까지 연결된 바이오 센서.
7. 제6항에 있어서,
   상기 몰드는 EMC(Epoxy Mold Compound), PDMS 중 하나인 바이오 센서.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 면과 상기 제2면은 서로 반대 방향을 향하는 바이오 센서.
   

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