KR20240130937A - Semiconductor-based dna chip, manufacturing method, data storage and reading method thereof - Google Patents
Semiconductor-based dna chip, manufacturing method, data storage and reading method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240130937A KR20240130937A KR1020230023971A KR20230023971A KR20240130937A KR 20240130937 A KR20240130937 A KR 20240130937A KR 1020230023971 A KR1020230023971 A KR 1020230023971A KR 20230023971 A KR20230023971 A KR 20230023971A KR 20240130937 A KR20240130937 A KR 20240130937A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- nanopore
- dna chip
- insulating film
- semiconductor
- control electrode
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000013500 data storage Methods 0.000 title claims description 10
- 238000000018 DNA microarray Methods 0.000 claims abstract description 65
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 37
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 90
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 50
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 claims description 44
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 26
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 26
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 claims description 25
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 24
- 108020004682 Single-Stranded DNA Proteins 0.000 claims description 22
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 15
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 13
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 12
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 9
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 5
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 25
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 14
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 11
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 10
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 10
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 6
- 238000001712 DNA sequencing Methods 0.000 description 5
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- OPTASPLRGRRNAP-UHFFFAOYSA-N cytosine Chemical compound NC=1C=CNC(=O)N=1 OPTASPLRGRRNAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- UYTPUPDQBNUYGX-UHFFFAOYSA-N guanine Chemical compound O=C1NC(N)=NC2=C1N=CN2 UYTPUPDQBNUYGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 4
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 4
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- RWQNBRDOKXIBIV-UHFFFAOYSA-N thymine Chemical compound CC1=CNC(=O)NC1=O RWQNBRDOKXIBIV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 3
- 229930024421 Adenine Natural products 0.000 description 2
- GFFGJBXGBJISGV-UHFFFAOYSA-N Adenine Chemical compound NC1=NC=NC2=C1N=CN2 GFFGJBXGBJISGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229960000643 adenine Drugs 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 2
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 2
- 229940104302 cytosine Drugs 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 2
- 229940113082 thymine Drugs 0.000 description 2
- -1 tungsten (W) Chemical class 0.000 description 2
- 241001678559 COVID-19 virus Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108060002716 Exonuclease Proteins 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000004310 Ion Channels Human genes 0.000 description 1
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 1
- 229910002064 alloy oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 102000013165 exonuclease Human genes 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000007671 third-generation sequencing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6813—Hybridisation assays
- C12Q1/6816—Hybridisation assays characterised by the detection means
- C12Q1/6825—Nucleic acid detection involving sensors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6869—Methods for sequencing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q2563/00—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties
- C12Q2563/113—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties the label being electroactive, e.g. redox labels
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q2565/00—Nucleic acid analysis characterised by mode or means of detection
- C12Q2565/60—Detection means characterised by use of a special device
- C12Q2565/607—Detection means characterised by use of a special device being a sensor, e.g. electrode
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q2565/00—Nucleic acid analysis characterised by mode or means of detection
- C12Q2565/60—Detection means characterised by use of a special device
- C12Q2565/631—Detection means characterised by use of a special device being a biochannel or pore
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
본 발명은 반도체 기반 DNA 칩 및 그 제조방법, 데이터 저장 및 읽기 방법에 관한 것으로, 반도체 기술이 적용 가능한 실리콘 기반의 나노포어 막을 이용하여 단일 나노포어를 구성함으로써 기존 생물학적 나노포어에 비해 반도체 기술을 접목하여 간편하게 단일 나노포어의 직경과 나노포어 막의 두께를 보다 정밀하게 제어할 수 있다. The present invention relates to a semiconductor-based DNA chip and a method for manufacturing the same, and a method for storing and reading data. By forming a single nanopore using a silicon-based nanopore membrane to which semiconductor technology can be applied, the diameter of a single nanopore and the thickness of the nanopore membrane can be more precisely controlled by incorporating semiconductor technology compared to existing biological nanopores.
Description
본 발명은 반도체 기반 DNA 칩 및 그 제조방법, 그리고 이렇게 구현된 DNA 칩 내에 데이터(유전자 정보)를 저장하고, 저장된 데이터를 읽기 위한 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor-based DNA chip and a method for manufacturing the same, and a method for storing data (genetic information) in a DNA chip implemented in this manner and reading the stored data.
DNA 칩은 수백 개에서 수십만 개의 DNA를 작은 공간에 단일 나선의 형태로 고정시켜 놓은 DNA 검출용 소자를 말한다. DNA는 아데닌(adenine, A), 티민(thymine, T), 사이토신(cytosine, C), 구아닌(guanine, G) 간의 강하고 선택적인 결합으로 인해 이중 나선을 이루는 고유한 특징을 지니고 있으며, DNA 칩은 이러한 상보적인 서열을 인지하고 선택적으로 결합하는 DNA의 성질을 활용한 칩을 말한다. A DNA chip is a DNA detection device that fixes hundreds to hundreds of thousands of DNAs in a single helix form in a small space. DNA has the unique characteristic of forming a double helix due to the strong and selective bonding between adenine (A), thymine (T), cytosine (C), and guanine (G), and a DNA chip is a chip that utilizes the property of DNA to recognize and selectively bind to these complementary sequences.
DNA 염기서열 기술(sequencing technology)은 향후 질병 치료, 특히 개인화 의학(personalized medicine)을 실현하는데 있어서 지대한 영향을 미칠 것으로 기대하고 있다. 현재 DNA 염기서열 기술로는 비-나노포어(non-nanopore) 기술이 상업화되었으나, 데이터 처리를 위해 많은 양의 샘플 준비와 복잡한 알고리즘이 필요하고, 데이터 처리량이 적은 단점이 있으며, 비교적 많은 비용이 소요되고, 읽기 길이(read length)가 짧다는 등의 한계점을 지니고 있다. 이에 따라 최근에는 3세대 염기서열 기술 개발 이후 DNA 염기서열 기술은 이제 단분자 나노포어 기술시대로 접어들고 있다. DNA sequencing technology is expected to have a significant impact on the realization of future disease treatment, especially personalized medicine. Currently, non-nanopore technology has been commercialized as a DNA sequencing technology, but it has limitations such as requiring a large amount of sample preparation and complex algorithms for data processing, low data processing volume, relatively high cost, and short read length. Accordingly, after the development of the third-generation sequencing technology, DNA sequencing technology is now entering the era of single-molecule nanopore technology.
나노포어(nanopores)란 나노미터(nm, 10-9m) 크기의 기공(pore)을 지칭하는 것으로, 1996년부터는 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)에 발표된 최초의 나노포어 논문을 시작으로 단일 분자에 대한 나노포어 기반 검출이 DNA 염기서열 기술 중 하나로 부상하였다. 이러한 나노포어 기반의 중요한 장점으로는 화학적인 라벨링(chemical labeling)이 필요 없고, 또한 긴 길이의 DNA를 읽는 것이 가능하고 정보 처리량이 우수하다는 것이다. Nanopores refer to pores with a size of nanometers (nm, 10 -9 m), and starting with the first nanopore paper published in the Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) in 1996, nanopore-based detection of single molecules has emerged as one of the DNA sequencing technologies. The important advantages of this nanopore-based technology are that it does not require chemical labeling, it is possible to read long lengths of DNA, and it has excellent information throughput.
나노포어 기반 기술은 인가되는 외부 전압에 기인하여 기공 크기보다 약간 작은 크기의 입자가 기공을 통과하는 원리를 이용한다. 나노미터 크기의 기공은 생물학적 막(biological membrane)에 박혀 있거나, 또는 그래핀(graphene)과 같은 고체 필름에 형성되어 있어 전도성 전해질을 함유한 저장소(reservoir)를 cis-구획과 trans-구획으로 분리한다. 전압을 가하면 전해질 용액(electrolyte solution)의 이온은 기공을 전기영동(electrophoresis)의 원리로 통과하게 되면서 이온 전류 신호를 발생시킨다. cis-구획에 형성된 음전하를 띄는(anionic) DNA 분자와 같은 분석 물질에 의해 기공이 막히면 나노포어를 통과하는 전류가 차단되어 현재 신호를 방해하게 된다. 이러한 일련의 과정에서 발생하는 전류의 진폭과 반응 지속시간 등을 통계적으로 분석하면 목표물 분자의 물리적 및 화학적 특성을 파악할 수 있게 된다.Nanopore-based technology uses the principle that particles slightly smaller than the pore size pass through the pore due to an applied external voltage. The nanometer-sized pores are embedded in biological membranes or formed in solid films such as graphene, separating the reservoir containing the conductive electrolyte into cis-compartment and trans-compartment. When voltage is applied, ions in the electrolyte solution pass through the pore by the principle of electrophoresis, generating an ionic current signal. When the pore is blocked by an analyte such as an anionic DNA molecule formed in the cis-compartment, the current passing through the nanopore is blocked, thereby interfering with the current signal. Statistically analyzing the amplitude and response duration of the current generated in this series of processes can help identify the physical and chemical properties of the target molecule.
나노포어를 이루는 막의 구성 재질로는 생물학적 나노포어(biological nanopores)가 사용되었다. 생물학적 나노포어로는 대표적으로 옥스포드나노포어(Oxford Nanopore)사의 기술이 알려져 있다. 옥스포드나노포어사의 기술은 나노 크기의 기공에 한 가닥의 DNA가 통과하면서 발생하는 각 염기서열에 따른 전위 변화를 분석하는 방식을 적용하고 있다. DNA와 효소가 결합된 복합체는 얇은 막 위에 모터 단백질(motor protein)에 붙고 외핵산분해효소(exonuclease)가 이중나선(double-stranded) 구조의 DNA 끝에 결합하여 단일 가닥(single-strand) DNA를 만들어 내고, 이렇게 만들어진 단일 가닥 DNA는 단백질로 만들어진 막의 기공을 통과하면서 전기신호를 발생하게 되며, 이를 칩을 이용하여 측정한다. 이러한 생물학적 나노포어는 DNA 염기서열 기술에 있어 민감도(sensitivity)가 높으면서 정확한 전기 신호를 생성할 수 있고, 또한 우수한 재현성(reproducibility)을 제공할 수도 있다. Biological nanopores were used as the membrane material for the nanopores. Oxford Nanopore's technology is a representative biological nanopore. Oxford Nanopore's technology analyzes the change in potential according to each base sequence that occurs when a single strand of DNA passes through a nano-sized pore. The complex of DNA and enzyme is attached to a motor protein on a thin membrane, and exonuclease binds to the end of the double-stranded DNA to create single-strand DNA. The single-stranded DNA created in this way generates an electric signal as it passes through the pore of the protein membrane, which is measured using a chip. Such biological nanopores can generate highly sensitive and accurate electric signals in DNA base sequence technology, and can also provide excellent reproducibility.
생물학적 나노포어 기술에 있어서, 단백질 나노포어의 경우에는 연구자의 의도에 따라 기공(pore)의 크기와 전하(charge)를 조작하기가(manipulation) 용이하지 않고, 더욱이 단백질이 이용될 경우 온도나 수소 이온 농도(pH: potentiel hydrogene)의 작은 변화 조차도 생물학적 나노포어의 순응도(compliance)와 생물학적 활성도(biological activity)에 큰 영향을 미치기 때문에 외부 환경 조건에 민감하다.In biological nanopore technology, in the case of protein nanopores, it is not easy to manipulate the pore size and charge according to the researcher's intention, and furthermore, when proteins are used, even small changes in temperature or hydrogen ion concentration (pH: potential hydrogene) have a significant effect on the compliance and biological activity of biological nanopores, making them sensitive to external environmental conditions.
따라서, 본 발명은 위에서 기술된 문제점들을 포함하여 나노포어 기술이 접목된 DNA 칩에 있어서 발생할 수 있는 제반 문제점들을 해결하기 위해 제안될 수 있다. Accordingly, the present invention can be proposed to solve various problems that may occur in a DNA chip grafted with nanopore technology, including the problems described above.
본 발명은 해결하고자 하는 하나의 과제(목적)로서, 나노포어의 직경을 효과적으로 조정하기 위해 반도체 기술이 접목된 DNA 칩과 그 제조방법을 제공하는데 있다.The present invention, as one problem (purpose) to be solved, is to provide a DNA chip and a manufacturing method thereof incorporating semiconductor technology to effectively adjust the diameter of nanopores.
또한, 본 발명은 해결하고자 하는 다른 과제로서, 본 명세서에서 새롭게 제안되는 반도체 기술이 접목된 DNA 칩에 대한 데이터 저장 및 읽기 방법을 제공하는데 있다. In addition, another problem to be solved by the present invention is to provide a method for storing and reading data for a DNA chip to which the semiconductor technology newly proposed in this specification is applied.
또한, 본 발명은 해결하고자 하는 또 다른 과제로서, 본 명세서에서 제안된 DNA 칩의 데이터 저장용량을 증대시킬 수 있는 확장 가능한 DNA 칩을 제공하는데 있다. In addition, another problem to be solved by the present invention is to provide an expandable DNA chip capable of increasing the data storage capacity of the DNA chip proposed in this specification.
한편, 본 발명은 전술한 과제들로 제한되지 않는다. 후술하는 다양한 실시예들 및 청구범위를 통해 기재된 기술들을 통해 다양한 과제들이 추가로 제공될 수도 있다. Meanwhile, the present invention is not limited to the tasks described above. Various tasks may be additionally provided through the techniques described in the various embodiments and claims described below.
상기한 목적을 달성하기 위한 실시 예에 따른 본 발명은 전해질이 채워지는 제1 및 제2 유체 저장소가 형성된 제1 및 제2 유체 구획부; 및 상기 제1 유체 구획부와 상기 제2 유체 구획부 사이에 형성되고, 상기 제1 및 제2 유체 저장소가 서로 연통하는 단일 나노포어가 형성된 실리콘 기반 나노포어 막을 포함하는 반도체 기반 DNA 칩을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention according to an embodiment provides a semiconductor-based DNA chip including first and second fluid compartments in which first and second fluid reservoirs filled with electrolytes are formed; and a silicon-based nanopore membrane formed between the first fluid compartment and the second fluid compartment and in which a single nanopore is formed so that the first and second fluid reservoirs communicate with each other.
또한, 상기 제1 유체 구획부는 상기 제1 유체 저장소의 하부에 형성된 드레인 전극을 포함하고, 상기 제2 유체 구획부는 상기 나노포어 막의 상부에 상기 제2 유체 저장소를 둘러싸도록 형성된 제어전극과 소스 전극을 포함할 수 있다. Additionally, the first fluid compartment may include a drain electrode formed at a lower portion of the first fluid reservoir, and the second fluid compartment may include a control electrode and a source electrode formed at an upper portion of the nanopore membrane to surround the second fluid reservoir.
또한, 상기 제1 유체 구획부는 상기 나노포어 막의 하부를 덮고 상기 제1 유체 저장소를 둘러싸도록 형성된 하부 절연막을 포함하고, 상기 제2 유체 구획부는 상기 나노포어 막의 상부를 덮도록 상기 제어전극의 하부에 형성되고 상기 제2 유체 저장소의 바닥부와 하부를 둘러싸도록 형성된 상부 절연막을 포함할 수 있다. Additionally, the first fluid compartment may include a lower insulating film formed to cover the lower portion of the nanopore membrane and surround the first fluid reservoir, and the second fluid compartment may include an upper insulating film formed at the lower portion of the control electrode to cover the upper portion of the nanopore membrane and surround the bottom and lower portion of the second fluid reservoir.
또한, 상기 나노포어 막은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. Additionally, the nanopore membrane can be formed of a silicon nitride film.
또한, 상기 단일 나노포어는 1~5nm 직경으로 형성될 수 있다. Additionally, the single nanopore can be formed with a diameter of 1 to 5 nm.
또한, 상기 제어전극은 한 개 또는 복수 개가 적층 형성될 수 있다. Additionally, the control electrode may be formed by stacking one or more of them.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 실시 예에 따른 본 발명은 베이스 기판 상에 하부 전극층, 희생 절연층, 하부 절연막, 실리콘 기반 나노포어 막, 상부 절연막, 제1 상부 전극층, 분리 절연막 및 제2 상부 전극층을 형성하는 과정; 상기 제2 상부 전극층, 상기 분리 절연막 및 상기 제1 상부 전극층을 식각하여 홀을 형성하는 과정; 상기 홀의 내벽에 스페이서를 형성하는 과정; 상기 스페이서를 이용하여 상기 스페이서 사이로 노출되는 상기 상부 절연막, 상기 나노포어 막 및 상기 하부 절연막을 식각하여 단일 나노포어를 형성하는 과정; 상기 스페이서를 제거하는 과정; 및 상기 하부 절연막과 상기 하부 전극층에 의해 구획된 상기 희생 절연층을 선택적으로 제거하는 과정을 포함하는 반도체 기반 DNA 칩의 제조방법을 제공한다. In addition, according to another embodiment of the present invention for achieving the above-mentioned purpose, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor-based DNA chip, including a process of forming a lower electrode layer, a sacrificial insulating layer, a lower insulating film, a silicon-based nanopore film, an upper insulating film, a first upper electrode layer, a separation insulating film, and a second upper electrode layer on a base substrate; a process of etching the second upper electrode layer, the separation insulating film, and the first upper electrode layer to form a hole; a process of forming a spacer on an inner wall of the hole; a process of etching the upper insulating film, the nanopore film, and the lower insulating film exposed between the spacers using the spacer to form a single nanopore; a process of removing the spacer; and a process of selectively removing the sacrificial insulating layer partitioned by the lower insulating film and the lower electrode layer.
또한, 상기 희생 절연층을 선택적으로 제거하는 과정은 희생 절연막을 이용하여 상기 단일 나노포어와 상기 홀을 매립한 상태에서 상기 희생 절연층으로 식각용액을 투입하여 제거할 수 있다. In addition, the process of selectively removing the sacrificial insulating layer can be performed by filling the single nanopore and the hole using a sacrificial insulating film and injecting an etching solution into the sacrificial insulating layer to remove it.
또한, 상기 희생 절연막은 상기 홀의 내벽에 실리콘 산화막으로 이루어진 스페이서를 형성한 후 금속물질을 이용하여 상기 홀을 매립할 수 있다. In addition, the sacrificial insulating film can form a spacer made of a silicon oxide film on the inner wall of the hole and then fill the hole using a metal material.
또한, 상기 희생 절연막은 실리콘 질화막을 이용하여 상기 홀을 일부 매립한 후 나머지는 실리콘 산화막을 이용하여 상기 홀을 매립할 수 있다. In addition, the sacrificial insulating film can partially fill the hole using a silicon nitride film and then fill the remainder using a silicon oxide film.
또한, 상기 나노포어 막은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다. Additionally, the nanopore membrane can be formed of a silicon nitride membrane.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시 예에 따른 본 발명은 상기한 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 저장 방법에 있어서, 제어전극에 양전압을 인가하여 제2 유체 저장소에 존재하는 단일 가닥 DNA를 상기 제어전극에 부착 고정하는 과정을 포함하는 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 저장방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention for achieving the above-mentioned purpose, the present invention provides a data storage method of a semiconductor substrate DNA chip, including a process of attaching and fixing a single-stranded DNA existing in a second fluid reservoir to the control electrode by applying a positive voltage to the control electrode.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시 예에 따른 본 발명은 상기한 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 읽기 방법에 있어서, 제어전극에 음전압을 인가하여 상기 제어전극에 부착 고정된 단일 가닥 DNA를 탈락시키는 과정; 상기 드레인 전극에 양전압을 인가하고, 상기 소스 전극에 접지전압을 인가하여 제1 및 제2 유체 저장소에 채워진 전해질 용액의 전하 흐름을 유도하는 과정; 및 상기 전해질 용액의 전하 흐름에 기인한 전류 흐름을 감지하여 상기 제어전극으로부터 탈락된 상기 단일 가닥 DAN가 단일 나노포어를 통과할 때 변화하는 전류 변화량을 감지하는 과정을 포함하는 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 읽기 방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention for achieving the above-mentioned purpose, the present invention provides a method for reading data of a semiconductor substrate DNA chip, including a process of applying a negative voltage to a control electrode to detach a single-stranded DNA attached and fixed to the control electrode; a process of applying a positive voltage to the drain electrode and a ground voltage to the source electrode to induce a charge flow of an electrolyte solution filled in first and second fluid reservoirs; and a process of detecting a current flow due to the charge flow of the electrolyte solution to detect a current change amount that changes when the single-stranded DNA detached from the control electrode passes through a single nanopore.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시 예에 따른 본 발명은 상기한 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 저장 및 읽기 방법에 있어서, 제어전극에 양전압을 인가하여 제2 유체 저장소에 존재하는 단일 가닥 DNA를 상기 제어전극에 부착 고정하는 과정; 상기 제어전극에 음전압을 인가하여 상기 제어전극에 부착 고정된 단일 가닥 DNA를 탈락시키는 과정; 상기 드레인 전극에 양전압을 인가하고, 상기 소스 전극에 접지전압을 인가하여 제1 및 제2 유체 저장소에 채워진 전해질 용액의 전하 흐름을 유도하는 과정; 및 상기 전해질 용액의 전하 흐름에 기인한 전류 흐름을 감지하여 상기 제어전극으로부터 탈락된 상기 단일 가닥 DAN가 단일 나노포어를 통과할 때 변화하는 전류 변화량을 감지하는 과정을 포함하는 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 저장 및 읽기 방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention for achieving the above-mentioned purpose, a method for storing and reading data of a semiconductor substrate DNA chip is provided, including a process for applying a positive voltage to a control electrode to attach and fix a single-stranded DNA existing in a second fluid reservoir to the control electrode; a process for applying a negative voltage to the control electrode to detach the single-stranded DNA attached and fixed to the control electrode; a process for applying a positive voltage to the drain electrode and a ground voltage to the source electrode to induce a charge flow of an electrolyte solution filled in the first and second fluid reservoirs; and a process for detecting a current flow due to the charge flow of the electrolyte solution to detect a current change amount that changes when the single-stranded DNA detached from the control electrode passes through a single nanopore.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 DNA 칩에 따르면, 실리콘 기반의 나노포어 막을 이용하여 단일 나노포어를 구성함으로써 기존 생물학적 나노포어에 비해 반도체 기술을 접목하여 간편하게 단일 나노포어의 직경을 미세 조정할 수 있다. As described above, according to the DNA chip of the present invention, by forming a single nanopore using a silicon-based nanopore membrane, the diameter of the single nanopore can be easily finely adjusted by grafting semiconductor technology compared to existing biological nanopores.
또한, 본 발명에 따른 DNA 칩에 따르면, 반도체 기술 적용이 가능한 실리콘 기반으로 나노포어 막을 형성함으로써 나노포어 막의 두께를 보다 정밀하게 제어할 수 있다. In addition, according to the DNA chip according to the present invention, the thickness of the nanopore membrane can be controlled more precisely by forming the nanopore membrane on a silicon basis to which semiconductor technology can be applied.
또한, 본 발명에 따른 DNA 칩에 따르면, 반도체 기술 적용이 가능한 실리콘 기반으로 나노포어 막을 형성함으로써 기존 생물학적 나노포어에 비해 제조가 단순하고, 증착 및 식각(패터닝) 공정을 이용하여 보다 쉽게 제어전극의 개수를 확장시킴으로써 주소 지정이 가능(addressable)하고, 데이터 저장용량을 증대시킬 수 있다.In addition, according to the DNA chip according to the present invention, since a nanopore membrane is formed on a silicon basis to which semiconductor technology can be applied, the manufacturing process is simpler than that of existing biological nanopores, and the number of control electrodes can be more easily expanded using deposition and etching (patterning) processes, thereby enabling addressing and increasing data storage capacity.
또한, 본 발명에 따른 DNA 칩에 따르면, 나노포어 막을 경계로 상하로 형성된 제1 및 제2 유체 구획부에 각각 전극층을 형성함으로써 바이어스 전압(vias voltage)을 인가하여 단일 가닥 DNA의 데이터 저장 및 읽기를 동시에 구현할 수 있다. In addition, according to the DNA chip according to the present invention, by forming electrode layers in the first and second fluid compartments formed upper and lower with the nanopore membrane as the boundary, data storage and reading of single-stranded DNA can be implemented simultaneously by applying a bias voltage.
또한, 본 발명에 따른 DNA 칩에 따르면, 단일 가닥 DNA를 활용하여 데이터를 기록하는 기록장치로 활용될 수 있다. 특히 오랫 동안 변형없이 보관할 수 있다. In addition, according to the DNA chip according to the present invention, it can be utilized as a recording device that records data by utilizing single-stranded DNA. In particular, it can be stored for a long time without deformation.
한편, 본 발명은 전술한 효과들로 제한되지 않으며, 후술하는 다양한 실시예들 및 청구범위를 통해 기재된 기술들을 통해 다양한 효과들이 추가로 제공될 수도 있다. Meanwhile, the present invention is not limited to the effects described above, and various effects may be additionally provided through the techniques described through various embodiments and claims described below.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 기반 DNA 칩을 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 기판 DNA 칩의 구동 특성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 DNA 칩의 데이터 읽기 동작의 개념도.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 기반 DNA 칩을 나타낸 단면도.
도 5 내지 도 28은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 기반 DNA 칩의 제조방법을 나타낸 공정도들.
도 29는 도 5 내지 도 28을 통해 제조된 DNA 칩을 나타낸 평면도.
도 30 및 도 31은 도 29에 나타낸 DNA 칩을 나타낸 단면 사시도들.FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor-based DNA chip according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing showing the driving characteristics of a semiconductor substrate DNA chip according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a conceptual diagram of a data reading operation of a DNA chip according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a semiconductor-based DNA chip according to another embodiment of the present invention.
FIGS. 5 to 28 are process diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor-based DNA chip according to an embodiment of the present invention.
Figure 29 is a plan view showing a DNA chip manufactured through Figures 5 to 28.
Figures 30 and 31 are cross-sectional perspective views showing the DNA chip shown in Figure 29.
본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한, 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. All terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings that can be commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries shall not be ideally or excessively interpreted unless explicitly and specifically defined.
또한, 본 명세서에서 '층'과 '막', 또는 '나노포어'와 '기공'은 혼용되어 기재되어 있으나 동일한 의미로 해석될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 '상부', '상면', '하부', '하면', '측부', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 지칭하고, 도면에서 구성들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 또한, 명세서에서 "및/또는"은 언급된 구성들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하고, 명세서에서 사용되는 '포함한다', '포함하는'은 언급된 구성(층이나 막 등)의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. In addition, although 'layer' and 'film', or 'nanopore' and 'pore' are described interchangeably in this specification, they can be interpreted as having the same meaning. In addition, terms such as 'upper', 'top surface', 'lower', 'lower surface', 'side', and 'side surface' in this specification are based on the drawings, and may actually vary depending on the direction in which the elements are arranged. In addition, the same reference numerals refer to the same components throughout this specification, and the shapes and sizes of the components in the drawings may be exaggerated for clearer explanation. In addition, "and/or" in the specification includes each and all combinations of one or more of the mentioned components. In addition, the singular includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase, and the terms 'includes' and 'including' used in the specification do not exclude the presence or addition of the mentioned components (layers or films, etc.).
이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현되고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다. Hereinafter, the advantages and features of the present invention and the method for achieving them will be clarified by referring to the embodiments described in detail below together with the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and is provided to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, and the present invention is defined by the scope of the claims.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 기반 DNA 칩을 개략적으로 나타낸 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor-based DNA chip according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 DNA 칩(10)은 전해질이 채워진 제1 및 제2 유체 구획부(11, 12)와, 제1 및 제2 유체 구획부(11, 12)를 서로 유체 연결하는 단일 나노포어(13a)를 포함하는 실리콘 기반의 나노포어 막(13)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a DNA chip (10) according to an embodiment of the present invention includes first and second fluid compartments (11, 12) filled with electrolyte, and a silicon-based nanopore membrane (13) including a single nanopore (13a) fluidly connecting the first and second fluid compartments (11, 12) to each other.
제1 및 제2 유체 구획부(11, 12)는 전도성 전해질이 채워지는 제1 및 제2 유체 저장소(11a, 12a)를 포함한다. 제1 유체 저장소(11a)는 나노포어 막(13)의 단일 나노포어(13a)를 통해 제2 유체 구획부(12)의 제2 유체 저장소(12a)와 연통되어 제1 및 제2 유체 저장소(11a)에 채워진 유체는 단일 나노포어(13a)를 통해 서로 연결된다.The first and second fluid compartments (11, 12) include first and second fluid reservoirs (11a, 12a) filled with a conductive electrolyte. The first fluid reservoir (11a) is communicated with the second fluid reservoir (12a) of the second fluid compartment (12) through a single nanopore (13a) of the nanopore membrane (13), so that the fluids filled in the first and second fluid reservoirs (11a) are connected to each other through the single nanopore (13a).
제1 유체 저장소(11a)는 도 1과 같이, 상부에 형성된 나노포어 막(13)과, 하부에 형성된 전극층(11b)과, 측부에 형성된 절연막(11c)에 의해 캐비티(cavity) 형태로 구획될 수 있다. 제1 유체 저장소(11a)의 내부 체적은 제2 유체 저장소(12a)의 내부 체적보다 크거나 작을 수 있다. 또는 동일할 수도 있다. 제1 유체 저장소(11a)의 측벽을 형성하는 절연막(11c)은 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성할 수 있다. 전극층(11b)은 제1 유체 저장소(11a)로 전압을 인가하기 위한 도전층으로서, 가령 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 티타늄 질화막(TiN), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 은(Ag) 또는 금(Au) 등과 같은 금속들 중 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 2중의 금속이 혼합된 합금 또는 금속 산화막으로 이루어질 수도 있다. The first fluid reservoir (11a) can be partitioned into a cavity shape by a nanopore film (13) formed on the upper side, an electrode layer (11b) formed on the lower side, and an insulating film (11c) formed on the side, as shown in FIG. 1. The internal volume of the first fluid reservoir (11a) can be larger or smaller than the internal volume of the second fluid reservoir (12a). Or, they can be the same. The insulating film (11c) forming the side wall of the first fluid reservoir (11a) can be formed of a silicon oxide film (SiO 2 ). The electrode layer (11b) is a conductive layer for applying voltage to the first fluid reservoir (11a), and can be made of any one metal selected from among metals such as tungsten (W), titanium (Ti), titanium nitride (TiN), aluminum (Al), copper (Cu), platinum (Pt), silver (Ag), or gold (Au). Additionally, it may be formed of an alloy or metal oxide film mixed with two metals.
제2 유체 저장소(12a)는 제2 유체 구획부(12)의 중앙에 소정 크기의 내부 체적을 갖도록 형성된다. 이러한 제2 유체 저장소(12a)는 하부에 형성된 나노포어 막(13)과, 측부에 적층 형성된 절연막(12b, 12d) 및 전극층(12c, 12e)에 의해 구획될 수 있다. 절연막(12b, 12d)은 나노포어 막(13)과 전극층(12c), 그리고 전극층(12c, 12e)을 전기적으로 분리하기 위한 막으로서, 소정의 유전율을 갖는 유전체막으로 이루어질 수 있다. 가령 절연막(12b, 12d)는 서로 동일한 유전율을 갖는 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어질 수 있다. 전극층(12c, 12e)은 각각 제2 유체 구획부(12)로 전압을 인가하고자 할 때 전압이 인가되는 도전층으로서, 예를 들어 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 티타늄 질화막(TiN), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 은(Ag) 또는 금(Au) 등과 같은 금속들 중 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 2중의 금속이 혼합된 합금 또는 금속 산화막으로 이루어질 수도 있다. The second fluid reservoir (12a) is formed to have an internal volume of a predetermined size in the center of the second fluid compartment (12). The second fluid reservoir (12a) can be partitioned by a nanopore membrane (13) formed at the bottom, and an insulating membrane (12b, 12d) and an electrode layer (12c, 12e) laminated and formed at the side. The insulating membrane (12b, 12d) is a membrane for electrically separating the nanopore membrane (13), the electrode layer (12c), and the electrode layer (12c, 12e), and can be formed of a dielectric film having a predetermined permittivity. For example, the insulating membrane (12b, 12d) can be formed of a silicon oxide film (SiO 2 ) having the same permittivity. The electrode layers (12c, 12e) are conductive layers to which voltage is applied when voltage is to be applied to the second fluid compartment (12), and may be formed of any one metal selected from among metals such as, for example, tungsten (W), titanium (Ti), titanium nitride (TiN), aluminum (Al), copper (Cu), platinum (Pt), silver (Ag), or gold (Au). Additionally, they may be formed of an alloy or a metal oxide film in which two metals are mixed.
나노포어 막(13)은 제1 및 제2 유체 저장소(11a, 12a)를 서로 연통시키는 단일 나노포어(13a)를 구비한다. 단일 나노포어(13a)는 전해질 용액의 이온이 통과하는 통로로서 제1 및 제2 유체 저장소(11a, 12a)에 각각 저장된 전해질 용액을 서로 연결하는 채널로 기능할 수 있다. 전압을 인가하면, 제2 유체 저장소(12a)에 채워진 전해질 용액의 이온은 전기영동(electrophoresis)의 원리에 따라 단일 나노포어(13a)를 통해 제1 유체 저장소(11a)로 이동한다. 제2 유체 저장소(12a)에 저장된 단일 가닥 DNA(single strand DNA)가 단일 나노포어(13a)를 통과하는 과정에서 단일 나노포어(13a)에서 전해질 용액의 전하 흐름(전류 흐름)을 방해하면, 분자 크기가 다른 단일 가닥 DNA(single strand DNA)의 염기서열에 따라 전류의 크기가 변화한다. The nanopore membrane (13) has a single nanopore (13a) that connects the first and second fluid reservoirs (11a, 12a) to each other. The single nanopore (13a) can function as a channel that connects the electrolyte solutions stored in the first and second fluid reservoirs (11a, 12a) to each other as a passage through which ions of the electrolyte solution pass. When voltage is applied, ions of the electrolyte solution filled in the second fluid reservoir (12a) move to the first fluid reservoir (11a) through the single nanopore (13a) according to the principle of electrophoresis. When the single strand DNA stored in the second fluid reservoir (12a) passes through the single nanopore (13a), and the charge flow (current flow) of the electrolyte solution is obstructed in the single nanopore (13a), the size of the current changes according to the base sequence of the single strand DNA with different molecular sizes.
단일 나노포어(13a)의 직경은 DNA와 같은 미세분자를 검출하기 위해서 대략 1~5nm 범위 내에서 제어될 필요가 있다. 가령 단일 나노포어(13a)의 직경이 큰 경우에는 단일 나노포어(13a)를 통과하는 분석 물질의 통과 속도가 지나치게 빨라 단일 가닥 DNA와 같은 미세분자 검출에 있어 높은 일관성을 보이는데 한계가 있을 수 있다. 이에 따라 DNA와 같은 미세분자를 검출 및 분석하기 위해서는 단일 나노포어(13a)의 직경을 미세하게 조정하는 기술이 무엇보다 중요하다. 본 발명의 실시 예에서는 반도체 기술을 접목하여 단일 나노포어(13a)의 직경을 미세하게 조정할 수 있다. The diameter of a single nanopore (13a) needs to be controlled within a range of approximately 1 to 5 nm in order to detect micromolecules such as DNA. For example, if the diameter of the single nanopore (13a) is large, the passage speed of the analyte passing through the single nanopore (13a) may be too fast, which may limit the high consistency in detecting micromolecules such as single-stranded DNA. Accordingly, in order to detect and analyze micromolecules such as DNA, a technology for finely adjusting the diameter of the single nanopore (13a) is of the utmost importance. In an embodiment of the present invention, the diameter of the single nanopore (13a) can be finely adjusted by incorporating semiconductor technology.
본 발명의 실시 예에서는 도 1과 같이, 실리콘 기반 절연막을 이용하여 나노포어 막(13)을 형성한다. 실리콘 기반 절연막은 반도체 제조기술에서 선택적 식각을 가능하게 하며, 이러한 제조기술은 단일 나노포어(13a)의 직경을 미제 조정 가능하도록 제공할 수 있다. 실리콘 기반 절연막으로는 가령 무기질 재료(inorganic materials)를 사용할 수 있다. 바람직하게 실리콘 질화막(Si3N4)을 사용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a nanopore film (13) is formed using a silicon-based insulating film. The silicon-based insulating film enables selective etching in semiconductor manufacturing technology, and this manufacturing technology can provide the ability to finely adjust the diameter of a single nanopore (13a). For example, inorganic materials can be used as the silicon-based insulating film. Preferably, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) can be used.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 기판 DNA 칩의 구동방법을 개략적으로 나타낸 단면도로서, 데이터 저장 및 읽기 방법을 개략적으로 나타낸 단면도이다. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a method for operating a semiconductor substrate DNA chip according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view schematically illustrating a method for storing and reading data.
도 2와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 기반 DNA 칩(10)에서는 DNA 칩(10)에 전압을 인가하여 전도성 전해질 용액의 전하 흐름을 유도하기 위해 제1 유체 구획부(11)에는 1개의 전극층(11b)이 형성되어 있고, 제2 유체 구획부(12)에 2개의 전극층(12c, 12e)이 형성되어 있다. 제2 유체 구획부(12)에 형성된 전극층의 개수는 3개 이상으로 확장될 수 있으며, 이를 통해 DNA 칩에 저장되는 데이터 양을 증가시킬 수 있다. As shown in FIG. 2, in a semiconductor-based DNA chip (10) according to an embodiment of the present invention, one electrode layer (11b) is formed in the first fluid compartment (11) and two electrode layers (12c, 12e) are formed in the second fluid compartment (12) to induce charge flow of a conductive electrolyte solution by applying voltage to the DNA chip (10). The number of electrode layers formed in the second fluid compartment (12) can be expanded to three or more, thereby increasing the amount of data stored in the DNA chip.
제1 유체 구획부(11)에 형성된 전극층(11b)과, 제2 유체 구획부(12)에 형성된 전극층(12c, 12e)에는 각각 소정 크기의 바이어스(bias) 전압이 인가된다. 바이어스 전압의 크기에 따라 DNA 칩(10)에 대한 데이터 저장 및 읽기 동작이 이루어진다. A bias voltage of a predetermined size is applied to each of the electrode layers (11b) formed in the first fluid compartment (11) and the electrode layers (12c, 12e) formed in the second fluid compartment (12). Data storage and reading operations for the DNA chip (10) are performed depending on the size of the bias voltage.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 설명하는데 있어서 이해를 돕고 설명의 편의를 위해 각 전극층에 인가되는 전압의 특성(크기)과 기능에 따라 전극층(12c)은 '제어전극(CE, Control Electrode)', 전극층(12e)은 '소스 전극(source electrode)', 전극층(11b)은 '드레인 전극(drain electrode)'이라 한다. 다만 이러한 용어로 인해 본 발명의 실시 예에서 제안된 기술적 특징들의 범위가 제한되지는 않는다. Hereinafter, in order to help understanding and facilitate explanation in explaining embodiments of the present invention, the electrode layer (12c) is referred to as a 'control electrode (CE)', the electrode layer (12e) is referred to as a 'source electrode', and the electrode layer (11b) is referred to as a 'drain electrode' according to the characteristics (magnitude) of the voltage applied to each electrode layer and its function. However, the scope of the technical features proposed in the embodiments of the present invention is not limited due to these terms.
도 2와 같이, 제어전극(CE1)에는 제2 유체 저장소(12a) 내에 저장된 단일 가닥 DNA(1)을 제어전극(CE1)에 부착 고정하거나, 또는 탈락시키기 위해 소정 크기의 바이어스 전압(+V)이 인가된다. 소스 전극(NPGND)과 드레인 전극(NPHV)에는 제2 유체 저장소(12a)에 채워진 전해질 용액의 전하가 단일 나노포어(13a)를 통해 제1 유체 저장소(11a)로 흘러 전류의 흐름을 유도하기 위해 바이어스 전압이 각각 인가된다. 소스 전극(NPGND)에는 나노포어 접지전압(Nanopore Ground voltage)에 상응하는 바이어스 전압이 인가되고, 드레인 전극(NPHV)에는 나노포어 고전압(Nanopore High Voltage)에 상응하는 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 제어전극(CE1), 소스 전극(NPGND), 드레인 전극(NPHV)에 인가되는 바이어스 전압은 직류(DC) 전압일 수 있다. As shown in FIG. 2, a bias voltage (+V) of a predetermined size is applied to the control electrode (CE1) to attach and fix the single-stranded DNA (1) stored in the second fluid reservoir (12a) to the control electrode (CE1), or to detach it. A bias voltage is applied to the source electrode (NPGND) and the drain electrode (NPHV), respectively, to induce the flow of current by causing the charge of the electrolyte solution filled in the second fluid reservoir (12a) to flow to the first fluid reservoir (11a) through the single nanopore (13a). A bias voltage corresponding to the nanopore ground voltage may be applied to the source electrode (NPGND), and a bias voltage corresponding to the nanopore high voltage may be applied to the drain electrode (NPHV). The bias voltages applied to the control electrode (CE1), the source electrode (NPGND), and the drain electrode (NPHV) may be direct current (DC) voltages.
DNA 칩(10)의 데이터 저장 동작은 제어전극(CE1)으로 인가되는 바이어스 전압에 의해 제2 유체 저장소(12a) 내에서 단일 가닥 DNA(1)가 제어전극(CE1)에 부착 고정된 상태의 동작으로 정의될 수 있고, 읽기 동작은 드레인 전극(NPHV)과 소스 전극(NPGND)에 인가되는 바이어스 전압에 의해 제1 및 제2 유체 저장소(11a, 12a) 내에서 전류 크기의 변화를 전류센서(22)를 통해 감지하는 동작으로 정의될 수 있다. The data storage operation of the DNA chip (10) can be defined as an operation in which a single-stranded DNA (1) is attached and fixed to the control electrode (CE1) within the second fluid reservoir (12a) by a bias voltage applied to the control electrode (CE1), and the read operation can be defined as an operation in which a change in the current size within the first and second fluid reservoirs (11a, 12a) is detected by a current sensor (22) by a bias voltage applied to the drain electrode (NPHV) and the source electrode (NPGND).
가령 제어전극(CE1)에 0.0V~10V 사이의 양전압(positive voltage)이 인가되면, DNA 염기가 합성된 단일 가닥 DNA(1)(150~200개의 염기가 달려있는 DNA 가닥)은 제어전극(CE1)에 부착 고정되는데, 이처럼 단일 가닥 DNA(1)가 제어전극(CE1)으로 인가되는 바이어스 전압에 이끌려 부착 고정된 상태를 데이터가 저장된 상태라 한다. For example, when a positive voltage of between 0.0 V and 10 V is applied to the control electrode (CE1), the single-stranded DNA (1) (a DNA strand with 150 to 200 bases) in which DNA bases are synthesized is attached and fixed to the control electrode (CE1). The state in which the single-stranded DNA (1) is attached and fixed by being attracted by the bias voltage applied to the control electrode (CE1) is called a state in which data is stored.
도 3은 본 발명에 따른 데이터 읽기 동작을 설명하기 위해 나타낸 개념도로서, (a)는 읽기 동작시 DNA 시퀀싱을 나타내고, (b)는 읽기 동작시 전류 변화를 나타낸다.FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a data reading operation according to the present invention, where (a) represents DNA sequencing during a reading operation and (b) represents current changes during a reading operation.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제2 유체 저장소(12a)에 저장된 데이터(단일 가닥 DNA)의 읽기 동작은 아래와 같은 방법으로 수행될 수 있다. 제어전극(CE1)에 0.0V~-10V 사이의 음전압(negative voltage)을 인가하여 제어전극(CE1)에 부착 고정(데이터 저장상태)된 단일 가닥 DNA(1)를 제어전극(CE1)으로부터 탈락시켜 분리한다. 이후 전압원(21)(직류)을 통해 드레인 전극(NPHV)에 0.5~3V 사이의 바이어스 전압을 인가하고, 소스 전극(NPGND)에는 접지전압(GND)을 인가한다. 이러한 바이어스 조건에 의해 제1 및 제2 유체 저장소(11a, 12a)에 채워진 전해질, 예를 들면 KCl 전해질에서 K+ 이온은 소스 전극(NPGND)으로 끌려가고, Cl- 이온은 K+와 반대로 드레인 전극(NPHV)으로 끌려가면서 제1 및 제2 유체 저장소(11a, 12a) 내에서 전류가 흐르게 된다. 이러한 전류의 흐름을 전류센서(22)를 통해 감지하여 모니터링하게 된다. Referring to FIGS. 2 and 3, a read operation of data (single-stranded DNA) stored in a second fluid storage (12a) can be performed in the following manner. A negative voltage of 0.0 V to -10 V is applied to the control electrode (CE1) to detach and separate the single-stranded DNA (1) attached and fixed (in a data storage state) to the control electrode (CE1) from the control electrode (CE1). Thereafter, a bias voltage of 0.5 to 3 V is applied to the drain electrode (NPHV) through a voltage source (21) (direct current), and a ground voltage (GND) is applied to the source electrode (NPGND). Under these bias conditions, K+ ions in the electrolyte filled in the first and second fluid reservoirs (11a, 12a), for example, KCl electrolyte, are attracted to the source electrode (NPGND), and Cl- ions are attracted to the drain electrode (NPHV) in the opposite direction to K+, causing current to flow within the first and second fluid reservoirs (11a, 12a). This current flow is detected and monitored through a current sensor (22).
데이터 읽기 동작시 드레인 전극(NPHV)에 0.5~3V 사이의 바이어스 전압이 인가되고, 소스 전극(NPGND)에는 접지전압이 인가되면, 도 3의 (a)와 같이, 제어전극(CE1)에서 탈락된 후 제1 유체 저장소(11a)에 존재하는 단일 가닥 DNA(1)은 전해질의 전하와 함께 단일 나노포어(13a)를 통해 제1 유체 저장소(11a)로 이동한다. 예를 들어, ①번에서 ③번 단일 가닥 DNA(1)이 단일 나노포어(13a)를 통과하는 과정에서 DNA 염기인 아데닌(A), 티민(T), 사이토신(C), 구아닌(G)이 단일 나노포어(13a)를 막아 전해질의 전하 흐름을 방해한다. 이러한 전해질의 전하 흐름의 방해로 인해 도 3의 (b)와 같이, 전류의 크기가 다르게 감소하게 된다. 전해질의 전하 흐름의 방해 정도는 DNA 염기의 분자 크기에 따라 달라진다. 결국 전해질의 전하 흐름에 기인하여 제1 및 제2 유체 저장소(11a, 12a)에서 흐르는 전류의 크기는 DNA 염기의 분자 크기에 대응하여 변화함으로써 데이터의 읽기 동작이 구현될 수 있다. When a bias voltage of 0.5 to 3 V is applied to the drain electrode (NPHV) during a data read operation and a ground voltage is applied to the source electrode (NPGND), as shown in (a) of Fig. 3, the single-stranded DNA (1) present in the first fluid reservoir (11a) after being detached from the control electrode (CE1) moves to the first fluid reservoir (11a) through the single nanopore (13a) together with the charge of the electrolyte. For example, in the process in which the single-stranded DNA (1) from ① to ③ passes through the single nanopore (13a), the DNA bases adenine (A), thymine (T), cytosine (C), and guanine (G) block the single nanopore (13a) and interfere with the charge flow of the electrolyte. Due to this interference with the charge flow of the electrolyte, the size of the current decreases differently, as shown in (b) of Fig. 3. The degree of interference with the charge flow of the electrolyte varies depending on the molecular size of the DNA base. Ultimately, the size of the current flowing in the first and second fluid reservoirs (11a, 12a) due to the charge flow of the electrolyte changes in response to the molecular size of the DNA base, thereby enabling a data read operation to be implemented.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 기반 DNA 칩을 개략적으로 나타낸 단면도이다. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor-based DNA chip according to another embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 기반 DNA 칩(30)은 도 2에 나타낸 기본 단위 구조(한 개의 제어전극이 구성된 구조)인 DNA 칩(10)에서 확장된 구조를 제시한다. 확장된 DNA 칩(30)은 데이터 저장 용량을 증대시킬 수 있다. Referring to FIG. 4, a semiconductor-based DNA chip (30) according to another embodiment of the present invention presents an expanded structure from the DNA chip (10), which is a basic unit structure (a structure in which one control electrode is formed) shown in FIG. 2. The expanded DNA chip (30) can increase data storage capacity.
도 2에 나타낸 기본 단위 구조의 DNA 칩(10)은 제2 유체 구획부(12)에 한 개의 제어전극(CE1)을 포함하지만, 확장된 DNA 칩(30)에서는 나노포어 막(13)과 소스 전극(NPGND) 사이에 2개 이상의 제어전극이 적층된 구조를 갖는다. 즉, 확장된 구조의 DNA 칩(30)은 제2 유전체 구획부에 복수 개의 제어전극(CE1~CE3)이 형성될 수 있다. 복수 개의 제어전극(CE1~CE3) 사이에는 절연막(예컨대, 실리콘 산화막(Oxide))이 형성되어 서로 분리될 수 있다. 이러한 복수 개의 제어전극(CE1~CE3)은 각각 개별적인 금속라인(어드레스 라인으로 기능)과 연결되어 바이어스 전압을 제공받을 수 있으며, 이를 통해 각 제어전극별로 주소 지정이 가능(addressable)하다. 그 외의 구성은 도 2에 나타낸 기본 단위의 DNA 칩과 동일한 구조로 이루어질 수 있다.The DNA chip (10) of the basic unit structure shown in Fig. 2 includes one control electrode (CE1) in the second fluid compartment (12), but the expanded DNA chip (30) has a structure in which two or more control electrodes are laminated between the nanopore membrane (13) and the source electrode (NPGND). That is, the DNA chip (30) of the expanded structure can have a plurality of control electrodes (CE1 to CE3) formed in the second dielectric compartment. An insulating film (e.g., a silicon oxide film) can be formed between the plurality of control electrodes (CE1 to CE3) so as to be separated from each other. Each of these plurality of control electrodes (CE1 to CE3) can be connected to an individual metal line (functioning as an address line) to receive a bias voltage, and through this, each control electrode can be addressed (addressable). The other configuration can be formed with the same structure as the DNA chip of the basic unit shown in Fig. 2.
도 5 내지 도 28은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 기반 DNA 칩의 제조방법을 나타낸 공정도들로서, 설명의 편의를 위해 일부분을 개략적으로 나타낸 단면도이다. FIGS. 5 to 28 are process diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor-based DNA chip according to an embodiment of the present invention, and are cross-sectional views schematically showing a portion for convenience of explanation.
도 5를 참조하면, 먼저 베이스 기판(101)을 준비한다. 베이스 기판(101)으로는 실리콘 기판을 사용할 수 있다. Referring to Fig. 5, first, a base substrate (101) is prepared. A silicon substrate can be used as the base substrate (101).
이어서, 도 6과 같이, 베이스 기판(101)의 상부에 전도성을 갖는 금속을 이용하여 전극층(102)(이하, '하부 전극층'이라 함)을 형성한다. 하부 전극층(102)은 가령 도 2에 나타낸 드레인 전극(NPHV)에 해당하는 전극일 수 있다. 하부 전극층(102)은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터(sputter) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 중 어느 하나의 증착방법으로 형성할 수 있다. 그 재질로는 텅스텐, 티타늄(Ti), 티타늄 질화막(TiN), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 은(Ag) 또는 금(Au) 등의 금속들 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이외에도 전도성을 갖는 단일 금속이나 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 하부 전극(102)은 베이스 기판(101) 상에 10~500nm 두께로 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 6, an electrode layer (102) (hereinafter referred to as a 'lower electrode layer') is formed on the upper portion of the base substrate (101) using a conductive metal. The lower electrode layer (102) may be, for example, an electrode corresponding to the drain electrode (NPHV) shown in FIG. 2. The lower electrode layer (102) may be formed by any one of a CVD (Chemical Vapor Deposition), a PVD (Physical Vapor Deposition), a sputter, or an ALD (Atomic Layer Deposition). The material may be any one of metals such as tungsten, titanium (Ti), titanium nitride (TiN), aluminum (Al), copper (Cu), platinum (Pt), silver (Ag), or gold (Au). In addition, the lower electrode layer may be formed of a single conductive metal or alloy. In addition, the lower electrode (102) may be formed on the base substrate (101) with a thickness of 10 to 500 nm.
이어서, 도 7과 같이, 하부 전극층(102) 상에 제1 유체 저장소(11a, 도 1 참조)를 형성하기 위한 희생 절연층(103)을 형성한다. 희생 절연층(103)은 후속 공정을 통해 제거되어 그 자리에 제1 유체 저장소(11a)를 형성하며, 가령 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성할 수 있다. 희생 절연층(103)은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion) 또는 CVD 방식으로 형성할 수 있으며, 형성하고자 하는 제1 유체 저장소의 내부 체적을 고려하여 대략 100~1000nm의 두께로 형성할 수 있다. Next, as shown in FIG. 7, a sacrificial insulating layer (103) is formed on the lower electrode layer (102) to form a first fluid reservoir (11a, see FIG. 1). The sacrificial insulating layer (103) is removed through a subsequent process to form a first fluid reservoir (11a) in its place, and may be formed using, for example, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ). The sacrificial insulating layer (103) may be formed using a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion) or CVD method, and may be formed to a thickness of approximately 100 to 1000 nm in consideration of the internal volume of the first fluid reservoir to be formed.
이어서, 제1 유체 저장소(11a)의 내부 체적을 결정하기 위해 포토리소그라피(photolithography) 공정을 실시하여 희생 절연층(103)을 원하는 형태로 패터링한다. Next, a photolithography process is performed to determine the internal volume of the first fluid reservoir (11a) to pattern the sacrificial insulating layer (103) into a desired shape.
도 8과 같이, 희생 절연층(103)의 상부에 포토레지스트막(PR, photoresist)(104)을 소정 두께로 도포한다. 포토레지스트막(104)은 솔벤트(solvent), PAC(Photoactive compound), 레진(resin) 등으로 구성된 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, UV(Ultra Violet)용 포토레지스트 또는 DUP(Deep UV)용 포토레지스트를 사용할 수 있다. 여기서 UV용 포토레지스트는 g-line(436nm), i-라인(i-line)(356nm)를 포함하고, DUV용 포토레지스트는 KrF(248nm), ArF(193nm)를 포함한다. As shown in Fig. 8, a photoresist film (PR) (104) is applied to a predetermined thickness on the upper part of the sacrificial insulating layer (103). The photoresist film (104) may use a material composed of a solvent, a photoactive compound (PAC), a resin, etc. For example, a photoresist for UV (Ultra Violet) or a photoresist for DUP (Deep UV) may be used. Here, the photoresist for UV includes g-line (436 nm) and i-line (356 nm), and the photoresist for DUV includes KrF (248 nm) and ArF (193 nm).
위에서 언급한 리소그라피 광원 중 어느 하나를 사용하여 포토레지스트막(104)을 노광하여 원하는 형태로 패터닝한다. 이를 통해 도 9와 같은 형태로 패터닝된 포토레지스트막 패턴(104a)을 형성한다. 이후, 도 10과 같이, 포토레지스트막 패턴(104a)을 식각 마스크로 이용한 식각공정을 실시하여 포토레지스트막 패턴(104a)에 의해 덮혀지지 않고 노출되는 희생 절연막(103)을 식각하여 포토레지스트 패턴막(104a)의 형상에 대응하는 형상을 갖는 희생 절연층 패턴(103a)을 형성한다. Using any one of the lithography light sources mentioned above, the photoresist film (104) is exposed to light and patterned into a desired shape. Through this, a photoresist film pattern (104a) patterned into a shape as shown in FIG. 9 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 10, an etching process using the photoresist film pattern (104a) as an etching mask is performed to etch the sacrificial insulating film (103) that is exposed and not covered by the photoresist film pattern (104a), thereby forming a sacrificial insulating layer pattern (103a) having a shape corresponding to the shape of the photoresist pattern film (104a).
이어서, 도 11과 같이, 식각 마스크로 사용된 포토레지스트막 패턴(104a)은 제거된다. 도 11에서 (a)는 (b)에 나타낸 'A-A'의 절단면도이고, (b)는 평면도이다. Next, as shown in Fig. 11, the photoresist film pattern (104a) used as an etching mask is removed. In Fig. 11, (a) is a cross-sectional view of 'A-A' shown in (b), and (b) is a plan view.
이어서, 도 12와 같이, 하부 전극층(101)을 패터닝하기 위해 희생 절연층 패턴(103a)의 상부를 덮도록 도 11에 나타낸 구조물 상에 포토레지스트막(미도시)을 도포한다. 이후 리소그라피 마스크(미도시)를 이용하여 상기 포토레지스트막을 패터닝하여 도 12와 같이, 일측부(도 12에서 좌측부)가 희생 절연층 패턴(103a)의 일측부(도 12에서는 좌측부)에 상하로 정렬되는 포토레지스트막 패턴(105)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 12, a photoresist film (not shown) is applied on the structure shown in FIG. 11 to cover the upper portion of the sacrificial insulating layer pattern (103a) in order to pattern the lower electrode layer (101). Thereafter, the photoresist film is patterned using a lithography mask (not shown) to form a photoresist film pattern (105) in which one side (the left side in FIG. 12) is aligned vertically with one side (the left side in FIG. 12) of the sacrificial insulating layer pattern (103a), as shown in FIG. 12.
이어서, 도 13과 같이, 포토레지스트막 패턴(105)을 식각 마스크로 하여 하부 전극층(102)을 식각하여 하부 전극층 패턴(102a)을 형성한다. 이때, 하부 전극층 패턴(102a)을 형성하기 위한 식각공정은 건식 또는 습식식각 공정으로 진행할 수 있다. Next, as shown in Fig. 13, the lower electrode layer (102) is etched using the photoresist film pattern (105) as an etching mask to form a lower electrode layer pattern (102a). At this time, the etching process for forming the lower electrode layer pattern (102a) can be performed as a dry or wet etching process.
이어서, 도 14와 같이, 포토레지스트막 패턴(105)을 제거한 후, 예를 들어, 세정공정을 실시하여 베이스 기판(101) 상에 드레인 전극(NPHV, 도 2참조)을 완성한다. Next, as shown in Fig. 14, after the photoresist film pattern (105) is removed, for example, a cleaning process is performed to complete a drain electrode (NPHV, see Fig. 2) on the base substrate (101).
이어서, 도 15와 같이, 드레인 전극(NPHV)으로 기능하는 하부 전극층 패턴(102a)을 덮도록 베이스 기판(101) 상에 제1 유체 저장소(11a, 도 1 참조)의 측벽과 천장으로 기능하는 하부 절연막(106)을 형성한다. 하부 절연막(106)은 CVD 또는 열산화막 방식으로 형성할 수 있으며, 증착 두께는 대략 10~500nm로 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 15, a lower insulating film (106) that functions as a side wall and ceiling of a first fluid reservoir (11a, see FIG. 1) is formed on a base substrate (101) to cover a lower electrode layer pattern (102a) that functions as a drain electrode (NPHV). The lower insulating film (106) can be formed by a CVD or thermal oxidation method, and the deposition thickness can be formed to be approximately 10 to 500 nm.
이어서, 도 16과 같이, 하부 절연막(106)의 상부에 나노포어 막(107)을 형성한다. 나노포어 막(107)은 실리콘을 기반으로 하는 절연막으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 나노포어 막(107)은 하부 절연막(106)과 식각 선택비를 갖는 절연막으로 형성할 수 있다. 바람직하게는 희생 절연층 패턴(103a)과 동일한 식각 선택비를 갖는 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성할 수 있으며, 대략 5~20nm의 두께로 형성할 수 있다. Next, as shown in FIG. 16, a nanopore film (107) is formed on the upper portion of the lower insulating film (106). The nanopore film (107) can be formed as an insulating film based on silicon. For example, the nanopore film (107) can be formed as an insulating film having an etching selectivity with respect to the lower insulating film (106). Preferably, it can be formed as a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having the same etching selectivity as the sacrificial insulating layer pattern (103a), and can be formed to a thickness of approximately 5 to 20 nm.
이어서, 도 17과 같이, 나노포어 막(107)의 상부에 상부 절연막(108)을 형성한다. 상부 절연막(108)은 나노포어 막(107)의 상부를 보호하기 위해 형성되는 막으로, 버퍼 산화막(buffer oxide)일 수 있으며, 대략 10~100nm의 두께로 형성할 수 있다. Next, as shown in Fig. 17, an upper insulating film (108) is formed on the upper portion of the nanopore film (107). The upper insulating film (108) is a film formed to protect the upper portion of the nanopore film (107), may be a buffer oxide film, and may be formed to a thickness of approximately 10 to 100 nm.
이어서, 도 18과 같이, 상부 절연막(108)의 상부에 순차적으로 제1 상부 전극층(109), 분리 절연막(110), 제2 상부 전극층(111) 및 보호 절연막(112)을 형성한다. Next, as shown in Fig. 18, a first upper electrode layer (109), a separation insulating film (110), a second upper electrode layer (111), and a protective insulating film (112) are sequentially formed on top of the upper insulating film (108).
제1 상부 전극층(109)은 도 2에 나타낸 제어전극(CE1)으로 기능하는 전극층으로서, 하부 전극층 패턴(102a)과 동일한 증착방법 및 재료를 이용하여 대략 10~100nm의 두께로 형성할 수 있다. 제2 상부 전극층(111)은 제1 상부 전극층(109)은 도 2에 나타낸 소스 전극(NPGND)으로 기능하는 전극층으로서, 제1 상부 전극층(109)과 동일한 증착방법 및 재료를 이요하여 대략 10~100nm의 두께로 형성할 수 있다. The first upper electrode layer (109) is an electrode layer that functions as a control electrode (CE1) as shown in FIG. 2, and can be formed with a thickness of approximately 10 to 100 nm using the same deposition method and materials as the lower electrode layer pattern (102a). The second upper electrode layer (111) is an electrode layer that functions as a source electrode (NPGND) as shown in FIG. 2, and can be formed with a thickness of approximately 10 to 100 nm using the same deposition method and materials as the first upper electrode layer (109).
분리 절연막(110)은 도 18과 같이, 제1 및 제2 상부 전극층(109, 111)을 전기적으로 분리하는 절연막으로서, 예를 들어, 버퍼 산화막을 이용하여 대략 10~100nm의 두께로 형성할 수 있다. 보호 절연막(112)은 제2 상부 전극층(111)을 보호하는 절연막으로서, 실리콘 산화막을 이용하여 10~100nm의 두께로 형성할 수 있다. The separating insulating film (110) is an insulating film that electrically separates the first and second upper electrode layers (109, 111), as shown in FIG. 18, and can be formed with a thickness of approximately 10 to 100 nm using, for example, a buffer oxide film. The protective insulating film (112) is an insulating film that protects the second upper electrode layer (111), and can be formed with a thickness of 10 to 100 nm using a silicon oxide film.
이어서, 도 19와 같이, 보호 절연막(112)의 상부에 포토레지스트막(113)을 도포한 후 리소그라피 마스크(미도시)를 이용하여 패터닝하여 도 20과 같은 구조를 갖는 포토레지스트막 패턴(113a)을 형성한다. 이후, 도 21과 같이 포토레지스트막 패턴(113a)을 이용하여 보호 절연막(112), 제2 상부 전극층(111), 분리 절연막(110) 및 제1 상부 전극층(109)을 순차적으로 식각하여 홀(hole, 114)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 19, a photoresist film (113) is applied on top of a protective insulating film (112), and then patterned using a lithography mask (not shown) to form a photoresist film pattern (113a) having a structure as shown in FIG. 20. Thereafter, as shown in FIG. 21, the protective insulating film (112), the second upper electrode layer (111), the separation insulating film (110), and the first upper electrode layer (109) are sequentially etched using the photoresist film pattern (113a) to form a hole (hole, 114).
도 21과 같이, 홀(114)을 형성할 때 상부 절연막(108)의 상부 일부가 식각될 수도 있다. 이후, 도 22와 같이 포토레지스트막 패턴(113a)을 제거하면, 측벽은 보호 절연막 패턴(112a), 제2 상부 전극층 패턴(111a), 분리 절연막 패턴(110a) 및 제1 상부 전극층 패턴(109a)에 의해 구획되고, 바닥은 상부 절연막 패턴(108a)의 상부에 의해 구획된 홀(114)이 형성된다. 홀(114)은 도 22의 (b)(홀(114)의 구조에 대한 이해를 돕기 위해 개략적으로 나타낸 입체도)와 같은 구조로 형성될 수 있으며, 도 2와 같이 제2 유체 저장소(12a)로 기능할 수 있고, 전도성 전해질이 채워진다. As shown in FIG. 21, when forming a hole (114), an upper part of the upper insulating film (108) may be etched. Thereafter, when the photoresist film pattern (113a) is removed as shown in FIG. 22, a hole (114) is formed whose sidewalls are defined by the protective insulating film pattern (112a), the second upper electrode layer pattern (111a), the separation insulating film pattern (110a), and the first upper electrode layer pattern (109a), and whose bottom is defined by the upper part of the upper insulating film pattern (108a). The hole (114) can be formed with a structure such as (b) of FIG. 22 (a three-dimensional drawing schematically illustrated to help understand the structure of the hole (114)), and can function as a second fluid reservoir (12a) as shown in FIG. 2, and is filled with a conductive electrolyte.
이어서, 도 23과 같이, 홀(114)의 내벽, 즉 보호 절연막 패턴(112a), 제2 상부 전극층 패턴(111a), 분리 절연막 패턴(110a) 및 제1 상부 전극층 패턴(109a)의 측벽에 스페이서(spacer, 115)를 형성한다. 스페이서(115)는 나노포어 막(107)에 단일 나노포어(116)를 형성하기 위한 식각공정시 마스크로 기능한다. 이러한 스페이서(115)는 전체 구조물을 덮도록 스페이서용 막을 형성한 후 에치백(etchback) 공정을 실시하여 홀(114)의 내벽에만 선택적으로 스페이서(115)를 형성할 수 있다. 이때, 스페이서(115)는 도 23과 같이 보호 절연막 패턴(112a)의 상부에도 일부 잔존할 수 있다. Next, as shown in FIG. 23, a spacer (spacer, 115) is formed on the inner wall of the hole (114), that is, the sidewalls of the protective insulating film pattern (112a), the second upper electrode layer pattern (111a), the separation insulating film pattern (110a), and the first upper electrode layer pattern (109a). The spacer (115) functions as a mask during an etching process to form a single nanopore (116) in the nanopore film (107). The spacer (115) can be selectively formed only on the inner wall of the hole (114) by performing an etchback process after forming a spacer film to cover the entire structure. At this time, some of the spacer (115) may remain on the upper portion of the protective insulating film pattern (112a), as shown in FIG. 23.
스페이서(115)를 형성하기 위한 스페이서용 막은 식각하고자 하는 막과의 식각 선택비를 고려하여 적절하게 선택할 수 있다. 가령 금속물질 또는 절연물질을 사용할 수 있다. 금속물질로는 예를 들어, 금속이나 금속 산화막 또는 금속 질화막을 사용할 수 있다. 구체적으로 티타늄(Ti), 티타늄 질화막(TiN), 텅스텐(W) 등을 사용할 수 있고, 절연물질로는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막 등을 사용할 수 있다. 이외에도, 식각 선택비에 따라 다양한 물질들이 사용될 수 있다. 스페이서용 막의 증착 두께는 형성하고자 하는 단일 나노포어(116)의 직경에 따라 적절한 두께로 형성할 수 있다. 상기 에치백 공정으로는 습식 또는 건식식각공정을 사용할 수 있다. The spacer film for forming the spacer (115) can be appropriately selected in consideration of the etching selectivity with respect to the film to be etched. For example, a metal material or an insulating material can be used. For example, a metal, a metal oxide film, or a metal nitride film can be used as the metal material. Specifically, titanium (Ti), a titanium nitride film (TiN), tungsten (W), etc. can be used, and a silicon nitride film or a silicon oxide film can be used as the insulating material. In addition, various materials can be used depending on the etching selectivity. The deposition thickness of the spacer film can be formed to an appropriate thickness depending on the diameter of the single nanopore (116) to be formed. A wet or dry etching process can be used as the etch-back process.
이어서, 도 24와 같이, 스페이서(115)를 이용하여 상부 절연막 패턴(108a), 나노포어 막(107) 및 하부 절연막(106)을 식각한다. 이에 따라, 상부 절연막 패턴(108b), 나노포어 막 패턴(107a) 및 하부 절연막 패턴(106a) 내에 단일 나노포어(116)가 형성된다. Next, as shown in Fig. 24, the upper insulating film pattern (108a), the nanopore film (107), and the lower insulating film (106) are etched using a spacer (115). Accordingly, a single nanopore (116) is formed within the upper insulating film pattern (108b), the nanopore film pattern (107a), and the lower insulating film pattern (106a).
이어서, 도 25와 같이, 단일 나노포어(116)를 형성할 때 마스크로 사용되는 스페이서(115)를 제거한다. 단일 나노포어(116)의 직경은 스페이서(115)의 간격에 의해 결정됨에 따라 스페이서(115)의 간격을 제어함으로써 단일 나노포어(116)의 직경을 미세 조정할 수 있다. 이때, 단일 나노포어(115)는 1~5nm의 직경으로 형성할 수 있다. Next, as shown in Fig. 25, the spacer (115) used as a mask when forming a single nanopore (116) is removed. Since the diameter of the single nanopore (116) is determined by the spacing of the spacer (115), the diameter of the single nanopore (116) can be finely adjusted by controlling the spacing of the spacer (115). At this time, the single nanopore (115) can be formed with a diameter of 1 to 5 nm.
이어서, 도 26 및 도 27과 같이, 희생 절연층 패턴(103a)을 제거하여 캐비티 형태의 제1 유체 저장소(18)를 형성한다. 희생 절연층 패턴(103a)의 제거공정시 식각용액(echant)에 의해 미세 형성된 단일 나노포어(116)의 직경이 영향을 받지 않아야 한다. Next, as shown in FIG. 26 and FIG. 27, the sacrificial insulating layer pattern (103a) is removed to form a first fluid reservoir (18) in the form of a cavity. The diameter of a single nanopore (116) finely formed by an etchant should not be affected during the removal process of the sacrificial insulating layer pattern (103a).
단일 나노포어(116)의 직경에 영향을 주지 않으면서 희생 절연층 패턴(103a)을 안정적으로 제거하기 위한 하나의 예로서, 희생 절연막(117)을 사용한다. 도 26과 같이, 단일 나노포어(116)와 홀(114)을 희생 절연막(117)을 이용하여 채워 매립함으로써 식각용액으로부터 단일 나노포어(116)의 직경이 확장되거나 손상되는 것을 방지한다. As an example for stably removing a sacrificial insulating layer pattern (103a) without affecting the diameter of a single nanopore (116), a sacrificial insulating film (117) is used. As shown in Fig. 26, by filling the single nanopore (116) and hole (114) using the sacrificial insulating film (117), the diameter of the single nanopore (116) is prevented from being expanded or damaged by the etching solution.
도 27과 같이, 단일 나노포어(116)와 홀(114)은 희생 절연막(117)으로 매립하여 보호한다. 그리고 다른 부위, 예를 들면, 하부 절연막(106a)에 희생 절연층 패턴(103a)의 적어도 일부가 노출되는 홀(미도시)을 추가로 형성하고, 이렇게 형성된 홀을 통해 식각용액을 투입시켜 희생 절연층 패턴(103a)을 식각하여 제거할 수 있다. As shown in Fig. 27, a single nanopore (116) and a hole (114) are protected by filling with a sacrificial insulating film (117). In addition, a hole (not shown) is formed in another portion, for example, a lower insulating film (106a), in which at least a part of the sacrificial insulating layer pattern (103a) is exposed, and an etching solution is injected through the hole thus formed to etch and remove the sacrificial insulating layer pattern (103a).
다른 예로서, 도 25까지 진행된 공정을 통해 형성된 전체 구조물에서, 단일 나노포어(116)와 홀(114) 중 일부분만 매립되도록 희생 절연막(117)을 증착한 후, 희생 절연막(117)이 증착되지 않는 부위를 통해 식각용액을 희생 절연층 패턴(103a)으로 투입하여 제거할 수도 있다. 이때, 희생 절연막(117)이 형성되지 않는 영역은 희생 절연층 패턴(103a)의 제거 후 절연막 등을 이용하여 매립될 수도 있다. As another example, in the entire structure formed through the process up to Fig. 25, after depositing a sacrificial insulating film (117) so that only a part of a single nanopore (116) and a hole (114) is filled, an etching solution may be applied to the sacrificial insulating layer pattern (103a) through the area where the sacrificial insulating film (117) is not deposited to remove it. At this time, the area where the sacrificial insulating film (117) is not formed may be filled using an insulating film or the like after removing the sacrificial insulating layer pattern (103a).
희생 절연막(117)은 희생 절연층 패턴(103a)과 식각 선택비를 갖는 물질로 형성할 수 있다. 가령 금속물질로 이루어질 수 있다. 금속물질을 이용하여 형성하는 경우에는 홀(114)의 내벽에 실리콘 산화막을 이용하여 스페이서를 형성한 후 금속물질을 이용하여 홀(114)을 완전히 매립할 수 있다. 또한 금속물질 대신에 절연물질로 형성할 수 있다. 절연물질을 이용하여 형성하는 경우에는 홀(114)의 내벽에 실리콘 질화막을 이용하여 스페이서를 형성한 후 실리콘 산화막으로 완전히 매립할 수도 있다.The sacrificial insulating film (117) can be formed of a material having an etching selectivity with the sacrificial insulating layer pattern (103a). For example, it can be formed of a metal material. In the case of forming using a metal material, a spacer can be formed on the inner wall of the hole (114) using a silicon oxide film, and then the hole (114) can be completely filled using the metal material. In addition, it can be formed using an insulating material instead of the metal material. In the case of forming using an insulating material, a spacer can be formed on the inner wall of the hole (114) using a silicon nitride film, and then the hole can be completely filled using a silicon oxide film.
도 27과 같이, 희생 절연막(117)을 마스크로 하부 전극층 패턴(102a)과 하부 절연막 패턴(106a)에 의해 구획된 희생 절연층 패턴(103a)을 제거하여 제1 유체 저장소(118)를 형성한다. 이때, 희생 절연층 패턴(103a)의 식각공정은 실리콘 질화막을 제거할 수 있는 식각용액(etchant)을 이용한 습식식각공정으로 실시할 수 있으며, 또한 식각공정은 희생 절연막(117)이 형성되지 않는 영역을 통해 실시할 수 있다. As shown in Fig. 27, the sacrificial insulating layer pattern (103a) partitioned by the lower electrode layer pattern (102a) and the lower insulating layer pattern (106a) using the sacrificial insulating layer (117) as a mask is removed to form the first fluid reservoir (118). At this time, the etching process of the sacrificial insulating layer pattern (103a) can be performed by a wet etching process using an etchant capable of removing a silicon nitride film, and the etching process can also be performed through an area where the sacrificial insulating layer (117) is not formed.
도 28과 같이, 희생 절연막(117)을 제거한다. As shown in Fig. 28, the sacrificial insulating film (117) is removed.
한편, 홀(114)은 도 1에서 제2 유체 저장소(12a)로 기능할 수 있다. 이러한 홀(114)의 상부는 별도의 절연막 또는 부재를 이용하여 덮어 밀폐할 수도 있다. 이때, 상기 부재에는 홀(114)과 연통하는 원형, 타원형 또는 각형의 홀이 형성될 수도 있다. Meanwhile, the hole (114) can function as a second fluid storage (12a) in Fig. 1. The upper part of the hole (114) can be covered and sealed using a separate insulating film or member. At this time, a circular, oval, or square hole communicating with the hole (114) can be formed in the member.
도 29는 도 5 내지 도 28을 통해 제조된 DNA 칩을 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 30 및 도 31은 도 29에 나타낸 DNA 칩을 개략적으로 나타낸 단면 사시도들이다.Fig. 29 is a plan view schematically illustrating a DNA chip manufactured through Figs. 5 to 28, and Figs. 30 and 31 are cross-sectional perspective views schematically illustrating the DNA chip illustrated in Fig. 29.
도 29 내지 도 31과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 DNA 칩(300)은 위에서 설명한 바와 같이, 베이스 기판(301), 드레인 전극(302), 하부 절연막(303), 나노포어 막(304), 상부 절연막(305), 제어전극(306), 분리 절연막(307), 소스 전극(308), 보호 절연막(309), 제1 유체 저장소(310) 및 제2 유체 저장소(311)를 포함한다. As shown in FIGS. 29 to 31, a DNA chip (300) according to an embodiment of the present invention includes, as described above, a base substrate (301), a drain electrode (302), a lower insulating film (303), a nanopore film (304), an upper insulating film (305), a control electrode (306), a separation insulating film (307), a source electrode (308), a protective insulating film (309), a first fluid reservoir (310), and a second fluid reservoir (311).
드레인 전극(302), 제어전극(306) 및 소스 전극(308)은 금속라인(312)과 각각 연결된다. 이들 전극(302, 306, 308)과 금속라인(312)은 형성된 위치(높이)가 서로 다르기 때문에 이들을 안정적으로 연결하기 위해 컨택 플러그(313)가 추가로 형성될 수 있다. 컨택 플러그(313)는 구조물에 컨택홀(contact hole) 또는 비아홀(via hole)을 형성한 후 이들 홀에 금속물질을 충진시키는 방법으로 형성할 수 있다. The drain electrode (302), the control electrode (306), and the source electrode (308) are each connected to the metal line (312). Since the positions (heights) at which these electrodes (302, 306, 308) and the metal line (312) are formed are different from each other, a contact plug (313) may be additionally formed to stably connect them. The contact plug (313) may be formed by forming a contact hole or a via hole in a structure and then filling the hole with a metal material.
이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만, 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이다. 그리고, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.As described above, although the preferred embodiments of the present invention have been described and illustrated using specific terms, such terms are only for the purpose of clearly describing the present invention. In addition, it is self-evident that various changes and modifications can be made to the embodiments of the present invention and the described terms without departing from the technical spirit and scope of the following claims. Such modified embodiments should not be understood individually from the spirit and scope of the present invention, but should be considered to fall within the claims of the present invention.
1 : 단일 가닥 DNA 10, 30, 300 : DNA 칩
11 : 제1 유체 구획부 11a, 118, 310 : 제1 유체 저장소
11b : 전극층 11c : 절연막
12 : 제2 유체 구획부 12a, 311 : 제2 유체 저장소
12b, 12d : 절연막 12c, 11e : 전극층
13 : 나노포어 막 13a: 단일 나노포어
21 : 전류원(DC) 22 : 전류센서
CE1, CE1~CE3, 306 : 제어전극 NPGND, 308 : 소스 전극
NPHV, 302 : 드레인 전극 101, 301 : 베이스 기판
102 : 전극층(하부 전극층) 102a : 하부 전극층 패턴
103 : 희생 절연층 103a : 희생 절연층 패턴
104, 113 : 포토레지스트막(PR) 104a, 105, 113a : 포토레지스트막 패턴
106, 303 : 하부 절연막 106a : 하부 절연막 패턴
107, 304 : 나노포어 막 107a : 나노포어 막 패턴
108, 305 : 상부 절연막 108a : 상부 절연막 패턴
109 : 제1 상부 전극층 109a : 제1 상부 전극층 패턴
110, 307 : 분리 절연막 110a : 분리 절연막 패턴
111 : 제2 상부 전극층 111a : 제2 상부 전극층 패턴
112, 309 : 보호 절연막 112a : 보호 절연막 패턴
114 : 홀 115 : 스페이서
116 : 단일 나노포어 117 : 희생 절연막1: Single strand DNA 10, 30, 300: DNA chip
11: First fluid compartment 11a, 118, 310: First fluid storage
11b: Electrode layer 11c: Insulating film
12: Second fluid compartment 12a, 311: Second fluid storage
12b, 12d: Insulating film 12c, 11e: Electrode layer
13: Nanopore membrane 13a: Single nanopore
21: Current source (DC) 22: Current sensor
CE1, CE1~CE3, 306: Control electrode NPGND, 308: Source electrode
NPHV, 302: drain electrode 101, 301: base substrate
102: Electrode layer (lower electrode layer) 102a: Lower electrode layer pattern
103: Sacrificial insulation layer 103a: Sacrificial insulation layer pattern
104, 113: Photoresist film (PR) 104a, 105, 113a: Photoresist film pattern
106, 303: Lower insulation film 106a: Lower insulation film pattern
107, 304: Nanopore membrane 107a: Nanopore membrane pattern
108, 305: Upper insulation film 108a: Upper insulation film pattern
109: First upper electrode layer 109a: First upper electrode layer pattern
110, 307: Separating insulation film 110a: Separating insulation film pattern
111: Second upper electrode layer 111a: Second upper electrode layer pattern
112, 309: Protective insulation film 112a: Protective insulation film pattern
114 : Hole 115 : Spacer
116: Single nanopore 117: Sacrificial insulating film
Claims (14)
상기 제1 유체 구획부와 상기 제2 유체 구획부 사이에 형성되고, 상기 제1 및 제2 유체 저장소가 서로 연통하는 단일 나노포어가 형성된 실리콘 기반 나노포어 막;
을 포함하는 반도체 기반 DNA 칩.
First and second fluid compartments having first and second fluid reservoirs filled with electrolyte formed therein; and
A silicon-based nanopore membrane having a single nanopore formed between the first fluid compartment and the second fluid compartment, wherein the first and second fluid reservoirs communicate with each other;
A semiconductor-based DNA chip comprising:
상기 제1 유체 구획부는 상기 제1 유체 저장소의 하부에 형성된 드레인 전극을 포함하고, 상기 제2 유체 구획부는 상기 나노포어 막의 상부에 상기 제2 유체 저장소를 둘러싸도록 형성된 제어전극과 소스 전극을 포함하는 반도체 기반 DNA 칩.
In the first paragraph,
A semiconductor-based DNA chip, wherein the first fluid compartment includes a drain electrode formed at the bottom of the first fluid reservoir, and the second fluid compartment includes a control electrode and a source electrode formed on the upper side of the nanopore membrane to surround the second fluid reservoir.
상기 제1 유체 구획부는 상기 나노포어 막의 하부를 덮고 상기 제1 유체 저장소를 둘러싸도록 형성된 하부 절연막을 포함하고, 상기 제2 유체 구획부는 상기 나노포어 막의 상부를 덮도록 상기 제어전극의 하부에 형성되고 상기 제2 유체 저장소의 바닥부와 하부를 둘러싸도록 형성된 상부 절연막을 포함하는 반도체 기반 DNA 칩.
In the first paragraph,
A semiconductor-based DNA chip, wherein the first fluid compartment includes a lower insulating film formed to cover the lower portion of the nanopore membrane and surround the first fluid reservoir, and the second fluid compartment includes an upper insulating film formed below the control electrode to cover the upper portion of the nanopore membrane and surround the bottom and lower portion of the second fluid reservoir.
상기 나노포어 막은 실리콘 질화막으로 형성된 반도체 기반 DNA 칩.
In the first paragraph,
The above nanopore membrane is a semiconductor-based DNA chip formed with a silicon nitride film.
상기 단일 나노포어는 1~5nm 직경으로 형성된 반도체 기반 DNA 칩.
In the first paragraph,
The above single nanopore is a semiconductor-based DNA chip formed with a diameter of 1 to 5 nm.
상기 제어전극은 한 개 또는 복수 개가 적층 형성된 반도체 기반 DNA 칩.
In the first paragraph,
The above control electrode is a semiconductor-based DNA chip formed by stacking one or more of them.
상기 제2 상부 전극층, 상기 분리 절연막 및 상기 제1 상부 전극층을 식각하여 홀을 형성하는 과정;
상기 홀의 내벽에 스페이서를 형성하는 과정;
상기 스페이서를 이용하여 상기 스페이서 사이로 노출되는 상기 상부 절연막, 상기 나노포어 막 및 상기 하부 절연막을 식각하여 단일 나노포어를 형성하는 과정;
상기 스페이서를 제거하는 과정; 및
상기 하부 절연막과 상기 하부 전극층에 의해 구획된 상기 희생 절연층을 선택적으로 제거하는 과정;
을 포함하는 반도체 기반 DNA 칩의 제조방법.
A process of forming a lower electrode layer, a sacrificial insulating layer, a lower insulating film, a silicon-based nanopore film, an upper insulating film, a first upper electrode layer, a separation insulating film, and a second upper electrode layer on a base substrate;
A process of forming a hole by etching the second upper electrode layer, the separating insulating film, and the first upper electrode layer;
A process of forming a spacer on the inner wall of the above hole;
A process of forming a single nanopore by etching the upper insulating film, the nanopore film, and the lower insulating film exposed between the spacers using the spacer;
The process of removing the above spacer; and
A process of selectively removing the sacrificial insulating layer partitioned by the lower insulating film and the lower electrode layer;
A method for manufacturing a semiconductor-based DNA chip comprising:
상기 희생 절연층을 선택적으로 제거하는 과정은,
희생 절연막을 이용하여 상기 단일 나노포어와 상기 홀을 매립한 상태에서 상기 희생 절연층으로 식각용액을 투입하여 제거하는 반도체 기반 DNA 칩의 제조방법.
In paragraph 7,
The process of selectively removing the above sacrificial insulating layer is:
A method for manufacturing a semiconductor-based DNA chip, wherein the single nanopore and the hole are filled with a sacrificial insulating film and the sacrificial insulating film is removed by injecting an etching solution into the sacrificial insulating film.
상기 희생 절연막은 상기 홀의 내벽에 실리콘 산화막으로 이루어진 스페이서를 형성한 후 금속물질을 이용하여 상기 홀을 매립하는 반도체 기판 DNA 칩의 제조방법.
In Article 8,
The above sacrificial insulating film is a method for manufacturing a semiconductor substrate DNA chip by forming a spacer made of a silicon oxide film on the inner wall of the hole and then filling the hole using a metal material.
상기 희생 절연막은 실리콘 질화막을 이용하여 상기 홀을 일부 매립한 후 나머지는 실리콘 산화막을 이용하여 상기 홀을 매립하는 반도체 기판 DNA 칩의 제조방법.
In Article 8,
A method for manufacturing a semiconductor substrate DNA chip, wherein the sacrificial insulating film partially fills the hole using a silicon nitride film and then fills the remainder of the hole using a silicon oxide film.
상기 나노포어 막은 실리콘 질화막으로 형성하는 반도체 기판 DNA 칩의 제조방법.
In Article 8,
A method for manufacturing a semiconductor substrate DNA chip in which the above nanopore membrane is formed by a silicon nitride film.
제어전극에 양전압을 인가하여 제2 유체 저장소에 존재하는 단일 가닥 DNA를 상기 제어전극에 부착 고정하는 과정을 포함하는 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 저장방법.
In the data storage method of the semiconductor substrate DNA chip of the second clause,
A method for storing data in a semiconductor substrate DNA chip, comprising a process of attaching and fixing single-stranded DNA existing in a second fluid reservoir to the control electrode by applying a positive voltage to the control electrode.
제어전극에 음전압을 인가하여 상기 제어전극에 부착 고정된 단일 가닥 DNA를 탈락시키는 과정;
상기 드레인 전극에 양전압을 인가하고, 상기 소스 전극에 접지전압을 인가하여 제1 및 제2 유체 저장소에 채워진 전해질 용액의 전하 흐름을 유도하는 과정; 및
상기 전해질 용액의 전하 흐름에 기인한 전류 흐름을 감지하여 상기 제어전극으로부터 탈락된 상기 단일 가닥 DAN가 단일 나노포어를 통과할 때 변화하는 전류 변화량을 감지하는 과정;
을 포함하는 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 읽기 방법.
In the method for reading data of a semiconductor substrate DNA chip of the second clause,
A process of applying a negative voltage to a control electrode to detach single-stranded DNA attached and fixed to the control electrode;
A process of inducing a charge flow of an electrolyte solution filled in the first and second fluid reservoirs by applying a positive voltage to the drain electrode and a ground voltage to the source electrode; and
A process of detecting a current flow caused by a charge flow of the electrolyte solution and detecting a change in current amount when the single-stranded DAN detached from the control electrode passes through a single nanopore;
A method for reading data from a semiconductor substrate DNA chip including a .
제어전극에 양전압을 인가하여 제2 유체 저장소에 존재하는 단일 가닥 DNA를 상기 제어전극에 부착 고정하는 과정;
상기 제어전극에 음전압을 인가하여 상기 제어전극에 부착 고정된 단일 가닥 DNA를 탈락시키는 과정;
상기 드레인 전극에 양전압을 인가하고, 상기 소스 전극에 접지전압을 인가하여 제1 및 제2 유체 저장소에 채워진 전해질 용액의 전하 흐름을 유도하는 과정; 및
상기 전해질 용액의 전하 흐름에 기인한 전류 흐름을 감지하여 상기 제어전극으로부터 탈락된 상기 단일 가닥 DAN가 단일 나노포어를 통과할 때 변화하는 전류 변화량을 감지하는 과정;
을 포함하는 반도체 기판 DNA 칩의 데이터 저장 및 읽기 방법.In the method for storing and reading data of a semiconductor substrate DNA chip of the second clause,
A process of attaching and fixing single-stranded DNA present in a second fluid reservoir to the control electrode by applying a positive voltage to the control electrode;
A process of applying a negative voltage to the control electrode to detach the single-stranded DNA attached and fixed to the control electrode;
A process of inducing a charge flow of an electrolyte solution filled in the first and second fluid reservoirs by applying a positive voltage to the drain electrode and a ground voltage to the source electrode; and
A process of detecting a current flow caused by a charge flow of the electrolyte solution and detecting a change in current amount when the single-stranded DAN detached from the control electrode passes through a single nanopore;
A method for storing and reading data in a semiconductor substrate DNA chip including a semiconductor substrate.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230023971A KR20240130937A (en) | 2023-02-23 | 2023-02-23 | Semiconductor-based dna chip, manufacturing method, data storage and reading method thereof |
| US18/433,401 US20240266000A1 (en) | 2023-02-07 | 2024-02-06 | Dna encoding and decoding method using degenerate nucleotide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230023971A KR20240130937A (en) | 2023-02-23 | 2023-02-23 | Semiconductor-based dna chip, manufacturing method, data storage and reading method thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240130937A true KR20240130937A (en) | 2024-08-30 |
Family
ID=92587064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230023971A KR20240130937A (en) | 2023-02-07 | 2023-02-23 | Semiconductor-based dna chip, manufacturing method, data storage and reading method thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240130937A (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101909446B1 (en) | 2017-03-24 | 2018-10-18 | 조선대학교산학협력단 | Sensor for detecting bacteria in aqueous sample containing α-hemolysin and antimicrobial peptide and method for detecting bacteria in aqueous sample using the same |
| KR102138864B1 (en) | 2018-04-11 | 2020-07-28 | 경희대학교 산학협력단 | Dna digital data storage device and method, and decoding method of dna digital data storage device |
-
2023
- 2023-02-23 KR KR1020230023971A patent/KR20240130937A/en unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101909446B1 (en) | 2017-03-24 | 2018-10-18 | 조선대학교산학협력단 | Sensor for detecting bacteria in aqueous sample containing α-hemolysin and antimicrobial peptide and method for detecting bacteria in aqueous sample using the same |
| KR102138864B1 (en) | 2018-04-11 | 2020-07-28 | 경희대학교 산학협력단 | Dna digital data storage device and method, and decoding method of dna digital data storage device |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Haque F, Li J, Wu HC, Liang XJ, Guo P. "Solid-State and Biological Nanopore for Real-Time Sensing of Single Chemical and Sequencing of DNA". Nano Today. 2013 Feb;8(1):56-74. doi: 10.1016/j.nantod.2012.12.008. PMID: 23504223; PMCID: PMC3596169. |
| Jagerszki G, Takacs A, Bitter I, Gyurcsanyi RE. "Solid-state ion channels for potentiometric sensing". Angew Chem Int Ed Engl. 2011 Feb 11;50(7):1656-9. doi: 10.1002/anie.201003849. Epub 2011 Jan 12. PMID: 21308926. |
| Wang M, Fu A, Hu B, Tong Y, Liu R, Liu Z, Gu J, Xiang B, Liu J, Jiang W, Shen G, Zhao W, Men D, Deng Z, Yu L, Wei W, Li Y, Liu T. "Nanopore Targeted Sequencing for the Accurate and Comprehensive Detection of SARS-CoV-2 and Other Respiratory Viruses". Small. 2021 Aug;17(32):e2104078. doi: 10.1002/smll.202104078. Epub 2021 Jul 29. PMID: 34323371. |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11371981B2 (en) | Nanopore device and method of manufacturing same | |
| JP5717634B2 (en) | Use of longitudinally displaced nanoscale electrodes for voltage sensing of biomolecules and other analytes in fluid channels | |
| USRE46479E1 (en) | Electrochemical detection of single molecules using abiotic nanopores having electrically tunable dimensions | |
| US20120326247A1 (en) | Self-sealed fluidic channels for a nanopore array | |
| KR20200015620A (en) | Devices for Sequencing | |
| CN109308880A (en) | With the microfluidic device for inputting upper drop precharge | |
| US20190004028A1 (en) | Adjustable bilayer capacitance structure for biomedical devices | |
| JP2003533676A (en) | Field-effect transistor device for ultrafast nucleic acid sequencing | |
| US11740227B2 (en) | Small aperture large electrode cell | |
| EP3332248B1 (en) | Use of titanium nitride as an electrode in non-faradaic electrochemical cell | |
| US11029306B2 (en) | Nanopore-based sequencing using voltage mode with hybrid mode stimuli | |
| CN111512156A (en) | Electrochemical sequencing of DNA using edge electrodes | |
| CN104212711B (en) | Electronic sensor and the crto gene method based on electronic sensor | |
| KR20240130937A (en) | Semiconductor-based dna chip, manufacturing method, data storage and reading method thereof | |
| US10920312B2 (en) | Electrochemical cell with increased current density | |
| US20240266000A1 (en) | Dna encoding and decoding method using degenerate nucleotide | |
| JP2005527799A (en) | Vertical impedance sensor structure and method of manufacturing vertical impedance sensor structure | |
| CN115125132A (en) | Sequencing chip based on solid-state nanopore array and preparation method thereof | |
| 강재현 | Electrokinetic DNA Extraction Method Using a Nanofilter for Molecular Diagnosis of Pathogens | |
| TW202211310A (en) | Nanopore cell with seamless working electrode and methods of forming the same | |
| Lee et al. | Design and Fabrication of 3D-Structured Contactless Capacitive-Type Detector for Capillary Electrophoresis Microchip |