WO2012141431A2 - 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서 - Google Patents

네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서 Download PDF

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임태욱
백창기
김성호
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • the present invention relates to a nanowire sensor using a nanowire, and more particularly, by using a nanowire of a network structure having a repeating pattern instead of a linear nanowire, a high efficiency and structural stability can be obtained. It relates to a nanowire sensor having a route.
  • Electrochemical sensors are devices that change the physical or chemical properties of the target material to be detected as electrical signals, and are expected to be widely used for biosensors, chemical sensors, and environmental sensors. .
  • the existing measuring platform should be available for easy use and manufactured in a structure that is easy to mass production for economical and practical use.
  • the silicon sensor using the conventional semiconductor process is most suitable for the requirements of the electrochemical sensor.
  • the nanowire channel has a high gate control capability with a one-dimensional structure and a lot of researches are being conducted because of the characteristics that can obtain high sensitivity due to the large area-to-volume ratio compared to the flat silicon channel.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a nanosurface sensor using a conventional nanowire.
  • the conventional nanowire sensor selectively attaches the detection material 40 to the gate insulating film 15 on the nanowire formed between the source electrode region S and the drain electrode region D, and then selectively selects the detection material 40. Sensing is performed by changing the electrical conductivity of the nanowire channel region using the amount of charge possessed by the target material 41 attached thereto.
  • a separate underwater gate electrode 31 may be manufactured to fix the potential of the solution.
  • the silicon nanowire to which the detection material is fixed may be formed in a bottom-up method or a top-down method, and each of them has the following problems.
  • a sensor is manufactured by aligning silicon nanowires formed using a semiconductor process technology such as chemical vapor deposition (CVD) at a specific position, and the synthesis and alignment of the nanowires is not easy. There is a difficulty in mass production of the device.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the top-down method of manufacturing nanowires using a silicon-on insulator (SOI) substrate has excellent electrical characteristics, but it is difficult to realize thinner nanowires than bottom-up nanowires due to difficulty in exposure technology. .
  • SOI silicon-on insulator
  • the nano-wire is bent or collapsed. Have.
  • a general nanowire sensor has a structure in which a linear nanowire bundle is connected to a source and a drain.
  • a linear nanowire bundle is connected to a source and a drain.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to form a nano-wire network structure to have a wide exposed surface area compared to the linear nano-wire sensor to increase the probability that the target material is attached to the nano-wire, thereby improving the measurement sensitivity
  • the present invention provides a nanowire sensor having a nanowire having a network structure.
  • the nanowire sensor having a nanowire having a network structure according to the present invention for achieving the above technical problem is formed between the source electrode and the drain electrode formed on the substrate, the source electrode and the drain electrode, the network pattern of the intersection is repeated
  • the nanowire is formed in a structure and is fixed to the nanowire, characterized in that it comprises a detection material that selectively reacts with the target material introduced from the outside.
  • a method of manufacturing a nanowire sensor having a nanowire having a network structure including: (a) forming an insulating layer and a silicon layer sequentially forming an insulating layer and a silicon layer on an upper portion of a substrate; (b) a nanowire pattern forming step of forming a source electrode region, a drain electrode region, and a nanowire pattern on the silicon layer using a lithography process; (c) an ion implantation step of implanting ions into the source electrode region and the drain electrode region; (d) a lower support layer removing step of removing the lower support layer of the nanowire pattern through a wet etching process; (e) forming a gate insulating film outside the source electrode region, the drain electrode region, and the nanowire; (f) an electrode forming step of forming a metal electrode on the source electrode region and the drain electrode region; (g) forming a top insulating layer over the metal electrode of the nanowire and exposing
  • Nanowire sensor having a nanowire of the network structure according to the present invention has a higher surface area than the nanowire sensor using a linear nanowire to increase the probability that the target material is attached to the nanowire, through the attached target material By detecting the change in the electrical conductivity (conductance or resistance) or capacitance (capacitance) of the nanowires more sensitively, there is an advantage to increase the sensitivity of the sensor.
  • the nanowires are not bent or deformed, and the existing structure is maintained as it is so that the target material can react with the detection material on the side and the bottom of the nanowire. It is effective to obtain a higher sensitivity.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a nanosurface sensor using a conventional nanowire.
  • FIG. 2 is a view for explaining the structure and operation principle of the nanowire sensor having a nanowire of the network structure according to the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining the operation characteristics of the conventional nanowire sensor and the nanowire sensor having a nanowire of the network structure according to the present invention.
  • FIG. 5 is a process flowchart illustrating a method of manufacturing a nanowire sensor having a nanowire of a network structure according to the present invention.
  • 6 to 13 are cross-sectional views and plan views illustrating a method of manufacturing a nanowire sensor having nanowires having a network structure according to the present invention.
  • nanowire lower support layer 30-1 source electrode
  • drain electrode 31 underwater gate electrode
  • FIG. 2 is a view for explaining the structure and operation principle of the nanowire sensor having a nanowire of the network structure according to the present invention.
  • the nanowire sensor 200 having a nanowire having a network structure includes a source electrode 30-1 and a drain electrode 30-2 formed on a substrate, and the source electrode ( 30-1) and the nanowire 20 formed between the drain electrode 30-2 and a network structure in which a pattern of intersection points is repeated, and fixed to the nanowire, and selectively with a target material introduced from the outside. It includes a detection material 40 to react.
  • the substrate is preferably a substrate made of a semiconductor, a polymer, or a non-conductive material
  • the nanowire is preferably made of a silicon, a compound semiconductor, or a nanowire made of a polymer material.
  • the nanowire sensor 200 having the nanowire of the network structure according to the present invention shown in FIG. 2 is the same as other components compared to the nanosurface sensor 100 according to the prior art shown in FIG.
  • the line structure is distinguished in that it has a network structure.
  • the nanowire sensor 200 having the nanowire of the network structure according to the present invention it can be seen that a plurality of short nanowires are connected in a network structure unlike the conventional nanowire sensor.
  • the nanowires are formed in a network structure in which a pattern of intersection points is continuously repeated, such as X-type, Y-type, T-type, and cross (+) type.
  • the width of the nanowire is 5nm to 1 ⁇ m, it is preferable that the interval of the intersection point that the pattern is repeated is 10nm to 1 ⁇ m.
  • the nanowires are formed in the form of a network structure instead of a straight line, the area in which the target material 41 is attached to the detection material 40 formed on the nanowires is widened, thereby improving the measurement sensitivity.
  • the nanowires are formed in a form in which a plurality of short nanowires are connected in a network structure, the gate-all-around shape can be detected due to structural stability. Such features will be described with reference to FIGS. 3 and 4. Let's explain.
  • FIG 3 is a view for explaining the operation characteristics of the conventional nanowire sensor and the nanowire sensor having a nanowire of the network structure according to the present invention
  • Figure 4 is a structural case when there is no lower support layer of the nanowire of the network structure Electron micrographs to illustrate stability.
  • a target material 41 is attached to an upper portion or a side surface of the nanowire 20 and the target material is formed by the amount of charge that the target material has.
  • the electrons or holes gather in the nanowire channel portion to which the material is attached, thereby improving the conductivity.
  • the portion of the nanowires connected to the portion to which the target material is attached among the entire nanowires 20 becomes an area 21 affected by the target material.
  • the nanowire sensor having a nanowire of the network structure according to the present invention is a screen of all the shortest path between the source terminal and the drain terminal passing through the portion to which the target material 41 is attached Affects the route, resulting in high sensitivity.
  • At least two paths having the same length of the nanowire among the paths passing through an intersection point of the nanowire between the source electrode region and the drain electrode region are at least two. It is no longer present.
  • the electrical conductivity of the nanowire is changed for all the shortest paths (paths shown in bold lines) between the source electrode region and the drain electrode region passing through the portion to which the target material 41 is attached, thereby improving measurement sensitivity.
  • the nanowire sensor using a linear nanowire as in the prior art, when the length is short, the area to which the target material is attached is reduced, and the influence on the device by the target material is stochastically reduced and the length is increased. In this case, if the lower part of the nanowire is not supported, the nanowire is bent.
  • the structural strength of the nanowires is improved.
  • the vertical and horizontal forces applied to the intersection are evenly distributed in three directions and thus can be more stably supported than the straight nanowire.
  • the lower portion of the nanowire may be formed at a predetermined interval without being attached to the upper portion of the substrate.
  • the lower area of the nanowire is also exposed to the solution containing the target material, thereby increasing the total exposed surface area of the nanowire, and also changing the conductivity of the nanowire by the target material attached to the lower portion of the nanowire. You can do it.
  • the structural stability of the network structure nanowires enables the fabrication of a nanowire sensor having a stacked structure, which is realized by using a wafer in which multiple layers of silicon layers separated by silicon-germanium or a silicon insulating film are fabricated, thereby further improving device integration. Can be.
  • the nanowires of the network structure can implement nanowires of the same length between shorter intervals between the source and the drain, so that the nanowires cover the area between the source and the drain exposed to the solution containing the target material. Higher densities can increase the integration of the device in a limited area.
  • FIG. 5 is a process flow chart illustrating a method of manufacturing a nanowire sensor having a nanowire of a network structure according to the present invention
  • FIGS. 6 to 13 are nanowire sensors having a nanowire of a network structure according to the present invention.
  • the cross-sectional view and the top view which show the manufacturing method of each process.
  • a method of manufacturing a nanowire sensor having a nanowire having a network structure includes forming a lower insulating layer and a silicon layer (S100) and forming a nanowire pattern ( S200), ion implantation step (S300), lower support layer removal step (S400), gate insulating film formation step (S500), electrode formation step (S600), nanowire pattern exposure step (S700) and the detection material fixing step (S800) Equipped.
  • the lower insulating layer 11 is formed on the substrate 10, and the silicon layer 12 doped at a low concentration is sequentially formed.
  • an active region including a source electrode region S, a drain electrode region D, and a nanowire 20 region is patterned on the silicon layer 12 using a lithography process. Afterwards, a nanowire pattern is formed through an etching process.
  • the nanowire region may be formed at one time or two times through a process of forming the source electrode region S and the drain electrode region D.
  • ion implantation is performed to increase the electrical conductivity of the formed long source electrode region S and the drain electrode region D.
  • the ion implantation is preferably implanted with a high concentration of ions, it is preferable that the ion is not implanted in the region where the pattern of the nanowire 20 is to be formed.
  • a thin ion outflow prevention layer 13 is formed on the source electrode region S and the drain electrode region D using a thermal oxidation process and a thin film formation process to prevent the implanted ions from escaping.
  • a thick ion implantation prevention layer 14 is formed on the upper portion of the route 20 to prevent ions from being injected into the nanowire region.
  • a lower support layer removing step (S400) is performed to remove the lower support layer of the nanowire pattern through a wet etching process. That is, the lower support layer of the nanowires is removed by using a wet etching process to form a gate-all-around structure.
  • the thickness and width of the nanowires may be reduced by removing and then forming an oxide film on the silicon layer 12 using a furnace or a rapid thermal processor (RTP) and simultaneously removing the silicon oxide film of the nanowire support layer.
  • RTP rapid thermal processor
  • a gate insulating film is formed outside the source electrode region, the drain electrode region, and the nanowire to electrically insulate the channel region of the nanowire from the solution outside the nanowire.
  • the surface of the gate insulating layer is exposed to the chemical group necessary for the attachment of the detection material and may be used a separate metal.
  • the source electrode 30-1 and the drain electrode 30-2 are formed on the source electrode region S and the drain electrode region D.
  • FIG. 1 the source electrode 30-1 and the drain electrode 30-2 are formed on the source electrode region S and the drain electrode region D.
  • an additional underwater gate electrode 31 may be further formed on the lower insulating layer 11 formed on the substrate 10 to expose a potential to the solution, thereby directly applying a potential to the solution.
  • a target material is included on an upper portion of a connection line between the source electrode region S, the drain electrode region D, and the source electrode 30-1 and the drain electrode 30-2.
  • An upper insulating layer 16 is further formed to insulate the solution from the metal electrode, and the upper insulating layer 16 is removed to expose the gate insulating film of the nanowire.
  • the detection material 40 to react with the target material 41 injected from the outside is fixed to the nanowire pattern by using the surface chemistry of the nanowire.
  • a fluid channel layer 17 is formed on the upper insulating layer 16, and the target material 41 is formed through a space between the fluid channel layer 17, the nanowire pattern, and the underwater gate electrode 31. It is desirable to form channels through which the contained solution can flow to protect the solution from contaminants in the air.
  • the order can be changed in various ways according to the purpose.

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Abstract

본 발명은 반복되는 패턴을 갖는 네트워크 구조의 나노선을 사용함으로써 높은 효율과 구조적 안정성을 얻을 수 있는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서에 관한 것으로, 기판 상부에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성되며, 교차점의 패턴이 반복되는 네트워크 구조로 형성된 나노선 및 상기 나노선에 고정되며 외부에서 유입되는 대상물질과 선택적으로 반응하는 탐지물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서
본 발명은 나노선을 이용한 나노선 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직선 구조의 나노선 대신 반복되는 패턴을 갖는 네트워크 구조의 나노선을 사용함으로써 높은 효율과 구조적 안정성을 얻을 수 있는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서에 관한 것이다.
전기화학적 센서는 감지하고자 하는 대상물질의 물리적 혹은 화학적 특성을 전기적인 신호로 바꾸어 주는 소자로서, 대상물질의 종류에 따라 바이오센서, 화학센서 및 환경센서 등의 활용용도로 널리 사용될 것으로 기대되는 소자이다.
전기화학적 센서를 이용한 대상 물질의 검출 및 분석을 위해서는 대상 물질이 가지는 미세한 특성에도 신호의 변화가 크게 나타날 수 있도록 높은 감도를 가지고 있어야 하며, 체액의 화학성분에 견딜 수 있는 화학적 안정성과 유체의 흐름에도 영향을 받지 않는 물리적 안정성을 지니고 있어야 한다. 또한 용이한 사용을 위하여 기존의 측정 플랫폼을 이용할 수 있어야 하며 경제성과 실용성을 위하여 대량생산이 용이한 구조로 제작되어야 한다.
이러한 측면에서 기존의 반도체 공정을 이용한 실리콘 센서는 상기 전기화학적 센서의 요건에 가장 적합하다. 그 중에서도 나노선 채널은 1차원 구조로 높은 게이트 제어능력을 가지고 있으며 평판 실리콘 채널에 비하여 부피 대비 면적비가 커서 높은 감도를 얻을 수 있는 특성으로 인해 많은 연구가 진행되고 있다.
도 1은 종래의 나노선을 이용한 나노서 센서의 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 종래의 나노선 센서는 소스 전극영역(S)과 드레인 전극영역(D) 사이에 형성된 나노선 상부의 게이트 절연막(15)에 탐지물질(40)을 부착한 후 탐지물질에 선택적으로 부착되는 대상물질(41)이 가지고 있는 전하량을 이용하여 나노선 채널 영역의 전기 전도도를 변화시켜 감지를 수행한다. 이때 별도의 수중 게이트 전극(31)을 제작하여 용액의 전위를 고정할 수도 있다.
이러한 종래의 나노선 센서의 경우 탐지물질이 고정되는 실리콘 나노선이 바텀업(bottom-up) 방식 또는 탑다운(top-down)방식으로 형성될 수 있으며, 이들은 각각 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
바텀업(bottom-up) 방식의 경우 CVD(Chemical Vapor Deposition)와 같은 반도체 공정 기술을 이용하여 형성된 실리콘 나노선을 특정 위치에 정렬하여 센서를 제작하게 되는데, 이때 나노선의 합성 및 정렬이 용이하지 않아 소자의 대량생산에 어려움이 있다.
반면 SOI (Silicon-on insulator) 기판을 이용하여 나노선을 제작하는 탑다운(top-down)방식의 경우 전기적 특성이 우수하나 노광기술상의 어려움으로 바텀업 방식의 나노선보다 얇은 나노선을 구현하기 어렵다. 또한 높은 감도를 얻기 위하여 게이트-올-어라운드(Gate All Around)형태의 소자 구현 시 나노선이 수백 nm 이상으로 긴 경우 나노선이 휘어지거나 쓰러지는 문제점을 가지고 있으며 유체의 흐름에 구조적으로 불안정하다는 단점을 가지고 있다.
한편, 일반적인 구조의 나노선 센서는 직선형의 나노선 다발이 소스와 드레인에 연결 되어 있는 구조를 갖는다. 이때 임의로 배열되는 대상물질에 대하여 하나의 물질은 하나의 나노선에만 영향을 주기 때문에 나노선 다발의 개수가 많아야만 높은 감도를 얻을 수 있다. 따라서 면적 대비 소자의 개수가 감소하여 비용절감에 어려움이 따르게 된다.
본 발명이 해결하려는 기술적 과제는, 나노선을 그물망 형태의 네트워크 구조로 형성하여 직선형 나노선 센서에 비하여 넓은 노출 표면적을 갖도록 함으로써 대상물질이 나노선에 부착되는 확률을 높이고 이를 통해 측정 감도를 향상시킬 수 있는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서는 기판 상부에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성되며, 교차점의 패턴이 반복되는 네트워크 구조로 형성된 나노선 및 상기 나노선에 고정되며, 외부에서 유입되는 대상물질과 선택적으로 반응하는 탐지물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법은 (a) 기판의 상부에 절연층 및 실리콘층을 순차적으로 형성하는 절연층 및 실리콘층 형성단계; (b) 리소그래피 공정을 이용하여 상기 실리콘층의 상부에 소스 전극영역, 드레인 전극영역 및 나노선 패턴을 형성하는 나노선 패턴 형성단계; (c) 상기 소스 전극영역 및 상기 드레인 전극영역에 이온을 주입하는 이온주입단계; (d) 습식식각 공정을 통해 상기 나노선 패턴의 하부 지지층을 제거하는 하부 지지층 제거단계; (e) 상기 소스 전극영역, 상기 드레인 전극영역 및 상기 나노선의 외부에 게이트 절연막을 형성하는 게이트 절연막 형성단계; (f) 상기 소스 전극영역 및 상기 드레인 전극영역의 상부에 금속전극을 형성하는 전극 형성단계; (g) 상기 나노선의 금속전극 상부에 상부절연층을 형성하고 상기 상부절연층을 제거하여 나노선의 게이트 절연막을 노출시키는 나노선 패턴 노출단계; 및 (h) 상기 노출된 나노선 패턴에 외부로부터 주입되는 대상물질과 반응할 탐지물질을 고정하는 탐지물질 고정단계를 구비하되, 상기 나노선 패턴은 상기 소스 전극영역과 상기 드레인 전극영역사이에서 교차점의 패턴이 반복되는 네트워크 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서는 직선형의 나노선을 이용한 나노선 센서에 비해 높은 표면적을 가져 대상물질이 나노선에 부착될 확률을 높이고, 이를 통해 부착된 대상물질에 의한 나노선의 전기전도도(conductance 또는 resistance) 또는 정전용량(capacitance)의 변화를 보다 민감하게 감지할 수 있어서 센서의 감도를 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 네트워크 구조의 안정성으로 인하여 채널의 길이가 긴 경우에도 나노선이 휘어지거나 변형되지 않고 기존의 구조를 그대로 유지하여 나노선 측면 및 하부에서도 대상물질이 탐지물질과 반응할 수 있는 구조를 가능하게 하여 보다 높은 감도를 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 나노선을 이용한 나노서 센서의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 구조 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 나노선 센서와 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 동작 특성을 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 네트워크 나노선의 하부 지지층이 없는 경우의 구조적 안정성을 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 6 내지 도 13은 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법을 공정별로 나타낸 단면도 및 평면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
10 : 기판 11 : 하부 절연층
12 : 실리콘층 13 : 이온 유출 방지층
14 : 이온 주입 방지층 15 : 게이트 절연막
16 : 상부 절연층 17 : 유체 채널층
20 : 나노선 영역 21 : 활성영역
22 : 나노선 하부 지지층 30-1 : 소스 전극
30-2 : 드레인 전극 31 : 수중 게이트 전극
40 : 탐지물질 41 : 대상물질
이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 구조 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서(200)는 기판 상부에 형성 된 소스 전극(30-1) 및 드레인 전극(30-2)과, 상기 소스 전극(30-1)과 드레인 전극(30-2)의 사이에 형성되며, 교차점의 패턴이 반복되는 네트워크 구조로 형성된 나노선(20)과, 상기 나노선에 고정되며, 외부에서 유입되는 대상물질과 선택적으로 반응하는 탐지물질(40)을 포함한다.
상기 기판은 반도체, 폴리머 또는 부도체 소재의 기판을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 나노선은 실리콘, 화합물 반도체 또는 폴리머 소재의 나노선을 사용하는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서(200)는 도 1에 도시된 종래기술에 따른 나노서 센서(100)에 비해 다른 구성요소는 모두 동일하며, 나노선의 구조가 네트워크 구조를 갖는다는 점에서 구별된다.
즉, 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서(200)는 종래의 나노선 센서와 달리 여러 다발의 짧은 나노선이 네트워크 구조로 연결되어 있음을 알 수 있다.
상기 나노선은 X형, Y형, T형 및 십자(+)형과 같이 교차점의 패턴이 연속적으로 반복되는 네트워크 구조로 형성된다.
이때 상기 나노선의 폭은 5nm 내지 1㎛이며, 패턴이 반복되는 상기 교차점의 간격은 10nm 내지 1㎛인 것이 바람직하다.
이와 같이 나노선을 직선이 아닌 그물망 구조의 네트워크 형태로 형성하면 나노선에 형성된 탐지물질(40)에 대상물질(41)이 부착되는 면적이 넓어지게 되어 측정감도가 향상된다. 또한 여러 다발의 짧은 나노선이 네트워크 구조로 연결된 형태로 나노선을 형성하면 구조적 안정성으로 인해 게이트-올-어라운드 형태의 감지가 가능하게 되는 특징이 있으며 이러한 특징에 대해 도 3과 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 종래의 나노선 센서와 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 동작 특성을 비교 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 네트워크 구조의 나노선의 하부 지지층이 없는 경우의 구조적 안정성을 설명하기 위한 전자현미경 사진이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 종래의 직선형의 나노선을 구비한 나노선 센서는 나노선(20)의 상부 혹은 측면부에 대상물질(41)이 부착되며 대상물질이 가지고 있는 전하량에 의하여 대상물질이 부착된 나노선 채널 부분에 전자나 홀이 모여들어 전도도를 향상시키는 방식을 이용하여 동작하게 된다. 이때 전체의 나노선(20) 중 대상물질이 부착된 부분과 연결 된 나노선의 부분이 대상물질에 의한 영향을 받는 영역(21)이 된다.
이와 같이 종래의 직선형 나노선을 이용한 나노선 센서의 경우 여러 다발의 나노선 중 하나의 나노선에 대상 물질이 부착 된 경우 대상물질이 부착된 나노선만이 총 전도도에 영향을 미치게 되며, 이로 인해 측정감도가 떨어지게 된다.
이에 반해 도 3의 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서는 대상물질(41)이 부착된 부분을 지나는 소스단과 드레인단 사이의 모든 최단 경로의 나노선에 대하여 영향을 미치게 되어 높은 감도를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 경우 상기 소스 전극영역과 상기 드레인 전극영역사이에서 상기 나노선의 위의 한 교차점을 지나가는 경로 중 상기 나노선의 길이가 동일한 경로가 적어도 두 개 이상 존재하게 된다.
따라서 대상물질(41)이 부착된 부분을 지나는 소스 전극영역과 드레인 전극영역 사이의 모든 최단 경로(굵은 선으로 표시된 경로)에 대해서 나노선의 전기전도도가 변하게 되어 측정감도가 향상된다.
종래 기술과 같이 직선구조의 나노선을 이용한 나노선 센서에 있어서, 길이가 짧은 경우에는 대상물질이 부착될 면적이 감소하여 대상물질에 의한 소자에의 영향이 확률적으로 감소하게 되며, 길이가 길어질 경우에는 나노선의 하부가 지지되지 아니하면 나노선이 휘어지는 현상을 보이게 된다.
그러나 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선의 경우 짧은 길이의 나노선이 교차점을 통하여 얽혀 있으므로 나노선의 구조적 강도가 향상된다. 예를 들어, 120도 내각을 갖는 Y형 교차점을 이루는 짧은 나노선의 네트워크의 경우 교차점에 가해지는 수직적, 수평적 힘이 세 방향으로 고르게 분산되므로 직선 나노선보다 휘어짐 없이 안정적으로 지지될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 경우 상기 나노선의 하부가 상기 기판의 상부에 부착되지 아니하고 소정 간격 이격되어 형성될 수 있다.
이와 같이 하부 지지 없이 나노선이 형성될 경우 나노선의 하부 면적도 대상물질이 포함된 용액에 노출되어 나노선의 총 노출 표면적이 증가하게 되고, 나노선의 하부에 부착되는 대상 물질에 의해서도 나노선의 전도도를 변화시킬 수 있게 된다.
이러한 네트워크 구조 나노선의 구조적 안정성은 실리콘-게르마늄 혹은 실리콘 절연막으로 구분된 여러 층의 실리콘층을 적층한 웨이퍼를 사용하여 구현되는 적층 구조의 나노선 센서의 제작을 가능하게 하여 소자의 집적도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 네트워크 구조의 나노선은 동일한 길이의 나노선을 보다 짧은 간격의 소스와 드레인 사이에 구현할 수 있도록 함으로써, 대상물질이 포함된 용액에 노출되는 소스와 드레인 사이의 영역에서 나노선이 덮고 있는 영역의 밀도가 높아지게 되어 한정 된 면적에서 소자의 집적도를 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이고, 도 6 내지 도 13은 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법을 공정별로 나타낸 단면도 및 평면도이다.
도 5 및 도 6 내지 도 13을 참조하여 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6 내지 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법은 하부 절연층 및 실리콘층 형성단계(S100), 나노선 패턴 형성단계(S200), 이온주입단계(S300), 하부 지지층 제거단계(S400), 게이트 절연막 형성단계(S500), 전극 형성단계(S600), 나노선 패턴 노출단계(S700) 및 탐지물질 고정단계(S800)를 구비한다.
상기 하부 절연층 및 실리콘층 형성단계(S100)에서는 기판(10)의 상부에 하부 절연층(11)을 형성하고, 저 농도로 도핑된 실리콘층(12)을 순차적으로 형성한다.
상기 나노선 패턴 형성단계(S200)에서는 리소그래피 공정을 이용하여 상기 실리콘층(12)의 상부에 소스 전극영역(S), 드레인 전극영역(D) 및 나노선(20) 영역을 포함한 활성 영역을 패터닝 한 후 식각공정을 통해 나노선 패턴을 형성한다.
이때 나노선 영역은 소스 전극영역(S) 및 드레인 전극영역(D)의 형성공정을 통해 한 번에 형성되거나 두 번에 걸쳐 형성될 수 있다.
이어서 상기 이온주입단계(S300)에서는 길게 형성된 소스 전극영역(S) 및 드레인 전극영역(D)의 전기전도도를 높이기 위해 이온주입을 수행한다.
이때 이온주입은 높은 농도의 이온을 주입하는 것이 바람직하며, 나노선(20)의 패턴이 형성될 영역에는 이온이 주입되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 열산화 공정 및 박막 형성공정을 이용하여 소스 전극영역(S)과 드레인 전극영역(D)의 상부에 얇은 이온유출 방지층(13)을 형성하여 주입된 이온이 빠져나가지 못하도록 막아주고, 나노선(20) 영역의 상부에는 두꺼운 이온주입 방지층(14)을 형성하여 나노선 영역에 이온이 주입되지 못하도록 한다.
이어서, 습식식각 공정을 통해 상기 나노선 패턴의 하부 지지층을 제거하는 하부 지지층 제거단계(S400)를 수행한다. 즉 게이트-올-어라운드(Gate All Around)구조의 형성을 위해 습식 식각 공정을 이용하여 나노선의 하부 지지층을 제거한다.
이때, 퍼니스나 RTP(Rapid Thermal Processor)를 이용하여 실리콘층(12)에 산화막을 형성한 후 제거하는 공정을 통하여 나노선의 두께와 넓이를 감소시킬 수 있으며 동시에 나노선 지지층의 실리콘 산화막을 제거할 수 있다.
이어서 게이트 절연막 형성단계(S500)에서는 소스 전극영역, 드레인 전극영역 및 나노선의 외부에 게이트 절연막을 형성하여 나노선 외부의 용액으로부터 나노선의 채널 영역을 전기적으로 절연시킨다. 게이트 절연막의 표면에는 이후 탐지물질의 부착에 필요한 화학기가 노출되도록 하며 별도의 금속을 사용할 수 있다.
또한 필요에 따라 게이트 절연막을 형성하지 않고 센서로 응용할 수 있므며, 나노선의 외부에만 게이트 절연막을 형성할 수도 있다.
상기 전극 형성단계(S600)에서는 상기 소스 전극영역(S) 및 상기 드레인 전극영역(D)의 상부에 소스 전극(30-1) 및 드레인 전극(30-2)을 형성한다.
이때, 소스 전극영역(S) 및 드레인 전극영역(D)의 상부에는 이미 게이트 절연막(15)이 형성되어 있으므로 이 게이트 절연막(15)을 제거하는 공정이 선행되어야 한다. 한편, 기판(10) 상부에 형성된 하부 절연층(11) 위에 별도의 수중게이트 전극(31)을 추가로 형성하여 대상물질이 포함된 용액에 노출시킴으로써 용액에 직접 전위를 인가하도록 할 수 있다.
상기 나노선 패턴 노출단계(S700)에서는 상기 소스 전극영역(S)과 드레인 전극영역(D) 및 소스 전극(30-1) 과 드레인 전극(30-2)의 연결선의 상부에는 대상물질이 포함된 용액과 금속 전극간의 절연을 위한 상부 절연층(16)을 추가로 형성하고 상기 상부절연층(16)을 제거하여 나노선의 게이트 절연막을 노출시킨다.
한편, 탐지물질 고정단계(S800)에서는 나노선의 표면 화학기를 이용하여 외부로부터 주입되는 대상물질(41)과 반응할 탐지물질(40)을 나노선 패턴에 고정한다.
이때 상부 절연층(16)의 상부에는 유체 채널층(17)을 형성하고, 상기 유체 채널층(17)과 나노선 패턴 및 수중 게이트 전극(31)과의 사이의 공간을 통해 대상물질(41)이 포함된 용액이 흐를 수 있는 채널을 형성하여 공기 중의 오염물질로부터 용액을 보호하는 것이 바람직하다.
상기 살펴본 여러 공정 중 나노선 패턴 형성단계(S200), 이온주입단계(S300), 하부 지지층 제거단계(S400), 게이트 절연막 형성단계(S500)는 나노선 센서의 감도를 높이고 신호 대 잡음비를 줄이기 위한 목적에 맞게 그 순서를 다양하게 바꾸어 시행할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (18)

  1. 기판 상부에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극,
    상기 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성되며, 교차점의 패턴이 반복되는 네트워크 구조로 형성된 나노선; 및
    상기 나노선에 고정되며, 외부에서 유입되는 대상물질과 선택적으로 반응하는 탐지물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기판은
    반도체, 폴리머 또는 부도체 소재의 기판인 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서
  3. 제 1항에 있어서, 상기 나노선은
    실리콘, 화합물 반도체 또는 폴리머 소재의 나노선인 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서
  4. 제 1항에 있어서, 상기 나노선은
    X형, Y형, T형 또는 십자형으로 이루어지며, 교차점의 패턴이 연속적으로 반복되는 네트워크 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나노선의 폭은 5nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    패턴이 반복되는 상기 교차점의 간격은 10nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 나노선의 하부가 상기 기판의 상부에 부착되지 아니하고 소정 간격 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 나노선의 상부, 양 측면 및 하부에서 상기 탐지물질과 대상물질 간의 선택적인 반응이 진행되는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 소스 전극영역과 상기 드레인 전극영역사이에서 상기 나노선 위의 한 교차점을 지나가는 경로 중 상기 나노선의 길이가 동일한 경로가 적어도 두 개 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 상부에 형성된 수중게이트 전극을 더 포함하되,
    상기 수중게이트 전극은 상기 대상물질이 포함된 용액에 직접 전위를 인가하는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  11. 제 10항에 있어서,
    나노선 영역 및 수중 게이트 전극 영역을 제외한 영역의 상부에 절연층이 형성된 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘-게르마늄 또는 실리콘 절연막으로 구분된 복수의 실리콘층이 적층된 구조를 가지며, 상기 나노선이 적층구조로 형성된 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서.
  13. (a) 기판의 상부에 절연층 및 실리콘층을 순차적으로 형성하는 하부 절연층 및 실리콘층 형성단계;
    (b) 리소그래피 공정을 이용하여 상기 실리콘층의 상부에 소스 전극영역, 드레인 전극영역 및 나노선 패턴을 형성하는 나노선 패턴 형성단계;
    (c) 상기 소스 전극영역 및 상기 드레인 전극영역에 이온을 주입하는 이온주입단계;
    (d) 습식식각 공정을 통해 상기 나노선 패턴의 하부 지지층을 제거하는 하부 지지층 제거단계;
    (e) 상기 소스 전극영역, 상기 드레인 전극영역 및 상기 나노선의 외부에 게이트 절연막을 형성하는 게이트 절연막 형성단계;
    (f) 상기 소스 전극영역 및 상기 드레인 전극영역의 상부에 금속전극을 형성하는 전극 형성단계;
    (g) 상기 나노선의 금속전극 상부에 상부절연층을 형성하고 상기 상부절연층을 제거하여 나노선의 게이트 절연막을 노출시키는 나노선 패턴 노출단계; 및
    (h) 상기 노출된 나노선 패턴에 외부로부터 주입되는 대상물질과 반응할 탐지물질을 고정하는 탐지물질 고정단계;를 구비하되,
    상기 나노선 패턴은 상기 소스 전극영역과 상기 드레인 전극영역사이에서 교차점의 패턴이 반복되는 네트워크 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 (b)단계는
    전자빔 리소그래피, 나노 임프린트, 이온빔 리소그래피, X-선 리소그래피, 극자외선 리소그래피 또는 포토 리소그래피 중 어느 하나의 공정을 통해 나노선 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 (f)단계는
    상기 기판위에 형성된 하부 절연층의 상부에 수중게이트 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 (h)단계 이후
    상기 나노선 패턴과 상기 수중게이트 전극에 상기 대상물질이 포함된 유체가 흐를 수 있는 채널을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법.
  17. 제 13항에 있어서, 상기 (a)단계는
    상기 대상물질의 종류 및 전기화학적 특성에 따라 n형 물질 또는 p형 물질로 도핑하여 상기 실리콘층을 형성하는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법.
  18. 제 13항에 있어서, 상기 (d)단계는
    상기 실리콘층의 상부에 산화막을 형성하는 공정 및 이를 제거하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 구조의 나노선을 구비한 나노선 센서의 제조방법.
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