WO2014088244A1 - 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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nanowires
electrode
field effect
effect sensor
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PCT/KR2013/010655
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이정수
정윤하
김성호
김기현
임태욱
백창기
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포항공과대학교 산학협력단
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    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors

Definitions

  • the present invention relates to a field effect sensor using nanowires, wherein a nanowire field effect is provided with nanowires having a three-dimensional stacked structure that can obtain a wider sensing area in a limited substrate area by stacking nanowires in a direction perpendicular to the substrate. Relates to a sensor.
  • An electrochemical sensor is an element that converts the electrochemical characteristics of a target material to be detected into an electrical signal. Electrochemical sensors are expected to be widely used in biosensors and chemical sensors depending on the type of target material.
  • the sensitivity of the target material In order to detect and analyze the target material using the electrochemical sensor, the sensitivity of the target material must be high so that the change of the signal can be seen even in the minute electrochemical properties of the target material. Many objects should be attached. In addition, it must be manufactured in a structure that is easy to mass production for economics and practicality.
  • nanowire field effect sensors using conventional top-down semiconductor processes are most suitable for the requirements of the electrochemical sensors described above.
  • the nanowire channel has been proposed as a structure that can obtain a high gate control ability and a high sensitivity with a high volume-to-area ratio compared to a flat channel with a one-dimensional structure.
  • a detection material is attached to the top of the nanowire, and the target material is selectively combined to detect using the charge of the target material.
  • the capture area of the target material should be wide, the length of the nanowire should be sufficiently long.
  • the nanowire channel is a one-dimensional structure, it is difficult to maintain a constant variation in the characteristics between nanowires because it is sensitive to traps present in the nanowire and the gate insulating layer surrounding the nanowire, which increases as the length of the nanowire increases. .
  • the smaller the number of parallel nanowires connected the lower the driving current amount is, which requires high measurement resolution when configuring a measurement circuit for sensing.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a nanowire sensor using a conventional nanowire.
  • a conventional nanowire sensor attaches a detection material to a gate insulating layer on a nanowire 20 formed between a source electrode S and a drain electrode D.
  • the detection is performed by changing the electrical conductivity of the nanowire channel using the amount of charge of the target material selectively attached to the detection material.
  • a separate underwater gate electrode 31 may be manufactured to fix the potential of the solution.
  • Nanowire sensors have a structure in which linear nanowires are connected to a source (S) and a drain (D). At this time, the nanowire is composed of a single layer is attached to the upper portion of the substrate or spaced apart from the upper portion of the substrate. The sensing area is confined to the top, bottom, and side surfaces of a single layer of nanowires and measures only a few square microns to several square nanometers.
  • the number of nanowires must be increased, and the substrate area occupied by the device also increases. This has a problem that the number of devices compared to the substrate area is reduced.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to increase the probability that the target material is attached to the nanowires by forming a three-dimensional structure of the nanowires to have a wide exposed surface area compared to the linear nanowire sensor within the same limited area
  • the present invention provides a nanowire sensor having nanowires having a structure capable of improving sensitivity.
  • the source (S) electrode formed of a semiconductor channel layer 12 and a sacrificial layer 13
  • a drain D electrode formed of the semiconductor channel layer 12 and the sacrificial layer 13, one side of the semiconductor channel layer 12 on the source S electrode, and a semiconductor channel layer 13 on the drain D electrode.
  • One side of the) is fixed to the side of the nanowire and the nanowire is connected, characterized in that it comprises a detection material 40 that selectively reacts with the target material 41 flowing from the outside,
  • the semiconductor channel layer 12 and sacrificially formed at least one or more layers on the substrate respectively After the channel 13 and the sacrificial layer 13 of the patterned portion of the layer 13, the semiconductor channel layer 12 and the sacrificial layer 13 are collectively etched, the lower support layer and the sacrificial portion of the portion other than the pattern are etched.
  • a source S electrode formed by alternately stacking the semiconductor channel layer 12 and the sacrificial layer 13, a drain D electrode formed by alternately stacking the semiconductor channel layer 12 and the sacrificial layer 13, and It is fixed to another side of the nanowire, characterized in that it comprises a detection material 40 that selectively reacts with the target material 41 flowing from the outside.
  • the nanowire sensor having a nanowire having a three-dimensional stacked structure has a larger sensing area than a nanowire sensor using a nanowire having a conventional two-dimensional structure within a limited same area so that a target material may be attached to the nanowire.
  • a target material may be attached to the nanowire.
  • the medium is filled not only in the upper and side portions of the nanowire but also in the lower portion thereof, so that the operation of the device becomes like GAA (Gate-all-around).
  • the gate-all-around (GAA) uses all four surfaces of the nanowires as the gate electrode 31, which is obvious to those skilled in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.
  • the nanowires having high conductivity influence the conductivity of the entire device due to the nanowires arranged in parallel. Therefore, the turning on characteristics of the device are mainly influenced by the superior performance of the nanowires connected in parallel to obtain the effect of improving the turning on characteristics of the average device.
  • 1 is a view for explaining the structure of a conventional nanowire sensor.
  • FIG. 2 is a view for explaining the structure of a nanowire sensor having a nanowire of a three-dimensional stacked structure according to the present invention.
  • 3 is an electron microscope image of parallel-connected nanowire devices and a transfer characteristic curve according to the number of nanowires.
  • FIG. 4 is a semiconductor in which a sacrificial layer using a channel layer and an insulating material or a channel material and a semiconductor material capable of selective etching is sequentially formed in a multilayer in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to the present invention. It is a stack forming step.
  • FIG. 5 is a pattern forming step of nanowires forming a pattern of a source electrode, a drain electrode, and a nanowire on the channel layer by using a lithography process in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a support layer removal step of removing the lower support layer and the sacrificial layer of the nanowire through a wet etching process in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment according to the present invention.
  • FIG. 7 is an ion implantation step of implanting ions into the source electrode and the drain electrode in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a gate insulating layer forming step of forming a gate insulating layer on the outside of the source electrode, the drain electrode and the nanowire in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment according to the present invention.
  • FIG. 9 is a step of forming a metal via when a sacrificial layer is an insulating layer such as silicon oxide in a 3D stacked nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an electrode forming step of forming a metal electrode on the source electrode and the drain electrode in the three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment according to the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating an insulating layer for insulation between a solution and a metal electrode on a source (S) and a drain (D) and a metal electrode connecting line in a 3D stacked nanowire sensor according to another embodiment of the present invention. Step.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a channel through which a solution flows using a separate material between a nanowire gate insulating layer and an underwater gate electrode exposed in a 3D stacked nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a fixing step of fixing a detection material to react with the target material injected from the outside in the exposed nanowire pattern in the three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the structure of a nanowire sensor having a nanowire of a three-dimensional stacked structure according to the present invention.
  • a nanowire sensor having nanowires having a three-dimensional stacked structure may include a semiconductor stack of a semiconductor channel layer 12 and a sacrificial layer 13 made of an insulator or a channel layer and a semiconductor capable of selective etching. It is manufactured using.
  • the channel layer 12 and the sacrificial layer 13 of the patterned portion of the nanowires are collectively etched, and then the sacrificial layer 13 of the nanowire portion is selectively etched to prevent interlayer contact between the nanowires. do.
  • the source S and the drain D should be electrically connected to each layer.
  • the material of the sacrificial layer 13 is an insulator, each layer is connected to each other by using a separate conductor via 32 in the source S and the drain D, and the channel layer is silicon and the sacrificial layer 13
  • the material of) is a semiconductor material capable of selective etching with silicon such as a silicon germanium compound, the conductivity of the source (S) and the drain (D) is increased by the implantation of selective impurities to connect each layer.
  • the nanowire sensor having a nanowire having a three-dimensional stacked structure shown in FIG. 2 is made of a material capable of selectively etching the channel layer 12, although all other components are the same as those of the conventional nanowire sensor shown in FIG. 1.
  • 3 is an electron microscope image of parallel-connected nanowire devices and a transfer characteristic curve according to the number of nanowires.
  • the device having 20 nanowires shows lower threshold voltage and SS (Sub-threshold Swing) than the device having 10 nanowires, and shows a higher amount of current in the turned-on state.
  • the sensing area that is attached to the target material 41 may be increased to increase the probability that the target material 41 is attached.
  • the total channel area is increased to increase the amount of current, and thus, it is not necessary to increase the measurement resolution of the measurement device, which is advantageous for actual implementation.
  • FIG. 4 illustrates a multi-layered sacrificial layer 13 using a channel layer, an insulating material, or a semiconductor material capable of selective etching with a channel layer on the substrate 10 in the three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to the present invention.
  • a semiconductor stack forming step is formed in order.
  • the insulating layer 11 using the silicon oxide film or the silicon nitride film on the substrate 10 to be used and the semiconductor channel layer 12 and the insulator or channel layer doped with low concentration on the upper portion thereof are selectively etched.
  • the sacrificial layer 13 made of a possible semiconductor is formed in an intersection and the number of semiconductor stacks can be controlled.
  • FIG. 5 is a pattern forming step of nanowires forming a pattern of a source electrode, a drain electrode, and a nanowire on the channel layer by using a lithography process in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • an active region including a source S, a drain D, and a nanowire is formed in an upper channel layer 12 through an lithography process by using a lithography process.
  • the nanowires may be formed at one time through the source (S) and drain (D) forming process, and may be formed through two processes by first patterning the source (S) and drain (D) and patterning only the nanowire portion separately. Can be.
  • FIG. 6 is a step of removing a support layer for removing the lower support layer and the sacrificial layer 13 of the nanowire through a wet etching process in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the sacrificial layer 21 of the nanowire channel is removed through a wet etching process.
  • the etching is performed using anisotropic wet etching, but in order to selectively etch only the sacrificial layer without etching the channel layer, an etching solution having a high etching selectivity between the sacrificial layer material and the channel layer material should be selected.
  • FIG. 7 is an ion implantation step of implanting ions into the source electrode and the drain electrode in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the conductivity of the long source S and the drain D is increased, and the channel layer 12 is silicon and the sacrificial layer 13 is a semiconductor capable of selectively etching with silicon, such as a silicon germanium compound.
  • ion implantation is performed to connect the source S and the drain D of each silicon layer.
  • the implanted ions do not invade the nanowires by using the ion implantation prevention layer 14 in the channel layer 20 of the nanowires, and it is preferable to inject ions of high concentration.
  • FIG. 8 is a gate insulating layer forming step of forming a gate insulating layer on the outside of the source electrode, the drain electrode and the nanowire in a three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment according to the present invention.
  • the gate insulating layer 15 is formed outside the nanowires to electrically insulate the nanowires and the fluid from the solution outside the nanowires. On the surface of the gate insulating layer, chemicals required for the attachment of the detection material are then exposed and a separate metal may be used.
  • the nanowire forming process, ion implantation process, lower support layer removal process, and gate insulating layer formation process may be performed by changing the order in order to increase the sensitivity of the nanowire sensor and reduce the signal-to-noise ratio.
  • sacrificial layer 13 is an insulating layer such as silicon oxide in the 3D stacked nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the sacrificial layer 13 is an insulating layer such as silicon oxide, as shown in FIG. 9, a metal is connected to the source S and the drain D to connect the source S and the drain D of each layer.
  • FIG. 10 is an electrode forming step of forming a metal electrode on the source electrode and the drain electrode in the three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment according to the present invention.
  • each channel layer 12 is removed from the source S and the drain D in the process of FIG. 7. Since it is electrically connected, the metal electrode layer 30 is formed on the source S and the drain D, as shown in FIG. 10.
  • the gate insulating layer 15 is previously formed on the source S and the drain D, the process of removing the insulating layer must be preceded.
  • a separate underwater gate electrode 31 may be further formed on the lower insulating layer 11 to be exposed to the solution, and may be used as an underwater gate electrode to directly apply a potential to the solution.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating an insulating layer for insulation between a solution and a metal electrode on a source (S) and a drain (D) and a metal electrode connecting line in a 3D stacked nanowire sensor according to another embodiment of the present invention. Step.
  • an insulating layer 16 is further formed on the source S, the drain D, and the metal electrode connection line to insulate the solution and the metal electrode layer 30. At this time, the gate insulating layer and the underwater gate electrode portion of the nanowire where the detection takes place should be exposed.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a channel through which a solution flows using a separate material between a nanowire gate insulating layer and an underwater gate electrode exposed in a 3D stacked nanowire sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the exposed nanowire gate insulating layer and the underwater gate electrode are formed using the fluid channel layer 17 to form a channel through which the solution can flow to protect the solution from contaminants in the air.
  • FIG. 13 is a fixing step of fixing the detection material 40 to react with the target material 41 injected from the outside in the exposed nanowire pattern in the three-dimensional stacked structure nanowire sensor according to another embodiment according to the present invention. .
  • the detection material 40 is attached using the surface chemistry of the nanowire, and the target material 41 is attached thereon, so that the charge of the target material 41 affects the electrical conductivity of the nanowire channel. Make it crazy.
  • Nanowire according to the present invention is a device that operates according to the electrochemical properties of the target material 41, the semiconductor material doped or not doped with n-type, p-type depending on the type and electrochemical properties of the target material (41) Channel layer 12 and sacrificial layer 13 may be used.

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Abstract

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 나노선의 3차원 적층 구조를 형성하여 종래의 직선형 나노선 센서에 비하여 한정된 동일한 면적에 더 넓은 노출 표면적을 갖도록 함으로써 대상물질이 나노선에 부착되는 확률을 높이고 이를 통해 측정 감도를 향상할 수 있는 구조의 나노선을 갖춘 나노선 센서를 제공하여 나노선의 전기전도도(conductance 또는 resistance)의 변화를 더욱 민감하게 감지할 수 있어서 센서의 감도를 높일 수 있는 장점이 있다

Description

3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서 및 그 제조방법
본 발명은 나노선을 이용한 전계효과 센서에 관한 것으로, 나노선을 기판에 수직의 방향으로 적층함으로써 한정된 기판 면적에서 더욱 넓은 감지 면적을 얻을 수 있는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서에 관한 것이다.
전기화학적 센서는 감지하고자 하는 대상물질의 전기화학적 특성을 전기 신호로 바꾸어 주는 소자이다. 전기 화학적 센서는 대상물질의 종류에 따라 바이오센서 및 화학센서 등의 용도로 널리 사용될 것으로 기대되는 소자이다.
전기화학적 센서를 이용한 대상물질의 검출 및 분석을 위해서는 대상 물질이 가지는 미세한 전기화학적 특성에도 신호의 변화가 크게 나타날 수 있도록 높은 감도를 가지고 있어야 하며, 감지 대상 물질이 부착될 수 있는 면적을 최대화하여 더욱 많은 대상 물질이 부착될 수 있도록 하여야 한다. 또한, 경제성과 실용성을 위하여 대량생산이 쉬운 구조로 제작되어야 한다.
이러한 측면에서 종래의 탑다운 반도체 공정을 이용한 나노선 전계효과 센서는 상기 된 전기화학적 센서의 요건에 가장 적합하다. 그중에서도 나노선 채널은 1차원 구조로 높은 게이트 제어능력과 평판 채널에 비하여 높은 부피 대 면적비로 높은 감도를 얻을 수 있는 구조로 제안되고 있다.
나노선 전계효과 센서를 구동시키기 위해서는 나노선의 상부에 탐지 물질을 부착하고 대상 물질을 선택적으로 결합해 대상물질의 전하를 이용하여 감지를 수행한다. 이때, 대상물질의 전하를 효과적으로 감지하기 위하여 대상물질의 포획 면적이 넓어야 하므로 나노선의 길이가 충분히 길어야 한다. 그러나 나노선 채널이 1차원 구조이므로 나노선 내부 및 나노선을 감싸고 있는 게이트 절연층에 존재하는 트랩에 민감하게 영향 받아 나노선간의 특성 편차를 일정하게 유지하기 어려우며 이는 나노선의 길이가 길어질수록 심화한다.
또한, 나노선의 높은 채널 저항 때문에 병렬 연결된 나노선의 개수가 적으면 구동 전류량이 낮아지게 되어 감지를 위한 측정 회로 구성할 때 높은 측정해상도를 요구하게 된다.
도 1은 종래의 나노선을 이용한 나노선 센서의 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 종래의 나노선 센서는 소스 전극(S)과 드레인 전극(D)사이에 형성된 나노선(20)상부의 게이트 절연층에 탐지물질을 부착한다. 그 이후 탐지물질에 선택적으로 부착되는 대상물질이 가지고 있는 전하량을 이용하여 나노선 채널의 전기전도도를 변화시켜 감지를 수행한다. 이때 별도의 수중 게이트 전극(31)을 제작하여 용액의 전위를 고정할 수도 있다.
종래의 나노선 센서는 직선형의 나노선이 소스(S)와 드레인(D)에 연결된 구조를 가진다. 이때 나노선은 단일층으로 구성되어 기판의 상부에 부착되거나 기판의 상부와 일정 간격 이격되어 있다. 감지 면적은 단일층의 나노선 상하부 및 측면부에 국한되고, 그 크기가 불과 수 제곱 마이크론에서 수 제곱 나노미터밖에 되지 않는다.
나노선의 감지 면적을 늘리기 위해서는 나노선의 개수를 늘려야 하며, 소자가 차지하는 기판면적도 넓어지게 된다. 이는 기판 면적 대비 소자의 개수가 감소한다는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 나노선의 적층으로 3차원 구조로 형성하여 한정된 동일한 면적 내에서 직선형 나노선 센서에 비하여 넓은 노출 표면적을 갖도록 함으로써 대상물질이 나노선에 부착되는 확률을 높이고 이를 통해 측정 감도를 향상할 수 있는 구조의 나노선을 갖춘 나노선 센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 일실시예는, 반도체 채널층(12)및 희생층(13)으로 형성된 소스(S)전극, 상기 반도체 채널층(12)및 상기 희생층(13)으로 형성된 드레인(D)전극, 상기 소스(S)전극에 반도체 채널층(12)의 일측과 상기 드레인(D)전극에 반도체 채널층(13)의 일측이 연결되는 나노선 및 상기 나노선의 측면에 고정되며, 외부에서 유입되는 대상물질(41)에 선택적으로 반응하는 탐지물질(40)을 구비한느것을 특징으로 하며,
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 또 다른 일실시예는, 기판 상부에 각각 적어도 한층 이상 반복적으로 형성된 반도체 채널층(12)및 희생층(13), 상기 반도체 채널층(12)및 희생층(13)에서 패턴 된 부분의 채널층(12)과 희생층(13)을 일괄적으로 식각한 후, 패턴 외의 부분의 하부 지지층 및 희생층(13)을 선택적으로 식각하고 남은 기판에 수직한 방향으로 두 층 이상 적층되어 연결되는 형태의 나노선들; 반도체 채널층(12)및 희생층(13)이 번갈아 가며 적층됨으로써 형성된 소스(S)전극, 상기 반도체 채널층(12)및 상기 희생층(13)이 번갈아 가며 적층됨으로써 형성된 드레인(D)전극 및 상기 나노선의 또 다른 측면에 고정되며, 외부에서 유입되는 대상물질(41)에 선택적으로 반응하는 탐지물질(40)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 센서는 한정된 동일한 면적 내에서 종래의 2차원 구조의 나노선을 이용한 나노선 센서에 비해 넓은 감지 면적을 가져 대상물질이 나노선에 부착될 확률을 높이고, 이를 통해 부착된 대상물질에 의한 나노선의 전기전도도(conductance 또는 resistance)의 변화를 더욱 민감하게 감지할 수 있어서 센서의 감도를 높일 수 있는 장점이 있다
또한, 상층부 나노선의 경우 매질이 나노선의 상부 및 측면부 뿐 아니라 하부에도 차게 되어 소자의 동작이 GAA(Gate-all-around)와 같이 되어, 나노선의 게이트 제어능력이 향상됨에 따라 감도가 증가하게 된다.
GAA(Gate-all-around)는 나노선의 네 개의 면 모두를 게이트 전극(31)으로 사용하는 것으로 이는 당업자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략한다.
또한, 병렬로 배치된 나노선의 영향으로 높은 전도도를 갖는 나노선이 전체 소자의 전도도에 영향을 미치게 된다. 그러므로 소자의 켜짐 특성이 병렬 연결된 나노선 중 우수한 성능의 나노선에 의하여 주요한 영향을 받아 평균적인 소자의 켜짐 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 나노선 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 병렬 연결된 나노선 소자의 전자현미경 이미지와 나노선 개수에 따른 전달특성곡선이다.
도 4는 본 발명에 따른 3차원 적층구조 나노선 센서에서 기판의 상부에 채널층과 절연물질 혹은 채널층과 선택적 식각이 가능한 반도체물질을 이용한 희생층(Sacrificial layer)을 다층으로 차례대로 형성하는 반도체 적층 형성단계이다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 리소그래피 공정을 이용하여 상기 채널층의 상부에 소스 전극, 드레인 전극 및 나노선의 패턴을 형성하는 나노선의 패턴 형성단계이다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 습식식각 공정을 통해 상기 나노선의 하부 지지층 및 희생층을 제거하는 지지층 제거단계이다.
도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극에 이온을 주입하는 이온주입단계이다.
도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 나노선의 외부에 게이트 절연층을 형성하는 게이트 절연층 형성단계이다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 희생층이 실리콘 산화물과 같이 절연층인 경우 금속 via를 형성하는 단계이다.
도 10은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극의 상부에 금속전극을 형성하는 전극 형성단계이다.
도 11은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 소스(S)와 드레인(D)및 금속전극 연결선 상부에 용액과 금속 전극간의 절연을 위한 절연층을 추가로 형성하는 단계이다.
도 12는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 노출된 나노선 게이트 절연층과 수중 게이트 전극을 별도의 물질을 이용하여 용액이 흐를 수 있는 채널을 형성하는 단계이다.
도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 상기 노출된 나노선의 패턴에 외부로부터 주입되는 대상물질과 반응할 탐지물질을 고정하는 고정단계이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명에 따른 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 센서는 반도체 채널층(12)과 절연체 혹은 채널층과 선택적 식각이 가능한 반도체로 이루어진 희생층(13)의 반도체 적층을 이용하여 제작된다. 반도체 적층에서 나노선의 패턴 된 부분의 채널층(12)과 희생층(13)을 일괄적으로 식각한 후, 나노선 부분의 희생층(13)을 선택적으로 식각하여 나노선 간에 층간 접촉이 일어나지 않게 한다.
이때, 소스(S)과 드레인(D)은 각 층이 전기적으로 연결되어 있어야 한다. 만약, 희생층(13)의 물질이 절연체일 때 소스(S)와 드레인(D)에서 별도의 도체인 via(32)를 이용하여 각 층을 연결하도록 하고, 채널층이 실리콘이고 희생층(13)의 물질이 실리콘 게르마늄 화합물과 같은 실리콘과 선택적 식각이 가능한 반도체 물질인 경우 소스(S)와 드레인(D)의 선택적인 불순물의 주입으로 전도도를 높여 각 층을 연결하도록 한다.
도 2에 도시된 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 센서는 도 1에 도시된 종래의 나노선 센서와 비교하여 다른 구성 요소는 모두 같지만, 채널층(12)과 선택적 식각이 가능한 물질로 이루어진 희생층(13)을 번갈아 가며 한 층 이상 적층함으로써 기판(10)과 수직한 방향으로 적층되어 있는 여러 층의 나노선들을 형성할 수 있다는 점에서 구별된다. 따라서 3차원 적층 구조의 나노선의 경우 종래의 나노선에 비하여 한정된 동일한 면적에서 더욱 많은 수의 나노선을 병렬로 연결할 수 있게 된다.
도 3은 병렬 연결된 나노선 소자의 전자현미경 이미지와 나노선 개수에 따른 전달특성곡선이다.
도 3의 측정 결과를 참조하면, 나노선의 개수가 10개인 소자에 비하여 나노선의 개수가 20개인 소자가 더욱 낮은 문턱전압과 SS(Sub-threshold Swing)를 보이며, 더욱 높은 켜진 상태에서의 전류량을 보인다. 나노선의 개수가 10개인 소자와 20개인 소자를 각각 13개, 19개의 문턱전압, SS 및 켜진 상태에서의 전류의 평균을 구한 결과 나노선의 개수가 10개인 소자에서 문턱전압이 80mV 낮았고, SS는 140mV/dec에서 123mV/dec로 개선되었으며, 2배의 전류량 차이를 확인하였다.
즉, 각각의 특성이 다른 나노선 다수를 병렬로 연결하여 사용할 경우, 병렬연결의 특성으로 연결된 채널 중 높은 전도도를 가진 채널이 전체 회로에 주요한 영향을 미치게 되므로, 연결된 나노선 중 소자의 켜짐 특성이 좋은 소자가 주요한 영향을 주어 전체 소자의 켜짐 특성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 단일 소자에서 병렬로 연결된 나노선의 개수가 증가할 때 대상 물질(41)이 부착되어 전도도의 변화를 일으킬 수 있는 감지면적이 증가하게 되어 대상 물질(41)이 부착될 확률이 증가하게 된다. 또한, 나노선이 병렬로 연결됨에 따라 전체 채널 면적이 증가하게 되어 전류량이 증가하게 되어 측정 장치의 측정 해상도를 높일 필요가 없으므로 실제 구현에 유리하다.
도 4는 본 발명에 따른 3차원 적층구조 나노선 센서에서 기판(10)의 상부에 채널층과 절연물질 혹은 채널층과 선택적 식각이 가능한 반도체물질을 이용한 희생층(Sacrificial layer,13)을 다층으로 차례대로 형성하는 반도체 적층 형성단계이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 사용되는 기판(10)상부에 실리콘 산화막 혹은 실리콘 질화막을 이용한 절연층(11)과 그 상부에는 저농도로 도핑 된 반도체 채널층(12)과 절연체 혹은 채널층과 선택적 식각이 가능한 반도체로 구성된 희생층(13)이 교차로 형성된 구조이며 반도체 적층의 개수는 조절될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 리소그래피 공정을 이용하여 상기 채널층의 상부에 소스 전극, 드레인 전극 및 나노선의 패턴을 형성하는 나노선의 패턴 형성단계이다.
도 5를 살펴보면, 리소그라피 공정을 이용하여 상부 채널층(12)에 소스(S), 드레인(D)그리고 나노선을 포함한 활성영역을 패터닝 후 식각공정을 통하여 형성한다. 나노선 은 소스(S)및 드레인(D)형성 공정을 통하여 한 번에 형성될 수 있으며 소스(S)및 드레인(D)을 먼저 패터닝하고 나노선 부분만을 별도로 패터닝 하여 두 번의 공정을 통하여 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 습식식각 공정을 통해 상기 나노선의 하부 지지층 및 희생층(13)을 제거하는 지지층 제거단계이다.
도 6을 살펴보면, 습식식각 공정을 통해 나노선 채널의 희생층(21)을 제거한다. 이때, 식각은 비등방성 습식 식각을 이용하되, 채널층은 식각하지 아니하고 희생층만을 선택적으로 식각하기 위하여 희생층 물질과 채널층 물질간의 식각 선택비가 높은 식각 용액을 선택하여야 한다.
도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극에 이온을 주입하는 이온주입단계이다.
도 7을 살펴보면, 길게 형성된 소스(S)와 드레인(D)의 전기전도도를 높이고, 채널층(12)이 실리콘이고 희생층(13)이 실리콘 게르마늄 화합물과 같이 실리콘과 선택적으로 식각이 가능한 반도체일 때 각 실리콘층의 소스(S)와 드레인(D)을 연결하기 위하여 이온주입을 수행한다. 이때, 주입된 이온은 나노선의 채널층(20)을 이온주입 방지막(14)을 이용하여 나노선에 침범하지 않는 것이 바람직하며 고농도의 이온을 주입하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 나노선의 외부에 게이트 절연층을 형성하는 게이트 절연층 형성단계이다.
도 8을 살펴보면, 나노선의 외부에 게이트 절연층(15)을 형성하여 나노선 외부의 용액으로부터 나노선과 유체를 전기적으로 절연시킨다. 게이트 절연층 표면에는 이후 탐지물질의 부착에 필요한 화학기가 노출되도록 하며 별도의 금속을 사용할 수 있다.
상기된 나노선 형성공정, 이온 주입공정, 하부지지층 제거 공정 및 게이트 절연층 형성 공정은 나노선 센서의 감도를 높이고 신호 대 잡음비를 줄이기 위한 목적에 맞게 그 순서를 바꾸어 시행할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 희생층(13)이 실리콘 산화물과 같이 절연층인 경우 금속 via(32)를 형성하는 단계이다.
희생층(13)이 실리콘 산화물과 같이 절연층인 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 각 층의 소스(S)와 드레인(D)을 연결하기 위하여 소스(S)와 드레인(D)에 금속 via(32)를 형성한다.
도 10은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극의 상부에 금속전극을 형성하는 전극 형성단계이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 희생층(13)이 채널층(12)과 선택적으로 식각이 가능한 반도체일 때 도 7의 공정에서 소스(S)와 드레인(D)에서 각 채널층(12)을 전기적으로 연결되게 하였으므로, 도 10에 도시된 바와 같이, 소스(S)및 드레인(D)상부에 금속 전극층(30)을 형성한다. 이때, 소스(S)와 드레인(D)상부에 게이트 절연층(15)이 미리 형성되어 있으므로 이 절연층을 제거하는 공정이 선행되어야 한다. 더하여, 하부 절연층(11)위에 별도의 수중 게이트 전극(31)을 추가로 형성하여 용액에 노출해 용액에 직접 전위를 인가하는 수중 게이트 전극으로 사용할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 소스(S)와 드레인(D)및 금속전극 연결선 상부에 용액과 금속 전극간의 절연을 위한 절연층을 추가로 형성하는 단계이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 소스(S)와 드레인(D)및 금속전극 연결선 상부에 용액과 금속 전극층(30)간의 절연을 위한 절연층(16)을 추가로 형성한다. 이때 감지가 일어나는 나노선의 게이트 절연층과 수중 게이트 전극 부분을 노출해야 한다.
도 12는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 노출된 나노선 게이트 절연층과 수중 게이트 전극을 별도의 물질을 이용하여 용액이 흐를 수 있는 채널을 형성하는 단계이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 노출된 나노선 게이트 절연층과 수중 게이트 전극을 유체 채널층(17)을 이용하여 용액이 흐를 수 있는 채널을 형성하여 공기 중의 오염물질로부터 용액을 보호한다.
도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 3차원 적층구조 나노선 센서에서 상기 노출된 나노선의 패턴에 외부로부터 주입되는 대상 물질(41)과 반응할 탐지물질(40)을 고정하는 고정단계이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 나노선의 표면 화학기를 이용하여 탐지물질(40)을 부착하고 그 위에 대상 물질(41)을 부착하여 대상 물질(41)의 전하가 나노선 채널의 전기전도도에 영향을 미칠 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 나노선은 대상 물질(41)이 가지고 있는 전기화학적 특성에 의하여 동작하는 소자로 대상 물질(41)의 종류 및 전기화학적 특성에 따라 n형, p형으로 도핑하거나 혹은 도핑하지 않은 반도체 채널층(12)및 희생층(13)을 사용할 수 있다.
이상에서는 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 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (18)

  1. 나노선 전계효과 센서에 있어서,
    상기 나노선 전계효과 센서를 형성하기 위한 기판;
    상기 기판의 일측에 반도체 채널층(12)및 희생층(13)이 반복적으로 상기 기판과 수직 방향으로 한 층 이상 적층되어 형성된 소스(S)전극;
    상기 기판의 다른 일측에 상기 반도체 채널층(12)및 상기 희생층(13)이 반복적으로 상기 기판과 수직 방향으로 한 층 이상 적층되어 형성된 드레인(D)전극;
    상기 소스(S)전극의 상기 반도체 채널층들과 상기 드레인(D)전극의 상기 반도체 채널층들 사이에 상기 기판과 수직 방향으로 적층되어 연결된 형태를 가진 하나 이상의 나노선; 및
    상기 나노선의 측면에 고정되며, 외부에서 유입되는 대상물질(41)에 선택적으로 반응하는 탐지물질(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노선의 폭은 1nm 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    적층된 상기 나노선들은 상기 기판과 수직 방향으로 일정 간격 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    적층된 상기 나노선들은 상기 소스(S)전극에 상기 반도체 채널층(12)의 일측과 상기 드레인(D)전극에 상기 반도체 채널층(13)의 일측에 직선으로 하나 또는 다수개가 병렬로 연결되며,
    병렬로 연결된 상기 나노선들은 두 층 이상 반복되는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나노선의 모든 측면은 상기 탐지물질과 상기 대상물질 간의 선택적인 반응이 진행되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 상부에 수중게이트 전극을 추가하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 수중게이트 전극은 상기 대상물질이 포함된 용액에 직접 전위를 인가하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기판을 게이트 전극으로 이용하여 상기 나노선의 전도도를 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기판을 이용한 게이트 전극과 상기 기판 상부의 수중 게이트 전극을 동시에 이용하여 나노선의 전도도를 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 기판은
    반도체, 폴리머 또는 부도체를 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 희생층은
    상기 반도체 채널층과 선택적 식각이 가능한 절연막 및 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서.
  12. 기판의 상부에 번갈아가며 다층으로 희생층(Sacrificial layer)과 반도체 채널층을 형성하는 다층 형성 단계;
    리소그래피 공정을 이용하여 상기 반도체 채널층의 일측에 전극 패턴 및 직선 하나 또는 직선 여러 개가 병렬로 연결된 형태의 나노선의 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계;
    식각 공정을 통해 상기 나노선의 지지층 및 상기 희생층을 제거하는 제거 단계;
    소스 전극 및 드레인 전극에 이온을 주입하는 주입 단계;
    상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 나노선의 외부에 게이트 절연층을 형성하는 제1 절연층 형성 단계;
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극의 일측에 금속전극을 형성하는 전극 형성 단계;.
    상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 및 상기 금속전극의 연결선 일측에 용액과 상기 금속전극간의 절연을 위해 절연층을 더 형성하는 제2 절연층 형성 단계;
    노출된 상기 나노선의 상기 게이트 절연층과 수중 게이트 전극을 별도의 물질을 이용하여 상기 용액이 흐를 수 있는 채널을 형성하는 채널 형성 단계; 및
    노출된 상기 나노선의 패턴에 외부로부터 주입되는 대상물질과 반응할 탐지물질을 고정하는 고정단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제거 단계는
    상기 나노선의 하부는 상기 기판과 이격되어 있고, 적층된 상기 나노선은 상호간에 이격되어 있으며, 유체가 상기 나노선을 감쌀 수 있는 구조로 상기 하부 지지층 및 상기 희생층을 제거하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 제거 단계는
    상기 나노선의 상기 희생층에 선택적 식각이 가능한 습식 식각 공정 및 건식 식각 공정을 시행하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 고정단계는
    상기 대상물질의 전기화학적 특성에 맞추어 상기 나노선의 상기 채널, 소스(S)전극 및 드레인(D)전극을 n형으로 도핑하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 고정단계는
    상기 대상물질의 전기화학적 특성에 맞추어 상기 소스(S)전극, 드레인(D)전극 및 상기 나노선을 p형으로 도핑하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  17. 제 12항에 있어서, 상기 제1 절연층 형성 단계는
    상기 게이트 절연층 형성 전에 고온 산화와 산화막을 제거 하는 과정을 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
  18. 제 12항에 있어서, 상기 전극 형성 단계는
    상기 희생층이 산화막 또는 질화막과 같이 절연층인 경우 금속 via를 형성하는 것을 포함하는 3차원 적층 구조의 나노선을 갖춘 나노선 전계효과 센서의 제조방법.
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