KR100903526B1 - 전계효과트랜지스터를 이용한 바이오센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FET형 바이오센서에 관한 것이다. 상기 FET형 바이오센서는, 소스, 드레인, 게이트 영역이 형성된 반도체 기판, 상기 소스, 상기 드레인, 상기 게이트 전극과 각각 연결되는 다수 개의 금속 배선층, 상기 게이트 전극과 상기 금속 배선층들 간의 전기적 절연을 위하여 형성되는 절연층, 소자를 보호하기 위하여 상기 절연층의 표면에 형성하는 소자 보호막, 상기 소자 보호막 및 상기 절연층을 개재하여 상기 게이트 전극의 상부에 형성되는 금속 박막, 상기 금속 박막위에 형성되는 자기조립 단분자막을 구비한다. 상기 금속 박막과 상기 게이트 전극의 사이의 절연층 및 소자 보호막에 하나 또는 다수개의 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀의 내부에는 전기전도성 물질을 충진하여 상기 금속 박막과 상기 게이트 전극을 전기적 연결시킨다.

FET, 바이오센서, Aspect Ratio

Description

전계효과트랜지스터를 이용한 바이오센서{Biosensor using a field effect transistor}

본 발명은 전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET'라 한다)의 원리를 이용하여 특정 생체분자(Biomolecule)의 존재를 검출하거나 농도를 판단할 수 있는 FET형 바이오센서(Biosensor)에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 MOSFET 제조공정을 그대로 이용하여 제작할 수 있는 FET형 바이오센서에 관한 것이다.

바이오센서는 생체물질만이 가진 분자간 선택적 반응성을 이용하여 다양한 생리활성 물질의 농도를 신속하게 정량화할 수 있는 센서로서, 각종 생화학 반응으로부터 전기적 신호를 유발하기 위해 바이오 칩 기술이 가장 먼저 적용된 분야이다. 특히 지놈 프로젝트의 완성으로 인하여 인간의 DNA 서열이 알려짐에 따라 각 유전자의 기능 및 이들에 의해 코딩된 단백질 등에 대한 연구가 더욱 활발해지면서 바이오 물질을 용이하게 검출할 수 있는 바이오센서에 대한 필요성이 증대되고 있다. 전기적인 신호를 사용하여 바이오 물질을 검출할 수 있는 바이오센서는 미국특허번호 제 4,328,757호, 제4,777,019호, 제5,431,883호 및 제5,827,482호 등에 개 시되어 있다.

미국특허번호 제4,238,757호는 특정한 항체에 대해서 반응하는 항원을 구비하도록 설계된 FET을 개시하고 있으며, 상기 FET을 사용하여 드레인 전류의 변화를 시간에 따라 관찰하여 용액 속 항원의 농도를 측정하게 된다.

미국특허번호 제4,777,019호는 소오스, 드레인 영역 및 게이트 영역을 구비하고, 측정하고자 하는 뉴클레오타이드에 대해 상보적인 뉴클레오타이드가 게이트 위에 결합된 형태의 FET를 개시하고 있으며, 특히 게이트 금속을 대신해 생물 단량체(biological monomers)를 게이트의 표면에 흡착시켜 상보적인(complementray) 단량체와 혼성화(hybridization)되는 정도를 FET로 측정하는 기술을 개시하고 있다.

미국특허번호 제5,431,883호는 화학적 시편과 반응하여 전도성으로 바뀌는 성질을 가진 유기절연물질인 프탈로시아닌 박막이 게이트와 드레인을 연결하는 구조의 FET를 개시하고 있다.

대한민국특허 제10-0244001호는 게이트 금속(금 또는 알루미늄 등)이 있는 FET형 바이오센서에 있어서 전도성 고분자 박막과 그 박막 상부에 다중 박막 형태로 병원균이 인식 가능한 고분자 물질을 게이트 금속 표면에 구성하여 병원균을 측정하는 바이오 센서를 개시하고 있다.

대한민국공개특허 제10-2005-0039418호는 게이트 금속(Au 등)이 있는 FET형 바이오센서에 있어서 게이트 금속 표면의 자기조립단분자막에 단백질을 흡착시키는 기술을 개시하고 있다.

대한민국특허 제 10-0938081호는 게이트 금속(Au 등)이 있는 FET형 바이오센 서에 있어서 FET의 게이트 표면에만 무기막이 선택적으로 증착되거나 복수의 FET에 있어서 일부의 게이트 표면에만 무기막이 선택적으로 증착될 수 있는 FET 기반 바이오 센서를 개시하고 있다.

전술한 바와 같이 다양한 형태의 FET형 바이오 센서들은 반도체 공정을 이용하여 제작하는 것으로 전기적인 신호의 전환이 빠르고, IC와의 접목이 용이하다는 장점을 지니고 있다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 방법에 따라 바이오센서를 제작하는 경우, 기존의 표준화된 CMOS 반도체 회로 공정 중 1개의 금속 배선층 혹은 2개의 금속 배선층을 형성한 후, 게이트 전극으로 사용하는 다결정실리콘층까지 또는 게이트 절연막의 표면까지 식각하는 공정을 거쳐야만 한다.

그런데, 최근 CMOS 공정의 최소선폭이 수십 나노미터가 되는 상황을 고려해 볼 때, 상기 식각 공정의 깊이와 폭의 비(aspect ratio)가 1 metal 1 poly 0.18um 공정 기준으로 약 10000을 넘게 되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 식각 면적을 넓게 하여 aspect ratio를 낮추는 경우, 식각된 넓은 영역에서 바이오센서에서 사용하는 액체들로부터 센서용 트랜지스터 및 금속 배선층을 보호하는 보호막이 얇아지는 문제점이 발생하게 된다.

또한, CMOS 반도체 회로에 사용되는 2개 이상의 금속 배선층을 사용하는 경우, 전술한 바와 같이 게이트 전극이나 게이트 절연막까지의 식각 깊이가 더욱 깊어지게 되고, 그에 따라 바이오센서의 감지막으로 사용되는 금속(Au 등)층의 형성이 더욱 어려워지게 된다. 이러한 문제점으로 인하여, CMOS 집적회로 칩과 함께 FET형 바이오센서를 구현하는 경우, 3개 이상의 금속 배선층을 사용하는 것은 불가능하게 되는 한계점을 갖게 된다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 다수 개의 금속 배선층을 갖는 FET을 이용한 FET형 바이오 센서를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 기존의 CMOS 집적회로 공정에 사용되는 모든 공정 조건들을 그대로 적용하여 제작할 수 있는 FET형 바이오센서를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 FET형 바이오센서에 관한 것으로서, 상기 FET형 바이오센서는,

반도체 기판,

상기 반도체 기판의 소정 영역에 형성된 소스와 드레인,

상기 반도체 기판의 상부 표면에 형성되되 상기 소스와 드레인의 사이에 형성된 게이트 절연막,

상기 게이트 절연막의 상부에 다결정실리콘막으로 형성되는 게이트 전극,

상기 소스, 상기 드레인, 상기 게이트 전극과 각각 연결되는 다수 개의 금속 배선층,

상기 게이트 전극과 상기 금속 배선층들 간의 전기적 절연을 위하여 형성되는 절연층,

소자를 보호하기 위하여 상기 절연층의 표면에 형성하는 소자 보호막,

상기 소자 보호막 및 상기 절연층을 개재하여 상기 게이트 전극의 상부에 형성되는 금속 박막,

상기 금속 박막위에 형성되는 자기조립 단분자막을 구비하며, 상기 금속 박막과 상기 게이트 전극의 사이의 절연층 및 소자 보호막에 하나 또는 다수개의 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀의 내부에는 전기전도성 물질을 충진하여 상기 금속 박막과 상기 게이트 전극을 전기적 연결시킨다.

전술한 특징을 갖는 상기 FET형 바이오센서는 상기 소자보호막과 상기 금속 박막사이에 접착력 향상용 금속박막을 더 구비하고, 상기 접착력 향상용 금속박막은 상기 금속 박막이 상기 소자 보호막의 표면에 대한 접착력을 증가시키는 것이 바람직하다.

전술한 특징을 갖는 상기 FET형 바이오센서의 상기 비아홀은 반도체 기판 중 채널이 형성되지 않은 영역의 상부에 형성된 게이트 전극과 금속 박막의 사이의 절연층 및 소자 보호막에 형성되는 것이 바람직하다.

FET 기반 바이오 센서는 신뢰성 측면의 안정성을 가지지 못하는 문제점이 있음에도 불구하고, 반도체 공정을 이용하여 제작하기 때문에 일괄공정을 통해 생산단가를 낮출 수 있다는 장점과 함께 전기적인 신호의 전환이 빠르고 IC와의 접목이 용이하다는 장점을 지니고 있다.

본 발명에 따른 FET형 바이오 센서는, 종래의 바이오센서가 게이트 전극이나 게이트 절연막위에 자기조립 단분자막이 고정되는 금속 박막을 형성하는 것과는 달 리, MOSFET의 최상부 표면에 형성되는 소자 보호막의 표면에 자기조립 단분자막이 고정되는 금속 박막을 형성하기 때문에, CMOS 집적회로 공정에 사용되는 모든 공정조건을 적용할 수 있다는 장점을 가진다. 이 경우, CMOS집적회로 공정 조건을 그대로 사용하여 얻어지는 장점을 몇 가지 예로 들면 다음과 같은 것들이 있다.

1. 바이오센서 제작을 위한 CMOS 공정을 새롭게 개발할 필요가 없어 공정 개발 비용이 절감된다.

2. CMOS 공정에서 사용할 수 있는 다수 개의 금속 배선층의 수를 모두 사용할 수 있게 되어, 복잡한 CMOS집적회로도 함께 집적할 수 있다.

3. CMOS 공정에서 사용하는 최소 선폭을 바이오센서용 FET에도 적용할 수 있어 바이오센서의 감도 조절에 있어서 선택의 폭이 넓다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FET형 바이오센서에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FET형 바이오센서를 도시한 설계도이며, 도 3은 도 2의 A-A' 영역을 따라 절개하여 도시한 단면도이며, 도 4는 도 2의 B-B' 영역을 따라 절개하여 도시한 단면도이다. 이하 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 FET형 바이오센서의 구조 및 동작을 구체적으로 설명한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FET 형 바이오센서(20)는 반도체 기판(200), 소스/드레인(201,202), 게이트절연막(210), 게이트 전극(220), 다수 개의 금속 배선층(230, 231, 232) 및 다수 개의 절연층(240) 및 소자 보호막(241)을 구비하는 MOSFET과, 상기 MOSFET의 상부에 순차적으로 형성되는 접착력 향상용 금속박막(250), 금속 박막(260) 및 자기조립단분자막(270)을 구비한다. 이하 전술한 각 구성요소들에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

상기 MOSFET을 형성하는 반도체 기판, 소스와 드레인, 게이트 절연막 및 게이트 전극은 당업계에서 널리 알려진 기술이므로, 이들에 대한 설명은 생략한다.

금속 배선층(230, 231, 232)은 소스, 드레인 및 게이트 전극과 각각 연결되어 전기적 신호를 제공하게 된다. 최근 들어 반도체 소자에 대한 집적도가 증가함에 따라 반도체 소자의 크기(size)가 점차 작아지게 되며, 그 결과 금속 배선층을 다수 개의 층으로 형성하게 된다. 그리고, 각 금속 배선층의 사이 및 게이트 전극의 상부에는 다수 층의 절연층(240)을 형성하여 이웃한 금속 배선층들과 게이트 전극을 전기적으로 절연시키게 된다.

한편, 상기 금속 배선층 중 최상위 금속 배선층의 상부에는 소자 보호막(241)이 형성된다. 상기 소자 보호막(241)은 MOSFET 소자의 표면을 보호하기 위한 패시베이션(passivation)용으로서, 절연 물질로 형성된다.

금속 박막(260)은 자기조립 단분자막(270)을 소자 보호막(241)위에 고정시키기 위한 것으로서, 상기 절연층(240) 및 소자 보호막(241)을 개재하여 상기 게이트의 상부에 형성된다. 상기 금속 박막(260)은 금(Au), 플래티늄(Pt)과 같은 금속이 사용될 수 있다. 생체물질을 고정시키는 자기조립 단분자막(270)이 상기 금속 박막(260) 위에 형성된다.

한편, 상기 금속 박막(260)의 접착력을 향상시키기 위하여, 상기 소자 보호 막(241)의 상부에 접착력 향상용 금속박막(250)을 형성하고, 그 위에 상기 금속 박막(260)을 형성할 수도 있다. 상기 접착력 향상용 금속 박막(250)은 상기 소자 보호막과 상기 금속 박막의 사이에 형성되며, 티타늄(Ti)을 사용하는 것이 바람직하다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 접착력 향상용 금속 박막(250)과 상기 게이트 전극(220)의 사이의 절연층(240)과 소자 보호막(241)에 하나 또는 다수 개의 비아홀(270, 271, 272)을 형성하고, 상기 비아홀의 내부에는 전기전도성 물질을 충진하여 상기 접착력 향상용 금속 박막과 상기 게이트 전극을 전기적 연결시킨다. 상기 비아홀은 반도체 기판의 채널이 형성되지 않은 영역(즉, 소스와 드레인의 사이가 아닌 영역) 의 상부에 형성된 게이트 전극과 접착력 향상용 금속 박막의 사이의 절연층 및 소자 보호막에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 전기전도성 물질로 충진된 비아홀은 상기 접착력 향상용 금속박막과 게이트 전극(220)을 전기적으로 연결시킨다.

만약, 금속 박막(260)과 소자 보호막(241)의 사이에 접착력 향상용 금속박막이 형성되어 있지 아니한 경우, 상기 비아홀은 상기 금속박막(260)과 상기 게이트 전극(220)의 사이에 존재하는 절연층(240)과 소자 보호막(241)에 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우에도, 상기 비아홀의 내부에는 전기전도성 물질로 충진시킴으로써, 상기 금속박막과 상기 게이트 전극을 전기적으로 연결시킨다.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 의한 FET형 바이오센서는, 종래의 기술에 따른 게이트 전극이나 게이트 절연막위에 금속 박막을 형성하는 것과는 달리, MOSFET 의 최상부 층인 소자 보호막을 형성한 후 그 위에 금속 박막을 형성하고 비아홀을 이용하여 전기적 연결시킴으로써, 기존의 MOSFET 제조 공정을 그대로 사용할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 FET형 바이오센서는 생체 물질을 감지하는 센서 분야에 널리 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 FET형 바이오센서의 구조를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 FET형 바이오센서를 개략적으로 도시한 설계도이다.

도 3은 도 2의 A-A' 방향을 따라 절개하여 도시한 단면도이며, 도 4는 도 2의 B-B' 방향을 따라 절개하여 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20 : FET 형 바이오센서

200 : 반도체 기판

201 : 소스

202 : 드레인

210 : 게이트절연막

220 : 게이트 전극

230, 231, 232 : 금속 배선층

240 : 절연층

241 : 소자 보호막

250 : 접착력 향상용 금속박막

260 : 금속 박막

270 : 자기조립단분자막

Claims (6)

1. 반도체 기판;

   상기 반도체 기판의 소정 영역에 형성된 소스와 드레인;

   상기 반도체 기판의 상부 표면에 형성되되 상기 소스와 드레인의 사이에 형성된 게이트 절연막;

   상기 게이트 절연막의 상부에 다결정실리콘막으로 형성되는 게이트 전극;

   상기 소스, 상기 드레인, 상기 게이트 전극과 각각 연결되는 다수 개의 금속 배선층;

   상기 게이트 전극과 상기 금속 배선층들 간의 전기적 절연을 위하여 형성되는 절연층;

   소자를 보호하기 위하여 상기 절연층의 표면에 형성하는 소자 보호막;

   상기 소자 보호막 및 상기 절연층을 개재하여 상기 게이트 전극의 상부에 형성되는 금속 박막;

   상기 금속 박막위에 형성되는 자기조립 단분자막; 및

   상기 금속 박막이 상기 소자 보호막의 표면에 대한 접착력을 증가시키기 위하여 상기 소자보호막과 상기 금속 박막의 사이에 형성되는 접착력 향상용 금속박막;을 더 구비하고,

   을 구비하며, 상기 금속 박막과 상기 게이트 전극의 사이의 절연층 및 소자 보호막에 하나 또는 다수개의 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀의 내부에는 전기전도성 물질을 충진하여 상기 금속 박막과 상기 게이트 전극을 전기적 연결시키는 것을 특징으로 하는 FET형 바이오센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 배선층은 적어도 2개 이상의 레이어(Layer)를 형성하는 것을 특징으로 하는 FET형 바이오 센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 비아홀은 반도체 기판 중 채널이 형성되지 않은 영역의 상부에 형성된 게이트 전극과 금속 박막의 사이의 절연층 및 소자 보호막에 형성되는 것을 특징으로 하는 FET 형 바이오 센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 접착력 향상용 금속박막은 티타늄(Ti)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FET형 바이오 센서.
6. 제1항에 있어서, 상기 금속 박막은 금(Au) 또는 플래티늄(Pt)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FET형 바이오센서.

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