KR101878848B1 - Biosensor based on field-effect transistor having multi-dielectric stack and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 감지소자의 감지 절연막과 구동소자의 다층 절연막을 동일 공정으로 형성하고, 감지영역 내의 보호막과 층간 절연막, 그리고 블로킹 산화막/질화막을 순차 식각함으로써, 열 산화막과 같은 고순도 절연막으로 감지 절연막을 얻게 되어 종래 다공성 산화막의 문제점을 해소하고, 감지소자의 액티브 영역인 실리콘 나노선 뿐만 아니라 감지 절연막의 물리적 손상을 줄일 수 있게 되었고, 구동소자의 다층 절연막 중 전하저장층으로 전자나 정공 주입을 함으로써, 문턱전압을 조절로 바이오센서의 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a field effect transistor-based biosensor having a multilayered insulating film and a method of manufacturing the same, and more particularly to a biosensor having a multilayered insulating film and a method of manufacturing the same, By sequentially etching the oxide film and the nitride film, a high-purity insulating film such as a thermally oxidized film can be used to obtain a sensing insulating film, thereby solving the problems of the conventional porous oxide film and reducing the physical damage of the sensing insulating film as well as silicon nano- , The electrons and the holes are injected into the charge storage layer of the multilayer insulating film of the driving device, whereby the sensitivity of the biosensor can be increased by adjusting the threshold voltage.
Description
본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 나노선에 구현되어 문턱전압을 조절할 수 있는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor, and more particularly, to a field-effect transistor-based biosensor having a multilayer insulating film formed on a silicon nanowire and capable of adjusting a threshold voltage, and a method of manufacturing the same.
최근 들어 이동식 건강 진단 시스템이나 환경 오염도 측정에 대한 관심이 증가함에 따라 다양한 감지 원리를 가진 바이오센서들이 개발되고 있다. Recently, biosensors with various sensing principles have been developed as mobile health diagnosis systems and interest in measuring environmental pollution have increased.
그 중에 실리콘 나노선 전계효과 트랜지스터(FET: Field-Effect Transistor)를 통하여 제작된 바이오센서는 높은 민감도를 가질 수 있고, 지시 물질이 필요 없으며, 회로를 이용한 감지 시스템을 구축하기가 간편하여 차세대 바이오센서로서 많은 연구가 진행되고 있다. Among them, a biosensor manufactured through a silicon nanowire field effect transistor (FET) can have a high sensitivity, does not require a pointing substance, and can easily construct a detection system using a circuit, Many researches have been carried out.
실리콘 나노선 FET 기반의 바이오센서는, 도 1과 같이, 일반적인 모스펫(MOSFET)과 구조가 유사하나, 센서의 채널 부분이 개방(open)되어 물질을 감지하는 감지영역(Sensing Area)으로 사용되고, 이곳에 타깃 물질을 포함한 용액에 노출시켜 감지하는 liquid gate 구조를 갖게 된다.A biosensor based on a silicon nanowire FET has a structure similar to that of a general MOSFET, as shown in FIG. 1, but a channel portion of the sensor is opened to be used as a sensing region for sensing a substance, And a liquid gate structure which is exposed to a solution containing a target material.
FET 기반의 바이오센서는 게이트 절연막에 붙은 타깃 물질의 전하에 따라 감지소자(FET)의 전류나 저항 등 전기적 특성이 변화하게 되는데, 이를 읽어 타깃 물질을 감지하게 된다. 도 2 및 도 3은 각각 n형 실리콘 나노선 FET(n-type SiNW)와 p형 실리콘 나노선 FET(p-type SiNW)로 pH가 증가할수록 OH- 이온에 의한 채널 전위에 영양을 주어 전류-전압 특성이 양의 방향으로 평행 이동됨을 보여준다.In the FET-based biosensor, the electrical characteristics such as the current or resistance of the sensing element (FET) are changed according to the charge of the target material attached to the gate insulating film. Current given nutrients to the channel potential of the ion-Figs. 2 and 3 are an n-type silicon nanowire FET (n-type SiNW) and a p-type silicon nanowire FET (p-type SiNW) OH increasing pH, respectively - And the voltage characteristics are shifted in the positive direction.
바이오센서에 일반적 MOSFET 구조가 아닌 Tunnel FET의 비대칭 도핑구조를 가지게 되면, 양방향 전류 특성을 이용해 여러 물질을 하나의 소자 내에서 선택적으로 감지할 수 있는 다중 센싱 소자로 구현할 수 있다. 이에 관해서는 본 출원인에 의해 등록된 한국 등록특허 10-1657988호를 참조할 수 있다.If a biosensor has an asymmetric doping structure of a Tunnel FET instead of a general MOSFET structure, it can be realized as a multiple sensing device capable of selectively sensing various materials in one device by using bi-directional current characteristics. Reference may be made to Korean Patent No. 10-1657988 registered by the present applicant.
Tunnel FET를 활용한 실리콘 나노선 바이오센서는 MOSFET 기반의 바이오센서에 비하여 우수한 subthreshold swing(SS)과 양방향 전류 특성, 낮은 구동 전압을 갖고 있으며, 이를 바탕으로 고감도, 다중 감지 및 저전력 센서로서 연구될 가능성이 있다. Silicon nanowire biosensors using tunnel FETs have superior subthreshold swing (SS), bi-directional current characteristics, and low driving voltage compared to MOSFET-based biosensors, and can be studied as high-sensitivity, multiple-sensing and low- .
그러나, 종래 Tunnel FET 구조뿐만 아니라 MOSFET 기반의 실리콘 나노선 바이오센서는 공정 진행 과정에서 감지 물질을 부착시키기 위하여 실리콘 나노선이 노출되도록 주변 절연체를 식각해야 하는데, 이 과정에서 나노선이 손상을 입어 센서로서의 감지성능 및 FET로서의 전기적 특성이 열화 되는 문제점이 있다.However, in addition to the conventional Tunnel FET structure, a MOSFET-based silicon nanowire biosensor must etch the surrounding insulator to expose the silicon nanowire in order to attach the sensing material during the process. In this process, There is a problem that the sensing performance as a FET and the electric characteristics as a FET are deteriorated.
그리고, 도 1과 같은 liquid gate 구조를 갖게 될 경우, 도 4와 같이, 용액 속의 이온이 게이트 절연막 내부로 침투하여 시간에 따라 측정 전류가 변화하는 drift 현상이 발생하여 정확한 전류의 측정과 분석에 어려움을 주고 있다. 이는 종래 게이트 절연막을 채널 부분이 개방된 감지영역 내에서 실리콘 나노선을 노출시켜 상온에서 자연 생성한 실리콘 산화막으로 형성하기 때문에, 다공성(porous)으로 인해 이온의 침투가 쉽게 일어나기 때문인 것으로 파악된다.When a liquid gate structure as shown in FIG. 1 is formed, as shown in FIG. 4, ions in the solution penetrate into the gate insulating film and a drift phenomenon occurs in which the measuring current varies with time, making it difficult to accurately measure and analyze the current . This is because the conventional gate insulating film is formed of a silicon oxide film naturally formed at room temperature by exposing the silicon nanowire in the sensing region where the channel portion is opened, so that the penetration of the ion easily occurs due to the porous nature.
이에, 본 발명은 상기 종래 실리콘 나노선 바이오센서의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 산화막-질화막-산화막의 적층 구조를 이용하여 감지영역 내에 실리콘 나노선과 센싱 산화막의 식각으로부터 비롯되는 물리적 손상으로부터 원천적으로 보호함과 동시에, 연결된 회로 부분의 소자(구동소자)에서는 질화막 내로의 전자 또는 정공 주입을 통한 program/erase 효과로 문턱전압을 조절할 수 있는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention has been proposed in order to solve the problems of the conventional silicon nanowire biosensor. The present invention is based on the lamination structure of the oxide-nitride-oxide-oxide layer, And a multi-layer insulating film which can control a threshold voltage by a program / erase effect through injection of electrons or holes into a nitride film in a device of a connected circuit part (driving device), and a manufacturing method thereof The present invention is directed to a method of manufacturing a semiconductor device.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서는 반도체 기판의 절연층 상에 감지소자와 구동소자가 서로 이격되어 형성된 바이오센서에 있어서, 상기 감지소자는 상기 절연층 상에 제 1 채널영역을 사이에 두고 형성된 제 1 소스 영역 및 제 1 드레인 영역, 상기 제 1 채널영역 상에 형성된 감지 절연막 및 상기 감지 절연막 상에 피 감지물질을 담을 수 있도록 구비된 게이트 공간부를 포함하여 구성되고, 상기 구동소자는 상기 절연층 상에 제 2 채널영역을 사이에 두고 형성된 제 2 소스 영역 및 제 2 드레인 영역, 상기 제 2 채널영역 상에 구비된 전하저장층을 포함하는 다층 절연막 및 상기 다층 절연막 상에 형성된 게이트를 포함하여 구성되고, 상기 제 1 소스 영역과 상기 제 2 드레인 영역은 전기적으로 연결되어 상기 바이오센서의 출력단으로 하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a biosensor based on a field effect transistor having a multilayer insulating film according to the present invention is a biosensor in which a sensing element and a driving element are spaced apart from each other on an insulating layer of a semiconductor substrate, A first source region and a first drain region formed on the insulating layer with a first channel region therebetween, a sensing insulating film formed on the first channel region, and a gate region Wherein the driving element includes a second source region and a second drain region formed on the insulating layer with a second channel region therebetween and a charge storage layer provided on the second channel region, An insulating film and a gate formed on the multilayer insulating film, wherein the first source region and the second drain region And is electrically connected to the output terminal of the biosensor.
상기 제 1 소스 영역과 상기 제 1 드레인 영역은 서로 반대 도전형으로 형성된 것을 본 발명에 의한 바이오센서의 다른 특징으로 한다.And the first source region and the first drain region are formed in opposite conductivity types to each other.
상기 제 1, 2 소스 영역 및 상기 제 1, 2 드레인 영역은 모두 n형 도전형으로 형성된 것을 본 발명에 의한 바이오센서의 다른 특징으로 한다.The first and second source regions and the first and second drain regions are all formed of an n-type conductivity type, which is another feature of the biosensor according to the present invention.
상기 제 1, 2 소스 영역, 상기 제 1, 2 채널 영역 및 상기 제 1, 2 드레인 영역은 SOI(Si-On-Insulator) 기판의 실리콘 나노선으로 형성된 것을 본 발명에 의한 바이오센서의 다른 특징으로 한다.The first and second source regions, the first and second channel regions, and the first and second drain regions are formed of silicon nanowires of an SOI (Si-On-Insulator) substrate. do.
상기 다층 절연막은 상기 제 2 채널영역으로부터 터널링 산화막, 질화막 및 블로킹 산화막의 순으로 적층되어 형성된 것이고, 상기 감지 절연막은 상기 터널링 산화막과 동일한 열 산화막인 것을 본 발명에 의한 바이오센서의 다른 특징으로 한다.The multilayered insulating film is formed by stacking a tunneling oxide film, a nitride film, and a blocking oxide film in this order from the second channel region, and the sensing insulating film is the same thermal oxide film as the tunneling oxide film.
본 발명에 의한 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반 바이오센서의 제조방법은 SOI 기판에 실리콘 나노선을 형성하여 감지소자와 구동소자의 각 액티브 영역을 정의하는 제 1 단계; 상기 각 액티브 영역에 소스 영역, 채널 영역 및 드레인 영역을 형성하는 제 2 단계; 상기 각 액티브 영역 상에 다층 절연막을 형성하고 상기 구동소자의 액티브 영역의 상기 다층 절연막 상에 게이트를 형성하는 제 3 단계; 상기 다층 절연막과 상기 게이트를 포함한 상기 기판상에 층간 절연막을 형성하는 제 4 단계; 상기 층간 절연막을 평탄화한 후 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역을 전기적으로 컨택하기 위한 비어홀 공정 및 상기 감지소자와 구동소자를 서로 전기적으로 연결하기 위한 금속공정을 수행하는 제 5 단계; 상기 금속공정으로 형성된 배선을 보호막으로 덮기 위한 패시베이션(Passivation) 공정을 수행하는 제 6 단계; 및 상기 보호막 위에 감광막을 도포하여 식각 마스크를 형성한 후 상기 감지소자의 액티브 영역 상에 형성된 상기 다층 절연막이 드러나게 상기 보호막 및 상기 층간 절연막을 선택 식각하여 피 감지물질을 담을 수 있는 게이트 공간부를 만드는 제 7 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.A method of fabricating a field effect transistor-based biosensor having a multilayered insulating film according to the present invention comprises the steps of: forming silicon nanowires on an SOI substrate to define respective active regions of a sensing element and a driving element; A second step of forming a source region, a channel region and a drain region in each of the active regions; A third step of forming a multi-layer insulating film on each of the active regions and forming a gate on the multi-layer insulating film of the active region of the driving element; A fourth step of forming an interlayer insulating film on the substrate including the multilayer insulating film and the gate; A via hole process for electrically contacting the source region and the drain region after planarizing the interlayer insulating film, and a metal process for electrically connecting the sensing device and the driving device to each other; A sixth step of performing a passivation process for covering the wiring formed by the metal process with a protective film; And forming a gate space part capable of holding a material to be detected by selectively etching the protective film and the interlayer insulating film so as to expose the multilayered insulating film formed on the active area of the sensing element after forming an etch mask by applying a photoresist on the protective film. 7 stages.
상기 다층 절연막은 상기 각 액티브 영역으로부터 터널링 산화막, 질화막 및 블로킹 산화막의 순으로 적층되어 형성된 것을 본 발명에 의한 바이오센서 제조방법의 다른 특징으로 한다.The multilayered insulating film is formed by laminating a tunneling oxide film, a nitride film, and a blocking oxide film from each active region in this order, which is another feature of the method of manufacturing a biosensor according to the present invention.
상기 제 7 단계 이후 상기 다층 절연막 중 상기 감지소자의 상기 블로킹 산화막 및 상기 질화막을 식각하는 공정을 더 진행하는 것을 본 발명에 의한 바이오센서 제조방법의 다른 특징으로 한다.And further etching the blocking oxide film and the nitride film of the sensing device among the multilayered insulating films after the seventh step is further characterized in the method of manufacturing a biosensor according to the present invention.
상기 터널링 산화막은 열 산화막이고, 상기 블로킹 산화막의 식각은 HF에 의한 습식식각으로, 상기 질화막의 식각은 H3PO4에 의한 습식식각으로 하는 것을 본 발명에 의한 바이오센서 제조방법의 다른 특징으로 한다.The tunneling oxide film is a thermally oxidized film, and the etching of the blocking oxide film is performed by wet etching by HF and the etching of the nitride film is performed by wet etching by H 3 PO 4 , which is another feature of the method of the present invention .
상기 제 5 단계의 금속공정은 상기 감지소자의 소스 영역과 상기 구동소자의 드레인 영역이 하나의 금속배선으로 연결되어 바이오센서의 출력단으로 형성하는 것을 본 발명에 의한 바이오센서 제조방법의 다른 특징으로 한다.In the metal process of the fifth step, the source region of the sensing device and the drain region of the driving device are connected by a single metal interconnection to form an output terminal of the biosensor, which is another feature of the method of manufacturing a biosensor according to the present invention .
본 발명은 감지소자의 감지 절연막과 구동소자의 다층 절연막을 동일 공정으로 형성하고, 감지영역 내의 보호막과 층간 절연막, 그리고 블로킹 산화막/질화막을 순차 식각함으로써, 열 산화막과 같은 고순도 절연막으로 감지 절연막을 얻게 되어 종래 다공성 산화막의 문제점을 해소하고, 감지소자의 액티브 영역인 실리콘 나노선 뿐만 아니라 감지 절연막의 물리적 손상을 줄일 수 있게 되었고, 구동소자의 다층 절연막 중 전하저장층으로 전자나 정공 주입을 함으로써, 문턱전압을 조절로 바이오센서의 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.In the present invention, a multi-layer insulating film of a sensing element and a driving element of a sensing element are formed by the same process, and a sensing insulating film is obtained by a high-purity insulating film such as a thermal oxide film by successively etching a protective film, an interlayer insulating film, and a blocking oxide film / Thus, it is possible to reduce the physical damage of not only the silicon nanowire, which is the active region of the sensing element, but also the sensing insulating film, and by injecting electrons or holes into the charge storage layer of the multilayer insulating film of the driving device, There is an effect that the sensitivity of the biosensor can be increased by adjusting the voltage.
도 1은 종래 실리콘 나노선 FET 기반 바이오센서의 기본 구조도이다.
도 2 및 도 3은 각각 도 1의 구조를 갖는 n형 실리콘 나노선 FET(n-type SiNW)와 p형 실리콘 나노선 FET(p-type SiNW)로 pH 값의 변화에 따른 전류-전압 특성도이다.
도 4는 liquid gate 구조를 갖는 종래 p채널 SiNW(a)와 n채널 SiNW(b)의 바이오센서에서 다공성 게이트 산화막으로 인해 시간에 따라 측정 전류가 변화하는 drift 현상이 발생 됨을 보여주는 전기적 특성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 바이오센서 제조방법의 공정도이다.
도 6은 도 5(d)의 본 발명의 일 실시 예에 의한 바이오센서의 회로도이다.
도 7은 도 5(d) 및 도 6의 본 발명의 일 실시 예에 의한 바이오센서에서 구동소자의 전하저장층에 전자를 주입한 정도에 따라 문턱전압을 조절할 수 있음을 보여주는 전기적 특성도이다.
도 8은 구동소자의 문턱전압에 따른 바이오센서의 전달특성을 보여주는 전기적 특성도이다.
도 9는 문턱전압에 따른 바이오센서의 감도를 보여주는 전기적 특성도이다.1 is a basic structural view of a conventional silicon nanowire FET-based biosensor.
FIGS. 2 and 3 show the current-voltage characteristics of the n-type silicon nanowire FET (n-type SiNW) and the p-type silicon nanowire FET (p-type SiNW) to be.
4 is an electrical characteristic diagram showing that a drift phenomenon occurs in which a measurement current varies with time due to a porous gate oxide film in a conventional p-channel SiNW (a) and n-channel SiNW (b) biosensor having a liquid gate structure.
5 is a process diagram of a method of manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 5 (d).
FIG. 7 is an electrical characteristic diagram showing that the threshold voltage can be adjusted according to the degree of injection of electrons into the charge storage layer of the driving device in the biosensor according to the embodiment of FIG. 5 (d) and FIG.
8 is an electrical characteristic diagram showing the transfer characteristic of the biosensor according to the threshold voltage of the driving device.
9 is an electrical characteristic diagram showing the sensitivity of the biosensor according to the threshold voltage.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 의한 본 발명에 의한 바이오센서는, 도 5 및 도 6과 같이, 기본적으로 반도체 기판의 절연층(BOX) 상에 감지소자(1)와 구동소자(2)가 서로 이격되어 형성된다.5 and 6, a
여기서, 상기 감지소자(1)는 상기 절연층(BOX) 상에 제 1 채널영역(13)을 사이에 두고 형성된 제 1 소스 영역(15) 및 제 1 드레인 영역(11), 상기 제 1 채널영역(13) 상에 형성된 감지 절연막(22) 및 상기 감지 절연막(22) 상에 피 감지물질을 담을 수 있도록 구비된 게이트 공간부(30)를 포함하여 구성된다.The
상기 구동소자(2)는 상기 절연층(BOX) 상에 제 2 채널영역(14)을 사이에 두고 형성된 제 2 소스 영역(16) 및 제 2 드레인 영역(12), 상기 제 2 채널영역(14) 상에 구비된 전하저장층을 포함하는 다층 절연막(20) 및 상기 다층 절연막(20) 상에 형성된 게이트(40)를 포함하여 구성된다.The driving
상기 감지소자(1)의 제 1 소스 영역(15)과 상기 구동소자(2)의 제 2 드레인 영역(12)은 하나의 배선(60)으로 전기적으로 연결되어 바이오센서의 출력단(VOUT)이 된다.The
그리고, 도 5(d)와 도 6을 함께 참조하면, 상기 감지소자(1)의 제 1 드레인 영역(11)에 컨택하는 배선(50)은 바이오센서의 공급단(VDD)이, 상기 구동소자(2)의 제 2 소스 영역(16)에 컨택하는 배선(70)은 바이오센서의 접지단(VSS)이 각각 될 수 있다.5 (d) and FIG. 6 together, the supply terminal (V DD ) of the biosensor is connected to the
상기 감지소자(1)의 게이트 공간부(30)는, 도 6과 같이, 액상의 피 감지물질이 담기게 되고, 피 감지물질 속에 잠긴 게이트 전극을 통해 감지전압(VLG)이 인가된다. 상기 구동소자(2)의 게이트(40)에는 입력단으로 구동전압(VGS)이 인가된다.As shown in FIG. 6, the
상기 제 1 소스 영역(15)과 상기 제 1 드레인 영역(11)은 서로 반대 도전형으로 형성되어 감지소자(1)를 Tennel FET로 구현할 수도 있다.The
다른 실시 예로, 상기 제 1, 2 소스 영역(15, 16) 및 상기 제 1, 2 드레인 영역(11, 12)은 모두 n형 또는 p형 도전형으로 형성할 수도 있고, CMOS 공정에 따라 감지소자(1)의 제 1 소스 영역(15) 및 제 1 드레인 영역(11)은 p형, 구동소자(2)의 제 2 소스 영역(16) 및 제 2 드레인 영역(12)은 n형으로 형성할 수도 있다.In other embodiments, the first and
상기 제 1, 2 소스 영역(15, 16), 상기 제 1, 2 채널 영역(13, 14) 및 상기 제 1, 2 드레인 영역(11, 12)은 벌크 실리콘 기판에 형성될 수도 있으나, SOI(Si-On-Insulator) 기판에 실리콘 나노선으로 형성된 것이 바람직하다. 후자의 경우 상기 절연층은 매몰산화막(BOX)이 된다. The first and
여기서, 상기 실리콘 나노선의 선폭은 수십 나노미터(nm), 예컨대 15~20 nm일 수 있다.Here, the line width of the silicon nanowires may be several tens nanometers (nm), for example, 15-20 nm.
상기 다층 절연막(20)은 전자나 정공을 저장할 수 있는 전하저장층을 포함하는 2층 이상 복수 개의 층으로 형성될 수 있다. 구체적인 예로, 도 5(d)와 같이, 상기 제 2 채널영역(14)으로부터 터널링 산화막(Tunneling Oxide)/질화막(Nitride)/블로킹 산화막(Blocking Oxide) 순으로 적층되어 형성된 것일 수 있다. 이때, 질화막(Nitride)이 전하저장층으로 기능을 하게 된다. 터널링 산화막과 블로킹 산화막은 SiO2이고, 질화막은 Si3N4로 조성을 가질 수 있다.The multi-layer insulating
한편, 상기 감지 절연막(22)은 바이오 분자나 이온이 결합할 수 있는 특성이 있는 물질은 모두 가능하나, 상기 터널링 산화막(Tunneling Oxide)과 동일한 열 산화막(Thermal oxide)로 형성함 바람직하다. 이렇게 함으로써, 전체 공정을 간단히 하면서도 고순도 절연막으로 감지 절연막(22)을 형성할 수 있게 되어 종래 다공성 산화막의 문제점을 해소할 수 있게 된다.Meanwhile, the sensing insulating
도 7 내지 도 9는 도 5(d)에 도시된 본 발명에 의한 바이오센서의 구체적인 실시 예에 따른 구조로 시뮬레이션을 통해 얻은 전기적 특성도이다.7 to 9 are electrical characteristic diagrams obtained through simulation according to a specific embodiment of the biosensor according to the present invention shown in FIG. 5 (d).
도 7에 의하면, 구동소자(2)의 게이트(40)에 구동전압(VGS)으로 10V의 크기로 프로그램 시간(tpgm)을 달리하며 구형파 전압을 인가하였을 경우 전하저장층인 질화막(Si3N4)에 터널링 산화막(SiO2)을 통해 전자(electron)가 주입되는 정도에 따라 문턱전압(VT)이 조절될 수 있음을 알 수 있다.Case hayeoteul According to 7, applying the square wave voltage is different to the size of a 10V programming time (t pgm), and the drive voltage (V GS) to a
도 8은 도 6에서 감지소자(1)의 감지전압(VLG)은 1.5V, 바이오센서의 공급단(VDD)은 1.0V를 각각 인가하며, 구동소자(2)의 문턱전압(VT)을 0.7V와 1.1V로 서로 달리한 상태에서, 바이오센서의 입력단인 구동소자(2)의 게이트(40)에 인가된 전압(VGS)에 대한 바이오센서의 출력단 전압(VOUT) 관계, 즉 바이오센서의 전달특성을 보여주는 전기적 특성도이다.8 shows that the sensing voltage V LG of the
도 8에 의하면, 구동소자(2)로 문턱전압(VT)을 1.1V로 하였을 때보다 0.7V로 하였을 때, 아래 수식 1로 정의된 바이오센서의 감도(sensitivity)가 더 높음을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the sensitivity of the biosensor defined by
[수식 1] [Equation 1]
바이오센서의 감도(sensitivity)=△VOUT/△pHSensitivity of the biosensor = ΔV OUT / Δ pH
도 9는 문턱전압에 따른 바이오센서의 감도를 보여주는 전기적 특성도이다.9 is an electrical characteristic diagram showing the sensitivity of the biosensor according to the threshold voltage.
도 7 내지 도 9를 통하여, 구동소자(2)로 문턱전압(VT)을 조절함으로써, 바이오센서의 감도를 높일 수 있음을 알 수 있다.It can be seen from FIGS. 7 to 9 that the sensitivity of the biosensor can be increased by adjusting the threshold voltage V T with the
특히, 하나의 기판에 복수 개의 바이오센서를 형성할 경우, 각 바이오센서를 이루는 구동소자로 문턱전압(VT)을 조절함으로써, 서로 균일한 감도를 가질 수 있게 할 수 있다.Particularly, when a plurality of biosensors are formed on a single substrate, the threshold voltages (V T ) can be adjusted by the driving elements constituting the biosensors to have uniform sensitivity to each other.
이하, 도 5를 참조하며, 상술한 바이오센서를 구현할 수 있는 본 발명에 의한 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반 바이오센서의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method for fabricating a field effect transistor-based biosensor having a multilayered insulating film according to the present invention capable of realizing the above-described biosensor will be described with reference to FIG.
먼저, SOI 기판에 수십 나노미터(nm) 선폭을 갖는 실리콘 나노선을 형성하여 감지소자(1)와 구동소자(2)의 각 액티브 영역을 정의한다(제 1 단계).First, each active region of the
상기 각 액티브 영역에 공지의 Tennel FET 공정 또는 CMOS 공정 등에 따라 불순물 주입으로 소스/채널/드레인 영역을 형성한다(제 2 단계).A source / channel / drain region is formed in each active region by impurity implantation according to a known Tennel FET process or a CMOS process (second step).
상기 각 액티브 영역 상에 전하저장층을 갖는 다층 절연막을 형성하고 상기 구동소자(2) 영역의 상기 다층 절연막 상에 게이트를 형성한다(제 3 단계).A multilayer insulating film having a charge storage layer is formed on each of the active regions, and a gate is formed on the multilayer insulating film in the driving
이때, 상기 다층 절연막은 상기 각 액티브 영역으로부터 터널링 산화막/질화막/블로킹 산화막 순으로 적층되어 형성될 수 있고, 상기 터널링 산화막은 열 산화공정으로 고순도의 열 산화막인 실리콘 산화막(SiO2)을 얻는다.At this time, the multilayered insulating film can be formed by stacking the tunneling oxide film / nitride film / blocking oxide film from each active region in this order, and the tunneling oxide film can be formed into a silicon oxide film (SiO 2 ) as a thermal oxide film of high purity by a thermal oxidation process.
상기 다층 절연막과 상기 게이트를 포함한 상기 기판상에 층간 절연막(ILD)을 형성한다(제 4 단계).An interlayer insulating film (ILD) is formed on the substrate including the multilayered insulating film and the gate (step 4).
상기 층간 절연막을 평탄화한 후 상기 소스/드레인 영역을 전기적으로 컨택하기 위한 비어홀 공정 및 상기 감지소자(1)와 구동소자(2)를 서로 전기적으로 연결하기 위한 금속공정을 수행하여 배선(50, 60, 70)을 형성한다(제 5 단계).A via hole process for electrically contacting the source / drain region after planarizing the interlayer insulating film and a metal process for electrically connecting the
이때, 상기 금속공정 속에서 감지소자(1)의 소스 영역(15)과 구동소자(2)의 드레인 영역(12)이 하나의 금속배선(60)으로 연결된 바이오센서의 출력단(VOUT)을 형성할 수 있다. At this time, in the metal process, the
상기 배선(50, 60, 70)을 보호막으로 덮기 위한 패시베이션(Passivation) 공정을 수행한다(제 6 단계).A passivation process is performed to cover the
상기 보호막 위에 감광막을 도포하여, 도 5(a)와 같이, 식각 마스크(PR)를 형성한 후, 도 5(b)와 같이, 상기 감지소자(1)의 액티브 영역 상에 형성된 상기 다층 절연막이 드러나게 상기 보호막 및 상기 층간 절연막을 선택 식각하여 피 감지물질을 담을 수 있는 게이트 공간부(30)를 만든다(제 7 단계).5A, after the etching mask PR is formed, the multi-layer insulating film formed on the active region of the
상기 제 7 단계 이후, 도 5(c) 및 도 5(d)와 같이, 상기 게이트 공간부(30)로 드러난 상기 다층 절연막 중 상기 블로킹 산화막 및 상기 질화막을 순차 식각하는 공정을 더 진행하여 상기 터널링 산화막만 남겨 둘 수 있다. 이렇게 남겨진 터널링 산화막이 감지소자(1)의 감지 절연막(22)이 된다.After the seventh step, as shown in FIGS. 5 (c) and 5 (d), the step of sequentially etching the blocking oxide film and the nitride film among the multilayered insulating films revealed in the
상기 블로킹 산화막의 식각은 HF에 의한 습식식각으로, 상기 질화막의 식각은 H3PO4에 의한 습식식각으로 각각 진행할 수 있다.The etching of the blocking oxide film may be performed by wet etching by HF, and the etching of the nitride film may be performed by wet etching by H 3 PO 4 , respectively.
이렇게 함으로써, 감지소자(1)의 액티브 영역인 실리콘 나노선, 특히 채널 영역(13)뿐만 아니라 감지 절연막(22)을 고순도의 열 산화막으로 물리적 손상 없이, 그리고 구동소자(2)와 함께 같은 공정 흐름 속에서 형성할 수 있게 된다.By doing so, the silicon nitride nanowire, particularly the
기타 미설명된 공정 내용은 공지의 Tennel FET 공정, CMOS 공정 등에 의할 수 있다.Other process contents described above can be applied to known Tennel FET process, CMOS process, and the like.
1: 감지소자 2: 구동소자
11: 제 1 드레인 영역 12: 제 2 드레인 영역
13: 제 1 채널 영역 14: 제 2 채널 영역
15: 제 1 소스 영역 16: 제 2 소스 영역
20: 다층 절연막 22: 감지 절연막
30: 게이트 공간부 40: 게이트
50, 60, 70: 배선1: sensing element 2: driving element
11: first drain region 12: second drain region
13: first channel region 14: second channel region
15: first source region 16: second source region
20: multilayer insulating film 22:
30: gate space part 40: gate
50, 60, 70: Wiring
Claims (10)
상기 감지소자는 상기 절연층 상에 제 1 채널영역을 사이에 두고 형성된 제 1 소스 영역 및 제 1 드레인 영역, 상기 제 1 채널영역 상에 형성된 감지 절연막 및 상기 감지 절연막 상에 피 감지물질을 담을 수 있도록 구비된 게이트 공간부를 포함하여 구성되고,
상기 구동소자는 상기 절연층 상에 제 2 채널영역을 사이에 두고 형성된 제 2 소스 영역 및 제 2 드레인 영역, 상기 제 2 채널영역 상에 구비된 전하저장층을 포함하는 다층 절연막 및 상기 다층 절연막 상에 형성된 게이트를 포함하여 구성되고,
상기 제 1 소스 영역과 상기 제 2 드레인 영역은 전기적으로 연결되어 상기 바이오센서의 출력단으로 하는 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서.
A biosensor in which a sensing element and a driving element are spaced apart from each other on an insulating layer of a semiconductor substrate,
The sensing element may include a first source region and a first drain region formed on the insulating layer with a first channel region therebetween, a sensing insulating film formed on the first channel region, And a gate space portion provided so as to be spaced apart from the gate portion,
Wherein the driving element includes a multilayer insulating film including a second source region and a second drain region formed on the insulating layer with a second channel region therebetween, and a charge storage layer provided on the second channel region, And a gate formed on the substrate,
Wherein the first source region and the second drain region are electrically connected to each other as an output terminal of the biosensor.
상기 제 1 소스 영역과 상기 제 1 드레인 영역은 서로 반대 도전형으로 형성된 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the first source region and the first drain region are formed in opposite conductivity types to each other.
상기 제 1, 2 소스 영역 및 상기 제 1, 2 드레인 영역은 모두 n형 도전형으로 형성된 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the first and second source regions and the first and second drain regions are both formed in an n-type conductivity type.
상기 제 1, 2 소스 영역, 상기 제 1, 2 채널 영역 및 상기 제 1, 2 드레인 영역은 SOI(Si-On-Insulator) 기판의 실리콘 나노선으로 형성된 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first and second source regions, the first and second channel regions, and the first and second drain regions are formed of silicon nanowires of an SOI (Si-On-Insulator) substrate. Based biosensor.
상기 다층 절연막은 상기 제 2 채널영역으로부터 터널링 산화막, 질화막 및 블로킹 산화막의 순으로 적층되어 형성된 것이고,
상기 감지 절연막은 상기 터널링 산화막과 동일한 열 산화막인 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서.
5. The method of claim 4,
The multilayered insulating film is formed by laminating a tunneling oxide film, a nitride film, and a blocking oxide film from the second channel region in this order,
Wherein the sensing insulating film is the same thermal oxide film as the tunneling oxide film.
상기 각 액티브 영역에 소스 영역, 채널 영역 및 드레인 영역을 형성하는 제 2 단계;
상기 각 액티브 영역 상에 다층 절연막을 형성하고 상기 구동소자의 액티브 영역의 상기 다층 절연막 상에 게이트를 형성하는 제 3 단계;
상기 다층 절연막과 상기 게이트를 포함한 상기 기판상에 층간 절연막을 형성하는 제 4 단계;
상기 층간 절연막을 평탄화한 후 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역을 전기적으로 컨택하기 위한 비어홀 공정 및 상기 감지소자와 구동소자를 서로 전기적으로 연결하기 위한 금속공정을 수행하는 제 5 단계;
상기 금속공정으로 형성된 배선을 보호막으로 덮기 위한 패시베이션(Passivation) 공정을 수행하는 제 6 단계; 및
상기 보호막 위에 감광막을 도포하여 식각 마스크를 형성한 후 상기 감지소자의 액티브 영역 상에 형성된 상기 다층 절연막이 드러나게 상기 보호막 및 상기 층간 절연막을 선택 식각하여 피 감지물질을 담을 수 있는 게이트 공간부를 만드는 제 7 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 제조방법.
A first step of forming a silicon nanowire on an SOI (Si-On-Insulator) substrate to define respective active regions of a sensing element and a driving element;
A second step of forming a source region, a channel region and a drain region in each of the active regions;
A third step of forming a multi-layer insulating film on each of the active regions and forming a gate on the multi-layer insulating film of the active region of the driving element;
A fourth step of forming an interlayer insulating film on the substrate including the multilayer insulating film and the gate;
A via hole process for electrically contacting the source region and the drain region after planarizing the interlayer insulating film, and a metal process for electrically connecting the sensing device and the driving device to each other;
A sixth step of performing a passivation process for covering the wiring formed by the metal process with a protective film; And
Forming a gate space portion capable of holding a sensing target by selectively etching the passivation layer and the interlayer insulating layer to expose the multi-layer insulating layer formed on the active region of the sensing element after the photoresist layer is coated on the passivation layer, Layer insulating film on the surface of the substrate.
상기 다층 절연막은 상기 각 액티브 영역으로부터 터널링 산화막, 질화막 및 블로킹 산화막의 순으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 제조방법.
In the sixth step,
Wherein the multilayered insulating film is formed by sequentially stacking a tunneling oxide film, a nitride film, and a blocking oxide film from each active region in this order.
상기 제 7 단계 이후 상기 다층 절연막 중 상기 감지소자의 상기 블로킹 산화막 및 상기 질화막을 식각하는 공정을 더 진행하는 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 제조방법.
8. The method of claim 7,
Further comprising the step of etching the blocking oxide layer and the nitride layer of the sensing element among the multilayer insulating layers after the seventh step.
상기 터널링 산화막은 열 산화막이고,
상기 블로킹 산화막의 식각은 HF에 의한 습식식각으로, 상기 질화막의 식각은 H3PO4에 의한 습식식각으로 하는 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the tunneling oxide film is a thermal oxide film,
Wherein the etching of the blocking oxide film is performed by wet etching by HF and the etching of the nitride film is performed by wet etching with H 3 PO 4 .
상기 제 5 단계의 금속공정은 상기 감지소자의 소스 영역과 상기 구동소자의 드레인 영역이 하나의 금속배선으로 연결되어 바이오센서의 출력단으로 형성하는 것을 특징으로 하는 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 제조방법.10. The method according to any one of claims 6 to 9,
Wherein the metal process of the fifth step is formed as an output terminal of the biosensor by connecting a source region of the sensing device and a drain region of the driving device by one metal interconnection. Sensor manufacturing method.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |