KR20120038211A - Plastic based biosensor and manufacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A plastic-based biosensor and a method for manufacturing the same are provided to effectively overcome the limit of a substrate of a conventional biosensor. CONSTITUTION: A plastic-based biosensor comprises a groove formed on a plastic substrate and a unit biosensor having a bio detecting material fixed on a single crystalline silicone gate channel. Source and drain electrodes are connected in a wire form in a groove outside and the biosensor. The unit biosensor comprises a bulk silicon layer(110) laminated in order; an insulation layer; and an upper single crystalline silicon layer doped with impurities.

Description

플라스틱 기반 바이오 센서 및 그 제조방법{Plastic based biosensor and manufacturing method for the same}Plastic based biosensor and manufacturing method for the same

본 발명은 플라스틱 기반 바이오 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 종래의 실리콘 기판상에 구현된 바이오센서가 가지는 기판의 한계를 효과적으로 극복할 수 있으며, 경제성과 공정 응용성이 우수한, 플라스틱 기반 바이오 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a plastic-based biosensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to overcome the limitations of the substrate of the biosensor implemented on a conventional silicon substrate, and to provide excellent economics and process applicability. It relates to a biosensor and a method of manufacturing the same.

인간을 포함한 생물 개체들은 많은 감각기관을 가지고 있어서 오감은 물론 아픔이나 물론 아픔이나 온도감지 등 외부에서 오는 여러 가지 자극을 감지한다. 이렇게 감지된 자극은 뇌에서 이미 경험에 의하여 교육된 자극자료와 비교함으로써 미묘한 맛이나 향의 변화 등을 인지하게 된다. 이러한 기능을 생명체에서는 감각기관이라고 하고, 기계나 기구에서는 센서라고 한다. 생물기능을 모사하여 전자 공학을 응용함으로써 외부로부터 받은 물리화학적 자극을 감지할 수 있는 생명소자를 보통 바이오센서라 한다. Organisms, including humans, have many sensory organs that sense not only the five senses but also various stimuli from the outside, such as pain or, of course, pain or temperature sensing. This sensed stimulus is compared to the stimulus data already educated by experience in the brain to recognize subtle tastes and flavor changes. These functions are called sensory organs in living things, and sensors in machines and instruments. Biosensors that can detect physicochemical stimuli from the outside by applying electronics to simulate biological functions are commonly called biosensors.

하지만, 종래의 바이오센서는 실리콘 기판과 같이 딱딱한 기판상에 형성된 마이크로어쎄이 또는 마이크로플루이딕채널(microfluidic, 이하 미세유체 채널이라 한다) 상에서 제조되므로, 다양한 구조를 가지기 어려우며, 기판의 낭비가 매우 커 경쟁력이 없었다. 이러한 기판의 한계를 극복하기 위하여 Lieber 등은 기판 상에서 촉매를 이용하여 실리콘 나노와이어를 성장시키는, 이른바 바텀-업(bottome-up) 방식의 센싱 소자 제조방법을 개시한다. 하지만 이러한 바텀-업 방식의 센싱소자는 나노와이어를 기판상에 직접 성장시켜야하므로, 전체적인 반도체 소자의 성능이 떨어지고, 또한 균질성이 떨어진다는 문제가 있다 (nature biotechnology vol. 23, 1294, 2005). However, the conventional biosensor is manufactured on a microassembly or microfluidic channel (hereinafter referred to as a microfluidic channel) formed on a rigid substrate such as a silicon substrate, and thus it is difficult to have various structures. There was no. In order to overcome the limitations of such a substrate, Lieber et al. Disclose a so-called bottom-up sensing device manufacturing method for growing silicon nanowires using a catalyst on a substrate. However, such a bottom-up sensing device has to grow nanowires directly on a substrate, thereby degrading overall semiconductor device performance and inferior homogeneity (nature biotechnology vol. 23, 1294, 2005).

상기 바텀-업 방식의 센싱소자 제조방법의 단점을 해결하고자, McAlpine 등은 마이크로구조-반도체(Microstructure Semiconductor, μ-Sc)기술을 이용한 탑-다운(top-down)방식으로, 플라스틱 기판상의 나노와이어를 이용하는 화학 센서를 개시한다(Nature Materials, Vol6, May 2007, 이하 종래기술). 하지만, 상기 종래기술은 기체의 일정 성분을 검출하는 기술에 관한 것으로서, 물과 같은 용매에 의하여 이루어지는 바이오센서에는 바로 적용하기는 어렵고, 또한, 복수 종류의 물질을 검출하고자 하는 경우 복수 개의 센서를 제조하여야 한다는 문제가 있다. In order to solve the disadvantage of the bottom-up sensing device manufacturing method, McAlpine et al. Is a top-down method using a microstructure semiconductor (μ-Sc) technology, nanowires on a plastic substrate Disclosed is a chemical sensor using (Nature Materials, Vol 6, May 2007, hereinafter prior art). However, the prior art relates to a technique for detecting a certain component of a gas, which is difficult to apply directly to a biosensor made of a solvent such as water, and if a plurality of kinds of substances are to be detected, a plurality of sensors may be manufactured. There is a problem that should be.

따라서, 플라스틱 기판상에 구현되며, 복수 종류의 검출물질을 고성능 반도체를 이용하여 매우 효과적으로 센싱할 수 있는 새로운 개념의 플라스틱 고감도 바이오 센서, 특히 반도체 센서는 아직까지 구현되지 않았다. 특히 반도체 제조공정의 극심한 조건과 플라스틱 기판(일반적으로 고분자 재질) 및 바이오 물질의 약한 내열성, 내화학 특징 등은 아직까지 양립하기 어려운 것으로 고려되었으며, 그 결과 플라스틱 기판상에 구현된 바이오 센서, 특히 반도체를 이용하는 바이오 센서는 아직까지 개시되지 못한 실정이다.
Therefore, a new concept of plastic high sensitivity biosensor, in particular a semiconductor sensor, which is implemented on a plastic substrate and can sense a plurality of types of detection materials very effectively using a high performance semiconductor, has not yet been implemented. In particular, the extreme conditions of the semiconductor manufacturing process and the weak heat resistance and chemical characteristics of plastic substrates (generally polymer materials) and biomaterials were considered to be incompatible with each other. Biosensor using the situation is not yet disclosed.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 바이오 활성물질의 특이적 결합에 따라 효과적인 바이오 물질 검출이 가능하며, 기판의 가요성으로 인하여 그 응용성이 높은, 새로운 개념의 플라스틱 바이오 센서를 제공하는 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide an effective biomaterial detection according to the specific binding of the bioactive material, and to provide a new concept of plastic biosensor having high applicability due to the flexibility of the substrate.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 바이오 활성물질의 특이적 결합에 따라 효과적인 바이오 물질 검출이 가능하며, 센서를 이루기 위한 최소의 면적으로 실리콘만 전사하기 때문에 모 기판의 효율성을 극대화하여 가격 경쟁력 있는 바이오 센서의 제작이 가능하다. 기판의 가공성, 가요성 등으로 인하여 그 응용성이 높은 새로운 개념의 플라스틱 바이오 센서의 효과적이고, 경제적인 제조방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is effective bio-material detection according to the specific binding of the bio-active material, and because only the silicon is transferred to the minimum area to achieve the sensor to maximize the efficiency of the mother substrate and competitive price It is possible to manufacture a biosensor. The processability, flexibility, and the like of the substrate provide an effective and economical method of manufacturing a new concept of plastic biosensor with high applicability.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플라스틱 기판에 구비된 홈; 및 상기 홈 내부에 안착되며, 바이오 검출 물질이 단결정 실리콘 게이트 채널에 고정된 단위 바이오 센서를 포함하며, 여기에서 상기 홈 외부 및 바이오 센서에는 소스 및 드레인 전극이 와이어 형태로 연결된 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a groove provided on the plastic substrate; And a unit biosensor mounted inside the groove and having a bio detection material fixed to a single crystal silicon gate channel, wherein the source and drain electrodes are connected to the outside of the groove and the bio sensor in a wire form. Provide a biosensor.

본 발명의 일 실시예에서 상기 단위 바이오 센서는 불순물이 제 1 농도로 도핑된 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 소정 간격으로 이격되어 불순물이 제 1 농도로 도핑된 소스 및 드레인 영역; 및 상기 소스 및 드레인 영역 상에 구비된 소스 및 드레인 전극을 포함한다. In one embodiment, the unit biosensor comprises: a silicon substrate doped with impurities at a first concentration; Source and drain regions spaced apart from the silicon substrate at predetermined intervals and doped with impurities at a first concentration; And source and drain electrodes provided on the source and drain regions.

본 발명의 일 실시예에서 상기 단위 바이오 센서는 순차적으로 적층된 벌크 실리콘층; 절연층; 및 불순물이 도핑된 상부 단결정 실리콘층을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the unit biosensor includes a bulk silicon layer sequentially stacked; Insulating layer; And an upper single crystal silicon layer doped with impurities.

본 발명의 일 실시예는 플라스틱 기판에 구비된 홈; 상기 홈 내부에 안착된 단위 바이오 센서; 및 상기 단위 바이오 센서를 덮으며 상기 단위 바이오 센서를 지나는 미세유체채널을 형성하는 상부 커버층을 포함하며, 여기에서 상기 단위 바이오 센서는 트랜지스터 방식의 바이오 센서로서, 상기 미세유체채널은 상기 단위 바이오 센서의 단결정 실리콘 게이트 채널을 지난다. 또한, 상기 단위 바이오 센서는 소스 및 드레인 영역 상에 형성된 소스 및 드레인 전극을 포함하며, 상기 소스 및 드레인 전극은 와이어를 통하여 홈 외부의 전극 라인과 연결되며, 상기 와이어는 상기 상부 커버층과 상기 플라스틱 기판 사이에 형성된 공간에서 소스 및 드레인 전극을 외부 전극라인과 연결한다. One embodiment of the invention the groove provided in the plastic substrate; A unit biosensor mounted in the groove; And an upper cover layer covering the unit biosensor and forming a microfluidic channel passing through the unit biosensor, wherein the unit biosensor is a transistor type biosensor, wherein the microfluidic channel is the unit biosensor Of the single crystal silicon gate channel. In addition, the unit biosensor includes source and drain electrodes formed on source and drain regions, and the source and drain electrodes are connected to an electrode line outside the groove through a wire, and the wire is connected to the upper cover layer and the plastic. The source and drain electrodes are connected to the external electrode lines in the space formed between the substrates.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 순차적으로 적층된 벌크 실리콘층; 절연층; 상부 실리콘층으로 이루어진 SOI 기판에 대하여 불순물을 도핑하여 상기 상부 실리콘층에 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계; 기 벌크 실리콘층의 두께는 감소시키는 단계; 상기 소스 및 드레인 영역의 상부에 소스 및 드레인 전극을 형성시키는 단계; 상기 상부 실리콘층 및 절연층을 순차적으로 패터닝하여 상기 소스 및 드레인 영역을 포함하는 단위 바이오 센서 영역을 상기 벌크 실리콘층상에 형성하는 단계; 및 상기 벌크 실리콘층을 상기 단위 바이오 센서 영역의 크기에 따라 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 제조방법을 제공한다. In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention is a bulk silicon layer sequentially stacked; Insulating layer; Doping an impurity in an SOI substrate including an upper silicon layer to form source and drain regions spaced at predetermined intervals in the upper silicon layer; Reducing the thickness of the bulk silicon layer; Forming source and drain electrodes on top of the source and drain regions; Sequentially patterning the upper silicon layer and the insulating layer to form a unit biosensor region including the source and drain regions on the bulk silicon layer; And cutting the bulk silicon layer according to the size of the unit biosensor region.

본 발명의 일 실시예에서 상기 상부 실리콘층의 패터닝은 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 상부 실리콘층 일부를 남기는 방식으로 진행되며, 상기 절연층 패터닝을 통하여 상기 일부 실리콘층 아래의 절연층은 제거된다. 또한, 상기 벌크 실리콘층의 두께 감소는 화학기계 연마공정으로 수행된다. In one embodiment of the present invention, the patterning of the upper silicon layer is performed in such a manner as to leave a part of the upper silicon layer between the source and drain regions, and the insulating layer under the part of the silicon layer is removed through the insulating layer patterning. In addition, the thickness reduction of the bulk silicon layer is performed by a chemical mechanical polishing process.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 상술한 방법에 의하여 제조된 바이오 센서를 제공한다. In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention provides a biosensor manufactured by the above-described method.

본 발명은 또한, 상술한 방법으로 제조된 바이오 센서에 대하여, 전사층을 접촉시키는 단계; 상기 바이오 센서에 대응하는 크기의 홈이 형성된 플라스틱 기판에 상기 바이오 센서를 안착시켜, 상기 홈에 상기 바이오 센서를 전사시키는 단계; 상기 홈 외부에 소스 및 드레인 전극 라인을 형성하는 단계; 상기 바이오 센서의 소스 및 드레인 전극과 상기 홈 외부의 소스 및 드레인 전극 라인을 와이어로 연결시키는 단계; 및 상부 커버층으로 상기 바이오 센서를 덮음으로써, 상기 바이오 센서의 게이트 채널 사이로 바이오 물질이 흐를 수 있는 미세 유체 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 게이트 채널에는 실리콘과 특이적 결합을 할 수 있는 바이오 검출물질이 고정되며, 상기 바이오 센서의 소스 및 드레인 영역은 게이트 채널보다 높은 농도로 불순물이 도핑된다.The present invention also relates to a biosensor manufactured by the method described above, the method comprising: contacting a transfer layer; Transferring the biosensor to the groove by mounting the biosensor on a plastic substrate having a groove having a size corresponding to the biosensor; Forming source and drain electrode lines outside the groove; Connecting the source and drain electrodes of the biosensor and the source and drain electrode lines outside the groove with wires; And covering the biosensor with an upper cover layer, thereby forming a microfluidic channel through which biomaterials can flow between the gate channels of the biosensor. In one embodiment of the present invention, a bio detection material capable of specific binding with silicon is fixed to the gate channel, and the source and drain regions of the bio sensor are doped with impurities at a concentration higher than that of the gate channel.

본 발명에 따른 바이오센서는 플라스틱 기판상에 구현되므로, 종래의 실리콘 기판상에 구현된 바이오센서가 가지는 기판의 한계 효과적으로 극복할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 바이오센서 소자는 고성능 마이크로 구조 반도체를 이용하여 플라스틱 기판에서 바이오 물질을 검출하기 때문에, 기존 바이오 센서보다 우수한 감응도를 갖는다. 더 나아가, 본 발명에 따른 바이오센서는 플라스틱 기판의 한계를 극복하기 위하여, 별도의 금속 전극 패드의 전처리 과정 없이 원하는 생물학적 활성 물질을 특이적으로 실리콘 기판, 즉, 게이트 기판에 결합시킬 수 있으므로, 경제성과 공정 응용성이 우수하다. 즉, 기존의 자기조립 단일층(Self-Assembled Monolayer, SAM) 기반의 바이오 물질 고정화 기술에 비해 표면수식화 공정 없이 바이오리셉터의 방향을 유지하면서, 보다 간단한 공정으로 효율적으로 원하는 바이오리셉터로 표면을 기능화시킬 수 있다. 더 나아가, 전기적 검출 기반의 고감도 바이오센서를 투명한 플라스틱 기판 위에 구현할 경우, 바이오 신호를 디지털 전기신호로 전환하여 타 정보처리 디바이스와의 연계성이 높아지며, 휴대성이 좋고 전기적 검출뿐만 아니라 광학적인 검출도 가능하고 고가의 실리콘 기판 사용량이 획기적으로 줄어 들어 생산원가도 낮아지는 등 많은 이점이 존재하게 된다. 즉, 본 발명은 최소의 게이트 채널만을 전사, 활용할 수 있으므로, 모 기판의 낭비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 실리콘 기판에서 제조될 수 있는 소자의 양을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따르면 8인치 기판에서 약 7만개 이상의 바이오 소자가 제조될 수 있다.Since the biosensor according to the present invention is implemented on a plastic substrate, it is possible to effectively overcome the limitations of the substrate of the biosensor implemented on a conventional silicon substrate. In addition, since the biosensor device according to the present invention detects a biomaterial from a plastic substrate using a high performance microstructure semiconductor, the biosensor device has a superior sensitivity than the conventional biosensor. Furthermore, in order to overcome the limitations of the plastic substrate, the biosensor according to the present invention can specifically bind the desired biologically active material to the silicon substrate, that is, the gate substrate, without pretreatment of a separate metal electrode pad. Excellent process applicability. That is, compared to the conventional self-assembled monolayer (SAM) -based biomaterial immobilization technology, the surface of the bioreceptor can be efficiently functionalized with the desired bioreceptor in a simpler process while maintaining the orientation of the bioreceptor without the surface modification process. Can be. Furthermore, when the high-sensitivity biosensor based on electrical detection is implemented on a transparent plastic substrate, the bio signal is converted into a digital electric signal, thereby increasing the linkage with other information processing devices, and having good portability and optical detection as well as optical detection. In addition, the use of expensive silicon substrates is drastically reduced, resulting in lower production costs. That is, the present invention can transfer and utilize only a minimum gate channel, thereby reducing waste of the parent substrate and dramatically increasing the amount of devices that can be manufactured in the silicon substrate. For example, according to the present invention, about 70,000 or more bio devices can be manufactured in an 8-inch substrate.

도 1 내지 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 바이오 센서 제조방법의 단계도이다.1 to 15 are steps of a plastic biosensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내며, 본 명세서에 첨부된 도면은 모두 전체 평면도 및 부분 단면(A-A')을 절개한 단면도의 형식으로 해석된다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like reference numerals denote like elements throughout the specification, and the accompanying drawings are all interpreted in the form of a cross-sectional view of the entire plan view and the partial cross section A-A '.

본 발명은 상술한 바와 같이 실리콘 등과 같은 경성(rigid)의 기판에서 소스, 드레인을 형성하여, 트랜지스터 방식의 바이오 센서를 제조한 후, 해당영역을 플라스틱 기판에 전사하는 방식의 플라스틱 바이오센서 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플라스틱 바이오센서를 제공한다. According to the present invention, a method of manufacturing a plastic biosensor of a method of forming a source and a drain from a rigid substrate such as silicon, manufacturing a transistor type biosensor, and then transferring a corresponding region to a plastic substrate; It provides a plastic biosensor manufactured thereby.

상술한 바와 같이 본 발명은 PCB와 같이 소정 깊이와 면적으로 홈이 구비될 수 있는 플라스틱 기판 내부에 홈을 형성시킨 후, 상기 홈에 트랜지스터 방식의 바이오 센서를 안착하고, 상기 센서 소자의 소스 및 드레인 전극을 외부 전극라인과 와이어 등과 같은 방식으로 연결시킨 바이오 센서를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 트랜지스터 방식의 바이오 센서(단위 바이오 센서)는 실리콘 등과 같은 기판에 소정 농도(제 1 농도)로 불순물일 도핑된 소스 및 드레인 영역과 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 상기 제 1 농도보다 낮은 농도로 불순물이 도핑된 실리콘 영역(게이트 채널)을 포함하며, 상기 소스 및 드레인 영역 상부에는 소스 및 드레인 전극이, 상기 게이트 채널에는 바이오 검출물질이 고정된 형태를 이룬다. 특히 실리콘을 소자 기판으로 사용하는 경우, 실리콘에 특이적으로 결합하는 바이오 활물질(예를들면 SBP)을 매개로, 검출물질(probe)이 상기 게이트 채널에 연결될 수 있다. As described above, the present invention forms a groove in a plastic substrate that can be provided with a predetermined depth and area, such as a PCB, and then mounts a transistor-type biosensor on the groove, and sources and drains of the sensor element. Provided is a biosensor in which electrodes are connected in the same manner as external electrode lines and wires. In an exemplary embodiment of the present invention, the transistor type biosensor (unit biosensor) may include a source and a drain region doped with impurities at a predetermined concentration (first concentration) on a substrate such as silicon, and the first region between the source and drain regions. A silicon region (gate channel) doped with an impurity at a concentration lower than 1 concentration includes a source and a drain electrode on the source and drain regions, and a bio detection material on the gate channel. In particular, when silicon is used as the device substrate, a probe may be connected to the gate channel through a bioactive material (eg, SBP) that specifically binds to silicon.

본 발명의 일 실시예는 SOI 기판 상에서 트랜지스터를 제조한 후, 하부 벌크 실리콘층 두께를 소정 수준 미만으로 감소시키는 방식으로 바이오 센서를 제조하며, 상기 제조된 바이오 센서를 플라스틱 소자의 홈 내부로 안착시킴으로써, 바이오 센서의 기계적 안정성과 공간 활용을 극대화하였다. According to one embodiment of the present invention, after fabricating a transistor on an SOI substrate, a biosensor is manufactured by reducing the thickness of the lower bulk silicon layer below a predetermined level, and by mounting the manufactured biosensor into a groove of a plastic device. In addition, the mechanical stability and space utilization of the biosensor are maximized.

따라서, 본 발명에 따른 바이오 센서 제조방법은 상기 홈 내부로 안착되기 전의 바이오 센서 제조방법과 안착하는 후의 방법을 모두 포함하며, 이하 이를 연속하여 설명한다. Therefore, the biosensor manufacturing method according to the present invention includes both the biosensor manufacturing method before the seated inside the groove and the method after the seating, which will be described below continuously.

도 1 내지 14는 본 발명에 따른 플라스틱 바이오 센서 제조방법의 단계도이다.1 to 14 is a step of the plastic biosensor manufacturing method according to the present invention.

도 1을 참조하면, 먼저 하부의 벌크 실리콘층(110); 절연층(120); 및 p형 불순물이 도핑된 상부 실리콘층(130)으로 순차적으로 적층된 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 개시된다. 상기 상부 실리콘층(130)은 단결정 실리콘으로, 본 발명에서는 절연층(120)을 두 실리콘 층 사이에 인위적으로 형성시켜 기층부로부터의 영향을 제거하여, 절연체 위에 형성된 고순도 실리콘(130)층의 가공, 효율 및 특성을 대폭 향상시킨 SOI 기판 기반의 바이오 센서를 제공한다. 이때 하부의 벌크 실리콘층(110)의 두께는 700㎛이상, 실리콘산화물과 같은 절연물질로 이루어진 절연층(120) 두께는 200nm 수준이었으며, 상부 실리콘층(130)두께는 40 내지 50nm 수준이었다.Referring to FIG. 1, first, a bulk silicon layer 110 below; Insulating layer 120; And a silicon on insulator (SOI) substrate sequentially stacked on the upper silicon layer 130 doped with p-type impurities. The upper silicon layer 130 is single crystal silicon, and in the present invention, the insulating layer 120 is artificially formed between the two silicon layers to remove the influence from the base portion, thereby processing the high purity silicon 130 layer formed on the insulator. In addition, the present invention provides a SOI substrate-based biosensor that has greatly improved efficiency and characteristics. In this case, the thickness of the lower bulk silicon layer 110 was 700 μm or more, and the thickness of the insulating layer 120 made of an insulating material such as silicon oxide was 200 nm, and the thickness of the upper silicon layer 130 was 40 to 50 nm.

상기 상부 실리콘층(130)에 이온 임플란트 공정을 이용, p형 불순물이 주입되며, 이로써 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역(140a, 140b)이 상부 실리콘층(130)에 형성된다(도 2 참조). 도 3을 참조하면, 하부의 벌크 실리콘층(110)은 그라인딩되어 두께가 60㎛ 수준으로 줄어들게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 그라인딩 공정은 화학기계연마공정(Chemical Mechanical Polishing)으로 진행된다. 이로써 경성 기판의 두께 조절을 통한 가요성 확보가 가능해진다.P-type impurities are implanted into the upper silicon layer 130 using an ion implant process, thereby forming source and drain regions 140a and 140b spaced at predetermined intervals in the upper silicon layer 130 (see FIG. 2). ). Referring to FIG. 3, the lower bulk silicon layer 110 is ground to reduce the thickness to 60 μm. In one embodiment of the present invention the grinding process is a chemical mechanical polishing process (Chemical Mechanical Polishing). This makes it possible to secure flexibility by adjusting the thickness of the rigid substrate.

도 4를 참조하면, 상기 소스 및 드레인 영역(140a, 140b)에 각각 금속층(150a, 150b)을 형성시켜, 소스 및 드레인 전극을 제조한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 소스 및 드레인 전극은 e-빔 증발기(e-beam evaporator) 또는 스퍼터링 방식으로 금속층을 증착한 후, 리소그래피와 식각공정으로 패터닝하여 소스, 드레인 전극을 형성시킨다. 이때 도 4에서 알 수 있듯이 두 전극 사이에 소스 및 드레인 영역(140a, 140b) 일부 및 그 사이의 기판 영역(즉, 게이트 채널) 이 노출된다. Referring to FIG. 4, metal layers 150a and 150b are formed in the source and drain regions 140a and 140b, respectively, to manufacture source and drain electrodes. In one embodiment of the present invention, the source and drain electrodes are deposited by e-beam evaporator or sputtering, and then patterned by lithography and etching to form source and drain electrodes. As shown in FIG. 4, a portion of the source and drain regions 140a and 140b and a substrate region (ie, a gate channel) are exposed between the two electrodes.

도 5를 참조하면, 리소그래피 공정과 연속하는 식각 공정을 통하여, 소스 및 드레인 영역(140a, 140b)이 형성된 상부 실리콘층(130)을 패터닝하며, 소스 및 드레인 전극(150a, 150b)이 형성된 복수 개의 바이오 센서 영역이 형성된다. 상기 공정을 통하여 상부 실리콘층(130) 하부의 절연층(120)이 노출되는데, 특히 소스 및 드레인 영역(140a, 140b) 사이의 상부 실리콘기판(130a) 일부는 여전히 존재하도록 상기 패터닝 공정이 진행된다. 즉, 소스 및 드레인 영역(140a, 140b)의 상부 실리콘 기판(130)은 그 사이의 상부 실리콘 기판(130a)에 의하여 서로 연결된 형태가 된다. 도 6을 참조하면, 노출된 절연층(120)은 BOE 식각 공정에 의하여 제거되며, 이로써 하부 벌크 실리콘층(110) 상에 복수 개의 분리된 센서(소자) 기판이 제조된다. 특히 소스 및 드레인 영역(140a, 140b) 사이의 실리콘층(즉, 게이트 채널)은 채널 아래 부분이 노출됨으로써 상부 실리콘층 상부면과 하부면이 모두 노출된 구조, 즉 이중층 구조를 이루는데, 이러한 구조를 통하여 바이오 물질이 결합할 수 있는 실리콘 표면적을 증가시키며, 그 결과 센서의 민감도가 증가하게 된다. 즉, ,BOE를 이용한 식각 공정에서, 게이트 채널의 너비를 소스 및 드레인 영역의 너비보다 매우 좁게 구성하는 경우, 게이트 채널 부분 아래의 산화물층 식각속도가 소스, 드레인 부분의 산화물층의 식각 속도에 비해 훨씬 빠르기 때문에 적당한 시간동안 식각을 진행하게 되면 실리콘 아래부분의 산화물층만 제거되고 소스, 드레인 부분의 산화물층은 남아 있게 된다. 즉, 게이트 채널의 너비 및 식각 공정 시간 조절을 통하여, 게이트 채널 아래 부분의 산화물을 제거하고, 단결정인 게이트 채널의 아랫면과 윗면을 모두 외부로 노출시켜, 센서의 유효 활성 면적을 증가시킨다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 게이트 채널(소스 및 드레인 영역 사이의 채널)은 소스 또는 드레인 영역 너비의 1/2미만인 것이 바람직하며, 만약 1/2이상인 경우 게이트 채널 아래의 산화물층이 잔류하는 문제가 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 소스 및 드레인 영역의 너비는 100 내지 14㎛, 채널 너비는 2㎛이하이었다. 도 7을 참조하면, 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공정을 이용, SOI 기판, 즉, SOI 기판의 하부 벌크 실리콘층(110)을 잘라준다. 이로써, 약 200um x 150um 수준의 단위 센서가 복수 개 제조된다. 하지만, 이외에도 다양한 절단 수단을 통하여 소자 기판의 절단이 가능하며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. Referring to FIG. 5, the upper silicon layer 130 in which the source and drain regions 140a and 140b are formed is patterned through an etching process that is continuous with the lithography process, and the plurality of source and drain electrodes 150a and 150b are formed. The biosensor area is formed. Through this process, the insulating layer 120 under the upper silicon layer 130 is exposed. In particular, the patterning process is performed such that a part of the upper silicon substrate 130a still exists between the source and drain regions 140a and 140b. . That is, the upper silicon substrates 130 of the source and drain regions 140a and 140b are connected to each other by the upper silicon substrate 130a therebetween. Referring to FIG. 6, the exposed insulating layer 120 is removed by a BOE etching process, thereby manufacturing a plurality of separated sensor (device) substrates on the lower bulk silicon layer 110. In particular, the silicon layer (that is, the gate channel) between the source and drain regions 140a and 140b forms a double layer structure in which both the upper and lower surfaces of the upper silicon layer are exposed by exposing the lower portion of the channel. By increasing the surface area of silicon that biomaterials can bind to, the result is increased sensitivity of the sensor. That is, in the etching process using BOE, when the width of the gate channel is configured to be very narrow than the width of the source and drain regions, the etching rate of the oxide layer under the gate channel portion is lower than that of the oxide layer of the source and drain portions. Since it is much faster, the etching process for a reasonable time removes only the oxide layer under the silicon and leaves the oxide layer at the source and drain portions. That is, by adjusting the width and etching process time of the gate channel, oxides under the gate channel are removed, and both the bottom and top surfaces of the single crystal gate channel are exposed to the outside, thereby increasing the effective active area of the sensor. In an embodiment of the present invention, the gate channel (channel between the source and drain regions) is preferably less than 1/2 of the width of the source or drain region, and if more than 1/2, an oxide layer under the gate channel remains. There is. In an embodiment of the present invention, the source and drain regions have a width of 100 to 14 μm and a channel width of 2 μm or less. Referring to FIG. 7, the lower bulk silicon layer 110 of the SOI substrate, that is, the SOI substrate, is cut by using a laser scribing process. As a result, a plurality of unit sensors having a level of about 200 μm × 150 μm are manufactured. However, in addition to the cutting of the device substrate is possible through a variety of cutting means, all belong to the scope of the invention.

도 8을 참조하면, 전사층(200)에 도 7의 단위 소자를 접촉시킨다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전사층(200)으로 PDMS를 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. Referring to FIG. 8, the unit device of FIG. 7 is brought into contact with the transfer layer 200. In an embodiment of the present invention, PDMS is used as the transfer layer 200, but the scope of the present invention is not limited thereto.

도 9를 참조하면, 바이오 센서가 형성되어야 하는 플라스틱 기판인 플라스틱 기판(300)이 개시되며, 상기 플라스틱 기판(300)에는 소정 크기와 깊이를 갖는 홈(310)이 형성되어 있다. 이때 상기 홈 하부에는 접착용인 레진(320)이 도포된다. Referring to FIG. 9, a plastic substrate 300, which is a plastic substrate on which a biosensor is to be formed, is disclosed, and a groove 310 having a predetermined size and depth is formed in the plastic substrate 300. At this time, the resin 320 is applied to the lower portion of the groove.

도 10을 참조하면, 상기 플라스틱 기판에 구비된 직사각형 형태의 홈 양 단부와 이어지는 형태로 금속층(330)이 적층되며, 상기 금속층(330)은 플라스틱 기판(300)에 적층된 후, 리소그래피 공정으로 패터닝되어, 홈 양 단부와 이어지는 형태가 된다. 즉, 상기 금속층(330)은 홈 내부로 안착되는 소스, 드레인 전극과 각각 연결된 소스, 드레인 전극 라인이 된다. Referring to FIG. 10, a metal layer 330 is stacked in a form that is connected to both ends of a rectangular groove provided in the plastic substrate, and the metal layer 330 is stacked on the plastic substrate 300 and then patterned by a lithography process. It becomes the form which continues with both ends of a groove. That is, the metal layer 330 may be a source and a drain electrode line respectively connected to the source and drain electrodes that are seated in the groove.

도 11을 참조하면, 도 8에서 전사층(200)에 접촉된 단위소자를 상기 홈(320)에 접촉시키며, 접착층(320)과의 소자 기판의 하부 기판(즉, 절연층(120))과의 접착에 의하여, 전사층(200)과 단위소자는 분리된다. 이로써 홈(310)에 단위 소자가 안착된다(도 12 참조). Referring to FIG. 11, the unit device in contact with the transfer layer 200 is in contact with the groove 320 in FIG. By the adhesion of the transfer layer 200 and the unit device is separated. As a result, the unit element is seated in the groove 310 (see FIG. 12).

이후 SU-8과 같은 경화층(340)으로 상기 플라스틱 기판(300)을 적층한 후, 패터닝하여, 도 13에서 도시된 바와 같이 복수 개의 미세 채널을 기판 위에 형성시킨다. 이때 미세 채널 중 일부는 소스 및 드레인 영역 사이의 실리콘 기판(게이트 채널)을 일부 노출시킨다.Thereafter, the plastic substrate 300 is laminated with a hardened layer 340 such as SU-8, and then patterned to form a plurality of microchannels on the substrate, as shown in FIG. 13. At this time, some of the microchannels partially expose the silicon substrate (gate channel) between the source and drain regions.

도 14 및 15를 참조하면, 상기 플라스틱 기판에 형성된 금속층(500)과 소자 기판에 형성된 소스 및 드레인 전극(150a, 150b)는 와이어(350)를 통하여 연결된다(도 14).14 and 15, the metal layer 500 formed on the plastic substrate and the source and drain electrodes 150a and 150b formed on the element substrate are connected through a wire 350 (FIG. 14).

본 발명은 특히 전도성 와이어를 통하여 홈 외부의 전극과 소자의 소스 및 드레인 전극을 연결하는데, 이는 반도체 공정에 일반적으로 사용되는 와이어 성장 공정을 따른다. 본 발명은 이와 같이 별도의 돌출된 소자가 아닌 기판(예를 들면, PCB 기판) 내에 소자를 함몰시킴으로써 소자의 공간 효율을 극대화한다. The invention connects the electrode outside the groove with the source and drain electrodes of the device, in particular via conductive wires, which follows the wire growth process generally used in semiconductor processes. The present invention maximizes the space efficiency of the device by recessing the device in a substrate (for example, a PCB substrate) rather than a separate protruding device.

이후 상기 기판 위에 소정 공간이 구비된 상부 커버층(600)을 덮어, 소스 및 드레인 영역 사이의 기판에 미세유체채널(L)을 형성시킨다. 또한, 본 발명은 소정의 이격된 공간 사이로 와이어(350)가 위치되도록 하는데, 만약 상기 공간이 없는 형태로 상부 커버층(600)을 덮으면 와이어가 끊어지는 문제가 발생하기 때문이다. 본 발명에 따른 플라스틱 바이오 센서는 상기 미세유체채널(L)을 통하여 바이오 물질을 흘림으로써 게이트 영역에서의 전기적 특성 변화를 유도하고, 이를 통하여 드레인 전류 변화를 측정함으로써 바이오 물질을 검출한다. 즉, 본 발명은 즉 도핑된 게이트 채널에 바이오 물질을 흘려줌으로써, 채널 영역의 캐리어 의 공핍(depletion) 또는 축적(accumulation) 등을 유도하면서 생기는 드레인 전류변화로 바이오 물질을 검출하게 된다. Thereafter, the upper cover layer 600 provided with a predetermined space on the substrate is covered to form a microfluidic channel L in the substrate between the source and drain regions. In addition, the present invention allows the wire 350 to be positioned between predetermined spaced spaces, because if the top cover layer 600 is covered in a form in which there is no space, the wires may break. The plastic biosensor according to the present invention induces a change in electrical characteristics in the gate region by flowing the bio material through the microfluidic channel (L), and detects the bio material by measuring the drain current change. That is, the present invention, by flowing the biomaterial to the doped gate channel, the biomaterial is detected by the drain current change generated while inducing depletion or accumulation of carriers in the channel region.

이상과 같이, 본 발명은 통상의 반도체 공정이 진행되기 어려운 플라스틱 기판에 대하여 바이오 센서를 제조할 수 있으며, 특히 단결정 실리콘 기반의 센서 소자를 실리콘 기판으로부터 매우 경제적이고, 효과적인 방식으로 제조할 수 있다. As described above, the present invention can produce a biosensor for a plastic substrate, which is difficult to proceed with a conventional semiconductor process, and in particular, a single crystal silicon based sensor element can be manufactured from a silicon substrate in a very economical and effective manner.

Claims (15)

플라스틱 기판에 구비된 홈; 및
상기 홈 내부에 안착되며, 바이오 검출 물질이 단결정 실리콘 게이트 채널에 고정된 단위 바이오 센서를 포함하며, 여기에서 상기 홈 외부 및 바이오 센서에는 소스 및 드레인 전극이 와이어 형태로 연결된 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서.A groove provided in the plastic substrate; And
And a unit biosensor mounted inside the groove and having a bio detection material fixed to a single crystal silicon gate channel, wherein the source and drain electrodes are connected to the outside of the groove and the bio sensor in the form of a wire. sensor. 제 1항에 있어서,
상기 단위 바이오 센서는 불순물이 제 1 농도로 도핑된 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판에 소정 간격으로 이격되어 불순물이 제 1 농도로 도핑된 소스 및 드레인 영역; 및
상기 소스 및 드레인 영역 상에 구비된 소스 및 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서.The method of claim 1,
The unit biosensor may include a silicon substrate doped with impurities at a first concentration;
Source and drain regions spaced apart from the silicon substrate at predetermined intervals and doped with impurities at a first concentration; And
Plastic-based biosensor comprising a source and a drain electrode provided on the source and drain regions. 제 2항에 있어서,
상기 단위 바이오 센서는 순차적으로 적층된 벌크 실리콘층;
절연층; 및
불순물이 도핑된 상부 단결정 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서.The method of claim 2,
The unit biosensor includes a bulk silicon layer sequentially stacked;
Insulating layer; And
A plastic-based biosensor comprising an upper single crystal silicon layer doped with an impurity. 플라스틱 기판에 구비된 홈; 및
상기 홈 내부에 안착된 단위 바이오 센서; 및
상기 단위 바이오 센서를 덮으며 상기 단위 바이오 센서를 지나는 미세유체채널을 형성하는 상부 커버층을 포함하며, 여기에서 상기 단위 바이오 센서는 트랜지스터 방식의 바이오 센서로서, 상기 미세유체채널은 상기 단위 바이오 센서의 단결정 실리콘 게이트 채널을 지나는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서.A groove provided in the plastic substrate; And
A unit biosensor mounted in the groove; And
And an upper cover layer covering the unit biosensor and forming a microfluidic channel passing through the unit biosensor, wherein the unit biosensor is a transistor type biosensor, and the microfluidic channel is formed of the unit biosensor. A plastic based biosensor characterized by passing through a single crystal silicon gate channel. 제 4항에 있어서,
상기 게이트 채널에는 바이오 검출물질이 고정화된 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서.The method of claim 4, wherein
The plastic sensor, characterized in that the bio-detecting material is fixed to the gate channel. 제 4항에 있어서,
상기 단위 바이오 센서는 소스 및 드레인 영역 상에 형성된 소스 및 드레인 전극을 포함하며, 상기 소스 및 드레인 전극은 와이어를 통하여 홈 외부의 전극 라인과 연결된 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서.The method of claim 4, wherein
The unit biosensor includes source and drain electrodes formed on source and drain regions, and the source and drain electrodes are connected to an electrode line outside the groove through a wire. 제 6항에 있어서,
상기 와이어는 상기 상부 커버층과 상기 플라스틱 기판 사이에 형성된 공간에서 소스 및 드레인 전극을 외부 전극라인과 연결하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서.The method according to claim 6,
The wire is a plastic-based biosensor, characterized in that for connecting the source and drain electrodes with the external electrode line in the space formed between the upper cover layer and the plastic substrate. 순차적으로 적층된 벌크 실리콘층; 절연층; 상부 실리콘층으로 이루어진 SOI 기판에 대하여 불순물을 도핑하여 상기 상부 실리콘층에 소정 간격으로 이격된 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계;
상기 벌크 실리콘층의 두께는 감소시키는 단계;
상기 소스 및 드레인 영역의 상부에 소스 및 드레인 전극을 형성시키는 단계;
상기 상부 실리콘층 및 절연층을 순차적으로 패터닝하여 상기 소스 및 드레인 영역을 포함하는 단위 바이오 센서 영역을 상기 벌크 실리콘층상에 형성하는 단계; 및
상기 벌크 실리콘층을 상기 단위 바이오 센서 영역의 크기에 따라 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 제조방법.Bulk silicon layers sequentially stacked; Insulating layer; Doping an impurity in an SOI substrate including an upper silicon layer to form source and drain regions spaced at predetermined intervals in the upper silicon layer;
Reducing the thickness of the bulk silicon layer;
Forming source and drain electrodes on top of the source and drain regions;
Sequentially patterning the upper silicon layer and the insulating layer to form a unit biosensor region including the source and drain regions on the bulk silicon layer; And
And cutting the bulk silicon layer according to the size of the unit biosensor region. 제 8항에 있어서,
상기 상부 실리콘층의 패터닝은 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 상부 실리콘층 일부를 남기는 방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 제조방법.The method of claim 8,
And the patterning of the upper silicon layer is performed in such a manner that a part of the upper silicon layer is left between the source and drain regions. 제 9항에 있어서,
상기 절연층 패터닝을 통하여 상기 일부 실리콘층 아래의 절연층은 제거되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 제조방법.The method of claim 9,
And removing the insulating layer under the portion of the silicon layer through the insulating layer patterning. 제 8항에 있어서,
상기 벌크 실리콘층의 두께 감소는 화학기계 연마공정으로 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 제조방법.The method of claim 8,
The thickness reduction of the bulk silicon layer is a biosensor manufacturing method, characterized in that performed by a chemical mechanical polishing process. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 바이오 센서.A biosensor manufactured by the method according to any one of claims 8 to 11. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따라 제조된 바이오 센서에 대하여, 전사층을 접촉시키는 단계;
상기 바이오 센서에 대응하는 크기의 홈이 형성된 플라스틱 기판에 상기 바이오 센서를 안착시켜, 상기 홈에 상기 바이오 센서를 전사시키는 단계;
상기 홈 외부에 소스 및 드레인 전극 라인을 형성하는 단계;
상기 바이오 센서의 소스 및 드레인 전극과 상기 홈 외부의 소스 및 드레인 전극 라인을 와이어로 연결시키는 단계; 및
상부 커버층으로 상기 바이오 센서를 덮음으로써, 상기 바이오 센서의 게이트 채널 사이로 바이오 물질이 흐를 수 있는 미세 유체 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서 제조방법.Contacting a transfer layer with respect to a biosensor made according to any one of claims 8 to 11;
Transferring the biosensor to the groove by mounting the biosensor on a plastic substrate having a groove having a size corresponding to the biosensor;
Forming source and drain electrode lines outside the groove;
Connecting the source and drain electrodes of the biosensor and the source and drain electrode lines outside the groove with wires; And
And covering the biosensor with an upper cover layer to form a microfluidic channel through which biomaterials can flow between the gate channels of the biosensor. 제 12항에 있어서,
상기 게이트 채널에는 실리콘과 특이적 결합을 할 수 있는 바이오 검출물질이 고정된 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서 제조방법.The method of claim 12,
The method of manufacturing a plastic-based biosensor, characterized in that the bio-detecting material capable of specific binding to silicon is fixed to the gate channel. 제 14항에 있어서,
상기 바이오 센서의 소스 및 드레인 영역을 게이트 채널보다 높은 농도로 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 플라스틱 기반 바이오 센서 제조방법.The method of claim 14,
The method of claim 1, wherein the source and drain regions of the biosensor are doped with impurities at a higher concentration than the gate channel.
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