KR20160013768A - 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(isfet) 센서 - Google Patents

이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(isfet) 센서 Download PDF

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KR20160013768A
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장현준
전민홍
조원주
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Abstract

이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서가 제공되고, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 하부 게이트 전극, 하부 게이트 전극 위에 위치하는 하부 절연막, 하부 절연막 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스 및 드레인, 하부 절연막 위에 위치하고 소스 및 상기 드레인 사이에 위치하는 채널층, 소스, 드레인, 그리고 채널층 위에 위치하는 상부 절연막, 그리고 상부 절연막 위에 위치하는 상부 게이트 전극을 포함하고, 채널층의 두께는 10 nm 이하이고, 초정전결합을 이용한 것일 수 있다.

Description

이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서{DUAL GATE ION-SENSITIVE FIELD-EFFECT TRANSISTOR SENSOR}
이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서가 제공된다.
1970년 P. Bergveld가 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(Ion-Sensitive Field-Effect Transistor, ISFET) 센서구조를 제안한 이래로 고도화된 CMOS 공정 기술과 호환성, 고집적화, 낮은 단가, 높은 수율 등의 장점으로 인해 ISFET을 이용한 다양한 센서개발 연구가 진행되어 왔다. ISFET는 기존 MOSFET의 게이트 전극이 기준 전극과 전해질로 대체 된 구조를 갖는다. 막의 표면전위의 변화는 수소이온의 양쪽성 반응에 대한 위치-결합(Site-binding) 모델에 의하여 설명될 수 있다. 위치-결합(Site-binding) 모델에서는 감지막의 표면에 수소이온이 흡착하거나 혹은 탈착할 수 있는 OH 수산화 그룹 사이트(site)들이 다수 존재한다고 가정한다. 이렇게 표면에 존재하는 다수의 사이트(site)에 수소이온들 탈착/흡착 될 수 있다. 전해질 수소 이온 농도는 표면전위를 결정하고 ISFET는 이를 전류양의 변화로서 감지한다. 이와 같은 원리로 ISFET는 다양한 생체요소를 감지막 표면에 기능화 하여, 다양한 바이오 센서로 구현 되어 오고 있다.
ISFET의 센서 적용 분야는 DNA 센서, 항원항체 센서, 효소센서, 수질 센서, 중금속 센서, 그리고 토양센서 등 광범위 하다. 1976년 S. Caras와 J. Janata에 의해서 페니실리나제-페니실린 반응을 감지하는 효소센서를 최초 제안하였다. 이후, 글루코오스(glucose), 유레아(urea), 말토오즈(maltose), 에탄올(ethanol), 락토오스(lactose), 아스코빅 산(ascorbic acid) 등과 반응하는 효소를 이용한 센서가 많이 연구 되어 왔다(H. I. Seo et al., ISFET glucose sensor based on a new principle using the electrolysis of hydrogen peroxide, Sens. Actuators B, 40, pp1-5, 1997; C. Puig-Lleixa et al., Polyurethane-acrylate photocurable polymeric membrane for ion-sensitive field-effect transistor based urea biosensors" Anal. Chim. Acta, 389, pp. 179-188, 1999; T.Kullick et al., Application of enzyme-field effect transistor sensor arrays as detectors in a flow-injection analysis system for simultaneous monitoring of medium components. Part II. Monitoring of cultivation processes, Anal. Chim. Acta, 300, pp25-31, 1995; F. Sevilla et al., A bio-FET sensor for lactose based on co-immobilized β-galactosidase/glucose dehydrogenase,Biosens. Bioelectron., 9, pp275-281, 1994; V. Volotovsky et al., Ascorbic acid determination with an ion-sensitive field effect transistor-based peroxidase biosensor, Anal. Chim. Acta, 359, pp143-148, 1998).
하지만, 이러한 집중적인 연구에도 불구하고 효소센서는, 반응에 대한 낮은 감도, 수소이온이 부산물로 나와야 하는 효소의 선택적 제한성, 늦은 반응속도, 빛 또는 외부환경에 대한 노이즈 등에 대한 점이 상용화에 대한 장애물로 남겨졌다.
한편, 1980년에는 Schenck가 ISFET을 이용하여 항원항체 반응을 감지하는 항체센서를 제안하였다. 하지만 항원항체 반응으로 인한 감응 감도가 약 10-7 에서 10-11 M의 항원의 농도 범위에서 몰 당 약 10 mV 정도로 아주 작은 감도를 보인다는 측면에서, 현 시점 항원항체센서 개발에 대한 한계에 도달해 있는 상태이다(M. J. Schoning et al., Recent advances in biologically sensitive field-effect transistors" Analyst, 127, pp1137-1151, 2002).
또한, 1991년도에는 P. Fromherz, A. Offenhausser, T. Vetter, J. Weis가 뉴런세포의 활동을 감지하는 세포기반 센서를 구현 하였다(P. Fromherz et al., A Neuron-silicon Junction: A Retzius Cell of the Leech on an Insulated-Gate Field-Effect Transistor, Science, 252, pp1290-1293, 1991). 세포기반 ISFET 바이오센서는 세포의 활동전위 측정방법이 비파괴적이고 장시간 세포의 활동을 측정할 수 있다는 큰 장점을 때문에, 뉴런 세포뿐만 아니라 포유류 후각 혹은 미각 세포 활성전위를 장시간 측정하기 용이하다. 그러나, 반응으로 인한 세포의 최대 전위차가 낮기 때문에, 센서의 노이즈에 대한 신호 비(signal to noise ratio)가 취약하다.
결론적으로, 기존 ISFET 기반센서는 약 59 mV/pH의 Nernst 반응에 제한되어, 낮은 신호 감도 및 그로 인한 재현성에 대한 문제점을 보여왔다. 더하여, 반도체 소자는 생체 요소에 필수적인 칼륨 및 나트륨에 매우 취약하기 때문에, ISFET 바이오센서의 상용화 및 양산화가 어려운 실정이다.
상용화에 근접한 기술을 개발하기 위하여, 2000년 C. Li-Lun는 확장된 -게이트 전계 효과 트랜지스터(Extended-Gate Field-Effect Transistor)를 제안하여, 상용 전계 효과 트랜지스터와 감지부를 분리 시키는 기술을 보고한 바 있다(C. Li-Lun et al., Study on extended gate field effect transistor with tin oxide sensing membrane, Materials Chemistry and Physics 63, pp19-23, 2000). 제안된 SnO2 감지부는 상용 트랜지스터와 철저하게 분리되어, 바이오센서에 적용 시, 칼륨과 나트륨과 같은 화학 요소에 의한 소자의 열화현상을 방지 할 수 있을 뿐만 아니라, 값싼 감지부만 교체하여 사용할 수 있기 때문에, ISFET 기반 바이오센서의 상용화 가능성을 크게 증대시켰다. 하지만, 제안된 소자 또한 Nernst 반응에 의해 상온에서 최대 약 59 mV/pH로 제한되어 있었기 때문에, 낮은 감도에 대한 원천적인 문제는 해결되지 않았다.
2010년 Mark-Jan Spijkman은 기존 ISFET에 추가적인 하부 전극을 더하여, 이중 게이트 구조의 ISFET을 제안함으로써, Nernst 한계 감지를 뛰어넘는 센서를 개발하였다(Mark-Jan Spijkman et al., Dual-Gate Organic Field-Effect Transistors as Potentiometric Sensors in Aqueous Solution, Adv. Funct. Mater., 20, pp898-905, 2010). 연구의 핵심은 상하부 전극에서 발생하는 정전결합으로 약 59 mV/pH의 이론치 한계를 뛰어 넘는 센서를 구현을 하는 것이다. 하지만, 정전 결합으로 인한 누설전류, 감지부와 박막 트랜지스터의 격리가 이루어져 있지않은 구조이기 때문에, 다양한 이온에 의한 트랜지스터의 손상이 발생한다.
본 발명의 일 실시예는 약 59 mV/pH의 이론치 한계를 뛰어넘는 감도를 가지고, 안정성이 우수한 센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 초정전 결합으로 인한 누설 전류를 줄이고, 높은 감도, 표면 전위에 대한 선형적 반응, 히스테리시스, 드리프트 특성이 개선된 센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 공정단가가 비싼 트랜지스터를 포함하는 측정부는 지속적으로 사용하고, 공정단가가 상대적으로 값싼 감지막을 포함하는 감지부는 교환할 수 있는 센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 DNA 센서, 항원항체 센서, 효소센서, 수질 센서, 중금속 센서, 또는 토양센서 분야에 새로운 센서 플랫폼을 제공하고, 특히 신속하고 간단한 조기 검진이 가능한 정밀검지확진 질병 진단용 센서를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서는 하부 게이트 전극, 하부 게이트 전극 위에 위치하는 하부 절연막, 하부 절연막 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스 및 드레인, 하부 절연막 위에 위치하고 소스 및 드레인 사이에 위치하는 채널층, 소스, 드레인, 그리고 채널층 위에 위치하는 상부 절연막, 그리고 상부 절연막 위에 위치하는 상부 게이트 전극을 포함하고, 채널층의 두께는 약 10 nm 이하이고, 초정전결합을 이용한 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서를 제공한다.
상부 절연막의 등가 산화막 두께(Equivalent oxide thickness)는 하부 절연막의 등가 산화막의 두께보다 얇은 것일 수 있다.
이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 상부 게이트 전극과 연결되어 있는 교체형 감지기를 더 포함할 수 있다.
교체형 감지기는 상부 게이트 전극에 연결되어 있는 금속 전극, 그리고 금속 전극 위에 위치하고 이온을 감지하는 감지막을 포함할 수 있다.
이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 약 59 mV/pH 이상의 pH 감도를 가질 수 있다.
채널층은 산화물 반도체, 유기물 반도체, 다결정 실리콘, 또는 단결정 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상부, 하부 절연막 또는 감지기의 감지막은 SiO2, HfO2, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, 또는 TiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상부, 하부 절연막 또는 감지기의 감지막은 단일, 이중 또는 삼중 적층 구조 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 B형 간염, 조류독감, 수족구병, 췌장암, 전립선암, 자궁경부암, 또는 간암 중 적어도 하나의 질병을 진단하거나, 세포기반 센서, 수질 센서, 중금속 센서, pH 센서, 또는 효소 센서 중 적어도 하나로 사용되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 약 59 mV/pH의 이론치 한계를 뛰어넘는 감도를 가지고, 안정성이 우수하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 초정전 결합으로 인한 상부 채널의 누설 전류를 줄이고, 높은 감도, 표면 전위에 대한 선형적 반응, 히스테리시스, 드리프트 특성이 개선될 수 있다. 나아가, 공정단가가 비싼 트랜지스터를 포함하는 측정부는 지속적으로 사용하고, 공정단가가 상대적으로 값싼 감지막을 포함하는 감지부는 교환할 수 있는 센서를 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 DNA 센서, 항원항체 센서, 효소센서, 수질 센서, 중금속 센서, 또는 토양센서 분야에 새로운 센서 플랫폼을 제공하고, 특히 신속하고 간단한 조기 검진이 가능한 정밀검지확진 질병 진단용 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서의 단순화된 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)와 감지기의 연계 기술에 대한 모식도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET), 교체형 감지기, 그리고 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)와 교체형 감지기를 실제 결합한 모습을 촬영한 사진을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 상부 게이트 전압에 따른 전달곡선을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에서 추출된 상부 게이트 전압과 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 문턱전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 상부 게이트 전압에 따른 전달곡선을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 추출된 상부 게이트 전압과 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 문턱전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 대하여, 채널층 두께에 따른 정전결합 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 감도 증폭 평가결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험예 1에서, 채널 두께에 따른 히스테리시스 및 드리프트 특성 분포도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실험예 2에서, 제조된 센서의 pH 감지 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실험예 3에서, 제조된 센서를 통한 B형 간염 감지 특성을 나타낸 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 일 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서(100)의 단순화된 단면도이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서(100)는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)(120)와 감지기(130)을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서(100)는 하부 게이트 전극(101), 하부 게이트 전극(101) 위에 위치하는 하부 절연막(102), 하부 절연막(102) 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스(104) 및 드레인(103), 하부 절연막(102) 위에 위치하고 소스(104) 및 드레인(103) 사이에 위치하는 채널층(105), 소스(104), 드레인(103), 그리고 채널층(105) 위에 위치하는 상부 절연막(106), 그리고 상부 절연막(106) 위에 위치하는 상부 게이트 전극(107)을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서(100)의 각 구성요소 중 일반적으로 널리 알려진 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.
교체형 감지기(130)에서 발생하는 작은 표면 전위전압 차이는, 초박막 채널층을 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)(120)에서 발생하는 초정전결합으로 인해, 하부 전계 트랜지스터의 문턱전압변화를 크게 증폭 시킨다. 여기서, 증폭인자는 하부 절연막의 두께, 채널층의 두께, 상부 게이트의 절연막 두께 의해 결정될 수 있다. 하부 절연막(102)의 두께가 두꺼울수록, 그리고 상부 절연막(106) 및 채널층(105)의 두께는 얇을 수록 증폭인자의 크기는 커질 수 있다.
채널층(105)은 초막막층일 수 있고, 예를 들어, 두께가 약 10 nm 이하일 수 있다.
상기 채널층(105)의 두께의 범위 내에서, 초박막체에 유기되는 하부 게이트 전극(101)의 강한 전기장으로 인해, 상부 계면까지 모든 조건에서 제어할 수 있는 초정전결합이 발생한다. 이를 통해, 상부 게이트 계면에 유기되는 전자 및 정공 또한 완전 제어하고, 누설전류를 전면 차단시킬 수 있다. 또한, 안정된 증폭인자을 허용하여, 표면 전위에 따른 선형적 반응, 히스테리시스, 및 드리프트 현상을 개선시키고, 상하부 게이트의 정전결합을 지속시킬 수 있다. 또한, 상기 채널층(105)의 두께의 범위 내에서, 초박막 채널층(105)을 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)(120)는 기존 이중 게이트 박막 트랜지스터에 비하여 큰 증폭인자를 허용하면서, pH 감지력도 증대될 수 있다. 예를 들어, 약 59 mV/pH 이상의 pH 감도를 가질 수 있다. 또한, 상기 채널층(105)의 두께의 범위 내에서, 초박막 채널층(105)을 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)(120)는 기존 이중 게이트 ISFET의 안정성도 향상 시킬 수 있다. 두꺼운 채널층에서 보여지는 변화하는 증폭인자는, 상부 계면에 유기되는 누설전류 요소와 결합하여, 이온 데미지로 인한 소자의 열화 현상을 증대 시킬 수 있다. 반면에, 일정한 증폭인자를 허용하면서 누설 전류가 제어되는 초박막 채널층(105)을 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)(120)는 감지막(109)의 이온 데미지 효과를 최소화 시킬 수 있다. 나아가, 기존 이중 게이트 ISFET에서, 하부 절연막(106)이 과다하게 두꺼워질 경우, 하부 전장이 채널영역을 모두 제어하지 못하는 현상이 일어나면서, 상하부 게이트의 정전결합이 약해지게 되는데, 본 발명에서 초박막 채널층(105)을 포함함으로써 정전결합을 유지 시키고 큰 증폭인자를 얻을 수 있다. 상하부 게이트의 정전결합 현상은 상부 채널계면이 완전 공핍이 될 경우만 발생하게 되는데, 기존 센서에서는 하부 게이트의 전장이 상부 채널을 제어하지 못하게 되어 증폭현상이 발생하지 않는다.
채널층(105)은 산화물 반도체, 유기물 반도체, 다결정 실리콘, 또는 단결정 실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 채널층(105)이 산화물 반도체, 유기물 반도체, 다결정 실리콘, 또는 단결정 실리콘 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 상 하부 게이트 정전 결합이 발생하고 고감도 센서의 제작이 가능하며, 투명하며, 유연한 센서를 제공할 수 있다. 이 경우, 약 59 mV/pH 이상의 증폭된 감도 특성을 얻을 수 있다.
채널층(105)은 넓이 또는 길이에 제한받지 않으며, 이중 게이트 구조에서 상 하부 게이트 전극(101, 107)을 이용하여 정전결합 현상을 활용할 수 있다.
상부 절연막(106)의 등가 산화막 두께(Equivalent oxide thickness)는 하부 절연막(102)의 등가 산화막의 두께보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 상부 절연막(106)의 두께는 약 25 nm 이하일 수 있고, 하부 절연막(102)의 두께는 약 100 nm 이상일 수 있다. 상부 절연막(106)의 등가 산화막 두께가 하부 절연막(102)의 등가 산화막의 두께 미만일 때, 정전결합을 이용한 약 59 mV/pH 이상의 감도 증폭 현상을 유발시킬 수 있다.
상부 절연막(106), 하부 절연막(102), 또는 감지기(130)의 감지막(109)은 SiO2, HfO2, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, 또는 TiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상부 절연막(106), 하부 절연막(102), 또는 감지기(130)의 감지막(109)은 단일, 이중, 및 삼중 적층 구조를 가질 수 있다. 이를 통해, 물리적 두께를 증가 시키고, 상부 절연막(106)의 등가 산화막 두께는 감소 시킴으로써, 감도를 증폭 시키고, 누설전류에 대한 열화 현상을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)(120)와 감지기(130)의 연계 기술에 대한 모식도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서(100)는 상부 게이트 전극(107)과 연결되어 있는 교체형 감지기(130)를 더 포함할 수 있다. 감지기(130)는 교체가 가능한 형태로 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서(100)의 상부 게이트 전극(107)과 전기적인 접속을 통해 결합되어 있는 구조일 수 있다. 교체형 감지기(130)은 플러그 타입으로 트랜지스터 소자에 결합 될 수 있는 형태일 수 있다. 예를 들어, 교체형 감지기(130)는 상기 상부 게이트 전극(107)에 연결되어 있는 금속 전극(108), 그리고 상기 금속 전극(108) 위에 위치하고 이온을 감지하는 감지막(109)을 포함할 수 있다. 이를 통해, 센서의 감지기(130)와 이중 게이트 전계 트랜지스터(ISFET)(120)를 분리 시켜, 높은 공정 단가를 요구하는 트랜지스터(120)는 지속적으로 사용하며, 낮은 단가의 감지기(130)는 트랜지스터(120)와 분리된 교체형으로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)(120)는, 한 소자 내에 상부 절연막(106)을 포함하는 전계 트랜지스터와 하부 절연막(102)을 포함하는 하부 전계 트랜지스터를 동시에 포함하는 구조일 수 있다. 각각의 동작 모드에 따라서, 상부와 하부의 게이트로 독립적으로 동작할 수 있다. 소자의 상하부의 게이트를 동시에 사용하였을 때, 이중 게이트의 구조의 구조적 특수성으로 인하여 정전 결합 현상이 관찰되면서, 상하부 전계 트랜지스터의 상호연관성이 수립될 수 있다. 이중 동작 모드는 하부 게이트를 주 게이트로 사용하는 것일 수 있다. 초박막 채널층(105)을 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)(120)의 상부 게이트 전극(107)은 교체형 감지기(130)와 전기적으로 접속하여 연결되는 구조 일 수 있다. 연결된 상태에서 교체형 감지기(130)의 챔버(110) 내의 기준전극(111)은 부 전극으로 동작될 수 있다. 교체형 감지기(130)는 기판에 금속전극(108)을 증착 후에, 감지막(109)을 증착 함으로써 얻어질 수 있다. 교체형 감지기(130)의 기판은 실리콘 기판뿐만 아니라 더 낮은 단가의 플라스틱 기판 및 유리 기판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 약 59 mV/pH 이상의 pH 감도를 가질 수 있다.
또한, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는 B형 간염, 조류독감, 수족구병, 췌장암, 전립선암, 자궁경부암, 또는 간암 중 적어도 하나의 질병을 진단하거나, 세포기반 센서, 수질 센서, 중금속 센서, pH 센서, 또는 효소 센서 중 적어도 하나로 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 채널층 두께- 4.3 nm
이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터( ISFET )의 제작
기판은 약 10 내지 20 Ωcm 의 비저항을 갖는 (100)방향의 silicon-on-insulator(SOI)으로 제작하고, 하부 게이트 전극인 실리콘의 두께는 약 107 nm 이고, 하부 절연막인 매몰 SiO2 산화막은 약 224 nm으로 기판을 제조한다. 표준 RCA cleaning 을 실시한 후, 초박막 형성을 위하여 약 2.38 중량 %의 테트라메틸암모늄 하이드로옥사이드(tertramethylammonium hydroxide, TMAH) 용액으로 상부 실리콘을 식각하고, 포토리소그래피를 이용하여 채널영역을 형성시킨다. 형성된 채널의 길이와 폭은 각각 약 20 um 와 20 um 이다. 그리고 형성된 채널층의 두께는 약 4.3 nm 이다. 이어서, CVD 장비를 이용하여, n형 다결정 실리콘을 증착하여 소스와 드레인을 형성하였다. 이후, 소스와 드레인 위에 약 23 nm 두께의 실리콘 다이옥사이드를 옥시데이션을 통해 상부 절연막을 형성시킨다. 그 후, 상부 게이트 전극의 형성을 위해 약 150 nm 두께의 Al 박막층을 E-beam evaporator를 이용하여 증착시킨다. 다음으로, 결함을 없애고 그들 사이의 계면 상태를 향상시키기 위해 약 450˚C, 그리고 N2 및 H2을 포함하는 가스 분위기에서 열처리를 수행하여 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)를 제조한다.
교체형 감지기의 제작
기판은 약 300 nm 의 SiO₂가 성장된 (100) 방향의 p형 실리콘을 사용한다. 표준 RCA cleaning 을 실시한 후, E-beam evaporator 를 이용하여 감지기 표면의 전기적 포텐셜 변화를 전달하는 금속 전극 역할을 하는 Ti를 약 100 nm 두께로 증착한다. 그 후, 감지막인 SnO2 막을 RF sputter 를 이용하여 Ti 층 위에 약 45 nm 두께로 증착한다. 이 때, RF power는 약 50 W 이다. 그 후, 약 20 sccm 의 흐름율(flow rate)을 갖는 Ar 가스 분위기 및 약 3 mtorr 압력에서 스퍼터링 공정을 실시한다. 이어서, pH 용액의 주입을 위하여 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 챔버를 제작하고 감지막의 상부에 부착하여 교체형 감지기를 제조한다.
이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터( ISFET ) 센서의 제조
제조된 교체형 감지기의 금속 전극과 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 상부 게이트 전극을 연결시켜 교체형 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서를 제조한다.
< 비교예 1> 채널층 두께- 85 nm
상기 실시예 1에서, 채널층의 두께를 약 85 nm로 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET), 교체형 감지기, 교체형 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서를 제조한다.
< 비교예 2> 채널층 두께- 61 nm
상기 실시예 1에서, 채널층의 두께를 약 61 nm로 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET), 교체형 감지기, 교체형 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서를 제조한다.
< 비교예 3> 채널층 두께- 31 nm
상기 실시예 1에서, 채널층의 두께를 약 31 nm로 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET), 교체형 감지기, 교체형 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서를 제조한다.
< 실험예 1> 채널층 두께에 따른 특성 평가
실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 대하여, 채널층 두께에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서의 특성을 평가하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행한다. 정전결합을 활용한 감도 증폭을 유발 하기 위해서 상부전극에 Ag/AgCl을 접지시키고, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터의 하부 게이트 전극을 이용하여 측정을 수행한다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 상부 게이트 전압에 따른 전달곡선을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에서 추출된 상부 게이트 전압과 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 문턱전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 상부 게이트 전압에 따른 전달곡선을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 추출된 상부 게이트 전압과 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 문턱전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 이중 게이트 동작 모드로 작동시켰을 경우, 상부 게이트 전압(VF)에 따라서 상부 채널 계면은 전자 또는 정공을 갖게 된다. 여기서, 상부 게이트 계면에 유기된 캐리어는 하부 게이트의 전기장의 영향이 상부 게이트까지 도달하지 못하게 하고, 상하부 정전결합은 달성되지 못한다. 그 결과, 상부 게이트 전압에 의한 하부 전계 트랜지스터의 문턱전압의 변화(
Figure pat00001
)가 저지됨이 보여진다. 또한, 상부 게이트 계면이 인버전 영역으로 들어갔을 때, 누설전류 또한 크게 커지는 현상을 확인 할 수 있다. 도 5를 참조하면, 약 85 nm의 두꺼운 채널층에서는, 증폭현상이 상부 게이트 계면이 완전 공핍되는 제한된 범위에서만 허용되며, 공핍영역에서의 문턱변화도 균일하지 않은 것을 확인 할 수 있다. 공핍영역에서의 기울기는 이중 게이트 박막 트랜지스터의 증폭인자이다. 상부 게이트의 계면 상태에 따라서, 기울기는 변화하고, 이는 센서에 적용 시, 표면전위에 따른 선형적 반응을 방해하는 요소가 된다.
반면에, 도 6을 참조하면, 약 4.3 nm 초박막 채널층을 포함하는 트랜지스터 전달 특성 곡선에서, VF에 의한 하부 전계 트랜지스터의 문턱전압이 일정하게 유지되며, 도 4 및 도 5 에서 보여지는 상부 계면에서의 인버전 및 축적 영역을 허용하지 않는다. 즉, 상부 게이트 계면에 유기되는 전자 및 정공 또한 완전 제어하고, 누설전류를 전면 차단시킬 수 있다. 이 현상에는, 초박막체에 유기되는 하부전극의 강한 전기장으로 인해, 상부 계면까지 모든 조건에서 제어할 수 있는 초정전결합이 발생하면서 나타나는 현상에 근거한다. 두꺼운 채널층의 도 4과 달리, 도 6에서는 안정된 기울기를 허용하면서, 전 영역에서 정전결합 현상이 발현됨을 확인 할 수 있다.
도 8은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 대하여, 채널층 두께에 따른 정전결합 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 감도 증폭 평가결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 채널이 얇아질수록, 더 큰 감도를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 또한, 두꺼운 채널로 인하여, 상부 게이트 계면에 전자를 근본적으로 내재하는 약 85 nm 채널 소자에서 보여지는 상부 계면 누설전류 또한, 약 4.3 nm의 초박막 트랜지스터에서는 크게 제어될 수 있다. 초박막 채널은 각각의 pH에 대한 선형적 반응 또한 증대 시킨다. 이는 초정전결합은 안정된 증폭인자를 허용하기 때문이다.
도 9는 채널 두께에 따른 히스테리시스 및 드리프트 특성 분포도를 나타낸 그래프이다. 히스테리시스는 pH7, pH10, pH7, pH4, pH7의 순서로 소자를 측정하였을 때, 급속한 pH에 변화에 따라서, 소자의 열화현상이 일어나는지에 대한 평가이다. 드리프트는 pH7 에서 12시간 동안 사용하였을 때, 장시간 사용하였을 때, 얼마나 열화 현상이 발생되는지에 대한 척도가 될 수 있는 평가이다. 도 9를 참조하면, 히스테리시스 및 드리프트 특성이 채널의 두께가 얇아지게 되면, 초정전 결합현상이 일어남에 따라 안정성이 향상됨을 알 수 있다. 이는, 채널이 얇아짐에 따라, 하부 전극으로부터의 강한 전계로 인하여, 상부 채널로 흐르는 누설전류를 방지 할 수 있기 때문이다.
< 실험예 2> pH 감지 특성 평가
실시예 1에 대하여, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서의 pH감지 특성을 평가하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다. 교체형 감지기를 전계 효과 트랜지스터에 연결하고, 교체형 감지기의 상부전극에는 Ag/AgCl 기준전극이 접지된다. 그리고, 교체형 감지기에 pH 용액을 주입 시키고, 전계 효과 트랜지스터의 하부전극에 바이어스를 가하여 pH 감도측정을 수행한다.
도 10을 참조하면, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서의 감지도는 누설 전류의 증가 없이 약 2.037 V/pH까지 크게 증가되었으며, 약 0.4% 오차의 고감도 센서 특성을 가질 수 있다. 이는 기존 Nernst 반응의 약 35배 증폭된 감지도이며, 바이오센서 적용 시, 감지부와 반도체 소자가 완전 격리 되어 있기 때문에, 챔버 내 칼륨 및 나트륨으로 인한 손상 또한 원천적으로 막을 수 있는 안정된 플랫폼을 제공할 수 있다.
< 실험예 3> B형 간염 감지 특성 평가
실시예 1에서 제조된 센서를 이용하여, B형 간염 감지 특성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행한다. 최초 바이오마커 검출을 위한 생체 물질을 고정화 시킨 교체형 감지기를 준비한다. 다음으로, 교체형 감지기을 이온 감지 전계 효과 트랜지스터에 삽입 시키고, 바이오마커를 주입하여 측정을 수행한다.
구체적으로, 감지막의 표면에 항체를 고정화 시키기 위하며, 최초 감지막의 표면에 O2 플라즈마를 이용하여 OH 그룹을 형성 시킨다. 이어서, 에탄올에 희석된 약 5 %의 (3-아미노프로필)트리메톡시실레인((3-Aminopropyl)trimethoxysilane)과 약 한 시간 동안 반응 시켜 표면에 아미노기를 형성 시키고, 약 1 M의 석시닉 안하이드라이드(succinic anhydride)를 주입하여 약 37 °C에서 약 4시간동안 반응 시켜 표면에 카르복실기를 형성 시킨다. 다음으로, 약 0.4 M의 N-하이드록시석신이미드(N-Hydroxysuccinimide)와 약 0.1 M의 에틸(다이메틸아미노프로필)카보다이이미드((ethyl(dimethylaminopropyl) carbodiimide)와 약 15 분 동안 가량 반응 시킨다. 다음으로, 약 100 ng/mL의 anti-HBs을 챔버 내에 주입하여, 4시간 동안 반응시킨다. 다음으로, 각 농도 별 HBs 바이러스를 약 30분 간격으로 주입하여, 신호를 감지한다.
그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11은 제조된 센서를 통한 B형 간염 감지 특성을 나타낸 그래프이다. 도 11을 참조하면, 이중 게이트 초박막 트랜지스터에 발생하는 초정전결합 현상은, 교체형 감지막의 표면전위의 반응을 크게 증폭시킬 수 있기 때문에, 미소한 B형 간염 바이러스 양을 절대 정량화 할 수 있음을 확일 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 센서 플랫폼은 조기검진이 어려운 췌장암, 자궁경부암, 그리고 조류독감 등의 질병을 포함하여, 질병에 대한 안정적인 조기 검진 시스템을 제공 할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서
통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100: 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서
101: 하부 게이트 전극 102: 하부 절연막
103: 드레인 104: 소스
105: 채널층 106: 상부 절연막
107: 상부 게이트 전극
108: 금속 전극
109: 감지막
110: 챔버 111: 기준전극, 상부전극
120: 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)
130: 감지기

Claims (9)

  1. 하부 게이트 전극,
    상기 하부 게이트 전극 위에 위치하는 하부 절연막,
    상기 하부 절연막 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스 및 드레인,
    상기 하부 절연막 위에 위치하고 상기 소스 및 상기 드레인 사이에 위치하는 채널층,
    상기 소스, 상기 드레인, 그리고 상기 채널층 위에 위치하는 상부 절연막, 그리고
    상기 상부 절연막 위에 위치하는 상부 게이트 전극
    을 포함하고,
    상기 채널층의 두께는 10 nm 이하인 초정전결합을 이용한 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 상부 절연막의 등가 산화막 두께는 상기 하부 절연막의 등가 산화막 두께보다 얇은 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는,
    상기 상부 게이트 전극과 연결되어 있는 교체형 감지기를 더 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 교체형 감지기는 상기 상부 게이트 전극에 연결되어 있는 금속 전극, 그리고
    상기 금속 전극 위에 위치하고 이온을 감지하는 감지막
    을 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서.
  5. 제4항에서,
    상기 감지막은 SiO2, HfO2, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, 또는 TiO2 중 적어도 하나를 포함하고,
    단일, 이중 또는 삼중 적층 구조 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서.
  6. 제1항에서,
    상기 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는,
    59 mV/pH 이상의 pH 감도를 가지는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서.
  7. 제1항에서,
    상기 채널층은 산화물 반도체, 유기물 반도체, 다결정 실리콘, 또는 단결정 실리콘 중 적어도 하나를 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서.
  8. 제1항에서,
    상기 상부 절연막 또는 상기 하부 절연막은,
    SiO2, HfO2, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, 또는 TiO2 중 적어도 하나를 포함하고,
    단일, 이중 또는 삼중 적층 구조 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서.
  9. 제1항에서,
    상기 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서는,
    B형 간염, 조류독감, 수족구병, 췌장암, 전립선암, 자궁경부암, 또는 간암 중 적어도 하나의 질병을 진단하거나,
    세포기반 센서, 수질 센서, 중금속 센서, pH 센서, 또는 효소 센서 중 적어도 하나로 사용되는 것인 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET) 센서.
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