WO2022231146A1 - Biosensor and method for manufacturing same - Google Patents

Biosensor and method for manufacturing same Download PDF

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WO2022231146A1
WO2022231146A1 PCT/KR2022/004640 KR2022004640W WO2022231146A1 WO 2022231146 A1 WO2022231146 A1 WO 2022231146A1 KR 2022004640 W KR2022004640 W KR 2022004640W WO 2022231146 A1 WO2022231146 A1 WO 2022231146A1
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biosensor
region
channel
insulating layer
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PCT/KR2022/004640
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이정수
김동훈
최원영
신성환
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포항공과대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a biosensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a biosensor capable of increasing an attachment area of a sensing material and a method for manufacturing the same.
  • a biosensor is a type of electrochemical sensor that converts an electrical signal when a target material to be detected and a sensing material are combined, and refers to a device including a biorecognition element and a signal converter.
  • the biosensor must be operated with high sensitivity so that a large change in electrical signal can appear when the target material and the sensing material are combined.
  • chemical stability and physical stability with respect to the chemical components of the sample solution are required.
  • it should be manufactured in a structure that is easy to mass-produce. In order to achieve the above condition, a biosensor based on a semiconductor may be considered.
  • a channel region and a gate electrode region through which current flows are exposed to a sample solution, and the source electrode region and the drain electrode region are covered by an electrical passivation layer. At this time, the channel region is blocked from conduction with the sample solution by the channel insulating layer formed on the upper surface.
  • the sensing material is attached to the channel insulating layer, and the sensing material is not attached to the gate electrode region.
  • a chemical group In order to attach the sensing material on the channel insulating layer, a chemical group must be introduced to the surface of the channel insulating layer by a surface modification process.
  • a surface modification process suitable for a bar nonconductor, which is a nonconductor is used for the channel insulating layer. Therefore, it is difficult to apply the surface modification process to the gate electrode region, which is a conductor.
  • this type of biosensor has a limitation in sensitivity improvement since the area of attachment of the sensing material is limited to the channel region. Accordingly, development of a biosensor having an increased area of attachment of a sensing material may be considered.
  • Korean Patent Publication No. 10-0997210 discloses a biosensor and a method for manufacturing the same. Specifically, a biosensor using a parasitic gate field effect of a field effect transistor and a method for manufacturing the same are disclosed.
  • the sensing material is attached only to the channel region that is not shielded by the gate electrode. Therefore, there is a limit to the attachment area of the sensing material, and it is difficult to improve the performance of the biosensor to a certain level or more.
  • Korean Patent Publication No. 10-1878848 discloses a biosensor and a method for manufacturing the same. Specifically, a biosensor based on a field effect transistor having a multilayer insulating film and a method for manufacturing the same are disclosed.
  • the sensing material is attached only to the channel region.
  • the surface modification process of the channel insulating layer which is a non-conductor, cannot be applied since the gate electrode is formed of a conductive material. Accordingly, the surface modification process of the gate electrode is separately required, and in this process, the effect of the surface modification process performed earlier may be reduced.
  • One object of the present invention is to provide a biosensor in which an attachment area of a sensing material can be further increased, and a method for manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to provide a biosensor and a method for manufacturing the same, in which the sensitivity is further improved and the manufacturing process can be further simplified.
  • Another object of the present invention is to provide a biosensor capable of detecting a gate-all-around type and a method for manufacturing the same.
  • the present invention provides a substrate having a source electrode, a drain electrode, a channel and a gate electrode for electrically connecting the source electrode and the drain electrode formed on the upper surface; and a sensing material disposed on the channel and upper surfaces of the gate electrode and selectively reacting to a target material introduced from the outside, wherein the gate electrode includes: a gate metal layer disposed on the substrate; and a gate insulating layer disposed on the gate metal layer and formed of an electrically insulating material.
  • the biosensor is disposed on the substrate to cover a periphery except for the channel and the gate electrode, and a channel opening open to an upper side of the channel and a gate opening open to an upper side of the gate electrode are formed.
  • 1 may further include a protective layer.
  • the biosensor is disposed on the first protective layer, a predetermined cross-section is formed to extend upward, and a second protection having a communication hole that is opened upward and communicates with the channel opening and the gate opening, respectively. It may further include a layer.
  • the gate electrode may be disposed to be spaced apart from the upper surface of the substrate.
  • the substrate may be formed of a semiconductor, polymer, or insulator material.
  • the gate insulating layer may be formed to a thickness of 1 nm or more and 100 ⁇ m or less.
  • the present invention (a) etching a patterning layer including a source electrode region, a drain electrode region, and a channel region electrically connecting the source electrode region and the drain electrode region on the upper surface of the substrate; (b) bonding a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode to the substrate; (c) bonding a first passivation layer such that portions other than the channel region and a portion of the gate electrode are not exposed to an external solution; and (d) fixing a sensing material selectively reacting to a target material introduced from the outside to the channel insulating layer disposed on the channel region and the gate insulating layer disposed on the gate electrode, respectively. It provides a manufacturing method of
  • step (a) implanting ions into the source electrode region and the drain electrode region, respectively, may be performed.
  • step (a1) (a01) providing an ion implantation prevention layer in the channel region; and (a02) providing an ion leakage prevention layer in the source electrode region and the drain electrode region.
  • step (b) providing at least a portion of the gate electrode as the gate insulating layer may be performed.
  • step (b0) may include (b01) providing the gate insulating layer by oxidizing at least a portion of the gate electrode by exposing it to ultraviolet or ozone.
  • step (b) removing the insulating layer formed on the source electrode region and the drain electrode region may be preceded.
  • step (d) providing the gate insulating layer on the gate electrode may be performed.
  • step (d0) may include providing the gate insulating layer on the gate metal layer of the gate electrode through (d01) an oxidation process or a deposition process.
  • a source electrode, a drain electrode, a channel electrically connecting the source electrode and the drain electrode, and a gate electrode are formed on the upper surface of the substrate of the biosensor.
  • a channel insulating layer and a gate insulating layer are respectively formed on upper surfaces of the channel and the gate electrode.
  • a sensing material selectively reacting to a target material is deposited on the channel insulating layer and the gate insulating layer, respectively.
  • the attachment area of the sensing material may be increased by the area of the gate electrode. Accordingly, the binding probability between the target material and the sensing material in the sample solution may also be increased. As a result, the sensitivity of the biosensor may be further improved.
  • both the channel insulating layer and the gate insulating layer are formed of a non-conductive material, a chemical group for attaching a sensing material may be simultaneously introduced by a single surface modification process.
  • a surface modification process suitable for the gate electrode is not separately performed. Accordingly, the manufacturing process can be further simplified. In addition, compared to a case in which a separate surface modification process is required, a problem in which the effect of the previously performed surface modification process is deteriorated can be prevented and sensitivity can be improved. In summary, the sensitivity can be further improved while the manufacturing process is more simplified.
  • the gate electrode may be disposed to be spaced apart from the upper surface of the substrate.
  • a sensing material may be attached to the bottom surface as well, and the target material may be selectively reacted. That is, a gate-all-around type of sensing is possible.
  • the adhesion area of the sensing material may be further increased, and thus the sensitivity may be further improved.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the components of the biosensor of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a plan view illustrating the biosensor of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view illustrating the biosensor of FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a side cross-sectional view illustrating a biosensor according to another embodiment of the present invention.
  • 6 to 12 are a plan view and a side cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a biosensor.
  • FIG. 13 is a plan view and a cross-sectional side view illustrating a target material detection process of the biosensor.
  • 14 to 15 are schematic diagrams illustrating a target material detection principle of a biosensor.
  • 16 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • biosensor 1 and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
  • biosensor 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5 .
  • the biosensor 1 is a type of electrochemical sensor that converts the target material T to be detected and the sensing material 70 into an electrical signal when the combination is performed.
  • the biosensor 1 selectively reacts with the target material T in the sample solution, and detects the reaction through a change in the amount of charge.
  • the biosensor 1 is required to have high sensitivity so that a signal change can occur greatly when it is combined with a trace amount of the target material T.
  • chemical stability with respect to chemical components in the sample solution and physical stability that is not affected by the flow of the sample solution are required at the same time.
  • it is required to be formed in a structure that is easy to mass-produce.
  • the biosensor 1 is preferably manufactured based on a silicon sensor using a conventional semiconductor process.
  • the biosensor 1 includes a substrate 10 , a lower insulating layer 20 , a patterning layer 30 , a gate electrode region 40 , an electrode unit 50 , a protective layer 60 , and sensing. material 70 .
  • the substrate 10 provides an arrangement space and a foundation for electrical circuits for sensing.
  • the substrate 10 forms the bottom surface of the biosensor 1 . Accordingly, the substrate 10 supports the other components of the biosensor 1 from the lower side.
  • An electric circuit required for sensing is positioned on the upper side of the substrate 10 .
  • the substrate 10 is formed in a plate shape extending in the vertical and horizontal directions.
  • the substrate 10 is formed in a rectangular plate shape.
  • the substrate 10 is not limited to the illustrated shape, and may be formed in various structures in which an electric circuit may be positioned on the upper side.
  • the substrate 10 may be formed in a disk shape.
  • the substrate 10 is preferably formed of a semiconductor, polymer or non-conductive material. This is to minimize the electrical interference of the substrate 10 with respect to other components of the biosensor 1 .
  • a lower insulating layer 20 is disposed on the upper surface of the substrate 10 .
  • the lower insulating layer 20 blocks conduction between the substrate 10 and components other than the substrate 10 .
  • the lower insulating layer 20 is formed in a plate shape corresponding to the substrate 10 .
  • the lower insulating layer 20 is preferably formed with a cross-sectional area equal to or larger than that of the upper surface of the substrate 10 so that the upper surface of the substrate 10 is covered.
  • the lower insulating layer 20 is formed in a shape in which a vertical cross-section corresponds to a vertical cross-section of the substrate 10 .
  • the lower insulating layer 20 is formed of a non-conductive material.
  • the lower insulating layer 20 may be formed of any one of a polymer, plastic, and glass.
  • a patterning layer 30 is disposed on the upper surface of the lower insulating layer 20 .
  • the patterning layer 30 provides an installation space and an electron transfer path for a source electrode 510 and a drain electrode 520 to be described later.
  • the patterning layer 30 is coupled to the upper surface of the lower insulating layer 20 .
  • the patterning layer 30 is positioned above the substrate 10 with the lower insulating layer 20 interposed therebetween, and overlaps the substrate 10 in the vertical direction.
  • the patterning layer 30 is formed in a shape corresponding to the geometric shape of a previously designed circuit.
  • the patterning layer 30 is formed of an electrically conductive material.
  • the patterning layer 30 may be formed of a semiconductor material.
  • the patterning layer 30 includes a channel region 310 , a source electrode region 320 , and a drain electrode region 330 .
  • the channel region 310 electrically connects the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 to be described later.
  • the bottom surface of the channel region 310 is coupled to the top surface of the lower insulating layer 20 .
  • the top and side surfaces of the channel region 310 may be exposed to the outside without being covered, and may be in direct contact with the sample solution. A detailed description thereof will be given later.
  • the channel region 310 is formed in a shape corresponding to a previously designed circuit.
  • a source electrode region 320 and a drain electrode region 330 are respectively connected to both ends of the channel region 310 .
  • the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 provide installation spaces for a source electrode 510 and a drain electrode 520 , which will be described later, respectively.
  • the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 are electrically connected with the channel region 310 interposed therebetween.
  • the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 may conduct electricity with the source electrode 510 and the drain electrode 520 , respectively.
  • the source electrode 510 and the drain electrode 520 may be electrically connected through the channel region 310 , the source electrode region 320 , and the drain electrode 520 . A more detailed description thereof will be provided later.
  • a gate electrode region 40 is formed in another portion of the lower insulating layer 20 spaced apart from one portion on which the patterning layer 30 is placed.
  • the gate electrode region 40 controls a current flowing between the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 through an applied voltage.
  • the gate electrode region 40 is coupled to the lower insulating layer 20 .
  • the gate electrode region 40 is positioned above the substrate 10 with the lower insulating layer 20 interposed therebetween.
  • the gate electrode region 40 is disposed on the lower insulating layer 20 .
  • the gate electrode region 40 is spaced apart from the patterning layer 30 and does not directly contact each other.
  • the gate electrode region 40 includes a gate metal layer 410 and a gate insulating layer 420 .
  • the gate metal layer 410 is a portion in which an electric field is directly generated in the gate electrode region 40 .
  • the gate metal layer 410 is disposed on the lower insulating layer 20 .
  • a current flows through the gate metal layer 410 , an electric field is generated in the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 , and through this, the current flowing between the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 is control is possible. Accordingly, the potential between the sample solution and the channel region 310 to be described later may be changed by the applied voltage.
  • the gate metal layer 410 may be formed of an electrically conductive material. In an embodiment, the gate metal layer 410 may be formed of a metal material. In another embodiment, the gate metal layer 410 may be formed of a low-resistance semiconductor material doped with a high concentration.
  • a gate insulating layer 420 is coupled to the surface of the gate metal layer 410 .
  • the gate insulating layer 420 provides an attachment space for a sensing material 70 to be described later.
  • the gate insulating layer 420 is disposed on the gate metal layer 410 .
  • the gate insulating layer 420 is attached to all or a portion of the gate metal layer 410 by an oxidation process or a deposition process.
  • the gate insulating layer 420 is formed to have a shape corresponding to the outer shape of the gate metal layer 410 .
  • the gate insulating layer 420 is formed to a thickness of 1 nm or more and 100 ⁇ m or less. Preferably, it is formed in the range of 5 nm to 100 ⁇ m.
  • the gate insulating layer 420 is formed of an electrically insulating material.
  • the gate insulating layer 420 is formed of a polymer material. Accordingly, a chemical group for attaching the sensing material 70 to be described later may be introduced by a surface modification process suitable for the electrically insulating material. A detailed description thereof will be given later.
  • the gate electrode region 40 controls current flow between the channel region 310 and the electrode unit 50 .
  • the electrode part 50 includes a source electrode 510 and a drain electrode 520 .
  • the source electrode 510 supplies a carrier that carries a current, and the drain electrode 520 emits the carrier to the outside of the biosensor 1 .
  • the source electrode 510 and the drain electrode 520 are respectively disposed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 of the patterning layer 30 . As described above, the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 are electrically connected by the channel region 310 , and the source electrode 510 and the drain electrode 520 also form the channel region 310 . can be electrically connected through.
  • the carrier supplied from the source electrode 510 sequentially passes through the source electrode region 320 , the channel region 310 , and the drain electrode region 330 , and then passes through the drain electrode 520 to the outside of the biosensor 1 . emitted
  • a passivation layer (not shown) is formed on the source electrode 510 and the drain electrode 520 to protect the source electrode 510 and the drain electrode 520 from exposure to the sample solution. .
  • the patterning layer 30 and the electrode part 50 except for the channel region 310 are covered by the protective layer 60 . Conversely, the channel region 310 and the gate electrode region 40 are not covered by the passivation layer 60 and are exposed to the outside.
  • the protective layer 60 is disposed on the lower insulating layer 20 . Specifically, the protective layer 60 overlaps the lower insulating layer 20 in the vertical direction with the patterning layer 30 and the electrode part 50 interposed therebetween except for the channel region 310 .
  • the passivation layer 60 includes a first passivation layer 610 and a second passivation layer 620 .
  • the first passivation layer 610 covers the periphery except for the channel region 310 and the gate electrode region 40 .
  • the first passivation layer 610 is disposed on the lower insulating layer 20 .
  • the first protective layer 610 is formed in a plate shape extending in the vertical direction and the left and right directions.
  • the first passivation layer 610 is formed with a predetermined cross-section extending upward from the upper surface of the lower insulating layer 20 .
  • the outer periphery of the first protective layer 610 is formed to have a shape corresponding to the outer periphery of the substrate 10 and the lower insulating layer 20 .
  • a channel opening 611 and a gate opening 612 are formed through the first passivation layer 610 .
  • the channel opening 611 and the gate opening 612 are opened above the channel region 310 and the gate electrode region 40 , respectively. Accordingly, the channel region 310 and the gate electrode region 40 may be exposed to the outside without being covered by the first passivation layer 610 to directly contact the sample solution.
  • a second passivation layer 620 is disposed on one surface of the first passivation layer 610 opposite to the lower insulating layer 20 .
  • the second passivation layer 620 provides a fluid channel between the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 .
  • the second passivation layer 620 is disposed on the first passivation layer 610 .
  • the second protective layer 620 is formed in a plate shape extending in the vertical direction and the left and right directions.
  • the second passivation layer 620 is formed to have a predetermined cross section extending upward from the upper surface of the first passivation layer 610 .
  • the outer periphery of the second protective layer 620 is formed in a shape corresponding to the outer periphery of the substrate 10 , the lower insulating layer 20 , and the first protective layer 610 .
  • a communication hole 621 is formed through the second passivation layer 620 .
  • the communication hole 621 functions as a fluid channel between the sample solution injected into the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 .
  • the communication hole 621 is opened above the periphery including the channel opening 611 and the gate opening 612 to communicate with the channel opening 611 and the gate opening 612 , respectively. Accordingly, the channel opening 611 and the gate opening 612 are exposed to the outside without being covered by the second passivation layer 620 , and may communicate with each other.
  • the sample solution may be accommodated in the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 and the communication hole 621 of the second passivation layer 620 .
  • a sensing material 70 is attached to the channel region 310 and the gate electrode region 40 exposed to the outside by the channel opening 611 and the gate opening 612 .
  • the sensing material 70 selectively reacts to the target material T in the sample solution introduced from the outside.
  • the sensing material 70 may be fixed to the surface of the gate electrode region 40 in addition to the surface of the channel region 310 . Accordingly, the attachment area of the sensing material 70 may be increased by the gate electrode region 40 . Accordingly, the binding probability between the target material T and the sensing material 70 in the sample solution may also be increased. As a result, the sensitivity of the biosensor 1 can be further improved.
  • the sensing material 70 may be simultaneously attached to the channel region 310 and the gate electrode region 40 through one process.
  • the region to which the sensing material 70 is to be fixed is premised on the presence of a chemical group suitable for the sensing material 70 . A detailed description thereof will be given later.
  • biosensor 1 As described above, an embodiment of the biosensor 1 has been described. However, the biosensor 1 is not limited to the above embodiment, and various embodiments are possible.
  • the gate electrode region 40 is disposed to be spaced apart from the lower insulating layer 20 .
  • the gate electrode region 40 is formed in a suspended structure, so that the biosensor 1 can sense a gate-all-around type.
  • the lower surface of the gate electrode region 40 may also be attached to the sensing material 70 , which will be described later, and may selectively react to the target material T . Accordingly, the attachment area of the sensing material 70 may be further increased, and thus the sensitivity of the biosensor 1 may be further improved.
  • a lower insulating layer 20 and a patterning layer 30 are sequentially stacked on a substrate 10 (see FIG. 6 ). Thereafter, the channel region 310 , the source electrode region 320 , and the drain electrode region 330 of the patterning layer 30 are etched according to a previously designed circuit (see FIG. 7 ). In an embodiment, the channel region 310 , the source electrode region 320 , and the drain electrode region 330 may be etched by a lithography process.
  • ions for improving electrical conductivity are introduced into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 .
  • care is taken so that the ions do not flow into the periphery of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 .
  • an ion leakage prevention layer 321 is formed on the surface of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330, respectively. 331) takes precedence.
  • an ion implantation prevention layer 311 for suppressing the inflow of ions is formed on the surface of the channel region 310 (see FIG. 8 ).
  • the ion leakage prevention layers 321 and 331 and the ion implantation prevention layer 311 are removed by an etching process, and the sample solution and the channel region 310 are energized on the upper surface of the ion implantation prevention layer 311 of the channel region 310 .
  • the channel insulating layer 312 formed on the upper surfaces of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 is then selectively removed.
  • the gate metal layer 410 and the electrode part 50 including the source electrode 510 and the drain electrode 520 are attached on the lower insulating layer 20 or the patterning layer 30 (refer to FIG. 9 ).
  • the gate metal layer 410 and the electrode part 50 may be combined by a deposition process.
  • a first passivation layer 610 is formed on the upper side of the periphery except for the channel region 310 and the gate electrode region 40 (refer to FIG. 10 ). .
  • upper sides of the channel region 310 and the gate electrode region 40 are exposed to the outside by the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 , respectively.
  • a second passivation layer 620 is formed on an upper side of the first passivation layer 610 (see FIG. 11 ).
  • the second passivation layer 620 has a communication hole 621 formed therethrough to provide a fluid channel between the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 .
  • a gate insulating layer 420 is formed on the surface of the gate metal layer 410 (refer to FIG. 12 ).
  • the channel insulating layer 312 of the channel region 310 and the gate insulating layer 420 of the gate electrode region 40 may be manufactured at least partially in the same manner as the insulator components, so that by one-time surface modification process.
  • a chemical group for attaching the sensing material 70 may be introduced.
  • the surface modification process includes a physical, chemical, and electrical treatment process.
  • a surface modification process suitable for the gate metal layer 410 is not separately performed. Accordingly, the manufacturing process of the biosensor 1 may be more simplified. In addition, compared to a case in which a separate surface modification process is required, a problem in which the effect of the previously performed surface modification process is deteriorated can be prevented and the sensitivity can be improved. In summary, the sensitivity can be further improved while the manufacturing process is more simplified.
  • the sensing material 70 is fixed to the channel region 310 and the gate electrode region 40 (see FIG. 13 ).
  • the sensing material 70 may react with the target material T in the sample solution to generate a change in potential of the biosensor 1 .
  • the sensing material refers to a material of the sensing material 70 that directly reacts with the target material T.
  • the minimum input value required for the gate electrode region 40 is qV FB under the flat band voltage condition and qV TH under the threshold voltage condition.
  • the dipole of the target material (T)-sensing material combination causes a potential change in the gate electrode region 40 .
  • the generated potential overlaps the voltage applied to the gate electrode region 40 from the outside, and generates a larger electric field in the channel region 310 . Therefore, V FB after the reaction is reduced by the voltage V generated due to the dipole of the complex when compared with V FB before the reaction.
  • the drain current I D flowing in the channel region 310 may be increased more or the same drain current I D .
  • the applied potentials (V FB , V TH ) of the gate electrode region 40 required to obtain ? may be further reduced. As a result, the sensitivity of the biosensor 1 to the same target material T may be further improved.
  • a source electrode region 320 , a drain electrode region 330 , a source electrode region 320 and a drain electrode region Etching the patterning layer 30 including the channel region 310 electrically connecting the 330 ( S100 ), and implanting ions into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 , respectively ( S200 ) , forming the channel insulating layer 312 , and selectively removing the channel insulating layer 312 formed on the upper surfaces of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 ( S300 ), and the source electrode on the substrate 10 .
  • bonding (S500), providing the gate insulating layer 420 on the gate electrode (S600), and the channel insulating layer 312 disposed on the channel region 310 and the gate insulating layer disposed on the gate electrode A step (S800) of fixing the sensing material 70 selectively reacting to the target material T introduced from the outside to the 420, respectively.
  • a patterning layer including a source electrode region 320 , a drain electrode region 330 , and a channel region 310 electrically connecting the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 on the upper surface of the substrate 10 .
  • the step (S100) of etching (30) will be described.
  • a lower insulating layer 20 and a patterning layer 30 are sequentially stacked on the upper surface of the substrate 10 . Thereafter, the patterning layer 30 is etched according to a previously designed circuit to form a source electrode region 320 , a drain electrode region 330 , and a channel region 310 . In an embodiment, the etching process is a lithography process.
  • the ions implanted into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 have a high concentration. In addition, it is preferable not to implant the ions into the channel region 310 other than the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 .
  • the step (S200) of implanting ions into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330, respectively is the step of providing an ion implantation prevention layer 311 in the channel region 310 (S210); A step of providing ion leakage preventing layers 321 and 331 in the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 ( S220 ), and implanting ions into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 , respectively. and ( S230 ) and removing the insulating layer formed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 ( S240 ).
  • the ion implantation prevention layer 311 and the ion leakage prevention layers 321 and 331 are removed by an etching process.
  • a step S240 of removing the insulating layer formed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 is performed.
  • an insulating layer may be formed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 .
  • the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 provide a conductive passage between the source electrode 510 and the drain electrode 520 . Since the insulating layer between the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 and the source electrode 510 and the drain electrode 520 prevents the conduction, it must be removed first.
  • a step ( S400 ) of coupling the source electrode 510 , the drain electrode 520 , and the gate electrode to the substrate 10 is performed.
  • the source electrode 510 and the drain electrode 520 may be coupled to the substrate 10 by a deposition process.
  • the providing step (S600) is performed.
  • the step of providing the gate insulating layer 420 on the gate electrode includes providing the gate insulating layer 420 on the gate metal layer 410 of the gate electrode through an oxidation process or a deposition process. Step S700 is included.
  • a gate metal layer 410 is provided. Thereafter, when at least a portion of the gate metal layer 410 is oxidized by an oxidation process or a deposition process, it is transformed into the gate insulating layer 420 which is an oxide layer. Accordingly, a chemical group for attaching the sensing material 70 to the gate electrode region 40 may be introduced by a surface modification process suitable for the insulator.
  • a chemical group for attaching the sensing material 70 is simultaneously introduced into the channel insulating layer 312 and the gate insulating layer 420 by one surface modification process suitable for insulators.
  • the manufacturing method of the biosensor 1 according to another embodiment of the present invention is compared with the manufacturing method of the biosensor 1 according to the above-described embodiment, the drain electrode region 330 and the source electrode region 320 .
  • the specific order of may be variously modified.
  • the order may be variously modified according to the purpose of the target sensitivity and interference reduction of the biosensor 1 .
  • the step of removing the insulating film formed on the drain electrode region 330 is removed ( S300 ) and then, the source electrode 510 on the substrate 10 . ), the drain electrode 520 and the gate electrode may be combined before the step (S400).
  • embodiments may be configured by selectively combining all or part of each embodiment so that various modifications can be made.
  • biosensor 10 substrate
  • channel region 311 ion implantation prevention layer
  • channel insulating layer 320 source electrode region
  • ion leakage prevention layer 330 drain electrode region
  • ion leakage prevention layer 40 gate electrode region
  • gate metal layer 420 gate insulating layer
  • electrode part 510 source electrode
  • first passivation layer 611 channel opening
  • gate opening 620 second protective layer

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Abstract

The present invention relates to a biosensor in which an attachment area of a sensing material can be further increased, and to a method for manufacturing same. The biosensor comprises: a substrate; and a sensing material which is disposed in a channel region and a gate electrode region and selectively reacts to a target material, wherein the gate electrode comprises a gate metal layer, and a gate insulating layer disposed on the gate metal layer and formed of an electrically insulating material.

Description

바이오센서 및 이의 제조 방법Biosensor and manufacturing method thereof
본 발명은 바이오센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 감지 물질의 부착 면적이 보다 증가될 수 있는 바이오센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a biosensor capable of increasing an attachment area of a sensing material and a method for manufacturing the same.
바이오센서란, 감지하고자 하는 표적 물질과 감지 물질의 결합 시 이를 전기적 신호로 변환하는 전기 화학적 센서의 일종으로, 생물 인식 요소와 신호 변환기를 포함한 장치를 의미한다.A biosensor is a type of electrochemical sensor that converts an electrical signal when a target material to be detected and a sensing material are combined, and refers to a device including a biorecognition element and a signal converter.
바이오센서는 표적 물질과 감지 물질의 결합 시 전기적 신호의 변화가 크게 나타날 수 있도록 높은 감도로 작동되어야 한다. 또한, 시료 용액의 화학 성분에 대한 화학적 안정성 및 물리적 안정성이 요구된다. 뿐만 아니라, 경제성과 실용성 충족을 위하여 대량 생산이 용이한 구조로 제작되어야 한다. 상기 조건을 달성하기 위하여, 반도체를 기반으로 한 바이오센서가 고려될 수 있다.The biosensor must be operated with high sensitivity so that a large change in electrical signal can appear when the target material and the sensing material are combined. In addition, chemical stability and physical stability with respect to the chemical components of the sample solution are required. In addition, in order to satisfy economic feasibility and practicality, it should be manufactured in a structure that is easy to mass-produce. In order to achieve the above condition, a biosensor based on a semiconductor may be considered.
통상적으로, 반도체 기반 바이오센서는 전류가 통하는 채널 영역 및 게이트 전극 영역만이 시료 용액에 노출되고, 소스 전극 영역 및 드레인 전극 영역은 전기적 보호층(passivation)에 의하여 엄폐된다. 이때, 채널 영역은 상면에 형성된 채널 절연층에 의하여 시료 용액과의 통전이 차단된다.Typically, in a semiconductor-based biosensor, only a channel region and a gate electrode region through which current flows are exposed to a sample solution, and the source electrode region and the drain electrode region are covered by an electrical passivation layer. At this time, the channel region is blocked from conduction with the sample solution by the channel insulating layer formed on the upper surface.
통상의 바이오센서는 채널 절연층에 감지 물질이 부착되며, 게이트 전극 영역에는 감지 물질이 부착되지 않는다. 채널 절연층 상에 감지 물질이 부착되기 위하여는, 표면 개질 공정에 의해 채널 절연층 표면에 화학기가 도입되어야 한다. 이 경우, 채널 절연층은 부도체인 바 부도체에 적합한 표면 개질 공정이 이용된다. 따라서, 상기 표면 개질 공정은 도체인 게이트 전극 영역에 적용되는 데 어려움이 있다.In a typical biosensor, the sensing material is attached to the channel insulating layer, and the sensing material is not attached to the gate electrode region. In order to attach the sensing material on the channel insulating layer, a chemical group must be introduced to the surface of the channel insulating layer by a surface modification process. In this case, a surface modification process suitable for a bar nonconductor, which is a nonconductor, is used for the channel insulating layer. Therefore, it is difficult to apply the surface modification process to the gate electrode region, which is a conductor.
다만, 이러한 유형의 바이오센서는 감지 물질의 부착 면적이 채널 영역으로 한정되는 바, 감도 향상에 한계가 있다. 따라서, 감지 물질의 부착 면적이 보다 증가된 바이오센서의 개발이 고려될 수 있다.However, this type of biosensor has a limitation in sensitivity improvement since the area of attachment of the sensing material is limited to the channel region. Accordingly, development of a biosensor having an increased area of attachment of a sensing material may be considered.
한국등록특허공보 제10-0997210호는 바이오센서 및 그 제조 방법을 개시한다. 구체적으로, 전계 효과 트랜지스터의 기생 게이트 전계 효과를 이용한 바이오센서 및 그 제조 방법을 개시한다.Korean Patent Publication No. 10-0997210 discloses a biosensor and a method for manufacturing the same. Specifically, a biosensor using a parasitic gate field effect of a field effect transistor and a method for manufacturing the same are disclosed.
그런데, 이러한 유형의 바이오센서는, 게이트 전극에 의해 차폐되지 않는 채널 영역에만 감지 물질이 부착된다. 따라서, 감지 물질의 부착 면적에 한계가 존재하고, 바이오센서의 성능이 일정 수준 이상으로 향상되는 데 어려움이 있다.However, in this type of biosensor, the sensing material is attached only to the channel region that is not shielded by the gate electrode. Therefore, there is a limit to the attachment area of the sensing material, and it is difficult to improve the performance of the biosensor to a certain level or more.
한국등록특허공보 제10-1878848호는 바이오센서 및 그 제조 방법을 개시한다. 구체적으로, 다층 절연막을 갖는 전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서 및 그 제조 방법을 개시한다.Korean Patent Publication No. 10-1878848 discloses a biosensor and a method for manufacturing the same. Specifically, a biosensor based on a field effect transistor having a multilayer insulating film and a method for manufacturing the same are disclosed.
그런데, 이러한 유형의 바이오센서는, 채널 영역에만 감지 물질이 부착된다. 또한, 게이트 전극이 도체 소재로 형성되는 바 부도체인 채널 절연층의 표면 개질 공정이 적용될 수 없다. 이에 따라, 게이트 전극의 표면 개질 공정이 별도로 요구되며 이 과정에서 먼저 진행된 표면 개질 공정의 효과가 감소될 가능성이 있다.However, in this type of biosensor, the sensing material is attached only to the channel region. Also, the surface modification process of the channel insulating layer, which is a non-conductor, cannot be applied since the gate electrode is formed of a conductive material. Accordingly, the surface modification process of the gate electrode is separately required, and in this process, the effect of the surface modification process performed earlier may be reduced.
(선행문헌 1) 한국등록특허공보 제10-0997210호 (2010.11.29.)(Prior Document 1) Korean Patent Publication No. 10-0997210 (2010.11.29.)
(선행문헌 2) 한국등록특허공보 제10-1878848호 (2018.07.16.)(Prior Document 2) Korean Patent Publication No. 10-1878848 (2018.07.16.)
본 발명의 일 목적은, 감지 물질의 부착 면적이 보다 증가될 수 있는 바이오센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION One object of the present invention is to provide a biosensor in which an attachment area of a sensing material can be further increased, and a method for manufacturing the same.
본 발명의 다른 일 목적은, 감도가 보다 향상되면서 동시에 제조 공정이 보다 단순화될 수 있는 바이오센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a biosensor and a method for manufacturing the same, in which the sensitivity is further improved and the manufacturing process can be further simplified.
본 발명의 또 다른 일 목적은, 게이트-올-어라운드(Gate-All-Around) 형태의 감지가 가능한 바이오센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a biosensor capable of detecting a gate-all-around type and a method for manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 상면에 소스 전극, 드레인 전극, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 채널 및 게이트 전극이 형성된 기판; 및 상기 채널 및 상기 게이트 전극의 상면에 배치되고, 외부에서 유입되는 표적 물질에 선택적으로 반응하는 감지 물질을 포함하고, 상기 게이트 전극은, 상기 기판 상에 배치되는 게이트 금속층; 및 상기 게이트 금속층 상에 배치되고, 전기 절연성 소재로 형성되는 게이트 절연층을 포함하는, 바이오센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate having a source electrode, a drain electrode, a channel and a gate electrode for electrically connecting the source electrode and the drain electrode formed on the upper surface; and a sensing material disposed on the channel and upper surfaces of the gate electrode and selectively reacting to a target material introduced from the outside, wherein the gate electrode includes: a gate metal layer disposed on the substrate; and a gate insulating layer disposed on the gate metal layer and formed of an electrically insulating material.
또한, 상기 바이오센서는, 상기 기판 상에 배치되어 상기 채널 및 상기 게이트 전극을 제외한 주변부를 엄폐하고, 상기 채널의 상측으로 개방된 채널 개구 및 상기 게이트 전극의 상측으로 개방된 게이트 개구가 형성되는 제1 보호층을 더 포함할 수 있다.In addition, the biosensor is disposed on the substrate to cover a periphery except for the channel and the gate electrode, and a channel opening open to an upper side of the channel and a gate opening open to an upper side of the gate electrode are formed. 1 may further include a protective layer.
또한, 상기 바이오센서는, 상기 제1 보호층 상에 배치되고, 소정의 단면이 상측으로 연장되어 형성되며, 상측으로 개방되고 상기 채널 개구 및 상기 게이트 개구와 각각 연통되는 연통공이 형성되는 제2 보호층을 더 포함할 수 있다.In addition, the biosensor is disposed on the first protective layer, a predetermined cross-section is formed to extend upward, and a second protection having a communication hole that is opened upward and communicates with the channel opening and the gate opening, respectively. It may further include a layer.
또한, 상기 게이트 전극은, 적어도 일부가 상기 기판의 상면과 서로 이격되도록 배치될 수 있다.Also, at least a portion of the gate electrode may be disposed to be spaced apart from the upper surface of the substrate.
또한, 상기 기판은, 반도체, 폴리머 또는 부도체 소재로 형성될 수 있다.In addition, the substrate may be formed of a semiconductor, polymer, or insulator material.
또한, 상기 게이트 절연층은, 1nm 이상 100μm 이하의 두께로 형성될 수 있다.In addition, the gate insulating layer may be formed to a thickness of 1 nm or more and 100 μm or less.
또한, 본 발명은, (a) 기판의 상면에 소스 전극 영역, 드레인 전극 영역 및 상기 소스 전극 영역과 상기 드레인 전극 영역을 전기적으로 연결하는 채널 영역을 포함한 패터닝층을 식각하는 단계; (b) 상기 기판에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 결합시키는 단계; (c) 상기 채널 영역과 상기 게이트 전극의 일 부분을 제외한 다른 부분이 외부 용액에 노출되지 않도록 제1 보호층을 결합시키는 단계; 및 (d) 상기 채널 영역 상에 배치된 채널 절연층 및 상기 게이트 전극 상에 배치된 게이트 절연층에 각각 외부로부터 유입되는 표적 물질에 선택적으로 반응하는 감지 물질을 고정시키는 단계를 포함하는, 바이오센서의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention, (a) etching a patterning layer including a source electrode region, a drain electrode region, and a channel region electrically connecting the source electrode region and the drain electrode region on the upper surface of the substrate; (b) bonding a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode to the substrate; (c) bonding a first passivation layer such that portions other than the channel region and a portion of the gate electrode are not exposed to an external solution; and (d) fixing a sensing material selectively reacting to a target material introduced from the outside to the channel insulating layer disposed on the channel region and the gate insulating layer disposed on the gate electrode, respectively. It provides a manufacturing method of
또한, 상기 (a) 단계 이후, (a1) 상기 소스 전극 영역 및 상기 드레인 전극 영역에 각각 이온을 주입하는 단계가 수행될 수 있다.Also, after step (a), (a1) implanting ions into the source electrode region and the drain electrode region, respectively, may be performed.
또한, 상기 (a1) 단계 이전에, (a01) 상기 채널 영역에 이온 주입 방지층을 제공하는 단계; 및 (a02) 상기 소스 전극 영역 및 상기 드레인 전극 영역에 이온 유출 방지층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, before the step (a1), (a01) providing an ion implantation prevention layer in the channel region; and (a02) providing an ion leakage prevention layer in the source electrode region and the drain electrode region.
또한, 상기 (a) 단계 이후, 상기 (b) 단계 이전에, (b0) 상기 게이트 전극의 적어도 일부를 상기 게이트 절연층으로 제공하는 단계가 수행될 수 있다.Also, after step (a), before step (b), (b0) providing at least a portion of the gate electrode as the gate insulating layer may be performed.
또한, 상기 (b0) 단계는, (b01) 상기 게이트 전극의 적어도 일부를 자외선 또는 오존에 노출시켜 산화함으로써 상기 게이트 절연층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step (b0) may include (b01) providing the gate insulating layer by oxidizing at least a portion of the gate electrode by exposing it to ultraviolet or ozone.
또한, 상기 (b) 단계 이전에, (b1) 상기 소스 전극 영역 및 상기 드레인 전극 영역의 상부에 형성된 절연막을 제거하는 단계가 선행될 수 있다.In addition, before step (b), (b1) removing the insulating layer formed on the source electrode region and the drain electrode region may be preceded.
또한, 상기 (c) 단계 이후, 상기 (d) 단계 이전에, (d0) 상기 게이트 전극 상에 상기 게이트 절연층을 제공하는 단계가 수행될 수 있다.Also, after step (c), before step (d), (d0) providing the gate insulating layer on the gate electrode may be performed.
또한, 상기 (d0) 단계는, (d01) 산화 공정 또는 증착 공정을 통하여 상기 게이트 전극의 게이트 금속층 상에 상기 게이트 절연층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.Also, step (d0) may include providing the gate insulating layer on the gate metal layer of the gate electrode through (d01) an oxidation process or a deposition process.
본 발명의 다양한 효과 중, 상술한 해결 수단을 통해 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.Among the various effects of the present invention, effects that can be obtained through the above-described solution are as follows.
먼저, 바이오센서의 기판 상면에는 소스 전극, 드레인 전극, 소스 전극과 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 채널 및 게이트 전극이 형성된다. 채널 및 게이트 전극의 상면에는 각각 채널 절연층 및 게이트 절연층이 형성된다. 채널 절연층 및 게이트 절연층 상에는 각각 표적 물질에 선택적으로 반응하는 감지 물질이 부착된다.First, a source electrode, a drain electrode, a channel electrically connecting the source electrode and the drain electrode, and a gate electrode are formed on the upper surface of the substrate of the biosensor. A channel insulating layer and a gate insulating layer are respectively formed on upper surfaces of the channel and the gate electrode. A sensing material selectively reacting to a target material is deposited on the channel insulating layer and the gate insulating layer, respectively.
따라서, 감지 물질의 부착 면적이 게이트 전극 영역만큼 증가될 수 있다. 이에 따라, 시료 용액 내 표적 물질과 감지 물질의 결합 확률 또한 보다 증가될 수 있다. 결과적으로, 바이오센서의 감도가 보다 향상될 수 있다.Accordingly, the attachment area of the sensing material may be increased by the area of the gate electrode. Accordingly, the binding probability between the target material and the sensing material in the sample solution may also be increased. As a result, the sensitivity of the biosensor may be further improved.
또한, 채널 절연층과 게이트 절연층 모두 부도체 소재로 형성되는 바, 하나의 표면 개질 공정에 의하여 동시에 감지 물질 부착을 위한 화학기가 도입될 수 있다.In addition, since both the channel insulating layer and the gate insulating layer are formed of a non-conductive material, a chemical group for attaching a sensing material may be simultaneously introduced by a single surface modification process.
따라서, 게이트 전극에 적합한 표면 개질 공정이 별도로 수행되지 않는다. 이에 따라, 제조 공정이 보다 단순화될 수 있다. 또한, 별도의 표면 개질 공정이 요구되는 경우와 비교하였을 때, 먼저 진행된 표면 개질 공정의 효과가 저하되는 문제가 예방되고 감도가 향상될 수 있다. 정리하면, 제조 공정이 보다 단순화되면서 동시에 감도가 보다 향상될 수 있다.Therefore, a surface modification process suitable for the gate electrode is not separately performed. Accordingly, the manufacturing process can be further simplified. In addition, compared to a case in which a separate surface modification process is required, a problem in which the effect of the previously performed surface modification process is deteriorated can be prevented and sensitivity can be improved. In summary, the sensitivity can be further improved while the manufacturing process is more simplified.
또한, 게이트 전극의 적어도 일부가 기판의 상면과 서로 이격되도록 배치될 수 있다.Also, at least a portion of the gate electrode may be disposed to be spaced apart from the upper surface of the substrate.
따라서, 게이트 전극의 상면 외에 저면 또한 감지 물질 부착이 가능하고, 표적 물질에 선택적으로 반응할 수 있다. 즉, 게이트-올-어라운드(Gate-All-Around) 형태의 감지가 가능하다. 또한, 감지 물질의 부착 면적이 보다 증가되어 감도가 보다 더 향상될 수 있다.Accordingly, in addition to the top surface of the gate electrode, a sensing material may be attached to the bottom surface as well, and the target material may be selectively reacted. That is, a gate-all-around type of sensing is possible. In addition, the adhesion area of the sensing material may be further increased, and thus the sensitivity may be further improved.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서를 도시하는 사시도이다.1 is a perspective view illustrating a biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 바이오센서의 구성 요소를 도시하는 분해사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view showing the components of the biosensor of FIG. 1 .
도 3은 도 1의 바이오센서를 도시하는 평면도이다.FIG. 3 is a plan view illustrating the biosensor of FIG. 1 .
도 4는 도 1의 바이오센서를 도시하는 측단면도이다.FIG. 4 is a side cross-sectional view illustrating the biosensor of FIG. 1 .
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 바이오센서를 도시하는 측단면도이다.5 is a side cross-sectional view illustrating a biosensor according to another embodiment of the present invention.
도 6 내지 도 12는 바이오센서의 제조 과정을 도시하는 평면도 및 측단면도이다.6 to 12 are a plan view and a side cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a biosensor.
도 13은 바이오센서의 표적 물질 감지 과정을 도시하는 평면도 및 측단면도이다.13 is a plan view and a cross-sectional side view illustrating a target material detection process of the biosensor.
도 14 내지 도 15는 바이오센서의 표적 물질 감지 원리를 도시하는 개략도이다.14 to 15 are schematic diagrams illustrating a target material detection principle of a biosensor.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 바이오센서의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.16 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 바이오센서(1) 및 이의 제조 방법을 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the biosensor 1 and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.In the following description, in order to clarify the characteristics of the present invention, descriptions of some components may be omitted.
본 명세서에서는 서로 다른 실시 예라도 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.In the present specification, the same reference numerals are assigned to the same components even in different embodiments, and overlapping descriptions thereof will be omitted.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.The accompanying drawings are only for making it easy to understand the embodiments disclosed in the present specification, and the technical ideas disclosed in the present specification are not limited by the accompanying drawings.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르기 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
이하에서는, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 바이오센서(1)에 대하여 설명한다.Hereinafter, the biosensor 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5 .
바이오센서(1)는 감지하고자 하는 표적 물질(T)과 감지 물질(70)의 결합 시 이를 전기적 신호로 변환하는 전기 화학적 센서의 일종이다. 바이오센서(1)는 시료 용액 내 표적 물질(T)과 선택적으로 반응하고, 전하량 변화를 통하여 상기 반응을 감지한다.The biosensor 1 is a type of electrochemical sensor that converts the target material T to be detected and the sensing material 70 into an electrical signal when the combination is performed. The biosensor 1 selectively reacts with the target material T in the sample solution, and detects the reaction through a change in the amount of charge.
바이오센서(1)는 미량의 표적 물질(T)과 결합 시 신호의 변화가 크게 발생될 수 있도록 높은 감도가 요구된다. 또한, 시료 용액 내 화학 성분에 대한 화학적 안정성 및 시료 용액의 흐름에도 영향을 받지 않는 물리적 안정성을 동시에 필요로 한다. 뿐만 아니라, 경제성과 실용성 제고를 위하여 대량 생산이 용이한 구조로 형성될 것이 요구된다. 상기 조건을 고려하였을 때, 바이오센서(1)는 기존의 반도체 공정을 이용한 실리콘 센서를 기반으로 제조되는 것이 바람직하다.The biosensor 1 is required to have high sensitivity so that a signal change can occur greatly when it is combined with a trace amount of the target material T. In addition, chemical stability with respect to chemical components in the sample solution and physical stability that is not affected by the flow of the sample solution are required at the same time. In addition, in order to improve economic efficiency and practicality, it is required to be formed in a structure that is easy to mass-produce. Considering the above conditions, the biosensor 1 is preferably manufactured based on a silicon sensor using a conventional semiconductor process.
도시된 실시 예에서, 바이오센서(1)는 기판(10), 하부 절연층(20), 패터닝층(30), 게이트 전극 영역(40), 전극부(50), 보호층(60) 및 감지 물질(70)을 포함한다.In the illustrated embodiment, the biosensor 1 includes a substrate 10 , a lower insulating layer 20 , a patterning layer 30 , a gate electrode region 40 , an electrode unit 50 , a protective layer 60 , and sensing. material 70 .
기판(10)은 센싱을 위한 전기 회로의 배치 공간 및 토대를 제공한다.The substrate 10 provides an arrangement space and a foundation for electrical circuits for sensing.
기판(10)은 바이오센서(1)의 저면을 형성한다. 이에 따라, 기판(10)은 바이오센서(1)의 다른 구성 요소를 하측에서 지지한다.The substrate 10 forms the bottom surface of the biosensor 1 . Accordingly, the substrate 10 supports the other components of the biosensor 1 from the lower side.
기판(10)의 상측에는 센싱에 필요한 전기 회로가 위치된다.An electric circuit required for sensing is positioned on the upper side of the substrate 10 .
기판(10)은 상하 방향 및 좌우 방향으로 연장되는 판 형상으로 형성된다. 도시된 실시 예에서, 기판(10)은 사각형의 판 형상으로 형성된다. 다만, 기판(10)은 도시된 형상에 한정되지 않고, 상측에 전기 회로가 위치될 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 원판 형상으로 형성될 수 있다.The substrate 10 is formed in a plate shape extending in the vertical and horizontal directions. In the illustrated embodiment, the substrate 10 is formed in a rectangular plate shape. However, the substrate 10 is not limited to the illustrated shape, and may be formed in various structures in which an electric circuit may be positioned on the upper side. For example, the substrate 10 may be formed in a disk shape.
기판(10)은 반도체, 폴리머 또는 부도체 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 바이오센서(1)의 다른 구성 요소에 대한 기판(10)의 전기적 간섭을 최소화하기 위함이다.The substrate 10 is preferably formed of a semiconductor, polymer or non-conductive material. This is to minimize the electrical interference of the substrate 10 with respect to other components of the biosensor 1 .
기판(10)의 상면에는 하부 절연층(20)이 배치된다.A lower insulating layer 20 is disposed on the upper surface of the substrate 10 .
하부 절연층(20)은 기판(10)과 기판(10) 외 다른 구성 요소 간 통전을 차단한다.The lower insulating layer 20 blocks conduction between the substrate 10 and components other than the substrate 10 .
하부 절연층(20)은 기판(10)과 대응되는 판 형상으로 형성된다. 이때, 하부 절연층(20)은 기판(10)의 상면이 엄폐되도록, 기판(10)의 상면과 동일하거나 그보다 큰 단면적으로 형성되는 것이 바람직하다. 도시된 실시 예에서, 하부 절연층(20)은 상하 방향 단면이 기판(10)의 상하 방향 단면과 대응되는 형상으로 형성된다.The lower insulating layer 20 is formed in a plate shape corresponding to the substrate 10 . In this case, the lower insulating layer 20 is preferably formed with a cross-sectional area equal to or larger than that of the upper surface of the substrate 10 so that the upper surface of the substrate 10 is covered. In the illustrated embodiment, the lower insulating layer 20 is formed in a shape in which a vertical cross-section corresponds to a vertical cross-section of the substrate 10 .
하부 절연층(20)은 부도체 소재로 형성된다. 예를 들어, 하부 절연층(20)은 폴리머, 플라스틱 및 유리 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.The lower insulating layer 20 is formed of a non-conductive material. For example, the lower insulating layer 20 may be formed of any one of a polymer, plastic, and glass.
하부 절연층(20)의 상면에는 패터닝층(30)이 배치된다.A patterning layer 30 is disposed on the upper surface of the lower insulating layer 20 .
패터닝층(30)은 후술하는 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)의 설치 공간 및 전자 이동 통로를 제공한다.The patterning layer 30 provides an installation space and an electron transfer path for a source electrode 510 and a drain electrode 520 to be described later.
패터닝층(30)은 하부 절연층(20)의 상면에 결합된다. 또한, 패터닝층(30)은 하부 절연층(20)을 사이에 두고 기판(10)의 상측에 위치되며, 기판(10)과 상하 방향으로 중첩된다.The patterning layer 30 is coupled to the upper surface of the lower insulating layer 20 . In addition, the patterning layer 30 is positioned above the substrate 10 with the lower insulating layer 20 interposed therebetween, and overlaps the substrate 10 in the vertical direction.
패터닝층(30)은 기 설계된 회로의 기하학적 모양에 대응되는 형상으로 형성된다.The patterning layer 30 is formed in a shape corresponding to the geometric shape of a previously designed circuit.
패터닝층(30)은 전기전도성 소재로 형성된다. 예를 들어, 패터닝층(30)은 반도체 소재로 형성될 수 있다.The patterning layer 30 is formed of an electrically conductive material. For example, the patterning layer 30 may be formed of a semiconductor material.
도시된 실시 예에서, 패터닝층(30)은 채널 영역(310), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)을 포함한다.In the illustrated embodiment, the patterning layer 30 includes a channel region 310 , a source electrode region 320 , and a drain electrode region 330 .
채널 영역(310)은 후술하는 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)을 전기적으로 연결한다.The channel region 310 electrically connects the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 to be described later.
채널 영역(310)의 저면은 하부 절연층(20)의 상면과 결합된다. 채널 영역(310)의 상면 및 측면은 엄폐되지 않고 외부로 노출되며, 시료 용액과 직접적으로 접촉될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.The bottom surface of the channel region 310 is coupled to the top surface of the lower insulating layer 20 . The top and side surfaces of the channel region 310 may be exposed to the outside without being covered, and may be in direct contact with the sample solution. A detailed description thereof will be given later.
채널 영역(310)은 기 설계된 회로에 대응되는 형상으로 형성된다.The channel region 310 is formed in a shape corresponding to a previously designed circuit.
채널 영역(310)의 양 단에는 각각 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)이 연결된다.A source electrode region 320 and a drain electrode region 330 are respectively connected to both ends of the channel region 310 .
소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)은 각각 후술하는 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)의 설치 공간을 제공한다.The source electrode region 320 and the drain electrode region 330 provide installation spaces for a source electrode 510 and a drain electrode 520 , which will be described later, respectively.
소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)은 채널 영역(310)을 사이에 두고 전기적으로 연결된다. 또한, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)은 각각 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)과 통전 가능하다. 결과적으로, 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)은 채널 영역(310), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극(520)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다.The source electrode region 320 and the drain electrode region 330 are electrically connected with the channel region 310 interposed therebetween. In addition, the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 may conduct electricity with the source electrode 510 and the drain electrode 520 , respectively. As a result, the source electrode 510 and the drain electrode 520 may be electrically connected through the channel region 310 , the source electrode region 320 , and the drain electrode 520 . A more detailed description thereof will be provided later.
하부 절연층(20)의 패터닝층(30)이 놓인 일 부분과 이격되는 다른 부분에는 게이트 전극 영역(40)이 형성된다.A gate electrode region 40 is formed in another portion of the lower insulating layer 20 spaced apart from one portion on which the patterning layer 30 is placed.
게이트 전극 영역(40)은 인가되는 전압을 통해 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330) 간 통전되는 전류를 제어한다.The gate electrode region 40 controls a current flowing between the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 through an applied voltage.
게이트 전극 영역(40)은 하부 절연층(20)과 결합된다. 또한, 게이트 전극 영역(40)은 하부 절연층(20)을 사이에 두고 기판(10)의 상측에 위치된다.The gate electrode region 40 is coupled to the lower insulating layer 20 . In addition, the gate electrode region 40 is positioned above the substrate 10 with the lower insulating layer 20 interposed therebetween.
일 실시 예에서, 게이트 전극 영역(40)은 하부 절연층(20) 상에 배치된다. 또한, 게이트 전극 영역(40)은 패터닝층(30)과 서로 이격되어 직접적으로 접촉되지 않는다.In an embodiment, the gate electrode region 40 is disposed on the lower insulating layer 20 . In addition, the gate electrode region 40 is spaced apart from the patterning layer 30 and does not directly contact each other.
상기 실시 예에서, 게이트 전극 영역(40)은 게이트 금속층(410) 및 게이트 절연층(420)을 포함한다.In the above embodiment, the gate electrode region 40 includes a gate metal layer 410 and a gate insulating layer 420 .
게이트 금속층(410)은 게이트 전극 영역(40)에서 전기장이 직접적으로 발생되는 부분이다.The gate metal layer 410 is a portion in which an electric field is directly generated in the gate electrode region 40 .
게이트 금속층(410)은 하부 절연층(20) 상에 배치된다. 게이트 금속층(410)에 전류가 통전되면 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 전기장을 생성하게 되고, 이를 통해 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330) 간 통전되는 전류의 제어가 가능하다. 이에 따라, 인가되는 전압에 의하여 시료 용액 및 후술하는 채널 영역(310) 간 전위가 변화될 수 있다.The gate metal layer 410 is disposed on the lower insulating layer 20 . When a current flows through the gate metal layer 410 , an electric field is generated in the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 , and through this, the current flowing between the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 is control is possible. Accordingly, the potential between the sample solution and the channel region 310 to be described later may be changed by the applied voltage.
게이트 금속층(410)은 전기 전도성 소재로 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 게이트 금속층(410)은 금속 소재로 형성될 수 있다. 다른 실시 예에서, 게이트 금속층(410)은 고농도로 도핑된 저저항성 반도체 소재로 형성될 수 있다.The gate metal layer 410 may be formed of an electrically conductive material. In an embodiment, the gate metal layer 410 may be formed of a metal material. In another embodiment, the gate metal layer 410 may be formed of a low-resistance semiconductor material doped with a high concentration.
게이트 금속층(410)의 표면에는 게이트 절연층(420)이 결합된다.A gate insulating layer 420 is coupled to the surface of the gate metal layer 410 .
게이트 절연층(420)은 후술하는 감지 물질(70)의 부착 공간을 제공한다.The gate insulating layer 420 provides an attachment space for a sensing material 70 to be described later.
게이트 절연층(420)은 게이트 금속층(410) 상에 배치된다. 일 실시 예에서, 게이트 절연층(420)은 산화 공정 또는 증착 공정에 의하여 게이트 금속층(410)의 전부 또는 일 부분에 부착된다.The gate insulating layer 420 is disposed on the gate metal layer 410 . In an embodiment, the gate insulating layer 420 is attached to all or a portion of the gate metal layer 410 by an oxidation process or a deposition process.
게이트 절연층(420)은 게이트 금속층(410)의 외형과 대응되는 형상으로 형성된다. 일 실시 예에서, 게이트 절연층(420)은 1nm 이상 100μm 이하의 두께로 형성된다. 바람직하게는, 5 nm 내지 100 ㎛로 형성된다.The gate insulating layer 420 is formed to have a shape corresponding to the outer shape of the gate metal layer 410 . In an embodiment, the gate insulating layer 420 is formed to a thickness of 1 nm or more and 100 μm or less. Preferably, it is formed in the range of 5 nm to 100 μm.
게이트 절연층(420)은 전기 절연성 소재로 형성된다. 일 실시 예에서, 게이트 절연층(420)은 폴리머 소재로 형성된다. 따라서, 전기 절연성 소재에 적합한 표면 개질 공정에 의하여 후술하는 감지 물질(70) 부착을 위한 화학기가 도입될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.The gate insulating layer 420 is formed of an electrically insulating material. In an embodiment, the gate insulating layer 420 is formed of a polymer material. Accordingly, a chemical group for attaching the sensing material 70 to be described later may be introduced by a surface modification process suitable for the electrically insulating material. A detailed description thereof will be given later.
게이트 전극 영역(40)은 채널 영역(310)과 전극부(50)의 전류 통전을 제어한다.The gate electrode region 40 controls current flow between the channel region 310 and the electrode unit 50 .
전극부(50)는 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)을 포함한다.The electrode part 50 includes a source electrode 510 and a drain electrode 520 .
소스 전극(510)은 전류를 운반하는 캐리어(carrier)의 공급을, 드레인 전극(520)은 캐리어를 바이오센서(1) 외부 방출을 수행한다.The source electrode 510 supplies a carrier that carries a current, and the drain electrode 520 emits the carrier to the outside of the biosensor 1 .
소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)은 각각 패터닝층(30)의 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330) 상에 배치된다. 전술한 바와 같이, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)은 채널 영역(310)에 의하여 전기적으로 연결되는 바, 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520) 또한 채널 영역(310)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.The source electrode 510 and the drain electrode 520 are respectively disposed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 of the patterning layer 30 . As described above, the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 are electrically connected by the channel region 310 , and the source electrode 510 and the drain electrode 520 also form the channel region 310 . can be electrically connected through.
소스 전극(510)에서 공급된 캐리어는 소스 전극 영역(320), 채널 영역(310) 및 드레인 전극 영역(330)을 순차적으로 통과한 뒤, 드레인 전극(520)을 통하여 바이오센서(1) 외부로 방출된다.The carrier supplied from the source electrode 510 sequentially passes through the source electrode region 320 , the channel region 310 , and the drain electrode region 330 , and then passes through the drain electrode 520 to the outside of the biosensor 1 . emitted
일 실시 예에서, 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520) 상에는 패시베이션(passivation)층(미도시)이 형성되어, 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)이 시료 용액에 노출되지 않도록 보호된다.In an embodiment, a passivation layer (not shown) is formed on the source electrode 510 and the drain electrode 520 to protect the source electrode 510 and the drain electrode 520 from exposure to the sample solution. .
채널 영역(310)을 제외한 패터닝층(30) 및 전극부(50)는 보호층(60)에 의하여 엄폐된다. 반대로, 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)은 보호층(60)에 의하여 엄폐되지 않고 외부로 노출된다.The patterning layer 30 and the electrode part 50 except for the channel region 310 are covered by the protective layer 60 . Conversely, the channel region 310 and the gate electrode region 40 are not covered by the passivation layer 60 and are exposed to the outside.
보호층(60)은 하부 절연층(20) 상에 배치된다. 구체적으로, 보호층(60)은 채널 영역(310)을 제외한 패터닝층(30) 및 전극부(50)를 사이에 두고 하부 절연층(20)과 상하 방향으로 중첩된다.The protective layer 60 is disposed on the lower insulating layer 20 . Specifically, the protective layer 60 overlaps the lower insulating layer 20 in the vertical direction with the patterning layer 30 and the electrode part 50 interposed therebetween except for the channel region 310 .
도시된 실시 예에서, 보호층(60)은 제1 보호층(610) 및 제2 보호층(620)을 포함한다.In the illustrated embodiment, the passivation layer 60 includes a first passivation layer 610 and a second passivation layer 620 .
제1 보호층(610)은 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)을 제외한 주변부를 엄폐한다.The first passivation layer 610 covers the periphery except for the channel region 310 and the gate electrode region 40 .
제1 보호층(610)은 하부 절연층(20) 상에 배치된다.The first passivation layer 610 is disposed on the lower insulating layer 20 .
일 실시 예에서, 제1 보호층(610)은 상하 방향 및 좌우 방향으로 연장되는 판 형상으로 형성된다. 다른 실시 예에서, 제1 보호층(610)은 소정의 단면이 하부 절연층(20)의 상면으로부터 상측으로 연장되어 형성된다. 또 다른 실시 예에서, 제1 보호층(610)은 그 외주가 기판(10) 및 하부 절연층(20)의 외주와 대응되는 형상으로 형성된다.In one embodiment, the first protective layer 610 is formed in a plate shape extending in the vertical direction and the left and right directions. In another embodiment, the first passivation layer 610 is formed with a predetermined cross-section extending upward from the upper surface of the lower insulating layer 20 . In another embodiment, the outer periphery of the first protective layer 610 is formed to have a shape corresponding to the outer periphery of the substrate 10 and the lower insulating layer 20 .
제1 보호층(610)에는 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)가 관통 형성된다.A channel opening 611 and a gate opening 612 are formed through the first passivation layer 610 .
채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)는 각각 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)의 상측으로 개방된다. 이에 따라, 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)이 제1 보호층(610)에 의하여 엄폐되지 않고 외부로 노출되어 시료 용액과 직접적으로 접촉될 수 있다.The channel opening 611 and the gate opening 612 are opened above the channel region 310 and the gate electrode region 40 , respectively. Accordingly, the channel region 310 and the gate electrode region 40 may be exposed to the outside without being covered by the first passivation layer 610 to directly contact the sample solution.
하부 절연층(20)과 반대되는 제1 보호층(610)의 일 면에는 제2 보호층(620)이 배치된다.A second passivation layer 620 is disposed on one surface of the first passivation layer 610 opposite to the lower insulating layer 20 .
제2 보호층(620)은 제1 보호층(610)의 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612) 간 유체 채널을 제공한다.The second passivation layer 620 provides a fluid channel between the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 .
제2 보호층(620)은 제1 보호층(610) 상에 배치된다.The second passivation layer 620 is disposed on the first passivation layer 610 .
일 실시 예에서, 제2 보호층(620)은 상하 방향 및 좌우 방향으로 연장되는 판 형상으로 형성된다. 다른 실시 예에서, 제2 보호층(620)은 소정의 단면이 제1 보호층(610)의 상면으로부터 상측으로 연장되어 형성된다. 또 다른 실시 예에서, 제2 보호층(620)은 그 외주가 기판(10), 하부 절연층(20) 및 제1 보호층(610)의 외주와 대응되는 형상으로 형성된다.In one embodiment, the second protective layer 620 is formed in a plate shape extending in the vertical direction and the left and right directions. In another embodiment, the second passivation layer 620 is formed to have a predetermined cross section extending upward from the upper surface of the first passivation layer 610 . In another embodiment, the outer periphery of the second protective layer 620 is formed in a shape corresponding to the outer periphery of the substrate 10 , the lower insulating layer 20 , and the first protective layer 610 .
제2 보호층(620)에는 연통공(621)이 관통 형성된다.A communication hole 621 is formed through the second passivation layer 620 .
연통공(621)은 제1 보호층(610)의 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)에 투입된 시료 용액 간 유체 채널로서 기능한다.The communication hole 621 functions as a fluid channel between the sample solution injected into the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 .
연통공(621)은 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)를 포함한 주변부의 상측으로 개방되어, 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)와 각각 연통된다. 이에 따라, 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)가 제2 보호층(620)에 의하여 엄폐되지 않고 외부로 노출되며, 서로 연통될 수 있다.The communication hole 621 is opened above the periphery including the channel opening 611 and the gate opening 612 to communicate with the channel opening 611 and the gate opening 612 , respectively. Accordingly, the channel opening 611 and the gate opening 612 are exposed to the outside without being covered by the second passivation layer 620 , and may communicate with each other.
따라서, 시료 용액이 제1 보호층(610)의 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)와 제2 보호층(620)의 연통공(621)에 수용될 수 있다.Accordingly, the sample solution may be accommodated in the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 and the communication hole 621 of the second passivation layer 620 .
채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)에 의하여 외부로 노출되는 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)에는 감지 물질(70)이 부착된다.A sensing material 70 is attached to the channel region 310 and the gate electrode region 40 exposed to the outside by the channel opening 611 and the gate opening 612 .
감지 물질(70)은 외부에서 유입되는 시료 용액 내 표적 물질(T)에 선택적으로 반응한다.The sensing material 70 selectively reacts to the target material T in the sample solution introduced from the outside.
감지 물질(70)은 채널 영역(310)의 표면 외에도 게이트 전극 영역(40)의 표면에 고정될 수 있다. 따라서, 감지 물질(70)의 부착 면적이 게이트 전극 영역(40)만큼 증가될 수 있다. 이에 따라, 시료 용액 내 표적 물질(T)과 감지 물질(70)의 결합 확률 또한 보다 증가될 수 있다. 결과적으로, 바이오센서(1)의 감도가 보다 향상될 수 있다.The sensing material 70 may be fixed to the surface of the gate electrode region 40 in addition to the surface of the channel region 310 . Accordingly, the attachment area of the sensing material 70 may be increased by the gate electrode region 40 . Accordingly, the binding probability between the target material T and the sensing material 70 in the sample solution may also be increased. As a result, the sensitivity of the biosensor 1 can be further improved.
이때, 감지 물질(70)은 하나의 공정을 통하여 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)에 동시에 부착될 수 있다. 또한, 감지 물질(70)이 고정될 영역은 감지 물질(70)에 적합한 화학기가 존재할 것을 전제로 한다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.In this case, the sensing material 70 may be simultaneously attached to the channel region 310 and the gate electrode region 40 through one process. In addition, the region to which the sensing material 70 is to be fixed is premised on the presence of a chemical group suitable for the sensing material 70 . A detailed description thereof will be given later.
이상으로, 바이오센서(1)의 일 실시 예에 대하여 설명하였다. 다만, 바이오센서(1)는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니고 다양한 실시 예가 가능하다.As described above, an embodiment of the biosensor 1 has been described. However, the biosensor 1 is not limited to the above embodiment, and various embodiments are possible.
도 5에 도시된 실시 예에서, 게이트 전극 영역(40)은 적어도 일 부분이 하부 절연층(20)과 서로 이격되도록 배치된다. 상기 실시 예에서, 게이트 전극 영역(40)은 부유 구조(Suspended)로 형성되는 바, 바이오센서(1)는 게이트-올-어라운드(Gate-All-Around) 형태의 감지가 가능하다.In the embodiment shown in FIG. 5 , at least a portion of the gate electrode region 40 is disposed to be spaced apart from the lower insulating layer 20 . In the above embodiment, the gate electrode region 40 is formed in a suspended structure, so that the biosensor 1 can sense a gate-all-around type.
구체적으로, 게이트 전극 영역(40)의 상면 외에 저면 또한 후술하는 감지 물질(70)의 부착이 가능하고, 표적 물질(T)에 선택적으로 반응할 수 있다. 이에 따라, 감지 물질(70)의 부착 면적이 보다 증가되어 바이오센서(1)의 감도가 보다 더 향상될 수 있다.Specifically, in addition to the upper surface of the gate electrode region 40 , the lower surface of the gate electrode region 40 may also be attached to the sensing material 70 , which will be described later, and may selectively react to the target material T . Accordingly, the attachment area of the sensing material 70 may be further increased, and thus the sensitivity of the biosensor 1 may be further improved.
이하에서는, 도 6 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 바이오센서(1)의 제조 과정에 대하여 설명한다.Hereinafter, a manufacturing process of the biosensor 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 13 .
먼저, 기판(10) 상에 하부 절연층(20) 및 패터닝층(30)이 순차적으로 적층된다(도 6 참조). 이후, 기 설계된 회로에 따라 패터닝층(30)의 채널 영역(310), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)이 식각된다(도 7 참조). 일 실시 예에서, 채널 영역(310), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)은 리소그래피(lithography) 공정에 의하여 식각될 수 있다.First, a lower insulating layer 20 and a patterning layer 30 are sequentially stacked on a substrate 10 (see FIG. 6 ). Thereafter, the channel region 310 , the source electrode region 320 , and the drain electrode region 330 of the patterning layer 30 are etched according to a previously designed circuit (see FIG. 7 ). In an embodiment, the channel region 310 , the source electrode region 320 , and the drain electrode region 330 may be etched by a lithography process.
다음으로, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 전기 전도도 향상을 위한 이온이 유입된다. 이때, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)의 주변부에 상기 이온이 유입되지 않도록 주의를 요한다.Next, ions for improving electrical conductivity are introduced into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 . At this time, care is taken so that the ions do not flow into the periphery of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 .
상기 과정에 대하여 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 유입된 이온이 임의로 이탈되지 않도록, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)의 표면에 각각 이온 유출 방지층(321, 331)이 형성되는 과정이 선행된다. 이와 동시에, 채널 영역(310)의 표면에는 이온의 유입을 억제하는 이온 주입 방지층(311)이 형성된다(도 8 참조).In order to prevent the ions flowing into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 from being arbitrarily separated from the above process, an ion leakage prevention layer 321 is formed on the surface of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330, respectively. 331) takes precedence. At the same time, an ion implantation prevention layer 311 for suppressing the inflow of ions is formed on the surface of the channel region 310 (see FIG. 8 ).
이후, 이온 유출 방지층(321, 331) 및 이온 주입 방지층(311)이 식각 공정에 의하여 제거되고, 채널 영역(310)의 이온 주입 방지층(311)의 상면에는 시료 용액과 채널 영역(310) 간 통전을 차단하는 채널 절연층(312)이 형성된다.Thereafter, the ion leakage prevention layers 321 and 331 and the ion implantation prevention layer 311 are removed by an etching process, and the sample solution and the channel region 310 are energized on the upper surface of the ion implantation prevention layer 311 of the channel region 310 . A channel insulating layer 312 blocking the ?
다만, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330) 상면에 형성된 채널 절연층(312)은 이후 선택적으로 제거된다.However, the channel insulating layer 312 formed on the upper surfaces of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 is then selectively removed.
다음으로, 게이트 금속층(410) 및 소스 전극(510)과 드레인 전극(520)을 포함한 전극부(50)가 하부 절연층(20) 또는 패터닝층(30) 상에 부착된다(도 9 참조). 일 실시 예에서, 게이트 금속층(410) 및 전극부(50)는 증착 공정에 의하여 결합될 수 있다.Next, the gate metal layer 410 and the electrode part 50 including the source electrode 510 and the drain electrode 520 are attached on the lower insulating layer 20 or the patterning layer 30 (refer to FIG. 9 ). In an embodiment, the gate metal layer 410 and the electrode part 50 may be combined by a deposition process.
게이트 금속층(410) 및 전극부(50)가 부착된 이후에는, 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)을 제외한 주변부의 상측에 제1 보호층(610)이 형성된다(도 10 참조). 이때, 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)의 상측은, 각각 제1 보호층(610)의 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612)에 의하여 외부로 노출된다.After the gate metal layer 410 and the electrode part 50 are attached, a first passivation layer 610 is formed on the upper side of the periphery except for the channel region 310 and the gate electrode region 40 (refer to FIG. 10 ). . In this case, upper sides of the channel region 310 and the gate electrode region 40 are exposed to the outside by the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 , respectively.
이후, 제1 보호층(610)의 상측에 제2 보호층(620)이 형성된다(도 11 참조). 또한, 제2 보호층(620)은 연통공(621)이 관통 형성되어, 제1 보호층(610)의 채널 개구(611) 및 게이트 개구(612) 간 유체 채널을 제공한다.Thereafter, a second passivation layer 620 is formed on an upper side of the first passivation layer 610 (see FIG. 11 ). In addition, the second passivation layer 620 has a communication hole 621 formed therethrough to provide a fluid channel between the channel opening 611 and the gate opening 612 of the first passivation layer 610 .
또한, 게이트 금속층(410) 표면에는 게이트 절연층(420)이 형성된다(도 12 참조).In addition, a gate insulating layer 420 is formed on the surface of the gate metal layer 410 (refer to FIG. 12 ).
채널 영역(310)의 채널 절연층(312) 및 게이트 전극 영역(40)의 게이트 절연층(420)은 부도체의 구성 요소가 적어도 일 부분 동일하게 제조될 수 있는 바, 한 번의 표면 개질 공정에 의하여 동시에 감지 물질(70) 부착을 위한 화학기가 도입될 수 있다. 이때, 상기 표면 개질 공정은 물리, 화학, 전기적 처리 공정을 포함한다.The channel insulating layer 312 of the channel region 310 and the gate insulating layer 420 of the gate electrode region 40 may be manufactured at least partially in the same manner as the insulator components, so that by one-time surface modification process. At the same time, a chemical group for attaching the sensing material 70 may be introduced. In this case, the surface modification process includes a physical, chemical, and electrical treatment process.
따라서, 게이트 금속층(410)에 적합한 표면 개질 공정이 별도로 수행되지 않는다. 이에 따라, 바이오센서(1)의 제조 공정이 보다 단순화될 수 있다. 뿐만 아니라, 별도의 표면 개질 공정이 요구되는 경우와 비교하였을 때, 먼저 진행된 표면 개질 공정의 효과가 저하되는 문제가 예방되고 감도가 향상될 수 있다. 정리하면, 제조 공정이 보다 단순화되면서 동시에 감도가 보다 향상될 수 있다.Accordingly, a surface modification process suitable for the gate metal layer 410 is not separately performed. Accordingly, the manufacturing process of the biosensor 1 may be more simplified. In addition, compared to a case in which a separate surface modification process is required, a problem in which the effect of the previously performed surface modification process is deteriorated can be prevented and the sensitivity can be improved. In summary, the sensitivity can be further improved while the manufacturing process is more simplified.
마지막으로, 채널 영역(310) 및 게이트 전극 영역(40)에 감지 물질(70)이 고정된다(도 13 참조). 감지 물질(70)은 시료 용액 내 표적 물질(T)과 반응하여 바이오센서(1)의 전위 변화를 발생시킬 수 있다.Finally, the sensing material 70 is fixed to the channel region 310 and the gate electrode region 40 (see FIG. 13 ). The sensing material 70 may react with the target material T in the sample solution to generate a change in potential of the biosensor 1 .
이하에서는, 도 14 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 바이오센서(1)의 표적 물질(T) 감지 원리에 대하여 설명한다.Hereinafter, a principle of detecting the target material T of the biosensor 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 to 15 .
이하에서, 감지 물질은 표적 물질(T)과 직접적으로 반응하는 감지 물질(70)의 물질을 의미한다.Hereinafter, the sensing material refers to a material of the sensing material 70 that directly reacts with the target material T.
채널 영역(310)에 요구되는 출력값을 qφF라 할 때, 게이트 전극 영역(40)에 요구되는 최소 입력값을 평탄밴드전압 조건에서 qVFB, 문턱전압 조건에서 qVTH라 한다.When the output value required for the channel region 310 is qφ F , the minimum input value required for the gate electrode region 40 is qV FB under the flat band voltage condition and qV TH under the threshold voltage condition.
표적 물질(T)-감지 물질 결합체의 쌍극자는 게이트 전극 영역(40)에 전위 변화를 발생시킨다. 발생된 전위는 외부에서 게이트 전극 영역(40)에 인가되는 전압과 중첩되고, 채널 영역(310)에 보다 큰 전기장을 발생시킨다. 따라서, 반응 후의 VFB가 반응 전의 VFB와 비교하였을 때, 결합체의 쌍극자로 인하여 발생된 전압 V만큼 감소된다.The dipole of the target material (T)-sensing material combination causes a potential change in the gate electrode region 40 . The generated potential overlaps the voltage applied to the gate electrode region 40 from the outside, and generates a larger electric field in the channel region 310 . Therefore, V FB after the reaction is reduced by the voltage V generated due to the dipole of the complex when compared with V FB before the reaction.
이에 따라, 게이트 전극 영역(40)으로의 인가 전위(VFB, VTH)가 동일한 경우 채널 영역(310)에 흐르는 드레인 전류(ID)가 보다 증가될 수 있거나, 동일한 드레인 전류(ID)를 얻기 위해 필요한 게이트 전극 영역(40)의 인가 전위(VFB, VTH)가 보다 감소될 수 있다. 결과적으로, 동일한 표적 물질(T)에 대한 바이오센서(1)의 민감도가 보다 향상될 수 있다.Accordingly, when the potentials V FB and V TH applied to the gate electrode region 40 are the same, the drain current I D flowing in the channel region 310 may be increased more or the same drain current I D . The applied potentials (V FB , V TH ) of the gate electrode region 40 required to obtain ? may be further reduced. As a result, the sensitivity of the biosensor 1 to the same target material T may be further improved.
이하에서는, 도 16을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 바이오센서(1)의 제조 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the biosensor 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 16 .
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서(1)의 제조 방법은, 기판(10)의 상면에 소스 전극 영역(320), 드레인 전극 영역(330) 및 소스 전극 영역(320)과 드레인 전극 영역(330)을 전기적으로 연결하는 채널 영역(310)을 포함한 패터닝층(30)을 식각하는 단계(S100), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 각각 이온을 주입하는 단계(S200), 채널 절연층(312)을 형성하고, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330) 상면에 형성된 채널 절연층(312)을 선택적으로 제거하는 단계(S300), 기판(10)에 소스 전극(510), 드레인 전극(520) 및 게이트 전극을 결합시키는 단계(S400), 채널 영역(310)과 게이트 전극의 일 부분을 제외한 다른 부분이 외부 용액에 노출되지 않도록 제1 보호층(610)을 결합시키는 단계(S500), 게이트 전극 상에 게이트 절연층(420)을 제공하는 단계(S600) 및 채널 영역(310) 상에 배치된 채널 절연층(312) 및 게이트 전극 상에 배치된 게이트 절연층(420)에 각각 외부로부터 유입되는 표적 물질(T)에 선택적으로 반응하는 감지 물질(70)을 고정시키는 단계(S800)를 포함한다.In the method of manufacturing the biosensor 1 according to an embodiment of the present invention, a source electrode region 320 , a drain electrode region 330 , a source electrode region 320 and a drain electrode region ( Etching the patterning layer 30 including the channel region 310 electrically connecting the 330 ( S100 ), and implanting ions into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 , respectively ( S200 ) , forming the channel insulating layer 312 , and selectively removing the channel insulating layer 312 formed on the upper surfaces of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 ( S300 ), and the source electrode on the substrate 10 . (510), the step of coupling the drain electrode 520 and the gate electrode (S400), the channel region 310 and the first passivation layer 610 so as not to expose the other portions except for a portion of the gate electrode to an external solution. bonding (S500), providing the gate insulating layer 420 on the gate electrode (S600), and the channel insulating layer 312 disposed on the channel region 310 and the gate insulating layer disposed on the gate electrode A step (S800) of fixing the sensing material 70 selectively reacting to the target material T introduced from the outside to the 420, respectively.
우선, 기판(10)의 상면에 소스 전극 영역(320), 드레인 전극 영역(330) 및 소스 전극 영역(320)과 드레인 전극 영역(330)을 전기적으로 연결하는 채널 영역(310)을 포함한 패터닝층(30)을 식각하는 단계(S100)에 대하여 설명한다.First, a patterning layer including a source electrode region 320 , a drain electrode region 330 , and a channel region 310 electrically connecting the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 on the upper surface of the substrate 10 . The step (S100) of etching (30) will be described.
기판(10)의 상면에는 하부 절연층(20) 및 패터닝층(30)이 순차적으로 적층된다. 이후, 기 설계된 회로에 따라 패터닝층(30)이 식각되어, 소스 전극 영역(320), 드레인 전극 영역(330) 및 채널 영역(310)이 형성된다. 일 실시 예에서, 상기 식각 과정은 리소그래피 공정에 의한다.A lower insulating layer 20 and a patterning layer 30 are sequentially stacked on the upper surface of the substrate 10 . Thereafter, the patterning layer 30 is etched according to a previously designed circuit to form a source electrode region 320 , a drain electrode region 330 , and a channel region 310 . In an embodiment, the etching process is a lithography process.
이후, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 각각 이온을 주입하는 단계(S200)가 수행된다.Thereafter, a step ( S200 ) of implanting ions into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 , respectively, is performed.
이때, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 주입되는 이온은 고농도인 것이 바람직하다. 또한, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330) 이외에 채널 영역(310)에는 상기 이온이 주입되지 않도록 하는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the ions implanted into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 have a high concentration. In addition, it is preferable not to implant the ions into the channel region 310 other than the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 .
도시된 실시 예에서, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 각각 이온을 주입하는 단계(S200)는 채널 영역(310)에 이온 주입 방지층(311)을 제공하는 단계(S210), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 이온 유출 방지층(321, 331)을 제공하는 단계(S220), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 각각 이온을 주입하는 단계(S230) 및 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)의 상부에 형성된 절연막을 제거하는 단계(S240)를 포함한다.In the illustrated embodiment, the step (S200) of implanting ions into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330, respectively, is the step of providing an ion implantation prevention layer 311 in the channel region 310 (S210); A step of providing ion leakage preventing layers 321 and 331 in the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 ( S220 ), and implanting ions into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 , respectively. and ( S230 ) and removing the insulating layer formed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 ( S240 ).
이온 주입이 종료된 이후, 이온 주입 방지층(311) 및 이온 유출 방지층(321, 331)은 식각 공정에 의하여 제거된다.After the ion implantation is finished, the ion implantation prevention layer 311 and the ion leakage prevention layers 321 and 331 are removed by an etching process.
다음으로, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)의 상부에 형성된 절연막을 제거하는 단계(S240)가 수행된다.Next, a step S240 of removing the insulating layer formed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 is performed.
게이트 절연층(420)의 생성 과정에서, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330) 상에는 절연막이 형성될 가능성이 있다. 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)은 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520) 간 통전 통로를 제공한다. 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)과 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520) 사이 절연막은 상기 통전을 방해하는 바, 제거가 선행되어야 한다.In the process of forming the gate insulating layer 420 , an insulating layer may be formed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 . The source electrode region 320 and the drain electrode region 330 provide a conductive passage between the source electrode 510 and the drain electrode 520 . Since the insulating layer between the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 and the source electrode 510 and the drain electrode 520 prevents the conduction, it must be removed first.
상기 절연막의 제거가 완료되면, 채널 절연층(312)을 형성하고, 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330) 상면에 형성된 채널 절연층(312)을 선택적으로 제거하는 단계(S300)가 수행된다.When the removal of the insulating layer is completed, forming the channel insulating layer 312 and selectively removing the channel insulating layer 312 formed on the upper surfaces of the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 ( S300 ) is carried out
이후, 기판(10)에 소스 전극(510), 드레인 전극(520) 및 게이트 전극을 결합시키는 단계(S400)가 수행된다.Thereafter, a step ( S400 ) of coupling the source electrode 510 , the drain electrode 520 , and the gate electrode to the substrate 10 is performed.
일 실시 예에서, 소스 전극(510) 및 드레인 전극(520)은 증착 공정에 의하여 기판(10)과 결합될 수 있다.In an embodiment, the source electrode 510 and the drain electrode 520 may be coupled to the substrate 10 by a deposition process.
이후, 채널 영역(310)과 게이트 전극의 일 부분을 제외한 다른 부분이 외부 용액에 노출되지 않도록 제1 보호층(610)을 결합시키는 단계(S500) 및 게이트 전극 상에 게이트 절연층(420)을 제공하는 단계(S600)가 수행된다.Thereafter, bonding the first passivation layer 610 so that the channel region 310 and a portion other than a portion of the gate electrode are not exposed to an external solution (S500) and forming a gate insulating layer 420 on the gate electrode The providing step (S600) is performed.
도시된 실시 예에서, 게이트 전극 상에 게이트 절연층(420)을 제공하는 단계(S600)는 산화 공정 또는 증착 공정을 통하여 게이트 전극의 게이트 금속층(410) 상에 게이트 절연층(420)을 제공하는 단계(S700)를 포함한다.In the illustrated embodiment, the step of providing the gate insulating layer 420 on the gate electrode ( S600 ) includes providing the gate insulating layer 420 on the gate metal layer 410 of the gate electrode through an oxidation process or a deposition process. Step S700 is included.
먼저, 게이트 금속층(410)이 제공된다. 이후, 게이트 금속층(410)의 적어도 일부가 산화 공정 또는 증착 공정에 의하여 산화되면, 산화층인 게이트 절연층(420)으로 변성된다. 이에 따라, 부도체에 적합한 표면 개질 공정에 의하여 게이트 전극 영역(40)에 감지 물질(70) 부착을 위한 화학기가 도입될 수 있다.First, a gate metal layer 410 is provided. Thereafter, when at least a portion of the gate metal layer 410 is oxidized by an oxidation process or a deposition process, it is transformed into the gate insulating layer 420 which is an oxide layer. Accordingly, a chemical group for attaching the sensing material 70 to the gate electrode region 40 may be introduced by a surface modification process suitable for the insulator.
마지막으로, 채널 영역(310) 상에 배치된 채널 절연층(312) 및 게이트 전극 상에 배치된 게이트 절연층(420)에 각각 외부로부터 유입되는 표적 물질(T)에 선택적으로 반응하는 감지 물질(70)을 고정시키는 단계(S800)가 수행된다.Finally, a sensing material selectively reacting to the target material T introduced from the outside into the channel insulating layer 312 disposed on the channel region 310 and the gate insulating layer 420 disposed on the gate electrode, respectively. 70) fixing step (S800) is performed.
이때, 감지 물질(70)의 고정 전, 채널 절연층(312) 및 게이트 절연층(420)은 부도체에 적합한 하나의 표면 개질 공정에 의하여 감지 물질(70) 부착을 위한 화학기가 동시에 도입된다.In this case, before the sensing material 70 is fixed, a chemical group for attaching the sensing material 70 is simultaneously introduced into the channel insulating layer 312 and the gate insulating layer 420 by one surface modification process suitable for insulators.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 바이오센서(1)의 제조 방법은, 상술한 실시 예에 따른 바이오센서(1)의 제조 방법과 비교하였을 때, 드레인 전극 영역(330) 및 소스 전극 영역(320)과 드레인 전극 영역(330)을 전기적으로 연결하는 채널 영역(310)을 포함한 패터닝층(30)을 식각하는 단계(S100), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)에 각각 이온을 주입하는 단계(S200), 소스 전극 영역(320) 및 드레인 전극 영역(330)의 상부에 형성된 절연막을 제거하는 단계(S300), 게이트 전극 상에 게이트 절연층(420)을 제공하는 단계(S700) 등의 구체적인 순서가 다양하게 변형될 수 있다. 상기 순서는 바이오센서(1)의 목표 감도 및 간섭 감소 등의 목적에 따라 다양하게 변형될 수 있다.The manufacturing method of the biosensor 1 according to another embodiment of the present invention is compared with the manufacturing method of the biosensor 1 according to the above-described embodiment, the drain electrode region 330 and the source electrode region 320 . Etching the patterning layer 30 including the channel region 310 electrically connecting the and the drain electrode region 330 ( S100 ), and implanting ions into the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 , respectively (S200), removing the insulating film formed on the source electrode region 320 and the drain electrode region 330 (S300), providing the gate insulating layer 420 on the gate electrode (S700), etc. The specific order of may be variously modified. The order may be variously modified according to the purpose of the target sensitivity and interference reduction of the biosensor 1 .
예를 들어, 게이트 전극 상에 게이트 절연층(420)을 제공하는 단계(S600)는 드레인 전극 영역(330)의 상부에 형성된 절연막을 제거하는 단계(S300) 이후 기판(10)에 소스 전극(510), 드레인 전극(520) 및 게이트 전극을 결합시키는 단계(S400) 이전에 수행될 수 있다.For example, in the step of providing the gate insulating layer 420 on the gate electrode ( S600 ), the step of removing the insulating film formed on the drain electrode region 330 is removed ( S300 ) and then, the source electrode 510 on the substrate 10 . ), the drain electrode 520 and the gate electrode may be combined before the step (S400).
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 설명된 실시 예들의 구성에 한정되는 것이 아니다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiments.
또한, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.In addition, the present invention may be variously modified and changed by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below.
더 나아가, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.Furthermore, the embodiments may be configured by selectively combining all or part of each embodiment so that various modifications can be made.
1: 바이오센서 10: 기판1: biosensor 10: substrate
20: 하부 절연층 30: 패터닝층20: lower insulating layer 30: patterning layer
310: 채널 영역 311: 이온 주입 방지층310: channel region 311: ion implantation prevention layer
312: 채널 절연층 320: 소스 전극 영역312: channel insulating layer 320: source electrode region
321: 이온 유출 방지층 330: 드레인 전극 영역321: ion leakage prevention layer 330: drain electrode region
331: 이온 유출 방지층 40: 게이트 전극 영역331: ion leakage prevention layer 40: gate electrode region
410: 게이트 금속층 420: 게이트 절연층410: gate metal layer 420: gate insulating layer
50: 전극부 510: 소스 전극50: electrode part 510: source electrode
520: 드레인 전극 60: 보호층520: drain electrode 60: protective layer
610: 제1 보호층 611: 채널 개구610: first passivation layer 611: channel opening
612: 게이트 개구 620: 제2 보호층612: gate opening 620: second protective layer
621: 연통공 70: 감지 물질621: through hole 70: sensing material

Claims (14)

  1. 상면에 소스 전극, 드레인 전극, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 채널 및 게이트 전극이 형성된 기판; 및a substrate having a source electrode, a drain electrode, a channel electrically connecting the source electrode and the drain electrode, and a gate electrode formed on an upper surface thereof; and
    상기 채널 및 상기 게이트 전극의 상면에 배치되고, 외부에서 유입되는 표적 물질에 선택적으로 반응하는 감지 물질을 포함하고,and a sensing material disposed on the channel and on upper surfaces of the gate electrode and selectively reacting to a target material introduced from the outside;
    상기 게이트 전극은,The gate electrode is
    상기 기판 상에 배치되는 게이트 금속층; 및a gate metal layer disposed on the substrate; and
    상기 게이트 금속층 상에 배치되고, 전기 절연성 소재로 형성되는 게이트 절연층을 포함하는,and a gate insulating layer disposed on the gate metal layer and formed of an electrically insulating material,
    바이오센서.biosensor.
  2. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 기판 상에 배치되어 상기 채널 및 상기 게이트 전극을 제외한 주변부를 엄폐하고, 상기 채널의 상측으로 개방된 채널 개구 및 상기 게이트 전극의 상측으로 개방된 게이트 개구가 형성되는 제1 보호층을 더 포함하는,A first passivation layer disposed on the substrate to cover a periphery except for the channel and the gate electrode, and further comprising a first protective layer having a channel opening open to an upper side of the channel and a gate opening open to an upper side of the gate electrode ,
    바이오센서.biosensor.
  3. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2,
    상기 제1 보호층 상에 배치되고, 소정의 단면이 상측으로 연장되어 형성되며, 상측으로 개방되고 상기 채널 개구 및 상기 게이트 개구와 각각 연통되는 연통공이 형성되는 제2 보호층을 더 포함하는,A second passivation layer disposed on the first passivation layer, a predetermined cross section is formed to extend upward, and a second passivation layer that is opened upwardly and has a communication hole communicating with the channel opening and the gate opening, respectively.
    바이오센서.biosensor.
  4. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 게이트 전극은,The gate electrode is
    적어도 일부가 상기 기판의 상면과 서로 이격되도록 배치되는,At least a portion is disposed so as to be spaced apart from the upper surface of the substrate,
    바이오센서.biosensor.
  5. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 기판은,The substrate is
    반도체, 폴리머 또는 부도체 소재로 형성되는,formed of a semiconductor, polymer or non-conductive material,
    바이오센서.biosensor.
  6. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 게이트 절연층은,The gate insulating layer,
    1nm 이상 100μm 이하의 두께로 형성되는,Formed with a thickness of 1 nm or more and 100 μm or less,
    바이오센서.biosensor.
  7. (a) 기판의 상면에 소스 전극 영역, 드레인 전극 영역 및 상기 소스 전극 영역과 상기 드레인 전극 영역을 전기적으로 연결하는 채널 영역을 포함한 패터닝층을 식각하는 단계;(a) etching a patterning layer including a source electrode region, a drain electrode region, and a channel region electrically connecting the source electrode region and the drain electrode region to an upper surface of the substrate;
    (b) 상기 기판에 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 결합시키는 단계;(b) bonding a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode to the substrate;
    (c) 상기 채널 영역과 상기 게이트 전극의 일 부분을 제외한 다른 부분이 외부 용액에 노출되지 않도록 제1 보호층을 결합시키는 단계; 및(c) bonding a first passivation layer such that portions other than the channel region and a portion of the gate electrode are not exposed to an external solution; and
    (d) 상기 채널 영역 상에 배치된 채널 절연층 및 상기 게이트 전극 상에 배치된 게이트 절연층에 각각 외부로부터 유입되는 표적 물질에 선택적으로 반응하는 감지 물질을 고정시키는 단계를 포함하는,(d) fixing a sensing material selectively reacting to a target material introduced from the outside to the channel insulating layer disposed on the channel region and the gate insulating layer disposed on the gate electrode, respectively,
    바이오센서의 제조 방법.A method for manufacturing a biosensor.
  8. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 (a) 단계 이후,After step (a),
    (a1) 상기 소스 전극 영역 및 상기 드레인 전극 영역에 각각 이온을 주입하는 단계가 수행되는,(a1) implanting ions into the source electrode region and the drain electrode region, respectively, is performed
    바이오센서의 제조 방법.A method for manufacturing a biosensor.
  9. 제8항에 있어서,9. The method of claim 8,
    상기 (a1) 단계 이전에,Before step (a1),
    (a01) 상기 채널 영역에 이온 주입 방지층을 제공하는 단계; 및(a01) providing an ion implantation prevention layer in the channel region; and
    (a02) 상기 소스 전극 영역 및 상기 드레인 전극 영역에 이온 유출 방지층을 제공하는 단계가 수행되는,(a02) providing an ion leakage prevention layer in the source electrode region and the drain electrode region is performed,
    바이오센서의 제조 방법.A method for manufacturing a biosensor.
  10. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 (a) 단계 이후, 상기 (b) 단계 이전에,After step (a), before step (b),
    (b0) 상기 게이트 전극의 적어도 일부를 상기 게이트 절연층으로 제공하는 단계가 수행되는,(b0) providing at least a portion of the gate electrode as the gate insulating layer is performed,
    바이오센서의 제조 방법.A method for manufacturing a biosensor.
  11. 제10항에 있어서,11. The method of claim 10,
    상기 (b0) 단계는,The step (b0) is,
    (b01) 상기 게이트 전극의 적어도 일부를 자외선 또는 오존에 노출시켜 산화함으로써 상기 게이트 절연층을 제공하는 단계를 포함하는,(b01) providing the gate insulating layer by oxidizing at least a portion of the gate electrode by exposing it to ultraviolet or ozone;
    바이오센서의 제조 방법.A method for manufacturing a biosensor.
  12. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 (b) 단계 이전에,Before step (b),
    (b1) 상기 소스 전극 영역 및 상기 드레인 전극 영역의 상부에 형성된 절연막을 제거하는 단계가 선행되는,(b1) preceded by the step of removing the insulating film formed on the source electrode region and the drain electrode region,
    바이오센서의 제조 방법.A method for manufacturing a biosensor.
  13. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 (c) 단계 이후, 상기 (d) 단계 이전에,After step (c), before step (d),
    (d0) 상기 게이트 전극 상에 상기 게이트 절연층을 제공하는 단계가 수행되는,(d0) providing the gate insulating layer on the gate electrode is performed,
    바이오센서의 제조 방법.A method for manufacturing a biosensor.
  14. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7,
    상기 (d0) 단계는,The step (d0) is,
    (d01) 산화 공정 또는 증착 공정을 통하여 상기 게이트 전극의 게이트 금속층 상에 상기 게이트 절연층을 제공하는 단계를 포함하는,(d01) providing the gate insulating layer on the gate metal layer of the gate electrode through an oxidation process or a deposition process,
    바이오센서의 제조 방법.A method for manufacturing a biosensor.
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