KR100980738B1 - 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 반도체 나노와이어 센서 소자 - Google Patents
반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 반도체 나노와이어 센서 소자 Download PDFInfo
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Abstract
반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 반도체 나노 와이어 센서 소자가 제공된다. 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법은 제 1 도전형 단결정 반도체 기판을 준비하고, 제 1 도전형 단결정 반도체 기판에, 라인 형태의 제 1 도전형 단결정 패턴을 형성하고, 제 1 도전형 단결정 패턴의 양측벽에, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴들을 형성하고, 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들의 양끝단에, 소오스 및 드레인 전극을 형성하는 것을 포함한다.
나노와이어, 리소그래피 공정, 에피택시얼 성장
Description
본 발명은 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 반도체 나노 와이어 센서 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에피택시얼 성장 및 패터닝 공정을 이용한 나노와이어 센서 소자의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 반도체 나노와이어 센서 소자에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화에 따라, 스케일링 한계에 도달해 있는 실리콘 기반의 반도체 소자의 문제점을 해결하고 새로운 물리적인 현상을 연구하기 위하여 나노 물질(nano material)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 나노 물질의 연구 분야로는, 나노와이어, 나노 벨트, 나노 리본 및 나노 막대 등이 있으며, 특히, 나노와이어에 대한 연구 범위가 넓어지고 있다. 나노 와이어는 차세대 전자 소자, 바이오 센서, 광전자 소자, 에너지 소자 등으로의 응용이 가능하다.
나노와이어를 다른 분야에 응용하기 위해서는, 나노와이어의 크기 및 길이를 균일하게 형성하는 것뿐만 아니라, 나노와이어의 위치를 조절하여 균일한 배치 구조를 형성하는 것이 필요하다.
한편, 기존의 나노와이어는 기상-액상-고상(Vapor-Liquid-Solid; VLS) 성장법과 같은 바텀-업(bottom-up) 방식을 주로 이용하여 형성된다. VLS 성장 방법은 금속 촉매 나노입자를 조절하여, 나노와이어의 지름과 밀도를 조절할 수 있다. 그러나, 바텀-업 방식을 이용하여 나노와이어를 제조하는 방법은, 나노입자의 지름을 일정하게 하거나, 원하는 위치에 정렬시키는데 어려움이 있다.
이를 해결하기 위하여, 최근 리소그래피(lithography) 공정 및 식각 공정 등과 같은 탑-다운(top-down) 방식의 반도체 미세가공기술을 이용하여, Silicon-On-Insulator(SOI) 기판 위에 나노와이어를 패터닝한 뒤, 이를 채널로 사용하여 바이오 물질을 검출하는 기술이 제안되었다. 하지만, 고감도의 바이오 물질 검출을 위해서는 채널로 사용되는 나노와이어의 선폭이 수~수십 나노미터(nm) 정도의 값을 가져야 하며, 이러한 선폭을 탑다운 방식으로 구현하기 위해서는 전자빔 리소그래피(electron beam lithography)와 같은 고비용, 저효율의 나노패터닝(nanopatterning) 기술을 사용하는 것이 요구된다. 또한, 나노-바이오 센서에 사용되는 SOI 기판은, 통상적인 벌크(bulk) 실리콘 기판에 비해 제조 공정이 복잡하고, 단가가 높아, 나노-바이오 센서의 대량 생산시 경제성을 확보하기 어렵다.
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 벌크 반도체 기판에 나노와이어를 형성할 수 있는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 벌크 반도체 기판에 나노와이어가 형성된 반도체 나노와이어 센서 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법은 제 1 도전형 단결정 반도체 기판을 준비하고, 제 1 도전형 단결정 반도체 기판에, 라인 형태의 제 1 도전형 단결정 패턴을 형성하고, 제 1 도전형 단결정 패턴의 양측벽에, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴들을 형성하고, 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들의 양끝단에, 소오스 및 드레인 전극을 형성하는 것을 포함한다.
상기 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노 와이어 센서 소자는 제 1 도전형 단결정 반도체 기판, 제 1 도전형 반도체 기판에 형성된 라인 형태의 제 1 도전형 단결정 반도체 패턴, 제 1 도전형 단결정 반도체 패턴의 양측벽에 형성된 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들 및 제 2 도전형 에피택셜 패턴들 양단에 형성된 소오스 및 드레인 전극을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 반도체 나노와이어 센서 소자에 따르면, 리소그래피 공정 및 에피택시얼 성장 공정을 통해, 벌크 반도체 기판 상에 수nm 내지 수십nm의 나노와이어를 형성할 수 있다.
또한, 채널 영역에 해당하는 나노와이어와, 반도체 기판 간의 전기적 절연이 PN 접합에 의해 이루어지므로, 벌크 반도체 기판 상에서 반도체 나노와이어 센서 소자의 구현이 가능하다.
따라서, 반도체 나노와이어 센서 소자의 재현성 및 신뢰성을 확보할 수 있으며, 낮은 비용으로 대량 생산이 가능하다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 생분자 검출 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법을 단계별로 나타낸 도면들이다.
도 1을 참조하면, 나노와이어가 형성될 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100)을 준비한다. 단결정 반도체 기판(100)으로는 벌크 실리콘 기판, 벌크 게르마늄 기판 또는 벌크 실리콘-게르마늄 기판이 사용될 수 있다.
제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100) 상에, 라인 형태의 마스크 패턴(110)이 형성된다. 마스크 패턴(110)은 약 1㎛ 내지 100㎛의 선폭으로 형성할 수 있다. 마스크 패턴(110)은 단결정 반도체 기판(100)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질로 형성된다. 예를 들어, 마스크 패턴(110)은 포토레지스트(photoresist), 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 라인 형태의 마스크 패턴(110)을 식각 마스크로 이용하여, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100)을 식각한다. 이 때, 반도체 기판(100)은 표면으로부터 약 1 nm 내지 100nm의 깊이(d)로 리세스될 수 있다. 여기서, 반도체 기판(100)의 식각 공정은 식각 가스의 종류, 식각 가스의 유량비 및 식각 시간 등과 같은 공정 조건을 제어하여 조절될 수 있을 것이다.
이후, 마스크 패턴(110)을 제거하고 나면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 단결정 반도체 기판(100)의 표면으로부터 돌출된 라인 형태의 제 1 도전형 단결정 패턴(102)이 형성될 수 있다. 즉, 제 1 도전형 단결정 패턴(102)은 약 1nm 내지 100nm의 높이를 가지며, 약 1㎛ 내지 100㎛의 선폭을 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 제 1 도전형 단결정 반도체 기판(100) 및 제 1 도전형 단결정 패턴(102)의 전면에 제 2 도전형의 에피택시얼층(120)을 형성한다.
보다 상세히 설명하면, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100) 및 제 1 도전형 단결정 패턴(102)의 전면에 대해 에피택시얼 성장(epitaxial growth) 공정을 수행한다. 마스크 없이, 전면에 대한 에피택시얼 성장 공정이 수행됨으로써, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100) 및 제 1 도전형 단결정 패턴(102)의 표면을 따 라, 컨포말하게 에피택시얼층(120)을 형성할 수 있다. 그리고, 에피택시얼층(120)은 단결정 반도체 기판(100) 및 단결정 패턴(102)을 씨드층으로 이용하여 성장되므로, 단결정으로 형성될 수 있다. 이 때, 에피택시얼층(120)은 약 1nm 내지 100nm의 두께(t)로 성장될 수 있다. 여기서, 에피택시얼층(120)의 성장 두께에 따라, 나노와이어의 선폭이 결정될 수 있다.
또한, 에피택시얼층(120)을 성장시키면서, 붕소(boron), 인(phosphorous), 비소(arsenic), 인듐(indium) 또는 안티몬(antimony)과 같은 도펀트를 인-시츄(in-situ) 도핑하거나, 이온 주입할 수 있다. 이에 따라, 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형의 에피택시얼층(120)을 형성할 수 있다. 즉, 제 1 도전형이 p형 인 경우, n형 도펀트를 도핑하여 제 2 도전형의 에피택시얼층(120)을 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100)으로부터 돌출된 라인형태의 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)의 양측벽에, 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122)을 형성한다. 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122)은, 제 2 도전형의 에피택시얼층(120)에 대해 전면 이방성 식각 공정을 진행하여 형성할 수 있다. 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122)은 약 1nm 내지 100nm의 선폭을 가질 수 있다. 즉, 나노와이어 센서 소자의 나노와이어로서, 수 nm 내지 수십 nm의 선폭을 갖는 라인 형태의 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122)이 형성될 수 있다. 그리고, 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122)은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 센서 소자에서 채널 영역으로 이용될 수 있다.
또한, 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122)은, 에피택시얼층(120)을 전면 이 방성 식각하여 형성되므로, 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)의 양측벽에 쌍으로 형성될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어는, 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)을 사이에 두고 쌍으로 형성되며, 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 제 1 도전형 단결정 패턴(102)과 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122)은 서로 반대되는 도전형을 가지므로, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판 및 패턴(100, 102)과, 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122) 사이에, 역방향 바이어스를 인가할 경우, 접합 절연(junction isolation)에 의해 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판 및 패턴(100, 102)과 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)이 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
도 6을 참조하면, 쌍으로 형성된 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴들(122), 즉, 나노와이어의 양 끝단에, 전극을 형성하기 위한 제 2 도전형의 불순물 영역(124)들을 형성한다.
보다 상세히 설명하면, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)들의 양단을 노출시키는 마스크 패턴(미도시)을 형성한다. 이 때, 상기 마스크 패턴은 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)의 양단을 노출시킬 수도 있다. 즉, 마스크 패턴은 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)들과 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)의 중심부를 가로질러 형성될 수 있다.
제 1 도전형 단결정 패턴(102) 및 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122)의 중심부를 덮는 마스크 패턴(미도시)을 이용하여, 제 2 도전형의 에피택시얼 패 턴(122)들의 양끝단에 불순물을 도핑한다. 제 2 도전형의 불순물 영역(124)은 제 2 도전형의 불순물을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 제 2 도전형의 불순물 영역(124)들을 형성한 후에는, 열처리 공정을 수행하여, 이온주입 공정에 의해 발생된 결함 제거하고, 이온 주입된 불순물들을 활성화시킬 수 있다.
즉, 제 2 도전형의 불순물 영역(124)들은 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)들 및 제 1 도전형의 단결정 패턴의 양끝단에 형성될 수 있다. 이에 따라, 제 2 도전형의 불순물 영역(124)들은 쌍으로 형성된 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)들에 공통으로 연결될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제 2 도전형의 불순물 영역(124)들 상에 각각 오믹 전극(132)을 형성한다. 오믹 전극(134)은 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100) 상에도 형성될 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 제 1 도전형의 단결정 패턴(102) 상에 오믹 전극(134)이 형성될 수도 있다.
오믹 전극(132, 134)들은, 하부의 제 2 도전형 불순물 영역(124) 및 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100)과 오믹 접촉(ohmic contact) 특성을 제공할 수 있는 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 오믹 전극(132, 134)들은 도핑된 폴리실리콘막, 금속막, 도전성 금속질화막 또는 금속 실리사이드막으로 형성될 수 있다.
제 2 도전형의 불순물 영역(124)들 상의 오믹 전극(132)들에는, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)들에 전류가 흐르도록, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 양단에 전압차가 제공된다. 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100) 및/또는 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)들 상의 오믹 전극(134)에는, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판 및 패턴(100, 102)과, 제 2 도전형 에피택시얼 패턴(122) 사이에, 역방향 바이어스를 제공하기 위한 전압이 인가된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 나노와이어 센서 소자를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 나노와이어 센서 소자에서는, 소오스 및 드레인 전극(132a, 132b)이 제 2 도전형의 단결정 패턴(122)들 각각의 양끝단에 개별적으로 형성될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 수nm 내지 수십nm의 선폭을 갖는 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴들(122)을 형성한 다음, 각각의 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴들(122) 양끝단에, 제 2 도전형의 불순물 영역들(124a, 124b)을 형성한다. 여기서, 제 2 도전형의 불순물 영역들(124a, 124b)은, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100) 및 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)의 일부에 걸쳐 형성될 수 있다. 그리고, 제 2 도전형의 불순물 영역들(124a, 124b) 각각에 대응하여 오믹 전극들(132a, 132b)이 형성될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 나노와이어 센서 소자는, 바이오 분자(biomolecule)를 검출하는 바이오 센서로 이용될 수 있다. 이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 이에 대해 상세히 설명한다. 본 명세서에서 바이오 분자란 특정 기질을 나타내는 생체 분자로서, 타겟 분자 또는 애널라이트(analytes)와 동일한 의미로 해석된다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노 와이어 센서 소 자를 이용한 바이오 분자 검출 장치를 나타낸 사시도 및 단면도이다. 도 11은 반도체 나노와이어 센서 소자에 프로브 분자가 고정되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 반도체 나노와이어 센서 소자에서, 채널 영역에 해당하는 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122) 상에는 용액들이 공급될 수 있는 유체 채널(200)이 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 유체 채널(200)은 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판으로부터 돌출된 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)과 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122) 상에 형성될 수 있다.
오믹 전극(132, 134)들에 적절한 전압들을 인가한 상태에서, 채널 영역, 즉 제 2 도전형의 불순물 영역들(124) 사이에 위치하는 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에, 검출 대상인 타겟 분자와 결합하는 프로브 분자(151)들이 고정된다.
상세히 설명하면, 소오스 및 드레인 전극(132)들에, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)에 전류 흐름(I)을 발생시킬 수 있는 전압차(V1)를 제공한다. 그리고, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100) 상에 형성된 전극(134)에는, 제 1 도전형의 단결정 반도체 기판(100)과 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)에 역방향 바이어스를 제공하는 전압(V2)을 인가한다.
프로브 분자(151)들은 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에, 직접 혹은 중간매개체 분자로서 유기 분자를 사용하여 고정될 수 있다. 프로브 분자(151)를 고정시키는 방법에 대해서는 도 11을 참조하명 상세히 설명된다.
프로브 분자(151)들은 검출하고자 하는 바이오 분자(즉, 타겟 분자(153))에 따라 단백질, 세포, 바이러스, 또는 핵산일 수 있으며, 단백질의 경우, 항원, 항체, 기질 단백질, 효소, 조효소 등 어떠한 바이오 분자라도 가능하다. 그리고 핵산의 경우, DNA, RNA, PNA, LNA 또는 그들의 혼성체일 수 있다.
이러한 프로브 분자(151)들은 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면뿐만 아니라, 돌출된 제 1 도전형의 단결정 패턴(102) 표면에도 고정될 수 있다. 그러나, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)과, 제 1 도전형의 단결정 패턴(102)에 제공된 역방향 바이어스에 의해, 제 1 도전형의 단결정 패턴(102) 표면에 고정된 프로브 분자(151)들은 채널 영역(즉, 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들(122))에 영향을 주지 못한다.
프로브 분자(151)를 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)들에 고정시킨 다음에는, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122) 표면으로 타겟 분자(153)를 포함하는 용액(150)을 제공한다. 여기서, 용액(150)에는 타겟 분자(153)뿐만 아니라, 프로브 분자(151)들과 결합하지 않는 비특이성(nonspecific) 분자(155)들을 포함할 수 있다.
타겟 분자(또는 애널라이트(analytes); 153)는, 생체로부터 얻어진 것으로 특정 기질을 나타내는 바이오 분자이다. 예를 들어 타겟 분자는 단백질, 핵산, 유기 분자, 무기 분자, 산화물 또는 금속 산화물일 수 있다. 단백질 분자의 경우, 항원, 항체, 기질 단백질, 효소, 조효소 등 어떠한 바이오 분자라도 가능하다. 그리고 핵산의 경우, DNA, RNA, PNA, LNA 또는 그들의 혼성체일 수 있다.
타겟 분자(153)를 포함하는 용액(150)이 제 2 도전형의 에피택시얼 패 턴(122)들로 공급됨에 따라, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)들의 표면에서는 타겟 분자(153)와 프로브 분자(151)가 결합된다.
제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)들의 표면에서, 프로브 분자(151)와 타겟 분자(153)와의 결합은, 핵산 혼성화, 항원-항체 반응, 효소 결합 반응 등 당업계에 알려진 어떠한 결합이라도 가능하다.
프로브 분자(151)와 결합된 타겟 분자(153)는, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에 새로운 양전하 또는 음전하를 제공한다. 이에 따라, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)에 흐르는 전류 값(I)은, 타겟 분자(153)의 순수(net) 전하(양전하 혹은 음전하) 크기에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 프로브 분자(151)와 결합하는 타겟 분자(153)에 따라 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)에 흐르는 전류값(I)을 측정하여, 타겟 분자(153)의 존재 및 양을 검출할 수 있다.
이하, 도 11을 참조하여, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에 프로브 분자를 고정시키는 방법에 대해 상세히 설명한다. 타겟 분자인 전립선특이항원(PSA; prostate specific antigen)을 검출할 수 있는 프로브 분자인, 단클론 전립선특이항체(anti-PSA)를 고정시키는 방법을 예로 들어 설명한다.
도 11을 참조하면, 소오스 및 드레인 전극(132) 사이의 채널 영역에 해당하는 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면은, 프로브 분자(151)가 고정될 수 있도록 표면 처리될 수 있다. 표면 처리된 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에는, 예를 들어, 카르복실기(-COOH), 티올기(-SH), 하이드록실기(-OH), 실란 기, 아민기 또는 에폭시기가 유도될 수 있다.
예를 들어, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에, 산소 플라즈마 애싱(O2 plasma ashing)을 수행하여, 하이드록실기 작용기(-OH)를 형성한다.
하이드록시 작용기가 유도된 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에, 1% 아미노프로필트리에톡시 실란(aminopropyltriethoxy silane, APTES)이 분산된 에탄올 용액을 제공하여, 일정시간 교반한 후, 세척 및 건조시킨다.
이어서, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에, 25wt.% 글루타르알데히드(glutaraldehyde) 용액을 제공하여 알데히드(-CHO) 작용기를 형성한다.
다음으로, 프로브 분자(예를 들어, anti-PSA)를 포함하는 용액을 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면으로 제공하여, 알데히드 작용기와 anti-PSA를 결합시킨다. 이에 따라 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴(122)의 표면에 프로브 분자(151)가 고정될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법을 단계별로 나타낸 도면들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 나노와이어 센서 소자를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 나노 와이어 센서 소자를 이용한 바이오 분자 검출 장치를 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 11은 반도체 나노와이어 센서 소자에 프로브 분자가 고정되는 것을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 제 1 도전형 단결정 반도체 기판
110: 마스크 패턴
102: 제 1 도전형 단결정 패턴
120: 제 2 도전형 에피택시얼층
122: 제 2 도전형 에피택시얼 패턴
124: 제 2 도전형 불순물 영역
132, 134: 오믹 전극
151: 프로브 분자
153: 타겟 분자
Claims (20)
- 제 1 도전형 단결정 반도체 기판을 준비하고,상기 제 1 도전형 단결정 반도체 기판에, 라인 형태의 제 1 도전형 단결정 패턴을 형성하고,상기 제 1 도전형 단결정 패턴의 양측벽에, 제 2 도전형의 에피택시얼 패턴들을 형성하고,상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들의 양끝단에, 소오스 및 드레인 전극을 형성하는 것을 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 도전형 단결정 패턴은 1nm 내지 100nm의 높이로 형성하는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 도전형 단결정 패턴을 형성하는 것은,제 1 도전형 단결정 반도체 기판 상에, 라인 형태의 마스크 패턴을 형성하고,상기 마스크 패턴을 이용하여, 상기 제 1 도전형 단결정 반도체 기판을 리세스하는 것을 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 마스크 패턴은 1㎛ 내지 100㎛의 선폭으로 형성하는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들을 형성하는 것은,상기 제 1 도전형 단결정 반도체 기판 및 상기 제 1 도전형 단결정 패턴의 전면 상에, 에피택시얼 성장 공정을 이용하여 제 2 도전형 에피택시얼층을 형성하고,상기 제 2 도전형 에피택시얼층을 전면 이방성 식각하여, 상기 제 1 도전형 단결정 패턴의 양측벽에, 상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들을 형성하는 것을 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 2 도전형 에피택시얼층은 1nm 내지 100nm의 두께로 성장시키는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소오스 및 드레인 전극을 형성하는 것은,상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들 양끝단에, 제 2 도전형 불순물을 도핑하여 제 2 도전형 불순물 영역들을 형성하고,상기 제 2 도전형 불순물 영역들 상에, 각각 오믹 전극을 형성하는 것을 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제 1 도전형 단결정 반도체 기판 상에, 오믹 전극을 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들의 표면에, 타겟 분자와 결합하는 프로브 분자를 고정시키는 것을 더 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 프로브 분자는 핵산, 세포, 바이러스, 단백질, 유기 분자 및 무기 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 반도체 나노와이어 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 도전형 단결정 반도체 기판;상기 제 1 도전형 단결정 반도체 기판에 형성된 라인 형태의 제 1 도전형 단결정 반도체 패턴;상기 제 1 도전형 단결정 반도체 패턴의 양측벽에 형성된 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들; 및상기 제 2 도전형 에피택셜 패턴들 양단에 형성된 소오스 및 드레인 전극을 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 1 도전형 단결정 패턴의 높이는 1nm 내지 100nm인 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 1 도전형 단결정 패턴의 선폭은 1㎛ 내지 100㎛인 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들의 선폭은 1nm 내지 100nm인 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 11 항에 있어서,상기 소오스 및 드레인 전극은,상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴들 양끝단에 형성된 제 2 도전형 불순물 영역; 및상기 제 2 도전형 불순물 영역 상에 각각 형성된 오믹 전극을 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 15 항에 있어서,상기 제 1 도전형 단결정 반도체 기판 상에 형성된 오믹 전극을 더 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴의 표면에 고정되어 타겟 분자들과 결합하는 프로브 분자들을 더 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 17 항에 있어서,상기 프로브 분자는 핵산, 세포, 바이러스, 단백질, 유기 분자 및 무기 분자로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 17 항에 있어서,상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴에서의 표면 전위는, 상기 프로브 분자들과 결합되는 상기 타겟 분자에 따라 결정되는 반도체 나노와이어 센서 소자.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 1 도전형 단결정 반도체 기판 및 패턴과, 상기 제 2 도전형 에피택시얼 패턴은 역방향 바이어스에 의해 접합 절연되는 반도체 나노와이어 센서 소자.
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