In this thesis, field-effect transistor (FET) is designed for highly sensitive and stable sensor for label-free detection of biological species. Sensitivity enhancement is investigated by engineering in front-end and back-end process on FET biosensors. Also, FET sensors endurable in electrolyte solution for long time were proposed.
First, surface property of a passivation layer, isolating adjacent interconnection lines, is controlled. The hydrophobic passivation layer dramatically enhances the sensitivity of the underlap-embedded FET when compared with a hydrophilic passivation layer. A thin film of CYTOPTM and silicon nitride is used as the hydro-phobic and hydrophilic passivation layers, respectively. The surface antigen and its specific antibody of the avi-an influenza (AI) virus were employed as the probe and target biomolecule, respectively, to confirm the en-hanced sensitivity of the proposed biosensor. By using hydrophobic passivation layer, the limit of detection of the biosensor was improved up to 100-fold compared with that resulting from hydrophilic passivation layer.
Second, nanoscale FET was investigated. The label-free electrical detection of the binding of antibodies and antigens of AI and human immunodeficiency viruses (HIV) is demonstrated through an underlap-embedded silicon nanowire field-effect transistor (SiNW FET). The proposed sensor was fabricated on a silicon bulk wafer by a top-down process. Specifically, a SiNW was fabricated by a combined isotropic and anisotropic etching, which is one route plasma etching process. The sensor was fabricated by a self-aligned process to the gate with tilted implantation, and it allowed precise control of the underlap region. This was problematic in earli-er underlap-embedded FET fabricated by a conventional gate-last process. As a sensing metric to detect the binding of a targeted antibody, the change of transfer characteristics was traced. The differences between be-fore and after antibody binding results were caused by changes in the channel potential on the underlap region due to the charge effect arising from the biomolecules; this is also supported by a simulation. Furthermore, the multiplex detection of AI and HIV is demonstrated, showing distinctive selectivity in each case.
Last, a SiNW surrounded by a poly-Si gate is demonstrated for the label-free electrical detection of bio-logical and chemical species. The SiNW was fabricated by a top-down process, with the gate dielectric and gate encapsulating the SiNW. Also, separating the sensing region and transducer was suggested for long-term stability. With this design, it showed high sensitivity and enhanced compatibility with state-of-the-art CMOS technology, as well as immunity against electrolyte solutions. We demonstrated the performance of the sensor by detecting pH value, charged polymers and avian influenza (AI) antibody. The proposed sensor promised to be a cost-effective sensor with identical structure with CMOS logic devices.
Thus, proposed sensors have inherent benefits for label-free, electrical, and multiplex detection of bio-molecules. Moreover, its processes are still compatible with commercialized technology presently used to fabri-cate semiconductor devices. This advantage is attractive for those involved in the construction of a point-of-care testing (POCT) system on a chip involving simple, high performance, low-cost and low-risk fabrication pro-cesses of novel structures and materials.
바이오센서는 광학적, 화학적, 전기적 방식을 이용하여 검출하고자 하는 바이오 물질, 즉 DNA, 단백질, 바이러스 등의 유무를 판독하는 센서를 말한다. 전통적인 바이오센서는 광학적, 화학적 방식을 주로 이용하고 있지만 고가의 장비 및 복잡한 실험 등으로 실험실 레벨에서 주로 활용되었다. 근래에 들어서 바이오센서의 보편성을 확보하기 위해 발단된 IT 기술과의 접목으로 이를 전기적인 방식으로 구현하고자 하는 시도가 지속적으로 이루어지고 있다. 실리콘 기반 반도체 소자 제작방식(CMOS 기술)을 이용하여 바이오센서를 제작할 경우 뛰어난 양산성을 바탕으로 센서의 가격을 대폭 낮출 수 있으며, 누구나 집에서 손쉽게 질병을 진단할 수 있는 새로운 패러다임을 열 수 있다. 또한, 반도체 기반 센서와 IT 기술의 접목을 통해 질병 관리 네트워크를 형성하고 폭 넓은 데이터를 확보하여 다양한 질병의 조기 진단 및 질환의 예후 관찰, 원격 진료가 가능해지며, 궁극적으로 인류의 삶의 질 향상에 기여할 수 있다. 본 논문에서는 전계효과 트랜지스터를 기반으로 비표지 방식의 전기적 센서를 제작하고, 센서의 민감도와 안정성을 높이는 설계를 제안, 확인하였다.
민감도를 높이기 위해 CMOS 공정의 back-end와 front-end 관점에서 접근하였다. Under-lap 구조를 갖는 전계효과 트랜지스터를 이용하여 back-end 관점에서는 소자의 passivation 층에 소수성 물질을 적용하고, front-end 관점에서는 채널로 실리콘 나노와이어(silicon nanowire)를 사용하여 각각의 방식이 센서의 민감도를 향상시킴을 확인하였다.
먼저 소자의 passivation층으로 소수성 물질은 CYTOPTM을 사용했을 때, 친수성 물질인 질화 규소를 사용한 경우에 비해 더 큰 전류의 변화가 나타났다. 또한, CYTOPTM을 passivation 층으로 사용한 센서는 질화 규소를 사용한 경우에 비해 100배 더 낮은 농도의 항체를 검출할 수 있었다. 이러한 민감도의 향상은 소수성 표면을 피해 바이오 물질이 친수성 부분인 센싱 영역에 모여 친수성 passivation표면을 갖는 경우에 비해 더 많은 바이오 물질이 센싱 영역에 고정되어 나타나는 것으로 보인다. 이는 금 나노 입자가 결합된 항체를 이용하여 타깃 물질이 센싱 영역에 상대적으로 얼마나 붙었는지를 봄으로써 확인할 수 있었다.
다음으로 소자의 채널을 나노사이즈로 축소하여 전류가underlap 영역에 고정된 바이오 물질에 의해 더 민감하게 변하는 것을 확인하였다. 소자에 사용된 실리콘 나노와이어는 벌크 실리콘 웨이퍼를 기반으로 제작되었으며, 소스와 드레인을 형성하면서 underlap이 형성되는 self-align 방식을 사용해 기존 CMOS 공정과 높은 호환성을 가짐을 보였다. 제안하는 underlap 구조를 갖는 실리콘 나노와이어 소자를 이용하여 조류독감 바이러스와 에이즈 바이러스의 항체를 검출하였다.
기존의 전계효과 트랜지스터 기반 바이오센서들은 채널에 타깃 물질이 고정되고, 이를 위해 전해질 등에 드러나 있었다. 이는 높은 민감도를 약속하지만, 전해질 속의 다양한 이온들에 의해 특성이 나빠지고, 센서의 특성을 떨어트렸다. 이러한 배경 하에서 채널을 산화 규소(silicon diox-ide)와 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)으로 감싸는 구조의 나노와이어 트랜지스터 바이오센서가 제안되었다. 이는 기존에 사용되는 CMOS 소자와 동일한 구조를 갖기 때문에 신호처리부와 바이오센서가 하나의 칩에 집적이 가능하며, 기존의 반도체 장비 및 시설을 그대로 활용하여 질 좋은 바이오센서를 양산할 수 있을 것으로 예상된다.
새로운 구조의 바이오센서는 나노와이어를 다결정 실리콘이 완전히 감싸는 gate-all-around 구조를 갖는다. 제안된 센서는 실리콘 벌크 기판 상에서 제작되었으며, 나노와이어의 폭은 15 nm로 확인되었다. 전해질에 12시간 이상 센서를 노출시키고 센서의 동작을 확인했을 때, 안정적으로 동작함을 확인하였다. 또한, 다결정 실리콘 센싱 영역에 전하 성질을 띠는 물질이 붙을 경우, 전류의 변화가 나타났다. 이를 이용해 조류독감 바이러스의 항체를 표지과정 없이 전기적으로 검출하였다.
여기에 더해, 바이오 물질이 반응하는 영역인 실리콘 나노와이어 트랜지스터 영역과 바이오 물질이 결합하는 센싱 영역을 분리하여 실리콘 나노와이어 트랜지스터를 전해질에 노출되지 않고 보호하고자 하였다. 나노와이어를 감싸는 다결정 실리콘을 확장하여 센싱 영역을 설정하였고, 이 센싱 영역만 전해질 등에 노출되고 나노와이어 트랜지스터는 passivation 층으로 보호하는 구조를 제안하였다. 센서를 전해질에 72시간 이상 노출하였을 때, 나노와이어 트랜지스터를 보호한 경우 subthreshold swing이 약 7.4% 변한 데 비해 나노와이어 트랜지스터를 노출한 경우 88.3% 이상 변한 것을 확인하였다. 이를 통해 트랜지스터 영역과 센싱 영역을 분리함으로써 전해질 속 이온 등에 의해 소자의 특성이 변하는 것을 막을 수 있음을 보였다. 또한 확장된 다결정 실리콘 센싱 영역을 갖는 소자가 노출된 용액의 pH에 따라 문턱 전압이 달라짐을 관찰하였다. 더 나아가 제안된 소자를 이용해 다양한 농도의 조류 독감 바이러스의 항체를 검출하였다.
이상에서와 같이 본 연구에서 제안하는 전계효과 트랜지스터 기반 바이오센서의 설계를 이용해 IT와 BT 융합을 통한 새로운 질병 진단 시스템의 구축이 기대된다. 이를 통해 새로운 산업의 형성과 더 나아가서 인류의 삶의 질 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
