(57)【要約】      （修正有）【課題】ナノ物質をトランジスタのチャネルに利用するバイオセンサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】バイオセンサ１０は、絶縁膜と、絶縁膜内の第１および第２信号線と、絶縁膜上の半導体ナノ構造物であって、一側が第１信号線１５０に、他側が第２信号線１６０に各々電気的に接続された半導体ナノ構造物、および半導体ナノ構造物上にカップリングされた複数のプローブと、を含み、ＤＮＡプローブ、酵素や抗体／抗原，バクテリオロドプシン（ｂａｃｔｅｒｉｏｒｈｏｄｏｐｓｉｎ）などのような蛋白質プローブ、微生物プローブ、神経細胞プローブなどを含む多様なプローブを含むバイオセンサに適用されうる。【選択図】図１
2009075103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜と、
前記絶縁膜内の第１および第２信号線と、
前記絶縁膜上の半導体ナノ構造物であって、一側が前記第１信号線に、他側が前記第２信号線に各々電気的に接続された半導体ナノ構造物、および
前記半導体ナノ構造物上にカップリングされた複数のプローブと、を含むバイオセンサ。
【請求項２】
前記絶縁膜は、表面がリセスされたリセス領域を含み、前記半導体ナノ構造物は前記リセス領域に配置されている請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記絶縁膜は、２以上の層間絶縁膜を含み、前記第１信号線および前記第２信号線は少なくとも一つの層間絶縁膜を介して互いに絶縁されている請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記２以上の層間絶縁膜のうち少なくとも一つを貫いて前記半導体ナノ構造物の一側と前記第１信号線を電気的に接続する第１コンタクト、および
前記２以上の層間絶縁膜のうち少なくとも一つを貫いて前記半導体ナノ構造物の他側と前記第２信号線を電気的に接続する第２コンタクトと、をさらに含む請求項３に記載のバイオセンサ。
【請求項５】
前記第１コンタクトと前記半導体ナノ構造物の一側を連結して前記第１コンタクトより幅が大きい第１コンタクトパッド、および
前記第２コンタクトと前記半導体ナノ構造物の他側を連結して前記第２コンタクトより幅が大きい第２コンタクトパッドと、をさらに含む請求項４に記載のバイオセンサ。
【請求項６】
前記第２層間絶縁膜内に前記ナノ構造物と絶縁され、前記第１および第２信号線と交差するゲートラインをさらに含む請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項７】
前記半導体ナノ構造物の表面上のコーティング膜をさらに含む請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項８】
前記半導体ナノ構造物上の表面活性層をさらに含む請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項９】
記半導体ナノ構造物は、ナノワイヤー、ナノチューブおよびナノパーティクルのうち少なくとも一つを含む請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項１０】
前記半導体ナノ構造物は、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、およびＣのうち少なくとも一つを含む請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項１１】
前記半導体ナノ構造物は、コアおよびコアを囲む少なくとも一つのセルを含む多重ナノ構造物である請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項１２】
基板上に半導体ナノ構造物を配置し、
前記半導体ナノ構造物上に絶縁膜であって、内部に前記半導体ナノ構造物の一側と接続された第１信号線、および前記半導体ナノ構造物の他側と接続された第２信号線を含む絶縁膜を形成し、
前記基板を除去して前記半導体ナノ構造物を露出し、
前記露出した半導体ナノ構造物上に複数のプローブをカップリングすることを含むバイオセンサの製造方法。
【請求項１３】
前記基板を除去することは、前記基板を研磨または溶融させることを含む請求項１２に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項１４】
前記絶縁膜を形成することは、前記半導体ナノ構造物上に下部層間絶縁膜を形成して、前記下部層間絶縁膜上に第１信号線を形成して、前記第１信号線上に上部層間絶縁膜を形成して、前記上部層間絶縁膜上に第２信号線を形成することを含む請求項１２に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項１５】
前記絶縁膜は、前記下部層間絶縁膜を貫いて前記半導体ナノ構造物の一側と前記第１信号線を電気的に接続する第１コンタクト、および
前記上部層間絶縁膜および前記下部層間絶縁膜を貫いて前記半導体ナノ構造物の他側と前記第２信号線を電気的に接続する第２コンタクトと、を含む請求項１４に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項１６】
前記絶縁膜は、内部に前記ナノ構造物と絶縁され、前記第１および第２信号線と交差するゲートラインをさらに含む請求項１２に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項１７】
前記半導体ナノ構造物を配置することは、コーティング膜が形成された半導体ナノ構造物を配置することである請求項１２に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項１８】
前記半導体ナノ構造物は、ナノワイヤー、ナノチューブおよびナノパーティクルのうち少なくとも一つを含む請求項１２に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項１９】
前記半導体ナノ構造物は、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、およびＣのうち少なくとも一つを含む請求項１２に記載のバイオセンサの製造方法。
【請求項２０】
前記半導体ナノ構造物は、コアおよびコアを囲む少なくとも一つのセルを含む多重ナノ構造物である、請求項１２に記載のバイオセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオセンサおよびその製造方法に関するものであって、より詳細にはナノ物質をトランジスタのチャネルに利用するバイオセンサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオセンサは、プローブにバイオ試料を提供して、プローブとバイオ試料との間の反応が起きるのか否かを観察することによって、バイオ試料の具体的な成分を分析する。バイオ試料分析の具体的な方法のうち一つは蛍光分析方法である。具体的に説明すれば、他の塩基配列を有するプローブを対応するバイオセンサのセルに固定し、蛍光物質で表示されたバイオ試料を提供する。ハイブリダイゼーション反応などによっていくつかのセルではバイオ試料がプローブと結合して蛍光物質が残留される。以後、スキャナーを通してスキャニングして蛍光物質が残留するセルを把握する。把握されたセルに固定されたプローブからバイオ試料の成分を確定する。
【０００３】
しかし、蛍光分析によるバイオ試料の分析は、蛍光物質の表示、スキャニング分析などの追加的な過程が必要であるため、分析時間が相対的に長い。さらには、蛍光物質から放出される光を正確に収集して分析することも容易ではない。
【特許文献１】韓国登録特許０７０２５３１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これに、本発明が解決しようとする課題は、実効的なバイオ分析が可能であり、かつ、分析時間が短縮されたバイオセンサを提供しようとすることにある。
【０００５】
本発明が解決しようとする他の課題は、実効的なバイオ分析が可能であり、かつ分析時間が短縮されたバイオセンサの製造方法を提供しようとすることにある。
【０００６】
本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解できるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の一実施形態によるバイオセンサは、絶縁膜と、前記絶縁膜内の第１および第２信号線と、前記絶縁膜上の半導体ナノ構造物であって、一側が前記第１信号線に、他側が前記第２信号線に各々電気的に接続された半導体ナノ構造物、および前記半導体ナノ構造物上にカップリングされた複数のプローブと、を含む。
【０００８】
前記他の課題を解決するための本発明の一実施形態によるバイオセンサは、基板上に半導体ナノ構造物を配置し、前記半導体ナノ構造物上に絶縁膜であって、内部に前記半導体ナノ構造物の一側と連結された第１信号線、および前記半導体ナノ構造物の他側と連結された第２信号線を含む絶縁膜を形成し、前記基板を除去して前記半導体ナノ構造物を露出し、前記露出した半導体ナノ構造物上に複数のプローブをカップリングすることを含む。
【０００９】
その他実施形態の具体的な事項は詳細な説明および図に含まれている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によるバイオセンサによれば、蛍光分析などの追加的な工程なしで、バイオセンサ内で信頼性あるバイオ試料の分析が可能であり、かつ分析時間が短縮されることを可能とするバイオセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の利点、特徴、およびそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述される実施形態を参照すると明確になるだろう。しかし、本発明は以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現されることが可能である。本実施形態は、単に本発明の開示が完全になるように、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に対して発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範囲によってのみ定義される。図面において層および領域のサイズおよび相対的なサイズは説明の明瞭性のために誇張されたものでありうる。
【００１２】
素子（ｅｌｅｍｅｎｔｓ）または層が、他の素子または層の「上（ｏｎ）」と称されるものは他の素子または層の真上だけでなく、中間に他の層または他の素子を介在した場合をすべて含む。一方、素子が「直接の上（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｏｎ）」または「真上」と称されるのは、中間に他の素子または層を介在しないものを示す。「および／または」は言及されたアイテムの各々および一つ以上のすべての組合せを含む。
【００１３】
空間的に相対的な用語である「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」などは、図面に図示されているように一つの素子または構成要素と異なる素子または構成要素との相関関係を容易に記述するために使用されてもよい。空間的に相対的な用語は図面に図示されている方向に加えて、使用時または動作時素子の互いに異なる方向を含む用語として理解されなければならない。明細書全体を通して同一の参照符号は同一の構成要素を称する。
【００１４】
本明細書で記述する実施形態は本発明の理想的な概略図である平面図および断面図を参照して説明する。したがって、製造技術および／または許容誤差などによって例示図の形態が変形されうる。したがって、本発明の実施形態は図示された特定形態に制限されるものではなく、製造工程によって生成される形態の変化も含むものである。したがって、図面に例示した領域は概略的な属性を有し、図面に例示した領域の模様は素子の領域の特定形態を例示するためのものであり、発明の範疇を制限するためのものではない。
【００１５】
本発明の実施形態によるバイオセンサはバイオ試料に含まれている生体分子（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を分析することによって、遺伝子発現プロファイル  （ｇｅｎｅ  ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）、遺伝子型分析（ｇｅｎｏｔｙｐｉｎｇ）、ＳＮＰ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ  Ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ）のような突然変異（ｍｕｔａｔｉｏｎ）および多形（ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ）の検出、蛋白質およびペプチド分析、潜在的な薬のスクリーニング、新薬開発と製造などの際に用いられる。バイオセンサは、分析しようとするバイオ試料の対象によってそれに合うプローブ（ｐｒｏｂｅ）を採用する。バイオセンサに採用されるプローブの例はＤＮＡプローブ、酵素や抗体／抗原、バクテリオロドプシン  （ｂａｃｔｅｒｉｏｒｈｏｄｏｐｓｉｎ）などのように蛋白質プローブ、微生物プローブ、神経細胞プローブなどを含む。チップ形態で製造されたバイオセンサはバイオチップとも称される。例えば、各々採用されるプローブの種類によってＤＮＡチップ、蛋白質チップ、細胞チップ、ニューロンチップなどでも称されうる。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサは、プローブとしてオリゴマープローブを含みうる。前記オリゴマープローブは採用されるプローブのモノマー数がオリゴマー水準であることを暗示する。ここで、オリゴマーとは、共有結合された２つ以上のモノマー（ｍｏｎｍｅｒ）から成るポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）中、分子量が概ね１０００以下のものを称する意味で使用されうる。具体的に約２〜５００個のモノマー、好ましくは５〜３０個のモノマーを含むものでありうる。しかし、オリゴマープローブの意味が前記数値に制限されるものではない。
【００１７】
オリゴマープローブを構成するモノマーは、分析対象となるバイオ試料の種類によって変形可能であり、たとえば、ヌクレオシド、ヌクレオチド、アミノ酸、ペプチドなどでありうる。
【００１８】
ヌクレオシドおよびヌクレオチドは公知のプリンおよびピリジン塩基を含むだけではなく、メチル化されたプリンまたはピリジン、アシル化されたプリンまたはピリジンなどを含みうる。また、ヌクレオシドおよびヌクレオチドは従来のリボースおよびデオキシリボース糖を含むだけではなく、一つ以上のヒドロキシル基がハロゲン原子または脂肪族に置換されるか、エーテル、アミンなどの官能基が結合した変形された糖を含み得る。
【００１９】
アミノ酸は自然で発見されるアミノ酸のＬ−、Ｄ−、および非キラル（ｎｏｎｃｈｉｒａｌ）型アミノ酸だけでなく修飾アミノ酸（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ａｍｉｎｏ  ａｃｉｄ）、またはアミノ酸類似体（ａｎａｌｏｇ）などでありうる。
【００２０】
ペプチドとは、アミノ酸のカルボキシル基と異なるアミノ酸のアミノ基との間のアミド結合によって生成された化合物を称する。
【００２１】
特別に言及がなければ、以下の実施形態で例示的に想定されるプローブはＤＮＡプローブであって、約５〜３０個のヌクレオチドのモノマーが共有結合されたオリゴマープローブである。しかし、本発明がそれに制限されるものではなく、当然、前述した多様なプローブが適用されうる。
【００２２】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態によるバイオセンサの概略的なレイアウトである。図２Ａおよび図２Ｂは、図１のアクティブ領域を構成する例示的な半導体ナノ構造物を説明するための概略的な平面図である。
【００２４】
図１を参照すると、本発明の実施形態によるバイオセンサ１０は少なくとも一つのアクティブ領域（ＡＲ）、および第１および第２信号線１５０，１６０と、を含む。
【００２５】
アクティブ領域（ＡＲ）は、半導体ナノ構造物が占有する。すなわち、半導体ナノ構造物はアクティブ領域（ＡＲ）に限定されて配置される。半導体ナノ構造物は、半導体ナノ物質（素材）から成る構造物である。半導体ナノ物質の例は、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、Ｃなどを含むか、これらの組合せを含みうる。さらに、ナノ構造物はコア（ｃｏｒｅ）、およびコアを囲む少なくとも一つのシェル（ｓｈｅｌｌ）を含む多重ナノ構造物でありうる。適用可能な多重ナノ構造物の例は、Ｇｅから成るコアとＳｉから成るシェルを含む二重ナノ構造物を含む。
【００２６】
ナノ構造物は直径または厚さがナノスケールである構造物、例えば、数ナノメートルから数十ナノメートルの構造物を称する。前記観点でナノ構造物は例えば、ナノスケールのナノワイヤー、ナノチューブ、およびナノパーティクルのうち少なくとも一つを含みうる。
【００２７】
アクティブ領域（ＡＲ）は、例えば、長方形、隅が丸い実質的長方形、楕円などの形状で形成されている。アクティブ領域（ＡＲ）を占有する半導体ナノ構造物はこれに制限されるものではないが、少なくとも一方向、例えば長辺または長軸方向（図１の第１方向（ｘ））への半導体的通電の特性を有する。半導体的通電の特性を有するとは、印加される電圧または電流条件に応じて電流が流れるトランジスタのチャネルとして作用しうることを意味する。
【００２８】
例えば、図２Ａに例示的に示す通り、複数の半導体ナノワイヤー１１０または半導体ナノチューブはアクティブ領域（ＡＲ）で長さ方向がアクティブ領域（ＡＲ）の長辺方向（ｘ）に沿って配置され、長辺方向（ｘ）に１次元の半導体的通電の特性を示しうる。図２Ｂに例示的に示す通り、アクティブ領域（ＡＲ）に半導体ナノパーティクル１１０Ｐが集団化（ｃｌｕｓｔｅｒ）して配置された場合には２次元の半導体的通電の特性を有しうる。
【００２９】
第１信号線１５０および第２信号線１６０は、各々所定の方向に延長されている。例えば、第１信号線１５０と第２信号線１６０は、各々アクティブ領域（ＡＲ）を横切って互いに平行に（例えば、第１方向（ｘ）に）延長されうる。第１信号線１５０と第２信号線１６０は、互いにオーバーラップしないことが、後述するコンタクトとの接触によるこれら短絡を防止するところに有利でありうる。第１信号線１５０は、チャネル（すなわち、半導体ナノ構造物）にソース電流を提供するソースラインであり、第２信号線１６０はチャネルからドレーン電流を検出するドレーンラインでありうる。
【００３０】
第１信号線１５０は半導体ナノ構造物の一側と電気的に接続されて、第２信号線１６０は半導体ナノ構造物の他側と電気的に接続される。バイオセンサ１０が第１方向（ｘ）に沿って配列された複数のアクティブ領域（ＡＲ）を含む場合、第１信号線１５０は各アクティブ領域（ＡＲ）内に配置される各半導体ナノ構造物の一側に電気的に接続されて、第２信号線１６０は各アクティブ領域（ＡＲ）内に配置される各半導体ナノ構造物の他側に電気的に接続される。
【００３１】
第１信号線１５０と半導体ナノ構造物の電気的接続は、第１コンタクト１５１によって媒介される。第２信号線１６０と半導体ナノ構造物の電気的接続は、第２コンタクト１６２によって媒介される。
【００３２】
一方、半導体ナノ構造物が図２Ａに示す通り、複数のナノワイヤー１１０またはナノチューブを含み形成される場合、これらは１次元の半導体的通電特性のみを示す。すなわち、第１方向（ｘ）にだけ半導体的通電特性を有し、第２方向（ｙ）には半導体的通電特性がないか微小である。
【００３３】
第１信号線１５０および第２信号線１６０は一つのアクティブ領域（ＡＲ）の上を同時に通る。第１コンタクト１５１が第１信号線１５０にだけコンタクトし、第２コンタクト１６２が第２信号線１６０にだけコンタクトするようにするため、第１および第２信号線１５０，１６０の幅と各コンタクト１５１，１６２の第２方向（ｙ）の幅を制限することが好ましい。前記観点から、第１信号線１５０の幅と位置、および第１コンタクト１５１の幅と位置はアクティブ領域（ＡＲ）を第１方向（ｘ）に二分する中心線（Ｃ）の上側（アクティブ領域（ＡＲ）から上側の半分以下に対応）に制限されなければならない限界がある。
【００３４】
同様に、第２信号線１６０の幅と位置および、第２コンタクト１６２の幅と位置は中心線（Ｃ）の下の方（アクティブ領域（ＡＲ）から下の方の半分以下に対応）に制限されなければならない。仮に、複数の半導体ナノワイヤーまたは半導体ナノチューブが第１方向（ｘ）と正確に平行に形成されていれば、第１コンタクト１５１を通して第１信号線１５０に接続することと同時に第２コンタクト１６２を通して第２信号線１６０と接続されている半導体ナノワイヤーまたは半導体ナノチューブは存在しない。結局、これらの間の電気的接続は第２方向（ｙ）への半導体的通電特性に依存するようになる。しかし、前述したように、第２方向（ｙ）への通電の特性が殆どないか、微小であり、したがってこれらの間に電気的流れが発生しにくい。
【００３５】
コンタクト１５１，１６２と連結される付近であるアクティブ領域（ＡＲ）の両側での第２方向（ｙ）通電特性を充分に確保するため、アクティブ領域（ＡＲ）の一側および他側には各々第２方向（ｙ）への幅を充分にカバーできるコンタクトパッド（Ｆ、１４２）が提供されうる。例えば、コンタクトパッド１４１，１４２はアクティブ領域（ＡＲ）の第２方向（ｙ）の幅より同じであるか、より大きく、一側および他側を各々完全にカバーきるように形成される。コンタクトパッド１４１，１４２が長方形の形状で形成されれば、前記必要とする領域のすべてをカバーし、同時に隣接するプローブセル間の工程マージンを確保することができる。
【００３６】
結果的に、第１信号線１５０と半導体ナノ構造物の一側間の電気的接続は第１コンタクト１５１および第１コンタクトパッド１４１が担当する。したがって、たとえ第１コンタクト１５１の幅（または直径）が制限されるとしても、第１コンタクトより幅（または直径）が大きい第１コンタクトパッド１４１がアクティブ領域（ＡＲ）内のすべての半導体ナノワイヤーまたは半導体ナノチューブの一側と電気的に接続する。したがって、第１コンタクトパッド１４１を通して、第１信号線１５０と半導体ナノ構造物の一側間のより確実な電気的接続が担保されうる。第２信号線１６０と半導体ナノ構造物の他測間の電気的接続は第２コンタクト１６２および第２コンタクトパッド１４２が担当するようになり、前述した第１信号線１５０の議論が同様に適用される。
【００３７】
仮に、アクティブ領域（ＡＲ）に集団化されたナノパーティクルが配置された場合、２次元の半導体的通電特性を示すため、コンタクトパッド１４１，１４２の必要性は減少する。しかし、この場合でも抵抗減少およびコンタクト担保のためにコンタクトパッド１４１，１４２の適用は意味がある。
【００３８】
図１のレイアウトに明確に図示しなかったが、各アクティブ領域（ＡＲ）には複数のプローブ（図１１の２００参照）がカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）されている。プローブ２００はアクティブ領域（ＡＲ）で半導体ナノ構造物と直接または活性層（図１１の１２０または図１２の１９１参照）および／またはリンカー（図１１の２０１参照）を媒介してカップリングされる。互いに異なるアクティブ領域（ＡＲ）には互いに異なるプローブ（例えば、塩基配列が互いに異なるプローブ）がカップリングされる。各アクティブ領域（ＡＲ）はプローブセル（ｐｒｏｂｅ  ｃｅｌｌ）を構成する。アクティブ領域（ＡＲ）の数はプローブセルの数を表す。
【００３９】
プローブ２００にバイオ試料がハイブリダイゼーションなどの反応で結合されると、半導体ナノ構造物の表面電荷値に差が生じ、半導体ナノ構造物のコンダクタンス（ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）が変わる。すなわち、プローブ２００に対象バイオ試料の結合の有無によって半導体ナノ構造物は特定コンダクタンスを示し、この差は半導体ナノ構造物の両側に電気的に接続された第１信号線１５０および第２信号線１６０を通して判読されうる。したがって、蛍光分析などの追加的な過程を経なくても、バイオセンサ１０内で信頼性のあるバイオ試料の分析が可能である。また、分析時間が短縮される長所がある。
【００４０】
いくつかの実施形態は第２方向（ｙ）に延長されてアクティブ領域（ＡＲ）の中央部を通るゲートライン１３０をさらに含みうる。ゲートライン１３０は、第１信号線１５０（ソースライン）、第２信号線１６０（ドレーンライン）および半導体ナノ構造物（チャネル）と共にトランジスタを構成する。ゲートライン１３０によって提供されるしきい電圧はさらに正確で細かい反応の可否の判読を可能とする。さらに、ゲートライン１３０はマトリックス形状で配列された多数のアクティブ領域（ＡＲ）のうちいずれか一つの列（または行）を選択し、これを体系的に分析するのに役に立つ。しかし、ゲートライン１３０は省略してもよい。
【００４１】
以下、前述した例示的なレイアウトを有する本発明のさらに多様な実施形態によるバイオセンサの断面構造を説明する。以下の実施形態では半導体ナノ構造物としてＳｉなどの半導体ナノ物質から成るナノワイヤーを使用した場合が例示される。しかし、Ｓｉナノワイヤーは、当然、他の多様な半導体ナノ構造物で置換されうる。各実施形態によるバイオセンサは、その製造方法に対する説明と共に説明される。図１のレイアウトは各断面図を説明するのに共に参考となる。
【００４２】
図３は、本発明のいくつかの実施形態に適用されるナノワイヤーの斜視図である。図４〜図１０は、本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサを製造する例示的な方法を説明するための断面図であり、図１１はそれによって製造されたバイオセンサの断面図である。
【００４３】
先ず、図３を参照すると、単結晶相（ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｐｈａｓｅ）のナノワイヤー１１０を成長させる。ナノワイヤー１１０の成長長さは後続エッチング工程によって一部除去またはパターニングされても各アクティブ領域（ＡＲ）でチャネルとしての機能を効果的に果たすことができるようにアクティブ領域（ＡＲ）の長方向幅より大きいのが好ましい。例えば、アクティブ領域（ＡＲ）の長方向の幅より約１０倍以上の長さを有するように成長させることができる。
【００４４】
続いて、各ナノワイヤー１１０の表面にコーティング膜１２０を形成する。コーティング膜１２０の形成はナノワイヤー１１０の成長に続きインサイツ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で行うことができる。コーティング膜１２０はナノワイヤー１１０の安全性確保または保護機能、チャネル方向以外の方向に隣接するナノワイヤー１１０間の電気的流れ防止機能、リンカーおよび／またはプローブをカップリングするための活性層としての機能、およびゲート絶縁膜としての機能のうち少なくとも一つを実行するために形成する。
【００４５】
コーティング膜１２０の安全性確保または保護機能は、所定の厚さおよび所定の強度の多様な膜によって果たすことができる。
【００４６】
隣接するナノワイヤー１１０間の電気的流れ防止は、チャネル方向に効率的な電気的流れを正常化することに有効であり、コーティング膜１２０を絶縁物質で形成することによって行われることができる。
【００４７】
コーティング膜１２０を活性層として機能するようにするためにはコーティング膜１２０をリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含む物質で形成する。プローブ２００がオリゴマーであるＤＮＡプローブ（すなわち、オリゴヌクレオチドプローブ）である場合、前記ＤＮＡプローブおよび／またはそれに結合されるリンカー２０１とカップリングできる官能基としては、ヒドロキシル基、アルデヒド基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基、チオール基、ハロ基またはスルホン酸基などがある。したがって、コーティング膜１２０は前述した官能基を含む物質、例えば、ＰＥ−ＴＥＯＳ膜、ＨＤＰ酸化膜またはＰ−ＳｉＨ４酸化膜、熱酸化膜、自然酸化膜、パッド酸化膜などのシリコン酸化膜、ハフニウムシリケート、ジルコニウムシリケートなどのシリケート、シリコン酸窒化膜、ハフニウム酸窒化膜、ジルコニウム酸窒化膜などの金属酸窒化膜、チタニウム酸化膜、タンタル酸化膜、アルミニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、ＩＴＯなどの金属酸化膜、またはポリスチレン、ポリアクリル酸、ポリビニルなどのポリマーで形成することができる。
【００４８】
コーティング膜１２０をゲート絶縁膜として機能するようにするためには、コーティング膜１２０を絶縁特性を有する物質で形成する。例えば、シリコン酸化膜や高誘電率酸化膜で形成する。高誘電率酸化膜は前述した金属酸化膜などが例示されうる。
【００４９】
前記列挙されたコーティング膜の多様な機能はコーティング膜を例えば、シリコン酸化膜や金属酸化膜で形成することによって同時に果たすことができる。適用可能な実施形態の例は、ナノワイヤー１１０の成長後インサイツ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）でナノワイヤー１１０の表面にコーティング膜１２０として熱酸化膜を形成することを含む。しかし、これに制限されるものではないのはもちろんである。
【００５０】
図４を参照すると、コーティング膜１２０でコーティングされた複数のナノワイヤー１１０をＬＢ（Ｌａｎｇｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）法またはフロー（ｆｌｏｗ）方式を用いて基板１００上に配列する。
【００５１】
基板１００は研磨（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）または溶融などによって除去可能になるものが用いられる。例えば、研磨によって除去可能な半導体ウェハ基板、石英、ガラスなどの透明基板が用いられるか、高温（例えば、約４００℃）で溶融可能なプラスチック基板が用いられうる。しかし、適用可能な基板１００が前記例示に制限されないことは自明である。
【００５２】
複数のナノワイヤー１１０は基板１００上に例えば、すべて第１方向（ｘ）の延長方向（長さ方向）を有しつつ密集して配列される。いくつかの実施形態で、複数のナノワイヤー１１０はバンドル（ｂｕｎｄｌｅ）形状で配列される。
【００５３】
一方、ナノワイヤー１１０の代わりにナノパーティクルを適用する場合には基板上にナノパーティクルを供給し、熱処理などの方法でこれらを集団化（ｃｌｕｓｔｅｒ）する。
【００５４】
続いて、アクティブ領域（ＡＲ）を定義するマスクパターン（例えば、フォトレジストパターン）を形成して、これをエッチングマスクで用いて基板１００上のナノワイヤー１１０をエッチングする。アクティブ領域（ＡＲ）は長方形、楕円形または隅が丸い長方形形状でありうる。ナノワイヤー１１０のエッチングは例えば、乾式エッチングで行われる。前記エッチングの結果、アクティブ領域（ＡＲ）内にだけ選択的に複数のナノワイヤー１１０が平行するように密集して配列される。ナノワイヤー１１０の長さ方向は第１方向（ｘ）である。
【００５５】
図５を参照すると、基板の全面（ｗｈｏｌｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）にナノワイヤー１１０を覆うように導電性物質を含むゲート導電層を形成してパターニングして、各アクティブ領域（ＡＲ）を第２方向（ｙ）に通るゲートライン１３０を形成する。ゲートライン１３０とアクティブ領域（ＡＲ）の交差領域、言い換えればゲートライン１３０とナノワイヤー１１０のオーバーラップ領域で、コーティング膜１２０（すなわち、コーティング膜１２０の上部領域）はゲートライン１３０とナノワイヤー１１０を絶縁するゲート絶縁膜の役割を果たすことができる。
【００５６】
図６を参照すると、ゲートライン１３０が形成された基板１００上に第１層間絶縁膜１８１を形成する。第１層間絶縁膜１８１はリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含まない物質、例えば、シリコン窒化膜で形成することが後続プローブ２００のカップリング時、有利なこともある。
【００５７】
続いて、第１層間絶縁膜１８１に対するパターニング工程を行い、ナノワイヤー１１０の両側をオープンする。パターニング工程は乾式エッチングで行われうる。オープン領域１４１ｈ、１４２ｈは図１に図示されたように第２方向（ｙ）に沿って、すべてのナノワイヤー１１０の一側および他側を露出するように形成される。この時、オープンされたナノワイヤー１１０上のコーティング膜１２０も共に除去されて、ナノワイヤー１１０が直接露出するようにする。第２方向（ｙ）に第１および第２信号線１５０，１６０とワイヤー間１１０のより完全な電気的接続を担保するために、オープン領域１４１ｈ、１４２ｈはナノワイヤーの両側から外側方向に所定のマージン（ｍａｒｇｉｎｅ）ほどさらに拡張されて形成されうる。
【００５８】
図７を参照すると、導電性物質でオープン領域１４１ｈ、１４２ｈを埋めたてして、ナノワイヤー１１０の一側上の第１コンタクトパッド１４１およびナノワイヤー１１０の他側上の第２コンタクトパッド１４２を形成する。前述したオープン領域１４１ｈ、１４２ｈの形状から第１コンタクトパッド１４１および第２コンタクトパッド１４２は活性領域（ＡＲ）の第２方向（ｙ）の幅をすべてカバーしつつ、下部のナノワイヤー１１０と電気的に接続できることを理解できるであろう。
【００５９】
本発明のいくつかの変形実施形態によれば、第１コンタクトパッド１４１および第２コンタクトパッド１４２はシングルダマシン（ｓｉｎｇｌｅ  ｄａｍａｓｃｅｎｅ）工程を用いてゲートライン１３０と共に（同時に）形成されることもある。これに対する具体的な適用例は本技術分野の当業者ならば容易に理解または類推できるものであるため、その説明を省略する。
【００６０】
図８を参照すると、図７の結果の上面に第２層間絶縁膜１８２を形成する。続いて、第２層間絶縁膜１８２をパターニングして第１コンタクトパッド１４１を露出する第１コンタクトホール１５１ｈを形成する。この時、第１コンタクトホール１５１ｈは主に図１のレイアウト上のアクティブ領域（ＡＲ）を第１方向（ｘ）に二分する中心線（Ｃ）の上側に位置するように形成するのが好ましい。次に、導電性物質で第１コンタクトホール１５１ｈを埋めたてして、第２層間絶縁膜１８２を貫く第１コンタクト１５１を完成する。続いて、導電性物質を積層してパターニングして第１信号線１５０を形成する。この時、第１信号線１５０は第１コンタクト１５１とコンタクトし、中心線（Ｃ）の上側に限定される幅を有しつつ、第１方向（ｘ）に延長されるように形成するのが好ましい。形成された第１信号線１５０は第１コンタクト１５１および第１コンタクトパッド１４１を通してアクティブ領域（ＡＲ）に位置する大部分のナノワイヤー１１０の一側と電気的に接続することができる。
【００６１】
図９を参照すると、第１信号線１５０上に第３層間絶縁膜１８３を形成する。続いて、第３層間絶縁膜１８３および下部の第２層間絶縁膜１８２をパターニングして第２コンタクトパッド１４２を露出する第２コンタクトホール１６２ｈを形成する。この時、第２コンタクトホール１６２ｈは主に図１のレイアウト上のアクティブ領域（ＡＲ）のセンターラインの下側に位置するように形成するのが第２層間絶縁膜１８２と第３層間絶縁膜１８３の間に形成されている第１信号線１５０の露出を防止するためには好ましい。さらに、導電性物質で第２コンタクトホール１６２ｈを埋めたてして第３層間絶縁膜１８３および第２層間絶縁膜１８２を貫く第２コンタクト１６２を完成する。続いて、導電性物質を積層してパターニングして第２信号線１６０を形成する。第２信号線１６０は第２コンタクトとコンタクトし、中心線（Ｃ）の下方に限定される幅を有しつつ、第１方向（ｘ）に延長されるように形成するのが好ましい。形成された第２信号線１６０は第２コンタクト１６２および第２コンタクトパッド１４２を通してアクティブ領域（ＡＲ）に位置する大部分のナノワイヤー１１０の他側と電気的に接続することができる。
【００６２】
第２信号線１６０は第１信号線１５０とは異なる層に形成されるため、その間に介在する第３層間絶縁膜１８３によって基本的に互いに絶縁される。一方、図面では便宜上、第１信号線１５０とおよび第２信号線１６０を一つの断面図に図示したが、図１のレイアウトから分かるように、平面図上でこれらは互いにオーバーラップされない。すなわち、第２方向に互いに異なる位置にある。第１コンタクト１５１と第２コンタクト１６２の場合も同様である。したがって、第２信号線１６０に接続された第２コンタクト１６２は第１信号線１５０とコンタクトしない。以上から、第２信号線１６０と第１信号線１５０は互いに電気的に絶縁できることを理解できるであろう。
【００６３】
続いて、第２信号線１６０を覆うパッシベーション膜１８４を形成する。パッシベーション膜１８４は絶縁膜で形成することができる。
【００６４】
図１０を参照すると、基板１００を除去する。基板１００に半導体ウェハ基板、石英、ガラスなどの透明な基板を用いた場合、研磨などの方法で除去することができる。基板１００としてプラスチック基板を用いた場合、高温で熱処理して基板１００を除去することができる。図１０は基板１００を除去した後、残留する中間構造物を逆さにした状態を示す。したがって、前述した上下の方向は以後の段階から逆さになることが予想できるであろう。図１０に示す通り、基板１００の除去後逆さになった中間構造物の表面はコーティング膜１２０が露出されている第１領域および第１層間絶縁膜１８１が露出されている第２領域を含む。この時、第１領域と第２領域の表面は平坦でありうる。前述したようにコーティング膜１２０をリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含む物質で形成し、第１層間絶縁膜１８１をリンカーおよび／またはプローブとカップリングできる官能基を含まない物質で形成すれば、第１領域と第２領域は表面にリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含むか否かによる区分と一致する。官能基を含むか否かによって第１領域はプローブセルが形成される領域となり、第２領域は各プローブセルを区分するプローブセル分離領域となる。
【００６５】
続いて、第１領域に露出されたコーティング膜１２０にリンカー２０１および／またはプローブ２００を選択的にカップリングし、図１１に示した通りのバイオセンサ１１を完成する。カップリング前段階として、コーティング膜１２０の表面をリンカー２０１および／またはプローブ２００と容易に反応するように変形するためにオゾン処理（ｏｚｏｎｏｌｙｓｉｓ）、酸処理、塩基処理などのような表面処理を実行することができる。例えば、硫酸および過酸化水素の混合物であるピラニア（Ｐｉｒａｎｈａ）溶液、フッ化水素酸、水酸化アンモニウム、またはＯ２プラズマを用いて表面処理を行う。
【００６６】
リンカー２０１とプローブ２００のカップリングは本技術分野に広く公知されたフォトリソグラフィ技術を利用して行われうる。例えば、光解離性基（未図示）で保護されたリンカー２０１をコーティング膜１２０にカップリングする。そして、各アクティブ領域（ＡＲ）別に選択的に露光して光解離性基を除去した後、露光されたアクティブ領域（ＡＲ）上のリンカー２０１に光解離性基で保護されたプローブ用モノマーを合成する。以後、同じな段階を繰り返して、各アクティブ領域（ＡＲ）別に互いに異なる配列を有するプローブを合成する。リンカー２０１および／またはプローブ２００のカップリングはさらに多様な方法で行うことができ、これに対する具体的な説明は本技術分野に広く公知されているため、省略する。一方、リンカー２０１は省略してもよく、この場合プローブ２００がコーティング膜１２０に直接カップリングされる。
【００６７】
図１１のバイオセンサ１１は第１層間絶縁膜１８１、第２層間絶縁膜１８２、第３層間絶縁膜１８３およびパッシベーション膜１８４を含む絶縁膜をベース（ｂａｓｅ）とする。第１および第２信号線１５０，１６０は絶縁膜１８１〜１８４内に位置し、絶縁膜１８１〜１８４上にはナノワイヤー１１０が位置する。ナノワイヤー１１０上には複数のプローブ２００がカップリングされる。
【００６８】
図１１の上下関係を基準として見るとき、第１信号線１５０は第３層間絶縁膜１８３上に位置し、第２信号線１６０はパッシベーション膜１８４上に位置する。図５〜図９の上下関係とともに総合して考慮すれば、第１信号線１５０は第２層間絶縁膜１８２と第３層間絶縁膜１８３との間に、第２信号線１６０は第３層間絶縁膜１８３とパッシベーション膜１８４との間に位置することが分かる。
【００６９】
また、絶縁膜１８１〜１８４を基準として見るとき、ナノワイヤー１１０およびコーティング膜１２０が位置する領域で絶縁膜１８１〜１８４は表面がリセス（ｒｅｃｅｓｓ）されていることが分かる。すなわち、ナノワイヤー１１０およびコーティング膜１２０は絶縁膜のリセスされた領域上に配置されていることが分かる。
【００７０】
図１２〜図１６は本発明の他の実施形態によるバイオセンサの断面図である。
【００７１】
図１２のバイオセンサ１２はコーティング膜１２０の露出された表面に表面活性層１９１がさらに形成されている場合を例示する。表面活性層１９１はリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含む物質から成る。本実施形態はコーティング膜１２０がリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含まないか、その数が微小な場合、ナノワイヤー１１０上に選択的なプローブ２００のカップリングを企てるために適用されうる。コーティング膜１２０の上に表面活性層１９１を形成するのはコーティング膜１２０を形成する物質と第１層間絶縁膜１８１を形成する物質の差異に基づいて、選択的に蒸着する方法を用いたり、第１層間絶縁膜１８１の前面に表面活性層１９１を形成してこれをパターニングしたりすることによって形成することができる。
【００７２】
図１３のバイオセンサ１３は第１層間絶縁膜１８１上にキャッピング膜パターン１９２が形成されている場合を例示する。キャッピング膜パターン１９２はリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含まない物質から成る。本実施形態は第１層間絶縁膜１８１がリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を少なくとも微量でも含む場合、前記官能基によるリンカー２０１および／またはプローブ２００のカップリングノイズを防止するために適用されうる。キャッピング膜パターン１９２は第１層間絶縁膜１８１とコーティング膜１２０上の前面にキャッピング膜１９２を形成し、これをパターニングして、第１層間絶縁膜１８１上に（図１０の第２領域参照）だけ選択的に残留させることによって形成することができる。
【００７３】
図１４および図１５のバイオセンサ１４，１５はナノワイヤー１１０が表面にコーティング膜を含まない場合を例示する。ナノワイヤー１１０とゲートライン１３０との間には絶縁性を維持するためのゲート絶縁膜１２１が介在する。ゲート絶縁膜１２１はゲートライン１３０と実質的に同一なパターンを有する。ナノワイヤー１１０がリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含む場合、図１４に示す通り、プローブ２００はリンカー２０１を媒介し、または直接ナノワイヤー１１０にカップリングすることができる。ナノワイヤー１１０がリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含まない場合には図１５に示す通り、ナノワイヤー１１０の上に表面活性層１９１が形成される。図１５を参照すると、バイオセンサ１５はナノワイヤー１１０上の表面活性層１９１を含む。表面活性層１９１は、リンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含む物質で形成される。本実施形態はコーティング膜１２０がリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含みうる。表面活性層１９１はナノワイヤー１９１がリンカー２０１および／またはプローブ２００とカップリングできる官能基を含まないか、その数が微小な場合、有利なこともある。ナノワイヤー１１０（またはコーティング膜１２０）の上に表面活性層１９１を形成するのはコーティング膜１２０を形成する物質および第１層間絶縁膜１８１膜を形成する物質の差異に基づいて表面活性層１９１を選択的に蒸着する方法を用いるか、第１層間絶縁膜１８１の前面に表面活性層１９１を形成してこれをパターニング形成することができる。
【００７４】
図１６は、ゲートライン１３０が省略されている場合を例示する。ゲートライン１３０が省略される場合、ゲート絶縁膜１２１も不必要である。図１６ではコーティング膜１２０も省略されており、プローブ２００がリンカー２０１を媒介して、ナノワイヤー１１０に直接カップリングされた場合を図示する。ただし、この場合にも前述した多様な実施形態で議論したようにコーティング膜１２０が形成されることもでき、ナノワイヤー１１０の上に表面活性層１９１が形成されることもできる。
【００７５】
以上で説明した多様な実施形態は互いに組合わせて適用されうるのは自明である。
【００７６】
以上添付された図面を参照し、本発明の実施形態について説明したが、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明を、その技術的思想や必須の特徴を変更しない範囲で、他の具体的な形態において実施されうることを理解することができる。したがって、上記実施形態はすべての面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明のバイオセンサは、ＤＮＡプローブ、酵素や抗体／抗原，バクテリオロドプシン（ｂａｃｔｅｒｉｏｒｈｏｄｏｐｓｉｎ）などのような蛋白質プローブ、微生物プローブ、神経細胞プローブなどを含む多様なプローブを含むバイオセンサに適用されうる。しかし、これに限定するものではなく、本発明の実施形態によるバイオセンサは多様な形態のバイオセンサに適用されうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施形態によるバイオセンサの概略的なレイアウトである。
【図２Ａ】図１のアクティブ領域を構成する例示的な半導体ナノ構造物を説明するための概略的な平面図である。
【図２Ｂ】図１のアクティブ領域を構成する例示的な半導体ナノ構造物を説明するための概略的な平面図である。
【図３】本発明のいくつかの実施形態に適用されるナノワイヤーの斜視図である。
【図４】本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサを製造する例示的な方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサを製造する例示的な方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサを製造する例示的な方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサを製造する例示的な方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサを製造する例示的な方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサを製造する例示的な方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明のいくつかの実施形態によるバイオセンサを製造する例示的な方法を説明するための断面図である。
【図１１】図４ないし図１０の方法で製造されたバイオセンサの断面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態によるバイオセンサの断面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態によるバイオセンサの断面図である。
【図１４】本発明の他の実施形態によるバイオセンサの断面図である。
【図１５】本発明の他の実施形態によるバイオセンサの断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態によるバイオセンサの断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
Ｃ    中心線
１０    バイオセンサ
１３０    ゲートライン
１４１、１４２    コンタクトパッド
１５０    第１信号線
１５１    第１コンタクト
１６０    第２進号線
１６２    第２コンタクト
【図１】
2009075103.tif 000003
【図２Ａ】
2009075103.tif 000004
【図２Ｂ】
2009075103.tif 000005
【図３】
2009075103.tif 000006
【図４】
2009075103.tif 000007
【図５】
2009075103.tif 000008
【図６】
2009075103.tif 000009
【図７】
2009075103.tif 000010
【図８】
2009075103.tif 000011
【図９】
2009075103.tif 000012
【図１０】
2009075103.tif 000013
【図１１】
2009075103.tif 000014
【図１２】
2009075103.tif 000015
【図１３】
2009075103.tif 000016
【図１４】
2009075103.tif 000017
【図１５】
2009075103.tif 000018
【図１６】
2009075103.tif 000019