Gas Sensor Platform Based on Si CMOS Technology

Abstract

Nowadays, indoor and outdoor air pollution due to harmful gases emitted from various industrial fields and means of transportation has been emerged with the progress of industrialization and urbanization. To monitor the atmospheric condition in real time, the development of gas sensing technology is essential, and this technology can be widely utilized in various fields such as disease diagnosis and food freshness check. Therefore, numerous research groups have conducted research and development (R&D) on various types of gas sensors such as optical, electrochemical, and semiconductor-type. Among them, resistive gas sensors, which is a type of semiconductor-type gas sensors, have been reported the most research results thanks to the advantages of simple device structure and manufacturing process. However, the area of the sensors should be increased to obtain the output current required for their operation. On the other hand, field-effect transistor (FET)-based gas sensors are compatible with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process technology, so they can be manufactured in a miniaturized size. Thus, CMOS integrated circuits (IC) such as multiplexers (MUX), analog-to-digital converters (ADC), and gain control amplifier (PGA), and flash memories capable of the read, write, and erase operations can be integrated onto a single substrate using the same manufacturing process. In this dissertation, a gas sensor platform using the conventional silicon (Si) CMOS process technology is proposed. The proposed gas sensor platform can be manufactured with only 10 photomasks, and has a structure in which FET-type gas sensors having a horizontal floating-gate structure (HFGFET-type), thin-film transistor (TFT)-type gas sensors having a bottom gate, and resistive gas sensors are integrated together with polysilicon (poly-Si) gate FETs and flash memories. A micro-heater is formed at the bottom of the sensing layer of the HFGFET-type gas sensor to locally heat the sensing layer to the optimal operating temperature corresponding to target gas. Since the structure of the HFGFET-type gas sensor includes that of the floating-gate MOSFET, the flash memory operation is possible, and thus it can be utilized for calibration of a sensor output signal by changing an operating point. Meanwhile, the gas sensing characteristics of the TFT-type and resistive gas sensors, integrated onto the same substrate, were investigated, and the operability of each sensor was verified. Furthermore, a design optimization guideline of FET-type gas sensors including the HFGFET-type gas sensor is proposed considering of gas sensitivity, noise characteristics, power consumption, and so forth. The electrical characteristics depending on the structure, such as the size and shape of the sensing layer and transducer, were modeled using actual measurements and technology computer-aided design (TCAD) device simulation, and the optimization indicator was designed using the established model. Utilizing the optimized HFGFET-type gas sensor, gas and humidity sensing characteristics were investigated using harmful gases such as nitrogen dioxide (NO2) and hydrogen sulfide (H2S), and the sensing mechanism of the sensor was explained. The proposed gas sensor platform is expected to be mass-produced at a low cost because it is possible to integrate various types of gas sensors and CMOS devices/circuits onto a substrate using the same manufacturing process. In addition, the proposed design optimization guideline of FET-type gas sensors is expected to be very effective and useful in improving their gas sensing characteristics and designing a gas sensor array in the future.

최근 산업화와 도시화의 진행에 따라, 각종 산업 및 운송수단 등으로부터 배출되는 유해 가스에 의한 실내외 대기오염 문제가 대두되고 있다. 대기 상태를 실시간으로 관찰하기 위해서는 가스 감지 기술의 발전이 필수적이며, 본 기술은 질병 진단 및 식품 신선도 확인의 목적 등 다양한 분야에도 널리 활용될 수 있다. 따라서 많은 연구 그룹에서는 광학형, 전기화학형, 반도체형 등의 다양한 종류의 가스 센서에 대해 연구개발을 진행하고 있다. 그 중 반도체형 가스 센서의 일종인 저항형 가스 센서는 소자 구조와 공정 과정이 간단하다는 장점 덕분에 가장 많은 연구 결과가 보고되고 있다. 그러나 동작에 필요한 출력 전류를 얻기 위해서는 센서의 면적이 커져야만 한다. 반면, 전계 효과 트랜지스터 (FET) 기반 가스 센서는 상보형 금속-산화막-반도체 (CMOS) 공정 기술과 호환성이 있으므로, 보다 소형화된 크기로 제작이 가능하며, 곱셈기 (MUX), 아날로그-디지털 변환기 (ADC), 이득 조절 증폭기 (PGA)와 같은 CMOS 집적회로와 읽기, 쓰기, 지우기 연산이 가능한 플래시 메모리를 기판 상에 동일 공정을 사용하여 집적할 수 있다. 본 논문에서는 종래의 실리콘 CMOS 공정 기술을 활용한 가스 센서 플랫폼을 제안한다. 제안한 가스 센서 플랫폼은 10장 이하의 포토마스크만으로 제작이 가능하며, 수평형 플로팅 게이트 구조를 갖는 FET (HFGFET)형, 하단 게이트를 갖는 박막 트랜지스터 (TFT)형, 저항형 가스 센서와 함께 폴리실리콘 게이트 FET 및 플래시 메모리가 집적되어 있는 구조를 갖고 있다. HFGFET형 가스 센서의 감지부 하단에는 마이크로 히터가 형성되어 있어 표적 가스에 해당하는 최적 동작 온도로 감지부를 국소적으로 가열할 수 있고, 플로팅 게이트 MOSFET 구조 덕분에 플래시 메모리 동작이 가능하므로, 동작점 변경을 통한 센서 출력 신호 보정 등에 활용될 수 있다. 한편, 같은 기판에 집적된 TFT형과 저항형 가스 센서의 가스 감지 특성에 대해서 조사하였고, 각 센서에 대한 동작 가능성을 검증하였다. 또한, 가스 반응성, 잡음 특성, 소비 전력 등을 고려하여 HFGFET형 가스 센서를 비롯한 FET형 가스 센서의 구조를 최적화하는 방법에 대해 제안한다. 감지부 및 변환부의 크기, 모양 등의 구조에 따른 전기적 특성을 실제 측정과 티캐드 (TCAD) 소자 시뮬레이션을 사용하여 모델링을 진행하였고, 이를 활용하여 최적화 지표를 설계하였다. 최적화된 HFGFET형 가스 센서의 가스 및 습도 감지 특성에 대해서 이산화질소 (NO2), 황화수소 (H2S) 등의 가스를 사용하여 조사하였고, 본 가스 센서의 감지 기작에 대해서 설명하였다. 제안한 가스 센서 플랫폼은 기판 상에 동일 공정을 사용하여 여러 종류의 가스 센서와 CMOS 소자 및 회로의 집적이 가능하므로, 저가격으로 대량 생산이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 제안한 FET형 가스 센서의 구조 최적화 방법은 센서의 감지 특성 개선 및 추후 가스 센서 어레이 설계에 매우 효과적일 것으로 기대된다.