A Si FET-type Gas Sensor with Pulse-driven Localized Micro-heater for Low Power Consumption

Abstract

Gas sensor technology plays a very important role in improving the quality of human life. Gas sensors are used not only to detect various harmful gases that cause air pollution and sick house syndrome, but also to diagnose diseases and to check the freshness of food materials. Four representative types of gas sensors are resistor-type, optical, electrochemical, and field effect transistor (FET)-type gas sensors. Among them, resistor-type gas sensor is the most studied type. Resistive sensors have a simple structure and are fabricated using a simple process, but they have a large sensing area in order to obtain a sufficient current level for operation. On the other hand, thanks to their CMOS compatibility, FET-type gas sensors can be fabricated in a very small size and can be integrated with CMOS integrated circuits (ICs) using the same fabrication process on the same wafer. In this dissertation, a Si FET-type gas sensor with a horizontal floating-gate is fabricated by using conventional MOSFET fabrication process. The fabricated gas sensor features a micro-heater formed under the sensing part. Every gas reaction between a target gas and a sensing material has its own optimal operating temperature. In order to control the operating temperature, gas sensors are equipped with micro-heaters in general. Since resistor-type sensors have a large sensing area, the size of micro-heater should also be large and thus they consume high power to heat the sensing layer. However, the fabricated gas sensor is designed to have a very small sensing area and a small-sized micro-heater so that the power consumption is low. The micro-heater is composed of heavily-doped poly-Si and is formed simultaneously with the poly-Si floating-gate without an additional photomask. An air gap is formed under the micro-heater in order to prevent the heat generated by the micro-heater from being dissipated. The air gap exists only in the vicinity of the sensing part, and is designed for the heat not to affect the FET of the sensor. Furthermore, a method to read the temperature of micro-heater by measuring its resistance and a pulse operation scheme for gas-sensing are also proposed. Zinc oxide (ZnO) grown by atomic deposition method (ALD) is used as a sensing material and nitrogen dioxide (NO2) and hydrogen sulfide (H2S) are successfully detected at low power by using a pulse-driven micro-heater in the fabricated gas sensor.

가스 센서 기술은 인간 삶의 질을 향상시키는 데에 매우 중요한 역할을 한다. 가스 센서는 대기 오염 및 새집증후군의 원인이 되는 여러 유해한 가스들을 감지할 뿐만 아니라, 질병을 진단하기 위한 의학적 용도 혹은 식자재들의 신선도를 확인하는 용도로도 쓰인다. 가스 센서의 종류로는 대표적으로 저항형, 광학, 전기화학 그리고 전계 효과 트랜지스터(FET)형이 있으며, 그 중 저항형 센서에 대한 연구가 가장 많이 수행되고 있다. 저항형 센서는 구조가 단순하고 공정 과정이 간단하다는 장점이 있으나, 동작에 필요한 충분한 전류 레벨을 얻기 위해서 면적이 큰 단점이 있다. 반면, FET형 가스 센서는 CMOS 공정 기술을 접목할 수 있어 매우 작은 크기로 제작이 가능하고, CMOS 집적 회로와 같은 웨이퍼 상에 동일 공정을 사용하여 집적될 수 있다. 본 논문에서는 종래의 MOSFET 공정 방식을 이용하여 수평형 플로팅 게이트를 갖는 실리콘 FET형 가스 센서를 제작하였다. 제작된 가스 센서는 감지부 하단의 마이크로 히터를 특징으로 한다. 가스와 감지 물질 간의 반응에는 각각마다 반응이 최대가 되는 온도가 존재한다. 이 온도를 조절하기 위해, 일반적으로 가스 센서에는 마이크로 히터가 내장된다. 종래의 저항형 센서는 감지부의 면적이 크므로 이를 가열하기 위해 마이크로 히터의 면적이 크고 전력 소모도 크다. 하지만, 제작된 가스 센서는 감지부 및 마이크로 히터의 면적이 매우 작게 설계되어 전력 소모도 작다. 고농도로 도핑된 폴리실리콘이 마이크로 히터의 재료로 사용되었고, 추가적인 포토마스크 없이 플로팅 게이트와 동시에 형성되었다. 또한, 마이크로 히터에 의해 발생되는 열의 손실을 줄이기 위해 마이크로 히터의 하단에 공기 층을 형성하였다. 공기 층은 감지부 주변에만 존재하며, 열이 센서의 FET에는 영향을 주지 않도록 설계되었다. 본 논문에서는 마이크로 히터 자체의 저항 측정을 통해 마이크로 히터의 온도를 읽을 수 있는 방법을 제시하였다. 가스 감지 물질로는 산화 아연(ZnO)이 사용되었고, 제작된 가스 센서에 펄스 작동 방법을 적용하여 저전력으로 이산화질소(NO2) 및 황화수소(H2S) 가스가 감지된다는 것을 검증하였다.