KR100937593B1 - Semiconductor gas sensor device and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 소이(SOI) 실리콘 기판의 단결정 실리콘을 불순물로 도핑하여 가스 센서의 히터로 이용하고 또한 단결정 실리콘을 센서 멤브레인으로 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 도핑된 단결정 실리콘을 히터 및 센서 멤브레인으로 활용하므로써 300℃ 이상의 고온 동작시 열에 의한 스트레스에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 또한 소이 기판을 채택하므로써 히터의 열이 하부 실리콘 벌크로 손실되는 것을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor gas sensor element and a method of manufacturing the same, wherein the single crystal silicon of a SOI silicon substrate is doped with impurities and used as a heater of the gas sensor, and the single crystal silicon is used as a sensor membrane. According to the present invention, the doped single crystal silicon is utilized as a heater and a sensor membrane, thereby improving the durability against heat stress when operating at a high temperature of 300 ° C. or higher. The effect is to minimize the loss to bulk.

반도체 가스 센서, 미세기전집적시스템(MEMS), 실리콘 마이크로 히터 Semiconductor Gas Sensors, Microelectromechanical Systems (MEMS), Silicon Micro Heaters

Description

반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법{SEMICONDUCTOR GAS SENSOR DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}Semiconductor gas sensor device and its manufacturing method {SEMICONDUCTOR GAS SENSOR DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 반도체 가스 센서 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미세기전집적시스템(MEMS) 기술을 이용한 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor gas sensor devices, and more particularly, to a semiconductor gas sensor device using a microelectromechanical integrated system (MEMS) technology and a method of manufacturing the same.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호:2006-S-007-02, 과제명:유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템]The present invention is derived from the research conducted as part of the IT source technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task Management No .: 2006-S-007-02, Task Name: Ubiquitous Health Management Module System]

최근 미세기전집적시스템(Micro Electro Mechanical System)형 가스 센서 기술이 환경에 대한 우리의 중요 인식 전환으로 인해 각광을 받고 있다. 가스 센서에 있어서 감도, 안정성, 선택성이 가스 센서의 성능을 평가 하는데 있어 주요 파라메터이다. 특히, 가열 방식의 가스 센서에 있어서는 안정성의 측면에서 기존의 산화막 또는 절연막의 상하부나 중간에 백금과 같은 금속 히터를 설게 제작하여 히팅하는 방식을 많이 사용하여 왔다.Recently, Micro Electro Mechanical System-type gas sensor technology is in the spotlight due to the shift in our important perception of the environment. For gas sensors, sensitivity, stability, and selectivity are key parameters in evaluating gas sensor performance. In particular, in the heating type gas sensor, a method of manufacturing and heating a metal heater such as platinum on the upper and lower portions or in the middle of an existing oxide film or an insulating film has been frequently used in view of stability.

일반적으로 MEMS형 가스 센서를 운용할 경우, 300℃ 이상의 높은 온도에서 센서를 동작시킨다. 여기서, MEMS형 가스 센서의 문제점으로는 장시간 히팅을 가할 때 열에 대한 내구성이 현저히 떨어져 센서가 결국 파괴되어 버리는 결과를 초래하여 실제 상용화에 있어 큰 걸림돌이 되고 있다. 산화물이나 절연물 멤브레인 위에 백금이나 텅스텐을 히터 재료로 사용한 종래의 MEMS형 가스 센서 방식은 고온 동작시의 열에 대한 내구성의 문제를 거의 대부분 가지고 있으며, 이러한 열적 내구성 문제는 상용화를 이루기 위한 큰 장애로 대두되고 있다.In general, when operating a MEMS type gas sensor, the sensor is operated at a high temperature of 300 ° C or higher. Here, the problem of the MEMS type gas sensor is that the durability against heat is significantly reduced when the heating is applied for a long time, which results in the sensor eventually being destroyed, which is a major obstacle in actual commercialization. Conventional MEMS type gas sensor method using platinum or tungsten as a heater material on oxide or insulator membrane has almost the problem of heat resistance in high temperature operation, which is a big obstacle to commercialization. have.

본 발명은 상술한 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 센서 멤브레인의 열적 내구성이 향상된 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a semiconductor gas sensor device having improved thermal durability of a sensor membrane and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 히터의 열손실을 최소화할 수 있는 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a semiconductor gas sensor device and a method of manufacturing the same that can minimize the heat loss of the heater.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법은 전극으로 활용되는 단결정 실리콘을 히터로 이용하므로써 가스 센서 소자의 열적 내구성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. 더불어, 본 발명에 따른 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법은 SOI 기판을 채택하므로써 히터 열의 벌크로의 손실을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.The semiconductor gas sensor device and the method of manufacturing the same according to the present invention for achieving the above object is characterized in that the thermal durability of the gas sensor device can be improved by using a single crystal silicon used as an electrode as a heater. In addition, the semiconductor gas sensor device and its manufacturing method according to the present invention is characterized by minimizing the loss of the heat of the heater by adopting the SOI substrate.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자는, 상부 실리콘막과 하부 실리콘 벌크 사이에 배치된 산화막과, 상기 하부 실리콘 벌크의 일부가 제거되어 상기 상부 실리콘막의 일부를 노출시키는 캐비티를 포함하는 기판과; 상기 상부 실리콘막으로 구성된 실리콘 히터와; 그리고 상기 실리콘 히터의 상부에 배치된 가스 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.A semiconductor gas sensor device according to an embodiment of the present invention capable of implementing the above characteristics may include an oxide film disposed between an upper silicon film and a lower silicon bulk, and a portion of the lower silicon bulk is removed to expose a portion of the upper silicon film. A substrate comprising a cavity to make; A silicon heater composed of the upper silicon film; And a gas sensor disposed above the silicon heater.

본 일 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 상부 실리콘막은 불순물이 도핑된 도전성의 단결정 실리콘막을 포함할 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of the present exemplary embodiment, the upper silicon film may include a conductive single crystal silicon film doped with impurities.

본 일 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 캐비티는 상기 실리콘 히터의 하부에 형성되어 상기 실리콘 히터를 상기 하부 실리콘 벌크로부터 열적으로 격리시킬 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of the present embodiment, the cavity may be formed under the silicon heater to thermally isolate the silicon heater from the lower silicon bulk.

본 일 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 가스 센서는, 절연막을 사이에 두고 상기 실리콘 히터 상부에 배치된 센서 전극과; 그리고 상기 센서 전극을 피복하는 센서 감응 물질로 구성된 감지막을 포함할 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of the present embodiment, the gas sensor includes: a sensor electrode disposed on the silicon heater with an insulating film interposed therebetween; And a sensing film made of a sensor sensitive material covering the sensor electrode.

본 일 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 가스 센서는, 상기 센서 전극과 상기 감지막 사이에 배치되어 센싱 감도를 향상시키는 센서 씨드막을 더 포함할 수 있다. 상기 센서 씨드막은 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of the present embodiment, the gas sensor may further include a sensor seed film disposed between the sensor electrode and the sensing film to improve sensing sensitivity. The sensor seed layer may include nickel (Ni).

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자는, 실리콘막과 실리콘 벌크와의 사이에 산화막을 갖는 기판과; 상기 기판의 일부를 점유하며, 상기 실리콘막의 일부를 센서 멤브레인으로 활용하는 가스 센서와, 상기 센서 멤브레인을 구성하며 상기 가스 센서에 열을 제공하는 히터를 포함하는 센싱 영역과; 상기 기판의 다른 일부를 점유하며, 상기 실리콘막의 일부가 제거되어 형성된 홈에 의해 상기 센서 영역과 구분되는 주변 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor gas sensor device comprising: a substrate having an oxide film between a silicon film and a silicon bulk; A sensing region occupying a portion of the substrate and including a gas sensor utilizing a portion of the silicon film as a sensor membrane, and a heater constituting the sensor membrane and providing heat to the gas sensor; It occupies another portion of the substrate, characterized in that it comprises a peripheral region that is separated from the sensor region by a groove formed by removing a portion of the silicon film.

본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 센싱 영역은 상기 홈에 의해 상기 주변 영역과 전기적으로 격리되고, 그리고 상기 주변 영역에 의해 둘러싸여 있을 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the sensing region may be electrically isolated from the peripheral region by the groove and surrounded by the peripheral region.

본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 상부 실리콘막은, 상기 센서 영역에 포함되어 상기 히터를 구성하는 불순물이 도핑된 전도성의 단결정 실리콘막과; 그리고 상기 주변 영역에 포함되어 상기 홈에 의해 상기 단결정 실리콘막과 구분되어 상기 단결정 실리콘막을 둘러싸는 주변 실리콘막을 포함할 수 있다.In the semiconductor gas sensor device of this embodiment, the upper silicon film comprises: a conductive single crystal silicon film contained in the sensor region and doped with impurities constituting the heater; And a peripheral silicon film included in the peripheral area and separated from the single crystal silicon film by the groove to surround the single crystal silicon film.

본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 센싱 영역은 상기 히터와 전기적으로 연결된 제1 패드를 포함할 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the sensing region may include a first pad electrically connected to the heater.

본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 주변 영역은 상기 가스 센서와 전기적으로 연결된 제2 패드를 포함할 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the peripheral area may include a second pad electrically connected to the gas sensor.

본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 가스 센서는, 일단은 상기 센싱 영역으로 연장되고 타단은 상기 주변 영역으로 연장된 센서 전극과, 상기 센서 전극의 일단을 피복하는 감지막을 포함하고; 상기 센서 전극의 일단은 다수개로 분기된 가지를 포함하고 상기 센서 전극의 타단은 상기 제2 패드와 연결된 것일 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the gas sensor includes a sensor electrode whose one end extends into the sensing region and the other end which extends into the peripheral region, and a sensing film covering one end of the sensor electrode; One end of the sensor electrode may include a plurality of branches and the other end of the sensor electrode may be connected to the second pad.

본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 가스 센서는 상기 센서 전극과 상기 감지막 사이에 배치되어 센싱 감도를 향상시키는 센서 씨드막을 더 포함할 수 있다. 상기 센서 씨드막은 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the gas sensor may further include a sensor seed layer disposed between the sensor electrode and the sensing layer to improve sensing sensitivity. The sensor seed layer may include nickel (Ni).

본 다른 실시예의 반도체 가스 센서 소자에 있어서, 상기 기판은, 상기 하부 실리콘 벌크의 일부가 제거되어 상기 센싱 영역에 한정 형성되고, 상기 히터를 상기 하부 실리콘 벌크와 열적으로 격리시키는 캐비티를 포함할 수 있다.In another embodiment of the semiconductor gas sensor device, the substrate may include a cavity in which a portion of the lower silicon bulk is removed to be limited to the sensing region and thermally isolate the heater from the lower silicon bulk. .

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소 자의 제조방법은, 단결정 실리콘막과 실리콘 벌크 사이에 산화막이 형성된 기판을 제공하고; 상기 단결정 실리콘막을 전도성의 단결정 실리콘막으로 형성하고; 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 분리시켜, 실리콘 히터와 주변 실리콘막을 형성하고; 상기 실리콘 히터의 상부에 배치되는 가스 센서를 형성하고; 그리고 상기 실리콘 벌크이 일부를 제거하여 상기 실리콘 히터를 상기 실리콘 벌크와 열적으로 격리시키는 캐비티를 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor gas sensor device, comprising: providing a substrate having an oxide film formed between a single crystal silicon film and a silicon bulk; The single crystal silicon film is formed of a conductive single crystal silicon film; Separating the conductive single crystal silicon film to form a silicon heater and a peripheral silicon film; Forming a gas sensor disposed above the silicon heater; And removing the portion of the silicon bulk to form a cavity that thermally isolates the silicon heater from the silicon bulk.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 형성하는 것은 상기 단결정 실리콘막에 불순물을 도핑하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, forming the conductive single crystal silicon film may include doping impurities into the single crystal silicon film.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 전도성 단결정 실리콘막을 분리시키는 것은, 상기 전도성의 단결정 실리콘막 상에 상기 전도성 단결정 실리콘막의 일부를 노출시키는 제1 산화막 패턴을 형성하고; 그리고 상기 제1 산화막 패턴을 마스크로 하는 건식 식각 공정으로 상기 노출된 전도성의 단결정 실리콘막을 제거하여, 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 상기 실리콘 히터와 상기 주변 실리콘막으로 분리시키는 홈을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, separating the conductive single crystal silicon film comprises: forming a first oxide film pattern exposing a portion of the conductive single crystal silicon film on the conductive single crystal silicon film; And removing the exposed conductive single crystal silicon film by a dry etching process using the first oxide film pattern as a mask to form a groove separating the conductive single crystal silicon film into the silicon heater and the peripheral silicon film. have.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 기판은, 상기 실리콘 히터와 상기 가스 센서와 상기 캐비티가 포함되는 센싱 영역과; 그리고 상기 주변 실리콘막이 포함되고, 상기 센싱 영역과는 상기 홈에 의해 격리되어 상기 센싱 영역을 둘러싸는 주변 영역을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, the substrate comprises: a sensing area including the silicon heater, the gas sensor, and the cavity; The peripheral silicon film may be included, and the sensing area may be separated from the sensing area by a recess to surround the sensing area.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 가스 센서를 형성하는 것은, 상기 기판 상에 절연막을 형성하고; 상기 절연막 상에 백금을 증착하여 센서 전극을 형성하고; 그리고 상기 센서 전극을 피복하는 산화아연을 증착하여 감지막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, forming the gas sensor comprises: forming an insulating film on the substrate; Depositing platinum on the insulating film to form a sensor electrode; And forming a sensing layer by depositing zinc oxide covering the sensor electrode.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 가스 센서를 형성하는 것은 상기 센서 전극 상에 니켈을 증착하여 상기 센서 전극과 상기 감지막과의 사이에 센서 씨드막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, the forming of the gas sensor may further include forming a sensor seed film between the sensor electrode and the sensing film by depositing nickel on the sensor electrode. have.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 절연막을 일부 제거하여 상기 실리콘 히터의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하고; 상기 콘택홀을 통해 상기 실리콘 히터와 전기적으로 연결되는 제1 패드를 형성하고; 그리고 상기 절연막 상에 상기 센서 전극과 전기적으로 연결되는 제2 패드를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.A method for manufacturing a semiconductor gas sensor element according to the present embodiment, comprising: removing a portion of the insulating film to form a contact hole exposing a portion of the silicon heater; Forming a first pad electrically connected to the silicon heater through the contact hole; The method may further include forming a second pad on the insulating layer, the second pad being electrically connected to the sensor electrode.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 패드는 상기 센서 전극과 동시에 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, the first and second pads may include forming at the same time as the sensor electrode.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 제1 패드는 상기 실리콘 히터의 상부에 형성하고, 상기 제2 패드는 상기 주변 실리콘막의 상부에 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor device according to the present embodiment, the first pad may be formed on the silicon heater, and the second pad may be formed on the peripheral silicon film.

본 실시예의 반도체 가스 센서 소자의 제조방법에 있어서, 상기 캐비티를 형성하는 것은, 상기 실리콘 벌크 상에 상기 실리콘 벌크의 일부를 노출시키는 제2 산화막 패턴을 형성하고; 상기 제2 산화막 패턴을 마스크로 하는 건식 식각으로 상기 노출된 실리콘 벌크를 제거하여 상기 산화막을 노출시키는 식각홀을 형성하고; 그리고 상기 노출된 산화막을 제거하는 것을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a semiconductor gas sensor element of the present embodiment, forming the cavity comprises: forming a second oxide film pattern exposing a portion of the silicon bulk on the silicon bulk; Forming an etching hole exposing the oxide film by removing the exposed silicon bulk by dry etching using the second oxide pattern as a mask; And removing the exposed oxide film.

본 발명에 의하면, 도핑된 단결정 실리콘을 마이크로 히터 및 센서 멤브레인으로 활용하므로써 300℃ 이상의 고온 동작시 열에 의한 스트레스에 대한 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, SOI 기판을 채택하므로써 히터의 열이 하부 실리콘 벌크로 손실되는 것을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by using the doped single crystal silicon as a micro heater and sensor membrane has an effect that can improve the durability against the stress caused by heat during the high temperature operation of more than 300 ℃. In addition, the use of the SOI substrate has the effect of minimizing the loss of heat from the heater to the lower silicon bulk.

이하, 본 발명에 따른 MEMS 기술을 이용한 반도체 가스 센서 소자 및 그의 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a semiconductor gas sensor device using the MEMS technology and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.Advantages over the present invention and prior art will become apparent through the description and claims with reference to the accompanying drawings. In particular, the present invention is well pointed out and claimed in the claims. However, the present invention may be best understood by reference to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements throughout the various drawings.

(장치 실시예)(Device Example)

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자를 도시한 평면도이다.1 is a plan view illustrating a semiconductor gas sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 반도체 가스 센서 소자(100)는 단결정 실리콘 내에 열산화막이 포함된 이른바 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼와 같은 기판(101)을 포함한 다. 기판(101)은 열산화막을 기준으로 그 상부는 단결정 실리콘으로 구성된 상부 실리콘막(103a,103b)이 포함되고, 그 하부에는 하부 실리콘 벌크(도 16의 104 참조)가 포함될 수 있다. 상부 실리콘막(103a,103b)은 실리콘 마이크로 히터(103a)와 주변 실리콘막(103b)으로 구분될 수 있다. 실리콘 마이크로 히터(103a)는 가스 센서(500)의 멤브레인으로 활용될 수 있다. 기판(101)은 홈(108)에 의해 센싱 영역(A)과 주변 영역(B)으로 전기적 및/또는 구조적으로 구분될 수 있고, 센싱 영역(A)은 주변 영역(B)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다.Referring to FIG. 1, the semiconductor gas sensor device 100 includes a substrate 101 such as a so-called silicon on insulator (SOI) wafer in which a thermal oxide film is included in single crystal silicon. The substrate 101 may include upper silicon layers 103a and 103b formed of single crystal silicon on an upper portion of the thermal oxide film, and a lower silicon bulk (refer to 104 of FIG. 16) below. The upper silicon films 103a and 103b may be divided into a silicon micro heater 103a and a peripheral silicon film 103b. The silicon micro heater 103a may be used as a membrane of the gas sensor 500. The substrate 101 may be electrically and / or structurally divided into the sensing region A and the peripheral region B by the groove 108, and the sensing region A may be surrounded by the peripheral region B. have.

센싱 영역(A)에는 불순물이 도핑되어 전도성을 갖는 단결정 실리콘으로 구성된 실리콘 마이크로 히터(103a)와, 절연막(도 16의 403)을 사이에 두고 실리콘 마이크로 히터(103a) 위에 배치된 가스 센서(500)와, 콘택홀(도 16의 408)을 통해 실리콘 마이크로 히터(103a)와 전기적으로 연결되어 실리콘 마이크로 히터(103a)에 파워를 전달할 수 있는 히터 전극 패드(504)가 포함될 수 있다. 히터 전극 패드(504)에는 가령 금(Au)으로 구성된 본딩 와이어가 접속될 수 있다. 실리콘 마이크로 히터(103a)는 가스 센서(500)의 센싱 감도를 높이기 위해 필요한 온도로 가스 센서(500)를 가열하는 역할과, 가스 센서(500)의 멤브레인 역할을 겸할 수 있다. In the sensing region A, the gas sensor 500 disposed on the silicon micro heater 103a with the silicon micro heater 103a made of single crystal silicon having conductivity and doped with an impurity and an insulating film 403 of FIG. 16 interposed therebetween. And a heater electrode pad 504 electrically connected to the silicon micro heater 103a through the contact hole 408 of FIG. 16 to transfer power to the silicon micro heater 103a. A bonding wire made of, for example, gold (Au) may be connected to the heater electrode pad 504. The silicon micro heater 103a may serve to heat the gas sensor 500 to a temperature necessary to increase the sensing sensitivity of the gas sensor 500 and serve as a membrane of the gas sensor 500.

히터 전극 패드(504)는 백금(Pt) 또는 백금(Pt)/금(Au)과 같은 금속으로 구성될 수 있으며, 가스 센서(500)의 양측으로 각각 하나씩 총 2개가 배치될 수 있다. 가스 센서(500)는 센서 전극(502)과, 센서 전극(502) 상에 배치되는 감지막(702)을 포함할 수 있다. 센서 전극(502)은 가령 2개가 배치될 수 있고, 백금(Pt)이나 알루미늄(Al) 또는 금(Au)과 같은 금속으로 형성할 수 있다. 센서 전 극(502)의 일단은 다수의 가지를 갖는 형태를 가질 수 있다. 센서 전극(502)의 타단은 주변 영역(B)으로 연장되어 센서 전극 패드(506)와 전기적으로 연결된다. 감지막(702)은 센서 감응 물질, 가령 주석(Sn), 아연(Nn), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 이리듐(Ir) 등과 같은 금속의 산화물(MOX)과 같은 반도체 물질로 구성될 수 있다. 센서 전극(502)과 감지막(702) 사이에는 센서 감도를 향상시킬 수 있는 니켈(Ni)과 같은 센서 시드막(도 16의 602)이 더 포함되어 있을 수 있다.The heater electrode pads 504 may be made of metal such as platinum (Pt) or platinum (Pt) / gold (Au), and a total of two heater electrodes 504 may be disposed on each side of the gas sensor 500. The gas sensor 500 may include a sensor electrode 502 and a sensing film 702 disposed on the sensor electrode 502. Two sensor electrodes 502 may be disposed, for example, and may be formed of a metal such as platinum (Pt), aluminum (Al), or gold (Au). One end of the sensor electrode 502 may have a form having a plurality of branches. The other end of the sensor electrode 502 extends to the peripheral area B and is electrically connected to the sensor electrode pad 506. The sensing layer 702 is composed of a sensor sensitive material, for example, a semiconductor material such as tin oxide (Sn), zinc (Nn), titanium (Ti), tungsten (W), iridium (Ir), or a metal oxide (MO X ). Can be. Between the sensor electrode 502 and the sensing layer 702, a sensor seed layer (602 of FIG. 16), such as nickel (Ni), may be further included to improve sensor sensitivity.

주변 영역(B)에는 주변 실리콘막(103b)과, 절연막(도 16의 403)을 사이에 두고 주변 실리콘막(103b) 위에 배치되어 센서 전극(502)의 타단과 전기적으로 연결된 센서 전극 패드(506)를 포함할 수 있다. 주변 실리콘막(103b)은 실리콘 마이크로 히터(103a)와 동일하게 불순물이 도핑되어 전도성을 갖는 단결정 실리콘으로 구성될 수 있다. 센서 전극 패드(506)는 백금(Pt) 또는 백금(Pt)/금(Au)과 같은 금속으로 구성될 수 있으며, 2개의 센서 전극(502) 각각과 연결된 2개가 배치될 수 있다. 센서 전극 패드(506)는 가령 금(Au)으로 구성된 본딩 와이어가 접속될 수 있다.In the peripheral area B, a sensor electrode pad 506 is disposed on the peripheral silicon film 103b with the peripheral silicon film 103b and the insulating film 403 in FIG. 16 interposed therebetween and electrically connected to the other end of the sensor electrode 502. ) May be included. The peripheral silicon film 103b may be made of single crystal silicon having conductivity by being doped with impurities like the silicon micro heater 103a. The sensor electrode pad 506 may be made of a metal such as platinum (Pt) or platinum (Pt) / gold (Au), and two connected to each of the two sensor electrodes 502 may be disposed. The sensor electrode pad 506 may be connected to a bonding wire made of, for example, gold (Au).

상술한 구성요소들은 기판(101)의 일면, 가령 전면에 배치된 것을 설명한 것이다. 기판(101)의 배면에는 실리콘 마이크로 히터(103a)를 하부 실리콘 벌크(도 16의 104 참조)와 열적으로 격리시키는 캐비티(904)가 포함되어 있을 수 있다. 캐비티(904)는 센싱 영역(A)에 한정될 수 있다.The above-described components have been described in that disposed on one surface, for example, the front surface of the substrate 101. The back of the substrate 101 may include a cavity 904 that thermally isolates the silicon micro heater 103a from the lower silicon bulk (see 104 in FIG. 16). The cavity 904 may be defined in the sensing area A. FIG.

본 실시예는 기판(101)으로서 SOI 기판을 채택하고, 단결정 실리콘을 센서 멤브레인 및 히터로 활용하므로써, 가스 센서(500)의 열적 내구성이 향상될 수 있다. In this embodiment, the SOI substrate is adopted as the substrate 101 and the single crystal silicon is used as the sensor membrane and the heater, so that the thermal durability of the gas sensor 500 can be improved.

상기와 같이 구성된 반도체 가스 센서 소자(100)는 다음과 같이 동작할 수 있다. 예를 들어, COx, SOx, HCN 또는 H2S 등과 같은 유해 가스가 가스 센서(500)에 접하게 되면, 가스는 감지막(702)에 흡착되어 가스와 감지막(702)간에 흡착된 가스의 양에 비례하는 전자의 이동이 발생된다. 이때 감지막(702)의 입계에서는 전자 전도에 대하여 포텐셜 베리어(potential barrier)가 형성되어 이것이 전자의 이동을 방해하기 때문에 감지막(702)의 저항값은 변화하게 된다. 이에 따라, 감지막(702)의 저항값을 측정하면 가스의 존재 유무와 농도 등을 검출할 수 있다. 센서 전극(502)은 가스를 흡착함에 따라 발생하는 감지막(702)의 저항값 변화를 외부 회로로 전달한다. 실리콘 마이크로 히터(103a)는 외부로부터 인가된 파워에 따라 가스 센서(500)가 최적의 감도를 나타낼 수 있는 특정 온도까지 상승되도록 열을 발생시킨다.The semiconductor gas sensor device 100 configured as described above may operate as follows. For example, when noxious gas such as COx, SOx, HCN, or H 2 S comes into contact with the gas sensor 500, the gas is adsorbed to the sensing film 702, and the amount of gas adsorbed between the gas and the sensing film 702. The movement of electrons in proportion to is generated. At this time, since a potential barrier is formed to the conduction of electrons at the grain boundary of the detection layer 702 and this hinders the movement of electrons, the resistance of the detection layer 702 is changed. Accordingly, by measuring the resistance value of the sensing film 702, it is possible to detect the presence or absence of gas and the concentration thereof. The sensor electrode 502 transfers a change in resistance value of the sensing film 702 generated by adsorbing gas to an external circuit. The silicon micro heater 103a generates heat such that the gas sensor 500 rises to a specific temperature at which the gas sensor 500 may exhibit optimal sensitivity according to the power applied from the outside.

(방법 실시예)(Method Example)

도 2 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자의 제조방법을 나타내는 것으로, 도 1의 I-I 선을 절개한 공정별 단면도들이다. 2 to 16 illustrate a method of manufacturing a semiconductor gas sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention, which are cross-sectional views illustrating processes of cutting the I-I line of FIG. 1.

도 2를 참조하면, 기판(101)을 준비한다. 기판(101)은 단결정 실리콘층 내에 산화막(106)이 형성된 이른바 SOI(Silicon On Insulator) 구조를 갖는 실리콘 웨이 퍼일 수 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의상 기판(101)을 산화막(106)을 기준으로 그 상하 각각을 단결정 실리콘으로 구성된 상부 실리콘막(102)과 하부 실리콘 벌크(104)로 구분한다. 산화막(106)은 열산화막(thermal SiO2)일 수 있다. 본 실시예에선 SOI 기판(101)을 채택함에 따라 후술한 바와 같이 실리콘 마이크로 히터(도 16의 103a)에서 발생된 열이 하부 실리콘 벌크(104)로 전달되는 것을 산화막(106)이 막을 수 있게 되어 열손실이 최소화될 수 있다. Referring to FIG. 2, a substrate 101 is prepared. The substrate 101 may be a silicon wafer having a so-called silicon on insulator (SOI) structure in which an oxide film 106 is formed in a single crystal silicon layer. In the present specification, for convenience of description, the substrate 101 is divided into an upper silicon film 102 and a lower silicon bulk 104 formed of single crystal silicon based on the oxide film 106. The oxide layer 106 may be thermal SiO 2 . By adopting the SOI substrate 101 in this embodiment, the oxide film 106 can prevent the heat generated from the silicon micro heater (103a in FIG. 16) from being transferred to the lower silicon bulk 104 as described below. Heat loss can be minimized.

도 3을 참조하면, 기판(101)에 대해 불순물, 가령 옥시염화인(phosphorous oxychloride; POCl3)을 도핑한다. 이에 따라, 상부 실리콘막(102)은 인(P)이 도핑된 상부 실리콘막(103)으로 변경되어 전도성을 가지게 된다. 불순물 도핑 공정에 의해 하부 실리콘 벌크(104)의 일부가 인(P)이 도핑된 하부 실리콘막(105)으로 변경될 수 있다. 불순물 도핑 공정에 의해 기판(101)에 생길 수 있는 산화막 등을 가령 불산 수용액을 이용하여 제거하는 공정을 더 진행할 수 있다.Referring to FIG. 3, impurities, such as phosphorous oxychloride (POCl 3 ), are doped onto the substrate 101. Accordingly, the upper silicon film 102 is changed to the upper silicon film 103 doped with phosphorus (P) to have conductivity. A portion of the lower silicon bulk 104 may be changed to the lower silicon layer 105 doped with phosphorus (P) by an impurity doping process. A process of removing an oxide film or the like that may be formed on the substrate 101 by an impurity doping process may be further performed using, for example, an aqueous hydrofluoric acid solution.

도 4를 참조하면, 기판(101)에 대해 산화막 증착 공정을 진행하여 상부 실리콘막(103) 상에 제1 상부 산화막(202)을 형성한다. 여기서의 증착 공정에 의해 하부 실리콘막(105) 상에도 제1 하부 산화막(204)이 형성될 수 있다. 제1 상부 산화막(202) 및 제1 하부 산화막(202,204)은 가령 저온산화막(LTO)으로 형성할 수 있다. 제1 상부 산화막(202)은 상부 실리콘막(103)의 일부를 실리콘 마이크로 히터로 제조하기 위한 패터닝 공정에 소요되는 마스크로 활용하기 위해 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4, an oxide film deposition process is performed on the substrate 101 to form a first upper oxide film 202 on the upper silicon film 103. The first lower oxide layer 204 may also be formed on the lower silicon layer 105 by the deposition process. The first upper oxide film 202 and the first lower oxide films 202 and 204 may be formed of, for example, a low temperature oxide film LTO. The first upper oxide film 202 may be formed to use a portion of the upper silicon film 103 as a mask required for a patterning process for manufacturing a silicon micro heater.

도 5를 참조하면, 제1 상부 산화막(202)을 일부 제거하여 제1 상부 산화막 패턴(202a)을 형성한다. 제1 상부 산화막 패턴(202a)은 가령 포토레지스트 패턴 형성 및 건식 식각 공정을 채택하여 형성할 수 있다. 제1 상부 산화막 패턴(202a)은 후속하는 상부 실리콘막(103)에 대한 식각 공정시 마스크로 활용될 수 있다.Referring to FIG. 5, the first upper oxide layer 202 is partially removed to form the first upper oxide layer pattern 202a. The first upper oxide layer pattern 202a may be formed by, for example, forming a photoresist pattern and a dry etching process. The first upper oxide layer pattern 202a may be used as a mask during an etching process on the subsequent upper silicon layer 103.

도 6을 참조하면, 제1 상부 산화막 패턴(202a)을 마스크로 하는 건식 식각 공정으로 상부 실리콘막(103)의 일부를 제거하여 홈(108)을 형성한다. 홈(108)에 의해 상부 실리콘막(103)은 제1 상부 실리콘막(103a)과 제2 상부 실리콘막(103b)으로 분리될 수 있다. 홈(108)은 폐곡선을 이루며, 홈(108)으로 둘러싸이는 제1 상부 실리콘막(103a)은 실리콘 마이크로 히터로 활용될 수 있다. 이하에선, 편의상 제1 상부 실리콘막(103a)을 실리콘 마이크로 히터로 지칭하고, 제2 상부 실리콘막(103b)을 주변 실리콘막으로 지칭하기로 한다. 홈(108)에 의해 기판(101)은 실리콘 마이크로 히터(103a)를 포함하는 센싱 영역(A)과, 주변 실리콘막(103b)을 포함하는 주변 영역(B)으로 구분될 수 있다.Referring to FIG. 6, a groove 108 is formed by removing a portion of the upper silicon layer 103 by a dry etching process using the first upper oxide layer pattern 202a as a mask. The upper silicon film 103 may be separated into the first upper silicon film 103a and the second upper silicon film 103b by the groove 108. The grooves 108 form a closed curve, and the first upper silicon film 103a surrounded by the grooves 108 may be used as a silicon micro heater. Hereinafter, for convenience, the first upper silicon film 103a will be referred to as a silicon micro heater, and the second upper silicon film 103b will be referred to as a peripheral silicon film. By the groove 108, the substrate 101 may be divided into a sensing region A including the silicon micro heater 103a and a peripheral region B including the peripheral silicon film 103b.

도 7을 참조하면, 습식 식각 공정으로 제1 상부 산화막 패턴(202a)을 제거한다. 습식 식각 공정은 기판(101)을 불산 수용액에 침지시켜 진행할 수 있다. 습식 식각 공정에 의해 제1 하부 산화막(204)도 같이 제거될 수 있다. Referring to FIG. 7, the first upper oxide layer pattern 202a is removed by a wet etching process. The wet etching process may be performed by immersing the substrate 101 in an aqueous hydrofluoric acid solution. The first lower oxide layer 204 may also be removed by a wet etching process.

도 8을 참조하면, 산화막 형성 공정을 진행하여 실리콘 마이크로 히터(103a) 및 주변 실리콘막(103b)을 피복하는 제2 상부 산화막(402)을 형성한다. 본 산화막 형성 공정에 의해 하부 실리콘막(105)을 피복하는 제2 하부 산화막(404)이 같이 형성될 수 있다. 제2 상부 산화막(402) 및 제2 하부 산화막(404)은 가령 저온산화막(LTO)으로 형성할 수 있다. 제2 상부 산화막(402)은 홀(108)을 매립하여 실리콘 마이크로 히터(103a)를 주변 실리콘막(103b)으로부터 전기적으로 격리시킬 수 있다. 제2 하부 산화막(404)은 후술한 바와 같이 패터닝되어 후속하는 캐비티(도 16의 904) 형성을 위한 마스크로 활용될 수 있다.Referring to FIG. 8, an oxide film forming process is performed to form a second upper oxide film 402 covering the silicon micro heater 103a and the peripheral silicon film 103b. The second lower oxide film 404 covering the lower silicon film 105 may be formed together by the present oxide film forming process. The second upper oxide film 402 and the second lower oxide film 404 may be formed of, for example, a low temperature oxide film (LTO). The second upper oxide film 402 may fill the hole 108 to electrically isolate the silicon micro heater 103a from the peripheral silicon film 103b. The second lower oxide layer 404 may be patterned as described below to be used as a mask for forming a subsequent cavity 904 of FIG. 16.

도 9를 참조하면, 제2 상부 산화막(402)의 단차를 없애기 위해 제2 상부 산화막(402)에 대한 화학기계적 연마 공정(CMP)을 진행한다. 이로써, 단차가 제거되어 평탄화된 제2 상부 산화막 패턴(403)이 구현된다. 제2 상부 산화막 패턴(403)은 실리콘 마이크로 히터(103a)를 열적 단열 및 전기적 절연시킬 수 있는 절연막으로 활용될 수 있다. 이하에선 편의상 제2 상부 산화막 패턴(403)을 상부 절연막으로 지칭하기로 한다.Referring to FIG. 9, a chemical mechanical polishing process (CMP) is performed on the second upper oxide layer 402 to eliminate the step of the second upper oxide layer 402. As a result, the second upper oxide layer pattern 403 may be realized by removing the stepped portion. The second upper oxide layer pattern 403 may be used as an insulating layer capable of thermally insulating and electrically insulating the silicon micro heater 103a. Hereinafter, for convenience, the second upper oxide film pattern 403 will be referred to as an upper insulating film.

도 10을 참조하면, 제2 하부 산화막(404)을 선택적으로 제거하여 제2 하부 산화막 패턴(405)을 형성한다. 제2 하부 산화막 패턴(405)은 가령 포토레지스트 패턴 형성 및 건식 식각 공정을 채택하여 형성할 수 있다. 제2 하부 산화막 패턴(405) 형성에 의해 제1 식각홀(407)이 형성되고, 제1 식각홀(407)을 통해 하부 실리콘막(105)은 그 일부가 노출된다. 이러한 제1 식각홀(407)을 정의하는 제2 하부 산화막 패턴(405)은 후속하는 캐비티(904)를 형성하기 위한 식각 공정의 마스크로 활용될 수 있다. 이하에선 편의상 제2 하부 산화막 패턴(405)을 하부 절연막으로 지칭하기로 한다.Referring to FIG. 10, the second lower oxide layer 404 is selectively removed to form a second lower oxide layer pattern 405. The second lower oxide layer pattern 405 may be formed by, for example, forming a photoresist pattern and a dry etching process. The first etching hole 407 is formed by forming the second lower oxide layer pattern 405, and a part of the lower silicon layer 105 is exposed through the first etching hole 407. The second lower oxide layer pattern 405 defining the first etching hole 407 may be used as a mask of an etching process for forming a subsequent cavity 904. Hereinafter, for convenience, the second lower oxide layer pattern 405 will be referred to as a lower insulating layer.

도 11을 참조하면, 상부 절연막(403)을 일부 제거하여 콘택홀(408)을 형성한다. 콘택홀(408)에 의해 실리콘 마이크로 히터(103a)의 일부가 노출된다. 콘택홀(408)은 가령 포토레지스트 패턴 형성 및 건식 식각 공정을 채택하여 형성할 수 있다. 콘택홀(408)은 제1 식각홀(407)을 형성한 이후에, 또는 그 이전에, 또는 동시에 형성할 수 있다.Referring to FIG. 11, the upper insulating layer 403 is partially removed to form the contact hole 408. A portion of the silicon micro heater 103a is exposed by the contact hole 408. The contact hole 408 may be formed by, for example, adopting a photoresist pattern forming method and a dry etching process. The contact hole 408 may be formed after, before, or simultaneously with forming the first etching hole 407.

도 12를 참조하면, 상부 절연막(403) 상에 센서 전극(502)과 센서 전극 패드(506)와 히터 전극 패드(504)를 형성한다. 센서 전극(502)과 히터 전극 패드(504)는 실리콘 마이크로 히터(103a) 상부에 배치되도록 형성하고, 센서 전극 패드(506)는 주변 실리콘막(103b) 상부에 배치되도록 형성한다. 센서 전극 패드(506)는 센서 전극(502)과 전기적으로 연결된다. 히터 전극 패드(504)는 콘택홀(408)을 통해 실리콘 마이크로 히터(103a)와 전기적으로 연결된다. Referring to FIG. 12, the sensor electrode 502, the sensor electrode pad 506, and the heater electrode pad 504 are formed on the upper insulating layer 403. The sensor electrode 502 and the heater electrode pad 504 are formed to be disposed on the silicon micro heater 103a, and the sensor electrode pad 506 is formed to be disposed on the peripheral silicon film 103b. The sensor electrode pad 506 is electrically connected to the sensor electrode 502. The heater electrode pad 504 is electrically connected to the silicon micro heater 103a through the contact hole 408.

센서 전극(502)은 가령 리프트 오프 공정을 채택하여 백금(Pt)이나 알루미늄(Al) 또는 금(Au)과 같은 금속으로 형성할 수 있다. 센서 전극(502)을 형성한 이후, 또는 그 이전에, 또는 동시에 센서 전극 패드(506)을 형성할 수 있다. 일례로서, 리프트 오프 공정을 채택하여 센서 전극(502)과 센서 전극 패드(506)를 동시에 백금(Pt)으로 형성할 수 있다. 센서 전극(502) 및/또는 센서 전극 패드(506)를 형성한 이후에, 또는 그 이전에, 또는 동시에 히터 전극 패드(504)를 형성할 수 있다. 일례로서, 리프트 오프 공정을 채택하여 센서 전극(502)와 센서 전극 패드(506)와 히터 전극 패드(504)를 동시에 백금(Pt)으로 형성할 수 있다. The sensor electrode 502 may be formed of a metal such as platinum (Pt), aluminum (Al), or gold (Au) by adopting a lift-off process. The sensor electrode pad 506 may be formed after, before, or at the same time as forming the sensor electrode 502. As an example, the lift-off process may be adopted to form the sensor electrode 502 and the sensor electrode pad 506 simultaneously with platinum Pt. The heater electrode pad 504 may be formed after, before, or simultaneously with, forming the sensor electrode 502 and / or sensor electrode pad 506. As an example, the lift-off process may be adopted to form the sensor electrode 502, the sensor electrode pad 506, and the heater electrode pad 504 simultaneously with platinum Pt.

도 13을 참조하면, 센서 전극(502) 상에 센서 감응 물질로써 감지막(702)을 형성하여 가스 센서(500)를 구현한다. 바람직하게는, 감지막(702)을 형성하기 이전에 센서 씨드막(602)을 더 형성할 수 있다. 센서 씨드막(602)을 더 형성하게 되면, 이를 형성하지 않은 경우에 비해 기준 센서 저항을 낮추고 또한 일정 가스 농도에 대해 많은 전자의 이동이 나타나게 되어 결과적으로 센서 감도를 향상시킬 수 있다. 센서 씨드막(602)은 일례로 100Å 두께의 니켈(Ni)로 형성할 수 있다. 감지막(702)은 반도체 물질, 일례로 주석(Sn), 아연(Nn), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 이리듐(Ir) 등과 같은 금속의 산화물(MOX)로써 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 산화아연(NnO)으로써 감지막(702)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 13, the sensing film 702 is formed of a sensor sensitive material on the sensor electrode 502 to implement the gas sensor 500. Preferably, the sensor seed film 602 may be further formed before the sensing film 702 is formed. If the sensor seed film 602 is further formed, the reference sensor resistance is lowered compared to the case in which the sensor seed film 602 is not formed, and more electrons move for a certain gas concentration, resulting in improved sensor sensitivity. The sensor seed film 602 may be formed of, for example, nickel (Ni) having a thickness of 100 kHz. The sensing layer 702 may be formed of a semiconductor material, for example, an oxide (MO X ) of a metal such as tin (Sn), zinc (Nn), titanium (Ti), tungsten (W), iridium (Ir), or the like. In this embodiment, the sensing film 702 may be formed of zinc oxide (NnO).

도 14를 참조하면, 센서 전극 패드(506) 상에 금 와이어와의 와이어 본딩이 원활하게 이루어지도록 가령 금(Au)으로 구성된 금속막(806)을 더 형성할 수 있다. 마찬가지 이유로, 히터 전극 패드(504) 상에 금(Au)으로 구성된 금속막(804)을 더 형성할 수 있다. Referring to FIG. 14, a metal film 806 formed of, for example, gold (Au) may be further formed on the sensor electrode pad 506 to smoothly bond wires with the gold wire. For the same reason, a metal film 804 made of gold (Au) can be further formed on the heater electrode pad 504.

도 15를 참조하면, 하부 절연막(405)을 마스크로 하는 건식 식각 공정으로 제1 식각홀(407)에 의해 노출된 하부 실리콘막(105)과 하부 실리콘 벌크(104)를 선택적으로 제거하여 제2 식각홀(902)을 형성한다. 제2 식각홀(902)에 의해 산화막(106)이 노출된다. 산화막(106)은 건식 식각 공정에서 식각 정지층 역할을 할 것이다.Referring to FIG. 15, the lower silicon film 105 and the lower silicon bulk 104 exposed by the first etching hole 407 may be selectively removed in a dry etching process using the lower insulating film 405 as a mask. An etching hole 902 is formed. The oxide layer 106 is exposed by the second etching hole 902. The oxide layer 106 may serve as an etch stop layer in the dry etching process.

도 16을 참조하면, 제2 식각홀(902)을 통해 노출된 산화막(106)을 제거하여 캐비티(904)를 형성하여 반도체 가스 센서 소자(100)를 구현한다. 산화막(106)은 습식 식각 공정을 이용하여 제거할 수 있다. 예를 들어, 기판(101)을 불산 수용액에 침지시켜 산화막(106)을 제거할 수 있다. 이때, 가스 센서(500)와 패드들(504,506)을 비롯한 기판(101)의 전면을 불산 수용액에 의한 손상으로부터 보호 하기 위해 기판(101)의 전면에 보호막, 가령 포토레지스트를 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 16, the cavity 904 is formed by removing the oxide film 106 exposed through the second etching hole 902 to implement the semiconductor gas sensor device 100. The oxide film 106 may be removed using a wet etching process. For example, the oxide film 106 may be removed by immersing the substrate 101 in an aqueous hydrofluoric acid solution. In this case, in order to protect the entire surface of the substrate 101 including the gas sensor 500 and the pads 504 and 506 from damage caused by hydrofluoric acid solution, a protective film such as a photoresist may be formed on the entire surface of the substrate 101.

캐비티(904)는 실리콘 마이크로 히터(103a)에서 발생된 열이 하부 실리콘 벌크(104)를 통해 다른 곳으로 전달되어지는 것을 방지하는 일종의 열적 격리 기능을 가질 수 있다. 또한, 산화막(106)이 포함되어 있어서 실리콘 마이크로 히터(103a)에서 발생된 열이 하부 실리콘 벌크(104)로 손실되는 것이 방지될 수 있다. 이에 따라, 열손실을 최소화하면서 실리콘 마이크로 히터(103a)에서 발생된 열이 가스 센서(500)로 잘 전달될 수 있다.The cavity 904 may have a kind of thermal isolation function that prevents heat generated in the silicon micro heater 103a from being transferred elsewhere through the lower silicon bulk 104. In addition, since the oxide film 106 is included, heat generated in the silicon micro heater 103a can be prevented from being lost to the lower silicon bulk 104. Accordingly, heat generated in the silicon micro heater 103a may be transferred to the gas sensor 500 well while minimizing heat loss.

이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing detailed description is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments, and may be used in various other combinations, modifications, and environments without departing from the spirit of the invention. The appended claims should be construed to include other embodiments.

본 발명은 MEMS 기술을 이용한 가스 센서를 제조하는 산업과, 가스 센서를 이용한 가스를 검출하는 산업에 응용될 수 있다. 더 나아가 본 발명은 U-헬스케어를 비롯한 건강관리 모듈(시스템)과 같은 유비쿼터스 센서 네트워크(USN) 산업에 응용될 수 있다.The present invention can be applied to the industry of manufacturing gas sensors using MEMS technology and the industry of detecting gas using gas sensors. Furthermore, the present invention can be applied to the ubiquitous sensor network (USN) industry, such as healthcare modules (systems) including U-healthcare.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자를 도시한 평면도.1 is a plan view showing a semiconductor gas sensor device according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 가스 센서 소자의 제조방법을 도시한 것으로, 도 1의 I-I 선을 절개한 공정별 단면도.2 to 16 illustrate a method of manufacturing a semiconductor gas sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view of the process taken along line II of FIG. 1.

Claims (24)

상부 실리콘막과 하부 실리콘 벌크 사이에 배치된 산화막과, 상기 하부 실리콘 벌크의 일부가 제거되어 상기 상부 실리콘막의 일부를 노출시키는 캐비티를 갖는 기판과;A substrate having an oxide film disposed between an upper silicon film and a lower silicon bulk, and a cavity from which a portion of the lower silicon bulk is removed to expose a portion of the upper silicon film; 상기 상부 실리콘막으로 구성되고, 파워를 전달받아 열을 발생시키는 실리콘 히터와; 그리고A silicon heater composed of the upper silicon film and generating heat by receiving power; And 상기 실리콘 히터의 상부에 배치되어 상기 실리콘 히터에서 발생된 열을 제공받으며, 센서 전극이 감지막으로 피복되고, 상기 감지막의 저항값 변화로써 가스를 센싱하는 가스 센서를;A gas sensor disposed on an upper portion of the silicon heater to receive heat generated from the silicon heater, the sensor electrode being covered with a sensing film, and sensing a gas by a change in resistance value of the sensing film; 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.Semiconductor gas sensor element comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 상부 실리콘막은 불순물이 도핑된 도전성의 단결정 실리콘막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.And the upper silicon film comprises a conductive single crystal silicon film doped with an impurity. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 캐비티는 상기 실리콘 히터의 하부에 형성되어 상기 실리콘 히터를 상기 하부 실리콘 벌크로부터 열적으로 격리시키는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.And the cavity is formed under the silicon heater to thermally isolate the silicon heater from the lower silicon bulk. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 센서 전극은 절연막을 사이에 두고 상기 실리콘 히터 상부에 배치되고; 그리고The sensor electrode is disposed above the silicon heater with an insulating film interposed therebetween; And 상기 감지막은 상기 센서 전극을 피복하는 센서 감응 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.The sensing film is a semiconductor gas sensor device, characterized in that consisting of a sensor sensitive material covering the sensor electrode. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 가스 센서는:The gas sensor is: 상기 센서 전극과 상기 감지막 사이에 배치되어 센싱 감도를 향상시키는 센서 씨드막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.And a sensor seed film disposed between the sensor electrode and the sensing film to improve sensing sensitivity. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 센서 씨드막은 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.The sensor seed film is a semiconductor gas sensor device, characterized in that containing nickel (Ni). 실리콘막과 실리콘 벌크와의 사이에 산화막을 갖는 기판과;A substrate having an oxide film between the silicon film and the silicon bulk; 상기 기판의 일부를 점유하며, 상기 실리콘막의 일부를 센서 멤브레인으로 활용하는 가스 센서와, 상기 센서 멤브레인을 구성하며 상기 가스 센서에 열을 제공하는 히터를 포함하는 센싱 영역과; 그리고A sensing region occupying a portion of the substrate and including a gas sensor utilizing a portion of the silicon film as a sensor membrane, and a heater constituting the sensor membrane and providing heat to the gas sensor; And 상기 기판의 다른 일부를 점유하며, 상기 실리콘막의 일부가 제거되어 형성된 홈에 의해 상기 센서 영역과 구분되는 주변 영역을;A peripheral region occupying another portion of the substrate and separated from the sensor region by a groove formed by removing a portion of the silicon film; 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.Semiconductor gas sensor element comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 센싱 영역은 상기 홈에 의해 상기 주변 영역과 전기적으로 격리되고, 그리고 상기 주변 영역에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.And the sensing region is electrically isolated from the peripheral region by the groove and surrounded by the peripheral region. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 실리콘막은:The silicon film is: 상기 센서 영역에 포함되어 상기 히터를 구성하는 불순물이 도핑된 전도성의 단결정 실리콘막과; 그리고A conductive single crystal silicon film included in the sensor region and doped with impurities constituting the heater; And 상기 주변 영역에 포함되어 상기 홈에 의해 상기 단결정 실리콘막과 구분되어 상기 단결정 실리콘막을 둘러싸는 주변 실리콘막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.And a peripheral silicon film included in the peripheral area and separated from the single crystal silicon film by the groove to surround the single crystal silicon film. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 센싱 영역은 상기 히터와 전기적으로 연결된 제1 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.The sensing region may include a first pad electrically connected to the heater. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 주변 영역은 상기 가스 센서와 전기적으로 연결된 제2 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.And the peripheral area includes a second pad electrically connected to the gas sensor. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 가스 센서는:The gas sensor is: 일단은 상기 센싱 영역으로 연장되고 타단은 상기 주변 영역으로 연장된 센서 전극과, 상기 센서 전극의 일단을 피복하는 감지막을 포함하고;A sensor electrode having one end extending into the sensing region and the other end extending into the peripheral region and a sensing layer covering one end of the sensor electrode; 상기 센서 전극의 일단은 다수개로 분기된 가지를 포함하고 상기 센서 전극의 타단은 상기 제2 패드와 연결된 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.One end of the sensor electrode comprises a plurality of branches and the other end of the sensor electrode, the semiconductor gas sensor device, characterized in that connected to the second pad. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 가스 센서는:The gas sensor is: 상기 센서 전극과 상기 감지막 사이에 배치되어 센싱 감도를 향상시키는 센서 씨드막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.And a sensor seed film disposed between the sensor electrode and the sensing film to improve sensing sensitivity. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 센서 씨드막은 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.The sensor seed film is a semiconductor gas sensor device, characterized in that containing nickel (Ni). 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 기판은:The substrate is: 상기 실리콘 벌크의 일부가 제거되어 상기 센싱 영역에 한정 형성되고, 상기 히터를 상기 실리콘 벌크와 열적으로 격리시키는 캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스 센서 소자.And a cavity which is partially removed from the silicon bulk and is formed in the sensing region and thermally isolates the heater from the silicon bulk. 단결정 실리콘막과 실리콘 벌크 사이에 산화막이 형성된 기판을 제공하고;Providing a substrate having an oxide film formed between the single crystal silicon film and the silicon bulk; 상기 단결정 실리콘막을 전도성의 단결정 실리콘막으로 형성하고;The single crystal silicon film is formed of a conductive single crystal silicon film; 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 분리시켜, 실리콘 히터와 주변 실리콘막을 형성하고;Separating the conductive single crystal silicon film to form a silicon heater and a peripheral silicon film; 상기 실리콘 히터의 상부에 가스 센서를 형성하고; 그리고Forming a gas sensor on top of the silicon heater; And 상기 실리콘 벌크의 일부를 제거하여 상기 실리콘 히터를 상기 실리콘 벌크와 열적으로 격리시키는 캐비티를 형성하는 것을;Removing a portion of the silicon bulk to form a cavity that thermally isolates the silicon heater from the silicon bulk; 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.A method of manufacturing a semiconductor gas sensor element comprising. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 형성하는 것은:Forming the conductive single crystal silicon film is: 상기 단결정 실리콘막에 불순물을 도핑하는 것을 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.A method of manufacturing a semiconductor gas sensor device comprising doping an impurity into the single crystal silicon film. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 전도성 단결정 실리콘막을 분리시키는 것은:Separating the conductive single crystal silicon film is: 상기 전도성의 단결정 실리콘막 상에 상기 전도성 단결정 실리콘막의 일부를 노출시키는 제1 산화막 패턴을 형성하고; 그리고Forming a first oxide film pattern on the conductive single crystal silicon film to expose a portion of the conductive single crystal silicon film; And 상기 제1 산화막 패턴을 마스크로 하는 건식 식각 공정으로 상기 노출된 전도성의 단결정 실리콘막을 제거하여, 상기 전도성의 단결정 실리콘막을 상기 실리콘 히터와 상기 주변 실리콘막으로 분리시키는 홈을 형성하는 것을;Removing the exposed conductive single crystal silicon film by a dry etching process using the first oxide film pattern as a mask to form a groove separating the conductive single crystal silicon film into the silicon heater and the peripheral silicon film; 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.A method of manufacturing a semiconductor gas sensor element comprising. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 가스 센서를 형성하는 것은:Forming the gas sensor is: 상기 기판 상에 절연막을 형성하고;Forming an insulating film on the substrate; 상기 절연막 상에 백금을 증착하여 센서 전극을 형성하고; 그리고Depositing platinum on the insulating film to form a sensor electrode; And 상기 센서 전극을 피복하는 산화아연을 증착하여 감지막을 형성하는 것을;Depositing zinc oxide covering the sensor electrode to form a sensing film; 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.A method of manufacturing a semiconductor gas sensor element comprising. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 가스 센서를 형성하는 것은:Forming the gas sensor is: 상기 센서 전극 상에 니켈을 증착하여 상기 센서 전극과 상기 감지막과의 사이에 센서 씨드막을 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.Depositing nickel on the sensor electrode to form a sensor seed film between the sensor electrode and the sensing film. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 절연막을 일부 제거하여 상기 실리콘 히터의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하고;Removing a portion of the insulating film to form a contact hole exposing a portion of the silicon heater; 상기 콘택홀을 통해 상기 실리콘 히터와 전기적으로 연결되는 제1 패드를 형성하고; 그리고Forming a first pad electrically connected to the silicon heater through the contact hole; And 상기 절연막 상에 상기 센서 전극과 전기적으로 연결되는 제2 패드를 형성하는 것을;Forming a second pad on the insulating film, the second pad being electrically connected to the sensor electrode; 더 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.A method of manufacturing a semiconductor gas sensor element further comprising. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 제1 및 제2 패드는 상기 센서 전극과 동시에 형성하는 것을 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.And manufacturing the first and second pads at the same time as the sensor electrode. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 제1 패드는 상기 실리콘 히터의 상부에 형성하고, 상기 제2 패드는 상기 주변 실리콘막의 상부에 형성하는 것을 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.And the first pad is formed on the silicon heater, and the second pad is formed on the peripheral silicon film. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 캐비티를 형성하는 것은:Forming the cavity is: 상기 실리콘 벌크 상에 상기 실리콘 벌크의 일부를 노출시키는 제2 산화막 패턴을 형성하고;Forming a second oxide film pattern on the silicon bulk to expose a portion of the silicon bulk; 상기 제2 산화막 패턴을 마스크로 하는 건식 식각으로 상기 노출된 실리콘 벌크를 제거하여 상기 산화막을 노출시키는 식각홀을 형성하고; 그리고Forming an etching hole exposing the oxide film by removing the exposed silicon bulk by dry etching using the second oxide pattern as a mask; And 상기 노출된 산화막을 제거하는 것을;Removing the exposed oxide film; 포함하는 반도체 가스 센서 소자의 제조방법.A method of manufacturing a semiconductor gas sensor element comprising.
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