KR102046014B1 - 하이브리드형 수소센서, 그 제조 방법 및 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드형 수소센서, 그 제조 방법 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 하이브리드형 수소센서는 i) 반도체 기판, ii) 반도체 기판에 형성된 금속산화물 반도체 센서, iii) 금속산화물 반도체 센서와 이격되고, 반도체 기판에 형성된 저항 센서, 및 iv) 금속산화물 반도체 센서 및 저항 센서와 이격되고, 반도체 기판 위에 위치한 온도 센서를 포함한다.
Description
본 발명은 하이브리드형 수소센서, 그 제조 방법 및 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 저농도의 수소와 고농도의 수소를 함께 감지할 수 있는 하이브리드형 수소센서, 그 제조 방법 및 제어 방법에 관한 것이다.
화석 연료 사용에 따른 환경 오염 및 자원 고갈에 따라 이를 대체할 수 있는 에너지가 주목받고 있다. 예를 들면, 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지로서 수소가 주목받고 있으며, 수소를 상용화하기 위한 다양한 연구개발이 이루어지고 있다. 그러나 일정 농도 이상의 수소가 공기 중에 노출되는 경우, 가연성으로 인해 쉽게 폭발하는 문제점이 있다. 그러므로, 수소 에너지를 쉽게 사용하기 위해서는 수소 누설을 빠르고 정확하게 감지할 필요가 있다.
수소 누설 등을 감지하기 위하여 수소센서가 사용되고 있다. 수소센서는 금속 또는 반도체의 수소와의 반응에 따른 전기신호의 변화를 이용하여 수소를 감지한다. 특히, 수소를 정확하고 빠르게 감지하기 위해서는 수소에 대해 높은 반응성을 가지는 구조 및 소재를 포함하는 수소센서가 필요하다.
저농도의 수소와 고농도의 수소를 함께 감지할 수 있는 하이브리드형 수소센서를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 수소센서의 제조 방법을 제공하고자 한다. 그리고 전술한 수소센서의 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서는, i) 반도체 기판, ii) 반도체 기판에 형성된 금속산화물 반도체 센서, 금속산화물 반도체 센서와 이격되고, 반도체 기판에 형성된 저항 센서, 및 금속산화물 반도체 센서 및 저항 센서와 이격되고, 반도체 기판 위에 위치한 온도 센서를 포함한다.
금속산화물 반도체는, i) 반도체 기판 위에 위치하는 소스 전극, ii) 반도체 기판 위에 위치하는 드레인 전극, iii) 소스 전극과 드레인 전극을 상호 연결하는 채널층, iv) 채널층 위에 위치하는 게이트 산화막, 및 v) 게이트 산화막 위에 위치하고 외부로 노출된 게이트 전극을 포함할 수 있다. 온도 센서는, i) n형 반도체, ii) n형 반도체와 접합된 p형 반도체, iii) n형 반도체와 연결된 음극, 및 iv) p형 반도체와 연결된 양극을 포함할 수 있다. 소스 전극, 드레인 전극, 음극 및 양극은 상호 동일한 소재로 제조될 수 있다. 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전극은 팔라듐, 이리듐, 루테늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이 금속을 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
금속산화물 반도체 센서, 저항 센서 및 온도 센서를 포함하는 감지 영역의 가장자리의 아래를 향하여 산화막이 외부 노출될 수 있다. 외부 노출된 산화막을 둘러싸는 비감지 영역에 포함된 기판의 두께는 감지 영역에 포함된 기판의 두께보다 클 수 있다. 감지 영역에 포함된 기판의 두께는 2㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서는 금속산화물 반도체 센서, 저항 센서 및 온도 센서 위에 위치하는 부동태층을 더 포함하고, 부동태층은 게이트 전극 및 저항 센서를 외부 노출시키는 개구부를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서는 반도체 기판 위에 위치하는 마이크로히터를 더 포함하고, 마이크로히터는 금속산화물 반도체 센서와 저항 센서를 둘러쌀 수 있다. 마이크로히터와 저항 센서는 상호 동일한 소재를 포함할 수 있다. 마이크로히터는 온도 센서 주변에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서는 금속산화물 반도체 센서와 이격되고, 기판 위에 위치한 또다른 금속산화물 반도체 센서를 더 포함할 수 있다. 금속산화물 반도체 센서와 또다른 금속산화물 반도체 센서는 하이브리드형 수소센서의 중심을 기준으로 양측에 각각 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 제조 방법은 i) 반도체 기판을 제공하는 단계, 및 ii) 반도체 기판 위에 상호 이격된 금속산화물 반도체 센서, 저항 센서 및 온도 센서를 제공하는 단계를 포함한다. 금속산화물 반도체 센서, 저항 센서 및 온도 센서를 제공하는 단계는, i) 반도체 기판에 이온을 주입하여 상호 이격된 소스 영역 및 드레인 영역을 제공하는 단계, ii) 반도체 기판 위에 산화층을 제공하는 단계, iii) 산화막 위에 절연층을 제공하는 단계, iv) 절연층을 패터닝하여 소스 영역 및 드레인 영역 위에 각각 소스 전극 및 드레인 전극을 제공하고,상기 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 게이트 전극을 제공하는 단계, v) 절연층 위에 부동태층을 제공하는 단계, 및 vi) 반도체 기판을 부분적으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 온도 센서를 제공하는 단계에서, 온도 센서는 n형 반도체 및 n형 반도체와 접합된 p형 반도체를 포함하고, 소스 영역 및 드레인 영역을 제공하는 단계에서, n형 반도체와 p형 반도체가 소스 영역 및 드레인 영역과 함께 제공될 수 있다. 온도 센서를 제공하는 단계에서, 온도 센서는 n형 반도체와 연결된 음극 및 p형 반도체와 연결된 양극을 포함하고, 게이트 전극을 제공하는 단계에서, 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극은 음극 및 양극과 함께 형성될 수 있다. 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극은 저항 센서에 포함된 저항체들과 함께 형성될 수 있다.
절연층 위에 부동태층을 제공하는 단계는, i) 게이트 전극을 포토리지스트(photoresist)로 차단하는 단계, ii) 금속산화물 반도체 센서, 저항 센서 및 온도 센서 위에 부동태층을 제공하는 단계, 및 iii) 포토리지스트를 제거하여 게이트 전극을 외부로 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 게이트 전극을 제공하는 단계에서, 절연층 위에 마이크로히터를 함께 제공할 수 있다. 마이크로히터는 저항 센서에 포함된 저항체들과 함께 절연층 위에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 제어 방법에서 하이브리드형 수소센서는 상호 이격된 금속산화물 반도체, 저항 센서, 온도 센서 및 마이크로히터를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소센서의 제어 방법은 i) 마이크로히터에 전압을 인가하여 하이브리드형 수소센서의 온도를 상승시키는 단계, ii) 하이브리드형 수소센서로부터 수소가스의 농도를 측정하는 단계, iii) 수소가스의 농도가 제1 기설정치 이상인 경우, 저항 센서를 작동시켜서 수소가스의 농도를 측정하는 단계, 및 iv) 수소가스의 농도가 제2 기설정치 이상인 경우, 금속산화물 반도체를 작동시켜서 수소가스의 농도를 측정하는 단계를 포함한다. 제1 기설정치는 5000ppm 내지 10000ppm일 수 있다. 제2 기설정치는 5ppm 내지 50ppm일 수 있다.
하이브리드형 수소센서를 사용하여 저농도의 수소와 고농도의 수소를 함께 감지할 수 있다. 또한, 하이브리드형 수소센서를 저가에 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 수소센서의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II'선을 따라 자른 하이브리드형 수소센서의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 온도 센서의 동작 상태를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 4는 도 1의 하이브리드형 수소센서의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5 내지 도 12는 도 3의 수소센서의 제조 방법의 각 단계를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 수소센서의 개략적인 평면도이다.
도 14는 도 1의 하이브리드형 수소센서의 제어 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 II-II'선을 따라 자른 하이브리드형 수소센서의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 온도 센서의 동작 상태를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 4는 도 1의 하이브리드형 수소센서의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5 내지 도 12는 도 3의 수소센서의 제조 방법의 각 단계를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 수소센서의 개략적인 평면도이다.
도 14는 도 1의 하이브리드형 수소센서의 제어 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90° 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 수소센서(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 하이브리드형 수소센서(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 수소센서(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 수소센서(100)는 기판(10), 금속산화물 반도체 센서(20), 온도 센서(30), 마이크로히터(40) 및 저항 센서(50)를 포함한다. 이외에, 하이브리드형 수소센서(100)는 필요에 따라 다른 소자들을 더 포함할 수 있다. 여기서, 금속산화물 반도체 센서(20)는 소스단자(S), 게이트 단자(G) 및 드레인 단자(D)에 전기적으로 연결되고, 온도 센서(30)는 2개의 단자들(T1, T2)에 전기적으로 연결된다. 그리고 마이크로히터(40)는 2개의 단자들(H1, H2)에 전기적으로 연결되고, 저항 센서(50)는 2개의 단자들(R1, R2)에 전기적으로 연결된다.
금속산화물 반도체 센서(20), 온도 센서(30), 마이크로히터(40) 및 저항 센서(50)는 상호 이격되어 기판(10)에 형성된다. 한편, 하이브리드형 수소센서(100)는 금속산화물 반도체 센서(20)와 저항 센서(50)를 모두 이용하여 저농도의 수소와 고농도를 수소를 전부 감지할 수 있다. 마이크로히터(40)는 온도 센서(30) 위에 위치한다. 한편, 도 1에는 금속산화물 반도체 센서(20), 온도 센서(30) 및 저항 센서(50)가 하나의 기판(10)에 함께 형성된 것으로 도시하였지만, 이와는 달리 각각 다른 기판에 형성되어도 좋다. 이하에서는 도 2를 참조하여 도 1의 하이브리드형 수소센서(100)의 단면 구조를 좀더 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 하이브리드형 수소센서(100)를 II-II' 선을 따라 자른 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2에는 편의상 구분을 위해 금속산화물 반도체 센서(20)와 온도 센서(30)를 점선 박스로 나타낸다. 도 2의 하이브리드형 수소센서(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 수소센서(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 수소센서(100)는 기판(10), 산화층(603), 절연층(605) 및 부동태층(607)을 포함한다. 금속산화물 반도체 센서(20)와 온도 센서(30)는 기판(10)에 형성된다. 그리고 마이크로히터(40)와 저항 센서(50)는 절연층(605) 위에 형성된다.
금속산화물 반도체 센서(20)의 소스 전극(201)과 드레인 전극(203)의 아래에는 각각 소스 영역(S)과 드레인 영역(D)이 위치한다. 그리고 소스 영역(S)과 드레인 영역(D) 사이에는 소스 영역(S)과 드레인 영역(D)을 상호 연결하는 채널 영역(C)이 위치한다. 따라서 소스 전극(201)을 통해 주입된 전류가 채널 영역(C)을 통하여 드레인 영역(D)으로 흐르고, 드레인 전극(203)을 통해 외부로 출력된다.
게이트 산화막(207)은 채널층(C) 위에 위치하고, 게이트 전극(209)은 게이트 산화막(207) 위에 위치한다. 채널 영역(C)을 통하여 흐르는 전류는 게이트 전극(209)에 인가되는 전압을 통하여 조절된다. 게이트 산화막(207)은 산화막(603)과 동일한 소재로 함께 제조될 수 있다. 게이트 전극(209)은 부동태층(607)에 형성된 개구부(607a)를 통하여 수소와 접촉하므로, 게이트 전극(209)의 전압 및 전류의 변화를 통하여 수소 농도를 감지할 수 있다.
한편, 저항 센서(50)는 길게 연결된 저항체(501)를 포함한다. 저항체(501)는 지그재그로 벤딩되어 있으므로, 그 길이에 비해 점유 공간을 최소화할 수 있다. 저항체(501)에 전압이 인가되고, 인가된 전압의 변화에 따라 저항 센서(50)가 수소 농도를 측정할 수 있다. 저항체(501)를 사용하여 고농도의 수소를 감지하고, 금속산화물 반도체 센서(20)를 사용하여 저농도의 수소를 감지한다. 한편, 마이크로히터(40)가 절연층(605) 위에 위치하여 하이브리드형 수소센서(100)를 국부 가열함으로써 수소 감지에 적합한 온도를 유지시킨다. 이하에서는 도 3을 참조하여 도 2의 온도 센서(30)를 좀더 상세하게 설명한다.
도 3은 도 2의 온도 센서(30)의 작동 원리를 개략적으로 나타낸다. 도 3에는 도 2의 온도 센서(30)를 확대하여 나타낸다. 도 3의 상부에는 온도 센서(30)의 개략적인 평면도를 나타내고, 도 3의 하부에는 이에 대응하는 온도 센서(30)의 개략적인 단면도를 나타낸다. 도 3의 상부의 n형 반도체(301)는 실제로는 절연층(603)에 덮어 있어서 보이지 않으므로, 이를 점선으로 도시한다. 도 3의 온도 센서(30)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 온도 센서(30)의 구조는 다른 형태로 변형될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 온도 센서(30)는 n형 반도체(301)와 p형 반도체(303)를 포함한다. 온도 센서(30)는 다이오드일 수 있다. n형 반도체(301)의 두께는 수 ㎛ 이하일 수 있다. p형 반도체(303)는 n형 반도체(301)와 접합된다. p형 반도체(303)에서 n형 반도체(301)로 순방향 전류가 흐르는 경우, 온도 센서(30)가 작동한다. 기판(10)(도 1에 도시)이 p형 반도체(303)를 포함하므로, 상대적으로 넓은 영역을 차지하지만 기판(10)(도 1에 도시)은 산화막(603)에 의해 상부와 절연된다. 그리고 온도 센서(30)의 양극(305)은 p형 반도체(303)와 연결되고, 온도 센서(30)의 음극(307)은 n형 반도체(301)와 연결된다. 도 3에는 도시하지 않았지만, 온도 센서(30) 위에는 마이크로히터(40)가 위치하고, 온도 센서(30)의 감지 온도에 따라 마이크로히터(40)가 연동되어 작동한다. 이하에서는 도 4를 참조하여 도 1의 하이브리드형 수소센서(100)의 제조 방법을 좀더 상세하게 설명한다.
도 4는 도 1의 하이브리드형 수소센서(100)의 제조 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 4의 하이브리드형 수소센서(100)의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드형 수소센서(100)의 제조 방법을 다른 형태로 변형시킬 수 있다. 도 5 내지 도 12는 도 4의 각 단계들을 각각 평면도와 단면도로 개략적으로 나타내므로, 이하에서는 도 5 내지 도 12를 참조하여 도 4를 상세하게 설명한다.
도 4의 하이브리드형 수소센서의 제조 방법은, 반도체 기판을 제공하는 단계(S10), 반도체 기판에 이온을 주입하여 반도체 영역을 제공하는 단계(S20), 반도체 기판 위에 산화층을 제공하는 단계(S30), 산화막 상부 및 반도체 기판 하부에 절연층을 제공하는 단계(S40), 금속산화물 반도체의 전극, 온도 센서의 전극 및 저항체를 제공하는 단계(S50), 절연층 위에 부동태층을 제공하는 단계(S60), 그리고 기판을 부분적으로 제거하는 단계(S70)를 포함한다. 이외에, 하이브리드형 수소센서의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함하거나 전술한 단계들 중 일부 단계를 생략할 수 있다. 또한, 하이브리드형 수소센서의 제조 방법은 금속산화물 반도체 센서를 제조하는 방법을 포함하지만, 기준 전극으로 사용할 또다른 금속산화물 반도체 센서(미도시, 이하 동일)를 제조하는 경우 또다른 금속산화물 반도체 센서도 전술한 방법과 동일한 방법으로 제조할 수 있다. 즉, 또다른 금속산화물 반도체 센서는 전술한 금속산화물 반도체 센서와 이격되어 위치하므로, 금속산화물 반도체 센서와 동시에 형성할 수 있다.
먼저 도 4의 단계(S10)에서는 반도체 기판(10)을 제공한다. 이와 관련하여 도 5의 상부에는 반도체 기판(10)의 평면도를 개략적으로 나타내고, 도 5의 하부에는 도 5의 상부의 반도체 기판(10)을 V-V' 선을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다. 반도체 기판(10)은 p형 실리콘으로 제조할 수 있다. 예를 들면 단결정 실리콘 웨이퍼에 붕소를 주입하여 반도체 기판(10)을 p형 실리콘으로 제조할 수 있다. 이와는 달리, 반도체 기판(10)을 n형 실리콘으로 제조할 수도 있다.
다시 도 4로 되돌아가면, 도 4의 단계(S20)에서는 반도체 기판(10)에 이온을 주입하여 반도체 영역을 제공한다. 이온 주입은 이온 건 주입기(ion gun implanter)를 사용하여 수행할 수 있다. 이와 관련하여 도 6의 상부에는 반도체 기판(10)의 평면도를 개략적으로 나타내고, 도 6의 하부에는 도 6의 상부의 반도체 기판(10)을 VI-VI' 선을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다. 패터닝된 포토리지스트를 사용하여 반도체 기판(10)의 특정 부위에 이온을 주입한다. 이온이 주입된 부분에는 반도체 영역(201), 예를 들면 소스 영역 및 채널 영역이 형성된다. 한편, 온도센서(30)(도 2에 도시)가 형성되는 부분에는 n형 반도체 및 p형 반도체로 사용되는 반도체 영역(201)이 소스 영역 및 채널 영역과 함께 형성될 수 있다. 그리고 반도체 기판(10)이 p형 실리콘으로 제조되는 경우, 반도체 영역(201)은 n형 실리콘으로 제조할 수 있다.
다시 도 4로 되돌아가면, 도 4의 단계(S30)에서는 반도체 기판(10)(도 7에 도시, 이하 동일) 위에 산화막(603)(도 7에 도시, 이하 동일)을 제공한다. 반도체 기판(10)을 노내에서 가열함으로써 반도체 기판(10)을 열산화시켜 반도체 기판(10)의 상부를 산화실리콘으로 된 산화층(603)으로 변형할 수 있다. 이와 관련하여 도 7의 상부에는 산화층(603)의 평면도를 개략적으로 나타내고, 도 7의 하부에는 도 7의 상부의 산화층(603)을 VII-VII' 선을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다. 후속 공정에서 제공되는 절연막을 반도체 기판(10)과 절연시키기 위해 반도체 기판(10) 위에 산화층(603)을 제공하여 절연막과 반도체 기판(10)과의 전기적인 연결을 차단한다. 한편, 패터닝된 포토리지스트를 사용하여 소스 영역(S)과 드레인 영역(D) 사이에 게이트 산화막(207)을 제공한다.
다음으로, 다시 도 4로 되돌아가면, 도 4의 단계(S40)에서는 산화층(603) 상부 및 반도체 기판(10) 하부에 절연층(605)을 제공한다. 이와 관련하여 도 8의 상부에는 절연층(605)의 평면도를 개략적으로 나타내고, 도 8의 하부에는 도 8의 상부의 절연층(605)을 VIII-VIII' 선을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다. 여기서, 절연층(605)은 Si3N4 또는 SiO2 등의 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 패터닝된 포토리지스트를 사용하여 절연층(605)을 산화층(603) 위에 제공한다. 절연층(605)을 사용하여 하이브리드형 수소센서(100)(도 1)의 내구성을 강화시킬 수 있다. 절연층(605)은 유전막으로 작용하고, 저압화학기상증착방법(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD) 등으로 제조할 수 있다.
다시 도 4로 되돌아가면, 도 4의 단계(S50)에서는 금속산화물 반도체 센서의 전극, 온도 센서의 전극 및 저항체를 제공한다. 이와 관련하여 도 9의 상부에는 절연층(605)의 평면도를 개략적으로 나타내고, 도 9의 하부에는 도 9의 상부의 절연층(605)을 IX-IX' 선을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다.
도 9에 도시한 바와 같이, 소스 영역(S) 및 드레인 영역(D) 위에 각각 소스 전극(201) 및 드레인 전극(203)을 제공하고, 게이트 산화막(207) 위에 게이트 전극(209)을 제공한다. 여기서, 소스 전극(201), 드레인 전극(203) 및 게이트 전극(209)은 동시에 상호 동일한 소재로 형성될 수 있다. 따라서 소스 전극(201), 드레인 전극(603) 및 게이트 전극(209)은 동일한 소재를 포함한다. 마이크로히터(40)도 소스 전극(201), 드레인 전극(203) 및 게이트 전극(209)과 함께 형성될 수 있다. 즉, 패턴이 형성된 또다른 포토리지스트로 절연층(605)을 덮은 후 금속층을 증착하여 소스 전극(201), 드레인 전극(203), 게이트 전극(209) 및 마이크로히터(40)를 동시에 형성한다. 이 경우, 포토리지스트 패턴은 소스 전극(201)과 드레인 전극(203)이 게이트 전극(209)과 연결되어 쇼트 현상이 발생하지 않도록 게이트 전극(209) 및 소스 전극(201)과 드레인 전극(203)을 상호 이격시킨다. 또한, 온도 센서(30)(도 3에 도시)의 전극들(305, 307)(도 3에 도시, 이하 동일)과 저항 센서(50)(도 2에 도시, 이하 동일)의 저항체들(501)도 함께 형성할 수 있다.
한편, 소스 전극(201), 드레인 전극(203), 게이트 전극(209), 마이크로히터(40), 전극들(305, 307) 및 저항체들(501)은 백금, 팔라듐, 이리듐 또는 루테늄 등의 금속 또는 이러한 금속을 함유한 합금등의 소재를 사용하여 형성될 수 있다. 소스 전극(201), 드레인 전극(203), 게이트 전극(209), 마이크로히터(40), 전극들(305, 307) 및 저항체들(501)이 전술한 소재로 형성되므로, 그 효율이 우수할 뿐만 아니라 특히 게이트 전극(209)은 수소에 대해 우수한 감도를 가진다. 따라서 하이브리드형 수소센서(100)(도 1)의 수소 감지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
다음으로, 다시 도 4로 되돌아가면, 도 4의 단계(S60)에서는 절연층(605) 위에 부동태층(607)을 제공한다. 이와 관련하여 도 10의 상부에는 부동태층(607)의 평면도를 개략적으로 나타내고, 도 10의 하부에는 도 10의 상부의 부동태층(607)을 X-X' 선을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다. 편의상 구분을 위해 도 10의 상부에서 부동태층(607)으로 덮이지 않고 외부 노출된 부분은 흑색으로 표시한다. (도 11 및 도 12도 동일)
금속산화물 반도체 센서(20) 및 저항 센서(50)를 제외한 하이브리드형 수소센서(100)(도 1)의 나머지 부분들이 수소와 접촉하지 않도록 부동태층(607)을 형성하고, 금속산화물 반도체 센서(20) 및 저항센서(50) 위에만 패터닝 등을 통하여 개구부(607a) 및 개구부(607b)를 형성한다. 예를 들면, 포토리지스트를 이용하여 소스 전극(201), 드레인 전극(203) 및 게이트 전극(209)이 존재하는 영역만 외부 노출시킨 후 부동태층(607)을 형성할 수 있다. 또한, 부동태층(607)은 소스 전극(201), 드레인 전극(203) 및 게이트 전극(209)이 위치하는 공간을 충전시킨다. 부동태층(607)은 게이트 전극(209) 및 저항체들(501)이 위치한 영역 이외의 부분에 형성된다. 개구부(607a) 및 개구부(607b)는 게이트 전극(209) 및 저항체들(501) 위에 형성되므로, 게이트 전극(209)과 저항체들(501) 표면이 외부 노출되어 수소와 접할 수 있다.
다시 도 4로 되돌아가면, 도 4의 단계(S70)에서는 기판(10)을 부분적으로 제거한다. 이와 관련하여 도 11의 상부에는 부동태층(607)의 평면도를 개략적으로 나타내고, 도 11의 하부에는 도 11의 상부의 부동태층(607)을 XI-XI' 선을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다. 하이브리드형 수소센서(100)의 수소 감도를 높이기 위해서는 금속산화물 반도체 센서(20), 온도 센서(30) 및 저항 센서(50)가 위치한 부분이 열적으로 섬처럼 되도록 기판(10)을 부분적으로 제거할 필요가 있다. 하이브리드형 수소센서(100)(도 1에 도시)는 감지영역(SE) 및 이를 둘러싸는 비감지영역(NSE)을 포함한다. 감지영역(SE)은 금속산화물 반도체 센서(20), 온도 센서(30) 및 저항 센서(50)를 포함한다. 비감지영역(NSE)은 감지영역(SE)을 둘러싼다.
도 11에 도시한 바와 같이, 화학적인 에칭 또는 미세기계가공을 통하여 1차적으로 기판(10)을 부분적으로 제거한다. 즉, 비감지 영역(NSE)에 포함된 기판(10)을 부분적으로 제거한다. 그 결과, 절연층(605) 및 기판(10)이 부분적으로 식각되면서 홀(605a)이 형성된다.
도 12는 기판(10)을 2차적으로 부분 제거한 상태를 나타낸다. 여기서, 도 12는 부동태층(607)의 평면도를 개략적으로 나타내고, 도 12의 하부에는 도 12의 상부의 부동태층(607)을 XII-XII' 선을 따라 자른 단면 구조를 나타낸다.
여기서, 도 12의 산화층(603)은 주산화막(6031)과 게이트 산화막(207)으로 나누어진다. 주산화막(6031)은 감지영역(SE)과 비감지영역(NSE)을 둘러싸면서 기판(10) 위에 제공된다. 주산화막(6031)은 기판(10)이 제거되면서 감지영역(SE)의 가장자리의 아래를 향하여 외부 노출된다. 감지영역(SE)에 포함된 기판(10)을 부분적으로 제거하면 하이브리드형 수소센서(100)가 섬 형태로 형성되므로, 마이크로히터(40)에 의해 감지영역(SE)만을 국부 가열하여 수소 감도를 높일 수 있다.
외부 노출된 산화층(603)을 둘러싸는 비감지 영역(NSE)에 포함된 기판(10)의 두께(t10NSE)는 감지 영역(SE)에 포함된 기판(10)의 두께(t10SE)보다 크다. 따라서 감지 영역(SE)을 열적으로 고립시켜서 마이크로히터(40)에 의한 가열 효과를 높일 수 있다. 한편, 감지영역(SE)에 포함된 기판(10)의 두께(t10SE)는 2㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 기판(10)의 두께(t10SE)가 너무 큰 경우, 센서의 소비전력이 커질 수 있으며, 멤브레인에 하중이 증가되어 구조적으로 취약할 수 있다. 또한, 기판(10)의 두께(t10SE)가 너무 작은 경우, 감지 영역(SE) 내부에 산화물반도체의 소스 영역 및 드레인 영역이 위치하기 어렵다. 또한, 식각 가공 공정 조건을 확보하기 어렵다. 따라서 기판(10)의 두께(t10SE)를 전술한 범위로 조절한다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 수소센서(200)의 개략적인 평면도를 나타낸다. 도 13의 하이브리드형 수소센서(200)의 구조는 또다른 금속산화물 반도체 센서(22)를 제외하고는 도 1의 하이브리드형 수소센서(100)의 구조와 동일하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 13에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 수소센서(200)는 또다른 금속산화물 반도체 센서(22)를 포함한다. 또다른 금속산화물 반도체 센서(22)는 금속산화물 반도체 센서(20)의 기준 전극으로서 기능한다. 따라서 동일한 전류 또는 전압을 금속산화물 반도체 센서(20) 및 또다른 금속산화물 반도체 센서(22)에 인가하고, 수소 감지에 의해 금속산화물 반도체 센서(20)의 인가된 전류 또는 전압이 변동되는 경우, 또다른 금속산화물 반도체 센서(22)를 참조하여 수소 농도를 측정할 수 있다. 이를 위해 또다른 금속산화물 반도체 센서(22)는 부동태층(607)으로 덮어서 수소와의 접촉을 차단한다. 한편, 또다른 금속산화물 반도체 센서(22)는 금속산화물 반도체 센서(22)와 함께 제조할 수 있다.
또다른 금속산화물 반도체 센서(22)와 금속산화물 반도체 센서(20)는 하이브리드형 수소센서(200)의 중심을 기준으로 양측에 각각 위치한다. 따라서 하이브리드형 수소센서(200)의 열적 균형을 유지할 수 있다.
도 14는 도 1의 하이브리드형 수소센서(100)(도 1에 도시)의 제어 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 14의 하이브리드형 수소센서(100)의 제어 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 14에 도시한 바와 같이, 하이브리드형 수소센서의 제어 방법은, 먼저 하이브리형 수소센서의 온도를 상승시키는 단계(S22)와 하이브리드형 수소센서로 수소농도를 측정하는 단계(S22)를 포함한다. 즉, 수소농도를 측정하기 위해서 온도 센서를 이용하여 하이브리드형 수소센서 주변의 온도를 측정한 후, 마이크로히터를 사용하여 수소농도를 측정하기에 적합한 온도로 하이브리드형 수소센서를 국부 가열한다. 그리고 하이브리드형 수소센서로 수소농도를 측정한다.
만약, 단계(S32)에서 수소농도가 제1 기설정치 이상인 경우로 판단되는 경우, 고농도의 수소 측정에 적합한 저항 센서로 수소 농도를 측정한다. 여기서, 제1 기설정치는 5,000ppm 내지 10,000ppm일 수 있다. 제1 기설정치가 너무 작은 경우, 저항 센서보다는 금속산화물 반도체 센서로 수소농도를 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 기설정치가 너무 큰 경우, 수소 농도가 너무 높으므로 하이브리드형 수소센서보다는 바로 경고신호를 내보내는 것이 바람직하다. 따라서 전술한 범위로 제1 기설정치를 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 단계(S32)에서 수소농도가 제2 기설정치 이상인 경우로 판단되지 않는 경우, 단계(S42)에서 수소농도가 제2 기설정치 이상인지 여부를 판단한다. 여기서 제2 기설정치는 제1 기설정치보다 작다. 따라서 단계(S34)에서는 고농도의 수소를 감지하고, 단계(S44)에서는 저농도의 수소를 감지한다.
단계(S42)에서 수소농도가 제2 기설정치 이상인 경우, 단계(S44)에서 금속산화물 반도체 센서로 수소농도를 측정한다. 만약, 단계(S42)에서 수소농도가 제2 기설정치 미만인 경우, 단계(S21)로 되돌아간다. 여기서, 여기서, 제2 기설정치는 5ppm 내지 50ppm일 수 있다. 제2 기설정치가 너무 작은 경우, 수소농도가 너무 낮아, 수소농도를 측정하는 의미가 없다. 또한, 제2 기설정치가 너무 큰 경우, 금속산화물 반도체 센서로 수소 농도를 측정하는 것보다는 저항 센서로 수소 농도를 측정하는 것이 바람직하다. 따라서 전술한 범위로 제2 기설정치를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10. 반도체 기판 20, 22. 금속산화물 반도체 센서
30. 온도 센서 40. 마이크로히터
50. 저항 센서 60, 62. 부동태층
60a. 개구부 60b. 홀
100, 200. 수소센서 201. 소스 전극
203. 드레인 전극 605. 채널층
207. 게이트 산화막 209. 게이트 전극
301. n형 반도체 303. p형 반도체
305, 307. 전극 501. 저항체
603. 산화층 605. 절연층
605a. 홀 607. 부동태층
6031. 주산화막 607a, 607b. 개구부
C. 채널층 D. 드레인 영역
S. 소스영역 SE. 감지영역
NSE. 비감지영역
30. 온도 센서 40. 마이크로히터
50. 저항 센서 60, 62. 부동태층
60a. 개구부 60b. 홀
100, 200. 수소센서 201. 소스 전극
203. 드레인 전극 605. 채널층
207. 게이트 산화막 209. 게이트 전극
301. n형 반도체 303. p형 반도체
305, 307. 전극 501. 저항체
603. 산화층 605. 절연층
605a. 홀 607. 부동태층
6031. 주산화막 607a, 607b. 개구부
C. 채널층 D. 드레인 영역
S. 소스영역 SE. 감지영역
NSE. 비감지영역
Claims (24)
- 산화층이 형성된 반도체 기판,
상기 반도체 기판에 형성된 금속산화물 반도체 센서,
상기 금속산화물 반도체 센서와 이격되고, 상기 반도체 기판에 지그재그로 밴딩되어 형성된 저항 센서,
상기 금속산화물 반도체 센서 및 상기 저항 센서와 이격되고, 상기 반도체 기판 위에 위치한 온도 센서, 및
상기 저항센서와 동일한 소재이며, 상기 금속산화물 반도체 센서와 상기 저항센서의 적어도 3면을 이격된 상태로 둘러싸도록 배치되고, 상기 온도 센서 주변에 위치되며, 상기 산화층을 사이에 두고 상기 금속산화물 반도체 센서 및 온도 센서와 대향된 층에 배치되는 마이크로 히터,
를 포함하는 하이브리드형 수소센서. - 제1항에 있어서,
상기 금속산화물 반도체 센서는,
상기 반도체 기판 위에 위치하는 소스 전극,
상기 반도체 기판 위에 위치하는 드레인 전극,
상기 소스 전극과 상기 드레인 전극을 상호 연결하는 채널층,
상기 채널층 위에 위치하는 게이트 산화막, 및
상기 게이트 산화막 위에 위치하고 외부로 노출된 게이트 전극
을 포함하는 하이브리드형 수소센서. - 제2항에 있어서,
상기 온도 센서는,
n형 반도체,
상기 n형 반도체와 접합된 p형 반도체,
상기 n형 반도체와 연결된 음극, 및
상기 p형 반도체와 연결된 양극
을 포함하는 하이브리드형 수소센서. - 제3항에 있어서,
상기 소스 전극, 상기 드레인 전극, 상기 음극 및 상기 양극은 상호 동일한 소재로 제조된 하이브리드형 수소센서. - 제2항에 있어서,
상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전극은 팔라듐, 이리듐, 루테늄 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 상기 금속을 포함하는 합금을 포함하는 하이브리드형 수소센서. - 제1항에 있어서,
상기 금속산화물 반도체 센서, 상기 저항 센서 및 상기 온도 센서를 포함하는 감지 영역의 가장자리의 아래를 향하여 상기 산화층이 외부 노출된 하이브리드형 수소센서. - 제6항에 있어서,
상기 외부 노출된 산화막을 둘러싸는 비감지 영역에 포함된 기판의 두께는 상기 감지 영역에 포함된 기판의 두께보다 큰 하이브리드형 수소센서. - 제7항에 있어서,
상기 감지 영역에 포함된 상기 기판의 두께는 2㎛ 내지 30㎛인 하이브리드형 수소센서. - 제2항에 있어서,
상기 금속산화물 반도체 센서, 상기 저항 센서 및 상기 온도 센서 위에 위치하는 부동태층을 더 포함하고, 상기 부동태층은 상기 게이트 전극 및 상기 저항 센서를 외부 노출시키는 개구부를 가지는 하이브리드형 수소센서.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 금속산화물 반도체 센서와 이격되고, 상기 기판 위에 위치한 또다른 금속산화물 반도체 센서를 더 포함하는 하이브리드형 수소센서. - 제13항에 있어서,
상기 금속산화물 반도체 센서와 상기 또다른 금속산화물 반도체 센서는 상기 하이브리드형 수소센서의 중심을 기준으로 양측에 각각 위치하는 하이브리드형 수소센서. - 반도체 기판을 제공하는 단계, 및
상기 반도체 기판 위에 상호 이격된 금속산화물 반도체 센서, 저항 센서 및 온도 센서를 제공하는 단계
를 포함하는 수소센서의 제조 방법으로서,
상기 금속산화물 반도체 센서, 상기 저항 센서 및 상기 온도 센서를 제공하는 단계는,
상기 반도체 기판에 이온을 주입하여 상호 이격된 소스 영역 및 드레인 영역을 제공하는 단계,
상기 반도체 기판 위에 산화층을 제공하는 단계,
상기 산화층 위에 절연층을 제공하는 단계,
상기 절연층을 패터닝하여 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 위에 각각 소스 전극 및 드레인 전극을 제공하고, 상기 소스 영역과 드레인 영역의 사이에 게이트 전극을 제공하는 단계,
상기 절연층 위에 부동태층을 제공하는 단계, 및
상기 반도체 기판을 부분적으로 제거하는 단계
를 포함하는 제1항 내지 제9항 및 제13항 내지 제14항 중 어느 한 항의 하이브리드형 수소센서의 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 온도 센서를 제공하는 단계에서, 상기 온도 센서는 n형 반도체 및 상기 n형 반도체와 접합된 p형 반도체를 포함하고,
상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역을 제공하는 단계에서, 상기 n형 반도체와 상기 p형 반도체가 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역과 함께 제공되는 하이브리드형 수소센서의 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 온도 센서를 제공하는 단계에서, 상기 온도 센서는 상기 n형 반도체와 연결된 음극 및 상기 p형 반도체와 연결된 양극을 포함하고,
상기 게이트 전극을 제공하는 단계에서, 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극은 상기 음극 및 상기 양극과 함께 형성되는 하이브리드형 수소센서의 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극 및 상기 게이트 전극은 상기 저항 센서에 포함된 저항체들과 함께 형성되는 하이브리드형 수소센서의 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 절연층 위에 부동태층을 제공하는 단계는,
상기 게이트 전극을 포토리지스트(photoresist)로 차단하는 단계,
상기 금속산화물 반도체 센서, 상기 저항 센서 및 상기 온도 센서 위에 상기 부동태층을 제공하는 단계, 및
상기 포토리지스트를 제거하여 상기 게이트 전극을 외부로 노출시키는 단계
를 포함하는 하이브리드형 수소센서의 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 게이트 전극을 제공하는 단계에서, 상기 절연층 위에 마이크로히터를 함께 제공하는 하이브리드형 수소센서의 제조 방법. - 제20항에 있어서,
상기 마이크로히터는 상기 저항 센서에 포함된 저항체들과 함께 상기 절연층 위에 형성되는 하이브리드형 수소센서의 제조 방법. - 상호 이격된 금속산화물 반도체 센서, 저항 센서, 온도 센서 및 마이크로히터를 포함하는 하이브리드형 수소센서의 제어 방법으로서,
상기 마이크로히터에 전압을 인가하여 상기 하이브리드형 수소센서의 온도를 상승시키는 단계,
상기 하이브리드형 수소센서로부터 수소가스의 농도를 측정하는 단계,
상기 수소가스의 농도가 제1 기설정치 이상인 경우, 상기 저항 센서를 작동시켜서 상기 수소가스의 농도를 측정하는 단계, 및
상기 수소가스의 농도가 제2 기설정치 이상인 경우, 상기 금속산화물 반도체를 작동시켜서 상기 수소가스의 농도를 측정하는 단계
를 포함하는 제1항 내지 제9항 및 제13항 내지 제14항 중 어느 한 항의 하이브리드형 수소센서의 제어 방법. - 제22항에 있어서,
상기 제1 기설정치는 5000ppm 내지 10000ppm인 하이브리드형 수소센서의 제어 방법. - 제22항에 있어서,
상기 제2 기설정치는 5ppm 내지 50ppm인 하이브리드형 수소센서의 제어 방법.
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