WO2014133295A1 - 수평형 플로팅 게이트를 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자 - Google Patents

수평형 플로팅 게이트를 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자 Download PDF

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sensing material
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이종호
김창희
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Definitions

  • the present invention relates to a gas detection sensor, and more particularly, to a three-dimensional fin FET type gas detection device having a floating gate in a horizontal direction, and in a sensor in which a gate and a sensing layer are formed in a conventional vertical direction.
  • a gas detection sensor and more particularly, to a three-dimensional fin FET type gas detection device having a floating gate in a horizontal direction, and in a sensor in which a gate and a sensing layer are formed in a conventional vertical direction.
  • it can be usefully used in the manufacture of physics, chemistry, and biosensors.
  • FET field effect transistor
  • the floating gate and the sensing layer are mainly formed in the vertical direction.
  • a gate insulating film is formed on a silicon substrate, a sensing layer is formed on top of the gate insulating film, and a control electrode is formed on top of the sensing layer.
  • the sensing principle exhibits changes in capacitance or work function and charge generation / extinction effects of the sensing layer before and after sensing, resulting in a change in the potential in the channel resulting in a drain current. Will change. By reading the change of the drain current, it is possible to quantitatively indicate whether gas is detected or not.
  • Patent Document 1 uses a structure in which a floating electrode is provided on a gate insulating layer, a sensing layer is formed on the floating electrode, and a control electrode is formed on the sensing layer. .
  • This structure senses the drain current by changing the capacitance of the sensing layer before and after sensing.
  • the reaction material penetrates to the side and reacts.
  • the gate area (channel width and length) of the sensor FET is large, so the response time is slow. The reason is that the reaction time is long because the length of permeation is long, and also a lot of time is required to remove the gas.
  • the gate size should be reduced as much as possible.
  • the cost is increased because expensive equipment is required to reduce the area of the gate in the current semiconductor process.
  • a gas sensor using a porous metal as a control electrode to react with a sensing material and a control electrode as a sensing material have been developed. Is limited. In the manufacturing process, the insulating material is determined as one, and thus it is difficult to detect various gases.
  • this structure is a vertical structure using capacitance changes before and after sensing.
  • the sensing layer is an insulating material, an electrode is formed thereon, and if the sensing layer is a semiconductor material, a process of forming an insulator and an electrode is required.
  • the sensing layer is a semiconductor material, a process of forming an insulator and an electrode is required.
  • MOSFET-type sensors deposit a thick passivation layer due to reliability issues due to exposure to the external environment.
  • a protective insulating film is formed directly on the gate insulating film to make the gate insulating film thicker, thus reducing the coupling ratio of the control electrode, thereby lowering the sensitivity of the sensor.
  • patent document 2 it is a structure in which the air layer was formed between the sensing layer and the floating gate.
  • the sensing layer serves as a control electrode. After sensing, the work function of the sensing layer changes, and as a result, the threshold voltage of the FET changes, and thus the drain current changes.
  • an air layer was formed to compensate for the problem that the reaction time of the device shown in Patent Document 1 is determined depending on the gate size.
  • a sacrificial layer is formed between the floating gate and the sensing layer, and the sacrificial layer is isotropically etched to form an air layer.
  • the coupling ratio between the control electrode and the floating electrode is reduced, which lowers the sensitivity of the sensor.
  • the larger the area of the sensor the smaller the number of sensors manufactured on a substrate, which in turn increases the manufacturing cost.
  • MOSFET-type gas sensors mainly use metal oxide-based sensing materials. This kind of sensing material mainly operates at high temperatures. Therefore, the larger the area of the sensor, the larger the area of the sensing layer, and the greater the power consumption because it must transfer a lot of heat energy to the sensing layer.
  • the insulating layer protecting the sensing layer and the active region is exposed to the etchant for a long time.
  • the sensing layer is limited to select a material that hardly reacts with the etchant for removing the sacrificial layer, and a thick protective insulating layer must be formed to protect the active region. Increasing the thickness of the protective insulating layer reduces the coupling ratio between the control electrode and the floating electrode.
  • Non-Patent Document 1 when a sensing material reacts with a gas, charge is induced on the floating electrode and reflected in the drain current.
  • the sensing region and the control electrode are provided on one floating electrode at the same time, and the sensor uses the generation / dissipation effect of electric charges before and after the gas reaction.
  • a net charge is generated in the sensing material, which in turn induces charge in the floating electrode below.
  • the induced charge changes the potential of the floating electrode, causing the threshold voltage of the FET to change and eventually the drain current.
  • a separate heater may be formed under the sensing layer to transfer heat to the sensing layer.
  • the silicon substrate was etched to prevent heat from being transferred to the unwanted place.
  • the parasitic capacitance component increases because the floating electrode is inevitably formed.
  • the silicon substrate can be etched, causing damage to the main parts of the sensor.
  • the conventional MOSFET-type gas sensor has a problem in that the floating electrode is formed with a gate insulating layer interposed on one surface of the semiconductor body to reduce the sensitivity of the sensor because the drain current is small.
  • Patent Document 1 US Patent No. 4,849,798 (Field Effect Transistor Type Sensor With An Auxiliary Electrode), July 18, 1989.
  • Patent Document 2 US Patent No. 7,772,617 (Gas Sensitive Field Effect Transistor), August 10, 2010.
  • Non-Patent Document 1 Mario Alfredo Reyes Barranca et al., "Using a Floating-Gate MOS Transistor as a Transducer in a MEMS Gas Sensing System," Sensors 2010, 10, 10413-10434.
  • the present invention is limited to the selection of sensing materials, which is a manufacturing process problem that occurs in a conventional vertically formed floating and control electrode and a FET sensor having a sensing layer, low coupling ratio between control and floating electrodes due to parasitic capacitance components, and It is proposed to improve problems such as detection sensitivity, high power consumption, and high manufacturing cost due to the complexity of the process.
  • a device structure for forming a control electrode and a floating electrode in a horizontal direction and forming a sensing material layer therebetween is proposed. Its purpose is to provide.
  • another object of the present invention is to provide a device structure in which a floating electrode is formed to surround a semiconductor body protruding in the form of a fin so that the width of the channel is increased to increase the drain current, thereby increasing the sensitivity of the sensor.
  • sensing mechanism mechanism
  • gas sensing elements operating by these sensing mechanism in the form of an array to increase the accuracy of the detection.
  • a semiconductor substrate a semiconductor body formed to protrude from the semiconductor substrate, an insulating insulating film formed on side surfaces of the semiconductor body and the semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor body, a floating electrode formed on the gate insulating film and the insulating insulating film, A source formed in the semiconductor body with a control electrode formed on the isolation insulating layer facing the at least one side surface of the floating electrode, a sensing material layer formed between the control electrode and the floating electrode, and the floating electrode interposed therebetween And a drain region, wherein the insulating insulating film is formed on the lower side of the semiconductor body so that the semiconductor body protrudes, and the floating electrode has the semiconductor body protruding onto the insulating insulating film with the gate insulating film interposed therebetween. Formed by wrapping It provides a three-dimensional pin pethyeong gas detection device according to.
  • a first insulating layer may be formed between at least one of the control electrode and the sensing material layer and between the floating electrode and the sensing material layer.
  • a protective insulating layer may be formed on upper surfaces of the floating electrode, the control electrode, and the first insulating layer, and the sensing material layer may be formed on a portion of the protective insulating layer.
  • the first insulating layer is formed between any one of the control electrode and the sensing material layer and between the floating electrode and the sensing material layer, between the control electrode and the sensing material layer and between the floating electrode and the sensing material layer.
  • the other electrode of the first electrode may be formed.
  • a protective insulating film is formed on upper surfaces of the floating electrode, the control electrode, and the first insulating film, the first electrode is formed on a portion of the protective insulating film, and the sensing material layer is formed on each of the first electrode and the protective insulating film. It can also be formed over a portion.
  • the sensing material layer may be formed on the protective insulating layer formed between the control electrode and the floating electrode.
  • a first electrode may be formed between the control electrode and the sensing material layer, and a second electrode may be formed between the floating electrode and the sensing material layer.
  • a first insulating film may be formed between at least one of the control electrode and the first electrode and between the floating electrode and the second electrode.
  • a protective insulating film is formed on an upper surface of the floating electrode, the control electrode and the first insulating film, the first electrode is also formed on the protective insulating film formed on an upper surface of the control electrode, and the second electrode is the floating electrode. It is also formed on a portion of the protective insulating film formed on the upper surface of the, the sensing material layer may be formed on a portion of each upper surface of the first electrode and the second electrode.
  • the semiconductor body may be doped with impurities to form a buried channel, thereby reducing noise to improve signal-to-noise ratio (SNR) and improve carrier mobility.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the control electrode may be formed of any one or more of polysilicon, polysilicon germanium (SiGe), silicide, metal, conductive metal oxide, and conductive nitride.
  • the sensing material layer may be formed of a material in which the dielectric constant is changed or a charge is generated or disappeared in response to a specific gas.
  • the first electrode is formed between the control electrode and the sensing material layer or between the first insulating film or the protective insulating film formed on the side of the control electrode and the sensing material layer, and the sensing material layer reacts with a specific gas to form the control electrode or the first material. It may be formed of a material that changes the work function of one electrode or a material whose dielectric constant is changed or a charge is generated or dissipated.
  • the first electrode and the second electrode is formed of a different metal
  • the sensing material layer is a material or dielectric constant that changes the electromotive force between the first electrode and the second electrode in response to a specific gas is changed or the charge May be formed of a substance that produces or dissipates.
  • An air gap may exist between the control electrode and the sensing material layer or between the sensing material layer and the floating electrode.
  • the floating electrode has an uneven side in a direction facing the control electrode, and the control electrode has an uneven side opposite to the uneven side of the floating electrode so as to interlock with the floating electrode, that is, interdigitated ( Interdigitated) may be formed.
  • the control electrode may have irregularities on the opposite side not facing the floating electrode, so that the control electrode may be a heater at the same time as the control electrode, and two input terminals are formed at both ends in the longitudinal direction to supply the current of the power applied thereto. Flow may also enable heat generation.
  • a DC contact voltage or a pulse type voltage may be applied to the input terminal of the control electrode.
  • a voltage for heating and a voltage for reading may be applied in combination.
  • the semiconductor substrate under the control electrode and the sensing material layer is selectively etched and removed to a certain depth, thereby reducing the heat loss to the substrate by forming an air layer.
  • the air layer may further remove a portion of the semiconductor substrate to extend to a lower portion of the floating electrode adjacent to the sensing material layer, thereby reducing the parasitic capacitance component to improve the coupling ratio between the control electrode and the floating electrode.
  • a three-dimensional fin-pet type gas sensing device includes a semiconductor substrate, a semiconductor body protruding from the semiconductor substrate, an insulating insulating film formed on the side surface of the semiconductor body and the semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor body, and A floating electrode formed on the gate insulating film and the insulating insulating film, a protective insulating film formed on the floating electrode and the insulating insulating film, a first electrode formed on the protective insulating film and horizontally spaced apart from at least one side of the floating electrode; And a source / drain region formed in the semiconductor body with the floating electrode interposed therebetween, wherein the isolation insulating layer includes the sensing material layer formed on the protective insulating layer between the electrode and the floating electrode. Formed on the lower side of the body, and The floating electrode may be formed by surrounding the semiconductor body protruding onto the isolation insulating film with the gate insulating film interposed therebetween.
  • a second electrode is further formed on the side surface and the upper portion of the floating electrode facing the first electrode, and a second electrode is formed, and the sensing material layer is between the first electrode and the second electrode and the It may be formed on the protective insulating film.
  • the second electrode may be electrically connected to the floating electrode through a contact hole formed in the protective insulating layer.
  • a three-dimensional fin-pet type gas sensing device includes a semiconductor substrate, a semiconductor body protruding from the semiconductor substrate, a first insulating insulating film formed around the lower side of the semiconductor body on the semiconductor substrate, and a first insulating insulating film.
  • a source electrode / drain region formed in the semiconductor body with a control electrode formed on the second isolation insulating layer facing the side surface and horizontally spaced apart, a sensing material layer formed between the control electrode and the floating electrode, and the floating electrode interposed therebetween It may be configured to include.
  • a plurality of gas sensing elements are arranged on one semiconductor substrate to detect two or more heterogeneous gases, and the plurality of gas sensing elements include two or more gas sensing elements having different structures or operation mechanisms.
  • Each gas sensing element is characterized in that the three-dimensional pin-pet type gas sensing element of the present invention described above.
  • the plurality of gas sensing devices may include gas sensing devices having different operation mechanisms by at least two of a dielectric constant change, generation or destruction of electric charge, change of work function, and electromotive force change by the sensing material layer. .
  • the three-dimensional finpet-type gas sensing device can solve the problems in the structure introduced in the above-mentioned patent document and non-patent document by forming the control electrode, the floating electrode, and the sensing material layer in the horizontal direction.
  • the reaction time is slow due to the large gate area (channel width and length) in Patent Document 1
  • the reaction gas penetrates vertically into the sensing material layer to be adsorbed or desorbed, thereby greatly reducing the reaction time.
  • the sensing material layer can be structurally formed at the last step, it is not damaged, thereby improving the selectivity of the sensing material, as well as preventing contamination, and improving yield.
  • the three-dimensional finpet type gas detection device forms a control electrode and a floating electrode in an interdigital form to implement a high coupling ratio, thereby providing higher sensitivity, lower power consumption, and smaller sensor size than the sensor of Patent Document 2.
  • the control electrode and the sensing material are formed separately on one floating electrode, so that the area of the floating electrode becomes wider and the parasitic capacitance component increases, which in turn lowers the sensitivity.
  • the control electrode and the floating electrode are formed horizontally, the capacitance between the control electrode and the floating electrode can be increased and the parasitic capacitance component included in the floating electrode can be reduced, which can greatly improve the sensitivity of the device. It works.
  • the three-dimensional fin-pet type gas detection device has the effect of increasing the sensitivity of the sensor by widening the width of the channel by enlarging the floating electrode so as to surround the semiconductor body protruding onto the isolation insulating film to increase the drain current.
  • the three-dimensional finpet type gas detection device can be used as a heater and the control electrode can be separated or directly contacted with a thin insulating film between the control electrode and the sensing material layer, compared to the conventional case of using a thick insulating film.
  • the heat transfer efficiency can be increased, and the gas attached to the sensing material layer can be released to easily return to the original state.
  • the three-dimensional finpet type gas detection device forms an air layer by isotropically etching a semiconductor substrate near a sensing material layer, thereby preventing heat generated through a control electrode from being transferred to the substrate, thereby reducing heat loss than a conventional sensor. It has a minimal effect.
  • the three-dimensional finpet type gas detection device has an effect of improving the yield and reducing the manufacturing cost because the manufacturing process is simpler and smaller in size than the conventional sensor.
  • the three-dimensional fin-pet type gas sensing device and the gas sensing device array using the same detect changes in capacitance, work function, charge generation / discharge, and electromotive force generation [EMF (Electro Motive Force)] according to the change of dielectric constant before and after the detection.
  • EMF Electromotive Force
  • FIG. 1A to 1C illustrate a three-dimensional pin-pet type gas sensing device having a horizontal floating electrode capable of detecting capacitance change or generating / dissipating charges as an example of the present invention.
  • 1A is a cross-sectional view taken along the line A-A '
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line B-B'.
  • FIG. 2 illustrates an example in which the gas sensing element shown in FIG. 1A is modified, and a control electrode of the gas sensing element is configured as a heater.
  • FIG. 3A and 3B are modifications of the gas sensing device shown in FIG. 1A, and FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 3A.
  • FIG. 4 illustrates an example in which the gas sensing element shown in FIG. 3A is modified, and a control electrode of the gas sensing element is configured as a heater.
  • 5A to 5C illustrate a three-dimensional finpet-type gas sensing device having a horizontal floating electrode capable of detecting a change in work function, a change in capacitance, and generation / dissipation of charge as an example of the present invention.
  • 5B and 5C are cross-sectional views taken along the line AA ′ of FIG. 5A.
  • FIG. 6 illustrates an example in which the gas sensing element illustrated in FIG. 5A is modified, and the control electrode of the gas sensing element is configured as a heater.
  • 7A and 7B illustrate a three-dimensional pin-pet type gas sensing device having a horizontal floating electrode capable of detecting capacitance change or generating / dissipating charge as an example of the present invention.
  • 7A is a cross-sectional view taken along the line A-A '.
  • FIG. 8 illustrates an example in which the gas sensing element illustrated in FIG. 7A is modified, and the control electrode of the gas sensing element is configured as a heater.
  • FIG. 9A to 9E illustrate a three-dimensional pin-pet type gas sensing device having a horizontal floating electrode capable of detecting an electromotive force change as an example of the present invention
  • FIG. 9A is a plan view
  • FIGS. 9B, 9C, 9D, and FIG. 9E shows examples of a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 9A.
  • FIG. 10 illustrates an example in which the gas sensing element illustrated in FIG. 9A is modified, and a control electrode of the sensing element is configured as a heater.
  • FIGS. 11A and 11B are structural modifications of FIGS. 7A and 7B, but the operation mechanism detects an electromotive force change as shown in FIGS. 9A to 9E, FIG. 11A is a plan view, and FIG. 11B is A-A in FIG. 11A. 'It's a cross section along the line.
  • FIG. 12A and 12B are modifications of the gas sensing device shown in FIG. 11A, FIG. 12A is a plan view, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 12A.
  • FIG. 13 illustrates an example in which the gas sensing element illustrated in FIG. 11A is modified, and a control electrode of the sensing element is configured as a heater.
  • FIGS. 14A to 14D are modifications of the gas sensing device shown in FIG. 1A, and FIG. 14A is a plan view, and FIGS. 14B to 14D are cross-sectional views taken along the line AA ′ of FIG. 14A, respectively.
  • FIG. 15A and 15B are modifications of the gas sensing device shown in FIG. 2, in which 15A is a plan view, FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the line A-A 'in FIG. 15A, and FIG. 15C is a line taken along the line B-B'. It is a cross section.
  • FIG. 16A to 16F illustrate a three-dimensional pin-pet type gas sensing device having a horizontal floating electrode capable of detecting capacitance change or generating / disappearing charges as an example of the present invention
  • FIG. 16A is a plan view
  • FIG. 16F illustrates an example of a cross-sectional structure that each of the semiconductor bodies protruding in the cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 16A may be provided.
  • FIG. 17A and 17B illustrate a three-dimensional pin-pet type gas sensing device having a horizontal floating electrode capable of detecting capacitance change or generating / dissipating charge as an example of the present invention.
  • An example of a cross-sectional structure showing an insulating insulating film and a floating electrode formed by filling a top peripheral trench of a semiconductor body is shown.
  • FIG. 18A and 18B are modifications of the gas sensing device shown in FIG. 1A, and FIG. 18A is a plan view, and FIG. 18B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 18A.
  • FIG. 19 illustrates an example in which the gas sensing element shown in FIG. 18A is modified, and a control electrode of the gas sensing element is configured as a heater.
  • FIG. 20A to 20C are modifications of the gas sensing device shown in FIG. 5A, and FIG. 20A is a plan view, and FIG. 20B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 20A.
  • FIG. 21 illustrates an example in which the gas sensing element shown in FIG. 20A is modified, and a control electrode of the gas sensing element is configured as a heater.
  • FIG. 22 is an equivalent diagram illustrating an example of a method of configuring a gas sensing array by arranging a plurality of gas sensing elements according to the present invention.
  • FIG. 22 illustrates a plurality of gas sensing elements arranged in an array by four sensing mechanisms. As an example.
  • first electrode 5a source / drain electrode
  • sensing material layer 7 semiconductor substrate
  • insulating insulating film 8a first insulating insulating film
  • gas sensing device for detecting the charge generation / destruction of the sensing material layer
  • gas sensing element for detecting a change in the work function of the sensing material layer
  • the three-dimensional pin-pet type gas detection device as shown in Figures 1a to 6, 9a to 10, 14a to 15c and 16a to 19c in common.
  • the floating electrode 3 is formed on the lower side of the semiconductor body 12 so as to protrude upward, and the floating electrode 3 is interposed between the gate insulating film 9 and the semiconductor body 12 protruding onto the insulating insulating film 8. It is formed by wrapping it.
  • the semiconductor body 12 is preferably doped with impurities to form a buried channel, which is adjusted to the type, doping concentration and doping profile of the impurities to the side or top surface of the semiconductor body 12
  • the channel may be formed at a location slightly away from the body. This reduces the noise of the device and increases the signal-to-noise ratio (SNR), which is very important as a gas sensor.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the control electrode 2 may be formed of at least one of polysilicon, polysilicon germanium, silicide, metal, conductive metal oxide, and conductive nitride doped with impurities.
  • the sensing material layer 6 may be directly filled between the control electrode 2 and the floating electrode 3 facing each other and spaced apart from each other, and as in the following embodiments, a separate insulating material or a conductive material Can be filled in between.
  • the sensing material layer 6 is formed of a material in which the dielectric constant is changed or a charge is generated or dissipated in response to a specific gas
  • a capacitance change is caused between the control electrode 2 and the floating electrode 3.
  • the voltage at which the operating voltage applied to the control electrode 2 is transferred to the floating electrode 3 varies depending on the presence or absence of gas, and thus the semiconductor body 12.
  • control electrode 2, the floating electrode 3, and the sensing material layer 6 are basically formed in the horizontal direction, thereby solving the problems of the conventional vertical gas sensing device.
  • the reaction time is slow because the gate area (channel width and length) is large in the above-mentioned Patent Document 1, in this embodiment, the reaction gas is vertically penetrated into the sensing material layer 6 so as to be adsorbed or desorbed. The time can be greatly reduced.
  • the floating electrode 3 is formed to surround the semiconductor body 12 protruding onto the insulating insulating film 8 to widen the channel width of the sensing element to increase the drain current, thereby increasing the sensitivity of the sensor. To increase.
  • FIG. 1A is a plan view
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line A-A 'in FIG. 1A
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line B-B' in the channel length direction.
  • the semiconductor body 12 in which the channel is formed is formed to protrude from the semiconductor substrate 7 into the active region 1 defined by the isolation insulating film 8. 8) and the gate insulating film 9 is formed on the semiconductor body 12 protruding above the insulating film 8, and the floating electrode 3 is interposed between the gate insulating film 9 on the insulating film 8;
  • the semiconductor body 12 protruding over the insulating insulating film 8 is formed to surround the channel, and channels are formed on three surfaces of the semiconductor body 12 protruding over the insulating insulating film 8.
  • the semiconductor body 12 may be doped with the same impurity type as the semiconductor substrate 7, but the doping concentration and the doping profile may be different.
  • the semiconductor body 12 of the semiconductor body 12 protrudes over the insulating insulating film 8. It is preferable to dop the impurities so that buried channels are formed at a predetermined distance from the side surface or the upper surface.
  • the semiconductor body 12 has a cross-beam structure in the cross-section AA ′ of FIG. 16A, that is, a cross section perpendicular to the channel length, so that the channel is formed at the upper center.
  • the upper portion of the semiconductor body 12 may be rounded to a curved structure so that the semiconductor body 12 may be uniformly formed even if a channel is formed on the surface.
  • a protective insulating film 10 is formed on upper surfaces of the floating electrode 3, the control electrode 2, and the first insulating film 11, as shown in FIG. 1B, and a part of the protective insulating film 10 is formed.
  • the sensing material layer 6 is formed thereon.
  • the sensing material layer 6 is formed on a portion of the protective insulating layer 10 includes a portion or the entirety of the protective insulating layer 10 formed on the floating electrode 3.
  • the sensing material layer 6 can be formed at the end or the end of the manufacturing process after the protective insulating film 10 is formed, the sensing material layer 6 is formed of sensing materials of various materials while minimizing damage to the sensing material layer 6. It is possible to solve the problem of contamination that may occur due to this, because it is possible to bring an improvement in yield than in the prior art.
  • any one or more of a lift-off method, a shadow mask method, and an inkjet printing method may be used.
  • a first electrode 5 is formed and electrically connected to one side surface of the control electrode 2, and the source / drain region 13 is connected to FIGS. 1A and 1C. Likewise, it is electrically connected to the source / drain electrode 5a through the contact 4.
  • the sensing material layer 6 is formed of the same material as the first embodiment, and is used to change capacitance or generate / discharge electric charges between the control electrode 2 and the floating electrode 3 depending on the presence or absence of a specific gas. It can be operated by the mechanism.
  • the first insulating film 11 is disposed between the control electrode 2 and the sensing material layer 6 and between the floating electrode 3 and the sensing material layer 6, as shown in FIGS. 1A to 1C.
  • the first insulating film 11 is formed only on one of the control electrode 2 and the sensing material layer 6 and between the floating electrode 3 and the sensing material layer 6 by applying the same. May be
  • the first insulating layer 11 is connected to the control electrode 2. It is characterized in that it is formed only in any one between the sensing material layer 6 and between the floating electrode 3 and the sensing material layer 6, the first electrode 5 is formed on the other.
  • the sensing material layer 6 is formed of the first electrode 5. It is directly connected to the floating electrode 3 through the first electrode 5 has an advantage of being able to directly transfer the change of the sensing material layer 6 to the floating electrode 3 when detecting a specific gas. For example, when generation / discharge of a charge or a change in dielectric constant occurs with a specific gas in the sensing material layer 6, this may change the potential of the floating electrode 3.
  • the sensing material layer 6 when the first electrode 5 is formed between the control electrode 2 and the sensing material layer 6 as shown in FIGS. 5A, 5B, and 6, the sensing material layer The change in the electrical potential between the control electrode 2 and the floating electrode 3 according to the change in the work function of (6) is used as an operation mechanism. That is, in the structure, when the sensing material layer 6 is formed of a material that changes the work function in response to a specific gas, the structure is electrically connected to the control electrode 2 directly through the first electrode 5. As a result of changing the work function of the control electrode 2, the voltage transmitted to the floating electrode 3 is changed depending on the presence or absence of a specific gas even for the same operating voltage, which is changed through the source / drain electrodes 5a.
  • the sensing material layer 6 may be formed of a material in which the dielectric constant is changed or a charge is generated or dissipated in response to a specific gas with a predetermined insulator. In the latter case, it is preferable to form the first insulating film 11 between the control electrode 2 and the first electrode 5 as shown in Fig. 5C.
  • the floating electrode 3, the control electrode 2, and the first insulating film 11 are formed.
  • a protective insulating layer 10 is formed on an upper surface of the first insulating layer 10, the first electrode 5 is formed on a portion of the protective insulating layer 10, and the sensing material layer 6 is formed on the first electrode 5 and the protective layer. It may also be formed on each part of the insulating film 10.
  • the first electrode 5 may be formed between the first insulating film 11 and the sensing material layer 6 formed on the side of the control electrode 2.
  • the electrical potential between the first electrode 5 and the floating electrode 3 according to the change of the work function of the sensing material layer 6 can be used as an operation mechanism.
  • the first electrode 5 in FIG. 5C may also be formed between the sensing material layer 6 and the first insulating film 11 formed on the side of the floating electrode 3. Can be formed.
  • the three-dimensional finpet type gas detection device is formed between the control electrode 2 and the floating electrode 3 in the first embodiment, as shown in Figs. 14A and 14B.
  • the sensing material layer 6 is filled on the protective insulating film 10.
  • a first electrode 5 is further formed on the protective insulating film 10 between the control electrode 2 and the sensing material layer 6 as shown in FIG. 14C, or further, as shown in FIG. 14D.
  • a second electrode 14 may be further formed on the protective insulating layer 10 between the floating electrode 3 and the sensing material layer 6.
  • the sensing material layer 6 can be formed at the end or the end of the manufacturing process, as mentioned in the second and third embodiments, thereby having the same advantages.
  • the sensing material layer 6 is formed of the same material as the first embodiment, and is used to change capacitance or generate / discharge electric charges between the control electrode 2 and the floating electrode 3 depending on the presence or absence of a specific gas. It can be operated by the mechanism.
  • the work function may be changed, and in the structure of FIG. 14D, the mechanism may be operated by the change of the electromotive force.
  • the first electrode 5 and the second electrode 14 may be formed of different metals, and the sensing material layer 6 may react with a specific gas to react the first electrode 5 and the second electrode. It is desirable to be formed of a material that changes the electromotive force between the (14).
  • the first electrode 5 and the second electrode 14 may be formed of platinum (Pt), silver (Ag) or an alloy containing any one or more thereof, and the sensing material layer 6 ) May be formed of a solid electrolyte, a metal oxide, or the like.
  • the sensing material layer 6 reacting to a specific gas induces a change in electromotive force between the first electrode 5 and the second electrode 14, and the change in electromotive force is controlled by the control electrode 2.
  • the control electrode 2 In addition to the operating voltage applied to the) is delivered to the floating electrode (3), it operates by the mechanism to sense the current flowing through the source / drain electrode (5a).
  • the capacitance between the control electrode 2 and the floating electrode 3 may change due to the change in the dielectric constant of the sensing material layer 6 depending on the presence or absence of a specific gas.
  • the operating mechanism may be to detect change or to detect an effect of charge generation or dissipation in the sensing material layer 6.
  • the first electrode 5, the sensing material layer 6, and the second electrode 14 may be formed between the control electrode 2 and the floating electrode 3.
  • a first insulating film 11 is further formed between at least one of the control electrode 2 and the first electrode 5 and between the floating electrode 3 and the second electrode 14. May be
  • the sensing material layer 6 may be formed even if the sensing material layer 6 is formed of a material causing work function or electromotive force change.
  • the specific gas can be detected by a change in capacitance caused by a change in the dielectric constant of the c) or an operation mechanism by generating or dissipating charges in the sensing material layer 6.
  • the sensing material layer 6 since the first electrode 5 is formed directly on the sidewall of the control electrode 2, the sensing material layer 6 operates by changing the work function and / or electromotive force of the sensing material layer 6. When formed of an insulator, it may operate as a mechanism for detecting capacitance change or charge generation / dissipation caused by a change in dielectric constant.
  • a protective insulating film 10 is formed on upper surfaces of the floating electrode 3, the control electrode 2, and the first insulating film 11, and the first electrode 5 is formed.
  • the second electrode 14 is part of the protective insulating film 10 formed on the upper surface of the floating electrode (3)
  • the sensing material layer 6 is preferably formed on a part of each upper surface of the first electrode (5) and the second electrode (14).
  • the three-dimensional finpet type gas detection device as shown in Figs. 17a and 17b, the semiconductor substrate (7); A semiconductor body 12 protruding from the semiconductor substrate 7; A first insulating insulating film 8a formed on the semiconductor substrate 7 to surround a lower side surface of the semiconductor body 12; A second insulating insulating film 8b formed spaced apart from each other on the first insulating insulating film 8a to form a trench around an upper side surface of the semiconductor body 12; A floating electrode 3 filling the trench on the second insulating insulating film 8b and having a gate insulating film 9 interposed therebetween on the semiconductor body 12; A control electrode 2 facing the at least one side of the floating electrode 3 and horizontally spaced apart from the second insulating insulating film 8b; A sensing material layer 6 formed between the control electrode 2 and the floating electrode 3; And a source / drain region 13 formed in the semiconductor body 1; 12 with the floating electrode 3 therebetween.
  • the floating electrode is formed by protruding the upper portion of the semiconductor body 12 with the first and second insulating insulating films 8a and 8b as described above, and covering the floating electrode 3 with the gate insulating film 9 interposed therebetween.
  • the height of (3) can be matched with the height of another configuration such as the control electrode (2).
  • the three-dimensional finpet-type gas sensing device is the first to third, fifth and sixth embodiments as shown in FIGS. 18A, 18B, 20A to 20C in common.
  • an air gap 15a is formed between the sensing material layer 6 and the floating electrode 3. More specifically, an air gap 15a is formed between the sensing material layer 6 and the first insulating film 11 or the protective insulating film (not shown) formed on the side of the floating electrode 3.
  • a first electrode 5 may be further formed between the control electrode 2 and the sensing material layer 6, a first insulating film 11, as shown in FIG. 18B, and / or as shown in FIG. 20B.
  • the air gap 15a may be formed between the control electrode 2 and the sensing material layer 6.
  • the reaction gas can quickly penetrate through the air gap 15a, so that the reaction time of the device can be improved.
  • the remaining features are the same as described in the first to sixth embodiments.
  • the three-dimensional finpet type gas detection device is the first to the seventh embodiment, as shown in Figures 1a to 6, 9a to 10 and 14a to 19c in common.
  • the floating electrode 3 is uneven in a direction facing the control electrode 2, and the control electrode 2 has a uneven side opposite to the uneven side of the floating electrode 3. It is characterized in that it is spaced apart in the shape (ie interdigitated form) to be engaged with the electrode (3).
  • the three-dimensional finpet type gas detection device as shown in common in Figs. 2, 4, 6, 10 and 15a, the control electrode (7) 2) is characterized in that the opposite side not facing the floating electrode 3 is also uneven.
  • the read operation and the heat generation operation may be performed by alternately applying a read voltage in a pulse form and a voltage pulse for heat generation to both ends of the control electrode 2.
  • control electrode 2 which is also used as a heater as described above, may be formed of a doped polysilicon, silicide, or a metal composed of one or more. Other features are the same as those described in the first to eighth embodiments.
  • the control electrode 2 and the sensing material layer 6 are lowered in the eighth embodiment.
  • the semiconductor substrate 7 in is etched to a predetermined depth to form an air layer 15.
  • the semiconductor substrate 7 having high thermal conductivity is generated from the heat generated from the control electrode 2 acting as a heater. Blocking the escape to the has the advantage that can be effectively delivered to the sensing material layer (6).
  • the air layer 15 is preferably extended to a part of the lower portion of the floating electrode 3.
  • the heat loss may be further reduced as well as the semiconductor substrate 7.
  • the parasitic capacitance component between the floating electrode 3 can be reduced to increase the coupling ratio between the control electrode 2 and the floating electrode 3.
  • the air layer 15 forms a plurality of through holes so that the semiconductor substrate 7 is exposed and surrounds a portion of the insulating insulating film 8 to form an air layer. Can be formed.
  • the three-dimensional fin-pet-type gas sensing device includes a semiconductor substrate 7 as shown in FIGS. 7A to 8 and 11A to 13 in common; A semiconductor body 12 protruding from the semiconductor substrate 7; An insulating insulating film 8 formed on a side of the semiconductor body 12 and on the semiconductor substrate 7; A gate insulating film 9 formed on the semiconductor body 12; A floating electrode 3 formed on the gate insulating film 9 and the insulating insulating film 8; A protective insulating film 10 formed on the floating electrode 3 and the insulating insulating film 8; A first electrode 5 facing the at least one side of the floating electrode 3 and horizontally spaced apart on the protective insulating layer 10; A sensing material layer (6) formed on the protective insulating film (10) between the first electrode (5) and the floating electrode (3); And a source / drain region 13 formed in the semiconductor body 12 with the floating electrode 3 interposed therebetween, wherein the isolation insulating film 8 is formed by the semiconductor body 12 being the isolation insulating
  • the floating electrode 3 is formed on the lower side of the semiconductor body 12 so as to protrude upward, and the floating electrode 3 is interposed between the gate insulating film 9 and the semiconductor body 12 protruding onto the insulating insulating film 8. It is characterized in that it is formed while wrapping.
  • the semiconductor body 12 is preferably doped with impurities to form a buried channel, which is adjusted to the type, doping concentration and doping profile of the impurities to the side or top surface of the semiconductor body 12
  • the channel may be formed at a location slightly away from the body. This reduces the noise of the device and increases the signal-to-noise ratio (SNR), which is very important as a gas sensor.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the first electrode 5 serves as the control electrode 2 of the first to tenth embodiments, and any one of polysilicon, polysilicon germanium, silicide, metal, conductive metal oxide, and conductive nitride doped with impurities It may be formed of any of the above materials.
  • the sensing material layer 6 may be directly filled between the protective insulating layer 10 of the sidewalls of the first electrode 5 and the floating electrode 3 facing each other, as described in the following embodiments. It may be filled with a separate insulating material or conductive material therebetween.
  • the sensing material layer 6 when the sensing material layer 6 is formed of a material in which the dielectric constant is changed or a charge is generated or disappeared in response to a specific gas, the sensing material layer 6 may operate as a mechanism for detecting the change of the capacitor or the generation / dissipation of the charge. have.
  • the mechanism for detecting a change in the work function according to the material of the sensing material layer (6) can work as well.
  • the first vertical electrode 5, the floating electrode 3, and the sensing material layer 6 are formed in the horizontal direction, and thus, the conventional vertical gas sensing device as in the first embodiment is formed. Can solve problems.
  • the three-dimensional finpet type gas detection device includes the protective insulating layer 10 and the protective insulating layer 10 on the sidewalls of the floating electrode 3 in the tenth embodiment.
  • the second electrode 14 is formed between the sensing material layers 6.
  • the first electrode 5 and the second electrode 14 may be formed of different metals, and the sensing material layer 6 may react with a specific gas to react the first electrode 5 and the second electrode. It is desirable to be formed of a material that changes the electromotive force between the (14).
  • the first electrode 5 and the second electrode 14 may be formed of platinum (Pt), silver (Ag) or an alloy containing any one or more thereof, and the sensing material layer 6 ) May be formed of a solid electrolyte, a metal oxide, or the like.
  • the electromotive force change due to the specific gas by the sensing material layer 6 can operate as a mechanism for sensing.
  • the sensing material layer 6 when the sensing material layer 6 is formed of an insulator, the sensing material layer 6 may operate as a mechanism for detecting the change or the generation / discharge of a capacitor. It may work.
  • a second electrode 14 is formed on the side surface and an upper portion of the floating electrode 3 facing the first electrode 5 with the protective insulating layer 10 interposed therebetween.
  • the sensing material layer 6 may have a structure filled in a groove on the protective insulating layer 10 between the first electrode 5 and the second electrode 14. This is because the sensing material layer 6 can be formed later or at the end of the manufacturing process and thus have the same advantages described in the previous embodiments.
  • the second electrode 14 may be electrically connected to the floating electrode 3 through the contact hole 14a formed on the protective insulating layer 10 in the structures of FIGS. 11A and 11B. Shows. By doing so, there is an advantage that the coupling ratio between the first electrode 5 and the floating electrode 3 can be improved.
  • an air gap is formed between the sensing material layer 6 and the floating electrode 3 on which the protective insulating layer 10 is formed. (Not shown) is formed.
  • an air gap (not shown) may be formed between the opposite first electrode 5 and the sensing material layer 6.
  • a first insulating film 11 may be further formed between the floating electrodes 3 on which the protective insulating film 10 is formed (the latter embodiment).
  • the reaction gas can quickly penetrate through the air gap (not shown), so that the reaction time of the device can be improved.
  • the remaining features are the same as those described in the eleventh embodiment.
  • the floating electrode ( 3) the side surface is concave and convex in the direction facing the first electrode 5
  • the first electrode 5 has a side concave and convex opposite to the concave-convex side of the floating electrode 3, the floating electrode (3) It is characterized in that the spaced apart in the interlocking shape (ie, interdigitated form).
  • the structure as described above has the advantage of increasing the capacitance of the first electrode 5 and the floating electrode 3 by increasing the area facing each other.
  • the remaining features are the same as described in the eleventh and twelfth embodiments.
  • the first electrode 5 is the floating electrode 3 in the fourteenth embodiment.
  • the opposite side not facing) is also characterized by irregularities.
  • the read operation and the heat generation operation may be performed by alternately applying a read voltage in a pulse form and a voltage pulse for heat generation to both ends of the first electrode 5.
  • the first electrode 5 which is also used as a heater, may be formed of a doped polysilicon, silicide, or a metal composed of one or more.
  • Other features are the same as those described in the eleventh to fourteenth embodiments.
  • the semiconductor substrate 7 under the first electrode 5 and the sensing material layer 6 has a predetermined depth in the fifteenth embodiment. Etched to form an air layer (not shown).
  • the air layer is formed to extend to a part of the lower portion of the floating electrode 3.
  • the parasitic capacitance between the semiconductor substrate 7 and the floating electrode 3 may be reduced, as well as the heat loss.
  • the component ratio can be reduced to increase the coupling ratio between the first electrode 5 and the floating electrode 3.
  • the air layer may form a plurality of through-holes to expose the semiconductor substrate 7 to surround the portion where the air layer is to be formed in the insulating insulating film 8, and then may be formed by selective isotropic etching.
  • a plurality of gas sensing elements are arranged to detect two or more heterogeneous gases on one semiconductor substrate, and the plurality of gas sensing elements have two or more different structures or operation mechanisms.
  • the three-dimensional finpet-type gas sensing device basically has the control electrode 2 or the first electrode 5 facing at least one side with the floating electrode 3. Spaced apart in the horizontal direction to cover the separation space (groove) and the sensing material layer 6 is formed, the first insulating film 11, the first electrode 5, the second electrode in the separation space (groove) The cross-sectional structure and / or operation mechanism of the device vary depending on whether any one or more of the 14 and the protective insulating film 10 are further formed in contact with the sensing material layer 6.
  • the cross-sectional structure (cross-sectional structure cut along the line AA 'in the accompanying drawings) of the three-dimensional finpet type gas sensing device according to the first to sixteenth embodiments is different.
  • the operation mechanism is different, and the type of the reacting gas may be different.
  • the cross-sectional structure of the three-dimensional finpet type gas sensing device according to the first to sixteenth embodiments is the same, but even if the sensing material layer 6 of each device is different, the operation mechanism is different, and thus the type of the reacting gas is different. Can be.
  • the gas sensing element array according to the seventeenth embodiment uses two or more of the first to sixteenth embodiments according to the first to sixteenth embodiments, which have different cross-sectional structures or different sensing mechanisms on one semiconductor substrate by using the above characteristics. Characterized in that the array of the three-dimensional pin-pet type gas sensing element.
  • the plurality of gas sensing elements may be changed in dielectric constant, generation or dissipation of charges by the sensing material layer 6. It is characterized in that the arrangement including the gas sensing element having a different operation mechanism by at least two of the change in the work function, and the electromotive force change.
  • reference numeral 100 denotes a gas sensing element that detects a change in capacitance due to a change in dielectric constant of the sensing material layer 6,
  • 200 denotes a gas sensing element that detects charge generation / disappearance of the sensing material layer 6, and 300.
  • a gas sensing element for detecting a change in the work function of the sensing material layer 6, and 400 represent a gas sensing element for sensing a change in electromotive force of the sensing material layer 6.
  • sensing fingerprints different sensing characteristics for a specific gas even under the same sensing material layer 6 applied, the type and concentration of gas without using various sensing materials. There is an advantage that can be detected accurately.
  • the Fin FET can also be integrated on the same substrate as the three-dimensional fin-pet type gas sensing device according to the above embodiments. In this case, the Fin FET may be used when implementing the peripheral circuit of the gas sensing element.
  • the field effect transistor sensor having a floating gate in the horizontal direction can be implemented in a simple process, it can be easily combined with the conventional CMOS process, the industrial availability is high.
  • the present invention is superior to the sensors currently developed by the industry (see Patent Document 2), and can reduce manufacturing costs, and can be very usefully applied to chemicals and biosensors.

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Abstract

본 발명은 3차원 핀펫형 가스 감지소자에 관한 것으로, 수평 방향으로 형성된 플로팅 전극 구조를 가짐으로써, 종래 수직방향으로 적층된 플로팅 전극, 감지물질층, 제어 전극을 갖는 가스 감지소자에 비해 잡음감소, 공정단순화, 오염방지, 감지속도개선, 다양한 감지물질 적용 가능, 기계적 안정성 등의 장점을 갖고, 다양한 감지 기작으로 동작하는 복수 개의 가스 감지소자를 하나의 기판에 쉽게 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

수평형 플로팅 게이트를 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자
본 발명은 가스 감지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수평 방향으로 플로팅 게이트가 형성된 3차원 핀펫형(Fin FET type) 가스 감지소자에 관한 것으로서 기존의 수직 방향으로 게이트와 감지층을 형성한 센서에서 나타나는 문제점을 개선하기 위한 것으로 물리, 화학, 바이오센서 등의 제작에 유용하게 사용될 수 있다.
최근 화학, 바이오 물질을 감지하기 위해서 여러 많은 구조의 센서가 개발되고 있고 이런 센서들 중에서 높은 입력 임피던스를 가지며 높은 증폭률을 가지는 플로팅 게이트를 이용한 FET(Field Effect Transistor)에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히 저전력, 높은 Transconductance에 의한 높은 감지 감도(Sensitivity) 및 기존 CMOS 회로와의 융합성이 필요로 되면서 FET형 센서에 대한 연구가 점차 증가하고 있다.
기존의 연구에서는 주로 수직 방향으로 플로팅 게이트 및 감지층을 형성하는 형태로 구현되고 있다. 실리콘 기판 위에 게이트 절연막을 형성하고 게이트 절연막 상단에 감지층을 형성한 뒤, 감지층 상단에 제어전극을 형성하는 방식이 주를 이루고 있다. 감지 원리는 감지 전후에 따라 감지층의 커패시턴스(Capacitance)나 일함수(Workfunction) 변화 및 전하 생성/소멸(Charge Generation/Extinction) 효과들이 나타나고, 결국 채널에서의 퍼텐셜(Potential)이 변하게 되어 드레인 전류가 변하게 된다. 이 드레인 전류의 변화를 읽어서 가스 감지 유무 판단 및 감지 정도를 정량적으로 나타낼 수 있다.
기존에 발표되었던 문헌들을 보면 특허문헌 1에서는 전형적인 수직 형태의 구조로, 게이트 절연막 위에 플로팅 전극이 구비되고 플로팅 전극 상단에 감지층을 형성한 뒤, 감지층 상단에 제어전극을 형성하는 구조를 사용하였다. 이 구조는 감지 전후에 감지층의 커패시턴스가 변화되어 드레인 전류를 감지하는 방식이다. 특허문헌 1의 소자 구조에서는 수직으로 형성된 절연체 및 제어전극 사이에 감지층을 형성하였기 때문에 반응 물질이 측면으로 스며들어 반응한다. 통상 센서용 FET의 게이트 영역(채널 폭 및 길이)은 크기 때문에 반응시간이 느리다. 이유는 측면으로 스며들어가는 길이가 길기 때문에 반응시간이 긴 단점이 있고, 또한 스며들어간 가스를 제거하는 시간도 많이 필요하다. 반응 시간을 줄이기 위해서는 게이트의 크기를 가능한 한 줄여야 한다. 하지만 현재 반도체 공정상에서 게이트의 면적을 줄이기 위해서는 고가의 장비가 필요로 하기 때문에 비용이 증가되는 문제점을 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 다공성(Porous) 메탈을 제어전극으로 사용하여 가스 입자가 제어 전극을 통해 감지 물질에 반응하는 형태 및 제어 전극을 감지 물질로 사용하는 가스센서가 개발되고 있지만 감지 가능한 가스의 종류가 한정되어 있다. 왜냐하면 제조 공정에서 절연막 물질은 하나로 결정되어 다양한 가스를 감지하기 어렵다. 또 이 구조는 앞에서 언급했듯이 감지 전후의 커패시턴스 변화를 이용한 수직 형태의 구조이다. 따라서 감지층이 절연물질이면 그 위에 전극을 형성하고 만약 감지층이 반도체 물질이면 절연체 및 전극을 형성하는 과정을 필요로 한다. 하지만 전극 및 절연체 형성 과정에서 감지층에 물리적 화학적 손상을 줄 수 있는 문제점이 있다. 그리고 대부분의 MOSFET형 센서에서는 외부 환경 노출로 인한 신뢰성 문제 때문에 두꺼운 보호 절연막(Passivation Layer)을 증착한다. 특허문헌 1에서는 보호 절연막이 게이트 절연막 바로 위에 형성되어 게이트 절연막의 두꺼워 졌고, 따라서 제어전극의 Coupling ratio가 줄어들게 되어 센서의 감도를 저하시킨다.
특허문헌 2에서는 감지층과 플로팅 게이트 사이에 공기층을 형성한 구조이다. 이 구조에서는 감지층이 제어 전극 역할을 하게 된다. 감지 후에 감지층의 일함수 변화가 일어나고 그 결과 FET의 문턱전압(Threshold voltage)이 변하여 결국 드레인 전류가 변하는 원리를 이용한 센서이다. 이 센서 구조에서는 특허문헌 1에서 나타나는 소자의 반응시간이 게이트 크기에 따라 결정되는 문제점을 보완하기 위해 공기층을 형성하였다. 이 공기층 형성과정은 플로팅 게이트와 감지층 사이에 희생층을 형성하고 희생층을 등방성으로 식각하여 공기층을 형성한다. 하지만 유전상수가 작은 공기층 때문에 제어 전극과 플로팅 전극 사이의 Coupling ratio가 작아져 센서의 감도를 저하시킨다. 이 문제를 해결하기 위해서는 제어 전극과 플로팅 전극 사이의 면적을 크게 해야 된다. 이렇게 면적을 증가시킬 경우, 몇 가지 문제점이 나타날 수 있다. 첫째 센서의 면적이 넓어지면 한 기판에 제작되는 센서의 개수가 적어져 결국 제조비용을 증가시킨다. 둘째 현재 MOSFET 형태의 가스 센서는 금속산화물 기반의 감지물질을 주로 사용하고 있다. 이런 종류의 감지 물질은 주로 고온에서 동작한다. 그러므로 센서의 면적이 넓으면 감지층 영역의 면적도 같이 넓어지게 되어 많은 열에너지를 감지층에 전달해주어야 하기 때문에 전력소모가 커진다. 셋째 식각액을 이용하여 희생층을 등방성 식각할 때, 감지층과 액티브 영역을 보호하고 있는 절연막이 식각액에 장시간 노출됨으로써 문제가 발생할 수 있다. 감지층은 희생층 제거를 위한 식각액에 거의 반응하지 않는 물질을 선택해야 하는 제약이 있고, 또 액티브 영역을 보호하기 위해 두꺼운 보호 절연막을 형성해야 한다. 보호 절연막의 두께가 증가하면 제어전극과 플로팅 전극 사이의 Coupling ratio가 줄어든다.
이것 이외에도 특허문헌 2의 센서를 제작하기 위해서는 최소 6장 이상의 마스크를 사용하게 되어 공정 복잡도가 증가하고 특정 제조 공정단계에 어려움이 발생한다. 따라서 수율이 감소하고 센서 제조 비용이 높아지게 된다.
비특허문헌 1에서 소개된 센서는 감지물질과 가스가 반응하면 플로팅 전극에 전하가 유기되어 드레인 전류에 반영된다. 이 소자구조에서는 하나의 플로팅 전극 위에 감지영역과 제어전극을 동시에 구비하였고, 감지물질에 가스 반응 전후에 따라 전하가 생성/소멸 효과를 이용한 센서이다. 이 구조에서 감지물질이 가스와 반응을 하면 감지물질에 알짜 전하가 발생하고, 이 전하는 다시 아래에 있는 플로팅 전극에 전하를 유기한다. 유기된 전하는 플로팅 전극의 퍼텐셜을 변화시켜 FET의 문턱전압이 변하고 결국 드레인 전류를 변화시킨다. 그리고 감지층 아래에는 별도의 히터(Heater)를 형성하여 감지층에 열을 전달할 수 있다. 이 경우, 열이 원치 않는 곳으로 전달되는 것을 막기 위해 실리콘 기판을 식각하였다. 이 구조에서는 플로팅 전극이 넓게 형성될 수밖에 없기 때문에 기생 용량 성분이 증가하게 된다. 또 실리콘 기판을 식각하는 과정에서 센서의 주요 부분에 손상을 줄 수 있다.
그리고, 기존 MOSFET 형태의 가스 센서는 플로팅 전극이 반도체 바디 일면 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성되는 것이어서 드레인 전류가 작아 센서의 감도를 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
따라서 기존의 발표된 소자들이 갖는 문제점을 해결할 수 있는 새로운 구조의 소자 개발이 요구되고 있다.
특허문헌 1: 미국 특허 제4,849,798호(Field Effect Transistor Type Sensor With An Auxiliary Electrode), 1989. 7. 18.
특허문헌 2: 미국 특허 제7,772,617호(Gas Sensitive Field Effect Transistor), 2010. 8. 10.
비특허문헌 1: Mario Alfredo Reyes Barranca et al., "Using a Floating-Gate MOS Transistor as a Transducer in a MEMS Gas Sensing System," Sensors 2010, 10, 10413-10434.
본 발명은 기존의 수직방향으로 형성된 플로팅 및 제어전극, 감지층을 갖는 FET형 센서에서 발생하는 제조공정상의 문제인 감지물질 선택의 제한, 기생 용량성분으로 인한 제어 및 플로팅 전극 사이의 낮은 coupling ratio, 낮은 감지 감도 및 높은 전력소모, 그리고 공정의 복잡도로 발생하는 높은 제조비용 등의 문제점들을 개선하고자 제안된 것으로, 수평방향으로 제어 전극 및 플로팅 전극을 형성하고 이들 사이에 감지물질층을 형성하는 소자 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 플로팅 전극을 핀 형태로 돌출된 반도체 바디를 감싸며 형성되도록 하여 채널의 폭을 넓혀 드레인 전류를 크게 함으로써, 센서의 감도를 높일 수 있는 소자 구조를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
나아가, 본 발명의 구조에 근거하여 몇 가지 감지 기작(mechanism)을 제공하고 이들 감지 기작으로 동작하는 복수 개의 가스 감지소자를 어레이 형태로 구현하여 감지의 정확도를 높이고자 한다.
본 발명에서는 기존 문제를 해결하기 위한 수단으로 다음의 센서 구조와 특징을 제공하고자 한다.
반도체 기판, 상기 반도체 기판에 돌출되게 형성된 반도체 바디, 상기 반도체 바디의 측면 및 상기 반도체 기판 상에 형성된 격리 절연막, 상기 반도체 바디 상에 형성된 게이트 절연막, 상기 게이트 절연막 및 상기 격리 절연막 상에 형성된 플로팅 전극, 상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 격리 절연막 상에 형성된 제어 전극, 상기 제어 전극과 상기 플로팅 전극 사이에 형성된 감지물질층 및 상기 플로팅 전극을 사이에 두고 상기 반도체 바디에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하되, 상기 격리 절연막은 상기 반도체 바디가 돌출되도록 상기 반도체 바디의 하부 측면 상에 형성되고, 상기 플로팅 전극은 상기 격리 절연막 상으로 돌출된 상기 반도체 바디를 상기 게이트 절연막을 사이에 두고 감싸며 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자를 제공한다.
상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이 중 적어도 어느 하나에는 제 1 절연막이 형성될 수 있다.
상기 플로팅 전극, 상기 제어 전극 및 상기 제 1 절연막의 상부 표면에 보호 절연막이 형성되고, 상기 감지물질층은 상기 보호 절연막 일부 위에도 형성될 수 있다.
상기 제 1 절연막은 상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이 중 어느 하나에 형성되고, 상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이 중 다른 하나에는 제 1 전극이 형성될 수 있다.
상기 플로팅 전극, 상기 제어 전극 및 상기 제 1 절연막의 상부 표면에 보호 절연막이 형성되고, 상기 제 1 전극은 상기 보호 절연막 일부 위에도 형성되고, 상기 감지물질층은 상기 제 1 전극 및 상기 보호 절연막의 각 일부 위에도 형성될 수 있다.
상기 감지물질층은 상기 제어 전극과 상기 플로팅 전극 사이에 형성된 보호절연막 위에 형성될 수도 있다.
상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이에는 제 1 전극이 형성되고, 상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이에는 제 2 전극이 형성될 수 있다.
상기 제어 전극과 상기 제 1 전극 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나에는 제 1 절연막이 형성될 수 있다.
상기 플로팅 전극, 상기 제어 전극 및 상기 제 1 절연막의 상부 표면에 보호 절연막이 형성되고, 상기 제 1 전극은 상기 제어 전극의 상부 표면에 형성된 상기 보호 절연막 위에도 형성되고, 상기 제 2 전극은 상기 플로팅 전극의 상부 표면에 형성된 상기 보호 절연막의 일부 위에도 형성되고, 상기 감지물질층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극의 각 상부 표면 일부 위에도 형성될 수 있다.
상기 반도체 바디는 매몰 채널(buried channel)이 형성되도록 불순물이 도핑 됨으로써, 잡음을 줄여 신호 대 잡음비(SNR)을 개선하며, 캐리어의 이동도를 개선할 수 있다.
상기 제어 전극은 폴리 실리콘, 폴리 실리콘게르마늄(SiGe), 실리사이드, 금속, 도전성 금속산화물, 도전성 질화물 중 어느 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기 감지물질층은 특정가스에 반응하여 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성될 수 있다.
상기 제 1 전극은 상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이 또는 제어 전극 측면에 형성된 제 1 절연막 또는 보호 절연막과 감지물질층 사이에 형성되고, 상기 감지물질층은 특정가스에 반응하여 상기 제어 전극 또는 제 1 전극의 일함수를 변하게 하는 물질 또는 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성될 수 있다.
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 서로 다른 금속으로 형성되고, 상기 감지물질층은 특정가스에 반응하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 기전력 변화를 주는 물질 또는 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성될 수 있다.
상기 제어전극과 상기 감지물질층 사이 또는 상기 감지물질층과 상기 플로팅 전극 사이에는 공기갭(air gap)이 존재할 수 있다.
상기 플로팅 전극은 상기 제어 전극과 마주하는 방향으로 측면이 요철 되고, 상기 제어 전극은 상기 플로팅 전극의 요철 측면과 반대로 요철된 측면을 가지고 상기 플로팅 전극과 서로 맞물리는 형상으로 즉, 인터디지테이티드(Interdigitated) 형태로 형성될 수 있다.
상기 제어 전극은 상기 플로팅 전극과 마주하지 않는 반대 측면도 요철되어 제어 전극의 역할과 동시에 발열체(heater)가 되도록 할 수 있고, 길이방향의 양단에 두 개의 입력 단자가 형성되어 이를 통해 인가된 전원의 전류 흐름으로 발열도 가능하게 할 수 있다.
즉, 상기 제어 전극의 입력 단자에 DC 접압 또는 펄스 형태의 전압을 인가할 수 있는데, 후자의 경우 heating을 위한 전압과 읽기를 위한 전압을 조합하여 인가할 수 있다.
상기 제어 전극과 상기 감지물질층 하부에 있는 상기 반도체 기판은 선택적으로 일정 깊이 식각하여 일부 제거함으로써, 공기층을 만들어 기판으로의 열 손실을 줄일 수 있다. 나아가, 상기 공기층은 상기 감지물질층과 인접한 상기 플로팅 전극의 하부 일부까지 확장되도록 상기 반도체 기판의 일부를 더 제거함으로써, 기생 용량 성분을 줄여 제어 전극과 플로팅 전극 사이의 coupling ratio를 개선할 수도 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 반도체 기판, 상기 반도체 기판에 돌출되게 형성된 반도체 바디, 상기 반도체 바디의 측면 및 상기 반도체 기판 상에 형성된 격리 절연막, 상기 반도체 바디 상에 형성된 게이트 절연막, 상기 게이트 절연막 및 상기 격리 절연막 상에 형성된 플로팅 전극, 상기 플로팅 전극과 격리 절연막 상에 형성된 보호 절연막, 상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 보호 절연막 상에 형성된 제 1 전극, 상기 제 1 전극과 상기 플로팅 전극 사이의 상기 보호 절연막 상에 형성된 감지물질층 및 상기 플로팅 전극을 사이에 두고 상기 반도체 바디에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하되, 상기 격리 절연막은 상기 반도체 바디가 돌출되도록 상기 반도체 바디의 하부 측면 상에 형성되고, 상기 플로팅 전극은 상기 격리 절연막 상으로 돌출된 상기 반도체 바디를 상기 게이트 절연막을 사이에 두고 감싸며 형성된 것으로 구성될 수도 있다.
여기서, 상기 제 1 전극과 마주보는 상기 플로팅 전극의 측면 및 상부 일부에 상기 보호 절연막을 사이에 두고 제 2 전극이 더 형성되고, 상기 감지물질층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이 및 상기 보호 절연막 상에 형성될 수 있다.
상기 제 2 전극은 상기 보호 절연막에 형성된 컨택홀로 상기 플로팅 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 반도체 기판, 상기 반도체 기판에 돌출되게 형성된 반도체 바디, 상기 반도체 기판 상에서 상기 반도체 바디의 하부 측면을 둘러싸며 형성된 제 1 격리 절연막, 상기 제 1 격리 절연막 상에서 상기 반도체 바디의 상부 측면 주변으로 트렌치를 이루도록 이격되어 형성된 제 2 격리 절연막, 상기 제 2 격리 절연막 상에 상기 트렌치를 메우며 상기 반도체 바디 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 플로팅 전극, 상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 제 2 격리 절연막 상에 형성된 제어 전극, 상기 제어 전극과 상기 플로팅 전극 사이에 형성된 감지물질층 및 상기 플로팅 전극을 사이에 두고 상기 반도체 바디에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하여 구성될 수도 있다.
본 발명에 의한 가스 감지소자 어레이는 하나의 반도체 기판에 2 이상의 이종 가스를 감지하도록 복수 개의 가스 감지소자가 배열되되, 상기 복수 개의 가스 감지소자는 구조 또는 동작 기작이 다른 2 이상의 가스 감지소자를 포함하고, 상기 각 가스 감지소자는 상술한 본 발명의 3차원 핀펫형 가스 감지소자인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복수 개의 가스 감지소자는 상기 감지물질층에 의한 유전상수 변화, 전하의 생성 또는 소멸, 일함수의 변화 및 기전력 변화 중 어느 2가지 이상으로 동작 기작이 다른 가스 감지소자를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 수평방향으로 제어 전극, 플로팅 전극, 감지물질층을 형성함으로써, 상술한 특허문헌 및 비특허문헌에서 소개되었던 구조에서 갖는 문제점들을 해결할 수 있다. 특히, 특허문헌 1에서 게이트 면적(채널 폭 및 길이)이 크기 때문에 가스 반응시간이 느린데 비해, 본 발명에서는 반응가스가 감지물질층에 수직으로 침투하여 흡착되거나 탈착되도록 하여 반응시간을 크게 줄일 수 있다. 그리고 본 발명에서 감지물질층은 구조적으로 마지막 단계에서 형성할 수 있으므로 손상되지 않아 감지 물질의 선택성 개선은 물론이고, 오염을 방지할 수 있으며, 수율의 개선을 가져올 수 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 제어 전극과 플로팅 전극을 인터디지털(Interdigital) 형태로 형성하여 높은 Coupling ratio를 구현함으로써, 특허문헌 2의 센서보다 높은 감도, 낮은 전력소모 및 센서의 소형화가 가능하게 된다. 비특허문헌 1에서는 하나의 플로팅 전극 위에 제어 전극과 감지물질이 별도로 형성되어 있어, 플로팅 전극의 면적이 넓어지고 기생용량 성분이 증가하여, 결국 감도를 저하시킨다. 그러나, 본 발명에서는 제어 전극과 플로팅 전극이 수평으로 형성되되 제어 전극과 플로팅 전극 사이에 정전용량을 크게 하고 플로팅 전극에 포함된 기생용량 성분을 작게 할 수 있기 때문에 소자의 감도를 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 플로팅 전극을 격리 절연막 상으로 돌출된 반도체 바디를 감싸며 형성되도록 하여 채널의 폭을 넓혀 드레인 전류를 크게 함으로써, 센서의 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 제어 전극을 히터로도 사용 가능하고 제어 전극과 감지물질층 사이에 얇은 절연막으로 분리되거나 바로 접촉하도록 구성됨으로써, 두꺼운 절연막을 사용하는 기존의 경우에 비해 열전달 효율을 높일 수 있고, 감지물질층에 부착된 가스를 이탈시켜 원상태로 용이하게 복귀할 수 있도록 한 효과가 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 감지물질층 근처의 반도체 기판을 등방으로 식각하여 공기층을 형성함으로써, 제어 전극을 통해 생성된 열이 기판으로 전달되지 못하도록 하여 기존의 센서보다 열손실을 최소화한 효과가 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 기존의 센서에 비해 제조공정이 단순하고 소형화가 가능하기 때문에 수율을 개선하고 제조비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자 및 이를 이용한 가스 감지소자 어레이는 감지 전후 유전상수 변화에 따른 커패시턴스 변화, 일함수 변화, 전하 생성/소멸, 기전력 발생[EMF(Electro Motive Force)] 변화를 동작 감지 기작(Sensing mechanism)으로 이용하여 감지 정확도를 높이고, 상기 서로 다른 감지 기작으로 동작하는 2개 이상의 가스 감지소자를 하나의 같은 기판에 구현하여 어레이를 구성함으로써, 2 이상 이종 가스를 동시에 감지할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일례로 커패시턴스 변화 감지나 전하의 생성/소멸을 감지할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자를 보인 것으로, 도 1a는 평면도, 도 1b는 도 1a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도, 도 1c는 B-B'선을 따라 자른 단면도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 가스 감지소자의 제어 전극을 히터로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 3a는 평면도, 도 3b는 도 3a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 3a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 가스 감지소자의 제어 전극을 히터로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일례로 일함수 변화를 감지하거나 커패시턴스 변화, 전하의 생성/소멸을 감지할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자를 보인 것으로, 도 5a는 평면도, 도 5b 및 도 5c는 도 5a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 5a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 가스 감지소자의 제어 전극을 히터로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일례로 커패시턴스 변화 감지나 전하의 생성/소멸을 감지할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자를 보인 것으로, 도 7a는 평면도, 도 7b는 도 7a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8은 도 7a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 가스 감지소자의 제어 전극을 히터로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 일례로 기전력 변화을 감지할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자를 보인 것으로, 도 9a는 평면도이고, 도 9b, 도 9c, 도 9d 및 도 9e는 도 9a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도의 일례들을 도시한 것이다.
도 10은 도 9a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 감지소자의 제어 전극을 히터로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 구조적으로는 도 7a 및 도 7b를 변형한 것이나, 동작 기작은 도 9a 내지 도 9e와 같이 기전력 변화를 감지하는 것으로, 도 11a는 평면도, 도 11b는 도 11a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로, 도 12a는 평면도, 도 12b는 도 12a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 13은 도 11a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 감지소자의 제어 전극을 히터로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 14a 내지 도 14d는 도 1a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 14a는 평면도, 도 14b 내지 도 14d는 각각 도 14a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 15a 및 도 15b는 도 2에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 15a는 평면도, 도 15b는 도 15a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도, 도 15c는 B-B'선을 따라 자른 단면도이다.
도 16a 내지 도 16f는 본 발명의 일례로 커패시턴스 변화 감지나 전하의 생성/소멸을 감지할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자를 보인 것으로, 도 16a는 평면도, 도 16b 내지 도 16f는 각각 도 16a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도로 돌출된 반도체 바디가 가질 수 있는 단면 구조의 예를 도시한 것이다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 일례로 커패시턴스 변화 감지나 전하의 생성/소멸을 감지할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자를 보인 것으로, 도 17a는 평면도, 도 17b는 도 17a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도로 반도체 기판 상으로 돌출된 반도체 바디의 하부를 둘러싸는 제 1 격리 절연막, 제 1 격리 절연막 상에서 반도체 바디의 상부 주변으로 트렌치를 이루도록 이격되어 형성된 제 2 격리 절연막, 반도체 바디의 상부 주변 트렌치를 메우며 형성된 플로팅 전극을 보여주는 단면 구조의 예를 도시한 것이다.
도 18a 및 도 18b는 도 1a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 18a는 평면도, 도 18b는 도 18a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 19는 도 18a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 가스 감지소자의 제어 전극을 히터로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 20a 내지 도 20c는 도 5a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 20a는 평면도, 도 20b는 도 20a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 21은 도 20a에 도시된 가스 감지소자를 변형한 것으로서, 가스 감지소자의 제어 전극을 히터로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 22는 본 발명에 따른 복수 개의 가스 감지소자들을 배열하여 가스 감지 어레이를 구성하는 방식의 일례를 도시한 등가 다이어그램으로, 4가지의 감지 기작에 의한 복수 개의 가스 감지소자들이 어레이로 배열되는 모습을 일례로 보여준다.
[부호의 설명]
1 : 액티브 영역 2 : 제어 전극
3 : 플로팅 전극 4 : 컨택
5 : 제 1 전극 5a: 소스/드레인 전극
6 : 감지물질층 7 : 반도체 기판
8 : 격리 절연막 8a : 제 1 격리 절연막
8b: 제 2 격리 절연막 9 : 게이트 절연막
10 : 보호 절연막 11 : 제 1 절연막
12 : 반도체 바디 13 : 소스/드레인 영역
14 : 제 2 전극 15 : 공기층
100 : 감지물질층의 커패시턴스 변화를 감지하는 가스 감지소자
200 : 감지물질층의 전하 생성/소멸을 감지하는 가스 감지소자
300 : 감지물질층의 일함수 변화를 감지하는 가스 감지소자
400 : 감지물질층의 기전력 변화를 감지하는 가스 감지소자
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
우선, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 1a 내지 도 6, 도 9a 내지 도 10, 도 14a 내지 도 15c 및 도 16a 내지 도 19c에 공통으로 도시된 바와 같이, 반도체 기판(7); 상기 반도체 기판(7)에 돌출되게 형성된 반도체 바디(12); 상기 반도체 바디(12)의 측면 및 상기 반도체 기판(7) 상에 형성된 격리 절연막(8); 상기 반도체 바디(12) 상에 형성된 게이트 절연막(9); 상기 게이트 절연막(9) 및 상기 격리 절연막(8) 상에 형성된 플로팅(floating) 전극(3); 상기 플로팅 전극(3)의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 격리 절연막(8) 상에 형성된 제어 전극(2); 상기 제어 전극(2)과 상기 플로팅 전극(3) 사이에 형성된 감지물질층(6); 및 상기 플로팅 전극(3)을 사이에 두고 상기 반도체 바디(12)에 형성된 소스/드레인 영역(13)을 포함하되, 상기 격리 절연막(8)은 상기 반도체 바디(12)가 상기 격리 절연막(8) 위로 돌출되도록 상기 반도체 바디(12)의 하부 측면 상에 형성되고, 상기 플로팅 전극(3)은 상기 격리 절연막(8) 상으로 돌출된 상기 반도체 바디(12)를 상기 게이트 절연막(9)을 사이에 두고 감싸며 형성된다.
여기서, 상기 반도체 바디(12)는 매몰 채널(buried channel)이 형성되도록 불순물을 도핑 함이 바람직한데, 이는 불순물의 유형, 도핑농도 및 도핑 프로파일 등을 조정하여 반도체 바디(12)의 측면이나 상부 표면으로부터 바디 속으로 약간 떨어진 위치에 채널이 형성되도록 할 수 있다. 이렇게 함으로써 소자의 잡음을 줄여 가스 감지센서로서 매우 중요한 신호대 잡음비(SNR)를 높일 수 있게 된다.
상기 제어 전극(2)은 불순물이 도핑된 폴리 실리콘, 폴리 실리콘게르마늄, 실리사이드, 금속, 도전성 금속산화물, 도전성 질화물 중 어느 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 감지물질층(6)은 서로 마주보며 이격된 상기 제어 전극(2)과 상기 플로팅 전극(3) 사이를 바로 채워질 수도 있고, 후술하는 각 실시예와 같이, 별도의 절연 물질이나 도전성 물질을 사이에 두고 채워질 수 있다.
특히, 상기 감지물질층(6)이 특정가스에 반응하여 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성될 경우에는, 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 사이에 커패시턴스 변화를 야기하게 되거나 플로팅 전극(3)의 전위에 직접 영향을 주게 됨으로써, 가스 유무에 따라 제어 전극(2)에 인가된 동작 전압이 플로팅 전극(3)에 전달되는 전압이 달라지고, 결국 반도체 바디(12)의 채널 형성 및/또는 채널 저항에 영향을 주게 되는 점을 이용하여, 이를 소스/드레인 전극(5a)을 통해 흐르는 전류로 감지하게 되는 기작(mechanism)으로 동작하게 된다.
또한, 상기 제 1 실시예의 구성에서는 기본적으로 수평방향으로 제어 전극(2), 플로팅 전극(3), 감지물질층(6)이 형성됨으로써, 종래 수직형 가스 감지소자가 갖고 있던 문제점들을 해결할 수 있다. 특히, 상술한 특허문헌 1에서 게이트 면적(채널 폭 및 길이)이 크기 때문에 가스 반응시간이 느린데 비해, 본 실시예에서는 반응가스가 감지물질층(6)에 수직으로 침투하여 흡착되거나 탈착되도록 하여 반응시간을 크게 줄일 수 있게 된다.
그리고, 상기 제 1 실시예의 구성에서 플로팅 전극(3)을 격리 절연막(8) 상으로 돌출된 반도체 바디(12)를 감싸며 형성되도록 하여 감지소자의 채널 폭을 넓혀 드레인 전류를 크게 함으로써, 센서의 감도를 높일 수 있게 된다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실시예에서 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 사이 및 상기 플로팅 전극(3)과 상기 감지물질층(6) 사이에 제 1 절연막(11)이 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 도 1a는 평면도, 도 1b는 도 1a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도, 도 1c는 채널길이 방향인 B-B'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 채널이 형성되는 반도체 바디(12)는 격리 절연막(8)으로 정의된 액티브 영역(1)으로 반도체 기판(7)으로부터 돌출되게 형성되고, 나아가 격리 절연막(8) 위로 돌출되도록 하고, 게이트 절연막(9)은 격리 절연막(8) 위로 돌출된 반도체 바디(12) 상에 형성되고, 플로팅 전극(3)은 격리 절연막(8) 상에서 게이트 절연막(9)을 사이에 두고 격리 절연막(8) 위로 돌출된 반도체 바디(12)를 감싸며 형성되어, 격리 절연막(8) 위로 돌출된 반도체 바디(12)의 삼면에 채널이 형성하게 된다.
이때, 상기 반도체 바디(12)는 반도체 기판(7)과 같은 불순물 유형으로 도핑되되 도핑 농도와 도핑 프로파일은 다를 수 있고, 특히 상술한 바와 같이 격리 절연막(8) 위로 돌출된 반도체 바디(12)의 측면이나 상부 표면으로부터 일정 깊이 떨어진 위치에 매몰 채널(buried channel)이 형성되도록 불순물을 도핑 함이 바람직하다.
나아가, 도 16a 내지 도 16f에 도시된 바와 같이, 도 16a의 AA'선 단면 즉 채널 길이와 수직한 방향으로 낸 단면에서 반도체 바디(12)는 상협하광 구조를 갖도록 하여 채널이 상부 중앙에 형성되게 하거나, 반도체 바디(12)의 상부를 곡면으로 라운딩된 구조로 하여 표면에 채널이 형성되더라도 균일하게 형성되도록 함이 바람직하다.
그리고, 상기 플로팅 전극(3), 상기 제어 전극(2) 및 상기 제 1 절연막(11)의 상부 표면에는, 도 1b와 같이, 보호 절연막(10)이 형성되고, 상기 보호 절연막(10)의 일부 위에 상기 감지물질층(6)이 형성되도록 함이 바람직하다. 여기서, 상기 감지물질층(6)이 상기 보호 절연막(10)의 일부 위에 형성된다는 것은 상기 플로팅 전극(3) 위에 형성된 상기 보호 절연막(10)의 일부 또는 전체 위에 형성되는 것을 포함한다.
이는 상기 감지물질층(6)을 상기 보호 절연막(10) 형성 이후로 제조공정의 후반부나 마지막에 형성할 수 있기 때문에 감지물질층(6)의 손상을 최대한 줄임과 동시에 다양한 소재의 감지 물질로 형성할 수 있고, 이로 인해 발생할 수 있는 오염의 문제도 해결할 수 있으며, 종래보다 수율의 개선을 가져올 수 있게 되기 때문이다.
상기 감지물질층(6)의 형성을 위해서는 lift-off 방법, shadow mask를 이용하는 방법, 그리고 잉크젯 프린팅(Inkjet printing) 방법 중 어느 하나 이상의 방법을 적용할 수 있다.
기타, 상기 제어 전극(2)의 일 측면에는, 도 1a 및 도 1b와 같이, 제 1 전극(5)이 형성되어 전기적으로 연결되고, 소스/드레인 영역(13)은, 도 1a 및 도 1c와 같이, 컨택(4)을 통하여 소스/드레인 전극(5a)에 전기적으로 연결된다.
그리고, 상기 감지물질층(6)은 상기 제 1 실시예와 같은 물질이 사용되어, 특정가스의 유무에 따른 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 사이에 커패시턴스 변화나 전하의 생성/소멸에 의한 기작으로 동작 되도록 할 수 있다.
상술한 제 2 실시예는, 도 1a 내지 도 1c와 같이, 제 1 절연막(11)이 제어 전극(2)과 감지물질층(6) 사이 및 플로팅 전극(3)과 감지물질층(6) 사이에 모두 형성된 것이나, 이를 응용하여 상기 제 1 절연막(11)이 제어 전극(2)과 감지물질층(6) 사이 및 플로팅 전극(3)과 감지물질층(6) 사이 중 어느 하나에만 형성된 것으로 실시될 수도 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 3a 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 실시예에서 상기 제 1 절연막(11)은 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 사이 및 상기 플로팅 전극(3)과 상기 감지물질층(6) 사이 중 어느 하나에만 형성되고 다른 하나에는 제 1 전극(5)이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 실시예에서 도 3a 내지 도 4에 도시된 바와 같이 플로팅 전극(3)과 감지물질층(6) 사이에 제 1 전극(5)을 형성한 경우에는, 감지물질층(6)이 제 1 전극(5)을 통하여 직접 플로팅 전극(3)에 전기적으로 연결되어 특정가스를 감지할 때 감지물질층(6)의 변화를 바로 플로팅 전극(3)에 전달할 수 있는 장점이 있다. 일례로 상기 감지물질층(6)에서 특정가스로 전하의 생성/소멸이나 유전상수 변화 등이 발생하면 이는 상기 플로팅 전극(3)의 퍼텐셜을 변화시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 제 3 실시예에서 도 5a, 도5b 및 도 6에 도시된 바와 같이 제어 전극(2)과 감지물질층(6) 사이에 제 1 전극(5)을 형성한 경우에는, 감지물질층(6)의 일함수 변화에 따른 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 사이의 전기적 퍼텐셜이 변하는 것을 동작 기작으로 이용하게 된다. 즉, 상기 구조에서 상기 감지물질층(6)이 특정가스에 반응하여 일함수를 변하게 하는 물질로 형성된 경우에는 제 1 전극(5)을 통하여 직접 제어 전극(2)에 전기적으로 연결된 구조이므로, 결국 제어 전극(2)의 일함수를 변하게 하는 결과를 초래하여 동일한 동작 전압에 대해서도 특정 가스의 존재 유무에 따라 플로팅 전극(3)에 전달되는 전압이 달라지고, 이를 소스/드레인 전극(5a)을 통해 흐르는 전류로 감지하는 기작으로 동작하게 된다. 물론, 상기 구조에서도 상기 감지물질층(6)을 소정의 절연체로 특정가스에 반응하여 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성할 수도 있다. 후자의 경우엔 도 5c와 같이 제어 전극(2)과 제 1 전극(5) 사이에도 제 1 절연막(11)을 형성함이 바람직하다.
상기 제 3 실시예에서도 상기 제 2 실시예에서 상술한 바와 같이, 도 3b, 도 5b 및 도 5c에 도시된 것처럼 상기 플로팅 전극(3), 상기 제어 전극(2) 및 상기 제 1 절연막(11)의 상부 표면에 보호 절연막(10)이 형성되고, 상기 제 1 전극(5)은 상기 보호 절연막(10) 일부 위에도 형성되고, 상기 감지물질층(6)은 상기 제 1 전극(5) 및 상기 보호 절연막(10)의 각 일부 위에도 형성될 수 있다. 이렇게 함으로써, 상기 제 2 실시예에서 언급한 바와 같이 상기 감지물질층(6)을 제조공정의 후반부나 마지막에 형성할 수 있기 때문에 이를 통해 가질 수 있는 장점을 동일하게 가질 수 있게 된다.
상기 제 3 실시예의 응용으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 제어 전극(2) 측면에 형성된 제 1 절연막(11)과 감지물질층(6) 사이에 제 1 전극(5)을 형성할 수 있는데, 이 경우에는, 감지물질층(6)의 일함수 변화에 따른 제 1전극(5)과 플로팅 전극(3) 사이의 전기적 퍼텐셜이 변하는 것을 동작 기작으로 이용할 수 있게 된다.
상기 제 3 실시예의 다른 응용으로, 첨부된 도면에는 도시되지 않았으나, 도 5c에서 제 1 전극(5)이 감지물질층(6)과 플로팅 전극(3) 측면에 형성된 제 1 절연막(11) 사이에도 형성될 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실시예에서 상기 제어 전극(2)과 상기 플로팅 전극(3) 사이로 형성된 홈에 먼저 보호 절연막(10)을 형성한 이후, 상기 보호 절연막(10) 상에 상기 감지물질층(6)을 채워 형성된 것을 특징으로 한다. 그리고 이에 대한 응용으로, 도 14c와 같이 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 사이에는 상기 보호절연막(10) 위에 제 1 전극(5)이 더 형성되거나, 나아가, 도 14d와 같이 상기 플로팅 전극(3)과 상기 감지물질층(6) 사이에도 상기 보호절연막(10) 위에 제 2 전극(14)이 더 형성될 수 있다.
상기 구조로 상기 제 2 및 제 3 실시예에서 언급한 바와 같이 상기 감지물질층(6)을 제조공정의 후반부나 마지막에 형성할 수 있기 때문에 이를 통해 가질 수 있는 장점을 동일하게 가질 수 있게 된다.
그리고, 상기 감지물질층(6)은 상기 제 1 실시예와 같은 물질이 사용되어, 특정가스의 유무에 따른 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 사이에 커패시턴스 변화나 전하의 생성/소멸에 의한 기작으로 동작 되도록 할 수 있다.
또한, 도 14c의 구조에 의할 경우엔 일함수 변화로, 도 14d 구조에 의할 경우엔 기전력변화에 의한 기작으로 동작할 수 있다.
본 발명의 제 5 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 9a 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실시예에서 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 사이에는 제 1 전극(5)이 형성되고, 상기 플로팅 전극(3)과 상기 감지물질층(6) 사이에는 제 2 전극(14)이 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 전극(5)과 상기 제 2 전극(14)은 서로 다른 금속으로 형성되고, 상기 감지물질층(6)은 특정가스에 반응하여 상기 제 1 전극(5)과 상기 제 2 전극(14) 사이에 기전력 변화를 주는 물질로 형성되도록 함이 바람직하다.
구체적으로, 상기 제 1 전극(5) 및 상기 제 2 전극(14)은 백금(Pt), 은(Ag) 또는 이들 중 어느 하나 이상이 포함된 합금으로 형성할 수 있고, 상기 감지물질층(6)은 고체 전해질, 금속산화물 등으로 형성할 수 있다.
상기와 같이 구성됨으로써, 특정가스에 반응한 상기 감지물질층(6)은 상기 제 1 전극(5)과 상기 제 2 전극(14) 사이에 기전력 변화를 유도하고, 이러한 기전력 변화는 제어 전극(2)에 인가한 동작 전압에 더해져서 플로팅 전극(3)에 전달되고, 이는 소스/드레인 전극(5a)을 통해 흐르는 전류로 감지하는 기작으로 동작하게 된다.
또한, 상기 감지물질층(6)이 절연체로 형성될 경우에는, 특정가스의 유무에 따라 감지물질층(6)의 유전상수 변화에 상기 제어 전극(2) 및 플로팅 전극(3) 사이의 커패시턴스가 변하는 것을 감지하게 되거나 감지물질층(6)에서의 전하 생성 또는 소멸 효과를 감지하게 되는 것을 동작 기작으로 할 수 있다.
상기 제 5 실시예는, 도 9b와 같이, 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 사이에 제 1 전극(5)/감지물질층(6)/제 2 전극(14)으로 형성될 수 있으나, 도 9c 내지 도 9e와 같이, 제어 전극(2)과 제 1 전극(5) 사이 및 플로팅 전극(3)과 제 2 전극(14) 사이 중 적어도 어느 하나에는 제 1 절연막(11)이 더 형성될 수도 있다.
도 9c 및 도 9e는 적어도 제어 전극(2) 측벽에 제 1 절연막(11)이 형성되어 있으므로, 상기 감지물질층(6)을 일함수 또는 기전력 변화를 일으키는 물질로 형성하더라도 상기 감지물질층(6)의 유전상수 변화에 따른 커패시턴스 변화나 상기 감지물질층(6)에서의 전하 생성 또는 소멸에 의한 동작 기작으로 특정가스를 감지할 수 있게 된다.
도 9d는 제어 전극(2) 측벽에 바로 제 1 전극(5)이 형성되어 있으므로, 상기 감지물질층(6)의 일함수 및/또는 기전력 변화로 동작하게 되나, 상기 감지물질층(6)이 절연체로 형성될 경우에는, 유전상수 변화에 따른 커패시턴스 변화나 전하 생성/소멸을 감지하는 기작으로 동작할 수도 있다.
그리고, 도 9c 내지 도 9e와 같이, 상기 플로팅 전극(3), 상기 제어 전극(2) 및 상기 제 1 절연막(11)의 상부 표면에 보호 절연막(10)이 형성되고, 상기 제 1 전극(5)은 상기 제어 전극(2)의 상부 표면에 형성된 상기 보호 절연막(10) 위에도 형성되고, 상기 제 2 전극(14)은 상기 플로팅 전극(3)의 상부 표면에 형성된 상기 보호 절연막(10)의 일부 위에도 형성되고, 상기 감지물질층(6)은 상기 제 1 전극(5) 및 상기 제 2 전극(14)의 각 상부 표면 일부 위에도 형성된 것이 바람직하다. 상기와 같은 구조를 함으로써, 상기 감지물질층(6)을 제조공정의 후반부나 마지막에 형성할 수 있기 때문에 이를 통해 가질 수 있는 상기 제 2 내지 제 4 실시예에서 기술한 장점을 동일하게 가질 수 있게 된다.
본 발명의 제 6 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 17a 및 도 17b와 같이, 반도체 기판(7); 상기 반도체 기판(7)에 돌출되게 형성된 반도체 바디(12); 상기 반도체 기판(7) 상에서 상기 반도체 바디(12)의 하부 측면을 둘러싸며 형성된 제 1 격리 절연막(8a); 상기 제 1 격리 절연막(8a) 상에서 상기 반도체 바디(12)의 상부 측면 주변으로 트렌치를 이루도록 이격되어 형성된 제 2 격리 절연막(8b); 상기 제 2 격리 절연막(8b) 상에 상기 트렌치를 메우며 상기 반도체 바디(12) 상에 게이트 절연막(9)을 사이에 두고 형성된 플로팅 전극(3); 상기 플로팅 전극(3)의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 제 2 격리 절연막(8b) 상에 형성된 제어 전극(2); 상기 제어 전극(2)과 상기 플로팅 전극(3) 사이에 형성된 감지물질층(6); 및 상기 플로팅 전극(3)을 사이에 두고 상기 반도체 바디(1; 12)에 형성된 소스/드레인 영역(13)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 제 1, 2 격리 절연막(8a)(8b)으로 반도체 바디(12)의 상부를 돌출시키고 이를 게이트 절연막(9)을 사이에 두고 플로팅 전극(3)이 감싸도록 형성하게 함으로써, 플로팅 전극(3)의 높이를 제어 전극(2) 등 다른 구성의 높이와 맞출 수 있는 장점이 있다.
기타, 본 실시예의 각 구성에 대한 설명은 상술한 제 1 내지 제 5 실시예와 동일하므로, 반복된 설명은 생략한다.
본 발명의 제 7 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 18a, 18b, 20a 내지 20c에 공통으로 도시된 바와 같이 상기 제 1 내지 제 3 실시예, 제 5 실시예 및 제 6 실시예에서 상기 감지물질층(6)과 상기 플로팅 전극(3) 사이에는 공기갭(air gap; 15a)이 형성된 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로, 상기 감지물질층(6)과 상기 플로팅 전극(3) 측면에 형성된 상기 제 1 절연막(11) 또는 보호절연막 (미도시) 사이에 공기갭(air gap; 15a)이 형성되고, 상기 제어전극(2)과 상기 감지물질층(6) 사이에는, 도 18b와 같이, 제 1 절연막(11)이, 또는/및 도 20b와 같이, 제 1 전극(5)이 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 7 실시예의 응용으로, 첨부 도면에는 미도시 되었으나, 상기 공기갭(air gap; 15a)이 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 사이에 형성될 수도 있다.
상기와 같은 구조로 함으로써, 반응 가스가 공기갭(15a)을 통해 빠르게 스며들 수 있기 때문에, 소자의 반응 시간을 개선 할 수 있다. 나머지 특징은 상기 제 1 내지 제 6 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
본 발명의 제 8 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 1a 내지 도 6, 도 9a 내지 도 10 및 도 14a 내지 도 19c에 공통으로 도시된 바와 같이, 상기 제 1 내지 제 7 실시예에서 상기 플로팅 전극(3)은 상기 제어 전극(2)과 마주하는 방향으로 측면이 요철 되고, 상기 제어 전극(2)은 상기 플로팅 전극(3)의 요철 측면과 반대로 요철된 측면을 가지고 상기 플로팅 전극(3)과 서로 맞물리는 형상(즉, interdigitated 형태)으로 이격된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구조로 함으로써, 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3)의 각 마주보는 면적을 크게 하여 정전용량 등을 높일 수 있는 장점이 있다. 나머지 특징은 상기 제 1 내지 제 7 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
본 발명의 제 9 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 2, 도 4, 도 6, 도 10 및 도 15a에 공통으로 도시된 바와 같이, 상기 제 7 실시예에서 상기 제어 전극(2)은 상기 플로팅 전극(3)과 마주하지 않는 반대 측면도 요철된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구조로 함으로써, 상기 제어 전극(2)의 길이 방향 양단에 전압을 인가함으로써, 히터(heater)로도 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 상기 제어 전극(2)의 길이 방향 양단 또는 일단에 읽기 전압을 인가함으로써, 가스를 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 제어 전극(2)의 길이 방향 양단에 소정의 전압을 인가함으로써, 전류가 흘러 열을 발생하게 하고 이를 통해 감지물질층(6)으로 가스의 흡착이나 탈착을 유도하고 반응성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
상기 읽기 동작과 발열 동작은 상기 제어 전극(2)의 양단에 펄스 형태의 읽기 전압과 발열을 위한 전압 펄스를 교대로 가하면서 수행할 수 있다.
상기와 같이 히터로도 사용되는 상기 제어 전극(2)은 도핑된 폴리 실리콘, 실리사이드, 하나 이상으로 구성된 금속으로 형성될 수 있다. 기타 특징은 상기 제 1 내지 제 8 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
본 발명의 제 10 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 15a 내지 도 15c에 도시된 바와 같이, 상기 제 8 실시예에서 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 하부에 있는 상기 반도체 기판(7)은 일정 깊이로 식각되어 공기층(15)을 형성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 하부에 공기층(15)을 형성함으로써, 히터로 동작하는 제어 전극(2)에서 발생한 열을 열 전도율이 높은 반도체 기판(7)으로 빠져나가는 것을 차단하여 효과적으로 상기 감지물질층(6)에 전달할 수 있는 장점이 있게 된다.
상기 공기층(15)은, 도 15c와 같이, 상기 플로팅 전극(3) 하부 일부까지 확장되어 형성되도록 함이 바람직한데, 이 경우 상기와 같은 열 손실을 더욱 줄일 수 있음은 물론 반도체 기판(7)과 플로팅 전극(3) 사이의 기생용량 성분을 줄여서 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 사이의 커플링 비(Coupling ratio)를 올릴 수 있는 장점도 있게 된다.
그리고, 상기 공기층(15)은, 도 15와 같이, 격리 절연막(8)에 공기층을 형성하고자 하는 부분을 둘러싸며 반도체 기판(7)이 드러나도록 복수 개의 관통 홀을 형성한 다음, 선택적 등방성 식각으로 형성할 수 있다.
기타 특징은 상기 제 1 내지 제 9 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
본 발명의 제 11 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 7a 내지 도 8 및 도 11a 내지 도 13에 공통으로 도시된 바와 같이, 반도체 기판(7); 상기 반도체 기판(7)에 돌출되게 형성된 반도체 바디(12); 상기 반도체 바디(12)의 측면 및 상기 반도체 기판(7) 상에 형성된 격리 절연막(8); 상기 반도체 바디(12) 상에 형성된 게이트 절연막(9); 상기 게이트 절연막(9) 및 상기 격리 절연막(8) 상에 형성된 플로팅 전극(3); 상기 플로팅 전극(3)과 격리 절연막(8) 상에 형성된 보호 절연막(10); 상기 플로팅 전극(3)의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 보호 절연막(10) 상에 형성된 제 1 전극(5); 상기 제 1 전극(5)과 상기 플로팅 전극(3) 사이의 상기 보호 절연막(10) 상에 형성된 감지물질층(6); 및 상기 플로팅 전극(3)을 사이에 두고 상기 반도체 바디(12)에 형성된 소스/드레인 영역(13)을 포함하되, 상기 격리 절연막(8)은 상기 반도체 바디(12)가 상기 격리 절연막(8) 위로 돌출되도록 상기 반도체 바디(12)의 하부 측면 상에 형성되고, 상기 플로팅 전극(3)은 상기 격리 절연막(8) 상으로 돌출된 상기 반도체 바디(12)를 상기 게이트 절연막(9)을 사이에 두고 감싸며 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 반도체 바디(12)는 매몰 채널(buried channel)이 형성되도록 불순물을 도핑 함이 바람직한데, 이는 불순물의 유형, 도핑농도 및 도핑 프로파일 등을 조정하여 반도체 바디(12)의 측면이나 상부 표면으로부터 바디 속으로 약간 떨어진 위치에 채널이 형성되도록 할 수 있다. 이렇게 함으로써 소자의 잡음을 줄여 가스 감지센서로서 매우 중요한 신호대 잡음비(SNR)를 높일 수 있게 된다.
상기 제 1 전극(5)은 상기 제 1 내지 제 10 실시예의 제어 전극(2) 역할을 하는 것으로, 불순물이 도핑된 폴리 실리콘, 폴리 실리콘게르마늄, 실리사이드, 금속, 도전성 금속산화물, 도전성 질화물 중 어느 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 감지물질층(6)은 서로 마주보며 이격된 상기 제 1 전극(5)과 상기 플로팅 전극(3) 측벽의 보호 절연막(10) 사이를 바로 채워질 수도 있고, 후술하는 각 실시예와 같이, 별도의 절연 물질이나 도전성 물질을 사이에 두고 채워질 수 있다.
특히, 상기 감지물질층(6)이 특정가스에 반응하여 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성될 경우에는, 커패시터의 변화나 전하의 생성/소멸을 감지하는 기작으로 동작할 수 있다.
물론, 도 7b와 같이, 상기 제 1 전극(5)이 상기 감지물질층(6)과 직접 접촉하는 것으로 형성되는 구조에서, 상기 감지물질층(6)의 물질에 따라 일함수 변화를 감지하는 기작으로 동작할 수도 있다.
또한, 상기 제 11 실시예의 구성에서는 기본적으로 수평방향으로 제 1 전극(5), 플로팅 전극(3), 감지물질층(6)이 형성됨으로써, 상기 제 1 실시예와 같이 종래 수직형 가스 감지소자가 갖고 있던 문제점들을 해결할 수 있게 된다.
본 발명의 제 12 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 11a 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 제 10 실시예에서 상기 플로팅 전극(3) 측벽의 보호 절연막(10)과 상기 감지물질층(6) 사이에 제 2 전극(14)이 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 전극(5)과 상기 제 2 전극(14)은 서로 다른 금속으로 형성되고, 상기 감지물질층(6)은 특정가스에 반응하여 상기 제 1 전극(5)과 상기 제 2 전극(14) 사이에 기전력 변화를 주는 물질로 형성되도록 함이 바람직하다.
구체적으로, 상기 제 1 전극(5) 및 상기 제 2 전극(14)은 백금(Pt), 은(Ag) 또는 이들 중 어느 하나 이상이 포함된 합금으로 형성할 수 있고, 상기 감지물질층(6)은 고체 전해질, 금속산화물 등으로 형성할 수 있다.
상기와 같이 구성됨으로써, 상기 감지물질층(6)에 의하여 특정가스에 의한 기전력 변화는 감지하는 기작으로 동작할 수 있다.
물론, 상기 감지물질층(6)이 절연체로 형성될 경우에는 커패시터의 변화나 전하의 생성/소멸을 감지하는 기작으로 동작할 수 있고, 도전성 물질로 형성될 경우에는 일함수 변화를 감지하는 기작으로 동작할 수도 있다.
그리고, 도 11b와 같이, 상기 제 1 전극(5)과 마주보는 상기 플로팅 전극(3)의 측면 및 상부 일부에 상기 보호 절연막(10)을 사이에 두고 제 2 전극(14)을 형성시키고, 상기 감지물질층(6)은 상기 제 1 전극(5)과 상기 제 2 전극(14) 사이의 상기 보호 절연막(10) 상의 홈에 채워진 구조를 갖도록 함이 바람직하다. 이는 상기 감지물질층(6)을 제조공정의 후반부나 마지막에 형성할 수 있기 때문에 앞선 실시예들에서 기술한 장점을 동일하게 가질 수 있기 때문이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 및 도 11b의 구조에서 상기 제 2 전극(14)은 상기 보호 절연막(10) 상에 형성된 컨택홀(14a)을 통하여 상기 플로팅 전극(3)과 전기적으로 연결될 수 있음을 보여준다. 이렇게 함으로써, 제 1 전극(5)과 플로팅 전극(3) 사이의 Coupling ratio를 개선할 수 있는 장점이 있게 된다.
본 발명의 제 13 실시예에 의한 FET형 가스 감지소자는 상기 제 11 실시예에서 상기 감지물질층(6)과 상기 보호 절연막(10)이 형성된 상기 플로팅 전극(3) 사이에는 공기갭(air gap; 미도시)이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 13 실시예의 응용으로, 반대편인 상기 제 1 전극(5)과 상기 감지물질층(6) 사이에 공기갭(air gap; 미도시)이 형성될 수도 있다.
그리고, 상기 공기갭(air gap; 미도시)이 형성되지 않은 반대편의 상기 제 1 전극(5)과 상기 감지물질층(6) 사이(전자의 실시예) 또는 상기 감지물질층(6)과 상기 보호 절연막(10)이 형성된 상기 플로팅 전극(3) 사이(후자의 실시예)에는 제 1 절연막(11)이 더 형성될 수도 있다.
상기와 같은 구조로 함으로써, 반응 가스가 공기갭(미도시)을 통하여 빠르게 스며들 수 있기 때문에, 소자의 반응 시간을 개선 할 수 있다. 나머지 특징은 상기 제 11 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
본 발명의 제 14 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 7a 내지 도 8 및 도 11a 내지 도 13에 공통으로 도시된 바와 같이, 상기 제 11 및 제 12 실시예에서 상기 플로팅 전극(3)은 상기 제 1 전극(5)과 마주하는 방향으로 측면이 요철 되고, 상기 제 1 전극(5)은 상기 플로팅 전극(3)의 요철 측면과 반대로 요철된 측면을 가지고 상기 플로팅 전극(3)과 서로 맞물리는 형상(즉, interdigitated 형태)으로 이격된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구조로 함으로써, 제 1 전극(5)과 플로팅 전극(3)의 각 마주보는 면적을 크게 하여 정전용량 등을 높일 수 있는 장점이 있다. 나머지 특징은 상기 제 11 및 제 12 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
본 발명의 제 15 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는, 도 8 및 도 13에 공통으로 도시된 바와 같이, 상기 제 14 실시예에서 상기 제 1 전극(5)은 상기 플로팅 전극(3)과 마주하지 않는 반대 측면도 요철된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구조로 함으로써, 상기 제 1 전극(5)의 길이 방향 양단에 전압을 인가함으로써, 히터(heater)로도 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 상기 제 1 전극(5)의 길이 방향 양단 또는 일단에 읽기 전압을 인가함으로써, 가스를 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 제 1 전극(5)의 길이 방향 양단에 소정의 전압을 인가함으로써, 전류가 흘러 열을 발생하게 하고 이를 통해 감지물질층(6)으로 가스의 흡착이나 탈착을 유도하고 반응성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
상기 읽기 동작과 발열 동작은 상기 제 1 전극(5)의 양단에 펄스 형태의 읽기 전압과 발열을 위한 전압 펄스를 교대로 가하면서 수행할 수 있다.
상기와 같이 히터로도 사용되는 상기 제 1 전극(5)은 도핑된 폴리 실리콘, 실리사이드, 하나 이상으로 구성된 금속으로 형성될 수 있다. 기타 특징은 상기 제 11 내지 제 14 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
본 발명의 제 16 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 상기 제 15 실시예에서 상기 제 1 전극(5)과 상기 감지물질층(6) 하부에 있는 상기 반도체 기판(7)은 일정 깊이로 식각되어 공기층(미도시)을 형성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 상기 제 1 전극(5)과 상기 감지물질층(6) 하부에 공기층을 형성함으로써, 히터로 동작하는 제 1 전극(5)에서 발생한 열을 열 전도율이 높은 반도체 기판(7)으로 빠져나가는 것을 차단하여 효과적으로 상기 감지물질층(6)에 전달할 수 있는 장점이 있게 된다.
상기 공기층은 상기 플로팅 전극(3) 하부 일부까지 확장되어 형성되도록 함이 바람직한데, 이 경우 상기와 같은 열 손실을 더욱 줄일 수 있음은 물론 반도체 기판(7)과 플로팅 전극(3) 사이의 기생용량 성분을 줄여서 제 1 전극(5)과 플로팅 전극(3) 사이의 커플링 비(Coupling ratio)를 올릴 수 있는 장점도 있게 된다.
그리고, 상기 공기층은 격리 절연막(8)에 공기층을 형성하고자 하는 부분을 둘러싸며 반도체 기판(7)이 드러나도록 복수 개의 관통 홀을 형성한 다음, 선택적 등방성 식각으로 형성할 수 있다.
기타 특징은 상기 제 11 내지 제 15 실시예에서 기술한 것과 동일하다.
본 발명의 제 17 실시예에 의한 가스 감지소자 어레이는 하나의 반도체 기판에 2 이상의 이종 가스를 감지하도록 복수 개의 가스 감지소자가 배열되되, 상기 복수 개의 가스 감지소자는 구조 또는 동작 기작이 다른 2 이상의 가스 감지소자를 포함하고, 상기 각 가스 감지소자는 상기 제 1 내지 제 16 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 내지 제 16 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자는 상술한 바와 같이, 기본적으로 제어 전극(2) 또는 제 1 전극(5)이 플로팅 전극(3)과 적어도 일 측면과 서로 마주하도록 수평방향으로 이격되고, 상기 이격 공간(홈)을 덮으며 감지물질층(6)이 형성되며, 상기 이격 공간(홈)에 제 1 절연막(11), 제 1 전극(5), 제 2 전극(14) 및 보호 절연막(10) 중 어느 하나 이상이 감지물질층(6)과 접하며 더 형성되느냐의 여부에 따라 소자의 단면 구조 및/또는 동작 기작이 달라진다.
즉, 동일한 물질로 감지물질층(6)을 형성하더라도 상기 제 1 내지 제 16 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자의 단면 구조(첨부 도면 중 AA'선을 따라 절단한 단면 구조)가 다를 경우에는 동작 기작이 달라 반응하는 가스의 종류가 달라질 수 있다.
반대로, 상기 제 1 내지 제 16 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자의 단면 구조는 동일하지만 각 소자의 감지물질층(6)을 달리할 경우에도 동작 기작이 달라 반응하는 가스의 종류가 달라질 수 있다.
따라서, 상기 제 17 실시예에 의한 가스 감지소자 어레이는 상기와 같은 특성을 이용하여 하나의 반도체 기판에 단면 구조 또는 감지물질이 달라 동작 기작이 다른 2 이상의 상기 제 1 내지 제 16 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자를 배열하여 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 18 실시예에 의한 가스 감지소자 어레이는, 도 22와 같이, 상기 제 17 실시예에서 상기 복수 개의 가스 감지소자는 감지물질층(6)에 의한 유전상수 변화, 전하의 생성 또는 소멸, 일함수의 변화 및 기전력 변화 중 어느 2가지 이상으로 동작 기작이 다른 가스 감지소자를 포함하여 배열한 것을 특징으로 한다.
도 22에서 도면부호 100은 감지물질층(6)의 유전상수 변화에 의한 커패시턴스 변화를 감지하는 가스 감지소자, 200은 감지물질층(6)의 전하 생성/소멸을 감지하는 가스 감지소자, 300은 감지물질층(6)의 일함수 변화를 감지하는 가스 감지소자, 그리고 400은 감지물질층(6)의 기전력 변화를 감지하는 가스 감지소자를 각각 나타낸다.
상기 4가지 감지 기작은 적용된 동일한 감지물질층(6) 하에서도 특정가스에 대해 서로 다른 감지특성(이를 감지 지문이라 함)을 줄 수 있기 때문에, 여러 감지물질을 사용하는 것 없이 가스의 종류 및 농도를 정확하게 감지할 수 있는 장점이 있게 된다.
이상 설명한 본 발명의 각 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자에서, 상기 감지물질층(6)과 제어 전극(2)을 제거하고 상기 플로팅 전극(3)을 게이트 전극으로 하면 일반 스위칭 소자인 Fin FET이 되므로, 상기 각 실시예에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자와 같은 기판에 상기 Fin FET도 함께 집적할 수 있다. 이 경우, 상기 Fin FET은 가스 감지소자의 주변회로를 구현할 때 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 수평방향의 플로팅 게이트를 가지는 전계 효과 트랜지스터 센서에서는 간단한 공정으로 구현이 가능하며, 기존의 CMOS 공정과 쉽게 접목될 수 있어 산업적으로 이용가능성이 높다. 특히, 본 발명은 지금 현재 산업체에서 개발한 센서(특허문헌 2 참조)보다 성능이 우수하고 제조비용을 줄일 수 있고, 화학 및 바이오센서 등에 매우 유용하게 적용될 수 있다.

Claims (37)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판에 돌출되게 형성된 반도체 바디;
    상기 반도체 바디의 측면 및 상기 반도체 기판 상에 형성된 격리 절연막;
    상기 반도체 바디 상에 형성된 게이트 절연막;
    상기 게이트 절연막 및 상기 격리 절연막 상에 형성된 플로팅 전극;
    상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 격리 절연막 상에 형성된 제어 전극;
    상기 제어 전극과 상기 플로팅 전극 사이에 형성된 감지물질층; 및
    상기 플로팅 전극을 사이에 두고 상기 반도체 바디에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하되,
    상기 격리 절연막은 상기 반도체 바디가 돌출되도록 상기 반도체 바디의 하부 측면 상에 형성되고,
    상기 플로팅 전극은 상기 격리 절연막 상으로 돌출된 상기 반도체 바디를 상기 게이트 절연막을 사이에 두고 감싸며 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이 중 적어도 어느 하나에는 제 1 절연막이 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플로팅 전극, 상기 제어 전극 및 상기 제 1 절연막의 상부 표면에 보호 절연막이 형성되고,
    상기 감지물질층은 상기 보호 절연막 일부 위에도 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 절연막은 상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이 중 어느 하나에 형성되고,
    상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이 중 다른 하나에는 제 1 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플로팅 전극, 상기 제어 전극 및 상기 제 1 절연막의 상부 표면에 보호 절연막이 형성되고,
    상기 제 1 전극은 상기 보호 절연막 일부 위에도 형성되고,
    상기 감지물질층은 상기 제 1 전극 및 상기 보호 절연막의 각 일부 위에도 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 절연막은 상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이에 형성되고,
    상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이에는 상기 제어 전극으로부터 상기 제 1 절연막 및 제 1 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지물질층은 상기 제어 전극과 상기 플로팅 전극의 사이에 형성된 보호절연막 위에 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이에는 상기 보호절연막 위에 제 1 전극이 더 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이에는 상기 보호절연막 위에 제 2 전극이 더 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이에는 제 1 전극이 형성되고,
    상기 플로팅 전극과 상기 감지물질층 사이에는 제 2 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어 전극과 상기 제 1 전극 사이 및 상기 플로팅 전극과 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나에는 제 1 절연막이 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 플로팅 전극, 상기 제어 전극 및 상기 제 1 절연막의 상부 표면에 보호 절연막이 형성되고,
    상기 제 1 전극은 상기 제어 전극의 상부 표면에 형성된 상기 보호 절연막 위에도 형성되고,
    상기 제 2 전극은 상기 플로팅 전극의 상부 표면에 형성된 상기 보호 절연막의 일부 위에도 형성되고,
    상기 감지물질층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극의 사이 및 각 상부 표면 일부 위에도 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 바디는 매몰 채널이 형성되도록 불순물이 도핑되고,
    상기 제어 전극은 폴리 실리콘, 폴리 실리콘게르마늄, 실리사이드, 금속, 도전성 금속산화물, 도전성 질화물 중 어느 하나 이상의 물질로 형성되고,
    상기 감지물질층은 특정가스에 반응하여 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 제어 전극과 상기 감지물질층 사이에 형성되고,
    상기 감지물질층은 특정가스에 반응하여 상기 제어 전극의 일함수를 변하게 하는 물질 또는 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 서로 다른 금속으로 형성되고,
    상기 감지물질층은 특정가스에 반응하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 기전력 변화를 주는 물질 또는 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어전극과 상기 감지물질층 사이 또는 상기 감지물질층과 상기 플로팅 전극 사이에는 공기갭(air gap)이 있는 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 공기갭(air gap)은 상기 감지물질층과 상기 플로팅 전극 사이에 존재하고,
    상기 제어전극과 상기 감지물질층 사이에는 제 1 절연막 및 제 1 전극 중에서 선택된 하나 이상이 더 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플로팅 전극은 상기 제어 전극과 마주하는 방향으로 측면이 요철 되고,
    상기 제어 전극은 상기 플로팅 전극의 요철 측면과 반대로 요철된 측면을 가지고 상기 플로팅 전극과 서로 맞물리는 형상으로 이격된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어 전극은 상기 플로팅 전극과 마주하지 않는 반대 측면도 요철되어 히터(heater)로도 사용되는 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어 전극과 상기 감지물질층 하부에 있는 상기 반도체 기판은 일정 깊이로 식각되어 공기층을 형성한 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 공기층은 상기 플로팅 전극 하부 일부까지 확장되어 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 반도체 바디는 채널 길이와 수직한 방향으로의 단면이 상협하광 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 반도체 바디의 상부는 곡면으로 라운딩된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  24. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판에 돌출되게 형성된 반도체 바디;
    상기 반도체 바디의 측면 및 상기 반도체 기판 상에 형성된 격리 절연막;
    상기 반도체 바디 상에 형성된 게이트 절연막;
    상기 게이트 절연막 및 상기 격리 절연막 상에 형성된 플로팅 전극;
    상기 플로팅 전극과 격리 절연막 상에 형성된 보호 절연막;
    상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 보호 절연막 상에 형성된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극과 상기 플로팅 전극 사이의 상기 보호 절연막 상에 형성된 감지물질층; 및
    상기 플로팅 전극을 사이에 두고 상기 반도체 바디에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하되,
    상기 격리 절연막은 상기 반도체 바디가 돌출되도록 상기 반도체 바디의 하부 측면 상에 형성되고,
    상기 플로팅 전극은 상기 격리 절연막 상으로 돌출된 상기 반도체 바디를 상기 게이트 절연막을 사이에 두고 감싸며 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 마주보는 상기 플로팅 전극의 측면 및 상부 일부에 상기 보호 절연막을 사이에 두고 제 2 전극이 더 형성되고,
    상기 감지물질층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이 및 상기 보호 절연막 상에 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 상기 보호 절연막에 형성된 컨택홀로 상기 플로팅 전극과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극은 서로 다른 금속으로 형성되고,
    상기 감지물질층은 특정가스에 반응하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 기전력 변화를 주는 물질 또는 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 반도체 바디는 매몰 채널이 형성되도록 불순물이 도핑되고,
    상기 제 1 전극은 폴리 실리콘, 폴리 실리콘게르마늄, 실리사이드, 금속, 도전성 금속산화물, 도전성 질화물 중 어느 하나 이상의 물질로 형성되고,
    상기 감지물질층은 특정가스에 반응하여 상기 제 1 전극의 일함수를 변하게 하는 물질 또는 유전상수가 바뀌거나 전하가 생성 또는 소멸하는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 감지물질층 사이 또는 상기 감지물질층과 상기 보호 절연막이 형성된 상기 플로팅 전극 사이에는 공기갭(air gap)이 있는 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 공기갭(air gap)은 상기 감지물질층과 상기 보호 절연막이 형성된 상기 플로팅 전극 사이에 존재하고,
    상기 제 1 전극과 상기 감지물질층 사이에는 제 1 절연막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  31. 제 24 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플로팅 전극은 상기 제 1 전극과 마주하는 방향으로 측면이 요철 되고,
    상기 제 1 전극은 상기 플로팅 전극의 요철 측면과 반대로 요철된 측면을 가지고 상기 플로팅 전극과 서로 맞물리는 형상으로 이격된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  32. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 플로팅 전극과 마주하지 않는 반대 측면도 요철되어 히터(heater)로도 사용되는 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 감지물질층 하부에 있는 상기 반도체 기판은 일정 깊이로 식각되어 공기층을 형성한 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 공기층은 상기 플로팅 전극 하부 일부까지 확장되어 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  35. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판에 돌출되게 형성된 반도체 바디;
    상기 반도체 기판 상에서 상기 반도체 바디의 하부 측면을 둘러싸며 형성된 제 1 격리 절연막;
    상기 제 1 격리 절연막 상에서 상기 반도체 바디의 상부 측면 주변으로 트렌치를 이루도록 이격되어 형성된 제 2 격리 절연막;
    상기 제 2 격리 절연막 상에 상기 트렌치를 메우며 상기 반도체 바디 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 플로팅 전극;
    상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 제 2 격리 절연막 상에 형성된 제어 전극;
    상기 제어 전극과 상기 플로팅 전극 사이에 형성된 감지물질층; 및
    상기 플로팅 전극을 사이에 두고 상기 반도체 바디에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 가스 감지소자.
  36. 하나의 반도체 기판에 2 이상의 이종 가스를 감지하도록 복수 개의 가스 감지소자가 배열되되,
    상기 복수 개의 가스 감지소자는 구조 또는 감지물질이 달라 동작 기작이 다른 2 이상의 가스 감지소자를 포함하고,
    상기 각 가스 감지소자는 제 1 항 내지 제 13 항, 제 20 항 내지 제 24 항 및 제 30 항 중 어느 한 항에 의한 3차원 핀펫형 가스 감지소자인 것을 특징으로 하는 가스 감지소자 어레이.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 복수 개의 가스 감지소자는 상기 감지물질층에 의한 유전상수 변화, 전하의 생성 또는 소멸, 일함수의 변화 및 기전력 변화 중 어느 2가지 이상으로 동작 기작이 다른 가스 감지소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지소자 어레이.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101954250B1 (ko) 2016-06-03 2019-03-05 서울대학교 산학협력단 Fet형 센서 어레이
KR102233424B1 (ko) * 2019-02-20 2021-03-29 한국센서연구소 주식회사 접촉 저항이 개선된 가스센서 및 이의 제조 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10505911A (ja) * 1994-09-23 1998-06-09 フオルスカルパテント イ リンケピング アクチボラゲット ガス検知の方法および装置
KR20070004171A (ko) * 2005-07-04 2007-01-09 동서대학교산학협력단 가스 감지 소자 및 그 제조 방법
JP2007017312A (ja) * 2005-07-08 2007-01-25 Hitachi Ltd 半導体ガスセンサとその製造方法
JP2007163253A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素ガス検知センサ
JP2008145128A (ja) * 2006-12-06 2008-06-26 Okayama Univ ガスセンサ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10505911A (ja) * 1994-09-23 1998-06-09 フオルスカルパテント イ リンケピング アクチボラゲット ガス検知の方法および装置
KR20070004171A (ko) * 2005-07-04 2007-01-09 동서대학교산학협력단 가스 감지 소자 및 그 제조 방법
JP2007017312A (ja) * 2005-07-08 2007-01-25 Hitachi Ltd 半導体ガスセンサとその製造方法
JP2007163253A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素ガス検知センサ
JP2008145128A (ja) * 2006-12-06 2008-06-26 Okayama Univ ガスセンサ

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