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문제 정의
- 마이크로 센서 어레이의 개발을 위해 0.6 ㎛ CMOS 기술을 기반으로 FET형 센서를 동일 칩 상에 설계·제작하고 그 특성을 조사하고, 응답 공간 상의 패턴 인식으로 주위의 타 가스, 온도변화 및 습도변화에서 선택적으로 가스를 검출하기 위한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 여러 가지 가스를 감지할 수 있는 CMOS 마이크로 멀티센서를 제작하고 그 특성을 조사하였다. 또한 3가지 가스, 습도 및 온도에 대한 각 센서의 상관관계를 찾고, 감지하고자 하는 화학종에 대한 각 센서의 고유 패턴을 얻기 위해 주성분 분석법을 적용하였다.
- Table 1은 이들 각 센서들의 측정 조건을 나타낸 것으로, 이 값들은 주성분 분석법을 적용하기 위한 센서의 변수로 사용할 수 있다. 센서 재료에 따라 가스농도, 가스종류, 측정온도 및 습도를 변수로 주었으며, 주어진 측정온도나 습도들은 각 개별 센서들의 기초 측정으로부터 나온 결과를 바탕으로 설정한 것이다.
제안 방법
- CVD로 폴리 실리콘을 2,000 Å 증착하고 세정 후 LTO로 산화막을 1,000 Å 증착하였다. LDD 영역은 건식 식각, 세정 및 어닐링 순으로 실시하였다. FET나 저항형 센서의 감지막은 마그네트론 스퍼터에 의한 감지막과 가스 분자가 통과 할 수 있는 다공성 금을 증착하였다.
- 5 %)의 스코어 플롯 상에 나타낸 것이다. 각 센서 당 5번의 측정 결과를 비교하였고, 가스 탈착 후 재 흡착 시 나타나는 히스테리시스 현상을 최소화하기 위해 가스 탈착 후 재 주입하는 간격은 30분으로 설정하였다. 제 1 주 성분 센서의 응답 데이터에서 주된 변화를 나타내는 것이고, 제 2 주 성분으로 산란하는 것은 감도의 저하 혹은 센서의 반복 측장 시 나타나는 특성 열화 현상 때문이다.
- 실리콘 웨이퍼 위에 220 Å의 산화막을 성장시킨 후, 저압 화학기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)법을 사용하여 산화막 위에 1,600 Å의 질화막을 성장시켰다. 감광막을 12,000 Å도포하여 건식 식각을 한 후 감광막을 제거하여 LOCOS를 형성하였다. 실리콘 산화막을 5,200 Å 성장시킨 후 식각을 하여 Si3N4를 제거하였다.
- 마이크로 멀티센서 시스템은 동일한 칩 내부에 5가지 센서를 설계하였으며, 툴은 AutoCAD와 Cadence를 이용하였다. 디자인된 소자의 배치도를 Fig.
- 이는 센서들이 비슷한 응답특성 패턴을 가지기 때문이다. 마이크로 센서 어레이 안의 각 센서의 응답특성은 컨덕턴스 변화로 통일하여 추출하였다. 즉 감도 △G = Gg - Ga로 나타낼 수 있는데, 여기서 Ga는 특정가스가 주입되기 전의 공지 중의 센서 컨덕턴스이고, Gg는 특정가스가 정해진 농도로 주입했을 때의 센서 컨덕턴스이다.
- 브릿지형 저항센서, 히터 및 홀 소자용 단자는 각각 폴리로 구성하였다. 센서용 FET는 게이트 위에 감지물질을 올리기 위해 상부를 개방하였고, 기준용 FET는 전체를 보호막으로 덮어서 외부 변화에 FET의 문턱 전압 변화가 발생하지 않도록 하였으며, 온도 변화에 따른 감도 보정용으로도 사용할 수 있도록 설계하였다. 측정용 FET는 센서와 동일한 조건으로 제작하였다.
- 감광막을 12,000 Å도포하여 건식 식각을 한 후 감광막을 제거하여 LOCOS를 형성하였다. 실리콘 산화막을 5,200 Å 성장시킨 후 식각을 하여 Si3N4를 제거하였다. 예비 산화작업으로 SiO2를 430 Å 성장시킨 후 게이트 산화막을 125 Å 성장시켰다.
- 실리콘 산화막을 5,200 Å 성장시킨 후 식각을 하여 Si3N4를 제거하였다. 예비 산화작업으로 SiO2를 430 Å 성장시킨 후 게이트 산화막을 125 Å 성장시켰다. CVD로 폴리 실리콘을 2,000 Å 증착하고 세정 후 LTO로 산화막을 1,000 Å 증착하였다.
- 측정용 FET는 센서와 동일한 조건으로 제작하였다. 특성을 측정하기 위해 내부 측정용과 외부 측정용으로 구분하여 각각 2개씩 디자인하였으며, 내부 측정용은 상하가 대칭되게 배치하였고, 외부 측정용은 가로 1개와 세로 1개로 배치하여 각각의 특성이 일정한지를 알고자 하였다. 습도나 가스는 FET 표면에 흡착이 되면 탈착까지 긴 시간이 소요될 수 있으므로 소자 외부를 가열할 수 있도록 폴리 실리콘으로 내장형 히터(built-in heater)를 배치시켰다.
대상 데이터
- 4 mm, 30 핀으로 하였다. FET(Field Effect Transistors)는 nMOS를 사용하였고, 온도 측정용 다이오드는 P-N 접합으로 형성하였다. 브릿지형 저항센서, 히터 및 홀 소자용 단자는 각각 폴리로 구성하였다.
- LDD 영역은 건식 식각, 세정 및 어닐링 순으로 실시하였다. FET나 저항형 센서의 감지막은 마그네트론 스퍼터에 의한 감지막과 가스 분자가 통과 할 수 있는 다공성 금을 증착하였다. 이러한 후 공정은 리프트오프(lift-off)법을 이용하였다[8, 9].
- 기판은 면 저항이 5 ± 0.5 Ω·cm인 붕소(boron)가 도핑된 6 인치 p형 (100) 웨이퍼를 사용하였다.
- 마스크는 Cadence를 사용하여 제작하였다. 스텝퍼를 이용하여 폴리실리콘, 액티브, 콘택트, 금속, 감지막 순으로 12.
- FET(Field Effect Transistors)는 nMOS를 사용하였고, 온도 측정용 다이오드는 P-N 접합으로 형성하였다. 브릿지형 저항센서, 히터 및 홀 소자용 단자는 각각 폴리로 구성하였다. 센서용 FET는 게이트 위에 감지물질을 올리기 위해 상부를 개방하였고, 기준용 FET는 전체를 보호막으로 덮어서 외부 변화에 FET의 문턱 전압 변화가 발생하지 않도록 하였으며, 온도 변화에 따른 감도 보정용으로도 사용할 수 있도록 설계하였다.
- 스텝퍼를 이용하여 폴리실리콘, 액티브, 콘택트, 금속, 감지막 순으로 12.5 cm × 12.5 cm 크기의 유리 기판에 크롬으로 제작하였으며.
- 칩 설계는 0.6 ㎛ CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 표준공정을 기준으로 하였으며, 크기는 9.0 mm × 5.4 mm, 30 핀으로 하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 여러 가지 가스를 감지할 수 있는 CMOS 마이크로 멀티센서를 제작하고 그 특성을 조사하였다. 또한 3가지 가스, 습도 및 온도에 대한 각 센서의 상관관계를 찾고, 감지하고자 하는 화학종에 대한 각 센서의 고유 패턴을 얻기 위해 주성분 분석법을 적용하였다.
이론/모형
- MCM의 선택성을 찾기 위한 방법 중 하나로 주성분 분석(Principal Components Analysis, PCA)을 이용한다[2]. PCA는 KL(Karhunen-Loeve) 변환 또는 호텔링(Hotelling) 변환이라고도 하는데, 다차원의 특징 벡터로 이루어진 데이터에 대해서 최대한 원본의 정보를 유지하면서 낮은 차원으로 차원을 축소시켜 데이터를 처리하는 방법 중 하나이다.
- 5 Ω·cm인 붕소(boron)가 도핑된 6 인치 p형 (100) 웨이퍼를 사용하였다. 실리콘 웨이퍼 위에 220 Å의 산화막을 성장시킨 후, 저압 화학기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)법을 사용하여 산화막 위에 1,600 Å의 질화막을 성장시켰다. 감광막을 12,000 Å도포하여 건식 식각을 한 후 감광막을 제거하여 LOCOS를 형성하였다.
- FET나 저항형 센서의 감지막은 마그네트론 스퍼터에 의한 감지막과 가스 분자가 통과 할 수 있는 다공성 금을 증착하였다. 이러한 후 공정은 리프트오프(lift-off)법을 이용하였다[8, 9].
- 주 성분 분석법을 수행하기 전에 각 센서의 응답 행렬은 중심점 예비 처리(mean centering pre-processing) 기술을 적용하였다[5, 12]. 이는 센서들이 비슷한 응답특성 패턴을 가지기 때문이다.
성능/효과
- 가스 농도 및 습도는 SnO2센서와 동일하게 적용하였고, 측정온도는 25 ℃로 고정하였다. CO 가스에 대해 가장 높은 드레인 전류의 변화를 보였으며, 부탄가스나 습도에 비해 매우 높은 선택성을 보였다. 또한 Fig.
- 그러나 SnO2 센서는 선택성이 떨어졌다. 센서 어레이 간의 정량적 비교를 통해 CI 기본 데이터를 매개 변수화한 결과 화학적 공간으로 표시할 때에 비해 응답 공간으로 표시한 경우 편차가 적고 더욱 분명한 패턴을 형성함을 알 수 있었다.
- 습도가 30%RH에서 90 %RH로 증가함에 따라 드레인 전류가 9.6 μA에서 26.1 μA로 증가하였으며, 수소 가스에 대해서는 가스 농도가 200 ppm에서 10,000 ppm으로 증가할 때 드레인 전류가 6.4 μA에서 7.6 μA로 적은 증가만 나타났다.
- 6 ㎛ CMOS 기술을 기반으로 FET형 센서를 동일 칩 상에 설계·제작하고 그 특성을 조사하고, 응답 공간 상의 패턴 인식으로 주위의 타 가스, 온도변화 및 습도변화에서 선택적으로 가스를 검출하기 위한 연구를 수행하였다. 제작된 시스템 칩은 기존 공정에 추가된 폴리-질화 에치스탑 공정에 큰 영향을 받지 않았으며, 칩의 크기 축소와 공정단계를 줄여 주는 효과를 보였다. SnO2/Pt GASFET는 게이트 전압을 2 V로 고 정하고, 드레인 전압을 0 V에서 10 V까지 1 V 스텝으로 전압을 인가하였을 때, CO 가스 농도를 200 ppm에서 10000 ppm로 증가함에 따라 드레인 전류는 16.
- 5 μA로 증가하였다. 측정된 감도 패턴을 PCA법으로 수행한 결과 SnO2/Pt 센서의 경우 CO 가스를 주 가스로 했을 때 수소 가스에 비해서는 1.49배, 부탄 가스에 비해서는 8.06배 그리고 습도에 대해서는 19.23배로 선택성이 높다는 것을 알 수 있었다. 즉 SnO2/Pt 센서는 부탄 가스나 습도에 대해서는 CO 가스의 선택성이 높지만 수소 가스에 대해서는 선택성이 떨어짐을 알 수 있다.
- 즉 SnO2/Pt 센서는 부탄 가스나 습도에 대해서는 CO 가스의 선택성이 높지만 수소 가스에 대해서는 선택성이 떨어짐을 알 수 있다. 한편 C3N4 센서의 경우는 CO 가스에 대해서는 27.78배, 수소 가스에 대해서는 9.35배 그리고 부탄 가스에 대해서는 35.71배로 측정된 모든 가스에 대해 습도의 선택성이 매우 높음을 알 수 있었다. 그러나 SnO2 센서는 선택성이 떨어졌다.
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