JP4501320B2

JP4501320B2 - 容量式湿度センサ

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Publication number: JP4501320B2
Application number: JP2001215655A
Authority: JP
Inventors: 稲男豊田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2021-07-16
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出用電極間に湿度に応じて容量値が変化する感湿膜を介在させ、周囲の湿度の変化に応じた検出用電極間の容量値変化を検出することにより湿度検出を行う容量式湿度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の容量式湿度センサは、一般に、半導体基板と、半導体基板の表面上に形成され離間して対向する２個の検出用電極と、半導体基板の表面上に形成されて２個の検出用電極間に介在し、湿度に応じて容量値が変化する感湿膜とを備え、周囲の湿度の変化に応じた２個の検出用電極間の容量値変化を検出することにより、湿度検出を行うようにしている。
【０００３】
このような容量式湿度センサとして、特公平６−１０５２３５号公報、特開昭５５−６６７４９号公報、特開昭６０−１６６８５４号公報等に記載のものが提案されている。これらのものは、基板上にて下部電極を形成し、その上に感湿膜を設け、その上に透湿性の薄い上部電極を設けた構成としている。しかし、上部電極が外部環境にさらされた構成であるため、耐湿性等、検出用電極の信頼性に問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、本発明者は、このような容量式湿度センサにおいて、半導体基板の表面に湿度検出用の回路素子部を設け、検出部（２個の検出用電極及び感湿膜）と回路部との集積化を図るとともに、検出回路として、微小な容量値変化を感度良く検出するのに適したスイッチドキャパシタ回路を採用することを検討している。
【０００５】
スイッチドキャパシタ回路（以下、ＳＣ回路という）は、２個の検出用電極間の容量値の変化を電圧信号に変換して出力するために、参照容量および帰還容量を有するものであり、このＳＣ回路を採用した場合、検出回路の構成は、図３に示すようになる。
【０００６】
ここで、３０は、感湿膜を介して対向する２個の検出用電極間に形成された容量値Ｃｘを有する感湿容量部（検出容量部）であり、容量値Ｃｘが周囲の湿度変化に応じて変化するものである。また、２５０は、容量値Ｃｒを有する参照容量部であり、容量値Ｃｒが周囲の湿度変化に応じて変化しない参照容量として構成されたものである。
【０００７】
また、３００は、参照容量部２５０と感湿容量部３０との中点電位を検出する差動増幅回路であり、この差動増幅回路３００は、オペアンプ３０１、容量値（帰還容量）がＣｆであるコンデンサ３０２、スイッチ３０３を備えている。ここで、コンデンサ３０２は、スイッチ３０３がオンしている間に上記中点電位に応じた電荷を蓄積するものであり、上記中点電位からの信号を積分するためのものである。
【０００８】
そして、参照容量部２５０の一方の電極部と感湿容量部３０の一方の電極部へ、それぞれ逆相の搬送波Ｖ１およびＶ２を入力するようになっており、両容量部２５０、３０間の中点電位を作動増幅回路３００を介して出力電圧Ｖｓとして出力する。このとき、周囲の湿度変化に応じて参照容量値Ｃｒは変化しないが、可変容量値Ｃｘは変化するため、中点電位も変化する。そのため、出力電圧Ｖｓを検出することにより、湿度を検出することができる。
【０００９】
しかし、容量式湿度センサにおいて、上記したようなＳＣ回路を採用する場合、半導体基板上に、回路素子部の一部として参照容量部や帰還容量部を形成する必要がある。一方で、センサ体格の小型化のためには、上記検出部や回路素子部の形成領域を極力抑え、素子面積を小さくすることが望ましい。
【００１０】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、湿度変化に伴う２個の検出用電極間の容量変化を、ＳＣ回路にて電圧信号に変換して検出するようにした容量型湿度センサにおいて、センサ体格の小型化が可能な構成を実現することを第１の目的とし、この第１の目的を達成しつつ、２個の検出用電極を外部環境にさらすことなく、電極の信頼性を確保することを第２の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１０）と、この半導体基板の表面に形成された回路素子部（２００）と、半導体基板の表面上に形成され離間して対向する２個の検出用電極（３１、３２）と、半導体基板の表面上に形成されて２個の検出用電極間に介在し湿度に応じて容量値が変化する感湿膜（５０）とを備え、周囲の湿度の変化に応じて２個の検出用電極間の容量値（Ｃｘ）が変化するようになっており、回路素子部は、２個の検出用電極間の容量値の変化を電圧信号に変換して出力するための参照容量部（２５０）および帰還容量部（２６０）を有するスイッチドキャパシタ回路を構成しており、参照容量部および帰還容量部の少なくとも一方が、検出用電極の下部に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
それによれば、スイッチドキャパシタ回路（ＳＣ回路）を構成する参照容量部および帰還容量部の少なくとも一方を、検出用電極の形成面の下部に設けることにより、上記図３に示したようなＳＣ回路構成を適切に実現できるとともに、これら容量部の両方またはどちらか一方と検出用電極の位置する検出部とが積層された形となるので、素子面積を小さくすることができる。
【００１３】
よって、本発明によれば、検出用電極間の容量変化をＳＣ回路を用いて検出するようにした容量型湿度センサにおいて、センサ体格の小型化が可能な構成を実現することができる。
【００１４】
ここで、請求項２に記載の発明のように、参照容量部（２５０）および帰還容量部（２６０）のうち検出用電極（３１、３２）の下部に設けられている容量部は、２個の検出用電極の一方の検出用電極（３２）の下部にて、絶縁膜（２０）を介して当該一方の検出用電極と対向して対向電極部（２５１、２６１）を形成することにより構成されたものにできる。
【００１５】
それにより、参照容量部（２５０）および帰還容量部（２６０）のうち検出用電極（３１、３２）の下部に設けられている容量部は、一方の検出用電極（３２）とこれに対向する対向電極部（２５１、２６１）との間に形成されたものにできる。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明では、半導体基板（１０）と、この半導体基板の表面に形成された回路素子部（２００）と、半導体基板の表面上に形成された第１の絶縁膜（２０）と、この第１の絶縁膜の上にて離間して対向するように形成された２個の検出用電極（３１、３２）と、これら２個の検出用電極を覆うように形成された第２の絶縁膜（４０）と、この第２の絶縁膜の上に２個の検出用電極および２個の検出用電極の間を覆うように形成され湿度に応じて容量値が変化する感湿膜（５０）とを備え、周囲の湿度の変化に応じて２個の検出用電極間の容量値（Ｃｘ）が変化するようになっており、回路素子部は、２個の検出用電極間の容量値の変化を電圧信号に変換して出力するための参照容量部（２５０）および帰還容量部（２６０）を有するスイッチドキャパシタ回路を構成しており、参照容量部および帰還容量部の少なくとも一方が、検出用電極の下部に設けられていることを特徴としている。
【００１７】
それによれば、２個の検出用電極を第１の絶縁膜の上にて離間して対向するように形成することで、２個の検出用電極の互いの絶縁性を確保でき、また、２個の検出用電極と感湿膜との間に第２の絶縁膜が介在しているので、２個の検出用電極は共に外部環境にさらされることが無くなり、検出用電極の信頼性を確保することができる。
【００１８】
また、ＳＣ回路を構成する参照容量部および帰還容量部の少なくとも一方を、検出用電極の形成面の下部に設けることにより、請求項１の発明と同様に、ＳＣ回路構成の適切な実現、及び、素子面積の低減が図れる。
【００１９】
よって、本発明によれば、検出用電極間の容量変化をＳＣ回路を用いて検出するようにした容量型湿度センサにおいて、センサ体格の小型化が可能な構成を実現することができるとともに、２個の検出用電極を外部環境にさらすことなく、電極の信頼性を確保することができ、上記した本発明の第２の目的を達成することができる。
【００２０】
ここで、請求項４に記載の発明のように、参照容量部（２５０）および帰還容量部（２６０）のうち前記検出用電極（３１、３２）の下部に設けられている容量部は、２個の検出用電極の一方の検出用電極（３２）の下部にて、第１の絶縁膜（２０）を介して当該一方の検出用電極と対向して対向電極部（２５１、２６１）を形成することにより構成されたものにできる。それにより、請求項２の発明と同様に、参照及び帰還容量部を形成することができる。
【００２１】
また、請求項２及び請求項４に記載の容量式湿度センサにおいて、参照容量部（２５０）や帰還容量部（２６０）における対向電極部（２５１、２６１）は、ポリシリコンよりなるものにしたり（請求項５の発明）、半導体基板（１０）の表面に形成された拡散層よりなるものにする（請求項７の発明）ことができる。
【００２２】
さらに、参照容量部や帰還容量部における対向電極部（２５１、２６１）がポリシリコンよりなる場合、請求項６に記載の発明のように、回路素子部（２００）に備えられたスイッチドキャパシタ回路を構成するためのＭＯＳトランジスタ（２１０）のゲート電極（２１１）が、ポリシリコンよりなることが好ましい。
【００２３】
これは、請求項９に記載の発明のように、半導体基板（１０）の表面に、ポリシリコンを用いて、ＭＯＳトランジスタ（２１０）のゲート電極（２１１）と、上記対向電極部（２５１、２６１）とを同時に形成することができ、製造工程の容易化、簡略化が図れるためである。
【００２４】
また、参照容量部（２５０）や帰還容量部（２６０）における対向電極部（２５１、２６１）が半導体基板（１０）の表面に形成された拡散層よりなる場合、請求項１０に記載の発明のように、半導体基板（１０）の表面に、前記回路素子部（２００）を構成する拡散層と、上記対向電極部（２５１、２６１）を構成する拡散層とを同時に形成することができ、製造工程の容易化、簡略化が図れる。
【００２５】
また、請求項８に記載の発明では、２個の検出用電極（３１、３２）は互いに櫛歯状をなし、互いの櫛歯部が噛み合って対向したものであることを特徴としている。このような櫛歯状の電極構成を採用することにより、検出用電極の配置面積を極力抑えつつ、２個の検出用電極間の対向面積を大きくできるので容量値を稼ぐことができ、好ましい。
【００２６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る容量式湿度センサＳ１の概略平面図、図２は図１中のＡ−Ａ断面に沿った概略断面図である。なお、図１中のハッチングは識別のためであり、断面を示すものではない。この容量式湿度センサＳ１は、例えば、エアコンの湿度制御に用いられ室内の湿度を検出したり、気象観測用として屋外の湿度を検出する等の用途に供される。
【００２８】
１０は半導体基板であり、本例ではＮ型のシリコン基板を採用している。この半導体基板１０の上には、第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜２０が形成されており、シリコン酸化膜２０の上には、同一平面上にて離間して対向するように２個の検出用電極（図１ではハッチングにて図示）３１、３２が形成されている。
【００２９】
形状は特に限定されないが、本例では、２個の検出用電極３１、３２は互いに平面櫛歯状をなし、互いの櫛歯部が噛み合って対向したものである。このような櫛歯状の電極構成を採用することにより、電極の配置面積を極力小さくしつつ、２個の検出用電極３１、３２間の対向面積を大きくすることができ、電極間の容量値を稼ぐことができる。
【００３０】
これら２個の検出用電極３１、３２としては、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ（ＡｌにＳｉを微量（例えば０．数％程度）含有させたもの）、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の通常の半導体製造ラインで使用可能な材料を採用することができる。本例では、両検出用電極３１、３２は、Ａｌより構成している。
【００３１】
ここで、２個の検出用電極３１、３２の一方の検出用電極３２の下部にて、シリコン酸化膜２０には、当該一方の検出用電極３２と対向して、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）よりなる対向電極部（参照容量用対向電極部）２５１、対向電極部（帰還容量用対向電極部）２６１が埋設されている。
【００３２】
図１にて破線で示す様に、本例では、各対向電極部２５１、２６１は、平面形状が、一方の検出用電極３２の平面形状に対応した櫛歯形状となっている。そして、各対向電極部２５１、２６１は、一方の検出用電極３２とはシリコン酸化膜２０における厚み方向の一部を介して対向しており、一方の検出用電極３２との間に、容量部（コンデンサ）を形成している。
【００３３】
すなわち、一方の検出用電極３２と参照容量用対向部２５１とにより、容量値Ｃｒを有する参照容量部２５０が構成され、一方の検出用電極３２と帰還容量用対向電極部２６１とにより、容量値Ｃｆを有する帰還容量部２６０が構成されている。そして、これら参照容量部２５０及び帰還容量部２６０は、２個の検出用電極３１、３２の一方の検出用電極３２の下部に設けられた形となっている。
【００３４】
なお、上記容量部２５０、２６０の対向電極部２５１、２６１の幅は、図１に示す様に、検出用電極３２の幅よりも小さいことが好ましい。これは、対向電極部２５１、２６１の幅の方が大きいと、対向電極部２５１、２６１のはみ出した部分ともう一方の検出用電極３１との間で、容量部が形成されやすくなってしまうためである。
【００３５】
また、２個の検出用電極３１、３２の上には、第２の絶縁膜としてのシリコン窒化膜４０が形成されている。本例では、シリコン窒化膜４０は、両検出用電極３１、３２および両検出用電極３１、３２の間を覆っているが、少なくとも両検出用電極３１、３２を覆っていれば良く、両検出用電極３１、３２の間には存在していなくとも良い。
【００３６】
シリコン窒化膜４０の上には、両検出用電極３１、３２および両検出用電極３１、３２の間を覆うように、湿度に応じて容量値が変化する感湿膜５０が形成されている。
【００３７】
感湿膜５０としては、吸湿性の高分子有機材料よりなるものを採用することができ、具体的には、ポリイミドや酪酸酢酸セルロース等（本例では、ポリイミド）を用いることができる。そして、感湿膜５０において、膜中に水分子が侵入すると、水分子は誘電率が大きいので侵入した水分量に応じて感湿膜５０の誘電率も大きく変化し、結果、両検出用電極３１、３２間の容量値も変化するようになっている。
【００３８】
ここで、半導体基板１０上において、感湿膜５０が配置されている領域が検出部としての感湿部１００として構成されている。従って、感湿部１００においては、センサＳ１の周囲の湿度変化に応じて２個の検出用電極３１、３２間の容量値が変化するため、この容量値変化に基づいて湿度検出が可能となっている。
【００３９】
また、本実施形態では、半導体基板１０の表面のうち感湿部１００以外の部位（本例では、図１中の破線ハッチング領域に示される感湿部１００の外周囲）には、周囲の湿度の変化に応じた２個の検出用電極３１、３２間の容量値の変化を、信号処理するための回路素子部２００が形成されている。
【００４０】
この回路素子部２００は、図２に示す断面図では、Ｃ−ＭＯＳトランジスタ２１０として表されている。ここで、２１１はＣ−ＭＯＳトランジスタ２１０におけるＰｏｌｙ−Ｓｉよりなるゲート電極、２１２はソース、ドレインと導通するＡｌよりなる配線電極である。なお、回路素子部２００には、Ｃ−ＭＯＳトランジスタ２１０以外の回路素子（例えば、Ｂｉ−ＣＭＯＳトランジスタ等）が形成されていても良いことは勿論である。
【００４１】
そして、上記した参照容量部２５０、帰還容量部２６０は、この回路素子部２００の一部として構成されており、回路素子部２００においては、これら参照容量部２５０、帰還容量部２６０および上記Ｃ−ＭＯＳトランジスタ２１０等により、２個の検出用電極３１、３２間の容量値の変化を電圧信号に変換して出力するためのスイッチドキャパシタ回路が構成されている。
【００４２】
このスイッチドキャパシタ回路（以下、ＳＣ回路）は、本センサＳ１の検出回路となるものであり、その構成、作動等について、図１および図３に示すブロック図を参照して説明する。なお、このＳＣ回路については、「課題」の欄にて図３を参照して既述しており、重複する部分もあるが、ここでは、本実施形態に即した形で改めて説明していくこととする。
【００４３】
感湿容量部（検出容量部）３０は、感湿膜５０を介して対向する２個の検出用電極３１、３２間に形成されており、湿度変化に応じて容量値（可変容量値）Ｃｘが変化する。また、容量値Ｃｒを有する参照容量部２５０は、容量値Ｃｒが周囲の湿度変化に応じて変化しないものである。
【００４４】
また、差動増幅回路３００は、参照容量部２５０と感湿容量部３０との中点電位を検出するものであり、上記Ｃ−ＭＯＳトランジスタ２１０等にて構成されたオペアンプ３０１、容量値Ｃｆを有する帰還容量部２５０により構成されたコンデンサ３０２、スイッチ３０３を備えている。
【００４５】
そして、参照容量部２５０の一方の電極部（参照容量用対向電極部２５１）と感湿容量部３０の一方の電極部（もう一方の検出用電極３１）とへ、それぞれ逆相の搬送波Ｖ１およびＶ２を入力するようになっており、両容量部２５０、３０間の中点電位を作動増幅回路３００を介して出力電圧Ｖｓとして出力する。このとき、周囲の湿度変化に応じて参照容量値Ｃｒは変化しないが、可変容量値Ｃｘは変化するため、中点電位も変化する。そのため、出力電圧Ｖｓを検出することにより、湿度を検出することができる。
【００４６】
このように、本実施形態では、２個の検出用電極３１、３２のうちオペアンプ３０１につながる一方の検出用電極３２の下部に、参照容量用対向電極部２５１および帰還容量用対向電極部２６１を形成し、この一方の検出用電極３２の下部に参照容量部２５０および参照容量部２６０を設けた形とすることにより、湿度検出用のＳＣ回路を適切に構成している。
【００４７】
次に、上記した本例の容量式湿度センサＳ１の製造方法について、図４を参照して述べる。図４（ａ）、（ｂ）は、本製造方法を上記図２に対応した断面にて示す工程図である。
【００４８】
［図４（ａ）に示す工程］まず、通常のイオン注入、熱拡散工程にて、半導体基板１０の表面に、回路素子部２００を構成するための拡散層および熱酸化膜２１を形成する。その上に、ＣＶＤ法等にて、Ｐｏｌｙ−Ｓｉの各電極２１１、２５１、２６１、およびＭＯＳトランジスタ２１０におけるソース、ドレイン等の拡散層を、通常のイオン注入、熱拡散工程にて形成する。ここまでの状態が図４（ａ）に示される。
【００４９】
［図４（ｂ）に示す工程］続いて、シリコン酸化膜２０をＣＶＤ法等にて形成するが、このとき形成されるシリコン酸化膜と上記熱酸化膜２１とが合わさって一体化し、第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜２０が形成される。これにより、各対向電極部２５１、２６１がシリコン酸化膜２０に埋設される。
【００５０】
さらに、半導体基板１０の表面の回路素子部２００と回路素子部２００の配線電極との導通をとるためのコンタクトホールを、シリコン酸化膜２０にフォトリソグラフ法を用いたエッチングにより形成する。
【００５１】
次に、回路素子部２００の配線電極（図中、配線電極２１２のみ示す）および湿度変化検出用の２個の検出用電極３１、３２を、Ａｌ等を用いてスパッタ法や蒸着法等にて形成し、その上に、シリコン窒化膜（第２の絶縁膜）４０をプラズマＣＶＤ法等にて形成する。ここまでの状態が図４（ｂ）に示される。
【００５２】
続いて、図示しないが、回路素子部２００と外部とをつなぐためのパッド部となるところのシリコン窒化膜４０を、フォトリソグラフ法を用いたエッチングにより除去する。このシリコン窒化膜４０の除去部がパッドとなる。
【００５３】
最後に、シリコン窒化膜４０の上に、ポリイミドをスピンコート法にて塗布した後硬化させフォトエッチする方法や、印刷法にて塗布した後硬化させる方法を用いることにより、感湿膜５０を形成する。このように、上記製造方法によれば、通常の半導体製造ラインを用いて、上記図２に示す様な容量式湿度センサＳ１を適切に完成させることができる。
【００５４】
ところで、本実施形態によれば、２個の検出用電極３１、３２をシリコン酸化膜（第１の絶縁膜）２０の上にて離間して対向するように形成することで、２個の検出用電極３１、３２の互いの絶縁性を確保することができる。
【００５５】
また、２個の検出用電極３１、３２と感湿膜５０との間にシリコン窒化膜（第２の絶縁膜）４０が介在しているので、２個の検出用電極３１、３２は共に、シリコン窒化膜４０に被覆されて外部環境にさらされることが無くなり、検出用電極３１、３２の信頼性を確保することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、ＳＣ回路を構成する参照容量部２５０及び帰還容量部２６０は、２個の検出用電極３１、３２のうちＳＣ回路の差動増幅回路３００（オペアンプ３０１）とつながる一方の検出用電極３２の下部に設けられた形となっている。
【００５７】
なお、２個の検出用電極３１、３２のうち一方の検出用電極３２ではなく、もう一方の検出用電極３１が差動増幅回路３００（オペアンプ３０１）とつながる場合、当該もう一方の検出用電極３１の下部に、上記両容量部２５０、２６１を形成することになり、一方の検出用電極３２から搬送波Ｖ２が入力されるようになる。
【００５８】
このように、参照容量部２５０および帰還容量部２６０を、検出用電極３１、３２の形成面の下部に設けることにより、上記図３に示したようなＳＣ回路構成を適切に実現できるとともに、これら容量部２５０、２６０と感湿部１００とが積層された形となるので、素子面積を小さくすることができる。
【００５９】
よって、本実施形態によれば、検出用電極３１、３１間の容量変化をＳＣ回路を用いて検出するようにした容量型湿度センサにおいて、センサ体格の小型化が可能な構成を実現することができるとともに、２個の検出用電極３１、３２を外部環境にさらすことなく、電極の耐湿性等の信頼性を確保することができる。
【００６０】
さらに、本実施形態では、参照容量部２５０および帰還容量部２６０における対向電極部２５１、２６１がポリシリコンよりなり、回路素子部２００に備えられたＳＣ回路を構成するためのＭＯＳトランジスタ２１０のゲート電極２１１が、ポリシリコンよりなる。
【００６１】
このように、対向電極部とゲート電極とが同一材料であるため、上記製造方法に示したように、半導体基板１０の表面に、ポリシリコンを用いて、ＭＯＳトランジスタ２１０のゲート電極２１１と、参照容量部２５０および帰還容量部２６０における対向電極部２５１、２６１とを、ＣＶＤ法等にて同時に形成することができ、製造工程の容易化、簡略化が図れる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、検出用電極３１、３２の耐湿性を確保することができるため、検出用電極３１、３２として貴金属のような特に耐湿性に優れた特殊な金属を用いることなく、通常の半導体製造ラインで使用可能な材料（例えばアルミニウム等）を用いることができる。従って、本センサＳ１は、大量生産可能な半導体プロセスを用いて、小型で安価なものにできる。
【００６３】
更に言うならば、感湿膜５０を形成する前の工程は、通常の半導体製造技術が適用できるので、検出用電極３１、３２も含めた高集積化、微細化が可能であり、低コストに製造できる。特に、本例の感湿膜であるポリイミドは、半導体の保護膜として通常の半導体プロセスで用いられている材料であるため、半導体プロセスとの整合性が高い。
【００６４】
また、本実施形態によれば、回路素子部２００と２個の検出用電極３１、３２とを１つの半導体基板１０に集積化しているため、回路素子部２００と検出用電極３１、３２との間に存在する浮遊容量を小さくすることができる。そのため、検出用電極３１、３２の面積を小さくでき、結果的に、小型化に適した容量式湿度センサを提供することができる。
【００６５】
また、本実施形態における感湿膜５０としては、吸湿性の高分子有機材料よりなるものを採用することができるが、特に、塗布可能であって４００℃以下で硬化可能なものが好ましい。これは、硬化温度が４００℃であれば半導体素子の特性に影響が無いためである。例えば、ポリイミドでは約３５０℃で硬化可能なものがある。
【００６６】
また、本実施形態では、２個の検出用電極３１、３２を、回路素子部２００に用いられている配線電極２１２等の材料（配線材料）と同一の材料より構成することが好ましい。それにより、回路素子部２００の配線電極と検出用電極３１、３２とを同一の製造工程にて形成することができ、効率的である。
【００６７】
例えば、上記製造工程にて、回路素子部２００の配線電極および２個の検出用電極３１、３２の両者を、同じＡｌを用いてスパッタ法や蒸着法等にて同時に形成するようにすれば、工程数を簡略化することができる。また、検出用電極３１、３２を形成するための新たなマスクが不要である。
【００６８】
また、２個の検出用電極３１、３２を覆う第２の絶縁膜は、シリコン窒化膜以外の絶縁膜（例えばシリコン酸化膜等）であっても良いが、本実施形態ではシリコン窒化膜４０としている。シリコン窒化膜４０は、絶縁膜としては比較的誘電率が高く、両検出用電極３１、３２間の容量の損失を少なくし当該容量値を大きくできるため、検出感度を高めるためには好ましい。
【００６９】
また、両検出用電極３１、３２と半導体基板１０との間に介在する第１の絶縁膜は、シリコン酸化膜以外の絶縁膜（例えばシリコン窒化膜等）であっても良いが、本実施形態ではシリコン窒化膜よりも誘電率の低いシリコン酸化膜２０としている。それによれば、両検出用電極３１、３２と半導体基板１０との間の寄生容量を小さくすることができ、検出感度を高めるためには好ましい。
【００７０】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る容量式湿度センサＳ２の概略断面図を図５に示す。上記第１実施形態との相違点は、参照容量部２５０および帰還容量部２６０における対向電極部２５１、２６１を、ポリシリコンではなく、半導体基板１０の表面に形成された拡散層（図示例ではＮ型層）よりなるものにしたことである。
【００７１】
この拡散層よりなる対向電極部２５１、２６１は、一方の検出用電極３２の下部にて、シリコン酸化膜２０を介して一方の検出用電極３２と対向しており、それぞれ、各容量部２５０、２６０を構成している。
【００７２】
この対向電極部２５１、２６１は、回路素子部２００を構成する拡散層と同様の不純物濃度プロファイルを有するものとすれば、上記図４（ａ）に示す工程において、回路素子部２００を構成する拡散層と同時に、通常のイオン注入、熱拡散法を用いて形成することができる。そのため、製造工程の容易化、簡略化が図れる。
【００７３】
なお、第１実施形態と第２実施形態とを比較した場合、第１実施形態の方が、検出用電極３２の下部のシリコン酸化膜２０に対向電極部２５１、２６１を埋設しているため、互いに対向する検出用電極３２と対向電極部２５１、２６１間のシリコン酸化膜２０の厚みは、第１実施形態の方が小さく、容量値を大きく採ることができる。
【００７４】
また、ＰＮジャンクションによって対向電極部２５１、２６１の電気的分離を実現している第２実施形態に比べて、第１実施形態の方は、シリコン酸化膜２０による電気的分離を採用しているので、対向電極部の電気絶縁性の確保の点で有利である。
【００７５】
（第３実施形態）
上記第１および第２実施形態では、参照容量部２５０及び帰還容量部２６０の両方が、２個の検出用電極３１、３２の一方の検出用電極３２の下部に設けられた形としたが、両容量部２５０、２６０のいずれか一方のみを、検出用電極３１、３２の下部に設けた構成であっても、素子面積を小さくすることができる。図６〜図１１に本実施形態の種々の例を示す。
【００７６】
図６は、本実施形態の第１の例としての容量式湿度センサＳ３の概略平面図、図７は図６中のＢ−Ｂ断面に沿った概略断面図である。この第１の例ではポリシリコンよりなる参照容量用対向電極部２５１を用いて、参照容量部２５０のみを、２個の検出用電極３１、３２の一方の検出用電極３２の下部に設けている。この場合、帰還容量部Ｃｆは通常のＭＯＳ容量で回路素子部２００に形成している。
【００７７】
図８は、本実施形態の第２の例としての容量式湿度センサＳ４の概略平面図、図９は図８中のＣ−Ｃ断面に沿った概略断面図である。この第２の例ではポリシリコンよりなる帰還容量用対向電極部２６１を用いて、帰還容量部２６０のみを、２個の検出用電極３１、３２の一方の検出用電極３２の下部に設けている。この場合、参照容量部Ｃｒは通常のＭＯＳ容量で回路素子部２００に形成している。
【００７８】
また、図１０は、本実施形態の第３の例としての容量式湿度センサＳ５の概略断面図である。この第３の例ではＮ型拡散層よりなる参照容量用対向電極部２５１を用いて、参照容量部２５０のみを、２個の検出用電極３１、３２の一方の検出用電極３２の下部に設けている。
【００７９】
さらに、図１１は、本実施形態の第４の例としての容量式湿度センサＳ６の概略断面図である。この第４の例ではＮ型拡散層よりなる帰還容量用対向電極部２６１を用いて、帰還容量部２６０のみを、２個の検出用電極３１、３２の一方の検出用電極３２の下部に設けている。
【００８０】
これら本第３実施形態においても、半導体基板１０上の回路素子部２００に参照容量部２５０および帰還容量部２６０を共に形成する場合に比べて、素子面積の低減を図ることができる。
【００８１】
（他の実施形態）
なお、本発明において、２個の検出用電極は、上記従来公報に示した容量式湿度センサのように、一方が感湿膜の下に位置し、他方が感湿膜の上に位置するものであっても良い。この場合、例えば、感湿膜下部の検出用電極の下部に、絶縁膜を介して上記したような対向電極部を設ければ、参照容量部および帰還容量部が、検出用電極の下部に設けられた構成となる。
【００８２】
要するに、本発明は、半導体基板と、この半導体基板の表面に形成された回路素子部と、半導体基板の表面上に形成され離間して対向する２個の検出用電極と、半導体基板の表面上に形成されて２個の検出用電極間に介在し湿度に応じて容量値が変化する感湿膜とを備え、周囲の湿度の変化に応じて２個の検出用電極間の容量値が変化するようになっており、回路素子部は、２個の検出用電極間の容量値の変化を電圧信号に変換して出力するための参照容量部および帰還容量部を有するスイッチドキャパシタ回路を構成している容量式湿度センサであって、参照容量部および帰還容量部の少なくとも一方が、検出用電極の下部に設けられていることを主たる特徴とするものであり、細部は適宜設計変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る容量式湿度センサの概略平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面に沿った概略断面図である。
【図３】容量式湿度センサにおけるスイッチドキャパシタ回路を示すブロック図である。
【図４】図１に示す容量式湿度センサの製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る容量式湿度センサの概略断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態の第１の例としての容量式湿度センサの概略平面図である。
【図７】図６中のＢ−Ｂ断面に沿った概略断面図である。
【図８】上記第３実施形態の第２の例としての容量式湿度センサの概略平面図である。
【図９】図８中のＣ−Ｃ断面に沿った概略断面図である。
【図１０】上記第３実施形態の第３の例としての容量式湿度センサの概略断面図である。
【図１１】上記第３実施形態の第４の例としての容量式湿度センサの概略断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板、２０…シリコン酸化膜（第１の絶縁膜）、
３１、３２…検出用電極、４０…シリコン窒化膜（第２の絶縁膜）、
５０…感湿膜、２００…回路素子部、
２１１…ＭＯＳトランジスタのゲート電極、２５０…参照容量部、
２５１…参照容量用対向電極部、２６０…帰還容量部、
２６１…帰還容量用対向電極部、
Ｃｘ…２個の検出用電極間に形成された容量値。

Claims

半導体基板（１０）と、
この半導体基板の表面に形成された回路素子部（２００）と、
前記半導体基板の表面上に形成され離間して対向する２個の検出用電極（３１、３２）と、
前記半導体基板の表面上に形成されて前記２個の検出用電極間に介在し、湿度に応じて容量値が変化する感湿膜（５０）とを備え、
周囲の湿度の変化に応じて前記２個の検出用電極間の容量値（Ｃｘ）が変化するようになっており、
前記回路素子部は、前記２個の検出用電極間の容量値の変化を電圧信号に変換して出力するための参照容量部（２５０）および帰還容量部（２６０）を有するスイッチドキャパシタ回路を構成しており、
前記参照容量部および前記帰還容量部の少なくとも一方が、前記検出用電極の下部に設けられていることを特徴とする容量式湿度センサ。
前記参照容量部（２５０）および前記帰還容量部（２６０）のうち前記検出用電極（３１、３２）の下部に設けられている容量部は、前記２個の検出用電極（３１、３２）の一方の検出用電極（３２）の下部にて、絶縁膜（２０）を介して当該一方の検出用電極と対向して対向電極部（２５１、２６１）を形成することにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量式湿度センサ。
半導体基板（１０）と、
この半導体基板の表面に形成された回路素子部（２００）と、
前記半導体基板の表面上に形成された第１の絶縁膜（２０）と、
この第１の絶縁膜の上にて離間して対向するように形成された２個の検出用電極（３１、３２）と、
これら２個の検出用電極を覆うように形成された第２の絶縁膜（４０）と、
この第２の絶縁膜の上に前記２個の検出用電極および前記２個の検出用電極の間を覆うように形成され、湿度に応じて容量値が変化する感湿膜（５０）とを備え、
周囲の湿度の変化に応じて前記２個の検出用電極間の容量値（Ｃｘ）が変化するようになっており、
前記回路素子部は、前記２個の検出用電極間の容量値の変化を電圧信号に変換して出力するための参照容量部（２５０）および帰還容量部（２６０）を有するスイッチドキャパシタ回路を構成しており、
前記参照容量部および前記帰還容量部の少なくとも一方が、前記検出用電極の下部に設けられていることを特徴とする容量式湿度センサ。
前記参照容量部（２５０）および前記帰還容量部（２６０）うち前記検出用電極（３１、３２）の下部に設けられている容量部は、前記２個の検出用電極（３１、３２）の一方の検出用電極（３２）の下部にて、前記第１の絶縁膜（２０）を介して当該一方の検出用電極と対向して対向電極部（２５１、２６１）を形成することにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の容量式湿度センサ。
前記対向電極部（２５１、２６１）が、ポリシリコンよりなることを特徴とする請求項２または４に記載の容量式湿度センサ。
前記回路素子部（２００）は、前記スイッチドキャパシタ回路を構成するためのＭＯＳトランジスタ（２１０）を備えており、
前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極（２１１）が、ポリシリコンよりなることを特徴とする請求項５に記載の容量式湿度センサ。
前記対向電極部（２５１、２６１）が、前記半導体基板（１０）の表面に形成された拡散層よりなることを特徴とする請求項２または４に記載の容量式湿度センサ。
前記２個の検出用電極（３１、３２）は互いに櫛歯状をなし、互いの櫛歯部が噛み合って対向したものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の容量式湿度センサ。
請求項６に記載の容量式湿度センサの製造方法であって、前記半導体基板（１０）の表面に、ポリシリコンを用いて、前記ＭＯＳトランジスタ（２１０）のゲート電極（２１１）と、前記対向電極部（２５１、２６１）とを同時に形成することを特徴とする容量式湿度センサの製造方法。
請求項７に記載の容量式湿度センサの製造方法であって、前記半導体基板（１０）の表面に、前記回路素子部（２００）を構成する拡散層と、前記対向電極部（２５１、２６１）を構成する拡散層とを同時に形成することを特徴とする容量式湿度センサの製造方法。