JP2003028824A

JP2003028824A - 容量式湿度センサ

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Publication number: JP2003028824A
Application number: JP2001215655A
Authority: JP
Inventors: Ineo Toyoda; 稲男豊田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2003-01-29
Anticipated expiration: 2021-07-16
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Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】半導体基板１０の表面上にシリコン酸化
膜２０を形成し、このシリコン酸化膜２０上にて離間し
て対向するように２個の検出用電極３１、３２を形成
し、これら２個の検出用電極上をシリコン窒化膜４０を
介して感湿膜５０で覆う。半導体基板１０には、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（ＳＣ
回路）が集積化されており、ＳＣ回路の参照容量部２５
０および帰還容量部２６０が、一方の検出用電極３２の
下部に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【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（２
００）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（Ｃ
ｘ）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、２６
１）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（３
２）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、２６
１）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（２
００）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（１
０）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、３
２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、Ｐｏ
ｌｙ−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３
１、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１
００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−ＭＯ
Ｓトランジスタ２１０等により、２個の検出用電極３
１、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、Ｓ
Ｃ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３
０３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２
５１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Ｓ
１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、Ｐｏｌ
ｙ−Ｓｉの各電極２１１、２５１、２６１、およびＭＯ
Ｓ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２
０が形成される。これにより、各対向電極部２５１、２
６１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３０
０（オペアンプ３０１）とつながる一方の検出用電極３
２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２５
０、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２５
０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２５
１、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３
１、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２
００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４０
０℃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２
００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、２
６１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

【特許請求の範囲】

【請求項１】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（２０
０）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。
【請求項２】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、３
２）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。
【請求項３】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（２０
０）と、前記半導体基板の表面上に形成された第１の絶縁膜（２
０）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。
【請求項４】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。
【請求項５】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。
【請求項６】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。
【請求項７】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。
【請求項８】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９】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（２１
０）のゲート電極（２１１）と、前記対向電極部（２５
１、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１０】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。