JPS6258456B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特に高精度の検出を可能とする電気抵
抗式湿度センサおよびその製造方法に関する。

従来、相対湿度の測定に際して機械的及び電気
抵抗式のセンサが種々使用されている。電気抵抗
式湿度センサは感応速度が比較的速く、構造がコ
ンパクトで、しかも適応性の点で機械式湿度セン
サよりもすぐれている。その代表的なものは周囲
の湿度に応じて電気抵抗が変化する表面層、例え
ば特公昭54―26913号公報に記載されたようなス
ルホン化したポリエチレン薄層を感湿層として設
けた湿度センサである。

従来の電気抵抗式湿度センサにおいては、前記
感湿層に密着しつつ互いに間隔を保つて配置され
た一対の薄い電極間の電気抵抗変化を測定する
が、一般に感湿層の電気抵抗は非常に高く、電極
の対向面積を大きくとるか、又は電極間隔を小さ
くして湿度センサの電気抵抗値の低減を図つてい
た。湿度センサの電気抵抗値の低減を図るのは次
の理由による。すなわち電気抵抗値が大きいと湿
度センサ出力の測定回路が複雑になり、しかも外
来雑音やリーク抵抗の影響を受けやすく、精度の
良いセンサ出力の検出が困難になるのである。

従来の電気抵抗式湿度センサの一例を第１図に
示す。ａは平面図、ｂはａのＡ―A′での断面
図、ｃは湿度センサの等価回路図である。第１図
ａにおいて、４，５はポリシリコンで形成された
一対の電極、７，８はポリシリコン電極４，５の
外部引出し電極である。ｂにおいて１はシリコン
ウエハ、２はシリコンウエハ１上に形成された酸
化シリコン（SiO₂）層で、この酸化シリコン層は
電気的絶縁の機能を有する。３は酸化シリコン層
２の上に形成された窒化シリコン（Si₃N₄）層であ
る。電極４，５は窒化シリコン層３上に形成され
た燐又はボロンイオンが注入されたポリシリコン
で形成され、互いにかみ合うくし形を成す。電極
７，８は例えばチタン（Ti）、パラジウム
（Pd）、金（Au）等で形成される。ｂにおける６
はくし形電極４，５上にまたがつて塗布された感
湿材で、塩化リチウム含有のポリビニールアルコ
ール、スルホン化したポリスチレン等で代表され
る。このような電気抵抗式湿度センサの等価回路
はＣで表わされる。感湿材６の抵抗はくし形電極
４，５と直列に接続された形となる。６が湿度に
対し感応作用をする。

第２図に第１図に示した電気抵抗式湿度センサ
の相対湿度に対する抵抗変化特性を示す。イでは
相対湿度100％まで検出できるが前記したごと
く、感湿層の電気抵抗は非常に高く、外来雑音及
びリーク抵抗の影響を受けやすい。したがつて、
高精度、高感度検出をする場合、回路の入力イン
ピダンスも高くなければならず回路構成上にも制
約が生じる。ロはイとは異なる感湿材を用い、感
湿材の抵抗を下げた場合であるが、この時図示の
如く相対湿度60％〜100％のあいだでは感湿材の
抵抗が電極総抵抗より小さくなり不感帯Ａを生ず
る。したがつて、低抵抗感湿材を用いるとすべて
の相対湿度に対する感湿材の抵抗を破線Ｂで示す
ポリシリコン電極の総抵抗以下にはできない。

以上のことから感湿材の抵抗値を下げるにはポ
リシリコン電極の抵抗をさらに下げることが考え
られるが、ポリシリコン電極をイオン打込みで形
成する場合イオン打込み量に制限があるためシー
ト抵抗の低減には限界がある（通常は30Ω／□
位）。

また、従来例ではシリコン基板上にセンサのみ
を構成しているため面積効率が悪くコストの高い
センサとなるなどの欠点があつた。

本発明の目的は電極抵抗を低減し、かつ面積効
率を向上させることが可能な電気抵抗式湿度セン
サを得ることにある。

本発明の第１の特徴は電極をポリシリコンのシ
ート抵抗よりも低い導電膜（モリブデン又はタン
グステン）で形成し、この導電膜を耐水性を有
し、化学的に安定なポリシリコンで被覆し、電極
を導電膜とポリシリコンとで並列構成になるよう
にして電極の総抵抗を低減したことにある。

本発明の第２の特徴は同一シリコン基板上湿度
センサとこのセンサの駆動回路とを構成し面積効
率の向上を図つたことにある。

以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。第３図に本発明に係る電気抵抗式湿度センサ
の構造を示す。第３図ａは平面図、ｂはＡ―
A′線に間の断面図である。これらの図いおいて
１１はシリコンウエハであり、該シリコンウエハ
１１上には酸化シリコンで第１の絶縁層１２が形
成されている。また第１の絶縁層１２の上には窒
化シリコンで第２の絶縁層１３が形成され、第２
の絶縁層１３上にはモリブデン（Mo）又はタン
グステン（Ｗ）などの電極１４，１５がくし形状
に交互に配置されている。さらに電極１４，１５
上には燐イオン又はボロンイオンを注入したくし
形状のポリシリコン電極１６，１７が形成され、
これらのくし形電極１４，１５，１６，１７の端
部にはチタン、パラジウム、金などで接続端子１
８，１９が形成されている。

また、前記くし形電極１４，１５，１６，１７
は周囲の湿度に応じて抵抗値が変化する感湿材２
０で被覆されている。

次に第３図に示した電気抵抗式湿度センサの製
造工程を第４図に基づいて説明する。

まず、比抵抗約10Ωcmのｎ型シリコンウエハ１
１に熱酸化により数百Åの厚さの酸化膜１２を形
成する(A)。次に化学気相成長法（以下CVD法と
略す）により数百Åの厚さの窒化シリコン層１３
を形成する(B)。ここで窒化シリコンは良好な電気
絶縁物であると同時に耐水性も良好であるので湿
度センサに適する材質である。次に導電膜として
数千Å〜数μｍの厚さのモリブデン又はタングス
テンを蒸着し、公知のホトエツチング法で電極１
４，１５以外のモリブデン又はタングステンを除
去する(C)。その後、前記同様CVD法により数百
Åのポリシリコンを形成し、このポリシリコンに
ボロン又はリンイオン打込を行ない電気抵抗を低
減し、ホトエツチング法でポリシリコン電極１
６，１７を形成する(D)。ここで、ポリシリコンは
ボロン又は燐イオンの打込みにより固有抵抗を低
減でき、しかも耐水性があり化学的に安定である
ので湿度センサの電極に適している。次に検出量
の表示等に用いる外部端子として蒸着法によりチ
タン、パナジウム、金などを用いてマスク蒸着を
行ない第３図に示すような電極１８，１９を形成
する。その後、各チツプを切り離し、パツケージ
に装置して、さらに外部接続端子とリード付けを
行ない、最後に感湿材２０を塗布して湿度センサ
を完成する(E)。

ここで、湿度センサの電極材は使用環境から腐
蝕しないことが必要である。低抵抗を有し、かつ
前記条件を満す材料は本実施例の他に金、白金
（Pt）などがあげられるがこれらはコスト的に問
題がある。尚、湿度センサの電極をアルミニウム
（Al）膜にすると、その上のポリシリコンは比較
的高温で形成するため熱処理中にアルミニウムが
拡散して不良の原因となること、および感湿材の
塗布時に容易に溶解して切断するなどの問題が生
じる。同じ理由で電極端子はチタン、パナジウ
ム、金の蒸着層にしておりアルミニウムは使用し
ない。

また、本実施例で感湿材の抵抗値が低い場合に
は導電膜上につけるポリシリコンに対してイオン
打込をほどこさなくてもよい場合も考えられる。

すなわち、ポリシリコンの抵抗が高くともポリ
シリコン部分の距離が短く幅が広いことから等価
的に湿度センサの構造が感湿材と導電膜による電
極とで構成されることになるのでポリシリコン抵
抗の影響は無視できる。

以上説明した構造にすることによつて長期安定
性のある湿度センサが得られる。

次に本実施例の効果を述べる。本発明の電極構
造の等価回路を第５図に示す。ポリシリコンの抵
抗、導電材の抵抗をそれぞれＲ_pply―_si、Ｒ_Mとす
ると電極部の総抵抗は と表わされる。Ｒ_M／Ｒ_pply―_siは通常≪１が得ら
れしかもＲ_Mは数十ｍΩのオーダーにあるので、
従来のポリシリコン電極抵抗（＞100Ω）に比べ
て２桁以下の電極抵抗が得られる。このため感湿
材の抵抗変化を２桁以上さげることが可能とな
り、外来雑音、リーク抵抗の影響を低減できる。

次にチツプ面積効率を向上させるための他の実
施例を第６図及び第７図に基づいて説明する。

第６図はMOS・IC表面上に湿度センサを形成
した場合のCMOS（相補型）をベースとした断面
構造の部を示したものである。第６図において１
１はシリコンウエハであり、その中には素子分離
のための埋め込み層５１が形成されており、さら
にMOS・ICを駆動させるための拡散層５６，５
８およびゲート電極５４などが形成されている。
また、素子が形成された表面上にはモリブデンな
どの導電膜６０および層間絶縁膜として燐ガラス
層６１、さらに前記実施例と同様窒化シリコン層
６２、モリブデン又はタングステン電極６３、ポ
リシリコン電極６４、感湿材６７が順次形成され
ている。ウエハ１１の周囲には検出量の表示など
に用いる外部端子と接続するための電極６５およ
び素子を駆動させるための外部電源と接続する電
極６６などが形成されている。

こうした素子構造において、湿度センサの抵抗
変化はゲート電極５４に入力され内部で演算して
外部接続端子６５を介して外部に取り出される。

次に第６図に示した湿度センサの製造工程を第
７図を用いて説明する。駆動回路部分は通常の
MOS・IC製造工程とほぼ同様の方法で製作され
る。本実施例ではCMOS（相補型）の場合につい
て述べる。

まず、前記実施例と同様比抵抗約10Ω―cmのｎ
型シリコンウエハ１１に熱酸化によりウエハ表面
に数千Åの厚さの酸化膜５０を形成したのち、上
記酸化膜５０表面上にホトレジスト１００を塗布
し公知のホトエツチング法で不要の酸化膜を除去
する(A)。次にホトレジスト膜１００及び酸化膜５
０をマスクとしてボロンイオン打込を行ない、レ
ジスト膜を除去したのち拡散法によりｐ型埋め込
み層５１を形成する(B)。その後、酸化膜５０表面
に数千Åの窒化シリコン層５２を形成し、ホトエ
ツチング法により不要部分の窒化シリコンを除去
する(C)。次にフイールド酸化膜の形成及び表面部
分での段差緩和の目的で熱酸化により局所酸化膜
Ｌ_pcps）５３を形成したのち、窒化シリコンを除
去する(D)。その後、ウエハを清浄し、数百Åのゲ
ート酸化膜を形成したのちCVD法で数千Åのポ
リシリコン層を形成し、このポリシリコン層に燐
を不純物源とした拡散を行ない電気抵抗を低減
し、ホトエツチング法で不要のポリシリコンを除
去してゲート電極５４を形成する(E)。次に、
CVD法により数千Åの酸化膜５５を形成し、ホ
トエツチング法で不要の酸化膜を除去したのちボ
ロンを不純物源とした拡散法でｐ型層５６を形成
する(F)。その後、表面に形成されたボロンガラス
膜及びCVD法により形成した酸化膜５５をすべ
て除去し、再びCVD法により数千Åの酸化膜５
７を形成したのちホトエツチング法で不要の酸化
膜を除去し、燐を不純物源とした拡散法でｐ型埋
め込み層５１内にｎ型層５８を形成する（Ｇ）。
次に表面に形成された燐ガラス膜及びCVD法に
より形成された酸化膜５７をすべて除去したのち
数百Åの熱酸化膜５９を形成し、ホトエツチング
法で不要の酸化膜を除去する（Ｈ）。その後、数
百〜数千Åの配線用モリブデン層６０を蒸着で形
成し、ホトエツチング法で不要のモリブデンを除
去する。さらに不要の酸化膜を除去する（Ｉ）。
次に層間絶縁膜としてホスフイン（PH₃）、モノ
シラン（SiH₄）及び酸素（O₂）の混合ガスを用い
て数千Åの燐ガラス層６１（PSG）を形成し、ホ
トエツチング法で不要の燐ガラスを除去したのち
ひきつづき窒素（N₂）雰囲気中で熱処理を行なう
（Ｊ）。

次にセンサ部分の形成として前述の実施例と同
様窒化シリコン層６２、モリブデン又はタングス
テン電極６３、及びポリシリコン電極６４、チタ
ン、パナジウム、金電極６５，６６、感湿材６７
を順次形成し、湿度センサを完成する（Ｋ）
（Ｌ）。

以上の製造方法による本実施例によれば同一チ
ツプ内にセンサ部分と駆動回路を一体化すること
ができるため、面積効率の向上が可能となり、セ
ンサの小型化及びコストの低減が図れる。

物理的変化に対応してセンサ部分の抵抗変化を
検出するものにおいては本発明の電極構造を応用
できる。

また、本実施例では駆動回路部分の構造を第
６，７図に示したCMOSで形成する場合について
述べたが、本実施例に限らずバイポーラ及び
NMOS、PMOSなどの単チヤンネルで駆動回路部
分を構成した場合でも本発明の範囲内にあるのは
勿論である。

本発明によれば電極抵抗を低減し、かつ面積効
率の向上が図れるので高精度、高感度の電気抵抗
式湿度センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電気抵抗式湿度センサの構造を
示し、ａは平面図、ｂはａのＡ―A′線における
断面図、ｃは電極構造の等価回路図、第２図は従
来の相対湿度に対する電気抵抗の変化を示すグラ
フ、第３図は本発明に係る電気抵抗式湿度センサ
の構造を示し、ａは平面図、ｂはａのＡ―A′線
における断面図、第４図は製造工程を示す図、第
５図は電極構造の等価回路図、第６図は本発明に
係る他の実施例の断面図、第７図は製造工程を示
す図である。 １１…シリコンウエハ、１２…第１の絶縁層、
１３…第２の絶縁層、１４，１５…電極（金
属）、１６，１７…電極（ポリシリコン）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体ウエハ上に半導体酸化物及び半導体窒
   化物により形成される電気絶縁層を設け、該電気
   絶縁層上に、金属導電膜によりくし形電極を形成
   し、該金属電極上を燐イオン又はボロンイオンを
   注入した多結晶半導体で被覆し相互に嵌合状態に
   間隙の狭い一対のくし形電極を設けると共に、前
   記くし形電極を周囲の湿度に応じて抵抗が変化す
   る感湿材で被覆したことを特徴とする電気抵抗式
   湿度センサ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、半導体ウエ
   ハ内に集積回路が形成されていることを特徴とす
   る電気抵抗式湿度センサ。 ３ シリコン半導体ウエハ上に酸化シリコン層を
   形成する工程と、該酸化シリコン上に化学的気相
   成長法により窒化シリコン層を形成する第２の工
   程と、前記窒化シリコン層の上に蒸着法により金
   属導電層を形成する第３の工程と、前記金属層の
   不要部分をエツチングにより除去して一対の電極
   を形成する第４の工程と、前記金属層の上に化学
   的気相成長法によりポリシリコンを形成する第５
   の工程と、前記ポリシリコン層にリンイオン又は
   ボロンイオンを注入する第６の工程と、前記ポリ
   シリコン層の不要部分をエツチングにより除去し
   て、前記金属層を被覆した第７の工程とを含む電
   気抵抗式湿度センサの製造方法。