JP2006153512A

JP2006153512A - 湿度センサ

Info

Publication number: JP2006153512A
Application number: JP2004341076A
Authority: JP
Inventors: Takashi Okuto; 崇史奥戸
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】従来に比べて高感度化および低消費電力化を図れる湿度センサを提供する。
【解決手段】半導体基板１の一表面側に一対の櫛形状の電極３，４であって各電極３，４それぞれの櫛歯部３ｂ，４ｂが他方の電極４，３の櫛溝部４ｃ，３ｃに入り込んだ一対の櫛形状の電極３，４が形成され、半導体基板１の上記一表面側において各電極３，４それぞれの直下に各電極３，４それぞれに対応する櫛形状であって半導体基板１よりも不純物濃度の高い一対の高濃度不純物層５，６が形成され、半導体基板１の上記一表面側において一対の高濃度不純物層５，６間に多孔質層からなる感応部２が形成され、感応部２の直下に感応部２に対応する平面形状であって各高濃度不純物層５，６とは離間したヒータ７が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、湿度センサに関するものである。

従来から、水分に感応する感応部の材料に多孔質材料を採用した湿度センサが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

この種の湿度センサは、例えば、図６に示すように、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１の一表面側の一部を多孔質化することにより形成された多孔質シリコン層からなる感応部２と、感応部２上に形成された容量変化検知用の一対の電極３，４と、半導体基板１の上記一表面上で感応部２の周囲に形成されたリフレッシュ用の２つのヒータ７，７とを備えている。ここにおいて、電極３，４の材料としてはアルミニウムが採用されている。

図６に示した湿度センサでは、一対の電極３，４それぞれの平面形状を櫛形状として、各電極３，４の櫛骨部３ａ，４ａが対向し、各電極３，４それぞれの櫛歯部３ｂ，４ｂが他方の電極４，３の櫛溝部４ｃ，３ｃに入り組むように両電極３，４のレイアウトを設計することにより、チップサイズ（半導体基板１の平面サイズ）の小型化を図りながらも一対の電極３，４間の容量を比較的大きくできるという利点がある。

上述の湿度センサにおける感応部２の形成にあたっては、半導体基板１の上記一表面上に電極３，４を形成した後で、半導体基板１の上記一表面側に各電極３，４と感応部２の形成予定部位の周囲とを保護するようにパターニングされたシリコン窒化膜からなる保護膜（図示せず）を形成した後で、半導体基板１の一部を陽極酸化処理することにより多孔質シリコン層からなる感応部２を形成している。なお、上述の各櫛歯部３ｂ，４ｂの幅寸法（線幅）は１０〜１２μｍ程度に設定され、保護膜の膜厚は５００ｎｍに設定されている。
P.Furjes,et al,「Porous Silicon Based Humidity Sensor with Interdigital Electrodes and Internal Heaters」，The 16th European Conference on Solid-State Transducers, September 15-18,2002,Prague,Czech Republic,Abstract No.6-58

ところで、図６に示した湿度センサでは、半導体基板１の上記一表面側において感応部２の周囲にヒータ７，７が形成されているが、感応部２を構成する多孔質シリコン層は半導体基板１である単結晶のシリコン基板に比べて熱伝導率および熱容量が小さいので、ヒータ７，７で発生した熱が感応部２の中央部まで伝わりにくく、消費電力が大きくなってしまうという不具合があった。また、上記非特許文献１には、感応部２上で一対の電極３，４の間の空間にヒータを形成した湿度センサも開示されているが、この湿度センサでは、感応部２の必要な露出面積（センシング面積）を確保したりヒータと各櫛歯部３ｂ，４ｂとの相対的な位置合わせ精度を確保するために、対向する櫛歯部３ｂ，４ｂ間の距離が大きくなってしまうので、一対の電極３，４間の容量が小さくなって感度が低下してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて高感度化および低消費電力化を図れる湿度センサを提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板の一表面側に一対の櫛形状の電極であって各電極それぞれの櫛歯部が他方の電極の櫛溝部に入り込んだ一対の櫛形状の電極が形成され、半導体基板の前記一表面側において各電極それぞれの直下に各電極それぞれに対応する櫛形状であって半導体基板よりも不純物濃度の高い一対の高濃度不純物層が形成され、半導体基板の前記一表面側において一対の高濃度不純物層間に多孔質層からなる感応部が形成され、感応部の直下に感応部に対応する平面形状であって各高濃度不純物層とは離間したヒータが形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、一対の櫛形状の電極それぞれの直下に櫛形状の高濃度不純物層が形成されており、各高濃度不純物層それぞれが接している電極の一部として機能することとなって電極間の容量が増大するので、高感度化を図れ、また、ヒータが感応部の直下で感応部に対応する平面形状に形成されているので、従来の半導体基板の一表面上で感応部の周囲にヒータが形成されている構成に比べてヒータの熱が感応部の全体に均一に伝わりやすくなって低消費電力化を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記半導体基板の他表面に、前記ヒータと前記各高濃度不純物層と前記感応部において前記ヒータが重複していない部位とを露出させる凹所が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記感応部の露出面積が増大するので、より一層の高感度化が図れ、しかも、凹所が形成されていない場合に比べて前記ヒータの熱が前記感応部へより伝わりやすくなるので、より一層の低消費電力化を図れる。

請求項１の発明では、従来に比べて高感度化および低消費電力化を図れるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の湿度センサは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、単結晶のシリコン基板１ａとシリコン基板１ａ上の単結晶のシリコン層１ｂとからなる半導体基板（素子形成基板）１の一表面（図１（ｂ）における上面）側に容量変化検知用の一対の電極３，４が形成され、半導体基板１の上記一表面側において各電極３，４それぞれの直下に各電極３，４それぞれに対応する平面形状であって半導体基板１よりも不純物濃度の高い一対の高濃度不純物層５，６が形成され、半導体基板１の上記一表面側において一対の高濃度不純物層５，６間に多孔質シリコン層からなる感応部２が形成され、感応部２の直下に感応部２に対応する平面形状の高濃度不純物層からなるヒータ７が形成されている。ここに、ヒータ７は、感応部２に吸着した水分を蒸発させるため（湿度測定後の感応部２のリフレッシュ用）に設けてあり、上述の一対の高濃度不純物拡散層５，６とは離間している。なお、本実施形態では、多孔質シリコン層が多孔質層を構成している。

半導体基板１の平面形状は矩形状であり、感応部２は、半導体基板１の上記一表面側の一部（シリコン層１ｂの一部）を陽極酸化処理により多孔質化することによって形成されている。

上述の一対の電極３，４は、それぞれの平面形状が櫛形状であって、半導体基板１の上記一面側において、各電極３，４の櫛骨部３ａ，４ａが互いに対向し、各電極３，４それぞれの櫛歯部３ｂ，４ｂが他方の電極４，３の櫛溝部４ｃ，３ｃに入り組むように配置されている。ここにおいて、各電極３，４は、Ｃｒ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してある。また、各電極３，４はそれぞれ、半導体基板１の上記一表面上で配線３１，４１を介してパッド（以下、電極用パッドと称す）３２，４２と電気的に接続されている。要するに、電極用パッド３２，４２は、半導体基板１の上記一表面上において感応部２の周囲に形成されている。なお、各電極用パッド３２，４２および各配線３１，４１は、各電極３，４と同じ材料により形成されている。また、各電極用パッド３２，４２の平面形状は矩形状としてある。

また、一対の高濃度不純物層５，６も、それぞれの平面形状が櫛形状であって、半導体基板１の厚み方向においてそれぞれ電極３，４と重複している。これに対して、感応部２は、一対の高濃度不純物層５，６間に介在しており、平面形状がつづら折れ状の形状となっている。また、ヒータ７は、図３に示すように、平面形状がつづら折れ状の形状に形成されており、半導体基板１の厚み方向において感応部２と重なっている。ただし、ヒータ７は、感応部２よりも幅寸法をやや短く設定してあり、ヒータ７が一対の高濃度不純物層５，６に接しないように一対の高濃度不純物層５，６との相対的な位置関係を設定してある。

ヒータ７の両端部はそれぞれ、シリコン層１ａに形成した高濃度不純物領域からなるコンタクト領域（図示せず）を介して半導体基板１の上記一表面側の図示しないパッド（以下、ヒータ用パッドと称す）と電気的に接続されている。したがって、ヒータ用パッド間に通電することによりヒータ７を発熱させることができ、感応部２に吸着している水分を蒸発させることができる。なお、各ヒータ用パッドは、電極３，４と同じ材料により形成されている。

上述のシリコン層１ｂの厚さ、感応部２の厚さ、高濃度不純物層５，６の厚さ、上記コンタクト領域の厚さは、いずれも６μｍに設定されているが、これらの厚さは特に限定するものではない。また、各電極３，４は、厚さが０．０３μｍのＣｒ膜と厚さが０．４μｍのＡｕ膜との積層膜により構成されて、櫛歯部３ｂ，４ｂの幅寸法（線幅）が１０〜１２μｍ程度に設定されているが、材料および数値は特に限定するものではない。

以下、本実施形態の湿度センサの製造方法について図２を参照しながら説明する。

まず、シリコン基板１ａの一表面側（図２（ａ）における上面側）にフォトリソグラフィ技術および不純物拡散技術を利用して高濃度不純物層からなるヒータ７（図３参照）を形成し、その後、シリコン基板１ａの上記一表面上に感応部２の規定厚さ（例えば、６μｍ）のシリコン層１ｂを例えばＭＢＥ法によってエピタキシャル成長させることでシリコン基板１ａとシリコン層１ｂとからなる半導体基板１につづら折れ状のヒータ７が埋設された図２（ａ）に示す構造を得る。

次に、半導体基板１の上記一表面側（図２（ａ）における上面側）にフォトリソグラフィ技術および不純物拡散技術を利用して一対の櫛形状の高濃度不純物層５，６および上記コンタクト領域を同時に形成し、その後、半導体基板１の上記一表面側にＣｒ膜とＡｕ膜との積層膜をスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記積層膜をパターニングすることで一対の櫛形状の電極３，４および各配線３１，４１（図１（ａ）参照）および各電極用パッド３２，４２（図１（ａ）参照）および上記各ヒータ用パッドを形成することによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。

その後、半導体基板１の他表面（図２（ｂ）における下面）に、後述の陽極酸化処理において利用する裏面電極を蒸着法などにより形成し、陽極酸化処理用の電解液中において上記裏面電極を陽極、半導体基板１の上記一表面側に対向配置した白金電極を陰極として半導体基板１の上記一表面側の一部を多孔質化する陽極酸化処理を行うことで多孔質シリコン層からなる感応部２を形成し、上記裏面電極を除去することによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。なお、上記裏面電極としては、例えば、Ａｇ膜／Ｎｉ膜／ＮｉＣｒ膜／Ｃｒ膜のような多層膜を採用している。また、陽極酸化処理を行うにあたっては、まず、裏面電極を定電流源のプラス側と配線を介して接続し、半導体基板１の上記他表面側と半導体基板１の上記一表面側の周部とを、陽極酸化処理にて用いる電解液（例えば、ＨＦとエタノールとを１：１で混合した混合液）に触れないように耐フッ酸性を有するシール材によりシールしてから半導体基板１を主構成とする被処理物を処理槽に入れられた電解液に浸漬する。その後、定電流源のマイナス側に配線を介して接続された白金電極を電解液中において半導体基板１の上記一表面側に対向するように配置し、続いて、裏面電極を陽極、白金電極を陰極として、定電流源から陽極と陰極との間に所定の定電流（例えば、電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２の電流）を所定時間（例えば、２０分）だけ流す陽極酸化処理を行うことにより半導体基板１の上記一表面側に上記規定厚さ（例えば、６μｍ）の多孔質シリコン層からなる感応部２を形成し（つまり、半導体基板１のシリコン層１ｂの一部を表面からシリコン基板１ａに到達する深さまで多孔質化し）、その後、処理槽から取り出した被処理物の上記シール材を剥がし、裏面電源に接続していた配線を外してから、裏面電極を除去すればよい。

以上説明した本実施形態の湿度センサでは、一対の櫛形状の電極３，４それぞれの直下に櫛形状の高濃度不純物層５，６が形成されており、各高濃度不純物層５，６それぞれが接している電極３，４の一部として機能する（つまり、電極面積が増大する）こととなって電極３，４間の容量が増大するので、高感度化を図れ、また、ヒータ７が感応部２の直下で感応部２に対応する平面形状に形成されているので、従来の半導体基板１の一表面上で感応部２の周囲にヒータ７，７が形成されている構成に比べてヒータ７の熱が感応部２の全体に均一に伝わりやすくなって低消費電力化を図れる。

（実施形態２）
図４に示す本実施形態の湿度センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、半導体基板１が単結晶のシリコン基板のみにより構成されている点、ヒータ７が金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）により形成されている点、半導体基板１の上記他表面（図４における下面）にヒータ７と各高濃度不純物層５，６と感応部２においてヒータ７が重複していない部位とを露出させる凹所１１が形成されている点などが相違する。なお、実施形態１の湿度センサと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

以下、本実施形態の湿度センサの製造方法について図５を参照しながら説明するが、製造方法に関しても実施形態１と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１の上記一表面側（図５（ａ）における上面側）にフォトリソグラフィ技術および不純物拡散技術を利用して一対の櫛形状の高濃度不純物層５，６および上記コンタクト領域を同時に形成し、その後、半導体基板１の上記一表面側にＣｒ膜とＡｕ膜との積層膜をスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記積層膜をパターニングすることで一対の櫛形状の電極３，４および各配線３１，４１（図１（ａ）参照）および各電極用パッド３２，４２（図１（ａ）参照）および上記各ヒータ用パッドを形成することによって、図５（ａ）に示す構造を得る。

その後、半導体基板１の他表面（図５（ａ）における下面）に、陽極酸化処理において利用する裏面電極を蒸着法などにより形成し、陽極酸化処理用の電解液中において上記裏面電極を陽極、半導体基板１の上記一表面側に対向配置した白金電極を陰極として半導体基板１の上記一表面側の一部を多孔質化する陽極酸化処理を行うことで多孔質シリコン層からなる感応部２を形成し、上記裏面電極を除去することによって、図５（ｂ）に示す構造を得る。

次に、半導体基板１の全体を保護膜（例えば、シリコン窒化膜など）で覆ってから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して半導体基板１の上記他表面における凹所１１の形成予定部位が露出するように保護膜をパターニングし、アルカリ系溶液（例えば、７０℃に加熱したＫＯＨ溶液など）により半導体基板１を上記他表面から感応部２に達する深さまで異方性エッチングすることで凹所１１を形成し、続いて、保護膜を除去する。その後、半導体基板１の上記他表面側にヒータ用の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）を例えばスパッタ法によって成膜した後、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記金属膜をパターニングすることでヒータ７を形成することによって、図５（ｃ）に示す構造を得る。

以上説明した本実施形態の湿度センサでは、半導体基板１の上記他表面に、ヒータ７と各高濃度不純物層５，６と感応部２においてヒータ７が重複していない部位とを露出させる凹所１１が形成されていることにより、実施形態１に比べて、感応部２の露出面積が増大するので、より一層の高感度化が図れ、しかも、凹所１１が形成されていない場合に比べてヒータ７の熱が感応部２へより伝わりやすくなるので、より一層の低消費電力化を図れる。

ところで、上記各実施形態では、半導体基板の材料としてＳｉを採用しているが、半導体基板の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。要するに、上記各実施形態では、多孔質シリコン層が多孔質層を構成しているが、多孔質層は多孔質シリコン層に限定されるものではない。

実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の要部平面図である。実施形態２を示す概略断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。従来例を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。

符号の説明

１半導体基板
１ａシリコン基板
１ｂシリコン層
２感応部
３，４電極
３ａ，４ａ櫛骨部
３ｂ，４ｂ櫛歯部
３ｃ，４ｃ櫛溝部
５，６高濃度不純物層
７ヒータ
３１，４１配線
３２，４２パッド

Claims

半導体基板の一表面側に一対の櫛形状の電極であって各電極それぞれの櫛歯部が他方の電極の櫛溝部に入り込んだ一対の櫛形状の電極が形成され、半導体基板の前記一表面側において各電極それぞれの直下に各電極それぞれに対応する櫛形状であって半導体基板よりも不純物濃度の高い一対の高濃度不純物層が形成され、半導体基板の前記一表面側において一対の高濃度不純物層間に多孔質層からなる感応部が形成され、感応部の直下に感応部に対応する平面形状であって各高濃度不純物層とは離間したヒータが形成されてなることを特徴とする湿度センサ。
前記半導体基板の他表面に、前記ヒータと前記各高濃度不純物層と前記感応部において前記ヒータが重複していない部位とを露出させる凹所が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の湿度センサ。