JP2021092453A - 湿度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】保護膜と感湿膜との密着性を向上した湿度センサを提供する。【解決手段】半導体基板上に絶縁膜を介して形成された配線層と、配線層を覆う保護膜と、保護膜上に形成された感湿膜と、を有し、保護膜と感湿膜との間に金属酸化膜が形成されている湿度センサである。また、金属酸化膜はＡｌ２Ｏ３から形成されている。また、感湿膜はポリイミドから形成されている。また、感湿膜は、保護膜及び金属酸化膜を挟んで、配線層の一部である下部電極上に形成され、感湿膜上に上部電極が形成されている。【選択図】図９
Description
本発明は、湿度センサに関する。
湿度センサには、吸収した水分量に応じて誘電率が変化する高分子材料で形成された感湿膜を誘電体として用いた静電容量式のものがある。この静電容量式の湿度センサでは、感湿膜が電極間に配置され、この電極間の静電容量を測定することにより湿度（相対湿度）が求められる。
湿度センサでは、例えば、半導体基板上に窒化シリコン膜等の絶縁性の保護膜が形成され、更に保護膜の直上にポリイミド系ポリマー等からなる吸湿性を備えた感湿膜が形成される（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記の構造では保護膜と感湿膜との密着性が問題となる場合があり、保護膜と感湿膜との密着性の向上が求められている。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、保護膜と感湿膜との密着性を向上した湿度センサの提供を目的とする。
本湿度センサ（１０）は、半導体基板（７０）上に絶縁膜（１１１）を介して形成された配線層（１２１）と、前記配線層（１２１）を覆う保護膜（１１２）と、前記保護膜（１１２）上に形成された感湿膜（８６）と、を有し、前記保護膜（１１２）と前記感湿膜（８６）との間に金属酸化膜（１１３）が形成されている。
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
開示の技術によれば、保護膜と感湿膜との密着性を向上した湿度センサを提供できる。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、本開示において、単に湿度と記載されている場合における湿度は、相対湿度を意味する。
［湿度センサの概略構成］
図１は、本実施形態に係る湿度センサを例示する平面図である。図２は、本実施形態に係る湿度センサを例示する断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。
図１は、本実施形態に係る湿度センサを例示する平面図である。図２は、本実施形態に係る湿度センサを例示する断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。
図１及び図２を参照すると、湿度センサ１０は、平面形状が略矩形状であって、対向する２組の二辺の一方がＸ方向に平行であって、他方がＹ方向に平行である。Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交する。又、湿度センサ１０は、Ｘ方向及びＹ方向に直交するＺ方向に厚みを有する。なお、湿度センサ１０の平面形状は、矩形状に限られず、円形、楕円形、多角形等であってもよい。
湿度センサ１０は、センサチップ２０と、モールド樹脂４０と、複数のパッド４１と、複数のリード端子４２とを有する。センサチップ２０のパッド４１とリード端子４２とは、ボンディングワイヤ４３により電気的に接続されている。
センサチップ２０、パッド４１、リード端子４２、及びボンディングワイヤ４３は、例えば、モールド樹脂４０により封止されてパッケージ化されている。センサチップ２０の下面には、絶縁膜４４が形成されている。湿度センサ１０の下面には、リード端子４２と絶縁膜４４とが露出している。
パッド４１は、例えば、アルミニウムやアルミシリコン合金（ＡｌＳｉ）等により形成されている。リード端子４２は、例えば、ニッケルや銅等により形成されている。ボンディングワイヤ４３は、例えば、金線や銅線等により形成されている。絶縁膜４４は、例えば、樹脂とシリカ等の混合物からなる絶縁材料で形成されている。モールド樹脂４０は、例えば、カーボンブラックやシリカ等の混合物を含むエポキシ樹脂等の遮光性を有する黒色系の樹脂である。
湿度センサ１０の上面側には、センサチップ２０の一部をモールド樹脂４０から露出させる開口部５０が形成されている。開口部５０は、例えば、壁部がテーパ状であって、開口面積が下方に向かうにつれて小さくなる。開口部５０のうち、実際にセンサチップ２０を露出させる最下端の部分を有効開口部５１という。
開口部５０を形成する際には、金型をセンサチップ２０に押しあてながらモールド樹脂４０により封止する。このときの金型によるセンサチップ２０への押圧力によって、チップ割れ等の破損が生じるおそれがある。この破損を防止するために、センサチップ２０の厚みＴ１は２００μｍ以上であることが好ましい。
図３は、モールド樹脂を除去した状態における湿度センサの平面図である。センサチップ２０には、有効開口部５１により露出される領域に、湿度検出部２１と、温度検出部２２と、加熱部２３とが設けられている。
加熱部２３は、湿度検出部２１の下面側に、湿度検出部２１の形成領域を覆うように形成されている。すなわち、加熱部２３の面積は、湿度検出部２１より大きい。このように、封止部材としてのモールド樹脂４０は、湿度検出部２１及び温度検出部２２を露出させた状態でセンサチップ２０等を封止している。
図３では、一例として、センサチップ２０の外周部には、６個のパッド４１が形成されており、各々がボンディングワイヤ４３を介してリード端子４２と接続されている。リード端子４２は、例えば、信号処理及び制御用の半導体チップと接続される。
図３に示す符号２５は、センサチップ２０上における湿度検出部２１及び温度検出部２２の形成許容領域を表す。形成許容領域２５は、製造時に、センサチップ２０と金型との間に位置ずれが最も大きく発生した場合であっても、湿度検出部２１及び温度検出部２２が開口部５０から確実に露出するように、開口部５０の形成領域内に設定されている。湿度検出部２１及び温度検出部２２は、形成許容領域２５内に形成されていれば、上記位置ずれにかかわらず、開口部５０から確実に露出する。
［センサチップの構成］
図４は、センサチップの構成を示す模式図である。前述のパッド４１は、外部からの電圧印加や、電位検出に使用される端子である。図４では、図３に示した複数のパッド４１を、パッド４１ａ〜４１ｆと区別して示している。なお、パッド４１ａ〜４１ｆを区別する必要がない場合は、単にパッド４１という。
図４は、センサチップの構成を示す模式図である。前述のパッド４１は、外部からの電圧印加や、電位検出に使用される端子である。図４では、図３に示した複数のパッド４１を、パッド４１ａ〜４１ｆと区別して示している。なお、パッド４１ａ〜４１ｆを区別する必要がない場合は、単にパッド４１という。
パッド４１ａは、グランド電位に接地されるグランド電極端子（ＧＮＤ）として機能する。パッド４１ａは、配線や基板を介して、例えば、信号処理及び制御用の半導体チップと電気的に接続される。
パッド４１ｂは、湿度検出部２１の下部電極８３（後述）に電気的に接続された下部電極端子（ＢＯＴ）である。パッド４１ｂは、下部電極８３に駆動電圧を供給するために用いられる。パッド４１ｃは、湿度検出部２１の上部電極８４（後述）に電気的に接続された湿度検出用端子（ＨＭＤ）である。パッド４１ｃは、上部電極８４から相対湿度の検出信号を取得するために用いられる。パッド４１ｄは、湿度検出部２１の参照電極８２（後述）に電気的に接続された参照電極端子（ＲＥＦ）である。パッド４１ｄは、参照電極８２から湿度検出用の参照信号を取得するために用いられる。
パッド４１ｅは、温度検出部２２に電気的に接続された温度検出用端子（ＴＭＰ）である。パッド４１ｅは、温度の検出信号を取得するために用いられる。パッド４１ｆは、加熱部２３に電気的に接続された加熱用端子（ＨＴ）である。パッド４１ｆは、加熱部２３を駆動するための駆動電圧を供給するために用いられる。
又、パッド４１ａ以外のパッド４１ｂ〜４１ｆには、それぞれ静電気放電（ＥＳＤ：Electro-Static Discharge）保護回路６０が接続されている。各ＥＳＤ保護回路６０は、入力端子又は出力端子としてのパッド４１ｂ〜４１ｆのそれぞれと、グランド電極端子としてのパッド４１ａとの間に接続されている。本実施形態では、ＥＳＤ保護回路６０は、１つのダイオード６１により構成されている。ダイオード６１は、アノード側がパッド４１ａに接続され、カソード側がパッド４１ｂ〜４１ｆのうちの何れかに接続されている。
ＥＳＤ保護回路６０は、有効開口部５１から可能な限り離すように、パッド４１ｂ〜４１ｆの近傍に配置することが好ましい。ＥＳＤ保護回路６０は、モールド樹脂４０により覆われているので、光電効果による不要な電荷が発生することはない。
［ＥＳＤ保護回路の構成］
図５は、ＥＳＤ保護回路の構成を例示する回路図である。図５に示すように、ＥＳＤ保護回路６０を構成するダイオード６１は、例えば、ＮチャネルＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタ（以下、ＮＭＯＳトランジスタという。）により形成されている。具体的には、ダイオード６１は、ＮＭＯＳトランジスタのソースとゲートとバックゲートを短絡（いわゆるダイオード接続）したものである。この短絡部は、アノードとして機能する。このＮＭＯＳトランジスタのドレインは、カソードとして機能する。
図５は、ＥＳＤ保護回路の構成を例示する回路図である。図５に示すように、ＥＳＤ保護回路６０を構成するダイオード６１は、例えば、ＮチャネルＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタ（以下、ＮＭＯＳトランジスタという。）により形成されている。具体的には、ダイオード６１は、ＮＭＯＳトランジスタのソースとゲートとバックゲートを短絡（いわゆるダイオード接続）したものである。この短絡部は、アノードとして機能する。このＮＭＯＳトランジスタのドレインは、カソードとして機能する。
図６は、ＥＳＤ保護回路を構成するＮＭＯＳトランジスタの層構造を例示する図である。このＮＭＯＳトランジスタは、センサチップ２０を構成するためのｐ型半導体基板７０の表層に形成された２つのｎ型拡散層７１，７２と、コンタクト層７３と、ゲート電極７４とを有する。ゲート電極７４は、ｐ型半導体基板７０の表面上にゲート絶縁膜７５を介して形成されている。ゲート電極７４は、２つのｎ型拡散層７１，７２の間に配置されている。
例えば、ｎ型拡散層７１がソースとして機能し、ｎ型拡散層７２がドレインとして機能する。コンタクト層７３は、バックゲートとしてのｐ型半導体基板７０との電気的接続のための低抵抗層（ｐ型拡散層）である。ｎ型拡散層７１とゲート電極７４とコンタクト層７３とは、共通に接続されて短絡される。この短絡部がアノードとして機能し、ｎ型拡散層７２がカソードとして機能する。
ｐ型半導体基板７０は、例えばｐ型シリコン基板である。ゲート電極７４は、金属や多結晶シリコン（ポリシリコン）により形成されている。ゲート絶縁膜７５は、例えば、二酸化シリコン等の酸化膜により形成されている。
［湿度検出部の構成］
図７は、湿度検出部の構成を例示する回路図である。図７に示すように、湿度検出部２１は、湿度検出用キャパシタ８０と参照用キャパシタ８１とを有する。
図７は、湿度検出部の構成を例示する回路図である。図７に示すように、湿度検出部２１は、湿度検出用キャパシタ８０と参照用キャパシタ８１とを有する。
湿度検出部２１の一方の電極（下部電極８３）は、下部電極端子としてのパッド４１ｂに接続されている。湿度検出部２１の他方の電極（上部電極８４）は、湿度検出用端子としてのパッド４１ｃに接続されている。参照用キャパシタ８１の一方の電極は、湿度検出部２１の一方の電極（下部電極８３）と共通である。参照用キャパシタ８１の他方の電極（参照電極８２）は、参照電極端子としてのパッド４１ｄに接続されている。
湿度検出用キャパシタ８０では、下部電極８３と上部電極８４との間に後述する感湿膜８６が設けられている。感湿膜８６は、空気中の水分を吸収し、吸収した水分量に応じて誘電率が変化するポリイミド等の高分子材料で形成されている。したがって、湿度検出用キャパシタ８０は、感湿膜８６が吸収する水分量に応じて静電容量が変化する。
参照用キャパシタ８１では、下部電極８３と上部電極８４との間に後述する第２絶縁膜１１１（図９参照）が設けられている。第２絶縁膜１１１は、水分を吸収しない二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁材料で形成されている。したがって、参照用キャパシタ８１は、静電容量は変化しないか、変化したとしても極僅かである。
このように、下部電極８３と上部電極８４とにより湿度検出用キャパシタ８０が構成され、下部電極８３と参照電極８２とにより参照用キャパシタ８１が構成されている。
感湿膜８６に含まれる水分量は、湿度センサ１０の周囲の湿度に対応するので、湿度検出用キャパシタ８０の静電容量と参照用キャパシタ８１の静電容量との差を検出することにより、相対湿度を測定できる。この相対湿度の測定は、湿度検出用端子としてのパッド４１ｃの電位と、参照電極端子としてのパッド４１ｄの電位とに基づき、例えば、パッド４１と電気的に接続される信号処理及び制御用の半導体チップによって行われる。
［温度検出部の構成］
図８は、温度検出部の構成を例示する回路図である。温度検出部２２は、半導体のバンドギャップで温度変化により電気特性が比例的に変化する特性を利用して温度を検出するバンドギャップ型の温度センサである。例えば、温度検出部２２は、ベース、エミッタ、コレクタの何れか２つを接続して２端子とされた１又は複数のバイポーラトランジスタを含む。この２端子間の抵抗値を検出することにより、温度を測定できる。
図８は、温度検出部の構成を例示する回路図である。温度検出部２２は、半導体のバンドギャップで温度変化により電気特性が比例的に変化する特性を利用して温度を検出するバンドギャップ型の温度センサである。例えば、温度検出部２２は、ベース、エミッタ、コレクタの何れか２つを接続して２端子とされた１又は複数のバイポーラトランジスタを含む。この２端子間の抵抗値を検出することにより、温度を測定できる。
図８に示すように、本実施形態では、温度検出部２２は、ベースとコレクタを接続したｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ９０を、複数個（例えば８個）並列に接続することにより構成されている。このように、複数個のバイポーラトランジスタ９０を並列接続することにより、ｐｎ接合の接合面積が増大し、ＥＳＤ耐性が向上する。
バイポーラトランジスタ９０のエミッタは、グランド電極端子としてのパッド４１ａに接続されている。バイポーラトランジスタ９０のベース及びコレクタは、温度検出用端子としてのパッド４１ｅに接続されている。
温度の測定は、パッド４１ｅの電位に基づき、例えば、パッド４１と電気的に接続される信号処理及び制御用の半導体チップによって行われる。
［センサチップの素子構造］
図９は、センサチップの素子構造を説明するための概略断面図である。なお、図９では、パッド４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｅ、４１ｆを、湿度検出部２１、温度検出部２２、及び加熱部２３と同一の断面内に示しているが、これは構造の理解を容易にするために示したものであり、実際に同一断面内に存在することを意味するものではない。湿度検出部２１、温度検出部２２、及び加熱部２３の断面についても、構造の理解を容易にするために簡略化しており、各部の位置関係等は実際とは異なる。
図９は、センサチップの素子構造を説明するための概略断面図である。なお、図９では、パッド４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｅ、４１ｆを、湿度検出部２１、温度検出部２２、及び加熱部２３と同一の断面内に示しているが、これは構造の理解を容易にするために示したものであり、実際に同一断面内に存在することを意味するものではない。湿度検出部２１、温度検出部２２、及び加熱部２３の断面についても、構造の理解を容易にするために簡略化しており、各部の位置関係等は実際とは異なる。
図９に示すように、センサチップ２０は、前述のｐ型半導体基板７０を用いて形成されている。このｐ型半導体基板７０には、第１ディープｎウェル１００ａと、第２ディープｎウェル１００ｂとが形成されている。第１ディープｎウェル１００ａには、温度検出部２２が形成されている。第２ディープｎウェル１００ｂには、加熱部２３が形成されている。
第１ディープｎウェル１００ａと第２ディープｎウェル１００ｂとの何れも形成されていないｐ型半導体基板７０の表層には、ｐウェル１０３ａ，１０３ｂが形成されている。ｐウェル１０３ａ，１０３ｂの表層には、それぞれｐ型拡散領域からなるコンタクト層１０４ａ，１０４ｂが形成されている。コンタクト層１０４ａ，１０４ｂは、ｐ型半導体基板７０上に形成される所定の配線層とｐ型半導体基板７０との電気的接続のための低抵抗層（ｐ型拡散層）である。
第１ディープｎウェル１００ａの表層には、ｐウェル１０１とｎウェル１０２とが形成されている。ｐウェル１０１の表層には、ｎ型拡散層９１及びｐ型拡散層９２が形成されている。ｎウェル１０２の表層には、ｎ型拡散層９３が形成されている。ｎ型拡散層９１、ｐ型拡散層９２、及びｎ型拡散層９３は、前述のｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ９０を構成し、それぞれエミッタ、ベース、及びコレクタとして機能する。
第２ディープｎウェル１００ｂの表層には、ｐウェル１０５が形成されている。ｐウェル１０５の表層には、１又は２以上のｎ型拡散層１０６が形成されている。本実施形態では、複数のｎ型拡散層１０６が形成されている。例えば、各ｎ型拡散層１０６は、紙面に直交する方向に延伸しており、全体として一次元格子状となっている（図１１参照）。ｎ型拡散層１０６は、所定の抵抗値（例えば、約３Ωのシート抵抗値）を有し、電流が流れることにより発熱する抵抗体として機能する。すなわち、ｎ型拡散層１０６は、前述の加熱部２３を構成する。
ｐ型半導体基板７０内の各層は、通常の半導体製造工程（ＣＭＯＳプロセス）を用いて形成される。したがって、抵抗体としてのｎ型拡散層１０６は、温度検出部２２の一部に含まれるｎ型拡散層９１，９３と同一の製造工程で形成される。ｎ型拡散層１０６，９１，９３は、ｎ型不純物（例えばリン）をイオン注入することにより基板中への不純物添加を行うイオン注入工程により同時に形成される。すなわち、抵抗体としてのｎ型拡散層１０６は、温度検出部２２の一部に含まれるｎ型拡散層９１，９３と、ｐ型半導体基板７０の表面からの深さが同一である。又、ｎ型拡散層１０６は、温度検出部２２の一部に含まれるｐ型拡散層９２と、ｐ型半導体基板７０の表面からの深さが同一であってもよい。
なお、ｎ型拡散層１０６，９１，９３は、イオン注入工程に代えて、熱処理によって不純物添加を行う熱拡散工程で形成することも可能である。
又、前述のＥＳＤ保護回路６０のｎ型拡散層７１，７２についてもｎ型拡散層１０６，９１，９３と同一の製造工程（イオン注入工程又は熱拡散工程）で作製される。コンタクト層７３は、ｐ型拡散層９２、コンタクト層１０４ａ，１０４ｂ等と同一の製造工程（イオン注入工程又は熱拡散工程）で作製される。
ｐ型半導体基板７０中のその他の層は、主にコンタクト層として機能するものであるので、説明は省略する。
ｐ型半導体基板７０の表面上には、第１絶縁膜１１０、第２絶縁膜１１１、第３絶縁膜１１２、及び金属酸化膜１１３が順に積層されている。第１絶縁膜１１０、第２絶縁膜１１１、及び第３絶縁膜１１２は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁材料で形成されている。第３絶縁膜１１２は、下部電極８３等を保護する保護膜である。第３絶縁膜１１２は、下部電極８３を含めた第２配線層１２１の酸化や腐食等を抑制するために設けられている。
金属酸化膜１１３は、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に形成されている。すなわち、金属酸化膜１１３の下面は第３絶縁膜１１２の上面と接し、金属酸化膜１１３の上面は感湿膜８６の下面と接している。
金属酸化膜１１３は、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との密着性を向上する機能を有する密着層である。金属酸化膜１１３は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から形成されている。金属酸化膜１１３は、例えば、スパッタ法やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法等のドライ成膜、キレート剤等によるウェット成膜により形成できる。
金属酸化膜１１３の厚みは、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。金属酸化膜１１３の厚みを１ｎｍ以上とすることで、第３絶縁膜１１２の上面に金属酸化膜１１３の未着領域が形成されることを抑制できる。又、金属酸化膜１１３の厚みを１００ｎｍ以下とすることで、上記の各方法で容易に成膜でき、かつ、厚膜化したことによって発生する応力の影響を最小限に抑えることができ、更には金属酸化膜１１３に発生する静電容量を最小限にすることができる。
第１絶縁膜１１０上には、第１配線層１２０が形成されている。第２絶縁膜１１１上には、第２配線層１２１が形成されている。第２絶縁膜１１１は、第１配線層１２０上を覆っている。第３絶縁膜１１２は、第２配線層１２１上を覆っている。第１配線層１２０及び第２配線層１２１は、アルミニウム等の導電性材料により形成されている。
第１絶縁膜１１０中には、第１配線層１２０をｐ型半導体基板７０に接続するための複数の第１プラグを有する第１プラグ層１２２が形成されている。第２絶縁膜１１１中には、第１配線層１２０と第２配線層１２１とを接続するための複数の第２プラグを有する第２プラグ層１２３が形成されている。第１プラグ層１２２及び第２プラグ層１２３は、タングステン等の導電性材料により形成されている。
例えば、前述のバイポーラトランジスタ９０のベースとコレクタとを接続するための配線９４は、第１配線層１２０により形成され、第１プラグ層１２２を介してｐ型拡散層９２及びｎ型拡散層９３に接続される。又、配線９４は、第２プラグ層１２３及び第２配線層１２１を介して、温度検出用端子としてのパッド４１ｅに接続される。又、バイポーラトランジスタ９０のエミッタとしてのｎ型拡散層９１は、第１プラグ層１２２、第１配線層１２０、及び第２配線層１２１を介して、グランド電極端子としてのパッド４１ａに接続される。
加熱部２３の一端をグランド電位に接地するための配線１０７は、第１配線層１２０により形成され、第１プラグ層１２２を介してｎ型拡散層１０６及びコンタクト層１０４ｂに接続される。又、加熱部２３の他端を加熱用端子としてのパッド４１ｆに接続するための配線１０８は、第１プラグ層１２２を介してｎ型拡散層１０６に接続され、かつ、第２プラグ層１２３及び第２配線層１２１を介してパッド４１ｆに接続される。
参照用キャパシタ８１の参照電極８２は、第１配線層１２０により形成され、第２プラグ層１２３及び第２配線層１２１を介して、参照電極端子としてのパッド４１ｄ（図９では図示せず）に接続される。
又、湿度検出用キャパシタ８０の下部電極８３は、第２配線層１２１により形成され、下部電極端子としてのパッド４１ｂに接続されている。更に、湿度検出用キャパシタ８０の上部電極８４を湿度検出用端子としてのパッド４１ｃに接続するための配線８５は、第２配線層１２１により形成されている。なお、下部電極８３は、第２絶縁膜１１１を介して参照電極８２に対向する位置に配置されている。
パッド４１ａ〜４１ｆは、アルミニウム等の導電性材料によって、第３絶縁膜１１２上に形成され、第３絶縁膜１１２を貫通して第２配線層１２１に接続されている。
第３絶縁膜１１２上には、金属酸化膜１１３を介して、感湿膜８６が形成されている。感湿膜８６は、厚みが０．５μｍ〜１．５μｍであって、湿度に応じて水分子を吸着及び脱着しやすい高分子材料で形成されている。感湿膜８６は、例えば、厚みが１μｍのポリイミド膜である。なお、感湿膜８６を形成する高分子材料は、ポリイミドに限られず、セルロース、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等であってもよい。
感湿膜８６の上面は平坦であり、この上面に、平板状の上部電極８４が形成されている。上部電極８４は、感湿膜８６を介して下部電極８３に対向する位置に形成されている。上部電極８４の一部は、配線８５に接続されている。上部電極８４は、例えば、厚みが２００ｎｍのアルミニウム等で形成された導電膜である。又、上部電極８４には、空気中の水分子を感湿膜８６に効率的に取り込むために、複数の開口８４ａが形成されている。
感湿膜８６上には、上部電極８４を覆うようにオーバーコート膜８７が設けられている。オーバーコート膜８７は、高分子材料、例えば、感湿膜８６と同一の材料で形成されている。オーバーコート膜８７の厚みは、例えば０．５μｍ〜１０μｍである。
感湿膜８６及びオーバーコート膜８７には、パッド４１ａ〜４１ｆを露出させる開口が形成されている。
このように、下部電極８３と上部電極８４とによって平行平板の湿度検出用キャパシタ８０が構成されている。又、下部電極８３と参照電極８２とによって、平行平板の参照用キャパシタ８１が構成されている。又、湿度検出用キャパシタ８０と参照用キャパシタ８１とは、加熱部２３の上方に配置されている。
したがって、加熱部２３が発熱することにより、下部電極８３と上部電極８４との間の感湿膜８６が加熱される。これにより、感湿膜８６は、加熱により温度が上昇することで湿度に応じた量の水分子を吸着するので、誘電率が変化し、湿度検出用キャパシタ８０の静電容量が低下する。又、温度検出部２２は、加熱部２３により生じる温度上昇を検出する。
図１０は、下部電極及び上部電極の形状を例示する平面図である。図１０に示すように、下部電極８３と上部電極８４とはともに矩形状である。上部電極８４は、下部電極８３上を覆うように形成されている。
開口８４ａは、可能な限り小さいほうが好ましく、小さいほど空気中への電界の漏れが抑制される。実際は、多数の開口８４ａが形成されている。なお、開口８４ａは、正方形には限られず、細長い短冊状であってもよいし、円形であってもよい。又、開口８４ａは、千鳥状に配列されていてもよい。開口８４ａは、円形であって、かつ千鳥状配列であることが望ましい。
なお、図１０では図示を省略しているが、下部電極８３の下方には、矩形状の参照電極８２が形成されている。
図１１は、加熱部を構成するｎ型拡散層の形状を例示する平面図である。図１１に示すように、ｎ型拡散層１０６は、細長い短冊状の領域が複数平行に並べられた一次元格子状となっている。この一次元格子状のｎ型拡散層１０６の一端が前述の配線１０７に接続され、他端が前述の配線１０８に接続されている。加熱部２３は、温度検出部２２の全体を覆うように、温度検出部２２の下方に位置している。
［金属酸化膜］
ここで、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に金属酸化膜１１３を形成する技術的意義について説明する。ここでは、第３絶縁膜１１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）であり、感湿膜８６はポリイミド膜であるとする。
ここで、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に金属酸化膜１１３を形成する技術的意義について説明する。ここでは、第３絶縁膜１１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）であり、感湿膜８６はポリイミド膜であるとする。
例えば、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に層を設けず、両者が直接接する構造にすると、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に十分な密着性が得られない。そこで、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に何らかの密着層を形成することが好ましい。
例えば、図１２の比較例に示すように、本実施形態とは異なり、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に金属酸化膜ではない層として、Ｓｉ−（ＯＲ）ｘ（Ｒ＝炭化水素基、ｘ＝１〜３）を基本骨格とするシランカップリング剤１１３ｘが形成されている場合を考える。
シランカップリング剤１１３ｘが第３絶縁膜１１２（ＳｉＯ２）と感湿膜８６（ポリイミド膜）とを化学的に結合させることにより、常温では両者の間に十分な密着性が得られる。しかし、高温高湿下ではＳｉ−Ｏ結合の加水分解により、化学結合が切断され、膜剥離が生じ、密着性が得られなくなる。図１２中の丸破線及び矢印は、化学結合が切断される様子を模式的に示している。
一方、図１３に示す本実施形態のように、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に金属酸化膜１１３として、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が配置されている場合を考える。この場合も、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が第３絶縁膜１１２（ＳｉＯ２）と感湿膜８６（ポリイミド膜）とを化学的に結合させることにより、両者の間に密着性が得られる。
又、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は耐加水分解性の層であり、又、ポリイミドと化学的に相互作用することが可能であるため、高温高湿下でも加水分解が生じることなく、第３絶縁膜１１２（ＳｉＯ２）と感湿膜８６（ポリイミド膜）との密着性を維持できる。図１３中の丸破線内の直線の破線は、化学結合が切断されずに維持されている様子を模式的に示している。
なお、図１２及び図１３の説明は、第３絶縁膜１１２が二酸化シリコンであり感湿膜８６がポリイミド膜である場合のみでなく、例えば、第３絶縁膜１１２が窒化シリコンであり、感湿膜８６がポリイミド膜以外の有機樹脂膜である場合にも当てはまる。
要は、金属酸化膜１１３として、感湿膜８６との間で化学的に相互作用することが可能な材料を選択すればよい。このような材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）以外に、酸化ジルコニウム、酸化チタン等が挙げられる。
このように、湿度センサ１０において、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との間に金属酸化膜１１３を配置することで、高温高湿下も含め、第３絶縁膜１１２と感湿膜８６との密着性を向上できる。すなわち、湿度センサ１０の信頼性特性を向上できる。
以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上記実施形態では、参照電極８２を加熱部２３の上方に配置しているが、参照電極８２は必ずしも加熱部２３の上方でなくてもよい。
又、上記実施形態では、センサチップ２０を形成するための半導体基板としてｐ型半導体基板７０を用いているが、ｎ型半導体基板を用いることも可能である。この場合には、加熱部２３をｐ型拡散層により形成すればよい。すなわち、加熱部は、半導体基板の表層に不純物を添加してなる不純物拡散層で形成されていればよい。
又、上記実施形態では、温度検出部２２をｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ９０により構成しているが、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタにより構成してもよい。更に、バイポーラトランジスタに代えて、１又は複数のｐｎ接合ダイオードにより温度検出部２２を構成してもよい。
又、温度検出部２２は、ｐｎ接合を有するバンドギャップ型以外の温度センサであってもよい。例えば、温度検出部２２は、不純物拡散層（ｎ型拡散層又はｐ型拡散層）を抵抗体として用い、抵抗値の温度依存性に基づいて温度を検出する抵抗型温度センサであってもよい。
又、湿度センサ１０において、湿度検出に用いる電極の構造を櫛歯型としてもよい。櫛歯型とは、対向する一対の櫛歯状電極を同一平面上に設け、当該一対の櫛歯状電極上に保護層を形成し、保護膜上に感湿膜を形成した構造である。この場合も、保護膜と感湿膜との間にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の金属酸化膜を形成することで、上記と同様の効果を奏する。
又、パッド４１ａ〜４１ｆは、センサチップ２０の対向する２辺のうちの１辺側のみに配置されてもよい。
１０ 湿度センサ、２０ センサチップ、２１ 湿度検出部、２２ 温度検出部、 ２３ 加熱部、４０ モールド樹脂、４１、４１ａ〜４１ｆ パッド、４２ リード端子、４３ ボンディングワイヤ、４４ 絶縁膜、５０ 開口部、５１ 有効開口部、６０ ＥＳＤ保護回路、６１ ダイオード、７０ ｐ型半導体基板、７１、７２ ｎ型拡散層、７３ コンタクト層、７４ ゲート電極、７５ ゲート絶縁膜、８０ 湿度検出用キャパシタ、８１ 参照用キャパシタ、８２ 参照電極、８３ 下部電極、８４ 上部電極、８４ａ 開口、８６ 感湿膜、８７ オーバーコート膜、９０ バイポーラトランジスタ、９１ ｎ型拡散層、９２ ｐ型拡散層、９３ ｎ型拡散層、１０６ ｎ型拡散層、１１０ 第１絶縁膜、１１１ 第２絶縁膜、１１２ 第３絶縁膜、１１３ 金属酸化膜、１２０ 第１配線層、１２１ 第２配線層、１２２ 第１プラグ層、１２３ 第２プラグ層
Claims (7)
- 半導体基板上に絶縁膜を介して形成された配線層と、
前記配線層を覆う保護膜と、
前記保護膜上に形成された感湿膜と、を有し、
前記保護膜と前記感湿膜との間に金属酸化膜が形成されている湿度センサ。 - 前記金属酸化膜はＡｌ２Ｏ３から形成されている請求項１に記載の湿度センサ。
- 前記感湿膜はポリイミドから形成されている請求項１又は２に記載の湿度センサ。
- 前記感湿膜は、前記保護膜及び前記金属酸化膜を挟んで、前記配線層の一部である下部電極上に形成され、
前記感湿膜上に上部電極が形成された請求項１乃至３の何れか一項に記載の湿度センサ。 - 前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された参照電極を有し、
前記下部電極と前記上部電極とにより湿度検出用キャパシタが構成され、前記下部電極と前記参照電極とにより参照用キャパシタが構成された請求項４に記載の湿度センサ。 - 前記半導体基板中の不純物拡散層により形成された加熱部を有する請求項１乃至５の何れか一項に記載の湿度センサ。
- 前記半導体基板に形成された温度検出部を有する請求項６に記載の湿度センサ。
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