JPH01250850A - 半導体感湿素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明め目的］ （産業上の利用分野） この発明は、有機物の感湿膜と絶縁ゲート電界効果トラ
ンジスタとを一体的に組み合わせ、水蒸気め吸着、脱着
に伴う感湿膜の電気的特性変化、例えば誘電率変化を絶
縁ゲート電界効果トランジスタを介して検出することに
より、雰囲気中の相対湿度を検出するようにした半導体
感湿素子に関するものである。

（従来の技術） 感湿素子には、感湿体として金属酸化物を焼結体を用い
たもの、電解質塩を用いたもの、セラミックを用いたも
のなどが知られている。これらの感湿素子には、それぞ
れ一長一短があり、用途に応じて選択して利用されてい
る。このうち、感湿体として有機物を用いたものは、広
い感湿範囲と速い感湿応答特性を有していて、低コスト
化し易いと言う長所を有している。この有機物からなる
感湿体を絶縁ゲート電界効果トランジスタと一体的に組
み合わせ、吸湿に伴う誘電率等の電気的特性変化を絶縁
ゲート電界効果トランジスタを介して出力することによ
り、小型で高出力特性を有する半導体感湿素子が実現さ
れている。

（発明が解決しようとする課題） 以上のような電界効果トランジスタ型の感湿素子では、
有機材料である感湿体をゲート領域上に形成するもので
あり、したがって半導体素子としての特性を左右するゲ
ート領域が感湿体の影響を受は易いと言う欠点を有して
いる。すなわち、感湿体の形成時に、ゲート領域上の絶
縁膜との界面に不純物が混入したり、或（、よゲート領
域上を外部雰囲気に露出しなければならないなめ感湿層
からゲート領域上の絶縁膜への不純物拡散が生じ、これ
らが原因になってゲート特性が変化し半導体素子部の特
性劣化を生じ易いと言う欠点があった。

この発明は上記問題点を解決するためになされたもので
、感湿体を絶縁ゲート電界効果トランジスタと、一体に
構成した半導体感湿素子において、ゲート領域が感湿体
の影響を受けて劣化しないように構成して、小型で安定
した半導体感湿素子を得るようにしたものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は、上記問題点を解決するために、感湿体と絶
縁ゲート電界効果Ｉ・ランジスタを一体に構成した半導
体感湿素子であって、半導体基板の主面に基板領域とは
異なる導電形で形成したソースおよびドレイン領域と、
上記主面上を被覆する第１の絶縁膜と、該第１の絶縁膜
の一部を開口して上記ソースおよびドレイン領域に接続
するように設けたソース電極およびドレイン電極と、該
ソースおよびドレイン電極上を含む上記第１の絶縁膜上
に形成した第２の絶縁膜と、上記ソース電極及びドレイ
ン電極の何れか一方上の上記第２の絶縁膜上に形成され
被覆した電極に電気的に接続する導電層と、該導電層上
に有機怒湿材料で形成した感応膜と、該感応膜上を被覆
しさらに上記ソースおよびドレイン領域間に構成される
ゲート領域上の第１または第２の絶縁膜上に延設された
第２の導電膜、を具備する構成とした事を要旨とする。

（作用） 上記構成によれば、有機怒湿材料からなり比較的外部雰
囲気の影響を受は易い感応体をソースあるいはドレイン
領域上の絶縁膜上に形成した構成であるため、ソース、
ドレイン間のゲート領域は直接感応体からの悪影響を受
けて特性変化を来たすことがない。従って半導体素子部
の特性劣化の恐れが無く、小型で安定な感湿特性を有す
る半導体感湿素子が実現される。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、この発明一実施例の要部断面図、第２図は第
１図に示す装置の要部平面図であって特にソースおよび
ドレイン領域の形状を示す。図において１は半導体基板
、２．３は基板１の主面に形成された基板とは異なる導
電形のソースおよびドレイン領域、１は基板１の主面を
被覆する第１の絶縁膜であって、この実施例ではＳ！０
２Ｍで構成されている。この第１の絶縁ＪＩＭ４には、
ソースおよびドレイン領域に対応する部分に六開けが成
され、Ａ１等を材料とするソースおよびドレイン電極５
．６が形成される。７は、この電極５．６および第１の
絶縁膜を被覆する第２の絶縁膜であって、この実施例で
は窒化シリコン層で形成される。８は金等からなりソー
ス電極５と接続された導電層であって、この実施例では
ソース電極５上の第２の絶縁膜７の少なくとも一部分を
被覆して形成されている。９はこの導電層８上、または
さらに第２の絶縁膜７上に渡って形成された感応体であ
り、湿度の変化に対応して誘電率に変化を生じる有機怒
湿材料よりなる。この感応体９上には電極１０が形成さ
れており、さらにこの電極は図示するようにソース領域
２およびドレイン領域３間のゲート領域上の第２の絶縁
膜上に延設されている。電極１０はまた第３図に示す他
の実施例のように、第２の絶縁Ｍ７に六開けを行って第
１の絶縁膜４上のゲート領域上にまで延設しても良い。

なお第３図の実施例で第２図と同じ符号は同様の構成部
材を示しているので、それらの説明は省略する。

また上記再実施例で、半導体基板１に形成したソースお
よびドレイン領域は、例えば第２図に示すようにドレイ
ン領域３を囲むようにソース領域２が形成されている。

次に上記半導体感湿素子の動作を説明する。第４図は、
第１図に示した素子の駆動時における等価回路を示して
いる。図示するようにこの素子は、ソース、ドレインお
よびゲート領域からなる電界効果トランジスタＴに対し
て各絶縁膜および感応体で形成される静電容量を接続し
た構成を有する。

即ち、Ｃｓ　１は感応体９の誘電率から電極１０とソー
ス電極５間に生じる可変の静電容量、ＣＩは電極１０と
ソース電極５間に生じる入力容量、Ｃ１は電極１０とド
レイン電極６間に生じる帰還容量である。またＲＬはド
レイン電極６に接続される負荷抵抗、ｇｍは感応体９を
除く半導体素子部で得られる伝達コンダクタンス、ｃｏ
は電極１０に接続されるキャパシタンスである。

上記回路において、交流入力信号ｖ１をキャパシタンス
Ｃ０を介して電極１０より与えたとき、ドレイン電極６
で得られる交流出力信号ｖ０は（１）式で与えられる。

Ｖｏ” Ｃ，ｇｍＲｔ　Ｖ　＋ Ｃ，＋Ｃ−Ｉ＋Ｃ＋　±、Ｃ、、（１＋（１ｍＲＬ）・
・・（１） このとき、ＣＩおよびＣ，、が、Ｃ０あるいはＣＨＩに
比べて十分小さいとすると、（１）式は以下の（２）式
のように簡略化できる。

９の湿度の変化に伴う静電容量の変化は、ドレイン電極
６における出力信号の変化として直接検出することが出
来る。これによって、素子の外部雰囲気における湿度の
相対変化が検出できる。

上述の各実施例はそれぞれ感応体９をソース領域２上に
形成するものであるが、感応体９はドレイン領域３上に
形成されても良いこと勿論である。

この場合素子の駆動時における等価回路図は第５図に示
すものとなる。なおｃａｒ怒応体の誘電率から感応体を
被覆する電極とドレイン電極６との間に生じる静電容量
である。なお、第５図において第４図と同じ記号は同様
の回路素子を示し、したがってその説明は省略する。

この回路において、ドレイン領域上の感応体を被覆して
形成される電極を経る交流入力信号Ｖ＋に対しドレイン
電極で得られる交流出力信号Ｖ。

は、（３）式で表せる。

ｖｏ　＝ ・・・（３） このとき、Ｃ０＞＞ＣＩ、　Ｃ−、、ン＞Ｃｔ。

Ｃ，、＞＞Ｃ，とすると、（３）式は次の（４）式のよ
うに簡略化できる。

さらに、ｇｍＲＬ　＞＞　１　、かつＣ，ｒｇｍＲＬ＞
＞１とすれば、（４）式は簡略化され次の（５）式で示
される。

うになる。

Ｃ、ｓ　ｒ （５）式から明らかなように、ドレイン電極６からは、
外付けのキャパシタンスＣ０と感応体による静電容量Ｃ
ｓｒの比に対応した交流信号ｖ０がえられる。

この静電容ｇｃｓｒは、素子の外部雰囲気における湿度
の変化に対応して変化するものであり、従ってドレイン
電極からの交流出力は、外部雰囲気における湿度変化の
情報を上記（５）式に基づいて含んでいる。即ちドレイ
ン電極からの出力によって外部雰囲気における湿度の相
対的な変化が検出できる。

第６図は、第３図に示したこの発明の一実施例素子の製
造工程を示す図である。

以下、図面に添ってその製造工程を簡単に説明する。

まずｐまたはｎ型の半導体基板１（図ａ）の主面に基板
１とは反対の導電形を有する不純物を拡散してソース及
びドレイン領域２．３を形成する（ｂ　）。次にこの主
面を酸化シリコン等を蒸着またはスパッタすることによ
り被覆して第１の絶縁膜４を形成し、ソースおよびドレ
イン領域に対応する部分に六開けを行う（Ｃ）。この穴
開けされた部分にアルミニウム等を蒸着またはスパッタ
して電極５．６を形成し、ソースおよびドレイン領域２
．３と電気的に接触させる。なおこのとき同時にゲート
領域上にもゲート電極１１を形成する（ｄ　）。更に各
電極５．６．１１上および第１の絶縁［４を被覆して第
２の絶縁膜である窒化シリコン層７が例えばＣＶＤ法に
よって形成される（ｅ　）。この後、ソース電極５上の
窒化シリコン層７上に金等を選択的に蒸着して導電層８
を形成Ｌ（ｆ）、この導電層８上に例えばスピンコード
等によって有機感湿材料を塗布して感応体９を形成する
（ａ　）。なお導電層８はソース電極５に接続されてい
る。さらに感応体９上に金等を蒸着して電極１０を形成
する（ｈ　）。この電極１０はゲート電極ｆ１上にまで
延設され穴開は等の工程を経てゲート電極１１と接続さ
れる。

以上のようにしてソース領域上に感応体を有する型の半
導体感湿素子が形成される。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明の半導体感湿素子では外
部雰囲気中の湿度変化に応じて電気的特性に変化を生じ
る感応体が、ソースあるいはドレイン領域上の絶縁膜上
に形成されているので、感応体からゲート領域上の絶縁
膜ｌ＼の不純物の拡散が無く、ゲート領域の電気的特性
は安定に保たれる。そのため、小型で安定な感湿特性を
有する半導体感湿素子を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の要部断面図、第２図は第
１図に示す素子の要部平面図、第３図はこの発明の他の
実施例の要部断面図、第４図は第１図に示す素子の駆動
回路図、第５図はこの発明の他の実施例に係る素子の駆
動回路図、第６図はこの発明の一実施例にかかる素子の
製造工程を示す図である。 １・・・半導体基板　　　　２・・・ソース領域３・・
・ドレイン領域　　　４・・・第１の絶縁膜５．６・・
・ソース、ドレイン電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　半導体基板の主面に基板領域とは異なる導電形で形成
   したソースおよびドレイン領域と、 上記主面上を被覆する第１の絶縁膜と、 該第１の絶縁膜の一部を開口して上記ソースおよびドレ
   イン領域に接続するように設けたソース電極およびドレ
   イン電極と、 該ソースおよびドレイン電極上を含む上記第１の絶縁膜
   上に形成した第２の絶縁膜と、 上記ソース電極及びドレイン電極の何れか一方上の上記
   第２の絶縁膜上に形成され被覆した電極に電気的に接続
   する導電層と、 該導電層上に有機感湿材料で形成した感応膜と、該感応
   膜上を被覆しさらに上記ソースおよびドレイン間に構成
   されるゲート領域上の第１または第２の絶縁膜上に延設
   された第２の導電膜、とを具備する事を特徴とする半導
   体感湿素子。