JPH04361149A - 湿度センサ - Google Patents
湿度センサInfo
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- JPH04361149A JPH04361149A JP16088791A JP16088791A JPH04361149A JP H04361149 A JPH04361149 A JP H04361149A JP 16088791 A JP16088791 A JP 16088791A JP 16088791 A JP16088791 A JP 16088791A JP H04361149 A JPH04361149 A JP H04361149A
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、家庭用の空調機、加・
除湿器を始め、各種の工業、農業における環境制御を目
的とする湿度検出手段として利用される湿度センサに関
し、特に電界効果型トランジスタを用いた湿度センサに
関するものである。
除湿器を始め、各種の工業、農業における環境制御を目
的とする湿度検出手段として利用される湿度センサに関
し、特に電界効果型トランジスタを用いた湿度センサに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の湿度センサには、物質の膨脹収縮
を利用したもの、電気抵抗の変化を利用したもの、およ
び静電容量の変化を利用したものなどがある。また湿度
検出材料としてはマグネシウムスピネル（ＭｇＣｒ２
Ｏ４−ＴｉＯ２ ）や水酸アパタイトを始めとするセラ
ミック、高分子固体電解質や誘電性高分子に代表される
高分子フィルムがある。一方、電界効果型トランジスタ
のゲート絶縁層に樹脂を用いた感湿体層を積層し、湿度
に応じて変化する静電容量変化を検出する湿度センサも
知られている。さらにこの感湿体層として樹脂の代わり
にゲート絶縁膜として用いられる酸化シリコンや酸化ア
ルミニウムを用いたセンサも知られている。
を利用したもの、電気抵抗の変化を利用したもの、およ
び静電容量の変化を利用したものなどがある。また湿度
検出材料としてはマグネシウムスピネル（ＭｇＣｒ２
Ｏ４−ＴｉＯ２ ）や水酸アパタイトを始めとするセラ
ミック、高分子固体電解質や誘電性高分子に代表される
高分子フィルムがある。一方、電界効果型トランジスタ
のゲート絶縁層に樹脂を用いた感湿体層を積層し、湿度
に応じて変化する静電容量変化を検出する湿度センサも
知られている。さらにこの感湿体層として樹脂の代わり
にゲート絶縁膜として用いられる酸化シリコンや酸化ア
ルミニウムを用いたセンサも知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記従来の湿度センサ
のうち、物質の膨脹収縮を利用したものは機械的な変量
を測定しなければならないことに加え、応答速度も遅く
ヒステリシスや精度に難がある。電気抵抗を利用したも
のでは、特に出力特性に問題があり、直線性を改善した
ものであっても抵抗の変化が相対湿度に対しログスケー
ルで比例関係を持つため、対数変換回路が必要になる。 これに対して静電容量の変化を利用したものでは、容量
の変化が相対湿度に対しリニアスケールで比例関係を持
つため、対数変換などの後処理が不要という利点を持つ
。しかし従来から静電容量型のセンサが主流とならなか
った理由は高価で耐候性が悪く、出力も小さく感度が低
いなど、優れた感湿材料が見出だされなかったためであ
る。
のうち、物質の膨脹収縮を利用したものは機械的な変量
を測定しなければならないことに加え、応答速度も遅く
ヒステリシスや精度に難がある。電気抵抗を利用したも
のでは、特に出力特性に問題があり、直線性を改善した
ものであっても抵抗の変化が相対湿度に対しログスケー
ルで比例関係を持つため、対数変換回路が必要になる。 これに対して静電容量の変化を利用したものでは、容量
の変化が相対湿度に対しリニアスケールで比例関係を持
つため、対数変換などの後処理が不要という利点を持つ
。しかし従来から静電容量型のセンサが主流とならなか
った理由は高価で耐候性が悪く、出力も小さく感度が低
いなど、優れた感湿材料が見出だされなかったためであ
る。
【０００４】湿度センサを材料の面からみると、セラミ
ック焼結体と高分子フィルム（高分子固体電解質、誘電
性高分子など）に大別できる。セラミック焼結体センサ
は耐候性に優れる反面、水分子の化学吸着による劣化が
起こるため、再生用ヒータを使用したものが多い。ヒー
タが不要と言われているセンサでも、長期間の使用によ
り特性劣化が生じ、吸着した水分の除去が必要となって
いる。他方、高分子材料では一般にセラミックセンサに
比べて耐熱性を始め耐候性が悪く、種々の材料を用いて
もヒステリシス、応答性、感湿感度、経時安定性などの
諸特性のいずれかに問題がある。
ック焼結体と高分子フィルム（高分子固体電解質、誘電
性高分子など）に大別できる。セラミック焼結体センサ
は耐候性に優れる反面、水分子の化学吸着による劣化が
起こるため、再生用ヒータを使用したものが多い。ヒー
タが不要と言われているセンサでも、長期間の使用によ
り特性劣化が生じ、吸着した水分の除去が必要となって
いる。他方、高分子材料では一般にセラミックセンサに
比べて耐熱性を始め耐候性が悪く、種々の材料を用いて
もヒステリシス、応答性、感湿感度、経時安定性などの
諸特性のいずれかに問題がある。
【０００５】ゲート絶縁層に樹脂を用いた電界効果型ト
ランジスタ湿度センサは、このセンサにおいてはゲート
電極に直流電圧を印加すると樹脂に分極劣化を生ずるた
め、直流駆動型の電界効果型トランジスタには適さない
。また、感湿体層として樹脂の代わりにゲート絶縁膜と
して用いられる酸化シリコンや酸化アルミニウムを用い
たセンサにおいては、高湿度における感度が悪く、感湿
体層に不純物やイオンが混入し易いと言う欠点があった
。従って本発明は、上記従来の欠点を除去し、小型で高
性能かつ多機能・複合化の要請にも答えられる湿度セン
サを提供することを目的とするものである。
ランジスタ湿度センサは、このセンサにおいてはゲート
電極に直流電圧を印加すると樹脂に分極劣化を生ずるた
め、直流駆動型の電界効果型トランジスタには適さない
。また、感湿体層として樹脂の代わりにゲート絶縁膜と
して用いられる酸化シリコンや酸化アルミニウムを用い
たセンサにおいては、高湿度における感度が悪く、感湿
体層に不純物やイオンが混入し易いと言う欠点があった
。従って本発明は、上記従来の欠点を除去し、小型で高
性能かつ多機能・複合化の要請にも答えられる湿度セン
サを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第１の発明によれば、水
分の吸脱着により静電容量が変化する感湿体を電界効果
型トランジスタ素子のゲート絶縁膜上に積層して一体構
造に結合した湿度センサにおいて、第１層に金属酸化物
、第２層に半導体性金属酸化物、第３層に透湿性電極を
順次積層してなる材料を用い、前記第３層の透湿性電極
が前記電界効果型トランジスタ素子のゲートの機能を兼
ねるようにしたことを特徴とする湿度センサが提供され
る。
分の吸脱着により静電容量が変化する感湿体を電界効果
型トランジスタ素子のゲート絶縁膜上に積層して一体構
造に結合した湿度センサにおいて、第１層に金属酸化物
、第２層に半導体性金属酸化物、第３層に透湿性電極を
順次積層してなる材料を用い、前記第３層の透湿性電極
が前記電界効果型トランジスタ素子のゲートの機能を兼
ねるようにしたことを特徴とする湿度センサが提供され
る。
【０００７】第２の発明によれば、水分の吸脱着により
静電容量が変化する感湿体を電界効果型トランジスタ素
子のゲート絶縁膜上に積層して一体構造に結合した湿度
センサにおいて、前記感湿体は第１層に金属窒化物の酸
化物（ＭＮＸＯＹ ）（但し、Ｍは金属、Ｘ、Ｙはそれ
ぞれ任意の数）、第２層に半導体性金属酸化物、第３層
に透湿性電極を順次積層してなる材料を用い、前記第３
層の透湿性電極が前記電界効果型トランジスタ素子のゲ
ートの機能を兼ねるようにしたことを特徴とする湿度セ
ンサが提供される。
静電容量が変化する感湿体を電界効果型トランジスタ素
子のゲート絶縁膜上に積層して一体構造に結合した湿度
センサにおいて、前記感湿体は第１層に金属窒化物の酸
化物（ＭＮＸＯＹ ）（但し、Ｍは金属、Ｘ、Ｙはそれ
ぞれ任意の数）、第２層に半導体性金属酸化物、第３層
に透湿性電極を順次積層してなる材料を用い、前記第３
層の透湿性電極が前記電界効果型トランジスタ素子のゲ
ートの機能を兼ねるようにしたことを特徴とする湿度セ
ンサが提供される。
【０００８】第３の発明によれば、第１層に金属酸化物
または金属窒化物の酸化物（ＭＮＸ ＯＹ ）（但し、
Ｍは金属、Ｘ、Ｙはそれぞれ任意の数）、第２層に半導
体性金属酸化物、第３層に透湿性電極を順次積層してな
る材料を感湿体とし、前記電界効果型トランジスタ素子
のゲート絶縁膜上に前記透湿性電極がゲート電極として
機能するように積層してなる湿度センサであって、前記
感湿体中の金属酸化物または金属窒化物の酸化物を反応
性スパッタリング、ＣＶＤ等の金属の酸化数を調整でき
る手法によってつくることにより、前記ゲート絶縁膜に
接する側では酸化物としての化学量論比を満足し、前記
半導体性金属酸化物層に接する側の薄い部分で酸素過剰
組成となるようにしたことを特徴とする湿度センサが提
供される。
または金属窒化物の酸化物（ＭＮＸ ＯＹ ）（但し、
Ｍは金属、Ｘ、Ｙはそれぞれ任意の数）、第２層に半導
体性金属酸化物、第３層に透湿性電極を順次積層してな
る材料を感湿体とし、前記電界効果型トランジスタ素子
のゲート絶縁膜上に前記透湿性電極がゲート電極として
機能するように積層してなる湿度センサであって、前記
感湿体中の金属酸化物または金属窒化物の酸化物を反応
性スパッタリング、ＣＶＤ等の金属の酸化数を調整でき
る手法によってつくることにより、前記ゲート絶縁膜に
接する側では酸化物としての化学量論比を満足し、前記
半導体性金属酸化物層に接する側の薄い部分で酸素過剰
組成となるようにしたことを特徴とする湿度センサが提
供される。
【０００９】
【作用】本発明の湿度センサにおいて、電界効果型トラ
ンジスタ素子のゲート電極に一定の電圧を印加するとゲ
ート絶縁膜直下の半導体基板表面にソース領域およびド
レイン領域を結んでチャンネルが形成され、ゲート電極
とチャンネルが形成された半導体基板表面間には感湿体
層およびゲート絶縁層を挟んで静電容量が形成される。 このような湿度センサの前記感湿体層に湿度に応じて水
蒸気あるいは水分が吸着すると、静電容量を構成する電
極の有効面積が拡大し、あるいは電極間距離が実質的に
減少して静電容量が増加する。この静電容量の変化は電
界効果型トランジスタの出力電圧の変化として取り出す
ことができる。
ンジスタ素子のゲート電極に一定の電圧を印加するとゲ
ート絶縁膜直下の半導体基板表面にソース領域およびド
レイン領域を結んでチャンネルが形成され、ゲート電極
とチャンネルが形成された半導体基板表面間には感湿体
層およびゲート絶縁層を挟んで静電容量が形成される。 このような湿度センサの前記感湿体層に湿度に応じて水
蒸気あるいは水分が吸着すると、静電容量を構成する電
極の有効面積が拡大し、あるいは電極間距離が実質的に
減少して静電容量が増加する。この静電容量の変化は電
界効果型トランジスタの出力電圧の変化として取り出す
ことができる。
【００１０】金属酸化物層は高誘電率を有する誘電性の
感湿膜であり、大気中の水分を高い応答速度で可逆的に
吸着する性質を有している。またこの金属酸化物層は電
圧を印加した時においては、酸化物層に欠陥が生じても
酸素を吸収して自己修復する性質を有している。他方、
半導体性金属酸化物層は大気中の水分が金属酸化物層表
面に吸脱着するのを促進し、金属酸化物層の感湿機能を
補助する役割を担っている。
感湿膜であり、大気中の水分を高い応答速度で可逆的に
吸着する性質を有している。またこの金属酸化物層は電
圧を印加した時においては、酸化物層に欠陥が生じても
酸素を吸収して自己修復する性質を有している。他方、
半導体性金属酸化物層は大気中の水分が金属酸化物層表
面に吸脱着するのを促進し、金属酸化物層の感湿機能を
補助する役割を担っている。
【００１１】また、半導体性金属酸化物層は半導体的な
性質を有する層であるため、金属酸化物層に対する電極
として電子を注入する機能や、金属酸化物層にイオン電
流および熱作用を及ぼすことにより、金属酸化物層の膜
欠陥の自己修復機能を促進し、その絶縁耐圧を向上させ
る機能を有している。
性質を有する層であるため、金属酸化物層に対する電極
として電子を注入する機能や、金属酸化物層にイオン電
流および熱作用を及ぼすことにより、金属酸化物層の膜
欠陥の自己修復機能を促進し、その絶縁耐圧を向上させ
る機能を有している。
【００１２】
【実施例】以下に図１〜図６により本発明の実施例を説
明する。図１は本発明の電界効果型トランジスタを用い
た湿度センサの構造を示す断面図、図２は図１に示す湿
度センサのゲート電極部分の拡大図である。本発明の湿
度センサは図に示されるように、ｐ型のシリコン基板１
１上にｎ型のソース領域１２およびドレイン領域１３が
形成され、これらの２つの領域間のシリコン基板１１表
面上にはゲート絶縁膜１４が設けられている。ゲート絶
縁膜１４上には金属酸化膜である酸化タンタル膜１５が
形成され、さらにその上には半導体性金属酸化膜である
二酸化マンガン膜１６が形成されている。酸化タンタル
膜１５および二酸化マンガン膜１６は大気中の水蒸気あ
るいは水分を吸着する感湿体層を構成している。二酸化
マンガン膜１６の表面にはゲート電極１７が設けられて
いる。ソース領域１２にはフィールド絶縁膜１８を一部
除去してソース電極１９が設けられ、またドレイン領域
１３にはフィールド絶縁膜１８を一部除去してドレイン
電極２０が設けられている。これらのソース電極１９お
よびドレイン電極の表面は絶縁保護膜である窒化膜２１
で被覆されている。
明する。図１は本発明の電界効果型トランジスタを用い
た湿度センサの構造を示す断面図、図２は図１に示す湿
度センサのゲート電極部分の拡大図である。本発明の湿
度センサは図に示されるように、ｐ型のシリコン基板１
１上にｎ型のソース領域１２およびドレイン領域１３が
形成され、これらの２つの領域間のシリコン基板１１表
面上にはゲート絶縁膜１４が設けられている。ゲート絶
縁膜１４上には金属酸化膜である酸化タンタル膜１５が
形成され、さらにその上には半導体性金属酸化膜である
二酸化マンガン膜１６が形成されている。酸化タンタル
膜１５および二酸化マンガン膜１６は大気中の水蒸気あ
るいは水分を吸着する感湿体層を構成している。二酸化
マンガン膜１６の表面にはゲート電極１７が設けられて
いる。ソース領域１２にはフィールド絶縁膜１８を一部
除去してソース電極１９が設けられ、またドレイン領域
１３にはフィールド絶縁膜１８を一部除去してドレイン
電極２０が設けられている。これらのソース電極１９お
よびドレイン電極の表面は絶縁保護膜である窒化膜２１
で被覆されている。
【００１３】二酸化マンガン膜１６は図２に示されるよ
うに、非常にポーラスな膜であり、酸化タンタル膜１５
とはａ部分で接触しているがｂ部分では非接触となって
いる。ゲート電極１７はポーラスな二酸化マンガン膜１
６上に白金膜を蒸着により膜状に形成することによりポ
ーラス状として透湿性の電極を構成している。
うに、非常にポーラスな膜であり、酸化タンタル膜１５
とはａ部分で接触しているがｂ部分では非接触となって
いる。ゲート電極１７はポーラスな二酸化マンガン膜１
６上に白金膜を蒸着により膜状に形成することによりポ
ーラス状として透湿性の電極を構成している。
【００１４】このように構成された本発明の電界効果型
トランジスタを用いた湿度センサの動作は次の通りであ
る。先ず、このセンサを水分の全く存在しない雰囲気中
に置いた場合には、ゲート電極１７の下側に形成された
二酸化マンガン膜１６による水分吸収はないので、ゲー
ト電極１７の有効面積は二酸化マンガン膜１６と酸化タ
ンタル膜１５との接触部分ａだけとなり、小さくなる。 次に、このセンサを水分が存在する雰囲気中すなわち相
対湿度（ＲＨ）が０％よりも大きい雰囲気中に置いた場
合には、大気中の水分はポーラスな二酸化マンガン膜１
６を透過して酸化タンタル膜１５表面に達し、二酸化マ
ンガン膜１６と酸化タンタル膜１５との非接触部分ｂに
も吸着される。これによりゲート電極１７の有効面積は
拡大するが、この非接触部分ｂに対する有効面積の拡大
の度合いはセンサが置かれた雰囲気中の相対湿度に比例
する。しかもこの有効面積は雰囲気中の相対湿度の変化
に応じて素早く可逆的に変化する。
トランジスタを用いた湿度センサの動作は次の通りであ
る。先ず、このセンサを水分の全く存在しない雰囲気中
に置いた場合には、ゲート電極１７の下側に形成された
二酸化マンガン膜１６による水分吸収はないので、ゲー
ト電極１７の有効面積は二酸化マンガン膜１６と酸化タ
ンタル膜１５との接触部分ａだけとなり、小さくなる。 次に、このセンサを水分が存在する雰囲気中すなわち相
対湿度（ＲＨ）が０％よりも大きい雰囲気中に置いた場
合には、大気中の水分はポーラスな二酸化マンガン膜１
６を透過して酸化タンタル膜１５表面に達し、二酸化マ
ンガン膜１６と酸化タンタル膜１５との非接触部分ｂに
も吸着される。これによりゲート電極１７の有効面積は
拡大するが、この非接触部分ｂに対する有効面積の拡大
の度合いはセンサが置かれた雰囲気中の相対湿度に比例
する。しかもこの有効面積は雰囲気中の相対湿度の変化
に応じて素早く可逆的に変化する。
【００１５】ここで、ＭＯＳ型電界効果型トランジスタ
（以下ではＭＯＳＦＥＴという）の動作を考えてみる。 ＭＯＳＦＥＴにおいてはシリコン基板１１とゲート電極
１７に挟まれたゲート絶縁膜１４とでコンデンサを構成
している。ゲート電極１７にＶＧ なるゲート電圧が印
加されると、ゲート絶縁膜１４内で分極が生じ、ゲート
絶縁膜１４の直下のソース領域１２とドレイン領域１３
間のシリコン基板１１表面に電荷が誘起され、チャンネ
ルが形成される。ここで形成されるチャンネルの幅は誘
起される電荷の量で変化し、電荷の量はコンデンサにお
ける電圧の大きさに比例する。したがってコンデンサに
おける電荷の量Ｑは下記の式により示される。 Ｑ＝Ｃ・Ｖ
（以下ではＭＯＳＦＥＴという）の動作を考えてみる。 ＭＯＳＦＥＴにおいてはシリコン基板１１とゲート電極
１７に挟まれたゲート絶縁膜１４とでコンデンサを構成
している。ゲート電極１７にＶＧ なるゲート電圧が印
加されると、ゲート絶縁膜１４内で分極が生じ、ゲート
絶縁膜１４の直下のソース領域１２とドレイン領域１３
間のシリコン基板１１表面に電荷が誘起され、チャンネ
ルが形成される。ここで形成されるチャンネルの幅は誘
起される電荷の量で変化し、電荷の量はコンデンサにお
ける電圧の大きさに比例する。したがってコンデンサに
おける電荷の量Ｑは下記の式により示される。 Ｑ＝Ｃ・Ｖ
【００１６】通常，ＭＯＳＦＥＴにおいてはＱを変化さ
せる、すなわち，チャンネル幅を変化させるためにＶ（
＝ＶＧ ）を変化させるが、コンデンサの容量Ｃを変化
させることによってもＱを変化させることができること
は上記式からも明らかである。本発明の湿度センサはこ
の点に着目し、ＶＧ を一定に維持した状態で湿度によ
り容量Ｃが変化し、それによってＦＥＴの出力を変化さ
せるものである。ところでコンデンサの容量Ｃは一般に
下記の式で表される。 ε＝ε０ ・εＳ／ｄ ここで、εは絶縁膜の比誘電率、ε０ は空気の比誘電
率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離である。この式から
容量Ｃを変化させるためには絶縁膜の比誘電率ε、電極
面積Ｓ、電極間距離ｄのいずれかを変化させればよいこ
とが明らかであるが、本発明のセンサでは湿度に応じて
電極の有効面積Ｓを変化させることで目的を達している
。
せる、すなわち，チャンネル幅を変化させるためにＶ（
＝ＶＧ ）を変化させるが、コンデンサの容量Ｃを変化
させることによってもＱを変化させることができること
は上記式からも明らかである。本発明の湿度センサはこ
の点に着目し、ＶＧ を一定に維持した状態で湿度によ
り容量Ｃが変化し、それによってＦＥＴの出力を変化さ
せるものである。ところでコンデンサの容量Ｃは一般に
下記の式で表される。 ε＝ε０ ・εＳ／ｄ ここで、εは絶縁膜の比誘電率、ε０ は空気の比誘電
率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離である。この式から
容量Ｃを変化させるためには絶縁膜の比誘電率ε、電極
面積Ｓ、電極間距離ｄのいずれかを変化させればよいこ
とが明らかであるが、本発明のセンサでは湿度に応じて
電極の有効面積Ｓを変化させることで目的を達している
。
【００１７】次に、図１に示した本発明の湿度センサに
おいて容量Ｃが相対湿度により変化することを以下に説
明する。図１に示した本発明の湿度センサにおいては、
コンデンサを構成する電極間絶縁層はゲート絶縁膜１４
と酸化タンタル膜１５であるため、これらの比比誘電率
をそれぞれε１ 、ε２ とし、またこれらの導電率を
それぞれσ１ 、σ２ とする。また、電極間距離ｄは
ゲート絶縁膜１４と酸化タンタル膜１５のそれぞれの厚
さの合計である。次に、酸化タンタル膜１５と二酸化マ
ンガン膜１６との接触部ａの面積をＳａ、これらの非接
触部の面積ｂをＳｂ、Ｓｂのうち水分で覆われている比
率をα、相対湿度をＲＨ（％）で表すと、αおよび電極
の有効面積Ｓは数式１および下記の式で表される。
おいて容量Ｃが相対湿度により変化することを以下に説
明する。図１に示した本発明の湿度センサにおいては、
コンデンサを構成する電極間絶縁層はゲート絶縁膜１４
と酸化タンタル膜１５であるため、これらの比比誘電率
をそれぞれε１ 、ε２ とし、またこれらの導電率を
それぞれσ１ 、σ２ とする。また、電極間距離ｄは
ゲート絶縁膜１４と酸化タンタル膜１５のそれぞれの厚
さの合計である。次に、酸化タンタル膜１５と二酸化マ
ンガン膜１６との接触部ａの面積をＳａ、これらの非接
触部の面積ｂをＳｂ、Ｓｂのうち水分で覆われている比
率をα、相対湿度をＲＨ（％）で表すと、αおよび電極
の有効面積Ｓは数式１および下記の式で表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】Ｓ＝Ｓａ＋αＳｂ
また、二層の誘電体であるゲート絶縁膜１４と酸化タン
タル膜１５を含むコンデンサの容量Ｃは数式２で表され
る。
タル膜１５を含むコンデンサの容量Ｃは数式２で表され
る。
【００２０】
【数２】
【００２１】この数式２の第２項はσ１ 、σ２ が十
分小さいので数式３で近似される。
分小さいので数式３で近似される。
【００２２】
【数３】
【００２３】上記の各数式から数式４が得られる。
【００２４】
【数４】
【００２５】この数式４から容量Ｃは相対湿度ＲＨに応
じて変化することがわかる。ところで、ゲート絶縁膜１
４と酸化タンタル膜１５に蓄えられる電荷の量Ｑｃｏは
次の式 Ｑｃｏ＝ＣＶＧ で表され、シリコン基板内に誘起される電荷Ｑｃｈは数
式５
じて変化することがわかる。ところで、ゲート絶縁膜１
４と酸化タンタル膜１５に蓄えられる電荷の量Ｑｃｏは
次の式 Ｑｃｏ＝ＣＶＧ で表され、シリコン基板内に誘起される電荷Ｑｃｈは数
式５
【００２６】
【数５】
【００２７】で表されるように、Ｑｃｏに比例するため
、Ｑｃｈは数式６
、Ｑｃｈは数式６
【００２８】
【数６】
【００２９】のように表される。この数式６からＭＯＳ
ＦＥＴのチャンネル幅が相対湿度ＲＨにより変化するこ
とが示され、従ってこの相対湿度の変化はＭＯＳＦＥＴ
の出力変化から読み取ることができることがわかる。
ＦＥＴのチャンネル幅が相対湿度ＲＨにより変化するこ
とが示され、従ってこの相対湿度の変化はＭＯＳＦＥＴ
の出力変化から読み取ることができることがわかる。
【００３０】図３は図１に示した本発明の湿度センサの
製造方法を示す断面図である。先ず図３（Ａ）に示すよ
うに、ｐ型のシリコン基板１１の表面に熱酸化法により
５０００Ａの厚さで酸化シリコン膜を形成し、フィール
ド絶縁膜部分１８を残して酸化膜を除去して新たにゲー
ト酸化膜１５を約５００Ａ（オングストローム、以下Ａ
と略記する）の厚さで形成する。このゲート酸化膜１５
上に図３（Ｂ）に示すように、酸化タンタル（Ｔａ２
Ｏ５ ）膜１５をプラズマＣＶＤ法により形成する。こ
の時の条件は次の通りである。 生成温度；３５０℃ 反応ガス；塩化タンタル、水素、二酸化炭素の混合ガス
（ＴａＣｌ５ −Ｈ２ −ＣＯ２ ） 圧力 ；０．２Ｔｏｒｒ パワー／周波数；６０Ｗ／１３．６ＭＨｚ生成速度（膜
厚）；３０Ａ（３００Ａ）成膜後、膜質向上のため真空
中８００℃で熱処理を行った。
製造方法を示す断面図である。先ず図３（Ａ）に示すよ
うに、ｐ型のシリコン基板１１の表面に熱酸化法により
５０００Ａの厚さで酸化シリコン膜を形成し、フィール
ド絶縁膜部分１８を残して酸化膜を除去して新たにゲー
ト酸化膜１５を約５００Ａ（オングストローム、以下Ａ
と略記する）の厚さで形成する。このゲート酸化膜１５
上に図３（Ｂ）に示すように、酸化タンタル（Ｔａ２
Ｏ５ ）膜１５をプラズマＣＶＤ法により形成する。こ
の時の条件は次の通りである。 生成温度；３５０℃ 反応ガス；塩化タンタル、水素、二酸化炭素の混合ガス
（ＴａＣｌ５ −Ｈ２ −ＣＯ２ ） 圧力 ；０．２Ｔｏｒｒ パワー／周波数；６０Ｗ／１３．６ＭＨｚ生成速度（膜
厚）；３０Ａ（３００Ａ）成膜後、膜質向上のため真空
中８００℃で熱処理を行った。
【００３１】次いで、酸化タンタル膜１５の不要部分除
去と、ゲート酸化膜１５の窓開けを行い、図３（Ｃ）に
示すように、イオン注入法により燐を注入してソース・
ドレイン領域１２、１３を形成する。そして、これらの
領域を含むフィールド酸化膜１８上にアルミニウムを蒸
着してソース電極１９、ドレイン電極２０を形成する。 その後、図３（Ｄ）に示すように、酸化タンタル膜１５
形成部分を残して２μｍ厚の窒化シリコン膜２１で全体
を覆う。酸化タンタル膜１５の上には二酸化マンガン膜
１６がＲＦスパッタリング法により形成される。この時
、膜をポーラスにするため下記の条件でスパッタリング
を行う。 基板温度 ；１２０℃以下 Ａｒガス圧；３×１０−２Ｔｏｒｒ ＲＦパワー；１．５ｋＷ 膜厚 ；６μｍ 次いで透湿性、導電性をともに損なわないように１５０
Ａの厚みで白金を蒸着して、ゲート電極１７を形成する
。
去と、ゲート酸化膜１５の窓開けを行い、図３（Ｃ）に
示すように、イオン注入法により燐を注入してソース・
ドレイン領域１２、１３を形成する。そして、これらの
領域を含むフィールド酸化膜１８上にアルミニウムを蒸
着してソース電極１９、ドレイン電極２０を形成する。 その後、図３（Ｄ）に示すように、酸化タンタル膜１５
形成部分を残して２μｍ厚の窒化シリコン膜２１で全体
を覆う。酸化タンタル膜１５の上には二酸化マンガン膜
１６がＲＦスパッタリング法により形成される。この時
、膜をポーラスにするため下記の条件でスパッタリング
を行う。 基板温度 ；１２０℃以下 Ａｒガス圧；３×１０−２Ｔｏｒｒ ＲＦパワー；１．５ｋＷ 膜厚 ；６μｍ 次いで透湿性、導電性をともに損なわないように１５０
Ａの厚みで白金を蒸着して、ゲート電極１７を形成する
。
【００３２】上記の第１の実施例では感湿体層として金
属酸化物層を用いたが、金属酸化物層の代わりに金属窒
化物の酸化物層を用いることができる。以下では感湿体
層として金属窒化物の酸化物層を用いた本発明の第２の
実施例について説明する。すなわち、金属窒化物の酸化
物はＭＮＸ ＯＹ （Ｍ；金属、Ｎ；窒素、Ｏ；酸素、
Ｘ，Ｙ；任意の数）なる組成を備えている。この組成中
の金属（Ｍ）としては、ＩＶａ族の金属、バナジウムを
除くＶａ族の金属、アルミニウムまたはタングステンあ
るいはこれらの合金である。ここではＭに当たる金属を
タンタルとしてＴａＮＸ ＯＹ 膜を下記の条件でのプ
ラズマＣＶＤ法により形成した。 生成温度；４００℃ 反応ガス；塩化タンタル、水素、二酸化炭素、アンモニ
アの混合ガス（ＴａＣｌ５ −Ｈ２ −ＣＯ２ −ＮＨ
３ ）圧力 ；０．２Ｔｏｒｒ パワー／周波数；６０Ｗ／１３．６ＭＨｚ生成速度（膜
厚）；３０Ａ（３００Ａ）本実施例では感湿体層として
金属窒化物の酸化物層を用いること以外は第１の実施例
と構造および製造方法ともに同じであるため、これらに
ついての説明は省略する。
属酸化物層を用いたが、金属酸化物層の代わりに金属窒
化物の酸化物層を用いることができる。以下では感湿体
層として金属窒化物の酸化物層を用いた本発明の第２の
実施例について説明する。すなわち、金属窒化物の酸化
物はＭＮＸ ＯＹ （Ｍ；金属、Ｎ；窒素、Ｏ；酸素、
Ｘ，Ｙ；任意の数）なる組成を備えている。この組成中
の金属（Ｍ）としては、ＩＶａ族の金属、バナジウムを
除くＶａ族の金属、アルミニウムまたはタングステンあ
るいはこれらの合金である。ここではＭに当たる金属を
タンタルとしてＴａＮＸ ＯＹ 膜を下記の条件でのプ
ラズマＣＶＤ法により形成した。 生成温度；４００℃ 反応ガス；塩化タンタル、水素、二酸化炭素、アンモニ
アの混合ガス（ＴａＣｌ５ −Ｈ２ −ＣＯ２ −ＮＨ
３ ）圧力 ；０．２Ｔｏｒｒ パワー／周波数；６０Ｗ／１３．６ＭＨｚ生成速度（膜
厚）；３０Ａ（３００Ａ）本実施例では感湿体層として
金属窒化物の酸化物層を用いること以外は第１の実施例
と構造および製造方法ともに同じであるため、これらに
ついての説明は省略する。
【００３３】上記第２の実施例では感湿体層として金属
酸化物層の代わりに金属窒化物の酸化物層を用いること
により、感湿体層を構成する誘電体膜の温度依存性を低
くすることができた。図４は本発明の温度センサの温度
依存性を示すグラフであり、横軸に温度を、縦軸にセン
サ出力をそれぞれ示している。同図中の実線イは本発明
の第２の実施例として示したセンサ、破線ロは本発明の
第１の実施例として示したセンサの場合をそれぞれ示し
ている。これから判るように本発明の第２の実施例によ
り、センサの温度依存性がより改善される。センサの温
度依存性を低くすることにより、相対湿度を得るための
温度補償回路が簡易化されあるいは不要になるという効
果が得られる。
酸化物層の代わりに金属窒化物の酸化物層を用いること
により、感湿体層を構成する誘電体膜の温度依存性を低
くすることができた。図４は本発明の温度センサの温度
依存性を示すグラフであり、横軸に温度を、縦軸にセン
サ出力をそれぞれ示している。同図中の実線イは本発明
の第２の実施例として示したセンサ、破線ロは本発明の
第１の実施例として示したセンサの場合をそれぞれ示し
ている。これから判るように本発明の第２の実施例によ
り、センサの温度依存性がより改善される。センサの温
度依存性を低くすることにより、相対湿度を得るための
温度補償回路が簡易化されあるいは不要になるという効
果が得られる。
【００３４】図５は本発明の第３の実施例である湿度セ
ンサの要部を示す断面図である。この実施例では感湿体
層は第１および第２の実施例で示した金属酸化物層ある
いは金属窒化物の酸化物層から構成される第１層１５´
と、同じく第１および第２の実施例で示した半導体性金
属酸化物層１６から構成されるが、第１層１５´膜の構
造に次のような特徴を有している。すなわち、この第１
層１５´膜はゲート絶縁膜１４に接する側のｅ層では酸
化物としての化学量論比を満足し、半導体性金属酸化物
層１６に接する側のｆ層では酸素過剰組成となるように
、金属の酸化数が調整されている。例えばこの第１層１
５´膜として酸化タンタルＴａＯ２ を用いる場合、ｅ
層は化学量論比ＴａＯ２ を満足したｐ型半導体層であ
り、ｆ層は酸素過剰組成ＴａＯｎ（ｎ＞２．５）を有す
るｐ型半導体層となっている。この構造で誘電体として
作用するのは化学量論比を満足しているｅ層であり、ｆ
層は静電容量には関与しない。従って先に示した数式４
において容量Ｃは次の数式７で表される。
ンサの要部を示す断面図である。この実施例では感湿体
層は第１および第２の実施例で示した金属酸化物層ある
いは金属窒化物の酸化物層から構成される第１層１５´
と、同じく第１および第２の実施例で示した半導体性金
属酸化物層１６から構成されるが、第１層１５´膜の構
造に次のような特徴を有している。すなわち、この第１
層１５´膜はゲート絶縁膜１４に接する側のｅ層では酸
化物としての化学量論比を満足し、半導体性金属酸化物
層１６に接する側のｆ層では酸素過剰組成となるように
、金属の酸化数が調整されている。例えばこの第１層１
５´膜として酸化タンタルＴａＯ２ を用いる場合、ｅ
層は化学量論比ＴａＯ２ を満足したｐ型半導体層であ
り、ｆ層は酸素過剰組成ＴａＯｎ（ｎ＞２．５）を有す
るｐ型半導体層となっている。この構造で誘電体として
作用するのは化学量論比を満足しているｅ層であり、ｆ
層は静電容量には関与しない。従って先に示した数式４
において容量Ｃは次の数式７で表される。
【００３５】
【数７】
【００３６】数式７のｄは本発明の第３の実施例におい
てはゲート絶縁膜の厚さおよびｅ層の厚さを示している
ことになる。ところでｐ型半導体であるｆ層は水分に対
し非常に活発な層である。電圧印加時において透湿性ゲ
ート電極１７、半導体性金属酸化物層１６を透過してき
た水分がこのｆ層に吸着するとＨ２ Ｏからの酸素イオ
ンがｆ層からｅ層に向かって拡散し、ｆ層の厚みが増す
。 これとは逆にｆ層に吸着していた水分が脱着すると酸素
イオンの供給がなくなり、ｅ層に向かっていた拡散が次
第に減少してｆ層の厚さは減少し、最終的には水分吸着
のない状態に減少していく。換言すれば、相対湿度の増
加により、ｅ層の厚さが減少し、相対湿度の減少によっ
てｅ層の厚さが増加することになる。ここでｄＧ ；ケ
ート絶縁膜の厚さ ｄｅ；ｅ層の厚さ β ；相対湿度の変化によりｄｅの減少する比率とす
ると、βは次式８で表され、
てはゲート絶縁膜の厚さおよびｅ層の厚さを示している
ことになる。ところでｐ型半導体であるｆ層は水分に対
し非常に活発な層である。電圧印加時において透湿性ゲ
ート電極１７、半導体性金属酸化物層１６を透過してき
た水分がこのｆ層に吸着するとＨ２ Ｏからの酸素イオ
ンがｆ層からｅ層に向かって拡散し、ｆ層の厚みが増す
。 これとは逆にｆ層に吸着していた水分が脱着すると酸素
イオンの供給がなくなり、ｅ層に向かっていた拡散が次
第に減少してｆ層の厚さは減少し、最終的には水分吸着
のない状態に減少していく。換言すれば、相対湿度の増
加により、ｅ層の厚さが減少し、相対湿度の減少によっ
てｅ層の厚さが増加することになる。ここでｄＧ ；ケ
ート絶縁膜の厚さ ｄｅ；ｅ層の厚さ β ；相対湿度の変化によりｄｅの減少する比率とす
ると、βは次式８で表され、
【００３７】
【数８】
【００３８】ｄは次の式
ｄ＝ｄＧ ＋ｄｅ−βｄｅ
で表されるから、数式４を書き換えると、Ｃは次式９の
ように書き替えられる。
ように書き替えられる。
【００３９】
【数９】
【００４０】そして、Ｑｃｏと数式５とにより、Ｑｃｈ
は数式１０で表される。
は数式１０で表される。
【００４１】
【数１０】
【００４２】このように本発明の第３の実施例によれば
、第１の実施例と同様な電極の有効面積の変化に加え、
電極間距離の変化も伴うため、より高感度に湿度変化を
検出することができる。
、第１の実施例と同様な電極の有効面積の変化に加え、
電極間距離の変化も伴うため、より高感度に湿度変化を
検出することができる。
【００４３】図６に本発明の湿度センサの複合化の実施
例として、温度センサを同一チップ上に形成した装置を
示す。湿度センサ部分は図１のセンサと同一構造のため
、各構成部分には同一符号を付して説明は省略する。 複合化される温度センサは、半導体基板１１上に形成さ
れたｎ型領域３１とフィールド絶縁膜１８に設けられた
窓を介してｎ型領域３１に接続される電極配線３２から
構成されるダイオードにより構成される。この電極配線
３２の表面は窒化シリコン膜２１により覆われる。この
温度センサ部分の製造は湿度センサの製造プロセスに組
み込み同一のプロセスにより製造が可能である。これは
湿度センサをＭＯＳＦＥＴにより構成したことによる効
果である。
例として、温度センサを同一チップ上に形成した装置を
示す。湿度センサ部分は図１のセンサと同一構造のため
、各構成部分には同一符号を付して説明は省略する。 複合化される温度センサは、半導体基板１１上に形成さ
れたｎ型領域３１とフィールド絶縁膜１８に設けられた
窓を介してｎ型領域３１に接続される電極配線３２から
構成されるダイオードにより構成される。この電極配線
３２の表面は窒化シリコン膜２１により覆われる。この
温度センサ部分の製造は湿度センサの製造プロセスに組
み込み同一のプロセスにより製造が可能である。これは
湿度センサをＭＯＳＦＥＴにより構成したことによる効
果である。
【００４４】
【発明の効果】以上説明した本発明の湿度センサにおい
ては、小型で高感度、耐候性および経時安定性に優れ、
かつ多機能・複合化の要請にも答えられる電界効果型ト
ランジスタを用いた湿度センサが得られる。
ては、小型で高感度、耐候性および経時安定性に優れ、
かつ多機能・複合化の要請にも答えられる電界効果型ト
ランジスタを用いた湿度センサが得られる。
【図１】本発明の電界効果型トランジスタを用いた湿度
センサの構造を示す断面図である。
センサの構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す湿度センサのゲート電極部分の拡大
図である。
図である。
【図３】図１に示した本発明の湿度センサの製造方法を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図４】本発明の温度センサの温度依存性を示すグラフ
である。
である。
【図５】本発明の第３の実施例である湿度センサの要部
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図６】本発明の湿度センサの複合化の実施例を示す断
面図である。
面図である。
１１ 半導体基板
１２ ソース領域
１３ ドレイン領域
１４ ゲート絶縁膜
１５ 酸化タンタル膜
１６ 二酸化マンガン膜
１７ ゲート電極
１８ フィールド絶縁膜
１９ ソース電極
２０ ドレイン電極
２１ 窒化膜
３１ ｎ型領域
３２ 電極配線
Claims (10)
- 【請求項１】 水分の吸脱着により静電容量が変化す
る感湿体を電界効果型トランジスタ素子のゲート絶縁膜
上に積層して一体構造に結合した湿度センサにおいて、
第１層に金属酸化物、第２層に半導体性金属酸化物、第
３層に透湿性電極を順次積層してなる材料を用い、前記
第３層の透湿性電極が前記電界効果型トランジスタ素子
のゲートの機能を兼ねるようにしたことを特徴とする湿
度センサ。 - 【請求項２】 前記感湿体層を構成する金属酸化物は
、ＩＶａ族の金属、バナジウムを除くＶａ族の金属、ア
ルミニウムまたはタングステンあるいはこれらの合金の
酸化物を含んでいることを特徴とする請求項１記載の湿
度センサ。 - 【請求項３】 前記感湿体層を構成する半導体性金属
酸化物は、二酸化マンガン、酸化錫、酸化ニッケル、酸
化ルテニウム、酸化ビスマス、酸化モリブデンのうちの
いずれか１つまたは複数を含んでいることを特徴とする
請求項１記載の湿度センサ。 - 【請求項４】 水分の吸脱着により静電容量が変化す
る感湿体を電界効果型トランジスタ素子のゲート絶縁膜
上に積層して一体構造に結合した湿度センサにおいて、
前記感湿体は第１層に金属窒化物の酸化物（ＭＮｘ Ｏ
ｙ ）（但し、Ｍは金属、Ｘ、Ｙはそれぞれ任意の数）
、第２層に半導体性金属酸化物、第３層に透湿性電極を
順次積層してなる材料を用い、前記第３層の透湿性電極
が前記電界効果型トランジスタ素子のゲートの機能を兼
ねるようにしたことを特徴とする湿度センサ。 - 【請求項５】 前記感湿体層を構成する金属窒化物の
酸化物（ＭＮｘ Ｏｙ ）に含まれる金属（Ｍ）は、Ｉ
Ｖａ族の金属、バナジウムを除くＶａ族の金属、アルミ
ニウムまたはタングステンあるいはこれらの合金のうち
のいずれか１つまたは複数を含んでいることを特徴とす
る請求項４記載の湿度センサ。 - 【請求項６】 前記感湿体層を構成する半導体性金属
酸化物は、二酸化マンガン、酸化錫、酸化ニッケル、酸
化ルテニウム、酸化ビスマス、酸化モリブデンのうちの
いずれか１つまたは複数を含んでいることを特徴とする
請求項４記載の湿度センサ。 - 【請求項７】 第１層に金属酸化物または金属窒化物
の酸化物（ＭＮｘ Ｏｙ ）（但し、Ｍは金属、Ｘ、Ｙ
はそれぞれ任意の数）、第２層に半導体性金属酸化物、
第３層に透湿性電極を順次積層してなる材料を感湿体と
し、前記電界効果型トランジスタ素子のゲート絶縁膜上
に前記透湿性電極がゲート電極として機能するように積
層してなる湿度センサであって、前記感湿体中の金属酸
化物または金属窒化物の酸化物を反応性スパッタリング
、ＣＶＤ等の金属の酸化数を調整できる手法によってつ
くることにより、前記ゲート絶縁膜に接する側では酸化
物としての化学量論比を満足し、前記半導体性金属酸化
物層に接する側の薄い部分で酸素過剰組成となるように
したことを特徴とする湿度センサ。 - 【請求項８】 前記感湿体を構成する金属酸化物は、
ＩＶａ族の金属、バナジウムを除くＶａ族の金属、アル
ミニウムまたはタングステンあるいはこれらの合金の酸
化物を含んでいることを特徴とする請求項７記載の湿度
センサ。 - 【請求項９】 前記感湿体層を構成する金属窒化物の
酸化物（ＭＮｘ Ｏｙ ）に含まれる金属（Ｍ）は、Ｉ
Ｖａ族の金属、バナジウムを除くＶａ族の金属、アルミ
ニウムまたはタングステンあるいはこれらの合金のうち
のいずれか１つまたは複数を含んでいることを特徴とす
る請求項７記載の湿度センサ。 - 【請求項１０】 前記感湿体層を構成する半導体性金
属酸化物は、二酸化マンガン、酸化錫、酸化ニッケル、
酸化ルテニウム、酸化ビスマス、酸化モリブデンのうち
のいずれか１つまたは複数を含んでいることを特徴とす
る請求項７記載の湿度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3160887A JP3041491B2 (ja) | 1991-06-06 | 1991-06-06 | 湿度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3160887A JP3041491B2 (ja) | 1991-06-06 | 1991-06-06 | 湿度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04361149A true JPH04361149A (ja) | 1992-12-14 |
| JP3041491B2 JP3041491B2 (ja) | 2000-05-15 |
Family
ID=15724516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3160887A Expired - Lifetime JP3041491B2 (ja) | 1991-06-06 | 1991-06-06 | 湿度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3041491B2 (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006084417A (ja) * | 2004-09-17 | 2006-03-30 | Canon Inc | センサおよびその製造方法 |
| JP2010192766A (ja) * | 2009-02-19 | 2010-09-02 | Tokyo Electron Ltd | 半導体装置の製造方法 |
| US8007167B2 (en) * | 2005-09-30 | 2011-08-30 | Silicon Laboratories Inc. | Integrated electronic sensor |
| JP2011196835A (ja) * | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Fujitsu Ltd | センサ装置およびその製造方法 |
| JP2012127956A (ja) * | 2003-08-12 | 2012-07-05 | Panasonic Corp | センサおよびこの製造方法 |
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| US8497531B2 (en) | 2004-04-02 | 2013-07-30 | Silicon Laboratories Inc. | Integrated MOS gas or humidity sensor having a wireless transceiver |
| FR2994268A1 (fr) * | 2012-08-02 | 2014-02-07 | Bosch Gmbh Robert | Capteur de gaz pour determiner des substances contenues dans un melange gazeux et procede pour la realisation d'un tel capteur |
| US8669131B1 (en) | 2011-09-30 | 2014-03-11 | Silicon Laboratories Inc. | Methods and materials for forming gas sensor structures |
| US8691609B1 (en) | 2011-09-30 | 2014-04-08 | Silicon Laboratories Inc. | Gas sensor materials and methods for preparation thereof |
| US8852513B1 (en) | 2011-09-30 | 2014-10-07 | Silicon Laboratories Inc. | Systems and methods for packaging integrated circuit gas sensor systems |
| US9164052B1 (en) | 2011-09-30 | 2015-10-20 | Silicon Laboratories Inc. | Integrated gas sensor |
| JP2017508958A (ja) * | 2014-02-17 | 2017-03-30 | ノキア テクノロジーズ オーユー | 装置および関連する方法 |
-
1991
- 1991-06-06 JP JP3160887A patent/JP3041491B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (18)
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3041491B2 (ja) | 2000-05-15 |
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