(57)【要約】【課題】  ＡＤコンバータを必要としなくても、デジタル的な出力を発生させられるセンサ装置を提供する。【解決手段】  ｎＭＯＳトランジスタ２とトレンチ１１を用いて形成した容量３とを組とする複数のメモリセル４を備えた構造で湿度センサを構成する。そして、トレンチ１１の幅を複数のメモリセル４ごとに変えることで、容量値Ｃが異なる値となるようにする。これにより、雰囲気の湿度に応じた水分が感湿膜３１に吸収された場合に、雰囲気中の湿度が同一であっても、各メモリセル４における容量３の容量値Ｃが異なることになる。換言すれば、各メモリセル４における容量３で検出できる容量値Ｃが変わる。したがって、メモリセル４が書き込み状態か書き込みがなされていない状態であるかを読み出すことで、湿度をデジタル値として検出することが可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１）に、スイッチ用のトランジスタ（２）と容量（３）とを組として備えた複数のメモリセル（４）を有してなり、測定対象となる物理量に応じた出力を発生させるセンサ装置であって、
前記トランジスタ（２）は、
第１導電型で構成されたソース領域（５）およびドレイン領域（６）と、
前記ソース領域（５）およびドレイン領域（６）の間に挟まれた領域の表面に、ゲート絶縁膜（７）を介して形成されたゲート電極（８）と、を有して構成され、
前記容量（３）は、
前記半導体基板（１）に形成されたトレンチ（１１）と、
前記トレンチ（１１）内に形成され、前記ソース領域（５）と繋がった第１導電型の半導体領域（１２）と、
前記半導体領域（１２）の表面において前記トレンチ（１１）を埋め込むように形成され、検出対象となる物理量の変動に応じて誘電率（ε）が変化する膜（１３）と、
前記トレンチ（１１）と対向するように、前記膜（１３）の表面において、絶縁膜（１５）を介して形成された電極（１４）と、を有して構成され、
前記トレンチ（１１）の開口面積が、前記複数のメモリセル（４）ごとに異なる値に設定されており、
前記複数のメモリセル（４）が書き込みがされていない状態か書き込み状態かを読み出し、それに応じた出力を発生させるようになっていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記トレンチ（１１）は、前記複数のメモリセル（４）ごとに異なる幅とされることで、その開口面積が前記複数のメモリセル（４）ごとに異なる値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記複数のメモリセル（４）に備えられた前記容量（３）における前記トレンチ（１１）の幅は、前記複数のメモリセル（４）ごとに倍々の値に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
半導体基板に、スイッチ用のトランジスタと容量（２０３）とを組として備えた複数のメモリセル（２０４）を有してなり、測定対象となる物理量に応じた出力を発生させるセンサ装置であって、
前記トランジスタは、
第１導電型で構成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域およびドレイン領域の間に挟まれた領域の表面に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有して構成され、
前記容量（２０３）は、
前記半導体基板に形成された複数の櫛歯電極（２０１）と、
前記半導体基板の上において、前記複数の櫛歯電極（２０１）の間を埋め込むように形成され、検出対象となる物理量の変動に応じて誘電率（ε）が変化する膜（２０３）と、を有して構成され、
前記複数の櫛歯電極（２０１）の間の間隔は、前記複数のメモリセル（２０４）ごとに異なる間隔に設定されており、
前記複数のメモリセル（２０４）が書き込みがされていない状態か書き込み状態かを読み出し、それに応じた出力を発生させるようになっていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項５】
前記複数のメモリセル（２０４）に備えられた前記容量（２０３）における前記複数の櫛歯電極（２０１）の間の間隔は、前記複数のメモリセル（２０４）ごとに倍々の値に設定されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１つに記載のセンサ装置において、前記膜は、雰囲気中の湿度に応じて誘電率（ε）が変化する感湿膜（１３、２０３）であり、前記測定対象として湿度を検出することを特徴とするセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ出力をデジタル的に出力することができるセンサ装置に関するもので、例えば、湿度センサや赤外線センサ等のセンサ装置に適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、湿度センサには、大別して抵抗式のものと容量式のものの２タイプがある。そのうち、容量式の湿度センサとして、例えば、図５に示される構造のものがある。
【０００３】
図５は、湿度センサの断面構造を示したものであり、この図に示されるように、半導体基板Ｊ１の表面には絶縁膜Ｊ２が形成されていると共に、複数のトレンチＪ３によって分割された複数の電極Ｊ４が形成されており、この複数の電極Ｊ４の表面に形成された絶縁膜Ｊ５を介して、複数のトレンチＪ３内を感湿材Ｊ６で埋め込まれている。
【０００４】
このような構成の湿度センサでは、感湿材Ｊ６の誘電率εが雰囲気中の湿度に応じて変動することから、複数の電極Ｊ４の間に形成される容量が変化することから、その容量変化に応じた電気信号の変動に基づいて、湿度を検出するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２４３６８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記構成の湿度センサでは、複数の電極Ｊ４の間に形成される容量に応じた電気信号を出力することになるため、その出力はアナログ的なものとなる。このため、湿度センサの出力をデジタル出力に変換しなければならず、そのためにＡＤコンバータが必要になって、湿度センサの回路構成が複雑になり、湿度センサの小型化が測れなくなるという問題がある。
【０００６】
なお、ここでは湿度センサを一例に挙げて説明したが、このような形態が採用されるセンサ装置、例えば赤外線センサや圧力センサ等に関しても、同様の問題がある。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、ＡＤコンバータを必要としなくても、デジタル的な出力を発生させられるセンサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１）に、スイッチ用のトランジスタ（２）と容量（３）とを組として備えた複数のメモリセル（４）を有した構造により、センサ装置を構成している。そして、このようなセンサ装置において、半導体基板（１）に形成されたトレンチ（１１）と、トレンチ（１１）内に形成され、ソース領域（５）と繋がった第１導電型の半導体領域（１２）と、半導体領域（１２）の表面においてトレンチ（１１）を埋め込むように形成され、検出対象となる物理量の変動に応じて誘電率（ε）が変化する膜（１３）と、トレンチ（１１）と対向するように、膜（１３）の表面において、絶縁膜（１５）を介して形成された電極（１４）と、を有した構成によって容量（３）を形成し、そのトレンチ（１１）の開口面積を複数のメモリセル（４）ごとに異なる値に設定していることを特徴としている。
【０００９】
このような構成のセンサ装置では、トレンチ（１１）の開口面積が異なったものとされているため、容量（３）が書き込み状態とされる物理量の大きさが異なるものとなる。  このため、複数のメモリセル（４）の容量（３）が書き込み状態であるか書き込みが為されていない状態であるかを読み出せば、その物理量の大きさをデジタル値として得ることが可能となる。
【００１０】
したがって、ＡＤコンバータを必要としなくても、デジタル的な出力を発生させることが可能となる。これにより、湿度センサの回路構成が複雑になることを防止でき、湿度センサの小型化を測ることも可能となる。
【００１１】
例えば、請求項２に示されるように、トレンチ（１１）の開口面積は、トレンチ（１１）の幅が変えられることで、複数のメモリセル（４）ごとに異なる値に設定される。この場合、例えば請求項３に示されるように、複数のメモリセル（４）に備えられた容量（３）におけるトレンチ（１１）の幅を、複数のメモリセル（４）ごとに倍々の値に設定することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明を、容量が櫛歯電極（２０１）によって形成されるセンサ装置に適用したものである。
【００１３】
このように、容量が櫛歯電極（２０１）で構成されるようなセンサ装置に関しても、請求項３に示されるように、複数の櫛歯電極（２０１）の間の間隔を、複数のメモリセル（２０４）ごとに異なる間隔に設定することで、請求項１と同様の効果を得ることが可能となる。
【００１４】
この場合にも、例えば請求項５に示されるように、複数のメモリセル（２０４）に備えられた容量（２０２）における複数の櫛歯電極（２０１）の間の間隔は、複数のメモリセル（２０４）ごとに倍々の値に設定される。
【００１５】
これら請求項１ないし５に示される発明は、例えば、請求項６に示されるように、雰囲気中の湿度に応じて誘電率（ε）が変化する感湿膜（１３、２０３）を用いて湿度を検出する湿度センサに適用される。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用したセンサ装置としての湿度センサにおけるセンシング部の断面構造を図１に示す。
【００１９】
図１に示されるように、湿度センサのセンシング部１００は、Ｐ型のシリコン基板１上にｎＭＯＳトランジスタ２と容量３とを１組としたメモリセル４が複数備えられた構成となっている。
【００２０】
ｎＭＯＳトランジスタ２は、スイッチ用のトランジスタとして働くもので、シリコン基板１の表層部に互いに離間して形成されたソース領域５およびドレイン領域６と、シリコン基板１の表面上にゲート絶縁膜７を介して形成されたゲート電極８とを備えて構成されている。このｎＭＯＳトランジスタ２の構造に関しては、複数のメモリセル４それぞれで同じ構造となっており、各メモリセル４に備えられたｎＭＯＳトランジスタ２のゲート電極８がワード線９ａに接続され、ドレイン領域６がビット線９ｂに接続された構成となっている。
【００２１】
なお、ワード線９ａおよびビット線９ｂは、ゲート電極８上において層間絶縁膜１０を介して形成されており、層間絶縁膜１０に形成されたコンタクトホール１０ａ、１０ｂを通じてゲート電極８やドレイン領域６との電気的接続がなされている。
【００２２】
容量３は、シリコン基板１の表面から所定深さの位置まで形成されたトレンチ１１を利用し、このトレンチ１１の内壁に形成したｎ+層１２と、トレンチ１１を埋め込むようにｎ+型層１２の表面に形成された感湿膜１３と、感湿膜１３の上に形成された電極１４とを備えて構成されている。
【００２３】
トレンチ１１は、各メモリセル４それぞれで異なる幅とされることで開口面積が変えられており、例えば、紙面左側のトレンチ１１の幅Ｗに対して、紙面右側に移行するに連れて、その幅が倍々となるように各トレンチ１１の幅が設定されている。
【００２４】
ｎ+型層１２は、その一端がソース領域５と接触した構造となっている。
【００２５】
感湿膜１３は、雰囲気中の湿度に応じてその誘電率εを変化させるものである。このため、感湿膜１３に含まれる誘電率εに応じて容量３における容量値が決まるようになっている。
【００２６】
電極１４は、絶縁膜１５を介して感湿膜１３に対向するように配置されている。この電極１４と感湿膜１３とにより、容量３を構成する両電極が形成されている。
【００２７】
ここで、容量３の容量値Ｃは、以下のように定義される。
【００２８】
（数１）
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ
ただし、Ｓは容量３における面積であり、ほぼ感湿膜１３のうちトレンチ１１の底面に位置する部分の面積に相当している。また、ｄは容量３における電極間隔であり、感湿膜１３の深さに相当している。
【００２９】
したがって、上述したように、複数のメモリセル４それぞれにおいて、トレンチ１１の幅が変えられていることで、各メモリセル４に備えられた容量３の容量値Ｃは、異なる値となっている。
【００３０】
このように構成される湿度センサにおいて、各メモリセル４の等価回路を示すと、図２のように表されることになる。
【００３１】
続いて、図３に、湿度センサのセンサ回路の概略構成を示す。
【００３２】
図３に示されるように、センシング部１００は、複数のメモリセル４がマトリクス状に配置されて構成されている。ただし、実際には、図３中のマトリクス状に分割された各区画に、図２に示された各メモリセル４が配置されているが、ここでは図を簡略化するために省略してある。
【００３３】
このセンシング部１００における各ワード線９ａに接続されるように、行デコーダ２０が備えられている。この行デコーダ２０は、湿度センサ駆動用の制御部（図示せず）から行アドレスが入力されると、その行アドレスに対応するワード線９ａに対して電圧を印加するようになっている。これにより、複数のメモリセル４のうち、行アドレスで指定されたワード線９ａに電気的に接続されているメモリセル４のｎＭＯＳトランジスタ２のゲート電極８に対してゲート電圧が印加された状態となり、ゲート電極８の下方に位置するシリコン基板１の表層部の導電型反転し、ソース領域５とドレイン領域６との間が導通させられるようになっている。
【００３４】
また、センシング部１００における各ビット線９ｂの間には、センスアンプ３０が備えられていると共に、列選択スイッチ３１が備えられている。列選択スイッチ３１は、例えばＭＯＳトランジスタによって構成されており、列デコーダ３２によって駆動されるようになっている。すなわち、列デコーダ３２は、湿度センサ駆動用の制御部（図示せず）から列アドレスが入力されると、その列アドレスに対応する列選択スイッチ３１がオンされるように、列選択スイッチ３１に印加する電圧を調整する。これにより、ビット線９ｂと列選択スイッチ３１に接続されたデータライン３３との接続状態を制御できるようになっている。
【００３５】
以上のように構成される湿度センサは、容量値Ｃが異なる容量３を備えた複数のメモリセル４を備えた構成とされている。このため、雰囲気の湿度に応じた水分が感湿膜３１に吸収された場合に、雰囲気中の湿度が同一であっても、各メモリセル４における容量３の容量値Ｃが異なることになる。換言すれば、各メモリセル４における容量３で検出できる容量値Ｃが変わる。
【００３６】
したがって、複数のメモリセル４のしきい値を同一にすれば、各メモリセル４の容量Ｃの書き込み状態が雰囲気中の湿度に応じて異なるものとなる。つまり、各メモリセル４が書き込み状態とされるのは、各メモリセル４の容量３の容量値Ｃが所定値（しきい値）となったときである。そして、容量３の容量値Ｃが上述した数式１として表されることから、湿度が高くなって、感湿膜１３の誘電率εが大きくなると、容量３の容量値Ｃが大きくなる。この容量値Ｃは、複数のメモリセル４のすべてにおいて容量３の電極間隔ｄが同じになっていることから、容量３の面積Ｓと誘電率εを変数として定義されることになる。したがって、各メモリセル４に備えられる容量３のうち面積Ｓが大きなもの、つまりトレンチ１１の幅が大きなものは、湿度が低くても容量値Ｃが大きな値となって書き込み状態となる。逆に、各メモリセル４に備えられる容量３のうち面積Ｓが小さなもの、つまりトレンチ１１の幅が小さいものは、湿度が低いと容量値Ｃが小さな値となって書き込みが為されていない状態となる。
【００３７】
このため、各メモリセル４の出力は、書き込みが為されていない状態であるか、書き込み状態であるかにより、“０”と“１”とで代わることになり、雰囲気中の湿度に応じた値となる。
【００３８】
そして、このように各メモリセル４に書き込みが為されていない状態であるか、書き込み状態であるかに関して、複数のメモリセル４それぞれに対してデータライン３３を通じて読み出せば、湿度に応じた出力をデジタル値として得ることが可能となる。
【００３９】
このように、本実施形態の湿度センサによれば、ＡＤコンバータを必要としなくても、デジタル的な出力を発生させることが可能となる。これにより、湿度センサの回路構成が複雑になることを防止でき、湿度センサの小型化を図ることも可能となる。
【００４０】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図４は、本発明の第２実施形態を適用した湿度センサにおけるセンシング部２００のレイアウト構成を示したものである。
【００４１】
この図に示されるように、本実施形態では、複数の櫛歯電極２０１により、各容量２０２が構成されている。なお、図４では、メモリセル２０４のうちの容量２０２のみしか示されていないが、実際には、第１実施形態と同様のスイッチ用のトランジスタが各メモリセル２０４に備えられた構成となっている。
【００４２】
複数の櫛歯電極２０１の間の間隔は、紙面左から右に移行するに連れて、倍々に変化するように設定されている。そして、このような櫛歯電極２０１が備えられたセンシング部２００の表面全域に、各櫛歯電極２０１の間を埋めるように、感湿膜２０３が備えられている。
【００４３】
このような櫛歯電極２０１によって容量２０２が形成されるタイプの湿度センサに関しても、第１実施形態と同様に、その容量２０２の容量値Ｃが櫛歯電極２０１の間の間隔に応じて変化する。このため、第１実施形態と同様に、湿度センサの出力がデジタル的に示されることになる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【００４４】
（他の実施形態）
上記実施形態では、トレンチ１１の幅を変化させることにより、トレンチ１１の開口面積を変え、容量３の容量値Ｃが変わるようにしたが、トレンチ１１の奥行き、つまり図１における紙面垂直方向のサイズを各メモリセル４ごとに変更するようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。ただし、この場合には、各トレンチ１１の奥行き方向の長さが異なるものとなるため、湿度センサを構成するための半導体基板１のサイズ拡大を招くことになる。したがって、上記実施形態のような構造の方が望ましい。
【００４５】
また、上記実施形態において、トレンチ１１の幅が倍々で変化するようにしているが、その幅が徐々に大きくなるように変化させれば、湿度が徐々に変化したことを検出することができるようにもなる。このようにすれば、湿度センサの出力がリニアに近いものとなるようにすることも可能である。
【００４６】
また、上記実施形態では、ｎＭＯＳトランジスタ２というｎ型のものを採用し、トレンチ１１内にｎ+型層１２を形成した場合、つまり第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型とした場合について説明したが、これらは単なる一例である。つまり、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型として、上記各実施形態と導電型を逆にしたような構成に対しても、本発明を適用することが可能である。
【００４７】
さらに、上記実施形態では、センサ装置として、湿度センサを例に挙げて説明したが、湿度センサの他のセンサ装置、例えば赤外線センサや圧力センサなどに関しても、本発明を適用することができる。この場合、感湿膜１３に変えて、測定対象となる物理量に応じて誘電率εが変動する膜を適用することになる。
【００４８】
なお、上記実施形態のように、各容量３を構成するトレンチ１１の幅を変化させないで、同一幅とすることも可能である。このようにすれば、複数のメモリセル４すべての容量３に関して、同じ湿度で書き込み状態か否かの挙動が一致することになるため、このような構成を湿度が所定のしきい値となったことを検出するＯＮ−ＯＦＦスイッチとして適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態における湿度センサにおけるセンシング部の断面構成を示す図である。
【図２】図１に示す湿度センサにおけるセンシング部に備えられるメモリセルの１つ分の等価回路図である。
【図３】図１に示されるセンシング部が備えられた湿度センサの回路構成を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態における湿度センサにおけるセンシング部のレイアウト構成を示す図である。
【図５】従来の湿度センサにおけるセンシング部の断面構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…シリコン基板、２…ｎＭＯＳトランジスタ、３…容量、４…メモリセル、
５…ソース領域、６…ドレイン領域、７…ゲート絶縁膜、８…ゲート電極、
９ａ…ワード線、９ｂ…ビット線、１１…トレンチ、１２…ｎ+型層、
１３…感湿膜、１４…電極、１００、２００…センシング部、２０１…櫛歯電極、
２０２…容量、２０３…感湿膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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