JP2006224220A - Mems element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はMEMS素子およびMEMS素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a MEMS element and a method for manufacturing the MEMS element.
近年、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用し、半導体基板にMEMS素子を備えたセンサや共振器、通信用デバイスなどが注目されている。MEMS素子は半導体製造プロセスを用い、半導体基板上に製作された微小な構造体からなる機能素子である。この構造体は、電気的な力、または加速度などの外力で変形する片持ち梁あるいは両持ち梁構造の可動部(可動電極)と、固定部(固定電極)を備えている。例えば、特許文献1に示すような櫛歯状可動電極と櫛歯状固定電極を備えたMEMS素子が知られている。
2. Description of the Related Art In recent years, sensors, resonators, communication devices, and the like that have MEMS devices on a semiconductor substrate using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology have attracted attention. The MEMS element is a functional element made of a minute structure manufactured on a semiconductor substrate using a semiconductor manufacturing process. This structure includes a movable portion (movable electrode) of a cantilever beam or a double-supported beam structure that is deformed by an external force such as an electric force or acceleration, and a fixed portion (fixed electrode). For example, a MEMS device including a comb-like movable electrode and a comb-like fixed electrode as shown in
このようなMEMS素子において、構造体の電気信号を取り出すための配線、あるいは回路素子を同じ半導体基板に形成する場合には、構造体の周辺部に配線層を積層して形成することが行われる。具体的には図7を用いて説明する。図7は上記のような構成を備えたMEMS素子を示す断面図である。 In such a MEMS element, when a wiring for taking out an electrical signal of a structure or a circuit element is formed on the same semiconductor substrate, a wiring layer is stacked on the periphery of the structure. . Specifically, this will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a MEMS element having the above configuration.
図7に示すように、MEMS素子100は、半導体基板101に下部電極102が形成され、その上に構造体110が形成されている。また、構造体110を取り囲むように、配線部120が形成されている。このようなMEMS素子100の製造においては、半導体基板101に絶縁膜103、構造体形成膜112、層間絶縁膜104、配線105、層間絶縁膜106、パッシベーション膜107を順次積層してゆき、最後に構造体110の上方のパッシベーション膜107、層間絶縁膜106、層間絶縁膜104、絶縁膜103をエッチングして開口部111を設け、構造体110をリリースしている。
As shown in FIG. 7, in the
しかしながら、このような構成のMEMS素子100において、構造体110をリリースした後の開口部111の側壁は、層間絶縁膜106,107が露出することになる。このため、露出した層間絶縁膜106,107から湿気が進入しやすく、この湿気が配線へダメージを与え、MEMS素子100の信頼性を著しく低下させることが予想される。
However, in the
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は耐湿性が良好で信頼性の向上したMEMS素子およびMEMS素子の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a MEMS element having good moisture resistance and improved reliability and a method for manufacturing the MEMS element.
上記課題を解決するために、本発明のMEMS素子は、半導体基板に構造体が形成され、前記構造体の周辺部に前記構造体を囲むように配線と層間絶縁膜とが積層された配線部を備えるMEMS素子であって、前記配線部を構成する各膜の間に平面視において前記構造体を囲む形状のガードリングが形成され、かつ、各膜を貫通し上下に位置する前記ガードリングに全周を接する貫通ガードリングが形成され、前記配線部に配置される前記配線は前記各ガードリングおよび前記各貫通ガードリングの外側に配置されたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a MEMS element according to the present invention includes a wiring portion in which a structure is formed on a semiconductor substrate, and a wiring and an interlayer insulating film are stacked around the structure around the structure. A guard ring having a shape surrounding the structure in a plan view is formed between the films constituting the wiring portion, and the guard ring penetrating each film and positioned above and below is provided. A penetration guard ring that contacts the entire circumference is formed, and the wiring arranged in the wiring portion is arranged outside the guard rings and the penetration guard rings.
この構成によれば、ガードリングは配線部を構成する各膜の間に、平面視において構造体を囲むように形成され、かつ、貫通ガードリングは各膜を貫通し上下に位置するガードリングに全周を接するように形成されている。このように、ガードリングおよび貫通ガードリングは配線部の配線をガードする隔壁のように形成されている。そして、配線はガードリングと貫通ガードリングの外側に配置されているため、配線部の露出した層間絶縁膜から進入した湿気は、このガードリングと貫通ガードリングが障壁となり、配線の配置された部分に湿気が進入するのを防止できる。このことから、配線は湿気に侵されることなく、耐湿性が良好で信頼性の向上したMEMS素子を提供できる。 According to this configuration, the guard ring is formed between the films constituting the wiring portion so as to surround the structure in a plan view, and the penetrating guard ring is a guard ring that penetrates each film and is positioned above and below. It is formed to touch the entire circumference. In this way, the guard ring and the through guard ring are formed as partition walls that guard the wiring of the wiring portion. And since the wiring is arranged outside the guard ring and the through guard ring, the moisture that has entered from the exposed interlayer insulating film of the wiring portion is a part where the wiring is arranged by the guard ring and the through guard ring as a barrier. It is possible to prevent moisture from entering. From this, it is possible to provide a MEMS element having good moisture resistance and improved reliability without being affected by moisture.
また、本発明のMEMS素子は、最下部の前記ガードリングおよび前記貫通ガードリングはポリシリコンで形成され、それ以外の前記ガードリングおよび前記貫通ガードリングは金属で形成されていることが望ましい。 In the MEMS element of the present invention, it is preferable that the lowermost guard ring and the through guard ring are made of polysilicon, and the other guard ring and the through guard ring are made of metal.
この構成によれば、最下部のガードリングおよび貫通ガードリングは構造体を形成する工程と同じ工程で製造することができ、また、それ以外のガードリングおよび貫通ガードリングは配線を形成する工程と同じ工程で製造が可能となる。このようにすれば、製造工程の簡略化が可能となる。 According to this configuration, the lowermost guard ring and the through guard ring can be manufactured in the same process as the process of forming the structure, and the other guard ring and the through guard ring are the process of forming the wiring. Manufacture is possible in the same process. In this way, the manufacturing process can be simplified.
本発明のMEMS素子の製造方法は、半導体基板に構造体と、前記構造体の周辺部に前記構造体を囲むように配線と層間絶縁膜とが積層した配線部を備えるMEMS素子の製造方法であって、半導体基板に絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板に下部電極を形成する工程と、前記絶縁膜の上に構造体形成膜を形成する工程と、前記構造体形成膜をエッチングし構造体の形状を形成する工程と、前記配線部の前記構造体形成膜と同層の位置にベースガードリングを形成し、前記絶縁膜と同層の位置にベース貫通ガードリングを形成する工程と、前記構造体形成膜の上方に層間絶縁膜と配線を形成し、さらに前記配線と同層の位置にガードリングを形成し、前記層間絶縁膜と同層の位置に前記層間絶縁膜を貫通する貫通ガードリングを形成し、それぞれを積層する工程と、最上層の前記ガードリング上方にパッシベーション膜を形成する工程と、前記構造体の上方の前記パッシベーション膜および前記層間絶縁膜を少なくとも前記構造体表面までエッチングし開口部を形成する工程と、前記構造体表面の下の膜を犠牲層としてエッチングし前記構造体をリリースする工程と、を少なくとも備えることを特徴とする。 The method for manufacturing a MEMS element according to the present invention is a method for manufacturing a MEMS element comprising: a structure on a semiconductor substrate; and a wiring portion in which a wiring and an interlayer insulating film are stacked so as to surround the structure around the structure. A step of forming an insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming a lower electrode on the semiconductor substrate; a step of forming a structure forming film on the insulating film; and etching the structure forming film. A step of forming a shape of a structure, a step of forming a base guard ring at a position in the same layer as the structure forming film of the wiring portion, and a step of forming a base through guard ring at a position in the same layer as the insulating film; An interlayer insulating film and a wiring are formed above the structure forming film, a guard ring is formed at the same layer as the wiring, and the interlayer insulating film is penetrated at the same layer as the interlayer insulating film. Form a penetration guard ring A step of laminating each of them, a step of forming a passivation film above the uppermost guard ring, and etching the passivation film and the interlayer insulating film above the structure to at least the surface of the structure to form openings. And a step of etching the film below the surface of the structure as a sacrificial layer to release the structure.
このようなMEMS素子の製造方法によれば、ガードリングと貫通ガードリングが障壁となり、配線部の露出した層間絶縁膜から湿気が進入するのを防止できる。このことから、配線は湿気に侵されることなく、耐湿性が良好で信頼性の向上したMEMS素子の製造方法を提供できる。 According to such a manufacturing method of the MEMS element, the guard ring and the through guard ring serve as a barrier, and moisture can be prevented from entering from the exposed interlayer insulating film of the wiring portion. From this, it is possible to provide a method of manufacturing a MEMS element having good moisture resistance and improved reliability without being affected by moisture.
また、本発明のMEMS素子の製造方法において、前記ベースガードリングおよび前記ベース貫通ガードリングの形成は、前記構造体の形状を形成する工程と同じ工程で形成することが望ましい。 In the method for manufacturing a MEMS element of the present invention, it is preferable that the base guard ring and the base through guard ring are formed in the same step as the step of forming the shape of the structure.
このようにすれば、構造体とベースガードリングおよびベース貫通ガードリングを同じ工程で製造することができ、製造工程を削減することができる。 If it does in this way, a structure, a base guard ring, and a base penetration guard ring can be manufactured in the same process, and a manufacturing process can be reduced.
また、本発明のMEMS素子の製造方法において、前記ガードリングおよび前記貫通ガードリングの形成は、前記配線を形成する工程と同じ工程で形成することが望ましい。 In the method for manufacturing a MEMS element of the present invention, it is preferable that the guard ring and the through guard ring are formed in the same step as the step of forming the wiring.
このようにすれば、配線とガードリングおよび貫通ガードリングを同じ工程で製造することができ、製造工程を削減することができる。 If it does in this way, wiring, a guard ring, and a penetration guard ring can be manufactured in the same process, and a manufacturing process can be reduced.
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
(第1の実施形態)
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
図1は本発明に係るMEMS素子としてのMEMS共振器の実施形態を示す概略構成図である。図1(a)は、MEMS素子の平面図、図1(b)は同図(a)のA−A断線に沿う断面図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a MEMS resonator as a MEMS element according to the present invention. FIG. 1A is a plan view of a MEMS element, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
図1において、MEMS素子1は、シリコンからなる半導体基板10上の開口部39に、ポリシリコンからなる可動電極15および固定電極16a,16bで構成される構造体18が形成されている。半導体基板10にはn型の下部電極13が形成され、構造体18との電気的接続がなされている。また、構造体18に対向する周辺の配線部40には、半導体基板10の上に形成された熱酸化膜である絶縁膜11が形成され、その上に層間絶縁膜20、配線21、層間絶縁膜22、パッシベーション膜23が順次積層されている。配線21はAlまたはCuなどからなり、下部電極13あるいは半導体基板10に形成される回路素子と接続されている(図示せず)。
In FIG. 1, in the
配線部40の絶縁膜11と層間絶縁膜20の間には、ポリシリコンからなるベースガードリング31が形成され、ベースガードリング31から絶縁膜11を貫通して半導体基板10に接するポリシリコンからなるベース貫通ガードリング30が形成されている。これらは図5の平面図に示すように、平面視において構造体18を囲むような形状に形成されている。
A
そして、層間絶縁膜20と層間絶縁膜22の間にはAlまたはCuからなるガードリング33が形成され、ガードリング33から層間絶縁膜20を貫通してベースガードリング31に全周を接するAlまたはCuからなる貫通ガードリング32が形成されている。
さらに、層間絶縁膜22とパッシベーション膜23の間にはAlまたはCuからなるガードリング35が形成され、ガードリング35から層間絶縁膜22を貫通してガードリング33に全周を接するAlまたはCuからなる貫通ガードリング34が形成されている。
これらは、ベースガードリング31およびベース貫通ガードリング30と同様に、平面視において、構造体18を囲むような形状に形成されている。
A
Further, a
Similar to the
このように、MEMS素子1は半導体基板10に構造体18と配線部40を有し、配線部40の絶縁膜11および層間絶縁膜20,22の上にはベースガードリング31、ガードリング33,35が形成され、半導体基板10までそれぞれを繋ぐようにベース貫通ガードリング30、貫通ガードリング32,34が形成されている。そして、配線21はベースガードリング31、ガードリング33,35およびベース貫通ガードリング30、貫通ガードリング32,34の外側に配置されている。
Thus, the
以上の構成のMEMS素子1は、一方の固定電極16aと接地電極(図示せず)との間に交流電圧を印加することにより、櫛歯状の固定電極16aと可動電極15との間に静電力を発生させて可動電極15を平面的に振動させ、この振動の共振周波数を他方の固定電極16bから取り出している。
In the
このように、本実施形態のMEMS素子1は、配線21がガードリング31,33,35および貫通ガードリング30,32,34の外側に配置されているため、開口部39において露出した層間絶縁膜22,20から進入した湿気はガードリング31,33,35および貫通ガードリング30,32,34が障壁となり、配線21を湿気から保護することができる。このことから、MEMS素子1の耐湿性を良好とし、信頼性を向上させることができる。
(第2の実施形態)
As described above, in the
(Second Embodiment)
次に、MEMS素子の製造方法について説明する。MEMS素子の製造においては、半導体CMOSプロセスを用いている。
図2、図3、図4はMEMS素子1の製造工程を示す概略断面図である。
Next, a method for manufacturing a MEMS element will be described. In manufacturing the MEMS element, a semiconductor CMOS process is used.
2, 3, and 4 are schematic cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the
まず、図2(a)においてシリコンからなる半導体基板10上に熱酸化膜(SiO2膜)である絶縁膜11を形成し、その上にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト膜12を形成する。そして、フォトレジスト膜12を所定の形状にパターニングする。その後、図2(b)に示すように、パターニングされた半導体基板10の上からPイオンを注入し半導体基板10にn型の下部電極13を形成する。次に、フォトレジスト膜12を除去し、再度フォトレジストを塗布し、下部電極13の上方および配線部を形成する領域における絶縁膜11の一部を除去するためにパターニングを行う。そして、図2(c)に示すようにエッチングにより絶縁膜11の一部を半導体基板10表面までエッチングし、フォトレジストを除去する。次に、その上から図2(d)に示すように、ポリシリコンからなる構造体形成膜14を形成する。このとき、絶縁膜11の一部を除去した部分にもポリシリコンが回り込んでいる。
First, in FIG. 2A, an insulating
次に、図3(a)に示すように、構造体形成膜14をパターニングして、構造体18(可動電極15、固定電極16a,16b)およびベース貫通ガードリング30、ベースガードリング31の形状を分離する。図5は、構造体18とベース貫通ガードリング30、ベースガードリング31の形状と配置を示す概略平面図である。構造体18を構成する可動電極15および固定電極16a,16bは、櫛歯状の突起を有しそれぞれがかみ合うように配置している。また、ベース貫通ガードリング30はベースガードリング31に全周を接している。そして、ベース貫通ガードリング30、ベースガードリング31は、平面視において構造体18を囲むように形成する。
Next, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3(b)に示すように、構造体18とベースガードリング31の上に、SiO2膜などの層間絶縁膜20を形成する。続いて、図3(c)に示すように、ベースガードリング31上の層間絶縁膜20の一部をパターニングして、ベースガードリング31表面まで達する溝部25を形成する。図6は溝部25の配置を示す概略平面図であり、溝部25は平面視において構造体18を囲むように形成する。
その後、図3(d)に示すように、層間絶縁膜20の上からAlまたはCuなどの膜を形成し、パターニングして配線21および貫通ガードリング32、ガードリング33を形成する。そして、その上に、層間絶縁膜22を形成する。なお、配線21は、半導体基板10に設けた下部電極13あるいは、半導体基板10に設けられた回路素子と接続している。
Next, as shown in FIG. 3B, an
Thereafter, as shown in FIG. 3D, a film such as Al or Cu is formed on the
次に、図4(a)に示すように、ガードリング33上の層間絶縁膜22の一部をパターニングして、ガードリング33表面まで達する溝部26を形成する。この溝部26は平面視において構造体18を囲むように形成する。
その後、図4(b)に示すように、層間絶縁膜22の上からAlまたはCuなどの膜を形成し、パターニングして貫通ガードリング34、ガードリング35を形成する。そして、その上にシリコンナイトライド(Si3N4)膜などのパッシベーション膜23を形成する。
Next, as shown in FIG. 4A, a part of the
Thereafter, as shown in FIG. 4B, a film such as Al or Cu is formed on the
次に、図4(c)に示すように、構造体18の上方に位置するパッシベーション膜23および層間絶縁膜22を異方性エッチング(ドライエッチング)し、開口部38を形成する。この異方性エッチングでは、少なくとも構造体18の表面が露出するまで行われる。
続いて、図4(d)に示すように、構造体18表面より下の層間絶縁膜20および絶縁膜11を犠牲層として等方性エッチング(ウェットエッチング)し、開口部39を形成して構造体18をリリースする。
Next, as shown in FIG. 4C, the
Subsequently, as shown in FIG. 4D, isotropic etching (wet etching) is performed using the
パッシベーション膜23の異方性エッチングにはCF4などのエッチングガスが用いられる。また、層間絶縁膜20,22の異方性エッチングにはフッ素系あるいは塩素系のエッチングガスが用いられ、層間絶縁膜20および絶縁膜11の等方性エッチングにはフッ酸系のエッチング液が用いられる。
An etching gas such as CF 4 is used for anisotropic etching of the
以上のように、本実施形態のMEMS素子1の製造方法によれば、配線21がガードリング31,33,35および貫通ガードリング30,32,34の外側に配置されているため、開口部39において露出した層間絶縁膜22,20から進入した湿気はガードリング31,33,35および貫通ガードリング30,32,34が障壁となり、配線21を湿気から保護することができる。このことから、MEMS素子1の耐湿性を良好とし、信頼性を向上させることができる。
As described above, according to the method for manufacturing the
また、構造体18とベースガードリング31およびベース貫通ガードリング30をポリシリコンで形成することにより、それぞれを同じ工程で製造することができ、製造工程を削減し、工程の簡略化が図れる。
同様に、配線21とガードリング33,35および貫通ガードリング32,34をAl、Cuなどの金属にて形成すれば、それぞれを同じ工程で製造することができ、製造工程を削減し、工程の簡略化が図れる。
Further, by forming the
Similarly, if the
なお、配線部40に積層される配線は多層に積層してもよく、その場合には各層間絶縁膜間にガードリングおよび貫通ガードリングを多層に形成して配線を湿気から保護することができる。
In addition, the wiring laminated | stacked on the
また、本実施形態で構造体およびベース貫通ガードリング、ベースガードリングをポリシリコンで形成したが、CMOSトランジスタにおけるシリサイド化された他のゲート電極材料を用いて実施することもできる。 Further, in the present embodiment, the structure, the base through guard ring, and the base guard ring are formed of polysilicon, but the present invention can also be implemented using another gate electrode material silicided in a CMOS transistor.
本発明の実施形態において、MEMS共振器を例に取り説明したが、MEMS技術を利用したアクチュエータ、ジャイロセンサ、加速度センサにおいても実施が可能であり、同様の効果を享受することができる。 In the embodiment of the present invention, the MEMS resonator has been described as an example. However, the present invention can be implemented in an actuator, a gyro sensor, and an acceleration sensor using the MEMS technology, and the same effect can be obtained.
1…MEMS素子、10…半導体基板、11…絶縁膜、12…フォトレジスト膜、13…下部電極、14…構造体形成膜、15…構造体を構成する可動電極、16a,16b…構造体を構成する固定電極、18…構造体、20…層間絶縁膜、21…配線、22…層間絶縁膜、23…パッシベーション膜、30…貫通ガードリングとしてのベース貫通ガードリング、31…ガードリングとしてのベースガードリング、32,34…貫通ガードリング、33,35…ガードリング、39…開口部、40…配線部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記配線部を構成する各膜の間に平面視において前記構造体を囲む形状のガードリングが形成され、かつ、各膜を貫通し上下に位置する前記ガードリングに全周を接する貫通ガードリングが形成され、
前記配線部に配置される前記配線は前記各ガードリングおよび前記各貫通ガードリングの外側に配置されたことを特徴とするMEMS素子。 A MEMS element comprising a wiring portion in which a structure is formed on a semiconductor substrate, and a wiring and an interlayer insulating film are laminated so as to surround the structure at a peripheral portion of the structure,
A guard ring having a shape surrounding the structure in a plan view is formed between the films constituting the wiring part, and a penetrating guard ring penetrating each film and contacting the entire circumference with the guard ring positioned vertically Formed,
The MEMS element according to claim 1, wherein the wirings arranged in the wiring part are arranged outside the guard rings and the penetrating guard rings.
最下部の前記ガードリングおよび前記貫通ガードリングはポリシリコンで形成され、それ以外の前記ガードリングおよび前記貫通ガードリングは金属で形成されていることを特徴とするMEMS素子。 The MEMS device according to claim 1,
The lowermost guard ring and the through guard ring are made of polysilicon, and the other guard ring and the through guard ring are made of metal.
半導体基板に絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板に下部電極を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に構造体形成膜を形成する工程と、
前記構造体形成膜をエッチングし構造体の形状を形成する工程と、
前記配線部の前記構造体形成膜と同層の位置にベースガードリングを形成し、前記絶縁膜と同層の位置にベース貫通ガードリングを形成する工程と、
前記構造体形成膜の上方に層間絶縁膜と配線を形成し、さらに前記配線と同層の位置にガードリングを形成し、前記層間絶縁膜と同層の位置に前記層間絶縁膜を貫通する貫通ガードリングを形成し、それぞれを積層する工程と、
最上層の前記ガードリング上方にパッシベーション膜を形成する工程と、
前記構造体の上方の前記パッシベーション膜および前記層間絶縁膜を少なくとも前記構造体表面までエッチングし開口部を形成する工程と、
前記構造体表面の下の膜を犠牲層としてエッチングし前記構造体をリリースする工程と、を少なくとも備えることを特徴とするMEMS素子の製造方法。 A method for manufacturing a MEMS device, comprising: a structure on a semiconductor substrate; and a wiring portion in which wiring and an interlayer insulating film are stacked so as to surround the structure at a peripheral portion of the structure,
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a lower electrode on the semiconductor substrate;
Forming a structure forming film on the insulating film;
Etching the structure forming film to form the shape of the structure; and
Forming a base guard ring at a position in the same layer as the structure forming film of the wiring portion, and forming a base through guard ring at a position in the same layer as the insulating film;
An interlayer insulating film and a wiring are formed above the structure forming film, a guard ring is formed at the same layer as the wiring, and a through hole penetrating the interlayer insulating film at the same layer as the interlayer insulating film. Forming guard rings and laminating each;
Forming a passivation film above the uppermost guard ring;
Etching the passivation film and the interlayer insulating film above the structure to at least the surface of the structure to form an opening;
Etching the film under the surface of the structure as a sacrificial layer to release the structure, and a method for manufacturing a MEMS element.
前記ベースガードリングおよび前記ベース貫通ガードリングの形成は、前記構造体の形状を形成する工程と同じ工程で形成することを特徴とするMEMS素子の製造方法。 In the manufacturing method of the MEMS element according to claim 3,
The method of manufacturing a MEMS device, wherein the base guard ring and the base through guard ring are formed in the same step as the step of forming the shape of the structure.
前記ガードリングおよび前記貫通ガードリングの形成は、前記配線を形成する工程と同じ工程で形成することを特徴とするMEMS素子の製造方法。
In the manufacturing method of the MEMS element according to claim 3 or 4,
The method of manufacturing a MEMS element, wherein the guard ring and the through guard ring are formed in the same step as the step of forming the wiring.
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