JP2018017558A

JP2018017558A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2018017558A
Application number: JP2016146584A
Authority: JP
Inventors: 草野　健一郎; Kenichiro Kusano; 健一郎草野; 勝瀬戸; Masaru Seto; 雅登二川; Masato Futagawa
Original assignee: Shizuoka University NUC; Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Shizuoka University NUC; Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-02-01
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: JP6883777B2

Abstract

【課題】センサの感度低下を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置２０は、半導体基板２２の主面上に形成され、第１導電層２６Ａと、第１導電層２６Ａ上に形成されると共に端面が第１導電層２６Ａの端面と面一である第２導電層２８Ａとを備え入力信号を出力するセンサ電極３２＿１と、第１導電層２６Ｂと、第１導電層２６Ｂ上に形成されると共に端面が第１導電層２６Ｂの端面と面一である第２導電層２８Ｂとを備えセンサ電極３２＿１から出力された入力信号が出力信号として入力されるセンサ電極３２＿２と、第１導電層２６Ａの側面と第２導電層２８Ａの側面及び表面の外周と、第１導電層２６Ｂの側面と第２導電層２８Ｂの側面及び表面の外周と、を被覆すると共に第１導電層２６Ａの開口部３５に応じた定められた領域の表面を露出する上層保護膜３０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体装置として、不純物が混入した水や生体液等の液体、粘土、土、砂等の半固形物や、粉体等の電気伝導度を計測するセンサが知られている。

例えば、特許文献１には、土壌中に一対の電極を接触させて、その間の電気抵抗を測定することにより電気伝導度を計測し、計測された電気伝導度から土壌中のイオン濃度を特定することにより、土壌の水分量を特定するセンサとしての機能を有する半導体装置が記載されている。

国際公開第２０１１／１５８８１２号

特許文献１に記載の半導体装置１２０のセンサ電極１３２は、図９の第９工程に示すように半導体基板１２２、絶縁層１２４、第１導電層１２６、結合層１２７、白金膜である第２導電層１２８、及び上層保護膜１３０を備える。

特許文献１に記載の半導体装置１２０の実現性を発明者らが検討した結果、半導体装置１２０の製造方法は、まず、図９の第１工程に示すように、シリコンの半導体基板１２２上に、酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、所望の厚さの酸化シリコン等の絶縁層１２４を形成する。その後、絶縁層１２４上にスパッタによりアルミニウムの第１導電層１２６を成膜する。

次に、図９の第２工程に示すように、センサ電極１３２に対応する領域の第１導電層１２６上にリソグラフィ技術を用いてレジストマスク（図示省略）を形成し、当該レジストマスクをマスクにしてエッチングを行った後、レジストマスクを除去することで、センサ電極１３２の最下層となる第１導電層１２６を形成する。

次に、図９の第３工程に示すように、絶縁層１２４と第１導電層１２６とを被覆するレジストマスク膜（図示省略）を形成し、露光工程及び現像工程を経ることで開口部１５１を備えたレジストマスク１５０を形成する。この際、第１導電層１２６の最外周部には重ね合わせマージンＬ１０１を確保した状態で開口部１５１を形成する。当該重ね合わせマージンＬ１０１は、露光機の下層（第１導電層１２６）と上層（レジストマスク１５０）との合わせ精度に応じた寸法を確保する必要がある。

次に、図９の第４工程に示すように、レジストマスク１５０の表面と開口部１５１から露出する第１導電層１２６の表面とに、Ｔｉ膜である結合層１２７及び白金膜である第２導電層１２８を順次スパッタにより形成する。具体例として、結合層１２７の厚さとしては０．０２μｍ、第２導電層１２８の厚さとしては０．１μｍが挙げられる。

また、結合層１２７をスパッタにより成膜するに先立ち、レジストマスク１５０の開口部１５１から露出する第１導電層１２６の表面に形成される自然酸化膜を除去するために、第１導電層１２６の表面にアルゴン（Ａｒ）イオンをスパッタする逆スパッタを行う。当該逆スパッタも、結合層１２７及び第２導電層１２８のスパッタ処理と同様、同一装置内で行う。第１導電層１２６は大気中に放置されると表面が空気中の水分により酸化されるが、当該逆スパッタを行うことにより、形成された自然酸化膜によって第１導電層１２６と結合層１２７との電気的な接続を阻害するのが抑制される。

次に、図９の第５工程に示すように、結合層１２７及び第２導電層１２８のパターニングを実施する。レジストマスク１５０を薬液中で除去することで、レジストマスク１５０の上に形成された結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜をリフトオフ法により除去する。これにより、第１導電層１２６の表面の所望の領域に結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜を形成する。

次に、図９の第６工程に示すように、絶縁層１２４の表面、重ね合わせマージンＬ１０１としてレジストマスクが被覆されていた第１導電層１２６の表面、及び第２導電層１２８の表面を被覆する上層保護膜１３０を形成する。

次に、図９の第７工程に示すように、第２導電層１２８の電極の露出が必要となる領域に対応する上層保護膜１３０の領域に開口部１５３を備えたレジストマスク１５２を上層保護膜１３０上に形成する。この際、第２導電層１２８の最外周部に重ね合わせマージンＬ１０２を確保した状態で開口部１５３を形成する。当該重ね合わせマージンＬ１０２は、下層となる第２導電層１２８と上層であるレジストマスク１５３とに対する露光機の合わせ精度と、下層である第２導電層１２８の加工精度の両方に応じた寸法を確保する必要がある。

次に、図９の第８工程に示すように、上層保護膜１３０上に形成されたレジストマスク１５２をマスクとしてエッチングを行うことで、第２導電層１２８のセンサ電極１３２の所望の領域を露出させる。

次に、図９の第９工程に示すように、レジストマスク１５２の除去を行う工程を経て半導体装置１２０のセンサ電極１３２が製造される。

発明者らによる検討の結果、このようにして製造される特許文献１に記載の半導体装置１２０は大量生産による製品の供給を行う場合には以下の課題があることが判明した。

１つ目の課題として、特許文献１に記載の半導体装置１２０では、第２導電層１２８全体の大きさ（面積）に比べ、上層保護膜１３０から露出する第２導電層１２８の大きさが小さくなり、センサ電極１３２として機能する領域のサイズが縮小することが判明した。

一般的に、多数のマスクを使用して形成されたパターンを積層するウェハプロセスでは、リソグラフィ工程の露光ステップにおいて下層に形成されたパターンと上層に形成するパターンとの重ね合わせを考慮する必要が生じる。

特許文献１に記載の半導体装置１２０の製造方法（図９参照）では、第３工程及び第７工程においてパターンの重ね合わせの考慮が必要となる。

上述したように第３工程では、図１０に示すように、露光機の重ね合わせ精度に応じた重ね合わせマージンとして重ね合わせマージンＬ１０１を考慮したレジストマスクパターンの形成が必要となる。

一方、第７工程では、図１０に示すように、露光機の重ね合わせ精度に応じた重ね合わせマージンと結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜の端部のバラツキ１６０に応じた重ね合わせマージンとの２乗和を重ね合わせマージンＬ１０２として考慮したレジストマスク１５２の形成が必要となる。

ここで、半導体装置１２０のセンサ電極１３２は、土壌の水分に含まれるイオン濃度と水分量を測定する環境下に配置される。そのため、上層保護膜１３０の開口部１３５内に第１導電層１２６の表面が露出すると、アルミを材料とする第１導電層１２６が容易に腐食し、センサの機能が損なわれる。そのため、上層保護膜１３０と第１導電層１２６とが完全にオーバーラップすることが要求される。

上述の理由により、第７工程では、上層保護膜１３０により結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜の端面（端部）が完全に被覆されるようにレジストマスク１５２の開口部１５３を形成することが必要となる。特に、上述の第５工程のとおり、結合層１２７及び第２導電層１２８はリフトオフ法により形成されるため、結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜の端部１６０はレジストマスク１５０の開口部に依存しない制御が極めて困難なバラツキを生じることとなる。そのため、重ね合わせマージンＬ１０２の寸法は通常のウェハプロセスで使用される重ね合わせマージン（例えば、上記重ね合わせマージンＬ１０１）と比して極めて大きな寸法を確保する必要がある。

このため、図１０に示すように、半導体装置１２０は、第１導電層１２６の端部から開口部１３５まで重ね合わせマージンＬ１０３として、重ね合わせマージンＬ１０１と重ね合わせマージンＬ１０２とを加算した分が必要となる。第１導電層１２６の大きさが規定されている場合には、第２導電層１２８が上層保護膜１３０の開口部１３５から露出する面積は、第１導電層１２６の端部から重ね合わせマージンＬ１０１と重ね合わせマージンＬ１０２との２乗和とを合わせた面積に相当する大きさが縮小することとなる。このようにセンサ電極１３２として機能する第２導電層１２８が上層保護膜１３０の開口部１３５から露出する面積が縮小することにより、センサの感度が低下する。

また、２つ目の課題として、発明者らの検討の結果、特許文献１に記載の半導体装置１２０では、結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜と第１導電層１２６との界面に不純物が存在することが判明した。さらに、不純物が存在することにより、製品として大量生産する場合は、測定精度が低下した不良品が発生することにより不良率が上昇し、また、長期間の使用で結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜と第１導電層１２６との界面で剥離する不具合が生じることにより信頼性の不足が生じることが判明した。

白金はドライエッチングによる除去が極めて困難な物質のため、パターニングには一般的にリフトオフ法が使用される。一般的に、リフトオフ法では、下地膜を露出するレジストマスクの開口部を設け、レジストマスクの表面と開口部から露出する下地膜の表面とに薄膜を形成した後、レジストマスクと共にレジストマスクの表面に形成された薄膜を除去することで下地膜の表面に所望の形状の薄膜のパターンを形成する。

特許文献１に記載の半導体装置１２０では、第４工程において上述したように、レジストマスク１５０から露出する第１導電層１２６とレジストマスク１５０の表面に結合層１２７と第２導電層１２８の積層膜をスパッタにより形成した後、第５工程においてレジストマスク１５０を除去することで第１導電層１２６上に結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜をパターニングする。

この際、上述したように、第１導電層１２６の表面に形成された自然酸化膜を除去するために逆スパッタを行う。図１１（ａ）に示すように、イオン（スパッタ成分１７０）によるスパッタで第１導電層１２６の表面に形成された自然酸化膜を除去する際、レジストマスク１５０の表面からカーボン成分１７１が叩き出されるため、第１導電層１２６の表面にカーボン成分１７２が再付着する。

続いて、図１１（ｂ）に示すように、第１導電層１２６の表面にカーボン成分１７２が付着した状態で、結合層１２７が形成される。結合層１２７が形成されるため、第１導電層１２６と結合層１２７との界面にはカーボン成分１７２が存在する状態となる。

さらに、図１１（ｃ）に示すように、結合層１２７の上に、白金膜である第２導電層１２８が成膜される。そのため、第２導電層１２８が成膜された後も、第１導電層１２６と結合層１２７との界面にはカーボン成分１７２が残留した状態のままとなる。

従って、図１１（ｄ）に示すように、特許文献１に記載された半導体装置１２０では、第１導電層１２６と結合層１２７との間にカーボン成分１７２が存在することとなる。

すなわち、特許文献１に記載の半導体装置１２０の製造を行う場合、逆スパッタを行った場合にはカーボンが、逆スパッタを行わない場合には自然酸化膜が第１導電層１２６と結合層１２７との界面に不純物として存在することとなる。

第１導電層１２６と結合層１２７との界面に不純物が存在すると、第１導電層１２６と結合層１２７との電気的な接続の阻害を生じると共に、第１導電層１２６と結合層１２７との密着性が低下する。電気的な接続の阻害により、半導体装置１２０の製造においては歩留まりの低下、すなわち、センサとして所望の性能が得られない半導体装置１２０が製造されてしまうことによる不良率の上昇が生じる。また、密着性の低下により、半導体装置１２０を長期間にわたり使用した際には第１導電層１２６と結合層１２７との剥離が生じてしまう結果、第１導電層１２６と第２導電層１２８との電気的接続不良が生じ、信頼性の不足を招く。

このように、特許文献１に記載された半導体装置では、土壌に接触する電極の面積が小さくなる等の理由から、センサの感度が低下するという１つ目の課題があった。また、特許文献１に記載された半導体装置では、電極として、アルミニウムからなる第１層上にチタンからなる結合層を介して積層された白金層を用いているが、第１層と白金層との電気的接続不良を生じる場合があり、信頼性が低下するという２つ目の課題があった。

本発明は、センサの感度低下を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成され、第１センサ電極用第１導電層と、前記第１センサ電極用第１導電層の上に形成されると共に端面が前記第１センサ電極用第１導電層の端面と面一である第１センサ電極用第２導電層とを備え、入力信号を出力する第１センサ電極と、前記半導体基板の主面上に形成され、第２センサ電極用第１導電層と、前記第２センサ電極用第１導電層の上に形成されると共に端面が前記第２センサ電極用第１導電層の端面と面一である第２センサ電極用第２導電層とを備え、前記第１センサ電極から出力された入力信号が出力信号として入力される第２センサ電極と、前記第１センサ電極用第１導電層の側面と前記第１センサ電極用第２導電層の側面及び表面の外周と、前記第２センサ電極用第１導電層の側面と前記第２センサ電極用第２導電層の側面及び表面の外周と、を被覆すると共に前記第１センサ電極用第２導電層の前記第１センサ電極に応じた定められた領域の表面を露出する上層保護膜と、を備える。

また、上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、主面上にセンサ電極形成領域と前記センサ電極形成領域に隣接する実装電極形成領域とを備えた半導体基板を準備する工程と、半導体基板の主面上に、第１導電層と第２導電層とが順に連続して積層された積層膜を形成する積層膜形成工程と、前記積層膜をドライエッチングによりパターニングして、センサ電極を前記センサ電極形成領域に形成すると共に、実装電極を前記実装電極形成領域に形成する電極形成工程と、前記主面と、前記センサ電極と前記実装電極との表面の外周と、を被覆すると共に、前記センサ電極の前記第２導電層を露出する開口部と前記実装電極の前記第２導電層を露出する開口部を有する上層保護膜を形成する上層保護膜形成工程と、前記センサ電極の前記第２導電層を露出する開口部を被覆すると共に前記実装電極の前記第２導電層を露出する開口部を内包する領域を露出するマスクレイヤを形成するマスクレイヤ形成工程と、前記マスクレイヤに応じた領域をエッチングすることで、前記実装電極の前記第２導電層を除去する第２導電層除去工程と、を含む。

本発明によれば、センサの感度低下を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる、という効果を奏する。

本実施形態のセンサ機能を有する半導体装置を実装する半導体装置の概略構成図（平面図）である。図１に示した半導体装置のＡ-Ａ線断面図である。本実施形態の半導体装置の製造方法を説明する図である。被測定物の測定を行う場合の半導体装置及び制御部の構成を表す概略図である。本実施形態の半導体装置により、特許文献１に記載の半導体装置が有する１つ目の課題を解決していることを説明する説明図である。本実施形態の半導体装置により、特許文献１に記載の半導体装置が有する２つ目の課題を解決していることを説明する説明図である。本実施形態の半導体装置により測定した土壌の電気伝導度の周波数特性を示すグラフである。比較例の半導体装置により測定した土壌の電気伝導度の周波数特性を示すグラフである。本実施形態のセンサ機能を有する半導体装置のその他の構成例を表す概略構成図（断面図）である。特許文献１に記載の半導体装置の製造方法を説明する図である。特許文献１に記載の半導体装置が有する１つ目の課題を説明するための説明図である。特許文献１に記載の半導体装置が有する２つ目の課題を説明するための説明図である。

以下では、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明において「厚さ」とは、半導体装置２０の積層方向の厚さのことをいう。また、「大きさ」とは、基板の表面（積層方向と交差する面）の面積の大きさのことをいう。

まず、本実施形態の半導体装置の構成について説明する。本実施形態の半導体装置２０は、ＥＣ（Electric Conductivity）センサの機能を有する。図１には、本実施形態の半導体装置２０をプリント基板１２上に実装した半導体装置１０を、プリント基板１２の主面側から見た概略構成図（平面図）を示す。また、図２には、図１に示した半導体装置１０のＡ−Ａ線断面図を示す。

図１に示すように、本実施形態の半導体装置２０は、センサ電極形成領域４０に形成された一対のセンサ電極３２＿１、３２＿２、及び実装用パッド（実装電極）形成領域４１に形成された一対の実装用パッド３４＿１、３４＿２を備える。センサ電極３２＿１と実装用パッド３４＿１とは、配線２９＿１により電気的に接続されている。また、センサ電極３２＿２と実装用パッド３４＿２とは、配線２９＿２により電気的に接続されている。本実施形態の実装用パッド３４＿１は、本発明の第１電極の一例であり、実装用パッド３４＿２は、本発明の第２電極の一例である。

なお、センサ電極３２＿１とセンサ電極３２＿２とは同様の構成であり、また、実装用パッド３４＿１と実装用パッド３４＿２とは同様の構成であるため、図２及び以下の説明において個々を区別せずに総称する場合は、個々を区別するための符号「＿１」、「＿２」の記載を省略する。また、図１において、センサ電極３２＿１及び実装用パッド３４＿１に関連する構成を表す符号に付与している「＿１」と、センサ電極３２＿２及び実装用パッド３４＿２に関連する構成を表す符号に付与している「＿２」についても、個々を区別せずに総称する場合は、その記載を省略する。

なお、本実施形態の半導体装置２０は、一対のセンサ電極３２を１つ備えているが、センサ電極を複数対備えていてもよい。

図２に示すように半導体装置２０は、半導体基板２２の主面上に絶縁層２４が積層されている。半導体基板２２には、一例としてシリコン（Ｓｉ）製の基板（ウエハ）を用いている。絶縁層２４の例としては、一般的な絶縁層が挙げられ、具体例としては、酸化珪素（ＳｉＯ_２）を材料とした酸化膜等が挙げられる。

絶縁層２４上には、センサ電極３２と、実装用パッド３４と、開口部３５及び開口部３６が形成された上層保護膜３０が積層されている。図１、２に示すように、センサ電極３２は、絶縁層２４上に、順次積層された第１導電層２６Ａ及び第２導電層２８Ａを備える。センサ電極３２の大きさは、電気信号が検知できる大きさであればよく、センサの感度や、例えば土壌等である測定対象の環境に応じて定めればよいが、具体例としては、１ｍｍ^２が挙げられる。

また、実装用パッド３４は、センサ電極３２と同様に、絶縁層２４上に、順次積層された、第１導電層２６Ｂ及び第２導電層２８Ｂを備えるが、図１、２に示すように、開口部３６には第２導電層２８Ｂが設けられていない。

第１導電層２６Ａ、２６Ｂの材料は、用途や目的等に応じて適宜選択可能であり、具体例としては、アルミ（Ａｌ）が挙げられる。第１導電層２６Ａ、２６Ｂの厚さの具体例としては、１μｍが挙げられる。

第２導電層２８Ａ、２８ＢとしてはＴｉ含有膜が用いられ、材料の具体例としては、窒化チタン（ＴｉＮ）が挙げられる。第２導電層２８Ａ、２８Ｂの厚さの具体例としては、０．１μｍが挙げられる。

上層保護膜３０は、外的要因により腐食等が生じ易い第１導電層２６Ａ、２６Ｂの側面を保護する機能を有しており、センサ電極３２に対応する開口部３５、及び実装用パッド３４に対応する開口部３６を備える。上層保護膜３０として単層の窒化膜や、酸化膜と窒化膜との積層膜が用いられる。上層保護膜３０の厚さの具体例としては、０．８μｍが挙げられる。

プリント基板１２上にはパッド１４が配置されており、実装用パッド３４の第１導電層２６Ｂとパッド１４とは、ワイヤ１９及びワイヤ１９のボール１６により接続されている。また、実装用パッド３４（実装用パッド形成領域４１）、ボール１６、ワイヤ１９、及びパッド１４は、封止樹脂１８により封止されている。

次に、図３を参照して本実施形態の半導体装置２０の製造方法の一例について説明する。

本実施形態の半導体装置２０の製造方法では、まず、センサ電極３２用の第２導電層２８を形成する第１工程を実施する。図３の第１工程に示すように、まず、主面上に、センサ電極形成領域４０と、実装用パッド形成領域４１とを備えた半導体装置２２を準備する。そして、半導体基板２２の主面上に絶縁層２４を形成する。絶縁層２４の形成方法の具体例としては、熱酸化法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が挙げられる。さらに、第１工程では、絶縁層２４上に順次、第１導電層２６及び第２導電層２８を形成する。第１導電層２６及び第２導電層２８の形成方法の具体例としては、スパッタが挙げられる。本実施形態では、同一装置内においてスパッタにより第１導電層２６及び第２導電層２８を順次、形成する。このように、第１導電層２６及び第２導電層２８を同一装置内で形成することで第１導電層２６と第２導電層２８との密着性が確保される。第２導電層２８の形成方法の具体例としては、Ｎ_２ガスでＴｉターゲットをスパッタリングすることにより、ＴｉＮの導電膜を形成する方法が挙げられる。

次に、レジストマスク５０Ａ、５０Ｂを形成する第２工程を実施する。図３の第２工程に示すように、第２導電層２８上のセンサ電極形成領域４０に、センサ電極３２のパターンに応じた領域を被覆するレジストマスク５０Ａを形成し、また同時に、実装用パッド形成領域４１に、実装用パッド３４のパターンに応じた領域を被覆するレジストマスク５０Ｂを形成する。また、記載を省略したが、本第２工程において、レジストマスク５０Ａ、５０Ｂと同時に、配線２９（図１参照）を形成する領域を被覆するレジストマスクも形成する。

レジストマスク５０Ａ、５０Ｂの形成方法としては、既知のリソグラフィ技術を適用することが可能である。リソグラフィ技術としては、第２導電層２８上にレジストマスクを塗布するレジストマスク塗布ステップ、当該レジストマスクに所望のパターンを露光する露光ステップ、及び露光されたパターンに応じてレジストマスクを形成する現像ステップを含む。

次に、第１導電層２６及び第２導電層２８をエッチングする第３工程を実施する。図３の第３工程に示すように、レジストマスク５０Ａ、５０Ｂをマスクとして、第２導電層２８及び第１導電層２６をドライエッチング法等によりエッチングすることで、センサ電極３２のパターンに応じた第１導電層２６Ａ及び第２導電層２８Ａと、実装用パッド３４のパターンに応じた第１導電層２６Ｂ及び第２導電層２８Ｂと、配線２９（図１参照）とを形成する。第３工程により形成された第２導電層２８Ａがセンサ電極３２の電極層として機能する。また、第３工程により形成された第１導電層２６Ｂが実装電極として機能する。

本第３工程では、エッチングを行う際に、第１導電層２６Ａの端面と第２導電層２８Ａの端面とが面一となり、第１導電層２６Ｂの端面と第２導電層２８Ｂの端面とが面一となるようにしている。なお、本実施形態において「端面」とは、積層方向の面、例えば、主面の周囲の側面のことをいう。また、本実施形態で「面一」とは、誤差も含み、面一と見なせることをいう。

次に、レジストマスク５０Ａ、５０Ｂを除去する第４工程を実施する。図３の第４工程に示すように、例えば、酸素プラズマ等でアッシング後、残滓を薬液洗浄等により除去することにより、レジストマスク５０Ａ、５０Ｂを除去する。

次に、上層保護膜３０を形成する第５工程を実施する。図３の第５工程に示すように、プラズマＣＶＤ法等により、絶縁層２４の表面、センサ電極３２及び実装用パッド３４を被覆する上層保護膜３０を形成する。

次に、レジストマスク５２を形成する第６工程を実施する。図３の第６工程に示すように、センサ電極３２の第２導電層２８Ａを露出させる領域に対応する開口部５３Ａと、実装用パッド３４の第１導電層２６Ｂを露出させる領域に対応する開口部５３Ｂとを有するレジストマスク５２を、上層保護膜３０上に形成する。レジストマスク５２の形成方法は特に限定されないが、例えば、上述した第２工程におけるレジストマスク５０Ａ、５０Ｂと同様に、既知のリソグラフィ技術を適用することが可能である。

ここで、第６工程の露光ステップでは下層のセンサ電極３２及び実装用パッド３４と上層のレジストマスクの開口部５３Ａ、５３Ｂとを重ね合わせることで、センサ電極３２及び実装用パッド３４の所望の位置に上層保護膜３０の開口部３５と開口部３６とを形成する。上層のレジストマスク５３Ａ、５３Ｂと下層のセンサ電極３２、実装用パッド３４との過剰なずれにより、センサ電極３２及び実装用パッド３４と上層保護膜３０の開口部３５及び開口部３６がずれを生じ、半導体装置２０が所望の機能を満たさないという不具合が生じないために、上層のレジストマスク５３Ａ、５３Ｂと下層のセンサ電極３２及び実装用パッド３４とを重ね合わせるための重ね合わせマージンを必要とする。当該重ね合わせマージンは、露光機自身の重ね合わせ精度に加え、センサ電極３２及び実装用パッド３４の加工バラツキに応じた寸法を必要とする。

ここで、次の第７工程において形成される上層保護膜３０の開口部３５内に第１導電層２６Ａが露出すると、半導体装置２０をセンサとして使用時に第１導電層２６Ａが使用環境により腐食を生じ、センサの機能に不具合を生じるため、センサ電極形成領域４０の開口部５３Ａは露光ステップで用いられる露光機の重ね合わせ精度を考慮した重ね合わせマージンを考慮する必要がある。言い換えれば、必要な開口部３５（第２導電層２８Ａの露出サイズ）に重ね合わせマージンを加えた領域をセンサ電極３２のサイズとする必要がある。

次に、上層保護膜３０をエッチングする第７工程を実施する。図３の第７工程に示すように、レジストマスク５２をマスクとして、上層保護膜３０をエッチングし、開口部３５、３６を形成する。なお、この際、上層保護膜３０のエッチングレートと、第２導電層２８Ａ、２８Ｂのエッチングレートとの選択比が高く、開口部３５の底面の第２導電層２８Ａ、及び開口部３６の底面の第２導電層２８Ｂが除去されないエッチングプロセスでエッチングを行う。

次に、レジストマスク５２を除去する第８工程を実施する。図３の第８工程に示すように、例えば、第４工程で上述したのと同様に、酸素プラズマ等でアッシング後、残滓を薬液洗浄等により除去することによりレジストマスク５２を除去する。

次に、レジストマスク５６を形成する第９工程を実施する。図３の第９工程に示すように、実装用パッド形成領域４１の第１導電層２６Ｂを露出する開口部３６を内包する領域に対応する開口部５７を備えたレジストマスク５６を形成する。なお、本第９工程では、センサ電極３２上の上層保護膜３０の開口部３５から露出した第２導電層２８Ａは、レジストマスク５６により被覆された状態である。

次に、上層保護膜３０の開口部３６から露出する第２導電層２８Ｂを除去する第１０工程を実施する。図３の第１０工程に示すように、レジストマスク５６及び上層保護膜３０をマスクとしてセルフアラインによりエッチングを行う。なお、本第１０工程では、センサ電極３２の第２導電層２８Ａは、レジストマスク５６により被覆された状態であるためエッチングされない。このように、レジストマスク５６及び上層保護膜３０をマスクとしてセルフアラインによりエッチングを行うことにより、第２導電層２８Ｂを有した状態とし、開口部３６の大きさを最小限とすることができる。そのため、半導体装置２０では、チップサイズの縮小を可能とすると共に、製造コストを低減することが可能となる。

また、レジストマスク５６から露出している上層保護膜３０表面は第２導電層２８Ｂと同時にエッチングされるため、開口部３６を内包する領域の境界、すなわちレジストマスク５６の開口部５７のエッジに対応した開口部３６の周囲に段差３１が生じる。

次に、レジストマスク５６を除去する第１１工程を実施する。図３の第１１工程に示すように、例えば、第４工程で上述したのと同様に、酸素プラズマ等でアッシング後、残滓を薬液洗浄等により除去することによりレジストマスク５６を除去する。

本実施形態では、このように図３に示した第１〜第１１工程により、図１、２に示した半導体装置２０が製造される。

本実施形態の半導体装置２０をＥＣセンサとして用いて分散系の一例である土壌中の水分量を特定する方法は特に限定されない。一例として、電気信号の位相変化θを検出することにより水分量を特定する方法について説明する。

半導体装置２０の出力は、水分量及びイオン濃度に比例し、イオン濃度が特定されれば、ＥＣ（電気伝導度）により土壌中の水分量を特定することができる。

測定を行う場合、図４に示すように、半導体装置２０の実装用パッド３４は、パッド１４を介して制御部１に接続される。

まず、半導体装置２０のセンサ電極３２（より具体的には第２導電層２８Ａ）を測定対象の土壌に接触させる。測定を行う場合、一方のセンサ電極３２＿１に、制御部１から所定の任意の周波数の交流電気信号を入力信号として印加する。センサ電極３２＿１は、当該入力信号を出力する。センサ電極３２＿２は、センサ電極３２＿１から出力された入力信号が、測定対象を介して出力信号として入力される。制御部１は、その位相と他方のセンサ電極３２＿２から出力される電気信号の位相とを比較する。比較結果の具体例としては、両者の位相差（位相変化θ）を検出することが挙げられる。位相変化θを検出した場合、検出した位相変化θによりイオン濃度を特定する。なお、位相変化θと、イオン濃度とは予め対応付けられている。さらに、特定されたイオン濃度を基準にして、測定されたＥＣにより土壌の水分量を特定することができる。なお、本実施形態の半導体装置２０では、時分割方式でセンサ電極３２を用いて位相変化θを検出することができるため、位相変化θの検出用の電極（例えば、従来技術（国際公開第２０１１／１５８８１２号）の半導体装置における移動測定用の電極）を設けずとも、ＥＣを測定することができる。

なお、その他の方法としては、２点間の電磁波の伝播速度から、その間の水分量を求めるＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）法（例えば、特開平１０−６２３６８号公報参照）や、土壌の静電容量を測定する方法（例えば、特開２００１−２１５１７号公報参照）等が挙げられる。

以上説明したように本実施形態の半導体装置２０は、半導体基板２２と、半導体基板２２の主面上に形成され、第１導電層２６Ａと、第１導電層２６Ａの上に形成されると共に端面が第１導電層２６Ａの端面と面一である第２導電層２８Ａとを備え、入力信号を出力するセンサ電極３２＿１と、半導体基板２２の主面上に形成され、第１導電層２６Ｂと、第１導電層２６Ｂの上に形成されると共に端面が第１導電層２６Ｂの端面と面一である第２導電層２８Ｂとを備え、センサ電極３２＿１から出力された入力信号が出力信号として入力されるセンサ電極３２＿２と、第１導電層２６Ａの側面と第２導電層２８Ａの側面及び表面の外周と、第１導電層２６Ｂの側面と第２導電層２８Ｂの側面及び表面の外周と、を被覆すると共に第１導電層２６Ａの開口部３５（センサ電極３２）に応じた定められた領域の表面を露出する上層保護膜３０と、を備える。

特許文献１に記載の半導体装置１２０において生じる１つ目の課題に対する本実施形態の半導体装置２０の作用について、図５を参照して説明する。

本実施形態の半導体装置２０では、センサ電極３２の第２導電層２８Ａに、Ｔｉ含有膜であるＴｉＮ膜を用いており、第１導電層２６Ａと第２導電層２８Ａとを、第３工程において説明したように、同一のレジストマスク５０Ａ、５０Ｂを用いて加工する。

このため、ドライエッチングで加工された第１導電層２６Ａの端部と第２導電層２８Ａの端部とは同一の加工面で形成されるため、特許文献１に記載の半導体装置１２０を製造する際に必要であった重ね合わせマージンＬ１０１（図９及び図１０参照）が、図５に示すように不要（重ね合わせマージンＬ１＝０）となる。

さらに、一般的に、ドライエッチングで加工されたパターンの端部はレジストマスクに依存するため、特許文献１に記載の半導体装置１２０を製造する場合に用いていたリフトオフ法で加工された場合にパターンの端部に生じるバラツキ１６０（図１０参照）が生じず、パターン端部６０の形成精度が高い。そのため、本実施形態の半導体装置２０を製造する場合、上述したように、特許文献１に記載の半導体装置１２０を製造する際にリフトオフ法を用いることにより生じる結合層１２７及び第２導電層１２８の積層膜の端部１６０のバラツキを考慮する必要がなく、図５に示すように、露光機の重ね合わせ精度に応じた重ね合わせマージンＬ２、すなわち最小の重ね合わせマージンとすることができる。そのため、本実施形態の半導体装置２０の製造工程の第６工程における重ね合わせマージンＬ２は、特許文献１に記載の半導体装置１２０を製造する際に必要であった重ね合わせマージンＬ１０２に比して極めて小さくなる。

すなわち、特許文献１に記載の半導体装置１２０では、重ね合わせマージンＬ１０１及び重ね合わせマージンＬ１０２が必要であったが、図５に示すように、本実施形態の半導体装置２０において必要となる重ね合わせマージンＬ３は、重ね合わせマージンＬ１と等しくなり、かつ、重ね合わせマージンＬ１０２よりも小さくなる。

従って、本実施形態の半導体装置２０のセンサ電極３２は、上層保護膜３０によりセンサ電極３２の端部（側面）を完全に被覆すると共に、第６工程における重ね合わせマージンＬ２のみを考慮すればよく、第１導電層２６Ａの面積に対して最大の大きさの第２導電層２８Ａを上層保護膜３０から露出させることが可能となる。

このため、本実施形態の半導体装置２０では、特許文献１に記載の半導体装置１２０に比べてセンサの感度を高くすることができ、さらに、チップサイズの縮小等によるコストダウンを行った際にもセンサの感度を維持することが可能になる。

次に、特許文献１に記載の半導体装置１２０において生じる２つ目の課題に対する本実施形態の半導体装置２０の作用について、図６を参照して説明する。

本実施形態の半導体装置２０では、センサ電極３２の第２導電層２８Ａに、Ｔｉ含有膜であるＴｉＮ膜を用いているため、図６に示すように第１導電層２６Ａと第２導電層２８Ａとを、上述の第１工程において同一装置内で連続して成膜し、さらに上述の第３工程において第１導電層２６Ａと第２導電層２８Ａとを同時にパターニングする。そのため、第１導電層２６Ａと第２導電層２８Ａの密着性を阻害する要因が存在しない。

また、図６に示すように、上述の第４工程においてレジストマス５０Ａを除去する際に、第２導電層２８Ａの表面が清浄になる。

その後、図６に示すように、上述の第５工程により、上層保護膜３０を形成し、さらに第８工程では、上層保護膜３０上に形成されたレジストマスク５２を除去し、また、第１１工程では、レジストマスク５６を除去する。レジストマスク５２を除去する際、及びレジストマスク５６を除去する際、第２導電層２８Ａの表面が清浄になる。

即ち、本実施形態の半導体装置２０の製造方法においては、第１導電層２６Ａ及び第２導電層２８Ａの加工にリフトオフ法を使用する必要がなく、特許文献１に記載の半導体装置１２０の製造方法のように、第１導電層２６が露出した状態で、レジストマスクの表面が逆スパッタされる工程が存在しない。

従って、本実施形態の半導体装置２０では、第１導電層２６Ａと第２導電層２８Ａとの界面に存在する不純物を抑制するため、当該界面を不純物が存在しない理想的な状態に近づけることが可能となる。

不純物の存在を抑制するため、本実施形態の半導体装置２０では、第１導電層２６Ａと第２導電層２８Ａとの電気的な接続を安定した状態とすることが可能となり、製造における歩留まりを向上させることが可能となる。また、本実施形態の半導体装置２０では、第１導電層２６Ａと第２導電層２８Ａとの密着性を高めることが可能となり、長期間にわたる使用においても第１導電層２６Ａと第２導電層２８Ａとの電気的な接続不良が生じないため、信頼性を向上させることが可能となる。

本実施形態の半導体装置２０により測定した土壌の電気伝導度の周波数特性として、測定周波数に対するインピーダンスＺ及び位相差Θを示すグラフを図７Ａに示す。また、特許文献１に記載の半導体装置１２０により測定した土壌の電気伝導度の周波数特性として、測定周波数に対するインピーダンスＺ及び位相差Θを示すグラフを図７Ｂに示す。図７Ａ、６Ｂに示すように、本実施形態の半導体装置２０のセンサ電極３２、具体的には第２導電層２８Ａと、特許文献１に記載の半導体装置１２０のセンサ電極１３２、具体的には第２導電層１２８とが異なっていても、周波数特性に大きな差（測定上問題となる程度の差）は生じていない。

このように、本実施形態の半導体装置２０では、センサ電極３２を特許文献１に記載の半導体装置１２０のセンサ電極１３２と異ならせても、周波数特性を維持しつつ、センサの感度低下を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態の半導体装置２０では、第２導電層２８Ａ、２８ＢとしてＴｉ含有膜（ＴｉＮ）を用いており、レアメタルかつ貴金属である高価な白金を用いていないため、半導体装置２０の製造コストを抑制することができる。また、一般的にＴｉＮは、白金に比べて機械的な強度が高いため、本実施形態の半導体装置２０では、粘土、土、砂等の半固形物である被測定物との接触により生じる摩擦等により、第２導電層２８Ａの表面あれや削れ等が抑制されるため、電気伝導度の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態の半導体装置２０の製造方法では、リフトオフ法を用いておらずリフトオフ法を用いたことに起因とする不純物が生じないため、上述の効果の他、スパッタ装置や有機溶剤の剥離設備が不純物により汚染されることがなく、設備メンテナンスの費用及び時間等を抑制することができる。

なお、本実施形態の半導体装置２０は、センサ電極３２から出力された電気信号を増幅する処理や、電気信号に含まれるノイズを除去する処理等、当該電気信号の処理を行う演算回路を備えていてもよい。演算回路を備える場合、図示を省略するが例えば、半導体基板２２上に、一般的なＩＣの製造プロセスを実施し、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラ、抵抗素子、及び容量素子等、所望の素子等を備える演算回路を製造し、演算回路上を平坦化するように絶縁層２４を形成すればよい。

また、半導体装置２０のセンサ電極３２及び実装用パッド３４の構成は、上述のものに限らない。例えば、図８に示すように、半導体装置２０は、第１導電層２６Ａ、第３導電層２７Ａ、及び第２導電層２８Ａが順次積層されたセンサ電極３２、及び第１導電層２６Ｂ、第３導電層２７Ｂ、及び第２導電層２８Ｂが順次積層された実装用パッド３４を備えていてもよい。第３導電層２７Ａ、２７Ｂは、Ｔｉ膜であり、厚さの具体例としては０．１μｍである。

図８に示した半導体装置２０を製造する場合、上述した半導体装置２０の製造方法における第１工程（図３参照）において、絶縁層２４上に順次、第１導電層２６、第３導電層２７Ａ、２７Ｂを形成するための第３導電層（図示省略）、及び第２導電層２８を形成する。第３導電層の形成方法の具体例としては、ＡｒガスでＴｉターゲットをスパッタリングすることにより、Ｔｉ膜を形成する方法が挙げられる。なお、第１導電層２６及び第２導電層２８の形成方法は、上述した半導体装置２０の製造方法における第１工程で説明した方法と同様にすればよい。また、その他の製造方法における各工程も図３を参照して上述した工程と同様にすればよい。

第３導電層２７ＡはＴｉ膜であり、一般的にＴｉ膜はＴｉＮ膜よりも結晶粒の大きさが小さい。そのため、図８に示した半導体装置２０のように第３導電層２７Ａを設ける場合、被測定物中に含まれる不純物が第１導電層２６Ａに拡散するのを抑制することができる。また、図８に示した半導体装置２０では、Ｔｉが例えば、液体中の酸素と結合することにより、酸化チタン（ＴｉＯ）が形成されるが、ＴｉＯ膜は拡散防止膜としての機能を有するため、センサ電極３２の劣化を抑制する効果がより高くなる。

なお、その他の上記各実施の形態で説明した半導体装置１０及び半導体装置２０の構成、動作、及び測定方法等は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更可能であることはいうまでもない。

１０半導体装置
２０半導体装置
２２半導体基板
２４絶縁層
２６、２６Ａ、２６Ｂ第１導電層
２８、２８Ａ、２８Ｂ第２導電層
３０上層保護膜
３１段差
３２センサ電極
３４実装用パッド
３５、３６開口部

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の主面上に形成され、第１センサ電極用第１導電層と、前記第１センサ電極用第１導電層の上に形成されると共に端面が前記第１センサ電極用第１導電層の端面と面一である第１センサ電極用第２導電層とを備え、入力信号を出力する第１センサ電極と、
前記半導体基板の主面上に形成され、第２センサ電極用第１導電層と、前記第２センサ電極用第１導電層の上に形成されると共に端面が前記第２センサ電極用第１導電層の端面と面一である第２センサ電極用第２導電層とを備え、前記第１センサ電極から出力された入力信号が出力信号として入力される第２センサ電極と、
前記第１センサ電極用第１導電層の側面と前記第１センサ電極用第２導電層の側面及び表面の外周と、前記第２センサ電極用第１導電層の側面と前記第２センサ電極用第２導電層の側面及び表面の外周と、を被覆すると共に前記第１センサ電極用第２導電層の前記第１センサ電極に応じた定められた領域の表面を露出する上層保護膜と、
を備える半導体装置。
前記第１センサ電極から出力された入力信号は土壌を介して出力信号として前記第２センサ電極に入力される、
請求項１に記載の半導体装置。
前記第１センサ電極用第２導電層及び前記第２センサ電極用第２導電層がＴｉを含む物質で構成されている、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記第１センサ電極に対応すると共に、前記第１センサ電極に電気的に接続され、第１電極用第１導電層及び前記第１電極用第１導電層の端面と面一である第１電極用第２導電層とを備える第１電極と、
前記第２センサ電極に対応すると共に前記第２センサ電極に電気的に接続され、第２電極用第１導電層及び前記第２電極用第１導電層の端面と面一である第２電極用第２導電層とを備える第２電極と、
をさらに備え、
前記上層保護膜は、前記第１電極と前記第２電極との上面を各々露出する開口部をさらに備え、前記開口部から露出される前記第１電極の上面は前記第１電極用第１導電層であり、前記第２電極の上面は前記第２電極用第１導電層である、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第１電極並びに前記第２電極に対応する前記上層保護膜の開口部は、周囲に段差を備える、
請求項４に記載の半導体装置。
前記第１電極の上面の外周部は、前記第１電極用第２導電層を介して前記上層保護膜と接しており、前記第２電極の上面の外周部は、前記第２電極用第２導電層を介して前記上層保護膜と接している、
請求項４または請求項５に記載の半導体装置。
前記第１センサ電極と前記第２センサ電極と前記第１電極と前記第２電極とは、絶縁層を介して前記半導体基板の主面上に形成されている、
請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第１センサ電極と前記第２センサ電極とは制御部に接続され、
前記制御部は交流信号である前記入力信号を前記第１センサ電極に出力し、前記第２センサ電極から入力される前記出力信号と前記入力信号との位相差並びにインピーダンスの変化量により、土壌中の水分量を算出する、
請求項２に記載の半導体装置。
主面上にセンサ電極形成領域と前記センサ電極形成領域に隣接する実装電極形成領域とを備えた半導体基板を準備する工程と、
半導体基板の主面上に、第１導電層と第２導電層とが順に連続して積層された積層膜を形成する積層膜形成工程と、
前記積層膜をドライエッチングによりパターニングして、センサ電極を前記センサ電極形成領域に形成すると共に、実装電極を前記実装電極形成領域に形成する電極形成工程と、
前記主面と、前記センサ電極と前記実装電極との表面の外周と、を被覆すると共に、前記センサ電極の前記第２導電層を露出する開口部と前記実装電極の前記第２導電層を露出する開口部を有する上層保護膜を形成する上層保護膜形成工程と、
前記センサ電極の前記第２導電層を露出する開口部を被覆すると共に前記実装電極の前記第２導電層を露出する開口部を内包する領域を露出するマスクレイヤを形成するマスクレイヤ形成工程と、
前記マスクレイヤに応じた領域をエッチングすることで、前記実装電極の前記第２導電層を除去する第２導電層除去工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
前記電極形成工程は、前記センサ電極の前記第１導電層の端面と前記第２導電層の端面とを面一に形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２導電層除去工程は、前記実装電極の前記第２導電層を露出する開口部を内包する領域の境界に応じた段差を形成することを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体装置の製造方法。