JP5397333B2 - 半導体装置、並びに、センサ素子及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置、並びに、センサ素子及び半導体装置の製造方法に関する。

感応膜と導電層とを含み、被検出物質によって引き起こされる感応膜の物理的性質の変化に基づいて電気信号を出力し、被検出物質を検出する化学センサが提案されている。

化学センサによって複数の種類の被検出物質を検出しようとしたり、複数の測定原理によって精度の高い検出をしようとしたりする場合には、異なる感応膜を用いたり、異なる構造の導電層を用いたりした複数の化学センサが必要となる。従って、複数の種類の被検出物質を検出しようとしたり、複数の測定原理によって精度の高い検出をしようとしたりする場合には、個別のセンサを数多く集める必要がある。センサの数が多い場合には、センサ群の設置スペースが大きくなってしまうため、同じ場所の複数のパラメーターを同時にセンシングすることが困難となる。

下記の特許文献１においては、同一構造を有する複数の電極の各々に、別々の感応膜を形成する提案がなされている。

特開昭６０−１２９６５４号公報

しかしながら、従来の感応膜形成法（例えばスピンコート法やディップ法）によって複数種類の感応膜を形成する場合には、必要とする感応膜の種類ごとに、スピンコート又はディップ工程と、パターニング工程とを繰り返す必要があり、製造コストが高くなるという問題がある。また、形成後の感応膜が、その後に形成するスピンコートあるいはデイップ感応膜に接するため、該形成後の感応膜が化学的損傷を受け、センシング精度が劣化するという問題がある。更に、複数の電極が同一構造を有しているため、同一物理パラメーターのみのセンシングであることから、精度の高い検出が困難な場合がある。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、高精度の化学センサを具備する半導体装置の製造コストを低減し、あるいは、複数の測定原理によって精度の高い検出をすることに関連している。

本発明の幾つかの態様において、半導体装置は、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子を具備し、第１のセンサ素子は、第１の導電層（半導体層）と、第１の導電層上に形成された第１の感応膜とを有し、第２のセンサ素子は、第１の導電層とは異なる第２の導電層（半導体層）と、第２の導電層上に形成された第２の感応膜とを有し、第１の導電層上に絶縁層と第１の感応膜とが形成され、絶縁層上に且つ絶縁層に対する平面視で第１の感応膜から離れた位置に第２の導電層が形成されている。
この態様によれば、異なる導電層上に第１及び第２の感応膜を形成するので、インクジェット装置によって容易に感応膜を形成でき、製造コストを低減することができる。

また、本発明の幾つかの態様において、半導体装置は、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子を具備し、第１のセンサ素子は、第１の導電層と、第１の導電層上に形成された第１の感応膜とを有し、第２のセンサ素子は、第１の導電層とは異なる構造を有する第２の導電層と、第２の導電層上に形成された第２の感応膜とを有する。
この態様によれば、異なる構造を有する第１及び第２の導電層を含むので、複数の測定原理によって、例えば、質量と電荷、抵抗と容量など、複数の物理パラメーターを同時に評価でき、確度と精度の高い物質同定や感性検出ができる。

上述の態様において、第１の導電層は、（i）第１導電型のチャネル領域と、チャネル領域の両側に形成された第２導電型のソース及びドレイン領域とを含む構造、（ii）互いに離間して形成された第１及び第２の電極を含む構造、（iii）下部電極に対して振動可能な可動上部電極を含む構造、の３つの構造のうち、何れか１つの構造を有し、第２の導電層は、残りの２つの構造のうち、何れか１つの構造を有することが望ましい。
これによれば、第１及び第２の導電層が（i）〜（iii）のうちの別々の構造を有するので、複数の測定原理によって、異なる物理パラメーター（電荷・抵抗・質量）を評価でき、精度の高い物質検出・同定ができる。

また、本発明の幾つかの態様において、導電層及び感応膜を有するセンサ素子の製造方法は、センサ素子のうち導電層を半導体基板に又は半導体基板上に形成する工程（ａ）と、感応膜を構成する成分を含む液体を導電層上にインクジェット装置によって吐出して、感応膜を形成する工程（ｂ）と、を具備する。
この態様によれば、各々の感応膜を構成する成分を含む液体をインクジェット装置によってそれぞれ吐出することにより、各々の感応膜形成時に、他の感応膜に化学的損傷を与えず、それぞれの感応膜を形成するので、精度が高い化学センサ群が出来、かつ、製造コストを低減することができる。

また、本発明の幾つかの態様において、第１のチップ領域と第２のチップ領域とを含む半導体ウエハを用いて、第１の導電層及び第１の感応膜を有するセンサ素子と、第２の導電層及び第２の感応膜を有するセンサ素子とを製造する方法は、第１のチップ領域に第１の導電層を形成するとともに、第２のチップ領域に第１の導電層と同一パターンの第２の導電層を同時に形成する工程（ａ）と、第１の導電層上と、第２の導電層上とに、異なる感応膜を構成する成分を含む液体をそれぞれインクジェット装置によって吐出して、第１及び第２の感応膜を形成する工程（ｂ）と、を具備する。
この態様によれば、複数のチップを同一パターンで形成しておき、インクジェット装置によって、チップごとに異なる感応膜を必要に応じて形成することができるので、化学センサ群の製造コストと製造TATを低減し、少量多品種の化学センサ群を提供することができる。

上述の態様において、工程（ａ）は、半導体基板に又は半導体基板上に、センサ素子を構成するＦＥＴ半導体層と、電子回路を構成するＭＯＳＦＥＴ半導体層とを形成する工程（ａ−１）と、ＦＥＴ及びＭＯＳＦＥＴを覆う絶縁層を形成する工程（ａ−３）と、絶縁層の一部をエッチングしてＦＥＴの一部を露出させる工程（ａ−４）と、を含み、工程（ｂ）は、露出したＦＥＴ上に、感応膜を形成する工程であることが望ましい。
これによれば、センサ素子を構成するＦＥＴと、電子回路を構成するＭＯＳＦＥＴとを同じプロセスで形成できるので、化学センサの製造コストを低減することができる。

上述の態様において、工程（ａ）は、半導体基板に又は半導体基板上に、電子回路を構成するＭＯＳＦＥＴを形成する工程（ａ−１）と、ＭＯＳＦＥＴが形成された半導体基板上に、センサ素子を構成する下部電極とMOSFETに接続される第一配線層とを形成する工程と、下部電極及びＭＯＳＦＥＴが形成された半導体基板上に、センサ素子を構成する導電層である可動上部電極と、ＭＯＳＦＥＴに接続される第二配線層とを形成する工程（ａ−２）と、可動上部電極及び第二配線層を覆う絶縁層を形成する工程（ａ−３）と、絶縁層をエッチングして可動上部電極を露出させる工程（ａ−４）と、を含み、工程（ｂ）は、露出した可動上部電極上に、感応膜を形成する工程であることが望ましい。
これによれば、センサ素子を構成する下部電極と、ＭＯＳＦＥＴに接続される第一配線層とを同じプロセスで形成し、センサ素子を構成する可動上部電極と、ＭＯＳＦＥＴに接続される第二配線層とを同じプロセスで形成できるので、化学センサの製造コストを低減することができる。

上述の態様において、工程（ａ）は、半導体基板に又は半導体基板上に、電子回路を構成するＭＯＳＦＥＴを形成する工程（ａ−１）と、ＭＯＳＦＥＴが形成された半導体基板上に、センサ素子を構成する導電層である一対の電極と、ＭＯＳＦＥＴに接続される配線層とを形成する工程（ａ−２）と、一対の電極及び配線層を覆う絶縁層を形成する工程（ａ−３）と、絶縁層の一部をエッチングして一対の電極を露出させる工程（ａ−４）と、を含み、工程（ｂ）は、露出した一対の電極間及び該電極上に、感応膜を形成する工程であることが望ましい。
これによれば、センサ素子を構成する一対の電極と、ＭＯＳＦＥＴに接続される配線層とを同じプロセスで形成できるので、化学センサの製造コストを低減することができる。

上述の態様において、工程（ａ−２）において、配線層と同じ材料を含む網目状の層を形成し、工程（ｂ）において、感応膜を構成する成分を含む液体を、インクジェット装置から網目状の層を通過させて導電層上に付与し、感応膜を形成することが望ましい。
これによれば、配線層と同じ材料を含む網目状の導電層を形成し、絶縁層の一部をエッチングすることにより、感応膜を保護する網を形成することができる。感応膜を構成する成分を含む液体を、インクジェット装置から網目状の導電層を通過させて導電層上に付与することにより、感応膜を形成することができる。

また、本発明の幾つかの態様において、第１の導電層及び第１の感応膜を有する第１のセンサ素子と、第２の導電層及び第２の感応膜を有する第２のセンサ素子とを有する半導体装置の製造方法は、第１のセンサ素子のうち第１の導電層と、第２のセンサ素子のうち第２の導電層とを半導体基板に又は半導体基板上に形成する工程（ａ）と、第１の感応膜を構成する成分を含む液体を第１の導電層上に、第２の感応膜を構成する成分を含む液体を第２の導電層上に、それぞれインクジェット装置によって吐出して、第１の感応膜と第２の感応膜とを形成する工程（ｂ）と、を具備する。
この態様によれば、第１及び第２の感応膜を構成する成分を含む液体をインクジェット装置によって吐出することにより、第１及び第２の感応膜を独立に形成するので、高精度な化学センサを具備する半導体装置の製造コストを低減することができる。

上述の態様において、半導体装置は、第３の導電層（半導体層）及び第３の感応膜を有する第３のセンサ素子をさらに有し、工程（ａ）は、半導体基板に又は半導体基板上に、第１のセンサ素子を構成する第１の導電層であるＦＥＴと、電子回路を構成するＭＯＳＦＥＴとを形成する工程（ａ−１）と、ＦＥＴ及びＭＯＳＦＥＴが形成された半導体基板上に、第２のセンサ素子を構成する下部電極とMOSFETに接続される第一配線層とを形成する工程と、下部電極及びＭＯＳＦＥＴが形成された半導体基板上に、第２のセンサ素子を構成する第２の導電層である可動上部電極と、ＭＯＳＦＥＴに接続される第二配線層とを形成する工程と、可動上部電極及びＭＯＳＦＥＴに接続される第二配線層が形成された半導体基板上に、第３のセンサ素子を構成する第３の導電層である一対の電極と、ＭＯＳＦＥＴに接続される第三配線層とを形成する工程（ａ−２）と、ＦＥＴ、可動上部電極、一対の電極及び配線層を覆う絶縁層を形成する工程（ａ−３）と、絶縁層の一部をエッチングして、ＦＥＴの一部と、可動上部電極と、一対の電極とを露出させる工程（ａ−４）と、を含み、工程（ｂ）は、露出したＦＥＴ上に第１の感応膜を、露出した可動上部電極上に第２の感応膜を、露出した一対の電極間及び該電極上に第３の感応膜を、それぞれ形成する工程であることが望ましい。
これによれば、第１のセンサ素子を構成するＦＥＴと、電子回路を構成するＭＯＳＦＥＴとを同じプロセスで形成し、第２のセンサ素子を構成する下部電極と、可動上部電極と、第３のセンサ素子を構成する一対の電極と、ＭＯＳＦＥＴに接続される多層配線層とを同じプロセスで形成できるので、化学センサを具備する半導体装置の製造コストを低減することができる。
ここでは、第１〜３の異なる構造を有するセンサを実例として取り上げているが、第４，５、・・・・ｎ個の構造があっても良い。また、第１〜３の異なる構造を有するセンサが各々１個の場合を取り上げているが、各々の構造のセンサが複数個存在しても良い。各々の構造のセンサが複数個存在する場合には、それぞれに異なる感応膜が形成される。

第１の実施形態に係る半導体装置の平面図及びそのＢ−Ｂ線断面図 第１の実施形態の製造方法を示す工程図 第１の実施形態の製造方法を示す工程図 第２の実施形態に係る半導体装置の平面図及びそのＢ−Ｂ線断面図 第２の実施形態の製造方法を示す工程図 第２の実施形態の製造方法を示す工程図 第３の実施形態に係る製造方法を示す工程図 第４の実施形態に係る製造方法を示す工程図

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
＜１−１．構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る化学センサを具備する半導体装置の模式図である。図１（Ａ）は半導体装置の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図１（Ａ）に示す半導体装置１０は、化学センサ１１、１２、１３と、化学センサに接続されたＡ／Ｄ変換回路１４と、Ａ／Ｄ変換回路１４に接続されたＣＰＵ１５と、を具備している。
図１（Ｂ）に示すように、化学センサ１１、１２、１３は、第１半導体層１００及び第１絶縁層１０１上に形成されている。

化学センサ１１は、一対の電極１１１ａ、１１１ｂ（導電層）の間及び該電極上に、感応膜１１９が配置された構成を有している。
化学センサ１２は、第２半導体層１０２の一部によって構成されたＦＥＴ１０５のチャネルが形成されるボディ領域１０５ａ上に、感応膜１２０が配置された構成を有している。ＦＥＴ１０５は、第１導電型のボディ領域１０５ａの両側に、第２導電型のソース領域１０５ｂ及びドレイン領域１０５ｃが形成された構成を有している。

化学センサ１３は、第２半導体層１０２の一部によって構成されたＦＥＴ１０６と、ＦＥＴ１０６のチャネルが形成されるボディ領域１０６ａ上に形成されたゲート絶縁膜１０７及びゲート電極１０８と、ゲート電極１０８に接続されている電極層１１８上に配置された感応膜１２１と、を有している。ＦＥＴ１０６は、第１導電型のボディ領域１０６ａの両側に、第２導電型のソース領域１０６ｂ及びドレイン領域１０６ｃが形成された構成を有している。ゲート電極１０８と電極層１１８との間は、配線層１１２及び配線層１１６によって接続されている。

化学センサ１１、１２、１３の相互間は、第１絶縁層１０１、第２絶縁層１０９、第３絶縁層１１０、第４絶縁層１１３、第５絶縁層１１７によって絶縁されている。

化学センサ１１、１２の感応膜１１９、１２０は、第４絶縁層１１３及び第５絶縁層１１７（あるいはこれらと第２絶縁層１０９）をエッチングして得られた窪み内に配置されている。これらの窪みの入り口には、金属メッシュ１１４、１１５（網目状の導電層）が形成されている。

第１半導体層１００、第２半導体層１０２は、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）によって構成される。
第１絶縁層１０１、ゲート絶縁膜１０７、第２絶縁層１０９、第４絶縁層１１３は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）によって構成される。このように、第１絶縁層１０１、ゲート絶縁膜１０７、第２絶縁層１０９、第４絶縁層１１３は、同一材料によって構成され得るため、これらが互いに接する箇所においては簡略化のため境界線の図示を省略している。
第３絶縁層１１０、第５絶縁層１１７は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）によって構成される。
ゲート電極１０８、一対の電極１１１ａ、１１１ｂ、配線層１１２、金属メッシュ１１４、１１５、配線層１１６、電極層１１８は、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）等の金属によって構成される。

感応膜１１９、１２０、１２１は、検出しようとする物質（被検出物質）に応じて、例えば次に示すものを用いることができる。

検出するイオンを水素イオン（Ｈ^＋）とするならば、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）や酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_２）を用いることができる。検出するイオンをカリウムイオン（Ｋ^＋）とするならば、バリノマイシンを用いることができる。検出するイオンをナトリウムイオン（Ｎａ^＋）とするならば、ビスクラウンエーテル誘導体を用いることができる。検出するイオンをカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）とするならば、非環状ポリエーテルアミド誘導体を用いることができる。検出するイオンをアンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）とするならば、ノナクチンや塩化テトラセチルアンモニウムを用いることができる。
また、検出するイオンをフッ素イオン（Ｆ⁻）とするならば、フッ化ランタン（ＬａＦ_３）を用いることができる。検出するイオンを銀イオン（Ａｇ^＋）や鉛イオン（Ｐｂ^２＋）とするならば、カリックスアレンなどを用いることができる。また、感応膜を液膜型イオンセンサ溶媒とすることもでき、その場合は、ニトロベンゼンやニトロフェニルオチルエーテルなどを用いることができる。
また、種々の蛋白質やＤＮＡ（deoxyribonucleic acid）などの生体分子検出では、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）の表面を感応化処理した膜を用いることができる。
これらの感応膜を、ＦＥＴ１０５又は１０６上に形成することにより、感応膜の電位の変化によるドレイン電流の変化あるいは閾値電圧の変化によって、被検出物質を検出することができる。

また、湿度を検出する感応膜として、イオン性解離基（アンモニウム塩など）を有する有機高分子膜を用いることができる。このような感応膜を一対の電極１１１ａ、１１１ｂ間に形成することにより、湿度変化を電極間の抵抗又はインピーダンスの変化として捉えることができる。
また、湿度を検出する感応膜として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＣｒ_２Ｏ_４−ＴｉＯ_２系、ＴｉＯ_２−Ｖ_２Ｏ_５系、ＺｎＣｒ_２Ｏ_４−ＬｉＺｎＶＯ_４などの各セラミックを用いることができる。このような感応膜を一対の電極１１１ａ、１１１ｂ間に形成することにより、湿度変化を電極間の抵抗又は容量の変化として捉えることができる。
また、ガスや匂いを検出する感応膜として、ＳｎＯ_２、ＺｎＯなどの酸化物半導体や、ポリピロールなどの導電性ポリマーを用いることができる。このような感応膜を一対の電極１１１ａ、１１１ｂ間に形成することにより、分子の脱着を電極間の抵抗の変化として捉えることができる。
なお、感応膜をインクジェット法で形成する場合には、金属やセラミック材料は、数nm〜数十nm粒子径のナノ粒子分散系インクを用いる。一方、高分子材料は、揮発性の溶媒に高分子材料を溶解または分散させた溶媒系インクを用いる。

＜１−２．製造方法＞
図２及び図３は、第１の実施形態に係る化学センサを具備する半導体装置の製造方法を示す工程図である。
まず、図２（Ａ）に示すように、第１半導体層１００上に第１絶縁層１０１及び第２半導体層１０２がこの順に配置されたＳＯＩ基板１０３を用意する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、第２半導体層１０２をパターニングすることにより、化学センサ１１、１２、１３が形成される領域に、ぞれぞれ、ダミーＳｉ島１０４、ＦＥＴ１０５、ＦＥＴ１０６を形成する（ダミーＳｉ島１０４は、形成しなくても構わない）。
その後、ＦＥＴ１０６のボディ領域１０６ａとなる領域上にゲート絶縁膜１０７を形成し、さらにその上にゲート電極１０８を形成した後、ＦＥＴ１０５及びＦＥＴ１０６のボディ領域１０５ａ及び１０６ａ以外の領域に、不純物をドープすることにより、ソース領域１０５ｂ、１０６ｂ、及び、ドレイン領域１０５ｃ、１０６ｃを形成する。
なお、このようなＦＥＴの形成工程は、図１（Ａ）に示すＡ／Ｄ変換回路１４及びＣＰＵ１５を構成するＭＯＳＦＥＴの形成時（フロントエンドプロセス）において行うことが望ましい。

次に、図２（Ｃ）に示すように、第１絶縁層１０１、ダミーＳｉ島１０４、ＦＥＴ１０５、ＦＥＴ１０６及びゲート電極１０８上に、第２絶縁層１０９を形成する。第２絶縁層１０９上には、さらに第３絶縁層１１０を形成する。また、第３絶縁層１１０のうち、化学センサ１２が形成される領域を除去する。

次に、図２（Ｄ）に示すように、第３絶縁層１１０上の領域のうち、化学センサ１１が形成される領域に一対の電極１１１ａ、１１１ｂを形成するとともに、化学センサ１３のゲート電極１０８に対してコンタクトホールを介して接続される配線層１１２を形成する。
なお、このような電極及び配線層の形成工程は、図１（Ａ）に示すＡ／Ｄ変換回路１４及びＣＰＵ１５を構成するＭＯＳＦＥＴに接続される配線層の形成時（バックエンドプロセス）において行うことが望ましい。
次に、図２（Ｅ）に示すように、第２絶縁層１０９、第３絶縁層１１０、一対の電極１１１ａ、１１１ｂ及び配線層１１２上に、第４絶縁層１１３を形成する。

次に、図３（Ａ）に示すように、第４絶縁層１１３のうち、化学センサ１１が形成される領域と化学センサ１２が形成される領域に、金属メッシュ１１４、１１５を形成するとともに、化学センサ１３の配線層１１２に対してコンタクトホールを介して接続される配線層１１６を形成する。金属メッシュ１１４、１１５は、配線層１１６と同じ材料で形成することが望ましい。

次に、図３（Ｂ）に示すように、第４絶縁層１１３、金属メッシュ１１４及び１１５上に、第５絶縁層１１７を形成する。なお、第５絶縁層１１７上に疎水性の単分子膜をさらに形成しても良い。
さらに、第５絶縁層１１７をエッチングして化学センサ１３の配線層１１６の一部を露出させ、配線層１１６に接続される電極層１１８を形成する。電極層１１８を最上層に形成することにより、感応面を大きく取り感度を向上することができる。

次に、図３（Ｃ）に示すように、第５絶縁層１１７、第４絶縁層１１３のうちの化学センサ１１が形成される領域と、第５絶縁層１１７、第４絶縁層１１３、第２絶縁層１０９のうちの化学センサ１２が形成される領域とを、エッチングする。このエッチングにより、窪みを形成するとともに、一対の電極１１１ａ、１１１ｂの各一部と、ＦＥＴ１０５のボディ領域１０５ａとを露出させる。このとき、化学センサ１１が形成される領域においては、一対の電極１１１ａ、１１１ｂ、第３絶縁層１１０がエッチングストッパーとなる。化学センサ１２が形成される領域においては、第３絶縁層１１０が図２（Ｃ）において除去されているので、ＦＥＴ１０５がエッチングストッパーとなる。また、このエッチングにより形成された窪みの入り口には、金属メッシュ１１４、１１５が残り、後に形成される感応膜を保護する。

次に、図３（Ｄ）に示すように、感応膜１１９、１２０を構成する成分を含む液体をインクジェット装置によって吐出し、それぞれ金属メッシュ１１４、１１５の網目を通過させることにより、一対の電極１１１ａ、１１１ｂの間、及び、ボディ領域１０５ａ上に付与する。また、電極層１１８上にも、感応膜１２１を構成する成分を含む液体をインクジェット装置によって吐出する。そして、吐出した液体を乾燥させ焼成することにより、感応膜１１９、１２０、１２１を形成する。
以上の工程によって、化学センサ１１、１２、１３を具備する半導体装置１０が製造される。

農業における水の質と量の管理や下水道や地下水の水質管理においては、毒性を回避し安心な水質と水量を保持するために、水分、ＰＨ、窒素（硝酸イオン、亜硝酸イオン）の検知が必要になる。この場合には、例えば、１個の化学センサ１１による抵抗・容量計測、１個の化学センサ１２によるＦＥＴ閾値あるいはドレイン電流計測、そして、２個の化学センサ１３によるＦＥＴ閾値あるいはドレイン電流計測の、計４個のセンサ群を集積回路とともに集積した、第１の実施形態による半導体装置が有効である。
化学センサ１１においては、イオン性解離基を有する有機高分子、例えばアンモニウム塩を添加した感湿性高分子溶液をインクジェットで吐出し、感湿膜を形成すると、高分子抵抗式の湿度センサになる。化学センサ１２においては、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４膜、あるいはＡｌ_２Ｏ_３膜などを形成すると、水中での水素イオン濃度（ＰＨ）センシング膜になる。２つの化学センサ１３のＦＥＴゲート電極上には、電極層１１８の形成後、電極層１１８上に多孔質のＴｉＯ_２あるいは多孔質ポリマー層を形成しておく。そして、２つの化学センサ１３のうち、一方においては、室温でのピエゾインクジェット法により、硝化細菌ニトロソモナス（Nitrosomonas）を含有した培養水を注入することにより、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）センサができる。２つの化学センサ１３のうち、他方においては、同じく室温でのピエゾインクジェット法により、硝化細菌ニトロバクター（Nitrobactor）を含有した培養水を注入することにより、亜硝酸イオン（ＮＯ_２ ⁻）センサができる。

＜２．第２の実施形態＞
＜２−１．構成＞
図４は、本発明の第２の実施形態に係る化学センサを具備する半導体装置の模式図である。図４（Ａ）は半導体装置の平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図４（Ａ）に示す半導体装置２０は、化学センサ２１、２２、２３と、化学センサに接続されたＡ／Ｄ変換回路２４と、Ａ／Ｄ変換回路２４に接続されたＣＰＵ２５と、を具備している。
図４（Ｂ）に示すように、化学センサ２１、２２、２３は、第１半導体層２００及び第１絶縁層２０１上に形成されている。

化学センサ２１は、ベース膜２０６上の下部電極２０７に対して振動可能な可動上部電極２０９（導電層）上に、感応膜２１７が配置された構成を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサである。下部電極２０７及び可動上部電極２０９には、それぞれ配線層２１２ａ及び２１２ｂ、配線層２１５ａ及び２１５ｂが接続されている。
化学センサ２２は、一対の電極２１３ａ、２１３ｂ（導電層）の間及び該電極上に、感応膜２１８が配置された構成を有している。
化学センサ２３は、第２半導体層２０２の一部によって構成されたＦＥＴ２０５のチャネルが形成されるボディ領域２０５ａ（導電層）上に、感応膜２１９が配置された構成を有している。ＦＥＴ２０５は、第１導電型のボディ領域２０５ａの両側に、第２導電型のソース領域２０５ｂ及びドレイン領域２０５ｃが形成された構成を有している。

化学センサ２１、２２、２３の相互間は、第１絶縁層２０１、第２絶縁層２０８、第３絶縁層２１０、第４絶縁層２１１、第５絶縁層２１４、第６絶縁層２１６によって絶縁されている。

化学センサ２１、２２、２３の感応膜２１７、２１８、２１９は、第５絶縁層２１４及び第６絶縁層２１６（あるいはこれらと第２絶縁層２０８及び第３絶縁層２１０）をエッチングして得られた窪み内に配置されている。

第１半導体層２００、第２半導体層２０２は、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）によって構成される。
第１絶縁層２０１、第２絶縁層２０８、第３絶縁層２１０、第５絶縁層２１４は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）によって構成される。このように、第１絶縁層２０１、第２絶縁層２０８、第３絶縁層２１０、第５絶縁層２１４は、同一材料によって構成され得るため、これらが互いに接する箇所においては簡略化のため境界線の図示を省略している。
ベース膜２０６、第４絶縁層２１１、第６絶縁層２１６は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）によって構成される。
下部電極２０７、可動上部電極２０９、配線層２１２ａ、２１２ｂ、一対の電極２１３ａ、２１３ｂ、配線層２１５ａ、２１５ｂは、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）等の金属によって構成される。

感応膜２１７、２１８、２１９としては、第１の実施形態における感応膜と同様のものを用いることができる。

＜２−２．製造方法＞
図５及び図６は、第２の実施形態に係る化学センサを具備する半導体装置の製造方法を示す工程図である。
まず、図５（Ａ）に示すように、第１半導体層２００上に第１絶縁層２０１及び第２半導体層２０２がこの順に配置されたＳＯＩ基板２０３を用意する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、第２半導体層２０２をパターニングすることにより、化学センサ２１、２３が形成される領域に、ぞれぞれ、ダミーＳｉ島２０４、ＦＥＴ２０５を形成する（ダミーＳｉ島２０４は、形成しなくても構わない）。
その後、ＦＥＴ２０５のボディ領域２０５ａ以外の領域に、不純物をドープすることにより、ソース領域２０５ｂ及びドレイン領域２０５ｃを形成する。なお、このようなＦＥＴの形成工程は、図４（Ａ）に示すＡ／Ｄ変換回路２４及びＣＰＵ２５を構成するＭＯＳＦＥＴの形成時（フロントエンドプロセス）において行うことが望ましい。
一方、ダミーＳｉ島２０４上にはベース膜２０６を形成し、さらにその上に下部電極２０７を形成する。

次に、図５（Ｃ）に示すように、第１絶縁層２０１、ＦＥＴ２０５、ベース膜２０６及び下部電極２０７上に、第２絶縁層２０８を形成する。第２絶縁層２０８は、ベース膜２０６及び下部電極２０７上の絶縁層２０８ａと、第１絶縁層２０１上の絶縁層２０８ｂと、第１絶縁層２０１及びＦＥＴ２０５上の絶縁層２０８ｃとを含んでいる。

次に、図５（Ｄ）に示すように、ベース膜２０６及び第２絶縁層２０８上に、可動上部電極２０９を形成する。
次に、図５（Ｅ）に示すように、第１絶縁層２０１、第２絶縁層２０８、可動上部電極２０９上に、第３絶縁層２１０を形成する。第３絶縁層２１０上には、さらに第４絶縁層２１１を形成する。

次に、図６（Ａ）に示すように、第４絶縁層２１１のうち、化学センサ２１が形成される領域と化学センサ２３が形成される領域とを除去する。
さらに、化学センサ２１の下部電極２０７及び可動上部電極２０９に対してそれぞれコンタクトホールを介して接続される配線層２１２ａ、２１２ｂを形成するとともに、第４絶縁層２１１上の領域のうち、化学センサ２２が形成される領域に一対の電極２１３ａ、２１３ｂを形成する。
なお、このような電極及び配線層の形成工程は、図４（Ａ）に示すＡ／Ｄ変換回路２４及びＣＰＵ２５を構成するＭＯＳＦＥＴに接続される配線層の形成時（バックエンドプロセス）において行うことが望ましい。

次に、図６（Ｂ）に示すように、第３絶縁層２１０、第４絶縁層２１１、配線層２１２ａ、２１２ｂ、一対の電極２１３ａ及び２１３ｂ上に、第５絶縁層２１４を形成する。
さらに、化学センサ２１の配線層２１２ａ、２１２ｂに対してそれぞれコンタクトホールを介して接続される配線層２１５ａ、２１５ｂを形成する。
さらに、第５絶縁層２１４及び配線層２１５ａ、２１５ｂ上に、第６絶縁層２１６を形成する。なお、第６絶縁層２１６上に疎水性の単分子膜をさらに形成しても良い。

次に、図６（Ｃ）に示すように、第６絶縁層２１６、第５絶縁層２１４のうちの化学センサ２２が形成される領域と、第６絶縁層２１６、第５絶縁層２１４、第３絶縁層２１０、第２絶縁層２０８のうちの化学センサ２１が形成される領域及び化学センサ２３が形成される領域とを、エッチングする。このエッチングにより、窪みを形成するとともに、一対の電極２１３ａ、２１３ｂの各一部と、下部電極２０７及び可動上部電極２０９の各一部と、ＦＥＴ２０５のボディ領域２０５ａとを露出させる。このとき、化学センサ２２が形成される領域においては、一対の電極２１３ａ、２１３ｂ、第４絶縁層２１１がエッチングストッパーとなる。化学センサ２１が形成される領域においては、第４絶縁層２１１が図６（Ａ）において除去されているので、可動上部電極２０９、下部電極２０７、ベース膜２０６がエッチングストッパーとなる。化学センサ２３が形成される領域においては、第４絶縁層２１１が図６（Ａ）において除去されているので、ＦＥＴ２０５がエッチングストッパーとなる。また、このエッチングにより、可動上部電極２０９及び下部電極２０７を残したまま、図５（Ｃ）において形成した第２絶縁層２０８ａが除去されるので、可動上部電極２０９の一端が下部電極２０７に対して振動可能な梁状となって露出する。

次に、図６（Ｄ）に示すように、可動上部電極２０９上、一対の電極２１３ａ、２１３ｂの間、ボディ領域２０５ａ上に、それぞれ、感応膜２１７、２１８、２１９を構成する成分を含む液体をインクジェット装置によって吐出する。そして、吐出した液体を乾燥させ焼成することにより、感応膜２１７、２１８、２１９を形成する。
以上の工程によって、化学センサ２１、２２、２３を具備する半導体装置２０が製造される。

大気汚染の原因の一つである気体中のＮＯ_２ガスを、高精度に検知する場合には、質量や電荷量、あるいは、電気抵抗など種々の物理パラメーターを測定する第２の実施形態による半導体装置が有効である。
化学センサ２１においては、インクジェット法により、可動上部電極２０９上に金属フタロシアニン水溶液を吐出し、有機半導体感応膜を形成する。感応膜に対するＮＯ_２の吸着により振動数が変化することで、ＮＯ_２ガスやイオンのセンシングができる。また、化学センサ２３において、インクジェット法により該金属フタロシアニン水溶液を吐出し、ＦＥＴ上に有機半導体感応膜を形成する。Ｐ型のフタロシアニン膜に電子アクセプタ性のＮＯ_２ ⁻イオンが吸着すると、プラスのホールが吸着表面に引き寄せられ、あたかも、ＦＥＴのゲート電極に負の電圧を加えた効果により、ＦＥＴのドレイン電流が変化することによりマイナスのＮＯ_２イオンをセンシングできる。化学センサ２２の一対の電極間にはインクジェット法により該金属フタロシアニン水溶液を吐出し、一対の電極間に有機半導体感応膜からなる電気的抵抗を形成する。Ｐ型のフタロシアニン感応膜に電子アクセプタ性のＮＯ_２ガスが吸着すると、感応膜の電気抵抗が低くなることにより、ＮＯ_２ガスをセンシングできる。このように、同一の感応膜を用いて、ガス付着による質量や抵抗の変化、あるいは、イオン付着によるＦＥＴ閾値変化をモニタリングすることにより、ＮＯ_２ガスやイオンの検知において、分子選択性と精度が向上する。

＜３．第３の実施形態＞
図７は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。第３の実施形態においては、同一構造を有する複数のＦＥＴ上に、別々の感応膜を形成する。

まず、図７（Ａ）に示すように、半導体層３００にＦＥＴ３０１及び３０２を同一構造で形成する。ＦＥＴ３０１は、第１導電型のウェル３０１ａの両端に第２導電型のソース領域３０１ｂ及びドレイン領域３０１ｃが形成されたものであり、ＦＥＴ３０２は、第１導電型のウェル３０２ａの両端に第２導電型のソース領域３０２ｂ及びドレイン領域３０２ｃが形成されたものである。
さらに、半導体層３００上に絶縁層３０３を形成する。そして、絶縁層３０３上の領域のうち、ＦＥＴ３０１上の領域とＦＥＴ３０２上の領域との間の領域に、参照電極３０４を形成する。参照電極３０４は、白金（Ｐｔ）等の導電性材料で形成され、図示しない外部電極に接続される。さらに、絶縁層３０３及び参照電極３０４の上に、疎水性の単分子膜３０５を形成する。

次に、図７（Ｂ）に示すように、単分子膜３０５上にレジストＲを形成する。このレジストＲは、ＦＥＴ３０１上の領域及びＦＥＴ３０２上の領域に開口を有する所定パターンに形成される。
次に、図７（Ｃ）に示すように、レジストＲの開口を介して、単分子膜３０５及び絶縁層３０３のＦＥＴ３０１上の領域及びＦＥＴ３０２上の領域をエッチングする。エッチング後、レジストＲを除去する。

次に、図７（Ｄ）に示すように、図示しないインクジェット装置により、第１の感応膜３０６を構成する成分を含む液体をＦＥＴ３０１上に吐出することにより、第１の感応膜３０６を形成する。
次に、図７（Ｅ）に示すように、図示しないインクジェット装置により、第２の感応膜３０７を構成する成分を含む液体をＦＥＴ３０２上に吐出することにより、第２の感応膜３０７を形成する。第２の感応膜３０７は、第１の感応膜３０６とは別の成分を含んでいる。
以上の工程によって、化学センサ３１、３２を具備する半導体装置３０が製造される。

なお、ここでは半導体装置３０が２つの化学センサ３１、３２を具備するものとしたが、３つ以上でも良い。また、半導体装置３０は、感応膜を有しない参照用のＦＥＴをさらに具備していても良い。

第３の実施形態によれば、第１及び第２の感応膜を構成する成分を含む液体をインクジェット装置によって吐出することにより、第１及び第２の感応膜を形成するので、複数の高精度化学センサを具備する半導体装置の製造コストを低減することができる。

＜４．第４の実施形態＞
図８は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。第４の実施形態においては、半導体ウエハに複数のチップを同一パターンで形成しておき、これらのチップに別々の感応膜を形成する。

まず、図８（Ａ）に示すように、半導体ウエハ４００に複数の半導体チップ４０Ａ、４０Ｂ等を同一パターンで形成する。
半導体チップ４０Ａは、ＦＥＴ４０１Ａ及び４０２Ａが形成された半導体層４００Ａと、半導体層４００Ａ上の絶縁層４０３Ａと、絶縁層４０３Ａ上の参照電極４０４Ａと、絶縁層４０３Ａ及び参照電極４０４Ａ上の単分子膜４０５Ａとを有している。半導体チップ４０Ａにおいて、単分子膜４０５Ａ及び絶縁層４０３ＡのＦＥＴ４０１Ａ上の領域及びＦＥＴ４０２Ａ上の領域はエッチングにより除去される（図８（Ｂ）参照）。ＦＥＴ４０１ＡとＦＥＴ４０２Ａとは、別々の構成を有していても良い。
半導体チップ４０Ｂの構成は、半導体チップ４０Ａの構成と同一である（図８（Ｃ）参照）。

次に、図８（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、半導体チップ４０Ａと半導体チップ４０Ｂとに、別々の感応膜を構成する成分を含む液体を、それぞれインクジェット装置によって吐出することにより、感応膜４０６Ａ、４０７Ａ、４０６Ｂ、４０７Ｂを形成する。つまり、感応膜４０６Ｂの成分は感応膜４０６Ａの成分と異なり、感応膜４０７Ｂの成分は感応膜４０７Ａの成分と異なる。
以上の工程によって、半導体チップ４０Ａに化学センサ４１Ａ、４２Ａを具備する半導体装置と、半導体チップ４０Ｂに化学センサ４１Ｂ、４２Ｂを具備する半導体装置とが製造される。

第４の実施形態によれば、同一パターンのチップを多数製造してストックしておき、具体的な注文が入った段階で、各注文に応じた成分を含む感応膜をインクジェット装置によって形成して出荷できる。従って、多品種少量の製品を低コストで製造でき、短納期を達成することができる。

＜５．実施形態のまとめ＞
上述の実施形態によれば、同じ場所で、複数の物理パラメーターを同時にセンシングできるため、種々の産業や日常生活において、生産能力の向上や生活の快適化に役立つ。例えば、農業では、屋内外に関係なく、植物や土壌、あるいは、水の温度・湿度・成分・光などを同時にセンシングし、これらのパラメーターを制御できるため、野菜やくだものの生産性を向上する事ができる。また、医療関係では、カテーテルを用いて血液中の種々の成分をセンシングし、あるいは、飲み込みカプセルにより体内の種々の液成分をセンシングすることにより、健康状態を管理できるようになる。
さらに、特定のガス・匂い、あるいは特定のイオン・味などを検出する時、上述の実施形態では、質量・仕事関数・電荷など複数の物理パラメーターを同時に検出できるため、これら特定の（ガス・匂い・イオン・味等の）分子検出精度を飛躍的に向上できる。
さらに、上述の実施形態では、Ｓｉチップ上には、半導体複合センサと同時にＡ／Ｄ変換回路やＣＰＵの集積回路、通信アンテナも同時に形成できるため、超小型、低コスト、低パワーのセンサーシステムを提供する。
このため、上述の実施形態による半導体装置により、種々の産業や日常生活において体系的な情報を得ることができ、生産能力の向上や生活の快適化に役立つ。

上述の実施形態によれば、フロントエンドプロセスにおいて（半導体集積回路のＭＯＳＦＥＴとともに）センサＦＥＴ部を形成し、あるいは、バックエンドプロセスにおいて（半導体集積回路の配線とともに）抵抗・容量センサあるいはＭＥＭＳセンサの電極部を形成するため、製造ＴＡＴ（Turn Around Time）、あるいは、製造コストは、集積回路とほぼ同等の短ＴＡＴ，低コストを実現できる。製造方法では、Ｓｉウエハの表面保護膜を形成後、最終工程で、センサ領域の保護膜（絶縁層）部分をフォトリソ技術で選択的に除去し、センサ電極を露出後、インクジェット法により必要な窪みに必要なだけそれぞれの感応膜形成用の液体を吐出形成している。異なる構造を持つセンサの領域が複数個あっても、窪みの形成は、一回のフォトリソ・エッチング工程ででき、種々の感応膜形成も、インクジェット法により各々の感応膜の成分を含む液体をそれぞれの窪みに注入して、異なる複数のセンサを１チップ上に形成できる。フォトリソ・エッチング工程が一回で済む為、製造ＴＡＴを短く、製造コストを低減できる。また、異なる感応膜（あるいは、異なる感応膜の成分を含む液体）が触れ合うことがなく、かつ、各々の感応膜表面がエッチング液にさらされることがないので、各々の感応膜に化学的損傷や物理的損傷が無く、高精度なセンシングができる。
従って、上述の実施形態は、製造時間（ＴＡＴ）が短く、低コストで高精度な小型半導体複合センサ装置とその製造方法を提供する。

１０…半導体装置、１１、１２、１３…化学センサ、１４…Ａ／Ｄ変換回路、１５…ＣＰＵ、１００…第１半導体層、１０１…第１絶縁層、１０２…第２半導体層、１０３…ＳＯＩ基板、１０４…ダミーＳｉ島、１０５…ＦＥＴ、１０５ａ…ボディ領域、１０５ｂ…ソース領域、１０５ｃ…ドレイン領域、１０６…ＦＥＴ、１０６ａ…ボディ領域、１０６ｂ…ソース領域、１０６ｃ…ドレイン領域、１０７…ゲート絶縁膜、１０８…ゲート電極、１０９…第２絶縁層、１１０…第３絶縁層、１１１ａ、１１１ｂ…電極、１１２…配線層、１１３…第４絶縁層、１１４…金属メッシュ、１１６…配線層、１１７…第５絶縁層、１１８…電極層、１１９、１２０、１２１…感応膜、２０…半導体装置、２１、２２、２３…化学センサ、２４…Ａ／Ｄ変換回路、２５…ＣＰＵ、２００…第１半導体層、２０１…第１絶縁層、２０２…第２半導体層、２０３…ＳＯＩ基板、２０４…ダミーＳｉ島、２０５…ＦＥＴ、２０５ａ…ボディ領域、２０５ｂ…ソース領域、２０５ｃ…ドレイン領域、２０６…ベース膜、２０７…下部電極、２０８…第２絶縁層、２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ…絶縁層、２０９…可動上部電極、２１０…第３絶縁層、２１１…第４絶縁層、２１２ａ、２１２ｂ…配線層、２１３ａ、２１３ｂ…電極、２１４…第５絶縁層、２１５ａ、２１５ｂ…配線層、２１６…第６絶縁層、２１７、２１８、２１９…感応膜、３０…半導体装置、３１、３２…化学センサ、３００…半導体層、３０１ａ、３０２ａ…ウェル、３０１ｂ、３０２ｂ…ソース領域、３０１ｃ、３０２ｃ…ドレイン領域、３０３…絶縁層、３０４…参照電極、３０５…単分子膜、３０６…第１の感応膜、３０７…第２の感応膜、４０Ａ、４０Ｂ…半導体チップ、４１Ａ、４２Ａ、４１Ｂ、４２Ｂ…化学センサ、４００…半導体ウエハ、４００Ａ、４００Ｂ…半導体層、４０３Ａ、４０３Ｂ…絶縁層、４０４Ａ、４０４Ｂ…参照電極、４０５Ａ、４０５Ｂ…単分子膜、４０６Ａ、４０７Ａ、４０６Ｂ、４０７Ｂ…感応膜、Ｒ…レジスト

Claims (1)

1. 第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子を具備する半導体装置であって、
   前記第１のセンサ素子は、第１の導電層と、前記第１の導電層上に形成された第１の感応膜とを有し、
   前記第２のセンサ素子は、前記第１の導電層とは異なる第２の導電層と、前記第２の導電層上に形成された第２の感応膜とを有し、
   前記第１の導電層上に絶縁層と前記第１の感応膜とが形成され、前記絶縁層上に且つ前記絶縁層に対する平面視で前記第１の感応膜から離れた位置に前記第２の導電層が形成された半導体装置。

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