JP6569901B2

JP6569901B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6569901B2
Application number: JP2015169741A
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Inventors: 草野　健一郎; 健一郎草野; 雅登二川
Original assignee: Shizuoka University NUC; Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Shizuoka University NUC; Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: JP2017045964A

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、土壌等に含まれる水分の状態を計測する様々なセンサが知られている。水分状態としては、水分量、電気伝導度、温度、ｐＨ、及びイオン濃度等が挙げられる。

土壌中の水分に含まれるイオン濃度を測定することは、農作物育成のための養分状態を知る上で重要な指標となる。水溶液中のイオン濃度は電気伝導度σ（すなわち、その抵抗率ρの逆数）から特定することができる。この電気伝導度は水溶液中に一対の電極を接触させ、その間の電気抵抗を測定することにより得られる。

特許文献１には、土壌中の水分に含まれるイオン濃度を特定することにより、土壌の水分状態を特定する技術が記載れている。また、特許文献１には、装置の表面（土壌に接触する表面）の絶縁膜を親水化処理する技術が記載されている。

国際公開２０１１／１５８８１２号

上記特許文献１に記載の技術では、装置の表面を親水化処理することにより、検知感度を向上させることができるが、半導体装置の製造方法としては改善の余地がある。

本発明は、親水性の絶縁膜を備えた半導体装置の製造工程の簡略化を実現す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の製造方法は、基板上に第１層間膜を形成する工程と、前記第１層間膜上に少なくとも一対の測定対象の水分状態計測用の内部電極を形成する工程と、前記第１層間膜及び前記内部電極上に第２層間膜を形成する工程と、前記第２層間膜上に疎水性の第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜上に親水性の第２絶縁膜を形成する工程と、前記第２層間膜、第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通して前記内部電極に達するトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内部から前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって少なくとも一対の外部電極を形成する工程と、を備えた測定対象の水分状態計測用センサの機能を有する半導体装置の製造方法である。
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、基板上における一対の外部電極が形成される領域間にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、前記ソース領域及び前記ドレイン領域が形成された前記基板上にｐＨ感応膜を形成する工程と、前記ｐＨ感応膜上に第１層間膜を形成する工程と、前記第１層間膜上に少なくとも一対の内部電極を形成するとともに、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上にｐＨセンサ用内部電極を形成する工程と、前記第１層間膜及び前記内部電極上に第２層間膜を形成する工程と、前記第２層間膜上に疎水性の第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜上に親水性の第２絶縁膜を形成する工程と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に前記第１層間膜、前記第２層間膜、前記第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通し、前記ｐＨ感応膜に達するｐＨセンサ用トレンチを形成する工程と、前記第２層間膜、第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通して前記内部電極に達するトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内部から前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって少なくとも前記一対の外部電極を形成する工程と、を備えた半導体装置の製造方法である。

また、本発明の半導体装置は、基板上に形成された第１層間膜と、前記第１層間膜上に形成された少なくとも一対の測定対象の水分状態計測用の内部電極と、前記第１層間膜及び前記内部電極上に形成された第２層間膜と、前記第２層間膜上に形成された疎水性の第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された親水性の第２絶縁膜と、前記第２層間膜、第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通して前記内部電極に達するトレンチの内部から前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって形成された少なくとも一対の外部電極と、を備えた測定対象の水分状態計測用センサの機能を有する半導体装置である。
また、本発明の半導体装置は、基板上に形成された第１層間膜と、前記第１層間膜上に形成された少なくとも一対の内部電極と、前記第１層間膜及び前記内部電極上に形成された第２層間膜と、前記第２層間膜上に形成された疎水性の第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された親水性の第２絶縁膜と、前記第２層間膜、第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通して前記内部電極に達するトレンチの内部から前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって形成された少なくとも一対の外部電極と、前記基板上の前記一対の外部電極が形成される領域間に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域及び前記ドレイン領域が形成された前記基板上に形成されたｐＨ感応膜と、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上に形成されたｐＨセンサ用内部電極と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記ｐＨ感応膜上に形成されている前記第１層間膜、前記第２層間膜、前記第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通し、前記ｐＨ感応膜に達するｐＨセンサ用トレンチと、を備えた半導体装置である。

本発明によれば、親水性の絶縁膜を備えた半導体装置の製造工程の簡略化を実現することができる、という効果を奏する。

第１実施形態の半導体装置の概略構成図（断面図）である。第１実施形態の半導体装置の製造方法を説明する図である。第１実施形態の半導体装置及び比較例の半導体装置により土壌中の水分を測定した実験結果を示すグラフである。第１実施形態の半導体装置の表面における自由水の挙動を説明する図である。従来の半導体装置の表面における自由水の挙動を説明する図である。第２実施形態の半導体装置の概略構成図（断面図及び平面図）である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の第１〜第４工程を説明する図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の第５〜第８工程を説明する図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の第９〜第１２工程を説明する図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の第１３〜第１５工程を説明する図である。第２絶縁膜の表面にコンタクトホールを形成した場合の第２実施形態の半導体装置の概略構成図（断面図及び平面図）である。第２絶縁膜の表面にトレンチを形成した場合の第２実施形態の半導体装置の概略構成図（断面図及び平面図）である。

以下では、図面を参照して、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１０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）を覆う面積の大きさのことをいう。

［第１実施形態］
まず、本実施形態の半導体装置の構成について説明する。図１には、本実施形態の半導体装置１０の概略構成図（断面図）を示す。本実施形態の半導体装置１０は、ＥＣ（Electric Conductivity）センサの機能を有する。

図１に示すように本実施形態の半導体装置１０は、基板２０、第１層間膜２２、一対の第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、第２絶縁膜２８、内部電極３０、及び外部電極３３を備える。

本実施形態では基板２０には、シリコン（Ｓｉ）製の基板を用いている。基板２０上には、第１層間膜２２が形成されている。第１層間膜２２の例としては、一般的な層間絶縁膜等が挙げられ、具体例としては、酸化珪素（ＳｉＯ_２）を材料とした絶縁膜が挙げられる。

第１層間膜２２上には、ＥＣセンサ用の電極として機能する一対の内部電極３０が形成されている。内部電極３０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。内部電極３０の大きさは、基板２０の大きさに応じて定められる。また、一対の内部電極３０間の距離は、基板２０の大きさが半導体装置１０の測定対象の環境（例えば、土壌の粒子の大きさ）等に応じて定められる。一方、内部電極３０の厚さの具体例としては、４００ｎｍが挙げられる。

なお、本実施形態の半導体装置１０は、一対の内部電極３０を１つ備えているが、一対の内部電極３０を複数備えていてもよい。

なお、図示を省略したが、半導体装置１０の表面（第２絶縁膜２８が設けられた面）には、内部電極３０と配線を介して外部の装置等を接続するための測定パッドが設けられている。この測定パッドは、第２絶縁膜２８と第１絶縁膜２６と第２層間膜２４を取り除き、内部電極３０を露出させることで形成する。

第１層間膜２２及び内部電極３０の上には、第２層間膜２４が形成されている。第２層間膜２４は、第１層間膜２２と同じ材料であることが好ましく、具体例としては、第１層間膜２２と同様に、酸化珪素（ＳｉＯ_２）を材料とした絶縁膜が挙げられる。第２層間膜２４の厚さの具体例としては、１１００ｎｍが挙げられる。第２層間膜２４の表面はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等により平坦化されている。このように第２層間膜２４の表面が平坦化されることにより、半導体装置１０の表面（具体的には、第２絶縁膜２８の表面）が平坦化されるため、測定対象（土壌等）との接触性が向上するため好ましい。

第２層間膜２４の上には、疎水性の第１絶縁膜２６が形成されている。第１絶縁膜２６は、半導体装置１０の表面を保護するためのパッシベーション膜として機能する。第１絶縁膜２６の具体例としては、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を材料とした絶縁膜が挙げられる。第１絶縁膜２６の厚さの具体例としては、６００ｎｍが挙げられる。

第１絶縁膜２６の上には、親水性の第２絶縁膜２８が形成されている。第２絶縁膜２８は、半導体装置１０の表面を保護するためのパッシベーション膜としての機能を有し、また、半導体装置１０の外部電極３３が設けられた側の表面に、測定対象の溶液をなじみやすくする機能を有する。第２絶縁膜２８の具体例としては、酸化珪素（ＳｉＯ_２）を材料とした絶縁膜が挙げられる。第２絶縁膜２８の厚さの具体例としては、２００ｎｍが挙げられる。

内部電極３０の上には、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、および第２絶縁膜２８を貫通するトレンチ３６が形成されている。また、トレンチ３６の底部及び内壁部を覆い、さらにトレンチ３６の開口部周囲の第２絶縁膜２８を覆うように外部電極３３が形成されている。トレンチ３６の大きさ（第１絶縁膜２６等の開口部）は内部電極３０よりも小さい。上記具体例のように内部電極３０の幅（一対の内部電極３０及び外部電極３３が並ぶ方向、図１の横方向）Ｌ１の長さが９００μｍの場合、トレンチ３６（第１絶縁膜２６等の開口部）の幅Ｌ２の長さとしては８００μｍが具体例として挙げられる。

本実施形態の外部電極３３は、トレンチ３６の内部からトレンチ３６の開口部周囲の第２絶縁膜２８の表面にわたって形成されている。外部電極３３の幅Ｌ３は、トレンチ３６の幅Ｌ２よりも長く、本実施形態では、具体例として内部電極３０の幅Ｌ１と同一としている。なお、本実施形態で「同一」とは、誤差も含み、同一と見なせることをいう。

外部電極３３は、第１外部電極層３２及び第２外部電極層３４を備える。第１外部電極層３２は、第２外部電極層３４の下側に、内部電極３０、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、及び第２絶縁膜２８と接触する位置に形成されている。第１外部電極層３２は、外部電極３３と、内部電極３０、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、及び第２絶縁膜２８との密着性を向上させる機能を有する。第２外部電極層３４の材質にもよるが、第１外部電極層３２の具体例としては、チタン（Ｔｉ）が挙げられる。第１外部電極層３２の厚さの具体例としては、２０ｎｍが挙げられる。

一方、第２外部電極層３４は、半導体装置１０の測定対象の分散系（溶液）に対して科学的に安定な材料が好ましく、本実施形態では具体例として白金（Ｐｔ）を用いている。なお、第２外部電極層３４のその他の材質としては、金（Ａｕ）等の貴金属、貴金属の合金、及び炭素（Ｃ）等が挙げられる。第２外部電極層３４の厚さの具体例としては、１００ｎｍが挙げられる。

次に、本実施形態の半導体装置１０の製造方法の一例について説明する。

図２には、本実施形態の半導体装置１０の製造方法の一例を説明する図を示す。

本実施形態の半導体装置１０の製造方法では、まず、図２の第１工程に示すように、基板２０上に第１層間膜２２を成膜する。第１層間膜２２の成膜方法の具体例としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が挙げられる。

次に、第２工程では、第１層間膜２２上に一対の内部電極３０及び上述した測定パッドを形成する。なお、内部電極３０及び測定パッドの形成方法の具体例としては、第１層間膜２２上にＡｌをスパッタ法により成膜し、その後、内部電極３０及び測定パッドに応じたレイアウトのマスクを用いてホトリソ及びエッチングを行いパターニングする方法が挙げられる。

次に、第３工程では、第１層間膜２２上に第２層間膜２４を成膜する。第２層間膜２４の成膜方法の具体例としては、ＨＰＣＶＤ（High Density Plasma CVD）法が挙げられる。また、第２層間膜２４を成膜後、表面をＣＭＰ法により平坦化する。

さらに、第３工程では、第２層間膜２４上に第１絶縁膜２６を形成する。第１絶縁膜２６の成膜方法の具体例としては、ＣＶＤ法が挙げられる。

次に、第４工程では、第１絶縁膜２６上に第２絶縁膜２８を成膜する。第２絶縁膜２８の成膜方法の具体例としては、ＣＶＤ法が挙げられる。

次に、第５工程では、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、及び第２絶縁膜２８を貫通して内部電極３０に達するトレンチ３６を形成する。トレンチ３６の形成方法の具体例としては、トレンチ３６及び上述した測定パッドの大きさに合わせたマスクを用いてホトリソ及びエッチングを行う方法が挙げられる。

次に、第６工程では、第２絶縁膜２８上に、レジスト４０を形成する。レジスト４０の形成方法の具体例としては、外部電極３３を形成する領域のみが開口されるマスクを用いてレジスト４０のパターニングを行う方法が挙げられる。

次に、第７工程では、まず、外部電極３３の第１外部電極層３２を形成するための第１外部電極膜３２Ａを形成し、その上に第２外部電極層３４を形成するための第２外部電極膜３４Ａを形成する。第１外部電極膜３２Ａ及び第２外部電極膜３４Ａの成膜方法の具体例としては、スパッタ法が挙げられる。

次に、第８工程では、レジスト４０を除去する。レジスト４０の除去方法の具体例としては、有機溶剤が挙げられる。レジスト４０を除去する際に、レジスト４０が有機溶剤に溶け出すことで第１外部電極層３２及び第２外部電極層３４がリフトオフし、図２の第８工程（図１と同一）に示すように、外部電極３３が形成される。

本実施形態では、このように図２に示した第１〜第８工程により、図１に示した半導体装置１０が製造される。

本実施形態の半導体装置１０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を測定する実験を行った。図３には、本実施形態の半導体装置１０及び比較例の半導体装置（ＥＣセンサ）により土壌中の水分を測定した実験結果を示す。比較例の半導体装置は、外部電極３３が露出する、すなわち、土壌と接触する半導体装置の表面が疎水性の絶縁膜である半導体装置を用いた。具体例としては、本実施形態の第２絶縁膜２８が設けられておらず、表面が第１絶縁膜２６の半導体装置が挙げられる。

図３は、横軸が時間を表し、下段のグラフの縦軸が土壌に降り注いだ降水量及び上段のグラフの縦軸が半導体装置１０及び比較例の半導体装置の出力を表している。図３に示した実験結果から、降雨が有った後の半導体装置１０の出力値のほうが、比較例の半導体装置の出力値よりも大きいことがわかる。これは、本実施形態の半導体装置１０のほうが比較例の半導体装置よりも測定感度が高いことを表している。

自由水の土壌中水分は、平面ではなく、アイランド状に存在（点在）していると考えられる。図４Ａに示すように、本実施形態の半導体装置１０では、表面が親水性の第２絶縁膜２８（ＳｉＯ_２膜）であるため、第２絶縁膜２８の表面に存在する水粒子が多くなる。

一方、図４Ｂに示すように比較例の半導体装置では、表面が疎水性のＳｉ_３Ｎ_４膜であるためＳｉ_３Ｎ_４膜の表面に存在する水粒子が少なくなり、空気が多くなる。その結果、比較例の半導体装置では、図４Ｂに示すようにＳｉ_３Ｎ_４膜の表面に空気ポケットが存在する。

また、従来の半導体装置を垂直に立たせた場合、半導体装置の表面の保水性が小さい（疎水性である）と本実施形態の半導体装置１０に比べて半導体装置の表面に水が留まらず、空気が多くなってしまう。

従って、上記図３に示したように、本実施形態の半導体装置１０のほうが、比較例の半導体装置に比べて測定感度が向上する。

なお、本実施形態の半導体装置１０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１０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できる。

まず、半導体装置１０の外部電極３３（より具体的には第２外部電極層３４）を測定対象の土壌に接触させる。測定を行う場合、外部電極３３の一方に所定の任意の周波数の交流電気信号を印加し、その位相と他方の外部電極３３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１０では、時分割方式で外部電極３３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１０は、基板２０上に形成された第１層間膜２２と、第１層間膜２２上に形成された少なくとも一対の内部電極３０と、第１層間膜２２及び内部電極３０上に形成された第２層間膜２４と、第２層間膜２４上に形成された疎水性の第１絶縁膜２６と、第１絶縁膜２６上に形成された親水性の第２絶縁膜２８と、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、及び第２絶縁膜２８を貫通して内部電極３０に達するトレンチ３６の内部からトレンチ３６の開口部周囲の第２絶縁膜２８の表面にわたって形成された少なくとも一対の外部電極３３と、を備える。

また、本実施形態の半導体装置１０の製造方法の第１工程では、基板２０上に第１層間膜２２を形成する。第２工程では、第１層間膜２２上に少なくとも一対の内部電極３０を形成する。第３工程では、第１層間膜２２及び内部電極３０上に第２層間膜２４を形成し、さらに第２層間膜２４上に疎水性の第１絶縁膜２６を形成する。第４工程では、第１絶縁膜２６上に親水性の第２絶縁膜２８を形成する。第５工程では、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、及び第２絶縁膜２８を貫通して内部電極３０に達するトレンチ３６を形成する。第６〜第８工程では、トレンチ３６の内部からトレンチ３６の開口部周囲の第２絶縁膜２８の表面にわたって少なくとも一対の外部電極３３を形成する。

本実施形態の半導体装置１０の製造方法では、第１絶縁膜２６及び第２絶縁膜２８を形成した後に外部電極３３を形成している。一方、従来技術（国際公開２０１１／１５８８１２号）の半導体装置では、外部電極３３に相当する電極を形成した後に、第１絶縁膜２６に相当する疎水性の絶縁膜や第２絶縁膜２８に相当する親水性の絶縁膜を形成している。従来技術の場合、外部電極３３の上部領域に対応する第１絶縁膜２６や第２絶縁膜２８を除去するために、ホトリソ及びエッチング等を行う必要がある。これに対して、本実施形態の半導体装置１０の製造方法では、第１絶縁膜２６及び第２絶縁膜２８を形成した後に、内部電極３０を形成しているため、従来技術では必要である第１絶縁膜２６及び第２絶縁膜２８を除去する工程を要さない。

従って、本実施形態の半導体装置１０の製造方法によれば、親水性の第２絶縁膜２８を備えた半導体装置１０の製造工程の簡略化を実現することができる。

［第２実施形態］
本実施形態の半導体装置１０は、いわゆるマルチモーダルセンサであり、第１実施形態の半導体装置１０と同様にＥＣセンサの機能を備えるとともに、ｐＨセンサの機能を備える。

まず、本実施形態の半導体装置の構成について説明する。図５には、本実施形態の半導体装置１０の概略構成図を示す。なお、図５には、Ａ−Ａ断面図及び、外部電極３３が形成されている側からみた平面図を示す。本実施形態の半導体装置１０は、ＥＣ（Electric Conductivity）センサとして機能するＥＣセンサ部１、及びｐＨセンサとして機能するｐＨセンサ部２を備える。

図５に示すように、ｐＨセンサ部２は、ＥＣセンサ部１が設けられた領域内に設けられている。具体的には、ＥＣセンサ部１の一対の外部電極３３の間にｐＨセンサ部２が設けられている。

なお、本実施形態の半導体装置１０のＥＣセンサ部１は、上記第１実施形態の半導体装置１０と同様であるため、同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すように本実施形態の半導体装置１０では、ｐＨセンサ部２を形成するため、第１実施形態の半導体装置１０の構成に、測定パッド３０Ｄ、不純物拡散層５０、ソース／ドレイン領域５２、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）膜５４、ｐＨ感応膜５６、コンタクトホール５８、ｐＨセンサ用の内部電極３０Ｂ、ｐＨセンサ用のトレンチ６０がさらに追加されている。

ＬＯＣＯＳ膜５４は、ｐＨセンサ部２に応じて素子分離のために設けられている。不純物拡散層５０は、ｐＨセンサ部２が所望の特性となるように閾値制御用の不純物が拡散された層である。例えば、基板２０がｎ型のシリコン基板の場合、不純物拡散層５０には、ｐ型の不純物が拡散されている。

一対のソース／ドレイン領域５２のうち、任意のいずれか一方がソース領域として機能し、他方がドレイン領域として機能する。ソース／ドレイン領域５２同士間の距離（一方のソース／ドレイン領域５２のトレンチ６０に近い方の端部から他方のソース／ドレイン領域５２のトレンチ６０に近い方の端部までの間隔）の具体例としては、４０μｍが挙げられる。

ｐＨ感応膜５６の具体例としては、酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜、及び酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜等が挙げられる。ｐＨ感応膜５６の厚さの具体例としては、１００ｎｍが挙げられる。なお、本実施形態の半導体装置１０では、図５に示すように、半導体装置１０の表面全体にわたって外部電極３３の下層の領域にもｐＨ感応膜５６が設けられているが、ｐＨ感応膜５６は、少なくともｐＨセンサ部２に設けられていればよい。なお、ｐＨ感応膜５６を半導体装置１０の表面全体にわたって設ける場合、ｐＨ感応膜５６をパターニングする工程が省略できるため製造工程の簡略化の観点から好ましい。

ソース／ドレイン領域５２上には、第１層間膜２２を貫通し、ｐＨ感応膜５６に達するコンタクトホール５８が設けられている。コンタクトホール５８の内部には、タングステン（Ｗ）が成膜されている。コンタクトホール５８の幅Ｌ４の具体例としては、０．５μｍが挙げられる。

第１層間膜２２上のコンタクトホール５８が設けられた領域上にｐＨセンサ用の内部電極３０Ｂが形成されている。内部電極３０Ｂの幅Ｌ５の具体例としては、２０μｍが挙げられる。

なお、図５に示した本実施形態の半導体装置１０の内部電極３０Ａは、第１実施形態の半導体装置１０の内部電極３０に対応しており、ＥＣセンサ用の内部電極である。内部電極３０Ａは、ＥＣセンサ用の内部電極３０Ｂと同様の材料で形成される。また、内部電極３０Ａと内部電極３０Ｂとは、同一の工程において、即ち同じタイミングで形成される（図７、第７工程参照）。また、内部電極３０Ａは、配線３１Ａ（図７、第７工程の平面図参照）を介して測定パッド３０Ｃに接続されており、内部電極３０Ｂは、配線３１Ｂ（図７、第７工程の平面図参照）を介して測定パッド３０Ｄに接続されている。

トレンチ６０は、ソース／ドレイン領域５２の間に設けられており、第１層間膜２２、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、及び第２絶縁膜２８を貫通し、ｐＨ感応膜５６に達している。トレンチ６０の開口部の大きさの具体例は、幅Ｌ６として４４μｍ、及び幅と交差する方向の長さとして４００μｍが挙げられる。本実施形態のｐＨセンサ部２は、トレンチ６０内部に入り込んでｐＨ感応膜５６に接触した測定対象のｐＨを測定する。従って、トレンチ６０の開口部の大きさがｐＨセンサ部２の大きさに該当する。なお、ｐＨセンサ部２を上記具体例とした場合、ＥＣセンサ部１の第２外部電極層３４の幅Ｌ３の具体例は第１実施形態で具体例として示したのと同様に９００μｍであり、幅と交差する方向の長さとしては３９００μｍが挙げられる。

本実施形態の半導体装置１０の製造方法の一例のうち、図６には、第１〜第４工程を示す。また、図７には、第５〜第８工程を示す。また、図８には、第９〜第１２工程を示す。さらに、図９には、第１３〜第１５工程を示す。

本実施形態の半導体装置１０の製造方法では、まず、図６の第１工程に示すように、ｐＨセンサ部２に応じて基板２０上にＬＯＣＯＳ膜５４を形成する。

次に、図６の第２工程に示すように、ＬＯＣＯＳ膜５４同士の間に、不純物拡散層５０を形成する。不純物拡散層５０の形成方法の具体例としては、イオンインプラ及び熱処理が挙げられる。

次に、図６の第３工程に示すように、基板２０（不純物拡散層５０）の表面のＬＯＣＯＳ膜５４同士の間に、ソース／ドレイン領域５２を形成する。ソース／ドレイン領域５２の形成方法の具体例としては、イオンインプラ及び熱処理が挙げられる。

次に、図６の第４工程に示すように、基板２０の表面全体にわたり、すなわち、不純物拡散層５０、ソース／ドレイン領域５２、及びＬＯＣＯＳ膜５４上にｐＨ感応膜５６を形成する。ｐＨ感応膜５６の形成方法の具体例としては、ｐＨ感応膜５６が、ＳｉＯ_２膜、または窒化珪素Ｓｉ_３Ｎ_４膜の場合はＣＶＤ法が挙げられ、Ｔａ_２Ｏ_５膜またはＡｌ_２Ｏ_３膜の場合は、ＣＶＤ法もしくはスパッタ法が挙げられる。

次に、図７の第５工程に示すように、ｐＨ感応膜５６上に第１層間膜２２を形成する。第１層間膜２２の形成方法は、第１実施形態の半導体装置１０の製造方法の第１工程（図２参照）と同様にすればよい。

さらに、本実施形態の半導体装置１０の製造方法の第５工程では、ソース／ドレイン領域５２上に、第１層間膜２２を貫通してｐＨ感応膜５６に達するコンタクトホール５８を形成する。コンタクトホール５８の形成方法の具体例としては、ホトリソ及びエッチングが挙げられる。

次に図７の第６工程に示すように、コンタクトホール５８の内部にタングステンを成膜し、エッチバックによりコンタクトホール５８の内部のみにタングステンが成膜された状態とする。

次に、図７の第７工程に示すように、第１層間膜２２上に、ＥＣセンサ用の内部電極３０Ａ、ｐＨセンサ用の内部電極３０Ｂ、測定パッド３０Ｃ、及び測定パッド３０Ｄを形成する。内部電極３０Ａ、内部電極３０Ｂ、測定パッド３０Ｃ、及び測定パッド３０Ｄの形成方法は、第１実施形態の第２工程で内部電極３０及び測定パッドを形成した方法と同様にすればよい。

なお、図７の平面図に示すように内部電極３０Ａと測定パッド３０Ｃとは、配線３１Ａにより接続されている。また、内部電極３０Ｂと測定パッド３０Ｄとは、配線３１Ｂにより接続されている。

次に、図７の第８工程に示すように、第１層間膜２２に第２層間膜２４を成膜する。第２層間膜２４の成膜方法は、第１実施形態の第３工程で第２層間膜２４を成膜した方法と同様にすればよい。

次に、図８の第９工程に示すように、第２層間膜２４上に第１絶縁膜２６を形成する。第１絶縁膜２６の形成方法は、第１実施形態の第３工程で第１絶縁膜２６を形成した方法と同様にすればよい。

次に、図８の第１０工程に示すように、第１絶縁膜２６上に第２絶縁膜２８を成膜する。第２絶縁膜２８の成膜方法は、第１実施形態の第４工程で第２絶縁膜２８を成膜した方法と同様にすればよい

次に、図８の第１１工程に示すように、第１層間膜２２、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、及び第２絶縁膜２８を貫通してｐＨ感応膜５６に達するトレンチ６０を、ソース／ドレイン領域５２同士の間に形成する。トレンチ６０の形成方法の具体例としては、トレンチ６０の開口部の大きさに応じたマスクを用いてホトリソ及びエッチングを行う方法が挙げられる。

次に、図８の第１２工程に示すように、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６、及び第２絶縁膜２８を貫通して内部電極３０Ａに達するトレンチ３６を形成する。トレンチ３６の形成方法は、第１実施形態の第５工程でトレンチ３６を形成した方法と同様にすればよい。

次に、図９の第１３工程に示すように、第２絶縁膜２８上にレジスト４０を形成する。レジスト４０の形成方法は、第１実施形態の第６工程でレジスト４０を形成した方法と同様にすればよい。

次に、図９の第１４工程に示すように、第１外部電極膜３２Ａ及び２外部電極膜３４Ａを形成する。第１外部電極膜３２Ａ及び２外部電極膜３４Ａの形成方法は、第１実施形態の第７工程で第１外部電極膜３２Ａ及び２外部電極膜３４Ａを形成した方法と同様にすればよい。

次に、図９の第１５工程に示すように、レジスト４０を除去する。レジスト４０の除去方法は、第１実施形態の第８工程でレジスト４０を除去した除去方法と同様にすればよい。

本実施形態では、このように図６〜９に示した第１〜第１５工程により、図５に示したＥＣセンサ部１及びｐＨセンサ部２を備えた半導体装置１０が製造される。

本実施形態の半導体装置１０を用いて測定対象のＥＣを測定する方法は、第１実施形態の半導体装置１０と同様に行えばよい。また、測定対象のｐＨを測定する方法は、半導体装置１０とは別または半導体装置１０上に参照電極を設け、測定対象の水素イオン濃度に応じて当該参照電極とｐＨ感応膜５６との間の電圧が変わり、ソース／ドレイン領域５２に流れる電流が変化するので、その変化を電圧変化に変換して検出することによりｐＨを測定することができる。

なお、本実施形態の半導体装置１０の第２絶縁膜２８の表面に、コンタクトホールやトレンチを形成してもよい。図１０には、第２絶縁膜２８の表面にコンタクトホール８０が形成された半導体装置１０の概略構成図を示す。また、図１１には、第２絶縁膜２８の表面にトレンチ８２が形成された半導体装置１０の概略図を示す。

図１０に示すようにコンタクトホール８０の深さは、第１絶縁膜２６に達しておらず、具体例としては、第２絶縁膜２８の厚さの半分程度が挙げられる。また、図１０に示した半導体装置１０では、具体例としてコンタクトホール８０の直径（幅）Ｌ７と、コンタクトホール８０同士の間隔Ｌ８とを同一（より具体的には、Ｌ７＝Ｌ８＝０．２μｍ）としている。なお、図１０に示した半導体装置１０では、第２絶縁膜２８の表面に行列上に形成されたコンタクトホール８０の中心位置が、各行及び各列で一致するように配置されているが、中心位置をずらして、千鳥状に配置してもよい。このようにコンタクトホール８０を形成する位置配置、及び数等は図１０に示したものに限らない。例えば、トレンチ６０を取り囲むようにコンタクトホール８０が設けられていてもよい。

また、図１１に示すようにトレンチ８２の深さもコンタクトホール８０と同様に第１絶縁膜２６に達しておらず、具体例としては、第２絶縁膜２８の厚さの半分程度が挙げられる。また、図１１に示した半導体装置１０では、具体例としてトレンチ８２幅はコンタクトホール８０の幅Ｌ７と同様であり、トレンチ８２同士の間隔は、コンタクトホール８０同士の間隔Ｌ８と同様である。なお、図１１に示した半導体装置１０では、ｐＨ感応膜５６を挟んだ両側でトレンチ８２が延びる方向を異ならせて両者が交差するように形成しているが、トレンチ８２を形成する位置、方向、及び数等は特に限定されない。例えば、トレンチ６０を取り囲むようにトレンチ８２が設けられていてもよい。

また、第２絶縁膜２８の表面にコンタクトホール８０及びトレンチ８２の両方を形成してもよい。

このようにコンタクトホール８０及びトレンチ８２の大きさ等については特に限定されない。また、コンタクトホール８０及びトレンチ８２のいずれを形成するかについても限定されない。コンタクトホール８０及びトレンチ８２の大きさ等やいずれを形成するかについては、測定対象に応じて定めることが好ましい。例えば、ナノスケールの凸凹（コンタクトホール８０）を配置することにより、親水性の第２絶縁膜２８の親水化がさらに向上する。なお、ｐＨセンサ部２の周囲は疎水性にすることが好ましいため、ｐＨセンサ部２（トレンチ６０の開口部）の周囲には、コンタクトホール８０やトレンチ８２を設けないようにしてもよい。

また、コンタクトホール８０やトレンチ８２は、第２絶縁膜２８の表面の面積に対して、５０％程度以下であることが好ましい。

なお、コンタクトホール８０及びトレンチ８２の形成方法は、上記本実施形態の第１２工程または第１５工程の後に、第２絶縁膜２８の表面にホトリソ及びエッチングを行えばよい。

図１０及び図１１に示した半導体装置１０のように第２絶縁膜２８の表面にコンタクトホール８０やトレンチ８２等の凹凸を設けることにより、測定対象の溶液の表面張力により、第２絶縁膜２８の凹凸部分で溶液が引っかかりやすくなる。そのため、コンタクトホール８０やトレンチ８２等の凹凸が設けられていない場合に比べて、第２絶縁膜２８の表面に溶液が留まりやすくなるため、ＥＣセンサとしての検出感度が向上する。

なお、第１実施形態の半導体装置１０においても第２絶縁膜２８上に、図１０に示したコンタクトホール８０や図１１に示したトレンチ８２と同様にコンタクトホールやトレンチ等の凹凸部を形成してもよい。

以上説明したように、本実施形態の半導体装置１０は、ＥＣセンサ部１及びｐＨセンサ部２を備える。そのため、本実施形態の半導体装置１０は、上記第１実施形態の半導体装置１０（図１参照）の構成にさらに、ｐＨセンサ用の内部電極３０Ｂ不純物拡散層５０、ソース／ドレイン領域５２、ＬＯＣＯＳ膜５４、ｐＨ感応膜５６、コンタクトホール５８、及びトレンチ６０を備える。

また、本実施形態の半導体装置１０の製造方法では、第１層間膜２２を形成する前に、基板２０上の一対の外部電極３３が形成される領域間にソース／ドレイン領域５２を形成する第１〜第３工程、及びソース／ドレイン領域５２が形成された基板２０上にｐＨ感応膜５６を形成する第４工程を備える。また、第５工程では、ｐＨ感応膜５６上に第１層間膜２２を形成する。また、ＥＣセンサ用の内部電極３０Ａを形成する第７工程では、内部電極３０Ａとともに、ソース／ドレイン領域５２上にｐＨセンサ用の内部電極３０Ｂをさらに形成する。そして、トレンチ３６を形成する第１２工程の前の第１１工程では、ソース／ドレイン領域５２同士の間に第１層間膜２２、第２層間膜２４、第１絶縁膜２６膜、及び第２絶縁膜２８を貫通し、ｐＨ感応膜５６に達するｐＨセンサ用のトレンチ６０を形成する。

従って、本実施形態の半導体装置１０の製造方法においても、第１実施形態の半導体装置１０の製造方法と同様に、親水性の第２絶縁膜２８を備えた半導体装置１０の製造工程の簡略化を実現することができる。

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。

１ＥＣセンサ部
２ｐＨセンサ部
１０半導体装置
２０基板
２２第１層間膜
２４第２層間膜
２６第１絶縁膜
２８第２絶縁膜
３０内部電極、３０ＡＥＣセンサ用の内部電極、３０ＢｐＨセンサ用の内部電極
３２第１外部電極層
３３外部電極
３４第２外部電極層
３６トレンチ
５２ソース／ドレイン領域
５６ｐＨ感応膜
６０トレンチ（ｐＨセンサ用）
８０コンタクトホール
８２トレンチ

Claims

基板上に第１層間膜を形成する工程と、
前記第１層間膜上に少なくとも一対の測定対象の水分状態計測用の内部電極を形成する工程と、
前記第１層間膜及び前記内部電極上に第２層間膜を形成する工程と、
前記第２層間膜上に疎水性の第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜上に親水性の第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２層間膜、第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通して前記内部電極に達するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内部から前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって少なくとも一対の外部電極を形成する工程と、
を備えた測定対象の水分状態計測用センサの機能を有する半導体装置の製造方法。
前記外部電極は、前記トレンチの底部及び内壁部を覆うように形成する、
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記外部電極を形成する工程は、前記トレンチの内壁及び前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって第１外部電極層を形成する工程と、前記第１外部電極層上に第２外部電極層を形成する工程と、を備える
請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２絶縁膜に、前記第２絶縁膜を貫通しない複数のコンタクトホール及び複数のトレンチの少なくとも一方を形成する工程をさらに備えた、
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の製造方法。
前記第１層間膜を形成する前に、前記基板上の前記一対の外部電極が形成される領域間にソース領域及びドレイン領域を形成する工程、及び前記ソース領域及び前記ドレイン領域が形成された前記基板上にｐＨ感応膜を形成する工程をさらに備え、
前記ｐＨ感応膜上に、前記第１層間膜を形成し、
前記内部電極を形成する工程では、前記内部電極とともに、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上にｐＨセンサ用内部電極をさらに形成し、
前記トレンチを形成する工程の前に、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に前記第１層間膜、前記第２層間膜、前記第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通し、前記ｐＨ感応膜に達するｐＨセンサ用トレンチを形成する工程をさらに備えた、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１絶縁膜を形成する前に、前記第２層間膜の表面を平坦化する工程をさらに備えた、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２絶縁膜の材料は、ＳｉＯ_２である、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記測定対象の水分状態計測用センサの機能は、ＥＣセンサの機能を含む、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記測定対象の水分状態計測用センサの機能は、水分状態として位相変化を検出する機能を含む、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記測定対象の水分状態計測用センサの機能は、イオン濃度を検出する機能を含む、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
基板上における一対の外部電極が形成される領域間にソース領域及びドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域が形成された前記基板上にｐＨ感応膜を形成する工程と、
前記ｐＨ感応膜上に第１層間膜を形成する工程と、
前記第１層間膜上に少なくとも一対の内部電極を形成するとともに、前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上にｐＨセンサ用内部電極を形成する工程と、
前記第１層間膜及び前記内部電極上に第２層間膜を形成する工程と、
前記第２層間膜上に疎水性の第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜上に親水性の第２絶縁膜を形成する工程と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に前記第１層間膜、前記第２層間膜、前記第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通し、前記ｐＨ感応膜に達するｐＨセンサ用トレンチを形成する工程と、
前記第２層間膜、第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通して前記内部電極に達するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内部から前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって少なくとも前記一対の外部電極を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。
基板上に形成された第１層間膜と、
前記第１層間膜上に形成された少なくとも一対の測定対象の水分状態計測用の内部電極と、
前記第１層間膜及び前記内部電極上に形成された第２層間膜と、
前記第２層間膜上に形成された疎水性の第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に形成された親水性の第２絶縁膜と、
前記第２層間膜、第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通して前記内部電極に達するトレンチの内部から前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって形成された少なくとも一対の外部電極と、
を備えた測定対象の水分状態計測用センサの機能を有する半導体装置。
前記基板上の前記一対の外部電極が形成される領域間に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域が形成された前記基板上に形成されたｐＨ感応膜と、をさらに備え、
前記第１層間膜は、前記ｐＨ感応膜上に形成されており、
前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上に形成されたｐＨセンサ用内部電極と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に形成された前記第１層間膜、前記第２層間膜、前記第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通し、前記ｐＨ感応膜に達するｐＨセンサ用トレンチと、をさらに備えた、
請求項１２に記載の半導体装置。
基板上に形成された第１層間膜と、
前記第１層間膜上に形成された少なくとも一対の内部電極と、
前記第１層間膜及び前記内部電極上に形成された第２層間膜と、
前記第２層間膜上に形成された疎水性の第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に形成された親水性の第２絶縁膜と、
前記第２層間膜、第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通して前記内部電極に達するトレンチの内部から前記トレンチの開口部周囲の前記第２絶縁膜の表面にわたって形成された少なくとも一対の外部電極と、
前記基板上の前記一対の外部電極が形成される領域間に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域が形成された前記基板上に形成されたｐＨ感応膜と、
前記ソース領域上及び前記ドレイン領域上に形成されたｐＨセンサ用内部電極と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記ｐＨ感応膜上に形成されている前記第１層間膜、前記第２層間膜、前記第１絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通し、前記ｐＨ感応膜に達するｐＨセンサ用トレンチと、
を備えた半導体装置。