JPWO2009011164A1 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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公志郎 小泉
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Abstract

加工寸法精度良くドライエッチング法とウエットエッチング法とを組み合わせたエッチング工程を実施できる技術を提供するために、センサ膜１２上に層間絶縁膜１３、エッチングストッパ膜１４、層間絶縁膜１５、１８および表面保護膜１９を順次成膜する。エッチングストッパ膜１４としては、層間絶縁膜１３、１５、１８とエッチング選択比が異なる材料を選択する。次いで、エッチングストッパ膜１４をエッチングストッパとして表面保護膜１９および層間絶縁膜１８、１５を順次ドライエッチングし、続いて層間絶縁膜１３をエッチングストッパとしてエッチングストッパ膜１４をドライエッチングする。その後、センサ膜１２をエッチングストッパとして層間絶縁膜１３をウエットエッチングする。

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、ドライエッチング法とウエットエッチング法とを組み合わせたエッチング工程により加工された半導体装置およびその製造技術に適用して有効な技術に関するものである。
特開２００２−１３１２７６号公報（特許文献１）には、光アドレス電位応答センサを用いて化学イメージセンサセルを構成することにより、環境負荷を軽減し、使用勝手の良い、安価なケミカルイメージセンサを実現する技術が開示されている。
特開２００２−１８１７７３号公報（特許文献２）には、半導体基板上のＭＯＳ型デバイスのゲート膜上にセンサの感応部、参照電極、対極を設け、これらを電解質材料で被覆して成る化学センサにおいて、裏面照射による表面光電圧法を用いた化学イメージセンサを構成することにより、ケミカルイメージ信号の高速処理、装置の小型化、および安価なケミカルイメージセンサを実現する技術が開示されている。
特開２００１−２７２３７２号公報（特許文献３）には、ゲート電極とドレイン電極との間にダイヤモンドの水素終端表面が露出したチャネルと、このチャネルの露出したダイヤモンドの水素終端表面を満たす液体電解質からなるゲートとを備え、液体電解質の中で安定に動作する電界効果トランジスタが開示されている。
ＷＯ２００３／０４２６８３号公報（特許文献４）には、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）型センサと、そのセンサを用いたイオン濃度検出方法および塩基配列検出方法が開示されている。
特開２００２−１３１２７６号公報 特開２００２−１８１７７３号公報 特開２００１−２７２３７２号公報 ＷＯ２００３／０４２６８３号公報
本発明者らは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によるｐＨイメージセンサの製造技術について検討している。その中で、本発明者らは、以下のような課題を見出した。
すなわち、本発明者らが検討しているＭＥＭＳによるｐＨイメージセンサのセンサ部は、ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）の上に薄い酸化膜を介して薄いセンサ膜（ＳｉＮ膜）が設けられた構造となっており、このセンサ膜であるＳｉＮ膜へのＨ（水素）イオンの吸着密度によってｐＨを計算するものである。このような使用原理であることから、センサ膜であるＳｉＮ膜が露出していなければならず、センサ膜上の層間絶縁膜および表面保護膜にセンサ膜に達する開口部を形成する必要がある。このような開口部を形成する際に、センサ膜がドライエッチング雰囲気に曝されると、センサ膜のＨイオン吸着能力が低下してしまうため、センサ膜表面近くではウエットエッチングにより開口部を形成しなければならない。
ドライエッチングが異方性エッチングであるのに対し、ウエットエッチングは等方性エッチングである。そのため、センサ膜上の層間絶縁膜が厚くなった場合には、ウエットエッチングだけで上記開口部を形成しようとすると、サイドエッチング量も増加してしまうことから、開口部の径が所望の径より大きくなり過ぎてしまう不具合の発生が懸念される。そのため、センサ膜の直前まではドライエッチングで加工を進め、最後のセンサ膜の表面を露出させる工程だけをウエットエッチングで行う加工法が考えられる。
しかしながら、センサ密度を高めるために、ＭＩＳＦＥＴやＭＩＳＦＥＴと電気的に接続する配線等の加工寸法の微細化が進むと、上記開口部の径も小さくなり、ウエットエッチングによるサイドエッチング量が開口部の加工寸法に大きな影響を及ぼす。すなわち、ドライエッチングを、センサ膜に達しない安全な時点で止め、残りをウエットのオーバーエッチングで加工すると、ウエットエッチングする膜厚が厚くなってしまうことから、サイドエッチング量が大きくなり、開口部を微細化できなくなってしまう不具合を生じることになる。
また、上記開口部の微細化を目的として、ドライエッチングをセンサ膜寸前まで行い、残りをウエットエッチングで加工する加工法が考えられる。しかしながら、ドライエッチングをセンサ膜寸前まで行うことから、センサ膜がドライエッチング雰囲気に曝されてしまい、センサ膜のＨイオン吸着能力が低下してしまう不具合の発生が懸念される。
さらに、上記ｐＨイメージセンサに多層に配線等が設けられた構造となると、段差形状が複雑に現れてくることになり、層間絶縁膜の膜厚も厚く、かつ均一な膜厚ではなくなる。そのため、その段差形状による層間絶縁膜の厚さの違いを考慮したドライエッチングおよびウエットエッチングの制御が不可能に近い状態となってしまう。また、段差を均一にしてセンサ部（センサ膜）上の層間絶縁膜の膜厚を均一にするには、センサ部周辺の配線レイアウト等の制約が大きくなってしまい、自由なレイアウト設計ができなくなってしまう不具合が生じる。また、段差のためにサイドエッチング量が加工個所によってばらつき、エッチ残りおよびオーバーエッチング等に起因する短絡事故等が発生し、ｐＨイメージセンサの歩留まりを低下させてしまうことが懸念される。
ところで、上記センサ膜上の層間絶縁膜の膜厚が厚くなり、センサ膜に達する開口部の径が小さくなると、層間絶縁膜のドライエッチング時に副生成物として発生したポリマーが開口部の側壁に付着してしまうことの影響も大きくなる。すなわち、このポリマーはウエットエッチングでは除去し難いため、開口部内にポリマーによるエッチ残りが発生し、開口部の加工自体が行えなくなってしまう不具合が懸念される。
本発明の目的は、加工寸法精度良くドライエッチング法とウエットエッチング法とを組み合わせたエッチング工程を実施できる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
（１）本発明による半導体装置は、
半導体基板の主面に形成されたセンサ素子と、
前記センサ素子が形成された前記半導体基板の前記主面上に形成された第１の薄膜と、
前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜と、
前記半導体基板の前記主面の第１の領域上の前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との間でパターニングされ前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜と、
前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜および前記第２の薄膜に形成され、前記第１の薄膜に達する開口部とを有し、
前記センサ素子は、前記半導体基板の前記主面上にてパターニングされた第１の電極を備え、前記開口部を介して前記半導体基板に達する被計測物質を検知し、
前記第１の薄膜は、前記第１の電極の上面および側面と、前記開口部の底部と、前記開口部の側面の少なくとも一部とを覆い、
前記第２の薄膜は、前記第１の電極の上面を覆い、
前記開口部の前記底部および前記開口部の前記側面の少なくとも一部における前記第１の薄膜の表面は、露出され、
前記第１の薄膜は、前記被計測物質により前記センサ素子を電気的に作用させる薄膜である。
（２）また、本発明による半導体装置は、
半導体基板の主面に形成されたセンサ素子と、
前記センサ素子が形成された前記半導体基板の前記主面上に形成された第１の薄膜と、
前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜と、
前記半導体基板の前記主面の第１の領域上の前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との間で第１のパターンでパターニングされ、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第３の薄膜と、
前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に開口され、前記第１の薄膜に達する開口部とを有し、
前記センサ素子は、前記半導体基板の前記主面上にてパターニングされた第１の電極を備え、前記開口部を介して前記半導体基板に達する被計測物質を検知し、
前記第１の薄膜は、前記第１の電極の上面および側面と、前記開口部の底部と、前記開口部の側面の少なくとも一部とを覆い、
前記開口部の前記底部および前記開口部の前記側面の少なくとも一部における前記第１の薄膜の表面は、露出され、
前記第１の薄膜は、前記被計測物質により前記センサ素子を電気的に作用させる薄膜である。
（３）また、本発明による半導体装置の製造方法は、
（ａ）半導体基板の主面にセンサ素子を形成する工程、
（ｂ）前記センサ素子の存在下で前記半導体基板の前記主面上に第１の薄膜を形成する工程、
（ｃ）前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に第１の絶縁膜を形成する工程、
（ｄ）前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜を形成し、前記半導体基板の前記主面の第１の領域上にて前記第２の薄膜をパターニングする工程、
（ｅ）前記第２の薄膜を含む前記第１の絶縁膜上に、前記第２の薄膜に対してエッチング選択比を有する第２の絶縁膜を形成する工程、
（ｆ）前記第２の絶縁膜上に第１のマスキング層を形成し、前記第１のマスキング層をマスクとして前記第１の領域上の前記第２の絶縁膜を第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記第２の薄膜に達する開口部を形成する工程、
（ｇ）前記第１のマスキング層をマスクとして前記開口部下の前記第２の薄膜を前記第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記開口部を前記第１の絶縁膜に達するように拡張する工程、
（ｈ）前記（ｇ）工程後、前記開口部下の前記第１の絶縁膜を等方的にウエットエッチングし、前記開口部を前記第１の薄膜に達するように拡張する工程、
を含む。
（４）また、本発明による半導体装置の製造方法は、
（ａ）半導体基板の主面に第１のセンサ素子および第２のセンサ素子を形成する工程、
（ｂ）前記第１のセンサ素子および前記第２のセンサ素子の存在下で前記半導体基板の前記主面上に第１の薄膜を形成する工程、
（ｃ）前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に第１の絶縁膜を形成する工程、
（ｄ）前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜を形成し、前記半導体基板の前記主面の第１の領域上および第２の領域上にて前記第２の薄膜をパターニングする工程、
（ｅ）前記第２の薄膜を含む前記第１の絶縁膜上に、前記第２の薄膜に対してエッチング選択比を有し、前記第１の領域上と前記第２の領域上とで膜厚が異なる第２の絶縁膜を形成する工程、
（ｆ）前記第２の絶縁膜上に第１のマスキング層を形成し、前記第１のマスキング層をマスクとして前記第１の領域および前記第２の領域上の前記第２の絶縁膜をそれぞれ第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記第１の領域および前記第２の領域のそれぞれに前記第２の薄膜に達する開口部を形成する工程、
（ｇ）前記第１のマスキング層をマスクとして前記開口部下の前記第２の薄膜を前記第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記開口部を前記第１の絶縁膜に達するように拡張する工程、
（ｈ）前記（ｇ）工程後、前記開口部下の前記第１の絶縁膜を等方的にウエットエッチングし、前記開口部を前記第１の薄膜に達するように拡張する工程、
を含む。
（５）また、本発明による半導体装置の製造方法は、
（ａ）半導体基板の主面にセンサ素子を形成する工程、
（ｂ）前記センサ素子の存在下で前記半導体基板の前記主面上に第１の薄膜を形成する工程、
（ｃ）前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に第１の絶縁膜を形成する工程、
（ｄ）前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第３の薄膜を形成し、前記半導体基板の前記主面の第１の領域上にて前記第３の薄膜を第１のパターンでパターニングする工程、
（ｅ）前記第３の薄膜を含む前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜を形成し、前記第１の領域上にて前記第２の薄膜をパターニングする工程、
（ｆ）前記第２の薄膜を含む前記第１の絶縁膜上に、前記第２の薄膜に対してエッチング選択比を有する第２の絶縁膜を形成する工程、
（ｇ）前記第２の絶縁膜上に第１のマスキング層を形成し、前記第１のマスキング層をマスクとして前記第１の領域上の前記第２の絶縁膜を第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記第２の薄膜に達する開口部を形成する工程、
（ｈ）前記第１のマスキング層をマスクとして前記開口部下の前記第２の薄膜を前記第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記開口部を拡張する工程、
（ｉ）前記（ｈ）工程後、前記開口部下の前記第１の絶縁膜を等方的にウエットエッチングし、前記開口部を前記第１の薄膜に達するように拡張する工程、
を含む。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
加工寸法精度良くドライエッチング法とウエットエッチング法とを組み合わせたエッチング工程を実施できる。
本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。 図１に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図２に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図３に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図４に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程中の要部平面図である。 図５に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図７に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程中の要部平面図である。 本発明の実施の形態１の半導体装置であるｐＨイメージセンサの動作原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法と比較した半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１１に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法と比較した半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 ｐＨイメージセンサの動作不具合を示す説明図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の要部平面図である。 本発明の実施の形態２である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。 図１６に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１７に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１８に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１９に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態２である半導体装置の製造方法と比較した半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態３である半導体装置の製造工程中の要部平面図である。 図２２に続く半導体装置の製造工程中の要部平面図である。 本発明の実施の形態３である半導体装置の製造方法と比較した半導体装置の製造工程中の要部平面図である。 本発明の実施の形態４である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態４である半導体装置の製造工程中の要部平面図である。 本発明の実施の形態５である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態５である半導体装置の製造工程中の要部平面図である。 本発明の実施の形態５である半導体装置の製造工程中の要部平面図である。 本発明の実施の形態５である半導体装置の製造工程中の要部平面図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、実施例等において構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、材料等について言及するときは、特にそうでない旨明記したとき、または、原理的または状況的にそうでないときを除き、特定した材料は主要な材料であって、副次的要素、添加物、付加要素等を排除するものではない。たとえば、シリコン部材は特に明示した場合等を除き、純粋なシリコンの場合だけでなく、添加不純物、シリコンを主要な要素とする２元、３元等の合金（たとえばＳｉＧｅ）等を含むものとする。
また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
また、本実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態１の半導体装置は、たとえばＭＥＭＳによるｐＨイメージセンサである。この本実施の形態１の半導体装置およびその製造工程について、図１〜１５を用いて説明する。
まず、図１に示すように、たとえば単結晶シリコンからなる半導体基板（以下、単に基板と記す）１の主面（素子形成面）に選択的にｎ型の導電型を有する不純物（たとえばＰ（リン））およびｐ型の導電型を有する不純物（たとえばＢＦ２（二フッ化ホウ素））を導入し、ｎ型ウエル２およびｐ型ウエル３を形成する。次いで、基板１の主面にｐ型の導電型を有する不純物（たとえばＢＦ２）を導入し、ｐ型ウエル４を形成する。
続いて、基板１の主面上に窒化シリコン膜を堆積し、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとしてその窒化シリコン膜をエッチングする。次いで、残った窒化シリコン膜をマスクとして基板１に熱処理を施すことにより、フィールド絶縁膜５を形成する。このフィールド絶縁膜５を形成することにより、基板１の主面においては、センサ素子が形成される活性領域が規定される。
続いて、上記窒化シリコン膜を除去した後、基板１に熱処理を施すことによって、薄い酸化シリコン膜６を形成する。次いで、基板１の主面にｎ型の導電型を有する不純物（たとえばＰ）を導入し、ｎ−型半導体領域７を形成する。
続いて、基板１に熱処理を施すことによって、基板１の主面に薄い酸化シリコン膜を形成する。次いで、基板１の主面上に多結晶シリコン膜および酸化シリコン膜を順次堆積する。次いで、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして、それら酸化シリコン膜、多結晶シリコン膜および薄い酸化シリコン膜をエッチングすることにより、薄い酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜８、多結晶シリコン膜からなるゲート電極（第１の電極）９、および酸化シリコン膜からなるキャップ絶縁膜１０を形成する。
続いて、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして、基板１の主面に選択的にｎ型の導電型を有する不純物（たとえばＰ）を導入し、ｎ＋型半導体領域１１を形成する。ここまでの工程により、ＭＯＳトランジスタ構造（センサ素子）を形成することができる。
次に、図２に示すように、基板１の主面上に窒化シリコン膜を堆積することにより、センサ膜（第１の薄膜）１２を形成する。次いで、そのセンサ膜１２上に酸化シリコン膜を堆積することにより、層間絶縁膜（第１の絶縁膜）１３を形成する。
続いて、その層間絶縁膜１３上に、たとえば多結晶シリコン膜を堆積することにより、エッチングストッパ膜（第２の薄膜）１４を形成する。このエッチングストッパ膜１４としては、下層の層間絶縁膜１３および上層の層間絶縁膜とエッチング選択比が異なる材質を適用するものである。本実施の形態１では、これら層間絶縁膜が酸化シリコン膜である場合にエッチングストッパ膜１４を多結晶シリコン膜とした場合を例示したが、エッチングストッパ膜１４は、Ｔｉ（チタン）膜、ＴｉＮ（窒化チタン）膜、Ｗ（タングステン）膜、ＴｉＷ（チタンタングステン）膜、Ａｌ（アルミニウム）膜および窒化シリコン膜等の導電性膜あるいは絶縁膜を用いてもよい。
続いて、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとしたエッチングにより、そのエッチングストッパ膜１４をパターニングする。この時、エッチングストッパ膜１４は、少なくともｐＨセンサとして動作する領域（第１の領域）上に残るようにパターニングする。
次に、図３に示すように、たとえば基板１上にプラズマＣＶＤ法で酸化シリコン膜を堆積することによって層間絶縁膜（第２の絶縁膜）１５を形成する。次いで、その層間絶縁膜１５の表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法で研磨して平坦化する。
続いて、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして層間絶縁膜１５、１３およびセンサ膜１２をエッチングし、ｎ＋型半導体領域１１に達するコンタクトホール１６を形成する。次いで、コンタクトホール１６内を含む層間絶縁膜１５上にＴｉ膜、ＴｉＮ膜あるいはそれらの積層膜を堆積することによりバリア導電性膜を形成する。次いで、そのバリア導電性膜上に、たとえばＡｌ膜をスパッタリング法で堆積する。この時、そのＡｌ膜は、コンタクトホール１６を埋め込む。次いで、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとしてそれらＡｌ膜およびバリア導電性膜をエッチングすることにより、配線１７を形成する。
次に、図４に示すように、たとえば基板１上にプラズマＣＶＤ法で酸化シリコン膜を堆積することによって層間絶縁膜（第２の絶縁膜）１８を形成する。層間絶縁膜１５、１８の総膜厚は、層間絶縁膜１３の膜厚より厚くなる。次いで、たとえばその層間絶縁膜１８の表面をＣＭＰ法で研磨して平坦化した後、その層間絶縁膜１８上に、たとえば窒化シリコン膜を堆積することによって表面保護膜（第２の絶縁膜）１９を形成する。次いで、その表面保護膜１９上にフォトレジスト膜Ｒ１を成膜し、そのフォトレジスト膜Ｒ１をフォトリソグラフィ技術によってパターニングする。このパターニングにより、そのフォトレジスト膜Ｒ１は、ｐＨセンサとして動作する領域上にて除去される。
次に、図５に示すように、フォトレジスト膜（第１のマスキング層）Ｒ１をマスクとして表面保護膜１９をドライエッチングし、所望の開口形状（第１の平面形状）の開口部２０を形成する。表面保護膜１９である窒化シリコン膜は、下層の層間絶縁膜１８である酸化シリコン膜とエッチング選択比が異なるため、このドライエッチング工程時には、層間絶縁膜１８をエッチングストッパとすることができる。
続いて、フォトレジスト膜Ｒ１および開口部２０が形成された表面保護膜１９をマスクとして層間絶縁膜１８、１５をドライエッチングし、開口部２０を下方へ拡張する。前述したように、層間絶縁膜１５の下層のエッチングストッパ膜１４は、上層および下層の層間絶縁膜とエッチング選択比が異なるように材質が選択されている。そのため、層間絶縁膜１８、１５のドライエッチング工程時には、エッチングストッパ膜１４でドライエッチングを停止することができる。また、図６は、フィールド絶縁膜５で範囲が規定された活性領域Ｌ、ゲート電極９およびエッチングストッパ膜１４の平面での位置関係を示した要部平面図であり、エッチングストッパ膜１４についてはハッチングを付して示してある。
これら表面保護膜１９および層間絶縁膜１８、１５のドライエッチングは、横方向へのエッチングが非常に少ない異方性エッチングである。
次に、図７に示すように、開口部２０下のエッチングストッパ膜１４をドライエッチングして、開口部２０を下方へ拡張する。前述したように、エッチングストッパ膜１４は、下層の層間絶縁膜１３とエッチング選択比が異なるように材質が選択されているため、エッチングストッパ膜１４のドライエッチング工程時には、層間絶縁膜１３でドライエッチングを停止することができる。
次に、図８に示すように、フォトレジスト膜Ｒ１を除去した後に、開口部２０下の層間絶縁膜１３をウエットエッチングし、開口部２０の底部の全面および側部の一部のセンサ膜１２を露出させる。このウエットエッチングは等方性エッチングであることから、層間絶縁膜１３だけでなく、層間絶縁膜１３と同じ酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜１５、１８においても、層間絶縁膜１３の厚さＴ１（図７参照）と同程度以上のＴ１Ａで示すサイドエッチングが生じる。これは、開口部２０下のセンサ膜１２上の層間絶縁膜１３を完全に除去するためにオーバーエッチングを行うからであり、オーバーエッチング時には、下方（基板１の厚さ方向）のエッチングは止まってもサイドエッチングは進行するからである。本実施の形態１において、このＴ１Ａで示すサイドエッチング量は、層間絶縁膜１３の厚さＴ１の数倍程度に抑制することができる。図９は、絶縁膜１３のウエットエッチングを行った時点での要部平面図であり、エッチングストッパ膜１４および開口部２０下のセンサ膜１２については、ハッチングを付して示してある。詳細は後述するが、この開口部２０の底部に露出したセンサ膜１２がｐＨセンサとして機能する。本実施の形態において、センサ膜１２が露出しているとは、センサ膜１２が上層の層間絶縁膜１３、１５、１８、エッチングストッパ膜１４および表面保護膜１９に覆われていないことを言い、表面に自然形成される場合がある自然酸化膜等は含まないものとする。
図１０に示すように、本実施の形態１のｐＨイメージセンサは、開口部２０を試液２１に浸し、その試液２１中に電極２２を挿入して電位を加えることによりＭＯＳトランジスタ動作をさせ、この時センサ膜１２が吸着するＨイオン（Ｈ＋（被計測物質））の密度によって変動するＭＯＳトランジスタの特性を基に試液２１のｐＨを算出するものである。そのため、ゲート電極９の側面のセンサ膜１２は、開口部２０の側面に露出されていなければならない。また、センサ膜１２が露出していなければならないだけでなく、開口部２０の加工に当たっては、開口部２０の底部に露出されるセンサ膜１２のＨイオン吸着能力の低下を防ぐことが求められる。センサ膜１２である窒化シリコン膜は、層間絶縁膜１５、１８である酸化シリコン膜のドライエッチング雰囲気に曝されると、Ｈイオン吸着能力が低下してしまう。そこで、本実施の形態１では、センサ膜１２の直上の層間絶縁膜１３についてはウエットエッチングで除去することにより、センサ膜１２のＨイオン吸着能力の低下を防ぐことを可能としている。なお、Ｗ１で示される部分のセンサ膜１２が実際にセンサとして機能する部分である。
また、本実施の形態１によれば、開口部２０の形成後（ウエットエッチング後）において、エッチングストッパ膜１４が開口部２０の側壁から所定量が突出した状態となる。そのため、エッチングストッパ膜１４における開口部２０の平面（開口）寸法が小さくなるように開口部２０のレイアウトを形成すれば、試液２１中のｐＨ計測時に影響を及ぼす不要な物質をエッチングストッパ膜１４で濾し取るフィルタとして機能させることができ、その不要な物質がセンサ膜１２に到達しないようにすることができる。それにより、試液２１のｐＨ値の計測精度を向上することができる。
また、エッチングストッパ膜１４の膜厚については、ゲート電極９の厚さを基準として、ゲート電極９より厚くする場合とゲート電極９より薄くする場合とがある。
エッチングストッパ膜１４の膜厚をゲート電極９より厚くした場合には、エッチングストッパ膜１４の機械的強度を向上できるので、上記開口部２０の側壁からの突出量を大きくすることができる。それにより、上記フィルタとしての機能を向上させることができる。
エッチングストッパ膜１４の膜厚をゲート電極９より薄くする場合としては、エッチングストッパ膜１４をセンサ膜１２と同様の窒化シリコン膜から形成し、さらに開口部２０の側壁からの突出部を小さくしてエッチングストッパ膜１４で吸着する（濾し取る）物質を少なくしたい場合を例示できる。このようにエッチングストッパ膜１４を薄く形成することにより、開口部２０の側壁からの突出部を支える強度が小さくて済むので、層間絶縁膜１３と層間絶縁膜１５との間に残っているエッチングストッパ膜１４も小さくすることができる。
また、層間絶縁膜１３については、膜厚が厚すぎると前述の層間絶縁膜１５のウエットエッチング時における層間絶縁膜１５、１８のサイドエッチング量が増加してしまう一方で、膜厚が薄すぎると開口部２０の側壁から突出したエッチングストッパ膜１４が吸着した（濾し取った）不要な物質の電荷がセンサ膜１２に影響を及ぼし、間違った試液２１のｐＨ計測結果が出てしまう虞がある。このような層間絶縁膜１３の膜厚は、計測する試液２１に合わせて適宜膜厚を設定することができるが、本実施の形態１においては、層間絶縁膜１３の膜厚はゲート絶縁膜８以上の膜厚とすることを例示できる。
ところで、上記エッチングストッパ膜１４を省略した構造が考えられる。この場合には、層間絶縁膜１５のドライエッチングによるオーバーエッチングが進み過ぎると、センサ膜１２が層間絶縁膜１５のドライエッチング雰囲気に曝されセンサ膜１２のＨイオン吸着能力を低下させてしまう虞があり、センサ膜１２の直前で層間絶縁膜１５のドライエッチングを停止することは難しいことから、層間絶縁膜１５の残厚Ｔ２に余裕を持たせてドライエッチングを停止することが求められる（図１１参照）。この後、その層間絶縁膜１５の残厚Ｔ２分をウエットエッチングすることになるが、前述したように、ウエットエッチング時には層間絶縁膜１５、１８のサイドエッチングも発生してしまうが、そのサイドエッチング量（Ｔ２Ａ）は前記層間絶縁膜１５の残厚Ｔ２が厚くなるのに連動して増えることから（図１２参照）、層間絶縁膜１５の残厚Ｔ２が厚くなると、開口部２０の開口径（Ｗ１）が微細となった場合には、開口部２０を設計寸法通りに加工することが困難になってしまう不具合が懸念される。また、層間絶縁膜１５、１８のドライエッチング時には、副生成物が生成され、この副生成物がポリマー２３となって開口部２０の底部から側壁下部にかけて堆積する。このポリマー２３は、層間絶縁膜１５の残厚Ｔ２のウエットエッチングの進行を阻害し、ウエットエッチング後にも残留しやすいものである（図１３参照）。このようなポリマー２３が残留したままの場合、ｐＨイメージセンサの動作時に、図１４に示す電界がかからない領域ＮＥＡが生じてＭＯＳトランジスタ動作が行えなくなり、ｐＨイメージセンサとして機能しなくなってしまうことが懸念される。
一方、上記エッチングストッパ膜１４を用いた本実施の形態１によれば、エッチングストッパ膜１４下の層間絶縁膜１３の膜厚を薄くしておくことにより、層間絶縁膜１３のウエットエッチング時における層間絶縁膜１５、１８のサイドエッチング量（Ｔ１Ａ）を極力小さく抑えることができる。それにより、開口部２０が微細に設計されている場合でも精度よく加工することが可能となる。
また、上記エッチングストッパ膜１４を用いた本実施の形態１によれば、層間絶縁膜１５、１８のドライエッチング時に生じたポリマーは、エッチングストッパ膜１４上に付着することになる。エッチングストッパ膜１４に付着したそのポリマーは、エッチングストッパ膜１４のドライエッチング時（図７参照）に除去することができるので、層間絶縁膜１３のウエットエッチング後にそのポリマーが残留してしまうことを防ぐことができる。それにより、本実施の形態１のｐＨイメージセンサがＭＯＳトランジスタ動作を行えなくなってしまう不具合を防ぐことが可能となる。
その後、図１５に示すように、基板１を切断することによって個片化された半導体チップ（以下、単にチップと記す）２４を多層配線基板２５に実装し、本実施の形態１のｐＨイメージセンサを製造する。チップ２４には、前述の配線１７と電気的に接続するボンディングパッド２６が形成され、このボンディングパッド２６と多層配線基板２５に形成されたボンディングパッド２７とがボンディングワイヤ２８によって接続されることにより、チップ２４と多層配線基板２５とが電気的に接続される。また、チップ２４の表面においては、開口部２０が形成された領域とボンディングパッド２６が形成された領域を隔離するように樹脂製の枠２９が装着される。試液２１のｐＨ側定時には、この枠２９内に試液２１が浸され、枠２９によって試液２１が枠２９外へ溢れ出ることを防止している。
本実施の形態１において、チップ２４には、前述の開口部２０が縦方向および横方向にそれぞれ１０列ずつ配列され、それぞれの開口部２０下が各々センサとなったアレイ構造が形成されている。たとえば、多層配線基板２５をコンピュータと電気的に接続し、コンピュータの画面に各開口部２０下で測定されたｐＨを各開口部２０の配列に合わせてｐＨイメージ図として表示することにより測定結果を得ることができる。また、測定されたｐＨは、値に合わせて表示色を変えることにより、視覚的に理解しやすい測定結果とすることができる。
上記の本実施の形態１では、配線層は、配線１７が形成された配線層のみの場合について例示したが、層間絶縁膜１５および配線１７を形成する工程を繰り返すことによって、さらに多層に配線層を形成してもよい。
（実施の形態２）
本実施の形態２は、ｐＨセンサとなるセンサ膜１２上の層間絶縁膜１５、１８の膜厚が異なる複数個所に前記実施の形態１で説明した開口部２０を形成する場合の例である。
本実施の形態２では、図１６に示すように、ｐＨセンサとなるセンサ膜１２上に複数個所開口部を設けるものであり、ｐＨを計測するＭＯＳトランジスタ構造（第１のセンサ素子、第２のセンサ素子）が複数の開口部に対応して複数設けられる。表面保護膜１９を形成する工程までは、前記実施の形態１で説明した製造工程とほぼ同様であるが、開口部を設ける個所によって層間絶縁膜１５、１８の総膜厚が相対的に厚いＴ３と、相対的に薄いＴ４とになっている。このような場合においては、図１７に示すように、まず、層間絶縁膜１５、１８の総膜厚が相対的に厚いＴ３（図１６参照）の領域（第１の領域）において、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜Ｒ２をマスクとして表面保護膜１９をドライエッチングし、開口部２０Ａを形成する。次いで、フォトレジスト膜Ｒ２および開口部２０Ａが形成された表面保護膜１９をマスクとして層間絶縁膜１８、１５をドライエッチングし、開口部２０Ａを下方へ拡張する。この時、開口部２０Ａ下の層間絶縁膜１８、１５の総残厚が、前述の相対的に薄い層間絶縁膜１５、１８の総膜厚Ｔ４と同程度となる時点でそのドライエッチングは停止する。
次に、図１８に示すように、上記フォトレジスト膜Ｒ２を除去した後、改めてフォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜Ｒ３を表面保護膜１９上に形成する。このフォトレジスト膜Ｒ３をマスクとして、まず層間絶縁膜１５、１８の層膜厚が相対的に薄いＴ４（図１６参照）の領域（第２の領域）の表面保護膜１９をドライエッチングし、開口部２０Ｂを形成する。この時、開口部２０Ａ下の層間絶縁膜１５もドライエッチング雰囲気に曝されることになるが、エッチング選択比が表面保護膜１９と層間絶縁膜１５とで異なることから、表面保護膜１９のみを選択的にエッチングすることができる。
続いて、フォトレジスト膜Ｒ３および開口部２０Ａ、２０Ｂが形成された表面保護膜１９をマスクとして層間絶縁膜１８、１５をドライエッチングし、開口部２０Ａ、２０Ｂを下方へ拡張する。前記実施の形態１でも説明したように、層間絶縁膜１５の下層のエッチングストッパ膜１４は、上層および下層の層間絶縁膜とエッチング選択比が異なるように材質が選択されている。そのため、層間絶縁膜１８、１５のドライエッチング工程時には、エッチングストッパ膜１４でドライエッチングを停止することができる。
次に、図１９に示すように、開口部２０Ａ、２０Ｂ下のエッチングストッパ膜１４をドライエッチングして、開口部２０Ａ、２０Ｂを下方へ拡張する。前記実施の形態１でも説明したように、エッチングストッパ膜１４は、下層の層間絶縁膜１３とエッチング選択比が異なるように材質が選択されているため、エッチングストッパ膜１４のドライエッチング工程時には、層間絶縁膜１３でドライエッチングを停止することができる。
次に、図２０に示すように、フォトレジスト膜Ｒ３を除去した後に、開口部２０Ａ、２０Ｂ下の層間絶縁膜１３をウエットエッチングし、開口部２０Ａ、２０Ｂ下のセンサ膜１２を露出させる。これら開口部２０Ａ、２０Ｂの底部に露出したセンサ膜１２がｐＨセンサとして機能する。
なお、層間絶縁膜１８、１５のドライエッチングに当たっては、エッチングストッパ膜１４でエッチングの進行を止められることからオーバーエッチングが可能であることから、開口部２０Ａと開口部２０Ｂとを同時に開口する工程とし、層間絶縁膜１５、１８の総膜厚が相対的に薄いＴ４の領域ではオーバーエッチングさせつつ、総膜厚が相対的に厚いＴ３の領域では層間絶縁膜１５のエッチングを進めてもよい。それにより、本実施の形態２のｐＨイメージセンサの製造工程数を減らし、ＴＡＴ（Turn Around Time）を短縮化することができる。
ここで、図２１は、エッチングストッパ膜１４を形成していない場合の例を示す断面図である。エッチングストッパ膜１４を形成していない場合には、前記実施の形態１でも説明したように、層間絶縁膜１５、１８のドライエッチング時には、層間絶縁膜１５の残厚に余裕を持たせてドライエッチングを停止することが求められる。しかしながら、上記のように開口部２０Ａを先に開口した後で開口部２０Ｂの開口を行う場合には、ウエットエッチング前に開口部２０Ｂ下でも層間絶縁膜１５の残厚に余裕を持たせてドライエッチングを停止することが求められることから、ドライエッチング工程終了時点での開口部２０Ａ、２０Ｂそれぞれの下部での層間絶縁膜１５の残厚のばらつきが大きくなることが懸念される。また、開口部２０Ａ、２０Ｂ下の層間絶縁膜１５の残厚が大きいと、後のウエットエッチング量も大きくなってしまうことから、ウエットエッチング時のサイドエッチング量も大きくなり、配線１７が露出してしまう虞がある。また、開口部２０Ａ、２０Ｂそれぞれの下部での層間絶縁膜１５の残厚のばらつきが大きい場合には、たとえば層間絶縁膜１５のウエットエッチング時に、開口部２０Ｂ下での層間絶縁膜１５は除去されても、開口部２０Ａ下の層間絶縁膜１５がまだ残っているという状況が発生し、その残った開口部２０Ａ下の層間絶縁膜１５を除去するためにウエットエッチングを続行すると、開口部２０Ｂではゲート電極９までがセンサ膜１２に覆われた状態で露出し、さらにそのゲート電極９の反対側まで露出してしまう虞がある。
一方、上記のエッチングストッパ膜１４を備えた本実施の形態２によれば、エッチングストッパ膜１４によって層間絶縁膜１５、１８のドライエッチングを確実に停止でき、エッチングストッパ膜１４下の層間絶縁膜１３の膜厚を開口部２０Ａ下と開口部２０Ｂ下とで揃えることができる。また、エッチングストッパ膜１４下の層間絶縁膜１３の膜厚を薄くしておくことにより、層間絶縁膜１３のウエットエッチング時における層間絶縁膜１５、１８のサイドエッチング量（Ｔ１）を極力小さく抑えることができる。それにより、層間絶縁膜１５、１８の総膜厚が異なる複数個所に開口部２０Ａ、２０Ｂを形成する場合でも、開口部２０Ａ、２０Ｂを精度よく加工することが可能となる。もちろん開口部２０Ａ、２０Ｂを微細に加工することも可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態３は、前記実施の形態１で説明した開口部２０の平面（開口）形状が複雑な場合の例であり、図２２は、開口部２０の形成前の要部平面図であり、図２３は、開口部２０の形成後の要部平面図である。
開口部２０の平面形状が単純な矩形や円形でなく、入り組んだ構造等を有している場合には、その入り組んだ場所にゲート電極９や配線１７等が配置される場合がある。前記実施の形態１でも説明したように、エッチングストッパ膜１４を用いて開口部２０を形成した場合には、層間絶縁膜１３（図８参照）のウエットエッチング時における層間絶縁膜１５、１８（図８参照）のサイドエッチング量を極力小さく押さえることができる。それにより、開口部２０の平面形状が複雑な場合でも開口部２０を寸法精度良くレイアウトパターンに沿った形状で形成することができる。
一方、エッチングストッパ膜１４を省略して開口部２０を形成した場合には、前記実施の形態１でも説明したように、層間絶縁膜１３のウエットエッチング時における層間絶縁膜１５、１８のサイドエッチング量が大きくなり、所望の平面形状が得られなくなってしまう虞がある。前述したように、開口部２０の入り組んだ場所（図２４中に符号ＣＡで図示）にゲート電極９や配線１７等が配置されている場合には、それらゲート電極９や配線１７等がサイドエッチングにより露出してしまう不具合が懸念される（図２４参照）。
（実施の形態４）
本実施の形態４は、前記実施の形態１で説明した開口部２０の形成後に残ったエッチングストッパ膜１４を電極として用いる例である。
図２５および図２６は、開口部２０をセンサ膜１２に達するまで形成した時点のそれぞれ要部断面図および要部平面図である。図２５および図２６に示すように、本実施の形態４では、配線１７と同じ配線層で配線（第２の電極）１７Ａが形成され、この配線１７Ａがコンタクトホール１６Ａを通じてエッチングストッパ膜１４に接続されている。本実施の形態４においては、エッチングストッパ膜１４は電極としても用いるので、多結晶シリコン以外の材料から形成する場合でも導電性材料を選択する。
上記のような構造を有する本実施の形態４のｐＨイメージセンサによれば、試液２１（図１０参照）のｐＨ計測時において、配線１７Ａを通じて電極２２とエッチングストッパ膜１４との間に電圧を印加することによって、試液２１とエッチングストッパ膜１４との間に電位勾配を発生することができる。このような電位勾配を発生させることにより、試液２１のｐＨ計測中にセンサ膜１２に集まる物質を任意に選択することが可能となる。すなわち、前記電位勾配によってｐＨ計測時に影響を及ぼす不要な物質をエッチングストッパ膜１４に吸着させることができるので、試液２１のｐＨ値の計測精度を向上することができる。また、ｐＨ計測時に影響を及ぼす不要な物質をエッチングストッパ膜１４に吸着させることができることから、試液２１を濾す等して不要物を除去してから計測を開始する等の手間を省くことができるので、ｐＨ計測の効率を向上することが可能となる。
また、試液２１中のイオン化の程度、正負の電荷および中性特性等の特性によっては、上記電位勾配を発生させることにより、本実施の形態４のｐＨイメージセンサのセンシング感度を変えることもできる。
また、エッチングストッパ膜１４を電極２２の代わりとして用いることができる。電極として用いる場合には、以下のような方法でエッチングストッパ膜１４からの電界分布を制御することができる。すなわち、エッチングストッパ膜１４下の層間絶縁膜１３の膜厚を厚くすることによって、センサ膜１２とエッチングストッパ膜１４との間隔が開くので、エッチングストッパ膜１４から試液２１中に均一に電界がかかるようにすることができる。また、エッチングストッパ膜１４下の層間絶縁膜１３の膜厚を薄くすることによって、センサ膜１２とエッチングストッパ膜１４との間隔が狭まるので、エッチングストッパ膜１４から試液２１中にかかる電界に勾配を設けることができる。
（実施の形態５）
図２７は、本実施の形態５の半導体装置であるｐＨイメージセンサの要部断面図であり、図２８〜図３０は、そのイメージセンサの要部平面図である。
図２７〜図３０に示すように、本実施の形態５のｐＨイメージセンサは、前記実施の形態１のｐＨイメージセンサの構造において、層間絶縁膜１３と層間絶縁膜１５との間に平面ネット状（第１のパターン）にパターニングされたネット膜（第３の薄膜）１４Ａと層間絶縁膜１３Ａとを下層から順次配置したものである。なお、層間絶縁膜１３Ａについては省略しても良い。
ネット膜１４Ａとしては、層間絶縁膜１３、１３Ａ、１５、１８とはエッチング選択比が異なる材料を用いるものであり、センサ膜１２と同様の窒化シリコン膜、あるいはＴｉ膜、ＴｉＷ膜およびＷ膜等の導電性膜あるいは絶縁膜を用い、層間絶縁膜１３Ａを省略している場合には、エッチングストッパ膜１４ともエッチング選択比が異なる材料を用いる。ネット膜１４Ａは、層間絶縁膜１３の成膜後に層間絶縁膜１３上に堆積し、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとしたエッチングによりパターニングする。このパターニングにより、開口部２０（ｐＨセンサ）が形成される領域のネット膜１４Ａにおいては、図２８〜図３０に示すような所望の平面形状の複数の開口部１４Ｂが形成され、この領域においてネット膜１４Ａは平面ネット状のパターンとなる。ネット膜１４Ａは、層間絶縁膜１３、１５、１８（層間絶縁膜１３Ａを省略している場合にはエッチングストッパ膜も含まれる）とはエッチング選択比が異なる材料を用いているので、開口部２０がセンサ膜１２まで拡張された後でも、平面ネット状のパターンが形成されたネット膜１４Ａを開口部２０内に残すことができる。
層間絶縁膜１３Ａとしては、層間絶縁膜１３、１５、１８と同様の酸化シリコン膜を用いることができ、上記ネット膜１４Ａのパターニング後に堆積する。このような層間絶縁膜１３Ａは、前記実施の形態１でも説明した開口部２０形成時における層間絶縁膜１３のウエットエッチング工程にて、層間絶縁膜１３と共に等方的にエッチングすることができる。
また、図２７に示したように、ネット膜１４Ａとセンサ膜１２との間には、層間絶縁膜１３がエッチングされたことによる隙間が形成される。試液２１（図１０参照）のｐＨを計測する際には、試液２１がそのネット膜１４Ａとセンサ膜１２との間の隙間に入り込むので、本実施の形態５のｐＨイメージセンサは機能することができる。
上記のような開口部１４Ｂを備えたネット膜１４Ａを設けることにより、試液２１のｐＨ計測時にセンサ膜１２に到達する物質を大きさで選別することができるようになり、大きな物質は、センサ膜１２に到達できないようすることが可能となる。
また、上記のような開口部１４Ｂを備えたネット膜１４Ａを設けることにより、試液２１のｐＨ計測時にセンサ膜１２に到達する物質を大きさだけでなく形状でも選別することができるようになる。すなわち、開口部１４Ｂの形状を通したい物質の形状に合わせて形成することにより、たとえば試液２１中のたんぱく質等の有機物で、ある形状の分子（細長い分子）は通過できるようになる一方で、別の形状の分子（短くて太い分子）は濾し取ることができるようになるといった利用方法が可能となる。
また、上記ネット膜１４Ａの材質を適当に選択することにより、ネット膜１４Ａによって試液２１中の特定の物質を吸着することも可能となる。たとえば、試液２１中に同程度の大きさおよび形状を有する２種類の酵素Ａと酵素Ｂとが存在し、酵素Ｂはセンサ膜１２に吸着させたくない場合、ネット膜１４Ａとして酵素Ｂを吸着し、酵素Ａは吸着しない材料を選択することにより、酵素Ａだけを選択してセンサ膜１２まで到達させられるようになる。なお、センサ膜１２としては窒化シリコン膜を用いているが、他の薄膜を用いて酵素Ａの吸着した酵素Ａの密度を計測するセンサの場合には、酵素Ｂのみを選択して吸着するネット膜１４Ａを設けたことにより、センサ膜１２による酵素Ａの吸着を感度よく検出することが可能となり、ネット膜１４Ａが完全に酵素Ｂを吸着できない場合でも、程度の差こそあれ酵素Ａの検出感度は向上できるようになる。
また、試液２１のｐＨ計測時にネット膜１４Ａにより不要な物質を濾し取ることを目的とする場合には、エッチングストッパ膜１４を省略した構造としてもよい。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
たとえば前記実施の形態では、ｐＨセンサがＭＯＳトランジスタ動作をし、その特性を基にｐＨ値を計測する場合について説明したが、ＭＯＳトランジスタの代わりに、ダイオード、抵抗および容量等の構造を形成し、それらの特性を基にｐＨ値を計測しても良い。
また、前記実施の形態では、センサ膜として窒化シリコン膜を用い、試液のｐＨ値を計測する場合について説明したが、計測する対象（要素）によっては、酸化シリコン膜、多結晶シリコン膜、Ｐｔ（白金）化合物膜、ＳＴＯ（Strontium-Titanium-Oxide）膜、アモルファス（非晶質）シリコン膜、Ｔｉ膜、ＴｉＷ膜および有機膜等の他の薄膜を用いても良い。たとえば、酸化シリコン膜を用いた場合にはＤＮＡのような蛋白質の計測を行えるようになり、ＳＴＯ膜を用いた場合にはガスの計測を行えるようになる。また、有機膜を用いた場合には、バイオセンサを形成することができる。
また、前記実施の形態においては、単結晶シリコン基板からｐＨイメージセンサを形成する場合について説明したが、計測する対象（要素）に合わせてＧａＡｓ（ガリウムヒ素）やＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）等の他の基板を用いてセンサを形成してもよい。
本発明の半導体装置およびその製造方法は、ドライエッチング法およびウエットエッチング法を併用する工程を含む半導体装置の製造工程、およびそれにより製造される半導体装置に適用できる。

Claims (23)

  1. 半導体基板の主面に形成されたセンサ素子と、
    前記センサ素子が形成された前記半導体基板の前記主面上に形成された第１の薄膜と、
    前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に形成された第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜と、
    前記半導体基板の前記主面の第１の領域上の前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との間でパターニングされ前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜と、
    前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜および前記第２の薄膜に形成され、前記第１の薄膜に達する開口部とを有し、
    前記センサ素子は、前記半導体基板の前記主面上にてパターニングされた第１の電極を備え、前記開口部を介して前記半導体基板に達する被計測物質を検知し、
    前記第１の薄膜は、前記第１の電極の上面および側面と、前記開口部の底部と、前記開口部の側面の少なくとも一部とを覆い、
    前記第２の薄膜は、前記第１の電極の上面を覆い、
    前記開口部の前記底部および前記開口部の前記側面の少なくとも一部における前記第１の薄膜の表面は、露出され、
    前記第１の薄膜は、前記被計測物質により前記センサ素子を電気的に作用させる薄膜であることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜より薄いことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２記載の半導体装置において、
    前記第２の薄膜は、前記第１の電極より厚いことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項２記載の半導体装置において、
    前記第２の薄膜は、前記第１の電極より薄いことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記開口部は、入り組んだ平面形状を有していることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記第２の薄膜には、任意の電位を印加できる第２の電極が電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記第２の薄膜は導電材料から形成され、前記第２の薄膜の電位を任意に設定できることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記第１の薄膜は窒化シリコン膜であり、試液中の水素イオンを吸着し、前記水素イオンの吸着密度に対応する前記センサ素子の特性から前記試液のｐＨを計測することを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項８記載の半導体装置において、
    前記センサ素子および前記開口部は複数配列されてアレイが形成され、各々の前記開口部に対応した前記ｐＨのイメージが配列されたｐＨイメージ図を形成することを特徴とする半導体装置。
  10. 半導体基板の主面に形成されたセンサ素子と、
    前記センサ素子が形成された前記半導体基板の前記主面上に形成された第１の薄膜と、
    前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に形成された第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜と、
    前記半導体基板の前記主面の第１の領域上の前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との間で第１のパターンでパターニングされ、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第３の薄膜と、
    前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に開口され、前記第１の薄膜に達する開口部とを有し、
    前記センサ素子は、前記半導体基板の前記主面上にてパターニングされた第１の電極を備え、前記開口部を介して前記半導体基板に達する被計測物質を検知し、
    前記第１の薄膜は、前記第１の電極の上面および側面と、前記開口部の底部と、前記開口部の側面の少なくとも一部とを覆い、
    前記開口部の前記底部および前記開口部の前記側面の少なくとも一部における前記第１の薄膜の表面は、露出され、
    前記第１の薄膜は、前記被計測物質により前記センサ素子を電気的に作用させる薄膜であることを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項１０記載の半導体装置において、
    前記第３の薄膜の前記第１のパターンは、試液中の所望の形状の物質を前記第１の薄膜に向かって透過させるパターンであることを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項１０記載の半導体装置において、
    前記第１の領域上の前記第３の薄膜と前記第２の絶縁膜との間でパターニングされて前記第１の電極の上面を覆い、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜を有し、
    前記開口部は前記第２の薄膜にも形成されていることを特徴とする半導体装置。
  13. 請求項１２記載の半導体装置において、
    前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜より薄いことを特徴とする半導体装置。
  14. （ａ）半導体基板の主面にセンサ素子を形成する工程、
    （ｂ）前記センサ素子の存在下で前記半導体基板の前記主面上に第１の薄膜を形成する工程、
    （ｃ）前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に第１の絶縁膜を形成する工程、
    （ｄ）前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜を形成し、前記半導体基板の前記主面の第１の領域上にて前記第２の薄膜をパターニングする工程、
    （ｅ）前記第２の薄膜を含む前記第１の絶縁膜上に、前記第２の薄膜に対してエッチング選択比を有する第２の絶縁膜を形成する工程、
    （ｆ）前記第２の絶縁膜上に第１のマスキング層を形成し、前記第１のマスキング層をマスクとして前記第１の領域上の前記第２の絶縁膜を第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記第２の薄膜に達する開口部を形成する工程、
    （ｇ）前記第１のマスキング層をマスクとして前記開口部下の前記第２の薄膜を前記第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記開口部を前記第１の絶縁膜に達するように拡張する工程、
    （ｈ）前記（ｇ）工程後、前記開口部下の前記第１の絶縁膜を等方的にウエットエッチングし、前記開口部を前記第１の薄膜に達するように拡張する工程、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  15. 請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ａ）工程は、前記半導体基板の前記主面上にて第１の電極をパターニングする工程を含み、
    前記第１の電極は、前記センサ素子に含まれ、
    前記（ｈ）工程では、前記開口部の底部および前記開口部の側面の少なくとも一部における前記第１の薄膜の表面を露出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  16. 請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜より薄いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  17. 請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１の平面形状は、入り組んだ平面形状であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  18. （ａ）半導体基板の主面に第１のセンサ素子および第２のセンサ素子を形成する工程、
    （ｂ）前記第１のセンサ素子および前記第２のセンサ素子の存在下で前記半導体基板の前記主面上に第１の薄膜を形成する工程、
    （ｃ）前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に第１の絶縁膜を形成する工程、
    （ｄ）前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜を形成し、前記半導体基板の前記主面の第１の領域上および第２の領域上にて前記第２の薄膜をパターニングする工程、
    （ｅ）前記第２の薄膜を含む前記第１の絶縁膜上に、前記第２の薄膜に対してエッチング選択比を有し、前記第１の領域上と前記第２の領域上とで膜厚が異なる第２の絶縁膜を形成する工程、
    （ｆ）前記第２の絶縁膜上に第１のマスキング層を形成し、前記第１のマスキング層をマスクとして前記第１の領域および前記第２の領域上の前記第２の絶縁膜をそれぞれ第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記第１の領域および前記第２の領域のそれぞれに前記第２の薄膜に達する開口部を形成する工程、
    （ｇ）前記第１のマスキング層をマスクとして前記開口部下の前記第２の薄膜を前記第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記開口部を前記第１の絶縁膜に達するように拡張する工程、
    （ｈ）前記（ｇ）工程後、前記開口部下の前記第１の絶縁膜を等方的にウエットエッチングし、前記開口部を前記第１の薄膜に達するように拡張する工程、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  19. 請求項１８記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ａ）工程は、前記半導体基板の前記主面上にて複数の第１の電極をパターニングする工程を含み、
    前記複数の第１の電極は、前記第１のセンサ素子および前記第２のセンサ素子に含まれ、
    前記（ｈ）工程では、前記開口部の底部および前記開口部の側面の少なくとも一部における前記第１の薄膜の表面を露出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  20. 請求項１８記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜より薄いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  21. （ａ）半導体基板の主面にセンサ素子を形成する工程、
    （ｂ）前記センサ素子の存在下で前記半導体基板の前記主面上に第１の薄膜を形成する工程、
    （ｃ）前記第１の薄膜を含む前記半導体基板の前記主面上に第１の絶縁膜を形成する工程、
    （ｄ）前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第３の薄膜を形成し、前記半導体基板の前記主面の第１の領域上にて前記第３の薄膜を第１のパターンでパターニングする工程、
    （ｅ）前記第３の薄膜を含む前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜に対してエッチング選択比を有する第２の薄膜を形成し、前記第１の領域上にて前記第２の薄膜をパターニングする工程、
    （ｆ）前記第２の薄膜を含む前記第１の絶縁膜上に、前記第２の薄膜に対してエッチング選択比を有する第２の絶縁膜を形成する工程、
    （ｇ）前記第２の絶縁膜上に第１のマスキング層を形成し、前記第１のマスキング層をマスクとして前記第１の領域上の前記第２の絶縁膜を第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記第２の薄膜に達する開口部を形成する工程、
    （ｈ）前記第１のマスキング層をマスクとして前記開口部下の前記第２の薄膜を前記第１の平面形状で異方的にドライエッチングし、前記開口部を拡張する工程、
    （ｉ）前記（ｈ）工程後、前記開口部下の前記第１の絶縁膜を等方的にウエットエッチングし、前記開口部を前記第１の薄膜に達するように拡張する工程、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  22. 請求項２１記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ａ）工程は、前記半導体基板の前記主面上にて複数の第１の電極をパターニングする工程を含み、
    前記複数の第１の電極は、前記センサ素子に含まれ、
    前記（ｉ）工程では、前記開口部の底部および前記開口部の側面の少なくとも一部における前記第１の薄膜の表面を露出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  23. 請求項２１記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜より薄いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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