物理量傳感器的制作方法

專利名稱：物理量傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及物理量傳感器，該傳感器以二維方式或以三維方式探測諸如加速度、振動和傾斜的物理量，特別是涉及靜電電容式壓電傳感器，其能夠按照半導體制造工藝進行加工。
背景技術：
按照慣例，已經開發出各種類型的具有以三維方式探測加速度的能力的壓電傳感器，其中日本專利申請公開號S62-174978公開了如圖14所示的壓電傳感器的一個例子。
在圖14所示的壓電傳感器中，在襯底1的主表面上安排有X軸探測器2X、Y軸探測器3Y和Z軸探測器4Z，在襯底上還布置有外圍電路5以處理由探測器2X、3Y和4Z產生的方向信息。在此，X軸方向和Y軸方向均處于與襯底1的主表面平行的位置，襯底1具有由短邊和長邊限定的矩形形狀，其中X軸方向處于與襯底1的短邊平行的位置，Y軸方向處于與襯底1的長邊平行的位置。Z軸方向垂直地處于與襯底1的主表面垂直的方向上，它也處于與X軸方向和Y軸方向分別垂直的位置。
X軸探測器具有三個可移動構件2a至2c，每個構件以懸臂的方式被支撐，并且各構件在長度上彼此不同，其中可移動構件2a至2c的末端均在寬度上加寬，以便因此實現加重功能。響應于在X軸方向上施加到那里的加速度，可移動構件2a到2c均出現位移，其中較長的一個構件位移增加。Y軸探測器3Y具有三個可移動構件3a到3c，每個構件以懸臂的方式被支撐，并且各構件在長度上彼此不同，其中可移動構件3a到3c的末端在寬度上均被加寬，以便因此實現加重功能。響應于在Y軸方向上施加到那里的加速度，可移動構件3a到3c均產生位移，其中較長的一個構件位移增加。相似地，Z軸探測器4Z具有三個可移動構件4a到4c，每個構件以懸臂的方式被支撐，并且各構件在長度上彼此不同，其中可移動構件4a到4c的末端在寬度上均被加寬，以便因此實現加重功能。響應于在Z軸方向上施加到那里的加速度，可移動構件4a到4c均產生位移，其中較長的一個構件位移增加。
所有可移動構件2a-2c、3a-3c和4a-4c通過蝕刻用于襯底1的硅材料制造出，其中每個可移動構件的基部具有通過擴散阻力實現的壓電電阻。因此，每個可移動構件能夠利用壓電電阻將它的位移轉換為電信號。
如上所述，設計常規所知的壓電傳感器，使得具有可移動構件2a-2c的X軸探測器2X(其專門用于探測X軸方向上的加速度)、具有可移動構件3a-3c的Y軸探測器3Y(其專門用于探測Y軸方向上的加速度)、和具有可移動構件4a-4c的Z軸探測器4Z(其專門用于探測Z軸方向上的加速度)被放置在襯底1的主表面上。這就增加了探測器2X、3Y和4Z所占據的總面積，這相應地增加了整個芯片尺寸。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種小型物理量傳感器(如靜電電容式壓電傳感器)，該傳感器能夠以二維方式或以三維方式探測諸如加速度、振動和傾斜的物理量。
本實用新型的第一方面，物理量傳感器包括襯底、絕緣膜、多個壓電傳感器和電容電極層。絕緣膜具有一個開口，開口形成為部分地暴露襯底的主表面；每個壓電傳感器具有兩個端子，其中每個壓電傳感器的組成使得其傳感部分在被兩個端子支撐時安置在開口中，所述兩個端子連接到開口周邊的相對位置處的絕緣膜上，并且其中每個壓電傳感器包括從絕緣膜開口的周邊向內延長到開口中的具有線圈狀卷繞圖案的第一半導體層、從絕緣膜開口的周邊向內延長到開口中的具有線圈狀卷繞圖案的第二半導體層、以及將開口中第一和第二半導體層的內端相互連接的傳導重量部分，從而連接到絕緣膜上的第一和第二半導體層的外端用于形成兩個端子，并且傳導重量部分被第一和第二半導體層以浮動方式支撐在開口中以便由此實現三維位移；電容電極層布置在襯底主表面上開口的底部，從而建立電容電極層和傳導重量部分之間的電容，由此在第一和第二半導體層的電阻變化和電容變化的基礎上探測傳導重量部分的位移。
在上述中，在襯底的主表面朝上的情況下，壓電傳感器的傳導重量部分由具有線圈形狀的第一和第二半導體層支撐，以便由此實現三維位移。也就是說，響應于施加的與襯底主表面相平行的“水平”加速度，壓電傳感器的傳導重量部分發生位移，和響應于施加的與襯底主表面垂直的豎直方向的“法向”加速度，壓電傳感器的傳導重量部分也發生位移。在第一和第二半導體層的電阻變化(由于壓電電阻效應)和電容變化的基礎上，能夠探測傳導重量部分的位移。在此，電容變化不會響應水平加速度而發生，但會響應法向加速度而發生；因此，可以參考電容變化區別沿水平方向或豎直方向施加的加速度方向。這就使得利用單個壓電傳感器實現諸如加速度的物理量的二維探測成為可能；因此，可以減小物理量傳感器的整個芯片尺寸。
另外，有可能進一步提供一個第二電容電極層，其建立關于第一和第二半導體層的第二電容，其中參考第二電容的變化來探測傳導重量部分的位移。也就是說，當在襯底主表面上的X方向或Y方向上向襯底施加加速度時，有可能參考電容的變化區別加速度的方向；因此，就有可能實現物理量的三維探測。
本實用新型的第二方面，物理量傳感器包括襯底、絕緣膜、多個壓電傳感器和一個電容電極層。絕緣膜具有一個開口，開口形成為部分地暴露襯底的主表面；每個壓電傳感器具有兩個端子和一個傳感部分，其中傳感部分以浮動方式由連接在絕緣膜開口周邊不同位置處的兩個端子支撐在開口中，以及其中每個壓電傳感器包括從絕緣膜開口的周邊相互平行地向內延長到開口中的第一和第二半導體層，和將開口中第一和第二半導體層的內端相互連接的一個傳導重量部分，從而第一和第二半導體層的外端連接到絕緣膜上從而形成兩個端子，并且傳導重量部分由第一和第二半導體層支撐從而由此實現三維位移；電容電極層布置于襯底主表面上開口的底部以便在傳導重量部分和電容電極層之間形成電容，由此在第一和第二半導體層的電阻變化和電容變化的基礎上探測傳導重量部分的位移。
上文中，在襯底的主表面朝上的情況下，壓電傳感器的傳導重量部分由第一和第二半導體層支撐，這兩層相互平行地延長，以便由此實現三維位移。當第一和第二半導體層在被水平支撐的襯底的主表面上的Y軸方向上延長時，和當襯底圍繞平行于X軸方向的旋轉軸旋轉并因此而傾斜時，傳導重量部分只在垂直于襯底主表面的方向上發生位移。當襯底圍繞平行于Y軸方向的另一旋轉軸旋轉并因此傾斜時，傳導重量部分在X軸方向上和在垂直于襯底主表面的方向上發生雙向位移。在第一和第二半導體層的電阻變化和電容變化的基礎上探測上述的傳導重量部分的位移。與當襯底繞著與X軸方向平行的旋轉軸傾斜時產生的電阻變化和電容變化相比，當襯底繞著與Y軸方向平行的旋轉軸傾斜時產生的電阻變化和電容變化更小。這種工作原理使得在電阻變化和電容變化的基礎上探測傾斜角和傾斜方向成為可能。這樣，就有可能以二維方式探測諸如傾斜的物理量；因此，就有可能減小整個芯片尺寸。
本實用新型的第三方面，物理量傳感器包括襯底、絕緣膜、多個壓電傳感器和多個電容電極層。絕緣層具有一個開口，開口形成為部分地暴露襯底的主表面；每個壓電傳感器具有一個傳感部分和兩個端子，其中傳感部分以關于開口的懸臂方式被支撐，并且其中每個壓電傳感器包括從絕緣膜開口的周邊相互平行地向內延長到開口中的第一和第二半導體層、和將開口中的第一和第二半導體層的內端相互連接的一個傳導重量部分，從而第一和第二半導體層的外端被連接到絕緣膜上從而形成兩個端子，并且傳導重量部分由第一和第二半導體層支撐從而由此實現三維位移；多個電容電極層布置于襯底主表面上開口底部，以便分別在傳導重量部分和電容電極層之間形成電容，憑此，在第一和第二半導體層的電阻變化和電容變化的基礎上探測傳導重量部分的位移。
在上面的描述中，多個壓電傳感器的每一個均以懸臂的方式被支撐在開口上，并且他們從絕緣膜上的不同位置分別沿X軸方向和Y軸方向向內延長到開口內。通過組合均能夠以此探測傾斜的多個壓電傳感器，就有可能以二維的方式精確地測量物理量。由于多個壓電傳感器的傳感部分集中布置于單個開口中，因此有可能減小整個芯片的尺寸。
如上所述，本實用新型實現了一種小型物理量傳感器，它能夠以二維方式或以三維方式探測諸如加速度、振動和傾斜的物理量，因此整個芯片尺寸減小。這個物理量傳感器使用基本上由半導體層組成的電容式壓電傳感器構成；因此，它可以通過半導體加工過程容易地生產出。這樣，物理量傳感器能夠與外圍電路和信號處理電路容易地集成在一起。


圖1是根據本實用新型的一個優選實施例的、裝配有一個物理量傳感器的IC裝置的透視圖；
圖2是表示模擬物理量傳感器實際工作的等效電路的電路圖；圖3是表示關于圖1所示的IC裝置加工方法中絕緣膜形成的第一步驟的橫截面圖；圖4是表示關于圖1所示的IC裝置加工方法中多晶硅沉積的第二步驟的橫截面圖；圖5是表示關于圖1所示的IC裝置加工方法中構圖和沉積的第三步驟的橫截面圖；圖6是表示關于圖1所示的IC裝置加工方法中鈍化和開口形成的第四步驟的橫截面圖；圖7是表示關于圖3所示的第一步驟中涉及晶體管區域的橫截面圖；圖8是表示關于圖4所示的第二步驟中涉及晶體管區域的橫截面圖；圖9是表示關于圖5所示的第三步驟和圖6所示的第四步驟中涉及晶體管區域的橫截面圖；圖10是表示關于在加工方法的改進實施例中絕緣膜形成和多晶硅沉積的涉及晶體管區域的橫截面圖；圖11是表示關于在加工方法的改進實施例中多晶硅構圖和連接孔形成的涉及晶體管區域的橫截面圖；圖12是表示關于在加工方法的改進實施例中鎢沉積和構圖的涉及晶體管區域的橫截面圖；圖13是表示依照本實用新型第二實施例的物理量傳感器的透視圖；圖14是表示布置在壓電傳感器襯底主表面上的電路元件的布局的平面圖；圖15是根據本實用新型第三實施例的方位傳感器的透視圖，其中物理量傳感器和磁性傳感器布置在同一襯底上；圖16是示出關于圖15所示方位傳感器的加工步驟的橫截面圖，其類似于圖5所示的第三步驟，且其中磁性傳感器與物理量傳感器同時形成；以及圖17是示出關于圖15所示方位傳感器的加工步驟的橫截面圖，其類似于圖6所示的第四步驟，且其中磁性傳感器與物理量傳感器同時形成。
具體實施方式
參照附圖，通過例子，本實用新型將得到進一步詳細的介紹。
圖1表示依照本實用新型的一個優選實施例的、裝有一個物理量傳感器的IC裝置。
在圖1中，由單晶硅組成的半導體襯底10的主表面覆蓋有由二氧化硅組成的絕緣膜12，在絕緣膜12上進一步形成由二氧化硅組成的絕緣膜14。
由金屬或半導體組成的電容電極層16形成在絕緣膜14上。電容電極層16可以被由氮化硅組成的絕緣膜覆蓋。由二氧化硅組成的絕緣層20形成在絕緣膜14上。絕緣層20具有一個“矩形”開口20a，該開口允許壓電傳感器22A的傳感部分被布置在電容電極層16之上。絕緣膜20被形成來覆蓋電容電極層16的端子T3，其中端子T3具有用于暴露接觸K3的一個連接孔20b。接觸K3經由連接孔20b與布線層(未示出)連接。
壓電傳感器22A具有端子T1和T2，它們從其相反側伸出，并分別固定到絕緣膜20的相反側，其中壓電傳感器的傳感部分通過由端子T1和T2支撐而被布置在開口20a中。壓電傳感器22A包括第一半導體層22a，其具有線圈狀卷繞圖案，在絕緣膜20上開口20a的一側向內延伸；第二半導體層22b，其具有線圈狀卷繞圖案，在絕緣膜20上開口20a的另一側向內延伸；和第三半導體層22c，其形成為與半導體層22a和22b的內端連續，并在其上裝有重量層24W，其中通過將半導體層22a和22b的外端固定到絕緣膜20上來形成端子T1和T2。通過用第一和第二半導體層22a和22b以三維方式支撐第三半導體層22c來實現傳感部分。例如，所有的半導體層22a到22c由摻雜多晶硅及其類似物組成，和重量層24W由鎢或硅化鎢組成。鎢以高濃度存在，以利用相對小的圖案產生足夠的慣性質量。電容(或靜電容量)在半導體層22a到22c和電容電極層16之間建立。
在第二半導體層22b的右側上，布置電容電極層22X使其平行于開口20a的指定邊A1延伸。電容電極層22X具有一個端子T4，其固定到絕緣膜20上。在第二半導體層22b和電容電極層22X之間建立電容。電容電極層22X以懸臂的方式形成；然而，它可以形成為在開口20a的側壁上或在絕緣膜20上延伸的固定電極層。
均由摻雜多晶硅組成的電阻層22P、22Q和22R平行布置在絕緣層20上，其中它們和壓電傳感器22A一起用于形成橋式電路。通過共享一些工序，電阻層22P、22Q和22R能夠與壓電傳感器22A一起共同形成。例如，沉積摻雜多晶硅層來獲得優選地適合壓電傳感器22A形成的雜質濃度；然后，進行離子注入來調整摻雜多晶硅層中指定部分(即用于形成電阻層22P、22Q和22R的部分)的雜質濃度。
形成由二氧化硅組成的層間絕緣膜26，來覆蓋絕緣膜20上的電阻層22P、22Q、22R、壓電傳感器22A的端子T1和T2、以及電容電極層22X的端子T4。層間絕緣膜26具有與絕緣膜20的開口20a一致的開口。這樣，壓電傳感器22A的傳感部分和電容電極層22X的梁部分浮置在電容電極層16上方由開口20a和層間絕緣膜26的開口形成的洞內的空氣中。
布線層28A和28X形成在層間絕緣膜26上。布線層28A經由一個連接孔與壓電傳感器22A的端子T1的接觸K1連接。相似地，壓電傳感器22A的端子T2的接觸K2與一個布線層(未示出)連接。布線層28X經由層間絕緣膜26的連接孔與電容電極層22X的端子T4的接觸K4連接。
布線層28P、28Q和28R形成在層間絕緣膜26上。它們分別經由層間絕緣膜26的連接孔與形成在電阻層22P、22Q和22R的一端上的接觸K5、K6和K7連接。相似地，其它布線層(未示出)分別經由層間絕緣膜26的連接孔與形成在電阻層22P、22Q和22R的另一端上的接觸K8、K9和K10連接。
形成一個由氮化硅組成的鈍化絕緣膜(將結合圖6來描述它)，來覆蓋層間絕緣膜26上的布線層28A、28X、28P、28Q和28R。這個鈍化絕緣膜具有一個開口，通過該開口，壓電傳感器22A的傳感部分和電容電極層22X的梁部分暴露在開口20a之上。
假如在襯底10的主表面朝上指向的情況下，端子T1、T2和第三半導體層22c在襯底10的主表面上方沿相互垂直交叉的X軸方向和Y軸方向中的Y軸方向(與電容電極層22X的延伸方向相匹配)直線排列。在此，第三半導體層22c響應于Z軸方向上的加速度(或振動)發生位移，Z軸方向與X軸方向和Y軸方向以及襯底10的主表面垂直交叉。第三半導體層22c也分別響應于X軸方向和Y軸方向的加速度(或振動)發生位移。在第一和第二半導體層22a和22b的電阻變化、電容電極層16的電容變化和電容電極層22X的電容變化的基礎上，可以以三維方式探測出第三半導體層22c的位移。也就是說，可以通過探測第三半導體層22c的位移來以三維的方式探測加速度(或振動)。
圖2表示模擬圖1所示的物理量傳感器‘PS’的實際動作的等效電路，其中電阻層22P、22Q、22R和壓電傳感器22A連接在一起以形成一個橋式電路。電源端子P1與電阻層22P和22Q的一端相連；和電源端子P2與電阻層22R的一端和壓電傳感器22A的一端相連。輸出端子Q1與電阻層22Q的另一端和壓電傳感器22A的另一端相連；且輸出端子Q2與電阻層22P和22R的另一端相連。使用上述橋式電路，有可能通過輸出端子Q1和Q2提取響應于壓電傳感器22A的第一和第二半導體層22a和22b的電阻變化的電信號。
物理量傳感器PS除了壓電傳感器22A以外還包括電容Cz和Cx。電容Cz形成在電容電極層16和半導體層22a到22c之間，其中它響應于半導體層22a到22c在Z軸方向上的位移而變化。電容Cx形成在電容電極層22X和半導體層22b之間，其中它響應于半導體層22b在X軸方向上的位移而變化。這樣，就有可能根據電容Cz和Cx的容量變化確定施加到物理量傳感器PS上的加速度的方向。
有可能以這樣一種方式改進物理量傳感器PS，即減小電容電極層16的尺寸從而只在電容電極層16和半導體層22c之間形成電容Cz。有可能以這樣一種方式改進物理量傳感器PS，即電容電極層22X形成平行于與開口20a的A1邊相對的另一邊A2，并且被延長從而在電容電極層22X和半導體層22a之間形成電容Cx。除了電容Cx之外或代替電容Cx，可以布置一個用于探測Y軸方向上位移的電容。
圖3到9表示具有圖1所示的物理量傳感器的IC裝置的加工步驟，其中圖3到6是圖1中沿線A-A′的橫截面圖；和圖7到9是關于圖3到6中涉及晶體管區域的橫截面圖，并且其中與圖1中所示的相同的部件用相同的參考標記指明；因此，它們的詳細描述將被省略。
在圖3和7所示的第一步驟中，由二氧化硅組成的場絕緣膜12依照選擇性氧化工藝被形成在半導體襯底10的主表面上。如圖7所示，一個MOSFET(即，金屬氧化物半導體場效應晶體管)TR(簡稱晶體管TR)按照已知工藝被形成在襯底10表面上的場絕緣膜12的元件孔12a中。在晶體管TR中，參考標記F指示一個柵絕緣膜；參考標記G指示一個柵電極層；參考標記S1和S2指示側隔離層；參考標記S指示源區；及參考標記D指示漏區。附帶地，有可能依照所謂的淺溝槽隔離(shall trench isolation，STI)方法形成場絕緣膜12，其中場絕緣膜12形成為淺溝槽，并且由二氧化硅組成的絕緣膜構成，該絕緣膜通過化學氣相沉積(CVD)方法形成。考慮到對于襯底10的影響，優選地利用相對大的圖案形成完全位于電容電極層16下面的相對大的淺溝槽。
接下來，由二氧化硅或摻雜二氧化硅(如PSG(即，磷硅酸玻璃)，BSG(即，硼硅酸玻璃)，和BPSG(即，硼磷硅酸玻璃))組成的絕緣膜14是依照CVD方法形成的，以便覆蓋晶體管TR和場絕緣膜12。絕緣膜14用作襯膜，其中它的厚度變動范圍從20nm到500nm，優選地，它被設定為100nm。
接下來，電容電極層16形成在絕緣膜14上。也就是說，諸如摻雜多晶硅、金屬或金屬硅化物的指定電極材料附著在襯底10的表面上；然后，通過光刻法和干法蝕刻技術對它們進行構圖。作為電極材料，可以使用從摻雜多晶硅、金屬和金屬硅化物中選出的兩種或多種成份組成的疊層材料。作為金屬，可以使用鋁和鋁合金。可選擇地，可以使用稀有金屬如金和銀、鎢和高熔點金屬如鉬和鈦。多晶硅可以通過CVD方法發生粘附，且金屬或硅化物可以通過濺射發生粘附。
接下來，由氮化硅組成的絕緣膜18通過CVD方法形成，以便覆蓋絕緣膜14上的電容電極層16。絕緣膜18在圖6所示的另一個步驟中用作蝕刻阻止膜，其中它的厚度變動范圍從50nm到350nm，優選地，它被設定為140nm。附帶地，當電容電極層由多晶硅層構成時可以省略絕緣膜18。
在圖4和8所示的第二步驟中，由二氧化硅或摻雜二氧化硅(如PSG、BSG和BPSG)組成的絕緣膜20依照CVD方法形成在絕緣膜18上。在此，BPSG和PSG允許輕而易舉地進行蝕刻，因為它們具有高速蝕刻率。絕緣膜20作為輔助圖1所示開口20a形成的犧牲膜，其中它的厚度變動范圍為100nm到1000nm，優選地，它在500nm到800nm范圍內變動，進一步優選地，它被設定為650nm。絕緣膜20不是必需通過CVD方法形成；也就是說，它可以由能夠通過旋涂方法形成的二氧化硅膜組成，也就是SOG(spin onglass，旋涂玻璃)。SOG與BPSG相比具有更高的蝕刻率，并且優選地適宜作為能夠輕易被去除的犧牲膜。當需要時對SOG進行退火(在350℃到800℃的高溫范圍內)，通過退火可以調整它的蝕刻率。
當絕緣膜14、18和20被疊置在一起時，如圖8所示，依照光刻法和干法蝕刻技術，形成相應于晶體管TR的源區S和漏區D的連接孔20S和20D。然后，由摻雜多晶硅組成的多晶硅層22通過CVD方法形成，以便覆蓋絕緣膜20上的連接孔20S和20D。多晶硅層22用于半導體層22a-22c、電容電極層22X和電阻層22P、22Q和22R的形成，它們作為物理量傳感器的組成部分，多晶硅層22也用于包括晶體管TR的涉及晶體管區域中的源電極區22S、漏電極區22D和布線層22K(見圖9)的形成，其中多晶硅層22的厚度變動范圍從100nm到2000nm，優選地，它被設定為500nm。
在圖5和9所示的第三步驟中，通過光刻法和干法蝕刻技術對多晶硅層22進行構圖，由此形成半導體層22a-22c、電容電極層22X、電阻層22P、22Q和22R、源電極層22S、漏電極層22D和布線層22K。鎢用作覆蓋絕緣膜20上的上述層22a-22c、22X、22P-22R、22S、22D和22K的重量實現金屬，其中它被濺射或化學氣相沉積(CVD)(它優選地用于厚膜的形成)，由此形成鎢層，然后通過光刻法和干法蝕刻技術對鎢層進行構圖，從而形成重量層24W、源電極層24S、漏電極層24D和布線層24K。在此，重量層24W形成在半導體層22c上；源電極層24S形成在源電極層22S上；以及漏電極層24D形成在漏電極層22D上。鎢層的厚度變動范圍從500nm到1000nm，優選地，它被設定為500nm。
在上述中，對多晶硅層22進行構圖，然后，對鎢層進行構圖。當然，可以顛倒這些層之間的構圖順序。也就是說，鎢層形成在多晶硅層22上，接著對鎢層進行構圖；其后，對多晶硅層22進行構圖。作為用于形成重量層24W的重量實現金屬，可以使用其他金屬(除了鎢)，即，重金屬(如，鉭、鉿、銥、鉑和金)，對于硅來說較重的金屬(如，鋯、鈮、鉬和鈀)，和比硅重的低電阻金屬(如，鈦、鉻、鎳、鈷和銅)。
在圖6和9所示的第四步驟中，由二氧化硅組成的絕緣膜26形成覆蓋上述層，即，絕緣膜20上的半導體層22a-22c、電容電極層22X、電阻層22P-22R、源電極層22S和24S、漏電極層22D和24D、布線層22K和24K、和重量層24W。優選地，對旋涂玻璃或含氫的硅酸鹽(hydrogensilsesquioxane)施加旋轉操作從而形成膜，然后對該膜進行熱處理，從而形成具有良好平坦度的絕緣膜26。在下面的步驟中，對絕緣膜26與絕緣膜20一起進行蝕刻；因此，優選地，絕緣膜26由指定的材料組成，該材料的蝕刻率與絕緣膜20的蝕刻率基本上相匹配。當然，可以降低絕緣膜20的蝕刻率直到其稍微低于絕緣膜26的蝕刻率。這就獲得了良好的蝕刻實現形狀，使得在清潔和干燥過程中水痕難以保留。然后，由氮化硅組成的鈍化絕緣膜29通過CVD(化學氣相沉積)方法形成在絕緣膜26上。
接下來，具有孔的抗蝕劑層通過光刻法形成在絕緣膜29上；然后，使用該抗蝕劑層作為掩膜進行干法蝕刻，從而有選擇地去除絕緣膜29的指定部分，由此形成開口29a。其后，使用抗蝕劑層(其在前用于干法蝕刻)和具有開口29a的絕緣膜29作為掩膜進行各向同性濕法蝕刻，從而形成絕緣膜26的開口26a和絕緣膜20的開口20a。開口26a形成在開口29a之后；以及開口20a形成在開口26a之后。結果，如圖6所示，半導體層22a和22b的線圈狀部分、和半導體層22c(具有重量層24W)的梁部分以及電容電極層22X浮置于由開口20a和26a建立的整個洞的空間中，并且暴露于開口29a中。完成各向同性濕蝕刻之后，通過公知方法將抗蝕劑層去除。例如，可以使用緩沖氫氟酸進行各向同性濕法蝕刻。順便提及，各向同性濕法蝕刻可以被各向同性干法蝕刻代替。在這種情況下，絕緣膜20由BPSG組成，和絕緣膜26由在400℃下固化的SOG組成，其中對絕緣膜20和26的疊層進行反應離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)或化學干法蝕刻(chemical dryetching，CDE)。在此，RIE使用CF4+O2氣體，和CDE使用CHF3氣體。
抗蝕劑層可以正好在干法蝕刻之后被去除。在此，只使用具有開口29a的絕緣膜29作為掩膜進行各向同性濕法蝕刻。
接下來，將參照圖10到12描述以上參照圖2到9描述的加工方法的改進實施例，其中與圖2到9中所示相同的部件由相同的參考標記表示；因此，它們的詳細描述將被省略。改進實施例的特征在于源電極層24S和漏電極層24D(它們作為接觸層)以及晶體管TR中的重量層24W同時形成。
在圖10所示的改進實施例中，其與圖4所示的第二步驟相似，在完成圖3所示的第一步驟之后，由二氧化硅或摻雜二氧化硅(如，PSG、BSG和BPSG)組成的絕緣膜20形成在絕緣膜18上，以及由摻雜多晶硅組成的多晶硅層22形成在絕緣膜20上。
在圖11所示的改進實施例中，其與圖5所示的第三步驟相似，通過光刻法和干法蝕刻技術對多晶硅層22進行構圖，從而形成布線層22K，其中如圖5所示，半導體層22a-22c、電容電極層22X和電阻層22P-22R形成在襯底10之上的絕緣膜20上。
接下來，通過光刻法形成抗蝕劑層21來覆蓋絕緣膜20上的布線層22K、半導體層22a-22c、電容電極層22X和電阻層22P-22R。抗蝕劑層21具有對應于源連接孔20S和漏連接孔20D的孔。然后，使用抗蝕劑層21作為掩膜進行干法蝕刻，從而在絕緣膜14、18和20的疊層中形成對應于源區S和漏區D的源連接孔20S和漏連接孔20D。隨后，去除抗蝕劑層21。
在圖12所示的改進實施例中，通過濺射或CVD形成作為重量實現金屬層的鎢層24，來覆蓋連接孔20S和20D、布線層22K、半導體層20a-20c、電容電極層22X和電阻層22P-22R。可選擇地，在鎢層24形成之前，可以形成一個對應于鈦(Ti)層和氮化鈦(TiN)層的疊層的阻擋金屬層，這樣鎢層24就形成在阻擋金屬層上。
接下來，具有對應于布線層22K和半導體層22c的圖案的第一和第二抗蝕劑層通過光刻法形成在鎢層24上。
接下來，使用第一和第二抗蝕劑層作為掩膜在鎢層24上進行干法蝕刻，接著對鎢層進行“回蝕刻”，其中必要時對阻擋金屬層進行回蝕刻，從而形成源電極層24S、漏電極層24D、布線層24K和重量層24W。源電極層24S和漏電極層24D分別通過連接孔20S和20D與源區S和漏區D相連(見圖11)。在此，布線層24K和重量層24W分別形成在布線層22K和半導體層22c上。
隨后，與圖6和9所示的第四步驟相似，形成絕緣膜26和29，以及形成開口29a、26a和20a。
根據上述的加工方法，其在上面參照圖3-12已被介紹，可以依照半導體加工過程容易地制造包括物理量傳感器(見圖1)和它的外圍電路的IC裝置。顯著地，根據圖10-12所示的改進實施例，使用具有低電阻的W插頭形成電極層(或接觸層)24S和24D；因此，可以進一步改進晶體管特性。
圖13表示依據本實用新型第二實施例的物理量傳感器，它的設計非常適合襯底傾斜的探測。
由二氧化硅組成的絕緣膜30經由場絕緣膜(對應絕緣膜12)和襯絕緣膜(對應絕緣膜14)形成在半導體襯底(類似于圖1所示的半導體襯底10)的主表面上，其中絕緣膜30具有一個矩形開口30a，允許6個壓電傳感器XL、XM、XS、YL、YM和YS放置在開口中。
六個電容電極層CL、CM、CS、DL、DM和DS放置在襯絕緣膜上、正好在絕緣層30的下面、位于由四條邊A11、A12、A13和A14限定的開口30a底部。類似于電容電極層16，電容電極層CL、CM、CS、DL、DM和DS中的每一個均由摻雜多晶硅或金屬組成，其中它們可以被由氮化硅組成的絕緣膜(對應絕緣膜18)所覆蓋。電容電極層CL、CM、CS、DL、DM和DS分別與壓電傳感器XL、XM、XS、YL、YM和YS相對地設置，其中它們每個形成為對應于壓電傳感器XL、XM、XS、YL、YM和YS的矩形圖案。
電容電極層CL具有一個正好在絕緣膜30下、襯絕緣膜上、從開口30a的A11邊向外延伸的端子TC，并且端子TC具有正好在絕緣膜30下、襯絕緣膜上的接觸KC。端子TC的接觸KC經由形成在絕緣膜30中的連接孔與布線層(未示出)連接。與電容電極層CL相似，其它電容電極層CM、CS、DL、DM和DS也具有端子，該些端子帶有分別與布線層(未示出)連接的接觸。
壓電傳感器XL、XM和XS每一個以懸臂的方式形成，其中它們關于開口30a的A13邊(其與A12邊相對)放置，并且平行于與A13邊相鄰的A11邊從絕緣膜30向內延長到開口30a中。壓電傳感器XL包括第一半導體層32和第二半導體層34，它們從絕緣膜30向內延長到開口30a中，還包括第三半導體層36，它接著開口30a中半導體層32和34的末端形成，并且它有一個重量層38固定在其上。半導體層32和34的另一端被固定到絕緣膜30上，以便形成端子T11和T12。這樣，構建物理量傳感器的傳感部分，使得半導體層32和34支撐半導體層36來實現三維位移。所有的半導體層32、34和36由摻雜多晶硅組成，和重量層38由鎢組成。電容電極層CL和半導體層36形成靜電容量(或電容)。在由于壓電效應產生的半導體層32和34的電阻變化和電容電極層CL的電容變化的基礎上探測半導體層36的位移。
壓電傳感器XM和XS的構造類似于壓電傳感器XL的構造，其中它們與壓電傳感器XL的不同之處在于在俯視圖中與開口30a搭接的其梁部分的長度。也就是說，在俯視圖中，壓電傳感器XL、XM和XS具有不同的搭接開口30a的梁長度，使得XL具有最長的梁長度，XM具有中間的梁長度，且XS具有短的梁長度。類似于具有半導體層36的壓電傳感器XL，壓電傳感器XM具有一個形成在其梁部分的末端的‘被加重’的半導體層，并且在半導體層上具有一個重量層。靜電容量(或電容)形成在壓電傳感器XM的加重半導體層和電容電極層CM之間。類似地，壓電傳感器XS有一個形成在其梁部分的末端的‘加重’半導體層，并且在該半導體層上有一個重量層。靜電容量(或電容)形成在壓電傳感器XS的加重半導體層和電容電極層CS之間。在壓電傳感器XM和XS的每一個中，在構成梁部分的兩個半導體層(類似于壓電傳感器XL的半導體層32和34)的電阻變化和相應電容電極層(即，CM和CS)的電容變化的基礎上探測加重半導體層的位移。
所有的壓電傳感器YL、YM和YS都以懸臂的方式形成，其中關于與開口30a的A11邊相對的A14邊，它們平行于與A14邊相鄰的A12邊從絕緣膜30向內延長到開口30a中。壓電傳感器YL、YM和YS的構造類似于壓電傳感器XL、XM和XS，其中在俯視圖中搭接開口30a的其梁長度分別與壓電傳感器XL、XM和XS的梁長度相等。
壓電傳感器YL、YM和YS在它們的梁部分的末端具有加重半導體層(類似于壓電傳感器XL的半導體層36)，其中電容分別形成在加重半導體層和電容電極層DL、DM和DS之間。在壓電傳感器YL、YM和YS的每一個中，在實現梁部分的兩個半導體層(類似于半導體層32和34)的電阻變化和相應電容電極層(即，DL、DM和DS)的電容變化的基礎上探測加重半導體層的位移。
分別與壓電傳感器XL、XM、XS、YL、YM和YS相一致的電容電極層CL、CM、CS、DL、DM和DS彼此獨立地布置。可以改進本實施例，使得與壓電傳感器XL和YL有關的電容電極層CL和DL相互連接在一起；與壓電傳感器XM和YM有關的電容電極層CM和DM相互連接在一起；以及與壓電傳感器XS和YS有關的電容電極層CS和DS相互連接在一起。
假定在襯底10的主表面被水平支撐的情況下，壓電傳感器XL、XM和XS沿與平行于襯底10的主表面的X軸方向垂直的Y軸方向延長。在這種情況下，可以圍繞平行于X軸方向的一個旋轉軸旋轉襯底10，使得襯底10如虛線箭頭Y′所示傾斜；以及可以圍繞平行于Y軸方向的一個旋轉軸旋轉襯底10，使得襯底10如虛線箭頭X′所示傾斜。在下文中，如虛線箭頭Y′所示傾斜的襯底10的傾斜將被稱為“X軸傾斜”，以及如虛線箭頭X′所示傾斜的襯底10的傾斜將被稱為“Y軸傾斜”。
表1表示壓電傳感器XL、XM和XS分別關于X軸傾斜和Y軸傾斜的電阻和電容的大小。例如，對于壓電傳感器XL，“R”表示半導體層32和34的電阻之和，和“C”表示在半導體層36和電容電極層CL之間形成的電容。表1中列出了關于X軸傾斜和Y軸傾斜中每一種的三個傾斜角，即0°、45°和90°，其中“傾斜角0°”指示襯底10主表面的水平狀態。
表1

在表1中，“MAX”、“MID”和“MIN”分別表示“最大”、“中等”(或“中間”)和“最小”。符號“-”表示關于電阻或電容沒有變化，不考慮傾斜角的增加。“Short”表示短路事件，其中在壓電傳感器梁部分末端處的加重半導體層(如36)與電容電極層(如CL)接觸。“Smaller”表示在Y軸傾斜中發生的電阻變化或電容變化小于在X軸傾斜中發生的電阻變化或電容變化。順便提及，響應沿關于襯底的下表面的方向(即在Z軸的負方向上)施加的位移，物理量傳感器的總電容增加，而響應施加到關于襯底的上表面的方向上(即在Z軸的正方向上)的位移，物理量傳感器的總電容降低。因此，本實施例中的物理量傳感器能夠探測包括X軸傾斜、Y軸傾斜和Z軸位移的三維位移。
表1示出了隨著在俯視圖中搭接開口30a的梁部分的長度的減小，壓電傳感器的電阻變化減小，其中壓電傳感器XM的電阻變化小于壓電傳感器XL的電阻變化，及壓電傳感器XS的電阻變化小于壓電傳感器XM的電阻變化。例如，對于壓電傳感器XL，在45°的X軸傾斜中電阻和電容都被表示為“MID”，而在45°的Y軸傾斜中電阻和電容都小于45°X軸傾斜中的電阻和電容。這是因為在X軸傾斜中，半導體層36只在垂直于襯底10的主表面的預定方向上產生位移，而在Y軸傾斜中，半導體層36在垂直于襯底10的主表面的預定方向和X軸方向上產生被施加的雙向位移。這樣，就可以在表示壓電傳感器XL、XM和XS的電阻變化和電容變化的電信號組合的基礎上探測傾斜角和傾斜方向，其中電信號例如被相加。
附帶地，可以以這樣一種方式，即“XL”、“XM”和“XS”被“YL”、“YM”和“YS”代替，“X軸傾斜”被“Y軸傾斜”代替，及“Y軸傾斜”被“X軸傾斜”代替，通過部分重寫表格1的內容可以容易地創建一個關于壓電傳感器YL、YM和YS的相似表格，從而“Smaller”表示在X軸傾斜中發生的電阻變化或電容變化小于在Y軸傾斜中發生的電阻變化或電容變化。參照這樣一個表格，可以理解關于壓電傳感器YL、YM和YS中的每一個響應于Y軸傾斜和X軸傾斜的電阻變化和電容變化。類似于壓電傳感器XL、XM和XS，可以在表示壓電傳感器YL、YM和YS的電阻變化和電容變化的電信號組合的基礎上探測傾斜方向和傾斜角，其中電信號被例如相加。此外，可以探測響應施加到物理量傳感器上的加速度的信號變化。例如，可以在物理量傳感器輸出的時間相關變化的基礎上由一個運算電路(其布置在襯底上或布置在襯底外)來計算加速度或負加速度，它們在均勻加速運動中保持不變。
在圖13中，使用壓電傳感器XL、XM和XS和壓電傳感器YL、YM和YZ的物理量傳感器能夠精確地測量施加在那里的X軸傾斜和Y軸傾斜，這些傳感器布置在同一個襯底上。這種物理量傳感器能夠依照前述半導體加工過程容易地生產出，該過程參照圖3到12進行了描述。
兩種物理量傳感器都具有通過在半導體層(如16或36)上疊加重量層(如24W或38)實現的傳導重量部分。當然，可以通過在重量層上疊加半導體層實現傳導重量部分。可選擇地，可以增加半導體層的厚度以具有重量功能，從而可以省略重量層。此外，可以通過處理具有重量功能的傳導層(如鎢層)形成兩個半導體層(如22a和22b，或32和34)。
接下來，將參照圖15至17描述本實用新型的第三實施例，圖15至17示出通過組合物理量傳感器和磁性傳感器構成的方位傳感器，其中與圖1、5和6示出的部分相同的部分使用同一參考標記表示。作為磁性傳感器，可以使用諸如巨磁電阻元件(或GMR元件)的磁電阻元件。具體地說，如圖15所示，X軸磁性傳感器100X和Y軸磁性傳感器100Y布置在同一襯底10上物理量傳感器(類似于圖1所示的物理量傳感器)的外圍的不同位置處，其中每個磁性傳感器包括其感測方向彼此相交的兩個或多個GMR元件，使得在GMR元件響應從外部施加到該處的磁場而產生電阻變化的基礎上確定方位。
關于圖15所示方位傳感器的制造方法類似于上述有關物理量傳感器的制造方法；因此，下文將闡述有關磁性傳感器100(指磁性傳感器100X和100Y)的技術特征。
圖15的視圖是通過部分修改圖5有關包括物理量傳感器的IC裝置的制造方法的第三步驟的視圖而繪制出的，其中由永磁體和GMR元件(見‘22G’)組成的磁性傳感器100與前述物理量傳感器的組成部分一道附加地形成在同一襯底10上。在形成鈍化膜29后形成磁性傳感器100并接著對其進行構圖。
GMR元件由從頂部至底部依次疊置在一起的PtMn、CoFe、Cu、CoFe、NiFe和CoZrNb組成。此外，GMR元件由自旋閥膜構成，該自旋閥膜由自由層、間隔層和被釘扎層組成，其中為了保持單軸各向異性永磁體施加偏磁場到自由層上。
接著，如圖16所示，依次形成由SiN或SiON組成的第二鈍化膜31和由聚酰亞胺組成的保護膜32。
如圖17所示，對于物理量傳感器，形成穿過第二鈍化膜31和保護膜32的開口，使得前述的電容電極層和重量層暴露在洞中。
本實施例的方位傳感器設計成使得兩個磁性傳感器(即‘100X’和‘100Y’)沿著物理量傳感器的相鄰邊彼此鄰近布置。當然，可以沿著物理量傳感器的四條邊布置四個磁性傳感器，該些傳感器連接在一起形成橋式電路。
當方位傳感器傾斜時，可以利用物理量傳感器的輸出補償磁性傳感器的輸出；因此，可以準確地確定方位。此外，本實施例優選被應用于需要有關傾斜和方位兩方面的感測能力的場合。
由于本實用新型在不脫離它的精神或本質特征的情況下可以表現為不同形式，因此該些實施例是示例性的而非限制性的，由于本實用新型的范圍由附加的權利要求而不是由在前的描述來限定，因此所有落入這些權利要求的邊界和范圍或這些邊界和范圍的等價體的變化都被包含在權利要求中。
本申請要求日本專利申請號2004-31620的申請的優先權，其內容在此引入作為參考。
權利要求1.一種物理量傳感器，其特征在于，包括一襯底；具有一開口的一絕緣膜，該開口形成為部分露出所述襯底的一主表面；均具有兩個端子的多個壓電傳感器，其中每個壓電傳感器被構造成使得其傳感部分在被在所述開口的周邊的不同位置處附接于所述絕緣膜上的所述兩個端子所支撐時設置于所述開口中，且其中每個壓電傳感器包括從所述絕緣膜的所述開口的所述周邊向內延長到所述開口中的具有線圈狀卷繞圖案的一第一半導體層、從所述絕緣膜的所述開口的所述周邊向內延長到所述開口中的具有線圈狀卷繞圖案的一第二半導體層、和將在所述開口中的所述第一和第二半導體層的內端互相連接的一傳導重量部分，從而附接在所述絕緣膜上的所述第一和第二半導體層的外端被用于構成所述兩個端子，且所述傳導重量部分被所述第一和第二半導體層以浮動方式支撐在所述開口中以便以此實現三維位移；以及一電容電極層，其設置于所述襯底的所述主表面上、所述開口的底部以便在所述電容電極層和所述傳導重量部分之間建立電容，從而基于所述第一和第二半導體層的電阻變化和所述電容的變化來探測所述傳導重量部分的所述位移。
2.按照權利要求1的物理量傳感器，其特征在于，還包括一第二電容電極層，該層的一端被固定在所述絕緣膜上并且該層建立了與所述第一和第二半導體層有關的第二電容，其中根據所述第二電容的變化來探測所述傳導重量部分的所述位移。
3.按照權利要求1的物理量傳感器，其特征在于，所述第一和第二半導體層的所述外端附接于所述絕緣膜的所述開口的相對位置處。
4.一種物理量傳感器，其特征在于，包括一襯底；具有一開口的一絕緣膜，該開口形成為部分露出所述襯底的一主表面；均具有兩個端子和一傳感部分的多個壓電傳感器，其中所述傳感部分被附接于所述絕緣膜的所述開口的周邊的不同位置處的所述兩個端子以浮動方式支撐在所述開口中，且其中每個壓電傳感器包括相互平行地從所述絕緣膜的所述開口的所述周邊向內延長到所述開口中的第一和第二半導體層、和將在所述開口中的所述第一和第二半導體層的內端互相連接的一傳導重量部分，從而所述第一和第二半導體層的外端被附接在所述絕緣膜上以便構成所述兩個端子，且所述傳導重量部分被所述第一和第二半導體層支撐以便以此實現三維位移；以及一電容電極層，其設置于所述襯底的所述主表面上、所述開口的底部以便在所述傳導重量部分和所述電容電極層之間形成電容，從而基于所述第一和第二半導體層的電阻變化和所述電容的變化來探測所述傳導重量部分的所述位移。
5.一種物理量傳感器，其特征在于，包括一襯底；具有一開口的一絕緣膜，該開口形成為部分露出所述襯底的一主表面；均具有一傳感部分和兩個端子的多個壓電傳感器，其中所述傳感部分以關于所述開口的懸臂方式被支撐，且其中每個壓電傳感器包括相互平行地從所述絕緣膜的所述開口的周邊向內延長到所述開口中的第一和第二半導體層、和將在所述開口中的所述第一和第二半導體層的內端互相連接的一傳導重量部分，從而所述第一和第二半導體層的外端被附接在所述絕緣膜上以便構成所述兩個端子，且所述傳導重量部分被所述第一和第二半導體層支撐以便以此實現三維位移；以及多個電容電極層，其設置于所述襯底的所述主表面上、所述開口的底部以便分別在所述傳導重量部分和所述電容電極層之間形成電容，從而基于所述第一和第二半導體層的電阻變化和所述電容的變化來探測所述傳導重量部分的所述位移。
專利摘要本實用新型涉及一種使用多個壓電傳感器構成的物理量傳感器，每個壓電傳感器具有第一和第二半導體層實現電阻和端子、和與部分地暴露襯底的主表面的絕緣膜開口相關的傳導重量部分。兩個半導體層從絕緣膜上開口周邊向內延長到開口中，從而以浮動方式三維地支撐傳導重量部分，這樣就實現了三維位移。電容電極層布置在襯底主表面上開口底部，從而與傳導重量部分建立電容。在電阻變化和電容變化的基礎上探測傳導重量部分的位移。這樣，可以以減小的芯片尺寸探測諸如加速度、振動和傾斜的物理量。
文檔編號H01L41/08GK2826697SQ20052000416
公開日2006年10月11日 申請日期2005年2月7日 優先權日2004年2月9日
發明者大橋敏雄 申請人:雅馬哈株式會社