CN100424891C - 物理量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用多个压电传感器构成的物理量传感器，每个压电传感器具有第一和第二半导体层实现电阻和端子、和与部分地暴露衬底的主表面的绝缘膜开口相关的传导重量部分。两个半导体层从绝缘膜上开口周边向内延长到开口中，从而以浮动方式三维地支撑传导重量部分，这样就实现了三维位移。电容电极层布置在衬底主表面上开口底部，从而与传导重量部分建立电容。在电阻变化和电容变化的基础上探测传导重量部分的位移。这样，可以以减小的芯片尺寸探测诸如加速度、振动和倾斜的物理量。

Description

物理量传感器
技术领域
本发明涉及物理量传感器，该传感器以二维方式或以三维方式探测诸如加速度、振动和倾斜的物理量，特别是涉及静电电容式压电传感器，其能够按照半导体制造工艺进行加工。
背景技术
按照惯例，已经开发出各种类型的具有以三维方式探测加速度的能力的压电传感器，其中日本专利申请公开号S62-174978公开了如图14所示的压电传感器的一个例子。
在图14所示的压电传感器中，在衬底1的主表面上安排有X轴探测器2X、Y轴探测器3Y和Z轴探测器4Z，在衬底上还布置有外围电路5以处理由探测器2X、3Y和4Z产生的方向信息。在此，X轴方向和Y轴方向均处于与衬底1的主表面平行的位置，衬底1具有由短边和长边限定的矩形形状，其中X轴方向处于与衬底1的短边平行的位置，Y轴方向处于与衬底1的长边平行的位置。Z轴方向垂直地处于与衬底1的主表面垂直的方向上，它也处于与X轴方向和Y轴方向分别垂直的位置。
X轴探测器具有三个可移动构件2a至2c，每个构件以悬臂的方式被支撑，并且各构件在长度上彼此不同，其中可移动构件2a至2c的末端均在宽度上加宽，以便因此实现加重功能。响应于在X轴方向上施加到那里的加速度，可移动构件2a到2c均出现位移，其中较长的一个构件位移增加。Y轴探测器3Y具有三个可移动构件3a到3c，每个构件以悬臂的方式被支撑，并且各构件在长度上彼此不同，其中可移动构件3a到3c的末端在宽度上均被加宽，以便因此实现加重功能。响应于在Y轴方向上施加到那里的加速度，可移动构件3a到3c均产生位移，其中较长的一个构件位移增加。相似地，Z轴探测器4Z具有三个可移动构件4a到4c，每个构件以悬臂的方式被支撑，并且各构件在长度上彼此不同，其中可移动构件4a到4c的末端在宽度上均被加宽，以便因此实现加重功能。响应于在Z轴方向上施加到那里的加速度，可移动构件4a到4c均产生位移，其中较长的一个构件位移增加。
所有可移动构件2a-2c、3a-3c和4a-4c通过蚀刻用于衬底1的硅材料制造出，其中每个可移动构件的基部具有通过扩散阻力实现的压电电阻。因此，每个可移动构件能够利用压电电阻将它的位移转换为电信号。
如上所述，设计常规所知的压电传感器，使得具有可移动构件2a-2c的X轴探测器2X(其专门用于探测X轴方向上的加速度)、具有可移动构件3a-3c的Y轴探测器3Y(其专门用于探测Y轴方向上的加速度)、和具有可移动构件4a-4c的Z轴探测器4Z(其专门用于探测Z轴方向上的加速度)被放置在衬底1的主表面上。这就增加了探测器2X、3Y和4Z所占据的总面积，这相应地增加了整个芯片尺寸。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种小型物理量传感器(如静电电容式压电传感器)，该传感器能够以二维方式或以三维方式探测诸如加速度、振动和倾斜的物理量。
本发明的第一方面，物理量传感器包括衬底、绝缘膜、多个压电传感器和电容电极层。绝缘膜具有一个开口，开口形成为部分地暴露衬底的主表面；每个压电传感器具有两个端子，其中每个压电传感器的组成使得其传感部分在被两个端子支撑时安置在开口中，所述两个端子连接到开口周边的相对位置处的绝缘膜上，并且其中每个压电传感器包括从绝缘膜开口的周边向内延长到开口中的具有线圈状卷绕图案的第一半导体层、从绝缘膜开口的周边向内延长到开口中的具有线圈状卷绕图案的第二半导体层、以及将开口中第一和第二半导体层的内端相互连接的传导重量部分，从而连接到绝缘膜上的第一和第二半导体层的外端用于形成两个端子，并且传导重量部分被第一和第二半导体层以浮动方式支撑在开口中以便由此实现三维位移；电容电极层布置在衬底主表面上开口的底部，从而建立电容电极层和传导重量部分之间的电容，由此在第一和第二半导体层的电阻变化和电容变化的基础上探测传导重量部分的位移。
在上述中，在衬底的主表面朝上的情况下，压电传感器的传导重量部分由具有线圈形状的第一和第二半导体层支撑，以便由此实现三维位移。也就是说，响应于施加的与衬底主表面相平行的“水平”加速度，压电传感器的传导重量部分发生位移，和响应于施加的与衬底主表面垂直的竖直方向的“法向”加速度，压电传感器的传导重量部分也发生位移。在第一和第二半导体层的电阻变化(由于压电电阻效应)和电容变化的基础上，能够探测传导重量部分的位移。在此，电容变化不会响应水平加速度而发生，但会响应法向加速度而发生；因此，可以参考电容变化区别沿水平方向或竖直方向施加的加速度方向。这就使得利用单个压电传感器实现诸如加速度的物理量的二维探测成为可能；因此，可以减小物理量传感器的整个芯片尺寸。
另外，有可能进一步提供一个第二电容电极层，其建立关于第一和第二半导体层的第二电容，其中参考第二电容的变化来探测传导重量部分的位移。也就是说，当在衬底主表面上的X方向或Y方向上向衬底施加加速度时，有可能参考电容的变化区别加速度的方向；因此，就有可能实现物理量的三维探测。
本发明的第二方面，物理量传感器包括衬底、绝缘膜、多个压电传感器和一个电容电极层。绝缘膜具有一个开口，开口形成为部分地暴露衬底的主表面；每个压电传感器具有两个端子和一个传感部分，其中传感部分以浮动方式由连接在绝缘膜开口周边不同位置处的两个端子支撑在开口中，以及其中每个压电传感器包括从绝缘膜开口的周边相互平行地向内延长到开口中的第一和第二半导体层，和将开口中第一和第二半导体层的内端相互连接的一个传导重量部分，从而第一和第二半导体层的外端连接到绝缘膜上从而形成两个端子，并且传导重量部分由第一和第二半导体层支撑从而由此实现三维位移；电容电极层布置于衬底主表面上开口的底部以便在传导重量部分和电容电极层之间形成电容，由此在第一和第二半导体层的电阻变化和电容变化的基础上探测传导重量部分的位移。
上文中，在衬底的主表面朝上的情况下，压电传感器的传导重量部分由第一和第二半导体层支撑，这两层相互平行地延长，以便由此实现三维位移。当第一和第二半导体层在被水平支撑的衬底的主表面上的Y轴方向上延长时，和当衬底围绕平行于X轴方向的旋转轴旋转并因此而倾斜时，传导重量部分只在垂直于衬底主表面的方向上发生位移。当衬底围绕平行于Y轴方向的另一旋转轴旋转并因此倾斜时，传导重量部分在X轴方向上和在垂直于衬底主表面的方向上发生双向位移。在第一和第二半导体层的电阻变化和电容变化的基础上探测上述的传导重量部分的位移。与当衬底绕着与X轴方向平行的旋转轴倾斜时产生的电阻变化和电容变化相比，当衬底绕着与Y轴方向平行的旋转轴倾斜时产生的电阻变化和电容变化更小。这种工作原理使得在电阻变化和电容变化的基础上探测倾斜角和倾斜方向成为可能。这样，就有可能以二维方式探测诸如倾斜的物理量；因此，就有可能减小整个芯片尺寸。
本发明的第三方面，物理量传感器包括衬底、绝缘膜、多个压电传感器和多个电容电极层。绝缘层具有一个开口，开口形成为部分地暴露衬底的主表面；每个压电传感器具有一个传感部分和两个端子，其中传感部分以关于开口的悬臂方式被支撑，并且其中每个压电传感器包括从绝缘膜开口的周边相互平行地向内延长到开口中的第一和第二半导体层、和将开口中的第一和第二半导体层的内端相互连接的一个传导重量部分，从而第一和第二半导体层的外端被连接到绝缘膜上从而形成两个端子，并且传导重量部分由第一和第二半导体层支撑从而由此实现三维位移；多个电容电极层布置于衬底主表面上开口底部，以便分别在传导重量部分和电容电极层之间形成电容，凭此，在第一和第二半导体层的电阻变化和电容变化的基础上探测传导重量部分的位移。
在上面的描述中，多个压电传感器的每一个均以悬臂的方式被支撑在开口上，并且他们从绝缘膜上的不同位置分别沿X轴方向和Y轴方向向内延长到开口内。通过组合均能够以此探测倾斜的多个压电传感器，就有可能以二维的方式精确地测量物理量。由于多个压电传感器的传感部分集中布置于单个开口中，因此有可能减小整个芯片的尺寸。
如上所述，本发明实现了一种小型物理量传感器，它能够以二维方式或以三维方式探测诸如加速度、振动和倾斜的物理量，因此整个芯片尺寸减小。这个物理量传感器使用基本上由半导体层组成的电容式压电传感器构成；因此，它可以通过半导体加工过程容易地生产出。这样，物理量传感器能够与外围电路和信号处理电路容易地集成在一起。
附图说明
本发明的这些和其他目的、方面和实施例将结合附图得到更加详细的描述，其中：
图1是根据本发明的一个优选实施例的、装配有一个物理量传感器的IC装置的透视图；
图2是表示模拟物理量传感器实际工作的等效电路的电路图；
图3是表示关于图1所示的IC装置加工方法中绝缘膜形成的第一步骤的横截面图；
图4是表示关于图1所示的IC装置加工方法中多晶硅沉积的第二步骤的横截面图；
图5是表示关于图1所示的IC装置加工方法中构图和沉积的第三步骤的横截面图；
图6是表示关于图1所示的IC装置加工方法中钝化和开口形成的第四步骤的横截面图；
图7是表示关于图3所示的第一步骤中涉及晶体管区域的横截面图；
图8是表示关于图4所示的第二步骤中涉及晶体管区域的横截面图；
图9是表示关于图5所示的第三步骤和图6所示的第四步骤中涉及晶体管区域的横截面图；
图10是表示关于在加工方法的改进实施例中绝缘膜形成和多晶硅沉积的涉及晶体管区域的横截面图；
图11是表示关于在加工方法的改进实施例中多晶硅构图和连接孔形成的涉及晶体管区域的横截面图；
图12是表示关于在加工方法的改进实施例中钨沉积和构图的涉及晶体管区域的横截面图；
图13是表示依照本发明第二实施例的物理量传感器的透视图；
图14是表示布置在压电传感器衬底主表面上的电路元件的布局的平面图；
图15是根据本发明第三实施例的方位传感器的透视图，其中物理量传感器和磁性传感器布置在同一衬底上；
图16是示出关于图15所示方位传感器的加工步骤的横截面图，其类似于图5所示的第三步骤，且其中磁性传感器与物理量传感器同时形成；以及
图17是示出关于图15所示方位传感器的加工步骤的横截面图，其类似于图6所示的第四步骤，且其中磁性传感器与物理量传感器同时形成。
具体实施方式
参照附图，通过例子，本发明将得到进一步详细的介绍。
图1表示依照本发明的一个优选实施例的、装有一个物理量传感器的IC装置。
在图1中，由单晶硅组成的半导体衬底10的主表面覆盖有由二氧化硅组成的绝缘膜12，在绝缘膜12上进一步形成由二氧化硅组成的绝缘膜14。
由金属或半导体组成的电容电极层16形成在绝缘膜14上。电容电极层16可以被由氮化硅组成的绝缘膜覆盖。由二氧化硅组成的绝缘层20形成在绝缘膜14上。绝缘层20具有一个“矩形”开口20a，该开口允许压电传感器22A的传感部分被布置在电容电极层16之上。绝缘膜20被形成来覆盖电容电极层16的端子T3，其中端子T3具有用于暴露接触K3的一个连接孔20b。接触K3经由连接孔20b与布线层(未示出)连接。
压电传感器22A具有端子T1和T2，它们从其相反侧伸出，并分别固定到绝缘膜20的相反侧，其中压电传感器的传感部分通过由端子T1和T2支撑而被布置在开口20a中。压电传感器22A包括：第一半导体层22a，其具有线圈状卷绕图案，在绝缘膜20上开口20a的一侧向内延伸；第二半导体层22b，其具有线圈状卷绕图案，在绝缘膜20上开口20a的另一侧向内延伸；和第三半导体层22c，其形成为与半导体层22a和22b的内端连续，并在其上装有重量层24W，其中通过将半导体层22a和22b的外端固定到绝缘膜20上来形成端子T1和T2。通过用第一和第二半导体层22a和22b以三维方式支撑第三半导体层22c来实现传感部分。例如，所有的半导体层22a到22c由掺杂多晶硅及其类似物组成，和重量层24W由钨或硅化钨组成。钨以高浓度存在，以利用相对小的图案产生足够的惯性质量。电容(或静电容量)在半导体层22a到22c和电容电极层16之间建立。
在第二半导体层22b的右侧上，布置电容电极层22X使其平行于开口20a的指定边A1延伸。电容电极层22X具有一个端子T4，其固定到绝缘膜20上。在第二半导体层22b和电容电极层22X之间建立电容。电容电极层22X以悬臂的方式形成；然而，它可以形成为在开口20a的侧壁上或在绝缘膜20上延伸的固定电极层。
均由掺杂多晶硅组成的电阻层22P、22Q和22R平行布置在绝缘层20上，其中它们和压电传感器22A一起用于形成桥式电路。通过共享一些工序，电阻层22P、22Q和22R能够与压电传感器22A一起共同形成。例如，沉积掺杂多晶硅层来获得优选地适合压电传感器22A形成的杂质浓度；然后，进行离子注入来调整掺杂多晶硅层中指定部分(即用于形成电阻层22P、22Q和22R的部分)的杂质浓度。
形成由二氧化硅组成的层间绝缘膜26，来覆盖绝缘膜20上的电阻层22P、22Q、22R、压电传感器22A的端子T1和T2、以及电容电极层22X的端子T4。层间绝缘膜26具有与绝缘膜20的开口20a一致的开口。这样，压电传感器22A的传感部分和电容电极层22X的梁部分浮置在电容电极层16上方由开口20a和层间绝缘膜26的开口形成的洞内的空气中。
布线层28A和28X形成在层间绝缘膜26上。布线层28A经由一个连接孔与压电传感器22A的端子T1的接触K1连接。相似地，压电传感器22A的端子T2的接触K2与一个布线层(未示出)连接。布线层28X经由层间绝缘膜26的连接孔与电容电极层22X的端子T4的接触K4连接。
布线层28P、28Q和28R形成在层间绝缘膜26上。它们分别经由层间绝缘膜26的连接孔与形成在电阻层22P、22Q和22R的一端上的接触K5、K6和K7连接。相似地，其它布线层(未示出)分别经由层间绝缘膜26的连接孔与形成在电阻层22P、22Q和22R的另一端上的接触K8、K9和K10连接。
形成一个由氮化硅组成的钝化绝缘膜(将结合图6来描述它)，来覆盖层间绝缘膜26上的布线层28A、28X、28P、28Q和28R。这个钝化绝缘膜具有一个开口，通过该开口，压电传感器22A的传感部分和电容电极层22X的梁部分暴露在开口20a之上。
假如在衬底10的主表面朝上指向的情况下，端子T1、T2和第三半导体层22c在衬底10的主表面上方沿相互垂直交叉的X轴方向和Y轴方向中的Y轴方向(与电容电极层22X的延伸方向相匹配)直线排列。在此，第三半导体层22c响应于Z轴方向上的加速度(或振动)发生位移，Z轴方向与X轴方向和Y轴方向以及衬底10的主表面垂直交叉。第三半导体层22c也分别响应于X轴方向和Y轴方向的加速度(或振动)发生位移。在第一和第二半导体层22a和22b的电阻变化、电容电极层16的电容变化和电容电极层22X的电容变化的基础上，可以以三维方式探测出第三半导体层22c的位移。也就是说，可以通过探测第三半导体层22c的位移来以三维的方式探测加速度(或振动)。
图2表示模拟图1所示的物理量传感器‘PS’的实际动作的等效电路，其中电阻层22P、22Q、22R和压电传感器22A连接在一起以形成一个桥式电路。电源端子P1与电阻层22P和22Q的一端相连；和电源端子P2与电阻层22R的一端和压电传感器22A的一端相连。输出端子Q1与电阻层22Q的另一端和压电传感器22A的另一端相连；且输出端子Q2与电阻层22P和22R的另一端相连。使用上述桥式电路，有可能通过输出端子Q1和Q2提取响应于压电传感器22A的第一和第二半导体层22a和22b的电阻变化的电信号。
物理量传感器PS除了压电传感器22A以外还包括电容Cz和Cx。电容Cz形成在电容电极层16和半导体层22a到22c之间，其中它响应于半导体层22a到22c在Z轴方向上的位移而变化。电容Cx形成在电容电极层22X和半导体层22b之间，其中它响应于半导体层22b在X轴方向上的位移而变化。这样，就有可能根据电容Cz和Cx的容量变化确定施加到物理量传感器PS上的加速度的方向。
有可能以这样一种方式改进物理量传感器PS，即减小电容电极层16的尺寸从而只在电容电极层16和半导体层22c之间形成电容Cz。有可能以这样一种方式改进物理量传感器PS，即电容电极层22X形成平行于与开口20a的A1边相对的另一边A2，并且被延长从而在电容电极层22X和半导体层22a之间形成电容Cx。除了电容Cx之外或代替电容Cx，可以布置一个用于探测Y轴方向上位移的电容。
图3到9表示具有图1所示的物理量传感器的IC装置的加工步骤，其中图3到6是图1中沿线A-A′的横截面图；和图7到9是关于图3到6中涉及晶体管区域的横截面图，并且其中与图1中所示的相同的部件用相同的参考标记指明；因此，它们的详细描述将被省略。
在图3和7所示的第一步骤中，由二氧化硅组成的场绝缘膜12依照选择性氧化工艺被形成在半导体衬底10的主表面上。如图7所示，一个MOSFET(即，金属氧化物半导体场效应晶体管)TR(简称晶体管TR)按照已知工艺被形成在衬底10表面上的场绝缘膜12的元件孔12a中。在晶体管TR中，参考标记F指示一个栅绝缘膜；参考标记G指示一个栅电极层；参考标记S1和S2指示侧隔离层；参考标记S指示源区；及参考标记D指示漏区。附带地，有可能依照所谓的浅沟槽隔离(shall trench isolation，STI)方法形成场绝缘膜12，其中场绝缘膜12形成为浅沟槽，并且由二氧化硅组成的绝缘膜构成，该绝缘膜通过化学气相沉积(CVD)方法形成。考虑到对于衬底10的影响，优选地利用相对大的图案形成完全位于电容电极层16下面的相对大的浅沟槽。
接下来，由二氧化硅或掺杂二氧化硅(如PSG(即，磷硅酸玻璃)，BSG(即，硼硅酸玻璃)，和BPSG(即，硼磷硅酸玻璃))组成的绝缘膜14是依照CVD方法形成的，以便覆盖晶体管TR和场绝缘膜12。绝缘膜14用作衬膜，其中它的厚度变动范围从20nm到500nm，优选地，它被设定为100nm。
接下来，电容电极层16形成在绝缘膜14上。也就是说，诸如掺杂多晶硅、金属或金属硅化物的指定电极材料附着在衬底10的表面上；然后，通过光刻法和干法蚀刻技术对它们进行构图。作为电极材料，可以使用从掺杂多晶硅、金属和金属硅化物中选出的两种或多种成份组成的叠层材料。作为金属，可以使用铝和铝合金。可选择地，可以使用稀有金属如金和银、钨和高熔点金属如钼和钛。多晶硅可以通过CVD方法发生粘附，且金属或硅化物可以通过溅射发生粘附。
接下来，由氮化硅组成的绝缘膜18通过CVD方法形成，以便覆盖绝缘膜14上的电容电极层16。绝缘膜18在图6所示的另一个步骤中用作蚀刻阻止膜，其中它的厚度变动范围从50nm到350nm，优选地，它被设定为140nm。附带地，当电容电极层由多晶硅层构成时可以省略绝缘膜18。
在图4和8所示的第二步骤中，由二氧化硅或掺杂二氧化硅(如PSG、BSG和BPSG)组成的绝缘膜20依照CVD方法形成在绝缘膜18上。在此，BPSG和PSG允许轻而易举地进行蚀刻，因为它们具有高速蚀刻率。绝缘膜20作为辅助图1所示开口20a形成的牺牲膜，其中它的厚度变动范围为100nm到1000nm，优选地，它在500nm到800nm范围内变动，进一步优选地，它被设定为650nm。绝缘膜20不是必需通过CVD方法形成；也就是说，它可以由能够通过旋涂方法形成的二氧化硅膜组成，也就是SOG(spin onglass，旋涂玻璃)。SOG与BPSG相比具有更高的蚀刻率，并且优选地适宜作为能够轻易被去除的牺牲膜。当需要时对SOG进行退火(在350℃到800℃的高温范围内)，通过退火可以调整它的蚀刻率。
当绝缘膜14、18和20被叠置在一起时，如图8所示，依照光刻法和干法蚀刻技术，形成相应于晶体管TR的源区S和漏区D的连接孔20S和20D。然后，由掺杂多晶硅组成的多晶硅层22通过CVD方法形成，以便覆盖绝缘膜20上的连接孔20S和20D。多晶硅层22用于半导体层22a-22c、电容电极层22X和电阻层22P、22Q和22R的形成，它们作为物理量传感器的组成部分，多晶硅层22也用于包括晶体管TR的涉及晶体管区域中的源电极区22S、漏电极区22D和布线层22K(见图9)的形成，其中多晶硅层22的厚度变动范围从100nm到2000nm，优选地，它被设定为500nm。
在图5和9所示的第三步骤中，通过光刻法和干法蚀刻技术对多晶硅层22进行构图，由此形成半导体层22a-22c、电容电极层22X、电阻层22P、22Q和22R、源电极层22S、漏电极层22D和布线层22K。钨用作覆盖绝缘膜20上的上述层22a-22c、22X、22P-22R、22S、22D和22K的重量实现金属，其中它被溅射或化学气相沉积(CVD)(它优选地用于厚膜的形成)，由此形成钨层，然后通过光刻法和干法蚀刻技术对钨层进行构图，从而形成重量层24W、源电极层24S、漏电极层24D和布线层24K。在此，重量层24W形成在半导体层22c上；源电极层24S形成在源电极层22S上；以及漏电极层24D形成在漏电极层22D上。钨层的厚度变动范围从500nm到1000nm，优选地，它被设定为500nm。
在上述中，对多晶硅层22进行构图，然后，对钨层进行构图。当然，可以颠倒这些层之间的构图顺序。也就是说，钨层形成在多晶硅层22上，接着对钨层进行构图；其后，对多晶硅层22进行构图。作为用于形成重量层24W的重量实现金属，可以使用其他金属(除了钨)，即，重金属(如，钽、铪、铱、铂和金)，对于硅来说较重的金属(如，锆、铌、钼和钯)，和比硅重的低电阻金属(如，钛、铬、镍、钴和铜)。
在图6和9所示的第四步骤中，由二氧化硅组成的绝缘膜26形成覆盖上述层，即，绝缘膜20上的半导体层22a-22c、电容电极层22X、电阻层22P-22R、源电极层22S和24S、漏电极层22D和24D、布线层22K和24K、和重量层24W。优选地，对旋涂玻璃或含氢的硅酸盐(hydrogensilsesquioxane)施加旋转操作从而形成膜，然后对该膜进行热处理，从而形成具有良好平坦度的绝缘膜26。在下面的步骤中，对绝缘膜26与绝缘膜20一起进行蚀刻；因此，优选地，绝缘膜26由指定的材料组成，该材料的蚀刻率与绝缘膜20的蚀刻率基本上相匹配。当然，可以降低绝缘膜20的蚀刻率直到其稍微低于绝缘膜26的蚀刻率。这就获得了良好的蚀刻实现形状，使得在清洁和干燥过程中水痕难以保留。然后，由氮化硅组成的钝化绝缘膜29通过CVD(化学气相沉积)方法形成在绝缘膜26上。
接下来，具有孔的抗蚀剂层通过光刻法形成在绝缘膜29上；然后，使用该抗蚀剂层作为掩膜进行干法蚀刻，从而有选择地去除绝缘膜29的指定部分，由此形成开口29a。其后，使用抗蚀剂层(其在前用于干法蚀刻)和具有开口29a的绝缘膜29作为掩膜进行各向同性湿法蚀刻，从而形成绝缘膜26的开口26a和绝缘膜20的开口20a。开口26a形成在开口29a之后；以及开口20a形成在开口26a之后。结果，如图6所示，半导体层22a和22b的线圈状部分、和半导体层22c(具有重量层24W)的梁部分以及电容电极层22X浮置于由开口20a和26a建立的整个洞的空间中，并且暴露于开口29a中。完成各向同性湿蚀刻之后，通过公知方法将抗蚀剂层去除。例如，可以使用缓冲氢氟酸进行各向同性湿法蚀刻。顺便提及，各向同性湿法蚀刻可以被各向同性干法蚀刻代替。在这种情况下，绝缘膜20由BPSG组成，和绝缘膜26由在400℃下固化的SOG组成，其中对绝缘膜20和26的叠层进行反应离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)或化学干法蚀刻(chemical dryetching，CDE)。在此，RIE使用CF4+O2气体，和CDE使用CHF3气体。
抗蚀剂层可以正好在干法蚀刻之后被去除。在此，只使用具有开口29a的绝缘膜29作为掩膜进行各向同性湿法蚀刻。
接下来，将参照图10到12描述以上参照图2到9描述的加工方法的改进实施例，其中与图2到9中所示相同的部件由相同的参考标记表示；因此，它们的详细描述将被省略。改进实施例的特征在于源电极层24S和漏电极层24D(它们作为接触层)以及晶体管TR中的重量层24W同时形成。
在图10所示的改进实施例中，其与图4所示的第二步骤相似，在完成图3所示的第一步骤之后，由二氧化硅或掺杂二氧化硅(如，PSG、BSG和BPSG)组成的绝缘膜20形成在绝缘膜18上，以及由掺杂多晶硅组成的多晶硅层22形成在绝缘膜20上。
在图11所示的改进实施例中，其与图5所示的第三步骤相似，通过光刻法和于法蚀刻技术对多晶硅层22进行构图，从而形成布线层22K，其中如图5所示，半导体层22a-22c、电容电极层22X和电阻层22P-22R形成在衬底10之上的绝缘膜20上。
接下来，通过光刻法形成抗蚀剂层21来覆盖绝缘膜20上的布线层22K、半导体层22a-22c、电容电极层22X和电阻层22P-22R。抗蚀剂层21具有对应于源连接孔20S和漏连接孔20D的孔。然后，使用抗蚀剂层21作为掩膜进行干法蚀刻，从而在绝缘膜14、18和20的叠层中形成对应于源区S和漏区D的源连接孔20S和漏连接孔20D。随后，去除抗蚀剂层21。
在图12所示的改进实施例中，通过溅射或CVD形成作为重量实现金属层的钨层24，来覆盖连接孔20S和20D、布线层22K、半导体层20a-20c、电容电极层22X和电阻层22P-22R。可选择地，在钨层24形成之前，可以形成一个对应于钛(Ti)层和氮化钛(TiN)层的叠层的阻挡金属层，这样钨层24就形成在阻挡金属层上。
接下来，具有对应于布线层22K和半导体层22c的图案的第一和第二抗蚀剂层通过光刻法形成在钨层24上。
接下来，使用第一和第二抗蚀剂层作为掩膜在钨层24上进行干法蚀刻，接着对钨层进行“回蚀刻”，其中必要时对阻挡金属层进行回蚀刻，从而形成源电极层24S、漏电极层24D、布线层24K和重量层24W。源电极层24S和漏电极层24D分别通过连接孔20S和20D与源区S和漏区D相连(见图11)。在此，布线层24K和重量层24W分别形成在布线层22K和半导体层22c上。
随后，与图6和9所示的第四步骤相似，形成绝缘膜26和29，以及形成开口29a、26a和20a。
根据上述的加工方法，其在上面参照图3-12已被介绍，可以依照半导体加工过程容易地制造包括物理量传感器(见图1)和它的外围电路的IC装置。显著地，根据图10-12所示的改进实施例，使用具有低电阻的W插头形成电极层(或接触层)24S和24D；因此，可以进一步改进晶体管特性。
图13表示依据本发明第二实施例的物理量传感器，它的设计非常适合衬底倾斜的探测。
由二氧化硅组成的绝缘膜30经由场绝缘膜(对应绝缘膜12)和衬绝缘膜(对应绝缘膜14)形成在半导体衬底(类似于图1所示的半导体衬底10)的主表面上，其中绝缘膜30具有一个矩形开口30a，允许6个压电传感器XL、XM、XS、YL、YM和YS放置在开口中。
六个电容电极层CL、CM、CS、DL、DM和DS放置在衬绝缘膜上、正好在绝缘层30的下面、位于由四条边A11、A12、A13和A14限定的开口30a底部。类似于电容电极层16，电容电极层CL、CM、CS、DL、DM和DS中的每一个均由掺杂多晶硅或金属组成，其中它们可以被由氮化硅组成的绝缘膜(对应绝缘膜18)所覆盖。电容电极层CL、CM、CS、DL、DM和DS分别与压电传感器XL、XM、XS、YL、YM和YS相对地设置，其中它们每个形成为对应于压电传感器XL、XM、XS、YL、YM和YS的矩形图案。
电容电极层CL具有一个正好在绝缘膜30下、衬绝缘膜上、从开口30a的A11边向外延伸的端子TC，并且端子TC具有正好在绝缘膜30下、衬绝缘膜上的接触KC。端子TC的接触KC经由形成在绝缘膜30中的连接孔与布线层(未示出)连接。与电容电极层CL相似，其它电容电极层CM、CS、DL、DM和DS也具有端子，该些端子带有分别与布线层(未示出)连接的接触。
压电传感器XL、XM和XS每一个以悬臂的方式形成，其中它们关于开口30a的A13边(其与A12边相对)放置，并且平行于与A13边相邻的A11边从绝缘膜30向内延长到开口30a中。压电传感器XL包括第一半导体层32和第二半导体层34，它们从绝缘膜30向内延长到开口30a中，还包括第三半导体层36，它接着开口30a中半导体层32和34的末端形成，并且它有一个重量层38固定在其上。半导体层32和34的另一端被固定到绝缘膜30上，以便形成端子T11和T12。这样，构建物理量传感器的传感部分，使得半导体层32和34支撑半导体层36来实现三维位移。所有的半导体层32、34和36由掺杂多晶硅组成，和重量层38由钨组成。电容电极层CL和半导体层36形成静电容量(或电容)。在由于压电效应产生的半导体层32和34的电阻变化和电容电极层CL的电容变化的基础上探测半导体层36的位移。
压电传感器XM和XS的构造类似于压电传感器XL的构造，其中它们与压电传感器XL的不同之处在于在俯视图中与开口30a搭接的其梁部分的长度。也就是说，在俯视图中，压电传感器XL、XM和XS具有不同的搭接开口30a的梁长度，使得XL具有最长的梁长度，XM具有中间的梁长度，且XS具有短的梁长度。类似于具有半导体层36的压电传感器XL，压电传感器XM具有一个形成在其梁部分的末端的‘被加重’的半导体层，并且在半导体层上具有一个重量层。静电容量(或电容)形成在压电传感器XM的加重半导体层和电容电极层CM之间。类似地，压电传感器XS有一个形成在其粱部分的末端的‘加重’半导体层，并且在该半导体层上有一个重量层。静电容量(或电容)形成在压电传感器XS的加重半导体层和电容电极层CS之间。在压电传感器XM和XS的每一个中，在构成梁部分的两个半导体层(类似于压电传感器XL的半导体层32和34)的电阻变化和相应电容电极层(即，CM和CS)的电容变化的基础上探测加重半导体层的位移。
所有的压电传感器YL、YM和YS都以悬臂的方式形成，其中关于与开口30a的A11边相对的A14边，它们平行于与A14边相邻的A12边从绝缘膜30向内延长到开口30a中。压电传感器YL、YM和YS的构造类似于压电传感器XL、XM和XS，其中在俯视图中搭接开口30a的其梁长度分别与压电传感器XL、XM和XS的梁长度相等。
压电传感器YL、YM和YS在它们的梁部分的末端具有加重半导体层(类似于压电传感器XL的半导体层36)，其中电容分别形成在加重半导体层和电容电极层DL、DM和DS之间。在压电传感器YL、YM和YS的每一个中，在实现梁部分的两个半导体层(类似于半导体层32和34)的电阻变化和相应电容电极层(即，DL、DM和DS)的电容变化的基础上探测加重半导体层的位移。
分别与压电传感器XL、XM、XS、YL、YM和YS相一致的电容电极层CL、CM、CS、DL、DM和DS彼此独立地布置。可以改进本实施例，使得与压电传感器XL和YL有关的电容电极层CL和DL相互连接在一起；与压电传感器XM和YM有关的电容电极层CM和DM相互连接在一起；以及与压电传感器XS和YS有关的电容电极层CS和DS相互连接在一起。
假定在衬底10的主表面被水平支撑的情况下，压电传感器XL、XM和XS沿与平行于衬底10的主表面的X轴方向垂直的Y轴方向延长。在这种情况下，可以围绕平行于X轴方向的一个旋转轴旋转衬底10，使得衬底10如虚线箭头Y′所示倾斜；以及可以围绕平行于Y轴方向的一个旋转轴旋转衬底10，使得衬底10如虚线箭头X′所示倾斜。在下文中，如虚线箭头Y′所示倾斜的衬底10的倾斜将被称为“X轴倾斜”，以及如虚线箭头X′所示倾斜的衬底10的倾斜将被称为“Y轴倾斜”。
表1表示压电传感器XL、XM和XS分别关于X轴倾斜和Y轴倾斜的电阻和电容的大小。例如，对于压电传感器XL，“R”表示半导体层32和34的电阻之和，和“C”表示在半导体层36和电容电极层CL之间形成的电容。表1中列出了关于X轴倾斜和Y轴倾斜中每一种的三个倾斜角，即：0°、45°和90°，其中“倾斜角0°”指示衬底10主表面的水平状态。
表1
Figure C20051005656700181
在表1中，“MAX”、“MID”和“MIN”分别表示“最大”、“中等”(或“中间”)和“最小”。符号“-”表示关于电阻或电容没有变化，不考虑倾斜角的增加。“Short”表示短路事件，其中在压电传感器梁部分末端处的加重半导体层(如36)与电容电极层(如CL)接触。“Smaller”表示在Y轴倾斜中发生的电阻变化或电容变化小于在X轴倾斜中发生的电阻变化或电容变化。顺便提及，响应沿关于衬底的下表面的方向(即在Z轴的负方向上)施加的位移，物理量传感器的总电容增加，而响应施加到关于衬底的上表面的方向上(即在Z轴的正方向上)的位移，物理量传感器的总电容降低。因此，本实施例中的物理量传感器能够探测包括X轴倾斜、Y轴倾斜和Z轴位移的三维位移。
表1示出了随着在俯视图中搭接开口30a的梁部分的长度的减小，压电传感器的电阻变化减小，其中压电传感器XM的电阻变化小于压电传感器XL的电阻变化，及压电传感器XS的电阻变化小于压电传感器XM的电阻变化。例如，对于压电传感器XL，在45°的X轴倾斜中电阻和电容都被表示为“MID”，而在45°的Y轴倾斜中电阻和电容都小于45°X轴倾斜中的电阻和电容。这是因为在X轴倾斜中，半导体层36只在垂直于衬底10的主表面的预定方向上产生位移，而在Y轴倾斜中，半导体层36在垂直于衬底10的主表面的预定方向和X轴方向上产生被施加的双向位移。这样，就可以在表示压电传感器XL、XM和XS的电阻变化和电容变化的电信号组合的基础上探测倾斜角和倾斜方向，其中电信号例如被相加。
附带地，可以以这样一种方式，即“XL”、“XM”和“XS”被“YL”、“YM”和“YS”代替，“X轴倾斜”被“Y轴倾斜”代替，及“Y轴倾斜”被“X轴倾斜”代替，通过部分重写表格1的内容可以容易地创建一个关于压电传感器YL、YM和YS的相似表格，从而“Smaller”表示在X轴倾斜中发生的电阻变化或电容变化小于在Y轴倾斜中发生的电阻变化或电容变化。参照这样一个表格，可以理解关于压电传感器YL、YM和YS中的每一个响应于Y轴倾斜和X轴倾斜的电阻变化和电容变化。类似于压电传感器XL、XM和XS，可以在表示压电传感器YL、YM和YS的电阻变化和电容变化的电信号组合的基础上探测倾斜方向和倾斜角，其中电信号被例如相加。此外，可以探测响应施加到物理量传感器上的加速度的信号变化。例如，可以在物理量传感器输出的时间相关变化的基础上由一个运算电路(其布置在衬底上或布置在衬底外)来计算加速度或负加速度，它们在均匀加速运动中保持不变。
在图13中，使用压电传感器XL、XM和XS和压电传感器YL、YM和YZ的物理量传感器能够精确地测量施加在那里的X轴倾斜和Y轴倾斜，这些传感器布置在同一个衬底上。这种物理量传感器能够依照前述半导体加工过程容易地生产出，该过程参照图3到12进行了描述。
两种物理量传感器都具有通过在半导体层(如16或36)上叠加重量层(如24W或38)实现的传导重量部分。当然，可以通过在重量层上叠加半导体层实现传导重量部分。可选择地，可以增加半导体层的厚度以具有重量功能，从而可以省略重量层。此外，可以通过处理具有重量功能的传导层(如钨层)形成两个半导体层(如22a和22b，或32和34)。
接下来，将参照图15至17描述本发明的第三实施例，图15至17示出通过组合物理量传感器和磁性传感器构成的方位传感器，其中与图1、5和6示出的部分相同的部分使用同一参考标记表示。作为磁性传感器，可以使用诸如巨磁电阻元件(或GMR元件)的磁电阻元件。具体地说，如图15所示，X轴磁性传感器100X和Y轴磁性传感器100Y布置在同一衬底10上物理量传感器(类似于图1所示的物理量传感器)的外围的不同位置处，其中每个磁性传感器包括其感测方向彼此相交的两个或多个GMR元件，使得在GMR元件响应从外部施加到该处的磁场而产生电阻变化的基础上确定方位。
关于图15所示方位传感器的制造方法类似于上述有关物理量传感器的制造方法；因此，下文将阐述有关磁性传感器100(指磁性传感器100X和100Y)的技术特征。
图15的视图是通过部分修改图5有关包括物理量传感器的IC装置的制造方法的第三步骤的视图而绘制出的，其中由永磁体和GMR元件(见‘22G’)组成的磁性传感器100与前述物理量传感器的组成部分一道附加地形成在同一衬底10上。在形成钝化膜29后形成磁性传感器100并接着对其进行构图。
GMR元件由从顶部至底部依次叠置在一起的PtMn、CoFe、Cu、CoFe、NiFe和CoZrNb组成。此外，GMR元件由自旋阀膜构成，该自旋阀膜由自由层、间隔层和被钉扎层组成，其中为了保持单轴各向异性永磁体施加偏磁场到自由层上。
接着，如图16所示，依次形成由SiN或SiON组成的第二钝化膜31和由聚酰亚胺组成的保护膜32。
如图17所示，对于物理量传感器，形成穿过第二钝化膜31和保护膜32的开口，使得前述的电容电极层和重量层暴露在洞中。
本实施例的方位传感器设计成使得两个磁性传感器(即‘100X’和‘100Y’)沿着物理量传感器的相邻边彼此邻近布置。当然，可以沿着物理量传感器的四条边布置四个磁性传感器，该些传感器连接在一起形成桥式电路。
当方位传感器倾斜时，可以利用物理量传感器的输出补偿磁性传感器的输出；因此，可以准确地确定方位。此外，本实施例优选被应用于需要有关倾斜和方位两方面的感测能力的场合。
由于本发明在不脱离它的精神或本质特征的情况下可以表现为不同形式，因此该些实施例是示例性的而非限制性的，由于本发明的范围由附加的权利要求而不是由在前的描述来限定，因此所有落入这些权利要求的边界和范围或这些边界和范围的等价体的变化都被包含在权利要求中。
本申请要求日本专利申请号2004-31620的申请的优先权，其内容在此引入作为参考。

Claims (5)

1. 一种物理量传感器，包括：
一衬底；
具有一开口的一绝缘膜，该开口形成为部分露出所述衬底的一主表面；
均具有两个端子的多个压电传感器，其中每个压电传感器被构造，使得其传感部分设置于所述开口中，而且被在所述开口的周边的不同位置处附接于所述绝缘膜上的所述两个端子所支撑，且其中每个压电传感器包括从所述绝缘膜的所述开口的所述周边向内延长到所述开口中的具有线圈状卷绕图案的一第一半导体层、从所述绝缘膜的所述开口的所述周边向内延长到所述开口中的具有线圈状卷绕图案的一第二半导体层、和将在所述开口中的所述第一和第二半导体层的内端互相连接的一传导重量部分，从而附接在所述绝缘膜上的所述第一和第二半导体层的外端被用于构成所述两个端子，且所述传导重量部分被所述第一和第二半导体层以浮动方式支撑在所述开口中以便以此实现三维位移；以及
一电容电极层，其设置于所述衬底的所述主表面上、所述开口的底部以便在所述电容电极层和所述传导重量部分之间建立电容，
从而基于所述第一和第二半导体层的电阻变化和所述电容的变化来探测所述传导重量部分的所述位移。
2. 按照权利要求1的物理量传感器，还包括一第二电容电极层，该层的一端被固定在所述绝缘膜上并且该层建立了与所述第一和第二半导体层有关的第二电容，其中根据所述第二电容的变化来探测所述传导重量部分的所述位移。
3. 按照权利要求1的物理量传感器，其中所述第一和第二半导体层的所述外端附接于所述绝缘膜的所述开口的相对的位置。
4. 一种物理量传感器，包括：
一衬底；
具有一开口的一绝缘膜，该开口形成为部分露出所述衬底的一主表面；
均具有两个端子和一传感部分的多个压电传感器，其中所述传感部分被附接于所述绝缘膜的所述开口的周边的不同位置处的所述两个端子以浮动方式支撑在所述开口中，且其中每个压电传感器包括相互平行地从所述绝缘膜的所述开口的所述周边向内延长到所述开口中的第一和第二半导体层、和将在所述开口中的所述第一和第二半导体层的内端互相连接的一传导重量部分，从而所述第一和第二半导体层的外端被附接在所述绝缘膜上以便构成所述两个端子，且所述传导重量部分被所述第一和第二半导体层支撑以便以此实现三维位移；以及
一电容电极层，其设置于所述衬底的所述主表面上、所述开口的底部以便在所述传导重量部分和所述电容电极层之间形成电容，
从而基于所述第一和第二半导体层的电阻变化和所述电容的变化来探测所述传导重量部分的所述位移。
5. 一种物理量传感器，包括：
一衬底；
具有一开口的一绝缘膜，该开口形成为部分露出所述衬底的一主表面；
均具有一传感部分和两个端子的多个压电传感器，其中所述传感部分以关于所述开口的悬臂方式被支撑，且其中每个压电传感器包括相互平行地从所述绝缘膜的所述开口的周边向内延长到所述开口中的第一和第二半导体层、和将在所述开口中的所述第一和第二半导体层的内端互相连接的一传导重量部分，从而所述第一和第二半导体层的外端被附接在所述绝缘膜上以便构成所述两个端子，且所述传导重量部分被所述第一和第二半导体层支撑以便以此实现三维位移；以及
多个电容电极层，其设置于所述衬底的所述主表面上、所述开口的底部以便分别在所述传导重量部分和所述电容电极层之间形成电容，
从而基于所述第一和第二半导体层的电阻变化和所述电容的变化来探测所述传导重量部分的所述位移。
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