CN101941669A - Mems传感器、硅麦克风以及压力传感器 - Google Patents

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    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials

Abstract

本发明提供一种MEMS传感器、硅麦克风以及压力传感器。MEMS传感器包括：贯通地形成开口的半导体基板；与上述开口对置设置，并在该对置方向上能振动的振动膜；以及形成在上述振动膜上的压电元件或应变片。

Description

MEMS传感器、硅麦克风以及压力传感器
技术领域
本发明涉及利用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术制造的传感器(MEMS传感器)、硅麦克风以及压力传感器。
背景技术
作为MEMS传感器的一个例子，列举出了硅麦克风(Si麦克风)。另外，作为MEMS传感器的其它例子，列举出了用于检测气体或液体压力的压力传感器。
最近，以移动电话机等移动设备为中心，作为ECM(Electret CondenserMicrophone)的替代品，硅麦克风的采用取得了进展。
日本特开2006-108491号公报的硅麦克风例如具有如下的构造：在中央部形成有开口的硅基板表面上，使隔膜(振动膜)与开口对置地进行配置，并与隔膜空出微小间隔地对置配置有盖板(back plate)。当输入声压(声波)时，隔膜振动。在隔膜与盖板之间施加电压的状态下，当隔膜振动时，由隔膜和盖板形成的电容的静电电容发生变化。由该静电电容变化所引起的隔膜以及盖板之间的电压变动作为声音信号进行输出。
现有的硅麦克风采用SOI(Silicon On Insulator)基板来进行制造。SOI基板例如具有如下的构造：在硅基板上依次层叠有由SiO2(氧化硅)构成的BOX(Buried Oxide)层以及硅层。硅层具有基于P型或N型的杂质掺杂而产生的导电性。通过硅层的图案形成，将隔膜形成在BOX层上。然后，在隔膜(进行了图案形成后的硅层)上形成牺牲层(sacrifice layer)，在该牺牲层上形成盖板。并且，在硅基板以及BOX层上形成开口，使隔膜成为悬浮在硅基板上的状态。另外，从隔膜与盖板之间除去牺牲层。由此，完成硅麦克风。
关于压力传感器，如United States Patent Application PublicationNo.US2005/0156241A1的压力传感器那样，采用SOI基板以及玻璃基板来进行制造。首先，在SOI基板中，为了在BOX层上保留有较薄的硅层，而在硅层中形成凹部。接着，为了包围凹部的周围而形成了俯视大约C字状的槽，由此在隔膜上对构成凹部底面的硅层进行加工。然后，在SOI基板中，除去与硅基板以及BOX层的隔膜相对置的部分。并且，利用阳极接合法，将具有电极的玻璃基板与硅基板粘合。由此，在隔膜与玻璃基板之间形成封闭的基准压室，以完成压力传感器。
但是，在硅麦克风以及压力传感器的任意一个中，现有的MEMS传感器因为在其制造中采用的SOI基板比较贵，所以成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供能够廉价制造的MEMS传感器。
通过参照附图对以下所述的实施方式进行说明，使本发明中的上述或其它的目的、特征以及效果变得清楚。
附图说明
图1是本发明一实施方式的硅麦克风的示意平面图。
图2是图1所示的切割线II-II中的硅麦克风的示意剖面图。
图3A～图3R是用于说明图2所示的硅麦克风的制造方法的示意剖面图。
图4是本发明其它实施方式的压力传感器的示意平面图。
图5是图4所示的的切割线V-V中的压力传感器示意剖面图。
图6A～图6N是用于说明图5所示的压力传感器的制造方法的示意剖面图。
符号说明：
1硅麦克风，2硅基板，3麦克风形成区域，4电路形成区域，5开口，6振动膜，6A振动部分，7氧化膜，8氮化膜，9压电元件，10下部电极，11压电体，12上部电极，13主体部，14延长部，15层间绝缘膜，16布线，17布线，18贯通孔，19贯通孔，23区域，24区域，25元件分离部，26槽，27热氧化膜，28绝缘体，31阱区，32沟道区域，33源极区域，34漏极区域，35栅极绝缘膜，36栅极电极，37侧壁，38硅化物，39硅化物，40硅化物，41阱区，42沟道区域，43源极区域，44漏极区域，45栅极绝缘膜，46栅极电极，47侧壁，48硅化物，49硅化物，50硅化物，51层间绝缘膜，52布线，53布线，54布线，55接触栓塞，56接触栓塞，57接触栓塞，58接触栓塞，61表面保护膜，62焊盘，63焊盘，71膜，72膜，73膜，74抗蚀图案，75抗蚀图案，76抗蚀图案，77抗蚀图案，78抗蚀图案，79抗蚀图案，81排气孔，101压力传感器，102硅基板，103传感器区域，104电路形成区域，105开口，106隔膜，106A部分，107氧化膜，108多晶硅层，109应变片，110主体部，111延长部，112延长部，115层间绝缘膜，116布线，117布线，118贯通孔，123区域，124区域，125元件分离部，126槽，127热氧化膜，128绝缘体，131阱区，132沟道区域，133源极区域，134漏极区域，135栅极绝缘膜，136栅极电极，137侧壁，138硅化物，139硅化物，140硅化物，138N N型杂质，139N N型杂质，141阱区，142沟道区域，143源极区域，144漏极区域，145栅极绝缘膜，146栅极电极，147侧壁，148硅化物，149硅化物，150硅化物，148P P型杂质，149P P型杂质，151层间绝缘膜，152布线，153布线，154布线，155接触栓塞，156接触栓塞，157接触栓塞，158接触栓塞，161表面保护膜，162玻璃板，171氧化膜，172堆积层，173抗蚀图案，174抗蚀图案，175抗蚀图案
具体实施方式
本发明一实施方式的MEMS传感器包括：贯通地形成有开口的半导体基板；与上述开口对置设置，并能够在该对置方向上振动的振动膜；以及形成在上述振动膜上的压电元件或应变片。
该MEMS传感器例如可作为硅麦克风发挥功能。例如，在振动膜上形成有压电元件的情况下，当振动膜振动时，由压电元件将基于压电效果的电压作为声音信号输出。因此，现有的硅麦克风中为获得静电电容变化而不可或缺的盖板是不需要的。因此，作为本发明一实施方式的硅麦克风的MEMS传感器与现有的硅麦克风相比不存在盖板，从而构造简单，并能够减少厚度。另外，因为不需要用于形成盖板的光掩模(photomask)，所以能够减少用于硅麦克风制造的光掩模数。
并且，因为在振动膜中不需要导电性，所以作为振动膜的材料，可采用SiO2、SiN(氮化硅)或Poly-Si(多结晶硅)等，而不需要采用具有导电性的硅。因此，在硅麦克风的制造中不需要使用SOI基板，采用硅基板等就能够比现有硅麦克风廉价地进行制造。
另外，在现有的硅麦克风中，在隔膜上产生的振动发生静电电容变化，该静电电容变化引起的电压变动作为声音信号输出，所以灵敏度低，为了检测到微小的声波(振动)，必需将声音信号放大得较大。但是，当将声音信号放大得较大时，声音信号所包含的噪声成分也被放大。
与此相对，如果利用本发明一实施方式的MEMS传感器构成硅麦克风，例如，在采用压电元件时，可利用压电效果将在振动膜上产生的振动直接变换为电压。因此，即使针对微小声波的输入也能够良好地输出电压。因此，为了检测微小的声波，不需要将输出电压放大得较大。从而，能够实现声音信号所包含的噪声量的降低。
另外，在将MEMS传感器作为硅麦克风的情况下，优选由半导体基板中的开口的周围部分支撑振动膜，并在振动膜上设置压电元件。
另外，优选在振动膜上贯通地形成与开口连通的排气孔。在从与振动膜相反侧利用封闭部件来封闭开口时，如果形成排气孔，则能够防止在开口内(振动膜与封闭部件之间)封入空气，从而能够确保振动膜的良好振动。
该MEMS传感器例如还可以作为压力传感器发挥功能。例如，当在振动膜上形成有应变片时，振动膜可包括多晶硅层，该多晶硅层被设置为从半导体基板的一面侧封闭半导体基板的开口。在此结构中，对多晶硅层有选择地添加导电型赋予杂质，由此来形成由掺杂多晶硅构成的应变片(多晶硅压电电阻)。当对多晶硅层施加压力时，多晶硅层发生应变变形，应变片的电阻根据该应变变形而变化。基于该电阻的变化，可以检测对多晶硅层施加的压力大小。
在压力传感器的制造时，首先，通过CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相成长)法，在半导体基板的一个面上形成多晶硅层。接着，为了作成应变片，而对多晶硅层有选择地添加导电型赋予杂质。然后，从其另一个面对与半导体基板的多晶硅层相对置的部分进行蚀刻，由此在半导体基板上形成开口。从而，得到压力传感器。
因此，在半导体基板上可采用硅基板等廉价的基板，不需要为了制造压力传感器，而采用价格远高于硅基板的SOI基板。由此，能够制造比现有廉价的压力传感器。
为了防止在半导体基板上形成开口时蚀刻多晶硅层，可以使由相对半导体基板而具有适合的蚀刻选择比的材料构成的膜介于半导体基板与多晶硅层之间。例如，在半导体基板是硅基板的情况下，作为这样的膜可例示由氧化硅构成的膜。
另外，优选应变片中的杂质浓度是1×1019/cm3～1×1021/cm3。
应变片优选在俯视时在开口的内侧沿着开口的周边形成为C字状。由此，可针对多晶硅层在各种方向的变形，来获得应变片电阻的良好变化，从而能够实现压力传感器的灵敏度提高。
另外，即使MEMS传感器是硅麦克风以及压力传感器中的任意一个，也能够利用半导体基板来形成半导体元件。此外，在半导体基板上可夹着层间绝缘膜等来形成布线，并将该布线经由接触栓塞(contact plug)等与半导体元件连接。由此，在MEMS传感器中可内置由适当的半导体元件以及布线等构成的电路。半导体元件可构成对来自MEMS传感器部(振动膜和压电元件、或振动膜和应变片)的信号进行处理的信号处理电路。
半导体元件以及布线优选在半导体基板中形成在振动膜的周围。由此，可利用1个芯片来构成MEMS传感器部和电路部(半导体元件以及布线)(单芯片化)。
在MEMS传感器是压力传感器的情况下，半导体元件例如可以是MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)。此时，如果将MISFET的栅极电极与多晶硅层形成于同一层，则可以利用相同工序来形成栅极电极和多晶硅层，从而能够实现压力传感器制造工序的简化。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
具体地说，作为本发明一实施方式的MEMS传感器，例示了硅麦克风以及压力传感器，并分别进行说明。
(1)硅麦克风
图1是本发明一实施方式的硅麦克风的示意平面图。图2是图1所示的切割线II-II中的硅麦克风的示意剖面图。此外，在图2中，仅对由导体构成的部分附加阴影，而省略对其它部分的阴影附加。
硅麦克风1具有硅基板2。在硅基板2上设定麦克风形成区域3以及电路形成区域4。
在麦克风形成区域3中，在硅基板2上沿着厚度方向贯通地形成俯视为圆形的开口5。硅基板2表面中的开口5的直径例如是1～10μm。
在硅基板2的表面上如图2所示，使振动膜6形成于麦克风形成区域3的整个区域。振动膜6具有从硅基板2侧顺次层叠由SiO2构成的氧化膜7以及由SiN构成的氮化膜8而成的2层构造。氧化膜7的厚度例如是0.5～1.5μm。氮化膜8的厚度例如是0.5～1.5μm。由此，由硅基板2中的开口5的周围部分支撑振动膜6，与开口5相对置的部分(振动部分)6A具有在其对置方向上可振动的挠性。
在振动膜6的振动部分6A上设置有压电元件9。压电元件9具备：下部电极10、形成在下部电极10上的压电体11、和形成在压电体11上的上部电极12。换言之，通过利用上部电极12以及下部电极10从上下夹住压电体11，来形成压电元件9。
下部电极10一体地具备直径比开口5小的圆板状的主体部13和延长部14，该延长部14从主体部13的周边开始在振动膜6上直到比振动部分6A更外侧部分为止以直线状延伸。下部电极10具有从振动膜6侧顺次层叠了Ti(钛)层以及Pt(铂)层而成的2层构造。
压电体11在俯视时形成为直径与下部电极10的主体部13大致相同的圆板状。压电体11由PZT(锆钛酸铅：Pb(Zr，Ti)O3)构成。
上部电极12形成为直径比压电体11小的圆板状。上部电极12具有从压电体11侧顺次层叠IrO2(氧化铱)层以及Ir(铱)层而成的2层构造。
振动膜6以及压电元件9的表面被层间绝缘膜15所覆盖。层间绝缘膜15由SiO2构成。
在层间绝缘膜15上形成有布线16、17。布线16、17由包含Al(铝)的金属材料构成。
布线16的一端部配置在下部电极10的延长部14的前端部的上方。在布线16的一端部与延长部14之间，在层间绝缘膜15上形成贯通孔18。布线16的一端部进入贯通孔18内，在贯通孔18内与延长部14连接。布线16的另一端部被配置在相对其一端部在从开口5分离的方向上相离的位置。
布线17的一端部配置在上部电极12的周边部的上方。在布线17的一端部和上部电极12之间，在层间绝缘膜15上形成有贯通孔19。布线17的一端部进入贯通孔19内，在贯通孔19内与上部电极12连接。布线17的另一端部被配置在相对其一端部在从开口5分离的方向上相离的位置。
在电路形成区域4中形成有例如包括N沟道MOSFET(Negative-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)21以及P沟道MOSFET(Positive-channel Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)22在内的集成电路。
在电路形成区域4中，形成N沟道MOSFET21的NMOS区域23和形成P沟道MOSFET22的PMOS区域24通过元件分离部25，分别与周围绝缘分离。在硅基板2上形成从其表面向下挖掘得比较浅的槽(例如，深度0.2～0.5μm的浅沟槽)26，在该槽26的内面通过热氧化法形成热氧化膜27之后，利用CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相成长)法来使绝缘体28(例如，SiO2)堆积在槽26内，由此形成元件分离部25。
在NMOS区域23中形成有P型阱区31。P型阱区31的深度比槽26的深度大。N沟道MOSFET21具备在P型阱区31的表层部夹着沟道区域32而形成的N型的源极区域33以及漏极区域34。在源极区域33以及漏极区域34的沟道区域32侧的端部，减小其深度以及杂质浓度。即，在N沟道MOSFET21中适用LDD(Lightly Doped Drain)构造。
在沟道区域32上形成栅极绝缘膜35。栅极绝缘膜35由SiO2构成。
在栅极绝缘膜35上形成栅极电极36。栅极电极36由N型Poly-Si(多结晶硅)构成。
在栅极绝缘膜35以及栅极电极36的周围形成侧壁37。侧壁37由SiN构成。
在源极区域33、漏极区域34、以及栅极电极36的表面分别形成有硅化物38、39、40。
在PMOS区域24中形成N型阱区41。N型阱区41的深度比槽26的深度大。P沟道MOSFET22具备在N型阱区41的表层部夹着沟道区域42而形成的P型的源极区域43以及漏极区域44。在源极区域43以及漏极区域44的沟道区域42侧的端部，减小其深度以及杂质浓度。即，在P沟道MOSFET22中，适用LDD构造。
在沟道区域42上形成栅极绝缘膜45。栅极绝缘膜45由SiO2构成。
在栅极绝缘膜45上形成栅极电极46。栅极电极46由P型Poly-Si构成。
在栅极绝缘膜45以及栅极电极46的周围形成侧壁47。侧壁47由SiN构成。
在源极区域43、漏极区域44、以及栅极电极46的表面分别形成有硅化物48、49、50。
在电路形成区域4中，在硅基板2的表面上形成层间绝缘膜51。层间绝缘膜51由SiO2构成。
在层间绝缘膜51上形成布线52、53、54。布线52、53、54由包含Al(铝)的金属材料构成。
布线52形成在源极区域33的上方。在布线52与源极区域33之间，在层间绝缘膜51上贯通地设置有用于使它们电连接的接触栓塞55。接触栓塞55由W(钨)构成。
在漏极区域34以及漏极区域44的上方，以跨越它们的方式形成布线53。在布线53与漏极区域34之间，在层间绝缘膜51上贯通地设置有用于使它们电连接的接触栓塞56。另外，在布线53与漏极区域44之间，在层间绝缘膜51上，贯通地设置有用于使它们电连接的接触栓塞57。接触栓塞56、57由W构成。
布线54形成在源极区域43的上方。在布线54与源极区域43之间，在层间绝缘膜51上贯通地设置有用于使它们电连接的接触栓塞58。接触栓塞58由W构成。
在硅麦克风1的最表面形成表面保护膜61。表面保护膜61由SiN构成。层间绝缘膜15、51以及布线16、17、52、53、54被表面保护膜61覆盖。在表面保护膜61上形成有用于将布线16、17的一部分分别作为焊盘62、63而露出的开口。
当向硅麦克风1输入声波(声压)时，振动膜6根据该声波进行振动，该振动膜6的振动传播至压电元件9，压电元件9的振动基于压电效果被变换为电压。这样从压电元件9输出的电压作为焊盘62、63的电位差来表现。因此，焊盘62、63和在电路形成区域4中形成的集成电路经由布线(未图示)电连接，由此将从压电元件9输出的电压作为声音信号输入至集成电路。作为集成电路，例示了用于放大所输入的声音信号以及除去噪声成分等处理的信号处理电路。
图3A～3R是顺次示出硅麦克风制造工序的示意剖面图。
在硅麦克风1的制造工序中，首先如图3A所示，在硅基板2的表层部形成元件分离部25。然后，在NMOS区域23以及PMOS区域24中通过公知的CMOS技术，分别形成N沟道MOSFET21以及P沟道MOSFET22。
接着，如图3B所示，利用热氧化法或CVD法，在麦克风形成区域3中，在硅基板2的表面上形成氧化膜7。然后利用CVD法在氧化膜7上形成氮化膜8。
然后如图3C所示，利用溅射法，在氮化膜8的整个区域上形成与下部电极10相同结构的膜71。另外，通过溅射法或溶胶-凝胶法(sol-gel)，在膜71的整个区域上形成与压电体11相同结构的膜72。此外，利用溅射法在膜72的整个区域上形成与上部电极12相同结构的膜73。
然后，如图3D所示，通过光刻，在膜73上形成抗蚀图案74，以遮盖膜73中构成上部电极12的部分。
然后，如图3E所示，通过将抗蚀图案74作为掩模的蚀刻来对膜73进行图案形成，并形成上部电极12。在上部电极12形成后，除去抗蚀图案74。
然后，如图3F所示，通过光刻在膜72上形成抗蚀图案75，以遮盖膜72中构成压电体11的部分。
然后，如图3G所示，通过将抗蚀图案75作为掩模的蚀刻来对膜72进行图案形成，并形成压电体11。在压电体11形成后，除去抗蚀图案75。
此外，如图3H所示，通过光刻在膜71上形成抗蚀图案76，以遮盖膜71中构成下部电极10的部分。
然后，如图3I所示，通过将抗蚀图案76作为掩模的蚀刻来对膜71进行图案形成，并形成下部电极10。在下部电极10形成后，除去抗蚀图案76。
接着，如图3J所示，通过CVD法来形成层间绝缘膜15、51。层间绝缘膜51例如在层间绝缘膜15形成前，通过CVD在电路形成区域4中的硅基板2的表面上堆积SiO2，在层间绝缘膜15形成时，通过在该SiO2的堆积层上进一步堆积SiO2来形成。
在层间绝缘膜15、51形成后，通过光刻以及蚀刻，在层间绝缘膜51中与源极区域33、43以及漏极区域34、44相对置的部分，形成在厚度方向上贯通层间绝缘膜51的贯通孔。然后，通过CVD法，对各贯通孔内提供W，利用W来填埋各贯通孔。由此，如图3K所示，形成接触栓塞55～58。
然后，如图3L所示，通过光刻在层间绝缘膜15、51上形成抗蚀图案77。抗蚀图案77仅露出层间绝缘膜15中形成贯通孔19的部分，并遮盖层间绝缘膜15、51的其它部分。
然后，如图3M所示，通过将抗蚀图案77作为掩模的蚀刻，在层间绝缘膜15上形成贯通孔19。在贯通孔19形成后，除去抗蚀图案77。
接着，如图3N所示，通过光刻在层间绝缘膜15、51上形成抗蚀图案78。抗蚀图案78仅露出层间绝缘膜15中形成贯通孔18的部分，并遮盖层间绝缘膜15、51的其它部分。
然后，如图3O所示，通过将抗蚀图案78作为掩模的蚀刻，在层间绝缘膜15上形成贯通孔18。在贯通孔18形成后，除去抗蚀图案78。
在抗蚀图案78除去后，通过溅射法在层间绝缘膜15、51上形成Al膜。然后，通过光刻以及蚀刻来对Al膜进行图案形成，如图3P所示，形成布线16、17、52、53、54。
然后，通过CVD法在层间绝缘膜15、51上形成SiN膜。并且，通过光刻以及蚀刻来对SiN膜进行图案形成，如图3Q所示，形成具有用于露出焊盘62、63的开口的表面保护膜61。
在表面保护膜61形成后，如图3R所示，通过光刻，在硅基板2的背面上形成抗蚀图案79。抗蚀图案79露出硅基板2中构成开口5的部分，并遮盖其它部分。然后，通过将抗蚀图案79作为掩模的蚀刻，在硅基板2上形成开口5。然后，当除去抗蚀图案79时，得到图2所示的硅麦克风1。
如以上那样，在硅麦克风1中，当振动膜6振动时，将基于压电效果的电压作为声音信号从压电元件9输出，因此不需要在现有硅麦克风中为了得到静电电容变化而不可或缺的盖板。从而，硅麦克风1与现有的硅麦克风相比，不存在盖板，构造变得简单，并能够减小厚度。另外，因为不需要用于形成盖板的光掩模，所以能够减少用于硅麦克风1制造的光掩模数。
并且，由于在振动膜6中不需要导电性，所以不需要采用具有导电性的硅来作为振动膜6的材料，在硅麦克风1中采用SiO2/SiN。因此，在硅麦克风1的制造中不需要采用SOI基板，可以采用硅基板2，比现有的硅麦克风更廉价地进行制造。
此外，振动膜6不限于具有SiO2/SiN的2层构造。例如，可具有由从SiO2、SiN、以及Poly-Si的组中选择的1种材料构成的单层构造，或者可具有层叠了由从该组中选择的多种材料构成的层而成的层叠构造。
另外，在现有的硅麦克风中，隔膜所产生的振动发生静电电容变化，基于该静电电容变化的电压变动作为声音信号输出，因此为了检测到灵敏度低、微小的声波(振动)，而必需较大地放大声音信号。但是，当声音信号放大得较大时，声音信号所包含的噪声成分也被放大。
与此相对，在硅麦克风1中，在振动膜6上产生的振动通过压电效果来直接变换为电压，所以即使针对微小声波的输入也能够良好地输出电压。因此，为了检测微小的声波，而不需要将输出电压较大地放大。由此，能够实现声音信号所包含的噪声量的降低。
另外，利用支撑振动膜6的硅基板2，可形成N沟道MOSFET21以及P沟道MOSFET22等半导体元件。另外，如硅麦克风1那样，在硅基板2上夹着层间绝缘膜51形成布线52、53、54，该布线52、53、54经由接触栓塞55～58与N沟道MOSFET21以及P沟道MOSFET22连接，由此能够形成集成电路。该集成电路构成对来自包括振动膜6和压电元件9在内的硅麦克风部(MEMS传感器部)的信号进行处理的信号处理电路。该集成电路优选在硅基板2中形成在振动膜6的周围。由此，可利用1个芯片来构成硅麦克风部和集成电路(单芯片化)。
如以上那样，说明了硅麦克风1的一实施方式，但本发明还可以在其它形态下实施。
例如，如图1虚线所示，优选在振动膜6上贯通地形成与开口5连通的排气孔81。在从与振动膜6相反侧利用封闭部件(未图示)来封闭开口5的情况下，如果形成排气孔81，则能够防止在开口5内(振动膜6与封闭部件之间)封入空气，从而能够确保振动膜6的良好振动。
另外，在硅麦克风1中作为半导体基板的一例采用硅基板2，但可以取代硅基板2，采用由SiC(碳化硅)等硅以外的半导体材料构成的基板。
此外，取代压电元件9，在振动膜6上形成应变片，可构成硅麦克风。
(2)压力传感器
图4是本发明其它实施方式的压力传感器的示意平面图。图5是图4所示的切割线V-V中的压力传感器的示意剖面图。此外，在图5中，仅对由导体构成的部分附加阴影，省略对其它部分的阴影附加。
压力传感器101具有硅基板102。在硅基板102上设定传感器区域103以及电路形成区域104。
在传感器区域103中，在硅基板102上在厚度方向上贯通形成俯视圆形的开口105。硅基板102的表面中的开口105的直径例如是200～1000μm。
在传感器区域103中，在硅基板102的表面上如图5所示，形成隔膜106。隔膜106具有从硅基板102侧顺次层叠由SiO2构成的氧化膜107以及由多晶硅构成的多晶硅层108的2层构造。
氧化膜107形成在传感器区域103的整个区域。氧化膜107的厚度例如是0.3～1μm。
多晶硅层108夹着氧化膜107形成在与开口105以及开口105的周边部相对置的部分。多晶硅层108的厚度例如是0.1～0.5μm。
通过在多晶硅层108上有选择地添加(掺杂)导电型赋予杂质，来形成所谓的多晶硅压电电阻即应变片109。应变片109中的杂质浓度例如是1×1019～1×1021/cm3。应变片109如图4所示在俯视时具有：在开口105的内侧沿着开口105的周边形成为C字状的主体部110、和从主体部110的两端相互平行延长的延长部111、112。
隔膜106的表面被层间绝缘膜115所覆盖。层间绝缘膜115由SiO2构成。
在层间绝缘膜115上形成布线116、117。布线116、117由包含Al(铝)的金属材料构成。
布线116的一端部配置在延长部111的端部上方。在布线116的一端部与延长部111之间，在层间绝缘膜115上形成贯通孔118。布线116的一端部进入贯通孔118内，在贯通孔118内与延长部111连接。布线116朝向电路形成区域104延伸。
布线117的一端部配置在延长部112的上方。在布线117的一端部与延长部112之间，在层间绝缘膜115上形成贯通孔(未图示)。布线117的一端部进入贯通孔内，在贯通孔内与延长部112连接。布线117朝向电路形成区域104延伸。
在电路形成区域104中例如形成有包括N沟道MOSFET(Negative-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)121以及P沟道MOSFET(Positive-channel Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)122在内的集成电路。
在电路形成区域104中，形成N沟道MOSFET121的NMOS区域123和形成P沟道MOSFET122的PMOS区域124通过元件分离部125分别从周围绝缘分离。在硅基板102上形成从其表面向下挖掘得比较浅的槽(例如，深度0.2～0.5μm的浅沟槽)126，在该槽126的内面上通过热氧化法形成了热氧化膜127之后，通过利用CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相成长)法将绝缘体128(例如，SiO2)堆积在槽126内来形成元件分离部125。
在NMOS区域123中形成P型阱区131。P型阱区131的深度比槽126的深度大。N沟道MOSFET121具备在P型阱区131的表层部中夹着沟道区域132而形成的N型的源极区域133以及漏极区域134。在源极区域133以及漏极区域134的沟道区域132侧的端部，减小其深度以及杂质浓度。即，在N沟道MOSFET121中，适用LDD(Lightly Doped Drain)构造。
在沟道区域132上设置栅极绝缘膜135。栅极绝缘膜135由SiO2构成，并形成在与隔膜106的氧化膜107相同的层。
在栅极绝缘膜135上设置栅极电极136。栅极电极136由添加有导电型赋予杂质的多晶硅构成，并形成在与隔膜106的多晶硅层108相同的层。栅极电极136的杂质浓度例如是1×1020～1×1021/cm3。
在栅极绝缘膜135以及栅极电极136的周围形成侧壁137。侧壁137由SiN构成。
在源极区域133、漏极区域134、以及栅极电极136的表面分别形成有硅化物138、139、140。
在PMOS区域124中形成有N型阱区141。N型阱区141的深度比槽126的深度大。P沟道MOSFET122具备在N型阱区141的表层部中夹着沟道区域142而形成的P型的源极区域143以及漏极区域144。在源极区域143以及漏极区域144的沟道区域142侧的端部，减小其深度以及杂质浓度。即，在P沟道MOSFET122中，适用LDD构造。
在沟道区域142上设置栅极绝缘膜145。栅极绝缘膜145由SiO2构成，并形成在与栅极绝缘膜135以及隔膜106的氧化膜107相同的层。
在栅极绝缘膜145上设置栅极电极146。栅极电极146由添加了导电型赋予杂质的多晶硅构成，并形成在与栅极电极136以及隔膜106的多晶硅层108相同的层上。栅极电极146的杂质浓度例如是1×1020～1×1021/cm3。
在栅极绝缘膜145以及栅极电极146的周围形成侧壁147。侧壁147由SiN构成。
在源极区域143、漏极区域144、以及栅极电极146的表面分别形成有硅化物148、149、150。
在电路形成区域104中，在硅基板102的表面上形成有层间绝缘膜151。层间绝缘膜151由SiO2构成，并形成在与层间绝缘膜115相同的层上。
在层间绝缘膜151上设置有布线152、153、154。布线152、153、154由包含Al(铝)的金属材料构成，并形成在与布线116、117相同的层上。
布线152形成在源极区域133的上方。在布线152与源极区域133之间，在层间绝缘膜151中贯通地设置有用于使它们电连接的接触栓塞155。接触栓塞155由W(钨)构成。
在漏极区域134以及漏极区域144的上方，以跨越它们的方式形成布线153。在布线153与漏极区域134之间，在层间绝缘膜151中贯通地设置有用于使它们电连接的接触栓塞156。另外，在布线153与漏极区域144之间，在层间绝缘膜151上贯通地设置有用于使它们电连接的接触栓塞157。接触栓塞156、157由W构成。
布线154形成在源极区域143的上方。在布线154与源极区域143之间，在层间绝缘膜151上贯通地设置有用于使它们电连接的接触栓塞158。接触栓塞158由W构成。
在压力传感器101的最表面形成表面保护膜161。表面保护膜161由SiN构成。层间绝缘膜115、151以及布线116、117、152、153、154被表面保护膜161所覆盖。表面保护膜161的厚度例如是0.5～1.5μtm。
玻璃板162与硅基板102的背面接合。由此，在开口105内形成闭合的空间。
隔膜106具有硅基板102中与开口105相对置的部分106A可在其对置方向上振动的挠性。当对隔膜106施加压力时，隔膜106应变变形，应变片109的电阻根据该应变变形而变化。该电阻的变化表现为布线116、117间的电压变化。因此，可基于布线116、117间的电压变化，来检测对隔膜106施加的压力。另外，如果布线116、117与形成在电路形成区域104中的集成电路电连接，则将布线116、117间的电压作为信号向集成电路输入。作为集成电路，例示了用于放大所输入的信号以及除去噪声成分等处理的信号处理电路。
图6A～6N是顺次示出压力传感器制造工序的示意剖面图。在图6A～6N中，仅对由导体构成的部分附加阴影，并省略对其它部分的阴影附加。
在压力传感器101的制造工序中，首先如图6A所示，利用公知的STI(Shallow Trench Isolation)技术在硅基板102的表层部形成元件分离部125。接着，通过离子注入法，对NMOS区域123以及PMOS区域124分别注入P型杂质(例如，B(硼))以及N型杂质(例如，P(磷))，形成P型阱区131以及N型阱区141。然后，利用热氧化法或CVD法，在硅基板102的整个表面形成由SiO2构成的氧化膜171。
然后，如图6B所示，利用CVD法，在氧化膜171上形成多晶硅的堆积层172。
然后，如图6C所示，利用光刻在堆积层172上形成抗蚀图案173。抗蚀图案173仅露出应该作为堆积层172中的应变片109以及栅极电极136、146的部分，并遮盖其它部分。
在抗蚀图案173形成后，将该抗蚀图案173作为掩模，对堆积层172注入P型杂质。由此，如图6D所示，形成应变片109以及栅极电极136、146。在P型杂质注入后，除去抗蚀图案173。
然后，如图6E所示，利用光刻在堆积层172上形成新的抗蚀图案174。抗蚀图案174遮盖栅极电极136、146，并且遮盖堆积层172中构成多晶硅层108的部分，露出其它部分。
并且，通过将抗蚀图案174作为掩模的蚀刻，来对堆积层172进行图案形成。由此，如图6F所示，相互切离栅极电极136、146，并且形成具有应变片109的多晶硅层108。在图案形成堆积层172之后，除去抗蚀图案174。然后，通过离子注入法，向P型阱区131的表层部注入N型杂质138N、139N。另外，通过离子注入法，向N型阱区141的表层部注入P型杂质148P、149P。
然后，如图6G所示，通过将多晶硅层108以及栅极电极136、146作为掩模的蚀刻，来有选择地除去氧化膜171，在硅基板102上获得氧化膜107以及栅极绝缘膜135、145。
利用CVD法，对硅基板102上的整个区域堆积SiN。并且，通过对该SiN的堆积层进行蚀刻，来形成侧壁137、147。
在侧壁137、147形成后，如图6H所示，利用离子注入法，在P型阱区131的表层部中，将N型杂质注入到比先前注入的N型杂质深的位置，并形成源极区域133以及漏极区域134。另外，通过离子注入法，在N型阱区141的表层部中将P型杂质注入到比先前注入的P型杂质深的位置，形成源极区域143以及漏极区域144。然后，形成硅化物138、139、140、148、149、150。
接着，如图6I所示，利用CVD法形成层间绝缘膜115、151。
在层间绝缘膜115，151形成后，通过光刻以及蚀刻，在层间绝缘膜151中与源极区域133、143以及漏极区域134、144相对置的部分，形成在厚度方向上贯通层间绝缘膜151的贯通孔。并且，通过CVD法，向各贯通孔内提供W，并利用W来填埋各贯通孔。由此，如图6J所示，形成接触栓塞155～158。另外，通过光刻以及蚀刻，在层间绝缘膜115上形成使延长部111(参照图4)部分露出的贯通孔118以及使延长部112(参照图4)部分露出的贯通孔(未图示)。
然后，通过溅射法在层间绝缘膜115、151上形成Al膜。并且，通过光刻以及蚀刻来对Al膜进行图案形成，如图6K所示，形成布线116、117(参照图4)、152、153、154。
然后，如图6L所示，通过CVD法在层间绝缘膜115、151上形成表面保护膜161。
在表面保护膜161形成后，如图6M所示，利用光刻，在硅基板102的背面上形成抗蚀图案175。抗蚀图案175使硅基板102中构成开口105的部分露出，并遮盖其它部分。
然后，如图6N所示，通过将抗蚀图案175作为掩模的蚀刻，在硅基板102上形成开口105。此时，氧化膜107具有阻止蚀刻的功能，从而能够防止多晶硅层108被蚀刻。然后，除去抗蚀图案175，通过阳极接合法，将玻璃板162与硅基板102的背面接合，这样获得图5所示的压力传感器101。
如以上那样，在压力传感器101中，隔膜106具有多晶硅层108。并且，通过在多晶硅层108上有选择地添加导电型赋予杂质，来形成由掺杂多晶硅构成的应变片109。当对隔膜106施加压力时，多晶硅层108应变变形，应变片109的电阻根据该应变变形而变化。基于该电阻的变化，可检测对隔膜106(多晶硅层108)施加的压力大小。
并且，压力传感器101可采用廉价的硅基板102来进行制造，而不需要价格远远高于硅基板的SOI基板。由此，能够比现有廉价地制造压力传感器101。
应变片109在俯视时，在开口105的内侧沿着开口105的周边形成为C字状。由此，针对多晶硅层108在各种方向的变形，可取得应变片109的电阻的良好变化，从而能够实现压力传感器101的灵敏度提高。
另外，可利用支撑隔膜106的硅基板102，来形成N沟道MOSFET121以及P沟道MOSFET122等半导体元件。另外，如压力传感器101那样，在硅基板102上夹着层间绝缘膜151来形成布线152、153、154，该布线152、153、154经由接触栓塞155～158与N沟道MOSFET121以及P沟道MOSFET122连接，由此能够形成集成电路。该集成电路构成对来自包括隔膜106和应变片109在内的压力传感器部(MEMS传感器部)的信号进行处理的信号处理电路。该集成电路优选在硅基板102中形成在隔膜106的周围。由此，可利用1个芯片来构成压力传感器部和集成电路(单芯片化)。
此外，在压力传感器101中，N沟道MOSFET121的栅极电极136以及P沟道MOSFET122的栅极电极146和多晶硅层108形成在同一层上。因此，能够利用相同的工序来形成栅极电极136、146和多晶硅层108，从而能够实现压力传感器101制造工序的简化。
如以上那样，对压力传感器101的一实施方式进行了说明，但本发明还可以在其它形态下实施。
例如，在压力传感器101中通过对多晶硅的堆积层172进行图案形成，来将多晶硅层108有选择地形成在传感器区域103中，但在传感器区域103中可不蚀刻堆积层172，而将多晶硅层108形成在传感器区域103的整个区域中。
另外，在压力传感器101中，作为半导体基板的一例使用硅基板102，也可以取代硅基板102，使用由SiC(碳化硅)等硅以外的半导体材料构成的基板。
此外，还可以取代应变片109，在隔膜106上形成压电元件，来构成压力传感器。
以上，作为MEMS传感器例示了硅麦克风1以及压力传感器101，并分别进行了详细说明，但它们仅仅是为了使本发明的技术内容变得清楚而使用的具体例，本发明不限于这些具体例，本发明的精神以及范围仅由添加的权利要求书进行限定。
此申请对应于2009年7月7日向日本国特许厅提出的日本特愿2009-161038号以及日本特愿2009-161039号、和2010年5月26日向日本国特许厅提出的日本特愿2010-120392号，这里通过引用这些申请的全部公开而将其包括在内。

Claims (19)

1.一种MEMS传感器，包括：
半导体基板，其贯通地形成开口；
振动膜，其与上述开口对置地设置，并能在该对置方向上振动；以及
压电元件或应变片，其形成在上述振动膜上。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，
由上述半导体基板中的上述开口的周围部分支撑上述振动膜，
在上述振动膜上设置有上述压电元件。
3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其中，
在上述振动膜上贯通地形成与上述开口连通的排气孔。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的MEMS传感器，其中，
上述MEMS传感器是硅麦克风。
5.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，
上述振动膜包括多晶硅层，该多晶硅层被设置成从上述半导体基板的一面侧封闭上述开口，
通过对上述多晶硅层有选择地添加导电型赋予杂质来形成上述应变片，电阻根据上述多晶硅层的应变变形而变化。
6.根据权利要求5所述的MEMS传感器，其中，
上述应变片中的杂质浓度是1×1019/cm3～1×1021/cm3。
7.根据权利要求5或6所述的MEMS传感器，其中，
上述应变片在俯视时在上述开口的内侧沿着上述开口的周边形成为C字状。
8.根据权利要求1、5、6、以及7中任一项所述的MEMS传感器，其中，
上述MEMS传感器是压力传感器。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的MEMS传感器，其中，
该MEMS传感器还包括：
形成在上述半导体基板上的半导体元件；以及
与上述半导体元件连接的布线。
10.根据权利要求9所述的MEMS传感器，其中，
在上述半导体基板中，在上述振动膜的周围形成上述半导体元件以及上述布线。
11.根据权利要求9或10所述的MEMS传感器，其中，
上述半导体元件构成对来自MEMS传感器部的信号进行处理的信号处理电路，其中，上述MEMS传感器部包括：上述振动膜和上述压电元件、或上述振动膜和上述应变片。
12.根据权利要求9～11中任一项所述的MEMS传感器，其中，
将MEMS传感器部和上述半导体元件单芯片化，其中，上述MEMS传感器部包括：上述振动膜和上述压电元件、或上述振动膜和上述应变片。
13.一种硅麦克风，包括：
半导体基板，其贯通地形成开口；
振动膜，其与上述开口对置地设置，被上述半导体基板中的上述开口的周围部分所支撑，并能在与上述开口的对置方向上振动；以及
压电元件，其被设置在上述振动膜上。
14.根据权利要求13所述的硅麦克风，其中，
该硅麦克风还包括：
形成在上述半导体基板上的半导体元件；以及
与上述半导体元件连接的布线。
15.根据权利要求13或14所述的硅麦克风，其中，
在上述振动膜上贯通地形成与上述开口连通的排气孔。
16.一种压力传感器，包括：
半导体基板，其贯通地形成开口；
多晶硅层，其被设置成从上述半导体基板的一面侧封闭上述开口，与上述开口对置的部分能在该对置方向上振动；以及
应变片，其通过对上述多晶硅层有选择地添加导电型赋予杂质而形成，电阻根据上述多晶硅层的应变变形而变化。
17.根据权利要求16所述的压力传感器，其中，
上述应变片在俯视时在上述开口的内侧沿着上述开口的周边形成为C字状。
18.根据权利要求16或17所述的压力传感器，其中，
该压力传感器还包括：
形成在上述半导体基板上的半导体元件；以及
与上述半导体元件连接的布线。
19.根据权利要求16～18中任一项所述的压力传感器，其中，
上述应变片中的杂质浓度是1×1019/cm3～1×1021/cm3。
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