CN102281818B - 超声波探头的制造方法以及超声波探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波探头的制造方法及超声波探头。在形成作为保护膜的聚酰亚胺膜之前，使薄膜反复振动，从而评价上部电极与下部电极之间的绝缘耐压，预先除去因薄膜的反复振动而在上部电极与下部电极之间产生了绝缘耐压降低的不良半导体装置(CMUT)单元的上部电极，切断与其他正常半导体装置单元的电连接，由此在包含修复后的CMUT单元(RC)在内的块(RB)或沟道(RCH)中，防止薄膜的反复振动后的上部电极与下部电极之间的绝缘耐压降低。由此，可以提高半导体装置的制造成品率。

Description

超声波探头的制造方法以及超声波探头

技术领域

本发明涉及例如适用于超声波探头(超声波换能器)的制造方法以及超声波探头且有效的技术。

背景技术

超声波换能器例如用于人体内的肿瘤的诊断装置等。迄今为止，主要使用了利用压电体的振动的超声波换能器。然而，伴随着近年来的MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术的进步，目前正在开发一种在硅基板上形成了振动部的电容检测型超声波换能器(CMUT：CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducer)，其中，该振动部具有在上下两层电极之间夹入空穴的结构。

与利用了压电体的超声波换能器相比，CMUT具有可使用的超声波的频带宽或者高分辨率等优点。再有，CMUT因为可以利用LSI(LargeScale Integration)加工技术来制造，所以能够进行微细加工。因此，尤其适用于将一个超声波元件排列成阵列状，来分别控制行或列的情况或者控制行和列这两者的情况。还有，与通常的LSI相同，可以在硅(Silicon)基板上形成超声波元件，所以可以在一个半导体芯片中混载超声波收发用的信号处理电路也是CMUT所具备的优点。

关于CMUT的技术，例如已经被美国专利第6271620B1号说明书(专利文献1)所公开。

另外，特开2006-333952号公报(专利文献2)中公开了以下方法：在检测出短路的CMUT单元之际，不会将包含该不良CMUT单元的上部电极沟道连接到信号输入输出线，而是仅将正常的CMUT单元组的上部电极沟道连接到信号输入输出线。

此外，特开2006-343315号公报(专利文献3)中公开了以下方法：将连接相邻的CMUT单元之间的上部电极部分(辐条，spoke)作为熔断器(fuse)，通过CMUT单元短路时流过的大电流来切换熔断器，以停止向短路后的CMUT单元的电连接，由此仅除去该短路的CMUT单元。

专利文献1：美国专利第6271620B1号说明书

专利文献2：特开2006-333952号公报

专利文献3：特开2006-343315号公报

通过本发明人的研究，明白了CMUT存在着以下说明的各种技术课题。

利用图14～图17来说明本发明人研究的CMUT的基本结构及动作。图14是构成本发明人研究的CMUT的一个超声波元件(以下记为CMUT单元)的主要部分剖视图，图15是表示搭载了本发明人研究的CMUT的半导体芯片整体的主要部分俯视图，图16以及图17是将本发明人研究的CMUT单元阵列区域的一部分放大后进行表示的主要部分俯视图。

如图14所示，在形成于半导体基板11的表面上的第一绝缘膜12的上部，形成有CMUT单元的下部电极M1。隔着第二绝缘膜14，在下部电极M1的上部形成有空穴部15。再有，按照包围空穴部15的方式形成有第三绝缘膜16，并在该第三绝缘膜16的上部形成有上部电极M2。还有，在上部电极M2的上部依次形成有第四绝缘膜18、第五绝缘膜19以及聚酰亚胺膜21。

另外，在未形成空穴部15以及上部电极M2的区域的第二绝缘膜14、第三绝缘膜16、第四绝缘膜18、第五绝缘膜19以及聚酰亚胺膜21上形成有抵达下部电极M1的焊盘开口部(省略图示)，可以经由该焊盘开口部向下部电极M1提供电压。此外，在第四绝缘膜18、第五绝缘膜19以及聚酰亚胺膜21上形成有抵达上部电极M2的焊盘开口部(省略图示)，可以经由该焊盘开口部向上部电极M2提供电压。在CMUT驱动时振动的薄膜(membrane)M由第三绝缘膜16、上部电极M2以及位于上部电极M2上方的第四绝缘膜18和第五绝缘膜19构成。

接着，对发射超声波的动作以及发送的动作进行说明。若在上部电极M2与下部电极M1之间叠加交流电压及直流电压，则静电力作用于上部电极M2与下部电极M1之间，薄膜M因施加的交流电压的频率而产生振动，发射超声波。

相反，在接收超声波的情况下，因为到达薄膜M的表面的超声波的压力，薄膜M振动。通过该振动，上部电极M2与下部电极M1之间的距离发生变化，因此作为上部电极M2与下部电极M1之间的电容的变化，可以检测超声波。即，上部电极M2与下部电极M1之间的距离的变化引起上部电极M2与下部电极M1之间的电容变化，由此流过电流。通过检测该电流，从而可以检测超声波。

如图15及图16所示，在CMUT中，在第一方向X以及与第一方向正交的第二方向Y上将规定数量的CMUT单元C配置成阵列状，由此构成被称为块B的单位。进而，在第一方向X和第二方向Y上将规定数量的块B配置成阵列状(CMUT单元阵列区域CA)，构成一个半导体芯片1。半导体芯片1的纵长方向(第二方向Y)的长度是由上部电极M2的数量和块B的间距d来决定的。间距d例如是CMUT单元C的发送声音的波长λ的约一半。

再有，为了在确保足够的发送声压的基础上将半导体芯片1的面积控制得较小，CMUT单元C的平面形状为六角形，还需要将CMUT单元C高密度地配置，因此CMUT单元C被配置成蜂窝状(honeycomb)。在将CMUT例如用于颈动脉或甲状腺等距离体表较近的部位的诊断时，例如使用5～10MHz左右的频率区域。该情况下，将六角形的CMUT单元C的内切圆的直径例如设为50μm左右。将该CMUT单元C在纵长方向(第二方向Y)配置4个，在短方向(第一方向X)配置8个，从而构成1个块B(在图16中，为了简化说明，将1个块B内的单元数表示为4个×4个)。将该块B在第二方向Y上配置192个，在第一方向X上配置16个，以构成半导体芯片1。其中，有时将在第一方向X上排列了16个块B的单位称为上部电极沟道，将在第二方向Y上排列了192个块B的单位称为下部电极沟道。上部电极沟道中存在着4×8×16＝512个CMUT单元C。半导体芯片1的面积例如为4cm×1cm。

在CMUT中，期望超声波的收发灵敏度高。为了提高超声波的收发灵敏度，从发送方面来看需要增大薄膜M的振动，以获得高的发送声压。在上述的借助在图14所示的上部电极M2与下部电极M1之间施加的电压而振动的薄膜M中，随着施加电压增大，发送声压会升高。也就是说，例如，在薄膜M的形状为内切于直径50μm的圆的六角形，且第二绝缘膜14及第三绝缘膜16的厚度均为0.2μm，空穴部15的厚度为0.1μm的情况下，为了提高发送声压，需要在上部电极M2与下部电极M1之间施加100V以上的高电压。

然而，在上部电极M2与下部电极M1之间施加了电压时的夹持空穴部15的第二绝缘膜14与第三绝缘膜16的距离(间隔)若变为在上部电极M2与下部电极M1之间未施加电压时的夹持空穴部15的第二绝缘膜14与第三绝缘膜16的距离(间隔)的2/3左右，则第二绝缘膜14与第三绝缘膜16接触，薄膜M进行动作。将该现象称为崩溃(collapse)，将该接触引起的电压称为崩溃电压。

根据本发明人的研究可知，若进行使第二绝缘膜14和第三绝缘膜16接触的动作，则在一部分CMUT单元C中，第二绝缘膜14或第三绝缘膜16的绝缘耐压劣化。认为该绝缘耐压降低的原因是：从下部电极M1或上部电极M2向第二绝缘膜14或第三绝缘膜16的电荷的注入，或者因第二绝缘膜14与第三绝缘膜16的接触导致的机械冲击而引起的第二绝缘膜14或第三绝缘膜16中的微细结构缺陷的形成，或者这两者的组合等。这种第二绝缘膜14与第三绝缘膜16的接触起因于：各CMUT单元C间的空穴部15的厚度的偏差；或者构成薄膜M的第三绝缘膜16与上部电极M2、位于上部电极M2上方的第四绝缘膜18与第五绝缘膜绝缘膜19、以及聚酰亚胺膜21的各膜厚或各内部应力等物理量的偏差，因为崩溃电压变动而产生，容易在崩溃电压比其他的CMUT单元C低的CMUT单元C中产生。

若第二绝缘膜14或第三绝缘膜16的绝缘耐压低于超声波换能器的动作电压，则CMUT单元C产生绝缘破坏，在产生了绝缘破坏的CMUT单元中，上部电极M2与下部电极M之间成为短路状态。例如在图17所示的CMUT单元Cb中产生了破坏的情况下，在包含CMUT单元Cb的上部电极沟道CHA中，在上部电极M2与下部电极M1之间施加所期望的电压变得困难，使得诊断图像劣化。医疗超声波诊断装置用的超声波换能器需要几年左右的寿命，例如，必须保证5×10¹¹次左右的薄膜M的重复动作。因此，需要救济包含产生了绝缘破坏的CMUT单元Cb在内的上部电极沟道CHA，或者在实际使用前检测存在产生绝缘破坏的可能性的CMUT单元Cb并将其去除。

在上述专利文献2记载的CMUT中，不连接包含不良CMUT单元在内的上部电极沟道和信号输入输出线，而是仅连接正常的CMUT单元组的上部电极沟道和信号输入输出线。然而，包含不良CMUT单元在内的上部电极沟道不能进行动作，在不良CMUT单元部分不能进行超声波的收发。

再有，在上述专利文献3记载的CMUT中，利用CMUT单元短路时流过的大电流来切断辐条，以停止向短路后的CMUT单元的电连接，由此仅除去该短路的CMUT单元。然而，存在辐条的电阻升高、阻抗增大而导致收发灵敏度降低的可能性。还有，在产生了CMUT单元的绝缘破坏时，不仅产生辐条，还考虑到如下不良情况：构成CMUT单元的薄膜的上部电极或位于其上部的绝缘膜喷出、变形，CMUT的声音透镜或配置于声音面保护层上的屏蔽用金属层与上部电极接触，会产生新的短路路径，或者产生粘接界面的脱离等。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够提高半导体装置(CMUT)的制造成品率的技术。

根据本说明书的描述及附图可以明白本发明的上述目的以及其他目的和新特征。

若简单说明本申请公开的发明之中的典型的一个实施方式，则如下所述。

该实施方式是一种安装半导体装置来形成超声波探头的超声波探头的制造方法，其中，该半导体装置通过在隔着空穴部配置的上部电极与下部电极之间提供电位差，从而将上部电极机械式动作的元件作为一个单元，在半导体基板的主表面上具有沿着第一方向以及与第一方向正交的第二方向配置了规定数量的单元而形成的块，沿着第一方向配置的构成块的多个单元的上部电极被电连接，沿着第二方向配置的构成块的多个单元的下部电极被电连接，在第一方向以及第二方向上以矩阵状配置了块，该超声波探头的制造方法具有：(a)在使上部电极动作之后，测量上部电极与下部电极之间的绝缘耐压的工序；(b)除去在所述(a)工序中判断为不良的单元的上部电极的工序；和(c)在所述(b)工序之后，在半导体基板的主表面上形成保护膜的工序。

若简单说明通过本申请公开的发明之中的典型的一个实施方式而获得的效果，则如下所述。

可以提高半导体装置(CMUT)的制造成品率。

附图说明

图1是表示搭载本发明的实施方式1的CMUT的半导体芯片的整体的主要部分俯视图。

图2是将本发明的实施方式1的CMUT单元阵列区域的一部分放大之后进行表示的主要部分俯视图。

图3是将本发明的实施方式1的块的一部分放大之后进行表示的主要部分俯视图。

图4是本发明的实施方式1的沿着图3的A-A’线的主要部分剖视图。

图5是说明本发明的实施方式1的CMUT的制造工序的CMUT单元的主要部分剖视图。

图6是说明本发明的实施方式1的CMUT的制造工序的CMUT单元的主要部分剖视图。

图7是说明本发明的实施方式1的CMUT的制造工序的CMUT单元的主要部分剖视图。

图8是表示在本发明的实施方式1的CMUT单元中测量出的上部电极与下部电极之间的绝缘膜的破坏特性的一例的曲线图。

图9是表示电容检测型超声波换能器的薄膜重复振动试验后的外观检查结果的CMUT单元的主要部分俯视图。

图10是说明本发明的实施方式1的CMUT的制造工序的CMUT单元的主要部分剖视图。

图11是说明本发明的实施方式1的CMUT的制造工序的CMUT单元的主要部分剖视图。

图12是说明搭载本实施方式2的CMUT的半导体芯片的正常/不良判别测试以及救济顺序的流程图。

图13是利用了本发明的实施方式2的CMUT的超声波诊断装置的探头的说明图。

图14是构成本发明人研究的CMUT的一个CMUT单元的主要部分剖视图。

图15是表示搭载本发明人研究的CMUT的半导体芯片的整体的主要部分俯视图。

图16是将本发明人研究的CMUT单元阵列区域的一部分放大之后进行表示的主要部分俯视图。

图17是将本发明人研究的CMUT单元阵列区域的一部分放大之后进行表示的主要部分俯视图。

符号说明：1-半导体芯片；11-半导体基板；12-第一绝缘膜；13-导体膜；14-第二绝缘膜；15-空穴部；15A-牺牲膜图案；16-第三绝缘膜；17-导体膜；18-第四绝缘膜；19-第五绝缘膜；20-孔(开口部)；21-聚酰亚胺膜；22-凹部；51-探头；52-探头壳体；53-声音透镜(声音面保护层)；54-电缆；55-电屏蔽层；B-块；C-CMUT单元(超声波元件、振子、传感器元件)；CA-CMUT单元阵列区域；Cb-CMUT单元；CHA-上部电极沟道；M-薄膜；M1-下部电极；M2-上部电极；P1、P2-焊盘；RB-包含修复后的CMUT单元的块；RC-修复后的CMUT单元(修复CMUT单元)；RCH-包含修复后的CMUT单元的上部电极沟道；SP-辐条；XC-不良CMUT单元；XM-薄膜。

具体实施方式

在以下的实施方式中，在说明的便利性方面有需要时，分割为多段或多个实施方式进行说明，但除了特别明示的情况以外，这些并不是互相没有关系，存在一方是另一方的一部分或者全部的变形例、细节、补充说明等的关系。

另外，在以下的实施方式中，在提及要素的数量等(包含个数、数值、量、范围等)的情况下，除了特别明示的情况或者在原理上明确限定为特定的数量的情况等以外，并不限于该特定的数量，可以是特定的数量以上或者特定的数量以下。进而，在以下的实施方式中，其构成要素(也包含要素步骤等)除了特别明示的情况或者在原理上明确认为是必须的情况等以外，应该说并非是必须的。同样，在以下的实施方式中，在提及构成要素等的形状、位置关系等时，除了特别明示的情况或者在原理上明确认为不是那样的情况以外，也包含实质上与该形状等近似或类似的状况。对于上述数值及范围而言，该事实也是同样的。

还有，在以下的实施方式所使用的附图中，即使是俯视图，也为了容易观察附图而有时附加阴影。再有，在以下的实施方式中，在言及晶片时，主要指的是硅(Silicon)单晶体晶片，但不仅仅是如此，也意味着SOI(Silicon On Insulator)晶片、用于在其上形成集成电路的绝缘膜基板等。其形状也不仅仅是圆形或近似于圆形，还包含正方形、长方形等。

此外，在用于说明以下实施方式的所有附图中，原则上对具有相同功能的要素赋予相同的标记，并省略重复的说明。以下，基于附图详细说明本发明的实施方式。

(实施方式1)

利用图1～图4说明本实施方式1的半导体装置。在本实施方式1中，针对将本发明人进行的发明适用于利用成为其背景的使用领域、即MEMS技术而制造出的CMUT的情况进行说明。

图1是表示搭载CMUT的半导体芯片的整体的主要部分俯视图，图2是将CMUT单元阵列区域的一部分放大之后进行表示的主要部分俯视图，图3是将块的一部分放大之后进行表示的主要部分俯视图，图4是沿着图3的A-A’线的主要部分剖视图。

如图1所示，半导体芯片1的平面形状例如形成为长方形。半导体芯片1的纵长方向(第二方向Y)的长度例如为4cm左右，半导体芯片1的宽度方向(第一方向X)的长度例如为1cm左右。其中，半导体芯片1的平面尺寸并不限于此，能够进行各种各样的变更，例如纵长方向(第二方向Y)的长度可以为8cm左右，宽度方向(第一方向X)的长度可以为1.5cm左右。

在CMUT单元阵列区域CA中配置有多个下部电极M1、与下部电极M1正交的多个上部电极M2、多个CMUT单元(超声波元件、振子、传感器单元)C。

多个下部电极M1形成为分别沿着半导体芯片1的纵长方向(第二方向Y)延伸，在半导体芯片1的宽度方向(第一方向X)上例如排列配置16道(channel：以下也记为ch)。

再有，多个下部电极M1分别与焊盘P1电连接。在CMUT单元阵列区域CA的外周、即半导体芯片1的纵长方向(第二方向Y)的两端附近，按照与下部电极M1对应的方式，沿着半导体芯片1的宽度方向(第一方向X)排列配置多个焊盘P1。

多个上部电极M2形成为分别沿着半导体芯片1的宽度方向(第一方向X)延伸，在半导体芯片1的纵长方向(第二方向Y)上例如排列配置有192ch。

其中，多个上部电极M2分别与焊盘P2电连接。在CMUT单元阵列区域CA的外周、即半导体芯片1的宽度方向(第一方向X)的两端附近，按照与上部电极M2对应的方式，沿着半导体芯片1的纵长方向(第二方向Y)排列配置多个焊盘P2。

CMUT单元C例如由静电型可变电容构成，配置于下部电极M1与上部电极M2的交点处。即，多个CMUT单元C在CMUT单元阵列区域CA中被规则地排列配置成矩阵状(matrix、array)。在CMUT单元阵列区域CA内，在下部电极M1与上部电极M2的交点处，例如排列配置有32个CMUT单元C。将该32个CMUT单元C的单位称为块B。因此，CMUT单元阵列区域CA是形成了多个CMUT单元C的区域，半导体芯片1是在主表面上具有形成了多个CMUT单元C的CMUT单元阵列区域CA的半导体装置。

在本发明中，目的在于：判别CMUT单元阵列区域CA中的不良CMUT单元，通过除去该不良CMUT单元的上部电极M2并与其余的正常CMUT单元进行电分离，从而使CMUT单元阵列区域CA整体正常动作，也就是说使半导体芯片1成品化。图1的标记RC表示除去了不良CMUT单元的上部电极、即修复后的CMUT单元，标记RB表示包含修复后的CMUT单元的块，标记RCH表示包含修复后的CMUT单元的上部电极沟道。

图2是将包含修复后的CMUT单元RC在内的块RB附近的CMUT单元阵列区域CA放大之后进行表示的主要部分俯视图，图3是将图2的包含修复后的CMUT单元RC在内的块RB剔除之后进行表示的主要部分俯视图。不良CMUT单元的上部电极M2在为了与相邻的CMUT单元C进行连接而设置的辐条SP的中途被除去，变得完全消失。也就是说，在修复后的CMUT单元RC中，完全除去了上部电极M2中的构成薄膜的部分。

图4是将图3的A-A’剖面放大之后的主要部分俯视图。除去了上述图14所示的通常的CMUT单元C中存在的构成薄膜M的上部电极M2、还有位于上部电极M2上方的第四绝缘膜18及第五绝缘膜19，在除去了这些要素的凹部内填充聚酰亚胺膜21。

接着，利用图5～图11，按工序的顺序说明本实施方式1的CMUT单元的制造方法。图5～图7是CMUT单元的主要部分剖视图，图8是表示在CMUT单元中测量出的上部电极与下部电极之间的绝缘膜的破坏特性的一例的曲线图，图9是不良CMUT单元的主要部分俯视图，图10及图11是不良CMUT单元的主要部分剖视图。

首先，如图5所示，准备半导体基板(在该阶段是称为半导体晶片的俯视时大致呈圆形的半导体薄板)11。半导体基板11例如由单晶硅构成。接着，在半导体基板11的主表面的整个面上形成由氧化硅膜构成的第一绝缘膜12。第一绝缘膜12的厚度例如可以设为0.8μm。

接着，在第一绝缘膜12上形成下部电极形成用的导体膜13。导体膜13形成在半导体基板11的主表面的整个面上。导体膜13由金属膜或表示金属性电导的膜构成，例如由从下方开始按顺序形成的氮化钛膜、铝膜以及氮化钛膜的层叠膜构成。该铝膜由铝单体膜或者铝合金膜等以铝为主要成分的导电体膜构成。导体膜13例如可以利用溅射法形成。再有，在将导体膜13设为氮化钛膜、铝膜及氮化钛膜的层叠膜的情况下，因为铝膜是下部电极M1的主导体膜，所以铝膜的厚度比氮化钛膜的厚度还要后，例如可以将铝膜的厚度设为0.6μm左右，将铝膜上下的各氮化钛膜的厚度设为0.05μm左右。还有，也可以取代氮化钛膜而使用钛膜及氮化钛膜的层叠膜或者钨膜等。

然后，例如利用光刻法及干式蚀刻法对导体膜13进行图案化。由图案化后的导体膜13形成下部电极M1。接着，在半导体基板11的主表面的整个面上按照覆盖下部电极M1的方式，例如利用等离子体CVD(Chemical Vapor Deposition)法形成例如氧化硅膜等绝缘膜(省略图示)。此时，以相邻的下部电极M1的空间被上述绝缘膜充分填充的厚度堆积绝缘膜。接着，例如利用CMP(Chemical Mechanical Polishing)法或深腐蚀(etch back)法，除去下部电极M1的表面上的绝缘膜，从而使下部电极M1的表面露出，并且使绝缘膜残留在相邻的下部电极M1之间。

接着，在半导体基板11的主表面的整个面上(即，下部电极M1及相邻的下部电极M1之间的绝缘膜上)形成第二绝缘膜14。作为第二绝缘膜14，例如采用通过等离子体CVD法形成的氧化硅膜或氮化硅膜、或者其层叠膜。在作为下部电极M1而采用钨等高熔点金属、或者多晶硅膜等的情况下，也可以利用能够形成比等离子体CVD法更致密的膜的LPCVD法。

接着，例如利用等离子体CVD法，在半导体基板11的主表面的整个面上(即第二绝缘膜14上)形成例如由非晶硅膜构成的牺牲膜(省略图示)。通过采用例如光刻(lithography)法及干式蚀刻法对该牺牲膜进行图案化，从而形成牺牲膜图案(空穴部形成用的牺牲膜图案)15A。牺牲膜图案15A隔着第二绝缘膜14而形成在下部电极M1的上部。牺牲膜图案15A是用于形成空穴部15的图案，牺牲膜图案15A的平面形状形成为与空穴部15相同的平面形状。因此，在形成空穴部15的预定区域内形成牺牲膜图案15A。

然后，按照覆盖牺牲膜图案15A的方式，在半导体基板11的主表面的整个面上形成第三绝缘膜16。第三绝缘膜16与第二绝缘膜14相同，例如可以采用通过等离子体CVD法形成的氧化硅膜或氮化硅膜或者其层叠膜。

接着，如图6所示，在第三绝缘膜16上形成上部电极形成用的导体膜17。导体膜17形成在半导体基板11的主表面的整个面上。导体膜17由金属膜或表示金属性电导的膜构成，例如由从下方开始按顺序形成的氮化钛膜、铝膜以及氮化钛膜的层叠膜构成。该铝膜由铝单体膜或者铝合金膜等以铝为主要成分的导电体膜构成。导体膜17例如可以利用溅射法形成。再有，上部电极形成用的导体膜17的厚度比下部电极形成用的导体膜13的厚度还薄，例如可以设为0.4μm左右。还有，在将导体膜17设为氮化钛膜、铝膜及氮化钛膜的层叠膜的情况下，因为铝膜是上部电极M2的主导体膜，所以铝膜的厚度比氮化钛膜的厚度还要后，例如可以将铝膜的厚度设为0.3μm左右，将铝膜上下的各氮化钛膜的厚度设为0.05μm左右。还有，也可以取代氮化钛膜而使用钛膜及氮化钛膜的层叠膜或者钨膜等。

然后，例如利用光刻法及干式蚀刻法对导体膜17进行图案化。由图案化后的导体膜17形成上部电极M2。接着，按照覆盖上部电极M2的方式，在半导体基板11的主表面的整个面上形成第四绝缘膜18。第四绝缘膜18例如由氮化硅膜等构成，例如可以采用等离子体CVD法来形成。另外，第四绝缘膜18的厚度例如可以设为0.5μm左右。

接着，例如采用光刻法及干式蚀刻法，在第三绝缘膜16及第四绝缘膜18上形成到达牺牲膜图案15A并使牺牲膜图案15A的一部分露出的孔(开口部)20。孔20形成在俯视时与牺牲膜图案15A重叠的位置处，在孔20的底部露出牺牲膜图案15A的一部分。

接着，如图7所示，通过孔20，例如采用利用了氟化氙(XeF2)的干式蚀刻法等，选择性地对牺牲膜图案15A进行蚀刻。由此，选择性地除去牺牲膜图案15A，牺牲膜图案15A存在过的区域成为空穴部15，在第二绝缘膜14与第三牺牲膜16之间形成空穴部15。除利用了氟化氙(XeF2)的干式蚀刻法之外，也可以采用利用了ClF3的干式蚀刻法等，除去牺牲膜图案15A来形成空穴部15。由此，空穴部15按照从上面观察时与下部电极M1重叠的方式形成在下部电极M1的上方，上部电极M2按照从上面观察时与空穴部15重叠的方式形成在空穴部15的上方。

接着，在半导体基板11的主表面的整个面上(即第四绝缘膜18上)形成第五绝缘膜19。由此，可以将第五绝缘膜19的一部分埋入孔20的内部，可以堵塞孔20。第五绝缘膜19例如由氮化硅膜构成，可以采用等离子体CVD法等形成。再有，第五绝缘膜19的厚度例如可以设为0.8μm左右。通过位于空穴部15上方的第三绝缘膜16、上部电极M2、第四绝缘膜18及第五绝缘膜19来构成在CMUT驱动时振动的薄膜M。

然后，以因使CMUT芯片重复动作后的上部电极M2与下部电极M1之间的第二绝缘膜14及第三绝缘膜16的绝缘破坏引起的废品的救济为主要目的，在形成作为保护膜的聚酰亚胺膜之前，进行不良CMUT单元的检测、和检测出的不良CMUT单元的上部电极M2的除去。以下，对不良CMUT单元的检测方法以及不良CMUT单元的上部电极M2的除去方法进行说明。

首先，在根据规定的条件使薄膜M反复振动之后，测量上部电极M2与下部电极M1之间的第二绝缘膜14及第三绝缘膜16的绝缘耐压。

图8是表示在上述的图7所示的CMUT单元C中测量出的上部电极M2与下部电极M1之间的绝缘膜(第二绝缘膜14及第三绝缘膜16)的破坏特性的一例的曲线图。图8的纵轴表示绝缘破坏的相对累计度数，横轴表示绝缘耐压。

向下部电极M1施加例如100V的直流电压，向上部电极M2例如以振幅施加60V(峰值对峰值为120V)的交流电压，使薄膜M反复振动1×10¹⁰次。然后，将下部电极M1设成接地电位，向上部电极M2施加直流电压，按照每个块B测量上部电极M2与下部电极M1之间的第二绝缘膜14及第三绝缘膜16的绝缘耐压(将本试验称为AC压力(stress)试验)。其中，在进行薄膜M的反复振动之前，在上部电极M2与下部电极M1之间，以200V施加10秒间的直流电压，确认在上部电极M2与下部电极M1之间的第二绝缘膜14及第三绝缘膜16中没有泄漏。

如图8所示，在所测量的几乎所有的块B中，上部电极M2与下部电极M1之间的绝缘耐压为270V以上，但是在1个块B中，绝缘耐压下降到170V。这种特异性的绝缘耐压下降的块B具有振动次数越多就越会增加的倾向，但是在1×10¹⁰次达到饱和，即使重复振动该数值以上的次数，在废品率方面也没有发现较大的差别。

使薄膜M反复振动之后(AC压力试验之后)，利用光学显微镜观察了绝缘耐压下降的块B，从而确认出：在上部电极M2与下部电极M1之间产生绝缘破坏并短路，并且如图9所示，不良CMUT单元XC的薄膜XM的一部分产生物理性破坏。

接着，通过除去不良CMUT单元的薄膜，从周围的正常的CMUT单元中电分离不良CMUT单元，救济包含产生了绝缘破坏的不良CMUT单元在内的块。

首先，如图10所示，例如向产生了绝缘破坏的不良CMUT单元照射波长355nm、脉冲宽度3ns的紫外光脉冲激光，除去存在于上部电极M2之上的第四绝缘膜18及第五绝缘膜19。此时，使激光聚光而照射比上部电极M2还大一圈的区域(上述图3的虚线包围的区域，图10的标记22表示的凹部)。基于该激光照射的加热时间虽然短，但其功率密度达到几百MW/cm²，被照射激光的部分在被加热的同时以爆发的态势蒸发。因为加热时间短，所以热量不会传递到被激光照射的部分以外，不会发生蒸发。

接着，如图11所示，利用相同波长的紫外光脉冲激光，使与先前除去的部分几乎相同区域的上部电极M2蒸发后除去。此时，除去与不良CMUT单元的上部电极M2连接的辐条的全部或一部分。在上部电极M2的除去结束之前，因为激光透过存在于上部电极M2之下的第三绝缘膜16、空穴部15、第二绝缘膜14，所以有时空穴部15下方的下部电极M1稍微融化，但因为激光透过的面积小，所以不会对其他正常的CMUT单元产生影响。

然后，如上述图4所示，在半导体基板11的主表面的整个面上涂敷具有绝缘性的保护膜、即聚酰亚胺膜21，以填充除去了上部电极M2、第四绝缘膜18及第五绝缘膜19的部分、即凹部22。

对于包含修复后的CMUT单元RC在内的块而言，在上部电极M2与下部电极M1之间以200V施加10秒间的直流电压来进行短路检查时，没有发现泄漏。然后，再次向下部电极M1施加例如100V的直流电压，向上部电极M2例如以振幅施加60V(峰值对峰值为120V)的交流电压，使薄膜M反复振动1×10¹⁰次，在评价上部电极M2与下部电极M1之间的第二绝缘膜14及第三绝缘膜16的绝缘耐压时，变为270V，得到了与其他块B同等的绝缘耐压。

这样，根据本实施方式1，在形成作为保护膜的聚酰亚胺膜21之前，使薄膜M反复振动来评价上部电极M2与下部电极M1之间的绝缘耐压，预先除去因薄膜M的反复振动而在上部电极M2与下部电极M1之间产生了绝缘耐压降低的不良CMUT单元的上部电极M2，断开与其他正常的CMUT单元的电连接，从而在包含不良CMUT单元的块B或沟道中，可以防止薄膜M重复振动后的上部电极M2与下部电极M1之间的绝缘耐压降低。由此，可以提高CMUT的制造成品率。

(实施方式2)

在本实施方式2中，针对使薄膜M反复振动而在上部电极M2与下部电极M1之间产生了绝缘耐压降低的不良CMUT单元的判别以及该不良CMUT单元的上部电极M2的除去的一系列顺序进行描述。图12表示说明搭载本实施方式2的CMUT的半导体芯片的正常/不良判别测试以及救济顺序的流程图。

首先，在形成CMUT单元的保护膜(例如，上述图7所示的聚酰亚胺膜21)之前的工序中，结束晶片工艺。接着，例如以200V在上部电极M2与下部电极M1之间施加10秒间的直流电压(DC压力施加(1))，然后在上部电极M2与下部电极M1之间例如施加20V的电压，从而检查上部电极M2与下部电极M1之间的短路。在存在短路的情况下，使用光学显微镜等观察短路位置(不良地址)的外观。结果，在下部电极M1的高低差部观察到短路位置的情况下，因为在相邻的多个块B中产生了绝缘破坏，所以救济比较困难，因此将确认出短路的半导体芯片判断为不良品。再有，即使在薄膜M中观察到短路位置的情况下，在多个CMUT单元中确认了绝缘破坏时，若基于激光照射进行上部电极M2的除去，则在图像诊断时存在产生图像遗漏的可能性，所以将确认了短路的半导体芯片判断为不良品。在薄膜M中观察到短路位置，且在1个CMUT单元中确认了绝缘破坏的情况下，通过除去上部电极M2，从而存在能够救济包含该不良CMUT单元在内的沟道的可能性，因此进入下一个工序、即激光加工工序。

接着，如上述的实施方式1所述，向已绝缘破坏的不良CMUT单元照射脉冲激光，除去构成不良CMUT单元的上部电极M2和其上部的绝缘膜(例如，上述图7所示的第四绝缘膜18及第五绝缘膜19)。

然后，在上部电极M2与下部电极M1之间施加直流电压，在存在短路的情况下，将半导体芯片判断为无法修复的不良品，在无短路的情况下进入下一个工序、即AC压力施加工序。

在AC压力施加工序中，如上述实施方式1所述，向下部电极M1施加例如100V的直流电压，向上部电极M2例如以振幅施加60V(峰值对峰值为120V)的交流电压，使薄膜M反复振动1×10¹⁰次。该试验是以沟道或者块为单位进行的。

在AC压力施加之后，再次在上部电极M2与下部电极M1之间例如以200V施加10秒间的直流电压(DC压力施加(2))，然后在上部电极M2与下部电极M1之间例如施加20V的电压，由此检查上部电极M2与下部电极M1之间的短路。在AC压力施加之际，在与其他的CMUT单元相比，薄膜M的上部电极M2与下部电极M1振动得较强的情况下，在DC压力施加(2)中引起绝缘破坏，或者在短路检查中与其他CMUT单元相比测量到大的泄漏。

在AC压力施加中产生了绝缘破坏的情况下，或者在DC压力施加(2)之后存在短路的情况下，利用光学显微镜等观察短路位置(不良地址)的外观。结果，在下部电极M1的高低差部观察到短路位置的情况下，因为在相邻的多个块B中产生了绝缘破坏，所以救济比较困难，因此将确认了短路的半导体芯片判断为不良品。再有，即使在薄膜M中观察到短路位置的情况下，在多个CMUT单元中确认了绝缘破坏时，若基于激光照射进行上部电极M2的除去，则在图像诊断时存在产生图像遗漏的可能性，所以将确认了短路的半导体芯片判断为不良品。在薄膜M中观察到短路位置，且在1个CMUT单元中确认了绝缘破坏的情况下，存在可通过除去上部电极M2来救济包含该不良CMUT单元在内的沟道的可能性，因此进入下一个工序、即激光加工工序。

接着，如上述的实施方式1所述，向已绝缘破坏的不良CMUT单元照射脉冲激光，除去构成不良CMUT单元的上部电极M2和其上部的绝缘膜(例如，上述图7所示的第四绝缘膜18及第五绝缘膜19)。

然后，在上部电极M2与下部电极M1之间施加直流电压，在存在短路的情况下，将半导体芯片判断为不良品，在无短路的情况下将半导体芯片判断为成品，进入下一个工序、即保护膜的堆积以及图案化工序。通过以上工序，借助激光照射除去了上部电极M2的CMUT单元成为上述图4中示出的剖面形状。

这样，根据本实施方式2，因为利用晶片的测试工序检测因薄膜M的反复振动而特异性地产生的上部电极M2与下部电极M1之间的绝缘耐压降低的不良CMUT单元，并可以对这样的不良CMUT单元进行修复，所以可以提高搭载了CMUT的半导体装置的制造成品率。

接着，说明将经过了本实施方式2的测试的CMUT适用于例如超声波诊断装置中的情况。

超声波诊断装置是利用声波的透过性，并利用超过了可听音范围的超声波，对从外面无法看到的生物体内部实时地进行图像化，从而能够目视的医疗用诊断装置。在图13中示出该超声波诊断装置的探头(probe)的外观图。

探头51为超声波的收发部。如图13所示，上述的半导体芯片1以其主面朝向外部的状态被安装在形成探头51的探头壳体52的前端面上。并且，在该半导体芯片1的主面侧安装有声音透镜(声音面保护层)53。半导体芯片1经由电缆54而连接到诊断装置主体系统。在声音透镜53与半导体芯片1之间配置电屏蔽层55。该电屏蔽层55呈以绝缘膜夹持金属膜的结构，具有在电极或焊接上的绝缘膜已破损时按照不会对人体施加电压的方式进行屏蔽的功能。

在本发明中，在使薄膜反复振动之后，完全除去在薄膜中产生了绝缘破坏的CMUT单元的上部电极，在除去后的部分中形成绝缘膜。因此，在薄膜被绝缘破坏的CMUT单元中，上部电极与电屏蔽层55不会短路。

在进行超声波诊断之际，在将探头51的前端(声音透镜53侧)放在体表(身体的表面)之后，使该探头慢慢偏移少许位置的同时进行扫描。此时，从放在体表上的探头51向生物体内发射几MHz的超声波脉冲，并接收来自声音阻抗不同的组织的反射波。由此，获得生物体组织的断层图，因此可以知道与对象部位相关的信息。根据从发射超声波到接收声波为止的时间间隔，可以获得反射体的距离信息。再有，可以根据反射波的电平或者外形，获得与反射体的存在或者质量相关的信息。

如上所述，基于实施方式具体说明了本发明人完成的发明，但本发明并不限于上述实施方式，当然可以在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种各样的变更。

例如，在上述实施方式1中，在形成第五绝缘膜19之后，进行薄膜M的反复振动试验，对上部电极M2与下部电极M1之间的第二绝缘膜14或第三绝缘膜16的绝缘耐压已降低的CMUT单元，进行上部电极M2、第四绝缘膜18及第五绝缘膜19的除去，然后形成了聚酰亚胺膜21，但是也可以在形成聚酰亚胺膜21之后进行薄膜M的反复振动试验。此时，在上部电极M2与下部电极M1之间的第二绝缘膜14或第三绝缘膜16的绝缘耐压已降低的CMUT单元中，首先需要利用激光照射来除去位于第五绝缘膜19之上的聚酰亚胺膜。进而，因为需要在除去后的部分中形成具有绝缘性的保护膜，所以要再次形成聚酰亚胺膜，但是需要调整2层聚酰亚胺膜的膜厚，以便没有进行除去的CMUT单元的薄膜M的振动达到所期望的值。

再有，在上述实施方式1中，在CMUT单元的最上层形成了聚酰亚胺膜21，但只要是具有绝缘性且能起到保护膜的作用的膜，就并不限于此。作为取代聚酰亚胺膜21的材料，例如可以列举氧化硅膜、氮化硅膜或者聚对二甲苯膜等。

还有，上述实施方式1中示出的CMUT单元的构成及材料示出了其组合的一种。例如，上述实施方式1中示出的CMUT单元的形状是六角形，但形状并不限于此，例如可以是圆形，也可以是四角形。另外，在下部电极M1与空穴部15、上部电极M2与空穴部15都配置了绝缘膜(第二绝缘膜14及第三绝缘膜16)，但是绝缘膜也可以是其中任一方。

此外，在上述实施方式1中，以下部电极M1被第一方向X分割并沿着与第一方向X正交的第二方向Y延伸的所谓的1.5D型阵列为例进行了说明，但并不限于此，例如，也可以是下部电极M1在半导体芯片1内未被分割的1D型单元阵列。该情况下，在下部电极M1中，可以取代导电膜而采用硅基板。再有，也可以是按照每个块B分割下部电极M1并能独立施加电压的2D型单元阵列。另外，也可以替换M1、M2的层的上下。

再有，在上述实施方式2中，在挑选搭载了CMUT的半导体芯片的测试及成品/不良品时，在短路检查中，当在多个CMUT单元中发现了破坏时，将半导体芯片判断为不良品，但只要是对于诊断图像而言没有问题的电平，即使是多个CMUT单元的破坏，也可以将半导体芯片作为成品。

此外，在上述实施方式2中，以晶片的状态进行了薄膜M的反复振动试验，并检查了上部电极M2与下部电极M1之间的绝缘膜的绝缘耐压，由此进行了绝缘耐压已降低的CMUT单元的修复，但也可以以切割之后的芯片的状态或者安装到超声波诊断装置的探头(probe)中的状态实施一系列的测试、修复工序。在以安装到超声波诊断装置的探头(probe)中的状态实施一系列的测试、修复工序的情况下，在粘接了声音透镜之后进行不良位置的外观观察或基于激光照射的修复比较困难，因此希望是粘接声音透镜之前的工序。

另外，在上述实施方式1及2中，对上部电极M2与下部电极M1之间的第二绝缘膜14或第三绝缘膜16的绝缘耐压已降低的CMUT单元照射脉冲激光来进行除去，但也可以取代激光，而是利用焦点离子束(FIB)进行除去。

此外，在上述实施方式1及2中，例示了将搭载了CMUT的半导体芯片1适用于医疗用超声波诊断装置的探头中的情况。因此，CMUT单元具有超声波的发送及接收两种功能。但是，本申请发明并不限于此，CMUT单元也可以仅具有发送或接收中的一个功能。再有，搭载了CMUT的半导体芯片1并不限于医疗用，也可以适用于非破坏检查装置或超声波显微镜、超声波流量计等发送和接收或收发超声波的其他设备中。

本发明可以利用于采用超声波探头的各种医疗诊断设备、机械内部的缺陷检查装置、基于超声波的各种成像设备系统(障碍物的检测等)、位置检测系统、温度分布测量系统、流量测量系统等。

Claims (14)

1.一种超声波探头的制造方法，是安装半导体装置来形成超声波探头的超声波探头的制造方法，其中，该半导体装置由多个半导体单元构成，每个半导体单元具有形成在半导体基板的表面上的第1绝缘膜(12)、形成在所述第1绝缘膜(12)的上部的下部电极、形成在所述下部电极的上部的空穴部、按照包围所述空穴部的方式形成的第2绝缘膜(16)、形成在该第2绝缘膜(16)的上部的上部电极、以及在所述上部电极的的上部依次形成的第3绝缘膜(18)和第4绝缘膜(19)，通过在隔着所述空穴部配置的所述上部电极与所述下部电极之间提供电位差，从而将所述上部电极机械式动作的、由所述第2绝缘膜(16)、所述上部电极、所述第3绝缘膜(18)和所述第4绝缘膜(19)构成的元件作为一个薄膜，在所述半导体基板的主表面上具有沿着第一方向以及与所述第一方向正交的第二方向配置了规定数量的所述半导体单元而形成的块，沿着所述第一方向配置的构成所述块的多个半导体单元的所述上部电极通过辐条而被电连接，沿着所述第二方向配置的构成所述块的多个半导体单元的所述下部电极被电连接，在所述第一方向以及所述第二方向上以矩阵状配置了所述块，该超声波探头的制造方法的特征在于，具有：

(a)在所述半导体基板的主表面上形成覆盖所述上部电极的所述第3绝缘膜(18)和所述第4绝缘膜(19)的工序；

(b)在使所述上部电极动作之后，测量所述上部电极与所述下部电极之间的绝缘耐压的工序；

(c)除去在所述(b)工序中判断为不良的所述半导体单元的所述上部电极的工序；和

(d)在所述(c)工序之后，在所述半导体基板的主表面上形成保护膜的工序。

2.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

所述空穴部在所述下部电极的上方形成为与所述下部电极重叠，

所述上部电极在所述空穴部的上方形成为与所述空穴部重叠。

3.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

在所述下部电极与所述空穴部之间形成有第2′绝缘膜(14)。

4.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

在所述(c)工序中，除去与被判断为所述不良的所述半导体单元的所述上部电极相连的所述辐条的全部或者一部分。

5.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

在所述(c)工序中，除去了在所述(a)工序中形成的所述第3绝缘膜(18)以及所述第4绝缘膜(19)之后，除去与被判断为所述不良的所述半导体单元的所述上部电极以及被判断为所述不良的所述半导体单元的所述上部电极相连的所述辐条的全部或者一部分。

6.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

在所述(c)工序中，利用脉冲激光或焦点离子束的任一个，除去被判断为所述不良的所述半导体单元的所述上部电极。

7.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

以晶片状态、芯片状态或者安装到超声波诊断装置的探头的状态，进行所述(c)工序中的被判断为所述不良的所述半导体单元的所述上部电极的除去。

8.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

在所述(b)工序中，向所述下部电极施加直流电压，向所述上部电极施加交流电压，从而使所述上部电极反复振动之后，在所述上部电极与所述下部电极之间施加直流电压，测量所述上部电极与所述下部电极之间的绝缘耐压。

9.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

在所述(d)工序之后还具有(e)在所述上部电极与所述下部电极之间施加直流电压，从而检查在所述上部电极与所述下部电极之间有无短路的工序。

10.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

所述保护膜为聚酰亚胺膜、氧化硅膜、氮化硅膜或者聚对二甲苯膜。

11.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

所述保护膜是由1层或2层构成的绝缘膜。

12.根据权利要求1所述的超声波探头的制造方法，其特征在于，

构成所述块的多个半导体单元构成进行超声波的发送或接收的至少一方的超声波换能器的阵列。

13.一种超声波探头，其安装有半导体装置，其中，该半导体装置由多个半导体单元构成，每个半导体单元具有形成在半导体基板的表面上的第1绝缘膜(12)、形成在所述第1绝缘膜(12)的上部的下部电极、形成在所述下部电极的上部的空穴部、按照包围所述空穴部的方式形成的第2绝缘膜(16)、形成在该第2绝缘膜(16)的上部的上部电极、以及在所述上部电极的的上部依次形成的第3绝缘膜(18)和第4绝缘膜(19)，通过在隔着所述空穴部配置的所述上部电极与所述下部电极之间提供电位差，从而将所述上部电极机械式动作的、由所述第2绝缘膜(16)、所述上部电极、所述第3绝缘膜(18)和所述第4绝缘膜(19)构成的元件作为一个薄膜，在所述半导体基板的主表面上具有沿着第一方向以及与所述第一方向正交的第二方向配置了规定数量的所述半导体单元而形成的块，沿着所述第一方向配置的构成所述块的多个半导体单元的所述上部电极通过辐条而被电连接，沿着所述第二方向配置的构成所述块的多个半导体单元的所述下部电极被电连接，在所述第一方向以及所述第二方向上以矩阵状配置了所述块，该超声波探头的特征在于，

除去在与所述下部电极之间成为绝缘不良的所述上部电极，并且具备形成在除去了所述上部电极的所述半导体基板的主表面上的保护膜。

14.根据权利要求13所述的超声波探头，其特征在于，

在所述上部电极与所述下部电极之间，按照与所述上部电极和所述下部电极重叠的方式配置所述空穴部。

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