CN103379392A - 电容式超声传感器芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电容式超声传感器芯片，其包括表面设有第一区域和第二区域的掺杂硅衬底；所述第一区域具有金属导电层延伸至第二区域的集成电路；所述位于第二区域的金属导电层上覆盖有附加膜，所述附加膜上覆盖有可导电的振动膜，所述附加膜中具有连接振动膜的接触通孔，所述附加膜和振动膜之间形成有空腔。上述电容式超声传感器芯片中，系在CMOS标准制造工艺的集成电路的金属导电层上覆盖附加膜、牺牲层及可导电的振动膜，最终制成传感器微单元，不改变现有CMOS工艺，兼容性好。此外，还涉及一种电容式超声传感器芯片的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种电容式超声传感器芯片及其制作方法。
背景技术
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。由于传统的压电传感器存在着空气与普通的压电材料之间严重不耦合现象，所以压电传感器并不是高效率的超声源。当然，为了提高效率可以在空气与压电材料间增加耦合层，但这样又会降低传感器带宽。目前，随着微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技术的发展，一种全新的超声传感器已经出现，它就是电容式微加工超声传感器(capacitive ultrasonic transducers，CMUTs)。由于其采用了表面微加工等工艺，很好地克服了压电传感器的许多缺点，且具有易于制造、尺寸小、自身噪声低、工作温度范围大以及易于实现电子集成等众多优点，大有取代压电传感器之势。
目前，通过微加工制造CMUTs传感器阵列的常规工艺存在某些困难。CMUTs基本结构由上下电极与电极之间的牺牲层组成。为释放牺牲层形成空腔间隙，上电极必须制作腐蚀孔，待空腔间隙形成后，为防止空腔被液体或湿气填充造成系统性能减退，故腐蚀孔形成及封闭这一步骤在用于制作CMUTs的整个过程中是非常关键的。但是，释放牺牲层后并密封腐蚀孔的工艺比较复杂，常规用来密封腐蚀孔的低温淀积的氮化物薄膜，本质上多孔，用来密闭腐蚀孔效果并不是很好。此外，传统的CMUTs制造工艺与标准CMOS工艺兼容性差，要实现传感器阵列芯片的单片集成的成本高昂，成为大规模推广的主要障碍。
发明内容
基于此，有必要提供一种基于CMOS标准制造工艺、性能可靠的电容式超声传感器芯片。
一种电容式超声传感器芯片，其包括表面设有第一区域和第二区域的掺杂硅衬底；所述第一区域具有金属导电层延伸至第二区域的集成电路；所述位于第二区域的金属导电层上覆盖有附加膜，所述附加膜上覆盖有可导电的振动膜，所述附加膜中具有连接振动膜的接触通孔，所述附加膜和振动膜之间形成有空腔。
在其中一个实施例中，所述掺杂硅衬底的背面形成有连接第一区域和第二区域的电气连接焊盘。
在其中一个实施例中，所述附加膜为氧化硅或氮化硅的单层膜，或为氧化硅与氮化硅的复合膜。
在其中一个实施例中，所述振动膜上覆盖有保护膜。
在其中一个实施例中，所述保护膜为聚合物薄膜。
此外，还提供一种电容式超声传感器芯片的制作方法，包括如下步骤：
步骤一、提供CMOS标准集成电路工艺制造的半成品，所述半成品以掺杂硅为衬底，所述衬底表面设有第一区域和第二区域，其中第一区域生成有集成电路，且集成电路具有的金属导电层延伸至第二区域；
步骤二、将位于第二区域的金属导电层暴露出来；
步骤三、在位于第二区域的金属导电层上覆盖附加膜，以使所述附加膜与所述金属导电层组合形成背极板作为电容的一极；
步骤四、在附加膜内部形成接触通孔；
步骤五、在附加膜上形成牺牲层；
步骤六、在牺牲层上形成可导电的振动膜，并在振动膜上形成腐蚀孔，振动膜与所述接触通孔连接并作为电容的另一极；
步骤七、通过腐蚀孔去除所述牺牲层，使背极板与振动膜之间形成空腔；
步骤八、在振动膜上覆盖保护膜，封闭所述腐蚀孔。
在其中一个实施例中，步骤一中，在所述掺杂硅衬底的背面形成连接第一区域和第二区域的电气连接焊盘。
在其中一个实施例中，所述附加膜为氧化硅或氮化硅的单层膜，或为氧化硅与氮化硅的复合膜。
在其中一个实施例中，采用湿法腐蚀或干法反应离子刻蚀去除所述牺牲层，进而形成所述空腔。
在其中一个实施例中，所述保护膜采用物理气相沉淀或化学气相沉淀工艺形成的聚合物薄膜。
上述电容式超声传感器芯片及其制作方法中，系在CMOS标准制造工艺的集成电路的金属导电层上覆盖附加膜、牺牲层及可导电的振动膜，并用聚合物薄膜材料密封振动膜上的腐蚀孔，最终制成传感器微单元，不改变现有CMOS工艺，兼容性好；生产传感器微单元时，是先在金属导电层上覆盖附加膜，然后再覆盖牺牲层，而非牺牲层直接形成于CMOS标准制程的结构层上，可自由控制牺牲层厚度，从而形成以极高的频率工作的灵敏度和可靠性高的电容式超声传感器芯片。
附图说明
图1为一实施方式的电容式超声传感器芯片的制作方法的流程图；
图2及图3为图1所示制作方法步骤S110提供的半成品的剖面结构示意图；
图4为图1所示制作方法步骤S120产生的器件的剖面结构示意图；
图5为图1所示制作方法步骤S130产生的器件的剖面结构示意图；
图6为图1所示制作方法步骤S140产生的器件的剖面结构示意图；
图7为图1所示制作方法步骤S150产生的器件的剖面结构示意图；
图8为图1所示制作方法步骤S160产生的器件的剖面结构示意图；
图9为图1所示制作方法步骤S170产生的器件的剖面结构示意图；及
图10为图1所示制作方法步骤S180产生的器件的剖面结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对电容式超声传感器芯片及其制作方法进行详细描述。
请参考图10，本实施方式的电容式超声传感器芯片100，包括表面预留有第一区域A和第二区域B的掺杂硅衬底111。第一区域A用以生成基于CMOS标准工艺的集成电路。第一区域A的集成电路具有的金属导电层116延伸至第二区域B。第二区域B用于生成电容式传感器阵列微单元。
位于第二区域B中的金属导电层116上覆盖有附加膜120。附加膜120上覆盖有可导电的振动膜140，附加膜120中具有连接振动膜140的接触通孔122，且附加膜120和振动膜140之间形成有空腔160。振动膜140上覆盖有保护膜180，以封闭振动膜140上的腐蚀孔142。保护膜180为聚合物薄膜，如聚对二甲苯。保护膜180同时覆盖了第一区域A的金属导电层。
掺杂硅衬底111的背面按照设计图案形成有连接第一区域A和第二区域B的电气连接焊盘118。
附加膜120可采用氧化硅或氮化硅的单层膜，或氧化硅与氮化硅的复合膜。振动膜140为金属层与介质层材料(如氧化硅或氮化硅)的复合层。
上述电容式超声传感器芯片100系在已经完成的CMOS标准工艺制造的集成电路的半成品上进行电容式传感器微单元的加工，不改变现有CMOS工艺，兼容性好，且可以在第二区域B的金属导电层116上方便地集成多个阵列设置的传感器微单元，降低了电容式传感器阵列芯片的单片集成的成本，利于大规模推广。
生产传感器微单元时，是先在金属导电层116上覆盖附加膜120，而非牺牲层直接形成于CMOS标准制程的结构层上，因此可自由控制牺牲层厚度，从而形成以极高的频率工作的灵敏度和可靠性高的电容式超声传感器芯片。此外，电气连接焊盘118设计在传感器芯片100的背部，利于提高芯片的集成度。
另外，采用聚合物薄膜材料密封腐蚀孔142，没有任何可能损害其长时间机械稳定性的破裂和孔，较佳地保护了振动膜140与整个传感器微单元。
如图1所示的电容式超声传感器芯片的制作方法，包括如下步骤：
S110、提供CMOS标准集成电路工艺制造的半成品
如图2和图3所示的半成品110，以掺杂硅制作掺杂硅衬底111。掺杂硅衬底111表面预留有第一区域A和第二区域B。第一区域A用以生成基于CMOS标准工艺的集成电路。第二区域B用于生成电容式传感器阵列微单元。第一区域A的集成电路具有的金属导电层116及覆盖与金属导电层116上的介质绝缘层115延伸至第二区域B。
如图2所示，为简化图示，前述集成电路仅以金属氧化物半导体场效应晶体管为例进行说明。在第一区域A上由标准CMOS工艺形成的晶体管器件包括浅沟槽隔离结构(Shallow Trench Isolation，S TI)112、源漏掺杂区113、栅氧化层(未标号)、栅导电层114、绝缘侧墙(未标号)、第一区域接触通孔(未标号)、介质绝缘层115、金属导电层116、钝化层117等。在第一区域A制作集成电路的同时在第二区域B上预留金属导电层116，即使第一区域A的集成电路具有的金属导电层116及覆盖与金属导电层116上的介质绝缘层115延伸至第二区域B，作为电容式超声传感器阵列的电容的一极。
如图3所示，在掺杂硅衬底111的背面按照设计图案通过硅通孔(ThroughSilicon Via，TSV)技术形成有连接第一区域A和第二区域B的电气连接焊盘118。
S120、将位于第二区域的金属导电层暴露出来
如图4所示，采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)去除金属导电层116上的介质绝缘层115与钝化层117，暴露出位于第一区域A和第二区域B的金属导电层116。
S130、在位于第二区域的金属导电层上覆盖附加膜
如图5所示，在位于第二区域B的金属导电层116上覆盖一层附加膜120以使附加膜120与金属导电层116组合形成背极板作为电容的一极。附加膜120厚度一般控制在不小于300nm。附加膜120为氧化硅或氮化硅的单层膜，或为氧化硅与氮化硅的复合膜，可采用物理气相淀积工艺或化学气相沉淀工艺形成。
S140、在附加膜内部形成接触通孔
如图6所示，采用CMOS工艺常规制程物理气相淀积工艺在附加膜120内部形成接触通孔122，一般采用不高于400摄氏度的低温工艺，以免影响第一区域A。
S150、在附加膜上形成牺牲层
如图7所示，采用不高于400摄氏度的低温工艺在附加膜120上形成牺牲层130，牺牲层130厚度一般可控制在0.5微米至3微米之间。在后续操作步骤中它将构成对应的微单元的空腔160。
在具体的实施例中，牺牲层130的材料为氧化硅、氮化硅、光刻胶及聚酰亚胺有机物中的一种。当牺牲层130材料为氧化硅或氮化硅时，可以采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)形成；当牺牲层130材料为光刻胶时，直接采用光刻工艺(photolithography)；当牺牲层130材料为聚酰亚胺有机物时，可采用物理气相淀积工艺。
S160、在牺牲层上形成可导电的振动膜，并在振动膜上形成腐蚀孔
如图8所示，振动膜140可为采用物理气相淀积工艺或化学气相淀积工艺形成的金属层与介质层(如氧化硅或氮化硅)材料的复合层。一般采用不高于400摄氏度的低温工艺，以免影响第一区域A。
在一个实施例中，腐蚀孔142可通过光刻然后选择性蚀刻来形成。腐蚀孔142一般为圆形或近似圆形，其孔径一般控制在不大于5微米。
S170、通过腐蚀孔去除牺牲层
如图9所示，腐蚀液或腐蚀气体自腐蚀孔142进入以去除牺牲层130，进而使背极板与振动膜140之间形成空腔160。
当牺牲层130材料为光刻胶时，可采用光刻工艺湿法去除牺牲层130形成空腔160；当牺牲层130材料为氧化硅、氮化硅或聚酰亚胺有机物时，可以采用腐蚀气体利用干法反应离子刻蚀去除牺牲层130形成空腔160。
S180、在振动膜上覆盖保护膜
如图10所示，在振动膜140上覆盖一层保护膜180，以封闭腐蚀孔142。保护膜180通常同时覆盖了第一区域A。保护膜180可为采用物理气相沉淀或化学气相沉淀工艺形成的聚合物薄膜，如聚对二甲苯。
上述电容式超声传感器芯片的制作方法，系在已经完成的CMOS标准工艺制造的集成电路的半成品上进行电容式传感器微单元的加工，不改变现有CMOS工艺，兼容性好，且可以在第二区域B的金属导电层116上方便地集成多个阵列设置的传感器微单元，降低了电容式传感器阵列芯片的单片集成的成本，利于大规模推广。
生产传感器微单元时，是先在金属导电层116上覆盖附加膜120，而非牺牲层130直接形成于CMOS标准制程的结构层上，因此可自由控制牺牲层130厚度，从而形成以极高的频率工作的灵敏度和可靠性高的电容式超声传感器。此外，电气连接焊盘118设计在传感器芯片100的背部，利于提高芯片的集成度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电容式超声传感器芯片，其特征在于，包括表面设有第一区域和第二区域的掺杂硅衬底；所述第一区域具有金属导电层延伸至第二区域的集成电路；所述位于第二区域的金属导电层上覆盖有附加膜，所述附加膜上覆盖有可导电的振动膜，所述附加膜中具有连接振动膜的接触通孔，所述附加膜和振动膜之间形成有空腔。
2.根据权利要求1所述的电容式超声传感器芯片，其特征在于，所述掺杂硅衬底的背面形成有连接第一区域和第二区域的电气连接焊盘。
3.根据权利要求1或2所述的电容式超声传感器芯片，其特征在于，所述附加膜为氧化硅或氮化硅的单层膜，或为氧化硅与氮化硅的复合膜。
4.根据权利要求1或2所述的电容式超声传感器芯片，其特征在于，所述振动膜上覆盖有保护膜。
5.根据权利要求4所述的电容式超声传感器芯片，其特征在于，所述保护膜为聚合物薄膜。
6.一种电容式超声传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提供CMOS标准集成电路工艺制造的半成品，所述半成品以掺杂硅为衬底，所述衬底表面设有第一区域和第二区域，其中第一区域生成有集成电路，且集成电路具有的金属导电层延伸至第二区域；
步骤二、将位于第二区域的金属导电层暴露出来；
步骤三、在位于第二区域的金属导电层上覆盖附加膜，以使所述附加膜与所述金属导电层组合形成背极板作为电容的一极；
步骤四、在附加膜内部形成接触通孔；
步骤五、在附加膜上形成牺牲层；
步骤六、在牺牲层上形成可导电的振动膜，并在振动膜上形成腐蚀孔，振动膜与所述接触通孔连接并作为电容的另一极；
步骤七、通过腐蚀孔去除所述牺牲层，使背极板与振动膜之间形成空腔；
步骤八、在振动膜上覆盖保护膜，封闭所述腐蚀孔。
7.根据权利要求6所述的电容式超声传感器芯片的制作方法，其特征在于，步骤一中，在所述掺杂硅衬底的背面形成连接第一区域和第二区域的电气连接焊盘。
8.根据权利要求6或7所述的电容式超声传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述附加膜为氧化硅或氮化硅的单层膜，或为氧化硅与氮化硅的复合膜。
9.根据权利要求6或7所述的电容式超声传感器芯片的制作方法，其特征在于，采用湿法腐蚀或干法反应离子刻蚀去除所述牺牲层，进而形成所述空腔。
10.根据权利要求6或7所述的电容式超声传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述保护膜采用物理气相沉淀或化学气相沉淀工艺形成的聚合物薄膜。
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