CN107169416B - 超声波指纹传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种超声波指纹传感器及其制造方法。该方法包括：形成超声波换能器，包括第一衬底、位于所述第一衬底上的机械支撑层、以及位于所述机械支撑层上的压电叠层；形成CMOS电路，包括第二衬底、在所述第二衬底中形成的至少一个晶体管、以及位于所述至少一个晶体管上的多个布线层和多个层间介质层；将所述超声波换能器和所述CMOS电路彼此连接；以及在所述超声波换能器中形成超声波波导结构，其中，所述机械支撑层为外延多晶层。该方法利用外延多晶生长的机械支撑层减小应力对超声波换能器的性能影响，从而提高频率稳定性和成品率。

Description

超声波指纹传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及指纹传感器，更具体地，涉及超声波指纹传感器及其制造方法。
背景技术
生物特征识别是用于区分不同生物特征的技术，包括指纹、掌纹、脸部、DNA、声音等识别技术。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凹凸不平的纹路，纹路有规律的排列形成不同的纹型。指纹识别指通过比较不同指纹的细节特征点来进行身份鉴定。由于具有终身不变性,唯一性和方便性，指纹识别的应用越来越广泛。
在指纹识别中，采用传感器获取指纹图像信息。根据工作原理的不同，指纹传感器可以分为光学、电容、压力、超声传感器。光学传感器体积较大，价格相对高，并且对于指纹的干燥或者潮湿状态敏感，属于第一代指纹识别技术。光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层，所以只能通过扫描手指皮肤的表面，不能深入到真皮层。这种情况下，手指的干净程度直接影响识别的效果，如果用户手指上粘了较多的灰尘、汗液等，可能就会出现识别出错的情况。并且，如果人们按照手指做一个指纹手摸，也可能通过识别系统。因此，对于用户而言，光学传感器的使用存在着安全性和稳定性方面的问题。电容指纹传感器技术采用电容器阵列检测指纹的纹路，属于第二代指纹传感器。每个电容器包括两个极板。在手指触摸时，指纹的纹路位于极板之间，形成电介质的一部分，从而可以根据电容的变化检测指纹纹路。电容式指纹传感器比光学类传感器价格低，并且紧凑，稳定性高，在实际产品中的使用更有吸引力。例如，在苹果公司的手机中使用的指纹传感器即是电容式指纹传感器。然而，电容式指纹传感器有着无法规避的缺点，即受到温度、湿度、沾污的影响较大。
作为进一步的改进，已经开发出第三代指纹传感器，其中利用压电材料的逆压电效应产生超声波。该超声波在接触到指纹时，在指纹的嵴、峪中表现出不同的反射率和透射率。通过扫描一定面积内的超声波束信号即可读取指纹信息。超声波指纹传感器产生的超声波可以能够穿透由玻璃、铝、不锈钢、蓝宝石或者塑料制成的手机外壳进行扫描，从而将超声波指纹传感器设置在手机外壳内。该优点为客户设计新一代优雅、创新、差异化的移动终端提供灵活性。此外，用户的体验也得到提升，扫描指纹能够不受手指上可能存在沾污的影响，例如汗水、护手霜等，从而提高了指纹传感器的稳定性和精确度。
现有的超声波指纹传感器包括在半导体衬底上形成的压电叠层和用于处理超声信号的CMOS电路，在CMOS电路和压电叠层之间设置绝缘层以隔开二者。该结构的超声波指纹传感器可以高速读取和鉴定指纹。然而，由于绝缘层在制造过程中产生应力，超声波指纹传感器的频率不稳定、参数一致性差、以及成品率差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种超声波指纹传感器，通过在不同的管芯中形成CMOS电路和压电层，以避免由于中间层引入的应力导致性能劣化，在超声波换能器中的机械支撑层上形成压电叠层，以改善性能参数一致性。
根据本发明的一方面，提供一种制造超声波指纹传感器的方法，包括：形成超声波换能器，包括第一衬底、位于所述第一衬底上的机械支撑层、以及位于所述机械支撑层上的压电叠层，所述超声波换能器包括彼此相对的第一表面和第二表面；形成CMOS电路，包括第二衬底、在所述第二衬底中形成的至少一个晶体管、以及位于所述至少一个晶体管上的多个布线层和多个层间介质层，所述CMOS电路包括彼此相对的第三表面和第四表面；将所述超声波换能器和所述CMOS电路彼此连接，其中，所述超声波换能器的第二表面与所述CMOS电路的第三表面相对；以及在所述超声波换能器的第一表面中形成超声波波导结构，其中，所述机械支撑层为低应力层。
优选地，形成超声波换能器的步骤还包括：所述低应力层为外延多晶层，对所述外延多晶层进行原位掺杂，以减小应力。
优选地，形成超声波换能器的步骤还包括：对所述外延多晶层进行退火，以减小应力。
优选地，所述外延多晶层为硅层。
优选地，所述外延多晶层沿着厚度方向晶粒的尺寸逐渐增大。
优选地，所述压电叠层包括压电层、与所述压电层的下表面接触的第一电极、以及与所述压电层的上表面接触的第二电极，形成超声波换能器的步骤还包括：形成与所述第一电极连接的第一接触；以及形成与所述第二电极连接的第二接触，其中，所述第一接触和所述第二接触彼此隔开。
优选地，形成CMOS电路还包括：在所述CMOS电路的第三表面形成第一凹槽，所述第一凹槽暴露所述多个布线层中的第一布线层的至少一部分表面。
优选地，所述连接的步骤包括：采用焊料或共晶键合，将所述超声波换能器的第一接触、第二接触与所述CMOS电路的第一布线层之间彼此连接。
优选地，在连接的步骤之前，还包括：在所述第一接触和所述第二接触上形成键合层。
优选地，在连接的步骤之前，还包括：在所述第一布线层上形成键合层。
优选地，所述键合层由Si、Ge、In之一组成，所述第一布线层由Au、Al之一组成。
优选地，形成超声波换能器的步骤还包括：在形成第一接触的步骤和形成第二接触的步骤之前，在所述压电层上形成第一绝缘层；以及将所述第一绝缘层图案化形成第一凸部和第二凸部，使得所述第一接触和所述第二接触各自的一部分分别位于所述第一凸部和所述第二凸部上。
优选地，所述第一绝缘层由氧化硅或氮化硅组成。
优选地，形成超声波换能器的步骤还包括：在所述机械支撑层上形成种子层。
优选地，所述压电层和所述种子层分别由氮化铝组成。
优选地，形成超声波波导结构的步骤包括：在形成所述机械支撑层之前，在所述第一衬底上形成牺牲层；以及图案化所述牺牲层，在连接的步骤之后，在所述第一衬底中蚀刻形成第二凹槽；以及经由所述第二凹槽蚀刻以去除所述牺牲层，使得所述第二凹槽延伸至所述外延多晶层中达到预定深度。
优选地，形成超声波换能器的步骤还包括：在形成所述机械支撑层之前，在所述第一衬底上形成锚点层，在连接的步骤之后，在所述第一衬底中蚀刻形成所述第二凹槽；以及经由所述第二凹槽蚀刻以去除所述锚点层的一部分，使得所述第二凹槽贯穿所述锚点层到达所述机械支撑层。
优选地，所述CMOS电路与所述超声波换能器连接，用于驱动所述超声波换能器和处理所述超声波换能器产生的检测信号。
优选地，在所述CMOS电路的第四表面上形成对准标记，所述对准标记在连接的步骤中用于所述第一接触、第二接触与所述第一凹槽彼此对准。
优选地，形成超声波波导结构的步骤包括：形成贯穿所述第一衬底的第二凹槽，其中，所述对准标记用于指示所述第二凹槽的位置。
根据本发明的另一方面，提供一种超声波指纹传感器，包括：超声波换能器，所述超声波换能器包括第一衬底、位于所述第一衬底上的机械支撑层、以及位于所述机械支撑层上的压电叠层，所述超声波换能器包括彼此相对的第一表面和第二表面；以及CMOS电路，所述CMOS电路包括第二衬底、在所述第二衬底中形成的至少一个晶体管、以及位于所述至少一个晶体管上的多个布线层和多个层间介质层，所述CMOS电路包括彼此相对的第三表面和第四表面，其中，所述超声波换能器和所述CMOS电路彼此连接，其中，所述超声波换能器的第二表面与所述CMOS电路的第三表面相对，所述超声波换能器包括在所述超声波换能器的第一表面中形成的超声波波导结构，以及所述机械支撑层为外延多晶层。
优选地，其中，所述外延多晶层为原位掺杂以减小应力的层。
优选地，其中，所述外延多晶层为硅层。
优选地，所述外延多晶层沿着厚度方向晶粒的尺寸逐渐增大。
优选地，所述压电叠层包括压电层、与所述压电层的下表面接触的第一电极、以及与所述压电层的上表面接触的第二电极，所述超声波换能器还包括：与所述第一电极连接的第一接触；以及与所述第二电极连接的第二接触，其中，所述第一接触和所述第二接触彼此隔开。
优选地，所述CMOS电路还包括：在所述CMOS电路的第三表面形成的第一凹槽，所述第一凹槽暴露所述多个布线层中的第一布线层的至少一部分表面。
优选地，所述超声波换能器的第一接触、第二接触采用共晶键合与所述CMOS电路的第一布线层之间彼此连接。
优选地，还包括：位于所述第一接触和所述第二接触上的键合层。
优选地，还包括：位于所述第一布线层上的键合层。
优选地，所述键合层由Si、Ge、In之一组成，所述第一布线层由Au、Al之一组成。
优选地，所述超声波换能器还包括位于所述压电层上的第一凸部和第二凸部，所述第一接触和所述第二接触各自的一部分分别位于所述第一凸部和所述第二凸部上。
优选地，所述第一凸部和所述第二凸部由氧化硅或氮化硅组成。
优选地，所述超声波换能器还包括位于所述机械支撑层上的种子层。
优选地，所述压电层和所述种子层分别由氮化铝组成。
优选地，所述超声波波导结构包括第二凹槽，所述第二凹槽从所述超声波换能器的第一表面延伸穿过所述第一衬底至所述外延多晶层中达到预定深度。
优选地，所述超声波换能器包括位于所述第一衬底和所述机械支撑层之间的锚点层，所述超声波波导结构包括第二凹槽，所述第二凹槽从所述超声波换能器的第一表面延伸穿过所述第一衬底和所述锚点层，至所述外延多晶层的表面。
优选地，所述CMOS电路与所述超声波换能器连接，用于驱动所述超声波换能器和处理所述超声波换能器产生的检测信号。
优选地，还包括，位于所述CMOS电路的第四表面上的对准标记，所述对准标记在连接的步骤中用于所述第一接触、第二接触与所述第一凹槽彼此对准。
优选地，所述超声波波导结构包括贯穿所述第一衬底的第二凹槽，其中，所述对准标记用于指示所述第二凹槽的位置。
根据本发明实施例的超声波指纹传感器包括超声波换能器和CMOS电路。通过在不同的管芯中形成超声波换能器和CMOS电路，从而避免压电层和电路元件之间的中间层引入应力，用第一凹槽提高连接的可靠性，从而提高频率稳定性和成品率。
在该实施例的超声波指纹传感器中，在机械支撑层上形成压电叠层。机械支撑层例如为外延多晶层。该外延多晶层作为随后形成的压电叠层的支撑层，其弹性模量、残余应力、断裂强度、疲劳强度等，对超声波指纹传感器的性能有着重要的影响，如灵敏度、谐振频率、可靠性等。通过外延方式加工的多晶硅，力学特性分散性相对较少，应力小，从而可以获得性能参数一致性好的超声波指纹传感器。
在优选的实施例中，对机械支撑层进行原位掺杂和/或退火以进一步减小应力。
在优选的实施例中，超声波换能器包括贯穿第一衬底的第二凹槽，用于提供超声波波导结构。在一个实例中，采用牺牲层将第二凹槽延伸至外延多晶层中，使得可以准确地控制外延多晶层在第二凹槽上方的厚度，从而满足超声波换能器的声学特性要求。在另一个实例中，采用堆叠形成的机械支撑层和锚点层，第二凹槽贯穿锚点层到达机械支撑层的表面，使得可以准备地控制机械支撑层在第二凹槽上方的厚度，从而满足超声波换能器的声学特性要求。
在优选的实施例中，在将超声波换能器和CMOS电路彼此连接之后，形成第二凹槽。由于CMOS电路可以为超声波换能器提供机械支撑作用，因此可以避免在凹槽蚀刻步骤中超声波换能器断裂。因此，该方法可以提高超声波指纹传感器的可靠性和成品率。
在优选的实施例中，超声波换能器采用MEMS工艺制造，CMOS电路采用CMOS工艺制造，并且在连接点采用共晶键合，从而可以形成单个芯片形式的集成电路，提高指纹鉴定速度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明第一实施例的超声波指纹传感器的示意性截面图；
图2示出根据本发明第二实施例的超声波指纹传感器的示意性截面图；
图3示出根据本发明第三实施例的超声波指纹传感器制造方法的流程图；
图4a-4j示出根据本发明第三实施例的超声波指纹传感器制造方法中各个阶段的示意性截面图；
图5a-5d示出根据本发明第四实施例的超声波指纹传感器制造方法中一些阶段的示意性截面图；
图6示出超声波指纹传感器的工作原理示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
在本申请中，术语“外延多晶层”表示采用外延生长方式形成的多晶层，例如多晶硅层。本申请利用外延多晶层减小支撑层的应力对压电叠层性能稳定性的不利影响。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
作为本发明的另一方面，指纹传感器可以作为单元排列的矩阵结构。
图1示出根据本发明第一实施例的超声波指纹传感器的示意性截面图。
超声波指纹传感器100包括彼此连接在一起的超声波换能器110和CMOS电路120。超声波换能器110包括第一衬底111，以及在第一衬底111上依次形成的机械支撑层113、种子层114、第一电极115A、压电层116、第二电极115B、第一绝缘层117、第一接触118A、第二接触118B、键合层119。压电层116具有彼此相对的第一表面和第二表面，第一电极115A和第二电极115B分别位于第一表面和第二表面上。第一接触118A与第二接触118B彼此隔开，并且分别与第一电极115A和第二电极115B连接。第一接触118A穿过压电层116接触压电层116的第一表面，从而与第一电极115A电连接。第二电极115B与第二接触118B可以由同一个导电层图案化形成，二者彼此连接。CMOS电路120用于提供CMOS电路，包括第二衬底121，以及在第二衬底121上依次形成的第一布线层122、第二绝缘层123和第二布线层124。
在超声波换能器110中，在第一衬底111和机械支撑层113中形成第一凹槽131，从而形成超声波波导结构。该第一凹槽131穿透第一衬底111，并且到达机械支撑层113中的预定深度。
尽管未示出，但在CMOS电路120中还包括在第二衬底121中形成的晶体管，在第二绝缘层123中形成的导电通道。第一布线层122例如与晶体管相连接，第二布线层124例如经由导电通道与第一布线层122相连接。优选地，第二布线层124位于第二绝缘层123中，并且在第二绝缘层中形成第二凹槽125，以暴露第二布线层124的表面。
进一步地，超声波换能器110和CMOS电路120彼此相对，所述第一接触118A、第二接触118B与第二布线层124电连接，例如通过焊料互连，或者形成共晶键合。超声波换能器110和CMOS电路120分别形成在不同的管芯中，并且彼此电连接以形成超声波指纹传感器100。
在优选的实施例中，在第一接触118A、第二接触118B和第二布线层124至少之一的表面上形成附加的键合层119，利用键合层的共晶键合实现超声波换能器与CMOS电路之间的电连接和机械连接。在一个实例中，键合层119例如由铟或锗组成，第一接触118A、第二接触118B由Al组成，从而在第一接触118A、第二接触118B和键合层119之间形成共晶键合。
根据本发明的指纹传感器包括超声波换能器和CMOS电路。优选地，超声波换能器包括多个传感器单元组成的M×N阵列，其中，M和N分别为自然数。传感器单元的尺寸为50微米或更小，以实现21MHz以上的谐振频率，从而获得高精确度的指纹图像。
图2示出根据本发明第二实施例的超声波指纹传感器的示意性截面图。
超声波指纹传感器200包括彼此连接在一起的超声波换能器210和CMOS电路120。第二实施例的超声波指纹传感器200与图1所示的超声波指纹传感器100的不同之处在于超声波换能器210还包括锚点层112和机械支撑层113，以代替图1所示的机械支撑层113。
在超声波换能器210中，该锚点层112位于第一衬底111上，机械支撑层113位于锚点层112和种子层114之间。在第一衬底111和锚点层112中形成第一凹槽131，从而形成超声波波导结构。该第一凹槽131穿透第一衬底111和锚点层112，到达种子层114的表面。
第二实施例的超声波指纹传感器200的其他方面与图1所示的超声波指纹传感器100相同，在此不再详述。
在第二实施例中，采用锚点层112和机械支撑层113的叠层，使得第一凹槽131可以穿透第一衬底111和锚点层112延伸至机械支撑层113的表面，从而可以精确地控制第一凹槽131的深度，改善超声波波导结构的声学物性。
图3示出根据本发明第三实施例的超声波指纹传感器制造方法的流程图。该方法例如用于制造第一实施例的超声波指纹传感器100。该方法包括分别形成超声波换能器和CMOS电路，然后将超声波换能器和CMOS电路连接在一起，进一步形成用作波导的第一凹槽，以形成器件结构。
在步骤S01中，形成超声波换能器110。超声波换能器110至少包括第一衬底111、第一电极115A、压电层116、第二电极115B、第一绝缘层117、第一接触118A、第二接触118B、键合层119。在超声波换能器110中，压电层116具有彼此相对的第一表面和第二表面。第一电极115A和第二电极115B分别位于第一表面和第二表面上。第一接触118A与第二接触118B彼此隔开，并且分别与第一电极115A和第二电极115B连接。第一绝缘层117图案化成第一凸部和第二凸部，第一接触118A、第二接触118B位于压电层116和第一绝缘层117上方。第一接触118A与第二接触118B彼此隔开，并且各自的至少一部分分别位于第一凸部和第二凸部上。第一接触118A穿过压电层116接触压电层116的第一表面，从而与第一电极115A电连接。第二电极115B与第二接触118B可以由同一个导电层图案化形成，二者彼此连接。优选地，键合层119位于第一接触118A、第二接触118B上。
在步骤S02中，形成CMOS电路120。CMOS电路120至少包括第二衬底121，以及在第二衬底121上依次形成的第一布线层122、第二绝缘层123和第二布线层124。在CMOS电路120中还形成了晶体管等元件。第一布线层122例如与晶体管相连接，第二布线层124例如经由导电通道与第一布线层122相连接。
在步骤S03中，将超声波换能器110和CMOS电路120彼此连接。在该步骤中，超声波换能器110的第一接触118A、第二接触118B和CMOS电路的第二布线层124之间实现电连接和机械连接，例如通过焊料互连，或者形成共晶键合。在优选的实施例中，在第一接触118A、第二接触118B上形成键合层119。在一个实例中，键合层119例如由铟或锗组成，第一接触118A、第二接触118B由Al组成，从而在第一接触118A、第二接触118B和键合层119之间形成共晶键合。
在步骤S04中，在超声波换能器110中形成超声波波导结构，例如该超声波波导结构包括穿透第一衬底111的第一凹槽。在该步骤中，CMOS电路120可以为超声波换能器110提供机械支撑作用，从而避免在第一凹槽蚀刻步骤中超声波换能器110断裂。
超声波换能器110和CMOS电路120分别形成在不同的管芯中，并且彼此电连接以形成超声波指纹传感器100。由于在两个管芯连接之后进行凹槽蚀刻，因此，该方法可以提高超声波指纹传感器100的可靠性和成品率。
图4a-4j示出根据本发明第三实施例的超声波指纹传感器制造方法中各个阶段的示意性截面图。该方法例如用于制造第一实施例的超声波指纹传感器100。
在步骤S01中，形成超声波换能器110。在图4a-4h中示出了步骤S01的更详细的步骤。
如图4a所示，例如通过沉积，在第一衬底111上形成牺牲层141。第一衬底111例如是硅衬底。牺牲层141例如由氧化硅组成，厚度约为0.2微米至1微米。采用包括涂胶、曝光和显影的光刻工艺，形成光刻胶掩模。经由光刻胶掩模进行蚀刻，将牺牲层141图案化成对应于超声波波导结构的形状。该蚀刻例如可以是采用蚀刻溶液的湿法蚀刻工艺，或者是在反应腔中进行的干法蚀刻工艺，例如等离子体蚀刻。在蚀刻之后，通过在溶剂中溶解或灰化去除光刻胶掩模。
进一步地，如图4b所示，例如通过外延多晶生长，在第一衬底111和牺牲层141上方形成机械支撑层113。机械支撑层113覆盖牺牲层141。机械支撑层113例如由硅组成，厚度约为1.5微米至20微米。优选地，在外延生长之前，通过沉积，在第一衬底111和牺牲层141上形成种子层，从而可以改善随后形成机械支撑层113的薄膜质量。优选地，在外延生长之后，通过化学机械平面化，平整机械支撑层113的表面。
外延多晶生长可以获得厚度达到10微米以上的多晶硅层，沿着厚度方向晶粒的尺寸逐渐增大。生长速率可以700纳米每分钟，该生长速度是LPCVD多晶硅速率(7nm/min)的100倍左右。机械支撑层113作为随后形成的压电叠层的支撑层，其弹性模量、残余应力、断裂强度、疲劳强度等，对超声波指纹传感器的性能有着重要的影响，如灵敏度、谐振频率、可靠性等。通过外延方式加工的多晶硅，力学特性分散性相对较少，应力小，从而可以获得性能参数一致性好的超声波指纹传感器。
优选地，在外延多晶生长过程中直接掺杂，相较于LPCVD淀积多晶硅后再通过扩散预淀积或者注入方式掺杂，掺杂浓度更均匀。均匀的掺杂浓度，可以表现出更小的多晶应力。
进一步优选地，可以通过后续的高温退火过程进一步消除多晶应力。
进一步地，如图4c所示，例如通过沉积，在机械支撑层113上依次形成种子层114、第一电极115A、压电层116。用于形成种子层114和压电层116的工艺例如是反应离子溅射沉积，用于形成第一电极115A的工艺例如是常规离子溅射。种子层114例如由氮化铝组成，厚度约为0.1微米至0.5微米。第一电极115A例如由Mo组成，厚度约为0.2微米至1微米。压电层116例如由氮化铝组成，厚度约为0.5微米至2微米。
进一步地，如图4d所示，例如通过沉积，在压电层116上形成第一绝缘层117。第一绝缘层117例如由氧化硅组成，厚度0.2微米至1微米。采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将第一绝缘层117图案化成包含开口142的掩模图案。经由第一绝缘层117的开口142进一步蚀刻压电层116。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在第一电极115A的表面停止。因此，开口142从第一绝缘层117的表面延伸穿过第一绝缘层117和压电层116，到达第一电极115A。
进一地，如图4e所示，重新采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将第一绝缘层117图案化成凸部图案。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在压电层116的表面停止。第一绝缘层117包括位于压电层116上的第一凸部和第二凸部。
进一步地，如图4f所示，例如通过沉积，在压电层116和第一绝缘层117的表面上形成共形的导电层，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将导电层图案化成第一接触118A和第二接触118B。第一接触118A和第二接触118B彼此隔开，并且分别包括位于第一凸部和第二凸部分上的部分。第一接触118A从第一凸部上方延伸至压电层116的第二表面，进一步穿过压电层116中的开口142接触压电层116的第一表面，从而与第一电极115A电连接。第二接触118B从第二凸部上方延伸至压电层116的第二表面。第一接触118A和第二接触118B由任意导体材料组成，例如，选自Au、Ag和Al之一的金属，厚度约为0.2微米至5微米。
优选地，如图4g所示，例如通过沉积形成金属层，以及采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺图案化，在第一接触118A、第二接触118B上形成键合层119。键合层例如由Ge组成，厚度约为0.2微米至2微米。
在步骤S02中，形成CMOS电路120。CMOS电路120可以采用任何合适的CMOS工艺形成，在此不再详述。
CMOS电路120至少包括第二衬底121，以及在第二衬底121上依次形成的第一布线层122、第二绝缘层123和第二布线层124。在CMOS电路120中还形成了晶体管等元件。第一布线层122例如与晶体管相连接，第二布线层124例如经由导电通道与第一布线层122相连接。
优选地，第二布线层124位于第二绝缘层123中，并且在第二绝缘层中形成第二凹槽125，以暴露第二布线层124的表面。
优选地，在第二衬底121的第一表面上形成第一布线层122，在第二衬底121的与第一表面相对的第二表面上形成对准标记132。该对准标记例如是在第二衬底121的表面上形成的开口图案。
在步骤S03中，将超声波换能器110和CMOS电路120彼此连接。在图4h中示出了步骤S03的更详细的步骤。
如图4h所示，超声波换能器110和CMOS电路120彼此相对放置，超声波换能器110的第一接触118A、第二接触118B和CMOS电路的第二布线层124之间实现电连接和机械连接，例如通过焊料互连，或者形成共晶键合。超声波换能器110和CMOS电路120分别形成在不同的管芯中，并且彼此电连接以形成超声波指纹传感器100。
优选地，在放置超声波换能器110和CMOS电路120时，可以采用CMOS电路120的对准标记132与超声波换能器110的第一凸部和第二凸部至少之一彼此对准。
优选地，在超声波换能器110的第一接触118A、第二接触118B上形成附加的键合层119。在一个实例中，键合层119例如由铟或锗组成，第一接触118A、第二接触118B由Al组成，从而在第一接触118A、第二接触118B和键合层119之间形成共晶键合。用于形成Al-Ge共晶键合的温度在440摄氏度以上，键合的真空度需达到0.1毫巴至100毫巴。
在步骤S04中，在超声波换能器110中形成超声波波导结构，例如该超声波波导结构包括穿透第一衬底111的第一凹槽。在图4i和4j中示出了步骤S04的更详细的步骤。
如图4i所示，例如通过研磨减薄超声波换能器110的第一衬底111，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将第一衬底111图案化成包含第一凹槽131的掩模图案。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在牺牲层141的表面停止。因此，第一凹槽131从第一衬底111的表面延伸穿过第一衬底111，到达牺牲层141。
在光刻步骤中，掩模图案可以利用CMOS电路120的对准标记132进行对准，使得最终形成的第一凹槽131的形状和位置大致对应于牺牲层141的形状和位置。
在蚀刻步骤中，由于第一凹槽131的深宽比较大，因此优选地采用BOSCH进行深槽蚀刻以形成第一凹槽131。
如图4j所示，通过选择性的蚀刻工艺去除牺牲层141的一部分，使得所述第一凹槽131延伸至机械支撑层113达到预定深度。
在整个步骤S04中，CMOS电路120可以为超声波换能器110提供机械支撑作用，从而避免在凹槽蚀刻步骤中超声波换能器110断裂。因此，该方法可以提高超声波指纹传感器100的可靠性和成品率。
图5a-5d示出根据本发明第四实施例的超声波指纹传感器制造方法中一些阶段的示意性截面图。该方法例如用于制造第二实施例的超声波指纹传感器200。
在步骤S01中，形成超声波换能器110。在图5a和5b中示出了步骤S01的更详细的一些步骤。
如图5a所示，例如通过沉积，在第一衬底111上形成锚点层112，例如通过外延生长，在锚点层112上形成机械支撑层113。锚点层112例如由氧化硅组成，厚度约为0.2微米至1微米。机械支撑层113例如由硅组成，厚度约为0.5微米至20微米。优选地，在外延生长之前，通过沉积，在第一衬底111上形成种子层，从而可以改善随后形成机械支撑层113的薄膜质量。
进一步地，如图5b所示，例如通过沉积，在机械支撑层113上依次形成种子层114、第一电极115A、压电层116。用于形成种子层114和压电层116的工艺例如是反应离子溅射沉积，用于形成第一电极115A的工艺例如是常规离子溅射。种子层114例如由氮化铝组成，厚度约为0.1微米至0.5微米。第一电极115A例如由Mo组成，厚度约为0.2微米至1微米。压电层116例如由氮化铝组成，厚度约为0.5微米至2微米。
在图5b所示的步骤之后，继续图4d-4g所示的步骤，从而形成超声波换能器110。
在步骤S02中，形成CMOS电路120。CMOS电路120可以采用任何合适的CMOS工艺形成，在此不再详述。
CMOS电路120至少包括第二衬底121，以及在第二衬底121上依次形成的第一布线层122、第二绝缘层123和第二布线层124。在CMOS电路120中还形成了晶体管等元件。第一布线层122例如与晶体管相连接，第二布线层124例如经由导电通道与第一布线层122相连接。
优选地，第二布线层124位于第二绝缘层123中，并且在第二绝缘层中形成第二凹槽125，以暴露第二布线层124的表面。
优选地，在第二衬底121的第一表面上形成第一布线层122，在第二衬底121的与第一表面相对的第二表面上形成对准标记132。该对准标记例如是在第二衬底121的表面上形成的开口图案。
在步骤S03中，将超声波换能器110和CMOS电路120彼此连接。在图5c中示出了步骤S03的更详细的步骤。
如图5c所示，超声波换能器110和CMOS电路120彼此相对放置，超声波换能器110的第一接触118A、第二接触118B和CMOS电路的第二布线层124之间实现电连接和机械连接，例如通过焊料互连，或者形成共晶键合。超声波换能器110和CMOS电路120分别形成在不同的管芯中，并且彼此电连接以形成超声波指纹传感器100。
优选地，在放置超声波换能器110和CMOS电路120时，可以采用CMOS电路120的对准标记132与超声波换能器110的第一凸部和第二凸部至少之一彼此对准。
优选地，在超声波换能器110的第一接触118A、第二接触118B上形成附加的键合层119。在一个实例中，键合层119例如由铟或锗组成，第一接触118A、第二接触118B由Al组成，从而在第一接触118A、第二接触118B和键合层119之间形成共晶键合。用于形成Al-Ge共晶键合的温度在440摄氏度以上，键合的真空度需达到0.1毫巴至100毫巴。
在步骤S04中，在超声波换能器110中形成超声波波导结构，例如该超声波波导结构包括穿透第一衬底111的第一凹槽。在图5d和5中示出了步骤S04的更详细的步骤。
如图5d所示，例如通过研磨减薄超声波换能器110的第一衬底111，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将第一衬底111和锚点层112图案化成包含第一凹槽131的掩模图案。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在机械支撑层113的表面停止。因此，第一凹槽131从第一衬底111的表面延伸穿过第一衬底111和锚点层112，到达机械支撑层113。
在光刻步骤中，掩模图案可以利用CMOS电路120的对准标记132进行对准，从而限定最终形成的第一凹槽131的形状和位置。
在蚀刻步骤中，由于第一凹槽131的深宽比较大，因此优选地采用BOSCH进行深槽蚀刻以形成第一凹槽131。
在整个步骤S04中，CMOS电路120可以为超声波换能器110提供机械支撑作用，从而避免在凹槽蚀刻步骤中超声波换能器110断裂。因此，该方法可以提高超声波指纹传感器100的可靠性和成品率。
图6示出超声波指纹传感器的工作原理示意图。根据本发明的指纹传感器包括彼此连接的超声波换能器110和CMOS电路120。超声波换能器110为超声波换能器，CMOS电路120为CMOS电路。优选地，超声波换能器110包括多个传感器单元组成的M×N阵列，其中，M和N分别为自然数。超声波换能器110和CMOS电路120例如通过共晶键合彼此电连接和机械连接。
在超声波产生阶段，CMOS电路120提供脉冲电信号，使超声波换能器110中的压电层发生逆压电效应，高频机械形变产生超声信号。在超声波接收阶段，由于超声波遇到不同声阻材料，超声信号有着不同的反射率，指纹中不同的凸、凹图形导致MEMS结构在接收到不同的超声信号，在超声反射腔区域发生较强的正压电效应。CMOS电路120根据电信号处理超声波换能器110反馈的超声信号，读取形成的指纹信号。
在图6中仅仅示出超声波换能器110中的多个传感器单元140组成的阵列。该传感器单元140通过正压电效应产生超声波，超声波垂直前进用“↑”符号表示，超声反射用“↓”符合表示。在人的手指部分的凸区域，超声波大部分能通过人体皮肤组织，被人体皮肤组织吸收；在人手指的凹区域，超声波大部分被反射，返回传感器内部，产生正压电效应。通过指纹传感器阵列接收到信号的不同，识别鉴定指纹信息。
在生产制造方面，该超声波指纹传感器制造方法与CMOS工艺兼容，可在CMOS生产线直接加工。在传感器后续应用方面，超声波指纹传感器在后续移动终端的应用领域无需在玻璃等介质上开孔，可穿透玻璃等介质直接应用，降低了后续的应用成本。在终端应用方面，与电容式指纹传感器相比较，超声波指纹传感器的超声信号受油污、汗水等影响小，受温度与湿度影响小，识别的准确率高等优点。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (39)

1.一种制造超声波指纹传感器的方法，包括：
形成超声波换能器，包括第一衬底、位于所述第一衬底上的机械支撑层、以及位于所述机械支撑层上的压电叠层，所述超声波换能器包括彼此相对的第一表面和第二表面；
形成CMOS电路，包括第二衬底、在所述第二衬底中形成的至少一个晶体管、以及位于所述至少一个晶体管上的多个布线层和多个层间介质层，所述CMOS电路包括彼此相对的第三表面和第四表面；
将所述超声波换能器和所述CMOS电路彼此连接，其中，所述超声波换能器的第二表面与所述CMOS电路的第三表面相对；以及
在所述超声波换能器的第一表面中形成超声波波导结构，
其中，所述机械支撑层为低应力层；所述低应力层为外延多晶层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成超声波换能器的步骤还包括：
对所述外延多晶层进行原位掺杂，以减小应力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，形成超声波换能器的步骤还包括：
对所述外延多晶层进行退火，以减小应力。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述外延多晶层为硅层。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述外延多晶层沿着厚度方向晶粒的尺寸逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压电叠层包括压电层、与所述压电层的下表面接触的第一电极、以及与所述压电层的上表面接触的第二电极，形成超声波换能器的步骤还包括：
形成与所述第一电极连接的第一接触；以及
形成与所述第二电极连接的第二接触，
其中，所述第一接触和所述第二接触彼此隔开。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，形成CMOS电路还包括：在所述CMOS电路的第三表面形成第一凹槽，所述第一凹槽暴露所述多个布线层中的第一布线层的至少一部分表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述连接的步骤包括：采用焊料或共晶键合，将所述超声波换能器的第一接触、第二接触与所述CMOS电路的第一布线层之间彼此连接。
9.根据权利要求8所述的方法，在连接的步骤之前，还包括：在所述第一接触和所述第二接触上形成键合层。
10.根据权利要求8所述的方法，在连接的步骤之前，还包括：在所述第一布线层上形成键合层。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述键合层由Si、Ge、In之一组成，所述第一布线层由Au、Al之一组成。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，形成超声波换能器的步骤还包括：在形成第一接触的步骤和形成第二接触的步骤之前，
在所述压电层上形成第一绝缘层；以及
将所述第一绝缘层图案化形成第一凸部和第二凸部，使得所述第一接触和所述第二接触各自的一部分分别位于所述第一凸部和所述第二凸部上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一绝缘层由氧化硅或氮化硅组成。
14.根据权利要求6所述的方法，其中，形成超声波换能器的步骤还包括：在所述机械支撑层上形成种子层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述压电层和所述种子层分别由氮化铝组成。
16.根据权利要求2所述的方法，其中，形成超声波波导结构的步骤包括：
在形成所述机械支撑层之前，
在所述第一衬底上形成牺牲层；以及
图案化所述牺牲层，
在连接的步骤之后，
在所述第一衬底中蚀刻形成第二凹槽；以及
经由所述第二凹槽蚀刻以去除所述牺牲层，使得所述第二凹槽延伸至所述外延多晶层中达到预定深度。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，形成超声波换能器的步骤还包括：
在形成所述机械支撑层之前，
在所述第一衬底上形成锚点层，
在连接的步骤之后，
在所述第一衬底中蚀刻形成第二凹槽；以及
经由所述第二凹槽蚀刻以去除所述锚点层的一部分，使得所述第二凹槽贯穿所述锚点层到达所述机械支撑层。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述CMOS电路与所述超声波换能器连接，用于驱动所述超声波换能器和处理所述超声波换能器产生的检测信号。
19.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述CMOS电路的第四表面上形成对准标记，所述对准标记在连接的步骤中用于所述第一接触、所述第二接触与所述第一凹槽彼此对准。
20.根据权利要求19所述的方法，形成超声波波导结构的步骤包括：形成贯穿所述第一衬底的第二凹槽，其中，所述对准标记用于指示所述第二凹槽的位置。
21.一种超声波指纹传感器，包括：
超声波换能器，所述超声波换能器包括第一衬底、位于所述第一衬底上的机械支撑层、以及位于所述机械支撑层上的压电叠层，所述超声波换能器包括彼此相对的第一表面和第二表面；以及
CMOS电路，所述CMOS电路包括第二衬底、在所述第二衬底中形成的至少一个晶体管、以及位于所述至少一个晶体管上的多个布线层和多个层间介质层，所述CMOS电路包括彼此相对的第三表面和第四表面，
其中，所述超声波换能器和所述CMOS电路彼此连接，其中，所述超声波换能器的第二表面与所述CMOS电路的第三表面相对，
所述超声波换能器包括在所述超声波换能器的第一表面中形成的超声波波导结构，以及
所述机械支撑层为外延多晶层。
22.根据权利要求21所述的超声波指纹传感器，其中，所述外延多晶层为原位掺杂以减小应力的层。
23.根据权利要求21或22所述的超声波指纹传感器，其中，所述外延多晶层为硅层。
24.根据权利要求21或22所述的超声波指纹传感器，其中，所述外延多晶层沿着厚度方向晶粒的尺寸逐渐增大。
25.根据权利要求21所述的超声波指纹传感器，其中，所述压电叠层包括压电层、与所述压电层的下表面接触的第一电极、以及与所述压电层的上表面接触的第二电极，
所述超声波换能器还包括：
与所述第一电极连接的第一接触；以及
与所述第二电极连接的第二接触，
其中，所述第一接触和所述第二接触彼此隔开。
26.根据权利要求25所述的超声波指纹传感器，其中，所述CMOS电路还包括：在所述CMOS电路的第三表面形成的第一凹槽，所述第一凹槽暴露所述多个布线层中的第一布线层的至少一部分表面。
27.根据权利要求26所述的超声波指纹传感器，其中，所述超声波换能器的第一接触、第二接触采用共晶键合与所述CMOS电路的第一布线层之间彼此连接。
28.根据权利要求27所述的超声波指纹传感器，还包括：位于所述第一接触和所述第二接触上的键合层。
29.根据权利要求27所述的超声波指纹传感器，还包括：位于所述第一布线层上的键合层。
30.根据权利要求28或29所述的超声波指纹传感器，其中，所述键合层由Si、Ge、In之一组成，所述第一布线层由Au、Al之一组成。
31.根据权利要求25所述的超声波指纹传感器，其中，所述超声波换能器还包括位于所述压电层上的第一凸部和第二凸部，所述第一接触和所述第二接触各自的一部分分别位于第一凸部和所述第二凸部上。
32.根据权利要求31所述的超声波指纹传感器，其中，所述第一凸部和所述第二凸部由氧化硅或氮化硅组成。
33.根据权利要求25所述的超声波指纹传感器，其中，所述超声波换能器还包括位于所述机械支撑层上的种子层。
34.根据权利要求33所述的超声波指纹传感器，其中，所述压电层和所述种子层分别由氮化铝组成。
35.根据权利要求21所述的超声波指纹传感器，其中，所述超声波波导结构包括第二凹槽，所述第二凹槽从所述超声波换能器的第一表面延伸穿过所述第一衬底至所述外延多晶层中达到预定深度。
36.根据权利要求21所述的超声波指纹传感器，其中，所述超声波换能器包括位于所述第一衬底和所述机械支撑层之间的锚点层，所述超声波波导结构包括第二凹槽，所述第二凹槽从所述超声波换能器的第一表面延伸穿过所述第一衬底和所述锚点层，至所述外延多晶层的表面。
37.根据权利要求21所述的超声波指纹传感器，其中，所述CMOS电路与所述超声波换能器连接，用于驱动所述超声波换能器和处理所述超声波换能器产生的检测信号。
38.根据权利要求26所述的超声波指纹传感器，还包括，位于所述CMOS电路的第四表面上的对准标记，所述对准标记在连接的步骤中用于所述第一接触、所述第二接触与所述第一凹槽彼此对准。
39.根据权利要求38所述的超声波指纹传感器，所述超声波波导结构包括贯穿所述第一衬底的第二凹槽，其中，所述对准标记用于指示所述第二凹槽的位置。
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