CN108183163A

CN108183163A - 一种超声波传感器的制造方法

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Publication number: CN108183163A
Application number: CN201810015600.3A
Authority: CN
Inventors: 季锋; 闻永祥; 刘琛
Original assignee: Hangzhou Silan Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2018-06-19

Abstract

本申请公开了一种超声波传感器的制造方法。所述方法包括：在半导体衬底中形成阱区，所述阱区围绕第一区域；在所述第一区域中形成掺杂区；在所述第一区域中形成空腔，所述掺杂区位于所述空腔的上方，并且包括到达所述空腔的多个开口；在所述掺杂区上方形成支撑层，所述支撑层封闭所述多个开口；以及在所述支撑层上形成压电叠层。该方法在压电叠层的下方形成空腔以减小应力影响和改善声学性能。

Description

一种超声波传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及生物特征传感器，更具体地，涉及超声波传感器的制造方法。

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。超声波传感器是第三代指纹传感器，其中利用压电材料的逆压电效应产生超声波。在超声波接触到指纹时，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，从而将超声波传感器设置在手机外壳内。超声波传感器内置可以减少其占用的表面积，在手机表面上允许安装更大尺寸的显示屏，因而可以提高手机的屏占比。

图1示出根据现有技术的超声波传感器组件的截面示意图。现有技术中公开了一种超声波传感器组件，包括集成在一个芯片中的CMOS电路和压电叠层。CMOS包括在半导体衬底101中形成的阱区102、在阱区中形成N型晶体管的源极103a和漏极103b、在半导体衬底101中形成P型晶体管的源极104a和104b、栅极介质层105、N型晶体管的栅极导体106、P型晶体管的栅极导体107。压电叠层包括压电层201、下电极202和上电极203。绝缘层111隔开CMOS电路和压电叠层，导电通道112贯穿绝缘层111以实现二者之间的电连接。具体地，N型晶体管的漏极103b经由导电通道112连接至下电极202的上表面，P型晶体管的源极104a经由导电通道112连接至下电极的下表面。

在该超声波传感器中，位于绝缘层111上方的压电叠层利用超声信号提取指纹信息，位于绝缘层111下方的CMOS电路用于处理超声信号。该超声波传感器的结构简单，并且可以高速的读取和鉴定指纹。然而，绝缘层111产生的应力导致超声波传感器的频率不稳定、成品率低、参数一致性差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种超声波传感器的制造方法，其中，在压电叠层的下方形成空腔以减小应力影响和改善声学性能。

根据本发明的一方面，提供一种超声波传感器的制造方法，包括：

在半导体衬底中形成阱区，所述阱区围绕第一区域；

在所述第一区域中形成掺杂区；

在所述第一区域中形成空腔，所述掺杂区位于所述空腔的上方，并且包括到达所述空腔的多个开口；

在所述掺杂区上方形成支撑层，所述支撑层封闭所述多个开口；以及

在所述支撑层上形成压电叠层。

优选地，所述掺杂区为网格形状，所述多个开口作为所述网格的网孔。

优选地，形成空腔的步骤包括：采用蚀刻相对于所述阱区和所述掺杂区去除所述半导体衬底的一部分。

优选地，形成空腔的步骤包括：

采用电化学腐蚀将所述第一区域转变成多孔层，其中，所述阱区和所述掺杂区分别连接电极；以及

采用蚀刻相对于所述半导体衬底、所述阱区和所述掺杂区去除所述多孔层。

优选地，在电化学腐蚀中采用的腐蚀溶液包括氢氟酸与选自甲醇、乙醇、丙醇和异丙醇中至少一种组成的混合溶液。

优选地，所述掺杂区的结深小于所述空腔的深度，所述阱区的结深大于所述空腔的深度。

优选地，形成支撑层的步骤包括生长外延层。

优选地，所述外延层的厚度为0.5至20微米。

优选地，形成压电叠层的步骤包括：

在所述支撑层上形成种子层；

在所述种子层上形成下电极；

在所述下电极上形成压电层；

在所述压电层上形成上电极；以及

形成穿过所述压电层到达所述下电极的导电通道。

优选地，所述上电极和所述导电通道采用同一个导电层图案化形成。

优选地，所述种子层和所述压电层分别由选自以下材料的任一种组成：氮化铝、氧化锡、钛酸钡、锆钛酸铅、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂、改性钛酸铅、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚二氯亚乙烯、溴化二异丙胺。

优选地，所述阱区和所述掺杂区为相同的掺杂类型。

根据本发明实施例的超声波传感器制造方法，其中采用在单独的半导体衬底中形成空腔及上方的压电叠层。该方法可以利用空腔减小应力影响和改善声学性能。

本发明所述方法中超声波传感器的制造工艺与CMOS电路的制造工艺兼容，制造方法简单，制造成本低。采用该方法制成的超声波传感器的尺寸例如为50×50平方微米，多个超声波传感器可以集成为同一个阵列芯片，然而与CMOS电路芯片连接以形成超声波组件，其中在超声波传感器和CMOS电路芯片之间夹有绝缘层，可以减小应力对超声信号的不利影响，从而可以提高超声波传感器的稳定性、成品率和参数一致性，进一步提高指纹信息读取的准确性。

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示出根据现有技术的超声波传感器组件的截面示意图。

图2示出根据本发明实施例的超声波传感器的截面示意图。

图3a至3h示出根据本发明实施例的超声波传感器的制造方法中一部分阶段的截面示意图。

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。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图2示出根据本发明实施例的超声波传感器的截面示意图。

如图所示，超声波传感器单元200包括半导体衬底101、阱区102、空腔104、掺杂区103、外延层111、以及压电叠层。

半导体衬底101例如是<100>晶向的单晶硅衬底，电阻率例如为5至10欧姆厘米。

在半导体衬底101中形成阱区102和空腔104。阱区102围绕空腔104。掺杂区103位于空腔104上方，例如是连续的网格形状，包括到达空腔104的多个开口，作为网孔。阱区102和掺杂区103例如掺杂成N型，掺杂剂例如为P离子。掺杂区103的结深小于空腔104的深度，阱区102的结深大于空腔104的深度。

外延层111封闭掺杂区103中的开口134，并且形成连续层。由于外延生成，因此，外延层111未进入空腔104的内部。外延层111作为支撑层，与掺杂区103一起形成提供机械支撑。

该压电叠层包括依次堆叠在外延层111上的种子层112、下电极202、压电层201、上电极203和导电通道204。上电极203和导电通道204例如由同一个导电层图案化形成。上电极203接触压电层201的上表面。导电通道204穿过压电层201到达下电极202。

在压电叠层中，种子层112和压电层201分别由选自以下材料的任一种组成：氮化铝、氧化锡、钛酸钡、锆钛酸铅、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂、改性钛酸铅、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚二氯亚乙烯、溴化二异丙胺。

在该超声波传感器中，位于外延层111上方的压电叠层利用超声信号提取指纹信息，位于绝缘层111下方的CMOS电路用于处理超声信号。该超声波传感器的结构简单，并且可以高速的读取和鉴定指纹。图3a至3h示出根据本发明实施例的超声波传感器的制造方法中一部分阶段的截面示意图。

如图3a所示，在半导体衬底101中，采用离子注入形成阱区102。

该步骤例如包括形成抗蚀剂层，采用光刻方法图案化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模PR1，以及经由抗蚀剂掩模PR1进行离子注入。抗蚀剂掩模PR1具有开口131，在离子注入期间，掺杂剂经由开口131到达半导体衬底101中形成阱区102。在替代的实施例中，可以形成图案化的氧化层作为硬掩模，以取代抗蚀剂掩模PR1。该氧化层例如是厚度100至1000纳米的氧化硅层。优选地，在离子注入之后进行高温退火以激活掺杂剂。在形成阱区102之后，采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模PR1。

半导体衬底101例如是<100>晶向的单晶硅衬底，电阻率例如为5至10欧姆厘米。阱区102例如掺杂成N型，掺杂剂例如为P离子。在最终的器件中，阱区102将用于限定空腔的周边。阱区102从半导体衬底101的表面向下延伸至预定深度，使得阱区102的结深大于空腔的深度，例如为3至10微米。该阱区102例如在半导体衬底101中延伸，形成环状。在形成空腔的步骤中，半导体衬底101位于环状内部的部分将用作牺牲层。

进一步地，在半导体衬底101上依次形成第一绝缘层121和第二绝缘层122以及开口132，如图3b所示。

在该步骤中，用于形成第一绝缘层121和第二绝缘层122工艺例如包括热氧化、溅射或化学气相沉积，用于形成开口132的工艺例如包括光刻和蚀刻。在形成第二绝缘层122之后，采用光刻方法形成具有开口的掩模。在蚀刻期间，蚀刻剂经由开口依次去除第二绝缘层122、第一绝缘层121的暴露部分。由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻可以停止于半导体衬底101的表面，从而形成开口132。

在该实施例中，第一绝缘层121例如为氧化硅层，第二绝缘层122例如为氮化硅层。第一绝缘层121的厚度例如小于100纳米，优选为20纳米。第二绝缘层的厚度例如为200至500纳米。开口132贯穿第一绝缘层121和第二绝缘层122，并且，开口132的周边与阱区102重合，从而二者共同围绕空腔区域。

进一步地，在半导体衬底101中，采用离子注入形成掺杂区103，如图3c所示。

该步骤例如包括形成抗蚀剂层，采用光刻方法图案化抗蚀剂层以形成抗蚀剂掩模PR2，以及经由抗蚀剂掩模PR2进行离子注入。抗蚀剂掩模PR2具有开口133，在离子注入期间，掺杂剂经由开口133到达半导体衬底101中形成掺杂区103。优选地，在离子注入之后进行高温退火以激活掺杂剂。在形成掺杂区103之后，采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模PR2。

掺杂区103例如掺杂成N型，掺杂剂例如为P离子。掺杂区103例如为连续的网格形状，其中，每个网格单元围绕半导体衬底101的一部分区域。掺杂区103从半导体衬底101的表面向下延伸，使得掺杂区103结深小于阱区102的结深。进一步地，采用电化学腐蚀将半导体衬底101由阱区102围绕的部分转化成多孔层105，如图3d所示。

该步骤包括将阱区102和掺杂区103分别连接至阳极和阴极，从而在通以电流的情形下采用腐蚀液进行电化学腐蚀。在该实施例中，半导体衬底101为单晶硅衬底，阱区102和掺杂区103分别为N型掺杂区。相应地，采用的腐蚀液例如为氢氟酸(HF)和乙醇(C₂H₅OH)的混合溶液，其体积比例如为HF(50％):C₂H₅OH＝1：1。然而，本发明不限于此，腐蚀液可以是氢氟酸和甲醇、氢氟酸和丙醇、氢氟酸和异丙醇的任一种混合溶液。在电化学腐蚀期间，半导体衬底101中电流流经的区域转变成多孔层105，阱区102和掺杂区103则未受到腐蚀。第一绝缘层121和第二绝缘层122在电化学腐蚀期间用于保护半导体衬底101，使得仅在阱区102围绕的区域中形成多孔层。

多孔层105的孔隙率等可以通过控制腐蚀液浓度、电流大小实现。在该实施例中，多孔层105中孔的尺寸为纳米量级，孔隙率例如为10-80％，厚度例如为3至10微米。

进一步地，采用化学蚀刻去除多孔层105，形成空腔104，如图3e所示。

该步骤包括采用合适的蚀刻剂，相对于半导体衬底101、阱区102和掺杂区103选择性地去除多孔层105。在该实施例中，蚀刻剂例如是选自碱性溶液(SC1)和四甲基氢氧化铵溶液(TMAH)中的任一种。第一绝缘层121和第二绝缘层122在蚀刻期间用于保护半导体衬底101，使得仅在阱区102围绕的区域中形成空腔。

在该蚀刻工艺中，多孔层105作为形成空腔104的牺牲层。因此，空腔104从半导体衬底101的表面向下延伸的深度与多孔层105的厚度相对应。

在形成空腔104之后，位于空腔104上方的掺杂区103仍然保留为连续的网格形状，在网格的网孔中形成与空腔104连通的开口。采用蚀刻方法去除第一绝缘层121和第二绝缘层122，从而重新暴露半导体衬底101的表面。

进一步地，在半导体衬底101和掺杂区103的表面上形成外延层111，如图3f所示。

该步骤采用化学气相沉积生长外延层111。例如，在化学气相沉积中采用的气源为SiH₂Cl₂，外延温度为900至1100摄氏度。该外延层111例如是单晶硅层。

外延层111封闭掺杂区103中的开口134，并且形成连续层。由于外延生成，因此，外延层111未进入空腔104的内部。外延层111作为支撑层，与掺杂区103一起形成提供机械支撑。外延层111的厚度例如为0.5至20微米。

进一步地，在外延层111上形成压电叠层，如图3g所示。

该步骤包括采用溅射工艺在外延层111上依次形成种子层112、下电极202和压电层201。该种子层112和压电层201例如分别由氮化铝组成，下电极202例如由钼组成。然而，本发明不限于些。该种子层112和压电层201分别由选自以下材料的任一种组成：氮化铝(AlN)、氧化锡(ZnO)、钛酸钡(BT)、锆钛酸铅(PZT)、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂(PBLN)、改性钛酸铅(PT)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFe)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二氯亚乙烯(PVDC)、溴化二异丙胺(DIPAB)。

在该实施例中，采用反应离子溅射形成种子层112和压电层201，沉积温度例如为300-600摄氏度，优选为400摄氏度。采用常规溅射形成下电极202，沉积温度例如为250摄氏度。

进一步地，形成分别位于压电层201上表面的上电极203和到达下电极202的导电通道204，如图3h所示。

在该步骤中，采用光刻方法图案化抗蚀剂层以形成一个抗蚀剂掩模，以及经由抗蚀剂掩模进行蚀刻。抗蚀剂掩模具有开口。该蚀刻采用的蚀刻剂例如是四甲基氢氧化铵溶液(TMAH)，蚀刻温度例如为40至90摄氏度，优选为60摄氏度。该蚀刻去除压电层201的暴露部分，从而形成贯穿压电层201的开口。在形成开口之后，采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模。

接着，采用光刻方法图案化抗蚀剂层以形成另一个抗蚀剂掩模，例如采用溅射在压电层201形成导电层。该导电层的厚度例如为200纳米至2微米。该导电层填充压电层201中的开口，还包括位于压电层和抗蚀剂掩模上的一部分。在溶剂中溶解去除抗蚀剂掩模，同时，以剥离方式去除导电层位于抗蚀剂掩模上的部分，从而将导电层图案化成上电极203和导电通道204。

在上述的实施例中，描述了形成空腔包括采用电化学腐蚀将半导体衬底的一部分区域转变成多孔层，以及采用蚀刻相对于半导体衬底、阱区和掺杂区去除该多孔层。阱区和掺杂区为相同的掺杂类型，例如N型或P型，从而在电化学腐蚀中提供电极接触。在替代的实施例中，可以采用蚀刻替代电化学腐蚀，直接相对于阱区和掺杂区去除半导体衬底的一部分。

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

1.一种超声波传感器的制造方法，包括：

在半导体衬底中形成阱区，所述阱区围绕第一区域；

在所述第一区域中形成掺杂区；

在所述支撑层上形成压电叠层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述掺杂区为网格形状，所述多个开口作为所述网格的网孔。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，形成空腔的步骤包括：采用蚀刻相对于所述阱区和所述掺杂区去除所述半导体衬底的一部分。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，形成空腔的步骤包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在电化学腐蚀中采用的腐蚀溶液包括氢氟酸与选自甲醇、乙醇、丙醇和异丙醇中至少一种组成的混合溶液。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述掺杂区的结深小于所述空腔的深度，所述阱区的结深大于所述空腔的深度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，形成支撑层的步骤包括生长外延层。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述外延层的厚度为0.5至20微米。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，形成压电叠层的步骤包括：

在所述支撑层上形成种子层；

在所述种子层上形成下电极；

在所述下电极上形成压电层；

在所述压电层上形成上电极；以及

形成穿过所述压电层到达所述下电极的导电通道。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述上电极和所述导电通道采用同一个导电层图案化形成。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述种子层和所述压电层分别由选自以下材料的任一种组成：氮化铝、氧化锡、钛酸钡、锆钛酸铅、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂、改性钛酸铅、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚二氯亚乙烯、溴化二异丙胺。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阱区和所述掺杂区为相同的掺杂类型。