CN108363950A - 超声波指纹传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了超声波指纹传感器及其制造方法。该方法包括：形成CMOS电路；以及在CMOS电路上形成超声波换能器。在该方法中，形成超声波换能器的步骤包括：形成模板层；在模板层中形成第一开口；在模板层上形成第一停止层，第一停止层共形地覆盖模板层；在第一停止层上形成牺牲层，牺牲层填充第一开口；在第一停止层和牺牲层上形成第二停止层，第二停止层覆盖牺牲层；在第二停止层上形成压电叠层；形成穿过压电叠层到达牺牲层的至少一个第二开口；以及经由至少一个第二开口去除牺牲层形成空腔，其中，第一停止层和第二停止层共同围绕空腔。该方法在形成压电叠层之后形成空腔，从而提高产品良率和可靠性。
Description
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，在很多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集成在一起的超声波换能器和CMOS 电路。共晶键合是集成CMOS电路和超声波换能器的有效方法，但是该种方法对准精度低、制造成本高。较为经济的方案为在CMOS电路表面直接制造超声波换能器，在CMOS电路和超声波换能器之间设置绝缘层以隔开二者。该结构中的CMOS电路用于处理超声信号，因此超声波指纹传感器可以高速读取和鉴定指纹。然而，超声波换能器包括位于压电叠层下方的空腔结构，该空腔结构不仅制造困难，而且由于工艺偏差导致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超声波指纹传感器及其制造方法，其中，在形成压电叠层之后才形成空腔，以提高产品良率和可靠性。
根据本发明的第一方面，提供一种制造超声波指纹传感器的方法，包括：形成CMOS电路；以及在所述CMOS电路上形成超声波换能器，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，其中，形成超声波换能器的步骤包括：形成模板层；在所述模板层中形成第一开口；在所述模板层上形成第一停止层，所述第一停止层共形地覆盖所述模板层；在所述第一停止层上形成牺牲层，所述牺牲层填充所述第一开口；在所述第一停止层和所述牺牲层上形成第二停止层，所述第二停止层覆盖所述牺牲层；在所述第二停止层上形成压电叠层；形成穿过所述压电叠层到达所述牺牲层的至少一个第二开口；以及经由所述至少一个第二开口去除所述牺牲层形成空腔，其中，所述第一停止层和所述第二停止层共同围绕所述空腔。
优选地，在形成空腔之后，还包括：在所述压电叠层上采用涂覆法形成密封层，以封闭所述至少一个第二开口。
优选地，所述密封层由选自聚对二甲苯、聚酰亚胺、氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硅中的任一种组成。
优选地，形成CMOS电路的步骤包括：在衬底上形成至少一个晶体管；以及在所述至少一个晶体管上形成布线层和层间介质层，其中，所述层间介质层覆盖所述布线层。
优选地，形成压电叠层的步骤包括：在所述第二停止层上形成第一电极；在所述第一电极上形成压电层；以及在所述压电层上形成第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极分别接触所述压电层的下表面和上表面。
优选地，形成所述压电叠层与所述CMOS电路之间的电连接的步骤包括：形成分别从所述第一电极和所述第二电极延伸至所述布线层的第一导电通道和第二导电通道。
优选地，所述第一导电通道从所述压电层的上表面穿过所述压电层到达所述第一电极。
优选地，形成所述第一导电通道和所述第二导电通道的步骤包括：在形成所述压电层之后，形成从所述压电层上表面到达所述布线层的第一通孔和第二通孔；在所述第一通孔和所述第二通孔的侧壁上形成绝缘衬里；在所述压电层表面形成导电层，使得所述导电层填充所述第一通孔和所述第二通孔；以及将所述导电层图案化形成所述第一导电通道和所述第二导电通道。
优选地，所述第一电极经由穿过所述压电层的第三通孔与所述第一导电通道彼此连接，所述第二电极由所述导电层图案化形成，并且与所述第二导电通道彼此连接。
优选地，所述CMOS电路包括至少一个晶体管，所述压电层经由所述第一电极、所述第二电极、所述第一导电通道、所述第二导电通道和所述布线层连接至所述至少一个晶体管。
优选地，所述压电层由选自氮化铝、偏聚氟乙烯、偏聚氟乙烯-三氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂压电陶瓷中的任意一种组成。
优选地，在形成所述第二停止层的步骤和形成所述第一的步骤之间，还包括：在所述第二停止层上形成种子层，其中，所述压电层和所述种子层分别为氮化铝。
优选地，所述至少一个第二开口的横向尺寸为0.1微米至0.8微米。
优选地，所述牺牲层由氧化硅组成。
优选地，形成空腔的步骤包括采用气相蚀刻，其中采用的蚀刻气体为HF。
优选地，所述第一停止层和所述第二停止层分别由耐蚀材料组成。
优选地，所述耐蚀材料包括选自钽、金、氮化铝、氧化铝和非晶硅中的任意一种。
根据本发明的第二方面，提供一种超声波指纹传感器，包括：CMOS 电路；以及至少一个超声波换能器，其中，所述CMOS电路与所述至少一个超声波换能器连接，用于驱动所述至少一个超声波换能器和处理所述至少一个超声波换能器产生的检测信号，其中，所述至少一个超声波换能器包括：模板层，所述模板层包括第一开口；位于所述模板层上的第一停止层，所述第一停止层共形地覆盖所述模板层，从而形成与所述第一开口对应的空腔；位于所述第一停止层上的第二停止层；位于所述第二停止层上的压电叠层；以及穿过所述压电叠层到达所述空腔的至少一个第二开口，其中，所述第一停止层和所述第二停止层共同围绕所述空腔。
优选地，还包括：位于所述压电叠层上的密封层，用于封闭所述至少一个第二开口。
优选地，所述密封层由选自聚对二甲苯、聚酰亚胺、氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硅中的任一种组成。
优选地，所述压电叠层包括：堆叠的第一电极、压电层和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极分别接触所述压电层的下表面和上表面。
优选地，所述压电层由选自氮化铝、偏聚氟乙烯、偏聚氟乙烯-三氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂压电陶瓷中的任意一种组成。
优选地，还包括：位于所述第二停止层和第一电极之间的种子层，其中，所述压电层和所述种子层分别为氮化铝。
优选地，所述至少一个第二开口的横向尺寸为0.1微米至0.8微米。
优选地，所述模板层由选自金属、半导体、非晶硅、氧化硅和氮化硅任一种的材料组成。
优选地，所述第一停止层和所述第二停止层分别由耐蚀材料组成。
优选地，所述耐蚀材料包括选自钽、金、氮化铝、氧化铝和非晶硅中的任意一种。
优选地，还包括：将所述第一电极与所述CMOS电路电连接的第一导电通道；以及将所述第二电极与所述CMOS电路电连接的第二导电通道。
优选地，所述第一导电通道从所述压电层的上表面穿过所述压电层到达所述第一电极。
优选地，所述第二电极与所述第二导电通道由相同的导电层图案化形成且彼此连接。
优选地，所述CMOS电路包括衬底和在衬底上形成的至少一个晶体管。
优选地，所述CMOS电路还包括位于所述至少一个晶体管上的布线层和层间介质层，所述层间介质层覆盖所述布线层。
优选地，所述压电层经由所述第一电极、所述第二电极、所述第一导电通道、所述第二导电通道和所述布线层连接至所述至少一个晶体管。
优选地，所述至少一个超声波换能器还包括：从所述压电层上表面到达所述布线层的第一通孔和第二通孔；以及位于所述第一通孔和所述第二通孔的侧壁上的绝缘衬里，其中，所述第一导电通道和所述第二导电通道分别经由所述第一通孔和所述第二通孔延伸至所述布线层。
优选地，所述至少一个超声波换能器形成阵列。
根据本发明实施例的超声波指纹传感器，在CMOS电路上堆叠超声波换能器，因而无需采用共晶键合连接不同的管芯，降低了制造成本和提高了成品率。
在该方法中，在形成CMOS电路和压电叠层之后才形成空腔，在整个制造过程的中间阶段可以维持MEMS结构的机械强度，不会由于形成空腔之后的后续加工导致结构损坏，从而提高产品良率和可靠性。在形成空腔之后，采用密封层封闭蚀刻剂进入的开口，以实现导电通道和电极与外部电子元件之间的隔离，以及空腔与外部环境之间的隔离，进一步提高产品的工作稳定性和可靠性。由于利用模板层、第一停止层和第二停止层限定空腔的范围，因此，不仅可以降低空腔形成的难度，而且可以更加准确地限定空腔的尺寸。
在优选的实施例中，依次形成模板层、第一停止层、牺牲层和第二停止层，然后，采用气相蚀刻去除牺牲层以形成空腔。模板层中的第一开口用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。该方法可以在空腔上方提供结构支撑，用于进一步制作压电层。与湿法蚀刻相比，该气相蚀刻工艺避免了溶液的浸没，兼具干法、湿法工艺的双重优点。气相蚀刻可以避免湿气或蚀刻产物残留于空腔中，进一步改善超声波换能器的声学性能。
在进一步优选的实施例中，牺牲层由氧化硅组成，在气相蚀刻中采用的蚀刻气体为HF。蚀刻产物是SiF4和水，二者均为气态，容易从腔体中排出。与采用XeF2作为蚀刻剂的常规技术相比，该蚀刻工艺不仅成本低，而且无污染，可以进一步减少蚀刻产物残留。
该方法制造的超声波指纹传感器灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本和改善工艺兼容性。
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示出根据本发明实施例的超声波指纹传感器制造方法的流程图；
图2示出在图1所示的方法中形成超声波换能器的流程图；
图3a-3l示出根据本发明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4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。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出根据本发明实施例的超声波指纹传感器制造方法的流程图。该方法包括形成堆叠的CMOS电路和超声波换能器，CMOS电路的有源区与超声波换能器的压电叠层之间采用绝缘层彼此隔开。
在步骤S10中，在衬底上形成用于信号处理电路的CMOS电路。该 CMOS电路包括至少一个晶体管、布线层和层间介质层。所述晶体管包括在衬底中形成的源区和漏区、在衬底上形成的栅极电介质和栅极导体。所述层间介质层覆盖所述布线层。例如，所述布线层用于连接所述晶体管的源区和漏区至少之一，以及用于连接超声波换能器。
在步骤S20中，在CMOS电路上形成超声波换能器。该超声波换能器包括采用模板层、第一停止层、牺牲层和第二停止层形成的空腔，以及在第二停止层上形成的压电叠层。压电叠层例如包括压电层以及位于其相对表面上的第一电极和第二电极。CMOS电路的有源区与超声波换能器的压电叠层之间采用绝缘层彼此隔开。
该超声波指纹传感器例如还包括从分别从压电层到达布线层的第一通孔和第二通孔，以及至少一部分在第一通孔中延伸的第一导电通道和至少一部分在第二通孔中延伸的第二导电通道。超声波换能器的第一电极和第二电极分别经由第一导电通道和第二导电通道与CMOS电路中的晶体管相连接。
在该方法中，在同一个管芯中形成堆叠的CMOS电路和超声波换能器，因而无需采用共晶键合连接不同的管芯，因而降低了制造成本和提高了成品率。在同一个管芯中，CMOS电路与超声波换能器彼此电连接，该CMOS电路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，因而可以提高读取速度。
图2示出在图1所示的方法中形成超声波换能器的流程图。以下描述图1所示的步骤S20中的各个步骤。
在步骤S201中，形成模板层。
在步骤S202中，在模板层中形成第一开口。
在步骤S203中，在所述模板层上形成第一停止层，所述第一停止层共形地覆盖所述模板层。
在步骤S204中，在所述第一停止层上形成牺牲层，所述牺牲层填充所述第一开口。
在步骤S205中，在所述第一停止层和所述牺牲层上形成第二停止层，所述第二停止层覆盖所述牺牲层。
在步骤S206中，在所述第二停止层上压电叠层，压电叠层例如包括压电层以及位于其一个表面上的第一电极。
在步骤S207中，形成压电叠层另一个表面上的第二电极，以及压电叠层与CMOS电路之间的电连接。
在步骤S208中，形成到达牺牲层的多个第二开口。
在步骤S209中，经由所述第二开口进行气相蚀刻，从而去除所述牺牲层形成空腔。所述第一停止层和所述第二停止层共同围绕所述空腔。
在步骤S210中，形成密封层以封闭所述第二开口。
在该方法中，依次形成模板层、第一停止层、牺牲层和第二停止层，然后，采用气相蚀刻去除牺牲层以形成空腔。
图3a-3l示出根据本发明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。以下结合图3a-3l详细描述图1和2所示的各个步骤。
在步骤S10中，形成用于信号处理电路的CMOS电路110。在图3a 中示出了该步骤之后的示意性结构。
该步骤形成用于信号处理电路的CMOS电路110。该CMOS电路例如包括至少一部分形成在衬底101中的多个晶体管，以及在所述多个晶体管上方依次堆叠第一层间介质层108、布线层112、第二层间介质层 109。作为示例，在图3a示出了仅仅一个P型晶体管和仅仅一个N型晶体管。在P型衬底101中形成N型阱区102。然后，在N型阱区102中形成P型晶体管的源/漏区103。在P型衬底101中形成N型晶体管的源 /漏区104。在P型衬底101和N型阱区102上形成依次堆叠的栅极电介质105和栅极导体106。在P型晶体管中，栅极导体106与N型阱区102 之间由栅极电介质105隔开，栅极导体106在相邻的源/漏区之间横向延伸，使得N型阱区102位于栅极导体106下方的一部分作为沟道区。在 N型晶体管中，栅极导体106与P型衬底101之间由栅极电介质105隔开，栅极导体106在相邻的源/漏区之间横向延伸，使得P型衬底101位于栅极导体106下方的一部分作为沟道区。P型晶体管的源/漏区103和 N型晶体管的源/漏区104以及栅极导体106可以经由导电通道111与布线层112电连接。
在替代的实施例中，CMOS电路110中的晶体管不限于两个，而是可以包括至少一个晶体管，CMOS电路110中的层间介质层不仅于两个，而是可以包括至少一个层间介质层，CMOS电路110中的布线层不限于一个，而是可以包括多个布线层。
用于形成CMOS电路110的工艺是已知的，在此不再详述。
在步骤S20中，在CMOS电路110上形成超声波换能器120。在图 3b-3l中示出了步骤S20的更详细步骤S201至S210。
在步骤S201中，例如通过沉积，在第二层间介质层109上形成模板层121。模板层121例如由选自非晶硅、氧化硅和氮化硅任一种的材料组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。模板层121的厚度例如约为0.2微米至5微米。
在步骤S202中，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，将模板层121图案化，从而在模板层121中形成到达第二层间介质层109的开口151，如图3b所示。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。
第二层间介质层109和模板层121由不同的材料组成，例如，第二层间介质层109由氧化硅组成，模板层121由非晶硅组成，从而在所述模板层中形成开口151的工艺中，第二层间介质层109可以作为蚀刻第一停止层。开口151暴露第二层间介质层109的一部分表面。
在步骤S203中，例如通过沉积，在第二层间介质层109和模板层 121上形成共形的第一停止层122。经由光刻胶掩模进行蚀刻，将第一停止层122图案化，从而在第一停止层122中形成到达第二层间介质层109 的开口152，如图3c所示。第一停止层122由耐蚀材料组成，例如由选自钽或金的金属材料或选自氮化铝、氧化铝和非晶硅的非金属材料组成。第一停止层122的厚度例如为0.1微米至1微米。由于第一停止层122 与表面的形状一致，因此在形成第一停止层122之后，该第一停止层122 仍然围绕开口151。在该工艺中，第一停止层122的表面形状与模板层 121的表面形状一致，从而在第一停止层122中保留开口151，因而模板层121用于限定第一停止层122的图案。
在步骤S204中，例如通过沉积，在第一停止层122上形成牺牲层123，如图3d所示。牺牲层123例如由氧化硅组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。牺牲层123的厚度例如为1微米至5微米，从而可以填充第一停止层122中的开口151和152。采用化学机械平面化(CMP)平整去除牺牲层123的一部分，使得仅仅牺牲层 123位于开口151和152内部的部分保留，并且获得平整的结构表面。
在步骤S205中，例如通过沉积，在第一停止层122和牺牲层123 上形成第二停止层124，如图3e所示。第二停止层124由耐蚀材料组成，例如由选自钽或金的金属材料或选自氮化铝、氧化铝和非晶硅的非金属材料组成。第二停止层124的厚度例如为0.2微米至0.3微米。
在步骤S206中，例如通过沉积，在第二停止层124上依次形成第一电极126和压电层128，如图3f所示。用于形成压电层128的工艺例如是反应溅射沉积，用于形成第一电极126的工艺例如是常规离子溅射。第一电极126例如由Mo组成，厚度约为0.2微米至1微米。压电层128 例如由氮化铝组成，厚度约为0.5微米至2微米。
优选地，如果压电层128由氮化铝组成，在形成第一电极126之前，例如通过沉积，在第二停止层124上形成种子层125。用于形成种子层 125的工艺例如是反应溅射。种子层125例如由氮化铝组成，厚度约为 0.1微米至0.5微米。
在替代的实施例中，压电层128由选自氮化铝、偏聚氟乙烯(PVDF)、偏聚氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷、铌酸锂(LiNbO3)压电陶瓷中的任意一种组成。
在步骤S207中，形成压电叠层与CMOS电路之间的电连接，如图 3g至3i所示。
如图3g所示，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，形成从压电层128 的上表面到达布线层112的通孔153和154，以及到达第一电极126的通孔155。该通孔153和154从上至下依次穿过压电层128、第一电极 126、种子层125、第二停止层124、牺牲层123和第二层间介质层109。该通孔155穿过压电层128。在形成通孔153和154时，利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在布线层112的表面停止。在形成通孔155时，利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在第一电极126的表面停止。
进一步地，如图3h所示，例如通过沉积，在压电层128的表面以及通孔153和154中形成共形的绝缘层。然后，采用各向异性的干法蚀刻去除绝缘层位于压电层128的表面的部分，以及位于通孔153和154的底部的部分。使得绝缘层覆盖通孔153和154的内壁，并且在通孔153 和154附近的压电层128的表面横向延伸一部分，从而形成绝缘衬里 127，使得通孔中将形成的导电通道与压电层128和第一电极126之间隔离。
进一步地，如图3i所示，形成与压电层128的上表面接触的第二电极129，以及形成与第一电极126连接的第一导电通道131，以及与第二电极129连接的第二导电通道132。第一导电通道131和第二导电通道 132彼此隔开。该步骤可以采用同一个导电层形成第二电极129、第一导电通道131和第二导电通道132。例如，通过沉积导电材料形成填充通孔的导电层，该导电层不仅填充到从压电层到达CMOS电路的通孔153 和154，而且填充穿过压电层128的通孔155。采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将导电层图案化成第二电极129、第一导电通道131和第二导电通道132。第二导电通道132与第二电极129彼此连接。第二电极129、第一导电通道131和第二导电通道132由任意导体材料组成，例如，选自Au、Ag和Al之一的金属。
替代地，图案化导电层的步骤可以采用剥离(Lift-off)工艺，其中，在形成导电层之前，采用光刻工艺形成光刻胶掩模，在形成导电层之后，在去除光刻胶掩模的同时去除导电层的部分，从而将导电层图案化。
第一导电通道131经由穿过压电层128的通孔155连接至位于压电层128下方的第一电极126，以及经由先前形成的通孔153连接至布线层112。第二导电通道132连接至第二电极129，以及经由先前形成的通孔154连接至布线层112。进一步地，布线层112可以连接至CMOS电路110的有源区。在该实施例中，超声波换能器中的压电层128的两个相对表面上的第一电极126和第二电极129，分别利用第一导电通道131 和第二导电通道132连接至位于超声波换能器下方的CMOS电路110。
在步骤S208中，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，形成到达牺牲层123的多个开口156，如图3j所示。开口156从上至下依次穿过压电层128、第一电极126和种子层125。开口156的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。该开口156将作为蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。
在步骤S209中，经由开口156进一步蚀刻牺牲层123，如图3k所示。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在第二停止层124和第一停止层122 的表面停止，从而可以去除牺牲层123，在第一停止层122中形成空腔 157。开口156与空腔157彼此连通。
优选地，采用不同的蚀刻工艺形成开口156和空腔157。例如，在开口156时采用湿法蚀刻工艺，在形成空腔157时采用气相蚀刻工艺。优选地，牺牲层123由氧化硅组成，第一停止层122和第二停止层124 由非晶硅组成，则在形成空腔157时采用的蚀刻剂是气体HF。
该气相蚀刻中的化学反应为：SiO2+HF＝SiF4+H2O。蚀刻产物是SiF4和水，二者均为气态，容易从腔体中排出。
即使开口156的尺寸很小，蚀刻剂也可以经由开口156到达牺牲层 123，蚀刻产物也可以经由开口156排出。因此，开口156的尺寸基本上没有受到蚀刻工艺的限制。由于各向同性的蚀刻特性，可以经由开口156 形成大尺寸的空腔157。
在步骤S210中，例如通过涂覆绝缘膜形成密封层133。在该实施例中，可以采用任何绝缘材料形成密封层，例如采用真空涂覆的聚对二甲苯(parylene)膜或聚酰亚胺膜。在替代的实施例中，密封层133例如由选自氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硅中的一种组成。密封层133位于压电层128和第二电极133上方，封闭开口156，使得空腔157也是封闭的。
优选地，根据密封层133的涂覆特性选择开口155的尺寸，使得密封层133在开口155的上方可以连续延伸。在该实施例中，开口155的直径约为0.1微米至0.8微米，使得密封层133可以封闭开口155，而非进入空腔157的内部。根据超声波换能器的声学特性选择密封层133的厚度。在该实施例中，密封层133的厚度例如为0.2微米至2微米。
在该实施例的方法中，在形成CMOS电路和压电叠层之后才形成空腔，在整个制造过程的中间阶段可以维持MEMS结构的机械强度，不会由于形成空腔之后的后续加工导致结构损坏，从而提高产品良率和可靠性。在形成空腔之后，采用密封层封闭蚀刻剂进入的开口，以实现导电通道和电极与外部电子元件之间的隔离，以及空腔与外部环境之间的隔离，进一步提高产品的工作稳定性和可靠性。与制造工艺的中间阶段形成的密封层不同，在最后阶段形成的密封层仅仅用于电绝缘和封闭开口，无需兼具为压电叠层提供机械支撑的作用，从而可以使用涂覆层，降低制造成本。
进一步地，采用气相蚀刻牺牲层以形成空腔，不仅可以降低空腔形成的难度，而且可以更加准确地限定空腔的尺寸。与湿法蚀刻相比，该气相蚀刻工艺避免了溶液的浸没，兼具干法、湿法工艺的双重优点。气相蚀刻可以避免湿气或蚀刻产物残留于空腔中，进一步改善超声波换能器的声学性能。该方法制造的超声波指纹传感器灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本。在优选的实施例中，采用气体HF作为蚀刻剂。与采用XeF2作为蚀刻剂的常规技术相比，该蚀刻工艺不仅成本低，而且无污染，可以进一步减少蚀刻产物残留。
进一步地，根据超声波换能器的设计参数确定最终形成的空腔的形状和尺寸。通过控制模板层的厚度，可以精确地控制空腔的纵向尺寸。在图案化模板层时，可以利用掩模精确地控制空腔的横向尺寸。该模板层的材料可以选择与第一绝缘层耐蚀性不同的任何材料，例如金属，从而可以减小应力，以及避免多余的应力对随后形成的压电层的不利影响，维持超声波指纹传感器的参数一致性。
图4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CMOS电路210和超声波换能器220。优选地，超声波换能器220包括多个超声波换能器单元240组成的M×N阵列，其中，M和N分别为自然数。多个CMOS电路210组成信号处理电路，超声波换能器单元240堆叠在CMOS电路210上方。
在超声波产生阶段，信号处理电路提供脉冲电信号，使超声波换能器220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、凹图形导致超声波换能器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。信号处理电路根据电信号处理超声波换能器220反馈的超声信号，读取形成的指纹信号。
在图4中仅仅示出超声波换能器220中的多个超声波换能器单元 240组成的阵列。该超声波换能器单元240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“↓”符号表示。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，返回超声波换能器内部，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。在超声波换能器后续应用方面，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 (35)
1.一种制造超声波指纹传感器的方法，包括：
形成CMOS电路；以及
在所述CMOS电路上形成超声波换能器，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，
其中，形成超声波换能器的步骤包括：
形成模板层；
在所述模板层中形成第一开口；
在所述模板层上形成第一停止层，所述第一停止层共形地覆盖所述模板层；
在所述第一停止层上形成牺牲层，所述牺牲层填充所述第一开口；
在所述第一停止层和所述牺牲层上形成第二停止层，所述第二停止层覆盖所述牺牲层；
在所述第二停止层上形成压电叠层；
形成穿过所述压电叠层到达所述牺牲层的至少一个第二开口；以及
经由所述至少一个第二开口去除所述牺牲层形成空腔，
其中，所述第一停止层和所述第二停止层共同围绕所述空腔。
2.根据权利要求1所述的方法，在形成空腔之后，还包括：
在所述压电叠层上采用涂覆法形成密封层，以封闭所述至少一个第二开口。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述密封层由选自聚对二甲苯、聚酰亚胺、氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硅中的任一种组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，形成CMOS电路的步骤包括：
在衬底上形成至少一个晶体管；以及
在所述至少一个晶体管上形成布线层和层间介质层，
其中，所述层间介质层覆盖所述布线层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，形成压电叠层的步骤包括：
在所述第二停止层上形成第一电极；
在所述第一电极上形成压电层；以及
在所述压电层上形成第二电极，
其中，所述第一电极和所述第二电极分别接触所述压电层的下表面和上表面。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，形成所述压电叠层与所述CMOS电路之间的电连接的步骤包括：
形成分别从所述第一电极和所述第二电极延伸至所述布线层的第一导电通道和第二导电通道。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一导电通道从所述压电层的上表面穿过所述压电层到达所述第一电极。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，形成所述第一导电通道和所述第二导电通道的步骤包括：
在形成所述压电层之后，形成从所述压电层上表面到达所述布线层的第一通孔和第二通孔；
在所述第一通孔和所述第二通孔的侧壁上形成绝缘衬里；
在所述压电层表面形成导电层，使得所述导电层填充所述第一通孔和所述第二通孔；以及
将所述导电层图案化形成所述第一导电通道和所述第二导电通道。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一电极经由穿过所述压电层的第三通孔与所述第一导电通道彼此连接，所述第二电极由所述导电层图案化形成，并且与所述第二导电通道彼此连接。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述CMOS电路包括至少一个晶体管，所述压电层经由所述第一电极、所述第二电极、所述第一导电通道、所述第二导电通道和所述布线层连接至所述至少一个晶体管。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述压电层由选自氮化铝、偏聚氟乙烯、偏聚氟乙烯-三氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂压电陶瓷中的任意一种组成。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在形成所述第二停止层的步骤和形成所述第一的步骤之间，还包括：在所述第二停止层上形成种子层，其中，所述压电层和所述种子层分别为氮化铝。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个第二开口的横向尺寸为0.1微米至0.8微米。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述牺牲层由氧化硅组成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成空腔的步骤包括采用气相蚀刻，其中采用的蚀刻气体为HF。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一停止层和所述第二停止层分别由耐蚀材料组成。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述耐蚀材料包括选自钽、金、氮化铝、氧化铝和非晶硅中的任意一种。
18.一种超声波指纹传感器，包括：
CMOS电路；以及
至少一个超声波换能器，
其中，所述CMOS电路与所述至少一个超声波换能器连接，用于驱动所述至少一个超声波换能器和处理所述至少一个超声波换能器产生的检测信号，
其中，所述至少一个超声波换能器包括：
模板层，所述模板层包括第一开口；
位于所述模板层上的第一停止层，所述第一停止层共形地覆盖所述模板层，从而形成与所述第一开口对应的空腔；
位于所述第一停止层上的第二停止层；
位于所述第二停止层上的压电叠层；以及
穿过所述压电叠层到达所述空腔的至少一个第二开口，
其中，所述第一停止层和所述第二停止层共同围绕所述空腔。
19.根据权利要求18所述的超声波指纹传感器，还包括：位于所述压电叠层上的密封层，用于封闭所述至少一个第二开口。
20.根据权利要求18所述的超声波指纹传感器，其中，所述密封层由选自聚对二甲苯、聚酰亚胺、氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硅中的任一种组成。
21.根据权利要求18所述的超声波指纹传感器，其中，所述压电叠层包括：堆叠的第一电极、压电层和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极分别接触所述压电层的下表面和上表面。
22.根据权利要求21所述的超声波指纹传感器，其中，所述压电层由选自氮化铝、偏聚氟乙烯、偏聚氟乙烯-三氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂压电陶瓷中的任意一种组成。
23.根据权利要求22所述的超声波指纹传感器，还包括：
位于所述第二停止层和第一电极之间的种子层，
其中，所述压电层和所述种子层分别为氮化铝。
24.根据权利要求18所述的超声波指纹传感器，其中，所述至少一个第二开口的横向尺寸为0.1微米至0.8微米。
25.根据权利要求18所述的超声波指纹传感器，其中，所述模板层由选自金属、半导体、非晶硅、氧化硅和氮化硅任一种的材料组成。
26.根据权利要求18所述的超声波指纹传感器，其中，所述第一停止层和所述第二停止层分别由耐蚀材料组成。
27.根据权利要求26所述的超声波指纹传感器，其中，所述耐蚀材料包括选自钽、金、氮化铝、氧化铝和非晶硅中的任意一种。
28.根据权利要求21所述的超声波指纹传感器，还包括：
将所述第一电极与所述CMOS电路电连接的第一导电通道；以及
将所述第二电极与所述CMOS电路电连接的第二导电通道。
29.根据权利要求28所述的超声波指纹传感器，其中，所述第一导电通道从所述压电层的上表面穿过所述压电层到达所述第一电极。
30.根据权利要求28所述的超声波指纹传感器，其中，所述第二电极与所述第二导电通道由相同的导电层图案化形成且彼此连接。
31.根据权利要求21所述的超声波指纹传感器，其中，所述CMOS电路包括衬底和在衬底上形成的至少一个晶体管。
32.根据权利要求31所述的超声波指纹传感器，其中，所述CMOS电路还包括位于所述至少一个晶体管上的布线层和层间介质层，所述层间介质层覆盖所述布线层。
33.根据权利要求32所述的超声波指纹传感器，其中，所述压电层经由所述第一电极、所述第二电极、所述第一导电通道、所述第二导电通道和所述布线层连接至所述至少一个晶体管。
34.根据权利要求33所述的超声波指纹传感器，其中，所述至少一个超声波换能器还包括：
从所述压电层上表面到达所述布线层的第一通孔和第二通孔；以及
位于所述第一通孔和所述第二通孔的侧壁上的绝缘衬里，
其中，所述第一导电通道和所述第二导电通道分别经由所述第一通孔和所述第二通孔延伸至所述布线层。
35.根据权利要求18所述的超声波指纹传感器，其中，所述至少一个超声波换能器形成阵列。
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