CN117213616B - 一种应力释放结构的压电水听器单元 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，具体为一种应力释放结构的压电水听器单元，其包括SOI晶圆基底以及下电极薄膜、压电层和上电极薄膜，SOI晶圆基底包括衬底层、埋氧层和器件层，衬底层刻蚀有圆柱形背腔，下电极薄膜、压电层和上电极薄膜均刻蚀为圆形结构，圆形结构的侧壁上沿上下方向刻蚀有四个扇环体凹槽，扇环体凹槽从压电层上表面向下刻蚀至埋氧层上表面，四个扇环体凹槽沿圆形结构的周向均布。设置扇环体凹槽可将夹紧型边界条件变为简单支撑型边界条件，压电层的振型状态从类似高斯型变为类似活塞型，三明治结构的薄膜振动幅值增大，应力释放结构可释放薄膜结构层上的应力，提高水听器的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种应力释放结构的压电水听器单元。
背景技术
目前，应用较为广泛的MEMS水听器按工作原理可分为压阻式和压电式。压阻式水听器发展时间长，在结构设计和制备技术上已经相当成熟，但是由于压阻式水听器传感原理的限制，频率响应相比于压电式水听器较低，使得在相同测量频段其灵敏度低于压电式水听器，直接影响器件在复杂海洋环境噪声中的适应性，造成后期信号处理时强度较低的有效声波信号提取困难。同时，压阻式MEMS水听器工作时需要外接电源，容易引入较高的电气噪声，从而导致噪声等效声压的产生，降低信噪比，会使在水听器应用中噪声声压淹没有用的微弱声波信号。
压电水听器则是一种无源器件，不仅简化了后端信号处理电路结构，引入了较低的噪声，并且具有较高的灵敏度。压电水听器的功能层是压电材料，比较有代表性的压电材料有锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）、氧化锌（ZnO）和氮化铝（AlN）。其中，压电陶瓷水听器是目前主流的压电水听器，研究时间长，工艺较为成熟，其稳定性和可靠性较高，但由于受制于加工技术，存在水听器体积大、制造成本较高、一致性较差、不易组阵等问题。另外，传统压电陶瓷不仅对声音敏感，同时也对振动、温度等信号敏感而易造成信号干扰，需要复杂的隔离装置来屏蔽。
近年来，基于氮化铝AlN的MEMS水听器吸引了人们越来越多的关注，主要是取决于AlN材料的突出优势，即半导体批量制造工艺的兼容性，成本相比压电陶瓷水听器显著降低，同时成品率与一致性大幅提高，使其拥有极高的性价比，对于海洋勘探、航道监测、管网监测、水下导航等大规模领域具有重要意义。此外AlN材料还具有检测信号频带宽、集成度高和耐高温高压等优点，可实现对MEMS水听器高灵敏度、高信噪比与甚低频信号检测的性能需求。但目前压电水听器的结构通常会导致产生残余应力，残余应力的存在会降低水听器的各项性能指标，从而影响水听器的最佳性能。
发明内容
为克服目前压电水听器的结构通常会导致产生较大的残余应力的技术缺陷，本发明提供了一种应力释放结构的压电水听器单元。
本发明提供了一种应力释放结构的压电水听器单元，包括SOI晶圆基底以及从下至上依次沉积在SOI晶圆基底上表面的下电极薄膜、压电层和上电极薄膜，SOI晶圆基底从下至上依次包括衬底层、埋氧层和器件层，衬底层的中部刻蚀有圆柱形背腔，圆柱形背腔从衬底层的下表面延伸至衬底层的上表面，下电极薄膜、压电层和上电极薄膜均刻蚀为与圆柱形背腔同轴的圆形结构，其中下电极薄膜和压电层的直径与圆柱形背腔的直径相等，上电极薄膜的直径为压电层直径的0.7倍，圆形结构的侧壁上沿上下方向刻蚀有四个大小相等的扇环体凹槽，扇环体凹槽从压电层上表面向下刻蚀至埋氧层的上表面，四个扇环体凹槽沿圆形结构的周向均匀分布。
因为当压电层受到声压激励产生形变时，在压电层薄膜的中心和边缘会产生极性相反的感应电荷，正电荷和负电荷之间的边界约在压电层薄膜半径的70%处，当上电极薄膜的半径超过这个范围时，极性相反的电荷会发生中和反应，正负电荷互相抵消，导致输出电压降低；当上电极薄膜覆盖范围较小时，提取电荷量较小，也会导致输出电压降低。因此，取上电极薄膜的半径为压电层薄膜半径的70%时，既不会发生正负电荷互相抵消的现象，可以保证提取到的感应电荷量最大。
扇环体凹槽可以保证压电层、上电极薄膜和下电极薄膜组成的敏感结构能够充分振动，提高器件的各项性能指标。扇环体凹槽位于圆形结构的侧壁上，数量为4个且结构大小相同，扇环体凹槽俯视图的形状为扇环状，扇环体凹槽的深度为压电层、下电极薄膜和器件层的厚度之和。扇环体凹槽将器件层也刻穿，可将压电水听器的边界条件由夹紧型边界条件变为简单支撑型边界条件。当压电水听器的边界条件为特殊的简单支撑边界条件时，水听器圆形压电层的振型状态从类似高斯型变为类似活塞型，压电层振动幅值将增大，进而压电层的振动有效面积增大，发生在压电层中心的最大位移幅度也将增大。同时，扇环体凹槽可以释放薄膜结构层上的应力，降低其对残余应力的敏感度，提高水听器的综合性能。
上电极薄膜、压电层和下电极薄膜组成三明治结构，在该三明治结构的周向上均匀布置扇环体凹槽后形成应力释放结构，因此本申请压电水听器在接收到声波信号时，背腔上方的敏感结构会产生形变，由于压电层薄膜的压电效应，压电层薄膜表面会产生极化电荷，从而在上电极薄膜和下电极薄膜上产生电荷相反的电荷信号，同一水听器器件中包含一个或者多个按阵列分布的水听器单元，所有水听器单元的上电极薄膜之间相互连通并连接有上电极金属焊盘，所有水听器单元的下电极薄膜之间相互连通并连接有下电极金属焊盘，则水听器单元产生的电荷信号通过上电极金属焊盘和下电极金属焊盘引出到外部的信号检测电路来检测声波信号。本申请中涉及的扇环体凹槽能释放水听器制作过程中薄膜结构层上的残余应力，降低水听器对残余应力的敏感度，提高压电水听器的综合性能。
优选的，扇环体凹槽对应的圆心角为15°~21°，扇环体凹槽的母线长度为10 um。这是根据仿真所确定的最佳参数，这样设置既不会造成制造过程中薄膜塌陷，也能使得薄膜应力得到较好的释放。
优选的，SOI晶圆基底的尺寸为4寸、6寸、8寸或12寸。
优选的，下电极薄膜和上电极薄膜的厚度相等，均为200nm。该厚度是仿真单个水听器单元时仿真出的最优厚度，如果电极层太厚，这个三明治结构的振幅将会减小。同时也考虑到工艺制备的情况，如果太薄可能会沉积的不全面不均匀。因此，该厚度选择合理。
优选的，上电极薄膜和下电极薄膜的材质为具备欧姆接触并可导电的金属。上电极薄膜和下电极薄膜的材质具体可选择为钼、铝、金等，这些金属材料的导电性比半导体好。
优选的，压电层由AlN制成，器件层和衬底层为Si薄膜，埋氧层为SiO2薄膜。AlN材质制备的压电层具有声阻抗低，声学耦合高、耐高温高压、检测频带宽和化学性质稳定等优点。埋氧层选择SiO2材质的目的是背腔刻蚀的时候，不同材料的刻蚀速率比不一样，Si材料刻蚀的速率比SiO2快，这样SiO2薄膜作为刻蚀的停止层比较合理。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明的水听器压电层材料为AlN，AlN薄膜相对于其他压电薄膜有更低的声学阻抗，且AlN材料无毒，可与CMOS工艺兼容，成本相比压电陶瓷水听器显著降低，同时成品率与一致性大幅提高，使其拥有极高的性价比；而且AlN材料具有检测信号频带宽、集成度高和耐高温高压等优点，可实现对MEMS水听器高灵敏度、高信噪比与甚低频信号检测的性能需求；本发明的压电水听器设置一定长度、一定宽度、一定深度的扇环体凹槽，可以将夹紧型边界条件变为简单支撑型边界条件，当压电水听器的边界条件为特殊的简单支撑边界条件时，水听器圆形压电层的振型状态从类似高斯型变为类似活塞型，三明治结构的薄膜振动幅值将增大，进而有效振动面积增大，发生在薄膜中心的最大位移幅度也将增大，同时该应力释放结构可以释放薄膜结构层上的应力，降低其对残余应力的敏感度，提高水听器的综合性能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明某实施例中所述一种应力释放结构的压电水听器单元的三维结构示意图；
图2为本发明某实施例中所述一种应力释放结构的压电水听器单元的俯视图；
图3为图1的半剖视图；
图4为图3的右视图；
图5为图1的旋转剖视图；
图6为本发明某实施例中所述压电水听器序列的结构示意图；
图7为本发明某实施例中所述压电水听器序列的MEMS工艺制作流程图。
图中：1、衬底层；2、圆柱形背腔；3、埋氧层；4、器件层；5、扇环体凹槽；6、下电极薄膜；7、压电层；8、上电极薄膜；9、上电极金属焊盘；10、下电极金属焊盘。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图1至图7对本发明的具体实施例进行详细说明。
在一个实施例中，如图1至图5所示，一种应力释放结构的压电水听器单元，包括SOI晶圆基底以及从下至上依次沉积在SOI晶圆基底上表面的下电极薄膜6、压电层7和上电极薄膜8，SOI晶圆基底从下至上依次包括衬底层1、埋氧层3和器件层4，衬底层1的中部刻蚀有圆柱形背腔2，圆柱形背腔2从衬底层1的下表面延伸至衬底层1的上表面，下电极薄膜6、压电层7和上电极薄膜8均刻蚀为与圆柱形背腔2同轴的圆形结构，其中下电极薄膜6和压电层7的直径与圆柱形背腔2的直径相等，上电极薄膜8的直径为压电层7直径的0.7倍，圆形结构的侧壁上沿上下方向刻蚀有四个大小相等的扇环体凹槽5，扇环体凹槽5从压电层7上表面向下刻蚀至埋氧层3的上表面，四个扇环体凹槽5沿圆形结构的周向均匀分布。
因为当压电层7受到声压激励产生形变时，在压电层7薄膜的中心和边缘会产生极性相反的感应电荷，正电荷和负电荷之间的边界约在压电层7薄膜半径的70%处，当上电极薄膜8的半径超过这个范围时，极性相反的电荷会发生中和反应，正负电荷互相抵消，导致输出电压降低；当上电极薄膜8覆盖范围较小时，提取电荷量较小，也会导致输出电压降低。因此，取上电极薄膜8的半径为压电层7薄膜半径的70%时，既不会发生正负电荷互相抵消的现象，可以保证提取到的感应电荷量最大。
扇环体凹槽5可以保证压电层7、上电极薄膜8和下电极薄膜6组成的敏感结构能够充分振动，提高器件的各项性能指标。扇环体凹槽5位于圆形结构的侧壁上，数量为4个且结构大小相同，扇环体凹槽5俯视图的形状为扇环状，扇环体凹槽5的深度为压电层7、下电极薄膜6和器件层4的厚度之和。扇环体凹槽5将器件层4也刻穿，可将压电水听器的边界条件由夹紧型边界条件变为简单支撑型边界条件。当压电水听器的边界条件为特殊的简单支撑边界条件时，水听器圆形压电层7的振型状态从类似高斯型变为类似活塞型，压电层7振动幅值将增大，进而压电层7的振动有效面积增大，发生在压电层7中心的最大位移幅度也将增大。同时，扇环体凹槽5可以释放薄膜结构层上的应力，降低其对残余应力的敏感度，提高水听器的综合性能。
上电极薄膜8、压电层7和下电极薄膜6组成三明治结构，在该三明治结构的周向上均匀布置扇环体凹槽5后形成应力释放结构，因此本申请的压电水听器在接收到声波信号时，背腔2上方的敏感结构会产生形变，由于压电层7薄膜的压电效应，压电层7薄膜表面会产生极化电荷，从而在上电极薄膜8和下电极薄膜6上产生电荷相反的电荷信号，同一水听器器件中包含一个或者多个按阵列分布的水听器单元，所有水听器单元的上电极薄膜8之间相互连通并连接有上电极金属焊盘9，所有水听器单元的下电极薄膜之间相互连通并连接有下电极金属焊盘10，则水听器单元产生的电荷信号通过上电极金属焊盘9和下电极金属焊盘10引出到外部的信号检测电路来检测声波信号。本申请中涉及的扇环体凹槽5能释放水听器制作过程中薄膜结构层上的残余应力，降低水听器对残余应力的敏感度，提高压电水听器的综合性能。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，扇环体凹槽5对应的圆心角为15°~21°，扇环体凹槽5的母线长度为10 um。这是根据仿真所确定的最佳参数，这样设置既不会造成制造过程中薄膜塌陷，也能使得薄膜应力得到较好的释放。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，SOI晶圆基底的尺寸为4寸、6寸、8寸或12寸。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，下电极薄膜6和上电极薄膜8的厚度相等，均为200nm。该厚度是仿真单个水听器单元时仿真出的最优厚度，如果电极层太厚，这个三明治结构的振幅将会减小。同时也考虑到工艺制备的情况，如果太薄可能会沉积的不全面不均匀。因此，该厚度选择合理。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，上电极薄膜8和下电极薄膜6的材质为具备欧姆接触并可导电的金属。上电极薄膜8和下电极薄膜6的材质具体可选择为钼、铝、金等。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，压电层7由AlN制成，器件层4和衬底层1为Si薄膜，埋氧层3为SiO2薄膜。AlN材质制备的压电层7具有声阻抗低，声学耦合高、耐高温高压、检测频带宽和化学性质稳定等优点。埋氧层选择SiO2的目的是背腔刻蚀的时候，不同材料的刻蚀速率比不一样，Si材料刻蚀的速率比SiO2快，这样SiO2薄膜作为刻蚀的停止层比较合理。
具体在一个实施例中，如图6至图7所示，同一水听器器件中包含一个或者多个按阵列分布的水听器单元，所有水听器单元的上电极薄膜8之间相互连通并连接有上电极金属焊盘9，所有水听器单元的下电极薄膜之间相互连通并连接有下电极金属焊盘10，该水听器器件的制备方法为：
步骤一：SOI晶圆基底自上而下由衬底层1、埋氧层3、器件层4构成，由于埋氧层3可以作为圆柱形背腔2刻蚀时的截止层，则首先选取SOI晶圆基底；
步骤二：在SOI晶圆基底的器件层4的上表面依次沉积下电极薄膜6、压电层7薄膜和上电极薄膜8共三层薄膜，三层薄膜形成三明治结构；
步骤三：对步骤二生成的三明治结构进行纵向光刻并刻蚀；具体为在多个按阵列分布的水听器单元所在位置处，将对应的上电极薄膜8、压电层7和下电极薄膜6均按照需求进行图案化处理为圆形结构，相邻水听器单元的上电极薄膜8相连接并在水听器器件整体的顶部完成上电极金属焊盘9图形化；在每个水听器单元所在位置处的压电层7外壁上均匀刻蚀4个大小相等的扇环体凹槽5，扇环体凹槽5从压电层7上表面刻蚀到下电极薄膜6的上表面，四个扇环体凹槽5沿圆形结构的周向均匀分布，至此完成扇环体凹槽5结构图形化的第一步；相邻水听器单元的下电极薄膜6相连接并从水听器器件整体的压电层7向下刻蚀盲孔至露出下电极薄膜6层的上表面，至此完成下电极金属焊盘10图形化；
步骤四：对步骤三中生成的上电极金属焊盘9和下电极金属焊盘10的表面进行沉积金属电连接薄膜，并图形化制作打线PAD；
步骤五：在步骤三中完成的扇环体凹槽5图形化第一步的基础上，从下电极薄膜6的上表面向下继续刻蚀至埋氧层3的上表面，完成所有扇环体凹槽5的刻蚀；
步骤六：在每个水听器单元所在位置处对SOI晶圆基底底部的衬底层1进行刻蚀直至露出埋氧层3的下表面，得到水听器单元的背腔2，实现薄膜释放。
具体制作时，相邻水听器单元的上电极薄膜8相连时，确定好需要放置的上电极金属焊盘9、每个上电极薄膜8的大小和所在位置以及相邻水听器单元之间的连接线的位置，其中连接线与上电极薄膜8的材质相同；然后把这一整层中多余的材料刻蚀掉，刻蚀时相邻水听器单元的上电极薄膜8之间的连接线、水听器单元的上电极薄膜8与上电极金属焊盘9的连接线的那部分材料都不会被刻蚀掉；下电极金属焊盘10以及下电极薄膜6之间连线的制备过程也同理。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。
Claims (6)
1.一种应力释放结构的压电水听器单元，其特征在于，包括SOI晶圆基底以及从下至上依次沉积在SOI晶圆基底上表面的下电极薄膜（6）、压电层（7）和上电极薄膜（8），SOI晶圆基底从下至上依次包括衬底层（1）、埋氧层（3）和器件层（4），衬底层（1）的中部刻蚀有圆柱形背腔（2），圆柱形背腔（2）从衬底层（1）的下表面延伸至衬底层（1）的上表面，下电极薄膜（6）、压电层（7）和上电极薄膜（8）均刻蚀为与圆柱形背腔（2）同轴的圆形结构，其中下电极薄膜（6）和压电层（7）的直径与圆柱形背腔（2）的直径相等，上电极薄膜（8）的直径为压电层（7）直径的0.7倍，圆形结构的侧壁上沿上下方向刻蚀有四个大小相等的扇环体凹槽（5），扇环体凹槽（5）从压电层（7）上表面向下刻蚀至埋氧层（3）的上表面，四个扇环体凹槽（5）沿圆形结构的周向均匀分布。
2.根据权利要求1所述的一种应力释放结构的压电水听器单元，其特征在于，扇环体凹槽（5）对应的圆心角为15°~21°，扇环体凹槽（5）的母线长度为10 um。
3.根据权利要求2所述的一种应力释放结构的压电水听器单元，其特征在于， SOI晶圆基底的尺寸为4寸、6寸、8寸或12寸。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种应力释放结构的压电水听器单元，其特征在于，下电极薄膜（6）和上电极薄膜（8）的厚度相等，均为200nm。
5.根据权利要求4所述的一种应力释放结构的压电水听器单元，其特征在于，上电极薄膜（8）和下电极薄膜（6）的材质为具备欧姆接触并可导电的金属。
6.根据权利要求5所述的一种应力释放结构的压电水听器单元，其特征在于，压电层（7）由AlN制成，器件层（4）和衬底层（1）为Si薄膜，埋氧层（3）为SiO2薄膜。
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