CN207780806U - 封闭空腔结构和超声波指纹传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了封闭空腔结构和超声波指纹传感器。封闭空腔结构包括：位于支撑层上的模板层，所述模板层包括第一开口；位于所述模板层上的停止层，停止层共形地覆盖所述模板层，从而形成与第一开口对应的空腔；位于停止层上的至少一个掩模层；位于至少一个掩模层中的弯折的释放通道；以及位于至少一个掩模层上的密封层，其特征在于，停止层和所述至少一个掩模层共同围绕所述空腔，所述密封层封闭所述释放通道，从而形成封闭空腔。该封闭空腔结构采用弯折的释放通道形成空腔以及阻止密封层进入空腔中，从而提高半导体器件的良率、稳定性和可靠性。

Description

封闭空腔结构和超声波指纹传感器

技术领域

本实用新型涉及指纹传感器，更具体地，涉及封闭空腔结构和超声波指纹传感器。

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。超声波换能器包括位于压电叠层下方的空腔结构，用于改善声学性能。该空腔结构例如是封闭的，从而与外界环境隔绝以维持稳定性。然而，在空腔结构的制造过程，可能在空腔中残留不期望的气体。例如，在CMOS电路中存在多种绝缘介质层，这些绝缘介质层存在大量的可释放气体，如Ar、H2等。在空腔上方形成密封层的过程中，密封层也可能进入空腔的内部。在超声波指纹传感器的使用过程中，密封层逐渐释放气体。这些释放的气体将导致封闭空腔的声学性能偏离设计值和出现波动，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。

此外，封闭空腔结构还用于诸如表面声波元件、微机电系统(MEMS) 器件的半导体器件中，并且存在着类似的问题。期望进一步改进半导体器件中形成空腔结构的工艺以改善其性能。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供封闭空腔结构和超声波指纹传感器，其中，采用弯折的释放通道形成空腔以及阻止密封层进入空腔中，从而提高半导体器件的良率、稳定性和可靠性。

根据本实用新型的一方面，提供一种封闭空腔结构，包括：位于支撑层上的模板层，所述模板层包括第一开口；位于所述模板层上的停止层，所述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；位于所述停止层上的至少一个掩模层；位于所述至少一个掩模层中的弯折的释放通道；以及位于所述至少一个掩模层上的密封层，其中，所述停止层和所述至少一个掩模层共同围绕所述空腔，所述密封层封闭所述释放通道，从而形成封闭空腔。

优选地，所述至少一个掩模层包括堆叠的第一掩模层和第二掩模层。

优选地，所述释放通道包括：位于所述第一掩模层中的第二开口；以及位于所述第二掩模层中的第三开口，其中，所述第二开口与所述第三开口彼此横向偏离且连通。

优选地，所述释放通道还包括横向通道，将所述第二开口和所述第三开口彼此连通。

优选地，所述第二开口和所述第三开口的形状分别为选自圆形、椭圆形、方形、菱形、环形中的任意一种。

优选地，所述第二开口和所述横向通道分别为中心圆孔，所述第三开口为围绕所述中心圆孔的多个周边圆孔。

优选地，所述第三开口和所述横向通道分别为中心圆孔，所述第二开口为围绕所述中心圆孔的多个周边圆孔。

优选地，所述第二开口和所述第三开口的直径小于所述横向通道的直径。优选地，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层分别由氧化硅组成。

优选地，所述停止层、所述第一掩模层和所述第二掩模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，所述支撑层包括选自半导体衬底、绝缘层、金属层和芯片中的任意一种。

根据本实用新型的另一方面，提供的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：位于支撑层上的模板层，所述模板层包括第一开口；位于所述模板层上的停止层，所述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；位于所述停止层上的至少一个掩模层；位于所述至少一个掩模层中的弯折的释放通道；位于所述至少一个掩模层上的密封层；以及位于所述至少一个掩模层上的压电叠层，其中，所述停止层和所述至少一个掩模层共同围绕所述空腔，所述密封层封闭所述释放通道，从而形成封闭空腔。

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，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，所述至少一个掩模层包括堆叠的第一掩模层和第二掩模层。

优选地，所述释放通道包括：位于所述第一掩模层中的第二开口；以及位于所述第二掩模层中的第三开口，其中，所述第二开口与所述第三开口彼此横向偏离且连通。

优选地，所述释放通道还包括横向通道，将所述第二开口和所述第三开口彼此连通。

优选地，所述第二开口和所述第三开口的形状分别为选自圆形、椭圆形、方形、菱形、环形中的任意一种。

优选地，所述第二开口和所述横向通道分别为中心圆孔，所述第三开口为围绕所述中心圆孔的多个周边圆孔。

优选地，所述第三开口和所述横向通道分别为中心圆孔，所述第二开口为围绕所述中心圆孔的多个周边圆孔。

优选地，所述第二开口和所述第三开口的直径小于所述横向通道的直径。

优选地，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层分别由氧化硅组成。

优选地，所述停止层、所述第一掩模层和所述第二掩模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。

在该实施例的封闭空腔结构中，在形成空腔的步骤中采用弯折的释放通道。释放通道包括彼此横向偏离的第二开口和第三开口。密封层覆盖或填充第三开口，从而封闭空腔。在形成密封层的过程中，由于第一掩模层的阻挡作用，密封层的材料仅仅能到达第三开口的底部，而不能经由第二开口进入空腔的内部。该封闭空腔结构利用弯折的释放通道阻止密封层进入空腔中。

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，从而提高半导体器件的良率、稳定性和可靠性。

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。

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实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1a和1b分别示出根据本实用新型第一实施例的封闭空腔结构的截面图和俯视图；

图2至4和5a至9a分别示出根据第二实施例的封闭空腔结构制造方法的各个阶段的截面图，图5b至9b示出根据第二实施例的超声波指纹传感器制造方法的一部分阶段的俯视图；以及

图10示出根据本实用新型第三实施例的超声波指纹传感器的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。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。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，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实用新型。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实用新型。

本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1a和1b分别示出根据本实用新型第一实施例的封闭空腔结构的截面图和俯视图。该封闭空腔结构100包括支撑层110、模板层121、停止层122、第一掩模层124、第二掩模层125、密封层126。

支撑层110可以是单层基底或者多层半导体结构，例如是选自半导体衬底、绝缘层、金属层和芯片中的任意一种。如下文所述，在超声波指纹传感器中，支撑层110例如是CMOS电路的芯片。在形成芯片之后，进一步在芯片上方形成空腔结构和压电叠层。

模板层121位于支撑层110上方，其中形成有第一开口。该第一开口用于限定空腔，在第一开口底部暴露支撑层110的表面。模板层121 的厚度例如为0.2微米至5微米。模板层121可以由选自金属、半导体、非晶硅、氧化硅和氮化硅任意一种的材料组成。

停止层122共形地覆盖在模板层121的表面，以及第一开口的侧壁和底部。由于停止层122与模板层121的表面形状一致，因而模板层121 用于限定停止层122的图案，在停止层122中形成空腔155。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。停止层122的厚度例如为0.1微米至1微米。

第一掩模层124和第二掩模层125堆叠在停止层122的表面上，与停止层122一起围绕空腔155。第一掩模层124和第二掩模层125分别由耐蚀材料组成，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。第一掩模层124和第二掩模层125的厚度例如分别为0.2微米至2微米。

在第一掩模层124和第二掩模层125中形成弯折形状的释放通道。该释放通道例如包括第二开口152、第三开口153以及横向通道154。第二开口152贯穿第一掩模层124，第三开口153和横向通道154分别形成在第二掩模层125的上表面和下表面上。第二开口152和第三开口153 彼此横向偏离，且经由横向通道154彼此连通。在该实施例中，第三开口153和横向通道154分别为中心圆孔，第二开口152为围绕中心圆孔的多个周边圆孔，并且第二开口152和第三开口153的直径均小于横向通道154的直径。在一个替代的实施例中，第二开口152和横向通道154 分别为中心圆孔，第三开口153为围绕中心圆孔的多个周边圆孔，并且第二开口152和第三开口153的直径均小于横向通道154的直径。在另一替代的实施例中，第二开口152和第三开口153可以为任意形状的开口，例如圆形、椭圆形、方形、菱形、环形中的任意一种。

密封层126覆盖第二掩模层125的表面，并且至少封闭第三开口153，使得空腔155也是封闭的。在该实施例中，密封层126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。在替代的实施例中，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。根据超声波换能器的声学特性选择密封层126的厚度。在该实施例中，密封层126 的厚度例如为0.2微米至2微米。

在该实施例的封闭空腔结构中，释放通道包括彼此横向偏离的第二开口152和第三开口153。密封层126覆盖或填充第三开口152，从而封闭空腔155。在形成密封层126的过程中，由于第一掩模层124的阻挡作用，密封层126的材料仅仅能到达第三开口153的底部，而不能经由第二开口152进入空腔155的内部。该封闭空腔结构利用弯折的释放通道阻止密封层进入空腔中，从而提高半导体器件的良率、稳定性和可靠性。

图2至4和5a至9a分别示出根据第二实施例的封闭空腔结构制造方法的各个阶段的截面图，图5b至9b示出根据第二实施例的超声波指纹传感器制造方法的一部分阶段的俯视图。该方法用于制造图1a和1b 所示的封闭空腔结构。

该方法开始于支撑层110。通过沉积，在支撑层110上形成模板层 121，如图2所示。

支撑层110可以是单层基底或者多层半导体结构，例如是选自半导体衬底、绝缘层、金属层和芯片中的任意一种。如下文所述，在超声波指纹传感器中，支撑层110例如是CMOS电路的芯片。在形成芯片之后，进一步在芯片上方形成空腔结构和压电叠层。

模板层121例如由选自非晶硅、氧化硅和氮化硅任意一种的材料组成，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。

在该步骤中，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中形成到达支撑层110的第一开口151。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。

支撑层110和模板层121由不同的材料组成，例如，支撑层110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第一开口151的工艺中，支撑层110可以作为蚀刻停止层。第一开口151暴露支撑层110的一部分表面。

然后，例如通过沉积，在支撑层110和模板层121上形成共形的停止层122，如图3所示。

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，例如是采用反应溅射沉积形成的氮化铝层。停止层122的厚度例如为0.1微米至1微米。由于停止层122与表面的形状一致，因此在形成停止层122之后，该停止层122 仍然围绕第一开口151。在该工艺中，停止层122的表面形状与模板层 121的表面形状一致，从而在停止层122中保留第一开口151，因而模板层121用于限定停止层122的图案。

然后，例如通过沉积，在停止层122上形成第一牺牲层123，如图4 所示。

第一牺牲层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。第一牺牲层123的厚度大于模板层121的厚度，例如为1微米至10微米，从而可以填充停止层122中的第一开口 151。采用化学机械平面化(CMP)平整去除第一牺牲层123的一部分，使得仅仅第一牺牲层123位于第一开口151内部的部分保留，并且获得平整的结构表面。

然后，例如通过沉积，在停止层122和第一牺牲层123上形成第一掩模层124，如图5a和5b所示。

第一掩模层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，例如是采用反应溅射沉积形成的氮化铝层。第一掩模层124的厚度例如为0.2微米至2微米。

在该步骤中，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，将第一掩模层124图案化，从而在第一掩模层124中形成到达第一牺牲层123的第二开口152。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。

在该实施例中，第二开口152例如为在围绕中心分布的多个周边圆孔。

然后，例如通过沉积，在第一掩模层124上形成第二牺牲层141，如图6a和6b所示。

第二牺牲层141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。第二牺牲层141的厚度大于第一掩模层124 的厚度，例如为1微米至10微米，从而可以填充第一掩模层124中的第二开口152。采用上述的光刻和蚀刻方法，经由光刻胶掩模进行蚀刻，将第二牺牲层141图案化。第二牺牲层141的一部分保留，包括填充第二开口152的第一部分以及在第一掩模层124的表面横向延伸的第二部分。如下文所述，第二牺牲层141的第二部分将用于释放通道的横向通道。

然后，例如通过沉积，在第一掩模层124和第二牺牲层141上形成第二掩模层125，如图7a和7b所示。

第二掩模层125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，例如是采用反应溅射沉积形成的氮化铝层。第二掩模层125的厚度例如为0.2微米至2微米。

在该步骤中，采用包括涂胶、曝光和显影的光刻工艺，形成光刻胶掩模。采用上述的光刻和蚀刻方法，经由光刻胶掩模进行蚀刻，将第二掩模层125图案化，从而在第二掩模层125中形成到达第二牺牲层141 的第三开口153。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。

在该实施例中，第三开口153例如为在第二开口152的多个周边圆孔围绕的中心圆孔。

然后，依次经由第三开口153蚀刻第二牺牲层141以形成释放通道，以及经由释放通道蚀刻第一牺牲层123以形成空腔155，如图8a和8b 所示。

在该步骤中，在第一掩模层124和第二掩模层125中形成弯折形状的释放通道。该释放通道例如包括第二开口152、第三开口153以及横向通道154。第二开口152贯穿第一掩模层124，第三开口153和横向通道154分别形成在第二掩模层125的上表面和下表面上。第二开口152 和第三开口153彼此横向偏离，且经由横向通道154彼此连通。

在该实施例中，第一牺牲层123和第二牺牲层141由氧化硅组成，第一掩模层124、第二掩模层125和停止层122由氮化铝组成，可以采用同一个蚀刻步骤形成释放通道和空腔155。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在第一掩模层124、第二掩模层125和停止层122的表面停止，从而可以去除第一牺牲层123和第二牺牲层141，在停止层122中形成空腔155。例如，在形成空腔155时采用气相蚀刻工艺。优选地，在形成空腔155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。

即使第二开口152和第三开口153的尺寸很小，蚀刻剂也可以经由第二开口152和第三开口153到达第一牺牲层123，蚀刻产物也可以经由第二开口152和第三开口153排出。因此，第二开口152和第三开口 153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，可以经由第二开口152和第三开口153形成大尺寸的空腔155。

然后，例如通过沉积，在第二掩模层125上形成密封层126，如图 9a和9b所示。

密封层126覆盖第二掩模层125的表面，并且至少封闭第三开口153，使得空腔155也是封闭的。

在该实施例中，密封层126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，例如是采用反应溅射沉积形成的氮化铝层。在替代的实施例中，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。根据超声波换能器的声学特性选择密封层126的厚度。在该实施例中，密封层126的厚度例如为0.2微米至2微米。

图10示出根据本实用新型第三实施例的超声波指纹传感器的结构示意图。该超声波指纹传感器200包括形成堆叠的CMOS电路110和超声波换能器120，CMOS电路110的有源区与超声波换能器120的压电叠层之间采用绝缘层彼此隔开。

CMOS电路110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10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。

超声波换能器120例如包括堆叠的封闭空腔结构和压电叠层。封闭空腔结构如图1a和1b所示，在此不再详述。压电叠层包括堆叠的第一电极128、压电层129和第二电极133。用于形成压电层129的工艺例如是反应溅射沉积，用于形成第一电极128和第二电极133的工艺例如是常规离子溅射。第一电极128和第二电极133例如由Mo组成，厚度约为0.2微米至1微米。压电层129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129由氮化铝组成，在形成第一电极128之前，例如通过沉积，在第一掩模层124上形成种子层126。用于形成种子层 126的工艺例如是反应溅射。种子层126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129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。

超声波换能器120还包括与第一电极128连接的第一导电通道131，以及与第二电极133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。第二电极133、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。

第一导电通道131经由第一通孔连接至位于压电层129下方的第一电极128，以及经由第二通孔连接至布线层112。第二导电通道132连接至第二电极133，以及经由第三通孔连接至布线层112。第一通孔穿过压电层129，第二通孔和第三通孔从上至下依次穿过压电层129、第一电极 128、种子层126、第一掩模层124、第一牺牲层123和第二层间介质层 109，从而到达布线层112。优选地，在第二通孔和第三通孔中形成绝缘衬里127，使得通孔中形成的导电通道与压电层129和第一电极128之间隔离。

在该实施例的超声波指纹传感器中，在形成封闭空腔结构时采用弯折的释放通道。释放通道包括彼此横向偏离的第二开口和第三开口。密封层覆盖或填充第三开口，从而封闭空腔。在形成密封层126的过程中，由于第一掩模层的阻挡作用，密封层的材料仅仅能到达第三开口的底部，而不能经由第二开口进入空腔的内部。该封闭空腔结构利用弯折的释放通道阻止密封层进入空腔中，从而提高超声波指纹传感器的良率、稳定性和可靠性。

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。

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。

依照本实用新型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，也不限制该实用新型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实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (26)

1.一种封闭空腔结构，其特征在于，包括：

位于支撑层上的模板层，所述模板层包括第一开口；

位于所述模板层上的停止层，所述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；

位于所述停止层上的至少一个掩模层；

位于所述至少一个掩模层中的弯折的释放通道；以及

位于所述至少一个掩模层上的密封层，

其中，所述停止层和所述至少一个掩模层共同围绕所述空腔，所述密封层封闭所述释放通道，从而形成封闭空腔。

2.根据权利要求1所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述至少一个掩模层包括堆叠的第一掩模层和第二掩模层。

3.根据权利要求2所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述释放通道包括：

位于所述第一掩模层中的第二开口；以及

位于所述第二掩模层中的第三开口，

其中，所述第二开口与所述第三开口彼此横向偏离且连通。

4.根据权利要求3所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述释放通道还包括横向通道，将所述第二开口和所述第三开口彼此连通。

5.根据权利要求4所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述第二开口和所述第三开口的形状分别为选自圆形、椭圆形、方形、菱形、环形中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述第二开口和所述横向通道分别为中心圆孔，所述第三开口为围绕所述中心圆孔的多个周边圆孔。

7.根据权利要求5所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述第三开口和所述横向通道分别为中心圆孔，所述第二开口为围绕所述中心圆孔的多个周边圆孔。

8.根据权利要求6或7所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述第二开口和所述第三开口的直径小于所述横向通道的直径。

9.根据权利要求5所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述封闭空腔形成过程中作为辅助层的牺牲层由氧化硅组成。

10.根据权利要求5所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述停止层、所述第一掩模层和所述第二掩模层分别由耐蚀材料组成。

11.根据权利要求10所述的封闭空腔结构，其特征在于，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。

12.根据权利要求1所述的封闭空腔结构，其特征在于，所述支撑层包括选自半导体衬底、绝缘层、金属层和芯片中的任意一种。

13.一种超声波指纹传感器，其特征在于，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：

位于支撑层上的模板层，所述模板层包括第一开口；

位于所述模板层上的停止层，所述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；

位于所述停止层上的至少一个掩模层；

位于所述至少一个掩模层中的弯折的释放通道；

位于所述至少一个掩模层上的密封层；以及

位于所述至少一个掩模层上的压电叠层，

其中，所述停止层和所述至少一个掩模层共同围绕所述空腔，所述密封层封闭所述释放通道，从而形成封闭空腔。

14.根据权利要求13所述的超声波指纹传感器，其特征在于，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。

15.根据权利要求14所述的超声波指纹传感器，其特征在于，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。

16.根据权利要求15所述的超声波指纹传感器，其特征在于，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。

17.根据权利要求16所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述至少一个掩模层包括堆叠的第一掩模层和第二掩模层。

18.根据权利要求17所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述释放通道包括：

位于所述第一掩模层中的第二开口；以及

位于所述第二掩模层中的第三开口，

其中，所述第二开口与所述第三开口彼此横向偏离且连通。

19.根据权利要求18所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述释放通道还包括横向通道，将所述第二开口和所述第三开口彼此连通。

20.根据权利要求19所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述第二开口和所述第三开口的形状分别为选自圆形、椭圆形、方形、菱形、环形中的任意一种。

21.根据权利要求20所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述第二开口和所述横向通道分别为中心圆孔，所述第三开口为围绕所述中心圆孔的多个周边圆孔。

22.根据权利要求20所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述第三开口和所述横向通道分别为中心圆孔，所述第二开口为围绕所述中心圆孔的多个周边圆孔。

23.根据权利要求21或22所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述第二开口和所述第三开口的直径小于所述横向通道的直径。

24.根据权利要求20所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述封闭空腔形成过程中作为辅助层的牺牲层由氧化硅组成。

25.根据权利要求20所述的超声波指纹传感器，其特征在于，所述停止层、所述第一掩模层和所述第二掩模层分别由耐蚀材料组成。

26.根据权利要求25所述的超声波指纹传感器，其特征在于，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。