CN211957689U - Cmos上的pmut的单片集成器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种CMOS上的PMUT的单片集成器件，其包括作为该器件的基部的基板层(101)；介电隔层(102)，设置于基板层(101)的顶部，并位于保护层(103)的下方；电子线路，形成在介质电隔层(102)内，并由基板层(101)支撑，电子线路包括由一个或多个间隔开的金属(204)形成的多个金属层；以及至少一个微机械超声波换能器。每个微机械超声波换能器包括底部电极(301)，其设置在保护层(103)的顶部并连接到电子线路；压电体(302)设置在底部电极(301)的顶部；顶部电极(303)设置在压电体的顶部；弹性层(304)位于顶部电极(303)的顶部。在底部电极(301)下方形成有空腔(306)，其从保护层(103)延伸到介电隔层(102)的一部分。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种单片集成器件。更进一步的说，这种器件是一种压电式微机械超声换能器PMUT与互补金属氧化物半导体CMOS的单片集成器件。
背景技术
微机械超声换能器是一种电子设备，其包括能够利用施加的AC电压信号产生高压波的振动膜。当波与物体相遇时，产生的波穿过介质并反射回换能器。传输和返回的波被电子处理以检测关于物体的信息，包括其距离，形状和其他物理特性。通过电容或压电转换实现膜的振动。电容微机械超声换能器被称为CMUT，而压电式微机械超声换能器被称为PMUT。
晶片键合是将微机械超声换能器与互补金属氧化物半导体CMOS基板集成的传统方法。US20160009544A1公开了一种将微机械超声换能器与互补金属氧化物半导体CMOS基板集成的方法。微机械超声换能器可以是CMUT或PMUT。该方法涉及晶片键合技术以将PMUT结合到基板，以及将一个基板连接到另一个基板。WO2016040333描述了一种微机电系统，具有PMUT的MEMS器件，PMUT由超声换能器，MUT结构和压电体形成。第一金属导电层设置在压电体上，并且多个金属电极配置为在第一金属导电层，压电体和CMOS结构之间形成电连接。PMUT结构和CMOS结构垂直堆栈，由此MUT结构通过晶片键合技术(例如共晶键合和压缩键合)在间隙处键合到CMOS结构。
在此的揭露内容将集中于利用压电致动膜的微机械超声换能器。PMUT基于薄膜的弯曲运动而操作，薄膜与薄的压电薄膜耦合。PMUT提供的各种优点包括增加带宽，提供灵活的几何形状，最小化电压要求，实现不同谐振频率的混合以及支持高频电子设备的小型化。典型的PMUT单元在单独的基板上制造并引线键合到CMOS基板或使用晶片键合技术键合到CMOS基板。然而，这些键合方法导致低填充因子和大量电寄生。
为了增强两个连接的PMUT芯片的机械完整性，在CMOS基板和压电元件之间的有效PMUT区域周围施加通常为10-15um的键合环。另外，为了增加电气完整性，应用宽度约为5um的附加金属线来连接两个相邻定位的PMUT芯片的压电元件。当多个PMUT单元填充在特定区域内时，键合环和电环占据显著面积，因此导致集成PMUT-CMOS器件的低填充因子。
这里公开的实用新型将提供对当前集成或连接的PMUT-CMOS器件的上述限制和缺点的解决方案。通过本实用新型，PMUT单元可以彼此紧密放置，并且可以达到改善填充因子的功效。
发明内容
本实用新型涉及一种单片集成器件，它包括作为该器件基底的基板层；介电隔层，设置在基板层的顶部上方和保护层下方；电子线路形成在介电隔层内并由基板层支撑，电子线路包括由一个或多个间隔金属形成的多个金属层；至少一个微机械超声换能器，每个微机械超声换能器包括设置在保护层顶部并连接到电子线路的底部电极；压电体设置在底部电极的顶部；以及位于压电体顶部的弹性层；其中单片集成器件在每个微机械超声换能器下方形成有空腔，该空腔从保护层延伸到介电隔层的一部分。
底部电极优选分成两半，其中第一半部分作为底部电极，而第二部分则用作顶部电极。
在一优选实施例中，单片集成器件还包括位于弹性层和压电层之间的顶部电极。
单片集成器件优选包括设置在弹性层的一端或两端下方并连接到电子线路的电连接结构。
另外，电连接可以具有用于连接到相邻微机械超声换能器的底部电极的基部。
优选地，电子线路至少包括基板层中的源极和漏极元件。
仍然优选的是，电子线路至少包括介电隔层中的栅极，每个栅极连接到源极和漏极元件。
此外，电子线路可以包括至少一个接触元件，用于将源极和漏极元件以及栅极中的任何一个或组合连接到金属中的一个。
优选地，单片集成器件还包括一个或多个用于连接不同金属层的通孔。
此外，单片集成器件优选包括用于使底部电极与电子线路接触的通路接触件。
在一个优选实施例中，单片集成器件形成有至少一个焊盘开口，该焊盘开口延伸穿过保护层并部分地进入层间，直到焊盘开口到达金属之一。
电子线路优选是CMOS器件。
弹性层的优选材料包括非晶硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、金属氮化物、双金属氮化物或金属氧化物中的任何一种。
压电体可以是氮化铝、氮化铝钪、锆钛酸铅或氧化锌中的任何一种。
本实用新型的另一个优选实施例是单片集成器件，其包括作为此器件基部的基板层；介电隔层，设置在基板层的顶部上方和保护层下方；电子线路，形成在介电隔层内并由基板层支撑，电子线路包括由一个或多个间隔金属形成的多个金属层；至少一个微机械超声换能器，每个微机械超声换能器包括设置在保护层顶部并连接到电子线路的底部电极；压电体，设置在底部电极的顶部；顶部电极，设置在压电体的顶部；和位于顶部电极顶部的弹性层；其中单片集成器件在底部电极下方形成有空腔，该空腔从保护层延伸到介电隔层的一部分。
在本实用新型中，PMUT单元与CMOS基板集成在一起以形成单个单元。这种制造技术取代了引线键合和芯片键合技术。此外，由于不再需要单独的接合区域，因此可以消除占据显著空间的诸如接合环的元件。使相邻PMUT单元能够彼此电连接的电连接具有微型尺寸，使得其可以定位在有效PMUT区域内。CMOS基板上的PMUT单元的结构和配置增加了填充因子并减小了相邻PMUT单元之间的距离，并降低了电寄生路径。此外，仅需要单个CMOS基板来容纳多个PMUT单元。
附图说明
图1显示了单片集成器件的第一优选实施例，其具有不具有顶部电极的PMUT单元。
图2显示了单片集成器件的第二优选实施例，其具有带顶部电极的PMUT单元。
图3显示了具有多个PMUT单元的单片集成器件。
具体实施方式
为了便于更好地理解本实用新型，以下将详细描述在附图中显示的本实用新型的优选实施例。
再本公开中，引入了一单片集成器件，其集成了压电式微机械超声换能器PMUT与互补金属氧化物半导体CMOS。本实用新型用于通过产生的波检测物体的距离，形状或其他物理特性的应用中。这些应用包括但不限于医学成像，指纹感应器，防撞和非破坏性测试等工业自动化。
参照图1，其显示了本实用新型的第一优选实施例，单片集成器件包括作为器件基部的基板层(101)；介电隔层(102)，设置于基板层(101)的顶部，并位于保护层(103)的下方；电子线路，形成于介电隔层(102)内并由基板层(101)支撑；和至少一个微机械超声换能器。这里使用的术语“电子线路”是指包括电子元件或多个电子元件的主动电路，这些电子元件通过诸如CMOS器件的电连接而连接。这里使用的术语“CMOS基板”是指电子线路，基板层(101)，介电隔层(102)和保护层(103)，而“微机械超声换能器”是指PMUT单元。
每个微机械超声换能器包括底部电极(301)，其设置在保护层(103)的顶部并连接到电子线路；压电体(302)设置在底部电极(301)的顶部；弹性层(304)位于压电体(302)的顶部。底部电极(301)优选分成两半，其中第一半部分执行底部电极(301)的功能，而第二半部分则用来发挥顶部电极的功能，尽管它没有位于压电体(302)的顶部。当通过电子线路被适当的电场激励时，微机械超声换能器传播超声。为了给微机械超声换能器提供振动空间，在每个微机械超声换能器下方形成空腔(306)，其从保护层(103)延伸到介电隔层(102)的一部分。空腔(306)可以是处于真空状态。
图2中描绘了本实用新型的第二优选实施例，其中单片集成器件包括作为器件基部的基板层(101)，介于基板层(101)之间和保护层(103)下面的介电隔层(102)；电子线路，包括介电隔层(102)内的多个金属层(204)，并由基板层(101)支撑。第一优选实施例和第二优选实施例之间的区别在于微机械超声换能器，其中第二优选实施例包括在压电体(302)顶部和弹性层(304)下方的顶部电极(303)。
本实用新型还包括设置在弹性层(304)的一端或两端下方的电连接结构(305)，其连接到电子线路。电连接结构用于增加电气完整性并允许两个相邻定位的微机械超声换能器之间的电连接。优选地，电连接结构(305)具有用于连接到相邻微机械超声换能器的底部电极(301)的基部。电连接结构(305)可以是顶部电极(303)的一部分，使得顶部电极(303)也可以用作电连接结构(305)。
电子线路的组件至少包括基板层(101)中的源极与漏极元件(201)、连接到源极与漏极元件(201)的介电隔层(102)中的至少一个栅极元件(202)、由一个或多个间隔开的金属(204)形成的多个金属层，至少一个用于将栅极(201)连接到金属层(204)之一的接触元件(203)，和用于连接不同的金属层的通孔(205)。在电子线路中施加电场以启动微机械超声换能器。一个通孔接点(206)被用来使底部电极(301)与电子线路接触，以将电场引导至微机械超声换能器。
弹性层(304)是振动膜，其利用施加的电压讯号产生高压波。可用作弹性层(304)的材料包括但不限于非晶硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、金属氮化物、双金属氮化物或金属氧化物。另一方面，压电体(302)可以由以下材料中的任何一种制成，包括氮化铝、氮化铝钪、锆钛酸铅或氧化锌。
保护层(103)用作电子线路的保护层。此外，单片集成器件形成有至少一个键合焊盘开口(104)，该键合焊盘开口(104)延伸穿过保护层(103)并部分地进入介电隔层(102)，直到键合焊盘开口(104)到达一个用来作为单片集成器件的焊盘的金属(204)。可以通过蚀刻来形成这些键合焊盘开口(104)，以暴露焊盘。
这里描述的单片集成器件的特征在于在CMOS基板内引入微机械超声换能器元件，其中空腔(306)形成在介电隔层(102)和底部电极(301)内。微机械超声换能器的顶部电极(303)使用连接到电子线路的通孔接点(206)直接连接到CMOS基板。仅需要单个CMOS基板来与多个PMUT单元集成。参考图3，多个微机械超声换能器填充在CMOS基板上，其中空腔形成在介电隔层(102)内。由于本实用新型采用单片集成方法，因此不需要单独的接合区域来连接CMOS基板和微机械超声换能器，因为不需要接合。此外，电连接结构(305)是微型尺寸，并且其宽度可以小于1um，使得电连接结构(305)可以位于有效PMUT区域(304a)内，如图3所示。
Claims (15)
1.一种单片集成器件，其特征在于，所述单片集成器件包括：
一基板层(101)，作为该器件的基底；
一介电隔层(102)，配置于该基板层(101)的顶部并位于一保护层(103)的下方；
一电子线路，形成于该介电隔层(102)之内，并为该基板层(101)所支撑，该电子电路包括由一个或多个间隔的金属(204)构成的多个金属层；以及
至少一微机械超声波换能器，每个该微机械超声波换能器包含：
一底部电极(301)，配置于该保护层(103)的顶部且连接至该电子线路；
一压电体(302)，配置于该底部电极(301)的顶部；以及
一弹性层(304)，位于该压电体(302)的顶部；
其中该单片集成器件在每个微机械超声波换能器下方形成有空腔(306)，该空腔(306)从保护层(103)延伸到介电隔层(102)的一部分。
2.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其中底部电极被分成两半。
3.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其特征在于，所述单片集成器件还包括一顶部电极(303)，其位于弹性层(304)与压电体(302)之间。
4.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其特征在于，所述单片集成器件还包括一电连接结构(305)，其配置于弹性层(304)的一端或两端的下面并连接至所述电子线路。
5.一种如权利要求4所述的单片集成器件，其中该电连接结构(305)具有一基底部，用来连接至一邻接微机械超声波换能器的底部电极(301)。
6.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其中该电子线路包括位于该基板层(101)中的至少一源极与漏极元件(201)。
7.一种如权利要求6所述的单片集成器件，其中该电子线路包括位于该介电隔层(102)中的至少一栅极(202)，每个栅极连接至所述源极与漏极元件(201)。
8.一种如权利要求6所述的单片集成器件，其中该电子线路包括至少一接触元件(203)，用以将所述源极与漏极元件(201)以及所述栅极(202)的任一或其组合连接至所述金属(204)的其中之一。
9.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其特征在于，所述单片集成器件还包含用以连接不同的金属层的一个或多个通孔(205)。
10.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其特征在于，所述单片集成器件还包含一通孔接点(206)，用以使该底部电极(301)与该电子线路接触。
11.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其中该单片集成器件由至少一个键合焊盘开口(104)形成，该键合焊盘开口(104)延伸穿过保护层(103)并部分地进入所述介电隔层(102)，直到键合焊盘开口(104)到达金属(204)之一。
12.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其中该电子线路为一CMOS器件。
13.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其中该弹性层(304)是非晶硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、金属氮化物、双金属氮化物或金属氧化物中的任何一种。
14.一种如权利要求1所述的单片集成器件，其中该压电体(302)是氮化铝、氮化铝钪、锆钛酸铅或氧化锌中的任何一种。
15.一种单片集成器件，其特征在于，所述一种单片集成器件包含
一基板层(101)，作为该器件的基底；
一介电隔层(102)，配置于该基板层(101)的顶部且位于一保护层(103)的下方；
一电子线路，形成在该介电隔层(102)内并由基板层(101)支撑，该电子线路包括由一个或多个间隔开的金属(204)形成的多个金属层；和
至少一个微机械超声波换能器，每个该微机械超声波换能器包括
一底部电极(301)，设置在该保护层(103)的顶部并连接到该电子线路；
一压电体(302)设置在该底部电极(301)的顶部；
一顶部电极(303)，设置在该压电体(302)的顶部；以及
一弹性层(304)，位于该顶部电极(303)的顶部；
其中该单片集成器件在底部电极(301)下方形成有空腔(306)，该空腔从该保护层(103)延伸到该介电隔层(102)的一部分。
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