CN117548320A - 基底同侧设置有双pmut的微机械超声换能器结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微机械超声换能器结构及其制造方法，该微机械超声换能器结构包括PMUT单元，PMUT单元包括PMUT基底、第一PMUT和第二PMUT，每个PMUT包括第一电极层、第二电极层与压电层，其中：第一PMUT和第二PMUT在横向上彼此间隔开设置在PMUT基底的一侧；第一PMUT的压电层的压电系数高于第二PMUT的压电层的压电系数，且第一PMUT的压电层的介电常数低于第二PMUT的压电层的介电常数。本发明还涉及一种包括了上述的微机械超声换能器结构的电子设备。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种基底同侧设置有双PMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT)的微机械超声换能器结构及其制造方法、一种具有该微机械超声换能器结构的电子设备。
背景技术
超声换能器作为一种电声元件广泛应用于生产生活中。超声换能器通过发射超声波至外界环境，并通过超声换能器接收反射回来的超声波转换为电信号进行传感、成像以及对外界环境的作用。超声换能器的典型应用包括指纹识别、超声成像、超声雷达和测距、无损检测、流量测量、力觉反馈等，在人体成像、汽车倒车雷达、水下声纳探测、扫地机器人、超声烟雾报警器等场景都会用到。上述应用中，均涉及超声换能器的超声信号发射及超声信号回波的接收，因此超声换能器的发射灵敏度以及接收灵敏度在很大程度上决定了超声换能器的优劣，是上述应用场景下的关键指标。
利用传统机械切割方案制造超声换能器，在振动单元的尺寸微型化方面，以及生产成本、效率及产品一致性和良率等方面受限，不能满足超声成像仪进一步发展，特别是在低成本、便携化、高分辨率等方面的需求。
基于半导体工业的MEMS制造技术是高效、低成本、批量化生产小尺寸器件的非常有效的方式。利用MEMS技术开发的超声换能器主要基于电容式和压电式两种原理，分别对应于电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT)和压电式微机械超声换能器(PMUT)，他们能够与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)电路集成，实现具有高集成度、强运算能力的微型超声换能器的低成本、一致性和规模化制造。在这两种换能器中，CMUT工作时需要施加较大偏置电压，致使功耗较高，应用受到一定限制。相比而言，PMUT是一种很有前途的方案。其中PMUT与CMOS的有效集成是实现上述超声换能器的至关重要的因素。
压电式微机械超声换能器PMUT的发射灵敏度和接收灵敏度作为关键性能指标，对PMUT应用于上述多种场景起到至关重要的作用，发射灵敏度和接收灵敏度过低将影响信号信噪比，最终导致***无法工作或性能低下。
PMUT通常呈弯曲振动模式。作为超声发射器时，在压电薄膜两侧的电极上施加交变电场，由于逆压电效应导致压电层中产生横向应力，进而产生一个弯曲力矩，迫使薄膜偏离平面，向周围介质中发射声压波。如公式(1)所示，弯曲振动的PMUT的超声发射灵敏度ST正比于压电薄膜的压电系数e31f：
ST∝e31f (1)
当PMUT作为超声接收器时，入射超声波使压电薄膜偏转产生横向应力，由于正压电效应，在压电薄膜两侧的电极上集聚电荷，形成电压信号，如公式(2)所示，其接收灵敏度SR正比于压电系数e31f与介电常数ε33的比值；
SR∝e31f/ε33 (2)
超声成像中，超声换能器探头既做发射器向外发射超声波，又作为接受器，接受从待成像对象处反射回来的超声波，工作模式通常是脉冲-回波模式，如公式(3)所示，PMUT脉冲-回波灵敏度ST·SR正比于压电系数e31的平方与介电常数ε33的比值。
压电系数和介电常数是压电材料的基本特性，表1列举了常见压电材料中PZT和AlN的压电系数和介电常数特性。
表1.常见压电材料中PZT和AlN的性质
比较PZT和AlN两种压电材料可知，当仅作为发射超声波探头使用时，PZT的压电常数比AlN的高10倍，基于公式(1)，PZT基PMUT的发射灵敏度将是AlN基PMUT的10倍。
然而，仅仅作为接收超声波的探头使用时，PZT的介电常数是AlN的约110倍，因此PZT基PMUT的接收灵敏度将是AlN基PMUT的约十二分之一。在同时做发射和接收模式的超声探头时，利用PZT或者AlN单一压电材料时，如表1所示，其所开发的PMUT的脉冲-回波(发射-接收)信号的灵敏度相当。
因此，单一压电材料难以满足同时具有高压电系数和低介电常数的特性，基于单一压电材料的例如PMUT-on-CMOS器件不能实现同时具有超高超声波发射强度和超高超声接收灵敏度的应用需求。
此外，PMUT制造流程包含多种薄膜(比如压电薄膜、电极薄膜等)在不同温度下的沉积以及相应薄膜在不同气氛、液体环境的刻蚀，这些加工流程可能对CMOS电路造成破坏。另外不同压电材料的薄膜化、图案化工艺及在薄膜两侧沉积的电极材料也存在极大不同，因此在同一衬底上加工两种材质的PMUT存在工艺不兼容问题。这导致在同一片晶圆上依次逐层制作不同压电薄膜基PMUT存在很大的风险和难度，需要开发一种工艺兼容性强、便捷的含有不同类型压电材料的PMUT-on-CMOS集成方案。
发明内容
为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
本发明的实施例涉及一种微机械超声换能器结构，包括：
PMUT单元，包括PMUT基底、第一PMUT和第二PMUT，每个PMUT包括第一电极层、第二电极层与压电层，
其中：
第一PMUT和第二PMUT在横向上彼此间隔开设置在PMUT基底的一侧；
第一PMUT的压电层的压电系数高于第二PMUT的压电层的压电系数，且第一PMUT的压电层的介电常数低于第二PMUT的压电层的介电常数。
本发明的实施例还涉及一种微机械超声换能器结构的制造方法，包括步骤：
提供晶体管单元，晶体管单元包括晶体管基底以及在横向方向上间隔开布置的第一晶体管和第二晶体管；以及
提供与晶体管单元的一侧的表面接合的PMUT单元，PMUT单元包括PMUT基底、第一PMUT和第二PMUT，PMUT基底与晶体管单元的一侧的表面以面接合的方式接合，每个PMUT包括第一电极层、第二电极层与压电层，
其中：
第一PMUT和第二PMUT在横向上彼此间隔开设置在PMUT基底的一侧，且分别与第一晶体管和第二晶体管在微机械超声换能器结构的厚度方向上对应；且
第一PMUT的压电层的压电系数高于第二PMUT的压电层的压电系数，第一PMUT的压电层的介电常数低于第二PMUT的压电层的介电常数。
本发明的实施例还涉及一种电子设备，包括上述的微机械超声换能器结构，或者上述制造方法制造的微机械超声换能器结构。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1-图4为根据本发明的不同示例性实施例的微机械超声换能器结构的结构示意图；
图5-13为根据本发明的一个示例性实施例的示例性示出图2所示的微机械超声换能器结构的制造方法的截面示意图；
图14为根据本发明的一个示例性实施例的PMUT结构阵列的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
发明人发现，如果用具有高压电系数的压电材料基PMUT作为超声发射器，低介电常数的压电材料基PMUT作为超声接收器，比如在一套超声换能器上共同集成如表1所示的PZT基PMUT和AlN基PMUT，其中PZT基PMUT作为超声发射器，AlN基PMUT作为超声接收器，则其脉冲-回波灵敏度将较单一材料基PMUT高100倍。
此外，现有PMUT与CMOS的集成主要是通过如下两种方案实现的：
方案1.以CMOS晶圆为基片，对其进行各种薄膜沉积和刻蚀流程加工，然而PMUT制造流程包含多种薄膜(比如压电薄膜、电极薄膜等)在不同温度下的沉积以及相应薄膜在不同气氛、液体环境的刻蚀，这就需要该加工工艺流程不对CMOS电路造成破坏。目前已知压电材料中，仅有AlN基压电材料等少数几种压电薄膜的MEMS制造流程与CMOS兼容，故而这种方案主要用于相应压电材料基集成化超声换能器的开发。然而压电薄膜的压电特性是PMUT性能的至关重要的决定部分，比如PZT、LiNbO3等具有非常优异压电特性的压电材料，其加工工艺较AlN苛刻，与CMOS兼容性较差，故而基于上述工艺流程的CMOS集成化PMUT的开发受限较多，很难实现。
方案2.分别加工PMUT晶圆和CMOS晶圆，设定PMUT晶圆的设置压电薄膜的一侧以及CMOS晶圆的设置晶体管的一侧为相应晶圆的正面，将PMUT晶圆的正面和CMOS正面键合，构建CMOS集成化PMUT。与上述方案1相比，该方案对压电材料的局限性较小，然而，PMUT机械振动单元的有效振动是高效地发射和接受超声波的关键，这需要振动单元下方含有空腔结构，提供空间供振动单元有效振动，这需要CMOS上含有相应空腔。然而空腔尺寸是决定PMUT超声频率的核心要素，空腔尺寸的变化将导致PMUT超声频率的变化。在PMUT和CMOS两片晶圆键合时，不可避免的存在对准偏差，导致振动单元区域与本身设计之间存在随机偏差，造成所开发的CMOS集成化PMUT的频率波动。值得指出的是，应用于超声成像领域的PMUT振元的直径都非常小，通常在几十微米甚至更小，即使1微米的对准偏差也将造成很大的不利影响。
因此，现有技术中还存在开发出如下的CMOS与PMUT集成方案的需求：对压电材料本身普适性强，和/或CMOS单元与PMUT单元的集成过程不对空腔尺寸产生影响。
基于上述，本发明提出在同一CMOS晶圆上，分别集成具有高压电系数(例如，绝对值高于1C/m2，进一步的高于5C/m2)的压电材料基PMUT和具有低介电常数(例如，低于1200，进一步低于100)的压电材料基PMUT两类超声换能器，其中具有高压电系数的压电材料基PMUT专用于发射超声波，而具有低介电常数的压电材料基PMUT用于接收反射回来的超声波。上述PMUT与CMOS集成方案是开发拥有优异性能、低廉成本的MEMS超声换能器的关键。
本发明还提出了一种同时将上述两种类型压电材料基PMUT集成在同一CMOS晶圆上的方案。
首先，本发明的附图中的附图标记说明如下：
1000：CMOS单元或晶体管单元。
100：CMOS基底或晶体管基底，可选材料为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等。
101：晶体管的源极和漏极。
110：电路保护层，其为绝缘材料层，可以是二氧化硅、氮化硅等。
111：晶体管的栅极。
113A：晶体管单元层内电连接层，对应于第一电连接层，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等，上述材料也适用于其他电连接层。
113B：晶体管单元层内电连接层，对应于第二电连接层。
113、115：其他晶体管单元层内电连接层。
112和114：晶体管单元层间电连接层。
2000’：PMUT初步单元，例如参见图9。
2000：PMUT单元，参见图11。
200’：PMUT初步基底，可选材料为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等。
200：PMUT基底，材料与PMUT初步基底一致。
201和202：用于PMUT的空腔。
210：支撑层，其材料可以与电极层的材料相同，或者不同。支撑层可以如图6所示设置在PMUT的下部，即设置在PMUT与PMUT基底之间，此时支撑层为绝缘层，其材料可以为硅、二氧化硅、氮化硅等不导电材料。支撑层也可以设置在PMUT的上部。需要指出的是，也可以不设置支撑层。
220、240：电极层，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。两个电极层的材料可以相同也可以不同。
230、270：压电层。材料可选多晶氮化铝(AlN)、多晶氧化锌、多晶锆钛酸铅(PZT)、多晶铌酸锂(LiNbO3)、多晶钽酸锂(LiTaO3)、多晶铌酸钾(KNbO3)等材料，或者单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，上述的单晶或多晶材料还可以包括一定原子比的稀土元素掺杂材料，均属于本发明可以使用的压电层，如钪掺杂氮化铝(AlScN)。
250：结构保护层，一般为介质材料，如二氧化硅、氮化铝、氮化硅等。
235：导电层或电连接层，其材料可以选自用于形成电极层的材料。
275：导电层或电连接层，其材料可以选自用于形成电极层的材料。
290：器件保护层，一般为介质材料，如二氧化硅、氮化铝、氮化硅等。
300：辅助基底，可选材料为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等。
310：临时粘合层，可以是由任何能够将PMUT单元和辅助基底300临时接合的材料，例如可以为光刻胶。
400A：第一导电用孔。
400B：第二导电用孔。
500：接合材料层，参见图4，其可以是金属键合层，例如金-金键合、铝-锗键合等，也可以是其它将两层接合在一起的材料层。
3000：微机械超声换能器结构或PMUT结构(参见图1和图14)。
4000：PMUT结构阵列(参见图14)。
图1-图4为根据本发明的不同示例性实施例的微机械超声换能器结构3000的结构示意图。
在图示的实施例中，单个PMUT通常包括支撑层210，压电层230以及压电层230两侧的顶电极层240、底电极层220(例如参见图6-图9)，在PMUT振动单元面向CMOS的一侧设置空腔201和202，使PMUT振动单元能够产生有效的弯曲振动产生超声波。本发明中，CMOS晶圆或者如图所示的晶体管单元1000上同时集成具有高压电系数的压电材料基PMUT和具有低介电常数的压电材料基PMUT两类超声换能器。
如图1所示，230和270分别代表高压电系数基压电薄膜和低介电常数基压电薄膜。201和202分别是两种类型压电薄膜所构成PMUT进行有效弯曲振动的空腔区域。200是构建PMUT的衬底或者PMUT基底，100是构建CMOS电路的衬底或者晶体管基底，110是电路保护层。
如前所述的，在更具体的实施例中，压电层230的压电系数绝对值大于1C/m2，和/或压电层270的介电常数小于1200。进一步的，压电层230的压电系数绝对值大于5C/m2，和/或压电层270的介电常数小于100。
在更具体的实施例中，压电层230为PZT或掺杂PZT，压电层270为ALN或AlScN。在PMUT-on-CMOS集成方面，本发明分别制作CMOS晶圆和PMUT晶圆，其中在PMUT晶圆上制作两种类型压电薄膜基PMUT，之后将PMUT晶圆衬底侧减薄并与CMOS晶圆正面进行键合，最后将PMUT晶圆电极与CMOS晶圆上相应电极互连实现电学连接，如有需要并对器件进行表面保护(可以具体的参见后续参照附图5-图13的示例性说明)。该集成方案中，不同类型压电薄膜基PMUT加工中，即使存在比较苛刻的加工条件，也不会对CMOS晶圆产生破坏，工艺兼容性好。
在PMUT振动所需空腔201和202的形成方式上，如图1所示，其可以通过预置空腔，填充牺牲层材料，在最后阶段释放的方式形成空腔。图2是通过背刻方式形成空腔。图3是一种压电薄膜基PMUT是通过背刻方式，另一种压电薄膜基PMUT是通过牺牲层方式形成空腔。
在PMUT晶圆与CMOS晶圆的键合中，PMUT晶圆衬底层可与CMOS晶圆的电路保护层直接键合(例如参见图1-图3)，也可通过中间键合层材料(比如金属键合等，对应于接合材料层500)实现PMUT单元与CMOS单元的集成(例如参见图4)。
在图1-图4所示的实施例中，PMUT单元包括了两个在横向方向上间隔开的PMUT，即第一PMUT和第二PMUT，第一PMUT的压电层230的压电系数高于第二PMUT的压电层270的压电系数，且第一PMUT的压电层230的介电常数低于第二PMUT的压电层270的介电常数。在进一步的实施例中，第一PMUT的压电层230为PZT，第二PMUT的压电层270为AlN。
在本发明中，对于独立权利要求而言，PMUT基底可以是如图1-图4所示的为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等的基底，也可以是其他的用于生成PMUT的其他支撑结构，均在本发明的保护范围之内。
在图1-图4所示的实施例中，采用了PMUT-on-CMOS的结构，但是本发明不限于此。上述的PMUT单元也可以设置在其他的结构上，PMUT-on-CMOS是本发明的一个有利的实施例。
在图1-图4所示的实施例中，PMUT单元的第一PMUT用于发射超声波，第二PMUT用于接收超声波。
图5-图13为根据本发明的一个示例性实施例的示例性示出图2所示的微机械超声换能器结构的制造方法的截面示意图。更具体的，图5-图13是以背刻形式形成PMUT振动所需空腔，以PMUT基底200与CMOS电路保护层110直接键合为例，其中高压电系数材料230或第一PMUT的压电层230选用PZT，低介电常数材料270或第二PMUT的压电层270选用AlN，构建具有超高脉冲-回波灵敏度的PMUT-on-CMOS超声换能器。
先提供晶体管单元1000。图5是CMOS结构示意图，其中100为CMOS的衬底，即晶体管基底(可以是硅等)，110为电路保护层(可以是氧化硅、氮化硅等)。101为晶体管的源极和漏级，111为晶体管的栅极，113A、113B、113和115是CMOS层内电连接层，112和114是CMOS层间电连接层。如图5所示，晶体管单元包括晶体管基底100以及在横向方向上间隔开布置的第一晶体管和第二晶体管。需要指出的是，图2所示结构为示例性的，对于本发明而言，CMOS单元1000可以包括CMOS晶体管和电路保护层110，还可以可选的包括第一电连接层113A、第二电连接层113B。
接着，提供PMUT初步单元2000’，参见图9。PMUT初步单元2000’包括PMUT初步基底200’、第一PMUT和第二PMUT。每个PMUT包括底电极层220、顶电极层240与压电层230。下面具体参照图6-图9说明如何提供PMUT初步单元2000’。
图6中，先在支撑层210上形成PZT基PMUT，其中，200’为PMUT的衬底，即PMUT初始基底(可以是硅)，210为支撑层(可以是氧化硅等)，230为PZT压电薄膜层或压电层，220和240为压电薄膜层两侧的底、顶电极层。可以采用MEMS工艺，形成PZT基PMUT。这里的初始基底200’是相对于图11中的基底200而言的，初始基底200’减薄后成为基底200。
如图7所示，PZT基PMUT的压电层230以及顶、底电极结构图案化之后，在PZT基PMUT表面沉积结构保护层250，用于后续AlN基PMUT加工过程中对PZT基PMUT的保护。
如图8所示，在设置有PZT基PMUT的晶圆或初始基底200’上，构建的AlN基PMUT，AlN基PMUT包含压电薄膜层或ALN压电层270以及顶、底电极层280和260。
如图9所示，待PZT基PMUT和AlN基PMUT在晶圆或初始基底200’上形成之后，去除PZT基PMUT的结构保护层250，以得到PMUT单元2000。如图9所示，其包括了PZT基PMUT和AlN基PMUT两个PMUT。
如图9所示，PMUT初步单元2000’中，并不包括将PMUT电极与CMOS电极连接在一起的电连接结构。在图9中，如图9中的PMUT初步基底200’的厚度过大，需要基于后续的减薄工艺在后续步骤中减薄，以使PMUT和CMOS之间电连接部分尽量短，需要键合到CMOS晶圆上的PMUT基底的厚度尽量薄，最好在10微米以下，甚至是5微米以下。不过，在PMUT基底的厚度已经满足要求的情况下，也可以不执行后续的基底减薄步骤，或者在能够忍受PMUT和CMOS之间电连接部分的长度的情况下，也可以不执行后续的基底减薄步骤，这些都在本发明的保护范围之内。
下面参照图10-图11示例性说明如何将PMUT单元2000接合到晶体管单元1000上。
如图10所示，以临时粘合层310覆盖PZT基PMUT和AlN基PMUT以及设置辅助基底300，所述辅助基底300与所述临时粘合层310接合。在晶圆级制作中，设置辅助基底300是为了后续PMUT初始基底减薄。
如图11所示，在初始基底200’的另一侧执行减薄工艺以形成PMUT基底200。可以将图10中辅助基底200’减薄至所需尺寸，例如小于10μm，甚至是小于5μm，如果键合流程需要，可以对其进行表面抛光化。然后通过背刻工艺刻蚀出PMUT振动所需空腔201和202，如图11所示。
然后，将PMUT基底200与晶体管单元的表面或者CMOS电路保护层110接合，以及移除临时粘合层310和辅助基底300，最终如图11所示。接合方案可选择硅-硅键合，硅-氧化硅键合、金属键合等各种方案。
如图12所示，通过刻蚀工艺将PMUT基底200和CMOS电路保护层110刻蚀以形成导电用孔，露出CMOS的电连接端或电连接层。如图12所示，对于每一个PMUT，刻蚀出第一导电用孔400A和第二导电用孔400B，以分别露出晶体管单元层内电连接层113A和晶体管单元层内电连接层113B。可选的，第一电连接层113A与CMOS晶体管的电极中的一个(例如源极)电连接，第二电连接层113B与CMOS晶体管的电极中的另外的一个电极(例如栅极)电连接。不过，在CMOS单元中存在其他的电连接结构的情况下，基于需要和要求，第一电连接层113A和/或第二电连接层113B也可以与之电连接，这也在本发明的保护范围之内。
如图13所示，例如以沉积工艺，设置PMUT和CMOS的电连接层235和275，实现PMUT和CMOS的电连接。最后，如果需要，在整个器件表面沉积保护层或器件保护层290。其中235和275为电连接层，可以选用各种各样的导电材料，例如是形成电极层的材料，另外连接PZT基PMUT与CMOS电路的导电通道或电连接层235所采用的材料与实现AlN基PMUT与CMOS电连接的导电通道或电连接层275可以是同种材料，也可以是不同种导电材料。如能理解的，明显的，电连接层235和275彼此电绝缘，电连接层235和275均是经由导电用孔分别与晶体管单元层内电连接层113A和层内电连接层113B形成电连接。
如能够理解的，在上述的方法中，如果通过设置接合材料层500实现PMUT单元与晶体管单元之间的接合，则PMUT单元、晶体管单元以及所述接合材料层共同限定空腔，接合材料层500的厚度限定所述空腔的高度。
此外，在上述的技术方案中，PMUT基底200与电路保护层110接合，如图1所示，即PMUT单元2000的基底侧(或反面)与CMOS单元1000的晶圆侧(或正面)相接合，从而：(1)在后续的步骤中需要在PMUT基底200上制备PMUT时，PMUT基底200可以保护CMOS单元1000，或者(2)可以直接以PMUT单元2000与CMOS单元1000接合，不用考虑制备PMUT时对CMOS单元1000的影响。这可以使得上述的微机械超声换能器结构对于压电材料的普适性强，既可以为氮化铝(AlN)，也可以为锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNb03)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸钾(KNbO3)等材料。
需要指出的是，本发明中的“PMUT基底与电路保护层接合”不仅包括如图1所示的两者直接接合的情况，还可以包括在两者之间设置有其他接合用层或膜层的情况，例如在图4中，PMUT基底与电路保护层之间设置有可以是金属键合层的接合材料层500。
需要专门指出的是，在本发明的具体的实施例中，以PMUT基底与电路保护层接合为例作了示例性说明，但是，PMUT基底与CMOS单元1000的接合可以是限定CMOS单元的表面的电路保护层，也可以是限定CMOS单元的表面的其他层，均在本发明的保护范围之内。
如图1-图4所示的实施例中，CMOS单元1000还包括CMOS基底100，电路保护层110的一侧与PMUT基底200接合，电路保护层110的另一侧与CMOS基底100接合。可选的，在有些情况下，PMUT单元也可以与CMOS基底100接合，这也在本发明的保护范围之内。
还需要专门指出的是，在本发明中，以CMOS作为晶体管的一个示例，从而以CMOS单元作为晶体管单元的一个示例，但是本发明不限于此，晶体管还可以是BiMOS单元或BCD等，从而晶体管单元还可以是BiMOS单元或BCD单元等。
类似于对“PMUT基底与电路保护层接合”的解释和说明，本发明中的“PMUT单元与晶体管单元的表面接合”可以是PMUT单元与晶体管单元的表面直接接合的情况，还可以包括在PMUT单元与晶体管单元的表面之间设置有其他接合用层或膜层的情况，均在本发明的保护范围之内。
如图1-图4所示，PMUT基底200设置有用于PMUT的空腔201。即在采用PMUT单元2000与CMOS单元1000接合的情况下，空腔201已经设置在PMUT单元2000中。换言之，在晶圆级制造中，PMUT振动所需的空腔结构设置在PMUT晶圆侧，不需要在CMOS晶圆上形成空腔，从而CMOS晶圆与PMUT晶圆集成过程不存在因对准偏差引起的振动区域的变化，以及由此引起的超声换能器频率的变化，克服了现有技术中CMOS与PMUT的集成过程对空腔尺寸产生不利影响这样的技术问题。虽然没有示出，在可选的实施例中，空腔201可以贯穿PMUT基底200。
在上述图1-图4所示的结构中，PMUT基底200设置有用于PMUT的空腔201。但是，本发明不限于此。空腔201也可以不设置在PMUT基底200中，更具体的，PMUT单元2000与晶体管单元之间设置有接合材料层500，PMUT单元2000、晶体管单元1000以及接合材料层500共同限定空腔201，接合材料层500的厚度限定空腔201的高度。如此，晶圆级制造中，PMUT振动所需的空腔201也不需要在CMOS晶圆上形成，而且基于例如金属键合层的接合材料层500可以限定空腔201在横向方向上的侧面从而空腔201的区域较大，从而可以减小CMOS晶圆与PMUT晶圆集成过程因对准偏差引起的振动区域的变化，以及由此引起的超声换能器频率的变化，克服了或减少了现有技术中CMOS与PMUT的集成过程对空腔尺寸产生不利影响这样的技术问题。上述方案中，空腔201处于所述接合面的设置了PMUT单元的一侧，形成空腔201不会对晶体管单元的结构发生额外的改变，不必在两者集成之前在晶体管单元中设置空腔，减少或者避免了现有技术中CMOS单元与PMUT单元的集成过程对空腔尺寸产生不利影响的技术问题。
如图1-图4所示，在可选的实施例中，对于每一个PMUT，微机械超声换能器结构设置有第一导电用孔400A和第二导电孔400B，第一导电用孔400A贯穿PMUT基底200和/或支撑层210以及抵达电路保护层110内的第一电连接层113A，第二导电用孔400B贯穿PMUT基底200和/或支撑层210以及抵达电路保护层110内的第二电连接层113B，其中：第一导电层235经由第一导电用孔400A与第一电连接层113A电连接，第二导电层275经由第二导电用孔400B与第二电连接层113B电连接。
如图1-图4所示，在可选的实施例中，PMUT单元2000包括支撑层210，支撑层210用于实现PMUT的弯曲振动。如图1-图4所示，支撑层210设置在PMUT(包括电极层220、240和压电层230)与PMUT基底200之间，此时，第一导电用孔400A和第二导电孔400B贯穿支撑层210。如能够理解的，也可以不设置支撑层210，或者支撑层210设置在顶电极或者第一电极层240的上方，此时第一导电用孔400A和第二导电孔400B不用或不存在贯穿支撑层的情况。这些方案都在本发明的保护范围之内。
但是，不论是否设置支撑层210和/或PMUT基底200，第一导电用孔400A和第二导电孔400B均需要贯穿PMUT单元以抵达下方的电连接层。
虽然没有示出，第一导电层235和第二导电层275可以在微机械超声换能器结构的侧面分别与在侧面露出的第一电连接层113A和第二电连接层113B电连接，这也在本发明的保护范围之内。
另外，当PMUT设置在空腔内时，空腔对PMUT(尤其是压电层)起到与外界环境隔离的保护作用，能够提高PMUT的可靠性和长期稳定性，进而在上述的PMUT结构用在例如成像仪中时，可以提高最终成像***的可靠性和长期稳定性。
图14为根据本发明的一个示例性实施例的PMUT结构阵列的示意图。如图14所示，上述的PMUT结构3000可以仅仅是阵列4000中的一个阵元。图14中，空心圆代表PMUT结构3000的PMUT振动区域，除了圆形之外，其可以是椭圆、多边形及其组合等任意需要的形状。黑实心圆代表PMUT单元与CMOS单元实现电连接，如图5所示的第一电连接层113A和第二电连接层113B处，其也可以是任意需要的形状。PMUT结构3000组合构成PMUT结构阵列4000。
每个PMUT单元可以通过与之匹配的CMOS电路单独控制，形成二维PMUT结构阵列4000。
也可以将多个PMUT结构3000连接在一起，比如同一列上的PMUT结构3000的电极互联，形成一维线阵列，此时CMOS单元的电路与PMUT单元的电连接点减少，一对CMOS单元与PMUT单元的电连接点对多个PMUT单元同时控制。
可以基于PMUT结构或者PMUT结构阵列，形成超声换能器，该超声换能器可以用在超声成像仪上，PMUT结构或者PMUT结构阵列也可以用在其他的电子设备上，例如超声测距仪、超声指纹传感器、用于工业领域的无损探伤仪等。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种微机械超声换能器结构，包括：
PMUT单元，包括PMUT基底、第一PMUT和第二PMUT，每个PMUT包括第一电极层、第二电极层与压电层，
其中：
第一PMUT和第二PMUT在横向上彼此间隔开设置在PMUT基底的一侧；
第一PMUT的压电层的压电系数高于第二PMUT的压电层的压电系数，且第一PMUT的压电层的介电常数低于第二PMUT的压电层的介电常数。
2、根据1所述的微机械超声换能器结构，其中：
第一PMUT的压电层为PZT或掺杂PZT，第二PMUT的压电层为ALN或AlScN。
3、根据1所述的微机械超声换能器结构，其中：
第一PMUT用于发射超声波，第二PMUT用于接收超声波。
4、根据1-3中任一项所述的微机械超声换能器结构，还包括：
晶体管单元，包括晶体管基底以及在横向方向上间隔开布置的第一晶体管和第二晶体管，第一PMUT和第二PMUT分别与第一晶体管和第二晶体管在微机械超声换能器结构的厚度方向上对应；
PMUT单元与晶体管单元的一侧的表面接合，晶体管单元的一侧的表面为晶体管单元的接合面。
5、根据4所述的微机械超声换能器结构，其中：
用于第一PMUT和第二PMUT的空腔处于所述接合面的设置了PMUT单元的一侧。
6、根据5所述的微机械超声换能器结构，其中：
PMUT基底与晶体管单元的一侧的表面接合，PMUT基底设置有所述空腔。
7、根据6所述的微机械超声换能器结构，其中：
PMUT单元还包括用于支撑PMUT的支撑层，支撑层设置在两个PMUT与PMUT基底之间。
8、根据6所述的微机械超声换能器结构，其中：
所述空腔贯穿PMUT基底；或者
所述PMUT单元与晶体管单元之间设置有接合材料层，所述PMUT单元、所述晶体管单元以及所述接合材料层共同限定所述空腔，所述接合材料层的厚度限定所述空腔的高度。
9、根据4所述的微机械超声换能器结构，其中：
每个晶体管单元包括所述晶体管、彼此电绝缘的第一电连接层和第二电连接层；且
对于每一个PMUT和对应的晶体管：所述微机械超声换能器结构还包括彼此电绝缘的第一导电层与第二导电层，第一电极层经由第一导电层与第一电连接层电连接，第二电极层经由第二导电层与第二电连接层电连接。
10、根据9所述的微机械超声换能器结构，对于每一个PMUT和对应的晶体管，还包括：
第一导电用孔和第二导电孔，第一导电用孔贯穿PMUT单元以及抵达晶体管单元内的第一电连接层，第二导电用孔贯穿PMUT单元以及抵达晶体管单元内的第二电连接层，
其中：
第一导电层经由第一导电用孔与第一电连接层电连接，第二导电层经由第二导电用孔与第二电连接层电连接。
11、根据4所述的微机械超声换能器结构，其中：
所述晶体管单元包括电路保护层，所述电路保护层覆盖所述晶体管；且
所述电路保护层的一侧的表面为所述接合面。
12、根据4所述的微机械超声换能器结构，其中：
所述晶体管单元包括CMOS单元、BiMOS单元、BCD单元中的一种。
13、根据1所述的微机械超声换能器结构，其中：
第一PMUT的压电层的压电系数绝对值大于1C/m2；和/或
第二PMUT的压电层的介电常数小于1200。
14、根据13所述的微机械超声换能器结构，其中：
第一PMUT的压电层的压电系数绝对值大于5C/m2；和/或
第二PMUT的压电层的介电常数小于100。
15、一种微机械超声换能器结构的制造方法，包括步骤：
提供晶体管单元，晶体管单元包括晶体管基底以及在横向方向上间隔开布置的第一晶体管和第二晶体管；以及
提供与晶体管单元的一侧的表面接合的PMUT单元，PMUT单元包括PMUT基底、第一PMUT和第二PMUT，PMUT基底与晶体管单元的一侧的表面以面接合的方式接合，每个PMUT包括第一电极层、第二电极层与压电层，
其中：
第一PMUT和第二PMUT在横向上彼此间隔开设置在PMUT基底的一侧，且分别与第一晶体管和第二晶体管在微机械超声换能器结构的厚度方向上对应；且
第一PMUT的压电层的压电系数高于第二PMUT的压电层的压电系数，第一PMUT的压电层的介电常数低于第二PMUT的压电层的介电常数。
16、根据15所述的方法，其中，提供PMUT单元的步骤包括：
在形成一个PMUT后设置覆盖其的保护层；
与所述一个PMUT在横向上间隔开的设置另一个PMUT；
移除所述保护层。
17、根据15或16所述的方法，其中，提供PMUT单元的步骤包括：
提供PMUT初始基底以及设置在初始基底的一侧上的在横向方向上间隔开的第一PMUT和第二PMUT；
以临时粘合层覆盖第一PMUT和第二PMUT以及设置辅助基底，所述辅助基底与所述临时粘合层接合；
在初始基底的另一侧执行减薄工艺以形成所述PMUT基底，且
在将PMUT基底与晶体管单元的表面接合的步骤之后，所述方法还包括步骤：移除临时粘合层和辅助基底。
18、根据15所述的方法，其中：
利用接合材料层将PMUT基底与晶体管单元的一侧的表面接合，所述PMUT单元、所述晶体管单元以及所述接合材料层共同限定所述空腔，所述接合材料层的厚度限定所述空腔的高度。
19、根据15所述的方法，其中：
对于每个晶体管，所述晶体管单元包括彼此电绝缘的第一电连接层和第二电连接层；
所述方法还包括步骤：对于每一个PMUT和对应的晶体管，提供彼此电绝缘的第一导电层与第二导电层，第一电极层经由第一导电层与第一电连接层电连接，第二电极层经由第二导电层与第二电连接层电连接。
20、根据19所述的方法，对于每一个PMUT和对应的晶体管，其中：
在提供彼此电绝缘的第一导电层与第二导电层的步骤之前，还包括步骤：形成第一导电用孔和第二导电孔，第一导电用孔贯穿PMUT单元以及抵达从而露出晶体管单元内的第一电连接层，第二导电用孔贯穿PMUT单元以及抵达从而露出晶体管单元内的第二电连接层；
在提供彼此电绝缘的第一导电层与第二导电层的步骤中，第一导电层经由第一导电用孔与第一电连接层电连接，第二导电层经由第二导电用孔与第二电连接层电连接。
21、根据15-20中任一项所述的方法，其中：
提供晶体管单元包括提供晶体管晶圆，基于MEMS工艺，所述晶体管晶圆形成有多个晶体管单元，每个晶体管单元包括在横向方向上间隔开布置的第一晶体管和第二晶体管；
提供与晶体管单元的一侧的表面接合的PMUT单元包括：提供PMUT晶圆，基于MEMS工艺，所述PMUT晶圆形成有与所述多个晶体管单元分别对应的多个PMUT单元，每个PMUT单元包括在横向上彼此间隔开设置的第一PMUT和第二PMUT，第一PMUT和第二PMUT分别与第一晶体管和第二晶体管在微机械超声换能器结构的厚度方向上对应；
所述方法还包括步骤：执行切割以形成包括单个PMUT单元与单个晶体管单元的微机械超声换能器结构。
22、根据15-21中任一项所述的方法，其中：
第一PMUT的压电层为PZT或掺杂PZT，第二PMUT的压电层为AlN或AlScN。
23、根据15-22中任一项所述的方法，其中：
第一PMUT用于发射超声波，第二PMUT用于接收超声波。
24、根据15-23中任一项所述的方法，其中：
所述晶体管单元包括CMOS单元、BiMOS单元、BCD单元中的一种。
25、根据15所述的方法，其中：
第一PMUT的压电层的压电系数绝对值大于1C/m2；和/或
第二PMUT的压电层的介电常数小于1200。
26、根据25所述的方法，其中：
第一PMUT的压电层的压电系数绝对值大于5C/m2；和/或
第二PMUT的压电层的介电常数小于100。
27、一种电子设备，包括根据1-14中任一项所述的微机械超声换能器结构，或者根据15-26中任一项所述的制造方法制造的微机械超声换能器结构。
28、根据27所述的电子设备，其中：
所述电子设备包括如下中的至少一种：超声成像仪、超声测距仪、超声指纹传感器、无损探伤仪、流量计、力觉反馈设备、烟雾报警器。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (28)
1.一种微机械超声换能器结构，包括：
PMUT单元，包括PMUT基底、第一PMUT和第二PMUT，每个PMUT包括第一电极层、第二电极层与压电层，
其中：
第一PMUT和第二PMUT在横向上彼此间隔开设置在PMUT基底的一侧；
第一PMUT的压电层的压电系数高于第二PMUT的压电层的压电系数，且第一PMUT的压电层的介电常数低于第二PMUT的压电层的介电常数。
2.根据权利要求1所述的微机械超声换能器结构，其中：
第一PMUT的压电层为PZT或掺杂PZT，第二PMUT的压电层为ALN或AlScN。
3.根据权利要求1所述的微机械超声换能器结构，其中：
第一PMUT用于发射超声波，第二PMUT用于接收超声波。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的微机械超声换能器结构，还包括：
晶体管单元，包括晶体管基底以及在横向方向上间隔开布置的第一晶体管和第二晶体管，第一PMUT和第二PMUT分别与第一晶体管和第二晶体管在微机械超声换能器结构的厚度方向上对应；
PMUT单元与晶体管单元的一侧的表面接合，晶体管单元的一侧的表面为晶体管单元的接合面。
5.根据权利要求4所述的微机械超声换能器结构，其中：
用于第一PMUT和第二PMUT的空腔处于所述接合面的设置了PMUT单元的一侧。
6.根据权利要求5所述的微机械超声换能器结构，其中：
PMUT基底与晶体管单元的一侧的表面接合，PMUT基底设置有所述空腔。
7.根据权利要求6所述的微机械超声换能器结构，其中：
PMUT单元还包括用于支撑PMUT的支撑层，支撑层设置在两个PMUT与PMUT基底之间。
8.根据权利要求6所述的微机械超声换能器结构，其中：
所述空腔贯穿PMUT基底；或者
所述PMUT单元与晶体管单元之间设置有接合材料层，所述PMUT单元、所述晶体管单元以及所述接合材料层共同限定所述空腔，所述接合材料层的厚度限定所述空腔的高度。
9.根据权利要求4所述的微机械超声换能器结构，其中：
每个晶体管单元包括所述晶体管、彼此电绝缘的第一电连接层和第二电连接层；且
对于每一个PMUT和对应的晶体管：所述微机械超声换能器结构还包括彼此电绝缘的第一导电层与第二导电层，第一电极层经由第一导电层与第一电连接层电连接，第二电极层经由第二导电层与第二电连接层电连接。
10.根据权利要求9所述的微机械超声换能器结构，对于每一个PMUT和对应的晶体管，还包括：
第一导电用孔和第二导电孔，第一导电用孔贯穿PMUT单元以及抵达晶体管单元内的第一电连接层，第二导电用孔贯穿PMUT单元以及抵达晶体管单元内的第二电连接层，
其中：
第一导电层经由第一导电用孔与第一电连接层电连接，第二导电层经由第二导电用孔与第二电连接层电连接。
11.根据权利要求4所述的微机械超声换能器结构，其中：
所述晶体管单元包括电路保护层，所述电路保护层覆盖所述晶体管；且
所述电路保护层的一侧的表面为所述接合面。
12.根据权利要求4所述的微机械超声换能器结构，其中：
所述晶体管单元包括CMOS单元、BiMOS单元、BCD单元中的一种。
13.根据权利要求1所述的微机械超声换能器结构，其中：
第一PMUT的压电层的压电系数绝对值大于1C/m2；和/或
第二PMUT的压电层的介电常数小于1200。
14.根据权利要求13所述的微机械超声换能器结构，其中：
第一PMUT的压电层的压电系数绝对值大于5C/m2；和/或
第二PMUT的压电层的介电常数小于100。
15.一种微机械超声换能器结构的制造方法，包括步骤：
提供晶体管单元，晶体管单元包括晶体管基底以及在横向方向上间隔开布置的第一晶体管和第二晶体管；以及
提供与晶体管单元的一侧的表面接合的PMUT单元，PMUT单元包括PMUT基底、第一PMUT和第二PMUT，PMUT基底与晶体管单元的一侧的表面以面接合的方式接合，每个PMUT包括第一电极层、第二电极层与压电层，
其中：
第一PMUT和第二PMUT在横向上彼此间隔开设置在PMUT基底的一侧，且分别与第一晶体管和第二晶体管在微机械超声换能器结构的厚度方向上对应；且
第一PMUT的压电层的压电系数高于第二PMUT的压电层的压电系数，第一PMUT的压电层的介电常数低于第二PMUT的压电层的介电常数。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，提供PMUT单元的步骤包括：
在形成一个PMUT后设置覆盖其的保护层；
与所述一个PMUT在横向上间隔开的设置另一个PMUT；
移除所述保护层。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，提供PMUT单元的步骤包括：
提供PMUT初始基底以及设置在初始基底的一侧上的在横向方向上间隔开的第一PMUT和第二PMUT；
以临时粘合层覆盖第一PMUT和第二PMUT以及设置辅助基底，所述辅助基底与所述临时粘合层接合；
在初始基底的另一侧执行减薄工艺以形成所述PMUT基底，且
在将PMUT基底与晶体管单元的表面接合的步骤之后，所述方法还包括步骤：移除临时粘合层和辅助基底。
18.根据权利要求15所述的方法，其中：
利用接合材料层将PMUT基底与晶体管单元的一侧的表面接合，所述PMUT单元、所述晶体管单元以及所述接合材料层共同限定所述空腔，所述接合材料层的厚度限定所述空腔的高度。
19.根据权利要求15所述的方法，其中：
对于每个晶体管，所述晶体管单元包括彼此电绝缘的第一电连接层和第二电连接层；
所述方法还包括步骤：对于每一个PMUT和对应的晶体管，提供彼此电绝缘的第一导电层与第二导电层，第一电极层经由第一导电层与第一电连接层电连接，第二电极层经由第二导电层与第二电连接层电连接。
20.根据权利要求19所述的方法，对于每一个PMUT和对应的晶体管，其中：
在提供彼此电绝缘的第一导电层与第二导电层的步骤之前，还包括步骤：形成第一导电用孔和第二导电孔，第一导电用孔贯穿PMUT单元以及抵达从而露出晶体管单元内的第一电连接层，第二导电用孔贯穿PMUT单元以及抵达从而露出晶体管单元内的第二电连接层；
在提供彼此电绝缘的第一导电层与第二导电层的步骤中，第一导电层经由第一导电用孔与第一电连接层电连接，第二导电层经由第二导电用孔与第二电连接层电连接。
21.根据权利要求15-20中任一项所述的方法，其中：
提供晶体管单元包括提供晶体管晶圆，基于MEMS工艺，所述晶体管晶圆形成有多个晶体管单元，每个晶体管单元包括在横向方向上间隔开布置的第一晶体管和第二晶体管；
提供与晶体管单元的一侧的表面接合的PMUT单元包括：提供PMUT晶圆，基于MEMS工艺，所述PMUT晶圆形成有与所述多个晶体管单元分别对应的多个PMUT单元，每个PMUT单元包括在横向上彼此间隔开设置的第一PMUT和第二PMUT，第一PMUT和第二PMUT分别与第一晶体管和第二晶体管在微机械超声换能器结构的厚度方向上对应；
所述方法还包括步骤：执行切割以形成包括单个PMUT单元与单个晶体管单元的微机械超声换能器结构。
22.根据权利要求15-21中任一项所述的方法，其中：
第一PMUT的压电层为PZT或掺杂PZT，第二PMUT的压电层为AlN或AlScN。
23.根据权利要求15-22中任一项所述的方法，其中：
第一PMUT用于发射超声波，第二PMUT用于接收超声波。
24.根据权利要求15-23中任一项所述的方法，其中：
所述晶体管单元包括CMOS单元、BiMOS单元、BCD单元中的一种。
25.根据权利要求15所述的方法，其中：
第一PMUT的压电层的压电系数绝对值大于1C/m2；和/或
第二PMUT的压电层的介电常数小于1200。
26.根据权利要求25所述的方法，其中：
第一PMUT的压电层的压电系数绝对值大于5C/m2；和/或
第二PMUT的压电层的介电常数小于100。
27.一种电子设备，包括根据权利要求1-14中任一项所述的微机械超声换能器结构，或者根据权利要求15-26中任一项所述的制造方法制造的微机械超声换能器结构。
28.根据权利要求27所述的电子设备，其中：
所述电子设备包括如下中的至少一种：超声成像仪、超声测距仪、超声指纹传感器、无损探伤仪、流量计、力觉反馈设备、烟雾报警器。
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| PCT/CN2023/110644 WO2024027730A1 (zh) | 2022-08-05 | 2023-08-02 | 基底同侧设置有双pmut的微机械超声换能器结构及其制造方法 |
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