TWI689461B - Cmos上的pmut的單石積體 - Google Patents
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Abstract
本公開描述了一種單石積體裝置，其包括作為該裝置的基部的基板層(101)；介電隔層(102)，設置於基板層(101)的頂部，並位於保護層(103)的下方；電子線路，形成在介質電隔層(102)內，並由基板層(101)支撐，電子線路包括由一個或多個間隔開的金屬(204)形成的多個金屬層；以及至少一個微機械超音波換能器。 每個微機械超音波換能器包括底部電極(301)，其設置在保護層(103)的頂部並連接到電子線路； 壓電體(302)設置在底部電極(301)的頂部；頂部電極(303)設置在壓電體的頂部；彈性層(304)位於頂部電極(303)的頂部。 在底部電極(301)下方形成有空腔(306)，其從保護層(103)延伸到介電隔層(102)的一部分。
Description
本發明是關於一種單石積體裝置(monolithic integrated device)。更進一步的說，這種裝置是一種壓電式微機械超音波換能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducers，PMUT)，PMUT與互補金屬氧化物半導體CMOS的單石積體。
微機械超音波換能器是一種電子設備，其包括能夠利用施加的AC電壓信號產生高壓波的振動膜。 當波與物體相遇時，產生的波穿過介質並反射回換能器。 傳輸和返回的波被電子處理以檢測關於物體的信息，包括其距離，形狀和其他物理特性。 通過電容或壓電轉換實現膜的振動。 電容微機械超音波換能器被稱為CMUT，而壓電式微機械超音波換能器被稱為PMUT。
晶圓接合(wafer bonding)是將微機械超音波換能器與互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)基板集成的傳統方法。 US20160009544A1公開了一種將微機械超音波換能器與互補金屬氧化物半導體CMOS基板集成的方法。微機械超音波換能器可以是CMUT或PMUT。該方法涉及晶片接合技術以將PMUT結合到基板，以及將一個基板連接到另一個基板。 WO2016040333描述了一種微機電系統，具有PMUT的MEMS裝置，PMUT由超音波換能器，MUT結構和壓電體形成。第一金屬導電層設置在壓電體上，並且多個金屬電極配置為在第一金屬導電層，壓電體和CMOS結構之間形成電連接。 PMUT結構和CMOS結構垂直堆疊，由此MUT結構通過晶片接合技術(例如共晶接合和壓縮接合)在間隙處接合到CMOS結構。
在此的揭露內容將集中於利用壓電致動膜的微機械超音波換能器。 PMUT基於薄膜的彎曲運動而操作，薄膜與薄的壓電薄膜耦合。 PMUT提供的各種優點包括增加帶寬，提供靈活的幾何形狀，最小化電壓要求，實現不同諧振頻率的混合以及支持高頻電子設備的小型化。 典型的PMUT單元在單獨的基板上製造並引線接合到CMOS基板或使用晶片接合技術接合到CMOS基板。 然而，這些接合方法導致低填充因子和大量電寄生。
為了增强兩個連接的PMUT晶片的機械完整性，在CMOS基板和壓電元件之間的有效PMUT區域周圍施加通常為10-15um的接合環。 另外，為了增加電氣完整性，應用寬度約為5um的附加金屬線來連接兩個相鄰定位的PMUT晶片的壓電元件。 當多個PMUT單元填充在特定區域內時，接合環和電環佔據顯著面積，因此導致集成PMUT-CMOS裝置的低填充因子。
這裡公開的發明將提供對當前集成或連接的PMUT-CMOS裝置的上述限制和缺點的解決方案。 通過本發明，PMUT單元可以彼此緊密放置，並且可以達到填充因子改善的功效。
本發明涉及一種單石積體裝置，它包括作為該裝置基底的基板層； 介電隔層，設置在基板層的頂部上方和保護層下方；電子線路形成在介電隔層內並由基板層支撐，電子線路包括由一個或多個間隔金屬形成的多個金屬層；至少一個微機械超音波換能器，每個微機械超音波換能器包括設置在保護層頂部並連接到電子線路的底部電極；壓電體設置在底部電極的頂部；以及位於壓電體頂部的彈性層；其中單石積體裝置在每個微機械超音波換能器下方形成有空腔，該空腔從保護層延伸到介電隔層的一部分。
底部電極較佳分成兩半，其中第一半部分作為底部電極，而第二部分則用作頂部電極。
在一較佳實施例中，單石積體裝置還包括位於彈性層和壓電層之間的頂部電極。
單石積體裝置較佳包括設置在彈性層的一端或兩端下方並連接到電子線路的電連接結構。
另外，電連接可以具有用於連接到相鄰微機械超音波換能器的底部電極的基部。
較佳地，電子線路至少包括基板層中的源極和汲極元件。
仍然較佳的是，電子線路至少包括介電隔層中的閘極，每個閘極連接到源極和汲極元件。
此外，電子線路可以包括至少一個接觸元件，用於將源極和汲極元件以及閘極中的任何一個或組合連接到金屬中的一個。
較佳地，單石積體裝置還包括一個或多個用於連接不同金屬層的通孔。
此外，單石積體裝置較佳包括用於使底部電極與電子線路接觸的通路接觸件。
在一個較佳實施例中，單石積體裝置形成有至少一個接合焊盤開口，該接合焊盤開口延伸穿過保護層並部分地進入層間，直到接合焊盤開口到達金屬之一。
電子線路較佳是CMOS裝置。
彈性層的較佳材料包括非晶矽、二氧化矽、氮化矽、碳化矽、金屬氮化物、雙金屬氮化物或金屬氧化物中的任何一種。
壓電體可以是氮化鋁、氮化鋁鈧、鋯鈦酸鉛或氧化鋅中的任何一種。
本發明的另一個較佳實施例是單石積體裝置，其包括作為此裝置基部的基板層；介電隔層，設置在基板層的頂部上方和保護層下方；電子線路，形成在介電隔層內並由基板層支撐，電子線路包括由一個或多個間隔金屬形成的多個金屬層；至少一個微機械超音波換能器，每個微機械超音波換能器包括設置在保護層頂部並連接到電子線路的底部電極；壓電體，設置在底部電極的頂部；頂部電極，設置在壓電體的頂部；和位於頂部電極頂部的彈性層；其中單石積體裝置在底部電極下方形成有空腔，該空腔從保護層延伸到介電隔層的一部分。
在本發明中，PMUT單元與CMOS基板集成在一起以形成單個單元。這種製造技術取代了引線接合和晶片接合技術。此外，由於不再需要單獨的粘合區域，因此可以消除佔據顯著空間的諸如粘合環的元件。允許相鄰PMUT單元彼此電連接的電連接具有微型尺寸，使得其可以定位在有效PMUT區域內。 CMOS基板上的PMUT單元的結構和配置增加了填充因子並減小了相鄰PMUT單元之間的距離並降低了電寄生路徑。此外，僅需要單個CMOS基板來容納多個PMUT單元。
為了便於更好地理解本發明，以下將詳細描述在附圖中顯示的本發明的較佳實施例。
此處揭露一單石積體裝置，其整合了壓電式微機械超音波換能器、PMUT與互補金屬氧化物半導體，CMOS。 本發明用於通過產生的波檢測物體的距離，形狀或其他物理特性的應用。 這些應用包括但不限於醫學成像，指紋感應器，工業自動化，如防撞和非破壞性測試。
參照圖1，其顯示了本發明的第一較佳實施例，單石積體裝置包括作為裝置基部的基板層(101)；介電隔層(102)，設置於基板層(101)的頂部，並位於保護層(103)的下方；電子線路，形成於介電隔層(102)內並由基板層(101)支撐；和至少一個微機械超音波換能器。 這裡使用的術語“電子線路”是指包括電子元件或多個電子元件的主動電路，這些電子元件通過諸如CMOS裝置的電連接而連接。 這裡使用的術語“CMOS基板”是指電子線路，基板層(101)，介電隔層(102)和保護層(103)，而“微機械超音波換能器”是指PMUT單元。
每個微機械超音波換能器包括底部電極(301)，其設置在保護層(103)的頂部並連接到電子線路； 壓電體(302)設置在底部電極(301)的頂部；彈性層(304)位於壓電體(302)的頂部。 底部電極(301)較佳分成兩半，其中第一半部分執行底部電極(301)的功能，而第二半部分則用來發揮頂部電極的功能，儘管它沒有位於壓電體(302)的頂部。 當通過電子線路被適當的電場激勵時，微機械超音波換能器傳播超音波。 為了給微機械超音波換能器提供振動空間，在每個微機械超音波換能器下方形成空腔(306)，其從保護層(103)延伸到介電隔層(102)的一部分。 空腔(306)可以是處於真空狀態。
圖2中描繪了本發明的第二較佳實施例，其中單石積體裝置包括作為裝置基部的基板層(101)，介於基板層(101)之間和保護層(103)下面的介電隔層(102)；電子線路，包括介電隔層(102)內的多個金屬層(204)，並由基板層(101)支撐。 第一較佳實施例和第二較佳實施例之間的區別在於微機械超音波換能器，其中第二較佳實施例包括在壓電體(302)頂部和彈性層(304)下方的頂部電極(303)。
本發明還包括設置在彈性層(304)的一端或兩端下方的電連接結構(305)，其連接到電子線路。 電連接結構用於增加電氣完整性並允許兩個相鄰定位的微機械超音波換能器之間的電連接。 較佳地，電連接結構(305)具有用於連接到相鄰微機械超音波換能器的底部電極(301)的基部。 電連接結構(305)可以是頂部電極(303)的一部分，使得頂部電極(303)也可以用作電連接結構(305)。
電子線路的組件至少包括基板層(101)中的源極與汲極元件(201)、連接到源極與汲極元件(201)的介電隔層(102)中的至少一個閘極元件 (202)、由一個或多個間隔開的金屬(204)形成的多個金屬層、，至少一個用於將閘極(201)連接到金屬層(204)之一的接觸元件(203)，和用於連接不同的金屬層的通孔(205)。 在電子線路中施加電場以啟動微機械超音波換能器。 一個通孔接點(206)被用來使底部電極(301)與電子線路接觸，以將電場引導至微機械超音波換能器。
彈性層(304)是振動膜，其利用施加的電壓訊號產生高壓波。可用作彈性層(304)的材料包括但不限於非晶矽、二氧化矽、氮化矽、碳化矽、金屬氮化物、雙金屬氮化物或金屬氧化物。 另一方面，壓電體(302)可以由以下材料中的任何一種製成，包括氮化鋁、氮化鋁鈧、鋯鈦酸鉛或氧化鋅。
保護層(103)用作電子線路的保護層。 此外，單石積體裝置形成有至少一個接合墊開口(104)，該接合墊開口(104)延伸穿過保護層(103)並部分地進入介電隔層(102)，直到接合墊開口(104)到達一個用來作為單石積體裝置的接合墊的金屬(204)。可以通過蝕刻來形成這些接合墊開口(104)，以暴露接合墊。
這裡描述的單石積體裝置的特徵在於在CMOS基板內引入微機械超音波換能器元件，其中空腔(306)形成在介電隔層(102)和底部電極(301)內。微機械超音波換能器的頂部電極(303)使用連接到電子線路的通孔接點(206)直接連接到CMOS基板。僅需要單個CMOS基板來與多個PMUT單元集成。參考圖3，多個微機械超音波換能器填充在CMOS基板上，其中空腔形成在介電隔層(102)內。由於本發明採用單片集成方法，因此不需要單獨的接合區域來連接CMOS基板和微機械超音波換能器，因為不需要接合。此外，電連接結構(305)是微型尺寸，並且其寬度可以小於1um，使得電連接結構(305)可以位於有效PMUT區域(304a)內，如圖3所示。
101‧‧‧基板層102‧‧‧介電隔層103‧‧‧保護層104‧‧‧接合墊開口201‧‧‧源極與汲極元件202‧‧‧閘極元件203‧‧‧接觸元件204‧‧‧金屬205‧‧‧通孔206‧‧‧通孔接點301‧‧‧底部電極302‧‧‧壓電體303‧‧‧頂部電極304‧‧‧彈性層304a‧‧‧有效PMUT區域305‧‧‧電連接結構306‧‧‧空腔
圖1顯示了單石積體裝置的第一較佳實施例，其具有不具有頂部電極的PMUT單元。 圖2顯示了單石積體裝置的第二較佳實施例，其具有帶頂部電極的PMUT單元。 圖3顯示了具有多個PMUT單元的單石積體裝置。
101‧‧‧基板層
102‧‧‧介電隔層
103‧‧‧保護層
104‧‧‧接合墊開口
201‧‧‧源極與汲極元件
202‧‧‧閘極元件
203‧‧‧接觸元件
204‧‧‧金屬
205‧‧‧通孔
206‧‧‧通孔接點
301‧‧‧底部電極
302‧‧‧壓電體
303‧‧‧頂部電極
304‧‧‧彈性層
305‧‧‧電連接結構
306‧‧‧空腔
Claims (15)
- 一種單石積體裝置，包括：一單個基板，包含：一基板層(101)，作為該裝置的基底；一介電隔層(102)，配置於該基板層(101)的頂部並位於一保護層(103)的下方；以及一電子線路，形成於該介電隔層(102)之內，並為該基板層(101)所支撐，該電子電路包括多個間隔開的金屬層(204)；以及至少一微機械超音波換能器，每個該微機械超音波換能器包含：一底部電極(301)，配置於該保護層(103)的頂部；一壓電體(302)，配置於該底部電極(301)的頂部；以及一彈性層(304)，位於該壓電體(302)的頂部；其中該單石積體裝置在該單個基板內且每個微機械超音波換能器下方形成有空腔(306)，該空腔(306)從該保護層(103)延伸到該介電隔層(102)的一部分；其中連接到該電子線路的該微機械超音波換能器構建在該單個基板上。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，其中底部電極分成兩半。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，更包括一頂部電極(303)，位於該彈性層(304)與該壓電體(302)之間。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，更包括一電連接結構(305)，配置於該彈性層(304)的一端或兩端並連接至該電子線路。
- 如請求項4所述的單石積體裝置，其中該電連接結構(305)具有一基底部，用來連接至一鄰接微機械超音波換能器的該底部電極(301)。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，其中該電子線路包括位於該基板層(101)中的至少一源極與汲極元件(201)。
- 如請求項6所述的單石積體裝置，其中該電子線路包括位於該介電隔層(102)中的至少一閘極(202)，連接至該源極與汲極元件(201)。
- 如請求項7所述的單石積體裝置，其中該電子線路包括至少一接觸元件(203)，用以連接到該源極與汲極元件(201)以及該閘極(202)的任一或其組合至該金屬層(204)的其中之一。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，其中該電子線路包含一或多個通孔(205)，用以連接不同的該金屬層。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，其中該電子線路包含至少一通孔接點(206)，用以連接該底部電極(301)至該電子線路的該金屬層。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，其中該單石積體裝置由至少一個接合墊開口(104)形成，該接合墊開口(104)延伸穿過該保護層(103)並部分地進入該介電隔層(102)，直到該接合墊開口(104)到達該金屬層(204)之一。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，其中該電子線路為一CMOS裝置。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，其中該彈性層(304)是非晶矽、二氧化矽、氮化矽、碳化矽、金屬氮化物、雙金屬氮化物或金屬氧化物中的任何一種。
- 如請求項1所述的單石積體裝置，其中該壓電體(302)是氮化鋁、氮化鋁鈧、鋯鈦酸鉛或氧化鋅中的任何一種。
- 一種單石積體裝置，包含一單個基板，包含：一基板層(101)，作為該裝置的基底；一介電隔層(102)，配置於該基板層(101)的頂部且位於一保護層(103)的下方；以及一電子線路，形成在該介電隔層(102)內並由基板層(101)支撐，該電子線路包括多個間隔開的金屬層(204)；以及至少一個微機械超音波換能器，每個該微機械超音波換能器包括：一底部電極(301)，設置在該保護層(103)的頂部；一壓電體(302)設置在該底部電極(301)的頂部；一頂部電極(303)，設置在該壓電體(302)的頂部；以及 一彈性層(304)，位於該頂部電極(303)的頂部；其中該單石積體裝置在該單個基板內且每個微機械超音波換能器下方形成有空腔(306)，該空腔從該保護層(103)延伸到該介電隔層(102)的一部分；其中連接到該電子線路的該微機械超音波換能器構建在該單個基板上。
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