超声换能器腔室中的吸气材料的制备技术以及结构

摘要

一种形成超声换能器装置的方法包括将膜键合至衬底，以便在膜与衬底之间形成密封腔室。位于密封腔室内的暴露表面包括与腔室的底部电极电气隔离的吸气剂材料。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年9月28日提交的代理人案卷号为B1348.70103US00并且题为“FABRICATION TECHNIQUES AND STRUCTURES FOR GETTERINGMATERIALS IN ULTRASONIC TRANSDUCER CAVITIES”的序列号为62/738,502的美国专利申请的权益，该美国专利申请的全部内容在此通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开内容总体上涉及微机械超声换能器，更具体地，涉及在制造期间存在于超声换能器腔室中的吸气材料的制备技术和相关联的结构。

背景技术

通过使用频率相对于人类可听到的频率而言更高的声波，超声装置可以用于执行诊断成像和/或治疗。超声成像可以用于观察内部软组织体结构，例如，用于查找疾病源或排除任何病状(pathology)。当(例如，通过使用探头)将超声的脉冲发送到组织中时，声波被组织反射出来，其中，不同的组织反射不同程度的声。然后，这些反射声波可以被记录并且作为超声图像向操作者显示。声信号的强度(幅度)以及波在身体中行进所花费的时间提供用于产生超声图像的信息。

一些超声成像装置可以使用微机械超声换能器来制备，微机械超声换能器包括悬置于衬底上方的柔性膜。在衬底的一部分与膜之间定位有腔室，使得衬底、腔室和膜的组合形成可变电容器。膜在由适当的电信号致动时通过振动产生超声波信号。作为接收超声波信号的响应，引起膜振动，结果，可以产生输出电信号。

发明内容

一方面，一种形成超声换能器装置的方法包括将膜键合至衬底，以便在膜与衬底之间形成密封腔室，其中位于密封腔室内的暴露表面包括吸气剂材料，吸气剂材料与腔室的底部电极电气隔离。

另一方面，超声换能器装置包括键合至衬底的膜，在膜与衬底之间具有密封腔室。位于密封腔室内的暴露表面包括吸气剂材料，吸气剂材料与腔室的底部电极电气隔离。

附图说明

将参照以下附图来描述本申请的各个方面和各个实施方式。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个附图中的项在其出现的所有附图中由相同的附图标记指示。

图1是根据一实施方式的具有腔室吸气剂材料的微机械超声换能器的横截面图。

图2是图1的超声换能器的沿箭头2-2截取的俯视图。

图3是图1的超声换能器的沿箭头3-3截取的俯视图。

图4是根据另一实施方式的具有腔室吸气剂材料的微机械超声换能器的横截面图。

图5是图4的超声换能器的沿箭头5-5截取的俯视图。

图6是图4的超声换能器的沿箭头6-6截取的俯视图。

图7是根据另一实施方式的具有腔室吸气剂材料的微机械超声换能器的横截面图。

图8是图7的超声换能器沿箭头8-8截取的俯视图。

图9是图7的超声换能器沿箭头9-9截取的俯视图。

图10至图19示出了用于形成图1至图9的超声换能器实施方式的工艺流程顺序，其中：

图10示出了在CMOS衬底之上形成电极层。

图11-1示出了根据图1的实施方式对图10的电极层进行图案化。

图11-2示出了根据图4的实施方式对图10的电极层进行图案化。

图11-3示出了根据图7的实施方式对图10的电极层进行图案化。

图12-1示出了在图11-1的结构之上形成绝缘层。

图12-2示出了在图11-2的结构之上形成绝缘层。

图12-3示出了在图11-3的结构之上形成绝缘层。.

图13-1示出了使图12-1的结构的绝缘层平坦化。

图13-2示出了使图12-2的结构的绝缘层平坦化。

图13-3示出了使图12-3的结构的绝缘层平坦化。

图14示出了在图13-1的结构之上形成绝缘堆叠件。

图15示出了在绝缘堆叠件中形成腔室。

图16示出了去除绝缘堆叠件的下绝缘层的一部分，以使用作吸气剂材料的邻近电极材料暴露。

图17示出了待与图16的结构键合的绝缘体上硅(SOI)晶圆。

图18示出了与图16的结构键合的SOI晶圆。

图19示出了去除SOI晶圆的一部分以限定微机械超声换能器的膜。

图20示出了使用本文所述的任意工艺流程顺序形成的示例超声换能器装置的俯视图。

具体实施方式

适合于用在超声成像装置中的其中一种换能器是微机械超声换能器(MUT)，微机械超声换能器可以由例如硅制成，并且构造成发送和接收超声能量。MUT可以包括电容式微机械超声换能器(CMUT)和压电式微机械超声换能器(PMUT)，相较于更常规的超声换能器设计，MUT可以提供若干优点，例如，更低的制造成本和制备时间和/或增加的频率带宽。关于CMUT器件，基本结构为平行板电容器，其中，刚性底部电极和顶部电极位于柔性膜上或柔性膜内。因此，在底部电极与顶部电极之间限定有腔室。在一些设计中(例如，诸如由本申请的受让人生产的那些设计)，CMUT换能器可以直接集成在控制换能器的操作的集成电路上。制造CMUT超声装置的其中一种方式是将膜衬底键合至集成电路衬底、如互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底。这可以在足够低的温度下进行，以防止对集成电路的器件造成损坏。

然而，在将膜衬底键合至CMOS衬底的期间，可能因水蒸气和其他气体副产物以及键合的传播而导致晶片和晶圆两侧的腔室压力存在差异。这进而可能导致诸如塌陷电压以及发射/接收压力灵敏度之类的、某些基于CMUT的操作参数的不期望的可变性。因此，期望能够在制造过程期间以及在装置的整个寿命中控制这种换能器装置内的腔室压力。

现参照图1，示出了根据一实施方式的具有腔室吸气剂材料的微机械超声换能器100的横截面图。如图所示，超声换能器100包括形成在衬底104(例如，CMOS衬底，诸如硅)之上的下电极102。CMOS衬底104可以包括但不必限于CMOS电路、布线层、再分布层和绝缘/钝化层。在示例性实施方式中，用于下电极102的合适材料包括钛(Ti)、锆(Zr)、钒(V)、钴(CO)、镍(Ni)及其合金中的一种或多种。

如图1中进一步所示，下电极102与同样形成于衬底104上的邻近金属区域106电气隔离。邻近金属区域106的暴露部分可以因而在腔室形成期间用作吸气剂材料。邻近金属区域106可以由与下电极102相同的金属材料形成，并且通过绝缘体材料108(例如，氧化硅)与下电极102电气隔离。作为另外的图示，图2是沿图1中的箭头2-2截取的下电极、邻近金属区域106和绝缘体材料108的俯视图。应当理解，尽管超声换能器100的该部分的示例性几何结构大体上呈圆形的形状，但是也可以考虑其他构型，例如诸如矩形、六边形、八边形和其他多边形等之类的构型。

再次参照图1，在下电极102和邻近金属区域106的一部分之上形成有绝缘体层(例如，一个或多个单独的绝缘体层、如绝缘体堆叠件110)。堆叠件110的一部分为键合至堆叠件110的可移动膜112(例如，具有带氧化表面的掺杂硅器件层的SOI晶圆)提供支撑。在所示实施方式中，绝缘体堆叠件110包括第一氧化物层114(例如，化学气相沉积(CVD)氧化硅)、第二氧化物层116(例如，原子层沉积(ALD)氧化铝)和第三氧化物层118(例如，溅射沉积的氧化硅)。通过对第三氧化物层118进行合适的光刻图案化和蚀刻，可以限定用于超声换能器100的腔室120。此外，在其中第二氧化物层116选自于相对于第三氧化物层118具有蚀刻选择性的材料的实施方式中，第二氧化物层116可以用作蚀刻停止部，以用于去除第三氧化物层118的一部分，以便限定腔室120。

除限定腔室120的对第三氧化物层的蚀刻之外，使用另一蚀刻来限定穿过第二氧化物层116和第一氧化物层114的开口122，由此使金属区域106的一部分的顶部表面暴露。图3中示出了沿图1中的箭头3-3截取的腔室120的俯视图，其示出了第二氧化物层116的剩余部分和金属区域的暴露部分。金属区域106的暴露部分可以有利地用作一种或多种气体的吸气剂材料，该一种或多种气体存在于用以使腔室120密封的膜112的键合操作期间。下文将论述用于形成超声换能器100的附加示例性处理操作。

应当理解，吸气技术和相关联的去除氧化物层116和114的一部分以使金属区域106的一部分暴露可以与多个换能器电极结构中的任意换能器电极结构相结合来实现。例如，图4至图6示出了根据另一实施方式的具有腔室吸气剂材料的微机械超声换能器400的横截面图和俯视图。为了便于描述，在各实施方式中，相似的元件由相似的附图标记表示。如图4和图5(沿图4中的线5-5截取)中特别示出的，下电极102形成为具有“圆环形”图案；也就是说，与先前描述的实施方式的电极结构的最内侧半径相对应的区域替代地由绝缘材料(例如，氧化物108)而不是导电电极材料形成。应当注意，由于仅从腔室几何形状的外部区域去除氧化物层116和114，因此图6的俯视图基本上类似于图3的实施方式的俯视图。

图4的电极几何形状可以用于多种不同的操作模式，包括与超声换能器400的塌陷操作模式相结合来使用，在这种塌陷操作模式中，膜112的至少一部分与腔室120的底表面(例如，第二氧化物层116)物理接触。在这种情况下，用绝缘体材料代替下电极材料的中央部分可以有助于降低超声换能器400的寄生电容，而不会显著损害性能，因为与超声换能器腔室的底部物理接触的电极的中央部分对产生超声信号的贡献最小。这种电极结构的另一益处可以是减少膜112上的充电，否则反复塌陷会引起膜112上的充电。关于圆环形下电极的附加信息，可以参见于2018年5月3日提交、并转让给本申请的受让人的序列号为62/666,643的美国专利申请，以及于2019年5月2日提交、并转让给本申请的受让人的序列号为16/401,630的共同未决美国专利申请，这两个美国专利申请的内容均在此通过引用整体并入本文中。

现在参照图7至图9，示出了根据又一实施方式的具有腔室吸气剂材料的微机械超声换能器700的横截面图和俯视图。同样，为了便于描述，在各实施方式中，相似的元件由相似的附图标记表示。如图7和图8(沿图7中的线8-8截取)中特别示出的，下电极102仍形成为具有“圆环形”图案。然而，与图4至图6的实施方式相反，在腔室区域的中央部分处形成有附加电极702。电极702被图案化为与下电极102电气隔离、如通过借助于例如氧化物108与下电极102绝缘而与其电气隔离。如同其他实施方式的情况一样，图9的俯视图基本上类似于图3和图6的实施方式的俯视图。

除关于前述实施方式所述的益处之外，图7中所示类型的电极几何形状还可以有助于在膜112与地面之间形成旁路电容，这进而可以有助于降低关于膜112的电压的噪声。电极702的另一益处可以是通过电极702将膜112朝向腔室120的底部吸引而帮助提供用于超声换能器700的较低的塌陷电压。关于这种电极设计的附加信息，也可以参见前述的序列号为62/666,643和16/401,630的共同未决美国专利申请。

现在总体参照图10至图19，示出了用于形成上述超声换能器实施方式的示例性工艺流程顺序。在图10中，在CMOS衬底104、例如硅衬底之上形成电极层1000。重申，CMOS衬底104可以包括但并不必限于CMOS电路、布线层、再分布层和绝缘/钝化层。同样如前所述，用于电极层1000的合适材料包括钛(Ti)、锆(Zr)、钒(V)、钴(CO)、镍(Ni)及其合金中的一种或多种。

根据期望的特定下电极图案，该过程可以进行到图11-1、图11-2或图11-3中的任意一者。例如，在图11-1中，使用光刻工艺来在电极层1000中形成图案以及蚀刻开口，以便限定图1的电极图案，即下电极102和邻近金属区域106。在该特定实施方式中，下电极102的中心区域保持完整。图11-2示出了图4实施方式的电极层1000的图案化(即，去除电极的中心部分以限定“圆环形”图案)，而图11-3示出了图7实施方式的电极层1000的图案化(即，在圆环形图案的中心部分处形成附加电极702)。

一旦限定好电极图案，则该过程然后可以进行到如图12-1、图12-2和图12-3中所示的绝缘填充操作。如图所示，在图案化的电极材料之上形成绝缘层1200(例如，氧化硅)。绝缘层1200然后如图13-1、图13-2和图13-3中分别所示地被平坦化，以形成上述绝缘体材料108。从这一点来看，用于所示电极设计实施方式中的每个电极设计实施方式的处理基本相同。因此，为了简洁，其余附图仅在第一实施方式的背景下(即，从图13-1起)示出，然而应当理解，后续过程同样适用于其他实施方式。

现在参照图14，在下电极层之上、例如图13-1中所示的下电极102和邻近金属区域106之上形成如上所述的绝缘体堆叠件110。在所示实施方式中，绝缘体堆叠件110包括形成于下电极102和邻近金属区域106之上的第一氧化物层114(例如，厚度约为1-100nm的CVD氧化硅)、形成于第一氧化物层114之上的第二氧化层116(例如，厚度约为5-100nm的ALD氧化铝)、以及形成于第二氧化物层116之上的第三氧化物层118(例如，厚度约为1-300nm的溅射沉积的氧化硅)。

在图15中，通过去除第三氧化物层118的一部分、使用第二氧化物层116作为蚀刻停止部来执行第一光刻图案化和蚀刻过程以限定腔室120。作为附加的益处，如果在装置操作期间(例如，在换能器操作的塌陷模式期间)，(随后形成的)顶部膜与第二氧化物层116接触，则存在于腔室1500的底部处的第二氧化物层116的氧化铝材料还可以帮助减少该顶部膜的充电。可选地，在图案化之后并且在光刻胶被去除之前，可以在第二氧化物层116上形成氧化铝薄层(未示出)以及具有十七氟四氢癸基三氯硅烷或十二烷基三氯硅烷前体的薄的自组装单分子层(SAM)(未示出)。在前述塌陷操作模式或顶部膜与腔室120的底部物理接触的其他模式中，形成在腔室120的底部处的SAM可以帮助减少顶部膜对腔室120的底部的任意静摩擦。在这一点上还应当理解，尽管图示的实施方式描绘了单个腔室，但是可以形成任意合适数量的腔室和对应的电极结构(例如，数百、数千、数万等)。

现在参照图16，执行第二光刻图案化和蚀刻过程，以使腔室120的外周处的邻近金属区域106暴露。第二蚀刻去除第二氧化物层116和第一氧化物层114的一部分，在邻近金属区域106上停止，邻近金属区域106将用作吸气剂材料。此时，如图16中所描绘的装置已准备好用于膜键合。穿过第二氧化物层116和第一氧化物层114而形成的开口的特定尺寸或尺寸范围(以及因而由此产生的待暴露的邻近金属区域材料的量)可以基于对在键合过程期间需要消耗/吸收的气体的量的一种或多种计算来选择。此外，待在每个腔室中形成的吸气剂材料面积的大小可以根据例如在键合过程期间所释放的气体的量、装置寿命以及吸气剂活化之后的期望腔室压力等因素而确定。最终压力可以通过吸气剂活化来调节，而吸气剂活化又可以通过在升高的温度下进行退火来完成。在实施方式中，通常优选的是具有比目标量更多的暴露的吸气剂材料，而不是比目标量更少的暴露的吸气剂材料，因为使用额外的吸气剂材料可以缩短退火时间。仅作为示例，对于横截面积约为0.030cm

如图17中所示，衬底1700(例如，绝缘体上硅(SOI)衬底)包括处理层1702(例如，硅层)、掩埋氧化物(BOX)层1704和硅器件层1706。氧化物层1708可以可选地设置在处理层1702的背侧。硅器件层1706可以由单晶硅形成，并且在一些实施方式中可以是掺杂的。这种掺杂可以是高掺杂的P型，或者可替代地是N型，并且可以是贯穿硅器件层1706的均匀掺杂，或者通过在某些区域中进行注入而形成图案。此外，在硅器件层1706上形成有氧化物层1710(例如，热氧化硅)。

如图18中所示，衬底1700键合至衬底104和形成在衬底104上的前述结构。在所描绘的实施方式中，层1710的氧化物材料通过低温氧化物键合方法(例如，低于450℃)键合至氧化物材料118，低温氧化物键合方法可以防止对衬底104的电路的损坏。如上所述，由于基于H

在键合之后，通过合适的技术(例如、蚀刻、研磨等)去除氧化物层1708和处理层1702，从而限定上文论述以及如图19中所示的膜112。可选地，也可以在附加处理之前去除BOX层1704，附加处理可以包括合适步骤以完成用于生产超声装置的最终布线、互连和/或封装步骤。

图20示出了使用本文所述的任意工艺流程顺序形成的示例超声换能器装置2000的俯视图。如图所示，换能器装置包括单独的换能器100的阵列、如上文所描述的那些换能器的阵列。图20中所示的换能器100的具体数量不应以任何限制意义进行解释，并且该具体数量可以包括适合于期望的成像应用的任意数量，该数量例如可以是几十、几百、几千、几万或更大的数量级。可以理解的是，考虑到提供晶圆或晶片两侧上的均匀的腔室压力的能力，上述吸气技术随阵列逐渐增大而特别有益。图20进一步示出了金属2002的示例位置，该金属2002可以将电信号分配给换能器100的膜(上电极)。

应当理解，尽管示例性实施方式图示并描述了相同底部电极金属材料在膜键合期间用作吸气剂材料，但也可以以类似的方式使用其他非金属或非金属合金吸气剂材料。例如，石墨、磷和/或某些盐可以用作腔室吸气剂材料。此外，关于吸气剂材料的具体放置，除腔室底部之外，也可以考虑其它位置。例如，通过附加的处理操作，可以以使得吸气剂材料设置在腔室侧壁和/或膜本身(密封腔室的顶部)上的方式形成层，以用于在膜键合期间吸气。这种附加的吸气剂层也可以形成在与底部电极材料不同的层面处。

上述实施方式可以以多种方式中的任意方式来实现。例如，实施方式可以使用硬件、软件或其组合来实现。当以软件实现时，可以在任何合适的处理器(例如，微处理器)或处理器的集合上执行软件代码，无论这些处理器是设置在单个计算设备中还是分布在多个计算设备中均是如此。应当理解，执行上述功能的任何部件或部件的集合可以一般地被认为是控制上述功能的一个或多个控制器。所述一个或多个控制器可以以多种方式实现，例如通过专用硬件来实现、或者通过通用硬件(例如，一个或多个处理器)来实现，使用微码或软件对该通用硬件进行编程以执行上文记载的功能。

本申请的各个方面可以单独使用、组合使用、或者以前面描述的实施方式中未具体论述的各种布置使用，并且因此在其应用上不限于前面的描述中阐述的或附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方式中描述的特征可以与其他实施方式中描述的特征以任何方式组合。

此外，某些方面可以被实施为方法，已经提供了这种方法的示例。可以以任何合适的方式对作为该方法的一部分而执行的动作进行排序。因此，实施方式可以被构造成其中以与所示出的次序不同的次序来执行动作，即使在示例性实施方式中被示出为顺序动作，其也可以包括同时执行一些动作。

在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先级、优先顺序或次序或者执行方法的动作的时间次序，而仅仅被用作用于区分具有某个名称的一个权利要求要素和具有相同名称(除了序数术语的使用以外)的另一要素的标记，以将这些权利要求要素区分开来。

在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可以用于意指在目标值的±20％内；在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可以用于意指在目标值的±10％内；在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可以用于意指在目标值的±5％内；然而在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可以用于意指在目标值的±2％内。术语“大约”和“约”可以包括目标值。