集成MEMS-CMOS超声波传感器的制作方法

集成mems-cmos超声波传感器1.相关申请的交叉引用2.本技术要求以下申请的优先权，其全部内容通过应用结合在本技术中：3.2021年9月16日提交的优先权号为17/477,498、发明名称为“integrated mems-cmos ultrasonic sensor[集成mems-cmos超声波传感器]”的美国专利申请；[0004]2020年10月22日提交优先权号为63/094,920、发明名称为“mems-cmos ultrasonic sensor with thermal stabilization[具有热稳定性的mems-cmos超声波传感器]”的美国临时专利申请。技术领域[0005]本披露内容涉及超声波传感器，并且更具体地，涉及将微机电系统(micro-electromechanical system，mems)和互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，cmos)超声波传感器部件集成为集成mems-cmos超声波传感器元件，例如，以实施用于集成到便携式电子设备中的小型指纹传感器。背景技术：[0006]可以在电子设备或系统中实施各种传感器，以提供某些期望的功能。一些传感器检测比如指纹、虹膜图案等静态类型的用户信息。其他传感器检测比如体温、脉搏等动态类型的用户信息。各种类型的传感器可以用于许多不同的目的。在某些情况下，这种传感器有助于实现用户认证，例如，以保护个人数据和/或防止对用户设备的未授权访问。在其他情况下，这种传感器可以帮助监测用户的身体和/或精神状态的变化，比如用于健康跟踪、生物反馈等。为了支持这些和其他目的，各种类型的传感器可以与比如便携式或移动计算设备(例如，膝上型计算机、平板计算机、智能电话)、游戏系统、数据存储系统、信息管理系统、大规模计算机控制系统和/或其他计算环境等设备和系统通信、或者甚至集成。[0007]作为一组示例，电子设备或系统上的认证可以通过一种或多种形式的生物特征标识符来执行，这些生物特征标识符可以单独地使用，也可以作为常规密码认证方法的补充。生物特征标识符的一种普遍形式是人的指纹图案。可以将指纹传感器内置于电子设备中以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由该设备的授权用户通过授权用户的指纹图案的认证来解锁。用于电子设备或系统的传感器的另一个示例是在如腕带设备或手表等可穿戴设备中的生物医学传感器，该生物医学传感器检测用户的生物学性质，例如用户的血液的性质、心跳。通常，可以在电子设备中提供不同的传感器以实现不同的感测操作和功能。这种感测操作和功能可以用作独立的认证方法和/或与比如密码认证等一种或多种其他认证方法结合使用。[0008]不同类型的传感器已经以不同的方式在不同程度上与移动电子设备集成。例如，许多现代智能电话已经集成了加速度计、相机以及甚至指纹传感器。然而，每个这样的传感器集成都涉及对技术、设计和其他约束的仔细考虑和遵守，比如施加在物理空间、功率、发热、成本、外部访问(例如，对于依赖于物理接触或光学访问的传感器)、对界面元素(例如，显示屏、按钮等)的干扰等等上的限制。技术实现要素：[0009]提供了用于将微机电系统(mems)和互补金属氧化物半导体(cmos)部件集成为集成mems-cmos超声波传感器元件的系统和方法。这种集成mems-cmos传感器元件设计可以通过将mems传感器部件中的一些或全部集成到cmos asic晶圆中来避免某些常规的晶圆键合和相关问题。一些实施方式减少或消除了与pmut检测器元件的形成相关联的后加工。一些实施例进一步包括集成温度稳定性。附图说明[0010]本文提及的并且构成其一部分的附图展示了本披露内容的实施例。这些附图与说明部分一起用于解释本发明的原理。[0011]图1示出了作为本文描述的各种实施例的背景的传感器环境的框图。[0012]图2a和图2b示出了根据各种实施例的具有集成为显示器下传感器的感测系统的便携式电子设备的示例。[0013]图3示出了常规类型的超声波传感器的说明性细节，该常规类型的超声波传感器用于一些常规超声波指纹传感器实施方式中。[0014]图4a至图4f示出了根据第一组实施例的用于制造集成微机电系统和互补金属氧化物半导体(mems-cmos)超声波传感器元件的实施例的说明性技术。[0015]图5a至图5c示出了根据第二组实施例的用于制造集成mems-cmos超声波传感器元件的实施例的说明性技术。[0016]图6a至图6c示出了根据第三组实施例的用于制造集成mems-cmos超声波传感器元件的实施例的说明性技术。[0017]图7示出了根据本文描述的各种实施例的用于制作集成mems-cmos超声波传感器元件的说明性方法的流程图。[0018]图8a和图8b分别示出了具有集成温度稳定性的新颖集成mems-cmos超声波传感器元件的第一说明性实施方式的侧视图和俯视图。[0019]图9示出了具有集成温度稳定性的新颖集成mems-cmos超声波传感器元件的第二说明性实施方式。[0020]图10示出了具有集成温度稳定性的新颖集成mems-cmos超声波传感器元件的第三说明性实施方式。[0021]图11示出了具有集成温度稳定性的新颖集成mems-cmos超声波传感器元件的第四说明性实施方式。[0022]图12示出了根据本文描述的各种实施例的用于制作压电式微细加工超声换能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer，pmut)的说明性方法的流程图。[0023]在附图中，类似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。进一步地，可以通过在附图标记之后加上在类似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则描述适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任一部件，而不管第二附图标记如何。具体实施方式[0024]在以下描述中，提供了许多具体细节以透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应该理解，可以在没有这些细节中的一个或多个细节的情况下实践本发明。在其他示例中，出于简洁目的，将不描述本领域已知的特征和技术。[0025]转向图1，示出了作为本文描述的各种实施例的背景的传感器环境100的框图。传感器环境100被展示为包括处理器控制的系统120和超声波传感器系统130。处理器控制的系统120通常旨在表示任何合适的一个或多个系统，以提供除了超声波传感器系统130的特征以外的传感器环境100的任何合适的特征。例如，在智能电话中，处理器控制的系统120可以包括用于提供电话和通信特征、显示特征、用户交互特征、应用处理特征等的子系统。传感器环境100的实施例可以包括一个或多个处理器110。在一些实施例中，一个或多个处理器110在处理器控制的系统120与超声波传感器系统130之间共享。在其他实施例中，处理器控制的系统120使用一个或多个处理器110，并且超声波传感器系统130具有其自己的一个或多个专用处理器110。[0026]超声波传感器系统130的实施例包括传感器阵列140和传感器控制电路150。传感器阵列140可以实施为超声换能器阵列。每个超声换能器或各换能器群组可以被视为检测器元件142。传感器控制电路150可以引导检测器元件142发射和接收超声波信号。在一些实施例中，传感器阵列140中的一些或全部包括被构造成既用作声波源(声学发射器)又用作返回声学信号接收器(声学接收器)的声学换能器。在其他实施例中，传感器阵列140中的一些或全部包括作为单独的超声换能器的声波发射器和返回声学信号波接收器。[0027]每个检测器元件142(或每个声学接收器检测器元件142)可以检测对比如反射声学信号信息等超声信令的响应。例如，在指纹传感器的上下文中，将手指放置在检测表面上并且用超声波轰击。超声波倾向于穿过(例如，被吸收、被散射等)指纹皮肤与检测表面接触，但往往在检测表面处遇到空气时被反射。因此，反射往往在指纹脊区域(皮肤接触表面的地方)比在指纹槽区域(没有皮肤接触表面的地方)更弱。通过将检测器元件142映射到传感器阵列140中的相应物理位置，可以有效地使用检测到的超声波响应来生成成像信息的像素(或像素群组)。成像信息的像素可以由传感器控制电路150传递到(多个)处理器110，或者以其他方式用于生成比如指纹图像等有用的输出数据。[0028]为了说明起见，图2a和图2b示出了根据各种实施例的具有集成为显示器下传感器230的感测系统130的便携式电子设备200的示例。便携式电子设备200可以是图1的传感器环境100的实施例，比如通过将传感器环境100集成在智能电话中。例如，单个便携式电子设备200可以包括一个或多个集成超声波传感器系统130作为指纹传感器、血压或心率传感器和/或用于其他目的。尽管被展示为智能电话，但是便携式电子设备200可以被实施为任何合适的便携式电子设备200，比如平板计算机、膝上型计算机、电子阅读器、腕戴式或其他可穿戴设备等。进一步地，尽管被展示为便携式设备，但是本文描述的超声波传感器的实施例也可以在比如访问控制系统、自动柜员机等非便携式设备中实施。[0029]如便携式电子设备200(在图2a中由附图标记200a表示)的俯视图所展示的，便携式电子设备200的实施例包括集成比如显示屏220和一个或多个物理按钮235等各种特征的壳体210。任何其他合适的接口元件可以包括在便携式电子设备200中，并且与壳体210集成(或集成在该壳体内)。在这种环境中，超声波传感器系统130可以在任何合适的位置实施和/或与任何合适的部件集成。例如，超声波传感器系统130可以在显示器220外围的专用位置、在便携式电子设备200的下侧或边缘等与物理按钮集成。在一些实施例中，如所展示的，超声波传感器系统130被实施为显示器下传感器230。在这种实施方式中，超声波传感器系统130设置在显示器220之下，并且被配置成使用显示器220的专用部分作为检测区域225。[0030]例如，如便携式电子设备200(在图2b中由附图标记200b表示)的侧视图所展示的，显示屏220可以包括多层，该多层包括多个功能显示层222以及顶部覆盖层224。该多个功能显示层222可以实施任何合适类型的显示器，比如液晶显示器(liquid crystal display，lcd)、有机发光二极管(organic light-emitting diode，oled)显示器、量子发光二极管(quantum light-emitting diode，qled)显示器、触敏显示器(例如，以实施电容式触摸屏)等。顶部覆盖层224可以是设置在该多个功能显示层222之上的任何合适的透明和/或保护层。在一些实施例中，顶部覆盖层224被配置成提供比如透射和/或传导特性等某些特征，以支持显示屏220的光学特征、声学特征、电容特征、压力感测特征和/或其他特征。显示器下传感器230的实施例可以安装在该多个功能显示层222中的一些或全部之下。例如，传感器阵列140的检测器元件142被配置成通过功能显示层222和顶部覆盖层224(手指240可以放置在该顶部覆盖层上)在检测区域225的方向上发射超声波，并且被配置成通过顶部覆盖层224和功能显示层222检测来自检测区域225的反射超声波信息。[0031]图3示出了常规类型的超声波传感器300的说明性细节，该常规类型的超声波传感器用于一些常规超声波指纹传感器实施方式中。这种常规超声波传感器300的示例(包括对其制造和集成到便携式电子设备中的描述)在题为“ultrasound fingerprint sensing and sensor fabrication(超声指纹感测和传感器制造)”的美国专利申请号15/968,420中进行了描述。这种常规超声波传感器300倾向于通过制作专用集成电路(application-specific integrated circuit，asic)(例如，作为cmos结构化芯片)并将mems超声波传感器部件添加到asic来制造。例如，用钝化层等对制作的cmos asic进行精加工，并且附加部件仅通过作为制作过程的一部分故意暴露的触点(例如，焊盘等)与晶圆耦合。传感器部件到制造的asic的这一后续添加在本领域中通常被称为对asic进行“后加工”。在一些这样的后加工实施方式中，mems传感器晶圆被单独制作，并且mems晶圆被晶圆键合(例如，使用共晶键合)到cmos asic以形成超声波传感器300。在其他这种后加工实施方式中，mems部件直接键合到cmos asic。[0032]例如，通过为asic上的每个换能器元件准备电极，可以将超声换能器布置成构建于cmos asic上的感测阵列。将单片或几大片超声换能器材料(例如，压电材料)键合或涂覆到asic上。可以连接对应的电极。分割或蚀刻换能器材料被以产生离散的超声换能器元件。这种设计可以被配置成实现恰当的谐振频率。离散的超声换能器元件之间的间隙可以用比如恰当的环氧树脂等适当的填充材料来填充。然后可以形成离散的超声换能器的顶部电极。根据驱动模式，每个顶部电极可以包括单个或几个或一行或一列离散的超声换能器元件。当向换能器施加高电压时，生成超声波。例如，将低压电路连接到换能器以接收返回的超声波诱导的电信号。对于使用单独的发射和感测换能器的一些实施方式，可以制造单独的超声换能器层结构(例如，分别用于生成超声信号和用于感测超声信号)。例如，在一些实施方式中，顶层结构是具有用于检测返回的超声信号的超声感测换能器的声学信号接收器，而单独的底层结构是具有用于生成朝向顶部感测区域的超声信号的超声发射器换能器的声学信号发生器。一些实施方式(例如，其中换能器被配置成生成和感测超声信号)进一步包括用于控制发射和接收功能的板上电路系统(例如，作为传感器控制电路150的一部分)，比如包括多路复用驱动器和接收器架构。[0033]示出了常规超声波传感器300的说明性常规检测器元件的两个截面图像350。如图像350a所示出的，检测器元件包括cmos asic作为底层。然后，通过将底部电极键合到asic、将压电材料层构建到底部电极上并且将顶部电极构建到压电材料层上来产生mems传感器。mems传感器部件形成pmut检测器元件。在典型应用(例如，由图2a和图2b展示的应用)中，pmut检测器元件可以设置在一个或多个设备层以及硅树脂层(例如，聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms))等之下。对于上下文，指尖的脊被示出为与硅树脂层的顶表面接触。[0034]如图像350b所示出的，在发射期间，向电极施加电脉冲，从而使压电材料层机械变形，由此根据超声声学信号振动空气。在两个图像350中可以看出，pmut被制作成在底部电极下方保持或形成低压(例如，真空)间隙。这种间隙可以帮助朝向硅树脂层并背离cmos asic引导超声波能量。在接收期间，反射的声波引起压电材料层的机械变形，该机械变形诱导电信号。然后可以对生成的电信号进行处理以获得期望的数据。例如，如所展示的，超声波传感器300可以将模拟电信号转换成数字数据，这些数字数据可以用于产生指纹图像或任何其他合适数据。[0035]各种问题可以归因于常规方法所使用的后加工类型，比如超声波传感器300的后加工类型。一个这样的问题是单独的晶圆加工往往由不同制造商在不同设施中执行。例如，cmos asic可以由传统的cmos代工厂生产，而pmut则往往由专门的mems制造商生产。单独制造可能会造成未对准和相关问题，并且解决这种问题可能会增加制作成本和前置时间、可能会迫使制作公差增加等。进一步地，依赖后加工可能会增加键合缺陷的出现(特别是在大量生产中，并且特别是在单独的晶圆制造商的情况下)。进一步地，分割键合的晶圆可能会在pmut的低压间隙中产生泄漏，键合材料可能会增加电阻和/或其他寄生现象，和/或键合可能会以其他方式降低传感器的性能。进一步地，键合往往可以增加传感器的高度。[0036]本文描述的实施例包括用于将mems和cmos部件集成到集成mems-cmos设计中的各种新颖技术。这种集成mems-cmos设计可以通过将mems传感器部件中的一些或全部集成到cmos asic晶圆中来避免晶圆键合和相关问题。一些实施方式减少或消除了与pmut检测器元件的形成相关联的后加工。[0037]图4a至图4f示出了根据第一组实施例的用于制造集成mems-cmos超声波传感器元件400的实施例的说明性技术。集成mems-cmos超声波传感器元件400可以是图1的传感器阵列140的检测器元件142的实施方式。通常，mems传感器部件包括(例如，第一金属的)“底部”电极、(例如，第二金属的)“顶部”电极和压电换能器。在图4a至图4f的实施例中，通过将第一和第二电极路径410部分地集成到cmos衬底405中来制造集成mems-cmos超声波传感器元件400。例如，在cmos代工厂等中通过在金属层上沉积用于电极路径410的金属作为cmos晶圆的集成电路系统的一部分来执行这种集成。[0038]电极路径410的集成包括图案化每个电极路径410以与相应的电极控制电路系统(未示出)耦合。在一些实施方式中，电极控制电路系统也与cmos晶圆集成(作为集成电路芯片的一部分)，并且每个电极路径410的控制端412经由导电路径和/或与cmos衬底405集成的其他部件电布线并耦合到其各自的控制电路系统。在其他实施方式中，每个电极路径410经由导电路径和/或与cmos衬底405集成的其他部件电布线并耦合到一个或多个对应的输入/输出节点(例如，暴露的电触点、电焊盘、引脚、焊点等)，并且电极控制电路系统可以经由对应的输入/输出节点与电极路径410电耦合。电极路径410的集成还包括在对cmos晶圆的加工结束时将每个电极路径410制造成终止于各自的暴露金属触点414处。在完成对cmos晶圆的加工(例如，由cmos代工厂)后，在每个集成mems-cmos超声波传感器元件400的位置处有一对暴露的金属触点414。[0039]转向图4b，在加工cmos晶圆之后，可以执行后加工以制造集成mems-cmos超声波传感器元件400的其余部分。如所示出的，牺牲层420可以沉积在两个电极路径410的暴露金属触点414之间的区域中在cmos衬底405的顶部上。通过将第一金属沉积在牺牲层420的顶部上来沉积第一电极416a(在附图的朝向上为底部电极或下部电极)。沉积第一金属，使得所沉积金属的一部分与第一暴露金属触点414a电耦合。在一些实施方式中，第一电极416a的金属基本上与暴露金属触点414的金属相同，使得第一电极416a实际上是第一电极路径410a的延伸。在一些实施方式中，第一电极416a被沉积为厚度介于0.5-1微米之间的金属层，并且牺牲层420被沉积成大约2微米厚。[0040]转向图4c，可以去除牺牲层420以形成声学空腔425，并且可以制造压电元件430。牺牲层420可以由氧化硅、氮化硅或任何其他合适的材料制成，以促进其去除从而在pmut材料之下形成声学空腔425。在一些实施方式中，第一电极416a的金属被图案化以打开用于蚀刻下面的牺牲层420的小释放孔，由此形成声学空腔425(例如，使用氢氟酸等)。[0041]在一些实施方式中，声学空腔425是“真空”空腔。在这种实施方式中，在蚀刻声学空腔425之后，在共形层中的第一电极416a上沉积另一层材料，以密封为了蚀刻牺牲层420而创建的释放孔。在一种这样的实施方式中，第一电极416a的金属被沉积为共形层以密封为了蚀刻牺牲层而创建的释放孔。在另一种这样的实施方式中，(例如，压电元件430的)压电薄膜材料沉积在共形层中以密封为了蚀刻牺牲层而创建的释放孔。共形层的沉积可以在低压力下执行，以促进将声学空腔425创建为“真空”空腔。如本文所使用的，术语“真空空腔”旨在包括压力低得足以根据特定设计标准提供期望的声学性质的任何空腔，即使这种空腔可能不处于完全真空压力(例如，处于零压力或负压力)。例如，一些蚀刻工艺在低压环境中执行，并且在相同环境中对空腔的密封(例如，作为相同制造工艺的一部分)可以维持空腔中足够低的压力以在本文被视为真空空腔。[0042]压电元件430通过在第一电极416a(和声学空腔425)的顶部上沉积压电薄膜来形成。压电元件430被图案化以形成压电换能器。在一些实施例中，有源压电换能器形成为氮化铝(aln)或任何其他合适材料的图案化薄膜层。在一些实施方式中，压电元件430为大约一微米厚(例如，与第一电极416a的厚度基本上相同)。在一些实施方式中，压电元件430有助于声学空腔425的密封。[0043]转向图4d，通过在压电元件430的顶部上沉积第二金属来沉积第二电极416b(例如，在附图的朝向上为顶部电极或上部电极)。第一和第二电极416的金属可以相同或不同。沉积第二金属，使得所沉积金属的一部分与第二暴露金属触点414b电耦合(即，由此将第二电极416b与第二电极路径410b电耦合)。在一些实施方式中，第二电极416b的金属基本上与第二暴露金属触点414b的金属相同，使得第二电极416b实际上是第二电极路径410b的延伸。在一些实施方式中，第二电极416b沉积为厚度介于0.5-1微米之间的金属层；基本上与第一电极416a的厚度相同。因此，第一电极416a和第二电极416b被图案化以形成电极元件，其中压电元件430夹置在该第一电极与该第二电极之间。[0044]转向图4e，在一些实施例中，在晶圆上沉积一个或多个附加层(总体上展示为附加层450)。在一些这样的实施例中，一个或多个附加层450包括一个或多个保护层。例如，在被配置成用作指纹传感器的实施方式中，可以跨整个晶圆沉积具有接近于人类皮肤的阻抗的相匹配声学阻抗的保护层。在一些实施方式中，保护层由多晶硅(例如，pdms)制成，并且为至少大约5-7微米厚。在一些实施方式中，传感器晶圆的表面然后被平坦化和/或以其他方式精加工。[0045]转向图4f，示出了根据图4a至图4e制造的集成mems-cmos超声波传感器元件400的说明性简化俯视图。在俯视图中可以看到说明性重叠图案，其中pmut结构重叠以直接在声学空腔425之上形成压电元件430夹置在第一电极416a与第二电极416b之间的区域。[0046]图5a至图5c示出了根据第二组实施例的用于制造集成mems-cmos超声波传感器元件500的实施例的说明性技术。集成mems-cmos超声波传感器元件500可以是图1的传感器阵列140的检测器元件142的实施方式。如图4a至图4f中那样，mems传感器部件通常包括(例如，第一金属的)“底部”电极、(例如，第二金属的)“顶部”电极和压电换能器。在图5a至图5c的实施例中，通过完全集成第一电极路径410(包括第一电极路径410的第一电极416a部分)并将第二电极路径410b部分地集成到cmos衬底405中来制造集成mems-cmos超声波传感器元件500。例如，在cmos代工厂等中通过在金属层上沉积用于电极路径410的金属作为cmos晶圆的集成电路系统的一部分来执行这种集成。[0047]电极路径410的集成包括图案化每个电极路径410以与相应的电极控制电路系统(未示出)耦合，如参考图4a所描述的。类似于图4a，图5a中的第二电极路径410b的集成包括在对cmos晶圆的加工结束时将第二电极路径410b制造成终止于暴露金属触点414b处。与图4a中不同，图5a示出了完整的第一电极路径410的制造(包括第一电极416a的制造)，作为加工cmos晶圆的一部分。如所展示的，在cmos晶圆的制造(例如，在cmos代工厂)期间，第一电极416a的金属在cmos晶圆的最后金属层中沉积并图案化。第一电极416a的集成可以包括图案化(例如，氧化硅等的)牺牲层、在牺牲层之上沉积第一电极416a的金属、图案化第一电极416a中的释放孔并使用释放孔蚀刻牺牲层以在第一电极416a之下形成声学空腔425。如上文描述的，在一些实施方式中，可以使用(例如，第一电极416a的金属和/或压电元件430的材料的)共形层来密封释放孔，以形成声学空腔425作为“真空”空腔。因此，在完成对cmos晶圆的加工后，在每个集成mems-cmos超声波传感器元件500的位置有第一电极路径410a的完全形成且暴露的第一电极416a(在声学空腔425上方图案化)和第二电极路径410b的暴露金属触点414b。[0048]转向图5b和图5c，在加工cmos晶圆之后，可以执行后加工以制造集成mems-cmos超声波传感器元件500的其余部分。图5b和图5c的其余过程可以类似于上文描述的图4c至图4e的过程。压电元件430可以通过在第一电极416a(和声学空腔425)的顶部上沉积压电薄膜并图案化薄膜材料以形成压电换能器来形成。通过在压电元件430的顶部上沉积第二金属来沉积第二电极416b(例如，在附图的朝向上为顶部电极或上部电极)，使得所沉积金属的一部分与第二暴露金属触点414b电耦合(即，由此将第二电极416b与第二电极路径410b电耦合)。图5c示出了任选地沉积在晶圆上的一个或多个附加层(总体上展示为附加层450)。在一些实施方式中，传感器晶圆的表面然后被平坦化和/或以其他方式精加工。所得的集成mems-cmos超声波传感器元件500可以类似于图4a至图4f的集成mems-cmos超声波传感器元件400，其中pmut结构重叠以直接在声学空腔425之上形成压电元件430夹置在第一电极416a与第二电极416b之间的区域。[0049]图6a至图6c示出了根据第三组实施例的用于制造集成mems-cmos超声波传感器元件600的实施例的说明性技术。集成mems-cmos超声波传感器元件600可以是图1的传感器阵列140的检测器元件142的实施方式。如图4a至图5c中那样，mems传感器部件通常包括(例如，第一金属的)“底部”电极、(例如，第二金属的)“顶部”电极和压电换能器。在图6a至图6c的实施例中，通过将第一电极路径410(包括其第一电极416a部分)和第二电极路径410b(包括其第二电极416b部分)完全集成到cmos衬底405中来制造集成mems-cmos超声波传感器元件600。例如，在cmos代工厂等中通过在金属层上沉积用于电极路径410的金属作为cmos晶圆的集成电路系统的一部分来执行这种集成。[0050]电极路径410的集成包括图案化每个电极路径410以与相应的电极控制电路系统(未示出)耦合，如参考图4a所描述的。与图4a中不同，电极路径410都没有被制造成终止于暴露金属触点414处。类似于图5a，图6a中的cmos晶圆的制造包括完整的第一电极路径410a的制造(包括第一电极416a的制造)。如所展示的，在cmos晶圆的制造(例如，在cmos代工厂)期间，第一电极416a的金属在cmos晶圆的最后金属层中沉积并图案化。第一电极416a的集成可以包括图案化(例如，氧化硅等的)牺牲层、在牺牲层之上沉积第一电极416a的金属、图案化第一电极416a中的释放孔并使用释放孔蚀刻牺牲层以在第一电极416a之下形成声学空腔425。如上文描述的，在一些实施方式中，可以使用(例如，第一电极416a的金属和/或压电元件430的材料的)共形层来密封释放孔，以形成声学空腔425作为“真空”空腔。图6a中的cmos晶圆的制造还包括完整的第二电极路径410b的制造(包括第二电极416b的制造)。与第一电极416a一样，第二电极416b的金属在制造期间在cmos晶圆的最后金属层中沉积并图案化。因此，在完成对cmos晶圆的加工后，在每个集成mems-cmos超声波传感器元件500的位置有第一电极路径410a的完全形成且暴露的第一电极416a(在声学空腔425上方图案化)和第二电极路径410b的完全形成且暴露的第二电极416b。[0051]转向图6b和图6c，在加工cmos晶圆之后，可以执行后加工以制造集成mems-cmos超声波传感器元件600的其余部分。图6b和图6c的其余过程可以类似于上文描述的图4c和图4e的过程。压电元件430可以通过在第一电极416a(和声学空腔425)和第二电极416b的顶部上沉积压电薄膜并图案化薄膜材料以形成压电换能器来形成。图6c示出了任选地沉积在晶圆上的一个或多个附加层(总体上展示为附加层450)。在一些实施方式中，传感器晶圆的表面然后被平坦化和/或以其他方式精加工。所得的集成mems-cmos超声波传感器元件600与图4a至图5c的超声波传感器元件的不同之处在于，集成mems-cmos超声波传感器元件600在压电元件430的同一侧具有第一电极416a和第二电极416b两者。在这种实施方式中，如所展示的，电极416未夹置压电换能器；而是，电极416被制造成在多个位置接触压电元件430。例如，第一电极416a可以形成为圆形区域，其中第二电极416b围绕第一电极416a中的至少一部分形成为同心环。[0052]图7示出了根据本文描述的各种实施例的用于制作集成mems-cmos超声波传感器元件的说明性方法700的流程图。实施例在阶段704开始：在cmos晶圆的加工期间至少部分地在cmos晶圆的一组集成金属层中沉积第一金属和第二金属。在阶段708，实施例可以图案化第一金属以形成第一电极路径，该第一电极路径具有被配置成与电极控制电路系统耦合的第一控制端并且终止于设置在牺牲材料层的顶部上的第一电极。在阶段712，实施例可以图案化第二金属以形成第二电极路径，该第二电极路径具有被配置成与电极控制电路系统耦合的第二控制端并且终止于第二电极。[0053]在阶段716，实施例可以穿过第一电极蚀刻牺牲材料层，以在第一电极下方形成声学空腔。在阶段720，实施例可以在至少第一电极的顶部上沉积压电薄膜层，并且图案化压电薄膜以形成压电元件，使得第一电极和第二电极均接触压电元件。一些实施例还可以包括：在阶段722，在至少压电元件的顶部上(例如，并且在第二电极位于压电元件的顶部上的实施例中，在第二电极的顶部上)沉积一个或多个保护层。实施例还可以包括将传感器元件平坦化和/或以其他方式精加工。[0054]在一些实施例中，在阶段708图案化第一金属包括：在cmos晶圆的加工期间图案化第一金属以形成第一电极路径的第一部分，该第一部分终止于cmos晶圆的最上面金属层上的第一暴露金属触点(例如，如图4a所展示的)；在牺牲材料层的顶部上的层中沉积第一电极路径的附加第一金属，以与第一暴露金属触点电耦合(例如，如图4b所展示的)；以及在沉积附加第一金属之后图案化附加第一金属以形成第一电极(例如，同样如图4b所展示的)。在一些这样的实施例中，在cmos晶圆的加工之后和在沉积附加第一金属之前，可以在阶段706沉积牺牲金属层，比如图4b所示。在一些这样的实施例中，在阶段712图案化第二金属包括：在cmos晶圆的加工期间图案化第二金属以形成第二电极路径的第一部分，该第一部分终止于cmos晶圆的最上面金属层上的第二暴露金属触点(例如，如图4a所展示的)；在压电元件的顶部上的层中沉积第二电极路径的附加第二金属，以与第二暴露金属触点电耦合(例如，如图4d所展示的)；以及在沉积附加第二金属之后图案化附加第二金属，以形成第二电极，由此将压电元件夹置在第一电极与第二电极之间(例如，同样如图4d所展示的)。[0055]在一些实施例中，在阶段704沉积第一金属包括在cmos晶圆的最上面金属层中沉积第一金属的一部分；并且在阶段408图案化第一金属包括在cmos晶圆的加工期间图案化第一金属的该部分，以在最上面金属层上形成第一电极(例如，如图5a或图6a所展示的)。在一些这样的实施例中，可以在阶段706，在最上面金属层中沉积第一金属的该部分之前在最上面金属层下方的cmos晶圆层中沉积牺牲金属层；使得蚀刻使声学空腔集成在cmos晶圆中，比如图5a或图6a所示出的。在一些这样的实施例中，在阶段712图案化第二金属包括：在cmos晶圆的加工期间图案化第二金属以形成第二电极路径的第一部分，该第一部分终止于cmos晶圆的最上面金属层上的第二暴露金属触点(例如，如图5a所展示的)；在压电元件的顶部上的层中沉积第二电极路径的附加第二金属，以与第二暴露金属触点电耦合(例如，如图5b所展示的)；以及在沉积附加第二金属之后图案化附加第二金属，以形成第二电极，由此将压电元件夹置在第一电极与第二电极之间(例如，同样如图5b所展示的)。在其他这样的实施例中，在阶段704中沉积第二金属包括在cmos晶圆的最上面金属层中沉积第二金属的一部分；并且在阶段712中图案化第二金属包括在cmos晶圆的加工期间图案化第二金属的该部分，以在最上面金属层上在第一电极旁边形成第二电极(例如，如图6a所展示的)。在这种实施例中，可以执行在阶段720沉积压电薄膜层，使得压电元件在第一电极和第二电极两者的顶部上被图案化(例如，如图6b所展示的)。[0056]在一些实施例中，在阶段716中蚀刻牺牲材料层包括在第一金属的形成第一电极的部分中图案化释放孔，并且经由释放孔蚀刻牺牲材料层以形成声学空腔。一些这样的实施例可以进一步包括：在阶段718，在阶段716中的蚀刻之后在第一电极的顶部上沉积共形层以密封释放孔，由此形成声学空腔作为低压(例如，真空)空腔。在一些实施方式中，共形层是用于形成第一电极的第一金属层。在其他实施方式中，共形层是压电薄膜材料层(例如，压电薄膜材料的单独层，或者压电元件本身)。[0057]温度稳定性[0058]基于压电的(即，pmut型)超声波传感器的一个限制在于，压电换能器(例如，氮化铝的有源薄膜层)可能会对温度变化灵敏。如上文描述的，这种传感器中的压电换能器通过机械变形进行操作。当发射时，压电换能器将电信号转换成机械振动，该机械振动产生超声波。当接收(检测)时，压电换能器将反射的超声波检测为机械振动，并将其转换回电信号。典型地，反射的超声波具有相对很少的能量，并且往往产生相对弱的信号。随着压电换能器的温度下降(例如，在寒冷环境中)，压电材料可能会变硬。这可以抑制由反射的超声波能量引起的机械变形量，从而可以进一步减弱检测到的信号。[0059]一些实施例可以将mems加热元件集成到超声波传感器设计中，以在适当的时候和适当的地方加热传感器。如下文描述的，mems加热可以被配置成非常快速地比如在几毫秒(例如，或者几十毫秒)内获得和损失热能。一些实施例可以被配置成将至少压电换能器的温度维持在10摄氏度左右，和或当检测到温度下降到低于10摄氏度的某个阈值水平(或高于任何期望的温度阈值)时提供加热。mems加热还可以被配置成仅消耗几毫瓦，并且在非常短的时间窗口内操作，以即使跨相对大的阵列对电源(例如，对电池寿命)的影响也最小。[0060]一些实施例通过使用cmos晶圆中的金属层形成mems加热元件来实施mems加热。其他实施例另外或替代性地在压电换能器上方(比如在保护层中)包括mems加热元件。一些实施例实施单独的mems加热器，作为生产传感器阵列的检测器元件中的每个(例如，一些或全部)检测器元件的一部分。其他实施例为多个检测器元件的群组实施单个mems加热器(例如，用于区域加热)。一些实施例进一步包括针对传感器附近的一个或多个附加层进行加热。例如，pdms层、玻璃顶层、显示层等也可能会受到温度改变的影响，这些温度改变可能会影响超声波传感器的响应性、共振和/或其他性质。因此，一些实施例包括加热元件以对那些附加层进行加热。[0061]图8a和图8b分别示出了具有集成温度稳定性的新颖集成mems-cmos超声波传感器元件800的第一说明性实施方式的侧视图和俯视图。集成mems-cmos超声波传感器元件800基本上如参考图4e所描述的传感器元件400那样展示，但添加了集成mems加热元件810。尽管在该上下文中展示，但是mems加热元件810可以替代性地与任何图5c或图6c中示出的实施方式和/或其任何变化集成。在一些实施例中，mems加热元件810与常规pmut架构集成，比如参考图3所描述的那些。[0062]如本文所描述的，mems超声波传感器部件通常包括第一电极416a(作为第一电极路径410a的一部分)、第二电极416b(作为第二电极路径410b的一部分)、压电元件430和声学空腔425。如参考图4a至图6c所描述的，电极路径410中的一些或全部和/或声学空腔425可以在cmos晶圆的制造中集成(例如，与一个或两个电极416集成在cmos晶圆的顶部金属层中)。如上文描述的，空腔可以是空气空腔、低压空腔或真空空腔。压电薄膜(压电元件430)可以沉积在至少第一电极416a的顶部上。在一些实施例中，压电元件430还沉积在第二电极416b的顶部上。在其他实施例中，第二电极416b沉积在压电元件430的顶部上，使得压电元件430夹置在第一电极416a与第二电极416b之间。在一些实施例中，在晶圆上沉积一个或多个附加层，比如一个或多个保护层450(例如，由多晶硅制成)；并且传感器晶圆的表面然后可以被平坦化和/或以其他方式精加工。[0063]mems加热元件810包括沉积在cmos晶圆的金属层中并且被图案化以形成金属加热元件的金属。金属加热元件可以被图案化为加热导丝、加热线圈或任何其他合适的金属结构。mems加热元件810的端部可以与加热控制电路系统(未明确示出)耦合。加热控制电路系统可以包括任何合适的电子部件以可控制地加热mems加热元件810。例如，加热控制电路系统可以跨mems加热元件810施加电压，并且mems加热元件810的电阻可以使金属加热元件变热并辐射热能。在一些实施方式中，mems加热元件810被图案化以终止于一个或多个暴露的电触点，该一个或多个暴露的电触点可以与加热控制电路系统的非集成实施方式耦合。在其他实施方式中，加热控制电路系统中的一些或全部与cmos晶圆集成，并且mems加热元件810被图案化以与集成的电路系统电耦合。[0064]mems加热元件810可以位于向压电元件430中的一些或全部提供加热的任何合适的定位。所展示的实施方式示出了直接设置在压电元件430和声学空腔425下方的mems加热元件810。mems加热元件810的其他实施方式可以包括设置在压电元件430中的一些或全部上方和/或下方的一个或多个mems加热子元件。[0065]在所展示的实施例中，mems加热元件810被实施为嵌入在cmos晶圆中的微蛇形金属线圈。例如，mems加热器金属线在cmos晶圆的制造期间沉积的金属层上以蛇形路径形成。在图8b的俯视图中可以看到说明性重叠图案。如所示出的，所有pmut结构重叠以直接在声学空腔425之上形成压电元件430夹置在第一电极416a与第二电极416b之间的区域；并且可以看到蛇形mems加热器金属线(mems加热元件810)至少设置在空腔下方(为了更加清晰，mems加热元件810用实线绘制，但mems加热元件810在俯视图中示出的其他结构下方)。加热导丝可以以任何合适的形状或图案沉积。例如，导丝可以形成螺旋形形状，而不是蛇形形状。[0066]根据不同的实施例，mems加热元件810可以以各种方式实施。例如，图9示出了具有集成温度稳定性的新颖集成mems-cmos超声波传感器元件900的第二说明性实施方式。除了添加了mems加热元件810，集成mems-cmos超声波传感器元件900类似于图6c所展示的集成mems-cmos超声波传感器元件600。图9的mems加热元件810类似于图8a所展示的加热元件，但具有mems加热导丝的附加层(即，作为多个mems加热子元件)。例如，mems加热器金属线由在cmos晶圆的制造期间沉积的多个金属层形成，并且多个mems加热器线圈并联或串联连接，以优化到压电层的传热，从而稳定其温度。在这种实施方式中，每个层可以以相同或不同的方式被图案化。在一种实施方式中，每个层图案化为蛇形金属线圈，其中每个层相对于其相邻层不同地定向和/或具有不同地间隔开的线圈。在另一种实施方式中，一层图案化为蛇形线圈，并且另一层图案化为螺旋形线圈。[0067]图10示出了具有集成温度稳定性的新颖集成mems-cmos超声波传感器元件1000的第三说明性实施方式。除了mems加热元件810形成在压电元件430上方，传感器元件1000类似于图9所展示的传感器元件900。例如，cmos晶圆被制造成具有用于mems加热元件810的一个或多个暴露触点，并且mems加热元件810沉积在压电元件430的顶部上(例如，直接地，或者在该mems加热元件与该压电元件之间沉积有一个或多个材料层)，并且被图案化以在后加工中与暴露触点电耦合。与实施在压电元件430下方的mems加热元件810一样，实施在压电元件430上方的mems加热元件810可以以一个或多个层、一种或多种形状(例如，蛇形、螺旋形、网状等)、一种或多种厚度、一个或多个线圈间间隔和/或任何合适的方式实施以用于优化到压电元件430的传热从而稳定其温度。[0068]图11示出了具有集成温度稳定性的新颖集成mems-cmos超声波传感器元件1100的第四说明性实施方式。传感器元件1100本质上是图9和图10的实施方式的组合，从而将mems加热元件810实施为多个mems加热子元件。mems加热元件810的一组mems加热子元件形成在pmut结构下方的单个金属层上(例如，如图8a中)或多个金属层上(例如，如图9中)。例如，mems加热器金属线由在cmos晶圆的制造期间沉积的一个或多个金属层形成。mems加热元件810的第二组mems加热子元件沉积在压电换能器的顶部上(例如，如图10中)。如所期望的，多个mems加热器线圈可以并联、串联或以任何合适的方式连接以对压电元件430进行加热。[0069]图12示出了根据本文描述的各种实施例的用于制作pmut的说明性方法1200的流程图。方法1200的实施例可以在阶段1204开始：沉积第一金属以形成第一电极路径，使得第一金属的在第一电极路径的一端的部分沉积在牺牲材料层上方，并且图案化第一金属的该部分以形成第一电极。在阶段1208，实施例可以蚀刻牺牲材料层以在第一电极下方形成声学空腔。在阶段1212，实施例可以在至少第一电极的顶部上沉积压电薄膜层，并且沉积压电薄膜以形成压电元件。在阶段1216，实施例可以沉积第二金属以形成第二电极路径，并且图案化第二金属的在第二电极路径的一端的部分以形成第二电极，使得压电元件与第二电极电接触。[0070]在阶段1220，实施例可以沉积第三金属并图案化第三金属以形成mems加热元件，使得mems加热元件的至少一部分直接定位于压电元件上方和/或下方，mems加热元件被进一步图案化以与通过其选择性地致动加热元件以向压电元件提供加热的加热控制电路耦合。在一些实施例中，第三金属被图案化以形成mems加热元件，从而包括至少一根蛇形加热导丝和/或至少一根螺旋形加热导丝。在一些实施例中，第三金属被图案化以形成mems加热元件，从而包括：定位于声学空腔下方以从下方向压电元件提供加热的第一一个或多个mems加热子元件；以及定位于声学空腔上方以从上方向压电元件提供加热的第二一个或多个mems加热子元件。在一些实施例中，第三金属被图案化以形成mems加热元件，从而包括直接定位于压电元件上方和/或下方的一堆mems加热子元件。[0071]在一些实施例中，在阶段1222，mems加热元件(例如，一个或多个mems加热子元件)与加热控制电路系统电耦合。在一些这样的实施例中，加热控制电路集成到cmos晶圆中，并且沉积第三金属是在cmos晶圆的一个或多个金属层上，使得mems加热元件集成到cmos晶圆中。mems加热元件可以被进一步图案化，以经由cmos晶圆的集成电布线(例如，金属层布线、通孔等)与加热控制电路耦合。在其他这样的实施例中，加热控制电路集成到cmos晶圆中，并且可经由cmos晶圆的暴露金属触点电触及，并且mems加热元件可以经由暴露金属触点与加热控制电路电耦合。[0072]尽管本披露内容含有许多细节，但这些细节不应被解释为对任何发明或可以要求保护的内容的范围的限制，而是作为对可以特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。在单独的实施例的上下文中在本专利文件中描述的某些特征还可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征还可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管特征在上文中可以被描述为以某些组合起作用并且甚至如此最初被要求，但来自所要求的组合的一个或多个特征在某些情况下可以与组合离体，并且所要求的组合可以针对子组合或子组合的变化。[0073]类似地，虽然附图中以特定顺序描绘了操作，但这不应被理解成要求这种操作以所示的特定顺序或以有序顺序执行，或者所有展示的操作可以被执行，以实现期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要此类分离。[0074]仅描述了少数实施方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和展示的内容来进行其他实施方式、增强和变化。[0075]除非特别相反地指出，否则对“一个”、“一种”或“该”的引用旨在意指“一个或多个”。范围在本文中可以表达为从“约”一个指定值和/或到“约”另一个指定值。本文所使用的术语“约”是指大约、在某一范围内、大致上或左右。当结合数值范围使用术语“约”时，该术语通过扩展所阐述的数值以上和以下的界限来修改该范围。术语“约”通常在本文中用于将数值在所陈述值以上和以下修改10％的变化。当表达这样的范围时，另一个实施例包括从一个具体值和/或到另一个指定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表达为近似值时，应理解，指定值形成另一个实施例。应当进一步理解，每个范围的端点都包括在该范围内。[0076]这里所提及的所有专利、专利申请、出版物和描述出于所有目的通过援引以其全文并入本文。不承认任何内容为现有技术。