CMUT结合MEMS压力传感器的超声换能器单元、阵列及制造方法与流程

cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元、阵列及制造方法技术领域1.本发明涉及mems-on-cmos高密度单片集成的半导体传感器技术领域，具体涉及三维cmut架构与mems压力传感器集成的新结构及加工技术。背景技术：2.近年来，随着超声产品与应用的快速发展，压电微结构超声换能器已得到广泛应用。但超声换能器信号响应偏低是个普遍问题。在现有超声换能器单元架构下，通过膜厚及结构版图优化，灵敏度可以获得一定程度的改善，但提升幅度还有待提高。3.另一方面，传统的mems硅基压电电阻传感器(piezo-resistive sensor)经过优化后，压力灵敏度可以超过现有的pzt或者氮化铝超声换能器。如果能将mems压力传感器与超声换能器单元结合起来，将mems压力传感器的输出信号叠加到超声换能器的输出信号中，则可以增强灵敏度，例如，将现有超声换能器的灵敏度提高100-300％。但是，传统的mems压力传感器之架构与工艺流程与现有的超声换能器器件架构及工艺流程相差很大，难以实现单片集成。4.mems压力传感器：5.mems压力传感器已得到广泛应用。一个典型的mems压力传感器结构及等效电路示意图如图1所示。其中(a)为布局设计平面图与剖面图；有四个硅电阻，由n阱中的p+扩散区形成，布局在封闭的空腔体(sealed cavity)上方的硅单晶薄膜(membrane)中。在外来压力下，由于空腔体提供的空间，membrane薄膜产生变形。变形后的p+硅电阻的阻值产生变化，阻值变化的大小与外来压力正比例相关，如果设计合理，在一定的压力范围形成线性关系。(b)是四个压电电阻互连形成的桥式电路图，这样的连接能将mems压力传感器的输出电压信号vout最大化。6.图2为典型的半导体工艺制造的mems压力传感器三维结构：压电电阻(图中r1，r2，r3)做在硅外延薄层中，位于空腔体上方。在外来压力下，空腔体上的硅薄层产生形变，硅材料由于压电效应导致电阻数值发生变化，这一过程就实现了压电传感。半导体材料是晶向(100)的硅单晶，p型硅衬底，n型外延层或形成n阱隔离。n阱中以p+扩散形成压电电阻。扩散电阻布局的位置尽量靠近薄膜membrane产生最大形变的位置，这个位置可以通过软件仿真(如comsol simulation)来决定。图示的空腔体给membrane薄膜在压力下的形变提供空间。最下方的出气孔是为membrane有很大形变的压力传感器设计的，用以排除空气的阻尼效应。对超声应用来说，membrane产生的形变非常小，可以不用排气孔。7.超声换能器：8.超声换能器分为pmut(piezoelectric micromachined ultrasonic transducers)与cmut(capacitive micromachined ultrasonic transducers)两种，其结构简图如图3所示，左为cmut、右为pmut。其共性在于，它们都设计有可移动薄膜membrane，它们都设计有空腔体，它们也都设计有两个电极。所不同的是，cmut设计有类似电容的上下电极，上电极可以移动，下电极固定。在电容两极加上交流电产生不同的电荷后，同性相斥，异性相吸，上电极就产生振动。pmut则是通过电场激励下，压电材料原子晶格产生位移，因而沿晶格位移方向材料延展或收缩，从而在垂直方向上下振动。pmut上下电极会同时移动。9.一个典型的cmut压电超声换能器结构如图4所示，包括：衬底材料110，空腔体120，机械层130，下层金属层112和上层金属层114。10.传统的mems压力传感器之架构与工艺流程与现有的超声换能器器件架构及工艺流程，无论是cmut还是pmut，相差都很大，难以实现单片集成。技术实现要素：11.本发明的目的是提出一种将mems压力传感器与cmut集成的新架构及其工艺流程，通过特定结构叠加mems压力传感器与cmut的输出信号，显著提高接收信号的灵敏度。同时利用三维垂直互连，做到不增加cmut单元尺寸，不增加芯片面积。12.为实现此目的，本发明实施例提供一种cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元，其特征在于由第一晶圆与第二晶圆键合形成，所述第一晶圆的硅衬底层中预制有所述cmut所需第一cmos电路及第一cmos电路金属互连层，所述第二晶圆的硅衬底层中预制有mems压电电阻桥式互连电路；所述第一晶圆或所述第二晶圆的衬底材料层中所述mems压电电阻桥式互连电路布局中心正下方布置有空腔体，所述cmut和所述mems压力传感器共用所述空腔体；所述第二晶圆的硅衬底层背面减薄形成单晶硅薄层，所述单晶硅薄层既作为所述mems压电电阻的硅衬底，也作为所述cmut的机械层；所述第一晶圆的衬底材料层中布置有第一金属布线层，所述第二晶圆的衬底材料层中布置有第二金属布线层和mems压力传感器金属互连层；所述空腔体下方所述第一晶圆的衬底材料层中布置有所述cmut的下层金属层，所述空腔体上方所述第二晶圆的衬底材料层中布置有所述cmut的上层金属层；所述第一晶圆和第二晶圆通过所述上层金属层、所述下层金属层、所述mems压力传感器金属互连层、所述第一金属布线层、所述第二金属布线层、所述第一cmos电路金属互连层之间的垂直互连实现电学连接，包括将所述mems压力传感器的输出信号叠加进所述cmut的输出信号。13.本发明另一实施例提供了一种阵列芯片，其特征在于包括多个所述的cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元。14.本发明另一实施例提供了所述cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元的制造方法，其特征在于包括如下步骤：15.准备第一晶圆、第二晶圆，分别形成硅衬底层，在第一晶圆硅衬底层制造第一cmos电路及第一cmos电路金属互连层，在第二晶圆硅衬底层制造mems压电电阻桥式互连电路；16.分别在第一晶圆、第二晶圆硅衬底层上淀积衬底材料层，制造第一金属布线层、第二金属布线层、mems压力传感器金属互连层、cmut的上层金属层及下层金属层，分别制造实现第一晶圆内部、第二晶圆内部电学连接的垂直互连结构；17.在第一晶圆或第二晶圆的衬底材料层制造空腔体；18.第一晶圆和第二晶圆键合；19.对第二晶圆硅衬底层背面进行厚度减薄形成单晶硅薄层；20.制造实现第一晶圆和第二晶圆之间电学连接的垂直互连结构；21.在单晶硅薄层上淀积氧化物层、附加金属互连层；22.制造实现附加金属互连层与第一晶圆和/或第二晶圆之间电学连接的垂直互连结构。23.本发明有益效果：24.本发明的cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元采用有源晶圆(预制有cmut所需cmos电路的第一晶圆和预制有mems压力传感器的第二晶圆)进行融熔键合、减薄，然后制造超声换能器，mems压力电阻位于超声换能器的机械层中，mems压力传感器与超声换能器共用空腔体，采用三维垂直互连的立体架构，实现mems压力传感器、cmut阵列与cmos电路的三维单片集成，将mems压力传感器的输出信号叠加到超声换能器的输出信号，提升整体响应，有效增强超声探头的灵敏度。本发明采用三维垂直互连的立体架构，不增加cmut单元尺寸，不增加芯片面积，显著提高了芯片的集成度。附图说明25.图1是现有技术mems压力传感器结构及等效电路示意图，其中(a)为布局设计平面图与剖面图，(b)是四个压电电阻互连形成的桥式电路图；26.图2是现有技术半导体工艺制造的mems压力传感器三维结构示意图；27.图3是现有技术超声换能器结构简图；28.图4是现有技术cmut结构示意图；29.图5是实施例一的cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元结构图；30.图6是实施例一第一晶圆剖面结构示意图；31.图7是实施例一第二晶圆剖面结构示意图；32.图8是实施例三cmos电路制造工艺流程图；33.图9是实施例三mems压力传感器制造工艺流程图；34.图10是实施例三第一晶圆和第二晶圆键合示意图；35.图11(a)是实施例一第一晶圆和第二晶圆垂直互连结构示例图之一；36.图11(b)是实施例一第一晶圆和第二晶圆垂直互连结构示例图之二；37.图12是实施例三第一晶圆和第二晶圆垂直互连结构示例图之三；38.图13是实施例四中mems压力传感器输出信号原理图；39.图14是实施例四中cmut输出信号原理图；40.图15是实施例四中信号叠加原理图；41.图16是实施例四中信号叠加电路图。具体实施方式42.实施例一43.如图5所示，本实施例提供一种cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元，由第一晶圆与第二晶圆通过衬底材料层低温融熔键合形成，图中122为键合界面。所述第一晶圆和第二晶圆为有源晶圆，其中所述第一晶圆的硅衬底层160中预制有cmut工作所需第一cmos电路160-1及第一cmos电路金属互连层201，例如驱动cmut所需的高压脉冲产生，脉冲调制电路，信号放大器等，因此称第一晶圆为cmos晶圆。所述第二晶圆的硅衬底层130中预制有所述mems压力传感器的mems压电电阻桥式互连电路，图中r-101、r-102表示mems压电电阻，因此称第二晶圆为mems压电电阻晶圆。一个mems压力传感器单元有4个mems压电电阻，layout布局时，这些电阻分布在机械层发生较大机械变形之处，互连形成电阻桥式电路，桥式电路能使压电传感器的输出电压信号最大化。所述第二晶圆的硅衬底层背面减薄后形成单晶硅薄层，单晶硅薄层的厚度为1-6微米，单晶硅薄层既作为mems压电电阻的硅衬底，也作为cmut的机械层。44.本发明超声换能器单元，采用cmut和mems压力传感器共用空腔体的设计，空腔体布置在mems压电电阻桥式互连电路布局中心的正下方，空腔体既为cmut中membrane薄膜的机械振动提供空间，也为mems压力传感器中membrane薄膜的形变提供空间。所述空腔体既可以布置在第一晶圆的衬底材料层(如图6、图10、图11(a)、图11(b)所示)，也可以布置在第二晶圆的衬底材料层中(如图5、图12所示)，两片晶圆键合后空腔体位于mems压电电阻桥式互连电路布局中心的正下方，mems压电电阻桥式互连电路分布在空腔体与硅衬底边界处，位于空腔体正上方。本实施例中，空腔体布置在第二晶圆衬底材料层中，4个mems压电电阻对称分布在空腔体四周(如图1中(a))，空腔体的中心位置与四个电阻的排列中心位置重叠。45.所述第一晶圆的衬底材料层中布置有第一金属布线层202，所述第二晶圆的衬底材料层中布置有第二金属布线层302和mems压力传感器金属互连层301。所述空腔体120下方所述第一晶圆的衬底材料层中布置有所述cmut的下层金属层112，所述空腔体120上方所述第二晶圆的衬底材料层中布置有所述cmut的上层金属层114；所述第一晶圆和第二晶圆通过所述上层金属层114、所述下层金属层112、所述mems压力传感器金属互连层301、所述第一金属布线层202、所述第二金属布线层302、所述第一cmos电路金属互连层201之间的垂直互连实现电学连接，所述电学连接包括将所述mems压力传感器的输出信号叠加进所述cmut的输出信号，从而有效增强超声检测的灵敏度。46.所述cmut的机械层上方布置有氧化物层600，所述氧化物层600上方布置有附加金属互连层401，所述附加金属互连层401通过tov 400垂直连接到第一晶圆和/或第二晶圆的金属层，附加金属互连层401通过tov 400增加连接效率，便于电路连接的灵活设计，可以用于实现阵列布线要求的cmut单元之间的金属互连，以及所需要的电源线，接地线等。47.本发明超声换能器单元，通过第一晶圆和第二晶圆之间的垂直互连，实现将所述mems压力传感器的输出信号叠加进所述cmut的输出信号。第一晶圆和第二晶圆之间的垂直互连结构可以通过氧化硅穿孔(tov，through oxide via，如附图中涂黑部分)及金属连接孔、金属引线孔等实现。第一晶圆和第二晶圆之间的垂直互连结构有多种连接组合方式，本领域技术人员能够根据电路布局灵活设计，图11(a)、11(b)、图12分别示例了其中一种可能的连接组合方式。48.本实施例采用图12所示连接组合方式，所述cmut的下层金属层112与所述第一金属布线层202互连，所述cmut的上层金属层114与所述mems压力传感器金属互连层301互连；所述mems压电电阻桥式互连电路与所述mems压力传感器金属互连层301互连，所述mems压力传感器金属互连层301与所述第二金属布线层302通过金属连接孔312垂直互连，所述第二金属布线层302与所述第一金属布线层202通过tov垂直互连，所述第一金属布线层202与所述第一cmos电路金属互连层201通过金属连接孔212垂直互连，从而实现第一晶圆和第二晶圆各自内部的电学连接，以及第一晶圆和第二晶圆之间的电学连接，将所述mems压力传感器的输出信号叠加进所述cmut的输出信号。第一晶圆硅衬底层的第一cmos电路中包括了实现所述mems压力传感器的输出信号与所述cmut的输出信号进行叠加的电路结构。49.cmut的下层金属层112与第一金属布线层202、cmut的上层金属层114与mems压力传感器金属互连层301之间的互连可以通过不同的灵活的连接方式实现。本实施例中，采用垂直方向的连接实现。其中，上层金属层114通过tov与第一金属布线层202垂直互连，第一金属布线层202通过tov与第二金属布线层302垂直互连，第二金属布线层302通过金属连接孔312与mems压力传感器金属互连层301垂直互连，以此可以实现cmut的上层金属层114与mems压力传感器金属互连层301之间的互连。下层金属层112通过金属连接孔与第一cmos电路金属互连层201垂直互连，第一cmos电路金属互连层201通过金属连接孔212与第一金属布线层202垂直互连，以此可以实现了cmut的下层金属层112与第一金属布线层202之间的互连。50.根据cmos电路设计需要，第一金属布线层202、第二金属布线层302可以包括不止一层金属布线，各层金属布线可以通过tov、金属连接孔、金属引线孔等结构垂直互连，其中第一金属布线层的顶层金属布线与所述第二金属布线层302垂直互连，底层金属布线与所述第一cmos电路金属互连层201垂直互连。第二金属布线层的顶层金属布线与所述mems压力传感器金属互连层301垂直互连，底层金属布线与所述第一金属布线层202垂直互连。本实施例仅给出了第一金属布线层、第二金属布线层分别具有一层金属布线的示例。51.当键合完成，第二晶圆实施减薄之后，通过制造tov实现第一晶圆与第二晶圆之间的电学连接，其中包括必须的电源线，地线，信号线，控制线连接等。首先光刻腐蚀穿透第二晶圆，进行硅侧面氧化，氧化层淀积，cmp抛光，进而光刻腐蚀穿透二氧化硅，腐蚀至第二晶圆的mems压力传感器金属互连层301、第二晶圆中的第二金属布线层302、第一晶圆中的第一金属布线层202。根据电路连接设计要求，tov的连接主要有电源线，地线，信号线，控制线等。52.为了重点突出两片晶圆之间的tov连接，图11(a)、11(b)省略了第二金属布线层及其与mems压力传感器金属互连层、第一金属布线层之间互连结构的绘制，第二金属布线层与mems压力传感器金属互连层、第一金属布线层之间互连结构设计可以参考图12的示例。53.如图11(a)所示，左侧tov连接到第一金属布线层202，进而通过第一cmos电路金属互连层201连接到地线gnd(ground)；中间tov连接到mems压力传感器金属互连层301，作为压力电阻互连的一部分；右侧tov连接到mems压力传感器金属互连层301，进而连接到第一金属布线层202、第一cmos电路金属互连层201，最终连接到电源线vdd。tov上端根据电学连接设计分别连接至附加金属层。54.如图11(b)所示，左侧tov连接到第一金属布线层202、第一cmos电路金属互连层201，与第一晶圆cmos电路连接，中间tov连接到mems压力传感器金属互连层301，进而连接到第一金属布线层202、第一cmos电路金属互连层201，与第一晶圆cmos电路连接，实现信号传输。右侧tov采用与中间tov相同连接方式，连接到第一晶圆cmos电路的控制端。tov上端根据电学连接设计分别连接至附加金属层。55.本实施例中，所述第二晶圆硅衬底层中还预制有第二cmos电路300-1，所述第二cmos电路300-1与所述mems压力传感器金属互连层301互连。所述第二cmos电路300-1包括mems压电电阻桥式互连电路所需之差分放大器，二级低噪声放大器等。56.关于本发明中各金属层之间的垂直连接，本实施例仅示例出实现垂直连接的部分方式，根据本实施例的教导，本领域技术人员可以灵活布置，实现的方式并不限于本实施例。57.实施例二58.本实施例提供一种阵列芯片，包括多个实施例一所述的cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元。用于产品应用的阵列芯片的设计包括线性阵列与面阵列两种，以1x128 bits线性阵列为例，128个所述超声换能器单元，每个单元的下层金属层均连接到共同地线，每个单元的上层金属层各自连接到128位信号线。在发射模式，128位信号线按照设计时序加入高电平，发射超声波。在接收模式，128位cmut+mems prs(piezo-resistive-sensor，压力传感器)组合单元，cmut与mems prs分别采集压电信号，并送到加法器叠加、放大。59.实施例三60.本实施例提供实施例一所述的cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元的制造方法，主要工艺路线包括：61.·第一晶圆制造cmut所需cmos电路，第二晶圆制造mems压力传感器；62.·第二晶圆制造空腔体；63.·cmos晶圆与mems晶圆面对面融熔键合；64.·键合后的第二晶圆进行背面特殊减薄，形成cmut阵列所需机械层及mems压电电阻的硅衬底，mems压力传感器在机械层中；65.·cmut阵列与mems压力传感器及cmos电路垂直互连，实现mems-on-cmut-on-cmos架构，包括：66.·tov工艺过程，实现第一，第二晶圆之间器件互连；67.·cmut阵列所需布线工艺步骤，制造阵列；68.所述的cmut结合mems压力传感器的超声换能器单元的制造方法具体包括如下步骤：69.步骤1、准备第一晶圆，在表面生长100纳米左右的二氧化硅形成硅衬底层，制造第一cmos电路，其剖面结构示意图如图6所示，其中：[0070][0071]制造cmos电路采用业界标准流程实现，其工艺流程如图8所示。[0072]步骤2、在第一晶圆的硅衬底层上淀积衬底材料层，制造第一cmos电路金属互连层、第一金属布线层以及第一晶圆内部的垂直互连结构；[0073]步骤3、准备第二晶圆，形成硅衬底层，制造mems压电电阻桥式互连电路，在第二晶圆硅衬底层上淀积衬底材料层，制造mems压力传感器金属互连层、第二金属布线层及第二晶圆内部的垂直互连结构。[0074]根据cmos电路设计需要，所述第一、第二金属布线层可以包括不止一层金属布线，各层金属布线可以通过金属引线孔垂直互连，形成多层金属布线垂直互连架构。本实施例工艺流程为布线层数提供了很大弹性。[0075]步骤4、在第二晶圆衬底材料层制造空腔体。具体方法是：先光刻形成空腔cavity图形，再采用等离子化学气相腐蚀衬底材料，形成空腔。[0076]由于实施例一的空腔体布置在第二晶圆上，因此本实施例空腔体的制造流程位于第二晶圆制备流程尾程。如果空腔体布置在第一晶圆上，则该空腔体的制造流程可以相应置于第一晶圆制备流程尾程。[0077]如图7所示，为第二晶圆上制造mems压电电阻的剖面结构示意图。p+压电电阻做在隔离的n-well(或n型外延层中)，施加外界压力时，p+压电电阻将改变电阻值，产生压电信号。[0078]第二晶圆上的制造mems压电电阻工艺流程如图9所示，主要包括如下步骤：[0079](1)准备p型硅材料；[0080](2)形成二氧化硅薄层；[0081](3)光刻、离子注入、扩散形成n-well；[0082](4)光刻形成压力电阻图形区；[0083](5)p+离子注入；[0084](6)去胶、快速退火；[0085](7)低温淀积氧化硅；[0086](8)光刻形成压电电阻接触孔；[0087](9)互连金属淀积、光刻腐蚀成形；[0088](10)淀积二氧化硅，cmp抛光。[0089]第二晶圆上同时制造mems压电电阻与cmos电路时，可采用业界标准cmos工艺流程，并尽量利用标准流程制造mems压电电阻，在特定要求下，可调整mems压电电阻局部工艺，这里不再赘述。[0090]步骤5、第一晶圆和第二晶圆低温融熔键合，形成键合界面122，如图10所示。[0091]步骤6、对第二晶圆硅衬底层背面进行厚度减薄形成单晶硅薄层；[0092]融熔键合、减薄后，mems压力传感器留在单晶硅薄层即cmut单元机械层中，空腔体位于mems压电电阻桥式互连电路布局中心正下方，一方面为cmut中membrane薄膜的机械振动提供空间，另一方面也为mems压力传感器中membrane薄膜的形变提供空间。[0093]步骤6完成后，cmut的主要单元结构也完成了。所形成单晶硅薄层的厚度对cmut的性能及长期工作的可靠性非常重要，对cmut单元以及mems压力传感器的性能，如cmut接收模式下的压力灵敏度，也有显著影响。所述单晶硅机械层的优点，除了提供优良的机械性能，规模生产的良率外，在现有cmos工艺中，可以局部调整cmut空腔体上方机械层的厚度(例如增加一层硅腐蚀光罩)，从而优化cmut与mems压力传感器的性能，此处不赘述。[0094]步骤7、第一晶圆和第二晶圆垂直互连tov工艺。tov在连接两片晶圆时有多种连接组合方式，如图11(a)、11(b)所示为两种连接组合方式示例。制造tov时，在tov设计部位光刻腐蚀硅，氧气等离子处理后，继续二氧化硅淀积，cmp，光刻连接孔，腐蚀二氧化硅。之后，淀积金属(例如金属钨)实现电学连接。tov在连接两片晶圆的同时，也预留接触部位给cmut阵列以及所需电源及接地线。[0095]tov之后，淀积氧化物层600，淀积、光刻、腐蚀附加金属互连层401。附加金属互连层401通过tov 400增加单元内部包括与cmos晶圆的连接效率，同时，附加金属互连层401实现阵列布线要求的cmut单元之间的金属互连，以及阵列所需要的电源线，接地线等。[0096]由此，本发明通过采用三维垂直互连的立体架构，实现了mems压力传感器、cmut阵列与cmos电路的三维单片集，实现mems压力传感器的输出信号与cmut单元的输出信号的叠加，提高了超声换能器单元的灵敏度。[0097]实施例四[0098]mems压力传感器的输出信号与cmut单元的输出信号的叠加属于两个模拟小信号的叠加，实现方法有多种，本实施例举例说明其中一种技术途径。[0099]如图13，典型的mems压力传感器采用四个压敏电阻组成桥式电路，由电流源提供稳定偏置，桥式电路输出压电信号vout至低噪声放大电路进行放大。[0100]如图14，cmut单元在发射(transmitter)与接收(receiver)模式下的cmos辅助电路框图。在接收模式下，cmut单元接收到超声反射波后，产生模拟小信号，经过高低压电平位移电路，提取低压模拟小信号vrx_out，输出到低噪声放大器进行放大。[0101]本实施例将mems压力传感器的输出信号与cmut的输出信号经过加法运算放大器进行信号幅度叠加，叠加原理如图15所示。当配置电阻值为rf＝r1＝r2＝r3时，就实现了加法运算，此时vo＝－(vi1+vi2+vi3)。[0102]如图16所示，mems压力传感器的输出信号vout经由时序控制信号clk1储存并控制在加法运算放大器的第一输入端，同时，cmut的输出信号vrx_out经由电压转换、滤波后，经由时序控制信号clk2储存并控制在加法运算放大器的第二输入端，经过加法差分叠加、放大得到信号vo，将信号vo替代原cmut的输出信号vrx_out作为集成的超声换能器单元的输出信号，再输入低噪声放大电路进行放大。与现有技术中单独使用cmut相比，本实施例通过将实现信号叠加的加法运算电路加入到第一晶圆中支持cmut工作的cmos电路部分，并设计相应的电路连接，就能将mems压力传感器输出的压电信号叠加进cmut的输出信号，从而提高信噪比，大幅提升cmut的灵敏度。