微加工超声换能器器件的自适应腔体厚度控制的制作方法

微加工超声换能器器件的自适应腔体厚度控制1.本技术是名为“微加工超声换能器器件的自适应腔体厚度控制”、申请号为201980092681.x的中国专利申请的分案申请，专利申请201980092681.x的申请日为2019年11月14日，优先权日为2019年2月25日。2.相关申请的交叉引用3.本技术根据35 u.s.c.§119(e)要求在2019年2月25日提交、代理人案卷号为b1348.70135us00且发明名称为“微加工超声换能器器件的自适应腔体厚度控制[adaptive cavity thickness control for micromachined ultrasonic transducer device]”的美国临时专利申请序列号62/810,358的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过援引以其全部内容并入本文。技术领域[0004]本披露总体上涉及微加工超声换能器，更具体地涉及微加工超声换能器腔体的自适应厚度控制以及换能器制造技术。背景技术：[0005]超声器件可以用于使用频率高于人类可听到的频率的声波执行诊断成像和/或治疗。当超声脉冲被传送到组织中时，声波从组织上反射，其中不同的组织反射不同程度的声音。这些反射的声波然后可以被记录并作为超声图像显示给操作者。声音信号的强度(振幅)和波穿过身体所需的时间提供用于产生超声图像的信息。[0006]一些超声成像器件可以使用微加工超声换能器来制造，包括悬置在衬底上方的柔性隔膜。腔体位于衬底的一部分与膜的一部分之间，使得衬底、腔体以及隔膜的组合形成可变电容器。当隔膜由适当的电信号致动时，隔膜通过振动产生超声信号。响应于接收到超声信号，使隔膜振动并因此产生输出电信号。技术实现要素：[0007]在一个方面，披露了一种用于微加工超声换能器腔体的自适应腔体厚度控制。一种形成超声换能器器件的方法包括：在衬底上形成膜堆并将该膜堆图案化，该膜堆包括金属电极层和形成在该金属电极层上的化学机械抛光(cmp)停止层；在该图案化的膜堆上形成绝缘层；将该绝缘层平坦化到该cmp停止层；测量该cmp停止层的剩余厚度；在该图案化的膜堆上形成隔膜支撑层，其中，该隔膜支撑层形成的厚度取决于该cmp停止层的测得的剩余厚度，使得该cmp停止层和该隔膜支撑层的组合厚度对应于期望的换能器腔体深度。[0008]在另一方面，一种形成超声换能器器件的方法包括：在第一晶圆上形成膜堆并将该膜堆图案化，该膜堆包括金属电极层和形成在该金属电极层上的化学机械抛光(cmp)停止层；在该图案化的膜堆上形成绝缘层；将该绝缘层平坦化到该cmp停止层；测量该cmp停止层的剩余厚度；在该图案化的膜堆上形成隔膜支撑层，其中，该隔膜支撑层形成的厚度取决于该cmp停止层的测得的剩余厚度，使得该cmp停止层和该隔膜支撑层的组合厚度对应于期望的换能器腔体深度；以及使用来自该第一晶圆的cmp停止层的测得的剩余厚度作为cmp参数以在一个或多个另外的晶圆上形成随后的换能器器件。[0009]在另一方面，一种超声换能器器件包括设置在衬底的第一区域上的图案化的膜堆，该图案化的膜堆包括金属电极层以及形成在该金属电极层上的底部腔体层；设置在该衬底层的第二区域上的平坦化的绝缘层；限定在隔膜支撑层和cmp停止层中的腔体，该cmp停止层包括该图案化的膜堆的顶层，并且该隔膜支撑层形成在该图案化的膜堆和该平坦化的绝缘层上；以及结合到该隔膜支撑层的隔膜，其中，该cmp停止层从对应于该腔体的位置移除并且存在于该隔膜支撑层的部分的下面。附图说明[0010]将参考以下附图描述本技术的各个方面和实施例。应当明白，这些附图不一定按比例绘制。出现在多个附图中的项在它们有出现的所有附图中用相同的附图标记表示。[0011]图1是示例性微加工超声换能器器件的截面图。[0012]图2是描述根据实施例的用于形成具有自适应腔体厚度控制的微加工超声换能器器件的示例性过程流程的流程图。[0013]图3-1至图3-7是展示图2的示例性过程流程的一系列截面图。[0014]图4是进一步描述图2的示例性过程流程的方面的流程图。[0015]图5是使用图2、图3-1至图3-7和图4的过程流程形成的示例性超声换能器器件的俯视图。具体实施方式[0016]本文描述的技术涉及用于微加工超声换能器腔体的自适应腔体厚度控制。[0017]适于在超声成像器件中使用的一种类型的换能器是微加工超声换能器(mut)，其可以由例如硅制成并且被配置为传送和接收超声能量。mut可以包括电容式微加工超声换能器(cmut)和压电式微加工超声换能器(pmut)，两者都可以提供优于更常规的换能器设计的若干优点，举例来说，比如制造成本更低和制造时间更短和/或频率带宽增加。关于cmut器件，基本结构是平行板电容器，该平行板电容器具有刚性底部电极和驻留在柔性隔膜上或内的顶部电极。因此，在底部电极与顶部电极之间限定腔体。在一些设计(举例来说，比如由本技术的受让人产生的那些设计)中，cmut可以直接集成在控制换能器操作的集成电路上。一种制造cmut的方式是将隔膜衬底结合到比如互补金属氧化物半导体(cmos)衬底等集成电路衬底。这可以在足够低的温度执行以防止损坏集成电路的器件。[0018]现在首先参考图1，示出了示例性微加工超声换能器器件100(比如cmut)的截面图。换能器器件100包括总体由102表示的衬底(例如，互补金属氧化物半导体(cmos)衬底，比如硅)，该衬底具有一个或多个层，比如cmos电路、布线层、再分布层以及一个多个绝缘/钝化层。总体在104表示的换能器底部电极层设置在衬底102上并且包括例如图案化金属区域106(例如，钛(ti))和绝缘区域108(例如，sio2)。在所示示例中，金属区域106的部分110可以用作换能器底部电极(例如，呈“圆环”或环形配置)，而金属区域106的部分112可以用作另一个功能(例如，旁路金属)。由于特定衬底和换能器底部电极图案不是本披露的焦点，因此附图中仅呈现了单个示例。然而，应当了解，本实施例还可以结合若干其他换能器电极结构来实现，例如包括(但不限于)：前述圆环形电极图案(例如，移除了内部金属)、多段或环形电极、以及用于除底部电极之外的其他用途的另外的金属图案(例如，在结合期间的腔体吸气剂)。[0019]仍然参考图1，底部腔体层114设置在换能器底部电极层104上。底部腔体层114可以包括例如薄膜层堆，该薄膜层堆包括通过化学气相沉积(cvd)沉积的sio2层和通过原子层沉积(ald)沉积的氧化铝(al2o3)层。换能器腔体116通过形成在底部腔体层114上的隔膜支撑层118的光刻图案化和蚀刻限定。隔膜支撑层118可以是绝缘层，比如sio2，该绝缘层的剩余部分提供柔性换能器隔膜120(例如，浓度为约1×1018原子/cm3至约1×1019原子/cm3的高掺杂硅)所结合到的支撑表面。[0020]为了保持驻留在衬底102内的各种cmos器件的完整性和功能性，采用相对较低温度的结合过程(例如，低于约450℃)来将换能器隔膜120结合到隔膜支撑层118。因此，期望在结合的表面之间具有光滑的结合界面。在一个示例中，出于这个目的，可能期望在100微米(μm)范围内的小于约1纳米(nm)的表面粗糙度。因此，可以在制造过程中使用化学机械抛光(cmp)来平坦化换能器底部电极层104的金属区域106和绝缘区域108，以便为下游步骤提供平滑的结合界面。[0021]当金属电极层形成在cmos衬底(比如图1的衬底102)上时，该金属电极层可以被光刻图案化和蚀刻以形成例如图1所示的图案(例如，图案化部分110和112)。然后可以通过毯覆式沉积和过填充绝缘材料(例如，sio2)，随后进行cmp移除以暴露和平坦化金属图案化部分110/112，来形成绝缘区域108。一种促进这部分制造过程的方式可以是，在电极图案化之前，在底部电极金属层104的金属顶部上形成cmp停止层(未示出)。在绝缘层108过填充之后，cmp停止层可以辅助作为端点结构，因为多余的氧化物材料被抛光掉。[0022]可以用于覆盖ti底部金属电极层的示例性材料是氮化硅(sin)。一般来说，sin的移除率(rr)选择性为约sio2的10-20倍等级，这意指当通过比如cmp等过程从衬底移除sio2层时，相同的过程将开始移除si3n4，其速度仅是sio2的1/10或1/20。因此，sin的使用可能需要将其厚度沉积为比期望的更大，并且在剩余膜厚度均匀性控制以及因此腔体间隙控制方面也可能有些不利。此外，由于sin是绝缘材料而不是导电材料，并且由于其也可以充当可能对cmut器件的操作不利的电荷俘获材料，因此其是牺牲介电cmp停止层，因为其需要在抛光后移除。由于这个额外的移除过程，这进而导致更长的过程循环时间，甚至可能导致更差的表面粗糙度。另一方面，在不使用比如sin等牺牲cmp停止层(例如，单独形成ti电极金属但初始厚度更大，以及使用ti材料本身作为cmp停止层以移除sio2)的情况下，移除选择性和表面粗糙度甚至会更差。此外，该过程将是不可控的。[0023]因此，本发明人在此已经认识到，期望结合一种制造方案，该制造方案可以用于生产对腔体厚度和结合表面粗糙度具有良好控制的cmut器件。腔体厚度变化减小将对cmut声学性能产生积极影响，同时结合表面粗糙度减小将对cmut腔体形成质量和良率产生积极影响，这进而非常有利于如上论述的集成的片上超声换能器器件的批量制造。如下文将进一步详细描述的，自适应腔体厚度控制方法的示例性实施例被设计成通过“前馈”和“后馈”控制机制等方面来满足批量制造要求。[0024]现在总体参考图2以及图3-1至图3-7，分别示出了流程图和一系列截面图，这些图展示了根据实施例的用于形成具有自适应腔体厚度控制的微加工超声换能器器件的示例性过程200。为了便于说明，各个附图中的相似要素在适用的情况下用相似的附图标记表示。如图2的框202所示并且如图3-1所示，多层堆302沉积在cmos衬底102上。在示例性实施例中，多层堆302可以包括底部电极金属层104(例如，形成在cmos衬底102上的厚度为约100nm至约300nm的ti层106)、形成在底部电极金属层114上的底部腔体层114(例如，薄膜层堆，其包括厚度为约10nm至约30nm的cvd sio2层和厚度为约20nm至约40nm的ald al2o3层)、以及形成在电极金属层114上的介电cmp停止层304(例如，sin，其初始厚度do为约10nm至约30nm)。[0025]然后，如图2的框204所示，例如通过光刻法和蚀刻来图案化多层堆302以形成图3-2所示的图案。同样，因为特定的换能器底部电极图案不是本披露的焦点，所以应当了解可以根据实施例使用其他图案。如前所示，图案化多层堆302的部分110可以对应于换能器底部电极(例如，呈“圆环”或环形配置)，而多层堆302的部分112可以用作另一个功能(例如，旁路金属)。[0026]此后，过程200进行到图2的框206，其中在结构上形成介电材料(例如，sio2层)以填充对应于移除的多层堆302材料的区域。在实施例中，sio2层108最初可以形成的厚度为约400nm至约900nm并且可以大致符合作为下方的图案化多层堆302的形貌，如图3-3所示。然后，如图2的框208所示并且如图3-4所示，sio2层108通过cmp被平坦化，在cmp停止层304上或内停止。在cmp之后，cmp停止层304的所得厚度由图3-4中的尺寸d1指示。假设在平坦化过程中至少移除了cmp停止层304的一些材料，则cmp停止层304的后cmp厚度d1应该小于初始厚度do。[0027]然后如图2的框210所示，执行后cmp计量操作，以便测量cmp停止层304的后cmp厚度d1，随后如图3-5所示，在图3-4的平坦化结构上适应性地沉积隔膜支撑层118(例如，hdp sio2)。在实施例中，d1的厚度测量可以使用薄膜测量技术和工具(比如椭偏仪)或通过光谱反射计来执行。还可以在同一裸片和/或晶圆上的不同位置进行多次测量以便获得d1的平均厚度。因为换能器腔体高度对应于cmp停止层304的后cmp厚度(d1)加上隔膜支撑层118的厚度(在图3-5中由d2表示)，所以d1的测量值自适应地确定隔膜支撑层118应该被沉积的深度d2以便实现期望的目标腔体深度d，使得d＝d1+d2。取决于cmp停止层304的测得的厚度d1，设想可以在底部腔体层114上形成厚度为约100nm至约300nm的隔膜支撑层118。[0028]进行到图2的框212，微加工超声换能器100’通过以下方式来限定：蚀刻隔膜支撑层118和cmp停止层304两者以限定腔体116，如图3-6所示，随后将示例性厚度为约2μm至约10μm的隔膜层120(例如，高掺杂硅)结合到隔膜支撑层118以密封腔体116，如图3-7所示。在这一点上还应当了解，尽管所示实施例描绘了单个腔体，但是可以形成任何合适数量的腔体和对应的电极结构(例如，数百、数千、数万等)，使得cmos衬底102可以形成第一半导体晶圆的一部分并且隔膜层120可以形成结合到第一半导体晶圆的第二半导体晶圆的一部分以便密封多个这样的换能器腔体116(例如，数百、数千、数万等)。[0029]图4是进一步描述了图2的示例性过程流程的方面的流程图400。如上所指示的，所披露的自适应腔体厚度控制方案被设计为具有“前馈”和“后馈”控制机制两者。例如，在cmp(框402)之后，过程方案结合后cmp计量步骤(测量d1，框404)并且可以实现良好的腔体厚度控制以及结合表面粗糙度控制。在一方面，测量cmp停止层厚度d1用作前馈控制机制，因为测得的cmp停止层剩余厚度d1被转发到下游过程(框406)以确定自适应性沉积厚度d2，其中d2＝d-d1。在另一方面，同样测量的cmp停止层厚度d1也可以反馈给cmp过程(框)以监测cmp移除率，并且因此监测用于下一个进入的晶圆的及时过程控制参数。这种控制机制在批量制造环境中可能特别有利。[0030]图5展示了使用本文描述的示例性过程流程实施例形成的示例性超声换能器器件500的俯视图。如图所示，换能器器件包括单独换能器100'(如上所述)的阵列。图5所示的换能器100'的特定数量不应被解释为任何限制意义，而可以包括适合于期望的成像应用的任何数量，其可以例如是数十、数百、数千、数万或更大的等级。图4进一步展示可以将电信号分配给换能器100'的隔膜(上电极)的金属502的示例性位置。还应当了解，虽然超声换能器100'的这个部分的示例性几何结构在形状上通常是圆形的，但是也可以设想其他配置，比如矩形、六边形、八边形和其他多边形状等。[0031]上述实施例可以以多种方式中的任一种方式来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施例。当在软件中实施时，可以在任何适合的处理器(例如，微处理器)或处理器集合上执行软件代码，无论该处理器或处理器集合是设置在单个计算机装置中还是分布在多个计算机装置中。应当了解的是，执行上述描述的功能的任何部件或部件集合一般可以被视为控制以上讨论的功能的一个或多个控制器。该一个或多个控制器可以用许多方式来实现，比如通过专用硬件或者通过使用微代码或软件进行编程以执行上述功能的通用硬件(例如，一个或多个处理器)。[0032]本发明的多个不同方面可以单独使用、组合使用、或以前文所述的实施例中未确切讨论的各种布置使用，并且因此在其应用中不局限于其在前文描述中所阐述或附图中所展示的部件的细节和布置。例如，一个实施例中描述的各方面可以以任何方式与其他实施例中描述的各方面组合。[0033]而且，本技术的一些方面可以被实施为一种方法，其示例已被提供。作为该方法的一部分执行的动作可以按任何适合的方式进行排序。因此，可以构建以下实施例：其中，各个动作以与所示顺序不同的顺序来执行，从而可以包括尽管在说明性实施例中作为顺次动作示出但却是同时执行一些动作。[0034]在权利要求中使用比如“第一”、“第二”、“第三”等顺序术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一项权利要求要素相对于另一项权利要求要素的任何优先权、位次或顺序或执行方法动作的时间顺序，但仅用作标签来区分具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但用于序数术语)以区分权利要求要素。[0035]此外，本文所使用的短语和术语是为了描述的目的，并且不应该被视为限制。“包括(including/comprising)”或“具有”、“包含”、“涉及”及其变型在本文的使用意味着涵盖此后所列的各项和其等同物以及另外的项。[0036]在权利要求以及上述说明书中，比如“包括(comprising/including)”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“持有”、“由……组成”等所有过渡短语应被理解为是开放式的，即意味着包括但不限于。只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别应是封闭式或半封闭式过渡性短语。[0037]本发明还提供如下技术方案：[0038]附注1.一种形成超声换能器器件的方法，该超声换能器器件包括衬底和在该衬底上的膜堆并且具有金属电极层和形成在该金属电极层上的化学机械抛光(cmp)停止层，该方法包括：[0039]在该膜堆上形成隔膜支撑层，该隔膜支撑层具有取决于该cmp停止层的测得的厚度的厚度，使得该cmp停止层和该隔膜支撑层的组合厚度表示换能器腔体深度。[0040]附注2.如附注1所述的方法，进一步包括在将绝缘层平坦化到该cmp停止层之后，测量该cmp停止层的厚度，其中，测量该厚度提供该cmp停止层的测得的厚度。[0041]附注3.一种形成超声换能器器件的方法，该方法包括：[0042]在衬底上形成膜堆并将该膜堆图案化，该膜堆包括金属电极层和形成在该金属电极层上的化学机械抛光(cmp)停止层；[0043]在该图案化的膜堆上形成绝缘层；[0044]将该绝缘层平坦化到该cmp停止层；[0045]测量该cmp停止层的剩余厚度；以及[0046]在该图案化的膜堆上形成隔膜支撑层，其中，该隔膜支撑层形成的厚度取决于该cmp停止层的测得的剩余厚度，使得该cmp停止层和该隔膜支撑层的组合厚度对应于期望的换能器腔体深度。[0047]附注4.如附注3所述的方法，进一步包括：[0048]在该隔膜支撑层和该cmp停止层中蚀刻腔体；以及[0049]将隔膜结合到该隔膜支撑层以密封该腔体。[0050]附注5.如附注4所述的方法，其中，该cmp停止层包括介电材料。[0051]附注6.如附注5所述的方法，其中，该cmp停止层包括sin。[0052]附注7.如附注4所述的方法，其中，该金属电极层包括钛(ti)。[0053]附注8.如附注7所述的方法，其中，该金属电极层的厚度为约100nm至约300nm。[0054]附注9.如附注4所述的方法，其中，该绝缘层包括sio2。[0055]附注10.如附注9所述的方法，其中，在平坦化之前，将该sio2层形成至约400纳米(nm)至约900nm的初始厚度。[0056]附注11.如附注4所述的方法，其中，该膜堆进一步包括设置在该金属电极层与该cmp停止层之间的底部腔体层。[0057]附注12.如附注11所述的方法，其中，该底部腔体层包括化学气相沉积(cvd)sio2层和形成在该sio2层上的原子层沉积(ald)al2o3层。[0058]附注13.如附注12所述的方法，其中，该cvd sio2层的厚度为约10nm至约30nm，并且该ald al2o3层的厚度为约20nm至约40nm。[0059]附注14.如附注4所述的方法，其中，该隔膜支撑层包括sio2并且该隔膜包括掺杂硅。[0060]附注15.如附注14所述的方法，其中，该隔膜支撑层的厚度为约100nm至约300nm，并且该隔膜的厚度为约2微米(μm)至约10μm。[0061]附注16.一种形成超声换能器器件的方法，该方法包括：[0062]在第一晶圆上形成膜堆并将该膜堆图案化，该膜堆包括金属电极层和形成在该金属电极层上的化学机械抛光(cmp)停止层；[0063]在该图案化的膜堆上形成绝缘层；[0064]将该绝缘层平坦化到该cmp停止层；[0065]测量该cmp停止层的剩余厚度；[0066]在该图案化的膜堆上形成隔膜支撑层，其中，该隔膜支撑层形成的厚度取决于该cmp停止层的测得的剩余厚度，使得该cmp停止层和该隔膜支撑层的组合厚度对应于期望的换能器腔体深度；以及[0067]使用来自该第一晶圆的cmp停止层的测得的剩余厚度作为cmp参数以在一个或多个另外的晶圆上形成随后的换能器器件。[0068]附注17.一种超声换能器器件，包括：[0069]设置在衬底的第一区域上的图案化的膜堆，该图案化的膜堆包括金属电极层以及形成在该金属电极层上的底部腔体层；[0070]设置在该衬底层的第二区域上的平坦化的绝缘层；[0071]形成在隔膜支撑层和cmp停止层中的腔体，该cmp停止层包括该图案化的膜堆的顶层，并且该隔膜支撑层形成在该图案化的膜堆和该平坦化的绝缘层上；以及[0072]结合到该隔膜支撑层的隔膜，其中，该cmp停止层位于该隔膜支撑层的部分的下面，但不位于该腔体的下面。[0073]附注18.如附注17所述的超声换能器器件，其中，该cmp停止层包括介电材料。[0074]附注19.如附注18所述的超声换能器器件，其中，该cmp停止层包括sin。[0075]附注20.如附注17所述的超声换能器器件，其中，该金属电极层包括钛(ti)。[0076]附注21.如附注20所述的超声换能器器件，其中，该金属电极层的厚度为约100nm至约300nm。[0077]附注22.如附注17所述的超声换能器器件，其中，该绝缘层包括sio2。[0078]附注23.如附注17所述的超声换能器器件，其中，该底部腔体层包括化学气相沉积(cvd)sio2层和形成在该sio2层上的原子层沉积(ald)al2o3层。[0079]附注24.如附注23所述的超声换能器器件，其中，该cvd sio2层的厚度为约10nm至约30nm，并且该ald al2o3层的厚度为约20nm至约40nm。[0080]附注25.如附注17所述的超声换能器器件，其中，该隔膜支撑层包括sio2并且该隔膜包括掺杂硅。[0081]附注26.如附注17所述的超声换能器器件，其中，该隔膜支撑层的厚度为约100nm至约300nm，并且该隔膜的厚度为约2微米(μm)至约10μm。