CMOS-MEMS集成声换能器及其制备方法

cmos-mems集成声换能器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及cmos-mems集成的传感器制造技术领域，具体是一种cmos-mems集成声换能器及其制备方法。

背景技术：

2.电容式麦克风传感器和电容式超声换能器均是目前常见的传感器类的器件，在实际生活中的应用也越来越广泛。
3.电容式麦克风传感器包括相对应的两个（上下）电极和振膜，当声波从外部作用到振膜时，振膜产生形变，附着在振膜上的（上）电极和固定（下）电极之间的间距改变，从而改变电容值。电容式麦克风传感器基于上述过程中产生的电信号来测量声压。
4.电容式超声换能器（cmut）产生于20世纪90年代，其原理是通过超声波作为信息传递的载体应用于医学成像、无损检测、测距和流量测量等领域，电容式超声换能器（cmut）在单个芯片上的集成引起了广泛关注。
5.近年来，互补金属氧化物半导体（cmos）和微机电系统（mems）技术的快速发展促使了传感器单片集成的快速发展。集成cmos-mems技术制造的传感器具有可靠性好、体积小、高密度阵元集成、频带宽、灵敏度高、制造成本低、易于批量生产等特点，在制备小尺寸、大规模阵列和低寄生效应超声探头方面上有优势，是一种具有广泛应用前景的传感器。

技术实现要素：

6.本发明的目的是基于上述背景技术而提供一种cmos-mems集成声换能器，该传感器可用作麦克风传感器以及超声换能器。
7.本发明是通过如下技术方案实现的：一种cmos-mems集成声换能器，即：一种基于cmos-mems集成的麦克风传感器，其包括基底层，基底层上由下而上依次设置有第一层介质层、第一层金属层、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层、第（n-1）层金属层、第n层介质层、第n层金属层，n≥3；相邻的各层金属层之间通过钨塞互连，第n层金属层上设置有钝化层，钝化层上设置有上电极焊点和下电极焊点；第n层介质层上刻蚀有一个空腔；空腔顶部的钝化层及第n层金属层部分形成振膜，振膜中的第n层金属层作为上电极，空腔底部的第（n-1）层金属层作为下电极，空腔顶部的上电极与底部的下电极通过钨塞互连；第一层金属层至第（n-2）层金属层作为电子层。
8.作为优选的技术方案，上述麦克风传感器中，空腔为圆柱形空腔，空腔内为真空；空腔顶部的振膜也为圆形振膜，振膜上均布开设有若干个呈阵列排布的圆形通孔，圆形通孔内为真空；空腔底部的下电极为圆形电极，其半径为圆柱形空腔半径的一半。
9.一种cmos-mems集成声换能器，即：一种基于cmos-mems集成的超声换能器，其包括基底层，基底层上由下而上依次设置有第一层介质层、第一层金属层、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层、第（n-1）层金属层、第n层介质层、第n层金属层，n≥3；
相邻的各层金属层之间通过钨塞互连，第n层金属层上设置有钝化层，钝化层上设置有上电极焊点和下电极焊点；第n层介质层上刻蚀有若干个呈阵列排布的空腔，每个空腔顶部的钝化层及第n层金属层部分形成各自对应的振膜，每个空腔顶部的振膜中的第n层金属层作为上电极，每个空腔底部的第（n-1）层金属层作为下电极，每个空腔顶部的上电极与底部的下电极通过钨塞互连；第一层金属层至第（n-2）层金属层作为电子层。
10.作为优选的技术方案，上述超声换能器中，每个空腔均为圆柱形空腔，空腔内为真空；每个空腔顶部的振膜也为圆形振膜，每个振膜上均布开设有若干个呈阵列排布的圆形通孔，圆形通孔内为真空；每个空腔底部的下电极为圆形电极，其半径为圆柱形空腔半径的一半，并且所有空腔底部的下电极互连在一起。
11.作为优选的技术方案，上述的麦克风传感器和超声换能器中，基底层采用硅晶圆，硅晶圆为轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度na≈10
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；介质层采用氧化硅，金属层采用铝，钝化层采用氮化硅。
12.作为优选的技术方案，上述的麦克风传感器和超声换能器中，电子层上包括cmos信号处理电路。
13.进一步的，本发明的另一个目的是提供了上述麦克风传感器和超声换能器的制备方法。
14.本发明是通过如下技术方案实现的：如上所述的一种基于cmos-mems集成的麦克风传感器的制备方法，包括如下步骤：1）选用硅晶圆作为起始基底层，利用cmos工艺，在基底层上完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层的制作，各金属层通过钨（w）塞互连；其中，第n层金属层作为上电极层，第n-1层金属层作为下电极层，第n层介质层作为刻蚀空腔牺牲层，钝化层及第n层金属层作为振膜结构主体，并且在钝化层及第n层金属层上形成有呈阵列排布的多个圆形通孔，多个圆形通孔均布在空腔的圆形边界范围内，圆形通孔的底端伸至第n层介质层上；2）通过圆形通孔，使用干法刻蚀，在第n层介质层上刻蚀形成空腔；3）对结构整体进行真空封装，结构上的空腔形成真空密闭空腔。
15.如上所述的一种基于cmos-mems集成的超声换能器的制备方法，包括如下步骤：1）选用硅晶圆作为起始基底层，利用cmos工艺，在基底层上完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层的制作，各金属层通过钨（w）塞互连；其中，第n层金属层作为上电极层，第n-1层金属层作为下电极层，第n层介质层作为刻蚀空腔牺牲层，钝化层及第n层金属层作为振膜结构主体，并且在钝化层及第n层金属层上形成有若干组呈阵列排布的通孔组，每组通孔组由多个圆形通孔组成并且多个圆形通孔均布在空腔的圆形边界范围内，圆形通孔的底端伸至第n层介质层上；2）通过每组通孔组的圆形通孔，使用干法刻蚀，在第n层介质层上刻蚀形成空腔；一组通孔组下方刻蚀形成一个空腔，最终在第n层介质层上形成若干个呈阵列排布的空腔；3）对结构整体进行真空封装，结构上的空腔形成真空密闭空腔。
16.作为优选的技术方案，上述的麦克风传感器和超声换能器的制备方法中，干法刻蚀采用气体进行刻蚀，真空封装通过淀积派瑞林形成真空密闭空腔。
17.本发明的有益效果如下：1）本发明麦克风传感器及超声换能器具有稳定性高、工作频带宽、灵敏度高、工作
电压低，封装难度低，适应复杂工作环境，易于批量生产等特点；2）本发明麦克风传感器及超声换能器的下电极半径为空腔半径的一半，既减少了寄生电容，又提高了麦克风传感器及超声换能器的灵敏度；3）本发明超声换能器中，每个空腔、振膜及上下电极就组成了一个单个微元，若干单微元形成阵列结构，可根据实际使用需求设计不同阵列大小的结构，有较强的延展性和适用性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为实施例1中麦克风传感器的俯视示意图（未封装）。
20.图2为实施例1中麦克风传感器的剖面结构示意图（未封装）。
21.图3为实施例2中超声换能器的俯视示意图（未封装）。
22.图4为实施例2中超声换能器中单个微元的俯视示意图（未封装）。
23.图5为实施例2中超声换能器中单个微元的剖面结构示意图（未封装）。
24.图中：1-基底层、2-钨塞、3-钝化层、4-上电极焊点、5-下电极焊点、6-空腔、7-圆形通孔、8-单个微元；l1-第一层介质层、l（n-1）-第（n-1）层介质层、ln-第n层介质层、m1-第一层金属层、m（n-1）-第（n-1）层金属层、mn-第n层金属层。
具体实施方式
25.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。集成本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为集成附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例1
如图1和图2所示，一种cmos-mems集成声换能器，即一种基于cmos-mems集成的麦克风传感器，包括基底层1，基底层1采用硅晶圆，硅晶圆为轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度na≈10
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；基底层1上由下而上依次设置有第一层介质层l1、第一层金属层m1、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层l（n-1）、第（n-1）层金属层m（n-1）、第n层介质层ln、第n层金属层mn，其中n≥3，介质层采用氧化硅，金属层采用铝；相邻的各层金属层之间通过钨塞2互连，第n层金属层mn上设置有钝化层3，钝化层3采用氮化硅，钝化层3上设置有上电极焊点4和下电极焊点5；第n层介质层ln上刻蚀有一个空腔6，空腔6为圆柱形空腔6，空腔6内为真空；空腔6顶部的钝化层3及第n层金属层mn部分形成振膜，振膜中的第n层金属层mn作为上电极，振膜为圆形状振膜，其上均布开设有若干个呈阵列排布的且与空腔6相通的圆形通孔7，圆形通孔7内为真空；空腔6底部的第（n-1）层金属层m（n-1）作为下电极，下电极为圆形电极，其半径为圆柱形空腔6半径的一半；空腔6顶部的上电极与底部的下电极通过钨塞2互连，空腔6的边缘支撑为金属钨和氧化硅；第一层金属层m1至第（n-2）层金属层m（n-2）作为电子层，电子层上包括有cmos信号处理电路。
29.上述基于cmos-mems集成的麦克风传感器的制备方法，使用coms工艺的后端（beol）层作为mems器件的结构层，coms电子层在mems器件层下方集成，各金属层间通过钨塞2互连，具体包括如下步骤：1）选用硅晶圆作为起始基底层1，利用cmos工艺，在基底层1上完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层3的制作，各金属层通过钨塞2互连；其中，第n层金属层mn作为上电极层，第n-1层金属层m（n-1）作为下电极层，第n层介质层ln作为刻蚀空腔6牺牲层，钝化层3及第n层金属层mn作为振膜结构主体，并且在钝化层3及第n层金属层mn上形成有若干个呈阵列排布的圆形通孔7，若干个圆形通孔7均布在空腔的圆形边界范围内，圆形通孔7的底端伸至第n层介质层ln上；该步骤中，基底层1几乎适用于任何表面平整的底片，例如硅片、玻璃片等，为了适配cmos工艺选择硅晶圆作为基底层1，硅晶圆采用轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度na≈10
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cm-3
；cmos工艺包括0.18um工艺制程以及特征线宽更小的先进工艺制程，利用cmos工艺的四个基本微制造技术：淀积、光刻、掺杂和刻蚀结合起来逐层完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层3的制作；淀积介质层时可以使用等离子增强化学气相淀积（pecvd）来沉积氧化硅；通过溅射金属铝在每层介质层上形成金属层，在金属层上璇涂一层光刻胶，利用光刻技术将掩膜版图形转移到光刻胶上，以光刻胶图形做掩膜再通过湿法腐蚀工艺定义各金属层图形，实现不同金属层的功能；金属层常用来做电互联、电极材料、电阻等，在本发明中金属层用来做上、下电极及电子层。
30.2）通过圆形通孔7，使用干法刻蚀，在第n层介质层ln上刻蚀形成空腔6；其中，干法刻蚀采用气体进行刻蚀，通过圆形通孔7使用气体各向同性干法刻蚀牺牲层中的氧化硅，气体对金属层的选择比较高，在干法刻蚀的过程中不会腐蚀金属层。
31.3）对结构整体进行真空封装，结构上的空腔6形成真空密闭空腔6；其中，真空封装通过淀积派瑞林形成真空密闭空腔6；为了保证器件工作环境的密闭性，需要对器件进行真空密闭封装，可通过化学气相淀积（cvd）氧化物或氮化物来密闭圆形通孔7，具体可通过镀派瑞林的方式对器件进行密封处理。
32.实施例2如图3至图5所示，一种cmos-mems集成声换能器，即一种基于cmos-mems集成的超声换能器，包括基底层1，基底层1采用硅晶圆，硅晶圆为轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度na≈10
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cm-3
；基底层1上由下而上依次设置有第一层介质层l1、第一层金属层m1、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层l（n-1）、第（n-1）层金属层m（n-1）、第n层介质层ln、第n层金属层mn，其中n≥3，介质层采用氧化硅，金属层采用铝；相邻的各层金属层之间通过钨塞2互连，第n层金属层mn上设置有钝化层3，钝化层3采用氮化硅，钝化层3上设置有上电极焊点4和下电极焊点5；第n层介质层ln上刻蚀有若干个呈阵列排布的空腔6，空腔6为圆柱形空腔6，空腔6内为真空；每个空腔6顶部的钝化层3及第n层金属层mn部分形成各自对应的振膜，每个空腔6顶部的振膜中的第n层金属层mn作为上电极，振膜为圆形状振膜，其上均布开设有六个与空腔6相通的圆形通孔7，圆形通孔7内为真空；每个空腔6底部的第（n-1）层金属层m（n-1）作为下电极，下电极为圆形电极，其半径为圆柱形空腔6半径的一半，并且所有空腔6底部的下电极互连在一起；每个空腔6顶部的上电极与底部的下电极通过钨塞2互连，每个空腔6的边缘支撑为金属钨和氧化硅；每个空腔6、其顶部的振膜、其顶部上电极、其底部的下电极组成了一个单个微元8，若干个这样的单个微元8呈阵列结构进行排布，单个微元8的结构如图2和图3所示；第一层金属层m1至第（n-2）层金属层m（n-2）作为电子层，电子层上包括有cmos信号处理电路。
33.上述基于cmos-mems集成的cmut器件的制备方法，使用coms工艺的后端（beol）层作为mems器件的结构层，coms电子层在mems器件层下方集成，各金属层间通过钨塞2互连，具体包括如下步骤：1）选用硅晶圆作为起始基底层1，利用cmos工艺，在基底层1上完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层3的制作，各金属层通过钨塞2互连；其中，第n层金属层mn作为上电极层，第n-1层金属层m（n-1）作为下电极层，第n层介质层ln作为刻蚀空腔6牺牲层，钝化层3及第n层金属层mn作为振膜结构主体，并且在钝化层3及第n层金属层mn上形成有若干组呈阵列排布的通孔组，每组通孔组由多个圆形通孔7组成并且多个圆形通孔7均布在空腔的圆形边界范围内，圆形通孔7的底端伸至第n层介质层ln上；该步骤中，基底层1几乎适用于任何表面平整的底片，例如硅片、玻璃片等，为了适配cmos工艺选择硅晶圆作为基底层1，硅晶圆采用轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度na≈10
15
cm-3
；cmos工艺包括0.18um工艺制程以及特征线宽更小的先进工艺制程，利用cmos工艺的四个基本微制造技术：淀积、光刻、掺杂和刻蚀结合起来逐层完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层3的制作；淀积介质层时可以使用等离子增强化学气相淀积（pecvd）来沉积氧化硅；通过溅射金属铝在每层介质层上形成金属层，在金属层上璇涂一层光刻胶，利用光刻技术将掩膜版图形转移到光刻胶上，以光刻胶图形做掩膜再通过湿法腐蚀工艺定义各金属层图形，实现不同金属层的功能；金属层常用来做电互联、电极材料、电阻等，在本发明中金属层用来做上、下电极及电子层。
34.2）通过每组通孔组的圆形通孔7，使用干法刻蚀，在第n层介质层ln上刻蚀形成空腔6；一组通孔组下方刻蚀形成一个空腔6，最终在第n层介质层ln上形成若干个呈阵列排布的空腔6；其中，干法刻蚀采用气体进行刻蚀，通过圆形通孔7使用气体各向同
性干法刻蚀牺牲层中的氧化硅，气体对金属层的选择比较高，在干法刻蚀的过程中不会腐蚀金属层。
35.3）对结构整体进行真空封装，结构上的空腔6形成真空密闭空腔6；其中，真空封装通过淀积派瑞林形成真空密闭空腔6；为了保证器件工作环境的密闭性，需要对器件进行真空密闭封装，可通过化学气相淀积（cvd）氧化物或氮化物来密闭圆形通孔7，具体可通过镀派瑞林的方式对器件进行密封处理。
36.本发明制备得到的超声换能器具有可靠性好、体积小、高密度阵元集成、频带宽、灵敏度高、制造成本低、易于批量生产等特点，在制备小尺寸、大规模阵列超声探头上有优势，可以应用于医学、军事、工业、农业等众多领域。
37.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种cmos-mems集成声换能器，其特征在于：包括基底层，基底层上由下而上依次设置有第一层介质层、第一层金属层、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层、第（n-1）层金属层、第n层介质层、第n层金属层，n≥3；相邻的各层金属层之间通过钨塞互连，第n层金属层上设置有钝化层，钝化层上设置有上电极焊点和下电极焊点；第n层介质层上刻蚀有一个空腔；空腔顶部的钝化层及第n层金属层部分形成振膜，振膜中的第n层金属层作为上电极，空腔底部的第（n-1）层金属层作为下电极，空腔顶部的上电极与底部的下电极通过钨塞互连；第一层金属层至第（n-2）层金属层作为电子层。2.一种cmos-mems集成声换能器，其特征在于：包括基底层，基底层上由下而上依次设置有第一层介质层、第一层金属层、第二层介质层、第二层金属层、......、第（n-1）层介质层、第（n-1）层金属层、第n层介质层、第n层金属层，n≥3；相邻的各层金属层之间通过钨塞互连，第n层金属层上设置有钝化层，钝化层上设置有上电极焊点和下电极焊点；第n层介质层上刻蚀有若干个呈阵列排布的空腔，每个空腔顶部的钝化层及第n层金属层部分形成各自对应的振膜，每个空腔顶部的振膜中的第n层金属层作为上电极，每个空腔底部的第（n-1）层金属层作为下电极，每个空腔顶部的上电极与底部的下电极通过钨塞互连；第一层金属层至第（n-2）层金属层作为电子层。3.根据权利要求1或2所述的cmos-mems集成声换能器，其特征在于：基底层采用硅晶圆，硅晶圆为轻掺杂的p型（100）硅片，典型的掺杂浓度n
a
≈10
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；介质层采用氧化硅，金属层采用铝，钝化层采用氮化硅。4.根据权利要求1或2所述的cmos-mems集成声换能器，其特征在于：电子层上包括cmos信号处理电路。5.根据权利要求1所述的cmos-mems集成声换能器，其特征在于：空腔为圆柱形空腔，空腔内为真空；空腔顶部的振膜也为圆形振膜，振膜上均布开设有若干个呈阵列排布的圆形通孔，圆形通孔内为真空；空腔底部的下电极为圆形电极，其半径为圆柱形空腔半径的一半。6.根据权利要求2所述的cmos-mems集成声换能器，其特征在于：每个空腔均为圆柱形空腔，空腔内为真空；每个空腔顶部的振膜也为圆形振膜，每个振膜上均布开设有若干个呈阵列排布的圆形通孔，圆形通孔内为真空；每个空腔底部的下电极为圆形电极，其半径为圆柱形空腔半径的一半，并且所有空腔底部的下电极互连在一起。7.如权利要求5所述的cmos-mems集成声换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）选用硅晶圆作为起始基底层，利用cmos工艺，在基底层上完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层的制作，各金属层通过钨（w）塞互连；其中，第n层金属层作为上电极层，第n-1层金属层作为下电极层，第n层介质层作为刻蚀空腔牺牲层，钝化层及第n层金属层作为振膜结构主体，并且在钝化层及第n层金属层上形成有呈阵列排布的多个圆形通孔，多个圆形通孔均布在空腔的圆形边界范围内，圆形通孔的底端伸至第n层介质层上；2）通过圆形通孔，使用干法刻蚀，在第n层介质层上刻蚀形成空腔；3）对结构整体进行真空封装，结构上的空腔形成真空密闭空腔。8.如权利要求6所述的cmos-mems集成声换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）选用硅晶圆作为起始基底层，利用cmos工艺，在基底层上完成cmos有源区、n层介质层、n层金属层及钝化层的制作，各金属层通过钨（w）塞互连；其中，第n层金属层作为上电极层，第n-1层金属层作为下电极层，第n层介质层作为刻蚀空腔牺牲层，钝化层及第n层金属层作为振膜结构主体，并且在钝化层及第n层金属层上形成有若干组呈阵列排布的通孔组，每组通孔组由多个圆形通孔组成并且多个圆形通孔均布在空腔的圆形边界范围内，圆形通孔的底端伸至第n层介质层上；2）通过每组通孔组的圆形通孔，使用干法刻蚀，在第n层介质层上刻蚀形成空腔；一组通孔组下方刻蚀形成一个空腔，最终在第n层介质层上形成若干个呈阵列排布的空腔；3）对结构整体进行真空封装，结构上的空腔形成真空密闭空腔。9.根据权利要求7或8所述的cmos-mems集成声换能器的制备方法，其特征在于：干法刻蚀采用气体进行刻蚀，真空封装通过淀积派瑞林形成真空密闭空腔。

技术总结

本发明提供了一种CMOS-MEMS集成声换能器及其制备方法。该传感器既能作为麦克风传感器又能作为超声换能器，其由下而上依次为基底层、交替设置的介质层及金属层、钝化层，第n层介质层上刻蚀有空腔，空腔顶部形成振膜及上电极、底部形成下电极。制备时，使用COMS工艺的后端（BEOL）层作为MEMS器件的结构层，COMS电子层在MEMS器件层下方集成，各金属层间通过钨塞互连，最后通过干法刻蚀在介质层上形成空腔。本发明传感器具有可靠性好、体积小、频带宽、灵敏度高、易于批量生产等特点，可以应用于医学、军事、工业、农业等众多领域。农业等众多领域。农业等众多领域。