用于微加工超声换能器器件的分段式吸气剂开口的制作方法

用于微加工超声换能器器件的分段式吸气剂开口
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35 u.s.c.
§
119(e)要求在2019年7月15日提交、代理人案卷号为b1348.70152us00且发明名称为“bottom electrode via structures for micromachined ultrasonic transducer devices(用于微加工超声换能器器件的底部电极通孔结构)
‑”
的美国临时申请序列号62/874,464的权益，该临时申请通过援引以其全部内容并入本文。
3.本技术根据35 u.s.c.
§
119(e)要求在2019年4月12日提交、代理人案卷号为b1348.70141us00且发明名称为“bottom electrode via structures for micromachined ultrasonic transducer devices(用于微加工超声换能器器件的底部电极通孔结构)”的美国临时申请序列号62/833,625的权益，该临时申请通过援引以其全部内容并入本文。


背景技术：

4.本披露内容总体上涉及微加工超声换能器，更具体地涉及用于微加工超声换能器腔体的底部电极通孔结构。
5.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且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。
6.一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隔膜的一部分之间，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，使隔膜振动并且因此产生输出电信号。


技术实现要素：

7.在一个方面，超声换能器器件包括设置在衬底上的换能器腔体的底部电极层、以及使该底部电极与该衬底电连接的多个垂直互连通路(通孔)。底部腔体层设置在该底部电极层上，并且一个或多个开口形成于该底部腔体层中，以暴露该底部电极层的区域，其中该一个或多个开口的位置基本上对应于未在正下方设置该多个通孔的位置。
8.在另一方面，超声换能器器件包括设置在衬底上方的换能器腔体的底部电极层；使该底部电极层与该衬底电连接的多个通孔；底部腔体层，该底部腔体层设置在该底部电极层上；以及一个或多个开口，该一个或多个开口形成于该底部腔体层中，以暴露该底部电极层的区域。该多个通孔设置在该换能器腔体的覆盖区正下方的位置中，这些位置还偏离该一个或多个开口的覆盖区正下方。
9.在另一方面，超声换能器器件包括设置在衬底上的换能器腔体的底部电极层。该底部电极层包括用作换能器底部电极的第一部分、以及用作旁路金属结构的第二部分，该旁路金属结构与该换能器底部电极电绝缘。底部腔体层设置在该底部电极层上，并且多个开口形成于该底部腔体层中，以暴露该旁路金属结构的区域。该多个开口包括邻近该换能
器腔体的外周设置的区段，这些区段围绕该换能器腔体的外周彼此间隔开。换能器隔膜密封该换能器腔体，其中该旁路金属结构的暴露区域用作吸气剂材料，用以消耗在结合该换能器隔膜期间存在于该换能器腔体中的一种或多种气态材料。
附图说明
10.将参考以下附图描述本技术的各个方面和实施例。应当了解，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。
11.图1是示例性微加工超声换能器器件的截面图。
12.图2是另一示例性微加工超声换能器器件的截面图。
13.图3是换能器阵列的一部分的平视图，展示了根据图1形成的换能器的示例性通孔位置。
14.图4是换能器阵列的一部分的平视图，展示了根据图2形成的换能器的示例性通孔位置。
15.图5-1至图5-12是展示了可以用于形成图2的换能器器件的过程的一系列截面图。
16.图6是在对应于图5-11或图5-12的处理中的点处的换能器阵列的一部分的平面图，展示了示例性吸气剂开口图案。
17.图7是换能器阵列的一部分的平面图，展示了根据实施例的分段式吸气剂开口图案。
18.图8a是根据实施例的图4的换能器中的一个换能器的放大平面图。
19.图8b是根据另一实施例的图4的换能器中的一个换能器的放大平面图。
20.图9是可以使用图7的吸气剂开口图案形成的示例超声换能器器件的俯视图。
21.图10是六边形换能器的一部分的平面图，展示了连续的环状吸气剂开口图案。
22.图11是根据实施例的展示分段式吸气剂开口图案的一部分的平面图。
具体实施方式
23.本文描述的技术和结构涉及在微加工超声换能器(mut)腔体的制造中在腔体结合操作期间使用的金属吸气剂开口图案。在一个方面，分段式吸气剂开口图案相对于完全环状的吸气剂开口图案而言，提供了相同或基本上相同的吸气益处，并且还带有至少附加的优点：确保即使在吸气剂开口干蚀刻工艺过度蚀刻的情况下，旁路电容器电极也具有良好的导电性。这继而可以提供改进的工艺余量，这是mut器件的大量制造所期望的。
24.适于在超声成像器件中使用的一种类型的换能器是mut，mut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其内的顶部电极。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。
25.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，cmos衬底，比如硅)，该衬底具有一个或多个层，举例来说，比如：cmos集成电路和布线层(位于区域104处或其下方)、一个或多个绝缘/钝化层106、以及一个或多个布线重新分配层108。总体在110表示的换能器底部电极层设置在衬底102上并且包括金属层112(例如，钛(ti))的图案化区域，绝缘层114(例如，二氧化硅(sio2))区域位于该图案化区域之间。在所展示的示例中，图案化金属层112的第一部分可以用作换能器底部电极116(例如，呈“圆环”或环形配置)，而图案化金属层112的第二部分可以用作另一个功能(例如，旁路金属结构118)。由于特定衬底和换能器底部电极图案不是本披露内容的焦点，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)。
26.仍参考图1，导电通孔120(例如，钨(w))将一个或多个布线重新分配层108电连接到换能器底部电极层110的图案化金属层112。下面进一步讨论此类通孔120的形成和具体位置。底部腔体层122设置在换能器底部电极层110上。底部腔体层122可以包括例如电绝缘的薄膜层堆叠体，该薄膜层堆叠体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124通过形成于底部腔体层122上的隔膜支撑层126的光刻图案化和蚀刻限定。隔膜支撑层126可以是绝缘层，比如sio2，例如该绝缘层的剩余部分提供柔性换能器隔膜128(例如，浓度为约1
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原子/cm3至约1
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原子/cm3的高度掺杂硅)所结合到的支撑表面。为了保持驻留在衬底102(比如位于区域104处或其下方的cmos电路和布线层)内的各种cmos器件的完整性和功能性，采用相对低温度的结合过程(例如，低于约450℃)以将换能器隔膜128结合到隔膜支撑层126。
27.然而，在将隔膜衬底结合到cmos衬底期间，由于水蒸气和其他气态副产物以及结合的传播，可能存在跨管芯和晶片的腔体压力差。这继而可能导致某些基于cmut的操作参数(举例来说，比如塌陷电压以及传送/接收压力敏感度)的不期望变化性。因此，可期望能够在制造过程期间以及在器件的使用寿命内控制这种换能器器件内的腔体压力。因此，如图1另外展示的，吸气剂开口图案130在隔膜结合前被限定(例如，通过蚀刻)在底部腔体层122中，以便暴露旁路金属结构118的靠近换能器腔体124的外周边的一部分。在一个示例中(并且如下面进一步详细讨论的)，吸气剂开口图案130可以是在换能器隔膜128结合之前被蚀刻到底部腔体层122中的环状或环形图案。通过暴露旁路金属结构118的金属材料，存在于腔体区域中的气态材料(例如，氧气、氮气、氩气、水蒸气等)可以被金属消耗，从而导致跨超声器件的各个腔体120的更均匀的压力。关于腔体吸气的附加信息可以在以下专利文献中找到：2018年9月28日提交的待决的美国专利申请序列号62/738,502和2019年4月5日提交的美国专利申请序列号62/830,325，这两个专利申请均转让给了本技术的受让人，并且其内容通过引用全文并入本文。
28.除了在将隔膜衬底结合到cmos衬底期间保持期望的腔体压力之外，进一步可期望的是在结合表面之间具有平滑的结合界面。在所示示例中，结合界面由隔膜支撑层126的顶表面和换能器隔膜128的底表面表示。期望这种界面在约100μm的范围上具有小于约1nm的表面粗糙度。在制造结构(比如示例性换能器器件100)期间，化学机械抛光(cmp)可以用于
将某些结构(比如金属层112、绝缘层114以及通孔120的材料(例如，w))平整化，以便为下游步骤提供平滑的结合界面。
29.然而，某些制造步骤可能引入由各个通孔彼此相对接近导致的表面平整化困难。例如，在cmp过程未得到很好的控制或经历变化/扰动的情况下可能发生由腐蚀引起的凹陷和由氧化物缓冲引起的突起。任何此类表面平整化问题可能继而影响下游层形成平整性并且最终负面地影响换能器隔膜结合整体性。在前一种情况下，凹陷可能导致绝缘层114的顶表面在通孔120附近凹进到理想水平面下方。在后一种情况下，氧化物缓冲可能引起通孔120和绝缘层114的在通孔120之间的部分(例如，氧化物)延伸到绝缘层114的其余上表面上方。
30.降低(和/或一起消除)通孔平整化操作在形成微加工超声换能器器件时的影响的一种方式可以是：将通孔图案化并且将其定位成使cmos布线重新分配层连接至换能器底部电极层，以便被主要限制在换能器的腔体覆盖区下方。这种方法的示例结合图2中所示的微加工超声换能器器件200来展示(其中类似的元件用类似的附图标记表示)。如通过图1与图2的比较将会注意到的，图1中所示的通孔120的最外侧集合在图2中被重新定位，以便设置在换能器腔体124的覆盖区202的正下方。这是用于到换能器底部电极结构116和金属层112的旁路金属结构118的通孔连接的情况。即，超出换能器腔体124的覆盖区202的区域204的正下方未设置通孔120中的任一个。以这种方式，与通孔的形成相关的任何困难(在如上文所讨论的表面平整化方面)可以对隔膜支撑层126(即，隔膜结合区域)的表面平整化几乎没有影响。图2的器件与图1的器件之间在通孔位置方面的这种区别可以进一步参考图3与图4的并排比较展示。
31.图3和图4均展示了换能器阵列(在该特定示例中为4
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4)的一部分的平面图，展示了用于换能器的示例性通孔位置。在每个附图中，与其他特征相比，通孔120相对小，因此以点的形式出现。如在图3(该图对应于图1的结构)中将注意到的，通孔120存在于换能器腔体覆盖区(由较暗的阴影圆形区域表示)下方、以及对应于图案化隔膜支撑层126的结合区域下方。即，图3中的通孔120用于形成与腔体覆盖区下方的换能器底部电极结构116、以及超出腔体覆盖区(即，在隔膜支撑层126下面)的旁路金属结构118的电连接。
32.相比之下，图4展示了通孔120中的每个连接至换能器底部电极结构116或旁路金属结构118的每个通孔位于腔体覆盖区正下方。即，隔膜支撑层126正下方的这些区域不具有(或基本上不具有)位于其中的通孔。因此，在存在cmp处理变化的情况下，这种通孔位置方案可以使对结合场区域的任何过程影响最小化。关于提供用于微加工超声换能器器件的平滑结合界面的附加信息可以在于2019年4月12日提交的美国专利申请序列号62/833,625中找到，该专利申请转让给了本技术的受让人，并且该专利申请的内容通过援引以其全部内容并入本文。
33.通过进一步的展示，图5-1至图5-12是展示了可以用于形成图2的换能器器件200(包括前面提及的吸气剂开口结构和腔体下方通孔结构)的过程的一系列截面图。图5-1展示了具有形成于其上的绝缘层114的cmos衬底102。在图5-2中，使用例如图案化的光致抗蚀剂材料(未示出)，之后进行蚀刻以接近一个或多个布线重新分配层108，将通孔开口502图案化到绝缘层114中。然后，如图5-3所示，填充材料金属层504(比如w)例如形成于图案化的绝缘层114和通孔开口502上。之后进行平整化操作(比如化学机械抛光(cmp))，以从绝缘层
114的顶面移除金属层504的过量的填充材料，从而限定通孔120，如图5-4所示。
34.在图5-5中，沉积限定底部电极层110的金属层112(例如，ti)。金属层112如图5-6所示图案化(比如通过光致抗蚀剂图案化和蚀刻)，以分别限定前面提及的换能器电极116和旁路金属结构118。之后如图5-7所示沉积附加氧化物材料填充物(例如，与绝缘层114相同)和如图5-8所示对金属层112的氧化物平整化。然后，在图5-9中，形成隔膜支撑层126，之后在图5-10中蚀刻换能器腔体124。如图5-11所示，前面提及的吸气剂开口图案130被蚀刻到底部腔体层122中，以暴露旁路金属结构118的一部分，其后可以通过将换能器隔膜128结合到隔膜支撑层126来密封换能器腔体124。这种结合操作可以是例如低温氧化物至氧化物熔融结合过程，在该过程中，换能器隔膜128在约室温下结合至隔膜支撑层126，并且其后在低于约450℃的温度下退火。
35.图5-11中所示的吸气剂开口图案130表示一旦旁路金属结构118暴露就结束蚀刻过程的期望情况，并且将用作吸气剂材料。然而，如图5-12中所展示，可能发生一些过蚀刻，使得同时还无意间移除了一定厚度的旁路金属结构118。这在图5-12中由吸气剂开口图案130'表示。因此，如果存在旁路金属材料的过蚀刻，则吸气剂开口过程(例如，干蚀刻)可能具有旁路电容器(118)发生导电性劣化的可能性。此外，由于过蚀刻引起的任何金属损失可能对比如图2中所示的实施例具有更加显著的影响，因为连接至旁路金属结构118的大多数通孔位于吸气剂开口图案130'正下方，如将从图4的观察中所知道的。为进一步展示，图6描绘了与图4类似的视图，但是添加了展示底部腔体层122(暗区域)和被蚀刻到底部腔体层122中的环状吸气剂开口图案130'(亮区域)的视图。如图可见，环状吸气剂开口图案130'暴露了旁路金属的直接覆盖通孔120的一部分。因而，在存在由于过蚀刻引起的显著的旁路金属损失的情形下，这可能导致通孔120(例如，w)与旁路电容器电极金属118(例如，ti)之间的导电性较差。
36.即使在不发生吸气剂开口图案的实质性过蚀刻的情况下，吸气过程本身也可能由于吸气过程起作用的方式(例如，吸气剂金属吸收cmut腔体内的不同气体类别，从而将吸气剂金属膜的顶表面转化成金属氧化物)导致一定量的ti膜损失。例如，在ti吸气剂金属的情况下，吸气剂副产物可以是形成厚度为约100埃的ti氧化物。只要吸气剂位置与下面的电连接通孔(比如图6中的通孔)重叠，该氧化物就同样可以降低导电性。
37.因此，图7展示了根据示例性实施例的替代吸气剂开口图案730。如将注意到的，代替完全环状的图案，图7中的图案730被分段，方式是使得显著降低或最小化位于由吸气剂开口图案730暴露的吸气剂金属正下方的通孔120的量。在一些情况下，图案730的给定部分正下方可以不存在通孔，并且在其他情况下，图案730的给定部分正下方可以存在少量通孔。以这种方式，吸气剂开口过程(例如，蚀刻)和/或腔体气体吸气过程本身(例如，氧化)对通孔导电性可以具有最小程度的影响。应当注意的是，因为在图7的实施例中总体有效吸气剂面积相对于图6的总体有效吸气剂面积有所减小，所以可以实验性地评估吸气剂效率(例如，通过改变吸气剂图案大小和/或位置)，以便确定基本上不会影响吸气本身的目的(即，不影响吸气剂腔体气体种类)的最大可接受吸气剂面积减小。
38.通过进一步展示，图8a是图4的换能器中的一个换能器的放大视图，其示出图7的换能器腔体“覆盖区”(外部圆圈)与分段式吸气剂开口图案的覆盖区之间的示例性关系。如图可见，连接到换能器电极116和旁路金属结构118两者的通孔120位于换能器腔体覆盖区
正下方。进一步地，连接至旁路金属结构118的大多数通孔120不位于分段式吸气剂开口图案正下方，而是偏置在旁路金属结构118的其他区域中。替代地，图8b展示了其中接触旁路金属结构118的通孔120均未设置在分段式吸气剂开口图案正下方，而是全部从分段式吸气剂开口图案正下方移置(偏置)。
39.图9展示了使用本文描述的示例性换能器结构实施例中的任一个形成的示例性超声换能器器件900的俯视图。如图所展示，换能器器件包括单独换能器200(比如上文分别结合图2和图7描述的那些)的阵列。图9所示的换能器200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，该数量可以例如是数十、数百、数千、数万或更大的等级。图9进一步展示可以将电信号分配给换能器200的隔膜(上电极)的金属902的示例性位置。
40.还应了解的是，尽管超声换能器200的该部分的示例性几何结构通常为圆形，但是还设想了其他配置，举例来说，比如矩形、六边形、八边形以及其他多边形状等。因此，所得的分段式吸气剂开口图案可以具有通常对应于换能器腔体的几何形状的单独的吸气剂区段。通过一个附加示例，图10和图11展示了六边形换能器腔体、以及环状吸气剂开口图案与分段式吸气剂开口图案之间的差异。形成于图10的实施例的底部腔体层122中的吸气剂开口图案1030类似于图6中的圆形腔体配置的吸气剂开口图案，因为图案1030是连续的并且围绕六边形换能器的整个周边邻近地延伸。与图6的情况一样，将看见的是，环状吸气剂开口图案1030暴露了旁路金属的直接覆盖通孔120的一部分。
41.相比之下，图11中的分段式吸气剂开口图案1130的单独区段有利地定位成暴露避开直接覆盖下面的大多数(如果不是全部的话)通孔的旁路金属。应当了解，还可以存在图11中的吸气剂开口图案1130的更大数量或更小数量的单独区段，并且每个单独区段的形状和/或大小不需要彼此相同。
42.如应因此了解的，无论是单独实施还是彼此组合，上述实施例可以提供某些益处，比如(例如)改进的工艺余量和晶片结合利用率。由此，可以特别期望超声换能器器件和包括此类器件的系统的大量制造。
43.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，可以在任何合适的处理器(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配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实施，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)。
44.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。
45.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。
46.权利要求中用于修饰权利要求要素的序数术语(比如“第一”、“第二”、“第三”等)的使用本身不暗含一个权利要求要素优于另一个权利要求要素的任何优先权、优先地位或顺序或执行方法的动作的临时顺序，而是仅用作标签来区分具有特定名称的一项权利要求要素与具有相同名称(但是使用序数术语)的另一个要素，以区分权利要求要素。
47.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。
48.在权利要求书中，以及在以上说明书中，所有过渡性短语，比如“包括(comprising/including)”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“持有”、“由
……
构成”等应理解为开放性的，即，意思指包括但不限于。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。