电子设备、超声波指纹识别装置及其制造方法与流程

本申请涉及超声波指纹识别技术领域，尤其是涉及一种电子设备、超声波指纹识别装置及其制造方法。

背景技术：

相对于目前成熟的电容式指纹识别技术，超声波指纹识别技术具有更好的穿透力和更高的安全性。然而，目前在超声波指纹识别技术中，超声波指纹识别装置(例如超声波指纹识别传感器等)的制造工艺复杂、成本较高，制约了其大规模应用。

目前超声波指纹识别装置的制造工艺分主要包括：首先制造出信号处理芯片(例如可采用cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺)，并制造出压电传感器芯片(例如可采用mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)工艺)，然后通过晶圆键合工艺或基板封装工艺将两个芯片集成。其中，在基于晶圆键合工艺集成的方案中，由于压电传感器芯片的制造和晶圆键合工艺的工艺都比较复杂，因而造成超声波指纹识别装置的制造成本偏高。而在基于基板封装工艺集成的方案中，虽然基板封装工艺比晶圆键合工艺成本低，但基板封装往往会引入较大的寄生元器件(例如电阻、电容、电感)，这些寄生元器件产生的寄生效应会影响超声波指纹识别装置的检测灵敏度。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种电子设备、超声波指纹识别装置及其制造方法，以实现在降低超声波指纹识别装置制造成本的同时，不影响超声波指纹识别装置的检测灵敏度。

为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供一种超声波指纹识别装置的制造方法，包括：

在用于信号处理的第一半导体器件的顶部形成基底层；

在所述基底层顶部形成第一平面电极，所述第一平面电极与所述第一半导体器件的第一接触点电性连接；

在所述第一平面电极顶部形成压电薄膜层；

在位于所述第一平面电极下方的基底层部分形成谐振空腔；

在所述压电薄膜层顶部形成第二平面电极，所述第二平面电极与所述第一半导体器件的第二接触点电性连接。

优选的，所述在所述基底层顶部形成第一平面电极，包括：

图形化所述基底层，以形成第一接触沟槽；所述第一接触沟槽位于所述第一接触点上方；

在所述基底层顶部形成导电薄膜层，所述导电薄膜层穿过所述第一接触沟槽并与所述第一接触点电性连接；

图形化所述导电薄膜层，以形成第一平面电极。

优选的，在图形化所述基底层后，还形成第二接触沟槽；所述第二接触沟槽位于所述第二接触点上方；

对应的，在图形化所述导电薄膜层后，所述第二接触沟槽内形成一导电部件；所述导电部件与所述第二接触点电性连接，且与所述第一平面电极绝缘隔离。

优选的，在形成所述谐振空腔之前，还包括：

在位于所述第一平面电极的外周边形成支撑部件。

优选的，所述在位于所述第一平面电极的外周边形成支撑部件，包括：

图形化所述基底层位于所述第一平面电极的外周边部分，以形成容纳沟槽；

对所述容纳沟槽周边暴露在外的基底层部分进行氧化处理，从而在所述容纳沟槽内形成氧化物结构，以作为支撑部件。

优选的，在所述形成氧化物结构后，还包括：对所述氧化物结构进行平坦化处理。

优选的，所述在位于所述第一平面电极下方的基底层部分形成谐振空腔，包括:

图形化所述压电薄膜层，以形成第三接触沟槽和蚀刻孔；所述第三接触沟槽位于所述导电部件上方；

通过所述蚀刻孔对位于所述第一平面电极下方的基底层部分进行蚀刻，以形成谐振空腔；

封堵所述蚀刻孔，以密封所述谐振空腔。

优选的，所述蚀刻孔位于所述第一平面电极的周边。

优选的，还包括：在所述第二平面电极顶部形成钝化保护层。

优选的，通过淀积工艺在所述基底层顶部形成导电薄膜层。

优选的，通过淀积工艺在所述压电薄膜层顶部形成第二平面电极。

优选的，通过外延生长工艺在所述第一半导体器件顶部形成基底层。

优选的，所述图形化通过刻蚀工艺实现。

优选的，通过淀积工艺在所述第一平面电极顶部形成压电薄膜层。

优选的，通过淀积工艺封堵所述蚀刻孔。

优选的，通过淀积工艺在所述第二平面电极顶部形成钝化保护层。

优选的，所述基底层的材质包括单晶硅、多晶硅或非晶硅。

优选的，封堵所述蚀刻孔的材料包括氮化硅。

另一方面，本申请实施例还提供一种通过上述方法制造的超声波指纹识别装置。

再一方面，本申请实施例还提供一种配置有上述超声波指纹识别装置的电子设备。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，由于本申请实施例直接在第一半导体器件表面制造压电传感部件。因此，本申请实施例的超声波指纹识别装置的制造不再需要进行晶圆键合或基板键合这样的集成工艺，从而节约了超声波指纹识别装置的制造成本，保证了超声波指纹识别装置的检测灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请一实施例的超声波指纹识别装置的制造方法流程图；

图2为本申请一实施例中的第一半导体器件的结构剖视示意图；

图3为本申请一实施例中在第一半导体器件顶部形成基底层后的结构剖视示意图；

图4为本申请一实施例中图形化基底层后的结构剖视示意图；

图5为本申请一实施例中在基底层顶部形成导电薄膜层后的结构剖视示意图；

图6为本申请一实施例中图形化导电薄膜层后的结构剖视示意图；

图7为本申请一实施例中再次图形化基底层后的结构剖视示意图；

图8为本申请一实施例中暴露在外的基底层部分在氧化处理后的结构剖视示意图；

图9为本申请一实施例中在第一平面电极顶部形成压电薄膜层后的结构剖视示意图；

图10为本申请一实施例中图形化压电薄膜层后的结构剖视示意图；

图11为本申请一实施例中图形化支撑部件后的结构剖视示意图；

图12为本申请一实施例中再次基底层形成谐振空腔后的结构剖视示意图；

图13为本申请一实施例中密封谐振空腔后的结构剖视示意图；

图14为本申请一实施例中在压电薄膜层极顶部形成第二平面电极后的结构剖视示意图；

图15为本申请一实施例中在第二平面电极顶部形成钝化保护层后的结构剖视示意图；

图16为本申请一实施例的电子设备的结构剖视示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。例如在下面描述中，在第一部件上方形成第二部件，可以包括第一部件和第二部件以直接接触方式形成的实施例，还可以包括第一部件和第二部件以非直接接触方式(即第一部件和第二部件之间还可以包括额外的部件)形成的实施例等。

而且，为了便于描述，本申请一些实施例可以使用诸如“在…上方”、“在…之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为“在”其他元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为“在”其他元件或部件“上方”或“之上”。

此外，除非上下文清楚地另有指示，本申请下述实施例使用的“一”、“一个”、“该”、“所述”等看似单数形式的术语，也可以包括复数形式。还需要说明的是，本申请下述实施例使用的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，意在指定所述特征、整体、步骤、操作、元件、部件等的存在，但不排除一种或多种其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件等的存在或添加。

虽然下文描述的操作流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，各个操作流程是以有助于理解本申请所述的实施例的方式，依次被描述为多个分立操作的。然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作必须是顺序相关的。具体而言，这些操作可以不必要以呈现的顺序被执行，例如这些过程还可以包括更多或更少的操作。

就整体结构而言，本申请实施例的超声波指纹识别装置可以包括用于信号处理的第一半导体器件，以及在所述第一半导体器件表面通过特定工艺(例如mems等)制造而成的压电传感部件。由于压电传感部件是在用于信号处理的第一半导体器件上直接制造而成，因此，本申请实施例的超声波指纹识别装置的制造不再需要进行晶圆键合或基板键合这样的集成工艺，从而节约了超声波指纹识别装置的制造成本，且保证了超声波指纹检测的灵敏度。

为便于理解本申请，下文将结合附图具体说明本申请实施例的超声波指纹识别装置的制造过程。

参考图1所示，本申请实施例的超声波指纹识别装置的制造方法可以包括以下步骤：

s101、在用于信号处理的第一半导体器件的顶部形成基底层。

s102、在所述基底层顶部形成第一平面电极，所述第一平面电极与所述第一半导体器件的第一接触点电性连接。本申请实施例中，所述第一平面电极用作压电传感部件的底电极。

s103、在所述第一平面电极顶部形成压电薄膜层。

s104、在位于所述第一平面电极下方的基底层部分形成谐振空腔。

s105、在所述压电薄膜层顶部形成第二平面电极，所述第二平面电极与所述第一半导体器件的第二接触点电性连接。本申请实施例中，所述第二平面电极用作压电传感部件的顶电极。由此，第一平面电极、第二平面电极、位于第一平面电极和第二平面电极之间的压电薄膜层、以及位于第一平面电极下方的谐振空腔，共同配合形成了压电传感部件的主体部分。

在本申请实施例中，所述用于信号处理的第一半导体器件可以是信号处理芯片，其可以将压电传感部件采集到的携带有指纹信息的电信号进行处理，以便于传输和后续处理。在本申请一些示例性实施例中，所述第一半导体器件可以是基于诸如cmos等工艺制造而成。例如图2所示，所述第一半导体器件21的顶部具有两个彼此绝缘隔离的接触点22，以实现与压电传感部件的电性连接。为了保护第一半导体器件21，还可在第一半导体器件21的顶部形成第一钝化保护层23。

在本申请一些实施例中，如图3所示，可通过外延生长工艺在所述第一半导体器件21顶部形成基底层24。所述基底层24可用作制造压电传感部件的基材，并且，所述基底层24同时还起到底部支撑的作用。在本申请一些示例性实施例中，所述外延生长工艺例如可以为气相外延(vpe)、液相外延(lpe)、固相外延(spe)、分子束外延(mbe)、化学气相淀积(cvd)或物理气相淀积(pvd)等。

在本申请一些实施例中，所述基底层24的材质例如可以为单晶硅、多晶硅、或非晶态结构的硅或锗的元素半导体材料。在本申请另一些实施例中，所述基底层24的材质也可以为碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟等化合物半导体材料，在本申请其他一些实施例中，所述基底层24的材质还可以为诸如sige或gaasp等合金半导体材料。

在本申请一些实施例中，在所述基底层顶部形成第一平面电极可以包括下步骤：

首先，如图4所示，图形化所述基底层24，以形成第一接触沟槽25a；所述第一接触沟槽25a位于所述第一接触点22a上方，以便于后续形成的导电薄膜层可方便的穿过所述第一接触沟槽25a与所述第一接触点22a配合。本申请一些实施例中，所述的图形化可以通过刻蚀工艺实现。在本申请一些示例性实施例中，所述的刻蚀工艺可以为任何适合的湿法刻蚀或干法刻蚀工艺，例如光刻、x射线刻蚀、电子束刻蚀或离子束刻蚀等。此外，下文提及的图形化或图形化工艺亦可以参考本部分的描述，以免赘述。

其次，如图5所示，在所述基底层24顶部形成导电薄膜层26，所述导电薄膜层26穿过所述第一接触沟槽25a并与所述第一接触点22a电性连接。本申请一些实施例中，可通过淀积工艺在所述基底层24顶部形成导电薄膜层26。在本申请一些示例性实施例中，根据需要所述淀积工艺例如可以为化学气相淀积(cvd)、物理气相淀积(pvd)、电镀、蒸发(例如分子束外延等)或旋涂等。此外，下文提及的淀积或淀积工艺亦可以参考本部分的描述，以免赘述。在本申请一些实施例中，所述导电薄膜层26的材质可以为诸如金属、金属硅化物、金属氮化物、金属氧化物或导电碳等导电材料。在本申请一些示例性实施例中，所述导电薄膜层26的材质具体可以为al、cu、ag、au、ni、co、tial、tin或tan等。

然后，如图6所示，图形化所述导电薄膜层26，以形成第一平面电极26a。本申请一些实施例中，所述的图形化可以通过刻蚀工艺实现。

在本申请一些实施例中，请继续参考图4所示，在图形化所述基底层24后，还可以形成第二接触沟槽25b；所述第二接触沟槽25b位于所述第二接触点22b上方。对应的，结合图6所示，在图形化所述导电薄膜层26后，所述第二接触沟槽25b内形成一导电部件26b；所述导电部件26b与所述第二接触点22b电性连接，且与所述第一平面电极26a绝缘隔离。

在本申请一些实施例中，在形成所述谐振空腔之前，还可以在位于所述第一平面电极26a的外周边形成支撑部件，以起到保护和支撑压电传感部件的作用。其中，所述在位于所述第一平面电极的外周边形成支撑部件可以包括：

首先，如图7所示，图形化所述基底层23位于所述第一平面电极26a的外周边部分，以形成容纳沟槽27；

其次，如图8所示，对所述容纳沟槽27周边暴露在外的基底层24部分进行氧化处理，从而在所述容纳沟槽27内形成氧化物结构，以作为支撑部件28。需要说明的是，本申请中支撑部件28的形成并不限于此，例如在本申请其他实施例中，还可以通过例如淀积等工艺在所述容纳沟槽27内形成支撑部件28。此外，为了保证装置的精密度，在本申请另一些实施例中，在所述形成氧化物结构(即形成支撑部件28)后，还可以对所述氧化物结构进行平坦化处理，以使得支撑部件28的顶面可以与所述第一平面电极26a的顶面平齐。当然，在本申请其他一些实施例中，上述其他步骤也可以根据需要适时进行平坦化处理。在本申请一些示例性实施例中，所述的平坦化处理可以包括但不限于化学机械平坦化(chemicalmechanicalpolish,简称cmp)等。

在本申请一些实施例中，如图9所示，所述在第一平面电极26a顶部形成压电薄膜层29。从图9中可以看出，压电薄膜层29不仅可以覆盖所述第一平面电极26a的顶面，同时还可以覆盖支撑部件28的顶面。在本申请一些实施例中，可通过淀积工艺在第一平面电极26a顶部形成压电薄膜层29。其中，所述压电薄膜层的材质可以为压电材料，所述压电材料例如可以为压电晶体、压电陶瓷或压电聚合物等。在本申请一些示例性实施例中，所述压电晶体例如可以为氮化铝、锆钛酸铅、石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铁晶体管铌酸锂或钽酸锂等。本申请另一些示例性实施例中，所述压电聚合物例如可以为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、尼龙-11或亚乙烯基二氰-醋酸乙烯交替共聚物等。

在本申请一些实施例中，所述在位于所述第一平面电极下方的基底层部分形成谐振空腔可以包括:

首先，如图10和图11所示，图形化所述压电薄膜层29，以形成第三接触沟槽30b和蚀刻孔30a。在本申请一些实施例中，由于第一平面电极26a所对应的区域一般为指纹识别感应区，因此，所述蚀刻孔30a最好可以位于所述第一平面电极26a的周边，而不应当位于第一平面电极26a内，以免影响指纹识别检测的灵敏度。

所述第三接触沟槽30b位于所述导电部件26b上方。其中，由于压电薄膜层29和所述第一平面电极26a的材质往往不同，因此可通过选择性的刻蚀工艺刻蚀出谐振空腔，例如先通过一种刻蚀工艺在压电薄膜层29上形成较浅的蚀刻孔30a，然后采用另一种刻蚀工艺对蚀刻孔30a下方的第一平面电极26a部分进行进一步刻蚀，从而形成如图11所示更深的蚀刻孔30a。

其次，如图12所示，通过所述蚀刻孔30a，采用另一种刻蚀工艺对位于所述第一平面电极26a下方的基底层24部分进行蚀刻，以形成期望的尺寸和形状的谐振空腔31。在本申请一些实施例中，谐振空腔31的尺寸和形状可以根据需要而定，以满足预设的性能要求。在本申请一示例性实施例中，蚀刻谐振空腔31时可首先利用干法刻蚀工艺在蚀刻孔30a位置进行深度刻蚀，以快速形成一定深度的沟槽；然后在此基础上用湿法刻蚀工艺进行各项异性刻蚀，以加快刻蚀速度和提高空腔的一致性，当然，在刻蚀可过程中可以进行多次的湿法刻蚀->清洗->湿法刻蚀->清洗的循环操作。

然后，如图13所示，可通过在所述蚀刻孔30a内淀积特定材料，形成密封塞32，从而封堵住所述蚀刻孔30a，以密封所述谐振空腔31。在本申请一些实施例中，封堵所述蚀刻孔30a的材料例如可以为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、低k介电材料、其他合适的材料或他们的组合等。在本申请一些实施例中，优选的，密封塞32尽量少的向谐振空腔31的横向方向扩散，以免影响整个装置的压电性能。在本申请一些示例性实施例中，蚀刻孔30a的封堵例如可以采用等离子增强化学气相淀积法(pecvd)淀积氮化硅，这样可以实现快速和高质量的填充。此外，在淀积过程中，对等离子所加电场为垂直于蚀刻孔30a的方向，这样可以减小淀积薄膜的横向扩散。

在本申请一些实施例中，所述在压电薄膜层29顶部形成第二平面电极33，可以如图14所示。从图14中可以看出，所述第二平面电极33通过导电部件26b与所述第二接触点22b电性连接，从而形成压电传感部件的顶电极。在本申请一些实施例中，可通过淀积工艺在压电薄膜层29顶部形成第二平面电极33。在本申请一些实施例中，第二平面电极33的材质可以为诸如金属、金属硅化物、金属氮化物、金属氧化物或导电碳等导电材料。在本申请一些示例性实施例中，所述第二平面电极33的材质具体可以为al、cu、ag、au、ni、co、tial、tin或tan等。

在本申请一些实施例中，如图15所示，还可在所述第二平面电极33顶部形成第二钝化保护层34，以保护压电传感部件。在本申请一些实施例中，可通过淀积工艺在所述第二平面电极33顶部形成第二钝化保护层34。在本申请一些实施例中，第二钝化保护层34的材料例如可以为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、低k介电材料、其他合适的材料或他们的组合。

在本申请一些实施例中，在所述第二平面电极33顶部形成第二钝化保护层34后，还可以进行诸如封装等后续工艺。

在本申请一些实施例中，超声波指纹识别装置可以配置于任何适合的电子设备中，以达到通过指纹识别来实现身份识别的目的。在本申请一些实施例中，一种典型的电子设备为智能电话，例如图16所示。在该图中，智能电话400上配置有本申请实施例的超声波指纹识别装置401，当用户用手指位于超声波指纹识别装置401上(可以为手指与超声波指纹识别装置401直接接触，也可以为手指靠近超声波指纹识别装置401上方，但不与之接触)时，超声波指纹识别装置401所发射出的超声波遇到手指后发生反射，由于指纹具有凸起的纹峭和凹陷的纹峪，这样反射回来超声波就会携带有手指的指纹信息；而反射回来的超声波反过来会作用于超声波指纹识别装置401的压电传感部件，从而使之产生相应的携带有指纹信息的电信号，这些携带有指纹信息的电信号被传输至智能电话400内的处理装置402(处理装置402可以为特定的处理软件、硬件或软件和硬件的结合)，处理装置402在获得采集到的指纹信息后，将其与预先存储于智能电话400内的特定指纹信息进行对比匹配，如果采集到的指纹信息与特定指纹信息一致，则通过身份识别。否则，身份识别失败。

在本申请一些示例性实施例中，所述电子设备还可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、个人数字助理(pda)、媒体播放器、导航设备、游戏控制台、平板计算机或可穿戴设备等等。在本申请其他一些示例性实施例中，所述电子设备还可以为安防门禁电子系统、汽车无钥进入电子系统或汽车无钥启动电子系统等等。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。