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CN113039024A - 用于微机械超声换能器腔的吸气剂技术 - Google Patents

用于微机械超声换能器腔的吸气剂技术 Download PDF

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CN113039024A
CN113039024A CN201980074504.9A CN201980074504A CN113039024A CN 113039024 A CN113039024 A CN 113039024A CN 201980074504 A CN201980074504 A CN 201980074504A CN 113039024 A CN113039024 A CN 113039024A
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缪凌云
刘建伟
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Abstract

形成超声换能器装置的方法包括：将膜进行接合以在暴露吸气剂材料层的至少一部分的情况下密封换能器腔，吸气剂材料层包括兼容用于镶嵌处理的双层堆叠的一部分。

Description

用于微机械超声换能器腔的吸气剂技术
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年11月13日提交的代理人案卷号为B1348.70120US00并且题为“THIN FILM CAVITY GETTER MATERIAL FOR MICROMACHINEDULTRASONIC TRANSDUCER DEVICES”的美国临时专利申请第62/760,887号的权益，其全部内容在此通过引用并入本文。
背景技术
本公开内容总体上涉及微机械超声换能器，并且更特别地涉及在微机械超声换能器腔和换能器制造技术中使用的薄膜吸气剂材料。
超声装置可以用于使用具有比人类可听到的频率高的频率的声波来执行诊断成像和/或治疗。在超声脉冲被发送到组织中时，声波被反射离开组织，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(幅度)以及波在身体中行进所花费的时间提供用于产生超声图像的信息。
一些超声成像装置可以使用微机械超声换能器来制造，该微机械超声换能器包括悬置在基板上方的柔性膜。腔位于基板的一部分与膜之间，使得基板、腔和膜的组合形成可变电容器。在由适当的电信号激励时，膜通过振动生成超声信号。响应于接收到超声信号，使膜振动并且，因此生成输出电信号。
发明内容
在一个方面，一种形成超声换能器装置的方法包括：将膜进行接合以在暴露吸气剂材料层的至少一部分的情况下密封换能器腔，吸气剂材料层包括兼容用于镶嵌处理的双层堆叠的一部分。
在另一方面，一种形成超声换能器装置的方法包括：在基板上方形成扩散阻挡层；在扩散阻挡层上方形成吸气剂材料层；在吸气剂材料层的第一部分上方形成金属电极层；在金属电极层上方形成换能器腔；以及将膜进行接合以密封换能器腔，其中吸气剂材料层的至少第二部分被暴露。
在另一方面，一种形成超声换能器装置的方法包括：在其中具有第一金属层的基板上方形成双层堆叠，该双层堆叠包括扩散阻挡层和形成在该扩散阻挡层上的吸气剂材料层；对双层堆叠进行图案化；在经图案化的双层堆叠上方形成第一电介质层；对第一电介质层进行图案化以暴露经图案化的双层堆叠的第一部分和第一金属层的一部分，其中经图案化的双层堆叠的第二部分由经图案化的第一电介质层来保护；在经图案化的双层堆叠的第一部分、第一金属层的一部分和经图案化的第一电介质层上方形成第二金属层，并且使第二金属层和经图案化的第一电介质层平坦化；在经平坦化的第二金属层和经图案化的第一电介质层上方形成底部封盖层，并且在该底部封盖层上方形成换能器腔侧壁层；对换能器腔侧壁层进行图案化以限定换能器腔；去除底部封盖层的一部分和经图案化的第一电介质层的第二部分以暴露吸气剂材料层；以及将膜进行接合以密封换能器腔。
在另一方面，一种超声换能器装置包括：具有在其中形成的第一金属层的基板，双层堆叠包括扩散阻挡层和形成在该扩散阻挡层上的吸气剂材料层；形成在第一金属层上方的经图案化的双层堆叠；形成在双层堆叠的第一部分上的第二金属层；形成在第二金属层上方的底部封盖层；以及在底部封盖层上方限定的换能器腔和密封换能器腔的膜；其中，底部腔层的一部分具有在其中形成的开口以暴露与双层堆叠的第二部分对应的吸气剂材料层。
附图说明
将参照以下附图来描述本申请的各个方面和实施方式。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个附图中的项在它们出现的所有附图中由相同的附图标记来指示。
图1A是示例性微机械超声换能器装置的截面图。
图1B是在膜接合期间由于高腔压力而具有脱层(delamination)缺陷的示例性微机械超声换能器装置的截面图。
图1C是由于粘滞效应而具有粘住(stuck)单元缺陷的示例性微机械超声换能器装置的截面图。
图2-1至图2-10是示出根据实施方式的用于形成具有薄膜吸气剂材料的微机械超声换能器装置的示例性处理流程的一系列截面图。
图3是描述图2-1至图2-10的示例性处理流程的流程图。
图4是使用图2-1至图2-10和图3的处理流程形成的示例超声换能器装置的俯视图。
具体实施方式
本文所描述的技术涉及用于微机械超声换能器腔的薄膜吸气剂材料的制造。
适合于在超声成像装置中使用的一种类型的换能器是微机械超声换能器(MUT)，其可以由例如硅制造并且被配置成发送和接收超声能量。MUT可以包括电容式微机械超声换能器(CMUT)和压电式微机械超声换能器(PMUT)，例如，这两者都可以提供优于更常规的换能器设计的若干优点，例如较低的制造成本和制造时间和/或增加的频率带宽。关于CMUT装置，基本结构是具有驻留在柔性膜上或柔性膜内的刚性底部电极和顶部电极的平行板电容器。因此，在底部电极与顶部电极之间限定腔。在一些设计(例如，由诸如本申请的受让人产生的设计)中，CMUT可以直接集成在控制换能器的操作的集成电路上。制造CMUT的一种方式是将膜基板接合至集成电路基板，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)基板。这可以在足够低的温度下执行以防止损坏集成电路的器件。
现在首先参照图1A，示出了示例性微机械超声换能器装置100(例如CMUT)的截面图。换能器装置100包括通常由102表示的基板(例如，诸如硅的互补金属氧化物半导体(CMOS)基板)，该基板具有一个或更多个层，例如：CMOS电路、布线层、再分配层、绝缘/钝化层以及可以用作换能器底部电极的一个或更多个金属电极层。基板102(包括换能器底部电极)可以具有在其上形成的一个或更多个绝缘层，通常由层104表示。通过对形成在堆叠104上的支承层106进行光刻图案化和蚀刻来限定换能器腔105。支承层106可以是绝缘层(例如SiO2)，支承层106的剩余部分提供换能器膜108接合至的支承表面。
在将换能器膜108接合至支承层106期间，例如，结构可以经受相对高的压力和/或暴露于一种或更多种接合副产物例如氮、氧和水蒸气。因此，在图1B中示出了这样的处理的一个可能的副作用。如所示出的，高腔压力(例如，在约10atm或更高的数量级)可能导致膜108从支承层106脱层(由箭头110指示)。
另外，在换能器装置100的操作期间，无论处于发送模式以及/或是处于接收模式，换能器膜108都可以与堆叠104的顶部(即，腔105的底部表面)物理接触，如图1C中所描绘的。该位置可以指示本领域已知的所谓的“塌陷模式”操作。“塌陷模式”(也可以与术语“塌陷的模式(collapsed mode)”互换使用)是指如下换能器操作模式，在该换能器操作模式中，微机械超声换能器膜的至少一部分被机械地固定，并且膜的至少一部分基于电极与膜之间变化的电压差而自由振动。一方面，以塌陷模式操作微机械超声换能器可以优化由换能器产生的声功率(输出压力)。然而，另一方面，以塌陷模式操作微机械超声换能器的一个副作用可能是电荷保持(也被称为“电荷俘获”)，其中膜和/或底部腔表面不期望地存储电荷或传导泄漏电流。因此，该电荷保持又可能不期望地改变施加的电压，在该施加的电压下在装置操作期间引起膜塌陷。图1C中所示的换能器100的塌陷模式的另一可能的副作用可能是粘滞作用，该粘滞作用与膜108与腔105的底部表面之间的接触表面面积的量相关联，其中在膜接合期间，由于腔105中存在过量水分，两个表面不经意地粘住彼此。
因此，图2-1至图2-10是示出根据实施方式的用于形成具有薄膜吸气剂材料的微机械超声换能器装置的示例性处理流程的一系列截面图。另外，图3是描述图2-1至图2-10的示例性处理流程的流程图300。如将在下面进一步详细说明的，不仅薄膜金属用作用于吸收某些腔气体种类以将腔压力维持在期望的水平的吸气剂，示例性处理流程还能够与高通量金属(例如铜)镶嵌处理技术平滑地集成。
图2-1示出了CMOS基板200，例如，诸如硅的互补金属氧化物半导体(CMOS)基板，该CMOS基板具有一个或更多个层(通常由202表示)，例如：CMOS电路、布线层、再分配层和绝缘/钝化层。具有约1微米至2微米(μm)的厚度的金属层204(例如，铜)形成在层202上，其中层间电介质(ILD)层206(例如，SiO2)形成在金属层204和层202上方。ILD层206可以具有约1μm至2μm的厚度。应当理解，图2-1中所描绘的各个层不一定按比例示出，并且特别是CMOS基板200的层202可以比随后在其上形成的层厚。
如图2-2所示以及图3的框302中所指示的，在图2-1的结构上沉积包括扩散阻挡层208和吸气剂材料层210的双层堆叠。在实施方式中，扩散阻挡层208可以由诸如具有约8纳米至12纳米(nm)的厚度的钽氮化物(TaN)的材料形成，该扩散阻挡层208在随后的装置处理期间有效地抵抗铜扩散。吸气剂材料层210可以是例如以约50nm至100nm的厚度形成的吸气剂材料(例如Ta或Ti)的较厚层。在Ta是选择的吸气剂材料的情况下，可以简化处理操作，因为可以使用同一室完成双层堆叠沉积(例如，TaN沉积，接着是关闭氮气进入沉积室以形成Ta吸气剂材料)。
参照图2-3以及图3的框304，对双层堆叠208/210进行图案化(例如，通过光刻和蚀刻)。双层堆叠材料的所得图案可以与换能器底部电极材料和换能器腔吸气剂材料的期望位置对应。在对双层堆叠208/210进行的图案化之后，在所得到的结构上方形成ILD层212，如图2-4所示以及在图3的框306中所指示的。ILD层212可以是例如以约300nm至800nm的厚度形成的SiO2，并且可以是具有与经图案化的双层堆叠208/210的形貌对应的所得形貌的共形层。
然后，如图2-5所示以及图3的框308中所指示的，利用双层堆叠208/210用作蚀刻停止，对ILD层212进行图案化(例如，通过光刻和蚀刻)。ILD层212的图案化还可以限定暴露金属层204的一部分的过孔214。在对ILD层进行的图案化之后，在结构上方实现镶嵌金属镀制操作，接着是如图3的框310中所指示的那样对多余金属的平坦化以形成图2-6中所示的结构。电镀可以包括：形成种子层(未示出)和初始形成为约1.5μm至2.5μm厚的厚度的金属层216(例如铜)。然后执行化学机械抛光(CMP)操作以抛光多余的铜背面并且使现有表面形貌平滑，如图2-6所示。在CMP之后剩余的金属层216可以具有约200nm至300nm的厚度，并且也如图2-6所示，填充在图2-5中形成的过孔214，以与金属层204电接触。在所描绘的实施方式中，金属层216的接触金属层204的区域217a与换能器底部电极(例如，圆环形电极)对应，而金属层216的区域217b可以对应于用于换能器的旁路金属。然而，应当理解，由于具体的换能器底部电极图案不是本公开内容的焦点，因此设想到的是，本实施方式也可以结合若干其他换能器电极图案和设计来实现，这些其他换能器电极图案和设计包括(但不限于)：多段或环形电极、以及用于除底部电极之外的其他目的的附加金属图案。
继续至图2-7，处理继续形成底部腔封盖层218和换能器腔侧壁层220，如图3的框312中所指示的。底部腔封盖层218可以是通过原子层沉积(ALD)以约20nm至30nm的厚度形成的诸如铝氧化物(Al2O3)的薄膜层，并且换能器腔侧壁层220可以是以约200nm至300nm的厚度形成的SiO2。然后，如图2-8所示以及如图3的框314中所指示的，通过对换能器腔侧壁层220进行图案化来形成换能器腔222。
一旦腔蚀刻完成，则执行另一蚀刻以形成穿过底部腔封盖层218和ILD层214的开口224，以暴露吸气剂材料层210的部分，如图2-9所示以及在图3的框316中所描绘。值得注意的是，吸气剂材料层210的暴露部分与双层堆叠208/210的不用于对金属层216进行镀制的特定位置(即，由剩余ILD层210保护的位置)对应。因此，如图2-10所示以及图3的框318中所指示的，当膜层226接合至换能器腔侧壁层220以密封腔222并且限定超声换能器250时，暴露的吸气剂材料层210可以吸收某些腔气体种类并且帮助将腔压力维持在期望水平。此外，通过将吸气剂材料与扩散阻挡层208结合作为双层堆叠的一部分，有利地将吸气处理方案与高通量的镶嵌处理技术结合。从这点出发，本领域已知的附加处理可以继续完成超声换能器装置的制造。还应当理解，尽管为了便于说明，示出的实施方式描绘了单个腔，但是可以形成任何合适数量的腔和对应的电极结构(例如，数百、数千、数万等)。
图4示出了可以使用本文描述的示例性处理流程实施方式来形成的示例超声换能器装置400的俯视图。如所示出的，换能器装置400包括单独换能器250(例如上述的那些换能器)的阵列。图4中所示的换能器250的具体数目不应被解释为任何限制意义，而是可以包括适合于所期望的成像应用的任何数目，其可以是例如数十、数百、数千、数万或更多的数量级。图4还示出了可以向换能器250的膜(上电极)分发电信号的金属402的示例位置。
还应当理解，尽管超声换能器250的该部分的示例性几何结构在形状上通常为圆形的，但例如也可以设想其他配置例如矩形、六边形、八边形和其他多边形等。
可以以多种方式中的任何一种来实现上述实施方式。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。在以软件实现时，无论是在单个计算装置中提供还是分布在多个计算装置之间，软件代码都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。应当理解，执行上述功能的任何部件或部件的集合一般可以被认为是控制以上讨论的功能的一个或更多个控制器。一个或更多个控制器可以以多种方式实现，例如利用专用硬件，或者利用使用微代码或软件编程以执行上述功能的通用硬件(例如，一个或更多个处理器)来实现。
本发明的各方面可以单独使用、组合使用或者以在前面描述的实施方式中未具体讨论的各种布置使用，并且因此本发明的应用不限于前面的描述中阐述或者附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方式中描述的各方面可以以任何方式与其他实施方式中描述的方面组合。
此外，技术的一些方面可以实施为已提供其示例的方法。作为该方法的一部分执行的动作可以按任何合适的方式来排序。因此，可以构造以与所示出的顺序不同的顺序来执行动作的实施方式，即使在说明性实施方式中被示出为顺序的动作，所述实施方式也可以包括同时执行一些动作。
在权利要求书中使用序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一权利要求元素的任何优先级、优先顺序或次序或者执行方法的动作的时间顺序，而仅仅被用作用于区分具有某个名称的一个权利要求元素和具有相同名称(除了序数术语的使用以外)的另一元素的标记，以将权利要求元素区分开。
另外，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，并且不应被视为限制性的。在本文中，“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”、“包含”、“涉及”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项及其等同物以及另外的项。
在权利要求中以及在以上说明书中，所有过渡短语例如“包括(including)”、“包括(comprising)”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“保持”、“由......构成”等要被理解为开放式的，即，意指包括但不限于。只有过渡短语“由......组成”和“基本上由......组成”应分别是封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (22)

1.一种形成超声换能器装置的方法，所述方法包括：
将膜进行接合以在暴露吸气剂材料层的至少一部分的情况下密封换能器腔，所述吸气剂材料层包括兼容用于镶嵌处理的双层堆叠的一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述双层堆叠包括扩散阻挡层和形成在所述扩散阻挡层上的所述吸气剂材料层。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述扩散阻挡层包括钽氮化物(TaN)，并且所述吸气剂材料层包括以下中之一：钽(Ta)或钛(Ti)。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
对所述双层堆叠进行图案化并且在所述双层堆叠的第一部分上形成金属层，其中，所述吸气剂材料层的暴露部分与所述双层堆叠的其上未形成所述金属层的第二部分对应。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：通过形成穿过设置在所述双层堆叠的第二部分上方的底部封盖层和电介质层的开口来暴露所述吸气剂材料层的暴露部分。
6.一种形成超声换能器装置的方法，所述方法包括：
在基板上方形成扩散阻挡层；
在所述扩散阻挡层上方形成吸气剂材料层；
在所述吸气剂材料层的第一部分上方形成金属电极层；
在所述金属电极层上方形成换能器腔；以及
将膜进行接合以密封所述换能器腔，其中，所述吸气剂材料层的至少第二部分被暴露。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述扩散阻挡层包括钽氮化物(TaN)，并且所述吸气剂材料层包括以下中之一：钽(Ta)或钛(Ti)。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括：
对所述吸气剂材料层和所述扩散阻挡层进行图案化；
在所述吸气剂材料层和所述扩散阻挡层上方形成电介质层；
对所述电介质层进行图案化以暴露所述吸气剂材料层的第一部分；以及
在所述吸气剂材料层的第一部分上方形成所述金属电极层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述金属电极层还包括：
在所述吸气剂材料层的第一部分和经图案化的电介质层上方镀制所述金属电极层；以及
使经镀制的金属电极层和经图案化的电介质层平坦化，使得所述金属电极层覆盖所述吸气剂材料层的第一部分，并且所述经图案化的电介质层覆盖所述吸气剂材料层的第二部分。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在所述经平坦化的金属电极层和所述经图案化的电介质层上方形成底部封盖层；
在所述底部封盖层上方形成换能器腔侧壁层；
对所述换能器腔体侧壁层进行图案化以限定所述换能器腔；以及
去除所述底部封盖层的一部分和所述经图案化的电介质层的部分以暴露所述吸气剂材料层的第二部分。
11.一种形成超声换能器装置的方法，所述方法包括：
在其中具有第一金属层的基板上方形成双层堆叠，所述双层堆叠包括扩散阻挡层和形成在所述扩散阻挡层上的吸气剂材料层；
对所述双层堆叠进行图案化；
在经图案化的双层堆叠上方形成第一电介质层；
对所述第一电介质层进行图案化以暴露所述经图案化的双层堆叠的第一部分以及所述第一金属层的一部分，其中，所述经图案化的双层堆叠的第二部分由经图案化的第一电介质层来保护；
在所述经图案化的双层堆叠的第一部分、所述第一金属层的一部分和所述经图案化的第一电介质层上方形成第二金属层，并且使所述第二金属层和所述经图案化的第一电介质层平坦化；
在经平坦化的第二金属层和所述经图案化的第一电介质层上方形成底部封盖层，并且在所述底部封盖层上方形成换能器腔侧壁层；
对所述换能器腔侧壁层进行图案化以限定换能器腔；
去除所述底部封盖层的一部分和所述经图案化的第一电介质层的第二部分以暴露所述吸气剂材料层；以及
将膜进行接合以密封所述换能器腔。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述双层堆叠包括扩散阻挡层和形成在所述扩散阻挡层上的所述吸气剂材料层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述扩散阻挡层包括钽氮化物(TaN)，并且所述吸气剂材料层包括以下中之一：钽(Ta)或钛(Ti)。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，以约8纳米至10纳米(nm)的厚度形成所述扩散阻挡层，并且以约50nm至100nm的厚度形成所述吸气剂材料层。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述底部封盖层包括通过原子层沉积(ALD)形成的铝氧化物(Al2O3)。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，以约20nm至30nm的厚度形成所述底部封盖层。
17.一种超声换能器装置，包括：
具有在其中形成第一金属层的基板，双层堆叠包括扩散阻挡层和形成在所述扩散阻挡层上的吸气剂材料层；
形成在所述第一金属层上方的经图案化的双层堆叠；
形成在所述双层堆叠的第一部分上的第二金属层；
形成在所述第二金属层上方的底部封盖层；以及
在所述底部封盖层上方限定的换能器腔和密封所述换能器腔的膜；
其中，底部腔层的一部分具有在其中形成的开口，以暴露与所述双层堆叠的第二部分对应的所述吸气剂材料层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述双层堆叠包括扩散阻挡层和形成在所述扩散阻挡层上的所述吸气剂材料层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述扩散阻挡层包括钽氮化物(TaN)，并且所述吸气剂材料层包括以下中之一：钽(Ta)或钛(Ti)。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，以约8纳米至10纳米(nm)的厚度形成所述扩散阻挡层，并且以约50nm至100nm的厚度形成所述吸气剂材料层。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述底部封盖层包括铝氧化物(Al2O3)。
22.一种形成超声换能器装置的方法，所述方法包括：
通过将膜接合至基板使得暴露所述基板的吸气剂材料层来密封超声换能器腔，所述吸气剂材料层包括镶嵌处理材料的双层堆叠的一部分。
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