[其他]CMOS上的PMUT的單片集成器件

有效

• 申請號: 201890000928.1
• 申請日: 2018-08-21
• 公開（公告）號: CN211957689U
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 紹達拉潘迪安·莫罕拉吉;坎帝馬翰帝·阿君庫馬爾
• 申請（專利權）人: 矽特拉馬來西亞有限公司
• 主分類號: H01L41/09
• 分類號: H01L41/09;H01L27/20;B06B1/06;B81B3/00
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙) 11311
• 代理人: 田明;任曉航

本實用新型公開了一種CMOS上的PMUT的單片集成器件，其包括作為該器件的基部的基板層(101)；介電隔層(102)，設置于基板層(101)的頂部，并位于保護層(103)的下方；電子線路，形成在介質電隔層(102)內，并由基板層(101)支撐，電子線路包括由一個或多個間隔開的金屬(204)形成的多個金屬層；以及至少一個微機械超聲波換能器。每個微機械超聲波換能器包括底部電極(301)，其設置在保護層(103)的頂部并連接到電子線路；壓電體(302)設置在底部電極(301)的頂部；頂部電極(303)設置在壓電體的頂部；彈性層(304)位于頂部電極(303)的頂部。在底部電極(301)下方形成有空腔(306)，其從保護層(103)延伸到介電隔層(102)的一部分。

技術領域

本實用新型涉及一種單片集成器件。更進一步的說，這種器件是一種壓電式微機械超聲換能器PMUT與互補金屬氧化物半導體CMOS的單片集成器件。

背景技術

微機械超聲換能器是一種電子設備，其包括能夠利用施加的AC電壓信號產生高壓波的振動膜。當波與物體相遇時，產生的波穿過介質并反射回換能器。傳輸和返回的波被電子處理以檢測關于物體的信息，包括其距離，形狀和其他物理特性。通過電容或壓電轉換實現膜的振動。電容微機械超聲換能器被稱為CMUT，而壓電式微機械超聲換能器被稱為PMUT。

晶片鍵合是將微機械超聲換能器與互補金屬氧化物半導體CMOS基板集成的傳統方法。US20160009544A1公開了一種將微機械超聲換能器與互補金屬氧化物半導體CMOS基板集成的方法。微機械超聲換能器可以是CMUT或PMUT。該方法涉及晶片鍵合技術以將PMUT結合到基板，以及將一個基板連接到另一個基板。WO2016040333描述了一種微機電系統，具有PMUT的MEMS器件，PMUT由超聲換能器，MUT結構和壓電體形成。第一金屬導電層設置在壓電體上，并且多個金屬電極配置為在第一金屬導電層，壓電體和CMOS結構之間形成電連接。PMUT結構和CMOS結構垂直堆棧，由此MUT結構通過晶片鍵合技術(例如共晶鍵合和壓縮鍵合)在間隙處鍵合到CMOS結構。

在此的揭露內容將集中于利用壓電致動膜的微機械超聲換能器。PMUT基于薄膜的彎曲運動而操作，薄膜與薄的壓電薄膜耦合。PMUT提供的各種優點包括增加帶寬，提供靈活的幾何形狀，最小化電壓要求，實現不同諧振頻率的混合以及支持高頻電子設備的小型化。典型的PMUT單元在單獨的基板上制造并引線鍵合到CMOS基板或使用晶片鍵合技術鍵合到CMOS基板。然而，這些鍵合方法導致低填充因子和大量電寄生。

為了增強兩個連接的PMUT芯片的機械完整性，在CMOS基板和壓電元件之間的有效PMUT區域周圍施加通常為10-15um的鍵合環。另外，為了增加電氣完整性，應用寬度約為5um的附加金屬線來連接兩個相鄰定位的PMUT芯片的壓電元件。當多個PMUT單元填充在特定區域內時，鍵合環和電環占據顯著面積，因此導致集成PMUT-CMOS器件的低填充因子。

這里公開的實用新型將提供對當前集成或連接的PMUT-CMOS器件的上述限制和缺點的解決方案。通過本實用新型，PMUT單元可以彼此緊密放置，并且可以達到改善填充因子的功效。

發明內容

本實用新型涉及一種單片集成器件，它包括作為該器件基底的基板層；介電隔層，設置在基板層的頂部上方和保護層下方；電子線路形成在介電隔層內并由基板層支撐，電子線路包括由一個或多個間隔金屬形成的多個金屬層；至少一個微機械超聲換能器，每個微機械超聲換能器包括設置在保護層頂部并連接到電子線路的底部電極；壓電體設置在底部電極的頂部；以及位于壓電體頂部的彈性層；其中單片集成器件在每個微機械超聲換能器下方形成有空腔，該空腔從保護層延伸到介電隔層的一部分。

底部電極優選分成兩半，其中第一半部分作為底部電極，而第二部分則用作頂部電極。

在一優選實施例中，單片集成器件還包括位于彈性層和壓電層之間的頂部電極。