[發明專利]PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元、陣列及制造方法

有效

• 申請號: 202210271083.2
• 申請日: 2022-03-18
• 公開（公告）號: CN114486014B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 李暉;尹峰
• 申請（專利權）人: 浙江仙聲科技有限公司
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;H01L23/535;B81B7/02;B81C3/00;H01L21/50
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 王斌

1.一種PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元，其特征在于由第一晶圓與第二晶圓鍵合形成，所述第一晶圓的硅襯底層（100）中預制有所述PMUT所需CMOS電路及CMOS電路金屬互連層（101），所述第二晶圓的硅襯底層（300）中預制有MEMS壓電電阻橋式互連電路；所述第一晶圓或所述第二晶圓的襯底材料層中所述MEMS壓電電阻橋式互連電路布局中心正下方布置有空腔體（120），所述PMUT和所述MEMS壓力傳感器共用所述空腔體（120）；所述第二晶圓的硅襯底層（300）背面減薄形成單晶硅薄層，所述單晶硅薄層既作為MEMS壓電電阻的硅襯底，也作為PMUT的機械層；所述第一晶圓的襯底材料層中布置有第一金屬布線層（102），所述第二晶圓的襯底材料層中布置有MEMS壓力傳感器金屬互連層（301）；所述第二晶圓的硅襯底層（300）背面布置有所述PMUT的下層金屬層（112）、壓電材料層（115）和上層金屬層（114）；所述第一晶圓和第二晶圓通過所述上層金屬層（114）、所述下層金屬層（112）、所述第一金屬布線層（102）、所述MEMS壓力傳感器金屬互連層（301）、所述CMOS電路金屬互連層（101）之間的垂直互連實現電學連接，包括將所述MEMS壓力傳感器的輸出信號疊加進所述PMUT的輸出信號。

2.如權利要求1所述的PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元，其特征在于實現所述垂直互連的結構包括氧化硅穿孔、金屬連接孔、金屬引線孔。

3.如權利要求1所述的PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元，其特征在于所述MEMS壓力傳感器金屬互連層（301）與所述第一金屬布線層（102）通過氧化硅穿孔垂直互連，所述第一金屬布線層（102）與所述CMOS電路金屬互連層（101）通過金屬引線孔（121）垂直互連。

4.如權利要求1所述的PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元，其特征在于所述下層金屬層（112）與所述第一金屬布線層（102）垂直互連，所述上層金屬層（114）與所述MEMS壓力傳感器金屬互連層（301）垂直互連。

5.如權利要求1所述的PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元，其特征在于所述第一金屬布線層（102）包括至少一層垂直互連的金屬布線。

6.如權利要求1所述的PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元，其特征在于所述單晶硅薄層的厚度為1-6微米。

7.一種陣列芯片，其特征在于包括權利要求1-6任一所述的PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元。

8.如權利要求1-6任一所述的PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元的制造方法，其特征在于包括如下步驟：

準備第一晶圓、第二晶圓，分別形成硅襯底層，在第一晶圓硅襯底層制造CMOS電路及CMOS電路金屬互連層，在第二晶圓硅襯底層制造MEMS壓電電阻橋式互連電路；

分別在第一晶圓、第二晶圓硅襯底層上淀積襯底材料層，制造第一金屬布線層、MEMS壓力傳感器金屬互連層，分別制造實現第一晶圓內部、第二晶圓內部電學連接的垂直互連結構；

在第一晶圓或第二晶圓的襯底材料層制造空腔體；

第一晶圓和第二晶圓鍵合；

對第二晶圓硅襯底層背面進行厚度減薄形成單晶硅薄層；

制造實現第一晶圓和第二晶圓之間電學連接的垂直互連結構；

在單晶硅薄層上淀積形成PMUT的下層金屬層；

在下層金屬層上淀積形成PMUT的壓電材料層；

在壓電材料層上淀積形成PMUT的上層金屬層；

制造實現下層金屬層、上層金屬層與第一、第二晶圓之間電學連接的垂直互連結構。

9.如權利要求8所述的PMUT結合MEMS壓力傳感器的超聲換能器單元的制造方法，其特征在于所述第一晶圓和第二晶圓采用低溫融熔方式鍵合。