本發(fā)明涉及超聲換能器，具體為一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut及其工藝。

背景技術(shù)：

1、超聲換能器元件及傳感器是實(shí)現(xiàn)生物組織成像、設(shè)備結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的核心元器件，廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)診療、重大裝備無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)超聲換能器存在體積大、帶寬窄、二維陣列制備困難、不易與集成電路(integrated?circuit，ic)集成等問(wèn)題，難以滿足航空航天重大裝備健康檢測(cè)、個(gè)性化超聲診療等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Τ晸Q能器微型化和集成化的需求?；谖C(jī)電系統(tǒng)(micro?electromechanical?system，mems)技術(shù)的超聲換能器(micromachined?ultrasonic?transducer，mut)因其具備小體積、低功耗、易成陣且易與ic集成等特性，在小型超聲波無(wú)損檢測(cè)儀、手持式醫(yī)學(xué)超聲診療設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。mems超聲換能器按照工作原理主要分為電容式微機(jī)械超聲換能器(cmut)和壓電式微機(jī)械超聲換能器(pmut)。pmut因其帶寬窄、靈敏度低、機(jī)電耦合系數(shù)低等原因，在高性能超聲裝備中的應(yīng)用受到了嚴(yán)重的限制。cmut由于其具有帶寬大、靈敏度高、機(jī)電耦合系數(shù)高、更易與ic集成等優(yōu)點(diǎn)，目前占據(jù)mems換能器超聲成像市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

2、但是，大部分cmut使用sio2作為絕緣層，而超聲成像系統(tǒng)往往需要較高頻的超聲換能器陣列，在高頻換能器陣列設(shè)計(jì)中，考慮到成像分辨率的要求，通常cmut單元之間的間距很小且單元的振膜面積很小，使得cmut具有很高的塌陷電壓，這也就導(dǎo)致cmut工作時(shí)需要較高的直流偏置電壓，一般設(shè)計(jì)厚度的sio2無(wú)法提供足夠的絕緣性能，存在高壓擊穿和漏電流等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了其機(jī)電轉(zhuǎn)化效率、帶寬、發(fā)射和接收靈敏度等性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut及其工藝，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、耐高壓、抗擊穿、優(yōu)異的聲學(xué)性能等優(yōu)勢(shì)。

2、本申請(qǐng)?zhí)峁┤缦录夹g(shù)方案：

3、一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut，其特征在于：包括金屬上電極、振動(dòng)薄膜、第一氧化鉿高k絕緣層、高k復(fù)合絕緣層、襯底硅和金屬下電極，所述金屬上電極固定于振動(dòng)薄膜的上表面，所述第一氧化鉿高k絕緣層與振動(dòng)薄膜的下表面貼合連接，所述第一氧化鉿高k絕緣層與高k復(fù)合絕緣層貼合形成密封的真空腔，所述高k復(fù)合絕緣層的下表面與襯底硅的上表面貼合連接，所述金屬下電極固定于襯底硅的下表面。

4、技術(shù)原理：在材料科學(xué)中，特別是半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，“高k值”通常指的是具有高介電常數(shù)(dielectric?constant)的材料，用于替代傳統(tǒng)的二氧化硅(sio2)作為絕緣介質(zhì)。這類材料的介電常數(shù)通常在幾十到幾百之間，比sio2的介電常數(shù)(約為3.9)高出很多。

5、其中，氧化鉿作為高k介質(zhì)材料，同時(shí)具備高介電常數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性，更適用于半導(dǎo)體制造過(guò)程中的高溫步驟；另外氧化鉿與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝兼容性好，可以通過(guò)諸如原子層沉積(ald)等工藝精確控制薄膜厚度，滿足微縮放下的高精度要求。

6、本申請(qǐng)使用高k復(fù)合絕緣層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氮化硅絕緣層作為電介質(zhì)，高k材料的使用可以有效增加cmut的電荷保持能力，提高其能量轉(zhuǎn)換效率，減少功耗，同時(shí)降低cmut在高壓操作下的擊穿風(fēng)險(xiǎn)，增加cmut的可靠性。

7、有益效果：1、氮化硅絕緣層復(fù)合ald高k金屬氧化物絕緣層在同等厚度薄膜下具有更好的抗擊穿和抗漏電的性能，并且作為電介質(zhì)的一部分能夠提高cmut有效電容，同等偏置電壓下在上下兩極板可以聚集更多的電荷，產(chǎn)生更大的靜電力，實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)射性能。

8、2、在需要同等絕緣層效果情況下，氮化硅絕緣層復(fù)合ald高k金屬氧化物絕緣層相比于單一的氧化硅或氮化硅絕緣層，所需的絕緣層厚度更薄；同時(shí)接收靈敏度大幅度提高，塌陷電壓降低了一半；要達(dá)到相同的最大輸出聲壓和接收靈敏度只需要一半的偏置電壓，避免了高壓擊穿和漏電流的問(wèn)題。

9、進(jìn)一步，所述高k復(fù)合絕緣層包括氮化硅cmut支柱、氮化硅絕緣層和第二氧化鉿高k絕緣層，其中，氮化硅cmut支柱為環(huán)形，分別與第一氧化鉿高k絕緣層貼和氮化硅絕緣層貼合連接，第二氧化鉿高k絕緣層的上表面與氮化硅絕緣層的下表面貼合連接。

10、有益效果：在高k絕緣層上固定有氮化硅層形成的環(huán)形cmut支柱，由高k絕緣層、cmut支柱和氮化硅層共同形成cmut真空腔。高k絕緣層的使用允許在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的電容，有助于cmut陣列的小型化和高度集成，有利于在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和更復(fù)雜的超聲成像系統(tǒng)。

11、進(jìn)一步，所述氮化硅cmut支柱和氮化硅絕緣層通過(guò)晶片鍵合技術(shù)連接。

12、有益效果：使用氮化硅和氮化硅鍵合的工藝形成密封的cmut真空腔，由于si-n鍵比si-si鍵具有更強(qiáng)的鍵能，因此真空腔具有更高的鍵合強(qiáng)度，有助于提高器件的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐用性。

13、另一方面，本發(fā)明提供了一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut制造工藝，包括如下步驟：

14、s01、準(zhǔn)備一片soi器件和一片襯底硅，使用rca標(biāo)準(zhǔn)清洗法對(duì)soi器件和襯底硅的表面進(jìn)行清洗；

15、s02、采用原子沉積，在soi器件下表面沉積形成高k絕緣層一，在襯底硅上表面沉積形成高k絕緣層二；

16、s03、采用lpcvd在高k絕緣層一的表面沉積形成氮化硅層一，在高k絕緣層二的表面沉積形成氮化硅層二；

17、s04、圖形化氮化硅層一，定義出真空腔區(qū)域，采用干法刻蝕除去真空腔區(qū)域的氮化硅層一形成凹腔，刻蝕停止于高k絕緣層一的表面，氮化硅層一的保留部分形成環(huán)形的cmut支柱；

18、s05、對(duì)soi器件和襯底硅做標(biāo)準(zhǔn)清洗和活化處理，將cmut支柱與襯底硅表面鍵合連接，形成密封的真空腔；

19、s06、采用機(jī)械減薄soi器件的部分襯底硅，再采用drie刻蝕掉剩余部分的襯底硅，并進(jìn)一步使用boe濕法刻蝕soi器件埋層二氧化硅，釋放soi器件頂層硅，初步形成振動(dòng)薄膜；

20、s07、光刻振動(dòng)薄膜，并沉積上金屬，通過(guò)剝離方式得到圖案化的金屬上電極；

21、s08、減薄襯底硅，并通過(guò)磁控濺射沉積金屬下電極。

22、有益效果：通過(guò)精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，在保證足夠絕緣性能的前提下有效地降低了絕緣層的厚度，提高了擊穿電壓。

23、進(jìn)一步，s05中所述的鍵合連接包括將soi器件頂層硅支柱與單晶硅片表面進(jìn)行預(yù)鍵合，然后通過(guò)真空退火進(jìn)行熔融鍵合。

24、有益效果：氮化硅和氮化硅鍵合工藝可提高cmut器件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

技術(shù)特征：

1.一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut，其特征在于：包括金屬上電極、振動(dòng)薄膜、第一氧化鉿高k絕緣層、高k復(fù)合絕緣層、襯底硅和金屬下電極，所述金屬上電極固定于振動(dòng)薄膜的上表面，所述第一氧化鉿高k絕緣層與振動(dòng)薄膜的下表面貼合連接，所述第一氧化鉿高k絕緣層與高k復(fù)合絕緣層貼合形成密封的真空腔，所述高k復(fù)合絕緣層的下表面與襯底硅的上表面貼合連接，所述金屬下電極固定于襯底硅的下表面。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut，其特征在于：所述高k復(fù)合絕緣層包括氮化硅cmut支柱、氮化硅絕緣層和第二氧化鉿高k絕緣層，其中，氮化硅cmut支柱為環(huán)形，分別與第一氧化鉿高k絕緣層貼和氮化硅絕緣層貼合連接，第二氧化鉿高k絕緣層的上表面與氮化硅絕緣層的下表面貼合連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut，其特征在于：所述氮化硅cmut支柱和氮化硅絕緣層通過(guò)晶片鍵合技術(shù)連接。

4.一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut制造工藝，其特征在于，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有高k絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的cmut制造工藝，其特征在于：s05中所述的鍵合連接包括將soi器件頂層硅支柱與單晶硅片表面進(jìn)行預(yù)鍵合，然后通過(guò)真空退火進(jìn)行熔融鍵合。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及超聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有高K絕緣層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的CMUT及其工藝，包括金屬上電極、振動(dòng)薄膜、第一氧化鉿高K絕緣層、高K復(fù)合絕緣層、襯底硅和金屬下電極，所述金屬上電極固定于振動(dòng)薄膜的上表面，所述第一氧化鉿高K絕緣層與振動(dòng)薄膜的下表面貼合連接，所述第一氧化鉿高K絕緣層與高K復(fù)合絕緣層貼合形成密封的真空腔，所述高K復(fù)合絕緣層的下表面與襯底硅的上表面貼合連接，所述金屬下電極固定于襯底硅的下表面。本發(fā)明提供了一種新型結(jié)構(gòu)的CMUT，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、耐高壓、抗擊穿、優(yōu)異的聲學(xué)性能等優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：牟笑靜,張汪洋,賈皓良,劉濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/17