微加工超声换能器以及相关装置和方法制造方法及图纸

描述了与互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底集成的微加工超声换能器，以及制造这种装置的方法。制造可以涉及两个单独的晶片接合步骤。晶片接合可以用于在衬底(302)中制造密封腔(306)。晶片接合也可用于将衬底(302)接合至另一衬底(304)，例如CMOS晶片。至少第二晶片接合可以在低温下进行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2014年7月14日提交的代理人案卷号为B1348.70013US00，题为“MicrofabricatedUltrasonicTransducersandRelatedApparatusandMethods”的美国临时专利申请序列第62/024179号的权益，其通过引用整体并入本文中。本申请也是部分继续申请，根据35U.S.C.§120要求2015年5月19日提交的题为“MicrofabricatedUltrasonicTransducersandRelatedApparatusandMethods”的代理人案卷号为B1348.70013US02的美国专利申请序列第14/716152号的权益，其通过引用整体并入本文。美国专利申请序列第14/716152号是继续申请，其根据35U.S.C.§120要求2015年3月2日提交的代理人案号为B1348.70013US01，题为“MicrofabricatedUltrasonicTransducersandRelatedApparatusandMethods”的美国专利申请序列第14/635,197号的权益，其通过引用整体并入本文中。美国专利申请序列第14/635197号根据35U.S.C.§119(e)要求2014年7月14日提交的代理人案卷号为B1348.70013US00，题为“MicrofabricatedUltrasonicTransducersandRelatedApparatusandMethods”的美国临时专利申请序列第62/024179号的权益，其通过引用整体并入本文中。
本文所描述的技术涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)换能器及其形成方法。
技术介绍
电容式微加工超声换能器(CMUT)是已知的在微加工腔上方包括膜片的装置。膜片可以用于将声学信号转换为电信号，或者将电信号转换为声学信号。因此，CMUT可以用作超声换能器。可以使用两种类型的工艺来制造CMUT。牺牲层工艺在牺牲层上方的第一衬底上形成CMUT的膜片。去除牺牲层导致膜片悬在腔上方。晶片接合工艺将两个晶片接合在一起以形成具有膜片的腔。
技术实现思路
本申请的多个方面涉及CMUT与CMOS晶片的制造和集成，从而形成CMOS超声换能器(CUT)。根据本申请的一个方面，提出了涉及两个晶片接合步骤的晶片级工艺。第一晶片接合步骤可以通过将两个绝缘体上硅(SOI)晶片接合在一起而形成密封的腔，所得到的接合结构被认为是工程衬底。可以使用相对高的温度(例如在退火期间)，以便于实现强的接合。然后可以去除工程衬底的两个SOI晶片中之一的操作层，之后可以执行第二晶片接合步骤以将工程衬底与其上形成有集成电路(IC)的CMOS晶片接合。第二晶片接合步骤可以使用相对低的温度以避免损坏CMOS晶片上的IC。然后可以去除工程衬底的第二SOI晶片的操作层，在工程衬底的腔之上留下膜片。CMOSIC与工程衬底之间的电连接允许实现可控的超声换能器。上述晶片级工艺可以产生具有集成的CMUT和CMOSIC的超声装置。CMUT的腔可以形成在代表用于形成工程衬底的两个SOI晶片的硅器件层的两个硅层之间。然而，在完成的装置中可以不存在两个SOI晶片的操作层，除了其他益处之外这有利于实现薄的装置尺寸，因此有利于实现小尺寸。因此，在一些方面，该工艺可以包括用于去除操作层同时允许工程衬底与CMOS晶片接合的合适的步骤。在最终装置中也可以不存在硅穿孔(TSV)的使用，其中合适的替选结构用于提供到达所得的超声换能器的电连接。根据本申请的另一方面，可以使用体硅晶片来代替上述SOI晶片中的一个或两个。在这种情况下，不是去除晶片的操作层，而是可以例如使用由体硅晶片的掺杂层表示的蚀刻阻挡层或使用定时蚀刻将晶片减薄至期望的点。因此，使用SOI或体硅晶片或两者的组合可以实现基本上相同的结构。因此，本申请的一个方面提供了一种晶片级工艺，其包括通过将SOI晶片和体硅晶片以他们之间存在腔的方式接合在一起来形成密封腔的第一晶片接合步骤，所得到的接合结构被认为是工程衬底。可以使用相对高的温度(例如在退火期间)，以便于实现强的接合。可以对体硅晶片进行减薄，之后可以执行第二晶片接合步骤以将工程衬底与其上形成有集成电路(IC)的CMOS晶片接合。第二晶片接合步骤可以使用相对低的温度以避免损坏CMOS晶片上的IC。然后可以去除工程衬底的SOI晶片的操作层，在工程衬底的腔之上留下膜片。根据本申请的一个方面，提供了一种方法，其包括：在第一SOI晶片的第一硅器件层上的硅氧化物层中形成多个腔；将第一SOI晶片与第二SOI晶片接合然后对所述第一SOI晶片和所述第二SOI晶片进行退火；以及去除所述第一SOI晶片的操作层和埋氧层(buriedoxidelayer)。该方法还包括将第一硅器件层接合至其上形成有至少一个金属层的第三晶片，以及在将第一硅器件层接合至第三晶片之后去除第二SOI晶片的操作层。根据本申请的一个方面，提供了一种方法，其包括通过将其中形成有开放腔的第一晶片与第二晶片接合，然后将第一晶片减薄至小于约30微米的厚度来形成具有多个密封腔的工程衬底。该方法还包括在不超过450℃的温度下将工程衬底与第三晶片接合，以及在将工程衬底与第三晶片接合之后，将第二晶片减薄至小于约30微米的厚度。在一些实施方案中，第二晶片或其一部分被配置为用作超声换能器的膜片，因此其经减薄之后的厚度适于允许振动。相比之下，在这种情况下，可能希望第一晶片不振动，因此其经减薄之后的厚度可足够大以最小化或防止振动。在另一实施方案中，第一晶片和第二晶片均可以被配置成例如以不同的频率振动以产生多频换能器。例如，第一膜片可以被配置成在第二膜片的中心频率的一半处谐振。根据本申请的一个方面，提供了一种方法，其包括在第一SOI晶片的第一硅器件层上形成硅氧化物层，所述第一SOI晶片包括操作层、埋氧(BOX)层以及具有靠近操作层的背面和远离操作层的前面的第一硅器件层。该方法还包括在硅氧化物层中形成多个腔，以及将第二SOI晶片与第一SOI晶片接合，使得第二SOI晶片的第二硅器件层接触硅氧化物层并密封硅氧化物的层中的多个腔。该方法还包括在将第一SOI晶片和第二SOI晶片接合在一起之后对第一SOI晶片和第二SOI晶片进行退火，退火利用高于500℃的温度。该方法还包括：去除第一SOI晶片的操作层；在第一硅器件层中蚀刻多个沟槽，该多个沟槽限定第一硅器件层的对应于多个腔的多个电极区域；以及用绝缘材料填充多个沟槽。该方法还包括在第一硅器件层的背面上形成金属接触件，至少一些金属接触件对应于多个电极区域。该方法还包括使用在第一硅器件层的背面上的金属接触件使第一硅器件层与其中形成有集成电路的CMOS晶片接合，以接触CMOS晶片上的接合点，其中使第一硅器件层与CMOS晶片接合在450℃以下执行。该方法还包括去除第二SOI晶片的操作层。根据本申请的一个方面，提供了一种装置，其包括：其中形成有集成电路的CMOS晶片；以及与CMOS晶片单片集成并且包括少于三个硅层的衬底。衬底的第一硅层和衬底的第二硅层被布置成在其间具有多个腔。根据本申请的一个方面，提供了一种装置，其包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：通过将其中形成有开放腔的第一晶片接合至第二晶片，然后将所述第一晶片减薄至小于约30微米的厚度来形成具有多个密封腔的工程衬底；在不超过450℃的温度下将所述工程衬底接合至第三晶片；以及在将所述工程衬底接合至所述第三晶片之后，将所述第二晶片减薄至小于约30微米的厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.14 US 62/024,179;2015.03.02 US 14/635,197;1.一种方法，包括：通过将其中形成有开放腔的第一晶片接合至第二晶片，然后将所述第一晶片减薄至小于约30微米的厚度来形成具有多个密封腔的工程衬底；在不超过450℃的温度下将所述工程衬底接合至第三晶片；以及在将所述工程衬底接合至所述第三晶片之后，将所述第二晶片减薄至小于约30微米的厚度。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片是绝缘体上硅(SOI)晶片，其中对所述第一晶片进行减薄包括去除所述第一晶片的操作层。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二晶片是SOI晶片，其中对所述第二晶片进行减薄包括去除所述第二晶片的操作层。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片是包括掺杂层的体硅晶片，所述掺杂层具有小于约10微米的厚度并且靠近所述第一晶片的第一面，其中对所述第一晶片进行减薄包括从背面将所述第一晶片减薄至所述掺杂层，所述背面与所述第一面相反。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二晶片是包括厚度小于约10微米的掺杂层的体硅晶片，其中对所述第二晶片进行减薄包括从所述第二晶片的背面将所述第二晶片减薄至所述掺杂层。6.根据权利要求1或任一其他前述权利要求所述的方法，其中将所述第一晶片减薄至小于约30微米的厚度包括将所述第一晶片减薄至小于约5微米的厚度，其中将所述第二晶片减薄至小于约30微米的厚度包括将所述第二晶片减薄至小于约5微米的厚度。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二晶片在所述多个密封腔的至少一个腔之上形成膜片，其中所述第三晶片是互补金属氧化物半导体(CMOS)晶片，其中所述方法还包括将CMOS晶片上的集成电路连接至所述膜片。8.根据权利要求1或任一其他前述权利要求所述的方法，其中所述第一晶片的部分是导电的，其中将所述工程衬底接合至所述第三晶片包括在所述第一晶片的所述部分与在所述第三晶片上的电接触件之间形成电连接。9.根据权利要求8所述的方法，其中以限定电极的图案对所述第一晶片的所述部...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·M·罗思伯格，苏珊·A·阿列，基思·G·菲费，内华达·J·桑切斯，泰勒·S·拉尔斯顿，
申请(专利权)人：蝴蝶网络有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US