[其他]CMOS上的PMUT的单片集成器件

说明书

本实用新型公开了一种CMOS上的PMUT的单片集成器件，其包括作为该器件的基部的基板层(101)；介电隔层(102)，设置于基板层(101)的顶部，并位于保护层(103)的下方；电子线路，形成在介质电隔层(102)内，并由基板层(101)支撑，电子线路包括由一个或多个间隔开的金属(204)形成的多个金属层；以及至少一个微机械超声波换能器。每个微机械超声波换能器包括底部电极(301)，其设置在保护层(103)的顶部并连接到电子线路；压电体(302)设置在底部电极(301)的顶部；顶部电极(303)设置在压电体的顶部；弹性层(304)位于顶部电极(303)的顶部。在底部电极(301)下方形成有空腔(306)，其从保护层(103)延伸到介电隔层(102)的一部分。

技术领域

本实用新型涉及一种单片集成器件。更进一步的说，这种器件是一种压电式微机械超声换能器PMUT与互补金属氧化物半导体CMOS的单片集成器件。

背景技术

微机械超声换能器是一种电子设备，其包括能够利用施加的AC电压信号产生高压波的振动膜。当波与物体相遇时，产生的波穿过介质并反射回换能器。传输和返回的波被电子处理以检测关于物体的信息，包括其距离，形状和其他物理特性。通过电容或压电转换实现膜的振动。电容微机械超声换能器被称为CMUT，而压电式微机械超声换能器被称为PMUT。

晶片键合是将微机械超声换能器与互补金属氧化物半导体CMOS基板集成的传统方法。US20160009544A1公开了一种将微机械超声换能器与互补金属氧化物半导体CMOS基板集成的方法。微机械超声换能器可以是CMUT或PMUT。该方法涉及晶片键合技术以将PMUT结合到基板，以及将一个基板连接到另一个基板。WO2016040333描述了一种微机电系统，具有PMUT的MEMS器件，PMUT由超声换能器，MUT结构和压电体形成。第一金属导电层设置在压电体上，并且多个金属电极配置为在第一金属导电层，压电体和CMOS结构之间形成电连接。PMUT结构和CMOS结构垂直堆栈，由此MUT结构通过晶片键合技术(例如共晶键合和压缩键合)在间隙处键合到CMOS结构。

在此的揭露内容将集中于利用压电致动膜的微机械超声换能器。PMUT基于薄膜的弯曲运动而操作，薄膜与薄的压电薄膜耦合。PMUT提供的各种优点包括增加带宽，提供灵活的几何形状，最小化电压要求，实现不同谐振频率的混合以及支持高频电子设备的小型化。典型的PMUT单元在单独的基板上制造并引线键合到CMOS基板或使用晶片键合技术键合到CMOS基板。然而，这些键合方法导致低填充因子和大量电寄生。

为了增强两个连接的PMUT芯片的机械完整性，在CMOS基板和压电元件之间的有效PMUT区域周围施加通常为10-15um的键合环。另外，为了增加电气完整性，应用宽度约为5um的附加金属线来连接两个相邻定位的PMUT芯片的压电元件。当多个PMUT单元填充在特定区域内时，键合环和电环占据显著面积，因此导致集成PMUT-CMOS器件的低填充因子。

这里公开的实用新型将提供对当前集成或连接的PMUT-CMOS器件的上述限制和缺点的解决方案。通过本实用新型，PMUT单元可以彼此紧密放置，并且可以达到改善填充因子的功效。

发明内容

本实用新型涉及一种单片集成器件，它包括作为该器件基底的基板层；介电隔层，设置在基板层的顶部上方和保护层下方；电子线路形成在介电隔层内并由基板层支撑，电子线路包括由一个或多个间隔金属形成的多个金属层；至少一个微机械超声换能器，每个微机械超声换能器包括设置在保护层顶部并连接到电子线路的底部电极；压电体设置在底部电极的顶部；以及位于压电体顶部的弹性层；其中单片集成器件在每个微机械超声换能器下方形成有空腔，该空腔从保护层延伸到介电隔层的一部分。

底部电极优选分成两半，其中第一半部分作为底部电极，而第二部分则用作顶部电极。

在一优选实施例中，单片集成器件还包括位于弹性层和压电层之间的顶部电极。