[发明专利]适合高密度系统集成的SOC PMUT、阵列芯片及制造方法

说明书

本发明公开一种适合高密度系统集成的SOC PMUT、阵列芯片及制造方法，所述适合高密度系统集成的SOC PMUT通过有源晶圆的直接键合，垂直方向的多通道金属连线结构，实现SOC PMUT阵列及其CMOS辅助电路的垂直堆叠，单片集成，并通过TSV延展到封装层面，不再需要通过阵列周边的压焊块与CMOS联通，解除了传统超声换能器金属互连的瓶颈，极大地降低了超声换能器金属互连所占的芯片面积，同时降低了金属布线的长度，以及由此而引起的电学寄生效应对超声换能器阵列性能的不良影响。

技术领域

本发明涉及高密度单片集成的半导体传感器技术领域，具体涉及3D(3dimensional)三维PMUT架构与SOC(System-On-Chip)集成的新结构及加工技术。

背景技术

超声诊断仪，通过其超声探头，向人体发射超声波，并利用其在人体器官、组织的传播过程中，由于声的反射、折射、衍射而产生的各种信息，将其接收、放大和进行信息处理，形成图像或血流多普勒，最终在显示器上显示。一台医用彩色超声诊断仪主要包括:探头、主机、控制面板、显示器及其他附件。

在人类社会进入大医疗时代，医学超声应用得到快速发展。从医学成像，如胎儿B超，到肝脏，肾脏扫描，超声扫描已遍及全世界。与其他成像技术相比，超声成像技术具有对患者无创无痛苦、实时性好、安全、价格低廉等优点，在预防、诊断、治疗疾病患者中有很高的使用率，广泛应用于消化科、妇科、产科、泌尿科、胸科、小器官、儿科、心脏科、急诊等多种检临床检查，且逐渐与其他临床科室结合，发展出消化科(超声内镜)、心外科(血管内超声)等检查应用，目前超声已是不可或缺的检查方法。

超声技术与产品正在快速进入人们的日常生活。智能手机是其中一个重要的应用。手机指纹识别不仅快捷，方便，也大大地提高了用户安全性。由于超声传感器具有宽视场，即使安装在手机的顶部或底部仍能够实现精确的距离测量，因此手机设计可以省略手机前面的光学接近传感器，方便实现手机全屏设计。

汽车中装了超声测距传感器后，能保持驾驶与倒车，停车安全距离，十分方便。进而广之，MEMS超声波传感器已进入无人机及机器人等应用领域。在这类应用中，微型超声波传感器可以精确地追踪目标，形成阵列空间雷达，实时监测人体移动，位置和动作变化，与VR/AR无缝连接。

超声波传感器在工业控制中也有广泛应用。例如，探测飞机机翼表面的形状改变，检测是否有结冰，从而影响飞行安全。超声波传感器安装在飞机发动机上，可以实时探测发动机引擎是否有裂纹，及时发现问题，进行维修，替换。

传统超声探头是用压电陶瓷晶体机械切割、排列、金属互连布线的方法实现的，首先取一块压电陶瓷晶体，固定在支撑衬底上，沿X，Y方向进行机械切割。这种加工方式成品率低，容易造成机械损伤，成本难以管控，很难做到大规模生产。更重要的是，机械加工精度低，最小成品晶体的尺寸受到限制，达不到高分辨率医学成像对PMUT日益缩小尺寸的要求。

基于CMOS工艺的MEMS(微机电系统)技术开始受到重视，被视为超声传感器的发展方向。半导体MEMS超声传感器得益于CMOS工艺的高精度，高成品率，是最有希望实现高分辨率医学超声阵列传感器的技术。但是，目前基于CMOS工艺的MEMS技术是平面工艺。在超声换能器阵列密度增加时，单元之间的互连，单元与外界互连所需要的金属引线长度与密度快速增加，引线所占用的芯片面积甚至远远超过换能器阵列所占芯片面积，由此也造成封装电路及系统体积的快速增加。此外，由于金属引线的增加，伴随金属引线的电阻，电容延迟效应，电压降，金属引线之间因为耦合而引起的电学干挠等副作用，开始影响换能器的工作性能，并随着阵列密度的增加而愈加严重。

然而，PMUT的正常工作，需要诸多的辅助电路的支持。图1是一个典型的PMUT系统的电路框图。不难看出，PMUT工作需要有高压(通常10—25伏电压)脉冲驱动电路。高压源电路，它产生并输出直流高压，由脉冲调制电路转换成特定的脉冲驱动信号，通过PMUT阵列产生特定频率的超声波发射出去。这是超声的发射过程。