阅读说明：本技术 压电超声指纹传感器基板、及制造方法，及制造传感器的方法 (Piezoelectric ultrasonic fingerprint sensor substrate, method of manufacturing the same, and method of manufacturing sensor ) 是由 熊伟 何飞 于 2019-03-01 设计创作，主要内容包括：压电超声指纹传感器基板具有SOI基板和压电元件部。压电元件部具有压电材料膜、形成于压电材料膜的内表面的底电极膜、形成于压电材料膜的外表面并与底电极膜相连的电极粘合氧化膜、形成于电极粘合氧化膜上的氧化凸块,以及形成于氧化凸块和电极粘合氧化膜上的上电极膜。(The piezoelectric ultrasonic fingerprint sensor substrate has an SOI substrate and a piezoelectric element section. The piezoelectric element section has a piezoelectric material film, a bottom electrode film formed on an inner surface of the piezoelectric material film, an electrode bonding oxide film formed on an outer surface of the piezoelectric material film and connected to the bottom electrode film, an oxidation bump formed on the electrode bonding oxide film, and an upper electrode film formed on the oxidation bump and the electrode bonding oxide film.)

压电超声指纹传感器基板、及制造方法，及制造传感器的方法

技术领域

本发明涉及用于制造具有压电微机械超声换能器(PMUT)的指纹传感器(亦称压电超声指纹传感器)的压电超声指纹传感器基板、制造压电超声指纹传感器基板的方法，以及制造压电超声指纹传感器的方法。

相关背景技术

传统上将诸如光学式、电容式、压力式等多种用于捕获指纹的电子图像的装置称为指纹传感器。在这些装置中，电容式指纹传感器因是通过采用传统的CMOS(互补金属氧化物半导体)IC(集成电路)技术制造的，而被最广泛地用于消费性电子产品及电子装置中。

但是，电容式指纹传感器对于手指上的污染物和湿气极度敏感。

不过另一方面，已知的有超声指纹传感器。由于指纹的谷线和脊线因为其声阻抗有很大不同而很容易区分，上述问题因而在超声指纹传感器中得到了解决。

然而，超声波振荡器体积较大且较为昂贵，因此不可能将超声指纹传感器安装在例如智能手机等移动电子装置上。

于是，就有了传统上已知的具有压电微机械超声换能器(PMUT)的指纹传感器(亦称压电超声指纹传感器、“PMUT指纹传感器”)(参见，例如，“采用集成有互补金属氧化物半导体的压电微机械超声换能器阵列的超声指纹传感器，《应用物理学快报》106，263503(2015)”(也称文献1)、JP 2016-533234(也称专利文献2))。

发明内容

通过将MEMS(微电子机械系统)晶片260粘接在CMOS晶片270上来制成PMUT指纹传感器，例如，如图16所示。CMOS晶片270包含电路。MEMS晶片260包含PMUT阵列，该PMUT阵列包含多个PMUT元件240。

每个PMUT元件240具有压电材料膜211，以及布置成将压电材料膜211夹在中间的两个电极(顶电极223、224、225，以及底电极212)。所述两个电极需要连接到CMOS晶片。进一步地，出于连接需要，还需在顶电极223、224、225上形成氧化凸块222、221、220。

然而，作为电极材料的Pt和Al与氧化凸块的材料(如SiO₂)之间的粘接性不是很好。因此，氧化凸块222、221、220与顶电极223、224、225之间易分离，这样就很难减小MEMS侧部分与CMOS侧部分之间相剥离的风险。如此便很难提高PMUT指纹传感器的可靠性。

本发明旨在解决上述问题，并且目的在于，在压电超声指纹传感器基板和制造压电超声指纹传感器基板的方法以及制造压电超声指纹传感器的方法中，提高PMUT指纹传感器的可靠性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种压电超声指纹传感器基板，包括：SOI基板和形成于所述SOI基板上的压电元件部。所述压电元件部包括：压电材料膜；底电极膜，其形成于所述压电材料膜的位于所述SOI基板侧的内表面上；电极粘合氧化膜，其形成于所述压电材料膜的远离所述SOI基板的外表面上且与所述底电极膜相连；氧化凸块，其形成于所述电极粘合氧化膜上；以及上电极膜，其形成于所述氧化凸块和所述电极粘合氧化膜上。

在上述薄膜压电材料基板的示例中，所述压电材料膜可具有能暴露所述底电极膜的贯穿凹部，所述电极粘合氧化膜可与所述底电极膜在所述贯穿凹部内部相连。

进一步地，在上述薄膜压电材料基板的示例中，所述上电极膜可与所述电极粘合氧化膜的位于所述贯穿凹部内部的整个表面相接触。

进一步地，所述电极粘合氧化膜可由包括锶和钌的导电氧化物形成。

进一步地，本发明提供一种制造压电超声指纹传感器基板的方法，包括：SOI基板制备步骤，其包括制备用于制造压电超声指纹传感器基板的SOI基板；底电极膜形成步骤，其包括采用溅射法在所述SOI基板的一个侧面形成底电极膜；压电材料膜形成步骤，其包括采用溅射法在底电极膜的表面通过由压电材料制成的薄膜的外延生长来形成压电材料膜；贯穿凹部形成步骤，其包括通过对所述压电材料膜进行表面处理形成包括了相邻的第一贯穿凹部、第二贯穿凹部和第三贯穿凹部的多个贯穿凹部，以暴露所述底电极膜；电极粘合氧化膜形成步骤，其包括在形成有所述多个贯穿凹部的所述压电材料膜的外表面形成电极粘合氧化膜，所述电极粘合氧化膜由导电氧化物制成且与所述底电极膜在相应的贯穿凹部内相连；氧化凸块形成步骤，其包括通过在所述电极粘合氧化膜的表面形成氧化膜并去除所述氧化膜的多余部分来形成多个氧化凸块；上电极膜形成步骤，其包括采用溅射法在所述电极粘合氧化膜和所述氧化凸块的相应表面形成上电极膜；锗连接部形成步骤，其包括通过在所述上电极膜的表面形成由锗制成的锗膜并去除所述锗膜的多余部分来形成多个与相应氧化凸块对应的锗连接部；以及分离步骤，其包括通过去除所述电极粘合氧化膜和所述上电极膜的多余部分，根据所述相应氧化凸块而将所述电极粘合氧化膜和所述上电极膜分成单独电极膜。

在上述方法示例中，可采用包括锶和钌的导电氧化物来执行所述电极粘合氧化膜形成步骤。

进一步地，所述分离步骤可被执行成使得所述电极粘合氧化膜和所述上电极膜均被保留在所述第一贯穿凹部的内部，并且使得所述电极粘合氧化膜和所述上电极膜均被从所述第二贯穿凹部的内部去除。

进一步地，所述制造压电超声指纹传感器基板的方法还可包括：底电极膜移除步骤，其包括去除暴露在所述第二贯穿凹部内部的底电极膜。

进一步地，在上述方法示例中，所述制造压电超声指纹传感器基板的方法还可包括：绝缘氧化膜暴露步骤，其包括在所述第三贯穿凹部的内部进行去除，从而暴露形成于所述SOI基板中的绝缘氧化膜。

本发明进一步提供了一种通过将压电超声指纹传感器基板粘接至COMS基板来制造压电超声指纹传感器的方法，其中制造所述压电超声指纹传感器基板的方法包括：SOI基板制备步骤，其包括制备用于制造压电超声指纹传感器基板的SOI基板；底电极膜形成步骤，其包括采用溅射法在所述SOI基板的一个侧面形成底电极膜；压电材料膜形成步骤，其包括采用溅射法在底电极膜的表面通过由压电材料制成的薄膜的外延生长来形成压电材料膜；贯穿凹部形成步骤，其包括通过对所述压电材料膜进行表面处理形成包括了相邻的第一贯穿凹部、第二贯穿凹部和第三贯穿凹部的多个贯穿凹部，以暴露所述底电极膜；电极粘合氧化膜形成步骤，其包括在形成有所述多个贯穿凹部的所述压电材料膜的外表面形成电极粘合氧化膜，所述电极粘合氧化膜由导电氧化物制成且与所述底电极膜在相应的贯穿凹部内部相连；氧化凸块形成步骤，其包括通过在所述电极粘合氧化膜的表面形成氧化膜并去除所述氧化膜的多余部分来形成多个氧化凸块；上电极膜形成步骤，其包括采用溅射法在所述电极粘合氧化膜和所述氧化凸块的相应表面形成上电极膜；锗连接部形成步骤，其包括通过在所述上电极膜的表面形成由锗制成的锗膜并去除所述锗膜的多余部分来形成多个与相应氧化凸块对应的锗连接部；以及分离步骤，其包括通过去除所述电极粘合氧化膜和所述上电极膜的多余部分，根据所述相应氧化凸块而将所述电极粘合氧化膜和所述上电极膜分成单独电极膜。

在上述制造压电超声指纹传感器的方法示例中，可采用包括锶和钌的导电氧化物执行所述电极粘合氧化膜形成步骤。

以下给出的

具体实施方式

和附图将使本发明得以更加充分理解，所提供的描述和附图仅仅是为了阐释本发明，因此不应当被理解为用于限制本发明。

附图说明

图1为显示了根据本发明实施例的用于制造压电超声指纹传感器基板的SOI基板的截面图；

图2为显示了根据本发明实施例的压电超声指纹传感器基板的制造步骤的截面图；

图3为显示了图2中步骤的后续制造步骤的截面图；

图4为显示了图3中步骤的后续制造步骤的截面图；

图5为显示了图4中步骤的后续制造步骤的截面图；

图6为显示了图5中步骤的后续制造步骤的截面图；

图7为显示了图6中步骤的后续制造步骤的截面图；

图8为显示了图7中步骤的后续制造步骤的截面图；

图9为显示了图8中步骤的后续制造步骤的截面图；

图10为显示了(部分省略)图9中步骤的后续制造步骤的截面图，并显示了压电超声指纹传感器基板；

图11为显示了(部分省略)根据本发明实施例的用于制造压电超声指纹传感器的CMOS基板的截面图；

图12为显示了根据本发明实施例的压电超声指纹传感器的制造步骤的截面图；

图13为显示了图12中步骤的后续制造步骤的截面图，并显示了压电超声指纹传感器；

图14为显示了根据本发明实施例的安装在压电超声指纹传感器基板上的PMUT元件的平面图；

图15为显示了根据本发明实施例的压电超声指纹传感器的平面图；

图16为显示了(部分省略)传统的压电超声指纹传感器的截面图；

图17(a)为显示了当第一基板的表面被预定工具刮擦时的试验结果的视图，图17(b)为显示了当第二基板的表面被预定工具刮擦时的试验结果的视图；

图18(a)为显示了当第一基板的表面被预定工具以不同于图17(a)示例的负荷刮擦时的试验结果的视图，图18(b)为显示了当第二基板的表面被预定工具以不同于图17(b)示例的负荷刮擦时的试验结果的视图；以及

图19(a)为显示了当第一基板的表面被预定工具以不同于图18(a)示例的负荷刮擦时的试验结果的视图，图19(b)为显示了当第二基板的表面被预定工具以不同于图18(b)示例的负荷刮擦时的试验结果的视图。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明的实施例进行描述。应当注意的是，相同的部件将采用相同的数字或字母来标记，同时省略对于部件的重复描述。

首先，将参照图1至图10来描述根据本发明实施例的压电超声指纹传感器基板60的制造方法。这里，图1至图10为显示了压电超声指纹传感器基板60的制造步骤的截面图。

首先，执行SOI基板制备步骤。在SOI基板制备步骤中，制备SOI基板1。所述SOI基板1，如图1所示，具有硅基板2、由SiO₂制成的形成于硅基板2上的绝缘层3，以及硅层4。作为硅层4的表面的元件面1a，以及底面(亦称基板底面)1b暴露在SOI基板1上。

然后，执行底电极膜形成步骤。在底电极膜形成步骤中，如图2所示，在SOI基板1的元件面1a上形成底电极膜12。在本示例中，采用溅射法进行金属材料的外延生长，所述金属材料的主要成分为Pt或Al。该外延生长制备出底电极膜12。

接着，执行压电材料膜形成步骤。在压电材料膜形成步骤中，如图2所示，在底电极膜12上采用例如锆钛酸铅(化学式Pb(ZrxTi_(1-x))O₃，以下也称“PZT”)的压电材料或其它类似材料进行薄膜的外延生长，以形成压电材料膜11。压电材料膜11是采用溅射法形成的溅射膜。

压电陶瓷(其大部分为铁电物质)，如钛酸钡、钛酸铅等，以及不包括钛或铅的无铅系压电陶瓷，可代替PZT用于所述压电材料膜11。

接下来，执行贯穿凹部形成步骤。在贯穿凹部形成步骤中，在压电材料膜11的外表面11e上涂覆光刻胶(未示出)，然后用未示出的光掩模进行曝光和显影，以形成抗蚀图形。形成抗蚀图形的目的是暴露外表面11e的预定区域(多余的部分)。随后，以该抗蚀图形为掩模进行蚀刻，以去除压电材料膜11的多余部分。于是，如图3所示，在压电材料膜11上形成彼此相邻的多个贯穿凹部，包括第一贯穿凹部11b、第二贯穿凹部11c及第三贯穿凹部11d。

如下文所详述，在压电超声指纹传感器基板60上形成有在平面视图中呈圆形的PMUT元件40。通过蚀刻，形成在平面视图中呈环形的凹部、在平面视图中呈圆形的凹部，以及呈凹槽状的凹部。在平面视图中呈圆形的凹部为第二贯穿凹部11c，在平面视图中呈环形的凹部为第一贯穿凹部11b，呈凹槽状的凹部为第三贯穿凹部11d。

随后，执行电极粘合氧化膜形成步骤。在电极粘合氧化膜形成步骤中，如图4所示，在压电材料膜11的外表面11e上形成由导电氧化物制成的电极粘合氧化膜13。

在本示例中，通过导电氧化物的外延生长来形成电极粘合氧化膜13，导电氧化物例如包含锶和钌，如SrRuO₃(也称SRO)等。第一贯穿凹部11b、第二贯穿凹部11c及第三贯穿凹部11d形成于压电材料膜11的外表面11e上。因此，电极粘合氧化膜13形成在第一贯穿凹部11b、第二贯穿凹部11c和第三贯穿凹部11d的内侧并一起形成在外表面11e上，并且电极粘合氧化膜13与底电极膜12相连。电极粘合氧化膜13可采用溅射法形成。

之后，执行氧化凸块形成步骤。在氧化凸块形成步骤中，首先在电极粘合氧化膜13的表面形成由氧化物(例如SiO₂)制成的氧化层。接着，在元件面1a侧的SOI基板1表面上涂覆光刻胶(未示出)，然后用未示出的光掩模进行曝光和显影，以形成抗蚀图形。形成抗蚀图形的目的是暴露氧化层的预定区域(多余的部分)。而后，以该抗蚀图形为掩模进行蚀刻，以去除氧化层的多余部分。于是，如图5所示，形成氧化凸块20、21和22。氧化凸块20被布置在第一贯穿凹部11b的外侧，氧化凸块21和氧化凸块22被布置在第一贯穿凹部11b的内侧且在第二贯穿凹部11c的外侧。氧化凸块20、21、22形成为在平面视图中具有不同直径的环形。

接下来，执行上电极膜形成步骤。在上电极膜形成步骤中，如图6所示，在电极粘合氧化膜13的表面和氧化凸块14(氧化凸块20、21、22)上形成上电极膜15。在本示例中，采用溅射法在元件面1a侧的SOI基板1表面上进行金属材料的外延生长，所述金属材料的主要成分为Pt或Al。该外延生长制备出上电极膜15。

再接着，执行锗连接部形成步骤。在锗连接部形成步骤中，首先在上电极膜15的表面形成由锗制成的锗膜。然后，在元件面1a侧的SOI基板1表面上涂覆光刻胶(未示出)，接着用未示出的光掩模进行曝光和显影，以形成抗蚀图形。形成抗蚀图形的目的是暴露锗膜的预定区域(多余的部分)。而后，以该抗蚀图形为掩模进行蚀刻，以去除锗膜的多余部分。

于是，如图7所示，形成锗连接部16、17、18。所述锗连接部16、17、18分别形成于上电极膜15位于氧化凸块20、21、22的上表面或侧表面的表面上。与氧化凸块20、21、22类似，锗连接部16、17、18形成为在平面视图中具有不同直径的环形。

随后，执行分离步骤。在分离步骤中，在元件面1a侧的SOI基板1表面上涂覆光刻胶(未示出)，然后用未示出的光掩模进行曝光和显影，以形成抗蚀图形。形成抗蚀图形的目的是暴露上电极膜15的预定区域(多余的部分)。而后，以该抗蚀图形为掩模进行蚀刻，以去除上电极膜15和电极粘合氧化膜13二者的多余部分。

于是，如图8所示，将电极粘合氧化膜13和上电极膜15按照相应的氧化凸块20、21、22分离成单独电极膜23、24、25。如下文所详述，单独电极膜23、24、25形成为在平面视图中具有不同直径的环形。

进一步地，去除电极粘合氧化膜13和上电极膜15的布置于第二贯穿凹部11c内部的部分和布置于第三贯穿凹部11d的内部的部分，但保留布置于第一贯穿凹部11b内部的部分。因此，单独电极膜23与底电极膜12相连。

接下来，执行底电极膜移除步骤。在底电极膜移除步骤中，如图9所示，去除暴露于第二贯穿凹部11c和第三贯穿凹部11d内部的底电极膜12。此时，执行蚀刻等步骤，从而在第二和第三贯穿凹部11c、11d内部形成凹部26c、26d。

之后，执行绝缘氧化膜暴露步骤。在绝缘氧化膜暴露步骤中，进行蚀刻以去除第三贯穿凹部11d的多余部分，如图10所示，形成暴露区域27，从而暴露出绝缘层3。于是，完成压电超声指纹传感器基板(亦称“指纹传感器基板”)60的制造。如下文详述，注意，指纹传感器基板60具有形成于SOI基板1上的压电元件部10。压电元件部10具有多个PMUT元件40。注意，图10对应图14中沿线10-10所取的右半侧的视图。

另一方面，图11显示了CMOS基板70。CMOS基板70具有形成于其表面的钝化膜70a。钝化膜70a的一部分为开放的，从而暴露出电极垫(例如由Al形成)71、72、73和74。

然后，如图12所示，将上述指纹传感器基板60粘接至CMOS基板70。在本示例中，指纹传感器基板60布置到CMOS基板70上，使得单独电极膜23、24、25布置在电极垫72、73、74上，并且使得锗连接部16、17、18与电极垫72、73、74接触。然后，通过共晶接合将指纹传感器基板60粘接至CMOS基板70。

再接着，例如，执行CMP(化学机械抛光)等步骤。从而，如图13所示，对指纹传感器基板60和CMOS基板70进行抛光以使其厚度变小。

之后，当采用未示出的切割工艺将指纹传感器基板60和CMOS基板70切割成芯片状部件时，就制造出了压电超声指纹传感器50。

以上制造的压电超声指纹传感器50，如图15所示，具有PMUT阵列45。该PMUT阵列45具有多个均匀布置(例如24×8)的PMUT元件40。

PMUT元件40包含在上述指纹传感器基板60的压电元件部10中。如图10所示，每个PMUT元件40具有压电材料膜11，底电极膜12，电极粘合氧化膜13，氧化凸块20、21、22，上电极膜15，以及锗连接部16、17、18。

底电极膜12形成在压电材料膜11的SOI基板1那侧的内表面上。电极粘合氧化膜13形成于压电材料膜11的外表面11e上，且与底电极膜12相连。氧化凸块20、21、22形成于电极粘合氧化膜13上。上电极膜15形成于氧化凸块20、21、22以及电极粘合氧化膜13上。锗连接部16、17、18形成于上电极膜15上。

电极粘合氧化膜13和上电极膜15被分离为三部分，从而形成单独电极膜23、24、25。进一步地，上电极膜15层压在电极粘合氧化膜13上，以使上电极膜15和电极粘合氧化膜13彼此接触并将氧化凸块20、21、22夹在中间。

然后，如图14所示，将单独电极膜23、24、25，锗连接部16、17、18以及氧化凸块20、21、22形成为平面视图中的大致环形。

每个单独电极膜23、24、25都具有不同的直径，每个氧化凸块20、21、22都具有不同的直径，每个锗连接部16、17、18也具有不同的直径。每个直径按照单独电极膜23、24、25(锗连接部16、17和18)的顺序依次变小。

单独电极膜25(锗连接部18、氧化凸块22)对应内环部分。单独电极膜23(锗连接部16、氧化凸块20)对应外环部分。单独电极膜24(锗连接部17、氧化凸块21)对应中间过渡部分。

然后，在PMUT元件40中，单独电极膜23(即电极粘合氧化膜13和上电极膜15布置在外侧的环形部分)通过第一贯穿凹部11b连接到底电极膜12。

但是，单独电极膜24、25未与底电极膜12相连。于是，形成了由压电材料膜11、底电极膜12和上电极膜15构成的层压结构。因此，当从单独电极膜23和单独电极膜24、25向压电材料膜11施加电压时，压电材料膜11发生振动。从而，产生超声波。

如上所述，在指纹传感器基板60和PMUT元件40中，上电极膜15形成于电极粘合氧化膜13上。由于电极粘合氧化膜13是诸如SRO等的导电氧化物，其因此与压电材料膜11紧密接触，并与由Pt或Al制成的上电极膜15接触。

由Pt或Al制成的电极膜与氧化膜之间的粘接性不是很好。因此，作为传统的压电超声指纹传感器，当由硅氧化物制成的氧化凸块形成在由Pt或Al制成的电极膜上时，MEMS侧部分和CMOS侧部分有可能出现分层。

关于这一点，在根据本发明的指纹传感器基板60中，氧化凸块20、21、22形成在具有良好粘接性的电极粘合氧化膜13上。所以，在指纹传感器基板60中，氧化凸块20、21、22不可能剥落，在PMUT元件40中也不可能出现MEMS侧部分和CMOS侧部分分层的情况。因此，可以通过采用指纹传感器基板60来获得高可靠性的压电超声指纹传感器50。

进一步地，由于电极粘合氧化膜13与底电极膜12在第一贯穿凹部11b内部相连，因此上电极膜15通过电极粘合氧化膜13与底电极膜12相连。从而形成由压电材料膜11、底电极膜12和上电极膜15构成的层压结构。

此外，由于上电极膜15与电极粘合氧化膜13的整个表面接触，所以在第一贯穿凹部11b中，上电极膜15与电极粘合氧化膜13之间的粘接得到加强。由此，氧化凸块20受上电极膜15的推压而紧贴电极粘合氧化膜13。

(示例)

本发明的发明人通过采用以下两种基板(第一基板、第二基板)进行试验来确认电极粘合氧化膜的效果。第一基板具有Pt金属膜(厚度：50nm)和形成于Pt金属膜上的由SiO₂制成的金属膜(厚度：200nm)。第二基板具有SRO金属膜(厚度：50nm)和形成于SRO金属膜上的由SiO₂制成的金属膜(厚度：200nm)。

然后，用预定工具刮擦第一基板的表面和第二基板的表面，并测定位移达到预定尺寸(250nm，针对试验而言)的时间(刮擦时间)。试验结果如图17(a)至图19(b)所示。在图17(a)至图19(b)中，(a)显示的是关于第一基板的结果，(b)显示的是关于第二基板的结果。

如图17(a)至图19(b)所示，关于第二基板的刮擦时间比关于第一基板的刮擦时间长。因此，当在由SRO制成的金属膜上形成由SiO₂制成的金属膜时，能够加强金属膜的粘性。

本发明不限于上述实施例，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可对本发明的部件进行各种变化和修改。此外，毫无疑问的是，可以基于以上解释来实施本发明的各种实施例和经修改的示例。因此，在所附权利要求所对应的范围内，可以以不同于上述最佳方式的方式来实施本发明。