電容性微加工換能器和制造所述電容性微加工換能器的方法
【專利說明】電容性微加工換能器和制造所述電容性微加工換能器的方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種制造電容性微加工換能器的方法，尤其是用于傳輸和/或接收超聲波的電容性微加工超聲換能器(CMUT)。本發(fā)明還涉及一種電容性微加工換能器，尤其是用于傳輸和/或接收超聲波的電容性微加工超聲換能器(CMUT)。
【背景技術(shù)】
[0002]任何超聲(成像)系統(tǒng)的核心均為換能器，其將電能轉(zhuǎn)換為聲能，且反之亦然。傳統(tǒng)地，這些換能器由布置在線性(1-D)換能器陣列中的壓電晶體制成，且在高達1MHz的頻率下操作。然而，朝向矩陣(2-D)換能器陣列發(fā)展的趨勢和朝向小型化發(fā)展以將超聲(成像)功能集成到導管和導線中的驅(qū)動力已導致了所謂的電容性微加工超聲換能器(CMUT)的開發(fā)。CMUT包括膜(或隔膜)、在所述膜下方的腔體、以及形成電容器的電極。為了接收超聲波，超聲波使所述膜移動或振動且可檢測到所述電極之間的電容變化。因此，將所述超聲波轉(zhuǎn)變成對應的電信號。相反地，應用到所述電極上的電信號使所述膜移動或振動且因此發(fā)射超聲波。
[0003]然而，電荷累積(charging)是電容性微加工超聲換能器的一個已知缺點。WO2010/032156 A2描述了一種具有特定層結(jié)構(gòu)的電容性微加工超聲換能器，其解決了電荷累積問題。包括電介質(zhì)的第一隔離層布置在所述第一電極和第二電極之間。此外，包括電介質(zhì)的第二隔離層可以布置在所述第二電極和所述腔體之間。尤其是，所謂的ONO(氧化物-氮化物-氧化物)介電層提供了對電荷累積的解決方案。
[0004]在WO 2010/032156 A2中，第一介電隔離層和第二介電隔離層電隔離了第一電極和第二電極。此類介電隔離層在恰當?shù)某潭壬洗_定了 CMUT裝置的總性能。在理想的情況下，介電隔離層非常薄，或者具有高的介電常數(shù)和高的擊穿電壓。然而，ONO介電層具有其缺陷，且僅可以沉積在相對厚的層上(例如，約250nm，使用“等離子增強的化學氣相沉積法”(PECVD))，且具有低的介電常數(shù)，因為氮化物的介電常數(shù)為約5至7。因此，CMUT的性能由ONO介電層的最小厚度、電擊穿電壓及其介電常數(shù)限定。此CMUT裝置的具體問題可以是，工作電壓相當高且輸出壓力相對低。因此，需要進一步改善此CMUT。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種改善的電容性微加工換能器(尤其是CMUT)，尤其是具有改善的性能(例如，降低工作電壓和/或增加輸出壓力)和/或更易于制造。本發(fā)明的另一目的是提供一種改善的制造此電容性微加工換能器(尤其是CMUT)的方法。
[0006]在本發(fā)明的第一方面中，提供一種制造電容性微加工換能器、尤其是CMUT的方法，所述方法包括:沉積犧牲層，所述犧牲層可被移除以形成所述換能器的腔體；通過提供蝕刻孔洞和蝕刻所述犧牲層以形成腔體來移除所述犧牲層；且其中大致執(zhí)行以下步驟中的至少一個:通過原子層沉積在所述腔體中沉積第一電極層和第二電極層；和/或通過原子層沉積在所述腔體中將第一介電薄膜沉積在所述第一電極層上且將第二介電薄膜沉積在所述第二電極層上。
[0007]在本發(fā)明的另一方面，提供一種通過本發(fā)明的方法來制造的電容性微加工換能器，尤其是CMUT。
[0008]在本發(fā)明的另一方面，提供一種電容性微加工換能器，尤其是CMUT，所述電容性微加工換能器包括:在基板上的第一電極層；在所述第一電極層上的第一介電薄膜；形成于所述第一介電薄膜上方的腔體；覆蓋所述腔體的第二介電薄膜，以及在所述第二介電薄膜上的第二電極層；其中所述第一和第二介電薄膜覆蓋所述腔體的頂表面和底表面以及側(cè)表面。
[0009]本發(fā)明的基本觀點之一是使用原子層沉積(ALD)用于所述制造方法。所述ALD技術(shù)提供優(yōu)點和選項以克服當前的處理限制，且相應地克服CMUT性能限制。提供一種制造方法，其中在一個單一工藝序列中、尤其是在可控的環(huán)境下而非如在現(xiàn)有技術(shù)的處理期間通常將基板暴露至周圍環(huán)境很必要的情況下沉積所有CMUT功能層。所述CMUT功能層尤其是第一電極層(提供第一電極)、第一介電薄膜(提供電隔離)、犧牲層(形成腔體)、第二介電薄膜(提供電隔離)和第二電極薄膜(提供第二電極)。此工藝也稱為全層_(AL-ALD)CMUT工藝。以此方式，實現(xiàn)具有沉積層(或薄膜)堆疊的晶片。由于在生長所述層的堆疊時晶片并未離開ALD機器，因此可以實現(xiàn)非常清潔的材料界面。此外，可以通過控制和細調(diào)(例如)各個層和界面的應力和電荷累積屬性而獲得性能改善。
[0010]此發(fā)明涉及顯著地改善CMUT裝置的性能。實現(xiàn)CMUT裝置的一個基本處理步驟通過蝕刻犧牲層而形成了腔體的開口。此步驟仍會顯著地影響裝置性能。本發(fā)明提議首先通過蝕刻犧牲層且隨后通過ALD穿過已存在的開口生長所述介電薄膜和/或金屬層(電極層)來實現(xiàn)所述腔體。借此，可能完美地清潔所述腔體。隨后，添加介電薄膜和/或電極層，所述介電薄膜和/或電極層由于其后續(xù)施加而不會在沉積之后受任何化學侵蝕的影響。通過施加此工藝選項，可以通過控制和細調(diào)(例如)各個層及其界面的應力和電荷累積屬性而預期到進一步的性能改善，這在傳統(tǒng)處理(即，完整的“由頂至底”圖案化)中將是不可能的。然而，腔體仍需要通過蝕刻犧牲層來打開，其中蝕刻之后的殘留物仍可以是在裝置操作期間的重要電荷累積來源。這一新方案中的關(guān)鍵首先是腔體的實現(xiàn)，且隨后是將電極層和介電薄膜沉積在此腔體中，此后在此腔體中無需任何額外的處理步驟，因此最小化介電層頂部的殘留物的風險。當在移除所述犧牲層之后且因此在打開所述腔體之后通過ALD來施加至少所述介電薄膜時，所述介電薄膜不再受到蝕刻化學劑的侵蝕，且無任何蝕刻殘留物將在此類介電層的頂部上。因此，具體地講，在蝕刻犧牲層的步驟之后，且在通過ALD將第一和第二電極層和/或第一和第二介電薄膜沉積在所述腔體中之前，執(zhí)行對所述腔體的清潔以移除蝕刻殘留物的步驟。所述制造方法部分地使用尤其是“由頂至底”圖案化。所述由頂至底圖案化提供了具有特征性錐體結(jié)構(gòu)、尤其是臺階式錐體結(jié)構(gòu)的CMUT。此典型剖面可以通過分析方法使用(例如)FIB或SEM(掃描電子顯微鏡)剖面來識別。圖案化意味著使所述結(jié)構(gòu)(例如，沉積層的堆疊)具有一定的圖案。例如，這可以使用(光學(photo))平版印刷來執(zhí)行，其中使光敏感性物質(zhì)曝光。所述曝光工具稱為步進機。已開發(fā)稱為Resist的光敏層。所述圖案可被蝕刻到一個層中。所述蝕刻過程可以是“濕”或“干”過程。
[0011]原子層沉積是薄膜沉積技術(shù)，其基于氣相化學過程的順序使用。大部分ALD反應使用兩種化學品，通常稱為“前體”。這些前體以順序的方式一次一個地與表面起反應。通過將所述前體重復地暴露至生長表面，沉積了薄膜。ALD是自限制(即，在每個反應周期中沉積的薄材料的量是恒定的)、順序表面化學過程，其將材料的適形薄膜沉積到不同組成的基板上。ALD沉積層通常是無定形的。ALD沉積層通常具有高品質(zhì)，無針孔現(xiàn)象且可以在低溫下沉積。由于所述低的工藝溫度，ALD是CMOS相容的。較薄的介電隔離層導致在較低工作電壓下具有更高的輸出壓力和改善的接收敏感度。這是因為，所述膜由電極之間的沿著朝向腔體底部的方向的電力吸引。薄的介電薄膜或具有高介電常數(shù)的材料(也稱為高ε材料或高k材料)顯著增加了此電力，這產(chǎn)生了更多輸出電力或增加了接收敏感度(基于庫侖的反平方定律)。這尤其適用于在塌縮模式下操作的CMUT (即，在操作期間所述膜部分地觸碰腔體底部，例如通過在電極之間施加偏壓)，但通常也適用于在非塌縮模式下的CMUT。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實施例被限定在從屬權(quán)利要求中。應當了解，所要求的CMUT具有與所要求的方法的優(yōu)選實施例和從屬權(quán)利要求中所限定的優(yōu)選實施例類似和/或一致的優(yōu)選實施例。同樣，應當了解，所要求的方法具有與所要求的CMUT的優(yōu)選實施例和從屬權(quán)利要求中所限定的優(yōu)選實施例類似和/或一致的優(yōu)選實施例。
[0013]在尤其優(yōu)選的實施例中，第一介電薄膜和/或第二介電薄膜包括具有氧化物的第一層，具有高k材料的第二層，以及具有氧化物的第三層。因此，所述介電隔離層包括氧化物層(O)、高k層和另一氧化物層(O)。換句話講，高k層夾在兩個氧化物層之間(尤其是硅氧化合物)。這是所謂的層合材料。高k是指高介電常數(shù)(例如，8或更大)。所述介電常數(shù)通?？s寫為字母k(或者是\)。與ONO介電隔離層相比，以此方式可以顯著地改善換能器性能(例如，以較低的工作電壓實現(xiàn)較高的輸出壓力)。因此，通過用借助原子層沉積(ALD)而沉積的高k材料替換ONO介電隔離層，實現(xiàn)CMUT性能在工作電壓和輸出壓力方面的顯著增加。此外，與ONO介電隔離層相比，可以實現(xiàn)關(guān)于裝置穩(wěn)定性的類似性能(尤其是相對于時間的穩(wěn)定輸出)。換句話講，所述層合材料并不存儲導致超聲輸出發(fā)生偏移的電荷。
[0014]在此實施例的變化形式中，高k材料是氧化鋁(Al2O3)和/或氧化鉿(HfO2)。氧化鋁(k或ε ^介于7和9之間，尤其是約8或9)或氧化鉿(k或ε ^介于12和27之間，尤其是約14或20)具有高的介電常數(shù)。在一個實例中，可以以此方式提供氧化物-氧化鋁-氧化物(縮寫為0Α0)的層合材料(交替的層)。在另一實例中，可以以此方式提供氧化物-氧化鉿-氧化物(縮寫為0Η0)的層合材料(交替的層)。
[0015]在此實施例的另一變化形式中，第二層包括具有氧化鋁的第一子層，具有氧化鉿的第二子層，和具有氧化鋁的第三子層。以此方式，可提供氧化物-氧化鋁-氧化鉿-氧化鋁-氧化物(縮寫為0ΑΗΑ0)的層合材料(交替的層)。氧化鋁(也稱為礬土)具有高的介電常數(shù)以及高的電擊穿電壓。氧化鉿具有甚至更高的介電常數(shù)但是較低的擊穿電壓。因此，OAHAO介電隔離層組合了低應力、高介電常數(shù)和高擊穿電壓。
[0016]在另一變化形式中，第二層具有小于10nm的厚度。以此方式，可以提供極薄的高k層，尤其是使用ALD。
[0017]在一個實施例中，沉積層中的至少一個是在移除犧牲層的步驟之前被圖案化的。具體地講，在蝕刻之前沉積的CMUT功能層中的至少一個被圖案化。更具體地講，第一電極層、犧牲層和/或第二電極層可以被圖案化。此圖案化可以包括多個步驟，例如圖案化最頂部層的第一步驟和圖案化最底部層的第二步驟。在每個步驟中，所述層可以被圖案化以具有不同的橫向尺寸(沿平行于層的頂表面的方向)。以此方式，可以形成(臺階式)錐體結(jié)構(gòu)。作為另外一種選擇，可以在單個步驟中執(zhí)行圖案化，其中將所述層圖案化以使其具有相同的橫向尺寸。
[0018]在一個實施例中，圖案化包括在移除犧牲層的步驟之前通過原子層沉積(ALD)將第二電極層沉積在犧牲層上和圖案化第二電極層的步驟。以此方式，可以限定第二電極的橫向尺寸。