超声波指纹传感器的制作方法

本实用新型涉及指纹传感器，更具体地，涉及超声波指纹传感器。

背景技术：

生物特征识别是用于区分不同生物特征的技术，包括指纹、掌纹、脸部、DNA、声音等识别技术。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凹凸不平的纹路，纹路有规律的排列形成不同的纹型。指纹识别指通过比较不同指纹的细节特征点来进行身份鉴定。由于具有终身不变性、唯一性和方便性，指纹识别的应用越来越广泛。

在指纹识别中，采用传感器获取指纹图像信息。根据工作原理的不同，指纹传感器可以分为光学、电容、压力、超声传感器。光学传感器体积较大，价格相对高，并且对于指纹的干燥或者潮湿状态敏感，属于第一代指纹识别技术。光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层，所以只能通过扫描手指皮肤的表面，不能深入到真皮层。这种情况下，手指的干净程度直接影响识别的效果，如果用户手指上粘了较多的灰尘、汗液等，可能就会出现识别出错的情况。并且，如果人们按照手指做一个指纹手摸，也可能通过识别系统。因此，对于用户而言，光学传感器的使用存在着安全性和稳定性方面的问题。电容指纹传感器技术采用电容器阵列检测指纹的纹路，属于第二代指纹传感器。每个电容器包括两个极板。在手指触摸时，指纹的纹路位于极板之间，形成电介质的一部分，从而可以根据电容的变化检测指纹纹路。电容式指纹传感器比光学类传感器价格低，并且紧凑，稳定性高，在实际产品中的使用更有吸引力。例如，在很多手机中使用的指纹传感器即是电容式指纹传感器。然而，电容式指纹传感器有着无法规避的缺点，即受到温度、湿度、沾污的影响较大。

作为进一步的改进，已经开发出第三代指纹传感器，其中利用压电材料的逆压电效应产生超声波。该超声波在接触到指纹时，在指纹的嵴、峪中表现出不同的反射率和透射率。通过扫描一定面积内的超声波束信号即可读取指纹信息。超声波指纹传感器产生的超声波可以能够穿透由玻璃、铝、不锈钢、蓝宝石或者塑料制成的手机外壳进行扫描，从而将超声波指纹传感器设置在手机外壳内。该优点为客户设计新一代优雅、创新、差异化的移动终端提供灵活性。此外，用户的体验也得到提升，扫描指纹能够不受手指上可能存在沾污的影响，例如汗水、护手霜等，从而提高了指纹传感器的稳定性和精确度。

现有的超声波指纹传感器包括集成在一起的超声波换能器和CMOS电路。共晶键合是集成CMOS电路和超声波换能器的有效方法，但是该种方法对准精度低、制造成本高。较为经济的方案为在CMOS电路表面直接制造超声波换能器，在CMOS电路和超声波换能器之间设置绝缘层以隔开二者。该结构中的CMOS电路用于处理超声信号，因此超声波指纹传感器可以高速读取和鉴定指纹。然而，超声波换能器包括位于压电叠层下方的空腔结构，该空腔结构不仅制造困难，而且由于工艺偏差导致超声波指纹传感器的频率不稳定、参数一致性差、以及成品率差。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是提供超声波指纹传感器，其中，利用模板层和停止层形成空腔，以降低制造成本以及提高传感器的性能。

根据本实用新型的一方面，提供一种制造超声波指纹传感器的方法，包括：形成CMOS电路；以及在所述CMOS电路上形成超声波换能器，所述CMOS电路与所述超声波换能器连接，用于驱动所述超声波换能器和处理所述超声波换能器产生的检测信号，其中，形成超声波换能器的步骤包括：形成模板层；在所述模板层中形成第一开口；在所述模板层上形成停止层，所述停止层共形地覆盖所述模板层；在所述停止层上形成牺牲层，所述牺牲层填充所述第一开口；在所述停止层和所述牺牲层上形成掩模层，所述掩模层覆盖所述牺牲层；在所述掩模层上形成到达所述牺牲层的第二开口；经由所述第二开口去除所述牺牲层形成空腔；在所述掩模层上形成压电叠层；以及形成所述压电叠层与所述CMOS电路之间的电连接，其中，所述停止层和所述掩模层共同围绕所述空腔。

优选地，在形成模板层之前，还包括：在所述CMOS电路上形成第一绝缘层。

优选地，在形成模板层之前，还包括：在所述CMOS电路上形成钝化层。

优选地，在形成空腔之后，还包括：在所述掩模层上形成密封层以封闭所述第二开口。

优选地，采用蚀刻形成所述第一开口，所述蚀刻在所述第一绝缘层的表面停止，使得所述第一开口穿透所述模板层。

优选地，在形成空腔之后，还包括：在所述掩模层上形成第二绝缘层。

优选地，所述第二绝缘层封闭所述第二开口。

优选地，对所述第二绝缘层进行回蚀刻以减小厚度。

优选地，形成CMOS电路的步骤包括：在衬底上形成至少一个晶体管；以及在所述至少一个晶体管上形成多个布线层和多个层间介质层，其中，所述多个布线层由所述多个层间介质层分隔成多个不同的层面。

优选地，形成压电叠层的步骤包括：在所述第二绝缘层上形成第一电极；在所述第一电极上形成压电层；以及在所述压电层上形成第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极分别接触所述压电层的下表面和上表面。

优选地，形成所述压电叠层与所述CMOS电路之间的电连接的步骤包括：形成分别从所述第一电极和所述第二电极延伸至所述多个布线层中的至少一个布线层的第一接触和第二接触。

优选地，所述第一接触从所述压电层的上表面穿过所述压电层到达所述第一电极。

优选地，形成所述第一接触和所述第二接触的步骤包括：在形成所述压电层之后，形成从所述压电层上表面到达所述至少一个布线层的第一通孔和第二通孔；在所述第一通孔和所述第二通孔的侧壁上形成第三绝缘层；在所述压电层表面形成导电层，使得所述导电层填充所述第一通孔和所述第二通孔；以及将所述导电层图案化形成所述第一接触和所述第二接触。

优选地，所述第二电极由所述导电层图案化形成，并且与所述第二接触彼此连接。

优选地，形成所述第一接触和所述第二接触的步骤包括：在形成所述压电层之前，形成从所述第二绝缘层上表面到达所述至少一个布线层的第一通孔；在所述第一通孔的侧壁上形成第三绝缘层；在所述第二绝缘层上形成第一导电层，使得所述第一导电层填充所述第一通孔；以及将所述第一导电层图案化成所述第一接触；在形成所述压电层之后，形成从所述压电层上表面到达所述至少一个布线层的第二通孔；在所述第二通孔的侧壁上形成第四绝缘层；在所述压电层上形成第二导电层，使得所述第二导电层填充所述第二通孔；以及将所述第二导电层图案化成所述第二接触。

优选地，所述第一电极由所述第一导电层图案化形成，并且与所述第一接触彼此连接，所述第二电极由所述第二导电层图案化形成，并且与所述第二接触彼此连接。

优选地，所述CMOS电路包括至少一个晶体管，所述压电层经由所述第一电极、所述第二电极、所述第一接触、所述第二接触和所述至少一个布线层连接至所述至少一个晶体管。

优选地，所述压电层由选自氮化铝、偏聚氟乙烯、偏聚氟乙烯-三氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂压电陶瓷中的任意一种组成。

优选地，在形成所述第二绝缘层的步骤和形成所述压电层的步骤之间，还包括：在所述第二绝缘层上形成种子层，其中，所述压电层和所述种子层分别为氮化铝。

优选地，所述第二开口的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。

优选地，所述牺牲层由氧化硅组成。

优选地，形成空腔的步骤包括采用气相蚀刻，其中采用的蚀刻气体为HF。

优选地，所述掩模层和所述停止层分别由耐蚀材料组成。

优选地，所述耐蚀材料包括选自钽、金、氮化铝、氧化铝和非晶硅中的任意一种。

根据本实用新型的另一方面，提供一种超声波指纹传感器，包括：CMOS电路；以及至少一个超声波换能器，其中，所述CMOS电路与所述至少一个超声波换能器连接，用于驱动所述至少一个超声波换能器和处理所述至少一个超声波换能器产生的检测信号，其中，所述至少一个超声波换能器包括：模板层，所述模板层包括第一开口；位于所述模板层上的停止层，所述停止层共形地覆盖所述模板层，从而形成与所述第一开口对应的空腔；位于所述停止层上的掩模层，所述掩模层包括从表面延伸至所述空腔的第二开口；以及位于所述掩模层上的压电叠层，其中，所述停止层和所述掩模层共同围绕所述空腔。

优选地，还包括：位于所述模板层下方的第一绝缘层。

优选地，所述第一开口穿透所述模板层。

优选地，还包括：位于所述掩模层上的密封层，所述密封层封闭所述第二开口。

优选地，还包括位于所述掩模层上的第二绝缘层。

优选地，所述第二绝缘层封闭所述第二开口。

优选地，所述压电叠层包括：堆叠的第一电极、压电层和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极分别接触所述压电层的下表面和上表面。

优选地，所述压电层由选自氮化铝、偏聚氟乙烯、偏聚氟乙烯-三氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂压电陶瓷中的任意一种组成。

优选地，还包括：位于所述第二绝缘层和所述压电层之间的种子层，其中，所述压电层和所述种子层分别为氮化铝。

优选地，所述第二开口的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。

优选地，所述模板层由选自金属、半导体、非晶硅、氧化硅和氮化硅任一种的材料组成。

优选地，所述掩模层和所述停止层分别由耐蚀材料组成。

优选地，所述耐蚀材料包括选自钽、金、氮化铝、氧化铝和非晶硅中的任意一种。

优选地，还包括：与所述第一电极连接且提供外部连接的第一接触；以及与所述第二电极连接且提供外部连接的第二接触。

优选地，所述第一接触从所述压电层的上表面穿过所述压电层到达所述第一电极。

优选地，所述第一电极与所述第一接触由相同的导电层图案化形成且彼此连接。

优选地，所述第二电极与所述第二接触由相同的导电层图案化形成且彼此连接。

优选地，所述CMOS电路包括衬底和在衬底上形成的至少一个晶体管。

优选地，所述CMOS电路还包括位于所述至少一个晶体管上的多个布线层和多个层间介质层，所述多个布线层由所述多个层间介质层分隔成多个不同的层面。

优选地，所述压电层经由所述第一电极、所述第二电极、所述第一接触、所述第二接触和所述至少一个布线层连接至所述至少一个晶体管。

优选地，所述至少一个超声波换能器还包括：从所述压电层上表面到达所述至少一个布线层的第一通孔和第二通孔；以及位于所述第一通孔和所述第二通孔的侧壁上的第三绝缘层，其中，所述第一接触和所述第二接触分别经由所述第一通孔和所述第二通孔延伸至所述至少一个布线层。

优选地，所述至少一个超声波换能器还包括：从所述压电层下表面到达所述至少一个布线层的第一通孔；从所述压电层上表面到达所述至少一个布线层的第二通孔；位于所述第一通孔的侧壁上的第三绝缘层，位于所述第二通孔的侧壁上的第四绝缘层，其中，所述第一接触和所述第二接触分别经由所述第一通孔和所述第二通孔延伸至所述至少一个布线层。

优选地，还包括：位于所述CMOS电路上的钝化层。

优选地，所述至少一个超声波换能器形成阵列。

根据本实用新型实施例的超声波指纹传感器，在CMOS电路上堆叠超声波换能器，因而无需采用共晶键合连接不同的管芯，因而降低了制造成本和提高了成品率。在该方法中，利用模板层和停止层形成空腔，不仅可以降低空腔形成的难度，而且可以更加准确地限定空腔的尺寸。

在优选的实施例中，依次形成模板层、停止层、牺牲层和掩模层，然后，采用气相蚀刻去除牺牲层以形成空腔。模板层中的第一开口用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。该方法可以在空腔上方提供结构支撑，用于进一步制作压电层。与湿法蚀刻相比，该气相蚀刻工艺避免了溶液的浸没，兼具干法、湿法工艺的双重优点。气相蚀刻可以避免湿气或蚀刻产物残留于空腔中，进一步改善超声波换能器的声学性能。

在进一步优选的实施例中，牺牲层由氧化硅组成，在气相蚀刻中采用的蚀刻气体为HF。蚀刻产物是SiF₄和水，二者均为气态，容易从腔体中排出。与采用XeF₂作为蚀刻剂的常规技术相比，该蚀刻工艺不仅成本低，而且无污染，可以进一步减少蚀刻产物残留。

在进一步优选的实施例中，在第一绝缘层上形成模板层，二者的材料不同，使得第一开口可以穿透模板层并且停止于第一绝缘层的顶部。因此，通过控制模板层的厚度，可以精确地控制空腔的纵向尺寸。在图案化模板层时，可以利用掩模精确地控制空腔的横向尺寸。该模板层的材料可以选择与第一绝缘层耐蚀性不同的任何材料，例如金属，从而可以减小应力，避免多余的应力对随后形成的压电层的不利影响，维持超声波指纹传感器的参数一致性。

该方法制造的超声波指纹传感器灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本和改善工艺兼容性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本实用新型第一实施例的超声波指纹传感器制造方法的流程图；

图2示出在图1所示的方法中形成超声波换能器的流程图；

图3a-3l示出根据本实用新型第一实施例的超声波指纹传感器制造方法中各个阶段的示意性截面图；

图4示出根据本实用新型第二实施例的超声波指纹传感器的截面示意图；

图5示出根据本实用新型第三实施例的超声波指纹传感器的截面示意图；

图6示出根据本实用新型第四实施例的超声波指纹传感器的截面示意图；

图7示出根据本实用新型第五实施例的超声波指纹传感器的截面示意图；

图8示出超声波指纹传感器的工作原理示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出根据本实用新型第一实施例的超声波指纹传感器制造方法的流程图。该方法包括形成堆叠的CMOS电路和超声波换能器，CMOS电路的有源区与超声波换能器的压电叠层之间采用绝缘层彼此隔开。

在步骤S10中，在衬底上形成用于信号处理电路的CMOS电路。该CMOS电路包括至少一个晶体管、多个布线层和多个层间介质层。所述晶体管包括在衬底中形成的源区和漏区、在衬底上形成的栅极电介质和栅极导体。所述多个布线层由所述多个层间介质层分隔成多个不同的层面。例如，所述多个布线层中的第一布线层用于连接所述晶体管的源区和漏区至少之一，第二布线层用于连接超声波换能器。第一布线层和第二布线层经由穿过层间介质层的导电通道彼此连接。

在步骤S20中，在CMOS电路上形成超声波换能器。该超声波换能器包括采用模板层、停止层、牺牲层和掩模层形成的空腔，以及在掩模层上形成的压电叠层。压电叠层例如包括压电层以及位于其相对表面上的第一电极和第二电极。CMOS电路的有源区与超声波换能器的压电叠层之间采用绝缘层彼此隔开。

该超声波指纹传感器例如还包括从分别从压电层到达至少一个布线层的第一通孔和第二通孔，以及至少一部分在第一通孔中延伸的第一接触和至少一部分在第二通孔中延伸的第二接触。超声波换能器的第一电极和第二电极分别经由第一接触和第二接触与CMOS电路中的晶体管相连接。

在该方法中，在同一个管芯中形成堆叠的CMOS电路和超声波换能器，因而无需采用共晶键合连接不同的管芯，因而降低了制造成本和提高了成品率。在同一个管芯中，CMOS电路与超声波换能器彼此电连接，该CMOS电路用于驱动所述超声波换能器和处理所述超声波换能器产生的检测信号，因而可以提高读取速度。

图2示出在图1所示的方法中形成超声波换能器的流程图。以下描述图1所示的步骤S20中的各个步骤。

在步骤S21中，形成模板层。

在步骤S22中，在模板层中形成第一开口。

在步骤S23中，在所述模板层上形成停止层，所述停止层共形地覆盖所述模板层。

在步骤S24中，在所述停止层上形成牺牲层，所述牺牲层填充所述第一开口。

在步骤S25中，在所述停止层和所述牺牲层上形成掩模层，所述掩模层覆盖所述牺牲层。

在步骤S26中，在所述掩模层上形成到达所述牺牲层的第二开口。

在步骤S27中，经由所述第二开口进行气相蚀刻，从而去除所述牺牲层形成空腔。所述停止层和所述掩模层共同围绕所述空腔。

在步骤S28中，在所述掩模层上形成压电叠层。压电叠层例如包括压电层以及位于其相对表面上的第一电极和第二电极。

在该方法中，依次形成模板层、停止层、牺牲层和掩模层，然后，采用气相蚀刻去除牺牲层以形成空腔。模板层中的第一开口用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。该方法可以在空腔上方提供结构支撑，用于进一步制作压电层。与湿法蚀刻相比，气相蚀刻工艺避免了溶液的浸没，兼具干法、湿法工艺的双重优点。气相蚀刻可以避免湿气或蚀刻产物残留于空腔中，进一步改善超声波换能器的声学性能。该方法制造的超声波指纹传感器灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本和改善工艺兼容性。

在替代的实施例中，如果模板层有耐蚀性，例如，所述牺牲层由氧化硅组成，所述模板层由非晶硅组成，则可以省去形成停止层的步骤S23。在步骤S24中，在模板层上直接形成牺牲层，所述牺牲层填充第一开口。在步骤S25中，在所述模板层和所述牺牲层上形成掩模层，所述掩模层覆盖所述牺牲层。然后，继续步骤S26和S28。在步骤S27中，在气相蚀刻中，模板层兼作为停止层。

图3a-3l示出根据本实用新型实施例的超声波指纹传感器制造方法中各个阶段的示意性截面图。以下结合图3a-3l详细描述图1和2所示的各个步骤。

在步骤S10中，形成用于信号处理电路的CMOS电路110。在图3a中示出了该步骤之后的示意性结构。

该步骤形成用于信号处理电路的CMOS电路110。该CMOS电路例如包括至少一部分形成在衬底101中的多个晶体管，以及在所述多个晶体管上方依次堆叠的第一层间介质层106、第一布线层107、第二层间介质层108和第二布线层109。作为示例，在图3a示出了仅仅一个P型晶体管和仅仅一个N型晶体管。在P型衬底101中形成N型阱区102。然后，在N型阱区102中形成P型晶体管的源/漏区103。在P型衬底101中形成N型晶体管的源/漏区104。在P型衬底101和N型阱区102上形成依次堆叠的栅极电介质111和栅极导体105。在P型晶体管中，栅极导体105与N型阱区102之间由栅极电介质111隔开，栅极导体105在相邻的源/漏区之间横向延伸，使得N型阱区102位于栅极导体105下方的一部分作为沟道区。在N型晶体管中，栅极导体105与P型衬底101之间由栅极电介质111隔开，栅极导体105在相邻的源/漏区之间横向延伸，使得P型衬底101位于栅极导体105下方的一部分作为沟道区。P型晶体管的源/漏区103和N型晶体管的源/漏区104以及栅极导体105可以经由导电通道与第一布线层107和第二布线层109中的任一个电连接。

在替代的实施例中，CMOS电路110中的晶体管不限于两个，而是可以包括至少一个晶体管，CMOS电路110中的层间介质层不仅于两个，而是可以包括至少一个层间介质层，CMOS电路110中的布线层不限于两个，而是可以包括至少一个布线层。

用于形成CMOS电路110的工艺是已知的，在此不再详述。

在步骤S20中，在CMOS电路110上形成超声波换能器120。在图3b-3l中示出了步骤S20的更详细的步骤。

在步骤S21中，例如通过沉积，在层间介质层108上依次形成绝缘层121和模板层122。绝缘层121例如由选自氧化硅、氮化硅任一种的材料组成。模板层122例如由选自非晶硅、氧化硅和氮化硅任一种的材料组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。模板层122的厚度例如约为0.2微米至5微米。

在步骤S22中，采用包括涂胶、曝光和显影的光刻工艺，形成光刻胶掩模。经由光刻胶掩模进行蚀刻，将模板层122图案化，从而在模板层122中形成开口151，如图3b所示。该蚀刻例如可以是采用蚀刻溶液的湿法蚀刻工艺，或者是在反应腔中进行的干法蚀刻工艺，例如等离子体蚀刻。在蚀刻之后，通过在溶剂中溶解或灰化去除光刻胶掩模。

绝缘层121和模板层122由不同的材料组成，例如，绝缘层121由氧化硅组成，模板层122由非晶硅组成，从而在所述模板层中形成开口151的工艺中，绝缘层121可以作为蚀刻停止层。开口151暴露绝缘层121的一部分表面。

在步骤S23中，例如通过沉积，在绝缘层121和模板层122上形成共形的停止层123，如图3c所示。停止层123由耐蚀材料组成，例如由选自钽或金的金属材料或选自氮化铝、氧化铝和非晶硅的非金属材料组成。停止层123的厚度例如为0.1微米至1微米。由于停止层123与表面的形状一致，因此在形成停止层123之后，该停止层123仍然围绕开口151。在该工艺中，停止层123的表面形状与模板层122的表面形状一致，停止层123中形成与开口151一致的开口，因而模板层122用于限定停止层123的图案。

在步骤S24中，例如通过沉积，在停止层123上形成牺牲层124，如图3d所示。牺牲层124例如由氧化硅组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。牺牲层124的厚度例如为1微米至5微米，从而可以填充停止层123中形成的开口151。采用化学机械平面化(CMP)平整去除牺牲层124的一部分，使得仅仅牺牲层124位于开口151内部的部分保留，并且获得平整的结构表面。

在步骤S25中，例如通过沉积，在停止层123和牺牲层124上形成掩模层125。掩模层125由耐蚀材料组成，例如由选自钽或金的金属材料或选自氮化铝、氧化铝和非晶硅的非金属材料组成。掩模层125的厚度例如为0.2微米至0.3微米。

在步骤S26中，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将掩模层125图案化成包含开口152的掩模图案，如图3e所示。开口152的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。该开口152将作为蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。

在步骤S27中，经由掩模层125的开口152进一步蚀刻牺牲层124，如图3f所示。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在掩模层125和停止层123的表面停止，从而可以去除牺牲层124，在停止层123中形成空腔153。开口152与空腔153彼此连通。

优选地，采用不同的蚀刻工艺图案化掩模层125以及在绝缘层121中形成空腔153。例如，在图案化掩模层125采用湿法蚀刻工艺，在形成空腔153时采用气相蚀刻工艺。优选地，牺牲层124由氧化硅组成，停止层123和掩模层125由非晶硅组成，则在形成空腔153时采用的蚀刻剂是气体HF。

该气相蚀刻中的化学反应为：SiO₂+HF＝SiF₄+H₂O。蚀刻产物是SiF₄和水，二者均为气态，容易从腔体中排出。

即使开口152的尺寸很小，蚀刻剂也可以经由开口152到达牺牲层124，蚀刻产物也可以经由开口152排出。因此，开口152的尺寸基本上没有受到蚀刻工艺的限制。由于各向同性的蚀刻特性，可以经由开口152形成大尺寸的空腔153。

在步骤S27中，进一步执行图3g至3l所示的步骤，在掩模层125上形成压电叠层。

如图3g所示，例如通过沉积，在掩模层125上形成绝缘层126。绝缘层126例如由选自氧化硅和氮化硅中的一种组成。优选地，绝缘层126由氧化硅组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。绝缘层126位于掩模层125上方，封闭掩模层125中的开口152，使得空腔153也是封闭的。在一种替代的实施例中，如果存在种子层，则种子层可以作为绝缘层。在另一个替代的实施例中，可以采用附加的密封层代替绝缘层126封闭开口。该密封层可以由任意材料组成，例如非晶硅或金属。

优选地，根据绝缘层126的沉积特性选择开口152的尺寸，使得绝缘层126在开口152的上方可以连续延伸。在该实施例中，开口152的直径约为0.1微米至0.8微米，使得绝缘层126可以封闭开口152，而非进入空腔153的内部。根据超声波换能器的声学特性选择绝缘层126的厚度。在该实施例中，绝缘层126的厚度例如为0.2微米至2微米。如果绝缘层126的厚度过大，则可以在沉积之后进行回蚀刻以减小厚度。

进一步地，如图3h所示，例如通过沉积，在绝缘层126上依次形成第一电极132和压电层133。用于形成压电层133的工艺例如是反应溅射沉积，用于形成第一电极132的工艺例如是常规离子溅射。第一电极132例如由Mo组成，厚度约为0.2微米至1微米。压电层133例如由氮化铝组成，厚度约为0.5微米至2微米。

优选地，如果压电层133由氮化铝组成，在形成第一电极132之前，例如通过沉积，在绝缘层126上形成种子层131。用于形成种子层131的工艺例如是反应溅射。种子层131例如由氮化铝组成，厚度约为0.1微米至0.5微米。

在替代的实施例中，压电层133由选自氮化铝、偏聚氟乙烯(PVDF)、偏聚氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷、铌酸锂(LiNbO3)压电陶瓷中的任意一种组成。

进一步地，如图3i所示，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，形成到达第二布线层109的通孔154。该通孔154从上至下依次穿过压电层133、第一电极132、种子层131、绝缘层126、掩模层125、牺牲层124和绝缘层121。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在第二布线层109的表面停止。

进一步地，如图3j所示，例如通过沉积，在压电层133的表面以及通孔154中形成共形的绝缘层134，然后，采用各向异性的干法蚀刻去除绝缘层134位于压电层133的表面的部分，以及位于通孔154的底部的部分。使得绝缘层134覆盖通孔154的内壁，并且在通孔154附近的压电层133的表面横向延伸一部分。该绝缘层134作为衬里，使得通孔中将形成的导电通道与压电层133和第一电极132之间隔离。

进一步地，如图3k所示，形成与压电层133的上表面接触的第二电极135，以及穿过压电层到达第一电极132的第一接触136，以及与第二电极135连接的第二接触137。第一接触136和第二接触137彼此隔开。该步骤可以采用同一个导电层形成第二电极135、第一接触136和第二接触137。例如，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，形成穿透压电层到达第一电极132的通孔。然后，通过沉积导电材料形成填充通孔的导电层，该导电层不仅填充穿过压电层133的通孔，而且至少部分地填充到从压电层到达CMOS电路的通孔154。采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将导电层图案化成第二电极135、第一接触136和第二接触137。第二电极135、第一接触136和第二接触137由任意导体材料组成，例如，选自Au、Ag和Al之一的金属。

替代地，图案化导电层的步骤可以采用剥离(Lift-off)工艺，其中，在形成导电层之前，采用光刻工艺形成光刻胶掩模，在形成导电层之后，在去除光刻胶掩模的同时去除导电层的部分，从而将导电层图案化。

第一接触136经由穿过压电层133的通孔连接至位于压电层133下方的第一电极132，并且经由先前形成的通孔154连接至第二布线层109。第二接触137连接至第二电极135，并且经由先前形成的通孔154连接至第二布线层109。进一步地，第二布线层109可以连接经由导电通道连接至第一布线层107，进而连接至CMOS电路110的有源区。在该实施例中，位于通孔154中的导电材料形成导电通道。因此，超声波换能器中的压电层133的两个相对表面，分别利用第一接触136和第二接触137连接至位于超声波换能器下方的CMOS电路110。

进一步地，如图3l所示，例如通过沉积，形成钝化层138以覆盖第二电极135、第一接触136、第二接触137和压电层133，从而完成超声波指纹传感器100。

在该实施例的方法中，采用气相蚀刻牺牲层以形成空腔，不仅可以降低空腔形成的难度，而且可以更加准确地限定空腔的尺寸。进一步地，该方法可以在空腔上方提供结构支撑，用于进一步制作压电层。与湿法蚀刻相比，该气相蚀刻工艺避免了溶液的浸没，兼具干法、湿法工艺的双重优点。气相蚀刻可以避免湿气或蚀刻产物残留于空腔中，进一步改善超声波换能器的声学性能。该方法制造的超声波指纹传感器灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本。在优选的实施例中，采用气体HF作为蚀刻剂。与采用XeF₂作为蚀刻剂的常规技术相比，该蚀刻工艺不仅成本低，而且无污染，可以进一步减少蚀刻产物残留。

进一步地，根据超声波换能器的设计参数确定最终形成的空腔的形状和尺寸。通过控制模板层的厚度，可以精确地控制空腔的纵向尺寸。在图案化模板层时，可以利用掩模精确地控制空腔的横向尺寸。该模板层的材料可以选择与第一绝缘层耐蚀性不同的任何材料，例如金属，从而可以减小应力，以及避免多余的应力对随后形成的压电层的不利影响，维持超声波指纹传感器的参数一致性。

图4示出根据本实用新型第二实施例的超声波指纹传感器100的截面示意图。该超声波指纹传感器100例如采用上述根据第一实施例的制造方法形成。该超声波指纹传感器100包括堆叠的CMOS电路110和超声波换能器120。

该CMOS电路110包括至少一部分形成在衬底101中的多个晶体管，以及在所述多个晶体管上方依次堆叠的多个布线层和多个层间介质层。作为示例，在图4示出了仅仅一个P型晶体管和仅仅一个N型晶体管、第一层间介质层106、第一布线层107、第二层间介质层108和第二布线层109。在P型衬底101中形成N型阱区102。然后，在N型阱区102中形成P型晶体管的源/漏区103。在P型衬底101中形成N型晶体管的源/漏区104。在P型衬底101和N型阱区102上形成依次堆叠的栅极电介质111和栅极导体105。在P型晶体管中，栅极导体105与N型阱区102之间由栅极电介质111隔开，栅极导体105在相邻的源/漏区之间横向延伸，使得N型阱区102位于栅极导体105下方的一部分作为沟道区。在N型晶体管中，栅极导体105与P型衬底101之间由栅极电介质111隔开，栅极导体105在相邻的源/漏区之间横向延伸，使得P型衬底101位于栅极导体105下方的一部分作为沟道区。P型晶体管的源/漏区103和N型晶体管的源/漏区104以及栅极导体105可以经由导电通道与第一布线层107和第二布线层109中的任一个电连接。

该超声波换能器120包括位于所述CMOS电路110上的绝缘层121、模板层122、停止层123、掩模层125和绝缘层126，以及位于掩模层125上的压电叠层。模板层122位于绝缘层121上并且包括第一开口，所述停止层123共形地覆盖所述模板层122，从而在所述第一开口中形成空腔153。模板层122中的第一开口用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。掩模层125包括第二开口152，该第二开口152用于在空腔153的形成过程中提供蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。在优选的实施例中，第二开口152的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。所述停止层123和掩模层125共同围绕空腔153。绝缘层126位于空腔153上。绝缘层126封闭第二开口152，以及为随后形成的压电叠层提供机械支撑作用。

该超声波换能器120的压电叠层包括依次堆叠的种子层131、第一电极132、压电层133和第二电极135。在一个替代的实施例中，如果形成种子层131，则可以采用种子层131封闭掩模层125中的第二开口152，从而省去绝缘层126。在另一个替代的实施例中，可以在掩模层125上形成的密封层以封闭掩模层125中的第二开口152，然后形成绝缘层126，从而可以提高机械支撑的强度。

进一步地，超声波指纹传感器100还包括用于将CMOS电路110和超声波换能器120彼此电连接的第一接触136和第二接触137。可以采用同一个导电层形成第二电极135、第一接触136和第二接触137。第一接触136经由穿过压电层133的通孔连接至位于压电层133下方的第一电极132，并且经由从压电层133到达第二布线层109的通孔连接至第二布线层109。第二接触137连接至第二电极135，并且经由从压电层133到达第二布线层109的通孔154连接至第二布线层109。该通孔154的侧壁可以形成有绝缘层134作为衬里，使得第一接触136和第二接触137与压电叠层的其余部分绝缘隔离。进一步地，第二布线层109可以连接经由导电通道连接至第一布线层107，进而连接至CMOS电路110的有源区。在该实施例中，位于通孔154中的导电材料形成导电通道。因此，超声波换能器中的压电层133的两个相对表面，分别利用第一接触136和第二接触137连接至位于超声波换能器下方的CMOS电路110。

在该实施例中，超声波指纹传感器100包括在CMOS电路110上堆叠的超声波换能器120，二者之间由绝缘层121彼此隔开。因此，该超声波指纹传感器100无需采用共晶键合连接不同的管芯，因而降低了制造成本和提高了成品率。在超声波换能器120中，利用模板层和停止层形成空腔，不仅可以降低空腔形成的难度，而且可以更加准确地限定空腔的尺寸。

图5示出根据本实用新型第三实施例的超声波指纹传感器200的截面示意图。该超声波指纹传感器200包括堆叠的CMOS电路110和超声波换能器220。

根据第三实施例的超声波指纹传感器200中的CMOS电路110与根据第二实施例的超声波指纹传感器100中的CMOS电路110相同，在此不再详述。以下仅仅描述二者的不同之处。

该超声波换能器220包括位于所述CMOS电路110上的模板层122、停止层123、掩模层125和绝缘层126，以及位于掩模层125上的压电叠层。模板层122位于CMOS电路110的层间介质层上并且包括第一开口，所述停止层123共形地覆盖所述模板层122，从而在所述第一开口中形成空腔153。模板层122中的第一开口用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。掩模层125包括第二开口152，该第二开口152用于在空腔153的形成过程中提供蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。在优选的实施例中，第二开口152的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。所述停止层123和掩模层125共同围绕空腔153。绝缘层126位于空腔153上。绝缘层126封闭第二开口152，以及为随后形成的压电叠层提供机械支撑作用。

该超声波换能器220的压电叠层包括依次堆叠的种子层131、第一电极132、压电层133和第二电极135。在一个替代的实施例中，如果形成种子层131，则可以采用种子层131封闭掩模层125中的第二开口152，从而省去绝缘层126。在另一个替代的实施例中，可以在掩模层125上形成的密封层以封闭掩模层125中的第二开口152，然后形成绝缘层126，从而可以提高机械支撑的强度。

进一步地，超声波指纹传感器200还包括用于将CMOS电路110和超声波换能器220彼此电连接的第一接触136和第二接触137。可以采用同一个导电层形成第二电极135、第一接触136和第二接触137。第一接触136经由穿过压电层133的通孔连接至位于压电层133下方的第一电极132，并且经由从压电层133到达第二布线层109的通孔154连接至第二布线层109。第二接触137连接至第二电极135，并且经由从压电层133到达第二布线层109的通孔154连接至第二布线层109。该通孔154的侧壁可以形成有绝缘层134作为衬里，使得第一接触136和第二接触137与压电叠层的其余部分绝缘隔离。进一步地，第二布线层109可以连接经由导电通道连接至第一布线层107，进而连接至CMOS电路110的有源区。在该实施例中，位于通孔154中的导电材料形成导电通道。因此，超声波换能器中的压电层133的两个相对表面，分别利用第一接触136和第二接触137连接至位于超声波换能器下方的CMOS电路110。

在该实施例中，超声波指纹传感器200包括在CMOS电路110上堆叠的超声波换能器220，CMOS电路110的第二层间介质层108、停止层123、绝缘层126和种子层131中的任一个可以绝缘材料组成，并且兼作用于将CMOS电路110和超声波换能器220彼此隔开的绝缘层。与根据第二实施例的超声波指纹传感器100相比，根据第三实施例的超声波指纹传感器200可以进一步减少绝缘层的数量，从而减小器件体积和降低制造成本。

图6示出根据本实用新型第四实施例的超声波指纹传感器300的截面示意图。该超声波指纹传感器300包括堆叠的CMOS电路110和超声波换能器320。

根据第四实施例的超声波指纹传感器300中的CMOS电路110与根据第二实施例的超声波指纹传感器100中的CMOS电路110相同，在此不再详述。以下仅仅描述二者的不同之处。

该超声波换能器320包括位于所述CMOS电路110上的绝缘层121、模板层122、停止层123、掩模层125和绝缘层126，以及位于掩模层125上的压电叠层。模板层122位于绝缘层121上并且包括第一开口，所述停止层123共形地覆盖所述模板层122，从而在所述第一开口中形成空腔153。模板层122中的第一开口用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。掩模层125包括第二开口152，该第二开口152用于在空腔153的形成过程中提供蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。在优选的实施例中，第二开口152的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。所述停止层123和掩模层125共同围绕空腔153。绝缘层126位于空腔153上。绝缘层126封闭第二开口152，以及为随后形成的压电叠层提供机械支撑作用。

该超声波换能器320的压电叠层包括依次堆叠的种子层131、第一电极132、压电层133和第二电极135。在一个替代的实施例中，如果形成种子层131，则可以采用种子层131封闭掩模层125中的第二开口152，从而省去绝缘层126。在另一个替代的实施例中，可以在掩模层125上形成的密封层以封闭掩模层125中的第二开口152，然后形成绝缘层126，从而可以提高机械支撑的强度。

进一步地，超声波指纹传感器300还包括用于将CMOS电路110和超声波换能器320彼此电连接的第一接触136和第二接触137。可以采用同一个导电层形成第一电极132和第一接触136，以及同一个导电层形成第二电极135和第二接触137。第一接触136与第一电极132彼此连接，经由从压电层133的下表面到达第二布线层109的第一通孔连接至第二布线层109。第二接触137与第二电极135彼此连接，并且经由从压电层133的上表面到达第二布线层109的第二通孔连接至第二布线层109。第一通孔和第二通孔的侧壁可以形成有绝缘层134作为衬里，使得第一接触136和第二接触137与压电叠层的其余部分绝缘隔离。第一接触136可以位于第一通孔的侧壁和底部，压电层133进一步填充第一通孔。进一步地，第二布线层109可以连接经由导电通道连接至第一布线层107，进而连接至CMOS电路110的有源区。在该实施例中，位于通孔中的导电材料形成导电通道。因此，超声波换能器中的压电层133的两个相对表面，分别利用第一接触136和第二接触137连接至位于超声波换能器下方的CMOS电路110。

在该实施例中，超声波指纹传感器300包括在CMOS电路110上堆叠的超声波换能器320，二者之间由绝缘层121彼此隔开。第一接触136从压电层133的下表面延伸至第二布线层109，第二接触137从压电层133的上表面延伸至第二布线层109。与根据第二实施例的超声波指纹传感器100相比，根据第四实施例的超声波指纹传感器300的第一接触133位于压电层133的下表面，因而不需要在压电层133上形成通孔。该超声波指纹传感器300可以维持压电层133的完整性和机械强度，从而进一步提高超声波换能器的可靠性，以及改善超声波换能器的声学性能。

图7示出根据本实用新型第五实施例的超声波指纹传感器400的截面示意图。该超声波指纹传感器400包括堆叠的CMOS电路110和超声波换能器420。

根据第五实施例的超声波指纹传感器400中的CMOS电路110与根据第二实施例的超声波指纹传感器100中的CMOS电路110相同，在此不再详述。以下仅仅描述二者的不同之处。

该超声波换能器420包括位于所述CMOS电路110上的绝缘层121、模板层122、停止层123、掩模层125和绝缘层126，以及位于掩模层125上的压电叠层。模板层122位于绝缘层121上并且包括第一开口，所述停止层123共形地覆盖所述模板层122，从而在所述第一开口中形成空腔153。模板层122中的第一开口用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。掩模层125包括第二开口152，该第二开口152用于在空腔153的形成过程中提供蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。在优选的实施例中，第二开口152的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。所述停止层123和掩模层125共同围绕空腔153。绝缘层126位于空腔153上。绝缘层126封闭第二开口152，以及为随后形成的压电叠层提供机械支撑作用。

该超声波换能器420的压电叠层包括依次堆叠的种子层131、第一电极132、压电层133和第二电极135。在一个替代的实施例中，如果形成种子层131，则可以采用种子层131封闭掩模层125中的第二开口152，从而省去绝缘层126。在另一个替代的实施例中，可以在掩模层125上形成的密封层以封闭掩模层125中的第二开口152，然后形成绝缘层126，从而可以提高机械支撑的强度。

进一步地，超声波指纹传感器400还包括用于将CMOS电路110和超声波换能器420彼此电连接的第一接触136和第二接触137。可以采用同一个导电层形成第一电极132和第一接触136，以及同一个导电层形成第二电极135和第二接触137。第一接触136与第一电极132彼此连接，经由从压电层133的下表面到达第二布线层109的第一通孔连接至第二布线层109。第二接触137与第二电极135彼此连接，并且经由从压电层133的上表面到达第一布线层107的第二通孔连接至第一布线层107。第一通孔和第二通孔的侧壁可以形成有绝缘层134作为衬里，使得第一接触136和第二接触137与压电叠层的其余部分绝缘隔离。第一接触136可以位于第一通孔的侧壁和底部，压电层133进一步填充第一通孔。进一步地，第一布线层107和第二布线层109可以连接至CMOS电路110的有源区。在该实施例中，位于通孔中的导电材料形成导电通道。因此，超声波换能器中的压电层133的两个相对表面，分别利用第一接触136和第二接触137连接至位于超声波换能器下方的CMOS电路110。

在该实施例中，超声波指纹传感器400包括在CMOS电路110上堆叠的超声波换能器420，二者之间由绝缘层121彼此隔开。第一接触136从压电层133的下表面延伸至第二布线层109，第二接触137从压电层133的上表面延伸至第一布线层107。与根据第二实施例的超声波指纹传感器100相比，根据第五实施例的超声波指纹传感器400的第一接触133位于压电层133的下表面，因而不需要在压电层133上形成通孔。该超声波指纹传感器400可以维持压电层133的完整性和机械强度，从而进一步提高超声波换能器的可靠性，以及改善超声波换能器的声学性能。进一步地，超声波换能器420的第一接触136和第二接触137可以直接连接至不同层面的布线层，从而避免布线层中的重布线产生寄生电阻和寄生电容，进一步提高超声波换能器的响应速度。

图8示出超声波指纹传感器的工作原理示意图。根据本实用新型的指纹传感器包括彼此连接的CMOS电路210和超声波换能器220。优选地，超声波换能器220包括多个超声波换能器单元240组成的M×N阵列，其中，M和N分别为自然数。多个CMOS电路210组成信号处理电路，超声波换能器单元240堆叠在CMOS电路210上方。

在超声波产生阶段，信号处理电路提供脉冲电信号，使超声波换能器220中的压电层发生逆压电效应，高频机械形变产生超声信号。在超声波接收阶段，由于超声波遇到不同声阻材料，超声信号有着不同的反射率，指纹中不同的凸、凹图形导致超声波换能器在接收到不同的超声信号，在超声反射腔区域发生较强的正压电效应。信号处理电路根据电信号处理超声波换能器220反馈的超声信号，读取形成的指纹信号。

在图8中仅仅示出超声波换能器220中的多个超声波换能器单元240组成的阵列。该超声波换能器单元240通过正压电效应产生超声波，超声波垂直前进用“↑”符号表示，超声反射用“↓”符合表示。在人的手指部分的凸区域，超声波大部分能通过人体皮肤组织，被人体皮肤组织吸收；在人手指的凹区域，超声波大部分被反射，返回超声波换能器内部，产生正压电效应。通过指纹传感器阵列接收到信号的不同，识别鉴定指纹信息。

在生产制造方面，该超声波指纹传感器制造方法与CMOS工艺兼容，可在CMOS生产线直接加工。在超声波换能器后续应用方面，超声波指纹传感器在后续移动终端的应用领域无需在玻璃等介质上开孔，可穿透玻璃等介质直接应用，降低了后续的应用成本。在终端应用方面，与电容式指纹传感器相比较，超声波指纹传感器的超声信号受油污、汗水等影响小，受温度与湿度影响小，识别的准确率高等优点。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。