超聲波指紋傳感器及其制造方法與流程

本發明涉及指紋傳感器，更具體地，涉及超聲波指紋傳感器及其制造方法。

背景技術：

生物特征識別是用于區分不同生物特征的技術，包括指紋、掌紋、臉部、dna、聲音等識別技術。指紋是指人的手指末端正面皮膚上凹凸不平的紋路，紋路有規律的排列形成不同的紋型。指紋識別指通過比較不同指紋的細節特征點來進行身份鑒定。由于具有終身不變性,唯一性和方便性，指紋識別的應用越來越廣泛。

在指紋識別中，采用傳感器獲取指紋圖像信息。根據工作原理的不同，指紋傳感器可以分為光學、電容、壓力、超聲傳感器。光學傳感器體積較大，價格相對高，并且對于指紋的干燥或者潮濕狀態敏感，屬于第一代指紋識別技術。光學指紋識別系統由于光不能穿透皮膚表層，所以只能通過掃描手指皮膚的表面，不能深入到真皮層。這種情況下，手指的干凈程度直接影響識別的效果，如果用戶手指上粘了較多的灰塵、汗液等，可能就會出現識別出錯的情況。并且，如果人們按照手指做一個指紋手摸，也可能通過識別系統。因此，對于用戶而言，光學傳感器的使用存在著安全性和穩定性方面的問題。電容指紋傳感器技術采用電容器陣列檢測指紋的紋路，屬于第二代指紋傳感器。每個電容器包括兩個極板。在手指觸摸時，指紋的紋路位于極板之間，形成電介質的一部分，從而可以根據電容的變化檢測指紋紋路。電容式指紋傳感器比光學類傳感器價格低，并且緊湊，穩定性高，在實際產品中的使用更有吸引力。例如，在蘋果公司的手機中使用的指紋傳感器即是電容式指紋傳感器。然而，電容式指紋傳感器有著無法規避的缺點，即受到溫度、濕度、沾污的影響較大。

作為進一步的改進，已經開發出第三代指紋傳感器，其中利用壓電材料的逆壓電效應產生超聲波。該超聲波在接觸到指紋時，在指紋的嵴、峪中表現出不同的反射率和透射率。通過掃描一定面積內的超聲波束信號即可讀取指紋信息。超聲波指紋傳感器產生的超聲波可以能夠穿透由玻璃、鋁、不銹鋼、藍寶石或者塑料制成的手機外殼進行掃描，從而將超聲波指紋傳感器設置在手機外殼內。該優點為客戶設計新一代優雅、創新、差異化的移動終端提供靈活性。此外，用戶的體驗也得到提升，掃描指紋能夠不受手指上可能存在沾污的影響，例如汗水、護手霜等，從而提高了指紋傳感器的穩定性和精確度。

現有的超聲波指紋傳感器包括在半導體襯底上形成的壓電疊層和用于處理超聲信號的cmos電路，在cmos電路和壓電疊層之間設置絕緣層以隔開二者。該結構的超聲波指紋傳感器可以高速讀取和鑒定指紋。然而，由于絕緣層在制造過程中產生應力，超聲波指紋傳感器的頻率不穩定、參數一致性差、以及成品率差。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是提供一種超聲波指紋傳感器，通過在不同的管芯中形成cmos電路和壓電層，以避免由于中間層引入的應力導致性能劣化，在超聲波換能器中的機械支撐層上形成壓電疊層，以改善性能參數一致性。

根據本發明的一方面，提供一種制造超聲波指紋傳感器的方法，包括：形成超聲波換能器，包括第一襯底、位于所述第一襯底上的機械支撐層、以及位于所述機械支撐層上的壓電疊層，所述超聲波換能器包括彼此相對的第一表面和第二表面；形成cmos電路，包括第二襯底、在所述第二襯底中形成的至少一個晶體管、以及位于所述至少一個晶體管上的多個布線層和多個層間介質層，所述cmos電路包括彼此相對的第三表面和第四表面；將所述超聲波換能器和所述cmos電路彼此連接，其中，所述超聲波換能器的第二表面與所述cmos電路的第三表面相對；以及在所述超聲波換能器的第一表面中形成超聲波波導結構，其中，所述機械支撐層為低應力層。

優選地，形成超聲波換能器的步驟還包括：所述低應力層為外延多晶層，對所述外延多晶層進行原位摻雜，以減小應力。

優選地，形成超聲波換能器的步驟還包括：對所述外延多晶層進行退火，以減小應力。

優選地，所述外延多晶層為硅層。

優選地，所述外延多晶層沿著厚度方向晶粒的尺寸逐漸增大。

優選地，所述壓電疊層包括壓電層、與所述壓電層的下表面接觸的第一電極、以及與所述壓電層的上表面接觸的第二電極，形成超聲波換能器的步驟還包括：形成與所述第一電極連接的第一接觸；以及形成與所述第二電極連接的第二接觸，其中，所述第一接觸和所述第二接觸彼此隔開。

優選地，形成cmos電路還包括：在所述cmos電路的第三表面形成第一凹槽，所述第一凹槽暴露所述多個布線層中的第一布線層的至少一部分表面。

優選地，所述連接的步驟包括：采用焊料或共晶鍵合，將所述超聲波換能器的第一接觸、第二接觸與所述cmos電路的第一布線層之間彼此連接。

優選地，在連接的步驟之前，還包括：在所述第一接觸和所述第二接觸上形成鍵合層。

優選地，在連接的步驟之前，還包括：在所述第一布線層上形成鍵合層。

優選地，所述鍵合層由si、ge、in之一組成，所述第二布線層由au、al之一組成。

優選地，形成超聲波換能器的步驟還包括：在形成第一接觸的步驟和形成第二接觸的步驟之前，在所述壓電層上形成第一絕緣層；以及將所述第一絕緣層圖案化形成第一凸部和第二凸部，使得所述第一接觸和所述第二接觸各自的一部分分別位于所述第一凸部和所述第二凸部上。

優選地，所述第一絕緣層由氧化硅或氮化硅組成。

優選地，形成超聲波換能器的步驟還包括：在所述機械支撐層上形成種子層。

優選地，所述壓電層和所述種子層分別由氮化鋁組成。

優選地，形成超聲波波導結構的步驟包括：在形成所述機械支撐層之前，在所述第一襯底上形成犧牲層；以及圖案化所述犧牲層，在連接的步驟之后，在所述第一襯底中蝕刻形成第二凹槽；以及經由所述第二凹槽蝕刻以去除所述犧牲層，使得所述第二凹槽延伸至所述外延多晶層中達到預定深度。

優選地，形成超聲波換能器的步驟還包括：在形成所述機械支撐層之前，在所述第一襯底上形成錨點層，在連接的步驟之后，在所述第一襯底中蝕刻形成所述第二凹槽；以及經由所述第二凹槽蝕刻以去除所述錨點層的一部分，使得所述第二凹槽貫穿所述錨點層到達所述機械支撐層。

優選地，所述cmos電路與所述超聲波換能器連接，用于驅動所述超聲波換能器和處理所述超聲波換能器產生的檢測信號。

優選地，在所述cmos電路的第四表面上形成對準標記，所述對準標記在連接的步驟中用于所述第一接觸、第二接觸與所述第一凹槽彼此對準。

優選地，形成超聲波波導結構的步驟包括：形成貫穿所述第一襯底的第二凹槽，其中，所述對準標記用于指示所述第二凹槽的位置。

根據本發明的另一方面，提供一種超聲波指紋傳感器，包括：超聲波換能器，所述超聲波換能器包括第一襯底、位于所述第一襯底上的機械支撐層、以及位于所述機械支撐層上的壓電疊層，所述超聲波換能器包括彼此相對的第一表面和第二表面；以及cmos電路，所述cmos電路包括第二襯底、在所述第二襯底中形成的至少一個晶體管、以及位于所述至少一個晶體管上的多個布線層和多個層間介質層，所述cmos電路包括彼此相對的第三表面和第四表面，其中，所述超聲波換能器和所述cmos電路彼此連接，其中，所述超聲波換能器的第二表面與所述cmos電路的第三表面相對，所述超聲波換能器包括在所述超聲波換能器的第一表面中形成的超聲波波導結構，以及所述機械支撐層為外延多晶層。

優選地，其中，所述外延多晶層為原位摻雜以減小應力的層。

優選地，其中，所述外延多晶層為硅層。

優選地，所述外延多晶層沿著厚度方向晶粒的尺寸逐漸增大。

優選地，所述壓電疊層包括壓電層、與所述壓電層的下表面接觸的第一電極、以及與所述壓電層的上表面接觸的第二電極，所述超聲波換能器還包括：與所述第一電極連接的第一接觸；以及與所述第二電極連接的第二接觸，其中，所述第一接觸和所述第二接觸彼此隔開。

優選地，所述cmos電路還包括：在所述cmos電路的第三表面形成的第一凹槽，所述第一凹槽暴露所述多個布線層中的第一布線層的至少一部分表面。

優選地，所述超聲波換能器的第一接觸、第二接觸采用共晶鍵合與所述cmos電路的第一布線層之間彼此連接。

優選地，還包括：位于所述第一接觸和所述第二接觸上的鍵合層。

優選地，還包括：位于所述第一布線層上的鍵合層。

優選地，所述鍵合層由si、ge、in之一組成，所述第二布線層由au、al之一組成。

優選地，所述超聲波換能器還包括位于所述壓電層上的第一凸部和第二凸部，所述第一接觸和所述第二接觸各自的一部分分別位于所述第一凸部和所述第二凸部上。

優選地，所述第一凸部和所述第二凸部由氧化硅或氮化硅組成。

優選地，所述超聲波換能器還包括位所述機械支撐層上的種子層。

優選地，所述壓電層和所述種子層分別由氮化鋁組成。

優選地，所述超聲波波導結構包括第二凹槽，所述第二凹槽從所述超聲波換能器的第一表面延伸穿過所述第一襯底至所述外延多晶層中達到預定深度。

優選地，所述超聲波換能器包括位于所述第一襯底和所述機械支撐層之間的錨點層，所述超聲波波導結構包括第二凹槽，所述第二凹槽從所述超聲波換能器的第一表面延伸穿過所述第一襯底和所述錨點層，至所述外延多晶層的表面。

優選地，所述cmos電路與所述超聲波換能器連接，用于驅動所述超聲波換能器和處理所述超聲波換能器產生的檢測信號。

優選地，還包括，位于所述cmos電路的第四表面上的對準標記，所述對準標記在連接的步驟中用于所述第一接觸、第二接觸與所述第一凹槽彼此對準。

優選地，所述超聲波波導結構包括貫穿所述第一襯底的第二凹槽，其中，所述對準標記用于指示所述第二凹槽的位置。

根據本發明實施例的超聲波指紋傳感器包括超聲波換能器和cmos電路。通過在不同的管芯中形成超聲波換能器和cmos電路，從而避免壓電層和電路元件之間的中間層引入應力，用第一凹槽提高連接的可靠性，從而提高頻率穩定性和成品率。

在該實施例的超聲波指紋傳感器中，在機械支撐層上形成壓電疊層。機械支撐層例如為外延多晶層。該外延多晶層作為隨后形成的壓電疊層的支撐層，其彈性模量、殘余應力、斷裂強度、疲勞強度等，對超聲波指紋傳感器的性能有著重要的影響，如靈敏度、諧振頻率、可靠性等。通過外延方式加工的多晶硅，力學特性分散性相對較少，應力小，從而可以獲得性能參數一致性好的超聲波指紋傳感器。

在優選的實施例中，對機械支撐層進行原位摻雜和/或退火以進一步減小應力。

在優選的實施例中，超聲波換能器包括貫穿第一襯底的第二凹槽，用于提供超聲波波導結構。在一個實例中，采用犧牲層將第二凹槽延伸至外延多晶層中，使得可以準確地控制外延多晶層在第二凹槽上方的厚度，從而滿足超聲波換能器的聲學特性要求。在另一個實例中，采用堆疊形成的機械支撐層和錨點層，第二凹槽貫穿錨點層到達機械支撐層的表面，使得可以準備地控制機械支撐層在第二凹槽上方的厚度，從而滿足超聲波換能器的聲學特性要求。

在優選的實施例中，在將超聲波換能器和cmos電路彼此連接之后，形成第二凹槽。由于cmos電路可以為超聲波換能器提供機械支撐作用，因此可以避免在凹槽蝕刻步驟中超聲波換能器斷裂。因此，該方法可以提高超聲波指紋傳感器的可靠性和成品率。

在優選的實施例中，超聲波換能器采用mems工藝制造，cmos電路采用cmos工藝制造，并且在連接點采用共晶鍵合，從而可以形成單個芯片形式的集成電路，提高指紋鑒定速度。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其他目的、特征和優點將更為清楚，在附圖中：

圖1示出根據本發明第一實施例的超聲波指紋傳感器的示意性截面圖；

圖2示出根據本發明第二實施例的超聲波指紋傳感器的示意性截面圖；

圖3示出根據本發明第三實施例的超聲波指紋傳感器制造方法的流程圖；

圖4a-4j示出根據本發明第三實施例的超聲波指紋傳感器制造方法中各個階段的示意性截面圖；

圖5a-5d示出根據本發明第四實施例的超聲波指紋傳感器制造方法中一些階段的示意性截面圖；

圖6示出超聲波指紋傳感器的工作原理示意圖。

具體實施方式

以下將參照附圖更詳細地描述本發明。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本發明的許多特定的細節，例如器件的結構、材料、尺寸、處理工藝和技術，以便更清楚地理解本發明。但正如本領域的技術人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節來實現本發明。

在本申請中，術語“外延多晶層”表示采用外延生長方式形成的多晶層，例如多晶硅層。本申請利用外延多晶層減小支撐層的應力對壓電疊層性能穩定性的不利影響。

本發明可以各種形式呈現，以下將描述其中一些示例。

作為本發明的另一方面，指紋傳感器可以作為單元排列的矩陣結構。

圖1示出根據本發明第一實施例的超聲波指紋傳感器的示意性截面圖。

超聲波指紋傳感器100包括彼此連接在一起的超聲波換能器110和cmos電路120。超聲波換能器110包括第一襯底111，以及在第一襯底111上依次形成的機械支撐層113、種子層114、第一電極115a、壓電層116、第二電極115b、第一絕緣層117、第一接觸118a、第二接觸118b、鍵合層119。壓電層116具有彼此相對的第一表面和第二表面，第一電極115a和第二電極115b分別位于第一表面和第二表面上。第一接觸118a與第二接觸118b彼此隔開，并且分別與第一電極115a和第二電極115b連接。第一接觸118a穿過壓電層116接觸壓電層116的第一表面，從而與第一電極115a電連接。第二電極115b與第二接觸118b可以由同一個導電層圖案化形成，二者彼此連接。cmos電路120用于提供cmos電路，包括第二襯底121，以及在第二襯底121上依次形成的第一布線層122、第二絕緣層123和第二布線層124。

在超聲波換能器110中，在第一襯底111和機械支撐層113中形成第一凹槽131，從而形成超聲波波導結構。該第一凹槽131穿透第一襯底111，并且到達機械支撐層113中的預定深度。

盡管未示出，但在cmos電路120中還包括在第二襯底121中形成的晶體管，在第二絕緣層123中形成的導電通道。第一布線層122例如與晶體管相連接，第二布線層124例如經由導電通道與第一布線層122相連接。優選地，第二布線層124位于第二絕緣層123中，并且在第二絕緣層中形成第二凹槽125，以暴露第二布線層124的表面。

進一步地，超聲波換能器110和cmos電路120彼此相對，所述第一接觸118a、第二接觸118b與第二布線層124電連接，例如通過焊料互連，或者形成共晶鍵合。超聲波換能器110和cmos電路120分別形成在不同的管芯中，并且彼此電連接以形成超聲波指紋傳感器100。

在優選的實施例中，在第一接觸118a、第二接觸118b和第二布線層124至少之一的表面上形成附加的鍵合層119，利用鍵合層的共晶鍵合實現超聲波換能器與cmos電路之間的電連接和機械連接。在一個實例中，鍵合層119例如由銦或鍺組成，第一接觸118a、第二接觸118b由al組成，從而在第一接觸118a、第二接觸118b和鍵合層119之間形成共晶鍵合。

根據本發明的指紋傳感器包括超聲波換能器和cmos電路。優選地，超聲波換能器包括多個傳感器單元組成的m×n陣列，其中，m和n分別為自然數。傳感器單元的尺寸為50微米或更小，以實現21mhz以上的諧振頻率，從而獲得高精確度的指紋圖像。

圖2示出根據本發明第二實施例的超聲波指紋傳感器的示意性截面圖。

超聲波指紋傳感器200包括彼此連接在一起的超聲波換能器210和cmos電路120。第二實施例的超聲波指紋傳感器200與圖1所示的超聲波指紋傳感器100的不同之處在于超聲波換能器210還包括錨點層112和機械支撐層113，以代替圖1所示的機械支撐層113。

在超聲波換能器210中，該錨點層112位于第一襯底111上，機械支撐層113位于錨點層112和種子層114之間。在第一襯底111和錨點層112中形成第一凹槽131，從而形成超聲波波導結構。該第一凹槽131穿透第一襯底111和錨點層112，到達種子層114的表面。

第二實施例的超聲波指紋傳感器200的其他方面與圖1所示的超聲波指紋傳感器100相同，在此不再詳述。

在第二實施例中，采用錨點層112和機械支撐層113的疊層，使得第一凹槽131可以穿透第一襯底111和錨點層112延伸至機械支撐層113的表面，從而可以精確地控制第一凹槽131的深度，改善超聲波波導結構的聲學物性。

圖3示出根據本發明第三實施例的超聲波指紋傳感器制造方法的流程圖。該方法例如用于制造第一實施例的超聲波指紋傳感器100。該方法包括分別形成超聲波換能器和cmos電路，然后將超聲波換能器和cmos電路連接在一起，進一步形成用作波導的第一凹槽，以形成器件結構。

在步驟s01中，形成超聲波換能器110。超聲波換能器110至少包括第一襯底111、第一電極115a、壓電層116、第二電極115b、第一絕緣層117、第一接觸118a、第二接觸118b、鍵合層119。在超聲波換能器110中，壓電層116具有彼此相對的第一表面和第二表面。第一電極115a和第二電極115b分別位于第一表面和第二表面上。第一接觸118a與第二接觸118b彼此隔開，并且分別與第一電極115a和第二電極115b連接。第一絕緣層117圖案化成第一凸部和第二凸部，第一接觸118a、第二接觸118b位于壓電層116和第一絕緣層117上方。第一接觸118a與第二接觸118b彼此隔開，并且各自的至少一部分分別位于第一凸部和第二凸部上。第一接觸118a穿過壓電層116接觸壓電層116的第一表面，從而與第一電極115a電連接。第二電極115b與第二接觸118b可以由同一個導電層圖案化形成，二者彼此連接。優選地，鍵合層119位于第一接觸118a、第二接觸118b上。

在步驟s02中，形成cmos電路120。cmos電路120至少包括第二襯底121，以及在第二襯底121上依次形成的第一布線層122、第二絕緣層123和第二布線層124。在cmos電路120中還形成了晶體管等元件。第一布線層122例如與晶體管相連接，第二布線層124例如經由導電通道與第一布線層122相連接。

在步驟s03中，將超聲波換能器110和cmos電路120彼此連接。在該步驟中，超聲波換能器110的第一接觸118a、第二接觸118b和cmos電路的第二布線層124之間實現電連接和機械連接，例如通過焊料互連，或者形成共晶鍵合。在優選的實施例中，在第一接觸118a、第二接觸118b上形成鍵合層119。在一個實例中，鍵合層119例如由銦或鍺組成，第一接觸118a、第二接觸118b由al組成，從而在第一接觸118a、第二接觸118b和鍵合層119之間形成共晶鍵合。

在步驟s04中，在超聲波換能器110中形成超聲波波導結構，例如該超聲波波導結構包括穿透第一襯底111的第一凹槽。在該步驟中，cmos電路120可以為超聲波換能器110提供機械支撐作用，從而避免在第一凹槽蝕刻步驟中超聲波換能器110斷裂。

超聲波換能器110和cmos電路120分別形成在不同的管芯中，并且彼此電連接以形成超聲波指紋傳感器100。由于在兩個管芯連接之后進行凹槽蝕刻，因此，該方法可以提高超聲波指紋傳感器100的可靠性和成品率。

圖4a-4j示出根據本發明第三實施例的超聲波指紋傳感器制造方法中各個階段的示意性截面圖。該方法例如用于制造第一實施例的超聲波指紋傳感器100。

在步驟s01中，形成超聲波換能器110。在圖4a-4h中示出了步驟s01的更詳細的步驟。

如圖4a所示，例如通過沉積，在第一襯底111上形成犧牲層141。第一襯底111例如是硅襯底。犧牲層141例如由氧化硅組成，厚度約為0.2微米至1微米。采用包括涂膠、曝光和顯影的光刻工藝，形成光刻膠掩模。經由光刻膠掩模進行蝕刻，將犧牲層141圖案化成對應于超聲波波導結構的形狀。該蝕刻例如可以是采用蝕刻溶液的濕法蝕刻工藝，或者是在反應腔中進行的干法蝕刻工藝，例如等離子體蝕刻。在蝕刻之后，通過在溶劑中溶解或灰化去除光刻膠掩模。

進一步地，如圖4b所示，例如通過外延多晶生長，在第一襯底111和犧牲層141上方形成機械支撐層113。機械支撐層113覆蓋犧牲層141。機械支撐層113例如由硅組成，厚度約為1.5微米至20微米。優選地，在外延生長之前，通過沉積，在第一襯底111和犧牲層141上形成種子層，從而可以改善隨后形成機械支撐層113的薄膜質量。優選地，在外延生長之后，通過化學機械平面化，平整機械支撐層113的表面。

外延多晶生長可以獲得厚度達到10微米以上的多晶硅層，沿著厚度方向晶粒的尺寸逐漸增大。生長速率可以700納米每分鐘，該生長速度是lpcvd多晶硅速率(7nm/min)的100倍左右。機械支撐層113作為隨后形成的壓電疊層的支撐層，其彈性模量、殘余應力、斷裂強度、疲勞強度等，對超聲波指紋傳感器的性能有著重要的影響，如靈敏度、諧振頻率、可靠性等。通過外延方式加工的多晶硅，力學特性分散性相對較少，應力小，從而可以獲得性能參數一致性好的超聲波指紋傳感器。

優選地，在外延多晶生長過程中直接摻雜，相較于lpcvd淀積多晶硅后再通過擴散預淀積或者注入方式摻雜，摻雜濃度更均勻。均勻的摻雜濃度，可以表現出更小的多晶應力。

進一步優選地，可以通過后續的高溫退火過程進一步消除多晶應力。

進一步地，如圖4c所示，例如通過沉積，在機械支撐層113上依次形成種子層114、第一電極115a、壓電層116。用于形成種子層114和壓電層116的工藝例如是反應離子濺射沉積，用于形成第一電極115a的工藝例如是常規離子濺射。種子層114例如由氮化鋁組成，厚度約為0.1微米至0.5微米。第一電極115a例如由mo組成，厚度約為0.2微米至1微米。壓電層116例如由氮化鋁組成，厚度約為0.5微米至2微米。

進一步地，如圖4d所示，例如通過沉積，在壓電層116上形成第一絕緣層117。第一絕緣層117例如由氧化硅組成，厚度0.2微米至1微米。采用上述的光刻工藝和蝕刻工藝，將第一絕緣層117圖案化成包含開口142的掩模圖案。經由第一絕緣層117的開口142進一步蝕刻壓電層116。利用蝕刻劑的選擇性，使得蝕刻在第一電極115a的表面停止。因此，開口142從第一絕緣層117的表面延伸穿過第一絕緣層117和壓電層116，到達第一電極115a。

進一地，如圖4e所示，重新采用上述的光刻工藝和蝕刻工藝，將第一絕緣層117圖案化成凸部圖案。利用蝕刻劑的選擇性，使得蝕刻在壓電層116的表面停止。第一絕緣層117包括位于壓電層116上的第一凸部和第二凸部。

進一步地，如圖4f所示，例如通過沉積，在壓電層116和第一絕緣層117的表面上形成共形的導電層，采用上述的光刻工藝和蝕刻工藝，將導電層圖案化成第一接觸118a和第二接觸118b。第一接觸118a和第二接觸118b彼此隔開，并且分別包括位于第一凸部和第二凸部分上的部分。第一接觸118a從第一凸部上方延伸至壓電層116的第二表面，進一步穿過壓電層116中的開口142接觸壓電層116的第一表面，從而與第一電極115a電連接。第二接觸118b從第二凸部上方延伸至壓電層116的第二表面。第一接觸118a和第二接觸118b由任意導體材料組成，例如，選自au、ag和al之一的金屬，厚度約為0.2微米至5微米。

優選地，如圖4g所示，例如通過沉積形成金屬層，以及采用上述的光刻工藝和蝕刻工藝圖案化，在第一接觸118a、第二接觸118b上形成鍵合層119。鍵合層例如由ge組成，厚度約為0.2微米至2微米。

在步驟s02中，形成cmos電路120。cmos電路120可以采用任何合適的cmos工藝形成，在此不再詳述。

cmos電路120至少包括第二襯底121，以及在第二襯底121上依次形成的第一布線層122、第二絕緣層123和第二布線層124。在cmos電路120中還形成了晶體管等元件。第一布線層122例如與晶體管相連接，第二布線層124例如經由導電通道與第一布線層122相連接。

優選地，第二布線層124位于第二絕緣層123中，并且在第二絕緣層中形成第二凹槽125，以暴露第二布線層124的表面。

優選地，在第二襯底121的第一表面上形成第一布線層122，在第二襯底121的與第一表面相對的第二表面上形成對準標記132。該對準標記例如是在第二襯底121的表面上形成的開口圖案。

在步驟s03中，將超聲波換能器110和cmos電路120彼此連接。在圖4h中示出了步驟s03的更詳細的步驟。

如圖4h所示，超聲波換能器110和cmos電路120彼此相對放置，超聲波換能器110的第一接觸118a、第二接觸118b和cmos電路的第二布線層124之間實現電連接和機械連接，例如通過焊料互連，或者形成共晶鍵合。超聲波換能器110和cmos電路120分別形成在不同的管芯中，并且彼此電連接以形成超聲波指紋傳感器100。

優選地，在放置超聲波換能器110和cmos電路120時，可以采用cmos電路120的對準標記132與超聲波換能器110的第一凸部和第二凸部至少之一彼此對準。

優選地，在超聲波換能器110的第一接觸118a、第二接觸118b上形成附加的鍵合層119。在一個實例中，鍵合層119例如由銦或鍺組成，第一接觸118a、第二接觸118b由al組成，從而在第一接觸118a、第二接觸118b和鍵合層119之間形成共晶鍵合。用于形成al-ge共晶鍵合的溫度在440攝氏度以上，鍵合的真空度需達到0.1毫巴至100毫巴。

在步驟s04中，在超聲波換能器110中形成超聲波波導結構，例如該超聲波波導結構包括穿透第一襯底111的第一凹槽。在圖4i和4j中示出了步驟s04的更詳細的步驟。

如圖4i所示，例如通過研磨減薄超聲波換能器110的第一襯底111，采用上述的光刻工藝和蝕刻工藝，將第一襯底111圖案化成包含第一凹槽131的掩模圖案。利用蝕刻劑的選擇性，使得蝕刻在犧牲層141的表面停止。因此，第一凹槽131從第一襯底111的表面延伸穿過第一襯底111，到達犧牲層141。

在光刻步驟中，掩模圖案可以利用cmos電路120的對準標記132進行對準，使得最終形成的第一凹槽131的形狀和位置大致對應于犧牲層141的形狀和位置。

在蝕刻步驟中，由于第一凹槽131的深寬比較大，因此優選地采用bosch進行深槽蝕刻以形成第一凹槽131。

如圖4j所示，通過選擇性的蝕刻工藝去除犧牲層141的一部分，使得所述第一凹槽131延伸至機械支撐層113達到預定深度。

在整個步驟s04中，cmos電路120可以為超聲波換能器110提供機械支撐作用，從而避免在凹槽蝕刻步驟中超聲波換能器110斷裂。因此，該方法可以提高超聲波指紋傳感器100的可靠性和成品率。

圖5a-5d示出根據本發明第四實施例的超聲波指紋傳感器制造方法中一些階段的示意性截面圖。該方法例如用于制造第二實施例的超聲波指紋傳感器200。

在步驟s01中，形成超聲波換能器110。在圖5a和5b中示出了步驟s01的更詳細的一些步驟。

如圖5a所示，例如通過沉積，在第一襯底111上形成錨點層112，例如通過外延生長，在錨點層112上形成機械支撐層113。錨點層112例如由氧化硅組成，厚度約為0.2微米至1微米。機械支撐層113例如由硅組成，厚度約為0.5微米至20微米。優選地，在外延生長之前，通過沉積，在第一襯底111上形成種子層，從而可以改善隨后形成機械支撐層113的薄膜質量。

進一步地，如圖5b所示，例如通過沉積，在機械支撐層113上依次形成種子層114、第一電極115a、壓電層116。用于形成種子層114和壓電層116的工藝例如是反應離子濺射沉積，用于形成第一電極115a的工藝例如是常規離子濺射。種子層114例如由氮化鋁組成，厚度約為0.1微米至0.5微米。第一電極115a例如由mo組成，厚度約為0.2微米至1微米。壓電層116例如由氮化鋁組成，厚度約為0.5微米至2微米。

在圖5b所示的步驟之后，繼續圖4d-4g所示的步驟，從而形成超聲波換能器110。

在步驟s02中，形成cmos電路120。cmos電路120可以采用任何合適的cmos工藝形成，在此不再詳述。

cmos電路120至少包括第二襯底121，以及在第二襯底121上依次形成的第一布線層122、第二絕緣層123和第二布線層124。在cmos電路120中還形成了晶體管等元件。第一布線層122例如與晶體管相連接，第二布線層124例如經由導電通道與第一布線層122相連接。

優選地，第二布線層124位于第二絕緣層123中，并且在第二絕緣層中形成第二凹槽125，以暴露第二布線層124的表面。

優選地，在第二襯底121的第一表面上形成第一布線層122，在第二襯底121的與第一表面相對的第二表面上形成對準標記132。該對準標記例如是在第二襯底121的表面上形成的開口圖案。

在步驟s03中，將超聲波換能器110和cmos電路120彼此連接。在圖5c中示出了步驟s03的更詳細的步驟。

如圖5c所示，超聲波換能器110和cmos電路120彼此相對放置，超聲波換能器110的第一接觸118a、第二接觸118b和cmos電路的第二布線層124之間實現電連接和機械連接，例如通過焊料互連，或者形成共晶鍵合。超聲波換能器110和cmos電路120分別形成在不同的管芯中，并且彼此電連接以形成超聲波指紋傳感器100。

優選地，在放置超聲波換能器110和cmos電路120時，可以采用cmos電路120的對準標記132與超聲波換能器110的第一凸部和第二凸部至少之一彼此對準。

優選地，在超聲波換能器110的第一接觸118a、第二接觸118b上形成附加的鍵合層119。在一個實例中，鍵合層119例如由銦或鍺組成，第一接觸118a、第二接觸118b由al組成，從而在第一接觸118a、第二接觸118b和鍵合層119之間形成共晶鍵合。用于形成al-ge共晶鍵合的溫度在440攝氏度以上，鍵合的真空度需達到0.1毫巴至100毫巴。

在步驟s04中，在超聲波換能器110中形成超聲波波導結構，例如該超聲波波導結構包括穿透第一襯底111的第一凹槽。在圖5d和5中示出了步驟s04的更詳細的步驟。

如圖5d所示，例如通過研磨減薄超聲波換能器110的第一襯底111，采用上述的光刻工藝和蝕刻工藝，將第一襯底111和錨點層112圖案化成包含第一凹槽131的掩模圖案。利用蝕刻劑的選擇性，使得蝕刻在機械支撐層113的表面停止。因此，第一凹槽131從第一襯底111的表面延伸穿過第一襯底111和錨點層112，到達機械支撐層113。

在光刻步驟中，掩模圖案可以利用cmos電路120的對準標記132進行對準，從而限定最終形成的第一凹槽131的形狀和位置。

在蝕刻步驟中，由于第一凹槽131的深寬比較大，因此優選地采用bosch進行深槽蝕刻以形成第一凹槽131。

在整個步驟s04中，cmos電路120可以為超聲波換能器110提供機械支撐作用，從而避免在凹槽蝕刻步驟中超聲波換能器110斷裂。因此，該方法可以提高超聲波指紋傳感器100的可靠性和成品率。

圖6示出超聲波指紋傳感器的工作原理示意圖。根據本發明的指紋傳感器包括彼此連接的超聲波換能器110和cmos電路120。超聲波換能器110為超聲波換能器，cmos電路120為cmos電路。優選地，超聲波換能器110包括多個傳感器單元組成的m×n陣列，其中，m和n分別為自然數。超聲波換能器110和cmos電路120例如通過共晶鍵合彼此電連接和機械連接。

在超聲波產生階段，cmos電路120提供脈沖電信號，使超聲波換能器110中的壓電層發生逆壓電效應，高頻機械形變產生超聲信號。在超聲波接收階段，由于超聲波遇到不同聲阻材料，超聲信號有著不同的反射率，指紋中不同的凸、凹圖形導致mems結構在接收到不同的超聲信號，在超聲反射腔區域發生較強的正壓電效應。cmos電路120根據電信號處理超聲波換能器110反饋的超聲信號，讀取形成的指紋信號。

在圖6中僅僅示出超聲波換能器110中的多個傳感器單元140組成的陣列。該傳感器單元140通過正壓電效應產生超聲波，超聲波垂直前進用“↑”符號表示，超聲反射用“↓”符合表示。在人的手指部分的凸區域，超聲波大部分能通過人體皮膚組織，被人體皮膚組織吸收；在人手指的凹區域，超聲波大部分被反射，返回傳感器內部，產生正壓電效應。通過指紋傳感器陣列接收到信號的不同，識別鑒定指紋信息。

在生產制造方面，該超聲波指紋傳感器制造方法與cmos工藝兼容，可在cmos生產線直接加工。在傳感器后續應用方面，超聲波指紋傳感器在后續移動終端的應用領域無需在玻璃等介質上開孔，可穿透玻璃等介質直接應用，降低了后續的應用成本。在終端應用方面，與電容式指紋傳感器相比較，超聲波指紋傳感器的超聲信號受油污、汗水等影響小，受溫度與濕度影響小，識別的準確率高等優點。

應當說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受權利要求書及其全部范圍和等效物的限制。