CN101346879A

CN101346879A - Mems谐振器、制造这种谐振器的方法以及mems振荡器

Info

Publication number: CN101346879A
Application number: CN200680048616.XA
Authority: CN
Inventors: 约瑟夫·T·M·范贝克; 汉斯-彼得·勒布尔; 弗里德里克·W·M·范赫尔门特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: US20090219104A1; WO2007072409A3; EP1974465B1; EP1974465A2; JP2009521176A; US7847649B2; US8058952B2; WO2007072409A2; US20090121808A1; CN101346879B

Abstract

本发明涉及一种MEMS谐振器，其包括可移动元件(48)，所述可移动元件(48)包括具有第一杨氏模量和第一杨氏模量的第一温度系数的第一部分(A)，所述可移动元件(48)还包括具有第二杨氏模量和第二杨氏模量的第二温度系数的第二部分(B)，第二温度系数的符号与第一温度系数的符号至少在该MEMS谐振器的工作条件下是相反的，第一部分(A)的横截面积和第二部分(B)的横截面积是这样的：第一部分(A)的杨氏模量的绝对温度系数与第一部分(A)的横截面积的乘积对第二部分(B)的杨氏模量的绝对温度系数与第二部分(B)的横截面积的乘积的偏离不超过20％，横截面积是局部垂直于可移动元件(48)测得的。

Description

MEMS谐振器、制造这种谐振器的方法以及MEMS振荡器

技术领域

本发明涉及一种具有温度补偿特性的MEMS谐振器。本发明还涉及一种制造这种MEMS谐振器的方法。本发明更进一步地涉及一种包括MEMS谐振器的MEMS振荡器以及涉及一种包括这种MEMS谐振器的集成电路。

背景技术

从US2005/0162239中可以知道一种MEMS谐振器。该文件公开了一种包括梁的MEMS谐振器，该梁包括多种具有不同热膨胀系数的材料(例如，硅和氧化硅)。该梁由两个锚状物支撑在衬底上，每一个都位于锚的一端，该衬底具有与该梁不同的热膨胀系数。由于这些起固定点作用的锚，衬底和梁之间的热膨胀系数的差异引起该梁中的拉伸应变或压缩应变。压缩应变易于降低梁的谐振频率，拉伸应变易于增大谐振频率。从而，采用这些手段，在已知MEMS谐振器中可以实现谐振频率中的热补偿效应。

已知的MEMS谐振器的缺点是其结构相对复杂。谐振频率的热补偿需要在梁两端的固定点。

发明内容

本发明的一个目的是提供在开篇中所阐述的种类的一种可替换MEMS谐振器，其相对简单，并提供了较好的谐振频率的热补偿效应。本发明由独立权利要求所限定。从属权利要求限定了有利的实施例。

由于本发明提供了包括可移动元件的MEMS谐振器，从而实现了本发明的目的，所述可移动元件包括具有第一杨氏模量和第一杨氏模量的第一温度系数的第一部分，所述可移动元件还包括具有第二杨氏模量和第二杨氏模量的第二温度系数的第二部分，第二温度系数的符号与第一温度系数的符号至少在该MEMS谐振器的工作条件下是相反的，第一部分的横截面积和第二部分的横截面积是这样的：第一部分的杨氏模量的绝对温度系数与第一部分的横截面积的乘积对第二部分的杨氏模量的绝对温度系数与第二部分的横截面积的乘积的偏离不超过20％，横截面积是局部垂直于可移动元件测得的。

MEMS谐振器的可移动元件通常包括具有负的杨氏模量温度系数的材料。例如，硅的杨氏模量的温度系数通常是-88ppm/K。由此，硅基谐振器的谐振频率可以漂移达到-45ppm/K，这对于(例如，参考振荡器中的)应用通常是太大了。本发明的目的是提供具有第二材料的可移动元件，第二材料具有相反(这里为正)的杨氏模量的温度系数。以这种方式，可以减小可移动元件的杨氏模量的有效绝对温度系数，这使得MEMS谐振器的谐振频率的温度漂移更低。

换句话说，在根据本发明的MEMS谐振器中需要在可移动元件中没有压缩或拉伸应变，这给了MEMS谐振器的设计人员更多的自由来决定在哪里和怎样实现可移动元件的锚状物。例如，在根据本发明的MEMS谐振器中，可移动元件的锚状物可以被实施在MEMS谐振器的中央，这对于纵模谐振器是非常有吸引力的。而且术语“体模式谐振器”可以用于这种MEMS谐振器。

本发明还基于这样的认识：对于温度补偿，采用杨氏模量比采用热膨胀在量上更具吸引力。例如，硅和氧化硅的杨氏模量的差大于200ppm/K。这个差在热膨胀中只在2ppm/K和3ppm/K之间。换句话说，根据本发明的MEMS谐振器中的热补偿机制更加有效。

在根据本发明的MEMS谐振器中，可以实现任何有效的介于可移动部件的第一部分的杨氏模量的温度系数和可移动部件的第二部分的杨氏模量的温度系数之间的温度系数。实际上，接近零的有效的温度系数是最有利的。影响将这个系数调谐为零的精度的因素是该可移动元件的第一部分的初始横截面面积和该可移动元件的第二部分的横截面面积的精度。

本发明的另一种认识是：该可移动元件的第一部分和第二部分的横截面面积是设计参数，这些设计参数允许将可移动元件的杨氏模量的绝对有效温度系数调谐到可接受的水平，甚至是调谐到接近零的值。

根据本发明的MEMS谐振器的有利实施例的特征在于可移动元件的第一部分的横截面面积被可移动元件的第二部分的横截面面积除的比率约等于可移动元件的第二部分的杨氏模量的负温度系数被可移动元件的第一部分的杨氏模量的负温度系数除的另一比率。这种MEMS谐振器的优点是最佳地减少了绝对有效温度系数。

在根据本发明的MEMS谐振器的另一个实施例中，第一部分或第二部分包括硅，其他部分包括氧化硅。已知氧化硅的杨氏模量具有+175ppm/K的温度漂移。通过结合硅和氧化硅，作为MEMS谐振器的可移动元件中的结构材料，可以补偿温度漂移。而且，氧化硅是一种与标准工艺非常兼容的材料，因此易于制造。

在根据本发明的MEMS谐振器的一些实施例中，第二部分在至少一个垂直于移动元件的方向上嵌入第一部分。这种对称性改善了可移动元件的谐振性能。

在根据本发明的MEMS谐振器的另一实施例中，第二部分在垂直运动元件的平面上完全环绕第一部分。在根据本发明的MEMS谐振器的一个可替换实施例中，第一部分在垂直运动元件的平面上完全环绕第二部分。在两个实施例中，更进一步地改善了谐振性能，因为在垂直于可移动元件的平面上的振动现在具有同样有效的杨氏模量和温度系数(弹性)。

本发明还涉及一种制造MEMS谐振器的方法。根据本发明的方法包括下列步骤：

提供半导体主体，其包括衬底层、在衬底层上提供的牺牲层和在牺牲层上提供的顶层，顶层包括用以形成可移动元件的第一部分的第一材料，第一部分具有第一杨氏模量和第一杨氏模量的第一温度系数；

形成顶层图案以限定可移动元件；

选择性地去除牺牲层，以部分地从衬底层中释放可移动元件；

将第二材料提供到可移动元件上，以形成可移动元件的第二部分，第二部分具有第二杨氏模量和第二杨氏模量的第二温度系数；第二温度系数的符号与第一温度系数的符号至少在该MEMS谐振器的工作条件下是相反的，第一部分的横截面积和第二部分的横截面积是这样的：第一部分的杨氏模量的绝对温度系数与第一部分的横截面积的乘积对第二部分的杨氏模量的绝对温度系数与第二部分的横截面积的乘积的偏离不超过20％，横截面积是局部垂直于可移动元件测得的。

制造根据本发明的MEMS谐振器的方法提供了一种方便的制造具有第一部分和第二部分的可移动元件的方式，其中第一部分和第二部分具有不同的杨氏模量的温度系数。请注意，可以改变根据本发明的方法的步骤顺序。例如，在选择性去除牺牲层之前，可以在可移动元件上提供第二材料。类似蚀刻、沉积、CMP之类的传统步骤可以用于这个目的。

根据本发明的方法的有利实施例的特征在于，在提供半导体主体的步骤中，在牺牲层上提供顶层，其包括硅。硅是一种与标准工艺兼容的材料，因此，可以很容易地与其他器件和电路集成。

根据本发明的最后提及的实施例的改进方法中，提供第二材料的步骤包括氧化步骤，其中，可移动元件的至少一个侧壁的硅至少被转化为氧化硅。氧化(例如，热氧化)可以精确控制产生的氧化硅厚度。从而，通过硅的氧化形成适当厚度的氧化硅层，可以容易地将杨氏模量的有效热系数调谐为零。在热氧化过程中，可移动元件的硅被消耗掉，从而，包括硅的可移动元件的第一部分的体积减小，而可移动元件的第二部分的体积增大。

本发明还涉及一种包括MEMS谐振器的MEMS振荡器。根据本发明的MEMS谐振器的优点是它包括无源补偿技术。从而，MEMS谐振器和MEMS振荡器不需要任何反馈或控制电路，所以非常简单。在有源温度补偿技术中，对温度进行测量，并将信号反馈给控制电路，这使MEMS谐振器和MEMS振荡器非常复杂。

本发明还涉及一种包括这种MEMS振荡器的集成电路。在硅谐振器上形成氧化硅层与集成电路的工艺流程兼容。从而，根据本发明的MEMS谐振器使得可以进行单片集成MEMS振荡器的相对直接集成。

其他的特性可彼此结合，并可与任何方面结合。其他优点对本领域技术人员是清楚的。在不脱离本发明的权利要求的情况下，可以进行很多变化和变型。从而，应当可以清楚理解的是，本发明只是说明性的，不是为了限制本发明的范围。

附图说明

参照附图，通过示例的方式，描述本发明是如何生效的，其中：

图1a到图1e图示了一种制造根据本发明的方法的一个实施例的MEMS谐振器的方法；

图2图示了根据本发明的一个实施例的MEMS谐振器的可移动元件；以及

图3示出了描述本发明有效性的图。

具体实施方式

将关于特定的实施例和参照某些附图，对本发明进行描述，但是这不能被解释为一种限制情形，因为本发明只被所附的权利要求所限制。在权力要求中的任何参考标号不应当被视为对权利要求的范围的限制。描述的附图只是示意性和非限制性的。在附图中，为了说明目的，某些元件的尺寸被放大，没有按照比例绘制。这里，在本说明书和权利要求中采用了术语“包括”，它并不排除其他元件或步骤。当提到单数名词时所采用的定冠词或不定冠词，例如“一个”、“一种”、“该”，如果没有特别陈述的话，这包括多个那种名词。

而且，在说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”和类似术语用于进行类似元件之间的区分，并不必然用于描述连续的或按时间顺序的情形。应当理解的是，在适当的环境下，这样使用的术语是可以互换的，而且，这里描述的本发明的实施例可以工作在不是这里描述或说明的其他序列中。

杨氏模量是一种材料特性，其描述了它的硬度，并因此是MEMS谐振器的可移动元件的一种最重要的材料特性。杨氏模量和质量密度是确定谐振器的谐振频率的两种材料特性。用下式给出材料的杨氏模量：

E(T)＝E₀+α·ΔT

其中，E₀是在MEMS谐振器的工作条件下的杨氏模量，α是温度系数，ΔT是温度变化。

图1a到图1e图示了根据本发明的方法的实施例的制造工艺的各个阶段中的MEMS谐振器。

图1a涉及的是制造工艺的一个阶段，其中提供了半导体主体10。半导体主体10包括衬底层20、在衬底层20上提供的牺牲层30，和在牺牲层30上提供的顶层40。在本发明的一个实施例中，顶层40可以包括硅，但是其他材料也是可以的，例如，类似于锗(Ge)、类似砷化镓(GaAs)的III-V族半导体化合物、类似磷化铟的II-VI族半导体化合物以及其他材料。对于牺牲层30，可以采用类似氧化硅(SiO₂)的材料，但其他材料也是可以的。在硅被用作顶层40的材料，氧化硅(或其他绝缘材料)被用作牺牲层30的材料的情况下，还可以使用术语绝缘体上硅(SOI)。绝缘体上硅衬底/晶片在市场上是可以广泛地得到的，并可以以简单容易的方式生产。在图1a到图1e所示的示例中，采用了SOI衬底10，其中顶层40包括硅，以及其中绝缘(牺牲)层30包括二氧化硅。

图1b和图1c图示了制造工艺的其他阶段。在图1b中，提供了在其中具有开口55的有图案的掩模层50。例如，通过采用传统的光学平板印刷技术可以形成掩模层50图案，但还可以采用类似电子束平板印刷、离子束平板印刷和X射线平板印刷的其他技术。在这些技术中，图案被直接写在掩模层50上。在这个特定的示例中，采用了光刻技术。那么，掩模层50可以包括光致抗蚀剂层，但可以替换地(例如由氧化硅或氮化硅制成的)硬掩模。在图1c中，通过在掩模层50中的开口55，形成顶层40图案。从而，在顶层40中形成开口45，其对应于掩模层中的开口55。例如，通过采用干法蚀刻(例如DRIE蚀刻)可以实现这个步骤。蚀刻技术为本领域技术人员所知。形成开口45，以便他们使位于顶层40下的牺牲层30暴露。还形成间隙46、47，其限定了要被制造的MEMS谐振器的可移动元件48。

在图1d中，示出了制造工艺的另一个阶段，局部地(至少在可移动元件的下面)去除牺牲层30，以部分地释放可移动元件48。例如，可以通过选择性的湿法蚀刻步骤来完成这个目的。选择性蚀刻技术也为本领域技术人员所知。可移动元件被提供了固支区域(图中未示出)。在这个特定的示例中，可移动元件(48)(至少)在垂直于间隙46、47的侧壁的方向上是可移动的。然而，还存在其他类型的MEMS谐振器，例如纵模谐振器。

MEMS谐振器的可移动元件通常包括的材料的杨氏模量的温度系数是负的。例如，硅的杨氏模量的温度系数通常是-88ppm/K。由此，硅基谐振器的谐振频率可以最大漂移-45ppm/K，这对于(例如)参考振荡器中的应用通常太大了。

图1e图示了根据本发明的方法的一个实施例的MEMS谐振器的制造工艺的另一个阶段。在这个实施例中，可移动元件48被提供了氧化硅层60。在完成这个的同时，形成了具有负的杨氏模量的温度系数的可移动元件48的第一部分A(包括硅)以及形成了具有正的杨氏模量的温度系数的可移动元件48的第二部分B(包括氧化硅)。第一部分A和第二部分B的横截面积是技术人员可以用来将可移动元件的绝对有效温度系数调谐为较低的值甚至为零的参数。在图1e所示的示例中，形成一定厚度的氧化硅层60以实现适当的温度补偿(杨氏模量的温度系数很低或为零)是一个问题。

可以通过各种方法来完成氧化硅的形成，其中一个方法是热氧化。热氧化是本领域技术人员所公知的一种工艺。在热氧化硅的情况下，与所示示例中的情况一样，氧化通常是在包括O₂或H₂O的环境中在大约1000℃温度下完成的。氧化(例如，热氧化)能非常精确地控制产生的氧化硅的厚度。从而，通过形成适当厚度的氧化硅层60的硅的氧化，可以很容易地将可移动元件48的杨氏模量的有效热系数调谐到零。在热氧化过程中，消耗了可移动元件48的硅，从而，可移动元件的包括硅的第一部分A的体积减小，而可移动元件48的第二部分B的体积增大。在S.Wolf的“Silicon Processing”，Vol.1，pp.198-241中可以发现关于热氧化的更多信息。

在图1e中，在所有没有被硅覆盖的位置上，特别是可移动元件48上生长二氧化硅SiO₂(电介质)。然而，通过局部提供覆盖层或通过提供保护性层，可以防止在特定位置上的氧化硅的生长。可替换地，除了硅以外，可以在顶层40中采用不同的材料，以便只有硅被氧化。一种公知的采用这种原理的隔离技术叫做硅局部氧化(LocalOxidation Of Silicon，LOCOS)。在LOCOS中，采用氮化硅(Si₃N₄)层来避免氧化。从而，这种技术使得可以只在可移动元件的特定部分上提供电介质。

可替换地，代替氧化，可以将电介质(例如氧化硅)沉积在可移动元件48上。存在几种用于沉积的技术，比如原子层沉积(ALD)和低压气相沉积(LPCVD)。可以采用倾斜/阴影沉积技术来保证在可移动元件48的侧壁上沉积电介质。在S.Wolf的“SiliconProcessing”，Vol.1，pp.374中可以发现关于阴影沉积技术的更多信息。

当前，硅和氧化硅看起来是与标准工艺最兼容的。然而，技术人员可以选择具有相反符号的温度系数的其他材料。这种变化不脱离本发明的范围。而且，在沉积的情况下，关于可移动元件48的第一部分A和第二部分B的材料选择有更少的限制。

在图1e所示的阶段之前或之后，可以执行各种其他步骤来完成该产品，诸如：

部分去除生长/沉积的氧化物；

形成电极；

形成键合焊盘；

形成其他电路；等等。

上述步骤对本领域技术人员是公知的。

参照图2和图3，进行仿真来证实本发明。图2示出了用于这些仿真的模型，图3示出了结果。图2示出了纵模MEMS谐振器的可移动元件48，其在其表面具有氧化硅层60(形成可移动元件48的部分B)。在该示例中，可移动元件48的第一部分(内部部分)A包括硅。纵模MEMS谐振器是其中的可移动元件48在纵向上移动(从电极移动到电极，图中未示出)的谐振器。从而，可移动元件48的长度随时间变化。用图2中的两个箭头D1、D2来指示这些运动。可运动元件48被位于中间的两个锚状物70、80所固定。

氧化硅层60的厚度被用作仿真的参数。作为示例，在三个不同的仿真中，对纵模MEMS谐振器的谐振频率的温度漂移进行了仿真。

1)无氧化硅(图3中的曲线P1)

2)300nm的氧化硅(图3中的曲线P2)；

3)500nm的氧化硅(图3中的曲线P3)。

在图3中，对三种不同的情况，绘制了MEMS谐振器的标准化谐振频率。从图3中可以推出，当提供了300nm的氧化硅时，温度漂移从-44ppm/K(曲线P1)减小到-13ppm/K(曲线P2)。通过更进一步地将氧化硅的厚度增大到500nm，甚至可以得到+3.5ppm/K的正温度漂移。从而，这意味着已经实现了杨氏模量的正的有效温度系数。从图3中，可以得出如下结论：对于这个特定的实施例，在300nm到500nm范围内的氧化硅厚度使得可以得到合适的温度补偿(温度系数等于零)。这些结果证明了本发明的有效性。

显然，出现这种温度补偿的位置上的厚度取决于各种设计参数(长度、厚度、宽度、材料等等)。然而，对于技术人员而言，只有几个实验就足以发现合适的氧化物厚度。

如下可以实现温度系数的最小化。可以用下式给出第一部分A和第二部分B的杨氏模量：

E(T)_A，B＝E_0A，B+α_A，B·ΔT

在可移动元件包括两个部分A、B的情况下，由下式给出可移动元件的有效温度系数：

α_{eff} = \frac{A_{A} \cdot α_{A} + A_{B} \cdot α_{B}}{A} = \frac{A_{A} \cdot α_{A} + A_{B} \cdot α_{B}}{A_{A} + A_{B}}

其中，A_A是第一部分A的横截面面积，A_B第二部分B的横截面面积，以及其中，α_A是可移动元件的第一部分的杨氏模量的温度系数，α_B是可移动元件的第二部分的杨氏模量的温度系数。

在根据本发明的MEMS谐振器中，可以实现任意有效的温度系数，该温度系数介于可移动元件的第一部分的杨氏模量的温度系数和可移动元件的第二部分的杨氏模量的温度系数之间。实际上，接近零的有效温度系数最有利。影响将这个系数调谐为零的精度的因素是可移动元件的第一部分的初始横截面面积和可移动元件的第一部分的横截面面积。

满足下列条件时，有效温度系数等于零(并因此被最小化)：

A_A·α_A+A_B·α_B＝0

横截面积的比率应当满足以下要求：

A_{A} \cdot α_{A} = - A_{B} \cdot α_{B}

&DoubleRightArrow; \frac{A_{A}}{A_{B}} = - \frac{α_{B}}{α_{A}}

一旦已知所需的横截面面积的比率，可以很容易地计算出所需氧化层的厚度。

在本发明的一个变化中，MEMS谐振器被提供了具有第三部分的可移动元件，该第三部分有具有第三杨氏模量，第三杨氏模量具有第三温度系数。在这种MEMS谐振器中，至少第一、第二或第三部分中的一个部分的杨氏模量的温度系数必须具有与其他部分的温度系数相反的符号。那么，有效温度系数的等式可以表示为：

α_{eff} = \frac{A_{A} \cdot α_{A} + A_{B} \cdot α_{B} + A_{C} \cdot α_{C}}{A} = \frac{A_{A} \cdot α_{A} + A_{B} \cdot α_{B} + A_{C} \cdot α_{C}}{A_{A} + A_{B} + A_{C}}

其中，A_C是第三部分的横截面面积，α_C是可移动元件的第三部分的杨氏模量的温度系数。

如果满足下列条件，有效温度系数等于零：

A_A·α_A+A_B·α_B+A_C·α_C＝0

从而，本发明提供了一种有吸引力的MEMS谐振器，其具有更好的谐振频率的温度补偿，其比现有技术已知的MEMS谐振器简单。本发明还提供了制造这种谐振器的方法。

Claims

1.一种MEMS谐振器，其包括可移动元件(48)，所述可移动元件(48)包括具有第一杨氏模量和第一杨氏模量的第一温度系数的第一部分(A)，所述可移动元件(48)还包括具有第二杨氏模量和第二杨氏模量的第二温度系数的第二部分(B)，第二温度系数的符号与第一温度系数的符号至少在该MEMS谐振器的工作条件下是相反的，第一部分(A)的横截面积和第二部分(B)的横截面积是这样的：第一部分(A)的杨氏模量的绝对温度系数与第一部分(A)的横截面积的乘积对第二部分(B)的杨氏模量的绝对温度系数与第二部分(B)的横截面积的乘积的偏离不超过20％，横截面积是局部垂直于可移动元件(48)测得的。

2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于可移动元件(48)的第一部分(A)的横截面面积被可移动元件(48)的第二部分(B)的横截面面积除的比率大约等于可移动元件(48)的第二部分(B)的杨氏模量的负的温度系数被可移动元件(48)的第一部分(A)的杨氏模量的温度系数除的另一比率。

3.根据之前任何一项权利要求所述的MEMS谐振器，其特征在于第一部分(A)或第二部分(B)包括硅，而另一部分包括氧化硅。

4.一种制造MEMS谐振器的方法，其包括下列步骤：

提供半导体主体(10)，该半导体主体(10)包括衬底层(20)、在衬底层(20)上提供的牺牲层(30)和在牺牲层(30)上提供的顶层(40)，顶层(40)包括用以形成可移动元件的第一部分(A)的第一材料，第一部分(A)具有第一杨氏模量和第一杨氏模量的第一温度系数；

形成顶层(40)图案以限定可移动元件(48)；

选择性地去除牺牲层(30)，以部分地从衬底层(20)释放可移动元件(48)；

将第二材料提供到可移动元件(48)上，以形成可移动元件(48)的第二部分(B)，第二部分(B)具有第二杨氏模量和第二杨氏模量的第二温度系数，第二温度系数的符号与第一温度系数的符号至少在该MEMS谐振器的工作条件下是相反的，第一部分(A)的横截面积和第二部分(B)的横截面积是这样的：第一部分(A)的杨氏模量的绝对温度系数与第一部分(A)的横截面积的乘积对第二部分(B)的杨氏模量的绝对温度系数与第二部分(B)的横截面积的乘积的偏离不超过20％，横截面积是局部垂直于可移动元件(48)测得的。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在提供半导体主体(10)的步骤中，在牺牲层(30)上提供包括硅的顶层(40)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于提供第二材料的步骤包括氧化步骤，其中可移动元件(48)的至少一个侧壁上的硅至少被转化为氧化硅。

7.一种MEMS振荡器，其包括根据权利要求1到3中的任何一项权利所述的MEMS谐振器。

8.一种集成电路，其包括根据权利要求7所述的MEMS振荡器。