CN103312291A

CN103312291A - 静电梳齿谐振器

Info

Publication number: CN103312291A
Application number: CN2013102439555A
Authority: CN
Inventors: 薛惠琼; 王玮冰; 田龙坤
Original assignee: Jiangsu IoT Research and Development Center
Current assignee: China core Microelectronics Technology Chengdu Co.,Ltd.
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-06-19
Also published as: CN103312291B

Abstract

本发明涉及一种静电梳齿谐振器，包括上下锚点、第一叉指电容、第二叉指电容、第三叉指电容、第四叉指电容、上下弹性梁、振子质量块和左右锚点，振子质量块包括左部质量块和右部质量块；其特征是：所述左部质量块左侧的中部向左部质量块右侧凹进形成左部槽体，右部质量块右侧的中部向右部质量块左侧凹进形成右部槽体；在所述左部质量块的上部和下部的左侧面上设有第一叉齿电容，在右部质量块的上部和下部的右侧面上设有第二叉指电容；在所述左锚点上设有第三叉指电容，在右锚点上设有第四叉电容；所述第一叉指电容与第三叉指电容等距离交叉配置，第二叉指电容与第四叉指电容等距离交叉配置。本发明避免了质量块翘起从而影响谐振器正常工作的隐患，从而避免了制造过程中质量块翘起从而影响谐振器正常工作的隐患。

Description

静电梳齿谐振器

技术领域

本发明涉及一种静电梳齿谐振器，尤其是一种基于CMOS DPTM（Double Poly Triple Metal）混合信号工艺的静电梳齿谐振器，属于MEMS器件设计制造技术领域。

背景技术

随着科技的发展，MEMS 技术在军民应用中越来越广泛。微结构的机械振动可以用很多方法来激励，例如：压电、热膨胀、静电力和静磁力，而由于用静电力激励的方式简单，工艺上又能与微机械加工技术兼容，所以静电梳齿谐振器成为了MEMS 中一种重要的基础功能单元。静电梳齿谐振器具有能实现机械能和其他能量之间的转换、可以产生较大的振动幅值、设计灵活等优点，可广泛用于微谐振器、微滤波器、微执行器等微电子机械系统（MEMS）器件中，在射频通信、国防军工、消费电子等领域有着十分重要的作用。

基于制造方法，微机械器件可以被划分为两大类：体材料加工得到的微机械器件和表面薄膜加工得到的微机械器件。体微谐振器相比于表面薄膜微谐振器有较高的灵敏度和较低的噪声。但是表面微机械技术的优势是相对低的制造成本，同时也能容易地实现 MEMS 和信号检测电路的单片集成。通过对比一系列 MEMS 工艺，发现 CMOS MEMS 工艺最容易实现低成本和高性能的结合。这主要是因为 CMOS MEMS 工艺可以使用标准CMOS 工艺线加工 MEMS 系统，从而实现了低成本。同时该工艺允许 MEMS 器件和检测电路间采用金属互连，而且这两个模块可以布置的很近，这大大减小了互连寄生参数，从而保证了高精度和低噪声性能。

现有的谐振器结构一般都是体材料加工得到的微机械器件，表面微机械技术的优势是相对低的制造成本，同时也能容易地实现MEMS和信号检测电路的单片集成，但是释放过程中会因为各层材料的应力不匹配造成部分结构发生翘曲，从而影响到谐振器的正常工作。现有谐振器的结构一般包括设有梳齿的质量块，梳齿与电极交叉设置，由于质量块上连接一排梳齿，质量块的结构一般呈长条形；这种结构导致质量块由于应力不匹配而造成两端翘起，在实际使用时，影响到谐振器的正常工作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种静电梳齿谐振器，该静电梳齿谐振器性能稳定，并且制造成本低。

按照本发明提供的技术方案，所述静电梳齿谐振器，包括基底及基底上的结构层，结构层包括上锚点、下锚点、第一叉指电容、第二叉指电容、第三叉指电容、第四叉指电容、上弹性梁、下弹性梁、振子质量块、左锚点和右锚点；所述振子质量块包括左部质量块和右部质量块，左部质量块和右部质量块由连接梁连接；所述上弹性梁和下弹性梁分别包括多条折梁，上弹性梁的折梁分别连接上锚点和振子质量块，下弹性梁的折梁分别连接下锚点和振子质量块；其特征是：所述左部质量块左侧的中部向左部质量块右侧凹进形成左部槽体，左部槽体将左部质量块分隔形成上下两部分；所述右部质量块右侧的中部向右部质量块左侧凹进形成右部槽体，右部槽体将右部质量块分隔形成上下两部分；在所述左部质量块的上部和下部的左侧面上设有梳齿状排列的第一叉齿电容，在右部质量块的上部和下部的右侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容；在所述左锚点靠近左部质量块的侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容，在右锚点靠近右部质量块的侧面上设有梳齿状排列的第四叉电容；所述第一叉指电容位于两个第三叉指电容的空隙之间，且第一叉指电容与第三叉指电容呈等距离的交叉配置；所述第二叉指电容位于两个第四叉指电容的空隙之间，且第二叉指电容与第四叉指电容呈等距离的交叉配置。

所述基底为硅基底。

所述第一叉指电容、第二叉指电容、第三叉指电容、第四叉指电容、上弹性梁、下弹性梁、振子质量块和连接梁的结构为垂直沉积叠加结构，该垂直沉积叠加结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属铝图层、第二介质层、第二金属铝图层、第三介质层、第三金属铝图层和钝化层，第一金属铝图层和第二金属铝图层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接，第二金属铝图层和第三金属铝图层由设置在第三介质层中的第二钨塞连接；在该垂直沉积叠加结构上刻蚀形成多个垂直于基底的侧墙，侧墙由钝化层的上表面延伸至基底的上表面，在该垂直沉积叠加结构下部的基底上设置悬空结构。

所述悬空结构在宽度方向上由基底一侧向基底的另一侧延伸，且悬空结构的宽度小于基底的宽度；所述悬空结构在高度方向上由基底的上表面向基底的下表面延伸，且悬空结构的高度小于基底的高度。

所述上锚点、下锚点、左锚点和右锚点上包括凹陷部和凸出部；所述凸出部的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属铝图层、第二介质层、第二金属铝图层、第三介质层、第三金属铝图层和钝化层，第一金属铝图层和第二金属铝图层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接，第二金属铝图层和第三金属铝图层由设置在第三介质层中的第二钨塞连接；所述凹陷部的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属铝图层、第二介质层、第二金属铝图层和第三介质层，第一金属铝图层和第二金属铝图层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接。

所述凸出部位于凹陷部的表面，凸出部为一侧开口的矩形框体，该矩形框体的三条边依次与凹陷部的三条边缘相平行，矩形框体的开口一侧延伸至凹陷部的边缘。

本发明具有以下优点：（1）本发明所述的静电梳齿谐振器的微机械结构和检测电路间使用金属进行互连，相比于在多晶表面 MEMS 微谐振器中用多晶硅做互连线，金属互连线的电阻很小，这就极大的减小了互连线的电阻热噪声，有利于提高微谐振器的灵敏度；（2）本发明在微结构悬梁下有比较大的空隙层而且接口电阻可以布置在离CMOS MEMS微谐振器很近的位置，所以互连线产生的寄生电容也比多晶硅 MEMS 微谐振器中的寄生电容小很多；而且微机械结构中包含多个金属层，这就使得更加复杂、灵活的布线连接成为可能；（3）本发明所述质量块采用中部设置槽体的结构，避免了质量块在长度方向上翘起的现象，解决了质量块翘起影响谐振器正常工作的缺陷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2～图12为本发明的制造工艺流程图，其中：

图2为得到第一介质层的示意图。

图3为得到第一金属铝图层的示意图。

图4为得到第二介质层的示意图。

图5为在第二介质层中填充第一钨塞的示意图。

图6为得到第二金属铝图层的示意图。

图7为得到第三介质层的示意图。

图8为在第三介质层中填充第二钨塞的示意图。

图9为得到第三金属铝图层的示意图。

图10为得到钝化层的示意图。

图11为刻蚀形成侧墙后的示意图。

图12为得到悬空结构后的示意图。

图13为左锚点、右锚点、上锚点和下锚点的剖视图。

图14为图13的俯视图。

图中的序号为：上锚点1-1、下锚点1-2、第一叉指电容2-1、第二叉指电容2-2、第三叉指电容2-3、第四叉指电容2-4、上弹性梁3-1、下弹性梁3-2、左部质量块4-1、左部槽体4-11、右部质量块4-2、右部槽体4-21、连接梁5、左锚点6-1、右锚点6-2、基底7、第一介质层8、第一金属铝图层9、第二介质层10、第一钨塞11、第二金属铝图层12、第三介质层13、第二钨塞14、第三金属铝图层15、钝化层16、侧墙17、悬空结构18、凹陷部19、凸出部20。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所述静电梳齿谐振器包括基底7及基底7上的结构层，结构层包括上锚点1-1、下锚点1-2、第一叉指电容2-1、第二叉指电容2-2、第三叉指电容2-3、第四叉指电容2-4、上弹性梁3-1、下弹性梁3-2、振子质量块、左锚点6-1和右锚点6-2，左锚点6-1和右锚点6-2均呈长方块状，上锚点1-1和下锚点1-2呈方块状；所述振子质量块包括左部质量块4-1和右部质量块4-2，左部质量块4-1和右部质量块4-2由连接梁5连接；所述上弹性梁3-1和下弹性梁3-2分别包括四条折梁，上弹性梁3-1的四条折梁分别连接上锚点1-1和振子质量块，下弹性梁3-2的四条折梁分别连接下锚点1-2和振子质量块；

如图1所示，所述左部质量块4-1左侧的中部向左部质量块4-1右侧凹进形成左部槽体4-11，左部槽体4-11将左部质量块4-1分隔形成上下两部分；所述右部质量块4-2右侧的中部向右部质量块4-2左侧凹进形成右部槽体4-21，右部槽体4-21将右部质量块分隔形成上下两部分；在所述左部质量块4-1的上部和下部（除了左部槽体4-11的部分）的左侧面上设有梳齿状排列的第一叉齿电容2-1，在右部质量块4-2的上部和下部（除了右部槽体4-21的部分）的右侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容2-2；在所述左锚点6-1靠近左部质量块4-1的侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容2-3，在右锚点6-2靠近右部质量块4-2的侧面上设有梳齿状排列的第四叉电容2-4；所述第一叉指电容2-1位于两个第三叉指电容2-3的空隙之间，且第一叉指电容2-1与第三叉指电容2-3呈等距离的交叉配置；所述第二叉指电容2-2位于两个第四叉指电容2-4的空隙之间，且第二叉指电容2-2与第四叉指电容2-4呈等距离的交叉配置；工作的时候振子振子质量块连接的第一叉指电容结构2-1和第二叉指电容2-2和左锚点4-1连接的第三叉指电容结构2-3、右锚点4-2连接的第四叉指电容2-4在上弹性梁3-1、下弹性梁3-2的弹力下相互作用，改变总电容量；

本发明中左部质量块4-1和右部质量块4-2分别由左部槽体4-11和右部槽体4-21分隔形成上下两部分，这种结构可以避免左部质量块4-1和右部质量块4-2刻蚀过程中因为多层次材料应力不匹配而形成翘曲，从而影响总电容，导致期间性能下降；

其中，所述的基底7为硅基底；

其中，所述第一叉指电容2-1、第二叉指电容2-2、第三叉指电容2-3、第四叉指电容2-4、上弹性梁3-1、下弹性梁3-2、振子质量块和连接梁5的结构为垂直沉积叠加结构，如图12所示，该垂直沉积叠加结构自底层向上依次为第一介质层8、第一金属铝图层9、第二介质层10、第二金属铝图层12、第三介质层13、第三金属铝图层15和钝化层16，第一金属铝图层9和第二金属铝图层12由设置在第二介质层10中的第一钨塞11连接，第二金属铝图层12和第三金属铝图层15由设置在第三介质层13中的第二钨塞14连接；在该垂直沉积叠加结构上刻蚀形成多个垂直于基底7的侧墙17，侧墙17由钝化层16的上表面延伸至基底7的上表面，在该垂直沉积叠加结构下部的基底7上设置悬空结构18；所述悬空结构18在宽度方向上由基底7的一侧向基底7的另一侧延伸，且悬空结构18的宽度小于基底7的宽度；所述悬空结构18在高度方向上由基底7的上表面向基底7的下表面延伸，且悬空结构18的高度小于基底7的高度；所述第一叉指电容2-1、第二叉指电容2-2、第三叉指电容2-3和第四叉指电容2-4主要由第一金属铝图层9、第二金属铝图怪12和第三金属铝图层15通过第二介质层10和第三介质层13上的第一钨塞11和第二钨塞14相连接处于等电势，构成极板；

如图13所示，所述上锚点1-1、下锚点1-2、左锚点6-1和右锚点6-2上包括凹陷部19和凸出部20；所述凸出部20的结构自底层向上依次为第一介质层8、第一金属铝图层9、第二介质层10、第二金属铝图层12、第三介质层13、第三金属铝图层15和钝化层16，第一金属铝图层9和第二金属铝图层12由设置在第二介质层10中的第一钨塞11连接，第二金属铝图层12和第三金属铝图层15由设置在第三介质层13中的第二钨塞14连接；所述凹陷部19的结构自底层向上依次为第一介质层8、第一金属铝图层9、第二介质层10、第二金属铝图层12和第三介质层13，第一金属铝图层9和第二金属铝图层12由设置在第二介质层10中的第一钨塞11连接；

如图14所示，所述凸出部20位于凹陷部19的表面，凸出部20为一侧开口的矩形框体，该矩形框体的三条边依次与凹陷部19的三条边缘相平行，矩形框体的开口一侧延伸至凹陷部19的边缘，矩形框体的开口一侧朝向锚点与叉指电容连接的一侧；

所述第一叉指电容2-1与第三叉指电容2-3相交长度为5～70μm，所述第二叉指电容2-2与第四叉指电容2-4相交长度为5～70μm。

制备上述静电梳齿谐振器的方法，采用以下工艺步骤：

第一步：如图2所示，在硅基底7上淀积SiO₂ 或Si₃N₄介质，得到第一介质层8；

第二步：如图3所示，在第一介质层8上根据工艺规则和器件需求选择掩膜版淀积得到第一金属铝图层9，第一介质层8和第一金属铝图层9无电学相关；在掩膜版上设置释放孔，第一金属铝图层9上通过掩膜版形成释放孔，为后续器件释放作准备，该释放孔的大小为2×2μm～20×20μm；

第三步：如图4所示，在第一金属铝图层9上淀积SiO₂或Si₃N₄介质，得到第二介质层10；

第四步：如图5所示，在第二介质层10上根据工艺规则和器件需求选择掩膜版做通孔，并在通孔中填充第一钨塞11，第一钨塞11用于连接第一金属铝图层9和第二金属铝图层12；

第五步：如图6所示，在第二介质层10上根据工艺规则和器件需求选择掩膜版淀积得到第二金属铝图层12，第一金属铝图层9和第二金属铝图层12通过第一钨塞11相连；在掩膜版上设置释放孔，第二金属铝图层12上通过掩膜版形成释放孔，为后续器件释放作准备，该释放孔的大小为2×2μm～20×20μm；

第六步：如图7所示，在第二金属铝图层12上淀积SiO₂或Si₃N₄介质，得到第三介质层13；

第七步：如图8所示，在第三介质层13上根据工艺规则和器件需求选择掩膜版做通孔，并在通孔中填充第二钨塞14，第二钨塞14用于连接第二金属铝图层12和第三金属铝图层15；

第八步：如图9所示，在第三介质层13上根据工艺规则和器件需求选择掩膜版淀积得到第三金属铝图层15，第三金属铝图层15与第二金属铝图层12通过第二钨塞14连接；在掩膜版上设置释放孔，第三金属铝图层15上通过掩膜版形成释放孔，为后续器件释放作准备，该释放孔的大小为2×2μm～20×20μm；

第九步：如图10所示，选择掩膜版在第三金属铝图层15上表面形成钝化层16，钝化层16的掩膜版设置释放孔，为后续器件释放作准备；

第十步：利用第三金属铝图层15做掩膜版在CMOS工艺后添加两步干法刻蚀来释放微机械结构；如图11所示，利用第三金属铝图层15作掩膜版进行干法刻蚀，具体为采用 CHF₃和 He混合气体进行各向异性反应离子刻蚀除去没有金属铝覆盖的 SiO₂介质直到到达硅基底，形成垂直于硅基底的侧墙17；

第十一步：如图12所示，使用He和 O₂混合气体进行各向同性离子刻蚀，以去除微结构梁下的Si来释放相应的微结构，从而在硅基底上形成悬空结构18。

Claims

1.一种静电梳齿谐振器，包括基底（7）及基底（7）上的结构层，结构层包括上锚点（1-1）、下锚点（1-2）、第一叉指电容（2-1）、第二叉指电容（2-2）、第三叉指电容（2-3）、第四叉指电容（2-4）、上弹性梁（3-1）、下弹性梁（3-2）、振子质量块、左锚点（6-1）和右锚点（6-2）；所述振子质量块包括左部质量块（4-1）和右部质量块（4-2），左部质量块（4-1）和右部质量块（4-2）由连接梁（5）连接；所述上弹性梁（3-1）和下弹性梁（3-2）分别包括多条折梁，上弹性梁（3-1）的折梁分别连接上锚点（1-1）和振子质量块，下弹性梁（3-2）的折梁分别连接下锚点（1-2）和振子质量块；其特征是：所述左部质量块（4-1）左侧的中部向左部质量块（4-1）右侧凹进形成左部槽体（4-11），左部槽体（4-11）将左部质量块（4-1）分隔形成上下两部分；所述右部质量块（4-2）右侧的中部向右部质量块（4-2）左侧凹进形成右部槽体（4-21），右部槽体（4-21）将右部质量块分隔形成上下两部分；在所述左部质量块（4-1）的上部和下部的左侧面上设有梳齿状排列的第一叉齿电容（2-1），在右部质量块（4-2）的上部和下部的右侧面上设有梳齿状排列的第二叉指电容（2-2）；在所述左锚点（6-1）靠近左部质量块（4-1）的侧面上设有梳齿状排列的第三叉指电容（2-3），在右锚点（6-2）靠近右部质量块（4-2）的侧面上设有梳齿状排列的第四叉电容（2-4）；所述第一叉指电容（2-1）位于两个第三叉指电容（2-3）的空隙之间，且第一叉指电容（2-1）与第三叉指电容（2-3）呈等距离的交叉配置；所述第二叉指电容（2-2）位于两个第四叉指电容（2-4）的空隙之间，且第二叉指电容（2-2）与第四叉指电容（2-4）呈等距离的交叉配置。

2.如权利要求1所述的静电梳齿谐振器，其特征是：所述基底（7）为硅基底。

3.如权利要求1所述的静电梳齿谐振器，其特征是：所述第一叉指电容（2-1）、第二叉指电容（2-2）、第三叉指电容（2-3）、第四叉指电容（2-4）、上弹性梁（3-1）、下弹性梁（3-2）、振子质量块和连接梁（5）的结构为垂直沉积叠加结构，该垂直沉积叠加结构自底层向上依次为第一介质层（8）、第一金属铝图层（9）、第二介质层（10）、第二金属铝图层（12）、第三介质层（13）、第三金属铝图层（15）和钝化层（16），第一金属铝图层（9）和第二金属铝图层（12）由设置在第二介质层（10）中的第一钨塞（11）连接，第二金属铝图层（12）和第三金属铝图层（15）由设置在第三介质层（13）中的第二钨塞（14）连接；在该垂直沉积叠加结构上刻蚀形成多个垂直于基底（7）的侧墙（17），侧墙（17）由钝化层（16）的上表面延伸至基底（7）的上表面，在该垂直沉积叠加结构下部的基底（7）上设置悬空结构（18）。

4.如权利要求3所述的静电梳齿谐振器，其特征是：所述悬空结构（18）在宽度方向上由基底（7）的一侧向基底（7）的另一侧延伸，且悬空结构（18）的宽度小于基底（7）的宽度；所述悬空结构（18）在高度方向上由基底（7）的上表面向基底（7）的下表面延伸，且悬空结构（18）的高度小于基底（7）的高度。

5.如权利要求1所述的静电梳齿谐振器，其特征是：所述上锚点（1-1）、下锚点（1-2）、左锚点（6-1）和右锚点（6-2）上包括凹陷部（19）和凸出部（20）；所述凸出部（20）的结构自底层向上依次为第一介质层（8）、第一金属铝图层（9）、第二介质层（10）、第二金属铝图层（12）、第三介质层（13）、第三金属铝图层（15）和钝化层（16），第一金属铝图层（9）和第二金属铝图层（12）由设置在第二介质层（10）中的第一钨塞（11）连接，第二金属铝图层（12）和第三金属铝图层（15）由设置在第三介质层（13）中的第二钨塞（14）连接；所述凹陷部（19）的结构自底层向上依次为第一介质层（8）、第一金属铝图层（9）、第二介质层（10）、第二金属铝图层（12）和第三介质层（13），第一金属铝图层（9）和第二金属铝图层（12）由设置在第二介质层（10）中的第一钨塞（11）连接。

6.如权利要求5所述的静电梳齿谐振器，其特征是：所述凸出部（20）位于凹陷部（19）的表面，凸出部（20）为一侧开口的矩形框体，该矩形框体的三条边依次与凹陷部（19）的三条边缘相平行，矩形框体的开口一侧延伸至凹陷部（19）的边缘。