CN110113006A - 可集成式硅振荡器结构及其制备方法 - Google Patents

可集成式硅振荡器结构及其制备方法 Download PDF

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CN110113006A CN201910352638.4A CN201910352638A CN110113006A CN 110113006 A CN110113006 A CN 110113006A CN 201910352638 A CN201910352638 A CN 201910352638A CN 110113006 A CN110113006 A CN 110113006A
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黄向向
杨敏
道格拉斯·雷·斯巴克斯
关健
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/02—Details
    • H03B5/04—Modifications of generator to compensate for variations in physical values, e.g. power supply, load, temperature
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    • H03B5/02—Details
    • H03B5/06—Modifications of generator to ensure starting of oscillations

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Abstract

可集成式硅振荡器结构，其特征在于：所述的可集成式硅振荡器结构，有三种谐振器的结构，MEMS芯片与CMOS集成电路通过键合工艺集成在一起，在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器，单独的MEMS硅谐振器，集成电路芯片也是单独的。一种可集成式硅振荡器结构的制备方法，其特征在于：在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器，单独的MEMS硅谐振器，集成电路芯片也是单独的；键合工艺可以是共晶键合、硅‑硅直接键合、玻璃浆料键合等工艺的一种；在CMOS集成电路上直接制备硅振荡器；单独MEMS硅振荡器。本发明的优点：防震效果是传统石英晶振产品的25倍，具有不受振动影响、不易碎的特点。还具有可集成度高、可编程、尺寸小、功耗小等优点。

Description

可集成式硅振荡器结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别涉及了可集成式硅振荡器结构及其制备方法。
背景技术
目前，市场上常用的振荡器是石英振荡器也叫石英晶振。石英晶振就是用石英材料做成的石英晶体谐振器，俗称晶振，常规产品结构复杂，制备工艺复杂，生产困难。
发明内容
本发明的目的是为了实现结构合理，简化制备工艺，特提供了可集成式硅振荡器结构及其制备方法。
本发明提供了可集成式硅振荡器结构，其特征在于：所述的可集成式硅振荡器结构，有三种谐振器的结构，MEMS芯片与CMOS集成电路通过键合工艺集成在一起，在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器，单独的MEMS硅谐振器，集成电路芯片也是单独的；
MEMS谐振器通过键合工艺与CMOS集成电路集成在一起；与CMOS电路键合集成硅振荡器器结构，分为三种结构：
第一种结构：带有引线键合盘的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器，由腔体晶圆1，吸气剂5，微谐振器3，键合区域2，CMOS集成电路6，引线键合盘7，衬底8组成；
第二种结构：带有硅通孔金属连接的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器，由腔体晶圆1，吸气剂5，微谐振器3，键合区域2，CMOS集成电路6，硅通孔7，金属凸块8组成；
第三种结构：带有热控制的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器；
由腔体晶圆1、吸气剂5、微谐振器3、键合区域2、CMOS集成电路6、硅通孔7和金属凸块8组成，热控制金属线条12，热隔离槽13组成；此种结构可以始终保持硅谐振器的温度为常数，可以在外部温度环境变化更大的时候提供稳定的输出频率；
腔体晶圆1：由硅、SOI晶圆、带有外延层的硅晶圆构成；
吸气剂2：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
微谐振器3：由硅组成，属于腔体晶圆一部分，通过光刻，刻蚀等工艺在腔体晶圆上制备而成；
键合区域4：腔体晶圆1与CMOS集成电流晶圆5通过键合工艺结合成为一个整体，键合区域4就是腔体晶圆1与CMOS集成电流晶圆5的连接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅-硅直接键合、玻璃浆料键合等工艺的一种；
CMOS集成电路晶圆5：由硅材料组成，为谐振器提供电学处理功能；
引线键合盘6：由Al，Cu等金属材料组成，为振荡器提供外部电学连接；
硅通孔7：用于振荡器外部电学连接用，硅通孔中填充铜金属作为电学介质；
金属凸块8：与硅通孔中通金属连接，用于电学连接用，由铜或其他金属材料组成；
热控制金属12：通过金属沉积工艺，当通过电流时产生热量，用于调节硅谐振器的温度，使其温度始终为常数，提供更稳定的频率输出。
一种可集成式硅振荡器结构的制备方法，其特征在于：
第一种制备方法：MEMS谐振器通过键合工艺与CMOS集成电路集成在一起；
在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器，单独的MEMS硅谐振器，集成电路芯片也是单独的；键合工艺可以是共晶键合、硅-硅直接键合、玻璃浆料键合等工艺的一种；
可与CMOS电路键合集成的硅振荡器工艺流程：
在腔体晶圆1利用光刻、刻蚀、释放等工艺制备硅谐振器结构3与腔体结构；
在腔体晶圆1，利用物理气相沉积技术在腔体晶圆1内部，环绕硅谐振器3沉积吸气剂5；
在衬底8上利用CMOS集成电路工艺制备CMOS集成电路；
在CMOS集成电路制备完成后，制备金属连接线，金属连接线也可以作为键合区域2金属使用；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆1与制备完成硅谐振器与CMOS集成电路的SOI晶圆结合成一体；
第二种制备方法：在CMOS集成电路上直接制备硅振荡器；
在CMOS集成电路上直接制备硅振荡器分为两种结构：在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器与在CMOS集成电路上直接制备硅压电式谐振器；
在CMOS集成电路上直接制备的硅振荡器由腔体晶圆1，键合区域2，硅谐振器3，埋层氧化层4，吸气剂5，CMOS集成电路6，引线键合区域7，衬底8,压电叠层9，硅通孔连接11组成；其中3，4，8组成SOI晶圆10；
腔体晶圆1：由硅晶圆或是玻璃晶圆构成；
键合区域2：腔体晶圆1与SOI晶圆10由键合工艺结合在一起，键合区域2就是腔体晶圆1与SOI晶圆10在键合之后的链接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅硅键合等技术，键合区域2可以有硅、Al、Ge等材料组成；
硅谐振器3：由硅组成，也可以由重掺杂硅层组成，属于SOI晶圆10的顶层硅，在CMOS集成电路6的预留区域制备，在使用重掺杂硅的SOI晶圆10时，在SOI晶圆顶层硅上需要做轻掺杂的外延层来制备CMOS集成电路6；在整个震荡器结构中，可以做多个硅谐振器3；
氧化层4：有氧化硅组成，属于SOI晶圆10的埋层氧化层，属于SOI晶圆的一部分；
吸气剂5：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
CMOS集成电路6：CMOS集成电路，由硅和金属Al，或Cu等组成，是振荡器的电学处理部分；
引线键合区域7：由CMOS集成电路兼容金属组成，如Al，Cu等；CMOS集成电路6与外界电学连接方式之一；
衬底8：由硅组成，属于SOI晶圆10的底层硅部分，CMOS集成电路6的衬底；
压电叠层9：由于压力材料也可制备谐振器，所以在CMOS集成电路6上也可以利用压力叠层9来制备谐振器，最终形成在CMOS集成电路直接制备的硅压电谐振器；压力叠层9由AlN氮化铝，AlScNA掺钪氮化铝和PZT锆钛酸铅压电陶瓷的一种构成；
SOI晶圆10：由订层硅3，埋层氧化层4和衬底硅8组成，是制备CMOS集成电路和硅谐振器的材料晶圆；
硅通孔连接TSV11：CMOS集成电路6与外界的电学连接方式之一，作用于引线键合区域7相同，在器件没有键合键合区域7时，可以利用硅通孔连接11与外界电学连接；用光刻、深反应离子刻蚀、电镀等工艺制备，硅通孔中填充与CMOS集成电路兼容金属，如Al，Cu；
在CMOS集成电路上直接制备的硅振荡器工艺流程：
SOI晶圆上，利用光刻和深反应离子刻蚀工艺，在SOI晶圆顶层硅上刻蚀深槽，直到埋层氧化层；
在深槽侧壁，利用掺杂工艺，在侧壁形成重掺杂侧壁；
在深槽中，利用化学气相沉积的方法在深槽中填充沉积氧化层；
在SOI晶圆的顶层硅上利用CMOS集成电路工艺制备CMOS集成电路；
在CMOS集成电路制备完成后，制备金属连接线，金属连接线也可以作为键合区域2金属使用；
硅谐振器也可以用压电材料来制备，如果采用压电材料制备谐振器，在CMOS集成电路制备结束之后，可以在CMOS集成电路的预留区域，利用磁控溅射工艺来沉积压电叠层来形成硅谐振器；
气体氢氟酸释放工艺，将深槽中的填充氧化层刻蚀清除；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆1与制备完成硅谐振器与CMOS集成电路的SOI晶圆结合成一体；如果在用玻璃晶圆作为腔体晶圆1的情况，在键合之后可以加入激光调整工艺来对硅谐振器进行调整；
第三种制备方法：单独MEMS硅振荡器；
单独MEMS硅振荡器分为单独MEMS硅谐振器和单独MEMS硅压电式谐振器；
单独MEMS硅谐振器的器件结构由：腔体晶圆1，键合区域2，硅谐振器3，埋层氧化层4，吸气剂5，引线键合区域7，衬底8，压电叠层9，其中3，4，8组成了SOI晶圆10；
腔体晶圆1：由硅晶圆或是玻璃晶圆构成；
键合区域2：腔体晶圆1与SOI晶圆10由键合工艺结合在一起，键合区域2就是腔体晶圆1与SOI晶圆10在键合之后的链接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅硅键合等技术，键合区域2可以有硅、Al、Ge等材料组成；
硅谐振器3：由硅组成，属于SOI晶圆10的顶层硅，也可以由掺杂的外延层或多晶硅构成，在整个震荡器结构中，可以做多个硅谐振器3；
氧化层4：有氧化硅组成，属于SOI晶圆10的埋层氧化层，属于SOI晶圆的一部分；
吸气剂5：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
引线键合区域7：由CMOS集成电路兼容金属组成，如Al，Cu等；振荡器与外部电学连接接口；
衬底8：由硅组成，属于SOI晶圆10的底层硅部分；
压电叠层9：由于压力材料也可制备谐振器，所以在SOI晶圆顶层硅或掺杂的多晶硅或外延层上也可以利用压力叠层9来制备谐振器，最终形成单独MEMS硅压电式谐振器；压力叠层9由AlN氮化铝，AlScN A掺钪氮化铝和PZT锆钛酸铅压电陶瓷的一种构成；
SOI晶圆10：由顶层硅3，埋层氧化层4和衬底硅8组成，是制备CMOS集成电路和硅谐振器的材料晶圆；
单独MEMS硅振荡器工艺流程：
掺杂SOI晶圆或外延层上，利用光刻和深反应离子刻蚀工艺，在SOI晶圆顶层硅上刻蚀深槽，直到埋层氧化层；
在深槽侧壁，利用掺杂工艺，在侧壁形成重掺杂侧壁；
在掺杂SOI晶圆或外延层上，利用光刻，刻蚀工艺制备硅谐振器结构；
硅谐振器也可以用压电材料来制备，如果采用压电材料制备谐振器，利用磁控溅射工艺来沉积压电叠层来形成硅谐振器；
在硅晶圆或玻璃晶圆上利用光刻，刻蚀工艺制备腔体晶圆1；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆1与制备完成硅谐振器SOI或外延晶圆结合成一体；如果在用玻璃晶圆作为腔体晶圆1的情况，在键合之后可以加入激光调整工艺来对硅谐振器进行调整。
所述的谐振器的位置与晶圆晶向需要成0-45°角，用来提升温度性能。
本发明的优点：
所述的可集成式硅振荡器结构及其制备方法中，MEMS振荡器是指通过微机电系统制作出的一种可编程的硅振荡器，它是对传统石英晶振产品的一个升级更新换代，防震效果是前者的25倍，具有不受振动影响、不易碎的特点。MEMS振荡器的温度稳定性也比传统晶振更好，不受环境温度高低变化的影响。起产生频率的作用，稳定，抗干扰性能良好，广泛应用于各种电子产品中。另外MEMS振荡器还具有可集成度高、可编程、尺寸小、功耗小等优点。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为带有引线键合盘的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器；
图2为带有硅通金属连接的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器；
图3为带有热控制的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器；
图4为可在CMOS集成电路上直接制备的硅谐振器；
图5为可在CMOS集成电路上直接制备的硅压电谐振器；
图6为单独MEMS硅压电式振荡器；
图7为单独MEMS硅振荡器。
具体实施方式
实施例1
本发明提供了可集成式硅振荡器结构，其特征在于：所述的可集成式硅振荡器结构，有三种谐振器的结构，MEMS芯片与CMOS集成电路通过键合工艺集成在一起，在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器，单独的MEMS硅谐振器，集成电路芯片也是单独的；
MEMS谐振器通过键合工艺与CMOS集成电路集成在一起；与CMOS电路键合集成硅振荡器器结构，分为三种结构：
第一种结构：带有引线键合盘的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器，由腔体晶圆1，吸气剂5，微谐振器3，键合区域2，CMOS集成电路6，引线键合盘7，衬底8组成；
第二种结构：带有硅通孔金属连接的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器，由腔体晶圆1，吸气剂5，微谐振器3，键合区域2，CMOS集成电路6，硅通孔7，金属凸块8组成；
第三种结构：带有热控制的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器；
由腔体晶圆1、吸气剂5、微谐振器3、键合区域2、CMOS集成电路6、硅通孔7和金属凸块8组成，热控制金属线条12，热隔离槽13组成；此种结构可以始终保持硅谐振器的温度为常数，可以在外部温度环境变化更大的时候提供稳定的输出频率；
腔体晶圆1：由硅、SOI晶圆、带有外延层的硅晶圆构成；
吸气剂2：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
微谐振器3：由硅组成，属于腔体晶圆一部分，通过光刻，刻蚀等工艺在腔体晶圆上制备而成；
键合区域4：腔体晶圆1与CMOS集成电流晶圆5通过键合工艺结合成为一个整体，键合区域4就是腔体晶圆1与CMOS集成电流晶圆5的连接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅-硅直接键合、玻璃浆料键合等工艺的一种；
CMOS集成电路晶圆5：由硅材料组成，为谐振器提供电学处理功能；
引线键合盘6：由Al，Cu等金属材料组成，为振荡器提供外部电学连接；
硅通孔7：用于振荡器外部电学连接用，硅通孔中填充铜金属作为电学介质；
金属凸块8：与硅通孔中通金属连接，用于电学连接用，由铜或其他金属材料组成；
热控制金属12：通过金属沉积工艺，当通过电流时产生热量，用于调节硅谐振器的温度，使其温度始终为常数，提供更稳定的频率输出。
一种可集成式硅振荡器结构的制备方法，其特征在于：
第一种制备方法：MEMS谐振器通过键合工艺与CMOS集成电路集成在一起；
在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器，单独的MEMS硅谐振器，集成电路芯片也是单独的；键合工艺可以是共晶键合、硅-硅直接键合、玻璃浆料键合等工艺的一种；
可与CMOS电路键合集成的硅振荡器工艺流程：
在腔体晶圆1利用光刻、刻蚀、释放等工艺制备硅谐振器结构3与腔体结构；
在腔体晶圆1，利用物理气相沉积技术在腔体晶圆1内部，环绕硅谐振器3沉积吸气剂5；
在衬底8上利用CMOS集成电路工艺制备CMOS集成电路；
在CMOS集成电路制备完成后，制备金属连接线，金属连接线也可以作为键合区域2金属使用；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆1与制备完成硅谐振器与CMOS集成电路的SOI晶圆结合成一体；
第二种制备方法：在CMOS集成电路上直接制备硅振荡器；
在CMOS集成电路上直接制备硅振荡器分为两种结构：在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器与在CMOS集成电路上直接制备硅压电式谐振器；
在CMOS集成电路上直接制备的硅振荡器由腔体晶圆1，键合区域2，硅谐振器3，埋层氧化层4，吸气剂5，CMOS集成电路6，引线键合区域7，衬底8,压电叠层9，硅通孔连接11组成；其中3，4，8组成SOI晶圆10；
腔体晶圆1：由硅晶圆或是玻璃晶圆构成；
键合区域2：腔体晶圆1与SOI晶圆10由键合工艺结合在一起，键合区域2就是腔体晶圆1与SOI晶圆10在键合之后的链接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅硅键合等技术，键合区域2可以有硅、Al、Ge等材料组成；
硅谐振器3：由硅组成，也可以由重掺杂硅层组成，属于SOI晶圆10的顶层硅，在CMOS集成电路6的预留区域制备，在使用重掺杂硅的SOI晶圆10时，在SOI晶圆顶层硅上需要做轻掺杂的外延层来制备CMOS集成电路6；在整个震荡器结构中，可以做多个硅谐振器3；
氧化层4：有氧化硅组成，属于SOI晶圆10的埋层氧化层，属于SOI晶圆的一部分；
吸气剂5：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
CMOS集成电路6：CMOS集成电路，由硅和金属Al，或Cu等组成，是振荡器的电学处理部分；
引线键合区域7：由CMOS集成电路兼容金属组成，如Al，Cu等；CMOS集成电路6与外界电学连接方式之一；
衬底8：由硅组成，属于SOI晶圆10的底层硅部分，CMOS集成电路6的衬底；
压电叠层9：由于压力材料也可制备谐振器，所以在CMOS集成电路6上也可以利用压力叠层9来制备谐振器，最终形成在CMOS集成电路直接制备的硅压电谐振器；压力叠层9由AlN氮化铝，AlScNA掺钪氮化铝和PZT锆钛酸铅压电陶瓷的一种构成；
SOI晶圆10：由订层硅3，埋层氧化层4和衬底硅8组成，是制备CMOS集成电路和硅谐振器的材料晶圆；
硅通孔连接TSV11：CMOS集成电路6与外界的电学连接方式之一，作用于引线键合区域7相同，在器件没有键合键合区域7时，可以利用硅通孔连接11与外界电学连接；用光刻、深反应离子刻蚀、电镀等工艺制备，硅通孔中填充与CMOS集成电路兼容金属，如Al，Cu；
在CMOS集成电路上直接制备的硅振荡器工艺流程：
SOI晶圆上，利用光刻和深反应离子刻蚀工艺，在SOI晶圆顶层硅上刻蚀深槽，直到埋层氧化层；
在深槽侧壁，利用掺杂工艺，在侧壁形成重掺杂侧壁；
在深槽中，利用化学气相沉积的方法在深槽中填充沉积氧化层；
在SOI晶圆的顶层硅上利用CMOS集成电路工艺制备CMOS集成电路；
在CMOS集成电路制备完成后，制备金属连接线，金属连接线也可以作为键合区域2金属使用；
硅谐振器也可以用压电材料来制备，如果采用压电材料制备谐振器，在CMOS集成电路制备结束之后，可以在CMOS集成电路的预留区域，利用磁控溅射工艺来沉积压电叠层来形成硅谐振器；
气体氢氟酸释放工艺，将深槽中的填充氧化层刻蚀清除；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆1与制备完成硅谐振器与CMOS集成电路的SOI晶圆结合成一体；如果在用玻璃晶圆作为腔体晶圆1的情况，在键合之后可以加入激光调整工艺来对硅谐振器进行调整；
第三种制备方法：单独MEMS硅振荡器；
单独MEMS硅振荡器分为单独MEMS硅谐振器和单独MEMS硅压电式谐振器；
单独MEMS硅谐振器的器件结构由：腔体晶圆1，键合区域2，硅谐振器3，埋层氧化层4，吸气剂5，引线键合区域7，衬底8，压电叠层9，其中3，4，8组成了SOI晶圆10；
腔体晶圆1：由硅晶圆或是玻璃晶圆构成；
键合区域2：腔体晶圆1与SOI晶圆10由键合工艺结合在一起，键合区域2就是腔体晶圆1与SOI晶圆10在键合之后的链接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅硅键合等技术，键合区域2可以有硅、Al、Ge等材料组成；
硅谐振器3：由硅组成，属于SOI晶圆10的顶层硅，也可以由掺杂的外延层或多晶硅构成，在整个震荡器结构中，可以做多个硅谐振器3；
氧化层4：有氧化硅组成，属于SOI晶圆10的埋层氧化层，属于SOI晶圆的一部分；
吸气剂5：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
引线键合区域7：由CMOS集成电路兼容金属组成，如Al，Cu等；振荡器与外部电学连接接口；
衬底8：由硅组成，属于SOI晶圆10的底层硅部分；
压电叠层9：由于压力材料也可制备谐振器，所以在SOI晶圆顶层硅或掺杂的多晶硅或外延层上也可以利用压力叠层9来制备谐振器，最终形成单独MEMS硅压电式谐振器；压力叠层9由AlN氮化铝，AlScN A掺钪氮化铝和PZT锆钛酸铅压电陶瓷的一种构成；
SOI晶圆10：由顶层硅3，埋层氧化层4和衬底硅8组成，是制备CMOS集成电路和硅谐振器的材料晶圆；
单独MEMS硅振荡器工艺流程：
掺杂SOI晶圆或外延层上，利用光刻和深反应离子刻蚀工艺，在SOI晶圆顶层硅上刻蚀深槽，直到埋层氧化层；
在深槽侧壁，利用掺杂工艺，在侧壁形成重掺杂侧壁；
在掺杂SOI晶圆或外延层上，利用光刻，刻蚀工艺制备硅谐振器结构；
硅谐振器也可以用压电材料来制备，如果采用压电材料制备谐振器，利用磁控溅射工艺来沉积压电叠层来形成硅谐振器；
在硅晶圆或玻璃晶圆上利用光刻，刻蚀工艺制备腔体晶圆1；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆1与制备完成硅谐振器SOI或外延晶圆结合成一体；如果在用玻璃晶圆作为腔体晶圆1的情况，在键合之后可以加入激光调整工艺来对硅谐振器进行调整。
所述的谐振器的位置与晶圆晶向需要成0-45°角，用来提升温度性能。

Claims (3)

1.可集成式硅振荡器结构，其特征在于：所述的可集成式硅振荡器结构，有三种谐振器的结构，MEMS芯片与CMOS集成电路通过键合工艺集成在一起，在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器，单独的MEMS硅谐振器，集成电路芯片也是单独的；
MEMS谐振器通过键合工艺与CMOS集成电路集成在一起；与CMOS电路键合集成硅振荡器器结构，分为三种结构：
第一种结构：带有引线键合盘的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器，由腔体晶圆(1)，吸气剂(5)，微谐振器(3)，键合区域(2)，CMOS集成电路(6)，引线键合盘(7)，衬底(8)组成；
第二种结构：带有硅通孔金属连接的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器，由腔体晶圆(1)，吸气剂(5)，微谐振器(3)，键合区域(2)，CMOS集成电路(6)，硅通孔(7)，金属凸块(8)组成；
第三种结构：带有热控制的可与CMOS集成电路键合的硅谐振器；
由腔体晶圆(1)、吸气剂(5)、微谐振器(3)、键合区域(2)、CMOS集成电路(6)、硅通孔(7)和金属凸块(8)组成，热控制金属线条(12)，热隔离槽(13)组成；此种结构可以始终保持硅谐振器的温度为常数，可以在外部温度环境变化更大的时候提供稳定的输出频率；
腔体晶圆(1)：由硅、SOI晶圆、带有外延层的硅晶圆构成；
吸气剂(2)：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
微谐振器(3)：由硅组成，属于腔体晶圆一部分，通过光刻，刻蚀等工艺在腔体晶圆上制备而成；
键合区域(4)：腔体晶圆(1)与CMOS集成电流晶圆(5)通过键合工艺结合成为一个整体，键合区域(4)就是腔体晶圆(1)与CMOS集成电流晶圆(5)的连接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅-硅直接键合、玻璃浆料键合等工艺的一种；
CMOS集成电路晶圆(5)：由硅材料组成，为谐振器提供电学处理功能；
引线键合盘(6)：由Al，Cu等金属材料组成，为振荡器提供外部电学连接；
硅通孔(7)：用于振荡器外部电学连接用，硅通孔中填充铜金属作为电学介质；
金属凸块(8)：与硅通孔中通金属连接，用于电学连接用，由铜或其他金属材料组成；
热控制金属(12)：通过金属沉积工艺，当通过电流时产生热量，用于调节硅谐振器的温度，使其温度始终为常数，提供更稳定的频率输出。
2.一种如权利要求1所述的可集成式硅振荡器结构的制备方法，其特征在于：
第一种制备方法：MEMS谐振器通过键合工艺与CMOS集成电路集成在一起；
在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器，单独的MEMS硅谐振器，集成电路芯片也是单独的；键合工艺可以是共晶键合、硅-硅直接键合、玻璃浆料键合等工艺的一种；
可与CMOS电路键合集成的硅振荡器工艺流程：
在腔体晶圆(1)利用光刻、刻蚀、释放等工艺制备硅谐振器结构(3)与腔体结构；
在腔体晶圆(1)，利用物理气相沉积技术在腔体晶圆(1)内部，环绕硅谐振器(3)沉积吸气剂(5)；
在衬底(8)上利用CMOS集成电路工艺制备CMOS集成电路；
在CMOS集成电路制备完成后，制备金属连接线，金属连接线也可以作为键合区域(2)金属使用；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆(1)与制备完成硅谐振器与CMOS集成电路的SOI晶圆结合成一体；
第二种制备方法：在CMOS集成电路上直接制备硅振荡器；
在CMOS集成电路上直接制备硅振荡器分为两种结构：在CMOS集成电路上直接制备硅谐振器与在CMOS集成电路上直接制备硅压电式谐振器；
在CMOS集成电路上直接制备的硅振荡器由腔体晶圆(1)，键合区域(2)，硅谐振器(3)，埋层氧化层(4)，吸气剂(5)，CMOS集成电路(6)，引线键合区域(7)，衬底(8),压电叠层(9)，硅通孔连接(11)组成；其中(3)，(4)，(8)组成SOI晶圆(10)；
腔体晶圆(1)：由硅晶圆或是玻璃晶圆构成；
键合区域(2)：腔体晶圆(1)与SOI晶圆(10)由键合工艺结合在一起，键合区域(2)就是腔体晶圆(1)与SOI晶圆(10)在键合之后的链接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅硅键合等技术，键合区域(2)可以有硅、Al、Ge等材料组成；
硅谐振器(3)：由硅组成，也可以由重掺杂硅层组成，属于SOI晶圆(10)的顶层硅，在CMOS集成电路(6)的预留区域制备，在使用重掺杂硅的SOI晶圆(10)时，在SOI晶圆顶层硅上需要做轻掺杂的外延层来制备CMOS集成电路(6)；在整个震荡器结构中，可以做多个硅谐振器(3)；
氧化层(4)：有氧化硅组成，属于SOI晶圆(10)的埋层氧化层，属于SOI晶圆的一部分；
吸气剂(5)：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
CMOS集成电路(6)：CMOS集成电路，由硅和金属Al，或Cu等组成，是振荡器的电学处理部分；
引线键合区域(7)：由CMOS集成电路兼容金属组成，如Al，Cu等；CMOS集成电路(6)与外界电学连接方式之一；
衬底(8)：由硅组成，属于SOI晶圆(10)的底层硅部分，CMOS集成电路(6)的衬底；
压电叠层(9)：由于压力材料也可制备谐振器，所以在CMOS集成电路(6)上也可以利用压力叠层(9)来制备谐振器，最终形成在CMOS集成电路直接制备的硅压电谐振器；压力叠层(9)由AlN氮化铝，AlScNA掺钪氮化铝和PZT锆钛酸铅压电陶瓷的一种构成；
SOI晶圆(10)：由订层硅(3)，埋层氧化层(4)和衬底硅(8)组成，是制备CMOS集成电路和硅谐振器的材料晶圆；
硅通孔连接TSV(11)：CMOS集成电路(6)与外界的电学连接方式之一，作用于引线键合区域(7)相同，在器件没有键合键合区域(7)时，可以利用硅通孔连接(11)与外界电学连接；用光刻、深反应离子刻蚀、电镀等工艺制备，硅通孔中填充与CMOS集成电路兼容金属，如Al，Cu；
在CMOS集成电路上直接制备的硅振荡器工艺流程：
SOI晶圆上，利用光刻和深反应离子刻蚀工艺，在SOI晶圆顶层硅上刻蚀深槽，直到埋层氧化层；
在深槽侧壁，利用掺杂工艺，在侧壁形成重掺杂侧壁；
在深槽中，利用化学气相沉积的方法在深槽中填充沉积氧化层；
在SOI晶圆的顶层硅上利用CMOS集成电路工艺制备CMOS集成电路；
在CMOS集成电路制备完成后，制备金属连接线，金属连接线也可以作为键合区域(2)金属使用；
硅谐振器也可以用压电材料来制备，如果采用压电材料制备谐振器，在CMOS集成电路制备结束之后，可以在CMOS集成电路的预留区域，利用磁控溅射工艺来沉积压电叠层来形成硅谐振器；
气体氢氟酸释放工艺，将深槽中的填充氧化层刻蚀清除；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆(1)与制备完成硅谐振器与CMOS集成电路的SOI晶圆结合成一体；如果在用玻璃晶圆作为腔体晶圆(1)的情况，在键合之后可以加入激光调整工艺来对硅谐振器进行调整；
第三种制备方法：单独MEMS硅振荡器；
单独MEMS硅振荡器分为单独MEMS硅谐振器和单独MEMS硅压电式谐振器；
单独MEMS硅谐振器的器件结构由：腔体晶圆(1)，键合区域(2)，硅谐振器(3)，埋层氧化层(4)，吸气剂(5)，引线键合区域(7)，衬底(8)，压电叠层(9)，其中(3)，(4)，(8)组成了SOI晶圆(10)；
腔体晶圆(1)：由硅晶圆或是玻璃晶圆构成；
键合区域(2)：腔体晶圆(1)与SOI晶圆(10)由键合工艺结合在一起，键合区域(2)就是腔体晶圆(1)与SOI晶圆(10)在键合之后的链接部分，键合工艺可以是共晶键合、硅硅键合等技术，键合区域(2)可以有硅、Al、Ge等材料组成；
硅谐振器(3)：由硅组成，属于SOI晶圆(10)的顶层硅，也可以由掺杂的外延层或多晶硅构成，在整个震荡器结构中，可以做多个硅谐振器(3)；
氧化层(4)：有氧化硅组成，属于SOI晶圆(10)的埋层氧化层，属于SOI晶圆的一部分；
吸气剂(5)：作为保证腔体晶圆中真空环境的重要材料，由钛或锆，铁或其一种或几种的合金或氧化物构成；
引线键合区域(7)：由CMOS集成电路兼容金属组成，如Al，Cu等；振荡器与外部电学连接接口；
衬底(8)：由硅组成，属于SOI晶圆(10)的底层硅部分；
压电叠层(9)：由于压力材料也可制备谐振器，所以在SOI晶圆顶层硅或掺杂的多晶硅或外延层上也可以利用压力叠层(9)来制备谐振器，最终形成单独MEMS硅压电式谐振器；压力叠层(9)由AlN氮化铝，AlScN A掺钪氮化铝和PZT锆钛酸铅压电陶瓷的一种构成；
SOI晶圆(10)：由顶层硅(3)，埋层氧化层(4)和衬底硅(8)组成，是制备CMOS集成电路和硅谐振器的材料晶圆；
单独MEMS硅振荡器工艺流程：
掺杂SOI晶圆或外延层上，利用光刻和深反应离子刻蚀工艺，在SOI晶圆顶层硅上刻蚀深槽，直到埋层氧化层；
在深槽侧壁，利用掺杂工艺，在侧壁形成重掺杂侧壁；
在掺杂SOI晶圆或外延层上，利用光刻，刻蚀工艺制备硅谐振器结构；
硅谐振器也可以用压电材料来制备，如果采用压电材料制备谐振器，利用磁控溅射工艺来沉积压电叠层来形成硅谐振器；
在硅晶圆或玻璃晶圆上利用光刻，刻蚀工艺制备腔体晶圆(1)；
真空晶圆键合工艺，可以利用共晶键合技术，将硅晶圆或玻璃晶圆组成的腔体晶圆(1)与制备完成硅谐振器SOI或外延晶圆结合成一体；如果在用玻璃晶圆作为腔体晶圆(1)的情况，在键合之后可以加入激光调整工艺来对硅谐振器进行调整。
3.按照权利要求1所述的可集成式硅振荡器结构，其特征在于：所述的谐振器的位置与晶圆(10)晶向需要成0-45°角，用来提升温度性能。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN114826192A (zh) * 2022-05-26 2022-07-29 武汉大学 三维集成的mems振荡器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201900017552A1 (it) * 2019-09-30 2021-03-30 St Microelectronics Srl Dispositivo risonatore microelettromeccanico di tipo piezoelettrico e relativo procedimento di fabbricazione
US11855604B2 (en) 2019-09-30 2023-12-26 Stmicroelectronics S.R.L. Piezoelectric microelectromechanical resonator device and corresponding manufacturing process
CN114826192A (zh) * 2022-05-26 2022-07-29 武汉大学 三维集成的mems振荡器

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