CN115118244A - Mems谐振器和mems谐振器的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种MEMS谐振器，应用于通信、时钟器件等领域。MEMS谐振器包括衬底，阻挡层，导电层，电介质隔离层，谐振子，第一电隔离结构和第一导电结构。衬底和阻挡层结合形成空腔，衬底和阻挡层的结合处包括导电层。导电层和阻挡层之间包括电介质隔离层。谐振子与导电层相连，悬于空腔。导电层和阻挡层外的第一导电结构相连，第一导电结构和阻挡层之间包括第一电隔离结构。阻挡层和电介质隔离层用于隔离第一电隔离结构和空腔。在本申请中，通过隔离第一电隔离结构和空腔，可以阻止加工过程中氢氟酸蒸汽腐蚀第一电隔离结构，提高MEMS谐振器的成品率。

Description

MEMS谐振器和MEMS谐振器的加工方法
技术领域
本申请涉及时钟器件领域，尤其涉及MEMS谐振器和MEMS谐振器的加工方法。
背景技术
微电子机械(Micro Electro Mechanical System，MEMS)器件与传统电子器件相比，具有体积小、重量轻、功耗低等优点。
相对的，MEMS器件与传统电子器件相比，对封装技术具有更严格的要求。例如，对于MEMS谐振器而言，通过对MEMS谐振器中的谐振子其进行真空封装，可以有效减小谐振子的空气阻尼损耗，从而提高谐振子的品质因数(Quality factor，Q)值。真空腔室内原先存在牺牲层，牺牲层起到加工过程中的支撑作用。在加工薄膜封装型MEMS谐振器的过程中，在真空腔室的上腔壁上刻蚀通气孔。通过通气孔注入氢氟酸蒸汽腐蚀牺牲层形成真空腔室。真空腔室的尺寸随腐蚀时长成正比。
因此，若腐蚀的时间太长，真空腔室的尺寸不断增加。氢氟酸蒸汽会腐蚀用于电隔离的电隔离结构，造成电路短路，进而降低MEMS谐振器的成品率。
发明内容
本申请提供了一种MEMS谐振器和和MEMS谐振器的加工方法，通过阻挡层和电介质隔离层隔离第一电隔离结构和空腔，可以阻止氢氟酸蒸汽腐蚀第一电隔离结构，提高MEMS谐振器的成品率。
本申请第一方面提供了一种MEMS谐振器。MEMS谐振器包括衬底，阻挡层，导电层，电介质隔离层，谐振子，第一电隔离结构和第一导电结构。衬底和阻挡层结合形成空腔，衬底和阻挡层的结合处包括导电层，导电层和阻挡层之间包括电介质隔离层，电介质隔离层用于隔离导电层和阻挡层之间的电连接。谐振子与导电层相连，悬于空腔。导电层和阻挡层外的第一导电结构相连。通过第一导电结构可以为谐振子提供激励，使得谐振子的谐振子在空腔中振动。第一导电结构和阻挡层之间包括第一电隔离结构。第一电隔离结构用于隔离第一导电结构和阻挡层之间的电连接。阻挡层和电介质隔离层用于隔离第一电隔离结构和空腔。
在本申请中，通过阻挡层和电介质隔离层隔离第一电隔离结构和空腔，可以阻止氢氟酸蒸汽腐蚀第一电隔离结构，从而降低电路短路的概率，提高MEMS谐振器的成品率。并且，阻挡层的材料可以是导电的材料，例如多晶硅或无晶硅。当阻挡层和导电层存在电连接时，MEMS谐振器会产生漏电现象，影响MEMS谐振器的正常使用。本申请通过设置电介质隔离层，可以隔离阻挡层和导电层的电连接，提高MEMS谐振器的可靠性。
在第一方面的一种可选方式中，阻挡层包括第一阻挡层和第二阻挡层。第一阻挡层上设有通气孔。其中，在加工MEMS谐振器的过程中，可以通过通气孔注入氢氟酸蒸汽腐蚀原空腔中的牺牲层。第二阻挡层用于密封通气孔，将谐振子密封在空腔中。因此，可以有效减小谐振子的空气阻尼损耗，从而提高谐振子的Q值。
在第一方面的一种可选方式中，第二阻挡层的材料为多晶硅或无晶硅。其中，在高温形成多晶硅或无晶硅时，可以去除空腔内的残留气体，从而提高MEMS谐振器的Q值。
在第一方面的一种可选方式中，第一阻挡层的材料和第一电隔离结构的材料不同。其中，第一电隔离结构会被氢氟酸蒸汽腐蚀，例如氧化硅。第一阻挡层与氢氟酸蒸汽直接接触，用于阻止第一电隔离结构被氢氟酸蒸汽腐蚀。因此，限定第一电隔离和第一阻挡层的材料不同。
在第一方面的一种可选方式中，第二阻挡层的材料和第一阻挡层的材料相同。其中，第二阻挡层用于密封第一阻挡层中的通气孔。当第二阻挡层和第一阻挡层的材料相同时，可以提高密封性。
在第一方面的一种可选方式中，谐振子包括上电极层，压电层和下电极层，压电层在上电极层和下电极层之间。其中，在高温形成第二阻挡层的过程中，上电极层和压电层的材料在高温下可能会被氧化。通过电介质隔离层覆盖上电极层和压电层，可以保护上电极层和压电层。因此，本申请可以提高MEMS谐振器的驱动检测及频率调制的灵活性。
在第一方面的一种可选方式中，电介质隔离层的材料为氧化铝Al2O3。
在第一方面的一种可选方式中，电介质隔离层的厚度为0.01μm至2μm。
在第一方面的一种可选方式中，MEMS谐振器还包括功能电极，功能电极和谐振子形成电容。当在功能电极上施加直流偏置电压时，谐振子沿固定方向产生偏移。其中，当谐振子产生偏移时，谐振子的谐振频率会发生改变。本申请通过设置功能电极，实现了谐振子的频率调节。
在第一方面的一种可选方式中，功能电极包括第一功能电极和第二功能电极。第一功能电极和谐振子形成第一电容；第二功能电极和谐振子形成第二电容。第一电容和第二电容沿谐振子对称分布。其中，通过设置对称的两个功能电极，可以提高谐振子的偏移量，进而提高谐振子的频率调节范围。
在第一方面的一种可选方式中，功能电极和阻挡层外的第二导电结构相连，第二导电结构和阻挡层之间包括第二电隔离结构。阻挡层和电介质隔离层用于隔离第二电隔离结构和空腔。其中，通过阻挡层和电介质隔离层隔离第二电隔离结构和空腔，可以阻止氢氟酸蒸汽腐蚀第二电隔离结构，从而降低电路短路的概率，提高MEMS谐振器的成品率。
在第一方面的一种可选方式中，当在功能电极上施加交流电压时，谐振子根据交流电压进行振动。当在功能电极上施加交流电压时，交流电压作为谐振子的振动激励，简称静电激励。此时，上电极层上施加的电压可以对谐振子的振动频率进行检测，简称压电检测。通过压电检测，可以确定谐振子的振动频率是否符合预期。因此，本申请通过压电检测可以提高MEMS谐振器的可靠性。
在第一方面的一种可选方式中，所述MEMS谐振器还包括支撑梁。谐振子通过支撑梁和导电层相连，悬于空腔。
在第一方面的一种可选方式中，功能电极的材料和谐振子的下电极层的材料相同。其中，当功能电极的材料和谐振子的下电极层的材料相同时，可以减少MEMS谐振器的加工步骤，从而降低加工成本。
在第一方面的一种可选方式中，在阻挡层之上，MEMS谐振器还包括保护层。
在第一方面的一种可选方式中，保护层设有电学通孔，电学通孔上沉积有电极焊盘。其中，电极焊盘和第一导电结构相连。
在第一方面的一种可选方式中，在衬底表面包括氧化硅层。其中，通过增加氧化硅层，可以隔离谐振子和衬底之间的电连接，降低漏电概率，提高MEMS谐振器的可靠性。
在第一方面的一种可选方式中，第二阻挡层的加工温度大于500度。其中，加工温度可以是外延生长过程中的温度，也可以是结晶过程中温度。例如，当第二阻挡层是多晶硅时。第二阻挡层可以在高温环境中通过外延生长多晶硅得到；第二阻挡层也可以通过外延生长无晶硅，再对其高温退火，结晶得到多晶硅的第二阻挡层。
本申请第二方面提供了一种MEMS谐振器的加工方法。该方法包括：提供包括衬底和导电层的绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)圆片。刻蚀导电层，形成谐振子和支撑梁，谐振子通过支撑梁与导电层相连。在导电层上沉积电介质隔离层和牺牲层。刻蚀牺牲层，并在牺牲层上外延生长或沉积第一阻挡层，使得谐振子处于第一阻挡层和衬底形成的区域内。在第一阻挡层上刻蚀通气孔。通过通气孔注入氢氟酸蒸汽，腐蚀区域内的牺牲层，使得谐振子通过支撑梁悬于区域形成的空腔。在第一阻挡层上外延生长第二阻挡层，将谐振子密封在空腔中。其中，导电层和阻挡层外的第一导电结构相连，第一导电结构和阻挡层之间包括第一电隔离结构，阻挡层和电介质隔离层用于隔离第一电隔离结构和空腔。
在第二方面的一种可选方式中，第二阻挡层的材料为多晶硅或无晶硅。
在第二方面的一种可选方式中，第一阻挡层的材料和第一电隔离结构的材料不同。
在第二方面的一种可选方式中，第二阻挡层的材料和第一阻挡层的材料相同。
在第二方面的一种可选方式中，所述方法还包括，在导电层上生成压电层；在压电层上沉积上电极层。其中，电介质隔离层覆盖谐振子的上电极层和压电层。
在第二方面的一种可选方式中，电介质隔离层的材料为氧化铝Al2O3。
在第二方面的一种可选方式中，电介质隔离层的厚度为0.01μm至2μm。
在第二方面的一种可选方式中，MEMS谐振器还包括功能电极，功能电极和谐振子形成电容。其中，当在功能电极上施加直流偏置电压时，谐振子沿固定产生偏移。
在第二方面的一种可选方式中，功能电极包括第一功能电极和第二功能电极。第一功能电极和谐振子形成第一电容。第二功能电极和谐振子形成第二电容。其中，第一电容和第二电容沿谐振子对称分布。
在第二方面的一种可选方式中，导电层和阻挡层外的第一导电结构相连，第一导电结构和阻挡层之间包括第一电隔离结构，阻挡层和电介质隔离层用于隔离第一电隔离结构和空腔。
在第二方面的一种可选方式中，功能电极的材料和谐振子的下电极层的材料相同。
在第二方面的一种可选方式中，所述方法还包括：在阻挡层上沉积保护层。
在第二方面的一种可选方式中，所述方法还包括：在保护层上刻蚀电学通孔；在电学通孔上沉积电极焊盘。
在第二方面的一种可选方式中，第二阻挡层的加工温度大于500度。
本申请第三方面提供了一种时钟器件，时钟器件包括MEMS谐振器和保持电路。保持电路为MEMS谐振器提供闭环振荡激励。MEMS谐振器通过振荡激励生成时钟信号。其中，MEMS谐振器为前述第一方面所述的MEMS谐振器。
本申请第四方面提供了一种终端，终端包括时钟器件和处理器。时钟器件用于为处理器提供时钟信号。处理器根据时钟信号进行运算处理。其中，时钟器件为前述第三方面所述的时钟器件。
本申请第五方面提供了一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有指令，所述指令在计算机上执行时，使得所述计算机执行如第二方面或第二方面任意一种实施方式所述的方法。
本申请第六方面提供了一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品在计算机上执行时，使得所述计算机执行如第二方面或第二方面任意一种实施方式所述的方法。
附图说明
图1为本申请中提供的MEMS谐振器的加工方法的流程示意图；
图2a至图2l为本申请中提供的MEMS谐振器在不同加工过程中的一个结构示意图；
图3为本申请中提供的MEMS谐振器的俯视结构示意图；
图4为本申请中提供的MEMS谐振器的三维结构示意图；
图5a至图5l为本申请中提供的MEMS谐振器在不同加工过程中的另一个结构示意图；
图6为本申请中提供的MEMS谐振器的电连接示意图；
图7为本申请中提供的MEMS谐振器的一个结构示意图；
图8为本申请中提供的时钟器件的结构示意图；
图9为本申请中提供的终端的结构示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种MEMS谐振器和和MEMS谐振器的加工方法，应用于时钟器件领域，通过阻挡层和电介质隔离层隔离第一电隔离结构和空腔，可以阻止氢氟酸蒸汽腐蚀第一电隔离结构，提高MEMS谐振器的成品率。
应理解，本申请实施例的描述中使用“第一”、“第二”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。
应理解，因为本领域普通技术人员熟悉加工方法中的步骤和/或部件，本申请可能只是简要的描述MEMS谐振器的各个加工步骤和/或部件。并且，为实现同一目的的不同的加工步骤和/或器件可以互相替换。因此，本申请描述加工步骤和/或部件的特定实例以简化本申请公开的技术方案。当然，这些实例并不旨在限定。另外，为了简明和清楚，本申请各个实施例中重复参考编号和/或字母。重复并不表明各种实施例和/或配置之间存在严格的限定关系。
图1为本申请中提供的MEMS谐振器的加工方法的流程示意图。为了方便描述MEMS谐振器的加工方法，后续将结合MEMS谐振器在不同加工过程中的结构示意图进行相应描述。具体地，图2a至图2l为本申请中提供的MEMS谐振器在不同加工过程中的结构示意图。如图1所示，加工方法包括以下步骤。
在步骤101中，提供包括衬底和器件硅层的SOI圆片。
SOI圆片也称载具圆晶，载具晶圆是硅晶圆。如图2a所示，SOI圆片包括衬底201，氧化硅层202，器件硅层203。氧化硅层202处于衬底201和器件硅层203之间，用于实现衬底201和器件硅层203的电隔离。氧化硅层202可以是通过热氧生长得到的氧化硅。相比于通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)沉积得到的氧化硅，通过热氧生长得到的氧化硅的密度较高，不易被腐蚀。衬底201也称为基板。衬底201和器件硅层203的材料可以相同，也可以不同。例如，衬底201和器件硅层203的材料是硅基材料，陶瓷材料或高分子材料。除此之外，衬底201和器件硅层203还可以包括其它元素半导体(如锗)，或其它化合物半导体(如碳化硅，砷化镓，砷化铟，磷化铟等)。因为衬底201和器件硅层203的材料不影响技术方案的实现，本申请不对衬底201和器件硅层203的材料进行限制。在器件硅层203和氧化硅层202之间包括空腔。空腔的形状可以是长方体，圆柱体，棱柱体或棱锥体结构。在其他实施例中，空腔的形状与谐振子的形状相适应。例如，空腔的形状是圆柱体，则谐振子的形状为半径较小的圆柱体。例如，空腔的形状为长方形，则谐振子的形状为相似长方形。通过后续的刻蚀工艺，可以使得谐振子悬于空腔之上。
如图2a所示，在器件硅层203上包括压电层204和上电极层205。具体地，通过磁控溅射的方法在器件硅层203上溅射0.3μm至1.5μm厚的压电层204。压电层204的材料可以是氮化铝AlN、掺杂氮化铝、铌酸锂、氧化锌ZnO或者锆钛酸铅PZT等。然后，通过低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或物理气相沉积(PhysicaclVapor Deposition，PVD)的方法在压电层204上沉积上电极层205。上电极层205的材料可以是多晶硅或金属，金属可以是钼、铂、钛、铝等。
在其他实施例中，通过原子层沉积的方式在上电极层205上沉积0.01μm至2μm厚的电介质隔离层206。如图2b所示，电介质隔离层206覆盖上电极层205和压电层204。电介质隔离层206的材料为氧化铝Al2O3。
在步骤102中，刻蚀器件硅层，形成谐振子和支撑梁。
如图2c所示，通过刻蚀器件硅层203，形成谐振子和支撑梁。支撑梁可以理解为图2c中圆圈4和圆圈5所示的区域。具体地，图3为本申请中提供的MEMS谐振器的俯视结构示意图。如图3所示，MEMS谐振器包谐振子214和固定部件216。固定部件216可以是图2c中的衬底201，或器件硅层203，或衬底201和器件硅层203的结合。谐振子214和固定部件216之间通过支撑梁213相连，悬于空腔215。在图3中，MEMS谐振器包括2个支撑梁213。在图2c中，圆圈4和圆圈5标记的位置对应2个支撑梁213。为了在图2c中表达谐振子悬于空腔，并未在圆圈4处表达支撑梁。并且，为了在图2c中表达谐振子通过支撑梁和衬底相连，在圆圈5处表达了支撑梁。应理解，图3所示的支撑梁只是一种示意。在实际应用中，支撑梁的数目可以为一个或者多个。支撑梁可以为直梁、T形梁，或者十字梁等。
除了刻蚀器件硅层203形成谐振子，还可以刻蚀电介质隔离层206，为后续的电学连接做准备。如图2c所示，通过刻蚀电介质隔离层206形成开口1，开口2和开口3。开口3连接上电极层205，用于上电极的电学连接。在支撑梁之间的器件硅层203作为谐振子的下电极层。开口2通过器件硅层203连接下电极层，用于下电极的电学连接。开口1用于隔离谐振子的下电极层和器件硅层203的边缘部分的连接，实现电隔离。
在步骤103中，在器件硅层上沉积牺牲层。
如图2d所示，在刻蚀器件硅层203，形成谐振子后，通过PVD或者CVD的方法在器件硅层203上沉积厚度为1-10微米的牺牲层207。应理解，由于器件硅层203上沉积有电介质隔离层206，在器件硅层203上沉积牺牲层207也可以理解为在电介质隔离层206上沉积牺牲层207。
在步骤104中，刻蚀牺牲层，并在牺牲层上外延生长第一阻挡层，使得谐振子处于第一阻挡层和衬底形成的腔体内。
如图2e所示，通过刻蚀牺牲层207，形成了开口6，开口7，开口8和开口9。开口6和电介质隔离层206上的开口2相连，用于后续生成第一导电结构，为下电极的电学连接做准备。开口9和电介质隔离层206上的开口3相连。开口9用于后续生成第一导电结构，为上电极的电学连接做准备。开口7和开口8与电介质隔离层206相连。开口7和开口8用于后续生成阻挡层。开口7和开口8之间的区域即为后续谐振子所处的空腔在X轴方向(详见图3)上的宽度。将开口7和开口8之间的牺牲层207所在的区域称为区域10。将开口6和开口7，开口8和开口9之间的牺牲层207称为第一电隔离结构。
如图2f所示，在刻蚀后的牺牲层207上外延生长第一阻挡层208，或在刻蚀后的牺牲层207上采用LPCVD的方法沉积第一阻挡层208。第一阻挡层208的材料为多晶硅。由于牺牲层207上的开口7和开口8直接与电介质隔离层206相连，外延生长或沉积得到的第一阻挡层208也与电介质隔离层206相连。第一阻挡层208作为区域10处的牺牲层207的横向阻挡层。此时，谐振子处于第一阻挡层208和衬底201形成的区域内。
在步骤105中，在第一阻挡层上刻蚀通气孔。
如图2f所示，在第一阻挡层208上刻蚀通气孔11。通气孔11与区域10处的牺牲层207相连。
在步骤106中，通过通气孔注入氢氟酸蒸汽，腐蚀牺牲层，使得谐振子通过支撑梁悬于空腔。
如图2g所示，由于通气孔11与区域10处的牺牲层207相连，在通过通气孔11注入氢氟酸蒸汽后，氢氟酸蒸汽会腐蚀区域10处的牺牲层207。并且，由于第一阻挡层208作为区域10处的牺牲层207的横向阻挡层，区域10处的牺牲层207和第一电隔离结构(开口6和开口7，开口8和开口9之间的牺牲层207)隔离。因此，氢氟酸蒸汽不会腐蚀第一电隔离结构。通过腐蚀区域10处的牺牲层207，可以释放谐振子，使得谐振子通过支撑梁与衬底201相连，悬于所述空腔。应理解，谐振子可以通过支撑梁直接与衬底201相连，也可以间接与衬底201相连。
在步骤107中，在第一阻挡层上外延生长第二阻挡层，密封通气孔。
如图2h所示，在高温真空环境下通过外延生长的方法生长第二阻挡层209，密封通气孔11。第二阻挡层209的材料为多晶硅或无晶硅。当第二阻挡层209的材料为多晶硅时，第二阻挡层209的材料和第一阻挡层208材料相同。第二阻挡层209的厚度大于第一阻挡层208的厚度。根据上述步骤106的描述可知，为了注入氢氟酸蒸汽，需要在第一阻挡层208上刻蚀通气孔11。因此，第一阻挡层208的厚度越小，刻蚀通气孔11的难度越低。通过限定第二阻挡层的厚度大于第一阻挡层的厚度，可以降低刻蚀通气孔11的难度，提高加工效率。在外延生长第二阻挡层209后，可以对第二阻挡层209进行抛光工艺，为后续沉积保护层做准备。
在外延生长第二阻挡层209后，在第二阻挡层209上刻蚀出电学隔离槽。如图2i所示，电学隔离槽包括开口12，开口13，开口14和开口15。其中，开口13，开口14和第一电隔离结构相连。将开口12和开口13，开口14和开口15之间的第二阻挡层209或第一阻挡层208称为第一导电结构。开口12，开口15用于隔离第一导电结构和第二阻挡层209的边缘部分的连接，实现电隔离。
在刻蚀电学隔离槽后，通过LPCVD的方法在第二阻挡层209上沉积保护层210。如图2j所示，保护层210位于第二阻挡层209之上。并且，保护层210填充电学隔离槽，实现第一导电结构和第二阻挡层209或第一阻挡层208的连接。保护层210的材料可以是氧化硅。
在沉积保护层210后，在保护层210上刻蚀电学通孔。如图2k所示，电学通孔包括开口16和开口17。开口16和开口17导通至第一导电结构。之后，在电学通孔上通过沉积金属形成电学焊盘，例如沉积铝。如图2l所示，电学焊盘包括在开口16上形成的上电极焊盘212和在开口17上形成的下电极焊盘211。此时，上电极焊盘212通过第一导电结构和谐振子的上电极层205相连；下电极焊盘211通过第一导电结构和器件硅层203相连，器件硅层203通过支撑梁和谐振子的下电极层相连。通过下电极焊盘211和上电极焊盘212可以为谐振子施加激励电压，使得谐振子在空腔中振动。
应理解，上述MEMS谐振器的加工方法只是一个或多个示例。在实际应用中，因为本领域普通技术人员熟悉加工方法中的步骤和/或部件，本领域普通技术人员可以对上述加工方法中的步骤，或MEMS谐振器的结构进行适应性的改变。
例如，在器件硅层203上沉积牺牲层207后，对牺牲层207进行化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)处理。通过CMP处理，可以控制牺牲层207的厚度，为后续外延生长第一阻挡层208做准备。
例如，在衬底201上刻蚀通气孔，通过衬底201上的通气孔注入氢氟酸蒸汽。此时，不需要在第一阻挡层208上刻蚀通气孔。并且，外延生长第一阻挡层208的厚度至第一阻挡层208加第二阻挡层209的厚度。此时，也不需要第二阻挡层。在腐蚀区域10中的牺牲层207后，密封衬底201上的通气孔，将谐振子密封在空腔中。
例如，可以在器件硅层203上沉积金属作为谐振子的下电极层，金属包括钼、铂、钛、铝等。此时，在后续的电学连接过程中，下电极焊盘212通过第一导电结构和器件硅层203相连，器件硅层203通过支撑梁和金属的下电极层相连。
例如，如图2i所示，开口12和开口15用于填充第一电隔离结构，第一电隔离结构用于隔离第一导电结构和第二阻挡层209的边缘部分的连接。通过隔离第二阻挡层209的边缘部分，第一电隔离结构可以隔离下电极焊盘211相连的第一导电结构(称为导电结构1)和上电极焊盘212相连的第一导电结构(称为导电结构2)。导电结构1用于连接谐振子的下电极层，导电结构2用于连接谐振子的上电极层，因此，导电结构1和导电结构2不能存在电连接。在立体上，第一电隔离结构沿导电结构1的侧边绕一圈，另一第一电隔离结构沿导电结构2的侧边绕一圈，将第二阻挡层209划分为三部分。一部分是导电结构1，另一部分是导电结构2，另一部分是除导电结构1和导电结构2以外的区域。若不存在第一电隔离结构沿导电结构2的侧边绕一圈，则对于第二阻挡层209而言，第二阻挡层209被分为两部分。一部分是导电结构1，另一部分是除导电结构1以外的区域。此时，对于下电极焊盘211而言，下电极焊盘211可以处于另一部分中的任意区域。进一步地，在MEMS谐振器的侧边形成一圈的隔离层，用于隔离下电极焊盘211产生的电压。
例如，电介质隔离层206有两个功能，其中一个功能是隔离氧气，防止压电层204和上电极层205被氧化。若压电层204和上电极层205采用抗氧化的材料，或压电层204和上电极层205的氧化是可接受的，则在上述步骤101中，可以不在上电极层205上沉积电介质隔离层206。电介质隔离层206还有一个功能是电隔离。具体地，如图2l所示，在下电极焊盘211附近，电介质隔离层206用于隔离第二阻挡层209和器件硅层203的连接；在上电极焊盘212附近，电介质隔离层206用于隔离第二阻挡层209和上电极层205的连接。若不在上电极层205上沉积电介质隔离层206，则需要采用其他的方式来实现电隔离的功能。例如，如图2e所示，通过刻蚀牺牲层207，形成开口7和开口8。由于不包括电介质隔离层206，开口7直接与器件硅层203相连，开口8直接与上电极层205相连。在形成开口7和开口8之后，在外延生长第一阻挡层208之前，在开口7和开口8的底部生成一层不导电的隔离层。该隔离层用于实现电隔离功能。具体地，隔离层用于隔离第一阻挡层208和器件硅层203，第一阻挡层208和上电极层205的电连接。并且，还需要注意隔离层不被氢氟酸蒸汽腐蚀。在本申请中，电介质隔离层206不仅作为隔离层，还作为横向阻挡层。
应理解，在不包括电介质隔离层206的情况下，若开口7不直接与器件硅层203相连，即开口7和导电层203之间还包括牺牲层207(称为隔离结构)，则也能实现电介质隔离层206的电隔离功能。此时，区域10处的牺牲层207，隔离结构和第一电隔离结构(开口6和开口7之间的牺牲层207)是相互连接的。在通过第一阻挡层208中的通气孔11注入氢氟酸蒸汽腐蚀区域10处的牺牲层207时，若腐蚀时间过长，则会腐蚀隔离结构和第一电隔离结构。因此，可能造成电路短路，降低MEMS谐振器的成品率。在本申请中，如图2l所示，第一电隔离结构隔离了第一导电结构和第一阻挡层2082和/或第二阻挡层209，第一阻挡层208和电介质隔离层206隔离了第一电隔离结构和空腔。因此，在腐蚀空腔处的牺牲层时，第一阻挡层208和电介质隔离层206作为横向阻挡层。横向阻挡层可以阻止氢氟酸蒸汽腐蚀第一电隔离结构，从而降低电路短路的概率，提高MEMS谐振器的成品率。并且，在高温形成第二阻挡层209的材料为多晶硅或无晶硅时，可以去除空腔内的残留气体，从而提高MEMS谐振器的Q值。
应理解，电介质隔离层206可以阻止氢氟酸蒸汽腐蚀第一电隔离结构可以理解为电介质隔离层206的抗腐蚀性高于区域10处的牺牲层207的抗腐蚀性。
MEMS谐振器除了上述上电极层205和下电极层，还可以包括功能电极。图4为本申请中提供的MEMS谐振器的三维结构示意图。图4为图2l沿虚线进行切割得到的截面示意图，图4中X轴的方向可以参考图2l中X轴的方向。图5a至图5l为本申请中提供的MEMS谐振器在不同加工过程中的另一个结构示意图。将图2a至图2l称为Y截面图，将图5a至图5l称为X截面图。并且，图4，图5a至图5l中的部件采用了和图2a至图2l中相同的编号。因此，关于图4，图5a至图5l中的描述，可以相应的参考前述图2a至图2l中的相关描述。下面结合图4，图5a至图5l以及图1对功能电极的加工流程进行描述。
在步骤101中，提供包括衬底和器件硅层的SOI圆片。
如图5a所示，SOI圆片包括衬底201，氧化硅层202，器件硅层203。在器件硅层203上包括压电层204和上电极层205。如图5b所示，通过原子层沉积的方式在上电极层205上沉积的电介质隔离层206。其余描述请参考前述步骤101的描述。类似的，在后续的描述中，某个步骤中的描述可以参考前述相应步骤的描述，例如步骤102中的描述可以参考前述步骤102中的描述，步骤103中的描述可以参考前述步骤103中的描述。
在步骤102中，刻蚀器件硅层，形成谐振子和支撑梁。
如图4所示，通过刻蚀器件硅层203，形成2个功能电极403。2个功能电极403处于谐振子405的两侧。功能电极403和谐振子405形成电容。功能电极403和谐振子405之间存在电容间隙404。在功能电极403和导电层203的其它部分存在开口，用于实现电隔离。
如图5c所示，刻蚀电介质隔离层206。除了在Y截面图上形成开口1，开口2和开口3，还在X截面图形成开口1Y，开口2Y和开口3Y。开口2Y和开口3Y用于形成电容间隙404。开口2Y和开口3Y之间的部分用于形成谐振子405。开口1Y和开口2Y，以及开口1Y和开口3Y之间的器件硅层203用于形成功能电极403。开口1Y用于隔离功能电极403和其余部分的器件硅层203的连接。
在步骤103中，在器件硅层上沉积牺牲层。如图5d所示，在器件硅层203上沉积牺牲层207。
在步骤104中，刻蚀牺牲层，并在牺牲层上外延生长第一阻挡层，使得谐振子处于第一阻挡层和衬底形成的腔体内。
如图5e所示，刻蚀牺牲层207，除了在Y截面图上形成开口6，开口7，开口8和开口9。还在X截面图形成开口6Y，开口7Y，开口8Y和开口9Y。开口6Y，开口9Y和器件硅层203相连，为功能电极403的电学连接做准备。开口7Y，开口8Y与电介质隔离层206相连，用于后续生成第一阻挡层或第二阻挡层。开口7Y和开口8Y之间的区域即为后续谐振子所处的空腔在Y轴方向上的宽度。将开口7Y和开口8Y之间的牺牲层207所在的区域称为区域10。将开口6Y和开口7Y，开口8Y和开口9Y之间的牺牲层207称为第二电隔离结构。
如图5f所示，在刻蚀后的牺牲层207上形成第一阻挡层208。
在步骤105中，在第一阻挡层上刻蚀通气孔。如图5f所示，在第一阻挡层208上刻蚀通气孔11。
在步骤106中，通过通气孔注入氢氟酸蒸汽，腐蚀牺牲层，使得谐振子通过支撑梁悬于空腔。
如图5g所示，由于通气孔11与区域10处的牺牲层207相连，在通过通气孔11注入氢氟酸蒸汽后，氢氟酸蒸汽会腐蚀区域10处的牺牲层207。
在步骤107中，在第一阻挡层上外延生长第二阻挡层，密封通气孔。
如图5h所示，在高温真空环境下通过外延生长的方法生长第二阻挡层209，密封通气孔11。如图5i所示，在外延生长第二阻挡层209后，在第二阻挡层209上刻蚀出电学隔离槽。除了在Y截面图上形成开口12，开口13，开口14和开口15。还在X截面图形成开口12Y，开口13Y，开口14Y和开口15Y。其中，开口13Y，开口14Y和第二电隔离结构相连。将开口12Y和开口13Y，开口14Y和开口15Y之间的第二阻挡层209称为第二导电结构。开口12Y，开口15Y用于隔离第二导电结构和第二阻挡层209的边缘部分的连接，实现电隔离。
如图5j所示，在刻蚀电学隔离槽后，通过LPCVD的方法在第二阻挡层209上沉积保护层210。如图5k所示，在沉积保护层210后，在保护层210上刻蚀电学通孔。电学通孔除了包括Y截面图上开口16和开口17，还包括X截面图上的开口16Y和开口16Y。如图5l示，在电学通孔上通过沉积金属形成电学焊盘。电学焊盘包括在开口16Y和开口17Y上形成的功能电极焊盘401。功能电极焊盘401通过第二导电结构和功能电极403相连。通过功能电极焊盘401可以为功能电极403施加直流偏置电压。此时，通过静电作用，谐振子405沿电容的方向(Y方向)上产生偏移。并且，当谐振子405产生偏移时，谐振子405的谐振频率会发生改变。因此，本申请通过设置功能电极403，实现了谐振子的频率调节。
应理解，图4中包括左右对称的2个功能电极403。在实际应用中，可以只包括一个功能电极403。
当在功能电极403上施加交流电压时，交流电压作为谐振子405的振动激励，简称静电激励。此时，谐振子405的上电极层上施加的电压可以对谐振子405的振动频率进行检测，简称压电检测。通过压电检测，可以确定谐振子的振动频率是否符合预期。反之，上电极层上施加的电压作为谐振子405的振动激励时，简称压电激励。此时，功能电极403上施加的直流偏置电压可以对谐振子405的振动频率进行检测，简称静电检测。本申请通过设置功能电极403，可以灵活实现静电激励(压电检测)和压电激励(静电检测)之间相互转换。
下面对本申请中的功能电极的连接方式进行补充说明。图6本申请中提供的MEMS谐振器的电连接示意图。如图6示，MEMS谐振器包括下电极焊盘211，上电极焊盘212，功能电极焊盘401，功能电极403，谐振子405。其中，谐振子405和功能电极403之间形成电容。功能电极403和功能电极焊盘401相连。下电极焊盘211和谐振子405的下电极层相连；上电极焊盘212和谐振子405的上电极层相连。在图6中，支撑梁的方向为X方向。功能电极403对谐振子405产生的静电力的方向为Y方向。功能电极403和谐振子之间形成的电容的方向为Y方向。2个功能电极403包括第一功能电极和第二功能电极。第一功能电极和谐振子405形成第一电容，第二功能电极和谐振子405形成第二电容。第一电容和第二电容沿谐振子405对称分布。
上面对本申请中的MEMS谐振器的加工方法进行了描述。下面对本申请中的MEMS谐振器进行描述。图7为本申请中提供的MEMS谐振器的一个结构示意图。如图7所示，MEMS谐振器包括衬底701，谐振子和阻挡层702。其中，MEMS谐振器包括衬底701，阻挡层702，导电层703，电介质隔离层704，谐振子，第一电隔离结构7061和第一导电结构7051。衬底701和阻挡层702结合形成空腔。衬底701和阻挡层702的结合处包括导电层703。导电层703和阻挡层702之间包括电介质隔离层704，电介质隔离层704用于隔离导电层703和阻挡层702之间的电连接。谐振子悬于空腔。谐振子包括上电极层709，压电层708和下电极层707。下电极层707与导电层703相连(图中未示出)。导电层703和阻挡层702外的第一导电结构7051相连。通过第一导电结构7051可以为谐振子提供激励，使得谐振子在空腔中振动。第一导电结构7051和阻挡层702之间包括第一电隔离结构7061。第一电隔离结构7061用于隔离第一导电结构7051和阻挡层702之间的电连接。阻挡层702和电介质隔离层704用于隔离第一电隔离结构7051和空腔。
应理解，在图7中，阻挡层702和衬底701的结合处包括两部分，两部分包括左侧部分和右侧部分。左侧部分包括上述导电层703。当右侧部分也为导电层时，右侧导电层包括上电极层，压电层和器件硅层。右侧导电层和阻挡层702之间包括电介质隔离层，电介质隔离层用于隔离右侧导电层和阻挡层702之间的电连接。谐振子悬于空腔。谐振子包括上电极层709，压电层708和下电极层707。上电极层709与右侧导电层相连。右侧导电层和阻挡层702外的第一导电结构7052相连。第一导电结构7052和阻挡层702之间包括第一电隔离结构7062。第一电隔离结构7062用于隔离第一导电结构7052和阻挡层702之间的电连接。阻挡层702和电介质隔离层用于隔离第一电隔离结构7052和空腔。
关于本申请中MEMS谐振器的描述，可以参考前述图1，图2a至图2l，图3，图4，图5a至图5l，或图6的相关描述。例如，衬底701可以参考前述图2a至图2l中的衬底201。阻挡层702可以参考前述图2i中开口11和开口12之间的第一阻挡层208和第二阻挡层209。第一导电结构7051可以参考前述图2i中开口12和开口13之间的第一阻挡层208和第二阻挡层209。电介质隔离层704可以参考前述图2a至图2l中的电介质隔离层206。第一电隔离结构7061可以参考前述图2i中开口11中填充的牺牲层207。上电极层709可以参考前述图5a至图5l中的上电极层205。压电层708可以参考前述图5a至图5l中的压电层204。下电极层707可以参考前述图5a至图5l的空腔中的器件硅层203。例如，导电层可以是前述图2i至2l中阻挡层702和衬底701结合处的器件硅层203。例如，可以参考前述图4，MEMS谐振器还包括功能电极。
应理解，前述图1，图2a至图2l，图4，或图5a至图5l列举了MEMS谐振器的多种加工方法。多种加工方法都可以得到本申请中提供的MEMS谐振器。因此在实际应用中，存在更多的加工方法可以得到本申请中提供的MEMS谐振器。本申请中列举的加工方法只是许多加工方法中的特例。因此，前述MEMS谐振器的加工方法可以作为本申请中提供的MEMS谐振器的参考，而不应当作为限定条件。
前面对本申请中提供的MEMS谐振器进行了描述，下面对本申请中的时钟器件进行描述。图8为本申请中提供的时钟器件的结构示意图。如图8所示，时钟器件包括MEMS谐振器801和保持电路802。保持电路802为MEMS谐振器801提供闭环振荡激励。MEMS谐振器801通过振荡激励生成时钟信号。其中，MEMS谐振器801可以参考前述本申请中提供的MEMS谐振器。
前面对本申请中提供的时钟器件进行了描述，下面对本申请中的终端进行描述。图9为本申请中提供的终端的结构示意图。终端可以是手机，电脑，基站等。如图9所示，终端903包括时钟器件901和处理器902。时钟器件901用于为处理器902提供时钟信号。处理器902根据时钟信号进行运算处理。
处理器901可以是中央处理器(central processing unit，CPU)，网络处理器(network processor，NP)或者CPU和NP的组合。处理器901还可以进一步包括硬件芯片或其他通用处理器。上述硬件芯片可以是专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)，可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)或其组合。
时钟器件901可以MEMS时钟器件。具体地，时钟器件901可以参考前述本申请中提供的时钟器件。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种微电子机械MEMS谐振器，其特征在于，包括：
衬底，阻挡层，导电层，电介质隔离层，谐振子，第一电隔离结构和第一导电结构，其中：
所述衬底和所述阻挡层结合形成空腔，所述衬底和所述阻挡层的结合处包括所述导电层，所述导电层和所述阻挡层之间包括电介质隔离层，所述电介质隔离层用于隔离所述导电层和所述阻挡层之间的电连接；
所述谐振子与所述导电层相连，悬于所述空腔；
所述导电层和所述阻挡层外的所述第一导电结构相连，所述第一导电结构和所述阻挡层之间包括所述第一电隔离结构；
其中，所述阻挡层和所述电介质隔离层用于隔离所述第一电隔离结构和所述空腔。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述阻挡层包括第一阻挡层和第二阻挡层；
所述第一阻挡层上设有通气孔，所述第二阻挡层用于密封所述通气孔，将所述谐振子密封在所述空腔中。
3.根据权利要求2所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述第二阻挡层的材料为多晶硅或无晶硅。
4.根据权利要求2或3所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述第一阻挡层的材料和所述第一电隔离结构的材料不同。
5.根据权利要求2至4任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述第二阻挡层的材料和所述第一阻挡层的材料相同。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，
所述谐振子包括上电极层，压电层和下电极层，所述压电层在所述上电极层和所述下电极层之间；
其中，所述电介质隔离层覆盖所述上电极层和所述压电层。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述电介质隔离层的材料为氧化铝Al2O3。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述电介质隔离层的厚度为0.01μm至2μm。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述MEMS谐振器还包括功能电极，所述功能电极和所述谐振子形成电容；
其中，当在所述功能电极上施加直流偏置电压时，所述谐振子沿固定方向产生偏移。
10.根据权利要求9所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述功能电极包括第一功能电极和第二功能电极；
所述第一功能电极和所述谐振子形成第一电容；
所述第二功能电极和所述谐振子形成第二电容；
其中，所述第一电容和所述第二电容沿所述谐振子对称分布。
11.根据权利要求9或10所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述功能电极和所述阻挡层外的所述第二导电结构相连，所述第二导电结构和所述阻挡层之间包括所述第二电隔离结构；
其中，所述阻挡层和所述电介质隔离层用于隔离所述第二电隔离结构和所述空腔。
12.根据权利要求9至11任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，当在所述功能电极上施加交流电压时，所述谐振子根据所述交流电压进行振动。
13.根据权利要求1至12任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述MEMS谐振器还包括支撑梁；
其中，所述谐振子通过所述支撑梁和所述导电层相连，悬于所述空腔。
14.根据权利要求1至13任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，在所述阻挡层之上，所述MEMS谐振器还包括保护层。
15.根据权利要求14所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述保护层设有电学通孔，所述电学通孔上沉积有电极焊盘；
其中，所述电极焊盘和所述第一导电结构相连。
16.根据权利要求1至15任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，在所述衬底表面包括氧化硅层。
17.根据权利要求1至16任意一项所述的MEMS谐振器，其特征在于，所述第二阻挡层的加工温度大于500度。
18.一种微电子机械MEMS谐振器的加工方法，其特征在于，包括：
提供包括衬底和导电层的绝缘体上硅SOI圆片；
刻蚀所述导电层，形成谐振子和支撑梁，所述谐振子通过所述支撑梁与导电层相连；
在所述导电层上沉积电介质隔离层和牺牲层；
刻蚀所述牺牲层，并在所述牺牲层上外延生长或沉积第一阻挡层，使得所述谐振子处于所述第一阻挡层和所述衬底形成的区域内；
在所述第一阻挡层上刻蚀通气孔；
通过所述通气孔注入氢氟酸蒸汽，腐蚀所述区域内的所述牺牲层，使得所述谐振子通过所述支撑梁悬于所述区域形成的空腔；
在所述第一阻挡层上外延生长第二阻挡层，将所述谐振子密封在所述空腔中；
其中，所述导电层和所述阻挡层外的所述第一导电结构相连，所述第一导电结构和所述阻挡层之间包括所述第一电隔离结构，所述阻挡层和所述电介质隔离层用于隔离所述第一电隔离结构和所述空腔。
19.一种时钟器件，其特征在于，包括微电子机械MEMS谐振器和保持电路；
所述保持电路用于为所述MEMS谐振器提供闭环振荡激励；
所述MEMS谐振器通过所述振荡激励生成时钟信号；
其中，所述MEMS谐振器为前述权利要求1至17中任意一项所述的MEMS谐振器。
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