CN117559950A - 一种复合结构微机械谐振器及其加工方法 - Google Patents
一种复合结构微机械谐振器及其加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117559950A CN117559950A CN202311593769.4A CN202311593769A CN117559950A CN 117559950 A CN117559950 A CN 117559950A CN 202311593769 A CN202311593769 A CN 202311593769A CN 117559950 A CN117559950 A CN 117559950A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- layer
- resonator
- type doped
- composite structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 84
- 238000003672 processing method Methods 0.000 title abstract description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 139
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 139
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 137
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 79
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 21
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 8
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 6
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 3
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 3
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 2
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
- H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
- H03H9/02433—Means for compensation or elimination of undesired effects
- H03H9/02448—Means for compensation or elimination of undesired effects of temperature influence
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/05—Holders; Supports
- H03H9/0538—Constructional combinations of supports or holders with electromechanical or other electronic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
- H03H2003/027—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks the resonators or networks being of the microelectro-mechanical [MEMS] type
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
- H03H3/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks for obtaining desired frequency or temperature coefficient
- H03H2003/0407—Temperature coefficient
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
本发明涉及微电子技术的技术领域，具体涉及一种复合结构微机械谐振器及其加工方法，复合结构微机械谐振器包括：固定部件、谐振振子、支撑梁；所述固定部件具有空腔结构；所述谐振振子通过所述支撑梁悬于所述空腔之上；所述谐振振子由n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层构成叠层复合结构或嵌套型复合结构。本发明基于n型、p型掺杂硅的弹性模量具有不同的温度特性的特征，利用n型、p型掺杂硅和隔离层构成嵌套型或叠层复合结构谐振振子，通过调整构成谐振振子的n型和p型掺杂硅的体积占比，来调节微机械谐振器件的频率‑温度特性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术的技术领域，具体涉及一种复合结构微机械谐振器及其加工方法。
背景技术
微电子机械系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)器件与传统电子器件相比，具有体积小、重量轻、功耗低、可与集成电路制造工艺兼容等特点，已成为传统石英晶体振荡器的未来替代品。
微机械谐振器主要的性能参数包括谐振频率、品质因数(Quality factor,Q)值、动态阻抗以及频率温度系数等。微机械谐振器最主要缺点之一是频率稳定性差，温度变化将导致频率产生较大的偏移，不能满足工业的实际应用要求。MEMS谐振器的频率温度稳定性通过频率温度系数(Temperature coefficient of frequency,TCF)来衡量，在MEMS谐振器中，激发的谐振模态的TCFi(i代表TCF的阶次)由谐振器尺寸的温度敏感度以及几种材料特性(如弹性模量、泊松比和质量密度)来确定。其中，一阶频率温度系数由谐振器材料的杨氏模量温度系数(Temperature coefficient of elastic modulus,TCE)和热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion,CTE)确定，即：
通常单晶硅的弹性温度系数约为-60ppm/℃，热膨胀系数约为2.6ppm/℃，呈现出约为-30ppm/℃的频率漂移。如果未对微机械谐振器进行温度补偿，在工业级温度-40～85℃范围内，微机械谐振器的输出频率将产生超过3500ppm的频率漂移，因此需要对微机械谐振器进行温度补偿，提高频率稳定性。当前可以采用被动式或主动式的频率温度补偿方法来提高谐振器的频率温度稳定性。被动式温度补偿包括通过重掺杂(参见专利WO 2012/110708)、晶向选择(参见专利US8558643)以及添加温度补偿层等方法减小谐振器的频率温度系数(详见A.K.Samarao等，“Passive TCF Compensation in high q siliconmicromechanical resonators”，IEEE International Conference on Micro ElectroMechanical Systems(MEMS2010)，中国香港，2010年1月，116-119页)；主动式温度补偿可以使用电路补偿、静电调谐以及微腔加热恒温控制等方法提高谐振器的频率温度稳定性。(详见G.Wu等,"MEMS Resonators for Frequency Reference and Timing Applications,"inJournal of Microelectromechanical Systems,vol.29,no.5,pp.1137-1166,Oct.2020.)相比于被动式温度补偿，主动式温度补偿需要额外的结构和硬件设施，这会增加结构的复杂性，影响器件的尺寸大小，且会造成额外的功耗。
本发明结合重掺杂硅补偿和添加温度补偿层两种方法，提出一种新型被动式频率温度特性补偿结构，以提高微机械谐振器的频率温度稳定性。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种复合结构微机械谐振器，结合重掺杂硅补偿和添加温度补偿层两种方法，提出一种新型被动式频率温度特性补偿结构，以提高微机械谐振器的频率温度稳定性。
本发明的目的之二在于提供一种复合结构微机械谐振器的加工方法。
本发明的目的之三在于提供另一种复合结构微机械谐振器的加工方法。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种复合结构微机械谐振器，包括：
固定部件、谐振振子、支撑梁；
所述固定部件具有空腔结构；
所述谐振振子通过所述支撑梁悬于所述空腔之上；
所述谐振振子由n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层构成叠层复合结构或嵌套型复合结构。
其中，固定部件(即衬底)，谐振振子和支撑梁。谐振振子通过支撑梁与固定部件相连。谐振振子由n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层构成构成叠层复合结构或嵌套型复合结构；衬底与谐振振子间包含埋氧层，埋氧层用于实现衬底与器件层的电学隔离；埋氧层与谐振振子之间具有空腔结构，所述谐振振子悬空于所述空腔结构的上方。
本发明基于n型和p型掺杂硅的弹性模量具有不同的温度特性的特征，通过调节n型和p型掺杂硅的体积占比实现对工作温度范围内特定模态微机械谐振器的频率温度特性的调控和优化。
优选地，所述谐振振子由n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层构成叠层复合结构；所述叠层复合结构为n-隔离层-p-隔离层-n-隔离层-p重复的多层复合叠层结构；隔离层位于n型掺杂硅层和p型掺杂硅层之间。
所述谐振振子为叠层复合结构时，材料依次是n/p型掺杂硅、隔离层、p/n型掺杂硅、隔离层、n/p型掺杂硅、隔离层、p/n型掺杂硅，以此循环。
优选地，所述谐振振子由n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层构成嵌套型复合结构；所述嵌套型复合结构为n-隔离层-p-隔离层-n-隔离层-p重复的多层嵌套结构，且在谐振振子的一个或多个区域同时形成嵌套结构；隔离层位于n型掺杂硅层和p型掺杂硅层之间。
所述谐振振子为嵌套型复合结构时，从外到内依次为n/p型器件层硅、隔离层、p/n型器件层硅、n/p型器件层硅、隔离层、p/n型器件层硅，以此循环。
优选地，所述谐振振子具有嵌套型复合结构，具体的为n型掺杂硅嵌套在p型掺杂硅中或p型掺杂硅嵌套在n型掺杂硅中；隔离层位于n型掺杂硅层和p型掺杂硅层之间。
隔离层可以阻止PN结的形成。
优选的，所述微机械谐振器还包括：静电驱动/检测电极和或压电驱动/检测电极、接地电极和锚点；所述静电驱动/检测电极位于所述谐振振子结构的两侧，并与其余部分隔离开；所述压电驱动/检测电极和所述接地电极均位于所述谐振振子两端的固定锚点上。
优选地，所述谐振振子为嵌套型复合结构时，所述微机械谐振器可以通过静电驱动/静电检测、压电驱动/压电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现；所述微机械谐振器谐振振子为叠层复合结构时，所述微机械谐振器可以通过静电驱动/静电检测、压电驱动/压电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现。
优选地，所述n型掺杂硅和p型掺杂硅的掺杂均为浓度范围为4.0×1018/cm3～2.0×1020/cm3；所述n型掺杂硅的掺杂元素为磷、砷、锑中的至少一种，所述p型掺杂硅的掺杂元素为硼、铝、铟中的至少一种。
优选地，所述谐振振子包含压电层时，所述压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂、聚偏氟乙烯或氧化锌中的至少一种；所述隔离层为本征硅、轻掺杂硅或氧化硅、氮化硅等半导体常用的介电材料中的至少一种。
优选地，所述n型掺杂硅与p型掺杂硅体积比在0.5～2；隔离层的厚度为0.1～2微米。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的复合结构微机械谐振器的加工方法，当所述谐振振子为叠层复合结构时，包括以下步骤：
A1、提供一空腔-绝缘体上硅(Cavity on Silicon on Insulator，CSOI)圆片，其自下往上依次是衬底硅、埋氧层、器件层硅，且埋氧层与器件层之间包含空腔结构，空腔-绝缘体上硅圆片器件层为n型或p型掺杂；
A2、在空腔-绝缘体上硅圆片器件层硅上沉积隔离层；
A3、将与空腔-绝缘体上硅圆片器件层掺杂类型不同的另一单晶硅圆片与带有隔离层的空腔-绝缘体上硅圆片进行直接键合，并将该单晶硅圆片减薄、抛光至所需厚度；或者采用外延生长的方法，在空腔-绝缘体上硅圆片隔离层上生长与空腔-绝缘体上硅圆片器件层掺杂类型不同的单晶硅或多晶硅，并将生长的单晶硅或多晶硅减薄、抛光至所需厚度；
A4、依次重复上述的步骤A2和步骤A3，制备出构成微机械谐振器谐振振子的叠层复合结构；
A5、沉积金属，并图形化形成金属焊盘；
A6、刻蚀所述器件层，形成谐振振子和支撑梁，得到微机械谐振器结构。
本发明实现目的之三所采用的方案是：一种所述的复合结构微机械谐振器的加工方法，当所述谐振振子为嵌套型结构时，包括以下步骤：
B1、提供一空腔-绝缘体上硅圆片，其自下往上依次是衬底硅、埋氧层、器件层硅，且埋氧层与器件层之间包含空腔结构，空腔-绝缘体上硅圆片器件层为n型或p型掺杂；
B2、在空腔-绝缘体上硅圆片器件层预定区域刻蚀出空腔；
B3、在空腔-绝缘体上硅圆片器件层正面沉积隔离层；
B4、在空腔-绝缘体上硅圆片器件层正面外延生长与空腔-绝缘体上硅圆片器件层掺杂类型不同的单晶硅或多晶硅；
B5、将生长的单晶硅或多晶硅减薄、抛光至所需厚度；
B6、依次重复上述的步骤B2、步骤B3、步骤B4和步骤B5，制备出构成微机械谐振器谐振振子的嵌套型结构；
B7、沉积金属，并图形化形成金属焊盘；
B8、刻蚀所述器件层，形成谐振振子和支撑梁，得到微机械谐振器结构。
单晶硅的晶面为<100>晶面，所述单晶硅为n型或p型掺杂，其掺杂浓度范围为4.0×1018/cm3至2.0×1020/cm3；所述主谐振结构的晶向布置范围包括沿<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述主谐振结构的晶向布置。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明结合重掺杂硅补偿和添加温度补偿层两种方法，提出一种新型被动式频率温度特性补偿结构，以提高微机械谐振器的频率温度稳定性。具体的基于n型和p型掺杂硅的弹性模量具有不同的温度特性的特征，通过调节n型和p型掺杂硅的体积占比实现对工作温度范围内特定模态微机械谐振器的频率温度特性的调控和优化。
本发明的复合结构微机械谐振器，使用n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层形成具有叠层或嵌套型复合结构的谐振振子，可以通过调整构成谐振振子的n型和p型掺杂硅的体积占比以实现对所述微机械谐振器在工业温度范围(-40℃至85℃)内的频率温度特性的调控和优化。
附图说明
图1为本发明中所述叠层复合结构谐振振子的结构示意图；
图2至图3为本发明中所述嵌套型复合结构谐振振子的结构示意图；
图4至图7为本发明提供的一部分微机械谐振器的结构示意图；
图8为本发明图4所示微机械谐振器的加工流程示意图；
图9至图13为本发明图4所示微机械谐振器加工过程结构示意图；
图14为本发明中图7所示微机械谐振器的加工流程示意图；
图15至图21为本发明图8所示微机械谐振器加工过程结构示意图；
图22为所述n型、p型掺杂谐振振子微机械谐振器的TCF1-温度曲线图；
图23为有限元仿真一种具有叠层复合结构的谐振振子的频率偏移-温度曲线。
其中，101为n/p型掺杂硅、102为隔离层、103为p/n型掺杂硅、104为隔离层、105为n/p型掺杂硅；201为CSOI圆片的衬底硅层、202为埋氧层、203为器件层硅(n/p型掺杂硅)、204为金属焊盘、205为隔离层、206为p/n型掺杂硅、207为压电层、208为上电极层、209为顶层介电质；501为衬底硅层、502为埋氧层、503为器件层硅(n/p型掺杂硅)、504为隔离层、505为p/n型掺杂硅、506为金属焊盘、507压电层、508为上电极层、509为顶层介电质。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明提供了一种复合结构优化频率温度特性的微机械谐振器及其加工方法。通过使用n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层形成具有嵌套型或叠层复合结构的谐振振子，优化微机械谐振器在工业温度范围(-40℃至85℃)内的频率温度特性。
图1所示为本发明中所述的多层叠层复合结构谐振振子的结构示意图。其中101为n/p型掺杂硅、102为隔离层、103为p/n型掺杂硅、104为隔离层、105为n/p型掺杂硅。
所述谐振振子为叠层复合结构时，所述叠层复合结构可以形成从下到上n-隔离层-p-隔离层-n-隔离层-p……或p-隔离层-n-隔离层-p-隔离层-n……型多层复合结构，参见图1，其中，隔离层位于n型掺杂硅和p型掺杂硅之间。
图2与图3为本发明中所述的多层嵌套型复合结构谐振振子的结构示意图。其中101为n/p型掺杂硅、102为隔离层、103为p/n型掺杂硅、104为隔离层、105为n/p型掺杂硅。
所述谐振振子为嵌套型复合结构时，所述嵌套型复合结构可以形成从外到内n-隔离层-p-隔离层-n-隔离层-p……或p-隔离层-n-隔离层-p-隔离层-n……型多层嵌套结构，参见图2；谐振振子可在一个或多个区域同时形成嵌套结构，参见图3；对于上述结构，隔离层均位于n型掺杂硅和p型掺杂硅之间。
本发明所述的CSOI圆片如图9所示，包括衬底201、埋氧层202、器件层203，且器件层203和埋氧层202之间包括空腔结构。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，空腔的形状与谐振振子的形状相适应。例如，谐振振子的形状为长方形，则空腔的形状为相似长方形。通过后续的刻蚀工艺，可以使得谐振振子悬于空腔之上。
所述单晶硅的晶面为<100>晶面，所述单晶/多晶硅为n型或p型掺杂，其掺杂浓度范围为4.0×1018/cm3至2.0×1020/cm3；所述谐振振子的晶向布置范围包括沿<100>、<110>以及沿<100>与<110>之间布置；结合所述掺杂浓度确定所述谐振振子的晶向布置。
所述微机械谐振器谐振振子包含压电材料时，所述谐振振子的压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种。
所述谐振振子为叠层复合结构且不包含压电材料时，从下到上依次为n/p器件层硅、隔离层、p/n器件层硅……。所述谐振振子器件层为叠层复合结构且包含压电材料时，从下到上依次为n/p器件层硅、隔离层、p/n器件层硅、……、压电薄膜、上电极层和介电质层。
所述谐振振子为嵌套型复合结构且不包含压电材料时，从外到内依次为n/p器件层硅、隔离层、p/n器件层硅……。所述谐振振子为嵌套型复合结构且包含压电材料时，从外到内依次为n/p器件层硅、隔离层、p/n器件层硅(嵌套到另一掺杂类型的硅中)、……、压电薄膜、上电极层和介电质层。
图4所示为一种谐振器结构，其谐振振子为嵌套型复合结构且不包含压电材料；图5所示为一种谐振振子为嵌套型复合结构且包含压电材料时的谐振器结构；图6所示为一种谐振振子为叠层型复合结构且不包含压电材料时的谐振器结构；图7所示为一种谐振振子为叠层型复合结构且包含压电材料时的谐振器结构。
其中，本发明所述微机械谐振器的工作模态为宽度伸张模态、宽度伸张高阶模态、方板伸张模态等。
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，本发明可能只是简要的描述微机械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。另外，为了简明和清楚，本发明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。本发明描述加工步骤和/或部件的特定实例以简化本发明公开的技术方案。当然，这些实例并不旨在限定，以下结合具体实施例来对本发明进一步阐述。
实施例1：(嵌套型复合结构)
图8为本发明中所述具有嵌套型复合结构谐振振子的一种微机械谐振器(图4所示)的加工方法的流程示意图。为了方便描述微机械谐振器的加工方法，后续将结合微机械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9至图13为本发明中提供的一个微机械谐振器在不同加工过程中的结构示意图。如图8所示，加工方法包括以下步骤：
在步骤101提供包括衬底和器件层的CSOI圆片，参见图9，其自下往上依次是衬底硅201、埋氧层202、器件层硅203(厚度为20-60μm)，CSOI圆片器件层为n型或p型掺杂，且器件层203和埋氧层202之间包括空腔结构；
在步骤402中，在CSOI圆片器件层预定区域刻蚀出空腔，并在器件层上沉积隔离层；参见图10，图中205为隔离层，所述隔离层可以是本征硅、轻掺杂硅或氧化硅、氮化硅等半导体常用的介电材料。
在步骤403中，在隔离层上外延生长与CSOI圆片器件层掺杂类型不同的单晶硅或多晶硅，参见图11，图中206为单晶硅或多晶硅层；
在步骤404中，将生长的单晶硅或多晶硅减薄、抛光至所需厚度，沉积1-2μm厚的金属(例如铝)并图形化形成金属焊盘，参见图12，其中204为金属焊盘；
在步骤405中，正面刻蚀所述器件层，形成谐振振子和支撑梁，参见图13；
最终构成所述具有嵌套型复合结构谐振振子的微机械谐振器。
实施例2：(叠层复合结构)
图14为本发明中所述具有叠层复合结构谐振振子的一种微机械谐振器(图7所示)的加工方法的流程示意图，此谐振器不具有压电层，具体的谐振器可以包含或不包含压电材料。为了方便描述微机械谐振器的加工方法，后续将结合微机械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15至图21为本发明中提供的另一个微机械谐振器在不同加工过程中的结构示意图。如图14所示，加工方法包括以下步骤：
在步骤601中，提供1个CSOI圆片，其自下往上依次是衬底硅501、埋氧层502、器件层硅503(厚度为1-60μm)，CSOI圆片器件层为n型或p型掺杂，且器件层503和埋氧层502之间包含空腔结构，参见图15；
在步骤602中，在CSOI圆片上沉积隔离层504，参见图16；
在步骤603中，将与CSOI圆片器件层掺杂类型不同的另一单晶硅圆片与带有隔离层的CSOI圆片进行直接键合，并将该单晶硅圆片减薄、抛光至所需厚度，参见图17，图中505为与CSOI圆片器件层掺杂类型不同的器件层硅；
在步骤604中，在所述键合后圆片的器件层上沉积0.5-1μm厚的压电层(例如氮化铝)和0.15-0.2μm厚的上电极(例如钼)，并图形化上电极，参见图18，图中507为压电层，508为上电极层。
在步骤605中，沉积一层至少0.2μm厚的顶层介电质(例如氧化硅等半导体工艺中常用的介电质)；刻蚀所述顶层介电质，形成上电极通孔，露出上电极，刻蚀所述顶层介电质和所述压电层，得到下电极通孔，并露出所述器件层硅，参见图19；在所述上电极通孔和所述下电极通孔中均沉积金属并图形化，形成金属焊盘(例如沉积1-2μm厚的铝)。参见图20，其中509为顶层介电质，506为金属焊盘。
在步骤606中，正面刻蚀所述顶层介电质、所述压电层、所述器件层，形成谐振振子和支撑梁，参见图21；
最终构成所述具有叠层复合结构谐振振子的微机械谐振器。
图22为本发明通过现有材料参数库计算所得n型、p型掺杂谐振振子微机械谐振器的TCF1-温度曲线。本发明利用已发表论文中提取出的n型、p型掺杂硅材料参数库，通过计算得到<100>晶向n型和p型掺杂硅两种谐振振子的TCF1-温度曲线，其中n型掺杂硅为浓度为8.7e19cm-3磷元素掺杂、p型掺杂硅为1.7e20cm-3硼元素掺杂。该计算结果显示，在工业温度范围内，所述n型与p型掺杂硅各自构成的谐振振子具有大致相反的TCF1。这说明，可以利用n型和p型掺杂硅形成复合结构谐振振子，并通过控制二者的体积占比来调节谐振振子的一阶TCF。
图23为有限元仿真所得，所述具有叠层复合结构谐振振子微机械谐振器的频率偏移-温度特性图。本发明对所述具有叠层复合结构谐振振子微机械谐振器进行有限元仿真，得到了该谐振振子WE模态的谐振频率-温度特性曲线，并绘制出了频率偏移-温度图(该模型中n型、p型掺杂硅的厚度均为5微米，隔离层厚度为2微米)。该仿真结果说明，通过n型和p型掺杂硅形成复合结构谐振振子，并合理控制二者的体积占比，可以调节和优化谐振振子在工业温度范围(-40℃至85℃)内的频率-温度特性。
综上，本发明提出的微机械谐振器可以实现频率温度曲线的温度拐点调控，能够满足多种场合的应用需求。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种复合结构微机械谐振器，其特征在于，包括：
固定部件、谐振振子、支撑梁；
所述固定部件具有空腔结构；
所述谐振振子通过所述支撑梁悬于所述空腔之上；
所述谐振振子由n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层构成叠层复合结构或嵌套型复合结构。
2.根据权利要求1所述的复合结构微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子由n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层构成叠层复合结构；所述叠层复合结构为n-隔离层-p-隔离层-n-隔离层-p重复的多层复合叠层结构；隔离层位于n型掺杂硅层和p型掺杂硅层之间。
3.根据权利要求1所述的复合结构微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子由n型掺杂硅、p型掺杂硅和隔离层构成嵌套型复合结构；所述嵌套型复合结构为n-隔离层-p-隔离层-n-隔离层-p重复的多层嵌套结构，且在谐振振子的一个或多个区域同时形成嵌套结构；隔离层位于n型掺杂硅层和p型掺杂硅层之间。
4.据权利要求3中所述的复合结构微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子具有嵌套型复合结构，具体的为n型掺杂硅嵌套在p型掺杂硅中或p型掺杂硅嵌套在n型掺杂硅中；隔离层位于n型掺杂硅层和p型掺杂硅层之间。
5.据权利要求2或3中所述的复合结构微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子为嵌套型复合结构时，所述微机械谐振器可以通过静电驱动/静电检测、压电驱动/压电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现；所述微机械谐振器谐振振子为叠层复合结构时，所述微机械谐振器可以通过静电驱动/静电检测、压电驱动/压电检测、压电驱动/静电检测、静电驱动/压电检测中的任意一种方式实现。
6.根据权利要求1所述的复合结构微机械谐振器，其特征在于：所述n型掺杂硅和p型掺杂硅的掺杂均为浓度范围为4.0×1018/cm3～2.0×1020/cm3；所述n型掺杂硅的掺杂元素为磷、砷、锑中的至少一种，所述p型掺杂硅的掺杂元素为硼、铝、铟中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的复合结构微机械谐振器，其特征在于：所述谐振振子包含压电层时，所述压电层材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂、聚偏氟乙烯或氧化锌中的至少一种；所述隔离层为常用介电材料中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的复合结构微机械谐振器，其特征在于：所述n型掺杂硅与p型掺杂硅体积比在0.5～2；隔离层的厚度为0.1～2微米。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的复合结构微机械谐振器的加工方法，其特征在于，当所述谐振振子为叠层复合结构时，包括以下步骤：
A1、提供一空腔-绝缘体上硅圆片，其自下往上依次是衬底硅、埋氧层、器件层硅，且埋氧层与器件层之间包含空腔结构，空腔-绝缘体上硅圆片器件层为n型或p型掺杂；
A2、在空腔-绝缘体上硅圆片器件层硅上沉积隔离层；
A3、将与空腔-绝缘体上硅圆片器件层掺杂类型不同的另一单晶硅圆片与带有隔离层的空腔-绝缘体上硅圆片进行直接键合，并将该单晶硅圆片减薄、抛光至所需厚度；或者采用外延生长的方法，在空腔-绝缘体上硅圆片隔离层上生长与空腔-绝缘体上硅圆片器件层掺杂类型不同的单晶硅或多晶硅，并将生长的单晶硅或多晶硅减薄、抛光至所需厚度；
A4、依次重复上述的步骤A2和步骤A3，制备出构成微机械谐振器谐振振子的叠层复合结构；
A5、沉积金属，并图形化形成金属焊盘；
A6、刻蚀所述器件层，形成谐振振子和支撑梁，得到微机械谐振器结构。
10.一种根据权利要求1-8中任一项所述的复合结构微机械谐振器的加工方法，其特征在于，当所述谐振振子为嵌套型结构时，包括以下步骤：
B1、提供一空腔-绝缘体上硅圆片，其自下往上依次是衬底硅、埋氧层、器件层硅，且埋氧层与器件层之间包含空腔结构，空腔-绝缘体上硅圆片器件层为n型或p型掺杂；
B2、在空腔-绝缘体上硅圆片器件层预定区域刻蚀出空腔；
B3、在空腔-绝缘体上硅圆片器件层正面沉积隔离层；
B4、在空腔-绝缘体上硅圆片器件层正面外延生长与空腔-绝缘体上硅圆片器件层掺杂类型不同的单晶硅或多晶硅；
B5、将生长的单晶硅或多晶硅减薄、抛光至所需厚度；
B6、依次重复上述的步骤B2、步骤B3、步骤B4和步骤B5，制备出构成微机械谐振器谐振振子的嵌套型结构；
B7、沉积金属，并图形化形成金属焊盘；
B8、刻蚀所述器件层，形成谐振振子和支撑梁，得到微机械谐振器结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311593769.4A CN117559950A (zh) | 2023-11-24 | 2023-11-24 | 一种复合结构微机械谐振器及其加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311593769.4A CN117559950A (zh) | 2023-11-24 | 2023-11-24 | 一种复合结构微机械谐振器及其加工方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117559950A true CN117559950A (zh) | 2024-02-13 |
Family
ID=89821613
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311593769.4A Pending CN117559950A (zh) | 2023-11-24 | 2023-11-24 | 一种复合结构微机械谐振器及其加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117559950A (zh) |
-
2023
- 2023-11-24 CN CN202311593769.4A patent/CN117559950A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9331264B1 (en) | Microelectromechanical resonators having degenerately-doped and/or eutectic alloy resonator bodies therein | |
| EP2603976B1 (en) | Micromechanical resonator and method for manufacturing thereof | |
| US6275122B1 (en) | Encapsulated MEMS band-pass filter for integrated circuits | |
| EP2569862B1 (en) | Microelectromechanical resonator and a method for producing the same | |
| JP3542029B2 (ja) | 集積回路加工処理と両立する単結晶共振装置の製造方法 | |
| US11975965B2 (en) | MEMS resonator | |
| CN113285687B (zh) | 温度补偿型薄膜体声波谐振器及其形成方法、电子设备 | |
| WO2004013893A2 (en) | Piezo electric on seminconductor on- insulator resonator | |
| JP2009529820A (ja) | 少なくとも１個の共振器モード形状を有するｍｅｍｓ共振器 | |
| US20220166406A1 (en) | Microelectromechanical resonator | |
| CN109417123A (zh) | 具有高品质因数的压电式微机电系统谐振器 | |
| CN115842531A (zh) | 一种微机械谐振器及其制备方法 | |
| Ghosh et al. | Reduced TCF, high frequency, piezoelectric contour-mode resonators with silicon-on-nothing | |
| CN116505910A (zh) | 一种微机械谐振器及其制备方法、微机械振荡器 | |
| CN117559950A (zh) | 一种复合结构微机械谐振器及其加工方法 | |
| Han et al. | Mechanically Coupled Single-Crystal Silicon MEMS Resonators for TCF Manipulation | |
| CN112751544A (zh) | 具有锚点辅助结构的微机械谐振器及其制备方法 | |
| JP2013055647A (ja) | Ｍｅｍｓ共振器およびそれを用いた電気機器 | |
| WO2024094195A1 (zh) | 半导体结构的制备方法、半导体结构及电子设备 | |
| WO2023162301A1 (ja) | 共振子、共振装置、及び共振子製造方法 | |
| WO2022206497A1 (zh) | Mems谐振器及其加工方法，时钟器件 | |
| CN117220633A (zh) | 一种具有中心锚点结构的微机械谐振器及其制备方法 | |
| CN114866060A (zh) | 一种耦合谐振器及其制备方法 | |
| CN114866059A (zh) | 一种具有耦合结构的微机械谐振器及其制备方法 | |
| WO2022096774A1 (en) | Mems resonator with high quality factor and its use |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |