JP2023530743A - Ｍｅｍｓレゾネータおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【要約書】単結晶シリコンの第1層と、単結晶シリコンの第2層と、前記第1層と前記第2層との間に設けられた圧電体層とを備えるMEMSレゾネータ。このMEMSレゾネータ製造する方法であって、単結晶シリコン層と圧電体層との間のインターフェースがウェハボンディングで作製される、方法。【要約書】図3

Description

本発明は一般に、微小電気機械システム（MEMS）レゾネータに関する。本発明は概して、微小電気機械システム（MEMS）共振器（resonator）に関する。
発明の背景
このセクションは、有用な背景情報を説明するが、ここで説明されている技術が技術水準を示していることを認めている訳ではないことに注意されたい。
水晶レゾネータと同等の機能を持ちながら、チップサイズの小型化、低コスト化、衝撃や振動に対する堅牢性の向上を実現する、MEMS（Micro Electro Mechanical System，微小電気機械システム）レゾネータが開発されている。
周波数基準アプリケーション（frequency reference application）に用いられるシリコンMEMSレゾネータのようなMEMSレゾネータにとって、キーとなる性能パラメータは、等価直列抵抗（ESR）である。ESRはレゾネータのQ値に反比例する。従って、このパラメータを最大化することは、しばしば望ましいことである。また、共振周波数の温度変化が小さいこと、共振周波数の長期安定性（低経年変化）が良好であることも重要な特性である。
本発明のある実施形態の課題は、最適化されたMEMSレゾネータを提供すること、又は、少なくとも既存技術に対する代替手段を提供することである。
本発明の第１の例示的な捉え方によれば、次のようなMEMS（微小電気機械システム）レゾネータが提供される。このMEMSレゾネータは、
単結晶シリコンの第1層と；
単結晶シリコンの第2層と；
前記第1層と前記第2層との間に設けられた圧電体層と；
を備える。
実施形態によっては、単結晶シリコンの前記第1層は、上記3層のうち最上層に位置し、前記MEMSレゾネータの電極として使用される。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、単結晶シリコンの前記第1層を上部電極とし、単結晶シリコンの前記第2層を下部電極とする。
実施形態によっては、単結晶シリコンの前記第1層の厚さは、2μmから20μmの範囲である実施形態によっては、単結晶シリコンの前記第2層の厚さは、2μmから20μmの範囲である実施形態によっては、前記圧電体層の厚さは、0.3μmから5μmの範囲である実施形態によっては、単結晶シリコンの前記第1層は均一な厚さを有し、前記単結晶シリコンの前記第2層も均一な厚さを有する。前記第1層と前記第2層の厚さは同じであってもよいし異なっていてもよい。
実施形態によっては、前記第1層又は前記第2層のいずれか又は両方の、単結晶シリコンの平均不純物ドーピングは、2*1019cm-3又はそれ以上である。
実施形態によっては、単結晶シリコンの前記第1層における＜100＞結晶方向は単結晶シリコンの前記第1層の面内にあり（又は面内の逸脱が10度未満であり）、単結晶シリコンの前記第2層における＜100＞結晶方向も単結晶シリコンの前記第2層の面内にある（又は面内の逸脱が10度未満である）。単結晶シリコンの前記第1層の面内にある＜100＞結晶方向は、例えば、［100］方向であってもよく、［010］方向であってもよい。同様に、単結晶シリコンの前記第2層の面内にある＜100＞結晶方向は、例えば、［100］方向であってもよく、［010］方向であってよい。
実施形態によっては、単結晶シリコンの前記第1層における＜100＞結晶方向は、単結晶シリコンの前記第2層における＜100＞結晶方向と平行である（又は平行からのずれが10度未満である）。
ここで実施形態によっては、単結晶シリコンの前記第1層における＜100＞結晶方向は、単結晶シリコンの前記第2層における＜100＞結晶方向と同じ＜100＞結晶方向である。他の実施形態では、単結晶シリコンの前記第1層における＜100＞結晶方向は、単結晶シリコンの前記第2層における＜100＞結晶方向と異なる＜100＞結晶方向である。
実施形態によっては、前記第1の単結晶シリコン層の結晶方向と前記第2の単結晶シリコン層の結晶方向は平行であり、又は結晶方向のずれは最大でも10度である。
実施形態によっては、前記第1層又は前記第2層の共振周波数の温度係数が正である。
実施形態によっては、前記圧電体層の結晶c軸は、ウェハ平面（又は前記圧電体層が規定する平面）に直交する方向と平行であるか、又は前記ウェハ平面に直交する方向に対して0より大きく90度より小さい角度を有する。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータの共振モードは面内共振モード（in-plane resonance mode）である実施形態によっては、前記MEMSレゾネータの共振モードは長さ伸張共振モード（length-extensional resonance mode）である。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータの共振モードは面内共振モードであり、前記第1層の厚さと前記第2層の厚さは誤差20％以下で等しい。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータの共振モードは面外曲げモード（out-of-plane flexural mode）であり、前記第1層の厚さと前記第2層の厚さは明確に異なり、例えば少なくとも20％の違いがあり、例えば少なくとも50％の違いがある。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、ビーム（梁）のような、引き延ばされた形状の共振素子を有する実施形態によっては、前記引き延ばされた形状の共振素子の長手方向は、前記第1層の＜100＞結晶方向と平行（又は該方向からのずれが10度未満）であり、前記単結晶シリコンの前記第2層の＜100＞結晶方向とも平行（又は該方向からのずれが10度未満）である。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは正方形状の共振素子を有する実施形態によっては、前記正方形の全ての辺が、単結晶シリコンの前記第1層の＜100＞結晶方向と平行（又は該方向からのずれが10度未満）であり、前記正方形の全ての辺が、単結晶シリコンの前記第2層の＜100＞結晶方向と平行（又は該方向からのずれが10度未満）である。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、レゾネータを囲み、レゾネータのすべての物質層を貫通する切り離しトレンチを有する。
実施形態によっては、前記レゾネータのレイアウトは矩形である。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、前記第1層の開口部及び前記圧電体層の開口部を介して前記第2層への電気経路を提供する接続部を有する。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、前記第1層と前記圧電体層との間、又は前記第2層と前記圧電体層との間に中間物質層を有する。
実施形態によっては、前記中間物質層は、単結晶シリコン層と圧電体層とを接合するためのものである。
実施形態によっては、前記第1層と前記圧電体層との間、及び前記第2層と前記圧電体層との間の両方に中間物質層を有する。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、前記第2層の下面に追加の物質層を有し、当該追加物質層は、前記MEMSレゾネータを基板から分離する空洞に面している
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、アンカー領域に機械的に懸架されている。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、前記第1層の端から端まで（水平方向又は横方向に）延び、及び前記第1層全体を通って垂直に延びる垂直トレンチを含み、前記垂直トレンチは前記第1層の2つの領域を電気的に絶縁している。
実施形態によっては、形成された2つの領域は、電気的に絶縁された2つの上部電極として機能する。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、共振周波数をトリミングするために単結晶シリコンの前記第1層の上に微調整物質層を有する。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは反射対称性（reflection symmetry.）を有する実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは鏡面対称性を有する実施形態によっては、前記鏡面対称性は、x軸に対して鏡面対称であるか、y軸に対して鏡面対称であるか、x軸及びy軸に対して鏡面対称であるか、のいずれかを意味する。
実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、シリコン基板又はウェハ上に作製される実施形態によっては、前記MEMSレゾネータは、シリコン-絶縁体-シリコン基板（又はウェハ、例えば、SOIウェハ、又はC-SOIウェハ）上に作製される。
本発明の第2の例示的な捉え方によれば、前記MEMSレゾネータの製造方法が提供される。この方法によれば、
・ 単結晶シリコンの前記第1層と前記圧電体層との間のインターフェース；
・ 単結晶シリコンの前記第2層と前記圧電体層との間のインターフェース；
の少なくともいずれかはウェハボンディングで作製される。
すなわち、単結晶シリコン層と圧電体層とのインターフェースの少なくとも一方は、ウェハボンディング法により作製される。
様々な捉え方や実施形態を紹介してきたが、これらは発明の範囲を限定するために提示されたものではない。これらの実施形態や後述の実施形態は、本発明の実施にあたり使用され得る特定の態様やステップを説明するために用いられるにすぎない。いくつかの実施形態は他の実施形態にも適用可能であることが理解されるべきである。紹介する実施形態は適宜組み合わせ可能でありうる。
次に、本発明を、添付図面を参照しながら例示的にのみ説明する。
ある実施形態による MEMSレゾネータの概略断面図である 。 図1に示した物質スタックを有するMEMSレゾネータのレゾネータレイアウトの一例である。 図2のMEMSレゾネータをBB'断面に沿って切断した模式的断面図である。 ある実施形態におけるMEMSレゾネータの製造工程を示す。 ある実施形態におけるMEMSレゾネータの物質スタックの更なる選択肢を示す。 ある実施形態における、中間物質層を有する物質スタックの製造を示す。 ある別の実施形態における、代替的な中間物質層を有する物質スタックの製造を示す。 ある別の実施形態によるMEMSレゾネータの概略断面図である。 更なる実施形態によるMEMSレゾネータの概略断面図である。 ある実施形態による、トレンチによって分離された2つの領域を有するMEMSレゾネータの概略断面図である。 図10Aに示したMEMSレゾネータのレゾネータレイアウトの一例を示す。 ある実施形態による、周波数微調整特性を有する長さ伸張モードMEMSレゾネータのレゾネータレイアウトの一例を示す。 図11AのMEMSレゾネータの概略断面図である。 ある実施形態による、細長いトレンチで区切られた隣接するサブエレメントを有するMEMSレゾネータのレゾネータレイアウトの一例を示す。
詳細説明
以下の説明において、類似の番号は類似の要素を示す。
図1は、ある実施形態による MEMS（Micro Electro Mechanical System，微小電気機械システム）レゾネータ100の概略断面図である 。MEMSレゾネータ100の断面は、間に圧電物質層L2を有する2つの単結晶シリコン層L1、L3を有する。圧電物質は、例えば、AlN、ScドープAlN、ZnO、LiNbO3、又はLiTaO3であることができる。
MEMSレゾネータ100は、マイクロマシニングプロセスによって、シリコン層L1、L3及び圧電層L2からなる層スタックにパターニングされる。このマイクロマシニングプロセスha,物質層スタックを通る垂直トレンチ101を作成する。レゾネータ100の横方向の寸法は、垂直トレンチ101によって規定される。レゾネータの下には、レゾネータを基板L5から分離する空洞102がある。基板、又は基板ウェハ、L5は、典型的にはシリコンウェハであるが、他の材料から作られることも可能である。典型的な実施形態では、基板層L5と、レゾネータを形成する下部シリコン層L3との間に酸化シリコン層L4が存在する。基板層L5と下部シリコン層L3との間に酸化シリコン層L4が存在する領域には空洞がない。層L4が、Al2O3、ガラス、又は他の絶縁材料など、酸化シリコンとは別の材料からなる実施形態がある。
実施形態によっては、上部シリコン層L1の厚さは2μm～40μmの範囲、下部シリコン層L3の厚さは2μm～40μmの範囲、圧電体層L2の厚さは200nm～8μmの範囲である実施形態によっては、厚さL1及びL3は等しいか実質的に等しく、実施形態によっては、L1及びL3は互いに大きく異なり、一桁の差さえある。
実施形態によっては、圧電体層L2の結晶c軸は、ウェハ面に直交する方向と平行であるか、又はウェハ面に直交する方向に対して0より大きく90度より小さい角度で傾いている。ウェハ面に直交する方向に対するc軸の傾きは、面内Lameモード（in-plane Lame mode）レゾネータなどの一部の機械的共振モードの電気機械的結合を改善するために使用することができる。
図2は、図1に示す物質スタックを用いたレゾネータレイアウトの一例を示す。図1に図示されている断面は、図2の断面AA'である。。レゾネータ100の幾何学的形状は、垂直トレンチ101によって横方向の寸法が規定された、長さ伸張型レゾネータの形状である。レゾネータは、2本のビーム103によって、空洞領域102の外側の機械的に固定された領域に懸架されている。破線102は、基板L5と下部シリコン層L3との間の層L4内の空洞102の境界線を示す。
他にも、面内又は面外のいずれかに振動する音叉型レゾネータ、方形伸張モード（square-extensional mode）又はLameモードレゾネータ、面内又は面外に振動する結合要素を有する又は有しない種々のばね質量レゾネータ（spring-mass resonator）、結合要素を有する種々の長伸長レゾネータ、結合要素を有する又は有しない種々のビーム型レゾネータなどの様々な幾何学的形状及び様々な振動モードを有するレゾネータなど、様々な実施形態がある。
典型的な実施形態では、それぞれ電気的接続部111及び112を有する2つの電気端子が存在する。この電気的接続部は、典型的には薄い金属層又は薄い金属層のスタックで作られ、例えばモリブデン、アルミニウム、又は金で作られる。電気的接続部部111、112を含む構造の詳細を説明するために、図2の断面BB'に沿ったMEMSレゾネータの断面が図3に示されている。層L1を貫通するトレンチ114は、接続部部111、112を互いに電気的に絶縁するために設けられる。実施形態によっては、トレンチ114のレイアウトは、端子111、112間のキャパシタンスを最小化し、それによってレゾネータの性能指数（figure of merit）を最大化するようにされる。典型的な実施形態では、接続部の一方（ここでは111）が下部シリコン層L3への電気経路を提供する一方で、他方の接続部（112）が上部シリコン層L1から形成されるレゾネータ構造への電気経路を提供する。上部シリコン層L1と圧電層L2を貫く開口部113は、端子111に蒸着された金属が層L3にガルバニック接触を提供するように設けられる実施形態によっては、電気端子（111、112）のレイアウトや、（切り離し）トレンチ101、空洞102、及び（分離）トレンチ114を含むレゾネータ100のレイアウトは、図2に示すものとは異なり、レゾネータの電気端子の数は2、3、又はそれ以上であり得る。
本発明のある実施形態におけるMEMSレゾネータでは、好ましくはドープされたシリコンの単結晶層L1及びL3が、それぞれ上部電極及び下部電極として使用される。電極材料として（ドープされた）単結晶シリコンを使用することは有利である。単結晶シリコンには構造的な欠陥がほとんどないため、共振周波数の長期安定性は、電極材料における転位効果（加工硬化など）に悩まされない。一方、金属薄膜を電極に用いた圧電結合型MEMSレゾネータでは、転位に起因する悪影響が懸念される。
実施形態によっては、単結晶シリコン層L1とL3は、リン、ヒ素、リチウム、ホウ素などのドーパント、又は複数の異なるドーパントの組み合わせを用いて縮退ドープされている。レゾネータ質量の50%以上が縮退ドープされたシリコンからなり、及び／又は、レゾネータは、少なくとも2*1019cm-3、例えば少なくとも1020cm-3の平均不純物濃度にドープされたシリコンの躯体を有する。層L1と層L3のドーピングレベルは、実質的に同じでも異なってもよい。ドーピングは、層L1とL3内で均質でも不均質でもよい。シリコンの強いドーピングは、シリコンのヤング率の温度依存性を低減し、MEMSレゾネータの共振周波数の温度依存性を低減するのに有効である実施形態によっては、ヤング率の温度係数は、層L1と層L3の一方又は両方が正となる。特に、MEMSレゾネータの熱依存性を低減するために、縮退したn型リンドーピングが用いられてきた。PSGドーピング，POCl3ドーピング，イオン注入，酸化リン(P2O5)ドーピングウェハの使用など、強いリンドーピングにはいくつかの手法がある実施形態によっては、MEMSレゾネータの周波数－温度特性を最適化するために、レゾネータ構造体の大部分を構成する単結晶シリコンの結晶軸に対して、ある特定のアライメントを持ったレゾネータ形状を採用している実施形態によっては、単結晶シリコンの層L1、L3における結晶方向は、＜100＞方向がそれぞれの層の面内に存在するようなものである実施形態によっては、層L1及び／又はL3の面内には、［100］及び［010］のような2つの＜100＞結晶方向が存在する実施形態によっては、層L1及びL3は、L1層の結晶軸が層L3のそれぞれの結晶軸と本質的に平行になるように、それぞれの結晶方向の互いのずれが10度未満になるように配される。
本発明のある実施形態に従うMEMSレゾネータ用物質スタックの製造の主なステップを図4A～4Eに示す実施形態によっては、MEMSプロセスの出発点は、図4Aに示す、空洞（キャビティ）上部のシリコン層が単結晶シリコン層L3を形成する、キャビティSOIウェハである実施形態によっては、図4Aに模式的に示されるように、単結晶シリコン層L3中のリンの濃度は、追加のドーピングによって増加される。ドーピング後、図4Bに例示されるように、AlN又はScドープAlN又は他の圧電材料などの圧電層L2が、キャビティSOIウェハ上に堆積される。
実施形態によっては、本発明による物質スタックの上部単結晶層L1は、図4Cに例示される別のシリコンウェハから形成される実施形態によっては、導電性を向上させるため、及び／又は共振周波数の温度依存性を低減させるために、シリコンウェハL1の一面は、例えば、リンによってドープされる。ウェハL1のドープされた面は、圧電層L2を含むキャビティSOIウェハに接合され、図4Dに示される物質スタックとなる。その後、図4Eに示すように、シリコン層L1の厚さを所望の厚さまで研磨する。
図5に、レゾネータ物質スタックについての更なる実施形態を示す実施形態によっては、シリコン層L3と圧電体層L2との間に中間物質層L3'が設けられる実施形態によっては、シリコン層L1と圧電体層L2との間の中間物質層L2'が設けられる。
層L2'は、シリコン層L1を圧電体層L2に結合するために使用されてもよい。層L2'を形成するいくつかの材料はいくつか存在する。例えば酸化シリコン、多結晶シリコン、金属（金、アルミニウム、モリブデン、銅、銀など）、金属間化合物（Cu3Sn、Cu6Sn5など）、Al2O3，Hf2O，TiO2，Mo-Auナノ積層などの高誘電物質、ポリマー接着材を用いることができる。層L2´を形成するこれら様々な物質は、ウェハボンディング（図6A～6C及び図7A～7Cに関連して後で詳細に説明する）を用いて、本発明の実施形態による物質スタックを構築するために使用することができる。
ウェハ接合を行うための層L1とL2との間の中間物質層L2'の使用が、図6A～6Cの例示的実施形態に更に示されている。ここでは、ウェハ接合のためにAl2O3を層L2'で利用する。まずキャビティSOIウェハ上の圧電層L2上に、Al2O3の層L21が堆積される（図6A）。ドープシリコンウェハ上にはAl2O3の層L22が堆積される（図6B）。そしてこれらのウェハは接着され、最終厚さに研磨されて、本発明に係るレゾネータを製造するために用いられるウェハを形成する（図6C）。ウェハ結合ステップの後、物質層L21及びL22は、一緒にAl2O3の層L2´を形成する。
本発明の実施形態に示される物質スタックを作成するためのいくつかの代替的なプロセスフローが存在する。この点をさらに明らかにするために、図7A～Cに1つの代替案が示されている。このケースでは、圧電層L2は、キャビティSOIウェハ（図7Aに図示）上ではなく、上部シリコン層L1を含むシリコンウェハ（図7Bに図示）上に堆積される。２つのウェハの接合は、キャビティSOIウェハ上のAl2O3の層L31の堆積（図7A参照）と、圧電層L2を有するドープシリコンウェハ上のAl2O3の層L32の堆積（図7B参照）によって行われる。次に、これら2つのウェハを接着し、最終的な厚さまで研磨して、図7Cに示される物質スタックをもたらす。物質層L3'はAl2O3の層L31とL32からなる。さらに別のプロセスフローでは、接合に使用される中間物質層L3'は、酸化シリコン、多結晶シリコン、金属（金、アルミニウム、モリブデン、銅、銀など）、金属間化合物（Cu3Sn、Cu6Sn5など）、Hf2O又はTiO2など他の高誘電材料、Mo-Auナノ積層、ポリマー接着材料から選択されてもよい。
実施形態によっては、図8に示すように、空洞102に面する下部Si層L3の下面に、物質層L4'を有する。層L4'は、酸化シリコンであってもよい。酸化シリコン層は、レゾネータ物質スタックのヤング率の温度依存性を低減し、それによって、MEMSレゾネータの共振周波数の温度依存性を低減するために使用されてもよい。上述したように、中間層L3'及びL2'内にも酸化シリコン層があってもよく、実施形態によっては、層L1の上にも酸化シリコン層があってもよい。
実施形態によっては、層L3'は、モリブデンなどの導電性物質を含む。実施形態によっては、この導電性材料（Moなど）とシリコン層L3との間に薄い接着層が存在する。このような実施形態では、層L3'の導電性物質は、下部電極として機能することができる。このようなレゾネータにおいて、底部電極へのガルバニック接触を形成するために、底部電極への電気接続部111は、図9Aに示されるように、導電性L3'層までしか延在する必要がない。
実施形態によっては、レゾネータは、Al2O3のような電気的絶縁物質からなる中間物質層L3´（層L2とL3の間の層）を有する。このようなレゾネータの層L3がガルバニック接続電極として使用される場合、図9Bに示されるように、層L3のための電気接続部111を提供するために、開口113が層L3´を通って延びる。
実施形態によっては、層L1が、互いに電気的に絶縁された2つの領域からなる。これら２つの領域はそれぞれレゾネータ100の構造の一部である。２つの上部電極を有するそのようなレゾネータの断面が図10Aに示され、対応する上面図が図10Bに示される（図10Aは、図10Bの断面DD'に対応する）。上部電極112A及び112Bは、圧電層L2の上の導電層を通って延びる垂直トレンチ114A、114B、114Cと、レゾネータ100の下側で空洞102へと延びる垂直トレンチ110とによって、層L1にパターニングされる。なお図10Aに図示された実施形態では、絶縁トレンチが層L1を貫通するだけでよいように、層L2'が電気的に絶縁されていると仮定されている。図10A～10Bに示される実施形態では、底部電極（層L3及び／又はL3'）は、電気的に浮いている実施形態によっては、レゾネータは、2つ（又はそれ以上）の上部電極と、ガルバニック接続された下部電極とを有する。
実施形態によっては、レゾネータの上面には、レゾネータの共振周波数を微調整するための物質層L1'が存在する。振動中にあまりひずみの生じない部分のみを主に覆うように物質層L1'をパターン化すると、レゾネータのばね定数に対するL1'パターンの寄与が非常に小さくなるため、有利になる。このことは、ある種の利点をもたらす。第一に、物質層L1'の構造的な経年変化（格子転位の移動など）が、共振周波数の長期ドリフトにほとんど寄与しないことである。第二に、共振周波数の温度係数全体に対するL1'物質層の寄与が非常に小さいため、温度係数がゼロのレゾネータの設計が容易になる。第三に、イオンビームトリミングなどでレゾネータ表面層を除去することにより、レゾネータの周波数をトリミングすることが可能である。
図11Aに例示される長さ伸張型レゾネータの場合、物質層L1'のパターンは、好ましくは、（ビーム）レゾネータの上面の先端領域に対称的に堆積される。L1'層を有する部分は、レゾネータが振動する間、あまり歪みを経験しない。堆積されたL1'パターンの主な効果は、（ばね定数に影響せずに）レゾネータの質量に寄与し、それによって共振周波数を変化させることである。図11Aに示されたレゾネータの物質スタックのCC´に沿う断面が、図11Bに示されている。この断面は物質層L1'を含んでいる。薄い物質層で大きな周波数調整を行うことを容易にするために、物質層L1'が金のような重い材料を含むと有利である。周波数調整は、例えば、イオンビームトリミングによって行うことができる。層L1'の厚さは、20nm～1000nmの範囲、例えば、50nm～300nmの範囲とすることができる。
実施形態によっては、物質層L1'は、振動中に高い歪みが発生する領域も含めて、レゾネータの上面全体を実質的に覆っている。このような場合、レゾネータの弾性特性の長期安定性は最適ではないが、本発明の実施形態によるレゾネータの物質積層によってもたらされる高い品質係数（したがって、低いESR）は、依然として利点として残る。また、MEMSレゾネータの周波数は、例えばイオンビームトリミングによってL1'層の厚さをトリミングすることによって調整することができる。
実施形態によっては、MEMSレゾネータは、隣接する伸張型レゾネータ素子を、非ノーダル位置で接続要素により接続し、細長いトレンチにより分離した、伸張型レゾネータアセンブリの形態をとることができる。このような長さ伸張型レゾネータアセンブリが図11Cに示されている。隣接する長さ伸張型レゾネータ要素は垂直トレンチ121によって分離されている。垂直トレンチ121は、レゾネータ100の全体的な横方向形状を規定する垂直トレンチ101と同様に、MEMSレゾネータ100のすべての物質層を貫通する。
更に別の実施形態では、レゾネータは、z方向に振動する面外モードレゾネータ（out-of-plane-mode resonator）の形式をとる。例えば屈曲ビームレゾネータ（flexural beam resonator）や屈曲プレートレゾネータ（flexural plate resonator）の形式をとる。又は、互いに接続された複数の面外屈曲ビーム及び／又はプレート要素及び／又はプルーフマス（proof mass）からなる、又はそれらを含む、レゾネータアセンブリの形式をとる。このような面外レゾネータ間の共通の特徴は、面外曲げのための中立面（neutral plane）が、圧電体層L2の下又は上のいずれかにあることである。これは、単結晶シリコン層L1の厚さと層L3の厚さが（例えば50％以上など）大きく異なる場合に実現される。このような場合、圧電体層を横切る電界の印加は、面外曲げ（out-of-plane bending）をもたらす、物質スタックの歪みフィールドを引き起こす。
本発明の実施形態による面内レゾネータ（in-plane resonator）、例えば長さ伸張型レゾネータ、長さ伸張型レゾネータアセンブリ、方形伸張型レゾネータ、又は各種ばね質量型レゾネータの場合、面外曲げの中立面は圧電層L2内にあることが有利である。これは、単結晶シリコン層L1及びL3の厚さが等しいか、又はほぼ等しい、例えば20％以内の範囲で等しい場合に実現される。このような場合、圧電体層を横切る電界の印加は、面内運動のみをサポートする。そのため、面外寄生共振モード（out-of-plane parasitic resonance mode）が抑制され、所望の面内共振モードの品質係数（Q）が向上する。
請求項に係る発明の技術的範囲及び解釈を制限することなく、本明細書に開示された例示的な実施形態の１つ又は複数の技術的効果を以下に列挙する。１つの技術的効果は、良好な長期周波数安定性である。別の技術的効果は、低い等価直列抵抗（ESR）及び高い品質係数（Q）である。更なる技術的効果は、寄生共振（parasitic resonance）がないことである。
上の説明は、本発明の特定の実装形態および実施形態の非限定的な例によって、本発明を実施するために本発明者らが現在考えている最良の形態の完全かつ有益な説明を提供したものである。しかしながら、当業者には明らかであるように、上述の実施形態の詳細は本発明を限定するものではなく、本発明の特徴から逸脱することなく同等の手段を用いて、他の実施形態に実装することができる。
さらに、以上に開示した本発明の実施形態の特徴は、対応する他の特徴を用いることなく用いられてもよい。然るに、以上の説明は、本発明の原理を説明するための例に過ぎず、それを限定するものではないと捉えるべきである。よって、本発明の範囲は添付の特許請求のみによって制限されるものである。

Claims (18)

  1. 単結晶シリコンの第1層と；
    単結晶シリコンの第2層と；
    前記第1層と前記第2層との間に設けられた圧電体層と；
    を備える、MEMSレゾネータ。
  2. 単結晶シリコンの前記第1層は、上記3層のうち最上層に位置し、前記MEMSレゾネータの電極として使用される、請求項１に記載のMEMSレゾネータ。
  3. 前記第1層又は前記第2層のいずれか又は両方の、単結晶シリコンの平均不純物ドーピングは、2*1019cm-3又はそれ以上である、請求項1又は2に記載のMEMSレゾネータ。
  4. 単結晶シリコンの前記第1層における＜100＞結晶方向は単結晶シリコンの前記第1層の面内にあり、又は面内の逸脱が10度未満であり、
    単結晶シリコンの前記第2層における＜100＞結晶方向も単結晶シリコンの前記第2層の面内にあり、又は面内の逸脱が10度未満である、
    請求項１から３のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  5. 単結晶シリコンの前記第1層における＜100＞結晶方向は、単結晶シリコンの前記第2層における＜100＞結晶方向と平行であり、又は平行からのずれが10度未満である、請求項1から4のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  6. 前記第1の単結晶シリコン層の結晶方向と前記第2の単結晶シリコン層の結晶方向は平行であり、又は結晶方向のずれは最大でも10度である、請求項1から5のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  7. 前記第1層又は前記第2層の共振周波数の温度係数が正である、請求項1から6のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  8. 前記圧電体層の結晶c軸は、前記圧電体層が規定する平面に直交する方向と平行であるか、又は前記平面に直交する方向に対して0より大きく90度より小さい角度を有する、請求項1から7のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  9. 前記MEMSレゾネータの共振モードは面内共振モードであり、前記第1層の厚さと前記第2層の厚さは誤差20％以下で等しい、請求項1から8のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  10. 前記MEMSレゾネータの共振モードは長さ伸張共振モードである、請求項1から9のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  11. 前記MEMSレゾネータの共振モードは面外曲げモードであり、前記第1層の厚さと前記第2層の厚さは明確に異なり、例えば少なくとも20％の違いがあり、例えば少なくとも50％の違いがある、請求項1から10のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  12. レゾネータを囲み、レゾネータのすべての物質層を貫通する切り離しトレンチを有する、請求項1から11のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  13. 前記第1層の開口部及び前記圧電体層の開口部を介して前記第2層への電気経路を提供する接続部を有する、請求項1から12のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  14. 前記第1層と前記圧電体層との間、又は前記第2層と前記圧電体層との間に中間物質層を有する、請求項1から13のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  15. 前記第2層の下面に追加の物質層を有し、前記追加の物質層は、前記MEMSレゾネータを基板から分離する空洞に面している、請求項1から14のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  16. 前記第1層の端から端まで延び、及び前記第1層全体を通って垂直に延びる垂直トレンチを有し、前記垂直トレンチは前記第1層の2つの領域を電気的に絶縁する、請求項1から15のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  17. 前記MEMSレゾネータは、共振周波数をトリミングするために単結晶シリコンの前記第1層の上に微調整物質層を有する、請求項1から16のいずれかに記載のMEMSレゾネータ。
  18. 請求項1から17のいずれかに記載のMEMSレゾネータ製造する方法であって、
    ・ 単結晶シリコンの前記第1層と前記圧電体層との間のインターフェース；
    ・ 単結晶シリコンの前記第2層と前記圧電体層との間のインターフェース；
    の少なくともいずれかがウェハボンディングで作製される、方法。
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