MEMS谐振器、制造这种谐振器的方法以及MEMS振荡器

具体实施方式

将关于特定的实施例和参照某些附图，对本发明进行描述，但是这不能被解释为一种限制情形，因为本发明只被所附的权利要求所限制。在权力要求中的任何参考标号不应当被视为对权利要求的范围的限制。描述的附图只是示意性和非限制性的。在附图中，为了说明目的，某些元件的尺寸被放大，没有按照比例绘制。这里，在本说明书和权利要求中采用了术语“包括”，它并不排除其他元件或步骤。当提到单数名词时所采用的定冠词或不定冠词，例如“一个”、“一种”、“该”，如果没有特别陈述的话，这包括多个那种名词。

而且，在说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”和类似术语用于进行类似元件之间的区分，并不必然用于描述连续的或按时间顺序的情形。应当理解的是，在适当的环境下，这样使用的术语是可以互换的，而且，这里描述的本发明的实施例可以工作在不是这里描述或说明的其他序列中。

杨氏模量是一种材料特性，其描述了它的硬度，并因此是MEMS谐振器的可移动元件的一种最重要的材料特性。杨氏模量和质量密度是确定谐振器的谐振频率的两种材料特性。用下式给出材料的杨氏模量：

E(T)＝E₀+α·ΔT

其中，E₀是在MEMS谐振器的工作条件下的杨氏模量，α是温度系数，ΔT是温度变化。

图1a到图1e图示了根据本发明的方法的实施例的制造工艺的各个阶段中的MEMS谐振器。

图1a涉及的是制造工艺的一个阶段，其中提供了半导体主体10。半导体主体10包括衬底层20、在衬底层20上提供的牺牲层30，和在牺牲层30上提供的顶层40。在本发明的一个实施例中，顶层40可以包括硅，但是其他材料也是可以的，例如，类似于锗(Ge)、类似砷化镓(GaAs)的III-V族半导体化合物、类似磷化铟的II-VI族半导体化合物以及其他材料。对于牺牲层30，可以采用类似氧化硅(SiO₂)的材料，但其他材料也是可以的。在硅被用作顶层40的材料，氧化硅(或其他绝缘材料)被用作牺牲层30的材料的情况下，还可以使用术语绝缘体上硅(SOI)。绝缘体上硅衬底/晶片在市场上是可以广泛地得到的，并可以以简单容易的方式生产。在图1a到图1e所示的示例中，采用了SOI衬底10，其中顶层40包括硅，以及其中绝缘(牺牲)层30包括二氧化硅。

图1b和图1c图示了制造工艺的其他阶段。在图1b中，提供了在其中具有开口55的有图案的掩模层50。例如，通过采用传统的光学平板印刷技术可以形成掩模层50图案，但还可以采用类似电子束平板印刷、离子束平板印刷和X射线平板印刷的其他技术。在这些技术中，图案被直接写在掩模层50上。在这个特定的示例中，采用了光刻技术。那么，掩模层50可以包括光致抗蚀剂层，但可以替换地(例如由氧化硅或氮化硅制成的)硬掩模。在图1c中，通过在掩模层50中的开口55，形成顶层40图案。从而，在顶层40中形成开口45，其对应于掩模层中的开口55。例如，通过采用干法蚀刻(例如DRIE蚀刻)可以实现这个步骤。蚀刻技术为本领域技术人员所知。形成开口45，以便他们使位于顶层40下的牺牲层30暴露。还形成间隙46、47，其限定了要被制造的MEMS谐振器的可移动元件48。

在图1d中，示出了制造工艺的另一个阶段，局部地(至少在可移动元件的下面)去除牺牲层30，以部分地释放可移动元件48。例如，可以通过选择性的湿法蚀刻步骤来完成这个目的。选择性蚀刻技术也为本领域技术人员所知。可移动元件被提供了固支区域(图中未示出)。在这个特定的示例中，可移动元件(48)(至少)在垂直于间隙46、47的侧壁的方向上是可移动的。然而，还存在其他类型的MEMS谐振器，例如纵模谐振器。

MEMS谐振器的可移动元件通常包括的材料的杨氏模量的温度系数是负的。例如，硅的杨氏模量的温度系数通常是-88ppm/K。由此，硅基谐振器的谐振频率可以最大漂移-45ppm/K，这对于(例如)参考振荡器中的应用通常太大了。

图1e图示了根据本发明的方法的一个实施例的MEMS谐振器的制造工艺的另一个阶段。在这个实施例中，可移动元件48被提供了氧化硅层60。在完成这个的同时，形成了具有负的杨氏模量的温度系数的可移动元件48的第一部分A(包括硅)以及形成了具有正的杨氏模量的温度系数的可移动元件48的第二部分B(包括氧化硅)。第一部分A和第二部分B的横截面积是技术人员可以用来将可移动元件的绝对有效温度系数调谐为较低的值甚至为零的参数。在图1e所示的示例中，形成一定厚度的氧化硅层60以实现适当的温度补偿(杨氏模量的温度系数很低或为零)是一个问题。

可以通过各种方法来完成氧化硅的形成，其中一个方法是热氧化。热氧化是本领域技术人员所公知的一种工艺。在热氧化硅的情况下，与所示示例中的情况一样，氧化通常是在包括O₂或H₂O的环境中在大约1000℃温度下完成的。氧化(例如，热氧化)能非常精确地控制产生的氧化硅的厚度。从而，通过形成适当厚度的氧化硅层60的硅的氧化，可以很容易地将可移动元件48的杨氏模量的有效热系数调谐到零。在热氧化过程中，消耗了可移动元件48的硅，从而，可移动元件的包括硅的第一部分A的体积减小，而可移动元件48的第二部分B的体积增大。在S.Wolf的“Silicon Processing”，Vol.1，pp.198-241中可以发现关于热氧化的更多信息。

在图1e中，在所有没有被硅覆盖的位置上，特别是可移动元件48上生长二氧化硅SiO₂(电介质)。然而，通过局部提供覆盖层或通过提供保护性层，可以防止在特定位置上的氧化硅的生长。可替换地，除了硅以外，可以在顶层40中采用不同的材料，以便只有硅被氧化。一种公知的采用这种原理的隔离技术叫做硅局部氧化(LocalOxidation Of Silicon，LOCOS)。在LOCOS中，采用氮化硅(Si₃N₄)层来避免氧化。从而，这种技术使得可以只在可移动元件的特定部分上提供电介质。

可替换地，代替氧化，可以将电介质(例如氧化硅)沉积在可移动元件48上。存在几种用于沉积的技术，比如原子层沉积(ALD)和低压气相沉积(LPCVD)。可以采用倾斜/阴影沉积技术来保证在可移动元件48的侧壁上沉积电介质。在S.Wolf的“SiliconProcessing”，Vol.1，pp.374中可以发现关于阴影沉积技术的更多信息。

当前，硅和氧化硅看起来是与标准工艺最兼容的。然而，技术人员可以选择具有相反符号的温度系数的其他材料。这种变化不脱离本发明的范围。而且，在沉积的情况下，关于可移动元件48的第一部分A和第二部分B的材料选择有更少的限制。

在图1e所示的阶段之前或之后，可以执行各种其他步骤来完成该产品，诸如：

部分去除生长/沉积的氧化物；

形成电极；

形成键合焊盘；

形成其他电路；等等。

上述步骤对本领域技术人员是公知的。

参照图2和图3，进行仿真来证实本发明。图2示出了用于这些仿真的模型，图3示出了结果。图2示出了纵模MEMS谐振器的可移动元件48，其在其表面具有氧化硅层60(形成可移动元件48的部分B)。在该示例中，可移动元件48的第一部分(内部部分)A包括硅。纵模MEMS谐振器是其中的可移动元件48在纵向上移动(从电极移动到电极，图中未示出)的谐振器。从而，可移动元件48的长度随时间变化。用图2中的两个箭头D1、D2来指示这些运动。可运动元件48被位于中间的两个锚状物70、80所固定。

氧化硅层60的厚度被用作仿真的参数。作为示例，在三个不同的仿真中，对纵模MEMS谐振器的谐振频率的温度漂移进行了仿真。

1)无氧化硅(图3中的曲线P1)

2)300nm的氧化硅(图3中的曲线P2)；

3)500nm的氧化硅(图3中的曲线P3)。

在图3中，对三种不同的情况，绘制了MEMS谐振器的标准化谐振频率。从图3中可以推出，当提供了300nm的氧化硅时，温度漂移从-44ppm/K(曲线P1)减小到-13ppm/K(曲线P2)。通过更进一步地将氧化硅的厚度增大到500nm，甚至可以得到+3.5ppm/K的正温度漂移。从而，这意味着已经实现了杨氏模量的正的有效温度系数。从图3中，可以得出如下结论：对于这个特定的实施例，在300nm到500nm范围内的氧化硅厚度使得可以得到合适的温度补偿(温度系数等于零)。这些结果证明了本发明的有效性。

显然，出现这种温度补偿的位置上的厚度取决于各种设计参数(长度、厚度、宽度、材料等等)。然而，对于技术人员而言，只有几个实验就足以发现合适的氧化物厚度。

如下可以实现温度系数的最小化。可以用下式给出第一部分A和第二部分B的杨氏模量：

E(T)_A，B＝E_0A，B+α_A，B·ΔT

在可移动元件包括两个部分A、B的情况下，由下式给出可移动元件的有效温度系数：

${\alpha }_{\mathrm{eff}}=\frac{A_A·{\alpha }_A+A_B·{\alpha }_B}{A}=\frac{A_A·{\alpha }_A+A_B·{\alpha }_B}{A_A+A_B}$

其中，A_A是第一部分A的横截面面积，A_B第二部分B的横截面面积，以及其中，α_A是可移动元件的第一部分的杨氏模量的温度系数，α_B是可移动元件的第二部分的杨氏模量的温度系数。

在根据本发明的MEMS谐振器中，可以实现任意有效的温度系数，该温度系数介于可移动元件的第一部分的杨氏模量的温度系数和可移动元件的第二部分的杨氏模量的温度系数之间。实际上，接近零的有效温度系数最有利。影响将这个系数调谐为零的精度的因素是可移动元件的第一部分的初始横截面面积和可移动元件的第一部分的横截面面积。

满足下列条件时，有效温度系数等于零(并因此被最小化)：

A_A·α_A+A_B·α_B＝0

横截面积的比率应当满足以下要求：

$A_A·{\alpha }_A=-A_B·{\alpha }_B$

$\Rightarrow \frac{A_A}{A_B}=-\frac{{\alpha }_B}{{\alpha }_A}$

一旦已知所需的横截面面积的比率，可以很容易地计算出所需氧化层的厚度。

在本发明的一个变化中，MEMS谐振器被提供了具有第三部分的可移动元件，该第三部分有具有第三杨氏模量，第三杨氏模量具有第三温度系数。在这种MEMS谐振器中，至少第一、第二或第三部分中的一个部分的杨氏模量的温度系数必须具有与其他部分的温度系数相反的符号。那么，有效温度系数的等式可以表示为：

${\alpha }_{\mathrm{eff}}=\frac{A_A·{\alpha }_A+A_B·{\alpha }_B+A_C·{\alpha }_C}{A}=\frac{A_A·{\alpha }_A+A_B·{\alpha }_B+A_C·{\alpha }_C}{A_A+A_B+A_C}$

其中，A_C是第三部分的横截面面积，α_C是可移动元件的第三部分的杨氏模量的温度系数。

如果满足下列条件，有效温度系数等于零：

A_A·α_A+A_B·α_B+A_C·α_C＝0

从而，本发明提供了一种有吸引力的MEMS谐振器，其具有更好的谐振频率的温度补偿，其比现有技术已知的MEMS谐振器简单。本发明还提供了制造这种谐振器的方法。