压电MEMS硅谐振器及其形成方法、电子设备技术

本发明专利技术公开了一种压电MEMS硅谐振器及其形成方法，以及电子设备。该压电MEMS硅谐振器包括：硅基底；下空腔，下空腔的顶平面高于或者低于基底的顶平面；位于下空腔之上的保留硅层；位于保留硅层之上的压电层和上电极。形成方法包括：提供硅基底；在硅基底之上依次形成牺牲硅层、保留硅层、压电层和上电极；开刻蚀窗，去除牺牲硅层以形成下空腔，其中，牺牲硅层为第二掺杂浓度P型掺杂的情况下，硅基底与保留硅层二者中之一为普通N型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度P型掺杂，或者，牺牲硅层为第二掺杂浓度N型掺杂的情况下，硅基底与保留硅层二者中之一为普通P型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度N型掺杂，所述第一掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。第二掺杂浓度。第二掺杂浓度。

【技术实现步骤摘要】
压电MEMS硅谐振器及其形成方法、电子设备


[0001]本专利技术涉及谐振器
，具体涉及一种压电MEMS硅谐振器及其形成方法，以及一种电子设备。

技术介绍

[0002]压电MEMS硅谐振器是一类以硅为谐振主体利用压电薄膜的压电效应进行机械驱动及电信号检测的MEMS谐振器，这类器件在加工过程通常需要将器件部分悬空，当前这类谐振器大多采用以下两种方法制作。
[0003](1)参考图1和图2，1001为SOI硅片的底硅层，1002为SOI硅片的埋氧层，1003为SOI硅片的顶硅层，1004为下电极，1005为压电层，1006为上电极。如图1在SOI硅片的顶硅层中制作好悬臂梁后，从背面刻蚀将底硅除去，最后用HF洗掉埋氧层使悬臂梁得到释放，得到图2所示结构。这种工艺通常叫做背刻工艺。由于谐振器在使用时通常需要密封封装，因此背刻工艺制作的器件需要在顶底两面均进行封装，从而使器件加工成本以及最终厚度增加，另一方面，采用背刻工艺会使衬底强度降低，不利于器件高密度排列，从而导致整片晶圆上器件数量减少，单个器件成本增加。
[0004](2)通过带空腔的SOI硅片制作，其制作流程一般为：在带空腔的SOI上依次沉积并图形化下电极、压电层、上电极，随后将梁的自由端及两侧的顶硅和埋氧层刻蚀掉使梁释放，最后用键合硅帽的方式进行封装。在这个工艺过程中存在很多缺点，首先，由于空腔SOI的空腔内气压较低，通常在大气压力下空腔上的顶硅层会发生凹陷，在空腔上制作的器件也会相应的弯曲；当梁被释放后空腔与大气连通，顶硅和埋氧层趋向于恢复平直状态而电极层和压电层的初始状态是弯曲状态，因此在这个过程中顶硅和压电层之间产生较大应力。该应力将导致器件品质因数Q降低。其次，带空腔的SOI需要根据不同谐振器定制，因此，制作周期较长，且非常昂贵，因此采用空腔SOI制造的器件成本也随之升高。
[0005]采用以上两种工艺制作的器件还有共同的缺点，虽然悬臂梁被释放但其固定端由SOI原有的硅
‑
氧化硅界面固定在底硅上，这一固定属于刚性连接，因而SOI中寄生应力、封装应力、环境热应力等都将严重影响器件的性能，导致谐振频率漂移，稳定性不高。同时，谐振器等器件很容易受到外界冲击、振动、热噪音等影响，通过这两种工艺制作的器件不能有效地屏蔽这些噪音。因此，采用传统工艺制作的器件很难进一步提高品质因数及稳定性，成为实现产品商业化的关键障碍。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提出一种谐振频率漂移较少，稳定性较高的压电MEMS硅谐振器及其制造方法，以及包括该压电MEMS硅谐振器的电子设备。
[0007]本专利技术第一方面提出一种压电MEMS硅谐振器，包括：硅基底；位于所述硅基底之上的下空腔，所述下空腔的顶平面高于或者低于所述基底的顶平面；位于所述下空腔之上的保留硅层；位于所述保留硅层之上的依次堆叠的压电层和上电极。
[0008]可选地，所述保留硅层为单晶硅。
[0009]可选地，所述硅基底与所述保留硅层二者中之一为普通N型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度P型掺杂；或者，所述硅基底与所述保留硅层二者中之一为普通P型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度N型掺杂。
[0010]可选地，所述第一掺杂浓度为10
19
至9
×
10
20
cm
‑3。
[0011]可选地，还包括：位于所述保留硅层与所述压电层之间的下电极。
[0012]可选地，所述压电MEMS硅谐振器为如下之一种：悬臂梁式、延伸振动模式、厚度纵向振动模式、兰姆波振动模式、面内弯曲振动模式、声表面波振动模式。
[0013]本专利技术第二方面提出一种压电MEMS硅谐振器的形成方法，包括：提供硅基底；在所述硅基底之上形成牺牲硅层；在所述牺牲硅层之上形成保留硅层；在所述保留硅层之上依次形成压电层和上电极；开刻蚀窗，然后选择性地去除所述牺牲硅层以形成下空腔，其中，所述牺牲硅层为第二掺杂浓度P型掺杂的情况下，所述硅基底与所述保留硅层二者中之一为普通N型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度P型掺杂，或者，所述牺牲硅层为第二掺杂浓度N型掺杂的情况下，所述硅基底与所述保留硅层二者中之一为普通P型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度N型掺杂。
[0014]可选地，所述第一掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度。
[0015]可选地，所述第一掺杂浓度为10
19
至9
×
10
20
cm
‑3，所述第二掺杂浓度为10
13
至9
×
10
18
cm
‑3。
[0016]可选地，所述在所述硅基底之上形成牺牲硅层的步骤包括：在所述硅基底之上使用外延方式形成所述牺牲硅层。
[0017]可选地，所述在所述牺牲硅层之上形成保留硅层的步骤包括：在所述牺牲硅层之上使用外延方式形成所述保留硅层。
[0018]可选地，还包括：在所述保留硅层与所述压电层之间形成下电极。
[0019]可选地，所述牺牲硅层的底平面低于所述硅基底的顶平面，并且所述牺牲硅层的顶平面高于所述硅基底的顶平面；或者，所述牺牲硅层的底平面低于所述硅基底的顶平面，并且所述牺牲硅层的顶平面等于所述硅基底的顶平面；或者，所述牺牲硅层的底平面等于所述硅基底的顶平面，并且所述牺牲硅层的顶平面高于所述硅基底的顶平面；或者，所述牺牲硅层的底平面低于所述硅基底的顶平面，并且所述牺牲硅层的顶平面低于所述硅基底的顶平面。
[0020]可选地，所述压电MEMS硅谐振器为悬臂梁式、延伸振动模式、厚度纵向振动模式、兰姆波振动模式、面内弯曲振动模式或者声表面波振动模式。
[0021]本专利技术第三方面提出一种压电MEMS硅谐振器，其通过本专利技术公开的形成方法制得。
[0022]本专利技术第四方面提出一种电子设备，其特征在于，包括本专利技术公开的压电MEMS硅谐振器。
[0023]根据本专利技术的技术方案，避免了空腔SOI及普通SOI的使用，因此降低了成本，同时避免了采用带空腔SOI制作过程中存在的弯曲现象，因此避免了由于空腔SOI释放后带来的应力问题。其次，在本专利技术实例中不使用SOI，采用金
‑
金键合，由于金为软质材料，因此消除了由于氧化硅
‑
硅硬质结合带来的应力问题。另外，可在梁的固定端制作三维结构(如纵向
上抬起或降低的梁结构)，可以大幅度消除外界应力、振动和热噪音的干扰，因而器件具有较高的稳定性和信噪比，三维结构还可以防止梁振动的能量向外耗散，有助于提高品质因数。再次，硅外延工艺的生长硅薄膜厚度可控且范围大(如20微米以上)，因而在振幅较大的器件(如悬臂梁式谐振器)制作中具有一定优势。最后，本专利技术工艺全部采用平面工艺，和采用体工艺制作的空腔SOI相比，具有更好的微机械工艺兼容性。由于应力的大幅度减少及机械损耗减少使得器件的品质因数明显提高。
附图说明
[0024]为了说明而非限制的目的，现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电MEMS硅谐振器，其特征在于，包括：硅基底；位于所述硅基底之上的下空腔，所述下空腔的顶平面高于或者低于所述基底的顶平面；位于所述下空腔之上的保留硅层；位于所述保留硅层之上的依次堆叠的压电层和上电极。2.根据权利要求1所述的压电MEMS硅谐振器，其特征在于，所述保留硅层为单晶硅。3.根据权利要求2所述的压电MEMS硅谐振器，其特征在于，所述硅基底与所述保留硅层二者中之一为普通N型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度P型掺杂；或者，所述硅基底与所述保留硅层二者中之一为普通P型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度N型掺杂。4.根据权利要求3所述的压电MEMS硅谐振器，其特征在于，所述第一掺杂浓度为10
19
至9
×
10
20
cm
‑3。5.根据权利要求1所述的压电MEMS硅谐振器，其特征在于，还包括：位于所述保留硅层与所述压电层之间的下电极。6.根据权利要求1至5中任一项所述的压电MEMS硅谐振器，其特征在于，所述压电MEMS硅谐振器为如下之一种：悬臂梁式、延伸振动模式、厚度纵向振动模式、兰姆波振动模式、面内弯曲振动模式、声表面波振动模式。7.一种压电MEMS硅谐振器的形成方法，其特征在于，包括：提供硅基底；在所述硅基底之上形成牺牲硅层；在所述牺牲硅层之上形成保留硅层；在所述保留硅层之上依次形成压电层和上电极；开刻蚀窗，然后选择性地去除所述牺牲硅层以形成下空腔，其中，所述牺牲硅层为第二掺杂浓度P型掺杂的情况下，所述硅基底与所述保留硅层二者中之一为普通N型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度P型掺杂，或者，所述牺牲硅层为第二掺杂浓度N型掺杂的情况下，所述硅基底与所述保留硅层二者中之一为普通P型掺杂，二者中另一为第一掺杂浓度N型掺杂。8.根据权利要求7所述的形成方法，其特征在于，所述第一掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张孟伦，杨清瑞，宫少波，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：