一种基于温度补偿的MEMS谐振结构及其制备方法与流程

一种基于温度补偿的mems谐振结构及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及mems器件制备技术领域，具体涉及一种基于温度补偿的mems谐振结构及其制备方法。

背景技术：

2.对于采用谐振原理的mems(mems,micro-electro-mechanical system，微电子机械系统)器件，如谐振器、谐振式压力传感器、谐振式惯性器件等。通常采用多晶硅材料制备谐振结构，采用硅材料的mems频率振动结构，然而基于硅的谐振器带来的问题是谐振频率的温度漂移较大，温漂主要是由于硅的杨氏模量的温度依赖性，这导致谐振频率因环境温度的变化而波动。故温漂为材料固有属性导致，为解决频率温漂可采用注入重掺杂、增加温度补偿单元等方法。
3.此外，mems谐振结构通常都制备在牺牲层薄膜上方，最后通过干法或湿法腐蚀释放工艺，使得谐振结构悬空。牺牲层材料多为氧化硅，因此难以实现腐蚀释放之后仍然有氧化硅保留。

技术实现要素：

4.故为了改善mems谐振结构的温漂问题，提高mems器件性能，本发明提供了一种基于温度补偿的mems谐振结构及其制备方法。本发明通过在mems谐振结构中制备温度补偿结构，以减小温度变化是对本征频率的影响。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，包括：
7.在硅衬底上沉积第一多晶硅层，作为谐振结构的下电极，在第一多晶硅层上沉积第一氧化硅层，作为腐蚀牺牲层；
8.在第一氧化硅层上沉积第二多晶硅层，在第二多晶硅层上刻蚀出第一槽结构；
9.在带有槽结构的第二多晶硅层上沉积第二氧化硅层，用于形成正频率温度系数的材料层；
10.对第二氧化硅层进行图案化和刻蚀，仅保留第一槽结构中的第二氧化硅层，之后在第二氧化硅层上再沉积第三多晶硅层，将第二氧化硅层包裹在多晶硅中，形成三明治结构；
11.对三明治结构进行图案化并刻蚀后形成谐振结构的上电极和温度补偿复合结构；
12.采用湿法或干法将第一氧化硅层进行腐蚀后，形成最终的谐振结构。
13.对于本领域的技术人员来说，硅的频率温度系数(tcf)约为-60ppm/℃，氧化硅的频率温度系数(tcf)约为160～190ppm/℃。因此本发明在制备谐振结构的时候利用负tcf的硅薄膜和正tcf的氧化硅薄膜相结合，二者相互抵消，使得频率温度系数接近为0，从而改善器件的频率温漂。
14.作为优选实施方式，本发明在将第二氧化硅层包裹在多晶硅中，形成三明治结构
的步骤之后还包括：
15.对第三多晶硅层进行图案化，并在第三多晶硅层上刻蚀出第二槽结构；
16.在带有槽结构的第三多晶硅层上沉积第三氧化硅层，第三氧化硅层与第二氧化硅层一起形成正温度系数的复合材料层；
17.对第三氧化硅进行图案化和刻蚀，仅保留第二槽结构内第三氧化硅层，之后在第三氧化硅层上沉积第四多晶硅层，将第三氧化硅层包裹，形成双层的三明治结构。
18.作为优选实施方式，本发明的第一槽结构的深度小于第二多晶硅层的厚度。
19.作为优选实施方式，本发明的第二氧化硅层的厚度与第一槽结构的深度相同。
20.作为优选实施方式，本发明对三明治结构进行图案化和刻蚀后形成的结构可为梁状、音叉状、环状、圆盘状或方块状。
21.作为优选实施方式，本发明的第二槽结构的深度小于第三多晶硅层的厚度。
22.作为优选实施方式，本发明的第二多晶硅层的厚度为1-2微米；
23.所述第一浅槽结构的深度为0.1-0.2微米。
24.作为优选实施方式，本发明的第二氧化硅层的厚度为0.1-0.2微米。
25.作为优选实施方式，本发明的第二槽结构的深度为0.1-0.5微米。
26.另一方面，本发明提出了一种基于温度补偿的mems谐振结构，该谐振结构采用上述制备方法制备而成。
27.本发明具有如下的优点和有益效果：
28.本发明采用半导体薄膜制备工艺沉积氧化硅薄膜，控制器频率温度系数为正值，将其作为温度补偿结构，利用硅的负频率温度系数和氧化硅的正频率温度系数相互抵消机制，从而降低外界温度变化对谐振结构频率的影响。
29.本发明将用于温度补偿的氧化硅层采用多晶硅进行覆盖，可以防止在释放腐蚀过程中该氧化硅被去除，从而保证谐振结构的可靠性。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
31.图1为本发明实施例的制备方法流程示意图。
32.图2为本发明另一实施例的制备方法流程示意图。
33.图3为本发明实施例的形成腐蚀牺牲层后的结构示意图。
34.图4为本发明实施例的沉积第二多晶硅层后的结构示意图。
35.图5为本发明实施例的沉积第二氧化硅层后的结构示意图。
36.图6为本发明实施例的沉积第三多晶硅层后的结构示意图。
37.图7为本发明实施例的对第三多晶硅层图案化和刻蚀后的结构示意图。
38.图8为本发明实施例的沉积第三氧化硅层后的结构示意图。
39.图9为本发明实施例的对第三氧化硅层进行图案化和刻蚀后的结构示意图。
40.图10为本发明实施例的沉积第四多晶硅层后的结构示意图。
41.图11为本发明实施例的形成谐振结构后的结构示意图。
42.图12为本发明实施例的将第一腐蚀牺牲层腐蚀后的结构示意图。
43.附图中标记及对应的零部件名称：
44.1-硅衬底，2-第一多晶硅层，3-腐蚀牺牲层，4-第二多晶硅层，41-第一槽结构，5-第二氧化硅层，6-第三多晶硅层，61-第二槽结构，7-第三氧化硅层，8-第四多晶硅层，9-谐振结构。
具体实施方式
45.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
46.实施例1
47.为了解决基于硅的谐振结构的谐振频率的温度漂移较大的问题，本实施例提供了一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，本发明实施例提出的方法基于负tcf的硅薄膜和正tcf的氧化硅薄膜相结合，二者相互抵消，使得频率温度系数接近为0的机制，在mems谐振结构的制备过程中，采用半导体薄膜制备工艺沉积氧化硅薄膜，控制其频率温度系数为正，即作为温度补偿结构，以补偿因硅材料导致的温度漂移，从而提高器件的性能。
48.如图1所示，本实施例的制备方法具体包括如下步骤：
49.步骤s1，在硅衬底上沉积第一多晶硅层，作为谐振结构的下电极，在第一多晶硅层上沉积第一氧化硅层，作为腐蚀牺牲层，用于形成电容间隙。
50.步骤s2，在第一氧化硅层上沉积第二多晶硅层，作为上电极，在第二多晶硅层上光刻刻蚀出第一槽结构，且该第一槽结构的深度小于第二多晶硅层的厚度。
51.步骤s3，在带有槽结构的第二多晶硅层上沉积第二氧化硅层，用于形成正温度系数的材料层，用作温度补偿结构，第二氧化硅层的厚度与第一槽结构的深度相同。
52.步骤s4，对第二氧化硅层进行图案化和刻蚀，仅保留第一槽结构中的第二氧化硅层，之后再沉积第三多晶硅层，将第二氧化硅层包裹在多晶硅中，形成三明治结构。
53.步骤s5，对三明治结构(即复合的第二多晶硅层、第二多氧化硅层和第三多晶硅层整体)进行图案化并刻蚀后形成谐振结构的上电极和温度补偿复合结构，该结构可以为梁状、音叉状、环状、圆盘状、方块状等结构。
54.步骤s6，采用湿法或干法将第一氧化硅层进行腐蚀后，形成最终的谐振结构，该结构包括由多晶硅所包裹的氧化硅形成的温度补偿结构，其利用氧化硅的正频率温度系数与硅的负频率温度系数相互抵消，从而达到在外界温度变化时，谐振器频率温漂减小的目的。
55.本实施例的上述过程中根据多晶硅所能制备的厚度条件，内埋2层氧化硅。在另外的优选实施方式中，还可以内埋1层氧化硅，如图2所示，其制备过程在上述步骤s4之后还包括：
56.步骤s41，对第三多晶硅层进行图案化，并在第三多晶硅层上光刻刻蚀出第二槽结构，第二槽结构的深度小于第三多晶硅层的厚度。
57.步骤s42，在带有槽结构的第三多晶硅层上再次沉积第三氧化硅层，第三氧化硅层与第二氧化硅层一起形成正温度系数的复合材料层，共同作为温度补偿结构。
58.步骤s43，对第三氧化硅层进行图案化和刻蚀，仅保留第二槽结构内第三氧化硅层。
59.步骤s44，在第三氧化硅层上沉积第四多晶硅层，将第三氧化硅层再次包裹，形成双层的三明治结构。
60.之后，按照步骤s5对双层的三明治结构进行相同处理形成谐振结构。
61.本实施例通过上述制备方法制备的mems谐振结构，利用硅的负频率温度系数和氧化硅的正频率温度系数相互抵消，降低了外界温度变化对谐振结构谐振频率的影响，提高了器件的性能。
62.实施例2
63.本实施例以内埋2层氧化硅为例，对上述实施例1提出的制备方法进行详细说明。具体如下所述：
64.首先，提供一硅衬底1，并在硅衬底1上沉积第一多晶硅层2，作为谐振结构的下电极，在第一多晶硅层2上方沉积第一氧化硅层3，作为腐蚀牺牲层，用于形成电容间隙，如图3所示。
65.在第一氧化硅层3上方再次沉积第二多晶硅层4，厚度为1-2微米，作为谐振结构的上电极。在第二多晶硅层上面光刻刻蚀出第一浅槽结构41，第一浅槽结构41深度为0.1-0.2微米，如图4所示。
66.在带有槽结构的第二多晶硅层4上沉积第二氧化硅层5，厚度为0.1-0.2微米，用于形成温度补偿结构，如图5所示。
67.对第二氧化硅层5进行图案化和刻蚀，只保留第一浅槽结构内的第二氧化硅层，之后再沉积第三多晶硅层6，将第二氧化硅层包裹在多晶硅内，如图6所示。
68.对第三多晶硅层6进行图案化，并在第三多晶硅层6上光刻刻蚀出第二浅槽结构61，第二浅槽结构61深度为0.1-0.5微米，第二浅槽结构61的深度小于第三多晶硅层6的厚度，如图7所示。
69.在带有槽结构的第三多晶硅层6上再次沉积第三氧化硅层7，第三氧化硅层与第二氧化硅层一起形成正温度系数的材料层，作为温度补偿结构，如图8所示。
70.对第三氧化硅层7进行图案化和刻蚀，仅保留第二浅槽结构内的第三氧化硅层，如图9所示。
71.在第三氧化硅层7上沉积第四多晶硅层8，将第三氧化硅层包裹在多晶硅内，形成双层的三明治结构，如图10所示。
72.对双层的三明治结构(即由第二多晶硅、第三多晶硅层和第四多晶硅层以及内埋的两层氧化硅层构成的复合结构)进行图案化并刻蚀后形成谐振结构的上电极和温度补偿结构，如图11所示的方块状结构9。
73.采用湿法或干法将第一氧化硅层3进行腐蚀后，形成最终的谐振结构，如图12所示。
74.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，包括：在硅衬底上沉积第一多晶硅层，作为谐振结构的下电极，在第一多晶硅层上沉积第一氧化硅层，作为腐蚀牺牲层；在第一氧化硅层上沉积第二多晶硅层，在第二多晶硅层上刻蚀出第一槽结构；在带有槽结构的第二多晶硅层上沉积第二氧化硅层，用于形成正频率温度系数的材料层；对第二氧化硅层进行图案化和刻蚀，仅保留第一槽结构中的第二氧化硅层，之后在第二氧化硅层上再沉积第三多晶硅层，将第二氧化硅层包裹在多晶硅中，形成三明治结构；对三明治结构进行图案化并刻蚀后形成谐振结构的上电极和温度补偿复合结构；采用湿法或干法将第一氧化硅层进行腐蚀后，形成最终的谐振结构。2.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，在将第二氧化硅层包裹在多晶硅中，形成三明治结构的步骤之后还包括：对第三多晶硅层进行图案化，并在第三多晶硅层上刻蚀出第二槽结构；在带有槽结构的第三多晶硅层上沉积第三氧化硅层，第三氧化硅层与第二氧化硅层一起形成正温度系数的复合材料层；对第三氧化硅进行图案化和刻蚀，仅保留第二槽结构内第三氧化硅层，之后在第三氧化硅层上沉积第四多晶硅层，将第三氧化硅层包裹，形成双层的三明治结构。3.根据权利要求1或2所述的一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，所述第一槽结构的深度小于第二多晶硅层的厚度。4.根据权利要求1或2所述的一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，所述第二氧化硅层的厚度与第一槽结构的深度相同。5.根据权利要求1或2所述的一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，对三明治结构进行图案化和刻蚀后形成的结构可为梁状、音叉状、环状、圆盘状或方块状。6.根据权利要求2所述的一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，第二槽结构的深度小于第三多晶硅层的厚度。7.根据权利要求1或2所述的一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，所述第二多晶硅层的厚度为1-2微米；所述第一浅槽结构的深度为0.1-0.2微米。8.根据权利要求1或2所述的一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，所述第二氧化硅层的厚度为0.1-0.2微米。9.根据权利要求1或2所述的一种基于温度补偿的mems谐振结构的制备方法，其特征在于，所述第二槽结构的深度为0.1-0.5微米。10.一种基于温度补偿的mems谐振结构，其特征在于，该谐振结构采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。

技术总结

本发明公开了一种基于温度补偿的MEMS谐振结构及其制备方法，该方法包括：在硅衬底上沉积第一多晶硅层，在第一多晶硅层上沉积第一氧化硅层；在第一氧化硅层上沉积第二多晶硅层，在第二多晶硅层上刻蚀出第一槽结构；在第二多晶硅层上沉积第二氧化硅层，用于形成正频率温度系数的材料层；对第二氧化硅层进行图案化和刻蚀，仅保留第一槽结构中的第二氧化硅层，之后再沉积第三多晶硅层，将第二氧化硅层包裹在多晶硅中，形成三明治结构；对三明治结构进行图案化并刻蚀后形成上电极和温度补偿复合结构；将第一氧化硅层进行腐蚀后，形成谐振结构。本发明通过在MEMS谐振结构中制备温度补偿结构，以减小温度变化是对本征频率的影响。响。响。