專利名稱：Mems諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS諧振器。
背景技術(shù)：
MEMS諧振器結(jié)構(gòu)提供了一種針對石英諧振器更具吸引力的備選方案作為許多應(yīng)用的頻率基準(zhǔn)，這是因為MEMS諧振器的成本較低成本并且波形因子(form factor)較小。溫度和工藝變化對硅MEMS諧振器的振蕩頻率的影響超過了許多應(yīng)用的容限。 MEMS諧振器例如用在RF接收機電路的基準(zhǔn)振蕩器中。硅MEMS諧振器的諧振頻率呈現(xiàn)出典型地-30ppm/K的溫度漂移。對于一些應(yīng)用而言，需要顯著降低這種漂移。例如，當(dāng)在GSM 基準(zhǔn)振蕩器中使用MEMS諧振器時，需要在100K溫度范圍內(nèi)將漂移降低到+/-20ppm以下， 或者甚至+/-IOppm以下。諧振頻率的溫度相關(guān)性的主要原因是，除了少數(shù)材料以外的所有材料都呈現(xiàn)出彈性模量的負溫度系數(shù)。這導(dǎo)致在較高頻率下彈簧常數(shù)減小，因此導(dǎo)致頻率降低。已經(jīng)提出了多種解決方案來校正溫度相關(guān)性。主動溫度補償技術(shù)涉及通過將諧振器放置在溫度控制反饋回路中來使諧振器保持在恒定溫度下。在這種情況下，測量諧振器上或諧振器附近的溫度。然后通過將諧振器加熱到預(yù)先設(shè)置的溫度來使該溫度穩(wěn)定。這種方法受限于用于確定所需校正因子的溫度測量的精度。被動溫度補償技術(shù)涉及將諧振器設(shè)計為減小頻率對溫度的相關(guān)性。一種方法是將單晶硅與非晶SiO2相組合，這是因為SW2的楊氏模量呈現(xiàn)與硅的溫度相關(guān)性相反的溫度相關(guān)性。更一般地，該方法涉及沉積/生長具有彈性模量的正溫度系數(shù)的層，以減小所產(chǎn)生的誤差，但是這些方法對于沉積層的厚度的小變化敏感。因此，需要一種簡單且可容易檢測的技術(shù)，消除對所有非局部工藝變化 (non-local process variation)的敏感性，并且以非常高的精度來確定由于溫度變化而引起的校正因子。US 2007/0M7245公開了一種采用多個微機電諧振結(jié)構(gòu)的振蕩器系統(tǒng)。在一個實施例中，該振蕩器系統(tǒng)被配置為在預(yù)定的工作溫度范圍上提供具有實質(zhì)上穩(wěn)定頻率的輸出信號。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種如權(quán)利要求1所述的晶體半導(dǎo)體諧振器器件。本發(fā)明基于以下認識(對于頻率的任何變化是由于非局部工藝波動而引起的情況)兩個諧振器的諧振頻率的比值與諧振頻率的相應(yīng)溫度系數(shù)密切相關(guān)，其中，這兩個諧振器具有不同楊氏模量的不同材料的組成部分并且具有不同的振蕩軸(例如，<100>對 <110 。因此，校準(zhǔn)階段期間的單個頻率比較可以用于確定兩個諧振器的諧振頻率的溫度相關(guān)性。此外，操作階段期間的單個頻率比較可以用于精確確定諧振器頻率，從而提供與溫度無關(guān)的頻率基準(zhǔn)。這使得無需溫度測量來得到溫度補償。每個諧振器可以包括諧振器質(zhì)量塊部分和與所述諧振器質(zhì)量塊部分相連的拉長 (elongate)彈簧部分。可以通過彈簧部分來連接相對的諧振器質(zhì)量塊，以限定有時被稱作狗骨(dogbone)配置的結(jié)構(gòu)。第一諧振器彈簧元件可以與<100>晶體方向?qū)?zhǔn)，第二諧振器彈簧元件可以與 <110>晶體方向?qū)?zhǔn)。第一和第二諧振器并排，并由相同層形成。這意味著工藝變化盡可能小地影響頻率的溫度相關(guān)性。每個諧振器優(yōu)選地包括半導(dǎo)體核心(core)和氧化物涂層。氧化物涂層影響頻率的溫度相關(guān)性，可以調(diào)整氧化物涂層的厚度，以使頻率補償?shù)木茸顑?yōu)化。每個諧振器優(yōu)選地包括硅核心和氧化硅涂層。本發(fā)明還提供了一種如權(quán)利要求11所述的操作晶體半導(dǎo)體諧振器的方法。


現(xiàn)在參照附圖詳細描述本發(fā)明的示例，在附圖中圖1示出了在絕緣體上硅晶片上形成諧振器的已知工藝；圖2示出了不同氧化物厚度的諧振頻率的線性溫度系數(shù)和諧振頻率；圖3示出了操作期間由溫度系數(shù)的不確定性(由于幾何變化而引起)和溫度測量誤差而引起的諧振頻率不確定性；圖4示出了本發(fā)明的器件；圖5示出了具有兩個不同取向(orientation)的Si/Si02 MEMS諧振器的、頻率對溫度的相關(guān)性(frequency dependency upon temperature)；圖6示出了針對器件的第一取向的、頻率對氧化物厚度比值的仿真；圖7繪制了針對器件的兩個取向的頻率平方比值對氧化物厚度比值。圖8示出了校準(zhǔn)期間由于不良溫度穩(wěn)定性而引起的對氧化物厚度比值的估計的誤差；圖9示出了基于具有溫度誤差的基于采樣校準(zhǔn)數(shù)據(jù)而引起的頻率校準(zhǔn)因子的誤差(在校準(zhǔn)溫度以上+100°c)。圖10示出了諧振器的諧振頻率的溫度相關(guān)性，所述諧振器具有不同的二氧化硅
層厚度；圖11示出了針對一階溫度效應(yīng)而校正的來自圖10的數(shù)據(jù)，以便示出二階效應(yīng)；圖12示出了在校準(zhǔn)和操作期間，針對采用Ippm頻率比值誤差的諧振器的第一排列的校準(zhǔn)因子誤差；以及圖13示出了校準(zhǔn)和操作期間(校準(zhǔn)溫度以上+50°C )針對采用Ippm頻率比值誤差的諧振器的第二排列的校準(zhǔn)因子誤差。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種晶體半導(dǎo)體諧振器器件，包括相對于晶體半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)以不同方式對準(zhǔn)的兩個理想諧振器。這樣，諧振器的懸掛彈簧(suspension spring)具有不同特性，這影響諧振頻率。測量校準(zhǔn)溫度和操作溫度下第一諧振器與第二諧振器之間的諧振頻率比值。然后可以根據(jù)諧振器之一的溫度相關(guān)性，來得到操作頻率下所述諧振器之一 (或兩個諧振器)的頻率。由于楊氏模量的溫度相關(guān)性，簡單Si MEMS諧振器的諧振頻率變化了 _300ppm/ K。如果已知諧振器彈簧的溫度，則可以在控制電路中校正這種偏移(shift)。典型地，這種溫度測量的精度限于大約5°C。這種誤差源自于可集成在封裝中的溫度傳感器的不精確性；以及彈簧(具體地，針對壓阻讀出)的功耗和將彈簧與溫度傳感器相連的大的熱阻 (thermal resistance)0被動溫度補償技術(shù)涉及沉積/生長具有彈性模量的正溫度系數(shù)的層(例如，諸如 SiO2之類的氧化物)，可以減小所產(chǎn)生的誤差，但是對于沉積層厚度的小變化敏感。如圖1所示，工藝開始于絕緣體上硅(SOI)晶片，包括如圖IA所示的單晶硅基板 10、5102層12和硅層14。然后如圖IB所示對頂部硅層進行圖案化，接著如圖IC所示對 SiO2層進行各向同性犧牲層蝕刻。在最后步驟期間，如圖ID所示，在熔爐(furnace)中對獨立的Si梁(beam)元件16進行氧化，以提供氧化的表面層18。在硅諧振器已從基板被釋放(release)之后，通過這種氧化工藝用SW2層來覆蓋 Si表面的暴露部分。為了具有理想的溫度補償，Si和S^2層的層厚度需要高度地匹配。圖1以平面圖示出了被稱作狗骨的諧振器形狀，水平線19示出了獲得上述截面圖的位置。更一般地，本發(fā)明涉及具有長度伸展彈簧部分(length extensional spring portion)的諧振器配置，使得彈簧常數(shù)由長度伸展(extension)/壓縮(compression)來確定。針對各種補償后的幾何形狀(改變彈簧的Si02/Si比值β )，估計頻率誤差。彈簧包括拉長桿。在垂直于桿長度來獲得截面的情況下，氧化的量確定氧化物涂層的厚度。在截面中，存在中心硅區(qū)域和外圍氧化物層。參數(shù)β被定義為當(dāng)在該垂直截面中觀看時，諧振器彈簧中的Si02/Si截面面積比。圖2以曲線20的形式示出了從4個二氧化硅層厚度推導(dǎo)出的線性溫度系數(shù)(以 ppm/κ為單位)，以及以曲線22的形式示出了從同樣4個樣本推導(dǎo)出的諧振頻率變化(以 PPm為單位)。在圖2中可以看出，諧振頻率的溫度系數(shù)可以隨著氧化的增加而減小(即，氧化厚度越大，諧振頻率的溫度系數(shù)越小)。與純Si諧振器(beta = 0)相比，頻率誤差減小，但是該減小不會多于以2為因子的減小。圖3示出了操作期間由溫度測量誤差而引起的頻率誤差。圖3還示出了 β變化的效應(yīng)。假定最大β變化為6%，并且溫度測量誤差為5°C。圖3示出了已知的頻率誤差降低給出了 20-1500ppm的誤差。頻率校正因子的不確定性有兩個主要來源彈簧的(i)操作溫度和(ii)溫度系數(shù) (由beta值的不確定性來確定)。對于beta = 0，不存在溫度系數(shù)的不確定性，這是因為純硅的材料特性是已知的。對于beta 0. 5，溫度對頻率校正因子的影響最小，這是因為在這里頻率僅略微取決于溫度。對不確定性的這兩種貢獻如圖3中的虛線所示。因此，存在beta的最優(yōu)值，該最優(yōu)值可以由(i)溫度測量的不確定性以及(ii) beta的不確定性來確定。在beta的不確定性與beta的總體變化相對應(yīng)的情況下，該最優(yōu)值由實線30中最小值來指示。如果使用單個校準(zhǔn)溫度，則這種假定為真。如果校準(zhǔn)是在兩個溫度下執(zhí)行的，則可以直接測量溫度系數(shù)，從而beta值的不確定性變得更小。圖3中的總誤差(曲線30)適用于一個溫度下的頻率校準(zhǔn)。通過消除beta比值的不確定性，上述多溫度頻率校準(zhǔn)方法可以進一步將頻率誤差降低至"Tmeas”極限(對于beta 0. 5，是 20ppm)，但是由于校準(zhǔn)時間長，這種方法從成本的觀點來看是不令人期望的。具有諧振頻率的不同溫度系數(shù)的兩個諧振器的組合提供了一種精確措施來確定溫度，然而，實現(xiàn)不同溫度系數(shù)需要彈簧中的不同材料成分或者非常不同的振蕩模式。實現(xiàn)彈簧中的不同材料成分使得工藝變得非常復(fù)雜，并且會使溫度測量精度大打折扣，這是因為兩個諧振器的熱阻將會不同。在文獻Koskenvuori等人的^Temperature measurement andcompensation based on two vibrating modes, MEMS 2008 Conference,2008 年 1 月 13-17日中已經(jīng)說明了引入兩種非常不同的振蕩模式。這種方法對器件設(shè)計、性能和操作條件有嚴格的限制。本發(fā)明的實施例通過將部分氧化(partial oxidation)與不同的Si諧振器晶體取向相結(jié)合，實現(xiàn)了諧振頻率的不同溫度系數(shù)。圖4中示出了這一點。圖4示出了兩個諧振器40、42，這兩個諧振器的不同之處在于一個諧振器40具有沿著<100>方向取向的彈簧44，而另一個諧振器42具有沿著<110>方向的彈簧46。兩個諧振器足夠接近，以至于在這兩個諧振器之間，影響諧振頻率的工藝變化(例如，蝕刻、氧化物厚度、SOI厚度)極大地相關(guān)。這種局部相關(guān)對于光刻和蝕刻變化已經(jīng)得到證實，并且對于氧化物厚度和SOI厚度變化也是成立的。圖5示出了具有兩個不同取向的Si/Sih MEMS諧振器的頻率對溫度相關(guān)性。關(guān)鍵要求在于，對于兩個諧振器取向，頻率隨著溫度以不同方式發(fā)展變化(evolve)，使得頻率之間的比值隨著溫度而改變。如從下述討論中顯然可知，可以針對具有氧化物涂層和不同取向的諧振器，來實現(xiàn)這種頻率函數(shù)變化(variation in frequency function)。諧振頻率f隨著彈簧常數(shù)k和質(zhì)量m而如下改變
權(quán)利要求
1.一種晶體半導(dǎo)體諧振器器件，包括基板，包括晶體半導(dǎo)體層(14)；第一諧振器(40)，形成在晶體半導(dǎo)體層(14)中，并且具有拉長彈簧元件(44)，第一諧振器GO)的拉長彈簧元件04)包括晶體半導(dǎo)體層的第一部分，用于支撐第一諧振器的半導(dǎo)體諧振器質(zhì)量塊；第二諧振器(42)，形成在晶體半導(dǎo)體層(14)中，并且具有拉長彈簧元件(46)，第二諧振器0 的拉長彈簧元件G6)包括晶體半導(dǎo)體層的第二部分，用于支撐第二諧振器的諧振器質(zhì)量塊，其中，拉長彈簧元件(44、46)相對于晶體半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)而對準(zhǔn)，使得楊氏模量不同，其特征在于，第一諧振器和第二諧振器的拉長彈簧元件(44、46)分別都包括由楊氏模量溫度相關(guān)性與晶體半導(dǎo)體材料的楊氏模量溫度相關(guān)性不同的材料組成的部分；以及所述器件還包括測量裝置，用于測量在校準(zhǔn)溫度和操作溫度下第一諧振器與第二諧振器之間的諧振頻率比值，以及考慮到諧振器中一個的溫度相關(guān)性，從所述諧振頻率比值得到操作溫度下諧振器中所述一個的頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，每個諧振器包括諧振器質(zhì)量塊部分；以及連接至所述諧振器質(zhì)量塊部分的拉長彈簧部分。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的器件，其中，第一諧振器彈簧元件G4)與<100> 晶體方向?qū)?zhǔn)，第二諧振器彈簧元件G6)與<110>晶體方向?qū)?zhǔn)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的器件，其中，第一和第二諧振器并排，并且由相同層來形成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的器件，其中，所述楊氏模量溫度相關(guān)性與晶體半導(dǎo)體材料的楊氏模量溫度相關(guān)性不同的材料，具有與晶體半導(dǎo)體材料的溫度相關(guān)性相反的溫度相關(guān)性。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的器件，其中，每個諧振器包括半導(dǎo)體核心和氧化物涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中，每個諧振器包括硅核心和氧化硅涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中，每個諧振器具有比值β，比值β被定義為在垂直于拉長彈簧軸觀看時諧振器彈簧中氧化硅與硅的截面面積比；并且兩個諧振器的比值 β相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中，比值β被選擇為如下值對于該值，從校準(zhǔn)溫度到操作溫度，諧振頻率的所需溫度校正最小。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其中，比值β在0.45與0.60之間，或者在0.63與 0. 78之間。
11.一種操作晶體半導(dǎo)體諧振器的方法，其特征在于，所述方法包括測量在校準(zhǔn)溫度(Ttl)下第一諧振器與第二諧振器(40、4幻之間的諧振頻率比值，每個諧振器包括拉長彈簧元件04、46)，拉長彈簧元件(44、46)相對于晶體半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)以不同方式對準(zhǔn)，使得楊氏模量不同，第一諧振器和第二諧振器的拉長彈簧元件分別都包括由楊氏模量溫度相關(guān)性與晶體半導(dǎo)體的楊氏模量溫度相關(guān)性不同的材料組成的部分；測量在操作溫度下第一諧振器與第二諧振器之間的諧振頻率比值；以及考慮到諧振器中一個的溫度相關(guān)性，從頻率比值得到操作溫度下諧振器中所述一個的頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述方法，包括得到校正因子，所述校正因子用于從在校準(zhǔn)溫度下的諧振頻率得到在操作溫度下的諧振頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，包括測量針對至少兩個校準(zhǔn)溫度的諧振頻率比值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種MEMS諧振器器件，包括兩個匹配的諧振器，這兩個匹配的諧振器相對于晶體半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)以不同方式對準(zhǔn)。每個諧振器包括由楊氏模量溫度相關(guān)性與晶體半導(dǎo)體材料的楊氏模量溫度相關(guān)性不同的材料組成的部分。這樣，諧振器的懸掛彈簧具有不同的特性，所述不同的特性影響諧振頻率。測量校準(zhǔn)溫度和操作溫度下第一諧振器與第二諧振器之間的諧振頻率比值。然后根據(jù)諧振器之一的溫度相關(guān)性，得到操作頻率下諧振器之一(或兩個諧振器)的頻率。
文檔編號H03H3/00GK102299696SQ201110153799
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者羅伯特·詹姆斯·帕斯科·蘭德 申請人:Nxp股份有限公司