一种具有片上温度补偿的双谐振器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器领域，特别涉及一种具有片上温度补偿的双谐振器。


背景技术：

2.目前mems谐振式压力传感器在电子器件领域应用非常广泛，它具有较高的精度和较强的抗干扰能力，硅上的谐振式压力传感器还具有体积小，功耗低等优点，通过设计双谐振器，通过频率温度补偿调整谐振器固有频率，提高压力传感器的输出精度。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是为了实现不仅可以应用于mems谐振式压力传感器，也可以应用于定时谐振器，过滤器，陀螺仪，谐振式化学传感器等领域，特提供了一种具有片上温度补偿的双谐振器。
4.本实用新型提供了一种具有片上温度补偿的双谐振器，其特征在于：所述的具有片上温度补偿的双谐振器，包括锚点1，弹簧2，振荡器3，驱动电极4，感应电极5，重掺杂氧化层6，mems芯片边缘7；
5.锚点1通过弹簧2与振荡器3连接，驱动电极4和感应电极5与振荡器3连接，振荡器3表面带有重掺杂氧化层6；
6.分为高温振荡器和低温振荡器两段，低温振荡器与mems芯片边缘呈15-40度的夹角，以提高钟摆的热性能，有效提高温控灵敏度，对低温振荡器进行重掺杂，掺杂元素是硼，砷，磷元素用以提高其热性能。
7.所述的振荡器3至少包括一个弹簧2，弹簧2通过等离子体刻蚀硅，然后处理弹簧2和振荡器3的表面以提高温度性能而形成的。
8.谐振器使用光刻和等离子体蚀刻与硅芯片的边缘不同的角度取向，以提高定时振荡器的热性能；第二参考谐振器也以不同的方向形成在晶片上。
9.低频率温度系数谐振器和弹簧覆盖二氧化硅层，通过化学气相沉积或热氧生长。
10.使用硼、磷、砷将低频率温度系数谐振器和弹簧化学掺杂到高量级》1018掺杂原子/cc，以提高压力传感器的热性能。重掺杂能通过谐振器的整个横截面或仅通过外表面。
11.低频率温度系数谐振器和弹簧的设计能以不同于硅边缘角度位置，角度为15到40度。
12.第二参考谐振器或高频率温度系数谐振器形成在mems芯片上的硅振荡器上。第二谐振器相对于芯片的边缘垂直定向，并且在温度范围内具有与压力传感器谐振器不同的频率输出。高频率温度系数谐振器不会被重掺杂，并且其弹簧上能没有氧化层。
13.在校准和操作期间比较两种类型的谐振器的频率，以改善振荡器在温度范围内和由于封装应力而产生的性能。
14.电路晶圆能是cmos晶圆，也能是简单的多金属层互连晶圆；谐振器是单晶，也能是掺杂的多晶硅、外延多晶或si-ge层。
15.晶圆-晶圆键合后，晶圆堆叠能变薄。
16.晶圆-晶圆在真空中键合是首选，但也能使用cvd薄膜密封。
17.能将吸气金属层并入密封的真空腔中以吸收气体。
18.多种金属可用于将两晶片键合，包括au-si、al-ge、cu-cu、cu-sn、au-sn、al-al、si-si以及其他焊料和共晶合金。
19.硅通孔可在任一晶圆中形成，用于与电路板、asic或封装的电连接。
20.沉积氧化层：首先在soi器件层上生长氧化层8，单晶硅器件层9也能是多晶硅或者多晶硅外延层。
21.刻蚀电极和低温振荡器天窗：通过深紫外刻蚀技术在soi的器件层上刻蚀天窗，以形成振荡器与金属导线间的欧姆接触，金属电极窗口12低温振荡器窗口13；
22.沉积金属电极，沉积金属电极本专利分为两种情况：
23.第一种情况是当soi的器件层参杂浓度足够形成欧姆接触时，则不需要对金属电极窗口进行参杂，可直接沉积金属电极和用于真空密封的金属密封环，金属电极14金属密封圈15；
24.第二种情况是当soi的器件层参杂浓度不足够形成欧姆接触时，此时要对金属电极窗口下的器件层进行重参杂，以至器件层与金属电极形成欧姆接触，在重参杂之前需先通过hf干法刻蚀形成低温振荡器锚点窗口如下图所示；
25.hf干法刻蚀形成低温振荡器锚点窗口16，对器件层重参杂17，对器件层进行重参杂，提高金属电极窗口器件层的参杂浓度，为之后沉积金属电极形成欧姆接触提供条件，低温振荡器重参杂后提高其热性能。
26.高温振荡器锚点窗口：通过hf干法刻蚀，形成高温振荡器锚点窗口；
27.高温振荡器锚点窗口18沉积金属电极和金属密封圈，以上是器件层浓度低于与金属电极形成欧姆接触的浓度值和器件层浓度高于与金属电极形成欧姆接触的浓度，两种不同器件浓度沉积金属电极的解决方案。
28.hf干法刻蚀：
29.高温振荡器19低温振荡器20，通过hf干法刻蚀soi氧化层下的单晶硅器件层，形成高温振荡器和低温振荡器。
30.第二片晶圆的金属电路和晶圆密封：
31.包括反应金属钛21、电接触金属层22、密封金属层23、晶圆电路24；第二片晶圆能是cmos电路晶圆，也能是bicmos电路晶圆，沉积的钛反应层，用于电路晶圆与mems晶圆键合后，在高温振荡器与低温振荡器形成的腔体内构成吸气剂，可减小振荡器的q值，密封电接触金属用于电路晶圆与mems晶圆键合时的金属密封和形成电接触。
32.将mems晶圆与电路晶圆键合：位置在键合点25处；
33.减薄抛光：利用减薄抛光技术磨掉mems底部的多余部分；
34.通孔：硅通孔26，形成终端互联。
35.本实用新型的优点：
36.本实用新型所述的具有片上温度补偿的双谐振器，通过设计双谐振器，通过频率温度补偿调整谐振器固有频率，提高压力传感器的输出精度，不仅可以应用于mems谐振式压力传感器，也可以应用于定时谐振器，过滤器，陀螺仪，谐振式化学传感器等领域。
附图说明
37.下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
38.图1为高温振荡器低温振荡器结构示意图；
39.图2为沉积氧化示意图；
40.图3为刻蚀电极和低温振荡器天窗示意图；
41.图4为沉积金属电极示意图；
42.图5为hf干法刻蚀形成低温振荡器锚点窗口示意图；
43.图6为高温振荡器锚点窗口示意图；
44.图7为hf干法刻蚀示意图；
45.图8为第二片晶圆的金属电路和晶圆密封示意图；
46.图9为mems晶圆与电路晶圆键合示意图；
47.图10为键合点示意图；
48.图11为减薄抛光示意图；
49.图12为通孔示意图。
具体实施方式
50.实施例
51.本实用新型提供了一种具有片上温度补偿的双谐振器，其特征在于：所述的具有片上温度补偿的双谐振器，包括锚点1，弹簧2，振荡器3，驱动电极4，感应电极5，重掺杂氧化层6，mems芯片边缘7；
52.锚点1通过弹簧2与振荡器3连接，驱动电极4和感应电极5与振荡器3连接，振荡器3表面带有重掺杂氧化层6；
53.分为高温振荡器和低温振荡器两段，低温振荡器与mems芯片边缘呈15-40度的夹角，以提高钟摆的热性能，有效提高温控灵敏度，对低温振荡器进行重掺杂，掺杂元素是硼，砷，磷元素用以提高其热性能。
54.所述的振荡器3至少包括一个弹簧2，弹簧2通过等离子体刻蚀硅，然后处理弹簧2和振荡器3的表面以提高温度性能而形成的。
55.谐振器使用光刻和等离子体蚀刻与硅芯片的边缘不同的角度取向，以提高定时振荡器的热性能；第二参考谐振器也以不同的方向形成在晶片上。
56.低频率温度系数谐振器和弹簧覆盖二氧化硅层，通过化学气相沉积或热氧生长。
57.使用硼、磷、砷将低频率温度系数谐振器和弹簧化学掺杂到高量级》1018掺杂原子/cc，以提高压力传感器的热性能。重掺杂能通过谐振器的整个横截面或仅通过外表面。
58.低频率温度系数谐振器和弹簧的设计能以不同于硅边缘角度位置，角度为15到40度。
59.第二参考谐振器或高频率温度系数谐振器形成在mems芯片上的硅振荡器上。第二谐振器相对于芯片的边缘垂直定向，并且在温度范围内具有与压力传感器谐振器不同的频率输出。高频率温度系数谐振器不会被重掺杂，并且其弹簧上能没有氧化层。
60.在校准和操作期间比较两种类型的谐振器的频率，以改善振荡器在温度范围内和由于封装应力而产生的性能。
61.该工艺可应用于多种类型的mems谐振器，以获得更好的温度性能，包括定时振荡器、滤波器、陀螺仪、谐振压力传感器和谐振化学传感器。
62.电路晶圆能是cmos晶圆，也能是简单的多金属层互连晶圆；谐振器是单晶，也能是掺杂的多晶硅、外延多晶或si-ge层。
63.晶圆-晶圆键合后，晶圆堆叠能变薄。
64.晶圆-晶圆在真空中键合是首选，但也能使用cvd薄膜密封。
65.能将吸气金属层并入密封的真空腔中以吸收气体。
66.多种金属可用于将两晶片键合，包括au-si、al-ge、cu-cu、cu-sn、au-sn、al-al、si-si以及其他焊料和共晶合金。
67.硅通孔可在任一晶圆中形成，用于与电路板、asic或封装的电连接。
68.沉积氧化层：首先在soi器件层上生长氧化层8，单晶硅器件层9也能是多晶硅或者多晶硅外延层。
69.刻蚀电极和低温振荡器天窗：通过深紫外刻蚀技术在soi的器件层上刻蚀天窗，以形成振荡器与金属导线间的欧姆接触，金属电极窗口12低温振荡器窗口13；
70.沉积金属电极，沉积金属电极本专利分为两种情况：
71.第一种情况是当soi的器件层参杂浓度足够形成欧姆接触时，则不需要对金属电极窗口进行参杂，可直接沉积金属电极和用于真空密封的金属密封环，金属电极14金属密封圈15；
72.第二种情况是当soi的器件层参杂浓度不足够形成欧姆接触时，此时要对金属电极窗口下的器件层进行重参杂，以至器件层与金属电极形成欧姆接触，在重参杂之前需先通过hf干法刻蚀形成低温振荡器锚点窗口如下图所示；
73.hf干法刻蚀形成低温振荡器锚点窗口16，对器件层重参杂17，对器件层进行重参杂，提高金属电极窗口器件层的参杂浓度，为之后沉积金属电极形成欧姆接触提供条件，低温振荡器重参杂后提高其热性能。
74.高温振荡器锚点窗口：通过hf干法刻蚀，形成高温振荡器锚点窗口；
75.高温振荡器锚点窗口18沉积金属电极和金属密封圈，以上是器件层浓度低于与金属电极形成欧姆接触的浓度值和器件层浓度高于与金属电极形成欧姆接触的浓度，两种不同器件浓度沉积金属电极的解决方案。
76.hf干法刻蚀：
77.高温振荡器19低温振荡器20，通过hf干法刻蚀soi氧化层下的单晶硅器件层，形成高温振荡器和低温振荡器。
78.第二片晶圆的金属电路和晶圆密封：
79.包括反应金属钛21、电接触金属层22、密封金属层23、晶圆电路24；第二片晶圆能是cmos电路晶圆，也能是bicmos电路晶圆，沉积的钛反应层，用于电路晶圆与mems晶圆键合后，在高温振荡器与低温振荡器形成的腔体内构成吸气剂，可减小振荡器的q值，密封电接触金属用于电路晶圆与mems晶圆键合时的金属密封和形成电接触。
80.将mems晶圆与电路晶圆键合：位置在键合点25处；
81.减薄抛光：利用减薄抛光技术磨掉mems底部的多余部分；
82.通孔：硅通孔26，形成终端互联。
83.本实用新型未尽事宜为公知技术。
84.上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。