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谐振器及其形成方法，以及一种电子设备。该方法包括：对于包括顶硅层、埋氧层和底硅层的SOI晶圆，在顶硅层之上依次形成图形化的压电层和底电极；将当前半导体结构倒置后键合到下硅帽之上，其中，当前半导体结构与下硅帽之间构成下空腔；去除底硅层；形成梁结构，其中，顶硅层作为梁结构的从动层；将上硅帽键合到当前半导体结构上，其中，当前半导体结构与上硅帽之间构成上空腔。该方法采用将器件倒置进行键合实现谐振器真空腔的封装技术，避免了带空腔SOI硅片的使用，使成本大幅降低。同时克服了空腔SOI顶硅在形成后由弯曲恢复平直及由底硅与埋氧层硬键合带来的应力问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
谐振器及其形成方法、电子设备


[0001]本专利技术涉及微/纳机电系统
，具体涉及一种谐振器及其形成方法，以及一种电子设备。

技术介绍

[0002]目前，谐振器等具有悬臂梁的器件大多采用带空腔的SOI硅片制作。以谐振器为例，传统工艺中梁的制作一般为：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形成，最后用键合硅帽的方式进行封装。该工艺过程中存在很多缺点，首先，如图1所示，由于空腔SOI的空腔1004内气压较低，通常在大气压力下空腔1004上的顶硅1001会发生凹陷，在空腔1004上制作的器件也会相应的弯曲；如图2当梁被形成后空腔1004与大气连通，顶硅1001和埋氧层1002趋向于恢复平直状态而电极层1005、1007和压电层1006的初始状态是弯曲状态，因此在这个过程中顶硅1001和压电层1006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，由于SOI制作过程中硅和氧化硅均为硬质材料，两种硬质材料键合形成较大的应力；虽然悬臂梁被形成但其固定端由SOI原有的硅
‑
氧化硅键合界面固定在底硅1003上，因而SOI中寄生应力严重影响器件的性能。最后，由于带空腔的SOI在加工技术上较难且制作周期较长，导致带空腔SOI硅片非常昂贵，因此采用空腔SOI的工艺成本也较高。因此，采用带空腔SOI和传统封装工艺制作的器件很难进一步提高品质因数且成本过高，成为实现产品商业化的关键障碍。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提出一种能够上述技术缺陷的谐振器及其制造方法，以及包括该谐振器的电子设备。
[0004]本专利技术第一方面提出一种谐振器的形成方法，该谐振器具有梁结构，其特征在于，该方法包括：对于包括顶硅层、埋氧层和底硅层的SOI晶圆，在所述顶硅层之上依次形成图形化的压电层和底电极；将当前半导体结构倒置后键合到下硅帽之上，其中，当前半导体结构与所述下硅帽之间构成下空腔；去除所述底硅层；形成所述梁结构，其中，所述顶硅层作为所述梁结构的从动层；将上硅帽键合到当前半导体结构上，其中，当前半导体结构与所述上硅帽之间构成上空腔。
[0005]可选地，在形成所述梁结构的步骤之后，并且在将上硅帽键合到当前半导体结构上的步骤之前，还包括：去除所述梁结构之上的所述埋氧层。
[0006]可选地，所述梁结构为悬臂梁或者固支梁，或者包含悬臂梁或者固支梁的多梁结构。
[0007]可选地，所述梁结构与所述上硅帽之间以及所述梁结构与所述下硅帽之间均通过键合方式连接。
[0008]可选地，在去除所述底硅层的步骤之后，并且在形成所述梁结构的步骤之前，还包
括：形成贯穿所述顶硅层和埋氧层的电极连接；以及，在将上硅帽键合到当前半导体结构上的步骤之后，还包括：在所述上硅帽中形成上金属连接区，其中所述上金属连接区与所述电极连接接触。
[0009]可选地，在将当前半导体结构倒置后键合到下硅帽之上的步骤之前，还包括：在所述下硅帽中形成下金属连接区；以及，所述将当前半导体结构倒置后键合到下硅帽之上的步骤包括：将当前半导体结构倒置后，所述半导体结构的顶电极和/或底电极连接到所述下金属连接区。
[0010]可选地，还包括：在所述上硅帽的内侧和/或所述下硅帽的内侧形成吸气层。
[0011]可选地，在形成所述压电层的步骤之前，还包括：在所述顶硅层之上形成图形化的顶电极。
[0012]可选地，所述顶硅层为掺杂硅且掺杂浓度大于10
19
cm
‑3。
[0013]可选地，所述上空腔和所述下空腔的高度为：10微米至200微米，或者，20微米至100微米。
[0014]本专利技术第二方面提出一种谐振器，包括：一种谐振器，其特征在于，包括：梁结构，所述梁结构包括从上到下的从动层、压电层和底电极，其中所述从动层包含硅层；下硅帽，所述下硅帽与所述梁结构之间构成下空腔；上硅帽，所述上硅帽与所述梁结构之间构成上空腔。
[0015]可选地，还包括：位于所述从动层之上的埋氧层。
[0016]可选地，所述梁结构为悬臂梁或者固支梁，或者包含悬臂梁或者固支梁的多梁结构。
[0017]可选地，所述梁结构与所述上硅帽之间具有第一键合层，所述梁结构与所述下硅帽之间具有第二键合层。
[0018]可选地，所述第一键合层或/和所述第二键合层为金属键合层。
[0019]可选地，还包括：贯穿所述顶硅层的电极连接；以及位于所述上硅帽中的上金属连接区，其中所述上金属连接区与所述电极连接接触。
[0020]可选地，还包括：位于所述下硅帽中的下金属连接区，所述下金属连接区与所述梁结构的顶电极和/或底电极接触。
[0021]可选地，还包括：位于所述上硅帽的内侧和/或所述下硅帽的内侧的吸气层。
[0022]可选地，还包括：位于所述从动层与所述压电层之间的顶电极。
[0023]可选地，所述顶硅层为掺杂硅且掺杂浓度大于10
19
cm
‑3。
[0024]可选地，所述上空腔和所述下空腔的高度为：10微米至200微米，或者，20微米至100微米。
[0025]本专利技术第三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谐振器。
[0026]根据本专利技术的技术方案，采用普通SOI硅片，避免了使用空腔SOI硅片。倒置封装技术在降低成本的同时，由于直接使用普通SOI取代带空腔SOI，在悬臂梁制作过程中不存在弯曲现象，因此避免了由于空腔SOI形成后带来的应力问题。其次，在本专利技术实例中SOI底硅被完全去除，因此消除了由于氧化硅
‑
硅硬质结合带来的应力问题。在悬臂梁与基底的固定端之间采用韧性较好的材料作为键合层，如金材料，由于金具有延展性，和硬质键合相比有效地减小了外界应力向悬臂梁的耦合。由于应力的大幅度减少，使得器件的品质因数明显
提高，同时不受外界应力的干扰，稳定性提高。最后，两个空腔均通过硅的刻蚀完成，空腔的高度可控，避免了带空腔SOI中空腔高度的限制。
附图说明
[0027]为了说明而非限制的目的，现在将根据本专利技术的优选实施例、特别是参考附图来描述本专利技术，其中：
[0028]图1为现有技术的带空腔的SOI硅片的示意图；
[0029]图2为现有技术的带空腔的SOI硅片形成悬臂梁后的示意图；
[0030]图3至图11为本专利技术第一实施例的具有悬臂梁的谐振器的形成方法的过程示意图；
[0031]图12为本专利技术第二实施例的具有悬臂梁的谐振器的剖面示意图；
[0032]图13为本专利技术第三实施例的具有悬臂梁的谐振器的剖面示意图；
[0033]图14为本专利技术第四实施例的具有悬臂梁的谐振器的剖面示意图；
[0034]图15为本专利技术第五实施例的具有固支梁的谐振器的剖面示意图。
具体实施方式
[0035]本专利技术实施方式的谐振器的形成方法中，将器件倒置进行键合实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振器的形成方法，该谐振器具有梁结构，其特征在于，该方法包括：对于包括顶硅层、埋氧层和底硅层的SOI晶圆，在所述顶硅层之上依次形成图形化的压电层和底电极；将当前半导体结构倒置后键合到下硅帽之上，其中，当前半导体结构与所述下硅帽之间构成下空腔；去除所述底硅层；形成所述梁结构，其中，所述顶硅层作为所述梁结构的从动层；将上硅帽键合到当前半导体结构上，其中，当前半导体结构与所述上硅帽之间构成上空腔。2.根据权利要求1所述的谐振器的形成方法，其特征在于，在形成所述梁结构的步骤之后，并且在将上硅帽键合到当前半导体结构上的步骤之前，还包括：去除所述梁结构之上的所述埋氧层。3.根据权利要求1所述的谐振器的形成方法，其特征在于，所述梁结构为悬臂梁或者固支梁，或者包含悬臂梁或者固支梁的多梁结构。4.根据权利要求1所述的谐振器的形成方法，其特征在于，所述梁结构与所述上硅帽之间以及所述梁结构与所述下硅帽之间均通过键合方式连接。5.根据权利要求1所述的谐振器的形成方法，其特征在于，在去除所述底硅层的步骤之后，并且在形成所述梁结构的步骤之前，还包括：形成贯穿所述顶硅层和埋氧层的电极连接；以及，在将上硅帽键合到当前半导体结构上的步骤之后，还包括：在所述上硅帽中形成上金属连接区，其中所述上金属连接区与所述电极连接接触。6.根据权利要求1所述的谐振器的形成方法，其特征在于，在将当前半导体结构倒置后键合到下硅帽之上的步骤之前，还包括：在所述下硅帽中形成下金属连接区；以及，所述将当前半导体结构倒置后键合到下硅帽之上的步骤包括：将当前半导体结构倒置后，所述半导体结构的顶电极和/或底电极连接到所述下金属连接区。7.根据权利要求1所述的谐振器的形成方法，其特征在于，还包括：在所述上硅帽的内侧和/或所述下硅帽的内侧形成吸气层。8.根据权利要求1所述的谐振器的形成方法，其特征在于，在形成所述压电层的步骤之前，还包括：在所述顶硅层之上形成图形化的顶电极。9.根据权利要求1所述的谐振器的形成方法，其特征在于，所述顶硅层为掺杂硅且掺杂浓度大于10...

【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：