微机械装置及其设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种微机械装置，包括：半导体元件，所述半导体元件能够产生偏转或谐振，并且包括具有不同材料性质的至少两个区域；以及功能性连接到所述半导体元件的驱动或传感机构。根据本发明专利技术，所述区域中的至少一个包括一种或多种n型掺杂剂，并且所述区域的相对体积、掺杂浓度、掺杂剂和/或晶体定向构造成使得所述区域的广义刚度的温度敏感度至少在一个温度下符号相反，并且在100℃的温度范围内，所述半导体元件的广义刚度的总体温度漂移为50ppm或更少。所述装置可以为谐振器。还公开了一种设计所述装置的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及微机械装置、尤其是谐振器的温度补偿。根据本专利技术的装置和方法包括独立权利要求的前序部分的特征。
技术介绍
广泛使用的基于石英晶体的谐振器在很多应用中有可能由微机械的典型地为硅基的谐振器来取代。可以将硅谐振器制造成小于石英谐振器，并且对于硅谐振器而言有多种标准的制造方法。然而，与基于硅的谐振器相关的一个问题是，它们具有高的谐振频率的温度漂移。该漂移主要是由于硅的杨氏模量对温度依赖所引起，这导致大约_30ppm/°C的频率温度系数(TCF)。这导致谐振频率由于环境温度的变化而起伏。由普通的硅所制造的微电子机械系统(MEMS)谐振器在100°C宽的温度范围内具有大约3000ppm的温度漂移。固有的大的温度漂移阻止了基于硅的谐振器进入石英晶体占主导的振荡器市场。然而，已知可以通过多种方式补偿对温度的依赖。现有技术中的解决方案包括:一具有温度传感器和相关的电子控制电路的有源补偿，但是尚不能够以低成本的技术来提供适用于大规模生产应用的并且可与石英在质量上竞争的具有足够低的温度漂移的谐振器。另外，温度补偿电路的使用增加了能量消耗，这在电池操作的装置中是尤其显著的劣势。另外，补偿电路会在谐振器电路中增加电子噪音。一通过以温度绝缘来稳定谐振器的温度和谐振器的受控的加热/冷却来进行的有源补偿。然而，该方案也增加了装置的能量消耗，并且使得装置的制造复杂。温度补偿电路在控制中是缓慢的，并且因此无法足够好地补偿环境温度中的迅速的或大的变化。—通过在结构中添加展现出符号相反的温度漂移的非晶SiO2来进行的无源补偿。例如在公开文献“Temperature compensation in silicon-basedmicroelectro-mechanical resonators”，F.Schoen et al(ISBN:978-l-4244-2978_3/09)中和国际专利申请PCT/FI2010/050744中更详细地描述了该技术。然而，SiO2的补偿导致更复杂的制造工艺和谐振器性能的让步。一由P型重掺杂、例如硼掺杂进行的无源补偿，其对于特征为C44的剪切模式(例如Lam6模式下)具有强烈补偿，但是在一些其它的模式下具有很少的补偿或完全没有，这限制了其对于非常特殊的模式的适应性和在压电驱动情况中的激发几何形状。尤其是，拉伸模式不能由P型掺杂来很好地补偿。均匀掺杂的P型硅谐振器在100°C的范围上具有大约300ppm的温度漂移。在同一 申请人:的尚未公开的芬兰专利申请20105849、20105851和20115151中，以及在此处所引用的参考文献(尤其是A.K.Samarao et al, “Passive TCF Compensationin High Q Silicon Micromechanical Resonators，，，IEEE International Conference onMicro Electro Mechanical Systems (MEMS2010)，2010，pp.116-119)，还有在美国专利文献US2010/0127596和US4719383中均讨论了无源补偿方法，。文 献 A.K.Samarao et al., “Intrinsic Temperature Compensationof Highly Resistive High-Q Silicon Microresonators via Charge CarrierDepletion”，Frequency Control Symposium(FCS)，2010IEEE International， l_4June2010，pages:334-339公开了包括硼掺杂(p掺杂)的硅谐振器元件的体声波谐振器，用于减少谐振器的温度漂移。硼掺杂(P掺杂)的谐振器元件还包括一层或多层扩散的磷(η掺杂)，目的是为谐振器元件创建一个或更多Pn结。形成了具有低载流子浓度的耗尽区的ρη结具有如下效果，即能够达到_3ppm/°C的局部频率温度系数(TCF)。在文献Hajjam et al.^Sub-1OOppb/°C Temperature Stability in ThermallyActuated High Frequency Si I icon Resonators via Degenerate PhosphorousDoping and Bias Current Optimization，，，IEEE International Electron DeviceMeeting, Dec.2010中还公开了娃的n型磷掺杂以进一步改善TCF的可能性。其报告了热扩散式掺杂的硅谐振器中0.05ppm/°C的局部温度漂移。然而，扩散掺杂导致谐振器中载流子的高浓度梯度，并且仅能够在从装置表面穿透大约2微米厚度的区域中创造大约l*1019cm_3或更高的η型掺杂物浓度，下面将显示出，需要所述浓度进行有效的温度补偿。所实现的浓度水平也可能依赖于装置的精确几`何形状，这带来了对设计的限制。因此，对于谐振器的设计来说，例如关于其体积、厚度和谐振模式的可用性等具有严格的限制。例如，在扩散式掺杂的谐振器中，不能够有效地对体声波模式进行温度补偿。已知的补偿技术仅能在通常例如对于消费电子产品而言太过狭窄的温度范围中提供低的温度漂移。因此，需要具有改善的温度补偿的半导体谐振器和其它装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新颖的温度补偿的半导体结构，其温度敏感度特性能不是仅仅在局部(即在单个的温度下)、而是在很宽的温度范围内都能得到良好的控制，本专利技术还提供了用于制造其的方法。该目的通过独立权利要求中所限定的本专利技术来实现。根据一个实施例，微机械装置包括半导体元件，所述半导体元件被固定到支撑结构上以使其能够产生偏转或产生谐振，所述元件包括具有不同材料性质的至少两种类型的区域。所述材料的材料性质和相对体积限定了具有所期望的温度补偿特性的有效材料。更具体地，所述区域中的每一个包括一种或多种η型掺杂剂，所述区域的掺杂浓度、掺杂剂和/或晶体定向构造成使得不同区域的广义刚度的温度敏感度至少在一个温度下符号相反。优选地，这种构造还使得在100°C的温度范围内，半导体元件的广义刚度的总体温度漂移为50ppm或更少。该温度范围典型地集中在25°C左右。已经发现，甚至可以提供这样的装置，其中在300°C的温度范围内或甚至更宽的范围内，半导体元件的广义刚度的总体温度漂移为50ppm或更少。另外，提供了驱动或传感机构，其功能性连接到所述半导体元件，用于驱动或传感所述谐振或偏转。还可以同时设置驱动和传感机构。用语(半导体元件的广义刚度在某温度范围上/内)的“温度漂移”用来与仅在一个温度下的温度敏感度的局部测量(通常表示为TCF，单位为ppm/°C)区分开。在谐振器的情况中，广义刚度的温度漂移等于谐振器的频率的温度漂移的二倍。用语“广义刚度”为半导体材料的弹性参数(即在例如硅晶体的立方晶体的情况中已知为cn、ci2、c44的参数)的函数，并且例如在谐振器的情况中其代表所述装置适合于进行谐振的谐振模式的有效弹簧常数。根据一个实施方案，具有不同材料性质的区域为不同的区域，这意味着本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机械装置，包括：－半导体元件，所述半导体元件能够产生偏转或谐振，并且包括具有不同材料性质的至少两个区域；－功能性连接到所述半导体元件的驱动或传感机构，其特征在于，－所述区域中的至少一个包括一种或多种n型掺杂剂，－所述区域的相对体积、掺杂浓度、掺杂剂和/或晶体定向构造成使得：所述区域的广义刚度的温度敏感度至少在一个温度下符号相反；在100℃的温度范围内，所述半导体元件的广义刚度的总体温度漂移为50ppm或更少。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.13 FI 20115465;2011.05.13 US 61/485,6461.一种微机械装置，包括: 一半导体元件，所述半导体元件能够产生偏转或谐振，并且包括具有不同材料性质的至少两个区域； 一功能性连接到所述半导体元件的驱动或传感机构， 其特征在于， 一所述区域中的至少一个包括一种或多种η型掺杂剂， 一所述区域的相对体积、掺杂浓度、掺杂剂和/或晶体定向构造成使得: 所述区域的广义刚度的温度敏感度至少在一个温度下符号相反； 在100°C的温度范围内，所述半导体元件的广义刚度的总体温度漂移为50ppm或更少。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个第一区域和至少一个第二区域为包含不同掺杂浓度的所述一种或多种η型掺杂剂的不同区域。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述至少一个第一区域和至少一个第二区域包括不同的η型掺杂剂。4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个第一区域和至少一个第二区域包括不同的晶体定向。5.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，在所述温度范围的大部分中，优选地在大致整个所述温度范围中，所述区域的广义刚度的温度敏感度是符号相反的。6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述区域构造成使得在100°C的温度范围内产生了半导体元件的广义刚度的IOppm或更少的温度漂移。7.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，所述区域沿半导体元件的厚度方向一个堆叠于另一个之上。8.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其特征在于，所述区域在半导体元件中相对于彼此沿横向布置。9.根据权利要求1到8中任一项所述的装置，其特征在于，所述区域在所述半导体元件中以在至少一个维度上周期性重复的构造来布置，以形成超晶格结构。10.根据权利要求1到9中任一项所述的装置，其特征在于，所述区域在所述半导体元件中布置成横向的二维阵列。11.根据权利要求1到10中任一项所述的装置，其特征在于，所有的所述区域掺杂有不同浓度的同种η型掺杂剂。12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，一个区域中的掺杂浓度为5el9CnT3或更小，并且另一个区域中的掺杂浓度大于5el9Cm_3。13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，一个区域中的掺杂浓度为2el9cnT3或更小，并且另一个区域中的掺杂浓度大于2el9cm_3。14.根据权利要求1到13中任一项所述的装置，其特征在于，相比于其它类型的所述区域具有更大的η型掺杂浓度的类型的区域形成所述半导体元件的总体积的至少35%。15.根据权利要求1到14中任一项所述的装置，其特征在于，每个所述区域的掺杂浓度为大致均匀的。16.根据权利要求1到15中任一项所述的装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：米卡·普伦尼拉，安特尔·亚科拉，托马斯·彭萨拉，
申请(专利权)人：芬兰国家技术研究中心，
类型：
国别省市：