MEMS谐振器及其制造方法
本发明公开了一种MEMS谐振器及其制造方法。其中，MEMS谐振器的制造方法在压电层的上侧和下侧分别制备第一空腔和第二空腔，并设置第一衬底和键合衬底对第一空腔和第二空腔进行保护。通过将压电层的两侧分别设置第一空腔和第二空腔，压电层的顶部和底部均形成有空腔，使得压电层在对应第一空腔和第二空腔的位置，形变更加自由不受约束，可以自由形变，在压电效应和逆压电效应下压电层更容易与机械波产生谐振，压电层和空腔的谐振频率提高，从而提高了压电层的压电转换效率。
发明专利
CN202311418424.5
2023-10-27
CN117559949A
2024-02-13
H03H9/24(2006.01)
深圳市汇芯通信技术有限公司
张汪根;樊永辉;许明伟;樊晓兵
518000 广东省深圳市福田区华富街道莲花一村社区皇岗路5001号深业上城(南区)T2栋2701
深圳市世纪恒程知识产权代理事务所
关向兰
广东;44
1.一种MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤： 提供基材，其中，所述基材包括依次层叠设置的第一衬底层、种子层和压电层，所述第一衬底层的顶部形成有第一空腔和位于第一空腔两侧的第一互连孔和第二互连孔，所述第一空腔、所述第一互连孔和所述第二互连孔内均设置有第一填充层，所述种子层上对应所述第二互连孔和所述空腔的上方有下电极，所述述压电层对应所述第一互连孔和所述第一空腔的上方有上电极，所述上电极通过上电极互连层与所述第一互连孔内的所述第一填充层连接； 在所述压电层上沉积支撑层，并在所述支撑层对应所述第一空腔的位置形成连通至所述上电极的第二空腔，在所述第二空腔内填充氧化物形成第二填充层； 研磨所述支撑层和所述第二填充层以使所述支撑层和所述第二填充层的顶面平齐，并在所述支撑层和所述第二填充层顶部依次制备键合层和键合衬底； 减薄所述第一衬底层和所述键合衬底，直至所述第一衬底层的底面与所述空腔的腔底之间的距离以及所述键合衬底的顶面与所述键合层之间的距离达到预设距离范围； 刻蚀去除所述第一填充层和所述第二填充层； 在所述第一衬底层的底部制备输入电极和输出电极，其中，所述输入电极位于所述第二互连孔内并与所述下电极连接，所述输出电极位于所述第一互连孔内并与所述上电极互连层连接，获得所述MEMS谐振器。 2.如权利要求1所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，所述提供基材的步骤包括： 提供所述第一衬底层，在所述第一衬底层上方开设所述第一空腔，在所述第一空腔的两侧分别开设所述第一互连孔和所述第二互连孔，并在所述第一空腔、所述第一互连孔和所述第二互连孔内填充氧化物形成所述第一填充层； 在所述第一衬底层上方沉积所述种子层并在所述种子层对应所述第二互连孔和所述空腔的上方制备下电极，其中，所述种子层覆盖所述第一空腔、所述第一互连孔和所述第二互连孔； 在所述种子层上方沉积所述压电层，其中，所述压电层覆盖所述下电极； 在所述压电层对应所述第一空腔的上方依次制备所述上电极和所述上电极互连层，其中，所述上电极位于所述压电层对应所述第一互连孔和所述第一空腔的上方，所述上电极互连层分别与所述上电极和所述第一互连孔内的所述第一填充层连接。 3.如权利要求2所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，所述提供第一衬底层，在所述第一衬底层上方开设第一空腔，在所述第一空腔的两侧分别开设第一互连孔和第二互连孔，并在所述第一空腔、所述第一互连孔和所述第二互连孔内填充氧化物形成第一填充层的步骤包括： 提供200um～1000um厚的Si衬底或蓝宝石衬底作为所述第一衬底层； 在所述第一衬底层上开设所述第一空腔、所述第一互连孔和所述第二互连孔，其中，所述第一空腔、所述第一互连孔和所述第二互连孔的深度相同，且均为3um～50um； 在所述第一衬底层的顶部沉积3um～50um厚的氧化物，以使所述氧化物填满所述第一空腔、所述第一互连孔和所述第二互连孔； 研磨去除凸出于所述第一衬底层顶面的所述氧化物，形成所述第一填充层。 4.如权利要求2所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，所述在所述第一衬底层上方沉积种子层并在所述种子层对应所述第二互连孔和所述第一空腔的上方制备下电极的步骤包括： 通过PVD溅射工艺在所述第一衬底层的顶部沉积10nm～100nm厚的多晶掺杂的AlN，以形成所述种子层； 通过PVD溅射工艺在所述种子层的顶部沉积50nm～500nm厚的Mo，获得第一电极层； 将除所述第二互连孔及所述第一空腔上方的所述第一电极层之外的所述第一电极层光刻，以形成所述下电极。 5.如权利要2所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，在所述压电层对应所述第一空腔的上方依次制备上电极和上电极互连层的步骤包括： 通过PVD溅射工艺在所述压电层的顶部沉积50nm～500nm厚的Mo，获得第二电极层； 将除所述第二互连孔及所述第一空腔上方的所述第二电极层之外的所述第二电极层光刻，以形成所述上电极； 在所述压电层对应所述第一互连孔的位置开设连通至所述第一互连孔的通孔； 在所述通孔内沉积Ti或Al，形成所述上电极互连层，其中，所述上电极互连层的厚度为所述压电层的厚度与所述种子层的厚度之和。 6.如权利要求1至5中任一项所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，所述在所述压电层上沉积支撑层，并在所述支撑层对应所述第一空腔的位置形成连通至所述上电极的第二空腔，在所述第二空腔内填充氧化物形成第二填充层的步骤包括： 通过光刻工艺在所述压电层上方形成第一预设图案，其中，所述第一预设图案覆盖所述压电层上方除所述第一空腔的位置； 在所述第一预设图案处沉积1μm～10μm厚的SiN形成所述支撑层，所述支撑层围成所述第二空腔； 在所述第二空腔内沉积2μm～10μm厚的非晶硅获得所述第二填充层。 7.如权利要求1至5中任一项所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，所述研磨所述支撑层和所述第二填充层以使所述支撑层和所述第二填充层的顶面平齐，并在所述支撑层和所述第二填充层顶部依次制备键合层和键合衬底的步骤包括： 同时研磨所述第二空腔内的所述氧化物和所述支撑层，直至所述支撑层和所述第二填充层的顶面平齐； 在所述支撑层和所述第二填充层的顶部沉积10nm～1000nm厚的致密SiO2形成所述键合层； 在所述键合层上通过Si-Si键合工艺将材质为Si的键合衬底与所述键合层键合。 8.如权利要求1至5中任一项所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，所述刻蚀去除所述第一填充层和所述第二填充层的步骤包括： 在所述第一衬底层上开设连通至所述第一空腔的第一开口，并在所述键合衬底上开设连通至所述第二空腔的第二开口； 通过所述第一开口对所述第一空腔内的所述第一填充层进行湿法腐蚀以将所述第一填充层去除； 通过所述第二开口对所述第二填充层进行氟化氙气化以将所述第二填充层去除。 9.如权利要求8所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，所述通过所述第二开口对所述第二填充层进行氟化氙气化以将所述第二填充层去除的步骤之后还包括： 通过所述第一开口和所述第二开口分别对应对所述第一空腔和所述第二空腔进行抽真空至预设压强范围； 在所述第一开口和所述第二开口处分别对应制备上空腔封口层和下空腔封口层。 10.如权利要求1至5中任一项所述的MEMS谐振器的制造方法，其特征在于，所述在所述第一衬底层的底部制备输入电极和输出电极的步骤包括： 在所述第一衬底层的底部对应所述第一互连孔的位置开设与所述第一互连孔连通的第一通孔，在所述第一衬底层的底部对应所述第二互连孔的位置开设与所述第二互连孔连通的第二通孔，其中，所述第一互连孔与所述第一通孔为等径孔，所述第二互连孔与所述第二通孔为等径孔； 腐蚀去除所述第一互连孔、所述第二互连孔内的所述第一填充层； 去除与所述第二互连孔对应处的所述种子层，以露出所述下电极； 在所述第一衬底层的底部沉积TiW、Ti、W或Cu形成过渡层，其中，所述过渡层突出于所述第一衬底层的底部5μm～10μm； 将除所述第一互连孔和所述第二互连孔对应处的所述过渡层之外的所述过渡层刻蚀，形成所述输入电极和所述输出电极。 11.一种MEMS谐振器，其特征在于，通过如权利要求1至9中任一项所述的MEMS谐振器的制造方法制造，所述MEMS谐振器包括： 自下而上依次层叠设置的第一衬底层、种子层、压电层、支撑层、键合层和第二衬底层，所述第一衬底层上形成有第一空腔以及分设于所述第一空腔两侧的第一互连孔和第二互连孔，所述压电层与所述种子层之间对应所述空腔和所述第二互连孔的位置形成有下电极，所述支撑层和所述压电层之间对应所述空腔和所述第一互连孔的位置形成有上电极，是第一互连孔内设置有输出电极，所述上电极靠近所述第一互连孔的位置形成有上电极互连层，所述上电极互连层的一端与所述上电极连接，另一端穿过所述压电层和所述种子层，以与所述第一互连孔内的输出电极连接，所述第二互连孔内设置有输入电极，所述输入电极穿过所述种子层并与所述下电极连接，所述输入电极和所述输出电极均外露于所述第一衬底层，所述支撑层上对应所述第一空腔的位置形成有第二空腔。