专利名称：Mems谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种MEMS谐振器。
背景技术：
MEMS谐振器结构提供了一种针对石英谐振器更具吸引力的备选方案作为许多应用的频率基准，这是因为MEMS谐振器的成本较低成本并且波形因子(form factor)较小。温度和工艺变化对硅MEMS谐振器的振荡频率的影响超过了许多应用的容限。 MEMS谐振器例如用在RF接收机电路的基准振荡器中。硅MEMS谐振器的谐振频率呈现出典型地-30ppm/K的温度漂移。对于一些应用而言，需要显著降低这种漂移。例如，当在GSM 基准振荡器中使用MEMS谐振器时，需要在100K温度范围内将漂移降低到+/-20ppm以下， 或者甚至+/-IOppm以下。谐振频率的温度相关性的主要原因是，除了少数材料以外的所有材料都呈现出弹性模量的负温度系数。这导致在较高频率下弹簧常数减小，因此导致频率降低。已经提出了多种解决方案来校正温度相关性。主动温度补偿技术涉及通过将谐振器放置在温度控制反馈回路中来使谐振器保持在恒定温度下。在这种情况下，测量谐振器上或谐振器附近的温度。然后通过将谐振器加热到预先设置的温度来使该温度稳定。这种方法受限于用于确定所需校正因子的温度测量的精度。被动温度补偿技术涉及将谐振器设计为减小频率对温度的相关性。一种方法是将单晶硅与非晶SiO2相组合，这是因为SW2的杨氏模量呈现与硅的温度相关性相反的温度相关性。更一般地，该方法涉及沉积/生长具有弹性模量的正温度系数的层，以减小所产生的误差，但是这些方法对于沉积层的厚度的小变化敏感。因此，需要一种简单且可容易检测的技术，消除对所有非局部工艺变化 (non-local process variation)的敏感性，并且以非常高的精度来确定由于温度变化而引起的校正因子。US 2007/0M7245公开了一种采用多个微机电谐振结构的振荡器系统。在一个实施例中，该振荡器系统被配置为在预定的工作温度范围上提供具有实质上稳定频率的输出信号。
发明内容
根据本发明，提供了一种如权利要求1所述的晶体半导体谐振器器件。本发明基于以下认识(对于频率的任何变化是由于非局部工艺波动而引起的情况)两个谐振器的谐振频率的比值与谐振频率的相应温度系数密切相关，其中，这两个谐振器具有不同杨氏模量的不同材料的组成部分并且具有不同的振荡轴(例如，<100>对 <110 。因此，校准阶段期间的单个频率比较可以用于确定两个谐振器的谐振频率的温度相关性。此外，操作阶段期间的单个频率比较可以用于精确确定谐振器频率，从而提供与温度无关的频率基准。这使得无需温度测量来得到温度补偿。每个谐振器可以包括谐振器质量块部分和与所述谐振器质量块部分相连的拉长 (elongate)弹簧部分。可以通过弹簧部分来连接相对的谐振器质量块，以限定有时被称作狗骨(dogbone)配置的结构。第一谐振器弹簧元件可以与<100>晶体方向对准，第二谐振器弹簧元件可以与 <110>晶体方向对准。第一和第二谐振器并排，并由相同层形成。这意味着工艺变化尽可能小地影响频率的温度相关性。每个谐振器优选地包括半导体核心(core)和氧化物涂层。氧化物涂层影响频率的温度相关性，可以调整氧化物涂层的厚度，以使频率补偿的精度最优化。每个谐振器优选地包括硅核心和氧化硅涂层。本发明还提供了一种如权利要求11所述的操作晶体半导体谐振器的方法。
现在参照附图详细描述本发明的示例，在附图中图1示出了在绝缘体上硅晶片上形成谐振器的已知工艺；图2示出了不同氧化物厚度的谐振频率的线性温度系数和谐振频率；图3示出了操作期间由温度系数的不确定性(由于几何变化而引起)和温度测量误差而引起的谐振频率不确定性；图4示出了本发明的器件；图5示出了具有两个不同取向(orientation)的Si/Si02 MEMS谐振器的、频率对温度的相关性(frequency dependency upon temperature)；图6示出了针对器件的第一取向的、频率对氧化物厚度比值的仿真；图7绘制了针对器件的两个取向的频率平方比值对氧化物厚度比值。图8示出了校准期间由于不良温度稳定性而引起的对氧化物厚度比值的估计的误差；图9示出了基于具有温度误差的基于采样校准数据而引起的频率校准因子的误差(在校准温度以上+100°c)。图10示出了谐振器的谐振频率的温度相关性，所述谐振器具有不同的二氧化硅
层厚度；图11示出了针对一阶温度效应而校正的来自图10的数据，以便示出二阶效应；图12示出了在校准和操作期间，针对采用Ippm频率比值误差的谐振器的第一排列的校准因子误差；以及图13示出了校准和操作期间(校准温度以上+50°C )针对采用Ippm频率比值误差的谐振器的第二排列的校准因子误差。
具体实施例方式本发明提供了一种晶体半导体谐振器器件，包括相对于晶体半导体的晶体结构以不同方式对准的两个理想谐振器。这样，谐振器的悬挂弹簧(suspension spring)具有不同特性，这影响谐振频率。测量校准温度和操作温度下第一谐振器与第二谐振器之间的谐振频率比值。然后可以根据谐振器之一的温度相关性，来得到操作频率下所述谐振器之一 (或两个谐振器)的频率。由于杨氏模量的温度相关性，简单Si MEMS谐振器的谐振频率变化了 _300ppm/ K。如果已知谐振器弹簧的温度，则可以在控制电路中校正这种偏移(shift)。典型地，这种温度测量的精度限于大约5°C。这种误差源自于可集成在封装中的温度传感器的不精确性；以及弹簧(具体地，针对压阻读出)的功耗和将弹簧与温度传感器相连的大的热阻 (thermal resistance)0被动温度补偿技术涉及沉积/生长具有弹性模量的正温度系数的层(例如，诸如 SiO2之类的氧化物)，可以减小所产生的误差，但是对于沉积层厚度的小变化敏感。如图1所示，工艺开始于绝缘体上硅(SOI)晶片，包括如图IA所示的单晶硅基板 10、5102层12和硅层14。然后如图IB所示对顶部硅层进行图案化，接着如图IC所示对 SiO2层进行各向同性牺牲层蚀刻。在最后步骤期间，如图ID所示，在熔炉(furnace)中对独立的Si梁(beam)元件16进行氧化，以提供氧化的表面层18。在硅谐振器已从基板被释放(release)之后，通过这种氧化工艺用SW2层来覆盖 Si表面的暴露部分。为了具有理想的温度补偿，Si和S^2层的层厚度需要高度地匹配。图1以平面图示出了被称作狗骨的谐振器形状，水平线19示出了获得上述截面图的位置。更一般地，本发明涉及具有长度伸展弹簧部分(length extensional spring portion)的谐振器配置，使得弹簧常数由长度伸展(extension)/压缩(compression)来确定。针对各种补偿后的几何形状(改变弹簧的Si02/Si比值β )，估计频率误差。弹簧包括拉长杆。在垂直于杆长度来获得截面的情况下，氧化的量确定氧化物涂层的厚度。在截面中，存在中心硅区域和外围氧化物层。参数β被定义为当在该垂直截面中观看时，谐振器弹簧中的Si02/Si截面面积比。图2以曲线20的形式示出了从4个二氧化硅层厚度推导出的线性温度系数(以 ppm/κ为单位)，以及以曲线22的形式示出了从同样4个样本推导出的谐振频率变化(以 PPm为单位)。在图2中可以看出，谐振频率的温度系数可以随着氧化的增加而减小(即，氧化厚度越大，谐振频率的温度系数越小)。与纯Si谐振器(beta = 0)相比，频率误差减小，但是该减小不会多于以2为因子的减小。图3示出了操作期间由温度测量误差而引起的频率误差。图3还示出了 β变化的效应。假定最大β变化为6%，并且温度测量误差为5°C。图3示出了已知的频率误差降低给出了 20-1500ppm的误差。频率校正因子的不确定性有两个主要来源弹簧的(i)操作温度和(ii)温度系数 (由beta值的不确定性来确定)。对于beta = 0，不存在温度系数的不确定性，这是因为纯硅的材料特性是已知的。对于beta 0. 5，温度对频率校正因子的影响最小，这是因为在这里频率仅略微取决于温度。对不确定性的这两种贡献如图3中的虚线所示。因此，存在beta的最优值，该最优值可以由(i)温度测量的不确定性以及(ii) beta的不确定性来确定。在beta的不确定性与beta的总体变化相对应的情况下，该最优值由实线30中最小值来指示。如果使用单个校准温度，则这种假定为真。如果校准是在两个温度下执行的，则可以直接测量温度系数，从而beta值的不确定性变得更小。图3中的总误差(曲线30)适用于一个温度下的频率校准。通过消除beta比值的不确定性，上述多温度频率校准方法可以进一步将频率误差降低至"Tmeas”极限(对于beta 0. 5，是 20ppm)，但是由于校准时间长，这种方法从成本的观点来看是不令人期望的。具有谐振频率的不同温度系数的两个谐振器的组合提供了一种精确措施来确定温度，然而，实现不同温度系数需要弹簧中的不同材料成分或者非常不同的振荡模式。实现弹簧中的不同材料成分使得工艺变得非常复杂，并且会使温度测量精度大打折扣，这是因为两个谐振器的热阻将会不同。在文献Koskenvuori等人的^Temperature measurement andcompensation based on two vibrating modes, MEMS 2008 Conference,2008 年 1 月 13-17日中已经说明了引入两种非常不同的振荡模式。这种方法对器件设计、性能和操作条件有严格的限制。本发明的实施例通过将部分氧化(partial oxidation)与不同的Si谐振器晶体取向相结合，实现了谐振频率的不同温度系数。图4中示出了这一点。图4示出了两个谐振器40、42，这两个谐振器的不同之处在于一个谐振器40具有沿着<100>方向取向的弹簧44，而另一个谐振器42具有沿着<110>方向的弹簧46。两个谐振器足够接近，以至于在这两个谐振器之间，影响谐振频率的工艺变化(例如，蚀刻、氧化物厚度、SOI厚度)极大地相关。这种局部相关对于光刻和蚀刻变化已经得到证实，并且对于氧化物厚度和SOI厚度变化也是成立的。图5示出了具有两个不同取向的Si/Sih MEMS谐振器的频率对温度相关性。关键要求在于，对于两个谐振器取向，频率随着温度以不同方式发展变化(evolve)，使得频率之间的比值随着温度而改变。如从下述讨论中显然可知，可以针对具有氧化物涂层和不同取向的谐振器，来实现这种频率函数变化(variation in frequency function)。谐振频率f随着弹簧常数k和质量m而如下改变
权利要求
1.一种晶体半导体谐振器器件，包括基板，包括晶体半导体层(14)；第一谐振器(40)，形成在晶体半导体层(14)中，并且具有拉长弹簧元件(44)，第一谐振器GO)的拉长弹簧元件04)包括晶体半导体层的第一部分，用于支撑第一谐振器的半导体谐振器质量块；第二谐振器(42)，形成在晶体半导体层(14)中，并且具有拉长弹簧元件(46)，第二谐振器0 的拉长弹簧元件G6)包括晶体半导体层的第二部分，用于支撑第二谐振器的谐振器质量块，其中，拉长弹簧元件(44、46)相对于晶体半导体的晶体结构而对准，使得杨氏模量不同，其特征在于，第一谐振器和第二谐振器的拉长弹簧元件(44、46)分别都包括由杨氏模量温度相关性与晶体半导体材料的杨氏模量温度相关性不同的材料组成的部分；以及所述器件还包括测量装置，用于测量在校准温度和操作温度下第一谐振器与第二谐振器之间的谐振频率比值，以及考虑到谐振器中一个的温度相关性，从所述谐振频率比值得到操作温度下谐振器中所述一个的频率。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，每个谐振器包括谐振器质量块部分；以及连接至所述谐振器质量块部分的拉长弹簧部分。
3.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，第一谐振器弹簧元件G4)与<100> 晶体方向对准，第二谐振器弹簧元件G6)与<110>晶体方向对准。
4.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，第一和第二谐振器并排，并且由相同层来形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述杨氏模量温度相关性与晶体半导体材料的杨氏模量温度相关性不同的材料，具有与晶体半导体材料的温度相关性相反的温度相关性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，每个谐振器包括半导体核心和氧化物涂层。
7.根据权利要求6所述的器件，其中，每个谐振器包括硅核心和氧化硅涂层。
8.根据权利要求7所述的器件，其中，每个谐振器具有比值β，比值β被定义为在垂直于拉长弹簧轴观看时谐振器弹簧中氧化硅与硅的截面面积比；并且两个谐振器的比值 β相同。
9.根据权利要求8所述的器件，其中，比值β被选择为如下值对于该值，从校准温度到操作温度，谐振频率的所需温度校正最小。
10.根据权利要求9所述的器件，其中，比值β在0.45与0.60之间，或者在0.63与 0. 78之间。
11.一种操作晶体半导体谐振器的方法，其特征在于，所述方法包括测量在校准温度(Ttl)下第一谐振器与第二谐振器(40、4幻之间的谐振频率比值，每个谐振器包括拉长弹簧元件04、46)，拉长弹簧元件(44、46)相对于晶体半导体的晶体结构以不同方式对准，使得杨氏模量不同，第一谐振器和第二谐振器的拉长弹簧元件分别都包括由杨氏模量温度相关性与晶体半导体的杨氏模量温度相关性不同的材料组成的部分；测量在操作温度下第一谐振器与第二谐振器之间的谐振频率比值；以及考虑到谐振器中一个的温度相关性，从频率比值得到操作温度下谐振器中所述一个的频率。
12.根据权利要求11所述方法，包括得到校正因子，所述校正因子用于从在校准温度下的谐振频率得到在操作温度下的谐振频率。
13.根据权利要求11或12所述的方法，包括测量针对至少两个校准温度的谐振频率比值。
全文摘要
本发明提供了一种MEMS谐振器器件，包括两个匹配的谐振器，这两个匹配的谐振器相对于晶体半导体的晶体结构以不同方式对准。每个谐振器包括由杨氏模量温度相关性与晶体半导体材料的杨氏模量温度相关性不同的材料组成的部分。这样，谐振器的悬挂弹簧具有不同的特性，所述不同的特性影响谐振频率。测量校准温度和操作温度下第一谐振器与第二谐振器之间的谐振频率比值。然后根据谐振器之一的温度相关性，得到操作频率下谐振器之一(或两个谐振器)的频率。
文档编号H03H3/00GK102299696SQ201110153799
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月9日 优先权日2010年6月10日
发明者罗伯特·詹姆斯·帕斯科·兰德 申请人:Nxp股份有限公司