具体实施方式

图1是由1表示的电容型MEMS谐振器的结构模型的示意图。

MEMS谐振器1包括质量块2，具有主纵向延伸的臂(或梁)3与质量块2耦合，臂3以悬臂方式从相同质量块2以悬置方式延伸。

MEMS谐振器1还包括在臂的相对侧上面向并平行于臂3布置的第一电极4和第二电极5。

在操作期间，在第一电极4(用作驱动电极)和臂3之间施加适当的偏置电压导致同一臂3以机械谐振频率的谐振移动。

随后靠近或远离第二电极5(用作感测电极)的移动引起电容耦合的变化，这使得能够通过与MEMS谐振器1相关联的电子电路(本文中未图示)以谐振频率生成相关联的电信号。

本申请人已发现，先前描述的电容型MEMS谐振器1受到一些问题的影响，这些问题不能充分利用其优点。

在一些实施例中，电极4、5与臂3之间的距离(或间隙，在图1中由g表示)被证明对于设备的电性能是关键的；实际上，期望例如约几百纳米的非常小的间隙来具有低功耗。因此，在上述间隙的一些实施例中，所使用的制造过程应当能够精确地控制尺寸。

此外，设备1使用非线性类型的致动设备，并且因此使用专用电子电路，因此设备1不能直接替代基于压电效应操作的传统石英谐振器。

压电类型的MEMS谐振器设备(例如，基于压电效应而操作的设备)可以克服一些上述问题。在这样的解决方案中，通过向与相同移动元件耦合的压电材料区域施加适当的电偏置来驱动移动元件谐振。压电解决方案与电容性解决方案相比可能是有利的，因为与传统的石英解决方案类似，基于压电效应，它们可以与现有的电子电路相关联(因此可以直接替换传统的石英谐振器)。

参考图2A，现在描述根据本公开的一个方面的用于制造压电MEMS谐振器设备的过程的一个实施例。

制造过程设想提供具有前表面10a和后表面10b的SOI晶片10，前表面10a和后表面10b在由第一水平轴x和第二水平轴y限定的水平面xy中延伸并且沿竖直轴z彼此相对，并且SOI晶片10包括结构衬底11，结构衬底11限定上述前表面10a并且由被掺杂来导电的单晶硅制成。如将在本文中详细描述的，在该结构衬底11中，提供压电谐振器结构的底部电极；限定上述后表面10b的支撑衬底12；以及在上述结构衬底11和支撑衬底12之间内插的电介质层13(例如，氧化硅)。

如图2A所示，首先从前表面10a对结构衬底11进行化学蚀刻(使用适当的光刻掩模，本文中未图示)，以挖出延伸穿过相同结构层11的整个厚度的沟槽，直到到达电介质层13，并且在一些实施例中：限定沟槽14被配置为限定上述结构衬底11的谐振器部分11a的布置、几何形状和尺寸，如将在本文中突出显示的，谐振器部分11a构成压电谐振器结构的移动元件；并且此外，绝缘沟槽15例如沿第一水平轴x在横向上与限定沟槽14间隔一定距离来布置，并且被配置为在它们之间限定相同结构层11的彼此绝缘的第一底部互连部分11b和第二底部互连部分11c，如将在下文中突出显示的，这将有助于限定朝向压电谐振器结构的底部电极和顶部电极的电互连元件。

如图2B所示，然后从前表面10a对SOI晶片10进行热氧化过程，这导致形成表面电介质层16，在氧化硅的一些实施例中，表面电介质层16在相同的前表面10a之上延伸，并且在预先借助结构衬底11限定的沟槽内，填充上述限定沟槽14和绝缘沟槽15(并因此在结构衬底11的上述第一底部互连部分11b和第二底部互连部分11c之间提供电绝缘)。

然后对表面电介质层16进行化学蚀刻(使用适当的光刻掩模，在本文中未图示)，以限定牺牲部分16a和绝缘部分16b，牺牲部分16a被设置在位于结构衬底11的谐振器部分11a之上的面积中(并在水平面xy中具有比谐振器部分11a的侧向延伸大的侧向延伸)；在与结构衬底11的上述第一底部互连部分11b和第二底部互连部分11c竖直对应的位置中，绝缘部分16b相对于牺牲部分16a横向布置(沿上述第一水平轴x)并在它们之间限定开口17。

如图2C所示，然后从前表面10a执行外延生长的过程，随后进行平坦化来形成外延硅层18，外延硅层18被布置在前表面10a之上并为上述表面电介质层16提供涂层，在一些实施例中，外延硅层18还填充上述开口17。

如图2C中所示，第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b然后在外延硅层18上形成，处于与结构衬底11的第一底部互连部分11b和第二底部互连部分11c分别竖直地对应的位置中。如将在下文中突出显示的，第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b被配置为使得能够分别朝向压电谐振器结构的顶部电极和底部电极进行电接触。上述第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b可以通过沉积和蚀刻导电材料(例如，金属材料)的层来形成。

然后从不与结构衬底11接触的对应顶部表面18a对外延硅层18进行蚀刻，以相对于上述第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b横向形成绝缘开口20，绝缘开口20在其之间限定了外延硅层18的第一顶部互连部分21a和第二顶部互连部分21b，从而构成分别沿结构衬底11的第一底部互连部分11b和第二底部互连部分11c的竖直轴z的延长部。第一顶部互连部分21a和第二顶部互连部分21b与延伸部共同形成压电谐振器结构的互连元件。因此，上述绝缘开口20在外延硅层18的上述第一顶部互连部分21a和第二顶部互连部分21b之间提供电绝缘。

如图2D所示，SOI晶片10然后通过临时或永久键合而被耦合到所谓的处理晶片24，处理晶片24例如也由诸如硅的半导体材料制成。在一些实施例中，适当电介质(例如，非导电的键合材料，例如，诸如玻璃焊料的玻璃键合材料)的粘合层25被插入在SOI晶片10的前表面(现在由上述外延硅层18的顶部表面18a限定)和处理晶片24的面对的键合表面24a之间。该粘合层25在示例中还填充上述绝缘开口20并涂覆上述第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b。应注意，备选地或附加地，粘合层25例如可以使用诸如丝网印刷的技术、以局部的方式仅在顶部表面18a的某些面积中形成；在这种情况下，绝缘开口20可以不被相同的粘合层25填充。

如同一图2D所示，然后例如通过所谓的倒装芯片操作来将由SOI晶片10和处理晶片25形成的堆叠翻转，使得SOI晶片10的后表面10b由对应的支撑衬底12朝上限定，并因此可用于随后的制造步骤。

如图2E所示，SOI晶片10的支撑衬底12然后通过例如所谓的研磨操作移除表面材料而被完全移除。此外，除了其剩余部分13a之外，移除相同SOI晶片10的电介质层13的主要部分，剩余部分13a相对于第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b竖直布置并且相对于第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b处于横向偏移的位置处。换言之，电介质层13的剩余部分13a在其之间、在与上述接触焊盘19a、19b竖直对应的位置中限定了结构衬底11的第一底部互连部分11b和第二底部互连部分11c以及外延硅层18的第一顶部互连部分21a和第二顶部互连部分21b。

如同一图2E所示，压电材料(例如，氮化铝(AlN))层然后在结构衬底11(被暴露且可访问)的表面之上(沿竖直轴z与外延硅层18相对)沉积；该压电材料层通过光刻蚀刻来适当地限定，以在结构衬底11的谐振器部分11a之方直接形成压电材料28的区域。

然后在压电材料28的所述区域上沉积并限定导电材料层(在一些实施例中为诸如钼的金属材料)，以形成将成为压电谐振器结构的顶部电极区域30。

在所示的实施例中，上述压电材料层的限定还导致在电介质层13的剩余部分13a之上形成相对于压电材料28的上述区域横向布置的另一压电区域31。在一些实施例中，该另一压电区域31填充了与第二接触焊盘19b竖直对应的位置中布置的第二开口26b，而留下与被暴露且可访问的第一接触焊盘19a竖直对应的位置中布置的第一开口26a。

此外，对上述导电材料层的限定还导致形成导电路径32，导电路径32在上述另一压电区域31上延伸并且在一些实施例中延伸到上述第一开口26a中，从而与将成为压电谐振器结构(由结构衬底11的第一底部互连部分11b和外延硅层18的第一顶部互连部分21a共同形成)的下层互连元件直接接触、与上述第一接触焊盘19a电接触。

此外，以未在图2E的截面图中示出的方式，导电路径32被设置为与顶部电极区域30电接触。

如图2F所示，晶片10然后被蚀刻(例如，湿法蚀刻或使用氢氟酸HF进行气相蚀刻)，以完全移除限定沟槽14中包含的电介质材料和表面电介质层16的牺牲沟槽16a中的电介质材料(导致在外延层18中形成内部腔39)，从而释放上述结构衬底11的谐振器部分11a，从而形成压电谐振器结构的移动元件(此处由40表示)。

注意，上述蚀刻过程并未导致移除剩余的电介质区域，剩余的电介质区域实际上不能从被处理的顶部表面(例如，结构衬底11与外延硅层18相对的表面)进行访问。

如图2G所示，然后在支撑层11(在与上述外延硅层18相对的一侧)上，通过插入适当材料的键合元件43(在一些实施例中，材料是电介质材料，例如诸如玻璃焊料的玻璃材料)，将例如由半导体材料(在一些实施例中为硅)制成的盖晶片42耦合至SOI晶片10。这些键合元件43相对于先前描述的结构(在一些实施例中，相对于移动元件40和另一压电区域31)横向地布置，并且限定了SOI晶片10和盖晶片42之间的间隔距离。

盖晶片42本身在与移动元件40竖直对应的位置中具有壳体腔44。

在一些实施例中，可以通过例如在壳体腔44内(例如，在面向移动元件40的对应壁上)形成(例如，沉积)消气剂区域45而在上述壳体腔44内限定适当的真空水平。

盖晶片42的顶部表面(与面向SOI晶片10的表面42a相对)可以通过移除材料和/或化学蚀刻而减薄，以例如沿竖直轴z获得期望的厚度。

如图2H所示，由SOI晶片10、处理晶片25和盖晶片42形成的堆叠然后例如通过倒装芯片操作被翻转，使得处理晶片24朝上并且可用于后续的制造步骤。

在一些实施例中，上述后续制造步骤设想了完全移除处理晶片24并且此外还移除了粘合层25的全部或部分；例如，如上述图2H所示的示例，粘合层25的一部分可以保留在绝缘开口20内和/或外延硅层18的外表面的一部分之上，以具有保护和涂覆功能(但是不覆盖接触焊盘19a、19b)。

制造过程然后以对SOI晶片10(和盖晶片42)进行切割而结束，以限定如图2I所示、整体被标记为50的最终谐振器设备(请注意，在图2I中，假定在先前的制造步骤中已完全移除了上述粘合层25)。

谐振器设备50因此包括主体52(通过对上述SOI晶片10进行切割而得到)，主体具有沿竖直轴z彼此相对的第一表面52a和第二表面52b，并且由以下项构成：由掺杂的单晶硅制成的结构衬底11，其限定了上述第一表面52a；以及在结构衬底11上生长的外延硅层18，其限定了上述主体52的第二表面52b。

谐振器设备50还包括由上述盖晶片42的切割而产生的盖54，盖54具有相应第一表面54a和相应第二表面54b，相应第一表面54a和相应第二表面54b沿竖直轴z彼此相对并且借助键合元件43被键合到主体52的第一表面52a。

谐振器设备50因此具有所谓的晶片级类型的封装，其中主体52的上述第二表面52b和盖54的上述第二表面54b构成与外部环境接触的外表面(以未图示的方式，例如环氧树脂的涂层可以形成在主体52的第二表面52b上；备选地，在制造过程期间仅部分移除粘合层的情况下，在相同的第二表面52b上可以存在粘合层25的一部分)。

在一些实施例中，谐振器设备50在内部和整体上限定了压电谐振器结构60，压电谐振器结构60包括：由结构衬底11的谐振器部分11a形成的移动元件40，移动元件40被适当地耦合(以本文中未图示的方式)至上述结构衬底11，从而以悬臂的方式悬置，面向外延层18中形成的内部腔39以及在相对侧上形成在盖54中的壳体腔44；以及在主体52的第一表面52a上的同一移动元件40上布置的压电材料28区域；以及在压电材料28的区域上布置的顶部电极30(以形成所谓的压电堆叠)。

压电谐振器结构60还包括与移动元件40(单晶硅)具有相同材料的底部电极，并且还包括第一互连元件62a和第二互连元件62b，第一互连元件62a和第二互连元件62b将上述顶部电极和底部电极电连接至第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b，第一接触焊盘19a和第二接触焊盘19b被布置在主体52的第二表面52b上(以这种方式可从外部访问)。

如上所述，这些互连元件62a、62b彼此电绝缘(由于在粘合层25未被完全移除或者以局部的方式形成并且不在绝缘开口20内的情况下，存在填充有电介质材料的绝缘沟槽15和可能填充有粘合层25的材料的绝缘开口20)，并且通过外延硅层18的第一顶部互连部分21a和第二顶部互连部分21b以及结构衬底11的第一底部互连部分11b和第二底部互连部分11c的叠置而分别形成。

在一些实施例中，上述第一接触焊盘19a借助主体52的第一表面52a上形成的导电路径32，实现朝向顶部电极30的电连接(用于压电谐振器结构60的偏置以及检测由于在谐振频率处的对应移动而生成的适当振荡频率下的电信号)；并且上述第二接触焊盘19b实现到底部电极(如上所述，由相同的移动元件40构成)的电连接(再次用于压电谐振器结构60的偏置以及检测振荡频率下的对应电信号)。

从前面的描述中可以清楚地看出本解决方案的优点。

在一些实施例中，需要强调，由于所使用的材料(掺杂的单晶硅)的温度稳定性，谐振器设备50具有温度与对应振荡频率的低相关性。

附加地，由于使用晶片级封装并且由于减小了盖54的厚度(经由将盖晶片42减薄的操作，这利用了暂时存在的处理晶片24)，谐振器设备50具有小的尺寸，并且在一些实施例中，沿竖直轴z的堆叠的厚度较小。

再次有利的是，再次为了减小尺寸，接触焊盘19a、19b被布置在外延层18的外表面上，外延层18与互连元件62a、62b直接生长在结构衬底11上，互连元件62a、62b将接触焊盘19a、19b连接到压电谐振器结构60的顶部电极和底部电极，从而遍历相同结构衬底11和外延硅层18的整个厚度。

在一些实施例中，通过玻璃焊料键合将盖54键合到主体52，使得能够获得压电谐振器结构60的气密封装(具有可以通过消气剂区域45内部获得的期望真空水平)。

通过压电材料28的区域和顶部电极区域30的堆叠而获得的压电堆叠的形成有利地使得能够通过精确限定所形成的材料区域的尺寸、所谓的修整操作来调节和校准压电谐振器结构60例如在频率偏移方面的电性质，所谓的修整操作可以备选地或附加地涉及构成压电谐振器结构的移动元件40的谐振器部分11a。

此外需要强调，与需要复杂且昂贵的制造步骤的已知解决方案不同，例如从C-SOI衬底开始，本公开允许通过例如使用标准半导体技术来蚀刻相同外延层先前生长的牺牲材料，而获得内部腔39，移动元件40相对于内部腔39以悬臂方式被悬置在外延材料层内，从而具有低复杂度和成本。

谐振器设备50可以有利地替换例如RTC应用的预先存在的振荡器电路中的传统谐振石英结构，在一些实施例中，可以构成直接替换，直接替换例如使用预先存在的石英谐振器的相同引脚和触点，实际上采用相同的压电原理并且因此与相关联的电子电路完全兼容。

在该方面，图3示意性地图示了电子设备70，电子设备70包括：应用电路71，被配置为执行需要通过时钟信号clk进行定时的一个或多个应用；以及时钟电路72，被配置为将时钟信号clk提供给应用电路71。

时钟电路72包括前述的MEMS谐振器设备50和相关联的电子读取电路73。

最后，很明显，在不脱离本公开范围的情况下，可以对本文中已描述和图示的内容进行修改和变化。

在一些实施例中，需要强调，相对于先前已图示的，针对压电谐振器结构60的移动元件40的结构衬底11的几何形状、尺寸和耦合可以变化。

此外，需要强调，除了先前已被特别参考的实时时钟应用之外，谐振器设备50可以有利地用于广泛的其他应用中，例如，用于参考高频振荡器中(例如，用于为电子电路中的解调操作提供适当的频率参考)。

上述各种实施例可以被组合来提供其他实施例。实施例的各方面根据需要而采用各种专利、申请和出版物的概念来进行修改，以提供进一步的实施例。可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在所附权利要求书中，所使用的术语不应被解释为将权利要求书限制为说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而是应解释为包括这样的权利要求所要求保护的所有可能的实施例以及等同物的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。